Благодарим ви, че посетихте Nature.com. Използвате версия на браузъра с ограничена CSS поддръжка. За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer). Междувременно, за да осигурим непрекъсната поддръжка, ще рендираме сайта без стилове и JavaScript.
Показва карусел от три слайда едновременно. Използвайте бутоните „Предишна“ и „Следваща“, за да се придвижвате през три слайда едновременно, или използвайте плъзгачите в края, за да се придвижвате през три слайда едновременно.
Бързото развитие на нанотехнологиите и тяхното интегриране в ежедневните приложения може да застраши околната среда. Докато зелените методи за разграждане на органични замърсители са добре установени, възстановяването на неорганични кристални замърсители е от основно значение поради ниската им чувствителност към биотрансформация и липсата на разбиране за взаимодействията на повърхността на материалите с биологичните. Тук използваме Nb-базиран неорганичен 2D MXene модел, комбиниран с прост метод за анализ на параметрите на формата, за да проследим механизма на биоремедиация на 2D керамични наноматериали от зелените микроводорасли Raphidocelis subcapitata. Установихме, че микроводораслите разграждат Nb-базирани MXene поради свързани с повърхността физико-химични взаимодействия. Първоначално еднослойни и многослойни MXene нанолюспи са били прикрепени към повърхността на микроводораслите, което донякъде е намалило растежа на водораслите. Въпреки това, при продължително взаимодействие с повърхността, микроводораслите окисляват MXene нанолюспи и допълнително ги разлагат на NbO и Nb2O5. Тъй като тези оксиди са нетоксични за клетките на микроводораслите, те консумират наночастици от Nb оксид чрез механизъм на абсорбция, който допълнително възстановява микроводораслите след 72 часа обработка с вода. Ефектите от хранителните вещества, свързани с абсорбцията, се отразяват и в увеличаването на обема на клетките, тяхната гладка форма и промяната в скоростта на растеж. Въз основа на тези открития стигаме до заключението, че краткосрочното и дългосрочното присъствие на Nb-базирани MXene в сладководни екосистеми може да причини само незначителни въздействия върху околната среда. Прави впечатление, че използвайки двуизмерни наноматериали като моделни системи, ние демонстрираме възможността за проследяване на трансформацията на формата дори във финозърнести материали. Като цяло, това проучване отговаря на важен фундаментален въпрос относно процесите, свързани с повърхностното взаимодействие, които движат механизма за биоремедиация на 2D наноматериалите, и предоставя основа за по-нататъшни краткосрочни и дългосрочни изследвания на въздействието върху околната среда на неорганичните кристални наноматериали.
Наноматериалите предизвикаха голям интерес след откриването си и различни нанотехнологии наскоро навлязоха във фаза на модернизация1. За съжаление, интегрирането на наноматериалите в ежедневните приложения може да доведе до случайни изпускания поради неправилно изхвърляне, небрежно боравене или неадекватна инфраструктура за безопасност. Следователно е разумно да се предположи, че наноматериалите, включително двуизмерните (2D) наноматериали, могат да бъдат освободени в естествената среда, чието поведение и биологична активност все още не са напълно изяснени. Следователно не е изненадващо, че опасенията за екотоксичност са се фокусирали върху способността на 2D наноматериалите да се отделят във водните системи2,3,4,5,6. В тези екосистеми някои 2D наноматериали могат да взаимодействат с различни организми на различни трофични нива, включително микроводорасли.
Микроводораслите са примитивни организми, срещащи се естествено в сладководни и морски екосистеми, които произвеждат разнообразни химични продукти чрез фотосинтеза7. Като такива, те са от решаващо значение за водните екосистеми8,9,10,11,12, но също така са чувствителни, евтини и широко използвани индикатори за екотоксичност13,14. Тъй като клетките на микроводораслите се размножават бързо и бързо реагират на наличието на различни съединения, те са обещаващи за разработването на екологично чисти методи за пречистване на вода, замърсена с органични вещества15,16.
Клетките на водораслите могат да отстраняват неорганични йони от водата чрез биосорбция и натрупване17,18. Някои видове водорасли, като Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue и Synechococcus sp., са установили, че пренасят и дори подхранват токсични метални йони като Fe2+, Cu2+, Zn2+ и Mn2+19. Други проучвания показват, че йоните Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ или Pb2+ ограничават растежа на Scenedesmus, като променят клетъчната морфология и разрушават техните хлоропласти20,21.
Зелените методи за разлагане на органични замърсители и отстраняване на йони на тежки метали привлякоха вниманието на учени и инженери по целия свят. Това се дължи главно на факта, че тези замърсители лесно се обработват в течна фаза. Неорганичните кристални замърсители обаче се характеризират с ниска разтворимост във вода и ниска податливост на различни биотрансформации, което причинява големи трудности при отстраняването им, и в тази област е постигнат малък напредък22,23,24,25,26. По този начин търсенето на екологично чисти решения за ремонт на наноматериали остава сложна и неизследвана област. Поради високата степен на несигурност относно биотрансформационните ефекти на 2D наноматериалите, няма лесен начин да се открият възможните пътища на тяхното разграждане по време на редукцията.
В това проучване използвахме зелени микроводорасли като активен воден биоремедиационен агент за неорганични керамични материали, комбиниран с in situ мониторинг на процеса на разграждане на MXene като представител на неорганични керамични материали. Терминът „MXene“ отразява стехиометрията на Mn+1XnTx материала, където M е ранен преходен метал, X е въглерод и/или азот, Tx е повърхностен терминатор (напр. -OH, -F, -Cl) и n = 1, 2, 3 или 427.28. След откриването на MXene от Naguib et al. Сензорика, терапия на рака и мембранна филтрация 27,29,30. В допълнение, MXene могат да се разглеждат като моделни 2D системи поради отличната им колоидна стабилност и възможни биологични взаимодействия 31,32,33,34,35,36.
