Takk for at du besøker Nature.com. Du bruker en nettleserversjon med begrenset CSS-støtte. For best mulig opplevelse anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer). I mellomtiden, for å sikre fortsatt støtte, vil vi gjengi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Viser en karusell med tre lysbilder samtidig. Bruk Forrige- og Neste-knappene for å gå gjennom tre lysbilder om gangen, eller bruk glidebryterknappene på slutten for å gå gjennom tre lysbilder om gangen.
Den raske utviklingen av nanoteknologi og integreringen av den i hverdagslige applikasjoner kan true miljøet. Selv om grønne metoder for nedbrytning av organiske forurensninger er veletablerte, er gjenvinning av uorganiske krystallinske forurensninger av stor bekymring på grunn av deres lave følsomhet for biotransformasjon og manglende forståelse av materialoverflateinteraksjoner med biologiske. Her bruker vi en Nb-basert uorganisk 2D MXen-modell kombinert med en enkel formparameteranalysemetode for å spore bioremedieringsmekanismen til 2D keramiske nanomaterialer av den grønne mikroalgen Raphidocelis subcapitata. Vi fant at mikroalger bryter ned Nb-baserte MXener på grunn av overflaterelaterte fysisk-kjemiske interaksjoner. I utgangspunktet ble enkeltlags- og flerlags MXen-nanoflak festet til overflaten av mikroalger, noe som noe reduserte algeveksten. Ved langvarig interaksjon med overflaten oksiderte imidlertid mikroalger MXen-nanoflak og dekomponerte dem videre til NbO og Nb2O5. Fordi disse oksidene ikke er giftige for mikroalgeceller, forbruker de Nb-oksid-nanopartikler gjennom en absorpsjonsmekanisme som ytterligere gjenoppretter mikroalgene etter 72 timers vannbehandling. Effektene av næringsstoffer assosiert med absorpsjon gjenspeiles også i økningen i cellevolum, deres glatte form og endringen i vekstrate. Basert på disse funnene konkluderer vi med at den kortsiktige og langsiktige tilstedeværelsen av Nb-baserte MXener i ferskvannsøkosystemer kun kan forårsake mindre miljøpåvirkninger. Det er verdt å merke seg at vi, ved å bruke todimensjonale nanomaterialer som modellsystemer, demonstrerer muligheten for å spore formtransformasjon selv i finkornede materialer. Samlet sett svarer denne studien på et viktig grunnleggende spørsmål om overflateinteraksjonsrelaterte prosesser som driver bioremedieringsmekanismen til 2D-nanomaterialer, og gir et grunnlag for videre kortsiktige og langsiktige studier av miljøpåvirkningen av uorganiske krystallinske nanomaterialer.
Nanomaterialer har skapt mye interesse siden de ble oppdaget, og ulike nanoteknologier har nylig gått inn i en moderniseringsfase1. Dessverre kan integreringen av nanomaterialer i hverdagslige applikasjoner føre til utilsiktede utslipp på grunn av feil avhending, uforsiktig håndtering eller utilstrekkelig sikkerhetsinfrastruktur. Derfor er det rimelig å anta at nanomaterialer, inkludert todimensjonale (2D) nanomaterialer, kan slippes ut i det naturlige miljøet, hvis oppførsel og biologiske aktivitet ennå ikke er fullt forstått. Derfor er det ikke overraskende at bekymringer om økotoksisitet har fokusert på 2D-nanomaterialers evne til å lekke ut i akvatiske systemer2,3,4,5,6. I disse økosystemene kan noen 2D-nanomaterialer samhandle med ulike organismer på forskjellige trofiske nivåer, inkludert mikroalger.
Mikroalger er primitive organismer som finnes naturlig i ferskvanns- og marine økosystemer og som produserer en rekke kjemiske produkter gjennom fotosyntese7. Som sådan er de kritiske for akvatiske økosystemer8,9,10,11,12, men er også sensitive, rimelige og mye brukte indikatorer på økotoksisitet13,14. Siden mikroalgeceller multipliserer raskt og reagerer raskt på tilstedeværelsen av ulike forbindelser, er de lovende for utvikling av miljøvennlige metoder for behandling av vann forurenset med organiske stoffer15,16.
Algeceller kan fjerne uorganiske ioner fra vann gjennom biosorpsjon og akkumulering17,18. Noen algearter som Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue og Synechococcus sp. Det er funnet at den bærer og til og med gir næring til giftige metallioner som Fe2+, Cu2+, Zn2+ og Mn2+19. Andre studier har vist at Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ eller Pb2+ ioner begrenser veksten av Scenedesmus ved å endre cellemorfologien og ødelegge kloroplastene deres20,21.
Grønne metoder for nedbrytning av organiske miljøgifter og fjerning av tungmetallioner har tiltrukket seg oppmerksomheten til forskere og ingeniører over hele verden. Dette skyldes hovedsakelig at disse forurensningene lett kan bearbeides i flytende fase. Uorganiske krystallinske miljøgifter er imidlertid preget av lav vannløselighet og lav følsomhet for ulike biotransformasjoner, noe som forårsaker store vanskeligheter med sanering, og det er gjort lite fremskritt på dette området22,23,24,25,26. Dermed er søket etter miljøvennlige løsninger for reparasjon av nanomaterialer fortsatt et komplekst og uutforsket område. På grunn av den høye graden av usikkerhet rundt biotransformasjonseffektene av 2D-nanomaterialer, finnes det ingen enkel måte å finne ut av mulige veier for deres nedbrytning under reduksjon.
I denne studien brukte vi grønne mikroalger som et aktivt vandig bioremedieringsmiddel for uorganiske keramiske materialer, kombinert med in situ-overvåking av nedbrytningsprosessen til MXene som en representant for uorganiske keramiske materialer. Begrepet «MXene» gjenspeiler støkiometrien til Mn+1XnTx-materialet, hvor M er et tidlig overgangsmetall, X er karbon og/eller nitrogen, Tx er en overflateterminator (f.eks. -OH, -F, -Cl), og n = 1, 2, 3 eller 427,28. Siden oppdagelsen av MXener av Naguib et al. Sensorikk, kreftbehandling og membranfiltrering 27,29,30. I tillegg kan MXener betraktes som modell 2D-systemer på grunn av deres utmerkede kolloidale stabilitet og mulige biologiske interaksjoner 31,32,33,34,35,36.
