Kiitos vierailustasi Nature.comissa.Käytät selainversiota, jossa on rajoitettu CSS-tuki.Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan Yhteensopivuustila käytöstä Internet Explorerissa).Sillä välin varmistaaksemme jatkuvan tuen hahmonnamme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Näyttää kolmen dian karusellin kerralla.Käytä Edellinen- ja Seuraava-painikkeita siirtyäksesi kolmen dian läpi kerrallaan tai käytä lopussa olevia liukusäädinpainikkeita siirtyäksesi kolmen dian läpi kerrallaan.
Nanoteknologian nopea kehitys ja sen integroituminen jokapäiväisiin sovelluksiin voivat uhata ympäristöä.Vaikka vihreät menetelmät orgaanisten kontaminanttien hajottamiseen ovat vakiintuneita, epäorgaanisten kiteisten kontaminanttien talteenotto on suuri huolenaihe, koska ne ovat alhaisia ​​herkkyydelle biotransformaatiolle ja koska materiaalin pinnan vuorovaikutuksia biologisten aineiden kanssa ei ymmärretä.Tässä käytämme Nb-pohjaista epäorgaanista 2D MXenes -mallia yhdistettynä yksinkertaiseen muotoparametrianalyysimenetelmään jäljittääksemme 2D-keraamisten nanomateriaalien bioremediaatiomekanismia vihreän mikrolevän Raphidocelis subcapitata avulla.Havaitsimme, että mikrolevät hajottavat Nb-pohjaisia ​​MXeenejä pintaan liittyvien fysikaalis-kemiallisten vuorovaikutusten vuoksi.Aluksi mikrolevien pintaan kiinnitettiin yksi- ja monikerroksisia MXene-nanohiutaleita, mikä vähensi jonkin verran levien kasvua.Pitkäaikaisessa vuorovaikutuksessa pinnan kanssa mikrolevät kuitenkin hapettivat MXene-nanohiutaleita ja hajotivat ne edelleen NbO:ksi ja Nb2O5:ksi.Koska nämä oksidit eivät ole myrkyllisiä mikroleväsoluille, ne kuluttavat Nb-oksidinanohiukkasia absorptiomekanismin avulla, joka palauttaa mikrolevät entisestään 72 tunnin vedenkäsittelyn jälkeen.Imeytymiseen liittyvien ravintoaineiden vaikutukset näkyvät myös solutilavuuden kasvuna, niiden tasaisena muotona ja kasvunopeuden muutoksena.Näiden havaintojen perusteella päätämme, että Nb-pohjaisten MXeenien lyhyt- ja pitkäaikainen esiintyminen makean veden ekosysteemeissä voi aiheuttaa vain vähäisiä ympäristövaikutuksia.On huomionarvoista, että käyttämällä kaksiulotteisia nanomateriaaleja mallijärjestelminä osoitamme mahdollisuuden seurata muodonmuutosta myös hienorakeisissa materiaaleissa.Kaiken kaikkiaan tämä tutkimus vastaa tärkeään peruskysymykseen pintavuorovaikutukseen liittyvistä prosesseista, jotka ohjaavat 2D-nanomateriaalien bioremediaatiomekanismia, ja tarjoaa perustan uusille lyhyt- ja pitkän aikavälin tutkimuksille epäorgaanisten kiteisten nanomateriaalien ympäristövaikutuksista.
Nanomateriaalit ovat herättäneet paljon kiinnostusta niiden löytämisen jälkeen, ja monet nanoteknologiat ovat hiljattain siirtyneet modernisointivaiheeseen1.Valitettavasti nanomateriaalien integroiminen jokapäiväisiin sovelluksiin voi johtaa tahattomiin päästöihin, jotka johtuvat väärästä hävittämisestä, huolimattomasta käsittelystä tai riittämättömästä turvallisuusinfrastruktuurista.Siksi on perusteltua olettaa, että nanomateriaaleja, myös kaksiulotteisia (2D) nanomateriaaleja, voi vapautua luonnolliseen ympäristöön, jonka käyttäytymistä ja biologista aktiivisuutta ei vielä täysin ymmärretä.Siksi ei ole yllättävää, että ekotoksisuushuolet ovat keskittyneet 2D-nanomateriaalien kykyyn huuhtoutua vesijärjestelmiin2,3,4,5,6.Näissä ekosysteemeissä jotkut 2D-nanomateriaalit voivat olla vuorovaikutuksessa erilaisten organismien kanssa eri trofiatasoilla, mukaan lukien mikrolevät.
Mikrolevät ovat primitiivisiä organismeja, joita esiintyy luontaisesti makean veden ja meren ekosysteemeissä ja jotka tuottavat erilaisia ​​kemiallisia tuotteita fotosynteesin kautta7.Sellaisenaan ne ovat kriittisiä vesiekosysteemeille8, 9, 10, 11, 12, mutta ovat myös herkkiä, edullisia ja laajalti käytettyjä ekomyrkyllisyyden indikaattoreita13, 14.Koska mikroleväsolut lisääntyvät nopeasti ja reagoivat nopeasti erilaisten yhdisteiden läsnäoloon, ne ovat lupaavia ympäristöystävällisten menetelmien kehittämisessä orgaanisilla aineilla saastuneen veden käsittelyyn15,16.
Leväsolut voivat poistaa epäorgaanisia ioneja vedestä biosorption ja akkumuloinnin kautta17,18.Jotkut levälajit, kuten Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue ja Synechococcus sp.Sen on havaittu kuljettavan ja jopa ravitsevavan myrkyllisiä metalli-ioneja, kuten Fe2+, Cu2+, Zn2+ ja Mn2+19.Muut tutkimukset ovat osoittaneet, että Cu2+-, Cd2+-, Ni2+-, Zn2+- tai Pb2+-ionit rajoittavat Scenedesmuksen kasvua muuttamalla solujen morfologiaa ja tuhoamalla niiden kloroplasteja20,21.
Vihreät menetelmät orgaanisten epäpuhtauksien hajottamiseksi ja raskasmetalli-ionien poistamiseksi ovat herättäneet tutkijoiden ja insinöörien huomion ympäri maailmaa.Tämä johtuu pääasiassa siitä, että nämä epäpuhtaudet ovat helposti prosessoitavissa nestefaasissa.Epäorgaanisille kiteisille saasteille on kuitenkin ominaista alhainen vesiliukoisuus ja alhainen herkkyys erilaisille biotransformaatioille, mikä aiheuttaa suuria vaikeuksia kunnostuksessa, ja tällä alalla on edistytty vain vähän22,23,24,25,26.Näin ollen ympäristöystävällisten ratkaisujen etsiminen nanomateriaalien korjaamiseen on edelleen monimutkainen ja tutkimaton ala.Koska 2D-nanomateriaalien biotransformaatiovaikutuksia koskeva epävarmuus on suuri, ei ole helppoa tapaa selvittää niiden mahdollisia hajoamisreittejä pelkistyksen aikana.
Tässä tutkimuksessa käytimme vihreitä mikroleviä aktiivisena vesipitoisena bioremediaatioaineena epäorgaanisille keraamisille materiaaleille yhdistettynä MXenen hajoamisprosessin in situ -seurantaan epäorgaanisten keraamisten materiaalien edustajana.Termi "MXene" heijastaa Mn+1XnTx-materiaalin stoikiometriaa, jossa M on varhainen siirtymämetalli, X on hiili ja/tai typpi, Tx on pinnan terminaattori (esim. -OH, -F, -Cl) ja n = 1, 2, 3 tai 427,28.Siitä lähtien, kun Naguib et ai. löysi MXeenit.Sensorics, syöpähoito ja kalvosuodatus 27,29,30.Lisäksi MXeneitä voidaan pitää mallina 2D-järjestelminä niiden erinomaisen kolloidisen stabiiliuden ja mahdollisten biologisten vuorovaikutusten vuoksi31,32,33,34,35,36.
