Obrigado por visitar Nature.com. Você está usando uma versão de navegador com suporte limitado a CSS. Para uma melhor experiência, recomendamos que você use um navegador atualizado (ou desative o Modo de Compatibilidade no Internet Explorer). Enquanto isso, para garantir o suporte contínuo, renderizaremos o site sem estilos e JavaScript.
Exibe um carrossel de três slides simultaneamente. Use os botões Anterior e Próximo para navegar pelos três slides simultaneamente, ou use os botões deslizantes no final para navegar pelos três slides simultaneamente.
O rápido desenvolvimento da nanotecnologia e sua integração em aplicações cotidianas podem ameaçar o meio ambiente. Embora métodos verdes para a degradação de contaminantes orgânicos estejam bem estabelecidos, a recuperação de contaminantes cristalinos inorgânicos é uma grande preocupação devido à sua baixa sensibilidade à biotransformação e à falta de compreensão das interações da superfície do material com os biológicos. Aqui, usamos um modelo de MXenes 2D inorgânicos à base de Nb combinado com um método simples de análise de parâmetros de forma para rastrear o mecanismo de biorremediação de nanomateriais cerâmicos 2D pela microalga verde Raphidocelis subcapitata. Descobrimos que as microalgas degradam MXenes à base de Nb devido a interações físico-químicas relacionadas à superfície. Inicialmente, nanoflocos de MXene de camada única e multicamadas foram fixados à superfície das microalgas, o que reduziu um pouco o crescimento das algas. No entanto, após interação prolongada com a superfície, as microalgas oxidaram os nanoflocos de MXene e os decompuseram em NbO e Nb2O5. Como esses óxidos não são tóxicos para as células de microalgas, eles consomem nanopartículas de óxido de Nb por um mecanismo de absorção que restaura ainda mais as microalgas após 72 horas de tratamento com água. Os efeitos dos nutrientes associados à absorção também se refletem no aumento do volume celular, na sua forma suave e na mudança na taxa de crescimento. Com base nessas descobertas, concluímos que a presença de curto e longo prazo de MXenes à base de Nb em ecossistemas de água doce pode causar apenas impactos ambientais menores. É digno de nota que, usando nanomateriais bidimensionais como sistemas modelo, demonstramos a possibilidade de rastrear a transformação da forma mesmo em materiais de granulação fina. No geral, este estudo responde a uma importante questão fundamental sobre os processos relacionados à interação de superfície que impulsionam o mecanismo de biorremediação de nanomateriais 2D e fornece uma base para estudos adicionais de curto e longo prazo sobre o impacto ambiental de nanomateriais cristalinos inorgânicos.
Os nanomateriais têm gerado muito interesse desde sua descoberta, e várias nanotecnologias entraram recentemente em uma fase de modernização1. Infelizmente, a integração de nanomateriais em aplicações cotidianas pode levar a liberações acidentais devido ao descarte inadequado, manuseio descuidado ou infraestrutura de segurança inadequada. Portanto, é razoável supor que nanomateriais, incluindo nanomateriais bidimensionais (2D), podem ser liberados no ambiente natural, cujo comportamento e atividade biológica ainda não são totalmente compreendidos. Portanto, não é surpreendente que as preocupações com ecotoxicidade tenham se concentrado na capacidade dos nanomateriais 2D de lixiviar para sistemas aquáticos2,3,4,5,6. Nesses ecossistemas, alguns nanomateriais 2D podem interagir com vários organismos em diferentes níveis tróficos, incluindo microalgas.
Microalgas são organismos primitivos encontrados naturalmente em ecossistemas de água doce e marinhos que produzem uma variedade de produtos químicos por meio da fotossíntese7. Como tal, são essenciais para os ecossistemas aquáticos8,9,10,11,12, mas também são indicadores sensíveis, baratos e amplamente utilizados de ecotoxicidade13,14. Como as células das microalgas se multiplicam rapidamente e respondem rapidamente à presença de vários compostos, elas são promissoras para o desenvolvimento de métodos ecologicamente corretos para o tratamento de água contaminada com substâncias orgânicas15,16.
As células de algas podem remover íons inorgânicos da água por biossorção e acumulação17,18. Algumas espécies de algas, como Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue e Synechococcus sp., foram encontradas carregando e até mesmo nutrindo íons metálicos tóxicos, como Fe2+, Cu2+, Zn2+ e Mn2+19. Outros estudos demonstraram que os íons Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ ou Pb2+ limitam o crescimento de Scenedesmus, alterando a morfologia celular e destruindo seus cloroplastos20,21.
Métodos verdes para a decomposição de poluentes orgânicos e a remoção de íons de metais pesados ​​têm atraído a atenção de cientistas e engenheiros em todo o mundo. Isso se deve principalmente ao fato de que esses contaminantes são facilmente processados ​​na fase líquida. No entanto, poluentes cristalinos inorgânicos são caracterizados por baixa solubilidade em água e baixa suscetibilidade a várias biotransformações, o que causa grandes dificuldades na remediação, e pouco progresso foi feito nessa área22,23,24,25,26. Assim, a busca por soluções ambientalmente corretas para o reparo de nanomateriais continua sendo uma área complexa e inexplorada. Devido ao alto grau de incerteza em relação aos efeitos de biotransformação de nanomateriais 2D, não há uma maneira fácil de descobrir os possíveis caminhos de sua degradação durante a redução.
Neste estudo, utilizamos microalgas verdes como um agente ativo de biorremediação aquosa para materiais cerâmicos inorgânicos, combinado com o monitoramento in situ do processo de degradação do MXene como um representante de materiais cerâmicos inorgânicos. O termo "MXene" reflete a estequiometria do material Mn+1XnTx, onde M é um metal de transição inicial, X é carbono e/ou nitrogênio, Tx é um terminador de superfície (por exemplo, -OH, -F, -Cl) e n = 1, 2, 3 ou 427,28. Desde a descoberta dos MXenes por Naguib et al. Sensorics, cancer therapy and membrane filtration [Sensorics, cancer therapy and membrane filtration] 27,29,30. Além disso, os MXenes podem ser considerados sistemas modelo 2D devido à sua excelente estabilidade coloidal e possíveis interações biológicas [31,32,33,34,35,36].
