Novel Experimental and Modelling Approaches for the Risk Assessment of Perfluoroalkyl Acids (PFAAs)

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs) are a group of anthropogenic chemicals, widely used for many industrial and commercial purposes. The extremely strong C-F bond provides PFASs with high chemical and thermal stability. Consequently, PFASs are persistent, bioaccumulative and ubiquitously present in environmental matrices worldwide. Under environmental conditions, through changes of the non-fluorinated parts of a molecule, PFAS precursors can be transformed into perfluoroalkyl acids (PFAAs), regarded as their final transformation product. PFAAs are acidic surfactants, whose properties principally differ depending on their perfluoroalkyl chain length and their terminal polar group. Short-chain PFAAs are widely employed as alternatives for the regulated and restricted long-chain PFAAs, based on the assumption of lower bioaccumulation potential and toxicity in animals. However, they are as persistent as their long-chain homologues, highly soluble, less sorptive to solids, very mobile with water and highly bioaccumulative in plants. The aim of this research thesis is addressing the data and research gaps to assist ecological and human health risk assessment of the perfluoroalkyl acids, with a special focus on their short-chain alternatives. PFAAs exhibit an untypical behavior when compared to other groups of neutral organic pollutants. Their affinity for proteins and phospholipid membranes makes the common risk assessment approaches, mainly relying on the partitioning in storage lipids, inapplicable. Hence, the objectives of this thesis were to address data gaps and provide new insights regarding the fate and behavior of PFAAs, from 1) the ecological risk assessment point of view and 2) in terrestrial (agronomic) ecosystems, as the main pathway of PFAAs into the terrestrial food webs. An additional focus was put on the major PFAS contamination case in the Veneto Region, Northern Italy. The first part of the thesis concentrates on existing ecological risk assessment methodologies and proposes a new method for deriving the ecological risk thresholds of micro-contaminants, which is applied to two legacy long-chain PFAAs, PFOA and PFOS, two short chain PFAAs, PFBA and PFBS, as their common substitutes, and two well studied emerging contaminants (LAS and triclosan) for comparison. The newly proposed methodology is based on the ecological and chemicals fate model AQUATOX (USEPA), applied to aquatic ecosystem of the Po, the largest Italian river with a significant pollutants burden (including PFAAs). By the use of AQUATOX, ecological relationships between organisms were included as well as the sublethal effects of chemicals, resulting in indirect toxicity effects leading to ecological threshold values that usually differed from the ones derived by regulated methodologies. The second part of the thesis concentrates on simulating the transfer of nine PFAAs from pre-contaminated soil and irrigation water to a model crop, the red chicory, by a combination of greenhouse plant uptake experiments, laboratory soil-sorption tests and plant uptake models. The experimental set-up includes various exposure media: soil and water, separately and in synergy, as well as a soilless (hydroponic) system. The experimental results emphasized the significance of irrigation water as exposure media, leading to a potentially higher plant uptake of PFAAs, and the uncertainty in the use of hydroponically derived plant uptake factors for risk assessment. The semi-empirical plant uptake model for PFAAs, based on inter-compartmental PFAAs distribution in red chicory, soil-water partitioning and plant-specific measured data was successfully applied to other crops and provided new mechanistic insights into the complex uptake processes. Finally, a modelling framework consisting of crop models connected to simple pharmacokinetic models for farm animals, was developed and applied in the dietary exposure of the Veneto population to long- and short-chain PFAAs.

Le sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFASs) sono un gruppo di sostanze chimiche antropogeniche, usate estensivamente nell’industria. Grazie al legame C-F molto forte, i PFASs sono caratterizzati da una elevata stabilità chimica e termica. Di conseguenza sono persistenti, bioaccumulativi e onnipresenti nell’ambiente. Sotto condizioni ambientali, tramite il cambiamento delle parti non-fluorurati nelle molecole, i precursori del PFAS si trasformano in acidi perfluoroalchilici (PFAAs). I PFAAs sono acidi tensioattivi e le loro proprietà si differenziano in base alla lunghezza della catena perfluoroalchilica ed al gruppo polare. Le catene corte di PFAAs vengono impiegate al posto delle catene più lunghe con l’assunzione per cui siano potenzialmente meno bioaccumulative e meno tossici negli animali. Tuttavia, esse sono molto persistenti, ed altamente solubili. Inoltre sono meno assorbite nei solidi, molto mobili in acqua ed estremamente bioaccumolative nelle piante. Lo scopo di questa tesi consiste nell’analisi dei dati per la valutazione del rischio degli PFAAs, con maggior attenzione per le catene più corte. I PFAAs mostrano un comportamento non tipico rispetto ad altri gruppi di inquinanti organici neutri. La loro affinità per le proteine e le membrane fosfolipidi rende la valutazione del rischio convenzionale, basato sulla ripartizione dello stoccaggio nei lipidi, inapplicabile. Perciò, questa tesi focalizzerà l’attenzione sulle mancanze nella ricerca e fornirà nuovi approfondimenti per comprendere il comportamento degli PFAAs, iniziando da 1) la valutazione del rischio dal punto di vista ecologico e 2) nell’ecosistema terrestre, come la via principale dei PFAAs nella rete alimentare terrestre, con un’attenzione particolare sull’inquinamento dei PFAAs nella Regione del Veneto (Nord Italia). La prima parte della tesi focalizzerà l’attenzione sulle metodologie esistenti per la valutazione del rischio ecologico e proporrà un nuovo metodo per derivare le soglie ecologiche di microinquinanti, applicato per due PFAAs di catene lunghe, PFOA e PFOS, due PFAAs di catene corte, PFBA e PFBS, come i loro sostituti, e due inquinanti emergenti (LAS e triclosan) al fine di eseguire un confronto. La metodologia proposta è basata sul modello ecologico AQUATOX (USEPA), applicato sull’ecosistema acquatico del Po, il fiume italiano più grande e con il maggior inquinamento. Usando il modello AQUATOX, sono state incluse relazioni ecologiche tra gli organismi, cosi come gli effetti chimici indiretti e sub-letali. I risultati sono valori di soglia ecologica diversi da quelli calcolati usando metodologie convenzionali. La seconda parte della tesi concentra l’attenzione sulla simulazione del trasferimento di nove tipi di PFAAs da suolo e acqua pre-contaminati alla pianta, radichio, con una combinazione di esperimenti in serra, prove in laboratorio per l’assorbimento del suolo e modelli per l’assorbimento nelle piante. L’esperimento include vari modi di esposizione: acqua e suolo, separatamente e in sinergia, cosi come un sistema idroponico. I risultati hanno evidenziato la valenza dell’acqua come il metodo di esposizione più importante, ed una incertezza dell’uso dei fattori di bioaccumulazione derivati da esperimenti idroponici per la valutazione del rischio. Il modello semi-empirico dell’assorbimento degli PFAAs, basato sulla distribuzione inter-compartimentale degli PFAAs nel radicchio, ripartizione tra acqua e suolo e parametri delle piante, è stato applicato su colture diverse e ha fornito nuovi approfondimenti del processo di assorbimento molto complesso. In fine, un quadro modellistico consistente di modelli di colture, insieme ad un modello farmacocinetico per animali d'allevamento, è stato applicato per valutare l’esposizione della popolazione del Veneto ai PFAAs di catena corta e lunga.