Grazas por visitar Nature.com.Estás a usar unha versión do navegador con soporte CSS limitado.Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer).Mentres tanto, para garantir a asistencia continua, renderizaremos o sitio sen estilos e JavaScript.
Mostra un carrusel de tres diapositivas á vez.Use os botóns Anterior e Seguinte para moverse por tres diapositivas á vez, ou use os botóns deslizantes ao final para moverse por tres diapositivas á vez.
O rápido desenvolvemento da nanotecnoloxía e a súa integración nas aplicacións cotiás poden ameazar o medio ambiente.Aínda que os métodos verdes para a degradación de contaminantes orgánicos están ben establecidos, a recuperación de contaminantes cristalinos inorgánicos é de gran preocupación debido á súa baixa sensibilidade á biotransformación e á falta de comprensión das interaccións da superficie do material coas biolóxicas.Aquí, usamos un modelo MXenes 2D inorgánico baseado en Nb combinado cun método sinxelo de análise de parámetros de forma para rastrexar o mecanismo de biorremediación de nanomateriais cerámicos 2D pola microalga verde Raphidocelis subcapitata.Descubrimos que as microalgas degradan os MXens baseados en Nb debido a interaccións físico-químicas relacionadas coa superficie.Inicialmente, uníronse nanoflakes de MXene dunha soa capa e multicapa á superficie das microalgas, o que reduciu un pouco o crecemento das algas.Non obstante, tras unha interacción prolongada coa superficie, as microalgas oxidaron nanoflacos de MXene e descompuxéronos aínda máis en NbO e Nb2O5.Debido a que estes óxidos non son tóxicos para as células de microalgas, consumen nanopartículas de óxido de Nb por un mecanismo de absorción que restablece aínda máis as microalgas despois de 72 horas de tratamento da auga.Os efectos dos nutrientes asociados á absorción tamén se reflicten no aumento do volume celular, a súa forma suave e o cambio na taxa de crecemento.Con base nestes achados, concluímos que a presenza a curto e longo prazo de MXenes baseados en Nb nos ecosistemas de auga doce pode causar só impactos ambientais menores.Cabe destacar que, utilizando nanomateriais bidimensionais como sistemas modelo, demostramos a posibilidade de seguir a transformación da forma mesmo en materiais de gran fino.En xeral, este estudo responde a unha importante pregunta fundamental sobre os procesos relacionados coa interacción superficial que impulsan o mecanismo de biorremediación dos nanomateriais 2D e proporciona unha base para estudos posteriores a curto e longo prazo sobre o impacto ambiental dos nanomateriais cristalinos inorgánicos.
Os nanomateriais xeraron moito interese dende o seu descubrimento, e varias nanotecnoloxías entraron recentemente nunha fase de modernización1.Desafortunadamente, a integración de nanomateriais nas aplicacións cotiás pode levar a liberacións accidentais debido á eliminación inadecuada, ao manexo descoidado ou a unha infraestrutura de seguridade inadecuada.Polo tanto, é razoable asumir que os nanomateriais, incluídos os nanomateriais bidimensionais (2D), poden liberarse ao medio natural, cuxo comportamento e actividade biolóxica aínda non se comprenden completamente.Polo tanto, non é de estrañar que as preocupacións de ecotoxicidade se centren na capacidade dos nanomateriais 2D para filtrarse nos sistemas acuáticos2,3,4,5,6.Nestes ecosistemas, algúns nanomateriais 2D poden interactuar con diversos organismos a diferentes niveis tróficos, incluídas as microalgas.
As microalgas son organismos primitivos que se atopan naturalmente nos ecosistemas de auga doce e mariños que producen unha variedade de produtos químicos mediante a fotosíntese7.Como tal, son fundamentais para os ecosistemas acuáticos8,9,10,11,12 pero tamén son indicadores de ecotoxicidade sensibles, económicos e moi utilizados13,14.Dado que as células de microalgas se multiplican e responden rapidamente á presenza de varios compostos, son prometedoras para o desenvolvemento de métodos respectuosos co medio ambiente para tratar a auga contaminada con substancias orgánicas15,16.
As células das algas poden eliminar ións inorgánicos da auga mediante a biosorción e a acumulación17,18.Algunhas especies de algas como Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue e Synechococcus sp.Descubriuse que transporta e mesmo nutre ións metálicos tóxicos como Fe2+, Cu2+, Zn2+ e Mn2+19.Outros estudos demostraron que os ións Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ ou Pb2+ limitan o crecemento de Scenedesmus alterando a morfoloxía celular e destruíndo os seus cloroplastos20,21.
Os métodos verdes para a descomposición de contaminantes orgánicos e a eliminación de ións de metais pesados ​​chamaron a atención de científicos e enxeñeiros de todo o mundo.Isto débese principalmente ao feito de que estes contaminantes son facilmente procesados ​​na fase líquida.Porén, os contaminantes cristalinos inorgánicos caracterízanse por unha baixa solubilidade en auga e unha escasa susceptibilidade a diversas biotransformacións, o que provoca grandes dificultades na súa remediación, e neste ámbito se avanzou pouco22,23,24,25,26.Así, a procura de solucións respectuosas co medio ambiente para a reparación de nanomateriais segue sendo un ámbito complexo e sen explorar.Debido ao alto grao de incerteza sobre os efectos de biotransformación dos nanomateriais 2D, non hai un xeito sinxelo de coñecer as posibles vías da súa degradación durante a redución.
Neste estudo, utilizamos microalgas verdes como axente activo de biorremediación acuosa para materiais cerámicos inorgánicos, combinado co seguimento in situ do proceso de degradación de MXene como representante dos materiais cerámicos inorgánicos.O termo "MXeno" reflicte a estequiometría do material Mn+1XnTx, onde M é un metal de transición temperán, X é carbono e/ou nitróxeno, Tx é un terminador de superficie (por exemplo, -OH, -F, -Cl) e n = 1, 2, 3 ou 427,28.Desde o descubrimento de MXenes por Naguib et al.Sensorial, terapia do cancro e filtración por membrana 27,29,30.Ademais, os MXenes poden considerarse sistemas modelo 2D debido á súa excelente estabilidade coloidal e ás posibles interaccións biolóxicas31,32,33,34,35,36.
