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Le développement rapide de la nanotechnologie et son intégration dans les applications quotidiennes peuvent menacer l'environnement.Alors que les méthodes vertes de dégradation des contaminants organiques sont bien établies, la récupération des contaminants cristallins inorganiques est une préoccupation majeure en raison de leur faible sensibilité à la biotransformation et du manque de compréhension des interactions de surface des matériaux avec les agents biologiques.Ici, nous utilisons un modèle MXènes 2D inorganique à base de Nb combiné à une méthode simple d'analyse des paramètres de forme pour tracer le mécanisme de bioremédiation des nanomatériaux céramiques 2D par la microalgue verte Raphidocelis subcapitata.Nous avons constaté que les microalgues dégradent les MXènes à base de Nb en raison d'interactions physico-chimiques liées à la surface.Initialement, des nanoflakes de MXene monocouches et multicouches étaient fixés à la surface des microalgues, ce qui réduisait quelque peu la croissance des algues.Cependant, lors d'une interaction prolongée avec la surface, les microalgues ont oxydé les nanoflocons de MXène et les ont ensuite décomposés en NbO et Nb2O5.Parce que ces oxydes ne sont pas toxiques pour les cellules des microalgues, ils consomment des nanoparticules d'oxyde de Nb par un mécanisme d'absorption qui restaure davantage les microalgues après 72 heures de traitement de l'eau.Les effets des nutriments associés à l'absorption se reflètent également dans l'augmentation du volume cellulaire, leur forme lisse et la modification du taux de croissance.Sur la base de ces résultats, nous concluons que la présence à court et à long terme de MXènes à base de Nb dans les écosystèmes d'eau douce ne peut avoir que des impacts environnementaux mineurs.Il est à noter qu'en utilisant des nanomatériaux bidimensionnels comme systèmes modèles, nous démontrons la possibilité de suivre la transformation de forme même dans des matériaux à grains fins.Dans l'ensemble, cette étude répond à une question fondamentale importante sur les processus liés à l'interaction de surface à l'origine du mécanisme de bioremédiation des nanomatériaux 2D et fournit une base pour d'autres études à court et à long terme de l'impact environnemental des nanomatériaux cristallins inorganiques.
Les nanomatériaux suscitent beaucoup d'intérêt depuis leur découverte et diverses nanotechnologies sont récemment entrées dans une phase de modernisation1.Malheureusement, l'intégration des nanomatériaux dans les applications quotidiennes peut entraîner des rejets accidentels en raison d'une élimination inappropriée, d'une manipulation négligente ou d'une infrastructure de sécurité inadéquate.Par conséquent, il est raisonnable de supposer que des nanomatériaux, y compris des nanomatériaux bidimensionnels (2D), peuvent être rejetés dans l'environnement naturel, dont le comportement et l'activité biologique ne sont pas encore entièrement compris.Par conséquent, il n'est pas surprenant que les préoccupations d'écotoxicité se soient concentrées sur la capacité des nanomatériaux 2D à s'infiltrer dans les systèmes aquatiques2,3,4,5,6.Dans ces écosystèmes, certains nanomatériaux 2D peuvent interagir avec divers organismes à différents niveaux trophiques, dont les microalgues.
Les microalgues sont des organismes primitifs présents naturellement dans les écosystèmes d'eau douce et marins qui produisent une variété de produits chimiques par photosynthèse7.En tant que tels, ils sont essentiels pour les écosystèmes aquatiques8,9,10,11,12 mais sont également des indicateurs d'écotoxicité sensibles, peu coûteux et largement utilisés13,14.Étant donné que les cellules de microalgues se multiplient rapidement et réagissent rapidement à la présence de divers composés, elles sont prometteuses pour le développement de méthodes respectueuses de l'environnement pour le traitement de l'eau contaminée par des substances organiques15,16.
Les cellules d'algues peuvent éliminer les ions inorganiques de l'eau par biosorption et accumulation17,18.Certaines espèces d'algues telles que Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue et Synechococcus sp.Il a été constaté qu'il transporte et même nourrit des ions métalliques toxiques tels que Fe2+, Cu2+, Zn2+ et Mn2+19.D'autres études ont montré que les ions Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ ou Pb2+ limitent la croissance de Scenedesmus en modifiant la morphologie cellulaire et en détruisant leurs chloroplastes20,21.
Les méthodes vertes de décomposition des polluants organiques et d'élimination des ions de métaux lourds ont attiré l'attention des scientifiques et des ingénieurs du monde entier.Ceci est principalement dû au fait que ces contaminants sont facilement traités en phase liquide.Cependant, les polluants cristallins inorganiques se caractérisent par une faible solubilité dans l'eau et une faible sensibilité aux diverses biotransformations, ce qui entraîne de grandes difficultés d'assainissement, et peu de progrès ont été réalisés dans ce domaine22,23,24,25,26.Ainsi, la recherche de solutions respectueuses de l'environnement pour la réparation des nanomatériaux reste un domaine complexe et inexploré.En raison du degré élevé d'incertitude concernant les effets de biotransformation des nanomatériaux 2D, il n'existe pas de moyen simple de connaître les voies possibles de leur dégradation lors de la réduction.
Dans cette étude, nous avons utilisé des microalgues vertes comme agent de bioremédiation aqueux actif pour les matériaux céramiques inorganiques, combinées à un suivi in ​​situ du processus de dégradation du MXene en tant que représentant des matériaux céramiques inorganiques.Le terme « MXène » reflète la stoechiométrie du matériau Mn+1XnTx, où M est un métal de transition précoce, X est du carbone et/ou de l'azote, Tx est un terminateur de surface (par exemple, -OH, -F, -Cl) et n = 1, 2, 3 ou 427,28.Depuis la découverte des MXènes par Naguib et al.Sensorique, thérapie du cancer et filtration membranaire 27,29,30.De plus, les MXènes peuvent être considérés comme des systèmes modèles 2D en raison de leur excellente stabilité colloïdale et de leurs interactions biologiques possibles31,32,33,34,35,36.
Par conséquent, la méthodologie développée dans cet article et nos hypothèses de recherche sont présentées à la figure 1. Selon cette hypothèse, les microalgues dégradent les MXènes à base de Nb en composés non toxiques en raison d'interactions physico-chimiques liées à la surface, ce qui permet une récupération supplémentaire des algues.Pour tester cette hypothèse, deux membres de la famille des premiers carbures et/ou nitrures de métaux de transition à base de niobium (MXènes), à savoir Nb2CTx et Nb4C3TX, ont été sélectionnés.
Méthodologie de recherche et hypothèses fondées sur des preuves pour la récupération du MXène par la microalgue verte Raphidocelis subcapitata.Veuillez noter qu'il ne s'agit que d'une représentation schématique d'hypothèses fondées sur des preuves.L'environnement du lac diffère par le milieu nutritif utilisé et les conditions (par exemple, cycle diurne et limitations des nutriments essentiels disponibles).Créé avec BioRender.com.
Par conséquent, en utilisant MXene comme système modèle, nous avons ouvert la porte à l'étude de divers effets biologiques qui ne peuvent pas être observés avec d'autres nanomatériaux conventionnels.En particulier, nous démontrons la possibilité de biorestauration de nanomatériaux bidimensionnels, tels que les MXènes à base de niobium, par la microalgue Raphidocelis subcapitata.Les microalgues sont capables de dégrader les Nb-MXènes en oxydes non toxiques NbO et Nb2O5, qui fournissent également des nutriments par le mécanisme d'absorption du niobium.Globalement, cette étude répond à une question fondamentale importante sur les processus associés aux interactions physico-chimiques de surface qui régissent les mécanismes de bioremédiation des nanomatériaux bidimensionnels.De plus, nous développons une méthode simple basée sur les paramètres de forme pour suivre les changements subtils dans la forme des nanomatériaux 2D.Cela inspire d'autres recherches à court et à long terme sur les divers impacts environnementaux des nanomatériaux cristallins inorganiques.Ainsi, notre étude augmente la compréhension de l'interaction entre la surface du matériau et le matériel biologique.Nous fournissons également la base d'études élargies à court et à long terme de leurs impacts possibles sur les écosystèmes d'eau douce, qui peuvent maintenant être facilement vérifiés.
Les MXènes représentent une classe intéressante de matériaux avec des propriétés physiques et chimiques uniques et attrayantes et donc de nombreuses applications potentielles.Ces propriétés dépendent largement de leur stoechiométrie et de leur chimie de surface.Par conséquent, dans notre étude, nous avons étudié deux types de MXènes monocouches hiérarchiques (SL) à base de Nb, Nb2CTx et Nb4C3TX, car différents effets biologiques de ces nanomatériaux ont pu être observés.Les MXènes sont produits à partir de leurs matériaux de départ par gravure sélective descendante de couches A de phase MAX atomiquement minces.La phase MAX est une céramique ternaire composée de blocs « liés » de carbures de métaux de transition et de couches minces d'éléments « A » tels que Al, Si et Sn de stoechiométrie MnAXn-1.La morphologie de la phase MAX initiale a été observée par microscopie électronique à balayage (SEM) et était cohérente avec les études précédentes (voir informations supplémentaires, SI, figure S1).Le Nb-MXène multicouche (ML) a été obtenu après élimination de la couche d'Al avec 48% de HF (acide fluorhydrique).La morphologie de ML-Nb2CTx et ML-Nb4C3TX a été examinée par microscopie électronique à balayage (SEM) (figures S1c et S1d respectivement) et une morphologie typique de MXene en couches a été observée, similaire à des nanoflakes bidimensionnels traversant des fentes allongées en forme de pores.Les deux Nb-MXènes ont beaucoup en commun avec les phases MXène précédemment synthétisées par gravure acide27,38.Après avoir confirmé la structure du MXène, nous l'avons stratifié par intercalation d'hydroxyde de tétrabutylammonium (TBAOH) suivi d'un lavage et d'une sonication, après quoi nous avons obtenu des nanoflocons de Nb-MXène 2D monocouche ou basse couche (SL).
Nous avons utilisé la microscopie électronique à transmission haute résolution (HRTEM) et la diffraction des rayons X (XRD) pour tester l'efficacité de la gravure et du pelage.Les résultats HRTEM traités à l'aide de la transformée de Fourier rapide inverse (IFFT) et de la transformée de Fourier rapide (FFT) sont présentés à la Fig. 2. Les nanoflocons de Nb-MXène ont été orientés vers le haut pour vérifier la structure de la couche atomique et mesurer les distances interplanaires.Les images HRTEM des nanoflakes MXene Nb2CTx et Nb4C3TX ont révélé leur nature en couches atomiquement minces (voir Fig. 2a1, a2), comme indiqué précédemment par Naguib et al.27 et Jastrzębska et al.38.Pour deux monocouches Nb2CTx et Nb4C3Tx adjacentes, nous avons déterminé des distances intercouches de 0, 74 et 1, 54 nm, respectivement (Figs. 2b1, b2), ce qui est également en accord avec nos résultats précédents38.Cela a été confirmé par la transformée de Fourier rapide inverse (Fig. 2c1, c2) et la transformée de Fourier rapide (Fig. 2d1, d2) montrant la distance entre les monocouches Nb2CTx et Nb4C3Tx.L'image montre une alternance de bandes claires et sombres correspondant aux atomes de niobium et de carbone, ce qui confirme la nature stratifiée des MXènes étudiés.Il est important de noter que les spectres de spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX) obtenus pour Nb2CTx et Nb4C3Tx (figures S2a et S2b) n'ont montré aucun vestige de la phase MAX d'origine, car aucun pic d'Al n'a été détecté.
Caractérisation des nanoflakes SL Nb2CTx et Nb4C3Tx MXene, y compris (a) imagerie de nanoflakes 2D à vue latérale par microscopie électronique à haute résolution (HRTEM) et correspondant, (b) mode d'intensité, (c) transformée de Fourier rapide inverse (IFFT), (d) transformée de Fourier rapide (FFT), (e) diagrammes de rayons X Nb-MXenes.Pour SL 2D Nb2CTx, les nombres sont exprimés sous la forme (a1, b1, c1, d1, e1).Pour SL 2D Nb4C3Tx, les nombres sont exprimés sous la forme (a2, b2, c2, d2, e1).
