Gràcies per visitar Nature.com.Esteu utilitzant una versió del navegador amb suport CSS limitat.Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer).Mentrestant, per garantir un suport continuat, renderitzarem el lloc sense estils ni JavaScript.
Mostra un carrusel de tres diapositives alhora.Utilitzeu els botons Anterior i Següent per moure's per tres diapositives alhora, o utilitzeu els botons lliscants al final per moure's per tres diapositives alhora.
El ràpid desenvolupament de la nanotecnologia i la seva integració en aplicacions quotidianes poden amenaçar el medi ambient.Tot i que els mètodes verds per a la degradació de contaminants orgànics estan ben establerts, la recuperació de contaminants cristal·lins inorgànics és de gran preocupació a causa de la seva baixa sensibilitat a la biotransformació i la manca de comprensió de les interaccions de la superfície del material amb els biològics.Aquí, utilitzem un model MXenes 2D inorgànic basat en Nb combinat amb un mètode senzill d'anàlisi de paràmetres de forma per rastrejar el mecanisme de bioremediació de nanomaterials ceràmics 2D per la microalga verda Raphidocelis subcapitata.Hem trobat que les microalgues degraden els MXens basats en Nb a causa d'interaccions físico-químiques relacionades amb la superfície.Inicialment, es van unir nanoflakes MXene d'una sola capa i multicapa a la superfície de les microalgues, cosa que va reduir una mica el creixement d'algues.Tanmateix, després d'una interacció prolongada amb la superfície, les microalgues van oxidar nanoflaques de MXene i els van descompondre encara més en NbO i Nb2O5.Com que aquests òxids no són tòxics per a les cèl·lules de les microalgues, consumeixen nanopartícules d'òxid de Nb mitjançant un mecanisme d'absorció que restaura encara més les microalgues després de 72 hores de tractament de l'aigua.Els efectes dels nutrients associats a l'absorció també es reflecteixen en l'augment del volum cel·lular, la seva forma suau i el canvi en la velocitat de creixement.A partir d'aquestes troballes, concloem que la presència a curt i llarg termini de MXens basats en Nb als ecosistemes d'aigua dolça només pot causar impactes ambientals menors.Cal destacar que, utilitzant nanomaterials bidimensionals com a sistemes model, demostrem la possibilitat de fer un seguiment de la transformació de la forma fins i tot en materials de gra fi.En general, aquest estudi respon a una pregunta fonamental important sobre els processos relacionats amb la interacció superficial que impulsen el mecanisme de bioremediació dels nanomaterials 2D i proporciona una base per a estudis posteriors a curt i llarg termini de l'impacte ambiental dels nanomaterials cristal·lins inorgànics.
Els nanomaterials han generat molt d'interès des del seu descobriment, i diverses nanotecnologies han entrat recentment en una fase de modernització1.Malauradament, la integració de nanomaterials en aplicacions quotidianes pot conduir a alliberaments accidentals a causa d'una eliminació inadequada, una manipulació descuidada o una infraestructura de seguretat inadequada.Per tant, és raonable suposar que els nanomaterials, inclosos els nanomaterials bidimensionals (2D), es poden alliberar al medi natural, el comportament i l'activitat biològica dels quals encara no s'entén completament.Per tant, no és d'estranyar que les preocupacions per l'ecotoxicitat s'hagin centrat en la capacitat dels nanomaterials 2D per filtrar-se als sistemes aquàtics2,3,4,5,6.En aquests ecosistemes, alguns nanomaterials 2D poden interactuar amb diversos organismes a diferents nivells tròfics, incloses les microalgues.
Les microalgues són organismes primitius que es troben de manera natural als ecosistemes d'aigua dolça i marins que produeixen una varietat de productes químics mitjançant la fotosíntesi7.Com a tals, són crítics per als ecosistemes aquàtics8,9,10,11,12, però també són indicadors sensibles, barats i àmpliament utilitzats d'ecotoxicitat13,14.Com que les cèl·lules de microalgues es multipliquen ràpidament i responen ràpidament a la presència de diversos compostos, són prometedores per al desenvolupament de mètodes respectuosos amb el medi ambient per tractar l'aigua contaminada amb substàncies orgàniques15,16.
Les cèl·lules d'algues poden eliminar ions inorgànics de l'aigua mitjançant la biosorció i l'acumulació17,18.Algunes espècies d'algues com Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue i Synechococcus sp.S'ha trobat que transporta i fins i tot nodreix ions metàl·lics tòxics com Fe2+, Cu2+, Zn2+ i Mn2+19.Altres estudis han demostrat que els ions Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ o Pb2+ limiten el creixement de Scenedesmus alterant la morfologia cel·lular i destruint els seus cloroplasts20,21.
Els mètodes verds per a la descomposició de contaminants orgànics i l'eliminació d'ions de metalls pesants han cridat l'atenció de científics i enginyers de tot el món.Això es deu principalment al fet que aquests contaminants es processen fàcilment en fase líquida.No obstant això, els contaminants cristal·lins inorgànics es caracteritzen per una baixa solubilitat en aigua i una baixa susceptibilitat a diverses biotransformacions, la qual cosa provoca grans dificultats en la remediació, i s'ha avançat poc en aquest àmbit22,23,24,25,26.Així, la recerca de solucions respectuoses amb el medi ambient per a la reparació de nanomaterials continua sent una àrea complexa i inexplorada.A causa de l'alt grau d'incertesa sobre els efectes de biotransformació dels nanomaterials 2D, no hi ha una manera fàcil d'esbrinar les possibles vies de la seva degradació durant la reducció.
En aquest estudi, hem utilitzat microalgues verdes com a agent de bioremediació aquosa actiu per a materials ceràmics inorgànics, combinat amb el seguiment in situ del procés de degradació de MXene com a representant dels materials ceràmics inorgànics.El terme "MXene" reflecteix l'estequiometria del material Mn+1XnTx, on M és un metall de transició primerenc, X és carboni i/o nitrogen, Tx és un terminador de superfície (per exemple, -OH, -F, -Cl) i n = 1, 2, 3 o 427,28.Des del descobriment de MXenes per Naguib et al.Sensorics, teràpia del càncer i filtració de membrana 27,29,30.A més, els MXenes es poden considerar com a sistemes model 2D per la seva excel·lent estabilitat col·loïdal i les possibles interaccions biològiques31,32,33,34,35,36.
