Ďakujeme za návštevu stránky Nature.com. Používate verziu prehliadača s obmedzenou podporou CSS. Pre dosiahnutie čo najlepšieho zážitku odporúčame používať aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v prehliadači Internet Explorer). Medzitým budeme stránku vykresľovať bez štýlov a JavaScriptu, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu.
Zobrazí karusel s tromi snímkami naraz. Pomocou tlačidiel Predchádzajúca a Nasledujúca sa môžete pohybovať medzi tromi snímkami naraz alebo pomocou tlačidiel posuvníka na konci sa môžete pohybovať medzi tromi snímkami naraz.
Rýchly rozvoj nanotechnológie a jej integrácia do každodenných aplikácií môže ohroziť životné prostredie. Zatiaľ čo zelené metódy degradácie organických kontaminantov sú dobre zavedené, získavanie anorganických kryštalických kontaminantov je veľmi znepokojujúce kvôli ich nízkej citlivosti na biotransformáciu a nedostatočnému pochopeniu interakcií povrchu materiálov s biologickými kontaminantmi. V tejto štúdii používame anorganický 2D model MXénov na báze Nb v kombinácii s jednoduchou metódou analýzy tvarových parametrov na sledovanie mechanizmu bioremediacie 2D keramických nanomateriálov zelenými mikroriasami Raphidocelis subcapitata. Zistili sme, že mikroriasy degradujú MXény na báze Nb v dôsledku fyzikálno-chemických interakcií súvisiacich s povrchom. Spočiatku boli na povrch mikrorias pripojené jednovrstvové a viacvrstvové nanovločky MXénu, čo do istej miery znížilo rast rias. Pri dlhšej interakcii s povrchom však mikroriasy oxidovali nanovločky MXénu a ďalej ich rozkladali na NbO a Nb2O5. Keďže tieto oxidy nie sú toxické pre bunky mikrorias, konzumujú nanočastice oxidu Nb absorpčným mechanizmom, ktorý po 72 hodinách úpravy vody ďalej obnovuje mikroriasy. Účinky živín spojených s absorpciou sa odrážajú aj vo zvýšení objemu buniek, ich hladkom tvare a zmene rýchlosti rastu. Na základe týchto zistení sme dospeli k záveru, že krátkodobá a dlhodobá prítomnosť MXénov na báze Nb v sladkovodných ekosystémoch môže mať len malé vplyvy na životné prostredie. Je pozoruhodné, že použitím dvojrozmerných nanomateriálov ako modelových systémov demonštrujeme možnosť sledovania transformácie tvaru aj v jemnozrnných materiáloch. Celkovo táto štúdia odpovedá na dôležitú základnú otázku o procesoch súvisiacich s povrchovou interakciou, ktoré riadia mechanizmus bioremediacie 2D nanomateriálov, a poskytuje základ pre ďalšie krátkodobé a dlhodobé štúdie vplyvu anorganických kryštalických nanomateriálov na životné prostredie.
Nanomateriály od svojho objavenia vzbudili veľký záujem a rôzne nanotechnológie nedávno vstúpili do fázy modernizácie1. Integrácia nanomateriálov do každodenných aplikácií môže, žiaľ, viesť k náhodnému uvoľneniu v dôsledku nesprávnej likvidácie, neopatrnej manipulácie alebo nedostatočnej bezpečnostnej infraštruktúry. Preto je rozumné predpokladať, že nanomateriály vrátane dvojrozmerných (2D) nanomateriálov sa môžu uvoľňovať do prírodného prostredia, ktorého správanie a biologická aktivita ešte nie sú úplne pochopené. Preto neprekvapuje, že obavy týkajúce sa ekotoxicity sa zamerali na schopnosť 2D nanomateriálov prenikať do vodných systémov2,3,4,5,6. V týchto ekosystémoch môžu niektoré 2D nanomateriály interagovať s rôznymi organizmami na rôznych trofických úrovniach vrátane mikroorganizmov.
Mikroriasy sú primitívne organizmy, ktoré sa prirodzene nachádzajú v sladkovodných a morských ekosystémoch a produkujú rôzne chemické produkty prostredníctvom fotosyntézy7. Ako také sú kritické pre vodné ekosystémy8,9,10,11,12, ale sú tiež citlivými, lacnými a široko používanými indikátormi ekotoxicity13,14. Keďže bunky mikrorias sa rýchlo množia a rýchlo reagujú na prítomnosť rôznych zlúčenín, sú sľubné pre vývoj ekologicky šetrných metód na čistenie vody kontaminovanej organickými látkami15,16.
Bunky rias dokážu odstraňovať anorganické ióny z vody prostredníctvom biosorpcie a akumulácie17,18. Niektoré druhy rias, ako napríklad Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue a Synechococcus sp., prenášajú a dokonca vyživujú toxické kovové ióny, ako sú Fe2+, Cu2+, Zn2+ a Mn2+19. Iné štúdie ukázali, že ióny Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ alebo Pb2+ obmedzujú rast Scenedesmus zmenou morfológie buniek a ničením ich chloroplastov20,21.