Les mesures de diffraction des rayons X des MXènes SL Nb2CTx et Nb4C3Tx sont présentées sur les Fig.2e1 et e2, respectivement.Les pics (002) à 4,31 et 4,32 correspondent respectivement aux MXènes en couches Nb2CTx et Nb4C3TX38,39,40,41 décrits précédemment.Les résultats XRD indiquent également la présence de certaines structures ML résiduelles et de phases MAX, mais principalement des modèles XRD associés à SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2).La présence de particules plus petites de la phase MAX peut expliquer le pic MAX plus fort par rapport aux couches Nb4C3Tx empilées de manière aléatoire.
D'autres recherches se sont concentrées sur les microalgues vertes appartenant à l'espèce R. subcapitata.Nous avons choisi les microalgues car ce sont des producteurs importants impliqués dans les grands réseaux trophiques42.Ils sont également l'un des meilleurs indicateurs de toxicité en raison de leur capacité à éliminer les substances toxiques transportées à des niveaux supérieurs de la chaîne alimentaire43.De plus, la recherche sur R. subcapitata peut faire la lumière sur la toxicité accidentelle des SL Nb-MXènes pour les micro-organismes d'eau douce courants.Pour illustrer cela, les chercheurs ont émis l'hypothèse que chaque microbe a une sensibilité différente aux composés toxiques présents dans l'environnement.Pour la plupart des organismes, de faibles concentrations de substances n'affectent pas leur croissance, tandis que des concentrations supérieures à une certaine limite peuvent les inhiber ou même entraîner leur mort.Par conséquent, pour nos études sur l'interaction de surface entre les microalgues et les MXènes et la récupération associée, nous avons décidé de tester les concentrations inoffensives et toxiques des Nb-MXènes.Pour ce faire, nous avons testé des concentrations de 0 (comme référence), 0,01, 0,1 et 10 mg l-1 de MXène et en plus des microalgues infectées avec des concentrations très élevées de MXène (100 mg l-1 de MXène), qui peuvent être extrêmes et létales..pour tout environnement biologique.
Les effets des SL Nb-MXènes sur les microalgues sont présentés sur la figure 3, exprimés en pourcentage de promotion de la croissance (+) ou d'inhibition (-) mesurés pour des échantillons de 0 mg l-1.À titre de comparaison, la phase Nb-MAX et les ML Nb-MXènes ont également été testés et les résultats sont présentés en SI (voir Fig. S3).Les résultats obtenus ont confirmé que SL Nb-MXenes est presque totalement dépourvu de toxicité dans la plage de faibles concentrations de 0, 01 à 10 mg / l, comme le montrent les Fig. 3a, b.Dans le cas du Nb2CTx, nous n'avons pas observé plus de 5 % d'écotoxicité dans la plage spécifiée.
Stimulation (+) ou inhibition (-) de la croissance des microalgues en présence de SL (a) Nb2CTx et (b) Nb4C3TX MXene.24, 48 et 72 heures d'interaction MXène-microalgue ont été analysées. Les données significatives (test t, p < 0,05) ont été marquées d'un astérisque (*). Les données significatives (test t, p < 0,05) ont été marquées d'un astérisque (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Les données significatives (test t, p < 0,05) sont marquées d'un astérisque (*).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 (test t, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Les données importantes (test t, p < 0,05) sont marquées d'un astérisque (*).Les flèches rouges indiquent l'abolition de la stimulation inhibitrice.
En revanche, de faibles concentrations de Nb4C3TX se sont avérées légèrement plus toxiques, mais pas supérieures à 7 %.Comme prévu, nous avons observé que les MXènes avaient une toxicité plus élevée et une inhibition de la croissance des microalgues à 100 mg L-1.Fait intéressant, aucun des matériaux n'a montré la même tendance et la même dépendance temporelle des effets atoxiques/toxiques par rapport aux échantillons MAX ou ML (voir SI pour plus de détails).Alors que pour la phase MAX (voir Fig. S3), la toxicité atteignait environ 15 à 25 % et augmentait avec le temps, la tendance inverse a été observée pour SL Nb2CTx et Nb4C3TX MXene.L'inhibition de la croissance des microalgues a diminué avec le temps.Elle atteignait environ 17 % après 24 heures et tombait à moins de 5 % après 72 heures (Fig. 3a, b, respectivement).
Plus important encore, pour SL Nb4C3TX, l'inhibition de la croissance des microalgues a atteint environ 27 % après 24 heures, mais après 72 heures, elle a diminué à environ 1 %.Par conséquent, nous avons qualifié l'effet observé d'inhibition inverse de la stimulation, et l'effet était plus fort pour SL Nb4C3TX MXene.La stimulation de la croissance des microalgues a été notée plus tôt avec Nb4C3TX (interaction à 10 mg L-1 pendant 24 h) par rapport à SL Nb2CTx MXene.L'effet d'inversion de l'inhibition-stimulation a également été bien montré dans la courbe du taux de doublement de la biomasse (voir Fig. S4 pour plus de détails).Jusqu'à présent, seule l'écotoxicité du Ti3C2TX MXene a été étudiée de différentes manières.Il n'est pas toxique pour les embryons de poisson zèbre44 mais modérément écotoxique pour la microalgue Desmodesmus quadricauda et les plantes Sorghum saccharatum45.D'autres exemples d'effets spécifiques incluent une toxicité plus élevée pour les lignées cellulaires cancéreuses que pour les lignées cellulaires normales46,47.On pourrait supposer que les conditions de test influenceraient les changements de croissance des microalgues observés en présence de Nb-MXènes.Par exemple, un pH d'environ 8 dans le stroma chloroplastique est optimal pour un fonctionnement efficace de l'enzyme RuBisCO.Par conséquent, les changements de pH affectent négativement le taux de photosynthèse48,49.Cependant, nous n'avons pas observé de changements significatifs du pH au cours de l'expérience (voir SI, Fig. S5 pour plus de détails).En général, les cultures de microalgues avec des Nb-MXènes ont légèrement réduit le pH de la solution au fil du temps.Cependant, cette diminution était similaire à une modification du pH d'un milieu pur.De plus, la gamme de variations trouvées était similaire à celle mesurée pour une culture pure de microalgues (échantillon témoin).Ainsi, nous concluons que la photosynthèse n'est pas affectée par les changements de pH au fil du temps.
