Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Тем временем, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Отображает карусель из трех слайдов одновременно.Используйте кнопки «Назад» и «Далее», чтобы перемещаться по трем слайдам за раз, или используйте кнопки ползунка в конце, чтобы перемещаться по трем слайдам за раз.
Быстрое развитие нанотехнологий и их интеграция в повседневные приложения могут угрожать окружающей среде.В то время как экологически чистые методы разложения органических загрязнителей хорошо известны, извлечение неорганических кристаллических загрязнителей вызывает серьезную озабоченность из-за их низкой чувствительности к биотрансформации и отсутствия понимания взаимодействия поверхности материала с биологическими.Здесь мы используем неорганическую 2D-модель MXenes на основе Nb в сочетании с простым методом анализа параметров формы, чтобы проследить механизм биоремедиации 2D-керамических наноматериалов зелеными микроводорослями Raphidocelis subcapitata.Мы обнаружили, что микроводоросли разлагают MXenes на основе Nb из-за связанных с поверхностью физико-химических взаимодействий.Первоначально к поверхности микроводорослей прикрепляли однослойные и многослойные нанохлопья MXene, что несколько уменьшало рост водорослей.Однако при длительном взаимодействии с поверхностью микроводоросли окисляли нанохлопья MXene и далее разлагали их на NbO и Nb2O5.Поскольку эти оксиды нетоксичны для клеток микроводорослей, они потребляют наночастицы оксида Nb по механизму абсорбции, который дополнительно восстанавливает микроводоросли после 72 часов обработки водой.Эффекты питательных веществ, связанные с поглощением, также отражаются в увеличении объема клеток, их гладкой форме и изменении скорости роста.Основываясь на этих выводах, мы делаем вывод, что краткосрочное и долгосрочное присутствие MXenes на основе Nb в пресноводных экосистемах может вызвать лишь незначительное воздействие на окружающую среду.Примечательно, что, используя двумерные наноматериалы в качестве модельных систем, мы демонстрируем возможность отслеживания трансформации формы даже в мелкозернистых материалах.В целом, это исследование отвечает на важный фундаментальный вопрос о процессах, связанных с поверхностным взаимодействием, управляющих механизмом биоремедиации двумерных наноматериалов, и обеспечивает основу для дальнейших краткосрочных и долгосрочных исследований воздействия неорганических кристаллических наноматериалов на окружающую среду.
Наноматериалы вызвали большой интерес с момента их открытия, а различные нанотехнологии в последнее время вступили в фазу модернизации1.К сожалению, интеграция наноматериалов в повседневные приложения может привести к случайным выбросам из-за неправильной утилизации, небрежного обращения или неадекватной инфраструктуры безопасности.Поэтому разумно предположить, что в природную среду могут быть выброшены наноматериалы, в том числе двумерные (2D) наноматериалы, поведение и биологическая активность которых еще до конца не изучены.Поэтому неудивительно, что проблемы экотоксичности были сосредоточены на способности двумерных наноматериалов проникать в водные системы2,3,4,5,6.В этих экосистемах некоторые двумерные наноматериалы могут взаимодействовать с различными организмами на разных трофических уровнях, включая микроводоросли.
Микроводоросли — это примитивные организмы, встречающиеся в природе в пресноводных и морских экосистемах и производящие разнообразные химические продукты посредством фотосинтеза7.Как таковые, они имеют решающее значение для водных экосистем8,9,10,11,12, но также являются чувствительными, недорогими и широко используемыми индикаторами экотоксичности13,14.Поскольку клетки микроводорослей быстро размножаются и быстро реагируют на присутствие различных соединений, они перспективны для разработки экологически безопасных методов очистки воды, загрязненной органическими веществами15,16.
Клетки водорослей могут удалять неорганические ионы из воды посредством биосорбции и накопления17,18.Некоторые виды водорослей, такие как Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue и Synechococcus sp.Было обнаружено, что он переносит и даже питает ионы токсичных металлов, таких как Fe2+, Cu2+, Zn2+ и Mn2+19.Другие исследования показали, что ионы Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ или Pb2+ ограничивают рост Scenedesmus, изменяя морфологию клеток и разрушая их хлоропласты20,21.
Зеленые методы разложения органических загрязнителей и удаления ионов тяжелых металлов привлекли внимание ученых и инженеров всего мира.В основном это связано с тем, что данные загрязнения легко перерабатываются в жидкой фазе.Однако неорганические кристаллические загрязнители характеризуются малой растворимостью в воде и малой подверженностью различным биотрансформациям, что вызывает большие трудности в рекультивации, и в этой области достигнут незначительный прогресс22,23,24,25,26.Таким образом, поиск экологически безопасных решений для ремонта наноматериалов остается сложной и неизученной областью.Из-за высокой степени неопределенности в отношении эффектов биотрансформации 2D-наноматериалов не существует простого способа выяснить возможные пути их деградации при восстановлении.
В этом исследовании мы использовали зеленые микроводоросли в качестве активного водного биоремедиатора для неорганических керамических материалов в сочетании с мониторингом на месте процесса разложения MXene как представителя неорганических керамических материалов.Термин «MXene» отражает стехиометрию материала Mn+1XnTx, где M представляет собой ранний переходный металл, X представляет собой углерод и/или азот, Tx представляет собой терминатор поверхности (например, -OH, -F, -Cl) и n = 1, 2, 3 или 427,28.С момента открытия MXenes Naguib et al.Сенсорика, терапия рака и мембранная фильтрация 27,29,30.Кроме того, MXenes можно рассматривать как модельные 2D-системы из-за их превосходной коллоидной стабильности и возможных биологических взаимодействий31,32,33,34,35,36.
