Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Използвате версия на браузър с ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Междувременно, за да осигурим постоянна поддръжка, ние ще визуализираме сайта без стилове и JavaScript.
Показва въртележка от три слайда наведнъж.Използвайте бутоните Предишен и Следващ, за да преминете през три слайда наведнъж, или използвайте бутоните на плъзгача в края, за да преминете през три слайда наведнъж.
Бързото развитие на нанотехнологиите и интегрирането им в ежедневните приложения може да застраши околната среда.Докато зелените методи за разграждане на органични замърсители са добре установени, възстановяването на неорганични кристални замърсители е от голямо значение поради тяхната ниска чувствителност към биотрансформация и липсата на разбиране на взаимодействията на повърхността на материала с биологичните.Тук използваме базиран на Nb неорганичен 2D MXenes модел, комбиниран с прост метод за анализ на параметрите на формата, за да проследим механизма за биоремедиация на 2D керамични наноматериали от зелените микроводорасли Raphidocelis subcapitata.Ние открихме, че микроводораслите разграждат базирани на Nb MXenes поради свързани с повърхността физико-химични взаимодействия.Първоначално еднослойни и многослойни нанолюспи MXene бяха прикрепени към повърхността на микроводораслите, което донякъде намали растежа на водораслите.Въпреки това, при продължително взаимодействие с повърхността, микроводораслите окисляват MXene нанолюспи и допълнително ги разлагат на NbO и Nb2O5.Тъй като тези оксиди не са токсични за клетките на микроводораслите, те консумират наночастици от Nb оксид чрез абсорбционен механизъм, който допълнително възстановява микроводораслите след 72 часа обработка с вода.Ефектите на хранителните вещества, свързани с усвояването, също се отразяват в увеличаването на обема на клетките, тяхната гладка форма и промяна в скоростта на растеж.Въз основа на тези констатации, ние заключаваме, че краткосрочното и дългосрочното присъствие на базирани на Nb MXenes в сладководни екосистеми може да причини само незначителни въздействия върху околната среда.Трябва да се отбележи, че използвайки двуизмерни наноматериали като моделни системи, ние демонстрираме възможността за проследяване на трансформацията на формата дори в фино зърнести материали.Като цяло, това проучване отговаря на важен фундаментален въпрос относно процесите, свързани с повърхностното взаимодействие, движещи механизма за биоремедиация на 2D наноматериали и предоставя основа за по-нататъшни краткосрочни и дългосрочни изследвания на въздействието върху околната среда на неорганичните кристални наноматериали.
Наноматериалите предизвикаха голям интерес след откриването им и различни нанотехнологии наскоро навлязоха във фаза на модернизация1.За съжаление, интегрирането на наноматериали в ежедневните приложения може да доведе до случайни изпускания поради неправилно изхвърляне, небрежно боравене или неадекватна инфраструктура за безопасност.Следователно е разумно да се предположи, че наноматериалите, включително двуизмерните (2D) наноматериали, могат да бъдат освободени в естествената среда, чието поведение и биологична активност все още не са напълно разбрани.Следователно не е изненадващо, че опасенията за екотоксичност са фокусирани върху способността на 2D наноматериалите да проникват във водни системи 2,3,4,5,6.В тези екосистеми някои 2D наноматериали могат да взаимодействат с различни организми на различни трофични нива, включително микроводорасли.
Микроводораслите са примитивни организми, срещащи се естествено в сладководни и морски екосистеми, които произвеждат различни химически продукти чрез фотосинтеза7.Като такива, те са критични за водните екосистеми8,9,10,11,12, но също така са чувствителни, евтини и широко използвани индикатори за екотоксичност13,14.Тъй като клетките на микроводораслите се размножават бързо и бързо реагират на присъствието на различни съединения, те са обещаващи за разработването на екологични методи за третиране на вода, замърсена с органични вещества15,16.
Клетките на водораслите могат да отстраняват неорганичните йони от водата чрез биосорбция и натрупване17,18.Някои видове водорасли като Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue и Synechococcus sp.Установено е, че носи и дори подхранва токсични метални йони като Fe2+, Cu2+, Zn2+ и Mn2+19.Други проучвания показват, че Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ или Pb2+ йони ограничават растежа на Scenedesmus чрез промяна на клетъчната морфология и унищожаване на техните хлоропласти 20,21.
Зелените методи за разграждане на органични замърсители и отстраняване на йони на тежки метали привлякоха вниманието на учени и инженери по целия свят.Това се дължи главно на факта, че тези замърсители лесно се обработват в течна фаза.Въпреки това, неорганичните кристални замърсители се характеризират с ниска разтворимост във вода и ниска чувствителност към различни биотрансформации, което причинява големи трудности при възстановяването и е постигнат малък напредък в тази област22,23,24,25,26.По този начин търсенето на екологични решения за ремонт на наноматериали остава сложна и неизследвана област.Поради високата степен на несигурност по отношение на ефектите на биотрансформация на 2D наноматериалите, няма лесен начин да се открият възможните пътища на тяхното разграждане по време на редукция.
В това проучване използвахме зелени микроводорасли като активен воден агент за биоремедиация за неорганични керамични материали, комбиниран с in situ мониторинг на процеса на разграждане на MXene като представител на неорганични керамични материали.Терминът „MXene“ отразява стехиометрията на материала Mn+1XnTx, където M е ранен преходен метал, X е въглерод и/или азот, Tx е повърхностен терминатор (напр. -OH, -F, -Cl) и n = 1, 2, 3 или 427.28.След откриването на MXenes от Naguib et al.Сензорика, лечение на рак и мембранна филтрация 27,29,30.В допълнение, MXenes могат да се разглеждат като моделни 2D системи поради тяхната отлична колоидна стабилност и възможни биологични взаимодействия 31, 32, 33, 34, 35, 36.
