Om zowel bekende als onbekende PFAS-verbindingen in watermonsters vast te stellen, is een massabalansaanpak voorgesteld, gebaseerd op een combinatie van methoden. Deze aanpak maakt het mogelijk om de bijdrage van tot nu toe onbekende PFAS beter op te sporen en te verklaren, terwijl nieuw gedetecteerde PFAS kunnen worden geïntegreerd in routinematige analysemethoden.
Download hier de pdf van dit artikel
Geschreven door Frederic Béen (KWR Water Research Institute, Vrije Universiteit Amsterdam), Bjorn Berendsen, Ruben Kause (Wagening Food Safety Research), Elvio Amato (KWR Water Research Institute)
Per- en polyfluoralkylstoffen (PFAS) zijn door de mens gemaakte chemicaliën met water-, vet- en vuilafstotende eigenschappen. Ze worden veel gebruikt in bijvoorbeeld pannen, brandblussers, regenjassen en voedselverpakkingen. PFAS worden meestal gedefinieerd als stoffen met ten minste een gefluoreerde methyl-(CF3-) of methyleen- (CF2)-groep [1], terwijl andere definities uitgaan van een volledig of gedeeltelijk gefluoreerde koolstofketen [2].
Er zijn meer dan 10.000 PFAS [3], [4], waarvan PFOA en PFOS de bekendste zijn. De meeste PFAS breken nauwelijks af en hopen zich op in mens en milieu, met mogelijke gezondheidseffecten, vooral op het immuunsysteem. Ze verspreiden zich via water en lucht en komen in het lichaam via voeding, drink- en zwemwater. Door hun persistentie, verspreiding en toxiciteit worden PFAS als zeer zorgwekkend beschouwd. Monitoring blijft echter uitdagend vanwege het brede scala aan fysisch-chemische eigenschappen, de wijde verspreiding en de steeds strengere rapportagegrenzen waaraan moet worden voldaan.
In het publiek-private samenwerkingsproject ‘Een integrale aanpak voor opsporing van ongewenste perfluorstoffen in de waterketen’ hebben KWR Water Research Institute en Wageningen Food Safety Research (WFSR) samen met waterbeheerders, drinkwaterbedrijven, provincie Zuid-Holland en het PFAS Expertisecentrum gewerkt aan een analysestrategie om de uitdagingen omtrent PFAS-monitoring aan te pakken. In dit artikel beschrijven we de toegepaste analysemethoden, de ontwikkelde strategie en de kennishiaten die verdere aandacht vragen.
Methoden gericht op specifieke PFAS-verbindingen
De meest gebruikte gerichte methode voor de analyse van PFAS in water is vloeistofchromatografie, gekoppeld aan tandemmassaspectrometrie (LC-MS/MS). Deze techniek wordt breed toegepast vanwege de hoge gevoeligheid, waardoor het mogelijk is om PFAS in water te kwantificeren bij extreem lage concentraties (bijv. <ng/L-bereik). Daarom zijn diverse gestandaardiseerde methoden (bijv. NEN-ISO, US EPA, Duitse DIN) op deze techniek gebaseerd om PFAS in verschillende waterige matrices te analyseren.
Over het algemeen worden met een enkele methode tussen de 20 en 60 PFAS-verbindingen gemeten, waaronder de bekende perfluorcarboxylzuren (PFCA\'s), perfluoralkylsulfonzuren (PFSA\'s) en een selectie van andere relevante verbindingen, zoals HFPO-DA (GenX-technologie) en precursoren (bijv. fluorotelomeren, sulfonamiden of fosfaatdiësters). Dankzij steeds gevoeligere instrumenten wint ‘directe injectie’ zonder monstervoorbereiding aan populariteit. Voor lage concentraties is echter vaak een concentratiestap nodig. De keuze van monstervoorbereiding beïnvloedt welke PFAS worden gemeten. Zo houden sorbentia met zwakke anionenuitwisseling vooral zure, negatief geladen PFAS vast, terwijl neutrale of positief geladen soorten doorgelaten worden.
