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ナノテクノロジーの急速な発展と日常応用へのその統合は、環境を脅かす可能性があります。有機汚染物質を分解する環境に優しい方法は十分に確立されていますが、無機結晶質汚染物質の回収は、生体内変化に対する感受性が低く、材料表面と生物学的汚染物質との相互作用が理解されていないため、大きな懸念となっています。ここでは、Nb ベースの無機 2D MXenes モデルと簡単な形状パラメーター解析法を組み合わせて、緑色微細藻類 Raphidocelis subcapitata による 2D セラミック ナノマテリアルのバイオレメディエーション メカニズムを追跡します。私たちは、微細藻類が表面関連の物理化学的相互作用により Nb ベースの MXene を分解することを発見しました。当初、単層および多層のMXeneナノフレークが微細藻類の表面に付着し、藻類の成長が若干減少しました。しかし、表面との長期にわたる相互作用により、微細藻類はMXeneナノフレークを酸化し、さらにそれらをNbOとNb2O5に分解しました。これらの酸化物は微細藻類の細胞に対して無毒であるため、72 時間の水処理後に微細藻類をさらに回復させる吸収機構によって酸化ニオブのナノ粒子を消費します。吸収に関連する栄養素の効果は、細胞体積の増加、細胞の滑らかな形状、成長速度の変化にも反映されます。これらの発見に基づいて、淡水生態系におけるNbベースのMXeneの短期的および長期的な存在は、わずかな環境への影響しか引き起こさない可能性があると結論付けています。二次元ナノ材料をモデルシステムとして使用して、微粒子材料であっても形状変形を追跡できる可能性を実証したことは注目に値します。全体として、この研究は、2D ナノマテリアルのバイオレメディエーション機構を駆動する表面相互作用関連プロセスに関する重要な基本的な疑問に答え、無機結晶性ナノマテリアルの環境への影響に関するさらなる短期および長期研究の基礎を提供します。
ナノマテリアルはその発見以来多くの関心を集めており、最近ではさまざまなナノテクノロジーが近代化の段階に入っています1。残念ながら、ナノマテリアルを日常の用途に組み込むと、不適切な廃棄、不注意な取り扱い、または不適切な安全インフラストラクチャによる偶発的な放出につながる可能性があります。したがって、二次元 (2D) ナノマテリアルを含むナノマテリアルが自然環境に放出される可能性があると考えるのが合理的ですが、その挙動や生物学的活性はまだ完全には理解されていません。したがって、生態毒性の懸念が 2D ナノマテリアルの水生系への浸出能力に焦点を当てていることは驚くべきことではありません 2、3、4、5、6。これらの生態系では、一部の 2D ナノマテリアルは、微細藻類を含むさまざまな栄養レベルでさまざまな生物と相互作用することができます。
微細藻類は、淡水および海洋生態系に自然に見られる原始的な生物であり、光合成によってさまざまな化学製品を生産します7。そのため、それらは水生生態系にとって極めて重要である8、9、10、11、12が、感度が高く、安価であり、生態毒性の指標として広く使用されている13、14。微細藻類の細胞は急速に増殖し、さまざまな化合物の存在に素早く反応するため、有機物で汚染された水を環境に優しい処理方法の開発に期待されています15,16。
藻類細胞は、生体吸着と蓄積を通じて水から無機イオンを除去できます 17,18。クロレラ、アナベナ インバー、ウェスティロプシス プロリフィカ、スティゲオクロニウム テヌエ、シネココッカス属などのいくつかの藻類種。Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+19 などの有毒金属イオンを運び、さらに栄養を与えることがわかっています。他の研究では、Cu2+、Cd2+、Ni2+、Zn2+、または Pb2+ イオンが細胞形態を変化させ、葉緑体を破壊することによってセネデスムスの増殖を制限することが示されています 20,21。
有機汚染物質の分解と重金属イオンの除去のための環境に優しい方法は、世界中の科学者や技術者の注目を集めています。これは主に、これらの汚染物質が液相で容易に処理されるという事実によるものです。しかし、無機結晶性汚染物質は、水への溶解度が低く、さまざまな生体内変化を受けにくいという特徴があり、そのため修復が非常に困難であり、この分野ではほとんど進歩がありません。したがって、ナノマテリアルの修復のための環境に優しい解決策の探求は、依然として複雑かつ未踏の領域である。2D ナノマテリアルの生体内変換効果については不確実性が高いため、還元中に考えられる分解経路を見つける簡単な方法はありません。
この研究では、無機セラミック材料の代表的なMXeneの分解プロセスの現場モニタリングと組み合わせて、無機セラミック材料の活性水性バイオレメディエーション剤として緑色微細藻類を使用しました。「MXene」という用語は、Mn+1XnTx 材料の化学量論を反映しており、M は初期遷移金属、X は炭素および/または窒素、Tx は表面終結剤 (-OH、-F、-Cl など)、n = 1、2、3 または 427.28 です。Naguib らによる MXenes の発見以来、感覚学、癌治療および膜濾過 27、29、30。さらに、MXene は、優れたコロイド安定性と生物学的相互作用の可能性があるため、モデル 2D システムと考えることができます 31、32、33、34、35、36。
したがって、この記事で開発された方法論と私たちの研究仮説を図1に示します。この仮説によれば、微細藻類は表面関連の物理化学的相互作用によりNbベースのMXeneを非毒性化合物に分解し、これにより藻類のさらなる回収が可能になります。この仮説を検証するために、初期のニオブベースの遷移金属炭化物および/または窒化物 (MXene) ファミリーの 2 つのメンバー、つまり Nb2CTx と Nb4C3TX が選択されました。