Следователно методологията, разработена в тази статия, и нашите изследователски хипотези са показани на Фигура 1. Според тази хипотеза, микроводораслите разграждат базираните на Nb MXenes до нетоксични съединения поради физико-химични взаимодействия, свързани с повърхността, което позволява по-нататъшно възстановяване на водораслите.За да се тества тази хипотеза, бяха избрани два члена от семейството на ранните базирани на ниобий карбиди и/или нитриди на преходни метали (MXenes), а именно Nb2CTx и Nb4C3TX.
Изследователска методология и базирани на доказателства хипотези за възстановяване на MXene от зелени микроводорасли Raphidocelis subcapitata.Моля, имайте предвид, че това е само схематично представяне на основани на доказателства допускания.Езерната среда се различава по използваната хранителна среда и условията (напр. дневен цикъл и ограничения в наличните основни хранителни вещества).Създаден с BioRender.com.
Следователно, използвайки MXene като моделна система, ние отворихме вратата за изследване на различни биологични ефекти, които не могат да бъдат наблюдавани с други конвенционални наноматериали.По-специално, ние демонстрираме възможността за биоремедиация на двуизмерни наноматериали, като базирани на ниобий MXenes, от микроводорасли Raphidocelis subcapitata.Микроводораслите са способни да разграждат Nb-MXenes до нетоксичните оксиди NbO и Nb2O5, които също осигуряват хранителни вещества чрез механизма за усвояване на ниобий.Като цяло, това изследване отговаря на важен фундаментален въпрос за процесите, свързани с повърхностните физикохимични взаимодействия, които управляват механизмите на биоремедиация на двуизмерни наноматериали.В допълнение, ние разработваме прост метод, базиран на параметри на формата, за проследяване на фини промени във формата на 2D наноматериали.Това вдъхновява по-нататъшни краткосрочни и дългосрочни изследвания на различните въздействия върху околната среда на неорганичните кристални наноматериали.По този начин нашето изследване увеличава разбирането за взаимодействието между материалната повърхност и биологичния материал.Ние също така предоставяме основата за разширени краткосрочни и дългосрочни проучвания на техните възможни въздействия върху сладководните екосистеми, които вече могат лесно да бъдат проверени.
MXenes представляват интересен клас материали с уникални и привлекателни физични и химични свойства и следователно много потенциални приложения.Тези свойства до голяма степен зависят от тяхната стехиометрия и повърхностна химия.Ето защо, в нашето проучване, ние изследвахме два типа базирани на Nb йерархични еднослойни (SL) MXenes, Nb2CTx и Nb4C3TX, тъй като могат да се наблюдават различни биологични ефекти на тези наноматериали.MXenes се произвеждат от техните изходни материали чрез селективно ецване отгоре надолу на атомно тънки MAX-фазови A-слоеве.Фазата MAX е тройна керамика, съставена от „свързани“ блокове от карбиди на преходни метали и тънки слоеве от „А“ елементи като Al, Si и Sn със стехиометрия MnAXn-1.Морфологията на началната MAX фаза се наблюдава чрез сканираща електронна микроскопия (SEM) и е в съответствие с предишни проучвания (вижте допълнителна информация, SI, фигура S1).Многослоен (ML) Nb-MXene се получава след отстраняване на слоя Al с 48% HF (флуороводородна киселина).Морфологията на ML-Nb2CTx и ML-Nb4C3TX беше изследвана чрез сканираща електронна микроскопия (SEM) (фигури S1c и S1d съответно) и беше наблюдавана типична слоеста морфология на MXene, подобна на двуизмерни нанолюспи, преминаващи през удължени пороподобни процепи.И двата Nb-MXenes имат много общо с MXene фазите, синтезирани преди това чрез киселинно ецване 27, 38.След като потвърдихме структурата на MXene, ние я наслоихме чрез интеркалиране на тетрабутиламониев хидроксид (TBAOH), последвано от промиване и обработка с ултразвук, след което получихме еднослойни или нискослойни (SL) 2D Nb-MXene нанолюспи.
Използвахме трансмисионна електронна микроскопия с висока разделителна способност (HRTEM) и рентгенова дифракция (XRD), за да тестваме ефективността на ецване и по-нататъшно отлепване.Резултатите от HRTEM, обработени с помощта на обратната бърза трансформация на Фурие (IFFT) и бърза трансформация на Фурие (FFT), са показани на Фиг. 2. Нанолюспите Nb-MXene бяха ориентирани с ръба нагоре, за да се провери структурата на атомния слой и да се измерят междуравнинните разстояния.HRTEM изображения на нанолюспи MXene Nb2CTx и Nb4C3TX разкриха тяхната атомно тънка слоеста природа (виж Фиг. 2a1, a2), както беше съобщено по-рано от Naguib et al.27 и Jastrzębska et al.38.За два съседни монослоя Nb2CTx и Nb4C3Tx ние определихме междуслойни разстояния съответно от 0, 74 и 1, 54 nm (фиг. 2b1, b2), което също е в съответствие с предишните ни резултати38.Това беше допълнително потвърдено от обратната бърза трансформация на Фурие (фиг. 2c1, c2) и бързата трансформация на Фурие (фиг. 2d1, d2), показващи разстоянието между монослоевете Nb2CTx и Nb4C3Tx.Изображението показва редуване на светли и тъмни ленти, съответстващи на ниобиеви и въглеродни атоми, което потвърждава слоестия характер на изследваните MXenes.Важно е да се отбележи, че спектрите на енергийно дисперсионната рентгенова спектроскопия (EDX), получени за Nb2CTx и Nb4C3Tx (фигури S2a и S2b), не показват остатък от оригиналната MAX фаза, тъй като не е открит пик на Al.
Характеризиране на SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene нанофлейки, включително (a) електронна микроскопия с висока разделителна способност (HRTEM) страничен изглед 2D нанофлейк изображения и съответния, (b) режим на интензитет, (c) обратна бърза трансформация на Фурие (IFFT), (d) бърза трансформация на Фурие (FFT), (e) Nb-MXenes рентгенови модели.За SL 2D Nb2CTx числата се изразяват като (a1, b1, c1, d1, e1).За SL 2D Nb4C3Tx, числата се изразяват като (a2, b2, c2, d2, e1).