Следователно, методологията, разработена в тази статия, и нашите изследователски хипотези са показани на Фигура 1. Според тази хипотеза, микроводораслите разграждат MXene на базата на Nb до нетоксични съединения поради повърхностно-свързани физико-химични взаимодействия, което позволява по-нататъшно възстановяване на водораслите. За да се тества тази хипотеза, бяха избрани два члена от семейството на ранните ниобий-базирани преходни метални карбиди и/или нитриди (MXene), а именно Nb2CTx и Nb4C3TX.
Методология на изследване и хипотези, основани на доказателства, за възстановяване на MXene от зелени микроводорасли Raphidocelis subcapitata. Моля, обърнете внимание, че това е само схематично представяне на предположения, основани на доказателства. Езерната среда се различава по използваната хранителна среда и условията (напр. дневен цикъл и ограничения в наличните основни хранителни вещества). Създадено с BioRender.com.
Следователно, използвайки MXene като моделна система, ние отворихме вратата за изучаване на различни биологични ефекти, които не могат да бъдат наблюдавани с други конвенционални наноматериали. По-специално, ние демонстрираме възможността за биоремедиация на двуизмерни наноматериали, като например MXene на базата на ниобий, от микроводорасли Raphidocelis subcapitata. Микроводораслите са способни да разграждат Nb-MXene до нетоксичните оксиди NbO и Nb2O5, които също така осигуряват хранителни вещества чрез механизма на усвояване на ниобий. Като цяло, това проучване отговаря на важен фундаментален въпрос за процесите, свързани с повърхностните физикохимични взаимодействия, които управляват механизмите на биоремедиация на двуизмерни наноматериали. Освен това, ние разработваме прост метод, базиран на параметри на формата, за проследяване на фините промени във формата на 2D наноматериали. Това вдъхновява по-нататъшни краткосрочни и дългосрочни изследвания на различните въздействия върху околната среда на неорганичните кристални наноматериали. По този начин, нашето проучване увеличава разбирането за взаимодействието между повърхността на материала и биологичния материал. Ние също така предоставяме основата за разширени краткосрочни и дългосрочни проучвания на евентуалното им въздействие върху сладководните екосистеми, което вече може лесно да бъде проверено.
MXenes представляват интересен клас материали с уникални и атрактивни физични и химични свойства и следователно много потенциални приложения. Тези свойства до голяма степен зависят от тяхната стехиометрия и повърхностна химия. Следователно, в нашето изследване изследвахме два вида йерархични еднослойни (SL) MXenes на базата на Nb, Nb2CTx и Nb4C3TX, тъй като можеха да се наблюдават различни биологични ефекти на тези наноматериали. MXenes се произвеждат от изходните си материали чрез селективно ецване отгоре надолу на атомно тънки А-слоеве от MAX-фаза. MAX фазата е тройна керамика, съставена от „свързани“ блокове от карбиди на преходни метали и тънки слоеве от „А“ елементи като Al, Si и Sn със стехиометрия MnAXn-1. Морфологията на началната MAX фаза е наблюдавана чрез сканираща електронна микроскопия (SEM) и е в съответствие с предишни изследвания (вижте допълнителна информация, SI, фигура S1). Многослойният (ML) Nb-MXenes е получен след отстраняване на Al слоя с 48% HF (флуороводородна киселина). Морфологията на ML-Nb2CTx и ML-Nb4C3TX беше изследвана чрез сканираща електронна микроскопия (SEM) (съответно фигури S1c и S1d) и беше наблюдавана типична слоеста морфология на MXene, подобна на двуизмерни нанолюспи, преминаващи през удължени пороподобни процепи. И двата Nb-MXene имат много общо с MXene фазите, синтезирани преди това чрез киселинно ецване27,38. След потвърждаване на структурата на MXene, ние го наслоихме чрез интеркалация на тетрабутиламониев хидроксид (TBAOH), последвано от промиване и ултразвукова обработка, след което получихме еднослойни или нискослойни (SL) 2D Nb-MXene нанолюспи.
Използвахме трансмисионна електронна микроскопия с висока резолюция (HRTEM) и рентгенова дифракция (XRD), за да тестваме ефективността на ецването и по-нататъшното отлепване. Резултатите от HRTEM, обработени с помощта на обратно бързо преобразуване на Фурие (IFFT) и бързо преобразуване на Фурие (FFT), са показани на Фиг. 2. Нанолюспите Nb-MXene бяха ориентирани с ръба нагоре, за да се провери структурата на атомния слой и да се измерят междуплоскостните разстояния. HRTEM изображенията на нанолюспите MXene Nb2CTx и Nb4C3TX разкриха тяхната атомно тънка слоеста природа (виж Фиг. 2a1, a2), както е съобщено по-рано от Naguib et al.27 и Jastrzębska et al.38. За два съседни монослоя Nb2CTx и Nb4C3Tx определихме междуслойни разстояния съответно от 0,74 и 1,54 nm (Фиг. 2b1, b2), което също съответства на нашите предишни резултати38. Това беше допълнително потвърдено от обратното бързо Фурие преобразуване (фиг. 2c1, c2) и бързото Фурие преобразуване (фиг. 2d1, d2), показващи разстоянието между монослоевете Nb2CTx и Nb4C3Tx. Изображението показва редуване на светли и тъмни ленти, съответстващи на ниобиеви и въглеродни атоми, което потвърждава слоестия характер на изследваните MXene. Важно е да се отбележи, че спектрите на енергийно дисперсионна рентгенова спектроскопия (EDX), получени за Nb2CTx и Nb4C3Tx (фигури S2a и S2b), не показват остатъци от оригиналната MAX фаза, тъй като не е открит Al пик.
Характеризиране на SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene нанолюспи, включително (a) странично 2D изображение на нанолюспи с висока резолюция, получено с електронна микроскопия (HRTEM), и съответстващ (b) режим на интензитет, (c) обратно бързо преобразуване на Фурие (IFFT), (d) бързо преобразуване на Фурие (FFT), (e) рентгенови дифракционни картини на Nb-MXenes. За SL 2D Nb2CTx числата са изразени като (a1, b1, c1, d1, e1). За SL 2D Nb4C3Tx числата са изразени като (a2, b2, c2, d2, e1).
