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 Internet Explorerze).W międzyczasie, aby zapewnić ciągłe wsparcie, będziemy renderować witrynę bez stylów i języka JavaScript.
Wyświetla jednocześnie karuzelę trzech slajdów.Użyj przycisków Wstecz i Dalej, aby przechodzić między trzema slajdami jednocześnie, lub użyj przycisków suwaków na końcu, aby przechodzić między trzema slajdami jednocześnie.
Szybki rozwój nanotechnologii i jej integracja z codziennymi zastosowaniami może zagrażać środowisku.Chociaż ekologiczne metody degradacji zanieczyszczeń organicznych są dobrze ugruntowane, odzyskiwanie nieorganicznych zanieczyszczeń krystalicznych budzi poważne obawy ze względu na ich niską wrażliwość na biotransformację i brak zrozumienia interakcji powierzchni materiałów z biologicznymi.W tym przypadku używamy nieorganicznego modelu MXenes 2D opartego na Nb w połączeniu z prostą metodą analizy parametrów kształtu, aby prześledzić mechanizm bioremediacji ceramicznych nanomateriałów 2D przez zielone mikroalgi Raphidocelis subcapitata.Odkryliśmy, że mikroalgi degradują MXeny oparte na Nb z powodu oddziaływań fizykochemicznych związanych z powierzchnią.Początkowo jednowarstwowe i wielowarstwowe nanopłatki MXenu przyczepiano do powierzchni mikroalg, co nieco ograniczało wzrost glonów.Jednak po dłuższej interakcji z powierzchnią mikroalgi utleniały nanopłatki MXenu i dalej rozkładały je na NbO i Nb2O5.Ponieważ tlenki te są nietoksyczne dla komórek mikroalg, zużywają nanocząsteczki tlenku Nb poprzez mechanizm absorpcji, który dodatkowo przywraca mikroalgi po 72 godzinach uzdatniania wody.Efekty działania składników odżywczych związane z wchłanianiem przejawiają się również we wzroście objętości komórek, ich wygładzeniu i zmianie tempa wzrostu.Na podstawie tych ustaleń dochodzimy do wniosku, że krótko- i długoterminowa obecność MXenów opartych na Nb w ekosystemach słodkowodnych może powodować jedynie niewielki wpływ na środowisko.Warto zauważyć, że wykorzystując dwuwymiarowe nanomateriały jako układy modelowe, demonstrujemy możliwość śledzenia transformacji kształtu nawet w materiałach drobnoziarnistych.Ogólnie rzecz biorąc, badanie to odpowiada na ważne fundamentalne pytanie dotyczące procesów związanych z interakcjami powierzchniowymi napędzającymi mechanizm bioremediacji nanomateriałów 2D i zapewnia podstawę do dalszych krótko- i długoterminowych badań wpływu nieorganicznych krystalicznych nanomateriałów na środowisko.
Od czasu ich odkrycia nanomateriały wzbudziły duże zainteresowanie, a różne nanotechnologie weszły ostatnio w fazę modernizacji1.Niestety, integracja nanomateriałów z codziennymi zastosowaniami może prowadzić do przypadkowych uwolnień z powodu niewłaściwej utylizacji, nieostrożnego obchodzenia się lub nieodpowiedniej 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 skupiły się na zdolności nanomateriałów 2D do przenikania do systemów wodnych2,3,4,5,6.W tych ekosystemach niektóre nanomateriały 2D mogą wchodzić w interakcje z różnymi organizmami na różnych poziomach troficznych, w tym z mikroalgami.
Mikroglony to prymitywne organizmy występujące naturalnie w ekosystemach słodkowodnych i morskich, które w procesie fotosyntezy wytwarzają różnorodne produkty chemiczne7.Jako takie mają kluczowe znaczenie dla ekosystemów wodnych8,9,10,11,12, ale są również czułymi, niedrogimi i szeroko stosowanymi wskaźnikami ekotoksyczności13,14.Ponieważ komórki mikroglonów szybko się namnażają i szybko reagują na obecność różnych związków, są one obiecujące dla rozwoju przyjaznych dla środowiska metod uzdatniania 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.Stwierdzono, że przenosi, a nawet odżywia 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 łatwo przetwarzają się w fazie ciekłej.Jednak nieorganiczne krystaliczne zanieczyszczenia charakteryzują się małą rozpuszczalnością w wodzie i małą podatnością na różne biotransformacje, co powoduje duże trudności w remediacji, a postęp w tej dziedzinie jest niewielki22,23,24,25,26.Dlatego poszukiwanie przyjaznych środowisku rozwiązań do naprawy nanomateriałów pozostaje złożonym i niezbadanym obszarem.Ze względu na wysoki stopień niepewności co do efektów biotransformacyjnych nanomateriałów 2D, nie ma łatwego sposobu na poznanie 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 „MXen” 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 Naguiba i in.Sensoryka, terapia przeciwnowotworowa i filtracja membranowa 27,29,30.Ponadto MXenes można uznać za modelowe systemy 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 rycinie 1. Zgodnie z tą hipotezą mikroalgi rozkładają MXeny na bazie Nb do nietoksycznych związków z powodu oddziaływań fizyko-chemicznych związanych z powierzchnią, co pozwala na dalsze odzyskiwanie glonów.Aby przetestować tę hipotezę, wybrano dwóch członków rodziny wczesnych węglików i/lub azotków metali przejściowych na bazie niobu (MXenes), a mianowicie Nb2CTx i Nb4C3TX.
