La eliminación de oligoelementos por cúprico Óxido nanopartículas de uranio<em> In Situ</em> Recuperación de purga de agua y su efecto sobre la viabilidad celular
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
En la recuperación in situ (ISR) es el método predominante de extracción de uranio en los Estados Unidos. Durante ISR, el uranio es lixiviado a partir de un cuerpo de mineral y se extrae a través del intercambio de iones. La producción resultante de purga de agua (PBW) contiene contaminantes como el arsénico y otros metales pesados. Las muestras de PBW de una instalación de uranio ISR activa fueron tratados con nanopartículas de óxido cúprico (CuO-PN). Tratamiento CuO-NP de PBW reducida contaminantes prioritarios, incluyendo arsénico, selenio, uranio y vanadio. Ensayo no tratada y CuO-NP tratada PBW fue utilizado como el componente líquido de los medios de crecimiento celular y los cambios en la viabilidad se determinaron por el MTT (3- (4,5-dimetiltiazol-2-il) -2,5-difeniltetrazolio) en el riñón embrionario humano (HEK 293) y células de carcinoma hepatocelular humano (Hep G2). Tratamiento CuO-NP se asoció con una mejor HEK y la viabilidad celular HEP. Las limitaciones de este método incluyen la dilución de la PBW por componentes de medios de crecimiento y durante osmollidad de ajuste, así como el ajuste de pH necesario. Este método está limitado en su contexto más amplio debido a los efectos de dilución y los cambios en el pH de la PBW que es tradicionalmente ligeramente ácido sin embargo; este método podría tener un uso más amplio de evaluar el tratamiento CuO-NP en aguas más neutrales.
Introduction
Aproximadamente el 20% del suministro eléctrico de Estados Unidos es proporcionada por la energía nuclear y, basado en parte en los incentivos nacionales para aumentar la independencia energética, los Estados Unidos se espera la capacidad nuclear para aumentar 1. El crecimiento mundial de la energía nuclear también se espera que continúe, con gran parte del crecimiento que ocurre fuera de los EE.UU. 2. A partir de 2013, se importó el 83% de uranio de Estados Unidos, pero existen 952.544 toneladas métricas de reservas en los EE.UU. 3,4. En 2013 hubo 7 nuevas aplicaciones de las instalaciones y aplicaciones 14 reinicio / dilatación entre Wyoming, Nuevo México y Nebraska 5. En los EE.UU., el uranio se extrae predominantemente a través de la recuperación in situ (ISR) procesa 6. ISR causa menos interrupciones tierra y evita la creación de montones de relaves que pueden liberar contaminantes ambientales 7. ISR utiliza soluciones oxidantes a base de agua para lixiviar el uranio desde el cuerpo de mineral de bajo tierra, después de lo cual el uranio se extrae de la lixiviados a travésun proceso de intercambio de iones 8. Para mantener un balance hídrico negativo en el cuerpo de mineral, una parte de los lixiviados, llamado producción sangrar agua (PBW), está purgado. Una parte de la PEP se descontamina mediante ósmosis inversa (RO) y re-introducido en el proceso de minería, pero PBW también podría tener usos industriales o agrícolas beneficiosas, si los contaminantes tóxicos pueden reducirse a niveles aceptables determinadas por los organismos reguladores estatales para la superficie y subterránea 9. Actualmente, la mayoría de las instalaciones de uranio ISR utilizan RO para eliminar los contaminantes de PBW. Sin embargo, el procesamiento RO consume mucha energía y produce salmuera residuos tóxicos, que requiere la eliminación regulada.