Portanto, a metodologia desenvolvida neste artigo e nossas hipóteses de pesquisa são apresentadas na Figura 1. De acordo com essa hipótese, as microalgas degradam MXenes à base de Nb em compostos não tóxicos devido a interações físico-químicas relacionadas à superfície, o que permite uma recuperação posterior das algas. Para testar essa hipótese, foram selecionados dois membros da família de carbonetos e/ou nitretos de metais de transição (MXenes) à base de nióbio, Nb2CTx e Nb4C3TX.
Metodologia de pesquisa e hipóteses baseadas em evidências para a recuperação de MXene pela microalga verde Raphidocelis subcapitata. Observe que esta é apenas uma representação esquemática de suposições baseadas em evidências. O ambiente do lago difere no meio nutriente utilizado e nas condições (por exemplo, ciclo diurno e limitações nos nutrientes essenciais disponíveis). Criado com BioRender.com.
Portanto, ao usar o MXene como sistema modelo, abrimos as portas para o estudo de vários efeitos biológicos que não podem ser observados com outros nanomateriais convencionais. Em particular, demonstramos a possibilidade de biorremediação de nanomateriais bidimensionais, como MXenes à base de nióbio, pela microalga Raphidocelis subcapitata. As microalgas são capazes de degradar Nb-MXenes nos óxidos não tóxicos NbO e Nb2O5, que também fornecem nutrientes por meio do mecanismo de absorção de nióbio. No geral, este estudo responde a uma importante questão fundamental sobre os processos associados às interações físico-químicas de superfície que governam os mecanismos de biorremediação de nanomateriais bidimensionais. Além disso, estamos desenvolvendo um método simples baseado em parâmetros de forma para rastrear mudanças sutis na forma de nanomateriais 2D. Isso inspira novas pesquisas de curto e longo prazo sobre os vários impactos ambientais de nanomateriais cristalinos inorgânicos. Assim, nosso estudo aumenta a compreensão da interação entre a superfície do material e o material biológico. Também estamos fornecendo a base para estudos expandidos de curto e longo prazo sobre seus possíveis impactos nos ecossistemas de água doce, que agora podem ser facilmente verificados.
Os MXenes representam uma classe interessante de materiais com propriedades físicas e químicas únicas e atraentes e, portanto, muitas aplicações potenciais. Essas propriedades são amplamente dependentes de sua estequiometria e química de superfície. Portanto, em nosso estudo, investigamos dois tipos de MXenes hierárquicos de camada única (SL) baseados em Nb, Nb2CTx e Nb4C3TX, uma vez que diferentes efeitos biológicos desses nanomateriais puderam ser observados. Os MXenes são produzidos a partir de seus materiais de partida por ataque químico seletivo de cima para baixo de camadas A da fase MAX atomicamente finas. A fase MAX é uma cerâmica ternária composta por blocos "ligados" de carbonetos de metais de transição e finas camadas de elementos "A", como Al, Si e Sn, com estequiometria MnAXn-1. A morfologia da fase MAX inicial foi observada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e foi consistente com estudos anteriores (ver Informações Suplementares, SI, Figura S1). Nb-MXene multicamadas (ML) foi obtido após a remoção da camada de Al com 48% de HF (ácido fluorídrico). A morfologia de ML-Nb2CTx e ML-Nb4C3TX foi examinada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) (Figuras S1c e S1d, respectivamente) e uma morfologia típica de MXene em camadas foi observada, semelhante a nanoflocos bidimensionais passando por fendas alongadas semelhantes a poros. Ambos os Nb-MXenes têm muito em comum com fases de MXene previamente sintetizadas por ataque ácido27,38. Após confirmar a estrutura do MXene, nós o estratificamos por intercalação de hidróxido de tetrabutilamônio (TBAOH) seguido por lavagem e sonicação, após o que obtivemos nanoflocos 2D de Nb-MXene de camada única ou de camada baixa (SL).
Utilizamos microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) e difração de raios X (XRD) para testar a eficiência da corrosão e posterior descamação. Os resultados de HRTEM processados ​​usando a Transformada Rápida de Fourier Inversa (IFFT) e a Transformada Rápida de Fourier (FFT) são mostrados na Fig. 2. Os nanoflocos de Nb-MXene foram orientados com a borda para cima para verificar a estrutura da camada atômica e medir as distâncias interplanares. As imagens de HRTEM dos nanoflocos de MXene Nb2CTx e Nb4C3TX revelaram sua natureza de camada atomicamente fina (ver Fig. 2a1, a2), conforme relatado anteriormente por Naguib et al.27 e Jastrzębska et al.38. Para duas monocamadas adjacentes de Nb2CTx e Nb4C3Tx, determinamos distâncias intercamadas de 0,74 e 1,54 nm, respectivamente (Figs. 2b1, b2), o que também concorda com nossos resultados anteriores38. Isso foi confirmado pela transformada rápida de Fourier inversa (Fig. 2c1, c2) e pela transformada rápida de Fourier (Fig. 2d1, d2), mostrando a distância entre as monocamadas de Nb2CTx e Nb4C3Tx. A imagem mostra uma alternância de bandas claras e escuras correspondentes aos átomos de nióbio e carbono, o que confirma a natureza em camadas dos MXenes estudados. É importante notar que os espectros de espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDX) obtidos para Nb2CTx e Nb4C3Tx (Figuras S2a e S2b) não mostraram nenhum remanescente da fase MAX original, uma vez que nenhum pico de Al foi detectado.