Siksi tässä artikkelissa kehitetty metodologia ja tutkimushypoteesimme on esitetty kuvassa 1. Tämän hypoteesin mukaan mikrolevät hajottavat Nb-pohjaiset MXeenit myrkyttömäksi yhdisteeksi pintaan liittyvien fysikaalis-kemiallisten vuorovaikutusten vuoksi, mikä mahdollistaa levien palautumisen edelleen.Tämän hypoteesin testaamiseksi valittiin kaksi varhaisten niobipohjaisten siirtymämetallikarbidien ja/tai nitridien (MXenes) perheen jäsentä, nimittäin Nb2CTx ja Nb4C3TX.
Tutkimusmetodologia ja näyttöön perustuvat hypoteesit vihermikrolevän Raphidocelis subcapitata MXene:n talteenottoon.Huomaa, että tämä on vain kaavamainen esitys näyttöön perustuvista oletuksista.Järven ympäristö vaihtelee käytetyn ravinneväliaineen ja olosuhteiden (esim. vuorokausikierto ja saatavilla olevien välttämättömien ravinteiden rajoitukset) suhteen.Luotu BioRender.com-sivustolla.
Siksi käyttämällä MXeneä mallijärjestelmänä olemme avanneet oven erilaisten biologisten vaikutusten tutkimiseen, joita ei voida havaita muilla tavanomaisilla nanomateriaaleilla.Osoitamme erityisesti mahdollisuuden kaksiulotteisten nanomateriaalien, kuten niobiumpohjaisten MXeenien, bioremediaatioon mikrolevällä Raphidocelis subcapitata.Mikrolevät pystyvät hajottamaan Nb-MXeenit myrkyttömäksi oksidiksi NbO ja Nb2O5, jotka myös tarjoavat ravinteita niobiuminottomekanismin kautta.Kaiken kaikkiaan tämä tutkimus vastaa tärkeään peruskysymykseen prosesseista, jotka liittyvät pinnan fysikaalis-kemiallisiin vuorovaikutuksiin, jotka hallitsevat kaksiulotteisten nanomateriaalien bioremediation mekanismeja.Lisäksi kehitämme yksinkertaista muotoparametripohjaista menetelmää 2D-nanomateriaalien muodon hienovaraisten muutosten seuraamiseen.Tämä innostaa lisää lyhyt- ja pitkän aikavälin tutkimuksia epäorgaanisten kiteisten nanomateriaalien erilaisista ympäristövaikutuksista.Siten tutkimuksemme lisää ymmärrystä materiaalin pinnan ja biologisen materiaalin vuorovaikutuksesta.Tarjoamme myös pohjan laajennetuille lyhyen ja pitkän aikavälin tutkimuksille niiden mahdollisista vaikutuksista makean veden ekosysteemeihin, jotka on nyt helposti todennettavissa.
MXenes edustavat mielenkiintoista materiaaliluokkaa, jolla on ainutlaatuiset ja houkuttelevat fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet ja siten monia mahdollisia käyttökohteita.Nämä ominaisuudet riippuvat suurelta osin niiden stoikiometriasta ja pinnan kemiasta.Siksi tutkimuksessamme tutkimme kahta tyyppiä Nb-pohjaisia ​​hierarkkisia yksikerroksisia (SL) MXenejä, Nb2CTx ja Nb4C3TX, koska näiden nanomateriaalien erilaisia ​​biologisia vaikutuksia voitiin havaita.MXeenit valmistetaan lähtöaineistaan ​​ylhäältä alaspäin suuntautuvalla selektiivisellä etsauksella atomiohuista MAX-vaiheen A-kerroksista.MAX-faasi on kolmikeramiikka, joka koostuu "sidottuista" siirtymämetallikarbidien lohkoista ja ohuista kerroksista "A"-elementtejä, kuten Al, Si ja Sn, joiden stoikiometria on MnAXn-1.Alkuperäisen MAX-vaiheen morfologiaa tarkkailtiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) ja se oli yhdenmukainen aikaisempien tutkimusten kanssa (katso lisätiedot, SI, kuva S1).Monikerroksinen (ML) Nb-MXene saatiin sen jälkeen, kun Al-kerros oli poistettu 48 % HF:lla (fluorivetyhappo).ML-Nb2CTx:n ja ML-Nb4C3TX:n morfologiaa tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) (kuvat S1c ja S1d vastaavasti) ja havaittiin tyypillinen kerrostettu MXene-morfologia, joka oli samanlainen kuin kaksiulotteiset nanohiutaleet, jotka kulkevat pitkänomaisten huokosmaisten rakojen läpi.Molemmilla Nb-MXeneillä on paljon yhteistä aiemmin happoetsauksella syntetisoitujen MXene-faasien kanssa27,38.Vahvistettuamme MXenen rakenteen kerrosimme sen interkaloimalla tetrabutyyliammoniumhydroksidia (TBAOH), mitä seurasi pesu ja sonikointi, minkä jälkeen saimme yksikerroksisia tai matalakerroksisia (SL) 2D Nb-MXene -nanohiutaleita.
Käytimme korkearesoluutioista transmissioelektronimikroskooppia (HRTEM) ja röntgendiffraktiota (XRD) syövytyksen ja lisäkuorinnan tehokkuuden testaamiseen.Käänteisen nopean Fourier-muunnoksen (IFFT) ja nopean Fourier-muunnoksen (FFT) avulla käsitellyt HRTEM-tulokset on esitetty kuvassa 2. Nb-MXene-nanohiutaleet suunnattiin reuna ylöspäin atomikerroksen rakenteen tarkistamiseksi ja tasojen välisten etäisyyksien mittaamiseksi.HRTEM-kuvat MXene Nb2CTx- ja Nb4C3TX-nanohiutaleista paljastivat niiden atomisesti ohuen kerrosrakenteen (katso kuva 2a1, a2), kuten Naguib et al.27 ja Jastrzębska et al.38 ovat aiemmin raportoineet.Määritimme kahdelle vierekkäiselle Nb2CTx- ja Nb4C3Tx-yksikerrokselle kerrosten väliset etäisyydet 0,74 ja 1,54 nm, vastaavasti (kuvat 2b1, b2), mikä on myös yhtäpitävä aiempien tuloksiemme kanssa38.Tämän vahvistivat edelleen käänteinen nopea Fourier-muunnos (kuvio 2c1, c2) ja nopea Fourier-muunnos (kuvio 2d1, d2), jotka osoittavat etäisyyden Nb2CTx- ja Nb4C3Tx-yksikerrosten välillä.Kuvassa näkyy niobi- ja hiiliatomeja vastaavien vaaleiden ja tummien vyöhykkeiden vuorottelu, mikä vahvistaa tutkittujen MXeenien kerrostumisen.On tärkeää huomata, että Nb2CTx:lle ja Nb4C3Tx:lle saadut energiaa dispersiivisen röntgenspektroskopian (EDX) spektrit (kuvat S2a ja S2b) eivät osoittaneet alkuperäisen MAX-faasin jäänteitä, koska Al-huippua ei havaittu.
