Human and animal tissues collected in urban and remote global locations contain persistent and bioaccumulative perfluorinated carboxylic acids (PFCAs). The source of PFCAs was previously unknown. Here we present smog chamber studies that indicate fluorotelomer alcohols (FTOHs) can degrade in the atmosphere to yield a homologous series of PFCAs. Atmospheric degradation of FTOHs is likely to contribute to the widespread dissemination of PFCAs. After their bioaccumulation potential is accounted for, the pattern of PFCAs yielded from FTOHs could account for the distinct contamination profile of PFCAs observed in arctic animals. Furthermore, polar bear liver was shown to contain predominately linear isomers (>99%) of perfluorononanoic acid (PFNA), while both branched and linear isomers were observed for perfluorooctanoic acid, strongly suggesting a sole input of PFNA from "telomer"-based products. The significance of the gas-phase peroxy radical cross reactions that produce PFCAs has not been recognized previously. Such reactions are expected to occur during the atmospheric degradation of all polyfluorinated materials, necessitating a reexamination of the environmental fate and impact of this important class of industrial chemicals.

Abstract Rainbow trout ( Oncorhynchus mykiss ) were exposed simultaneously to a homologous series of perfluoroalkyl carboxylates and sulfonates in a flow‐through system to determine compound‐specific tissue distribution and bioconcentration parameters for perfluorinated acids (PFAs). In general, PFAs accumulated to the greatest extent in blood > kidney > liver > gall bladder. Carboxylates and sulfonates with perfluoroalkyl chain lengths shorter than seven and six carbons, respectively, could not be detected in most tissues and were considered to have insignificant bioconcentration factors (BCFs). For detectable PFAs, carcass BCFs increased with increasing length of the perfluoroalkyl chain, ranging from 4.0 to 23,000, based on wet weight concentrations. Carboxylate carcass BCFs increased by a factor of eight for each additional carbon in the perfluoroalkyl chain between 8 and 12 carbons, but this relationship deviated from linearity for the longest PFA tested, possibly because of decreased gill permeability. In general, half‐lives (3.9–28 d) and uptake rates (0.053–1,700 L/kg/d) also increased with increasing length of the perfluoroalkyl chain in all tissues. Sulfonates had greater BCFs, half‐lives, and rates of uptake than the corresponding carboxylate of equal perfluoroalkyl chain length, indicating that hydrophobicity, as predicted by the critical micelle concentration, is not the only determinant of PFA bioaccumulation potential and that the acid function must be considered.

Recently it was discovered that humans and animals from various urban and remote global locations contained a novel class of persistent fluorinated contaminants, the most pervasive of which was perfluorooctane sulfonate (PFOS). Lower concentrations of perfluorooctanoate, perfluorohexane sulfonate, and heptadecafluorooctane sulfonamide have also been detected in various samples. Although longer perfluoroalkyl carboxylates (PFCAs) are used in industry and have been detected in fish following a spill of aqueous film forming foam, no studies have been conducted to examine the widespread occurrence of long-chain PFCAs (e.g., CF3(CF2)xCOO-, where x > 6). To provide a preliminary assessment of fluorinated contaminants, including PFCAs, in the Canadian Arctic, polar bears, ringed seals, arctic fox, mink, common loons, northern fulmars, black guillemots, and fish were collected at various locations in the circumpolar region. PFOS was the major contaminant detected in most samples and in polar bear liver was the most prominent organohalogen (mean PFOS = 3.1 microg/g wet weight) compared to individual polychlorinated biphenyl congeners, chlordane, or hexachlorocyclohexane-related chemicals in fat. Using two independent mass spectral techniques, it was confirmed that all samples also contained ng/g concentrations of a homologous series of PFCAs, ranging in length from 9 to 15 carbons. Sum concentrations of PFCAs (sum(PFCAs)) were lower than total PFOS equivalents (sum(PFOS)) in all samples except for mink. In mink, perfluorononanoate (PFNA) concentrations exceeded PFOS concentrations, indicating that PFNA and other PFCAs should be considered in future risk assessments. Mammals feeding at higher trophic levels had greater concentrations of PFOS and PFCAs than mammals feeding at lower trophic positions. In general, odd-length PFCAs exceeded the concentration of even-length PFCAs, and concentrations decreased with increasing chain length in mammals. PFOS and PFCA concentrations were much lower for animals living in the Canadian Arctic than for the same species living in mid-latitude regions of the United States. Future studies should continue to monitor all fluorinated contaminants and examine the absolute and relative toxicities for this novel suite of PFCAs.