Hoewel LC-MS/MS uiterst gevoelig en nauwkeurig is, heeft de techniek als belangrijk nadeel dat alleen vooraf geselecteerde verbindingen kunnen worden geanalyseerd. Stoffen die niet op de oorspronkelijke detectielijst staan blijven onopgemerkt, waardoor deze methode als een gerichte techniek wordt beschouwd. Er zijn echter mogelijk honderden PFAS in het milieu aanwezig, zelfs als niet alle stoffen in significante hoeveelheden worden uitgestoten.
Hierdoor beperkt deze aanpak de mogelijkheden om PFAS-verontreinigingen in water volledig te monitoren. Een vaak over het hoofd gezien punt is dat klassieke LC-MS/MS-methoden alleen PFAS opsporen die in water oplosbaar en ioniseerbaar zijn met electrospray. Bovendien richten ze zich voornamelijk op negatief geladen verbindingen, waardoor positief geladen en neutrale stoffen niet worden gedetecteerd.
Screeningsmethoden
Om de beperkingen van gerichte methoden deels op te lossen, worden steeds vaker suspect- en non-target screening (SNTS)-technieken gebruikt. Net als gerichte methoden zijn deze technieken over het algemeen gebaseerd op vloeistofchromatografie (LC), maar ze maken ook gebruik van hoge-resolutie massaspectrometrie (HRMS). In tegenstelling tot conventionele MS-systemen, kunnen HRMS-instrumenten honderden tot tienduizenden verbindingen in één enkele analyse monitoren.
Er zijn twee hoofdbenaderingen binnen SNTS. Ten eerste kan HRMS worden ingezet met referentiebibliotheken waarin veel bekende PFAS zijn opgenomen. Hiermee kunnen stoffen in monsters worden opgespoord, met als voordeel dat bibliotheken uitbreidbaar zijn en data retrospectief kunnen worden heranalyseerd. Steeds vaker worden hiervoor (deels) geautomatiseerde analysemethoden ontwikkeld, soms al geïntegreerd in commerciële software.
Ten tweede kan SNTS ook onverwachte of onbekende PFAS opsporen, al is hier een intensieve gegevensverwerking voor nodig, wat de analysekosten verhoogt.
Hoewel SNTS-methoden een breder scala aan PFAS kunnen detecteren dan gerichte technieken, dekken ze nog steeds niet alle PFAS die mogelijk in watermonsters aanwezig zijn. De eerder genoemde beperkingen met betrekking tot oplosbaarheid en ioniseerbaarheid blijven hierbij van kracht. Daarnaast kunnen sommige verbindingen ongeïdentificeerd blijven door een gebrek aan informatie in bibliotheken en databases, of doordat er geen referentiestandaarden zijn om de identiteit te bevestigen. In zulke gevallen zijn gerapporteerde structuren vaak slechts indicatief.
Ook is kwantificering alleen mogelijk wanneer er een geschikte standaard beschikbaar is. Er worden echter nieuwe methoden ontwikkeld die concentraties kunnen schatten zonder gebruik van standaarden. Het voordeel van SNTS is dat voorlopig geïdentificeerde PFAS later kunnen worden opgenomen in gerichte analyses, mits er uiteindelijk een standaard beschikbaar komt.
Totaal-PFAS-methoden
Gezien het extreem grote aantal PFAS dat in een monster aanwezig kan zijn, is het vooralsnog onmogelijk om ze allemaal afzonderlijk te detecteren en te kwantificeren. Daarom worden er methoden ontwikkeld die de totale bulk aan PFAS in watermonsters proberen te meten [5]. Deze methoden worden vaak ‘PFAS-totaal’ genoemd [6]. Verschillende strategieën zijn voorgesteld of worden momenteel ontwikkeld.
