Verwijdering van Trace Elements van Cupric Oxide Nanodeeltjes van Uranium<em> In Situ</em> Herstel Bleed Water en het effect op levensvatbaarheid van de cellen
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 recovery (ISR) is de meest gangbare uraniumwinning in de Verenigde Staten. Tijdens het ISR, wordt uranium uitgeloogd uit een erts en gewonnen door middel van ionenwisseling. De resulterende productie bleed water (PBW) bevat verontreinigingen, zoals arsenicum en andere zware metalen. Monsters van PBW uit een actieve ISR uranium faciliteit werden behandeld met nanodeeltjes koperoxide (CuO-NP). CuO-NP behandeling van PBW verminderde prioritaire contaminanten, zoals arsenicum, selenium, uranium en vanadium. Onbehandelde en CuO-NP behandelde PBW werd als de vloeistofcomponent van de celgroei medium en veranderingen in de levensvatbaarheid werden bepaald met de MTT (3- (4,5-dimethyl-2-yl) -2,5-difenyltetrazoliumbromide) assay in humane embryonale nier (HEK 293) en menselijke hepatocellulaire carcinoom (Hep G2) cellen. CuO-NP behandeling werd geassocieerd met verbeterde HEK en HEP levensvatbaarheid van de cellen. Beperkingen van deze werkwijze omvatten verdunning PBW door kweekmedium componenten en tijdens osmolteit aanpassing alsook de nodige aanpassing van de pH. Deze werkwijze is beperkt in zijn bredere context gevolg van verdunning en wijzigingen in de pH van de PBW die traditioneel echter enigszins zuur; Deze werkwijze kan een ruimer gebruik beoordelen CuO-NP behandeling neutraler wateren.
Introduction
Ongeveer 20% van de Amerikaanse elektrische voeding wordt geleverd door kernenergie en, mede op basis van nationale prikkels om energie-onafhankelijkheid te vergroten, de Amerikaanse nucleaire capaciteit zal naar verwachting toenemen 1. Wereldwijde groei van kernenergie zal naar verwachting ook verder, met veel van de groei die zich buiten de US 2. Met ingang van 2013 werd 83% van de Amerikaanse uranium geïmporteerd, maar 952.544 ton reserves bestaan in de VS 3,4. In 2013 waren er 7 nieuwe faciliteit applicaties en toepassingen 14 herstart / uitzetting tussen Wyoming, New Mexico, en Nebraska 5. In de VS, wordt uranium voornamelijk gehaald door middel van in situ recovery (ISR) processen 6. ISR veroorzaakt minder land verstoring en vermijdt het creëren tailing stapels dat milieuverontreinigende stoffen 7 kan vrijgeven. ISR gebruikt waterbasis oxiderende oplossingen uranium logen uit de ondergrondse erts, waarna het uranium through uit het percolaateen ionenuitwisseling proces 8. Om een negatieve waterbalans in het erts lichaam te handhaven, een deel van het percolaat, genaamd de productie tot aan de randen water (PBW), wordt afgetapt. Een gedeelte van de PBW ontsmet middels omgekeerde osmose (RO) en opnieuw ingebracht in het winningsproces, maar PBW ook gunstige industriële of agrarische doeleinden als toxische contaminanten kunnen worden gereduceerd tot bepaald state regelgevende instanties voor oppervlakte acceptabele niveaus 9 grondwater. Momenteel hebben de meeste ISR uranium faciliteiten RO om verontreinigingen uit PBW te verwijderen. Echter, RO verwerking is energie-intensief en produceert giftige afval pekel, die gereguleerde verwijdering vereist.
