PFASとは何か – 「永遠の化学物質」の実像と歴史

不滅の結合：現代社会を形作った分子の物語

人類の科学史において、ある化学結合の発見がこれほど広範な影響をもたらした例は稀だろう。炭素とフッ素の間に形成される共有結合は、自然界で最も強固な結合の一つとされる。この結合エネルギーは約485 kJ/mol、一般的な炭素-水素結合（約413 kJ/mol）や炭素-酸素結合（約358 kJ/mol）を大きく上回る。この驚異的な結合強度は、有機フッ素化合物（PFAS: Per- and Polyfluoroalkyl Substances）に例外的な安定性をもたらし、「永遠の化学物質」という通称の由来となった（Lindstrom et al., 2011）。

しかし科学の歴史には皮肉が満ちている。かつて画期的な特性で称賛されたPFASの安定性は、現在では深刻な環境問題の原因として認識されている。地球上のほぼすべての生物の血液から検出され、北極圏の氷床にさえ存在するPFASは、人類が意図せず創り出した最も永続的な遺産の一つとなった。

PFASとは何か、どのようにして開発され、なぜ私たちの生活に遍在するようになったのか。その特異な分子構造から産業利用の歴史、そして環境中での挙動に至るまで、この化学物質群の全体像を明らかにしていきたい。

分子構造の秘密：強固な炭素-フッ素結合の化学

PFASとは、何らかの形で複数のフッ素原子が炭素原子に直接結合した有機化合物の総称である。PFASの中核を成すのは、メチル基やエチル基などの炭化水素鎖の水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された構造だ。最も代表的なPFAS化合物であるペルフルオロオクタンスルホン酸（PFOS）とペルフルオロオクタン酸（PFOA）は、8個の炭素原子からなる鎖のすべての水素原子がフッ素原子に置換された構造を持つ（Buck et al., 2011）。

フッ素は元素周期表でハロゲン族に属し、最も電気陰性度の高い元素である。この強い電気陰性度ゆえに、フッ素原子は炭素原子と結合する際に電子を強く引き寄せ、高度に分極した共有結合を形成する。この強い分極性と、フッ素原子の比較的小さなイオン半径が組み合わさることで、異常なほど安定した炭素-フッ素結合が生まれる。

フッ素原子は炭素鎖の外側を覆うように配置され、「フッ素の鎧」とも称される保護層を形成する。この構造的特徴が、PFASに以下のような独特の物理化学的特性をもたらす：

1. 卓越した化学的安定性
2. 高い熱耐性
3. 水や油を強力に反発する性質
4. 表面張力低減効果

特に注目すべきは、PFASの両親媒性である。これらの分子は一般的に疎水性のフルオロカーボン鎖と、親水性の官能基（カルボキシル基やスルホン酸基など）から構成される。このユニークな分子構造により、水と油の両方を弾く特性と、様々な界面で強力に機能する特性が生まれる（Kissa, 2001）。

この分子レベルの特性が、産業界での広範な応用を可能にしたのだ。

歴史的偶然：PFASの発見と初期開発

PFASの歴史は、多くの革新的発明と同様に、偶然の発見から始まった。1938年、デュポン社の若き化学者ロイ・プランケット（Roy Plunkett）がテトラフルオロエチレンガスを冷却実験していた際、容器内に不思議な白い物質が形成されていることに気づいた。これが後にテフロン（ポリテトラフルオロエチレン、PTFE）として知られることになる物質の誕生であった（Mooney, 2002）。

第二次世界大戦中、マンハッタン計画の一環として、ウラン濃縮に使用する極めて腐食性の高いウラン六フッ化物に耐えうる材料が必要とされていた。PTFEはその要件を満たす唯一の材料として重要な役割を果たした。戦後、この技術は民間利用へと転換され、1954年にはフランス人エンジニアのマーク・グレゴワール（Marc Gregoire）が妻のコレットの提案に基づき、調理器具へのPTFEコーティングを開発。これが初の非粘着性調理器具「テフアル（T-fal）」の誕生につながった（Goldstein, 1997）。

1940年代後半から1950年代にかけて、3M社はパーフルオロオクタンスルホン酸（PFOS）を含む化合物の商業生産を開始。これらはスコッチガード（Scotchgard）などの製品に応用され、繊維や家具に撥水・撥油性を付与するために広く利用された（Prevedouros et al., 2006）。

ここで興味深いのは、PFASの開発が冷戦期の軍事的必要性と消費社会の台頭が交差する歴史的文脈で進められたという点だ。初期のPFAS開発者たちは、これらの物質の環境残留性や生物蓄積性についてほとんど考慮していなかった。当時の科学的パラダイムでは、化学的安定性は専ら望ましい特性とみなされており、その永続性がもたらす負の側面は視野の外にあった。