Totaal-fluor-methoden:
Tot de meest toegepaste benaderingen behoren de extraheerbare organische fluor (EOF-) en adsorbeerbare organische fluor (AOF)-methoden. Onderdeel van deze methoden is een extractiefase waarin anorganische fluoriden en andere onzuiverheden worden verwijderd, terwijl de organische fluorfractie (inclusief PFAS) behouden blijft. In beide gevallen worden de monsters vervolgens geanalyseerd met verbrandingsionchromatografie (CIC), waarbij organisch fluor wordt omgezet in fluorzuur en er uiteindelijk fluoride wordt gemeten [7]. Conventionele benaderingen met CIC hebben echter relatief hoge detectielimieten, waardoor ze minder geschikt zijn voor de analyse van PFAS in lagere concentraties, zoals bijvoorbeeld in drinkwater.
Ondanks deze uitdagingen wordt de techniek voortdurend verfijnd om lagere detectielimieten te bereiken [8]. Naast de hierboven beschreven methoden zijn er in de literatuur ook andere technieken gerapporteerd voor het meten van het totale PFAS-gehalte, zoals plasma-geïnduceerde gamma-emissie (PIGE) [9] en fluor-19 kernspinresonantiespectroscopie (19F NMR) [10]. Tot op heden zijn deze methoden echter slechts in enkele onderzoeken toegepast en zijn ze beperkt tot een klein aantal laboratoria die toegang hebben tot dergelijke geavanceerde instrumenten.
Total Oxidizable Precursor Assay (TOPA)
De Total Oxidizable Precursor Assay (TOPA of TOP-assay) wordt beschouwd als een methode om een breder scala aan PFAS te meten, maar is in feite een specifieke vorm van monstervoorbewerking en geen zelfstandige analysetechniek. Hierbij worden PFAS-precursoren geoxideerd tot stabiele perfluoralkylcarboxylzuren (PFCA’s), die vervolgens met gerichte methoden zoals LC-MS/MS kunnen worden geanalyseerd [11]. Het verschil in PFCA-concentraties vóór en na oxidatie geeft een indicatie van de aanwezigheid van precursoren. Ondanks de hoge gevoeligheid kan het totale PFAS-gehalte worden onderschat, omdat sommige gevormde reactieproducten mogelijk niet detecteerbaar zijn met gerichte technieken, vooral bij PFAS met modificaties in de fluor-koolstofstaart.
Effect-gebaseerde methoden
Tot slot kunnen effect-gebaseerde methoden, of bioassays, worden ingezet om de totale PFAS-belasting in monsters te bepalen. Deze methoden detecteren echter geen individuele of specifieke chemische stoffen, maar geven in plaats daarvan inzicht in de biologische effecten die deze stoffen gezamenlijk kunnen veroorzaken. Op basis van deze informatie kan de aanwezigheid van bepaalde verbindingen in een monster worden afgeleid. Omdat bioassays de gecombineerde effecten van verschillende PFAS weergeven, dienen ze als benadering om de totale PFAS-blootstelling in te schatten. Er zijn pogingen gedaan om PFAS in watermonsters te detecteren door gebruik te maken van hun vermogen om te binden aan transthyretine (TTR), een transporteiwit voor het schildklierhormoon thyroxine (T4) [12].
Hoewel deze bioassay de mogelijke aanwezigheid van PFAS kan aantonen, is de methode niet specifiek genoeg, omdat ook andere stoffen in het watermonster aan TTR kunnen binden. Daarom richten nieuwe bioassays zich op immunotoxiciteit, het belangrijkste negatieve effect van PFAS. De reproduceerbaarheid van de resultaten en de lage gevoeligheid zijn echter nog steeds uitdagingen. Deels komt dit door de niet-specifieke binding van PFAS aan plastic en eiwitten in in-vitro kweeksystemen, waardoor de fractie die beschikbaar is voor de daadwerkelijke bioassay kleiner wordt. Al deze factoren maken de ontwikkeling van gevoelige en specifieke effectgerichte testen een aanzienlijke uitdaging.
