Die Summe macht's: Studie zeigt, dass Chemikalien in Mischungen giftiger sind

Die Forschung zeigt auch, dass PFOA und PFOS wesentlich zur Toxizität beitragen

08.10.2024

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In einer erstmalig durchgeführten Studie wurde die Toxizität verschiedener Arten von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS), besser bekannt als "forever chemicals", gemessen, wenn sie sich in der Umwelt und im menschlichen Körper vermischen. Die gute Nachricht: Die meisten der getesteten Chemikalien wiesen relativ geringe individuelle Zytotoxizitäts- und Neurotoxizitätswerte auf. Die schlechte Nachricht: Die Chemikalien wirkten zusammen und machten die gesamte Mischung giftig.

"Obwohl sie strukturell ähnlich sind, sind nicht alle Chemikalien für immer gleich - einige sind stärker, andere schwächer. Wenn sie gemischt wurden, trugen alle Komponenten zur Zytotoxizität und Neurotoxizität der Mischung bei", sagt die Erstautorin der Studie, Karla Ríos-Bonilla, eine Doktorandin der Chemie an der University at Buffalo.

"In den Labortests, die wir in dieser Studie verwendet haben, schienen die meisten der von uns getesteten PFAS-Arten nicht sehr giftig zu sein, wenn sie einzeln gemessen wurden. Wenn man jedoch eine ganze Probe mit mehreren PFAS misst, sieht man die Toxizität", fügt die Mitautorin der Studie, Diana Aga, PhD, Direktorin des RENEW-Instituts, SUNY Distinguished Professor und Henry M. Woodburn Chair im Fachbereich Chemie der Universität Buffalo, hinzu.

Diese Forschung wurde in Zusammenarbeit mit Beate Escher vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig durchgeführt, wo Ríos-Bonilla die In-vitro-Toxizitätsexperimente in der Hochdurchsatz-Screeninganlage CITEPro durchführte. Die Studie wurde am 11. September inEnvironmental Science and Technology, einer Zeitschrift der American Chemical Society, veröffentlicht.

Die Studie ist insofern neu, als sie die Toxizität von PFAS in Mischungen untersucht. Diese synthetischen Verbindungen werden seit Jahrzehnten in vielen Konsumgütern verwendet - von antihaftbeschichteten Pfannen bis zu Make-up - und es kann Hunderte bis Tausende von Jahren dauern, bis sie abgebaut sind, wenn überhaupt. Schätzungen zufolge sind sie in mindestens 45 % des nationalen Trinkwassers und im Blut praktisch aller Amerikaner enthalten, und sie werden mit Krebs und neurologischen Entwicklungsstörungen in Verbindung gebracht.

Anfang dieses Jahres hat die US-Umweltschutzbehörde (EPA) zum ersten Mal Trinkwasserstandards für sechs Arten von PFAS erlassen. Es wird jedoch geschätzt, dass es in der Umwelt über 15.000 verschiedene Arten gibt. Nur für eine Handvoll dieser Chemikalien gibt es Normen und Vorschriften.

"Es gibt sechs PFAS, die reguliert werden können, weil wir viel über sie und ihre Toxizität wissen. Leider können wir andere Formen von PFAS nicht regulieren, solange ihre Toxizität nicht bekannt ist", sagt Aga, der als leitender Forscher an der EPA STAR-Förderung beteiligt ist, mit der die Forschung finanziert wurde. "Wir müssen für jeden PFAS Höchstwerte für die Verunreinigung festlegen, die proportional zu seiner Toxizität sind. Für die Regulierung von Schadstoffen ist es entscheidend, ihre relative Potenz zu kennen, wenn sie als Mischungen in der Umwelt vorkommen, sowie ihre voraussichtlichen Umweltkonzentrationen."

Weitere Co-Autoren der UB sind G. Ekin Atilla-Gokcumen, PhD, Dr. Marjorie E. Winkler Distinguished Professor und Associate Chair im Fachbereich Chemie, und Judith Cristobal, PhD, Senior Research Scientist.

Ríos-Bonilla wird außerdem durch ein Stipendium des National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) der National Institutes of Health (NIH) unterstützt.

