ウランの酸化銅ナノ粒子による微量元素の除去<em>その場での</em>回復ブリード水と細胞生存率への影響
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
その場で回収 （ISR） では 、米国におけるウラン抽出の主な方法です。 ISRの間に、ウランが鉱体から浸出され、イオン交換により抽出しました。得られた生産ブリード水（PBW）は、ヒ素や他の重金属などの汚染物質が含まれています。アクティブISRウラン施設からPBWのサンプルを第二銅酸化物ナノ粒子（CuOを、NPS）で処理しました。 PBWのCuOを-NP処置はヒ素、セレン、ウラン、バナジウムを含む、優先汚染物質を減少させました。 PBWは、細胞増殖培地の液成分として使用し、生存率の変化はMTT（3-（4,5-ジメチルチアゾール-2-イル）-2,5-ジフェニルテトラゾリウムブロミド）によって決定された処理された未処理及びCuO-NPアッセイヒト胎児腎臓（HEK 293）およびヒト肝細胞癌（Hep細胞のG2）細胞です。のCuO-NP処理が改善されたHEKおよびHEP細胞生存率と関連していました。この方法の制限は、増殖培地成分によって、およびオスモル中PBWの希釈を含みますality調整だけでなく、必要に応じてpH調整。この方法は、希釈による効果とが伝統的にわずかに酸性であるPBWのpHの変化へのより広い文脈に限定されています。この方法は、より中立的な海域でのCuO-NPの治療を評価する広範な用途を持つことができます。
Introduction
米国電気供給の約20％は核エネルギーによって提供され、エネルギーの独立性を高めるために国のインセンティブに基づいている、米国の原子力容量が1増加すると予想されます。核エネルギーの世界的な成長は、米国外で発生した2成長の大部分で、継続することが予想されます。 2013年の時点で、米国のウランの83％は輸入されたが、埋蔵量の952544トン、米国3,4内に存在します。 2013年7新しい施設アプリケーションとワイオミング州、ニューメキシコ州、ネブラスカ5との間の14の再起動/拡張アプリケーションがありました。米国では、ウランは主に、その場の回復に （ISR）を介して抽出された6を処理します。 ISRは、より少ない土地の破壊を引き起こし、環境汚染物質7を解放することができテーリング杭の作成 が回避されます。 ISRは、ウランを介して浸出液から抽出された後、地下の鉱体からウランを浸出する水ベースの酸化·ソリューションを使用していますイオン交換法8。鉱体における負の水分バランスを維持するために、生産ブリード水（PBW）と呼ばれる浸出水の一部は、抜き取られます。 PBWの部分は、逆浸透（RO）を使用して、汚染除去およびマイニングプロセスに再導入されたが、毒性汚染物質が表面のための状態の規制機関によって決定される許容可能なレベルまで低減することができればPBWはまた、有益な工業または農業用途を有することができるし、地下水9。現在、ほとんどのISRウラン施設はPBWから汚染物質を除去するためにROを使用しています。しかし、RO処理は、エネルギー集約的であり、調整された処分を必要とする有害廃棄物の食塩水を生成します。
多くの水の浄化方法は吸着剤、膜およびイオン交換を含む、存在します。これらのうち、吸着は、最も一般的に使用され、ナノ粒子合成における最近の発展は、吸着剤ベースの水の汚染除去の機能10の処理を強化しました。銅オキシ以前に広くウランISR PBWに研究されていなかったデ·ナノ粒子（CuOを-NPS）が、地下水からの汚染物除去の最近の研究では、CuOを-のNPは、前または後の水処理工程を必要としないなどのユニークな特性を、（持っていることが判明しました例えば 、pHまたは酸化還元電位）を調整し、異なるpH、塩濃度、または競合イオン）11において、 例えば、（異なる水組成物でよく行います。また、CuOを、NPを、容易に再生のCuO-NPは再利用することができ、その後、水酸化ナトリウム（NaOH）を用いて浸出することにより再生されます。天然水からのCuO-NP微量金属フィルタリング機能の詳細は、先に11-14を公開されています。
水処理のために有用であるが、金属酸化物ナノ粒子は、生物に対して毒性であり得るが、毒性の程度は、ナノ粒子の特性および成分10,15,16に部分的に依存します。したがって、simultを勉強することが重要ですフィールドアプリケーション前aneous汚染物質除去とナノ粒子の毒性。現在の研究では（ヒ素、セレン、バナジウム及びウランを含む）PBW優先汚染物質を除去するためのCuO-NPの能力を決定し、PBW細胞毒性でのCuO-NPの治療の効果を評価しました。
PBWは、アクティブなISRウラン施設から収集し、優先度の汚染物質の除去にCuOを-NPの治療の有効性を決定するために利用されました。のCuO-NPの治療前後PBW細胞毒性も評価しました。 PBWは、複雑な地質（環境/産業用）の混合物であり、有害物質のための環境健康科学（NIEHS）と機関の研究所＆疾病登録（ASTDR）の両方が混合物を含め、環境に関連する混合物の毒性の研究に重点を置いています彼らは自然や産業環境に存在し、ならびにin vivoでのさらなる試験のための化学物質の優先順位を決定するためにin vitro試験で推進として17-19。低用量混合物への慢性暴露は、少なくともではない、ほとんどの実験室での研究の短い時間枠内で、明らかな効果を生じないため、慢性の研究は、低用量の混合物のエクスポージャーは、困難です。同様に、化学物質の混合物のインビトロ試験でほとんどが2以上の金属20,21の定義されたラボ製の混合物に細胞を公開します。これらの研究は、ベースライン情報を提供するが、簡略化された混合物は、混合物成分の全範囲が存在しているネイティブ、環境試料、で発生する可能性があり、複雑な拮抗との相乗的相互作用を複製しません。
本研究の目的は、PBWの代替汚染物除去プロセスを調べるために、培養ヒト細胞を用いた細胞毒性にPBW（のCuO-NP）の治療の効果を評価することでした。結果は、汚染物質を除去するための、より効率的で環境に優しい方法の開発を通じてウラン産業の利益を得ることができます。本研究では、提供します最初の証拠のCuO-NPSがPBWの重点汚染物質の削減は、哺乳動物細胞22に細胞毒性を減少させます。
Protocol
Representative Results
Discussion
以前の研究では、CuOを-NPは地下水11,13,30,31からヒ素を除去することを報告しました。本研究では、これらの以前の知見をサポートし、また、CuOを-NPはPBWから追加の汚染物質を除去することを報告しています。この研究はまた、他の汚染物質および潜在的な競合するイオン11の存在にもかかわらず、CuOを-NPは、ヒ素の除去に有効であることを以前のレポートを確認します。分化?…
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).
