Tak, fordi du besøger Nature.com. Du bruger en browserversion med begrænset CSS-understøttelse. For at få 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 typografier og JavaScript.
Viser en karrusel med tre slides på én gang. Brug knapperne Forrige og Næste til at navigere gennem tre slides ad gangen, eller brug skyderknapperne i slutningen til at navigere gennem tre slides ad gangen.
Den hurtige udvikling af nanoteknologi og dens integration i hverdagens anvendelser 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 MXen-model kombineret med en simpel formparameteranalysemetode til at spore bioremedieringsmekanismen for 2D keramiske nanomaterialer af den grønne mikroalge Raphidocelis subcapitata. Vi fandt, at mikroalger nedbryder Nb-baserede MXener på grund af overfladerelaterede fysisk-kemiske interaktioner. I starten blev enkeltlags- og flerlags MXen-nanoflager bundet til overfladen af ​​mikroalger, hvilket reducerede algevæksten noget. Ved langvarig interaktion med overfladen oxiderede mikroalger imidlertid MXen-nanoflager og nedbrød dem yderligere til NbO og Nb2O5. Fordi disse oxider er ikke-toksiske for mikroalgeceller, forbruger de Nb-oxid-nanopartikler via en absorptionsmekanisme, der yderligere genopretter mikroalgerne efter 72 timers vandbehandling. Virkningerne af næringsstoffer forbundet med absorption afspejles også i stigningen i cellevolumen, deres glatte form og ændringen 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 fundamentalt spørgsmål om overfladeinteraktionsrelaterede processer, der driver bioremedieringsmekanismen for 2D-nanomaterialer, og giver et grundlag for yderligere kort- og langsigtede undersøgelser af miljøpåvirkningen af ​​uorganiske krystallinske nanomaterialer.
Nanomaterialer har vakt stor interesse siden deres opdagelse, og forskellige nanoteknologier er for nylig gået ind i en moderniseringsfase1. Desværre kan integrationen af ​​nanomaterialer i hverdagens anvendelser føre til utilsigtede udslip på grund af forkert bortskaffelse, uforsigtig håndtering eller utilstrækkelig sikkerhedsinfrastruktur. Derfor er det rimeligt at antage, at nanomaterialer, herunder todimensionelle (2D) nanomaterialer, kan frigives i det naturlige miljø, hvis adfærd og biologiske aktivitet endnu ikke er fuldt ud forstået. Det er derfor ikke overraskende, at bekymringer om økotoksicitet har fokuseret på 2D-nanomaterialers evne til at udvaskes 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 marine økosystemer, og som producerer en række forskellige kemiske produkter gennem fotosyntese7. Som sådan er de afgørende for akvatiske økosystemer8,9,10,11,12, men er også følsomme, billige og udbredte indikatorer for økotoksicitet13,14. Da mikroalgeceller formerer sig hurtigt og reagerer hurtigt 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 såsom Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue og Synechococcus sp. Det er blevet konstateret, at den bærer og endda nærer 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 cellemorfologien og ødelægge deres kloroplaster20,21.
Grønne metoder til nedbrydning af organiske forurenende stoffer og fjernelse af tungmetalioner har tiltrukket sig opmærksomhed fra forskere og ingeniører over hele verden. Dette skyldes primært, at disse forurenende stoffer let kan forarbejdes i flydende fase. Uorganiske krystallinske forurenende stoffer er imidlertid karakteriseret ved lav vandopløselighed og lav modtagelighed for forskellige biotransformationer, hvilket forårsager store vanskeligheder med oprydning, og der er gjort få fremskridt på dette område22,23,24,25,26. Således forbliver søgningen efter miljøvenlige løsninger til reparation af nanomaterialer 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 anvendte 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 kulstof og/eller nitrogen, Tx er en overfladeterminator (f.eks. -OH, -F, -Cl), og n = 1, 2, 3 eller 427,28. Siden opdagelsen af ​​MXener af Naguib et al. Sensorik, kræftbehandling og membranfiltrering 27,29,30. Derudover kan MXener betragtes som model 2D-systemer på grund af deres fremragende kolloidale stabilitet og mulige biologiske interaktioner 31,32,33,34,35,36.
Derfor er den metode, der er 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 overfladerelaterede fysisk-kemiske interaktioner, hvilket muliggør yderligere genopretning af algerne. For at teste denne hypotese blev to medlemmer af familien af ​​tidlige niobiumbaserede overgangsmetalcarbider og/eller nitrider (MXener), nemlig Nb2CTx og Nb4C3TX, udvalgt.
