Die Hälfte des Trinkwassers in den USA ist mit "ewigen Chemikalien" verunreinigt - Durchbruch bei der Detektionsmethode ermöglicht schnelles Handeln.

Chemiker haben eine neue Methode zur Detektion von PFAS-Verbindungen innerhalb von drei Minuten eingeführt. Diese schnelle und sensitive Methode ermöglicht eine umweltfreundliche Überwachung und befasst sich mit dem weit verbreiteten Problem der PFAS-Kontamination.

Forscher berichten von einem der schnellsten und sensibelsten Ansätze zur Detektion von toxischen Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS), die sich in der Umwelt ansammeln und mit gesundheitlichen Risiken wie Krebs und angeborenen Fehlbildungen verbunden sind.

PFAS haben ihren Namen "Forever Chemicals" nicht umsonst erhalten - diese künstlichen Verbindungen können tausende von Jahren zum Abbau benötigen und sind in allem von fettabweisender Lebensmittelverpackung bis hin zu wasserabweisender Kleidung zu finden. Sie gelangen in fast die Hälfte des US-Trinkwasserversorgungssystems.

Jetzt haben Chemiker des New Jersey Institute of Technology in einer Studie des Journal of Hazardous Materials von Elsevier eine neue laborgestützte Methode entwickelt, um Spuren von PFAS aus Lebensmittelverpackungen, Wasser- und Bodenproben in nur drei Minuten oder weniger nachzuweisen.

Die Forscher sagen, dass ihre Methode erheblich dazu beitragen könnte, die Bionakkumulation von PFAS in der Umwelt zu untersuchen und anzugehen. Dazu gehört auch die Bereitstellung von mehr als 2 Milliarden US-Dollar Fördermitteln der EPA aus dem Bipartisan Infrastructure Law des Präsidenten Biden für Bundesstaaten zur Durchführung von Wasserqualitätstests und zur Behandlung dieser neu auftretenden Schadstoffe.

"Es gibt Tausende verschiedener Arten von PFAS, aber wir haben noch nicht verstanden, inwieweit sie in unserer Umwelt verbreitet sind, weil die aktuellen Testmethoden teuer und zeitaufwendig sind und in einigen Fällen Stunden für die Probenpräparation und Analyse dauern", sagte Hao Chen, der korrespondierende Autor der Studie und Chemieprofessor am NJIT. "Was unsere Studie zeigt, ist eine viel schnellere, empfindlichere und vielseitigere Methode, mit der wir unser Trinkwasser, unser Land und unsere Verbraucherprodukte innerhalb von Minuten auf Verunreinigungen überwachen können."

Chen und seine Kollegen sagen, dass die neue Methode, bei der eine Ionisationstechnik zur Analyse der molekularen Zusammensetzung von Probenmaterialien namens "Paper Spray Mass Spectrometry (PS-MS)" verwendet wird, 10-100-mal empfindlicher ist als die aktuelle Standardmethode für die PFAS-Prüfung, die Flüssigchromatographie/Massenspektrometrie (LC-MS).

"PFAS können ionisiert und schnell von einem hochauflösenden Massenspektrometer nachgewiesen werden, das einen klaren Überblick über jede vorhandene PFAS-Spezies und den Grad der Kontamination auf Nanogramm-Pro Liter-Niveau bietet", erklärte Chen. "Für komplexere Matrizes wie Böden haben wir eine ähnliche Methode namens desalting Paper Spray Mass Spectrometry (DPS-MS) angewendet, die Salze entfernt, die normalerweise das Ionensignal von PFAS unterdrücken. Zusammen verbessern sie unsere Fähigkeit, diese Verbindungen zu erkennen."

"Unsere Nachweisgrenze für PFAS liegt bei etwa 1 Nanogramm pro Liter. Zum Vergleich: Diese Menge wurde mit einem Tropfen Wasser in 20 olympischen Schwimmbecken verglichen", fügte Md Tanim-Al Hassan, der Erstautor der Studie und promovierender Chemiestudent am NJIT, hinzu.

In Tests konnte das Team PFAS in ein bis zwei Minuten durch die direkte Analyse verschiedener Lebensmittelverpackungen nachweisen, darunter Mikrowellen-Popcorn-Papiere, Instantnudelschachteln sowie Verpackungen von Pommes und Burgern aus zwei multinationalen Schnellrestaurantketten.

Die Analyse ergab Spuren von 11 verschiedenen PFAS-Molekülen, einschließlich häufiger Typen, die mit einem erhöhten Krebsrisiko und einer Unterdrückung des Immunsystems verbunden sind, wie PFOA (Perfluoroktansäure) und PFOS (Perfluoroctansulfonsäure).

Bei der Untersuchung von Wasserproben konnte das Team innerhalb von weniger als zwei Minuten Spuren von PFOA im örtlichen Leitungswasser nachweisen, während keine Spuren von PFAS in Proben aus dem gefilterten Brunnenwasser der Universität gefunden wurden.

"Die EPA hat bereits vorgeschlagen, Höchstgrenzen für sechs PFAS-Verbindungen im Trinkwasser bundesweit festzulegen, und PFOA und PFOS gehören dazu", sagte Mengyan Li, Mitautor der Studie und Associate Professor für Umweltwissenschaften am NJIT. "Diese analytische Methode könnte intensivere Untersuchungen für giftige PFAS erleichtern, die unter einem solchen Vorschlag zum Schutz der Sicherheit unserer Wasserversorgung erforderlich sein könnten."

Mit DPS-MS konnte das Team auch zwei PFAS-Spezies bereits ab einer geringen Bodenmenge von 40 mg innerhalb von weniger als drei Minuten identifizieren.

Die schnelle Nachweismethode des Teams wird bereits zusammen mit modernen Techniken zur Sanierung von PFAS getestet, die am BioSMART Center des NJIT entwickelt werden.

“Remarkably, in our lab, we were able to couple this analytical method to a novel degradation catalyst, which degrades 98.7% of PFAS in drinking water samples within three hours,” said Wunmi Sadik, study co-author and chair of NJIT’s Department of Chemistry and Environmental Sciences. “This work may have a national impact, but the immediate effect will be felt in the Northeast area. Roughly 10% of 9.2 million New Jersians have high levels of perfluorooctanoic acid in their drinking water compared to the national average of 1.9%.” 

Chen says the advance could also have a swift impact on the monitoring of consumer products, from cosmetics and medicine to fresh and processed foods. The team plans to demonstrate the method’s capabilities for air monitoring as well.

“Near term, this could be extremely useful for ensuring the safety of food products … it may allow farming produce to be more efficiently monitored for PFAS contamination for example,” explained Chen. “Our method may also advance the study of airborne PFAS in a similar way to what we’ve demonstrated in this study, which would further help us address this widespread environmental issue.”

Reference: “Rapid detection of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) using paper spray-based mass spectrometry” by Md. Tanim-Al Hassan, Xingzhi Chen, Praneeth Ivan Joel Fnu, Francis J. Osonga, Omowunmi A. Sadik, Mengyan Li and Hao Chen, 3 January 2024, Journal of Hazardous Materials. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2023.133366