Takk for at du besøker Nature.com.Du bruker en nettleserversjon med begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen 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 skyveknappene på slutten for å gå gjennom tre lysbilder om gangen.
Den raske utviklingen av nanoteknologi og dens integrering i hverdagsapplikasjoner kan true miljøet.Mens grønne metoder for nedbrytning av organiske forurensninger er veletablerte, er gjenvinningen av uorganiske krystallinske forurensninger av stor bekymring på grunn av deres lave følsomhet for biotransformasjon og mangel på forståelse av materialoverflateinteraksjoner med biologiske.Her bruker vi en Nb-basert uorganisk 2D MXenes-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.Til å begynne med ble enkeltlags og flerlags MXene nanoflak festet til overflaten av mikroalger, noe som reduserte veksten av alger noe.Imidlertid, etter langvarig interaksjon med overflaten, oksiderte mikroalger MXene-nanoflak og spaltet dem ytterligere til NbO og Nb2O5.Fordi disse oksidene er ikke-giftige for mikroalgeceller, forbruker de Nb-oksidnanopartikler ved en absorpsjonsmekanisme som gjenoppretter mikroalgene ytterligere etter 72 timers vannbehandling.Effektene av næringsstoffer forbundet med absorpsjon gjenspeiles også i økningen i cellevolum, deres glatte form og endring i veksthastighet.Basert på disse funnene konkluderer vi med at kort- og langsiktig tilstedeværelse av Nb-baserte MXener i ferskvannsøkosystemer kan forårsake kun mindre miljøpåvirkninger.Det er bemerkelsesverdig at ved å bruke todimensjonale nanomaterialer som modellsystemer, demonstrerer vi 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 grunnlag for ytterligere kortsiktige og langsiktige studier av miljøpåvirkningen av uorganiske krystallinske nanomaterialer.
Nanomaterialer har skapt stor interesse siden de ble oppdaget, og ulike nanoteknologier har nylig gått inn i en moderniseringsfase1.Dessverre kan integrering 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 ut forstått.Derfor er det ikke overraskende at økotoksisitetsbekymringer har fokusert på evnen til 2D-nanomaterialer til å lekke ut i vannsystemer2,3,4,5,6.I disse økosystemene kan noen 2D nanomaterialer samhandle med forskjellige organismer på forskjellige trofiske nivåer, inkludert mikroalger.
Mikroalger er primitive organismer som finnes naturlig i ferskvann og marine økosystemer 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 formerer seg raskt og reagerer raskt på tilstedeværelsen av ulike forbindelser, lover de utviklingen 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 har vist seg å bære og til og med gi 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 cellemorfologi og ødelegge deres kloroplaster20,21.
Grønne metoder for nedbryting 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 behandles i væskefasen.Imidlertid er uorganiske krystallinske forurensninger preget av lav vannløselighet og lav følsomhet for ulike biotransformasjoner, noe som gir store problemer med sanering, og det er gjort lite fremskritt på dette området22,23,24,25,26.Dermed forblir jakten på miljøvennlige løsninger for reparasjon av nanomaterialer et komplekst og uutforsket område.På grunn av den høye graden av usikkerhet angående biotransformasjonseffektene av 2D nanomaterialer, er det ingen enkel måte å finne ut 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, der 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 MXenes av Naguib et al.Sensorikk, kreftterapi og membranfiltrering 27,29,30.I tillegg kan MXener betraktes som modell 2D-systemer på grunn av deres utmerkede kolloidale stabilitet og mulige biologiske interaksjoner31,32,33,34,35,36.
Derfor er metodikken utviklet i denne artikkelen og våre forskningshypoteser vist i figur 1. I følge denne hypotesen bryter mikroalger ned Nb-baserte MXener til ikke-toksiske forbindelser på grunn av overflaterelaterte fysisk-kjemiske interaksjoner, noe som muliggjør videre utvinning av algene.For å teste denne hypotesen ble to medlemmer av familien av tidlige niobbaserte overgangsmetallkarbider og/eller nitrider (MXenes), nemlig Nb2CTx og Nb4C3TX, valgt.
Forskningsmetodikk og evidensbaserte hypoteser for utvinning av MXene av grønne mikroalger Raphidocelis subcapitata.Vær oppmerksom på at dette bare er en skjematisk fremstilling av evidensbaserte antakelser.Innsjømiljøet er forskjellig i næringsmediet som brukes og forholdene (f.eks. daglig syklus og begrensninger i tilgjengelige essensielle næringsstoffer).Laget med BioRender.com.
