Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Používáte verzi prohlížeče s omezenou podporou CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Mezitím, abychom zajistili nepřetržitou podporu, vykreslíme web bez stylů a JavaScriptu.
Zobrazí karusel tří snímků najednou.Pomocí tlačítek Předchozí a Další můžete procházet třemi snímky najednou nebo pomocí tlačítek posuvníku na konci procházet třemi snímky najednou.
Rychlý rozvoj nanotechnologií a jejich integrace do každodenních aplikací může ohrozit životní prostředí.Zatímco zelené metody pro degradaci organických kontaminantů jsou dobře zavedené, získávání anorganických krystalických kontaminantů je hlavním problémem kvůli jejich nízké citlivosti na biotransformaci a nedostatečnému pochopení interakcí povrchu materiálu s biologickými.Zde používáme anorganický 2D model MXenes založený na Nb v kombinaci s jednoduchou metodou analýzy tvarových parametrů ke sledování bioremediačního mechanismu 2D keramických nanomateriálů zelenými mikrořasami Raphidocelis subcapitata.Zjistili jsme, že mikrořasy degradují MXeny na bázi Nb v důsledku fyzikálně-chemických interakcí souvisejících s povrchem.Zpočátku byly na povrchu mikrořas přichyceny jednovrstvé a vícevrstvé nanovločky MXene, což poněkud omezilo růst řas.Při delší interakci s povrchem však mikrořasy oxidovaly nanovločky MXenu a dále je rozkládaly na NbO a Nb2O5.Protože tyto oxidy jsou netoxické pro buňky mikrořas, spotřebovávají nanočástice oxidu Nb absorpčním mechanismem, který dále obnovuje mikrořasy po 72 hodinách úpravy vody.Účinky živin spojené se vstřebáváním se projevují i ​​ve zvětšení objemu buněk, jejich hladkém tvaru a změně rychlosti růstu.Na základě těchto zjištění docházíme k závěru, že krátkodobá a dlouhodobá přítomnost MXenů na bázi Nb ve sladkovodních ekosystémech může způsobit pouze malé dopady na životní prostředí.Je pozoruhodné, že pomocí dvourozměrných nanomateriálů jako modelových systémů demonstrujeme možnost sledování transformace tvaru i v jemnozrnných materiálech.Celkově tato studie odpovídá na důležitou základní otázku o procesech souvisejících s povrchovou interakcí, které řídí bioremediační mechanismus 2D nanomateriálů, a poskytuje základ pro další krátkodobé a dlouhodobé studie vlivu anorganických krystalických nanomateriálů na životní prostředí.
Nanomateriály vyvolaly od svého objevu velký zájem a různé nanotechnologie nedávno vstoupily do fáze modernizace1.Bohužel integrace nanomateriálů do každodenních aplikací může vést k náhodným únikům v důsledku nesprávné likvidace, neopatrné manipulace nebo nedostatečné bezpečnostní infrastruktury.Je tedy rozumné předpokládat, že nanomateriály, včetně dvourozměrných (2D) nanomateriálů, se mohou uvolňovat do přírodního prostředí, jejichž chování a biologická aktivita nejsou dosud plně pochopeny.Proto není překvapivé, že se obavy o ekotoxicitu zaměřily na schopnost 2D nanomateriálů pronikat do vodních systémů2,3,4,5,6.V těchto ekosystémech mohou některé 2D nanomateriály interagovat s různými organismy na různých trofických úrovních, včetně mikrořas.
Mikrořasy jsou primitivní organismy přirozeně se vyskytující ve sladkovodních a mořských ekosystémech, které produkují různé chemické produkty prostřednictvím fotosyntézy7.Jako takové jsou kritické pro vodní ekosystémy8,9,10,11,12, ale jsou také citlivými, levnými a široce používanými indikátory ekotoxicity13,14.Jelikož se buňky mikrořas rychle množí a rychle reagují na přítomnost různých sloučenin, jsou perspektivní pro vývoj ekologicky šetrných metod úpravy vody kontaminované organickými látkami15,16.
Buňky řas mohou odstraňovat anorganické ionty z vody biosorpcí a akumulací17,18.Některé druhy řas, jako je Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue a Synechococcus sp.Bylo zjištěno, že přenáší a dokonce vyživuje toxické kovové ionty jako Fe2+, Cu2+, Zn2+ a Mn2+19.Jiné studie ukázaly, že ionty Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ nebo Pb2+ omezují růst Scenedesmus tím, že mění morfologii buněk a ničí jejich chloroplasty20,21.
Zelené metody rozkladu organických polutantů a odstraňování iontů těžkých kovů přitáhly pozornost vědců a inženýrů po celém světě.Je to způsobeno především tím, že tyto nečistoty se snadno zpracovávají v kapalné fázi.Anorganické krystalické polutanty se však vyznačují nízkou rozpustností ve vodě a nízkou náchylností k různým biotransformacím, což způsobuje velké potíže při sanaci a v této oblasti bylo dosaženo malého pokroku22,23,24,25,26.Hledání řešení šetrných k životnímu prostředí pro opravy nanomateriálů tak zůstává složitou a neprobádanou oblastí.Vzhledem k vysoké míře nejistoty ohledně biotransformačních účinků 2D nanomateriálů neexistuje jednoduchý způsob, jak zjistit možné cesty jejich degradace při redukci.
V této studii jsme použili zelené mikrořasy jako aktivní vodné bioremediační činidlo pro anorganické keramické materiály v kombinaci s in situ monitorováním degradačního procesu MXenu jako zástupce anorganických keramických materiálů.Termín „MXene“ odráží stechiometrii materiálu Mn+1XnTx, kde M je časný přechodný kov, X je uhlík a/nebo dusík, Tx je povrchový terminátor (např. -OH, -F, -Cl) a n = 1, 2, 3 nebo 427,28.Od objevu MXenes Naguibem et al.Senzorika, terapie rakoviny a membránová filtrace 27,29,30.Navíc lze MXeny považovat za modelové 2D systémy díky jejich vynikající koloidní stabilitě a možným biologickým interakcím31,32,33,34,35,36.