Metodologia badań i hipotezy oparte na dowodach dotyczące odzyskiwania MXenu przez zielone mikroalgi Raphidocelis subcapitata.Należy pamiętać, że jest to tylko schematyczne przedstawienie założeń opartych na dowodach.Środowisko jeziora różni się pod względem zastosowanej pożywki i warunków (np. cykl dobowy i ograniczenia w dostępnych niezbędnych składnikach odżywczych).Utworzono za pomocą BioRender.com.
Dlatego, używając MXene jako systemu modelowego, otworzyliśmy drzwi do badania różnych efektów biologicznych, których nie można zaobserwować w przypadku innych konwencjonalnych nanomateriałów.W szczególności wykazaliśmy możliwość bioremediacji dwuwymiarowych nanomateriałów, takich jak MXenes na bazie niobu, przez mikroalgi Raphidocelis subcapitata.Mikroalgi są w stanie rozkładać Nb-MXeny 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 powierzchniowymi oddziaływaniami fizykochemicznymi, które rządzą mechanizmami bioremediacji dwuwymiarowych nanomateriałów.Ponadto opracowujemy prostą metodę opartą na parametrach kształtu do śledzenia subtelnych zmian kształtu nanomateriałów 2D.To inspiruje do dalszych krótko- i długoterminowych badań nad różnymi wpływami na środowisko nieorganicznych nanomateriałów krystalicznych.W ten sposób nasze badanie zwiększa zrozumienie interakcji między powierzchnią materiału a materiałem biologicznym.Zapewniamy również podstawę do rozszerzonych krótko- i długoterminowych badań ich możliwego wpływu na ekosystemy słodkowodne, które można teraz łatwo zweryfikować.
MXenes reprezentują interesującą klasę materiałów o unikalnych i atrakcyjnych właściwościach fizycznych i chemicznych, a tym samym wielu potencjalnych zastosowaniach.Właściwości te w dużej mierze zależą od ich stechiometrii i chemii powierzchni.Dlatego w naszym badaniu zbadaliśmy dwa typy hierarchicznych jednowarstwowych (SL) MXenes opartych na Nb, Nb2CTx i Nb4C3TX, ponieważ można było zaobserwować różne efekty biologiczne tych nanomateriałów.MXeny są wytwarzane z ich materiałów wyjściowych przez selektywne trawienie atomowo cienkich warstw MAX-faza A z góry na dół.Faza MAX to trójskładnikowa ceramika złożona ze „spojonych” bloków węglików metali przejściowych i cienkich warstw pierwiastków „A”, takich jak Al, Si i Sn o stechiometrii MnAXn-1.Morfologię początkowej fazy MAX obserwowano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i była zgodna z poprzednimi badaniami (patrz informacje uzupełniające, SI, rysunek S1).Wielowarstwowy (ML) Nb-MXen otrzymano po usunięciu warstwy Al za pomocą 48% HF (kwas fluorowodorowy).Morfologię ML-Nb2CTx i ML-Nb4C3TX zbadano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) (odpowiednio ryciny S1c i S1d) i zaobserwowano typową warstwową morfologię MXene, podobną do dwuwymiarowych nanopłatków przechodzących przez wydłużone szczeliny przypominające pory.Oba Nb-MXeny mają wiele wspólnego z fazami MXenu, które wcześniej były syntetyzowane przez trawienie kwasem27,38.Po potwierdzeniu struktury MXenu, uwarstwiliśmy go poprzez interkalację wodorotlenku tetrabutyloamoniowego (TBAOH), a następnie przemycie i sonikację, po czym otrzymaliśmy nanopłatki jednowarstwowe lub niskowarstwowe (SL) 2D Nb-MXene.
Wykorzystaliśmy transmisyjną mikroskopię elektronową o wysokiej rozdzielczości (HRTEM) i dyfrakcję rentgenowską (XRD), aby przetestować skuteczność wytrawiania i dalszego złuszczania.Wyniki HRTEM przetworzone przy użyciu odwrotnej szybkiej transformaty Fouriera (IFFT) i szybkiej transformaty Fouriera (FFT) pokazano na ryc. 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 ryc. 2a1, a2), jak wcześniej opisali Naguib i in. 27 oraz Jastrzębska i in. 38.Dla dwóch sąsiednich monowarstw Nb2CTx i Nb4C3Tx określiliśmy odległości między warstwami odpowiednio 0, 74 i 1, 54 nm (ryc. 2b1, b2), co również zgadza się z naszymi poprzednimi wynikami38.Zostało to dodatkowo potwierdzone przez odwrotną szybką transformatę Fouriera (ryc. 2c1, c2) i szybką transformatę Fouriera (ryc. 2d1, d2) pokazującą odległość między monowarstwami Nb2CTx i Nb4C3Tx.Obraz pokazuje naprzemienność jasnych i ciemnych pasm odpowiadających atomom niobu i węgla, co potwierdza warstwową naturę badanych MXenów.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, w tym (a) obrazowanie nanopłatków 2D z boku w mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości (HRTEM) i odpowiadające im, (b) tryb intensywności, (c) odwrotna szybka transformata Fouriera (IFFT), (d) szybka transformata Fouriera (FFT), (e) wzory rentgenowskie Nb-MXenes.Dla SL 2D Nb2CTx liczby są wyrażone jako (a1, b1, c1, d1, e1).Dla SL 2D Nb4C3Tx liczby są wyrażone jako (a2, b2, c2, d2, e1).