Таким образом, методология, разработанная в этой статье, и наши исследовательские гипотезы показаны на рисунке 1. Согласно этой гипотезе, микроводоросли разлагают MXenes на основе Nb в нетоксичные соединения из-за связанных с поверхностью физико-химических взаимодействий, что позволяет дальнейшее восстановление водорослей.Для проверки этой гипотезы были выбраны два члена семейства ранних карбидов и/или нитридов переходных металлов (MXenes) на основе ниобия, а именно Nb2CTx и Nb4C3TX.
Методология исследования и научно обоснованные гипотезы извлечения MXene зелеными микроводорослями Raphidocelis subcapitata.Обратите внимание, что это всего лишь схематическое представление основанных на фактических данных предположений.Среда озера отличается используемой питательной средой и условиями (например, суточным циклом и ограничениями в доступных основных питательных веществах).Создано с BioRender.com.
Поэтому, используя MXene в качестве модельной системы, мы открыли двери для изучения различных биологических эффектов, которые невозможно наблюдать с другими обычными наноматериалами.В частности, мы демонстрируем возможность биоремедиации двумерных наноматериалов, таких как MXenes на основе ниобия, микроводорослями Raphidocelis subcapitata.Микроводоросли способны расщеплять Nb-MXenes до нетоксичных оксидов NbO и Nb2O5, которые также обеспечивают питательные вещества через механизм поглощения ниобия.В целом, это исследование отвечает на важный фундаментальный вопрос о процессах, связанных с поверхностными физико-химическими взаимодействиями, которые управляют механизмами биоремедиации двумерных наноматериалов.Кроме того, мы разрабатываем простой метод, основанный на параметрах формы, для отслеживания тонких изменений формы двумерных наноматериалов.Это вдохновляет на дальнейшие краткосрочные и долгосрочные исследования различных воздействий неорганических кристаллических наноматериалов на окружающую среду.Таким образом, наше исследование увеличивает понимание взаимодействия между поверхностью материала и биологическим материалом.Мы также обеспечиваем основу для расширенных краткосрочных и долгосрочных исследований их возможного воздействия на пресноводные экосистемы, которые теперь можно легко проверить.
MXenes представляют собой интересный класс материалов с уникальными и привлекательными физическими и химическими свойствами и, следовательно, многими потенциальными приложениями.Эти свойства во многом зависят от их стехиометрии и химии поверхности.Поэтому в нашем исследовании мы исследовали два типа иерархических однослойных (SL) MXene на основе Nb, Nb2CTx и Nb4C3TX, поскольку можно было наблюдать различные биологические эффекты этих наноматериалов.MXenes производятся из их исходных материалов путем селективного травления сверху вниз атомарно тонких A-слоев MAX-фазы.Фаза MAX представляет собой тройную керамику, состоящую из «связанных» блоков карбидов переходных металлов и тонких слоев элементов «А», таких как Al, Si и Sn, со стехиометрией MnAXn-1.Морфология начальной фазы MAX наблюдалась с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и соответствовала предыдущим исследованиям (см. Дополнительную информацию, SI, рисунок S1).Многослойный (ML) Nb-MXene был получен после удаления слоя Al 48% HF (плавиковой кислотой).Морфологию ML-Nb2CTx и ML-Nb4C3TX исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) (рис. S1c и S1d соответственно), и наблюдали типичную слоистую морфологию MXene, аналогичную двумерным нанохлопьям, проходящим через удлиненные порообразные щели.Оба Nb-MXene имеют много общего с фазами MXene, ранее синтезированными кислотным травлением27,38.После подтверждения структуры MXene мы наслоили его путем интеркаляции гидроксида тетрабутиламмония (TBAOH) с последующей промывкой и обработкой ультразвуком, после чего мы получили однослойные или малослойные (SL) 2D нанохлопья Nb-MXene.
Мы использовали просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения (HRTEM) и рентгеновскую дифракцию (XRD) для проверки эффективности травления и дальнейшего отслаивания.Результаты HRTEM, обработанные с использованием обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT) и быстрого преобразования Фурье (FFT), показаны на рис. 2. Нанохлопья Nb-MXene были ориентированы краем вверх для проверки структуры атомного слоя и измерения межплоскостных расстояний.HRTEM-изображения нанохлопьев MXene Nb2CTx и Nb4C3TX показали их атомно-тонкую слоистую природу (см. рис. 2a1, a2), как ранее сообщалось Naguib et al.27 и Jastrzębska et al.38.Для двух соседних монослоев Nb2CTx и Nb4C3Tx мы определили межслоевые расстояния 0,74 и 1,54 нм соответственно (рис. 2b1,b2), что также согласуется с нашими предыдущими результатами38.Это было дополнительно подтверждено обратным быстрым преобразованием Фурье (рис. 2c1, c2) и быстрым преобразованием Фурье (рис. 2d1, d2), показывающими расстояние между монослоями Nb2CTx и Nb4C3Tx.На изображении видно чередование светлых и темных полос, соответствующих атомам ниобия и углерода, что подтверждает слоистый характер исследованных MXene.Важно отметить, что спектры энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX), полученные для Nb2CTx и Nb4C3Tx (рисунки S2a и S2b), не показали остатков исходной MAX-фазы, поскольку пик Al не был обнаружен.
Характеристика нанохлопьев SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene, включая (a) электронную микроскопию высокого разрешения (HRTEM) с боковым обзором 2D-изображения нанохлопьев и соответствующий, (b) режим интенсивности, (c) обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), (d) быстрое преобразование Фурье (FFT), (e) рентгеновские картины Nb-MXenes.Для SL 2D Nb2CTx числа выражаются как (a1, b1, c1, d1, e1).Для SL 2D Nb4C3Tx числа выражаются как (a2, b2, c2, d2, e1).