Derfor er metodikken som er utviklet i denne artikkelen og våre forskningshypoteser vist i figur 1. I følge denne hypotesen bryter mikroalger ned Nb-baserte MXener til ikke-giftige forbindelser på grunn av overflaterelaterte fysisk-kjemiske interaksjoner, noe som tillater ytterligere utvinning av algene. For å teste denne hypotesen ble to medlemmer av familien av tidlige niobbaserte overgangsmetallkarbider og/eller nitrider (MXener), nemlig Nb2CTx og Nb4C3TX, valgt.
Forskningsmetodikk og evidensbaserte hypoteser for MXene-utvinning av grønne mikroalger Raphidocelis subcapitata. Vær oppmerksom på at dette bare er en skjematisk fremstilling av evidensbaserte antagelser. Innsjømiljøet er forskjellig i næringsmediet som brukes og forholdene (f.eks. døgnsyklus og begrensninger i tilgjengelige essensielle næringsstoffer). Laget med BioRender.com.
Ved å bruke MXene som modellsystem har vi derfor åpnet døren for studiet av ulike biologiske effekter som ikke kan observeres med andre konvensjonelle nanomaterialer. Spesielt demonstrerer vi muligheten for bioremediering av todimensjonale nanomaterialer, som niobbaserte MXener, av mikroalger som Raphidocelis subcapitata. Mikroalger er i stand til å bryte ned Nb-MXener til de ikke-giftige oksidene NbO og Nb2O5, som også gir næringsstoffer gjennom niobopptaksmekanismen. Samlet sett svarer denne studien på et viktig grunnleggende spørsmål om prosessene knyttet til fysisk-kjemiske overflateinteraksjoner som styrer mekanismene for bioremediering av todimensjonale nanomaterialer. I tillegg utvikler vi en enkel formparameterbasert metode for å spore subtile endringer i formen på 2D-nanomaterialer. Dette inspirerer videre kortsiktig og langsiktig forskning på de ulike miljøpåvirkningene av uorganiske krystallinske nanomaterialer. Dermed øker studien vår forståelsen av samspillet mellom materialoverflaten og biologisk materiale. Vi gir også grunnlaget for utvidede kortsiktige og langsiktige studier av deres mulige påvirkning på ferskvannsøkosystemer, som nå enkelt kan verifiseres.
MXener representerer en interessant klasse av materialer med unike og attraktive fysiske og kjemiske egenskaper, og derfor mange potensielle bruksområder. Disse egenskapene er i stor grad avhengige av deres støkiometri og overflatekjemi. Derfor undersøkte vi i vår studie to typer Nb-baserte hierarkiske enkeltlags (SL) MXener, Nb2CTx og Nb4C3TX, siden forskjellige biologiske effekter av disse nanomaterialene kunne observeres. MXener produseres fra utgangsmaterialene deres ved top-down selektiv etsing av atomtynne MAX-fase A-lag. MAX-fasen er en ternær keramikk bestående av "bundne" blokker av overgangsmetallkarbider og tynne lag av "A"-elementer som Al, Si og Sn med MnAXn-1 støkiometri. Morfologien til den innledende MAX-fasen ble observert ved skanningselektronmikroskopi (SEM) og var i samsvar med tidligere studier (se tilleggsinformasjon, SI, figur S1). Flerlags (ML) Nb-MXen ble oppnådd etter fjerning av Al-laget med 48 % HF (flussyre). Morfologien til ML-Nb2CTx og ML-Nb4C3TX ble undersøkt ved hjelp av skanningselektronmikroskopi (SEM) (henholdsvis figur S1c og S1d), og en typisk lagdelt MXen-morfologi ble observert, lik todimensjonale nanoflak som passerer gjennom langstrakte porelignende spalter. Begge Nb-MXenene har mye til felles med MXen-faser som tidligere er syntetisert ved syreetsing 27,38. Etter å ha bekreftet strukturen til MXen, lagdelte vi den ved interkalering av tetrabutylammoniumhydroksid (TBAOH) etterfulgt av vasking og sonikering, hvoretter vi oppnådde enkeltlags- eller lavlags (SL) 2D Nb-MXen-nanoflak.
Vi brukte høyoppløselig transmisjonselektronmikroskopi (HRTEM) og røntgendiffraksjon (XRD) for å teste effektiviteten av etsning og videre avskalling. HRTEM-resultatene behandlet ved hjelp av Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) og Fast Fourier Transform (FFT) er vist i figur 2. Nb-MXene nanoflak ble orientert med kanten opp for å sjekke strukturen til atomlaget og måle avstandene mellom planene. HRTEM-bilder av MXene Nb2CTx og Nb4C3TX nanoflak viste deres atomtynne lagdelte natur (se figur 2a1, a2), som tidligere rapportert av Naguib et al.27 og Jastrzębska et al.38. For to tilstøtende Nb2CTx- og Nb4C3Tx-monolager bestemte vi mellomlagsavstander på henholdsvis 0,74 og 1,54 nm (figur 2b1, b2), noe som også stemmer overens med våre tidligere resultater38. Dette ble ytterligere bekreftet av den inverse raske Fourier-transformasjonen (fig. 2c1, c2) og den raske Fourier-transformasjonen (fig. 2d1, d2) som viser avstanden mellom Nb2CTx- og Nb4C3Tx-monolagene. Bildet viser en veksling av lyse og mørke bånd som korresponderer med niob- og karbonatomer, noe som bekrefter den lagdelte naturen til de studerte MXenene. Det er viktig å merke seg at de energidispersive røntgenspektroskopispektrene (EDX) som ble oppnådd for Nb2CTx og Nb4C3Tx (figur S2a og S2b) ikke viste noen rester av den opprinnelige MAX-fasen, siden ingen Al-topp ble detektert.
