Удаление микроэлементов в оксид меди наночастиц из урана<em> На месте</em> Восстановление Кровотечение воды и ее влияние на Жизнеспособность
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
В месте восстановления (ISR) является основным методом добычи урана в Соединенных Штатах. Во ISR, уран вымывается из рудного тела и экстрагируют с помощью ионного обмена. Полученный производство кровотечения воды (ПБВ) содержит загрязняющие вещества, такие как мышьяк и другие тяжелые металлы. Образцы PBW от активного объекта ISR урана лечили медных наночастиц оксида CuO (NPS),. CuO-НП лечение PBW снижается приоритетных загрязняющих веществ, в том числе мышьяка, селена, урана и ванадия. Необработанные и CuO-NP лечение ПБВ был использован в качестве жидкого компонента из питательной среды клеток и изменения в жизнеспособности определяли с помощью МТТ (3- (4,5-диметилтиазол-2-ил) -2,5-дифенилтетразолийбромид) Анализ в человеческой эмбриональной почки (НЕК 293) и гепатоцеллюлярной карциномы человека (Hep G2) клеток. Лечение CuO-НП было связано с улучшенной НЕК и ГЭС жизнеспособности клеток. Ограничения этого метода включают в себя разбавление PBW компонентами роста медиа и во время осмольРегулировка Эк, а также необходимые регулировки рН. Этот метод будет ограничен в своем более широком контексте за счет эффектов разбавления и изменений в рН мас.ч. который традиционно слегка кислой однако; этот метод может иметь более широкое использование Оценка лечения CuO-NP в более нейтральных водах.
Introduction
Примерно 20% от электроснабжения США обеспечивается ядерной энергии и, частично на основе национальных стимулов для повышения энергетической независимости США ядерный потенциал, как ожидается, увеличится на 1. Во всем мире рост ядерной энергии также, как ожидается, продолжится, причем большая часть роста придется за пределами США 2. Как 2013, 83% из США урана было импортировано, но 952 544 метрических тонн запасов существуют в США 3,4. В 2013 году было 7 новых объектов приложения и приложения 14 перезапуск / расширения между Вайоминг, Нью-Мексико, и Небраска 5. В США, уран извлекается преимущественно через восстановление в месте (ISR) обрабатывает 6. ISR вызывает меньше разрушения земель и избегает создания хвостохранилищ сваи, которые могут выпускать загрязнителей окружающей среды 7. ISR использует водной основе окислительные растворы для выщелачивания урана из подземных рудного тела, после чего уран экстрагируют из фильтрата с помощьюпроцесс обмена ионов 8. Для поддержания отрицательного баланса воды в организме руды, часть фильтрата, называется производство кровоточить воды (ПБВ), является сброшено. Часть ПБВ дезактивации с помощью обратного осмоса (RO) и вновь введен в процессе добычи, но ПБВ может также иметь положительные промышленных или сельскохозяйственных целей, если токсичные загрязнители могут быть уменьшены до приемлемого уровня, определенных государственных регулирующих органов для поверхности и подземных 9. В настоящее время большинство ISR урана, использовать RO для удаления загрязнений из PBW. Тем не менее, обработка РО является энергоемким и производит токсичных отходов рассол, который требует регулируемой утилизации.
Существует много методов обеззараживания воды, в том числе адсорбентов, мембран и ионного обмена. Из них адсорбции является наиболее часто используемым, и недавние разработки в синтеза наночастиц была повышена возможности адсорбента на основе дезактивации воды перерабатывает 10. Меди оксиде наночастицы (CuO-ИГ) ранее не изучались на уране ISR PBW, но в последних исследований удаления загрязнений из грунтовых вод, CuO-НП были обнаружены уникальные свойства, в том числе не требующих стадий обработки до или после воды ( например, регулируя рН или окислительно-восстановительного потенциала) и хорошо работает в различных композициях водных (например, в разных значениях рН, концентрации соли, или конкурирующих ионов) 11. Кроме того, CuO-НЧ легко регенерировать путем промывки гидроксидом натрия (NaOH), после чего регенерированный CuO-НЧ можно использовать повторно. Подробная информация о CuO-NP след металлических фильтрующих возможностей из природных вод были ранее опубликованы 11-14.