SL Nb2CTx- ja Nb4C3Tx MXene-nanohiutaleiden karakterisointi, mukaan lukien (a) korkearesoluutioinen elektronimikroskopia (HRTEM) sivulta katsottuna 2D-nanohiutalekuvaus ja vastaava, (b) intensiteettitila, (c) käänteinen nopea Fourier-muunnos (IFFT), (d) nopea Fourier-muunnos (FFT), (e) röntgenkuvaus.SL 2D Nb2CTx:n luvut ilmaistaan ​​muodossa (a1, b1, c1, d1, e1).SL 2D Nb4C3Tx:n luvut ilmaistaan ​​muodossa (a2, b2, c2, d2, e1).
SL Nb2CTx- ja Nb4C3Tx MXeenien röntgendiffraktiomittaukset on esitetty kuvissa 1 ja 2.2e1 ja e2, vastaavasti.Huiput (002) kohdissa 4,31 ja 4,32 vastaavat aiemmin kuvattuja kerrostettuja MXeneitä Nb2CTx ja Nb4C3TX38, 39, 40, 41, vastaavasti.XRD-tulokset osoittavat myös joidenkin jäljellä olevien ML-rakenteiden ja MAX-vaiheiden läsnäolon, mutta enimmäkseen XRD-kuvioita, jotka liittyvät SL Nb4C3Tx:ään (kuva 2e2).MAX-faasin pienempien hiukkasten läsnäolo voi selittää vahvemman MAX-huipun verrattuna satunnaisesti pinottuihin Nb4C3Tx-kerroksiin.
Jatkotutkimukset ovat keskittyneet R. subcapitata -lajiin kuuluviin vihreisiin mikroleviin.Valitsimme mikrolevät, koska ne ovat tärkeitä tuottajia suurissa ravintoverkostoissa42.Ne ovat myös yksi parhaista myrkyllisyyden indikaattoreista, koska ne pystyvät poistamaan myrkyllisiä aineita, jotka kulkeutuvat ravintoketjun korkeammalle tasolle43.Lisäksi R. subcapitata -tutkimus voi paljastaa SL Nb-MXeenien satunnaisen toksisuuden tavallisille makean veden mikro-organismeille.Tämän havainnollistamiseksi tutkijat olettivat, että jokaisella mikrobilla on erilainen herkkyys ympäristössä oleville myrkyllisille yhdisteille.Useimmille organismeille pienet ainepitoisuudet eivät vaikuta niiden kasvuun, kun taas tietyn rajan ylittävät pitoisuudet voivat estää niitä tai jopa aiheuttaa kuoleman.Siksi päätimme testata Nb-MXeenien vaarattomia ja myrkyllisiä pitoisuuksia tutkiessamme mikrolevien ja MXeenien välistä pintavuorovaikutusta ja siihen liittyvää palautumista.Tätä varten testasimme pitoisuudet 0 (vertailuna), 0,01, 0,1 ja 10 mg l-1 MXene ja lisäksi infektoituneet mikrolevät erittäin korkeilla MXene-pitoisuuksilla (100 mg l-1 MXene), jotka voivat olla äärimmäisiä ja tappavia..mihin tahansa biologiseen ympäristöön.
SL Nb-MXeenien vaikutukset mikroleveihin on esitetty kuviossa 3 ilmaistuna kasvun edistämisen (+) tai eston (-) prosentteina mitattuna 0 mg l-1 näytteille.Vertailun vuoksi testattiin myös Nb-MAX-vaihe ja ML Nb-MXenes, ja tulokset esitetään SI-muodossa (katso kuva S3).Saadut tulokset vahvistivat, että SL Nb-MXeneillä ei ole lähes täysin myrkyllisyyttä alhaisilla pitoisuuksilla 0,01 - 10 mg/l, kuten on esitetty kuvioissa 3a, b.Nb2CTx:n tapauksessa havaitsimme enintään 5 %:n ekotoksisuuden määritellyllä alueella.
Mikrolevien kasvun stimulointi (+) tai esto (-) SL:n (a) Nb2CTx ja (b) Nb4C3TX MXene läsnä ollessa.24, 48 ja 72 tunnin MXeeni-mikrolevävuorovaikutus analysoitiin. Merkittävät tiedot (t-testi, p < 0,05) merkittiin tähdellä (*). Merkittävät tiedot (t-testi, p < 0,05) merkittiin tähdellä (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Merkittävät tiedot (t-testi, p < 0,05) on merkitty tähdellä (*).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-testi, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Tärkeät tiedot (t-testi, p < 0,05) on merkitty tähdellä (*).Punaiset nuolet osoittavat estävän stimulaation poistamisen.
Toisaalta pienet Nb4C3TX-pitoisuudet osoittautuivat hieman myrkyllisemmiksi, mutta eivät yli 7 %.Kuten odotettiin, havaitsimme, että MXeneillä oli korkeampi toksisuus ja mikrolevien kasvun esto annoksella 100 mg L-1.Mielenkiintoista on, että mikään materiaali ei osoittanut samaa myrkyllisten/toksisten vaikutusten suuntausta ja aikariippuvuutta verrattuna MAX- tai ML-näytteisiin (katso yksityiskohdat SI:stä).Vaikka MAX-vaiheen (katso kuva S3) toksisuus saavutti noin 15–25 % ja lisääntyi ajan myötä, SL Nb2CTx:n ja Nb4C3TX MXenen kohdalla havaittiin päinvastainen suuntaus.Mikrolevien kasvun esto väheni ajan myötä.Se saavutti noin 17 % 24 tunnin kuluttua ja putosi alle 5 %:iin 72 tunnin jälkeen (kuvio 3a, vastaavasti b).
Vielä tärkeämpää on, että SL Nb4C3TX:n mikrolevien kasvun esto saavutti noin 27 % 24 tunnin kuluttua, mutta 72 tunnin kuluttua se laski noin 1 %:iin.Siksi merkitsimme havaitun vaikutuksen stimulaation käänteiseksi estämiseksi, ja vaikutus oli vahvempi SL Nb4C3TX MXenelle.Mikrolevien kasvun stimulaatio havaittiin aikaisemmin Nb4C3TX:llä (vuorovaikutus annoksella 10 mg L-1 24 tunnin ajan) verrattuna SL Nb2CTx MXeneen.Esto-stimulaation kumoamisvaikutus näkyi hyvin myös biomassan kaksinkertaistumisnopeuskäyrässä (katso kuva S4 yksityiskohtia varten).Toistaiseksi vain Ti3C2TX MXenen ekotoksisuutta on tutkittu eri tavoin.Se ei ole myrkyllistä seeprakalan alkioille44, mutta kohtalaisen ekomyrkyllinen mikroleville Desmodesmus quadricauda ja Sorghum saccharatum -kasveille45.Muita esimerkkejä spesifisistä vaikutuksista ovat korkeampi toksisuus syöpäsolulinjoille kuin normaaleille solulinjoille46,47.Voidaan olettaa, että testiolosuhteet vaikuttaisivat Nb-MXeenien läsnä ollessa havaittuihin mikrolevien kasvun muutoksiin.Esimerkiksi noin 8 pH kloroplastin stroomassa on optimaalinen RuBisCO-entsyymin tehokkaalle toiminnalle.Siksi pH-muutokset vaikuttavat negatiivisesti fotosynteesin nopeuteen48,49.Emme kuitenkaan havainneet merkittäviä muutoksia pH:ssa kokeen aikana (katso SI, kuva S5 yksityiskohtia varten).Yleensä mikrolevien viljelmät Nb-MXeneillä alensivat hieman liuoksen pH:ta ajan myötä.Tämä lasku oli kuitenkin samanlainen kuin muutos puhtaan väliaineen pH:ssa.Lisäksi löydetty vaihteluväli oli samanlainen kuin puhtaalla mikroleväviljelmällä (kontrollinäyte) mitattu vaihteluväli.Siten päättelemme, että pH:n muutokset ajan myötä eivät vaikuta fotosynteesiin.