Рентгеноструктурните измервания на SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene са показани съответно на Фиг. 2e1 и e2. Пиковете (002) при 4.31 и 4.32 съответстват на описаните по-рано слоести MXene Nb2CTx и Nb4C3TX38,39,40,41 съответно. Резултатите от рентгеновата дифракция също показват наличието на някои остатъчни ML структури и MAX фази, но най-вече XRD модели, свързани със SL Nb4C3Tx (Фиг. 2e2). Наличието на по-малки частици от MAX фазата може да обясни по-силния MAX пик в сравнение със случайно подредените Nb4C3Tx слоеве.
По-нататъшни изследвания са фокусирани върху зелени микроводорасли, принадлежащи към вида R. subcapitata. Избрахме микроводорасли, защото те са важни производители, участващи в основни хранителни вериги42. Те са и един от най-добрите индикатори за токсичност поради способността им да отстраняват токсични вещества, които се пренасят до по-високите нива на хранителната верига43. Освен това, изследванията върху R. subcapitata могат да хвърлят светлина върху инцидентната токсичност на SL Nb-MXenes върху често срещани сладководни микроорганизми. За да илюстрират това, изследователите предположиха, че всеки микроб има различна чувствителност към токсични съединения, присъстващи в околната среда. За повечето организми ниските концентрации на вещества не влияят на растежа им, докато концентрациите над определена граница могат да ги инхибират или дори да причинят смърт. Следователно, за нашите изследвания на повърхностното взаимодействие между микроводораслите и MXenes и свързаното с него възстановяване, решихме да тестваме безвредните и токсичните концентрации на Nb-MXenes. За да направим това, тествахме концентрации от 0 (като референтна), 0,01, 0,1 и 10 mg l-1 MXene и допълнително инфектирахме микроводорасли с много високи концентрации на MXene (100 mg l-1 MXene), които могат да бъдат екстремни и смъртоносни за всяка биологична среда.
Ефектите на SL Nb-MXenes върху микроводораслите са показани на Фигура 3, изразени като процент на стимулиране на растежа (+) или инхибиране (-), измерен за проби от 0 mg l-1. За сравнение, фазата Nb-MAX и ML Nb-MXenes също бяха тествани и резултатите са показани в SI (виж Фиг. S3). Получените резултати потвърдиха, че SL Nb-MXenes е почти напълно лишен от токсичност в диапазона от ниски концентрации от 0,01 до 10 mg/l, както е показано на Фиг. 3a,b. В случая на Nb2CTx, наблюдавахме не повече от 5% екотоксичност в посочения диапазон.
Стимулиране (+) или инхибиране (-) на растежа на микроводорасли в присъствието на SL (a) Nb2CTx и (b) Nb4C3TX MXene. Анализирани са 24, 48 и 72 часа взаимодействие MXene-микроводорасли. Значимите данни (t-тест, p < 0,05) са маркирани със звездичка (*). Значимите данни (t-тест, p < 0,05) са маркирани със звездичка (*). Значими данни (t-критерий, p < 0,05) отбелязани със звезда (*). Значимите данни (t-тест, p < 0,05) са маркирани със звездичка (*).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。 Важни данни (t-тест, p < 0,05) отбелязани със звездочка (*). Важните данни (t-тест, p < 0,05) са маркирани със звездичка (*).Червените стрелки показват премахването на инхибиторната стимулация.
От друга страна, ниските концентрации на Nb4C3TX се оказаха малко по-токсични, но не по-високи от 7%. Както се очакваше, наблюдавахме, че MXenes имат по-висока токсичност и инхибиране на растежа на микроводораслите при 100 mg L-1. Интересното е, че нито един от материалите не показа същата тенденция и времева зависимост на атоксичните/токсични ефекти в сравнение с MAX или ML пробите (вижте SI за подробности). Докато за MAX фазата (вижте Фиг. S3) токсичността достигна приблизително 15–25% и се увеличи с времето, обратната тенденция се наблюдава за SL Nb2CTx и Nb4C3TX MXene. Инхибирането на растежа на микроводораслите намалява с времето. То достигна приблизително 17% след 24 часа и спадна до по-малко от 5% след 72 часа (съответно Фиг. 3a, b).
По-важното е, че за SL Nb4C3TX, инхибирането на растежа на микроводораслите достигна около 27% след 24 часа, но след 72 часа намаля до около 1%. Следователно, ние определихме наблюдавания ефект като обратно инхибиране на стимулацията и ефектът беше по-силен за SL Nb4C3TX MXene. Стимулирането на растежа на микроводораслите беше отбелязано по-рано с Nb4C3TX (взаимодействие при 10 mg L-1 за 24 часа) в сравнение със SL Nb2CTx MXene. Ефектът на обръщане на инхибирането-стимулацията също беше добре показан в кривата на скоростта на удвояване на биомасата (вижте Фиг. S4 за подробности). Досега само екотоксичността на Ti3C2TX MXene е изследвана по различни начини. Той не е токсичен за ембрионите на рибата зебра44, но е умерено екотоксичен за растенията микроводорасли Desmodesmus quadricauda и Sorghum saccharatum45. Други примери за специфични ефекти включват по-висока токсичност за раковите клетъчни линии, отколкото за нормалните клетъчни линии46,47. Може да се предположи, че условията на теста биха повлияли на промените в растежа на микроводораслите, наблюдавани в присъствието на Nb-MXenes. Например, pH от около 8 в хлоропластната строма е оптимално за ефективна работа на ензима RuBisCO. Следователно, промените в pH влияят отрицателно върху скоростта на фотосинтеза48,49. Въпреки това, не наблюдавахме значителни промени в pH по време на експеримента (вижте SI, Фиг. S5 за подробности). Като цяло, културите от микроводорасли с Nb-MXenes леко намаляват pH на разтвора с течение на времето. Това намаление обаче е подобно на промяна в pH на чиста среда. Освен това, диапазонът на откритите вариации е подобен на този, измерен за чиста култура от микроводорасли (контролна проба). Следователно, заключаваме, че фотосинтезата не се влияе от промените в pH с течение на времето.
