Tack för att du besöker Nature.com. Du använder en webbläsarversion med begränsat CSS-stöd. För bästa möjliga upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer). Under tiden, för att säkerställa fortsatt stöd, kommer vi att rendera webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Visar en karusell med tre bilder samtidigt. Använd knapparna Föregående och Nästa för att bläddra igenom tre bilder åt gången, eller använd skjutreglageknapparna i slutet för att bläddra igenom tre bilder åt gången.
Den snabba utvecklingen av nanoteknik och dess integration i vardagliga tillämpningar kan hota miljön. Medan gröna metoder för nedbrytning av organiska föroreningar är väl etablerade, är återvinningen av oorganiska kristallina föroreningar av stor betydelse på grund av deras låga känslighet för biotransformation och bristande förståelse för materialytans interaktioner med biologiska. Här använder vi en Nb-baserad oorganisk 2D MXenmodell kombinerad med en enkel formparameteranalysmetod för att spåra bioremedieringsmekanismen för 2D keramiska nanomaterial av den gröna mikroalgen Raphidocelis subcapitata. Vi fann att mikroalger bryter ner Nb-baserade MXener på grund av ytrelaterade fysikalisk-kemiska interaktioner. Initialt fästes enskikts- och flerskikts MXen-nanoflingor på ytan av mikroalger, vilket något minskade algernas tillväxt. Men vid långvarig interaktion med ytan oxiderade mikroalger MXen-nanoflingor och sönderdelade dem ytterligare till NbO och Nb2O5. Eftersom dessa oxider är giftfria för mikroalgerceller, konsumerar de Nb-oxid-nanopartiklar genom en absorptionsmekanism som ytterligare återställer mikroalgerna efter 72 timmars vattenrening. Effekterna av näringsämnen i samband med absorption återspeglas också i ökningen av cellvolym, deras släta form och förändringen i tillväxthastighet. Baserat på dessa resultat drar vi slutsatsen att den kortsiktiga och långsiktiga närvaron av Nb-baserade MXener i sötvattensekosystem endast kan orsaka mindre miljöpåverkan. Det är anmärkningsvärt att vi, med hjälp av tvådimensionella nanomaterial som modellsystem, visar möjligheten att spåra formtransformation även i finkorniga material. Sammantaget besvarar denna studie en viktig grundläggande fråga om ytinteraktionsrelaterade processer som driver bioremedieringsmekanismen för 2D-nanomaterial och ger en grund för ytterligare kortsiktiga och långsiktiga studier av miljöpåverkan av oorganiska kristallina nanomaterial.
Nanomaterial har väckt stort intresse sedan de upptäcktes, och olika nanotekniker har nyligen gått in i en moderniseringsfas1. Tyvärr kan integrationen av nanomaterial i vardagliga tillämpningar leda till oavsiktliga utsläpp på grund av felaktig kassering, slarvig hantering eller otillräcklig säkerhetsinfrastruktur. Därför är det rimligt att anta att nanomaterial, inklusive tvådimensionella (2D) nanomaterial, kan släppas ut i den naturliga miljön, vars beteende och biologiska aktivitet ännu inte är helt förstådda. Det är därför inte förvånande att ekotoxicitetsproblem har fokuserat på 2D-nanomaterials förmåga att läcka ut i akvatiska system2,3,4,5,6. I dessa ekosystem kan vissa 2D-nanomaterial interagera med olika organismer på olika trofiska nivåer, inklusive mikroalger.
Mikroalger är primitiva organismer som finns naturligt i sötvattens- och marina ekosystem och som producerar en mängd olika kemiska produkter genom fotosyntes7. Som sådana är de avgörande för akvatiska ekosystem8,9,10,11,12 men är också känsliga, billiga och allmänt använda indikatorer på ekotoxicitet13,14. Eftersom mikroalgceller förökar sig snabbt och snabbt reagerar på närvaron av olika föreningar, är de lovande för utveckling av miljövänliga metoder för att behandla vatten som är förorenat med organiska ämnen15,16.
Algceller kan avlägsna oorganiska joner från vatten genom biosorption och ackumulering17,18. Vissa algarter som Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue och Synechococcus sp. har visat sig bära på och till och med ge näring åt giftiga metalljoner som Fe2+, Cu2+, Zn2+ och Mn2+19. Andra studier har visat att Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ eller Pb2+ joner begränsar tillväxten av Scenedesmus genom att förändra cellmorfologin och förstöra deras kloroplaster20,21.
Gröna metoder för nedbrytning av organiska föroreningar och avlägsnande av tungmetalljoner har uppmärksammats av forskare och ingenjörer runt om i världen. Detta beror främst på att dessa föroreningar lätt bearbetas i flytande fas. Oorganiska kristallina föroreningar kännetecknas dock av låg vattenlöslighet och låg känslighet för olika biotransformationer, vilket orsakar stora svårigheter vid sanering, och få framsteg har gjorts inom detta område22,23,24,25,26. Således är sökandet efter miljövänliga lösningar för reparation av nanomaterial fortfarande ett komplext och outforskat område. På grund av den höga graden av osäkerhet kring biotransformationseffekterna av 2D-nanomaterial finns det inget enkelt sätt att ta reda på de möjliga vägarna för deras nedbrytning under reduktion.
I denna studie använde vi gröna mikroalger som ett aktivt vattenhaltigt bioremedieringsmedel för oorganiska keramiska material, i kombination med in situ-övervakning av nedbrytningsprocessen för MXene som representativt ämne för oorganiska keramiska material. Termen "MXene" återspeglar stökiometrin för Mn+1XnTx-materialet, där M är en tidig övergångsmetall, X är kol och/eller kväve, Tx är en ytterminator (t.ex. -OH, -F, -Cl) och n = 1, 2, 3 eller 427,28. Sedan upptäckten av MXener av Naguib et al. Sensorik, cancerbehandling och membranfiltrering 27,29,30. Dessutom kan MXener betraktas som modell 2D-system på grund av deras utmärkta kolloidala stabilitet och möjliga biologiska interaktioner 31,32,33,34,35,36.
