Kiitos käynnistäsi Nature.com-sivustolla. Käytät selainversiota, jossa on rajoitettu CSS-tuki. Parhaan käyttökokemuksen saavuttamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan yhteensopivuustilan käytöstä Internet Explorerissa). Sillä välin tuen jatkuvuuden varmistamiseksi renderöimme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Näyttää kolmen dian karusellin kerralla. Siirry kolmen dian läpi kerrallaan Edellinen- ja Seuraava-painikkeilla tai siirry kolmen dian läpi kerrallaan lopussa olevilla liukusäätimen painikkeilla.
Nanoteknologian nopea kehitys ja sen integrointi jokapäiväisiin sovelluksiin voi uhata ympäristöä. Vaikka vihreät menetelmät orgaanisten epäpuhtauksien hajottamiseksi ovat vakiintuneita, epäorgaanisten kiteisten epäpuhtauksien talteenotto on suuri huolenaihe niiden alhaisen biotransformaatioherkkyyden ja materiaalien pinnan vuorovaikutuksen biologisten epäpuhtauksien kanssa puutteellisen ymmärryksen vuoksi. Tässä tutkimuksessa käytämme Nb-pohjaista epäorgaanista 2D-MXeenimallia yhdistettynä yksinkertaiseen muotoparametrianalyysimenetelmään jäljittääksemme 2D-keraamisten nanomateriaalien bioremediaatiomekanismia viherlevän Raphidocelis subcapitata -mikrolevän avulla. Havaitsimme, että mikrolevät hajottavat Nb-pohjaisia ​​MXeenejä pintaan liittyvien fysikaalis-kemiallisten vuorovaikutusten kautta. Aluksi mikrolevien pintaan kiinnittyi yksi- ja monikerroksisia MXeeni-nanohiutaleita, mikä jonkin verran vähensi levien kasvua. Pitkäaikaisessa vuorovaikutuksessa pinnan kanssa mikrolevät kuitenkin hapettivat MXeeni-nanohiutaleita ja hajottivat ne edelleen NbO:ksi ja Nb2O5:ksi. Koska nämä oksidit eivät ole myrkyttömiä mikroleväsoluille, ne kuluttavat Nb-oksidinanopartikkeleita absorptiomekanismin kautta, joka palauttaa mikrolevän entisestään 72 tunnin vesikäsittelyn jälkeen. Imeytymiseen liittyvien ravinteiden vaikutukset näkyvät myös solujen tilavuuden kasvuna, niiden tasaisena muotona ja kasvunopeuden muutoksena. Näiden havaintojen perusteella päädymme siihen, että Nb-pohjaisten MXeenien lyhyt- ja pitkäaikainen läsnäolo makean veden ekosysteemeissä voi aiheuttaa vain vähäisiä ympäristövaikutuksia. On huomionarvoista, että käyttämällä kaksiulotteisia nanomateriaaleja mallijärjestelminä osoitamme mahdollisuuden seurata muodonmuutosta jopa hienorakeisissa materiaaleissa. Kaiken kaikkiaan tämä tutkimus vastaa tärkeään peruskysymykseen pintavuorovaikutukseen liittyvistä prosesseista, jotka ohjaavat 2D-nanomateriaalien bioremediaatiomekanismia, ja tarjoaa perustan epäorgaanisten kiteisten nanomateriaalien ympäristövaikutusten lyhyt- ja pitkäaikaisille tutkimuksille.
Nanomateriaalit ovat herättäneet paljon kiinnostusta löytämisensä jälkeen, ja useat nanoteknologiat ovat viime aikoina siirtyneet modernisaatiovaiheeseen1. Valitettavasti nanomateriaalien integrointi jokapäiväisiin sovelluksiin voi johtaa tahattomiin päästöihin virheellisen hävittämisen, huolimattoman käsittelyn tai riittämättömän turvallisuusinfrastruktuurin vuoksi. Siksi on perusteltua olettaa, että nanomateriaaleja, mukaan lukien kaksiulotteisia (2D) nanomateriaaleja, voi vapautua luonnolliseen ympäristöön, jonka käyttäytymistä ja biologista aktiivisuutta ei vielä täysin ymmärretä. Siksi ei ole yllättävää, että ekotoksisuusongelmat ovat keskittyneet 2D-nanomateriaalien kykyyn liueta vesistöihin2,3,4,5,6. Näissä ekosysteemeissä jotkut 2D-nanomateriaalit voivat olla vuorovaikutuksessa erilaisten organismien kanssa eri trofiatasoilla, mukaan lukien mikrolevät.
Mikrolevät ovat makean veden ja meren ekosysteemeissä luonnostaan ​​esiintyviä alkeellisia organismeja, jotka tuottavat erilaisia ​​kemiallisia tuotteita fotosynteesin avulla7. Sellaisenaan ne ovat kriittisiä vesiekosysteemeille8,9,10,11,12, mutta ne ovat myös herkkiä, edullisia ja laajalti käytettyjä ekotoksisuuden indikaattoreita13,14. Koska mikroleväsolut lisääntyvät nopeasti ja reagoivat nopeasti erilaisten yhdisteiden läsnäoloon, ne ovat lupaavia ympäristöystävällisten menetelmien kehittämisessä orgaanisten aineiden saastuttaman veden käsittelyyn15,16.
Leväsolut voivat poistaa epäorgaanisia ioneja vedestä biosorption ja kertymisen kautta17,18. Jotkin levälajit, kuten Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue ja Synechococcus sp., ovat havainneet, että ne kantavat ja jopa ravitsevat myrkyllisiä metalli-ioneja, kuten Fe2+, Cu2+, Zn2+ ja Mn2+19. Muut tutkimukset ovat osoittaneet, että Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ tai Pb2+ -ionit rajoittavat Scenedesmus-sienen kasvua muuttamalla solumorfologiaa ja tuhoamalla niiden kloroplasteja20,21.
Vihreät menetelmät orgaanisten epäpuhtauksien hajottamiseksi ja raskasmetalli-ionien poistamiseksi ovat herättäneet tiedemiesten ja insinöörien huomion ympäri maailmaa. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että näitä epäpuhtauksia on helppo käsitellä nestemäisessä faasissa. Epäorgaanisille kiteisille epäpuhtauksille on kuitenkin ominaista alhainen vesiliukoisuus ja alhainen alttius erilaisille biotransformaatioille, mikä aiheuttaa suuria vaikeuksia kunnostuksessa, eikä tällä alueella ole edistytty juurikaan22,23,24,25,26. Siksi ympäristöystävällisten ratkaisujen etsintä nanomateriaalien korjaamiseksi on edelleen monimutkainen ja tutkimaton alue. Koska 2D-nanomateriaalien biotransformaatiovaikutuksiin liittyy paljon epävarmuutta, ei ole olemassa helppoa tapaa selvittää niiden mahdollisia hajoamisreittejä pelkistyksen aikana.