Forskningsmetodologi og evidensbaserede hypoteser for MXene-genvinding af grønne mikroalger Raphidocelis subcapitata. Bemærk venligst, at dette blot er en skematisk repræsentation af evidensbaserede antagelser. Sømiljøet varierer i det anvendte næringsmedium og forholdene (f.eks. døgncyklus og begrænsninger i tilgængelige essentielle næringsstoffer). Oprettet med BioRender.com.
Ved at bruge MXene som modelsystem har vi derfor åbnet døren for studiet af forskellige biologiske effekter, der ikke kan observeres med andre konventionelle nanomaterialer. Vi demonstrerer især muligheden for bioremediering af todimensionelle nanomaterialer, såsom niobiumbaserede MXener, med mikroalger som Raphidocelis subcapitata. Mikroalger er i stand til at nedbryde Nb-MXener til de ikke-giftige oxider NbO og Nb2O5, som også leverer næringsstoffer gennem niobiumoptagelsesmekanismen. Samlet set besvarer denne undersøgelse et vigtigt fundamentalt spørgsmål om de processer, der er forbundet med overfladefysisk-kemiske interaktioner, der styrer mekanismerne for bioremediering af todimensionelle nanomaterialer. Derudover udvikler vi en simpel formparameterbaseret metode til at spore subtile ændringer i formen af ​​2D-nanomaterialer. Dette inspirerer yderligere kortsigtet og langsigtet forskning i de forskellige miljøpåvirkninger af uorganiske krystallinske nanomaterialer. Vores undersøgelse øger således forståelsen af ​​interaktionen mellem materialeoverfladen og biologisk materiale. Vi skaber også grundlag for udvidede kortsigtede og langsigtede studier af deres mulige indvirkning på ferskvandsøkosystemer, som nu let kan verificeres.
MXener repræsenterer en interessant klasse af materialer med unikke og attraktive fysiske og kemiske egenskaber og derfor mange potentielle anvendelser. Disse egenskaber afhænger i høj grad af deres støkiometri og overfladekemi. Derfor undersøgte vi i vores undersøgelse to typer Nb-baserede hierarkiske enkeltlags (SL) MXener, Nb2CTx og Nb4C3TX, da forskellige biologiske effekter af disse nanomaterialer kunne observeres. MXener produceres fra deres udgangsmaterialer ved top-down selektiv ætsning af atomtynde 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 scanningselektronmikroskopi (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 (fluorbrintesyre). Morfologien af ​​ML-Nb2CTx og ML-Nb4C3TX blev undersøgt ved hjælp af scanningselektronmikroskopi (SEM) (henholdsvis figur S1c og S1d), og en typisk lagdelt MXen-morfologi blev observeret, svarende til todimensionelle nanoflager, der passerer gennem aflange porelignende spalter. Begge Nb-MXener har meget til fælles med MXen-faser, der tidligere er syntetiseret ved syreætsning27,38. Efter at have bekræftet MXens struktur lagdelte vi den ved interkalering af tetrabutylammoniumhydroxid (TBAOH) efterfulgt af vask og sonikering, hvorefter vi opnåede enkeltlags- eller lavlags (SL) 2D Nb-MXen-nanoflager.
Vi brugte højopløsningstransmissionselektronmikroskopi (HRTEM) og røntgendiffraktion (XRD) til at teste effektiviteten af ​​ætsning og yderligere afskalning. HRTEM-resultaterne behandlet ved hjælp af Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) og Fast Fourier Transform (FFT) er vist i figur 2. Nb-MXene nanoflager blev orienteret med kanten opad for at kontrollere strukturen af ​​det atomare lag og måle de interplanære afstande. HRTEM-billeder af MXene Nb2CTx og Nb4C3TX nanoflager afslørede deres atomart tyndlagede natur (se figur 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 (figurerne 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 af ​​lyse og mørke bånd svarende til niobium- og kulstofatomer, 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, herunder (a) højopløsningselektronmikroskopi (HRTEM) sidevisning af 2D nanoflakebilleddannelse og tilsvarende, (b) intensitetstilstand, (c) invers hurtig Fourier-transformation (IFFT), (d) hurtig Fourier-transformation (FFT), (e) Nb-MXenes røntgenmønstre. 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 henholdsvis figur 2e1 og e2. Toppe (002) ved 4,31 og 4,32 svarer til de tidligere beskrevne lagdelte MXener Nb2CTx og Nb4C3TX38,39,40,41. XRD-resultaterne indikerer også tilstedeværelsen af ​​nogle resterende ML-strukturer og MAX-faser, men primært XRD-mønstre forbundet med SL Nb4C3Tx (figur 2e2). Tilstedeværelsen af ​​mindre partikler i MAX-fasen kan forklare den stærkere MAX-top sammenlignet med de tilfældigt stablede Nb4C3Tx-lag.