Измерванията на рентгенова дифракция на SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXenes са показани на Фиг.2e1 и e2, съответно.Пикове (002) при 4.31 и 4.32 съответстват на описаните по-горе наслоени MXenes Nb2CTx и Nb4C3TX38,39,40,41 съответно.Резултатите от XRD също показват наличието на някои остатъчни ML структури и MAX фази, но най-вече XRD модели, свързани със SL Nb4C3Tx (фиг. 2e2).Наличието на по-малки частици от MAX фазата може да обясни по-силния MAX пик в сравнение с произволно подредените Nb4C3Tx слоеве.
По-нататъшни изследвания са фокусирани върху зелени микроводорасли, принадлежащи към вида R. subcapitata.Избрахме микроводорасли, защото те са важни производители, участващи в основните хранителни мрежи42.Те също така са един от най-добрите индикатори за токсичност поради способността да отстраняват токсичните вещества, които се пренасят на по-високи нива на хранителната верига43.В допълнение, изследването на R. subcapitata може да хвърли светлина върху случайната токсичност на SL Nb-MXenes за обичайните сладководни микроорганизми.За да илюстрират това, изследователите предположиха, че всеки микроб има различна чувствителност към токсични съединения, присъстващи в околната среда.За повечето организми ниските концентрации на вещества не влияят на растежа им, докато концентрации над определена граница могат да ги потиснат или дори да причинят смърт.Ето защо, за нашите изследвания на повърхностното взаимодействие между микроводорасли и MXenes и свързаното възстановяване, решихме да тестваме безвредните и токсични концентрации на Nb-MXenes.За да направим това, тествахме концентрации от 0 (като референтни), 0,01, 0,1 и 10 mg l-1 MXene и допълнително заразени микроводорасли с много високи концентрации на MXene (100 mg l-1 MXene), което може да бъде екстремно и смъртоносно..за всяка биологична среда.
Ефектите на SL Nb-MXenes върху микроводораслите са показани на Фигура 3, изразени като процент на стимулиране на растежа (+) или инхибиране (-), измерено за проби от 0 mg l-1.За сравнение, Nb-MAX фазата и ML Nb-MXenes също бяха тествани и резултатите са показани в SI (виж Фиг. S3).Получените резултати потвърждават, че SL Nb-MXenes е почти напълно лишен от токсичност в диапазона на ниски концентрации от 0,01 до 10 mg/l, както е показано на Фиг. 3a,b.В случая на Nb2CTx наблюдавахме не повече от 5% екотоксичност в определения диапазон.
Стимулиране (+) или инхибиране (-) на растежа на микроводорасли в присъствието на SL (a) Nb2CTx и (b) Nb4C3TX MXene.Бяха анализирани 24, 48 и 72 часа взаимодействие MXene-микроводорасли. Значимите данни (t-тест, p <0.05) са маркирани със звездичка (*). Значимите данни (t-тест, p <0.05) са маркирани със звездичка (*). Значими данни (t-критерий, p < 0,05) отбелязани със звезда (*). Сигнификантните данни (t-тест, p <0,05) са маркирани със звездичка (*).重要数据（t 检验，p < 0,05）用星号(*) 标记。重要数据（t 检验，p < 0,05）用星号(*) 标记。 Важни данни (t-тест, p < 0,05) отбелязани със звездочка (*). Важни данни (t-тест, p < 0,05) са маркирани със звездичка (*).Червените стрелки показват премахването на инхибиторната стимулация.
От друга страна, ниските концентрации на Nb4C3TX се оказаха малко по-токсични, но не по-високи от 7%.Както се очакваше, наблюдавахме, че MXenes имат по-висока токсичност и инхибиране на растежа на микроводорасли при 100 mg L-1.Интересното е, че нито един от материалите не показва същата тенденция и зависимост от времето на атоксични/токсични ефекти в сравнение с MAX или ML пробите (вижте SI за подробности).Докато за фазата MAX (вижте Фиг. S3) токсичността достига приблизително 15–25% и се увеличава с времето, обратната тенденция се наблюдава за SL Nb2CTx и Nb4C3TX MXene.Инхибирането на растежа на микроводораслите намалява с времето.Той достига приблизително 17% след 24 часа и спада до по-малко от 5% след 72 часа (фиг. 3a, b, съответно).
По-важното е, че за SL Nb4C3TX инхибирането на растежа на микроводораслите достига около 27% след 24 часа, но след 72 часа намалява до около 1%.Следователно, ние маркирахме наблюдавания ефект като обратно инхибиране на стимулация и ефектът беше по-силен за SL Nb4C3TX MXene.Стимулирането на растежа на микроводораслите беше отбелязано по-рано с Nb4C3TX (взаимодействие при 10 mg L-1 за 24 часа) в сравнение със SL Nb2CTx MXene.Обръщащият ефект на инхибиране-стимулиране също беше добре показан в кривата на скоростта на удвояване на биомасата (вижте Фиг. S4 за подробности).Досега само екотоксичността на Ti3C2TX MXene е изследвана по различни начини.Не е токсичен за ембриони на риба зебра44, но е умерено екотоксично за микроводораслите Desmodesmus quadricauda и растенията Sorghum saccharatum45.Други примери за специфични ефекти включват по-висока токсичност за ракови клетъчни линии, отколкото за нормални клетъчни линии46,47.Може да се предположи, че условията на теста ще повлияят на промените в растежа на микроводораслите, наблюдавани в присъствието на Nb-MXenes.Например рН от около 8 в стромата на хлоропласта е оптимално за ефективна работа на ензима RuBisCO.Следователно промените в рН влияят отрицателно на скоростта на фотосинтезата48,49.Въпреки това, ние не наблюдавахме значителни промени в pH по време на експеримента (вижте SI, Фиг. S5 за подробности).Като цяло културите от микроводорасли с Nb-MXenes леко намаляват рН на разтвора с течение на времето.Това намаление обаче е подобно на промяна в рН на чиста среда.Освен това диапазонът от открити вариации е подобен на този, измерен за чиста култура от микроводорасли (контролна проба).По този начин заключаваме, че фотосинтезата не се влияе от промените в pH с течение на времето.
