Děkujeme za návštěvu webu Nature.com. Používáte verzi prohlížeče s omezenou podporou CSS. Pro dosažení nejlepšího zážitku doporučujeme používat aktualizovaný prohlížeč (nebo v prohlížeči Internet Explorer vypnout režim kompatibility). Mezitím budeme web vykreslovat bez stylů a JavaScriptu, abychom zajistili jeho nepřetržitou podporu.
Zobrazí karusel se třemi snímky najednou. Pomocí tlačítek Předchozí a Další můžete procházet tři snímky najednou nebo pomocí posuvníků na konci můžete procházet tři snímky najednou.
Rychlý rozvoj nanotechnologií a jejich integrace do každodenních aplikací může ohrozit životní prostředí. Zatímco zelené metody degradace organických kontaminantů jsou dobře zavedené, regenerace anorganických krystalických kontaminantů je velkým problémem kvůli jejich nízké citlivosti na biotransformaci a nedostatečnému pochopení interakcí povrchu materiálů s biologickými. V této studii používáme anorganický 2D model MXenes na bázi Nb v kombinaci s jednoduchou metodou analýzy tvarových parametrů ke sledování mechanismu bioremediace 2D keramických nanomateriálů zelenou mikrořasou Raphidocelis subcapitata. Zjistili jsme, že mikrořasy degradují MXeny na bázi Nb v důsledku fyzikálně-chemických interakcí souvisejících s povrchem. Zpočátku byly k povrchu mikrořas připojeny jednovrstvé a vícevrstvé nanovločky MXene, což poněkud snížilo růst řas. Při delší interakci s povrchem však mikrořasy nanovločky MXene oxidovaly a dále je rozkládaly na NbO a Nb2O5. Protože tyto oxidy nejsou toxické pro buňky mikrořas, konzumují nanočástice oxidu Nb absorpčním mechanismem, který po 72 hodinách úpravy vody dále obnovuje mikrořasy. Účinky živin spojených s absorpcí se také odrážejí ve zvětšení objemu buněk, jejich hladkém tvaru a změně rychlosti růstu. Na základě těchto zjištění docházíme k závěru, že krátkodobá a dlouhodobá přítomnost MXenů na bázi Nb ve sladkovodních ekosystémech může mít pouze malé dopady na životní prostředí. Je pozoruhodné, že s použitím dvourozměrných nanomateriálů jako modelových systémů demonstrujeme možnost sledování transformace tvaru i v jemnozrnných materiálech. Celkově tato studie odpovídá na důležitou základní otázku o procesech souvisejících s povrchovou interakcí, které řídí mechanismus bioremediace 2D nanomateriálů, a poskytuje základ pro další krátkodobé a dlouhodobé studie dopadu anorganických krystalických nanomateriálů na životní prostředí.
Nanomateriály od svého objevení vzbudily velký zájem a různé nanotechnologie nedávno vstoupily do fáze modernizace1. Integrace nanomateriálů do každodenních aplikací bohužel může vést k náhodnému úniku v důsledku nesprávné likvidace, neopatrného zacházení nebo nedostatečné bezpečnostní infrastruktury. Proto je rozumné předpokládat, že nanomateriály, včetně dvourozměrných (2D) nanomateriálů, mohou být uvolňovány do přírodního prostředí, jejichž chování a biologická aktivita dosud nejsou plně pochopeny. Není proto divu, že se obavy z ekotoxicity zaměřily na schopnost 2D nanomateriálů pronikat do vodních systémů2,3,4,5,6. V těchto ekosystémech mohou některé 2D nanomateriály interagovat s různými organismy na různých trofických úrovních, včetně mikrořas.
Mikrořasy jsou primitivní organismy, které se přirozeně vyskytují ve sladkovodních a mořských ekosystémech a produkují řadu chemických produktů prostřednictvím fotosyntézy7. Jako takové jsou pro vodní ekosystémy zásadní8,9,10,11,12, ale jsou také citlivými, levnými a široce používanými indikátory ekotoxicity13,14. Vzhledem k tomu, že se buňky mikrořas rychle množí a rychle reagují na přítomnost různých sloučenin, jsou slibné pro vývoj ekologicky šetrných metod čištění vody kontaminované organickými látkami15,16.
Buňky řas mohou odstraňovat anorganické ionty z vody biosorpcí a akumulací17,18. Některé druhy řas, jako například Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue a Synechococcus sp., byly zjištěny jako nosiče a dokonce i živiny toxických kovových iontů, jako je Fe2+, Cu2+, Zn2+ a Mn2+19. Jiné studie ukázaly, že ionty Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ nebo Pb2+ omezují růst druhu Scenedesmus změnou buněčné morfologie a ničením jejich chloroplastů20,21.
Zelené metody rozkladu organických polutantů a odstraňování iontů těžkých kovů přitahují pozornost vědců a inženýrů po celém světě. To je dáno především tím, že tyto kontaminanty se snadno zpracovávají v kapalné fázi. Anorganické krystalické polutanty se však vyznačují nízkou rozpustností ve vodě a nízkou náchylností k různým biotransformacím, což způsobuje velké obtíže při sanaci, a v této oblasti bylo dosaženo jen malého pokroku22,23,24,25,26. Hledání ekologicky šetrných řešení pro opravu nanomateriálů tak zůstává složitou a neprozkoumanou oblastí. Vzhledem k vysoké míře nejistoty ohledně biotransformačních účinků 2D nanomateriálů neexistuje snadný způsob, jak zjistit možné cesty jejich degradace během redukce.
V této studii jsme použili zelené mikrořasy jako aktivní vodné bioremediační činidlo pro anorganické keramické materiály v kombinaci s in situ monitorováním procesu degradace MXene jakožto reprezentativního anorganického keramického materiálu. Termín „MXene“ odráží stechiometrii materiálu Mn+1XnTx, kde M je raný přechodný kov, X je uhlík a/nebo dusík, Tx je povrchový terminátor (např. -OH, -F, -Cl) a n = 1, 2, 3 nebo 427,28. Od objevu MXenů Naguibem a kol. Sensorika, terapie rakoviny a membránová filtrace 27,29,30. Kromě toho lze MXene považovat za modelové 2D systémy díky jejich vynikající koloidní stabilitě a možným biologickým interakcím 31,32,33,34,35,36.