Yderligere forskning har fokuseret på grønne mikroalger, der tilhører arten R. subcapitata. Vi valgte mikroalger, fordi de er vigtige producenter involveret i store fødekæder42. De er også en af ​​de bedste indikatorer for toksicitet på grund af evnen til at fjerne giftige stoffer, der føres til højere niveauer i fødekæden43. Derudover kan forskning på R. subcapitata kaste lys over den tilfældige toksicitet af SL Nb-MXener for almindelige ferskvandsmikroorganismer. For at illustrere dette fremsatte forskerne hypotesen om, at hver mikrobe har en forskellig følsomhed over for giftige forbindelser, der findes 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 giftige koncentrationer af Nb-MXener i 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 inficerede desuden mikroalger med meget høje koncentrationer af MXene (100 mg l-1 MXene), hvilket kan være ekstremt og dødeligt ... i ethvert biologisk miljø.
Effekterne af SL Nb-MXener på mikroalger er vist i figur 3, udtrykt som procentdelen af ​​vækstfremmende midler (+) eller hæmning (-) målt for 0 mg l-1 prøver. Til sammenligning blev Nb-MAX-fasen og ML Nb-MXener også testet, og resultaterne er vist i SI (se figur S3). De opnåede resultater bekræftede, at SL Nb-MXener er næsten fuldstændig uden toksicitet i området med lave koncentrationer fra 0,01 til 10 mg/l, som vist i figur 3a,b. I tilfælde af Nb2CTx observerede vi ikke mere end 5% økotoksicitet i det specificerede område.
Stimulering (+) eller hæmning (-) af mikroalgevækst i nærvær af SL (a) Nb2CTx og (b) Nb4C3TX MXene. 24, 48 og 72 timers interaktion mellem MXene og mikroalger blev analyseret. Signifikante data (t-test, p < 0,05) blev markeret med en asterisk (*). Signifikante data (t-test, p < 0,05) blev markeret med en asterisk (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Signifikante data (t-test, p < 0,05) er markeret med en asterisk (*).重要数据（t 检验，p < 0,05）用星号(*) 标记。重要数据（t 检验，p < 0,05）用星号(*) 标记。 Важные данные (t-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Vigtige data (t-test, p < 0,05) er markeret med en asterisk (*).Røde pile indikerer afskaffelsen af ​​hæmmende stimulering.
På den anden side viste lave koncentrationer af Nb4C3TX sig at være en smule mere toksiske, men ikke højere end 7%. Som forventet observerede vi, at MXener 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 MXen. 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 hæmningen af ​​mikroalgevæksten for SL Nb4C3TX nåede omkring 27 % efter 24 timer, men efter 72 timer faldt den til omkring 1 %. Derfor betegnede vi den observerede effekt som invers hæmning af stimulering, og effekten var stærkere for SL Nb4C3TX MXene. Stimuleringen af ​​mikroalgevæksten blev observeret tidligere med Nb4C3TX (interaktion ved 10 mg L-1 i 24 timer) sammenlignet med SL Nb2CTx MXene. Den reverserende effekt af hæmning-stimulering blev også godt vist i biomassefordoblingskurven (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 effekter inkluderer højere toksicitet for kræftcellelinjer end for normale cellelinjer46,47. Det kunne antages, at testbetingelserne ville påvirke ændringerne i mikroalgevæksten observeret i nærvær af Nb-MXener. For eksempel er en pH på omkring 8 i kloroplaststroma optimal for effektiv drift af RuBisCO-enzymet. Derfor påvirker pH-ændringer fotosyntesens hastighed negativt48,49. Vi observerede dog ikke signifikante ændringer i pH under eksperimentet (se SI, fig. S5 for detaljer). Generelt reducerede kulturer af mikroalger med Nb-MXener opløsningens pH-værdi en smule over tid. Dette fald svarede dog til en ændring i pH-værdien i et rent medium. Derudover var det fundne variationsområde lig det, der blev målt for en ren kultur af mikroalger (kontrolprøve). Vi konkluderer således, at fotosyntese ikke påvirkes af ændringer i pH over tid.
