氧化铜纳米颗粒去除铀中痕量元素 原位 回收渗出液及其对细胞活力的影响

摘要

采用氧化铜纳米颗粒（CuO-NPs）处理生产性渗滤液（PBW），并在培养的人源细胞中评估其细胞毒性。本实验方案的目的是将天然环境样品整合到细胞培养体系中，以评估经CuO-NP处理后毒性变化情况。

摘要

原位回收（ISR）是美国主要的铀提取方法。在ISR过程中，铀从矿体中被浸出，并通过离子交换进行提取。由此产生的生产放流水（PBW）含有砷及其他重金属等污染物。来自一个活跃的ISR铀矿设施的PBW样品使用了氧化铜纳米颗粒（CuO-NPs）进行处理。CuO-NP处理可降低PBW中的优先控制污染物，包括砷、硒、铀和钒。未经处理和经CuO-NP处理的PBW被用作细胞生长培养基的液体组分，并通过MTT（3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四氮唑溴盐）法测定人胚胎肾细胞（HEK 293）和人肝细胞癌细胞（Hep G2）的活力变化。CuO-NP处理与HEK和Hep细胞活力的改善相关。该方法的局限性包括生长培养基组分及渗透压调节过程中对PBW的稀释，以及必要的pH调节。由于稀释效应以及PBW pH值的变化（传统上PBW呈微酸性），该方法在更广泛背景下的应用受到限制 然而，该方法可能在评估CuO-NP对更接近中性水质的处理效果方面具有更广泛的应用前景。

引言

约20%的美国电力供应来自核能，部分基于提高能源独立性的国家激励政策，预计美国的核能产能将有所增加¹。全球核能的发展预计也将持续，其中大部分增长将发生在美国以外地区²。截至2013年，美国使用的铀有83%依赖进口，但美国境内已探明铀储量达952,544公吨^3,4。2013年，在怀俄明州、新墨西哥州和内布拉斯加州共有7个新建设施申请和14个重启或扩建申请⁵。在美国，铀主要通过原地浸出（in situ recovery, ISR）工艺进行提取⁶。ISR工艺对土地的扰动较小，且避免了产生可能释放环境污染物的尾矿堆⁷。ISR使用以水为基质的氧化溶液将地下矿体中的铀浸出，随后通过离子交换工艺从浸出液中提取铀⁸。为了维持矿体内的负水平衡，需排放部分浸出液，这部分液体称为生产排污水（production bleed water, PBW）。部分PBW通过反渗透（RO）技术去污后重新引入采矿流程，但如果能将有毒污染物降低至州监管机构规定的地表水和地下水可接受水平，PBW还可用于有益的工业或农业用途⁹。目前，大多数ISR铀矿设施采用RO技术去除PBW中的污染物。然而，RO处理过程能耗较高，并会产生需按规定处置的有毒废盐水。

目前存在多种水体去污方法，包括吸附剂、膜过滤和离子交换。其中，吸附法应用最为广泛，而纳米颗粒合成技术的最新进展进一步提升了基于吸附剂的水体去污能力¹⁰。氧化铜纳米颗粒（CuO-NPs）此前在铀原地浸出采铀废水（ISR PBW）中的研究尚不充分，但在近期针对地下水中污染物去除的研究中发现，CuO-NPs具有独特性能，例如无需预处理或后续水处理步骤（例如，调节pH或氧化还原电位），且在不同水质条件（例如，不同pH值、盐浓度或共存离子）下均表现出良好的去除效果¹¹。此外，CuO-NPs可通过氢氧化钠（NaOH）淋洗实现简便再生，再生后的CuO-NPs可重复使用。有关CuO-NPs从天然水体中去除痕量金属的详细性能已有文献报道^11–14。

尽管金属氧化物纳米颗粒可用于水处理，但其对生物体可能具有毒性，而毒性的程度在一定程度上取决于纳米颗粒的特性和组成成分^10,15,16。因此，在实际应用之前，研究纳米颗粒在去除污染物的同时所引起的毒性效应至关重要。本研究评估了CuO-NPs去除PBW优先控制污染物（包括砷、硒、钒和铀）的能力，并考察了CuO-NP处理对PBW细胞毒性的影