Metodologie vyvinutá v tomto článku a naše výzkumné hypotézy jsou proto znázorněny na obrázku 1. Podle této hypotézy mikrořasy degradují MXeny na bázi Nb na netoxické sloučeniny v důsledku fyzikálně-chemických interakcí na povrchu, což umožňuje další regeneraci řas. Pro ověření této hypotézy byli vybráni dva členové rodiny raných karbidů a/nebo nitridů přechodných kovů (MXeny) na bázi niobu, a to Nb2CTx a Nb4C3TX.
Metodologie výzkumu a hypotézy založené na důkazech pro regeneraci MXene zelenými mikrořasami Raphidocelis subcapitata. Upozorňujeme, že se jedná pouze o schematické znázornění předpokladů založených na důkazech. Prostředí jezera se liší použitým živným médiem a podmínkami (např. denním cyklem a omezeními dostupných esenciálních živin). Vytvořeno pomocí BioRender.com.
Použitím MXene jako modelového systému jsme tedy otevřeli dveře ke studiu různých biologických účinků, které nelze pozorovat u jiných konvenčních nanomateriálů. Zejména demonstrujeme možnost bioremediace dvourozměrných nanomateriálů, jako jsou MXeny na bázi niobu, pomocí mikrořas Raphidocelis subcapitata. Mikrořasy jsou schopny degradovat Nb-MXeny na netoxické oxidy NbO a Nb2O5, které také poskytují živiny prostřednictvím mechanismu absorpce niobu. Celkově tato studie odpovídá na důležitou základní otázku o procesech spojených s povrchovými fyzikálně-chemickými interakcemi, které řídí mechanismy bioremediace dvourozměrných nanomateriálů. Kromě toho vyvíjíme jednoduchou metodu založenou na parametrech tvaru pro sledování jemných změn tvaru 2D nanomateriálů. To inspiruje další krátkodobý i dlouhodobý výzkum různých dopadů anorganických krystalických nanomateriálů na životní prostředí. Naše studie tak prohlubuje pochopení interakce mezi povrchem materiálu a biologickým materiálem. Také poskytujeme základ pro rozšířené krátkodobé a dlouhodobé studie jejich možných dopadů na sladkovodní ekosystémy, které lze nyní snadno ověřit.
MXeny představují zajímavou třídu materiálů s unikátními a atraktivními fyzikálními a chemickými vlastnostmi, a proto mají mnoho potenciálních aplikací. Tyto vlastnosti do značné míry závisí na jejich stechiometrii a povrchové chemii. Proto jsme v naší studii zkoumali dva typy hierarchických jednovrstvých (SL) MXenů na bázi Nb, Nb2CTx a Nb4C3TX, protože u těchto nanomateriálů bylo možné pozorovat různé biologické účinky. MXeny se vyrábějí z výchozích materiálů selektivním leptáním shora dolů atomově tenkých vrstev A fáze MAX. Fáze MAX je ternární keramika složená z „vázaných“ bloků karbidů přechodných kovů a tenkých vrstev prvků „A“, jako jsou Al, Si a Sn, se stechiometrií MnAXn-1. Morfologie počáteční fáze MAX byla pozorována pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM) a byla v souladu s předchozími studiemi (viz doplňkové informace, SI, obrázek S1). Vícevrstvý (ML) Nb-MXen byl získán po odstranění vrstvy Al pomocí 48% HF (kyseliny fluorovodíkové). Morfologie ML-Nb2CTx a ML-Nb4C3TX byla zkoumána pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM) (obrázky S1c a S1d) a byla pozorována typická vrstevnatá morfologie MXenu, podobná dvourozměrným nanovločkám procházejícím protáhlými pórovitým štěrbinami. Oba Nb-MXeny mají mnoho společného s fázemi MXenu dříve syntetizovanými leptáním kyselinou27,38. Po potvrzení struktury MXenu jsme jej vrstvili interkalací tetrabutylamonného hydroxidu (TBAOH) s následným promytím a sonikací, načež jsme získali jednovrstvé nebo nízkovrstvé (SL) 2D nanovločky Nb-MXenu.
K testování účinnosti leptání a dalšího odlupování jsme použili transmisní elektronovou mikroskopii s vysokým rozlišením (HRTEM) a rentgenovou difrakci (XRD). Výsledky HRTEM zpracované pomocí inverzní rychlé Fourierovy transformace (IFFT) a rychlé Fourierovy transformace (FFT) jsou znázorněny na Obr. 2. Nanočástice Nb-MXene byly orientovány hranou nahoru, aby se ověřila struktura atomové vrstvy a změřily mezirovinné vzdálenosti. Snímky HRTEM nanočástic MXene Nb2CTx a Nb4C3TX odhalily jejich atomově tenkou vrstevnatou povahu (viz Obr. 2a1, a2), jak dříve popsali Naguib a kol.27 a Jastrzębska a kol.38. Pro dvě sousední monovrstvy Nb2CTx a Nb4C3Tx jsme stanovili mezivrstvé vzdálenosti 0,74 a 1,54 nm (Obr. 2b1, b2), což také souhlasí s našimi předchozími výsledky38. Toto bylo dále potvrzeno inverzní rychlou Fourierovou transformací (obr. 2c1, c2) a rychlou Fourierovou transformací (obr. 2d1, d2) znázorňující vzdálenost mezi monovrstvami Nb2CTx a Nb4C3Tx. Obrázek ukazuje střídání světlých a tmavých pásů odpovídajících atomům niobu a uhlíku, což potvrzuje vrstevnatou povahu studovaných MXenů. Je důležité poznamenat, že spektra energeticky disperzní rentgenové spektroskopie (EDX) získaná pro Nb2CTx a Nb4C3Tx (obrázky S2a a S2b) nevykazovala žádné zbytky původní fáze MAX, protože nebyl detekován žádný pík Al.
