Tak fordi du besøgte Nature.com.Du bruger en browserversion med begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).I mellemtiden, for at sikre fortsat support, vil vi gengive webstedet uden stilarter og JavaScript.
Viser en karrusel med tre dias på én gang.Brug knapperne Forrige og Næste til at flytte gennem tre dias ad gangen, eller brug skyderknapperne i slutningen til at flytte gennem tre dias ad gangen.
Den hurtige udvikling af nanoteknologi og dens integration i hverdagsapplikationer kan true miljøet.Mens grønne metoder til nedbrydning af organiske forurenende stoffer er veletablerede, er genvinding af uorganiske krystallinske forurenende stoffer af stor bekymring på grund af deres lave følsomhed over for biotransformation og manglende forståelse af materialeoverfladeinteraktioner med biologiske.Her bruger vi en Nb-baseret uorganisk 2D MXenes-model kombineret med en simpel formparameteranalysemetode til at spore bioremedieringsmekanismen for 2D-keramiske nanomaterialer af den grønne mikroalge Raphidocelis subcapitata.Vi fandt ud af, at mikroalger nedbryder Nb-baserede MXener på grund af overfladerelaterede fysisk-kemiske interaktioner.Til at begynde med blev enkeltlags og flerlags MXene nanoflager fastgjort til overfladen af ​​mikroalger, hvilket reducerede væksten af ​​alger noget.Efter langvarig interaktion med overfladen oxiderede mikroalger imidlertid MXene-nanoflager og dekomponerede dem yderligere til NbO og Nb2O5.Fordi disse oxider er ikke-toksiske for mikroalgeceller, forbruger de Nb-oxid-nanopartikler ved en absorptionsmekanisme, der genopretter mikroalgerne yderligere efter 72 timers vandbehandling.Virkningerne af næringsstoffer forbundet med absorption afspejles også i stigningen i cellevolumen, deres glatte form og ændring i væksthastighed.Baseret på disse resultater konkluderer vi, at den kort- og langsigtede tilstedeværelse af Nb-baserede MXener i ferskvandsøkosystemer kun kan forårsage mindre miljøpåvirkninger.Det er bemærkelsesværdigt, at vi ved at bruge todimensionelle nanomaterialer som modelsystemer demonstrerer muligheden for at spore formtransformation selv i finkornede materialer.Samlet set besvarer denne undersøgelse et vigtigt grundlæggende spørgsmål om overfladeinteraktionsrelaterede processer, der driver bioremedieringsmekanismen for 2D-nanomaterialer og giver grundlag for yderligere kortsigtede og langsigtede undersøgelser af miljøpåvirkningen af ​​uorganiske krystallinske nanomaterialer.
Nanomaterialer har skabt stor interesse siden deres opdagelse, og forskellige nanoteknologier er for nylig gået ind i en moderniseringsfase1.Desværre kan integrationen af ​​nanomaterialer i hverdagsapplikationer føre til utilsigtede frigivelser på grund af forkert bortskaffelse, skødesløs håndtering eller utilstrækkelig sikkerhedsinfrastruktur.Derfor er det rimeligt at antage, at nanomaterialer, herunder todimensionelle (2D) nanomaterialer, kan frigives til det naturlige miljø, hvis adfærd og biologiske aktivitet endnu ikke er fuldt ud forstået.Derfor er det ikke overraskende, at bekymringer om økotoksicitet har fokuseret på 2D-nanomaterialers evne til at udvaske i akvatiske systemer2,3,4,5,6.I disse økosystemer kan nogle 2D nanomaterialer interagere med forskellige organismer på forskellige trofiske niveauer, herunder mikroalger.
Mikroalger er primitive organismer, der findes naturligt i ferskvands- og marineøkosystemer, der producerer en række kemiske produkter gennem fotosyntese7.Som sådan er de kritiske for akvatiske økosystemer8,9,10,11,12, men er også følsomme, billige og udbredte indikatorer for økotoksicitet13,14.Da mikroalgeceller formerer sig hurtigt og hurtigt reagerer på tilstedeværelsen af ​​forskellige forbindelser, er de lovende for udviklingen af ​​miljøvenlige metoder til behandling af vand forurenet med organiske stoffer15,16.
Algeceller kan fjerne uorganiske ioner fra vand gennem biosorption og akkumulering17,18.Nogle algearter som Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue og Synechococcus sp.Det har vist sig at bære og endda nære giftige metalioner såsom Fe2+, Cu2+, Zn2+ og Mn2+19.Andre undersøgelser har vist, at Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ eller Pb2+ ioner begrænser væksten af ​​Scenedesmus ved at ændre cellemorfologi og ødelægge deres kloroplaster20,21.
Grønne metoder til nedbrydning af organiske forurenende stoffer og fjernelse af tungmetalioner har tiltrukket sig opmærksomhed fra videnskabsmænd og ingeniører over hele verden.Dette skyldes hovedsageligt, at disse forurenende stoffer let kan behandles i væskefasen.Imidlertid er uorganiske krystallinske forurenende stoffer kendetegnet ved lav vandopløselighed og lav modtagelighed for forskellige biotransformationer, hvilket medfører store vanskeligheder ved oprensning, og der er kun gjort små fremskridt på dette område22,23,24,25,26.Derfor er jagten på miljøvenlige løsninger til reparation af nanomaterialer fortsat et komplekst og uudforsket område.På grund af den høje grad af usikkerhed vedrørende biotransformationseffekterne af 2D nanomaterialer, er der ingen nem måde at finde ud af de mulige veje for deres nedbrydning under reduktion.
I denne undersøgelse brugte vi grønne mikroalger som et aktivt vandigt bioremedieringsmiddel til uorganiske keramiske materialer, kombineret med in situ overvågning af nedbrydningsprocessen af ​​MXene som en repræsentant for uorganiske keramiske materialer.Udtrykket "MXene" afspejler støkiometrien af ​​Mn+1XnTx-materialet, hvor M er et tidligt overgangsmetal, X er carbon og/eller nitrogen, Tx er en overfladeterminator (f.eks. -OH, -F, -Cl), og n = 1, 2, 3 eller 427,28.Siden opdagelsen af ​​MXenes af Naguib et al.Sensorik, cancerterapi og membranfiltrering 27,29,30.Derudover kan MXener betragtes som model 2D-systemer på grund af deres fremragende kolloide stabilitet og mulige biologiske interaktioner31,32,33,34,35,36.