Рентгеноструктурные измерения SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene представлены на рис.2e1 и e2 соответственно.Пики (002) при 4,31 и 4,32 соответствуют ранее описанным слоистым MXenes Nb2CTx и Nb4C3TX38,39,40,41 соответственно.Результаты XRD также указывают на присутствие некоторых остаточных структур ML и фаз MAX, но в основном картины XRD связаны с SL Nb4C3Tx (рис. 2e2).Наличие более мелких частиц МАХ-фазы может объяснить более сильный МАХ-пик по сравнению со случайно уложенными слоями Nb4C3Tx.
Дальнейшие исследования были сосредоточены на зеленых микроводорослях, принадлежащих к виду R. subcapitata.Мы выбрали микроводоросли, потому что они являются важными производителями, участвующими в основных пищевых сетях42.Они также являются одним из лучших индикаторов токсичности благодаря способности удалять токсичные вещества, переносимые на более высокие уровни пищевой цепи43.Кроме того, исследования R. subcapitata могут пролить свет на случайную токсичность SL Nb-MXenes для обычных пресноводных микроорганизмов.Чтобы проиллюстрировать это, исследователи выдвинули гипотезу о том, что каждый микроб имеет разную чувствительность к токсичным соединениям, присутствующим в окружающей среде.Для большинства организмов низкие концентрации веществ не влияют на их рост, тогда как концентрации выше определенного предела могут угнетать их или даже вызывать гибель.Поэтому для наших исследований поверхностного взаимодействия между микроводорослями и MXenes и связанного с этим восстановления мы решили проверить безвредные и токсичные концентрации Nb-MXenes.Для этого мы протестировали концентрации 0 (в качестве эталона), 0,01, 0,1 и 10 мг л-1 MXene и дополнительно заразили микроводоросли очень высокими концентрациями MXene (100 мг л-1 MXene), которые могут быть экстремальными и смертельными..для любой биологической среды.
Эффекты SL Nb-MXenes на микроводоросли показаны на рисунке 3, выраженные в процентах стимулирования роста (+) или ингибирования (-), измеренного для образцов 0 мг л-1.Для сравнения также были протестированы фаза Nb-MAX и ML Nb-MXenes, и результаты показаны в SI (см. Рис. S3).Полученные результаты подтвердили, что SL Nb-MXenes практически полностью лишен токсичности в диапазоне низких концентраций от 0,01 до 10 мг/л, как показано на рис. 3а,б.В случае Nb2CTx мы наблюдали не более 5% экотоксичности в указанном диапазоне.
Стимуляция (+) или ингибирование (-) роста микроводорослей в присутствии СЛ (а) Nb2CTx и (б) Nb4C3TX MXene.Были проанализированы 24, 48 и 72 часа взаимодействия MXene-микроводорослей. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*).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 (*). Важные данные (t-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*).Красные стрелки указывают на отмену тормозной стимуляции.
С другой стороны, низкие концентрации Nb4C3TX оказались несколько более токсичными, но не выше 7%.Как и ожидалось, мы обнаружили, что MXenes обладают более высокой токсичностью и ингибированием роста микроводорослей при 100 мг л-1.Интересно, что ни один из материалов не показал такой же тенденции и временной зависимости атоксических/токсических эффектов по сравнению с образцами MAX или ML (подробности см. в SI).В то время как для фазы MAX (см. рис. S3) токсичность достигала примерно 15–25% и увеличивалась со временем, для SL Nb2CTx и Nb4C3TX MXene наблюдалась обратная тенденция.Ингибирование роста микроводорослей со временем уменьшалось.Через 24 часа он достиг примерно 17%, а через 72 часа снизился до менее 5% (рис. 3а, б соответственно).
Что еще более важно, для SL Nb4C3TX ингибирование роста микроводорослей достигло примерно 27% через 24 часа, но через 72 часа оно снизилось примерно до 1%.Поэтому мы обозначили наблюдаемый эффект как обратное ингибирование стимуляции, и эффект был сильнее для SL Nb4C3TX MXene.Стимуляция роста микроводорослей была отмечена раньше при использовании Nb4C3TX (взаимодействие при 10 мг л-1 в течение 24 ч) по сравнению с SL Nb2CTx MXene.Эффект обращения ингибирования-стимулирования также был хорошо показан на кривой скорости удвоения биомассы (подробности см. на рис. S4).До сих пор по-разному изучалась только экотоксичность Ti3C2TX MXene.Он не токсичен для эмбрионов рыбок данио44, но умеренно экотоксичен для микроводорослей Desmodesmus quadricauda и растений Sorghum saccharatum45.Другие примеры специфических эффектов включают более высокую токсичность для линий раковых клеток, чем для нормальных клеточных линий46,47.Можно было предположить, что условия испытаний будут влиять на изменения роста микроводорослей, наблюдаемые в присутствии Nb-MXenes.Например, pH около 8 в строме хлоропласта оптимален для эффективной работы фермента RuBisCO.Следовательно, изменения pH негативно влияют на скорость фотосинтеза48,49.Однако мы не наблюдали значительных изменений pH во время эксперимента (подробности см. SI, рис. S5).В целом, культуры микроводорослей с Nb-MXenes со временем несколько снижали pH раствора.Однако это уменьшение было похоже на изменение рН чистой среды.Кроме того, диапазон найденных вариаций был аналогичен измеренному для чистой культуры микроводорослей (контрольный образец).Таким образом, мы делаем вывод, что на фотосинтез не влияют изменения рН во времени.
