Nachweis und Eintrag perfluorierter Tenside (PFT) in Lebensmittel

Determination and transfer of perfluorinated tensides in food

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  • In der vorliegenden Arbeit ging es darum, Eintragspfade von verschiedenen poly- und perfluorierten Alkyl-substanzen (PFASs) in die Lebensmittelkette zu untersuchen. Als poly- und perfluorierte Alkylsubstanzen (PFASs) werden dabei nach Buck et al. aliphatische Substanzen bezeichnet, bei denen mindestens an einem Kohlenstoffatom, an mehreren, oder an allen Kohlenstoffatomen sämtliche Wasserstoffatome durch Fluor ersetzt sind. Sind die PFASs aus einer vollständig fluorierten Kohlenstoffkette mit einer Carbonsäure-, Sulfonsäure-, Phosphorsäure- oder Alkoholgruppe am Ende, d. h. einem polaren Kopf aufgebaut, weisen sie die typischen amphiphilen Eigenschaften eines Tensids auf. Sie werden deshalbIn der vorliegenden Arbeit ging es darum, Eintragspfade von verschiedenen poly- und perfluorierten Alkyl-substanzen (PFASs) in die Lebensmittelkette zu untersuchen. Als poly- und perfluorierte Alkylsubstanzen (PFASs) werden dabei nach Buck et al. aliphatische Substanzen bezeichnet, bei denen mindestens an einem Kohlenstoffatom, an mehreren, oder an allen Kohlenstoffatomen sämtliche Wasserstoffatome durch Fluor ersetzt sind. Sind die PFASs aus einer vollständig fluorierten Kohlenstoffkette mit einer Carbonsäure-, Sulfonsäure-, Phosphorsäure- oder Alkoholgruppe am Ende, d. h. einem polaren Kopf aufgebaut, weisen sie die typischen amphiphilen Eigenschaften eines Tensids auf. Sie werden deshalb unter anderem als Adhesiva, Antistatika, als Öl und Fett abweisende Hilfsmittel für Lebensmittelverpackungen aus Papier und in Feuerlöschschäumen einge-setzt. Zudem sind sie aufgrund der fluorierten Kohlenstoffkette chemisch äußerst stabil. Die herausragende che-mische Stabilität ist der größte Vorteil der PFASs, wenn man an Einsatzgebiete wie beispielsweise von PFOS in der Galvanikindustrie denkt und zugleich ihr größter Nachteil im Hinblick auf das Verhalten in der Umwelt. Bedingt durch ihre Anwendung seit ca. 1950 und ihre chemische Stabilität kommen perfluorierte Alkylsubstan-zen mittlerweile weltweit in der Umwelt vor. Die bekanntesten Vertreter der PFASs, Perfluoroctansäure (PFOA) und Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) wurden im Rahmen von Humanbiomonitoringstudien im menschlichen Blutplasma rund um den Globus nachgewiesen. PFOS ist mittlerweile von der Europäischen Kommission als „möglicherweise krebserzeugend“ und „vermutlich reproduktionstoxisch“ eingestuft. Deshalb und auf Grund seiner Persistenz und seiner bioakkumulativen Eigenschaften ist PFOS in der EU nur noch für einige Spezialan-wendungen zugelassen. PFOA wird ebenfalls als „möglicherweise krebserzeugend“ und „vermutlich reprodukti-onstoxisch“ bewertet, ist jedoch in geringerem Maße bioakkumulativ. Für beide Stoffe gilt es, einen Eintrag in die Nahrungskette zu vermeiden. Für andere PFASs liegen keine umfassenden toxikologischen Daten oder chemikalienrechtlichen Einstufungen wie für PFOA und PFOS vor. Es gibt jedoch Studien, die zeigen, dass auch andere PFASs resorbiert werden und dass zudem hier auch, anders als bei PFOA und PFOS, eine Metabolisierung im Organismus stattfindet. PFASs können durch industrielles Abwasser oder Abgase freigesetzt werden. Der Einsatz von PFASs-haltigem Feuerlöschschaum auf Flughäfen oder bei Großbränden sowie das Aufbringen von mit PFASs kontaminiertem Klärschlamm als „Bodenverbesserer“ führten in der Vergangenheit teilweise zu schweren Kontaminationen von Gewässern und Böden. Deshalb war es ein Ziel der vorliegenden Arbeit, im Sinne des vorbeugenden Verbraucherschutzes eine Datenbasis zu schaffen, um in Fällen, in denen PFASs in die Umwelt freigesetzt und Böden kontaminiert werden, mögliche Risiken für die Bevölkerung hinsichtlich des Konsums von auf diesen Böden angebautem Gemüse ab- bzw. einschätzen zu können. Hierfür werden Daten zum Übergang der Kontaminanten in Lebensmittel benötigt. Transferfaktoren sollen dabei helfen, möglichst schnell das toxikologische Risiko für den Verzehr dieser Produkte einzustufen. Dazu wurde ein Anbauversuch durchgeführt, mit dem der Übergang von Perfluoroctansäure (PFOA) und Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) von der Erde in darauf wachsende Nutzpflanzen quantitativ erfasst werden konnte. Dabei war von besonderem Interesse, ob es bei verschiedenen Pflanzenarten zu einer unterschiedlichen Verteilung innerhalb der Pflanzen auf die einzelnen Pflanzenkompartimente kommt. Es wurde ein Anbauversuch mit Kartoffeln-, Karotten- und Gurkenpflanzen durchgeführt. Erde wurde mit PFOA- und PFOS-haltigem Klärschlamm vermischt, so dass jede Pflanzenart auf zwei unterschiedlich stark kontaminierten Böden unter kontrollierten Umweltbedingungen angebaut werden konnte. Auf unkontaminierter Erde wurden Negativkontrollproben jeder der gewählten Pflanzenarten kultiviert. Die quantitative PFASs-Analytik des Pflanzenmaterials erfolgte mit einer zuvor optimierten Methode durch Extraktion mit Acetonitril im Ultraschallbad mit anschließender Aufreinigung mittels dispersiver SPE. Die Messung wurde mit HPLC-MS/MS-Kopplung durchgeführt. Im