Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com. Używasz wersji przeglądarki z ograniczoną obsługą CSS. Aby uzyskać najlepsze wrażenia, zalecamy korzystanie ze zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w programie Internet Explorer). W międzyczasie, aby zapewnić ciągłą obsługę, będziemy renderować witrynę bez stylów i JavaScript.
Wyświetla karuzelę trzech slajdów na raz. Użyj przycisków Poprzedni i Następny, aby przejść przez trzy slajdy na raz, lub użyj przycisków suwaka na końcu, aby przejść przez trzy slajdy na raz.
Szybki rozwój nanotechnologii i jej integracja z codziennymi zastosowaniami może zagrażać środowisku. Podczas gdy zielone 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 oddziaływań powierzchni materiału z zanieczyszczeniami biologicznymi. Tutaj wykorzystujemy oparty na Nb nieorganiczny model 2D MXenes w połączeniu z prostą metodą analizy parametrów kształtu, aby prześledzić mechanizm bioremediacji 2D ceramicznych nanomateriałów przez zielone mikroalgi Raphidocelis subcapitata. Odkryliśmy, że mikroalgi degradują MXenes oparte na Nb ze względu na oddziaływania fizykochemiczne związane z powierzchnią. Początkowo jednowarstwowe i wielowarstwowe nanopłatki MXene były przyczepione do powierzchni mikroalg, co nieco ograniczyło wzrost glonów. Jednak po dłuższej interakcji z powierzchnią mikroalgi utleniały nanopłatki MXene i dalej rozkładały je na NbO i Nb2O5. Ponieważ te tlenki nie są toksyczne dla komórek mikroalg, zużywają nanocząsteczki tlenku Nb poprzez mechanizm absorpcji, który dodatkowo przywraca mikroalgi po 72 godzinach uzdatniania wody. Efekty składników odżywczych związanych z absorpcją są również odzwierciedlone we wzroście objętości komórek, ich gładkim kształcie i zmianie tempa wzrostu. Na podstawie tych ustaleń wnioskujemy, że krótkoterminowa i długoterminowa obecność MXenes na bazie Nb w ekosystemach słodkowodnych może powodować jedynie niewielkie skutki dla środowiska. Warto zauważyć, że wykorzystując dwuwymiarowe nanomateriały jako systemy 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 do dalszych krótkoterminowych i długoterminowych badań nad wpływem nieorganicznych nanomateriałów krystalicznych na środowisko.
Nanomateriały wzbudziły duże zainteresowanie od czasu ich odkrycia, a różne nanotechnologie niedawno weszły w fazę modernizacji1. Niestety, integracja nanomateriałów z codziennymi zastosowaniami może prowadzić do przypadkowych uwolnień z powodu niewłaściwej utylizacji, nieostrożnego obchodzenia się z nimi lub niewystarczającej infrastruktury bezpieczeństwa. Dlatego też można założyć, że nanomateriały, w tym dwuwymiarowe (2D) nanomateriały, mogą być uwalniane do środowiska naturalnego, którego zachowanie i aktywność biologiczna nie są jeszcze w pełni poznane. Dlatego też nie dziwi fakt, że obawy dotyczące ekotoksyczności skupiły 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. Jako takie są krytyczne dla ekosystemów wodnych8,9,10,11,12, ale są również wrażliwymi, niedrogimi i szeroko stosowanymi wskaźnikami ekotoksyczności13,14. Ponieważ komórki mikroalg rozmnażają się szybko i szybko reagują na obecność różnych związków, są obiecujące dla rozwoju przyjaznych dla środowiska metod oczyszczania wody zanieczyszczonej substancjami organicznymi15,16.
Komórki alg mogą usuwać jony nieorganiczne z wody poprzez biosorpcję i akumulację17,18. Niektóre gatunki alg, takie jak Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue i Synechococcus sp. Stwierdzono, że przenoszą i 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.
