Gracias por visitar Nature.com.Está utilizando una versión de navegador con soporte CSS limitado.Para obtener la mejor experiencia, le recomendamos que utilice un navegador actualizado (o deshabilite el modo de compatibilidad en Internet Explorer).Mientras tanto, para garantizar un soporte continuo, representaremos el sitio sin estilos ni JavaScript.
Muestra un carrusel de tres diapositivas a la vez.Use los botones Anterior y Siguiente para moverse por tres diapositivas a la vez, o use los botones deslizantes al final para moverse por tres diapositivas a la vez.
El rápido desarrollo de la nanotecnología y su integración en las aplicaciones cotidianas pueden amenazar el medio ambiente.Si bien los métodos ecológicos para la degradación de contaminantes orgánicos están bien establecidos, la recuperación de contaminantes cristalinos inorgánicos es motivo de gran preocupación debido a su baja sensibilidad a la biotransformación y la falta de comprensión de las interacciones de la superficie del material con los biológicos.Aquí, utilizamos un modelo MXenes 2D inorgánico basado en Nb combinado con un método de análisis de parámetros de forma simple para rastrear el mecanismo de biorremediación de nanomateriales cerámicos 2D por la microalga verde Raphidocelis subcapitata.Encontramos que las microalgas degradan los MXenes basados ​​en Nb debido a interacciones fisicoquímicas relacionadas con la superficie.Inicialmente, se adhirieron a la superficie de las microalgas nanocopos de MXene de una sola capa y de varias capas, lo que redujo un poco el crecimiento de las algas.Sin embargo, tras una interacción prolongada con la superficie, las microalgas oxidaron los nanoflakes de MXene y los descompusieron aún más en NbO y Nb2O5.Debido a que estos óxidos no son tóxicos para las células de microalgas, consumen nanopartículas de óxido de Nb mediante un mecanismo de absorción que restaura aún más las microalgas después de 72 horas de tratamiento con agua.Los efectos de los nutrientes asociados con la absorción también se reflejan en el aumento del volumen celular, su forma suave y el cambio en la tasa de crecimiento.Con base en estos hallazgos, concluimos que la presencia a corto y largo plazo de MXenes basados ​​en Nb en los ecosistemas de agua dulce puede causar solo impactos ambientales menores.Cabe destacar que, utilizando nanomateriales bidimensionales como sistemas modelo, demostramos la posibilidad de rastrear la transformación de la forma incluso en materiales de grano fino.En general, este estudio responde a una pregunta fundamental importante sobre los procesos relacionados con la interacción de la superficie que impulsan el mecanismo de biorremediación de los nanomateriales 2D y proporciona una base para más estudios a corto y largo plazo sobre el impacto ambiental de los nanomateriales cristalinos inorgánicos.
Los nanomateriales han generado mucho interés desde su descubrimiento, y varias nanotecnologías han entrado recientemente en una fase de modernización1.Lamentablemente, la integración de los nanomateriales en las aplicaciones cotidianas puede dar lugar a liberaciones accidentales debido a una eliminación inadecuada, una manipulación descuidada o una infraestructura de seguridad inadecuada.Por lo tanto, es razonable suponer que los nanomateriales, incluidos los nanomateriales bidimensionales (2D), pueden liberarse en el entorno natural, cuyo comportamiento y actividad biológica aún no se conocen por completo.Por lo tanto, no sorprende que las preocupaciones sobre la ecotoxicidad se hayan centrado en la capacidad de los nanomateriales 2D para filtrarse en los sistemas acuáticos2,3,4,5,6.En estos ecosistemas, algunos nanomateriales 2D pueden interactuar con varios organismos en diferentes niveles tróficos, incluidas las microalgas.
Las microalgas son organismos primitivos que se encuentran naturalmente en ecosistemas marinos y de agua dulce que producen una variedad de productos químicos a través de la fotosíntesis7.Como tales, son fundamentales para los ecosistemas acuáticos8,9,10,11,12, pero también son indicadores de ecotoxicidad sensibles, económicos y ampliamente utilizados13,14.Dado que las células de microalgas se multiplican rápidamente y responden rápidamente a la presencia de diversos compuestos, son prometedoras para el desarrollo de métodos ecológicos para el tratamiento de aguas contaminadas con sustancias orgánicas15,16.
Las células de algas pueden eliminar iones inorgánicos del agua mediante biosorción y acumulación17,18.Algunas especies de algas como Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue y Synechococcus sp.Se ha descubierto que transporta e incluso nutre iones de metales tóxicos como Fe2+, Cu2+, Zn2+ y Mn2+19.Otros estudios han demostrado que los iones Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ o Pb2+ limitan el crecimiento de Scenedesmus alterando la morfología celular y destruyendo sus cloroplastos20,21.
Los métodos ecológicos para la descomposición de contaminantes orgánicos y la eliminación de iones de metales pesados ​​han atraído la atención de científicos e ingenieros de todo el mundo.Esto se debe principalmente al hecho de que estos contaminantes se procesan fácilmente en la fase líquida.Sin embargo, los contaminantes inorgánicos cristalinos se caracterizan por una baja solubilidad en agua y una baja susceptibilidad a diversas biotransformaciones, lo que provoca grandes dificultades en la remediación, y se ha avanzado poco en esta área22,23,24,25,26.Así, la búsqueda de soluciones ecológicas para la reparación de nanomateriales sigue siendo un área compleja e inexplorada.Debido al alto grado de incertidumbre con respecto a los efectos de biotransformación de los nanomateriales 2D, no existe una forma sencilla de averiguar las posibles vías de su degradación durante la reducción.
En este estudio, utilizamos microalgas verdes como agente activo de biorremediación acuosa para materiales cerámicos inorgánicos, combinado con el monitoreo in situ del proceso de degradación de MXene como representante de materiales cerámicos inorgánicos.El término “MXeno” refleja la estequiometría del material Mn+1XnTx, donde M es un metal de transición temprana, X es carbono y/o nitrógeno, Tx es un terminador superficial (p. ej., -OH, -F, -Cl) y n = 1, 2, 3 o 427,28.Desde el descubrimiento de MXenes por Naguib et al.Sensorics, terapia del cáncer y filtración por membrana 27,29,30.Además, los MXenes pueden considerarse sistemas 2D modelo debido a su excelente estabilidad coloidal y posibles interacciones biológicas31,32,33,34,35,36.