Tässä tutkimuksessa käytimme vihreitä mikroleviä aktiivisena vesipitoisena bioremediaatioaineena epäorgaanisille keraamisille materiaaleille yhdistettynä MXeenin hajoamisprosessin in situ -seurantaan epäorgaanisten keraamisten materiaalien edustajana. Termi "MXeeni" heijastaa Mn+1XnTx-materiaalin stoikiometriaa, jossa M on varhainen siirtymämetalli, X on hiili ja/tai typpi, Tx on pintaterminaattori (esim. -OH, -F, -Cl) ja n = 1, 2, 3 tai 427,28. Naguib et al. löysivät MXeenit. Sensoriikka, syöpähoito ja kalvosuodatus 27,29,30. Lisäksi MXeenejä voidaan pitää malli-2D-järjestelminä niiden erinomaisen kolloidisen stabiilisuuden ja mahdollisten biologisten vuorovaikutusten ansiosta 31,32,33,34,35,36.
Tässä artikkelissa kehitetty metodologia ja tutkimushypoteesimme on siksi esitetty kuvassa 1. Tämän hypoteesin mukaan mikrolevät hajottavat Nb-pohjaisia ​​MXeenejä myrkyttömiksi yhdisteiksi pintaan liittyvien fysikaalis-kemiallisten vuorovaikutusten kautta, mikä mahdollistaa levien jatkojalostuksen. Tämän hypoteesin testaamiseksi valittiin kaksi varhaisten niobiumpohjaisten siirtymämetallikarbidien ja/tai -nitridien (MXeenien) perheen jäsentä, nimittäin Nb2CTx ja Nb4C3TX.
Tutkimusmenetelmät ja näyttöön perustuvat hypoteesit vihreiden mikrolevien Raphidocelis subcapitata -mixeenien talteenotosta. Huomaa, että tämä on vain kaavamainen esitys näyttöön perustuvista oletuksista. Järviympäristö eroaa käytetyn ravinnealustan ja olosuhteiden (esim. vuorokausikierto ja käytettävissä olevien välttämättömien ravinteiden rajoitukset) suhteen. Luotu BioRender.comilla.
Käyttämällä MXeneä mallijärjestelmänä olemme avanneet oven tutkia erilaisia ​​biologisia vaikutuksia, joita ei voida havaita muilla perinteisillä nanomateriaaleilla. Erityisesti osoitamme kaksiulotteisten nanomateriaalien, kuten niobiumpohjaisten MXeenien, bioremediaation mahdollisuuden Raphidocelis subcapitata -mikrolevän avulla. Mikrolevät pystyvät hajottamaan Nb-MXeenejä myrkyttömiksi oksideiksi NbO ja Nb2O5, jotka myös tarjoavat ravinteita niobin takaisinottomekanismin kautta. Kaiken kaikkiaan tämä tutkimus vastaa tärkeään peruskysymykseen pintafysikaalis-kemiallisiin vuorovaikutuksiin liittyvistä prosesseista, jotka säätelevät kaksiulotteisten nanomateriaalien bioremediaation mekanismeja. Lisäksi kehitämme yksinkertaista muotoparametreihin perustuvaa menetelmää 2D-nanomateriaalien muodon hienovaraisten muutosten seuraamiseksi. Tämä inspiroi lisää lyhyen ja pitkän aikavälin tutkimusta epäorgaanisten kiteisten nanomateriaalien erilaisista ympäristövaikutuksista. Täten tutkimuksemme lisää ymmärrystä materiaalin pinnan ja biologisen materiaalin välisestä vuorovaikutuksesta. Tarjoamme myös pohjan laajennetuille lyhyen ja pitkän aikavälin tutkimuksille niiden mahdollisista vaikutuksista makean veden ekosysteemeihin, jotka voidaan nyt helposti todentaa.
MXeenit edustavat mielenkiintoista materiaaliluokkaa, jolla on ainutlaatuiset ja houkuttelevat fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet ja siten monia potentiaalisia sovelluksia. Nämä ominaisuudet riippuvat suurelta osin niiden stoikiometriasta ja pintakemiasta. Siksi tutkimuksessamme tutkimme kahden tyyppisiä Nb-pohjaisia ​​hierarkkisia yksikerroksisia (SL) MXeenejä, Nb2CTx:ää ja Nb4C3TX:ää, koska näiden nanomateriaalien erilaisia ​​biologisia vaikutuksia voitiin havaita. MXeenit valmistetaan lähtömateriaaleistaan ​​atomitason ohuiden MAX-faasin A-kerrosten ylhäältä alas -selektiivisellä etsauksella. MAX-faasi on kolmikomponenttinen keraaminen rakenne, joka koostuu siirtymämetallikarbidien "sitoutuneista" lohkoista ja ohuista "A"-alkuaineiden, kuten Al:n, Si:n ja Sn:n, kerroksista MnAXn-1-stoikiometrialla. Alkuperäisen MAX-faasin morfologiaa havaittiin pyyhkäisyelektronimikroskopialla (SEM), ja se oli yhdenmukainen aiempien tutkimusten kanssa (katso lisätiedot, SI, kuva S1). Monikerroksinen (ML) Nb-MXeeni saatiin poistamalla Al-kerros 48-prosenttisella HF:llä (fluorivetyhappo). ML-Nb2CTx:n ja ML-Nb4C3TX:n morfologiaa tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskopialla (SEM) (kuvat S1c ja S1d), ja havaittiin tyypillinen kerrostunut MXeenin morfologia, joka oli samanlainen kuin kaksiulotteiset nanohiutaleet, jotka kulkivat pitkänomaisten huokosmaisten rakojen läpi. Molemmilla Nb-MXeeneillä on paljon yhteistä aiemmin happoetsauksella syntetisoitujen MXene-faasien kanssa27,38. Kun MXeenin rakenne oli vahvistettu, kerrostimme sen interkaloimalla siihen tetrabutyyliammoniumhydroksidia (TBAOH), minkä jälkeen pesimme ja sonikoimme, minkä jälkeen saimme yksikerroksisia tai matalakerroksisia (SL) 2D Nb-MXene-nanohiutaleita.
Käytimme korkean resoluution läpäisyelektronimikroskopiaa (HRTEM) ja röntgendiffraktiota (XRD) testataksemme etsauksen ja lisäkuorinnan tehokkuutta. Käänteisellä nopealla Fourier-muunnosta (IFFT) ja nopealla Fourier-muunnosta (FFT) käyttäen käsitellyt HRTEM-tulokset on esitetty kuvassa 2. Nb-MXene-nanohiutaleet suunnattiin reuna ylöspäin atomikerroksen rakenteen tarkistamiseksi ja tasojen välisten etäisyyksien mittaamiseksi. MXene Nb2CTx- ja Nb4C3TX-nanohiutaleiden HRTEM-kuvat paljastivat niiden atomaarisesti ohutkerrosluonteen (katso kuva 2a1, a2), kuten Naguib ym.27 ja Jastrzębska ym.38 ovat aiemmin raportoineet. Kahdelle vierekkäiselle Nb2CTx- ja Nb4C3Tx-yksikerrokselle määritimme kerrosten välisiksi etäisyyksiksi 0,74 ja 1,54 nm (kuvat 2b1, b2), mikä on myös yhdenmukainen aiempien tulostemme38 kanssa. Tämän vahvistivat edelleen käänteinen nopea Fourier-muunnos (kuva 2c1, c2) ja nopea Fourier-muunnos (kuva 2d1, d2), jotka osoittavat Nb2CTx- ja Nb4C3Tx-monokerrosten välisen etäisyyden. Kuvassa näkyy niobi- ja hiiliatomeja vastaavien vaaleiden ja tummien vyöhykkeiden vuorottelu, mikä vahvistaa tutkittujen MXeenien kerrostetun luonteen. On tärkeää huomata, että Nb2CTx:lle ja Nb4C3Tx:lle saadut energiadispersiivisen röntgenspektroskopian (EDX) spektrit (kuvat S2a ja S2b) eivät osoittaneet alkuperäisen MAX-faasin jäänteitä, koska Al-piikkiä ei havaittu.
