إزالة العناصر النزرة التي كتبها نحاسي أكسيد النانوية من اليورانيوم<em> في الموقع</em> استرداد التسييل المياه وتأثيره على بقاء الخلية
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
في التعافي الموقع (ISR) هو الأسلوب السائد لاستخراج اليورانيوم في الولايات المتحدة. خلال ISR، وتتسرب اليورانيوم من الجسم الخام واستخراجه من خلال التبادل الأيوني. إنتاج الناتجة تنزف المياه (PBW) تحتوي على ملوثات مثل الزرنيخ والمعادن الثقيلة الأخرى. وعولج عينات من PBW من منشأة اليورانيوم ISR النشط مع جزيئات أكسيد النحاسيك (CUO-NPS). العلاج CUO-NP من PBW خفض الملوثات ذات الأولوية، بما في ذلك الزرنيخ، السيلينيوم، واليورانيوم، والفاناديوم. غير المعالجة أو المعالجة CUO-NP كان يستخدم PBW باعتبارها العنصر السائل وسائل الإعلام نمو الخلايا والتغيرات في قابلية تم تحديدها من قبل MTT (3- (4،5-dimethylthiazol-2-يل) بروميد -2،5-diphenyltetrazolium) مقايسة في الكلى البشرية الجنينية (كلوة 293) وسرطان الكبد البشري (التهاب الكبد G2) الخلايا. ارتبط العلاج CUO-NP مع تحسين كلوة وبقاء الخلية HEP. وتشمل القيود المفروضة على هذه الطريقة التخفيف من PBW من قبل عناصر وسائط النمو وخلال osmolتعديل ality وكذلك تعديل درجة الحموضة ضرورية. يقتصر هذا الأسلوب في سياقه الأوسع نطاقا وذلك بسبب الآثار تخفيف والتغيرات في الرقم الهيدروجيني للPBW وهو تقليديا حمضية قليلا ولكن؛ هذه الطريقة يمكن أن يكون لها استخدام أوسع تقييم العلاج CUO-NP في المياه أكثر حيادية.
Introduction
يتم توفير ما يقرب من 20٪ من إمدادات الكهرباء في الولايات المتحدة عن طريق الطاقة النووية، ومقرها في جزء منها على حوافز وطنية لزيادة الاستقلال في مجال الطاقة، ومن المتوقع القدرات النووية الامريكية لزيادة 1. ومن المتوقع أيضا نمو في جميع أنحاء العالم من الطاقة النووية للمتابعة، مع الكثير من النمو التي تحدث خارج الولايات المتحدة (2). اعتبارا من عام 2013، تم استيراد 83٪ من اليورانيوم الولايات المتحدة، ولكن وجود 952544 طن متري من الاحتياطيات في الولايات المتحدة 3،4. في عام 2013 كانت هناك 7 تطبيقات منشأة جديدة وتطبيقات 14 إعادة تشغيل / التوسع بين وايومنغ، نيو مكسيكو، ونبراسكا 5. في الولايات المتحدة، يتم استخراج اليورانيوم في الغالب من خلال استرداد الموقع (ISR) بمعالجة 6 في. ISR يسبب انقطاع أقل الأرض والابتعاد عن خلق المخلفات أكوام التي يمكن أن يطلق الملوثات البيئية 7. يستخدم ISR حلول المؤكسدة التي تعتمد على الماء ليتش اليورانيوم من الجسم خام تحت الأرض، وبعد ذلك يتم استخراج اليورانيوم من خلال العصارةعملية التبادل الأيوني 8. للحفاظ على توازن الماء في الجسم سلبا خام، جزء من العصارة، تنزف دعا إنتاج المياه (PBW)، ونزف خارج. تم تطهير جزء من PBW باستخدام التناضح العكسي (RO) وإعادة تقديمه في عملية التعدين، ولكن PBW أيضا يمكن أن يكون لها استخدامات الصناعية أو الزراعية المفيدة، إذا كان من الممكن خفض الملوثات السامة إلى مستويات مقبولة تحددها الهيئات التنظيمية الدولة للمياه السطحية و المياه الجوفية 9. حاليا، معظم المرافق اليورانيوم ISR تستخدم RO لإزالة الملوثات من PBW. ومع ذلك، معالجة RO هي الطاقة المكثفة وينتج محلول ملحي من النفايات السامة، الأمر الذي يتطلب التخلص المنظم.