Per tant, la metodologia desenvolupada en aquest article i les nostres hipòtesis de recerca es mostren a la figura 1. Segons aquesta hipòtesi, les microalgues degraden els MXens basats en Nb en compostos no tòxics a causa d'interaccions físico-químiques relacionades amb la superfície, la qual cosa permet una major recuperació de les algues.Per provar aquesta hipòtesi, es van seleccionar dos membres de la família dels primers carburs i/o nitrurs de metalls de transició a base de niobi (MXens), és a dir, Nb2CTx i Nb4C3TX.
Metodologia de recerca i hipòtesis basades en l'evidència per a la recuperació de MXene per microalgues verdes Raphidocelis subcapitata.Tingueu en compte que aquesta és només una representació esquemàtica de supòsits basats en l'evidència.L'entorn del llac difereix en el medi nutritiu utilitzat i les condicions (per exemple, cicle diürn i limitacions dels nutrients essencials disponibles).Creat amb BioRender.com.
Per tant, utilitzant MXene com a sistema model, hem obert la porta a l'estudi de diversos efectes biològics que no es poden observar amb altres nanomaterials convencionals.En particular, demostrem la possibilitat de bioremediació de nanomaterials bidimensionals, com els MXens basats en niobi, per part de les microalgues Raphidocelis subcapitata.Les microalgues són capaços de degradar els Nb-MXens en òxids no tòxics NbO i Nb2O5, que també proporcionen nutrients mitjançant el mecanisme d'absorció de niobi.En general, aquest estudi respon a una pregunta fonamental important sobre els processos associats a les interaccions fisicoquímiques superficials que regeixen els mecanismes de bioremediació de nanomaterials bidimensionals.A més, estem desenvolupant un mètode senzill basat en paràmetres de forma per fer el seguiment de canvis subtils en la forma dels nanomaterials 2D.Això inspira més investigacions a curt i llarg termini sobre els diferents impactes ambientals dels nanomaterials cristal·lins inorgànics.Així, el nostre estudi augmenta la comprensió de la interacció entre la superfície del material i el material biològic.També estem proporcionant la base per a estudis ampliats a curt i llarg termini dels seus possibles impactes sobre els ecosistemes d'aigua dolça, que ara es poden verificar fàcilment.
Els MXenes representen una classe interessant de materials amb propietats físiques i químiques úniques i atractives i, per tant, moltes aplicacions potencials.Aquestes propietats depenen en gran mesura de la seva estequiometria i de la química de la superfície.Per tant, en el nostre estudi, vam investigar dos tipus de MXens jeràrquics d'una sola capa (SL) basats en Nb, Nb2CTx i Nb4C3TX, ja que es van poder observar diferents efectes biològics d'aquests nanomaterials.Els MXenes es produeixen a partir dels seus materials de partida mitjançant un gravat selectiu de dalt a baix de capes A de fase MAX atòmicament primes.La fase MAX és una ceràmica ternària composta per blocs "enllaçats" de carburs de metalls de transició i capes fines d'elements "A" com Al, Si i Sn amb estequiometria MnAXn-1.La morfologia de la fase MAX inicial es va observar mitjançant microscòpia electrònica d'escaneig (SEM) i va ser coherent amb estudis anteriors (vegeu informació suplementària, SI, figura S1).El Nb-MXene multicapa (ML) es va obtenir després d'eliminar la capa d'Al amb un 48% d'HF (àcid fluorhídric).La morfologia de ML-Nb2CTx i ML-Nb4C3TX es va examinar mitjançant microscòpia electrònica d'escaneig (SEM) (figures S1c i S1d respectivament) i es va observar una morfologia típica de MXene en capes, similar als nanofocs bidimensionals que passaven per escletxes allargades semblants a porus.Tots dos Nb-MXens tenen molt en comú amb les fases MXene prèviament sintetitzades per gravat àcid27,38.Després de confirmar l'estructura de MXene, la vam posar en capes mitjançant la intercalació d'hidròxid de tetrabutilamoni (TBAOH) seguida de rentat i sonicació, després de la qual cosa vam obtenir nanofocs de Nb-MXene 2D d'una sola capa o de capa baixa (SL).
Hem utilitzat microscòpia electrònica de transmissió d'alta resolució (HRTEM) i difracció de raigs X (XRD) per provar l'eficiència del gravat i el peeling posterior.Els resultats HRTEM processats mitjançant la Transformada de Fourier ràpida inversa (IFFT) i la Transformada ràpida de Fourier (FFT) es mostren a la figura 2. Els nanofocs de Nb-MXene es van orientar cap amunt per comprovar l'estructura de la capa atòmica i mesurar les distàncies interplanars.Les imatges HRTEM de nanoflakes MXene Nb2CTx i Nb4C3TX van revelar la seva naturalesa atòmicament en capes primes (vegeu la figura 2a1, a2), tal com ja van informar Naguib et al.27 i Jastrzębska et al.38.Per a dues monocapes Nb2CTx i Nb4C3Tx adjacents, vam determinar distàncies entre capes de 0,74 i 1,54 nm, respectivament (Figs. 2b1, b2), que també coincideix amb els nostres resultats anteriors38.Això es va confirmar encara més amb la transformada de Fourier ràpida inversa (Fig. 2c1, c2) i la transformada ràpida de Fourier (Fig. 2d1, d2) que mostra la distància entre les monocapes Nb2CTx i Nb4C3Tx.La imatge mostra una alternança de bandes clares i fosques corresponents a àtoms de niobi i carboni, la qual cosa confirma la naturalesa en capes dels MXens estudiats.És important tenir en compte que els espectres d'espectroscòpia de raigs X de dispersió d'energia (EDX) obtinguts per a Nb2CTx i Nb4C3Tx (figures S2a i S2b) no van mostrar cap resta de la fase MAX original, ja que no es va detectar cap pic d'Al.