SL Nb2CTx- ja Nb4C3Tx MXene-nanohiutaleiden karakterisointi, mukaan lukien (a) korkean resoluution elektronimikroskopia (HRTEM) sivulta katsottuna 2D-nanohiutalekuvaus ja vastaava, (b) intensiteettitila, (c) käänteinen nopea Fourier-muunnos (IFFT), (d) nopea Fourier-muunnos (FFT), (e) Nb-MXeenien röntgensäteilykuviot. SL 2D Nb2CTx:lle luvut ilmaistaan ​​muodossa (a1, b1, c1, d1, e1). SL 2D Nb4C3Tx:lle luvut ilmaistaan ​​muodossa (a2, b2, c2, d2, e1).
SL Nb2CTx- ja Nb4C3Tx-MXeenien röntgendiffraktiomittaukset on esitetty kuvissa 2e1 ja e2. Piikit (002) kohdissa 4,31 ja 4,32 vastaavat aiemmin kuvattuja kerrostettuja MXeenejä Nb2CTx ja Nb4C3TX38,39,40,41. XRD-tulokset osoittavat myös joidenkin jäännös-ML-rakenteiden ja MAX-faasien läsnäolon, mutta enimmäkseen SL Nb4C3Tx:ään liittyviä XRD-kuvioita (kuva 2e2). MAX-faasin pienempien hiukkasten läsnäolo voi selittää voimakkaamman MAX-piikin verrattuna satunnaisesti pinottuihin Nb4C3Tx-kerroksiin.
Lisätutkimukset ovat keskittyneet R. subcapitata -lajiin kuuluviin vihreisiin mikroleviin. Valitsimme mikrolevät, koska ne ovat tärkeitä tuottajia, jotka osallistuvat tärkeimpiin ravintoverkkoihin42. Ne ovat myös yksi parhaista myrkyllisyyden indikaattoreista, koska ne pystyvät poistamaan myrkyllisiä aineita, jotka kulkeutuvat ravintoketjun korkeammille tasoille43. Lisäksi R. subcapitata -tutkimus voi valaista SL-Nb-MXeenien satunnaista myrkyllisyyttä yleisille makean veden mikro-organismeille. Tämän havainnollistamiseksi tutkijat olettivat, että jokaisella mikrobilla on erilainen herkkyys ympäristössä esiintyville myrkyllisille yhdisteille. Useimmille organismeille aineiden pienet pitoisuudet 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 vuorovaikutusta ja siihen liittyvää talteenottoa. Tätä varten testasimme pitoisuuksia 0 (vertailuarvona), 0,01, 0,1 ja 10 mg l-1 MXeeniä ja lisäksi infektoimme mikroleviä erittäin suurilla MXeen-pitoisuuksilla (100 mg l-1 MXeen), jotka voivat olla äärimmäisiä ja tappavia missä tahansa biologisessa ympäristössä.
SL-Nb-MXeenien vaikutukset mikroleviin on esitetty kuvassa 3 ilmaistuna kasvun edistämisen (+) tai eston (-) prosentteina mitattuna 0 mg l-1 -näytteillä. Vertailun vuoksi testattiin myös Nb-MAX-vaihetta ja ML-Nb-MXeenejä, ja tulokset on esitetty SI-yksiköissä (katso kuva S3). Saadut tulokset vahvistivat, että SL-Nb-MXeenit ovat lähes täysin myrkyttömiä alhaisilla pitoisuuksilla 0,01–10 mg/l, kuten kuvassa 3a,b on esitetty. Nb2CTx:n tapauksessa havaitsimme enintään 5 %:n ekotoksisuuden määritellyllä pitoisuusalueella.
Mikrolevien kasvun stimulointi (+) tai esto (-) SL (a) Nb2CTx:n ja (b) Nb4C3TX MXeenin läsnä ollessa. MXeenin ja mikrolevien vuorovaikutusta analysoitiin 24, 48 ja 72 tunnin ajalta. Merkitsevät tiedot (t-testi, p < 0,05) merkittiin tähdellä (*). Merkitsevät tiedot (t-testi, p < 0,05) merkittiin tähdellä (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Merkitsevät 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 lakkautumisen.
Toisaalta pienet Nb4C3TX-pitoisuudet osoittautuivat hieman myrkyllisemmiksi, mutta eivät yli 7 %:n. Kuten odotettua, havaitsimme, että MXeeneillä oli korkeampi myrkyllisyys ja mikrolevien kasvun esto pitoisuudella 100 mg L-1. Mielenkiintoista kyllä, mikään materiaaleista ei osoittanut samaa atoksisten/toksisten vaikutusten trendiä ja aikariippuvuutta verrattuna MAX- tai ML-näytteisiin (katso lisätietoja lisätiedoista). Vaikka MAX-vaiheessa (katso kuva S3) myrkyllisyys nousi noin 15–25 %:iin ja lisääntyi ajan myötä, SL Nb2CTx:n ja Nb4C3TX MXeenin kohdalla havaittiin käänteinen trendi. Mikrolevien kasvun esto väheni ajan myötä. Se nousi noin 17 %:iin 24 tunnin kuluttua ja laski alle 5 %:iin 72 tunnin kuluttua (kuva 3a, b).
Vielä tärkeämpää on, että SL Nb4C3TX:n tapauksessa mikrolevien kasvun esto saavutti noin 27 % 24 tunnin kuluttua, mutta 72 tunnin kuluttua se laski noin 1 %:iin. Siksi merkitsimme havaitun vaikutuksen stimulaation käänteiseksi estymiseksi, ja vaikutus oli voimakkaampi SL Nb4C3TX MXeen:n tapauksessa. Mikrolevien kasvun stimulaatio havaittiin aiemmin Nb4C3TX:n tapauksessa (vuorovaikutus annoksella 10 mg L-1 24 tunnin ajan) verrattuna SL Nb2CTx MXeen:ään. Eston ja stimulaation käänteinen vaikutus näkyi myös hyvin biomassan kaksinkertaistumisnopeuskäyrässä (katso yksityiskohdat kuvasta S4). Tähän mennessä vain Ti3C2TX MXeen:n ekotoksisuutta on tutkittu eri tavoin. Se ei ole myrkyllistä seeprakalan alkioille44, mutta kohtalaisen ekotoksinen Desmodesmus quadricauda- ja Sorghum saccharatum -mikroleville45. Muita esimerkkejä spesifisistä vaikutuksista ovat suurempi myrkyllisyys syöpäsolulinjoille kuin normaaleille solulinjoille46,47. Voitaisiin olettaa, että testiolosuhteet vaikuttaisivat Nb-MXeenien läsnä ollessa havaittuihin mikrolevien kasvun muutoksiin. Esimerkiksi noin 8:n pH-arvo kloroplastin stroomassa on optimaalinen RuBisCO-entsyymin tehokkaalle toiminnalle. Siksi pH-muutokset vaikuttavat negatiivisesti fotosynteesin nopeuteen48,49. Emme kuitenkaan havainneet merkittäviä pH-muutoksia kokeen aikana (katso lisätietoja lisätiedoista, kuvasta S5). Yleisesti ottaen Nb-MXeenejä sisältävät mikroleväviljelmät alensivat liuoksen pH-arvoa hieman ajan myötä. Tämä lasku oli kuitenkin samanlainen kuin puhtaan väliaineen pH-arvon muutos. Lisäksi havaittujen vaihteluiden vaihteluväli oli samanlainen kuin puhdas mikroleväviljelmällä (kontrollinäyte) mitattu vaihteluväli. Siten päädymme siihen, että pH-arvon muutokset ajan myötä eivät vaikuta fotosynteesiin.