Analysenspektrum waren neben PFOA und PFOS acht weitere PFASs ent-halten, nämlich PFBS, PFHxA, PFHxS, PFHpA, PFNA, PFDA , PFUnDA und PFDoDA. Für PFHxA, PFOA und PFOS wurden vor der Aufarbeitung isotopenmarkierte interne Standards zugegeben und die Ergebnisse über diese korrigiert. Die Bodenproben wurden analog zum Pflanzenmaterial aufgearbeitet, wobei beim Boden vor der Extraktion mit Acetonitril eine alkalische Hydrolyse durchgeführt wurde. Für die Quantifizierung wurde für jede Matrix, d. h. für Erde und für jede Pflanze sowie getrennt für die vegetativen Pflanzenanteile und die jeweiligen „Früchte“ Matrixkalibrierreihen erstellt. Die ermittelten Nachweis- bzw. Bestimmungsgrenzen für PFOA und PFOS lagen zwischen 0,03 µg/kg und 0,25 µg/kg bzw. zwischen 0,10 µg/kg bis 0,8 µg/kg. Für die übrigen PFASs wurden Nachweisgrenzen zwischen 0,02 µg/kg und 0,78 µg/kg und Bestimmungsgrenzen zwischen 0,04 µg/kg und 2,0 µg/kg ermittelt. Die Wiederfindungsraten für PFHxA, PFOA und PFOS lagen zwischen 75% und 128% mit Variationskoeffizienten im Bereich von 5% und 19%. Für die ohne internen Standard ausgewerteten Analyten liegen die Wiederfindungsraten teilweise deutlich außerhalb der Grenzen von 70% - 130 %. Die erstellten Mat-rixkalibriergeraden gleichen dies aus, jedoch würde der Einsatz eines isotopenmarkierten internen Standards die Methode verbessern. Die Ergebnisse des Anbauversuchs zeigen, dass PFOA und PFOS aus kontaminiertem Boden in darauf wachsende Pflanzen übergehen und dass höhere Konzentrationen der PFASs im Boden auch zu höheren Gehalten in den Pflanzen führen. Des Weiteren zeigte sich, dass die Aufnahme aus dem Boden zum einen von der Pflanzenart, zum anderen von der Substanz abhängt. Um den Übergang von Boden in die Pflanzen quantitativ zu erfassen und zu vergleichen, wurden Transferfaktoren (TF) für die verschiedenen Pflanzenteile berechnet: TF = [PFASs] im Pflanzenmaterial (Frischsubstanz) / [PFASs] im Boden (Trockensubstanz). Bei allen drei angebauten Pflanzen waren die berechneten Transferfaktoren für die vegetativen Pflanzenanteile am höchsten und im Durchschnitt lagen die Werte für PFOS unter denen für PFOA. Auffallend hoch war der berechnete Transferfaktor für PFOA bei den vegetativen Teilen der Gurkenpflanzen. Er hatte einen Wert von durchschnittlich 0,88 und war damit ca. doppelt so hoch wie die berechneten Faktoren bei den vegetativen Anteilen der Kartoffel- und Karottenpflanzen. Der Transferfaktor für PFOS bei den vegetativen Gurkenpflanzenanteilen war mit 0,17 indessen vergleichsweise niedrig. Die Aufnahme von PFOS in Kartoffelschalen scheint höher zu sein als die Aufnahme in die geschälten Knollen selbst. Bei den Karotten wurde kein Unterschied zwischen den Konzentrationen in den Schalen und den geschälten Karotten festgestellt. Es ist ebenso bemerkenswert, dass die berechneten Transferfaktoren für die Karotten bis zu fünfmal höher sind als für die geschälten Kartoffeln. Im durchgeführten Anbauversuch konnte PFOA auch in Gurken nachgewiesen werden, die keinen direkten Kontakt mit dem kontaminierten Boden hatten. Die nachgewiesenen Mengen waren ähnlich denen in Karotten, aber wesentlich höher als in den Kartoffeln. Die gewählten PFOA- und PFOS-Konzentrationen in der Erde resultierten in Konzentrationen von 30 µg/kg PFOA in den essbaren Anteilen von Karotten und Gurken. Die höchsten Gehalte von PFOS wurden in den Ka-rotten mit 20 µg/kg festgestellt. Ohne zusätzliche Aufnahme von PFASs über andere Wege müsste ein 60 kg schwerer Mann über 3 kg der kontaminierten Karotten oder Gurken täglich essen, um den TDI-Wert der EFSA von 1,5 µg/kg KG für PFOA zu überschreiten. Der niedrigere TDI von PFOS mit 0,15 µg/kg KG würde bei einer Aufnahme von 450 g der hoch kontaminierten Karotten überschritten werden. Diese Verzehrsmengen sind als vergleichsweise hoch für eine durchschnittliche Ernährung anzusehen. Das Risiko, den TDI für PFOA oder PFOS zu überschreiten, ist somit als relativ gering anzusehen. Andererseits wurde gezeigt, dass besonders die vegetativen Anteile der Pflanzen PFASs aus dem Boden aufnehmen. Auf Grund dessen könnten Futtermittel eine Haupteintragsquelle in die Nahrungskette darstellen. Zieht man die Unterschiede in den gefundenen Konzentrationen in den drei selbst angebauten Pflanzen, z. B. Kartoffeln und Karotten, in Betracht, erscheint es schwierig, eine generelle Aussage zum Übergang von PFASs aus Boden in Pflanzen zu treffen, da der Übergang stark von der Pflanzenfamilie abhängig zu sein scheint. Für eine Gefährdungsbeurteilung für den Verbraucher spielt zudem eine Rolle, aus welchem Pflanzenkompartiment der verzehrbare Anteil der Pflanze stammt. Um eine bessere Einschätzung leisten zu können, müssten weitere Studien zur Aufnahme auch anderer PFASs in unterschiedliche (Nutz-)pflanzen durchgeführt werden. PFASs können jedoch nicht nur über den Pfad Boden - Pflanze in Lebensmittel eingetragen werden. PFASs wer-den auch für die Beschichtung von Papieren für Lebensmittelzwecke wie Backpapier, Einwegverpackungen oder Mikrowellenpopcornverpackungen eingesetzt. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war deshalb die Erforschung von perfluorierten Verbindungen, die zur Beschichtung von Lebensmittelverpackungen verwendet werden. Im Fokus stand dabei die biologische Abbaubarkeit, speziell das Verhalten in einer biologischen Kläranlage. Entstehende Abbauprodukte könnten durch die bisherigen Untersuchungsparameter für PFASs in Abwasser und Klärschlamm eventuell noch nicht berücksichtigt sein, jedoch aber zur Belastung der Umwelt und der Verbraucher an poly- und perfluorierten Verbindungen beitragen. Als Untersuchungsobjekt wurde ein Produkt namens Ciba® LODYNE® P-208E ausgewählt. Es handelt sich dabei um ein anionisches polyfluoriertes Beschichtungsmittel auf Wasserbasis, mit dem Lebensmittelverpackungen aus Papier und Pappkarton, wie z. B. für Mikrowellenpopcorn oder für fettiges Gebäck, Öl und Fett abweisend ausgerüstet werden können. Die chemische Bezeichnung im Sicherheitsdatenblatt lautet „Phosphatestersalz eines fluorierten Alkohols“. LODYNE® P-208E war von 1994 bis 01.01.2012 in den Empfehlungen XXXVI und XXXVI/2 des BfR als Mittel zur Oberflächenveredelung und -beschichtung für Papiere, Kartons und Pappen für den Lebensmittelkontakt und für Backzwecke aufgeführt. In der HPLC-ESI--MS Analytik sind jeweils als deprotoniertes Molekülion drei Hauptverbindungen unterschiedlicher Molekülmasse detektierbar ([M-H]-; m/z 921, 1021, 1121). Laut Herstellerangabe ist Ciba® LODYNE® P-208E nach OECD-Test 301D zu 40 - 50 % biologisch abbaubar. Es ist unklar, inwieweit und in welcher Form die Verbindungen bei der Papierherstellung, bei Recyclingprozessen und beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Papiere in die Umwelt freigesetzt werden. Studien zeigten jedoch, dass derartige Verbindungen bei Migrationsexperimenten in den Migraten gefunden werden können. Strukturell ähnliche Phosphatester wurden in Klärschlamm und im Humanbiomonitoring im Serum nachgewiesen. Um den biologischen Abbau der Verbindung bei der Abwasserbehandlung zu untersuchen, wurde dieser vom LGL in Zusammenarbeit mit dem LfU in Versuchskläranlagen simuliert. Dabei wurde das Mittel den Anlagen kontinuierlich mit einem synthetischen Abwasser zugeführt und aus dem Kläranlagenablauf regelmäßig Proben entnommen, in denen der LODYNE® P-208E-Gehalt quantifiziert wurde. Zusätzlich wurde der anfallende Überschussschlamm auf Rückstände von LODYNE® P-208E analysiert. Die quantitative Analytik der drei LODYNE-Kongenere in den Wasserproben erfolgte dabei über eine Festpha-senextraktion mit strata-X-AW-Kartuschen. Für die Matrixkalibrierreihe wurden Proben aus der Kontrollanlage dotiert und entsprechend den Proben aus den Prüfanlagen aufgearbeitet. Die ermittelten Nachweis- bzw. Be-stimmungsgrenzen für die drei LODYNE-Kongenere bezogen jeweils auf das eingesetzte technische Produkt, betragen 25,7 ng/l bzw. 30,7 ng/l für LODYNE m/z 921, 20,9 ng/l bzw. 25,1 ng/l für LODYNE m/z 1021 und 6,9 ng/l bzw. 14,2 ng/l für LODYNE m/z 1121. Die Wiederfindungsraten liegen für m/z 921 zwischen 23 % und 33 %, für m/z 1021 zwischen 34 % und 49 % und für m/z 1121 zwischen 89 % und 108 %. Die Variationskoef-fizienten der Wiederfindungsraten haben Werte zwischen 16 % und 31 %. Besonders für LODYNE m/z 921 und 1021 wurden damit relativ niedrige Wiederfindungsraten berechnet, die aber durch die Quantifizierung über die Matrixkalibrierreihen ausgeglichen werden konnten. Die quantitative Analytik der drei LODYNE-Kongenere in den Belebtschlammproben wurde analog zu der Ana-lytik der Erdproben des Anbauversuchs durchgeführt. Für m/z 921 wurde eine Nachweis- bzw. Bestimmungs-grenze von 0,18 µg/g bzw. 0,53 µg/g, für m/z 1021 von 0,13 µg/g bzw. 0,23 µg/g und für m/z 1121 von 0,20 µg/g bzw. 72 µg/g berechnet. Die Wiederfindungsraten betragen 48% bis 56% für m/z 921, 145 % bis 158% für m/z 1021 und 173% bis 221% für m/z 1121. Die Variationskoeffizienten liegen zwischen 8% und 38%. Auch bei dieser Aufarbeitung wurden die unterschiedlich hohen Wiederfindungsraten durch die Quantifizierung über die Matrixkalibrierreihen ausgeglichen. Die Ergebnisse des Abbauversuchs lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die Adsorptionsraten am Be-lebtschlamm für das LODYNE-Kongener m/z 921 liegen im Bereich zwischen 15 % und 23 %, für das Konge-ner m/z 1021 zwischen 35 % und 60 % und zwischen 46 % und 107 % für das Kongener m/z 1121. Die Eliminationsraten der LODYNE-Kongenere im Ablauf der Kläranlagen wurden durch Vergleich der Konzentration im Zulauf und der ermittelten Konzentrationen im Ablauf bestimmt. Im Versuchszeitraum von 42 Tagen liegen in den beiden Prüfanlagen die Eliminationswerte von LODYNE m/z 921 zwischen 91% und 99%, für m/z 1021 zwischen 63 % und 98 %, und für m/z 1121 zwischen 36 % und 95 %. Das Verhalten in den Versuchskläranlagen war abhängig von der Molekülgröße. Mit zunehmender Länge der Fluoralkylkette der LODYNE® P-208E-Kongenere sank die messbare Elimination im Ablauf, wohingegen der Gehalt im Klärschlamm stieg. Damit sank wiederum die Rate des möglicherweise vorliegenden Abbaus. Die möglichen Abbauraten wurden aus der Differenz zwischen Gehalt im Zulauf und Summe aus Gehalt im Ablauf und Adsorption am Klärschlamm berechnet. Für m/z 921 liegen die Werte in den beiden Prüfanlagen von 73 % bis 82 %. Die ermittelten möglichen Abbauraten für m/z 1021 liegen zwischen 34 % und 53 %. Für m/z 1121 