Zielone 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 są łatwo przetwarzane w fazie ciekłej. Jednak nieorganiczne zanieczyszczenia krystaliczne charakteryzują się niską rozpuszczalnością w wodzie i niską podatnością na różne biotransformacje, co powoduje duże trudności w remediacji, a w tej dziedzinie poczyniono niewielkie postępy22,23,24,25,26. Tak więc 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 łatwego sposobu na znalezienie możliwych ścieżek ich degradacji podczas redukcji.
W tym badaniu wykorzystaliśmy zielone mikroalgi jako aktywny wodny środek bioremediacyjny dla nieorganicznych materiałów ceramicznych, w połączeniu z monitorowaniem in situ procesu degradacji MXene jako przedstawiciela nieorganicznych materiałów ceramicznych. Termin „MXene” odzwierciedla stechiometrię materiału Mn+1XnTx, gdzie M jest wczesnym metalem przejściowym, X jest węglem i/lub azotem, Tx jest terminatorem powierzchniowym (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 biologiczne31,32,33,34,35,36.
Dlatego metodologia opracowana w tym artykule i nasze hipotezy badawcze są pokazane na Rysunku 1. Zgodnie z tą hipotezą, mikroalgi degradują MXenes oparte na Nb do nietoksycznych związków ze względu na oddziaływania fizykochemiczne związane z powierzchnią, co pozwala na dalszą odbudowę alg. Aby przetestować tę hipotezę, wybrano dwóch członków rodziny wczesnych węglików i/lub azotków metali przejściowych (MXenes) opartych na niobie, mianowicie Nb2CTx i Nb4C3TX.
Metodologia badań i hipotezy oparte na dowodach dla odzyskiwania MXene przez zielone mikroalgi Raphidocelis subcapitata. Należy pamiętać, że jest to jedynie schematyczna reprezentacja założeń opartych na dowodach. Środowisko jeziora różni się pod względem użytego podłoża odżywczego i warunków (np. cykl dobowy i ograniczenia dostępności niezbędnych składników odżywczych). Utworzono za pomocą BioRender.com.
Dlatego też, wykorzystując MXene jako system modelowy, otworzyliśmy drzwi do badania różnych efektów biologicznych, 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 pobierania niobu. Ogólnie rzecz biorąc, badanie to 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 do śledzenia subtelnych zmian w kształcie dwuwymiarowych nanomateriałów. Inspiruje to do dalszych krótkoterminowych i długoterminowych badań nad różnymi wpływami nieorganicznych krystalicznych nanomateriałów na środowisko. W ten sposób nasze badanie zwiększa zrozumienie interakcji między powierzchnią materiału a materiałem biologicznym. Dostarczamy również podstawy do rozszerzonych krótkoterminowych i długoterminowych badań ich możliwych oddziaływań na ekosystemy słodkowodne, które teraz można łatwo zweryfikować.
MXenes stanowią 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 zbadaliśmy dwa typy hierarchicznych jednowarstwowych (SL) MXenes na bazie Nb, Nb2CTx i Nb4C3TX, ponieważ można było zaobserwować różne efekty biologiczne tych nanomateriałów. MXenes są wytwarzane z ich materiałów wyjściowych poprzez selektywne trawienie od góry do dołu atomowo cienkich warstw A fazy MAX. Faza MAX to ceramika potrójna złożona z „połączonych” bloków węglików metali przejściowych i cienkich warstw pierwiastków „A”, takich jak Al, Si i Sn ze stechiometrią MnAXn-1. Morfologię początkowej fazy MAX zaobserwowano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i była ona zgodna z poprzednimi badaniami (patrz Informacje uzupełniające, SI, Rysunek S1). Wielowarstwowy (ML) Nb-MXene uzyskano po usunięciu warstwy Al za pomocą 48% HF (kwas fluorowodorowy). 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, ułożyliśmy go warstwowo poprzez interkalację wodorotlenku tetrabutyloamoniowego (TBAOH), a następnie przemyliśmy i poddaliśmy działaniu ultradźwięków, 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 przy użyciu 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 warstwę (patrz rys. 2a1, a2), jak wcześniej zgłosili Naguib i in.27 oraz Jastrzębska i in.38. Dla dwóch sąsiadujących monowarstw Nb2CTx i Nb4C3Tx określiliśmy odległości międzywarstwowe odpowiednio na 0,74 i 1,54 nm (rys. 2b1, b2), co również zgadza się z naszymi poprzednimi wynikami38. Potwierdziła to dodatkowo odwrotna szybka transformata Fouriera (rys. 2c1, c2) i szybka transformata Fouriera (rys. 2d1, d2) pokazująca odległość między monowarstwami Nb2CTx i Nb4C3Tx. Obraz pokazuje naprzemienność jasnych i ciemnych pasm odpowiadających atomom niobu i węgla, co potwierdza warstwową naturę badanych MXenes. Ważne jest, aby zauważyć, że widma spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDX) uzyskane dla Nb2CTx i Nb4C3Tx (rysunki S2a i S2b) nie wykazały pozostałości oryginalnej fazy MAX, ponieważ nie wykryto piku Al.