Lisäksi syntetisoiduilla MXeeneillä on pintapäätteitä (merkitty Tx:llä). Nämä ovat pääasiassa funktionaalisia ryhmiä -O, -F ja -OH. Pinnan kemia liittyy kuitenkin suoraan synteesimenetelmään. Näiden ryhmien tiedetään olevan jakautuneet satunnaisesti pinnalle, mikä tekee niiden vaikutuksen ennustamisen MXeenin ominaisuuksiin vaikeaksi50. Voidaan väittää, että Tx voisi olla katalyyttinen voima niobin hapettumiselle valolla. Pinnan funktionaaliset ryhmät tarjoavat todellakin useita ankkurointikohtia niiden alla oleville fotokatalyyteille heteroliitosten muodostamiseksi51. Kasvualustan koostumus ei kuitenkaan tarjonnut tehokasta fotokatalyyttiä (yksityiskohtainen alustan koostumus löytyy SI-taulukosta S6). Lisäksi kaikki pinnanmuokkaus on myös erittäin tärkeää, koska MXeenien biologinen aktiivisuus voi muuttua kerrosten jälkikäsittelyn, hapettumisen, orgaanisten ja epäorgaanisten yhdisteiden kemiallisen pinnanmuokkauksen52,53,54,55,56 tai pintavarausmuokkauksen38 vuoksi. Siksi testataksemme, onko niobiumoksidilla mitään tekemistä materiaalin epävakauden kanssa kasvualustassa, teimme tutkimuksia zeta-potentiaalista (ζ) mikrolevien kasvualustassa ja deionisoidussa vedessä (vertailun vuoksi). Tuloksemme osoittavat, että SL Nb-MXeenit ovat melko stabiileja (katso MAX- ja ML-tulokset SI-kuvasta S6). SL-MXeenien zeta-potentiaali on noin -10 mV. SR Nb2CTx:n tapauksessa ζ:n arvo on jonkin verran negatiivisempi kuin Nb4C3Tx:n. Tällainen ζ-arvon muutos voi viitata siihen, että negatiivisesti varautuneiden MXeeni-nanohiutaleiden pinta absorboi positiivisesti varautuneita ioneja kasvualustasta. Nb-MXeenien zeta-potentiaalin ja johtavuuden ajalliset mittaukset kasvualustassa (katso lisätietoja SI-kuvasta S7 ja S8) näyttävät tukevan hypoteesiamme.
Molemmat Nb-MXene SL -hiutaleet osoittivat kuitenkin minimaalisia muutoksia nollasta. Tämä osoittaa selvästi niiden stabiilisuuden mikrolevien kasvualustassa. Lisäksi arvioimme, vaikuttaisiko vihreiden mikrolevien läsnäolo Nb-MXeenien stabiilisuuteen kasvualustassa. MXeenien zetapotentiaalin ja johtavuuden tulokset mikrolevien kanssa vuorovaikutuksen jälkeen ravintoalustassa ja viljelmässä ajan kuluessa löytyvät SI:stä (kuvat S9 ja S10). Mielenkiintoista kyllä, havaitsimme, että mikrolevien läsnäolo näytti vakauttavan molempien MXeenien dispersiota. Nb2CTx SL -hiutaleen tapauksessa zetapotentiaali jopa laski hieman ajan myötä negatiivisemmiksi (-15,8 vs. -19,1 mV 72 tunnin inkuboinnin jälkeen). Nb4C3TX -hiutaleen zetapotentiaali nousi hieman, mutta 72 tunnin kuluttua se osoitti silti korkeampaa stabiiliutta kuin nanohiutaleet ilman mikrolevien läsnäoloa (-18,1 vs. -9,1 mV).
Havaitsimme myös mikrolevien läsnä ollessa inkuboitujen Nb-MXeen-liuosten alhaisemman johtavuuden, mikä viittaa pienempään ionimäärään ravintoalustassa. Merkillepantavaa on, että MXeenien epävakaus vedessä johtuu pääasiassa pinnan hapettumisesta57. Siksi epäilemme, että vihreät mikrolevät jotenkin poistivat Nb-MXeenin pinnalle muodostuneet oksidit ja jopa estivät niiden esiintymisen (MXeenin hapettumisen). Tämä voidaan havaita tutkimalla mikrolevien imemiä aineita.
Vaikka ekotoksikologiset tutkimuksemme osoittivat, että mikrolevät kykenivät ajan myötä voittamaan Nb-MXeenien myrkyllisyyden ja stimuloidun kasvun epätavallisen estymisen, tutkimuksemme tavoitteena oli selvittää mahdollisia vaikutusmekanismeja. Kun eliöt, kuten levät, altistuvat niiden ekosysteemeille tuntemattomille yhdisteille tai materiaaleille, ne voivat reagoida monin eri tavoin58,59. Ilman myrkyllisiä metallioksideja mikrolevät voivat ravita itseään, jolloin ne voivat kasvaa jatkuvasti60. Myrkyllisten aineiden nauttimisen jälkeen puolustusmekanismit voivat aktivoitua, kuten muuttaa muotoaan. Myös imeytymisen mahdollisuus on otettava huomioon58,59. On huomattava, että mikä tahansa puolustusmekanismin merkki on selvä osoitus testiyhdisteen myrkyllisyydestä. Siksi jatkotyössämme tutkimme SL Nb-MXeen-nanohiutaleiden ja mikrolevien mahdollista pintavuorovaikutusta SEM-kuvauksella ja Nb-pohjaisen MXeenin mahdollista imeytymistä röntgenfluoresenssispektroskopialla (XRF). Huomaa, että SEM- ja XRF-analyysit tehtiin vain MXeenin korkeimmalla pitoisuudella aktiivisuustoksisuuden ongelmien ratkaisemiseksi.
SEM-tulokset on esitetty kuvassa 4. Käsittelemättömät mikroleväsolut (katso kuva 4a, referenssinäyte) osoittivat selvästi tyypillistä R. subcapitata -morfologiaa ja croissantin kaltaista solumuotoa. Solut näyttivät litistyneiltä ja hieman epäjärjestyksessä olevilta. Jotkut mikroleväsolut olivat päällekkäin ja takertuivat toisiinsa, mutta tämä johtui todennäköisesti näytteen valmistusprosessista. Yleisesti ottaen puhtailla mikroleväsoluilla oli sileä pinta, eikä niissä näkynyt mitään morfologisia muutoksia.