Polo tanto, a metodoloxía desenvolvida neste artigo e as nosas hipóteses de investigación móstranse na Figura 1. Segundo esta hipótese, as microalgas degradan os MXens baseados en Nb en compostos non tóxicos debido ás interaccións físico-químicas relacionadas coa superficie, o que permite unha maior recuperación das algas.Para probar esta hipótese, seleccionáronse dous membros da familia dos primeiros carburos e/ou nitruros de metais de transición a base de niobio (MXenes), a saber, Nb2CTx e Nb4C3TX.
Metodoloxía de investigación e hipóteses baseadas na evidencia para a recuperación de MXene por microalgas verdes Raphidocelis subcapitata.Teña en conta que esta é só unha representación esquemática de suposicións baseadas na evidencia.O ambiente do lago difire no medio nutritivo utilizado e nas condicións (por exemplo, ciclo diurno e limitacións nos nutrientes esenciais dispoñibles).Creado con BioRender.com.
Por iso, ao utilizar MXene como sistema modelo, abrimos a porta ao estudo de diversos efectos biolóxicos que non se poden observar con outros nanomateriais convencionais.En particular, demostramos a posibilidade de biorremediación de nanomateriais bidimensionais, como os MXenes a base de niobio, por parte das microalgas Raphidocelis subcapitata.As microalgas son capaces de degradar os Nb-MXenos nos óxidos non tóxicos NbO e Nb2O5, que tamén proporcionan nutrientes a través do mecanismo de captación de niobio.En xeral, este estudo responde a unha importante pregunta fundamental sobre os procesos asociados ás interaccións fisicoquímicas de superficie que rexen os mecanismos de biorremediación de nanomateriais bidimensionais.Ademais, estamos a desenvolver un método sinxelo baseado en parámetros de forma para rastrexar cambios sutís na forma dos nanomateriais 2D.Isto inspira máis investigacións a curto e longo prazo sobre os distintos impactos ambientais dos nanomateriais cristalinos inorgánicos.Así, o noso estudo aumenta a comprensión da interacción entre a superficie do material e o material biolóxico.Tamén estamos proporcionando a base para estudos ampliados a curto e longo prazo dos seus posibles impactos sobre os ecosistemas de auga doce, que agora se poden verificar facilmente.
Os MXenes representan unha clase interesante de materiais con propiedades físicas e químicas únicas e atractivas e, polo tanto, moitas aplicacións potenciais.Estas propiedades dependen en gran medida da súa estequiometría e da química da superficie.Polo tanto, no noso estudo, investigamos dous tipos de MXens xerárquicos dunha soa capa (SL) baseados en Nb, Nb2CTx e Nb4C3TX, xa que se puideron observar diferentes efectos biolóxicos destes nanomateriais.Os MXenes prodúcense a partir dos seus materiais de partida mediante o gravado selectivo de arriba abaixo de capas A de fase MAX atómicamente delgadas.A fase MAX é unha cerámica ternaria composta por bloques "enlazados" de carburos de metais de transición e capas finas de elementos "A" como Al, Si e Sn con estequiometría MnAXn-1.A morfoloxía da fase MAX inicial observouse mediante microscopía electrónica de varrido (SEM) e foi consistente con estudos anteriores (ver información complementaria, SI, figura S1).Obtívose Nb-MXeno multicapa (ML) despois de eliminar a capa de Al cun 48% de HF (ácido fluorhídrico).Examinouse a morfoloxía de ML-Nb2CTx e ML-Nb4C3TX mediante microscopía electrónica de varrido (SEM) (Figuras S1c e S1d respectivamente) e observouse unha morfoloxía típica de MXene en capas, similar ás nanofocos bidimensionais que pasan por fendas alongadas tipo poro.Ambos os Nb-MXenos teñen moito en común coas fases de MXeno previamente sintetizadas por gravado con ácido27,38.Despois de confirmar a estrutura de MXene, colocámolo en capas mediante a intercalación de hidróxido de tetrabutilamonio (TBAOH) seguido de lavado e sonicación, despois de que obtivemos nanoflakes de Nb-MXene 2D dunha soa capa ou de capa baixa (SL).
Usamos a microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) e a difracción de raios X (XRD) para probar a eficiencia do gravado e un posterior peeling.Os resultados de HRTEM procesados ​​mediante a Transformada de Fourier Rápida Inversa (IFFT) e a Transformada Rápida de Fourier (FFT) móstranse na figura 2. Os nanoflakes de Nb-MXene orientáronse cara arriba para comprobar a estrutura da capa atómica e medir as distancias interplanares.As imaxes HRTEM dos nanoflakes MXene Nb2CTx e Nb4C3TX revelaron a súa natureza atómica en capas delgadas (ver Fig. 2a1, a2), tal como informaron anteriormente Naguib et al.27 e Jastrzębska et al.38.Para dúas monocapas Nb2CTx e Nb4C3Tx adxacentes, determinamos distancias entre capas de 0,74 e 1,54 nm, respectivamente (figs. 2b1, b2), o que tamén concorda cos nosos resultados anteriores38.Isto foi confirmado ademais pola transformada de Fourier rápida inversa (Fig. 2c1, c2) e a transformada rápida de Fourier (Fig. 2d1, d2) que mostra a distancia entre as monocapas Nb2CTx e Nb4C3Tx.A imaxe mostra unha alternancia de bandas claras e escuras correspondentes a átomos de niobio e carbono, o que confirma a natureza en capas dos MXenes estudados.É importante ter en conta que os espectros de espectroscopia de raios X de dispersión de enerxía (EDX) obtidos para Nb2CTx e Nb4C3Tx (Figuras S2a e S2b) non mostraron restos da fase MAX orixinal, xa que non se detectou ningún pico de Al.