Karakterisering av SL Nb2CTx og Nb4C3Tx MXene nanoflak, inkludert (a) høyoppløselig elektronmikroskopi (HRTEM) sidevisning av 2D nanoflak og tilsvarende, (b) intensitetsmodus, (c) invers rask Fourier-transformasjon (IFFT), (d) rask Fourier-transformasjon (FFT), (e) Nb-MXenes røntgenmønstre. For SL 2D Nb2CTx uttrykkes tallene som (a1, b1, c1, d1, e1). For SL 2D Nb4C3Tx uttrykkes tallene som (a2, b2, c2, d2, e1).
Røntgendiffraksjonsmålinger av SL Nb2CTx og Nb4C3Tx MXener er vist i henholdsvis figur 2e1 og e2. Toppene (002) ved 4,31 og 4,32 tilsvarer de tidligere beskrevne lagdelte MXenene Nb2CTx og Nb4C3TX38,39,40,41. XRD-resultatene indikerer også tilstedeværelsen av noen gjenværende ML-strukturer og MAX-faser, men hovedsakelig XRD-mønstre assosiert med SL Nb4C3Tx (figur 2e2). Tilstedeværelsen av mindre partikler i MAX-fasen kan forklare den sterkere MAX-toppen sammenlignet med de tilfeldig stablede Nb4C3Tx-lagene.
Videre forskning har fokusert på grønne mikroalger som tilhører arten R. subcapitata. Vi valgte mikroalger fordi de er viktige produsenter involvert i store næringsnett42. De er også en av de beste indikatorene på toksisitet på grunn av evnen til å fjerne giftige stoffer som føres til høyere nivåer i næringskjeden43. I tillegg kan forskning på R. subcapitata kaste lys over den tilfeldige toksisiteten til SL Nb-MXener for vanlige ferskvannsmikroorganismer. For å illustrere dette antok forskerne at hver mikrobe har en ulik følsomhet for giftige forbindelser som finnes i miljøet. For de fleste organismer påvirker ikke lave konsentrasjoner av stoffer veksten deres, mens konsentrasjoner over en viss grense kan hemme dem eller til og med forårsake død. Derfor bestemte vi oss for å teste de ufarlige og giftige konsentrasjonene av Nb-MXener for våre studier av overflateinteraksjonen mellom mikroalger og MXener og den tilhørende utvinningen. For å gjøre dette testet vi konsentrasjoner på 0 (som referanse), 0,01, 0,1 og 10 mg l-1 MXene og infiserte i tillegg mikroalger med svært høye konsentrasjoner av MXene (100 mg l-1 MXene), noe som kan være ekstremt og dødelig ... for ethvert biologisk miljø.
Effektene av SL Nb-MXener på mikroalger er vist i figur 3, uttrykt som prosentandelen vekstfremmende (+) eller hemming (-) målt for 0 mg l-1 prøver. Til sammenligning ble Nb-MAX-fasen og ML Nb-MXener også testet, og resultatene er vist i SI (se figur S3). Resultatene bekreftet at SL Nb-MXener er nesten fullstendig uten toksisitet i området med lave konsentrasjoner fra 0,01 til 10 mg/l, som vist i figur 3a,b. Når det gjelder Nb2CTx, observerte vi ikke mer enn 5 % økotoksisitet i det spesifiserte området.
Stimulering (+) eller inhibering (-) av mikroalgevekst i nærvær av SL (a) Nb2CTx og (b) Nb4C3TX MXene. 24, 48 og 72 timer med MXene-mikroalge-interaksjon ble analysert. Signifikante data (t-test, p < 0,05) ble markert med en stjerne (*). Signifikante data (t-test, p < 0,05) ble markert med en stjerne (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Signifikante data (t-test, p < 0,05) er merket med en stjerne (*).重要数据（t 检验，p < 0.05）用星号(*) 标记。重要数据（t 检验，p < 0.05）用星号(*) 标记。 Важные данные (t-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Viktige data (t-test, p < 0,05) er merket med en stjerne (*).Røde piler indikerer avskaffelsen av hemmende stimulering.
På den annen side viste lave konsentrasjoner av Nb4C3TX seg å være litt mer toksiske, men ikke høyere enn 7 %. Som forventet observerte vi at MXener hadde høyere toksisitet og hemming av mikroalgevekst ved 100 mg L-1. Interessant nok viste ingen av materialene samme trend og tidsavhengighet av atoksiske/toksiske effekter sammenlignet med MAX- eller ML-prøvene (se SI for detaljer). Mens toksisiteten for MAX-fasen (se fig. S3) nådde omtrent 15–25 % og økte med tiden, ble den motsatte trenden observert for SL Nb2CTx og Nb4C3TX MXene. Hemmingen av mikroalgevekst avtok over tid. Den nådde omtrent 17 % etter 24 timer og falt til mindre enn 5 % etter 72 timer (henholdsvis fig. 3a, b).
Enda viktigere er det at for SL Nb4C3TX nådde veksthemmingen av mikroalger omtrent 27 % etter 24 timer, men etter 72 timer sank den til omtrent 1 %. Derfor merket vi den observerte effekten som invers hemming av stimulering, og effekten var sterkere for SL Nb4C3TX MXene. Stimuleringen av mikroalgevekst ble observert tidligere med Nb4C3TX (interaksjon ved 10 mg L-1 i 24 timer) sammenlignet med SL Nb2CTx MXene. Reverseringseffekten av hemming-stimulering ble også godt vist i biomassefordoblingshastighetskurven (se fig. S4 for detaljer). Så langt har bare økotoksisiteten til Ti3C2TX MXene blitt studert på forskjellige måter. Det er ikke giftig for sebrafiskembryoer44, men moderat økotoksisk for mikroalgeplantene Desmodesmus quadricauda og Sorghum saccharatum45. Andre eksempler på spesifikke effekter inkluderer høyere toksisitet for kreftcellelinjer enn for normale cellelinjer46,47. Det kan antas at testforholdene ville påvirke endringene i mikroalgevekst observert i nærvær av Nb-MXener. For eksempel er en pH på omtrent 8 i kloroplaststroma optimal for effektiv drift av RuBisCO-enzymet. Derfor påvirker pH-endringer fotosyntesehastigheten negativt48,49. Vi observerte imidlertid ikke signifikante endringer i pH under eksperimentet (se SI, fig. S5 for detaljer). Generelt reduserte kulturer av mikroalger med Nb-MXener løsningens pH noe over tid. Denne reduksjonen var imidlertid lik en endring i pH i et rent medium. I tillegg var variasjonsområdet som ble funnet likt det som ble målt for en ren kultur av mikroalger (kontrollprøve). Dermed konkluderer vi med at fotosyntesen ikke påvirkes av endringer i pH over tid.