Кроме того, синтезированные MXenes имеют поверхностные окончания (обозначенные как Tx).В основном это функциональные группы -O, -F и -OH.Однако химия поверхности напрямую связана с методом синтеза.Известно, что эти группы случайным образом распределены по поверхности, что затрудняет прогнозирование их влияния на свойства MXene50.Можно утверждать, что Tx может быть каталитической силой для окисления ниобия светом.Поверхностные функциональные группы действительно обеспечивают множественные сайты закрепления лежащих в их основе фотокатализаторов для образования гетеропереходов51.Однако состав ростовой среды не обеспечивал эффективного фотокатализатора (подробный состав среды можно найти в таблице SI S6).Кроме того, любая модификация поверхности также очень важна, поскольку биологическая активность MXenes может быть изменена из-за последующей обработки слоя, окисления, химической модификации поверхности органических и неорганических соединений52,53,54,55,56 или инженерии поверхностного заряда38.Поэтому, чтобы проверить, имеет ли оксид ниобия какое-либо отношение к нестабильности материала в среде, мы провели исследования дзета-потенциала (ζ) в среде для выращивания микроводорослей и деионизированной воде (для сравнения).Наши результаты показывают, что SL Nb-MXenes довольно стабильны (см. SI Fig. S6 для результатов MAX и ML).Дзета-потенциал SL MXenes составляет около -10 мВ.В случае СР Nb2CTx значение ζ несколько более отрицательное, чем у Nb4C3Tx.Такое изменение значения ζ может свидетельствовать о том, что поверхность отрицательно заряженных нанохлопьев MXene поглощает положительно заряженные ионы из культуральной среды.Временные измерения дзета-потенциала и проводимости Nb-MXenes в культуральной среде (более подробную информацию см. на рисунках S7 и S8 в SI), по-видимому, подтверждают нашу гипотезу.
Однако обе СР Nb-MXene показали минимальные изменения от нуля.Это наглядно демонстрирует их стабильность в среде роста микроводорослей.Кроме того, мы оценили, повлияет ли присутствие наших зеленых микроводорослей на стабильность Nb-MXenes в среде.Результаты дзета-потенциала и проводимости MXenes после взаимодействия с микроводорослями в питательных средах и культурах с течением времени можно найти в SI (рисунки S9 и S10).Интересно, что мы заметили, что присутствие микроводорослей, по-видимому, стабилизировало дисперсию обоих MXene.В случае Nb2CTx SL дзета-потенциал со временем даже немного снижался до более отрицательных значений (-15,8 против -19,1 мВ после 72 ч инкубации).Дзета-потенциал SL Nb4C3TX немного увеличился, но через 72 ч он по-прежнему показал более высокую стабильность, чем нанохлопья без присутствия микроводорослей (-18,1 против -9,1 мВ).
Мы также обнаружили более низкую проводимость растворов Nb-MXene, инкубированных в присутствии микроводорослей, что свидетельствует о меньшем количестве ионов в питательной среде.Примечательно, что нестабильность MXenes в воде в основном связана с поверхностным окислением57.Поэтому мы подозреваем, что зеленые микроводоросли каким-то образом очищали образовавшиеся на поверхности Nb-MXene оксиды и даже предотвращали их появление (окисление MXene).В этом можно убедиться, изучая виды веществ, поглощаемых микроводорослями.
Хотя наши экотоксикологические исследования показали, что микроводоросли со временем смогли преодолеть токсичность Nb-MXenes и необычное ингибирование стимулированного роста, целью нашего исследования было изучение возможных механизмов действия.Когда такие организмы, как водоросли, подвергаются воздействию соединений или материалов, незнакомых их экосистемам, они могут реагировать по-разному58,59.В отсутствие токсичных оксидов металлов микроводоросли могут питаться сами, что позволяет им непрерывно расти60.После приема токсических веществ могут активироваться защитные механизмы, такие как изменение формы или формы.Необходимо также учитывать возможность абсорбции58,59.Примечательно, что любой признак защитного механизма является четким индикатором токсичности тестируемого соединения.Поэтому в нашей дальнейшей работе мы исследовали потенциальное поверхностное взаимодействие между нанохлопьями SL Nb-MXene и микроводорослями с помощью SEM и возможное поглощение MXene на основе Nb с помощью рентгенофлуоресцентной спектроскопии (XRF).Обратите внимание, что анализы SEM и XRF проводились только при самой высокой концентрации MXene для решения проблем токсичности активности.
Результаты СЭМ показаны на рис.4.Необработанные клетки микроводорослей (см. рис. 4а, эталонный образец) четко демонстрировали типичную морфологию R. subcapitata и форму клеток, напоминающую круассан.Клетки кажутся уплощенными и несколько дезорганизованными.Некоторые клетки микроводорослей перекрывались и перепутывались друг с другом, но, вероятно, это было вызвано процессом пробоподготовки.В целом чистые клетки микроводорослей имели гладкую поверхность и не обнаруживали каких-либо морфологических изменений.
Изображения SEM, показывающие поверхностное взаимодействие между зелеными микроводорослями и нанолистами MXene после 72 часов взаимодействия при экстремальной концентрации (100 мг л-1).(а) Необработанные зеленые микроводоросли после взаимодействия с SL (б) Nb2CTx и (в) Nb4C3TX MXenes.Обратите внимание, что нанохлопья Nb-MXene отмечены красными стрелками.Для сравнения также добавлены фотографии с оптического микроскопа.
