Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Utilizați o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).Între timp, pentru a asigura suport continuu, vom reda site-ul fără stiluri și JavaScript.
Afișează un carusel de trei diapozitive simultan.Utilizați butoanele Anterior și Următorul pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan sau utilizați butoanele glisante de la sfârșit pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan.
Dezvoltarea rapidă a nanotehnologiei și integrarea acesteia în aplicațiile de zi cu zi pot amenința mediul.În timp ce metodele verzi pentru degradarea contaminanților organici sunt bine stabilite, recuperarea contaminanților cristalini anorganici este o preocupare majoră datorită sensibilității lor scăzute la biotransformare și lipsei de înțelegere a interacțiunilor suprafeței materialelor cu cele biologice.Aici, folosim un model MXenes 2D anorganic pe bază de Nb combinat cu o metodă simplă de analiză a parametrilor de formă pentru a urmări mecanismul de bioremediere al nanomaterialelor ceramice 2D de către microalgele verzi Raphidocelis subcapitata.Am descoperit că microalgele degradează MXenele pe bază de Nb datorită interacțiunilor fizico-chimice legate de suprafață.Inițial, pe suprafața microalgelor au fost atașați nanofulgi MXene cu un singur strat și mai multe straturi, ceea ce a redus oarecum creșterea algelor.Cu toate acestea, la interacțiunea prelungită cu suprafața, microalgele au oxidat nanofulgii de MXene și i-au descompus în continuare în NbO și Nb2O5.Deoarece acești oxizi nu sunt toxici pentru celulele de microalge, ei consumă nanoparticule de oxid de Nb printr-un mecanism de absorbție care restabilește în continuare microalgele după 72 de ore de tratare a apei.Efectele nutrienților asociate cu absorbția se reflectă și în creșterea volumului celular, forma lor netedă și modificarea ratei de creștere.Pe baza acestor constatări, concluzionăm că prezența pe termen scurt și lung a MXenelor pe bază de Nb în ecosistemele de apă dulce poate provoca doar impacturi minore asupra mediului.Este de remarcat faptul că, folosind nanomateriale bidimensionale ca sisteme model, demonstrăm posibilitatea urmăririi transformării formei chiar și în materiale cu granulație fină.În general, acest studiu răspunde la o întrebare fundamentală importantă despre procesele legate de interacțiunea suprafeței care conduc mecanismul de bioremediere al nanomaterialelor 2D și oferă o bază pentru studii suplimentare pe termen scurt și lung ale impactului asupra mediului al nanomaterialelor cristaline anorganice.
Nanomaterialele au generat mult interes de la descoperirea lor, iar diferite nanotehnologii au intrat recent într-o fază de modernizare1.Din păcate, integrarea nanomaterialelor în aplicațiile de zi cu zi poate duce la eliberari accidentale din cauza eliminării necorespunzătoare, a manipulării neglijente sau a infrastructurii de siguranță inadecvate.Prin urmare, este rezonabil să presupunem că nanomaterialele, inclusiv nanomaterialele bidimensionale (2D), pot fi eliberate în mediul natural, al cărui comportament și activitate biologică nu sunt încă pe deplin înțelese.Prin urmare, nu este surprinzător faptul că preocupările legate de ecotoxicitate s-au concentrat pe capacitatea nanomaterialelor 2D de a se scurge în sistemele acvatice2,3,4,5,6.În aceste ecosisteme, unele nanomateriale 2D pot interacționa cu diverse organisme la diferite niveluri trofice, inclusiv cu microalge.
Microalgele sunt organisme primitive găsite în mod natural în ecosistemele de apă dulce și marine care produc o varietate de produse chimice prin fotosinteză7.Ca atare, ele sunt critice pentru ecosistemele acvatice8,9,10,11,12, dar sunt și indicatori sensibili, ieftini și utilizați pe scară largă ai ecotoxicității13,14.Deoarece celulele de microalge se înmulțesc rapid și răspund rapid la prezența diverșilor compuși, ele sunt promițătoare pentru dezvoltarea unor metode prietenoase cu mediul pentru tratarea apei contaminate cu substanțe organice15,16.
Celulele de alge pot elimina ionii anorganici din apă prin biosorbție și acumulare17,18.Unele specii de alge precum Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue și Synechococcus sp.S-a descoperit că transportă și chiar hrănește ioni de metal toxici, cum ar fi Fe2+, Cu2+, Zn2+ și Mn2+19.Alte studii au arătat că ionii Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ sau Pb2+ limitează creșterea Scenedesmus prin modificarea morfologiei celulare și distrugerea cloroplastelor acestora20,21.
Metodele verzi pentru descompunerea poluanților organici și îndepărtarea ionilor de metale grele au atras atenția oamenilor de știință și inginerilor din întreaga lume.Acest lucru se datorează în principal faptului că acești contaminanți sunt procesați cu ușurință în faza lichidă.Cu toate acestea, poluanții anorganici cristalini se caracterizează printr-o solubilitate scăzută în apă și o susceptibilitate scăzută la diferite biotransformări, ceea ce provoacă mari dificultăți în remediere și s-au înregistrat puține progrese în acest domeniu22,23,24,25,26.Astfel, căutarea unor soluții ecologice pentru repararea nanomaterialelor rămâne un domeniu complex și neexplorat.Datorită gradului ridicat de incertitudine cu privire la efectele de biotransformare ale nanomaterialelor 2D, nu există o modalitate ușoară de a afla posibilele căi de degradare a acestora în timpul reducerii.
În acest studiu, am folosit microalge verzi ca agent activ de bioremediere apoasă pentru materiale ceramice anorganice, combinate cu monitorizarea in situ a procesului de degradare a MXene ca reprezentant al materialelor ceramice anorganice.Termenul „MXene” reflectă stoichiometria materialului Mn+1XnTx, unde M este un metal de tranziție timpurie, X este carbon și/sau azot, Tx este un terminator de suprafață (de exemplu, -OH, -F, -Cl) și n = 1, 2, 3 sau 427,28.De la descoperirea MXenelor de către Naguib și colab.Senzorii, terapia cancerului și filtrarea membranară 27,29,30.În plus, MXenele pot fi considerate ca sisteme model 2D datorită stabilității lor coloidale excelente și a posibilelor interacțiuni biologice31,32,33,34,35,36.