Charakterystyka nanopłatków SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXene, obejmująca (a) obrazowanie nanopłatków w widoku bocznym za pomocą mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości (HRTEM) 2D i odpowiadające temu (b) tryby intensywności, (c) odwrotne szybkie przekształcenie Fouriera (IFFT), (d) szybkie przekształcenie Fouriera (FFT), (e) wzory rentgenowskie Nb-MXenes. W przypadku SL 2D Nb2CTx liczby wyrażono jako (a1, b1, c1, d1, e1). W przypadku SL 2D Nb4C3Tx liczby wyrażono jako (a2, b2, c2, d2, e1).
Pomiary dyfrakcji rentgenowskiej SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXenes pokazano odpowiednio na rys. 2e1 i e2. Szczyty (002) przy 4,31 i 4,32 odpowiadają wcześniej opisanym warstwowym MXenes Nb2CTx i Nb4C3TX38,39,40,41 odpowiednio. Wyniki XRD wskazują również na obecność pewnych resztkowych struktur ML i faz MAX, ale głównie wzorów XRD związanych z SL Nb4C3Tx (rys. 2e2). Obecność mniejszych cząstek fazy MAX może wyjaśniać silniejszy pik MAX w porównaniu z losowo ułożonymi warstwami Nb4C3Tx.
Dalsze badania skupiły się na zielonych mikroalgach należących do gatunku R. subcapitata. Wybraliśmy mikroalgi, ponieważ są ważnymi producentami zaangażowanymi w główne sieci pokarmowe42. Są również jednym z najlepszych wskaźników toksyczności ze względu na zdolność usuwania toksycznych substancji, które są przenoszone na wyższe poziomy łańcucha pokarmowego43. Ponadto badania nad R. subcapitata mogą rzucić światło na przypadkową toksyczność SL Nb-MXenes dla powszechnych słodkowodnych mikroorganizmów. Aby to zilustrować, badacze postawili hipotezę, że każdy mikrob ma inną wrażliwość na toksyczne związki obecne w środowisku. W przypadku 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 powiązanym 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 ekstremalne i śmiertelne. . dla każdego środowiska biologicznego.