Proto metodika vyvinutá v tomto článku a naše výzkumné hypotézy jsou znázorněny na obrázku 1. Podle této hypotézy mikrořasy degradují MXeny na bázi Nb na netoxické sloučeniny v důsledku fyzikálně-chemických interakcí souvisejících s povrchem, což umožňuje další obnovu řas.Pro testování této hypotézy byli vybráni dva členové rodiny raných karbidů a/nebo nitridů přechodných kovů na bázi niobu (MXenes), jmenovitě Nb2CTx a Nb4C3TX.
Metodologie výzkumu a hypotézy založené na důkazech pro obnovu MXene zelenými mikrořasami Raphidocelis subcapitata.Upozorňujeme, že toto je pouze schematické znázornění předpokladů založených na důkazech.Prostředí jezera se liší použitým živným médiem a podmínkami (např. denní cyklus a omezení dostupných základních živin).Vytvořeno pomocí BioRender.com.
Použitím MXene jako modelového systému jsme proto otevřeli dveře ke studiu různých biologických efektů, které nelze pozorovat u jiných konvenčních nanomateriálů.Konkrétně demonstrujeme možnost bioremediace dvourozměrných nanomateriálů, jako jsou MXeny na bázi niobu, pomocí mikrořas Raphidocelis subcapitata.Mikrořasy jsou schopny degradovat Nb-MXeny na netoxické oxidy NbO a Nb2O5, které rovněž poskytují živiny prostřednictvím mechanismu příjmu niobu.Celkově tato studie odpovídá na důležitou základní otázku o procesech spojených s povrchovými fyzikálně-chemickými interakcemi, které řídí mechanismy bioremediace dvourozměrných nanomateriálů.Kromě toho vyvíjíme jednoduchou metodu založenou na parametrech tvaru pro sledování jemných změn tvaru 2D nanomateriálů.To inspiruje další krátkodobý i dlouhodobý výzkum různých dopadů anorganických krystalických nanomateriálů na životní prostředí.Naše studie tak zvyšuje pochopení interakce mezi povrchem materiálu a biologickým materiálem.Poskytujeme také základ pro rozšířené krátkodobé a dlouhodobé studie jejich možných dopadů na sladkovodní ekosystémy, které lze nyní snadno ověřit.
MXeny představují zajímavou třídu materiálů s jedinečnými a atraktivními fyzikálními a chemickými vlastnostmi, a proto s mnoha potenciálními aplikacemi.Tyto vlastnosti jsou do značné míry závislé na jejich stechiometrii a povrchové chemii.Proto jsme v naší studii zkoumali dva typy hierarchických jednovrstvých (SL) MXenů na bázi Nb, Nb2CTx a Nb4C3TX, protože bylo možné pozorovat různé biologické účinky těchto nanomateriálů.MXeny se vyrábějí ze svých výchozích materiálů selektivním leptáním atomicky tenkých vrstev MAX fáze A shora dolů.Fáze MAX je ternární keramika složená z „spojených“ bloků karbidů přechodných kovů a tenkých vrstev prvků „A“, jako jsou Al, Si a Sn se stechiometrií MnAXn-1.Morfologie počáteční fáze MAX byla pozorována skenovací elektronovou mikroskopií (SEM) a byla v souladu s předchozími studiemi (viz doplňkové informace, SI, obrázek S1).Vícevrstvý (ML) Nb-MXen byl získán po odstranění AI vrstvy pomocí 48% HF (kyselina fluorovodíková).Morfologie ML-Nb2CTx a ML-Nb4C3TX byla zkoumána skenovací elektronovou mikroskopií (SEM) (obrázky S1c a S1d) a byla pozorována typická vrstvená morfologie MXene, podobná dvourozměrným nanovločkám procházejícím protáhlými pórovitými štěrbinami.Oba Nb-MXeny mají mnoho společného s fázemi MXenu, které byly dříve syntetizovány leptáním kyselinou27,38.Po potvrzení struktury MXenu jsme jej navrstvili interkalací tetrabutylamoniumhydroxidu (TBAOH) s následným promytím a sonikací, po které jsme získali jednovrstvé nebo nízkovrstvé (SL) 2D Nb-MXen nanovločky.
K testování účinnosti leptání a dalšího odlupování jsme použili transmisní elektronovou mikroskopii s vysokým rozlišením (HRTEM) a rentgenovou difrakci (XRD).Výsledky HRTEM zpracované pomocí inverzní rychlé Fourierovy transformace (IFFT) a rychlé Fourierovy transformace (FFT) jsou znázorněny na obr. 2. Nanovločky Nb-MXenu byly orientovány hranou nahoru pro kontrolu struktury atomové vrstvy a měření mezirovinných vzdáleností.HRTEM snímky nanovloček MXene Nb2CTx a Nb4C3TX odhalily jejich atomově tenký vrstevnatý charakter (viz obr. 2a1, a2), jak již dříve uvedli Naguib et al.27 a Jastrzębska et al.38.Pro dvě sousední monovrstvy Nb2CTx a Nb4C3Tx jsme určili vzdálenosti mezi vrstvami 0,74 a 1,54 nm (obr. 2b1,b2), což také souhlasí s našimi předchozími výsledky38.To bylo dále potvrzeno inverzní rychlou Fourierovou transformací (obr. 2c1, c2) a rychlou Fourierovou transformací (obr. 2d1, d2) ukazující vzdálenost mezi monovrstvami Nb2CTx a Nb4C3Tx.Obrázek ukazuje střídání světlých a tmavých pásů odpovídajících atomům niobu a uhlíku, což potvrzuje vrstevnatost studovaných MXenů.Je důležité poznamenat, že spektra energeticky disperzní rentgenové spektroskopie (EDX) získaná pro Nb2CTx a Nb4C3Tx (obrázky S2a a S2b) neukázala žádný zbytek původní fáze MAX, protože nebyl detekován žádný pík Al.