Pomiary dyfrakcji rentgenowskiej SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXenes pokazano na ryc.odpowiednio 2e1 i e2.Piki (002) przy 4,31 i 4,32 odpowiadają odpowiednio opisanym wcześniej warstwowym MXenes Nb2CTx i Nb4C3TX38,39,40,41.Wyniki XRD wskazują również na obecność niektórych resztkowych struktur ML i faz MAX, ale głównie wzorów XRD związanych z SL Nb4C3Tx (ryc. 2e2).Obecność mniejszych cząstek fazy MAX może wyjaśniać silniejszy pik MAX w porównaniu z losowo ułożonymi warstwami Nb4C3Tx.
Dalsze badania koncentrowały się na zielonych mikroglonach należących do gatunku R. subcapitata.Wybraliśmy mikroalgi, ponieważ są one ważnymi producentami zaangażowanymi w główne sieci pokarmowe42.Są też jednym z najlepszych wskaźników toksyczności ze względu na zdolność usuwania substancji toksycznych, które przedostają się na wyższe poziomy łańcucha pokarmowego43.Ponadto badania nad R. subcapitata mogą rzucić światło na przypadkową toksyczność SL Nb-MXenes dla pospolitych mikroorganizmów słodkowodnych.Aby to zilustrować, naukowcy postawili hipotezę, że każdy drobnoustrój ma inną wrażliwość na toksyczne związki obecne w środowisku.W przypadku większości organizmów niskie stężenia substancji nie wpływają na ich wzrost, natomiast stężenia powyżej pewnej granicy mogą je zahamować, a nawet spowodować śmierć.Dlatego w naszych badaniach interakcji powierzchniowych między mikroalgami a MXenami i związanego z tym odzyskiwania postanowiliśmy przetestować nieszkodliwe i toksyczne stężenia Nb-MXenów.W tym celu przetestowaliśmy stężenia 0 (jako odniesienie), 0,01, 0,1 i 10 mg l-1 MXenu oraz dodatkowo zainfekowaliśmy mikroglony bardzo wysokimi stężeniami MXenu (100 mg l-1 MXene), które mogą być ekstremalne i śmiertelne..dla każdego środowiska biologicznego.
Wpływ SL Nb-MXenes na mikroglony pokazano na rycinie 3, wyrażoną jako procent promocji wzrostu (+) lub hamowania (-) mierzony dla próbek 0 mg l-1.Dla porównania przetestowano również fazę Nb-MAX i ML Nb-MXenes, a wyniki pokazano w SI (patrz ryc. S3).Uzyskane wyniki potwierdziły, że SL Nb-MXenes jest prawie całkowicie pozbawiony toksyczności w zakresie niskich stężeń od 0,01 do 10 mg/l, co przedstawiono na rys. 3a,b.W przypadku Nb2CTx zaobserwowaliśmy nie więcej niż 5% ekotoksyczności w podanym zakresie.
Stymulacja (+) lub hamowanie (-) wzrostu mikroalg w obecności SL (a) Nb2CTx i (b) Nb4C3TX MXene.Przeanalizowano 24, 48 i 72 godziny interakcji MXen-mikroglony. Istotne dane (test t, p < 0,05) zaznaczono gwiazdką (*). Istotne dane (test t, p < 0,05) zaznaczono gwiazdką (*). Значимые данные (t-kryterij, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Istotne dane (test t, p < 0,05) zaznaczono 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) zaznaczono gwiazdką (*).Czerwone strzałki wskazują zniesienie stymulacji hamującej.
Z kolei niskie stężenia Nb4C3TX okazały się nieco bardziej toksyczne, ale nie wyższe niż 7%.Zgodnie z oczekiwaniami zaobserwowaliśmy, że MXenes miał wyższą toksyczność i hamowanie wzrostu mikroalg przy 100 mg L-1.Co ciekawe, żaden z materiałów nie wykazywał takiego samego trendu i zależności czasowej efektów atoksycznych/toksycznych w porównaniu z próbkami MAX lub ML (szczegóły w SI).Podczas gdy dla fazy MAX (patrz ryc. S3) toksyczność osiągnęła około 15–25% i wzrastała z czasem, zaobserwowano odwrotną tendencję dla SL Nb2CTx i Nb4C3TX MXene.Hamowanie wzrostu mikroglonów zmniejszało się z czasem.Osiągnął około 17% po 24 godzinach i spadł do mniej niż 5% po 72 godzinach (odpowiednio ryc. 3a, b).
Co ważniejsze, dla SL Nb4C3TX zahamowanie wzrostu mikroglonów osiągnęło około 27% po 24 godzinach, ale po 72 godzinach zmniejszyło się do około 1%.Dlatego oznaczyliśmy obserwowany efekt jako odwrotne hamowanie stymulacji, a efekt był silniejszy dla SL Nb4C3TX MXene.Stymulację wzrostu mikroglonów odnotowano wcześniej przy Nb4C3TX (interakcja przy 10 mg L-1 przez 24 h) w porównaniu z SL Nb2CTx MXene.Efekt odwrócenia hamowania i stymulacji został również dobrze pokazany na krzywej szybkości podwojenia biomasy (szczegóły patrz ryc. S4).Jak dotąd na różne sposoby badano jedynie ekotoksyczność Ti3C2TX MXene.Nie jest toksyczny dla zarodków danio pręgowanego44, ale umiarkowanie ekotoksyczny dla roślin mikroglonów Desmodesmus quadricauda i Sorghum saccharatum45.Inne przykłady specyficznych efektów obejmują wyższą toksyczność dla linii komórek nowotworowych niż dla normalnych linii komórkowych46,47.Można przypuszczać, że warunki badania wpłyną na zmiany we wzroście mikroalg obserwowane w obecności Nb-MXenów.Na przykład pH około 8 w zrębie chloroplastów jest optymalne dla wydajnego działania enzymu RuBisCO.Dlatego zmiany pH negatywnie wpływają na tempo fotosyntezy48,49.Jednak nie zaobserwowaliśmy znaczących zmian pH podczas eksperymentu (szczegóły w SI, ryc. S5).Ogólnie rzecz biorąc, hodowle mikroalg z Nb-MXenes nieznacznie obniżały pH roztworu w czasie.Jednak spadek ten był podobny do zmiany pH czystej pożywki.Ponadto zakres stwierdzonych zmienności był podobny do zmierzonego dla czystej hodowli mikroalg (próbka kontrolna).Wnioskujemy zatem, że zmiany pH w czasie nie mają wpływu na fotosyntezę.