Caracterização de nanoflocos de MXene SL Nb2CTx e Nb4C3Tx, incluindo (a) imagens de nanoflocos 2D em vista lateral por microscopia eletrônica de alta resolução (HRTEM) e correspondentes, (b) modo de intensidade, (c) transformada rápida de Fourier inversa (IFFT), (d) transformada rápida de Fourier (FFT), (e) padrões de raios X de Nb-MXenes. Para Nb2CTx SL 2D, os números são expressos como (a1, b1, c1, d1, e1). Para Nb4C3Tx SL 2D, os números são expressos como (a2, b2, c2, d2, e1).
As medições de difração de raios X dos MXenes SL Nb2CTx e Nb4C3Tx são mostradas nas Figuras 2e1 e e2, respectivamente. Os picos (002) em 4,31 e 4,32 correspondem aos MXenes em camadas Nb2CTx e Nb4C3TX38, 39, 40 e 41 descritos anteriormente, respectivamente. Os resultados de difração de raios X também indicam a presença de algumas estruturas ML residuais e fases MAX, mas principalmente padrões de difração de raios X associados ao SL Nb4C3Tx (Figura 2e2). A presença de partículas menores da fase MAX pode explicar o pico MAX mais intenso em comparação com as camadas de Nb4C3Tx empilhadas aleatoriamente.
Pesquisas posteriores se concentraram em microalgas verdes pertencentes à espécie R. subcapitata. Escolhemos microalgas porque são importantes produtoras envolvidas em grandes teias alimentares42. Elas também são um dos melhores indicadores de toxicidade devido à capacidade de remover substâncias tóxicas que são transportadas para níveis mais altos da cadeia alimentar43. Além disso, pesquisas sobre R. subcapitata podem lançar luz sobre a toxicidade incidental de Nb-MXenes SL para microrganismos comuns de água doce. Para ilustrar isso, os pesquisadores levantaram a hipótese de que cada micróbio tem uma sensibilidade diferente a compostos tóxicos presentes no ambiente. Para a maioria dos organismos, baixas concentrações de substâncias não afetam seu crescimento, enquanto concentrações acima de um certo limite podem inibi-los ou até mesmo causar a morte. Portanto, para nossos estudos da interação de superfície entre microalgas e MXenes e a recuperação associada, decidimos testar as concentrações inofensivas e tóxicas de Nb-MXenes. Para fazer isso, testamos concentrações de 0 (como referência), 0,01, 0,1 e 10 mg l-1 de MXene e, adicionalmente, infectamos microalgas com concentrações muito altas de MXene (100 mg l-1 de MXene), o que pode ser extremo e letal para qualquer ambiente biológico.
Os efeitos dos Nb-MXenes SL em microalgas são mostrados na Figura 3, expressos como a porcentagem de promoção (+) ou inibição (-) do crescimento medida para amostras de 0 mg l-1. Para comparação, a fase Nb-MAX e os Nb-MXenes ML também foram testados e os resultados são apresentados em SI (ver Figura S3). Os resultados obtidos confirmaram que os Nb-MXenes SL são quase completamente isentos de toxicidade na faixa de baixas concentrações de 0,01 a 10 mg/l, como mostrado nas Figuras 3a e b. No caso do Nb2CTx, observamos no máximo 5% de ecotoxicidade na faixa especificada.
Estimulação (+) ou inibição (-) do crescimento de microalgas na presença de SL (a) Nb2CTx e (b) Nb4C3TX MXene. Foram analisadas 24, 48 e 72 horas de interação MXene-microalgas. Dados significativos (teste t, p < 0,05) foram marcados com um asterisco (*). Dados significativos (teste t, p < 0,05) foram marcados com um asterisco (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Dados significativos (teste t, p < 0,05) são marcados com um asterisco (*).重要数据（t 检验，p < 0.05）用星号(*) 标记。重要数据（t 检验，p < 0.05）用星号(*) 标记。 Важные данные (teste t, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Dados importantes (teste t, p < 0,05) são marcados com um asterisco (*).As setas vermelhas indicam a abolição da estimulação inibitória.
Por outro lado, baixas concentrações de Nb4C3TX mostraram-se ligeiramente mais tóxicas, mas não superiores a 7%. Como esperado, observamos que os MXenes apresentaram maior toxicidade e inibição do crescimento de microalgas a 100 mg L-1. Curiosamente, nenhum dos materiais apresentou a mesma tendência e dependência temporal de efeitos atóxicos/tóxicos em comparação com as amostras MAX ou ML (ver SI para detalhes). Enquanto para a fase MAX (ver Fig. S3) a toxicidade atingiu aproximadamente 15–25% e aumentou com o tempo, a tendência inversa foi observada para SL Nb2CTx e Nb4C3TX MXene. A inibição do crescimento de microalgas diminuiu ao longo do tempo. Atingiu aproximadamente 17% após 24 horas e caiu para menos de 5% após 72 horas (Fig. 3a, b, respectivamente).
Mais importante, para SL Nb4C3TX, a inibição do crescimento de microalgas atingiu cerca de 27% após 24 horas, mas após 72 horas diminuiu para cerca de 1%. Portanto, rotulamos o efeito observado como inibição inversa da estimulação, e o efeito foi mais forte para SL Nb4C3TX MXene. A estimulação do crescimento de microalgas foi observada mais precocemente com Nb4C3TX (interação a 10 mg L-1 por 24 h) em comparação com SL Nb2CTx MXene. O efeito de reversão da inibição-estimulação também foi bem demonstrado na curva da taxa de duplicação da biomassa (ver Fig. S4 para detalhes). Até o momento, apenas a ecotoxicidade do Ti3C2TX MXene foi estudada de diferentes maneiras. Ele não é tóxico para embriões de peixe-zebra44, mas moderadamente ecotóxico para as microalgas Desmodesmus quadricauda e plantas Sorghum saccharatum45. Outros exemplos de efeitos específicos incluem maior toxicidade para linhagens de células cancerígenas do que para linhagens de células normais46,47. Pode-se presumir que as condições de teste influenciariam as mudanças no crescimento de microalgas observadas na presença de Nb-MXenes. Por exemplo, um pH de cerca de 8 no estroma do cloroplasto é ótimo para a operação eficiente da enzima RuBisCO. Portanto, mudanças de pH afetam negativamente a taxa de fotossíntese48,49. No entanto, não observamos mudanças significativas no pH durante o experimento (ver SI, Fig. S5 para detalhes). Em geral, culturas de microalgas com Nb-MXenes reduziram ligeiramente o pH da solução ao longo do tempo. No entanto, essa diminuição foi semelhante a uma mudança no pH de um meio puro. Além disso, a faixa de variações encontrada foi semelhante à medida para uma cultura pura de microalgas (amostra controle). Assim, concluímos que a fotossíntese não é afetada por mudanças no pH ao longo do tempo.
