Grazas por visitar Nature.com. Estás a usar unha versión do navegador con compatibilidade limitada con CSS. Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que uses un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer). Mentres tanto, para garantir a compatibilidade continua, renderizaremos o sitio sen estilos nin JavaScript.
Mostra un carrusel de tres diapositivas á vez. Usa os botóns Anterior e Seguinte para moverte por tres diapositivas á vez ou usa os botóns deslizantes ao final para moverte por tres diapositivas á vez.
O rápido desenvolvemento da nanotecnoloxía e a súa integración nas aplicacións cotiás poden ameazar o medio ambiente. Aínda que os métodos ecolóxicos para a degradación de contaminantes orgánicos están ben establecidos, a recuperación de contaminantes cristalinos inorgánicos é unha gran preocupación debido á súa baixa sensibilidade á biotransformación e á falta de comprensión das interaccións da superficie dos materiais cos biolóxicos. Aquí, empregamos un modelo de MXenos 2D inorgánicos baseado en Nb combinado cun método sinxelo de análise de parámetros de forma para rastrexar o mecanismo de biorremediación de nanomateriais cerámicos 2D pola microalga verde Raphidocelis subcapitata. Descubrimos que as microalgas degradan os MXenos baseados en Nb debido a interaccións fisicoquímicas relacionadas coa superficie. Inicialmente, os nanoescamas de MXeno dunha e varias capas adheríronse á superficie das microalgas, o que reduciu algo o crecemento das algas. Non obstante, tras a interacción prolongada coa superficie, as microalgas oxidaron os nanoescamas de MXeno e descompuxéronos aínda máis en NbO e Nb2O5. Dado que estes óxidos non son tóxicos para as células das microalgas, estas consomen nanopartículas de óxido de Nb mediante un mecanismo de absorción que restaura aínda máis as microalgas despois de 72 horas de tratamento da auga. Os efectos dos nutrientes asociados coa absorción tamén se reflicten no aumento do volume celular, a súa forma suave e o cambio na taxa de crecemento. Baseándonos nestes achados, concluímos que a presenza a curto e longo prazo de MXenos baseados en Nb en ecosistemas de auga doce pode causar só impactos ambientais menores. É importante destacar que, utilizando nanomateriais bidimensionais como sistemas modelo, demostramos a posibilidade de rastrexar a transformación da forma mesmo en materiais de gran fino. En xeral, este estudo responde a unha importante pregunta fundamental sobre os procesos relacionados coa interacción superficial que impulsan o mecanismo de biorremediación dos nanomateriais 2D e proporciona unha base para futuros estudos a curto e longo prazo sobre o impacto ambiental dos nanomateriais cristalinos inorgánicos.
Os nanomateriais xeraron moito interese desde o seu descubrimento e, recentemente, diversas nanotecnoloxías entraron nunha fase de modernización1. Desafortunadamente, a integración de nanomateriais en aplicacións cotiás pode levar a liberacións accidentais debido a unha eliminación inadecuada, unha manipulación descoidada ou unha infraestrutura de seguridade inadecuada. Polo tanto, é razoable supoñer que os nanomateriais, incluídos os nanomateriais bidimensionais (2D), poden liberarse no medio natural, cuxo comportamento e actividade biolóxica aínda non se comprenden completamente. Polo tanto, non é de estrañar que as preocupacións sobre a ecotoxicidade se centrasen na capacidade dos nanomateriais 2D para lixiviarse nos sistemas acuáticos2,3,4,5,6. Nestes ecosistemas, algúns nanomateriais 2D poden interactuar con varios organismos en diferentes niveis tróficos, incluídas as microalgas.
As microalgas son organismos primitivos que se atopan de forma natural en ecosistemas de auga doce e mariños e que producen unha variedade de produtos químicos a través da fotosíntese7. Como tales, son fundamentais para os ecosistemas acuáticos8,9,10,11,12, pero tamén son indicadores de ecotoxicidade sensibles, baratos e amplamente utilizados13,14. Dado que as células das microalgas se multiplican rapidamente e responden con rapidez á presenza de diversos compostos, son prometedoras para o desenvolvemento de métodos respectuosos co medio ambiente para tratar a auga contaminada con substancias orgánicas15,16.
As células das algas poden eliminar ións inorgánicos da auga mediante biosorción e acumulación17,18. Algunhas especies de algas como Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue e Synechococcus sp. Descubriuse que transportan e mesmo nutren ións metálicos tóxicos como Fe2+, Cu2+, Zn2+ e Mn2+19. Outros estudos demostraron que os ións Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ ou Pb2+ limitan o crecemento de Scenedesmus ao alterar a morfoloxía celular e destruír os seus cloroplastos20,21.
Os métodos ecolóxicos para a descomposición de contaminantes orgánicos e a eliminación de ións de metais pesados ​​atraeron a atención de científicos e enxeñeiros de todo o mundo. Isto débese principalmente ao feito de que estes contaminantes se procesan facilmente en fase líquida. Non obstante, os contaminantes cristalinos inorgánicos caracterízanse por unha baixa solubilidade en auga e unha baixa susceptibilidade a diversas biotransformacións, o que causa grandes dificultades na remediación, e fixéronse poucos progresos neste eido22,23,24,25,26. Polo tanto, a busca de solucións respectuosas co medio ambiente para a reparación de nanomateriais segue a ser unha área complexa e inexplorada. Debido ao alto grao de incerteza sobre os efectos de biotransformación dos nanomateriais 2D, non hai unha forma sinxela de descubrir as posibles vías da súa degradación durante a redución.
Neste estudo, empregamos microalgas verdes como axente de biorremediación acuoso activo para materiais cerámicos inorgánicos, combinado coa monitorización in situ do proceso de degradación do MXeno como representante dos materiais cerámicos inorgánicos. O termo "MXeno" reflicte a estequiometría do material Mn+1XnTx, onde M é un metal de transición temperán, X é carbono e/ou nitróxeno, Tx é un terminador superficial (por exemplo, -OH, -F, -Cl) e n = 1, 2, 3 ou 427,28. Desde o descubrimento dos MXenos por Naguib et al. Sensorics, cancer therapy and membrane filtration 27,29,30. Ademais, os MXenos poden considerarse sistemas 2D modelo debido á súa excelente estabilidade coloidal e ás posibles interaccións biolóxicas31,32,33,34,35,36.
