Analysis and fate of precursors and transformation products of per- and polyfluorinated alkyl substances (PFAS)

Abstract

Die Stoffklasse der per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) umfasst mehr als 4700 Einzelverbindungen. PFAS finden sowohl in der Industrie, als auch in Verbraucherprodukten eine große Anwendungsbreite. In der Lebensmittelindustrie werden PFAS dazu verwendet, um Oberflächen von Verpackungspapieren sowohl wasser- als auch fettabweisend gestalten. Die dabei verwendeten PFAS umfassen verschiedenste Substanzklassen mit per- und polyfluorierten Alkylketten. In einem gegenwärtigen Fall liegt eine großflächige Kontamination von landwirtschaftlich genutzten Böden auf einer Fläche von mehr als 10 km2 in Südwestdeutschland vor. Die Kontamination geht mutmaßlich auf die Ausbringung von Kompost und Papierschlämmen zurück, die mit PFAS verunreinigt waren. Da weder Informationen über die Identität und die Menge, noch über deren Transformationsprodukte vorliegen, müssen analytische Screeningansätze zur Charakterisierung der Kontamination verwendet sowie das Transformationspotential zur Bildung persistenter Transformationsprodukte abgeschätzt werden. Durch die Messung kontaminierter Bodenproben mittels hochauflösender Massenspektrometrie konnten insgesamt 65 Einzelsubstanzen aus 13 verschiedenen Substanzklassen identifiziert werden. Insbesondere die Substanzklasse der diPAP (disubstituierte Perfluoralkylphosphate, Kettenlängen 4:2 / 6:2 bis 12:2 / 14:2) sowie deren Abbauprodukte konnte als große Kontamination ermittelt werden. Darüber hinaus konnte mit dem Fund der FTMAP (Fluortelomer Mercaptoalkylphosphate, Kettenlänge 6:2 / 6:2 bis 10:2 / 10:2) eine gänzlich neue Substanzklasse auf den Feldern ermittelt werden. Vergleiche der PFAS Verteilungsmuster in kontaminierten Bodenproben mit PFAS imprägnierten Papieren, die zur Zeit der Entstehung der Kontamination gesammelt wurden, bestätigen die Hypothese, dass imprägnierte Papiere die Quelle der Kontamination darstellen. Durch photochemische sowie elektrochemische Abbauexperimente konnte gezeigt werden, dass 6:2 diPAP, ein maßgeblicher Kontaminant auf den kontaminierten Böden, zu Perfluorcarbonsäuren umgesetzt wird. Mit beiden Versuchsansätzen konnte gezeigt werden, dass Perfluorheptansäure als Hauptabbauprodukt sowie Perfluorhexansäure und -pentansäure als Nebenprodukte auftreten. Abschließend konnten mit dieser Arbeit die Hauptkontaminanten von PFAS in den oberen Horizonten von Ackerböden im Raum Rastatt, deren Quellen und deren Bildungspotential für mobile Perfluorcarbonsäuren (PFCA) durch Umweltprozesse identifiziert werden. In Laborversuchen wurde gezeigt, dass auch photokatalytische Prozesse an der Bildung von PFCA beteiligt sind. Das große Schadstoffreservoir und die sehr langsame Abbaukinetik bestimmen maßgeblich die langfristige Nachlieferung und damit das Kontaminationslevel des lokalen Grundwasserkörpers mit PFCA. Dies ist bei künftigen Management- und Sanierungsmaßnahmen sowie der präventiven Abwehr derartiger Kontaminationen zu berücksichtigen.