Zelené metódy rozkladu organických znečisťujúcich látok a odstraňovania iónov ťažkých kovov pritiahli pozornosť vedcov a inžinierov na celom svete. Je to spôsobené najmä tým, že tieto kontaminanty sa ľahko spracovávajú v kvapalnej fáze. Anorganické kryštalické znečisťujúce látky sa však vyznačujú nízkou rozpustnosťou vo vode a nízkou náchylnosťou na rôzne biotransformácie, čo spôsobuje veľké ťažkosti pri sanácii, a v tejto oblasti sa dosiahol len malý pokrok22,23,24,25,26. Hľadanie ekologických riešení pre opravu nanomateriálov preto zostáva zložitou a nepreskúmanou oblasťou. Vzhľadom na vysoký stupeň neistoty týkajúci sa biotransformačných účinkov 2D nanomateriálov neexistuje jednoduchý spôsob, ako zistiť možné cesty ich degradácie počas redukcie.
V tejto štúdii sme použili zelené mikroriasy ako aktívne vodné bioremediačné činidlo pre anorganické keramické materiály v kombinácii s in situ monitorovaním procesu degradácie MXénu ako reprezentatívneho anorganického keramického materiálu. Termín „MXén“ odráža stechiometriu materiálu Mn+1XnTx, kde M je skorý prechodný kov, X je uhlík a/alebo dusík, Tx je povrchový terminátor (napr. -OH, -F, -Cl) a n = 1, 2, 3 alebo 427,28. Od objavu MXénov Naguibom a kol. Senzorika, terapia rakoviny a membránová filtrácia 27,29,30. Okrem toho možno MXény považovať za modelové 2D systémy vďaka ich vynikajúcej koloidnej stabilite a možným biologickým interakciám 31,32,33,34,35,36.
Preto je metodika vyvinutá v tomto článku a naše výskumné hypotézy znázornené na obrázku 1. Podľa tejto hypotézy mikroriasy degradujú MXény na báze Nb na netoxické zlúčeniny v dôsledku fyzikálno-chemických interakcií súvisiacich s povrchom, čo umožňuje ďalšiu regeneráciu rias. Na overenie tejto hypotézy boli vybrané dvaja členovia rodiny skorých karbidov a/alebo nitridov prechodných kovov (MXény) na báze nióbu, a to Nb2CTx a Nb4C3TX.
Metodológia výskumu a hypotézy založené na dôkazoch pre obnovu MXene zelenými mikroriasami Raphidocelis subcapitata. Upozorňujeme, že toto je len schematické znázornenie predpokladov založených na dôkazoch. Prostredie jazera sa líši použitým živným médiom a podmienkami (napr. denný cyklus a obmedzenia dostupných esenciálnych živín). Vytvorené pomocou BioRender.com.
Použitím MXene ako modelového systému sme preto otvorili dvere k štúdiu rôznych biologických účinkov, ktoré nemožno pozorovať pri iných konvenčných nanomateriáloch. Konkrétne demonštrujeme možnosť bioremediácie dvojrozmerných nanomateriálov, ako sú napríklad MXény na báze nióbu, pomocou mikrorias Raphidocelis subcapitata. Mikroriasy sú schopné degradovať Nb-MXény na netoxické oxidy NbO a Nb2O5, ktoré tiež poskytujú živiny prostredníctvom mechanizmu absorpcie nióbu. Celkovo táto štúdia odpovedá na dôležitú základnú otázku o procesoch spojených s povrchovými fyzikálno-chemickými interakciami, ktoré riadia mechanizmy bioremediácie dvojrozmerných nanomateriálov. Okrem toho vyvíjame jednoduchú metódu založenú na parametroch tvaru na sledovanie jemných zmien tvaru 2D nanomateriálov. To inšpiruje ďalší krátkodobý a dlhodobý výskum rôznych environmentálnych vplyvov anorganických kryštalických nanomateriálov. Naša štúdia tak prehlbuje pochopenie interakcie medzi povrchom materiálu a biologickým materiálom. Taktiež poskytujeme základ pre rozšírené krátkodobé a dlhodobé štúdie ich možných vplyvov na sladkovodné ekosystémy, ktoré sa teraz dajú ľahko overiť.