Напротив, клетки микроводорослей, адсорбированные нанохлопьями SL Nb-MXene, были повреждены (см. рис. 4б, в, красные стрелки).В случае Nb2CTx MXene (рис. 4б) микроводоросли склонны к росту с прикрепленными двумерными наноразмерами, что может изменить их морфологию.Примечательно, что мы также наблюдали эти изменения под световой микроскопией (подробности см. на рис. S11).Этот морфологический переход имеет правдоподобную основу в физиологии микроводорослей и их способности защищаться путем изменения морфологии клеток, например увеличения объема клеток61.Поэтому важно проверить количество клеток микроводорослей, которые действительно контактируют с Nb-MXenes.Исследования СЭМ показали, что примерно 52% клеток микроводорослей подвергались воздействию Nb-MXenes, в то время как 48% этих клеток микроводорослей избегали контакта.Для SL Nb4C3Tx MXene микроводоросли стараются избегать контакта с MXene, тем самым локализуясь и вырастая из двумерных наномасштабов (рис. 4в).Однако мы не наблюдали проникновения наноразмеров в клетки микроводорослей и их повреждения.
Самосохранение также представляет собой зависящее от времени ответное поведение на блокировку фотосинтеза за счет адсорбции частиц на поверхности клетки и так называемого эффекта затенения (затенения)62.Понятно, что каждый объект (например, нанохлопья Nb-MXene), находящийся между микроводорослями и источником света, ограничивает количество света, поглощаемого хлоропластами.Однако мы не сомневаемся, что это оказывает существенное влияние на полученные результаты.Как показали наши наблюдения под микроскопом, 2D-нанохлопья не были полностью обернуты или прилипли к поверхности микроводорослей, даже когда клетки микроводорослей контактировали с Nb-MXenes.Вместо этого оказалось, что наночешуйки ориентированы на клетки микроводорослей, не покрывая их поверхность.Такой набор нанохлопьев/микроводорослей не может существенно ограничить количество света, поглощаемого клетками микроводорослей.Более того, некоторые исследования даже продемонстрировали улучшение поглощения света фотосинтезирующими организмами в присутствии двумерных наноматериалов63,64,65,66.
Поскольку изображения SEM не могли напрямую подтвердить поглощение ниобия клетками микроводорослей, наше дальнейшее исследование обратилось к анализу рентгеновской флуоресценции (XRF) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), чтобы прояснить этот вопрос.Поэтому мы сравнили интенсивность пиков Nb эталонных образцов микроводорослей, не взаимодействовавших с MXene, нанохлопьев MXene, оторванных от поверхности клеток микроводорослей, и клеток микроводорослей после удаления прикрепленных MXene.Стоит отметить, что если поглощение Nb отсутствует, значение Nb, полученное клетками микроводорослей, должно быть равно нулю после удаления прикрепленных наноразмеров.Следовательно, если происходит поглощение Nb, результаты XRF и XPS должны показать четкий пик Nb.
В случае спектров РФА образцы микроводорослей показали пики Nb для SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene после взаимодействия с SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene (см. рис. 5a, также обратите внимание, что результаты для MAX и ML MXene показаны в SI, рис. S12-C17).Интересно, что интенсивность пика Nb одинакова в обоих случаях (красные столбцы на рис. 5а).Это указывало на то, что водоросли не могли поглощать большее количество Nb, и максимальная способность к накоплению Nb достигалась в клетках, хотя к клеткам микроводорослей присоединялось в два раза больше Nb4C3Tx MXene (синие столбики на рис. 5а).Примечательно, что способность микроводорослей поглощать металлы зависит от концентрации оксидов металлов в окружающей среде67,68.Шамшада и др.67 обнаружили, что поглощающая способность пресноводных водорослей снижается с увеличением рН.Raize et al.68 отметили, что способность морских водорослей поглощать металлы была примерно на 25% выше для Pb2+, чем для Ni2+.
(а) Результаты XRF базального поглощения Nb клетками зеленых микроводорослей, инкубированных при предельной концентрации SL Nb-MXenes (100 мг л-1) в течение 72 часов.Результаты показывают наличие α в чистых клетках микроводорослей (контрольный образец, серые столбцы), 2D-наночешуйках, выделенных из поверхностных клеток микроводорослей (синие столбцы), и клетках микроводорослей после отделения 2D-наночешуек с поверхности (красные столбцы).Количество элементарного Nb, (б) процент химического состава органических компонентов микроводорослей (C=O и CHx/C–O) и оксидов Nb, присутствующих в клетках микроводорослей после инкубации с SL Nb-MXenes, (c–e) Подгонка композиционного пика спектров XPS SL Nb2CTx и (fh) SL Nb4C3Tx MXene, интернализированного клетками микроводорослей.
Поэтому мы ожидали, что Nb может поглощаться клетками водорослей в виде оксидов.Чтобы проверить это, мы провели исследования XPS на MXenes Nb2CTx и Nb4C3TX и клетках водорослей.Результаты взаимодействия микроводорослей с Nb-MXenes и MXenes, выделенными из клеток водорослей, представлены на рис.5б.Как и ожидалось, мы обнаружили пики Nb 3d в образцах микроводорослей после удаления MXene с поверхности микроводорослей.Количественное определение оксидов C=O, CHx/CO и Nb рассчитывали на основании спектров Nb 3d, O 1s и C 1s, полученных с СР Nb2CTx (рис. 5в–д) и СР Nb4C3Tx (рис. 5в–д).), полученный из инкубированных микроводорослей.Рисунок 5f – h) MXenes.Таблица S1-3 показывает детали параметров пика и общего химического состава, полученного в результате подгонки.Примечательно, что области Nb 3d СР Nb2CTx и СР Nb4C3Tx (рис. 5в, е) соответствуют одной компоненте Nb2O5.Здесь мы не обнаружили в спектрах пиков, связанных с MXene, что указывает на то, что клетки микроводорослей поглощают только оксидную форму Nb.Кроме того, мы аппроксимировали спектр C 1 s компонентами C–C, CHx/C–O, C=O и –COOH.Пики CHx/C–O и C=O мы отнесли к органическому вкладу клеток микроводорослей.Эти органические компоненты составляют 36% и 41% пиков C 1s в Nb2CTx SL и Nb4C3TX SL соответственно.Затем мы аппроксимировали спектры O 1s СР Nb2CTx и СР Nb4C3TX с Nb2O5, органическими компонентами микроводорослей (CHx/CO) и поверхностно-адсорбированной водой.
