«Regulierungen sollten ganze Stoffgruppen mit ähnlichen Eigenschaften erfassen»

PFAS, eine umfangreiche Gruppe synthetischer Chemikalien, verschmutzen Böden und Gewässer langfristig und reichern sich teilweise in Pflanzen, Tieren und Menschen an. Sie werden mit Krankheiten wie Krebs, Stoffwechselstörungen und Immunschäden in Verbindung gebracht. Zudem sind Auswirkungen auf die Fruchtbarkeit und die Entwicklung ungeborener Kinder bekannt. Umso dringender ist der Einsatz unbedenklicher Alternativen. Im Interview erläutern Forschende von Eawag und Empa - Dirk Hegemann, Christa McArdell, Markus Zennegg und Serina Robinson (nicht auf dem Titelfoto) - ihre Aktivitäten und Lösungsansätze im Umgang mit der PFAS-Problematik.

Margarete Bucheli

Um die Belastung durch PFAS beurteilen zu können, müssen die Stoffe zunächst zuverlässig nachgewiesen werden. Die Analytik nimmt daher eine Schlüsselrolle ein. Was sind dabei die grössten Herausforderungen?

Die Gruppe der per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS) umfasst mehr als 10 000 Substanzen. Allein diese enorme Zahl stellt die Analytik vor grosse Herausforderungen. Hinzu kommt, dass derzeit nur für rund 100 dieser Verbindungen Referenzsubstanzen zur Verfügung stehen, die für eine zuverlässige Identifizierung und Quantifizierung unerlässlich sind. Darüber hinaus umfasst die Stoffgruppe Verbindungen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften, von kurzkettigen, gut wasserlöslichen bis hin zu langkettigen, gut sorbierenden Substanzen. Entsprechend deutlich unterscheiden sich diese in ihrem Umweltverhalten.

Da viele PFAS bereits in sehr geringen Konzentrationen umwelt- und gesundheitsrelevant sind, müssen sie auch in entsprechend niedrigen Konzentrationen zuverlässig nachgewiesen werden können. Dies erfordert hochempfindliche Analysensysteme, typischerweise Flüssigchromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie. Besonders schwierig sind Analysen in komplexen Matrizes wie Böden, Gülle oder Futtermittel. Hierfür braucht es neben einem Extraktionsschritt eine ganze Reihe von Aufreinigungsschritten, bevor die Proben gemessen werden können. Eine Herausforderung stellt zudem die Hintergrundkontamination dar, weil PFAS in vielen Labor- und Alltagsmaterialien vorkommen, beispielsweise in Teflonschläuchen, Dichtungen oder Laborutensilien. Um die Zuverlässigkeit der Messergebnisse sicherzustellen, kommt der Qualitätskontrolle daher eine zentrale Bedeutung zu. Insbesondere müssen regelmässig Blindproben mitgeführt und analysiert werden.

Wo steht die PFAS-Analytik heute?

Routinemässig werden insbesondere sogenannte Legacy-PFAS, also früher eingesetzte und gut charakterisierte PFAS-Verbindungen, gemessen. Eine solche Substanz ist PFOS, das aufgrund seiner Toxizität mittlerweile in der Schweiz sowie der EU weitgehend verboten ist. Messungen der Eawag in Klärschlamm zeigen, dass die PFOS-Konzentrationen heute rund zehnmal tiefer sind als 2011. Dennoch lässt sich die Substanz weiterhin nachweisen. Heute werden zahlreiche PFAS-Vorläufersubstanzen als Ersatzprodukte eingesetzt. Viele dieser Verbindungen werden derzeit jedoch nicht flächendeckend überwacht. Dadurch besteht die Gefahr, dass ihre Verbreitung in der Umwelt und ihre potenziellen Auswirkungen bislang unterschätzt werden.Im Rahmen eines Eawag-Forschungsprojekts, das hauptsächlich vom BAFU finanziert wurde, untersuchten wir Klärschlamm- und Abwasserproben aus 21 Schweizer ARA aus den Jahren 2023 und 2024. Mithilfe der Online-Festphasenextraktion in Verbindung mit Flüssigchromatographie und hochauflösender Massenspektrometrie (HRMS) analysierten wir über 60 Ziel-PFAS (Target Screening) und erfassten zusätzlich Massenspektren für ein anschliessendes Suspect Screening. Bei diesen Untersuchungen haben wir eines dieser Vorläufersubstanzen, das 6:2 FTAB (auch Capstone B genannt), in hohen Konzentrationen in allen ARA gefunden. Diese Substanz wird typischerweise in Feuerlöschschäumen verwendet; ihr ubiquitäres Vorkommen deutet jedoch darauf hin, dass es noch weitere, bislang unbekannte Quellen gibt. Daher haben wir eine Patentrecherche durchgeführt, die zu Tage förderte, dass Capstone B auch zu Reinigung und Schutz von Oberflächen, in Tintenstrahldruckern und in Textilien zum Flammenschutz verwendet wird. Eine weitere Substanz, die wir lokal in höheren Konzentrationen nachgewiesen haben, ist Bistriflimid (bisFMeSI), das in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird.