Além disso, os MXenes sintetizados possuem terminações superficiais (denotadas como Tx). Estas são principalmente grupos funcionais -O, -F e -OH. No entanto, a química da superfície está diretamente relacionada ao método de síntese. Sabe-se que esses grupos são distribuídos aleatoriamente pela superfície, dificultando a previsão de seu efeito nas propriedades do MXene50. Pode-se argumentar que o Tx poderia ser a força catalítica para a oxidação do nióbio pela luz. Os grupos funcionais de superfície de fato fornecem múltiplos sítios de ancoragem para seus fotocatalisadores subjacentes formarem heterojunções51. No entanto, a composição do meio de crescimento não forneceu um fotocatalisador eficaz (a composição detalhada do meio pode ser encontrada na Tabela S6 do SI). Além disso, qualquer modificação da superfície também é muito importante, pois a atividade biológica dos MXenes pode ser alterada devido ao pós-processamento da camada, oxidação, modificação química da superfície de compostos orgânicos e inorgânicos52,53,54,55,56 ou engenharia de carga de superfície38. Portanto, para testar se o óxido de nióbio tem alguma relação com a instabilidade do material no meio, conduzimos estudos do potencial zeta (ζ) em meio de crescimento de microalgas e água deionizada (para comparação). Nossos resultados mostram que os Nb-MXenes SL são razoavelmente estáveis ​​(ver Figura S6 do SI para resultados de MAX e ML). O potencial zeta dos MXenes SL é de cerca de -10 mV. No caso do Nb2CTx SR, o valor de ζ é um pouco mais negativo do que o do Nb4C3Tx. Tal mudança no valor de ζ pode indicar que a superfície de nanoflocos de MXene com carga negativa absorve íons com carga positiva do meio de cultura. Medições temporais do potencial zeta e da condutividade dos Nb-MXenes em meio de cultura (ver Figuras S7 e S8 no SI para mais detalhes) parecem apoiar nossa hipótese.
No entanto, ambos os SLs de Nb-MXene apresentaram alterações mínimas a partir de zero. Isso demonstra claramente sua estabilidade no meio de crescimento de microalgas. Além disso, avaliamos se a presença de nossas microalgas verdes afetaria a estabilidade dos Nb-MXenes no meio. Os resultados do potencial zeta e da condutividade dos MXenes após interação com microalgas em meio nutriente e cultura ao longo do tempo podem ser encontrados no SI (Figuras S9 e S10). Curiosamente, notamos que a presença de microalgas pareceu estabilizar a dispersão de ambos os MXenes. No caso do SL de Nb2CTx, o potencial zeta até diminuiu ligeiramente ao longo do tempo para valores mais negativos (-15,8 versus -19,1 mV após 72 h de incubação). O potencial zeta do SL Nb4C3TX aumentou ligeiramente, mas após 72 h ainda apresentou maior estabilidade do que os nanoflakes sem a presença de microalgas (-18,1 vs. -9,1 mV).
Também encontramos menor condutividade em soluções de Nb-MXene incubadas na presença de microalgas, indicando uma menor quantidade de íons no meio nutriente. Notavelmente, a instabilidade dos MXenes em água se deve principalmente à oxidação da superfície57. Portanto, suspeitamos que as microalgas verdes, de alguma forma, eliminaram os óxidos formados na superfície do Nb-MXene e até mesmo impediram sua ocorrência (oxidação do MXene). Isso pode ser observado estudando os tipos de substâncias absorvidas pelas microalgas.
Embora nossos estudos ecotoxicológicos tenham indicado que as microalgas foram capazes de superar a toxicidade dos Nb-MXenos ao longo do tempo e a inibição incomum do crescimento estimulado, o objetivo do nosso estudo foi investigar possíveis mecanismos de ação. Quando organismos como algas são expostos a compostos ou materiais desconhecidos para seus ecossistemas, eles podem reagir de diversas maneiras58,59. Na ausência de óxidos metálicos tóxicos, as microalgas podem se alimentar, permitindo que cresçam continuamente60. Após a ingestão de substâncias tóxicas, mecanismos de defesa podem ser ativados, como a mudança de forma. A possibilidade de absorção também deve ser considerada58,59. Notavelmente, qualquer sinal de um mecanismo de defesa é um indicador claro da toxicidade do composto em teste. Portanto, em nosso trabalho posterior, investigamos a potencial interação de superfície entre nanoflocos de Nb-MXeno SL e microalgas por MEV e a possível absorção de MXeno à base de Nb por espectroscopia de fluorescência de raios X (XRF). Observe que as análises de SEM e XRF foram realizadas apenas na maior concentração de MXene para abordar problemas de toxicidade da atividade.
Os resultados de MEV são mostrados na Fig. 4. Células de microalgas não tratadas (ver Fig. 4a, amostra de referência) apresentaram claramente a morfologia típica de R. subcapitata e o formato de uma célula semelhante a um croissant. As células parecem achatadas e um tanto desorganizadas. Algumas células de microalgas se sobrepuseram e se entrelaçaram, mas isso provavelmente foi causado pelo processo de preparação da amostra. Em geral, as células de microalgas puras apresentaram superfície lisa e não apresentaram alterações morfológicas.