Derfor, ved å bruke MXene som modellsystem, har vi 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 MXenes, av mikroalger Raphidocelis subcapitata.Mikroalger er i stand til å bryte ned Nb-MXener til de ikke-toksiske 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 til 2D nanomaterialer.Dette inspirerer til videre kortsiktig og langsiktig forskning på de ulike miljøpåvirkningene av uorganiske krystallinske nanomaterialer.Dermed øker vår studie forståelsen av samspillet mellom materialoverflaten og biologisk materiale.Vi legger også grunnlaget for utvidede kortsiktige og langsiktige studier av deres mulige påvirkninger på ferskvannsøkosystemer, som nå enkelt kan verifiseres.
MXenes representerer en interessant klasse materialer med unike og attraktive fysiske og kjemiske egenskaper og derfor mange potensielle bruksområder.Disse egenskapene er i stor grad avhengig av deres støkiometri og overflatekjemi.Derfor, i vår studie, undersøkte vi to typer Nb-baserte hierarkiske enkeltlags (SL) MXenes, Nb2CTx og Nb4C3TX, siden forskjellige biologiske effekter av disse nanomaterialene kunne observeres.MXenes produseres av utgangsmaterialene deres ved selektiv etsing ovenfra og ned av atomtynne MAX-fase A-lag.MAX-fasen er en ternær keramikk sammensatt 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 skanneelektronmikroskopi (SEM) og var i samsvar med tidligere studier (se tilleggsinformasjon, SI, figur S1).Flerlags (ML) Nb-MXene ble oppnådd etter fjerning av Al-laget med 48% HF (fluorsyre).Morfologien til ML-Nb2CTx og ML-Nb4C3TX ble undersøkt ved skanningselektronmikroskopi (SEM) (henholdsvis figurer S1c og S1d) og en typisk lagdelt MXene-morfologi ble observert, lik todimensjonale nanoflak som passerer gjennom langstrakte porelignende spalter.Begge Nb-MXenene har mye til felles med MXene-faser som tidligere er syntetisert ved syreetsing27,38.Etter å ha bekreftet strukturen til MXene, lagde vi den ved interkalering av tetrabutylammoniumhydroksid (TBAOH) etterfulgt av vasking og sonikering, hvoretter vi oppnådde enkeltlags eller lavlags (SL) 2D Nb-MXene nanoflakes.
Vi brukte høyoppløselig transmisjonselektronmikroskopi (HRTEM) og røntgendiffraksjon (XRD) for å teste effektiviteten av etsing og ytterligere peeling.HRTEM-resultatene behandlet ved bruk av Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) og Fast Fourier Transform (FFT) er vist i fig. 2. Nb-MXene nanoflakes ble orientert kanten opp for å sjekke strukturen til atomlaget og måle de interplanare avstandene.HRTEM-bilder av MXene Nb2CTx og Nb4C3TX nanoflakes avslørte deres atomiske tynne lag (se fig. 2a1, a2), som tidligere rapportert av Naguib et al.27 og Jastrzębska et al.38.For to tilstøtende Nb2CTx og Nb4C3Tx monolag bestemte vi mellomlagsavstander på henholdsvis 0,74 og 1,54 nm (fig. 2b1,b2), 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 tilsvarer niob og karbonatomer, noe som bekrefter den lagdelte naturen til de studerte MXenene.Det er viktig å merke seg at de energidispersive røntgenspektroskopi (EDX) spektrene oppnådd for Nb2CTx og Nb4C3Tx (figurene S2a og S2b) ikke viste noen rester av den opprinnelige MAX-fasen, siden ingen Al-topp ble oppdaget.
Karakterisering av SL Nb2CTx og Nb4C3Tx MXene nanoflak, inkludert (a) høyoppløselig elektronmikroskopi (HRTEM) sidevisning 2D nanoflake-avbildning og tilsvarende, (b) intensitetsmodus, (c) invers rask Fourier-transformasjon (IFFT), (d) rask Fourier-transformasjon (FFT), (e) X-b-ray-mønster.For SL 2D Nb2CTx er tallene uttrykt som (a1, b1, c1, d1, e1).For SL 2D Nb4C3Tx er tallene uttrykt som (a2, b2, c2, d2, e1).