Ponadto zsyntetyzowane MXeny 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 MXene50.Można argumentować, że Tx może być siłą katalityczną utleniania niobu przez światło.Powierzchniowe grupy funkcyjne rzeczywiście zapewniają wiele miejsc zakotwiczenia dla leżących u ich podstaw fotokatalizatorów, tworząc heterozłącza51.Jednak skład pożywki wzrostowej nie zapewniał skutecznego fotokatalizatora (szczegółowy skład pożywki można znaleźć w tabeli SI S6).Ponadto bardzo ważna jest również modyfikacja powierzchni, ponieważ aktywność biologiczna MXenes może zostać zmieniona w wyniku obróbki końcowej warstwy, 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 pożywce, przeprowadziliśmy badania potencjału zeta (ζ) w pożywce do wzrostu mikroalg i wodzie dejonizowanej (dla porównania).Nasze wyniki pokazują, że SL Nb-MXenes są dość stabilne (patrz SI Ryc. 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 świadczyć o tym, że powierzchnia ujemnie naładowanych nanopłatków MXenu absorbuje dodatnio naładowane jony z pożywki hodowlanej.Pomiary czasowe potencjału zeta i przewodnictwa Nb-MXenów w pożywce hodowlanej (więcej szczegółów na rysunkach S7 i S8 w SI) wydają się potwierdzać naszą hipotezę.
Jednak oba Nb-MXene SL wykazały minimalne zmiany od zera.To wyraźnie pokazuje ich stabilność w pożywce wzrostowej 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 pożywce i hodowli w czasie można znaleźć w SI (rysunki S9 i S10).Co ciekawe, zauważyliśmy, że obecność mikroalg zdawała się stabilizować dyspersję obu MXenów.W przypadku Nb2CTx SL potencjał zeta nawet nieznacznie spadał w czasie do bardziej ujemnych wartości (-15,8 vs. -19,1 mV po 72 h inkubacji).Potencjał zeta SL Nb4C3TX nieznacznie wzrósł, ale po 72 h nadal wykazywał wyższą stabilność niż nanopłatki bez obecności mikroalg (-18,1 vs. -9,1 mV).
Stwierdziliśmy również niższą przewodność roztworów Nb-MXenu inkubowanych w obecności mikroalg, co wskazuje na mniejszą ilość jonów w pożywce.Warto zauważyć, że niestabilność MXenów w wodzie wynika głównie z utleniania powierzchni57.Dlatego podejrzewamy, że zielone mikroalgi w jakiś sposób oczyściły tlenki powstałe na powierzchni Nb-MXenu, a nawet zapobiegły ich wystąpieniu (utlenianiu MXenu).Można to zaobserwować, badając rodzaje substancji wchłanianych przez mikroglony.
Podczas gdy nasze badania ekotoksykologiczne wykazały, 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 działanie związków lub materiałów nieznanych ich ekosystemom, mogą reagować na różne sposoby58,59.W przypadku braku toksycznych tlenków metali mikroglony mogą się odżywiać, co pozwala im na ciągły wzrost60.Po spożyciu substancji toksycznych mogą zostać uruchomione mechanizmy obronne, takie jak zmiana kształtu lub formy.Należy również rozważyć możliwość absorpcji58,59.Warto zauważyć, że wszelkie oznaki mechanizmu obronnego są wyraźnym wskaźnikiem toksyczności badanego związku.Dlatego w naszej dalszej pracy zbadaliśmy potencjalną interakcję powierzchniową między nanopłatkami SL Nb-MXene i mikroalgami za pomocą SEM oraz możliwą absorpcję MXenu na bazie Nb za pomocą rentgenowskiej spektroskopii fluorescencyjnej (XRF).Należy zauważyć, że analizy SEM i XRF przeprowadzono tylko przy najwyższym stężeniu MXenu, aby rozwiązać problemy z toksycznością aktywności.
Wyniki SEM przedstawiono na ryc. 4.Nietraktowane komórki mikroalg (patrz ryc. 4a, próbka referencyjna) wyraźnie wykazywały typową morfologię R. subcapitata i kształt komórek podobny do rogalika.Komórki wydają się spłaszczone i nieco zdezorganizowane.Niektóre komórki mikroglonów zachodziły na siebie i splątały się ze sobą, ale było to prawdopodobnie spowodowane procesem przygotowania próbki.Ogólnie czyste komórki mikroalg miały gładką powierzchnię i nie wykazywały żadnych zmian morfologicznych.
Obrazy SEM przedstawiające oddziaływanie powierzchniowe między zielonymi mikroalgami a nanocząsteczkami MXene po 72 godzinach oddziaływania przy ekstremalnym stężeniu (100 mg L-1).( a ) Nietraktowane zielone mikroalgi po interakcji z SL ( b ) Nb2CTx i ( c ) Nb4C3TX MXenes.Należy zauważyć, że nanopłatki Nb-MXene są oznaczone czerwonymi strzałkami.Dla porównania dodano również zdjęcia z mikroskopu optycznego.