Mit den beschriebenen Analysemethoden lässt sich nur ein kleiner Teil der riesigen Substanzgruppe bestimmen. Gibt es auch Methoden, um nicht nur Einzelsubstanzen, sondern die ganze PFAS-Gruppe zu erfassen? Wie setzen Sie diese ein?

Tatsächlich erfassen wir mit der an der Eawag beziehungsweise Empa entwickelten Einzelstoffanalytik nur die Spitze des Eisbergs. An der Eawag können wir derzeit gut 60 PFAS quantitativ bestimmen, an der Empa etwa 30 Verbindungen. Neben der Messung von Zielsubstanzen gibt es verschiedene Methoden, mit denen die gesamthafte Menge an Organo-Fluorverbindungen als Summenparameter ermittelt werden kann. Dazu zählen etwa der Extractable Organic Fluorine (EOF) oder der AOF (adsorbierbares organisch gebundenes Fluor). Der Total Oxidizable Precursor Assay (TOP-Assay) ist zudem ein leistungsstarkes Werkzeug, um Vorläuferverbindungen aufzuspüren. Wir verwenden diese Methoden, um Proben mit potenziell hohen PFAS-Gehalten zu identifizieren und anschliessend detaillierter zu untersuchen.

«Viele Ersatzprodukte werden derzeit jedoch nicht flächendeckend überwacht.»

Auch im erwähnten Forschungsprojekt zum PFAS-Vorkommen in Schweizer ARA haben wir die Klärschlamm- und Abwasserproben mit dem TOP-Assay und der EOF-Analyse untersucht. Dabei zeigte sich häufig eine grosse Bilanzlücke zwischen den Gehalten an organischen Fluorverbindungen, die mit dem TOP-Assay respektive EOF bestimmt wurden, und der Summe der Substanzen, die wir dank Referenzstandards quantifizieren konnten. Dies deutet darauf hin, dass in den Proben weitere, bislang nicht identifizierte PFAS-Verbindungen vorhanden sind. Derzeit arbeiten wir im Rahmen eines Eawag-Projekts, das teilweise vom BAFU finanziert wird, daran, diese Bilanz- respektive Wissenslücke zu schliessen.

Wie gehen Sie dabei vor?

Zum einen versuchen wir, Vorläufersubstanzen mit einem Non-target-Screening in Abwasser aufzudecken. Dabei suchen wir nach Substanzen, deren Vorkommen wir vermuten, aber von denen kein Referenzmaterial zur Verfügung steht. Auch nach gänzlich unbekannten, fluorhaltigen Substanzen kann auf diese Weise gesucht werden, indem spezifische Fragmente in der Massenspektrometrie angeschaut werden. Das ist aber analytisch nicht ganz so einfach. Zum anderen arbeiten wir daran, mit anderen Analysemethoden – etwa der Gaschromatographie gekoppelt an die Massenspektrometrie – die Lücke zu füllen.

Welche Ziele verfolgen Sie mit der Weiterentwicklung der PFAS-Analytik und deren Anwendung in Kläranlagen?

