title: Leaching experiments and simulation studies with perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in soils considering precursor transformation
Creators: name: Weidemann, Eva
Publisher: name: KOBRA Universität Kassel
Year: 2025
Subjects: subject: PFAS
subject: Präkursor
subject: precursor
subject: diPAP
subject: MACRO
subject: leaching
subject: soil column
classificationCode: 620
subject: 620
classificationCode: Mittelbaden
subject: Mittelbaden
classificationCode: Polyfluorverbindungen
subject: Polyfluorverbindungen
classificationCode: Perfluorverbindungen
subject: Perfluorverbindungen
classificationCode: Präkursor
subject: Präkursor
classificationCode: Bodensäule
subject: Bodensäule

description: <p>Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) can pose a major risk after being released into the environment, as illustrated by the case in Mittelbaden, Germany. PFAS compounds were found on agricultural fields related to the input of PFAS-containing compost and can pose a problem for many years to come. In such cases, it is important to have information on the PFAS behavior to be able to assess possible risks to groundwater, for example. To investigate the behavior in the unsaturated soil zone and thus the potential to leach into groundwater or to be taken up by plants, two studies were conducted in which the conditions under near-natural conditions (lysimeter experiment, carried out by Dr. René Lämmer), and under laboratory conditions (soil column experiment) were addressed. The leaching and transformation
of perfluoroalkyl acids (PFAAs) and their precursors 6:2 polyfluoroalkyl phosphate
diester (diPAP) and 8:2 diPAP, which are already found in real contamination cases such as in Mittelbaden, were investigated over a period of two years by analyzing the leachate, the soil and the lysimeter grass. Data on the behavior of PFAA, which was studied only under laboratory conditions, was used for parameterization in the two modeling studies. The mass balances of some PFAA of the PFAA study as well as the diPAP studies showed gaps, which could possibly indicate the formation of non-extractable residues (NER). The soil column study showed higher dissipation rates for 6:2 diPAP compared to the lysimeter study. The main transformation products were perfluoropentanoic acid (PFPeA), perfluorohexanoic acid (PFHxA)
for 6:2 diPAP and perfluorooctanoic acid (PFOA) for 8:2 diPAP.
Soils from the contaminated sites Hügelsheim and Steinbach from Mittelbaden were used in both studies. It was found that a higher amount of unidentified precursors was transformed under near-natural conditions, as the diPAP amounts increased more significantly than in the laboratory experiment. The MACRO 5.2 model was used for a modeling studies simulating the fate of PFAAs, 6:2 and 8:2 diPAP under laboratory conditions, and both diPAPs under near-natural conditions in soil. The optimization of parameters was conducted using the evolutionary algorithm caRamel. In the simulation
study based on the laboratory study, PFAA fate, including NER formation, was well represented, and the parameter ranges were successfully used to simulate the PFAA transformation products of both diPAPs. Good data fits for the diPAP studies were only possible using two different diPAP transformation rates: a fast one followed by a slow one, which was then used until the end of the simulation study.
The fate of diPAPs and their PFAA transformation products under near-natural conditions was simulated well using transformation rates dependent on temperature and soil moisture, along with PFAA parameter ranges from the laboratory simulation study. Uncertainties in simulation results were represented by a selection of the simulations that produced equally good results using different parameter sets. Concentrations in percolate, soil, and grass were well matched by the
simulated data, although with wide parameter ranges for both diPAP compounds, reflecting the simulation uncertainty. Despite the uncertainties in the parameterization, especially concerning the transformation rates and adsorption parameters, the experimental data could be represented well, demonstrating that MACRO is suitable for PFAS simulation in the given setting. To use MACRO for risk prediction in contamination cases, more information about diPAP fate in soil is crucial, particularly the influence of temperature and soil moisture on the transformation, as well as the prediction of their adsorption in soil in different soils.</p>
description: <p>Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) können nach ihrer Freisetzung in die Umwelt ein großes Risiko darstellen, wie der Schadensfall in Mittelbaden zeigt. PFAS-Verbindungen wurden auf landwirtschaftlichen Flächen im Zusammenhang mit der Ausbringung von PFAS-haltigem Kompost gefunden und können noch viele Jahre lang ein Problem darstellen. In solchen Fällen ist es wichtig, Informationen über das Verhalten der Verbindungen zu haben, um mögliche Gefahren beispielsweise für das Grundwasser einschätzen zu können. Um das Verhalten in der ungesättigten Bodenzone und damit das Potential in das Grundwasser zu sickern oder der Pflanzenaufnahme zu untersuchen, wurden zwei Studien durchgeführt, in denen naturnahe Bedingungen (Lysimeterversuch, durchgeführt durch Dr. René Lämmer), und Laborbedingungen
(Bodensäulenversuch) fokussiert wurden. Die Verlagerung und Transformation von
Perfluoroalkylsäuren (PFAAs) und deren Präkursoren 6:2 Fluortelomerphosphatdiester (diPAP) und 8:2 diPAP, die bereits in realen Kontaminationsfällen wie in Mittelbaden zu finden sind, wurden über einen Zeitraum von zwei Jahren durch Analyse des Sickerwassers, des Bodes und des Lysimetergrases untersucht. Daten über das Verhalten von PFAA, das ausschließlich unter Laborbedingungen untersucht wurde, wurden in den zwei Modellierungsstudien zur Parametrisierung verwendet.