Polo tanto, a metodoloxía desenvolvida neste artigo e as nosas hipóteses de investigación móstranse na Figura 1. Segundo esta hipótese, as microalgas degradan os MXenos baseados en Nb en compostos non tóxicos debido a interaccións fisicoquímicas relacionadas coa superficie, o que permite unha maior recuperación das algas. Para probar esta hipótese, seleccionáronse dous membros da familia de carburos e/ou nitruros de metais de transición (MXenos) baseados en niobio temperáns, concretamente Nb2CTx e Nb4C3TX.
Metodoloxía de investigación e hipóteses baseadas en evidencias para a recuperación de MXeno por parte da microalga verde Raphidocelis subcapitata. Teña en conta que esta é só unha representación esquemática de suposicións baseadas en evidencias. O ambiente lacustre difire no medio nutritivo utilizado e nas condicións (por exemplo, o ciclo diurno e as limitacións nos nutrientes esenciais dispoñibles). Creado con BioRender.com.
Polo tanto, ao usar MXene como sistema modelo, abrimos a porta ao estudo de varios efectos biolóxicos que non se poden observar con outros nanomateriais convencionais. En particular, demostramos a posibilidade de biorremediación de nanomateriais bidimensionais, como os MXenos baseados en niobio, por parte das microalgas Raphidocelis subcapitata. As microalgas son capaces de degradar os Nb-MXenos nos óxidos non tóxicos NbO e Nb2O5, que tamén proporcionan nutrientes a través do mecanismo de absorción de niobio. En xeral, este estudo responde a unha importante pregunta fundamental sobre os procesos asociados ás interaccións fisicoquímicas superficiais que rexen os mecanismos de biorremediación de nanomateriais bidimensionais. Ademais, estamos a desenvolver un método sinxelo baseado en parámetros de forma para rastrexar cambios sutís na forma dos nanomateriais 2D. Isto inspira máis investigacións a curto e longo prazo sobre os diversos impactos ambientais dos nanomateriais cristalinos inorgánicos. Así, o noso estudo aumenta a comprensión da interacción entre a superficie do material e o material biolóxico. Tamén estamos a proporcionar a base para estudos ampliados a curto e longo prazo sobre os seus posibles impactos nos ecosistemas de auga doce, que agora se poden verificar facilmente.
Os MXenos representan unha clase interesante de materiais con propiedades físicas e químicas únicas e atractivas e, polo tanto, moitas aplicacións potenciais. Estas propiedades dependen en gran medida da súa estequiometría e química superficial. Polo tanto, no noso estudo, investigamos dous tipos de MXenos monocapa (SL) xerárquicos baseados en Nb, Nb2CTx e Nb4C3TX, xa que se puideron observar diferentes efectos biolóxicos destes nanomateriais. Os MXenos prodúcense a partir dos seus materiais de partida mediante gravado selectivo de arriba abaixo de capas A de fase MAX atomicamente delgadas. A fase MAX é unha cerámica ternaria composta por bloques "unidos" de carburos de metais de transición e capas finas de elementos "A" como Al, Si e Sn con estequiometría MnAXn-1. A morfoloxía da fase MAX inicial observouse mediante microscopía electrónica de varrido (SEM) e foi consistente con estudos previos (ver Información suplementaria, SI, Figura S1). O Nb-MXeno multicapa (ML) obtívose despois de eliminar a capa de Al cun 48 % de HF (ácido fluorhídrico). A morfoloxía de ML-Nb2CTx e ML-Nb4C3TX examinouse mediante microscopía electrónica de varrido (SEM) (figuras S1c e S1d respectivamente) e observouse unha morfoloxía típica de MXeno en capas, similar ás nanoescalas bidimensionais que pasan a través de fendas alongadas en forma de poros. Ambos os Nb-MXeno teñen moito en común coas fases de MXeno sintetizadas previamente por gravado ácido27,38. Despois de confirmar a estrutura do MXeno, colocámolo en capas mediante intercalación de hidróxido de tetrabutilamonio (TBAOH) seguido de lavado e sonicación, tras o cal obtivemos nanoescalas de Nb-MXeno 2D dunha soa capa ou de baixa capa (SL).
Empregamos microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) e difracción de raios X (XRD) para probar a eficiencia do gravado e o posterior desprendimento. Os resultados de HRTEM procesados ​​mediante a Transformada Rápida Inversa de Fourier (IFFT) e a Transformada Rápida de Fourier (FFT) móstranse na Fig. 2. As nanoescamas de Nb-MXeno orientáronse cara arriba para comprobar a estrutura da capa atómica e medir as distancias interplanares. As imaxes HRTEM das nanoescamas de MXeno Nb2CTx e Nb4C3TX revelaron a súa natureza en capas atomicamente delgadas (véxase a Fig. 2a1, a2), como informaron previamente Naguib et al.27 e Jastrzębska et al.38. Para dúas monocapas adxacentes de Nb2CTx e Nb4C3Tx, determinamos distancias entre capas de 0,74 e 1,54 nm, respectivamente (Figs. 2b1, b2), o que tamén coincide cos nosos resultados anteriores38. Isto confirmouse aínda máis coa transformada rápida inversa de Fourier (Fig. 2c1, c2) e a transformada rápida de Fourier (Fig. 2d1, d2), que mostran a distancia entre as monocapas de Nb2CTx e Nb4C3Tx. A imaxe mostra unha alternancia de bandas claras e escuras correspondentes a átomos de niobio e carbono, o que confirma a natureza en capas dos MXenos estudados. É importante ter en conta que os espectros de espectroscopia de raios X por dispersión de enerxía (EDX) obtidos para Nb2CTx e Nb4C3Tx (Figuras S2a e S2b) non mostraron ningún resto da fase MAX orixinal, xa que non se detectou ningún pico de Al.