Därför visas den metod som utvecklats i denna artikel och våra forskningshypoteser i figur 1. Enligt denna hypotes bryter mikroalger ner Nb-baserade MXener till giftfria föreningar på grund av ytrelaterade fysikalisk-kemiska interaktioner, vilket möjliggör ytterligare återhämtning av algerna. För att testa denna hypotes valdes två medlemmar av familjen av tidiga niobbaserade övergångsmetallkarbider och/eller nitrider (MXener), nämligen Nb2CTx och Nb4C3TX.
Forskningsmetodik och evidensbaserade hypoteser för MXene-återvinning av gröna mikroalger Raphidocelis subcapitata. Observera att detta bara är en schematisk representation av evidensbaserade antaganden. Sjömiljön skiljer sig åt i det näringsmedium som används och förhållandena (t.ex. dygnscykel och begränsningar i tillgängliga essentiella näringsämnen). Skapad med BioRender.com.
Genom att använda MXene som modellsystem har vi därför öppnat dörren för studier av olika biologiska effekter som inte kan observeras med andra konventionella nanomaterial. I synnerhet visar vi möjligheten till bioremediering av tvådimensionella nanomaterial, såsom niobbaserade MXener, med hjälp av mikroalgerna Raphidocelis subcapitata. Mikroalger kan bryta ner Nb-MXener till de giftfria oxiderna NbO och Nb2O5, vilka också tillför näringsämnen genom niobupptagsmekanismen. Sammantaget besvarar denna studie en viktig grundläggande fråga om de processer som är förknippade med ytfysikalisk-kemiska interaktioner som styr mekanismerna för bioremediering av tvådimensionella nanomaterial. Dessutom utvecklar vi en enkel formparameterbaserad metod för att spåra subtila förändringar i formen på 2D-nanomaterial. Detta inspirerar till ytterligare kortsiktig och långsiktig forskning om de olika miljöpåverkan av oorganiska kristallina nanomaterial. Således ökar vår studie förståelsen av interaktionen mellan materialytan och biologiskt material. Vi tillhandahåller också grunden för utökade kortsiktiga och långsiktiga studier av deras möjliga effekter på sötvattensekosystem, vilka nu enkelt kan verifieras.
MXener representerar en intressant klass av material med unika och attraktiva fysikaliska och kemiska egenskaper och därför många potentiella tillämpningar. Dessa egenskaper är till stor del beroende av deras stökiometri och ytkemi. Därför undersökte vi i vår studie två typer av Nb-baserade hierarkiska enkelskikts-MXener (SL), Nb2CTx och Nb4C3TX, eftersom olika biologiska effekter av dessa nanomaterial kunde observeras. MXener produceras från sina utgångsmaterial genom top-down-selektiv etsning av atomärt tunna MAX-fas A-skikt. MAX-fasen är en ternär keramik bestående av "bundna" block av övergångsmetallkarbider och tunna skikt av "A"-element såsom Al, Si och Sn med MnAXn-1-stökiometri. Morfologin för den initiala MAX-fasen observerades med svepelektronmikroskopi (SEM) och överensstämde med tidigare studier (se kompletterande information, SI, figur S1). Flerskikts-(ML) Nb-MXen erhölls efter att Al-skiktet tagits bort med 48 % HF (fluorvätesyra). Morfologin hos ML-Nb2CTx och ML-Nb4C3TX undersöktes med svepelektronmikroskopi (SEM) (figurerna S1c respektive S1d) och en typisk skiktad MXen-morfologi observerades, liknande tvådimensionella nanoflakor som passerar genom avlånga porliknande slitsar. Båda Nb-MXenerna har mycket gemensamt med MXen-faser som tidigare syntetiserats genom syraetsning 27,38. Efter att ha bekräftat MXens struktur skiktade vi den genom interkalering av tetrabutylammoniumhydroxid (TBAOH) följt av tvättning och sonikering, varefter vi erhöll enskikts- eller lågskikts- (SL) 2D Nb-MXen-nanoflingor.
Vi använde högupplöst transmissionselektronmikroskopi (HRTEM) och röntgendiffraktion (XRD) för att testa effektiviteten av etsning och vidare skalning. HRTEM-resultaten som bearbetats med hjälp av Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) och Fast Fourier Transform (FFT) visas i figur 2. Nb-MXene-nanoflakor orienterades med kanten uppåt för att kontrollera atomskiktets struktur och mäta avstånden mellan plan. HRTEM-bilder av MXene Nb2CTx- och Nb4C3TX-nanoflakor avslöjade deras atomärt tunna skiktade natur (se figur 2a1, a2), vilket tidigare rapporterats av Naguib et al.27 och Jastrzębska et al.38. För två intilliggande Nb2CTx- och Nb4C3Tx-monolager bestämde vi avstånd mellan lager på 0,74 respektive 1,54 nm (figurerna 2b1, b2), vilket också överensstämmer med våra tidigare resultat38. Detta bekräftades ytterligare av den inversa snabba Fouriertransformen (Fig. 2c1, c2) och den snabba Fouriertransformen (Fig. 2d1, d2) som visar avståndet mellan Nb2CTx- och Nb4C3Tx-monolagren. Bilden visar en växling av ljusa och mörka band motsvarande niob- och kolatomer, vilket bekräftar den skiktade naturen hos de studerade MXenerna. Det är viktigt att notera att de energidispersiva röntgenspektroskopispektra (EDX) som erhölls för Nb2CTx och Nb4C3Tx (Figur S2a och S2b) inte visade någon rest av den ursprungliga MAX-fasen, eftersom ingen Al-topp detekterades.