العديد من الطرق لتطهير المياه، موجودة، بما في ذلك الممتزات، والأغشية، والتبادل الأيوني. من هذه، والامتزاز هو الأكثر شيوعا، والتطورات الأخيرة في تخليق جسيمات متناهية الصغر وتعزيز قدرات القائم مكثف تطهير المياه بمعالجة 10. OXI نحاسيدي النانوية (CUO-NPS) سابقا لم يتم دراستها بشكل مكثف على اليورانيوم ISR PBW، ولكن في الدراسات الحديثة لإزالة التلوث من المياه الجوفية، تم العثور على CUO-مصادر القدرة النووية أن لها خصائص فريدة من نوعها، بما في ذلك التي لا تتطلب خطوات معالجة المياه بعد انتهاء قبل أو ( على سبيل المثال، وتعديل درجة الحموضة أو إمكانية الأكسدة) وأداء جيدا في تركيبة المياه المختلفة (على سبيل المثال، في بالوسط مختلفة، تركيز الملح، أو الأيونات المتنافسة) 11. بالإضافة إلى ذلك، يتم إعادة CUO-مصادر القدرة النووية بسهولة عن طريق الرشح مع هيدروكسيد الصوديوم (هيدروكسيد الصوديوم)، وبعد ذلك يمكن إعادة استخدامها وإعادة إحياء CUO-مصادر القدرة النووية. تفاصيل CUO-NP المعادن النزرة قدرات التصفية من المياه الطبيعية وقد نشرت سابقا 11-14.
على الرغم من المفيد لمعالجة المياه، يمكن أن جزيئات أكسيد المعادن تكون سامة للكائنات الحية، ولكن مدى سمية يعتمد، في جزء منه، على خصائص جسيمات متناهية الصغر والمكونات 10،15،16. وبالتالي، فمن المهم دراسة simultaneous الملوثات إزالة جسيمات متناهية الصغر والسميات قبل التطبيقات الميدانية. حددت الدراسة الحالية قدرة CUO-مصادر القدرة النووية لإزالة PBW الملوثات ذات الأولوية (بما في ذلك الزرنيخ، السيلينيوم، والفاناديوم واليورانيوم)، وتقييم تأثير العلاج CUO-NP على PBW السمية الخلوية.
وقد تم جمع PBW من منشأة اليورانيوم ISR نشط وتستخدم لتحديد فعالية العلاج CUO-NP في أولوية إزالة التلوث. PBW سمية الخلايا قبل وبعد العلاج CUO-NP أيضا تم تقييم. PBW هو الجيولوجية المعقدة (الصناعية / البيئية) الخليط وكل من المعهد الوطني للصحة البيئية والعلوم (علوم الصحة البيئية) وكالة المواد السامة وسجل الأمراض (ASTDR) يتم التركيز على دراسة سمية مخاليط ذات الصلة بالبيئة، بما في ذلك مخاليط كما وجدت في الطبيعة أو الصناعية الإعدادات، فضلا عن تعزيز في اختبار المختبر لتحديد أولويات المواد الكيميائية لآخر في الجسم الحي اختبار17-19. دراسات، جرعة منخفضة من التعرض خليط المزمنة تشكل تحديا بسبب التعرض المزمن للخليط جرعة منخفضة لا تنتج آثارا واضحة، على الأقل ليس في فترة زمنية قصيرة من معظم الدراسات المختبرية. وبالمثل، فإن معظم الدراسات في المختبر من الخلائط الكيميائية فضح الخلايا إلى خليط من صنع مختبر محدد من 2 أو أكثر من المعادن 20،21. وتوفر هذه الدراسات معلومات أساسية، ولكن مخاليط مبسطة لا تكرار التفاعلات العدائية والتآزر المعقدة التي قد تحدث في عينة بيئية الأم، حيث مجموعة كاملة من مكونات خليط موجودة.
وكانت أهداف هذه الدراسة إلى دراسة عمليات إزالة التلوث بديلة للPBW وتقييم تأثير (CUO-NP) العلاج على PBW السمية الخلوية باستخدام الخلايا البشرية المستزرعة. نتائج يمكن أن تستفيد صناعة اليورانيوم من خلال تطوير أساليب أكثر كفاءة أو الصديقة للبيئة لإزالة التلوث. وتقدم هذه الدراسةأول دليل على أن الحد من الملوثات ذات الأولوية في PBW التي كتبها CUO-مصادر القدرة النووية يقلل من السمية الخلوية في خلايا الثدييات 22.
Protocol
Representative Results
Discussion
ذكرت دراسات سابقة أن CUO-مصادر القدرة النووية إزالة الزرنيخ من المياه الجوفية 11،13،30،31. وتدعم هذه الدراسة هذه النتائج السابقة والتقارير التي CUO-مصادر القدرة النووية إزالة الملوثات إضافية من PBW أيضا. ويؤكد هذه الدراسة أيضا تقارير سابقة أن CUO-مصادر القدرة النووية ه?…
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).