Caracterización de nanoflakes SL Nb2CTx e Nb4C3Tx MXene, incluíndo (a) imaxes de nanoflakes 2D de vista lateral de microscopía electrónica de alta resolución (HRTEM) e correspondentes, (b) modo de intensidade, (c) transformada de Fourier rápida inversa (IFFT), (d) transformada de Fourier rápida (FFT), (e) patróns de raios X Nb-MX.Para SL 2D Nb2CTx, os números exprésanse como (a1, b1, c1, d1, e1).Para SL 2D Nb4C3Tx, os números exprésanse como (a2, b2, c2, d2, e1).
As medidas de difracción de raios X dos SL Nb2CTx e Nb4C3Tx MXenes móstranse nas Figs.2e1 e e2, respectivamente.Os picos (002) en 4.31 e 4.32 corresponden aos MXens en capas descritos anteriormente Nb2CTx e Nb4C3TX38,39,40,41 respectivamente.Os resultados de XRD tamén indican a presenza dalgunhas estruturas ML residuais e fases MAX, pero sobre todo patróns XRD asociados con SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2).A presenza de partículas máis pequenas da fase MAX pode explicar o pico MAX máis forte en comparación coas capas de Nb4C3Tx apiladas aleatoriamente.
As investigacións posteriores centráronse nas microalgas verdes pertencentes á especie R. subcapitata.Escollemos as microalgas porque son importantes produtores implicados nas principais redes tróficas42.Tamén son un dos mellores indicadores de toxicidade debido á capacidade de eliminar as substancias tóxicas que se levan a niveis máis altos da cadea alimentaria43.Ademais, a investigación sobre R. subcapitata pode arroxar luz sobre a toxicidade incidental dos SL Nb-MXenes para microorganismos comúns de auga doce.Para ilustralo, os investigadores formularon a hipótese de que cada microbio ten unha sensibilidade diferente aos compostos tóxicos presentes no medio ambiente.Para a maioría dos organismos, as baixas concentracións de substancias non afectan o seu crecemento, mentres que as concentracións superiores a un determinado límite poden inhibilas ou mesmo provocar a morte.Polo tanto, para os nosos estudos sobre a interacción superficial entre microalgas e MXenes e a recuperación asociada, decidimos probar as concentracións inofensivas e tóxicas de Nb-MXenos.Para iso, probamos concentracións de 0 (como referencia), 0,01, 0,1 e 10 mg l-1 MXeno e ademais microalgas infectadas con concentracións moi elevadas de MXeno (100 mg l-1 MXeno), que poden ser extremas e letais..para calquera medio biolóxico.
Os efectos dos SL Nb-MXenes sobre as microalgas móstranse na Figura 3, expresado como a porcentaxe de promoción do crecemento (+) ou inhibición (-) medida para mostras de 0 mg l-1.Para comparación, tamén se probaron a fase Nb-MAX e os Nb-MXenes ML e os resultados móstranse en SI (ver Fig. S3).Os resultados obtidos confirmaron que SL Nb-MXenes está case completamente desprovista de toxicidade no intervalo de baixas concentracións de 0,01 a 10 mg/l, como se mostra na figura 3a,b.No caso de Nb2CTx, non observamos máis do 5% de ecotoxicidade no rango especificado.
Estimulación (+) ou inhibición (-) do crecemento de microalgas en presenza de SL (a) Nb2CTx e (b) Nb4C3TX MXene.Analizáronse 24, 48 e 72 horas de interacción MXene-microalgas. Os datos significativos (test t, p < 0,05) foron marcados cun asterisco (*). Os datos significativos (test t, p < 0,05) foron marcados cun asterisco (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Os datos significativos (test t, p < 0,05) están marcados cun asterisco (*).重要数据（t 检验，p < 0,05）用星号(*) 标记。重要数据（t 检验，p < 0,05）用星号(*) 标记。 Важные данные (test t, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Os datos importantes (test t, p < 0,05) están marcados cun asterisco (*).As frechas vermellas indican a abolición da estimulación inhibitoria.
Por outra banda, baixas concentracións de Nb4C3TX resultaron ser lixeiramente máis tóxicas, pero non superiores ao 7%.Como era de esperar, observamos que os MXenes tiñan unha maior toxicidade e inhibición do crecemento de microalgas a 100 mg L-1.Curiosamente, ningún dos materiais mostrou a mesma tendencia e dependencia temporal dos efectos atóxicos/tóxicos en comparación coas mostras MAX ou ML (ver SI para máis detalles).Mentres que para a fase MAX (ver Fig. S3) a toxicidade alcanzou aproximadamente o 15-25% e aumentou co tempo, observouse a tendencia inversa para SL Nb2CTx e Nb4C3TX MXene.A inhibición do crecemento das microalgas diminuíu co paso do tempo.Alcanzou aproximadamente o 17% despois de 24 horas e baixou a menos do 5% despois de 72 horas (Fig. 3a, b, respectivamente).
Máis importante aínda, para o SL Nb4C3TX, a inhibición do crecemento das microalgas alcanzou preto do 27% despois de 24 horas, pero despois de 72 horas diminuíu ata un 1%.Polo tanto, etiquetamos o efecto observado como inhibición inversa da estimulación e o efecto foi máis forte para o SL Nb4C3TX MXene.A estimulación do crecemento de microalgas observouse anteriormente con Nb4C3TX (interacción a 10 mg L-1 durante 24 h) en comparación con SL Nb2CTx MXene.O efecto de reversión da inhibición-estimulación tamén se mostrou ben na curva da taxa de duplicación da biomasa (ver Fig. S4 para máis detalles).Ata o momento, só se estudou de diferentes xeitos a ecotoxicidade do Ti3C2TX MXene.Non é tóxico para os embrións de peixe cebra44 pero moderadamente ecotóxico para as plantas de microalgas Desmodesmus quadricauda e Sorghum saccharatum45.Outros exemplos de efectos específicos inclúen unha maior toxicidade para liñas de células cancerosas que para liñas de células normais46,47.Pódese supoñer que as condicións da proba influirían nos cambios no crecemento das microalgas observados en presenza de Nb-MXenos.Por exemplo, un pH de aproximadamente 8 no estroma do cloroplasto é óptimo para o funcionamento eficiente do encima RuBisCO.Polo tanto, os cambios de pH afectan negativamente á taxa de fotosíntese48,49.Non obstante, non observamos cambios significativos no pH durante o experimento (ver SI, Fig. S5 para máis detalles).En xeral, os cultivos de microalgas con Nb-MXenos reduciron lixeiramente o pH da solución co paso do tempo.Non obstante, esta diminución foi similar a un cambio no pH dun medio puro.Ademais, o rango de variacións atopados foi similar ao medido para un cultivo puro de microalgas (mostra control).Así, chegamos á conclusión de que a fotosíntese non se ve afectada polos cambios de pH ao longo do tempo.