Charakterizace nanovloček SL Nb2CTx a Nb4C3Tx MXene, včetně (a) elektronové mikroskopie s vysokým rozlišením (HRTEM), bočního zobrazení 2D nanovloček a odpovídajícího, (b) režim intenzity, (c) inverzní rychlá Fourierova transformace (IFFT), (d) rychlá Fourierova transformace (FFT), (e) rentgenové vzory Nb-MXenes.U SL 2D Nb2CTx jsou čísla vyjádřena jako (a1, b1, c1, d1, e1).Pro SL 2D Nb4C3Tx jsou čísla vyjádřena jako (a2, b2, c2, d2, e1).
Měření rentgenové difrakce SL Nb2CTx a Nb4C3Tx MXenes jsou znázorněna na Obr.2el a e2.Píky (002) na 4,31 a 4,32 odpovídají dříve popsaným vrstveným MXenes Nb2CTx a Nb4C3TX38,39,40,41, v tomto pořadí.Výsledky XRD také naznačují přítomnost některých reziduálních struktur ML a fází MAX, ale většinou obrazců XRD spojených s SL Nb4C3Tx (obr. 2e2).Přítomnost menších částic fáze MAX může vysvětlit silnější vrchol MAX ve srovnání s náhodně naskládanými vrstvami Nb4C3Tx.
Další výzkum se zaměřil na zelené mikrořasy patřící k druhu R. subcapitata.Vybrali jsme si mikrořasy, protože jsou významnými producenty zapojených do hlavních potravinových sítí42.Jsou také jedním z nejlepších indikátorů toxicity díky schopnosti odstraňovat toxické látky, které jsou přenášeny do vyšších úrovní potravního řetězce43.Kromě toho může výzkum R. subcapitata objasnit náhodnou toxicitu SL Nb-MXenů pro běžné sladkovodní mikroorganismy.Aby to ilustrovali, vědci předpokládali, že každý mikrob má jinou citlivost na toxické sloučeniny přítomné v životním prostředí.U většiny organismů nízké koncentrace látek neovlivňují jejich růst, zatímco koncentrace nad určitý limit je mohou brzdit nebo dokonce způsobit smrt.Proto jsme se pro naše studie povrchové interakce mezi mikrořasami a MXeny a související obnovy rozhodli otestovat neškodné a toxické koncentrace Nb-MXenů.K tomu jsme testovali koncentrace 0 (jako referenční), 0,01, 0,1 a 10 mg l-1 MXene a navíc infikované mikrořasy velmi vysokými koncentracemi MXenu (100 mg l-1 MXene), které mohou být extrémní a smrtelné..pro jakékoli biologické prostředí.
Účinky SL Nb-MXenů na mikrořasy jsou znázorněny na obrázku 3, vyjádřené jako procento podpory růstu (+) nebo inhibice (-) měřené pro vzorky 0 mg l-1.Pro srovnání byla také testována fáze Nb-MAX a ML Nb-MXenes a výsledky jsou uvedeny v SI (viz obr. S3).Získané výsledky potvrdily, že SL Nb-MXenes je téměř zcela bez toxicity v rozmezí nízkých koncentrací od 0,01 do 10 mg/l, jak je znázorněno na obr. 3a,b.V případě Nb2CTx jsme ve stanoveném rozmezí pozorovali ne více než 5% ekotoxicitu.
Stimulace (+) nebo inhibice (-) růstu mikrořas v přítomnosti SL (a) Nb2CTx a (b) Nb4C3TX MXene.Bylo analyzováno 24, 48 a 72 hodin interakce MXene-mikrořasy. Významná data (t-test, p < 0,05) byla označena hvězdičkou (*). Významná data (t-test, p < 0,05) byla označena hvězdičkou (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Významná data (t-test, p < 0,05) jsou označena hvězdičkou (*).重要数据（t 检验，p < 0,05）用星号(*) 标记。重要数据（t 检验，p < 0,05）用星号(*) 标记。 Важные данные (t-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Důležité údaje (t-test, p < 0,05) jsou označeny hvězdičkou (*).Červené šipky označují zrušení inhibiční stimulace.
Na druhou stranu, nízké koncentrace Nb4C3TX se ukázaly být mírně toxičtější, ale ne vyšší než 7 %.Jak se očekávalo, pozorovali jsme, že MXenes měly vyšší toxicitu a inhibici růstu mikrořas při 100 mg L-1.Je zajímavé, že žádný z materiálů nevykazoval stejný trend a časovou závislost atoxických/toxických účinků ve srovnání se vzorky MAX nebo ML (podrobnosti viz SI).Zatímco ve fázi MAX (viz obr. S3) dosahovala toxicita přibližně 15–25 % a s časem se zvyšovala, u SL Nb2CTx a Nb4C3TX MXene byl pozorován opačný trend.Inhibice růstu mikrořas se postupem času snižovala.Po 24 hodinách dosáhl přibližně 17 % a po 72 hodinách klesl na méně než 5 % (obr. 3a, resp. b).
Důležitější je, že u SL Nb4C3TX dosáhla inhibice růstu mikrořas asi 27 % po 24 hodinách, ale po 72 hodinách se snížila na asi 1 %.Proto jsme pozorovaný účinek označili jako inverzní inhibici stimulace a účinek byl silnější pro SL Nb4C3TX MXene.Stimulace růstu mikrořas byla zaznamenána dříve u Nb4C3TX (interakce při 10 mg L-1 po dobu 24 h) ve srovnání s SL Nb2CTx MXene.Inhibičně-stimulační reverzní účinek byl také dobře ukázán na křivce rychlosti zdvojnásobení biomasy (podrobnosti viz obr. S4).Dosud byla různými způsoby studována pouze ekotoxicita Ti3C2TX MXene.Není toxický pro embrya zebrafish44, ale mírně ekotoxický pro rostliny mikrořas Desmodesmus quadricauda a Sorghum saccharatum45.Další příklady specifických účinků zahrnují vyšší toxicitu pro rakovinné buněčné linie než pro normální buněčné linie46,47.Dalo by se předpokládat, že testovací podmínky ovlivní změny v růstu mikrořas pozorované v přítomnosti Nb-MXenů.Například pH asi 8 ve stromatu chloroplastu je optimální pro efektivní fungování enzymu RuBisCO.Změny pH proto negativně ovlivňují rychlost fotosyntézy48,49.Během experimentu jsme však nezaznamenali významné změny pH (podrobnosti viz SI, obr. S5).Obecně platí, že kultury mikrořas s Nb-MXeny v průběhu času mírně snižovaly pH roztoku.Tento pokles byl však podobný změně pH čistého média.Kromě toho byl rozsah nalezených variací podobný jako rozsah naměřený pro čistou kulturu mikrořas (kontrolní vzorek).Došli jsme tedy k závěru, že fotosyntéza není ovlivněna změnami pH v průběhu času.
