Ви благодариме што ја посетивте Nature.com.Користите верзија на прелистувач со ограничена поддршка за CSS.За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer).Во меѓувреме, за да обезбедиме континуирана поддршка, ќе ја направиме страницата без стилови и JavaScript.
Прикажува рингишпил од три слајдови одеднаш.Користете ги копчињата Previous и Next за да се движите низ три слајдови истовремено или користете ги копчињата за лизгање на крајот за да се движите низ три слајдови истовремено.
Брзиот развој на нанотехнологијата и нејзината интеграција во секојдневните апликации може да ја загрозат животната средина.Додека зелените методи за разградување на органски загадувачи се добро воспоставени, обновувањето на неорганските кристални загадувачи е од голема загриженост поради нивната ниска чувствителност на биотрансформација и недостаток на разбирање на интеракциите на материјалната површина со биолошките.Овде, ние користиме неоргански 2D MXenes модел базиран на Nb во комбинација со едноставен метод за анализа на параметрите на обликот за да го следиме механизмот за биоремедијација на 2D керамички наноматеријали од зелената микроалга Raphidocelis subcapitata.Откривме дека микроалгите ги разградуваат MXen-ите базирани на Nb поради физичко-хемиските интеракции поврзани со површината.Првично, еднослојните и повеќеслојните нано снегулки MXene беа прикачени на површината на микроалгите, што донекаде го намали растот на алгите.Меѓутоа, по продолжена интеракција со површината, микроалгите ги оксидирале нано снегулките MXene и понатаму ги разложувале на NbO и Nb2O5.Бидејќи овие оксиди не се токсични за клетките на микроалгите, тие трошат наночестички од Nb оксид со механизам за апсорпција што дополнително ги обновува микроалгите по 72 часа третман на вода.Ефектите на хранливите материи поврзани со апсорпцијата се рефлектираат и во зголемувањето на волуменот на клетките, нивната мазна форма и промената на стапката на раст.Врз основа на овие наоди, заклучуваме дека краткорочното и долгорочното присуство на MXenes базирани на Nb во слатководните екосистеми може да предизвика само мали влијанија врз животната средина.Вреди да се одбележи дека, користејќи дводимензионални наноматеријали како моделски системи, ја демонстрираме можноста за следење на трансформацијата на обликот дури и во ситнозрнести материјали.Севкупно, оваа студија одговара на важното фундаментално прашање за процесите поврзани со површинската интеракција што го поттикнуваат механизмот за биоремедијација на 2D наноматеријалите и обезбедува основа за понатамошни краткорочни и долгорочни студии за влијанието врз животната средина на неорганските кристални наноматеријали.
Наноматеријалите предизвикаа голем интерес од нивното откритие, а различни нанотехнологии неодамна влегоа во фаза на модернизација1.За жал, интеграцијата на наноматеријалите во секојдневните апликации може да доведе до случајно ослободување поради неправилно отстранување, невнимателно ракување или несоодветна безбедносна инфраструктура.Затоа, разумно е да се претпостави дека наноматеријалите, вклучувајќи ги и дводимензионалните (2D) наноматеријали, може да се испуштат во природната средина, чие однесување и биолошка активност сè уште не се целосно разбрани.Затоа, не е изненадувачки што загриженоста за екотоксичност се фокусираше на способноста на 2D наноматеријалите да се исцедат во водните системи2,3,4,5,6.Во овие екосистеми, некои 2D наноматеријали можат да комуницираат со различни организми на различни трофични нивоа, вклучувајќи ги и микроалгите.
Микроалгите се примитивни организми кои се наоѓаат природно во слатководните и морските екосистеми кои произведуваат различни хемиски производи преку фотосинтеза7.Како такви, тие се критични за водните екосистеми8,9,10,11,12, но исто така се чувствителни, евтини и широко користени индикатори за екотоксичност13,14.Бидејќи клетките на микроалгите брзо се размножуваат и брзо реагираат на присуството на различни соединенија, тие ветуваат развој на еколошки методи за третирање на вода загадена со органски материи15,16.
Клетките на алгите можат да ги отстранат неорганските јони од водата преку биосорбција и акумулација17,18.Некои видови алги како што се Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue и Synechococcus sp.Утврдено е дека носи, па дури и храни токсични метални јони како што се Fe2+, Cu2+, Zn2+ и Mn2+19.Други студии покажаа дека јоните Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ или Pb2+ го ограничуваат растот на Scenedesmus со менување на клеточната морфологија и уништување на нивните хлоропласти20,21.
Зелените методи за распаѓање на органски загадувачи и отстранување на јони на тешки метали го привлекоа вниманието на научниците и инженерите ширум светот.Ова главно се должи на фактот што овие загадувачи лесно се обработуваат во течна фаза.Сепак, неорганските кристални загадувачи се карактеризираат со ниска растворливост во вода и ниска подложност на различни биотрансформации, што предизвикува големи тешкотии во санирањето, а мал напредок е постигнат во оваа област22,23,24,25,26.Така, потрагата по еколошки решенија за поправка на наноматеријали останува сложена и неистражена област.Поради високиот степен на несигурност во однос на биотрансформационите ефекти на 2D наноматеријалите, не постои лесен начин да се дознаат можните патишта на нивното разградување при редукција.
Во оваа студија, користевме зелени микроалги како активен воден биоремедијациски агенс за неоргански керамички материјали, во комбинација со in situ следење на процесот на деградација на MXene како претставник на неоргански керамички материјали.Терминот „MXene“ ја рефлектира стехиометријата на материјалот Mn+1XnTx, каде што M е ран преоден метал, X е јаглерод и/или азот, Tx е површински терминатор (на пример, -OH, -F, -Cl) и n = 1, 2, 3 или 427,28.Од откривањето на MXenes од Naguib et al.Сензори, терапија за рак и мембранска филтрација 27,29,30.Дополнително, MXenes може да се сметаат како модели на 2D системи поради нивната одлична колоидна стабилност и можните биолошки интеракции31,32,33,34,35,36.