Røntgendiffraksjonsmålinger av SL Nb2CTx og Nb4C3Tx MXener er vist i fig.2e1 og e2, henholdsvis.Topper (002) ved 4.31 og 4.32 tilsvarer de tidligere beskrevne lagdelte MXenene henholdsvis Nb2CTx og Nb4C3TX38,39,40,41.XRD-resultatene indikerer også tilstedeværelsen av noen gjenværende ML-strukturer og MAX-faser, men for det meste XRD-mønstre assosiert med SL Nb4C3Tx (fig. 2e2).Tilstedeværelsen av mindre partikler av 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 forskjellig følsomhet for giftige forbindelser som finnes i miljøet.For de fleste organismer påvirker ikke lave konsentrasjoner av stoffer deres vekst, mens konsentrasjoner over en viss grense kan hemme dem eller til og med forårsake død.Derfor, for våre studier av overflateinteraksjonen mellom mikroalger og MXener og den tilhørende utvinningen, bestemte vi oss for å teste de harmløse og giftige konsentrasjonene av Nb-MXener.For å gjøre dette testet vi konsentrasjoner på 0 (som referanse), 0,01, 0,1 og 10 mg l-1 MXene og i tillegg infiserte mikroalger med svært høye konsentrasjoner av MXene (100 mg l-1 MXene), som kan være ekstreme og dødelige..for ethvert biologisk miljø.
Effektene av SL Nb-MXenes på mikroalger er vist i figur 3, uttrykt som prosentandelen av vekstfremmende (+) eller hemming (-) målt for 0 mg l-1 prøver.For sammenligning ble Nb-MAX-fasen og ML Nb-MXenes også testet, og resultatene er vist i SI (se fig. S3).Resultatene som ble oppnådd bekreftet at SL Nb-MXenes er nesten fullstendig blottet for toksisitet i området med lave konsentrasjoner fra 0,01 til 10 mg/l, som vist i fig. 3a,b.Når det gjelder Nb2CTx, observerte vi ikke mer enn 5 % økotoksisitet i det spesifiserte området.
Stimulering (+) eller hemming (-) 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 merket med en stjerne (*). Signifikante data (t-test, p < 0,05) ble merket 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 avskaffelse av hemmende stimulering.
På den annen side viste lave konsentrasjoner av Nb4C3TX seg å være litt mer giftig, men ikke høyere enn 7 %.Som forventet observerte vi at MXenes 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 for MAX-fasen (se fig. S3) toksisiteten nådde omtrent 15–25 % og økte med tiden, ble den omvendte trenden observert for SL Nb2CTx og Nb4C3TX MXene.Hemmingen av mikroalgevekst avtok over tid.Den nådde ca. 17 % etter 24 timer og falt til mindre enn 5 % etter 72 timer (henholdsvis fig. 3a, b).
Enda viktigere, for SL Nb4C3TX nådde mikroalgevekstinhiberingen 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 notert tidligere med Nb4C3TX (interaksjon ved 10 mg L-1 i 24 timer) sammenlignet med SL Nb2CTx MXene.Inhiberingsstimuleringsreverseringseffekten ble også godt vist i biomassedoblingshastighetskurven (se fig. S4 for detaljer).Så langt har bare økotoksisiteten til Ti3C2TX MXene blitt studert på forskjellige måter.Den er ikke giftig for sebrafiskembryoer44, men moderat økotoksisk for mikroalgene Desmodesmus quadricauda og Sorghum saccharatum-plantene45.Andre eksempler på spesifikke effekter inkluderer høyere toksisitet for kreftcellelinjer enn for normale cellelinjer46,47.Det kan antas at testforholdene vil påvirke endringene i mikroalgevekst observert i nærvær av Nb-MXener.For eksempel er en pH på ca. 8 i kloroplaststroma optimal for effektiv drift av RuBisCO-enzymet.Derfor påvirker pH-endringer fotosyntesehastigheten negativt48,49.Imidlertid observerte vi ikke signifikante endringer i pH under eksperimentet (se SI, Fig. S5 for detaljer).Generelt reduserte kulturer av mikroalger med Nb-MXenes pH i løsningen litt over tid.Imidlertid var denne reduksjonen lik en endring i pH i et rent medium.I tillegg var utvalget av variasjoner som ble funnet lik 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).Dette er hovedsakelig funksjonelle grupper -O, -F og -OH.Imidlertid er overflatekjemi 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 MXene50.Det kan hevdes 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 heterojunctions51.Imidlertid ga ikke vekstmediumsammensetningen en effektiv fotokatalysator (detaljert mediumsammensetning kan finnes i SI-tabell S6).I tillegg er enhver overflatemodifisering også veldig viktig, siden den biologiske aktiviteten til MXenes kan endres på grunn av lagetterbehandling, oksidasjon, kjemisk overflatemodifisering av organiske og uorganiske forbindelser52,53,54,55,56 eller overflateladningsteknikk38.Derfor, for å teste om niobiumoksid har noe å gjøre med materialustabilitet i mediet, utførte vi studier av zeta (ζ)-potensialet i mikroalgevekstmedium og avionisert vann (til sammenligning).Resultatene våre viser at SL Nb-MXenes er ganske stabile (se SI Fig. S6 for MAX- og ML-resultater).Zetapotensialet til SL MXenes 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 til negativt ladede MXene-nanoflak absorberer positivt ladede ioner fra kulturmediet.Temporale målinger av zeta-potensialet og konduktiviteten til Nb-MXenes i kulturmedium (se figurer S7 og S8 i SI for flere detaljer) ser ut til å støtte hypotesen vår.