Caracterització dels nanoflakes SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXene, incloent (a) imatges de nanoflakes 2D de vista lateral de microscòpia electrònica d'alta resolució (HRTEM) i corresponents, (b) mode d'intensitat, (c) transformada de Fourier ràpida inversa (IFFT), (d) transformada ràpida de Fourier (FFT), (e) patrons de raigs X Nb.Per a SL 2D Nb2CTx, els nombres s'expressen com (a1, b1, c1, d1, e1).Per a SL 2D Nb4C3Tx, els nombres s'expressen com (a2, b2, c2, d2, e1).
Les mesures de difracció de raigs X dels SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXenes es mostren a les Figs.2e1 i e2, respectivament.Els pics (002) a 4,31 i 4,32 corresponen als MXens en capes Nb2CTx i Nb4C3TX38,39,40,41 descrits anteriorment, respectivament.Els resultats de XRD també indiquen la presència d'algunes estructures ML residuals i fases MAX, però sobretot patrons de XRD associats a SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2).La presència de partícules més petites de la fase MAX pot explicar el pic MAX més fort en comparació amb les capes Nb4C3Tx apilades aleatòriament.
Les investigacions posteriors s'han centrat en les microalgues verdes pertanyents a l'espècie R. subcapitata.Hem escollit les microalgues perquè són productors importants implicats en les principals xarxes tròfiques42.També són un dels millors indicadors de toxicitat a causa de la capacitat d'eliminar les substàncies tòxiques que es transporten a nivells superiors de la cadena alimentària43.A més, la investigació sobre R. subcapitata pot aportar llum sobre la toxicitat incidental dels SL Nb-MXenes per als microorganismes comuns d'aigua dolça.Per il·lustrar-ho, els investigadors van plantejar la hipòtesi que cada microbi té una sensibilitat diferent als compostos tòxics presents al medi ambient.Per a la majoria dels organismes, les baixes concentracions de substàncies no afecten el seu creixement, mentre que les concentracions per sobre d'un cert límit poden inhibir-los o fins i tot causar la mort.Per tant, per als nostres estudis sobre la interacció superficial entre microalgues i MXens i la recuperació associada, vam decidir provar les concentracions inofensives i tòxiques de Nb-MXens.Per fer-ho, hem provat concentracions de 0 (com a referència), 0,01, 0,1 i 10 mg l-1 MXene i, a més, microalgues infectades amb concentracions molt elevades de MXene (100 mg l-1 MXene), que poden ser extremes i letals..per a qualsevol entorn biològic.
Els efectes de SL Nb-MXenes sobre les microalgues es mostren a la figura 3, expressats com el percentatge de promoció del creixement (+) o inhibició (-) mesurat per a mostres de 0 mg l-1.Per a la comparació, també es van provar la fase Nb-MAX i els Nb-MXens ML i els resultats es mostren a SI (vegeu la figura S3).Els resultats obtinguts van confirmar que SL Nb-MXenes està gairebé completament desproveït de toxicitat en el rang de concentracions baixes de 0,01 a 10 mg/l, tal com es mostra a la figura 3a,b.En el cas de Nb2CTx, no vam observar més d'un 5% d'ecotoxicitat en el rang especificat.
Estimulació (+) o inhibició (-) del creixement de microalgues en presència de SL (a) Nb2CTx i (b) Nb4C3TX MXene.Es van analitzar 24, 48 i 72 hores d'interacció MXene-microalgues. Les dades significatives (test t, p <0, 05) es van marcar amb un asterisc (*). Les dades significatives (test t, p <0, 05) es van marcar amb un asterisc (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Les dades significatives (test t, p < 0,05) estan marcades amb 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 (prova t, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Les dades importants (test t, p < 0,05) estan marcades amb un asterisc (*).Les fletxes vermelles indiquen l'abolició de l'estimulació inhibitòria.
D'altra banda, les baixes concentracions de Nb4C3TX van resultar ser lleugerament més tòxiques, però no superiors al 7%.Com era d'esperar, vam observar que els MXenes tenien una major toxicitat i inhibició del creixement de microalgues a 100 mg L-1.Curiosament, cap dels materials va mostrar la mateixa tendència i dependència temporal dels efectes atòxics/tòxics en comparació amb les mostres MAX o ML (vegeu SI per a més detalls).Mentre que per a la fase MAX (vegeu la figura S3) la toxicitat va assolir aproximadament el 15-25% i va augmentar amb el temps, es va observar la tendència inversa per a SL Nb2CTx i Nb4C3TX MXene.La inhibició del creixement de les microalgues va disminuir amb el temps.Va arribar aproximadament al 17% després de 24 hores i va baixar a menys del 5% després de 72 hores (Fig. 3a, b, respectivament).
Més important encara, per a SL Nb4C3TX, la inhibició del creixement de les microalgues va arribar al voltant del 27% després de 24 hores, però després de 72 hores va disminuir fins a un 1%.Per tant, vam etiquetar l'efecte observat com a inhibició inversa de l'estimulació i l'efecte va ser més fort per a SL Nb4C3TX MXene.L'estimulació del creixement de microalgues es va observar anteriorment amb Nb4C3TX (interacció a 10 mg L-1 durant 24 h) en comparació amb SL Nb2CTx MXene.L'efecte de inversió de la inhibició-estimulació també es va mostrar bé a la corba de la taxa de duplicació de la biomassa (vegeu la figura S4 per a més detalls).Fins ara, només s'ha estudiat de diferents maneres l'ecotoxicitat del Ti3C2TX MXene.No és tòxic per als embrions de peix zebra44 però moderadament ecotòxic per a les plantes de microalgues Desmodesmus quadricauda i Sorghum saccharatum45.Altres exemples d'efectes específics inclouen una toxicitat més alta per a les línies cel·lulars cancerígenes que per a les línies cel·lulars normals46,47.Es podria suposar que les condicions de prova influirien en els canvis en el creixement de les microalgues observats en presència de Nb-MXens.Per exemple, un pH d'aproximadament 8 a l'estroma del cloroplast és òptim per al funcionament eficient de l'enzim RuBisCO.Per tant, els canvis de pH afecten negativament la taxa de fotosíntesi48,49.Tanmateix, no vam observar canvis significatius en el pH durant l'experiment (vegeu SI, Fig. S5 per a més detalls).En general, els cultius de microalgues amb Nb-MXens van reduir lleugerament el pH de la solució amb el temps.Tanmateix, aquesta disminució va ser similar a un canvi en el pH d'un medi pur.A més, el rang de variacions trobades va ser similar al mesurat per a un cultiu pur de microalgues (mostra de control).Així, arribem a la conclusió que la fotosíntesi no es veu afectada pels canvis de pH al llarg del temps.