Karakterisering av SL Nb2CTx och Nb4C3Tx MXene nanoflakes, inklusive (a) högupplöst elektronmikroskopi (HRTEM) sidovy 2D nanoflakeavbildning och motsvarande, (b) intensitetsläge, (c) invers snabb Fouriertransform (IFFT), (d) snabb Fouriertransform (FFT), (e) Nb-MXenes röntgenmönster. För SL 2D Nb2CTx uttrycks siffrorna som (a1, b1, c1, d1, e1). För SL 2D Nb4C3Tx uttrycks siffrorna som (a2, b2, c2, d2, e1).
Röntgendiffraktionsmätningar av SL Nb2CTx och Nb4C3Tx MXener visas i figur 2e1 respektive e2. Topparna (002) vid 4,31 och 4,32 motsvarar de tidigare beskrivna skiktade MXenerna Nb2CTx respektive Nb4C3TX38,39,40,41. XRD-resultaten indikerar också närvaron av vissa kvarvarande ML-strukturer och MAX-faser, men mestadels XRD-mönster associerade med SL Nb4C3Tx (figur 2e2). Närvaron av mindre partiklar i MAX-fasen kan förklara den starkare MAX-toppen jämfört med de slumpmässigt staplade Nb4C3Tx-skikten.
Ytterligare forskning har fokuserat på gröna mikroalger som tillhör arten R. subcapitata. Vi valde mikroalger eftersom de är viktiga producenter involverade i stora näringsvävar42. De är också en av de bästa indikatorerna på toxicitet på grund av förmågan att avlägsna giftiga ämnen som transporteras till högre nivåer i näringskedjan43. Dessutom kan forskning på R. subcapitata belysa den tillfälliga toxiciteten hos SL Nb-MXener för vanliga sötvattensmikroorganismer. För att illustrera detta antog forskarna att varje mikrob har en annan känslighet för giftiga föreningar som finns i miljön. För de flesta organismer påverkar låga koncentrationer av ämnen inte deras tillväxt, medan koncentrationer över en viss gräns kan hämma dem eller till och med orsaka död. Därför beslutade vi, för våra studier av ytinteraktionen mellan mikroalger och MXener och den därmed sammanhängande återhämtningen, att testa de ofarliga och toxiska koncentrationerna av Nb-MXener. För att göra detta testade vi koncentrationer på 0 (som referens), 0,01, 0,1 och 10 mg l-1 MXene och infekterade dessutom mikroalger med mycket höga koncentrationer av MXene (100 mg l-1 MXene), vilket kan vara extremt och dödligt ... för alla biologiska miljöer.
Effekterna av SL Nb-MXener på mikroalger visas i figur 3, uttryckta som procentandel tillväxtfrämjande (+) eller hämning (-) mätt för 0 mg l-1 prover. Som jämförelse testades även Nb-MAX-fasen och ML Nb-MXener och resultaten visas i SI (se figur S3). De erhållna resultaten bekräftade att SL Nb-MXener är nästan helt fria från toxicitet i intervallet låga koncentrationer från 0,01 till 10 mg/l, såsom visas i figur 3a, b. När det gäller Nb2CTx observerade vi högst 5 % ekotoxicitet inom det angivna intervallet.
Stimulering (+) eller hämning (-) av mikroalgernas tillväxt i närvaro av SL (a) Nb2CTx och (b) Nb4C3TX MXene. 24, 48 och 72 timmars interaktion mellan MXene och mikroalger analyserades. Signifikanta data (t-test, p < 0,05) markerades med en asterisk (*). Signifikanta data (t-test, p < 0,05) markerades med en asterisk (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Signifikanta data (t-test, p < 0,05) är markerade med en asterisk (*).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 (t-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Viktiga data (t-test, p < 0,05) är markerade med en asterisk (*).Röda pilar indikerar avskaffandet av hämmande stimulering.
Å andra sidan visade sig låga koncentrationer av Nb4C3TX vara något mer toxiska, men inte högre än 7 %. Som förväntat observerade vi att MXener hade högre toxicitet och hämning av mikroalgtillväxt vid 100 mg L-1. Intressant nog visade inget av materialen samma trend och tidsberoende av atoxiska/toxiska effekter jämfört med MAX- eller ML-proverna (se SI för detaljer). Medan toxiciteten för MAX-fasen (se Fig. S3) nådde cirka 15–25 % och ökade med tiden, observerades en omvänd trend för SL Nb2CTx och Nb4C3TX MXene. Hämningen av mikroalgtillväxt minskade med tiden. Den nådde cirka 17 % efter 24 timmar och sjönk till mindre än 5 % efter 72 timmar (Fig. 3a respektive b).
Ännu viktigare är att för SL Nb4C3TX nådde tillväxthämningen av mikroalger cirka 27 % efter 24 timmar, men efter 72 timmar minskade den till cirka 1 %. Därför betecknade vi den observerade effekten som invers hämning av stimulering, och effekten var starkare för SL Nb4C3TX MXene. Stimuleringen av mikroalgernas tillväxt noterades tidigare med Nb4C3TX (interaktion vid 10 mg L-1 i 24 timmar) jämfört med SL Nb2CTx MXene. Den omvända effekten av hämning och stimulering visades också väl i biomassafördubblingskurvan (se Fig. S4 för detaljer). Hittills har endast ekotoxiciteten hos Ti3C2TX MXene studerats på olika sätt. Det är inte giftigt för zebrafiskembryon44 men måttligt ekotoxiskt för mikroalgerna Desmodesmus quadricauda och Sorghum saccharatum45. Andra exempel på specifika effekter inkluderar högre toxicitet för cancercellinjer än för normala cellinjer46,47. Man kan anta att testförhållandena skulle påverka förändringarna i mikroalgernas tillväxt som observeras i närvaro av Nb-MXener. Till exempel är ett pH på cirka 8 i kloroplaststromat optimalt för effektiv drift av RuBisCO-enzymet. Därför påverkar pH-förändringar fotosynteshastigheten negativt48,49. Vi observerade dock inga signifikanta förändringar i pH under experimentet (se SI, Fig. S5 för detaljer). I allmänhet minskade kulturer av mikroalger med Nb-MXener lösningens pH något över tid. Denna minskning liknade dock en förändring i pH-värdet i ett rent medium. Dessutom var det observerade variationsintervallet liknande det som mättes för en ren kultur av mikroalger (kontrollprov). Således drar vi slutsatsen att fotosyntesen inte påverkas av förändringar i pH över tid.