Derfor er metoden udviklet i denne artikel og vores forskningshypoteser vist i figur 1. Ifølge denne hypotese nedbryder mikroalger Nb-baserede MXener til ikke-toksiske forbindelser på grund af overflade-relaterede fysisk-kemiske interaktioner, hvilket muliggør yderligere genvinding af algerne.For at teste denne hypotese blev to medlemmer af familien af ​​tidlige niob-baserede overgangsmetalcarbider og/eller nitrider (MXenes), nemlig Nb2CTx og Nb4C3TX, udvalgt.
Forskningsmetodik og evidensbaserede hypoteser for MXene-genvinding af grønne mikroalger Raphidocelis subcapitata.Bemærk venligst, at dette kun er en skematisk fremstilling af evidensbaserede antagelser.Sømiljøet er forskelligt i det anvendte næringsmedium og betingelserne (f.eks. daglig cyklus og begrænsninger i tilgængelige essentielle næringsstoffer).Oprettet med BioRender.com.
Derfor har vi ved at bruge MXene som modelsystem åbnet døren til undersøgelsen af ​​forskellige biologiske effekter, som ikke kan observeres med andre konventionelle nanomaterialer.Især demonstrerer vi muligheden for bioremediering af todimensionelle nanomaterialer, såsom niobium-baserede MXener, af mikroalger Raphidocelis subcapitata.Mikroalger er i stand til at nedbryde Nb-MXener til de ikke-toksiske oxider NbO og Nb2O5, som også giver næringsstoffer gennem niobiumoptagelsesmekanismen.Samlet set besvarer denne undersøgelse et vigtigt grundlæggende spørgsmål om de processer, der er forbundet med overfladefysisk-kemiske interaktioner, der styrer mekanismerne for bioremediering af todimensionelle nanomaterialer.Derudover udvikler vi en simpel form-parameter-baseret metode til sporing af subtile ændringer i formen af ​​2D nanomaterialer.Dette inspirerer til yderligere kortsigtet og langsigtet forskning i de forskellige miljøpåvirkninger af uorganiske krystallinske nanomaterialer.Vores undersøgelse øger således forståelsen af ​​samspillet mellem materialeoverfladen og biologisk materiale.Vi danner også grundlag for udvidede kortsigtede og langsigtede undersøgelser af deres mulige påvirkninger på ferskvandsøkosystemer, som nu let kan verificeres.
MXenes repræsenterer en interessant klasse af materialer med unikke og attraktive fysiske og kemiske egenskaber og derfor mange potentielle anvendelsesmuligheder.Disse egenskaber er i høj grad afhængige af deres støkiometri og overfladekemi.Derfor undersøgte vi i vores undersøgelse to typer af Nb-baserede hierarkiske enkeltlags (SL) MXenes, Nb2CTx og Nb4C3TX, da forskellige biologiske effekter af disse nanomaterialer kunne observeres.MXener fremstilles af deres udgangsmaterialer ved top-down selektiv ætsning af atomisk tynde MAX-fase A-lag.MAX-fasen er en ternær keramik bestående af "bundne" blokke af overgangsmetalkarbider og tynde lag af "A"-elementer såsom Al, Si og Sn med MnAXn-1 støkiometri.Morfologien af ​​den indledende MAX-fase blev observeret ved scanningelektronmikroskopi (SEM) og var i overensstemmelse med tidligere undersøgelser (se supplerende information, SI, figur S1).Flerlags (ML) Nb-MXen blev opnået efter fjernelse af Al-laget med 48% HF (flussyre).Morfologien af ​​ML-Nb2CTx og ML-Nb4C3TX blev undersøgt ved scanningselektronmikroskopi (SEM) (henholdsvis figur S1c og S1d), og en typisk lagdelt MXene-morfologi blev observeret, svarende til todimensionelle nanoflakes, der passerer gennem aflange porelignende spalter.Begge Nb-MXener har meget til fælles med MXene-faser, der tidligere var syntetiseret ved syreætsning27,38.Efter at have bekræftet strukturen af ​​MXene lagde vi det ved interkalation af tetrabutylammoniumhydroxid (TBAOH) efterfulgt af vask og sonikering, hvorefter vi opnåede enkeltlags eller lavlags (SL) 2D Nb-MXene nanoflakes.
Vi brugte højopløsningstransmissionselektronmikroskopi (HRTEM) og røntgendiffraktion (XRD) til at teste effektiviteten af ​​ætsning og yderligere peeling.HRTEM-resultaterne behandlet ved hjælp af Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) og Fast Fourier Transform (FFT) er vist i fig. 2. Nb-MXene nanoflakes blev orienteret kant opad for at kontrollere strukturen af ​​det atomare lag og måle de interplanare afstande.HRTEM-billeder af MXene Nb2CTx og Nb4C3TX nanoflakes afslørede deres atomisk tynde lag natur (se fig. 2a1, a2), som tidligere rapporteret af Naguib et al.27 og Jastrzębska et al.38.For to tilstødende Nb2CTx og Nb4C3Tx monolag bestemte vi mellemlagsafstande på henholdsvis 0,74 og 1,54 nm (fig. 2b1,b2), hvilket også stemmer overens med vores tidligere resultater38.Dette blev yderligere bekræftet af den inverse hurtige Fourier-transformation (fig. 2c1, c2) og den hurtige Fourier-transformation (fig. 2d1, d2), der viser afstanden mellem Nb2CTx- og Nb4C3Tx-monolagene.Billedet viser en vekslen mellem lyse og mørke bånd svarende til niobium- og carbonatomer, hvilket bekræfter den lagdelte natur af de undersøgte MXener.Det er vigtigt at bemærke, at de energidispersive røntgenspektroskopi (EDX)-spektre opnået for Nb2CTx og Nb4C3Tx (figur S2a og S2b) ikke viste nogen rest af den oprindelige MAX-fase, da der ikke blev detekteret nogen Al-top.