Imidlertid viste begge Nb-MXene SL-ene minimale endringer fra null.Dette viser tydelig deres stabilitet i vekstmediet for mikroalger.I tillegg vurderte vi om tilstedeværelsen av våre grønne mikroalger ville påvirke stabiliteten til Nb-MXenes i mediet.Resultatene av zeta-potensialet og konduktiviteten til MXenes etter interaksjon med mikroalger i næringsmedier og kultur over tid kan finnes i SI (figur S9 og S10).Interessant nok la vi merke til at tilstedeværelsen av mikroalger så ut til å stabilisere spredningen av begge MXenene.Når det gjelder Nb2CTx SL, sank zetapotensialet til og med litt over tid til mer negative verdier (-15,8 mot -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 ledningsevne av Nb-MXene-løsninger inkubert i nærvær av mikroalger, noe som indikerer en lavere mengde ioner i næringsmediet.Spesielt er ustabiliteten til MXener i vann hovedsakelig på grunn av 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 hvilke typer stoffer som absorberes av mikroalger.
Mens våre økotoksikologiske studier indikerte at mikroalger var i stand til å overvinne toksisiteten til Nb-MXenes over tid og den uvanlige inhiberingen av stimulert vekst, var målet med vår studie å undersøke mulige virkningsmekanismer.Når organismer som alger utsettes for forbindelser eller materialer som ikke er kjent for deres økosystemer, kan de reagere på en rekke måter58,59.I fravær av giftige metalloksider kan mikroalger forsyne seg, slik at de kan vokse kontinuerlig60.Etter inntak av giftige stoffer kan forsvarsmekanismer bli aktivert, som å endre form eller form.Muligheten for absorpsjon må også vurderes58,59.Spesielt er ethvert tegn på en forsvarsmekanisme en klar indikator på toksisiteten til testforbindelsen.Derfor, i vårt videre arbeid, undersøkte vi den potensielle overflateinteraksjonen mellom SL Nb-MXene nanoflakes og mikroalger ved SEM og mulig absorpsjon av Nb-basert MXene ved røntgenfluorescensspektroskopi (XRF).Merk at SEM- og XRF-analyser bare ble utført ved den høyeste konsentrasjonen av MXene for å løse problemer med aktivitetstoksisitet.
SEM-resultatene er vist i fig.4.Ubehandlede mikroalgeceller (se fig. 4a, referanseprøve) viste tydelig typisk R. subcapitata-morfologi og croissant-lignende celleform.Celler virker flate og noe uorganiserte.Noen mikroalgeceller overlappet og viklet seg inn i hverandre, men dette var sannsynligvis forårsaket av prøveprepareringsprosessen.Generelt hadde rene mikroalgeceller en jevn overflate og viste ingen morfologiske endringer.
SEM-bilder som viser overflateinteraksjon mellom grønne mikroalger og MXene nanoark etter 72 timers interaksjon ved ekstrem konsentrasjon (100 mg L-1).(a) Ubehandlede grønne mikroalger etter interaksjon med SL (b) Nb2CTx og (c) Nb4C3TX MXenes.Merk at Nb-MXene nanoflakene er merket med røde piler.Til sammenligning er også fotografier fra et optisk mikroskop lagt til.
