DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-49753-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38977667
تاريخ النشر: 2024-07-08
المؤلف: Jennifer L. Guelfo وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث المواد الكيميائية من عائلة البيرفلوروالكيل
نظرة عامة
تعتبر بطاريات الليثيوم أيون (LiBs) جزءًا أساسيًا من أنظمة الطاقة النظيفة، ومع ذلك، تسلط الأبحاث الحديثة الضوء على المخاطر البيئية المرتبطة بفئة معينة من المواد الكيميائية المعروفة باسم المواد الفلورية المتعددة (PFAS)، المعروفة باسم ثنائي السلفونيميدات الفلورية (bis-FASIs)، المستخدمة في إنتاجها. هذه المواد، على الرغم من كونها ضرورية لأداء إلكتروليتات LiB، تظهر سمية بيئية وحركية مقارنة بالمواد PFAS الأكثر تنظيمًا مثل حمض البيرفلوروأوكتانويك. تكشف الدراسة أن قطاع الطاقة النظيفة قد يكون مصدرًا مهملًا لتلوث PFAS، مما يثير القلق بشأن التوازن المحتمل بين تقليل انبعاثات CO₂ وزيادة إطلاق الملوثات العضوية الثابتة.
تشير النتائج إلى أن تركيزات bis-FASIs البيئية بالقرب من مواقع التصنيع كبيرة، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في إمكانية معالجتها وتأثيراتها البيئية على المدى الطويل. نظرًا لأن PFAS موجودة بالفعل في تطبيقات صناعية متنوعة، بما في ذلك الطلاءات والمواد السطحية، فإن دمج bis-FASIs في LiBs يبرز الحاجة إلى تقييم شامل للتداعيات البيئية للتقنيات الجديدة في مجال الطاقة. تدعو هذه الأبحاث إلى تدقيق البنية التحتية للطاقة النظيفة لضمان عدم مساهمة جهود الاستدامة بشكل غير مقصود في انتشار الملوثات الضارة.
الطرق
تحدد قسم الطرق في هذه الدراسة الامتثال الأخلاقي والمواد المستخدمة في البحث الذي يتضمن سمك الزرد، والذي تمت الموافقة عليه من قبل لجنة رعاية واستخدام الحيوانات في جامعة ديوك (رقم تسجيل البروتوكول A069-22-04). استخدمت الدراسة معايير مختلفة لقياس المواد الفلورية المتعددة (PFAS)، والتي تم الحصول عليها بشكل أساسي من مختبرات ويلينغتون. ومن الجدير بالذكر أن المعايير الخاصة بثنائي السلفونيميدات الفلورية (bisFASIs) تم الحصول عليها من سيغما ألدريش، بينما تم توفير معايير الأحماض الإيثرية الفلورية المتفرعة من كيمورز.
تم إعداد جميع المعايير باستخدام ميثانول من درجة كروماتوغرافيا السائل-مطياف الكتلة (LC-MS) من هوني ويل. تضمنت المواد الكيميائية الإضافية بيرسلفات البوتاسيوم، هيدروكسيد الصوديوم، أسيتات الأمونيوم، إنفي-كارب TM، هيدروكسيد الأمونيوم، حمض الهيدروكلوريك، وحمض الأسيتيك، والتي تم الحصول عليها من فيشر ساينتيفيك وVWR، الولايات المتحدة. يضمن هذا الاختيار الشامل من المواد موثوقية ودقة الإجراءات التجريبية المستخدمة في الدراسة.
النتائج
في هذه الدراسة، تم إجراء جهد شامل لجمع العينات، حيث تم جمع ما مجموعه 119 عينة من بيئات متنوعة، بما في ذلك 75 عينة من المياه السطحية، 5 عينات من مياه الصنبور، 2 عينة من المياه الجوفية، 1 عينة من الثلج، 15 عينة من الرواسب، و21 عينة من التربة عبر 87 موقعًا في كوتاج غروف، مينيسوتا؛ بادوكه ولوفيل، كنتاكي؛ أنتويرب، بلجيكا؛ وساليندر، فرنسا، خلال الفترة من يناير إلى أكتوبر 2022. ركز التحليل على قياس المواد الفلورية المتعددة (PFAS)، كاشفًا عن وجود ارتباط قوي بين النتائج التي تم الحصول عليها من مختبرين مستقلين، مما يدل على توافق قريب من 1:1 (الشكل التوضيحي 7).
بالإضافة إلى ذلك، شملت الدراسة تقييمات للعينات الميدانية المكررة والتحليلات المكررة، والتي تم تفصيلها في الملاحظة التكميلية 2، جنبًا إلى جنب مع نتائج PFAS باستثناء bis-FASIs. تؤكد هذه النتائج موثوقية طرق الجمع والتحليل المستخدمة، مما يساهم في توفير بيانات قيمة لفهم توزيع PFAS في مصفوفات بيئية متنوعة.
المناقشة
تسلط الدراسة الضوء على الإطلاق البيئي الواسع لـ bis-FASIs، وخاصة bis-FMeSI، المرتبطة بإنتاج والتخلص من بطاريات الليثيوم أيون (LiB). كشفت عينات الحقل في مينيسوتا وأوروبا عن وجود bis-FMeSI في المياه السطحية والرواسب والتربة بتركيزات تتراوح من أجزاء في المليار إلى أجزاء في المليون، مما يشير إلى تلوث كبير بالقرب من مواقع التصنيع. ومن الجدير بالذكر أنه تم الكشف عن bis-FMeSI في جميع عينات المياه الثلاثة التي تم جمعها في مينيسوتا، مع أعلى تركيز تم العثور عليه بالقرب من مخرج 3M. تشير النتائج إلى أن الانبعاثات الجوية قد تساهم في النقل بعيد المدى لـ bis-FMeSI، مما يثير القلق بشأن توزيعه العالمي وتأثيراته البيئية المحتملة.