Karakterisering af SL Nb2CTx og Nb4C3Tx MXene nanoflakes, inklusive (a) høj opløsning elektronmikroskopi (HRTEM) side-view 2D nanoflake billeddannelse og tilsvarende, (b) intensitetstilstand, (c) invers hurtig Fourier transformation (IFFT), (d) hurtig Fourier transformation (FFT), (e) X-b-ray mønster.For SL 2D Nb2CTx er tallene udtrykt som (a1, b1, c1, d1, e1).For SL 2D Nb4C3Tx er tallene udtrykt som (a2, b2, c2, d2, e1).
Røntgendiffraktionsmålinger af SL Nb2CTx og Nb4C3Tx MXener er vist i fig.2e1 og e2, henholdsvis.Toppe (002) ved 4,31 og 4,32 svarer til de tidligere beskrevne lagdelte MXener henholdsvis Nb2CTx og Nb4C3TX38,39,40,41.XRD-resultaterne indikerer også tilstedeværelsen af ​​nogle resterende ML-strukturer og MAX-faser, men for det meste XRD-mønstre forbundet med SL Nb4C3Tx (fig. 2e2).Tilstedeværelsen af ​​mindre partikler af MAX-fasen kan forklare den stærkere MAX-top sammenlignet med de tilfældigt stablede Nb4C3Tx-lag.
Yderligere forskning har fokuseret på grønne mikroalger tilhørende arten R. subcapitata.Vi valgte mikroalger, fordi de er vigtige producenter involveret i store fødebaner42.De er også en af ​​de bedste indikatorer for toksicitet på grund af evnen til at fjerne giftige stoffer, der transporteres til højere niveauer af fødekæden43.Derudover kan forskning i R. subcapitata kaste lys over den tilfældige toksicitet af SL Nb-MXener over for almindelige ferskvandsmikroorganismer.For at illustrere dette antog forskerne, at hver mikrobe har forskellig følsomhed over for giftige forbindelser, der er til stede i miljøet.For de fleste organismer påvirker lave koncentrationer af stoffer ikke deres vækst, mens koncentrationer over en vis grænse kan hæmme dem eller endda forårsage død.Derfor besluttede vi at teste de harmløse og toksiske koncentrationer af Nb-MXener til vores undersøgelser af overfladeinteraktionen mellem mikroalger og MXener og den tilhørende genopretning.For at gøre dette testede vi koncentrationer på 0 (som reference), 0,01, 0,1 og 10 mg l-1 MXene og yderligere inficerede mikroalger med meget høje koncentrationer af MXene (100 mg l-1 MXene), som kan være ekstreme og dødelige..for ethvert biologisk miljø.
Virkningerne af SL Nb-MXener på mikroalger er vist i figur 3, udtrykt som procentdelen af ​​vækstfremme (+) eller hæmning (-) målt for 0 mg l-1 prøver.Til sammenligning blev Nb-MAX-fasen og ML Nb-MXenerne også testet, og resultaterne er vist i SI (se fig. S3).De opnåede resultater bekræftede, at SL Nb-MXenes er næsten fuldstændig fri for toksicitet i området af lave koncentrationer fra 0,01 til 10 mg/l, som vist i fig. 3a,b.I tilfælde af Nb2CTx observerede vi ikke mere end 5% økotoksicitet i det specificerede område.
Stimulering (+) eller inhibering (-) af mikroalgevækst i nærvær af SL (a) Nb2CTx og (b) Nb4C3TX MXene.24, 48 og 72 timers MXene-mikroalge-interaktion blev analyseret. Signifikante data (t-test, p < 0,05) blev markeret med en stjerne (*). Signifikante data (t-test, p < 0,05) blev markeret med en stjerne (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Signifikante data (t-test, p < 0,05) er markeret med en stjerne (*).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 (*). Vigtige data (t-test, p < 0,05) er markeret med en stjerne (*).Røde pile indikerer afskaffelsen af ​​hæmmende stimulering.
På den anden side viste lave koncentrationer af Nb4C3TX sig at være lidt mere toksiske, men ikke højere end 7%.Som forventet observerede vi, at MXenes havde højere toksicitet og hæmning af mikroalgevækst ved 100 mg L-1.Interessant nok viste ingen af ​​materialerne den samme tendens og tidsafhængighed af atoksiske/toksiske effekter sammenlignet med MAX- eller ML-prøverne (se SI for detaljer).Mens toksiciteten for MAX-fasen (se fig. S3) nåede ca. 15-25 % og steg med tiden, blev den omvendte tendens observeret for SL Nb2CTx og Nb4C3TX MXene.Hæmningen af ​​mikroalgevækst faldt over tid.Den nåede ca. 17 % efter 24 timer og faldt til mindre end 5 % efter 72 timer (henholdsvis fig. 3a, b).
Endnu vigtigere er det, at for SL Nb4C3TX nåede hæmningen af ​​mikroalgevækst omkring 27 % efter 24 timer, men efter 72 timer faldt den til omkring 1 %.Derfor mærkede vi den observerede effekt som omvendt hæmning af stimulering, og effekten var stærkere for SL Nb4C3TX MXene.Stimuleringen af ​​mikroalgevækst blev bemærket tidligere med Nb4C3TX (interaktion ved 10 mg L-1 i 24 timer) sammenlignet med SL Nb2CTx MXene.Inhiberingsstimuleringens reverseringseffekt blev også godt vist i biomassefordoblingshastighedskurven (se fig. S4 for detaljer).Indtil videre er kun økotoksiciteten af ​​Ti3C2TX MXene blevet undersøgt på forskellige måder.Det er ikke giftigt for zebrafiskembryoner44, men moderat økotoksisk for mikroalgerne Desmodesmus quadricauda og Sorghum saccharatum planterne45.Andre eksempler på specifikke virkninger omfatter højere toksicitet for cancercellelinjer end for normale cellelinjer46,47.Det kunne antages, at testbetingelserne ville påvirke ændringerne i mikroalgevækst observeret i nærvær af Nb-MXener.For eksempel er en pH på ca. 8 i chloroplaststromaen optimal for effektiv drift af RuBisCO-enzymet.Derfor påvirker pH-ændringer fotosyntesehastigheden negativt48,49.Men vi observerede ikke signifikante ændringer i pH under eksperimentet (se SI, Fig. S5 for detaljer).Generelt reducerede kulturer af mikroalger med Nb-MXener opløsningens pH en smule over tid.Dette fald svarede imidlertid til en ændring i pH i et rent medium.Derudover svarede rækken af ​​fundne variationer til den, der blev målt for en ren kultur af mikroalger (kontrolprøve).Således konkluderer vi, at fotosyntesen ikke påvirkes af ændringer i pH over tid.