Затоа, методологијата развиена во овој напис и нашите истражувачки хипотези се прикажани на слика 1. Според оваа хипотеза, микроалгите ги разградуваат MXen-ите базирани на Nb во нетоксични соединенија поради физичко-хемиските интеракции поврзани со површината, што овозможува понатамошно обновување на алгите.За да се тестира оваа хипотеза, беа избрани два члена од семејството на рани карбиди и/или нитриди на преодни метали базирани на ниобиум (MXenes), имено Nb2CTx и Nb4C3TX.
Методологија на истражување и хипотези засновани на докази за обновување на MXene од зелените микроалги Raphidocelis subcapitata.Ве молиме имајте предвид дека ова е само шематски приказ на претпоставки засновани на докази.Езерската средина се разликува по употребениот хранлив медиум и условите (на пр., дневниот циклус и ограничувањата во достапните основни хранливи материи).Создаден со BioRender.com.
Затоа, со користење на MXene како модел систем, ја отворивме вратата за проучување на различни биолошки ефекти кои не можат да се забележат со други конвенционални наноматеријали.Конкретно, ја демонстрираме можноста за биоремедијација на дводимензионални наноматеријали, како што се MXenes базирани на ниобиум, од микроалгите Raphidocelis subcapitata.Микроалгите се способни да ги разградат Nb-MXenes во нетоксични оксиди NbO и Nb2O5, кои исто така обезбедуваат хранливи материи преку механизмот за навлегување на ниобиум.Генерално, оваа студија одговара на важно фундаментално прашање за процесите поврзани со површинските физичко-хемиски интеракции кои управуваат со механизмите на биоремедијација на дводимензионални наноматеријали.Дополнително, развиваме едноставен метод базиран на параметри на форма за следење на суптилните промени во обликот на 2D наноматеријалите.Ова инспирира понатамошни краткорочни и долгорочни истражувања за различните влијанија врз животната средина на неорганските кристални наноматеријали.Така, нашата студија го зголемува разбирањето на интеракцијата помеѓу површината на материјалот и биолошкиот материјал.Ние, исто така, обезбедуваме основа за проширени краткорочни и долгорочни студии за нивните можни влијанија врз слатководните екосистеми, кои сега може лесно да се проверат.
MXenes претставуваат интересна класа на материјали со уникатни и атрактивни физички и хемиски својства и затоа многу потенцијални апликации.Овие својства во голема мера зависат од нивната стехиометрија и хемија на површината.Затоа, во нашата студија, истражувавме два типа на Nb-базирани хиерархиски еднослојни MXenes (SL), Nb2CTx и Nb4C3TX, бидејќи може да се забележат различни биолошки ефекти на овие наноматеријали.MXen-ите се произведуваат од нивните почетни материјали со селективно гравирање одозгора надолу на атомски тенки MAX-фазни А-слоеви.Фазата MAX е тројна керамика составена од „сврзани“ блокови од преодни метални карбиди и тенки слоеви „А“ елементи како што се Al, Si и Sn со стехиометрија MnAXn-1.Морфологијата на почетната MAX фаза беше забележана со скенирачка електронска микроскопија (SEM) и беше во согласност со претходните студии (Види Дополнителни информации, SI, Слика S1).Повеќеслоен (ML) Nb-MXene е добиен по отстранување на слојот Al со 48% HF (флуороводородна киселина).Морфологијата на ML-Nb2CTx и ML-Nb4C3TX беше испитувана со скенирана електронска микроскопија (SEM) (слики S1c и S1d соодветно) и беше забележана типична морфологија на слоевит MXene, слична на дводимензионалните нано снегулки кои минуваат низ издолжени осветлени пори.Двата Nb-MXen имаат многу заедничко со MXene фазите претходно синтетизирани со киселинско офорт27,38.Откако ја потврдивме структурата на MXene, го слоевивме со интеркалација на тетрабутиламониум хидроксид (TBAOH) проследено со миење и соникација, по што добивме еднослојни или нискослојни (SL) 2D Nb-MXene нанофлекси.
Користивме преносна електронска микроскопија со висока резолуција (HRTEM) и дифракција на Х-зраци (XRD) за да ја тестираме ефикасноста на офорт и дополнително лупење.Резултатите од HRTEM обработени со помош на инверзна брза фуриеова трансформација (IFFT) и брза фуриеова трансформација (FFT) се прикажани на сл. 2. Нанофлуичките Nb-MXene беа ориентирани на работ нагоре за да се провери структурата на атомскиот слој и да се измерат меѓупланарните растојанија.Сликите на HRTEM на нано снегулките MXene Nb2CTx и Nb4C3TX ја открија нивната атомски тенкослојна природа (види Сл. 2a1, a2), како што претходно објавија Naguib et al.27 и Jastrzębska et al.38.За два соседни Nb2CTx и Nb4C3Tx еднослојни, утврдивме меѓуслојни растојанија од 0,74 и 1,54 nm, соодветно (сл. 2b1,b2), што исто така се согласува со нашите претходни резултати38.Ова беше дополнително потврдено со инверзната брза Фуриеова трансформација (сл. 2c1, c2) и брзата Фуриеова трансформација (сл. 2d1, d2) што го покажува растојанието помеѓу Nb2CTx и Nb4C3Tx монослоевите.Сликата покажува алтернација на светли и темни ленти што одговараат на атомите на ниобиум и јаглерод, што ја потврдува слоевитата природа на проучуваните MXenes.Важно е да се забележи дека енергетските дисперзивни спектроскопија на Х-зраци (EDX) добиени за Nb2CTx и Nb4C3Tx (слики S2a и S2b) не покажаа остаток од оригиналната MAX фаза, бидејќи не беше откриен врв Al.
Карактеризација на SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene нано снегулки, вклучувајќи (а) електронска микроскопија со висока резолуција (HRTEM) страничен приказ 2D нано снегулки и соодветните, (б) режим на интензитет, (в) инверзна брза Фуриеова трансформација (IFFT), (г) брзи фуриеови шаблони (ФФТ).За SL 2D Nb2CTx, броевите се изразуваат како (a1, b1, c1, d1, e1).За SL 2D Nb4C3Tx, броевите се изразуваат како (a2, b2, c2, d2, e1).