Caracterización de nanoescamas de MXeno Nb2CTx e Nb4C3Tx de SL, incluíndo (a) imaxes de nanoescamas 2D en vista lateral por microscopía electrónica de alta resolución (HRTEM) e correspondentes, (b) modo de intensidade, (c) transformada rápida inversa de Fourier (IFFT), (d) transformada rápida de Fourier (FFT), (e) patróns de raios X de Nb-MXenos. Para o Nb2CTx 2D de SL, os números exprésanse como (a1, b1, c1, d1, e1). Para o Nb4C3Tx 2D de SL, os números exprésanse como (a2, b2, c2, d2, e1).
As medicións de difracción de raios X dos MXenos SL Nb2CTx e Nb4C3Tx móstranse nas figuras 2e1 e e2, respectivamente. Os picos (002) a 4,31 e 4,32 corresponden aos MXenos en capas Nb2CTx e Nb4C3TX38,39,40,41 descritos previamente, respectivamente. Os resultados da difracción de raios X tamén indican a presenza dalgunhas estruturas ML residuais e fases MAX, pero principalmente patróns de difracción de raios X asociados con SL Nb4C3Tx (figura 2e2). A presenza de partículas máis pequenas da fase MAX pode explicar o pico MAX máis forte en comparación coas capas de Nb4C3Tx apiladas aleatoriamente.
As investigacións posteriores centráronse nas microalgas verdes pertencentes á especie R. subcapitata. Escollemos as microalgas porque son produtoras importantes que participan nas principais cadeas tróficas42. Tamén son un dos mellores indicadores de toxicidade debido á capacidade de eliminar substancias tóxicas que se transportan a niveis superiores da cadea alimentaria43. Ademais, a investigación sobre R. subcapitata pode arroxar luz sobre a toxicidade incidental dos Nb-MXenos SL para os microorganismos comúns de auga doce. Para ilustrar isto, os investigadores formularon a hipótese de que cada microbio ten unha sensibilidade diferente aos compostos tóxicos presentes no ambiente. Para a maioría dos organismos, as baixas concentracións de substancias non afectan o seu crecemento, mentres que as concentracións por riba dun certo límite poden inhibilas ou incluso causar a morte. Polo tanto, para os nosos estudos da interacción superficial entre as microalgas e os MXenos e a recuperación asociada, decidimos probar as concentracións inocuas e tóxicas de Nb-MXenos. Para iso, probamos concentracións de 0 (como referencia), 0,01, 0,1 e 10 mg l-1 de MXeno e, adicionalmente, infectamos microalgas con concentracións moi altas de MXeno (100 mg l-1 de MXeno), que poden ser extremas e letais para calquera ambiente biolóxico.
Os efectos dos Nb-MXenos SL nas microalgas móstranse na Figura 3, expresados ​​como a porcentaxe de promoción do crecemento (+) ou inhibición (-) medida para mostras de 0 mg l-1. A modo de comparación, tamén se probaron a fase Nb-MAX e os Nb-MXenos ML e os resultados móstranse en SI (véxase a Fig. S3). Os resultados obtidos confirmaron que os Nb-MXenos SL carecen case por completo de toxicidade no rango de baixas concentracións de 0,01 a 10 mg/l, como se mostra na Fig. 3a,b. No caso de Nb2CTx, non observamos máis do 5 % de ecotoxicidade no rango especificado.
Estimulación (+) ou inhibición (-) do crecemento de microalgas en presenza de SL (a) Nb2CTx e (b) Nb4C3TX MXeno. Analizáronse 24, 48 e 72 horas de interacción MXeno-microalgas. Os datos significativos (proba t, p < 0,05) foron marcados cun asterisco (*). Os datos significativos (proba t, p < 0,05) foron marcados cun asterisco (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Os datos significativos (proba t, p < 0,05) están marcados cun asterisco (*).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 (test t, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Os datos importantes (proba t, p < 0,05) están marcados cun asterisco (*).As frechas vermellas indican a abolición da estimulación inhibitoria.
Por outra banda, as baixas concentracións de Nb4C3TX resultaron ser lixeiramente máis tóxicas, pero non superiores ao 7 %. Como era de esperar, observamos que os MXenos tiñan unha maior toxicidade e inhibición do crecemento de microalgas a 100 mg L-1. Curiosamente, ningún dos materiais mostrou a mesma tendencia e dependencia temporal dos efectos atóxicos/tóxicos en comparación coas mostras MAX ou ML (véxase a figura S3 para máis detalles). Mentres que para a fase MAX (véxase a figura S3) a toxicidade alcanzou aproximadamente o 15–25 % e aumentou co tempo, observouse a tendencia inversa para o Nb2CTx SL e o MXeno Nb4C3TX. A inhibición do crecemento de microalgas diminuíu co tempo. Alcanzou aproximadamente o 17 % despois de 24 horas e baixou a menos do 5 % despois de 72 horas (figura 3a, b, respectivamente).
Máis importante aínda, para o Nb4C3TX SL, a inhibición do crecemento de microalgas alcanzou aproximadamente o 27 % despois de 24 horas, pero despois de 72 horas diminuíu a aproximadamente o 1 %. Polo tanto, etiquetamos o efecto observado como inhibición inversa da estimulación, e o efecto foi máis forte para o MXeno Nb4C3TX SL. A estimulación do crecemento de microalgas observouse anteriormente con Nb4C3TX (interacción a 10 mg L-1 durante 24 h) en comparación co MXeno Nb2CTx SL. O efecto de reversión da inhibición-estimulación tamén se mostrou ben na curva da taxa de duplicación da biomasa (véxase a Fig. S4 para máis detalles). Ata o de agora, só se estudou a ecotoxicidade do MXeno Ti3C2TX de diferentes xeitos. Non é tóxico para os embrións de peixe cebra44, pero é moderadamente ecotóxico para as plantas de microalgas Desmodesmus quadricauda e Sorghum saccharatum45. Outros exemplos de efectos específicos inclúen unha maior toxicidade para as liñas celulares cancerosas que para as liñas celulares normais46,47. Poderíase asumir que as condicións de proba influirían nos cambios no crecemento das microalgas observados en presenza de Nb-MXenos. Por exemplo, un pH de aproximadamente 8 no estroma do cloroplasto é óptimo para o funcionamento eficiente do encima RuBisCO. Polo tanto, os cambios no pH afectan negativamente á taxa de fotosíntese48,49. Non obstante, non observamos cambios significativos no pH durante o experimento (véxase a figura S5 para máis detalles). En xeral, os cultivos de microalgas con Nb-MXenos reduciron lixeiramente o pH da solución ao longo do tempo. Non obstante, esta diminución foi similar a un cambio no pH dun medio puro. Ademais, o rango de variacións atopadas foi similar ao medido para un cultivo puro de microalgas (mostra de control). Polo tanto, concluímos que a fotosíntese non se ve afectada polos cambios no pH ao longo do tempo.