Efekty SL Nb-MXenes na mikroalgi przedstawiono na rysunku 3, wyrażone jako procent promowania wzrostu (+) lub hamowania (-) mierzony dla próbek 0 mg l-1. Dla porównania, faza Nb-MAX i ML Nb-MXenes zostały również przetestowane, a wyniki przedstawiono w SI (patrz rys. S3). Uzyskane wyniki potwierdziły, że SL Nb-MXenes 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 (*). Dane istotne (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 zmniejszało się 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 spadło do około 1%. Dlatego też oznaczyliśmy zaobserwowany 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 został również dobrze pokazany na krzywej szybkości podwajania biomasy (szczegóły patrz rys. S4). Do tej pory badano na różne sposoby tylko ekotoksyczność Ti3C2TX MXene. Nie jest toksyczny dla zarodków danio pręgowanego44, ale umiarkowanie ekotoksyczny dla mikroalg Desmodesmus quadricauda i roślin Sorghum saccharatum45. Inne przykłady konkretnych efektów obejmują wyższą toksyczność dla linii komórek nowotworowych niż dla linii komórek normalnych46,47. Można założyć, że warunki testowe wpłyną na zmiany wzrostu mikroalg obserwowane w obecności Nb-MXenes. Na przykład pH około 8 w stromie chloroplastu jest optymalne dla wydajnego działania enzymu RuBisCO. Dlatego zmiany pH negatywnie wpływają na szybkość fotosyntezy48,49. Jednak nie zaobserwowaliśmy znaczących zmian pH podczas eksperymentu (szczegóły patrz SI, rys. S5). Ogólnie rzecz biorąc, kultury mikroalg z Nb-MXenes nieznacznie obniżały pH roztworu w czasie. Jednak spadek ten był podobny do zmiany pH czystego medium. Ponadto zakres znalezionych zmian był podobny do zmierzonego dla czystej kultury mikroalg (próbka kontrolna). Tak więc wnioskujemy, że fotosynteza nie jest dotknięta zmianami pH w czasie.
Ponadto syntetyzowane MXenes mają 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. Grupy funkcyjne powierzchni rzeczywiście zapewniają wiele miejsc kotwiczenia dla ich leżących u podstaw fotokatalizatorów, aby utworzyć heterozłącza51. Jednak skład medium wzrostu nie zapewnił skutecznego fotokatalizatora (szczegółowy skład medium można znaleźć w tabeli SI S6). Ponadto, każda modyfikacja powierzchni jest również bardzo ważna, ponieważ aktywność biologiczna MXenes może zostać zmieniona z powodu 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 coś wspólnego z niestabilnością materiału w medium, przeprowadziliśmy badania potencjału zeta (ζ) w medium wzrostowym dla mikroalg i wodzie dejonizowanej (dla porównania). Nasze wyniki pokazują, że SL Nb-MXenes są dość stabilne (patrz SI Rys. S6 dla wyników MAX i ML). Potencjał zeta SL MXenes wynosi około -10 mV. W przypadku SR Nb2CTx wartość ζ jest nieco bardziej ujemna niż Nb4C3Tx. Taka zmiana wartości ζ może wskazywać, że powierzchnia ujemnie naładowanych nanopłatków MXenes absorbuje dodatnio naładowane jony z medium hodowlanego. Czasowe pomiary potencjału zeta i przewodnictwa Nb-MXenes w medium hodowlanym (patrz rysunki S7 i S8 w SI dla bardziej szczegółowych informacji) wydają się potwierdzać naszą hipotezę.
Jednakże oba Nb-MXene SL wykazały minimalne zmiany od zera. To wyraźnie pokazuje ich stabilność w podłożu do wzrostu 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).
Znaleźliśmy również niższą przewodność roztworów Nb-MXene inkubowanych w obecności mikroalg, co wskazuje na mniejszą ilość jonów w pożywce. Co ciekawe, niestabilność MXene w wodzie wynika głównie z utleniania powierzchni57. Dlatego podejrzewamy, że zielone mikroalgi w jakiś sposób oczyściły tlenki utworzone na powierzchni Nb-MXene, a nawet zapobiegły ich wystąpieniu (utlenianie MXene). Można to zaobserwować, badając rodzaje substancji wchłanianych przez mikroalgi.
