Ви благодариме што ја посетивте Nature.com. Користите верзија на прелистувач со ограничена CSS поддршка. За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer). Во меѓувреме, за да обезбедиме континуирана поддршка, ќе ја прикажеме страницата без стилови и JavaScript.
Прикажува вртелешка од три слајдови одеднаш. Користете ги копчињата „Претходно“ и „Следно“ за да се движите низ три слајдови одеднаш или користете ги лизгачките копчиња на крајот за да се движите низ три слајдови одеднаш.
Брзиот развој на нанотехнологијата и нејзината интеграција во секојдневните апликации можат да ја загрозат животната средина. Иако зелените методи за разградување на органски загадувачи се добро воспоставени, обновувањето на неорганските кристални загадувачи е од голема загриженост поради нивната ниска чувствителност на биотрансформација и недостатокот на разбирање на интеракциите на површината на материјалот со биолошките. Овде, користиме неоргански 2D MXenes модел базиран на Nb во комбинација со едноставен метод на анализа на параметри на формата за да го проследиме механизмот за биосанација на 2D керамички наноматеријали од страна на зелените микроалги Raphidocelis subcapitata. Откривме дека микроалгите ги разградуваат MXenes базирани на Nb поради физичко-хемиски интеракции поврзани со површината. Првично, еднослојни и повеќеслојни MXene наноснегулки беа прикачени на површината на микроалгите, што донекаде го намали растот на алгите. Сепак, по продолжена интеракција со површината, микроалгите ги оксидираа MXene наноснегулките и дополнително ги разградија во NbO и Nb2O5. Бидејќи овие оксиди не се токсични за клетките на микроалгите, тие ги консумираат наночестичките од Nb оксид преку механизам на апсорпција кој дополнително ги обновува микроалгите по 72 часа третман со вода. Ефектите на хранливите материи поврзани со апсорпцијата се рефлектираат и во зголемувањето на волуменот на клетките, нивната мазна форма и промената на стапката на раст. Врз основа на овие наоди, заклучуваме дека краткорочното и долгорочното присуство на MXenes базирани на Nb во слатководните екосистеми може да предизвика само мали влијанија врз животната средина. Вреди да се напомене дека, користејќи дводимензионални наноматеријали како моделни системи, ја демонстрираме можноста за следење на трансформацијата на обликот дури и кај ситнозрнести материјали. Генерално, оваа студија одговара на важно фундаментално прашање за процесите поврзани со површинската интеракција кои го движат механизмот за биоремедијација на 2D наноматеријалите и обезбедува основа за понатамошни краткорочни и долгорочни студии за влијанието на неорганските кристални наноматеријали врз животната средина.
Наноматеријалите предизвикаа голем интерес од нивното откривање, а разни нанотехнологии неодамна влегоа во фаза на модернизација1. За жал, интеграцијата на наноматеријалите во секојдневните апликации може да доведе до случајни испуштања поради неправилно отстранување, невнимателно ракување или несоодветна безбедносна инфраструктура. Затоа, разумно е да се претпостави дека наноматеријалите, вклучувајќи ги и дводимензионалните (2D) наноматеријали, можат да бидат испуштани во природната средина, чие однесување и биолошка активност сè уште не се целосно разбрани. Затоа, не е изненадувачки што загриженоста за екотоксичност се фокусираше на способноста на 2D наноматеријалите да навлезат во водните системи2,3,4,5,6. Во овие екосистеми, некои 2D наноматеријали можат да комуницираат со различни организми на различни трофични нивоа, вклучувајќи ги и микроалгите.
Микроалгите се примитивни организми кои природно се наоѓаат во слатководните и морските екосистеми кои произведуваат различни хемиски производи преку фотосинтеза7. Како такви, тие се критични за водните екосистеми8,9,10,11,12, но се исто така чувствителни, ефтини и широко користени индикатори за екотоксичност13,14. Бидејќи клетките на микроалгите се размножуваат брзо и брзо реагираат на присуството на разни соединенија, тие се ветувачки за развој на еколошки методи за третман на вода контаминирана со органски супстанции15,16.
Клетките на алгите можат да отстранат неоргански јони од водата преку биосорпција и акумулација17,18. Некои видови алги како што се Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue и Synechococcus sp. Утврдено е дека носи, па дури и храни токсични метални јони како што се Fe2+, Cu2+, Zn2+ и Mn2+19. Други студии покажаа дека јоните Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ или Pb2+ го ограничуваат растот на Scenedesmus со менување на морфологијата на клетките и уништување на нивните хлоропласти20,21.
Зелените методи за разградување на органски загадувачи и отстранување на јони на тешки метали го привлекоа вниманието на научниците и инженерите ширум светот. Ова главно се должи на фактот дека овие загадувачи лесно се обработуваат во течна фаза. Сепак, неорганските кристални загадувачи се карактеризираат со ниска растворливост во вода и ниска подложност на разни биотрансформации, што предизвикува големи тешкотии во санацијата, а во оваа област е постигнат мал напредок22,23,24,25,26. Така, потрагата по еколошки решенија за поправка на наноматеријали останува комплексна и неистражена област. Поради високиот степен на неизвесност во врска со ефектите на биотрансформација на 2D наноматеријалите, не постои лесен начин да се откријат можните патишта на нивна деградација за време на редукцијата.
Во оваа студија, користевме зелени микроалги како активен воден агенс за биорганска санација за неоргански керамички материјали, во комбинација со in situ мониторинг на процесот на деградација на MXene како претставник на неоргански керамички материјали. Терминот „MXene“ ја одразува стехиометријата на материјалот Mn+1XnTx, каде што M е ран преоден метал, X е јаглерод и/или азот, Tx е површински терминатор (на пр., -OH, -F, -Cl) и n = 1, 2, 3 или 427,28. Од откривањето на MXenes од страна на Naguib et al. Сензорика, терапија на рак и мембранска филтрација 27,29,30. Покрај тоа, MXenes може да се сметаат за модел 2D системи поради нивната одлична колоидна стабилност и можни биолошки интеракции31,32,33,34,35,36.