Derudover har de syntetiserede MXener overfladeender (betegnet som Tx). Disse er primært funktionelle grupper -O, -F og -OH. Overfladekemi er imidlertid direkte relateret til syntesemetoden. Disse grupper vides at være tilfældigt fordelt over overfladen, hvilket gør det vanskeligt at forudsige deres effekt på MXenens egenskaber50. Det kan argumenteres for, at Tx kunne være den katalytiske kraft for oxidationen af ​​niobium med lys. Overfladefunktionelle grupper giver faktisk flere forankringssteder for deres underliggende fotokatalysatorer til dannelse af heterojunktioner51. Vækstmediets sammensætning gav dog ikke en effektiv fotokatalysator (detaljeret mediumsammensætning kan findes i SI-tabel S6). Derudover er enhver overflademodifikation også meget vigtig, da MXeners biologiske aktivitet 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 materialestabilitet i mediet, udførte vi derfor undersøgelser af zetapotentialet (ζ) i mikroalgevækstmedium og deioniseret vand (til sammenligning). Vores resultater viser, at SL Nb-MXener er forholdsvis stabile (se SI Fig. S6 for MAX- og ML-resultater). Zetapotentialet for SL MXener er omkring -10 mV. I tilfældet med SR Nb2CTx er værdien af ​​ζ noget mere negativ end værdien af ​​Nb4C3Tx. En sådan ændring i ζ-værdien kan indikere, at overfladen af ​​negativt ladede MXen-nanoflager absorberer positivt ladede ioner fra dyrkningsmediet. Temporale målinger af zetapotentialet og ledningsevnen af ​​Nb-MXener i dyrkningsmedium (se figur S7 og S8 i SI for flere detaljer) synes at understøtte vores hypotese.
Begge Nb-MXene SL'er viste dog minimale ændringer fra nul. Dette demonstrerer tydeligt deres stabilitet i mikroalgevækstmediet. Derudover vurderede vi, om tilstedeværelsen af ​​vores grønne mikroalger ville påvirke stabiliteten af ​​Nb-MXener i mediet. Resultaterne af zetapotentialet 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 dispersionen af ​​begge MXener. I tilfældet med Nb2CTx SL faldt zetapotentialet endda en smule over tid til mere negative værdier (-15,8 versus -19,1 mV efter 72 timers inkubation). Zetapotentialet for SL Nb4C3TX steg en smule, men efter 72 timer viste det stadig højere stabilitet end nanoflager uden tilstedeværelse af mikroalger (-18,1 vs. -9,1 mV).
Vi fandt også lavere ledningsevne i Nb-MXen-opløsninger inkuberet i nærvær af mikroalger, hvilket indikerer en lavere mængde ioner i næringsmediet. Det er værd at bemærke, at MXeners ustabilitet i vand primært skyldes overfladeoxidation57. Derfor har vi mistanke om, at grønne mikroalger på en eller anden måde har fjernet de oxider, der blev dannet på overfladen af ​​Nb-MXen, og endda forhindret deres forekomst (oxidation af MXen). Dette kan ses ved at studere de typer stoffer, der absorberes af mikroalger.
Selvom vores økotoksikologiske undersøgelser indikerede, at mikroalger var i stand til at overvinde Nb-MXeners toksicitet over tid og den usædvanlige hæmning af stimuleret vækst, var formålet med vores undersøgelse at undersøge mulige virkningsmekanismer. Når organismer som alger udsættes for forbindelser eller materialer, der ikke er kendte for deres økosystemer, kan de reagere på en række forskellige måder58,59. I fravær af giftige metaloxider kan mikroalger ernære sig selv, hvilket giver dem mulighed for at vokse kontinuerligt60. Efter indtagelse af giftige stoffer kan forsvarsmekanismer aktiveres, såsom at ændre form eller form. Muligheden for absorption skal også overvejes58,59. Det er værd at bemærke, at ethvert tegn på en forsvarsmekanisme er en klar indikator for testforbindelsens toksicitet. Derfor undersøgte vi i vores videre arbejde den potentielle overfladeinteraktion mellem SL Nb-MXen-nanoflager og mikroalger ved SEM og den mulige absorption af Nb-baseret MXen ved røntgenfluorescensspektroskopi (XRF). Bemærk, at SEM- og XRF-analyser kun blev udført ved den højeste koncentration af MXen for at løse problemer med aktivitetstoksicitet.
SEM-resultaterne er vist i figur 4. Ubehandlede mikroalgeceller (se figur 4a, referenceprøve) udviste tydeligt typisk R. subcapitata-morfologi og croissantlignende celleform. Cellerne fremstår flade og noget uorganiserede. Nogle mikroalgeceller overlappede og viklede sig ind i hinanden, men dette skyldtes sandsynligvis prøveforberedelsesprocessen. Generelt havde rene mikroalgeceller en glat overflade og udviste ingen morfologiske ændringer.
SEM-billeder, der viser overfladeinteraktion mellem grønne mikroalger og MXene-nanoflager efter 72 timers interaktion ved ekstrem koncentration (100 mg L-1). (a) Ubehandlede grønne mikroalger efter interaktion med SL (b) Nb2CTx og (c) Nb4C3TX MXener. Bemærk, at Nb-MXene-nanoflagerne er markeret med røde pile. Til sammenligning er fotografier fra et optisk mikroskop også tilføjet.
