Dziękujemy za odwiedzenie strony Nature.com. Używasz przeglądarki z ograniczoną obsługą CSS. Aby zapewnić najlepsze wrażenia, zalecamy korzystanie z zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer). W międzyczasie, aby zapewnić ciągłą obsługę, będziemy renderować witrynę bez stylów i JavaScriptu.
Wyświetla karuzelę trzech slajdów jednocześnie. Użyj przycisków Poprzedni i Następny, aby przewijać trzy slajdy naraz, lub przycisków suwaka na końcu, aby przewijać trzy slajdy naraz.
Szybki rozwój nanotechnologii i jej integracja z codziennymi zastosowaniami może stanowić zagrożenie dla środowiska. O ile ekologiczne metody degradacji zanieczyszczeń organicznych są dobrze znane, odzyskiwanie nieorganicznych zanieczyszczeń krystalicznych budzi poważne obawy ze względu na ich niską wrażliwość na biotransformację i brak zrozumienia interakcji powierzchni materiałów z zanieczyszczeniami biologicznymi. W niniejszym artykule wykorzystaliśmy dwuwymiarowy model nieorganicznych MXenes na bazie Nb w połączeniu z prostą metodą analizy parametrów kształtu, aby prześledzić mechanizm bioremediacji dwuwymiarowych ceramicznych nanomateriałów przez zielone mikroalgi Raphidocelis subcapitata. Stwierdziliśmy, że mikroalgi degradują MXenes na bazie Nb w wyniku oddziaływań fizykochemicznych związanych z powierzchnią. Początkowo jednowarstwowe i wielowarstwowe nanopłatki MXenes przylegały do ​​powierzchni mikroalg, co w pewnym stopniu ograniczyło ich wzrost. Jednak w wyniku długotrwałej interakcji z powierzchnią, mikroalgi utleniały nanopłatki MXene i rozkładały je na NbO i Nb2O5. Ponieważ tlenki te nie są toksyczne dla komórek mikroalg, pochłaniają one nanocząsteczki tlenku Nb poprzez mechanizm absorpcji, który dodatkowo regeneruje mikroalgi po 72 godzinach uzdatniania wody. Wpływ składników odżywczych związanych z absorpcją znajduje również odzwierciedlenie we wzroście objętości komórek, ich gładkim kształcie i zmianie tempa wzrostu. Na podstawie tych ustaleń wnioskujemy, że krótko- i długoterminowa obecność MXenes na bazie Nb w ekosystemach słodkowodnych może powodować jedynie niewielkie oddziaływanie na środowisko. Warto zauważyć, że wykorzystując dwuwymiarowe nanomateriały jako układy modelowe, wykazujemy możliwość śledzenia transformacji kształtu nawet w materiałach drobnoziarnistych. Ogólnie rzecz biorąc, badanie to odpowiada na ważne, fundamentalne pytanie dotyczące procesów związanych z interakcjami powierzchni, które napędzają mechanizm bioremediacji nanomateriałów 2D i stanowi podstawę dalszych krótkoterminowych i długoterminowych badań nad wpływem nieorganicznych nanomateriałów krystalicznych na środowisko.
Nanomateriały wzbudziły duże zainteresowanie od momentu ich odkrycia, a różne nanotechnologie weszły ostatnio w fazę modernizacji1. Niestety, integracja nanomateriałów z codziennymi zastosowaniami może prowadzić do przypadkowego uwolnienia do środowiska z powodu niewłaściwej utylizacji, nieostrożnego obchodzenia się z nimi lub niewystarczającej infrastruktury bezpieczeństwa. Dlatego uzasadnione jest założenie, że nanomateriały, w tym nanomateriały dwuwymiarowe (2D), mogą być uwalniane do środowiska naturalnego, którego zachowanie i aktywność biologiczna nie są jeszcze w pełni poznane. Nic więc dziwnego, że obawy dotyczące ekotoksyczności koncentrują się na zdolności nanomateriałów 2D do wypłukiwania do systemów wodnych2,3,4,5,6. W tych ekosystemach niektóre nanomateriały 2D mogą oddziaływać z różnymi organizmami na różnych poziomach troficznych, w tym z mikroalgami.
Mikroalgi to prymitywne organizmy występujące naturalnie w ekosystemach słodkowodnych i morskich, które wytwarzają różnorodne produkty chemiczne poprzez fotosyntezę7. W związku z tym mają kluczowe znaczenie dla ekosystemów wodnych8,9,10,11,12, ale są również czułymi, niedrogimi i powszechnie stosowanymi wskaźnikami ekotoksyczności13,14. Ponieważ komórki mikroalg namnażają się szybko i szybko reagują na obecność różnych związków, są obiecujące dla rozwoju przyjaznych dla środowiska metod oczyszczania wody zanieczyszczonej substancjami organicznymi15,16.
Komórki glonów mogą usuwać jony nieorganiczne z wody poprzez biosorpcję i akumulację17,18. Niektóre gatunki glonów, takie jak Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue i Synechococcus sp., przenoszą, a nawet odżywiają toksyczne jony metali, takie jak Fe2+, Cu2+, Zn2+ i Mn2+19. Inne badania wykazały, że jony Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ lub Pb2+ ograniczają wzrost Scenedesmus poprzez zmianę morfologii komórek i niszczenie ich chloroplastów20,21.
Ekologiczne metody rozkładu zanieczyszczeń organicznych i usuwania jonów metali ciężkich przyciągnęły uwagę naukowców i inżynierów na całym świecie. Wynika to głównie z faktu, że zanieczyszczenia te łatwo ulegają rozkładowi w fazie ciekłej. Jednak nieorganiczne zanieczyszczenia krystaliczne charakteryzują się niską rozpuszczalnością w wodzie i niską podatnością na różne biotransformacje, co stwarza duże trudności w remediacji, a postęp w tej dziedzinie jest niewielki22,23,24,25,26. Zatem poszukiwanie przyjaznych dla środowiska rozwiązań w zakresie naprawy nanomateriałów pozostaje złożonym i niezbadanym obszarem. Ze względu na wysoki stopień niepewności dotyczący efektów biotransformacji nanomateriałów 2D, nie ma prostego sposobu na poznanie możliwych ścieżek ich degradacji podczas redukcji.
W niniejszym badaniu wykorzystaliśmy zielone mikroalgi jako aktywny wodny środek bioremediacyjny do nieorganicznych materiałów ceramicznych, w połączeniu z monitorowaniem in situ procesu degradacji MXene, będącego reprezentatywnym przykładem nieorganicznych materiałów ceramicznych. Termin „MXene” odzwierciedla stechiometrię materiału Mn+1XnTx, gdzie M to wczesny metal przejściowy, X to węgiel i/lub azot, Tx to terminator powierzchniowy (np. -OH, -F, -Cl), a n = 1, 2, 3 lub 427,28. Od czasu odkrycia MXenes przez Naguib i in., sensoryka, terapia nowotworowa i filtracja membranowa 27,29,30. Ponadto MXenes można uznać za modelowe układy 2D ze względu na ich doskonałą stabilność koloidalną i możliwe interakcje biologiczne 31,32,33,34,35,36.