Die Analytik dient dazu, wichtige PFAS in Abwasserströmen und vor allem ihre potenziellen Quellen zu identifizieren. Werden so Quellen aufgedeckt, können die kantonalen Behörden zusammen mit den Emittenten diesen nachgehen und sie schlussendlich entfernen. Zudem wollen wir ein Verständnis für das Vorkommen und den Verbleib der Schadstoffe während des gesamten Klärprozesses gewinnen. Bei der herkömmlichen biologischen Behandlung der Kläranlage war die Entfernung der analysierten PFAS gering.

«Bei unseren Untersuchungen haben wir eines dieser Ersatzprodukte, das 6:2 FTAB (auch Capstone B genannt), in hohen Konzentrationen in Schweizer ARA gefunden.»

Welche weiteren Forschungsprojekte zum Verhalten von PFAS in der Umwelt laufen an Empa und Eawag?

Neben dem bereits erwähnten Eawag-Projekt zum Vorkommen von PFAS in Schweizer ARA und deren Verhalten während des Klärprozesses laufen mehrere Projekte an der Empa – in Zusammenarbeit mit anderen Institutionen. Zum einen steht der Transfer von PFAS zwischen verschiedenen Umweltkompartimenten im Fokus, insbesondere der Übergang aus dem Boden in Pflanzen. In einem anderen Projekt untersuchen wir, ob sich durch die Umplatzierung von Nutztieren eine Dekontamination von Blut, Milch und Muskelfleisch erreichen lässt. Ein weiteres Forschungsprojekt befasst sich schliesslich mit den Emissionen von PFAS in die Luft. Zudem wurde an der Eawag und der Universität Zürich eine öffentliche Datenbank mit experimentell untersuchten Abbaupfaden von Vorläufersubstanzen in verschiedenen Umweltkompartimenten erstellt, und basierend darauf ein Modell für die Vorhersage des Abbaus von Vorläufersubstanzen entwickelt.

Die Ewigkeitschemikalien PFAS sind heute in der Umwelt allgegenwärtig – teils in Konzentrationen, die als problematisch gelten. Die zentrale Herausforderung besteht nun darin, Wege zu finden, diese Stoffe wieder aus der Umwelt zu entfernen. Welche Methoden werden heute für die Aufbereitung von Wasser vor allem eingesetzt?

PFAS aus Wasser zu entfernen ist eine grosse Herausforderung, weil viele PFAS chemisch extrem stabil sind. Die meisten heute eingesetzten Verfahren zerstören PFAS entsprechend auch nicht, sondern entfernen sie lediglich aus dem Wasser und konzentrieren sie in einem Abfallstrom. Die derzeit am häufigsten in der Wasseraufbereitung eingesetzte Technologie ist die Adsorption an granulierter Aktivkohle (GAK). Sie ist technisch etabliert, vergleichsweise kostengünstig und insbesondere für längerkettige PFAS gut geeignet. Bei kurzkettigen PFAS stösst sie jedoch an ihre Grenzen. Zudem kommen spezielle Anionenaustauschharze zum Einsatz, die PFAS effizient binden und auch für kurzkettige Verbindungen geeignet sind. Häufig werden Aktivkohle- und Ionenaustauscherverfahren kombiniert, um ein möglichst breites Spektrum an PFAS aus dem Wasser zu eliminieren. Die höchste Rückhalterate erzielt die Umkehrosmose, die allerdings mit einem hohen Energiebedarf verbunden ist. Zur Aufkonzentrierung, insbesondere längerkettiger PFAS, kann zudem die Schaumfraktionierung eingesetzt werden. Allen Verfahren gemeinsam ist jedoch, dass sie einen PFAS-belasteten Abfallstrom erzeugen, sei es in Form von beladenem Filtermaterial oder eines konzentrierten Reststroms. Dieser muss anschliessend fachgerecht entsorgt oder weiterbehandelt werden.

Welche Projekte laufen derzeit an Eawag und Empa zur Entfernung von PFAS aus Wasser?

