Suppression des éléments traces par Cupric nanoparticules d'oxyde de Uranium<em> In Situ</em> Récupération de l'eau de ressuage et son effet sur la viabilité cellulaire
Summary
Production bleed water (PBW) was treated with cupric oxide nanoparticles (CuO-NPs) and cellular toxicity was assessed in cultured human cells. The goal of this protocol was to integrate the native environmental sample into a cell culture format assessing the changes in toxicity due to CuO-NP treatment.
Abstract
Dans la récupération in situ (ISR) est la principale méthode d'extraction de l'uranium aux États-Unis. Pendant ISR, l'uranium est lessivé à partir d'un gisement de minerai et extrait par échange d'ions. La purge de l'eau résultant production (pep) contient des impuretés telles que l'arsenic et d'autres métaux lourds. Des échantillons de PBW à partir d'une installation d'uranium ISR actifs ont été traités avec des nanoparticules d'oxyde de cuivre (CuO-IP). Traitement CuO-NP de PBW réduite contaminants prioritaires, y compris l'arsenic, le sélénium, l'uranium, et le vanadium. Essai non traitée et traitée CuO-NP PBW a été utilisé comme le composant liquide du milieu de croissance des cellules et les variations de viabilité ont été déterminées par le MTT (3- (4,5-diméthylthiazol-2-yl) -2,5-diphényltétrazolium de) dans le rein embryonnaire humain (HEK 293) et le carcinome hépatocellulaire humain (Hep G2) des cellules. Traitement CuO-NP a été associée à l'amélioration de HEK et HEP viabilité cellulaire. Les limites de ce procédé comprennent la dilution de PBW par des composants de milieu de croissance et pendant osmolréglage de nalité ainsi que l'ajustement du pH nécessaire. Ce procédé est limité dans son contexte plus large du fait des effets de dilution et des changements dans le pH de la PBW qui est traditionnellement cependant légèrement acide; cette méthode pourrait avoir une utilisation plus large évaluation de traitement CuO-NP dans les eaux plus neutres.
Introduction
Environ 20% de l'alimentation électrique des États-Unis est fournie par l'énergie nucléaire et, basé en partie sur des incitatifs nationaux pour accroître l'indépendance énergétique, la capacité nucléaire des États-Unis devrait augmenter de 1. Est également prévu la croissance mondiale de l'énergie nucléaire à poursuivre, avec beaucoup de la croissance survenant à l'extérieur des États-Unis 2. Dès 2013, 83% de l'uranium a été importé des États-Unis, mais 952 544 tonnes de réserves existent dans les Etats-Unis 3,4. En 2013 il ya eu 7 nouvelles applications de l'installation et des applications 14 redémarrage / dilatation entre le Wyoming, Nouveau-Mexique, et le Nebraska 5. Aux États-Unis, l'uranium est principalement extrait par récupération in situ (ISR) dans les processus 6. ISR provoque moins de perturbations des sols et évite de créer des tas de résidus qui peuvent libérer des contaminants environnementaux 7. ISR utilise des solutions oxydantes à base d'eau pour lixivier l'uranium à partir du gisement souterrain, après quoi l'uranium est extrait de la solution de lixiviation à traversun procédé d'échange d'ions 8. Pour maintenir un solde négatif de l'eau dans le corps de minerai, une partie du lixiviat, appelé production saigner l'eau (PBW), est saigné off. Une partie de la PBW est décontaminé par osmose inverse (OI) et ré-introduit dans le processus de l'exploitation minière, mais PBW pourrait également avoir des usages industriels ou agricoles bénéfiques, si des contaminants toxiques peuvent être réduits à des niveaux acceptables déterminées par les organismes de réglementation de l'État pour la surface et 9 souterraines. Actuellement, la plupart des installations d'uranium ISR utilisent RO pour éliminer les contaminants de PBW. Cependant, le traitement RO est consommatrice d'énergie et la saumure produit des déchets toxiques, ce qui nécessite l'élimination réglementée.
Beaucoup de méthodes de décontamination de l'eau existent, y compris des adsorbants, des membranes, et l'échange d'ions. Parmi ceux-ci, l'adsorption est le plus couramment utilisé, et les développements récents dans la synthèse de nanoparticules a renforcé les capacités de l'eau en fonction de la décontamination adsorbant-processus 10. Oxi Cupricde nanoparticules (CuO-IP) avait auparavant pas été largement étudiés sur l'uranium ISR PBW, mais dans des études récentes de l'élimination des contaminants des eaux souterraines, CuO-IP ont été trouvés à avoir des propriétés uniques, y compris ne pas nécessiter d'étapes de traitement de l'eau (pré ou post par exemple, ajuster le pH ou potentiel redox) et qui fonctionne bien dans des compositions différentes de l'eau (par exemple, dans différents pH, des concentrations de sel, ou ions concurrents) 11. En outre, CuO-IP sont facilement régénérés par lessivage avec de l'hydroxyde de sodium (NaOH), après quoi le CuO-IP régénéré peut être réutilisé. Détails de CuO-NP capacités de filtrage de métaux traces dans les eaux naturelles ont déjà été publiés 11-14.