Lisäksi syntetisoiduilla MXeneillä on pintapäätteet (merkitty nimellä Tx).Nämä ovat pääasiassa funktionaalisia ryhmiä -O, -F ja -OH.Pintakemia liittyy kuitenkin suoraan synteesimenetelmään.Näiden ryhmien tiedetään jakautuneen satunnaisesti pinnalle, mikä tekee vaikeaksi ennustaa niiden vaikutusta MXene50:n ominaisuuksiin.Voidaan väittää, että Tx voisi olla katalyyttinen voima niobiumin hapettumiselle valon vaikutuksesta.Pintafunktionaaliset ryhmät tarjoavat todellakin useita ankkurointikohtia alla oleville fotokatalyyteille heteroliittymien muodostamiseksi51.Kasvualustakoostumus ei kuitenkaan tarjonnut tehokasta fotokatalyyttiä (yksityiskohtainen alustakoostumus löytyy SI-taulukosta S6).Lisäksi kaikki pinnan modifikaatiot ovat myös erittäin tärkeitä, koska MXeenien biologinen aktiivisuus voi muuttua kerrosten jälkikäsittelyn, hapettumisen, orgaanisten ja epäorgaanisten yhdisteiden kemiallisen pinnan modifikoinnin52,53,54,55,56 tai pintavaraustekniikan38 vuoksi.Siksi testataksemme, onko niobiumoksidilla mitään tekemistä väliaineen materiaalin epästabiiliuden kanssa, suoritimme tutkimuksia zeta (ζ) -potentiaalista mikrolevien kasvualustassa ja deionisoidussa vedessä (vertailun vuoksi).Tuloksemme osoittavat, että SL Nb-MXenes ovat melko vakaita (katso SI-kuva S6 MAX- ja ML-tulokset).SL MXenesin zetapotentiaali on noin -10 mV.SR Nb2CTx:n tapauksessa ζ:n arvo on jonkin verran negatiivisempi kuin Nb4C3Tx:n.Tällainen muutos ζ-arvossa voi viitata siihen, että negatiivisesti varautuneiden MXene-nanohiutaleiden pinta absorboi positiivisesti varautuneita ioneja elatusaineesta.Nb-MXeenien zeta-potentiaalin ja johtavuuden ajalliset mittaukset viljelyväliaineessa (katso kuvat S7 ja S8 SI:ssä saadaksesi lisätietoja) näyttävät tukevan hypoteesiamme.
Molemmat Nb-MXene SL:t osoittivat kuitenkin minimaalisia muutoksia nollasta.Tämä osoittaa selvästi niiden stabiilisuuden mikrolevien kasvualustassa.Lisäksi arvioimme, vaikuttaisiko vihreiden mikrolevien läsnäolo Nb-MXeenien stabiilisuuteen väliaineessa.Tulokset MXeenien zetapotentiaalista ja johtavuudesta sen jälkeen, kun ne ovat olleet vuorovaikutuksessa mikrolevien kanssa ravinneväliaineissa ja viljelmässä ajan mittaan, löytyvät SI:stä (kuvat S9 ja S10).Mielenkiintoista kyllä, huomasimme, että mikrolevien läsnäolo näytti stabiloivan molempien MXeenien dispersiota.Nb2CTx SL:n tapauksessa zeta-potentiaali pieneni jopa hieman ajan myötä negatiivisempiin arvoihin (-15,8 vs. -19,1 mV 72 tunnin inkubaation jälkeen).SL Nb4C3TX:n zetapotentiaali nousi hieman, mutta 72 tunnin jälkeen se osoitti silti parempaa stabiilisuutta kuin nanohiutaleet ilman mikrolevien läsnäoloa (-18,1 vs. -9,1 mV).
Löysimme myös mikrolevien läsnäollessa inkuboitujen Nb-MXene-liuosten alhaisemman johtavuuden, mikä viittaa pienempään määrään ioneja ravinneväliaineessa.Erityisesti MXeenien epävakaus vedessä johtuu pääasiassa pinnan hapettumisesta57.Siksi epäilemme, että vihreät mikrolevät jollakin tavalla puhdistavat Nb-MXenin pinnalle muodostuneet oksidit ja jopa estivät niiden esiintymisen (MXenin hapettumisen).Tämä voidaan havaita tutkimalla mikrolevien absorboimien aineiden tyyppejä.
Vaikka ekotoksikologiset tutkimuksemme osoittivat, että mikrolevät pystyivät voittamaan Nb-MXeenien myrkyllisyyden ajan myötä ja stimuloidun kasvun epätavallisen eston, tutkimuksemme tavoitteena oli tutkia mahdollisia vaikutusmekanismeja.Kun organismit, kuten levät, altistuvat yhdisteille tai materiaaleille, jotka eivät ole heidän ekosysteemeilleen tuttuja, ne voivat reagoida eri tavoin58,59.Ilman myrkyllisiä metallioksideja mikrolevät voivat ruokkia itseään, jolloin ne voivat kasvaa jatkuvasti60.Myrkyllisten aineiden nielemisen jälkeen puolustusmekanismit voivat aktivoitua, kuten muodon tai muodon muuttaminen.Myös imeytymismahdollisuus on otettava huomioon58,59.Erityisesti mikä tahansa merkki puolustusmekanismista on selvä indikaattori testiyhdisteen toksisuudesta.Siksi jatkotyössämme tutkimme mahdollista pintavuorovaikutusta SL Nb-MXene -nanohiutaleiden ja mikrolevien välillä SEM:llä ja mahdollista Nb-pohjaisen MXenen absorptiota röntgenfluoresenssispektroskopialla (XRF).Huomaa, että SEM- ja XRF-analyysit suoritettiin vain korkeimmalla MXene-pitoisuudella aktiivisuuden toksisuusongelmien ratkaisemiseksi.
SEM-tulokset on esitetty kuvassa 4.Käsittelemättömät mikroleväsolut (katso kuvio 4a, vertailunäyte) osoittivat selvästi tyypillistä R. subcapitata -morfologiaa ja croissanttimaista solumuotoa.Solut näyttävät litistyneiltä ja hieman epäjärjestyneiltä.Jotkut mikroleväsolut menivät päällekkäin ja kietoutuivat toisiinsa, mutta tämä johtui todennäköisesti näytteen valmistusprosessista.Yleensä puhtailla mikroleväsoluilla oli sileä pinta, eikä niissä näkynyt mitään morfologisia muutoksia.
SEM-kuvat, joissa näkyy pintavuorovaikutus vihreiden mikrolevien ja MXene-nanolevyjen välillä 72 tunnin vuorovaikutuksen jälkeen äärimmäisellä pitoisuudella (100 mg L-1).(a) Käsittelemättömät vihreät mikrolevät vuorovaikutuksen jälkeen SL:n kanssa (b) Nb2CTx ja (c) Nb4C3TX MXene.Huomaa, että Nb-MXene-nanohiutaleet on merkitty punaisilla nuolilla.Vertailun vuoksi lisätään myös valokuvia optisesta mikroskoopista.