I motsetning til dette ble mikroalgeceller adsorbert av SL Nb-MXene nanoflakes 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, som kan endre deres morfologi.Spesielt observerte vi også disse endringene under lysmikroskopi (se SI figur S11 for detaljer).Denne morfologiske overgangen har et plausibelt grunnlag i fysiologien til mikroalger og deres evne til å forsvare seg ved å endre cellemorfologi, som å øke cellevolum61.Derfor er det viktig å sjekke antall mikroalgeceller som faktisk er i kontakt med Nb-MXener.SEM-studier viste at omtrent 52 % av mikroalgecellene ble eksponert for Nb-MXenes, mens 48 % av disse mikroalgecellene unngikk kontakt.For SL Nb4C3Tx MXene prøver mikroalger å unngå kontakt med MXene, og lokaliserer derved og vokser fra todimensjonale nanoskalaer (fig. 4c).Imidlertid observerte vi ikke penetrasjonen av nanoskala 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 skygge-(skygge-)effekten62.Det er tydelig at hvert objekt (for eksempel Nb-MXene 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 de oppnådde resultatene.Som vist av våre mikroskopiske observasjoner, ble 2D nanoflakene ikke fullstendig pakket inn eller festet til overflaten av mikroalgene, selv når mikroalgecellene var i kontakt med Nb-MXenes.I stedet viste det seg at nanoflak var orientert mot mikroalgeceller uten å dekke overflaten.Et slikt sett med nanoflak/mikroalger kan ikke i vesentlig grad begrense mengden lys som absorberes av mikroalgeceller.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 opptak av niob av mikroalgeceller, vendte vår videre studie seg til røntgenfluorescens (XRF) og røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) analyse for å avklare dette problemet.Derfor sammenlignet vi intensiteten til Nb-toppene til referansemikroalgeprøver som ikke interagerte med MXenes, MXene nanoflakes løsnet fra overflaten av mikroalgeceller og mikroalgeceller etter fjerning av festede MXener.Det er verdt å merke seg at dersom det ikke er Nb-opptak, bør Nb-verdien oppnådd av mikroalgecellene være null etter fjerning av de vedlagte nanoskalaene.Derfor, hvis Nb-opptak forekommer, bør både XRF- og XPS-resultater vise en klar Nb-topp.
Når det gjelder XRF-spektre, viste mikroalgeprøver 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 MXener er vist i SI, C172, fig. S1).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 maksimal kapasitet for Nb-akkumulering ble oppnådd i cellene, selv om to ganger mer Nb4C3Tx MXene ble festet til mikroalgecellene (blå søyler i fig. 5a).Spesielt avhenger evnen til mikroalger til å absorbere metaller av konsentrasjonen av metalloksider i miljøet67,68.Shamshada et al.67 fant at absorpsjonsevnen til ferskvannsalger avtar med økende pH.Raize et al.68 bemerket at tangens evne til å absorbere metaller var omtrent 25 % høyere for Pb2+ enn for Ni2+.
(a) XRF-resultater av basalt Nb-opptak av grønne mikroalgeceller inkubert ved en ekstrem konsentrasjon av SL Nb-MXenes (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 av elementært Nb, (b) prosentandel av kjemisk sammensetning av mikroalger organiske komponenter (C=O og CHx/C–O) og Nb-oksider tilstede i mikroalgeceller etter inkubasjon med SL Nb-MXenes, (c–e) Tilpasning av sammensetningstoppen til XPS SL Nb2CTx-spektra og (fMXh)-mikrocelle Nb-MXener.
Derfor forventet vi at Nb kunne absorberes av algeceller i form av oksider.For å teste dette utførte vi XPS-studier på MXenes Nb2CTx og Nb4C3TX og algeceller.Resultatene av interaksjonen av mikroalger med Nb-MXener og MXener isolert fra algeceller er vist i fig.5b.Som forventet oppdaget vi Nb 3d-topper i mikroalgeprøvene etter fjerning av MXene 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-spektra oppnådd med Nb2CTx SL (fig. 5c–e) og Nb4C3Tx SL (fig. 5c–e).) hentet fra inkuberte mikroalger.Figur 5f–h) MXenes.Tabell S1-3 viser detaljene for toppparametrene og den generelle kjemien som følge av tilpasningen.Det er bemerkelsesverdig at Nb 3d-regionene til Nb2CTx SL og Nb4C3Tx SL (fig. 5c, f) tilsvarer 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 C 1 s-spekteret med C–C, CHx/C–O, C=O og –COOH-komponentene.Vi tildelte CHx/C–O- og C=O-toppene til det organiske bidraget til mikroalgeceller.Disse organiske komponentene står for 36 % og 41 % av C 1s-toppene i henholdsvis Nb2CTx SL og Nb4C3TX SL.Vi tilpasset deretter O 1s-spektrene til SL Nb2CTx og SL Nb4C3TX med Nb2O5, organiske komponenter av 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-resultater at mikroalgeceller har større evne til å ta opp Nb-oksider fra SL Nb2CTx sammenlignet med SL Nb4C3TX MXene.