أظهرت التقييمات السمية أن bis-FMeSI يؤثر على الكائنات المائية، مثل دافنيا ماغنا وسمك الزرد، عند تركيزات منخفضة، مما يغير سلوك السباحة ووظيفة الميتوكوندريا. تؤكد هذه النتائج المخاطر المحتملة التي يشكلها bis-FMeSI على الحياة المائية، حتى عند المستويات البيئية ذات الصلة. كما تؤكد الدراسة على التحديات في معالجة bis-FASIs بسبب ثباتها وحركتها، مشابهة لمركبات PFAS الأخرى. بينما تظهر طرق المعالجة الامتصاصية مثل الكربون المنشط الحبيبي (GAC) وتبادل الأيونات (IX) وعدًا في إزالة bis-FMeSI، فإن مقاومة المركب للتحلل الأكسيدي تتطلب مزيدًا من البحث في خيارات المعالجة المتقدمة. يثير نقص الإشراف التنظيمي على bis-FMeSI القلق بشأن التلوث البيئي المستمر والحاجة إلى اتخاذ إجراءات فورية للتخفيف من مخاطر التعرض.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-49753-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38977667
Publication Date: 2024-07-08
Author(s): Jennifer L. Guelfo et al.
Primary Topic: Per- and polyfluoroalkyl substances research
Overview
Lithium-ion batteries (LiBs) are integral to clean energy systems, yet recent research highlights the environmental risks associated with a specific class of per-and polyfluoroalkyl substances (PFAS), known as bisperfluoroalkyl sulfonimides (bis-FASIs), used in their production. These substances, while essential for the performance of LiB electrolytes, exhibit ecotoxicity and mobility comparable to more widely regulated PFAS like perfluorooctanoic acid. The study reveals that the clean energy sector may be an overlooked source of PFAS contamination, raising concerns about the potential trade-offs between reducing CO₂ emissions and increasing the release of persistent organic pollutants.
The findings indicate that environmental concentrations of bis-FASIs near manufacturing sites are significant, warranting further investigation into their treatability and long-term ecological impacts. As PFAS are already prevalent in various industrial applications, including coatings and surfactants, the incorporation of bis-FASIs in LiBs underscores the need for a comprehensive assessment of the environmental implications of emerging energy technologies. This research calls for scrutiny of the clean energy infrastructure to ensure that sustainability efforts do not inadvertently contribute to the proliferation of harmful contaminants.
Methods
The methods section of this study outlines the ethical compliance and materials utilized in the research involving zebrafish, approved by the Duke University Institutional Animal Care and Use Committee (Protocol Registry Number A069-22-04). The study employed various standards for measuring per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS), which were primarily sourced from Wellington Laboratories. Notably, standards for bis perfluoroalkyl sulfonimides (bisFASIs) were obtained from Sigma Aldrich, while branched perfluoroalkyl ether acid standards were provided by Chemours.
All standards were prepared using liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) grade methanol from Honeywell. Additional reagents included potassium persulfate, sodium hydroxide, ammonium acetate, Envi-carb TM, ammonium hydroxide, hydrochloric acid, and acetic acid, sourced from Fisher Scientific and VWR, USA. This comprehensive selection of materials ensures the reliability and accuracy of the experimental procedures employed in the study.
Results
In this study, a comprehensive sampling effort was conducted, collecting a total of 119 samples from various environments, including 75 surface water, 5 tap water, 2 groundwater, 1 snow, 15 sediment, and 21 soil samples across 87 locations in Cottage Grove, Minnesota; Paducah and Louisville, Kentucky; Antwerp, Belgium; and Salindres, France, over the period from January to October 2022. The analysis focused on the quantification of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS), revealing a strong correlation between results obtained from two independent laboratories, demonstrating a near 1:1 agreement (Supplementary Fig. 7).
Additionally, the study included evaluations of field blanks and duplicate analyses, which are detailed in Supplementary Note 2, alongside PFAS results excluding bis-FASIs. These findings underscore the reliability of the sampling and analytical methods employed, contributing valuable data to the understanding of PFAS distribution in diverse environmental matrices.
Discussion
The study highlights the widespread environmental release of bis-FASIs, particularly bis-FMeSI, associated with lithium-ion battery (LiB) production and disposal. Field sampling in Minnesota and Europe revealed bis-FMeSI in surface water, sediment, and soil at concentrations ranging from parts per billion to parts per million, indicating significant contamination near manufacturing sites. Notably, bis-FMeSI was detected in all but three water samples collected in Minnesota, with the highest concentration found near a 3M outfall. The findings suggest that atmospheric emissions may contribute to the long-range transport of bis-FMeSI, raising concerns about its global distribution and potential ecological impacts.
Toxicological assessments demonstrated that bis-FMeSI affects aquatic organisms, such as Daphnia magna and zebrafish, at low concentrations, altering swimming behavior and mitochondrial function. These results underscore the potential risks posed by bis-FMeSI to aquatic life, even at environmentally relevant levels. The study also emphasizes the challenges in treating bis-FASIs due to their persistence and mobility, similar to other PFAS compounds. While adsorptive treatment methods like granular activated carbon (GAC) and ion exchange (IX) show promise for removing bis-FMeSI, the compound’s resistance to oxidative degradation necessitates further research into advanced treatment options. The lack of regulatory oversight for bis-FMeSI raises concerns about ongoing environmental contamination and the need for immediate action to mitigate exposure risks.