Aktuell untersucht die Eawag gemeinsam mit der Firma Membratec die Entfernung beziehungsweise Reduktion von PFAS aus Grundwasser mithilfe einer Kombination aus superfeiner Pulveraktivkohle (SPAK) und Ultrafiltration. Die superfeine Aktivkohle weist mit 1 bis 2 Mikrometern einen deutlich kleineren Partikeldurchmesser auf als herkömmliche Pulveraktivkohle, deren Partikel typischerweise 20 bis 50 Mikrometer gross sind. Dadurch verfügt SPAK über eine wesentlich grössere spezifische Oberfläche, was die Adsorption von PFAS beschleunigt. Die nachgeschaltete Ultrafiltration hält die Aktivkohle im System zurück und verlängert die effektive Kontaktzeit zwischen Aktivkohle und Schadstoffen. Die Kombination aus SPAK und Ultrafiltration wird bereits seit 2025 bei der Seeländischen Wasserversorgung Worben erfolgreich für die Wasseraufbereitung eingesetzt. Die bestehende Anlage dient jedoch primär der Entfernung von Pestizidrückständen. In unserem Projekt wird nun untersucht, ob sich das Verfahren auch für die effiziente Elimination von PFAS eignet.

An der Empa wird derzeit ein elektrogesponnenes Vlies entwickelt, das mit spezifischen funktionellen Gruppen ausgestattet ist. Diese Gruppen ermöglichen eine gezielte Bindung von PFAS an die Vliesoberfläche. Durch die Filtration des Wassers über dieses chemisch modifizierte Material sollen PFAS effizient aus dem Wasser entfernt und aufkonzentriert werden. Darüber hinaus wird im Projekt FRESH – das Akronym FRESH steht für Foam Removal of Emerging Substances in Husbandry – angeschaut, wie sich mittels Schaumfraktionierung PFAS entfernen lassen, jedoch nicht aus Wasser, sondern aus Gülle, damit diese weiterhin auf Felder ausgetragen werden kann.

An der Empa wurde kürzlich ein weiteres Projekt gestartet: Plasma4Water. Wie funktioniert die Technologie, und wo könnte sie künftig zum Einsatz kommen?

Im eben gestarteten Projekt Plasma4Water (mit langem Namen: «Abbau neu auftretender Schadstoffe im Wasser durch die Kombination von katalytischen Nanomaterialien und Plasmatechnologie») wollen wir ein Verfahren zur Zerstörung von PFAS und anderen schwer abbaubaren Verbindungen entwickeln. Grundsätzlich können PFAS durch Hochtemperaturverbrennung zerstört werden. Allerdings besteht dabei die Gefahr, dass die Substanzen nicht vollständig zersetzt werden. Eine direkte Behandlung im Wasser ist auch mittels elektrochemischer Oxidation möglich. Dieses Verfahren weist jedoch einen hohen Energiebedarf auf und lässt sich nur begrenzt auf grosse Anlagen skalieren. Weitere Technologien zur PFAS-Zerstörung befinden sich derzeit in der Erforschung. Dazu zählen sonochemische Verfahren auf Basis von Ultraschall, die superkritische Wasseroxidation (SCWO), die hydrothermale alkalische Behandlung (HALT) sowie verschiedene reduktive Verfahren. Als besonders vielversprechend gelten heute Ansätze, die eine Abtrennung und Aufkonzentration mit der anschliessenden Zerstörung der PFAS im Konzentrat kombinieren – concentrate and destroy -, weil so nur ein kleiner hochbelasteter Reststrom behandelt werden muss.

«An der Eawag konzentrieren wir uns auf die Suche nach spezialisierten Mikroorganismen und deren Enzymen, welche die extrem stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen spalten können.»

Ein alternativer Ansatz ist die Plasmatechnologie, die wir im Rahmen des Projekts Plasma4Water an der Empa verwenden. Für den wirksamen Abbau von PFAS sind sowohl oxidative als auch reduktive Reaktionsschritte erforderlich. Plasmen produzieren grosse Mengen sehr reaktiver, aber kurzlebiger chemischer Spezies. Dabei ermöglicht die Technologie die synergetische Nutzung reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies (oxidativ) in Kombination mit freien Elektronen in der Flüssigkeit (reduktiv), wodurch PFAS-Verbindungen effizient abgebaut werden können. Bereits heute wird diese Technologie punktuell zur Behandlung lokaler Emissionsquellen eingesetzt. Es handelt sich jedoch um die Zerstörung gasförmiger perfluorierter Verbindungen wie CF₄ oder C2F₆. Nun gilt es, die Technologie so zu adaptieren, dass sie für die Behandlung PFAS-belasteter Wässer eingesetzt werden kann. Dafür soll in einem Durchlaufreaktor ein Atmosphärenplasma eingesetzt werden. Das Plasma generiert im Wasser Blasen, die sehr aktiv sind. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, die PFAS-Moleküle an die Wasser-Blasen-Grenzfläche zu transportieren, da die Abbaureaktionen überwiegend in diesem Bereich stattfinden.