PFASの多様性：一万を超える化合物群の包括的理解

「PFAS」という用語は単一の化学物質を指すのではなく、約9,000から12,000種もの関連化合物を含む巨大な化学物質ファミリーを表す。米国環境保護庁（EPA）の定義によれば、PFASは「少なくとも一つの完全にフッ素化されたメチル基（CF3-）またはメチレン基（-CF2-）を含む有機フッ素化合物」とされる（EPA, 2023）。

この広大な化合物群は、分子構造や特性に基づいていくつかの主要カテゴリーに分類できる：

1. パーフルオロアルキル物質

炭素鎖のすべての水素原子がフッ素原子に置換された化合物。代表例には以下が含まれる：

• ペルフルオロカルボン酸（PFCAs）：PFOA（C8）、PFNA（C9）など
• ペルフルオロスルホン酸（PFSAs）：PFOS（C8）、PFHxS（C6）など
• ペルフルオロホスホン酸（PFPAs）
• ペルフルオロアルキルエーテル（PFAEs）

2. ポリフルオロアルキル物質

炭素鎖の一部の水素原子のみがフッ素原子に置換された化合物。こちらには以下が含まれる：

• フッ素テロマーアルコール（FTOHs）
• パーフルオロアルキルエーテル酸（PFECA）
• フッ素化ポリエーテル（C6O4など）

特に注目すべきは、近年増加している「代替PFAS」である。これらは、規制対象となったPFOSやPFOAの代替として開発された短鎖PFAS（C4-C6）や構造的に修飾されたPFASであり、GenX（HFPO-DA）やADONA（Na-AdPFOA）などが含まれる（Wang et al., 2017）。

この多様性がPFASの理解と規制を複雑にしている。異なる分子構造は異なる物理化学的特性、生物学的挙動、毒性プロファイルをもたらす。例えば、炭素鎖長が環境中での挙動や生物蓄積性に大きく影響する。長鎖PFAS（C8以上）は一般的に短鎖PFAS（C4-C7）よりも強い生物蓄積性を示す（Conder et al., 2008）。

最近の研究では、こうした構造的違いを超えて、PFASを「モビリティ（移動性）」に基づいて分類する提案もなされている。高移動性PFASは水環境中で速やかに拡散し、従来の水処理技術では除去が困難である（Ng & Hungerbuehler, 2022）。

産業応用の拡大：現代生活に浸透するPFAS

PFASのユニークな特性は、様々な産業分野での応用を可能にした。これらの物質は現代的な消費社会の縁の下の力持ちとなり、私たちの日常生活に深く浸透している。

消費者製品における応用

家庭内では、PFASは驚くほど多くの製品に含まれている。最も知られているのは非粘着性調理器具だが、それ以外にも以下のような用途がある：

• 撥水・撥油加工された衣料品（レインウェア、作業着など）
• ステイン防止加工されたカーペットや家具
• 食品包装材（グリース耐性紙、ピザボックス、ファーストフード包装など）
• 化粧品（ファンデーション、アイシャドウ、アイライナー、シェービングクリームなど）
• パーソナルケア製品（歯磨き粉、フロス、シャンプーなど）

Schaider et al.（2017）による調査では、一般的なファストフード包装の約半数からPFASが検出された。特にデザート包装や肉・パン製品の包装から高濃度のフッ素が検出されている。

産業用途と専門的応用

耐熱性、耐薬品性、電気絶縁性といったPFASの特性は、多くの産業プロセスや専門的応用において不可欠とされてきた：

• 航空宇宙産業（油圧作動油、O-リング、ガスケット）
• 半導体製造（フォトリソグラフィー、エッチングプロセス）
• 医療機器（カテーテル、インプラント、縫合糸）
• 消防活動（水成膜泡消火薬剤：AFFF）
• 建築・建設（防水メンブレン、断熱材）
• 鉱業（浮選助剤）
• 電子機器（コーティング、絶縁材）

特に消防用泡消火剤（AFFF）の使用は、多くの空港、軍事基地、訓練施設周辺の重大な汚染源となっている。これらの泡剤は油火災のような難消火性火災に効果的だが、使用後に環境中へ直接放出されることが多い（Barzen-Hanson et al., 2017）。

使用量の増加と新たな応用

PFASの世界的な生産量は1950年代以降、着実に増加してきた。最新の推計によると、1950年から2004年までに、約3,200〜7,300トンのPFOSと96,000〜226,000トンのPFOA関連化合物が世界中で生産されたと見積もられている（Prevedouros et al., 2006）。