Мерењата на дифракција на Х-зраци на SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXenes се прикажани на сл.2e1 и e2, соодветно.Врвовите (002) на 4,31 и 4,32 одговараат на претходно опишаните слоевити MXenes Nb2CTx и Nb4C3TX38,39,40,41 соодветно.Резултатите од XRD исто така укажуваат на присуство на некои преостанати ML структури и MAX фази, но главно XRD обрасци поврзани со SL Nb4C3Tx (сл. 2e2).Присуството на помали честички од фазата MAX може да го објасни посилниот врв MAX во споредба со случајно наредените слоеви Nb4C3Tx.
Понатамошните истражувања се фокусираа на зелените микроалги кои припаѓаат на видот R. subcapitata.Ги избравме микроалгите бидејќи тие се важни производители вклучени во главните прехранбени мрежи42.Тие се и еден од најдобрите показатели за токсичност поради способноста да се отстранат токсичните материи кои се носат на повисоките нивоа на синџирот на исхрана43.Дополнително, истражувањето на R. subcapitata може да фрли светлина врз случајната токсичност на SL Nb-MXenes за обичните слатководни микроорганизми.За да го илустрираат ова, истражувачите поставија хипотеза дека секој микроб има различна чувствителност на токсичните соединенија присутни во околината.За повеќето организми, ниските концентрации на супстанции не влијаат на нивниот раст, додека концентрациите над одредена граница може да ги инхибираат или дури и да предизвикаат смрт.Затоа, за нашите студии за површинската интеракција помеѓу микроалгите и MXenes и поврзаното обновување, решивме да ги тестираме безопасните и токсичните концентрации на Nb-MXenes.За да го направите ова, тестиравме концентрации од 0 (како референца), 0,01, 0,1 и 10 mg l-1 MXene и дополнително инфицирани микроалги со многу високи концентрации на MXene (100 mg l-1 MXene), што може да биде екстремно и смртоносно..за секоја биолошка средина.
Ефектите на SL Nb-MXenes врз микроалгите се прикажани на слика 3, изразени како процент на поттикнување на растот (+) или инхибиција (-) измерен за примероци од 0 mg l-1.За споредба, фазата Nb-MAX и ML Nb-MXenes беа исто така тестирани и резултатите се прикажани во SI (види Сл. S3).Добиените резултати потврдија дека SL Nb-MXenes е речиси целосно лишен од токсичност во опсегот на ниски концентрации од 0,01 до 10 mg/l, како што е прикажано на Сл. 3а,б.Во случајот со Nb2CTx, забележавме не повеќе од 5% екотоксичност во наведениот опсег.
Стимулација (+) или инхибиција (-) на растот на микроалгите во присуство на SL (а) Nb2CTx и (б) Nb4C3TX MXene.Анализирани се 24, 48 и 72 часа интеракција MXene-микроалги. Значајните податоци (т-тест, p <0,05) беа означени со ѕвездичка (*). Значајните податоци (т-тест, p <0,05) беа означени со ѕвездичка (*). Значимые данные (t-критерий, стр < 0,05) отмечены звездочкой (*). Значајните податоци (т-тест, p <0,05) се означени со ѕвездичка (*).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 (т-тест, стр < 0,05) отмечены звездочкой (*). Важните податоци (т-тест, p <0,05) се означени со ѕвездичка (*).Црвените стрелки укажуваат на укинување на инхибиторната стимулација.
Од друга страна, ниските концентрации на Nb4C3TX се покажаа малку потоксични, но не повисоки од 7%.Како што се очекуваше, забележавме дека MXenes имаа поголема токсичност и инхибиција на растот на микроалгите на 100 mg L-1.Интересно, ниту еден од материјалите не го покажа истиот тренд и временска зависност на атотоксичните/токсични ефекти во споредба со примероците MAX или ML (видете SI за детали).Додека за фазата MAX (види Сл. S3) токсичноста достигна приближно 15-25% и се зголеми со текот на времето, обратниот тренд беше забележан за SL Nb2CTx и Nb4C3TX MXene.Инхибицијата на растот на микроалгите се намалува со текот на времето.Постигна приближно 17% по 24 часа и падна на помалку од 5% по 72 часа (сл. 3а, б, соодветно).
Уште поважно, за SL Nb4C3TX, инхибицијата на растот на микроалгите достигна околу 27% по 24 часа, но по 72 часа се намали на околу 1%.Затоа, набљудуваниот ефект го означивме како инверзна инхибиција на стимулацијата, а ефектот беше посилен за SL Nb4C3TX MXene.Стимулацијата на растот на микроалгите беше забележана порано со Nb4C3TX (интеракција на 10 mg L-1 за 24 часа) во споредба со SL Nb2CTx MXene.Ефектот на превртување на инхибиција-стимулација беше исто така добро прикажан во кривата на стапката на удвојување на биомасата (види Сл. S4 за детали).Досега, само екотоксичноста на Ti3C2TX MXene е проучувана на различни начини.Не е токсичен за ембрионите од риба зебра44, но умерено екотоксичен за микроалгите Desmodesmus quadricauda и растенијата Sorghum saccharatum45.Други примери на специфични ефекти вклучуваат поголема токсичност за клеточните линии на ракот отколку за нормалните клеточни линии46,47.Може да се претпостави дека условите за тестирање ќе влијаат на промените во растот на микроалгите забележани во присуство на Nb-MXenes.На пример, pH од околу 8 во стромата на хлоропластот е оптимална за ефикасно функционирање на ензимот RuBisCO.Затоа, промените на рН негативно влијаат на брзината на фотосинтезата48,49.Сепак, не забележавме значителни промени во pH за време на експериментот (види SI, Сл. S5 за детали).Општо земено, културите на микроалги со Nb-MXenes малку ја намалија pH вредноста на растворот со текот на времето.Сепак, ова намалување беше слично на промената на pH вредноста на чист медиум.Дополнително, опсегот на пронајдени варијации беше сличен на оној измерен за чиста култура на микроалги (контролен примерок).Така, заклучуваме дека фотосинтезата не е под влијание на промените во pH со текот на времето.