Kromě toho mají syntetizované MXeny povrchové zakončení (označené jako Tx).Jedná se především o funkční skupiny -O, -F a -OH.Povrchová chemie však přímo souvisí se způsobem syntézy.Je známo, že tyto skupiny jsou náhodně rozmístěny po povrchu, takže je obtížné předpovědět jejich vliv na vlastnosti MXene50.Lze tvrdit, že Tx by mohla být katalytická síla pro oxidaci niobu světlem.Povrchové funkční skupiny skutečně poskytují více kotevních míst pro jejich základní fotokatalyzátory, aby vytvořily heteropřechody51.Složení růstového média však neposkytlo účinný fotokatalyzátor (podrobné složení média lze nalézt v SI tabulce S6).Kromě toho je velmi důležitá jakákoli povrchová modifikace, protože biologická aktivita MXenů může být změněna následným zpracováním vrstvy, oxidací, chemickou povrchovou úpravou organických a anorganických sloučenin52,53,54,55,56 nebo povrchovým nábojovým inženýrstvím38.Proto, abychom otestovali, zda oxid niobu má něco společného s nestabilitou materiálu v médiu, provedli jsme studie zeta (ζ) potenciálu v médiu pro růst mikrořas a deionizované vodě (pro srovnání).Naše výsledky ukazují, že SL Nb-MXeny jsou poměrně stabilní (viz SI obr. S6 pro výsledky MAX a ML).Zeta potenciál SL MXenes je asi -10 mV.V případě SR Nb2CTx je hodnota ζ poněkud zápornější než hodnota Nb4C3Tx.Taková změna hodnoty ζ může naznačovat, že povrch negativně nabitých nanovloček MXene absorbuje kladně nabité ionty z kultivačního média.Zdá se, že dočasná měření zeta potenciálu a vodivosti Nb-MXenů v kultivačním médiu (další podrobnosti viz obrázky S7 a S8 v SI) podporují naši hypotézu.
Nicméně oba Nb-MXene SL vykazovaly minimální změny od nuly.To jasně demonstruje jejich stabilitu v růstovém médiu mikrořas.Kromě toho jsme hodnotili, zda přítomnost našich zelených mikrořas ovlivní stabilitu Nb-MXenů v médiu.Výsledky zeta potenciálu a vodivosti MXenů po interakci s mikrořasami v živných médiích a kultuře v průběhu času lze nalézt v SI (obrázky S9 a S10).Je zajímavé, že jsme si všimli, že přítomnost mikrořas zřejmě stabilizovala disperzi obou MXenů.V případě Nb2CTx SL se zeta potenciál časem dokonce mírně snížil na zápornější hodnoty (-15,8 versus -19,1 mV po 72 hodinách inkubace).Zeta potenciál SL Nb4C3TX mírně vzrostl, ale po 72 h stále vykazoval vyšší stabilitu než nanovločky bez přítomnosti mikrořas (-18,1 vs. -9,1 mV).
Zjistili jsme také nižší vodivost roztoků Nb-MXenu inkubovaných v přítomnosti mikrořas, což ukazuje na nižší množství iontů v živném médiu.Zejména nestabilita MXenů ve vodě je způsobena hlavně povrchovou oxidací57.Proto máme podezření, že zelené mikrořasy nějakým způsobem čistily oxidy vzniklé na povrchu Nb-MXenu a dokonce zabránily jejich výskytu (oxidaci MXenu).To lze vidět studiem typů látek absorbovaných mikrořasami.
Zatímco naše ekotoxikologické studie ukázaly, že mikrořasy byly schopny překonat toxicitu Nb-MXenů v průběhu času a neobvyklou inhibici stimulovaného růstu, cílem naší studie bylo prozkoumat možné mechanismy účinku.Když jsou organismy, jako jsou řasy, vystaveny sloučeninám nebo materiálům neznámým jejich ekosystémům, mohou reagovat různými způsoby58,59.V nepřítomnosti toxických oxidů kovů se mohou mikrořasy samy živit, což jim umožňuje nepřetržitý růst60.Po požití toxických látek se mohou aktivovat obranné mechanismy, jako je změna tvaru nebo formy.Musí být také zvážena možnost absorpce58,59.Je pozoruhodné, že jakýkoli znak obranného mechanismu je jasným indikátorem toxicity testované sloučeniny.Proto jsme v naší další práci zkoumali potenciální povrchovou interakci mezi nanovločkami SL Nb-MXen a mikrořasami pomocí SEM a možnou absorpci MXenu na bázi Nb pomocí rentgenové fluorescenční spektroskopie (XRF).Všimněte si, že analýzy SEM a XRF byly prováděny pouze při nejvyšší koncentraci MXene, aby se řešily problémy toxicity aktivity.
Výsledky SEM jsou uvedeny na Obr.Neošetřené buňky mikrořas (viz obr. 4a, referenční vzorek) jasně vykazovaly typickou morfologii R. subcapitata a tvar buněk podobný rohlíku.Buňky vypadají zploštělé a poněkud neuspořádané.Některé buňky mikrořas se vzájemně překrývaly a proplétaly, ale to bylo pravděpodobně způsobeno procesem přípravy vzorku.Obecně měly čisté buňky mikrořas hladký povrch a nevykazovaly žádné morfologické změny.
SEM snímky ukazující povrchovou interakci mezi zelenými mikrořasami a nanovrstvami MXene po 72 hodinách interakce při extrémní koncentraci (100 mg L-1).(a) Neošetřené zelené mikrořasy po interakci s SL (b) Nb2CTx a (c) Nb4C3TX MXenes.Všimněte si, že nanovločky Nb-MXene jsou označeny červenými šipkami.Pro srovnání jsou přidány i fotografie z optického mikroskopu.