Sitä vastoin SL Nb-MXene -nanohiutaleiden adsorboimat mikroleväsolut vaurioituivat (katso kuviot 4b, c, punaiset nuolet).Nb2CTx MXenen tapauksessa (kuva 4b) mikrolevillä on taipumus kasvaa kiinnittyneiden kaksiulotteisten nanomittakaavojen kanssa, mikä voi muuttaa niiden morfologiaa.Huomasimme myös nämä muutokset valomikroskopiassa (katso yksityiskohdat SI-kuvasta S11).Tällä morfologisella siirtymällä on uskottava perusta mikrolevien fysiologiassa ja niiden kyvyssä puolustautua muuttamalla solumorfologiaa, kuten lisäämällä solutilavuutta61.Siksi on tärkeää tarkistaa niiden mikrolevien lukumäärä, jotka ovat todella kosketuksissa Nb-MXeenien kanssa.SEM-tutkimukset osoittivat, että noin 52 % mikroleväsoluista altistui Nb-MXeneille, kun taas 48 % näistä mikroleväsoluista vältti kosketusta.SL Nb4C3Tx MXene:ssä mikrolevät yrittävät välttää kosketusta MXenen kanssa, jolloin ne lokalisoituvat ja kasvavat kaksiulotteisista nanomittakaavoista (kuva 4c).Emme kuitenkaan havainneet nanoskaalojen tunkeutumista mikroleväsoluihin ja niiden vaurioita.
Itsesäilyvyys on myös ajasta riippuva vastekäyttäytyminen fotosynteesin tukkeutumiseen, joka johtuu hiukkasten adsorptiosta solun pinnalle ja ns. varjostusvaikutuksesta62.On selvää, että jokainen mikrolevien ja valonlähteen välissä oleva esine (esimerkiksi Nb-MXene-nanohiutaleet) rajoittaa kloroplastien absorboiman valon määrää.Meillä ei kuitenkaan ole epäilystäkään siitä, että tällä on merkittävä vaikutus saatuihin tuloksiin.Kuten mikroskooppiset havainnot osoittavat, 2D-nanohiutaleet eivät olleet täysin käärittyinä tai kiinnittyneet mikrolevien pintaan, vaikka mikroleväsolut olivat kosketuksissa Nb-MXeenien kanssa.Sen sijaan nanohiutaleet osoittautuivat suuntautuneiksi mikroleväsoluihin peittämättä niiden pintaa.Tällainen nanohiutaleiden/mikrolevien sarja ei voi merkittävästi rajoittaa mikroleväsolujen absorboiman valon määrää.Lisäksi jotkin tutkimukset ovat jopa osoittaneet fotosynteettisten organismien valon absorption parantuneen kaksiulotteisten nanomateriaalien läsnä ollessa63, 64, 65, 66.
Koska SEM-kuvat eivät pystyneet suoraan vahvistamaan mikroleväsolujen niobiumin ottoa, jatkotutkimuksemme siirtyi röntgenfluoresenssi- (XRF) ja röntgenfotoelektronispektroskopia- (XPS) -analyysiin tämän ongelman selventämiseksi.Siksi vertailimme vertailumikrolevänäytteiden Nb-huippujen intensiteettiä, jotka eivät olleet vuorovaikutuksessa MXeenien, mikroleväsolujen pinnasta irronneiden MXene-nanohiutaleiden ja mikroleväsolujen kanssa kiinnittyneiden MXeenien poistamisen jälkeen.On syytä huomata, että jos Nb:n ottoa ei ole, mikroleväsolujen saaman Nb-arvon tulisi olla nolla kiinnittyneiden nanoskaalojen poistamisen jälkeen.Siksi, jos Nb:n otto tapahtuu, sekä XRF- että XPS-tulosten pitäisi näyttää selkeä Nb-piikki.
XRF-spektrien tapauksessa mikrolevänäytteet osoittivat Nb-piikkejä SL Nb2CTx- ja Nb4C3Tx MXene -yhdisteille vuorovaikutuksen jälkeen SL Nb2CTx:n ja Nb4C3Tx MXenen kanssa (katso kuva 5a, huomaa myös, että MAX- ja ML-MXene-tulokset on esitetty SI:ssä, kuvat S12–C17).Mielenkiintoista on, että Nb-huipun intensiteetti on sama molemmissa tapauksissa (punaiset palkit kuvassa 5a).Tämä osoitti, että levät eivät kyenneet absorboimaan enempää Nb:tä, ja maksimikapasiteetti Nb:n kerääntymiselle saavutettiin soluissa, vaikka kaksi kertaa enemmän Nb4C3Tx MXeneä kiinnittyi mikroleväsoluihin (siniset palkit kuviossa 5a).Erityisesti mikrolevien kyky absorboida metalleja riippuu metallioksidien pitoisuudesta ympäristössä67, 68.Shamshada ym.67 havaitsivat, että makean veden levien imukyky heikkenee pH:n noustessa.Raize et al.68 totesivat, että merilevän kyky imeä metalleja oli noin 25 % suurempi Pb2+:lla kuin Ni2+:lla.
(a) Vihreiden mikroleväsolujen perus-Nb-oton XRF-tulokset, joita inkuboitiin äärimmäisessä SL Nb-MXene -pitoisuudessa (100 mg L-1) 72 tunnin ajan.Tulokset osoittavat α:n esiintymisen puhtaissa mikroleväsoluissa (kontrollinäyte, harmaat pylväät), pinnan mikroleväsoluista eristetyissä 2D-nanohiutaleissa (siniset pylväät) ja mikroleväsoluissa sen jälkeen, kun 2D-nanohiutaleet on erotettu pinnasta (punaiset pylväät).Alkuaine-Nb:n määrä, (b) mikrolevien orgaanisten komponenttien (C=O ja CHx/C–O) ja Nb-oksidien kemiallisen koostumuksen prosenttiosuus mikroleväsoluissa SL Nb-MXene -inkuboinnin jälkeen, (c–e) XPS SL Nb2CTx -spektrien koostumushuipun sovitus ja (fh) MXC:n sisäiset SLx Nbgaaleen3 solut.