来自一个活跃的原地浸出（ISR）铀矿设施的工艺返排水（PBW）被采集并用于评估氧化铜纳米颗粒（CuO-NP）处理在优先污染物去除中的有效性。同时，也评估了CuO-NP处理前后PBW的细胞毒性。PBW是一种复杂的地质（工业/环境）混合物，美国国家环境卫生科学研究所（NIEHS）和有毒物质与疾病登记署（Agency for Toxic Substances） & 疾病登记处（ASTDR）正着重研究环境相关混合物的毒性，包括自然界或工业环境中实际存在的混合物，同时推动 体外 测试以确定化学品的优先级，供进一步研究 体内 测试 ^17–19长期低剂量混合物暴露的研究具有挑战性，因为低剂量混合物的长期暴露通常不会产生明显效应，至少在大多数实验室研究的短期时间范围内不会显现。同样，大多数 体外 化学混合物研究将细胞暴露于两种或两种以上金属组成的、明确配制的人工混合物中 ^20,21这些研究提供了基础信息，但简化混合物无法模拟在含有全部组分的天然环境样本中可能发生的复杂拮抗和协同相互作用。

本研究旨在考察用于去除贫化铀水中污染物的替代处理工艺，并利用培养的人类细胞评估氧化铜纳米颗粒（CuO-NP）处理对贫化铀水细胞毒性的效应。研究结果有望通过开发更高效或更环保的污染物去除方法，使铀工业受益。本研究首次提供证据表明，利用CuO-NPs降低贫化铀水中的优先控制污染物可减少其对哺乳动物细胞的细胞毒性²²。

方案

所有样品均采集自怀俄明州一座铀原地浸出（ISR）设施的铀溶液处理厂房。

1. 生产性渗出水（PBW）

1. 从ISR铀矿设施中采集两种类型的水样：生产放流水（PBW）和反渗透（RO）水。PBW应从离子交换过程之后、反渗透去污之前的监测水龙头处采集；RO水样则应在PBW经过反渗透处理去污后采集。
   注意：浸出液通过管道从多个井场输送至铀溶液处理车间，在此收集于柱中并准备进行离子交换。离子交换后约有1–3%的浸出液从系统中排出，称为生产放流水（PBW）。PBW可重新用于采矿过程，或通过反渗透过滤进行去污和脱矿处理。
2. 根据怀俄明州环境质量部（WYDEQ）的标准操作程序，使用高密度聚乙烯（HDPE）瓶采集无顶空的水样²³。
3. 在现场测量水样的温度和pH值，并将样品置于冰上运输以保持低温。
4. 将PBW储存在4 °C条件下。在按照以下方案进行培养基制备时，需在加入浓缩的Eagle最低必需培养基（EMEM-10x）之前始终保持PBW溶液处于低温状态。 
   注意：PBW为氧化性溶液，若发生冻结或升温至室温，将产生沉淀。稀释后的PBW溶液浓度足够低，因此在加样前加热至37 °C以及细胞孵育期间不会发生沉淀。

2. 氧化铜纳米颗粒（CuO-NPs）的制备

1. 在圆底烧瓶中加入含有 250 ml 0.2 M CuCl₂ • 2H₂O 的纯乙醇溶液、250 ml 0.4 M 氢氧化钠（NaOH）溶液以及 5 g 聚乙二醇（PEG），并放入六颗直径为 6 mm 的硼硅酸盐玻璃珠。
2. 将该溶液置于改装后的微波炉中，在常压空气条件下回流反应 10 分钟，微波功率为 20%（工作周期为开启 6 秒，关闭 24 秒）。
3. 将溶液冷却至室温（20 °C），然后倾倒入 50 ml 锥形管中，留下玻璃珠。
4. 将 50 ml 锥形管中的溶液在 1,000 × g 条件下离心 30 分钟，倾去上清液，随后依次用 300 ml 热水（60–65 °C）、100 ml 乙醇和 100 ml 丙酮洗涤 CuO-NPs。
5. 在 50 ml 锥形管中将 CuO-NPs 干燥至室温（20 °C）。
6. 将 CuO-NPs 从锥形管中刮出并转移至研钵中。用锡箔纸覆盖 CuO-NPs，然后在烘箱中加热至 110 °C 以去除残留液体。将所有 CuO-NPs 合并为一批，并称重。  
   注意：CuO-NPs 的制备及其对 PBW 的处理均在美国怀俄明大学生态系统科学与管理系水质实验室完成。CuO-NP 的合成方法参照 Martinson 和 Reddy（2009）¹¹ 的实验步骤。