De plus, les MXènes synthétisés ont des terminaisons de surface (notées Tx).Il s'agit principalement des groupes fonctionnels -O, -F et -OH.Cependant, la chimie de surface est directement liée à la méthode de synthèse.Ces groupes sont connus pour être répartis de manière aléatoire sur la surface, ce qui rend difficile la prédiction de leur effet sur les propriétés du MXene50.On peut affirmer que Tx pourrait être la force catalytique de l'oxydation du niobium par la lumière.Les groupes fonctionnels de surface fournissent en effet de multiples sites d'ancrage à leurs photocatalyseurs sous-jacents pour former des hétérojonctions51.Cependant, la composition du milieu de croissance n'a pas fourni de photocatalyseur efficace (la composition détaillée du milieu peut être trouvée dans le tableau SI S6).De plus, toute modification de surface est également très importante, car l'activité biologique des MXènes peut être altérée en raison du post-traitement des couches, de l'oxydation, de la modification chimique de surface des composés organiques et inorganiques52,53,54,55,56 ou de l'ingénierie de charge de surface38.Par conséquent, pour tester si l'oxyde de niobium a quelque chose à voir avec l'instabilité du matériau dans le milieu, nous avons mené des études sur le potentiel zêta (ζ) dans le milieu de croissance des microalgues et l'eau déminéralisée (à titre de comparaison).Nos résultats montrent que les SL Nb-MXènes sont assez stables (voir SI Fig. S6 pour les résultats MAX et ML).Le potentiel zêta des SL MXenes est d'environ -10 mV.Dans le cas de SR Nb2CTx, la valeur de ζ est un peu plus négative que celle de Nb4C3Tx.Un tel changement de la valeur ζ peut indiquer que la surface des nanoflocons de MXene chargés négativement absorbe les ions chargés positivement du milieu de culture.Les mesures temporelles du potentiel zêta et de la conductivité des Nb-MXènes dans le milieu de culture (voir les figures S7 et S8 en SI pour plus de détails) semblent étayer notre hypothèse.
Cependant, les deux Nb-MXene SL ont montré des changements minimes par rapport à zéro.Ceci démontre clairement leur stabilité dans le milieu de croissance des microalgues.De plus, nous avons évalué si la présence de nos microalgues vertes affecterait la stabilité des Nb-MXènes dans le milieu.Les résultats du potentiel zêta et de la conductivité des MXènes après interaction avec les microalgues dans les milieux nutritifs et la culture au fil du temps peuvent être trouvés dans SI (figures S9 et S10).Fait intéressant, nous avons remarqué que la présence de microalgues semblait stabiliser la dispersion des deux MXènes.Dans le cas de Nb2CTx SL, le potentiel zêta a même légèrement diminué avec le temps jusqu'à des valeurs plus négatives (-15,8 versus -19,1 mV après 72 h d'incubation).Le potentiel zêta de SL Nb4C3TX a légèrement augmenté, mais après 72 h, il présentait toujours une stabilité supérieure à celle des nanoflakes sans la présence de microalgues (-18,1 contre -9,1 mV).
Nous avons également trouvé une conductivité plus faible des solutions de Nb-MXène incubées en présence de microalgues, indiquant une plus faible quantité d'ions dans le milieu nutritif.Notamment, l'instabilité des MXènes dans l'eau est principalement due à l'oxydation de surface57.Par conséquent, nous soupçonnons que les microalgues vertes ont en quelque sorte éliminé les oxydes formés à la surface du Nb-MXène et ont même empêché leur apparition (oxydation du MXène).Cela se voit en étudiant les types de substances absorbées par les microalgues.
Alors que nos études écotoxicologiques indiquaient que les microalgues étaient capables de surmonter la toxicité des Nb-MXènes au fil du temps et l'inhibition inhabituelle de la croissance stimulée, le but de notre étude était d'étudier les mécanismes d'action possibles.Lorsque des organismes tels que les algues sont exposés à des composés ou à des matériaux inconnus de leurs écosystèmes, ils peuvent réagir de diverses manières58,59.En l'absence d'oxydes métalliques toxiques, les microalgues peuvent se nourrir, leur permettant de se développer en continu60.Après l'ingestion de substances toxiques, des mécanismes de défense peuvent être activés, tels que le changement de forme ou de forme.La possibilité d'absorption doit également être considérée58,59.Notamment, tout signe d'un mécanisme de défense est un indicateur clair de la toxicité du composé testé.Par conséquent, dans nos travaux ultérieurs, nous avons étudié l'interaction de surface potentielle entre les nanoflakes SL Nb-MXene et les microalgues par SEM et l'absorption possible de MXene à base de Nb par spectroscopie de fluorescence X (XRF).Notez que les analyses SEM et XRF n'ont été effectuées qu'à la concentration la plus élevée de MXene pour résoudre les problèmes de toxicité de l'activité.
Les résultats SEM sont présentés sur la Fig.4.Les cellules de microalgues non traitées (voir Fig. 4a, échantillon de référence) ont clairement montré une morphologie typique de R. subcapitata et une forme de cellule en forme de croissant.Les cellules semblent aplaties et quelque peu désorganisées.Certaines cellules de microalgues se chevauchaient et s'enchevêtraient, mais cela était probablement dû au processus de préparation de l'échantillon.En général, les cellules de microalgues pures avaient une surface lisse et ne présentaient aucun changement morphologique.
Images SEM montrant l'interaction de surface entre les microalgues vertes et les nanofeuillets de MXène après 72 heures d'interaction à une concentration extrême (100 mg L-1).(a) Microalgues vertes non traitées après interaction avec SL (b) Nb2CTx et (c) Nb4C3TX MXenes.Notez que les nanoflakes Nb-MXène sont marqués de flèches rouges.A titre de comparaison, des photographies d'un microscope optique sont également ajoutées.