В допълнение, синтезираните MXenes имат повърхностни окончания (означени като Tx).Това са главно функционални групи -O, -F и -OH.Повърхностната химия обаче е пряко свързана с метода на синтез.Известно е, че тези групи са произволно разпределени по повърхността, което затруднява прогнозирането на техния ефект върху свойствата на MXene50.Може да се твърди, че Tx може да бъде каталитичната сила за окисляването на ниобий от светлина.Повърхностните функционални групи наистина осигуряват множество места за закотвяне за техните основни фотокатализатори, за да образуват хетеропреходи51.Съставът на растежната среда обаче не осигурява ефективен фотокатализатор (подробен състав на средата може да се намери в SI Таблица S6).В допълнение, всяка повърхностна модификация също е много важна, тъй като биологичната активност на MXenes може да бъде променена поради последваща обработка на слоя, окисление, химическа повърхностна модификация на органични и неорганични съединения 52, 53, 54, 55, 56 или инженерство на повърхностния заряд 38.Следователно, за да проверим дали ниобиевият оксид има нещо общо с нестабилността на материала в средата, ние проведохме изследвания на зета (ζ) потенциала в среда за растеж на микроводорасли и дейонизирана вода (за сравнение).Нашите резултати показват, че SL Nb-MXenes са доста стабилни (вижте SI Фиг. S6 за MAX и ML резултати).Дзета потенциалът на SL MXenes е около -10 mV.В случая на SR Nb2CTx, стойността на ζ е малко по-отрицателна от тази на Nb4C3Tx.Такава промяна в стойността на ζ може да означава, че повърхността на отрицателно заредени нанолюспи MXene абсорбира положително заредени йони от културалната среда.Времевите измервания на зета потенциала и проводимостта на Nb-MXenes в културална среда (вижте фигури S7 и S8 в SI за повече подробности) изглежда подкрепят нашата хипотеза.
Въпреки това и двата Nb-MXene SL показват минимални промени от нула.Това ясно показва тяхната стабилност в средата за растеж на микроводораслите.В допълнение, ние оценихме дали присъствието на нашите зелени микроводорасли ще повлияе на стабилността на Nb-MXenes в средата.Резултатите от зета потенциала и проводимостта на MXenes след взаимодействие с микроводорасли в хранителна среда и култура във времето могат да бъдат намерени в SI (фигури S9 и S10).Интересното е, че забелязахме, че присъствието на микроводорасли изглежда стабилизира дисперсията на двата MXenes.В случая на Nb2CTx SL, зета потенциалът дори леко намалява с течение на времето до по-отрицателни стойности (-15,8 срещу -19,1 mV след 72 часа инкубация).Дзета потенциалът на SL Nb4C3TX леко се повишава, но след 72 часа той все още показва по-висока стабилност от нанофлейките без наличието на микроводорасли (-18,1 срещу -9,1 mV).
Ние също така открихме по-ниска проводимост на разтвори на Nb-MXene, инкубирани в присъствието на микроводорасли, което показва по-ниско количество йони в хранителната среда.Трябва да се отбележи, че нестабилността на MXenes във вода се дължи главно на повърхностно окисление57.Следователно подозираме, че зелените микроводорасли по някакъв начин са изчистили оксидите, образувани на повърхността на Nb-MXene и дори са предотвратили появата им (окисляване на MXene).Това може да се види чрез изучаване на видовете вещества, абсорбирани от микроводораслите.
Докато нашите екотоксикологични проучвания показват, че микроводораслите са успели да преодолеят токсичността на Nb-MXenes с течение на времето и необичайното инхибиране на стимулирания растеж, целта на нашето изследване беше да се изследват възможните механизми на действие.Когато организми като водорасли са изложени на съединения или материали, непознати за техните екосистеми, те могат да реагират по различни начини58,59.При липса на токсични метални оксиди микроводораслите могат да се хранят сами, което им позволява да растат непрекъснато60.След поглъщане на токсични вещества могат да се активират защитни механизми, като например промяна на форма или форма.Трябва също да се има предвид възможността за абсорбция58,59.Трябва да се отбележи, че всеки признак на защитен механизъм е ясен индикатор за токсичността на тестваното съединение.Следователно, в нашата по-нататъшна работа, ние изследвахме потенциалното повърхностно взаимодействие между SL Nb-MXene нанолюспи и микроводорасли чрез SEM и възможната абсорбция на Nb базиран MXene чрез рентгенова флуоресцентна спектроскопия (XRF).Обърнете внимание, че SEM и XRF анализите са извършени само при най-високата концентрация на MXene за справяне с проблемите на токсичността на активността.
Резултатите от SEM са показани на фиг.4.Нетретираните клетки от микроводорасли (вижте Фиг. 4а, референтна проба) ясно показват типична морфология на R. subcapitata и подобна на кроасан клетъчна форма.Клетките изглеждат сплескани и донякъде дезорганизирани.Някои клетки от микроводорасли се припокриват и заплитат една в друга, но това вероятно е причинено от процеса на подготовка на пробата.Като цяло, чистите клетки от микроводорасли имат гладка повърхност и не показват никакви морфологични промени.
SEM изображения, показващи повърхностно взаимодействие между зелени микроводорасли и MXene нанолистове след 72 часа взаимодействие при екстремна концентрация (100 mg L-1).( a ) Нетретирани зелени микроводорасли след взаимодействие със SL ( b ) Nb2CTx и ( c ) Nb4C3TX MXenes.Имайте предвид, че нанолюспите Nb-MXene са маркирани с червени стрелки.За сравнение са добавени и снимки от оптичен микроскоп.
