הסרת יסודות קורט ידי Cupric תחמוצת חלקיקים מאורניום<em> באתר</em> שחזור Bleed מים והשפעתה על כדאיויות תא
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
באתר ההתאוששות (ISR) הוא השיטה העיקרית להפקת אורניום בארצות הברית. במהלך ISR, אורניום דלף מגוף עפרות וחולץ באמצעות חילוף יונים. המים לדמם ייצור כתוצאה (PBW) מכילים מזהמים כגון ארסן ומתכות כבדות אחרות. דוגמאות של PBW ממתקן אורניום ISR פעיל טופלו בחלקיקי תחמוצת Cupric (CuO-NPS). טיפול CuO-NP של מזהמי עדיפות PBW מופחתים, כוללים ארסן, סלניום, אורניום, ונדיום. assay שלא טופל וCuO-NP טופל PBW שימש כמרכיב הנוזלי של תקשורת צמיחת תאים ושינויים בכדאיות נקבעו על ידי MTT (3 (4,5-dimethylthiazol-2-י.ל.) ברומיד -2,5-diphenyltetrazolium) בכליות עובריות אנושיות (HEK 293) וקרצינומה של אדם hepatocellular (G2 הפ) תאים. טיפול CuO-NP היה קשור עם HEK השתפר וכדאיויות תא HEP. מגבלות של שיטה זו כוללות דילול של PBW ידי רכיבי תקשורת צמיחה ובמהלך osmolהתאמת ality כמו גם התאמת pH הכרחית. שיטה זו היא מוגבלת בהקשר הרחב יותר שלה בשל השפעות דילול ושינויים ב- pH של PBW שהוא באופן מסורתי חומצי מעט עם זאת; יש בשיטה זו יכולה שימוש רחב יותר הערכת טיפול CuO-NP במים ניטראליים יותר.
Introduction
כ -20% מאספקת החשמל בארה"ב מסופקים על ידי אנרגיה גרעינית ו, המבוססת בחלקו על תמריצים לאומיים להגדיל את עצמאות אנרגיה, ארה"ב יכולת גרעינית צפויה להגדיל 1. צמיחה בעולם באנרגיה גרעינית גם צפויה להימשך, עם הרבה של הצמיחה המתרחשת מחוץ לארה"ב 2. נכון לשנת 2013, 83% מהאורניום בארה"ב היה מיובא, אבל 952544 טונות של עתודות קיימות בארה"ב 3,4. בשנת 2013 היו 7 יישומי מתקן חדשים ויישומי 14 הפעלה מחדש / הרחבה בין יומינג, ניו מקסיקו, נברסקה ו5. בארה"ב, אורניום מופק באמצעות רובה בהתאוששות באתרו (ISR) מעבד 6. ISR גורם להפרעת ארץ פחות ונמנע מיצירת ערימות עוקב שיכול לשחרר מזהמים סביבתיים 7. ISR משתמש פתרונות חמצון על בסיס מים ליץ אורניום מהגוף עפרות המחתרת, לאחר שהאורניום מופק באמצעות leachateתהליך חילוף יונים 8. כדי לשמור על מאזן מים שלילי בגוף עפרות, חלק מleachate, ייצור נקרא לדמם מים (PBW), הוא דימם מ. חלק מPBW הוא לחטא באמצעות אוסמוזה ההפוכה (RO) ומחדש הוכנס לתהליך הכרייה, אלא גם יש לי PBW יכול שימושים תעשייתיים או חקלאיים מועילים, אם ניתן להפחית מזהמים רעילים לרמות מקובלות נקבעו על ידי רשויות פיקוח מדינה למשטח ו תהום 9. נכון לעכשיו, רוב מתקני אורניום ISR להשתמש RO להסרת מזהמים מPBW. עם זאת, עיבוד RO הוא עתיר אנרגיה ומייצר מלח פסולת רעיל, אשר דורש סילוק מוסדר.