SEM-kuvat, jotka näyttävät vihreiden mikrolevien ja MXene-nanolevyjen välisen pintavuorovaikutuksen 72 tunnin ääripitoisuudella (100 mg L-1) tapahtuneen vuorovaikutuksen jälkeen. (a) Käsittelemättömät vihreät mikrolevät SL-vuorovaikutuksen jälkeen (b) Nb2CTx ja (c) Nb4C3TX MXeenit. Huomaa, että Nb-MXene-nanohiutaleet on merkitty punaisilla nuolilla. Vertailun vuoksi on lisätty myös optisella mikroskoopilla otettuja valokuvia.
Sitä vastoin SL Nb-MXene -nanohiutaleiden adsorboimat mikroleväsolut vaurioituivat (katso kuva 4b, c, punaiset nuolet). Nb2CTx MXeenin tapauksessa (kuva 4b) mikrolevät kasvavat yleensä kiinnittyneiden kaksiulotteisten nanoskaalojen kanssa, mikä voi muuttaa niiden morfologiaa. Erityisesti havaitsimme nämä muutokset myös valomikroskopiassa (katso yksityiskohdat SI-kuvasta S11). Tällä morfologisella siirtymällä on uskottava perusta mikrolevien fysiologiassa ja niiden kyvyssä puolustaa itseään muuttamalla solumorfologiaa, kuten lisäämällä solutilavuutta61. Siksi on tärkeää tarkistaa niiden mikroleväsolujen lukumäärä, jotka ovat tosiasiallisesti kosketuksissa Nb-MXeeneihin. SEM-tutkimukset osoittivat, että noin 52 % mikroleväsoluista altistui Nb-MXeeneille, kun taas 48 % näistä mikroleväsoluista vältti kosketusta. SL Nb4C3Tx MXeenin tapauksessa mikrolevät pyrkivät välttämään kosketusta MXeenin kanssa, jolloin ne lokalisoituvat ja kasvavat kaksiulotteisista nanoskaavoista (kuva 4c). Emme kuitenkaan havainneet nanoskaalojen tunkeutumista mikroleväsoluihin ja niiden vaurioita.
Itsesäilytys on myös ajasta riippuva reaktio fotosynteesin estymiseen, joka johtuu hiukkasten adsorboinnista solun pinnalle ja niin sanotusta varjostusvaikutuksesta62. On selvää, että jokainen mikrolevän 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 havaintomme osoittavat, 2D-nanohiutaleet eivät olleet kokonaan kääriytyneet tai tarttuneet mikrolevien pintaan, edes silloin, kun mikroleväsolut olivat kosketuksissa Nb-MXeenien kanssa. Sen sijaan nanohiutaleet osoittautuivat suuntautuneiksi mikroleväsoluihin peittämättä niiden pintaa. Tällainen nanohiutaleiden/mikrolevien joukko ei voi merkittävästi rajoittaa mikroleväsolujen absorboiman valon määrää. Lisäksi joissakin tutkimuksissa on jopa osoitettu fotosynteettisten organismien valon absorption parantumista kaksiulotteisten nanomateriaalien läsnä ollessa63,64,65,66.
Koska SEM-kuvat eivät kyenneet suoraan vahvistamaan niobin ottoa mikroleväsoluihin, jatkotutkimuksessamme käytimme röntgenfluoresenssi- (XRF) ja röntgenfotoelektronispektroskopia- (XPS) -analyysiä tämän asian selventämiseksi. Siksi vertasimme MXeenien kanssa vuorovaikutuksessa olevien referenssimikrolevänäytteiden Nb-piikkien intensiteettejä, mikroleväsolujen pinnalta irronneiden MXeeni-nanohiutaleiden ja kiinnittyneiden MXeenien poistamisen jälkeen havaittujen mikroleväsolujen Nb-piikkien intensiteettejä. On syytä huomata, että jos Nb:n ottoa ei tapahdu, mikroleväsolujen saaman Nb-arvon tulisi olla nolla kiinnittyneiden nanoskaalojen poistamisen jälkeen. Siksi, jos Nb:n ottoa tapahtuu, sekä XRF- että XPS-tulosten tulisi osoittaa selkeä Nb-piikki.
XRF-spektreissä mikrolevänäytteet osoittivat Nb-piikkejä SL Nb2CTx:lle ja Nb4C3Tx MXeenille vuorovaikutuksen jälkeen SL Nb2CTx:n ja Nb4C3Tx MXeenin kanssa (katso kuva 5a, huomaa myös, että MAX- ja ML-MXeenien tulokset on esitetty lisäviitteissä, kuvat S12–C17). Mielenkiintoista on, että Nb-piikin intensiteetti on sama molemmissa tapauksissa (punaiset palkit kuvassa 5a). Tämä osoitti, että levät eivät kyenneet absorboimaan enempää Nb:tä, ja solut saavuttivat maksimaalisen Nb:n kertymiskyvyn, vaikka mikroleväsoluihin oli kiinnittynyt kaksi kertaa enemmän Nb4C3Tx MXeeniä (siniset palkit kuvassa 5a). On huomionarvoista, että mikrolevien kyky absorboida metalleja riippuu metallioksidien pitoisuudesta ympäristössä67,68. Shamshada ym.67 havaitsivat, että makean veden levien absorptiokyky heikkenee pH:n noustessa. Raize ym.68 totesivat, että merilevän kyky absorboida metalleja oli noin 25 % parempi Pb2+-ionien kuin Ni2+-ionien tapauksessa.
(a) Vihreiden mikroleväsolujen Nb-peruskertymän röntgendiffraktio (XRF), joita inkuboitiin äärimmäisessä SL Nb-MXeenien pitoisuudessa (100 mg L-1) 72 tunnin ajan. Tulokset osoittavat α:n läsnäolon puhtaissa mikroleväsoluissa (kontrollinäyte, harmaat pylväät), pintamikroleväsoluista eristetyissä 2D-nanohiutaleissa (siniset pylväät) ja mikroleväsoluissa 2D-nanohiutaleiden erottamisen jälkeen pinnalta (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-MXeenien kanssa inkuboinnin jälkeen, (c–e) XPS SL Nb2CTx -spektrien koostumuspiikin sovitus ja (fh) mikroleväsolujen sisästämä SL Nb4C3Tx MXeeni.