I tillegg har de syntetiserte MXenene overflateender (betegnet som Tx). Disse er hovedsakelig funksjonelle grupper -O, -F og -OH. Overflatekjemi er imidlertid direkte relatert til syntesemetoden. Disse gruppene er kjent for å være tilfeldig fordelt over overflaten, noe som gjør det vanskelig å forutsi deres effekt på egenskapene til MXen50. Det kan argumenteres for at Tx kan være den katalytiske kraften for oksidasjon av niob med lys. Overflatefunksjonelle grupper gir faktisk flere forankringssteder for deres underliggende fotokatalysatorer for å danne heterojunksjoner51. Vekstmediumsammensetningen ga imidlertid ikke en effektiv fotokatalysator (detaljert mediumsammensetning finnes i SI-tabell S6). I tillegg er enhver overflatemodifikasjon også svært viktig, ettersom den biologiske aktiviteten til MXener kan endres på grunn av lag-etterbehandling, oksidasjon, kjemisk overflatemodifikasjon av organiske og uorganiske forbindelser52,53,54,55,56 eller overflateladningsteknikk38. For å teste om nioboksid har noe med materialustabilitet i mediet å gjøre, utførte vi derfor studier av zeta-potensialet (ζ) i mikroalgevekstmedium og avionisert vann (til sammenligning). Resultatene våre viser at SL Nb-MXener er ganske stabile (se SI Fig. S6 for MAX- og ML-resultater). Zeta-potensialet til SL MXener er omtrent -10 mV. For SR Nb2CTx er verdien av ζ noe mer negativ enn for Nb4C3Tx. En slik endring i ζ-verdien kan indikere at overflaten av negativt ladede MXen-nanoflak absorberer positivt ladede ioner fra kulturmediet. Temporale målinger av zeta-potensialet og konduktiviteten til Nb-MXener i kulturmedium (se figur S7 og S8 i SI for flere detaljer) ser ut til å støtte hypotesen vår.
Begge Nb-MXene SL-ene viste imidlertid minimale endringer fra null. Dette demonstrerer tydelig deres stabilitet i mikroalgevekstmediet. I tillegg vurderte vi om tilstedeværelsen av våre grønne mikroalger ville påvirke stabiliteten til Nb-MXener i mediet. Resultatene av zetapotensialet og konduktiviteten til MXener etter interaksjon med mikroalger i næringsmedier og kultur over tid finnes i SI (figur S9 og S10). Interessant nok la vi merke til at tilstedeværelsen av mikroalger så ut til å stabilisere dispersjonen av begge MXenene. I tilfellet med Nb2CTx SL sank zetapotensialet til og med litt over tid til mer negative verdier (-15,8 versus -19,1 mV etter 72 timers inkubasjon). Zetapotensialet til SL Nb4C3TX økte litt, men etter 72 timer viste det fortsatt høyere stabilitet enn nanoflak uten tilstedeværelse av mikroalger (-18,1 vs. -9,1 mV).
Vi fant også lavere konduktivitet i Nb-MXene-løsninger inkubert i nærvær av mikroalger, noe som indikerer en lavere mengde ioner i næringsmediet. Det er verdt å merke seg at ustabiliteten til MXene i vann hovedsakelig skyldes overflateoksidasjon57. Derfor mistenker vi at grønne mikroalger på en eller annen måte fjernet oksidene som ble dannet på overflaten av Nb-MXene og til og med forhindret deres forekomst (oksidasjon av MXene). Dette kan sees ved å studere typene stoffer som absorberes av mikroalger.
Selv om våre økotoksikologiske studier indikerte at mikroalger var i stand til å overvinne toksisiteten til Nb-MXener over tid og den uvanlige hemmingen av stimulert vekst, var målet med studien vår å undersøke mulige virkningsmekanismer. Når organismer som alger blir utsatt for forbindelser eller materialer som er ukjente for økosystemene deres, kan de reagere på en rekke måter58,59. I fravær av giftige metalloksider kan mikroalger nære seg selv, slik at de kan vokse kontinuerlig60. Etter inntak av giftige stoffer kan forsvarsmekanismer aktiveres, for eksempel å endre form eller fasong. Muligheten for absorpsjon må også vurderes58,59. Det er verdt å merke seg at ethvert tegn på en forsvarsmekanisme er en klar indikator på giftigheten til testforbindelsen. Derfor undersøkte vi i vårt videre arbeid den potensielle overflateinteraksjonen mellom SL Nb-MXen-nanoflak og mikroalger ved SEM og den mulige absorpsjonen av Nb-basert MXen ved røntgenfluorescensspektroskopi (XRF). Merk at SEM- og XRF-analyser kun ble utført ved den høyeste konsentrasjonen av MXen for å løse problemer med aktivitetstoksisitet.
SEM-resultatene er vist i figur 4. Ubehandlede mikroalgeceller (se figur 4a, referanseprøve) viste tydelig typisk R. subcapitata-morfologi og croissantlignende celleform. Cellene virker flate og noe uorganiserte. Noen mikroalgeceller overlappet og viklet seg inn i hverandre, men dette var sannsynligvis forårsaket av prøveforberedelsesprosessen. Generelt hadde rene mikroalgeceller en glatt overflate og viste ingen morfologiske endringer.
SEM-bilder som viser overflateinteraksjon mellom grønne mikroalger og MXene-nanoflak etter 72 timers interaksjon ved ekstrem konsentrasjon (100 mg L-1). (a) Ubehandlede grønne mikroalger etter interaksjon med SL (b) Nb2CTx og (c) Nb4C3TX MXene. Merk at Nb-MXene-nanoflakene er merket med røde piler. Til sammenligning er fotografier fra et optisk mikroskop også lagt til.