Покрај тоа, синтетизираните MXenes имаат површински завршетоци (означени како Tx).Тоа се главно функционални групи -O, -F и -OH.Сепак, хемијата на површината е директно поврзана со методот на синтеза.Познато е дека овие групи се случајно распоредени по површината, што го отежнува предвидувањето на нивниот ефект врз својствата на MXene50.Може да се тврди дека Tx може да биде каталитичка сила за оксидација на ниобиум со светлина.Површинските функционални групи навистина обезбедуваат повеќе места за прицврстување за нивните основни фотокатализатори за да формираат хетероврзници51.Сепак, составот на медиумот за раст не обезбеди ефективен фотокатализатор (детален состав на медиумот може да се најде во SI Табела S6).Дополнително, секоја модификација на површината е исто така многу важна, бидејќи биолошката активност на MXenes може да се промени поради пост-обработка на слојот, оксидација, хемиска модификација на површината на органски и неоргански соединенија52,53,54,55,56 или инженерство на површински полнеж38.Затоа, за да тестираме дали ниобиум оксидот има некаква врска со материјалната нестабилност во медиумот, спроведовме студии за потенцијалот зета (ζ) во медиумот за раст на микроалгите и дејонизираната вода (за споредба).Нашите резултати покажуваат дека SL Nb-MXenes се прилично стабилни (види SI Сл. S6 за MAX и ML резултати).Зета потенцијалот на SL MXenes е околу -10 mV.Во случајот на SR Nb2CTx, вредноста на ζ е нешто понегативна од онаа на Nb4C3Tx.Таквата промена на вредноста ζ може да укаже дека површината на негативно наелектризираните нано снегулки MXene апсорбира позитивно наелектризирани јони од медиумот за култура.Временските мерења на зета потенцијалот и спроводливоста на Nb-MXenes во медиумот за култура (видете ги сликите S7 и S8 во SI за повеќе детали) се чини дека ја поддржуваат нашата хипотеза.
Сепак, и двете Nb-MXene SL покажаа минимални промени од нула.Ова јасно ја покажува нивната стабилност во медиумот за раст на микроалгите.Дополнително, проценивме дали присуството на нашите зелени микроалги ќе влијае на стабилноста на Nb-MXenes во медиумот.Резултатите од зета потенцијалот и спроводливоста на MXenes по интеракцијата со микроалгите во хранливите медиуми и културата со текот на времето може да се најдат во SI (слики S9 и S10).Интересно, забележавме дека присуството на микроалги се чинеше дека ја стабилизира дисперзијата на двата MXen.Во случај на Nb2CTx SL, зета потенцијалот дури и малку се намали со текот на времето до повеќе негативни вредности (-15,8 наспроти -19,1 mV по 72 часа инкубација).Зета потенцијалот на SL Nb4C3TX незначително се зголеми, но по 72 часа сепак покажа поголема стабилност од нанофлаксите без присуство на микроалги (-18,1 наспроти -9,1 mV).
Најдовме и пониска спроводливост на растворите на Nb-MXene инкубирани во присуство на микроалги, што укажува на помала количина на јони во хранливата средина.Имено, нестабилноста на MXenes во водата главно се должи на површинската оксидација57.Затоа, се сомневаме дека зелените микроалги на некој начин ги исчистиле оксидите формирани на површината на Nb-MXene и дури спречиле нивно појавување (оксидација на MXene).Ова може да се види со проучување на видовите на супстанции апсорбирани од микроалгите.
Додека нашите екотоксиколошки студии покажаа дека микроалгите беа способни да ја надминат токсичноста на Nb-MXenes со текот на времето и невообичаената инхибиција на стимулираниот раст, целта на нашата студија беше да ги истражиме можните механизми на дејство.Кога организмите како што се алгите се изложени на соединенија или материјали непознати за нивните екосистеми, тие може да реагираат на различни начини58,59.Во отсуство на токсични метални оксиди, микроалгите можат да се хранат самите себе, овозможувајќи им да растат континуирано60.По ингестија на токсични материи, може да се активираат одбранбени механизми, како што е промена на обликот или формата.Мора да се земе предвид и можноста за апсорпција58,59.Имено, секој знак за одбранбен механизам е јасен показател за токсичноста на тест соединението.Затоа, во нашата понатамошна работа, ја истражувавме потенцијалната површинска интеракција помеѓу нано снегулките SL Nb-MXene и микроалгите со SEM и можната апсорпција на MXene базиран на Nb со спектроскопија на флуоресценција на Х-зраци (XRF).Забележете дека SEM и XRF анализите беа направени само при највисока концентрација на MXene за да се решат проблемите со токсичноста на активноста.
Резултатите од SEM се прикажани на сл.4.Нетретираните микроалги клетки (види Сл. 4а, референтен примерок) јасно покажаа типична морфологија на R. subcapitata и форма на клетка слична на кроасан.Клетките изгледаат срамнети со земја и донекаде неорганизирани.Некои клетки од микроалги се преклопувале и се заплеткале една со друга, но тоа веројатно било предизвикано од процесот на подготовка на примерокот.Генерално, чистите микроалги клетки имале мазна површина и не покажувале никакви морфолошки промени.
SEM слики кои покажуваат површинска интеракција помеѓу зелените микроалги и нанолистите MXene по 72 часа интеракција при екстремна концентрација (100 mg L-1).(а) Нетретирани зелени микроалги по интеракција со SL (б) Nb2CTx и (в) Nb4C3TX MXenes.Забележете дека нано снегулките Nb-MXene се означени со црвени стрелки.За споредба, додадени се и фотографии од оптички микроскоп.