wurden Werte von 0 % bis 26 % in den zwei Prüfanlagen ermittelt. Eventuelle Adsorptionseffekte am System konnten bedingt durch den komplexen Versuchsaufbau nicht systema-tisch untersucht werden. In beiden Modellkläranlagen ergibt sich für die kürzerkettigen LODYNE® P-208E-Kongenere m/z 1021 und m/z 921 eine Fehlmenge bei der Bilanzierung von zugeführter LODYNE gegen am Klärschlamm adsorbierter Menge und mit dem Abwasser ausgeschiedener Menge. Diese Fehlmenge wäre durch einen Abbau der Verbin-dung oder aber durch die Adsorption der Verbindung innerhalb der Anlage erklärbar. Ähnlich wie für die in Feuerlöschschäumen enthaltenen polyfluorierten Verbindungen, bei den Fluortelomersul-fonate (4:2-FTS, 6:2-FTS und 8:2-FTS) mögliche Abbauprodukte darstellen, ist auch bei der Struktur von LODYNE® P-208E ein Abbau zu 6:2-FTS und 8:2-FTS denkbar. Der Überschussschlamm aus den Laborkläranlagen wurde daher auf das Vorhandensein von 6:2-FTS und 8:2-FTS hin untersucht. Beide Substanzen konnten in den Proben der beiden Prüfanlagen nachgewiesen werden. Allerdings wurden auch im Überschussschlamm der Kontrollanlage diese beiden Substanzen detektiert, so dass keine gesicherte Aussage zur Herkunft bzw. zur Entstehung dieser zwei Substanzen getroffen werden konnte. Deshalb wurde ein zweiter Versuch zum biologischen Abbau von LODYNE® P-208E durchgeführt. Dieser erfolgte in Anlehnung an den OECD-Test 301D (Closed-Bottle-Test) in einem statischen System mit aktiver Mikroflora, jedoch ohne Belebtschlamm. Der Nachweis der Fluortelomersulfonate 6:2-FTS und 8:2-FTS stand dabei speziell im Fokus der Untersuchung. Bei diesem Abbauversuch wurde zum einen das Originalprodukt, zum anderen aber auch eine über Größenausschlusschromatographie aufgereinigte Fraktion des Produkts LODYNE® P-208E bakterienhaltigen kontinuierlich belüfteten Mineralmedien in verschlossenen Glasflaschen zugesetzt. Bei der aufgereinigten Variante waren die bereits im Produkt LODYNE® P-208E messbaren Verbindungen 6:2-FTS und 8:2-FTS von den Kongeneren mit m/z 921, 1021 und 1121 abgetrennt worden. Mögliche flüchtige Abbauprodukte wurden auf mit XAD-2-Sorbens gefüllten Kartuschen aufgefangen. Die biologische Aktivität des Systems wurde über wöchentliche Koloniezahlbestimmungen überprüft. Die Adsorptionsrate von LODYNE® P-208E innerhalb des Versuchsaufbaus wurde durch die Untersuchung steriler Kontrollproben berücksichtigt. Der Abbau wurde durch Quantifizierung der LODYNE® P-208E-Kongenere m/z 921, 1021 und 1121 zu Beginn und am Ende der Versuchsdauer ermittelt. Zudem wurde der Gehalt an 6:2-FTS und 8:2-FTS bestimmt und auf weitere Abbauprodukte untersucht. Extrakte des XAD-2-Sorbens wurden über GC-MS mittels Elektronenstoßionisation (EI) und positiver chemischer Ionisation (PCI) untersucht. Dazu wurden GC-MS-Messmethoden unter Einsatz von EI und CI entwickelt, mit denen flüchtige Abbauprodukte qualitativ erfasst werden konnten. Bei einer Versuchsdauer von 35 Tagen konnte unter den gewählten Versuchsbedingungen unter Berücksichtigung der Ergebnisse der sterilen Kontrollproben weder beim Originalprodukt noch bei der aufgereinigten Variante ein deutlicher biologischer Abbau der LODYNE® P-208E-Kongenere m/z 921, 1021 und 1121 festgestellt werden. Zwar wurde eine Abnahme der LODYNE-Kongener-Konzentrationen in den Versuchsansätzen mit aktiver Mik-roflora beobachtet, allerdings wurden vergleichbare Effekte auch in den Kontrollansätzen festgestellt. 6:2-FTS und 8:2-FTS konnten sowohl als Produkte des biologischen Abbaus von LODYNE® P-208E im Origi-nalzustand, als auch von der aufgereinigten Fraktion bestätigt werden, da eine Zunahme der Konzentration der zwei Komponenten nur in den Abbauproben mit intakter Bakterienflora nachgewiesen wurde, jedoch nicht in den sterilen Kontrollproben. Die gebildeten Mengen an FTS entsprechen allerdings nicht dem Anteil der prozen-tualen Abnahme an LODYNE® P-208E. Bei der Analyse auf flüchtige Abbauprodukte, wurden mittels GC-EI-MS zahlreiche Signale mit einem Fragmen-tierungsmuster erhalten, das für PFASs typisch ist (m/z = 69, 119, 131, 169). Mit zusätzlichen Messungen mittels PCI-Quelle im SIM (Single-Ion-Modus) konnten unter den flüchtigen Verbindungen auch die Fluortelomerthiole 6:2-Thiol und 8:2-Thiol bzw. deren Disulfide detektiert werden. Diese waren jedoch ebenso wie die anderen detektierten Signale bereits als flüchtige Verbindungen im Originalprodukt LODYNE® P-208E vorhanden. Ein Hauptabbauprodukt war somit nicht erkennbar, so dass von weiteren Versuchen zur Strukturermittlung der unbe-kannten Verbindungen aus der GC-MS-Analytik abgesehen wurde. Somit wurden im Rahmen des zweiten Abbauversuchs keine neuen Abbauprodukte von LODYNE® P-208E identifiziert. Jedoch konnte die Vermutung, dass sich im Zuge eines biologischen Abbaus aus LODYNE® P-208E Fluortelomersulfonate bilden, bestätigt werden. Die Ergebnisse der zwei durchgeführten Abbauversuche zeigen damit, dass Verbindungen wie 6:2-FTS und 8:2-FTS in Kläranlagen durch mikrobiellen Abbau von Vorläuferverbindungen wie LODYNE® P-208E gebildet werden und auch am Belebtschlamm adsorbieren. Um eine Gesamtbelastung an PFASs zu ermitteln, müssten daher auch Vorläuferverbindungen bzw. Verunreinigungen oder Abbauprodukte perfluorierter Produkte in den Katalog der zu überwachenden Stoffe hinsichtlich der PFASs-Belastung von Klärschlamm mit aufgenommen werden. Die detektierten flüchtigen Verbindungen wie die Fluortelomerthiole und derern Disulfide können möglicherweise auch beim Gebrauch von mit LODYNE® P-208E beschichteten Mikrowellenpopcornverpackungen oder Backpapier freiwerden und auf Lebensmittel übergehen. Hier wären weitere Untersuchungen nötig, um das Ausmaß der Exposition der Verbraucher bewerten zu können.show moreshow less