Bien utile pour le traitement de l'eau, des nanoparticules d'oxyde de métal peuvent être toxiques pour les organismes vivants, mais la mesure de la toxicité dépend, en partie, sur les caractéristiques des nanoparticules et des constituants 10,15,16. Par conséquent, il est important d'étudier simultdéménagements et de nanoparticules toxicités contaminants aneous avant applications sur le terrain. L'étude actuelle a déterminé la capacité de CuO-IP pour éliminer les contaminants prioritaires PBW (y compris l'arsenic, le sélénium, le vanadium et uranium), et d'évaluer l'effet du traitement CuO-NP sur PBW cytotoxicité.
PBW été recueillies à partir d'une installation d'uranium ISR actif et utilisé pour déterminer l'efficacité du traitement CuO-NP dans l'élimination des contaminants de priorité. PBW cytotoxicité avant et après traitement CuO-NP a également été évaluée. PBW est une géologique complexe mélange (industrielle / de l'environnement) et les deux de l'Institut national de la santé environnementale et de la Science (NIEHS) et l'Agence pour les Substances Toxiques & Disease Registry (de ASTDR) sont mettant l'accent sur l'étude de la toxicité des mélanges pertinents pour l'environnement, y compris les mélanges telles qu'elles existent dans la nature ou les paramètres industriels, ainsi que dans la promotion de tests in vitro pour donner la priorité à des produits chimiques autres tests in vivo17-19. Les études de l'exposition, de mélange à faible dose chroniques sont difficiles parce que l'exposition chronique à un mélange à faible dose pas produire des effets évidents, du moins pas dans le court laps de temps de la plupart des études de laboratoire. De même, la plupart des études in vitro de mélanges chimiques exposer les cellules à un mélange de laboratoire faites défini de deux ou plusieurs métaux 20,21. Ces études fournissent des informations de base, mais des mélanges simplifiées ne reproduisent pas les interactions antagonistes et synergiques complexes qui peuvent survenir dans un échantillon environnemental natale, où la gamme complète des composants du mélange sont présents.
Les objectifs de cette étude étaient d'examiner les processus d'élimination de contaminants de rechange pour PBW et d'évaluer l'effet de (CuO-NP) de traitement sur PBW cytotoxicité en utilisant des cellules humaines en culture. Les résultats pourraient profiter à l'industrie de l'uranium à travers le développement de méthodes plus efficaces ou respectueux de l'environnement pour l'élimination des contaminants. Cette étude fournitla première preuve que la réduction des contaminants prioritaires dans PBW par CuO-IP réduit la cytotoxicité des cellules de mammifères 22.
Protocol
Representative Results
Discussion
Des études antérieures ont rapporté que CuO-IP retiré l'arsenic des eaux souterraines 11,13,30,31. Cette étude confirme ces résultats antérieurs et rapporte que CuO-IP éliminer les contaminants supplémentaires de PBW également. Cette étude confirme également que les rapports précédents CuO-IP sont efficaces pour éliminer l'arsenic, en dépit de la présence d'autres contaminants et les ions concurrents potentiels 11. la modélisation de spéciation prédit que 97% des esp…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Dr. Roger Hopper and the Wyoming Department of Agriculture, Analytical Services Lab for the mass spectroscopy analysis of our samples. We would like to express our gratitude to the University of Wyoming, School of Pharmacy for allowing us to video this protocol in their laboratories. We would also like to thank the Theodore O. and Dorothy S. King Endowed Professorship Agreement for their graduate assistantship (SC), the University of Wyoming for the Graduate Assistantship support (JRS), and the Science Posse (NSF GK-12 Project # 084129) for the teaching fellowship (JRS). We would also like to thank Uranium One for allowing us to obtain samples and assisting us with questions. This work was supported by the School of Energy Resources, University of Wyoming.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| CuCl2 | Sigma | 203149 | |
| Borosilicate glass balls | VWR | 26396-639 | 6 mm |
| Nitric Acid | Fisher | A509-P500 | Trace metal grade |
| 0.45 mm syringe filter | Fisher | SLHA 033S S | |
| 10X EMEM | Fisher | BW12-684F | |
| Fetal Bovine Serum | ATCC | 30-2020 | |
| L-glutamine | Fisher | BP379-100 | |
| NaHCO3 | Sigma | S5761 | |
| Penicillin/Streptomycin | ATCC | 30-2300 | |
| 0.22 mm vacuum filter unit | Fisher | 09-740-28C | |
| HEK293 | ATCC | CRL-1573 | |
| HEPG2 | ATCC | HB-8065 | |
| Trypsin | Sigma | SV3003101 | |
| MTT | Sigma | M2128 | |
| D-penicillamine | Fisher | ICN15180680 | |
| 96-well plates | Fisher | 07-200-92 | |
| DMSO | Fisher | D12814 | |
| Spectra Max 190 | Molecular Devices | ||
| Visual MINTEQ version 3.0 | KTH Royal Institute of Technology | ||
| ICP-MS | Agilent | Details of instruments, models and detection limits were published in Reddy et al., 2013. | |
| IC DIONEX DX 500 | Dionex | Details of instruments, models and detection limits were published in Reddy et al., 2013. | |
| VWR Incubator | VWR |
References
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