Charakterizace nanovloček SL Nb2CTx a Nb4C3Tx MXene, včetně (a) bočního 2D zobrazování nanovloček pomocí elektronové mikroskopie s vysokým rozlišením (HRTEM) a odpovídajícího, (b) intenzivního režimu, (c) inverzní rychlé Fourierovy transformace (IFFT), (d) rychlé Fourierovy transformace (FFT), (e) rentgenových obrazců Nb-MXenes. Pro SL 2D Nb2CTx jsou čísla vyjádřena jako (a1, b1, c1, d1, e1). Pro SL 2D Nb4C3Tx jsou čísla vyjádřena jako (a2, b2, c2, d2, e1).
Rentgenová difrakční měření SL Nb2CTx a Nb4C3Tx MXenů jsou znázorněna na obr. 2e1 a e2. Vrcholy (002) při 4,31 a 4,32 odpovídají dříve popsaným vrstevnatým MXenům Nb2CTx a Nb4C3TX38,39,40,41. Výsledky XRD také naznačují přítomnost některých zbytkových ML struktur a MAX fází, ale většinou rentgenových difrakčních obrazců spojených s SL Nb4C3Tx (obr. 2e2). Přítomnost menších částic MAX fáze může vysvětlovat silnější pík MAX ve srovnání s náhodně naskládanými vrstvami Nb4C3Tx.
Další výzkum se zaměřil na zelené mikrořasy patřící k druhu R. subcapitata. Mikrořasy jsme zvolili, protože jsou důležitými producenty zapojenými do hlavních potravních řetězců42. Jsou také jedním z nejlepších indikátorů toxicity díky schopnosti odstraňovat toxické látky, které jsou přenášeny do vyšších úrovní potravního řetězce43. Výzkum R. subcapitata by navíc mohl osvětlit náhodnou toxicitu SL Nb-MXenů pro běžné sladkovodní mikroorganismy. Pro ilustraci tohoto faktu vědci vyslovili hypotézu, že každý mikrob má jinou citlivost na toxické sloučeniny přítomné v prostředí. U většiny organismů nízké koncentrace látek neovlivňují jejich růst, zatímco koncentrace nad určitou hranicí je mohou inhibovat nebo dokonce způsobit smrt. Proto jsme se pro naše studie povrchové interakce mezi mikrořasami a MXeny a související regenerace rozhodli testovat neškodné a toxické koncentrace Nb-MXenů. Za tímto účelem jsme testovali koncentrace 0 (jako reference), 0,01, 0,1 a 10 mg l-1 MXene a navíc jsme infikovali mikrořasy velmi vysokými koncentracemi MXene (100 mg l-1 MXene), které mohou být extrémní a smrtelné pro jakékoli biologické prostředí.
Účinky SL Nb-MXenes na mikrořasy jsou znázorněny na obrázku 3, vyjádřené jako procento podpory růstu (+) nebo inhibice (-) měřené pro vzorky o koncentraci 0 mg l-1. Pro srovnání byly testovány také fáze Nb-MAX a ML Nb-MXenes a výsledky jsou uvedeny v SI (viz obr. S3). Získané výsledky potvrdily, že SL Nb-MXenes je téměř zcela prostý toxicity v rozsahu nízkých koncentrací od 0,01 do 10 mg/l, jak je znázorněno na obr. 3a,b. V případě Nb2CTx jsme v uvedeném rozsahu pozorovali nejvýše 5% ekotoxicitu.
Stimulace (+) nebo inhibice (-) růstu mikrořas v přítomnosti SL (a) Nb2CTx a (b) Nb4C3TX MXene. Byla analyzována interakce MXene s mikrořasami po 24, 48 a 72 hodinách. Signifikantní data (t-test, p < 0,05) byla označena hvězdičkou (*). Signifikantní data (t-test, p < 0,05) byla označena hvězdičkou (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Signifikantní data (t-test, p < 0,05) jsou označena hvězdičkou (*).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。 Важные данные (t-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Důležité údaje (t-test, p < 0,05) jsou označeny hvězdičkou (*).Červené šipky označují zrušení inhibiční stimulace.
Na druhou stranu se ukázalo, že nízké koncentrace Nb4C3TX jsou o něco toxičtější, ale ne vyšší než 7 %. Jak se očekávalo, pozorovali jsme, že MXeny měly vyšší toxicitu a inhibici růstu mikrořas při 100 mg L-1. Je zajímavé, že žádný z materiálů nevykazoval stejný trend a časovou závislost atoxických/toxických účinků ve srovnání se vzorky MAX nebo ML (podrobnosti viz SI). Zatímco pro fázi MAX (viz obr. S3) dosáhla toxicita přibližně 15–25 % a s časem se zvyšovala, u SL Nb2CTx a Nb4C3TX MXene byl pozorován opačný trend. Inhibice růstu mikrořas se v průběhu času snižovala. Po 24 hodinách dosáhla přibližně 17 % a po 72 hodinách klesla na méně než 5 % (obr. 3a, b).
Ještě důležitější je, že u SL Nb4C3TX dosáhla inhibice růstu mikrořas po 24 hodinách přibližně 27 %, ale po 72 hodinách klesla na přibližně 1 %. Pozorovaný účinek jsme proto označili jako inverzní inhibici stimulace a u SL Nb4C3TX MXene byl tento účinek silnější. Stimulace růstu mikrořas byla dříve zaznamenána u Nb4C3TX (interakce při 10 mg L-1 po dobu 24 hodin) ve srovnání s SL Nb2CTx MXene. Reverzní inhibičně-stimulační účinek byl také dobře znázorněn na křivce rychlosti zdvojnásobení biomasy (podrobnosti viz obr. S4). Dosud byla různými způsoby studována pouze ekotoxicita Ti3C2TX MXene. Není toxický pro embrya zebřiček44, ale je mírně ekotoxický pro rostliny mikrořas Desmodesmus quadricauda a Sorghum saccharatum45. Dalšími příklady specifických účinků je vyšší toxicita pro rakovinné buněčné linie než pro normální buněčné linie46,47. Dalo by se předpokládat, že testovací podmínky ovlivní změny v růstu mikrořas pozorované v přítomnosti Nb-MXenů. Například pH asi 8 ve stromatu chloroplastů je optimální pro efektivní fungování enzymu RuBisCO. Změny pH proto negativně ovlivňují rychlost fotosyntézy48,49. Během experimentu jsme však nepozorovali významné změny pH (podrobnosti viz SI, obr. S5). Obecně platí, že kultury mikrořas s Nb-MXeny v průběhu času mírně snižovaly pH roztoku. Tento pokles však byl podobný změně pH čistého média. Rozsah zjištěných variací byl navíc podobný rozsahu naměřenému u čisté kultury mikrořas (kontrolní vzorek). Došli jsme tedy k závěru, že fotosyntéza není ovlivněna změnami pH v průběhu času.