Derudover har de syntetiserede MXener overfladeendelser (betegnet som Tx).Disse er hovedsageligt funktionelle grupper -O, -F og -OH.Overfladekemi er imidlertid direkte relateret til syntesemetoden.Disse grupper er kendt for at være tilfældigt fordelt over overfladen, hvilket gør det vanskeligt at forudsige deres effekt på egenskaberne af MXene50.Det kan argumenteres for, at Tx kunne være den katalytiske kraft for oxidation af niob med lys.Overfladefunktionelle grupper giver faktisk flere forankringssteder for deres underliggende fotokatalysatorer for at danne heterojunctions51.Vækstmediesammensætningen gav dog ikke en effektiv fotokatalysator (detaljeret mediesammensætning kan findes i SI-tabel S6).Derudover er enhver overflademodifikation også meget vigtig, da den biologiske aktivitet af MXener kan ændres på grund af lagefterbehandling, oxidation, kemisk overflademodifikation af organiske og uorganiske forbindelser52,53,54,55,56 eller overfladeladningsteknik38.For at teste, om niobiumoxid har noget at gøre med materialeustabilitet i mediet, udførte vi derfor undersøgelser af zeta (ζ) potentialet i mikroalger vækstmedium og deioniseret vand (til sammenligning).Vores resultater viser, at SL Nb-MXenes er ret stabile (se SI Fig. S6 for MAX og ML resultater).Zeta-potentialet for SL MXenes er omkring -10 mV.I tilfælde af SR Nb2CTx er værdien af ​​ζ noget mere negativ end for Nb4C3Tx.En sådan ændring i ζ-værdien kan indikere, at overfladen af ​​negativt ladede MXene-nanoflager absorberer positivt ladede ioner fra dyrkningsmediet.Temporale målinger af zeta-potentialet og ledningsevnen af ​​Nb-MXener i kulturmedium (se figur S7 og S8 i SI for flere detaljer) synes at understøtte vores hypotese.
Imidlertid viste begge Nb-MXene SL'er minimale ændringer fra nul.Dette viser tydeligt deres stabilitet i mikroalgevækstmediet.Derudover vurderede vi, om tilstedeværelsen af ​​vores grønne mikroalger ville påvirke stabiliteten af ​​Nb-MXener i mediet.Resultaterne af zeta-potentialet og ledningsevnen af ​​MXener efter interaktion med mikroalger i næringsmedier og kultur over tid kan findes i SI (figur S9 og S10).Interessant nok bemærkede vi, at tilstedeværelsen af ​​mikroalger syntes at stabilisere spredningen af ​​begge MXener.I tilfælde af Nb2CTx SL faldt zeta-potentialet endda lidt over tid til mere negative værdier (-15,8 versus -19,1 mV efter 72 timers inkubation).Zeta-potentialet for SL Nb4C3TX steg lidt, men efter 72 timer viste det stadig højere stabilitet end nanoflakes uden tilstedeværelse af mikroalger (-18,1 vs. -9,1 mV).
Vi fandt også lavere ledningsevne af Nb-MXene-opløsninger inkuberet i nærvær af mikroalger, hvilket indikerer en lavere mængde ioner i næringsmediet.Ustabiliteten af ​​MXener i vand skyldes især overfladeoxidation57.Derfor har vi mistanke om, at grønne mikroalger på en eller anden måde fjernede oxiderne dannet på overfladen af ​​Nb-MXene og endda forhindrede deres forekomst (oxidation af MXene).Dette kan ses ved at studere de typer stoffer, der optages af mikroalger.
Mens vores økotoksikologiske undersøgelser indikerede, at mikroalger var i stand til at overvinde toksiciteten af ​​Nb-MXener over tid og den usædvanlige hæmning af stimuleret vækst, var formålet med vores undersøgelse at undersøge mulige virkningsmekanismer.Når organismer som f.eks. alger udsættes for forbindelser eller materialer, der ikke er kendt for deres økosystemer, kan de reagere på en række forskellige måder58,59.I mangel af giftige metaloxider kan mikroalger brødføde sig selv, så de kan vokse kontinuerligt60.Efter indtagelse af giftige stoffer kan forsvarsmekanismer blive aktiveret, såsom at ændre form eller form.Muligheden for absorption skal også overvejes58,59.Navnlig er ethvert tegn på en forsvarsmekanisme en klar indikator for testforbindelsens toksicitet.Derfor undersøgte vi i vores videre arbejde den potentielle overfladeinteraktion mellem SL Nb-MXene nanoflakes og mikroalger ved SEM og den mulige absorption af Nb-baseret MXene ved røntgenfluorescensspektroskopi (XRF).Bemærk, at SEM- og XRF-analyser kun blev udført ved den højeste koncentration af MXene for at løse problemer med aktivitetstoksicitet.
SEM-resultaterne er vist i fig.Ubehandlede mikroalgeceller (se fig. 4a, referenceprøve) viste tydeligt typisk R. subcapitata-morfologi og croissantlignende celleform.Celler virker fladtrykte og noget uorganiserede.Nogle mikroalgeceller overlappede og viklede sig ind i hinanden, men dette var sandsynligvis forårsaget af prøveforberedelsesprocessen.Generelt havde rene mikroalgeceller en glat overflade og viste ingen morfologiske ændringer.
SEM-billeder, der viser overfladeinteraktion mellem grønne mikroalger og MXene nanoark efter 72 timers interaktion ved ekstrem koncentration (100 mg L-1).(a) Ubehandlede grønne mikroalger efter interaktion med SL (b) Nb2CTx og (c) Nb4C3TX MXenes.Bemærk, at Nb-MXene nanoflakes er markeret med røde pile.Til sammenligning tilføjes også fotografier fra et optisk mikroskop.