Imagens de MEV mostrando a interação da superfície entre microalgas verdes e nanofolhas de MXene após 72 horas de interação em concentração extrema (100 mg L-1). (a) Microalgas verdes não tratadas após interação com SL (b) Nb2CTx e (c) Nb4C3TX MXenes. Observe que os nanoflocos de Nb-MXene estão marcados com setas vermelhas. Para comparação, fotografias de um microscópio óptico também foram adicionadas.
Em contraste, células de microalgas adsorvidas por nanoflocos de Nb-MXene SL foram danificadas (ver Fig. 4b, c, setas vermelhas). No caso do MXene Nb2CTx (Fig. 4b), as microalgas tendem a crescer com nanoescalas bidimensionais anexadas, o que pode alterar sua morfologia. Notavelmente, também observamos essas alterações sob microscopia de luz (ver Figura S11 do SI para detalhes). Essa transição morfológica tem uma base plausível na fisiologia das microalgas e sua capacidade de se defender alterando a morfologia celular, como o aumento do volume celular61. Portanto, é importante verificar o número de células de microalgas que estão realmente em contato com Nb-MXenes. Estudos de MEV mostraram que aproximadamente 52% das células de microalgas foram expostas a Nb-MXenes, enquanto 48% dessas células de microalgas evitaram o contato. Para o MXene SL Nb4C3Tx, as microalgas tentam evitar o contato com o MXene, localizando-se e crescendo a partir de nanoescalas bidimensionais (Fig. 4c). No entanto, não observamos a penetração de nanoescalas nas células das microalgas e seus danos.
A autopreservação também é um comportamento de resposta dependente do tempo ao bloqueio da fotossíntese devido à adsorção de partículas na superfície celular e ao chamado efeito de sombreamento (shading)62. É claro que cada objeto (por exemplo, nanoflocos de Nb-MXene) entre as microalgas e a fonte de luz limita a quantidade de luz absorvida pelos cloroplastos. No entanto, não temos dúvidas de que isso tem um impacto significativo nos resultados obtidos. Como demonstrado por nossas observações microscópicas, os nanoflocos 2D não estavam completamente envolvidos ou aderidos à superfície das microalgas, mesmo quando as células das microalgas estavam em contato com Nb-MXenes. Em vez disso, os nanoflocos acabaram sendo orientados para as células das microalgas sem cobrir sua superfície. Tal conjunto de nanoflocos/microalgas não pode limitar significativamente a quantidade de luz absorvida pelas células das microalgas. Além disso, alguns estudos demonstraram até mesmo uma melhora na absorção de luz por organismos fotossintéticos na presença de nanomateriais bidimensionais63,64,65,66.
Como as imagens de MEV não puderam confirmar diretamente a absorção de nióbio pelas células de microalgas, nosso estudo posterior recorreu à análise de fluorescência de raios X (XRF) e espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) para esclarecer essa questão. Portanto, comparamos a intensidade dos picos de Nb de amostras de microalgas de referência que não interagiram com MXenes, nanoflocos de MXene destacados da superfície das células de microalgas e células de microalgas após a remoção dos MXenes anexados. Vale ressaltar que, se não houver absorção de Nb, o valor de Nb obtido pelas células de microalgas deve ser zero após a remoção das nanoescalas anexadas. Portanto, se ocorrer absorção de Nb, os resultados de XRF e XPS devem mostrar um pico de Nb claro.
No caso dos espectros de XRF, amostras de microalgas apresentaram picos de Nb para SL Nb2CTx e Nb4C3Tx MXene após interação com SL Nb2CTx e Nb4C3Tx MXene (ver Fig. 5a, observe também que os resultados para MAX e ML MXenes são mostrados em SI, Figs S12–C17). Curiosamente, a intensidade do pico de Nb é a mesma em ambos os casos (barras vermelhas na Fig. 5a). Isso indicou que as algas não conseguiram absorver mais Nb, e a capacidade máxima de acumulação de Nb foi alcançada nas células, embora duas vezes mais Nb4C3Tx MXene tenha sido anexado às células da microalga (barras azuis na Fig. 5a). Notavelmente, a capacidade das microalgas de absorver metais depende da concentração de óxidos metálicos no ambiente67,68. Shamshada et al.67 descobriram que a capacidade de absorção de algas de água doce diminui com o aumento do pH. Raize et al.68 observaram que a capacidade das algas de absorver metais era cerca de 25% maior para Pb2+ do que para Ni2+.
(a) Resultados de XRF da captação basal de Nb por células de microalgas verdes incubadas em uma concentração extrema de SL Nb-MXenes (100 mg L-1) por 72 horas. Os resultados mostram a presença de α em células de microalgas puras (amostra controle, colunas cinzas), nanoflocos 2D isolados de células de microalgas de superfície (colunas azuis) e células de microalgas após a separação de nanoflocos 2D da superfície (colunas vermelhas). A quantidade de Nb elementar, (b) porcentagem da composição química dos componentes orgânicos de microalgas (C=O e CHx/C–O) e óxidos de Nb presentes em células de microalgas após incubação com SL Nb-MXenes, (c–e) Ajuste do pico composicional dos espectros XPS SL Nb2CTx e (fh) SL Nb4C3Tx MXene internalizado por células de microalgas.