Syntetizované MXeny mají navíc povrchové zakončení (označené jako Tx). Jedná se především o funkční skupiny -O, -F a -OH. Chemie povrchu však přímo souvisí s metodou syntézy. Je známo, že tyto skupiny jsou po povrchu náhodně rozloženy, což ztěžuje předpověď jejich vlivu na vlastnosti MXenu50. Lze tvrdit, že Tx by mohl být katalytickou silou pro oxidaci niobu světlem. Povrchové funkční skupiny skutečně poskytují více kotevních míst pro své podkladové fotokatalyzátory za vzniku heterojunkcí51. Složení růstového média však neposkytlo účinný fotokatalyzátor (podrobné složení média lze nalézt v tabulce SI S6). Kromě toho je velmi důležitá i jakákoli modifikace povrchu, protože biologická aktivita MXenů může být změněna v důsledku následného zpracování vrstev, oxidace, chemické modifikace povrchu organických a anorganických sloučenin52,53,54,55,56 nebo inženýrství povrchového náboje38. Abychom proto otestovali, zda má oxid niobu nějakou souvislost s nestabilitou materiálu v médiu, provedli jsme studie zeta (ζ) potenciálu v růstovém médiu pro mikrořasy a deionizované vodě (pro srovnání). Naše výsledky ukazují, že SL Nb-MXeny jsou poměrně stabilní (viz obr. S6 v SI pro výsledky MAX a ML). Zeta potenciál SL MXenů je přibližně -10 mV. V případě SR Nb2CTx je hodnota ζ poněkud negativnější než u Nb4C3Tx. Taková změna hodnoty ζ může naznačovat, že povrch negativně nabitých nanovloček MXenu absorbuje kladně nabité ionty z kultivačního média. Časová měření zeta potenciálu a vodivosti Nb-MXenů v kultivačním médiu (viz obrázky S7 a S8 v SI pro více informací) naši hypotézu zřejmě podporují.
Oba Nb-MXene SL však vykazovaly minimální změny od nuly. To jasně ukazuje na jejich stabilitu v růstovém médiu pro mikrořasy. Dále jsme posoudili, zda by přítomnost našich zelených mikrořas ovlivnila stabilitu Nb-MXenů v médiu. Výsledky zeta potenciálu a vodivosti MXenů po interakci s mikrořasami v živném médiu a kultuře v průběhu času lze nalézt v SI (obrázky S9 a S10). Je zajímavé, že jsme si všimli, že přítomnost mikrořas zřejmě stabilizovala disperzi obou MXenů. V případě Nb2CTx SL se zeta potenciál v průběhu času dokonce mírně snížil na negativnější hodnoty (-15,8 oproti -19,1 mV po 72 hodinách inkubace). Zeta potenciál SL Nb4C3TX se mírně zvýšil, ale po 72 hodinách stále vykazoval vyšší stabilitu než nanočástice bez přítomnosti mikrořas (-18,1 oproti -9,1 mV).
Také jsme zjistili nižší vodivost roztoků Nb-MXene inkubovaných v přítomnosti mikrořas, což naznačuje nižší množství iontů v živném médiu. Je pozoruhodné, že nestabilita MXenů ve vodě je způsobena hlavně povrchovou oxidací57. Proto se domníváme, že zelené mikrořasy nějakým způsobem odstranily oxidy vytvořené na povrchu Nb-MXene a dokonce zabránily jejich výskytu (oxidaci MXene). To lze pozorovat studiem typů látek absorbovaných mikrořasami.
Zatímco naše ekotoxikologické studie ukázaly, že mikrořasy byly schopny časem překonat toxicitu Nb-MXenes a neobvyklou inhibici stimulovaného růstu, cílem naší studie bylo prozkoumat možné mechanismy účinku. Když jsou organismy, jako jsou řasy, vystaveny sloučeninám nebo materiálům, které nejsou pro jejich ekosystémy známé, mohou reagovat různými způsoby58,59. V nepřítomnosti toxických oxidů kovů se mikrořasy mohou samy živit, což jim umožňuje nepřetržitý růst60. Po požití toxických látek se mohou aktivovat obranné mechanismy, jako je změna tvaru nebo formy. Je třeba zvážit i možnost absorpce58,59. Je třeba poznamenat, že jakýkoli náznak obranného mechanismu je jasným indikátorem toxicity testované sloučeniny. Proto jsme v naší další práci zkoumali potenciální povrchovou interakci mezi nanočásticemi SL Nb-MXene a mikrořasami pomocí SEM a možnou absorpci MXene na bázi Nb pomocí rentgenové fluorescenční spektroskopie (XRF). Všimněte si, že analýzy SEM a XRF byly prováděny pouze při nejvyšší koncentraci MXene, aby se řešily otázky toxicity aktivity.
Výsledky SEM jsou znázorněny na obr. 4. Neošetřené buňky mikrořas (viz obr. 4a, referenční vzorek) jasně vykazovaly typickou morfologii R. subcapitata a tvar buněk podobný croissantu. Buňky se zdají být zploštělé a poněkud neuspořádané. Některé buňky mikrořas se překrývaly a proplétaly, ale to bylo pravděpodobně způsobeno procesem přípravy vzorku. Obecně měly čisté buňky mikrořas hladký povrch a nevykazovaly žádné morfologické změny.
SEM snímky ukazující povrchovou interakci mezi zelenými mikrořasami a nanovrstvami MXene po 72 hodinách interakce při extrémní koncentraci (100 mg L-1). (a) Neošetřené zelené mikrořasy po interakci s SL (b) Nb2CTx a (c) Nb4C3TX MXeny. Všimněte si, že nanočástice Nb-MXene jsou označeny červenými šipkami. Pro srovnání jsou také přidány fotografie z optického mikroskopu.