Siksi odotimme, että leväsolut voisivat absorboida Nb:tä oksidien muodossa.Tämän testaamiseksi suoritimme XPS-tutkimuksia MXenes Nb2CTx- ja Nb4C3TX- ja leväsoluilla.Tulokset mikrolevien vuorovaikutuksesta Nb-MXeenien ja leväsoluista eristettyjen MXeenien kanssa on esitetty kuvioissa 1 ja 2.5b.Kuten odotettiin, havaitsimme Nb 3d -piikkejä mikrolevänäytteissä sen jälkeen, kun MXene oli poistettu mikrolevien pinnalta.C=O-, CHx/CO- ja Nb-oksidien kvantitatiivinen määritys laskettiin Nb2CTx SL:llä (kuva 5c-e) ja Nb4C3Tx SL:llä (kuva 5c-e) saatujen Nb 3d-, O 1s- ja C 1s -spektrien perusteella.) saatu inkuboiduista mikrolevistä.Kuva 5f–h) MXenes.Taulukossa S1-3 esitetään yksityiskohdat huippuparametreista ja sovituksesta johtuvasta kokonaiskemiasta.On huomionarvoista, että Nb2CTx SL:n ja Nb4C3Tx SL:n Nb 3d-alueet (kuvat 5c, f) vastaavat yhtä Nb2O5-komponenttia.Täällä emme löytäneet MXeeniin liittyviä huippuja spektreistä, mikä osoittaa, että mikroleväsolut absorboivat vain Nb:n oksidimuotoa.Lisäksi arvioimme C 1 s -spektrin komponenteilla C–C, CHx/C–O, C=O ja –COOH.Määritimme CHx/C-O- ja C=O-huiput mikroleväsolujen orgaaniselle osuudelle.Nämä orgaaniset komponentit muodostavat 36 % ja 41 % C1s-piikkeistä Nb2CTx SL:ssä ja Nb4C3TX SL:ssä, vastaavasti.Sitten sovitimme SL Nb2CTx:n ja SL Nb4C3TX:n O 1s -spektrit Nb2O5:llä, mikrolevien orgaanisilla komponenteilla (CHx/CO) ja pintaan adsorboituneella vedellä.
Lopuksi XPS-tulokset osoittivat selvästi Nb:n muodon, ei vain sen läsnäoloa.Nb 3d -signaalin sijainnin ja dekonvoluution tulosten perusteella vahvistamme, että Nb absorboituu vain oksideina, ei ioneina tai itse MXeneinä.Lisäksi XPS-tulokset osoittivat, että mikroleväsoluilla on suurempi kyky ottaa vastaan ​​Nb-oksideja SL Nb2CTx:stä verrattuna SL Nb4C3TX MXeneen.
Vaikka Nb:n ottotuloksemme ovat vaikuttavia ja antavat meille mahdollisuuden tunnistaa MXene:n hajoaminen, käytettävissä ei ole menetelmää siihen liittyvien morfologisten muutosten seuraamiseksi 2D-nanohiutaleissa.Siksi päätimme myös kehittää sopivan menetelmän, joka voi reagoida suoraan kaikkiin 2D Nb-MXene -nanohiutaleissa ja mikroleväsoluissa tapahtuviin muutoksiin.On tärkeää huomata, että oletamme, että jos vuorovaikutuksessa olevat lajit läpikäyvät jonkin muunnoksen, hajoamisen tai eheytymisen, tämän pitäisi nopeasti ilmetä muotoparametrien muutoksina, kuten vastaavan pyöreän alueen halkaisija, pyöreys, Feretin leveys tai Feretin pituus.Koska nämä parametrit sopivat pitkänomaisten hiukkasten tai kaksiulotteisten nanohiutaleiden kuvaamiseen, niiden seuranta dynaamisella hiukkasmuotoanalyysillä antaa meille arvokasta tietoa SL Nb-MXene -nanohiutaleiden morfologisesta muutoksesta pelkistyksen aikana.
Saadut tulokset on esitetty kuvassa 6. Vertailun vuoksi testasimme myös alkuperäisen MAX-vaiheen ja ML-MXenesit (katso SI-kuvat S18 ja S19).Hiukkasten muodon dynaaminen analyysi osoitti, että kahden Nb-MXene SL:n kaikki muotoparametrit muuttuivat merkittävästi vuorovaikutuksen jälkeen mikrolevien kanssa.Kuten vastaava pyöreän alueen halkaisijaparametri (kuvio 6a, b) osoittaa, suurten nanohiutaleiden fraktion alentunut huippuintensiteetti osoittaa, että niillä on taipumus hajota pienemmiksi fragmenteiksi.KuvassaKuvat 6c, d osoittavat hiutaleiden poikittaiseen kokoon (nanohiutaleiden venymiseen) liittyvien piikkien vähenemistä, mikä osoittaa 2D-nanohiutaleiden muuttumisen hiukkasmaisempaan muotoon.Kuva 6e-h esittää Feretin leveyden ja pituuden.Feretin leveys ja pituus ovat toisiaan täydentäviä parametreja, joten niitä tulee tarkastella yhdessä.2D Nb-MXene-nanohiutaleiden inkuboinnin jälkeen mikrolevien läsnäollessa niiden Feret-korrelaatiohuiput siirtyivät ja niiden intensiteetti laski.Näiden tulosten perusteella yhdessä morfologian, XRF:n ja XPS:n kanssa päätimme, että havaitut muutokset liittyvät vahvasti hapettumiseen, kun hapettuneet MXeenit muuttuvat ryppyisemmiksi ja hajoavat fragmenteiksi ja pallomaisiksi oksidihiukkasiksi69,70.
MXene-transformaation analyysi vihreiden mikrolevien kanssa tapahtuneen vuorovaikutuksen jälkeen.Dynaaminen hiukkasten muoto-analyysi ottaa huomioon sellaiset parametrit kuin (a, b) vastaavan ympyräalueen halkaisija, (c, d) pyöreys, (e, f) Feretin leveys ja (g, h) Feretin pituus.Tätä tarkoitusta varten analysoitiin kaksi vertailumikrolevänäytettä yhdessä primaaristen SL Nb2CTx- ja SL Nb4C3Tx MXenesien, SL Nb2CTx- ja SL Nb4C3Tx MXenesien, hajonneiden mikrolevien ja käsiteltyjen mikrolevien SL Nb2CTx ja SL Nb4C3Tx MXenesin kanssa.Punaiset nuolet osoittavat tutkittujen kaksiulotteisten nanohiutaleiden muotoparametrien siirtymät.
Koska muotoparametrianalyysi on erittäin luotettava, se voi paljastaa myös morfologisia muutoksia mikroleväsoluissa.Siksi analysoimme puhtaiden mikroleväsolujen ja solujen vastaavan pyöreän alueen halkaisijan, pyöreyden ja Feretin leveyden/pituuden vuorovaikutuksen jälkeen 2D Nb-nanohiutaleiden kanssa.KuvassaKuvat 6a–h esittävät muutoksia leväsolujen muotoparametreissa, mistä on osoituksena piikin intensiteetin lasku ja maksimien siirtyminen korkeampia arvoja kohti.Erityisesti solun pyöreysparametrit osoittivat pitkänomaisten solujen vähenemistä ja pallomaisten solujen lisääntymistä (kuvio 6a, b).Lisäksi Feret-solun leveys kasvoi useilla mikrometreillä vuorovaikutuksen jälkeen SL Nb2CTx MXenen kanssa (kuva 6e) verrattuna SL Nb4C3TX MXeneen (kuva 6f).Epäilemme, että tämä voi johtua mikrolevien voimakkaasta Nb-oksidien ottamisesta vuorovaikutuksessa Nb2CTx SR:n kanssa.Nb-hiutaleiden vähemmän jäykkä kiinnittyminen niiden pintaan voi johtaa solujen kasvuun minimaalisella varjostusvaikutuksella.