I motsetning til dette ble mikroalgeceller adsorbert av SL Nb-MXene-nanoflak skadet (se fig. 4b, c, røde piler). Når det gjelder Nb2CTx MXene (fig. 4b), har mikroalger en tendens til å vokse med festede todimensjonale nanoskalaer, noe som kan endre morfologien deres. Det er verdt å merke seg at vi også observerte disse endringene under lysmikroskopi (se SI figur S11 for detaljer). Denne morfologiske overgangen har et plausibelt grunnlag i mikroalgenes fysiologi og deres evne til å forsvare seg ved å endre cellemorfologi, for eksempel å øke cellevolumet61. Derfor er det viktig å sjekke antallet mikroalgeceller som faktisk er i kontakt med Nb-MXener. SEM-studier viste at omtrent 52 % av mikroalgecellene ble eksponert for Nb-MXener, mens 48 % av disse mikroalgecellene unngikk kontakt. For SL Nb4C3Tx MXene prøver mikroalger å unngå kontakt med MXene, og lokaliserer og vokser dermed fra todimensjonale nanoskalaer (fig. 4c). Vi observerte imidlertid ikke penetrasjonen av nanoskalaer inn i mikroalgeceller og deres skade.
Selvbevaring er også en tidsavhengig responsatferd på blokkering av fotosyntese på grunn av adsorpsjon av partikler på celleoverflaten og den såkalte skyggeleggingseffekten62. Det er tydelig at hvert objekt (for eksempel Nb-MXen-nanoflak) som er mellom mikroalgene og lyskilden begrenser mengden lys som absorberes av kloroplastene. Vi er imidlertid ikke i tvil om at dette har en betydelig innvirkning på resultatene som oppnås. Som vist ved våre mikroskopiske observasjoner, var ikke 2D-nanoflakene fullstendig pakket inn eller festet til overflaten av mikroalgene, selv når mikroalgecellene var i kontakt med Nb-MXener. I stedet viste nanoflakene seg å være orientert mot mikroalgeceller uten å dekke overflaten. Et slikt sett med nanoflak/mikroalger kan ikke begrense mengden lys som absorberes av mikroalgeceller betydelig. Dessuten har noen studier til og med vist en forbedring i lysabsorpsjon av fotosyntetiske organismer i nærvær av todimensjonale nanomaterialer63,64,65,66.
Siden SEM-bilder ikke direkte kunne bekrefte opptaket av niob av mikroalgeceller, valgte vår videre studie å bruke røntgenfluorescens (XRF) og røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) for å avklare dette problemet. Derfor sammenlignet vi intensiteten til Nb-toppene i referansemikroalgeprøver som ikke interagerte med MXener, MXen-nanoflak som løsnet fra overflaten av mikroalgeceller, og mikroalgeceller etter fjerning av festede MXener. Det er verdt å merke seg at hvis det ikke er noe Nb-opptak, bør Nb-verdien oppnådd av mikroalgecellene være null etter fjerning av de festede nanoskalaene. Derfor, hvis Nb-opptak forekommer, bør både XRF- og XPS-resultatene vise en tydelig Nb-topp.
Når det gjelder XRF-spektre, viste mikroalgeprøvene Nb-topper for SL Nb2CTx og Nb4C3Tx MXene etter interaksjon med SL Nb2CTx og Nb4C3Tx MXene (se fig. 5a, merk også at resultatene for MAX og ML MXene er vist i SI, fig. S12–C17). Interessant nok er intensiteten til Nb-toppen den samme i begge tilfeller (røde søyler i fig. 5a). Dette indikerte at algene ikke kunne absorbere mer Nb, og den maksimale kapasiteten for Nb-akkumulering ble oppnådd i cellene, selv om dobbelt så mye Nb4C3Tx MXene var festet til mikroalgecellene (blå søyler i fig. 5a). Det er verdt å merke seg at mikroalgenes evne til å absorbere metaller avhenger av konsentrasjonen av metalloksider i miljøet67,68. Shamshada et al.67 fant at absorpsjonskapasiteten til ferskvannsalger avtar med økende pH. Raize et al.68 bemerket at tangs evne til å absorbere metaller var omtrent 25 % høyere for Pb2+ enn for Ni2+.
(a) XRF-resultater av basal Nb-opptak av grønne mikroalgeceller inkubert ved en ekstrem konsentrasjon av SL Nb-MXener (100 mg L-1) i 72 timer. Resultatene viser tilstedeværelsen av α i rene mikroalgeceller (kontrollprøve, grå kolonner), 2D-nanoflak isolert fra overflatemikroalgeceller (blå kolonner) og mikroalgeceller etter separasjon av 2D-nanoflak fra overflaten (røde kolonner). Mengden elementært Nb, (b) prosentandel av kjemisk sammensetning av organiske mikroalgekomponenter (C=O og CHx/C–O) og Nb-oksider tilstede i mikroalgeceller etter inkubasjon med SL Nb-MXener, (c–e) Tilpasning av komposisjonstoppen til XPS SL Nb2CTx-spektre og (fh) SL Nb4C3Tx MXen internalisert av mikroalgeceller.
Derfor forventet vi at Nb kunne absorberes av algeceller i form av oksider. For å teste dette utførte vi XPS-studier på MXenene Nb2CTx og Nb4C3TX og algeceller. Resultatene av interaksjonen mellom mikroalger med Nb-MXener og MXener isolert fra algeceller er vist i figur 5b. Som forventet oppdaget vi Nb 3d-topper i mikroalgeprøvene etter fjerning av MXen fra overflaten av mikroalgene. Den kvantitative bestemmelsen av C=O-, CHx/CO- og Nb-oksider ble beregnet basert på Nb 3d-, O 1s- og C 1s-spektrene oppnådd med Nb2CTx SL (figur 5c–e) og Nb4C3Tx SL (figur 5c–e). ) oppnådd fra inkuberte mikroalger. Figur 5f–h) MXener. Tabell S1-3 viser detaljene for toppparametrene og den generelle kjemien som følge av tilpasningen. Det er verdt å merke seg at Nb 3d-regionene til Nb2CTx SL og Nb4C3Tx SL (fig. 5c, f) korresponderer med én Nb2O5-komponent. Her fant vi ingen MXene-relaterte topper i spektrene, noe som indikerer at mikroalgeceller bare absorberer oksidformen av Nb. I tillegg tilnærmet vi C1s-spekteret med C–C-, CHx/C–O-, C=O- og –COOH-komponentene. Vi tilordnet CHx/C–O- og C=O-toppene til det organiske bidraget fra mikroalgeceller. Disse organiske komponentene står for henholdsvis 36 % og 41 % av C1s-toppene i Nb2CTx SL og Nb4C3TX SL. Vi tilpasset deretter O1s-spektrene til SL Nb2CTx og SL Nb4C3TX med Nb2O5, organiske komponenter fra mikroalger (CHx/CO) og overflateadsorbert vann.