W przeciwieństwie do tego komórki mikroalg zaadsorbowane przez nanopłatki SL Nb-MXene zostały uszkodzone (patrz ryc. 4b, c, czerwone strzałki).W przypadku Nb2CTx MXene (ryc. 4b) mikroalgi mają tendencję do wzrostu z dołączonymi dwuwymiarowymi nanoskalami, które mogą zmieniać ich morfologię.Warto zauważyć, że zaobserwowaliśmy również te zmiany pod mikroskopem świetlnym (szczegóły w SI Rysunek S11).To przejście morfologiczne ma wiarygodne podstawy w fizjologii mikroalg i ich zdolności do samoobrony poprzez zmianę morfologii komórek, na przykład zwiększenie objętości komórek61.Dlatego ważne jest, aby sprawdzić liczbę komórek mikroglonów, które faktycznie mają kontakt z Nb-MXenes.Badania SEM wykazały, że około 52% komórek mikroalg było wystawionych na działanie Nb-MXenes, podczas gdy 48% komórek tych mikroalg unikało kontaktu.W przypadku SL Nb4C3Tx MXene mikroalgi starają się unikać kontaktu z MXene, lokalizując w ten sposób i rosnąc z dwuwymiarowych nanoskali (ryc. 4c).Nie zaobserwowaliśmy jednak wnikania nanoskali do komórek mikroalg i ich uszkodzenia.
Samozachowawczość to także zależne od czasu zachowanie będące odpowiedzią na zablokowanie fotosyntezy na skutek adsorpcji cząstek na powierzchni komórki i tzw. efektu cieniowania (cieniowania)62.Oczywiste jest, że każdy obiekt (na przykład nanopłatki Nb-MXenu) znajdujący się między mikroalgami a źródłem światła ogranicza ilość światła pochłanianego przez chloroplasty.Nie mamy jednak wątpliwości, że ma to istotny wpływ na uzyskiwane wyniki.Jak wykazały nasze obserwacje mikroskopowe, nanopłatki 2D nie były całkowicie owinięte ani przyklejone do powierzchni mikroalg, nawet gdy komórki mikroalg miały kontakt z Nb-MXenami.Zamiast tego okazało się, że nanopłatki są 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 fotosyntetyzujące w obecności dwuwymiarowych nanomateriałów63,64,65,66.
Ponieważ obrazy SEM nie mogły bezpośrednio potwierdzić wychwytu niobu przez komórki mikroalg, nasze dalsze badania zwróciły się do analizy fluorescencji rentgenowskiej (XRF) i rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS), aby wyjaśnić ten problem.Dlatego porównaliśmy intensywność pików Nb referencyjnych próbek mikroalg, które nie oddziaływały z MXenami, nanopłatkami MXene oderwanymi od powierzchni komórek mikroalg i komórkami mikroalg po usunięciu przyczepionych MXenów.Warto zauważyć, że jeśli nie ma poboru Nb, wartość Nb uzyskana przez komórki mikroglonów powinna wynosić zero po usunięciu przyczepionych nanoskali.Dlatego też, jeśli nastąpi pobór Nb, zarówno wyniki XRF, jak i XPS powinny wykazywać wyraźny pik Nb.
W przypadku widm XRF próbki mikroalg wykazywały piki Nb dla SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXene po interakcji z SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXene (patrz ryc. 5a, należy również zauważyć, że wyniki dla MXenów MAX i ML pokazano w SI, ryc. S12 – C17).Co ciekawe, intensywność piku Nb jest taka sama w obu przypadkach (czerwone słupki na ryc. 5a).Wskazywało to, że algi nie mogły wchłonąć więcej Nb, a maksymalna zdolność gromadzenia Nb została osiągnięta w komórkach, chociaż dwa razy więcej Nb4C3Tx MXene zostało przyłączone do komórek mikroalg (niebieskie słupki na ryc. 5a).Warto zauważyć, że zdolność mikroalg do wchłaniania metali zależy od stężenia tlenków metali w środowisku67,68.Shamshada i wsp.67 stwierdzili, że zdolność absorpcyjna glonów słodkowodnych zmniejsza się wraz ze wzrostem pH.Raize i wsp.68 zauważyli, że zdolność wodorostów do wchłaniania metali była o około 25% wyższa dla Pb2+ niż dla Ni2+.
( a ) Wyniki XRF podstawowego wychwytu Nb przez komórki zielonych mikroalg inkubowanych w ekstremalnym stężeniu SL Nb-MXenes (100 mg L-1) przez 72 godziny.Wyniki pokazują obecność α w czystych komórkach mikroalg (próbka kontrolna, szare kolumny), nanopłatkach 2D wyizolowanych z powierzchniowych komórek mikroalg (niebieskie kolumny) i komórkach mikroalg po oddzieleniu nanopłatków 2D od powierzchni (czerwone kolumny).Ilość pierwiastkowego Nb, (b) procent składu chemicznego składników organicznych mikroglonów (C=O i CHx/C–O) oraz 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 internalizowane przez komórki mikroalg.