3. 使用氧化铜纳米颗粒处理PBW

1. 取 50 mg（1 mg/ml）的 CuO-NP 加入 50 ml 锥形管中，随后加入 50 ml 磷酸盐洗涤液（PBW）。密封管子，并在 250 rpm 的台式轨道摇床上反应 30 分钟。
2. 将样品管在 250 × g 条件下离心 30 分钟，然后使用 0.45 μm 注射器滤器过滤上清液。可根据纳米颗粒的特性调整离心速度和时间，以确保 CuO-NP 在离心管中充分沉淀。

4. 元素分析

1. 按如下步骤准备用于元素分析的未处理（对照）和CuO-NP处理的PBW样品。
2. 用痕量金属级硝酸将CuO-NP处理和未处理的PBW样品各等分（40 ml）酸化至pH为2.0。按照Reddy和Roth（2012）¹³所述方法，采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）对酸化后的PBW等分样品进行阳离子分析。
3. 准备未酸化的CuO-NP处理和未处理的PBW样品各等分（20 ml），并按照Reddy和Roth（2012）¹³所述方法，采用离子色谱法（IC）对未酸化的等分样品进行阴离子分析。 
   注意：样品等分由怀俄明州拉勒米市82070的怀俄明州农业局分析服务中心进行分析。IC和ICP-MS方法的详细描述见Reddy和Roth（2012）¹³。

