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.
In situ utvinning (ISR) er den dominerende metoden av uran utvinning i USA. Under ISR, er uran lekket fra en malm kropp og hentet gjennom ionebytte. Den resulterende produksjonsuttaks vann (PBW) inneholder forurensninger som arsen og andre tungmetaller. Prøver av PBW fra en aktiv ISR uran anlegget ble behandlet med kupri oksid nanopartikler (CuO-NPS). CuO-NP behandling av vektdeler redusert satsings forurensninger, blant arsen, selen, uran og vanadium. Ubehandlet og CuO-NP behandlede PBW ble anvendt som den flytende komponent i cellevekstmedier og endringer i levedyktigheten ble bestemt ved MTT (3- (4,5-dimetyltiazol-2-yl) -2,5-difenyltetrazoliumbromid) assay i human embryonisk nyre (HEK 293) og human leverkreft (Hep G2) celler. CuO-NP behandling var assosiert med forbedret HEK og HEP celle levedyktighet. Begrensninger av denne metoden inkluderer fortynning av PBW av vekstmedier komponenter og under osmolsaklighet justering samt nødvendig å justere pH. Denne metoden er begrenset i sin bredere sammenheng på grunn av utvanningseffekter og endringer i pH i PBW som tradisjonelt er svakt sur imidlertid; denne metoden kan ha en bredere bruk vurdere CuO-NP behandling i mer nøytrale farvann.
Omtrent 20% av den amerikanske strømforsyningen er levert av atomenergi og, delvis basert på nasjonale insentiver til å øke energiuavhengighet, amerikanske kjernefysiske kapasitet forventes å øke 1. Verdensomspennende vekst av atomenergi også forventes å fortsette, med mye av veksten inntreffer utenfor USA to. Som i 2013, ble 83% av amerikanske uran importert, men 952 544 tonn reserver finnes i USA 3,4. I 2013 var det 7 nye anlegget programmer og 14 restart / ekspansjonsprogrammer mellom Wyoming, New Mexico, og Nebraska 5. I USA er uran hovedsakelig hentet gjennom in situ utvinning (ISR) behandler seks. ISR fører til mindre land avbrudd og unngår å skape tailing hauger som kan frigjøre miljøgifter 7. ISR anvender vannbaserte oksiderende løsninger til å lekke uran fra den underjordiske malmkroppen, hvoretter uran ekstraheres fra utlutningsvæsken viaen ionebytter-prosess 8. For å opprettholde en negativ vannbalansen i malmkroppen, en del av sigevann, kalt produksjons blø vann (PBW), ventileres ut. En del av PBW dekontamineres ved hjelp av omvendt osmose (RO) og re-innføres i gruvedrift prosessen, men PBW også kunne ha gunstige industri eller jordbruk bruker, hvis toksiske forurensende stoffer reduseres til et akseptabelt nivå bestemt av statlige reguleringsorganer for flate og grunnvann 9. Foreløpig fleste ISR uran lokale bruke RO å fjerne forurensninger fra PBW. Imidlertid er RO behandling energikrevende og gir giftig avfall saltvann, noe som krever regulert disposisjon.
Mange vann dekontaminering metoder finnes, inkludert adsorbenter, membraner, og ionebytting. Av disse er adsorpsjon den mest brukte, og den siste utviklingen i nanopartikkel syntese har forbedret mulighetene til adsorbent baserte vann dekontamineringsprosesser 10. Cupric oxide nanopartikler (CuO-NPS) tidligere ikke hadde blitt grundig studert på uran ISR PBW, men i nyere studier av forurensningsfjerning fra grunnvann, ble CuO-NPs funnet å ha unike egenskaper, inkludert uten egen pre- eller post-vann behandlingstrinn ( f.eks, justere pH eller redokspotensial) og gode resultater i ulike vann komposisjoner (for eksempel i forskjellige pH-verdier, saltkonsentrasjoner, eller konkurrerende ioner) 11. I tillegg er CuO-NPS lett regenereres ved utluting med natriumhydroksyd (NaOH), hvoretter den regenererte CuO-NPS kan gjenbrukes. Detaljer av CuO-NP spormetallfiltreringsmuligheter fra naturlige vannmassene har tidligere blitt publisert 11-14.
Selv om nyttige for vannbehandling, kan metall-oksyd-nanopartikler være toksiske for levende organismer, men omfanget av toksisiteten avhenger delvis av nanopartikkelegenskaper og bestanddeler 10,15,16. Derfor er det viktig å studere simultaneous forurensende fjerning og nanopartikkel toksisitet før feltapplikasjoner. Den aktuelle studien bestemmes evnen til CuO-NPs å fjerne vekt prioriterte miljøgifter (inkludert arsen, selen, vanadium og uran), og vurdert effekten av CuO-NP behandling på PBW cytotoksisitet.
PBW ble oppsamlet fra en aktiv ISR uran anlegget og anvendes for å bestemme effekten av CuO-NP behandling i prioritert forurensningsfjerning. PBW cytotoksisitet før og etter CuO-NP behandling ble også vurdert. PBW er en kompleks geologisk (industri / miljø) blanding og både National Institute of Environmental Health and Science (NIEHS) og Direktoratet for giftige stoffer og Disease Registry (ASTDR) legger vekt på å studere giftigheten av miljørelevante blandinger, herunder blandinger som de finnes i naturen eller industrielle innstillinger, samt fremme in vitro testing for å prioritere kjemikalier for ytterligere in vivo testing17-19. Studier av kroniske, lav dose blanding eksponeringer er utfordrende fordi kronisk eksponering for en lav dose blanding ikke produsere åpenbare effekter, i hvert fall ikke på kort tidsramme for de fleste laboratoriestudier. Tilsvarende har de fleste in vitro-studier av kjemiske blandinger eksponere cellene til en definert lab-laget blanding av to eller flere metaller 20,21. Disse studiene gir grunnlagsinformasjon, men forenklede blandingen ikke replikere komplekse antagonistiske og synergistiske interaksjoner som kan oppstå i en innfødt, miljøprøve, der hele spekteret av blandingskomponenter er til stede.
Målene for denne studien var å undersøke alternative forurensningsfjerningsmekanismer for PBW og for å evaluere effekten av (CuO-NP) behandling på PBW cytotoksisitet hjelp dyrkede humane celler. Resultatene kan være til nytte uran industrien gjennom utvikling av mer effektive eller miljøvennlige metoder for fjerning av forurensninger. Denne studien girdet første beviset på at reduksjon av prioriterte miljøgifter i PBW av CuO-NPs reduserer cytotoksisitet i pattedyrceller 22.
Tidligere studier har rapportert at CuO-NPs fjernet arsen fra grunnvann 11,13,30,31. Denne studien støtter disse tidligere funn og rapporterer at CuO-NPs fjerne flere forurensninger fra PBW også. Denne undersøkelsen bekrefter også tidligere rapporter at CuO-NPS er effektive ved arsen fjerning, til tross for tilstedeværelsen av andre forurensninger og potensielle konkurrerende ioner 11. Spesiering modellering anslått at 97% av vanadium arter i PBW er negativt ladet, slik at for adsorpsjon til …
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |