Borttagning av spårämnen av kopparoxid nanopartiklar från uran<em> In Situ</em> Återställning Bleed Vatten och dess effekt på cellviabilitet
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
In situ återvinning (ISR) är den dominerande metoden för utvinning av uran i USA. Under ISR, är uran lakas ut från en malmkropp och ut genom jonbyte. Den erhållna produktionen avtappnings vatten (pbw) innehåller föroreningar, såsom arsenik och andra tungmetaller. Prover av PBW från en aktiv anläggning ISR uran behandlades med kopparoxid nanopartiklar (CuO-NPS). CuO-NP behandling av PBW minskat prioriterade föroreningar, bland annat arsenik, selen, uran och vanadin. Obehandlade och CuO-NP behandlade PBW användes som den vätskeformiga komponenten i celltillväxtmedium och förändringar i viabilitet bestämdes genom MTT (3- (4,5-dimetyltiazol-2-yl) -2,5-difenyltetrazoliumbromid) -analysen i human embryonal njure (HEK 293) och humant hepatocellulärt karcinom (Hep G2) celler. CuO-NP behandling var associerad med förbättrad HEK och HEP cellviabiliteten. Begränsningar av denna metod innefattar utspädning av PBW av tillväxtmediakomponenter och under osmoltionalitet justering samt nödvändig pH-justering. Denna metod är begränsad i sin bredare sammanhang på grund av utspädningseffekter och förändringar i pH för PBW som traditionellt lätt surt men; denna metod kan ha en bredare användning bedömning CuO-NP behandling i mer neutrala vatten.
Introduction
Ungefär 20% av den amerikanska elnätet tillhandahålls av kärnkraft och delvis baserad på de nationella stimulansåtgärder för att öka energioberoende, USA: s nukleära kapacitet väntas öka 1. Också väntas den globala tillväxten av kärnenergi att fortsätta, med en stor del av tillväxten inträffar utanför USA 2. Från och med 2013, var 83% av USA: s uran importeras, men 952.544 ton reserver i USA 3,4. År 2013 fanns det 7 nya anläggningen applikationer och 14 omstart / expansionsapplikationer mellan Wyoming, New Mexico, och Nebraska 5. I USA är uran huvudsakligen ut genom i tillfrisknandet situ (ISR) behandlar 6. ISR orsakar mindre störningar mark och undviker att skapa svans pålar som kan frigöra miljögifter 7. ISR använder vattenbaserade oxiderande lösningar för att laka uran från den underjordiska malmkroppen, varefter uranet extraheras från lakvatten genomen jonbytesprocess 8. För att upprätthålla ett negativt vattenbalansen i malmkroppen, ett parti av lakvatten, som kallas produktionen bleed vatten (pbw), avtappas. En del av PBW är saneras med hjälp av omvänd osmos (RO) och återinföras i gruvprocessen, men PBW kan också ha positiva industri- eller jordbruks bruk, om giftiga föroreningar kan minskas till acceptabla nivåer som fastställts av statliga tillsynsmyndigheter för ytan och grundvatten 9. För närvarande, de flesta anläggningar ISR uran använder RO för att avlägsna föroreningar från PBW. Men är RO bearbetning energikrävande och producerar giftigt avfall saltlösning, vilket kräver reglerad förfogande.
Många vattensanerings metoder finns, inklusive adsorbenter, membran och jonbyte. Av dessa är adsorption den vanligaste, och den senaste utvecklingen i nanopartiklar syntes har ökat kapaciteten hos adsorbent baserade vatten reningsförfaranden 10. Koppar oxide nanopartiklar (CuO-NPS) tidigare inte hade studerats på uran ISR PBW, men under de senaste studier av avlägsnande av föroreningar från grundvatten, var CuO-nationella parlamenten visade sig ha unika egenskaper, inklusive inte kräver före eller efter vattenbehandlingsstegen ( t.ex. justera pH eller redoxpotential) och prestera bra i olika vattenkompositioner (t.ex. i olika pH, saltkoncentrationer, eller konkurrerande joner) 11. Dessutom är CuO-NP lätt regenereras genom urlakning med natriumhydroxid (NaOH), varefter den regenere CuO-NP kan återanvändas. Uppgifter om CuO-NP spårmetallfiltreringskapacitet från naturliga vatten har tidigare publicerats 11-14.
Även användbar för vattenrening, kan metalloxidnanopartiklar vara giftiga för levande organismer, men omfattningen av toxicitet beror delvis på nanopartiklar egenskaper och beståndsdelar 10,15,16. Därför är det viktigt att studera simultuttalanden, borttagning av föroreningar och nanopartiklar toxicitet före fältapplikationer. Den aktuella studien bestäms förmågan hos CuO-NP att avlägsna PBW prioriterade föroreningar (inklusive arsenik, selen, vanadin och uran), och bedömt effekten av CuO-NP behandling på PBW cytotoxicitet.
PBW uppsamlades från en aktiv anläggning ISR uran och utnyttjas för att bestämma effektiviteten av CuO-NP-behandling i prioritets avlägsnande av föroreningar. PBW cytotoxicitet före och efter CuO-NP behandling bedömdes också. PBW är en komplex geologisk (industri / miljö) blandningen och både National Institute of Environmental Health och Science (NIEHS) och byrån för giftiga ämnen och sjukdom Registry (ASTDR) lägger tyngdpunkten på att studera toxicitet av miljö relevanta blandningar inklusive blandningar eftersom de förekommer i naturen eller industriella miljöer, samt främja in vitro att prioritera kemikalier för ytterligare in vivo-testning17-19. Studier av kronisk, låg dos blandning exponeringar utmanande eftersom kronisk exponering för en låg blandning dos inte ger tydliga effekter, åtminstone inte på kort tid de flesta laboratoriestudier. På liknande sätt är de flesta in vitro-studier av kemiska blandningar exponera cellerna till en definierad labb tillverkad blandning av två eller flera metaller 20,21. Dessa studier ger grundinformation, men förenklade blandningen inte replikera komplexa antagonistiska och samverkande effekter som kan uppstå i en inföding, miljöprov, där komplett utbud av blandningskomponenter är närvarande.
Målen för denna studie var att undersöka alternativa förorenande flyttprocesser för PBW och att utvärdera effekten av (CuO-NP) behandling på PBW cytotoxicitet med hjälp av odlade humanceller. Resultaten skulle kunna gynna uranindustrin genom utveckling av effektivare eller miljövänliga metoder för avlägsnande av föroreningar. Denna studie gerdet första beviset att en minskning av prioriterade föroreningar i PBW av CuO-NPS minskar cytotoxicitet i däggdjursceller 22.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tidigare studier har rapporterat att CuO-NPS bort arsenik från grundvatten 11,13,30,31. Denna studie stöder dessa tidigare resultat och rapporterar att CuO-NP avlägsna ytterligare föroreningar från PBW också. Denna studie bekräftar också tidigare rapporter om att CuO-NP är effektiva på arsenik borttagning, trots närvaron av andra föroreningar och potentiella konkurrerande joner 11. Speciation modellering förutsade att 97% av vanadin arter i PBW är negativt laddade, vilket möjliggör …
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).