Til slutt indikerte XPS-resultatene tydelig formen til Nb, ikke bare dens tilstedeværelse. I henhold til posisjonen til Nb 3d-signalet og resultatene av dekonvolusjonen, bekrefter vi at Nb bare absorberes i form av oksider og ikke ioner eller MXene i seg selv. I tillegg viste XPS-resultatene at mikroalgeceller har en større evne til å ta opp Nb-oksider fra SL Nb2CTx sammenlignet med SL Nb4C3TX MXene.
Selv om resultatene våre for Nb-opptak er imponerende og lar oss identifisere MXene-nedbrytning, finnes det ingen metode tilgjengelig for å spore tilhørende morfologiske endringer i 2D-nanoflak. Derfor bestemte vi oss også for å utvikle en passende metode som kan reagere direkte på eventuelle endringer som oppstår i 2D Nb-MXene-nanoflak og mikroalgeceller. Det er viktig å merke seg at vi antar at hvis de interagerende artene gjennomgår noen transformasjon, dekomponering eller defragmentering, bør dette raskt manifestere seg som endringer i formparametere, for eksempel diameteren til det ekvivalente sirkulære området, rundhet, Feret-bredde eller Feret-lengde. Siden disse parametrene er egnet for å beskrive langstrakte partikler eller todimensjonale nanoflak, vil sporing av dem ved dynamisk partikkelformanalyse gi oss verdifull informasjon om den morfologiske transformasjonen av SL Nb-MXene-nanoflak under reduksjon.
Resultatene som ble oppnådd er vist i figur 6. Til sammenligning testet vi også den opprinnelige MAX-fasen og ML-MXener (se SI-figurene S18 og S19). Dynamisk analyse av partikkelform viste at alle formparametrene til to Nb-MXen SL-er endret seg betydelig etter interaksjon med mikroalger. Som vist ved den ekvivalente parameteren for sirkulært arealdiameter (figur 6a, b), indikerer den reduserte toppintensiteten til fraksjonen av store nanoflak at de har en tendens til å brytes ned i mindre fragmenter. På figur 6c viser d en reduksjon i toppene assosiert med den tverrgående størrelsen på flakene (forlengelse av nanoflakene), noe som indikerer transformasjonen av 2D-nanoflak til en mer partikkellignende form. Figur 6e-h viser henholdsvis bredden og lengden på Feret. Feret-bredde og -lengde er komplementære parametere og bør derfor vurderes sammen. Etter inkubasjon av 2D Nb-MXen-nanoflak i nærvær av mikroalger, forskjøv Feret-korrelasjonstoppene seg og intensiteten minket. Basert på disse resultatene i kombinasjon med morfologi, XRF og XPS, konkluderte vi med at de observerte endringene er sterkt relatert til oksidasjon ettersom oksiderte MXener blir mer rynkete og brytes ned til fragmenter og sfæriske oksidpartikler69,70.
Analyse av MXen-transformasjon etter interaksjon med grønne mikroalger. Dynamisk partikkelformanalyse tar hensyn til parametere som (a, b) diameteren til det ekvivalente sirkulære området, (c, d) rundhet, (e, f) feretbredde og (g, h) feretlengde. For dette formålet ble to referansemikroalgeprøver analysert sammen med primære SL Nb2CTx- og SL Nb4C3Tx-MXener, SL Nb2CTx- og SL Nb4C3Tx-MXener, degraderte mikroalger og behandlede mikroalger SL Nb2CTx- og SL Nb4C3Tx-MXener. De røde pilene viser overgangene i formparametrene til de studerte todimensjonale nanoflakene.
Siden formparameteranalyse er svært pålitelig, kan den også avsløre morfologiske endringer i mikroalgeceller. Derfor analyserte vi den ekvivalente sirkulære arealdiameteren, rundheten og Feret-bredden/lengden til rene mikroalgeceller og celler etter interaksjon med 2D Nb-nanoflak. Figur 6a–h viser endringer i formparametrene til algeceller, noe som fremgår av en reduksjon i toppintensitet og et skifte av maksima mot høyere verdier. Spesielt viste cellerundhetsparametrene en reduksjon i forlengede celler og en økning i sfæriske celler (figur 6a, b). I tillegg økte Feret-cellebredden med flere mikrometer etter interaksjon med SL Nb2CTx MXene (figur 6e) sammenlignet med SL Nb4C3TX MXene (figur 6f). Vi mistenker at dette kan skyldes det sterke opptaket av Nb-oksider av mikroalger ved interaksjon med Nb2CTx SR. Mindre stiv feste av Nb-flak til overflaten kan resultere i cellevekst med minimal skyggeeffekt.
Våre observasjoner av endringer i parameterne for form og størrelse på mikroalger utfyller andre studier. Grønne mikroalger kan endre morfologien sin som respons på miljøstress ved å endre cellestørrelse, form eller metabolisme61. For eksempel letter endring av cellestørrelse absorpsjonen av næringsstoffer71. Mindre algeceller viser lavere næringsopptak og svekket vekstrate. Omvendt har større celler en tendens til å forbruke flere næringsstoffer, som deretter avsettes intracellulært72,73. Machado og Soares fant at fungicidet triklosan kan øke cellestørrelsen. De fant også betydelige endringer i algenes form74. I tillegg avdekket Yin et al.9 også morfologiske endringer i alger etter eksponering for reduserte grafenoksid-nanokompositter. Derfor er det tydelig at de endrede størrelses-/formparametrene til mikroalgene er forårsaket av tilstedeværelsen av MXene. Siden denne endringen i størrelse og form indikerer endringer i næringsopptak, mener vi at analyse av størrelses- og formparametre over tid kan demonstrere opptak av nioboksid av mikroalger i nærvær av Nb-MXener.