  • The aim of this study was to investigate the transfer of several poly- and perfluorinated alkylated substances (PFASs) in the food chain. Following the definition of Buck et al. the term poly- and perfluorinated alkylated substance is used for aliphatic substances in which at least one, several or all C atoms are completely substituted by fluoro atoms instead of hydrogens. PFASs with a completely fluorinated carbon chain on the one end and a carboxylic, sulfonic or phosphonic acid, an alcoholic or another polar type moiety on the other end possess the typical amphiphilic qualities of surfactants. Hence, they are used as adhesives, antistatic agents, such as oil and solvent repellent stainThe aim of this study was to investigate the transfer of several poly- and perfluorinated alkylated substances (PFASs) in the food chain. Following the definition of Buck et al. the term poly- and perfluorinated alkylated substance is used for aliphatic substances in which at least one, several or all C atoms are completely substituted by fluoro atoms instead of hydrogens. PFASs with a completely fluorinated carbon chain on the one end and a carboxylic, sulfonic or phosphonic acid, an alcoholic or another polar type moiety on the other end possess the typical amphiphilic qualities of surfactants. Hence, they are used as adhesives, antistatic agents, such as oil and solvent repellent stain for paper manufactured for food packaging and in fire-fighting foams. Because of their fluorinated carbon chain PFASs are chemically extremely stable. This immense chemical stability on the one hand is the major advantage of PFAS, as seen in their original function, such as in metal plating industries, but on the other hand it is the biggest disadvantage as well as regards the damage they do to the environment. As a result of their application since the 1950s, and their chemical stability, perfluorinated alkylated substances can be found in the environment worldwide. The most popular PFASs, perfluorooctanoic acid (PFOA) and perfluorooc-tanesulfonic acid (PFOS), have been detected in human bio-monitoring studies in human blood plasma all over the world. In the meantime PFOS has been classified by the European Commission as a suspected human car-cinogen and a suspected human reproductive or developmental toxicant. On the basis of this classification and because of its persistence and bio-accumulation, PFOS is now only permitted for some special applications in the European Union. PFOA is less bio-accumulative than PFOS but it is also assessed as a suspected human car-cinogen and a suspected human reproductive or developmental toxicant. It is imperative that both substances be prevented from carrying over in the food chain. The toxicological data for PFASs other than PFOS and PFOA is less comprehensive and no official legal classi-fication in the chemical law exists to date. However, some studies show that PFASs other than PFOS and PFOA can be absorbed by animals and humans as well and that these are metabolized in the organism unlike PFOA and PFOS. PFASs can be set free through industrial wastewater or emissions. The use of PFASs containing fire-fighting foam at airports or at serious fires as well as the application of PFASs containing sewage sludge on fields as a fertilizer has caused some severe contamination of water bodies and soils in the past. Hence the aim of this study with regard to preventative consumer protection was to create a data base which can be used when contamination sites are discovered that affect agricultural food production. With this data base it should be possible to assess the potential risk for the population when consuming vegetables which were culti-vated on the contaminated soil. For that purpose data for the carry over of these contaminants in food is needed. Transfer factors should help to deduce the toxicological risk potential of vegetables as fast as possible when ambient PFASs contamination is detected. Therefore a vegetation study was carried out to investigate the carry over of PFOA and PFOS from soil to different types of crops quantitatively. It was of particular interest to determine if there is a difference between the PFAS uptake of the crops and whether there are preferences in the distribution of PFOA and PFOS to the different compartments of the plants. In this vegetation study potato, carrot and cucumber plants were grown on soil which was mixed with contaminated sewage sludge. Each type of crop was cultivated under controlled environmental conditions on two soils which contained different PFASs concentrations. Negative control samples were cultivated of each type of plant on PFASs free soil. Quantitative