5. 使用 PBW 制备细胞培养基

1. 在活力研究中使用两种对照（EMEM-1x 和 RO+media）和八种 PBW 测试培养基溶液（未处理 PBW 和 CuO-NP 处理培养基各四个浓度）。各溶液概述如下：
   1. 对于EMEM-1x对照，购买已添加L-谷氨酰胺和碳酸氢钠的Eagle最低必需培养基（EMEM-1x）。根据生产商说明书添加胎牛血清（FBS）和抗生素。  
      注意：EMEM-1x 购买时已稀释至适合细胞生长的适当浓度，并含有 L-谷氨酰胺和碳酸氢钠。EMEM-1x 需添加胎牛血清（FBS）以及青霉素和链霉素的抗生素混合物（青霉素 50 I.U./ml，链霉素 50 µg/ml）。本研究中使用 EMEM-1x 作为对照培养基，因其为本研究所用两种细胞类型的生产商推荐生长培养基。浓缩型 EMEM-10x 使用实验室内纯水或未经处理或经 CuO-NP 处理的 PBW 稀释，以制备实验溶液。购买的浓缩型 EMEM-10x 不含 L-谷氨酰胺和碳酸氢钠，因此除添加胎牛血清（FBS）和青霉素-链霉素抗生素混合物外，还需额外加入这两种成分。
   2. 使用ISR设施收集的反渗透（RO）水制备RO对照溶液。除将PBW替换为ISR设施提供的100% RO水外，其余步骤与PBW测试培养基的制备方案相同。稀释未经处理和经CuO-NP处理的溶液时，使用实验室的反渗透水或超纯水。
   3. 将未经处理的PBW稀释为四种测试浓度，再与细胞培养基成分混合。通过将未经处理的PBW与实验室反渗透水（RO）按以下比例混合，配制四种不同浓度的未经处理PBW溶液：100%（纯PBW + 不加RO水）、75%（187.5 ml PBW + 62.5 ml RO水）、50%（125 ml PBW + 125 ml RO水）或25%（62.5 ml PBW + 187.5 ml RO水）。
   4. 将经CuO-NP处理的PBW稀释为四种测试浓度，再与细胞培养基成分混合。通过将PBW（经1 mg/ml CuO-NP预处理30分钟）与实验室用RO水按以下比例混合，配制四种不同浓度的CuO-NP处理PBW溶液：100%（纯CuO-NP处理PBW + 无RO水）、75%（187.5 ml CuO-NP处理PBW + 62.5 ml RO水）、50%（125 ml CuO-NP处理PBW + 125 ml RO水）或25%（62.5 ml CuO-NP处理PBW + 187.5 ml RO水）。
2. 按以下步骤配制250 ml RO+培养基、未处理PBW+培养基和CuO-NP处理的PBW+培养基：向190 ml 100% RO水中加入25 ml浓缩EMEM-10x，并分别加入步骤6.1.3和6.1.4中预先配制的未处理或CuO-NP处理的PBW溶液的100%、75%、50%或25%浓度。
3. 用 NaOH 或 HCl 将每种溶液的 pH 值调节至 7.4。
4. 向每种浓度的未处理PBW、CuO-NP处理PBW以及RO+培养基中补充以下标准组分：25 ml（10%）胎牛血清（FBS）、2.5 ml L-谷氨酰胺、0.55 g NaHCO₃₃ 1.25 ml 青霉素/链霉素溶液（50 I.U./ml 青霉素和 50 µg/ml 链霉素）。
5. 通过添加RO水，将未经处理的PBW+培养基、CuO-NP处理的PBW+培养基以及RO+培养基各浓度的渗透压调节至290–310 mOSM/kg，并使用渗透压计进行测量。
6. 使用 0.22 μm 真空滤器过滤每种溶液，并于 4 °C 保存。
   注意：由于用于调节渗透压的RO水用量存在微小差异，最终培养基浓度可在5%范围内调整，未处理PBW+培养基的浓度分别为56%、44%、29%和16.5%，CuO-NP处理的PBW+培养基浓度分别为53%、45%、30% & 17%.