Podczas gdy nasze badania ekotoksykologiczne wskazywały, że mikroalgi były w stanie przezwyciężyć toksyczność Nb-MXenes w czasie i niezwykłe zahamowanie stymulowanego wzrostu, celem naszych badań było zbadanie możliwych mechanizmów działania. Kiedy 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 ciekawe, każdy znak mechanizmu obronnego jest wyraźnym wskaźnikiem toksyczności badanego związku. Dlatego w naszej dalszej pracy zbadaliśmy potencjalną interakcję powierzchniową między nanopłatkami SL Nb-MXene a mikroalgami za pomocą SEM i 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 rys. 4. Nieleczone komórki mikroalg (patrz rys. 4a, próbka referencyjna) wyraźnie wykazały typową morfologię R. subcapitata i kształt komórek przypominający croissanta. 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 pokazujące 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 zostały uszkodzone (patrz rys. 4b, c, czerwone strzałki). W przypadku Nb2CTx MXene (rys. 4b) mikroalgi mają tendencję do wzrostu z przyłączonymi dwuwymiarowymi nanoskalami, które mogą zmieniać ich morfologię. Co ciekawe, obserwowaliśmy te zmiany również pod mikroskopem świetlnym (patrz SI Figure S11, aby uzyskać szczegóły). Ta morfologiczna zmiana ma prawdopodobną podstawę w fizjologii mikroalg i ich zdolności do obrony poprzez zmianę morfologii komórek, taką jak zwiększanie objętości komórek61. Dlatego ważne jest sprawdzenie liczby komórek mikroalg, które faktycznie mają kontakt z Nb-MXenes. 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 rosnąc w dwuwymiarowych nanoskalach (rys. 4c). Nie zaobserwowaliśmy jednak penetracji nanoskal 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 pochłanianego przez chloroplasty. Nie mamy jednak wątpliwości, że ma to znaczący wpływ na uzyskane wyniki. Jak wykazały nasze obserwacje mikroskopowe, 2D nanopłatki nie były całkowicie owinięte ani przyklejone do powierzchni mikroalg, nawet gdy komórki mikroalg miały kontakt z Nb-MXene. Zamiast tego nanopłatki okazały się zorientowane na komórki mikroalg bez pokrywania ich powierzchni. Taki zestaw nanopłatków/mikroalg nie może znacząco ograniczyć ilości światła pochłanianego przez komórki mikroalg. Co więcej, niektóre badania wykazały nawet poprawę absorpcji światła przez organizmy fotosyntetyczne w obecności dwuwymiarowych nanomateriałów63,64,65,66.
Ponieważ obrazy SEM nie mogły bezpośrednio potwierdzić wychwytu niobu przez komórki mikroalg, nasze dalsze badania zwróciły się w stronę analizy fluorescencji rentgenowskiej (XRF) i spektroskopii fotoelektronów rentgenowskich (XPS), aby wyjaśnić tę kwestię. Dlatego porównaliśmy intensywność pików Nb próbek referencyjnych mikroalg, które nie wchodziły w interakcje z MXenes, nanopłatkami MXene oderwanymi od powierzchni komórek mikroalg i 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. Dlatego jeśli nastąpi wychwyt Nb, zarówno wyniki XRF, jak i XPS powinny pokazać 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 są pokazane 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 maksymalną pojemność akumulacji Nb osiągnięto w komórkach, chociaż do komórek mikroalg przyłączono dwukrotnie więcej Nb4C3Tx MXene (niebieskie słupki na rys. 5a). Warto zauważyć, że zdolność mikroalg do absorpcji metali zależy od stężenia tlenków metali w środowisku67,68. Shamshada i in.67 odkryli, 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 dla Pb2+ niż dla Ni2+.
(a) Wyniki XRF podstawowego wychwytu Nb przez zielone komórki 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) procent składu chemicznego 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 zinternalizowanego przez komórki mikroalg.