analysis of the plant material for PFASs was carried out by means of a previously optimized method of ultrasonic liquid-extraction using acetonitrile with dispersive SPE cleanup and subsequent HPLC-MS/MS analysis. In addition to PFOA and PFOS the method comprised the substances PFBS, PFHxA, PFHxS, PFHpA, PFNA, PFDA , PFUnDA and PFDoDA. For the substances PFHxA, PFOA and PFOS isotopic labelled internal standards were added before sample work up and results were corrected by the internal standards. Soil samples were analyzed similarly to the plant samples, but alkaline hydrolysis was carried out before the extraction. Matrix calibration curves were applied for quantification specific to each matrix, i.e. for soil and for each plant and separately for the vegetative parts. Detection limits (LOD) and quantification limits (LOQ) for PFOA and PFOS were calculated ranging from 0.03 µg/kg to 0.25 µg/kg, or ranging from 0.10 µg/kg to 0,80 µg/kg. For the other PFASs LODs ranged from 0.02 µg/kg to 0.78 µg/kg and LOQs were between 0.04 µg/kg and 2.0 µg/kg. Recovery rates for PFHxA, PFOA and PFOS were in the range of 75% to 128% with a coefficient of variation from +/-5% to +/-19%. For the analytes, which were quantified without the use of an internal stan-dard, some of the recovery rates were completely beyond the range of 70% to 130 %. The matrix calibration compensates this, but the use of an isotopic labelled internal standard for each analyte would improve the method. The results of this vegetation study show that there is a carry over of PFOA and PFOS from soil to plants and that increasing concentrations of PFOA and PFOS in the soil cause increasing amounts in the plants. They also confirm that the carry over of PFASs from soil to plants varies with the plant species and with the substance. In order to quantitatively assess and compare the transfer potential from soil, transfer factors (TF) were calculated for the different plant compartments: TF = [PFASs] plant (wet substance)/ [PFASs] soil (dry weight). Of all three types of cultivated plants the calculated transfer factors were the highest for the vegetative compartments of the plants. On average the factors for PFOA were higher than for PFOS. The TF for PFOA in the vegetative compartments of the cucumber plants was especially high. The average value was 0.88 and was about twice as high as the TFs for the vegetative compartments of the potatoes and the carrots. However, the transfer factor for PFOS in the vegetative cucumber plants at 0.17 was comparatively low. Uptake of PFOA and PFOS into potato peelings exceeded the carryover to the peeled tubers. In carrots this difference did not occur. It is also remarkable that the calculated transfer factors in the carrots were up to five times higher than in the peeled potatoes. In the present vegetation study transfer of PFOA was detected in the cucumbers which did not have any direct contact with the contaminated soil. The chosen PFOA and PFOS concentrations in the soil resulted in maximum PFOA concentrations at a level of 30 µg/kg in the edible compartments of carrots and cucumbers. The highest amounts of PFOS were detected in carrots with levels of 20 µg/kg. Without any additional intake of PFASs, a man weighing 60 kg would have to eat about 3 kilos of the contaminated carrots or cucumbers every day to exceed the EFSA TDI of 1.5 µg/kg KG for PFOA. The lower TDI of PFOS of 0.15 µg/kg KG would be exceeded by consumption of 450 g of the highly contaminated carrots every day. As these amounts of consumption are comparatively high for an average food intake, the risk of exceeding the TDIs for PFOA and PFOS is expected to be relatively low. However, it was shown that the vegetative plant compartments are particularly affected by the PFASs carryover. Because of this finding, feeding crops could possibly account for the main uptake in the food chain via plants. Taking into account the difference between the transfer rate in carrots and potatoes, for example, it seems diffi-cult to make general estimations on the amount of carry over from soil to plants, as the carry over depends on the type of plant. For the risk evaluation it is also of importance to consider which type of plant compartments the food or feed is made of. Because of the varying behaviour observed for PFOA and PFOS in the present study, possible carry over of other PFASs cannot be predicted at all and would have to be addressed in further studies. But carry over from soil to plants is not the only way for per- and polyfluorinated alkylated substances to enter the food chain. PFASs are used as coatings and oil and water repellent agents in paper used as food-contact ma-terial such as baking paper, one way wrappings or microwave popcorn packaging. Hence another aim of this work was to study perfluorinated alkylated substances which are used as refining agents for food packaging paper. The main aim was to investigate the biological degradability of these substances and especially their be-haviour in wastewater treatment plants. Degradation products could be formed which are not yet considered in the guide values for PFASs in wastewater and sewage sludge. But they might contribute to