Die Massenbilanzen einiger PFAA der PFAA-Studie sowie beide diPAPs wiesen Lücken auf, was möglicherweise auf die Bildung von nicht-extrahierbaren Verbindungen (NER) hinweisen könnte. Die Bodensäulenstudie zeigte höhere Dissipationsraten für 6:2 diPAP im Vergleich zur Lysimeterstudie. Die Haupttransformationsprodukte waren Perfluorpentansäure (PFPeA), Perfluorhexansäure (PFHxA) für 6:2 diPAP und Perfluoroctansäure (PFOA) für 8:2 diPAP. In beiden Studien wurden mit PFAS kontaminierte Böden der Standorte Hügelsheim und Steinbach aus Mittelbaden verwendet. Es zeigte sich, dass unter naturnahen Bedingungen eine höhere
Menge nicht-identifizierte Präkursoren transformiert wurden, da die gefundenen diPAP Mengen über die Versuchsdauer stärker zunahmen als im Laborversuch.
Für Modellierungsstudien wurde das Modell MACRO 5.2 verwendet, um das Verhalten von PFAA, 6:2 und 8:2 diPAP unter Labor- und naturnahen Bedingungen im Boden zu simulieren. Die Optimierung der Parameter wurde unter Verwendung des evolutionären Algorithmus caRamel durchgeführt. In der Simulationsstudie, die auf dem Laborversuch basiert, wurde das Verhalten der PFAA inklusive der Entstehung von NER gut dargestellt und die Parameterbereiche wurden erfolgreich dafür verwendet, das Verhalten der PFAA-Transformationsprodukte beider diPAP zu simulieren. Gute Anpassungen an die Messdaten der diPAP-Versuche waren nur unter Verwendung von zwei Transformationsraten möglich: einer ersten schnellen Transformationsrate, gefolgt von
einer zweiten langsamen, die bis zu dem Ende der Simulationsstudie verwendet wurde.
Das Verhalten der diPAP und deren PFAA-Transformationsprodukte konnte innerhalb der Simulationsstudie, die auf dem naturnahen Versuch basiert, gut dargestellt werden, unter Verwendung von Transformationsraten, die temperatur- sowie feuchteabhängig waren, sowie der PFAA-Parameterbereiche aus der Laborsimulationsstudie. Die Unsicherheiten der Simulationsergebnisse wurden durch eine Auswahl von Simulationen dargestellt, die ähnlich gute Ergebnisse mit verschiedenen
Parametersets erreichten. Die Konzentrationen im Sickerwasser, Boden und Grass
wurden gut durch die simulierten Daten getroffen, jedoch mit großen Parameterbereichen der diPAP, was die Unsicherheit verdeutlicht. Trotz der Unsicherheiten innerhalb der Parametrisierung, besonders in Bezug auf die Transformationsraten und die Adsorptionsparameter, konnten die Messdaten gut mit MACRO dargestellt werden, und MACRO kann für die Simulation von PFAS eingesetzt werden. MACRO kann jedoch nicht ohne weiteres für die Risikoeinschätzung in Kontaminationsfällen verwendet werden, da noch mehr Informationen über das Verhalten der diPAP benötigt werden, insbesondere über den Einfluss von Temperatur und Feuchte auf die Transformation von Präkursoren sowie die Adsorption
von PFAS in verschiedenen Böden.</p>