Sie können in einer Antihaft-Pfanne, einer wasserdichten Jacke, einer Verpackung für Essen zum Mitnehmen oder im Schaum zur Brandbekämpfung vorkommen. Diese als „Forever Chemicals“ („Ewigkeitschemikalien“) bezeichneten Substanzen sind in der modernen Gesellschaft allgegenwärtig und werden wegen ihrer extremen Beständigkeit und Vielseitigkeit geschätzt. Doch ihr Reiz hat auch seine Kehrseite: Sie sind so beständig, dass sie sich kaum abbauen lassen und somit eine Gefahr für die menschliche Gesundheit und die Umwelt darstellen.
Per- und Polyfluoralkylsubstanzen, kurz PFAS, fanden schon früh breite Anwendung in Produkten wie Teflon, einer Beschichtung, die gegen Öl, Hitze, Flecken, Fett und Wasser resistent ist. Heute sind sie überall zu finden, von Farben und Klebstoffen bis hin zu Möbeln, Teppichen, Kosmetika, Halbleitern und wasserdichten Stoffen. Leider sind sie auch in unserem Wasser, im Boden, in Lebensmitteln und sogar in uns selbst enthalten.
Nun gehen Forscher der Arizona State University und ihre internationalen Kollegen das Problem auf neue Weise an. Anstatt diese schädlichen Chemikalien aus kontaminiertem Wasser herauszufiltern, haben sie eine Technik entwickelt, um sie zu zerstören.
Die meisten herkömmlichen PFAS-Behandlungsverfahren trennen die Chemikalien vom Wasser ab. Aktivkohle, Ionenaustausch und Membranfiltration können PFAS binden, doch die Schadstoffe verbleiben in verbrauchten Filtern, Salzlösungen oder konzentrierten Abfällen, die weiterhin entsorgt oder behandelt werden müssen. Der neue Ansatz geht einen Schritt weiter, indem er die Chemikalien aufspaltet, anstatt sie lediglich an einen anderen Ort zu verlagern.
„PFAS lassen sich nur schwer abbauen, und die üblichen Verfahren, die wir anwenden, greifen nicht“, sagte Bruce Rittmann, Direktor des Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, der die Studie leitete.
An der Studie beteiligten sich außerdem Forscher der Rice University in Texas, der Tongji-Universität in China, der National University of Singapore und der Nanjing-Universität in China.
Warum „ewige Chemikalien“ so langlebig sind
PFAS verdanken ihre berüchtigte Persistenz der Kohlenstoff-Fluor-Bindung. In vielen dieser Verbindungen ist eine Kette aus Kohlenstoffatomen fast vollständig von Fluoratomen umgeben, wodurch eine außergewöhnlich robuste chemische Struktur entsteht. „Sie gilt als die stärkste Bindung in der organischen Chemie“, sagte Rittmann.
Da Fluor das Kohlenstoffgerüst wirksam abschirmt, haben herkömmliche biologische und chemische Prozesse Schwierigkeiten, einen Ansatzpunkt zu finden, um das Molekül aufzubrechen. „Es gibt wirklich keinen Ansatzpunkt, um es aufzubrechen“, sagte Rittmann.
Der Abbau ist schwierig, aber nicht unmöglich. Wasserstoff kann die nötige Energie liefern, um die Kohlenstoff-Fluor-Bindungen anzugreifen, muss jedoch zunächst aktiviert werden. Die Forscher nutzen Palladium-Nanopartikel als Katalysatoren, um Wasserstoffgas in eine hochreaktive Form umzuwandeln, die in der Lage ist, Fluor aus dem PFAS-Molekül zu entfernen. Um den Wasserstoff effizient zuzuführen, beschichteten die Forscher winzige Membranfasern mit Palladium-Nanopartikeln und leiteten Wasserstoffgas durch diese hindurch.
Eine von Rittmann und seinen Kollegen entwickelte verwandte Membrantechnologie versorgt schadstoffabbauende Bakterien mit Wasserstoff. In der aktuellen Forschung werden die Mikroben durch Palladium ersetzt, das den Wasserstoff nutzt, um PFAS anzugreifen.
In der neuen Studie wurde die Methode an sechs PFAS getestet, die aus regulatorischer Sicht bedenklich sind. „Wir haben gezeigt, dass dieser Mechanismus bei allen sechs funktioniert“, sagte Rittmann. „Es handelt sich um einen universellen Mechanismus.“
Ein bleibendes ökologisches Erbe
PFAS-Verunreinigungen sind im Grundwasser, im Abwasser und im Boden weit verbreitet. Besonders hohe Konzentrationen finden sich häufig in der Umgebung von Kläranlagen, Deponien, Flughäfen und Militärstützpunkten, an denen PFAS-haltige Feuerlöschschäume eingesetzt wurden. Die Chemikalien können auch in Nutzpflanzen gelangen und sich in Fischen, Nutztieren und Wildtieren anreichern, wodurch zusätzliche Expositionswege für den Menschen entstehen.