6. 细胞活力  

注意：鉴于肾脏和肝脏是重金属毒性的靶器官，采用培养的人胚胎肾（HEK293）细胞（HEK）和人肝细胞癌（HepG2）细胞（HEP）进行检测方法^24–26。

1. 按照制造商说明，在实验所用96孔板接种前2-3天准备HEK和HEP细胞培养物。
2. 使用3-[4,5-二甲基噻唑-2-基]-2,5-二苯基四氮唑溴盐（MTT）法检测细胞活力。  
   注意：MTT 检测方案经 Meerloo 修改而来 等 (2011) ²⁷.
   1. 获取粉末状 MTT。加入磷酸盐缓冲液（PBS）配制成 50 mg/ml 的储存液。振荡溶液 2 小时，然后用 0.45 μm 注射器滤器过滤，并分装至 1.5 ml 耐冷冻离心管中。避光保存于 4 °C。
3. 使用胰蛋白酶将HEK和HEP细胞从培养皿中消化下来，于1,000 × g离心5分钟，弃去胰蛋白酶。加入5 ml PBS重悬细胞，混匀以获得单细胞悬液。取20 μl单细胞悬液滴加至血细胞计数板，测定每毫升溶液中的细胞数量。再次于1,000 × g离心5分钟，弃去用于洗涤细胞的PBS。加入适量EMEM-1x培养基，调整细胞浓度至500个细胞/100 μl（每孔100 μl）。
4. 用 200 μl PBS 填充板的周边孔，以控制蒸发。
5. 以每孔500个细胞的密度接种，每孔加入100 μl，边缘孔除外（边缘孔不接种细胞）。  
   注意：HEK 和 HEP 细胞的接种密度基于实验生长曲线，以使细胞生长达到峰值的时间约为第 4–5 天。应针对所有细胞系制备生长曲线，以估算接种密度。
6. 在37 °C条件下培养细胞24小时，使其恢复并形成紧密的贴壁附着，然后进行细胞密度的基线MTT检测。
7. 通过移除第一列（不包括边缘）的接种培养基，并向孔中加入100 μl MTT溶液（5 mg/ml溶于培养基中），孵育1小时，进行细胞密度的基线MTT检测。
8. 1小时后，吸除MTT，加入100 μl二甲基亚砜（DMSO）以溶解活细胞产生的MTT-甲臜（20分钟）。
9. 在570 nm吸收波长下测定第一列的光密度（OD），以获得基线读数。
   1. 使用基线读数确保所有培养板的接种正确，并且细胞在各培养板之间的生长状态一致。在继续孵育下一个24小时之前，移除被测列中的DMSO。  
      注意：若DMSO在孔板中放置过夜，会从相邻列中吸收水分，导致培养基体积减少。
10. 将测试溶液加热（即将EMEM-1x、RO、未经处理的PBW以及CuO-NP处理的PBW培养基溶液置于水浴中加热至37 °C。
11. 从培养板的其余区域（不包括用于基线读数的边缘和第一列）中移除接种培养基，替换为100 µl EMEM-1x、RO+培养基、未经处理的PBW+培养基或经CuO-NP处理的PBW+培养基（每块板使用一种溶液）。将细胞在各自的测试浓度或对照溶液中孵育共七天（第2–8天）。  
    注意：共 10 个培养板：1 个 EMEM-1x，1 个 RO+培养基，每个未处理的 PBW+培养基浓度（56%、44%、29% 和 16.5%）各 1 个，以及每个经 CuO-NP 处理的 PBW+培养基浓度（53%、45%、30%）各 1 个培养板 &每次实验每细胞系（38%；17%）。
12. 在每次基线 MTT 读数后的每一天，从各自培养板的下一列中移除对照组和测试组溶液（见 6.11 项注释中所列）例如 第2天，从第3行B-G孔中移除测试和对照培养基；第3天：从第4行B-G孔中移除 等等。）并重复上述第6.7–6.9步的MTT实验步骤。
13. 每天重复该实验方案，持续七天。对每行（6个孔）的OD结果取平均值，并以时间为横坐标绘制七日生长曲线。
14. 为评估铜螯合对经CuO-NP处理的PBW+培养基中细胞活力的影响，遵循上述相同步骤操作，但在将溶液加入相应培养板之前，向对照组和实验组溶液中均添加100 μM D-青霉胺。使用科学作图软件进行数据分析。

7. 地球化学模拟

1. 从以下网站下载免费软件 Visual MINTEQ 3.0/3.1 版本 http://www2.lwr.kth.se/English/Oursoftware/vminteq/.
   注意：Visual MINTEQ 是一种用于计算金属形态分布、溶解度平衡和吸附的免费化学平衡模型 等等。 用于天然水体。此外，还可用于预测离子形态、离子活度、离子络合物及饱和指数，并将其与处理前后元素浓度（质谱分析结果）进行比较，以探究元素去除的可能机制 ²⁸.
2. 打开程序，将步骤4中获得的质谱数据（包括pH、碱度以及不同元素的浓度）输入程序中。
   注意：鉴于地下水在氧化过程中 原位 铀提取过程，使用砷、钒和铀的氧化态物种作为输入。

8. 半数抑制浓度（IC₅₀）

1. 通过分别对三次独立实验第5天的存活率（OD平均值）进行平均，计算未处理组和CuO-NP处理组PBW+培养基浓度的IC₅₀。
2. 用EMEM-1x第5天的存活率平均值减去未处理组和CuO-NP处理组PBW+培养基浓度在第5天的存活率平均值，计算存活率差异；然后将存活率差异除以EMEM中第5天的平均存活率，并乘以100，得到抑制百分比。
3. 用100（EMEM-1x存活率）减去抑制百分比，得到每个未处理组和CuO-NP处理组PBW+培养基浓度的存活率百分比。
4. 将数据输入科学作图软件，设定EMEM-1x的浓度为1、存活率百分比为100；将所有浓度转换为对数尺度（X = Log (X)），并采用最小二乘法拟合进行非线性回归分析。