Por lo tanto, la metodología desarrollada en este artículo y nuestras hipótesis de investigación se muestran en la Figura 1. De acuerdo con esta hipótesis, las microalgas degradan MXenes basados ​​en Nb en compuestos no tóxicos debido a interacciones fisicoquímicas relacionadas con la superficie, lo que permite una mayor recuperación de las algas.Para probar esta hipótesis, se seleccionaron dos miembros de la familia de los primeros carburos y/o nitruros de metales de transición basados ​​en niobio (MXenes), a saber, Nb2CTx y Nb4C3TX.
Metodología de investigación e hipótesis basadas en evidencia para la recuperación de MXene por la microalga verde Raphidocelis subcapitata.Tenga en cuenta que esta es solo una representación esquemática de suposiciones basadas en evidencia.El entorno del lago difiere en el medio nutritivo utilizado y las condiciones (p. ej., ciclo diurno y limitaciones en los nutrientes esenciales disponibles).Creado con BioRender.com.
Por lo tanto, al usar MXene como sistema modelo, hemos abierto la puerta al estudio de varios efectos biológicos que no se pueden observar con otros nanomateriales convencionales.En particular, demostramos la posibilidad de biorremediación de nanomateriales bidimensionales, como MXenes a base de niobio, por microalgas Raphidocelis subcapitata.Las microalgas pueden degradar Nb-MXenes en óxidos no tóxicos NbO y Nb2O5, que también proporcionan nutrientes a través del mecanismo de absorción de niobio.En general, este estudio responde a una pregunta fundamental importante sobre los procesos asociados con las interacciones fisicoquímicas de la superficie que gobiernan los mecanismos de biorremediación de nanomateriales bidimensionales.Además, estamos desarrollando un método simple basado en parámetros de forma para rastrear cambios sutiles en la forma de nanomateriales 2D.Esto inspira más investigaciones a corto y largo plazo sobre los diversos impactos ambientales de los nanomateriales cristalinos inorgánicos.Por lo tanto, nuestro estudio aumenta la comprensión de la interacción entre la superficie del material y el material biológico.También proporcionamos la base para estudios ampliados a corto y largo plazo de sus posibles impactos en los ecosistemas de agua dulce, que ahora se pueden verificar fácilmente.
MXenes representa una clase interesante de materiales con propiedades físicas y químicas únicas y atractivas y, por lo tanto, muchas aplicaciones potenciales.Estas propiedades dependen en gran medida de su estequiometría y química superficial.Por lo tanto, en nuestro estudio, investigamos dos tipos de MXenes jerárquicos de una sola capa (SL) basados ​​en Nb, Nb2CTx y Nb4C3TX, ya que se pudieron observar diferentes efectos biológicos de estos nanomateriales.Los MXenes se producen a partir de sus materiales de partida mediante grabado selectivo de arriba hacia abajo de capas MAX de fase A atómicamente delgadas.La fase MAX es una cerámica ternaria compuesta por bloques "unidos" de carburos de metales de transición y capas delgadas de elementos "A" como Al, Si y Sn con estequiometría MnAXn-1.La morfología de la fase MAX inicial se observó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y fue consistente con estudios previos (consulte Información complementaria, SI, Figura S1).El Nb-MXeno multicapa (ML) se obtuvo después de eliminar la capa de Al con 48% de HF (ácido fluorhídrico).La morfología de ML-Nb2CTx y ML-Nb4C3TX se examinó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) (Figuras S1c y S1d respectivamente) y se observó una morfología típica de MXene en capas, similar a nanoflakes bidimensionales que pasan a través de rendijas alargadas similares a poros.Ambos Nb-MXenes tienen mucho en común con las fases MXene sintetizadas previamente por grabado ácido27,38.Después de confirmar la estructura de MXene, lo colocamos en capas por intercalación de hidróxido de tetrabutilamonio (TBAOH) seguido de lavado y sonicación, después de lo cual obtuvimos nanoflakes 2D Nb-MXene de una sola capa o de capa baja (SL).
Utilizamos microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) y difracción de rayos X (XRD) para probar la eficiencia del grabado y el pelado adicional.Los resultados de HRTEM procesados ​​usando la Transformada Rápida de Fourier Inversa (IFFT) y la Transformada Rápida de Fourier (FFT) se muestran en la Fig. 2. Los nanoflakes de Nb-MXene se orientaron hacia arriba para verificar la estructura de la capa atómica y medir las distancias interplanares.Las imágenes HRTEM de MXene Nb2CTx y Nb4C3TX nanoflakes revelaron su naturaleza de capas atómicamente delgadas (ver Fig. 2a1, a2), como informaron previamente Naguib et al.27 y Jastrzębska et al.38.Para dos monocapas Nb2CTx y Nb4C3Tx adyacentes, determinamos distancias entre capas de 0,74 y 1,54 nm, respectivamente (Figs. 2b1, b2), lo que también concuerda con nuestros resultados anteriores38.Esto fue confirmado además por la transformada rápida inversa de Fourier (Fig. 2c1, c2) y la transformada rápida de Fourier (Fig. 2d1, d2) que muestran la distancia entre las monocapas Nb2CTx y Nb4C3Tx.La imagen muestra una alternancia de bandas claras y oscuras correspondientes a átomos de niobio y carbono, lo que confirma la naturaleza en capas de los MXenes estudiados.Es importante tener en cuenta que los espectros de espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX) obtenidos para Nb2CTx y Nb4C3Tx (Figuras S2a y S2b) no mostraron restos de la fase MAX original, ya que no se detectó ningún pico de Al.