Dlatego metodologia opracowana w niniejszym artykule oraz nasze hipotezy badawcze przedstawiono na rysunku 1. Zgodnie z tą hipotezą, mikroalgi degradują MXenes na bazie niobu do nietoksycznych związków w wyniku oddziaływań fizykochemicznych związanych z powierzchnią, co umożliwia dalszą regenerację alg. Aby przetestować tę hipotezę, wybrano dwa gatunki z rodziny wczesnych węglików i/lub azotków metali przejściowych (MXenes) na bazie niobu, a mianowicie Nb2CTx i Nb4C3TX.
Metodologia badań i hipotezy oparte na dowodach naukowych dotyczące odzysku MXene przez mikroalgi zielone Raphidocelis subcapitata. Należy pamiętać, że jest to jedynie schematyczne przedstawienie założeń opartych na dowodach naukowych. Środowisko jeziora różni się pod względem użytego medium odżywczego i warunków (np. cyklu dobowego i ograniczeń w dostępności niezbędnych składników odżywczych). Stworzone z BioRender.com.
Dlatego też, wykorzystując MXene jako system modelowy, otworzyliśmy drzwi do badań nad różnymi efektami biologicznymi, których nie można zaobserwować w przypadku innych konwencjonalnych nanomateriałów. W szczególności, demonstrujemy możliwość bioremediacji dwuwymiarowych nanomateriałów, takich jak niobowe MXenes, przez mikroalgi Raphidocelis subcapitata. Mikroalgi są w stanie degradować Nb-MXenes do nietoksycznych tlenków NbO i Nb2O5, które również dostarczają składników odżywczych poprzez mechanizm absorpcji niobu. Podsumowując, niniejsze badanie odpowiada na ważne, fundamentalne pytanie dotyczące procesów związanych z oddziaływaniami fizykochemicznymi powierzchni, które regulują mechanizmy bioremediacji dwuwymiarowych nanomateriałów. Ponadto opracowujemy prostą metodę opartą na parametrach kształtu, służącą do śledzenia subtelnych zmian kształtu dwuwymiarowych nanomateriałów. To inspiruje do dalszych krótko- i długoterminowych badań nad różnorodnym wpływem nieorganicznych nanomateriałów krystalicznych na środowisko. Nasze badania pogłębiają zatem wiedzę na temat interakcji między powierzchnią materiału a materiałem biologicznym. Stanowią one również podstawę do rozszerzonych badań krótkoterminowych i długoterminowych nad ich potencjalnym wpływem na ekosystemy słodkowodne, co teraz można łatwo zweryfikować.
MXenes reprezentują interesującą klasę materiałów o unikalnych i atrakcyjnych właściwościach fizycznych i chemicznych, a zatem o wielu potencjalnych zastosowaniach. Właściwości te w dużej mierze zależą od ich stechiometrii i chemii powierzchni. Dlatego w naszych badaniach przeanalizowaliśmy dwa typy hierarchicznych jednowarstwowych (SL) MXenes na bazie Nb, Nb2CTx i Nb4C3TX, ponieważ można zaobserwować różne efekty biologiczne tych nanomateriałów. MXenes są wytwarzane z materiałów wyjściowych poprzez selektywne trawienie od góry do dołu atomowo cienkich warstw A fazy MAX. Faza MAX to potrójna ceramika złożona z „połączonych” bloków węglików metali przejściowych i cienkich warstw pierwiastków „A”, takich jak Al, Si i Sn o stechiometrii MnAXn-1. Morfologię początkowej fazy MAX zaobserwowano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i była ona zgodna z wynikami wcześniejszych badań (patrz Informacje uzupełniające, SI, Rysunek S1). Wielowarstwowy (ML) Nb-MXene uzyskano po usunięciu warstwy Al za pomocą 48% HF (kwasu fluorowodorowego). Morfologię ML-Nb2CTx i ML-Nb4C3TX zbadano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) (odpowiednio rysunki S1c i S1d) i zaobserwowano typową warstwową morfologię MXene, podobną do dwuwymiarowych nanopłatków przechodzących przez wydłużone, porowate szczeliny. Oba Nb-MXene mają wiele wspólnego z fazami MXene wcześniej syntetyzowanymi przez trawienie kwasem27,38. Po potwierdzeniu struktury MXene, nałożyliśmy go warstwowo poprzez interkalację wodorotlenku tetrabutyloamoniowego (TBAOH), a następnie przemyliśmy i poddaliśmy sonikacji, po czym uzyskaliśmy jednowarstwowe lub niskowarstwowe (SL) 2D nanopłatki Nb-MXene.
Do przetestowania skuteczności trawienia i dalszego odklejania wykorzystaliśmy transmisyjną mikroskopię elektronową o wysokiej rozdzielczości (HRTEM) i dyfrakcję rentgenowską (XRD). Wyniki HRTEM przetworzone za pomocą odwrotnej szybkiej transformaty Fouriera (IFFT) i szybkiej transformaty Fouriera (FFT) przedstawiono na rys. 2. Nanopłatki Nb-MXene zorientowano krawędzią do góry, aby sprawdzić strukturę warstwy atomowej i zmierzyć odległości międzypłaszczyznowe. Obrazy HRTEM nanopłatków MXene Nb2CTx i Nb4C3TX ujawniły ich atomowo cienką naturę warstwową (patrz rys. 2a1, a2), jak wcześniej donieśli Naguib i in.27 oraz Jastrzębska i in.38. Dla dwóch sąsiadujących monowarstw Nb2CTx i Nb4C3Tx określiliśmy odległości międzywarstwowe wynoszące odpowiednio 0,74 i 1,54 nm (rys. 2b1, b2), co również zgadza się z naszymi wcześniejszymi wynikami38. Potwierdziła to dodatkowo odwrotna szybka transformata Fouriera (rys. 2c1, c2) oraz szybka transformata Fouriera (rys. 2d1, d2), pokazująca odległość między monowarstwami Nb2CTx i Nb4C3Tx. Na obrazie widoczne jest naprzemienne występowanie jasnych i ciemnych pasm odpowiadających atomom niobu i węgla, co potwierdza warstwową naturę badanych MXenes. Należy zauważyć, że widma spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDX) uzyskane dla Nb2CTx i Nb4C3Tx (rysunki S2a i S2b) nie wykazały pozostałości pierwotnej fazy MAX, ponieważ nie wykryto piku Al.