A més, els MXens sintetitzats tenen terminacions superficials (denotades com a Tx).Es tracta principalment de grups funcionals -O, -F i -OH.Tanmateix, la química de la superfície està directament relacionada amb el mètode de síntesi.Se sap que aquests grups es distribueixen aleatòriament per la superfície, cosa que fa difícil predir el seu efecte sobre les propietats de MXene50.Es pot argumentar que Tx podria ser la força catalítica per a l'oxidació del niobi per la llum.De fet, els grups funcionals superficials proporcionen múltiples llocs d'ancoratge perquè els seus fotocatalitzadors subjacents formin heterounions51.Tanmateix, la composició del medi de creixement no va proporcionar un fotocatalitzador eficaç (la composició del medi detallada es pot trobar a la taula SI S6).A més, qualsevol modificació superficial també és molt important, ja que l'activitat biològica dels MXenes es pot veure alterada a causa del postprocessament de la capa, l'oxidació, la modificació química de la superfície de compostos orgànics i inorgànics52,53,54,55,56 o l'enginyeria de càrrega superficial38.Per tant, per provar si l'òxid de niobi té alguna cosa a veure amb la inestabilitat del material en el medi, vam realitzar estudis sobre el potencial zeta (ζ) en el medi de creixement de microalgues i l'aigua desionitzada (per a comparació).Els nostres resultats mostren que els SL Nb-MXens són bastant estables (vegeu SI Fig. S6 per als resultats MAX i ML).El potencial zeta de SL MXenes és d'uns -10 mV.En el cas de SR Nb2CTx, el valor de ζ és una mica més negatiu que el de Nb4C3Tx.Aquest canvi en el valor ζ pot indicar que la superfície dels nanoflakes MXene carregats negativament absorbeix ions carregats positivament del medi de cultiu.Les mesures temporals del potencial zeta i la conductivitat de Nb-MXenes en medi de cultiu (vegeu les figures S7 i S8 a SI per a més detalls) semblen donar suport a la nostra hipòtesi.
Tanmateix, ambdues SL Nb-MXene van mostrar canvis mínims des de zero.Això demostra clarament la seva estabilitat en el medi de creixement de microalgues.A més, vam avaluar si la presència de les nostres microalgues verdes afectaria l'estabilitat dels Nb-MXens al medi.Els resultats del potencial zeta i la conductivitat dels MXenes després de la interacció amb microalgues en medis nutritius i cultiu al llarg del temps es poden trobar a SI (figures S9 i S10).Curiosament, vam observar que la presència de microalgues semblava estabilitzar la dispersió dels dos MXens.En el cas de Nb2CTx SL, el potencial zeta fins i tot va disminuir lleugerament amb el temps fins a valors més negatius (-15,8 versus -19,1 mV després de 72 h d'incubació).El potencial zeta de SL Nb4C3TX va augmentar lleugerament, però després de 72 h encara va mostrar una estabilitat més gran que els nanoflakes sense la presència de microalgues (-18,1 vs. -9,1 mV).
També vam trobar una menor conductivitat de les solucions de Nb-MXene incubades en presència de microalgues, cosa que indica una menor quantitat d'ions en el medi nutritiu.En particular, la inestabilitat dels MXens a l'aigua es deu principalment a l'oxidació superficial57.Per tant, sospitem que les microalgues verdes van netejar d'alguna manera els òxids formats a la superfície de Nb-MXene i fins i tot van impedir la seva aparició (oxidació de MXene).Això es pot comprovar estudiant els tipus de substàncies absorbides per les microalgues.
Si bé els nostres estudis ecotoxicològics van indicar que les microalgues van poder superar la toxicitat dels Nb-MXens amb el pas del temps i la inhibició inusual del creixement estimulat, l'objectiu del nostre estudi era investigar els possibles mecanismes d'acció.Quan organismes com les algues estan exposats a compostos o materials desconeguts als seus ecosistemes, poden reaccionar de diverses maneres58,59.En absència d'òxids metàl·lics tòxics, les microalgues poden alimentar-se, permetent-los créixer contínuament60.Després de la ingestió de substàncies tòxiques, es poden activar mecanismes de defensa, com ara canviar de forma o forma.També s'ha de considerar la possibilitat d'absorció58,59.En particular, qualsevol signe d'un mecanisme de defensa és un indicador clar de la toxicitat del compost de prova.Per tant, en el nostre treball posterior, vam investigar la possible interacció superficial entre nanoflakes SL Nb-MXene i microalgues per SEM i la possible absorció de MXene basat en Nb per espectroscòpia de fluorescència de raigs X (XRF).Tingueu en compte que les anàlisis SEM i XRF només es van realitzar a la concentració més alta de MXene per abordar els problemes de toxicitat de l'activitat.
Els resultats del SEM es mostren a la Fig.4.Les cèl·lules de microalgues no tractades (vegeu la figura 4a, mostra de referència) mostraven clarament la morfologia típica de R. subcapitata i la forma cel·lular de croissant.Les cèl·lules apareixen aplanades i una mica desorganitzades.Algunes cèl·lules de microalgues es van sobreposar i es van enredar entre elles, però probablement això va ser causat pel procés de preparació de la mostra.En general, les cèl·lules de microalgues pures tenien una superfície llisa i no presentaven cap canvi morfològic.
Imatges SEM que mostren la interacció superficial entre microalgues verdes i nanofulls MXene després de 72 hores d'interacció a concentració extrema (100 mg L-1).( a ) Microalgues verdes no tractades després de la interacció amb SL ( b ) Nb2CTx i ( c ) Nb4C3TX MXenes.Tingueu en compte que els nanoflakes Nb-MXene estan marcats amb fletxes vermelles.Com a comparació, també s'afegeixen fotografies d'un microscopi òptic.