En revanche, les cellules de microalgues adsorbées par les nanoflakes SL Nb-MXene ont été endommagées (voir Fig. 4b, c, flèches rouges).Dans le cas de Nb2CTx MXene (Fig. 4b), les microalgues ont tendance à se développer avec des nanoéchelles bidimensionnelles attachées, ce qui peut modifier leur morphologie.Notamment, nous avons également observé ces changements au microscope optique (voir SI Figure S11 pour plus de détails).Cette transition morphologique a une base plausible dans la physiologie des microalgues et leur capacité à se défendre en modifiant la morphologie cellulaire, comme l'augmentation du volume cellulaire61.Il est donc important de vérifier le nombre de cellules de microalgues qui sont effectivement en contact avec les Nb-MXènes.Des études SEM ont montré qu'environ 52 % des cellules de microalgues étaient exposées aux Nb-MXènes, tandis que 48 % de ces cellules de microalgues évitaient le contact.Pour SL Nb4C3Tx MXene, les microalgues tentent d'éviter le contact avec le MXene, se localisant et se développant ainsi à partir d'échelles nanométriques bidimensionnelles (Fig. 4c).Cependant, nous n'avons pas observé la pénétration des nanoéchelles dans les cellules de microalgues et leurs dommages.
L'autoconservation est également un comportement de réponse dépendant du temps au blocage de la photosynthèse dû à l'adsorption de particules sur la surface cellulaire et à l'effet dit d'ombrage (shading)62.Il est clair que chaque objet (par exemple, les nanoflocons de Nb-MXène) qui se trouve entre la microalgue et la source lumineuse limite la quantité de lumière absorbée par les chloroplastes.Cependant, nous ne doutons pas que cela a un impact significatif sur les résultats obtenus.Comme le montrent nos observations microscopiques, les nanoflakes 2D n'étaient pas complètement enveloppés ou adhéraient à la surface des microalgues, même lorsque les cellules des microalgues étaient en contact avec les Nb-MXènes.Au lieu de cela, les nanoflakes se sont avérés être orientés vers les cellules de microalgues sans couvrir leur surface.Un tel ensemble de nanoflakes/microalgues ne peut limiter significativement la quantité de lumière absorbée par les cellules des microalgues.De plus, certaines études ont même démontré une amélioration de l'absorption de la lumière par les organismes photosynthétiques en présence de nanomatériaux bidimensionnels63,64,65,66.
Étant donné que les images SEM ne pouvaient pas confirmer directement l'absorption du niobium par les cellules de microalgues, notre étude plus approfondie s'est tournée vers l'analyse de la fluorescence X (XRF) et de la spectroscopie photoélectronique des rayons X (XPS) pour clarifier ce problème.Par conséquent, nous avons comparé l'intensité des pics Nb d'échantillons de microalgues de référence qui n'interagissaient pas avec les MXènes, les nanoflocons de MXène détachés de la surface des cellules de microalgues et les cellules de microalgues après élimination des MXènes attachés.Il convient de noter que s'il n'y a pas d'absorption de Nb, la valeur de Nb obtenue par les cellules de microalgues devrait être nulle après le retrait des nanoécailles attachées.Par conséquent, si l'absorption de Nb se produit, les résultats XRF et XPS doivent montrer un pic de Nb clair.
Dans le cas des spectres XRF, des échantillons de microalgues ont montré des pics Nb pour SL Nb2CTx et Nb4C3Tx MXene après interaction avec SL Nb2CTx et Nb4C3Tx MXene (voir Fig. 5a, notez également que les résultats pour MAX et ML MXenes sont présentés en SI, Figs S12–C17).Fait intéressant, l'intensité du pic Nb est la même dans les deux cas (barres rouges sur la figure 5a).Cela indiquait que les algues ne pouvaient pas absorber plus de Nb et que la capacité maximale d'accumulation de Nb était atteinte dans les cellules, bien que deux fois plus de Nb4C3Tx MXene aient été attachés aux cellules de microalgues (barres bleues sur la Fig. 5a).Notamment, la capacité des microalgues à absorber les métaux dépend de la concentration d'oxydes métalliques dans l'environnement67,68.Shamshada et al.67 ont découvert que la capacité d'absorption des algues d'eau douce diminue avec l'augmentation du pH.Raize et al.68 ont noté que la capacité des algues à absorber les métaux était environ 25 % plus élevée pour le Pb2+ que pour le Ni2+.
( a ) Résultats XRF de l'absorption basale de Nb par des cellules de microalgues vertes incubées à une concentration extrême de SL Nb-MXènes (100 mg L-1) pendant 72 heures.Les résultats montrent la présence d'α dans des cellules de microalgues pures (échantillon témoin, colonnes grises), des nanoflakes 2D isolés à partir de cellules de microalgues de surface (colonnes bleues) et des cellules de microalgues après séparation des nanoflakes 2D de la surface (colonnes rouges).La quantité de Nb élémentaire, (b) le pourcentage de composition chimique des composants organiques des microalgues (C=O et CHx/C–O) et les oxydes de Nb présents dans les cellules de microalgues après incubation avec SL Nb-MXenes, (c–e) Ajustement du pic de composition des spectres XPS SL Nb2CTx et (fh) SL Nb4C3Tx MXene intériorisé par les cellules de microalgues.
Par conséquent, nous nous attendions à ce que Nb puisse être absorbé par les cellules algales sous forme d'oxydes.Pour tester cela, nous avons effectué des études XPS sur les MXènes Nb2CTx et Nb4C3TX et sur des cellules d'algues.Les résultats de l'interaction des microalgues avec les Nb-MXènes et les MXènes isolés des cellules d'algues sont présentés dans les Fig.5b.Comme prévu, nous avons détecté des pics Nb 3d dans les échantillons de microalgues après élimination du MXène de la surface des microalgues.La détermination quantitative des oxydes C = O, CHx / CO et Nb a été calculée sur la base des spectres Nb 3d, O 1s et C 1s obtenus avec Nb2CTx SL (Fig. 5c – e) et Nb4C3Tx SL (Fig. 5c – e).) obtenu à partir de microalgues incubées.Figure 5f–h) MXènes.Le tableau S1-3 montre les détails des paramètres de pointe et de la chimie globale résultant de l'ajustement.Il est à noter que les régions Nb 3d de Nb2CTx SL et Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) correspondent à un composant Nb2O5.Ici, nous n'avons trouvé aucun pic lié au MXène dans les spectres, ce qui indique que les cellules de microalgues n'absorbent que la forme oxyde de Nb.De plus, nous avons approximé le spectre C 1 s avec les composantes C–C, CHx/C–O, C=O et –COOH.Nous avons attribué les pics CHx/C–O et C=O à la contribution organique des cellules de microalgues.Ces composants organiques représentent respectivement 36 % et 41 % des pics de C 1s dans Nb2CTx SL et Nb4C3TX SL.Nous avons ensuite ajusté les spectres O 1s de SL Nb2CTx et SL Nb4C3TX avec Nb2O5, les composants organiques des microalgues (CHx/CO) et l'eau adsorbée en surface.