В допълнение, синтезираните MXene имат повърхностни окончания (обозначени като Tx). Това са главно функционални групи -O, -F и -OH. Повърхностната химия обаче е пряко свързана с метода на синтез. Известно е, че тези групи са разпределени произволно по повърхността, което затруднява предвиждането на техния ефект върху свойствата на MXene50. Може да се твърди, че Tx може да бъде каталитичната сила за окислението на ниобия от светлина. Повърхностните функционални групи наистина осигуряват множество места за закрепване за подлежащите им фотокатализатори, за да образуват хетеросъединения51. Съставът на растежната среда обаче не осигурява ефективен фотокатализатор (подробен състав на средата може да бъде намерен в SI Таблица S6). Освен това, всяка модификация на повърхността също е много важна, тъй като биологичната активност на MXene може да бъде променена поради последваща обработка на слоевете, окисление, химическа модификация на повърхността на органични и неорганични съединения52,53,54,55,56 или инженерство на повърхностния заряд38. Следователно, за да проверим дали ниобиевият оксид има нещо общо с нестабилността на материала в средата, проведохме изследвания на зета (ζ) потенциала в растежна среда за микроводорасли и дейонизирана вода (за сравнение). Нашите резултати показват, че SL Nb-MXenes са сравнително стабилни (вижте SI Фиг. S6 за MAX и ML резултати). Зета потенциалът на SL MXenes е около -10 mV. В случая на SR Nb2CTx, стойността на ζ е малко по-отрицателна от тази на Nb4C3Tx. Такава промяна в стойността на ζ може да показва, че повърхността на отрицателно заредените MXene нанолюспи абсорбира положително заредени йони от културалната среда. Временните измервания на зета потенциала и проводимостта на Nb-MXenes в културална среда (вижте Фигури S7 и S8 в SI за повече подробности) изглежда подкрепят нашата хипотеза.
Въпреки това, и двата Nb-MXene SL показаха минимални промени от нулата. Това ясно демонстрира тяхната стабилност в средата за растеж на микроводорасли. Освен това, ние оценихме дали наличието на нашите зелени микроводорасли би повлияло на стабилността на Nb-MXenes в средата. Резултатите от зета потенциала и проводимостта на MXenes след взаимодействие с микроводорасли в хранителни среди и култура с течение на времето могат да бъдат намерени в SI (Фигури S9 и S10). Интересното е, че забелязахме, че наличието на микроводорасли сякаш стабилизира дисперсията и на двата MXenes. В случая на Nb2CTx SL, зета потенциалът дори леко намаля с течение на времето до по-отрицателни стойности (-15.8 спрямо -19.1 mV след 72 часа инкубация). Зета потенциалът на SL Nb4C3TX леко се увеличи, но след 72 часа все още показва по-висока стабилност от нанолюспите без наличието на микроводорасли (-18.1 спрямо -9.1 mV).
Също така открихме по-ниска проводимост на разтвори на Nb-MXene, инкубирани в присъствието на микроводорасли, което показва по-ниско количество йони в хранителната среда. Забележително е, че нестабилността на MXene във вода се дължи главно на повърхностно окисление57. Следователно, предполагаме, че зелените микроводорасли по някакъв начин са изчистили оксидите, образувани на повърхността на Nb-MXene, и дори са предотвратили появата им (окисление на MXene). Това може да се види чрез изучаване на видовете вещества, абсорбирани от микроводорасли.
Въпреки че нашите екотоксикологични проучвания показват, че микроводораслите са способни да преодолеят токсичността на Nb-MXene с течение на времето и необичайното инхибиране на стимулирания растеж, целта на нашето проучване беше да изследваме възможните механизми на действие. Когато организми като водораслите са изложени на съединения или материали, непознати за техните екосистеми, те могат да реагират по различни начини58,59. При липса на токсични метални оксиди, микроводораслите могат да се хранят сами, което им позволява да растат непрекъснато60. След поглъщане на токсични вещества, защитните механизми могат да се активират, като например промяна на формата или вида. Възможността за абсорбция също трябва да се вземе предвид58,59. Важно е да се отбележи, че всеки признак на защитен механизъм е ясен индикатор за токсичността на тестваното съединение. Следователно, в по-нататъшната ни работа изследвахме потенциалното повърхностно взаимодействие между SL Nb-MXene нанолюспи и микроводораслите чрез SEM и възможната абсорбция на Nb-базиран MXene чрез рентгенова флуоресцентна спектроскопия (XRF). Обърнете внимание, че SEM и XRF анализите са извършени само при най-високата концентрация на MXene, за да се решат проблемите с токсичността на активността.
Резултатите от SEM са показани на Фиг. 4. Нетретираните клетки от микроводорасли (виж Фиг. 4а, референтна проба) ясно показват типична морфология на R. subcapitata и форма на клетки, подобна на кроасан. Клетките изглеждат сплескани и донякъде неорганизирани. Някои клетки от микроводорасли се припокриват и преплитат една с друга, но това вероятно се дължи на процеса на подготовка на пробата. Като цяло, чистите клетки от микроводорасли имат гладка повърхност и не показват никакви морфологични промени.
SEM изображения, показващи повърхностно взаимодействие между зелени микроводорасли и MXene нанолистове след 72 часа взаимодействие при екстремна концентрация (100 mg L-1). (a) Нетретирани зелени микроводорасли след взаимодействие със SL (b) Nb2CTx и (c) Nb4C3TX MXene. Обърнете внимание, че нанолюспите Nb-MXene са маркирани с червени стрелки. За сравнение са добавени и снимки от оптичен микроскоп.