Обратно, клетките на микроводораслите, адсорбирани от SL Nb-MXene нанолюспи, са повредени (вижте Фиг. 4b, c, червени стрелки).В случая на Nb2CTx MXene (фиг. 4b), микроводораслите са склонни да растат с прикрепени двуизмерни наномащаби, които могат да променят тяхната морфология.Трябва да се отбележи, че ние също наблюдавахме тези промени под светлинна микроскопия (вижте SI Фигура S11 за подробности).Този морфологичен преход има правдоподобна основа във физиологията на микроводораслите и тяхната способност да се защитават чрез промяна на клетъчната морфология, като например увеличаване на клетъчния обем61.Следователно е важно да се провери броят на клетките от микроводорасли, които действително са в контакт с Nb-MXenes.SEM изследванията показват, че приблизително 52% от клетките на микроводораслите са били изложени на Nb-MXenes, докато 48% от тези клетки на микроводораслите избягват контакт.За SL Nb4C3Tx MXene, микроводораслите се опитват да избегнат контакт с MXene, като по този начин локализират и растат от двуизмерни наномащаби (фиг. 4в).Ние обаче не наблюдавахме проникването на наномащаби в клетките на микроводораслите и тяхното увреждане.
Самосъхранението също е зависимо от времето поведение на отговор на блокирането на фотосинтезата поради адсорбцията на частици върху клетъчната повърхност и така наречения ефект на засенчване (засенчване)62.Ясно е, че всеки обект (например нанолюспи Nb-MXene), който е между микроводораслите и източника на светлина, ограничава количеството светлина, абсорбирано от хлоропластите.Не се съмняваме обаче, че това оказва значително влияние върху получените резултати.Както е показано от нашите микроскопски наблюдения, 2D нанолюспите не са били напълно увити или прилепнали към повърхността на микроводораслите, дори когато клетките на микроводораслите са били в контакт с Nb-MXenes.Вместо това се оказа, че нанолюспите са ориентирани към клетките на микроводораслите, без да покриват повърхността им.Такъв набор от нанолюспи/микроводорасли не може значително да ограничи количеството светлина, абсорбирано от клетките на микроводораслите.Нещо повече, някои проучвания дори демонстрират подобрение в абсорбцията на светлина от фотосинтезиращи организми в присъствието на двуизмерни наноматериали63,64,65,66.
Тъй като SEM изображенията не могат директно да потвърдят поглъщането на ниобий от клетките на микроводораслите, нашето по-нататъшно проучване се насочи към анализ на рентгенова флуоресценция (XRF) и рентгенова фотоелектронна спектроскопия (XPS), за да изясни този проблем.Следователно, ние сравнихме интензитета на пиковете на Nb на референтни проби от микроводорасли, които не взаимодействат с MXenes, MXene нанолюспи, отделени от повърхността на клетки от микроводорасли, и клетки от микроводорасли след отстраняване на прикрепени MXenes.Струва си да се отбележи, че ако няма поглъщане на Nb, стойността на Nb, получена от клетките на микроводораслите, трябва да бъде нула след отстраняване на прикрепените наномащаби.Следователно, ако настъпи поглъщане на Nb, както XRF, така и XPS резултатите трябва да показват ясен пик на Nb.
В случай на XRF спектри, пробите от микроводорасли показаха пикове на Nb за SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene след взаимодействие със SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene (вижте Фиг. 5a, също така имайте предвид, че резултатите за MAX и ML MXene са показани в SI, Фигури S12–C17).Интересното е, че интензитетът на пика на Nb е еднакъв и в двата случая (червени ленти на фиг. 5а).Това показва, че водораслите не могат да абсорбират повече Nb и максималният капацитет за натрупване на Nb е постигнат в клетките, въпреки че два пъти повече Nb4C3Tx MXene е прикрепен към клетките на микроводораслите (сини ленти на Фиг. 5а).По-специално способността на микроводораслите да абсорбират метали зависи от концентрацията на метални оксиди в околната среда67,68.Shamshada et al.67 установиха, че абсорбционният капацитет на сладководните водорасли намалява с повишаване на рН.Raize et al.68 отбелязват, че способността на морските водорасли да абсорбират метали е около 25% по-висока за Pb2+, отколкото за Ni2+.
( а ) Резултати от XRF за базално поглъщане на Nb от клетки от зелени микроводорасли, инкубирани при екстремна концентрация на SL Nb-MXenes (100 mg L-1) в продължение на 72 часа.Резултатите показват наличието на α в чисти клетки от микроводорасли (контролна проба, сиви колони), 2D нанолюспи, изолирани от повърхностни клетки от микроводорасли (сини колони), и клетки от микроводорасли след отделяне на 2D нанолюспи от повърхността (червени колони).Количеството елементарен Nb, ( b ) процент на химичния състав на органичните компоненти на микроводораслите (C=O и CHx/C–O) и Nb оксидите, присъстващи в клетките на микроводораслите след инкубация с SL Nb-MXenes, (c–e) Напасване на композиционния пик на XPS SL Nb2CTx спектри и (fh) SL Nb4C3Tx MXene, интернализиран от клетки на микроводорасли.
Следователно очаквахме, че Nb може да се абсорбира от клетките на водораслите под формата на оксиди.За да тестваме това, направихме XPS изследвания на MXenes Nb2CTx и Nb4C3TX и клетки от водорасли.Резултатите от взаимодействието на микроводорасли с Nb-MXenes и MXenes, изолирани от клетки на водорасли, са показани на Фиг.5б.Както се очакваше, открихме пикове на Nb 3d в пробите от микроводорасли след отстраняване на MXene от повърхността на микроводораслите.Количественото определяне на C=O, CHx/CO и Nb оксиди беше изчислено въз основа на спектрите на Nb 3d, O 1s и C 1s, получени с Nb2CTx SL (фиг. 5c–e) и Nb4C3Tx SL (фиг. 5c–e).), получени от инкубирани микроводорасли.Фигура 5f–h) MXenes.Таблица S1-3 показва подробностите за пиковите параметри и общата химия, произтичащи от напасването.Трябва да се отбележи, че Nb 3d регионите на Nb2CTx SL и Nb4C3Tx SL (фиг. 5c, f) съответстват на един Nb2O5 компонент.Тук не открихме пикове, свързани с MXene в спектрите, което показва, че клетките на микроводораслите абсорбират само оксидната форма на Nb.В допълнение, ние апроксимирахме спектъра на C 1 s с компонентите C–C, CHx/C–O, C=O и –COOH.Ние присвоихме пиковете CHx/C–O и C=O на органичния принос на клетките от микроводорасли.Тези органични компоненти представляват 36% и 41% от C 1s пиковете в Nb2CTx SL и Nb4C3TX SL, съответно.След това монтирахме O 1s спектрите на SL Nb2CTx и SL Nb4C3TX с Nb2O5, органични компоненти на микроводорасли (CHx/CO) и повърхностно адсорбирана вода.