Затоа, методологијата развиена во овој напис и нашите истражувачки хипотези се прикажани на Слика 1. Според оваа хипотеза, микроалгите ги разградуваат MXenes-базирани на Nb во нетоксични соединенија поради физичко-хемиски интеракции поврзани со површината, што овозможува понатамошно обновување на алгите. За да се тестира оваа хипотеза, беа избрани два члена од семејството на рани карбиди и/или нитриди на преодни метали (MXenes) базирани на ниобиум, имено Nb2CTx и Nb4C3TX.
Методологија на истражување и хипотези засновани на докази за обновување на MXene од страна на зелените микроалги Raphidocelis subcapitata. Ве молиме имајте предвид дека ова е само шематски приказ на претпоставките засновани на докази. Езерската средина се разликува во користениот хранлив медиум и условите (на пр., дневен циклус и ограничувања на достапните есенцијални хранливи материи). Создадено со BioRender.com.
Затоа, со користење на MXene како моделен систем, отворивме врата за проучување на различни биолошки ефекти што не можат да се забележат со други конвенционални наноматеријали. Особено, ја демонстрираме можноста за биоремедијација на дводимензионални наноматеријали, како што се MXenes базирани на ниобиум, од страна на микроалги Raphidocelis subcapitata. Микроалгите се способни да ги разградат Nb-MXenes во нетоксични оксиди NbO и Nb2O5, кои исто така обезбедуваат хранливи материи преку механизмот на апсорпција на ниобиум. Генерално, оваа студија одговара на важно фундаментално прашање за процесите поврзани со површинските физичкохемиски интеракции што ги регулираат механизмите на биоремедијација на дводимензионални наноматеријали. Покрај тоа, развиваме едноставен метод базиран на параметри на формата за следење на суптилните промени во обликот на 2D наноматеријалите. Ова инспирира понатамошни краткорочни и долгорочни истражувања за различните влијанија врз животната средина на неорганските кристални наноматеријали. Така, нашата студија го зголемува разбирањето на интеракцијата помеѓу површината на материјалот и биолошкиот материјал. Исто така, обезбедуваме основа за проширени краткорочни и долгорочни студии за нивните можни влијанија врз слатководните екосистеми, кои сега лесно можат да се потврдат.
MXenes претставуваат интересна класа на материјали со уникатни и привлечни физички и хемиски својства и затоа многу потенцијални примени. Овие својства во голема мера зависат од нивната стехиометрија и површинска хемија. Затоа, во нашата студија, истражувавме два вида на хиерархиски еднослојни (SL) MXenes базирани на Nb, Nb2CTx и Nb4C3TX, бидејќи можеа да се забележат различни биолошки ефекти на овие наноматеријали. MXenes се произведуваат од нивните почетни материјали со селективно јоргање од горе надолу на атомски тенки MAX-фазни А-слоеви. MAX фазата е тернарна керамика составена од „врзани“ блокови од карбиди на преодни метали и тенки слоеви од „А“ елементи како што се Al, Si и Sn со MnAXn-1 стехиометрија. Морфологијата на почетната MAX фаза беше забележана со скенирачка електронска микроскопија (SEM) и беше во согласност со претходните студии (видете Дополнителни информации, SI, Слика S1). Повеќеслојниот (ML) Nb-MXene беше добиен по отстранување на Al слојот со 48% HF (флуороводородна киселина). Морфологијата на ML-Nb2CTx и ML-Nb4C3TX беше испитана со скенирачка електронска микроскопија (SEM) (слики S1c и S1d соодветно) и беше забележана типична слоевита морфологија на MXene, слична на дводимензионалните нанолушпи кои минуваат низ издолжени процепи слични на пори. И двата Nb-MXene имаат многу заедничко со фазите на MXene претходно синтетизирани со киселинско јоргање27,38. Откако ја потврдивме структурата на MXene, го слоевивме со интеркалација на тетрабутиламониум хидроксид (TBAOH) проследено со перење и соникација, по што добивме еднослојни или нискослојни (SL) 2D Nb-MXene нанолушпи.
Користевме микроскопија со трансмисиона електронска микроскопија со висока резолуција (HRTEM) и дифракција на Х-зраци (XRD) за да ја тестираме ефикасноста на јорганизирањето и понатамошното лупење. Резултатите од HRTEM обработени со инверзна брза Фуриеова трансформација (IFFT) и брза Фуриеова трансформација (FFT) се прикажани на Сл. 2. Nb-MXene наноснегулките беа ориентирани со работ нагоре за да се провери структурата на атомскиот слој и да се измерат меѓурамнинските растојанија. HRTEM сликите од MXene Nb2CTx и Nb4C3TX наноснегулките ја открија нивната атомски тенка слоевита природа (видете Сл. 2a1, a2), како што претходно објавија Нагиб и сор.27 и Јастржебска и сор.38. За два соседни монослоеви Nb2CTx и Nb4C3Tx, утврдивме меѓуслојни растојанија од 0,74 и 1,54 nm, соодветно (Сл. 2b1, b2), што исто така се совпаѓа со нашите претходни резултати38. Ова беше дополнително потврдено со инверзната брза Фуриеова трансформација (Сл. 2c1, c2) и брзата Фуриеова трансформација (Сл. 2d1, d2) што го прикажува растојанието помеѓу монослоевите Nb2CTx и Nb4C3Tx. Сликата покажува наизменично менување на светли и темни ленти што одговараат на атомите на ниобиум и јаглерод, што ја потврдува слоевитата природа на проучуваните MXenes. Важно е да се напомене дека спектрите на енергетска дисперзија на Х-зраци (EDX) добиени за Nb2CTx и Nb4C3Tx (Слики S2a и S2b) не покажаа остаток од оригиналната MAX фаза, бидејќи не беше откриен врв на Al.
Карактеризација на наноснегулките од SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene, вклучувајќи (а) странично 2D снимање на наноснегулки со висока резолуција (HRTEM) и соодветно, (б) режим на интензитет, (в) инверзна брза Фуриеова трансформација (IFFT), (г) брза Фуриеова трансформација (FFT), (д) ​​X-зраци од Nb-MXenes. За SL 2D Nb2CTx, броевите се изразуваат како (a1, b1, c1, d1, e1). За SL 2D Nb4C3Tx, броевите се изразуваат како (a2, b2, c2, d2, e1).