Charakterystyka nanopłatków SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXene, obejmująca (a) obrazowanie nanopłatków 2D za pomocą mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości (HRTEM) w widoku bocznym i odpowiadający mu (b) tryb intensywności, (c) odwrotną szybką transformatę Fouriera (IFFT), (d) szybką transformatę Fouriera (FFT), (e) rentgenowskie wzory Nb-MXenes. Dla SL 2D Nb2CTx liczby wyrażono jako (a1, b1, c1, d1, e1). Dla SL 2D Nb4C3Tx liczby wyrażono jako (a2, b2, c2, d2, e1).
Pomiary dyfrakcji rentgenowskiej SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXenes przedstawiono odpowiednio na rys. 2e1 i e2. Piki (002) przy 4,31 i 4,32 odpowiadają wcześniej opisanym warstwowym MXenes Nb2CTx i Nb4C3TX38,39,40,41. Wyniki XRD wskazują również na obecność pewnych resztkowych struktur ML i faz MAX, ale głównie na wzory XRD związane z SL Nb4C3Tx (rys. 2e2). Obecność mniejszych cząstek fazy MAX może wyjaśniać silniejszy pik MAX w porównaniu z losowo ułożonymi warstwami Nb4C3Tx.
Dalsze badania koncentrowały się na zielonych mikroalgach należących do gatunku R. subcapitata. Wybraliśmy mikroalgi, ponieważ są ważnymi producentami zaangażowanymi w główne sieci pokarmowe42. Są one również jednym z najlepszych wskaźników toksyczności ze względu na zdolność do usuwania substancji toksycznych przenoszonych na wyższe poziomy łańcucha pokarmowego43. Ponadto badania nad R. subcapitata mogą rzucić światło na przypadkową toksyczność SL Nb-MXenes dla powszechnych mikroorganizmów słodkowodnych. Aby to zilustrować, naukowcy postawili hipotezę, że każdy mikrob ma inną wrażliwość na związki toksyczne obecne w środowisku. Dla większości organizmów niskie stężenia substancji nie wpływają na ich wzrost, podczas gdy stężenia powyżej pewnego limitu mogą je hamować, a nawet powodować śmierć. Dlatego w naszych badaniach nad interakcją powierzchniową między mikroalgami a MXenes i związanym z nią odzyskiem postanowiliśmy przetestować nieszkodliwe i toksyczne stężenia Nb-MXenes. W tym celu przetestowaliśmy stężenia 0 (jako punkt odniesienia), 0,01, 0,1 i 10 mg l-1 MXene, a dodatkowo zainfekowaliśmy mikroalgi bardzo wysokimi stężeniami MXene (100 mg l-1 MXene), które mogą być ekstremalnie wysokie i śmiertelne w każdym środowisku biologicznym.
Wpływ Nb-MXenes SL na mikroalgi przedstawiono na rysunku 3, wyrażony jako procent promowania (+) lub hamowania (-) wzrostu zmierzony dla próbek o stężeniu 0 mg l-1. Dla porównania, przetestowano również fazę Nb-MAX i Nb-MXenes ML, a wyniki przedstawiono w jednostkach SI (patrz rys. S3). Uzyskane wyniki potwierdziły, że Nb-MXenes SL jest prawie całkowicie pozbawiony toksyczności w zakresie niskich stężeń od 0,01 do 10 mg/l, jak pokazano na rys. 3a,b. W przypadku Nb2CTx zaobserwowaliśmy nie więcej niż 5% ekotoksyczności w określonym zakresie.
Stymulacja (+) lub hamowanie (-) wzrostu mikroalg w obecności SL (a) Nb2CTx i (b) Nb4C3TX MXene. Przeanalizowano 24, 48 i 72 godziny interakcji MXene z mikroalgami. Dane istotne (test t, p < 0,05) oznaczono gwiazdką (*). Dane istotne (test t, p < 0,05) oznaczono gwiazdką (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Dane istotne (test t, p < 0,05) oznaczono gwiazdką (*).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 (*). Ważne dane (test t, p < 0,05) oznaczono gwiazdką (*).Czerwone strzałki wskazują na zniesienie stymulacji hamującej.
Z drugiej strony, niskie stężenia Nb4C3TX okazały się nieco bardziej toksyczne, ale nie wyższe niż 7%. Zgodnie z oczekiwaniami zaobserwowaliśmy, że MXenes miały wyższą toksyczność i hamowanie wzrostu mikroalg przy stężeniu 100 mg L-1. Co ciekawe, żaden z materiałów nie wykazał takiego samego trendu i zależności czasowej efektów nietoksycznych/toksycznych w porównaniu z próbkami MAX lub ML (szczegóły patrz SI). Podczas gdy w fazie MAX (patrz rys. S3) toksyczność osiągnęła około 15–25% i wzrastała z czasem, odwrotną tendencję zaobserwowano dla SL Nb2CTx i Nb4C3TX MXene. Hamowanie wzrostu mikroalg malało z czasem. Osiągnęło około 17% po 24 godzinach i spadło do mniej niż 5% po 72 godzinach (odpowiednio rys. 3a, b).
Co ważniejsze, w przypadku SL Nb4C3TX zahamowanie wzrostu mikroalg osiągnęło około 27% po 24 godzinach, ale po 72 godzinach zmniejszyło się do około 1%. Dlatego też oznaczyliśmy obserwowany efekt jako odwrotne zahamowanie stymulacji, a efekt był silniejszy w przypadku SL Nb4C3TX MXene. Stymulację wzrostu mikroalg odnotowano wcześniej w przypadku Nb4C3TX (interakcja przy stężeniu 10 mg L-1 przez 24 godziny) w porównaniu z SL Nb2CTx MXene. Efekt odwrócenia zahamowania-stymulacji był również dobrze widoczny na krzywej podwajania biomasy (szczegóły patrz rys. S4). Do tej pory badano na różne sposoby jedynie ekotoksyczność Ti3C2TX MXene. Nie jest toksyczny dla zarodków danio pręgowanego44, ale umiarkowanie ekotoksyczny dla mikroalg Desmodesmus quadricauda i roślin Sorghum saccharatum45. Inne przykłady specyficznych efektów obejmują wyższą toksyczność dla linii komórek nowotworowych niż dla linii komórek normalnych46,47. Można założyć, że warunki testu wpłyną na zmiany wzrostu mikroalg obserwowane w obecności Nb-MXenów. Na przykład, pH około 8 w stromie chloroplastów jest optymalne dla wydajnego działania enzymu RuBisCO. Zatem zmiany pH negatywnie wpływają na tempo fotosyntezy48,49. Jednakże nie zaobserwowaliśmy istotnych zmian pH podczas eksperymentu (patrz SI, rys. S5, aby uzyskać szczegółowe informacje). Ogólnie rzecz biorąc, kultury mikroalg z Nb-MXenami nieznacznie obniżały pH roztworu w czasie. Jednak spadek ten był podobny do zmiany pH czystego podłoża. Ponadto zakres stwierdzonych zmian był podobny do zmierzonego dla czystej kultury mikroalg (próbka kontrolna). Zatem wnioskujemy, że fotosynteza nie jest zależna od zmian pH w czasie.