Dessuten kan MXener oksideres i nærvær av alger. Dalai et al.75 observerte at morfologien til grønnalger eksponert for nano-TiO2 og Al2O376 ikke var ensartet. Selv om våre observasjoner ligner på den foreliggende studien, er den bare relevant for studiet av effektene av bioremediering når det gjelder MXen-nedbrytningsprodukter i nærvær av 2D-nanoflak og ikke nanopartikler. Siden MXener kan brytes ned til metalloksider,31,32,77,78 er det rimelig å anta at våre Nb-nanoflak også kan danne Nb-oksider etter å ha interagert med mikroalgeceller.
For å forklare reduksjonen av 2D-Nb-nanoflak gjennom en dekomponeringsmekanisme basert på oksidasjonsprosessen, utførte vi studier ved bruk av høyoppløselig transmisjonselektronmikroskopi (HRTEM) (fig. 7a, b) og røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) (fig. 7). 7c-i og tabell S4-5). Begge tilnærmingene er egnet for å studere oksidasjon av 2D-materialer og komplementerer hverandre. HRTEM er i stand til å analysere nedbrytningen av todimensjonale lagdelte strukturer og den påfølgende forekomsten av metalloksid-nanopartikler, mens XPS er følsom for overflatebindinger. For dette formålet testet vi 2D Nb-MXen-nanoflak ekstrahert fra mikroalgecelledispersjoner, det vil si deres form etter interaksjon med mikroalgeceller (se fig. 7).
HRTEM-bilder som viser morfologien til oksiderte (a) SL Nb2CTx og (b) SL Nb4C3Tx MXener, XPS-analyseresultater som viser (c) sammensetningen av oksidprodukter etter reduksjon, (d–f) toppmatching av komponenter i XPS-spektrene til SL Nb2CTx og (g–i) Nb4C3Tx SL reparert med grønne mikroalger.
HRTEM-studier bekreftet oksidasjonen av to typer Nb-MXene-nanoflak. Selv om nanoflakene beholdt sin todimensjonale morfologi til en viss grad, resulterte oksidasjonen i at mange nanopartikler dekket overflaten av MXene-nanoflakene (se fig. 7a, b). XPS-analyse av c Nb 3d- og O 1s-signaler indikerte at Nb-oksider ble dannet i begge tilfeller. Som vist i figur 7c har 2D MXene Nb2CTx og Nb4C3TX Nb 3d-signaler som indikerer tilstedeværelsen av NbO- og Nb2O5-oksider, mens O 1s-signaler indikerer antallet O–Nb-bindinger assosiert med funksjonalisering av 2D-nanoflakoverflaten. Vi la merke til at Nb-oksidbidraget er dominerende sammenlignet med Nb-C og Nb3+-O.
Figur 7g–i viser XPS-spektrene til Nb3d, C1s og O1s SL Nb2CTx (se figur 7d–f) og SL Nb4C3TX MXene isolert fra mikroalgeceller. Detaljer om toppparametrene til Nb-MXene er gitt i tabell S4–5. Vi analyserte først sammensetningen av Nb3d. I motsetning til Nb absorbert av mikroalgeceller, ble det i MXene isolert fra mikroalgeceller funnet andre komponenter, bortsett fra Nb2O5. I Nb2CTx SL observerte vi et bidrag fra Nb3+-O på 15 %, mens resten av Nb3d-spekteret var dominert av Nb2O5 (85 %). I tillegg inneholder SL Nb4C3TX-prøven Nb-C (9 %) og Nb2O5 (91 %) komponenter. Her kommer Nb-C fra to indre atomlag av metallkarbid i Nb4C3Tx SR. Vi kartlegger deretter C1s-spektrene til fire forskjellige komponenter, slik vi gjorde i de internaliserte prøvene. Som forventet domineres C1s-spekteret av grafittisk karbon, etterfulgt av bidrag fra organiske partikler (CHx/CO og C=O) fra mikroalgeceller. I tillegg observerte vi i O1s-spekteret bidraget fra organiske former av mikroalgeceller, nioboksid og adsorbert vann.
I tillegg undersøkte vi om spalting av Nb-MXener er assosiert med tilstedeværelsen av reaktive oksygenarter (ROS) i næringsmediet og/eller mikroalgeceller. For dette formålet vurderte vi nivåene av singlett oksygen (1O2) i kulturmediet og intracellulært glutation, en tiol som fungerer som en antioksidant i mikroalger. Resultatene er vist i SI (figur S20 og S21). Kulturer med SL Nb2CTx og Nb4C3TX MXener ble karakterisert ved en redusert mengde 1O2 (se figur S20). Når det gjelder SL Nb2CTx, er MXen 1O2 redusert til omtrent 83 %. For mikroalgekulturer som bruker SL, sank Nb4C3TX 1O2 enda mer, til 73 %. Interessant nok viste endringer i 1O2 samme trend som den tidligere observerte hemmende-stimulerende effekten (se fig. 3). Det kan argumenteres for at inkubasjon i sterkt lys kan endre fotooksidasjon. Resultatene av kontrollanalysen viste imidlertid nesten konstante nivåer av 1O2 under eksperimentet (fig. S22). Når det gjelder intracellulære ROS-nivåer, observerte vi også den samme nedadgående trenden (se figur S21). I utgangspunktet oversteg nivåene av ROS i mikroalgeceller dyrket i nærvær av Nb2CTx- og Nb4C3Tx SL-er nivåene funnet i renkulturer av mikroalger. Etter hvert så det imidlertid ut til at mikroalgene tilpasset seg tilstedeværelsen av begge Nb-MXener, ettersom ROS-nivåene sank til 85 % og 91 % av nivåene målt i renkulturer av mikroalger inokulert med henholdsvis SL Nb2CTx og Nb4C3TX. Dette kan indikere at mikroalger føler seg mer komfortable over tid i nærvær av Nb-MXen enn i næringsmedium alene.