注目すべきは、PFASの使用パターンの地理的および時間的変化である。2000年代初頭に主要生産国（米国など）で一部のPFASに対する規制が強化されると、生産は規制の緩やかな国々（特に一部のアジア諸国）へとシフトした。また、規制対象となった長鎖PFASから、代替となる短鎖PFASや構造的に修飾された「新規PFAS」への移行も進んだ（Wang et al., 2014）。

この「レグレッタブル・サブスティテューション（regrettable substitution：後悔すべき代替）」と呼ばれる現象は、PFASの規制を複雑化させている。規制対象となった特定のPFASが関連構造を持つ別のPFASに置き換えられるが、その代替物質も同様の環境残留性や潜在的毒性を持つ可能性があるためだ（Blum et al., 2015）。

PFASの環境動態：自然界における永続的存在

PFASの最も憂慮すべき特性は、その環境中での極めて高い安定性である。PFASは自然環境中で分解されにくく、一度放出されると長期間にわたり残存する。この環境残留性の分子レベルの理由を理解することは、PFASがもたらす環境リスクを考える上で不可欠だ。

分解抵抗性のメカニズム

PFASの環境残留性の主な要因は、炭素-フッ素結合の例外的な安定性にある。自然界に存在する微生物による分解、紫外線による光分解、さらには高温での熱分解にさえ高い抵抗性を示す。炭素-フッ素結合のエネルギーは非常に高く、通常の環境条件下でこの結合を切断できる自然のプロセスはほとんど存在しない（Schwarzenbach et al., 2016）。

ストックホルム条約による「残留性有機汚染物質（POPs）」の定義では、水中での半減期が2ヶ月以上、堆積物中での半減期が6ヶ月以上の物質が「残留性」と分類される。多くのPFASはこの基準をはるかに超える半減期を示す。PFOS、PFOAなどの長鎖PFASの環境中での推定半減期は数十年から数百年に及ぶ（Cousins et al., 2022）。

環境中での広がり

PFASは水に対する高い親和性（特に長鎖PFASの酸形態）と揮発性（一部のフッ素テロマーアルコールなど）を組み合わせることで、地球規模での移動と拡散を可能にしている。主な経路には以下がある：

1. 水系を通じた移動: PFASは地表水や地下水を通じて広範囲に拡散する。特に水溶性の高いPFASは、従来の水処理プロセスで効果的に除去されず、飲料水源に到達する可能性がある。
2. 大気輸送: 一部のより揮発性の高いPFAS前駆体（フッ素テロマーアルコールなど）は大気中に放出され、風に乗って長距離を移動した後、降雨により地表に沈着する。これが「グローバル蒸留効果」と呼ばれる現象の一因となり、北極や南極などの遠隔地域でもPFASが検出される理由となっている（Young et al., 2007）。
3. 生物学的ベクター: 魚類や渡り鳥などがPFASを体内に蓄積し、移動することで、汚染を広げる生物学的ベクターとなりうる。

これらの複合的なメカニズムにより、PFASは地球上のほぼすべての環境コンパートメント（大気、水、土壌、生物相）から検出されるようになった。特に衝撃的なのは、人間の活動からほとんど隔絶された極地の生物や氷床からもPFASが検出されるという事実だ（Giesy & Kannan, 2001）。

エスカレーターと断片化：短鎖PFASの動態

環境中でのPFAS動態についての興味深い最新の知見として、「PFASエスカレーター」と呼ばれる現象がある。これは、環境中で前駆体PFASが徐々に分解され、最終的には安定したパーフルオロアルキル酸（PFAAs）に変換されるプロセスを指す。例えば、フッ素テロマーアルコールは環境中で段階的に酸化され、最終的にPFOAなどのPFAAsに変換される（Martin et al., 2010）。

この現象は、環境中からPFASを完全に除去することの難しさを示している。前駆体の分解により、新たなPFAAsが継続的に生成されるため、すでに環境中にあるPFAS前駆体は将来のPFAA汚染の「タイムカプセル」として機能するのだ。

短鎖PFASに関する最新の研究は、これらの物質が長鎖PFASよりも環境中での移動性が高く、従来の水処理技術での除去が一層困難であることを示している。一方で生物蓄積性は相対的に低いが、その高い移動性ゆえに、飲料水を介した曝露リスクは無視できない（Brendel et al., 2018）。