Мерењата на дифракцијата на Х-зраци на SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXenes се прикажани на сликите 2e1 и e2, соодветно. Врвовите (002) на 4,31 и 4,32 одговараат на претходно опишаните слоевити MXenes Nb2CTx и Nb4C3TX38,39,40,41, соодветно. XRD резултатите, исто така, укажуваат на присуство на некои преостанати ML структури и MAX фази, но најмногу XRD обрасци поврзани со SL Nb4C3Tx (Сл. 2e2). Присуството на помали честички од MAX фазата може да го објасни посилниот MAX врв во споредба со случајно наредените Nb4C3Tx слоеви.
Понатамошните истражувања се фокусираа на зелените микроалги кои припаѓаат на видот R. subcapitata. Ги избравме микроалгите бидејќи тие се важни производители вклучени во главните мрежи на исхрана42. Тие се исто така еден од најдобрите индикатори за токсичност поради способноста да ги отстранат токсичните супстанции што се пренесуваат на повисоките нивоа од синџирот на исхрана43. Покрај тоа, истражувањето на R. subcapitata може да фрли светлина врз случајната токсичност на SL Nb-MXenes за вообичаените слатководни микроорганизми. За да го илустрираат ова, истражувачите поставија хипотеза дека секој микроб има различна чувствителност на токсични соединенија присутни во животната средина. За повеќето организми, ниските концентрации на супстанции не влијаат на нивниот раст, додека концентрациите над одредена граница можат да ги инхибираат или дури и да предизвикаат смрт. Затоа, за нашите студии за површинската интеракција помеѓу микроалгите и MXenes и поврзаното закрепнување, решивме да ги тестираме безопасните и токсичните концентрации на Nb-MXenes. За да го направиме ова, тестиравме концентрации од 0 (како референца), 0,01, 0,1 и 10 mg l-1 MXene и дополнително инфицирани микроалги со многу високи концентрации на MXene (100 mg l-1 MXene), што може да биде екстремно и смртоносно за која било биолошка средина.
Ефектите на SL Nb-MXenes врз микроалгите се прикажани на Слика 3, изразени како процент на промоција на растот (+) или инхибиција (-) измерена за примероци од 0 mg l-1. За споредба, фазата Nb-MAX и ML Nb-MXenes исто така беа тестирани, а резултатите се прикажани во SI (видете Сл. S3). Добиените резултати потврдија дека SL Nb-MXenes е речиси целосно лишен од токсичност во опсегот на ниски концентрации од 0,01 до 10 mg/l, како што е прикажано на Сл. 3a,b. Во случајот со Nb2CTx, забележавме не повеќе од 5% екотоксичност во наведениот опсег.
Стимулација (+) или инхибиција (-) на растот на микроалгите во присуство на SL (a) Nb2CTx и (b) Nb4C3TX MXene. Анализирани се 24, 48 и 72 часа од интеракцијата MXene-микроалги. Значајните податоци (t-тест, p < 0,05) беа означени со ѕвездичка (*). Значајните податоци (t-тест, p < 0,05) беа означени со ѕвездичка (*). Значимые данные (t-критерий, стр < 0,05) отмечены звездочкой (*). Значајните податоци (t-тест, p < 0,05) се означени со ѕвездичка (*).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 (т-тест, стр < 0,05) отмечены звездочкой (*). Важните податоци (t-тест, p < 0,05) се означени со ѕвездичка (*).Црвените стрелки означуваат укинување на инхибиторната стимулација.
Од друга страна, ниските концентрации на Nb4C3TX се покажаа како малку потоксични, но не повисоки од 7%. Како што се очекуваше, забележавме дека MXenes имаат поголема токсичност и инхибиција на растот на микроалгите на 100 mg L-1. Интересно е што ниту еден од материјалите не покажа ист тренд и временска зависност на атоксичните/токсичните ефекти во споредба со MAX или ML примероците (видете SI за детали). Додека за MAX фазата (видете Сл. S3) токсичноста достигна приближно 15-25% и се зголеми со текот на времето, обратен тренд беше забележан за SL Nb2CTx и Nb4C3TX MXene. Инхибицијата на растот на микроалгите се намали со текот на времето. Достигна приближно 17% по 24 часа и падна на помалку од 5% по 72 часа (Сл. 3a, b, соодветно).
Поважно, за SL Nb4C3TX, инхибицијата на растот на микроалгите достигна околу 27% по 24 часа, но по 72 часа се намали на околу 1%. Затоа, го означивме набљудуваниот ефект како инверзна инхибиција на стимулацијата, а ефектот беше посилен за SL Nb4C3TX MXene. Стимулацијата на растот на микроалгите беше забележана порано со Nb4C3TX (интеракција на 10 mg L-1 за 24 часа) во споредба со SL Nb2CTx MXene. Ефектот на обратна инхибиција-стимулација беше добро прикажан и во кривата на стапката на удвојување на биомасата (видете ја Сл. S4 за детали). Досега, само екотоксичноста на Ti3C2TX MXene е проучена на различни начини. Не е токсичен за ембрионите на зебра рибата44, но е умерено екотоксичен за растенијата микроалги Desmodesmus quadricauda и Sorghum saccharatum45. Други примери за специфични ефекти вклучуваат поголема токсичност за линиите на ракот отколку за нормалните клеточни линии46,47. Може да се претпостави дека условите за тестирање би влијаеле на промените во растот на микроалгите забележани во присуство на Nb-MXenes. На пример, pH вредност од околу 8 во стромата на хлоропластот е оптимална за ефикасно функционирање на ензимот RuBisCO. Затоа, промените во pH негативно влијаат на брзината на фотосинтезата48,49. Сепак, не забележавме значајни промени во pH вредноста за време на експериментот (видете SI, Сл. S5 за детали). Општо земено, културите на микроалги со Nb-MXenes малку ја намалија pH вредноста на растворот со текот на времето. Сепак, ова намалување беше слично на промената на pH вредноста на чиста средина. Покрај тоа, опсегот на пронајдени варијации беше сличен на оној измерен за чиста култура на микроалги (контролен примерок). Така, заклучуваме дека фотосинтезата не е засегната од промените во pH вредноста со текот на времето.