Enfin, les résultats XPS ont clairement indiqué la forme de Nb, pas seulement sa présence.D'après la position du signal Nb 3d et les résultats de la déconvolution, nous confirmons que Nb est absorbé uniquement sous forme d'oxydes et non d'ions ou de MXène lui-même.De plus, les résultats XPS ont montré que les cellules de microalgues ont une plus grande capacité à absorber les oxydes de Nb de SL Nb2CTx par rapport à SL Nb4C3TX MXene.
Bien que nos résultats d'absorption de Nb soient impressionnants et nous permettent d'identifier la dégradation du MXene, il n'existe aucune méthode disponible pour suivre les changements morphologiques associés dans les nanoflakes 2D.Par conséquent, nous avons également décidé de développer une méthode appropriée qui peut répondre directement à tout changement survenant dans les nanoflakes 2D Nb-MXene et les cellules de microalgues.Il est important de noter que nous supposons que si les espèces en interaction subissent une transformation, une décomposition ou une défragmentation, cela devrait rapidement se manifester par des changements dans les paramètres de forme, tels que le diamètre de la zone circulaire équivalente, la rondeur, la largeur de Féret ou la longueur de Féret.Étant donné que ces paramètres sont adaptés à la description de particules allongées ou de nanoflakes bidimensionnels, leur suivi par analyse dynamique de la forme des particules nous fournira des informations précieuses sur la transformation morphologique des nanoflakes SL Nb-MXène lors de la réduction.
Les résultats obtenus sont présentés à la figure 6. À titre de comparaison, nous avons également testé la phase MAX originale et les ML-MXènes (voir les figures SI S18 et S19).L'analyse dynamique de la forme des particules a montré que tous les paramètres de forme de deux Nb-MXène SL ont changé de manière significative après interaction avec les microalgues.Comme le montre le paramètre de diamètre de la zone circulaire équivalente (Fig. 6a, b), l'intensité maximale réduite de la fraction de grands nanoflakes indique qu'ils ont tendance à se désintégrer en fragments plus petits.Sur la fig.6c, d montre une diminution des pics associés à la taille transversale des flocons (allongement des nanoflakes), indiquant la transformation des nanoflakes 2D en une forme plus particulaire.Figure 6e-h montrant la largeur et la longueur du Féret, respectivement.La largeur et la longueur du féret sont des paramètres complémentaires et doivent donc être considérés ensemble.Après incubation de nanoflakes 2D Nb-MXene en présence de microalgues, leurs pics de corrélation de Feret se sont déplacés et leur intensité a diminué.Sur la base de ces résultats en combinaison avec la morphologie, XRF et XPS, nous avons conclu que les changements observés sont fortement liés à l'oxydation à mesure que les MXènes oxydés deviennent plus ridés et se décomposent en fragments et particules d'oxyde sphériques69,70.
Analyse de la transformation du MXène après interaction avec des microalgues vertes.L'analyse dynamique de la forme des particules prend en compte des paramètres tels que (a, b) le diamètre de la zone circulaire équivalente, (c, d) la rondeur, (e, f) la largeur de Féret et (g, h) la longueur de Féret.À cette fin, deux échantillons de microalgues de référence ont été analysés avec les MXènes primaires SL Nb2CTx et SL Nb4C3Tx, les MXènes SL Nb2CTx et SL Nb4C3Tx, les microalgues dégradées et les microalgues traitées SL Nb2CTx et SL Nb4C3Tx MXènes.Les flèches rouges montrent les transitions des paramètres de forme des nanoflakes bidimensionnels étudiés.
L'analyse des paramètres de forme étant très fiable, elle peut également révéler des changements morphologiques dans les cellules des microalgues.Par conséquent, nous avons analysé le diamètre de la zone circulaire équivalente, la rondeur et la largeur/longueur de Feret des cellules et des cellules de microalgues pures après interaction avec des nanoflakes 2D Nb.Sur la fig.6a–h montrent des changements dans les paramètres de forme des cellules d'algues, comme en témoignent une diminution de l'intensité maximale et un déplacement des maxima vers des valeurs plus élevées.En particulier, les paramètres de rondeur cellulaire ont montré une diminution des cellules allongées et une augmentation des cellules sphériques (Fig. 6a, b).De plus, la largeur des cellules de Feret a augmenté de plusieurs micromètres après interaction avec SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) par rapport à SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f).Nous soupçonnons que cela peut être dû à la forte absorption d'oxydes de Nb par les microalgues lors de l'interaction avec Nb2CTx SR.Une fixation moins rigide des flocons de Nb à leur surface peut entraîner une croissance cellulaire avec un effet d'ombrage minimal.
Nos observations de l'évolution des paramètres de forme et de taille des microalgues complètent d'autres études.Les microalgues vertes peuvent modifier leur morphologie en réponse à un stress environnemental en modifiant la taille, la forme ou le métabolisme des cellules61.Par exemple, changer la taille des cellules facilite l'absorption des nutriments71.Les cellules d'algues plus petites présentent une absorption de nutriments plus faible et un taux de croissance altéré.À l'inverse, les cellules plus grosses ont tendance à consommer plus de nutriments, qui sont ensuite déposés de manière intracellulaire72,73.Machado et Soares ont découvert que le fongicide triclosan peut augmenter la taille des cellules.Ils ont également constaté de profonds changements dans la forme des algues74.De plus, Yin et al.9 ont également révélé des changements morphologiques chez les algues après exposition à des nanocomposites d'oxyde de graphène réduit.Par conséquent, il est clair que les paramètres de taille/forme altérés des microalgues sont causés par la présence de MXène.Étant donné que ce changement de taille et de forme indique des changements dans l'absorption des nutriments, nous pensons que l'analyse des paramètres de taille et de forme au fil du temps peut démontrer l'absorption d'oxyde de niobium par les microalgues en présence de Nb-MXènes.