Ademais, os MXenes sintetizados teñen terminacións superficiais (denotadas como Tx).Estes son principalmente grupos funcionais -O, -F e -OH.Non obstante, a química da superficie está directamente relacionada co método de síntese.Sábese que estes grupos están distribuídos aleatoriamente pola superficie, polo que é difícil predicir o seu efecto sobre as propiedades de MXene50.Pódese argumentar que Tx podería ser a forza catalítica para a oxidación do niobio pola luz.Os grupos funcionais de superficie proporcionan de feito múltiples sitios de ancoraxe para que os seus fotocatalizadores subxacentes formen heteroxuncións51.Non obstante, a composición do medio de crecemento non proporcionou un fotocatalizador eficaz (a composición detallada do medio pódese atopar na táboa SI S6).Ademais, calquera modificación superficial tamén é moi importante, xa que a actividade biolóxica dos MXenes pode verse alterada debido ao post-procesamento de capas, oxidación, modificación química da superficie de compostos orgánicos e inorgánicos52,53,54,55,56 ou enxeñaría de carga superficial38.Polo tanto, para probar se o óxido de niobio ten algo que ver coa inestabilidade do material no medio, realizamos estudos sobre o potencial zeta (ζ) no medio de crecemento de microalgas e auga desionizada (para comparación).Os nosos resultados mostran que os SL Nb-MXenes son bastante estables (ver SI Fig. S6 para os resultados MAX e ML).O potencial zeta de SL MXenes é duns -10 mV.No caso de SR Nb2CTx, o valor de ζ é algo máis negativo que o de Nb4C3Tx.Tal cambio no valor ζ pode indicar que a superficie dos nanoflakes de MXene cargados negativamente absorbe ións cargados positivamente do medio de cultivo.As medidas temporais do potencial zeta e da condutividade dos Nb-MXenes no medio de cultivo (ver as figuras S7 e S8 en SI para máis detalles) parecen apoiar a nosa hipótese.
Non obstante, ambos os Nb-MXene SL mostraron cambios mínimos desde cero.Isto demostra claramente a súa estabilidade no medio de crecemento de microalgas.Ademais, avaliamos se a presenza das nosas microalgas verdes afectaría á estabilidade dos Nb-MXenos no medio.Os resultados do potencial zeta e da condutividade dos MXenes despois da interacción con microalgas en medios nutritivos e cultivo ao longo do tempo pódense atopar en SI (Figuras S9 e S10).Curiosamente, observamos que a presenza de microalgas parecía estabilizar a dispersión de ambos os MXens.No caso de Nb2CTx SL, o potencial zeta incluso diminuíu lixeiramente co paso do tempo ata valores máis negativos (-15,8 fronte a -19,1 mV despois de 72 h de incubación).O potencial zeta de SL Nb4C3TX aumentou lixeiramente, pero despois de 72 h aínda mostraba unha maior estabilidade que os nanoflakes sen a presenza de microalgas (-18,1 vs. -9,1 mV).
Tamén atopamos unha menor condutividade das solucións de Nb-MXene incubadas en presenza de microalgas, o que indica unha menor cantidade de ións no medio nutritivo.Notablemente, a inestabilidade dos MXenes na auga débese principalmente á oxidación superficial57.Polo tanto, sospeitamos que as microalgas verdes eliminaron dalgún xeito os óxidos formados na superficie do Nb-MXeno e mesmo impediron a súa aparición (oxidación do MXene).Isto pódese ver estudando os tipos de substancias que absorben as microalgas.
Aínda que os nosos estudos ecotoxicolóxicos indicaron que as microalgas foron capaces de superar a toxicidade dos Nb-MXenos ao longo do tempo e a inhibición inusual do crecemento estimulado, o obxectivo do noso estudo foi investigar os posibles mecanismos de acción.Cando organismos como as algas están expostos a compostos ou materiais descoñecidos para os seus ecosistemas, poden reaccionar de diversas formas58,59.En ausencia de óxidos metálicos tóxicos, as microalgas poden alimentarse, permitíndolles crecer continuamente60.Despois da inxestión de substancias tóxicas, pódense activar mecanismos de defensa, como o cambio de forma ou forma.Tamén se debe contemplar a posibilidade de absorción58,59.En particular, calquera sinal dun mecanismo de defensa é un claro indicador da toxicidade do composto de proba.Polo tanto, no noso traballo posterior, investigamos a potencial interacción superficial entre os nanoflakes SL Nb-MXene e as microalgas mediante SEM e a posible absorción de MXene baseado en Nb mediante espectroscopia de fluorescencia de raios X (XRF).Teña en conta que as análises SEM e XRF só se realizaron na concentración máis alta de MXene para resolver problemas de toxicidade da actividade.
Os resultados SEM móstranse na Fig.4.As células de microalgas non tratadas (ver a figura 4a, mostra de referencia) mostraban claramente a morfoloxía típica de R. subcapitata e a forma celular de croissant.As células aparecen aplanadas e algo desorganizadas.Algunhas células de microalgas superpoñéronse e enredáronse entre si, pero probablemente isto foi causado polo proceso de preparación da mostra.En xeral, as células de microalgas puras tiñan unha superficie lisa e non mostraban ningún cambio morfolóxico.