Ademais, os MXenos sintetizados teñen terminacións superficiais (denotadas como Tx). Trátase principalmente de grupos funcionais -O, -F e -OH. Non obstante, a química superficial está directamente relacionada co método de síntese. Sábese que estes grupos están distribuídos aleatoriamente pola superficie, o que dificulta a predicción do seu efecto nas propiedades do MXeno50. Pódese argumentar que Tx podería ser a forza catalítica para a oxidación do niobio pola luz. Os grupos funcionais superficiais proporcionan múltiples sitios de ancoraxe para os seus fotocatalizadores subxacentes para formar heterounións51. Non obstante, a composición do medio de crecemento non proporcionou un fotocatalizador eficaz (a composición detallada do medio pódese atopar na Táboa S6 do SI). Ademais, calquera modificación superficial tamén é moi importante, xa que a actividade biolóxica dos MXenos pode verse alterada debido ao posprocesamento de capas, á oxidación, á modificación química da superficie de compostos orgánicos e inorgánicos52,53,54,55,56 ou á enxeñaría de carga superficial38. Polo tanto, para comprobar se o óxido de niobio ten algo que ver coa inestabilidade do material no medio, realizamos estudos do potencial zeta (ζ) no medio de crecemento de microalgas e en auga desionizada (para comparación). Os nosos resultados mostran que os Nb-MXenos SL son bastante estables (véxase a figura S6 do SI para os resultados MAX e ML). O potencial zeta dos MXenos SL é duns -10 mV. No caso do Nb2CTx SR, o valor de ζ é algo máis negativo que o do Nb4C3Tx. Tal cambio no valor ζ pode indicar que a superficie dos nanoescamas de MXeno cargados negativamente absorbe ións cargados positivamente do medio de cultivo. As medicións temporais do potencial zeta e da condutividade dos Nb-MXenos no medio de cultivo (véxase as figuras S7 e S8 do SI para máis detalles) parecen apoiar a nosa hipótese.
Non obstante, ambas as SL de Nb-MXeno mostraron cambios mínimos desde cero. Isto demostra claramente a súa estabilidade no medio de crecemento de microalgas. Ademais, avaliamos se a presenza das nosas microalgas verdes afectaría á estabilidade dos Nb-MXenos no medio. Os resultados do potencial zeta e a condutividade dos MXenos despois da interacción con microalgas en medios nutritivos e cultivo ao longo do tempo pódense atopar no SI (Figuras S9 e S10). Curiosamente, observamos que a presenza de microalgas parecía estabilizar a dispersión de ambos os MXenos. No caso de Nb2CTx SL, o potencial zeta diminuíu incluso lixeiramente co tempo a valores máis negativos (-15,8 fronte a -19,1 mV despois de 72 h de incubación). O potencial zeta de SL Nb4C3TX aumentou lixeiramente, pero despois de 72 h aínda mostraba unha maior estabilidade que os nanoescamas sen a presenza de microalgas (-18,1 fronte a -9,1 mV).
Tamén atopamos unha menor condutividade das solucións de Nb-MXeno incubadas en presenza de microalgas, o que indica unha menor cantidade de ións no medio nutriente. Cabe destacar que a inestabilidade dos MXeno na auga débese principalmente á oxidación superficial57. Polo tanto, sospeitamos que as microalgas verdes dalgún xeito eliminaron os óxidos formados na superficie do Nb-MXeno e mesmo impediron a súa aparición (oxidación do MXeno). Isto pódese observar estudando os tipos de substancias absorbidas polas microalgas.
Aínda que os nosos estudos ecotoxicolóxicos indicaron que as microalgas foron capaces de superar a toxicidade dos Nb-MXenos co paso do tempo e a inhibición inusual do crecemento estimulado, o obxectivo do noso estudo foi investigar os posibles mecanismos de acción. Cando os organismos como as algas están expostos a compostos ou materiais descoñecidos nos seus ecosistemas, poden reaccionar de diversas maneiras58,59. En ausencia de óxidos metálicos tóxicos, as microalgas poden alimentarse por si mesmas, o que lles permite crecer continuamente60. Tras a inxestión de substancias tóxicas, poden activarse mecanismos de defensa, como cambiar de forma. Tamén se debe considerar a posibilidade de absorción58,59. Cabe destacar que calquera sinal dun mecanismo de defensa é un claro indicador da toxicidade do composto de proba. Polo tanto, no noso traballo posterior, investigamos a posible interacción superficial entre os nanoescopos de Nb-MXeno SL e as microalgas mediante SEM e a posible absorción de MXeno baseado en Nb mediante espectroscopia de fluorescencia de raios X (XRF). Teña en conta que as análises de SEM e XRF só se realizaron na concentración máis alta de MXeno para abordar os problemas de toxicidade da actividade.
Os resultados do SEM móstranse na figura 4. As células de microalgas non tratadas (véxase a figura 4a, mostra de referencia) mostraron claramente unha morfoloxía típica de R. subcapitata e unha forma celular similar á dun croissant. As células aparecen aplanadas e algo desorganizadas. Algunhas células de microalgas solapábanse e entrelazábanse entre si, pero isto probablemente se debeu ao proceso de preparación da mostra. En xeral, as células de microalgas puras tiñan unha superficie lisa e non mostraron ningún cambio morfolóxico.