En canvi, les cèl·lules de microalgues adsorbides per nanoflakes SL Nb-MXene es van danyar (vegeu la figura 4b, c, fletxes vermelles).En el cas de Nb2CTx MXene (Fig. 4b), les microalgues tendeixen a créixer amb nanoescales bidimensionals adjuntes, que poden canviar la seva morfologia.Notablement, també vam observar aquests canvis sota microscòpia de llum (vegeu la figura SI S11 per a més detalls).Aquesta transició morfològica té una base plausible en la fisiologia de les microalgues i en la seva capacitat de defensar-se canviant la morfologia cel·lular, com l'augment del volum cel·lular61.Per tant, és important comprovar el nombre de cèl·lules de microalgues que realment estan en contacte amb Nb-MXens.Els estudis SEM van demostrar que aproximadament el 52% de les cèl·lules de microalgues estaven exposades a Nb-MXens, mentre que el 48% d'aquestes cèl·lules de microalgues evitaven el contacte.Per a SL Nb4C3Tx MXene, les microalgues intenten evitar el contacte amb MXene, localitzant-se així i creixent a partir de nanoescales bidimensionals (Fig. 4c).Tanmateix, no vam observar la penetració de nanoescales a les cèl·lules de microalgues i el seu dany.
L'autoconservació també és un comportament de resposta depenent del temps al bloqueig de la fotosíntesi a causa de l'adsorció de partícules a la superfície cel·lular i l'anomenat efecte d'ombrejat (ombrejat)62.És evident que cada objecte (per exemple, nanoflakes de Nb-MXene) que es troba entre les microalgues i la font de llum limita la quantitat de llum absorbida pels cloroplasts.Tanmateix, no tenim cap dubte que això té un impacte significatiu en els resultats obtinguts.Tal com mostren les nostres observacions microscòpiques, els nanoflakes 2D no estaven completament embolcallats ni adherits a la superfície de les microalgues, fins i tot quan les cèl·lules de microalgues estaven en contacte amb Nb-MXenes.En canvi, els nanoflakes van resultar estar orientats a cèl·lules de microalgues sense cobrir la seva superfície.Aquest conjunt de nanofocs/microalgues no pot limitar significativament la quantitat de llum absorbida per les cèl·lules de microalgues.A més, alguns estudis fins i tot han demostrat una millora en l'absorció de llum per part d'organismes fotosintètics en presència de nanomaterials bidimensionals63,64,65,66.
Com que les imatges SEM no podien confirmar directament l'absorció de niobi per part de les cèl·lules de microalgues, el nostre estudi posterior es va dirigir a l'anàlisi de fluorescència de raigs X (XRF) i espectroscòpia de fotoelectrons de raigs X (XPS) per aclarir aquest problema.Per tant, vam comparar la intensitat dels pics de Nb de mostres de microalgues de referència que no van interactuar amb MXenes, nanoflakes MXene despresos de la superfície de les cèl·lules de microalgues i cèl·lules de microalgues després de l'eliminació dels MXens units.Val la pena assenyalar que si no hi ha captació de Nb, el valor de Nb obtingut per les cèl·lules de microalgues hauria de ser zero després de l'eliminació de les nanoescales adjuntes.Per tant, si es produeix l'absorció de Nb, els resultats de XRF i XPS haurien de mostrar un pic de Nb clar.
En el cas dels espectres XRF, les mostres de microalgues van mostrar pics de Nb per SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXene després de la interacció amb SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXene (vegeu la figura 5a, també tingueu en compte que els resultats de MAX i ML MXenes es mostren a SI, figures S12-C17).Curiosament, la intensitat del pic de Nb és la mateixa en ambdós casos (barres vermelles a la figura 5a).Això indicava que les algues no podien absorbir més Nb i es va aconseguir la màxima capacitat d'acumulació de Nb a les cèl·lules, tot i que es va unir dues vegades més Nb4C3Tx MXene a les cèl·lules de microalgues (barres blaves a la figura 5a).En particular, la capacitat de les microalgues per absorbir metalls depèn de la concentració d'òxids metàl·lics a l'entorn67,68.Shamshada et al.67 van trobar que la capacitat d'absorció de les algues d'aigua dolça disminueix amb l'augment del pH.Raize et al.68 van assenyalar que la capacitat de les algues per absorbir metalls era aproximadament un 25% més gran per al Pb2+ que per al Ni2+.
( a ) Resultats XRF de l'absorció basal de Nb per cèl·lules de microalgues verdes incubades a una concentració extrema de SL Nb-MXenes (100 mg L-1) durant 72 hores.Els resultats mostren la presència d'α en cèl·lules de microalgues pures (mostra de control, columnes grises), nanofocs 2D aïllats de cèl·lules de microalgues superficials (columnes blaves) i cèl·lules de microalgues després de la separació de nanofocs 2D de la superfície (columnes vermelles).La quantitat de Nb elemental, (b) percentatge de composició química dels components orgànics de microalgues (C=O i CHx/C–O) i òxids de Nb presents a les cèl·lules de microalgues després de la incubació amb SL Nb-MXenes, (c–e) Ajustament del pic compositiu dels espectres XPS SL Nb2CTx i (fh) SLx Nb4C3T interioritzat per microalgues.
Per tant, esperàvem que Nb pogués ser absorbit per les cèl·lules d'algues en forma d'òxids.Per provar-ho, vam realitzar estudis XPS sobre MXenes Nb2CTx i Nb4C3TX i cèl·lules d'algues.A les Figs.5b.Com era d'esperar, vam detectar pics de Nb 3d a les mostres de microalgues després de l'eliminació de MXene de la superfície de les microalgues.La determinació quantitativa dels òxids C=O, CHx/CO i Nb es va calcular a partir dels espectres Nb 3d, O 1s i C 1s obtinguts amb Nb2CTx SL (Fig. 5c–e) i Nb4C3Tx SL (Fig. 5c–e).) obtingut a partir de microalgues incubades.Figura 5f–h) MXens.La taula S1-3 mostra els detalls dels paràmetres màxims i la química general resultant de l'ajust.Cal destacar que les regions Nb 3d de Nb2CTx SL i Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) corresponen a un component Nb2O5.Aquí, no hem trobat cap pic relacionat amb MXene als espectres, cosa que indica que les cèl·lules de microalgues només absorbeixen la forma d'òxid de Nb.A més, vam aproximar l'espectre C 1 s amb els components C–C, CHx/C–O, C = O i –COOH.Hem assignat els pics de CHx / C–O i C = O a la contribució orgànica de les cèl·lules de microalgues.Aquests components orgànics representen el 36% i el 41% dels pics de C 1s a Nb2CTx SL i Nb4C3TX SL, respectivament.A continuació, vam ajustar els espectres O 1s de SL Nb2CTx i SL Nb4C3TX amb Nb2O5, components orgànics de microalgues (CHx/CO) i aigua superficial adsorbida.