緑微細藻類 Raphidocelis subcapitata による MXene 回収に関する研究方法と証拠に基づく仮説。これは証拠に基づいた仮定を概略的に表したものにすぎないことに注意してください。湖の環境は、使用される栄養培地や条件（日周周期や利用可能な必須栄養素の制限など）が異なります。BioRender.com で作成されました。
したがって、MXene をモデルシステムとして使用することで、従来の他のナノマテリアルでは観察できないさまざまな生物学的影響の研究への扉が開かれました。特に、微細藻類 Raphidocelis subcapitata によるニオブベースの MXene などの二次元ナノ材料のバイオレメディエーションの可能性を実証します。微細藻類は、Nb-MXene を無毒の酸化物 NbO および Nb2O5 に分解することができ、これらはニオブの取り込みメカニズムを通じて栄養素も提供します。全体として、この研究は、二次元ナノ材料のバイオレメディエーションのメカニズムを支配する表面物理化学的相互作用に関連するプロセスに関する重要な基本的な疑問に答えます。さらに、2D ナノマテリアルの形状の微妙な変化を追跡するための、形状パラメータに基づくシンプルな方法を開発しています。これは、無機結晶性ナノ材料が環境に与えるさまざまな影響に関するさらなる短期および長期の研究を刺激します。したがって、私たちの研究は、材料表面と生物学的材料の間の相互作用についての理解を深めます。また、淡水生態系への影響の可能性について、短期および長期の研究を拡大するための基盤も提供しており、現在では簡単に検証できるようになりました。
MXene は、ユニークで魅力的な物理的および化学的特性を備えた興味深いクラスの材料であり、多くの潜在的な用途があります。これらの特性は、化学量論と表面化学に大きく依存します。したがって、私たちの研究では、これらのナノ材料の異なる生物学的効果が観察される可能性があるため、2種類のNbベースの階層的単層（SL）MXene、Nb2CTxおよびNb4C3TXを調査しました。MXene は、原子的に薄い MAX 相 A 層のトップダウン選択エッチングによって出発材料から製造されます。MAX 相は、遷移金属炭化物の「結合」ブロックと、MnAXn-1 化学量論比を持つ Al、Si、Sn などの「A」元素の薄層で構成される三元セラミックです。初期 MAX 相の形態は走査型電子顕微鏡 (SEM) によって観察され、以前の研究と一致していました (補足情報、SI、図 S1 を参照)。48% HF (フッ化水素酸) で Al 層を除去した後、多層 (ML) Nb-MXene が得られました。ML-Nb2CTxおよびML-Nb4C3TXの形態は走査電子顕微鏡（SEM）によって検査され（それぞれ図S1cおよびS1d）、細長い細孔状のスリットを通過する二次元ナノフレークと同様の、典型的な層状MXene形態が観察されました。どちらの Nb-MXene も、酸エッチングによって以前に合成された MXene 相と多くの共通点があります 27,38。MXene の構造を確認した後、水酸化テトラブチルアンモニウム (TBAOH) をインターカレーションして積層し、洗浄および超音波処理を行った後、単層または低層 (SL) 2D Nb-MXene ナノフレークを得ました。
高分解能透過型電子顕微鏡 (HRTEM) と X 線回折 (XRD) を使用して、エッチングとさらなる剥離の効率をテストしました。逆高速フーリエ変換 (IFFT) および高速フーリエ変換 (FFT) を使用して処理した HRTEM の結果を図 2 に示します。原子層の構造を確認し、面間距離を測定するために、Nb-MXene ナノフレークを端を上にして配向しました。MXene Nb2CTx および Nb4C3TX ナノフレークの HRTEM 画像は、Naguib ら 27 および Jastrzębska ら 38 によって以前に報告されているように、原子的に薄い層状の性質を明らかにしました (図 2a1、a2 を参照)。2つの隣接するNb2CTxおよびNb4C3Tx単層について、それぞれ0.74および1.54nmの層間距離を決定しました（図2b1、b2）。これは、以前の結果とも一致しています38。これは、Nb2CTx 単層と Nb4C3Tx 単層間の距離を示す逆高速フーリエ変換 (図 2c1、c2) および高速フーリエ変換 (図 2d1、d2) によってさらに確認されました。この画像は、ニオブ原子と炭素原子に対応する明暗のバンドが交互に現れていることを示しており、研究されたMXeneの層状の性質を裏付けています。Nb2CTx および Nb4C3Tx について得られたエネルギー分散型 X 線分光法 (EDX) スペクトル (図 S2a および S2b) では、Al ピークが検出されなかったため、元の MAX 相の残存が示されていないことに注意することが重要です。
SL Nb2CTx および Nb4C3Tx MXene ナノフレークの特性評価。(a) 高解像度電子顕微鏡 (HRTEM) による側面 2D ナノフレーク イメージングおよび対応する、(b) 強度モード、(c) 逆高速フーリエ変換 (IFFT)、(d) 高速フーリエ変換 (FFT)、(e) Nb-MXene の X 線パターン。SL 2D Nb2CTx の場合、番号は (a1、b1、c1、d1、e1) として表されます。SL 2D Nb4C3Tx の場合、番号は (a2、b2、c2、d2、e1) で表されます。