the PFAS burden on the environment and on consumers. A product called Ciba® LODYNE® P-208E was chosen. It is a water-based anionic fluorochemical sizing agent. It can be used as water and oil repellent stain for paper and board used as food-contact material such as micro-wave popcorn packaging or oil and grease repellent wrapping paper for fatty pastry. According to the material safety data sheet, chemically Ciba® LODYNE® P-208E is a fluorinated alcohol phosphate ester salt. Ciba® LODYNE® P-208E was listed in the Recommendations XXXVI and XXXVI/2 of the German Federal Institute for Risk Assessment (BfR), from 1994 to 01.01.2012 as a surface refining and coating agent for paper and card-board for food-contact and baking purposes. In HPLC-ESI--MS-analysis the product results in three main signals of deprotonated molecular ions respectively ([M-H]-; m/z 921, 1021, 1121). They indicate the three main conge-ners of LODYNE® P-208E. According to the technical data sheet of the producer, Ciba® LODYNE® P-208E is biodegradable in the OECD 301D test (Closed Bottle – test) to 40% - 50 %. It is yet unknown, if and how this product is released into the environment during paper production, recycling processes and during usage of the stained papers. Studies have shown that substances like LODYNE® P-208E do migrate from food packaging. Phosphate esters of similar structure have been identified in wastewater treatment plant (WWTP) sludge and in human serum. In cooperation with the Bavarian Environment Agency (LfU), the degradation of LODYNE® P-208E during waste water treatment was investigated in model WWTPs. The product was added continuously to the synthetic waste water influent of the systems. Effluent samples were taken periodically and the amount of LODYNE® P-208E in it was analyzed. Additionally tests were conducted on the sewage sludge for residues of LODYNE® P-208E. Quantitative analysis of the effluent and influent water samples for the three main LODYNE congeners was carried out by solid phase extraction with strata x-aw cartridges. Matrix calibration curves using spiked blank samples of the effluent of the control model WWTP that were worked up in analogy to the samples, were applied for quantification. Detection limits or quantification limits for the three congeners in relation to the total amount of the applied technical product, LODYNE® P-208E were 25.7 ng/l, or 30.7 ng/l for LODYNE m/z 921, 20.9 ng/l and 25.1 ng/l for LODYNE m/z 1021 and 6.9 ng/l , or 14.2 ng/l for LODYNE m/z 1121. Recovery rates were calculated for m/z 921 between 23% and 33%, for m/z 1021 between 34% and 49% and for m/z 1121 in the range of 89% and 108%. The coefficient of variation was ranging from 16% to 31%. The recov-ery rates, especially for LODYNE m/z 921 and 1021 are quite low, but the coefficient of variation was accept-able/ appropriate and the quite low findings were compensated by applying matrix calibration curves for quanti-fication. Quantitative analysis of the three LODYNE congeners in sewage sludge samples was performed in the same way as for the perfluorinated carbon and sulfonic acids in the soil samples of the vegetation study. For m/z 921 a LOD of 0.18 µg/g and a LOQ of 0.53 µg/g were calculated. For m/z 1021 the LOD was 0.13 µg/g, for m/z 1121 it was 0.20 µg/g. The respective LOQs were 0.23 µg/g and 0.72 µg/g. Here, recovery rates ranged from 48% to 56% for m/z 921, from 145% to 158% for m/z 1021 and from 173% to 221% for m/z 1121. The coefficient of variation was between 8% and 38%. In this case the quite high recovery rates were compensated by using matrix calibration curves for quantification as well. The results of the degradation study can be summed up as follows: Adsorption rates on the sewage sludge for m/z 921 were determined between 15% and 23%, for m/z 1021 between 35% and 60% and for m/z 1121 in the range of 46% and 107% of the total load of LODYNE in the WWTPs. Elimination rates of the LODYNE congeners in the effluent of the WWTPs were calculated by comparing the concentration in the influent with the determined concentrations in the effluent. During the test period of 42 days the elimination rates in the two test systems were between 91% and 99% for LODYNE m/z 921, between 63% and 98% for m/z 1021 and between 36% and 95% for m/z 1121. In summary, it can be said that the behaviour of the three LODYNE congeners seems to depend on the length of their fluorinated carbon chain. The percentage of elimination decreases with the chain length of the congeners. The percentage of adsorption on the sewage sludge rises with the chain length of congeners. As a consequence of this the percentage of degradation decreases with the chain length of congeners. Possible degradation rates were calculated as the difference between the concen-tration in the influent and the sum of concentration in the effluent and the adsorbed amount on the sewage sludge. For m/z 921 the values in the two systems lay between 73% and 82%. The determined degradation rates for m/z 1021 are between 34% and 53% and those for m/z 1121 between 0% and 26%. It could not be investigated whether LODYNE congeners were adsorbed on the test systems because of the com-plex construction of