Покрај тоа, синтетизираните MXenes имаат површински завршетоци (означени како Tx). Ова се главно функционални групи -O, -F и -OH. Сепак, површинската хемија е директно поврзана со методот на синтеза. Познато е дека овие групи се случајно распоредени по површината, што го отежнува предвидувањето на нивниот ефект врз својствата на MXene50. Може да се тврди дека Tx може да биде каталитичка сила за оксидација на ниобиум со светлина. Површинските функционални групи навистина обезбедуваат повеќе места за прицврстување за нивните основни фотокатализатори за да формираат хетероспојки51. Сепак, составот на медиумот за раст не обезбеди ефикасен фотокатализатор (детален состав на медиумот може да се најде во SI Табела S6). Покрај тоа, секоја модификација на површината е исто така многу важна, бидејќи биолошката активност на MXenes може да се промени поради пост-обработка на слоеви, оксидација, хемиска модификација на површината на органски и неоргански соединенија52,53,54,55,56 или инженерство на површински полнеж38. Затоа, за да тестираме дали ниобиум оксидот има некаква врска со нестабилноста на материјалот во медиумот, спроведовме студии за зета (ζ) потенцијалот во медиумот за раст на микроалги и дејонизирана вода (за споредба). Нашите резултати покажуваат дека SL Nb-MXenes се прилично стабилни (видете SI Сл. S6 за MAX и ML резултати). Зета потенцијалот на SL MXenes е околу -10 mV. Во случајот на SR Nb2CTx, вредноста на ζ е нешто понегативна од онаа на Nb4C3Tx. Таквата промена во вредноста на ζ може да укаже дека површината на негативно наелектризираните MXene наноснегулки апсорбира позитивно наелектризирани јони од медиумот за култура. Временските мерења на зета потенцијалот и спроводливоста на Nb-MXenes во медиумот за култура (видете ги сликите S7 и S8 во SI за повеќе детали) се чини дека ја поддржуваат нашата хипотеза.
Сепак, двата Nb-MXene SL покажаа минимални промени од нула. Ова јасно ја демонстрира нивната стабилност во медиумот за раст на микроалги. Дополнително, проценивме дали присуството на нашите зелени микроалги ќе влијае на стабилноста на Nb-MXenes во медиумот. Резултатите од зета потенцијалот и спроводливоста на MXenes по интеракцијата со микроалгите во хранливите медиуми и културата со текот на времето може да се најдат во SI (слики S9 и S10). Интересно е што забележавме дека присуството на микроалги се чини дека ја стабилизира дисперзијата на двата MXenes. Во случајот на Nb2CTx SL, зета потенцијалот дури и малку се намали со текот на времето до понегативни вредности (-15,8 наспроти -19,1 mV по 72 часа инкубација). Зета потенцијалот на SL Nb4C3TX малку се зголеми, но по 72 часа сè уште покажа поголема стабилност од нанофлеките без присуство на микроалги (-18,1 наспроти -9,1 mV).
Исто така, откривме помала спроводливост на растворите на Nb-MXene инкубирани во присуство на микроалги, што укажува на помала количина на јони во хранливата средина. Имено, нестабилноста на MXenes во вода главно се должи на површинска оксидација57. Затоа, се сомневаме дека зелените микроалги некако ги исчистиле оксидите формирани на површината на Nb-MXene, па дури и го спречиле нивното појавување (оксидација на MXene). Ова може да се види со проучување на видовите супстанции апсорбирани од микроалгите.
Иако нашите екотоксиколошки студии покажаа дека микроалгите се способни да ја надминат токсичноста на Nb-MXenes со текот на времето и необичната инхибиција на стимулираниот раст, целта на нашата студија беше да се испитаат можните механизми на дејствување. Кога организми како што се алгите се изложени на соединенија или материјали непознати за нивните екосистеми, тие можат да реагираат на различни начини58,59. Во отсуство на токсични метални оксиди, микроалгите можат да се хранат сами, дозволувајќи им континуирано да растат60. По внесувањето на токсични супстанции, може да се активираат одбранбени механизми, како што е промена на обликот или формата. Мора да се земе предвид и можноста за апсорпција58,59. Имено, секој знак на одбранбен механизам е јасен показател за токсичноста на тест соединението. Затоа, во нашата понатамошна работа, ја испитавме потенцијалната површинска интеракција помеѓу SL Nb-MXene наноленти и микроалги со SEM и можната апсорпција на Nb-базиран MXene со X-зрачна флуоресцентна спектроскопија (XRF). Забележете дека SEM и XRF анализите беа извршени само при највисока концентрација на MXene за да се решат проблемите со токсичноста на активноста.
Резултатите од SEM се прикажани на Сл. 4. Нетретираните клетки на микроалгите (видете Сл. 4а, референтен примерок) јасно покажаа типична морфологија на R. subcapitata и кроасан-како форма на клетки. Клетките изгледаат сплескани и донекаде неорганизирани. Некои клетки на микроалгите се преклопуваа и се испреплетуваа една со друга, но ова веројатно беше предизвикано од процесот на подготовка на примерокот. Општо земено, чистите клетки на микроалгите имаа мазна површина и не покажаа никакви морфолошки промени.
Слики од SEM кои ја прикажуваат површинската интеракција помеѓу зелените микроалги и MXene нанолистовите по 72 часа интеракција при екстремна концентрација (100 mg L-1). (a) Нетретирани зелени микроалги по интеракција со SL (b) Nb2CTx и (c) Nb4C3TX MXenes. Забележете дека Nb-MXene нанолентите се обележани со црвени стрелки. За споредба, додадени се и фотографии од оптички микроскоп.