И накрая, резултатите от XPS ясно показват формата на Nb, а не само неговото присъствие.Според позицията на Nb 3d сигнала и резултатите от деконволюцията, ние потвърждаваме, че Nb се абсорбира само под формата на оксиди, а не йони или самия MXene.В допълнение, резултатите от XPS показват, че клетките от микроводорасли имат по-голяма способност да усвояват Nb оксиди от SL Nb2CTx в сравнение със SL Nb4C3TX MXene.
Докато нашите резултати за усвояване на Nb са впечатляващи и ни позволяват да идентифицираме разграждането на MXene, няма наличен метод за проследяване на свързаните морфологични промени в 2D нанолюспи.Ето защо ние също решихме да разработим подходящ метод, който може директно да реагира на всякакви промени, настъпващи в 2D Nb-MXene нанолюспи и клетки от микроводорасли.Важно е да се отбележи, че приемаме, че ако взаимодействащите видове претърпят някаква трансформация, разлагане или дефрагментиране, това трябва бързо да се прояви като промени в параметрите на формата, като диаметър на еквивалентната кръгла област, закръгленост, ширина на Feret или дължина на Feret.Тъй като тези параметри са подходящи за описване на удължени частици или двуизмерни нанолюспи, тяхното проследяване чрез динамичен анализ на формата на частиците ще ни даде ценна информация за морфологичната трансформация на SL Nb-MXene нанофлейки по време на редукция.
Получените резултати са показани на Фигура 6. За сравнение тествахме и оригиналната MAX фаза и ML-MXenes (вижте SI фигури S18 и S19).Динамичният анализ на формата на частиците показа, че всички параметри на формата на два Nb-MXene SL се променят значително след взаимодействие с микроводорасли.Както е показано от параметъра на диаметъра на еквивалентната кръгова площ (фиг. 6a, b), намаленият пиков интензитет на фракцията от големи нанолюспи показва, че те са склонни да се разпадат на по-малки фрагменти.На фиг.6c, d показва намаляване на пиковете, свързани с напречния размер на люспите (удължаване на нанофлейките), което показва трансформацията на 2D нанофлейките в по-подобна на частици форма.Фигура 6e-h, показваща съответно ширината и дължината на Feret.Ширината и дължината на пор са допълващи се параметри и следователно трябва да се разглеждат заедно.След инкубиране на 2D Nb-MXene нанолюспи в присъствието на микроводорасли, техните корелационни пикове на Feret се изместват и интензивността им намалява.Въз основа на тези резултати в комбинация с морфология, XRF и XPS, ние заключихме, че наблюдаваните промени са силно свързани с окислението, тъй като окислените MXenes стават по-набръчкани и се разпадат на фрагменти и сферични оксидни частици69,70.
Анализ на трансформацията на MXene след взаимодействие със зелени микроводорасли.Динамичният анализ на формата на частиците взема предвид такива параметри като (a, b) диаметър на еквивалентната кръгова площ, (c, d) закръгленост, (e, f) ширина на пор и (g, h) дължина на пор.За тази цел бяха анализирани две референтни проби от микроводорасли заедно с първични SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXenes, разградени микроводорасли и третирани микроводорасли SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXenes.Червените стрелки показват преходите на параметрите на формата на изследваните двуизмерни нанолюспи.
Тъй като анализът на параметрите на формата е много надежден, той може също да разкрие морфологични промени в клетките на микроводораслите.Следователно, ние анализирахме еквивалентния диаметър на кръглата област, заоблеността и ширината/дължината на Feret на чисти клетки от микроводорасли и клетки след взаимодействие с 2D Nb нанолюспи.На фиг.6a-h показват промени в параметрите на формата на клетките на водораслите, както се вижда от намаляване на интензитета на пика и изместване на максимумите към по-високи стойности.По-специално, параметрите на клетъчната закръгленост показват намаляване на удължените клетки и увеличаване на сферичните клетки (фиг. 6а, b).В допълнение, ширината на клетката на Feret се увеличава с няколко микрометра след взаимодействие със SL Nb2CTx MXene (фиг. 6e) в сравнение със SL Nb4C3TX MXene (фиг. 6f).Подозираме, че това може да се дължи на силното поглъщане на Nb оксиди от микроводорасли при взаимодействие с Nb2CTx SR.По-малко твърдото прикрепване на Nb люспи към тяхната повърхност може да доведе до клетъчен растеж с минимален ефект на засенчване.
Нашите наблюдения върху промените в параметрите на формата и размера на микроводораслите допълват други изследвания.Зелените микроводорасли могат да променят своята морфология в отговор на стреса от околната среда чрез промяна на размера, формата или метаболизма на клетката61.Например, промяната на размера на клетките улеснява усвояването на хранителни вещества71.По-малките клетки от водорасли показват по-ниско усвояване на хранителни вещества и нарушена скорост на растеж.Обратно, по-големите клетки са склонни да консумират повече хранителни вещества, които след това се отлагат вътреклетъчно72,73.Мачадо и Соарес установиха, че фунгицидът триклозан може да увеличи размера на клетките.Те също откриха дълбоки промени във формата на водораслите74.В допълнение, Yin et al.9 също разкри морфологични промени във водораслите след излагане на редуцирани нанокомпозити от графенов оксид.Следователно е ясно, че променените параметри на размера/формата на микроводораслите са причинени от присъствието на MXene.Тъй като тази промяна в размера и формата е показателна за промени в усвояването на хранителни вещества, ние вярваме, че анализът на параметрите на размера и формата във времето може да демонстрира усвояването на ниобиев оксид от микроводорасли в присъствието на Nb-MXenes.