Imaxes SEM que mostran a interacción superficial entre microalgas verdes e nanocapas de MXeno despois de 72 horas de interacción a concentración extrema (100 mg L-1). (a) Microalgas verdes sen tratar despois da interacción con MXenos SL (b) Nb2CTx e (c) Nb4C3TX. Obsérvese que os nanoflakes de Nb-MXeno están marcados con frechas vermellas. Para comparación, tamén se engaden fotografías dun microscopio óptico.
En contraste, as células de microalgas adsorbidas por nanoescamas de Nb-MXeno SL resultaron danadas (véxase a Fig. 4b, c, frechas vermellas). No caso do Nb2CTx MXeno (Fig. 4b), as microalgas tenden a crecer con nanoescalas bidimensionais adheridas, o que pode cambiar a súa morfoloxía. Cabe destacar que tamén observamos estes cambios baixo microscopía óptica (véxase a Figura S11 da SI para máis detalles). Esta transición morfolóxica ten unha base plausible na fisioloxía das microalgas e na súa capacidade para defenderse cambiando a morfoloxía celular, como aumentar o volume celular61. Polo tanto, é importante comprobar o número de células de microalgas que están realmente en contacto con Nb-MXenos. Os estudos de SEM mostraron que aproximadamente o 52 % das células de microalgas estiveron expostas a Nb-MXenos, mentres que o 48 % destas células de microalgas evitaron o contacto. No caso do MXeno SL Nb4C3Tx, as microalgas intentan evitar o contacto co MXeno, localizándose e crecendo así a partir de nanoescalas bidimensionais (Fig. 4c). Non obstante, non observamos a penetración de nanoescalas nas células das microalgas nin os seus danos.
A autoconservación tamén é un comportamento de resposta dependente do tempo ao bloqueo da fotosíntese debido á adsorción de partículas na superficie celular e ao chamado efecto de sombreado (shading)62. É evidente que cada obxecto (por exemplo, nanoescamas de Nb-MXeno) que se atopa entre as microalgas e a fonte de luz limita a cantidade de luz absorbida polos cloroplastos. Non obstante, non temos dúbida de que isto ten un impacto significativo nos resultados obtidos. Como demostran as nosas observacións microscópicas, as nanoescamas 2D non estaban completamente envoltas nin adheridas á superficie das microalgas, mesmo cando as células das microalgas estaban en contacto con Nb-MXenos. En cambio, as nanoescamas resultaron estar orientadas ás células das microalgas sen cubrir a súa superficie. Un conxunto deste tipo de nanoescamas/microalgas non pode limitar significativamente a cantidade de luz absorbida polas células das microalgas. Ademais, algúns estudos incluso demostraron unha mellora na absorción da luz por parte dos organismos fotosintéticos en presenza de nanomateriais bidimensionais63,64,65,66.
Dado que as imaxes SEM non puideron confirmar directamente a absorción de niobio polas células de microalgas, o noso estudo posterior recorreu á análise de fluorescencia de raios X (XRF) e espectroscopía de fotoelectróns de raios X (XPS) para aclarar esta cuestión. Polo tanto, comparamos a intensidade dos picos de Nb de mostras de microalgas de referencia que non interactuaron cos MXenos, nanoescalas de MXeno separadas da superficie das células de microalgas e células de microalgas despois da eliminación dos MXenos adheridos. Cómpre sinalar que se non hai absorción de Nb, o valor de Nb obtido polas células de microalgas debería ser cero despois da eliminación das nanoescalas adheridas. Polo tanto, se se produce absorción de Nb, os resultados tanto de XRF como de XPS deberían mostrar un pico de Nb claro.
No caso dos espectros de XRF, as mostras de microalgas mostraron picos de Nb para o Nb2CTx de SL e o MXeno Nb4C3Tx despois da interacción co Nb2CTx e o MXeno Nb4C3Tx de SL (véxase a Fig. 5a; cómpre sinalar tamén que os resultados para os MXeno MAX e ML móstranse no gráfico SI, Figs. S12–C17). Curiosamente, a intensidade do pico de Nb é a mesma en ambos os casos (barras vermellas na Fig. 5a). Isto indicou que as algas non podían absorber máis Nb e que a capacidade máxima de acumulación de Nb alcanzouse nas células, aínda que se uniu o dobre de MXeno Nb4C3Tx ás células das microalgas (barras azuis na Fig. 5a). Cabe destacar que a capacidade das microalgas para absorber metais depende da concentración de óxidos metálicos no ambiente67,68. Shamshada et al.67 descubriron que a capacidade de absorción das algas de auga doce diminúe ao aumentar o pH. Raize et al.68 sinalaron que a capacidade das algas para absorber metais era aproximadamente un 25 % maior para o Pb2+ que para o Ni2+.
(a) Resultados de XRF da captación basal de Nb por células de microalgas verdes incubadas a unha concentración extrema de Nb-MXenos SL (100 mg L-1) durante 72 horas. Os resultados mostran a presenza de α en células de microalgas puras (mostra de control, columnas grises), nanoescamas 2D illadas de células de microalgas superficiais (columnas azuis) e células de microalgas despois da separación dos nanoescamas 2D da superficie (columnas vermellas). A cantidade de Nb elemental, (b) porcentaxe da composición química dos compoñentes orgánicos das microalgas (C=O e CHx/C–O) e óxidos de Nb presentes nas células de microalgas despois da incubación con Nb-MXenos SL, (c–e) Axuste do pico composicional dos espectros XPS SL Nb2CTx e (fh) MXeno SL Nb4C3Tx internalizado polas células de microalgas.