Naproti tomu buňky mikrořas adsorbované nanočásticemi SL Nb-MXene byly poškozeny (viz obr. 4b, c, červené šipky). V případě Nb2CTx MXene (obr. 4b) mají mikrořasy tendenci růst s připojenými dvourozměrnými nanoměřítky, což může změnit jejich morfologii. Je pozoruhodné, že jsme tyto změny pozorovali i pod světelnou mikroskopií (podrobnosti viz obrázek SI S11). Tento morfologický přechod má věrohodný základ ve fyziologii mikrořas a jejich schopnosti bránit se změnou buněčné morfologie, jako je zvětšení objemu buněk61. Proto je důležité kontrolovat počet buněk mikrořas, které jsou skutečně v kontaktu s Nb-MXeny. Studie SEM ukázaly, že přibližně 52 % buněk mikrořas bylo vystaveno Nb-MXenem, zatímco 48 % těchto buněk se kontaktu vyhýbalo. V případě SL Nb4C3Tx MXene se mikrořasy snaží kontaktu s MXenem vyhnout, čímž se lokalizují a rostou z dvourozměrných nanoměřítek (obr. 4c). Nepozorovali jsme však pronikání nanočástic do buněk mikrořas a jejich poškození.
Sebezáchova je také časově závislou reakční reakcí na blokování fotosyntézy v důsledku adsorpce částic na povrchu buněk a tzv. efektu stínování (shading)62. Je zřejmé, že každý objekt (například nanočástice Nb-MXene), který se nachází mezi mikrořasami a zdrojem světla, omezuje množství světla absorbovaného chloroplasty. Nepochybujeme však o tom, že to má významný vliv na získané výsledky. Jak ukázala naše mikroskopická pozorování, 2D nanočástice nebyly zcela obaleny ani přilnuty k povrchu mikrořas, a to ani v případě, že buňky mikrořas byly v kontaktu s Nb-MXeny. Místo toho se ukázalo, že nanočástice jsou orientovány k buňkám mikrořas, aniž by pokrývaly jejich povrch. Taková sada nanočástic/mikrořas nemůže významně omezit množství světla absorbovaného buňkami mikrořas. Některé studie navíc dokonce prokázaly zlepšení absorpce světla fotosyntetickými organismy v přítomnosti dvourozměrných nanomateriálů63,64,65,66.
Vzhledem k tomu, že snímky SEM nemohly přímo potvrdit příjem niobu buňkami mikrořas, naše další studie se zaměřila na analýzu rentgenové fluorescence (XRF) a rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS), abychom tuto problematiku objasnili. Proto jsme porovnali intenzitu píků Nb referenčních vzorků mikrořas, které neinteragovaly s MXeny, nanočástic MXenu oddělených od povrchu buněk mikrořas a buněk mikrořas po odstranění připojených MXenů. Za zmínku stojí, že pokud nedochází k žádnému příjmu Nb, hodnota Nb získaná buňkami mikrořas by měla být po odstranění připojených nanočástic nulová. Pokud tedy dojde k příjmu Nb, měly by výsledky XRF i XPS vykazovat jasný pík Nb.
V případě rentgenových fluorescenčních spekter (XRF) vykazovaly vzorky mikrořas píky Nb pro SL Nb2CTx a Nb4C3Tx MXene po interakci s SL Nb2CTx a Nb4C3Tx MXene (viz obr. 5a, všimněte si také, že výsledky pro MAX a ML MXeny jsou uvedeny v SI, obr. S12–C17). Je zajímavé, že intenzita píku Nb je v obou případech stejná (červené sloupce na obr. 5a). To naznačuje, že řasy nemohly absorbovat více Nb a maximální kapacity pro akumulaci Nb bylo v buňkách dosaženo, ačkoli na buňky mikrořas bylo navázáno dvakrát více Nb4C3Tx MXene (modré sloupce na obr. 5a). Je pozoruhodné, že schopnost mikrořas absorbovat kovy závisí na koncentraci oxidů kovů v prostředí67,68. Shamshada a kol.67 zjistili, že absorpční kapacita sladkovodních řas klesá se zvyšujícím se pH. Raize a kol.68 poznamenali, že schopnost mořských řas absorbovat kovy byla u Pb2+ přibližně o 25 % vyšší než u Ni2+.
(a) Výsledky rentgenové fluorescence (XRF) bazálního příjmu Nb buňkami zelených mikrořas inkubovaných při extrémní koncentraci SL Nb-MXenes (100 mg L-1) po dobu 72 hodin. Výsledky ukazují přítomnost α v čistých buňkách mikrořas (kontrolní vzorek, šedé sloupce), 2D nanočásticích izolovaných z povrchových buněk mikrořas (modré sloupce) a buňkách mikrořas po oddělení 2D nanočástic od povrchu (červené sloupce). Množství elementárního Nb, (b) procentuální zastoupení chemického složení organických složek mikrořas (C=O a CHx/C–O) a oxidů Nb přítomných v buňkách mikrořas po inkubaci se SL Nb-MXenes, (c–e) Fitování kompozičního píku XPS SL Nb2CTx spekter a (fh) SL Nb4C3Tx MXene internalizovaného buňkami mikrořas.