Naproti tomu buňky mikrořas adsorbované nanovločkami SL Nb-MXene byly poškozeny (viz obr. 4b, c, červené šipky).V případě Nb2CTx MXene (obr. 4b) mají mikrořasy tendenci růst s připojenými dvourozměrnými nanoškálami, které mohou měnit jejich morfologii.Pozoruhodně jsme také pozorovali tyto změny pod světelnou mikroskopií (viz SI obrázek S11 pro podrobnosti).Tento morfologický přechod má pravděpodobný základ ve fyziologii mikrořas a jejich schopnosti bránit se změnou morfologie buněk, jako je zvýšení objemu buněk61.Proto je důležité zkontrolovat počet buněk mikrořas, které jsou skutečně v kontaktu s Nb-MXenes.Studie SEM ukázaly, že přibližně 52 % buněk mikrořas bylo vystaveno Nb-MXenům, zatímco 48 % těchto buněk mikrořas se kontaktu vyhýbalo.U SL Nb4C3Tx MXene se mikrořasy snaží vyhnout kontaktu s MXene, čímž se lokalizují a rostou z dvourozměrných nanoměřítek (obr. 4c).Průnik nanošupin do buněk mikrořas a jejich poškození jsme však nepozorovali.
Sebekonzervace je také časově závislé chování odezvy na zablokování fotosyntézy v důsledku adsorpce částic na povrchu buňky a tzv. stínícího (stínujícího) efektu62.Je jasné, že každý objekt (například nanovločky Nb-MXen), který je mezi mikrořasami a světelným zdrojem, omezuje množství světla absorbovaného chloroplasty.Nepochybujeme však o tom, že to má významný vliv na dosažené výsledky.Jak ukazují naše mikroskopická pozorování, 2D nanovločky nebyly zcela zabaleny nebo přilnuty k povrchu mikrořas, i když byly buňky mikrořas v kontaktu s Nb-MXenes.Místo toho se ukázalo, že nanovločky jsou orientovány na buňky mikrořas, aniž by pokryly jejich povrch.Taková sada nanovloček/mikrořas nemůže výrazně omezit množství světla absorbovaného buňkami mikrořas.Navíc některé studie dokonce prokázaly zlepšení absorpce světla fotosyntetickými organismy v přítomnosti dvourozměrných nanomateriálů63,64,65,66.
Protože snímky SEM nemohly přímo potvrdit příjem niobu buňkami mikrořas, naše další studie se obrátila na analýzu rentgenové fluorescence (XRF) a rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS), aby se tento problém vyjasnil.Proto jsme porovnávali intenzitu píku Nb referenčních vzorků mikrořas, které neinteragovaly s MXen, nanovloček MXene odloučených z povrchu buněk mikrořas a buněk mikrořas po odstranění připojených MXen.Stojí za zmínku, že pokud nedochází k absorpci Nb, hodnota Nb získaná buňkami mikrořas by měla být po odstranění připojených nanočástic nulová.Pokud tedy dojde k absorpci Nb, výsledky XRF i XPS by měly vykazovat jasný pík Nb.
V případě XRF spekter vzorky mikrořas ukázaly vrcholy Nb pro SL Nb2CTx a Nb4C3Tx MXene po interakci s SL Nb2CTx a Nb4C3Tx MXene (viz obr. 5a, všimněte si také, že výsledky pro MAX a ML MXenes jsou uvedeny v SI, obr. S12–C17).Zajímavé je, že intenzita píku Nb je v obou případech stejná (červené sloupce na obr. 5a).To naznačovalo, že řasy nemohly absorbovat více Nb a v buňkách bylo dosaženo maximální kapacity pro akumulaci Nb, i když k buňkám mikrořas bylo připojeno dvakrát více Nb4C3Tx MXene (modré pruhy na obr. 5a).Je pozoruhodné, že schopnost mikrořas absorbovat kovy závisí na koncentraci oxidů kovů v prostředí67,68.Shamshada et al.67 zjistili, že absorpční kapacita sladkovodních řas klesá se zvyšujícím se pH.Raize et al.68 poznamenali, že schopnost mořských řas absorbovat kovy byla asi o 25 % vyšší u Pb2+ než u Ni2+.
(a) Výsledky XRF bazálního vychytávání Nb buňkami zelených mikrořas inkubovaných při extrémní koncentraci SL Nb-MXenů (100 mg L-1) po dobu 72 hodin.Výsledky ukazují přítomnost α v čistých buňkách mikrořas (kontrolní vzorek, šedé sloupce), 2D nanovločkách izolovaných z buněk povrchových mikrořas (modré sloupce) a buňkách mikrořas po oddělení 2D nanovloček od povrchu (červené sloupce).Množství elementárního Nb, ( b) procento chemického složení organických složek mikrořas (C=O a CHx/C–O) a oxidů Nb přítomných v buňkách mikrořas po inkubaci s SL Nb-MXenes, (c–e) Fitting kompozičního píku spekter XPS SL Nb2CTx a (fh) TxTx Tx microalgae3 cells.