Dlatego spodziewaliśmy się, że Nb może być wchłaniany przez komórki glonów w postaci tlenków.Aby to przetestować, przeprowadziliśmy badania XPS na komórkach MXenes Nb2CTx i Nb4C3TX oraz komórkach alg.Wyniki interakcji mikroalg z Nb-MXenami i MXenami wyizolowanymi z komórek alg przedstawiono na ryc.5b.Zgodnie z oczekiwaniami wykryliśmy piki Nb 3d w próbkach mikroalg po usunięciu MXenu z powierzchni mikroalg.Ilościowe oznaczenie tlenków C = O, CHx / CO i Nb obliczono na podstawie widm Nb 3d, O 1s i C 1s uzyskanych za pomocą Nb2CTx SL (ryc. 5c – e) i Nb4C3Tx SL (ryc. 5c – e).) uzyskany z inkubowanych mikroalg.Rysunek 5f – h) MXenes.Tabela S1-3 przedstawia szczegóły parametrów pików i ogólną chemię wynikającą z dopasowania.Warto zauważyć, że regiony Nb 3d Nb2CTx SL i Nb4C3Tx SL (ryc. 5c, f) odpowiadają jednemu składnikowi Nb2O5.Tutaj nie znaleźliśmy żadnych pików związanych z MXene w widmach, co wskazuje, że komórki mikroalg absorbują tylko postać tlenku Nb.Ponadto przybliżyliśmy widmo C 1 s składnikami 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 stanowią odpowiednio 36% i 41% pików C1s w Nb2CTx SL i Nb4C3TX SL.Następnie dopasowaliśmy widma O 1s SL Nb2CTx i SL Nb4C3TX z Nb2O5, organicznymi składnikami mikroalg (CHx/CO) i wodą zaadsorbowaną na powierzchni.
Wreszcie wyniki XPS wyraźnie wskazywały na formę Nb, a nie tylko na jej obecność.Zgodnie z pozycją sygnału Nb 3d i wynikami dekonwolucji potwierdzamy, że Nb jest absorbowany tylko w postaci tlenków, a nie jonów lub samego MXenu.Ponadto wyniki XPS wykazały, że komórki mikroalg mają większą zdolność do pobierania 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 nanopłatkach 2D.Dlatego zdecydowaliśmy się również opracować odpowiednią metodę, która może bezpośrednio reagować na wszelkie zmiany zachodzące w nanopłatkach 2D Nb-MXene i komórkach mikroalg.Należy zauważyć, że zakładamy, że jeśli oddziaływujące gatunki przejdą jakąkolwiek transformację, rozkład lub defragmentację, powinno to szybko objawić się zmianami parametrów kształtu, takich jak średnica równoważnego obszaru kołowego, okrągłość, szerokość Fereta lub długość Fereta.Ponieważ parametry te są odpowiednie do opisywania wydłużonych cząstek lub dwuwymiarowych nanopłatków, ich śledzenie za pomocą dynamicznej analizy kształtu cząstek dostarczy nam cennych informacji na temat 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 SL zmieniły się znacząco po interakcji z mikroalgami.Jak pokazuje parametr średnicy równoważnego obszaru kołowego (ryc. 6a, b), zmniejszona intensywność piku frakcji dużych nanopłatków wskazuje, że mają one tendencję do rozpadu na mniejsze fragmenty.na ryc.6c, d pokazuje spadek pików związanych z poprzecznym rozmiarem płatków (wydłużenie nanopłatków), co wskazuje na przekształcenie nanopłatków 2D w kształt bardziej przypominający cząstki.Rysunek 6e-h przedstawiający odpowiednio szerokość i długość Fereta.Szerokość i długość Fereta są parametrami uzupełniającymi się i dlatego należy je rozpatrywać łącznie.Po inkubacji nanopłatków 2D Nb-MXene w obecności mikroalg ich piki korelacji Fereta przesunęły się, a ich intensywność zmniejszyła się.Na podstawie tych wyników w połączeniu z morfologią, XRF i XPS doszliśmy do wniosku, że obserwowane zmiany są silnie związane z utlenianiem, ponieważ utlenione MXeny stają się bardziej pomarszczone i rozpadają się na fragmenty i kuliste cząsteczki tlenku69,70.
Analiza przemian MXenu po interakcji z zielonymi mikroalgami.Analiza dynamicznego kształtu cząstek uwzględnia takie parametry jak (a, b) średnica równoważnego pola kołowego, (c, d) okrągłość, (e, f) szerokość Fereta oraz (g, h) długość Fereta.W tym celu przeanalizowano dwie referencyjne próbki mikroglonów wraz z pierwotnymi SL Nb2CTx i SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx i SL Nb4C3Tx MXenes, zdegradowanymi mikroalgami i potraktowanymi 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 mikroglonów.Dlatego przeanalizowaliśmy równoważną średnicę, okrągłość i szerokość / długość Fereta czystych komórek mikroalg i komórek po interakcji z nanopłatkami 2D Nb.na ryc.6a – h pokazują zmiany parametrów kształtu komórek glonów, o czym świadczy spadek intensywności piku i przesunięcie maksimów w kierunku wyższych wartości.W szczególności parametry okrągłości komórek wykazały spadek wydłużonych komórek i wzrost komórek sferycznych (ryc. 6a, b).Ponadto szerokość komórek Fereta wzrosła o kilka mikrometrów po interakcji z SL Nb2CTx MXene (ryc. 6e) w porównaniu z SL Nb4C3TX MXene (ryc. 6f).Podejrzewamy, że może to być spowodowane silnym wychwytem tlenków Nb przez mikroalgi po interakcji z Nb2CTx SR.Mniej sztywne przyleganie płatków Nb do ich powierzchni może skutkować wzrostem komórek przy minimalnym efekcie cieniowania.