Prin urmare, metodologia dezvoltată în acest articol și ipotezele noastre de cercetare sunt prezentate în Figura 1. Conform acestei ipoteze, microalgele degradează MXenele pe bază de Nb în compuși netoxici datorită interacțiunilor fizico-chimice legate de suprafață, ceea ce permite recuperarea ulterioară a algelor.Pentru a testa această ipoteză, au fost selectați doi membri ai familiei de carburi și/sau nitruri ale metalelor de tranziție pe bază de niobiu timpurie (MXenes), și anume Nb2CTx și Nb4C3TX.
Metodologie de cercetare și ipoteze bazate pe dovezi pentru recuperarea MXene de către microalgele verzi Raphidocelis subcapitata.Vă rugăm să rețineți că aceasta este doar o reprezentare schematică a ipotezelor bazate pe dovezi.Mediul lacului diferă în ceea ce privește mediul nutritiv utilizat și condițiile (de exemplu, ciclul diurn și limitările nutrienților esențiali disponibili).Creat cu BioRender.com.
Prin urmare, folosind MXene ca sistem model, am deschis ușa pentru studiul diferitelor efecte biologice care nu pot fi observate cu alte nanomateriale convenționale.În special, demonstrăm posibilitatea bioremedierii nanomaterialelor bidimensionale, cum ar fi MXenele pe bază de niobiu, de către microalgele Raphidocelis subcapitata.Microalgele sunt capabile să degradeze Nb-MXenele în oxizi netoxici NbO și Nb2O5, care oferă, de asemenea, nutrienți prin mecanismul de absorbție a niobiului.În general, acest studiu răspunde la o întrebare fundamentală importantă despre procesele asociate cu interacțiunile fizico-chimice de suprafață care guvernează mecanismele de bioremediere a nanomaterialelor bidimensionale.În plus, dezvoltăm o metodă simplă bazată pe parametrii de formă pentru urmărirea modificărilor subtile ale formei nanomaterialelor 2D.Acest lucru inspiră cercetări suplimentare pe termen scurt și pe termen lung asupra diferitelor efecte asupra mediului ale nanomaterialelor cristaline anorganice.Astfel, studiul nostru mărește înțelegerea interacțiunii dintre suprafața materialului și materialul biologic.Oferim, de asemenea, baza pentru studii extinse pe termen scurt și lung privind posibilele impacturi ale acestora asupra ecosistemelor de apă dulce, care acum pot fi verificate cu ușurință.
MXenele reprezintă o clasă interesantă de materiale cu proprietăți fizice și chimice unice și atractive și, prin urmare, multe aplicații potențiale.Aceste proprietăți depind în mare măsură de stoichiometria și chimia suprafeței lor.Prin urmare, în studiul nostru, am investigat două tipuri de MXene ierarhice cu un singur strat (SL) pe bază de Nb, Nb2CTx și Nb4C3TX, deoarece au putut fi observate efecte biologice diferite ale acestor nanomateriale.MXenele sunt produse din materialele lor inițiale prin gravarea selectivă de sus în jos a straturilor A de fază MAX subțiri atomic.Faza MAX este o ceramică ternară compusă din blocuri „legate” de carburi ale metalelor tranziționale și straturi subțiri de elemente „A” precum Al, Si și Sn cu stoichiometrie MnAXn-1.Morfologia fazei MAX inițiale a fost observată prin microscopie electronică cu scanare (SEM) și a fost în concordanță cu studiile anterioare (vezi informații suplimentare, SI, figura S1).Nb-MXen multistrat (ML) a fost obţinut după îndepărtarea stratului de Al cu 48% HF (acid fluorhidric).Morfologia ML-Nb2CTx și ML-Nb4C3TX a fost examinată prin microscopie electronică cu scanare (SEM) (Figurile S1c și, respectiv, S1d) și a fost observată o morfologie tipică stratificată MXene, similară cu nanofulgi bidimensionali care trec prin fante alungite asemănătoare porilor.Ambele Nb-MXene au multe în comun cu fazele MXene sintetizate anterior prin gravarea acidă27,38.După confirmarea structurii MXene, l-am stratificat prin intercalarea hidroxidului de tetrabutilamoniu (TBAOH) urmată de spălare și sonicare, după care am obținut nanofulgi 2D Nb-MXene cu un singur strat sau cu strat inferior (SL).
Am folosit microscopia electronică cu transmisie de înaltă rezoluție (HRTEM) și difracția cu raze X (XRD) pentru a testa eficiența gravării și a peelingului ulterioară.Rezultatele HRTEM procesate folosind transformarea Fourier rapidă inversă (IFFT) și transformarea Fourier rapidă (FFT) sunt prezentate în Fig. 2. Nanofulgii de Nb-MXene au fost orientați în sus pentru a verifica structura stratului atomic și pentru a măsura distanțe interplanare.Imaginile HRTEM ale nanofulgilor MXene Nb2CTx și Nb4C3TX au dezvăluit natura lor stratificată subțire atomic (vezi Fig. 2a1, a2), așa cum au raportat anterior de Naguib și colab.27 și Jastrzębska și colab.38.Pentru două monostraturi Nb2CTx și Nb4C3Tx adiacente, am determinat distanțe interstrat de 0,74 și, respectiv, 1,54 nm (Figurile 2b1, b2), ceea ce este de asemenea în acord cu rezultatele noastre anterioare38.Acest lucru a fost confirmat în continuare de transformarea Fourier rapidă inversă (Fig. 2c1, c2) și transformarea Fourier rapidă (Fig. 2d1, d2) care arată distanța dintre monostraturile Nb2CTx și Nb4C3Tx.Imaginea prezintă o alternanță de benzi luminoase și întunecate corespunzătoare atomilor de niobiu și carbon, ceea ce confirmă natura stratificată a MXenelor studiate.Este important de reținut că spectrele de spectroscopie cu raze X cu dispersie energetică (EDX) obținute pentru Nb2CTx și Nb4C3Tx (Figurile S2a și S2b) nu au arătat nicio rămășiță din faza MAX originală, deoarece nu a fost detectat un vârf de Al.