Caracterización de nanoflakes SL Nb2CTx y Nb4C3Tx MXene, que incluyen (a) imágenes de nanoflake 2D de vista lateral de microscopía electrónica de alta resolución (HRTEM) y correspondientes, (b) modo de intensidad, (c) transformada rápida inversa de Fourier (IFFT), (d) transformada rápida de Fourier (FFT), (e) patrones de rayos X Nb-MXenes.Para SL 2D Nb2CTx, los números se expresan como (a1, b1, c1, d1, e1).Para SL 2D Nb4C3Tx, los números se expresan como (a2, b2, c2, d2, e1).
Las mediciones de difracción de rayos X de SL Nb2CTx y Nb4C3Tx MXenes se muestran en las Figs.2e1 y e2, respectivamente.Los picos (002) en 4.31 y 4.32 corresponden a los MXenes en capas Nb2CTx y Nb4C3TX38,39,40,41 descritos anteriormente, respectivamente.Los resultados de XRD también indican la presencia de algunas estructuras ML residuales y fases MAX, pero en su mayoría patrones XRD asociados con SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2).La presencia de partículas más pequeñas de la fase MAX puede explicar el pico MAX más fuerte en comparación con las capas Nb4C3Tx apiladas al azar.
Otras investigaciones se han centrado en las microalgas verdes pertenecientes a la especie R. subcapitata.Elegimos las microalgas porque son productores importantes involucrados en las principales redes alimentarias42.También son uno de los mejores indicadores de toxicidad debido a la capacidad de eliminar sustancias tóxicas que se transportan a niveles más altos de la cadena alimentaria43.Además, la investigación sobre R. subcapitata puede arrojar luz sobre la toxicidad incidental de SL Nb-MXenes para los microorganismos comunes de agua dulce.Para ilustrar esto, los investigadores plantearon la hipótesis de que cada microbio tiene una sensibilidad diferente a los compuestos tóxicos presentes en el medio ambiente.Para la mayoría de los organismos, las bajas concentraciones de sustancias no afectan su crecimiento, mientras que las concentraciones por encima de cierto límite pueden inhibirlos o incluso causar la muerte.Por lo tanto, para nuestros estudios de la interacción superficial entre microalgas y MXenes y la recuperación asociada, decidimos probar las concentraciones inofensivas y tóxicas de Nb-MXenes.Para ello, probamos concentraciones de 0 (como referencia), 0,01, 0,1 y 10 mg l-1 de MXene y adicionalmente infectamos microalgas con concentraciones muy altas de MXene (100 mg l-1 de MXene), que pueden ser extremas y letales..para cualquier ambiente biológico.
Los efectos de SL Nb-MXenes sobre microalgas se muestran en la Figura 3, expresados ​​como el porcentaje de promoción (+) o inhibición (-) del crecimiento medido para muestras de 0 mg l-1.A modo de comparación, también se probaron la fase Nb-MAX y ML Nb-MXenes y los resultados se muestran en SI (ver Fig. S3).Los resultados obtenidos confirmaron que SL Nb-MXenes está casi completamente libre de toxicidad en el rango de bajas concentraciones de 0.01 a 10 mg/l, como se muestra en la Fig. 3a,b.En el caso de Nb2CTx, no observamos más del 5% de ecotoxicidad en el rango especificado.
Estimulación (+) o inhibición (-) del crecimiento de microalgas en presencia de SL (a) Nb2CTx y (b) Nb4C3TX MXene.Se analizaron 24, 48 y 72 horas de interacción MXene-microalga. Los datos significativos (t-test, p < 0,05) se marcaron con un asterisco (*). Los datos significativos (t-test, p < 0,05) se marcaron con un asterisco (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Los datos significativos (t-test, p < 0,05) están marcados con un asterisco (*).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 (*). Los datos importantes (prueba t, p < 0,05) están marcados con un asterisco (*).Las flechas rojas indican la abolición de la estimulación inhibitoria.
Por otro lado, bajas concentraciones de Nb4C3TX resultaron ser ligeramente más tóxicas, pero no superiores al 7%.Como era de esperar, observamos que MXenes tenía mayor toxicidad e inhibición del crecimiento de microalgas a 100 mg L-1.Curiosamente, ninguno de los materiales mostró la misma tendencia y dependencia temporal de los efectos atóxicos/tóxicos en comparación con las muestras MAX o ML (ver SI para más detalles).Mientras que para la fase MAX (ver Fig. S3) la toxicidad alcanzó aproximadamente el 15-25 % y aumentó con el tiempo, se observó la tendencia inversa para SL Nb2CTx y Nb4C3TX MXene.La inhibición del crecimiento de microalgas disminuyó con el tiempo.Alcanzó aproximadamente el 17% después de 24 horas y se redujo a menos del 5% después de 72 horas (Fig. 3a, b, respectivamente).
Más importante aún, para SL Nb4C3TX, la inhibición del crecimiento de las microalgas alcanzó alrededor del 27 % después de 24 horas, pero después de 72 horas disminuyó a alrededor del 1 %.Por lo tanto, etiquetamos el efecto observado como inhibición inversa de la estimulación, y el efecto fue más fuerte para SL Nb4C3TX MXene.La estimulación del crecimiento de microalgas se observó antes con Nb4C3TX (interacción a 10 mg L-1 durante 24 h) en comparación con SL Nb2CTx MXene.El efecto de reversión de inhibición-estimulación también se mostró bien en la curva de tasa de duplicación de biomasa (consulte la Fig. S4 para obtener más detalles).Hasta ahora, solo se ha estudiado de diferentes maneras la ecotoxicidad de Ti3C2TX MXene.No es tóxico para los embriones de pez cebra44 pero es moderadamente ecotóxico para las microalgas Desmodesmus quadricauda y las plantas Sorghum saccharatum45.Otros ejemplos de efectos específicos incluyen una mayor toxicidad para las líneas celulares cancerosas que para las líneas celulares normales46,47.Se podría suponer que las condiciones de prueba influirían en los cambios en el crecimiento de microalgas observados en presencia de Nb-MXenes.Por ejemplo, un pH de aproximadamente 8 en el estroma del cloroplasto es óptimo para el funcionamiento eficaz de la enzima RuBisCO.Por lo tanto, los cambios de pH afectan negativamente la tasa de fotosíntesis48,49.Sin embargo, no observamos cambios significativos en el pH durante el experimento (ver SI, Fig. S5 para más detalles).En general, los cultivos de microalgas con Nb-MXenes redujeron ligeramente el pH de la solución con el tiempo.Sin embargo, esta disminución fue similar a un cambio en el pH de un medio puro.Además, el rango de variaciones encontrado fue similar al medido para un cultivo puro de microalgas (muestra de control).Por lo tanto, concluimos que la fotosíntesis no se ve afectada por cambios en el pH a lo largo del tiempo.
