Uranyum dan Bakır Oksit Nanopartiküller tarafından İz Elementlerin çıkarılması<em> In Situ</em> Kurtarma Bleed Su ve Hücre Canlılığı Üzerine Etkisi
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
Yerinde kurtarma (ISR) Amerika Birleşik Devletleri uranyum çıkarma baskın bir yöntemdir. ISR sırasında, uranyum, bir cevher gövdesinden elde ayrıştırılan ve iyon alışverişi yoluyla ekstre edilmiştir. Ortaya çıkan üretim boşaltma su (PBW) arsenik ve diğer ağır metaller gibi kirletici içerir. Etkin ISR uranyum tesisinden pbw numuneleri kuprik oksit nanopartiküllerinin (CuO-NPS) ile muamele edildi. Arsenik, selenyum, uranyum ve vanadyum dahil PBW azaltılmış öncelikli kirleticiler, bir CuO-NP tedavi. İşlem görmemiş ve CuO-NP PBW MTT (3- (4,5-dimetiltiazol-2-il) -2,5-difeniltetrazolyum bromid) ile tespit edilmiştir hücre büyüme ortam ve canlılığı değişikliklerin sıvı bileşen olarak kullanılmıştır muamele deney insan embriyonik böbrek (HEK 293) ve insan hepatoselüler karsinoma (Hep G2) hücrelerinde. CuO-NP tedavi geliştirilmiş HEK ve HES hücre canlılığı ile ilişkili bulunmuştur. Bu yöntemin Sınırlamalar büyüme ortamı bileşenleri tarafından ve osmol sırasında pbw sulandırma dahilality ayarı yanı sıra gerekli pH ayarı. Bu yöntem, seyrelme etkisi nedeniyle ve bununla birlikte geleneksel hafif asidik olan pbw pH değişiklikleri gibi daha geniş bir bağlamda sınırlıdır; Bu yöntem daha nötr sularda CuO-NP tedavi değerlendiren geniş bir kullanıma sahip olabilir.
Introduction
Yaklaşık ABD'nin elektrik arzının% 20 enerji bağımsızlığı artırmak için ulusal teşvikler kısmen dayalı nükleer enerji ve tarafından sağlanmaktadır, ABD'nin nükleer kapasite 1 artması beklenmektedir. Nükleer enerjinin dünya çapında büyüme de ABD 2 dışında meydana gelen büyümenin çok ile, devam etmesi beklenmektedir. 2013 yılı itibariyle, ABD uranyum% 83 ithal edildi, ancak rezervlerin 952.544 metrik ton ABD'de 3,4 var. 2013 yılında 7 yeni tesis uygulamaları ve Wyoming, New Mexico ve Nebraska 5 ila 14 restart / genişleme uygulamaları vardı. ABD'de, uranyum ağırlıklı yerinde kurtarma (ISR) 6 süreçler yoluyla ekstre edilir. ISR az arazi bozulması neden olur ve çevresel kirleticiler 7 serbest bırakabilirsiniz atık yığınları oluşturarak kaçınır. ISR uranyum ile sızıntı suyu elde edilir ve bundan sonra yeraltı cevher gövdesinin, uranyum süzdürülmesi için su bazlı oksitleme çözümler kullanırbir iyon değişim işlemi 8. Cevher vücutta negatif su dengesini korumak için, sızıntı suyunun bir kısmı, denilen üretim suyu (PBW) kanar, kapalı havası alınır. PBW bir kısmı ters osmoz (RO) kullanılarak dekontamine madencilik sürecine yeniden tanıttı, ancak toksik kirletici olarak kabul edilebilir yüzey için devlet düzenleyici kurumlar tarafından belirlenen seviyelere ve azaltılmış olabilir eğer PBW ayrıca, yararlı endüstriyel veya tarımsal kullanımlar olabilir yeraltısuyu 9. Şu anda, en ISR uranyum tesisleri PBW kirlilikleri uzaklaştırmak için RO kullanın. Ancak, RO işleme enerji yoğun ve düzenlenmiş bertaraf gerektiren zehirli atık salamura, üretir.
