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。
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摘要
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....
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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）
- 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。 - 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。
- 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。
- 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
- 在圆底烧瓶中加入含有....
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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）。
物种形成模型结果，报道于 表 2，支持分析结果：PBW中99%的溶解态砷以HAsO形式存在42- 和 H2AsO4- 且PBW中94%的总溶解性硒以S.......
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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.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
我们感谢 Roger Hopper 博士以及怀俄明州农业部分析服务实验室对本研究样品进行的质谱分析。我们衷心感谢怀俄明大学药学院允许我们在其实验室拍摄本实验方案的视频。同时，我们感谢 Theodore O. 和 Dorothy S. King 资助教授协议为研究生助理（SC）提供的支持，感谢怀俄明大学为研究生助理（JRS）提供的资助，以及感谢 Science Posse（美国国家科学基金会 GK-12 项目 #084129）为教学研究员（JRS）提供的资助。我们还感谢 Uranium One 公司允许我们获取样品并协助解答相关问题。本研究工作由怀俄明大学能源资源学院资助支持。
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材料
| 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 |
参考文献
- What is the status of the U.S. nuclear industry? Washington (DC): U.S. Energy Information Administration (US). , Available from: http://www.eia.gov/energy_in_brief/article/nuclear_industry.cfm (2014).
- International Energy Outlook. Washington (DC): U.S. Energy Information Administration (US). , Available from: http://www.eia.gov/forecasts/archive/ieo11/pdf/0484%282011%29.pdf (2011).
- Uranium Marketing Annual Report. Washington (DC): U.S. Energy Inf....
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重印与许可