Caracterizarea nanofulgilor SL Nb2CTx și Nb4C3Tx MXene, inclusiv (a) microscopie electronică de înaltă rezoluție (HRTEM) vizualizare laterală 2D nanofulgi și corespunzătoare, (b) modul de intensitate, (c) transformată Fourier inversă rapidă (IFFT), (d) transformată Fourier rapidă (FFT), (e) modele Nb-MXen.Pentru SL 2D Nb2CTx, numerele sunt exprimate ca (a1, b1, c1, d1, e1).Pentru SL 2D Nb4C3Tx, numerele sunt exprimate ca (a2, b2, c2, d2, e1).
Măsurătorile de difracție de raze X ale MXenelor SL Nb2CTx și Nb4C3Tx sunt prezentate în Fig.2e1 și, respectiv, e2.Picurile (002) la 4,31 și 4,32 corespund MXenelor stratificate descrise anterior Nb2CTx și respectiv Nb4C3TX38,39,40,41.Rezultatele XRD indică, de asemenea, prezența unor structuri ML reziduale și faze MAX, dar mai ales modele XRD asociate cu SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2).Prezența particulelor mai mici ale fazei MAX poate explica vârful MAX mai puternic în comparație cu straturile Nb4C3Tx stivuite aleator.
Cercetările ulterioare s-au concentrat asupra microalgelor verzi aparținând speciei R. subcapitata.Am ales microalge pentru că sunt producători importanți implicați în rețele trofice majore42.Ele sunt, de asemenea, unul dintre cei mai buni indicatori ai toxicității datorită capacității de a elimina substanțele toxice care sunt transportate la niveluri superioare ale lanțului alimentar43.În plus, cercetările asupra R. subcapitata pot arunca lumină asupra toxicității incidentale a SL Nb-MXenes la microorganismele comune de apă dulce.Pentru a ilustra acest lucru, cercetătorii au emis ipoteza că fiecare microb are o sensibilitate diferită la compușii toxici prezenți în mediu.Pentru majoritatea organismelor, concentrațiile scăzute de substanțe nu le afectează creșterea, în timp ce concentrațiile peste o anumită limită le pot inhiba sau chiar provoca moartea.Prin urmare, pentru studiile noastre privind interacțiunea de suprafață dintre microalge și MXene și recuperarea asociată, am decis să testăm concentrațiile inofensive și toxice de Nb-MXene.Pentru a face acest lucru, am testat concentrații de 0 (ca referință), 0,01, 0,1 și 10 mg l-1 MXene și, suplimentar, microalge infectate cu concentrații foarte mari de MXene (100 mg l-1 MXene), care pot fi extreme și letale..pentru orice mediu biologic.
Efectele SL Nb-MXenes asupra microalgelor sunt prezentate în Figura 3, exprimate ca procent de promovare a creșterii (+) sau inhibare (-) măsurat pentru probe de 0 mg l-1.Pentru comparație, au fost testate și faza Nb-MAX și ML Nb-MXenele, iar rezultatele sunt afișate în SI (vezi Fig. S3).Rezultatele obținute au confirmat că SL Nb-MXenes este aproape complet lipsită de toxicitate în intervalul de concentrații scăzute de la 0,01 la 10 mg/l, așa cum se arată în Fig. 3a,b.În cazul Nb2CTx, am observat nu mai mult de 5% ecotoxicitate în intervalul specificat.
Stimularea (+) sau inhibarea (-) a creșterii microalgelor în prezența SL (a) Nb2CTx și (b) Nb4C3TX MXene.Au fost analizate 24, 48 și 72 de ore de interacțiune MXene-microalge. Datele semnificative (test t, p < 0,05) au fost marcate cu un asterisc (*). Datele semnificative (test t, p < 0,05) au fost marcate cu un asterisc (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Datele semnificative (test t, p < 0,05) sunt marcate cu un asterisc (*).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 (*). Datele importante (test t, p < 0,05) sunt marcate cu un asterisc (*).Săgețile roșii indică abolirea stimulării inhibitorii.
Pe de altă parte, concentrațiile scăzute de Nb4C3TX s-au dovedit a fi puțin mai toxice, dar nu mai mari de 7%.După cum era de așteptat, am observat că MXenele au avut o toxicitate mai mare și o inhibare a creșterii microalgelor la 100 mg L-1.Interesant, niciunul dintre materiale nu a arătat aceeași tendință și dependență de timp a efectelor atoxice/toxice în comparație cu probele MAX sau ML (a se vedea SI pentru detalii).În timp ce pentru faza MAX (vezi Fig. S3) toxicitatea a atins aproximativ 15-25% și a crescut cu timpul, tendința inversă a fost observată pentru SL Nb2CTx și Nb4C3TX MXene.Inhibarea creșterii microalgelor a scăzut în timp.A ajuns la aproximativ 17% după 24 de ore și a scăzut la mai puțin de 5% după 72 de ore (Fig. 3a, respectiv, b).
Mai important, pentru SL Nb4C3TX, inhibarea creșterii microalgelor a ajuns la aproximativ 27% după 24 de ore, dar după 72 de ore a scăzut la aproximativ 1%.Prin urmare, am etichetat efectul observat ca inhibare inversă a stimulării, iar efectul a fost mai puternic pentru SL Nb4C3TX MXene.Stimularea creșterii microalgelor a fost observată mai devreme cu Nb4C3TX (interacțiune la 10 mg L-1 timp de 24 de ore) în comparație cu SL Nb2CTx MXene.Efectul de inversare a inhibiției-stimulare a fost, de asemenea, bine arătat în curba ratei de dublare a biomasei (a se vedea Fig. S4 pentru detalii).Până acum, doar ecotoxicitatea Ti3C2TX MXene a fost studiată în moduri diferite.Nu este toxic pentru embrionii de pește zebra44, dar moderat ecotoxic pentru microalgele Desmodesmus quadricauda și Sorghum saccharatum45.Alte exemple de efecte specifice includ toxicitate mai mare pentru liniile de celule canceroase decât pentru liniile de celule normale46,47.Se poate presupune că condițiile de testare ar influența schimbările în creșterea microalgelor observate în prezența Nb-MXenelor.De exemplu, un pH de aproximativ 8 în stroma cloroplastului este optim pentru funcționarea eficientă a enzimei RuBisCO.Prin urmare, modificările pH-ului afectează negativ rata fotosintezei48,49.Cu toate acestea, nu am observat modificări semnificative ale pH-ului în timpul experimentului (a se vedea SI, Fig. S5 pentru detalii).În general, culturile de microalge cu Nb-MXene au redus ușor pH-ul soluției în timp.Cu toate acestea, această scădere a fost similară cu o schimbare a pH-ului unui mediu pur.În plus, intervalul de variații găsit a fost similar cu cel măsurat pentru o cultură pură de microalge (probă martor).Astfel, concluzionăm că fotosinteza nu este afectată de modificările pH-ului în timp.