Además, los MXenes sintetizados tienen terminaciones superficiales (indicadas como Tx).Estos son principalmente grupos funcionales -O, -F y -OH.Sin embargo, la química de la superficie está directamente relacionada con el método de síntesis.Se sabe que estos grupos se distribuyen aleatoriamente sobre la superficie, lo que dificulta predecir su efecto sobre las propiedades de MXene50.Se puede argumentar que Tx podría ser la fuerza catalítica para la oxidación del niobio por la luz.De hecho, los grupos funcionales de superficie proporcionan múltiples sitios de anclaje para que sus fotocatalizadores subyacentes formen heterouniones51.Sin embargo, la composición del medio de crecimiento no proporcionó un fotocatalizador efectivo (la composición detallada del medio se puede encontrar en SI Table S6).Además, cualquier modificación de la superficie también es muy importante, ya que la actividad biológica de los MXenes puede verse alterada debido al procesamiento posterior de la capa, la oxidación, la modificación química de la superficie de compuestos orgánicos e inorgánicos52,53,54,55,56 o la ingeniería de carga superficial38.Por lo tanto, para probar si el óxido de niobio tiene algo que ver con la inestabilidad del material en el medio, realizamos estudios del potencial zeta (ζ) en medio de crecimiento de microalgas y agua desionizada (para comparación).Nuestros resultados muestran que SL Nb-MXenes son bastante estables (ver SI Fig. S6 para resultados MAX y ML).El potencial zeta de SL MXenes es de aproximadamente -10 mV.En el caso de SR Nb2CTx, el valor de ζ es algo más negativo que el de Nb4C3Tx.Tal cambio en el valor de ζ puede indicar que la superficie de los nanoflakes MXene cargados negativamente absorbe iones cargados positivamente del medio de cultivo.Las mediciones temporales del potencial zeta y la conductividad de Nb-MXenes en medio de cultivo (consulte las Figuras S7 y S8 en SI para obtener más detalles) parecen respaldar nuestra hipótesis.
Sin embargo, ambos Nb-MXene SL mostraron cambios mínimos desde cero.Esto demuestra claramente su estabilidad en el medio de crecimiento de microalgas.Además, evaluamos si la presencia de nuestras microalgas verdes afectaría la estabilidad de los Nb-MXenes en el medio.Los resultados del potencial zeta y la conductividad de MXenes después de la interacción con microalgas en medios nutritivos y cultivo a lo largo del tiempo se pueden encontrar en SI (Figuras S9 y S10).Curiosamente, notamos que la presencia de microalgas parecía estabilizar la dispersión de ambos MXenes.En el caso de Nb2CTx SL, el potencial zeta incluso disminuyó ligeramente con el tiempo a valores más negativos (-15,8 frente a -19,1 mV después de 72 h de incubación).El potencial zeta de SL Nb4C3TX aumentó ligeramente, pero después de 72 h aún mostraba una mayor estabilidad que los nanoflakes sin la presencia de microalgas (-18,1 frente a -9,1 mV).
También encontramos una conductividad más baja de las soluciones de Nb-MXeno incubadas en presencia de microalgas, lo que indica una menor cantidad de iones en el medio nutritivo.En particular, la inestabilidad de MXenes en agua se debe principalmente a la oxidación superficial57.Por lo tanto, sospechamos que las microalgas verdes de alguna manera eliminaron los óxidos formados en la superficie de Nb-MXene e incluso previnieron su aparición (oxidación de MXene).Esto se puede ver estudiando los tipos de sustancias absorbidas por las microalgas.
Si bien nuestros estudios ecotoxicológicos indicaron que las microalgas pudieron superar la toxicidad de los Nb-MXenes con el tiempo y la inhibición inusual del crecimiento estimulado, el objetivo de nuestro estudio fue investigar los posibles mecanismos de acción.Cuando organismos como las algas están expuestos a compuestos o materiales desconocidos para sus ecosistemas, pueden reaccionar de diversas formas58,59.En ausencia de óxidos metálicos tóxicos, las microalgas pueden alimentarse, permitiéndoles crecer continuamente60.Después de la ingestión de sustancias tóxicas, los mecanismos de defensa pueden activarse, como cambiar de forma o forma.También debe considerarse la posibilidad de absorción58,59.En particular, cualquier señal de un mecanismo de defensa es un claro indicador de la toxicidad del compuesto de prueba.Por lo tanto, en nuestro trabajo posterior, investigamos la posible interacción superficial entre los nanoflakes SL Nb-MXene y las microalgas por SEM y la posible absorción de MXene basado en Nb por espectroscopia de fluorescencia de rayos X (XRF).Tenga en cuenta que los análisis SEM y XRF solo se realizaron a la concentración más alta de MXene para abordar los problemas de toxicidad de la actividad.
Los resultados SEM se muestran en la Fig.4.Las células de microalgas no tratadas (ver Fig. 4a, muestra de referencia) mostraron claramente la morfología típica de R. subcapitata y la forma de las células tipo croissant.Las células aparecen aplanadas y algo desorganizadas.Algunas células de microalgas se superpusieron y se enredaron entre sí, pero esto probablemente se debió al proceso de preparación de la muestra.En general, las células de microalgas puras tenían una superficie lisa y no mostraban cambios morfológicos.