Veel water ontsmetting methoden bestaan, met inbegrip van adsorbentia, membranen, en ionenwisseling. Hiervan adsorptie is de meest gebruikte en recente ontwikkelingen in nanodeeltjes synthese de mogelijkheden van adsorbentia watertarifiëringsbeleid ontsmettingsprocédés 10 verbeterd. Cupric oxide nanodeeltjes (CuO-NP) eerder had niet uitgebreid bestudeerd uranium ISR PBW, maar in recente studies van verontreinigende verwijdering uit grondwater, CuO-NP bleken unieke eigenschappen, waaronder niet pre- of post-waterbehandeling stappen vereisen (hebben bv, het aanpassen van de pH of redoxpotentiaal) en goed presteren in verschillende water composities (bijvoorbeeld in verschillende pH, zoutconcentraties, of concurrerende ionen) 11. Daarnaast worden CuO-NPs gemakkelijk geregenereerd door uitlogen met natriumhydroxide (NaOH), waarna de geregenereerde CuO-NP worden hergebruikt. Details van CuO-NP trace metalen filtering mogelijkheden van natuurlijke wateren zijn eerder gepubliceerd 11-14.
Hoewel bruikbaar voor waterbehandeling, kan metaaloxide nanodeeltjes toxisch zijn voor levende organismen, maar de omvang van de toxiciteit hangt gedeeltelijk af van nanodeeltjes eigenschappen en bestanddelen 10,15,16. Daarom is het belangrijk om simult bestuderenaneous verontreiniging verwijdering en nanodeeltjes toxiciteit voor veld applicaties. De huidige studie bepaald het vermogen van CuO-NP naar PBW prioriteit contaminanten (met inbegrip van arseen, seleen, vanadium en uranium) te verwijderen, en beoordeelde het effect van CuO-NP behandeling op PBW cytotoxiciteit.
PBW werd vanuit een actieve ISR uranium faciliteit en gebruikt om de werkzaamheid van CuO-NP behandeling bepalen prioritaire verwijderen van vuil. PBW cytotoxiciteit voor en na CuO-NP behandeling werd beoordeeld. PBW is een complexe geologische (industrieel / milieu) mengsel en zowel de National Institute of Environmental Health and Science (NIEHS) en het Agentschap voor de Toxic Substances en Disease Registry (ASTDR) worden de nadruk te leggen op het bestuderen van de toxiciteit van milieurelevante mengsels, met inbegrip van mengsels zoals zij bestaan in de natuur of industriële omgevingen, alsmede het bevorderen van in vitro testen om chemicaliën voor verdere in vivo tests prioriteit17-19. Studies van chronische, lage dosis mengsel blootstellingen zijn uitdagend vanwege chronische blootstelling aan een lage dosis mengsel niet voor de hand liggende effecten, althans niet in het korte tijdsbestek van de meeste laboratoriumonderzoek. Evenzo meeste in vitro studies van chemische mengsels blootstellen cellen om een vaststaande lab gemaakt mengsel van 2 of meer metalen 20,21. Deze studies geven basisinformatie, maar vereenvoudigde mengsel niet repliceren het complex antagonistische en synergetische interacties die kunnen optreden in een native, milieu-monster, waarbij het volledige gamma van mengsel onderdelen aanwezig zijn.
De doelen van deze studie waren aan alternatieve werkwijzen voor het verwijderen van vuil PBW onderzoeken en het effect van (CuO-NP) behandeling op PBW cytotoxiciteit met gekweekte menselijke cellen te evalueren. De resultaten kunnen de uraniumindustrie baat hebben bij de ontwikkeling van efficiëntere en milieuvriendelijkere werkwijzen voor het verwijderen van vuil. Deze studie geefthet eerste bewijs dat vermindering van prioritaire contaminanten in PBW door CuO-NP verlaagt cytotoxiciteit in zoogdiercellen 22.
Protocol
Representative Results
Discussion
Eerdere studies gemeld dat CuO-NP verwijderd arseen uit grondwater 11,13,30,31. Dit onderzoek ondersteunt deze eerdere bevindingen en ook berichten dat CuO-NP verwijderen extra verontreinigingen uit PBW. Deze studie bevestigt ook eerdere rapporten dat CuO-NPs zijn effectief in de verwijdering van arseen, ondanks de aanwezigheid van andere verontreinigingen en mogelijke concurrerende ionen 11. Soortvorming modellering voorspelde dat 97% van vanadium soorten in PBW negatief geladen zijn, waardoor ads…
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).