Dessutom har de syntetiserade MXenerna ytänder (betecknade Tx). Dessa är huvudsakligen funktionella grupper -O, -F och -OH. Ytkemin är dock direkt relaterad till syntesmetoden. Dessa grupper är kända för att vara slumpmässigt fördelade över ytan, vilket gör det svårt att förutsäga deras effekt på MXenens egenskaper50. Det kan hävdas att Tx skulle kunna vara den katalytiska kraften för oxidationen av niob med ljus. Ytfunktionella grupper tillhandahåller faktiskt flera förankringsställen för deras underliggande fotokatalysatorer för att bilda heteroövergångar51. Emellertid gav tillväxtmediets sammansättning inte en effektiv fotokatalysator (detaljerad mediumsammansättning finns i SI-tabell S6). Dessutom är eventuella ytmodifieringar också mycket viktiga, eftersom MXeners biologiska aktivitet kan förändras på grund av efterbehandling av skikt, oxidation, kemisk ytmodifiering av organiska och oorganiska föreningar52,53,54,55,56 eller ytladdningsteknik38. För att testa om nioboxid har något att göra med materialinstabilitet i mediet genomförde vi därför studier av zetapotentialen (ζ) i mikroalgoodlingsmedium och avjoniserat vatten (för jämförelse). Våra resultat visar att SL Nb-MXener är ganska stabila (se SI Fig. S6 för MAX- och ML-resultat). Zetapotentialen för SL MXener är cirka -10 mV. När det gäller SR Nb2CTx är värdet på ζ något mer negativt än för Nb4C3Tx. En sådan förändring i ζ-värdet kan indikera att ytan på negativt laddade MXen-nanoflakor absorberar positivt laddade joner från odlingsmediet. Temporala mätningar av zetapotentialen och konduktiviteten hos Nb-MXener i odlingsmedium (se figurerna S7 och S8 i SI för mer information) verkar stödja vår hypotes.
Båda Nb-MXene SL:erna uppvisade dock minimala förändringar från noll. Detta visar tydligt deras stabilitet i mikroalgernas tillväxtmedium. Dessutom bedömde vi om närvaron av våra gröna mikroalger skulle påverka stabiliteten hos Nb-MXener i mediet. Resultaten av zetapotentialen och konduktiviteten hos MXener efter interaktion med mikroalger i näringsmedium och kultur över tid kan hittas i SI (figurerna S9 och S10). Intressant nog noterade vi att närvaron av mikroalger verkade stabilisera dispersionen av båda MXenerna. I fallet med Nb2CTx SL minskade zetapotentialen till och med något över tid till mer negativa värden (-15,8 mot -19,1 mV efter 72 timmars inkubation). Zetapotentialen för SL Nb4C3TX ökade något, men efter 72 timmar visade den fortfarande högre stabilitet än nanoflakes utan närvaro av mikroalger (-18,1 mot -9,1 mV).
Vi fann också lägre konduktivitet hos Nb-MXen-lösningar inkuberade i närvaro av mikroalger, vilket indikerar en lägre mängd joner i näringsmediet. Det är värt att notera att MXeners instabilitet i vatten huvudsakligen beror på ytoxidation57. Därför misstänker vi att gröna mikroalger på något sätt rensade bort oxiderna som bildats på ytan av Nb-MXen och till och med förhindrade deras uppkomst (oxidation av MXen). Detta kan ses genom att studera de typer av ämnen som absorberas av mikroalger.
Medan våra ekotoxikologiska studier indikerade att mikroalger kunde övervinna toxiciteten hos Nb-MXener över tid och den ovanliga hämningen av stimulerad tillväxt, var syftet med vår studie att undersöka möjliga verkningsmekanismer. När organismer som alger exponeras för föreningar eller material som inte är bekanta med deras ekosystem kan de reagera på en mängd olika sätt58,59. I frånvaro av giftiga metalloxider kan mikroalger livnära sig själva, vilket gör att de kan växa kontinuerligt60. Efter intag av giftiga ämnen kan försvarsmekanismer aktiveras, såsom att ändra form eller gestalt. Möjligheten till absorption måste också beaktas58,59. Det är värt att notera att alla tecken på en försvarsmekanism är en tydlig indikator på testföreningens toxicitet. Därför undersökte vi i vårt fortsatta arbete den potentiella ytinteraktionen mellan SL Nb-MXen-nanoflingor och mikroalger genom SEM och den möjliga absorptionen av Nb-baserad MXen genom röntgenfluorescensspektroskopi (XRF). Observera att SEM- och XRF-analyser endast utfördes vid den högsta koncentrationen av MXen för att hantera problem med aktivitetstoxicitet.
SEM-resultaten visas i figur 4. Obehandlade mikroalgceller (se figur 4a, referensprov) uppvisade tydligt typisk R. subcapitata-morfologi och croissantliknande cellform. Cellerna verkar tillplattade och något oorganiserade. Vissa mikroalgceller överlappade och intrasslade med varandra, men detta orsakades troligen av provberedningsprocessen. I allmänhet hade rena mikroalgceller en slät yta och visade inga morfologiska förändringar.
SEM-bilder som visar ytinteraktion mellan gröna mikroalger och MXene-nanoskikt efter 72 timmars interaktion vid extrem koncentration (100 mg L-1). (a) Obehandlade gröna mikroalger efter interaktion med SL (b) Nb2CTx och (c) Nb4C3TX MXener. Observera att Nb-MXene-nanoflingorna är markerade med röda pilar. Som jämförelse har fotografier från ett optiskt mikroskop också lagts till.
