Hvordan simuleringer kan hjælpe med at få PFAS ud af jorden

Kemikere fra Michigan State University opdager ny information for at hjælpe med at afhjælpe "for evigt kemikalier" ved for første gang at vise, hvordan de interagerer med jord på molekylært niveau.

Forskerne, Narasimhan Loganathan og Angela K. Wilson fra College of Natural Science, offentliggjorde deres resultater online i tidsskriftet Environmental Science &Technology .

"Forever-kemikalier" - mere formelt kendt som PFAS eller perfluoralkyl- og polyfluoralkylstoffer - fik mærket, fordi de ikke nedbrydes naturligt. Når PFAS forurener jord og vand, kan de komme ind i fødevaresystemet gennem planter, husdyr og drikkevand.

En Centers for Disease Control and Prevention-rapport fra 2015 anslog, at PFAS er i blodet hos 97% af amerikanerne. Andre, nyere undersøgelser har bragt det tal tættere på 99%.

Det, der gør PFAS så allestedsnærværende, er en kombination af vedholdenhed og nytte. Mere end 9.000 kemikalier kvalificerer sig som PFAS, og de findes i en bred vifte af anvendelser, herunder fødevareemballage, nonstick køkkengrej, brandslukningsskum og mange flere. Mens tid og natur kan nedbryde visse komponenter i disse produkter – og af det affald, der genereres ved fremstillingen af ​​dem – bliver PFAS hængende og akkumuleres i miljøet.

Fjernelse af PFAS fra jord og vand er derfor vigtigt for at reducere eksponeringen for disse kemikalier og den skade, de kan forårsage, herunder skjoldbruskkirtelsygdom og øget risiko for visse kræftformer.

"Når du begynder at se på afbødningsstrategier, ser du meget om at fjerne PFAS fra vand, men der er meget lidt om PFAS i jord," sagde Loganathan, en seniorforsker ved MSU's Department of Chemistry.

"Og nogle af undersøgelserne er 'molekyle blinde'," sagde Wilson, John A. Hannah Distinguished Professor i kemi og en videnskabsmand ved MSU Center for PFAS Research. "Det vil sige, de er ikke opmærksomme på kemien."

Wilson og Loganathan besluttede at hjælpe med at ændre det ved at udføre de første simuleringer på molekylært niveau af interaktioner mellem PFAS med en jordkomponent, kaolinit.

Til undersøgelsen fokuserede duoen på nogle af de mest udbredte og problematiske PFAS-kemikalier. De valgte kaolinit på jordsiden, fordi det er et almindeligt jordmineral, især i Michigan.

PFAS er en bekymring overalt, men de udgør en unik udfordring i Michigan. Michigan har en overflod af PFAS med mere end 200 kendte PFAS-forurenede steder. Oven i det er landbruget og De Store Søer grundlæggende for statens identitet. Beskyttelse af Michigans jord og vand er et fælles mål for mange af statens samfund, lovgivere og virksomheder.

"Selv før dette arbejde skulle vi til store møder og snakke om PFAS med folk fra forskellige kommuner, gårde, spildevandsrensningsanlæg og mere," sagde Wilson. "Mange mennesker leder efter løsninger."

Undersøgelsen var inspireret af et ingeniørfirma i Michigan, der spurgte Wilson om, hvordan PFAS kan spredes i jorden, og hvordan man bedst afhjælper kemikalierne. Hun havde ikke svarene, men hun vidste, at Loganathan kunne hjælpe hende med at finde nogle.

Hun rekrutterede ham til at deltage i dette projekt, støttet af National Science Foundation. Duoen havde også adgang til beregningsressourcer leveret af National Energy Research Scientific Computing Center og MSU's Institute for Cyber-Enabled Research, eller iCER.

Resultaterne af simuleringerne gav nogle grunde til optimisme med hensyn til udbedring. For eksempel, nogle af de PFAS, forskerne undersøgte, og som havde længere kulstofkæder, der fungerede som deres rygrad, samledes på kaolinitten.

"Ideelt set er dette, hvad du vil have. Du vil gerne have, at alle PFAS bare sidder i en klump, så du kan gribe det og filtrere det ud," sagde Wilson. Bagsiden er, at de kortkædede PFAS var mindre tilbøjelige til at klumpe sig og forblev mere mobile i jorden.

"Beskeden med hjem er, at ikke alle PFAS opfører sig ens," sagde Wilson. "Og ikke alle jorder opfører sig ens med hensyn til PFAS."

"Komponenterne i jorden spiller en stor rolle," sagde Loganathan. "Jordsammensætningen omkring enhver forurenet lokalitet vil være afgørende for, hvor langt PFAS når ned i undergrunden, hvor de derefter kan nå grundvandet."

Selvom ideen om at undersøge de utallige kombinationer af PFAS og jordkomponenter er imponerende, har forskerne vist, at deres beregningsmæssige tilgang er velegnet til at tackle mangfoldigheden af ​​problemer, der er forbundet med PFAS-forurening.

"Det skønne ved beregningskemi er, at du kan studere så mange forskellige systemer," sagde Wilson, hvis forskerhold også undersøger interaktioner mellem PFAS og proteiner i kroppen. Hendes hold studerer også PFAS i forskellige fiskearter med støtte fra Great Lakes Fisheries Trust og Strategic Environmental Research and Development Program, som er henholdsvis statslige og føderale organisationer, der finansierer miljøprojekter. Målet i jord- og biologiprojekterne er at afsløre interaktioner, der kan hjælpe med at beskytte flere mennesker mod PFAS-eksponering.

"Sådan indsigt på molekylært niveau vil være utrolig vigtig for enhver afhjælpningsstrategi," sagde Loganathan.