I modsætning hertil blev mikroalgeceller adsorberet af SL Nb-MXene-nanoflager 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, hvilket kan ændre deres morfologi. Det er værd at bemærke, at vi også observerede 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 selv ved at ændre cellemorfologi, såsom at øge cellevolumen61. Derfor er det vigtigt at kontrollere antallet af mikroalgeceller, der faktisk er i kontakt med Nb-MXener. SEM-undersøgelser viste, at cirka 52% af mikroalgecellerne blev udsat for Nb-MXener, mens 48% af disse mikroalgeceller undgik kontakt. For SL Nb4C3Tx MXene forsøger mikroalger at undgå kontakt med MXene og lokaliserer og vokser derved fra todimensionelle nanoskalaer (fig. 4c). Vi observerede dog ikke nanoskalaers penetration ind i mikroalgeceller og deres skade.
Selvbevarelse er også en tidsafhængig reaktionsadfærd på blokering af fotosyntese på grund af adsorption af partikler på celleoverfladen og den såkaldte skyggeeffekt (shading)62. Det er tydeligt, at hvert objekt (for eksempel Nb-MXen-nanoflager), 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 betydelig indflydelse på de opnåede resultater. Som vist ved vores mikroskopiske observationer var 2D-nanoflagerne ikke fuldstændigt indpakket eller klæbet til overfladen af ​​mikroalgerne, selv når mikroalgecellerne var i kontakt med Nb-MXener. I stedet viste nanoflagerne sig at være orienteret mod mikroalgeceller uden at dække deres overflade. Et sådant sæt af nanoflager/mikroalger kan ikke signifikant begrænse mængden af ​​lys, der absorberes af mikroalgeceller. Desuden har nogle undersøgelser endda vist en forbedring af lysabsorptionen af ​​fotosyntetiske organismer i nærvær af todimensionelle nanomaterialer63,64,65,66.
Da SEM-billeder ikke direkte kunne bekræfte optagelsen af ​​niobium i mikroalgeceller, valgte vi i vores videre undersøgelse at anvende røntgenfluorescens (XRF) og røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) for at afklare dette problem. Derfor sammenlignede vi intensiteten af ​​Nb-toppene fra referencemikroalgeprøver, der ikke interagerede med MXener, MXen-nanoflager, der løsnede sig 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 den Nb-værdi, der opnås af mikroalgecellerne, være nul efter fjernelse af de vedhæftede nanoskalaer. Hvis der derfor forekommer Nb-optagelse, bør både XRF- og XPS-resultaterne vise en tydelig 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 MXene er vist i SI, fig. S12-C17). 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 dobbelt så meget Nb4C3Tx MXene var bundet til mikroalgecellerne (blå søjler i fig. 5a). Det er værd at bemærke, at mikroalgers evne til at absorbere metaller afhænger af koncentrationen af ​​metaloxider i miljøet67,68. Shamshada et al.67 fandt, at ferskvandsalgers absorptionskapacitet 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 kolonner), 2D-nanoflager isoleret fra overflademikroalgeceller (blå kolonner) og mikroalgeceller efter separation af 2D-nanoflager fra overfladen (røde kolonner). Mængden af ​​elementært Nb, (b) procentdel af kemisk sammensætning af mikroalgeorganiske komponenter (C=O og CHx/C–O) og Nb-oxider til stede i mikroalgeceller efter inkubation med SL Nb-MXener, (c–e) Tilpasning af den sammensætningsmæssige top af XPS SL Nb2CTx-spektre og (fh) SL Nb4C3Tx MXen internaliseret af mikroalgeceller.
Vi forventede derfor, at Nb kunne absorberes af algeceller i form af oxider. For at teste dette udførte vi XPS-studier på MXenerne Nb2CTx og Nb4C3TX og algeceller. Resultaterne af interaktionen mellem mikroalger med Nb-MXener og MXener isoleret fra algeceller er vist i figur 5b. Som forventet detekterede vi Nb 3d-toppe i mikroalgeprøverne efter fjernelse af MXen fra mikroalgernes overflade. Den kvantitative bestemmelse af C=O-, CHx/CO- og Nb-oxider blev beregnet baseret på Nb 3d-, O 1s- og C 1s-spektrene opnået med Nb2CTx SL (figur 5c-e) og Nb4C3Tx SL (figur 5c-e). ) opnået fra inkuberede mikroalger. Figur 5f-h) MXener. Tabel S1-3 viser detaljerne for topparametrene og den samlede 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 approksimerede vi C1s-spektret med C–C-, CHx/C–O-, C=O- og –COOH-komponenterne. Vi tilskrev CHx/C–O- og C=O-toppene til det organiske bidrag fra mikroalgeceller. Disse organiske komponenter tegner sig for henholdsvis 36% og 41% af C1s-toppene i Nb2CTx SL og Nb4C3TX SL. Vi tilpassede derefter O1s-spektrene af SL Nb2CTx og SL Nb4C3TX med Nb2O5, organiske komponenter fra mikroalger (CHx/CO) og overfladeadsorberet vand.