Imágenes SEM que muestran la interacción superficial entre las microalgas verdes y las nanoláminas MXene después de 72 horas de interacción a una concentración extrema (100 mg L-1).( a ) Microalgas verdes no tratadas después de la interacción con SL ( b ) Nb2CTx y ( c ) Nb4C3TX MXenes.Tenga en cuenta que los nanoflakes de Nb-MXene están marcados con flechas rojas.A modo de comparación, también se agregan fotografías de un microscopio óptico.
En contraste, las células de microalgas adsorbidas por nanoflakes SL Nb-MXene resultaron dañadas (ver Fig. 4b, c, flechas rojas).En el caso de Nb2CTx MXene (Fig. 4b), las microalgas tienden a crecer con nanoescalas bidimensionales adjuntas, que pueden cambiar su morfología.En particular, también observamos estos cambios bajo microscopía óptica (ver SI Figura S11 para más detalles).Esta transición morfológica tiene una base plausible en la fisiología de las microalgas y su capacidad para defenderse cambiando la morfología celular, como aumentando el volumen celular61.Por lo tanto, es importante verificar la cantidad de células de microalgas que realmente están en contacto con Nb-MXenes.Los estudios SEM mostraron que aproximadamente el 52 % de las células de microalgas estuvieron expuestas a Nb-MXenes, mientras que el 48 % de estas células de microalgas evitaron el contacto.Para SL Nb4C3Tx MXene, las microalgas intentan evitar el contacto con MXene, localizándose y creciendo a partir de nanoescalas bidimensionales (Fig. 4c).Sin embargo, no observamos la penetración de nanoescala en las células de microalgas y su daño.
La autoconservación es también un comportamiento de respuesta dependiente del tiempo al bloqueo de la fotosíntesis debido a la adsorción de partículas en la superficie celular y al llamado efecto de sombreado (shading)62.Está claro que cada objeto (por ejemplo, nanoflakes de Nb-MXene) que se encuentra entre las microalgas y la fuente de luz limita la cantidad de luz absorbida por los cloroplastos.Sin embargo, no tenemos ninguna duda de que esto tiene un impacto significativo en los resultados obtenidos.Como muestran nuestras observaciones microscópicas, los nanoflakes 2D no estaban completamente envueltos ni adheridos a la superficie de las microalgas, incluso cuando las células de microalgas estaban en contacto con Nb-MXenes.En cambio, resultó que los nanoflakes estaban orientados hacia las células de microalgas sin cubrir su superficie.Tal conjunto de nanocopos/microalgas no puede limitar significativamente la cantidad de luz absorbida por las células de microalgas.Además, algunos estudios incluso han demostrado una mejora en la absorción de luz por parte de organismos fotosintéticos en presencia de nanomateriales bidimensionales63,64,65,66.
Dado que las imágenes SEM no pudieron confirmar directamente la absorción de niobio por las células de microalgas, nuestro estudio adicional se centró en el análisis de fluorescencia de rayos X (XRF) y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) para aclarar este problema.Por lo tanto, comparamos la intensidad de los picos de Nb de las muestras de microalgas de referencia que no interactuaron con MXenes, MXene nanoflakes desprendidos de la superficie de las células de microalgas y células de microalgas después de la eliminación de MXenes adjuntos.Vale la pena señalar que si no hay absorción de Nb, el valor de Nb obtenido por las células de microalgas debe ser cero después de la eliminación de las nanoescala adjuntas.Por lo tanto, si se produce una captación de Nb, los resultados de XRF y XPS deberían mostrar un pico de Nb claro.
En el caso de los espectros XRF, las muestras de microalgas mostraron picos de Nb para SL Nb2CTx y Nb4C3Tx MXene después de la interacción con SL Nb2CTx y Nb4C3Tx MXene (ver Fig. 5a, también tenga en cuenta que los resultados para MAX y ML MXenes se muestran en SI, Figs S12–C17).Curiosamente, la intensidad del pico de Nb es la misma en ambos casos (barras rojas en la Fig. 5a).Esto indicó que las algas no podían absorber más Nb, y la máxima capacidad de acumulación de Nb se logró en las células, aunque se adjuntó dos veces más Nb4C3Tx MXene a las células de las microalgas (barras azules en la Fig. 5a).En particular, la capacidad de las microalgas para absorber metales depende de la concentración de óxidos metálicos en el medio ambiente67,68.Shamshada et al.67 encontraron que la capacidad de absorción de las algas de agua dulce disminuye al aumentar el pH.Raize et al.68 observaron que la capacidad de las algas para absorber metales era aproximadamente un 25 % mayor para el Pb2+ que para el Ni2+.
(a) Resultados XRF de la captación basal de Nb por células de microalgas verdes incubadas a una concentración extrema de SL Nb-MXenes (100 mg L-1) durante 72 horas.Los resultados muestran la presencia de α en células de microalgas puras (muestra de control, columnas grises), nanocopos 2D aislados de células de microalgas superficiales (columnas azules) y células de microalgas después de la separación de nanocopos 2D de la superficie (columnas rojas).La cantidad de Nb elemental, (b) porcentaje de composición química de los componentes orgánicos de las microalgas (C=O y CHx/C–O) y óxidos de Nb presentes en las células de las microalgas después de la incubación con SL Nb-MXenes, (c–e) Ajuste del pico de composición de los espectros XPS SL Nb2CTx y (fh) SL Nb4C3Tx MXene internalizado por las células de microalgas.