Finalment, els resultats XPS van indicar clarament la forma de Nb, no només la seva presència.Segons la posició del senyal Nb 3d i els resultats de la deconvolució, confirmem que Nb s'absorbeix només en forma d'òxids i no en forma d'ions o MXene en si.A més, els resultats de l'XPS van mostrar que les cèl·lules de microalgues tenen una capacitat més gran per absorbir òxids de Nb de SL Nb2CTx en comparació amb SL Nb4C3TX MXene.
Tot i que els nostres resultats de captació de Nb són impressionants i ens permeten identificar la degradació de MXene, no hi ha cap mètode disponible per fer un seguiment dels canvis morfològics associats en nanoflakes 2D.Per tant, també vam decidir desenvolupar un mètode adequat que pugui respondre directament a qualsevol canvi que es produeixi en els nanofocs de Nb-MXene 2D i les cèl·lules de microalgues.És important tenir en compte que assumim que si les espècies que interaccionen pateixen alguna transformació, descomposició o desfragmentació, això s'hauria de manifestar ràpidament com a canvis en els paràmetres de forma, com ara el diàmetre de l'àrea circular equivalent, la rodonesa, l'amplada de Feret o la longitud de Feret.Com que aquests paràmetres són adequats per descriure partícules allargades o nanofocs bidimensionals, el seu seguiment mitjançant l'anàlisi dinàmica de la forma de les partícules ens donarà informació valuosa sobre la transformació morfològica dels nanofocs SL Nb-MXene durant la reducció.
Els resultats obtinguts es mostren a la figura 6. Per a la comparació, també vam provar la fase MAX original i els ML-MXenes (vegeu les figures SI S18 i S19).L'anàlisi dinàmica de la forma de les partícules va mostrar que tots els paràmetres de forma de dos SL de Nb-MXene van canviar significativament després de la interacció amb les microalgues.Tal com mostra el paràmetre de diàmetre d'àrea circular equivalent (Fig. 6a, b), la intensitat màxima reduïda de la fracció de nanofocs grans indica que tendeixen a decaure en fragments més petits.A la fig.La figura 6c, d mostra una disminució dels pics associats a la mida transversal dels flocs (allargament dels nanofocs), cosa que indica la transformació de nanoflakes 2D en una forma més semblant a partícules.Figura 6e-h que mostra l'amplada i la longitud del Feret, respectivament.L'amplada i la longitud del feret són paràmetres complementaris i, per tant, s'han de considerar conjuntament.Després de la incubació de nanoflakes Nb-MXene 2D en presència de microalgues, els seus pics de correlació Feret es van desplaçar i la seva intensitat va disminuir.A partir d'aquests resultats en combinació amb la morfologia, XRF i XPS, vam concloure que els canvis observats estan fortament relacionats amb l'oxidació a mesura que els MXens oxidats es tornen més arrugats i es descomponen en fragments i partícules d'òxid esfèrics69,70.
Anàlisi de la transformació de MXene després de la interacció amb microalgues verdes.L'anàlisi dinàmica de la forma de les partícules té en compte paràmetres com (a, b) diàmetre de l'àrea circular equivalent, (c, d) rodonesa, (e, f) amplada de Feret i (g, h) longitud de Feret.Amb aquesta finalitat, es van analitzar dues mostres de microalgues de referència juntament amb SL Nb2CTx i SL Nb4C3Tx MXens primaris, SL Nb2CTx i SL Nb4C3Tx MXens, microalgues degradades i microalgues tractades SL Nb2CTx i SL Nb4C3Tx MXens.Les fletxes vermelles mostren les transicions dels paràmetres de forma dels nanofocs bidimensionals estudiats.
Atès que l'anàlisi dels paràmetres de forma és molt fiable, també pot revelar canvis morfològics a les cèl·lules de microalgues.Per tant, es va analitzar el diàmetre de l'àrea circular equivalent, la rodonesa i l'amplada / longitud de Feret de cèl·lules i cèl·lules de microalgues pures després de la interacció amb nanofocs de Nb 2D.A la fig.Les figures 6a–h mostren canvis en els paràmetres de forma de les cèl·lules d'algues, com ho demostra una disminució de la intensitat màxima i un canvi de màxims cap a valors més alts.En particular, els paràmetres de rodonesa cel·lular van mostrar una disminució de les cèl·lules allargades i un augment de les cèl·lules esfèriques (Fig. 6a, b).A més, l'amplada de les cèl·lules de Feret va augmentar uns quants micròmetres després de la interacció amb SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) en comparació amb SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f).Sospitem que això pot ser degut a la forta absorció d'òxids de Nb per part de les microalgues després de la interacció amb Nb2CTx SR.La fixació menys rígida de flocs de Nb a la seva superfície pot provocar un creixement cel·lular amb un efecte d'ombrejat mínim.
Les nostres observacions de canvis en els paràmetres de la forma i la mida de les microalgues complementen altres estudis.Les microalgues verdes poden canviar la seva morfologia en resposta a l'estrès ambiental canviant la mida, la forma o el metabolisme de les cèl·lules61.Per exemple, canviar la mida de les cèl·lules facilita l'absorció de nutrients71.Les cèl·lules d'algues més petites mostren una menor absorció de nutrients i una taxa de creixement deteriorada.Per contra, les cèl·lules més grans tendeixen a consumir més nutrients, que després es dipositen intracel·lularment72,73.Machado i Soares van trobar que el fungicida triclosan pot augmentar la mida de les cèl·lules.També van trobar canvis profunds en la forma de les algues74.A més, Yin et al.9 també van revelar canvis morfològics en les algues després de l'exposició a nanocomposites d'òxid de grafè reduïts.Per tant, està clar que els paràmetres de mida/forma alterats de les microalgues són causats per la presència de MXene.Com que aquest canvi de mida i forma és indicatiu dels canvis en la captació de nutrients, creiem que l'anàlisi dels paràmetres de mida i forma al llarg del temps pot demostrar la captació d'òxid de niobi per part de les microalgues en presència de Nb-MXenes.
