Bryan Berger står inför en av de största miljöutmaningarna i modern tid:luft, mark- och vattenförorening orsakad av en grupp giftiga kemikalier vars utbredda användning och konsekvenser för människors hälsa först nu kommer upp i ljuset globalt.

I sitt labb vid University of Virginia School of Engineering, Berger, en docent i kemiteknik, och hans forskargrupp utvecklar nya sätt att befria planeten från perfluoralkyl- och polyfluoralkylämnen, eller PFAS, som används i ett stort antal konsumentprodukter men är kopplade till allvarliga hälsoproblem. Bergers grupp undersöker en mycket osannolik källa, Cannabis sativa, eller industrihampa, en fibrös arbetshäst känd för sina många fördelaktiga användningsområden, inklusive i textilier, antimikrobiella medel och hälsokost.

Berger tror att industriell hampa också kan vara det grönaste sättet att lindra ett problem som har vuxit i årtionden.

Skapande av PFAS

På 1940-talet kemiingenjörer kombinerade en lång rad kolatomer tillsammans med fluor för att skapa en supersubstans med en kemisk bindning som är en av de starkaste kända inom organisk kemi idag, nästan ogenomtränglig för naturlig nedbrytning. Forskare har ännu inte bestämma en halveringstid; när det väl är i miljön, den stannar där.

Den kemiska strukturen är så hårt bunden, det släpper lätt andra ämnen, en perfekt lösning när du behöver ägg att glida ur non-stick kastruller, regn för att pärla upp jackor eller tyger för att motstå fläckar. Militären använde också kemikalierna för att undertrycka högoktaniga bränder på baser runt om i världen.

De kommersiella tillämpningarna av kemikalierna ledde till mer än 4, 730 varianter, och storskalig tillverkning och distribution har pågått i mer än 60 år.

Problem identifierade

Under de senaste åren har många hälsostudier av National Institutes of Health, Environmental Protection Agency och andra organisationer har funnit att perfluoralkyl- och polyfluoralkylkemikalier är giftiga, med kopplingar till olika cancerformer, sköldkörtel- och leversjukdomar, neurologiska tillstånd och reproduktiva hälsoproblem.

Under tiden, kemikalierna har sipprat in i vattenförsörjningen, mat och människors kroppar, där de har visat sig snabbt ackumuleras. Detta fick Environmental Protection Agency att utfärda en livslång hälsorådgivning om att människor bara skulle ta in 70 delar per biljon av två av de vanligaste varianterna - ungefär motsvarande en droppe i en simbassäng i en fotbollsplan om den var 40 fot djup .

Möjliga lösningar

"Att studera lösningar för PFAS-kontamination är viktigt för vårt labb som ett exempel på var vi kan designa en unik, biologisk lösning för att ta itu med en viktig fråga som påverkar människors hälsa och miljön, sa Berger, som tar med sig omfattande hampaforskning till UVA och konstruerar andra användningsområden för växten. "Det är också en fantastisk möjlighet för oss att samarbeta med andra fakulteter över discipliner för att ta itu med de många utmaningar som är förknippade med detta arbete."

Tidiga experiment med hampa för att dra PFAS-gifter ur marken har varit uppmuntrande. Hans teammedlemmar binder också PFAS till proteiner som sedan kan brytas ned med enzymer. Hans labb tittar proaktivt på båda vägarna, en bättre på att ta bort kemikalierna från vatten och den andra från jorden.

"Hampa är en fantastisk växtförmedlingsgröda, så det kan ta bort saker som tungmetaller och andra sorters ämnen från jord och grundvatten, sa Berger, vars arbete innan han började med UVA Engineering 2018 fokuserade delvis på att använda hamps naturliga förmåga att suga upp föroreningar genom sitt fibersystem för att rena jord utanför kolgruvor i Pennsylvania.

"Vi har fått några riktigt intressanta resultat på sistone där vi har tittat på hampans förmåga att binda och ta bort PFAS från vatten- och jordprover, ", sa han. "Det kan vara ett sätt att sanera stora mängder mark där det kan finnas föroreningar genom att odla något av värde på mark som annars inte har något värde."

I ett ljust, andra våningens labb i Wilsdorf Hall, Ph.D. student Madison Mann tar försiktigt bort en flaska med koncentrerad perfluoroktansyra, en av de vanligaste PFAS-varianterna, bakom ett dragskåp. Hon genomför experiment och letar efter proteiner som binder med PFAS-kemikalier.

"Jag försöker hitta ett miljövänligt och ekonomiskt sätt att binda PFAS, och sedan faktiskt försämra det, " Hon sa.

Mann avslutade också nyligen ett experiment där hon hydroponiskt odlade hampaplantor i PFAS för att se om de ens skulle slå rot i det giftiga ämnet, vilket de gjorde ganska bra. Nästa steg i hennes forskning kommer att innebära att katalogisera vilken mängd PFAS, om någon, tas upp av de fibrösa växterna. Förutsatt att växterna agerar på samma sätt som de gör med andra tungmetaller, forskargruppen funderar redan på sätt att skilja ut kemikalierna från resten av anläggningen.

"Om du kan bryta ner PFAS till bara koldioxid och fluor, på något sätt säkert att bli av med fluorgasen uppenbarligen, då har du en användbar produkt för en annan industri samtidigt som du eliminerar det giftiga ämnet från miljön, " Hon sa.

Medan arbetet fortfarande är i utvecklingsstadiet, gruppen ser löfte om båda metoderna för att eliminera toxiner, även om det behövs mer forskning.

"Det är trevligt att ha en sak som du tror på och försöker göra skillnad, " sa Mann.

Med tanke på den giftiga naturen hos PFAS och förekomsten av det, Berger tror att deras forskning kan ha stor påverkan på hälsan hos både djur och miljö.

"Jag hoppas att detta arbete kommer att ge större medvetenhet om de viktiga miljö- och hälsoeffekterna PFAS och andra föroreningar har på vårt dagliga liv, " sa Berger, "och illustrera nyttan av att utveckla biologiska verktyg för att försöka lösa dessa problem på ett miljövänligt sätt, hållbart sätt. Vi har redan några lovande resultat som tyder på att våra tillvägagångssätt kommer att vara effektiva och, viktigt, kan implementeras i en omfattning och kostnad som krävs för att möta denna utmaning i praktiken i Virginia och utanför."