I modsætning hertil blev mikroalgeceller adsorberet af SL Nb-MXene nanoflakes beskadiget (se fig. 4b, c, røde pile).I tilfælde af Nb2CTx MXene (fig. 4b) har mikroalger en tendens til at vokse med vedhæftede todimensionelle nanoskalaer, som kan ændre deres morfologi.Især observerede vi også disse ændringer under lysmikroskopi (se SI figur S11 for detaljer).Denne morfologiske overgang har et plausibelt grundlag i mikroalgers fysiologi og deres evne til at forsvare sig ved at ændre cellemorfologi, såsom at øge cellevolumen61.Derfor er det vigtigt at tjekke antallet af mikroalgeceller, der faktisk er i kontakt med Nb-MXener.SEM-undersøgelser viste, at cirka 52 % af mikroalgecellerne blev udsat for Nb-MXenes, mens 48 % af disse mikroalgeceller undgik kontakt.For SL Nb4C3Tx MXene forsøger mikroalger at undgå kontakt med MXene, hvorved de lokaliserer og vokser fra todimensionelle nanoskalaer (fig. 4c).Men vi observerede ikke indtrængning af nanoskalaer i mikroalgeceller og deres skader.
Selvbevarelse er også en tidsafhængig reaktionsadfærd på blokering af fotosyntese på grund af adsorption af partikler på celleoverfladen og den såkaldte shading (shading) effekt62.Det er klart, at hver genstand (f.eks. Nb-MXene nanoflakes), der er mellem mikroalgerne og lyskilden, begrænser mængden af ​​lys, der absorberes af kloroplasterne.Vi er dog ikke i tvivl om, at dette har en væsentlig betydning for de opnåede resultater.Som det fremgår af vores mikroskopiske observationer, var 2D-nanoflagerne ikke fuldstændigt pakket ind eller klæbet til overfladen af ​​mikroalgerne, selv når mikroalgecellerne var i kontakt med Nb-MXenes.I stedet viste det sig, at nanoflakes var orienteret mod mikroalgeceller uden at dække deres overflade.Et sådant sæt af nanoflakes/mikroalger kan ikke i væsentlig grad begrænse mængden af ​​lys, der absorberes af mikroalgeceller.Desuden har nogle undersøgelser endda vist en forbedring i lysabsorption af fotosyntetiske organismer i nærværelse af todimensionelle nanomaterialer63,64,65,66.
Da SEM-billeder ikke direkte kunne bekræfte optagelsen af ​​niob af mikroalgeceller, vendte vores yderligere undersøgelse sig til røntgenfluorescens (XRF) og røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) analyse for at afklare dette problem.Derfor sammenlignede vi intensiteten af ​​Nb-toppene af referencemikroalgeprøver, der ikke interagerede med MXener, MXene nanoflakes løsrevet fra overfladen af ​​mikroalgeceller og mikroalgeceller efter fjernelse af vedhæftede MXener.Det er værd at bemærke, at hvis der ikke er nogen Nb-optagelse, bør Nb-værdien opnået af mikroalgecellerne være nul efter fjernelse af de vedhæftede nanoskalaer.Hvis Nb-optagelse forekommer, bør både XRF- og XPS-resultater derfor vise en klar Nb-top.
I tilfælde af XRF-spektre viste mikroalgeprøver Nb-toppe for SL Nb2CTx og Nb4C3Tx MXene efter interaktion med SL Nb2CTx og Nb4C3Tx MXene (se fig. 5a, bemærk også, at resultaterne for MAX og ML MXener er vist i SI, C172 S12).Interessant nok er intensiteten af ​​Nb-toppen den samme i begge tilfælde (røde søjler i fig. 5a).Dette indikerede, at algerne ikke kunne absorbere mere Nb, og den maksimale kapacitet for Nb-akkumulering blev opnået i cellerne, selvom der var knyttet to gange mere Nb4C3Tx MXene til mikroalgecellerne (blå søjler i fig. 5a).Navnlig afhænger mikroalgers evne til at absorbere metaller af koncentrationen af ​​metaloxider i miljøet67,68.Shamshada et al.67 fandt, at ferskvandsalgers absorptionsevne falder med stigende pH.Raize et al.68 bemærkede, at tangs evne til at absorbere metaller var omkring 25 % højere for Pb2+ end for Ni2+.
(a) XRF-resultater af basal Nb-optagelse af grønne mikroalgeceller inkuberet ved en ekstrem koncentration af SL Nb-MXener (100 mg L-1) i 72 timer.Resultaterne viser tilstedeværelsen af ​​α i rene mikroalgeceller (kontrolprøve, grå søjler), 2D nanoflakes isoleret fra overflademikroalgeceller (blå søjler) og mikroalgeceller efter adskillelse af 2D nanoflakes fra overfladen (røde søjler).Mængden af ​​elementært Nb, (b) procentdelen af ​​den kemiske sammensætning af mikroalgernes organiske komponenter (C=O og CHx/C–O) og Nb-oxider, der er til stede i mikroalgeceller efter inkubation med SL Nb-MXener, (c–e) Tilpasning af sammensætningstoppen af ​​XPS SL Nb2CTx spektre og (fgaMXC3Tx SL) interne mikroceller.
Derfor forventede vi, at Nb kunne optages af algeceller i form af oxider.For at teste dette udførte vi XPS-undersøgelser på MXenes Nb2CTx og Nb4C3TX og algeceller.Resultaterne af interaktionen af ​​mikroalger med Nb-MXener og MXener isoleret fra algeceller er vist i fig.5b.Som forventet opdagede vi Nb 3d-toppe i mikroalgeprøverne efter fjernelse af MXene fra overfladen af ​​mikroalgerne.Den kvantitative bestemmelse af C=O-, CHx/CO- og Nb-oxider blev beregnet ud fra Nb 3d-, O 1s- og C 1s-spektrene opnået med Nb2CTx SL (fig. 5c-e) og Nb4C3Tx SL (fig. 5c-e).) opnået fra inkuberede mikroalger.Figur 5f–h) MXenes.Tabel S1-3 viser detaljerne for peak-parametrene og den overordnede kemi som følge af tilpasningen.Det er bemærkelsesværdigt, at Nb 3d-regionerne af Nb2CTx SL og Nb4C3Tx SL (fig. 5c, f) svarer til én Nb2O5-komponent.Her fandt vi ingen MXene-relaterede toppe i spektrene, hvilket indikerer, at mikroalgeceller kun absorberer oxidformen af ​​Nb.Derudover tilnærmede vi C 1 s spektret med C–C, CHx/C–O, C=O og –COOH komponenterne.Vi tildelte CHx/C–O- og C=O-toppene til det organiske bidrag fra mikroalgeceller.Disse organiske komponenter tegner sig for 36 % og 41 % af C 1s-toppene i henholdsvis Nb2CTx SL og Nb4C3TX SL.Vi tilpassede derefter O 1s-spektrene for SL Nb2CTx og SL Nb4C3TX med Nb2O5, organiske komponenter af mikroalger (CHx/CO) og overfladeadsorberet vand.