Proto jsme očekávali, že Nb může být absorbován buňkami řas ve formě oxidů.Abychom to otestovali, provedli jsme studie XPS na MXenes Nb2CTx a Nb4C3TX a buňkách řas.Výsledky interakce mikrořas s Nb-MXeny a MXeny izolovanými z buněk řas jsou uvedeny na Obr.5b.Jak se očekávalo, detekovali jsme vrcholy Nb 3d ve vzorcích mikrořas po odstranění MXenu z povrchu mikrořas.Kvantitativní stanovení oxidů C=O, CHx/CO a Nb bylo vypočteno na základě spekter Nb 3d, O 1s a C 1s získaných s Nb2CTx SL (obr. 5c–e) a Nb4C3Tx SL (obr. 5c–e).) získané z inkubovaných mikrořas.Obrázek 5f–h) MXenes.Tabulka S1-3 ukazuje podrobnosti o parametrech píku a celkové chemii vyplývající z proložení.Je pozoruhodné, že oblasti Nb 3d Nb2CTx SL a Nb4C3Tx SL (obr. 5c, f) odpovídají jedné složce Nb2O5.Zde jsme ve spektrech nenašli žádné píky související s MXene, což naznačuje, že buňky mikrořas absorbují pouze oxidovou formu Nb.Navíc jsme aproximovali spektrum C 1 s složkami C–C, CHx/C–O, C=O a –COOH.Píky CHx/C–O a C=O jsme přiřadili organickému příspěvku buněk mikrořas.Tyto organické složky tvoří 36 % a 41 % vrcholů C1s v Nb2CTx SL a Nb4C3TX SL, v daném pořadí.Poté jsme upravili O 1s spektra SL Nb2CTx a SL Nb4C3TX pomocí Nb2O5, organických složek mikrořas (CHx/CO) a povrchově adsorbované vody.
Konečně, výsledky XPS jasně ukázaly formu Nb, nejen jeho přítomnost.Podle polohy signálu Nb 3d a výsledků dekonvoluce potvrzujeme, že Nb je absorbován pouze ve formě oxidů a nikoli iontů nebo samotného MXenu.Výsledky XPS navíc ukázaly, že buňky mikrořas mají větší schopnost přijímat oxidy Nb z SL Nb2CTx ve srovnání s SL Nb4C3TX MXene.
Zatímco naše výsledky absorpce Nb jsou působivé a umožňují nám identifikovat degradaci MXene, není k dispozici žádná metoda pro sledování souvisejících morfologických změn ve 2D nanovločkách.Proto jsme se také rozhodli vyvinout vhodnou metodu, která může přímo reagovat na jakékoli změny vyskytující se v 2D Nb-MXen nanovločkách a buňkách mikrořas.Je důležité poznamenat, že předpokládáme, že pokud interagující druhy projdou nějakou transformací, rozkladem nebo defragmentací, mělo by se to rychle projevit změnami tvarových parametrů, jako je průměr ekvivalentní kruhové plochy, kulatost, šířka Ferety nebo délka Ferety.Protože tyto parametry jsou vhodné pro popis protáhlých částic nebo dvourozměrných nanovloček, jejich sledování dynamickou analýzou tvaru částic nám poskytne cenné informace o morfologické transformaci nanovloček SL Nb-MXen během redukce.
Získané výsledky jsou znázorněny na obrázku 6. Pro srovnání jsme také testovali původní fázi MAX a ML-MXenes (viz obrázky SI S18 a S19).Dynamická analýza tvaru částic ukázala, že všechny tvarové parametry dvou Nb-MXene SL se významně změnily po interakci s mikrořasami.Jak ukazuje parametr ekvivalentního průměru kruhové plochy (obr. 6a, b), snížená maximální intenzita frakce velkých nanovloček ukazuje, že mají tendenci se rozpadat na menší fragmenty.Na Obr.6c, d ukazuje pokles píku souvisejících s příčnou velikostí vloček (prodloužení nanovloček), což ukazuje na transformaci 2D nano vloček do tvaru více připomínajícího částice.Obrázek 6e-h zobrazující šířku a délku Ferety, v tomto pořadí.Šířka a délka fretky jsou doplňkové parametry a měly by být proto posuzovány společně.Po inkubaci 2D nanovloček Nb-MXenu v přítomnosti mikrořas se jejich korelační píky Feret posunuly a jejich intenzita se snížila.Na základě těchto výsledků v kombinaci s morfologií, XRF a XPS jsme dospěli k závěru, že pozorované změny silně souvisejí s oxidací, protože oxidované MXeny se stávají více vrásčité a rozpadají se na fragmenty a sférické oxidové částice69,70.
Analýza transformace MXene po interakci se zelenými mikrořasami.Dynamická analýza tvaru částic bere v úvahu takové parametry, jako je (a, b) průměr ekvivalentní kruhové plochy, (c, d) kulatost, (e, f) šířka fretky a (g, h) délka fretky.Za tímto účelem byly analyzovány dva referenční vzorky mikrořas spolu s primárními SL Nb2CTx a SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx a SL Nb4C3Tx MXenes, degradovanými mikrořasami a ošetřenými mikrořasami SL Nb2CTx a SL Nb4C3Tx MXenes.Červené šipky ukazují přechody tvarových parametrů studovaných dvourozměrných nanovloček.
Protože je analýza tvarových parametrů velmi spolehlivá, může také odhalit morfologické změny v buňkách mikrořas.Proto jsme analyzovali ekvivalentní průměr kruhové oblasti, kulatost a šířku/délku Feretů čistých buněk mikrořas a buněk po interakci s 2D nanovločkami Nb.Na Obr.6a–h ukazují změny tvarových parametrů buněk řas, o čemž svědčí pokles vrcholové intenzity a posun maxim k vyšším hodnotám.Zejména parametry kulatosti buněk ukázaly pokles protáhlých buněk a nárůst kulovitých buněk (obr. 6a, b).Kromě toho se šířka Feretových buněk zvýšila o několik mikrometrů po interakci s SL Nb2CTx MXene (obr. 6e) ve srovnání s SL Nb4C3TX MXene (obr. 6f).Domníváme se, že to může být způsobeno silným vychytáváním oxidů Nb mikrořasami při interakci s Nb2CTx SR.Méně tuhé připojení vloček Nb k jejich povrchu může mít za následek růst buněk s minimálním stínícím efektem.
Naše pozorování změn parametrů tvaru a velikosti mikrořas doplňují další studie.Zelené mikrořasy mohou měnit svou morfologii v reakci na environmentální stres změnou velikosti buněk, tvaru nebo metabolismu61.Například změna velikosti buněk usnadňuje vstřebávání živin71.Menší buňky řas vykazují nižší příjem živin a zhoršenou rychlost růstu.Naopak větší buňky mají tendenci spotřebovávat více živin, které se pak ukládají intracelulárně72,73.Machado a Soares zjistili, že fungicid triclosan může zvětšit velikost buněk.Zjistili také hluboké změny ve tvaru řas74.Kromě toho Yin et al.9 také odhalili morfologické změny v řasách po expozici redukovaným nanokompozitům oxidu grafenu.Je tedy zřejmé, že změněné parametry velikosti/tvaru mikrořas jsou způsobeny přítomností MXene.Protože tato změna velikosti a tvaru svědčí o změnách příjmu živin, věříme, že analýza parametrů velikosti a tvaru v průběhu času může prokázat příjem oxidu niobu mikrořasami v přítomnosti Nb-MXenů.