Спротивно на тоа, клетките на микроалгите адсорбирани од нанолушпите на SL Nb-MXene беа оштетени (видете Сл. 4б, в, црвени стрелки). Во случајот на Nb2CTx MXene (Сл. 4б), микроалгите имаат тенденција да растат со прикачени дводимензионални наноскали, што може да ја промени нивната морфологија. Имено, ги забележавме овие промени и под светлосна микроскопија (видете ја Слика S11 на SI за детали). Оваа морфолошка транзиција има веродостојна основа во физиологијата на микроалгите и нивната способност да се одбранат со промена на морфологијата на клетките, како што е зголемување на волуменот на клетките61. Затоа, важно е да се провери бројот на клетки на микроалги кои всушност се во контакт со Nb-MXenes. SEM студиите покажаа дека приближно 52% од клетките на микроалгите биле изложени на Nb-MXenes, додека 48% од овие клетки на микроалгите избегнале контакт. За SL Nb4C3Tx MXene, микроалгите се обидуваат да избегнат контакт со MXene, со што се локализираат и растат од дводимензионални наноскали (сл. 4c). Сепак, не забележавме пенетрација на наноскали во клетките на микроалгите и нивно оштетување.
Самоодржувањето е исто така временски зависен одговор на блокирањето на фотосинтезата поради адсорпцијата на честички на површината на клетката и таканаречениот ефект на засенчување (сенчење)62. Јасно е дека секој објект (на пример, Nb-MXene нанолушпи) што се наоѓа помеѓу микроалгите и изворот на светлина ја ограничува количината на светлина апсорбирана од хлоропластите. Сепак, не се сомневаме дека ова има значително влијание врз добиените резултати. Како што покажаа нашите микроскопски набљудувања, 2D нанолушпите не беа целосно завиткани или залепени на површината на микроалгите, дури и кога клетките на микроалгите беа во контакт со Nb-MXenes. Наместо тоа, нанолушпите се покажаа ориентирани кон клетките на микроалгите без да ја покриваат нивната површина. Таквиот сет на нанолушпи/микроалги не може значително да ја ограничи количината на светлина апсорбирана од клетките на микроалгите. Покрај тоа, некои студии дури покажаа подобрување во апсорпцијата на светлината од страна на фотосинтетските организми во присуство на дводимензионални наноматеријали63,64,65,66.
Бидејќи SEM сликите не можеа директно да ја потврдат апсорпцијата на ниобиум од страна на клетките на микроалгите, нашата понатамошна студија се сврте кон анализа на рендгенска флуоресценција (XRF) и рендгенска фотоелектронска спектроскопија (XPS) за да го разјасниме ова прашање. Затоа, го споредивме интензитетот на врвовите на Nb на референтните примероци од микроалги кои не реагираа со MXenes, нанолушпите на MXene одвоени од површината на клетките на микроалгите и клетките на микроалгите по отстранувањето на прицврстените MXenes. Вреди да се напомене дека ако нема апсорпција на Nb, вредноста на Nb добиена од клетките на микроалгите треба да биде нула по отстранувањето на прицврстените наноскали. Затоа, ако се случи апсорпција на Nb, резултатите и од XRF и од XPS треба да покажат јасен врв на Nb.
Во случајот со XRF спектрите, примероците од микроалги покажаа Nb врвови за SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene по интеракцијата со SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene (видете Сл. 5a, исто така, забележете дека резултатите за MAX и ML MXenes се прикажани во SI, Сл. 5a). Интересно е што интензитетот на Nb врвот е ист во двата случаи (црвени ленти на Сл. 5a). Ова укажува дека алгите не можеле да апсорбираат повеќе Nb, а максималниот капацитет за акумулација на Nb бил постигнат во клетките, иако двојно повеќе Nb4C3Tx MXene бил прикачен на клетките на микроалгите (сини ленти на Сл. 5a). Имено, способноста на микроалгите да апсорбираат метали зависи од концентрацијата на метални оксиди во околината67,68. Шамшада и сор.67 откриле дека апсорптивниот капацитет на слатководните алги се намалува со зголемување на pH вредноста. Рајз и сор.68 забележале дека способноста на алгите да апсорбираат метали е околу 25% поголема за Pb2+ отколку за Ni2+.
(a) XRF резултати од базалната апсорпција на Nb од страна на зелени микроалги клетки инкубирани со екстремна концентрација на SL Nb-MXenes (100 mg L-1) во тек на 72 часа. Резултатите покажуваат присуство на α во чисти микроалги клетки (контролен примерок, сиви колони), 2D нанолунгули изолирани од површински микроалги клетки (сини колони) и микроалги клетки по одвојувањето на 2D нанолунгули од површината (црвени колони). Количината на елементарен Nb, (b) процент на хемиски состав на органски компоненти на микроалги (C=O и CHx/C–O) и Nb оксиди присутни во микроалги клетки по инкубација со SL Nb-MXenes, (c–e) Вклопување на композицискиот врв на XPS SL Nb2CTx спектрите и (fh) SL Nb4C3Tx MXene интернализиран од микроалги клетки.
Затоа, очекувавме дека Nb може да се апсорбира од клетките на алгите во форма на оксиди. За да го тестираме ова, извршивме XPS студии на MXenes Nb2CTx и Nb4C3TX и клетки на алги. Резултатите од интеракцијата на микроалгите со Nb-MXenes и MXenes изолирани од клетки на алги се прикажани на Сл. 5b. Како што се очекуваше, детектиравме Nb 3d врвови во примероците од микроалги по отстранувањето на MXene од површината на микроалгите. Квантитативното одредување на C=O, CHx/CO и Nb оксиди беше пресметано врз основа на спектрите на Nb 3d, O 1s и C 1s добиени со Nb2CTx SL (Сл. 5c–e) и Nb4C3Tx SL (Сл. 5c–e). ) добиени од инкубирани микроалги. Слика 5f–h) MXenes. Табелата S1-3 ги прикажува деталите за параметрите на врвовите и целокупната хемија што произлегува од вклопувањето. Вреди да се напомене дека Nb 3d регионите на Nb2CTx SL и Nb4C3Tx SL (сл. 5c, f) одговараат на една компонента на Nb2O5. Тука, не пронајдовме врвови поврзани со MXene во спектрите, што укажува дека клетките на микроалгите ја апсорбираат само оксидната форма на Nb. Покрај тоа, го приближивме спектарот на C 1 s со компонентите C–C, CHx/C–O, C=O и –COOH. Врвовите CHx/C–O и C=O ги доделивме на органскиот придонес на клетките на микроалгите. Овие органски компоненти сочинуваат 36% и 41% од врвовите на C 1s во Nb2CTx SL и Nb4C3TX SL, соодветно. Потоа ги вклопивме O 1s спектрите на SL Nb2CTx и SL Nb4C3TX со Nb2O5, органски компоненти на микроалги (CHx/CO) и површински адсорбирана вода.