Dlatego spodziewaliśmy się, że Nb może być absorbowany przez komórki alg w postaci tlenków. Aby to sprawdzić, przeprowadziliśmy badania XPS na MXenach Nb2CTx i Nb4C3TX oraz komórkach alg. Wyniki interakcji mikroalg z Nb-MXenami i MXenami wyizolowanymi z komórek alg 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). ) uzyskanych z inkubowanych mikroalg. Rysunek 5f–h) MXenes. Tabela S1-3 przedstawia szczegóły parametrów szczytowych i ogólnej chemii wynikającej z dopasowania. Warto zauważyć, że obszary Nb 3d Nb2CTx SL i Nb4C3Tx SL (rys. 5c, f) odpowiadają jednemu składnikowi Nb2O5. Tutaj nie znaleźliśmy żadnych pików związanych z MXene w widmach, co wskazuje, że komórki mikroalg absorbują tylko formę tlenkową Nb. Ponadto przybliżyliśmy widmo C 1 s za pomocą składników C–C, CHx/C–O, C=O i –COOH. Przypisaliśmy piki CHx/C–O i C=O do organicznego wkładu komórek mikroalg. Te składniki organiczne odpowiadają odpowiednio za 36% i 41% pików C 1s w Nb2CTx SL i Nb4C3TX SL. Następnie dopasowaliśmy widma O 1s SL Nb2CTx i SL Nb4C3TX do Nb2O5, składników organicznych mikroalg (CHx/CO) i wody zaadsorbowanej na powierzchni.
Wreszcie wyniki XPS wyraźnie wskazały formę Nb, a nie tylko jej obecność. Zgodnie z pozycją sygnału Nb 3d i wynikami dekonwolucji potwierdzamy, że Nb jest absorbowany tylko w formie tlenków, a nie jonów lub 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 wychwytu Nb są imponujące i pozwalają nam zidentyfikować degradację MXene, nie ma dostępnej metody śledzenia powiązanych zmian morfologicznych w 2D nanopłatkach. Dlatego też postanowiliśmy opracować odpowiednią metodę, która może bezpośrednio reagować na wszelkie zmiany zachodzące w 2D nanopłatkach Nb-MXene i komórkach mikroalg. Ważne jest, aby zauważyć, że zakładamy, że jeśli oddziałujące gatunki ulegną jakiejkolwiek transformacji, rozkładowi lub defragmentacji, powinno to szybko objawić się jako zmiany 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 o transformacji morfologicznej nanopłatków SL Nb-MXene 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 SLs uległy znacznej zmianie po interakcji z mikroalgami. Jak pokazano na podstawie parametru 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 pokazano zmniejszenie pików związanych z poprzecznym rozmiarem płatków (wydłużenie nanopłatków), co wskazuje na przekształcenie 2D nanopłatków w kształt bardziej przypominający cząstki. Rysunek 6e-h przedstawia odpowiednio szerokość i długość Feret. Szerokość i długość Feret są parametrami uzupełniającymi się i dlatego należy je rozpatrywać łącznie. Po inkubacji 2D Nb-MXene nanoflakes w obecności mikroalg, ich piki korelacji Feret przesunęły się, a ich intensywność spadła. Na podstawie tych wyników w połączeniu z morfologią, XRF i XPS, doszliśmy do wniosku, że zaobserwowane zmiany są silnie związane z utlenianiem, ponieważ utlenione MXenes stają się bardziej pomarszczone i rozpadają się na fragmenty i kuliste cząstki tlenkowe69,70.
Analiza transformacji MXene po interakcji z zielonymi mikroalgami. Dynamiczna analiza kształtu cząstek bierze pod uwagę 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 SL Nb2CTx i SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx i SL Nb4C3Tx MXenes, zdegradowanymi mikroalgami i poddanymi obróbce mikroalgami SL Nb2CTx i SL Nb4C3Tx MXenes. Czerwone strzałki pokazują przejścia 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 i szerokość/długość Feret czystych komórek mikroalg i komórek po interakcji z 2D nanopłatkami Nb. Na rys. 6a–h przedstawiono zmiany parametrów kształtu komórek alg, o czym świadczy spadek intensywności piku i przesunięcie maksimów w stronę wyższych wartości. W szczególności parametry okrągłości komórek wykazały spadek liczby komórek wydłużonych i wzrost liczby komórek kulistych (rys. 6a, b). Ponadto szerokość komórki Feret 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 zacienienia.