Ponadto syntetyzowane MXenes posiadają zakończenia powierzchniowe (oznaczone jako Tx). Są to głównie grupy funkcyjne -O, -F i -OH. Jednak chemia powierzchni jest bezpośrednio związana z metodą syntezy. Wiadomo, że grupy te są losowo rozmieszczone na powierzchni, co utrudnia przewidywanie ich wpływu na właściwości MXenes50. Można argumentować, że Tx może być siłą katalityczną utleniania niobu światłem. Powierzchniowe grupy funkcyjne rzeczywiście zapewniają wiele miejsc kotwiczenia dla ich podstawowych fotokatalizatorów, tworząc heterozłącza51. Jednak skład pożywki nie zapewnił skutecznego fotokatalizatora (szczegółowy skład pożywki można znaleźć w tabeli SI S6). Ponadto, każda modyfikacja powierzchni jest również bardzo ważna, ponieważ aktywność biologiczna MXenes może ulec zmianie w wyniku obróbki końcowej warstw, utleniania, chemicznej modyfikacji powierzchni związków organicznych i nieorganicznych52,53,54,55,56 lub inżynierii ładunku powierzchniowego38. Dlatego, aby sprawdzić, czy tlenek niobu ma jakikolwiek związek z niestabilnością materiału w podłożu, przeprowadziliśmy badania potencjału zeta (ζ) w podłożu wzrostowym dla mikroalg i wodzie dejonizowanej (dla porównania). Nasze wyniki pokazują, że SL Nb-MXenes są dość stabilne (patrz rys. S6 w układzie SI dla wyników MAX i ML). Potencjał zeta SL MXenes wynosi około -10 mV. W przypadku SR Nb2CTx wartość ζ jest nieco bardziej ujemna niż w przypadku Nb4C3Tx. Taka zmiana wartości ζ może wskazywać, że powierzchnia ujemnie naładowanych nanopłatków MXenes absorbuje jony o ładunku dodatnim z podłoża hodowlanego. Czasowe pomiary potencjału zeta i przewodnictwa Nb-MXenes w podłożu hodowlanym (patrz rys. S7 i S8 w układzie SI dla szczegółów) wydają się potwierdzać naszą hipotezę.
Jednakże, oba Nb-MXene SL wykazały minimalne zmiany od zera. To wyraźnie pokazuje ich stabilność w podłożu wzrostowym dla mikroalg. Ponadto oceniliśmy, czy obecność naszych zielonych mikroalg wpłynie na stabilność Nb-MXenes w podłożu. Wyniki potencjału zeta i przewodnictwa MXenes po interakcji z mikroalgami w podłożu odżywczym i hodowli w czasie można znaleźć w SI (rysunki S9 i S10). Co ciekawe, zauważyliśmy, że obecność mikroalg wydawała się stabilizować dyspersję obu MXenes. W przypadku Nb2CTx SL, potencjał zeta nawet nieznacznie spadł z czasem do bardziej ujemnych wartości (-15,8 w porównaniu do -19,1 mV po 72 godzinach inkubacji). Potencjał zeta SL Nb4C3TX nieznacznie wzrósł, ale po 72 godzinach nadal wykazywał wyższą stabilność niż nanopłatki bez obecności mikroalg (-18,1 w porównaniu do -9,1 mV).
Stwierdziliśmy również niższą przewodność roztworów Nb-MXene inkubowanych w obecności mikroalg, co wskazuje na niższą ilość jonów w pożywce. Warto zauważyć, że niestabilność MXene w wodzie wynika głównie z utleniania powierzchniowego57. Dlatego podejrzewamy, że zielone mikroalgi w jakiś sposób usuwały tlenki utworzone na powierzchni Nb-MXene, a nawet zapobiegały ich powstawaniu (utlenianiu MXene). Można to zaobserwować, badając rodzaje substancji absorbowanych przez mikroalgi.
Chociaż nasze badania ekotoksykologiczne wskazywały, że mikroalgi były w stanie z czasem pokonać toksyczność Nb-MXene i nietypowe zahamowanie stymulowanego wzrostu, celem naszych badań było zbadanie możliwych mechanizmów działania. Gdy organizmy, takie jak algi, są narażone na związki lub materiały nieznane ich ekosystemom, mogą reagować na wiele sposobów58,59. W przypadku braku toksycznych tlenków metali, mikroalgi mogą się same odżywiać, co pozwala im na ciągły wzrost60. Po spożyciu substancji toksycznych mogą zostać aktywowane mechanizmy obronne, takie jak zmiana kształtu lub formy. Należy również wziąć pod uwagę możliwość absorpcji58,59. Co istotne, każdy ślad mechanizmu obronnego jest wyraźnym wskaźnikiem toksyczności badanego związku. Dlatego w naszych dalszych pracach badaliśmy potencjalną interakcję powierzchniową między nanopłatkami SL Nb-MXene a mikroalgami za pomocą SEM oraz możliwą absorpcję MXene na bazie Nb za pomocą spektroskopii fluorescencji rentgenowskiej (XRF). Należy pamiętać, że analizy SEM i XRF przeprowadzono wyłącznie przy najwyższym stężeniu MXene, aby zbadać kwestie toksyczności aktywności.
Wyniki SEM przedstawiono na ryc. 4. Komórki mikroalg niepoddane działaniu mikroskopu (patrz ryc. 4a, próbka referencyjna) wyraźnie wykazywały typową morfologię R. subcapitata i kształt przypominający rogalik. Komórki wydają się spłaszczone i nieco zdezorganizowane. Niektóre komórki mikroalg nakładały się na siebie i splątywały, ale prawdopodobnie było to spowodowane procesem przygotowania próbki. Ogólnie rzecz biorąc, czyste komórki mikroalg miały gładką powierzchnię i nie wykazywały żadnych zmian morfologicznych.
Obrazy SEM przedstawiające interakcję powierzchniową między zielonymi mikroalgami a nanopłytkami MXene po 72 godzinach interakcji przy ekstremalnym stężeniu (100 mg L-1). (a) Nieleczone zielone mikroalgi po interakcji z SL (b) Nb2CTx i (c) Nb4C3TX MXene. Należy zauważyć, że nanopłatki Nb-MXene są oznaczone czerwonymi strzałkami. Dla porównania dodano również zdjęcia z mikroskopu optycznego.