A més, els MXenes es poden oxidar en presència d'algues.Dalai et al.75 van observar que la morfologia de les algues verdes exposades a nano-TiO2 i Al2O376 no era uniforme.Tot i que les nostres observacions són similars al present estudi, només és rellevant per a l'estudi dels efectes de la bioremediació en termes de productes de degradació de MXene en presència de nanoflakes 2D i no de nanopartícules.Com que els MXens poden degradar-se en òxids metàl·lics,31,32,77,78 és raonable suposar que els nostres nanofocs de Nb també poden formar òxids de Nb després d'interaccionar amb cèl·lules de microalgues.
Per tal d'explicar la reducció de nanoflakes 2D-Nb mitjançant un mecanisme de descomposició basat en el procés d'oxidació, hem realitzat estudis mitjançant microscòpia electrònica de transmissió d'alta resolució (HRTEM) (Fig. 7a, b) i espectroscòpia de fotoelectrons de raigs X (XPS) (Fig. 7).7c-i i taules S4-5).Tots dos enfocaments són adequats per estudiar l'oxidació de materials 2D i es complementen.HRTEM és capaç d'analitzar la degradació d'estructures en capes bidimensionals i la posterior aparició de nanopartícules d'òxid metàl·lic, mentre que XPS és sensible als enllaços superficials.Amb aquesta finalitat, vam provar nanoflakes de Nb-MXene 2D extrets de dispersions de cèl·lules de microalgues, és a dir, la seva forma després de la interacció amb cèl·lules de microalgues (vegeu la figura 7).
Imatges HRTEM que mostren la morfologia dels MXens oxidats (a) SL Nb2CTx i (b) SL Nb4C3Tx MXenes, resultats de l'anàlisi XPS que mostren (c) la composició dels productes d'òxid després de la reducció, (d–f) coincidència màxima dels components de l'espectre XPS de SL Nb2CTx i (g–i) Nb4C3Tx Nb4C3T verd reparat.
Els estudis HRTEM van confirmar l'oxidació de dos tipus de nanofocs de Nb-MXene.Tot i que els nanoflakes van conservar la seva morfologia bidimensional fins a cert punt, l'oxidació va donar lloc a l'aparició de moltes nanopartícules que cobrien la superfície dels nanoflakes MXene (vegeu la figura 7a, b).L'anàlisi XPS dels senyals de c Nb 3d i O 1s va indicar que es van formar òxids de Nb en ambdós casos.Tal com es mostra a la figura 7c, 2D MXene Nb2CTx i Nb4C3TX tenen senyals Nb 3d que indiquen la presència d'òxids de NbO i Nb2O5, mentre que els senyals O 1s indiquen el nombre d'enllaços O-Nb associats amb la funcionalització de la superfície del nanoflake 2D.Hem observat que la contribució d'òxid de Nb és dominant en comparació amb Nb-C i Nb3+-O.
A la fig.Les figures 7g–i mostren els espectres XPS de Nb 3d, C 1s i O 1s SL Nb2CTx (vegeu les figures 7d–f) i SL Nb4C3TX MXene aïllat de cèl·lules de microalgues.Els detalls dels paràmetres màxims de Nb-MXenes es proporcionen a les taules S4-5, respectivament.Primer hem analitzat la composició de Nb 3d.A diferència del Nb absorbit per les cèl·lules de microalgues, en MXene aïllat de cèl·lules de microalgues, a part de Nb2O5, es van trobar altres components.Al Nb2CTx SL, vam observar la contribució de Nb3+-O en un 15%, mentre que la resta de l'espectre Nb 3d estava dominat per Nb2O5 (85%).A més, la mostra SL Nb4C3TX conté components Nb-C (9%) i Nb2O5 (91%).Aquí Nb-C prové de dues capes atòmiques internes de carbur metàl·lic a Nb4C3Tx SR.A continuació, mapem els espectres C 1s a quatre components diferents, tal com vam fer a les mostres interioritzades.Com era d'esperar, l'espectre C 1s està dominat pel carboni gràfic, seguit de les contribucions de partícules orgàniques (CHx/CO i C=O) de cèl·lules de microalgues.A més, en l'espectre O 1s, vam observar la contribució de les formes orgàniques de cèl·lules de microalgues, òxid de niobi i aigua adsorbida.
A més, vam investigar si la divisió de Nb-MXenes s'associa amb la presència d'espècies reactives d'oxigen (ROS) al medi nutritiu i/o a les cèl·lules de microalgues.Amb aquesta finalitat, es van avaluar els nivells d'oxigen singlet (1O2) en el medi de cultiu i el glutatió intracel·lular, un tiol que actua com a antioxidant en les microalgues.Els resultats es mostren a SI (figures S20 i S21).Els cultius amb SL Nb2CTx i Nb4C3TX MXens es van caracteritzar per una quantitat reduïda d'1O2 (vegeu la figura S20).En el cas de SL Nb2CTx, MXene 1O2 es redueix al voltant del 83%.Per als cultius de microalgues utilitzant SL, Nb4C3TX 1O2 va disminuir encara més, fins al 73%.Curiosament, els canvis en l'1O2 van mostrar la mateixa tendència que l'efecte inhibidor-estimulador observat anteriorment (vegeu la figura 3).Es pot argumentar que la incubació amb llum brillant pot alterar la fotooxidació.Tanmateix, els resultats de l'anàlisi de control van mostrar nivells gairebé constants d'1O2 durant l'experiment (Fig. S22).En el cas dels nivells de ROS intracel·lulars, també vam observar la mateixa tendència a la baixa (vegeu la figura S21).Inicialment, els nivells de ROS en cèl·lules de microalgues cultivades en presència de SL Nb2CTx i Nb4C3Tx van superar els nivells trobats en cultius purs de microalgues.Finalment, però, va semblar que les microalgues es van adaptar a la presència dels dos Nb-MXens, ja que els nivells de ROS van disminuir al 85% i al 91% dels nivells mesurats en cultius purs de microalgues inoculades amb SL Nb2CTx i Nb4C3TX, respectivament.Això pot indicar que les microalgues se senten més còmodes amb el temps en presència de Nb-MXene que en un medi nutritiu sol.