Наконец, результаты XPS четко указывали на форму Nb, а не только на его присутствие.По положению сигнала Nb 3d и результатам деконволюции мы подтверждаем, что Nb поглощается только в виде оксидов, а не ионов или самого MXene.Кроме того, результаты XPS показали, что клетки микроводорослей обладают большей способностью поглощать оксиды Nb из SL Nb2CTx по сравнению с SL Nb4C3TX MXene.
Хотя наши результаты поглощения Nb впечатляют и позволяют нам идентифицировать деградацию MXene, нет доступного метода для отслеживания связанных морфологических изменений в двумерных нанохлопьях.Поэтому мы также решили разработать подходящий метод, который может напрямую реагировать на любые изменения, происходящие в двумерных нанохлопьях Nb-MXene и клетках микроводорослей.Важно отметить, что мы предполагаем, что если взаимодействующие виды претерпевают какую-либо трансформацию, разложение или дефрагментацию, это должно быстро проявляться в изменении параметров формы, таких как диаметр эквивалентной круглой области, округлость, ширина по Фере или длина по Фере.Поскольку эти параметры подходят для описания удлиненных частиц или двумерных наночешуек, их отслеживание с помощью динамического анализа формы частиц даст нам ценную информацию о морфологическом преобразовании нанохлопьев SL Nb-MXene во время восстановления.
Полученные результаты показаны на рисунке 6. Для сравнения мы также протестировали исходную фазу MAX и ML-MXenes (см. рисунки SI S18 и S19).Динамический анализ формы частиц показал, что все параметры формы двух СР Nb-MXene значительно изменились после взаимодействия с микроводорослями.Как показывает параметр диаметра эквивалентной круглой площади (рис. 6а, б), пониженная пиковая интенсивность доли крупных наночешуек указывает на их тенденцию к распаду на более мелкие фрагменты.На рис.6в,г видно уменьшение пиков, связанное с поперечным размером чешуек (удлинением наночешуек), что свидетельствует о трансформации 2D наночешуек в более частицеподобную форму.На рис. 6e-h показаны ширина и длина Feret соответственно.Ширина и длина Ферета являются взаимодополняющими параметрами и поэтому должны рассматриваться вместе.После инкубации 2D нанохлопьев Nb-MXene в присутствии микроводорослей пики их корреляции Ферета сместились, а их интенсивность уменьшилась.Основываясь на этих результатах в сочетании с морфологией, XRF и XPS, мы пришли к выводу, что наблюдаемые изменения тесно связаны с окислением, поскольку окисленные MXene становятся более морщинистыми и распадаются на фрагменты и сферические оксидные частицы69,70.
Анализ трансформации MXene после взаимодействия с зелеными микроводорослями.При динамическом анализе формы частиц учитываются такие параметры, как (а, б) диаметр эквивалентной круглой площади, (в, г) округлость, (д, е) ширина по Фере и (ж, з) длина по Фере.Для этого были проанализированы два эталонных образца микроводорослей вместе с первичными SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXenes, деградированными микроводорослями и обработанными микроводорослями SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXenes.Красными стрелками показаны переходы параметров формы исследуемых двумерных наночешуек.
Поскольку анализ параметров формы очень надежен, он также может выявить морфологические изменения в клетках микроводорослей.Поэтому мы проанализировали эквивалентный диаметр круглой области, округлость и ширину / длину по Ферету чистых клеток микроводорослей и клеток после взаимодействия с 2D нанохлопьями Nb.На рис.6а–з показаны изменения параметров формы клеток водорослей, о чем свидетельствует уменьшение пиковой интенсивности и смещение максимумов в сторону более высоких значений.В частности, параметры округлости клеток показали снижение удлиненных клеток и увеличение сферических клеток (рис. 6а, б).Кроме того, ширина клеток Ферета увеличилась на несколько микрометров после взаимодействия с SL Nb2CTx MXene (рис. 6e) по сравнению с SL Nb4C3TX MXene (рис. 6f).Мы подозреваем, что это может быть связано с сильным поглощением оксидов Nb микроводорослями при взаимодействии с Nb2CTx SR.Менее жесткое прикрепление чешуек Nb к их поверхности может привести к росту клеток с минимальным эффектом затенения.
Наши наблюдения за изменением параметров формы и размеров микроводорослей дополняют другие исследования.Зеленые микроводоросли могут изменять свою морфологию в ответ на стресс окружающей среды, изменяя размер, форму или метаболизм клеток61.Например, изменение размера клеток облегчает усвоение питательных веществ71.Более мелкие клетки водорослей демонстрируют более низкое поглощение питательных веществ и сниженную скорость роста.И наоборот, более крупные клетки, как правило, потребляют больше питательных веществ, которые затем откладываются внутриклеточно72,73.Мачадо и Соарес обнаружили, что фунгицид триклозан может увеличивать размер клеток.Они также обнаружили глубокие изменения в форме водорослей74.Кроме того, Yin et al.9 также выявили морфологические изменения в водорослях после воздействия нанокомпозитов восстановленного оксида графена.Поэтому ясно, что измененные параметры размера/формы микроводорослей вызваны присутствием MXene.Поскольку это изменение размера и формы указывает на изменения в поглощении питательных веществ, мы считаем, что анализ параметров размера и формы с течением времени может продемонстрировать поглощение оксида ниобия микроводорослями в присутствии Nb-MXenes.