În plus, MXenele sintetizate au terminații de suprafață (notate ca Tx).Acestea sunt în principal grupări funcționale -O, -F și -OH.Cu toate acestea, chimia suprafeței este direct legată de metoda de sinteză.Se știe că aceste grupuri sunt distribuite aleatoriu pe suprafață, ceea ce face dificilă prezicerea efectului lor asupra proprietăților MXene50.Se poate argumenta că Tx ar putea fi forța catalitică pentru oxidarea niobiului de către lumină.Grupurile funcționale de suprafață oferă într-adevăr mai multe locuri de ancorare pentru ca fotocatalizatorii lor de bază pentru a forma heterojoncțiuni51.Cu toate acestea, compoziția mediului de creștere nu a furnizat un fotocatalizator eficient (compoziția detaliată a mediului poate fi găsită în Tabelul SI S6).În plus, orice modificare a suprafeței este, de asemenea, foarte importantă, deoarece activitatea biologică a MXenelor poate fi alterată din cauza post-procesării stratului, oxidării, modificării chimice a suprafeței compușilor organici și anorganici52,53,54,55,56 sau inginerii sarcinii de suprafață38.Prin urmare, pentru a testa dacă oxidul de niobiu are vreo legătură cu instabilitatea materialului în mediu, am efectuat studii ale potențialului zeta (ζ) în mediul de creștere a microalgelor și apa deionizată (pentru comparație).Rezultatele noastre arată că SL Nb-MXenes sunt destul de stabile (vezi SI Fig. S6 pentru rezultatele MAX și ML).Potențialul zeta al SL MXenes este de aproximativ -10 mV.În cazul SR Nb2CTx, valoarea lui ζ este ceva mai negativă decât cea a lui Nb4C3Tx.O astfel de modificare a valorii ζ poate indica faptul că suprafața nanofulgilor MXene încărcați negativ absoarbe ioni încărcați pozitiv din mediul de cultură.Măsurătorile temporale ale potențialului zeta și conductivității Nb-MXenelor în mediul de cultură (a se vedea figurile S7 și S8 în SI pentru mai multe detalii) par să susțină ipoteza noastră.
Cu toate acestea, ambele SL Nb-MXene au prezentat modificări minime de la zero.Acest lucru demonstrează clar stabilitatea lor în mediul de creștere a microalgelor.În plus, am evaluat dacă prezența microalgelor noastre verzi ar afecta stabilitatea Nb-MXenelor în mediu.Rezultatele potențialului zeta și conductivității MXenelor după interacțiunea cu microalgele în medii nutritive și cultură în timp pot fi găsite în SI (Figurile S9 și S10).Interesant, am observat că prezența microalgelor părea să stabilizeze dispersia ambelor MXene.În cazul Nb2CTx SL, potențialul zeta a scăzut chiar ușor în timp la valori mai negative (-15,8 față de -19,1 mV după 72 de ore de incubație).Potențialul zeta al SL Nb4C3TX a crescut ușor, dar după 72 de ore a arătat încă o stabilitate mai mare decât nanofulgii fără prezența microalgelor (-18,1 vs. -9,1 mV).
De asemenea, am găsit o conductivitate mai scăzută a soluțiilor de Nb-MXene incubate în prezența microalgelor, indicând o cantitate mai mică de ioni în mediul nutritiv.În special, instabilitatea MXenelor în apă se datorează în principal oxidării suprafeței57.Prin urmare, bănuim că microalgele verzi au curățat cumva oxizii formați pe suprafața Nb-MXene și chiar au prevenit apariția lor (oxidarea MXene).Acest lucru poate fi observat studiind tipurile de substanțe absorbite de microalge.
În timp ce studiile noastre ecotoxicologice au indicat că microalgele au fost capabile să depășească toxicitatea Nb-MXenelor în timp și inhibarea neobișnuită a creșterii stimulate, scopul studiului nostru a fost de a investiga posibilele mecanisme de acțiune.Atunci când organisme precum algele sunt expuse la compuși sau materiale nefamiliare pentru ecosistemele lor, ele pot reacționa într-o varietate de moduri58,59.În absența oxizilor metalici toxici, microalgele se pot hrăni singure, permițându-le să crească continuu60.După ingestia de substanțe toxice, mecanismele de apărare pot fi activate, cum ar fi schimbarea formei sau formei.Trebuie luată în considerare și posibilitatea de absorbție58,59.În special, orice semn al unui mecanism de apărare este un indicator clar al toxicității compusului de testat.Prin urmare, în lucrările noastre ulterioare, am investigat potențiala interacțiune de suprafață dintre nanofulgii SL Nb-MXene și microalge prin SEM și posibila absorbție a MXene pe bază de Nb prin spectroscopie de fluorescență cu raze X (XRF).Rețineți că analizele SEM și XRF au fost efectuate numai la cea mai mare concentrație de MXene pentru a aborda problemele de toxicitate a activității.
Rezultatele SEM sunt prezentate în Fig.4.Celulele de microalge netratate (vezi Fig. 4a, proba de referință) au arătat în mod clar morfologia tipică a R. subcapitata și forma celulei de tip croissant.Celulele apar turtite si oarecum dezorganizate.Unele celule de microalge s-au suprapus și s-au încurcat între ele, dar acest lucru a fost probabil cauzat de procesul de pregătire a probei.În general, celulele de microalge pure au o suprafață netedă și nu au prezentat modificări morfologice.
Imagini SEM care arată interacțiunea de suprafață între microalgele verzi și nanofile MXene după 72 de ore de interacțiune la concentrație extremă (100 mg L-1).(a) Microalge verzi netratate după interacțiunea cu SL (b) Nb2CTx și (c) Nb4C3TX MXenes.Rețineți că nanofulgii Nb-MXene sunt marcați cu săgeți roșii.Pentru comparație, sunt adăugate și fotografii de la un microscop optic.