Däremot skadades mikroalgceller adsorberade av SL Nb-MXene-nanoflingor (se Fig. 4b, c, röda pilar). När det gäller Nb2CTx MXene (Fig. 4b) tenderar mikroalger att växa med bifogade tvådimensionella nanoskalor, vilket kan förändra deras morfologi. Det är värt att notera att vi också observerade dessa förändringar under ljusmikroskopi (se SI Figur S11 för detaljer). Denna morfologiska övergång har en rimlig grund i mikroalgernas fysiologi och deras förmåga att försvara sig genom att förändra cellmorfologin, såsom att öka cellvolymen61. Därför är det viktigt att kontrollera antalet mikroalgceller som faktiskt är i kontakt med Nb-MXener. SEM-studier visade att cirka 52 % av mikroalgcellerna exponerades för Nb-MXener, medan 48 % av dessa mikroalgceller undvek kontakt. För SL Nb4C3Tx MXene försöker mikroalger undvika kontakt med MXene, varigenom de lokaliseras och växer från tvådimensionella nanoskalor (Fig. 4c). Vi observerade emellertid inte penetrationen av nanoskalor in i mikroalgceller och deras skador.
Självbevarelsedrift är också ett tidsberoende svarsbeteende på blockering av fotosyntes på grund av adsorption av partiklar på cellytan och den så kallade skuggningseffekten (shading)62. Det är tydligt att varje objekt (till exempel Nb-MXen-nanoflingor) som befinner sig mellan mikroalgerna och ljuskällan begränsar mängden ljus som absorberas av kloroplasterna. Vi tvivlar dock inte på att detta har en betydande inverkan på de erhållna resultaten. Som framgår av våra mikroskopiska observationer var 2D-nanoflingorna inte helt lindade eller fästa vid mikroalgernas yta, inte ens när mikroalgcellerna var i kontakt med Nb-MXener. Istället visade sig nanoflingorna vara orienterade mot mikroalgceller utan att täcka deras yta. En sådan uppsättning nanoflingor/mikroalger kan inte signifikant begränsa mängden ljus som absorberas av mikroalgceller. Dessutom har vissa studier till och med visat en förbättring av ljusabsorptionen av fotosyntetiska organismer i närvaro av tvådimensionella nanomaterial63,64,65,66.
Eftersom SEM-bilder inte direkt kunde bekräfta upptaget av niob av mikroalgceller, vände sig vår vidare studie till röntgenfluorescens (XRF) och röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) för att klargöra denna fråga. Därför jämförde vi intensiteten hos Nb-topparna från referensmikroalgprover som inte interagerade med MXener, MXen-nanoflingor som lossnat från ytan av mikroalgceller och mikroalgceller efter avlägsnande av vidhäftande MXener. Det är värt att notera att om det inte sker något Nb-upptag, bör Nb-värdet som erhålls av mikroalgcellerna vara noll efter avlägsnande av de vidhäftande nanoskalorna. Om Nb-upptag sker, bör därför både XRF- och XPS-resultaten visa en tydlig Nb-topp.
När det gäller XRF-spektra visade mikroalgprover Nb-toppar för SL Nb2CTx och Nb4C3Tx MXene efter interaktion med SL Nb2CTx och Nb4C3Tx MXene (se Fig. 5a, observera även att resultaten för MAX- och ML-MXene visas i SI, Fig. S12–C17). Intressant nog är intensiteten för Nb-toppen densamma i båda fallen (röda staplar i Fig. 5a). Detta indikerade att algerna inte kunde absorbera mer Nb, och maximal kapacitet för Nb-ackumulering uppnåddes i cellerna, även om dubbelt så mycket Nb4C3Tx MXene fästes vid mikroalgcellerna (blå staplar i Fig. 5a). Det är värt att notera att mikroalgernas förmåga att absorbera metaller beror på koncentrationen av metalloxider i miljön67,68. Shamshada et al.67 fann att sötvattensalgernas absorptionskapacitet minskar med ökande pH. Raize et al.68 noterade att sjögräs förmåga att absorbera metaller var cirka 25 % högre för Pb2+ än för Ni2+.
(a) XRF-resultat av basalt Nb-upptag av gröna mikroalgerceller inkuberade vid en extrem koncentration av SL Nb-MXener (100 mg L-1) i 72 timmar. Resultaten visar närvaron av α i rena mikroalgerceller (kontrollprov, grå kolumner), 2D-nanoflakor isolerade från ytmikroalgerceller (blå kolumner) och mikroalgerceller efter separation av 2D-nanoflakor från ytan (röda kolumner). Mängden elementärt Nb, (b) procentandel av kemisk sammansättning av mikroalgernas organiska komponenter (C=O och CHx/C–O) och Nb-oxider närvarande i mikroalgerceller efter inkubation med SL Nb-MXener, (c–e) Anpassning av kompositionstoppen för XPS SL Nb2CTx-spektra och (fh) SL Nb4C3Tx MXen internaliserad av mikroalgerceller.
Därför förväntade vi oss att Nb kunde absorberas av algceller i form av oxider. För att testa detta utförde vi XPS-studier på MXenerna Nb2CTx och Nb4C3TX och algceller. Resultaten av interaktionen mellan mikroalger med Nb-MXener och MXener isolerade från algceller visas i figur 5b. Som förväntat detekterade vi Nb 3d-toppar i mikroalgproverna efter att MXen hade avlägsnats från mikroalgernas yta. Den kvantitativa bestämningen av C=O-, CHx/CO- och Nb-oxider beräknades baserat på Nb 3d-, O 1s- och C 1s-spektra erhållna med Nb2CTx SL (figur 5c–e) och Nb4C3Tx SL (figur 5c–e). ) erhållna från inkuberade mikroalger. Figur 5f–h) MXener. Tabell S1-3 visar detaljerna för toppparametrarna och den övergripande kemin som resulterar från anpassningen. Det är anmärkningsvärt att Nb 3d-regionerna i Nb2CTx SL och Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) motsvarar en Nb2O5-komponent. Här fann vi inga MXene-relaterade toppar i spektra, vilket indikerar att mikroalger endast absorberar oxidformen av Nb. Dessutom approximerade vi C1s-spektrumet med C–C-, CHx/C–O-, C=O- och –COOH-komponenterna. Vi tilldelade CHx/C–O- och C=O-topparna det organiska bidraget från mikroalger. Dessa organiska komponenter står för 36 % respektive 41 % av C1s-topparna i Nb2CTx SL respektive Nb4C3TX SL. Vi anpassade sedan O1s-spektra för SL Nb2CTx och SL Nb4C3TX med Nb2O5, organiska komponenter från mikroalger (CHx/CO) och ytadsorberat vatten.