Конечно, резултатите од XPS јасно ја покажаа формата на Nb, а не само неговото присуство. Според позицијата на сигналот Nb 3d и резултатите од деконволуцијата, потврдуваме дека Nb се апсорбира само во форма на оксиди, а не на јони или на самиот MXene. Покрај тоа, резултатите од XPS покажаа дека клетките на микроалгите имаат поголема способност да апсорбираат Nb оксиди од SL Nb2CTx во споредба со SL Nb4C3TX MXene.
Иако нашите резултати за апсорпција на Nb се импресивни и ни овозможуваат да идентификуваме деградација на MXene, не постои достапен метод за следење на поврзаните морфолошки промени во 2D нанолушпите. Затоа, решивме да развиеме и соодветен метод што може директно да одговори на сите промени што се случуваат во 2D Nb-MXene нанолушпите и клетките на микроалгите. Важно е да се напомене дека претпоставуваме дека ако интерактивните видови претрпат каква било трансформација, распаѓање или дефрагментација, ова треба брзо да се манифестира како промени во параметрите на обликот, како што се дијаметарот на еквивалентната кружна површина, заобленоста, ширината на Feret или должината на Feret. Бидејќи овие параметри се погодни за опишување на издолжени честички или дводимензионални нанолушпи, нивното следење со динамичка анализа на обликот на честичките ќе ни даде вредни информации за морфолошката трансформација на SL Nb-MXene нанолушпите за време на редукцијата.
Добиените резултати се прикажани на Слика 6. За споредба, ги тестиравме и оригиналната MAX фаза и ML-MXenes (видете ги сликите S18 и S19 на SI). Динамичката анализа на обликот на честичките покажа дека сите параметри на обликот на два Nb-MXene SL се променија значително по интеракцијата со микроалгите. Како што е прикажано со параметарот за еквивалентен дијаметар на кружната површина (Слика 6a, b), намалениот интензитет на врвот на фракцијата на големи нанолунчукови укажува дека тие имаат тенденција да се распаѓаат во помали фрагменти. На сл. 6c, d е прикажано намалување на врвовите поврзани со попречната големина на снегулките (издолжување на нанолунчуковите), што укажува на трансформација на 2D нанолунчуковите во форма слична на честички. Слика 6e-h ја прикажува ширината и должината на Feret, соодветно. Ширината и должината на Feret се комплементарни параметри и затоа треба да се земат предвид заедно. По инкубацијата на 2D Nb-MXene нанолунчуковите во присуство на микроалги, нивните Feret корелациски врвови се поместија и нивниот интензитет се намали. Врз основа на овие резултати во комбинација со морфологијата, XRF и XPS, заклучивме дека набљудуваните промени се силно поврзани со оксидацијата, бидејќи оксидираните MXenes стануваат повеќе збрчкани и се распаѓаат на фрагменти и сферични оксидни честички69,70.
Анализа на трансформацијата на MXene по интеракција со зелени микроалги. Динамичката анализа на обликот на честичките ги зема предвид параметрите како што се (a, b) дијаметар на еквивалентната кружна површина, (c, d) заобленост, (e, f) ширина на феретот и (g, h) должина на феретот. За таа цел, беа анализирани два референтни примероци од микроалги заедно со примарни SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXenes, деградирани микроалги и третирани микроалги SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXenes. Црвените стрелки ги покажуваат транзициите на параметрите на обликот на проучуваните дводимензионални нанолушпи.
Бидејќи анализата на параметрите на обликот е многу сигурна, таа може да открие и морфолошки промени во клетките на микроалгите. Затоа, ги анализиравме еквивалентниот дијаметар на кружната површина, заобленоста и ширината/должината на Ферет на чистите клетки на микроалгите и клетките по интеракцијата со 2D Nb наножилки. На сл. 6a-h се прикажани промени во параметрите на обликот на клетките на алгите, што е потврдено со намалување на интензитетот на врвот и поместување на максимумите кон повисоки вредности. Особено, параметрите на заобленоста на клетките покажаа намалување на издолжените клетки и зголемување на сферичните клетки (сл. 6a, b). Покрај тоа, ширината на Ферет клетките се зголеми за неколку микрометри по интеракцијата со SL Nb2CTx MXene (сл. 6e) во споредба со SL Nb4C3TX MXene (сл. 6f). Претпоставуваме дека ова може да се должи на силното апсорбирање на Nb оксиди од страна на микроалгите по интеракцијата со Nb2CTx SR. Помалку крутото прицврстување на Nb снегулките на нивната површина може да резултира со раст на клетките со минимален ефект на засенчување.
Нашите набљудувања на промените во параметрите на обликот и големината на микроалгите се надополнуваат со други студии. Зелените микроалги можат да ја променат својата морфологија како одговор на стресот од животната средина со промена на големината, обликот или метаболизмот на клетките61. На пример, промената на големината на клетките го олеснува апсорбирањето на хранливите материи71. Помалите клетки на алгите покажуваат помало апсорбирање на хранливи материи и нарушена стапка на раст. Спротивно на тоа, поголемите клетки имаат тенденција да консумираат повеќе хранливи материи, кои потоа се депонираат интрацелуларно72,73. Мачадо и Соарес откриле дека фунгицидот триклосан може да ја зголеми големината на клетките. Тие, исто така, пронајдоа длабоки промени во обликот на алгите74. Покрај тоа, Јин и сор.9, исто така, открија морфолошки промени во алгите по изложеност на нанокомпозити од редуциран графен оксид. Затоа, јасно е дека променетите параметри на големина/облик на микроалгите се предизвикани од присуството на MXene. Бидејќи оваа промена во големината и обликот е показател за промени во апсорбирањето на хранливи материи, веруваме дека анализата на параметрите на големината и обликот со текот на времето може да покаже апсорбирање на ниобиум оксид од страна на микроалгите во присуство на Nb-MXenes.