Siksi odotimme, että levisolut voisivat absorboida Nb:tä oksidien muodossa. Tämän testaamiseksi suoritimme XPS-tutkimuksia MXeeneillä Nb2CTx ja Nb4C3TX sekä leväsoluilla. Mikrolevien, Nb-MXeenien ja leväsoluista eristettyjen MXeenien vuorovaikutuksen tulokset on esitetty kuvioissa 5b. Kuten odotettua, havaitsimme Nb 3d -piikkejä mikrolevänäytteissä sen jälkeen, kun MXeeni oli poistettu mikrolevien pinnalta. C=O:n, CHx/CO:n ja Nb-oksidien kvantitatiivinen määritys laskettiin Nb 3d-, O 1s- ja C 1s -spektrien perusteella, jotka saatiin Nb2CTx SL:llä (kuva 5c–e) ja Nb4C3Tx SL:llä (kuva 5c–e). Kuva 5f–h) MXeenit. Taulukko S1-3 esittää sovituksesta saatujen piikkiparametrien ja kokonaiskemian yksityiskohdat. On huomionarvoista, että Nb2CTx SL:n ja Nb4C3Tx SL:n Nb 3d -alueet (kuva 5c, f) vastaavat yhtä Nb2O5-komponenttia. Tässä emme löytäneet spektreistä MXeeniin liittyviä piikkejä, mikä osoittaa, että mikroleväsolut absorboivat vain Nb:n oksidimuotoa. Lisäksi approksimoimme C 1 s -spektrin C–C-, CHx/C–O-, C=O- ja –COOH-komponenteilla. Määritimme CHx/C–O- ja C=O-piikit mikroleväsolujen orgaanisen osuuden mukaisiksi. Nämä orgaaniset komponentit muodostavat 36 % ja 41 % Nb2CTx SL:n ja Nb4C3TX SL:n C 1 s -piikeistä. Sitten sovitimme SL Nb2CTx:n ja SL Nb4C3TX:n O 1 s -spektrit Nb2O5:een, mikrolevien orgaanisiin komponentteihin (CHx/CO) ja pintaan adsorboituneeseen veteen.
Lopuksi, XPS-tulokset osoittivat selvästi Nb:n muodon, eivätkä pelkästään sen läsnäolon. Nb 3d -signaalin sijainnin ja dekonvoluution tulosten perusteella vahvistamme, että Nb absorboituu vain oksidien muodossa eikä ionien tai itsensä MXeenin muodossa. Lisäksi XPS-tulokset osoittivat, että mikroleväsoluilla on suurempi kyky ottaa Nb-oksideja SL Nb2CTx:stä verrattuna SL Nb4C3TX MXeenistä.
Vaikka Nb:n kertymistulokset ovat vaikuttavia ja mahdollistavat MXeenin hajoamisen tunnistamisen, ei ole olemassa menetelmää, jolla voitaisiin seurata siihen liittyviä morfologisia muutoksia 2D-nanohiutaleissa. Siksi päätimme myös kehittää sopivan menetelmän, joka voi suoraan reagoida kaikkiin 2D-Nb-MXene-nanohiutaleissa ja mikroleväsoluissa tapahtuviin muutoksiin. On tärkeää huomata, että oletamme, että jos vuorovaikutuksessa olevat lajit läpikäyvät transformaatiota, hajoamista tai eheyttämistä, tämän pitäisi nopeasti ilmetä muutoksina muotoparametreissa, kuten vastaavan ympyrän pinta-alan halkaisijassa, pyöreydessä, Feretin leveydessä tai Feretin pituudessa. Koska nämä parametrit soveltuvat kuvaamaan pitkänomaisia ​​hiukkasia tai kaksiulotteisia nanohiutaleita, niiden seuraaminen dynaamisella hiukkasmuotoanalyysillä antaa meille arvokasta tietoa SL Nb-MXene-nanohiutaleiden morfologisesta muutoksesta pelkistyksen aikana.
Saadut tulokset on esitetty kuvassa 6. Vertailun vuoksi testasimme myös alkuperäistä MAX-faasia ja ML-MXeenejä (katso SI-kuvat S18 ja S19). Hiukkasmuodon dynaaminen analyysi osoitti, että kahden Nb-MXene SL:n kaikki muotoparametrit muuttuivat merkittävästi mikrolevien kanssa tapahtuneen vuorovaikutuksen jälkeen. Kuten vastaava ympyränmuotoisen pinta-alan halkaisijaparametri (kuva 6a, b) osoittaa, suurten nanohiutaleiden osuuden pienentynyt piikkien intensiteetti osoittaa, että ne pyrkivät hajoamaan pienemmiksi fragmenteiksi. Kuvassa 6c, d näkyy hiutaleiden poikittaiskokoon liittyvien piikkien (nanohiutaleiden venymisen) väheneminen, mikä osoittaa 2D-nanohiutaleiden muuttumista hiukkasmaisempaan muotoon. Kuva 6e-h esittää Feretin leveyden ja pituuden. Feretin leveys ja pituus ovat toisiaan täydentäviä parametreja ja niitä tulisi siksi tarkastella yhdessä. 2D-Nb-MXene-nanohiutaleiden inkuboinnin jälkeen mikrolevien läsnä ollessa niiden Feretin korrelaatiopiikit siirtyivät ja niiden intensiteetti laski. Näiden tulosten yhdistettynä morfologiaan, röntgendiffraktioon ja XPS:ään päädyimme siihen, että havaitut muutokset liittyvät vahvasti hapettumiseen, sillä hapettuneet MXeenit rypistyvät ja hajoavat fragmenteiksi ja pallomaisiksi oksidihiukkasiksi 69,70.
Vihreiden mikrolevien kanssa tapahtuvan MXeenin muutoksen analyysi. Dynaaminen hiukkasmuotoanalyysi ottaa huomioon sellaiset parametrit kuin (a, b) vastaavan ympyränmuotoisen alueen halkaisija, (c, d) pyöreys, (e, f) Feretin leveys ja (g, h) Feretin pituus. Tätä varten analysoitiin kaksi referenssimikrolevänäytettä yhdessä primaaristen SL Nb2CTx- ja SL Nb4C3Tx -MXeenien, SL Nb2CTx- ja SL Nb4C3Tx -MXeenien, hajotettujen mikrolevien ja käsiteltyjen SL Nb2CTx- ja SL Nb4C3Tx -MXeenien kanssa. Punaiset nuolet osoittavat tutkittujen kaksiulotteisten nanohiutaleiden muotoparametrien siirtymiä.
Koska muotoparametrien analyysi on erittäin luotettava menetelmä, se voi paljastaa myös mikroleväsolujen morfologisia muutoksia. Siksi analysoimme puhtaiden mikroleväsolujen ja solujen vastaavan ympyränmuotoisen alueen halkaisijan, pyöreyden ja Feretin leveyden/pituuden vuorovaikutuksen jälkeen 2D-Nb-nanohiutaleiden kanssa. Kuvat 6a–h esittävät leväsolujen muotoparametrien muutoksia, jotka osoittavat huippuintensiteetin laskun ja maksimien siirtymisen kohti suurempia arvoja. Erityisesti solujen pyöreysparametrit osoittivat pitkänomaisten solujen vähenemistä ja pallomaisten solujen lisääntymistä (kuva 6a, b). Lisäksi Feretin solun leveys kasvoi useita mikrometrejä SL Nb2CTx MXeenin kanssa vuorovaikutuksen jälkeen (kuva 6e) verrattuna SL Nb4C3TX MXeenin kanssa (kuva 6f). Epäilemme, että tämä voi johtua mikrolevien voimakkaasta Nb-oksidien otosta vuorovaikutuksessa Nb2CTx SR:n kanssa. Nb-hiutaleiden vähemmän jäykkä kiinnittyminen pintaansa voi johtaa solujen kasvuun minimaalisella varjostusvaikutuksella.