Kennishiaten en aanbevelingen
Zoals beschreven zijn er talloze methoden beschikbaar voor de analyse van PFAS. Tot op heden kan geen enkele techniek alle PFAS detecteren binnen het concentratiebereik dat relevant is voor het monitoren van de waterkwaliteit, zoals bij oppervlaktewater, grondwater, regenwater en drinkwater. Voor een beperkt aantal PFAS zijn er toxicologische gegevens beschikbaar.
Vanuit het voorzorgsprincipe en gezien hun hoge persistentie, uiteenlopende (eco)toxicologische effecten, bioaccumulerende eigenschappen en mobiliteit, waardoor ze zelfs afgelegen en ongerepte gebieden kunnen bereiken, zouden deze verbindingen niet in het milieu aanwezig mogen zijn. Toch worden PFAS nog steeds geproduceerd en gebruikt. Bovendien is het gebruik verschoven van goed meetbare PFAS naar moeilijker te detecteren verbindingen. Zelfs als de productie en het gebruik van PFAS drastisch worden verminderd, of als er een totaalverbod wordt ingevoerd, blijft het essentieel om de aanwezigheid en afname van PFAS te blijven monitoren. Daarnaast is het cruciaal om te controleren of bestaande verbindingen niet simpelweg worden vervangen door andere, mogelijk even schadelijke stoffen die buiten de gestandaardiseerde routinemethoden vallen.
Daarom is er dringend behoefte aan monitoringprogramma’s die verder gaan dan de PFAS die momenteel in gerichte methoden zijn opgenomen. Idealiter worden deze metingen zo dicht mogelijk bij potentiële emissiebronnen uitgevoerd. Deze strategieën zouden een trapsgewijze aanpak moeten volgen, met meerdere technieken naast of achter elkaar om een breder scala aan PFAS-verbindingen te detecteren en beter inzicht te krijgen in de totale PFAS-belasting (afbeelding 1). Hiermee kunnen we een PFAS-massabalans opstellen waarmee we bepalen of de verbindingen die in routinemethoden zijn opgenomen, het grootste deel - zo niet alle - van de totale PFAS-belasting op een specifieke locatie verklaren.
Hoe en hoe vaak deze technieken worden toegepast, hangt af van de specifieke locatie. Waarschijnlijk is het voldoende om het volledige pakket analysemethoden periodiek toe te passen, om te toetsen of de routinemethoden de meeste PFAS in beeld hebben of dat uitbreiding nodig is.
Afbeelding 1. Trapsgewijze aanpak voor het beoordelen van PFAS in watermonsters. Eerst worden gerichte analyses vergeleken met totaalmetingen via TOPA of EOF-CIC. Vervolgens wordt de fluormassabalans bepaald om te zien of de totale PFAS-concentratie hoger is dan uit de gerichte analyse blijkt. Bij een discrepantie kan suspect- en non-target screening extra verbindingen identificeren
Nieuwe PFAS kunnen, mits referentiestandaarden beschikbaar zijn, worden geïntegreerd in routinemethoden. Wanneer de totale en gerichte PFAS-concentraties vergelijkbaar blijken te zijn, kunnen de bestaande routinemethoden voorlopig als toereikend worden beschouwd.
Ook voor bronidentificatie zijn extra inspanningen nodig. Wanneer PFAS-verontreinigingen worden gedetecteerd of discrepanties in massabalansen aan het licht komen via de trapsgewijze aanpak, kunnen specifieke PFAS-profielen potentiële emissiebronnen identificeren. Dit kan met technieken als LC-HRMS, die semi-kwantitatieve gegevens leveren over een breed scala aan PFAS. Als er een database is opgebouwd met PFAS-profielen van bekende emissiebronnen, kan deze worden geanalyseerd met statistische of machine learning-tools. Dit maakt het mogelijk om overeenkomsten te identificeren tussen een onbekend profiel en bestaande bronnen, en daarmee potentiële verontreinigingsbronnen op te sporen.