SL Nb2CTx および Nb4C3Tx MXene の X 線回折測定を図 1 および 2 に示します。それぞれ2e1とe2。4.31 および 4.32 のピーク (002) は、それぞれ前述の層状 MXene Nb2CTx および Nb4C3TX38、39、40、41 に対応します。XRDの結果は、いくつかの残留ML構造とMAX相の存在も示していますが、ほとんどのXRDパターンはSL Nb4C3Txに関連しています（図2e2）。MAX 相のより小さい粒子の存在は、ランダムに積層された Nb4C3Tx 層と比較して MAX ピークが強いことを説明している可能性があります。
さらなる研究は、R. subcapitata 種に属する緑色微細藻類に焦点を当てています。微細藻類は主要な食物網に関与する重要な生産者であるため、微細藻類を選択しました42。また、食物連鎖のより高いレベルに運ばれる有毒物質を除去する能力があるため、毒性の最良の指標の 1 つでもあります 43。さらに、R. subcapitata に関する研究は、一般的な淡水微生物に対する SL Nb-MXene の付随的毒性を明らかにする可能性があります。これを説明するために、研究者らは、各微生物は環境中に存在する有毒化合物に対する感受性が異なるという仮説を立てました。ほとんどの生物では、低濃度の物質は成長に影響を与えませんが、一定の濃度を超えると成長が阻害され、場合によっては死を引き起こす可能性があります。したがって、微細藻類とMXenesの間の表面相互作用とそれに関連する回収の研究のために、Nb-MXenesの無害な濃度と有毒な濃度をテストすることにしました。これを行うために、0 (参考として)、0.01、0.1、および 10 mg l-1 MXene の濃度をテストし、さらに極度で致死的となる可能性がある非常に高濃度の MXene (100 mg l-1 MXene) で微細藻類を感染させました。。あらゆる生物学的環境に対応します。
微細藻類に対する SL Nb-MXene の効果を図 3 に示します。0 mg l-1 サンプルで測定した成長促進 (+) または阻害 (-) のパーセンテージとして表されます。比較のために、Nb-MAX相とML Nb-MXeneもテストされ、結果がSIに示されています（図S3を参照）。得られた結果は、図3a、bに示すように、SL Nb-MXenesには0.01〜10 mg/lの低濃度範囲では毒性がほぼ完全にないことが確認されました。Nb2CTx の場合、指定範囲内で 5% 以下の生態毒性が観察されました。
SL (a) Nb2CTx および (b) Nb4C3TX MXene の存在下での微細藻類の成長の刺激 (+) または阻害 (-)。24、48、および 72 時間の MXene と微細藻類の相互作用を分析しました。 有意なデータ (t 検定、p < 0.05) にはアスタリスク (*) が付けられました。 有意なデータ (t 検定、p < 0.05) にはアスタリスク (*) が付けられました。 Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*)。 有意なデータ (t 検定、p < 0.05) にはアスタリスク (*) が付いています。重要なデータ（t 検査、p < 0.05）には星号 (*) が付けられています。重要なデータ（t 検査、p < 0.05）には星号 (*) が付けられています。 Важные данные (t 検定、p < 0,05) отмечены звездочкой (*)。 重要なデータ (t 検定、p < 0.05) にはアスタリスク (*) が付いています。赤い矢印は抑制性刺激の廃止を示します。
一方、低濃度の Nb4C3TX は毒性がわずかに高いことが判明しましたが、その毒性は 7% を超えませんでした。予想通り、MXenes は 100mg L-1 でより高い毒性と微細藻類の成長阻害を示すことが観察されました。興味深いことに、どの材料も MAX または ML サンプルと比較して、毒性/毒性効果の同じ傾向と時間依存性を示しませんでした (詳細については SI を参照)。MAX 相 (図 S3 を参照) では、毒性は約 15 ～ 25% に達し、時間の経過とともに増加しましたが、SL Nb2CTx および Nb4C3TX MXene では逆の傾向が観察されました。微細藻類の成長阻害は時間の経過とともに減少しました。24 時間後には約 17% に達し、72 時間後には 5% 未満に低下しました (それぞれ図 3a、b)。
さらに重要なことは、SL Nb4C3TX の場合、微細藻類の成長阻害は 24 時間後には約 27% に達しましたが、72 時間後には約 1% に減少しました。したがって、観察された効果を刺激の逆阻害としてラベル付けし、その効果は SL Nb4C3TX MXene の方が強かった。微細藻類の成長の刺激は、SL Nb2CTx MXene と比較して、Nb4C3TX (10 mg L-1 で 24 時間の相互作用) の方が早く注目されました。阻害刺激の逆転効果は、バイオマス倍加率曲線でもよく示されました（詳細は図S4を参照）。これまでのところ、Ti3C2TX MXene の生態毒性のみがさまざまな方法で研究されています。それはゼブラフィッシュの胚に対して毒性はありません 44 が、微細藻類の Desmodesmus quadricauda および Sorghum saccharatum 植物に対しては中程度の生態毒性を示します 45。特定の影響の他の例としては、正常細胞株よりも癌細胞株に対する毒性が高いことが挙げられます 46,47。試験条件は、Nb-MXene の存在下で観察される微細藻類の成長の変化に影響を与えると考えられます。たとえば、葉緑体間質の pH 約 8 は、RuBisCO 酵素の効率的な動作に最適です。したがって、pH の変化は光合成速度に悪影響を及ぼします 48,49。ただし、実験中にpHの顕著な変化は観察されませんでした（詳細については、SI、図S5を参照）。一般に、Nb-MXenes を含む微細藻類の培養では、時間の経過とともに溶液の pH がわずかに低下しました。ただし、この減少は純粋な培地の pH の変化と同様でした。さらに、見つかった変動の範囲は、微細藻類の純粋培養 (対照サンプル) について測定された変動の範囲と同様でした。したがって、光合成は時間の経過によるpHの変化の影響を受けないと結論付けられます。