Освен това, MXenes могат да бъдат окислени в присъствието на водорасли.Dalai et al.75 наблюдава, че морфологията на зелените водорасли, изложени на нано-TiO2 и Al2O376, не е еднаква.Въпреки че нашите наблюдения са подобни на настоящото изследване, то е от значение само за изследването на ефектите от биоремедиацията по отношение на продуктите на разграждане на MXene в присъствието на 2D нанолюспи, а не на наночастици.Тъй като MXenes могат да се разградят в метални оксиди, 31, 32, 77, 78 е разумно да се предположи, че нашите Nb нанолюспи също могат да образуват Nb оксиди след взаимодействие с клетки от микроводорасли.
За да обясним редуцирането на 2D-Nb нанолюспи чрез механизъм на разлагане, базиран на процеса на окисляване, ние проведохме проучвания, използвайки трансмисионна електронна микроскопия с висока разделителна способност (HRTEM) (Фиг. 7a, b) и рентгенова фотоелектронна спектроскопия (XPS) (Фиг. 7).7c-i и таблици S4-5).И двата подхода са подходящи за изследване на окисляването на 2D материали и се допълват взаимно.HRTEM е в състояние да анализира разграждането на двуизмерни слоести структури и последващата поява на наночастици от метален оксид, докато XPS е чувствителен към повърхностни връзки.За тази цел тествахме 2D Nb-MXene нанолюспи, извлечени от клетъчни дисперсии на микроводорасли, тоест тяхната форма след взаимодействие с клетки от микроводорасли (виж Фиг. 7).
HRTEM изображения, показващи морфологията на окислени (a) SL Nb2CTx и (b) SL Nb4C3Tx MXenes, резултати от XPS анализ, показващи (c) състава на оксидните продукти след редукция, (d–f) съвпадение на пикове на компонентите на XPS спектрите на SL Nb2CTx и (g– i) Nb4C3Tx SL, ремонтирани със зелени микроводорасли.
Изследванията на HRTEM потвърдиха окисляването на два вида нанолюспи Nb-MXene.Въпреки че нанофлейките запазиха своята двуизмерна морфология до известна степен, окислението доведе до появата на много наночастици, покриващи повърхността на нанофлейките MXene (виж Фиг. 7a, b).XPS анализ на c Nb 3d и O 1s сигнали показва, че и в двата случая са образувани Nb оксиди.Както е показано на фигура 7c, 2D MXene Nb2CTx и Nb4C3TX имат Nb 3d сигнали, показващи наличието на NbO и Nb2O5 оксиди, докато O 1s сигналите показват броя на O–Nb връзките, свързани с функционализирането на 2D повърхността на нанолюспите.Забелязахме, че приносът на Nb оксид е доминиращ в сравнение с Nb-C и Nb3+-O.
На фиг.Фигури 7g–i показват XPS спектрите на Nb 3d, C 1s и O 1s SL Nb2CTx (вижте Фигури 7d–f) и SL Nb4C3TX MXene, изолирани от клетки на микроводорасли.Подробности за пиковите параметри на Nb-MXenes са предоставени съответно в таблици S4–5.Първо анализирахме състава на Nb 3d.За разлика от Nb, абсорбиран от клетки на микроводорасли, в MXene, изолиран от клетки на микроводорасли, освен Nb2O5, са открити и други компоненти.В Nb2CTx SL наблюдавахме приноса на Nb3+-O в размер на 15%, докато останалата част от спектъра на Nb 3d беше доминирана от Nb2O5 (85%).В допълнение, пробата SL Nb4C3TX съдържа Nb-C (9%) и Nb2O5 (91%) компоненти.Тук Nb-C идва от два вътрешни атомни слоя метален карбид в Nb4C3Tx SR.След това картографираме C 1s спектрите към четири различни компонента, както направихме в интернализираните проби.Както се очаква, спектърът на C 1s е доминиран от графитен въглерод, последван от принос от органични частици (CHx/CO и C=O) от клетки на микроводорасли.В допълнение, в спектъра на O 1s наблюдавахме приноса на органични форми на клетки от микроводорасли, ниобиев оксид и адсорбирана вода.
В допълнение, ние изследвахме дали разцепването на Nb-MXenes е свързано с наличието на реактивни кислородни видове (ROS) в хранителната среда и / или клетките на микроводораслите.За тази цел ние оценихме нивата на синглетния кислород (1O2) в културалната среда и вътреклетъчния глутатион, тиол, който действа като антиоксидант в микроводораслите.Резултатите са показани в SI (фигури S20 и S21).Културите със SL Nb2CTx и Nb4C3TX MXenes се характеризират с намалено количество 1O2 (вижте Фигура S20).В случая на SL Nb2CTx, MXene 1O2 се редуцира до около 83%.За култури от микроводорасли, използващи SL, Nb4C3TX 1O2 намалява още повече, до 73%.Интересно е, че промените в 1O2 показват същата тенденция като наблюдавания преди това инхибиторно-стимулиращ ефект (виж Фиг. 3).Може да се твърди, че инкубацията при ярка светлина може да промени фотоокислението.Резултатите от контролния анализ обаче показаха почти постоянни нива на 1O2 по време на експеримента (фиг. S22).В случай на вътреклетъчни нива на ROS, ние също наблюдавахме същата низходяща тенденция (вижте Фигура S21).Първоначално нивата на ROS в клетки от микроводорасли, култивирани в присъствието на Nb2CTx и Nb4C3Tx SL, надвишават нивата, открити в чисти култури от микроводорасли.В крайна сметка обаче се оказа, че микроводораслите се адаптират към присъствието и на двата Nb-MXenes, тъй като нивата на ROS намаляват до 85% и 91% от нивата, измерени в чисти култури от микроводорасли, инокулирани съответно със SL Nb2CTx и Nb4C3TX.Това може да означава, че микроводораслите се чувстват по-комфортно с течение на времето в присъствието на Nb-MXene, отколкото само в хранителна среда.