Polo tanto, esperabamos que o Nb puidese ser absorbido polas células de algas en forma de óxidos. Para comprobalo, realizamos estudos de XPS en MXenos Nb2CTx e Nb4C3TX e células de algas. Os resultados da interacción das microalgas cos Nb-MXenos e MXenos illados de células de algas móstranse nas figuras 5b. Como se esperaba, detectamos picos de Nb 3d nas mostras de microalgas despois de eliminar o MXeno da superficie das microalgas. A determinación cuantitativa de C=O, CHx/CO e óxidos de Nb calculouse en función dos espectros de Nb 3d, O 1s e C 1s obtidos con Nb2CTx SL (figura 5c-e) e Nb4C3Tx SL (figura 5c-e). ) obtidos de microalgas incubadas. Figura 5f-h) MXenos. A táboa S1-3 mostra os detalles dos parámetros dos picos e a química xeral resultante do axuste. É importante salientar que as rexións Nb 3d de Nb2CTx SL e Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) corresponden a un compoñente de Nb2O5. Aquí, non atopamos picos relacionados co MXeno nos espectros, o que indica que as células das microalgas só absorben a forma de óxido de Nb. Ademais, aproximamos o espectro C 1 s cos compoñentes C–C, CHx/C–O, C=O e –COOH. Asignamos os picos CHx/C–O e C=O á contribución orgánica das células das microalgas. Estes compoñentes orgánicos representan o 36 % e o 41 % dos picos C 1s en Nb2CTx SL e Nb4C3TX SL, respectivamente. Despois axustamos os espectros O 1s de SL Nb2CTx e SL Nb4C3TX con Nb2O5, compoñentes orgánicos de microalgas (CHx/CO) e auga adsorbida na superficie.
Finalmente, os resultados da XPS indicaron claramente a forma do Nb, non só a súa presenza. Segundo a posición do sinal 3d de Nb e os resultados da deconvolución, confirmamos que o Nb se absorbe só en forma de óxidos e non de ións ou do propio MXeno. Ademais, os resultados da XPS mostraron que as células das microalgas teñen unha maior capacidade para absorber óxidos de Nb do Nb2CTx de SL en comparación co MXeno Nb4C3TX de SL.
Aínda que os nosos resultados de captación de Nb son impresionantes e nos permiten identificar a degradación do MXeno, non existe ningún método dispoñible para rastrexar os cambios morfolóxicos asociados en nanoescamas 2D. Polo tanto, tamén decidimos desenvolver un método axeitado que poida responder directamente a calquera cambio que ocorra en nanoescamas 2D de Nb-MXeno e células de microalgas. É importante ter en conta que asumimos que se as especies que interactúan sofren algunha transformación, descomposición ou desfragmentación, isto debería manifestarse rapidamente como cambios nos parámetros de forma, como o diámetro da área circular equivalente, a redondez, a anchura de Feret ou a lonxitude de Feret. Dado que estes parámetros son axeitados para describir partículas alongadas ou nanoescamas bidimensionais, o seu seguimento mediante análise dinámica da forma das partículas daranos información valiosa sobre a transformación morfolóxica das nanoescamas de Nb-MXeno SL durante a redución.
Os resultados obtidos móstranse na Figura 6. A modo de comparación, tamén probamos a fase MAX orixinal e os ML-MXenos (véxanse as Figuras SI S18 e S19). A análise dinámica da forma das partículas mostrou que todos os parámetros de forma de dous SL de Nb-MXeno cambiaron significativamente despois da interacción con microalgas. Como mostra o parámetro do diámetro da área circular equivalente (Fig. 6a, b), a intensidade máxima reducida da fracción de nanoescamas grandes indica que tenden a descompoñerse en fragmentos máis pequenos. Na Fig. 6c, d mostra unha diminución nos picos asociados co tamaño transversal das escamas (alongamento das nanoescamas), o que indica a transformación das nanoescamas 2D nunha forma máis similar á das partículas. A Figura 6e-h mostra o ancho e a lonxitude do Feret, respectivamente. O ancho e a lonxitude do Feret son parámetros complementarios e, polo tanto, deben considerarse conxuntamente. Despois da incubación de nanoescamas 2D de Nb-MXeno en presenza de microalgas, os seus picos de correlación de Feret desprazáronse e a súa intensidade diminuíu. Baseándonos nestes resultados en combinación coa morfoloxía, a XRF e a XPS, concluímos que os cambios observados están fortemente relacionados coa oxidación, xa que os MXenos oxidados engurranse máis e descomponse en fragmentos e partículas de óxido esféricas69,70.
Análise da transformación de MXeno despois da interacción con microalgas verdes. A análise dinámica da forma das partículas ten en conta parámetros como (a, b) diámetro da área circular equivalente, (c, d) redondez, (e, f) ancho de Feret e (g, h) lonxitude de Feret. Para este fin, analizáronse dúas mostras de microalgas de referencia xunto con MXeno SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx primarios, MXeno SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx, microalgas degradadas e MXeno SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx tratados. As frechas vermellas mostran as transicións dos parámetros de forma dos nanoescamas bidimensionais estudados.
Dado que a análise dos parámetros de forma é moi fiable, tamén pode revelar cambios morfolóxicos nas células das microalgas. Polo tanto, analizamos o diámetro da área circular equivalente, a redondez e a anchura/lonxitude de Feret das células de microalgas puras e das células despois da interacción con nanoescamas de Nb 2D. Na figura 6a-h móstranse os cambios nos parámetros de forma das células das algas, como o evidencia unha diminución na intensidade máxima e un desprazamento dos máximos cara a valores máis altos. En particular, os parámetros de redondez celular mostraron unha diminución nas células alongadas e un aumento nas células esféricas (figura 6a, b). Ademais, a anchura das células de Feret aumentou varios micrómetros despois da interacción co MXeno Nb2CTx de SL (figura 6e) en comparación co MXeno Nb4C3TX de SL (figura 6f). Sospeitamos que isto pode deberse á forte absorción de óxidos de Nb polas microalgas tras a interacción co SR de Nb2CTx. Unha adhesión menos ríxida das escamas de Nb á súa superficie pode resultar nun crecemento celular cun efecto de sombreado mínimo.