Havaintomme mikrolevien muodon ja koon parametrien muutoksista täydentävät muita tutkimuksia. Vihreät mikrolevät voivat muuttaa morfologiaansa vastauksena ympäristöstressiin muuttamalla solun kokoa, muotoa tai aineenvaihduntaa61. Esimerkiksi solujen koon muuttaminen helpottaa ravinteiden imeytymistä71. Pienemmät leväsolut osoittavat alhaisempaa ravinteiden ottoa ja heikentynyttä kasvunopeutta. Toisaalta suuremmat solut kuluttavat yleensä enemmän ravinteita, jotka sitten kerrostuvat solunsisäisesti72,73. Machado ja Soares havaitsivat, että triklosaani-niminen sienitautien torjunta-aine voi lisätä solun kokoa. He havaitsivat myös merkittäviä muutoksia levien muodossa74. Lisäksi Yin ym.9 paljastivat myös morfologisia muutoksia levissä altistumisen jälkeen pelkistetylle grafeenioksidin nanokomposiiteille. Siksi on selvää, että mikrolevien muuttuneet koko-/muotoparametrit johtuvat MXeenin läsnäolosta. Koska tämä koon ja muodon muutos viittaa ravinteiden oton muutoksiin, uskomme, että koko- ja muotoparametrien analysointi ajan kuluessa voi osoittaa mikrolevien niobiumoksidin oton Nb-MXeenien läsnä ollessa.
Lisäksi MXeenit voivat hapettua levien läsnä ollessa. Dalai ym.75 havaitsivat, että nano-TiO2:lle ja Al2O3:lle altistettujen viherlevien morfologia ei ollut yhtenäinen. Vaikka havaintomme ovat samankaltaisia ​​kuin tässä tutkimuksessa, ne ovat merkityksellisiä vain bioremediaation vaikutusten tutkimisen kannalta MXeenien hajoamistuotteiden kannalta 2D-nanohiutaleiden eikä nanohiukkasten läsnä ollessa. Koska MXeenit voivat hajota metallioksideiksi,31,32,77,78 on kohtuullista olettaa, että myös omat Nb-nanohiutaleemme voivat muodostaa Nb-oksideja vuorovaikutuksessa mikroleväsolujen kanssa.
Selittääksemme 2D-Nb-nanohiutaleiden pelkistymistä hapetusprosessiin perustuvan hajoamismekanismin kautta, teimme tutkimuksia käyttäen korkean resoluution läpäisyelektronimikroskopiaa (HRTEM) (kuva 7a, b) ja röntgenfotoelektronispektroskopiaa (XPS) (kuva 7). Molemmat lähestymistavat soveltuvat 2D-materiaalien hapettumisen tutkimiseen ja täydentävät toisiaan. HRTEM pystyy analysoimaan kaksiulotteisten kerrosrakenteiden hajoamista ja sitä seuraavaa metallioksidinanopartikkelien esiintymistä, kun taas XPS on herkkä pintasidoksille. Tätä varten testasimme mikroleväsoludispersioista uutettuja 2D Nb-MXene-nanohiutaleita eli niiden muotoa mikroleväsolujen vuorovaikutuksen jälkeen (katso kuva 7).
HRTEM-kuvat, jotka osoittavat hapettuneiden (a) SL Nb2CTx- ja (b) SL Nb4C3Tx -MXeenien morfologian, XPS-analyysitulokset, jotka osoittavat (c) oksidituotteiden koostumuksen pelkistyksen jälkeen, (d–f) SL Nb2CTx:n ja (g–i) Nb4C3Tx SL:n XPS-spektrien komponenttien piikkien yhteensopivuuden vihreillä mikrolevillä korjattuna.
HRTEM-tutkimukset vahvistivat kahdenlaisten Nb-MXene-nanohiutaleiden hapettumisen. Vaikka nanohiutaleet säilyttivät jossain määrin kaksiulotteisen morfologiansa, hapettuminen johti useiden nanohiukkasten ilmestymiseen MXene-nanohiutaleiden pinnalle (katso kuva 7a, b). c Nb 3d- ja O 1s -signaalien XPS-analyysi osoitti, että molemmissa tapauksissa muodostui Nb-oksideja. Kuten kuvassa 7c on esitetty, 2D MXene Nb2CTx- ja Nb4C3TX-signaaleilla on Nb 3d -signaalit, jotka osoittavat NbO- ja Nb2O5-oksidien läsnäolon, kun taas O 1s -signaalit osoittavat 2D-nanohiutaleen pinnan funktionalisoitumiseen liittyvien O–Nb-sidosten lukumäärän. Havaitsimme, että Nb-oksidin osuus on dominoiva verrattuna Nb-C- ja Nb3+-O-oksidien osuuteen.
Kuvassa 7g–i on esitetty mikroleväsoluista eristetyn Nb 3d:n, C 1s:n ja O 1s:n SL Nb2CTx:n (katso kuvat 7d–f) ja SL Nb4C3TX -mekeenien XPS-spektrit. Yksityiskohdat Nb-mekeenien piikkiparametreista on esitetty taulukoissa S4–5. Ensin analysoitiin Nb 3d:n koostumus. Toisin kuin mikroleväsolujen absorboima Nb, mikroleväsoluista eristetyssä mekeenissä havaittiin Nb2O5:n lisäksi muita komponentteja. Nb2CTx SL:ssä havaitsimme Nb3+-O:n osuuden 15 %, kun taas Nb 3d -spektrin loppuosa oli Nb2O5:n hallitsemaa (85 %). Lisäksi SL Nb4C3TX -näyte sisältää Nb-C- (9 %) ja Nb2O5- (91 %) komponentteja. Tässä Nb-C on peräisin kahdesta metallikarbidin sisäisestä atomikerroksesta Nb4C3Tx SR:ssä. Sitten kartoitamme C 1s -spektrit neljään eri komponenttiin, kuten teimme internalisoiduissa näytteissä. Kuten odotettua, C 1s -spektrissä on pääasiassa grafiittista hiiltä, ​​jota seuraavat mikroleväsolujen orgaanisten hiukkasten (CHx/CO ja C=O) osuudet. Lisäksi O 1s -spektrissä havaitsimme mikroleväsolujen orgaanisten muotojen, niobiumoksidin ja adsorboitunutta vettä.
Lisäksi tutkimme, liittyykö Nb-MXeenien pilkkoutuminen reaktiivisten happilajien (ROS) läsnäoloon ravintoalustassa ja/tai mikroleväsoluissa. Tätä varten arvioimme singlettihapen (1O2) pitoisuuksia viljelyalustassa ja solunsisäisen glutationin, tiolin, joka toimii antioksidanttina mikrolevissä, pitoisuuksia. Tulokset on esitetty lisäviitteinä (kuvat S20 ja S21). Viljelmille, joissa oli SL Nb2CTx- ja Nb4C3TX-MXeenejä, oli ominaista vähentynyt 1O2-määrä (katso kuva S20). SL Nb2CTx:n tapauksessa MXeeni 1O2 vähenee noin 83 prosenttiin. SL:ää käyttävissä mikroleväviljelmissä Nb4C3TX 1O2 laski vielä enemmän, 73 prosenttiin. Mielenkiintoista on, että 1O2:n muutokset osoittivat samaa trendiä kuin aiemmin havaittu inhiboiva-stimuloiva vaikutus (katso kuva 3). Voidaan väittää, että inkubointi kirkkaassa valossa voi muuttaa fotohapettumista. 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 Nb2CTx- ja Nb4C3Tx-SL-yhdisteiden läsnä ollessa viljeltyjen mikroleväsolujen ROS-tasot ylittivät puhtaissa mikroleväviljelmissä havaitut tasot. Lopulta kuitenkin näytti siltä, ​​että mikrolevät sopeutuivat molempien Nb-MXeenien läsnäoloon, sillä ROS-tasot laskivat 85 %:iin ja 91 %:iin Nb2CTx- ja Nb4C3TX-yhdisteillä inokuloitujen mikroleväpuhtaiden viljelmien tasoista. Tämä voi viitata siihen, että mikrolevät tuntevat olonsa mukavammaksi ajan myötä Nb-MXeenin läsnä ollessa kuin pelkässä ravintoalustassa.
