PFAS è l’abbreviazione di sostanze per- e polifluoroalchiliche e i PFAS vengono usati da 70 anni come agenti antiaderenti e impermeabilizzanti. Si trovano comunemente nelle pentole antiaderenti, nei cosmetici, nelle schiume antincendio, nei tessuti idrorepellenti e nei prodotti che resistono a grasso e olio. I PFAS sono chiamati anche “prodotti chimici per sempre” perché i batteri non possono mangiarli, il fuoco non può incenerirli e l’acqua non può diluirli. E, se queste sostanze chimiche tossiche vengono seppellite, penetrano nel suolo e, come ben sanno in Veneto e altrove, diventano un problema persistente che mette a rischio la salute delle generazioni presenti e future.
Infatti, i PFAS sono penetrati nella nostra acqua potabile e persino nel sangue del 97% della popolazione statunitense. Sebbene gli effetti sulla salute non siano ancora completamente compresi, l’esposizione al PFAS è fortemente associata a una diminuzione della fertilità, effetti sullo sviluppo nei bambini, aumento dei rischi di vari tipi di cancro, ridotta immunità per combattere le infezioni e aumento dei livelli di colesterolo. Tenendo presente questi effetti negativi sulla salute, l’Environmental Protection Agency (EPA) Usa ha recentemente dichiarato non sicuri diversi PFAS, anche a livello di presenza di tracce
Ora, lo studio “Low-temperature mineralization of perfluorocarboxylic acids”, appena pubblicato pubblicato su Science da un team di ricercatori statuinitensi e cinesi, sembra aver fatto una scoperta “impossibile”: utilizzando basse temperature e reagenti comuni poco costosi, ha sviluppato un processo che «Provoca la rottura di due classi principali dei composti PFAS, lasciando dietro di sé solo prodotti finali benigni». I ricercatori sono convinti che «Questa semplice tecnica potrebbe potenzialmente essere una soluzione potente per lo smaltimento definitivo di queste sostanze chimiche nocive, che sono collegate a molti effetti pericolosi per la salute dell’uomo, del bestiame e dell’ambiente».
William Dichtel, del Department of chemistry della Northwestern University, che ha guidato l team di ricerca, spiega che «I PFAS sono diventati un grave problema per la società. Anche solo una piccola, minuscola quantità di PFAS provoca effetti negativi sulla salute e non si rompe. Per risolvere questo problema, non possiamo semplicemente aspettare. Volevamo usare la chimica per affrontare questo problema e creare una soluzione che il mondo potesse usare. La nostra soluzione è eccitante per quanto sia semplice, ma non riconosciuta».
Dichtel ha lavorato allo studio insieme a Robert Letsinger, del Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern, e alla principale autrice, Brittany Trang, che ha condotto il progetto come parte della sua tesi di dottorato recentemente completata nel laboratorio di Dichtel.
Dichtel ricorda che «Recentemente, l’EPA ha rivisto le sue raccomandazioni per il PFOA sostanzialmente a zero. Questo mette diversi PFAS nella stessa categoria del piombo».
Sebbene gli sforzi per filtrare i PFAS dall’acqua abbiano avuto successo, ci sono poche soluzioni su come smaltire i PFAS una volta rimossi. Le poche opzioni che stanno emergendo riguardavano la distruzione dei PFAS a temperature e pressioni elevate o altri metodi che richiedono grandi apporti di energia. Dichtel fa però notare che «Nello Stato di New York, è stato scoperto che un impianto che afferma di incenerire i PFAS rilascia alcuni di questi composti nell’aria. I composti sono stati emessi dalle ciminiere e finiscono nella comunità locale. Un’altra strategia fallita è stata quella di seppellire i composti nelle discariche. Quando lo fai, fondamentalmente stai solo garantendo che avrai un problema tra 30 anni perché si diffonderà lentamente. Non hai risolto il problema. Hai appena preso a calci la lattina in fondo alla strada».