As nosas observacións dos cambios nos parámetros da forma e o tamaño das microalgas complementan outros estudos. As microalgas verdes poden cambiar a súa morfoloxía en resposta ao estrés ambiental cambiando o tamaño, a forma ou o metabolismo das células61. Por exemplo, cambiar o tamaño das células facilita a absorción de nutrientes71. As células de algas máis pequenas mostran unha menor absorción de nutrientes e unha taxa de crecemento prexudicada. Pola contra, as células máis grandes tenden a consumir máis nutrientes, que logo se depositan intracelularmente72,73. Machado e Soares descubriron que o funxicida triclosán pode aumentar o tamaño das células. Tamén atoparon cambios profundos na forma das algas74. Ademais, Yin et al.9 tamén revelaron cambios morfolóxicos nas algas despois da exposición a nanocompostos de óxido de grafeno reducido. Polo tanto, está claro que os parámetros de tamaño/forma alterados das microalgas son causados ​​pola presenza de MXeno. Dado que este cambio de tamaño e forma é indicativo de cambios na absorción de nutrientes, cremos que a análise dos parámetros de tamaño e forma ao longo do tempo pode demostrar a absorción de óxido de niobio polas microalgas en presenza de Nb-MXenos.
Ademais, os MXenos poden oxidarse en presenza de algas. Dalai et al.75 observaron que a morfoloxía das algas verdes expostas a nano-TiO2 e Al2O376 non era uniforme. Aínda que as nosas observacións son similares ás do presente estudo, só son relevantes para o estudo dos efectos da biorremediación en termos de produtos de degradación de MXeno en presenza de nanoescamas 2D e non de nanopartículas. Dado que os MXenos poden degradarse en óxidos metálicos,31,32,77,78 é razoable supoñer que as nosas nanoescamas de Nb tamén poden formar óxidos de Nb despois de interactuar con células de microalgas.
Para explicar a redución de nanoescamas de Nb 2D mediante un mecanismo de descomposición baseado no proceso de oxidación, realizamos estudos mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) (Fig. 7a, b) e espectroscopía fotoelectrónica de raios X (XPS) (Fig. 7). 7c-i e táboas S4-5). Ambas as abordaxes son axeitadas para estudar a oxidación de materiais 2D e compleméntanse. A HRTEM é capaz de analizar a degradación de estruturas en capas bidimensionais e a posterior aparición de nanopartículas de óxido metálico, mentres que a XPS é sensible ás unións superficiais. Para este propósito, probamos nanoescamas de Nb-MXeno 2D extraídas de dispersións celulares de microalgas, é dicir, a súa forma despois da interacción coas células de microalgas (véxase a Fig. 7).
Imaxes HRTEM que mostran a morfoloxía dos MXenos oxidados (a) SL Nb2CTx e (b) SL Nb4C3Tx, resultados da análise XPS que mostran (c) a composición dos produtos de óxido despois da redución, (d–f) coincidencia de picos dos compoñentes dos espectros XPS de SL Nb2CTx e (g–i) SL Nb4C3Tx reparados con microalgas verdes.
Os estudos de HRTEM confirmaron a oxidación de dous tipos de nanoescamas de Nb-MXeno. Aínda que as nanoescamas conservaron a súa morfoloxía bidimensional ata certo punto, a oxidación provocou a aparición de moitas nanopartículas que cubrían a superficie das nanoescamas de MXeno (véxase a Fig. 7a,b). A análise XPS dos sinais c Nb 3d e O 1s indicou que se formaron óxidos de Nb en ambos os casos. Como se mostra na Figura 7c, o MXeno 2D Nb2CTx e Nb4C3TX teñen sinais de Nb 3d que indican a presenza de óxidos de NbO e Nb2O5, mentres que os sinais de O 1s indican o número de enlaces O-Nb asociados coa funcionalización da superficie da nanoescama 2D. Observamos que a contribución do óxido de Nb é dominante en comparación co Nb-C e o Nb3+-O.
Na figura 7g–i móstranse os espectros XPS do Nb3d, C1s e O1s SL Nb2CTx (véxanse as figuras 7d–f) e do MXeno SL Nb4C3TX illado de células de microalgas. Os detalles dos parámetros dos picos dos Nb-MXenos ofrécense nas táboas S4–5, respectivamente. Primeiro analizamos a composición do Nb3d. En contraste co Nb absorbido polas células de microalgas, no MXeno illado de células de microalgas, ademais do Nb2O5, atopáronse outros compoñentes. No Nb2CTx SL, observamos a contribución do Nb3+-O nunha cantidade do 15 %, mentres que o resto do espectro de Nb3d estaba dominado polo Nb2O5 (85 %). Ademais, a mostra SL Nb4C3TX contén compoñentes Nb-C (9 %) e Nb2O5 (91 %). Aquí, o Nb-C provén de dúas capas atómicas internas de carburo metálico en Nb4C3Tx SR. Despois mapeamos os espectros de C 1s a catro compoñentes diferentes, como fixemos nas mostras internalizadas. Como era de esperar, o espectro de C 1s está dominado polo carbono grafítico, seguido das contribucións das partículas orgánicas (CHx/CO e C=O) das células de microalgas. Ademais, no espectro de O 1s, observamos a contribución das formas orgánicas das células de microalgas, o óxido de niobio e a auga adsorbida.
Ademais, investigamos se a clivaxe dos Nb-MXenos está asociada coa presenza de especies reactivas de osíxeno (ROS) no medio nutritivo e/ou nas células das microalgas. Para este fin, avaliamos os niveis de osíxeno singlete (1O2) no medio de cultivo e o glutatión intracelular, un tiol que actúa como antioxidante nas microalgas. Os resultados móstranse na figura S20 e S21. Os cultivos con MXenos Nb2CTx e Nb4C3TX con SL caracterizáronse por unha cantidade reducida de 1O2 (véxase a figura S20). No caso do Nb2CTx con SL, o MXeno 1O2 redúcese a aproximadamente o 83 %. Para os cultivos de microalgas que usan SL, o Nb4C3TX 1O2 diminuíu aínda máis, ata o 73 %. Curiosamente, os cambios no 1O2 mostraron a mesma tendencia que o efecto inhibitorio-estimulador observado anteriormente (véxase a figura 3). Pódese argumentar que a incubación con luz brillante pode alterar a fotooxidación. Non obstante, os resultados da análise de control mostraron niveis case constantes de 1O2 durante o experimento (Fig. S22). No caso dos niveis intracelulares de ROS, tamén observamos a mesma tendencia á baixa (véxase a Figura S21). Inicialmente, os niveis de ROS nas células de microalgas cultivadas en presenza de SL de Nb2CTx e Nb4C3Tx superaron os niveis atopados en cultivos puros de microalgas. Finalmente, porén, pareceu que as microalgas se adaptaron á presenza de ambos os Nb-MXenos, xa que os niveis de ROS diminuíron ao 85 % e ao 91 % dos niveis medidos en cultivos puros de microalgas inoculadas con SL de Nb2CTx e Nb4C3TX, respectivamente. Isto pode indicar que as microalgas se senten máis cómodas co paso do tempo en presenza de Nb-MXeno que só no medio nutritivo.