Het succes van deze aanpak hangt echter sterk af van een uitgebreide bemonsterings- en analysecampagne. De nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de bronidentificatie hanen namelijk grotendeels af van de representativiteit van de profielendatabase. Daarnaast is het essentieel om informatie over het gedrag van PFAS in het milieu, zoals omzetting en adsorptie, mee te nemen. Dit helpt om rekening te houden met mogelijke veranderingen in het PFAS-profiel van specifieke bronnen en biedt een realistischer beeld van de verspreiding en transformatie van deze stoffen in de omgeving.
Daarnaast moeten alternatieve monitoringstrategieën, zoals bioassays, verder worden ontwikkeld. Zij vormen een waardevolle aanvulling op chemische analysetechnieken doordat ze biologische effecten van PFAS kunnen meten. Om de bruikbaarheid te verbeteren, zijn selectievere monstervoorbereidingsprotocollen en meer doelgerichte effectanalyses nodig, zoals immunotoxiciteit. Dit is essentieel om de invloed van niet-PFAS-verbindingen te minimaliseren en de betrouwbaarheid van de resultaten te vergroten.
Bovendien is meer onderzoek nodig naar het voorkomen van andere PFAS dan de veel voorkomende, negatief geladen PFAS. Deze verbindingen kunnen in sommige gevallen aanzienlijk bijdragen aan de totale PFAS-concentratie, maar worden nu nog vaak over het hoofd gezien.
Conclusies
De afgelopen jaren hebben veel ontwikkelingen plaatsgevonden op het gebied van gerichte, screening- en totaal-PFAS-methoden. De analyse van PFAS in water en andere relevante matrices blijft echter een uitdaging. Voor totaal-PFAS-methoden moeten robuustheid en gevoeligheid verder worden verbeterd, zodat ze ook toepasbaar zijn bij lage concentraties. Bij suspect en non-target screening liggen de grootste uitdagingen in een (kosten)effectieve data-analyse, de ontwikkeling van breed toepasbare bibliotheken en de identificatie van nieuwe verbindingen.
Voor bioassays is het vooral belangrijk om onderscheid te kunnen maken tussen PFAS en andere stoffen. De massabalansaanpak biedt mogelijkheden om een groot deel van de PFAS in kaart te brengen en reguliere monitoring effectiever te maken en te houden. Een gezamenlijke inspanning van alle relevante partijen in de watercyclus om de voorgestelde trapsgewijze aanpak verder te ontwikkelen en te implementeren, kan een completer beeld van PFAS-verontreiniging geven. Dit zal bijdragen aan een betere risicobeoordeling en effectiever beleidsvorming. Sinds 2024 zijn alle PFAS aangemerkt als Zeer Zorgwekkende Stoffen (ZZS). Welke mogelijkheden en uitdagingen dit met zich meebrengt, wordt besproken in een volgend artikel [13].
Dankwoord
Deze publiek-private samenwerking (LWV20.171) is gesubsidieerd door TKI Water en Maritiem, TKI Agro & Food, RIWA-Rijn, Vitens, Brabant Water, Oasen, Waterschap de Dommel, provincie Zuid-Holland, Arcadis Nederland , Witteveen+Bos, TTE Consultants en Evides waterbedrijf.
Samenvatting
De grote diversiteit en het brede concentratiebereik van PFAS maken detectie bijzonder complex. Om zowel bekende als onbekende PFAS-verbindingen in watermonsters vast te stellen, is een massabalansaanpak voorgesteld, gebaseerd op een combinatie van gerichte, totaal- en screeningmethoden. Deze aanpak maakt het mogelijk om de bijdrage van tot nu toe onbekende PFAS beter op te sporen en te verklaren, terwijl nieuw gedetecteerde PFAS kunnen worden geïntegreerd in routinematige analysemethoden. Desondanks blijft verdere innovatie noodzakelijk om deze aanpak robuuster en beter toepasbaar te maken in de praktijk.