Auch der mikrobielle Abbau von PFAS wird an der Eawag unter die Lupe genommen. Welcher Ansatz wird hierbei gewählt?

Beim mikrobiellen Abbau von PFAS suchen Forschende an der Eawag gezielt nach spezialisierten Bakterien sowie Enzymen, welche die extrem stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen spalten können. Im Rahmen des ERC Starting Grants CODE-PFAS erforscht ein Team mithilfe von Laborexperimenten und Modellierungen, wie mikrobielle Enzyme an fluorierte Verbindungen binden und diese abbauen können. Ansätze, bei denen entweder gezieltes Enzym-Engineering oder hybride Verfahren, also die Kombination von biologischem Abbau mit elektrochemischen oder physikalischen Methoden, genutzt werden, gewinnen an Bedeutung, um PFAS-Abbauprozesse zu ermöglichen.

Um eine weitere Zunahme der Belastung zu verhindern, ist deshalb entscheidend, unbedenkliche Alternativen zu PFAS zu entwickeln und deren Anwendung voranzutreiben. Welche Forschungsarbeiten laufen diesem Thema?

PFAS-beschichtete Materialoberflächen, insbesondere Textilien, stellen eine bedeutende Quelle für PFAS-Emissionen dar. Daher ist es interessant, hierfür nach Alternativen zu suchen. Je nach Anwendungsbereich und den damit verbundenen Anforderungen an die Textilien lassen sich die PFAS mit ihren schmutz- und wasserabweisenden Eigenschaften mehr oder weniger gut substituieren. Am Anfang unserer Forschung stand daher die Analyse, wo sich PFAS gut ersetzen lassen und wo alternative Materialien und Beschichtungen einen relevanten Beitrag zur Reduktion der PFAS-Freisetzung leisten können.

«Bei der Entwicklung PFAS-freier Alternativen setzen wir auf die Plasmatechnologie.»

Auch bei der Entwicklung PFAS-freier Alternativen setzen die Empa Forschenden auf die Plasmatechnologie, da sie ein trockenes und ressourcenschonendes Verfahren zur Funktionalisierung von Materialoberflächen darstellt. Ein wesentlicher Vorteil liegt darin, dass sich damit deutlich dünnere, aber ebenso funktionale Beschichtungen erzeugen lassen als mit PFAS, insbesondere kurzkettigen PFAS, die nach dem Verbot langkettiger PFAS vermehrt eingesetzt werden, oder mit anderen nasschemisch applizierten Beschichtungen auf Silikon- oder Polyurethanbasis. Mit dem Plasmaverfahren erreichen wir bei einem rund hundertfach geringeren Materialeinsatz gleich wirksame und beständige, wenn nicht sogar beständigere Beschichtungen. Diese sind hochvernetzt und kovalent mit dem Garn beziehungsweise Textil verbunden, sodass beim Waschen keine relevante Freisetzung von Beschichtungsbestandteilen erfolgt. Dies erklärt ihre hohe Beständigkeit in der Anwendung und beim Waschen. Aktuell verwenden wir siliziumorganische Beschichtungen. Auch für diese gelten Grenzwerte, etwa für zyklische Siloxane. Kürzlich durchgeführte Messungen zeigten, dass bei unseren Beschichtungen keine Freisetzung von Siloxanen über die Hintergrundbelastung hinaus festgestellt werden kann. Dank des geringen Ressourcenverbrauchs sind die Betriebskosten des Verfahrens relativ niedrig. Die grösste Hürde sind derzeit jedoch die hohen Investitionskosten. Im Moment sind wir daran das Verfahren und die benötigten Anlagen weiterzuentwickeln, um noch effektiver PFAS-freie Beschichtungen zu erhalten. Wir wollen nämlich künftig nicht die textile Fläche beschichten, sondern das Garn selbst. Im Juni wurde die erste industrielle Anlage zur Garnbeschichtung bei unserem Umsetzungspartner erfolgreich in Betrieb genommen.