Slutligen indikerade XPS-resultaten tydligt formen av Nb, inte bara dess närvaro. Beroende på positionen för Nb 3d-signalen och resultaten av dekonvolutionen bekräftar vi att Nb endast absorberas i form av oxider och inte joner eller MXene i sig. Dessutom visade XPS-resultaten att mikroalgceller har en större förmåga att uppta Nb-oxider från SL Nb2CTx jämfört med SL Nb4C3TX MXene.
Även om våra resultat för Nb-upptag är imponerande och låter oss identifiera MXene-nedbrytning, finns det ingen metod tillgänglig för att spåra associerade morfologiska förändringar i 2D-nanoflingor. Därför beslutade vi också att utveckla en lämplig metod som direkt kan reagera på eventuella förändringar som sker i 2D Nb-MXene-nanoflingor och mikroalgceller. Det är viktigt att notera att vi antar att om de interagerande arterna genomgår någon transformation, nedbrytning eller defragmentering, bör detta snabbt manifestera sig som förändringar i formparametrar, såsom diametern på det ekvivalenta cirkulära området, rundhet, Feret-bredd eller Feret-längd. Eftersom dessa parametrar är lämpliga för att beskriva avlånga partiklar eller tvådimensionella nanoflingor, kommer deras spårning genom dynamisk partikelformsanalys att ge oss värdefull information om den morfologiska transformationen av SL Nb-MXene-nanoflingor under reduktion.
De erhållna resultaten visas i figur 6. Som jämförelse testade vi även den ursprungliga MAX-fasen och ML-MXener (se SI-figurerna S18 och S19). Dynamisk analys av partikelformen visade att alla formparametrar för två Nb-MXene SL förändrades signifikant efter interaktion med mikroalger. Som visas av den ekvivalenta parametern för den cirkulära areans diameter (Fig. 6a, b), indikerar den minskade toppintensiteten för fraktionen av stora nanoflingor att de tenderar att sönderfalla till mindre fragment. I figur 6c, d visas en minskning av topparna associerade med flingornas tvärgående storlek (förlängning av nanoflingorna), vilket indikerar omvandlingen av 2D-nanoflingor till en mer partikelliknande form. Figur 6e-h visar Feret:s bredd respektive längd. Feret:s bredd och längd är komplementära parametrar och bör därför betraktas tillsammans. Efter inkubation av 2D Nb-MXene-nanoflingor i närvaro av mikroalger, förskjuts deras Feret-korrelationstoppar och deras intensitet minskade. Baserat på dessa resultat i kombination med morfologi, XRF och XPS, drog vi slutsatsen att de observerade förändringarna är starkt relaterade till oxidation eftersom oxiderade MXener blir mer skrynkliga och bryts ner i fragment och sfäriska oxidpartiklar 69,70.
Analys av MXen-transformation efter interaktion med gröna mikroalger. Dynamisk partikelformsanalys tar hänsyn till parametrar som (a, b) diametern på det ekvivalenta cirkulära området, (c, d) rundhet, (e, f) färets bredd och (g, h) färets längd. För detta ändamål analyserades två referensmikroalgprover tillsammans med primära SL Nb2CTx- och SL Nb4C3Tx-MXener, SL Nb2CTx- och SL Nb4C3Tx-MXener, nedbrutna mikroalger och behandlade mikroalger SL Nb2CTx- och SL Nb4C3Tx-MXener. De röda pilarna visar övergångarna i formparametrarna för de studerade tvådimensionella nanoflakarna.
Eftersom formparameteranalys är mycket tillförlitlig kan den också avslöja morfologiska förändringar i mikroalgerceller. Därför analyserade vi den ekvivalenta cirkulära arean, diametern, rundheten och Feret-bredd/längden hos rena mikroalgerceller och celler efter interaktion med 2D Nb-nanoflingor. Fig. 6a–h visar förändringar i algcellernas formparametrar, vilket framgår av en minskning av toppintensiteten och en förskjutning av maxima mot högre värden. I synnerhet visade cellrundhetsparametrarna en minskning av förlängda celler och en ökning av sfäriska celler (Fig. 6a, b). Dessutom ökade Feret-cellbredden med flera mikrometer efter interaktion med SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) jämfört med SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f). Vi misstänker att detta kan bero på det starka upptaget av Nb-oxider av mikroalger vid interaktion med Nb2CTx SR. Mindre rigid vidhäftning av Nb-flingor till deras yta kan resultera i celltillväxt med minimal skuggningseffekt.
Våra observationer av förändringar i parametrarna för form och storlek hos mikroalger kompletterar andra studier. Gröna mikroalger kan ändra sin morfologi som svar på miljöstress genom att ändra cellstorlek, form eller metabolism61. Till exempel underlättar förändring av cellstorlek absorptionen av näringsämnen71. Mindre algceller uppvisar lägre näringsupptag och försämrad tillväxthastighet. Omvänt tenderar större celler att konsumera fler näringsämnen, som sedan deponeras intracellulärt72,73. Machado och Soares fann att fungiciden triklosan kan öka cellstorleken. De fann också djupgående förändringar i algernas form74. Dessutom avslöjade Yin et al.9 också morfologiska förändringar hos alger efter exponering för reducerade grafenoxid-nanokompositer. Därför är det tydligt att de förändrade storleks-/formparametrarna för mikroalgerna orsakas av närvaron av MXen. Eftersom denna förändring i storlek och form indikerar förändringar i näringsupptaget, tror vi att analys av storleks- och formparametrar över tid kan visa upptag av nioboxid av mikroalger i närvaro av Nb-MXener.