Proto jsme očekávali, že Nb by mohl být absorbován buňkami řas ve formě oxidů. Abychom to otestovali, provedli jsme XPS studie na MXenech Nb2CTx a Nb4C3TX a buňkách řas. Výsledky interakce mikrořas s Nb-MXeny a MXeny izolovanými z buněk řas jsou znázorněny na obr. 5b. Jak se očekávalo, po odstranění MXenu z povrchu mikrořas jsme detekovali píky Nb 3d ve vzorcích mikrořas. Kvantitativní stanovení oxidů C=O, CHx/CO a Nb bylo vypočítáno na základě spekter Nb 3d, O 1s a C 1s získaných s Nb2CTx SL (obr. 5c–e) a Nb4C3Tx SL (obr. 5c–e). ) získaných z inkubovaných mikrořas. Obrázek 5f–h) MXeny. Tabulka S1-3 ukazuje podrobnosti o parametrech píků a celkové chemii vyplývající z fitování. Je pozoruhodné, že oblasti Nb 3d v Nb2CTx SL a Nb4C3Tx SL (obr. 5c, f) odpovídají jedné složce Nb2O5. Zde jsme ve spektrech nenalezli žádné píky související s MXene, což naznačuje, že buňky mikrořas absorbují pouze oxidovou formu Nb. Kromě toho jsme aproximovali spektrum C1s se složkami C–C, CHx/C–O, C=O a –COOH. Píky CHx/C–O a C=O jsme přiřadili organickému příspěvku buněk mikrořas. Tyto organické složky představují 36 %, respektive 41 % píků C1s v Nb2CTx SL a Nb4C3TX SL. Poté jsme fitovali O1s spektra SL Nb2CTx a SL Nb4C3TX s Nb2O5, organickými složkami mikrořas (CHx/CO) a povrchově adsorbovanou vodou.
Výsledky XPS jasně ukázaly formu Nb, nejen jeho přítomnost. Podle polohy signálu Nb 3d a výsledků dekonvoluce potvrzujeme, že Nb je absorbován pouze ve formě oxidů, a nikoli iontů nebo samotného MXene. Výsledky XPS navíc ukázaly, že buňky mikrořas mají větší schopnost přijímat oxidy Nb z SL Nb2CTx ve srovnání s SL Nb4C3TX MXene.
Přestože jsou naše výsledky absorpce Nb působivé a umožňují nám identifikovat degradaci MXene, neexistuje žádná metoda pro sledování souvisejících morfologických změn v 2D nanovločkách. Proto jsme se také rozhodli vyvinout vhodnou metodu, která by mohla přímo reagovat na jakékoli změny, ke kterým dochází v 2D nanovločkách Nb-MXene a buňkách mikrořas. Je důležité poznamenat, že předpokládáme, že pokud interagující druhy projdou jakoukoli transformací, rozkladem nebo defragmentací, mělo by se to rychle projevit jako změny tvarových parametrů, jako je průměr ekvivalentní kruhové plochy, kulatost, Feretova šířka nebo Feretova délka. Vzhledem k tomu, že tyto parametry jsou vhodné pro popis protáhlých částic nebo dvourozměrných nanovloček, jejich sledování pomocí dynamické analýzy tvaru částic nám poskytne cenné informace o morfologické transformaci SL nanovloček Nb-MXene během redukce.
Získané výsledky jsou znázorněny na obrázku 6. Pro srovnání jsme také testovali původní fázi MAX a ML-MXeny (viz obrázky SI S18 a S19). Dynamická analýza tvaru částic ukázala, že všechny parametry tvaru dvou Nb-MXenových SL se po interakci s mikrořasami významně změnily. Jak ukazuje parametr ekvivalentního průměru kruhové plochy (obr. 6a, b), snížená intenzita píku frakce velkých nanovloček naznačuje, že mají tendenci se rozpadat na menší fragmenty. Na obr. 6c a d je znázorněn pokles píků spojených s příčnou velikostí vloček (prodloužení nanovloček), což naznačuje transformaci 2D nanovloček do tvaru podobnějšího částicím. Obrázek 6e-h znázorňuje šířku a délku Feretu. Šířka a délka Feretu jsou komplementární parametry, a proto by měly být posuzovány společně. Po inkubaci 2D nanovloček Nb-MXene v přítomnosti mikrořas se jejich Feretové korelační píky posunuly a jejich intenzita se snížila. Na základě těchto výsledků v kombinaci s morfologií, rentgenovou fluorescenční spektroskopií (XRF) a fotosenzitivní spektroskopií (XPS) jsme dospěli k závěru, že pozorované změny silně souvisejí s oxidací, jelikož oxidované MXeny se více zvrásňují a rozpadají se na fragmenty a sférické oxidové částice69,70.
Analýza transformace MXene po interakci se zelenými mikrořasami. Dynamická analýza tvaru částic zohledňuje parametry jako (a, b) průměr ekvivalentní kruhové plochy, (c, d) kulatost, (e, f) šířku Feretu a (g, h) délku Feretu. Za tímto účelem byly analyzovány dva referenční vzorky mikrořas společně s primárními MXeny SL Nb2CTx a SL Nb4C3Tx, MXeny SL Nb2CTx a SL Nb4C3Tx, degradovanými mikrořasami a ošetřenými MXeny SL Nb2CTx a SL Nb4C3Tx. Červené šipky ukazují přechody tvarových parametrů studovaných dvourozměrných nanovloček.
Vzhledem k tomu, že analýza tvarových parametrů je velmi spolehlivá, může také odhalit morfologické změny v buňkách mikrořas. Proto jsme analyzovali ekvivalentní průměr kruhové plochy, kulatost a Feretův poměr šířky/délky čistých buněk mikrořas a buněk po interakci s 2D nanočásticemi Nb. Na obr. 6a–h jsou znázorněny změny tvarových parametrů buněk řas, o čemž svědčí pokles intenzity píku a posun maxim směrem k vyšším hodnotám. Zejména parametry kulatosti buněk ukázaly pokles protáhlých buněk a nárůst sférických buněk (obr. 6a, b). Kromě toho se šířka Feretových buněk po interakci s SL Nb2CTx MXene (obr. 6e) zvětšila o několik mikrometrů ve srovnání se SL Nb4C3TX MXene (obr. 6f). Domníváme se, že to může být způsobeno silným příjmem oxidů Nb mikrořasami po interakci s Nb2CTx SR. Méně pevné přichycení vloček Nb k jejich povrchu může vést k růstu buněk s minimálním stínícím efektem.
