Fjerning av Trace Elements av Cupric Oxide Nanopartikler fra Uran<em> In Situ</em> Recovery Bleed Vann og dens effekt på Cell Livskraftig
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 utvinning (ISR) er den dominerende metoden av uran utvinning i USA. Under ISR, er uran lekket fra en malm kropp og hentet gjennom ionebytte. Den resulterende produksjonsuttaks vann (PBW) inneholder forurensninger som arsen og andre tungmetaller. Prøver av PBW fra en aktiv ISR uran anlegget ble behandlet med kupri oksid nanopartikler (CuO-NPS). CuO-NP behandling av vektdeler redusert satsings forurensninger, blant arsen, selen, uran og vanadium. Ubehandlet og CuO-NP behandlede PBW ble anvendt som den flytende komponent i cellevekstmedier og endringer i levedyktigheten ble bestemt ved MTT (3- (4,5-dimetyltiazol-2-yl) -2,5-difenyltetrazoliumbromid) assay i human embryonisk nyre (HEK 293) og human leverkreft (Hep G2) celler. CuO-NP behandling var assosiert med forbedret HEK og HEP celle levedyktighet. Begrensninger av denne metoden inkluderer fortynning av PBW av vekstmedier komponenter og under osmolsaklighet justering samt nødvendig å justere pH. Denne metoden er begrenset i sin bredere sammenheng på grunn av utvanningseffekter og endringer i pH i PBW som tradisjonelt er svakt sur imidlertid; denne metoden kan ha en bredere bruk vurdere CuO-NP behandling i mer nøytrale farvann.
Introduction
Omtrent 20% av den amerikanske strømforsyningen er levert av atomenergi og, delvis basert på nasjonale insentiver til å øke energiuavhengighet, amerikanske kjernefysiske kapasitet forventes å øke 1. Verdensomspennende vekst av atomenergi også forventes å fortsette, med mye av veksten inntreffer utenfor USA to. Som i 2013, ble 83% av amerikanske uran importert, men 952 544 tonn reserver finnes i USA 3,4. I 2013 var det 7 nye anlegget programmer og 14 restart / ekspansjonsprogrammer mellom Wyoming, New Mexico, og Nebraska 5. I USA er uran hovedsakelig hentet gjennom in situ utvinning (ISR) behandler seks. ISR fører til mindre land avbrudd og unngår å skape tailing hauger som kan frigjøre miljøgifter 7. ISR anvender vannbaserte oksiderende løsninger til å lekke uran fra den underjordiske malmkroppen, hvoretter uran ekstraheres fra utlutningsvæsken viaen ionebytter-prosess 8. For å opprettholde en negativ vannbalansen i malmkroppen, en del av sigevann, kalt produksjons blø vann (PBW), ventileres ut. En del av PBW dekontamineres ved hjelp av omvendt osmose (RO) og re-innføres i gruvedrift prosessen, men PBW også kunne ha gunstige industri eller jordbruk bruker, hvis toksiske forurensende stoffer reduseres til et akseptabelt nivå bestemt av statlige reguleringsorganer for flate og grunnvann 9. Foreløpig fleste ISR uran lokale bruke RO å fjerne forurensninger fra PBW. Imidlertid er RO behandling energikrevende og gir giftig avfall saltvann, noe som krever regulert disposisjon.
Mange vann dekontaminering metoder finnes, inkludert adsorbenter, membraner, og ionebytting. Av disse er adsorpsjon den mest brukte, og den siste utviklingen i nanopartikkel syntese har forbedret mulighetene til adsorbent baserte vann dekontamineringsprosesser 10. Cupric oxide nanopartikler (CuO-NPS) tidligere ikke hadde blitt grundig studert på uran ISR PBW, men i nyere studier av forurensningsfjerning fra grunnvann, ble CuO-NPs funnet å ha unike egenskaper, inkludert uten egen pre- eller post-vann behandlingstrinn ( f.eks, justere pH eller redokspotensial) og gode resultater i ulike vann komposisjoner (for eksempel i forskjellige pH-verdier, saltkonsentrasjoner, eller konkurrerende ioner) 11. I tillegg er CuO-NPS lett regenereres ved utluting med natriumhydroksyd (NaOH), hvoretter den regenererte CuO-NPS kan gjenbrukes. Detaljer av CuO-NP spormetallfiltreringsmuligheter fra naturlige vannmassene har tidligere blitt publisert 11-14.
Selv om nyttige for vannbehandling, kan metall-oksyd-nanopartikler være toksiske for levende organismer, men omfanget av toksisiteten avhenger delvis av nanopartikkelegenskaper og bestanddeler 10,15,16. Derfor er det viktig å studere simultaneous forurensende fjerning og nanopartikkel toksisitet før feltapplikasjoner. Den aktuelle studien bestemmes evnen til CuO-NPs å fjerne vekt prioriterte miljøgifter (inkludert arsen, selen, vanadium og uran), og vurdert effekten av CuO-NP behandling på PBW cytotoksisitet.
PBW ble oppsamlet fra en aktiv ISR uran anlegget og anvendes for å bestemme effekten av CuO-NP behandling i prioritert forurensningsfjerning. PBW cytotoksisitet før og etter CuO-NP behandling ble også vurdert. PBW er en kompleks geologisk (industri / miljø) blanding og både National Institute of Environmental Health and Science (NIEHS) og Direktoratet for giftige stoffer og Disease Registry (ASTDR) legger vekt på å studere giftigheten av miljørelevante blandinger, herunder blandinger som de finnes i naturen eller industrielle innstillinger, samt fremme in vitro testing for å prioritere kjemikalier for ytterligere in vivo testing17-19. Studier av kroniske, lav dose blanding eksponeringer er utfordrende fordi kronisk eksponering for en lav dose blanding ikke produsere åpenbare effekter, i hvert fall ikke på kort tidsramme for de fleste laboratoriestudier. Tilsvarende har de fleste in vitro-studier av kjemiske blandinger eksponere cellene til en definert lab-laget blanding av to eller flere metaller 20,21. Disse studiene gir grunnlagsinformasjon, men forenklede blandingen ikke replikere komplekse antagonistiske og synergistiske interaksjoner som kan oppstå i en innfødt, miljøprøve, der hele spekteret av blandingskomponenter er til stede.
Målene for denne studien var å undersøke alternative forurensningsfjerningsmekanismer for PBW og for å evaluere effekten av (CuO-NP) behandling på PBW cytotoksisitet hjelp dyrkede humane celler. Resultatene kan være til nytte uran industrien gjennom utvikling av mer effektive eller miljøvennlige metoder for fjerning av forurensninger. Denne studien girdet første beviset på at reduksjon av prioriterte miljøgifter i PBW av CuO-NPs reduserer cytotoksisitet i pattedyrceller 22.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tidligere studier har rapportert at CuO-NPs fjernet arsen fra grunnvann 11,13,30,31. Denne studien støtter disse tidligere funn og rapporterer at CuO-NPs fjerne flere forurensninger fra PBW også. Denne undersøkelsen bekrefter også tidligere rapporter at CuO-NPS er effektive ved arsen fjerning, til tross for tilstedeværelsen av andre forurensninger og potensielle konkurrerende ioner 11. Spesiering modellering anslått at 97% av vanadium arter i PBW er negativt ladet, slik at for adsorpsjon til …
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).