Хотя это и полезно для очистки воды, наночастицы оксида металла могут быть токсичными для живых организмов, но степень токсичности зависит, в частности, на характеристики наночастиц и составляющих 10,15,16. Таким образом, важно, чтобы изучить одноврпрочие обязательства удаления загрязнений и наночастиц токсичности до применения на местах. Нынешнее исследование определило возможность CuO-наночастиц для удаления PBW приоритетных загрязняющих веществ (в том числе мышьяка, селена, ванадия и урана), и оценили эффект лечения CuO-НП на PBW цитотоксичности.
ПБВ были собраны из активного объекта ISR урана и используется для определения эффективности лечения CuO-NP в приоритетном удаления загрязнений. ПБВ цитотоксичность перед и после лечения CuO-NP также оценивали. ПБВ является сложное геологическое (промышленная / окружающей среды) смесь, и оба Национальный институт гигиены окружающей среды и науки (NIEHS) и Агентство по токсическим веществам и регистрации заболеваний (ASTDR) являются делая акцент на изучении токсичности для окружающей среды соответствующих смесей, в том числе смесей как они существуют в природе или промышленных установок, а также содействие в пробирке тестирования приоритеты химикаты для дальнейшего тестирования в естественных условиях17-19. Исследования хронических, низких доз облучения смеси бросают вызов, потому что хроническое воздействие смеси низкой дозы не производят очевидные эффекты, по крайней мере, не в короткие сроки в большинстве лабораторных исследований. Точно так же, наиболее пробирке исследования химических смесей подвергайте клетки в определенной лабораторного производства смеси 2 или более металлов 20,21. Эти исследования дают исходную информацию, но упрощенные смеси не повторить сложные антагонистические и синергетические взаимодействия, которые могут возникнуть в родном, окружающей образец, где полный спектр компонентов смеси присутствуют.
Цели данного исследования были изучить альтернативные процессы удаления загрязнений для PBW и оценить эффект (CuO-НП) лечения на PBW цитотоксичности, используя культивируемые клетки человека. Результаты могут воспользоваться урановой промышленности путем развития более эффективных или экологичных методов удаления загрязнений. Это исследование даетПервое свидетельство, что сокращение приоритетных загрязняющих веществ в PBW по CuO-наночастиц снижает цитотоксичность в клетках млекопитающих 22.
Protocol
Representative Results
Discussion
Предыдущие исследования сообщили, что CuO-НП удалены мышьяка из грунтовых вод 11,13,30,31. Это исследование поддерживает эти предыдущие результаты, а также сообщает, что CuO-НП удалить дополнительные загрязняющие вещества из PBW. Это исследование также подтверждает предыдущие сообщения, …
Disclosures
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
- Qu, X., Alvarez, P., Li, Q. Applications of nanotechnology in water and wastewater treatment. Water Research. 47 (12), 3931-3946 (2013).
- Martinson, C., Reddy, K. Adsorption of arsenic(III) and arsenic(V) by cupric oxide nanoparticles. Journal of Colloid and Interface Science. 336 (2), 401-411 (2009).
- Reddy, K., McDonald, K., King, H. A novel arsenic removal process for water using cupric oxide nanoparticles. Journal of Colloid and Interface Science. 397, 96-102 (2013).
- Reddy, K., Roth, T. Arsenic Removal from Natural Groundwater Using Cupric Oxide. Ground Water. 51 (1), 83-91 (2012).
- Zhang, G., Ren, Z., Zhang, X., Chen, J. Nanostructured iron(III)-copper(II) binary oxide: a novel adsorbent for enhanced arsenic removal from aqueous solutions. Water Research. 47 (12), 4022-4031 (2013).
- Ali, I. New generation adsorbents for water treatment. Chemical Reviews. 112 (10), 5073-5091 (2012).
- Zhang, Q. CuO nanostructures: Synthesis, characterization, growth mechanisms, fundamental properties, and applications. Progress in Materials Science. 60, 208-337 (2014).
- Schmidt, C. TOX 21: new dimensions of toxicity testing. Environmental health perspectives. 117 (8), 348-353 (2009).
- Firestone, M., Kavlock, R., Zenick, H., Kramer, M. The U.S. Environmental Protection Agency Strategic Plan for Evaluating the Toxicity of Chemicals. Journal of Toxicology and Environmental Health, Part B. 13 (2-4), 139-162 (2010).
- Bae, D., Gennings, C., Carter, W., Yang, R., Campain, J. Toxicological interactions among arsenic, cadmium, chromium, and lead in human keratinocytes. Toxicological Sciences: An Official Journal of the Society of Toxicology. 63 (1), 132-142 (2001).