За разлика от това, клетките на микроводораслите, адсорбирани от SL Nb-MXene нанолюспи, бяха увредени (виж Фиг. 4b, c, червени стрелки). В случая на Nb2CTx MXene (Фиг. 4b), микроводораслите са склонни да растат с прикрепени двуизмерни наномащаби, което може да промени тяхната морфология. Забележително е, че наблюдавахме тези промени и под светлинна микроскопия (вижте SI Фигура S11 за подробности). Този морфологичен преход има правдоподобна основа във физиологията на микроводораслите и способността им да се защитават чрез промяна на клетъчната морфология, като например увеличаване на клетъчния обем61. Следователно е важно да се провери броят на клетките на микроводораслите, които действително са в контакт с Nb-MXenes. SEM изследванията показаха, че приблизително 52% от клетките на микроводораслите са били изложени на Nb-MXenes, докато 48% от тези клетки на микроводорасли са избягвали контакт. При SL Nb4C3Tx MXene, микроводораслите се опитват да избягват контакт с MXene, като по този начин се локализират и растат от двуизмерни наномащаби (Фиг. 4c). Въпреки това, не наблюдавахме проникването на наномащаби в клетките на микроводораслите и тяхното увреждане.
Самосъхранението е също така зависимо от времето поведение на реакция към блокирането на фотосинтезата поради адсорбцията на частици върху клетъчната повърхност и така наречения ефект на засенчване (shading)62. Ясно е, че всеки обект (например, нанолюспи Nb-MXene), който се намира между микроводораслите и източника на светлина, ограничава количеството светлина, абсорбирано от хлоропластите. Нямаме обаче съмнение, че това има значително влияние върху получените резултати. Както показват нашите микроскопски наблюдения, 2D нанолюспите не са били напълно обвити или прилепнали към повърхността на микроводораслите, дори когато клетките на микроводораслите са били в контакт с Nb-MXene. Вместо това, нанолюспите се оказаха ориентирани към клетките на микроводораслите, без да покриват повърхността им. Такъв набор от нанолюспи/микроводорасли не може значително да ограничи количеството светлина, абсорбирано от клетките на микроводораслите. Нещо повече, някои проучвания дори са демонстрирали подобрение в абсорбцията на светлина от фотосинтезиращите организми в присъствието на двуизмерни наноматериали63,64,65,66.
Тъй като SEM изображенията не можаха директно да потвърдят усвояването на ниобий от клетките на микроводораслите, нашето по-нататъшно проучване се насочи към рентгенофлуоресцентен (XRF) и рентгеноелектронна спектроскопия (XPS) анализ, за ​​да изясним този въпрос. Следователно, сравнихме интензитета на Nb пиковете на референтни проби от микроводорасли, които не взаимодействаха с MXene, MXene нанолюспи, отделени от повърхността на клетките на микроводораслите, и клетки на микроводорасли след отстраняване на прикрепените MXene. Струва си да се отбележи, че ако няма усвояване на Nb, стойността на Nb, получена от клетките на микроводораслите, трябва да бъде нула след отстраняване на прикрепените наномащаби. Следователно, ако се случи усвояване на Nb, резултатите както от XRF, така и от XPS трябва да показват ясен Nb пик.
В случая на XRF спектрите, пробите от микроводорасли показаха Nb пикове за SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene след взаимодействие със SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene (вижте Фиг. 5a, също така обърнете внимание, че резултатите за MAX и ML MXene са показани в SI, Фиг. S12–C17). Интересното е, че интензитетът на Nb пика е еднакъв и в двата случая (червени ленти на Фиг. 5a). Това показва, че водораслите не могат да абсорбират повече Nb и максималният капацитет за натрупване на Nb е постигнат в клетките, въпреки че два пъти повече Nb4C3Tx MXene е прикрепен към клетките на микроводораслите (сини ленти на Фиг. 5a). Трябва да се отбележи, че способността на микроводораслите да абсорбират метали зависи от концентрацията на метални оксиди в околната среда67,68. Shamshada et al.67 установиха, че абсорбционният капацитет на сладководните водорасли намалява с повишаване на pH. Raize et al.68 отбелязват, че способността на водораслите да абсорбират метали е с около 25% по-висока за Pb2+, отколкото за Ni2+.
(a) XRF резултати на базално усвояване на Nb от зелени микроводорасли, инкубирани при екстремна концентрация на SL Nb-MXenes (100 mg L-1) в продължение на 72 часа. Резултатите показват наличието на α в чисти микроводорасли (контролна проба, сиви колони), 2D нанолюспи, изолирани от повърхностни микроводорасли (сини колони), и микроводорасли след отделяне на 2D нанолюспи от повърхността (червени колони). Количеството елементарен Nb, (b) процент на химичния състав на органичните компоненти на микроводораслите (C=O и CHx/C–O) и Nb оксиди, присъстващи в микроводорасли след инкубация със SL Nb-MXenes, (c–e) Напасване на композиционния пик на XPS SL Nb2CTx спектрите и (fh) SL Nb4C3Tx MXene, интернализиран от микроводорасли.
Следователно, очаквахме, че Nb може да се абсорбира от клетките на водораслите под формата на оксиди. За да проверим това, проведохме XPS изследвания върху MXenes Nb2CTx и Nb4C3TX и клетки на водорасли. Резултатите от взаимодействието на микроводорасли с Nb-MXenes и MXenes, изолирани от клетки на водорасли, са показани на Фиг. 5b. Както се очакваше, открихме Nb 3d пикове в пробите от микроводорасли след отстраняване на MXene от повърхността на микроводораслите. Количественото определяне на C=O, CHx/CO и Nb оксиди беше изчислено въз основа на Nb 3d, O 1s и C 1s спектрите, получени с Nb2CTx SL (Фиг. 5c–e) и Nb4C3Tx SL (Фиг. 5c–e). ), получени от инкубирани микроводорасли. Фигура 5f–h) MXenes. Таблица S1-3 показва подробности за параметрите на пиковете и общата химия, получени от напасването. Прави впечатление, че Nb 3d областите на Nb2CTx SL и Nb4C3Tx SL (фиг. 5c, f) съответстват на един Nb2O5 компонент. Тук не открихме пикове, свързани с MXene, в спектрите, което показва, че клетките на микроводораслите абсорбират само оксидната форма на Nb. Освен това, апроксимирахме C 1 s спектъра с компонентите C–C, CHx/C–O, C=O и –COOH. Приписахме пиковете CHx/C–O и C=O на органичния принос на клетките на микроводораслите. Тези органични компоненти представляват съответно 36% и 41% от C 1s пиковете в Nb2CTx SL и Nb4C3TX SL. След това съпоставихме O 1s спектрите на SL Nb2CTx и SL Nb4C3TX с Nb2O5, органични компоненти на микроводорасли (CHx/CO) и повърхностно адсорбирана вода.