Por lo tanto, esperábamos que el Nb pudiera ser absorbido por las células de las algas en forma de óxidos.Para probar esto, realizamos estudios XPS en MXenes Nb2CTx y Nb4C3TX y células de algas.Los resultados de la interacción de microalgas con Nb-MXenes y MXenes aislados de células de algas se muestran en las Figs.5b.Como era de esperar, detectamos picos de Nb 3d en las muestras de microalgas después de eliminar MXene de la superficie de las microalgas.La determinación cuantitativa de C=O, CHx/CO y óxidos de Nb se calculó con base en los espectros de Nb 3d, O 1s y C 1s obtenidos con Nb2CTx SL (Fig. 5c–e) y Nb4C3Tx SL (Fig. 5c–e).) obtenido a partir de microalgas incubadas.Figura 5f–h) MXenes.La Tabla S1-3 muestra los detalles de los parámetros máximos y la química general resultante del ajuste.Cabe señalar que las regiones Nb 3d de Nb2CTx SL y Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) corresponden a un componente Nb2O5.Aquí, no encontramos picos relacionados con MXene en los espectros, lo que indica que las células de microalgas solo absorben la forma de óxido de Nb.Además, aproximamos el espectro C 1 s con los componentes C–C, CHx/C–O, C=O y –COOH.Asignamos los picos CHx/C–O y C=O a la contribución orgánica de las células de microalgas.Estos componentes orgánicos representan el 36 % y el 41 % de los picos de C 1s en Nb2CTx SL y Nb4C3TX SL, respectivamente.Luego ajustamos los espectros de O 1s de SL Nb2CTx y SL Nb4C3TX con Nb2O5, componentes orgánicos de microalgas (CHx/CO) y agua adsorbida en la superficie.
Finalmente, los resultados de XPS indicaron claramente la forma de Nb, no solo su presencia.De acuerdo con la posición de la señal 3d de Nb y los resultados de la desconvolución, confirmamos que el Nb se absorbe solo en forma de óxidos y no de iones o MXene en sí.Además, los resultados de XPS mostraron que las células de microalgas tienen una mayor capacidad para absorber óxidos de Nb de SL Nb2CTx en comparación con SL Nb4C3TX MXene.
Si bien nuestros resultados de absorción de Nb son impresionantes y nos permiten identificar la degradación de MXene, no existe un método disponible para rastrear los cambios morfológicos asociados en nanoflakes 2D.Por lo tanto, también decidimos desarrollar un método adecuado que pueda responder directamente a cualquier cambio que ocurra en nanoflakes 2D Nb-MXene y células de microalgas.Es importante tener en cuenta que asumimos que si las especies que interactúan sufren alguna transformación, descomposición o desfragmentación, esto debería manifestarse rápidamente como cambios en los parámetros de forma, como el diámetro del área circular equivalente, la redondez, el ancho de Feret o la longitud de Feret.Dado que estos parámetros son adecuados para describir partículas alargadas o nanoflakes bidimensionales, su seguimiento mediante el análisis dinámico de la forma de las partículas nos dará información valiosa sobre la transformación morfológica de los nanoflakes SL Nb-MXene durante la reducción.
Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 6. A modo de comparación, también probamos la fase MAX original y los ML-MXenes (consulte las Figuras SI S18 y S19).El análisis dinámico de la forma de las partículas mostró que todos los parámetros de forma de dos Nb-MXene SL cambiaron significativamente después de la interacción con las microalgas.Como lo muestra el parámetro del diámetro del área circular equivalente (Fig. 6a, b), la intensidad máxima reducida de la fracción de nanocopos grandes indica que tienden a descomponerse en fragmentos más pequeños.En la fig.6c, d muestra una disminución en los picos asociados con el tamaño transversal de los copos (alargamiento de los nanocopos), lo que indica la transformación de los nanocopos 2D en una forma más parecida a una partícula.Figura 6e-h mostrando el ancho y largo del Feret, respectivamente.El ancho y el largo del ferón son parámetros complementarios y, por lo tanto, deben considerarse juntos.Después de la incubación de nanoflakes 2D Nb-MXene en presencia de microalgas, sus picos de correlación de Feret cambiaron y su intensidad disminuyó.Con base en estos resultados en combinación con la morfología, XRF y XPS, concluimos que los cambios observados están fuertemente relacionados con la oxidación, ya que los MXenes oxidados se vuelven más arrugados y se descomponen en fragmentos y partículas esféricas de óxido69,70.
Análisis de la transformación de MXene tras la interacción con microalgas verdes.El análisis dinámico de la forma de las partículas tiene en cuenta parámetros como (a, b) el diámetro del área circular equivalente, (c, d) la redondez, (e, f) el ancho del Feret y (g, h) la longitud del Feret.Para ello, se analizaron dos muestras de microalgas de referencia junto con SL Nb2CTx y SL Nb4C3Tx MXenes primarios, SL Nb2CTx y SL Nb4C3Tx MXenes, microalgas degradadas y SL Nb2CTx y SL Nb4C3Tx MXenes de microalgas tratadas.Las flechas rojas muestran las transiciones de los parámetros de forma de los nanoflakes bidimensionales estudiados.
Dado que el análisis de parámetros de forma es muy fiable, también puede revelar cambios morfológicos en las células de microalgas.Por lo tanto, analizamos el diámetro del área circular equivalente, la redondez y el ancho/largo de Feret de células de microalgas puras y células después de la interacción con nanoflakes de Nb 2D.En la fig.6a-h muestran cambios en los parámetros de forma de las células de algas, como lo demuestra una disminución en la intensidad máxima y un cambio de máximos hacia valores más altos.En particular, los parámetros de redondez celular mostraron una disminución en las células alargadas y un aumento en las células esféricas (Fig. 6a, b).Además, el ancho de la celda Feret aumentó varios micrómetros después de la interacción con SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) en comparación con SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f).Sospechamos que esto puede deberse a la fuerte absorción de óxidos de Nb por parte de las microalgas tras la interacción con Nb2CTx SR.La unión menos rígida de las escamas de Nb a su superficie puede dar como resultado el crecimiento celular con un efecto de sombreado mínimo.