Existen muchos métodos de descontaminación de agua, incluyendo adsorbentes, membranas, y el intercambio de iones. De éstos, la adsorción es el más comúnmente utilizado, y los acontecimientos recientes en la síntesis de nanopartículas ha mejorado las capacidades de descontaminación del agua basada en procesos adsorbente 10. Oxi cúpricode nanopartículas (CuO-PN) no habían sido estudiados ampliamente en uranio ISR PBW, pero en estudios recientes de eliminación de contaminantes de las aguas subterráneas, CuO-PN se encontró que tienen propiedades únicas, entre ellas que no requiere etapas de tratamiento de aguas antes o después ( por ejemplo, el ajuste de pH o potencial redox) y un buen rendimiento en diferentes composiciones de agua (por ejemplo, en diferentes pHs, concentraciones de sal, o iones que compiten) 11. Además, CuO-NPs son fácilmente regenerados por lixiviación con hidróxido de sodio (NaOH), después de lo cual la regenerado CuO-NPs puede ser reutilizado. Detalles de CuO-NP metales traza capacidades de filtrado de aguas naturales han sido publicados anteriormente 11-14.
Aunque útiles para el tratamiento de agua, las nanopartículas de óxido de metal pueden ser tóxicos para los organismos vivos, pero la extensión de la toxicidad depende, en parte, en las características de nanopartículas y componentes 10,15,16. Por lo tanto, es importante para estudiar simulttoxicidades aneous eliminación y nanopartículas de contaminantes antes de aplicaciones de campo. El presente estudio determinó la capacidad de CuO-PN para eliminar los contaminantes prioritarios PBW (incluyendo arsénico, selenio, vanadio y uranio), y se evaluó el efecto del tratamiento CuO-NP en PBW citotoxicidad.
PBW se recogió de una instalación de uranio ISR activo y utilizado para determinar la eficacia del tratamiento CuO-NP en la eliminación de contaminantes de prioridad. PBW citotoxicidad antes y después del tratamiento CuO-NP también se evaluó. PBW es un geológica compleja mezcla (industrial / ambiental) y tanto el Instituto Nacional de Salud Ambiental y Ciencia (NIEHS) y la Agencia para Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades (ATSDR) están poniendo énfasis en el estudio de la toxicidad de mezclas de relevancia ambiental, incluidas las mezclas tal como existen en la naturaleza o industriales configuración, así como la promoción en pruebas in vitro para dar prioridad a los productos químicos para pruebas posteriores in vivo17-19. Los estudios de las exposiciones, la mezcla de baja dosis crónicas son un reto debido a la exposición crónica a una mezcla de baja dosis no produce efectos evidentes, al menos no en el corto período de tiempo de la mayoría de los estudios de laboratorio. Del mismo modo, la mayoría en estudios in vitro de mezclas químicas exponga las células a una mezcla de laboratorio hechas definido de 2 o más metales 20,21. Estos estudios proporcionan información de referencia, pero mezclas simplificados no se replican las complejas interacciones sinérgicas y antagónicas que pueden ocurrir en una muestra ambiental natal, donde están presentes la gama completa de componentes de la mezcla.
Los objetivos de este estudio fueron examinar los procesos de eliminación de contaminantes alternativos para PBW y para evaluar el efecto del tratamiento (CuO-NP) en PBW citotoxicidad usando células humanas cultivadas. Los resultados podrían beneficiar a la industria del uranio mediante el desarrollo de métodos más eficientes o amigables con el ambiente para la eliminación de contaminantes. Este estudio proporcionala primera evidencia de que la reducción de contaminantes prioritarios en PBW por CuO-PN reduce la citotoxicidad en células de mamíferos 22.
Protocol
Representative Results
Discussion
Estudios previos reportaron que CuO-PN retira el arsénico del agua subterránea 11,13,30,31. Este estudio apoya estos hallazgos anteriores y también informa que CuO-PN eliminar contaminantes adicionales de PBW. Este estudio también confirma informes anteriores que CuO-PN son eficaces en la eliminación de arsénico, a pesar de la presencia de otros contaminantes y posibles iones que compiten 11. Modelado de especiación predijo que el 97% de las especies de vanadio en PBW se carga negativamente,…
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
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