Mikrolevät ovat monimuotoinen ryhmä fotosynteettisiä organismeja. Fotosynteesin aikana ne muuttavat ilmakehän hiilidioksidia (CO2) orgaaniseksi hiileksi. Fotosynteesin tuotteita ovat glukoosi ja happi79. Epäilemme, että näin muodostuneella hapella on ratkaiseva rooli Nb-MXeenien hapettumisessa. Yksi mahdollinen selitys tälle on, että differentiaalinen ilmastusparametri muodostuu matalissa ja korkeissa hapen osapaineissa Nb-MXeeni-nanohiutaleiden ulkopuolella ja sisällä. Tämä tarkoittaa, että aina kun on alueita, joilla on erilaiset hapen osapaineet, alin taso muodostaa anodin 80, 81, 82. Tässä mikrolevät myötävaikuttavat eri tavoin ilmastettujen solujen muodostumiseen MXeeni-hiutaleiden pinnalle, jotka tuottavat happea fotosynteettisten ominaisuuksiensa ansiosta. Seurauksena muodostuu biokorroosiotuotteita (tässä tapauksessa niobiumoksideja). Toinen näkökohta on, että mikrolevät voivat tuottaa orgaanisia happoja, jotka vapautuvat veteen83,84. Tämän seurauksena muodostuu aggressiivinen ympäristö, joka 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 pimeä/valoisa fotoperiodi on ratkaisevan tärkeä saatujen tulosten ymmärtämisen kannalta. Tätä näkökohtaa on kuvattu yksityiskohtaisesti Djemai-Zoghlache et al. 85 -julkaisussa. He käyttivät tarkoituksella 12/12 tunnin fotoperiodia osoittaakseen biokorroosion, joka liittyy punaisten mikrolevien Porphyridium purpureum -bakteerin aiheuttamaan biolikaantumiseen. He osoittavat, että fotoperiodi liittyy potentiaalin kehitykseen ilman biokorroosiota, ja se ilmenee pseudoperiodisena värähtelynä noin klo 24.00. Dowling et al. 86 vahvistivat nämä havainnot. He osoittivat syanobakteerien Anabaena fotosynteettisiä biofilmejä. Liuennutta happea muodostuu valon vaikutuksesta, mikä liittyy vapaan biokorroosiopotentiaalin muutokseen tai vaihteluihin. Fotoperiodin merkitystä korostaa se, että biokorroosion vapaa potentiaali kasvaa valofaasissa ja laskee pimeässä. Tämä johtuu fotosynteettisten mikrolevien tuottamasta hapesta, joka vaikuttaa katodiseen reaktioon elektrodien lähellä syntyvän osapaineen kautta87.
Lisäksi suoritettiin Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopia (FTIR) sen selvittämiseksi, tapahtuiko mikroleväsolujen kemiallisessa koostumuksessa muutoksia Nb-MXeenien vuorovaikutuksen jälkeen. Saadut tulokset ovat monimutkaisia ​​ja esittelemme ne SI-muodossa (kuvat S23-S25, mukaan lukien MAX-vaiheen ja ML-MXeenien tulokset). Lyhyesti sanottuna saadut mikrolevien referenssispektrit 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, 1,1 (C–H) ja 3280 cm⁻¹ (O–H). SL-Nb-MXeeneillä havaitsimme CH-sidoksen venymisjäljen, joka on yhdenmukainen aiemman tutkimuksemme38 kanssa. Havaitsimme kuitenkin, että jotkin C=C- ja CH-sidoksiin liittyvät lisäpiikit katosivat. Tämä viittaa siihen, että mikrolevien kemiallinen koostumus voi muuttua pieninä muutoksina SL Nb-MXeenien kanssa tapahtuvan vuorovaikutuksen vuoksi.
Kun tarkastellaan mikrolevien biokemian mahdollisia muutoksia, epäorgaanisten oksidien, kuten niobiumoksidin, kertymistä on harkittava uudelleen59. Se osallistuu metallien ottoon solun pintaan, niiden kuljetukseen sytoplasmaan, niiden liittymiseen solunsisäisiin karboksyyliryhmiin ja niiden kertymiseen mikrolevien polyfosfosomeihin20,88,89,90. Lisäksi mikrolevien ja metallien välistä suhdetta ylläpitävät solujen toiminnalliset ryhmät. Tästä syystä absorptio riippuu myös mikrolevien pintakemiasta, joka on melko monimutkaista9,91. Yleisesti ottaen, kuten odotettiin, vihreiden mikrolevien kemiallinen koostumus muuttui hieman Nb-oksidin absorption vuoksi.
Mielenkiintoista kyllä, havaittu mikrolevien alkuvaiheen esto oli ajan myötä palautuva. Kuten havaitsimme, mikrolevät selättivät alkuperäisen ympäristömuutoksen ja lopulta palasivat normaaliin kasvuvauhtiinsa ja jopa lisääntyivät. Zeta-potentiaalia koskevat tutkimukset osoittavat korkeaa stabiiliutta, kun niitä lisätään ravintoalustaan. Siten mikroleväsolujen ja Nb-MXene-nanohiutaleiden välinen pinnan vuorovaikutus säilyi koko pelkistyskokeiden ajan. Jatkoanalyysissämme tiivistämme tämän mikrolevien merkittävän käyttäytymisen taustalla olevat tärkeimmät vaikutusmekanismit.
SEM-havainnot ovat osoittaneet, että mikrolevät pyrkivät kiinnittymään Nb-MXeeneihin. Dynaamisen kuva-analyysin avulla vahvistamme, että tämä ilmiö johtaa kaksiulotteisten Nb-MXene-nanohiutaleiden muuttumiseen pallomaisemmiksi hiukkasiksi, mikä osoittaa, että nanohiutaleiden hajoaminen liittyy niiden hapettumiseen. Hypoteesimme testaamiseksi teimme sarjan materiaali- ja biokemiallisia tutkimuksia. Testauksen jälkeen nanohiutaleet hapettuivat vähitellen ja hajosivat NbO- ja Nb2O5-tuotteiksi, jotka eivät aiheuttaneet uhkaa vihreille mikroleville. FTIR-havainnoinnin avulla emme havainneet merkittäviä muutoksia 2D-Nb-MXene-nanohiutaleiden läsnä ollessa inkuboitujen mikrolevien kemiallisessa koostumuksessa. Ottaen huomioon niobiumoksidin mahdollisen absorboitumisen mikroleviin, suoritimme röntgenfluoresenssianalyysin. Nämä tulokset osoittavat selvästi, että tutkitut mikrolevät syövät niobiumoksideja (NbO ja Nb2O5), jotka eivät ole myrkyttömiä tutkituille mikroleville.