Imaxes SEM que mostran a interacción superficial entre as microalgas verdes e as nanofollas de MXene despois de 72 horas de interacción a concentración extrema (100 mg L-1).(a) Microalgas verdes non tratadas despois da interacción con SL (b) Nb2CTx e (c) Nb4C3TX MXenes.Teña en conta que os nanoflakes de Nb-MXene están marcados con frechas vermellas.A modo de comparación, tamén se engaden fotografías dun microscopio óptico.
Pola contra, as células de microalgas adsorbidas por nanoflakes SL Nb-MXene foron danadas (ver figura 4b, c, frechas vermellas).No caso de Nb2CTx MXene (Fig. 4b), as microalgas tenden a crecer con nanoescalas bidimensionais unidas, o que pode cambiar a súa morfoloxía.Notablemente, tamén observamos estes cambios baixo o microscopio óptico (consulta a figura SI S11 para máis detalles).Esta transición morfolóxica ten unha base plausible na fisioloxía das microalgas e na súa capacidade de defenderse modificando a morfoloxía celular, como o aumento do volume celular61.Polo tanto, é importante comprobar o número de células de microalgas que están realmente en contacto cos Nb-MXenes.Estudos SEM mostraron que aproximadamente o 52% das células de microalgas estaban expostas a Nb-MXenos, mentres que o 48% destas células de microalgas evitaban o contacto.Para o SL Nb4C3Tx MXene, as microalgas intentan evitar o contacto co MXene, localizándose e crecendo a partir de nanoescalas bidimensionais (Fig. 4c).Non obstante, non observamos a penetración de nanoescalas nas células de microalgas e o seu dano.
A autoconservación tamén é un comportamento de resposta dependente do tempo ao bloqueo da fotosíntese debido á adsorción de partículas na superficie celular e ao chamado efecto de sombreado (sombreado)62.Está claro que cada obxecto (por exemplo, nanoflakes de Nb-MXene) que se atopa entre as microalgas e a fonte de luz limita a cantidade de luz absorbida polos cloroplastos.Non obstante, non temos dúbida de que isto ten un impacto significativo nos resultados obtidos.Como mostran as nosas observacións microscópicas, os nanoflakes 2D non estaban completamente envoltos nin adheridos á superficie das microalgas, mesmo cando as células de microalgas estaban en contacto con Nb-MXenes.Pola contra, os nanoflakes resultaron estar orientados ás células de microalgas sen cubrir a súa superficie.Tal conxunto de nanoflakes/microalgas non pode limitar significativamente a cantidade de luz absorbida polas células de microalgas.Ademais, algúns estudos incluso demostraron unha mellora na absorción da luz por parte dos organismos fotosintéticos en presenza de nanomateriais bidimensionais63,64,65,66.
Dado que as imaxes SEM non puideron confirmar directamente a absorción de niobio polas células de microalgas, o noso estudo posterior recorreu á análise de fluorescencia de raios X (XRF) e espectroscopia de fotoelectróns de raios X (XPS) para aclarar este problema.Polo tanto, comparamos a intensidade dos picos de Nb de mostras de microalgas de referencia que non interactuaron con MXenes, nanoflakes de MXene desprendidos da superficie das células de microalgas e células de microalgas despois da eliminación dos MXens adheridos.Cabe sinalar que se non hai captación de Nb, o valor de Nb obtido polas células de microalgas debería ser cero despois da eliminación das nanoescalas adxuntas.Polo tanto, se se produce a absorción de Nb, os resultados de XRF e XPS deberían mostrar un pico claro de Nb.
No caso dos espectros XRF, as mostras de microalgas mostraron picos de Nb para SL Nb2CTx e Nb4C3Tx MXene despois da interacción con SL Nb2CTx e Nb4C3Tx MXene (ver Fig. 5a, tamén teña en conta que os resultados para MAX e ML MXenes móstranse en SI, Figs S12-C17).Curiosamente, a intensidade do pico de Nb é a mesma en ambos os casos (barras vermellas na figura 5a).Isto indicaba que as algas non podían absorber máis Nb, e a máxima capacidade de acumulación de Nb conseguiuse nas células, aínda que dúas veces máis Nb4C3Tx MXene estaba unido ás células de microalgas (barras azuis na figura 5a).Cabe destacar que a capacidade das microalgas para absorber metais depende da concentración de óxidos metálicos no ambiente67,68.Shamshada et al.67 descubriron que a capacidade de absorción das algas de auga doce diminúe co aumento do pH.Raize et al.68 observaron que a capacidade das algas mariñas para absorber metais era aproximadamente un 25% maior para o Pb2+ que para o Ni2+.
( a ) Resultados XRF da captación basal de Nb por células de microalgas verdes incubadas a unha concentración extrema de SL Nb-MXenes (100 mg L-1) durante 72 horas.Os resultados mostran a presenza de α en células de microalgas puras (mostra de control, columnas grises), nanocolumnas 2D illadas de células de microalgas de superficie (columnas azuis) e células de microalgas despois da separación de nanocolumnas 2D da superficie (columnas vermellas).A cantidade de Nb elemental, (b) porcentaxe de composición química dos compoñentes orgánicos de microalgas (C=O e CHx/C–O) e óxidos de Nb presentes nas células de microalgas despois da incubación con SL Nb-MXenes, (c–e) Axuste do pico de composición dos espectros XPS SL Nb2CTx e (fh) SLx Nb4C3T internalizados por células microalgas Nb4C3T.