שיטות טיהור מים רבות קיימות, כוללים חומרי ספיחה, קרומים, וחילוף יונים. מבין אלה, ספיחה היא נפוץ ביותר, וההתפתחויות האחרונות בסינתזת ננו-חלקיקים שיפרה את היכולות של טיהור מים מבוסס בעלי כושר ספיגה מעבד 10. oxi Cupricחלקיקי דה (CuO-NPS) בעבר לא נחקרו בהרחבה על אורניום ISR PBW, אבל במחקרים שנעשה לאחרונה להסרת מזהמים ממי תהום, CuO-צירופים ונמצאו יש תכונות ייחודיות, הכולל לא דורש צעדי טיפול לפני או אחרי-מים ( למשל, התאמת pH או פוטנציאל חיזור) ומתפקד היטב ביצירות מים שונות (לדוגמא, בPHS שונה, ריכוזי מלח, או יונים מתחרים) 11. בנוסף, CuO-הצירופים ומתחדשים בקלות על ידי שטיפה עם נתרן הידרוקסידי (NaOH), לאחר שניתן לעשות שימוש חוזר CuO-הצירופים ומחדש. פרטים של יכולות סינון עקבות מתכת CuO-NP ממים הטבעיים כבר פורסמו בעבר 11-14.
למרות שימושי לטיפול במים, חלקיקי תחמוצת מתכת יכולים להיות רעילים ליצורים חיים, אבל במידה של הרעילות תלויה, בין שאר, על מאפייני ננו-חלקיקים ומרכיבים 10,15,16. לכן, חשוב ללמוד simultרעילויות aneous מזהמים ההסרה וננו-חלקיקים לפני יישומים בתחום. המחקר הנוכחי נקבע היכולת של CuO-צירופים ולהסרת מזהמי PBW עדיפות (כולל ארסן, סלניום, ונדיום ואורניום), והעריך את ההשפעה של טיפול CuO-NP ברעיל PBW.
PBW נאסף ממתקן אורניום ISR פעיל ומנוצל כדי לקבוע את היעילות של טיפול CuO-NP בהסרת מזהמים עדיפות. רעיל PBW לפני ואחרי טיפול CuO-NP גם הוערך. PBW היא גיאולוגי מורכב תערובת (תעשייתית / סביבתית) ושניהם מהמכון הלאומי לבריאות הסביבה והמדע (NIEHS) והסוכנות לחומרים רעילים ורישום מחלות (ASTDR) תוך שימת דגש על לימוד הרעילות של תערובות רלוונטיות לסביבה, כוללים תערובות כפי שהם קיימים בהגדרות טבע או תעשייתי, כמו גם קידום בבדיקת מבחנה לתעדף כימיקלים לin vivo בדיקות נוספות17-19. מחקרים של חשיפות תערובת כרוניות, במינון נמוך מאתגרים כי חשיפה כרונית לתערובת במינון נמוכה לא לייצר אפקטים ברורים, לפחות לא במסגרת הזמן הקצרה של מרבית מחקרי המעבדה. כמו כן, רוב המחקרים במבחנה של תערובות כימיות לחשוף תאים לתערובת תוצרת מעבדה מוגדרת של 2 או יותר מתכות 20,21. מחקרים אלו מספקים מידע בסיסי, אבל תערובות פשוטות לא לשכפל את האינטראקציות עוינות וסינרגטי המורכבים שעלולות להתרחש במדגם מקורי, איכות סביבה, שבו המגוון הרחב של רכיבי תערובת נמצא.
מטרותיו של מחקר זה היו לבחון תהליכי הסרת מזהמים חלופיים לPBW ולהעריך את ההשפעה של טיפול (CuO-NP) ברעיל PBW שימוש בתאי אדם בתרבית. התוצאות יכולות להפיק תועלת תעשיית האורניום באמצעות פיתוח שיטות יעילים יותר או ידידותיות לסביבה לסילוק מזהם. מחקר זה מספקהעדות הראשונה כי הפחתת מזהמי עדיפות בPBW ידי CuO-צירופים ומפחיתה רעילה בתאי יונקים 22.
Protocol
Representative Results
Discussion
מחקרים קודמים דיווחו כי CuO-צירופים והוסרו ארסן מ11,13,30,31 מי תהום. מחקר זה תומך בממצאים הקודמים אלה וגם מדווח כי CuO-צירופים והסרת מזהמים נוספים מPBW. מחקר זה גם מאשר דיווחים קודמים שCuO-צירופים ויעילים בהסרת ארסן, למרות נוכחותם של מזהמים אחרים ויונים מתחרים פוטנציאליי…
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).