Perfluorinated surfactants have emerged as priority environmental contaminants due to recent reports of their detection in environmental and biological matrices as well as concerns regarding their persistence and toxicity. In June 2000, 22000 L of fire retardant foam containing perfluorinated surfactants was accidentally released at L. B. Pearson International Airport, Toronto, ON, and subsequently entered into Etobicoke Creek, a tributary to Lake Ontario. A suite of analytical tools that include liquid chromatography/tandem mass spectrometry (LC/MS/MS) and 19F NMR were employed to characterize fish (common shiner, Notropus cornutus) and surface water samples collected following the discharge of the perfluorinated material. Total perfluoroalkanesulfonate (4, 6, and 8 carbons) concentrations in fish liver samples ranged from 2.00 to 72.9 microg/g, and total perfluorocarboxylate (5-14 carbons) concentrations ranged from 0.07 to 1.02 microg/g. In addition to fish samples, total perfluoroalkanesulfonate (6 and 8 carbons) concentrations were detected in creek water samples by LC/MS/MS over a 153 day sampling period with concentrations ranging from <0.017 to 2260 microg/L; perfluorooctanoate concentrations (<0.009-11.3 microg/L) were lower than those observed for the perfluoroalkane-sulfonates. By 19F NMR, the total perfluorinated surfactant concentrations in surface water samples ranged from < 10 to 17000 microg/L. A bioaccumulation factor range of 6300-125000 was calculated for perfluorooctanesulfonate, based on concentrations in fish liver and surface water. The residence time of perfluorooctanesulfonate in Etobicoke Creek as well as the high bioaccumulation in fish liver suggests that perfluorinated surfactants will persist and bioaccumulate following release into the aquatic environment.

The widespread detection of environmentally persistent perfluorinated acids (PFCAs) such as perfluorooctanoic acid (PFOA) and its longer chained homologues (C9>C15) in biota has instigated a need to identify potential sources. It has recently been suggested that fluorinated telomer alcohols (FTOHs) are probable precursor compounds that may undergo transformation reactions in the environment leading to the formation of these potentially toxic and bioaccumulative PFCAs. This study examined the aerobic biodegradation of the 8:2 telomer alcohol (8:2 FTOH, CF3(CF2)7CH2CH2OH) using a mixed microbial system. The initial measured half-life of the 8:2 FTOH was ∼0.2 days mg-1 of initial biomass protein. The degradation of the telomer alcohol was monitored using a gas chromatograph equipped with an electron capture detector (GC/ECD). Volatile metabolites were identified using gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS), and nonvolatile metabolites were identified and quantified using liquid chromatography/tandem mass spectrometry (LC/MS/MS). Telomer acids (CF3(CF2)7CH2COOH; CF3(CF2)6CFCHCOOH) and PFOA were identified as metabolites during the degradation, the unsaturated telomer acid being the predominant metabolite measured. The overall mechanism involves the oxidation of the 8:2 FTOH to the telomer acid via the transient telomer aldehyde. The telomer acid via a β-oxidation mechanism was further transformed, leading to the unsaturated acid and ultimately producing the highly stable PFOA. Telomer alcohols were demonstrated to be potential sources of PFCAs as a consequence of biotic degradation. Biological transformation may be a major degradation pathway for fluorinated telomer alcohols in aquatic systems.

Perfluorooctane sulfonate (PFOS) is a persistent and bioaccumulative perfluorinated acid detectable in humans and wildlife worldwide that has alerted scientists to examine the environmental fate of other fluorinated organic contaminants. Recently a homologous series of perfluoroalkyl carboxylates (PFCAs) was detected in the Arctic, yet little is known about their sources, breadth of contamination, or environmental distribution. In this study we analyzed for PFOS, the homologous series of PFCAs ranging from 8 to 15 carbons in chain length, and the PFOS-precursor heptadecafluorooctane sulfonamide (FOSA) in various organisms from a food web of Lake Ontario. The sampled organisms included a top predator fish, lake trout (Salvelinus namaycush), three forage fish species including rainbow smelt (Osmerus mordax), slimy sculpin (Cottus cognatus), and alewife (Alosa pseudoharengus), and two invertebrates Diporeia (Diporeia hoyi) and Mysis (Mysis relicta). A striking finding was that the highest mean concentration for each fluorinated contaminant was detected in the benthic macroinvertebrate Diporeia, which occupies the lowest trophic level of all organisms analyzed. Perfluorinated acid concentrations in Diporeia were often 10-fold higher than in Mysis, a predominantly pelagic feeder, suggesting that a major source of perfluoroalkyl contaminants to this food web was the sediment, not the water. PFOS was the dominant acid in all samples, but long-chain PFCAs, ranging in length from 8 to 15 carbons, were also detected in most samples between <0.5 and 90 ng/g. Among Mysis and the more pelagic fish species (e.g. excluding Diporeia and sculpin) there was evidence for biomagnification, but the influence of foraging on highly contaminated Diporeia and sculpin by these fish may have overestimated trophic magnification factors (TMFs), which ranged from 0.51 for FOSA to 5.88 for PFOS. By accounting for the known diet composition of lake trout, it was shown that bioaccumulation was indeed occurring at the top of the food web for all perfluoroalkyl compounds except PFOA. Future monitoring at other locations in Lake Ontario, and in other aquatic environments, is necessary to determine if these food web dynamics are widespread. Archived lake trout samples collected between 1980 and 2001 showed that mean whole body PFOS concentrations increased from 43 to 180 ng/g over this period, but not linearly, and may have been indirectly influenced by the invasion and proliferation of zebra mussels (Dreissena polymorpha) through effects on the population and ecology of forage fishes.