Birçok su dekontaminasyon yöntemleri Adsorbanların, membranların ve iyon değişimi de dahil olmak üzere, mevcuttur. Bunlardan, adsorpsiyon en yaygın olarak kullanılan ve nanoparçacık sentezinde son gelişmeler adsorban bazlı su dekontaminasyon yetenekleri 10 süreçleri geliştirmiştir. Bakır oxiDaha önce yoğun uranyum ISR PBW üzerinde çalışılmıştır olmasaydı de nanopartiküller (CuO-NPS), ancak yeraltı suyundan kirletici çıkarılması son çalışmalarda, CuO-NPS öncesi veya sonrası su arıtma adımlarını gerektirmeyen dahil olmak üzere benzersiz özelliklere (bulunmuştur örneğin, pH veya redoks potansiyelini) ayarlama ve farklı pH'larda, tuz konsantrasyonlarında veya rakip iyonları), 11 yılında, örneğin (farklı su kompozisyonlarında iyi performans. Buna ek olarak, CuO-NPler kolayca yeniden CuO-NPS tekrar edilebilir, bundan sonra, sodyum hidroksit (NaOH) ile yıkanarak ekstre edilmesi yoluyla rejenere edilir. Doğal sularından CuO-NP iz metal filtreleme yetenekleri Detayları daha önce 11-14 yayınlandı.
Su tedavisi için yararlı olmakla birlikte, metal oksit nanopartiküllerinin canlı organizmalar için toksik olabilir, ancak toksisite ölçüde nanoparçacık özellikleri ve bileşenleri 10,15,16, kısmen bağlıdır. Bu nedenle, bu simult çalışma için önemlidirAlan uygulamaları öncesinde aneous kirletici çıkarma ve nanoparçacık toksisiteleri. Bu çalışma (arsenik, selenyum, vanadyum ve uranyum dahil) PBW öncelikli kirleri çıkarmak için CuO-NPS yeteneği belirlenir ve PBW sitotoksisite üzerinde CuO-NP tedavisinin etkisini değerlendirdi.
PBW aktif ISR uranyum tesisi toplanan ve öncelikli kirletici çıkarılması CuO-NP tedavinin etkinliğini belirlemek için kullanılmıştır. CuO-NP tedavi öncesi ve sonrası PBW sitotoksisite de değerlendirildi. PBW çevreyle ilgili karışımları da dahil olmak üzere karışımların toksisitesini okuyan vurgu koyuyoruz Toksik Maddeler ve Hastalık Sicil (ASTDR) için karmaşık bir jeolojik (çevresel / endüstriyel) karışımı hem Çevre Sağlığı ve Bilim (NIEHS) Ulusal Enstitüsü ve Ajansı bunlar doğal, ister endüstriyel, hem de in vitro test teşvik mevcut olarak ayrıca in vivo test edilmesi için kimyasal öncelik17-19. Düşük doz karışımına kronik maruziyet en azından çoğu laboratuvar çalışmalarının kısa süre içinde belirgin etkiler üretmek değil, çünkü kronik düşük doz karışımı maruz çalışmalar zorlamaktadır. Benzer bir şekilde, kimyasal karışımların in vitro çalışmalar en fazla 2 ya da daha fazla metal 20,21 tanımlanmış bir laboratuvar yapımı karışımına hücrelerin maruz kalmaktadır. Bu çalışmalar temel bilgileri sağlar, ancak basitleştirilmiş karışımlar karışım bileşenlerinin tam aralık mevcut bir yerli, çevresel numunede, oluşabilecek karmaşık antagonistik ve sinerjistik etkileşimleri çoğaltmak yok.
Bu çalışmanın amacı GT için alternatif kirletici kaldırma süreçlerini incelemek ve kültürlü insan hücreleri kullanılarak PBW sitotoksisite üzerine (CuO-NP) tedavinin etkisini değerlendirmek idi. Sonuçlar kirletici giderimi için daha verimli ve çevre dostu yöntemlerin geliştirilmesi yoluyla uranyum endüstrisine yarar olabilir. Bu çalışma sağlarilk kanıt CuO-NPS tarafından PBW öncelikli kirleticiler azalmasının memeli hücrelerinde 22 sitotoksitesini azaltır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Önceki çalışmalar CuO-NPS yeraltı suyu 11,13,30,31 gelen arsenik kaldırıldı bildirdi. Bu çalışma, bu daha önceki bulguları destekler ve aynı zamanda CuO-NPS PBW ek kirlilikleri uzaklaştırmak olduğunu bildiriyor. Bu çalışma aynı zamanda CuO-NPS diğer kirletici ve potansiyel rakip iyonların 11 varlığına rağmen, arsenik uzaklaştırılması etkili olduğuna dair önceki raporlar teyit etmektedir. Türleşme modelleme CuO-NPS adsorpsiyon için izin PBW vanadyum türlerinin% 9…
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).
