Verbreitung von Trifluoressigsäure in der Atmosphäre modelliert Wie ein Regenradar für PFAS

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Woher kommen die PFAS in der Umwelt? Und wie verbreiten sie sich über die Atmosphäre, Wind und Regen? Diese Fragen haben Forscher anhand des kleinsten Vertreters der per- und polyfluorierten Alkylverbindungen untersucht, der Trifluoressigsäure, kurz TFA.

PFAS, kurz für per- und polyfluorierte Alkylverbindungen, sind aus gutem Grund auch als Ewigkeitschemikalien bekannt. Diese fluorhaltigen organischen Moleküle lassen sich nur schwer abbauen und verbleiben voraussichtlich über Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte in der Umwelt, wo sie sich in Menschen und Tieren anreichern und gesundheitsschädlich wirken können. Daher ist es angebracht, Vorsorgemaßnahmen zu ergreifen.

Die Stoffklasse der PFAS umfasst tausende von chemischen Verbindungen, von denen erst ein Bruchteil im Einzelnen untersucht ist. Die Freisetzung, Ausbreitung, Anreicherung und Wirkung zahlreicher PFAS müssen Wissenschaftler noch erforschen. Ein Schwerpunkt liegt aktuell auf Trifluoressigsäure, kurz TFA. Das kleinste Molekül der PFAS-Familie entsteht als Abbauprodukt unterschiedlicher anderer Substanzen, etwa vieler Treib- und Kältemittel. Einmal gebildet, baut TFA sich in der Umwelt kaum ab. „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.

Trifluoressigsäure in Wasser und Umwelt

Analytische Umgangsformen für die kleinste aller PFAS

Atmosphärischen Modell zeigt TFA-Verteilung

Wie und wo genau sich TFA in der Atmosphäre bildet und in welchen Mengen die Substanz in die Gewässer gelangt, ist bislang noch kaum erforscht. In einer gemeinsamen Studie gingen die Empa-Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Umwelt (Bafu) und der Universität Bern dieser Frage genauer nach und modellierten die Entstehungs- und Transportwege von TFA in der Atmosphäre. Sie verglichen diese mit TFA-Messungen aus Umweltproben.

Das Bafu analysierte dabei über drei Jahre Proben von Niederschlägen und Oberflächengewässern auf TFA und zog auch archivierte Wasserproben bis ins Jahr 1984 heran. Die Empa-Forschenden 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.

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 führen die Forschenden in erster Linie auf den vermehrten Einsatz von so genannten Hydrofluorolefinen (HFO) zurück. 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“, sagt Empa-Forscher 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 Erstautor Henne. Der finale Anreicherungsort für die persistente fluorierte Säure ist deshalb auch der Ozean.

Schon vor den 1990er-Jahren lag TFA in der Luft

Neben 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 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 Langzeittoxizität. „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.“

Originalpublikation: S Henne, FR Storck, H Wöhrnschimmel, M Leuenberger, MK Vollmer, S Reimann: Trifluoroacetate (TFA) in Precipitation and Surface Waters in Switzerland: Trends, Source Attribution, and Budget, Atmospheric Chemistry and Physics Volume 25, issue 23, 18157–18186 (2025); DOI: 10.5194/acp-25-18157-2025

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