Накрая, резултатите от рентгеновата фотоелектронна спектроскопия (XPS) ясно показаха формата на Nb, а не само неговото наличие. Според позицията на Nb 3d сигнала и резултатите от деконволюцията, ние потвърждаваме, че Nb се абсорбира само под формата на оксиди, а не на йони или самия MXene. Освен това, резултатите от XPS показаха, че клетките на микроводораслите имат по-голяма способност да усвояват Nb оксиди от SL Nb2CTx в сравнение със SL Nb4C3TX MXene.
Въпреки че нашите резултати за поглъщане на Nb са впечатляващи и ни позволяват да идентифицираме разграждането на MXene, няма наличен метод за проследяване на свързаните морфологични промени в 2D нанолюспи. Следователно, решихме да разработим подходящ метод, който може директно да реагира на всякакви промени, настъпващи в 2D Nb-MXene нанолюспи и клетки на микроводорасли. Важно е да се отбележи, че приемаме, че ако взаимодействащите видове претърпят някаква трансформация, разлагане или дефрагментация, това би трябвало бързо да се прояви като промени в параметрите на формата, като например диаметъра на еквивалентната кръгла площ, закръгленост, ширина на Фере или дължина на Фере. Тъй като тези параметри са подходящи за описание на удължени частици или двуизмерни нанолюспи, тяхното проследяване чрез динамичен анализ на формата на частиците ще ни даде ценна информация за морфологичната трансформация на SL Nb-MXene нанолюспи по време на редукцията.
Получените резултати са показани на Фигура 6. За сравнение, тествахме също оригиналната MAX фаза и ML-MXenes (вижте SI фигури S18 и S19). Динамичният анализ на формата на частиците показа, че всички параметри на формата на два Nb-MXene SL се променят значително след взаимодействие с микроводорасли. Както е показано от параметъра за еквивалентен диаметър на кръглата площ (Фиг. 6a, b), намаленият интензитет на пиковете на фракцията от големи нанолюспи показва, че те са склонни да се разпадат на по-малки фрагменти. На Фиг. 6c, d е показано намаляване на пиковете, свързани с напречния размер на люспите (удължаване на нанолюспите), което показва трансформацията на 2D нанолюспи в по-частичноподобна форма. Фигура 6e-h показва съответно ширината и дължината на Feret. Ширината и дължината на Feret са допълващи се параметри и следователно трябва да се разглеждат заедно. След инкубация на 2D Nb-MXene нанолюспи в присъствието на микроводорасли, техните Feret корелационни пикове се изместват и интензитетът им намалява. Въз основа на тези резултати в комбинация с морфология, XRF и XPS, стигнахме до заключението, че наблюдаваните промени са силно свързани с окислението, тъй като окислените MXene стават по-набръчкани и се разпадат на фрагменти и сферични оксидни частици69,70.
Анализ на трансформацията на MXene след взаимодействие със зелени микроводорасли. Динамичният анализ на формата на частиците взема предвид параметри като (a, b) диаметър на еквивалентната кръгла площ, (c, d) закръгленост, (e, f) ширина на Feret и (g, h) дължина на Feret. За тази цел бяха анализирани две референтни проби от микроводорасли заедно с първични SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXene, SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXene, деградирали микроводорасли и третирани микроводорасли SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXene. Червените стрелки показват преходите на параметрите на формата на изследваните двуизмерни нанолюспи.
Тъй като анализът на параметрите на формата е много надежден, той може да разкрие и морфологични промени в клетките на микроводораслите. Следователно, ние анализирахме еквивалентния диаметър на кръглата площ, закръглеността и ширината/дължината по Feret на чисти клетки от микроводорасли и клетки след взаимодействие с 2D Nb нанолюспи. На фиг. 6a-h са показани промени в параметрите на формата на клетките на водораслите, както се вижда от намаляване на интензитета на пиковете и изместване на максимумите към по-високи стойности. По-специално, параметрите на закръгленост на клетките показват намаляване на удължените клетки и увеличаване на сферичните клетки (фиг. 6a, b). Освен това, ширината на клетките на Feret се е увеличила с няколко микрометра след взаимодействие със SL Nb2CTx MXene (фиг. 6e) в сравнение със SL Nb4C3TX MXene (фиг. 6f). Предполагаме, че това може да се дължи на силното усвояване на Nb оксиди от микроводораслите при взаимодействие с Nb2CTx SR. По-малко твърдото закрепване на Nb люспи към тяхната повърхност може да доведе до растеж на клетките с минимален ефект на засенчване.
Нашите наблюдения върху промените в параметрите на формата и размера на микроводораслите допълват други изследвания. Зелените микроводорасли могат да променят морфологията си в отговор на стрес от околната среда, като променят размера, формата или метаболизма на клетките61. Например, промяната на размера на клетките улеснява усвояването на хранителни вещества71. По-малките клетки на водораслите показват по-ниско усвояване на хранителни вещества и нарушена скорост на растеж. Обратно, по-големите клетки са склонни да консумират повече хранителни вещества, които след това се отлагат вътреклетъчно72,73. Мачадо и Соарес установиха, че фунгицидът триклозан може да увеличи размера на клетките. Те също така откриха дълбоки промени във формата на водораслите74. В допълнение, Yin et al.9 също разкриха морфологични промени във водораслите след излагане на редуцирани нанокомпозити от графенов оксид. Следователно е ясно, че променените параметри на размер/форма на микроводораслите са причинени от наличието на MXene. Тъй като тази промяна в размера и формата е показателна за промени в усвояването на хранителни вещества, ние вярваме, че анализът на параметрите на размер и форма във времето може да демонстрира усвояването на ниобиев оксид от микроводораслите в присъствието на Nb-MXenes.