Endelig indikerede XPS-resultaterne klart formen af ​​Nb, ikke kun dens tilstedeværelse.Ifølge positionen af ​​Nb 3d-signalet og resultaterne af dekonvolutionen bekræfter vi, at Nb kun absorberes i form af oxider og ikke ioner eller MXene selv.Derudover viste XPS-resultater, at mikroalgeceller har en større evne til at optage Nb-oxider fra SL Nb2CTx sammenlignet med SL Nb4C3TX MXene.
Mens vores Nb-optagelsesresultater er imponerende og giver os mulighed for at identificere MXene-nedbrydning, er der ingen tilgængelig metode til at spore associerede morfologiske ændringer i 2D-nanoflakes.Derfor besluttede vi også at udvikle en egnet metode, der direkte kan reagere på eventuelle ændringer, der forekommer i 2D Nb-MXene nanoflager og mikroalgeceller.Det er vigtigt at bemærke, at vi antager, at hvis de interagerende arter gennemgår en transformation, nedbrydning eller defragmentering, bør dette hurtigt vise sig som ændringer i formparametre, såsom diameteren af ​​det tilsvarende cirkulære areal, rundhed, Feret-bredde eller Feret-længde.Da disse parametre er velegnede til at beskrive aflange partikler eller todimensionelle nanoflager, vil deres sporing ved dynamisk partikelformanalyse give os værdifuld information om den morfologiske transformation af SL Nb-MXene nanoflakes under reduktion.
De opnåede resultater er vist i figur 6. Til sammenligning testede vi også den originale MAX-fase og ML-MXenes (se SI-figurerne S18 og S19).Dynamisk analyse af partikelform viste, at alle formparametre for to Nb-MXene SL'er ændrede sig signifikant efter interaktion med mikroalger.Som vist af den ækvivalente cirkulære arealdiameterparameter (fig. 6a, b), indikerer den reducerede topintensitet af fraktionen af ​​store nanoflakes, at de har tendens til at henfalde til mindre fragmenter.På fig.6c, d viser et fald i toppene forbundet med flagernes tværgående størrelse (forlængelse af nanoflagerne), hvilket indikerer transformationen af ​​2D nanoflakes til en mere partikellignende form.Figur 6e-h, der viser henholdsvis bredden og længden af ​​Feret.Feret bredde og længde er komplementære parametre og bør derfor overvejes sammen.Efter inkubation af 2D Nb-MXene nanoflakes i nærværelse af mikroalger, skiftede deres Feret-korrelationstoppe, og deres intensitet faldt.Baseret på disse resultater i kombination med morfologi, XRF og XPS konkluderede vi, at de observerede ændringer er stærkt relateret til oxidation, da oxiderede MXener bliver mere rynket og nedbrydes i fragmenter og sfæriske oxidpartikler69,70.
Analyse af MXene-transformation efter interaktion med grønne mikroalger.Dynamisk partikelformanalyse tager højde for sådanne parametre som (a, b) diameter af det ækvivalente cirkulære areal, (c, d) rundhed, (e, f) Feret bredde og (g, h) Feret længde.Til dette formål blev to referencemikroalgeprøver analyseret sammen med primære SL Nb2CTx og SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx og SL Nb4C3Tx MXenes, nedbrudte mikroalger og behandlede mikroalger SL Nb2CTx og SL Nb4C3Tx MXenes.De røde pile viser overgangene af formparametrene for de undersøgte todimensionelle nanoflakes.
Da formparameteranalyse er meget pålidelig, kan den også afsløre morfologiske ændringer i mikroalgeceller.Derfor analyserede vi den ækvivalente cirkulære arealdiameter, rundhed og Feret bredde/længde af rene mikroalgeceller og celler efter interaktion med 2D Nb nanoflakes.På fig.6a–h viser ændringer i formparametrene for algeceller, hvilket fremgår af et fald i spidsintensitet og et skift af maksima mod højere værdier.Især viste celleafrundingsparametre et fald i aflange celler og en stigning i sfæriske celler (fig. 6a, b).Derudover steg Feret-cellebredden med flere mikrometer efter interaktion med SL Nb2CTx MXene (fig. 6e) sammenlignet med SL Nb4C3TX MXene (fig. 6f).Vi formoder, at dette kan skyldes mikroalgernes stærke optagelse af Nb-oxider ved interaktion med Nb2CTx SR.Mindre stiv vedhæftning af Nb-flager til deres overflade kan resultere i cellevækst med minimal skyggeeffekt.
Vores observationer af ændringer i parametrene for form og størrelse af mikroalger supplerer andre undersøgelser.Grønne mikroalger kan ændre deres morfologi som reaktion på miljøstress ved at ændre cellestørrelse, form eller stofskifte61.For eksempel letter ændring af størrelsen af ​​celler optagelsen af ​​næringsstoffer71.Mindre algeceller viser lavere næringsoptagelse og nedsat væksthastighed.Omvendt har større celler en tendens til at indtage flere næringsstoffer, som derefter deponeres intracellulært72,73.Machado og Soares fandt ud af, at svampemidlet triclosan kan øge cellestørrelsen.De fandt også dybtgående ændringer i algernes form74.Yin et al.9 afslørede desuden morfologiske ændringer i alger efter eksponering for reducerede grafenoxid-nanokompositter.Derfor er det klart, at mikroalgernes ændrede størrelse/form-parametre er forårsaget af tilstedeværelsen af ​​MXene.Da denne ændring i størrelse og form er indikativ for ændringer i næringsstofoptagelse, mener vi, at analyse af størrelse og formparametre over tid kan påvise optagelse af niobiumoxid af mikroalger i nærvær af Nb-MXener.