the WWTPs. For both model WWTPs missing amounts were calculated for the two congeners with m/z 921 and m/z 1021. These could be caused by degradation processes but also by adsorption effects on the test systems. Fluorotelomer sulfonates (4:2-FTS, 6:2-FTS und 8:2-FTS) are possible degradation products of PFASs in fire- fighting foams. With regard to the structure of LODYNE® P-208E, the LODYNE congeners can also possibly degrade to 6:2-FTS and 8:2-FTS. For this reason the excess sewage sludge was analyzed for the two fluorotelomer sulfonates. Both substances could be detected in the sewage sludge samples of the two test WWTPs, but also in those of the control WWTP which ran without LODYNE® P-208E. Therefore it could not be demonstrated clearly that these two substances are degradation products of LODYNE® P-208E. Therefore another biological degradation test similar to OECD test 301D (Closed bottle test) in a static system was conducted with an active bacteria culture but without sewage sludge. The aim of this test was to investigate whether the fluorotelomer sulfonates 6:2-FTS and 8:2-FTS are degradation products of LODYNE® P-208E. Not only the original LODYNE® P-208E, but also a purified fraction of it was used for this degradation test. The purified LODYNE was produced by size exclusion chromatography. It did not contain 6:2-FTS and 8:2 FTS which were detected in small amounts in the original LODYNE® P-208E. For this second degradation test, bottles containing mineral medium and an inoculum stemming from the sewage sludge of a WWTP were spiked with LODYNE® P-208E and continuously aerated. Possible volatile degradation products were trapped on car-tridges containing XAD-2-sorbent material. The biological activity of the systems was tested every week by determining the coliform count. The adsorption rate of LODYNE® P-208E was considered by testing the con-centration of the LODYNE congeners in sterile control vessels. The degradation rates were determined by com-paring the concentration of m/z 921, 1021 and 1121 at the beginning and the end of the test period. Furthermore concentrations of 6:2-FTS and 8:2-FTS were measured and samples were tested for unknown degradation prod-ucts. Extracts of the XAD-2 sorbent were analyzed via GC-MS. GC-MS methods using electron impact ionisa-tion (EI) and positive chemical ionisation (PCI) were developed to qualitatively detect volatile degradation prod-ucts. The results of the sterile test vessels show that no significant degradation rate could be detected for [M-H]- 921, 1021 and 1121 of the original LODYNE® P-208E and the purified one over the test period of 35 days in the given model system. The loss at the end was comparable in the active and in the sterile test vessels. 6:2-FTS and 8:2-FTS could be approved as products of the biological degradation of the original LODYNE® P-208E as well as of the purified one. These two substances were only detected in the test vessels with active in-oculum, but not in the sterile test vessels. But the detected amounts at the end of the test did not correlate with the percentaged degradation of LODYNE® P-208E. Numerous peaks were detected in the XAD-2 extracts, showing a fragmentation pattern which is typical of per-or polyfluorinated substances (m/z = 69, 119, 131, 169). 6:2- and 8:2-fluorotelomer thiols as well as their corre-sponding disulfides could be detected by analysis using PCI and single ion-monitoring. But all these substances were also detectable as volatile constituents of the original LODYNE® P-208E. So no significant volatile degra-dation product could be recognized. Therefore further attempts to elucidate the structures of the unknown sub-stances detected by GC-MS were cancelled. In conclusion it can be stated that no new degradation products were detected in the second degradation test, but the assumption that 6:2- and 8:2- FTS could be biological degradation products of LODYNE® P-208E was proved. The results of the two degradation tests show that 6:2-FTS und 8:2-FTS could be formed via microbiological processes in WWTPs and that they adsorb partly on sewage sludge. To investigate the total amount of PFASs, precursor substances or impurities and degradation products of PFASs would have to be included in the analysis of sewage sludge. The detected fluorotelomer thiols and their corresponding disulfides could possibly migrate from microwave popcorn packaging or baking paper and could migrate into food. Further studies would be necessary to be able to assess the exposition risk for consumers.show moreshow less

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Metadaten
Author:Mareike Lechner
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-49524
Referee:Monika Pischetsrieder
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2014
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Acceptance date of the thesis:2014/07/07
Release Date:2014/07/28
SWD-Keyword:Perfluortenside; Perfluorverbindungen; PFOA; PFOS; Polyfluorverbindungen
Length/size:244
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Department Chemie und Pharmazie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 3.0
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