さらに、合成された MXene にはサーフェス エンド (Tx と表示) があります。これらは主に官能基 -O、-F、および -OH です。ただし、表面化学は合成方法に直接関係しています。これらのグループは表面全体にランダムに分布していることが知られており、MXene50 の特性に対するそれらの影響を予測することが困難です。Tx が光によるニオブの酸化の触媒力である可能性があると主張できます。実際、表面官能基は、その下の光触媒にヘテロ接合を形成するための複数の固定部位を提供します51。しかし、成長培地組成は有効な光触媒を提供しませんでした (詳細な培地組成は SI 表 S6 に記載されています)。さらに、MXene の生物学的活性は、層の後処理、酸化、有機および無機化合物の化学的表面修飾 52、53、54、55、56、または表面電荷工学 38 によって変化する可能性があるため、表面修飾も非常に重要です。したがって、酸化ニオブが培地中の材料の不安定性と関係があるかどうかをテストするために、微細藻類の成長培地と脱イオン水（比較用）のゼータ（ζ）電位の研究を実施しました。私たちの結果は、SL Nb-MXene がかなり安定していることを示しています (MAX および ML の結果については、SI 図 S6 を参照)。SL MXenes のゼータ電位は約 -10 mV です。SR Nb2CTx の場合、ξ の値は Nb4C3Tx の値よりも若干負になります。このような ze 値の変化は、負に帯電した MXene ナノフレークの表面が培地から正に帯電したイオンを吸収していることを示している可能性があります。培地中の Nb-MXene のゼータ電位と導電率の時間測定 (詳細については、SI の図 S7 および S8 を参照) は、私たちの仮説を裏付けるようです。
ただし、両方の Nb-MXene SL はゼロからの最小限の変化を示しました。これは、微細藻類の成長培地中でのそれらの安定性を明らかに示しています。さらに、緑色微細藻類の存在が培地中の Nb-MXene の安定性に影響を与えるかどうかを評価しました。栄養培地および培養中の微細藻類との相互作用後のMXeneのゼータ電位と導電率の結果は、SIで見つけることができます（図S9およびS10）。興味深いことに、微細藻類の存在が両方の MXene の分散を安定化させるようであることに気づきました。Nb2CTx SL の場合、ゼータ電位は時間の経過とともにさらに負の値までわずかに減少しました (72 時間のインキュベーション後、-15.8 対 -19.1 mV)。SL Nb4C3TX のゼータ電位はわずかに増加しましたが、72 時間後でも微細藻類が存在しないナノフレークよりも高い安定性を示しました (-18.1 対 -9.1 mV)。
また、微細藻類の存在下でインキュベートした Nb-MXene 溶液の導電率が低いこともわかり、これは栄養培地中のイオン量が少ないことを示しています。特に、MXene の水中での不安定性は主に表面酸化によるものです 57。したがって、緑色微細藻類が何らかの形で Nb-MXene の表面に形成された酸化物を除去し、酸化物の発生 (MXene の酸化) を阻止したのではないかと考えられます。これは、微細藻類が吸収する物質の種類を研究することでわかります。
私たちの生態毒性学的研究は、微細藻類が時間の経過とともにNb-MXenesの毒性と刺激された成長の異常な阻害を克服できることを示しましたが、私たちの研究の目的は、考えられる作用機序を調査することでした。藻類などの生物がその生態系に馴染みのない化合物や物質にさらされると、さまざまな反応を示す可能性があります58,59。有毒な金属酸化物が存在しない場合、微細藻類は自ら栄養を摂取し、継続的に成長することができます60。有毒物質を摂取した後、形状や形状が変化するなど、防御機構が活性化されることがあります。吸収の可能性も考慮する必要があります58,59。特に、防御機構の兆候は、試験化合物の毒性を示す明確な指標となります。したがって、我々のさらなる研究では、SL Nb-MXene ナノフレークと微細藻類の間の潜在的な表面相互作用を SEM によって調査し、Nb ベースの MXene の吸収の可能性を蛍光 X 線分光法 (XRF) によって調査しました。活性毒性の問題に対処するために、SEM および XRF 分析は最高濃度の MXene でのみ実行されたことに注意してください。
SEM結果を図4に示します。未処理の微細藻類細胞（図 4a 参照、参照サンプル）は、典型的な R. subcapitata の形態とクロワッサン様の細胞形状を明確に示しました。細胞は平らで、やや乱れているように見えます。一部の微細藻類の細胞は重なり、互いに絡み合っていますが、これはサンプル調製プロセスに起因すると考えられます。一般に、純粋な微細藻類細胞は滑らかな表面を有し、形態学的変化を示さなかった。
極濃度（100 mg L-1）での72時間の相互作用後の緑色微細藻類とMXeneナノシート間の表面相互作用を示すSEM画像。(a) SL との相互作用後の未処理の微細藻類 (b) Nb2CTx および (c) Nb4C3TX MXene。Nb-MXene ナノフレークには赤い矢印が付いていることに注意してください。比較のために光学顕微鏡の写真も追加しました。