Mens Nb-opptaksresultatene våre er imponerende og lar oss identifisere MXene-nedbrytning, er det ingen tilgjengelig metode 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 endringer som skjer i 2D Nb-MXene nanoflak og mikroalgeceller.Det er viktig å merke seg at vi antar at hvis den interagerende arten gjennomgår noen transformasjon, dekomponering eller defragmentering, bør dette raskt manifestere seg som endringer i formparametere, slik som diameteren til det ekvivalente sirkulære området, rundhet, Feret-bredde eller Feret-lengde.Siden disse parameterne er egnet for å beskrive langstrakte partikler eller todimensjonale nanoflak, vil sporingen av dem ved hjelp av 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. For sammenligning testet vi også den originale MAX-fasen og ML-MXenes (se SI-figurene S18 og S19).Dynamisk analyse av partikkelform viste at alle formparametere til to Nb-MXene SL-er endret seg betydelig etter interaksjon med mikroalger.Som vist av den ekvivalente sirkulære arealdiameterparameteren (fig. 6a, b), indikerer den reduserte toppintensiteten til fraksjonen av store nanoflak at de har en tendens til å forfalle til mindre fragmenter.På fig.6c, d viser en reduksjon i toppene assosiert med den tverrgående størrelsen på flakene (forlengelse av nanoflakene), noe som indikerer transformasjonen av 2D nanoflakene til en mer partikkellignende form.Figur 6e-h som viser henholdsvis bredden og lengden på Feret.Feretbredde og lengde er komplementære parametere og bør derfor vurderes sammen.Etter inkubering av 2D Nb-MXene nanoflak i nærvær av mikroalger, endret deres Feret-korrelasjonstopper og deres intensitet redusert.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 MXene-transformasjon etter interaksjon med grønne mikroalger.Dynamisk partikkelformanalyse tar hensyn til slike parametere som (a, b) diameter på det ekvivalente sirkulære området, (c, d) rundhet, (e, f) Feretbredde og (g, h) Feretlengde.For dette formål ble to referansemikroalgeprøver analysert sammen med primære SL Nb2CTx og SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx og SL Nb4C3Tx MXenes, nedbrutte mikroalger og behandlede mikroalger SL Nb2CTx og SL Nb4C3Tx MXenes.De røde pilene viser overgangene til 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.På fig.6a–h viser endringer i formparametrene til algeceller, noe som fremgår av en reduksjon i toppintensitet og en forskyvning av maksima mot høyere verdier.Spesielt viste cellerundhetsparametere en reduksjon i forlengede celler og en økning i sfæriske celler (fig. 6a, b).I tillegg økte Feret-cellebredden med flere mikrometer etter interaksjon med SL Nb2CTx MXene (fig. 6e) sammenlignet med SL Nb4C3TX MXene (fig. 6f).Vi mistenker at dette kan skyldes det sterke opptak av Nb-oksider av mikroalger ved interaksjon med Nb2CTx SR.Mindre stiv festing av Nb-flak til overflaten kan resultere i cellevekst med minimal skyggeeffekt.