Nuestras observaciones de los cambios en los parámetros de forma y tamaño de las microalgas complementan otros estudios.Las microalgas verdes pueden cambiar su morfología en respuesta al estrés ambiental cambiando el tamaño, la forma o el metabolismo de las células61.Por ejemplo, cambiar el tamaño de las células facilita la absorción de nutrientes71.Las células de algas más pequeñas muestran una menor absorción de nutrientes y una menor tasa de crecimiento.Por el contrario, las células más grandes tienden a consumir más nutrientes, que luego se depositan intracelularmente72,73.Machado y Soares encontraron que el fungicida triclosán puede aumentar el tamaño de las células.También encontraron cambios profundos en la forma de las algas74.Además, Yin et al.9 también revelaron cambios morfológicos en algas después de la exposición a nanocompuestos de óxido de grafeno reducido.Por lo tanto, está claro que los parámetros de tamaño/forma alterados de las microalgas son causados ​​por la presencia de MXene.Dado que este cambio de tamaño y forma es indicativo de cambios en la absorción de nutrientes, creemos que el análisis de los parámetros de tamaño y forma a lo largo del tiempo puede demostrar la absorción de óxido de niobio por parte de las microalgas en presencia de Nb-MXenes.
Además, los MXenes pueden oxidarse en presencia de algas.Dalai et al.75 observaron que la morfología de las algas verdes expuestas a nano-TiO2 y Al2O376 no era uniforme.Aunque nuestras observaciones son similares al presente estudio, solo es relevante para el estudio de los efectos de la biorremediación en términos de productos de degradación de MXene en presencia de nanoflakes 2D y no de nanopartículas.Dado que los MXenes pueden degradarse en óxidos metálicos,31,32,77,78 es razonable suponer que nuestros nanoflakes de Nb también pueden formar óxidos de Nb después de interactuar con las células de microalgas.
Para explicar la reducción de nanoflakes 2D-Nb a través de un mecanismo de descomposición basado en el proceso de oxidación, realizamos estudios utilizando microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) (Fig. 7a, b) y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) (Fig. 7).7c-i y tablas S4-5).Ambos enfoques son adecuados para estudiar la oxidación de materiales 2D y se complementan entre sí.HRTEM puede analizar la degradación de estructuras bidimensionales en capas y la posterior aparición de nanopartículas de óxido metálico, mientras que XPS es sensible a los enlaces superficiales.Para este propósito, probamos nanoflakes 2D Nb-MXene extraídos de dispersiones de células de microalgas, es decir, su forma después de la interacción con las células de microalgas (ver Fig. 7).
Imágenes HRTEM que muestran la morfología de (a) SL Nb2CTx y (b) SL Nb4C3Tx MXenes oxidados, resultados del análisis XPS que muestran (c) la composición de los productos de óxido después de la reducción, (d–f) coincidencia máxima de componentes de los espectros XPS de SL Nb2CTx y (g–i) Nb4C3Tx SL reparados con microalgas verdes.
Los estudios HRTEM confirmaron la oxidación de dos tipos de nanoflakes de Nb-MXene.Aunque los nanoflakes conservaron su morfología bidimensional hasta cierto punto, la oxidación resultó en la aparición de muchas nanopartículas que cubrían la superficie de los nanoflakes MXene (ver Fig. 7a,b).El análisis XPS de las señales c Nb 3d y O 1s indicó que se formaron óxidos de Nb en ambos casos.Como se muestra en la Figura 7c, 2D MXene Nb2CTx y Nb4C3TX tienen señales Nb 3d que indican la presencia de óxidos de NbO y Nb2O5, mientras que las señales O 1s indican la cantidad de enlaces O–Nb asociados con la funcionalización de la superficie de nanoescamas 2D.Notamos que la contribución de óxido de Nb es dominante en comparación con Nb-C y Nb3+-O.
En la fig.Las Figuras 7g–i muestran los espectros XPS de Nb 3d, C 1s y O 1s SL Nb2CTx (ver Figs. 7d–f) y SL Nb4C3TX MXene aislado de células de microalgas.Los detalles de los parámetros máximos de Nb-MXenes se proporcionan en las tablas S4–5, respectivamente.Primero analizamos la composición de Nb 3d.En contraste con el Nb absorbido por las células de microalgas, en MXene aislado de células de microalgas, además de Nb2O5, se encontraron otros componentes.En el Nb2CTx SL, observamos la contribución de Nb3+-O en la cantidad de 15%, mientras que el resto del espectro de Nb 3d estuvo dominado por Nb2O5 (85%).Además, la muestra SL Nb4C3TX contiene componentes Nb-C (9%) y Nb2O5 (91%).Aquí Nb-C proviene de dos capas atómicas internas de carburo metálico en Nb4C3Tx SR.Luego asignamos los espectros de C 1s a cuatro componentes diferentes, como hicimos en las muestras internalizadas.Como era de esperar, el espectro de C 1s está dominado por el carbono grafítico, seguido por las contribuciones de las partículas orgánicas (CHx/CO y C=O) de las células de microalgas.Además, en el espectro O 1s observamos el aporte de formas orgánicas de células de microalgas, óxido de niobio y agua adsorbida.
Además, investigamos si la escisión de Nb-MXenes está asociada con la presencia de especies reactivas de oxígeno (ROS) en el medio nutritivo y/o en las células de microalgas.Para ello, evaluamos los niveles de oxígeno singlete (1O2) en el medio de cultivo y de glutatión intracelular, un tiol que actúa como antioxidante en las microalgas.Los resultados se muestran en SI (Figuras S20 y S21).Los cultivos con SL Nb2CTx y Nb4C3TX MXenes se caracterizaron por una cantidad reducida de 1O2 (consulte la Figura S20).En el caso de SL Nb2CTx, MXene 1O2 se reduce a alrededor del 83%.Para cultivos de microalgas usando SL, Nb4C3TX 1O2 disminuyó aún más, al 73%.Curiosamente, los cambios en 1O2 mostraron la misma tendencia que el efecto inhibidor-estimulador observado previamente (ver Fig. 3).Se puede argumentar que la incubación en luz brillante puede alterar la fotooxidación.Sin embargo, los resultados del análisis de control mostraron niveles casi constantes de 1O2 durante el experimento (Fig. S22).En el caso de los niveles intracelulares de ROS, también observamos la misma tendencia a la baja (ver Figura S21).Inicialmente, los niveles de ROS en células de microalgas cultivadas en presencia de Nb2CTx y Nb4C3Tx SL excedían los niveles encontrados en cultivos puros de microalgas.Eventualmente, sin embargo, pareció que las microalgas se adaptaron a la presencia de ambos Nb-MXenes, ya que los niveles de ROS disminuyeron al 85 % y al 91 % de los niveles medidos en cultivos puros de microalgas inoculadas con SL Nb2CTx y Nb4C3TX, respectivamente.Esto puede indicar que las microalgas se sienten más cómodas con el tiempo en presencia de Nb-MXene que en medio nutritivo solo.