REFERENTIES
1. Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling (2021). Reconciling Terminology of the Universe of Per- and Polyfluoroalkyl Substances: Recommendations and Practical Guidance. https://www.oecd-ilibrary.org/environment/reconciling-terminology-of-the-universe-of-per-and-polyfluoroalkyl-substances_e458e796-en, geraadpleegd op 26 september 2024. [
2. Buck, R. C. et al. (2011). \'Perfluoroalkyl and Polyfluoroalkyl Substances in the Environment: Terminology, Classification, and Origins\'. Integr. Environ. Assess. Manag., vol. 7, no. 4, pp. 513–541 doi: 10.1002/ieam.258.
3. European Chemicals Agency (2025). Restriction on the manufacture, placing on the market and use of PFASs. https://echa.europa.eu/restrictions-under-consideration/-/substance-rev/72301/term, geraadpleegd op 22 april 2025.
4. Suffill, E., White, M.P., Hale, S. and Pahl, S. (2024). \'Regulating ‘forever chemicals’: social data are necessary for the successful implementation of the essential use concept\'. Environ. Sci. Eur., vol. 36, no. 1, p. 111. doi: 10.1186/s12302-024-00930-9.
5. McDonough, C.A., Guelfo, J.L. and Higgins, C.P. (2019). \'Measuring Total PFASs in Water: The Tradeoff between Selectivity and Inclusivity\'. Curr. Opin. Environ. Sci. Health, vol. 7, pp. 13–18, Feb. doi: 10.1016/j.coesh.2018.08.005.
6. Europees Parlement en de Raad van de Europese Unie. DIRECTIVE (EU) 2020/2184 OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 16 December 2020 on the quality of water intended for human consumption. 2020. https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:32020L2184&qid=1696406248932https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:32020L2184&qid=1696406248932, geraadpleegd op 4 oktober 2023.
7. Aro, Eriksson, R.U., Kärrman, A., Reber, I., Yeung, L.W.Y. (2021). \'Combustion ion chromatography for extractable organofluorine analysis\'. iScience, vol. 24, no. 9, p. 102968. doi: 10.1016/j.isci.2021.102968.
8. Forster, A. L. B., Zhang, Y., Westerman, D. C. and Richardson, S. D. (2023). \'Improved total organic fluorine methods for more comprehensive measurement of PFAS in industrial wastewater, river water, and air\'. Water Res., vol. 235, p. 119859. doi: 10.1016/j.watres.2023.119859.
9. Ritter, E. E. et al. (2017). \'PIGE as a screening tool for Per- and polyfluorinated substances in papers and textiles\'. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. Mater. At., vol. 407, pp. 47–54. doi: 10.1016/j.nimb.2017.05.052.
10. D. Camdzic, R. A. et al. (2023). \'Quantitation of Total PFAS Including Trifluoroacetic Acid with Fluorine Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy\'. Anal. Chem., vol. 95, no. 13, pp. 5484–5488. doi: 10.1021/acs.analchem.2c05354.
11.Göckener, B., Fliedner, A., Rüdel, H, Fettig, I. and Koschorreck, J. (2021). \'Exploring unknown per- and polyfluoroalkyl substances in the German environment – The total oxidizable precursor assay as helpful tool in research and regulation\'. Sci. Total Environ., vol. 782, p. 146825. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.146825.
12. De Schepper, J.K.H. et al. (2023). \'The contribution of PFAS to thyroid hormone-displacing activity in Dutch waters: A comparison between two in vitro bioassays with chemical analysis\'. Environ. Int., vol. 181, p. 108256. doi: 10.1016/j.envint.2023.108256.
13. Béen, F., Berendsen, B., Pancras, T., De Jonge, J. (2025). \'PFAS aangemerkt als Zeer Zorgwekkende Stoffen: oplossingen én nieuwe uitdagingen\'. H2O-Online, 15 december 2025. https://www.h2owaternetwerk.nl/vakartikelen/pfas-aangemerkt-als-zeer-zorgwekkende-stoffen-oplossingen-en-nieuwe-uitdagingen