Более того, MXenes могут окисляться в присутствии водорослей.Dalai et al.75 заметили, что морфология зеленых водорослей, подвергшихся воздействию нано-TiO2 и Al2O376, не была однородной.Хотя наши наблюдения аналогичны настоящему исследованию, они имеют отношение только к изучению эффектов биоремедиации с точки зрения продуктов разложения MXene в присутствии 2D нанохлопьев, а не наночастиц.Поскольку MXenes могут разлагаться на оксиды металлов,31,32,77,78 разумно предположить, что наши нанохлопья Nb также могут образовывать оксиды Nb после взаимодействия с клетками микроводорослей.
Чтобы объяснить восстановление нанохлопьев 2D-Nb посредством механизма разложения, основанного на процессе окисления, мы провели исследования с использованием просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM) (рис. 7a,b) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) (рис. 7).7c-i и таблицы S4-5).Оба подхода подходят для изучения окисления 2D-материалов и дополняют друг друга.HRTEM может анализировать деградацию двумерных слоистых структур и последующее появление наночастиц оксидов металлов, в то время как XPS чувствителен к поверхностным связям.С этой целью были протестированы 2D нанохлопья Nb-MXene, извлеченные из дисперсий клеток микроводорослей, то есть их форма после взаимодействия с клетками микроводорослей (см. рис. 7).
Изображения ВРЭМ, показывающие морфологию окисленных (а) СР Nb2CTx и (б) СР Nb4C3Tx MXenes, результаты РФЭС-анализа, показывающие (в) состав оксидных продуктов после восстановления, (d–f) совпадение пиков компонентов спектров РФЭС СР Nb2CTx и (g–i) СР Nb4C3Tx, репарированных зелеными микроводорослями.
Исследования HRTEM подтвердили окисление двух типов нанохлопьев Nb-MXene.Хотя наночешуйки до некоторой степени сохранили свою двумерную морфологию, окисление привело к появлению множества наночастиц, покрывающих поверхность наночешуек MXene (см. рис. 7а,б).РФЭС-анализ сигналов c Nb 3d и O 1s показал, что в обоих случаях образуются оксиды Nb.Как показано на рисунке 7c, 2D MXene Nb2CTx и Nb4C3TX имеют сигналы Nb 3d, указывающие на присутствие оксидов NbO и Nb2O5, тогда как сигналы O 1s указывают на количество связей O–Nb, связанных с функционализацией поверхности 2D наночешуек.Мы заметили, что вклад оксида Nb является доминирующим по сравнению с Nb-C и Nb3+-O.
На рис.На рис. 7ж–и представлены РФЭС-спектры Nb 3d, C 1s и O 1s SL Nb2CTx (см. рис. 7d–f) и SL Nb4C3TX MXene, выделенных из клеток микроводорослей.Подробная информация о параметрах пика Nb-MXenes представлена ​​в таблицах S4–5 соответственно.Сначала мы проанализировали состав Nb 3d.В отличие от Nb, поглощаемого клетками микроводорослей, в MXene, выделенном из клеток микроводорослей, помимо Nb2O5 обнаружены и другие компоненты.В СР Nb2CTx мы наблюдали вклад Nb3+-O в количестве 15 %, тогда как в остальной части спектра Nb 3d преобладал Nb2O5 (85 %).Кроме того, образец СР Nb4C3TX содержит компоненты Nb-C (9%) и Nb2O5 (91%).Здесь Nb-C происходит из двух внутренних атомных слоев карбида металла в Nb4C3Tx SR.Затем мы сопоставляем спектры C 1s с четырьмя различными компонентами, как мы это делали с интернализованными образцами.Как и ожидалось, в спектре C 1s преобладает графитовый углерод, за которым следуют вклады органических частиц (CHx/CO и C=O) из клеток микроводорослей.Кроме того, в спектре O 1s наблюдался вклад органических форм клеток микроводорослей, оксида ниобия и адсорбированной воды.
Кроме того, мы исследовали, связано ли расщепление Nb-MXenes с присутствием активных форм кислорода (АФК) в питательной среде и/или клетках микроводорослей.С этой целью мы оценили уровни синглетного кислорода (1O2) в культуральной среде и внутриклеточного глутатиона, тиола, который действует как антиоксидант в микроводорослях.Результаты показаны в SI (рисунки S20 и S21).Культуры с SL Nb2CTx и Nb4C3TX MXenes характеризовались сниженным количеством 1O2 (см. Рисунок S20).В случае SL Nb2CTx MXene 1O2 восстанавливается примерно до 83%.Для культур микроводорослей с использованием СЛ Nb4C3TX 1O2 снизился еще больше – до 73%.Интересно, что изменения 1О2 имели ту же тенденцию, что и наблюдаемый ранее тормозно-стимулирующий эффект (см. рис. 3).Можно утверждать, что инкубация при ярком свете может изменить фотоокисление.Однако результаты контрольного анализа показали почти постоянные уровни 1O2 в течение эксперимента (рис. S22).В случае внутриклеточных уровней АФК мы также наблюдали ту же тенденцию к снижению (см. Рисунок S21).Первоначально уровни АФК в клетках микроводорослей, культивируемых в присутствии СЛ Nb2CTx и Nb4C3Tx, превышали уровни, обнаруженные в чистых культурах микроводорослей.В конце концов, однако, оказалось, что микроводоросли адаптировались к присутствию обоих Nb-MXenes, поскольку уровни АФК снизились до 85% и 91% уровней, измеренных в чистых культурах микроводорослей, инокулированных SL Nb2CTx и Nb4C3TX, соответственно.Это может свидетельствовать о том, что микроводоросли со временем чувствуют себя более комфортно в присутствии Nb-MXene, чем в одной питательной среде.