Mikroalger er en mangfoldig gruppe fotosyntetiske organismer. Under fotosyntese omdanner de atmosfærisk karbondioksid (CO2) til organisk karbon. Produktene fra fotosyntesen er glukose og oksygen79. Vi mistenker at oksygenet som dannes spiller en kritisk rolle i oksidasjonen av Nb-MXener. En mulig forklaring på dette er at den differensielle luftingsparameteren dannes ved lavt og høyt partialtrykk av oksygen utenfor og inne i Nb-MXen-nanoflakene. Dette betyr at der det er områder med ulikt partialtrykk av oksygen, vil området med det laveste nivået danne anoden 80, 81, 82. Her bidrar mikroalgene til dannelsen av differensielt luftede celler på overflaten av MXen-flakene, som produserer oksygen på grunn av sine fotosyntetiske egenskaper. Som et resultat dannes biokorrosjonsprodukter (i dette tilfellet niobiumoksider). Et annet aspekt er at mikroalger kan produsere organiske syrer som frigjøres i vannet83,84. Derfor dannes et aggressivt miljø, og dermed endrer Nb-MXenene. I tillegg kan mikroalger endre pH-verdien i miljøet til alkalisk på grunn av absorpsjon av karbondioksid, noe som også kan forårsake korrosjon79.
Enda viktigere er det at mørke/lys-fotoperioden som ble brukt i vår studie er kritisk for å forstå resultatene som er oppnådd. Dette aspektet er beskrevet i detalj i Djemai-Zoghlache et al. 85 De brukte bevisst en 12/12 timers fotoperiode for å demonstrere biokorrosjon assosiert med biobegroing av den røde mikroalgen Porphyridium purpureum. De viser at fotoperioden er assosiert med utviklingen av potensialet uten biokorrosjon, som manifesterer seg som pseudoperiodiske svingninger rundt klokken 24:00. Disse observasjonene ble bekreftet av Dowling et al. 86 De demonstrerte fotosyntetiske biofilmer av cyanobakteriene Anabaena. Oppløst oksygen dannes under påvirkning av lys, noe som er assosiert med en endring eller svingninger i det frie biokorrosjonspotensialet. Betydningen av fotoperioden understrekes av det faktum at det frie potensialet for biokorrosjon øker i lysfasen og avtar i mørkefasen. Dette skyldes oksygenet som produseres av fotosyntetiske mikroalger, som påvirker den katodiske reaksjonen gjennom partialtrykket som genereres nær elektrodene87.
I tillegg ble Fourier-transform infrarødspektroskopi (FTIR) utført for å finne ut om det oppsto noen endringer i den kjemiske sammensetningen av mikroalgeceller etter interaksjon med Nb-MXener. Disse oppnådde resultatene er komplekse, og vi presenterer dem i SI (figur S23-S25, inkludert resultatene fra MAX-stadiet og ML MXener). Kort sagt gir de oppnådde referansespektrene for mikroalger oss viktig informasjon om de kjemiske egenskapene til disse organismene. Disse mest sannsynlige vibrasjonene er lokalisert ved frekvenser på 1060 cm⁻¹ (CO), 1540 cm⁻¹, 1640 cm⁻¹ (C=C), 1730 cm⁻¹ (C=O), 2850 cm⁻¹, 2920 cm⁻¹ og 3280 cm⁻¹ (O–H). For SL Nb-MXener fant vi en CH-bindingsstrekksignatur som er i samsvar med vår tidligere studie38. Vi observerte imidlertid at noen ytterligere topper assosiert med C=C- og CH-bindinger forsvant. Dette indikerer at den kjemiske sammensetningen av mikroalger kan gjennomgå mindre endringer på grunn av interaksjon med SL Nb-MXener.
Når man vurderer mulige endringer i mikroalgers biokjemi, må akkumuleringen av uorganiske oksider, som nioboksid, revurderes59. Det er involvert i opptak av metaller av celleoverflaten, deres transport inn i cytoplasmaet, deres assosiasjon med intracellulære karboksylgrupper og deres akkumulering i mikroalgers polyfosfosomer20,88,89,90. I tillegg opprettholdes forholdet mellom mikroalger og metaller av funksjonelle grupper av celler. Av denne grunn avhenger absorpsjonen også av mikroalgers overflatekjemi, som er ganske kompleks9,91. Generelt sett, som forventet, endret den kjemiske sammensetningen av grønne mikroalger seg noe på grunn av absorpsjonen av Nb-oksid.
Interessant nok var den observerte initiale hemmingen av mikroalger reversibel over tid. Som vi observerte, overvant mikroalgene den initiale miljøendringen og returnerte til slutt til normal vekst, og økte til og med. Studier av zeta-potensialet viser høy stabilitet når det introduseres i næringsmedier. Dermed ble overflateinteraksjonen mellom mikroalgeceller og Nb-MXene-nanoflak opprettholdt gjennom hele reduksjonseksperimentene. I vår videre analyse oppsummerer vi de viktigste virkningsmekanismene som ligger til grunn for denne bemerkelsesverdige oppførselen til mikroalger.
SEM-observasjoner har vist at mikroalger har en tendens til å feste seg til Nb-MXener. Ved hjelp av dynamisk bildeanalyse bekrefter vi at denne effekten fører til transformasjonen av todimensjonale Nb-MXen-nanoflak til mer sfæriske partikler, og demonstrerer dermed at nedbrytningen av nanoflak er assosiert med deres oksidasjon. For å teste hypotesen vår utførte vi en serie material- og biokjemiske studier. Etter testing oksiderte nanoflakene gradvis og dekomponerte til NbO- og Nb2O5-produkter, som ikke utgjorde en trussel mot grønne mikroalger. Ved hjelp av FTIR-observasjon fant vi ingen signifikante endringer i den kjemiske sammensetningen av mikroalger inkubert i nærvær av 2D Nb-MXen-nanoflak. Med tanke på muligheten for absorpsjon av nioboksid av mikroalger utførte vi en røntgenfluorescensanalyse. Disse resultatene viser tydelig at de studerte mikroalgene lever av nioboksider (NbO og Nb2O5), som ikke er giftige for de studerte mikroalgene.