Покрај тоа, MXenes може да се оксидираат во присуство на алги. Далај и сор.75 забележале дека морфологијата на зелените алги изложени на нано-TiO2 и Al2O376 не била униформна. Иако нашите набљудувања се слични со оваа студија, тие се релевантни само за проучување на ефектите од биоремедијацијата во однос на производите на деградација на MXene во присуство на 2D наноснегулки, а не наночестички. Бидејќи MXenes може да се деградираат во метални оксиди,31,32,77,78 разумно е да се претпостави дека нашите Nb наноснегулки можат да формираат и Nb оксиди по интеракција со клетките на микроалгите.
За да го објасниме намалувањето на 2D-Nb наноснегулките преку механизам на распаѓање базиран на процесот на оксидација, спроведовме студии користејќи високорезолуциска трансмисиона електронска микроскопија (HRTEM) (Сл. 7a,b) и рендгенска фотоелектронска спектроскопија (XPS) (Сл. 7). 7c-i и табели S4-5). И двата пристапа се соодветни за проучување на оксидацијата на 2D материјали и се надополнуваат едни со други. HRTEM е способен да ја анализира деградацијата на дводимензионалните слоевити структури и последователното појавување на наночестички од метален оксид, додека XPS е чувствителен на површински врски. За таа цел, тестиравме 2D Nb-MXene наноснегулки екстрахирани од дисперзии на микроалги, односно нивниот облик по интеракцијата со микроалгите (видете Сл. 7).
HRTEM слики што ја прикажуваат морфологијата на оксидирани (а) SL Nb2CTx и (б) SL Nb4C3Tx MXenes, резултати од XPS анализата што покажуваат (в) составот на оксидните производи по редукцијата, (д-ѓ) совпаѓање на врвовите на компонентите на XPS спектрите на SL Nb2CTx и (г-и) Nb4C3Tx SL поправен со зелени микроалги.
Студиите со HRTEM ја потврдија оксидацијата на два вида Nb-MXene наноснегулки. Иако наноснегулките до одреден степен ја задржаа својата дводимензионална морфологија, оксидацијата резултираше со појава на многу наночестички што ја покриваат површината на MXene наноснегулките (видете Сл. 7a,b). XPS анализата на c Nb 3d и O 1s сигналите покажа дека Nb оксиди се формирани во двата случаи. Како што е прикажано на Слика 7c, 2D MXene Nb2CTx и Nb4C3TX имаат Nb 3d сигнали што укажуваат на присуство на NbO и Nb2O5 оксиди, додека O 1s сигналите го означуваат бројот на O-Nb врски поврзани со функционализација на површината на 2D наноснегулките. Забележавме дека придонесот на Nb оксидот е доминантен во споредба со Nb-C и Nb3+-O.
На сл. 7g–i се прикажани XPS спектрите на Nb 3d, C 1s и O 1s SL Nb2CTx (видете ги сл. 7d–f) и SL Nb4C3TX MXene изолиран од клетки на микроалги. Детали за параметрите на врвовите на Nb-MXenes се дадени во табелите S4–5, соодветно. Прво го анализиравме составот на Nb 3d. За разлика од Nb апсорбиран од клетки на микроалги, во MXene изолиран од клетки на микроалги, покрај Nb2O5, беа пронајдени и други компоненти. Во Nb2CTx SL, го забележавме придонесот на Nb3+-O во количина од 15%, додека остатокот од спектарот на Nb 3d беше доминиран од Nb2O5 (85%). Покрај тоа, примерокот SL Nb4C3TX содржи компоненти Nb-C (9%) и Nb2O5 (91%). Тука Nb-C доаѓа од два внатрешни атомски слоја на метален карбид во Nb4C3Tx SR. Потоа ги мапираме C 1s спектрите на четири различни компоненти, како што направивме во интернализираните примероци. Како што се очекуваше, C 1s спектарот е доминиран од графитен јаглерод, проследен со придонеси од органски честички (CHx/CO и C=O) од клетки на микроалги. Покрај тоа, во O 1s спектарот, го набљудувавме придонесот на органски форми на клетки на микроалги, ниобиум оксид и адсорбирана вода.
Дополнително, истражувавме дали расцепувањето на Nb-MXenes е поврзано со присуството на реактивни кислородни видови (ROS) во хранливиот медиум и/или клетките на микроалгите. За таа цел, ги проценивме нивоата на синглетниот кислород (1O2) во медиумот за култура и интрацелуларниот глутатион, тиол кој делува како антиоксиданс кај микроалгите. Резултатите се прикажани во SI (слики S20 и S21). Културите со SL Nb2CTx и Nb4C3TX MXenes беа карактеризирани со намалена количина на 1O2 (видете ја Слика S20). Во случајот на SL Nb2CTx, MXene 1O2 е намален на околу 83%. За микроалгиските култури што користат SL, Nb4C3TX 1O2 се намали уште повеќе, на 73%. Интересно е што промените во 1O2 покажаа ист тренд како и претходно забележаниот инхибиторно-стимулаторен ефект (видете ја Слика 3). Може да се тврди дека инкубацијата на силна светлина може да ја промени фотооксидацијата. Сепак, резултатите од контролната анализа покажаа речиси константни нивоа на 1O2 за време на експериментот (сл. S22). Во случај на интрацелуларни нивоа на ROS, исто така забележавме ист тренд на опаѓање (видете ја Слика S21). Првично, нивоата на ROS во клетките на микроалгите култивирани во присуство на Nb2CTx и Nb4C3Tx SLs ги надминаа нивоата пронајдени во чистите култури на микроалги. Сепак, на крајот, се покажа дека микроалгите се прилагодиле на присуството на двата Nb-MXenes, бидејќи нивоата на ROS се намалија на 85% и 91% од нивоата измерени во чисти култури на микроалги инокулирани со SL Nb2CTx и Nb4C3TX, соодветно. Ова може да укажува дека микроалгите се чувствуваат поудобно со текот на времето во присуство на Nb-MXene отколку само во хранлива подлога.