Portanto, esperávamos que o Nb pudesse ser absorvido pelas células de algas na forma de óxidos. Para testar isso, realizamos estudos de XPS em MXenes Nb2CTx e Nb4C3TX e células de algas. Os resultados da interação de microalgas com Nb-MXenes e MXenes isolados de células de algas são mostrados nas Figuras 5b. Como esperado, detectamos picos 3d de Nb nas amostras de microalgas após a remoção do MXene da superfície das microalgas. A determinação quantitativa de C=O, CHx/CO e óxidos de Nb foi calculada com base nos espectros de Nb 3d, O 1s e C 1s obtidos com Nb2CTx SL (Figura 5c–e) e Nb4C3Tx SL (Figura 5c–e). ) obtidos de microalgas incubadas. Figura 5f–h) MXenes. A Tabela S1-3 mostra os detalhes dos parâmetros de pico e a química geral resultante do ajuste. É digno de nota que as regiões 3d de Nb de Nb2CTx SL e Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) correspondem a um componente de Nb2O5. Aqui, não encontramos picos relacionados a MXene nos espectros, indicando que as células de microalgas absorvem apenas a forma óxido de Nb. Além disso, aproximamos o espectro de C1s com os componentes C–C, CHx/C–O, C=O e –COOH. Atribuímos os picos de CHx/C–O e C=O à contribuição orgânica das células de microalgas. Esses componentes orgânicos representam 36% e 41% dos picos de C1s em Nb2CTx SL e Nb4C3TX SL, respectivamente. Em seguida, ajustamos os espectros de O 1s de SL Nb2CTx e SL Nb4C3TX com Nb2O5, componentes orgânicos de microalgas (CHx/CO) e água adsorvida na superfície.
Por fim, os resultados de XPS indicaram claramente a forma do Nb, não apenas sua presença. De acordo com a posição do sinal 3d do Nb e os resultados da deconvolução, confirmamos que o Nb é absorvido apenas na forma de óxidos e não de íons ou do próprio MXene. Além disso, os resultados de XPS mostraram que as células de microalgas têm maior capacidade de absorver óxidos de Nb do SL Nb2CTx em comparação com o SL Nb4C3TX MXene.
Embora nossos resultados de captação de Nb sejam impressionantes e nos permitam identificar a degradação de MXene, não há método disponível para rastrear mudanças morfológicas associadas em nanoflocos 2D. Portanto, também decidimos desenvolver um método adequado que possa responder diretamente a quaisquer mudanças que ocorram em nanoflocos 2D de Nb-MXene e células de microalgas. É importante notar que assumimos que se as espécies interagentes sofrerem qualquer transformação, decomposição ou desfragmentação, isso deve se manifestar rapidamente como mudanças nos parâmetros de forma, como o diâmetro da área circular equivalente, circularidade, largura de Feret ou comprimento de Feret. Como esses parâmetros são adequados para descrever partículas alongadas ou nanoflocos bidimensionais, seu rastreamento pela análise dinâmica da forma de partículas nos dará informações valiosas sobre a transformação morfológica de nanoflocos SL de Nb-MXene durante a redução.
Os resultados obtidos são mostrados na Figura 6. Para comparação, também testamos a fase MAX original e os ML-MXenes (ver Figuras S18 e S19 do SI). A análise dinâmica do formato das partículas mostrou que todos os parâmetros de formato de duas SLs de Nb-MXene mudaram significativamente após a interação com microalgas. Conforme demonstrado pelo parâmetro de diâmetro da área circular equivalente (Fig. 6a, b), a intensidade reduzida do pico da fração de nanoflocos grandes indica que eles tendem a decair em fragmentos menores. Na fig. 6c, d mostra uma diminuição nos picos associados ao tamanho transversal dos flocos (alongamento dos nanoflocos), indicando a transformação dos nanoflocos 2D em um formato mais semelhante a uma partícula. As Figuras 6e-h mostram a largura e o comprimento do Feret, respectivamente. A largura e o comprimento do Feret são parâmetros complementares e, portanto, devem ser considerados em conjunto. Após a incubação de nanoflocos 2D de Nb-MXene na presença de microalgas, seus picos de correlação de Feret se deslocaram e sua intensidade diminuiu. Com base nesses resultados em combinação com morfologia, XRF e XPS, concluímos que as alterações observadas estão fortemente relacionadas à oxidação, pois os MXenes oxidados se tornam mais enrugados e se quebram em fragmentos e partículas esféricas de óxido69,70.
Análise da transformação de MXene após interação com microalgas verdes. A análise dinâmica da forma das partículas leva em consideração parâmetros como (a, b) diâmetro da área circular equivalente, (c, d) circularidade, (e, f) largura de Feret e (g, h) comprimento de Feret. Para tanto, duas amostras de microalgas de referência foram analisadas juntamente com MXenes SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx primários, MXenes SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx, microalgas degradadas e microalgas tratadas com MXenes SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx. As setas vermelhas mostram as transições dos parâmetros de forma dos nanoflocos bidimensionais estudados.
Como a análise dos parâmetros de forma é muito confiável, ela também pode revelar alterações morfológicas em células de microalgas. Portanto, analisamos o diâmetro da área circular equivalente, a circularidade e a largura/comprimento de Feret de células de microalgas puras e células após interação com nanoflocos de Nb 2D. As figuras 6a–h mostram alterações nos parâmetros de forma das células de algas, evidenciadas por uma diminuição na intensidade do pico e um deslocamento dos máximos para valores mais altos. Em particular, os parâmetros de circularidade da célula mostraram uma diminuição nas células alongadas e um aumento nas células esféricas (Fig. 6a, b). Além disso, a largura da célula de Feret aumentou em vários micrômetros após a interação com SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) em comparação com SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f). Suspeitamos que isso pode ser devido à forte absorção de óxidos de Nb pelas microalgas após a interação com Nb2CTx SR. A fixação menos rígida dos flocos de Nb à sua superfície pode resultar no crescimento celular com efeito de sombreamento mínimo.
Nossas observações de mudanças nos parâmetros de forma e tamanho de microalgas complementam outros estudos. Microalgas verdes podem mudar sua morfologia em resposta ao estresse ambiental, alterando o tamanho, a forma ou o metabolismo das células61. Por exemplo, mudar o tamanho das células facilita a absorção de nutrientes71. Células de algas menores apresentam menor absorção de nutrientes e taxa de crescimento prejudicada. Por outro lado, células maiores tendem a consumir mais nutrientes, que são então depositados intracelularmente72,73. Machado e Soares descobriram que o fungicida triclosan pode aumentar o tamanho das células. Eles também encontraram mudanças profundas na forma das algas74. Além disso, Yin et al.9 também revelaram mudanças morfológicas em algas após exposição a nanocompósitos de óxido de grafeno reduzido. Portanto, fica claro que os parâmetros alterados de tamanho/forma das microalgas são causados ​​pela presença de MXene. Como essa mudança no tamanho e na forma é indicativa de mudanças na absorção de nutrientes, acreditamos que a análise dos parâmetros de tamanho e forma ao longo do tempo pode demonstrar a absorção de óxido de nióbio por microalgas na presença de Nb-MXenes.