Kromě toho mohou být MXeny oxidovány v přítomnosti řas.Dalai et al.75 pozorovali, že morfologie zelených řas vystavených nano-TiO2 a Al2O376 nebyla jednotná.Ačkoli jsou naše pozorování podobná této studii, je relevantní pouze pro studium účinků bioremediace, pokud jde o produkty degradace MXenu v přítomnosti 2D nanočástic a nikoli nanočástic.Protože MXeny mohou degradovat na oxidy kovů,31,32,77,78 je rozumné předpokládat, že naše nanovločky Nb mohou také tvořit oxidy Nb po interakci s buňkami mikrořas.
Abychom vysvětlili redukci nanovloček 2D-Nb prostřednictvím mechanismu rozkladu založeného na oxidačním procesu, provedli jsme studie pomocí transmisní elektronové mikroskopie s vysokým rozlišením (HRTEM) (obr. 7a,b) a rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS) (obr. 7).7c-i a tabulky S4-5).Oba přístupy jsou vhodné pro studium oxidace 2D materiálů a vzájemně se doplňují.HRTEM je schopen analyzovat degradaci dvourozměrných vrstevnatých struktur a následný výskyt nanočástic oxidů kovů, zatímco XPS je citlivý na povrchové vazby.Za tímto účelem jsme testovali 2D nanovločky Nb-MXen extrahované z disperzí buněk mikrořas, tedy jejich tvar po interakci s buňkami mikrořas (viz obr. 7).
Snímky HRTEM ukazující morfologii oxidovaných (a) SL Nb2CTx a (b) SL Nb4C3Tx MXenů, výsledky analýzy XPS ukazující (c) složení oxidových produktů po redukci, (d–f) přizpůsobení píku komponent XPS spekter SL Nb2CTx a (g–i) Nb4C3Tx opravené mikrořasou SL.
Studie HRTEM potvrdily oxidaci dvou typů nanovloček Nb-MXenu.Přestože si nanovločky do určité míry zachovaly svou dvourozměrnou morfologii, oxidace vedla ke vzniku mnoha nanočástic pokrývajících povrch nanovloček MXene (viz obr. 7a,b).XPS analýza signálů c Nb 3d a O 1s ukázala, že v obou případech byly vytvořeny oxidy Nb.Jak je znázorněno na obrázku 7c, 2D MXene Nb2CTx a Nb4C3TX mají signály Nb 3d indikující přítomnost oxidů NbO a Nb2O5, zatímco signály O 1s indikují počet vazeb O–Nb spojených s funkcionalizací povrchu 2D nanovloček.Všimli jsme si, že příspěvek oxidu Nb je dominantní ve srovnání s Nb-C a Nb3+-O.
Na Obr.Obrázky 7g–i ukazují XPS spektra Nb 3d, C1s a O1s SL Nb2CTx (viz obr. 7d–f) a SL Nb4C3TX MXene izolovaných z buněk mikrořas.Podrobnosti o vrcholových parametrech Nb-MXenes jsou uvedeny v tabulkách S4–5.Nejprve jsme analyzovali složení Nb 3d.Na rozdíl od Nb absorbovaného buňkami mikrořas byly v MXene izolovaném z buněk mikrořas kromě Nb2O5 nalezeny i další složky.V Nb2CTx SL jsme pozorovali příspěvek Nb3+-O ve výši 15 %, zatímco ve zbytku Nb 3d spektra dominoval Nb2O5 (85 %).Vzorek SL Nb4C3TX navíc obsahuje složky Nb-C (9 %) a Nb2O5 (91 %).Zde Nb-C pochází ze dvou vnitřních atomových vrstev karbidu kovu v Nb4C3Tx SR.Poté jsme mapovali spektra C1s na čtyři různé složky, jako jsme to udělali v internalizovaných vzorcích.Podle očekávání ve spektru C1s dominuje grafitický uhlík, následovaný příspěvky organických částic (CHx/CO a C=O) z buněk mikrořas.Kromě toho jsme v O 1s spektru pozorovali příspěvek organických forem buněk mikrořas, oxidu niobu a adsorbované vody.
Kromě toho jsme zkoumali, zda je štěpení Nb-MXenes spojeno s přítomností reaktivních forem kyslíku (ROS) v živném médiu a/nebo buňkách mikrořas.Za tímto účelem jsme hodnotili hladiny singletového kyslíku (1O2) v kultivačním médiu a intracelulárního glutathionu, thiolu, který působí jako antioxidant v mikrořasách.Výsledky jsou uvedeny v SI (obrázky S20 a S21).Kultury s SL Nb2CTx a Nb4C3TX MXenes byly charakterizovány sníženým množstvím 1O2 (viz obrázek S20).V případě SL Nb2CTx je MXene 1O2 snížen na cca 83 %.U kultur mikrořas s použitím SL poklesl Nb4C3TX 1O2 ještě více, na 73 %.Je zajímavé, že změny v 1O2 vykazovaly stejný trend jako dříve pozorovaný inhibičně-stimulační účinek (viz obr. 3).Lze tvrdit, že inkubace v jasném světle může změnit fotooxidaci.Výsledky kontrolní analýzy však ukázaly téměř konstantní hladiny 1O2 během experimentu (obr. S22).V případě intracelulárních hladin ROS jsme také pozorovali stejný klesající trend (viz obrázek S21).Zpočátku hladiny ROS v buňkách mikrořas kultivovaných v přítomnosti Nb2CTx a Nb4C3Tx SL převyšovaly hladiny zjištěné v čistých kulturách mikrořas.Nakonec se však ukázalo, že se mikrořasy přizpůsobily přítomnosti obou Nb-MXenů, protože hladiny ROS klesly na 85 % a 91 % hladin naměřených v čistých kulturách mikrořas naočkovaných SL Nb2CTx a Nb4C3TX, v daném pořadí.To může naznačovat, že mikrořasy se v průběhu času cítí pohodlněji v přítomnosti Nb-MXenu než v samotném živném médiu.