Våre observasjoner av endringer i parametrene for formen og størrelsen på mikroalger utfyller andre studier.Grønne mikroalger kan endre sin morfologi som svar på miljøstress ved å endre cellestørrelse, form eller metabolisme61.For eksempel letter endring av cellestørrelse absorpsjonen av næringsstoffer71.Mindre algeceller viser lavere næringsopptak og nedsatt veksthastighet.Motsatt har større celler en tendens til å konsumere flere næringsstoffer, som deretter avsettes intracellulært72,73.Machado og Soares fant at soppdrepet triclosan kan øke cellestørrelsen.De fant også dyptgripende endringer i formen til algene74.I tillegg avslørte Yin et al.9 også morfologiske endringer i alger etter eksponering for reduserte grafenoksid nanokompositter.Derfor er det klart at de endrede størrelses-/formparametrene til mikroalgene er forårsaket av tilstedeværelsen av MXene.Siden denne endringen i størrelse og form er en indikasjon på endringer i næringsopptak, tror vi at analyse av størrelse og formparametre over tid kan demonstrere opptak av niobiumoksid 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 observasjonene våre ligner på den nåværende studien, er den bare relevant for studien av effektene av bioremediering når det gjelder MXene-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 interaksjon 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 tabellene S4-5).Begge tilnærmingene er egnet for å studere oksidasjon av 2D-materialer og utfyller hverandre.HRTEM er i stand til å analysere nedbrytningen av todimensjonale lagdelte strukturer og det påfølgende utseendet til metalloksidnanopartikler, mens XPS er følsomt for overflatebindinger.For dette formålet testet vi 2D Nb-MXene 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 MXenes, XPS-analyseresultater som viser (c) sammensetningen av oksidprodukter etter reduksjon, (d–f) topptilpasning av komponentene i XPS-spektrene til SL Nb2CTx og (g–i) grønn microSLgae.
HRTEM-studier bekreftet oksidasjonen av to typer Nb-MXene nanoflakes.Selv om nanoflakene beholdt sin todimensjonale morfologi til en viss grad, resulterte oksidasjon i utseendet til mange nanopartikler som dekket overflaten av MXene nanoflakene (se fig. 7a,b).XPS-analyse av c Nb 3d- og O 1s-signaler indikerte at det ble dannet Nb-oksider 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 antall O-Nb-bindinger assosiert med funksjonalisering av 2D nanoflake-overflaten.Vi la merke til at Nb-oksidbidraget er dominerende sammenlignet med Nb-C og Nb3+-O.
På fig.Figurene 7g–i viser XPS-spektrene til Nb 3d, C 1s og O 1s SL Nb2CTx (se fig. 7d–f) og SL Nb4C3TX MXene isolert fra mikroalgeceller.Detaljer om Nb-MXenes-toppparametere er gitt i henholdsvis tabell S4–5.Vi analyserte først sammensetningen av Nb 3d.I motsetning til Nb absorbert av mikroalgeceller, ble det funnet andre komponenter i MXene isolert fra mikroalgeceller, bortsett fra Nb2O5.I Nb2CTx SL observerte vi bidraget av Nb3+-O i mengden 15 %, mens resten av Nb 3d-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 C 1s-spektrene til fire forskjellige komponenter, slik vi gjorde i de internaliserte prøvene.Som forventet domineres C 1s-spekteret av grafittisk karbon, etterfulgt av bidrag fra organiske partikler (CHx/CO og C=O) fra mikroalgeceller.I tillegg, i O 1s-spekteret, observerte vi bidraget fra organiske former av mikroalgeceller, niobiumoksid og adsorbert vann.
I tillegg undersøkte vi om Nb-MXenes-spalting er assosiert med tilstedeværelsen av reaktive oksygenarter (ROS) i næringsmediet og/eller mikroalgeceller.For dette formål 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 (figurene S20 og S21).Kulturer med SL Nb2CTx og Nb4C3TX MXenes ble preget av en redusert mengde 1O2 (se figur S20).Når det gjelder SL Nb2CTx, reduseres MXene 1O2 til ca. 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 hevdes at inkubasjon i sterkt lys kan endre fotooksidasjon.Imidlertid viste resultatene av kontrollanalysen nesten konstante nivåer av 1O2 under forsøket (fig. S22).Når det gjelder intracellulære ROS-nivåer, observerte vi også den samme nedadgående trenden (se figur S21).Opprinnelig oversteg nivåene av ROS i mikroalgeceller dyrket i nærvær av Nb2CTx og Nb4C3Tx SL nivåene som ble funnet i rene kulturer av mikroalger.Etter hvert så det imidlertid ut til at mikroalgene tilpasset seg tilstedeværelsen av begge Nb-MXener, da ROS-nivåene sank til 85 % og 91 % av nivåene målt i rene kulturer av mikroalger inokulert med henholdsvis SL Nb2CTx og Nb4C3TX.Dette kan tyde på at mikroalger føler seg mer komfortable over tid i nærvær av Nb-MXene enn i næringsmedium alene.