În schimb, celulele de microalge adsorbite de nanofulgi SL Nb-MXene au fost deteriorate (vezi Fig. 4b, c, săgeți roșii).În cazul Nb2CTx MXene (Fig. 4b), microalgele tind să crească cu nanoscale bidimensionale atașate, care le pot schimba morfologia.În special, am observat și aceste modificări la microscopie cu lumină (a se vedea figura SI S11 pentru detalii).Această tranziție morfologică are o bază plauzibilă în fiziologia microalgelor și în capacitatea lor de a se apăra prin modificarea morfologiei celulare, cum ar fi creșterea volumului celular61.Prin urmare, este important să verificați numărul de celule de microalge care sunt de fapt în contact cu Nb-MXenes.Studiile SEM au arătat că aproximativ 52% dintre celulele de microalge au fost expuse la Nb-MXene, în timp ce 48% dintre aceste celule de microalge au evitat contactul.Pentru SL Nb4C3Tx MXene, microalgele încearcă să evite contactul cu MXene, localizându-se și crescând astfel de la nanoscale bidimensionale (Fig. 4c).Cu toate acestea, nu am observat pătrunderea nanoscalelor în celulele de microalge și deteriorarea acestora.
Auto-conservarea este, de asemenea, un comportament de răspuns dependent de timp la blocarea fotosintezei din cauza adsorbției particulelor de pe suprafața celulei și a așa-numitului efect de umbrire (umbrire)62.Este clar că fiecare obiect (de exemplu, nanofulgi Nb-MXene) care se află între microalge și sursa de lumină limitează cantitatea de lumină absorbită de cloroplaste.Cu toate acestea, nu avem nicio îndoială că acest lucru are un impact semnificativ asupra rezultatelor obținute.După cum arată observațiile noastre microscopice, nanofulgii 2D nu au fost complet înfășurați sau aderați la suprafața microalgelor, chiar și atunci când celulele de microalge au fost în contact cu Nb-MXenes.În schimb, nanofulgii s-au dovedit a fi orientați către celulele de microalge fără a le acoperi suprafața.Un astfel de set de nanofulgi/microalge nu poate limita semnificativ cantitatea de lumină absorbită de celulele de microalge.Mai mult, unele studii au demonstrat chiar o îmbunătățire a absorbției luminii de către organismele fotosintetice în prezența nanomaterialelor bidimensionale63,64,65,66.
Deoarece imaginile SEM nu au putut confirma direct absorbția niobiului de către celulele de microalge, studiul nostru s-a orientat către analiza fluorescenței cu raze X (XRF) și spectroscopia fotoelectronului cu raze X (XPS) pentru a clarifica această problemă.Prin urmare, am comparat intensitatea vârfurilor Nb ale probelor de microalge de referință care nu au interacționat cu MXenele, nanofulgii de MXene desprinși de pe suprafața celulelor de microalge și celulele de microalge după îndepărtarea MXenelor atașate.Este de remarcat faptul că, dacă nu există absorbție de Nb, valoarea Nb obținută de celulele de microalge ar trebui să fie zero după îndepărtarea nanoscalelor atașate.Prin urmare, dacă are loc absorbția de Nb, atât rezultatele XRF, cât și XPS ar trebui să arate un vârf clar de Nb.
În cazul spectrelor XRF, probele de microalge au arătat vârfuri Nb pentru SL Nb2CTx și Nb4C3Tx MXene după interacțiunea cu SL Nb2CTx și Nb4C3Tx MXene (vezi Fig. 5a, rețineți că rezultatele pentru MAX și ML MXene sunt prezentate în SI, Figurile S12-C17).Interesant este că intensitatea vârfului Nb este aceeași în ambele cazuri (barele roșii în Fig. 5a).Acest lucru a indicat că algele nu au putut absorbi mai mult Nb, iar capacitatea maximă de acumulare de Nb a fost atinsă în celule, deși de două ori mai mult Nb4C3Tx MXene a fost atașat celulelor de microalge (barele albastre în Fig. 5a).În special, capacitatea microalgelor de a absorbi metale depinde de concentrația de oxizi metalici din mediu67,68.Shamshada et al.67 au descoperit că capacitatea de absorbție a algelor de apă dulce scade odată cu creșterea pH-ului.Raize et al.68 au remarcat că capacitatea algelor marine de a absorbi metale a fost cu aproximativ 25% mai mare pentru Pb2+ decât pentru Ni2+.
(a) Rezultatele XRF ale absorbției bazale de Nb de către celulele de microalge verzi incubate la o concentrație extremă de SL Nb-MXene (100 mg L-1) timp de 72 de ore.Rezultatele arată prezența α în celulele de microalge pure (probă de control, coloane gri), nanofulgi 2D izolați din celulele de microalge de suprafață (coloane albastre) și celulele de microalge după separarea nanofulgilor 2D de la suprafață (coloane roșii).Cantitatea de Nb elementar, (b) procentul de compoziție chimică a componentelor organice ale microalgelor (C=O și CHx/C–O) și oxizilor de Nb prezenți în celulele de microalge după incubarea cu SL Nb-MXene, (c–e) Ajustarea vârfului de compoziție al spectrelor XPS SL Nb2CTx și (fh) SLx Nb4C3T internalizate de celulele SLx Nb4C3T.