Les microalgues són un grup divers d'organismes fotosintètics.Durant la fotosíntesi, converteixen el diòxid de carboni atmosfèric (CO2) en carboni orgànic.Els productes de la fotosíntesi són la glucosa i l'oxigen79.Sospitem que l'oxigen així format té un paper crític en l'oxidació dels Nb-MXens.Una possible explicació d'això és que el paràmetre d'aireació diferencial es forma a pressions parcials baixes i altes d'oxigen fora i dins dels nanofocs de Nb-MXene.Això vol dir que allà on hi hagi zones de diferents pressions parcials d'oxigen, la zona amb el nivell més baix formarà l'ànode 80, 81, 82. Aquí, les microalgues contribueixen a la creació de cèl·lules amb aireació diferenciada a la superfície dels flocs de MXene, que produeixen oxigen a causa de les seves propietats fotosintètiques.Com a resultat, es formen productes de biocorrosió (en aquest cas, òxids de niobi).Un altre aspecte és que les microalgues poden produir àcids orgànics que s'alliberen a l'aigua83,84.Per tant, es forma un entorn agressiu, canviant així els Nb-MXens.A més, les microalgues poden canviar el pH de l'ambient a alcalí a causa de l'absorció de diòxid de carboni, que també pot provocar corrosió79.
Més important encara, el fotoperíode fosc/clar utilitzat en el nostre estudi és fonamental per entendre els resultats obtinguts.Aquest aspecte es descriu en detall a Djemai-Zoghlache et al.85 Van utilitzar deliberadament un fotoperíode de 12/12 hores per demostrar la biocorrosió associada a la bioincrustació de la microalga vermella Porphyridium purpureum.Mostren que el fotoperíode està associat a l'evolució del potencial sense biocorrosió, manifestant-se com oscil·lacions pseudoperòdiques al voltant de les 24:00.Aquestes observacions van ser confirmades per Dowling et al.86 Van demostrar biofilms fotosintètics de cianobacteris Anabaena.L'oxigen dissolt es forma sota l'acció de la llum, que s'associa amb un canvi o fluctuacions en el potencial de biocorrosió lliure.La importància del fotoperíode es subratlla pel fet que el potencial lliure de biocorrosió augmenta en la fase de llum i disminueix en la fase fosca.Això es deu a l'oxigen produït per les microalgues fotosintètiques, que influeix en la reacció catòdica a través de la pressió parcial generada prop dels elèctrodes87.
A més, es va realitzar espectroscòpia infraroja de transformada de Fourier (FTIR) per esbrinar si es van produir canvis en la composició química de les cèl·lules de microalgues després de la interacció amb Nb-MXenes.Aquests resultats obtinguts són complexos i els presentem en SI (figures S23-S25, incloent els resultats de l'etapa MAX i ML MXenes).En definitiva, els espectres de referència obtinguts de les microalgues ens proporcionen informació important sobre les característiques químiques d'aquests organismes.Aquestes vibracions més probables es troben a freqüències de 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.un.1 1 (C–H) i 3280 cm–1 (O–H).Per a SL Nb-MXenes, vam trobar una signatura d'estirament de l'enllaç CH que és coherent amb el nostre estudi anterior38.Tanmateix, vam observar que alguns pics addicionals associats als enllaços C = C i CH van desaparèixer.Això indica que la composició química de les microalgues pot experimentar canvis menors a causa de la interacció amb SL Nb-MXenes.
Quan es consideren possibles canvis en la bioquímica de les microalgues, cal reconsiderar l'acumulació d'òxids inorgànics, com l'òxid de niobi59.Està implicat en l'absorció de metalls per la superfície cel·lular, el seu transport al citoplasma, la seva associació amb grups carboxil intracel·lulars i la seva acumulació en polifossomes de microalgues20,88,89,90.A més, la relació entre les microalgues i els metalls es manté mitjançant grups funcionals de cèl·lules.Per aquest motiu, l'absorció també depèn de la química superficial de les microalgues, que és força complexa9,91.En general, com era d'esperar, la composició química de les microalgues verdes va canviar lleugerament a causa de l'absorció d'òxid de Nb.
Curiosament, la inhibició inicial observada de les microalgues va ser reversible amb el temps.Com vam observar, les microalgues van superar el canvi ambiental inicial i finalment van tornar a les taxes de creixement normals i fins i tot van augmentar.Els estudis sobre el potencial zeta mostren una alta estabilitat quan s'introdueixen en medis nutritius.Així, la interacció superficial entre les cèl·lules de microalgues i els nanoflakes de Nb-MXene es va mantenir al llarg dels experiments de reducció.En la nostra anàlisi posterior, resumim els principals mecanismes d'acció subjacents a aquest comportament notable de les microalgues.
Les observacions SEM han demostrat que les microalgues tendeixen a unir-se als Nb-MXens.Mitjançant l'anàlisi d'imatges dinàmiques, confirmem que aquest efecte condueix a la transformació de nanofocs bidimensionals de Nb-MXene en partícules més esfèriques, demostrant així que la descomposició de nanofocs està associada a la seva oxidació.Per comprovar la nostra hipòtesi, vam realitzar una sèrie d'estudis materials i bioquímics.Després de les proves, els nanoflakes es van oxidar i es van descompondre gradualment en productes NbO i Nb2O5, que no representaven una amenaça per a les microalgues verdes.Mitjançant l'observació FTIR, no vam trobar canvis significatius en la composició química de les microalgues incubades en presència de nanofocs de Nb-MXene 2D.Tenint en compte la possibilitat d'absorció de l'òxid de niobi per part de les microalgues, vam realitzar una anàlisi de fluorescència de raigs X.Aquests resultats mostren clarament que les microalgues estudiades s'alimenten d'òxids de niobi (NbO i Nb2O5), que no són tòxics per a les microalgues estudiades.