Endelig indikerede XPS-resultaterne tydeligt formen af ​​Nb, ikke kun dets tilstedeværelse. I henhold til positionen af ​​Nb 3d-signalet og resultaterne af dekonvolutionen bekræfter vi, at Nb kun absorberes i form af oxider og ikke ioner eller MXene i sig selv. Derudover viste XPS-resultaterne, at mikroalgeceller har en større evne til at optage Nb-oxider fra SL Nb2CTx sammenlignet med SL Nb4C3TX MXene.
Selvom vores Nb-optagelsesresultater er imponerende og giver os mulighed for at identificere MXene-nedbrydning, findes der ingen metode til at spore tilhørende morfologiske ændringer i 2D-nanoflager. Derfor besluttede vi også at udvikle en passende 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 undergår transformation, nedbrydning eller defragmentering, bør dette hurtigt manifestere sig som ændringer i formparametre, såsom diameteren af ​​det ækvivalente cirkulære område, rundhed, Feret-bredde eller Feret-længde. Da disse parametre er egnede 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-nanoflager under reduktion.
De opnåede resultater er vist i figur 6. Til sammenligning testede vi også den oprindelige MAX-fase og ML-MXener (se SI-figurerne S18 og S19). Dynamisk analyse af partikelformen viste, at alle formparametre for to Nb-MXen SL'er ændrede sig signifikant efter interaktion med mikroalger. Som vist ved den ækvivalente parameter for det cirkulære arealdiameter (fig. 6a, b), indikerer den reducerede topintensitet af fraktionen af ​​store nanoflager, at de har tendens til at henfalde til mindre fragmenter. På fig. 6c viser d et fald i toppene forbundet med flagernes tværgående størrelse (forlængelse af nanoflagerne), hvilket indikerer transformationen af ​​2D-nanoflager til en mere partikellignende form. Figur 6e-h viser henholdsvis bredden og længden af ​​Feret. Feret-bredde og -længde er komplementære parametre og bør derfor betragtes sammen. Efter inkubation af 2D Nb-MXen-nanoflager i nærvær af mikroalger forskød deres Feret-korrelationstoppe sig, 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 rynkede og nedbrydes i fragmenter og sfæriske oxidpartikler69,70.
Analyse af MXen-transformation efter interaktion med grønne mikroalger. Dynamisk partikelformanalyse tager højde for parametre som (a, b) diameteren af ​​det ækvivalente cirkulære område, (c, d) rundhed, (e, f) feretbredde og (g, h) feretlængde. Til dette formål blev to referencemikroalgeprøver analyseret sammen med primære SL Nb2CTx- og SL Nb4C3Tx-MXener, SL Nb2CTx- og SL Nb4C3Tx-MXener, nedbrudte mikroalger og behandlede mikroalger SL Nb2CTx- og SL Nb4C3Tx-MXener. De røde pile viser overgangene i formparametrene for de undersøgte todimensionelle nanoflager.
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-nanoflager. Fig. 6a-h viser ændringer i formparametrene for algeceller, hvilket fremgår af et fald i peakintensitet og et skift af maksima mod højere værdier. Især viste cellerundhedsparametrene 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 den stærke optagelse af Nb-oxider af mikroalger ved interaktion med Nb2CTx SR. Mindre stiv binding af Nb-flager til deres overflade kan resultere i cellevækst med minimal skyggeeffekt.
Vores observationer af ændringer i parametrene for mikroalgers form og størrelse supplerer andre undersøgelser. Grønne mikroalger kan ændre deres morfologi som reaktion på miljømæssig stress ved at ændre cellestørrelse, form eller metabolisme61. For eksempel letter ændring af cellestørrelse absorptionen af ​​næringsstoffer71. Mindre algeceller viser lavere næringsoptagelse og forringet vækstrate. Omvendt har større celler en tendens til at forbruge flere næringsstoffer, som derefter aflejres intracellulært72,73. Machado og Soares fandt, at fungicidet triclosan kan øge cellestørrelsen. De fandt også dybtgående ændringer i algernes form74. Derudover afslørede Yin et al.9 også morfologiske ændringer i alger efter eksponering for reducerede grafenoxid-nanokompositter. Derfor er det klart, at de ændrede størrelses-/formparametre for mikroalgerne er forårsaget af tilstedeværelsen af ​​MXen. Da denne ændring i størrelse og form er tegn på ændringer i næringsoptagelsen, mener vi, at analyse af størrelses- og formparametre over tid kan demonstrere optagelse af niobiumoxid af mikroalger i nærvær af Nb-MXener.