Nasze obserwacje zmian parametrów kształtu i wielkości mikroalg uzupełniają inne badania.Zielone mikroalgi mogą zmieniać swoją morfologię w odpowiedzi na stres środowiskowy poprzez zmianę rozmiaru, kształtu lub metabolizmu komórek61.Na przykład zmiana wielkości komórek ułatwia wchłanianie składników odżywczych71.Mniejsze komórki glonów wykazują mniejsze wchłanianie składników odżywczych i zaburzone tempo wzrostu.I odwrotnie, większe komórki mają tendencję do zużywania większej ilości składników odżywczych, które następnie osadzają się wewnątrz komórki72,73.Machado i Soares odkryli, że fungicyd triklosan może zwiększać rozmiar komórek.Stwierdzili również głębokie zmiany w kształcie glonów74.Ponadto Yin i wsp. 9 ujawnili również zmiany morfologiczne w algach po ekspozycji na zredukowane nanokompozyty tlenku grafenu.Dlatego jasne jest, 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 w czasie może wykazać pobieranie tlenku niobu przez mikroalgi w obecności Nb-MXenes.
Ponadto MXeny mogą ulegać utlenianiu w obecności alg.Dalai i wsp.75 zaobserwowali, że morfologia zielonych alg wystawionych na działanie nano-TiO2 i Al2O376 nie była jednolita.Chociaż nasze obserwacje są podobne do niniejszego badania, ma to znaczenie tylko dla badania skutków bioremediacji pod względem produktów degradacji MXene w obecności nanopłatków 2D, a nie nanocząstek.Ponieważ MXeny mogą rozkładać się na tlenki metali, 31,32,77,78 uzasadnione jest założenie, 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 transmisyjnej mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości (HRTEM) (ryc. 7a, b) i rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS) (ryc. 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 późniejszy wygląd nanocząstek tlenków metali, podczas gdy XPS jest wrażliwy na wiązania powierzchniowe.W tym celu przetestowaliśmy nanopłatki 2D Nb-MXene wyekstrahowane z dyspersji komórek mikroalg, czyli ich kształt po interakcji z komórkami mikroalg (patrz ryc. 7).
Obrazy HRTEM przedstawiające 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 naprawione zielonymi mikroalgami.
Badania HRTEM potwierdziły utlenianie dwóch rodzajów nanopłatków Nb-MXenu.Chociaż nanopłatki zachowały do ​​​​pewnego stopnia swoją dwuwymiarową morfologię, utlenianie spowodowało pojawienie się wielu nanocząstek pokrywających powierzchnię nanopłatków MXene (patrz ryc. 7a, b).Analiza XPS sygnałów c Nb 3d i O 1s wykazała, że ​​w obu przypadkach powstały tlenki Nb.Jak pokazano na rysunku 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 nanopłatków 2D.Zauważyliśmy, że udział tlenku Nb jest dominujący w porównaniu z Nb-C i Nb3+-O.
na ryc.Ryciny 7g – i przedstawiają widma XPS Nb 3d, C 1s i O 1s SL Nb2CTx (patrz ryc. 7d – f) i SL Nb4C3TX MXene izolowane z komórek mikroalg.Szczegóły parametrów piku Nb-MXenes podano odpowiednio w tabelach S4–5.Najpierw przeanalizowaliśmy skład Nb 3d.W przeciwieństwie do Nb wchłanianego przez komórki mikroalg, w MXene wyizolowanym z komórek mikroalg oprócz Nb2O5 stwierdzono 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 C1s na cztery różne składniki, tak jak zrobiliśmy to w zinternalizowanych próbkach.Zgodnie z oczekiwaniami, widmo C 1s jest zdominowane przez węgiel grafitowy, a następnie udział cząstek organicznych (CHx/CO i C=O) z komórek mikroalg.Ponadto w widmie O 1s zaobserwowaliśmy udział form organicznych komórek mikroglonów, 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 poziomy tlenu singletowego (1O2) w pożywce hodowlanej i wewnątrzkomórkowego glutationu, tiolu, który działa jako przeciwutleniacz w mikroalgach.Wyniki przedstawiono w układzie SI (rysunki S20 i S21).Hodowle z SL Nb2CTx i Nb4C3TX MXenes charakteryzowały się zmniejszoną ilością 1O2 (patrz rysunek S20).W przypadku SL Nb2CTx, MXene 1O2 jest zredukowany do około 83%.W przypadku hodowli mikroalg przy użyciu SL, Nb4C3TX 1O2 spadło jeszcze bardziej, do 73%.Co ciekawe, zmiany w 1O2 wykazywały ten sam trend, co wcześniej obserwowany efekt hamująco-stymulujący (patrz ryc. 3).Można argumentować, że inkubacja w jasnym świetle może zmienić fotoutlenianie.Jednak wyniki analizy kontrolnej wykazały prawie stały poziom 1O2 podczas eksperymentu (ryc. S22).W przypadku wewnątrzkomórkowych poziomów RFT zaobserwowaliśmy również ten sam trend spadkowy (patrz rysunek S21).Początkowo poziomy ROS w komórkach mikroalg hodowanych w obecności Nb2CTx i Nb4C3Tx SL przekraczały poziomy stwierdzane w czystych hodowlach mikroalg.Ostatecznie jednak okazało się, że mikroalgi przystosowały się do obecności obu Nb-MXenów, ponieważ poziomy ROS spadły do ​​85% i 91% poziomów zmierzonych w czystych hodowlach mikroalg zaszczepionych odpowiednio SL Nb2CTx i Nb4C3TX.Może to wskazywać, że mikroalgi z czasem czują się bardziej komfortowo w obecności Nb-MXenu niż w samej pożywce.
