Chemikalien in unseren Gewässern

Aus der Luft über den Regen ins Gewässer: Das PFAS-Molekül TFA ist sehr mobil und zugleich extrem persistent. Bild: Adobe Stock

Eine Studie der Empa, des BAFU und der Universität Bern zeigt, dass Trifluoressigsäure (TFA) über die Atmosphäre in Gewässer gelangt und sich ihr Eintrag in den letzten Jahrzehnten vervielfacht hat.

PFAS, kurz für «per- und polyfluorierte Alkylverbindungen», tragen nicht umsonst den Übernamen «Ewigkeitschemikalien». Diese fluorhaltigen organischen Moleküle sind nur schwer abbaubar und verbleiben voraussichtlich über Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte in der Umwelt, wo sie sich in Menschen und Tieren anreichern und gesundheitsschädlich wirken können. Ein triftiger Grund, um Vorsorgemassnahmen zu ergreifen.

Tausende von chemischen Verbindungen

Die Stoffklasse der PFAS umfasst tausende von chemischen Verbindungen. Lange nicht alle davon sind gut untersucht. Die Freisetzung, Ausbreitung, Anreicherung und Wirkung zahlreicher PFAS sind Gegenstand laufender Forschung. Im Visier der Forschenden ist unter anderem Trifluoressigsäure, kurz TFA. Das kleinste Molekül der PFAS-Familie entsteht als Abbauprodukt unterschiedlicher anderer Substanzen, etwa vieler Treib- und Kältemittel. Einmal gebildet, wird TFA in der Umwelt kaum abgebaut. «TFA, die in der Atmosphäre gebildet wird, gelangt schnell in den Niederschlag, und von dort in Oberflächengewässer und dann ins Grundwasser», sagt Stefan Reimann, Empa-Forscher aus dem Labor «Luftfremdstoffe / Umwelttechnik».

Wie und wo genau sich TFA in der Atmosphäre bildet und in welchen Mengen die Substanz in die Gewässer gelangt, wurde bislang wenig untersucht. In einer gemeinsamen Studie, die nun in der Fachzeitschrift «Atmospheric Chemistry and Physics» veröffentlicht wurde, gingen die Empa-Forschenden in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Umwelt (BAFU) und der Universität Bern dieser Frage genauer nach und haben die Entstehungs- und Transportwege von TFA in der Atmosphäre modelliert und mit TFA-Messungen aus Umweltproben verglichen.

Das BAFU hat dabei über drei Jahre Proben von Niederschlägen und Oberflächengewässern auf TFA analysiert und auch archivierte Wasserproben bis ins Jahr 1984 beigezogen. Die Forschenden der Empa erstellten parallel dazu ein detailliertes Modell des atmosphärischen Eintrags von TFA. «Wir modellieren die bekannten Vorläuferstoffe von TFA, ihre Abbaupfade und Zwischenprodukte sowie die Deposition der so gebildeten TFA, sowohl über den Niederschlag als auch direkt an Oberflächen», erläutert Empa-Forscher Stephan Henne, Erstautor der Studie. Das komplexe Modell erlaubt Vorhersagen über lange Zeiträume, und zwar mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung. «Wir können für jeden Ort in Europa berechnen, wie viel TFA dort in einem bestimmten Monat in die Umwelt gelangt», sagt Henne.

TFA ist das kleinste Molekül der PFAS-Gruppe. (schwarz: Kohlenstoff, rot: Sauerstoff, weiss: Wasserstoff, blau: Fluor) Bild: Adobe Stock

Weitere Zunahme erwartet

Die Resultate der Studie zeigen: Die Konzentrationen von TFA im Niederschlag und in den Oberflächengewässern haben sich in den letzten Jahrzehnten vervielfacht. Dies sei gemäss den Forschenden in erster Reihe auf den vermehrten Einsatz von sogenannten Hydrofluorolefinen (HFO) zurückzuführen. Diese fluorierten Gase dienen als Kühl- und Treibmittel und ersetzen in dieser Rolle die klimaschädlichen Hydrofluorkohlenwasserstoffe (HFKW). Im Gegensatz zu den langlebigen HFKW zersetzen sich die HFO in der Atmosphäre schnell – unter anderem zu TFA. «Da die Nutzung der HFO in Kühl- und Klimaanlagen weiter zunimmt, gehen wir davon aus, dass auch die TFA-Einträge in Zukunft ansteigen werden», so Reimann.

Eine weitere bedeutende Quelle von TFA ist der Abbau von Pflanzenschutzmitteln – hier nimmt die Substanz allerdings keinen Umweg über die Atmosphäre, sondern gelangt über die Böden mehr oder weniger direkt in die Gewässer. «Ist TFA einmal im Wasser, verbleibt es praktisch ausnahmslos im Wasser,» ergänzt Stephan Henne. Der finale Anreicherungsort für die persistente fluorierte Säure ist deshalb auch der Ozean.

Nebst den Antworten, die die Studie bietet, wirft sie auch neue Fragen auf. «Unser Modell erklärt rund zwei Drittel des gesamten gemessenen atmosphärischen Eintrags von TFA», sagt Stephan Henne. «Das heisst, es gibt wahrscheinlich weitere Vorläufersubstanzen und Entstehungspfade, die wir noch nicht kennen.» Dafür spricht auch, dass selbst in den historischen Niederschlagsproben TFA enthalten ist, wenn auch in sehr viel geringeren Konzentrationen als heute. Die bekannten Vorläuferstoffe sind aber erst seit den 1990er-Jahren im Einsatz. In Zukunft wollen die Forschenden diese noch unbekannten Vorläufer genauer unter die Lupe nehmen und in ihr atmosphärisches Modell einbauen.

Wie schädlich TFA für Lebewesen ist, auch für den Menschen, ist noch nicht abschliessend erforscht. Einige neue Studien liefern Hinweise auf eine mögliche Langzeit-Toxizität. «TFA ist sehr persistent, akkumuliert sich immer mehr in unserem Wasser, und lässt sich kaum wieder entfernen», ermahnt Reimann. «Wir sollten daher nach dem Vorsorgeprinzip handeln und den Einsatz der Vorläuferstoffe so gut es geht einschränken.»

PFAS, die Ewigkeitschemikalien

Die Stoffklasse der PFAS umfasst tausende von chemischen Verbindungen. Sie enthalten Fluor-Kohlenstoff-Bindungen, und viele von ihnen sind ausserordentlich stabil, sodass sie sich in der Umwelt kaum zersetzen. Die gesundheitlichen Auswirkungen von PFAS sind noch nicht vollständig verstanden, aber sie werden mit einer Vielzahl von Krankheitsbildern in Verbindung gebracht, von Organschäden bis hin zu Krebs. In der neuen «Pocket Facts»-Broschüre informieren die Empa, die Eawag und das Oekotoxzentrum über die Ewigkeitschemikalien und wie sie sich vermeiden lassen.

Empa/gg