Mikrořasy jsou různorodou skupinou fotosyntetických organismů.Během fotosyntézy přeměňují atmosférický oxid uhličitý (CO2) na organický uhlík.Produkty fotosyntézy jsou glukóza a kyslík79.Domníváme se, že takto vytvořený kyslík hraje kritickou roli při oxidaci Nb-MXenů.Jedním z možných vysvětlení je to, že parametr rozdílného provzdušňování se tvoří při nízkých a vysokých parciálních tlacích kyslíku vně a uvnitř nanovloček Nb-MXen.To znamená, že všude tam, kde jsou oblasti s různými parciálními tlaky kyslíku, bude oblast s nejnižší hladinou tvořit anodu 80, 81, 82. Zde mikrořasy přispívají k vytváření různě provzdušněných buněk na povrchu vloček MXene, které díky svým fotosyntetickým vlastnostem produkují kyslík.V důsledku toho vznikají produkty biokoroze (v tomto případě oxidy niobu).Dalším aspektem je, že mikrořasy mohou produkovat organické kyseliny, které se uvolňují do vody83,84.Proto se vytváří agresivní prostředí, čímž se mění Nb-MXeny.Mikrořasy navíc mohou vlivem absorpce oxidu uhličitého změnit pH prostředí na zásadité, což může také způsobit korozi79.
Ještě důležitější je, že fotoperioda tma/světlo použitá v naší studii je rozhodující pro pochopení získaných výsledků.Tento aspekt je podrobně popsán v Djemai-Zoghlache et al.85 Záměrně použili 12/12hodinovou fotoperiodu k prokázání biokoroze spojené s biologickým znečištěním červenou mikrořasou Porphyridium purpureum.Ukazují, že fotoperioda je spojena s vývojem potenciálu bez biokoroze, projevující se jako pseudoperiodické oscilace kolem 24:00.Tato pozorování byla potvrzena Dowlingem a kol.86 Prokázali fotosyntetické biofilmy sinic Anabaena.Rozpuštěný kyslík vzniká působením světla, což je spojeno se změnou nebo kolísáním volného biokorozního potenciálu.Význam fotoperiody je zdůrazněn tím, že volný potenciál pro biokorozi se zvyšuje ve světlé fázi a klesá ve fázi tmy.To je způsobeno kyslíkem produkovaným fotosyntetickými mikrořasami, který ovlivňuje katodickou reakci prostřednictvím parciálního tlaku generovaného v blízkosti elektrod87.
Kromě toho byla provedena infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR), aby se zjistilo, zda došlo k nějakým změnám v chemickém složení buněk mikrořas po interakci s Nb-MXenes.Tyto získané výsledky jsou komplexní a uvádíme je v SI (obrázky S23-S25, včetně výsledků fáze MAX a ML MXenes).Stručně řečeno, získaná referenční spektra mikrořas nám poskytují důležité informace o chemických vlastnostech těchto organismů.Tyto nejpravděpodobnější vibrace se nacházejí na frekvencích 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.jeden.1 1 (C–H) a 3280 cm–1 (O–H).U SL Nb-MXenes jsme našli signaturu roztažení CH-vazby, která je v souladu s naší předchozí studií38.Pozorovali jsme však, že některé další píky spojené s vazbami C=C a CH zmizely.To naznačuje, že chemické složení mikrořas může podléhat menším změnám v důsledku interakce s SL Nb-MXenes.
Při zvažování možných změn v biochemii mikrořas je třeba znovu zvážit akumulaci anorganických oxidů, jako je oxid niobu59.Podílí se na příjmu kovů buněčným povrchem, jejich transportu do cytoplazmy, jejich asociaci s intracelulárními karboxylovými skupinami a jejich akumulaci v polyfosfosomech mikrořas20,88,89,90.Kromě toho je vztah mezi mikrořasami a kovy udržován funkčními skupinami buněk.Z tohoto důvodu absorpce závisí také na chemii povrchu mikrořas, což je poměrně složité9,91.Obecně se podle očekávání chemické složení zelených mikrořas mírně změnilo v důsledku absorpce oxidu Nb.
Je zajímavé, že pozorovaná počáteční inhibice mikrořas byla v průběhu času reverzibilní.Jak jsme pozorovali, mikrořasy překonaly počáteční změnu prostředí a nakonec se vrátily k normální rychlosti růstu a dokonce se zvýšily.Studie zeta potenciálu vykazují vysokou stabilitu při zavedení do živných médií.Povrchová interakce mezi buňkami mikrořas a nanovločkami Nb-MXenu byla tedy zachována během redukčních experimentů.V naší další analýze shrnujeme hlavní mechanismy působení tohoto pozoruhodného chování mikrořas.
Pozorování SEM ukázala, že mikrořasy mají tendenci se vázat na Nb-MXen.Pomocí dynamické obrazové analýzy potvrzujeme, že tento efekt vede k transformaci dvourozměrných nanovloček Nb-MXenu na kulovitější částice, čímž prokazujeme, že rozklad nanovloček je spojen s jejich oxidací.Abychom ověřili naši hypotézu, provedli jsme řadu materiálových a biochemických studií.Po testování nanovločky postupně oxidovaly a rozkládaly se na produkty NbO a Nb2O5, které zelené mikrořasy neohrožovaly.Pomocí FTIR pozorování jsme nezjistili žádné významné změny v chemickém složení mikrořas inkubovaných v přítomnosti 2D nanovloček Nb-MXenu.S ohledem na možnost absorpce oxidu niobu mikrořasami jsme provedli rentgenovou fluorescenční analýzu.Tyto výsledky jasně ukazují, že studované mikrořasy se živí oxidy niobu (NbO a Nb2O5), které jsou pro studované mikrořasy netoxické.