Desuden kan MXener oxideres i nærværelse af alger.Dalai et al.75 observerede, at morfologien af ​​grønne alger udsat for nano-TiO2 og Al2O376 ikke var ensartet.Selvom vores observationer ligner nærværende undersøgelse, er det kun relevant for undersøgelsen af ​​virkningerne af bioremediering med hensyn til MXene-nedbrydningsprodukter i nærvær af 2D-nanoflager og ikke nanopartikler.Da MXener kan nedbrydes til metaloxider,31,32,77,78, er det rimeligt at antage, at vores Nb-nanoflager også kan danne Nb-oxider efter at have interageret med mikroalgeceller.
For at forklare reduktionen af ​​2D-Nb nanoflakes gennem en nedbrydningsmekanisme baseret på oxidationsprocessen, udførte vi undersøgelser ved hjælp af højopløsningstransmissionselektronmikroskopi (HRTEM) (fig. 7a,b) og røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) (fig. 7).7c-i og tabel S4-5).Begge tilgange er velegnede til at studere oxidation af 2D-materialer og supplerer hinanden.HRTEM er i stand til at analysere nedbrydningen af ​​todimensionelle lagdelte strukturer og den efterfølgende fremkomst af metaloxidnanopartikler, mens XPS er følsom over for overfladebindinger.Til dette formål testede vi 2D Nb-MXene nanoflakes ekstraheret fra mikroalgecelledispersioner, det vil sige deres form efter interaktion med mikroalgeceller (se fig. 7).
HRTEM-billeder, der viser morfologien af ​​oxiderede (a) SL Nb2CTx og (b) SL Nb4C3Tx MXenes, XPS-analyseresultater, der viser (c) sammensætningen af ​​oxidprodukter efter reduktion, (d–f) peak-matchning af komponenter i XPS-spektrene af SL Nb2CTx og (g–i) Nb4C3Tx repareret med grønt microSLe.Tx.
HRTEM-undersøgelser bekræftede oxidationen af ​​to typer Nb-MXene nanoflakes.Selvom nanoflagerne til en vis grad bibeholdt deres todimensionelle morfologi, resulterede oxidation i fremkomsten af ​​mange nanopartikler, der dækkede overfladen af ​​MXene-nanoflagerne (se fig. 7a, b).XPS-analyse af cNb3d- og O1s-signaler indikerede, at der blev dannet Nb-oxider i begge tilfælde.Som vist i figur 7c har 2D MXene Nb2CTx og Nb4C3TX Nb 3d-signaler, der indikerer tilstedeværelsen af ​​NbO- og Nb2O5-oxider, mens O 1s-signaler angiver antallet af O-Nb-bindinger forbundet med funktionalisering af 2D nanoflake-overfladen.Vi bemærkede, at Nb-oxidbidraget er dominerende sammenlignet med Nb-C og Nb3+-O.
På fig.Figur 7g-i viser XPS-spektrene for Nb 3d, C 1s og O 1s SL Nb2CTx (se fig. 7d-f) og SL Nb4C3TX MXene isoleret fra mikroalgeceller.Detaljer om Nb-MXenes peak-parametre er angivet i henholdsvis tabel S4–5.Vi analyserede først sammensætningen af ​​Nb 3d.I modsætning til Nb absorberet af mikroalgeceller blev der fundet andre komponenter i MXene isoleret fra mikroalgeceller, bortset fra Nb2O5.I Nb2CTx SL observerede vi bidraget af Nb3+-O i mængden af ​​15%, mens resten af ​​Nb 3d spektret var domineret af Nb2O5 (85%).Derudover indeholder SL Nb4C3TX-prøven Nb-C (9%) og Nb2O5 (91%) komponenter.Her kommer Nb-C fra to indre atomlag af metalcarbid i Nb4C3Tx SR.Vi kortlægger derefter C 1s-spektrene til fire forskellige komponenter, som vi gjorde i de internaliserede prøver.Som forventet er C 1s-spektret domineret af grafitisk kulstof, efterfulgt af bidrag fra organiske partikler (CHx/CO og C=O) fra mikroalgeceller.Derudover observerede vi i O 1s-spektret bidraget fra organiske former af mikroalgeceller, niobiumoxid og adsorberet vand.
Derudover undersøgte vi, om Nb-MXenes-spaltning er forbundet med tilstedeværelsen af ​​reaktive oxygenarter (ROS) i næringsmediet og/eller mikroalgeceller.Til dette formål vurderede vi niveauerne af singlet oxygen (1O2) i dyrkningsmediet og intracellulær glutathion, en thiol, der fungerer som en antioxidant i mikroalger.Resultaterne er vist i SI (figur S20 og S21).Kulturer med SL Nb2CTx og Nb4C3TX MXenes var karakteriseret ved en reduceret mængde 1O2 (se figur S20).I tilfælde af SL Nb2CTx er MXene 1O2 reduceret til omkring 83%.For mikroalgekulturer, der anvender SL, faldt Nb4C3TX 1O2 endnu mere, til 73%.Interessant nok viste ændringer i 1O2 den samme tendens som den tidligere observerede hæmmende-stimulerende effekt (se fig. 3).Det kan argumenteres for, at inkubation i stærkt lys kan ændre fotooxidation.Imidlertid viste resultaterne af kontrolanalysen næsten konstante niveauer af 1O2 under forsøget (fig. S22).I tilfælde af intracellulære ROS-niveauer observerede vi også den samme nedadgående tendens (se figur S21).Indledningsvis oversteg niveauerne af ROS i mikroalgeceller dyrket i nærvær af Nb2CTx og Nb4C3Tx SL'er niveauerne fundet i rene kulturer af mikroalge.Til sidst viste det sig dog, at mikroalgerne tilpassede sig tilstedeværelsen af ​​begge Nb-MXener, da ROS-niveauer faldt til 85 % og 91 % af niveauerne målt i rene kulturer af mikroalger podet med henholdsvis SL Nb2CTx og Nb4C3TX.Dette kan tyde på, at mikroalger føler sig mere behagelige over tid i nærvær af Nb-MXene end i næringsmedium alene.