Prin urmare, ne-am așteptat ca Nb să poată fi absorbit de celulele algelor sub formă de oxizi.Pentru a testa acest lucru, am efectuat studii XPS pe MXenele Nb2CTx și Nb4C3TX și pe celulele de alge.Rezultatele interacțiunii microalgelor cu Nb-MXene și MXene izolate din celulele de alge sunt prezentate în Fig.5b.După cum era de așteptat, am detectat vârfuri Nb 3d în probele de microalge după îndepărtarea MXene de pe suprafața microalgelor.Determinarea cantitativă a oxizilor C=O, CHx/CO și Nb a fost calculată pe baza spectrelor Nb 3d, O 1s și C 1s obținute cu Nb2CTx SL (Fig. 5c-e) și Nb4C3Tx SL (Fig. 5c-e).) obținut din microalge incubate.Figura 5f–h) MXenele.Tabelul S1-3 prezintă detaliile parametrilor de vârf și chimia generală rezultată din potrivire.Este de remarcat faptul că regiunile Nb 3d ale Nb2CTx SL și Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) corespund unei componente Nb2O5.Aici, nu am găsit vârfuri legate de MXene în spectre, ceea ce indică faptul că celulele de microalge absorb doar forma de oxid de Nb.În plus, am aproximat spectrul C 1 s cu componentele C–C, CHx/C–O, C=O și –COOH.Am atribuit vârfurile CHx/C–O și C=O contribuției organice a celulelor de microalge.Aceste componente organice reprezintă 36% și 41% din vârfurile C 1s în Nb2CTx SL și, respectiv, Nb4C3TX SL.Apoi am ajustat spectrele O 1s ale SL Nb2CTx și SL Nb4C3TX cu Nb2O5, componente organice ale microalgelor (CHx/CO) și apă adsorbită la suprafață.
În cele din urmă, rezultatele XPS au indicat clar forma Nb, nu doar prezența acestuia.În funcție de poziția semnalului Nb 3d și de rezultatele deconvoluției, confirmăm că Nb este absorbit doar sub formă de oxizi și nu de ioni sau MXene în sine.În plus, rezultatele XPS au arătat că celulele de microalge au o capacitate mai mare de a absorbi oxizi de Nb din SL Nb2CTx în comparație cu SL Nb4C3TX MXene.
În timp ce rezultatele noastre de absorbție a Nb sunt impresionante și ne permit să identificăm degradarea MXene, nu există nicio metodă disponibilă pentru a urmări modificările morfologice asociate în nanoffulkes 2D.Prin urmare, am decis, de asemenea, să dezvoltăm o metodă adecvată care să poată răspunde direct oricăror modificări care apar în fulgii 2D Nb-MXene și celulele de microalge.Este important de reținut că presupunem că, dacă speciile care interacționează suferă orice transformare, descompunere sau defragmentare, aceasta ar trebui să se manifeste rapid ca modificări ale parametrilor de formă, cum ar fi diametrul zonei circulare echivalente, rotunjime, lățimea Feret sau lungimea Feret.Deoarece acești parametri sunt potriviți pentru descrierea particulelor alungite sau a nanoffulgilor bidimensionali, urmărirea lor prin analiza dinamică a formei particulelor ne va oferi informații valoroase despre transformarea morfologică a nanoffulgilor SL Nb-MXene în timpul reducerii.
Rezultatele obținute sunt prezentate în Figura 6. Pentru comparație, am testat și faza MAX originală și ML-MXenele (vezi figurile SI S18 și S19).Analiza dinamică a formei particulelor a arătat că toți parametrii de formă ai două SL-uri Nb-MXene s-au schimbat semnificativ după interacțiunea cu microalge.După cum arată parametrul diametrului echivalent al zonei circulare (Fig. 6a, b), intensitatea de vârf redusă a fracției de nanofulgi mari indică faptul că aceștia tind să se descompună în fragmente mai mici.Pe fig.6c, d arată o scădere a vârfurilor asociate cu dimensiunea transversală a fulgilor (alungirea nanoffulilor), indicând transformarea nanoffulkes 2D într-o formă mai asemănătoare particulelor.Figura 6e-h arată lățimea și, respectiv, lungimea Feretului.Lățimea și lungimea feretului sunt parametri complementari și, prin urmare, ar trebui luate în considerare împreună.După incubarea nanofulgilor 2D Nb-MXene în prezența microalgelor, vârfurile lor de corelație Feret s-au schimbat și intensitatea lor a scăzut.Pe baza acestor rezultate în combinație cu morfologia, XRF și XPS, am ajuns la concluzia că modificările observate sunt strâns legate de oxidare, pe măsură ce MXenele oxidate devin mai șifonate și se descompun în fragmente și particule de oxid sferice69,70.
Analiza transformării MXene după interacțiunea cu microalgele verzi.Analiza dinamică a formei particulelor ia în considerare parametri precum (a, b) diametrul ariei circulare echivalente, (c, d) rotunjime, (e, f) lățimea feret și (g, h) lungimea feret.În acest scop, două probe de microalge de referință au fost analizate împreună cu SL Nb2CTx și SL Nb4C3Tx MXenes primare, SL Nb2CTx și SL Nb4C3Tx MXenes, microalge degradate și microalge tratate SL Nb2CTx și SL Nb4C3Tx MXenes.Săgețile roșii arată tranzițiile parametrilor de formă ai nanofulgi bidimensionali studiati.
Deoarece analiza parametrilor de formă este foarte fiabilă, poate dezvălui și modificări morfologice în celulele de microalge.Prin urmare, am analizat diametrul echivalent al zonei circulare, rotunjimea și lățimea/lungimea Feret ale celulelor și celulelor de microalge pure după interacțiunea cu nanoffulgi 2D Nb.Pe fig.6a–h arată modificări ale parametrilor de formă ai celulelor de alge, așa cum se evidențiază printr-o scădere a intensității maxime și o schimbare a maximelor către valori mai mari.În special, parametrii de rotunjime celulară au arătat o scădere a celulelor alungite și o creștere a celulelor sferice (Fig. 6a, b).În plus, lățimea celulei Feret a crescut cu câțiva micrometri după interacțiunea cu SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) în comparație cu SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f).Bănuim că acest lucru se poate datora absorbției puternice a oxizilor de Nb de către microalge la interacțiunea cu Nb2CTx SR.Atașarea mai puțin rigidă a fulgilor de Nb la suprafața lor poate duce la creșterea celulelor cu efect de umbrire minim.