Микроводораслите са разнообразна група фотосинтезиращи организми.По време на фотосинтезата те превръщат атмосферния въглероден диоксид (CO2) в органичен въглерод.Продуктите на фотосинтезата са глюкоза и кислород79.Подозираме, че така образуваният кислород играе критична роля в окисляването на Nb-MXenes.Едно възможно обяснение за това е, че параметърът на диференциалната аерация се формира при ниско и високо парциално налягане на кислород извън и вътре в нанолюспите Nb-MXene.Това означава, че навсякъде, където има зони с различни парциални налягания на кислород, областта с най-ниско ниво ще образува анода 80, 81, 82. Тук микроводораслите допринасят за създаването на различно аерирани клетки на повърхността на люспите MXene, които произвеждат кислород поради своите фотосинтетични свойства.В резултат на това се образуват продукти на биокорозия (в случая ниобиеви оксиди).Друг аспект е, че микроводораслите могат да произвеждат органични киселини, които се отделят във водата83,84.Следователно се образува агресивна среда, като по този начин се променят Nb-MXenes.В допълнение, микроводораслите могат да променят pH на околната среда до алкално поради абсорбцията на въглероден диоксид, което също може да причини корозия79.
По-важното е, че тъмният/светлият фотопериод, използван в нашето изследване, е от решаващо значение за разбирането на получените резултати.Този аспект е описан подробно в Djemai-Zoghlache et al.85 Те умишлено са използвали фотопериод от 12/12 часа, за да демонстрират биокорозия, свързана с биозамразяване от червените микроводорасли Porphyridium purpureum.Те показват, че фотопериодът е свързан с еволюцията на потенциала без биокорозия, проявяваща се като псевдопериодични колебания около 24:00 часа.Тези наблюдения бяха потвърдени от Dowling et al.86 Те демонстрираха фотосинтетични биофилми на цианобактерии Anabaena.Разтвореният кислород се образува под действието на светлината, което е свързано с промяна или колебания в свободния биокорозионен потенциал.Значението на фотопериода се подчертава от факта, че свободният потенциал за биокорозия се увеличава в светлата фаза и намалява в тъмната фаза.Това се дължи на кислорода, произведен от фотосинтезиращи микроводорасли, който влияе върху катодната реакция чрез парциалното налягане, генерирано близо до електродите87.
В допълнение беше извършена инфрачервена спектроскопия с преобразуване на Фурие (FTIR), за да се установи дали са настъпили промени в химичния състав на клетките на микроводораслите след взаимодействие с Nb-MXenes.Тези получени резултати са сложни и ние ги представяме в SI (фигури S23-S25, включително резултатите от етапа MAX и ML MXenes).Накратко, получените референтни спектри на микроводораслите ни предоставят важна информация за химичните характеристики на тези организми.Тези най-вероятни вибрации се намират при честоти от 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.един.1 1 (C–H) и 3280 cm–1 (O–H).За SL Nb-MXenes открихме сигнатура за разтягане на CH-връзка, която е в съответствие с предишното ни проучване38.Въпреки това, ние наблюдавахме, че някои допълнителни пикове, свързани с C=C и CH връзки, изчезнаха.Това показва, че химическият състав на микроводораслите може да претърпи незначителни промени поради взаимодействие със SL Nb-MXenes.
Когато се разглеждат възможни промени в биохимията на микроводораслите, натрупването на неорганични оксиди, като ниобиев оксид, трябва да бъде преразгледано59.Той участва в усвояването на метали от клетъчната повърхност, транспортирането им в цитоплазмата, свързването им с вътреклетъчните карбоксилни групи и натрупването им в полифосфосомите на микроводораслите 20,88,89,90.В допълнение, връзката между микроводораслите и металите се поддържа от функционални групи клетки.Поради тази причина абсорбцията също зависи от повърхностната химия на микроводораслите, която е доста сложна9,91.Като цяло, както се очаква, химичният състав на зелените микроводорасли се променя леко поради абсорбцията на Nb оксид.
Интересното е, че наблюдаваното първоначално инхибиране на микроводораслите е обратимо с течение на времето.Както наблюдавахме, микроводораслите преодоляха първоначалната промяна на околната среда и в крайна сметка се върнаха към нормалните темпове на растеж и дори се увеличиха.Изследванията на зета потенциала показват висока стабилност при въвеждане в хранителни среди.По този начин повърхностното взаимодействие между клетките на микроводораслите и нанолюспите Nb-MXene се поддържа по време на експериментите за редукция.В нашия по-нататъшен анализ ние обобщаваме основните механизми на действие, лежащи в основата на това забележително поведение на микроводораслите.
SEM наблюденията показват, че микроводораслите са склонни да се прикрепят към Nb-MXenes.Използвайки динамичен анализ на изображението, ние потвърждаваме, че този ефект води до трансформирането на двумерни нанофлейки на Nb-MXene в по-сферични частици, като по този начин демонстрира, че разлагането на нанофлейките е свързано с тяхното окисляване.За да проверим нашата хипотеза, проведохме серия от материални и биохимични изследвания.След тестването нанолюспите постепенно се окисляват и се разлагат на продукти NbO и Nb2O5, които не представляват заплаха за зелените микроводорасли.Използвайки FTIR наблюдение, не открихме значителни промени в химическия състав на микроводораслите, инкубирани в присъствието на 2D Nb-MXene нанолюспи.Като се има предвид възможността за абсорбция на ниобиев оксид от микроводорасли, направихме рентгенофлуоресцентен анализ.Тези резултати ясно показват, че изследваните микроводорасли се хранят с ниобиеви оксиди (NbO и Nb2O5), които не са токсични за изследваните микроводорасли.