PFAS sind nicht die ersten langlebigen Chemikalien, die sich als Umweltproblem erweisen. Welche Lehren sollten aus den Erfahrungen mit früheren Schadstoffen gezogen werden, damit wir künftige Risiken frühzeitig erkennen und nicht erst handeln, wenn die Probleme bereits manifest sind?

Bei PFAS zeigte sich wieder einmal deutlich, dass das Verbot einzelner Verbindungen häufig zur Einführung sehr ähnlicher Ersatzstoffe führte. Künftige Regulierungen sollten deshalb weniger einzelstoffbezogen sein, sondern besser ganze Stoffgruppen mit ähnlichen Eigenschaften erfassen. Auch die Stoffeigenschaften Persistenz und Mobilität sollten als Warnsignale behandelt werden, weil solche Stoffe sehr lange in der Umwelt verbleiben. Immer mehr stösst auch das Konzept «Safe-by-Design» auf Interesse, was bedeutet, die Risiken einer Substanz bereits in der Entwicklungsphase zu berücksichtigen. Im Rahmen des EU-Grossprojekts «PARC» zur Weiterentwicklung der Risikobewertung von Chemikalien beteiligen sich Empa- und Eawag-Forschende an der Teilaufgabe «Safe and Sustainable by Design». Sie wollen Methoden zur Verfügung stellen, mit denen die Sicherheit und Nachhaltigkeit von neuen Chemikalien schon ab den ersten Entwicklungsschritten beurteilt werden können.

Für Substanzen, die bereits im Umlauf sind, ist ein frühzeitiges und langfristiges Umweltmonitoring sehr wichtig. Dieses hilft zu verstehen, wo die Stoffe vorkommen, wie stark die Exposition und wie der Verlauf der Konzentrationen über die Zeit ist. Zudem wäre eine grössere Transparenz über Chemikalien wünschenswert, also dass vermehrt Stoffdaten und Produktions- bzw. Verwendungsinformationen von der Industrie offengelegt werden. Zentral ist weiter eine interdisziplinäre Zusammenarbeit, die auch über Landesgrenzen hinweg erfolgt. Erkenntnisse zu Vorkommen, Toxikologie und Krankheitsmustern müssen systematisch zusammengeführt und frühzeitig mit Behörden, Industrie sowie dem Gesundheitswesen geteilt werden. Dies schafft die Grundlage für fundierte und rasche Entscheidungen. Bei politischen Entscheidungen gilt es, bestehende Unsicherheiten angemessen zu berücksichtigen. Dabei kommt dem Vorsorgeprinzip eine zentrale Bedeutung zu: Es verlangt, bereits dann zu handeln, wenn eine Gefährdung oder Schädigung noch nicht zweifelsfrei nachgewiesen oder die Datenlage noch unvollständig ist. Die Kosten präventiver Regulierungsmassnahmen sind häufig deutlich geringer als jene, die später für die Sanierung von Umwelt- und Gesundheitsschäden anfallen. Zur Prävention gehört auch, das Entweichen von PFAS in die Umwelt zu verhindern. So könnten bessere Abdichtungen von Klimaanlagen bei Autos die Freisetzung von Kühlgasen mit PFAS in die Atmospähre ebenso vermeiden wie der Verzicht auf PFAS in Pflanzenschutz-mitteln, die zur Belastung des Grundwassers mit TFA beitragen.

Zu den Personen

	Die Eawag-Forscherin Christa McArdell leitet die Gruppe «Schadstoffe in der Abwasserbehandlung» der Abteilung Umweltchemie.
	Serina Robinson leitet eine Forschungsgruppe in der Abteilung Umweltmikrobiologie der Eawag und ist Assistenzprofessorin für Umweltbiochemie am Departement Umweltsystemwissenschaften der ETH.
	Der Chemiker Markus Zennegg ist Leiter des Analytikzentrums der Empa.
	Empa-Forscher Dirk Hegemann leitet das Team «Plasma & Coating», das zur Empa-Abteilung «Advanced Fibers» gehört.