De plus, les MXènes peuvent être oxydés en présence d'algues.Dalai et al.75 ont observé que la morphologie des algues vertes exposées au nano-TiO2 et Al2O376 n'était pas uniforme.Bien que nos observations soient similaires à la présente étude, elles ne sont pertinentes que pour l'étude des effets de la bioremédiation en termes de produits de dégradation du MXène en présence de nanoflakes 2D et non de nanoparticules.Étant donné que les MXènes peuvent se dégrader en oxydes métalliques,31,32,77,78, il est raisonnable de supposer que nos nanoflocons de Nb peuvent également former des oxydes de Nb après avoir interagi avec des cellules de microalgues.
Afin d'expliquer la réduction des nanoflakes 2D-Nb par un mécanisme de décomposition basé sur le processus d'oxydation, nous avons mené des études en utilisant la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) (Fig. 7a, b) et la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) (Fig. 7).7c-i et tableaux S4-5).Les deux approches sont adaptées à l'étude de l'oxydation des matériaux 2D et se complètent.HRTEM est capable d'analyser la dégradation des structures en couches bidimensionnelles et l'apparition ultérieure de nanoparticules d'oxydes métalliques, tandis que XPS est sensible aux liaisons de surface.Pour cela, nous avons testé des nanoflocons 2D de Nb-MXène extraits de dispersions cellulaires de microalgues, c'est-à-dire leur forme après interaction avec des cellules de microalgues (voir Fig. 7).
Images HRTEM montrant la morphologie des MXènes oxydés (a) SL Nb2CTx et (b) SL Nb4C3Tx, résultats d'analyse XPS montrant (c) la composition des produits oxydes après réduction, (d – f) appariement des pics des composants des spectres XPS de SL Nb2CTx et (g – i) Nb4C3Tx SL réparés avec des microalgues vertes.
Les études HRTEM ont confirmé l'oxydation de deux types de nanoflocons de Nb-MXène.Bien que les nanoflakes aient conservé dans une certaine mesure leur morphologie bidimensionnelle, l'oxydation a entraîné l'apparition de nombreuses nanoparticules recouvrant la surface des nanoflakes de MXene (voir Fig. 7a, b).L'analyse XPS des signaux c Nb 3d et O 1s a indiqué que des oxydes de Nb se sont formés dans les deux cas.Comme le montre la figure 7c, 2D MXene Nb2CTx et Nb4C3TX ont des signaux Nb 3d indiquant la présence d'oxydes NbO et Nb2O5, tandis que les signaux O 1s indiquent le nombre de liaisons O – Nb associées à la fonctionnalisation de la surface de nanoflake 2D.Nous avons remarqué que la contribution d'oxyde de Nb est dominante par rapport à Nb-C et Nb3+-O.
Sur la fig.Les figures 7g – i montrent les spectres XPS de Nb 3d, C 1s et O 1s SL Nb2CTx (voir Figs. 7d – f) et SL Nb4C3TX MXene isolés à partir de cellules de microalgues.Les détails des paramètres de pic Nb-MXènes sont fournis dans les tableaux S4–5, respectivement.Nous avons d'abord analysé la composition de Nb 3d.Contrairement au Nb absorbé par les cellules de microalgues, dans le MXène isolé à partir de cellules de microalgues, à part Nb2O5, d'autres composants ont été trouvés.Dans le Nb2CTx SL, nous avons observé la contribution de Nb3+-O à hauteur de 15 %, tandis que le reste du spectre Nb 3d était dominé par Nb2O5 (85 %).De plus, l'échantillon SL Nb4C3TX contient des composants Nb-C (9 %) et Nb2O5 (91 %).Ici, Nb-C provient de deux couches atomiques internes de carbure métallique dans Nb4C3Tx SR.Nous cartographions ensuite les spectres C 1s à quatre composants différents, comme nous l'avons fait dans les échantillons internalisés.Comme prévu, le spectre C 1s est dominé par le carbone graphitique, suivi des contributions des particules organiques (CHx/CO et C=O) des cellules de microalgues.De plus, dans le spectre O 1s, nous avons observé la contribution des formes organiques des cellules de microalgues, de l'oxyde de niobium et de l'eau adsorbée.
De plus, nous avons recherché si le clivage des Nb-MXènes est associé à la présence d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) dans le milieu nutritif et/ou les cellules de microalgues.À cette fin, nous avons évalué les niveaux d'oxygène singulet (1O2) dans le milieu de culture et de glutathion intracellulaire, un thiol qui agit comme antioxydant chez les microalgues.Les résultats sont présentés en SI (figures S20 et S21).Les cultures avec les MXènes SL Nb2CTx et Nb4C3TX ont été caractérisées par une quantité réduite de 1O2 (voir Figure S20).Dans le cas du SL Nb2CTx, le MXène 1O2 est réduit à environ 83 %.Pour les cultures de microalgues utilisant SL, Nb4C3TX 1O2 a diminué encore plus, à 73 %.Fait intéressant, les changements de 1O2 ont montré la même tendance que l'effet inhibiteur-stimulateur observé précédemment (voir Fig. 3).On peut affirmer que l'incubation en pleine lumière peut altérer la photooxydation.Cependant, les résultats de l'analyse de contrôle ont montré des niveaux presque constants de 1O2 au cours de l'expérience (Fig. S22).Dans le cas des niveaux de ROS intracellulaires, nous avons également observé la même tendance à la baisse (voir Figure S21).Initialement, les niveaux de ROS dans les cellules de microalgues cultivées en présence de SL Nb2CTx et Nb4C3Tx dépassaient les niveaux trouvés dans les cultures pures de microalgues.Finalement, cependant, il est apparu que les microalgues se sont adaptées à la présence des deux Nb-MXènes, car les niveaux de ROS ont diminué à 85 % et 91 % des niveaux mesurés dans des cultures pures de microalgues inoculées avec SL Nb2CTx et Nb4C3TX, respectivement.Cela peut indiquer que les microalgues se sentent plus à l'aise au fil du temps en présence de Nb-MXène que dans un milieu nutritif seul.