Desuden kan MXener oxideres i nærvær 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 den foreliggende undersøgelse, er den kun relevant for studiet af virkningerne af bioremediering med hensyn til MXen-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 interaktion med mikroalgeceller.
For at forklare reduktionen af ​​2D-Nb nanoflager gennem en nedbrydningsmekanisme baseret på oxidationsprocessen, udførte vi studier ved hjælp af højopløsningstransmissionselektronmikroskopi (HRTEM) (fig. 7a, b) og røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) (fig. 7). 7c-i og tabeller S4-5). Begge tilgange er egnede til at studere oxidation af 2D-materialer og komplementerer hinanden. HRTEM er i stand til at analysere nedbrydningen af ​​todimensionelle lagdelte strukturer og den efterfølgende forekomst af metaloxid-nanopartikler, mens XPS er følsom over for overfladebindinger. Til dette formål testede vi 2D Nb-MXen nanoflager ekstraheret fra mikroalgecelle-dispersioner, dvs. deres form efter interaktion med mikroalgeceller (se fig. 7).
HRTEM-billeder, der viser morfologien af ​​oxiderede (a) SL Nb2CTx og (b) SL Nb4C3Tx MXener, XPS-analyseresultater, der viser (c) sammensætningen af ​​oxidprodukter efter reduktion, (d-f) peak-matching af komponenter i XPS-spektrene af SL Nb2CTx og (g-i) Nb4C3Tx SL repareret med grønne mikroalger.
HRTEM-studier bekræftede oxidationen af ​​to typer Nb-MXene-nanoflager. Selvom nanoflagerne i et vist omfang bevarede deres todimensionelle morfologi, resulterede oxidationen i forekomsten af ​​mange nanopartikler, der dækkede overfladen af ​​MXene-nanoflagerne (se fig. 7a, b). XPS-analyse af c Nb 3d- og O 1s-signaler indikerede, at Nb-oxider blev dannet 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 indikerer antallet af O-Nb-bindinger forbundet med funktionalisering af 2D-nanoflagens overflade. Vi bemærkede, at Nb-oxidbidraget er dominerende sammenlignet med Nb-C og Nb3+-O.
På fig. 7g-i viser figurerne XPS-spektrene af Nb3d, C1s og O1s SL Nb2CTx (se fig. 7d-f) og SL Nb4C3TX MXene isoleret fra mikroalgeceller. Detaljer om Nb-MXenes topparametre findes i henholdsvis tabel S4-5. Vi analyserede først sammensætningen af ​​Nb3d. I modsætning til Nb absorberet af mikroalgeceller, blev der i MXene isoleret fra mikroalgeceller, bortset fra Nb2O5, fundet andre komponenter. I Nb2CTx SL observerede vi et bidrag fra Nb3+-O på 15%, mens resten af ​​Nb3d-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 metalkarbid i Nb4C3Tx SR. Vi kortlægger derefter C1s-spektrene til fire forskellige komponenter, ligesom vi gjorde i de internaliserede prøver. Som forventet domineres C1s-spektret af grafitisk kulstof, efterfulgt af bidrag fra organiske partikler (CHx/CO og C=O) fra mikroalgeceller. Derudover observerede vi i O1s-spektret bidraget fra organiske former af mikroalgeceller, niobiumoxid og adsorberet vand.
Derudover undersøgte vi, om spaltning af Nb-MXener er forbundet med tilstedeværelsen af ​​reaktive iltarter (ROS) i næringsmediet og/eller mikroalgeceller. Med dette formål vurderede vi niveauerne af singlet ilt (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 MXener blev karakteriseret ved en reduceret mængde 1O2 (se figur S20). I tilfælde af SL Nb2CTx reduceres MXen 1O2 til omkring 83%. For mikroalgekulturer, der bruger 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 fotooxidationen. Resultaterne af kontrolanalysen viste imidlertid næsten konstante niveauer af 1O2 under eksperimentet (fig. S22). I tilfælde af intracellulære ROS-niveauer observerede vi også den samme nedadgående tendens (se figur S21). I starten oversteg niveauerne af ROS i mikroalgeceller dyrket i nærvær af Nb2CTx- og Nb4C3Tx SL'er de niveauer, der findes i renkulturer af mikroalger. Til sidst viste det sig dog, at mikroalgerne tilpassede sig tilstedeværelsen af ​​begge Nb-MXener, da ROS-niveauerne faldt til 85 % og 91 % af de niveauer, der blev målt i renkulturer af mikroalger inokuleret med SL Nb2CTx og Nb4C3TX, henholdsvis. Dette kan indikere, at mikroalger føler sig mere komfortable over tid i nærvær af Nb-MXen end i næringsmedium alene.