Спротивно на тоа, клетките на микроалгите адсорбирани од нано снегулките SL Nb-MXene беа оштетени (види Сл. 4б, в, црвени стрелки).Во случајот на Nb2CTx MXene (сл. 4б), микроалгите имаат тенденција да растат со прикачени дводимензионални наноскали, што може да ја промени нивната морфологија.Имено, ние исто така ги набљудувавме овие промени под светлосна микроскопија (види SI Слика S11 за детали).Оваа морфолошка транзиција има веродостојна основа во физиологијата на микроалгите и нивната способност да се бранат со промена на клеточната морфологија, како што е зголемувањето на клеточниот волумен61.Затоа, важно е да се провери бројот на клетките на микроалгите кои всушност се во контакт со Nb-MXenes.Студиите на SEM покажаа дека приближно 52% од клетките на микроалгите биле изложени на Nb-MXenes, додека 48% од овие микроалги клетки избегнувале контакт.За SL Nb4C3Tx MXene, микроалгите се обидуваат да избегнат контакт со MXene, со што се локализираат и растат од дводимензионални наноскали (сл. 4в).Сепак, не забележавме пенетрација на наноскали во клетките на микроалгите и нивното оштетување.
Самоодржувањето е исто така одговорно однесување кое зависи од времето на блокирањето на фотосинтезата поради адсорпција на честички на површината на клетката и таканаречениот ефект на засенчување (засенчување)62.Јасно е дека секој објект (на пример, Nb-MXene нанофлакси) што се наоѓа помеѓу микроалгите и изворот на светлина ја ограничува количината на светлина што ја апсорбираат хлоропластите.Сепак, не се сомневаме дека тоа има значително влијание врз добиените резултати.Како што покажаа нашите микроскопски набљудувања, 2Д нанонефлките не беа целосно завиткани или залепени на површината на микроалгите, дури и кога клетките на микроалгите беа во контакт со Nb-MXenes.Наместо тоа, се покажа дека нано снегулките се ориентирани кон клетките на микроалгите без да ја покриваат нивната површина.Таков збир на нано снегулки/микроалги не може значително да ја ограничи количината на светлина што ја апсорбираат клетките на микроалгите.Покрај тоа, некои студии дури покажаа подобрување во апсорпцијата на светлината од фотосинтетичките организми во присуство на дводимензионални наноматеријали63,64,65,66.
Бидејќи SEM сликите не можеа директно да го потврдат навлегувањето на ниобиум од клетките на микроалгите, нашата понатамошна студија се сврте кон анализа на флуоресценција на Х-зраци (XRF) и фотоелектронска спектроскопија на Х-зраци (XPS) за да се разјасни ова прашање.Затоа, го споредивме интензитетот на врвовите Nb на референтните примероци на микроалги кои не комуницираа со MXenes, MXene нанофлаксите одвоени од површината на клетките на микроалгите и клетките на микроалгите по отстранувањето на прикачените MXenes.Вреди да се напомене дека ако нема навлегување на Nb, вредноста на Nb добиена од клетките на микроалгите треба да биде нула по отстранувањето на приложените наноскали.Затоа, ако се случи навлегување на Nb, и резултатите од XRF и XPS треба да покажат јасен врв на Nb.
Во случајот со спектрите на XRF, примероците од микроалги покажаа Nb врвови за SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene по интеракција со SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene (види Сл. 5а, исто така, имајте во предвид дека резултатите за MAX и ML MXenes се прикажани во SS71,).Интересно, интензитетот на врвот Nb е ист и во двата случаи (црвени ленти на Сл. 5а).Ова покажа дека алгата не може да апсорбира повеќе Nb, а максималниот капацитет за акумулација на Nb беше постигнат во клетките, иако два пати повеќе Nb4C3Tx MXene беше прикачен на клетките на микроалгите (сини ленти на слика 5а).Имено, способноста на микроалгите да апсорбираат метали зависи од концентрацијата на металните оксиди во околината67,68.Shamshada et al.67 откриле дека апсорпцискиот капацитет на слатководните алги се намалува со зголемување на pH.Raize et al.68 забележале дека способноста на морските алги да апсорбира метали била околу 25% повисока за Pb2+ отколку за Ni2+.
(а) Резултати од XRF од навлегувањето на базалните Nb од клетките на зелените микроалги инкубирани во екстремна концентрација на SL Nb-MXenes (100 mg L-1) за 72 часа.Резултатите покажуваат присуство на α во чисти микроалги клетки (контролен примерок, сиви колони), 2Д нано снегулки изолирани од површински микроалги клетки (сини колони) и клетки на микроалги по одвојување на 2Д нано снегулки од површината (црвени колони).Количеството на елементарното Nb, (б) процентот на хемискиот состав на органските компоненти на микроалгите (C=O и CHx/C–O) и Nb оксидите присутни во клетките на микроалгите по инкубацијата со SL Nb-MXenes, (c–e) Местење на композицискиот врв на XPS SL Nb2CTx микроалгите спектри, MSLXT, интернализирани од MSL.
Затоа, очекувавме дека Nb може да се апсорбира од клетките на алгите во форма на оксиди.За да го тестираме ова, извршивме XPS студии на MXenes Nb2CTx и Nb4C3TX и клетките на алгите.Резултатите од интеракцијата на микроалгите со Nb-MXenes и MXenes изолирани од клетките на алгите се прикажани на Сл.5б.Како што се очекуваше, откривме Nb 3d врвови во примероците на микроалгите по отстранувањето на MXene од површината на микроалгите.Квантитативното определување на оксидите C=O, CHx/CO и Nb беше пресметано врз основа на спектрите Nb 3d, O 1s и C 1s добиени со Nb2CTx SL (сл. 5c–e) и Nb4C3Tx SL (сл. 5c–e).) добиени од инкубирани микроалги.Слика 5f–h) MXenes.Табелата S1-3 ги прикажува деталите за врвните параметри и целокупната хемија што произлегуваат од вклопувањето.Вреди да се одбележи дека Nb 3d регионите на Nb2CTx SL и Nb4C3Tx SL (сл. 5c, f) одговараат на една Nb2O5 компонента.Овде, не најдовме врвови поврзани со MXene во спектрите, што покажува дека клетките на микроалгите ја апсорбираат само оксидната форма на Nb.Дополнително, го приближивме спектарот C 1 s со компонентите C-C, CHx/C-O, C=O и -COOH.Ги доделивме врвовите CHx/C–O и C=O на органскиот придонес на клетките на микроалгите.Овие органски компоненти сочинуваат 36% и 41% од врвовите на C 1s во Nb2CTx SL и Nb4C3TX SL, соодветно.Потоа ги вградивме O 1s спектрите на SL Nb2CTx и SL Nb4C3TX со Nb2O5, органски компоненти на микроалгите (CHx/CO) и површинска адсорбирана вода.