As microalgas son un grupo diverso de organismos fotosintéticos. Durante a fotosíntese, converten o dióxido de carbono (CO2) atmosférico en carbono orgánico. Os produtos da fotosíntese son glicosa e osíxeno79. Sospeitamos que o osíxeno así formado xoga un papel fundamental na oxidación dos Nb-MXenos. Unha posible explicación para isto é que o parámetro de aireación diferencial se forma a presións parciais de osíxeno baixas e altas fóra e dentro dos nanoescamas de Nb-MXeno. Isto significa que sempre que haxa áreas con diferentes presións parciais de osíxeno, a área co nivel máis baixo formará o ánodo80, 81, 82. Aquí, as microalgas contribúen á creación de células aireadas diferencialmente na superficie dos escamas de MXeno, que producen osíxeno debido ás súas propiedades fotosintéticas. Como resultado, fórmanse produtos de biocorrosión (neste caso, óxidos de niobio). Outro aspecto é que as microalgas poden producir ácidos orgánicos que se liberan na auga83,84. Polo tanto, fórmase un ambiente agresivo, cambiando así os Nb-MXenos. Ademais, as microalgas poden cambiar o pH do ambiente a alcalino debido á absorción de dióxido de carbono, o que tamén pode causar corrosión79.
Máis importante aínda, o fotoperíodo escuro/claro empregado no noso estudo é fundamental para comprender os resultados obtidos. Este aspecto descríbese en detalle en Djemai-Zoghlache et al. 85. Empregaron deliberadamente un fotoperíodo de 12/12 horas para demostrar a biocorrosión asociada á bioincrustación pola microalga vermella Porphyridium purpureum. Demostran que o fotoperíodo está asociado coa evolución do potencial sen biocorrosión, manifestándose como oscilacións pseudoperiódicas arredor das 24:00. Estas observacións foron confirmadas por Dowling et al. 86. Demostraron biopelículas fotosintéticas de cianobacterias Anabaena. O osíxeno disolto fórmase baixo a acción da luz, que se asocia cun cambio ou flutuacións no potencial de biocorrosión libre. A importancia do fotoperíodo vese enfatizada polo feito de que o potencial libre para a biocorrosión aumenta na fase luminosa e diminúe na fase escura. Isto débese ao osíxeno producido polas microalgas fotosintéticas, que inflúe na reacción catódica a través da presión parcial xerada preto dos eléctrodos87.
Ademais, realizouse espectroscopia infravermella por transformada de Fourier (FTIR) para descubrir se se producían cambios na composición química das células de microalgas despois da interacción cos Nb-MXenos. Estes resultados obtidos son complexos e presentámolos en SI (Figuras S23-S25, incluíndo os resultados da etapa MAX e os MXenos ML). En resumo, os espectros de referencia obtidos de microalgas proporciónannos información importante sobre as características químicas destes organismos. Estas vibracións máis probables están situadas en frecuencias de 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.11 (C–H) e 3280 cm–1 (O–H). Para os Nb-MXenos SL, atopamos unha sinatura de estiramento de enlace CH que é consistente co noso estudo anterior38. Non obstante, observamos que algúns picos adicionais asociados cos enlaces C=C e CH desapareceron. Isto indica que a composición química das microalgas pode sufrir cambios menores debido á interacción cos Nb-MXenos SL.
Ao considerar os posibles cambios na bioquímica das microalgas, cómpre reconsiderar a acumulación de óxidos inorgánicos, como o óxido de niobio59. Está implicado na absorción de metais pola superficie celular, o seu transporte ao citoplasma, a súa asociación con grupos carboxilo intracelulares e a súa acumulación en polifosfosomas de microalgas20,88,89,90. Ademais, a relación entre as microalgas e os metais mantense mediante grupos funcionais das células. Por este motivo, a absorción tamén depende da química da superficie das microalgas, que é bastante complexa9,91. En xeral, como se esperaba, a composición química das microalgas verdes cambiou lixeiramente debido á absorción de óxido de Nb.
Curiosamente, a inhibición inicial observada das microalgas foi reversible co tempo. Como observamos, as microalgas superaron o cambio ambiental inicial e finalmente volveron ás taxas de crecemento normais e mesmo aumentaron. Os estudos do potencial zeta mostran unha alta estabilidade cando se introducen en medios nutritivos. Así, a interacción superficial entre as células das microalgas e os nanoescamas de Nb-MXeno mantívose ao longo dos experimentos de redución. Na nosa análise posterior, resumimos os principais mecanismos de acción subxacentes a este notable comportamento das microalgas.
As observacións por microscopía electrónica de varrido (SEM) demostraron que as microalgas tenden a unirse aos Nb-MXenos. Mediante a análise dinámica de imaxes, confirmamos que este efecto leva á transformación de nanoescamas bidimensionais de Nb-MXeno en partículas máis esféricas, o que demostra que a descomposición das nanoescamas está asociada á súa oxidación. Para probar a nosa hipótese, realizamos unha serie de estudos de materiais e bioquímicos. Despois das probas, as nanoescamas oxidáronse e descompuxéronse gradualmente en produtos de NbO e Nb2O5, o que non supuxo unha ameaza para as microalgas verdes. Mediante a observación FTIR, non atopamos cambios significativos na composición química das microalgas incubadas en presenza de nanoescamas bidimensionais de Nb-MXeno. Tendo en conta a posibilidade de absorción de óxido de niobio polas microalgas, realizamos unha análise de fluorescencia de raios X. Estes resultados mostran claramente que as microalgas estudadas se alimentan de óxidos de niobio (NbO e Nb2O5), que non son tóxicos para as microalgas estudadas.