Bryan Berger wordt geconfronteerd met een van de grootste milieu-uitdagingen van de moderne tijd:lucht, bodem- en waterverontreiniging veroorzaakt door een groep giftige chemicaliën waarvan het wijdverbreide gebruik en de gevolgen voor de menselijke gezondheid nu pas wereldwijd aan het licht komen.

In zijn laboratorium aan de University of Virginia School of Engineering, Berger, een universitair hoofddocent chemische technologie, en zijn onderzoeksteam ontwikkelen nieuwe manieren om de planeet te ontdoen van perfluoralkyl- en polyfluoralkylstoffen, of PFAS, die worden gebruikt in een groot aantal consumentenproducten, maar die verband houden met ernstige gezondheidsproblemen. Bergers groep onderzoekt een zeer onwaarschijnlijke bron, Cannabis sativa, of industriële hennep, een vezelig werkpaard dat bekend staat om zijn vele nuttige toepassingen, waaronder in textiel, antimicrobiële middelen en gezonde voeding.

Berger gelooft dat industriële hennep ook de groenste manier kan zijn om een ​​probleem aan te pakken dat al tientallen jaren groeit.

Oprichting van PFAS

In de jaren veertig, chemische ingenieurs combineerden een lange reeks koolstofatomen samen met fluor om een ​​supersubstantie te creëren met een chemische binding die een van de sterkste is die tegenwoordig in de organische chemie bekend is, vrijwel ongevoelig voor natuurlijke degradatie. Wetenschappers moeten nog een halfwaardetijd bepalen; als het eenmaal in de omgeving is, het blijft daar.

De chemische structuur is zo hecht verbonden, het stoot gemakkelijk andere stoffen af, een perfecte oplossing als je eieren nodig hebt om uit pannen met antiaanbaklaag te schuiven, regen om jassen of stoffen op te plakken om vlekken te weerstaan. Het leger gebruikte de chemicaliën ook om branden met een hoog octaangehalte op bases over de hele wereld te onderdrukken.

De commerciële toepassingen van de chemicaliën leidden tot meer dan 4, 730 varianten, en grootschalige productie en distributie vinden al meer dan 60 jaar plaats.

Geïdentificeerde problemen

In recente jaren, talrijke gezondheidsstudies door de National Institutes of Health, de Environmental Protection Agency en andere organisaties hebben vastgesteld dat perfluoralkyl- en polyfluoralkylchemicaliën giftig zijn, met links naar verschillende kankers, schildklier- en leveraandoeningen, neurologische aandoeningen en reproductieve gezondheidsproblemen.

In de tussentijd, de chemicaliën zijn in de watervoorziening gesijpeld, voedsel en de lichamen van mensen, waar is bewezen dat ze zich snel ophopen. Dit bracht de Environmental Protection Agency ertoe om een ​​levenslang gezondheidsadvies uit te geven dat mensen slechts 70 delen per biljoen van twee van de meest voorkomende varianten zouden mogen innemen - ongeveer het equivalent van één druppel in een zwembad ter grootte van een voetbalveld als het 40 voet diep was .

Mogelijke oplossingen

"Het bestuderen van oplossingen voor PFAS-besmetting is belangrijk voor ons laboratorium als voorbeeld van waar we een uniek, biologische oplossing om een ​​belangrijk probleem aan te pakken dat van invloed is op de menselijke gezondheid en het milieu, " zei Berger, die uitgebreid henneponderzoek naar UVA brengt en andere toepassingen voor de plant ontwerpt. "Het is ook een geweldige kans voor ons om samen te werken met andere faculteiten in verschillende disciplines om de vele uitdagingen die met dit werk gepaard gaan aan te pakken."

Vroege experimenten met hennep om PFAS-toxines uit de bodem te halen, waren bemoedigend. Zijn teamleden binden PFAS ook aan eiwitten die vervolgens met enzymen kunnen worden afgebroken. Zijn lab kijkt proactief naar beide wegen, de ene is beter in het verwijderen van de chemicaliën uit het water en de andere uit de grond.

"Hennep is een fantastisch fytoremediatiegewas, dus het is in staat om dingen zoals zware metalen en andere soorten stoffen uit bodem en grondwater te verwijderen, " zei Berger, wiens werk voordat hij in 2018 bij UVA Engineering kwam, gedeeltelijk gericht was op het gebruik van het natuurlijke vermogen van hennep om verontreinigingen door zijn vezelsysteem op te zuigen om de grond buiten kolenmijnen in Pennsylvania te reinigen.

"We hebben de laatste tijd een aantal zeer interessante resultaten behaald waarbij we hebben gekeken naar het vermogen van hennep om PFAS vast te leggen en te verwijderen uit water- en bodemmonsters, " zei hij. "Het zou een manier kunnen zijn om grote hoeveelheden land waar mogelijk besmet is te saneren door iets van waarde te laten groeien op land dat anders geen waarde heeft."

In een heldere, lab op de tweede verdieping in Wilsdorf Hall, doctoraat student Madison Mann verwijdert voorzichtig een flesje geconcentreerd perfluoroctaanzuur, een van de meest voorkomende PFAS-varianten, van achter een zuurkast. Ze doet experimenten op zoek naar eiwitten die binden met PFAS-chemicaliën.

"Ik probeer een milieuvriendelijke en economische manier te vinden om PFAS af te sluiten, en dan eigenlijk degraderen, " ze zei.

Mann voltooide onlangs ook een experiment waarin ze hennepplanten hydroponisch kweekte in PFAS om te zien of ze zelfs wortel zouden schieten in de giftige stof, wat ze heel goed deden. De volgende stap in haar onderzoek is het catalogiseren van de hoeveelheid PFAS, indien van toepassing, wordt opgenomen door de vezelige planten. Ervan uitgaande dat de planten op dezelfde manier werken als andere zware metalen, de onderzoeksgroep denkt al na over manieren om de chemicaliën te scheiden van de rest van de plant.

"Als je de PFAS kunt afbreken tot alleen koolstofdioxide en fluor, op de een of andere manier veilig van het fluorgas afkomen natuurlijk, dan heb je een bruikbaar product voor een andere industrie terwijl je de giftige stof uit het milieu haalt, " ze zei.

Hoewel het werk zich nog in de ontwikkelingsfase bevindt, de groep ziet belofte in beide benaderingen voor het elimineren van de toxines, hoewel er meer onderzoek nodig is.

"Het is fijn om een ​​doel te hebben waar je in gelooft en een verschil probeert te maken, ' zei Mann.

Gezien de toxische aard van PFAS en de prevalentie ervan, Berger gelooft dat hun onderzoek een grote impact kan hebben op de gezondheid van zowel dieren als het milieu.

"Ik hoop dat dit werk een groter bewustzijn zal brengen van de belangrijke milieu- en gezondheidseffecten die PFAS en andere verontreinigingen hebben op ons dagelijks leven, "Berger zei, "en illustreren het nut van het ontwikkelen van biologische hulpmiddelen om deze problemen op een milieuvriendelijke, duurzame manier. We hebben al enkele veelbelovende resultaten die erop wijzen dat onze benaderingen effectief zullen zijn en, belangrijk, kan worden geïmplementeerd op de schaal en tegen de kosten die nodig zijn om deze uitdaging in de praktijk in Virginia en daarbuiten aan te pakken."