Fjernelse af Trace Elements af cuprioxid Nanopartikler fra uran<em> In Situ</em> Recovery Bleed Vand og dens effekt på celle levedygtighed
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 opsving (ISR) er den fremherskende metode til uranudvinding i USA. Under ISR, er uran udvaskes fra en malm legeme og ekstraheret gennem ionbytning. Det resulterende produktion bleed vand (pbw) indeholder forurenende stoffer som arsen og andre tungmetaller. Prøver af PBW fra en aktiv ISR uran facilitet blev behandlet med cuprioxid nanopartikler (CuO-NPS). CuO-NP behandling af pbw reduceret prioriterede forurenende stoffer, herunder arsen, selen, uran og vanadium. Ubehandlede og CuO-NP behandlede PBW blev anvendt som den flydende bestanddel af medierne og ændringer i levedygtighed cellevæksten blev bestemt ved MTT (3- (4,5-dimethylthiazol-2-yl) -2,5-diphenyltetrazoliumbromid) assay i human embryonisk nyre (HEK 293) og humant hepatocellulært carcinom (Hep G2) celler. CuO-NP behandlingen var forbundet med forbedret HEK og HEP cellelevedygtighed. Begrænsninger ved denne fremgangsmåde indbefatter fortynding af PBW ved vækstmedier komponenter, og under osmolcippet justering samt den nødvendige pH-justering. Denne fremgangsmåde er begrænset i sin bredere sammenhæng grundet fortyndingsvirkninger og ændringer i pH-værdien i PBW som traditionelt svagt sur dog; denne metode kunne have en bredere anvendelse vurdere CuO-NP behandling i mere neutrale farvande.
Introduction
Ca. 20% af den elektriske forsyning amerikanske leveres af atomenergi, og delvist baseret på de nationale incitamenter til at øge energi uafhængighed, amerikanske nukleare kapacitet forventes at stige 1. Verdensomspændende vækst af kernekraft også forventes at fortsætte, med meget af væksten sker uden for USA 2. Fra 2013 blev 83% af amerikanske uran importeret, men 952.544 tons reserver findes i USA 3,4. I 2013 var der 7 nye facilitet applikationer og 14 genstart / ekspansion ansøgninger mellem Wyoming, New Mexico, og Nebraska 5. I USA er uran overvejende udvindes gennem in situ inddrivelse (ISR) processer 6. ISR forårsager mindre jord forstyrrelser og undgår at skabe affaldsgruber bunker, der kan frigive miljøbelastende stoffer 7. ISR anvender vandbaserede oxiderende løsninger udvaskes uran fra undergrunden malm organ, hvorefter uran ekstraheres fra perkolatet gennemen ionbytningsproces 8. At opretholde en negativ vandbalance i malmen organ, en del af perkolat, kaldet produktion bløder vand (pbw), afledes. En del af PBW dekontamineres anvendelse af omvendt osmose (RO) og re-introduceret i minedrift proces, men PBW også kunne have gavnlige industrielle eller landbrugsmæssige formål, hvis toksiske forurenende stoffer kan reduceres til et acceptabelt niveau bestemt af statslige reguleringsorganer for overfladevand og grundvand 9. I øjeblikket er de fleste ISR uran faciliteter bruger RO til at fjerne forurenende stoffer fra PBW. Men RO behandlingen er energikrævende og producerer giftigt affald saltlage, som kræver reguleret bortskaffelse.
Der eksisterer mange vand dekontamineringsmetoder, herunder adsorbenter, membraner, og ionbytning. Af disse adsorption er den mest anvendte, og den seneste udvikling i nanopartikel syntese har forbedret mulighederne i adsorbent-baserede vand rensningsprocesser 10. Cupri oxide nanopartikler (CuO-NPS) tidligere havde ikke blevet grundigt undersøgt på uran ISR PBW, men i de seneste undersøgelser af forurenende fjernelse fra grundvand blev CuO-NP'er sig at have unikke egenskaber, herunder ikke kræver før eller efter vand behandlingstrin ( fx justering pH eller redoxpotentiale) og klarer sig godt i forskellige vand kompositioner (fx i forskellige pH-værdier, saltkoncentrationer eller konkurrerende ioner) 11. Desuden er CuO-NP'er let regenereres ved udludning med natriumhydroxid (NaOH), hvorefter den regenererede CuO-NP'er kan genanvendes. Nærmere oplysninger om CuO-NP trace metal filtrering kapaciteter fra naturlige vandområder er tidligere blevet udgivet 11-14.
Selvom nyttigt for vandbehandling, kan metal oxide nanopartikler være giftige for levende organismer, men omfanget af toksicitet afhænger til dels på nanopartikler egenskaber og bestanddele 10,15,16. Derfor er det vigtigt at studere simultaneous forurenende fjernelse og nanopartikler toksiciteter før marken applikationer. Den aktuelle undersøgelse bestemt evne CuO-NP'er at fjerne pbw prioriterede forurenende stoffer (herunder arsen, selen, vanadium og uran), og vurderet effekten af CuO-NP behandling på PBW cytotoksicitet.
PBW blev opsamlet fra en aktiv ISR uran facilitet og anvendes til at fastlægge effekten af CuO-NP behandling i prioriteret kontaminantfjernelse. PBW cytotoksicitet før og efter CuO-NP behandling også blev vurderet. PBW er en kompleks geologisk (industriel / miljø) blandingen og både National Institute of Environmental Health and Science (NIEHS) og agenturet for giftige stoffer og sygdom Registry (ASTDR) lægger vægt på at studere toksiciteten af miljømæssigt relevante blandinger, herunder blandinger som de findes i naturen eller industrielle indstillinger, samt fremme in vitro test for at prioritere kemikalier til yderligere in vivo-test17-19. Undersøgelser af kronisk, lavdosis blanding engagementer udfordrende fordi kronisk eksponering til en blanding lav dosis ikke producere tydelige virkninger, i hvert fald ikke på kort tidsramme fleste laboratorieundersøgelser. Tilsvarende fleste in vitro studier af kemiske blandinger udsætte celler for et defineret lab-made blanding af 2 eller flere metaller 20,21. Disse undersøgelser giver baseline oplysninger, men forenklede blandingen ikke gentage de komplekse antagonistiske og synergistiske interaktioner, der kan opstå i en indfødt, miljømæssig prøve, hvor hele spektret af blandingen komponenter er til stede.
Målene for denne undersøgelse var at undersøge alternative forurenende fjernelse processer for PBW og vurdere effekten af (CuO-NP) behandling på PBW cytotoksicitet ved hjælp dyrkede humane celler. Resultaterne kunne gavne uran industrien gennem udvikling af mere effektive eller miljøvenlige metoder til forurenende fjernelse. Denne undersøgelse giverdet første tegn på, at reduktionen af prioriterede forurenende stoffer i PBW af CuO-NP'er reducerer cytotoksicitet i pattedyrceller 22.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tidligere undersøgelser rapporteret, at CuO-NP'er fjernet arsen fra grundvand 11,13,30,31. Denne undersøgelse understøtter disse tidligere resultater, og også rapporterer, at CuO-NP'er fjerne yderligere forureninger fra PBW. Denne undersøgelse bekræfter også tidligere rapporter, at CuO-NP'er er effektive på arsen fjernelse, på trods af tilstedeværelsen af andre forurenende stoffer og potentielle konkurrerende ioner 11. Artsdannelse modellering forudsagde, at 97% af vanadium ar…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