Abstract Perfluorinated acids (PFAs) recently have emerged as persistent global contaminants after their detection in wildlife and humans from various geographic locations. The highest concentrations of perfluorooctane sulfonate are characteristically observed in high trophic level organisms, indicating that PFAs may have a significant bioaccumulation potential. To examine this phenomenon quantitatively, we exposed juvenile rainbow trout ( Oncorhynchus mykiss ) simultaneously to a homologous series of perfluoroalkyl carboxylates and sulfonates for 34 d in the diet, followed by a 41‐d depuration period. Carcass and liver concentrations were determined by using liquid chromatography‐tandem mass spectrometry, and kinetic rates were calculated to determine compound‐specific bioaccumulation parameters. Depuration rate constants ranged from 0.02 to 0.23/d, and decreased as the length of the fluorinated chain increased. Assimilation efficiency was greater than 50% for all test compounds, indicating efficient absorption from food. Bioaccumulation factors (BAFs) ranged from 0.038 to 1.0 and increased with length of the perfluorinated chain; however, BAFs were not statistically greater than 1 for any PFA. Sulfonates bioaccumulated to a greater extent than carboxylates of equivalent perfluoroalkyl chain length, indicating that hydrophobicity is not the sole determinant of PFA accumulation potential and that the acid function must be considered. Dietary exposure will not result in biomagnification of PFAs in juvenile trout, but extrapolation of these bioaccumulation parameters to larger fish and homeothermic organisms should not be performed.

Perfluorinated acids (PFAs) are ubiquitously found in water and biota, including remote regions such as the High Arctic. Under environmental conditions, PFAs exist mainly as anions and are not expected to be subject to long-range atmospheric transport in the gas phase. Fluorinated telomer alcohols (FTOHs) are volatile and can be atmospherically oxidized to form perfluorocarboxylic acids. Analogously, fluorosulfamido alcohols can be oxidized to form perfluorooctane sulfonate (PFOS). High Arctic ice caps experience contamination solely from atmospheric sources. By examining concentrations of PFAs in ice cap samples, it is possible to determine atmospheric fluxes to the Arctic. Ice samples were collected from high Arctic ice caps in the spring of 2005 and 2006. Samples were concentrated using solid-phase extraction and analyzed by LC−MS−MS. PFAs were observed in all samples, dating from 1996 to 2005. Concentrations were in the low−mid pg L-1 range and exhibited seasonality, with maximum concentrations in the spring−summer. The presence of perfluorodecanoic acid (PFDA) and perfluoroundecanoic acid (PFUnA) on the ice cap was indicative of atmospheric oxidation as a source. Ratios of PFAs to sodium concentrations were highly variable, signifying PFA concentrations on the ice cap were unrelated to marine chemistry. Fluxes of the PFAs were estimated to the area north of 65°N for the 2005 season, which ranged from 114 to 587 kg year-1 for perfluorooctanoic acid (PFOA), 73 to 860 kg year-1 for perfluorononanoic acid (PFNA), 16 to 84 kg year-1 for PFDA, 26 to 62 kg year-1 for PFUnA, and 18 to 48 kg year-1 for PFOS. The PFOA and PFNA fluxes agreed with FTOH modeling estimations. A decrease in PFOS concentrations through time was observed, suggesting a fast response to changes in production. These data suggest that atmospheric oxidation of volatile precursors is a primary source of PFAs to the Arctic.

Recent studies comparing the results of total organofluorine-combustion ion chromatography (TOF-CIC) to targeted analysis of perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances (PFASs) by liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) have shown that a significant yet variable portion of the total organofluorine in environmental and biological samples is in the form of unknown PFASs. A portion of this unknown organofluorine likely originates in proprietary fluorinated surfactants not included in LC-MS/MS analyses and not fully characterized by the environmental science community, which may enter the environment through use in aqueous film forming foams (AFFFs) for firefighting. Contamination of water, biota, and soils with various PFASs due to AFFF deployment has been documented. Ten fluorinated AFFF concentrates, 9 of which were obtained from fire sites in Ontario, Canada, and two commercial fluorinated surfactant concentrates were characterized in order to identify novel fluorinated surfactants. Mixed-mode ion exchange solid phase extraction (SPE) fractionated fluorinated surfactants based on ionic character. High resolution mass spectrometry assigned molecular formulas to fluorinated surfactant ions, while collision induced dissociation (CID) spectra assisted structural elucidation. LC-MS/MS detected isomers and low abundance fluorinated chain lengths. In total, 12 novel and 10 infrequently reported PFAS classes were identified in fluorinated chain lengths from C3 to C15 for a total of 103 compounds. Further research should examine the environmental fate and toxicology of these PFASs, especially their potential as perfluoroalkyl acid (PFAA) precursors.