Dessutom kan MXener oxideras i närvaro av alger. Dalai et al.75 observerade att morfologin hos grönalger som exponerats för nano-TiO2 och Al2O376 inte var enhetlig. Även om våra observationer liknar den aktuella studien är den endast relevant för studien av effekterna av bioremediering i termer av MXen-nedbrytningsprodukter i närvaro av 2D-nanoflingor och inte nanopartiklar. Eftersom MXener kan brytas ner till metalloxider,31,32,77,78 är det rimligt att anta att våra Nb-nanoflingor också kan bilda Nb-oxider efter att ha interagerat med mikroalgceller.
För att förklara reduktionen av 2D-Nb-nanoflingor genom en nedbrytningsmekanism baserad på oxidationsprocessen, utförde vi studier med högupplöst transmissionselektronmikroskopi (HRTEM) (Fig. 7a, b) och röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) (Fig. 7). 7c-i och tabellerna S4-5). Båda metoderna är lämpliga för att studera oxidation av 2D-material och kompletterar varandra. HRTEM kan analysera nedbrytningen av tvådimensionella skiktade strukturer och det efterföljande uppkomsten av metalloxidnanopartiklar, medan XPS är känslig för ytbindningar. För detta ändamål testade vi 2D Nb-MXen-nanoflingor extraherade från mikroalgcelldispersioner, det vill säga deras form efter interaktion med mikroalgceller (se Fig. 7).
HRTEM-bilder som visar morfologin hos oxiderade (a) SL Nb2CTx och (b) SL Nb4C3Tx MXener, XPS-analysresultat som visar (c) sammansättningen av oxidprodukter efter reduktion, (d–f) toppmatchning av komponenter i XPS-spektra för SL Nb2CTx och (g–i) Nb4C3Tx SL reparerade med gröna mikroalger.
HRTEM-studier bekräftade oxidationen av två typer av Nb-MXene-nanoflingor. Även om nanoflingorna behöll sin tvådimensionella morfologi i viss utsträckning, resulterade oxidationen i att många nanopartiklar uppstod som täckte ytan av MXene-nanoflingorna (se Fig. 7a, b). XPS-analys av c Nb 3d- och O 1s-signaler indikerade att Nb-oxider bildades i båda fallen. Som visas i Figur 7c har 2D MXene Nb2CTx och Nb4C3TX Nb 3d-signaler som indikerar närvaron av NbO- och Nb2O5-oxider, medan O 1s-signaler indikerar antalet O-Nb-bindningar associerade med funktionalisering av 2D-nanoflingytan. Vi noterade att Nb-oxidbidraget är dominerande jämfört med Nb-C och Nb3+-O.
I fig. 7g–i visas XPS-spektra för Nb3d, C1s och O1s SL Nb2CTx (se fig. 7d–f) och SL Nb4C3TX MXene isolerade från mikroalgceller. Detaljer om Nb-MXenes toppparametrar finns i tabellerna S4–5. Vi analyserade först sammansättningen av Nb3d. Till skillnad från Nb som absorberas av mikroalgceller, hittades i MXene isolerad från mikroalgceller, förutom Nb2O5, andra komponenter. I Nb2CTx SL observerade vi ett bidrag av Nb3+-O i en mängd av 15%, medan resten av Nb3d-spektrumet dominerades av Nb2O5 (85%). Dessutom innehåller SL Nb4C3TX-provet Nb-C (9%) och Nb2O5 (91%) komponenter. Här kommer Nb-C från två inre atomlager av metallkarbid i Nb4C3Tx SR. Vi mappar sedan C1s-spektra till fyra olika komponenter, precis som vi gjorde i de internaliserade proverna. Som förväntat domineras C1s-spektrumet av grafitiskt kol, följt av bidrag från organiska partiklar (CHx/CO och C=O) från mikroalgceller. Dessutom observerade vi i O1s-spektrumet bidraget från organiska former av mikroalgceller, nioboxid och adsorberat vatten.
Dessutom undersökte vi om klyvning av Nb-MXener är associerad med närvaron av reaktiva syreradikaler (ROS) i näringsmediet och/eller mikroalgerceller. För detta ändamål bedömde vi nivåerna av singlettsyre (1O2) i odlingsmediet och intracellulärt glutation, en tiol som fungerar som en antioxidant i mikroalger. Resultaten visas i SI (Figur S20 och S21). Kulturer med SL Nb2CTx och Nb4C3TX MXener karakteriserades av en reducerad mängd 1O2 (se Figur S20). När det gäller SL Nb2CTx reduceras MXen 1O2 till cirka 83 %. För mikroalger som använder SL minskade Nb4C3TX 1O2 ännu mer, till 73 %. Intressant nog visade förändringar i 1O2 samma trend som den tidigare observerade hämmande-stimulerande effekten (se Fig. 3). Det kan hävdas att inkubation i starkt ljus kan förändra fotooxidationen. Resultaten av kontrollanalysen visade dock nästan konstanta nivåer av 1O2 under experimentet (Fig. S22). När det gäller intracellulära ROS-nivåer observerade vi också samma nedåtgående trend (se figur S21). Initialt översteg nivåerna av ROS i mikroalgceller odlade i närvaro av Nb2CTx- och Nb4C3Tx SL de nivåer som finns i rena kulturer av mikroalger. Så småningom verkade det dock som att mikroalgerna anpassade sig till närvaron av båda Nb-MXenerna, då ROS-nivåerna minskade till 85 % respektive 91 % av de nivåer som mättes i rena kulturer av mikroalger inokulerade med SL Nb2CTx respektive Nb4C3TX. Detta kan tyda på att mikroalger känner sig mer bekväma över tid i närvaro av Nb-MXen än i enbart näringsmedium.