Natomiast komórki mikroalg zaadsorbowane przez nanopłatki SL Nb-MXene uległy uszkodzeniu (patrz rys. 4b, c, czerwone strzałki). W przypadku Nb2CTx MXene (rys. 4b) mikroalgi mają tendencję do wzrostu z przyłączonymi dwuwymiarowymi nanoskalami, co może zmieniać ich morfologię. Co ciekawe, zaobserwowaliśmy te zmiany również pod mikroskopem świetlnym (szczegóły na rysunku SI S11). Ta przemiana morfologiczna ma prawdopodobne podstawy w fizjologii mikroalg i ich zdolności do obrony poprzez zmianę morfologii komórek, taką jak zwiększanie objętości komórek61. Dlatego ważne jest, aby sprawdzić liczbę komórek mikroalg, które faktycznie mają kontakt z Nb-MXene. Badania SEM wykazały, że około 52% komórek mikroalg było wystawionych na działanie Nb-MXenes, podczas gdy 48% tych komórek mikroalg unikało kontaktu. W przypadku SL Nb4C3Tx MXene, mikroalgi starają się unikać kontaktu z MXene, lokalizując się i rozrastając w dwuwymiarowych nanoskalach (rys. 4c). Nie zaobserwowaliśmy jednak penetracji nanoskali do komórek mikroalg i ich uszkodzenia.
Samozachowanie jest również zależnym od czasu zachowaniem reakcji na zablokowanie fotosyntezy z powodu adsorpcji cząstek na powierzchni komórki i tzw. efektu zacienienia (shading)62. Oczywiste jest, że każdy obiekt (na przykład nanopłatki Nb-MXene) znajdujący się między mikroalgami a źródłem światła ogranicza ilość światła absorbowanego przez chloroplasty. Nie mamy jednak wątpliwości, że ma to istotny wpływ na uzyskane wyniki. Jak wykazały nasze obserwacje mikroskopowe, dwuwymiarowe nanopłatki nie były całkowicie owinięte ani przylegały do ​​powierzchni mikroalg, nawet gdy komórki mikroalg miały kontakt z Nb-MXene. Zamiast tego nanopłatki okazały się być zorientowane na komórki mikroalg bez pokrywania ich powierzchni. Taki zestaw nanopłatków/mikroalg nie może znacząco ograniczyć ilości światła absorbowanego przez komórki mikroalg. Co więcej, niektóre badania wykazały nawet poprawę absorpcji światła przez organizmy fotosyntetyzujące w obecności dwuwymiarowych nanomateriałów63,64,65,66.
Ponieważ obrazy SEM nie mogły bezpośrednio potwierdzić wychwytu niobu przez komórki mikroalg, w celu wyjaśnienia tej kwestii, nasze dalsze badania skupiły się na analizie fluorescencji rentgenowskiej (XRF) i spektroskopii fotoelektronów rentgenowskich (XPS). Dlatego porównaliśmy intensywność pików Nb w referencyjnych próbkach mikroalg, które nie oddziaływały z MXenes, nanopłatkami MXenes oderwanymi od powierzchni komórek mikroalg oraz komórkami mikroalg po usunięciu przyłączonych MXenes. Warto zauważyć, że jeśli nie ma wychwytu Nb, wartość Nb uzyskana przez komórki mikroalg powinna wynosić zero po usunięciu przyłączonych nanoskali. Zatem, jeśli wychwyt Nb nastąpi, zarówno wyniki XRF, jak i XPS powinny wykazać wyraźny pik Nb.
W przypadku widm XRF próbki mikroalg wykazały piki Nb dla SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXene po interakcji z SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXene (patrz rys. 5a, należy również zauważyć, że wyniki dla MAX i ML MXenes pokazano w SI, rys. S12–C17). Co ciekawe, intensywność piku Nb jest taka sama w obu przypadkach (czerwone słupki na rys. 5a). Oznacza to, że glony nie mogły wchłonąć więcej Nb, a maksymalna pojemność akumulacji Nb została osiągnięta w komórkach, mimo że dwa razy więcej Nb4C3Tx MXene było przyłączone do komórek mikroalg (niebieskie słupki na rys. 5a). Co godne uwagi, zdolność mikroalg do absorpcji metali zależy od stężenia tlenków metali w środowisku67,68. Shamshada i in. 67 stwierdzili, że zdolność absorpcyjna alg słodkowodnych maleje wraz ze wzrostem pH. Raize i in. 68 zauważyli, że zdolność wodorostów do absorpcji metali była o około 25% wyższa w przypadku jonów Pb2+ niż Ni2+.
(a) Wyniki XRF podstawowego wychwytu Nb przez komórki zielonych mikroalg inkubowane przy ekstremalnym stężeniu SL Nb-MXenes (100 mg L-1) przez 72 godziny. Wyniki pokazują obecność α w czystych komórkach mikroalg (próbka kontrolna, szare kolumny), 2D nanopłatkach wyizolowanych z powierzchniowych komórek mikroalg (niebieskie kolumny) i komórkach mikroalg po oddzieleniu 2D nanopłatków od powierzchni (czerwone kolumny). Ilość pierwiastkowego Nb, (b) procentowy skład chemiczny organicznych składników mikroalg (C=O i CHx/C–O) i tlenków Nb obecnych w komórkach mikroalg po inkubacji z SL Nb-MXenes, (c–e) Dopasowanie piku składu widm XPS SL Nb2CTx i (fh) SL Nb4C3Tx MXene internalizowanego przez komórki mikroalg.
Dlatego spodziewaliśmy się, że Nb może być absorbowany przez komórki glonów w postaci tlenków. Aby to sprawdzić, przeprowadziliśmy badania XPS na MXenach Nb2CTx i Nb4C3TX oraz komórkach glonów. Wyniki interakcji mikroalg z Nb-MXenami i MXenami wyizolowanymi z komórek glonów przedstawiono na rys. 5b. Zgodnie z oczekiwaniami wykryliśmy piki Nb 3d w próbkach mikroalg po usunięciu MXene z powierzchni mikroalg. Ilościowe oznaczenie tlenków C=O, CHx/CO i Nb obliczono na podstawie widm Nb 3d, O 1s i C 1s uzyskanych z Nb2CTx SL (rys. 5c–e) i Nb4C3Tx SL (rys. 5c–e). ) uzyskane z inkubowanych mikroalg. Rysunek 5f–h) MXenes. Tabela S1-3 przedstawia szczegółowe parametry pików i ogólną chemię wynikającą z dopasowania. Warto zauważyć, że obszary Nb3d w warstwach Nb2CTx SL i Nb4C3Tx SL (rys. 5c, f) odpowiadają jednemu składnikowi Nb2O5. W tym przypadku nie znaleźliśmy w widmach pików związanych z MXene, co wskazuje, że komórki mikroalg absorbują jedynie formę tlenkową Nb. Ponadto przybliżyliśmy widmo C1s składnikami C–C, CHx/C–O, C=O i –COOH. Piki CHx/C–O i C=O przypisaliśmy do organicznego wkładu komórek mikroalg. Te składniki organiczne stanowią odpowiednio 36% i 41% pików C1s w warstwach Nb2CTx SL i Nb4C3TX SL. Następnie dopasowaliśmy widma O 1s SL Nb2CTx i SL Nb4C3TX do Nb2O5, organicznych składników mikroalg (CHx/CO) i wody zaadsorbowanej na powierzchni.