Mikroalger er en forskelligartet gruppe af fotosyntetiske organismer. Under fotosyntese omdanner de atmosfærisk kuldioxid (CO2) til organisk kulstof. Produkterne fra fotosyntese er glukose og ilt79. Vi formoder, at den således dannede ilt spiller en kritisk rolle i oxidationen af ​​Nb-MXener. En mulig forklaring på dette er, at den differentielle beluftningsparameter dannes ved lave og høje partialtryk af ilt uden for og inden i Nb-MXen-nanoflagerne. 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 ​​MXen-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 i vandet83,84. Derfor dannes et aggressivt miljø, hvorved Nb-MXenerne ændres. Derudover kan mikroalger ændre miljøets pH-værdi til alkalisk på grund af absorption af kuldioxid, hvilket også kan forårsage korrosion79.
Endnu vigtigere er det, at den mørke/lyse fotoperiode, der anvendes i vores undersøgelse, er 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 biofouling af den røde mikroalge Porphyridium purpureum. De viser, at fotoperioden er forbundet med udviklingen af ​​potentialet uden biokorrosion, hvilket manifesterer sig som pseudoperiodiske oscillationer omkring kl. 24:00. Disse observationer blev bekræftet af Dowling et al. 86 De demonstrerede fotosyntetiske biofilm af cyanobakterierne Anabaena. Opløst ilt dannes under lysets påvirkning, hvilket er forbundet med en ændring eller fluktuationer i det frie biokorrosionspotentiale. Betydningen af ​​fotoperioden understreges af, at det frie potentiale for biokorrosion stiger i den lyse fase og falder i den mørke fase. Dette skyldes den ilt, der produceres af fotosyntetiske mikroalger, som påvirker den katodiske reaktion gennem det partialtryk, der genereres nær elektroderne87.
Derudover blev der udført Fourier-transform infrarød spektroskopi (FTIR) for at finde ud af, om der var 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 fra MAX-stadiet og ML MXener). Kort sagt giver de opnåede referencespektre af mikroalger os vigtig information om disse organismers kemiske egenskaber. Disse mest sandsynlige vibrationer er placeret 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-1,1 (C–H) og 3280 cm–1 (O–H). For SL Nb-MXener fandt vi en CH-bindingsstrækningssignatur, der er i overensstemmelse med vores tidligere undersøgelse38. Vi observerede dog, 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 på celleoverfladen, deres transport ind i cytoplasmaet, deres association med intracellulære carboxylgrupper og deres akkumulering i mikroalgers polyfosfosomer20,88,89,90. Derudover opretholdes forholdet mellem mikroalger og metaller af funktionelle grupper af celler. Af denne grund afhænger absorptionen også af mikroalgers overfladekemi, som er ret kompleks9,91. Generelt, som forventet, ændrede den kemiske sammensætning af grønne mikroalger sig en smule på grund af absorptionen af ​​Nb-oxid.
Interessant nok var den observerede initiale hæmning af mikroalger reversibel over tid. Som vi observerede, overvandt mikroalgerne den initiale miljøændring og vendte til sidst tilbage til normale vækstrater og steg endda. Studier af zeta-potentialet viser høj stabilitet, når det introduceres i næringsmedier. Således blev overfladeinteraktionen mellem mikroalgeceller og Nb-MXene-nanoflager opretholdt gennem hele reduktionsforsøgene. I vores yderligere analyse opsummerer vi de vigtigste virkningsmekanismer, der ligger til grund for denne bemærkelsesværdige adfærd hos mikroalger.
SEM-observationer har vist, at mikroalger har en tendens til at binde sig til Nb-MXener. Ved hjælp af dynamisk billedanalyse bekræfter vi, at denne effekt fører til transformationen af ​​todimensionelle Nb-MXen-nanoflager til mere sfæriske partikler, hvilket demonstrerer, at nedbrydningen af ​​nanoflager er forbundet med deres oxidation. For at teste vores hypotese udførte vi en række materiale- og biokemiske undersøgelser. Efter testningen oxideredes 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-MXen-nanoflager. 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 ikke-toksiske for de undersøgte mikroalger.