„Wir alle haben PFAS in uns“, sagte Rittmann. „Sie verbleiben in der Umwelt. Sie wandern die Nahrungskette hinauf und stellen daher ein großes Altlastenproblem dar.“ Diese Persistenz bedeutet, dass eine PFAS-Belastung länger bestehen bleiben kann als die Anwendungen, durch die sie entstanden ist.
Die Exposition gegenüber bestimmten PFAS wird mit Krebserkrankungen, Schilddrüsenerkrankungen, Auswirkungen auf das Immunsystem, verminderter Fruchtbarkeit, Schwangerschaftskomplikationen, Entwicklungsstörungen, Fettleibigkeit und erhöhtem Cholesterinspiegel in Verbindung gebracht. Zwei Arten von PFAS – PFOS und PFOA – wurden in das Stockholmer Übereinkommen über persistente organische Schadstoffe aufgenommen. Die Risiken, die von der gesamten PFAS-Familie ausgehen, lassen sich jedoch nach wie vor nur schwer einschätzen, da Tausende von Verbindungen existieren und nur ein kleiner Teil davon gründlich auf Toxizität getestet wurde.
Molekulares „Matchmaking“
Die katalytische Membran bringt die PFAS-Moleküle und hochreaktiven Wasserstoff an der Oberfläche des Palladiumkatalysators zusammen. Wasserstoff strömt durch die Membran und wird vom Palladium angezogen, wo sich die Wasserstoffgasmoleküle in einzelne Wasserstoffatome aufspalten. Auch PFAS-Moleküle, die aus dem umgebenden Wasser herankommen, lagern sich an der Palladiumoberfläche an. „Das Palladium zieht das PFAS-Molekül an, und das Palladium zieht den Wasserstoff an und bringt beide zusammen“, erklärte Rittmann.
Wenn der Schadstoff und der reaktive Wasserstoff nebeneinander liegen, wirkt das Palladium als Katalysator und ermöglicht eine schnelle Reaktion, die die hartnäckigen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen aufbricht. Auch die Art und Weise, wie der Wasserstoff zugeführt wird, ist entscheidend. Anstatt den Wasserstoff einfach ins Wasser zu mischen, leiten die Forscher ihn von der Innenseite der Membran direkt in den unteren Bereich der Palladiumschicht. Diese Zufuhr von innen nach außen ist einer der wichtigsten Fortschritte der Studie: Die Membran fängt PFAS nicht nur an ihrer Oberfläche ein, sondern liefert auch den reaktiven Wasserstoff, der benötigt wird, um die Moleküle chemisch zu zerlegen, sobald sie dort ankommen.
Fast zwei Monate lang behandelte das System kontinuierlich Wasser, das eine Mischung aus sechs PFAS enthielt. Es entfernte mehr als 90 Prozent jeder einzelnen Verbindung und beseitigte insgesamt etwa 83 Prozent des Fluors, was zeigt, dass die Schadstoffe chemisch abgebaut und nicht lediglich herausgefiltert wurden.
Auf dem Weg zum praktischen Einsatz
Der 58-tägige Test zeigte, dass das System im Dauerbetrieb funktionieren kann, doch die Umsetzung der Technologie in die praktische Wasseraufbereitung erfordert weitere technische Entwicklungen. Eine praktische Hürde sind die Kosten. Rittmann erklärte, die Reduzierung der benötigten Palladiummenge sei eine der obersten Forschungsprioritäten der Gruppe. „Palladium ist teuer“, sagte er. „Es kostet etwa 50.000 Dollar pro Kilogramm.“
Die Technologie könnte letztendlich bestehende Systeme zur PFAS-Entfernung ergänzen. Bei der konventionellen Aufbereitung könnten die Schadstoffe zunächst aus großen Wassermengen in einen kleineren Abfallstrom konzentriert werden, der dann so behandelt werden könnte, dass die PFAS zerstört werden, anstatt sie lediglich zu lagern oder zu entsorgen.
Die gleiche Membranplattform könnte auch breitere Anwendungsmöglichkeiten bieten. Rittmanns Gruppe entwickelt Hybridversionen, die Palladium-Nanopartikel mit schadstoffabbauenden Bakterien kombinieren. Das Palladium und die Mikroben greifen die Schadstoffe auf unterschiedliche Weise an, wodurch das System über zwei Wege zu deren Abbau verfügt. „Wir haben gezeigt, dass auch das funktioniert“, sagte Rittmann.