Микроалгите се разновидна група на фотосинтетски организми. За време на фотосинтезата, тие го претвораат атмосферскиот јаглерод диоксид (CO2) во органски јаглерод. Производите на фотосинтезата се гликоза и кислород79. Претпоставуваме дека кислородот што се формира на овој начин игра клучна улога во оксидацијата на Nb-MXenes. Едно можно објаснување за ова е дека параметарот за диференцијална аерација се формира при ниски и високи парцијални притисоци на кислород надвор и внатре во наножилните снегулки на Nb-MXene. Ова значи дека секаде каде што има области со различни парцијални притисоци на кислород, областа со најниско ниво ќе ја формира анодата 80, 81, 82. Тука, микроалгите придонесуваат за создавање на диференцијално аерирани клетки на површината на снегулките MXene, кои произведуваат кислород поради нивните фотосинтетски својства. Како резултат на тоа, се формираат производи на биокорозија (во овој случај, ниобиум оксиди). Друг аспект е дека микроалгите можат да произведуваат органски киселини кои се ослободуваат во водата83,84. Затоа, се формира агресивна средина, со што се менуваат Nb-MXenes. Покрај тоа, микроалгите можат да ја променат pH вредноста на околината во алкална поради апсорпцијата на јаглерод диоксид, што исто така може да предизвика корозија79.
Поважно, темно/светлосниот фотопериод што се користи во нашата студија е клучен за разбирање на добиените резултати. Овој аспект е детално опишан во Џемаи-Зоглаш и сор. 85 Тие намерно користеле 12/12-часовен фотопериод за да ја демонстрираат биокорозијата поврзана со биозагадувањето од страна на црвените микроалги Porphyridium purpureum. Тие покажуваат дека фотопериодот е поврзан со еволуцијата на потенцијалот без биокорозија, манифестирајќи се како псевдопериодични осцилации околу 24:00 часот. Овие набљудувања беа потврдени од Даулинг и сор. 86 Тие демонстрираа фотосинтетски биофилмови на цијанобактериите Anabaena. Растворениот кислород се формира под дејство на светлината, што е поврзано со промена или флуктуации во слободниот потенцијал на биокорозија. Важноста на фотопериодот е нагласена со фактот дека слободниот потенцијал за биокорозија се зголемува во светлата фаза и се намалува во темната фаза. Ова се должи на кислородот произведен од фотосинтетските микроалги, кој влијае на катодната реакција преку парцијалниот притисок генериран во близина на електродите 87.
Дополнително, беше извршена инфрацрвена спектроскопија со Фуриеова трансформација (FTIR) за да се открие дали се случиле промени во хемискиот состав на клетките на микроалгите по интеракцијата со Nb-MXenes. Добиените резултати се сложени и ги презентираме во SI (слики S23-S25, вклучувајќи ги резултатите од MAX фазата и ML MXenes). Накратко, добиените референтни спектри на микроалгите ни даваат важни информации за хемиските карактеристики на овие организми. Овие најверојатни вибрации се наоѓаат на фреквенции од 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1. еден. 1 1 (C–H) и 3280 cm–1 (O–H). За SL Nb-MXenes, пронајдовме потпис на истегнување на CH-врската што е во согласност со нашата претходна студија38. Сепак, забележавме дека некои дополнителни врвови поврзани со врските C=C и CH исчезнаа. Ова укажува дека хемискиот состав на микроалгите може да претрпи мали промени поради интеракцијата со SL Nb-MXenes.
Кога се разгледуваат можните промени во биохемијата на микроалгите, потребно е повторно да се разгледа акумулацијата на неоргански оксиди, како што е ниобиум оксидот59. Тој е вклучен во апсорпцијата на метали од страна на површината на клетката, нивниот транспорт во цитоплазмата, нивната поврзаност со интрацелуларни карбоксилни групи и нивната акумулација во полифосфозомите на микроалгите20,88,89,90. Покрај тоа, врската помеѓу микроалгите и металите се одржува преку функционални групи на клетки. Поради оваа причина, апсорпцијата зависи и од хемијата на површината на микроалгите, која е доста сложена9,91. Општо земено, како што се очекуваше, хемискиот состав на зелените микроалги малку се промени поради апсорпцијата на Nb оксидот.
Интересно е што забележаната почетна инхибиција на микроалгите беше реверзибилна со текот на времето. Како што забележавме, микроалгите ја надминаа почетната промена во животната средина и на крајот се вратија на нормални стапки на раст, па дури и се зголемија. Студиите за зета потенцијалот покажуваат висока стабилност кога се воведуваат во хранливи медиуми. Така, површинската интеракција помеѓу клетките на микроалгите и нанолентите Nb-MXene беше одржана во текот на експериментите за редукција. Во нашата понатамошна анализа, ги сумираме главните механизми на дејствување што лежат во основата на ова извонредно однесување на микроалгите.
Набљудувањата со SEM покажаа дека микроалгите имаат тенденција да се прикачат на Nb-MXenes. Користејќи динамичка анализа на слики, потврдуваме дека овој ефект води до трансформација на дводимензионални Nb-MXene нанолушпи во посферични честички, со што покажуваме дека распаѓањето на нанолушпите е поврзано со нивната оксидација. За да ја тестираме нашата хипотеза, спроведовме серија материјални и биохемиски студии. По тестирањето, нанолушпите постепено се оксидираа и се распаѓаа во производи NbO и Nb2O5, што не претставуваше закана за зелените микроалги. Користејќи FTIR набљудување, не откривме значајни промени во хемискиот состав на микроалгите инкубирани во присуство на 2D Nb-MXene нанолушпи. Земајќи ја предвид можноста за апсорпција на ниобиум оксид од страна на микроалгите, извршивме анализа на флуоресценција со Х-зраци. Овие резултати јасно покажуваат дека проучуваните микроалги се хранат со ниобиум оксиди (NbO и Nb2O5), кои не се токсични за проучуваните микроалги.