検出と分析技術の進化：見えない脅威の可視化

PFASによる環境汚染の全体像を理解する上で、分析技術の発展は重要な役割を果たしてきた。初期の研究から現代の高度な検出技術まで、私たちはPFASを「見る」能力を着実に向上させてきた。

初期の検出方法と限界

1990年代初頭まで、環境中や生物試料中のPFASを正確に検出・定量する方法は限られていた。初期の研究では主に放射性標識されたPFASを用いた研究や、間接的な測定手法が使用されていた。これらの方法は、多くのPFASについて検出感度が低く、異性体の区別ができないなどの重大な限界があった（Giesy & Kannan, 2001）。

1990年代後半に液体クロマトグラフィー-質量分析法（LC-MS）が環境試料のPFAS分析に応用されるようになり、検出能力に革命が起きた。2001年、Giesy & Kannanによる画期的な研究では、この技術を用いて世界中の野生生物試料からPFOSを検出し、この物質が地球規模で広がっていることを初めて示した。

現代の分析技術

現在、環境中や生物試料中のPFASの検出には、主に以下のような高度な分析技術が用いられている：

1. 液体クロマトグラフィー-タンデム質量分析法（LC-MS/MS）: 現在のPFAS分析の標準的手法。ng/L（ppt）レベルの低濃度でも検出可能で、特定のPFAS化合物を高い特異性で同定できる。
2. 高分解能質量分析法（HRMS）: 四重極飛行時間型（QTOF）やオービトラップ質量分析計などの高分解能質量分析計により、既知のPFASだけでなく、未知のPFAS化合物の検出や同定も可能になっている。
3. 全有機フッ素（TOF）分析: 特定のPFAS化合物ではなく、試料中の全有機フッ素量を測定する手法。これにより、標的分析では見落とされる可能性のある未知のPFASも含めた総合的な汚染評価が可能になる（Yeung et al., 2013）。
4. 粒子誘起ガンマ線放出（PIGE）分析: 比較的新しい技術で、消費者製品などに含まれる総フッ素量を非破壊的に測定できる（Ritter et al., 2017）。

これらの技術の進展により、ng/L（ppt）からpg/L（ppq）レベルという極めて低濃度のPFASの検出が可能になった。これは1兆分の1から1000兆分の1という、ほとんど想像を絶する微量レベルだ。例えるなら、オリンピックサイズのプールに角砂糖1個を溶かした濃度よりもさらに低い濃度である。

新たな分析パラダイム：未知PFAS探索

分析技術の進歩は、「標的分析」から「非標的分析」への移行を可能にした。従来の標的分析では特定の既知のPFASのみを検出するのに対し、非標的分析では試料中に存在する未知のPFASを含むあらゆるフッ素化合物を検出する可能性がある（Xiao, 2017）。

この新しいアプローチにより、環境中に存在するPFASの多様性が明らかになってきた。従来の標的分析では見過ごされていた多くの「隠れたPFAS」が存在することが分かり、環境汚染の評価方法に再考を促している。例えば、Barzen-Hanson et al.（2017）は非標的分析を用いて、AFFF（水成膜泡消火剤）汚染サイトから40種以上の新規PFAS化合物を同定した。

最新の研究では、人工知能と高分解能質量分析を組み合わせて、複雑な環境試料から新規PFAS構造を効率的に同定する手法も開発されている（Lai et al., 2022）。これらのアプローチは、「PFASの氷山」の水面下の部分をより完全に理解するために不可欠だ。

国際的認識と規制の変遷：科学から政策へ

PFASに対する科学的理解と社会的認識は、過去数十年でドラマチックに変化してきた。この変遷は、環境化学物質のリスク管理における科学と政策の複雑な相互作用を示す興味深い事例である。

初期の懸念と産業界の対応

PFASの潜在的リスクに関する最初の警告は、意外にも産業界の内部から発せられた。1960年代から1970年代にかけて、主要PFAS製造企業の社内研究で、これらの化合物の生物蓄積性や毒性の可能性が示されていたことが、後の訴訟過程で明らかになった（Paustenbach et al., 2007）。

特に注目すべきは、3M社が1970年代に実施した研究で、従業員の血液中にPFOSが検出され、また実験動物での有害影響が確認されていたという事実だ。しかし、これらの知見は長らく公開されなかった。

1999年、3M社の委託研究を行っていたフロリダ州立大学の研究者が、一般環境中や野生生物からPFOSを検出。この発見が契機となり、3M社は2000年にPFOSベースの製品からの段階的撤退を自主的に発表した（3M, 2000）。