Observațiile noastre privind schimbările în parametrii formei și dimensiunii microalgelor completează alte studii.Microalgele verzi își pot schimba morfologia ca răspuns la stresul mediului prin schimbarea dimensiunii, formei sau metabolismului celulelor61.De exemplu, modificarea dimensiunii celulelor facilitează absorbția nutrienților71.Celulele de alge mai mici prezintă o absorbție mai mică de nutrienți și o rată de creștere afectată.În schimb, celulele mai mari tind să consume mai mulți nutrienți, care sunt apoi depozitați intracelular72,73.Machado și Soares au descoperit că fungicidul triclosan poate crește dimensiunea celulelor.De asemenea, au găsit schimbări profunde în forma algelor74.În plus, Yin și colab.9 au dezvăluit, de asemenea, modificări morfologice în alge după expunerea la nanocompozite cu oxid de grafen redus.Prin urmare, este clar că parametrii modificați de dimensiune/formă ai microalgelor sunt cauzați de prezența MXene.Deoarece această schimbare a dimensiunii și formei indică schimbările în absorbția nutrienților, credem că analiza parametrilor de dimensiune și formă în timp poate demonstra absorbția oxidului de niobiu de către microalge în prezența Nb-MXenelor.
Mai mult, MXenele pot fi oxidate în prezența algelor.Dalai et al.75 au observat că morfologia algelor verzi expuse la nano-TiO2 și Al2O376 nu a fost uniformă.Deși observațiile noastre sunt similare cu studiul de față, este relevantă doar pentru studiul efectelor bioremedierii în ceea ce privește produsele de degradare a MXene în prezența nanofulgilor 2D și nu a nanoparticulelor.Deoarece MXenele se pot degrada în oxizi metalici,31,32,77,78, este rezonabil să presupunem că nanofulgii noștri de Nb pot forma și oxizi de Nb după interacțiunea cu celulele de microalge.
Pentru a explica reducerea nanofulgilor 2D-Nb printr-un mecanism de descompunere bazat pe procesul de oxidare, am efectuat studii utilizând microscopia electronică cu transmisie de înaltă rezoluție (HRTEM) (Fig. 7a, b) și spectroscopia fotoelectronului cu raze X (XPS) (Fig. 7).7c-i și tabelele S4-5).Ambele abordări sunt potrivite pentru studierea oxidării materialelor 2D și se completează reciproc.HRTEM este capabil să analizeze degradarea structurilor bidimensionale stratificate și apariția ulterioară a nanoparticulelor de oxid de metal, în timp ce XPS este sensibil la legăturile de suprafață.În acest scop, am testat nanofulgi Nb-MXene 2D extrași din dispersii de celule de microalge, adică forma lor după interacțiunea cu celulele de microalge (vezi Fig. 7).
Imagini HRTEM care arată morfologia MXenelor oxidate (a) SL Nb2CTx și (b) SL Nb4C3Tx, rezultatele analizei XPS care arată (c) compoziția produselor de oxid după reducere, (d–f) potrivirea de vârf a componentelor spectrelor XPS ale SL Nb2CTx și (g–i) Nb4C3T microxga verde reparate cu microxga verde.
Studiile HRTEM au confirmat oxidarea a două tipuri de nanofulgi Nb-MXene.Deși nanofulgii și-au păstrat într-o oarecare măsură morfologia bidimensională, oxidarea a dus la apariția multor nanoparticule care acoperă suprafața nanofulgilor MXene (vezi Fig. 7a, b).Analiza XPS a semnalelor c Nb 3d și O 1s a indicat că s-au format oxizi de Nb în ambele cazuri.Așa cum se arată în Figura 7c, 2D MXene Nb2CTx și Nb4C3TX au semnale Nb 3d care indică prezența oxizilor NbO și Nb2O5, în timp ce semnalele O 1s indică numărul de legături O-Nb asociate cu funcționalizarea suprafeței nanofulgii 2D.Am observat că contribuția de oxid de Nb este dominantă în comparație cu Nb-C și Nb3+-O.
Pe fig.Figurile 7g–i arată spectrele XPS ale Nb 3d, C 1s și O 1s SL Nb2CTx (vezi Figurile 7d–f) și SL Nb4C3TX MXene izolate din celulele de microalge.Detaliile parametrilor de vârf Nb-MXenes sunt furnizate în tabelele S4–5, respectiv.Am analizat mai întâi compoziția Nb 3d.Spre deosebire de Nb absorbit de celulele de microalge, în MXene izolat din celulele de microalge, în afară de Nb2O5, s-au găsit și alte componente.În Nb2CTx SL, am observat contribuția Nb3+-O în cantitate de 15%, în timp ce restul spectrului Nb 3d a fost dominat de Nb2O5 (85%).În plus, proba SL Nb4C3TX conține componente Nb-C (9%) și Nb2O5 (91%).Aici Nb-C provine din două straturi atomice interioare de carbură metalică în Nb4C3Tx SR.Apoi mapam spectrele C 1s la patru componente diferite, așa cum am făcut în probele internalizate.După cum era de așteptat, spectrul C 1s este dominat de carbonul grafitic, urmat de contribuțiile particulelor organice (CHx/CO și C=O) din celulele de microalge.În plus, în spectrul O 1s, am observat contribuția formelor organice de celule de microalge, oxid de niobiu și apă adsorbită.
În plus, am investigat dacă scindarea Nb-MXenes este asociată cu prezența speciilor reactive de oxigen (ROS) în mediul nutritiv și/sau celulele de microalge.În acest scop, am evaluat nivelurile de oxigen singlet (1O2) în mediul de cultură și glutation intracelular, un tiol care acționează ca antioxidant în microalge.Rezultatele sunt prezentate în SI (Figurile S20 și S21).Culturile cu SL Nb2CTx și Nb4C3TX MXene au fost caracterizate printr-o cantitate redusă de 1O2 (vezi Figura S20).În cazul SL Nb2CTx, MXene 1O2 este redus la aproximativ 83%.Pentru culturile de microalge folosind SL, Nb4C3TX 1O2 a scăzut și mai mult, la 73%.În mod interesant, modificările 1O2 au arătat aceeași tendință ca și efectul inhibitor-stimulator observat anterior (vezi Fig. 3).Se poate argumenta că incubarea în lumină puternică poate modifica fotooxidarea.Cu toate acestea, rezultatele analizei de control au arătat niveluri aproape constante de 1O2 în timpul experimentului (Fig. S22).În cazul nivelurilor intracelulare de ROS, am observat și aceeași tendință descendentă (vezi Figura S21).Inițial, nivelurile de ROS din celulele de microalge cultivate în prezența SL-urilor Nb2CTx și Nb4C3Tx au depășit nivelurile găsite în culturile pure de microalge.În cele din urmă, totuși, s-a părut că microalgele s-au adaptat prezenței ambelor Nb-MXene, deoarece nivelurile ROS au scăzut la 85% și 91% din nivelurile măsurate în culturi pure de microalge inoculate cu SL Nb2CTx și, respectiv, Nb4C3TX.Acest lucru poate indica faptul că microalgele se simt mai confortabil în timp în prezența Nb-MXene decât în ​​mediul nutritiv singur.