対照的に、SL Nb-MXene ナノフレークに吸着された微細藻類細胞は損傷を受けました (図 4b、c、赤い矢印を参照)。Nb2CTx MXene（図4b）の場合、微細藻類は二次元のナノスケールが付着した状態で成長する傾向があり、その形態が変化する可能性があります。特に、これらの変化は光学顕微鏡下でも観察されました（詳細についてはSI図S11を参照）。この形態学的変化には、微細藻類の生理機能と、細胞体積の増加など細胞形態を変化させることによって自らを防御する微細藻類の能力に、もっともらしい根拠がある61。したがって、実際に Nb-MXene と接触している微細藻類細胞の数を確認することが重要です。SEM 研究では、微細藻類細胞の約 52% が Nb-MXene に曝露され、一方、これらの微細藻類細胞の 48% は接触を回避したことが示されました。SL Nb4C3Tx MXeneの場合、微細藻類はMXeneとの接触を避けようとし、それによって二次元ナノスケールから局在化して成長します（図4c）。しかし、微細藻類細胞へのナノスケールの浸透とその損傷は観察されませんでした。
自己保存は、細胞表面への粒子の吸着と、いわゆるシェーディング（陰影）効果による光合成の阻害に対する時間依存的な反応行動でもあります62。微細藻類と光源の間にある各物体 (たとえば、Nb-MXene ナノフレーク) が、葉緑体によって吸収される光の量を制限していることは明らかです。しかし、これが得られる結果に大きな影響を与えることは疑いの余地がありません。顕微鏡観察によって示されたように、微細藻類細胞がNb-MXenesと接触している場合でも、2Dナノフレークは微細藻類の表面に完全に包まれたり付着したりしませんでした。その代わりに、ナノフレークは表面を覆うことなく微細藻類細胞に向けられることが判明した。このようなナノフレーク/微細藻類のセットは、微細藻類細胞によって吸収される光の量を大幅に制限することはできません。さらに、いくつかの研究では、二次元ナノ材料の存在下で光合成生物による光吸収の改善さえ実証されています63、64、65、66。
SEM 画像では微細藻類細胞によるニオブの取り込みを直接確認できなかったため、この問題を明らかにするために、さらなる研究では蛍光 X 線 (XRF) および X 線光電子分光法 (XPS) 分析に目を向けました。したがって、MXene と相互作用しなかった参照微細藻類サンプル、微細藻類細胞の表面から剥離した MXene ナノフレーク、および付着した MXene を除去した後の微細藻類細胞の Nb ピークの強度を比較しました。Nb の取り込みがない場合、付着したナノスケールを除去した後、微細藻類細胞によって得られる Nb 値はゼロになるはずであることに注目する価値があります。したがって、Nb の取り込みが発生した場合、XRF と XPS の両方の結果で明確な Nb ピークが示されるはずです。
XRFスペクトルの場合、微細藻類サンプルは、SL Nb2CTxおよびNb4C3Tx MXeneとの相互作用後にSL Nb2CTxおよびNb4C3Tx MXeneのNbピークを示しました（図5aを参照、MAXおよびML MXeneの結果がSI、図S12〜C17に示されていることにも注意してください）。興味深いことに、Nb ピークの強度はどちらの場合も同じです (図 5a の赤いバー)。これは、微細藻類の細胞には2倍以上のNb4C3Tx MXeneが付着しているにもかかわらず、藻類がそれ以上のNbを吸収できず、細胞内でNb蓄積の最大能力が達成されたことを示しています（図5aの青いバー）。特に、微細藻類の金属を吸収する能力は、環境中の金属酸化物の濃度に依存します67,68。Shamshada et al.67 は、pH が上昇すると淡水藻類の吸収能力が低下することを発見しました。Raize ら 68 は、海藻の金属吸収能力は、Ni2+ よりも Pb2+ の方が約 25% 高いと指摘しました。
(a) 極端な濃度の SL Nb-MXenes (100 mg L-1) で 72 時間インキュベートした緑微細藻類細胞による基礎 Nb 取り込みの XRF 結果。結果は、純粋な微細藻類細胞 (対照サンプル、灰色の柱)、表面微細藻類細胞から単離された 2D ナノフレーク (青色の柱)、および表面から 2D ナノフレークを分離した後の微細藻類細胞 (赤色の柱) にαが存在することを示しています。Nb元素の量、（ b ）SL Nb-MXeneとのインキュベーション後の微細藻類細胞に存在する微細藻類の有機成分（C = OおよびCHx / C – O）およびNb酸化物の化学組成の割合、（c – e）XPS SL Nb2CTxスペクトルの組成ピークのフィッティング、および（fh）微細藻類細胞によって取り込まれたSL Nb4C3Tx MXene。
したがって、Nb は酸化物の形で藻類細胞に吸収されるのではないかと考えられました。これをテストするために、MXenes Nb2CTx および Nb4C3TX と藻類細胞に対して XPS 研究を実行しました。微細藻類と、Nb-MXene および藻類細胞から単離された MXene との相互作用の結果を図 1 および 2 に示します。5b.予想どおり、微細藻類の表面から MXene を除去した後、微細藻類サンプルで Nb 3d ピークが検出されました。C=O、CHx / CO、およびNb酸化物の定量は、Nb2CTx SL（図5c〜e）およびNb4C3Tx SL（図5c〜e）で得られたNb 3d、O 1s、およびC 1sスペクトルに基づいて計算されました。）培養された微細藻類から得られます。図 5f–h) MXene。表 S1-3 は、フィッティングの結果として得られるピークパラメータと全体的な化学反応の詳細を示しています。Nb2CTx SLおよびNb4C3Tx SLのNb 3d領域（図5c、f）が1つのNb2O5成分に対応していることは注目に値します。ここでは、スペクトル中に MXene 関連のピークは見つかりませんでした。これは、微細藻類の細胞が酸化物型の Nb のみを吸収することを示しています。さらに、C-C、CHx/C-O、C=O、-COOH 成分を使用して C 1 s スペクトルを近似しました。CHx/C–O および C=O のピークを微細藻類細胞の有機的寄与に割り当てました。これらの有機成分は、Nb2CTx SL と Nb4C3TX SL の C 1s ピークのそれぞれ 36% と 41% を占めます。次に、SL Nb2CTx および SL Nb4C3TX の O 1s スペクトルを、Nb2O5、微細藻類の有機成分 (CHx/CO)、および表面吸着水を用いてフィッティングしました。