Микроводоросли представляют собой разнообразную группу фотосинтезирующих организмов.В процессе фотосинтеза они превращают атмосферный углекислый газ (CO2) в органический углерод.Продуктами фотосинтеза являются глюкоза и кислород79.Мы подозреваем, что образующийся при этом кислород играет критическую роль в окислении Nb-MXenes.Одно из возможных объяснений этого состоит в том, что дифференциальный параметр аэрации формируется при низком и высоком парциальном давлении кислорода снаружи и внутри нанохлопьев Nb-MXene.Это означает, что везде, где есть области с разным парциальным давлением кислорода, область с самым низким уровнем будет формировать анод 80, 81, 82. Здесь микроводоросли способствуют созданию дифференциально аэрируемых клеток на поверхности хлопьев MXene, которые вырабатывают кислород благодаря своим фотосинтетическим свойствам.В результате образуются продукты биокоррозии (в данном случае оксиды ниобия).Другой аспект заключается в том, что микроводоросли могут производить органические кислоты, которые попадают в воду83,84.Поэтому формируется агрессивная среда, тем самым изменяя Nb-MXenes.Кроме того, микроводоросли могут менять рН среды на щелочную за счет поглощения углекислого газа, что также может вызывать коррозию79.
Что еще более важно, фотопериод темный/светлый, использованный в нашем исследовании, имеет решающее значение для понимания полученных результатов.Этот аспект подробно описан в Djemai-Zoghlache et al.85 Они намеренно использовали фотопериод 12/12 часов, чтобы продемонстрировать биокоррозию, связанную с биообрастанием красными микроводорослями Porphyridium purpureum.Они показывают, что фотопериод связан с эволюцией потенциала без биокоррозии, проявляющейся в виде псевдопериодических колебаний около 24:00.Эти наблюдения были подтверждены Dowling et al.86 Они продемонстрировали фотосинтетические биопленки цианобактерий Anabaena.Растворенный кислород образуется под действием света, что связано с изменением или колебаниями потенциала свободной биокоррозии.Важность фотопериода подчеркивается тем, что свободный потенциал биокоррозии увеличивается в светлую фазу и уменьшается в темновую фазу.Это связано с кислородом, вырабатываемым фотосинтезирующими микроводорослями, который влияет на катодную реакцию через парциальное давление, создаваемое вблизи электродов87.
Кроме того, была проведена инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR), чтобы выяснить, произошли ли какие-либо изменения в химическом составе клеток микроводорослей после взаимодействия с Nb-MXenes.Эти полученные результаты сложны, и мы представляем их в SI (рисунки S23-S25, включая результаты стадии MAX и ML MXenes).Короче говоря, полученные эталонные спектры микроводорослей дают нам важную информацию о химических характеристиках этих организмов.Эти наиболее вероятные колебания расположены на частотах 1060 см-1 (СО), 1540 см-1, 1640 см-1 (С=С), 1730 см-1 (С=О), 2850 см-1, 2920 см-1.один.1 1 (С–Н) и 3280 см–1 (О–Н).Для SL Nb-MXenes мы обнаружили сигнатуру растяжения CH-связи, которая согласуется с нашим предыдущим исследованием38.Однако мы заметили, что некоторые дополнительные пики, связанные со связями C=C и CH, исчезли.Это указывает на то, что химический состав микроводорослей может претерпевать незначительные изменения в результате взаимодействия с СЛ Nb-MXenes.
При рассмотрении возможных изменений в биохимии микроводорослей необходимо пересмотреть накопление неорганических оксидов, таких как оксид ниобия59.Он участвует в поглощении металлов клеточной поверхностью, их транспорте в цитоплазму, их ассоциации с внутриклеточными карбоксильными группами и их накоплении в полифосфосомах микроводорослей20,88,89,90.Кроме того, связь между микроводорослями и металлами поддерживается функциональными группами клеток.По этой причине абсорбция также зависит от химии поверхности микроводорослей, которая является довольно сложной9,91.В целом, как и ожидалось, химический состав зеленых микроводорослей незначительно изменился за счет поглощения оксида Nb.
Интересно, что наблюдаемое начальное ингибирование микроводорослей было обратимым с течением времени.Как мы наблюдали, микроводоросли преодолели первоначальное изменение окружающей среды и в конечном итоге вернулись к нормальным темпам роста и даже увеличились.Исследования дзета-потенциала показывают высокую стабильность при внесении в питательные среды.Таким образом, поверхностное взаимодействие между клетками микроводорослей и нанохлопьями Nb-MXene поддерживалось на протяжении всего периода экспериментов по восстановлению.В нашем дальнейшем анализе мы суммируем основные механизмы действия, лежащие в основе такого замечательного поведения микроводорослей.
Наблюдения с помощью СЭМ показали, что микроводоросли имеют тенденцию прикрепляться к Nb-MXenes.Используя динамический анализ изображений, мы подтверждаем, что этот эффект приводит к трансформации двумерных нанохлопьев Nb-MXene в более сферические частицы, тем самым демонстрируя, что разложение нанохлопьев связано с их окислением.Для проверки нашей гипотезы мы провели серию материальных и биохимических исследований.После испытаний нанохлопья постепенно окислялись и распадались на продукты NbO и Nb2O5, которые не представляли угрозы для зеленых микроводорослей.Используя FTIR-наблюдение, мы не обнаружили существенных изменений в химическом составе микроводорослей, инкубированных в присутствии 2D нанохлопьев Nb-MXene.Учитывая возможность поглощения оксида ниобия микроводорослями, нами был проведен рентгенофлуоресцентный анализ.Эти результаты ясно показывают, что исследуемые микроводоросли питаются оксидами ниобия (NbO и Nb2O5), которые нетоксичны для исследуемых микроводорослей.