Mikroalger er en mangfoldig gruppe fotosyntetiske organismer.Under fotosyntesen omdanner de atmosfærisk karbondioksid (CO2) til organisk karbon.Produktene fra fotosyntesen er glukose og oksygen79.Vi mistenker at oksygenet som dannes på denne måten spiller en kritisk rolle i oksidasjonen av Nb-MXener.En mulig forklaring på dette er at differensialluftingsparameteren dannes ved lavt og høyt partialtrykk av oksygen utenfor og inne i Nb-MXene nanoflakene.Dette betyr at uansett hvor det er områder med forskjellig 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 MXene-flakene, som produserer oksygen på grunn av deres fotosyntetiske egenskaper.Som et resultat dannes biokorrosjonsprodukter (i dette tilfellet niobiumoksider).Et annet aspekt er at mikroalger kan produsere organiske syrer som slippes ut i vannet83,84.Derfor dannes et aggressivt miljø, og endrer dermed Nb-MXenes.I tillegg kan mikroalger endre pH i miljøet til alkalisk på grunn av absorpsjon av karbondioksid, som også kan forårsake korrosjon79.
Enda viktigere, den mørke/lyse fotoperioden som brukes i vår studie er avgjørende 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, og manifesterer seg som pseudoperiodiske svingninger rundt klokken 24:00.Disse observasjonene ble bekreftet av Dowling et al.86 De demonstrerte fotosyntetiske biofilmer av cyanobakterier Anabaena.Oppløst oksygen dannes under påvirkning av lys, som er assosiert med en endring eller fluktuasjoner i det frie biokorrosjonspotensialet.Betydningen av fotoperioden understrekes av det faktum at det frie potensialet for biokorrosjon øker i den lyse fasen og avtar i den mørke fasen.Dette skyldes oksygenet som produseres av fotosyntetiske mikroalger, som påvirker den katodiske reaksjonen gjennom partialtrykket som genereres nær elektrodene87.
I tillegg ble Fourier transform infrarød spektroskopi (FTIR) utført for å finne ut om det skjedde endringer i den kjemiske sammensetningen av mikroalgeceller etter interaksjon med Nb-MXenes.Disse oppnådde resultatene er komplekse, og vi presenterer dem i SI (figurene S23-S25, inkludert resultatene fra MAX-stadiet og ML MXenes).Kort sagt, de oppnådde referansespektrene til mikroalger gir 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.en.1 1 (C–H) og 3280 cm–1 (O–H).For SL Nb-MXenes fant vi en CH-bindingsstrekksignatur som stemmer overens med vår tidligere studie38.Imidlertid observerte vi at noen ekstra 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-MXenes.
Når man vurderer mulige endringer i biokjemien til mikroalger, må akkumuleringen av uorganiske oksider, som niobiumoksid, revurderes59.Det er involvert i opptak av metaller av celleoverflaten, deres transport inn i cytoplasmaet, deres assosiasjon med intracellulære karboksylgrupper og deres akkumulering i mikroalger polyfosfosomer20,88,89,90.I tillegg opprettholdes forholdet mellom mikroalger og metaller av funksjonelle grupper av celler.Av denne grunn avhenger absorpsjon også av mikroalger overflatekjemi, som er ganske kompleks9,91.Generelt, som forventet, endret den kjemiske sammensetningen av grønne mikroalger seg noe på grunn av absorpsjon av Nb-oksid.
Interessant nok var den observerte initiale hemmingen av mikroalger reversibel over tid.Som vi observerte, overvant mikroalgene den første miljøendringen og vendte til slutt tilbake til normale vekstrater og økte til og med.Studier av zeta-potensialet viser høy stabilitet når de introduseres i næringsmedier.Dermed ble overflateinteraksjonen mellom mikroalgeceller og Nb-MXene nanoflak opprettholdt gjennom reduksjonsforsøkene.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-MXenes.Ved hjelp av dynamisk bildeanalyse bekrefter vi at denne effekten fører til transformasjon av todimensjonale Nb-MXene nanoflakes til mer sfæriske partikler, og demonstrerer dermed at nedbrytningen av nanoflakes er assosiert med deres oksidasjon.For å teste hypotesen vår gjennomførte 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 å bruke FTIR-observasjon fant vi ingen signifikante endringer i den kjemiske sammensetningen av mikroalger inkubert i nærvær av 2D Nb-MXene nanoflak.Tatt i betraktning muligheten for absorpsjon av niobiumoksid av mikroalger, utførte vi en røntgenfluorescensanalyse.Disse resultatene viser tydelig at de studerte mikroalgene lever av niobiumoksider (NbO og Nb2O5), som er ikke-toksiske for de studerte mikroalgene.