最後に、XPS の結果は、Nb の存在だけでなく、Nb の形態を明確に示しました。Nb 3d 信号の位置とデコンボリューションの結果によると、Nb は酸化物の形でのみ吸収され、イオンや MXene 自体は吸収されないことが確認されます。さらに、XPS の結果は、微細藻類細胞が SL Nb4C3TX MXene と比較して SL Nb2CTx から Nb 酸化物を取り込む能力が高いことを示しました。
Nb 取り込みの結果は印象的であり、MXene の分解を特定することができますが、2D ナノフレークの関連する形態学的変化を追跡するために利用できる方法はありません。したがって、2D Nb-MXene ナノフレークや微細藻類細胞で発生するあらゆる変化に直接対応できる適切な方法を開発することも決定しました。相互作用する種が何らかの変形、分解、または断片化を起こした場合、これは、等価円領域の直径、真円度、フェレの幅、またはフェレの長さなどの形状パラメータの変化としてすぐに現れるはずであると仮定していることに注意することが重要です。これらのパラメータは細長い粒子または二次元ナノフレークを記述するのに適しているため、動的粒子形状解析によるパラメータの追跡により、還元中の SL Nb-MXene ナノフレークの形態変化に関する貴重な情報が得られます。
得られた結果を図 6 に示します。比較のために、元の MAX フェーズと ML-MXene もテストしました (SI 図 S18 および S19 を参照)。粒子形状の動的解析により、2 つの Nb-MXene SL のすべての形状パラメーターが微細藻類との相互作用後に大幅に変化することが示されました。等価円面積直径パラメータ（図６ａ、ｂ）によって示されるように、大きなナノフレークの部分のピーク強度の減少は、それらがより小さな断片に崩壊する傾向があることを示している。図上。図６ｃ、ｄは、フレークの横方向のサイズ（ナノフレークの伸び）に関連するピークの減少を示し、２Ｄナノフレークがより粒子状の形状に変形したことを示している。図 6e ～ h は、それぞれフェレットの幅と長さを示しています。フェレットの幅と長さは相補的なパラメータであるため、一緒に考慮する必要があります。微細藻類の存在下で 2D Nb-MXene ナノフレークをインキュベートした後、フェレット相関ピークがシフトし、その強度が減少しました。形態、XRF、XPS と組み合わせたこれらの結果に基づいて、酸化された MXene はよりしわになり、フラグメントと球状酸化物粒子に分解されるため、観察された変化は酸化に強く関係していると結論付けました 69,70。
緑色微細藻類との相互作用後のMXene変換の分析。動的粒子形状解析では、(a、b) 等価円面積の直径、(c、d) 真円度、(e、f) フェレ幅、(g、h) フェレ長さなどのパラメータが考慮されます。この目的を達成するために、2 つの参照微細藻類サンプルを、初代 SL Nb2CTx および SL Nb4C3Tx MXene、SL Nb2CTx および SL Nb4C3Tx MXene、分解微細藻類、および処理微細藻類 SL Nb2CTx および SL Nb4C3Tx MXene とともに分析しました。赤い矢印は、研究された二次元ナノフレークの形状パラメータの推移を示しています。
形状パラメータ解析は非常に信頼性が高いため、微細藻類細胞の形態学的変化を明らかにすることもできます。したがって、純粋な微細藻類細胞と 2D Nb ナノフレークとの相互作用後の細胞の等価円面積直径、真円度、フェレット幅/長さを分析しました。図上。図6a〜hは、ピーク強度の減少と最大値のより高い値へのシフトによって証明されるように、藻類細胞の形状パラメーターの変化を示しています。特に、細胞の真円度パラメータは、細長い細胞の減少と球状細胞の増加を示しました（図6a、b）。さらに、フェレット細胞の幅は、SL Nb4C3TX MXene（図6f）と比較して、SL Nb2CTx MXene（図6e）との相互作用後に数マイクロメートル増加しました。これは、Nb2CTx SR との相互作用による微細藻類による Nb 酸化物の強力な取り込みによるものではないかと考えられます。Nb フレークの表面への固着が弱いと、シェーディング効果を最小限に抑えながらセルが成長する可能性があります。
微細藻類の形状とサイズのパラメーターの変化に関する私たちの観察は、他の研究を補完します。緑色微細藻類は、細胞のサイズ、形状、代謝を変化させることにより、環境ストレスに応じてその形態を変化させることができます61。たとえば、細胞のサイズを変えると栄養素の吸収が促進されます71。藻類の細胞が小さくなると、栄養素の取り込みが低くなり、成長速度が低下します。逆に、大きな細胞はより多くの栄養素を消費する傾向があり、その栄養素は細胞内に蓄積されます 72,73。マチャドとソアレスは、殺菌剤トリクロサンが細胞サイズを増大させる可能性があることを発見した。彼らはまた、藻類の形状に大きな変化があることも発見した74。さらに、ying et al.9 は、還元酸化グラフェンナノ複合材料に曝露された後の藻類の形態学的変化も明らかにしました。したがって、微細藻類のサイズ/形状パラメーターの変化が MXene の存在によって引き起こされることは明らかです。サイズと形状のこの変化は栄養素の取り込みの変化を示しているため、サイズと形状のパラメーターを経時的に分析することで、Nb-MXene の存在下での微細藻類による酸化ニオブの取り込みを実証できると考えられます。
