Neuer Ansatz zur Identifizierung der allgegenwärtigen, als PFAS bekannten, "ewigen" Chemikalien
Moderne Massenspektrometrie hilft, die Komplexität der PFAS-Chemie zu entschlüsseln
PFAS, eine Familie von Tausenden von durch den Menschen hergestellten Chemikalien, sind allgegenwärtig, und einige von ihnen sind bekanntermaßen schädlich für unseren Körper und die Umwelt. Noch erschreckender ist, wie wenig wir über diese allgegenwärtigen Schadstoffe wissen, die von Lebensmittelverpackungen über Reinigungsmittel bis hin zu Feuerlöschschaum enthalten sind.
Das 21-Tesla-Fourier-Transformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer (21T FT-ICR MS) im von der NSF finanzierten National High Magnetic Field Lab ist das leistungsstärkste und höchstauflösende Gerät seiner Art. Es nutzt elektrische und magnetische Felder, um einzelne Moleküle zu unterscheiden, und kann so genauer als jedes andere Instrument zwischen chemischen Verbindungen unterscheiden.
Provided/National High Magnetic Field Lab
Ein Forscherteam, dem auch Jens Blotevogel von der Colorado State University angehört, setzt eines der leistungsfähigsten chemischen Analyseinstrumente der Welt ein, um die Komplexität von PFAS zu entschlüsseln. Sie arbeiten daran, die Tausenden von chemischen Verbindungen der PFAS-Familie zu charakterisieren und zu katalogisieren, damit zukünftige Studien Lösungen für die Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt finden können.
"Wir versuchen nicht nur, die chemische Komplexität von PFAS zu entschlüsseln, sondern öffnen auch Türen für Forscher, die sich mit der Behandlung, dem Verbleib und dem Transport in der Umwelt sowie der Toxikologie befassen wollen", so Blotevogel, der als Assistenzprofessor im Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen tätig ist. "Dies gibt den Menschen die stärkstmögliche Lupe, um diese Prozesse zu entschlüsseln."
PFAS erfordern eine genauere Betrachtung, weil wir nicht einmal wissen, wie viele es gibt. Eine Studie von Blotevogel und seinen Mitarbeitern, die im Januar in der Fachzeitschrift Environmental Science and Technology veröffentlicht wurde, fand Hinweise darauf, dass es weit mehr als die bereits identifizierten mehreren Tausend PFAS geben könnte.
Eine starke Familie
PFAS steht für Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (per- and polyfluoroalkyl substances). Ihre charakteristische chemische Kohlenstoff-Fluor-Bindung gehört zu den stärksten in der Natur, was ihnen den Spitznamen "Ewige Chemikalien" einbrachte.
Sie bleiben in der Natur und in uns bestehen. Studien haben PFAS im Blut von Menschen und Tieren auf der ganzen Welt nachgewiesen.
"Der erste Schritt besteht darin, zu verstehen, welche Arten vorhanden sind, und dann kann man die Auswirkungen auf die Umwelt herausfinden und versuchen, sie zu beseitigen, aber dazu muss man die Chemie kennen", sagte Amy McKenna, Mitglied der CSU-Fakultät für Boden- und Pflanzenwissenschaften und analytische Umweltchemikerin am von der NSF finanzierten National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida.
Einzigartiges Instrument
McKenna ist mit dem besten Instrument für die Analyse komplexer Gemische bestens vertraut: dem 21-Tesla-Fourier-Transformations-Ionen-Zyklotron-Resonanz-Massenspektrometer (21T FT-ICR MS) im National High Magnetic Field Lab. Massenspektrometer sind weit entfernt von einer typischen Waage und nutzen elektrische und magnetische Felder, um einzelne Moleküle zu unterscheiden, die weniger als ein Billionstel einer Billionstel Unze wiegen.
Das fortschrittliche Massenspektrometer des MagLab ist das leistungsstärkste und höchstauflösende Gerät seiner Art. Es kann zwischen einzelnen chemischen Verbindungen genauer unterscheiden als jedes andere Instrument.
"Es ist leistungsfähig genug, um all diese verschiedenen PFAS-Moleküle zu erkennen, aber es ist auch leistungsfähig genug, um sie aus Umweltproben herauszufiltern, die viele tausend natürliche Verbindungen enthalten", sagte Robert Young, ein ehemaliger CSU-Absolvent und Direktor des Labors für chemische Analyse und Instrumentierung an der New Mexico State University.
Die für die jüngste Studie analysierten Proben stammten von PFAS-verseuchten Standorten und enthielten jeweils etwa 10.000 bis 30.000 Verbindungen - zahlreiche vom Menschen hergestellte Chemikalien vor einem Hintergrund aus natürlichem organischem Material. Das einzigartige Instrument des MagLab misst die Masse so genau, dass die Forscher die elementare Zusammensetzung vieler vorhandener Verbindungen bestimmen können.
Der Zugang zu einem solchen Spezialinstrument ist begrenzt, aber das Team katalogisiert seine Ergebnisse in einer Datenbank von PFAS-Verbindungen, damit andere ihre Ergebnisse nutzen können. Für das Strategic Environmental Research and Development Program des US-Verteidigungsministeriums haben sie eine PFAS-Bibliothek mit einem Bericht veröffentlicht, in dem ihre neue Analysemethode auf der Grundlage ihrer bisherigen Arbeit detailliert beschrieben wird.
"Wir wollen die Leistungsfähigkeit der Ionen-Zyklotron-Resonanz nutzen, um der wissenschaftlichen Gemeinschaft einen Dienst zu erweisen, indem wir einen Katalog von PFAS-Verbindungen erstellen, den sie als Werkzeug für die Entwicklung von Methoden nutzen können, die nicht auf das 21T FT-ICR MS angewiesen sind", so McKenna.
Licht in die dunkle Materie der Chemie bringen
Die meisten Umweltuntersuchungen suchen nur nach etwa 15 bis 30 bekannten PFAS-Verbindungen, sagte Blotevogel, aber es könnte noch andere potenziell gefährliche Verbindungen geben, die in der dunklen Materie" lauern, die wir nicht sehen.
"Was ist, wenn sich unter diesen Unbekannten ein schwarzer Schwan befindet", sagte er.
Das leistungsstarke Massenspektrometer des MagLab ermöglicht es ihnen, die unbekannten Verbindungen zu finden, ihre chemischen Formeln zu bestimmen und sie für künftige Forschungen zu speichern.
Die Forscher sind nicht nur an der Zusammensetzung von PFAS-Verbindungen interessiert, sondern auch daran, wie sich diese Verbindungen in der Umwelt verändern. Einige Verbindungen können von harmlos zu schädlich werden, wenn sie abgebaut oder mit anderen Verbindungen vermischt werden.
Nur wenn wir verstehen, was die Verbindungen sind und was aus ihnen wird, können wir herausfinden, ob sie gefährlich sind und wie wir sie beseitigen können. Zunächst müssen wir wissen, wonach wir suchen, und hier betreten Blotevogel, McKenna, Young und ihr Team Neuland.
"Das langfristige Ziel ist es, diese Dinge zu identifizieren, damit andere Leute wissen, wonach sie suchen müssen", so Young. "Sobald wir wissen, wonach wir suchen müssen, können wir uns darauf konzentrieren, die Auswirkungen auf die Gesundheit und die Umwelt zu verstehen und Behandlungs- oder Regulierungslösungen in den Vordergrund zu stellen.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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