Polo tanto, esperabamos que o Nb puidese ser absorbido polas células das algas en forma de óxidos.Para probalo, realizamos estudos XPS sobre MXenes Nb2CTx e Nb4C3TX e células de algas.Os resultados da interacción de microalgas con Nb-MXenes e MXenes illados de células de algas móstranse nas Figs.5b.Como era de esperar, detectamos picos de Nb 3d nas mostras de microalgas despois da eliminación de MXene da superficie das microalgas.A determinación cuantitativa dos óxidos de C=O, CHx/CO e Nb calculouse a partir dos espectros Nb 3d, O 1s e C 1s obtidos con Nb2CTx SL (Fig. 5c–e) e Nb4C3Tx SL (Fig. 5c–e).) obtido a partir de microalgas incubadas.Figura 5f–h) MXenes.A Táboa S1-3 mostra os detalles dos parámetros de pico e a química xeral resultante do axuste.Cabe destacar que as rexións Nb 3d de Nb2CTx SL e Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) corresponden a un compoñente Nb2O5.Aquí, non atopamos picos relacionados co MXene nos espectros, o que indica que as células de microalgas só absorben a forma de óxido de Nb.Ademais, aproximamos o espectro C 1 s cos compoñentes C–C, CHx/C–O, C=O e –COOH.Asignamos os picos de CHx/C–O e C=O á contribución orgánica das células de microalgas.Estes compoñentes orgánicos representan o 36% e o 41% dos picos de C 1s en Nb2CTx SL e Nb4C3TX SL, respectivamente.Despois axustamos os espectros O 1s de SL Nb2CTx e SL Nb4C3TX con Nb2O5, compoñentes orgánicos de microalgas (CHx/CO) e auga adsorbida en superficie.
Finalmente, os resultados XPS indicaron claramente a forma de Nb, non só a súa presenza.Segundo a posición do sinal Nb 3d e os resultados da deconvolución, confirmamos que o Nb se absorbe só en forma de óxidos e non de ións ou o propio MXeno.Ademais, os resultados de XPS mostraron que as células de microalgas teñen unha maior capacidade para captar óxidos de Nb do SL Nb2CTx en comparación co SL Nb4C3TX MXene.
Aínda que os nosos resultados de absorción de Nb son impresionantes e permítennos identificar a degradación de MXene, non hai ningún método dispoñible para rastrexar os cambios morfolóxicos asociados nos nanoflakes 2D.Por iso, tamén decidimos desenvolver un método axeitado que poida responder directamente a calquera cambio que se produza nos nanofopos de Nb-MXene 2D e nas células de microalgas.É importante ter en conta que asumimos que se as especies que interactúan sofren algunha transformación, descomposición ou desfragmentación, esta debería manifestarse rapidamente como cambios nos parámetros da forma, como o diámetro da área circular equivalente, a redondez, o ancho de Feret ou a lonxitude de Feret.Dado que estes parámetros son axeitados para describir partículas alongadas ou nanoflakes bidimensionais, o seu seguimento mediante a análise dinámica da forma de partículas daranos información valiosa sobre a transformación morfolóxica dos nanofopos SL Nb-MXene durante a redución.
Os resultados obtidos móstranse na Figura 6. Para comparar, tamén probamos a fase MAX orixinal e os ML-MXenes (ver Figuras SI S18 e S19).A análise dinámica da forma das partículas mostrou que todos os parámetros de forma de dous SL de Nb-MXene cambiaron significativamente despois da interacción coas microalgas.Como mostra o parámetro de diámetro de área circular equivalente (Fig. 6a, b), a reducida intensidade máxima da fracción de nanoflakes grandes indica que tenden a decaer en fragmentos máis pequenos.Sobre a fig.6c, d mostra unha diminución dos picos asociados ao tamaño transversal dos flocos (alongamento dos nanoflacos), o que indica a transformación dos nanoflakes 2D nunha forma máis parecida ás partículas.A figura 6e-h mostra o ancho e a lonxitude do Feret, respectivamente.O ancho e a lonxitude do feret son parámetros complementarios e, polo tanto, deben considerarse xuntos.Despois da incubación de nanoflakes de Nb-MXene 2D en presenza de microalgas, os seus picos de correlación de Feret cambiaron e a súa intensidade diminuíu.Baseándonos nestes resultados en combinación coa morfoloxía, XRF e XPS, concluímos que os cambios observados están fortemente relacionados coa oxidación a medida que os MXens oxidados se engurran máis e se descompoñen en fragmentos e partículas de óxido esféricas69,70.
Análise da transformación do MXene tras a interacción con microalgas verdes.A análise dinámica da forma das partículas ten en conta parámetros como (a, b) diámetro da área circular equivalente, (c, d) redondez, (e, f) ancho de feret e (g, h) lonxitude de feret.Para iso, analizáronse dúas mostras de microalgas de referencia xunto con SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx MXenes primarios, SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx MXenes, microalgas degradadas e microalgas tratadas SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx MXenes.As frechas vermellas mostran as transicións dos parámetros de forma dos nanoflakes bidimensionais estudados.
Dado que a análise de parámetros de forma é moi fiable, tamén pode revelar cambios morfolóxicos nas células de microalgas.Polo tanto, analizamos o diámetro da área circular equivalente, a redondez e o ancho/lonxitude de Feret de células e células de microalgas puras despois da interacción con nanoflakes de Nb 2D.Sobre a fig.As figuras 6a–h mostran cambios nos parámetros de forma das células de algas, como o demostra unha diminución da intensidade máxima e un desprazamento dos máximos cara a valores máis altos.En particular, os parámetros de redondez das células mostraron unha diminución das células alongadas e un aumento das células esféricas (Fig. 6a, b).Ademais, o ancho das células Feret aumentou varios micrómetros despois da interacción con SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) en comparación co SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f).Sospeitamos que isto pode deberse á forte absorción de óxidos de Nb polas microalgas tras a interacción con Nb2CTx SR.A unión menos ríxida das escamas de Nb á súa superficie pode producir un crecemento celular cun efecto de sombreado mínimo.