Les microalgues sont un groupe diversifié d'organismes photosynthétiques.Lors de la photosynthèse, ils transforment le dioxyde de carbone atmosphérique (CO2) en carbone organique.Les produits de la photosynthèse sont le glucose et l'oxygène79.Nous soupçonnons que l'oxygène ainsi formé joue un rôle critique dans l'oxydation des Nb-MXènes.Une explication possible à cela est que le paramètre d'aération différentielle est formé à des pressions partielles d'oxygène basses et élevées à l'extérieur et à l'intérieur des nanoflocons de Nb-MXène.Cela signifie que partout où il y a des zones de différentes pressions partielles d'oxygène, la zone avec le niveau le plus bas formera l'anode 80, 81, 82. Ici, les microalgues contribuent à la création de cellules différentiellement aérées à la surface des flocons de MXene, qui produisent de l'oxygène en raison de leurs propriétés photosynthétiques.En conséquence, des produits de biocorrosion (dans ce cas, des oxydes de niobium) se forment.Un autre aspect est que les microalgues peuvent produire des acides organiques qui sont libérés dans l'eau83,84.Par conséquent, un environnement agressif se forme, modifiant ainsi les Nb-MXènes.De plus, les microalgues peuvent changer le pH de l'environnement en alcalin en raison de l'absorption de dioxyde de carbone, qui peut également provoquer de la corrosion79.
Plus important encore, la photopériode sombre/claire utilisée dans notre étude est essentielle à la compréhension des résultats obtenus.Cet aspect est décrit en détail dans Djemai-Zoghlache et al.85 Ils ont délibérément utilisé une photopériode de 12/12 heures pour démontrer la biocorrosion associée à l'encrassement biologique par la microalgue rouge Porphyridium purpureum.Ils montrent que la photopériode est associée à l'évolution du potentiel sans biocorrosion, se manifestant par des oscillations pseudopériodiques autour de 24h00.Ces observations ont été confirmées par Dowling et al.86 Ils ont mis en évidence des biofilms photosynthétiques de cyanobactéries Anabaena.L'oxygène dissous se forme sous l'action de la lumière, qui est associée à une modification ou à des fluctuations du potentiel de biocorrosion libre.L'importance de la photopériode est soulignée par le fait que le potentiel libre de biocorrosion augmente en phase claire et diminue en phase sombre.Cela est dû à l'oxygène produit par les microalgues photosynthétiques, qui influence la réaction cathodique par la pression partielle générée à proximité des électrodes87.
De plus, une spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) a été réalisée pour déterminer si des changements se produisaient dans la composition chimique des cellules de microalgues après interaction avec les Nb-MXènes.Ces résultats obtenus sont complexes et nous les présentons en SI (Figures S23-S25, incluant les résultats de l'étape MAX et ML MXenes).En bref, les spectres de référence obtenus des microalgues nous fournissent des informations importantes sur les caractéristiques chimiques de ces organismes.Ces vibrations les plus probables se situent aux fréquences de 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.un.1 1 (C–H) et 3280 cm–1 (O–H).Pour les SL Nb-MXènes, nous avons trouvé une signature d'étirement de la liaison CH qui est cohérente avec notre étude précédente38.Cependant, nous avons observé que certains pics supplémentaires associés aux liaisons C=C et CH disparaissaient.Cela indique que la composition chimique des microalgues peut subir des modifications mineures en raison de l'interaction avec les SL Nb-MXènes.
Lors de l'examen d'éventuels changements dans la biochimie des microalgues, l'accumulation d'oxydes inorganiques, tels que l'oxyde de niobium, doit être reconsidérée59.Il est impliqué dans l'absorption des métaux par la surface cellulaire, leur transport dans le cytoplasme, leur association avec les groupes carboxyle intracellulaires et leur accumulation dans les polyphosphosomes des microalgues20,88,89,90.De plus, la relation entre les microalgues et les métaux est maintenue par des groupes fonctionnels de cellules.Pour cette raison, l'absorption dépend également de la chimie de surface des microalgues, qui est assez complexe9,91.En général, comme prévu, la composition chimique des microalgues vertes a légèrement changé en raison de l'absorption d'oxyde de Nb.
Fait intéressant, l'inhibition initiale observée des microalgues était réversible au fil du temps.Comme nous l'avons observé, les microalgues ont surmonté le changement environnemental initial et ont finalement retrouvé des taux de croissance normaux et ont même augmenté.Les études du potentiel zêta montrent une grande stabilité lorsqu'il est introduit dans des milieux nutritifs.Ainsi, l'interaction de surface entre les cellules de microalgues et les nanoflocons de Nb-MXène a été maintenue tout au long des expériences de réduction.Dans notre analyse plus approfondie, nous résumons les principaux mécanismes d'action qui sous-tendent ce comportement remarquable des microalgues.
Les observations au MEB ont montré que les microalgues ont tendance à se fixer aux Nb-MXènes.À l'aide d'une analyse d'image dynamique, nous confirmons que cet effet conduit à la transformation de nanoflakes bidimensionnels de Nb-MXene en particules plus sphériques, démontrant ainsi que la décomposition des nanoflakes est associée à leur oxydation.Pour tester notre hypothèse, nous avons mené une série d'études matérielles et biochimiques.Après les tests, les nanoflakes se sont graduellement oxydés et décomposés en produits NbO et Nb2O5, qui ne constituaient pas une menace pour les microalgues vertes.En utilisant l'observation FTIR, nous n'avons trouvé aucun changement significatif dans la composition chimique des microalgues incubées en présence de nanoflakes 2D Nb-MXene.Compte tenu de la possibilité d'absorption de l'oxyde de niobium par les microalgues, nous avons effectué une analyse de fluorescence X.Ces résultats montrent clairement que les microalgues étudiées se nourrissent d'oxydes de niobium (NbO et Nb2O5), qui sont non toxiques pour les microalgues étudiées.