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 mniejsze pobieranie składników odżywczych i upośledzone tempo wzrostu. Z drugiej strony, 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 wielkość komórek. Odkryli również głębokie zmiany w kształcie glonów74. Ponadto Yin i in.9 ujawnili również zmiany morfologiczne w glonach po narażeniu na działanie zredukowanych nanokompozytów tlenku grafenu. Dlatego też jasne jest, że zmienione parametry wielkości/kształtu mikroalg są spowodowane obecnością MXene. Ponieważ 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-MXenes.
Ponadto MXenes mogą być utleniane w obecności alg. Dalai i in.75 zaobserwowali, że morfologia zielonych alg wystawionych na działanie nano-TiO2 i Al2O376 nie była jednolita. Chociaż nasze obserwacje są podobne do niniejszych badań, są one istotne tylko dla badania efektów bioremediacji pod względem produktów degradacji MXenes w obecności 2D nanopłatków, a nie nanocząstek. Ponieważ MXenes mogą ulegać degradacji do tlenków metali,31,32,77,78 można rozsądnie 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 fotoelektronowej (XPS) (rys. 7). 7c-i i tabele S4-5). Oba podejścia nadają się do badania utleniania materiałów 2D i wzajemnie się uzupełniają. HRTEM jest w stanie analizować degradację dwuwymiarowych struktur warstwowych i późniejsze pojawienie 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, to znaczy 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 typów 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 c Nb 3d i O 1s wskazała, że ​​w obu przypadkach powstały tlenki Nb. Jak pokazano na rys. 7c, 2D MXene Nb2CTx i Nb4C3TX mają sygnały Nb 3d wskazujące na obecność tlenków NbO i Nb2O5, podczas gdy sygnały O 1s wskazują liczbę wiązań O–Nb związanych z funkcjonalizacją powierzchni 2D nanopłatków. Zauważyliśmy, że udział tlenku Nb jest dominujący w porównaniu do 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) i SL Nb4C3TX MXene wyizolowanych z komórek mikroalg. Szczegóły parametrów szczytowych 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%). Tutaj Nb-C pochodzi z dwóch wewnętrznych warstw atomowych węglika metalu w Nb4C3Tx SR. Następnie mapujemy widma C 1s na cztery różne składniki, tak jak zrobiliśmy to w zinternalizowanych próbkach. Zgodnie z oczekiwaniami widmo C 1s jest zdominowane przez węgiel grafitowy, a następnie przez wkłady cząstek organicznych (CHx/CO i C=O) z komórek mikroalg. Ponadto w widmie O 1s zaobserwowaliśmy wkład organicznych form komórek mikroalg, tlenku niobu i zaadsorbowanej wody.
Ponadto zbadaliśmy, czy rozszczepienie Nb-MXenes jest związane z obecnością reaktywnych form tlenu (ROS) w podłożu odżywczym i/lub komórkach mikroalg. W tym celu oceniliśmy poziom tlenu singletowego (1O2) w podłożu hodowlanym 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 wykorzystujących SL, Nb4C3TX 1O2 zmniejszyło się jeszcze bardziej, do 73%. Co ciekawe, zmiany w 1O2 wykazały tę samą tendencję, co wcześniej zaobserwowany efekt hamująco-stymulujący (patrz rys. 3). Można argumentować, że inkubacja w jasnym świetle może zmienić fotooksydację. Jednak wyniki analizy kontrolnej wykazały niemal 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 dostosowały się do obecności obu Nb-MXenes, ponieważ poziomy ROS spadły do ​​85% i 91% poziomów mierzonych 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 stanowią zróżnicowaną grupę organizmów fotosyntetycznych. Podczas fotosyntezy przekształcają atmosferyczny dwutlenek węgla (CO2) w węgiel organiczny. Produktami fotosyntezy są glukoza i tlen79. Podejrzewamy, że tlen powstający w ten sposób odgrywa kluczową rolę w utlenianiu Nb-MXenes. Jednym z możliwych wyjaśnień jest to, że parametr napowietrzenia różnicowego powstaje 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 poziomie utworzy anodę 80, 81, 82. Tutaj mikroalgi przyczyniają się do tworzenia różnicowo napowietrzonych komórek na powierzchni płatków MXenes, które wytwarzają tlen ze względu na swoje właściwości fotosyntetyczne. 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 związku z tym powstaje agresywne środowisko, zmieniające w ten sposób Nb-MXenes. Ponadto mikroalgi mogą zmieniać pH środowiska na zasadowe z powodu absorpcji dwutlenku węgla, co może również powodować korozję79.