Naše pozorování změn parametrů tvaru a velikosti mikrořas doplňují další studie. Zelené mikrořasy mohou měnit svou morfologii v reakci na environmentální stres změnou velikosti buněk, tvaru nebo metabolismu61. Například změna velikosti buněk usnadňuje vstřebávání živin71. Menší buňky řas vykazují nižší příjem živin a zhoršenou rychlost růstu. Naopak větší buňky mají tendenci konzumovat více živin, které se pak ukládají intracelulárně72,73. Machado a Soares zjistili, že fungicid triclosan může zvětšit velikost buněk. Zjistili také výrazné změny tvaru řas74. Kromě toho Yin a kol.9 také odhalili morfologické změny řas po expozici redukovaným nanokompozitům oxidu grafenu. Je tedy zřejmé, že změněné parametry velikosti/tvaru mikrořas jsou způsobeny přítomností MXenu. Vzhledem k tomu, že tato změna velikosti a tvaru svědčí o změnách v příjmu živin, domníváme se, že analýza parametrů velikosti a tvaru v čase může prokázat příjem oxidu niobu mikrořasami v přítomnosti Nb-MXenů.
MXeny mohou být navíc oxidovány v přítomnosti řas. Dalai a kol.75 pozorovali, že morfologie zelených řas vystavených nano-TiO2 a Al2O376 nebyla jednotná. Ačkoli jsou naše pozorování podobná této studii, jsou relevantní pouze pro studium účinků bioremediace z hlediska produktů degradace MXenů v přítomnosti 2D nanovloček, a nikoli nanočástic. Vzhledem k tomu, že MXeny se mohou degradovat na oxidy kovů,31,32,77,78 je rozumné předpokládat, že naše nanovločky Nb mohou také tvořit oxidy Nb po interakci s buňkami mikrořas.
Abychom vysvětlili redukci 2D-Nb nanovloček rozkladným mechanismem založeným na oxidačním procesu, provedli jsme studie s využitím transmisní elektronové mikroskopie s vysokým rozlišením (HRTEM) (obr. 7a,b) a rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS) (obr. 7). 7c-i a tabulky S4-5). Oba přístupy jsou vhodné pro studium oxidace 2D materiálů a vzájemně se doplňují. HRTEM je schopen analyzovat degradaci dvourozměrných vrstevnatých struktur a následný výskyt nanočástic oxidů kovů, zatímco XPS je citlivý na povrchové vazby. Za tímto účelem jsme testovali 2D Nb-MXene nanovločky extrahované z disperzí buněk mikrořas, tj. jejich tvar po interakci s buňkami mikrořas (viz obr. 7).
HRTEM snímky znázorňující morfologii oxidovaných (a) SL Nb2CTx a (b) SL Nb4C3Tx MXenů, výsledky XPS analýzy znázorňující (c) složení oxidových produktů po redukci, (d–f) shodu píků složek XPS spekter SL Nb2CTx a (g–i) Nb4C3Tx SL opravených zelenými mikrořasami.
Studie HRTEM potvrdily oxidaci dvou typů nanovloček Nb-MXene. Přestože si nanovločky do určité míry zachovaly svou dvourozměrnou morfologii, oxidace vedla k výskytu mnoha nanočástic pokrývajících povrch nanovloček MXene (viz obr. 7a,b). XPS analýza signálů c-Nb3d a O1s ukázala, že v obou případech vznikly oxidy Nb. Jak je znázorněno na obrázku 7c, 2D MXene Nb2CTx a Nb4C3TX mají signály Nb3d, což naznačuje přítomnost oxidů NbO a Nb2O5, zatímco signály O1s indikují počet vazeb O–Nb spojených s funkcionalizací povrchu 2D nanovloček. Všimli jsme si, že příspěvek oxidu Nb je dominantní ve srovnání s Nb-C a Nb3+-O.
Na obr. Obrázky 7g–i ukazují XPS spektra Nb 3d, C 1s a O 1s SL Nb2CTx (viz obr. 7d–f) a SL Nb4C3TX MXene izolovaného z buněk mikrořas. Podrobnosti o parametrech píku Nb-MXenes jsou uvedeny v tabulkách S4–5. Nejprve jsme analyzovali složení Nb 3d. Na rozdíl od Nb absorbovaného buňkami mikrořas byly v MXene izolovaném z buněk mikrořas kromě Nb2O5 nalezeny i další složky. V Nb2CTx SL jsme pozorovali příspěvek Nb3+-O ve výši 15 %, zatímco zbytek spektra Nb 3d byl dominantně tvořen Nb2O5 (85 %). Vzorek SL Nb4C3TX navíc obsahuje složky Nb-C (9 %) a Nb2O5 (91 %). Zde Nb-C pochází ze dvou vnitřních atomových vrstev karbidu kovu v Nb4C3Tx SR. Poté jsme mapovali spektra C 1s na čtyři různé složky, stejně jako jsme to provedli u internalizovaných vzorků. Jak se očekávalo, ve spektru C 1s dominuje grafitický uhlík, následovaný příspěvky organických částic (CHx/CO a C=O) z buněk mikrořas. Kromě toho jsme ve spektru O 1s pozorovali příspěvek organických forem buněk mikrořas, oxidu niobu a adsorbované vody.
Dále jsme zkoumali, zda je štěpení Nb-MXenů spojeno s přítomností reaktivních forem kyslíku (ROS) v živném médiu a/nebo buňkách mikrořas. Za tímto účelem jsme stanovili hladiny singletového kyslíku (1O2) v kultivačním médiu a intracelulárního glutathionu, thiolu, který působí jako antioxidant v mikrořasách. Výsledky jsou uvedeny v SI (obrázky S20 a S21). Kultury s SL Nb2CTx a Nb4C3TX MXeny byly charakterizovány sníženým množstvím 1O2 (viz obrázek S20). V případě SL Nb2CTx je MXen 1O2 snížen na přibližně 83 %. U kultur mikrořas s použitím SL se Nb4C3TX 1O2 snížil ještě více, na 73 %. Je zajímavé, že změny v 1O2 vykazovaly stejný trend jako dříve pozorovaný inhibičně-stimulační účinek (viz obr. 3). Lze tvrdit, že inkubace v jasném světle může změnit fotooxidaci. Výsledky kontrolní analýzy však ukázaly téměř konstantní hladiny 1O2 během experimentu (obr. S22). V případě intracelulárních hladin ROS jsme také pozorovali stejný klesající trend (viz obrázek S21). Zpočátku hladiny ROS v buňkách mikrořas kultivovaných v přítomnosti substancí Nb2CTx a Nb4C3Tx překračovaly hladiny zjištěné v čistých kulturách mikrořas. Nakonec se však ukázalo, že se mikrořasy adaptovaly na přítomnost obou Nb-MXenů, protože hladiny ROS klesly na 85 %, respektive 91 % hladin naměřených v čistých kulturách mikrořas inokulovaných substancí Nb2CTx a Nb4C3TX. To může naznačovat, že se mikrořasy v průběhu času cítí pohodlněji v přítomnosti Nb-MXenu než v samotném živném médiu.