- Whittaker, M. Exposure to Pb, Cd, and As mixtures potentiates the production of oxidative stress precursors: 30-day, 90-day, and 180-day drinking water studies in rats. Toxicology and Applied Pharmacology. 254 (2), 154-166 (2011).
- Schilz, J. . Investigating the ability of cupric oxide nanoparticles to adsorb metal contaminants from uranium in-situ recovery (ISR) production bleed water and assessing the associated changes in cytotoxicity. , (2014).
- Florea, A., Splettstoesser, F., Büsselberg, D. Arsenic trioxide (As2O3) induced calcium signals and cytotoxicity in two human cell lines SY-5Y neuroblastoma and 293 embryonic kidney (HEK). Toxicology and Applied Pharmacology. 220 (3), 292-301 (2007).
- Mao, W. Cadmium induces apoptosis in human embryonic kidney (HEK) 293 cells by caspase-dependent and -independent pathways acting on mitochondria. Toxicology in Vitro. 21 (3), 343-354 (2007).
- Tchounwou, P., Yedjou, C., Patlolla, A., Sutton, D. . Heavy Metal Toxicity and the Environment. Molecular, Clinical and Environmental Toxicology. 101, 133-164 (2012).
- Meerloo, J., Kaspers, G., Cloos, J. Cell Sensitivity Assays: The MTT Assay. Cancer Cell Culture. 731, 237-245 (2011).
- Gustafsson, J. . Visual MINTEQ. , (2010).
- Hallab, N., Caicedo, M., McAllister, K., Skipor, A., Amstutz, H., Jacobs, J. Asymptomatic prospective and retrospective cohorts with metal-on-metal hip arthroplasty indicate acquired lymphocyte reactivity varies with metal ion levels on a group basis. Journal of Orthopaedic Research. 31 (2), 173-182 (2013).
- Goswami, A., Raul, P., Purkait, M. Arsenic adsorption using copper (II) oxide nanoparticles. Chemical Engineering Research and Design. 90 (9), 1387-1396 (2011).
- Pillewan, P., Mukherjee, S., Roychowdhury, T., Das, S., Bansiwal, A., Rayalu, S. Removal of As(III) and As(V) from water by copper oxide incorporated mesoporous alumina. Journal of Hazardous Materials. 186 (1), 367-375 (2011).
- Kroll, A. Cytotoxicity screening of 23 engineered nanomaterials using a test matrix of ten cell lines and three different assays. Particle and fibre toxicology. 8 (9), 1-19 (2011).
- Fahmy, B., Cormier, S. Copper oxide nanoparticles induce oxidative stress and cytotoxicity in airway epithelial cells. Toxicology in vitro: an international journal published in association with BIBRA. 23 (7), 1365-1371 (2009).
- Radike, M. Distribution and accumulation of a mixture of arsenic, cadmium, chromium, nickel and vanadium in mouse small intestin, kidney, pancreas, and femur following oral administration in water or feed. Journal of Toxicology and Environmental Health, Part A. 65 (23), 2029-2052 (2002).
- Barbier, O., Jacquillet, G., Tauc, M., Cougnon, M., Poujeol, P. Effect of heavy metals on, and handling by, the kidney. Nephron. Physiology. 99 (4), 105-110 (2005).
- Zheng, X., Watts, G., Vaught, S., Gandolfi, A. Low-level arsenite induced gene expression in HEK293 cells. Toxicology. 187 (1), 39-48 (2003).
- Li, Z., Piao, F., Liu, S., Wang, Y., Qu, S. Subchronic exposure to arsenic trioxide-induced oxidative DNA damage in kidney tissue of mice. Experimental and Toxicologic Pathology. 62 (5), 543-547 (2010).
- Farombi, E., Akintunde, J., Nzute, N., Adedara, I., Arojojoye, O. Municipal landfill leachate induces hepatotoxicity and oxidative stress in rats. Toxicology and Industrial Health. 28 (6), 532-541 (2011).
- Das, N. Arsenic exposure through drinking water increases the risk of liver and cardiovascular diseases in the population of West Bengal. India. BMC public health. 12 (1), 639-648 (2012).
- Valko, M., Morris, H., Cronin, M. Metals, toxicity and oxidative stress. Current Medicinal Chemistry. 12 (10), 1161-1208 (2005).
- Horie, M. Protein Adsorption of Ultrafine Metal Oxide and Its Influence on Cytotoxicity toward Cultured Cells. Chemical Research in Toxicology. 22 (3), 543-553 (2009).