Co ważniejsze, fotoperiod ciemności/światła użyty w naszym badaniu ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia uzyskanych wyników. Aspekt ten został szczegółowo opisany w Djemai-Zoghlache i in. 85. Celowo użyli fotoperiodu 12/12 godzin, aby zademonstrować biokorozję związaną z biofoulingiem przez czerwone mikroalgi Porphyridium purpureum. Wykazują, że fotoperiod jest związany z ewolucją potencjału bez biokorozji, objawiając się jako pseudoperiodyczne oscylacje około 24:00. Obserwacje te zostały potwierdzone przez Dowling i in. 86. Wykazali fotosyntetyczne biofilmy sinic Anabaena. Rozpuszczony tlen powstaje pod wpływem światła, co wiąże się ze zmianą lub wahaniami wolnego potencjału biokorozji. Znaczenie fotoperiodu podkreśla fakt, że wolny potencjał biokorozji wzrasta w fazie światła i maleje w fazie ciemności. Dzieje się tak za sprawą tlenu produkowanego przez fotosyntetyczne mikroalgi, które wpływają na reakcję katodową poprzez ciśnienie parcjalne wytwarzane w pobliżu elektrod87.
Ponadto wykonano spektroskopię w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), aby sprawdzić, czy w składzie chemicznym komórek mikroalg po interakcji z Nb-MXenes zaszły jakiekolwiek zmiany. 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 o charakterystyce chemicznej tych organizmów. Te najbardziej prawdopodobne drgania występują 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. one. 1 1 (C–H) i 3280 cm–1 (O–H). W przypadku SL Nb-MXenes znaleźliśmy sygnaturę rozciągania wiązania CH, która jest zgodna z naszymi poprzednimi badaniami38. Jednakże zaobserwowaliśmy, że niektóre dodatkowe piki związane z wiązaniami C=C i CH zniknęły. Wskazuje to, że skład chemiczny mikroalg może ulegać niewielkim zmianom ze względu na interakcję z SL Nb-MXenes.
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, ich asocjację z wewnątrzkomórkowymi grupami karboksylowymi i 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 zmienił się nieznacznie z powodu absorpcji tlenku Nb.
Co ciekawe, zaobserwowane początkowe zahamowanie mikroalg było odwracalne w czasie. Jak zaobserwowaliśmy, mikroalgi przezwyciężyły początkową zmianę środowiska i ostatecznie powróciły do ​​normalnego tempa wzrostu, a nawet wzrosły. Badania potencjału zeta wykazują wysoką stabilność po wprowadzeniu do pożywki. Tak więc interakcja powierzchniowa między komórkami mikroalg a nanopłatkami Nb-MXene była utrzymywana przez cały czas trwania eksperymentów redukcyjnych. W naszej 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-MXenes. Wykorzystując dynamiczną analizę obrazu, potwierdzamy, że ten efekt prowadzi do przekształcenia dwuwymiarowych nanopłatków Nb-MXene w bardziej kuliste cząstki, tym samym wykazując, że rozkład nanopłatków jest związany z ich utlenianiem. Aby przetestować naszą hipotezę, przeprowadziliśmy szereg 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 żadnych istotnych zmian w składzie chemicznym mikroalg inkubowanych w obecności 2D 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.