Конечно, резултатите од XPS јасно укажаа на формата на Nb, а не само на неговото присуство.Според позицијата на сигналот Nb 3d и резултатите од деконволуцијата, потврдуваме дека Nb се апсорбира само во форма на оксиди, а не јони или самиот MXene.Дополнително, резултатите од XPS покажаа дека клетките на микроалгите имаат поголема способност да примаат Nb оксиди од SL Nb2CTx во споредба со SL Nb4C3TX MXene.
Иако нашите резултати од преземањето на Nb се импресивни и ни овозможуваат да ја идентификуваме деградацијата на MXene, не постои достапен метод за следење на поврзаните морфолошки промени во 2D нано снегулките.Затоа, исто така, решивме да развиеме соодветен метод кој може директно да одговори на какви било промени што се случуваат во 2D Nb-MXene нано снегулките и клетките на микроалгите.Важно е да се напомене дека претпоставуваме дека ако видовите кои се во интеракција претрпат каква било трансформација, распаѓање или дефрагментација, тоа треба брзо да се манифестира како промени во параметрите на обликот, како што се дијаметарот на еквивалентната кружна површина, заобленоста, ширината на ферето или должината на ферето.Бидејќи овие параметри се погодни за опишување на издолжени честички или дводимензионални нано снегулки, нивното следење со динамичка анализа на обликот на честичките ќе ни даде вредни информации за морфолошката трансформација на нано снегулките SL Nb-MXene за време на редукцијата.
Добиените резултати се прикажани на слика 6. За споредба, ги тестиравме и оригиналните MAX фаза и ML-MXenes (види SI слики S18 и S19).Динамичката анализа на обликот на честичките покажа дека сите параметри на обликот на две Nb-MXene SL значително се промениле по интеракцијата со микроалгите.Како што е прикажано со еквивалентниот параметар на дијаметарот на кружната површина (слика 6а, б), намалениот врвен интензитет на фракцијата на големи нано снегулки покажува дека тие имаат тенденција да се распаѓаат на помали фрагменти.На сл.6c, d покажува намалување на врвовите поврзани со попречната големина на снегулките (издолжување на нано снегулките), што укажува на трансформација на 2D нано снегулките во форма што личи на честички.Слика 6e-h што ја покажува ширината и должината на Феретот, соодветно.Ширината и должината на ферето се комплементарни параметри и затоа треба да се разгледуваат заедно.По инкубацијата на 2D Nb-MXene нано снегулките во присуство на микроалги, нивните врвови на корелација Ферет се поместија и нивниот интензитет се намали.Врз основа на овие резултати во комбинација со морфологијата, XRF и XPS, заклучивме дека забележаните промени се силно поврзани со оксидацијата бидејќи оксидираните MXenes стануваат повеќе збрчкани и се распаѓаат на фрагменти и сферични честички од оксид69,70.
Анализа на трансформацијата на MXene по интеракција со зелени микроалги.Динамичната анализа на обликот на честичките ги зема предвид параметрите како што се (а, б) дијаметар на еквивалентната кружна површина, (в, г) заобленост, (д, ѓ) ширина на ферети и (g, h) должина на ферети.За таа цел, два референтни примероци на микроалги беа анализирани заедно со примарните SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXenes, деградираните микроалги и третираните микроалги SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXen.Црвените стрелки ги прикажуваат транзициите на параметрите на обликот на проучуваните дводимензионални нано снегулки.
Бидејќи анализата на параметрите на обликот е многу сигурна, може да открие и морфолошки промени во клетките на микроалгите.Затоа, го анализиравме еквивалентниот дијаметар на кружната површина, заобленоста и ширината/должината на Ферет на чистите клетки и клетки на микроалги по интеракција со 2D Nb нанофлакси.На сл.6a–h покажуваат промени во параметрите на обликот на клетките на алгите, како што е потврдено со намалување на максималниот интензитет и поместување на максималните кон повисоки вредности.Особено, параметрите на заобленоста на клетките покажаа намалување на издолжените ќелии и зголемување на сферичните ќелии (сл. 6а, б).Покрај тоа, ширината на клетката Ферет се зголеми за неколку микрометри по интеракцијата со SL Nb2CTx MXene (сл. 6e) во споредба со SL Nb4C3TX MXene (сл. 6f).Се сомневаме дека ова може да се должи на силното навлегување на Nb оксиди од микроалгите при интеракција со Nb2CTx SR.Помалку круто прицврстување на Nb снегулките на нивната површина може да резултира со раст на клетките со минимален ефект на засенчување.
Нашите набљудувања за промените во параметрите на обликот и големината на микроалгите ги надополнуваат другите студии.Зелените микроалги можат да ја променат својата морфологија како одговор на стресот од околината со промена на големината, обликот или метаболизмот на клетката61.На пример, менувањето на големината на клетките ја олеснува апсорпцијата на хранливите материи71.Помалите клетки од алги покажуваат пониско навлегување на хранливи материи и нарушена стапка на раст.Спротивно на тоа, поголемите клетки имаат тенденција да консумираат повеќе хранливи материи, кои потоа се депонираат интрацелуларно72,73.Мачадо и Соарес открија дека фунгицидот триклосан може да ја зголеми големината на клетките.Тие откриле и длабоки промени во обликот на алгата74.Покрај тоа, Јин и сор.9, исто така, открија морфолошки промени кај алгите по изложување на нанокомпозити со намален графен оксид.Затоа, јасно е дека променетите параметри за големина/облик на микроалгите се предизвикани од присуството на MXene.Бидејќи оваа промена во големината и обликот е показател за промените во навлегувањето на хранливи материи, веруваме дека анализата на параметрите на големината и обликот со текот на времето може да демонстрира навлегување на ниобиум оксид од микроалгите во присуство на Nb-MXenes.