Mikroalger er en forskelligartet gruppe af fotosyntetiske organismer.Under fotosyntesen omdanner de atmosfærisk kuldioxid (CO2) til organisk kulstof.Produkterne af fotosyntesen er glucose og oxygen79.Vi formoder, at den således dannede oxygen spiller en kritisk rolle i oxidationen af ​​Nb-MXener.En mulig forklaring på dette er, at den differentielle beluftningsparameter dannes ved lavt og højt partialtryk af ilt uden for og inde i Nb-MXene nanoflakerne.Det betyder, at hvor der er områder med forskellige partialtryk af ilt, vil området med det laveste niveau danne anoden 80, 81, 82. Her bidrager mikroalgerne til dannelsen af ​​differentielt beluftede celler på overfladen af ​​MXene-flagerne, som producerer ilt på grund af deres fotosyntetiske egenskaber.Som et resultat dannes biokorrosionsprodukter (i dette tilfælde niobiumoxider).Et andet aspekt er, at mikroalger kan producere organiske syrer, der frigives til vandet83,84.Derfor dannes der et aggressivt miljø, som derved ændrer Nb-MXenerne.Derudover kan mikroalger ændre miljøets pH til basisk på grund af optagelsen af ​​kuldioxid, som også kan forårsage korrosion79.
Endnu vigtigere er den mørke/lyse fotoperiode, der bruges i vores undersøgelse, afgørende for at forstå de opnåede resultater.Dette aspekt er beskrevet detaljeret i Djemai-Zoghlache et al.85 De brugte bevidst en 12/12 timers fotoperiode til at demonstrere biokorrosion forbundet med biobegroning af den røde mikroalge Porphyridium purpureum.De viser, at fotoperioden er forbundet med udviklingen af ​​potentialet uden biokorrosion, der manifesterer sig som pseudoperiodiske svingninger omkring kl. 24:00.Disse observationer blev bekræftet af Dowling et al.86 De demonstrerede fotosyntetiske biofilm af cyanobakterier Anabaena.Opløst ilt dannes under påvirkning af lys, som er forbundet med en ændring eller fluktuationer i det frie biokorrosionspotentiale.Betydningen af ​​fotoperioden understreges af, at det frie potentiale for biokorrosion øges i den lyse fase og aftager i den mørke fase.Dette skyldes ilten produceret af fotosyntetiske mikroalger, som påvirker den katodiske reaktion gennem det partialtryk, der genereres nær elektroderne87.
Derudover blev Fourier transform infrarød spektroskopi (FTIR) udført for at finde ud af, om der skete ændringer i den kemiske sammensætning af mikroalgeceller efter interaktion med Nb-MXener.Disse opnåede resultater er komplekse, og vi præsenterer dem i SI (figur S23-S25, inklusive resultaterne af MAX-stadiet og ML MXenes).Kort sagt giver de opnåede referencespektre af mikroalger os vigtige oplysninger om disse organismers kemiske egenskaber.Disse mest sandsynlige vibrationer er lokaliseret ved frekvenser på 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.en.1 1 (C-H) og 3280 cm-1 (O-H).For SL Nb-MXenes fandt vi en CH-bindingsstrækningssignatur, der er i overensstemmelse med vores tidligere undersøgelse38.Imidlertid observerede vi, at nogle yderligere toppe forbundet med C=C- og CH-bindinger forsvandt.Dette indikerer, at den kemiske sammensætning af mikroalger kan undergå mindre ændringer på grund af interaktion med SL Nb-MXener.
Når man overvejer mulige ændringer i mikroalgers biokemi, skal akkumuleringen af ​​uorganiske oxider, såsom niobiumoxid, genovervejes59.Det er involveret i optagelsen af ​​metaller af celleoverfladen, deres transport ind i cytoplasmaet, deres association med intracellulære carboxylgrupper og deres akkumulering i mikroalger polyphosphosomes20,88,89,90.Derudover opretholdes forholdet mellem mikroalger og metaller af funktionelle grupper af celler.Af denne grund afhænger absorption også af mikroalgernes overfladekemi, som er ret kompleks9,91.Generelt ændrede den kemiske sammensætning af grønne mikroalger sig som forventet en smule på grund af optagelsen af ​​Nb-oxid.
Interessant nok var den observerede initiale hæmning af mikroalger reversibel over tid.Som vi observerede, overvandt mikroalgerne den indledende miljøændring og vendte til sidst tilbage til normale vækstrater og steg endda.Undersøgelser af zeta-potentialet viser høj stabilitet, når det introduceres i næringsmedier.Således blev overfladeinteraktionen mellem mikroalgeceller og Nb-MXene nanoflakes opretholdt gennem reduktionsforsøgene.I vores yderligere analyse opsummerer vi de vigtigste virkningsmekanismer, der ligger til grund for denne bemærkelsesværdige opførsel af mikroalger.
SEM-observationer har vist, at mikroalger har tendens til at binde sig til Nb-MXener.Ved hjælp af dynamisk billedanalyse bekræfter vi, at denne effekt fører til transformation af todimensionelle Nb-MXene nanoflakes til mere sfæriske partikler, og derved demonstrere, at nedbrydningen af ​​nanoflakes er forbundet med deres oxidation.For at teste vores hypotese gennemførte vi en række materiale- og biokemiske undersøgelser.Efter test oxiderede nanoflagerne gradvist og nedbrydes til NbO- og Nb2O5-produkter, som ikke udgjorde en trussel mod grønne mikroalger.Ved hjælp af FTIR-observation fandt vi ingen signifikante ændringer i den kemiske sammensætning af mikroalger inkuberet i nærvær af 2D Nb-MXene nanoflakes.Under hensyntagen til muligheden for absorption af niobiumoxid af mikroalger udførte vi en røntgenfluorescensanalyse.Disse resultater viser tydeligt, at de undersøgte mikroalger lever af niobiumoxider (NbO og Nb2O5), som er ugiftige for de undersøgte mikroalger.