Il segreto dell’indistruttibilità dei PFAS risiede nei loro legami chimici: i PFAS contengono molti legami carbonio-fluoro, che sono i legami più forti in chimica organica. Essendo l’elemento più elettronegativo nella tavola periodica, il fluoro ha bisogno di elettroni, invece il carbonioè più disposto a rinunciare ai suoi elettroni. Dichtel spiega ancora: «Quando hai quel tipo di differenza tra due atomi – e hanno all’incirca le stesse dimensioni, quali carbonio e fluoro – questa è la ricetta per un legame davvero forte».
Ma, mentre studiava i composti, il team di Dichtel ha trovato il tallone di Achille: «un PFAS contiene una lunga coda di legami carbonio-fluoro inflessibili. Ma a un’estremità della molecola c’è un gruppo che spesso contiene atomi di ossigeno carichi. Il team di Dichtel «Ha preso di mira questo gruppo principale riscaldando il PFAS in dimetilsolfossido, un solvente insolito per la distruzione del PFAS, con idrossido di sodio, un reagente comune. Il processo ha decapitato il gruppo di testa, lasciando dietro di sé una coda reattiva».
Dichtel evidenzia che «Questo ha innescato tutte queste reazioni e hanno iniziato a sputare atomi di fluorine da questi composti per formare fluoro, che è la forma più sicura di fluorine. Sebbene i legami carbonio-fluoro siano super forti, quel gruppo di testa carico è il loro tallone d’Achille».
In precedenti tentativi di distruggere PFAS, altri ricercatori hanno utilizzato temperature elevate, fino a 400 gradi Celsius. Dichtel è entusiasta del fatto che «La nuova tecnica si basa su condizioni più miti e un reagente semplice ed economico, rendendo la soluzione potenzialmente più pratica per un uso diffuso».
Dopo aver scoperto le condizioni di degradazione del PFAS, Dichtel e la Trang hanno anche scoperto che «Gli inquinanti fluorurati si sgretolano a causa di processi diversi da quelli generalmente ipotizzati».
Utilizzando potenti metodi computazionali, altri autori dello studio – Ken Houk dell’università della California Los Angeles (UCLA) e Yuli Li dell’università di Tianjin – hanno simulato il degrado del PFAS. I loro calcoli suggeriscono che «Il PFAS si sgretola a causa di processi più complessi del previsto. Sebbene in precedenza si presumesse che il PFAS dovesse sfaldarsi di un atomo di carbonio alla volta, la simulazione ha mostrato che il PFAS in realtà si sfalda di due o tre atomi di carbonio alla volta», una scoperta che corrispondeva agli esperimenti di Dichtel e Trang. Alla fine di questo percorso, i ricercatori confermano che «Rimangono solo prodotti benigni. Questa nuova conoscenza potrebbe anche aiutare ad apportare a ulteriori miglioramenti al metodo».
Houk, professore di ricerca in chimica organica all’UCLA, fa notare che «Tutto questo si è rivelato essere un insieme molto complesso di calcoli che ha sfidato i più moderni metodi di meccanica quantistica e i computer più veloci a nostra disposizione. La meccanica quantistica è il metodo matematico che simula tutta la chimica, ma solo nell’ultimo decennio siamo stati in grado di affrontare grandi problemi meccanicistici come questo, valutando tutte le possibilità e determinando quale può accadere alla velocità osservata. Yuli ha imparato questi metodi computazionali e ha lavorato con Brittany a a lunga distanza per risolvere questo problema fondamentale ma praticamente significativo».
Nel nuovo studio i ricercatori hanno degradato con successo 10 acidi perfluoroalchil carbossilici (PFCA) e acidi perfluoroalchil carbossilici (PFECA), incluso l’acido perfluoroottanoico (PFOA) e uno dei suoi sostituti comuni, noto come GenX, due dei più importanti composti PFAS. L’EPA statunitense, tuttavia, ha identificato più di 12.000 composti PFAS. Ora il team Dichtel testerà l’efficacia della sua nuova strategia su altri tipi di PFAS.
Dichtel conclude: «Il nostro lavoro ha affrontato una delle classi più grandi di PFAS, tra cui molte per le quali siamo più preoccupati. Ci sono altre classi che non hanno lo stesso tallone d’Achille, ma ognuna avrà la sua debolezza. Se riusciamo a identificarlo, allora sappiamo come attivarlo per distruggerlo».