Além disso, os MXenes podem ser oxidados na presença de algas. Dalai et al.75 observaram que a morfologia das algas verdes expostas a nano-TiO2 e Al2O376 não era uniforme. Embora nossas observações sejam semelhantes às do presente estudo, elas são relevantes apenas para o estudo dos efeitos da biorremediação em termos de produtos de degradação de MXene na presença de nanoflocos bidimensionais e não de nanopartículas. Como os MXenes podem se degradar em óxidos metálicos,31,32,77,78 é razoável supor que nossos nanoflocos de Nb também possam formar óxidos de Nb após interagirem com células de microalgas.
Para explicar a redução de nanoflocos 2D-Nb por meio de um mecanismo de decomposição baseado no processo de oxidação, conduzimos estudos utilizando microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) (Fig. 7a, b) e espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) (Fig. 7). 7c-i e tabelas S4-5). Ambas as abordagens são adequadas para estudar a oxidação de materiais 2D e se complementam. A HRTEM é capaz de analisar a degradação de estruturas em camadas bidimensionais e o subsequente aparecimento de nanopartículas de óxido metálico, enquanto a XPS é sensível a ligações superficiais. Para esse propósito, testamos nanoflocos 2D de Nb-MXene extraídos de dispersões de células de microalgas, ou seja, sua forma após a interação com células de microalgas (ver Fig. 7).
Imagens HRTEM mostrando a morfologia dos MXenes oxidados (a) SL Nb2CTx e (b) SL Nb4C3Tx, resultados de análise XPS mostrando (c) a composição dos produtos de óxido após a redução, (d–f) correspondência de pico dos componentes dos espectros XPS de SL Nb2CTx e (g–i) Nb4C3Tx SL reparados com microalgas verdes.
Estudos de HRTEM confirmaram a oxidação de dois tipos de nanoflocos de Nb-MXene. Embora os nanoflocos tenham mantido sua morfologia bidimensional até certo ponto, a oxidação resultou no aparecimento de muitas nanopartículas cobrindo a superfície dos nanoflocos de MXene (ver Fig. 7a,b). A análise XPS dos sinais c Nb 3d e O 1s indicou que óxidos de Nb foram formados em ambos os casos. Como mostrado na Figura 7c, os MXenes 2D Nb2CTx e Nb4C3TX têm sinais Nb 3d indicando a presença de óxidos de NbO e Nb2O5, enquanto os sinais O 1s indicam o número de ligações O-Nb associadas à funcionalização da superfície dos nanoflocos 2D. Observamos que a contribuição do óxido de Nb é dominante em comparação com Nb-C e Nb3+-O.
Na fig. Figuras 7g–i mostram os espectros XPS de Nb 3d, C 1s e O 1s SL Nb2CTx (ver Figs. 7d–f) e SL Nb4C3TX MXene isolados de células de microalgas. Detalhes dos parâmetros de pico de Nb-MXenes são fornecidos nas Tabelas S4–5, respectivamente. Primeiramente, analisamos a composição de Nb 3d. Em contraste com o Nb absorvido por células de microalgas, no MXene isolado de células de microalgas, além de Nb2O5, outros componentes foram encontrados. No SL Nb2CTx, observamos a contribuição de Nb3+-O na quantidade de 15%, enquanto o restante do espectro de Nb 3d foi dominado por Nb2O5 (85%). Além disso, a amostra SL Nb4C3TX contém componentes Nb-C (9%) e Nb2O5 (91%). Aqui, o Nb-C provém de duas camadas atômicas internas de carboneto metálico em Nb4C3Tx SR. Em seguida, mapeamos os espectros de C1s para quatro componentes diferentes, como fizemos nas amostras internalizadas. Como esperado, o espectro de C1s é dominado por carbono grafítico, seguido por contribuições de partículas orgânicas (CHx/CO e C=O) de células de microalgas. Além disso, no espectro de O1s, observamos a contribuição de formas orgânicas de células de microalgas, óxido de nióbio e água adsorvida.
Além disso, investigamos se a clivagem de Nb-MXenes está associada à presença de espécies reativas de oxigênio (ROS) no meio nutriente e/ou em células de microalgas. Para tanto, avaliamos os níveis de oxigênio singlete (1O2) no meio de cultura e de glutationa intracelular, um tiol que atua como antioxidante em microalgas. Os resultados são apresentados no SI (Figuras S20 e S21). Culturas com MXenes SL Nb2CTx e Nb4C3TX foram caracterizadas por uma quantidade reduzida de 1O2 (ver Figura S20). No caso de SL Nb2CTx, o MXene 1O2 é reduzido para cerca de 83%. Para culturas de microalgas utilizando SL, o 1O2 de Nb4C3TX diminuiu ainda mais, para 73%. Curiosamente, as alterações no 1O2 mostraram a mesma tendência do efeito inibitório-estimulatório observado anteriormente (ver Figura 3). Pode-se argumentar que a incubação em luz brilhante pode alterar a fotooxidação. No entanto, os resultados da análise de controle mostraram níveis quase constantes de 1O2 durante o experimento (Fig. S22). No caso dos níveis de ROS intracelulares, também observamos a mesma tendência de queda (ver Figura S21). Inicialmente, os níveis de ROS em células de microalgas cultivadas na presença de SLs Nb2CTx e Nb4C3Tx excederam os níveis encontrados em culturas puras de microalgas. Eventualmente, no entanto, pareceu que as microalgas se adaptaram à presença de ambos os Nb-MXenes, pois os níveis de ROS diminuíram para 85% e 91% dos níveis medidos em culturas puras de microalgas inoculadas com SL Nb2CTx e Nb4C3TX, respectivamente. Isso pode indicar que as microalgas se sentem mais confortáveis ​​ao longo do tempo na presença de Nb-MXene do que apenas em meio nutriente.
