Chemici van de Michigan State University ontdekken nieuwe informatie om "voor altijd chemicaliën" te helpen saneren door voor het eerst te laten zien hoe ze op moleculair niveau omgaan met bodem.

De onderzoekers, Narasimhan Loganathan en Angela K. Wilson van het College of Natural Science, publiceerden hun bevindingen online in het tijdschrift Environmental Science &Technology .

"Voor altijd chemicaliën" - meer formeel bekend als PFAS of perfluoralkyl- en polyfluoralkylstoffen - verdienden het label omdat ze niet op natuurlijke wijze afbreken. Wanneer PFAS bodem en water vervuilen, kunnen ze het voedselsysteem binnendringen via planten, vee en drinkwater.

Een rapport van de Centers for Disease Control and Prevention uit 2015 schatte dat PFAS in het bloed van 97% van de Amerikanen zit. Andere, recentere onderzoeken hebben dat aantal dichter bij 99% gebracht.

Wat PFAS zo alomtegenwoordig maakt, is een combinatie van persistentie en bruikbaarheid. Meer dan 9.000 chemicaliën kwalificeren als PFAS en worden aangetroffen in een breed scala aan toepassingen, waaronder voedselverpakkingen, kookgerei met antiaanbaklaag, blusschuim en nog veel meer. Hoewel tijd en natuur bepaalde componenten van deze producten kunnen afbreken - en van het afval dat wordt gegenereerd bij de productie ervan - blijft de PFAS hangen en hoopt zich op in het milieu.

Het verwijderen van PFAS uit bodem en water is dus belangrijk om de blootstelling aan deze chemicaliën en de schade die ze kunnen veroorzaken te verminderen, waaronder schildklieraandoeningen en een verhoogd risico op sommige vormen van kanker.

"Als je naar mitigatiestrategieën gaat kijken, zie je veel over het verwijderen van PFAS uit water, maar er is heel weinig over PFAS in de bodem", zegt Loganathan, een senior onderzoeksmedewerker bij de afdeling Chemie van MSU.

"En sommige van de onderzoeken zijn 'molecuulblind'", zegt Wilson, John A. Hannah Distinguished Professor in de chemie en een wetenschapper bij het MSU Center for PFAS Research. "Dat wil zeggen, ze letten niet op de chemie."

Wilson en Loganathan besloten daar verandering in te brengen door de eerste simulaties op moleculair niveau uit te voeren van interacties tussen PFAS met een bodemcomponent, kaoliniet.

Voor het onderzoek richtte het duo zich op enkele van de meest voorkomende en problematische PFAS-chemicaliën. Ze kozen voor kaoliniet aan de bodemkant omdat het een veel voorkomend bodemmineraal is, vooral in Michigan.

PFAS zijn overal een punt van zorg, maar vormen een unieke uitdaging in Michigan. Michigan heeft een overvloed aan PFAS, met meer dan 200 bekende met PFAS besmette locaties. Bovendien zijn landbouw en de Grote Meren fundamenteel voor de identiteit van de staat. Het beschermen van land en water in Michigan is een gezamenlijk doel van veel gemeenschappen, wetgevers en bedrijven in de staat.

"Zelfs vóór dit werk gingen we naar grote bijeenkomsten en spraken we over PFAS met mensen uit verschillende gemeenten, boerderijen, afvalwaterzuiveringsinstallaties en meer," zei Wilson. "Veel mensen zoeken naar oplossingen."

De studie werd geïnspireerd door een ingenieursbureau uit Michigan dat Wilson vroeg hoe PFAS zich in de bodem zou kunnen verspreiden en hoe de chemicaliën het beste kunnen worden gesaneerd. Ze had de antwoorden niet, maar ze wist dat Loganathan haar kon helpen om er een te vinden.

Ze rekruteerde hem om deel te nemen aan dit project, ondersteund door de National Science Foundation. Het duo had ook toegang tot computerbronnen die werden geleverd door het National Energy Research Scientific Computing Center en MSU's Institute for Cyber-Enabled Research, of iCER.

De resultaten van de simulaties gaven wel aanleiding tot optimisme ten aanzien van de sanering. Sommige van de PFAS die de onderzoekers bestudeerden, hadden bijvoorbeeld langere koolstofketens die dienden als ruggengraat die zich verzamelden op de kaoliniet.

"In het ideale geval is dit wat je zou willen. Je zou willen dat alle PFAS gewoon in een klomp zitten, zodat je het kunt pakken en eruit kunt filteren," zei Wilson. De keerzijde is dat de PFAS met kortere ketens minder snel klonteren en mobieler blijven in de bodem.

"De boodschap is dat niet alle PFAS zich hetzelfde gedragen," zei Wilson. "En niet alle bodems gedragen zich hetzelfde met betrekking tot PFAS."

"De componenten in de bodem spelen een grote rol", zei Loganathan. "De bodemsamenstelling rond een verontreinigde locatie zal van cruciaal belang zijn voor hoe ver PFAS de ondergrond bereikt, waar ze vervolgens het grondwater kunnen bereiken."

Hoewel het idee om de talloze combinaties van PFAS en bodemcomponenten te onderzoeken indrukwekkend is, hebben de onderzoekers aangetoond dat hun computationele benadering zeer geschikt is om de diversiteit aan problemen die inherent zijn aan PFAS-vervuiling aan te pakken.

"Het mooie van computationele chemie is dat je zoveel verschillende systemen kunt bestuderen", zegt Wilson, wiens onderzoeksteam ook de interacties van PFAS met eiwitten in het lichaam onderzoekt. Haar team bestudeert ook PFAS bij verschillende vissoorten met steun van Great Lakes Fisheries Trust en het Strategic Environmental Research and Development Program, respectievelijk staats- en federale organisaties die milieuprojecten financieren. Het doel, in de bodem- en biologieprojecten, is om interacties aan het licht te brengen die kunnen helpen meer mensen te beschermen tegen blootstelling aan PFAS.

"Dergelijke inzichten op moleculair niveau zullen ongelooflijk belangrijk zijn voor elke saneringsstrategie", zei Loganathan.