Wreszcie, wyniki XPS jednoznacznie wskazały na formę Nb, a nie tylko na jego obecność. Na podstawie położenia sygnału Nb 3d i wyników dekonwolucji potwierdzamy, że Nb jest absorbowany wyłącznie w postaci tlenków, a nie jonów ani samego MXene. Ponadto wyniki XPS wykazały, że komórki mikroalg mają większą zdolność do wychwytywania tlenków Nb z SL Nb2CTx w porównaniu z SL Nb4C3TX MXene.
Chociaż nasze wyniki dotyczące wychwytu Nb są imponujące i pozwalają nam zidentyfikować degradację MXene, nie dysponujemy metodą śledzenia powiązanych z tym zmian morfologicznych w dwuwymiarowych nanopłatkach. Dlatego postanowiliśmy również opracować odpowiednią metodę, która może bezpośrednio reagować na wszelkie zmiany zachodzące w dwuwymiarowych nanopłatkach Nb-MXene i komórkach mikroalg. Należy zauważyć, że zakładamy, że jeśli oddziałujące ze sobą cząsteczki ulegną jakiejkolwiek transformacji, rozkładowi lub defragmentacji, powinno to szybko przejawić się w zmianach parametrów kształtu, takich jak średnica równoważnego obszaru kołowego, okrągłość, szerokość Fereta lub długość Fereta. Ponieważ parametry te nadają się do opisu wydłużonych cząstek lub dwuwymiarowych nanopłatków, ich śledzenie za pomocą dynamicznej analizy kształtu cząstek dostarczy nam cennych informacji na temat transformacji morfologicznej nanopłatków Nb-MXene w postaci SL podczas redukcji.
Uzyskane wyniki przedstawiono na rysunku 6. Dla porównania, przetestowaliśmy również oryginalną fazę MAX i ML-MXenes (patrz rysunki SI S18 i S19). Dynamiczna analiza kształtu cząstek wykazała, że ​​wszystkie parametry kształtu dwóch Nb-MXene SL zmieniły się znacząco po interakcji z mikroalgami. Jak pokazuje parametr średnicy równoważnego obszaru kołowego (rys. 6a, b), zmniejszona intensywność pików frakcji dużych nanopłatków wskazuje, że mają one tendencję do rozpadu na mniejsze fragmenty. Na rys. 6c, d widać spadek pików związany z poprzecznym rozmiarem płatków (wydłużenie nanopłatków), co wskazuje na przekształcenie 2D nanopłatków w kształt bardziej cząsteczkowy. Rysunek 6e-h przedstawia odpowiednio szerokość i długość Feret. Szerokość i długość Feret są parametrami uzupełniającymi się i dlatego powinny być rozpatrywane łącznie. Po inkubacji nanopłatków 2D Nb-MXene w obecności mikroalg, ich piki korelacji Feret uległy przesunięciu, a ich intensywność spadła. Na podstawie tych wyników, w połączeniu z morfologią, XRF i XPS, doszliśmy do wniosku, że obserwowane zmiany są silnie związane z utlenianiem, ponieważ utlenione MXene stają się bardziej pomarszczone i rozpadają się na fragmenty i sferyczne cząstki tlenków69,70.
Analiza transformacji MXene po interakcji z zielonymi mikroalgami. Dynamiczna analiza kształtu cząstek uwzględnia takie parametry, jak (a, b) średnica równoważnej powierzchni kołowej, (c, d) okrągłość, (e, f) szerokość Fereta i (g, h) długość Fereta. W tym celu przeanalizowano dwie referencyjne próbki mikroalg wraz z pierwotnymi MXenes SL Nb2CTx i SL Nb4C3Tx, MXenes SL Nb2CTx i SL Nb4C3Tx, zdegradowanymi mikroalgami oraz MXenes SL Nb2CTx i SL Nb4C3Tx z mikroalg poddanych obróbce. Czerwone strzałki pokazują zmiany parametrów kształtu badanych dwuwymiarowych nanopłatków.
Ponieważ analiza parametrów kształtu jest bardzo wiarygodna, może również ujawnić zmiany morfologiczne w komórkach mikroalg. Dlatego przeanalizowaliśmy średnicę równoważnego obszaru kołowego, okrągłość oraz szerokość/długość Fereta czystych komórek mikroalg i komórek po interakcji z dwuwymiarowymi nanopłatkami Nb. Na rys. 6a–h przedstawiono zmiany parametrów kształtu komórek glonów, o czym świadczy spadek intensywności pików i przesunięcie maksimów w kierunku wyższych wartości. W szczególności parametry okrągłości komórek wykazały spadek liczby komórek wydłużonych i wzrost liczby komórek kulistych (rys. 6a, b). Ponadto szerokość komórki Fereta wzrosła o kilka mikrometrów po interakcji z SL Nb2CTx MXene (rys. 6e) w porównaniu z SL Nb4C3TX MXene (rys. 6f). Podejrzewamy, że może to być spowodowane silnym wychwytem tlenków Nb przez mikroalgi po interakcji z Nb2CTx SR. Mniej sztywne połączenie płatków Nb z powierzchnią pozwala na wzrost komórek przy minimalnym efekcie zacieniania.
Nasze obserwacje zmian parametrów kształtu i wielkości mikroalg uzupełniają inne badania. Zielone mikroalgi mogą zmieniać swoją morfologię w odpowiedzi na stres środowiskowy poprzez zmianę wielkości, kształtu lub metabolizmu komórek61. Na przykład, zmiana wielkości komórek ułatwia wchłanianie składników odżywczych71. Mniejsze komórki glonów wykazują mniejszy pobór składników odżywczych i upośledzone tempo wzrostu. Z kolei większe komórki mają tendencję do zużywania większej ilości składników odżywczych, które są następnie deponowane wewnątrzkomórkowo72,73. Machado i Soares odkryli, że fungicyd triklosan może zwiększać rozmiar komórek. Zaobserwowali również znaczące zmiany w kształcie glonów74. Ponadto Yin i in.9 również ujawnili zmiany morfologiczne glonów po ekspozycji na nanokompozyty z zredukowanym tlenkiem grafenu. Dlatego jest oczywiste, że zmienione parametry wielkości/kształtu mikroalg są spowodowane obecnością MXene. Ponieważ ta zmiana wielkości i kształtu wskazuje na zmiany w pobieraniu składników odżywczych, uważamy, że analiza parametrów wielkości i kształtu na przestrzeni czasu może wykazać pobieranie tlenku niobu przez mikroalgi w obecności Nb-MXenów.