PFOA und PFOS tragen wesentlich zur Toxizität von Gemischen bei

Für die Studie erstellten die Forscher ihre eigenen PFAS-Mischungen, von denen eine für das Blutserum eines durchschnittlichen Amerikaners und die andere für Oberflächenwasserproben in den USA repräsentativ ist. Ríos-Bonilla verwendete Daten der U.S. Centers for Disease Control and Prevention und des U.S. Geological Survey, um die durchschnittlichen Konzentrationsverhältnisse von PFAS im menschlichen Blut bzw. im Oberflächenwasser zu bestimmen.

Anschließend testeten sie die Auswirkungen dieser Mischungen auf zwei Zelllinien, von denen eine auf mitochondriale Toxizität und oxidativen Stress und die andere auf Neurotoxizität untersucht wurde.

Von den 12 PFAS, die in der Wassermischung enthalten waren, war Perfluoroctansäure (PFOA), die häufig in Antihaft-Pfannen und Feuerlöschschaum verwendet wird, am zytotoxischsten und machte 42 % der Zytotoxizität der Mischung aus.

Andererseits trugen sowohl PFOA als auch Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) in etwa die gleiche Zytotoxizität (25 %) zum Neurotoxizitätstest bei, obwohl beide in einer Konzentration von nur 10 bzw. 15 % in der Mischung enthalten waren.

In der Blutmischung waren vier PFAS enthalten, aber PFOA war wiederum für beide Zelllinien am zytotoxischsten. Trotz seines molaren Anteils von nur 29 % löste PFOA 68 % der Zytotoxizität im Zytotoxizitätstest und 38 % im Neurotoxizitätstest aus.

Interessanterweise wurden bei der Analyse der Toxizität der Extrakte aus echten Feststoffproben, die aus einer kommunalen Kläranlage entnommen wurden, trotz der gemessenen niedrigen Konzentrationen von PFOA und anderen PFAS in der Probe sehr hohe Toxizitäten festgestellt.

"Das bedeutet, dass es noch viel mehr PFAS und andere Chemikalien in den Biofeststoffen gibt, die noch nicht identifiziert wurden und die zur beobachteten Toxizität der Extrakte beitragen", sagt Aga.

Synergistisch versus additiv

Eines der Ziele der Forscher war es, festzustellen, ob PFAS synergistisch wirken. Dies ist der Fall, wenn die kombinierte Wirkung von zwei oder mehr Chemikalien größer ist als die Summe der Wirkung der einzelnen Chemikalien. Ihre Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass die Wirkung von PFAS konzentrationsadditiv ist: Das bedeutet, dass ein etabliertes Modell zur Vorhersage der Toxizität von Gemischen verwendet werden kann, um die kombinierte Wirkung von Gemischen vorherzusagen.

"Da bis zu 12 PFAS in den Gemischen konzentrationsadditiv auf die Zytotoxizität und die spezifische Neurotoxizität wirkten, ist es wahrscheinlich, dass die Tausenden von anderen PFAS, die im Handel sind und verwendet werden, auf die gleiche Weise wirken", sagt Escher. "Gemische stellen ein größeres Risiko dar als einzelne PFAS. Da sie in Gemischen wirken und vorkommen, sollten sie als Gemische reguliert werden."

Den Forschern zufolge werden die Ergebnisse dieser Studie auch bei der Bewertung der Wirksamkeit von Sanierungsmaßnahmen sehr nützlich sein. Beim Abbau von PFAS können mitunter schädliche Nebenprodukte entstehen, die durch chemische Analysen nicht nachgewiesen werden können, so dass die Messung der Toxizität einer Probe nach der Behandlung möglicherweise die einzige Möglichkeit ist, um zu beurteilen, ob eine Sanierungstechnologie wirksam ist.

"Toxizitätstests können ein ergänzendes Instrument sein, wenn die analytische Chemie nicht alle Antworten liefert, insbesondere wenn die Identität der Schadstoffe in der Mischung nicht bekannt ist, was bei vielen verschmutzten Standorten der Fall ist", sagt Aga.

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Originalveröffentlichung

Karla M. Ríos-Bonilla, Diana S. Aga, Jungeun Lee, Maria König, Weiping Qin, Judith R. Cristobal, Gunes Ekin Atilla-Gokcumen, Beate I. Escher; "Neurotoxic Effects of Mixtures of Perfluoroalkyl Substances (PFAS) at Environmental and Human Blood Concentrations"; Environmental Science & Technology, 2024-9-11

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