Покрај тоа, MXenes може да се оксидираат во присуство на алги.Dalai et al.75 забележале дека морфологијата на зелените алги изложени на нано-TiO2 и Al2O376 не била униформа.Иако нашите набљудувања се слични на оваа студија, таа е релевантна само за проучувањето на ефектите од биоремедијацијата во однос на производите за деградација на MXene во присуство на 2D нано снегулки, а не наночестички.Бидејќи MXenes може да се разградат во метални оксиди, 31,32,77,78 разумно е да се претпостави дека нашите Nb нано снегулки исто така можат да формираат Nb оксиди по интеракција со клетките на микроалгите.
Со цел да се објасни намалувањето на нано снегулките 2D-Nb преку механизам на распаѓање заснован на процесот на оксидација, спроведовме студии со користење на преносна електронска микроскопија со висока резолуција (HRTEM) (сл. 7а, б) и фотоелектронска спектроскопија на Х-зраци (XPS) (сл. 7).7c-i и табели S4-5).И двата пристапа се погодни за проучување на оксидацијата на 2D материјали и се надополнуваат еден со друг.HRTEM може да ја анализира деградацијата на дводимензионалните слоевити структури и последователното појавување на наночестички од метален оксид, додека XPS е чувствителен на површинските врски.За таа цел, тестиравме 2D Nb-MXene нано снегулки извлечени од клеточни дисперзии на микроалги, односно нивниот облик по интеракцијата со клетките на микроалгите (види Сл. 7).
Сликите на HRTEM што ја прикажуваат морфологијата на оксидираните (a) SL Nb2CTx и (б) SL Nb4C3Tx MXenes, резултати од анализата на XPS што го покажуваат (в) составот на оксидните производи по редукцијата, (d–f) врвното совпаѓање на компонентите на спектрите XPS на SL Nb2CTx и (g–поправени со зелена боја и Nb2CTx)
Студиите на HRTEM ја потврдија оксидацијата на два вида нанофлекси Nb-MXene.Иако нанофлаксите ја задржаа својата дводимензионална морфологија до одреден степен, оксидацијата резултираше со појава на многу наночестички што ја покриваа површината на нано снегулките MXene (види Сл. 7а,б).XPS анализата на сигналите c Nb 3d и O 1s покажа дека Nb оксидите се формирани во двата случаи.Како што е прикажано на Слика 7в, 2D MXene Nb2CTx и Nb4C3TX имаат Nb 3d сигнали што укажуваат на присуство на NbO и Nb2O5 оксиди, додека сигналите O 1s го покажуваат бројот на O-Nb врски поврзани со функционализација на површината на 2D нанофлејк.Забележавме дека придонесот на Nb оксид е доминантен во споредба со Nb-C и Nb3+-O.
На сл.На сликите 7g–i се прикажани XPS спектрите на Nb 3d, C 1s и O 1s SL Nb2CTx (види Сл. 7d–f) и SL Nb4C3TX MXene изолирани од клетките на микроалгите.Детали за врвните параметри на Nb-MXenes се дадени во табелите S4-5, соодветно.Прво го анализиравме составот на Nb 3d.За разлика од Nb апсорбирана од клетките на микроалгите, во MXene изолиран од клетките на микроалгите, освен Nb2O5, пронајдени се и други компоненти.Во Nb2CTx SL, го забележавме придонесот на Nb3+-O во износ од 15%, додека во остатокот од спектарот Nb 3d доминираше Nb2O5 (85%).Дополнително, примерокот SL Nb4C3TX содржи компоненти Nb-C (9%) и Nb2O5 (91%).Овде Nb-C доаѓа од два внатрешни атомски слоеви на метал карбид во Nb4C3Tx SR.Потоа ги мапираме спектрите C 1s на четири различни компоненти, како што направивме во интернализираните примероци.Како што се очекуваше, во спектарот C 1s доминира графитниот јаглерод, проследен со придонеси од органски честички (CHx/CO и C=O) од клетките на микроалгите.Покрај тоа, во спектарот O 1s, го забележавме придонесот на органските форми на клетките на микроалгите, ниобиум оксидот и адсорбираната вода.
Дополнително, испитавме дали расцепувањето на Nb-MXenes е поврзано со присуството на реактивни видови кислород (ROS) во хранливата средина и/или клетките на микроалгите.За таа цел, ги проценивме нивоата на единечен кислород (1O2) во медиумот за култура и интрацелуларниот глутатион, тиол кој делува како антиоксиданс во микроалгите.Резултатите се прикажани во SI (слики S20 и S21).Културите со SL Nb2CTx и Nb4C3TX MXenes беа карактеризирани со намалена количина на 1O2 (види Слика S20).Во случај на SL Nb2CTx, MXene 1O2 е намален на околу 83%.За култури на микроалги кои користат SL, Nb4C3TX 1O2 се намали уште повеќе, на 73%.Интересно, промените во 1O2 го покажаа истиот тренд како и претходно забележаниот инхибиторно-стимулаторен ефект (види Сл. 3).Може да се тврди дека инкубацијата при силна светлина може да ја промени фотооксидацијата.Сепак, резултатите од контролната анализа покажаа речиси константни нивоа на 1O2 за време на експериментот (сл. S22).Во случај на нивоа на интрацелуларни ROS, ние исто така го забележавме истиот тренд на намалување (види Слика S21).Првично, нивоата на ROS во клетките на микроалгите култивирани во присуство на Nb2CTx и Nb4C3Tx SL ги надминаа нивоата пронајдени во чистите култури на микроалги.На крајот, сепак, се чинеше дека микроалгите се прилагодиле на присуството на двата Nb-MXenes, бидејќи нивоата на ROS се намалиле на 85% и 91% од нивоата измерени во чистите култури на микроалги инокулирани со SL Nb2CTx и Nb4C3TX, соодветно.Ова може да укаже дека микроалгите се чувствуваат поудобно со текот на времето во присуство на Nb-MXene отколку само во хранлива средина.