Co więcej, MXenes mogą ulegać utlenianiu w obecności alg. Dalai i in.75 zaobserwowali, że morfologia zielenic wystawionych na działanie nano-TiO2 i Al2O376 nie była jednorodna. Chociaż nasze obserwacje są podobne do tych przeprowadzonych w niniejszym badaniu, odnoszą się one jedynie do badania wpływu bioremediacji na produkty degradacji MXenes w obecności dwuwymiarowych nanopłatków, a nie nanocząstek. Ponieważ MXenes mogą ulegać degradacji do tlenków metali31,32,77,78, można zasadnie założyć, że nasze nanopłatki Nb mogą również tworzyć tlenki Nb po interakcji z komórkami mikroalg.
Aby wyjaśnić redukcję nanopłatków 2D-Nb poprzez mechanizm rozkładu oparty na procesie utleniania, przeprowadziliśmy badania z wykorzystaniem wysokorozdzielczej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (HRTEM) (rys. 7a, b) i rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS) (rys. 7c-i oraz tabele S4-5). Oba podejścia nadają się do badania utleniania materiałów 2D i wzajemnie się uzupełniają. HRTEM umożliwia analizę degradacji dwuwymiarowych struktur warstwowych i późniejszego pojawiania się nanocząstek tlenków metali, podczas gdy XPS jest wrażliwy na wiązania powierzchniowe. W tym celu przetestowaliśmy nanopłatki 2D Nb-MXene wyekstrahowane z dyspersji komórek mikroalg, tj. ich kształt po interakcji z komórkami mikroalg (patrz rys. 7).
Obrazy HRTEM pokazujące morfologię utlenionych (a) SL Nb2CTx i (b) SL Nb4C3Tx MXenes, wyniki analizy XPS pokazujące (c) skład produktów tlenkowych po redukcji, (d–f) dopasowanie pików składników widm XPS SL Nb2CTx i (g–i) Nb4C3Tx SL naprawionych za pomocą zielonych mikroalg.
Badania HRTEM potwierdziły utlenianie dwóch rodzajów nanopłatków Nb-MXene. Chociaż nanopłatki zachowały w pewnym stopniu swoją dwuwymiarową morfologię, utlenianie spowodowało pojawienie się wielu nanocząstek pokrywających powierzchnię nanopłatków MXene (patrz rys. 7a, b). Analiza XPS sygnałów cNb3d i O1s wykazała, że ​​w obu przypadkach powstały tlenki Nb. Jak pokazano na rys. 7c, 2D MXene Nb2CTx i Nb4C3TX mają sygnały Nb3d wskazujące na obecność tlenków NbO i Nb2O5, podczas gdy sygnały O1s wskazują na liczbę wiązań O–Nb związanych z funkcjonalizacją powierzchni 2D nanopłatków. Zauważyliśmy, że udział tlenku Nb jest dominujący w porównaniu z Nb-C i Nb3+-O.
Na rys. Rysunki 7g–i przedstawiają widma XPS Nb 3d, C 1s i O 1s SL Nb2CTx (patrz rys. 7d–f) oraz SL Nb4C3TX MXene wyizolowanych z komórek mikroalg. Szczegóły parametrów pików Nb-MXenes podano odpowiednio w tabelach S4–5. Najpierw przeanalizowaliśmy skład Nb 3d. W przeciwieństwie do Nb absorbowanego przez komórki mikroalg, w MXene wyizolowanym z komórek mikroalg, oprócz Nb2O5, znaleziono inne składniki. W Nb2CTx SL zaobserwowaliśmy udział Nb3+-O w ilości 15%, podczas gdy reszta widma Nb 3d była zdominowana przez Nb2O5 (85%). Ponadto próbka SL Nb4C3TX zawiera składniki Nb-C (9%) i Nb2O5 (91%). W tym przypadku Nb-C pochodzi z dwóch wewnętrznych warstw atomowych węglika metalu w Nb4C3Tx SR. Następnie mapujemy widma C1s na cztery różne składniki, tak jak zrobiliśmy to w przypadku próbek zinternalizowanych. Zgodnie z oczekiwaniami, w widmie C1s dominuje węgiel grafitowy, a następnie udział cząstek organicznych (CHx/CO i C=O) z komórek mikroalg. Ponadto, w widmie O1s zaobserwowaliśmy udział form organicznych komórek mikroalg, tlenku niobu i zaadsorbowanej wody.
Ponadto zbadaliśmy, czy rozszczepienie Nb-MXenes jest związane z obecnością reaktywnych form tlenu (ROS) w pożywce i/lub komórkach mikroalg. W tym celu oceniliśmy poziom tlenu singletowego (1O2) w pożywce hodowlanej i wewnątrzkomórkowego glutationu, tiolu, który działa jako przeciwutleniacz w mikroalgach. Wyniki przedstawiono w SI (rysunki S20 i S21). Kultury z SL Nb2CTx i Nb4C3TX MXenes charakteryzowały się zmniejszoną ilością 1O2 (patrz rysunek S20). W przypadku SL Nb2CTx, MXene 1O2 jest zmniejszone do około 83%. W przypadku kultur mikroalg z wykorzystaniem SL, Nb4C3TX 1O2 zmniejszyło się jeszcze bardziej, do 73%. Co ciekawe, zmiany w 1O2 wykazały ten sam trend, co wcześniej obserwowany efekt hamująco-stymulujący (patrz rys. 3). Można argumentować, że inkubacja w jasnym świetle może zmieniać fotooksydację. Jednak wyniki analizy kontrolnej wykazały prawie stałe poziomy 1O2 podczas eksperymentu (rys. S22). W przypadku wewnątrzkomórkowych poziomów ROS zaobserwowaliśmy również tę samą tendencję spadkową (patrz rysunek S21). Początkowo poziomy ROS w komórkach mikroalg hodowanych w obecności SL Nb2CTx i Nb4C3Tx przewyższały poziomy stwierdzone w czystych kulturach mikroalg. Ostatecznie jednak okazało się, że mikroalgi zaadaptowały się do obecności obu Nb-MXenes, ponieważ poziomy ROS spadły do ​​85% i 91% poziomów zmierzonych w czystych kulturach mikroalg zaszczepionych odpowiednio SL Nb2CTx i Nb4C3TX. Może to wskazywać, że mikroalgi z czasem czują się bardziej komfortowo w obecności Nb-MXene niż w samym podłożu odżywczym.