Освен това, MXene могат да бъдат окислени в присъствието на водорасли. Dalai et al.75 наблюдават, че морфологията на зелените водорасли, изложени на nano-TiO2 и Al2O376, не е еднаква. Въпреки че нашите наблюдения са подобни на настоящото изследване, то е от значение само за изследването на ефектите от биоремедиацията по отношение на продуктите от разграждането на MXene в присъствието на 2D нанолюспи, а не на наночастици. Тъй като MXene могат да се разграждат до метални оксиди,31,32,77,78 е разумно да се предположи, че нашите Nb нанолюспи също могат да образуват Nb оксиди след взаимодействие с клетки на микроводорасли.
За да обясним редукцията на 2D-Nb нанолюспи чрез механизъм на разлагане, базиран на процеса на окисление, проведохме изследвания, използвайки трансмисионна електронна микроскопия с висока резолюция (HRTEM) (фиг. 7a,b) и рентгенова фотоелектронна спектроскопия (XPS) (фиг. 7). 7c-i и таблици S4-5). И двата подхода са подходящи за изучаване на окислението на 2D материали и се допълват взаимно. HRTEM е в състояние да анализира разграждането на двуизмерни слоести структури и последващата поява на наночастици от метални оксиди, докато XPS е чувствителен към повърхностните връзки. За тази цел тествахме 2D Nb-MXene нанолюспи, извлечени от дисперсии на клетки на микроводорасли, т.е. тяхната форма след взаимодействие с клетки на микроводорасли (виж фиг. 7).
HRTEM изображения, показващи морфологията на окислените (a) SL Nb2CTx и (b) SL Nb4C3Tx MXene, резултати от XPS анализ, показващи (c) състава на оксидните продукти след редукция, (d–f) съвпадение на пиковете на компонентите на XPS спектрите на SL Nb2CTx и (g–i) Nb4C3Tx SL, ремонтирани със зелени микроводорасли.
HRTEM изследванията потвърдиха окислението на два вида Nb-MXene нанолюспи. Въпреки че нанолюспите са запазили до известна степен своята двуизмерна морфология, окислението е довело до появата на много наночастици, покриващи повърхността на MXene нанолюспите (виж Фиг. 7a,b). XPS анализът на c Nb 3d и O 1s сигналите показва, че и в двата случая са се образували Nb оксиди. Както е показано на Фигура 7c, 2D MXene Nb2CTx и Nb4C3TX имат Nb 3d сигнали, показващи наличието на NbO и Nb2O5 оксиди, докато O 1s сигналите показват броя на O-Nb връзките, свързани с функционализацията на повърхността на 2D нанолюспите. Забелязахме, че приносът на Nb оксида е доминиращ в сравнение с Nb-C и Nb3+-O.
На фиг. Фигури 7g–i показват XPS спектрите на Nb 3d, C 1s и O 1s SL Nb2CTx (виж фиг. 7d–f) и SL Nb4C3TX MXene, изолиран от клетки на микроводорасли. Подробности за параметрите на пиковете на Nb-MXenes са предоставени съответно в таблици S4–5. Първо анализирахме състава на Nb 3d. За разлика от Nb, абсорбиран от клетки на микроводорасли, в MXene, изолиран от клетки на микроводорасли, освен Nb2O5, бяха открити и други компоненти. В Nb2CTx SL наблюдавахме приноса на Nb3+-O в количество от 15%, докато останалата част от Nb 3d спектъра беше доминирана от Nb2O5 (85%). В допълнение, пробата SL Nb4C3TX съдържа компоненти Nb-C (9%) и Nb2O5 (91%). Тук Nb-C идва от два вътрешни атомни слоя метален карбид в Nb4C3Tx SR. След това картографирахме C 1s спектрите към четири различни компонента, както направихме и в интернализираните проби. Както се очакваше, C 1s спектърът е доминиран от графитен въглерод, следван от приноса на органични частици (CHx/CO и C=O) от клетки на микроводорасли. Освен това, в O 1s спектъра наблюдавахме приноса на органични форми на клетки на микроводорасли, ниобиев оксид и адсорбирана вода.
Освен това, изследвахме дали разцепването на Nb-MXenes е свързано с наличието на реактивни кислородни видове (ROS) в хранителната среда и/или клетките на микроводораслите. За тази цел оценихме нивата на синглетния кислород (1O2) в хранителната среда и вътреклетъчния глутатион, тиол, който действа като антиоксидант в микроводораслите. Резултатите са показани на SI (Фигури S20 и S21). Културите със SL Nb2CTx и Nb4C3TX MXenes се характеризираха с намалено количество 1O2 (виж Фигура S20). В случая на SL Nb2CTx, MXene 1O2 е намален до около 83%. За култури от микроводорасли, използващи SL, Nb4C3TX 1O2 намалява още повече, до 73%. Интересното е, че промените в 1O2 показват същата тенденция като наблюдавания по-рано инхибиращо-стимулиращ ефект (виж Фиг. 3). Може да се твърди, че инкубацията на ярка светлина може да промени фотоокислението. Резултатите от контролния анализ обаче показаха почти постоянни нива на 1O2 по време на експеримента (фиг. S22). В случая на вътреклетъчните нива на ROS наблюдавахме същата низходяща тенденция (виж Фигура S21). Първоначално нивата на ROS в клетките на микроводораслите, култивирани в присъствието на Nb2CTx и Nb4C3Tx SL, надвишаваха нивата, открити в чисти култури от микроводорасли. В крайна сметка обаче се оказа, че микроводораслите са се адаптирали към присъствието и на двата Nb-MXene, тъй като нивата на ROS намаляха до 85% и 91% от нивата, измерени в чисти култури от микроводорасли, инокулирани съответно със SL Nb2CTx и Nb4C3TX. Това може да показва, че микроводораслите се чувстват по-комфортно с течение на времето в присъствието на Nb-MXene, отколкото само в хранителна среда.
