Door de mens gemaakte chemische stoffen komen haast overal voor. Ze zijn bijvoorbeeld te vinden in kleding, speelgoed, cosmetica, medicijnen en in voedsel. Ze werden ontwikkeld voor hun nuttige functies, maar blijken soms eigenschappen te hebben waardoor ze een risico vormen voor mens en milieu. Meestal gebeurt dat pas nadat ze al lange tijd in gebruik zijn. Dit resulteert in wereldwijde milieuverontreiniging die één van de hoofdoorzaken is voor het verlies aan biodiversiteit.

‘Het probleem met nieuwe chemische stoffen is dat ze met een snelheid op de markt komen die veel hoger is dan het tempo waarin we gevaarlijke eigenschappen kunnen vaststellen’, zegt Joanke van Dijk, promovendus bij het Copernicus Instituut voor Duurzame Ontwikkeling van de Universiteit Utrecht. Met haar onderzoek wil ze inzicht krijgen in de risico’s van chemische stoffen, waarvoor ze samenwerkt met promovendi Hannah Flerlage en Steven Beijer van het Van 't Hoff Instituut voor Moleculaire Wetenschappen van de Universiteit van Amsterdam (UvA), onder begeleiding van dr. Chris Slootweg. Van Dijk onderzoekt ook mogelijke opties om chemische verontreiniging van het milieu in de toekomst te voorkomen, onder begeleiding van prof. dr. Annemarie van Wezel bij het Instituut voor Biodiversiteit en Ecosysteem Dynamica (IBED) van de UvA.

Verder kijken dan de chemische functie

Van Dijk stelt dat bij een groot aantal chemische stoffen onvoldoende bekend is over de gevaren voor het milieu, waardoor problemen vaak pas aan het licht komen als de stoffen al lange tijd in gebruik zijn. ‘De Europese Commissie benoemt dat ook in de Europese Green Deal’, zegt van Dijk. ‘De ontwikkeling van veilige en duurzame stoffen is daarin een belangrijke doelstelling. In ons onderzoek brengen we dat in de praktijk en ontwikkelen we een kader dat als leidraad kan dienen. Daarmee beoordelen we een chemische stof niet alleen op de bedoelde functie, maar ook op duurzaamheid en potentieel gevaarlijke stofeigenschappen.’

Als case study kozen van Dijk en mede-onderzoekers triisobutylfosfaat (TiBP), een organofosfaat dat onder andere als vlamvertrager wordt gebruikt. Vlamvertragers beschermen tegen vuur en vergroten de veiligheid, maar door hun wijdverspreid gebruik komen ze in veel Europese wateren voor. ‘Tijdens het wassen spoelen deze stoffen uit onze kleding’, legt Flerlage uit, ‘en via het afvalwater komen ze uiteindelijk in het milieu terecht. Omdat dit niet te vermijden is hebben we ervoor gekozen om TiBP te herontwerpen en de afbraak van de stof in het milieu te verbeteren.’

‘Persistente stoffen kunnen erg nuttig zijn in een goed functionerende circulaire economie’, voegt Flerlage toe. ‘Maar het is zorgelijk als ze in het milieu terechtkomen, omdat ze daar gedurende lange tijd invloed hebben op organismen. Om dit te voorkomen, moeten we zulke essentiële stoffen beter afbreekbaar maken.’

Een systematische manier om veilige stoffen te ontwerpen

Van Dijk en Flerlage gebruikten een aangepast computerprogramma om op een systematische manier meer dan 6,3 miljoen chemische structuren te generen die vergelijkbaar zijn met de originele stof TiBP. Daarna gebruikten ze Quantitative Structure Activity Relationship (QSAR) modellen om de eigenschappen van deze structuren te voorspellen zoals de toxiciteit en het gedrag in het milieu. Vervolgens maakten ze een rangschikking op basis van zowel de voorspelde eigenschappen als het gemak waarmee ze zijn te synthetiseren. Dit leidde tot een top 500 van meest kansrijke structuren. Een handmatige analyse van deze top 500 leidde vervolgens tot de identificatie van di-n-butyl (2-hydroxyethyl) fosfaat als geschikt alternatief voor TiBP. Na de synthese van deze stof testten ze in het lab of de eigenschappen overeen kwamen met de QSAR voorspellingen.

‘De eerste resultaten tonen aan dat de vlam vertragende werking behouden is gebleven, en wellicht zelfs verbeterd’, zegt Flerlage. De onderzoekers hebben vertrouwen in hun aanpak, hoewel meer testen nodig zijn om onder andere de precieze biodegradatie vast te stellen. ‘Experimenten zoals deze zullen ons helpen om onze methode verder uit te breiden en te verifiëren, zodat deze bij kan dragen aan een veilige circulaire economie en een vermindering van chemische verontreiniging’, concludeert van Dijk.

Publicatie details

Joanke van Dijk, Hannah Flerlage, Steven Beijer, J. Chris Slootweg, Annemarie P. van Wezel: Safe and sustainable by design: A computer-based approach to redesign chemicals for reduced environmental hazards. Chemosphere 296: 134050 (June 2022). DOI: 10.1016/j.chemosphere.2022.134050

Contact