Микроалгите се разновидна група на фотосинтетички организми.За време на фотосинтезата, тие го претвораат атмосферскиот јаглерод диоксид (CO2) во органски јаглерод.Производите на фотосинтезата се гликоза и кислород79.Се сомневаме дека вака формираниот кислород игра клучна улога во оксидацијата на Nb-MXenes.Едно можно објаснување за ова е дека параметарот за диференцијална аерација се формира при ниски и високи парцијални притисоци на кислород надвор и внатре во нанофлаксите Nb-MXene.Ова значи дека секаде каде што има области со различни парцијални притисоци на кислород, областа со најниско ниво ќе ја формира анодата 80, 81, 82. Овде, микроалгите придонесуваат за создавање на диференцијално газирани клетки на површината на снегулките MXene, кои произведуваат кислород поради нивните фотосинтетички својства.Како резултат на тоа, се формираат производи од биокорозија (во овој случај, ниобиум оксиди).Друг аспект е дека микроалгите можат да произведат органски киселини кои се ослободуваат во водата83,84.Затоа, се формира агресивна средина, со што се менува Nb-MXenes.Покрај тоа, микроалгите можат да ја променат pH вредноста на околината во алкална поради апсорпцијата на јаглерод диоксид, што исто така може да предизвика корозија79.
Уште поважно, темниот/светлиот фотопериод што се користи во нашата студија е критичен за разбирање на добиените резултати.Овој аспект е детално опишан во Djemai-Zoghlache et al.85 Тие намерно користеле фотопериод од 12/12 часа за да покажат биокорозија поврзана со бионасипување од црвената микроалга Porphyridium purpureum.Тие покажуваат дека фотопериодот е поврзан со еволуцијата на потенцијалот без биокорозија, манифестирајќи се како псевдопериодични осцилации околу 24 часот.Овие набљудувања беа потврдени од Даулинг и сор.86 Тие демонстрираа фотосинтетички биофилмови на цијанобактериите Anabaena.Растворениот кислород се формира под дејство на светлина, што е поврзано со промена или флуктуации на слободниот потенцијал за биокорозија.Важноста на фотопериодот е нагласена со фактот дека слободниот потенцијал за биокорозија се зголемува во светлата фаза, а се намалува во темната фаза.Ова се должи на кислородот произведен од фотосинтетичките микроалги, кој влијае на катодната реакција преку парцијалниот притисок генериран во близина на електродите87.
Дополнително, беше изведена Фуриеова трансформативна инфрацрвена спектроскопија (FTIR) за да се открие дали настанале некакви промени во хемискиот состав на клетките на микроалгите по интеракцијата со Nb-MXenes.Овие добиени резултати се сложени и ги прикажуваме во SI (слики S23-S25, вклучувајќи ги резултатите од фазата MAX и ML MXenes).Накратко, добиените референтни спектри на микроалгите ни даваат важни информации за хемиските карактеристики на овие организми.Овие најверојатни вибрации се наоѓаат на фреквенции од 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.еден.1 1 (C–H) и 3280 cm–1 (O–H).За SL Nb-MXenes, најдовме потпис за истегнување на CH-врска што е во согласност со нашата претходна студија38.Сепак, забележавме дека некои дополнителни врвови поврзани со врските C=C и CH исчезнаа.Ова укажува дека хемискиот состав на микроалгите може да претрпи мали промени поради интеракцијата со SL Nb-MXenes.
Кога се разгледуваат можните промени во биохемијата на микроалгите, акумулацијата на неоргански оксиди, како што е ниобиум оксидот, треба да се преиспита59.Тој е вклучен во навлегувањето на металите од површината на клетката, нивниот транспорт во цитоплазмата, нивната поврзаност со интрацелуларните карбоксилни групи и нивната акумулација во полифосфозоми на микроалги20,88,89,90.Покрај тоа, врската помеѓу микроалгите и металите се одржува од функционални групи на клетки.Поради оваа причина, апсорпцијата зависи и од хемијата на површината на микроалгите, која е доста сложена9,91.Генерално, како што се очекуваше, хемискиот состав на зелените микроалги малку се промени поради апсорпцијата на Nb оксид.
Интересно, забележаната почетна инхибиција на микроалгите беше реверзибилна со текот на времето.Како што забележавме, микроалгите ја надминаа првичната промена на животната средина и на крајот се вратија на нормалната стапка на раст, па дури и се зголемија.Студиите за зета потенцијалот покажуваат висока стабилност кога се воведуваат во хранливи материи.Така, површинската интеракција помеѓу клетките на микроалгите и нано снегулките Nb-MXene се одржуваше во текот на експериментите за редукција.Во нашата понатамошна анализа, ги сумираме главните механизми на дејствување во основата на ова извонредно однесување на микроалгите.
Набљудувањата на SEM покажаа дека микроалгите имаат тенденција да се прикачат на Nb-MXenes.Користејќи динамичка анализа на слики, потврдуваме дека овој ефект води до трансформација на дводимензионалните нано снегулки Nb-MXene во повеќе сферични честички, со што се покажува дека распаѓањето на нано снегулките е поврзано со нивната оксидација.За да ја тестираме нашата хипотеза, спроведовме серија материјални и биохемиски студии.По тестирањето, нано снегулките постепено се оксидирале и се распаѓале на производи NbO и Nb2O5, кои не претставувале закана за зелените микроалги.Користејќи го набљудувањето FTIR, не најдовме значителни промени во хемискиот состав на микроалгите инкубирани во присуство на 2D Nb-MXene нанофлакси.Имајќи ја предвид можноста за апсорпција на ниобиум оксид од страна на микроалгите, извршивме рендгенска флуоресцентна анализа.Овие резултати јасно покажуваат дека проучуваните микроалги се хранат со ниобиум оксиди (NbO и Nb2O5), кои се нетоксични за проучуваните микроалги.