As nosas observacións de cambios nos parámetros da forma e tamaño das microalgas complementan outros estudos.As microalgas verdes poden cambiar a súa morfoloxía en resposta ao estrés ambiental cambiando o tamaño, a forma ou o metabolismo celular61.Por exemplo, cambiar o tamaño das células facilita a absorción de nutrientes71.As células de algas máis pequenas mostran unha menor absorción de nutrientes e unha taxa de crecemento prexudicada.Pola contra, as células máis grandes tenden a consumir máis nutrientes, que logo se depositan intracelularmente72,73.Machado e Soares descubriron que o funxicida triclosan pode aumentar o tamaño das células.Tamén atoparon cambios profundos na forma das algas74.Ademais, Yin et al.9 tamén revelaron cambios morfolóxicos nas algas despois da exposición a nanocompostos de óxido de grafeno reducidos.Polo tanto, está claro que os parámetros de tamaño/forma alterados das microalgas son causados ​​pola presenza de MXene.Dado que este cambio de tamaño e forma é indicativo de cambios na absorción de nutrientes, cremos que a análise dos parámetros de tamaño e forma ao longo do tempo pode demostrar a absorción de óxido de niobio polas microalgas en presenza de Nb-MXenes.
Ademais, os MXenes poden oxidarse en presenza de algas.Dalai et al.75 observaron que a morfoloxía das algas verdes expostas a nano-TiO2 e Al2O376 non era uniforme.Aínda que as nosas observacións son similares ao presente estudo, só é relevante para o estudo dos efectos da biorremediación en termos de produtos de degradación do MXene en presenza de nanococos 2D e non de nanopartículas.Dado que os MXens poden degradarse en óxidos metálicos,31,32,77,78 é razoable supoñer que os nosos nanofopos de Nb tamén poden formar óxidos de Nb despois de interactuar coas células de microalgas.
Para explicar a redución de nanoflakes 2D-Nb mediante un mecanismo de descomposición baseado no proceso de oxidación, realizamos estudos mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) (Fig. 7a,b) e espectroscopia de fotoelectróns de raios X (XPS) (Fig. 7).7c-i e táboas S4-5).Ambos enfoques son axeitados para estudar a oxidación de materiais 2D e se complementan.HRTEM é capaz de analizar a degradación de estruturas en capas bidimensionais e a posterior aparición de nanopartículas de óxido metálico, mentres que XPS é sensible aos enlaces superficiais.Para este fin, probamos nanoflakes 2D de Nb-MXene extraídos de dispersións de células de microalgas, é dicir, a súa forma despois da interacción coas células de microalgas (ver figura 7).
Imaxes HRTEM que mostran a morfoloxía dos (a) SL Nb2CTx oxidados e (b) SL Nb4C3Tx MXenes, resultados da análise XPS que mostran (c) a composición dos produtos de óxido despois da redución, (d–f) a coincidencia de picos dos compoñentes dos espectros XPS de SL Nb2CTx e (g–i) Nb4C3Txga Nb4C3T verde reparado.
Os estudos de HRTEM confirmaron a oxidación de dous tipos de nanoflakes de Nb-MXeno.Aínda que os nanoflakes mantiveron a súa morfoloxía bidimensional ata certo punto, a oxidación deu lugar á aparición de moitas nanopartículas que cubrían a superficie dos nanoflakes MXene (ver Fig. 7a, b).A análise XPS dos sinais c Nb 3d e O 1s indicaron que se formaron óxidos de Nb en ambos os casos.Como se mostra na Figura 7c, os sinais 2D MXene Nb2CTx e Nb4C3TX teñen Nb 3d que indican a presenza de óxidos de NbO e Nb2O5, mentres que os sinais de O 1s indican o número de enlaces O-Nb asociados á funcionalización da superficie de nanococos 2D.Observamos que a contribución de óxido de Nb é dominante en comparación con Nb-C e Nb3+-O.
Sobre a fig.As figuras 7g–i mostran os espectros XPS de Nb 3d, C 1s e O 1s SL Nb2CTx (ver figuras 7d–f) e SL Nb4C3TX MXene illado de células de microalgas.Os detalles dos parámetros de pico de Nb-MXenes ofrécense nas táboas S4-5, respectivamente.Primeiro analizamos a composición de Nb 3d.En contraste co Nb absorbido polas células de microalgas, no MXene illado das células de microalgas, ademais do Nb2O5, atopáronse outros compoñentes.No Nb2CTx SL, observamos a contribución de Nb3+-O nun 15%, mentres que o resto do espectro Nb 3d estivo dominado por Nb2O5 (85%).Ademais, a mostra SL Nb4C3TX contén compoñentes Nb-C (9%) e Nb2O5 (91%).Aquí Nb-C provén de dúas capas atómicas internas de carburo metálico en Nb4C3Tx SR.Despois mapeamos os espectros C 1s a catro compoñentes diferentes, como fixemos nas mostras interiorizadas.Como era de esperar, o espectro C 1s está dominado polo carbono grafítico, seguido das contribucións de partículas orgánicas (CHx/CO e C=O) das células de microalgas.Ademais, no espectro O 1s, observamos a contribución de formas orgánicas de células de microalgas, óxido de niobio e auga adsorbida.
Ademais, investigamos se a escisión de Nb-MXenes está asociada coa presenza de especies reactivas de osíxeno (ROS) no medio nutritivo e/ou células de microalgas.Para iso, avaliáronse os niveis de osíxeno singlete (1O2) no medio de cultivo e de glutatión intracelular, tiol que actúa como antioxidante nas microalgas.Os resultados móstranse en SI (Figuras S20 e S21).Os cultivos con SL Nb2CTx e Nb4C3TX MXenos caracterizáronse por unha cantidade reducida de 1O2 (ver Figura S20).No caso de SL Nb2CTx, o MXene 1O2 redúcese a un 83%.Para os cultivos de microalgas usando SL, Nb4C3TX 1O2 diminuíu aínda máis, ata o 73%.Curiosamente, os cambios no 1O2 mostraron a mesma tendencia que o efecto inhibitorio-estimulador observado anteriormente (ver figura 3).Pódese argumentar que a incubación en luz brillante pode alterar a fotooxidación.Non obstante, os resultados da análise de control mostraron niveis case constantes de 1O2 durante o experimento (Fig. S22).No caso dos niveis intracelulares de ROS, tamén observamos a mesma tendencia á baixa (ver Figura S21).Inicialmente, os niveis de ROS en células de microalgas cultivadas en presenza de SL Nb2CTx e Nb4C3Tx superaron os niveis atopados en cultivos puros de microalgas.Finalmente, con todo, pareceu que as microalgas se adaptaron á presenza de ambos os Nb-MXenos, xa que os niveis de ROS diminuíron ata o 85% e o 91% dos niveis medidos en cultivos puros de microalgas inoculadas con SL Nb2CTx e Nb4C3TX, respectivamente.Isto pode indicar que as microalgas se senten máis cómodas co paso do tempo en presenza de Nb-MXene que só no medio nutritivo.