As microalgas constituem um grupo diverso de organismos fotossintéticos. Durante a fotossíntese, convertem o dióxido de carbono atmosférico (CO2) em carbono orgânico. Os produtos da fotossíntese são glicose e oxigênio79. Suspeitamos que o oxigênio assim formado desempenhe um papel crítico na oxidação dos Nb-MXenos. Uma possível explicação para isso é que o parâmetro de aeração diferencial é formado em baixas e altas pressões parciais de oxigênio, tanto no exterior quanto no interior dos nanoflocos de Nb-MXeno. Isso significa que, onde quer que existam áreas com diferentes pressões parciais de oxigênio, a área com o menor nível formará o ânodo 80, 81, 82. Nesse caso, as microalgas contribuem para a criação de células diferencialmente aeradas na superfície dos flocos de MXeno, que produzem oxigênio devido às suas propriedades fotossintéticas. Como resultado, são formados produtos de biocorrosão (neste caso, óxidos de nióbio). Outro aspecto é que as microalgas podem produzir ácidos orgânicos que são liberados na água83,84. Dessa forma, forma-se um ambiente agressivo, alterando os Nb-MXenos. Além disso, as microalgas podem alterar o pH do ambiente para alcalino devido à absorção de dióxido de carbono, o que também pode causar corrosão79.
Mais importante ainda, o fotoperíodo claro/escuro usado em nosso estudo é crítico para a compreensão dos resultados obtidos. Este aspecto é descrito em detalhes em Djemai-Zoghlache et al. 85 Eles deliberadamente usaram um fotoperíodo de 12/12 horas para demonstrar a biocorrosão associada à bioincrustação pela microalga vermelha Porphyridium purpureum. Eles mostram que o fotoperíodo está associado à evolução do potencial sem biocorrosão, manifestando-se como oscilações pseudoperiódicas em torno de 24:00. Essas observações foram confirmadas por Dowling et al. 86 Eles demonstraram biofilmes fotossintéticos de cianobactérias Anabaena. O oxigênio dissolvido é formado sob a ação da luz, o que está associado a uma mudança ou flutuações no potencial de biocorrosão livre. A importância do fotoperíodo é enfatizada pelo fato de que o potencial livre para biocorrosão aumenta na fase clara e diminui na fase escura. Isso se deve ao oxigênio produzido pelas microalgas fotossintéticas, que influencia a reação catódica por meio da pressão parcial gerada próxima aos eletrodos87.
Além disso, a espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) foi realizada para descobrir se ocorreram alterações na composição química das células de microalgas após a interação com Nb-MXenes. Os resultados obtidos são complexos e os apresentamos em SI (Figuras S23-S25, incluindo os resultados do estágio MAX e ML MXenes). Em suma, os espectros de referência obtidos de microalgas nos fornecem informações importantes sobre as características químicas desses organismos. Essas vibrações mais prováveis ​​estão localizadas nas frequências de 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1. 1 1 (C–H) e 3280 cm–1 (O–H). Para Nb-MXenes SL, encontramos uma assinatura de estiramento da ligação CH que é consistente com nosso estudo anterior38. No entanto, observamos que alguns picos adicionais associados às ligações C=C e CH desapareceram. Isso indica que a composição química das microalgas pode sofrer pequenas alterações devido à interação com SL Nb-MXenes.
Ao considerar possíveis mudanças na bioquímica das microalgas, o acúmulo de óxidos inorgânicos, como o óxido de nióbio, precisa ser reconsiderado59. Ele está envolvido na absorção de metais pela superfície celular, seu transporte para o citoplasma, sua associação com grupos carboxila intracelulares e seu acúmulo em polifosfossomos de microalgas20,88,89,90. Além disso, a relação entre microalgas e metais é mantida por grupos funcionais de células. Por esse motivo, a absorção também depende da química da superfície das microalgas, que é bastante complexa9,91. Em geral, como esperado, a composição química das microalgas verdes mudou ligeiramente devido à absorção de óxido de Nb.
Curiosamente, a inibição inicial observada nas microalgas foi reversível ao longo do tempo. Como observamos, as microalgas superaram a mudança ambiental inicial e, eventualmente, retornaram às taxas normais de crescimento, chegando até a aumentar. Estudos do potencial zeta demonstram alta estabilidade quando introduzidos em meios nutritivos. Assim, a interação da superfície entre as células das microalgas e os nanoflocos de Nb-MXene foi mantida ao longo dos experimentos de redução. Em nossa análise posterior, resumimos os principais mecanismos de ação subjacentes a esse comportamento notável das microalgas.
Observações SEM mostraram que microalgas tendem a se ligar a Nb-MXenes. Usando análise dinâmica de imagens, confirmamos que esse efeito leva à transformação de nanoflocos bidimensionais de Nb-MXene em partículas mais esféricas, demonstrando assim que a decomposição de nanoflocos está associada à sua oxidação. Para testar nossa hipótese, conduzimos uma série de estudos materiais e bioquímicos. Após o teste, os nanoflocos gradualmente oxidaram e se decompuseram em produtos NbO e Nb2O5, o que não representou uma ameaça às microalgas verdes. Usando observação FTIR, não encontramos alterações significativas na composição química das microalgas incubadas na presença de nanoflocos 2D de Nb-MXene. Levando em consideração a possibilidade de absorção de óxido de nióbio pelas microalgas, realizamos uma análise de fluorescência de raios X. Esses resultados mostram claramente que as microalgas estudadas se alimentam de óxidos de nióbio (NbO e Nb2O5), que são atóxicos para as microalgas estudadas.