国際的認識の高まりと規制枠組みの発展

2001年のGiesy & Kannanによる画期的な論文は、PFASが地球規模で検出されることを示し、これらの物質への国際的関心を一気に高めた。その後の数年間で、PFASの環境残留性、生物蓄積性、潜在的毒性に関する研究が急速に増加した。

重要な転機となったのは、2009年のストックホルム条約におけるPFOSとその関連物質の「残留性有機汚染物質（POPs）」リストへの追加である。これにより、条約締約国はPFOSの製造と使用を制限することが義務付けられた（ただし、多くの「許容される目的」と「特定除外」が設けられた）（Stockholm Convention, 2009）。

その後、2019年の条約改正ではPFOAとその関連物質もPOPsリストに追加され、規制の範囲が拡大された。さらに2022年には、PFHxSとその関連物質もリストに追加することが決定された（Stockholm Convention, 2022）。

各国・地域の対応

世界各国・地域は、PFASに対して様々なアプローチで対応してきた：

欧州連合（EU）: EUはPFASに対して比較的積極的な規制アプローチを採用してきた。EUのREACH規制の下、PFOSは2006年から制限され、PFOAとその前駆体は2020年から制限されている。現在、EUはより包括的な「PFASグループ制限」の導入を検討しており、これが実現すれば特定の用途を除くすべてのPFASの使用が制限されることになる（ECHA, 2023）。

米国: 米国のPFAS規制は主に州レベルで進んできた。連邦レベルでは長らく自主的なプログラム（2006年のPFOA排出削減プログラムなど）に依存していたが、近年EPA（環境保護庁）はより積極的なアプローチに移行している。2022年、EPAはPFOAとPFOSを「有害物質」に指定する提案を発表し、これらの物質に対する飲料水規制値も大幅に引き下げた（EPA, 2022）。

カナダ: カナダは環境保護法（CEPA）下でPFOSとその塩、およびPFOAとその塩を有毒物質リストに追加し、特定の例外を除いて製造、使用、販売、輸入を制限している（Government of Canada, 2018）。

日本: 日本ではPFOSと一部の関連物質が「化学物質の審査及び製造等の規制に関する法律（化審法）」の下で第一種特定化学物質に指定され、製造・輸入・使用が厳しく制限されている。2021年にはPFOAも同様に規制されるようになった（環境省, 2021）。

オーストラリア: オーストラリアでは、2018年にPFASナショナル環境管理計画を策定し、PFAS汚染サイトの特定、評価、管理のガイドラインを提供している（Australian Government, 2018）。

規制アプローチの進化

PFASに対する規制アプローチは、「物質ごとの規制」から「グループベースの規制」へと進化しつつある。これは従来の「代替を繰り返す（regrettable substitution）」パターンを打破するために不可欠な進展だ。

特に注目すべきは、「必須用途（essential use）」という概念の台頭である。この概念は、社会にとって真に不可欠な用途においてのみPFASの使用を許可し、代替が可能な用途では段階的に廃止するという方針を示す（Cousins et al., 2019）。

また、近年では「クラスアプローチ（class approach）」という考え方も提唱されている。これは、特定のPFAS化合物ごとに規制するのではなく、PFASをグループとして規制するアプローチだ。個々の化合物ごとに十分な毒性データを収集するには何十年もかかるという現実的な制約を考慮した、予防原則に基づくアプローチである（Kwiatkowski et al., 2020）。

終わりのない化学物質：PFASと持続可能性の課題

PFASの「永遠の化学物質」としての性質は、持続可能性に関する根本的な問いを投げかける。化学的安定性という、かつては望ましいとされた特性が、現在では環境上の懸念となる逆説は、科学技術の進歩における予期せぬ結果の教訓となる。

PFASの全体像を考える上で重要なのは、これらの物質が提供してきた社会的便益と環境リスクのバランスをどう評価するかという問題だ。PFASは多くの現代的製品の性能を向上させ、ある種の応用では人命保護にも貢献してきた。しかし同時に、その環境残留性と潜在的健康リスクは、将来の世代にまで及ぶ負の遺産となる可能性がある。

この緊張関係は、より広い「グリーンケミストリー」と「サーキュラーエコノミー」の文脈で考える必要がある。持続可能な化学物質管理において、製品のライフサイクル全体を考慮し、設計段階から環境適合性や分解性を重視するアプローチが不可欠だ（Anastas & Warner, 1998）。

PFASに関する課題は、今後も科学者、政策立案者、産業界、そして一般市民が協力して取り組む必要のある複雑な問題である。次回の記事では、PFASのマイクロプラスチックとの相互作用や、人体への影響についてより詳しく探究していきたい。

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