9. 数据分析

1. 使用双尾、配对的 Student T 检验比较未处理组与 CuO-NP 处理组 PBW 中元素的浓度。
2. 利用七天内收集的生长曲线数据计算曲线下面积（AUC），并通过重复测量方差分析（ANOVA）分析变异，随后对所有组别进行 Tukey 事后多重比较（n = 3）。
3. 利用生长曲线第五天的数据计算 IC₅₀ ，数据来自未处理组和 CuO-NP 处理组的 PBW+培养基溶液（如上所述）。P 值小于<0.05 被认为具有显著性。 
   注意：在统计分析中，对于低于检测限的离子浓度，其质谱值按检测限的一半赋值²⁹。

结果

未处理和经CuO-NP处理的PBW中各组分浓度及pH值见表1。Martinson和Reddy（2009年）报道，CuO-NP的零电荷点估计为9.4 ± 0.4。由于PBW的pH值为7.2–7.4，在此条件下，水向CuO-NP提供质子，导致纳米颗粒表面带正电，从而有利于吸附带负电的物质。CuO-NP处理可有效去除PBW中的优先控制污染物，包括砷、硒、铀和钒（表1）。砷的平均浓度降低了87%［从0.0175降至0.002 mg/L（双尾配对t检验，p <0.0001）］。CuO-NP处理还显著降低了硒（30%）、铀（78%）、钒（92%）和磷酸盐（85%）的浓度（p <0.05）。

如表2所示的形态模拟结果支持了分析结果：PBW中99%的溶解态总砷以HAsO₄^2-和H₂AsO₄^-形式存在，94%的溶解态总硒以SeO₄

讨论

先前的研究报道，氧化铜纳米颗粒（CuO-NPs）可从地下水中去除砷^11,13,30,31。本研究支持这些先前的发现，并进一步报道CuO-NPs还可从PBW中去除其他污染物。本研究还证实了此前的报道，即尽管存在其他污染物和潜在的竞争离子，CuO-NPs在去除砷方面仍然有效¹¹。形态分析模型预测，PBW中97%的钒以带负电荷的形态存在，因而可被吸附到CuO-NPs上，批量处理实验结果显示钒的去除率达到92%。

这是首项研究，旨在探讨利用氧化铜纳米颗粒（CuO-NP）去除PBW中特定污染物的效果，并评估污染物去除后细胞毒性的变化。结果表明，采用体外（in vitro）方法研究复杂混合物细胞毒性的变化是可行的，但这些方法也存在局限性。PBW不能以原液浓度直接用于细胞实验，因为培养细胞的存活需要特定的生长培养基和渗透压。此外，PBW与培养基混合后也必须进行pH调节才能用于细胞实验。处理前后PBW的pH值分别为7.31和7.36，但加入生长培养基组分后，pH值降至约6.8，具体数值取决于稀释比例。尽管pH调节是细胞培养基制备中的常规...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CuCl2	Sigma	203149
硼硅酸盐玻璃珠	VWR	26396-639	6 mm
硝酸	Fisher	A509-P500	痕量金属级
0.45 μm 注射器滤器	Fisher	SLHA 033S S
10x EMEM	Fisher	BW12-684F
胎牛血清	ATCC	30-2020
L-谷氨酰胺	Fisher	BP379-100
NaHCO3	Sigma	S5761
青霉素/链霉素	ATCC	30-2300
0.22 μm 真空滤器装置	Fisher	09-740-28C
HEK293	ATCC	CRL-1573
HEPG2	ATCC	HB-8065
胰蛋白酶	Sigma	SV3003101
MTT	Sigma	M2128
D-青霉胺	Fisher	ICN15180680
96孔板	Fisher	07-200-92
DMSO	Fisher	D12814
Spectra Max 190	Molecular Devices
Visual MINTEQ 3.0 版	瑞典皇家理工学院
ICP-MS	Agilent		仪器型号及检测限详情见 Reddy et al., 2013。
IC DIONEX DX 500	Dionex		仪器型号及检测限详情见 Reddy et al., 2013。
VWR 培养箱	VWR