Søger naturlige løsninger på et menneskeskabt problem

Bryan Berger står over for en af ​​de største miljømæssige udfordringer i moderne tid:luft, jord- og vandforurening forårsaget af en gruppe giftige kemikalier, hvis udbredte anvendelse og sundhedsmæssige konsekvenser først nu kommer frem globalt.

I sit laboratorium på University of Virginia School of Engineering, Berger, en lektor i kemiteknik, og hans forskerhold udvikler nye måder at befri planeten for perfluoralkyl- og polyfluoralkylstoffer, eller PFAS, som bruges i et stort antal forbrugerprodukter, men er forbundet med alvorlige sundhedsproblemer. Bergers gruppe efterforsker en meget usandsynlig kilde, Cannabis sativa, eller industrihamp, en fibrøs arbejdshest kendt for sine mange gavnlige anvendelser, herunder i tekstiler, antimikrobielle stoffer og helsekost.

Berger mener, at industriel hamp også kan være den grønneste måde at afhjælpe et problem, der har vokset i årtier.

Oprettelse af PFAS

I 1940'erne, kemiske ingeniører kombinerede en lang række kulstofatomer sammen med fluor for at skabe et superstof med en kemisk binding, der er en af ​​de stærkeste kendte i organisk kemi i dag, næsten uigennemtrængelig for naturlig nedbrydning. Forskere har endnu ikke fastslået en halveringstid; når det først er i miljøet, det bliver der.

Den kemiske struktur er så tæt bundet, det fjerner let andre stoffer, en perfekt løsning, når du skal have æg til at glide ud af non-stick pander, regn til at perle op på jakker eller stoffer for at modstå pletter. Militæret brugte også kemikalierne til at undertrykke højoktanbrande på baser rundt om i verden.

De kommercielle anvendelser af kemikalierne førte til mere end 4, 730 varianter, og storstilet fremstilling og distribution har fundet sted i mere end 60 år.

Problemer identificeret

I de seneste år, talrige sundhedsundersøgelser fra National Institutes of Health, Miljøstyrelsen og andre organisationer har fundet, at perfluoralkyl- og polyfluoralkylkemikalier er giftige, med links til forskellige kræftformer, skjoldbruskkirtel og leversygdomme, neurologiske tilstande og reproduktive helbredsproblemer.

I mellemtiden kemikalierne er sivet ind i vandforsyningerne, mad og menneskers kroppe, hvor de har vist sig hurtigt at akkumulere. Dette fik Environmental Protection Agency til at udsende en livslang sundhedsadvisering om, at folk kun skulle indtage 70 dele pr. billion af to af de mest almindelige varianter - omtrent hvad der svarer til en dråbe i en svømmehal på størrelse med en fodboldbane, hvis den var 40 fod dyb .

Mulige løsninger

"At studere løsninger til PFAS-kontamination er vigtigt for vores laboratorium som et eksempel på, hvor vi kan designe en unik, biologisk løsning til at løse et vigtigt spørgsmål, der påvirker menneskers sundhed og miljøet, sagde Berger, der bringer omfattende hampforskning til UVA og udvikler andre anvendelser til planten. "Det er også en fantastisk mulighed for os at samarbejde med andre fakulteter på tværs af discipliner for at løse de mange udfordringer, der er forbundet med dette arbejde."

Tidlige eksperimenter med hamp til at trække PFAS-toksiner ud af jorden har været opmuntrende. Hans teammedlemmer binder også PFAS til proteiner, som derefter kan nedbrydes med enzymer. Hans laboratorium ser proaktivt på begge veje, den ene bedre til at fjerne kemikalierne fra vand og den anden fra jorden.

"Hamp er en fantastisk fytoremedieringsafgrøde, så det er i stand til at fjerne ting som tungmetaller og andre slags stoffer fra jord og grundvand, sagde Berger, hvis arbejde, før han kom til UVA Engineering i 2018, fokuserede til dels på at bruge hamps naturlige evne til at suge forurenende stoffer op gennem dets fibrøse system for at rense jord uden for kulminer i Pennsylvania.

"Vi har fået nogle virkelig interessante resultater på det seneste, hvor vi har set på hamps evne til at binde og fjerne PFAS fra vand- og jordprøver, " sagde han. "Det kunne være en måde at afhjælpe store mængder jord, hvor der kunne være forurening, ved at dyrke noget af værdi på jord, som ellers ikke har nogen værdi."

I et lyst, laboratorium på anden sal i Wilsdorf Hall, Ph.D. studerende Madison Mann fjerner forsigtigt et hætteglas med koncentreret perfluoroktansyre, en af ​​de mest udbredte PFAS-varianter, bag et stinkskab. Hun udfører eksperimenter på udkig efter proteiner, der binder med PFAS-kemikalier.

"Jeg forsøger at finde en miljøvenlig og økonomisk måde at binde PFAS på, og så faktisk forringe det, " hun sagde.

Mann afsluttede også for nylig et eksperiment, hvor hun hydroponisk dyrkede hampplanter i PFAS for at se, om de overhovedet ville slå rod i det giftige stof, hvilket de gjorde ret godt. Det næste trin i hendes forskning vil involvere at katalogisere hvilken mængde PFAS, hvis nogen, optages af de fibrøse planter. Forudsat at planterne virker på samme måde som de gør med andre tungmetaller, forskergruppen overvejer allerede måder at adskille kemikalierne fra resten af ​​anlægget.

"Hvis du kan nedbryde PFAS til kun kuldioxid og fluor, på en eller anden måde sikkert at slippe af med fluorgassen, selvfølgelig, så har du et brugbart produkt til en anden industri, mens du fjerner det giftige stof fra miljøet, " hun sagde.

Mens arbejdet stadig er i udviklingsstadiet, gruppen ser løfte om begge tilgange til at fjerne toksinerne, selvom der er brug for mere forskning.

"Det er rart at have en sag, som man tror på og prøver at gøre en forskel, " sagde Mann.

I betragtning af den giftige natur af PFAS og udbredelsen af ​​det, Berger mener, at deres forskning kan have stor indflydelse på både dyrs og miljøets sundhed.

"Jeg håber, at dette arbejde vil bringe større bevidsthed om de vigtige miljø- og sundhedsvirkninger PFAS og andre forurenende stoffer har på vores daglige liv, " sagde Berger, "og illustrere nytten af ​​at udvikle biologiske værktøjer til at forsøge at løse disse problemer på et miljøvenligt, bæredygtig måde. Vi har allerede nogle lovende resultater, der indikerer, at vores tilgange vil være effektive, og vigtigt, kan implementeres i et omfang og en pris, der er nødvendig for at løse denne udfordring i praksis i Virginia og videre."