Mikroalger är en mångfaldig grupp av fotosyntetiska organismer. Under fotosyntesen omvandlar de atmosfärisk koldioxid (CO2) till organiskt kol. Produkterna från fotosyntesen är glukos och syre79. Vi misstänker att det bildade syret spelar en avgörande roll i oxidationen av Nb-MXener. En möjlig förklaring till detta är att den differentiella luftningsparametern bildas vid låga och höga partialtryck av syre utanför och inuti Nb-MXen-nanoflingorna. Detta innebär att överallt där det finns områden med olika partialtryck av syre, kommer området med den lägsta nivån att bilda anoden 80, 81, 82. Här bidrar mikroalgerna till skapandet av differentiellt luftade celler på ytan av MXen-flingorna, vilka producerar syre på grund av sina fotosyntetiska egenskaper. Som ett resultat bildas biokorrosionsprodukter (i detta fall nioboxider). En annan aspekt är att mikroalger kan producera organiska syror som släpps ut i vattnet83,84. Därför bildas en aggressiv miljö, vilket förändrar Nb-MXenerna. Dessutom kan mikroalger ändra miljöns pH-värde till alkaliskt på grund av absorption av koldioxid, vilket också kan orsaka korrosion79.
Ännu viktigare är att den mörker/ljus-fotoperiod som användes i vår studie är avgörande för att förstå de erhållna resultaten. Denna aspekt beskrivs i detalj i Djemai-Zoghlache et al. 85 De använde avsiktligt en 12/12 timmars fotoperiod för att demonstrera biokorrosion i samband med biofouling av den röda mikroalgen Porphyridium purpureum. De visar att fotoperioden är associerad med utvecklingen av potentialen utan biokorrosion, vilket manifesterar sig som pseudoperiodiska oscillationer runt 24:00. Dessa observationer bekräftades av Dowling et al. 86 De demonstrerade fotosyntetiska biofilmer av cyanobakterierna Anabaena. Löst syre bildas under inverkan av ljus, vilket är associerat med en förändring eller fluktuationer i den fria biokorrosionspotentialen. Fotoperiodens betydelse betonas av det faktum att den fria potentialen för biokorrosion ökar i ljusfasen och minskar i mörkfasen. Detta beror på syret som produceras av fotosyntetiska mikroalger, vilket påverkar den katodiska reaktionen genom det partialtryck som genereras nära elektroderna87.
Dessutom utfördes Fouriertransform infrarödspektroskopi (FTIR) för att ta reda på om några förändringar inträffade i den kemiska sammansättningen av mikroalgceller efter interaktion med Nb-MXener. Dessa erhållna resultat är komplexa och vi presenterar dem i SI (figurerna S23-S25, inklusive resultaten från MAX-steget och ML MXener). Kort sagt ger de erhållna referensspektra för mikroalger oss viktig information om de kemiska egenskaperna hos dessa organismer. Dessa mest sannolika vibrationer är belägna vid frekvenser på 1060 cm⁻¹ (CO), 1540 cm⁻¹, 1640 cm⁻¹ (C=C), 1730 cm⁻¹ (C=O), 2850 cm⁻¹, 2920 cm⁻¹ (C–H) och 3280 cm⁻¹ (O–H). För SL Nb-MXener fann vi en CH-bindningssträckningssignatur som överensstämmer med vår tidigare studie38. Vi observerade dock att några ytterligare toppar associerade med C=C- och CH-bindningar försvann. Detta indikerar att mikroalgernas kemiska sammansättning kan genomgå mindre förändringar på grund av interaktion med SL Nb-MXener.
När man överväger möjliga förändringar i mikroalgers biokemi behöver ackumuleringen av oorganiska oxider, såsom nioboxid, omprövas59. Den är involverad i upptaget av metaller av cellytan, deras transport in i cytoplasman, deras association med intracellulära karboxylgrupper och deras ackumulering i mikroalgernas polyfosfosomer20,88,89,90. Dessutom upprätthålls förhållandet mellan mikroalger och metaller av funktionella grupper av celler. Av denna anledning beror absorptionen också på mikroalgernas ytkemi, vilket är ganska komplex9,91. I allmänhet, som förväntat, förändrades den kemiska sammansättningen av gröna mikroalger något på grund av absorptionen av nioboxid.
Intressant nog var den observerade initiala hämningen av mikroalger reversibel över tid. Som vi observerade övervann mikroalgerna den initiala miljöförändringen och återgick så småningom till normal tillväxthastighet och ökade till och med. Studier av zetapotentialen visar hög stabilitet när de introduceras i näringsmedier. Således bibehölls ytinteraktionen mellan mikroalgceller och Nb-MXene-nanoflingor under hela reduktionsexperimenten. I vår vidare analys sammanfattar vi de viktigaste verkningsmekanismerna bakom detta anmärkningsvärda beteende hos mikroalger.
SEM-observationer har visat att mikroalger tenderar att fästa vid Nb-MXener. Med hjälp av dynamisk bildanalys bekräftar vi att denna effekt leder till omvandlingen av tvådimensionella Nb-MXen-nanoflingor till mer sfäriska partiklar, vilket visar att nedbrytningen av nanoflingor är förknippad med deras oxidation. För att testa vår hypotes genomförde vi en serie material- och biokemiska studier. Efter testning oxiderades nanoflingorna gradvis och sönderdelades till NbO- och Nb2O5-produkter, vilka inte utgjorde ett hot mot gröna mikroalger. Med hjälp av FTIR-observation fann vi inga signifikanta förändringar i den kemiska sammansättningen av mikroalger inkuberade i närvaro av 2D Nb-MXen-nanoflingor. Med hänsyn till möjligheten för absorption av nioboxid av mikroalger utförde vi en röntgenfluorescensanalys. Dessa resultat visar tydligt att de studerade mikroalgerna livnär sig på nioboxider (NbO och Nb2O5), vilka är icke-toxiska för de studerade mikroalgerna.