さらに、MXene は藻類の存在下で酸化される可能性があります。Dalai ら 75 は、ナノ TiO2 および Al2O376 に曝露された緑藻の形態が均一ではないことを観察しました。我々の観察は本研究と似ていますが、ナノ粒子ではなく2Dナノフレークの存在下でのMXene分解生成物に関するバイオレメディエーションの効果の研究にのみ関連しています。MXene は金属酸化物に分解される可能性があるため 31、32、77、78、Nb ナノフレークも微細藻類細胞と相互作用した後に Nb 酸化物を形成できると考えるのが合理的です。
酸化プロセスに基づく分解メカニズムによる2D-Nbナノフレークの還元を説明するために、高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）（図7a、b）およびX線光電子分光法（XPS）（図7）を使用した研究を実施しました。7c〜iおよび表S4〜5）。どちらのアプローチも 2D 材料の酸化を研究するのに適しており、相互に補完します。HRTEM は二次元層状構造の劣化とその後の金属酸化物ナノ粒子の出現を分析できますが、XPS は表面結合に敏感です。この目的のために、微細藻類細胞分散液から抽出した 2D Nb-MXene ナノフレーク、つまり微細藻類細胞との相互作用後の形状をテストしました (図 7 を参照)。
酸化された（a）SL Nb2CTxおよび（b）SL Nb4C3Tx MXeneの形態を示すHRTEM画像、（c）還元後の酸化物生成物の組成を示すXPS分析結果、（d〜f）SL Nb2CTxおよび（g〜i）緑色微細藻類で修復されたNb4C3Tx SLのXPSスペクトルの成分のピークマッチング。
HRTEM 研究により、2 種類の Nb-MXene ナノフレークの酸化が確認されました。ナノフレークは二次元形態をある程度保持していましたが、酸化によりMXeneナノフレークの表面を覆う多くのナノ粒子が出現しました（図7a、bを参照）。c Nb 3d および O 1s シグナルの XPS 分析により、どちらの場合でも Nb 酸化物が形成されたことが示されました。図7cに示すように、2D MXene Nb2CTx および Nb4C3TX には、NbO および Nb2O5 酸化物の存在を示す Nb 3d シグナルがあり、O 1s シグナルは 2D ナノフレーク表面の機能化に関連する O-Nb 結合の数を示します。Nb-C や Nb3+-O と比較して、Nb 酸化物の寄与が支配的であることがわかりました。
図上。図7g〜iは、微細藻類細胞から単離されたNb 3d、C 1s、およびO 1s SL Nb2CTx（図7d〜fを参照）およびSL Nb4C3TX MXeneのXPSスペクトルを示しています。Nb-MXenes ピークパラメータの詳細は、それぞれ表 S4 ～ 5 に示されています。まず、Nb 3d の組成を分析しました。微細藻類細胞によって吸収される Nb とは対照的に、微細藻類細胞から分離された MXene では、Nb2O5 以外の他の成分が検出されました。Nb2CTx SL では、15% の量で Nb3+-O の寄与が観察されましたが、Nb 3d スペクトルの残りは Nb2O5 (85%) によって占められていました。さらに、SL Nb4C3TX サンプルには、Nb-C (9%) および Nb2O5 (91%) 成分が含まれています。ここで、Nb-C は、Nb4C3Tx SR の金属炭化物の 2 つの内部原子層に由来します。次に、内部移行サンプルの場合と同様に、C 1s スペクトルを 4 つの異なる成分にマッピングします。予想どおり、C 1s スペクトルは黒鉛状炭素が大半を占め、微細藻類細胞からの有機粒子 (CHx/CO および C=O) がそれに続きます。さらに、O 1s スペクトルでは、有機形態の微細藻類細胞、酸化ニオブ、および吸着水の寄与が観察されました。
さらに、Nb-MXenes の切断が栄養培地および/または微細藻類細胞中の活性酸素種 (ROS) の存在と関連しているかどうかを調査しました。この目的を達成するために、培養培地中の一重項酸素 (1O2) および微細藻類で抗酸化物質として機能するチオールである細胞内グルタチオンのレベルを評価しました。結果はSIに示されています（図S20およびS21）。SL Nb2CTx および Nb4C3TX MXene を含む培養物は、1O2 の量が減少していることが特徴でした (図 S20 を参照)。SL Nb2CTx の場合、MXene 1O2 は約 83% に減少します。SL を使用した微細藻類培養では、Nb4C3TX 1O2 はさらに減少し、73% になりました。興味深いことに、1O2 の変化は、以前に観察された抑制-刺激効果と同じ傾向を示しました (図 3 を参照)。明るい光の下でインキュベートすると光酸化が変化する可能性があると主張できます。ただし、対照分析の結果は、実験中ほぼ一定のレベルの1O2を示しました（図S22）。細胞内 ROS レベルの場合も、同様の低下傾向が観察されました (図 S21 を参照)。当初、Nb2CTx および Nb4C3Tx SL の存在下で培養された微細藻類細胞の ROS レベルは、微細藻類の純粋培養で見られるレベルを超えていました。しかし、最終的には、SL Nb2CTx および Nb4C3TX を接種した微細藻類の純粋培養で測定された ROS レベルの 85% および 91% に ROS レベルが減少したため、微細藻類は両方の Nb-MXene の存在に適応したようです。これは、微細藻類が栄養培地単独の場合よりも Nb-MXene の存在下で時間の経過とともにより快適に感じることを示している可能性があります。