Las microalgas son un grupo diverso de organismos fotosintéticos.Durante la fotosíntesis, convierten el dióxido de carbono atmosférico (CO2) en carbono orgánico.Los productos de la fotosíntesis son glucosa y oxígeno79.Sospechamos que el oxígeno así formado juega un papel crítico en la oxidación de Nb-MXenes.Una posible explicación para esto es que el parámetro de aireación diferencial se forma a presiones parciales de oxígeno altas y bajas fuera y dentro de los nanoflakes de Nb-MXene.Esto significa que donde haya áreas de diferentes presiones parciales de oxígeno, el área con el nivel más bajo formará el ánodo 80, 81, 82. Aquí, las microalgas contribuyen a la creación de células aireadas diferencialmente en la superficie de los copos MXene, que producen oxígeno debido a sus propiedades fotosintéticas.Como resultado, se forman productos de biocorrosión (en este caso, óxidos de niobio).Otro aspecto es que las microalgas pueden producir ácidos orgánicos que se liberan al agua83,84.Por lo tanto, se forma un entorno agresivo, cambiando así los Nb-MXenes.Además, las microalgas pueden cambiar el pH del ambiente a alcalino debido a la absorción de dióxido de carbono, lo que también puede causar corrosión79.
Más importante aún, el fotoperíodo oscuro/claro utilizado en nuestro estudio es fundamental para comprender los resultados obtenidos.Este aspecto se describe en detalle en Djemai-Zoghlache et al.85 Usaron deliberadamente un fotoperíodo de 12/12 horas para demostrar la biocorrosión asociada con la bioincrustación de la microalga roja Porphyridium purpureum.Muestran que el fotoperíodo está asociado con la evolución del potencial sin biocorrosión, manifestándose como oscilaciones pseudoperiódicas alrededor de las 24:00.Estas observaciones fueron confirmadas por Dowling et al.86 Demostraron biopelículas fotosintéticas de cianobacteria Anabaena.El oxígeno disuelto se forma bajo la acción de la luz, lo que está asociado con un cambio o fluctuaciones en el potencial libre de biocorrosión.La importancia del fotoperíodo se destaca por el hecho de que el potencial libre de biocorrosión aumenta en la fase de luz y disminuye en la fase de oscuridad.Esto se debe al oxígeno producido por las microalgas fotosintéticas, que influye en la reacción catódica a través de la presión parcial generada cerca de los electrodos87.
Además, se realizó espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) para averiguar si ocurría algún cambio en la composición química de las células de microalgas después de la interacción con Nb-MXenes.Estos resultados obtenidos son complejos y los presentamos en SI (Figuras S23-S25, incluyendo los resultados de la etapa MAX y ML MXenes).En definitiva, los espectros de referencia obtenidos de microalgas nos aportan información importante sobre las características químicas de estos organismos.Estas vibraciones más probables se ubican en frecuencias de 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.uno.1 1 (C–H) y 3280 cm–1 (O–H).Para SL Nb-MXenes, encontramos una firma de estiramiento de enlace CH que es consistente con nuestro estudio anterior38.Sin embargo, observamos que algunos picos adicionales asociados con los enlaces C=C y CH desaparecieron.Esto indica que la composición química de las microalgas puede sufrir cambios menores debido a la interacción con SL Nb-MXenes.
Al considerar posibles cambios en la bioquímica de las microalgas, es necesario reconsiderar la acumulación de óxidos inorgánicos, como el óxido de niobio59.Está implicado en la captación de metales por la superficie celular, su transporte al citoplasma, su asociación con grupos carboxilo intracelulares y su acumulación en polifosfosomas de microalgas20,88,89,90.Además, la relación entre las microalgas y los metales se mantiene mediante grupos funcionales de células.Por este motivo, la absorción también depende de la química superficial de las microalgas, que es bastante compleja9,91.En general, como era de esperar, la composición química de las microalgas verdes cambió ligeramente debido a la absorción de óxido de Nb.
Curiosamente, la inhibición inicial observada de las microalgas fue reversible con el tiempo.Como observamos, las microalgas superaron el cambio ambiental inicial y finalmente volvieron a las tasas de crecimiento normales e incluso aumentaron.Los estudios del potencial zeta muestran una alta estabilidad cuando se introducen en medios nutritivos.Por lo tanto, la interacción superficial entre las células de microalgas y los nanoflakes de Nb-MXene se mantuvo durante los experimentos de reducción.En nuestro análisis adicional, resumimos los principales mecanismos de acción que subyacen a este notable comportamiento de las microalgas.
Las observaciones SEM han demostrado que las microalgas tienden a adherirse a Nb-MXenes.Mediante el análisis de imágenes dinámicas, confirmamos que este efecto conduce a la transformación de nanoflakes bidimensionales de Nb-MXene en partículas más esféricas, lo que demuestra que la descomposición de los nanoflakes está asociada con su oxidación.Para probar nuestra hipótesis, llevamos a cabo una serie de estudios materiales y bioquímicos.Después de las pruebas, los nanoflakes se oxidaron gradualmente y se descompusieron en productos NbO y Nb2O5, que no representaron una amenaza para las microalgas verdes.Usando la observación FTIR, no encontramos cambios significativos en la composición química de las microalgas incubadas en presencia de nanoflakes 2D Nb-MXene.Teniendo en cuenta la posibilidad de absorción de óxido de niobio por microalgas, realizamos un análisis de fluorescencia de rayos X.Estos resultados muestran claramente que las microalgas estudiadas se alimentan de óxidos de niobio (NbO y Nb2O5), que no son tóxicos para las microalgas estudiadas.