Havaintomme mikrolevien muodon ja koon muuttujista täydentävät muita tutkimuksia.Vihreät mikrolevät voivat muuttaa morfologiaansa vasteena ympäristön stressiin muuttamalla solun kokoa, muotoa tai aineenvaihduntaa61.Esimerkiksi solujen koon muuttaminen helpottaa ravinteiden imeytymistä71.Pienemmillä leväsoluilla on alhaisempi ravinteiden otto ja heikentynyt kasvunopeus.Sitä vastoin suuremmilla soluilla on taipumus kuluttaa enemmän ravintoaineita, jotka sitten kerrostuvat solunsisäisesti72,73.Machado ja Soares havaitsivat, että fungisidi triklosaani voi lisätä solukokoa.He havaitsivat myös syvällisiä muutoksia levien muodossa74.Lisäksi Yin et al.9 paljasti myös morfologisia muutoksia levissä altistumisen jälkeen pelkistetyille grafeenioksidinanokomposiiteille.Siksi on selvää, että mikrolevien muuttuneet koko-/muotoparametrit johtuvat MXenen läsnäolosta.Koska tämä koon ja muodon muutos on osoitus ravinteiden oton muutoksista, uskomme, että koko- ja muotoparametrien analyysi ajan myötä voi osoittaa niobiumoksidin imeytymisen mikroleviin Nb-MXeenien läsnä ollessa.
Lisäksi MXeenit voivat hapettua levien läsnä ollessa.Dalai ym.75 havaitsivat, että nano-TiO2:lle ja Al2O376:lle altistuneiden viherlevien morfologia ei ollut yhtenäinen.Vaikka havainnot ovat samanlaisia ​​kuin tässä tutkimuksessa, se on merkityksellinen vain bioremediation vaikutusten tutkimuksessa MXene-hajoamistuotteiden osalta 2D-nanohiutaleiden, ei nanohiukkasten, läsnä ollessa.Koska MXeenit voivat hajota metallioksideiksi,31,32,77,78 on järkevää olettaa, että Nb-nanohiutaleemme voivat muodostaa myös Nb-oksideja vuorovaikutuksessa mikroleväsolujen kanssa.
Selittääksemme 2D-Nb-nanohiutaleiden pelkistymistä hapetusprosessiin perustuvan hajoamismekanismin kautta, suoritimme tutkimuksia korkearesoluutioisella transmissioelektronimikroskoopilla (HRTEM) (kuvat 7a,b) ja röntgenfotoelektronispektroskopialla (XPS) (kuva 7).7c-i ja taulukot S4-5).Molemmat lähestymistavat sopivat 2D-materiaalien hapettumisen tutkimiseen ja täydentävät toisiaan.HRTEM pystyy analysoimaan kaksiulotteisten kerrosrakenteiden hajoamista ja sitä seuraavaa metallioksidinanohiukkasten ilmaantumista, kun taas XPS on herkkä pintasidoksille.Tätä tarkoitusta varten testasimme mikroleväsoludispersioista uutettuja 2D Nb-MXene -nanohiutaleita eli niiden muotoa mikroleväsolujen kanssa tapahtuneen vuorovaikutuksen jälkeen (ks. kuva 7).
HRTEM-kuvat, jotka osoittavat hapettuneiden (a) SL Nb2CTx- ja (b) SL Nb4C3Tx MXeenien morfologian, XPS-analyysitulokset osoittavat (c) oksidituotteiden koostumuksen pelkistyksen jälkeen, (d–f) SL Nb2CTx:n XPS-spektrien komponenttien huippusovitus ja (g– i) TxSL microale3:n korjausvihreällä.
HRTEM-tutkimukset vahvistivat kahden tyyppisten Nb-MXene-nanohiutaleiden hapettumisen.Vaikka nanohiutaleet säilyttivät jossain määrin kaksiulotteisen morfologiansa, hapettuminen johti monien nanohiukkasten ilmaantumiseen, jotka peittivät MXene-nanohiutaleiden pinnan (katso kuva 7a, b).cNb3d- ja O1s-signaalien XPS-analyysi osoitti, että Nb-oksideja muodostui molemmissa tapauksissa.Kuten kuvasta 7c näkyy, 2D MXene Nb2CTx:llä ja Nb4C3TX:llä on Nb 3d -signaalit, jotka osoittavat NbO- ja Nb2O5-oksidien läsnäolon, kun taas O 1s -signaalit osoittavat 2D-nanohiutalepinnan funktionalisointiin liittyvien O-Nb-sidosten lukumäärän.Huomasimme, että Nb-oksidin osuus on hallitseva verrattuna Nb-C:hen ja Nb3+-O:han.
KuvassaKuvat 7g–i esittävät mikroleväsoluista eristettyjen Nb 3d, C 1s ja O 1s SL Nb2CTx (katso kuvat 7d-f) ja SL Nb4C3TX MXene XPS-spektrit.Yksityiskohdat Nb-MXenes-huippuparametreista esitetään vastaavasti taulukoissa S4–5.Analysoimme ensin Nb 3d:n koostumuksen.Päinvastoin kuin mikroleväsolujen absorboima Nb, mikroleväsoluista eristetystä MXenestä löytyi Nb2O5:n lisäksi muita komponentteja.Nb2CTx SL:ssä havaitsimme Nb3+-O:n osuuden 15 %, kun taas muuta Nb 3d -spektriä hallitsi Nb2O5 (85 %).Lisäksi SL Nb4C3TX -näyte sisältää Nb-C (9 %) ja Nb2O5 (91 %) komponentteja.Tässä Nb-C tulee kahdesta metallikarbidin sisäisestä atomikerroksesta Nb4C3Tx SR:ssä.Sitten kartoitamme C1s-spektrit neljään eri komponenttiin, kuten teimme sisäistettyjen näytteiden kohdalla.Kuten odotettiin, C1s-spektriä hallitsee grafiittihiili, jota seuraavat mikroleväsolujen orgaaniset hiukkaset (CHx/CO ja C=O).Lisäksi O 1s -spektrissä havaitsimme mikroleväsolujen orgaanisten muotojen, niobiumoksidin ja adsorboituneen veden osuuden.
Lisäksi tutkimme, liittyykö Nb-MXenesin pilkkoutuminen reaktiivisten happilajien (ROS) läsnäoloon ravinneväliaineessa ja/tai mikroleväsoluissa.Tätä tarkoitusta varten arvioimme singlettihapen (1O2) tasot viljelyväliaineessa ja solunsisäistä glutationia, tiolia, joka toimii antioksidanttina mikrolevissä.Tulokset on esitetty SI:nä (kuvat S20 ja S21).Viljelmille, joissa oli SL Nb2CTx- ja Nb4C3TX MXenejä, oli tunnusomaista 102:n vähentynyt määrä (katso kuva S20).SL Nb2CTx:n tapauksessa MXene 1O2 vähenee noin 83 prosenttiin.SL:tä käyttävissä mikroleväviljelmissä Nb4C3TX 1O2 laski vieläkin enemmän, 73 prosenttiin.Mielenkiintoista on, että muutokset 1O2:ssa osoittivat saman suuntauksen kuin aiemmin havaittu estävä-stimuloiva vaikutus (katso kuva 3).Voidaan väittää, että inkubointi kirkkaassa valossa voi muuttaa valohapetusta.Kontrollianalyysin tulokset osoittivat kuitenkin lähes vakioita 1O2-tasoja kokeen aikana (kuva S22).Myös solunsisäisten ROS-tasojen tapauksessa havaitsimme saman laskevan trendin (katso kuva S21).Aluksi ROS-tasot mikroleväsoluissa, joita viljeltiin Nb2CTx:n ja Nb4C3Tx SL:n läsnä ollessa, ylittivät puhtaissa mikroleväviljelmissä havaitut tasot.Lopulta kuitenkin ilmeni, että mikrolevät sopeutuivat molempien Nb-MXeenien läsnäoloon, kun ROS-tasot laskivat 85 %:iin ja 91 %:iin SL Nb2CTx:llä ja Nb4C3TX:llä ympättyjen mikrolevien puhtaissa viljelmissä mitatuista tasoista.Tämä saattaa viitata siihen, että mikrolevät tuntevat olonsa mukavammaksi ajan myötä Nb-MXene:n läsnä ollessa kuin pelkässä ravintoaineessa.