Mikroalgi to zróżnicowana grupa organizmów fotosyntetyzujących.Podczas fotosyntezy przekształcają atmosferyczny dwutlenek węgla (CO2) w węgiel organiczny.Produktami fotosyntezy są glukoza i tlen79.Podejrzewamy, że powstały w ten sposób tlen odgrywa kluczową rolę w utlenianiu Nb-MXenów.Jednym z możliwych wyjaśnień jest to, że różnicowy parametr napowietrzania powstaje przy niskich i wysokich ciśnieniach cząstkowych tlenu na zewnątrz i wewnątrz nanopłatków Nb-MXenu.Oznacza to, że wszędzie tam, gdzie występują obszary o różnych ciśnieniach cząstkowych tlenu, obszar o najniższym poziomie utworzy anodę 80, 81, 82. Tutaj mikroalgi przyczyniają się do tworzenia różnie napowietrzonych komórek na powierzchni płatków MXene, które dzięki swoim właściwościom fotosyntetycznym wytwarzają 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.Dlatego powstaje agresywne środowisko, zmieniając w ten sposób Nb-MXenes.Ponadto mikroglony mogą zmienić pH środowiska na zasadowe w wyniku absorpcji dwutlenku węgla, co również może powodować korozję79.
Co ważniejsze, fotoperiod ciemny/jasny zastosowany w naszym badaniu ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia uzyskanych wyników.Ten aspekt jest szczegółowo opisany w Djemai-Zoghlache i in.85 Celowo wykorzystali fotoperiod 12/12 godzin, aby zademonstrować biokorozję związaną z biofoulingiem przez czerwone mikroalgi Porphyridium purpureum.Pokazują one, że fotoperiod jest związany z ewolucją potencjału bez biokorozji, objawiającej się pseudookresowymi oscylacjami około godziny 24:00.Obserwacje te zostały potwierdzone przez Dowlinga i in.86 Zademonstrowali fotosyntetyczne biofilmy cyjanobakterii Anabaena.Rozpuszczony tlen powstaje pod wpływem światła, co wiąże się ze zmianą lub fluktuacjami swobodnego potencjału biokorozyjnego.Znaczenie fotoperiodu podkreśla fakt, że swobodny potencjał biokorozji wzrasta w fazie jasnej, a maleje w fazie ciemnej.Jest to spowodowane tlenem wytwarzanym przez fotosyntetyzujące mikroalgi, który wpływa na reakcję katodową poprzez ciśnienie cząstkowe wytwarzane w pobliżu elektrod87.
Ponadto przeprowadzono spektroskopię w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), aby dowiedzieć się, czy zaszły jakieś zmiany w składzie chemicznym komórek mikroalg po interakcji z Nb-MXenes.Uzyskane wyniki są złożone i przedstawiamy je w SI (rysunki S23-S25, w tym wyniki etapu MAX i ML MXenes).Krótko mówiąc, otrzymane referencyjne widma mikroalg dostarczają nam ważnych informacji o chemicznej charakterystyce tych organizmów.Te najbardziej prawdopodobne drgania zlokalizowane są 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.jeden.1 1 (C–H) i 3280 cm–1 (O–H).W przypadku SL Nb-MXenes znaleźliśmy sygnaturę rozciągania wiązania CH, która jest zgodna z naszym poprzednim badaniem38.Zaobserwowaliśmy jednak, że niektóre dodatkowe piki związane z wiązaniami C=C i CH zniknęły.Wskazuje to, że skład chemiczny mikroalg może ulec niewielkim zmianom w wyniku interakcji z SL Nb-MXenes.
Rozważając możliwe zmiany w biochemii mikroalg, należy ponownie rozważyć gromadzenie się tlenków nieorganicznych, takich jak tlenek niobu59.Bierze udział w wychwytywaniu metali przez powierzchnię komórki, ich transporcie do cytoplazmy, ich asocjacji z wewnątrzkomórkowymi grupami karboksylowymi oraz ich akumulacji w polifosfosomach mikroalg20,88,89,90.Ponadto związek między mikroalgami a metalami jest utrzymywany przez grupy funkcyjne komórek.Z tego powodu wchłanianie zależy również od chemii powierzchni mikroalg, która jest dość złożona9,91.Ogólnie, zgodnie z oczekiwaniami, skład chemiczny zielonych mikroalg zmienił się nieznacznie z powodu absorpcji tlenku Nb.
Co ciekawe, obserwowane początkowe hamowanie 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.W ten sposób oddziaływanie powierzchniowe między komórkami mikroalg a nanopłatkami Nb-MXene utrzymywało się podczas 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 przyczepiania się do Nb-MXenes.Korzystając z dynamicznej analizy obrazu, potwierdzamy, że efekt ten prowadzi do przekształcenia dwuwymiarowych nanopłatków Nb-MXenu w bardziej kuliste cząstki, wykazując tym samym, że rozkład nanopłatków jest związany z ich utlenianiem.Aby przetestować naszą hipotezę, przeprowadziliśmy serię badań materiałowych i biochemicznych.Po testach nanopłatki stopniowo utleniały się i rozkładały do ​​produktów NbO i Nb2O5, które nie stanowiły zagrożenia dla zielonych mikroglonów.Korzystając z obserwacji FTIR, nie stwierdziliśmy znaczących zmian w składzie chemicznym mikroalg inkubowanych w obecności nanopłatków 2D Nb-MXene.Biorąc pod uwagę możliwość absorpcji tlenku niobu przez mikroglony, wykonaliśmy analizę fluorescencji rentgenowskiej.Wyniki te wyraźnie pokazują, że badane mikroalgi żywią się tlenkami niobu (NbO i Nb2O5), które są nietoksyczne dla badanych mikroglonów.