Микроводораслите са разнообразна група фотосинтетични организми. По време на фотосинтезата те преобразуват атмосферния въглероден диоксид (CO2) в органичен въглерод. Продуктите на фотосинтезата са глюкоза и кислород79. Предполагаме, че образуваният по този начин кислород играе критична роля в окислението на Nb-MXene. Едно възможно обяснение за това е, че диференциалният параметър на аерация се формира при ниски и високи парциални налягания на кислорода извън и вътре в нанолюспите Nb-MXene. Това означава, че където има области с различно парциално налягане на кислорода, областта с най-ниско ниво ще образува анода 80, 81, 82. Тук микроводораслите допринасят за създаването на диференциално аерирани клетки на повърхността на люспите MXene, които произвеждат кислород поради своите фотосинтетични свойства. В резултат на това се образуват продукти на биокорозия (в този случай ниобиеви оксиди). Друг аспект е, че микроводораслите могат да произвеждат органични киселини, които се отделят във водата83,84. Следователно се образува агресивна среда, като по този начин се променят Nb-MXene. Освен това, микроводораслите могат да променят pH на средата до алкална поради абсорбцията на въглероден диоксид, което също може да причини корозия79.
По-важното е, че фотопериодът тъмно/светло, използван в нашето изследване, е от решаващо значение за разбирането на получените резултати. Този аспект е описан подробно в Djemai-Zoghlache et al.85 Те умишлено са използвали фотопериод от 12/12 часа, за да демонстрират биокорозия, свързана с биообрастване от червените микроводорасли Porphyridium purpureum. Те показват, че фотопериодът е свързан с еволюцията на потенциала без биокорозия, проявяваща се като псевдопериодични осцилации около 24:00. Тези наблюдения са потвърдени от Dowling et al.86 Те демонстрираха фотосинтетични биофилми от цианобактерии Anabaena. Разтворен кислород се образува под действието на светлината, което е свързано с промяна или колебания в свободния потенциал на биокорозия. Значението на фотопериода се подчертава от факта, че свободният потенциал за биокорозия се увеличава в светлата фаза и намалява в тъмната фаза. Това се дължи на кислорода, произведен от фотосинтетичните микроводорасли, който влияе на катодната реакция чрез парциалното налягане, генерирано близо до електродите87.
Освен това беше извършена инфрачервена спектроскопия с Фурие трансформация (FTIR), за да се установи дали са настъпили промени в химичния състав на клетките на микроводораслите след взаимодействие с Nb-MXenes. Получените резултати са комплексни и ги представяме в SI (Фигури S23-S25, включително резултатите от MAX етапа и ML MXenes). Накратко, получените референтни спектри на микроводораслите ни предоставят важна информация за химичните характеристики на тези организми. Тези най-вероятни вибрации са разположени при честоти от 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) и 3280 cm–1 (O–H). За SL Nb-MXenes открихме сигнатура на разтягане на CH-връзката, която е в съответствие с предишното ни проучване38. Въпреки това, наблюдавахме, че някои допълнителни пикове, свързани с C=C и CH връзки, изчезнаха. Това показва, че химичният състав на микроводораслите може да претърпи малки промени поради взаимодействието със SL Nb-MXenes.
Когато се обмислят възможни промени в биохимията на микроводораслите, е необходимо да се преразгледа натрупването на неорганични оксиди, като например ниобиев оксид59. Той участва в усвояването на метали от клетъчната повърхност, техния транспорт в цитоплазмата, свързването им с вътреклетъчни карбоксилни групи и натрупването им в полифосфосфозомите на микроводораслите20,88,89,90. Освен това, връзката между микроводораслите и металите се поддържа от функционални групи клетки. Поради тази причина абсорбцията зависи и от повърхностната химия на микроводораслите, която е доста сложна9,91. Като цяло, както се очакваше, химичният състав на зелените микроводорасли се промени леко поради абсорбцията на Nb оксид.
Интересното е, че наблюдаваното първоначално инхибиране на микроводораслите е обратимо с течение на времето. Както наблюдавахме, микроводораслите преодоляват първоначалната промяна в околната среда и в крайна сметка се връщат към нормални темпове на растеж и дори се увеличават. Проучванията на дзета потенциала показват висока стабилност при въвеждане в хранителни среди. По този начин, повърхностното взаимодействие между клетките на микроводораслите и нанолюспите Nb-MXene се поддържа по време на редукционните експерименти. В по-нататъшния ни анализ обобщаваме основните механизми на действие, лежащи в основата на това забележително поведение на микроводораслите.
Наблюденията със SEM показват, че микроводораслите са склонни да се прикрепят към Nb-MXene. Използвайки динамичен анализ на изображенията, ние потвърждаваме, че този ефект води до трансформация на двуизмерни Nb-MXene нанолюспи в по-сферични частици, като по този начин демонстрираме, че разграждането на нанолюспите е свързано с тяхното окисление. За да проверим нашата хипотеза, проведохме серия от материални и биохимични изследвания. След тестването, нанолюспите постепенно се окисляваха и разлагаха на NbO и Nb2O5 продукти, които не представляваха заплаха за зелените микроводорасли. Използвайки FTIR наблюдение, не открихме значителни промени в химичния състав на микроводораслите, инкубирани в присъствието на 2D Nb-MXene нанолюспи. Като се вземе предвид възможността за абсорбция на ниобиев оксид от микроводораслите, извършихме рентгенофлуоресцентен анализ. Тези резултати ясно показват, че изследваните микроводорасли се хранят с ниобиеви оксиди (NbO и Nb2O5), които са нетоксични за изследваните микроводорасли.