Mikrolevät ovat monipuolinen ryhmä fotosynteettisiä organismeja.Fotosynteesin aikana ne muuttavat ilmakehän hiilidioksidia (CO2) orgaaniseksi hiileksi.Fotosynteesin tuotteet ovat glukoosi ja happi79.Epäilemme, että näin muodostuneella hapella on kriittinen rooli Nb-MXeenien hapetuksessa.Yksi mahdollinen selitys tälle on, että differentiaalinen ilmastusparametri muodostuu alhaisissa ja korkeissa hapen osapaineissa Nb-MXene-nanohiutaleiden ulkopuolella ja sisällä.Tämä tarkoittaa, että missä tahansa on alueita, joilla on eri hapen osapaineet, alimman tason alue muodostaa anodin 80, 81, 82. Tässä mikrolevät myötävaikuttavat MXene-hiutaleiden pinnalle differentiaalisesti ilmastettujen solujen syntymiseen, jotka tuottavat happea fotosynteettisten ominaisuuksiensa ansiosta.Tämän seurauksena muodostuu biokorroosiotuotteita (tässä tapauksessa niobiumoksideja).Toinen näkökohta on, että mikrolevät voivat tuottaa orgaanisia happoja, jotka vapautuvat veteen83,84.Siksi muodostuu aggressiivinen ympäristö, mikä muuttaa Nb-MXeenejä.Lisäksi mikrolevät voivat muuttaa ympäristön pH:n emäksiseksi hiilidioksidin imeytymisen vuoksi, mikä voi myös aiheuttaa korroosiota79.
Vielä tärkeämpää on, että tutkimuksessamme käytetty tumma/vaalea valojakso on kriittinen saavutettujen tulosten ymmärtämisen kannalta.Tämä näkökohta on kuvattu yksityiskohtaisesti julkaisussa Djemai-Zoghlache et ai.85 He käyttivät tarkoituksella 12/12 tunnin valojaksoa osoittaakseen punaisen mikrolevän Porphyridium purpureumin aiheuttamaan biologiseen likaantumiseen liittyvän biokorroosion.Ne osoittavat, että valojakso liittyy potentiaalin evoluutioon ilman biokorroosiota, joka ilmenee pseudoperiodisina värähtelyinä noin klo 24.00.Nämä havainnot vahvistivat Dowling et ai.86 He osoittivat Anabaenan syanobakteerien fotosynteettisiä biofilmejä.Liuennutta happea muodostuu valon vaikutuksesta, mikä liittyy vapaan biokorroosiopotentiaalin muutokseen tai vaihteluihin.Valojakson merkitystä korostaa se, että vapaa biokorroosiopotentiaali kasvaa valofaasissa ja vähenee pimeässä.Tämä johtuu fotosynteettisten mikrolevien tuottamasta hapesta, joka vaikuttaa katodiseen reaktioon elektrodien lähellä syntyvän osapaineen kautta87.
Lisäksi suoritettiin Fourier-muunnos infrapunaspektroskopia (FTIR) selvittääkseen, tapahtuiko mikroleväsolujen kemiallisessa koostumuksessa muutoksia Nb-MXeenien kanssa tapahtuneen vuorovaikutuksen jälkeen.Nämä saadut tulokset ovat monimutkaisia ​​ja esitämme ne SI-muodossa (kuvat S23-S25, sisältäen MAX-vaiheen ja ML MXenesin tulokset).Lyhyesti sanottuna saadut mikrolevien vertailuspektrit antavat meille tärkeää tietoa näiden organismien kemiallisista ominaisuuksista.Nämä todennäköisimmät värähtelyt sijaitsevat taajuuksilla 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.yksi.1 1 (C–H) ja 3280 cm–1 (O–H).Löysimme SL Nb-MXeneille CH-sidoksen venytysmerkinnän, joka on yhdenmukainen edellisen tutkimuksemme kanssa38.Havaitsimme kuitenkin, että jotkut ylimääräiset C=C- ja CH-sidoksiin liittyvät piikit katosivat.Tämä osoittaa, että mikrolevien kemiallisessa koostumuksessa voi tapahtua pieniä muutoksia johtuen vuorovaikutuksesta SL Nb-MXenesin kanssa.
Kun tarkastellaan mahdollisia muutoksia mikrolevien biokemiassa, epäorgaanisten oksidien, kuten niobiumoksidin, kertymistä on harkittava uudelleen59.Se osallistuu metallien ottamiseen solun pinnalla, niiden kuljettamiseen sytoplasmaan, niiden liittymiseen solunsisäisiin karboksyyliryhmiin ja niiden kerääntymiseen mikrolevien polyfosfosomeihin20, 88, 89, 90.Lisäksi mikrolevien ja metallien välistä suhdetta ylläpitävät solujen funktionaaliset ryhmät.Tästä syystä imeytyminen riippuu myös mikrolevien pintakemiasta, joka on melko monimutkaista9,91.Yleisesti ottaen vihreiden mikrolevien kemiallinen koostumus muuttui odotetusti hieman Nb-oksidin imeytymisen vuoksi.
Mielenkiintoista on, että havaittu mikrolevien alkuperäinen esto oli palautuva ajan myötä.Kuten havaitsimme, mikrolevät voittivat alkuperäisen ympäristömuutoksen ja palasivat lopulta normaaliin kasvunopeuteen ja jopa lisääntyivät.Zeta-potentiaalin tutkimukset osoittavat suurta stabiilisuutta, kun se viedään ravintoalustaan.Siten pintavuorovaikutus mikroleväsolujen ja Nb-MXene-nanohiutaleiden välillä säilyi koko pelkistyskokeiden ajan.Lisäanalyysissämme teemme yhteenvedon tärkeimmistä toimintamekanismeista, jotka ovat tämän mikrolevien merkittävän käyttäytymisen taustalla.
SEM-havainnot ovat osoittaneet, että mikrolevillä on taipumus kiinnittyä Nb-MXeeneihin.Dynaamisen kuva-analyysin avulla vahvistamme, että tämä vaikutus johtaa kaksiulotteisten Nb-MXene-nanohiutaleiden muuttumiseen pallomaisemmiksi hiukkasiksi, mikä osoittaa, että nanohiutaleiden hajoaminen liittyy niiden hapettumiseen.Hypoteesimme testaamiseksi suoritimme joukon materiaali- ja biokemiallisia tutkimuksia.Testauksen jälkeen nanohiutaleet hapettuivat vähitellen ja hajosivat NbO- ja Nb2O5-tuotteiksi, jotka eivät uhkaaneet vihreitä mikroleviä.FTIR-havainnolla emme löytäneet merkittäviä muutoksia 2D Nb-MXene-nanohiutaleiden läsnä ollessa inkuboitujen mikrolevien kemiallisessa koostumuksessa.Ottaen huomioon niobiumoksidin absorption mahdollisuuden mikroleviin, suoritimme röntgenfluoresenssianalyysin.Nämä tulokset osoittavat selvästi, että tutkitut mikrolevät syövät niobioksideja (NbO ja Nb2O5), jotka eivät ole myrkyllisiä tutkituille mikroleville.