As microalgas son un grupo diverso de organismos fotosintéticos.Durante a fotosíntese, converten o dióxido de carbono atmosférico (CO2) en carbono orgánico.Os produtos da fotosíntese son a glicosa e o osíxeno79.Sospeitamos que o osíxeno así formado xoga un papel crítico na oxidación dos Nb-MXenos.Unha posible explicación para isto é que o parámetro de aireación diferencial fórmase a presións parciais baixas e altas de osíxeno fóra e dentro dos nanofopos de Nb-MXeno.Isto significa que alí onde haxa zonas de diferentes presións parciais de osíxeno, a zona de menor nivel formará o ánodo 80, 81, 82. Aquí, as microalgas contribúen á creación de células de aireación diferencial na superficie das escamas de MXene, que producen osíxeno debido ás súas propiedades fotosintéticas.Como resultado, fórmanse produtos de biocorrosión (neste caso, óxidos de niobio).Outro aspecto é que as microalgas poden producir ácidos orgánicos que se liberan á auga83,84.Polo tanto, fórmase un ambiente agresivo, cambiando así os Nb-MXenos.Ademais, as microalgas poden cambiar o pH do ambiente a alcalino debido á absorción de dióxido de carbono, que tamén pode provocar corrosión79.
Máis importante aínda, o fotoperíodo escuro/luz utilizado no noso estudo é fundamental para comprender os resultados obtidos.Este aspecto descríbese en detalle en Djemai-Zoghlache et al.85 Utilizaron deliberadamente un fotoperíodo de 12/12 horas para demostrar a biocorrosión asociada á bioincrustación pola microalga vermella Porphyridium purpureum.Mostran que o fotoperíodo está asociado á evolución do potencial sen biocorrosión, manifestándose como oscilacións pseudoperiódicas ao redor das 24:00 horas.Estas observacións foron confirmadas por Dowling et al.86 Demostraron biopelículas fotosintéticas de cianobacterias Anabaena.O osíxeno disolto fórmase baixo a acción da luz, que está asociada a un cambio ou flutuacións no potencial de biocorrosión libre.A importancia do fotoperíodo é enfatizada polo feito de que o potencial libre de biocorrosión aumenta na fase clara e diminúe na fase escura.Isto débese ao osíxeno producido polas microalgas fotosintéticas, que inflúe na reacción catódica a través da presión parcial xerada preto dos electrodos87.
Ademais, realizouse a espectroscopia infravermella de transformada de Fourier (FTIR) para descubrir se se produciu algún cambio na composición química das células de microalgas despois da interacción con Nb-MXenes.Estes resultados obtidos son complexos e presentámolos en SI (Figuras S23-S25, incluíndo os resultados da etapa MAX e ML MXenes).En definitiva, os espectros de referencia obtidos das microalgas achéganos información importante sobre as características químicas destes organismos.Estas vibracións máis probables sitúanse en frecuencias de 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.un.1 1 (C–H) e 3280 cm–1 (O–H).Para SL Nb-MXenes, atopamos unha sinatura de estiramento do enlace CH que é consistente co noso estudo anterior38.Non obstante, observamos que algúns picos adicionais asociados aos enlaces C=C e CH desapareceron.Isto indica que a composición química das microalgas pode sufrir pequenos cambios debido á interacción con SL Nb-MXenes.
Á hora de considerar posibles cambios na bioquímica das microalgas, cómpre reconsiderar a acumulación de óxidos inorgánicos, como o óxido de niobio59.Está implicado na captación de metais pola superficie celular, o seu transporte ao citoplasma, a súa asociación con grupos carboxilo intracelulares e a súa acumulación en polifososomas de microalgas20,88,89,90.Ademais, a relación entre as microalgas e os metais é mantida por grupos funcionais de células.Por este motivo, a absorción tamén depende da química da superficie das microalgas, que é bastante complexa9,91.En xeral, como era de esperar, a composición química das microalgas verdes cambiou lixeiramente debido á absorción de óxido de Nb.
Curiosamente, a inhibición inicial observada das microalgas foi reversible ao longo do tempo.Como observamos, as microalgas superaron o cambio ambiental inicial e finalmente volveron ás taxas de crecemento normais e mesmo aumentaron.Os estudos do potencial zeta mostran unha alta estabilidade cando se introduce en medios nutritivos.Así, a interacción superficial entre as células de microalgas e os nanoflakes de Nb-MXene mantívose ao longo dos experimentos de redución.Na nosa análise posterior, resumimos os principais mecanismos de acción subxacentes a este comportamento notable das microalgas.
As observacións SEM demostraron que as microalgas tenden a unirse aos Nb-MXenes.Usando a análise de imaxes dinámicas, confirmamos que este efecto leva á transformación de nanoflakes bidimensionais de Nb-MXeno en partículas máis esféricas, demostrando así que a descomposición de nanoflakes está asociada á súa oxidación.Para comprobar a nosa hipótese, realizamos unha serie de estudos materiais e bioquímicos.Despois das probas, os nanoflacos oxidáronse e descompuxéronse gradualmente en produtos NbO e Nb2O5, o que non representaba unha ameaza para as microalgas verdes.Usando a observación FTIR, non atopamos cambios significativos na composición química das microalgas incubadas en presenza de nanoflakes de Nb-MXene 2D.Tendo en conta a posibilidade de absorción de óxido de niobio polas microalgas, realizamos unha análise de fluorescencia de raios X.Estes resultados mostran claramente que as microalgas estudadas se alimentan de óxidos de niobio (NbO e Nb2O5), que non son tóxicos para as microalgas estudadas.