Mikrořasy jsou různorodou skupinou fotosyntetických organismů. Během fotosyntézy přeměňují atmosférický oxid uhličitý (CO2) na organický uhlík. Produkty fotosyntézy jsou glukóza a kyslík79. Domníváme se, že takto vzniklý kyslík hraje klíčovou roli v oxidaci Nb-MXenů. Jedním z možných vysvětlení je, že rozdílný parametr aerace se vytváří při nízkých a vysokých parciálních tlacích kyslíku vně a uvnitř nanočástic Nb-MXenů. To znamená, že všude, kde jsou oblasti s různým parciálním tlakem kyslíku, oblast s nejnižší úrovní bude tvořit anodu 80, 81, 82. Zde mikrořasy přispívají k tvorbě rozdílně provzdušněných buněk na povrchu vloček MXenů, které díky svým fotosyntetickým vlastnostem produkují kyslík. V důsledku toho se tvoří produkty biokoroze (v tomto případě oxidy niobu). Dalším aspektem je, že mikrořasy mohou produkovat organické kyseliny, které se uvolňují do vody83,84. Tím se vytváří agresivní prostředí, které mění Nb-MXeny. Mikrořasy mohou navíc změnit pH prostředí na zásadité v důsledku absorpce oxidu uhličitého, což může také způsobit korozi79.
Ještě důležitější je, že fotoperioda tma/světlo použitá v naší studii je klíčová pro pochopení získaných výsledků. Tento aspekt je podrobně popsán v Djemai-Zoghlache et al.85 Záměrně použili 12/12hodinovou fotoperiodu k demonstraci biokoroze spojené s bioznečištěním červenou mikrořasou Porphyridium purpureum. Ukazují, že fotoperioda je spojena s vývojem potenciálu bez biokoroze, který se projevuje jako pseudoperiodické oscilace kolem 24:00. Tato pozorování potvrdili Dowling et al.86 Prokázali fotosyntetické biofilmy sinic Anabaena. Rozpuštěný kyslík se tvoří působením světla, což je spojeno se změnou nebo kolísáním volného biokorozního potenciálu. Důležitost fotoperiody je zdůrazněna skutečností, že volný potenciál pro biokorozi se zvyšuje ve světelné fázi a klesá ve fázi tmy. To je způsobeno kyslíkem produkovaným fotosyntetickými mikrořasami, který ovlivňuje katodickou reakci prostřednictvím parciálního tlaku generovaného v blízkosti elektrod87.
Dále byla provedena infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR), aby se zjistilo, zda po interakci s Nb-MXeny došlo k nějakým změnám v chemickém složení buněk mikrořas. Získané výsledky jsou komplexní a prezentujeme je v SI (obrázky S23-S25, včetně výsledků fáze MAX a ML MXenů). Stručně řečeno, získaná referenční spektra mikrořas nám poskytují důležité informace o chemických vlastnostech těchto organismů. Tyto nejpravděpodobnější vibrace se nacházejí na frekvencích 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1 (C–H) a 3280 cm–1 (O–H). U SL Nb-MXenů jsme zjistili charakteristiku vtahování vazby CH, která je v souladu s naší předchozí studií38. Nicméně jsme pozorovali, že některé další píky spojené s vazbami C=C a CH zmizely. To naznačuje, že chemické složení mikrořas může v důsledku interakce s SL Nb-MXeny procházet drobnými změnami.
Při zvažování možných změn v biochemii mikrořas je třeba přehodnotit akumulaci anorganických oxidů, jako je oxid niobu59. Podílí se na příjmu kovů buněčným povrchem, jejich transportu do cytoplazmy, jejich asociaci s intracelulárními karboxylovými skupinami a jejich akumulaci v polyfosfozomech mikrořas20,88,89,90. Kromě toho je vztah mezi mikrořasami a kovy udržován funkčními skupinami buněk. Z tohoto důvodu závisí absorpce také na chemii povrchu mikrořas, která je poměrně složitá9,91. Obecně se, jak se očekávalo, chemické složení zelených mikrořas mírně změnilo v důsledku absorpce oxidu niobu.
Je zajímavé, že pozorovaná počáteční inhibice mikrořas byla v průběhu času reverzibilní. Jak jsme pozorovali, mikrořasy překonaly počáteční změnu prostředí a nakonec se vrátily k normální rychlosti růstu a dokonce se zvýšily. Studie zeta potenciálu ukazují vysokou stabilitu při zavedení do živných médií. Povrchová interakce mezi buňkami mikrořas a nanočásticemi Nb-MXene tak byla udržována po celou dobu redukčních experimentů. V naší další analýze shrnujeme hlavní mechanismy účinku, které jsou základem tohoto pozoruhodného chování mikrořas.
Pozorování SEM ukázala, že mikrořasy mají tendenci se vázat na Nb-MXeny. Pomocí dynamické analýzy obrazu potvrzujeme, že tento efekt vede k transformaci dvourozměrných nanovloček Nb-MXene na sféričtější částice, čímž demonstrujeme, že rozklad nanovloček je spojen s jejich oxidací. Pro ověření naší hypotézy jsme provedli řadu materiálových a biochemických studií. Po testování nanovločky postupně oxidovaly a rozkládaly se na produkty NbO a Nb2O5, které nepředstavovaly hrozbu pro zelené mikrořasy. Pomocí FTIR pozorování jsme nezjistili žádné významné změny v chemickém složení mikrořas inkubovaných v přítomnosti 2D nanovloček Nb-MXene. S ohledem na možnost absorpce oxidu niobu mikrořasami jsme provedli rentgenovou fluorescenční analýzu. Tyto výsledky jasně ukazují, že studované mikrořasy se živí oxidy niobu (NbO a Nb2O5), které jsou pro studované mikrořasy netoxické.