Mikroalgi to zróżnicowana grupa organizmów fotosyntetyzujących. Podczas fotosyntezy przekształcają atmosferyczny dwutlenek węgla (CO2) w węgiel organiczny. Produktami fotosyntezy są glukoza i tlen79. Podejrzewamy, że powstający w ten sposób tlen odgrywa kluczową rolę w utlenianiu Nb-MXenes. Jednym z możliwych wyjaśnień jest to, że parametr napowietrzenia różnicowego kształtuje się przy niskich i wysokich ciśnieniach parcjalnych tlenu na zewnątrz i wewnątrz nanopłatków Nb-MXenes. Oznacza to, że wszędzie tam, gdzie występują obszary o różnych ciśnieniach parcjalnych tlenu, obszar o najniższym ciśnieniu będzie tworzył anodę 80, 81, 82. W tym przypadku mikroalgi przyczyniają się do tworzenia na powierzchni płatków MXenes komórek o zróżnicowanym napowietrzeniu, które dzięki swoim właściwościom fotosyntetycznym produkują tlen. W rezultacie powstają produkty biokorozji (w tym przypadku tlenki niobu). Innym aspektem jest to, że mikroalgi mogą wytwarzać kwasy organiczne, które są uwalniane do wody83,84. W rezultacie powstaje agresywne środowisko, które zmienia Nb-MXen. Ponadto mikroalgi mogą zmieniać pH środowiska na zasadowe w wyniku absorpcji dwutlenku węgla, co również może powodować korozję79.
Co ważniejsze, fotoperiod ciemności/światła zastosowany w naszym badaniu ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia uzyskanych wyników. Aspekt ten został szczegółowo opisany w pracy Djemai-Zoghlache i in. 85. Celowo użyli oni fotoperiodu 12/12 godzin, aby zademonstrować biokorozję związaną z biofoulingiem wywołanym przez czerwone mikroalgi Porphyridium purpureum. Wykazują oni, że fotoperiod jest związany z ewolucją potencjału bez biokorozji, objawiającą się pseudoperiodycznymi oscylacjami około godziny 24:00. Obserwacje te zostały potwierdzone przez Dowling i in. 86. Wykazali oni fotosyntetyczne biofilmy sinic Anabaena. Rozpuszczony tlen powstaje pod wpływem światła, co wiąże się ze zmianą lub wahaniami swobodnego potencjału biokorozji. Znaczenie fotoperiodu podkreśla fakt, że swobodny potencjał biokorozji wzrasta w fazie jasnej i maleje w fazie ciemnej. Dzieje się tak za sprawą tlenu produkowanego przez fotosyntetyczne mikroalgi, który wpływa na reakcję katodową poprzez ciśnienie parcjalne wytwarzane w pobliżu elektrod87.
Dodatkowo wykonano spektroskopię w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), aby sprawdzić, czy zaszły jakiekolwiek zmiany w składzie chemicznym komórek mikroalg po interakcji z Nb-MXenami. Uzyskane wyniki są złożone i przedstawiamy je w SI (rysunki S23-S25, w tym wyniki etapu MAX i ML MXenes). Krótko mówiąc, uzyskane widma referencyjne mikroalg dostarczają nam ważnych informacji na temat charakterystyki chemicznej tych organizmów. Te najbardziej prawdopodobne drgania znajdują się przy częstotliwościach 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1. 1 1 (C–H) i 3280 cm-1 (O–H). Dla SL Nb-MXenes znaleźliśmy sygnaturę rozciągania wiązania CH, która jest zgodna z naszymi poprzednimi badaniami38. Zaobserwowaliśmy jednak, że niektóre dodatkowe piki związane z wiązaniami C=C i CH zanikły. Wskazuje to, że skład chemiczny mikroalg może ulegać niewielkim zmianom w wyniku interakcji z SL Nb-MXenami.
Rozważając możliwe zmiany w biochemii mikroalg, należy ponownie rozważyć kwestię akumulacji tlenków nieorganicznych, takich jak tlenek niobu59. Jest on zaangażowany w pobieranie metali przez powierzchnię komórki, ich transport do cytoplazmy, wiązanie z wewnątrzkomórkowymi grupami karboksylowymi oraz ich akumulację w polifosfosomach mikroalg20,88,89,90. Ponadto, związek między mikroalgami a metalami jest utrzymywany przez grupy funkcyjne komórek. Z tego powodu absorpcja zależy również od chemii powierzchni mikroalg, która jest dość złożona9,91. Ogólnie rzecz biorąc, zgodnie z oczekiwaniami, skład chemiczny zielonych mikroalg uległ nieznacznej zmianie w wyniku absorpcji tlenku Nb.
Co ciekawe, zaobserwowane początkowe zahamowanie wzrostu mikroalg było odwracalne z czasem. Jak zaobserwowaliśmy, mikroalgi przezwyciężyły początkową zmianę środowiska i ostatecznie powróciły do ​​normalnego tempa wzrostu, a nawet zwiększyły swój wzrost. Badania potencjału zeta wykazują wysoką stabilność po wprowadzeniu do pożywki. Zatem interakcja powierzchniowa między komórkami mikroalg a nanopłatkami Nb-MXene utrzymywała się przez cały okres trwania eksperymentów redukcyjnych. W dalszej analizie podsumowujemy główne mechanizmy działania leżące u podstaw tego niezwykłego zachowania mikroalg.
Obserwacje SEM wykazały, że mikroalgi mają tendencję do przyłączania się do Nb-MXene. Wykorzystując dynamiczną analizę obrazu, potwierdzamy, że efekt ten prowadzi do przekształcenia dwuwymiarowych nanopłatków Nb-MXene w bardziej kuliste cząstki, co dowodzi, że rozkład nanopłatków jest związany z ich utlenianiem. Aby przetestować naszą hipotezę, przeprowadziliśmy serię badań materiałowych i biochemicznych. Po przeprowadzeniu testów, nanopłatki stopniowo utleniały się i rozkładały na produkty NbO i Nb2O5, które nie stanowiły zagrożenia dla zielonych mikroalg. Wykorzystując obserwację FTIR, nie stwierdziliśmy istotnych zmian w składzie chemicznym mikroalg inkubowanych w obecności dwuwymiarowych nanopłatków Nb-MXene. Biorąc pod uwagę możliwość absorpcji tlenku niobu przez mikroalgi, przeprowadziliśmy analizę fluorescencji rentgenowskiej. Wyniki te wyraźnie wskazują, że badane mikroalgi żywią się tlenkami niobu (NbO i Nb2O5), które nie są toksyczne dla badanych mikroalg.