Microalgele sunt un grup divers de organisme fotosintetice.În timpul fotosintezei, ele transformă dioxidul de carbon atmosferic (CO2) în carbon organic.Produșii fotosintezei sunt glucoza și oxigenul79.Bănuim că oxigenul astfel format joacă un rol critic în oxidarea Nb-MXenelor.O posibilă explicație pentru aceasta este că parametrul de aerare diferențială se formează la presiuni parțiale scăzute și mari ale oxigenului în afara și în interiorul nanoffulilor Nb-MXene.Aceasta înseamnă că oriunde există zone cu diferite presiuni parțiale ale oxigenului, zona cu cel mai scăzut nivel va forma anodul 80, 81, 82. Aici, microalgele contribuie la crearea de celule aerate diferențial pe suprafața fulgilor de MXene, care produc oxigen datorită proprietăților lor fotosintetice.Ca urmare, se formează produse de biocoroziune (în acest caz, oxizi de niobiu).Un alt aspect este că microalgele pot produce acizi organici care sunt eliberați în apă83,84.Prin urmare, se formează un mediu agresiv, schimbând astfel Nb-MXenele.În plus, microalgele pot modifica pH-ul mediului în alcalin datorită absorbției dioxidului de carbon, care poate provoca și coroziune79.
Mai important, fotoperioada întuneric/luminoasă utilizată în studiul nostru este esențială pentru înțelegerea rezultatelor obținute.Acest aspect este descris în detaliu în Djemai-Zoghlache et al.85 Ei au folosit în mod deliberat o fotoperioadă de 12/12 ore pentru a demonstra biocoroziunea asociată cu biofouling de către microalgele roșii Porphyridium purpureum.Acestea arată că fotoperioada este asociată cu evoluția potențialului fără biocoroziune, manifestându-se ca oscilații pseudoperiodice în jurul orei 24:00.Aceste observații au fost confirmate de Dowling și colab.86 Ei au demonstrat biofilmele fotosintetice ale cianobacteriilor Anabaena.Oxigenul dizolvat se formează sub acțiunea luminii, care este asociată cu o modificare sau fluctuații ale potențialului liber de biocoroziune.Importanța fotoperioadei este subliniată de faptul că potențialul liber de biocoroziune crește în faza de lumină și scade în faza de întuneric.Acest lucru se datorează oxigenului produs de microalgele fotosintetice, care influențează reacția catodică prin presiunea parțială generată în apropierea electrozilor87.
În plus, a fost efectuată spectroscopie în infraroșu cu transformată Fourier (FTIR) pentru a afla dacă au apărut modificări în compoziția chimică a celulelor de microalge după interacțiunea cu Nb-MXenes.Aceste rezultate obținute sunt complexe și le prezentăm în SI (Figurile S23-S25, inclusiv rezultatele etapei MAX și ML MXenes).Pe scurt, spectrele de referință obținute ale microalgelor ne oferă informații importante despre caracteristicile chimice ale acestor organisme.Aceste vibrații cele mai probabile sunt situate la frecvențe de 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.unu.1 1 (C–H) și 3280 cm–1 (O–H).Pentru SL Nb-MXenes, am găsit o semnătură de întindere a legăturii CH care este în concordanță cu studiul nostru anterior38.Cu toate acestea, am observat că unele vârfuri suplimentare asociate cu legăturile C=C și CH au dispărut.Acest lucru indică faptul că compoziția chimică a microalgelor poate suferi modificări minore din cauza interacțiunii cu SL Nb-MXenes.
Când se iau în considerare posibilele schimbări în biochimia microalgelor, acumularea de oxizi anorganici, cum ar fi oxidul de niobiu, trebuie să fie reconsiderată59.Este implicat în absorbția metalelor de către suprafața celulei, transportul lor în citoplasmă, asocierea lor cu grupări carboxil intracelulare și acumularea lor în polifoszomi de microalge20,88,89,90.În plus, relația dintre microalge și metale este menținută de grupuri funcționale de celule.Din acest motiv, absorbția depinde și de chimia suprafeței microalgelor, care este destul de complexă9,91.În general, așa cum era de așteptat, compoziția chimică a microalgelor verzi s-a modificat ușor datorită absorbției oxidului de Nb.
Interesant este că inhibarea inițială observată a microalgelor a fost reversibilă în timp.După cum am observat, microalgele au depășit schimbarea inițială a mediului și, în cele din urmă, au revenit la ratele normale de creștere și chiar au crescut.Studiile potențialului zeta arată o stabilitate ridicată atunci când este introdus în mediile nutritive.Astfel, interacțiunea de suprafață dintre celulele de microalge și nanofulgii de Nb-MXene a fost menținută pe tot parcursul experimentelor de reducere.În analiza noastră ulterioară, rezumăm principalele mecanisme de acțiune care stau la baza acestui comportament remarcabil al microalgelor.
Observațiile SEM au arătat că microalgele tind să se atașeze de Nb-MXenes.Utilizând analiza dinamică a imaginii, confirmăm că acest efect duce la transformarea nanoffulgilor bidimensionali de Nb-MXene în particule mai sferice, demonstrând astfel că descompunerea nanofulgilor este asociată cu oxidarea lor.Pentru a ne testa ipoteza, am efectuat o serie de studii materiale și biochimice.După testare, nanofulgii s-au oxidat și s-au descompus treptat în produse NbO și Nb2O5, care nu au reprezentat o amenințare pentru microalgele verzi.Folosind observația FTIR, nu am găsit modificări semnificative în compoziția chimică a microalgelor incubate în prezența nanofulgilor 2D Nb-MXene.Ținând cont de posibilitatea de absorbție a oxidului de niobiu de către microalge, am efectuat o analiză de fluorescență cu raze X.Aceste rezultate arată clar că microalgele studiate se hrănesc cu oxizi de niobiu (NbO și Nb2O5), care sunt netoxici pentru microalgele studiate.