微細藻類は、光合成生物の多様なグループです。光合成中に、大気中の二酸化炭素 (CO2) を有機炭素に変換します。光合成の生成物はグルコースと酸素です79。このようにして形成された酸素が、Nb-MXene の酸化に重要な役割を果たしているのではないかと考えられます。これについて考えられる説明の 1 つは、Nb-MXene ナノフレークの外側と内側の低酸素分圧と高酸素分圧で差分通気パラメータが形成されるということです。これは、異なる酸素分圧の領域が存在する場合はどこであっても、最低レベルの領域がアノード80、81、82を形成することを意味する。ここで、微細藻類はMXeneフレークの表面上に異なる通気をした細胞の生成に寄与し、その光合成特性により酸素を生成する。その結果、生物腐食生成物 (この場合は酸化ニオブ) が形成されます。もう一つの側面は、微細藻類が水中に放出される有機酸を生成できることです83,84。したがって、攻撃的な環境が形成され、Nb-MXene が変化します。さらに、微細藻類は二酸化炭素の吸収により環境の pH をアルカリ性に変化させる可能性があり、これも腐食を引き起こす可能性があります 79。
さらに重要なのは、私たちの研究で使用された暗/明の日長は、得られた結果を理解するために重要です。この側面については、Djemai-Zoghlache et al. に詳しく説明されています。彼らは、赤色微細藻類 Porphyridium purpureum による生物付着に関連する生物腐食を実証するために、意図的に 12/12 時間の光周期を使用しました。彼らは、光周期が生物腐食を伴わない電位の進化に関連しており、24:00 付近の擬似周期振動として現れることを示しています。これらの観察は、Dowling らによって確認されました。彼らはシアノバクテリア アナベナの光合成バイオフィルムを実証しました。光の作用下で溶存酸素が形成され、これは自由生物腐食電位の変化または変動に関連します。光周期の重要性は、生物腐食の自由電位が明相では増加し、暗相では減少するという事実によって強調されます。これは、光合成微細藻類によって生成される酸素によるもので、電極付近で生成される分圧を通じて陰極反応に影響を与えます87。
さらに、フーリエ変換赤外分光法 (FTIR) を実行して、Nb-MXene との相互作用後に微細藻類細胞の化学組成に何らかの変化が起こったかどうかを調べました。これらの得られた結果は複雑であり、それらを SI に示します (MAX ステージと ML MXene の結果を含む図 S23 ～ S25)。つまり、微細藻類の取得された参照スペクトルは、これらの生物の化学的特性に関する重要な情報を提供します。これらの最も可能性の高い振動は、周波数 1060 cm-1 (CO)、1540 cm-1、1640 cm-1 (C=C)、1730 cm-1 (C=O)、2850 cm-1、2920 cm-1 にあります。一。1 1 (C-H) および 3280 cm-1 (O-H)。SL Nb-MXene については、以前の研究と一致する CH 結合の伸縮の特徴が見つかりました 38。ただし、C=C および CH 結合に関連するいくつかの追加のピークが消失していることが観察されました。これは、微細藻類の化学組成が SL Nb-MXene との相互作用によりわずかな変化を受ける可能性があることを示しています。
微細藻類の生化学の変化の可能性を考慮する場合、酸化ニオブなどの無機酸化物の蓄積を再考する必要があります59。それは、細胞表面による金属の取り込み、細胞質への輸送、細胞内カルボキシル基との結合、および微細藻類のポリホスホソームへの蓄積に関与しています20、88、89、90。さらに、微細藻類と金属の関係は細胞の機能群によって維持されています。このため、吸収は微細藻類の表面化学にも依存しており、これは非常に複雑です9,91。一般に、予想どおり、緑色微細藻類の化学組成は、酸化ニオブの吸収によりわずかに変化しました。
興味深いことに、観察された微細藻類の初期阻害は時間の経過とともに可逆的でした。私たちが観察したように、微細藻類は最初の環境変化を克服し、最終的には通常の成長速度に戻り、さらには増加しました。ゼータ電位の研究では、栄養培地に導入された場合に高い安定性が示されています。したがって、微細藻類細胞とNb-MXeneナノフレークの間の表面相互作用は、還元実験全体を通じて維持されました。さらなる分析では、微細藻類のこの驚くべき挙動の根底にある主な作用機序を要約します。
SEM 観察により、微細藻類は Nb-MXene に付着する傾向があることが示されました。動的画像解析を使用して、この効果が二次元Nb-MXeneナノフレークのより球形の粒子への変換をもたらすことを確認し、それによってナノフレークの分解が酸化に関連していることを実証しました。私たちの仮説を検証するために、私たちは一連の材料研究と生化学研究を実施しました。テスト後、ナノフレークは徐々に酸化して NbO と Nb2O5 生成物に分解されましたが、緑色微細藻類に脅威を与えることはありませんでした。FTIR観察を使用して、2D Nb-MXeneナノフレークの存在下でインキュベートした微細藻類の化学組成に大きな変化がないことがわかりました。酸化ニオブが微細藻類に吸収される可能性を考慮して、蛍光X線分析を行った。これらの結果は、調査対象の微細藻類が、調査対象の微細藻類にとって無毒である酸化ニオブ (NbO および Nb2O5) を餌としていることを明確に示しています。