MXény predstavujú zaujímavú triedu materiálov s jedinečnými a atraktívnymi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami, a preto majú mnoho potenciálnych aplikácií. Tieto vlastnosti do značnej miery závisia od ich stechiometrie a povrchovej chémie. Preto sme v našej štúdii skúmali dva typy hierarchických jednovrstvových (SL) MXénov na báze Nb, Nb2CTx a Nb4C3TX, pretože bolo možné pozorovať rôzne biologické účinky týchto nanomateriálov. MXény sa vyrábajú z ich východiskových materiálov selektívnym leptaním zhora nadol atómovo tenkých vrstiev A fázy MAX. Fáza MAX je ternárna keramika zložená z „viazaných“ blokov karbidov prechodných kovov a tenkých vrstiev prvkov „A“, ako sú Al, Si a Sn, so stechiometriou MnAXn-1. Morfológia počiatočnej fázy MAX bola pozorovaná skenovacou elektrónovou mikroskopiou (SEM) a bola v súlade s predchádzajúcimi štúdiami (pozri doplnkové informácie, SI, obrázok S1). Viacvrstvový (ML) Nb-MXén bol získaný po odstránení vrstvy Al pomocou 48 % HF (kyseliny fluorovodíkovej). Morfológia ML-Nb2CTx a ML-Nb4C3TX bola skúmaná skenovacou elektrónovou mikroskopiou (SEM) (obrázky S1c a S1d) a bola pozorovaná typická vrstevnatá morfológia MXénu, podobná dvojrozmerným nanovločkám prechádzajúcim cez predĺžené pórovité štrbiny. Oba Nb-MXény majú veľa spoločného s fázami MXénu, ktoré boli predtým syntetizované leptaním kyselinou27,38. Po potvrdení štruktúry MXénu sme ho navrstvili interkaláciou tetrabutylamóniumhydroxidu (TBAOH), po čom nasledovalo premytie a sonikácia, po čom sme získali jednovrstvové alebo nízkovrstvové (SL) 2D nanovločky Nb-MXénu.
Na testovanie účinnosti leptania a ďalšieho odlupovania sme použili transmisnú elektrónovú mikroskopiu s vysokým rozlíšením (HRTEM) a röntgenovú difrakciu (XRD). Výsledky HRTEM spracované pomocou inverznej rýchlej Fourierovej transformácie (IFFT) a rýchlej Fourierovej transformácie (FFT) sú znázornené na obr. 2. Nanočastice Nb-MXene boli orientované hranou nahor, aby sa skontrolovala štruktúra atómovej vrstvy a zmerali medzirovinné vzdialenosti. Snímky HRTEM nanočastíc MXene Nb2CTx a Nb4C3TX odhalili ich atómovo tenkú vrstevnatú povahu (pozri obr. 2a1, a2), ako predtým uviedli Naguib a kol.27 a Jastrzębska a kol.38. Pre dve susedné monovrstvy Nb2CTx a Nb4C3Tx sme určili medzivrstvové vzdialenosti 0,74 a 1,54 nm (obr. 2b1, b2), čo tiež súhlasí s našimi predchádzajúcimi výsledkami38. Toto bolo ďalej potvrdené inverznou rýchlou Fourierovou transformáciou (obr. 2c1, c2) a rýchlou Fourierovou transformáciou (obr. 2d1, d2), ktoré zobrazujú vzdialenosť medzi monovrstvami Nb2CTx a Nb4C3Tx. Obrázok ukazuje striedanie svetlých a tmavých pásov zodpovedajúcich atómom nióbu a uhlíka, čo potvrdzuje vrstevnatú povahu študovaných MXénov. Je dôležité poznamenať, že spektrá energeticky disperznej röntgenovej spektroskopie (EDX) získané pre Nb2CTx a Nb4C3Tx (obrázky S2a a S2b) nevykazovali žiadne zvyšky pôvodnej fázy MAX, pretože nebol detegovaný žiadny pík Al.
Charakterizácia nanovločiek SL Nb2CTx a Nb4C3Tx MXene, vrátane (a) bočného 2D zobrazenia nanovločiek pomocou elektrónovej mikroskopie s vysokým rozlíšením (HRTEM) a zodpovedajúceho, (b) režimu intenzity, (c) inverznej rýchlej Fourierovej transformácie (IFFT), (d) rýchlej Fourierovej transformácie (FFT), (e) röntgenových obrazcov Nb-MXene. Pre SL 2D Nb2CTx sú čísla vyjadrené ako (a1, b1, c1, d1, e1). Pre SL 2D Nb4C3Tx sú čísla vyjadrené ako (a2, b2, c2, d2, e1).
Merania röntgenovej difrakcie SL Nb2CTx a Nb4C3Tx MXénov sú znázornené na obr. 2e1 a e2. Vrcholy (002) pri 4,31 a 4,32 zodpovedajú predtým opísaným vrstevnatým MXénom Nb2CTx a Nb4C3TX38,39,40,41. Výsledky XRD tiež naznačujú prítomnosť niektorých zvyškových ML štruktúr a MAX fáz, ale väčšinou XRD obrazcov spojených so SL Nb4C3Tx (obr. 2e2). Prítomnosť menších častíc MAX fázy môže vysvetľovať silnejší pík MAX v porovnaní s náhodne naskladanými vrstvami Nb4C3Tx.
Ďalší výskum sa zameral na zelené mikroriasy patriace k druhu R. subcapitata. Mikroriasy sme si vybrali, pretože sú dôležitými producentmi zapojenými do hlavných potravinových reťazcov42. Sú tiež jedným z najlepších indikátorov toxicity vďaka schopnosti odstraňovať toxické látky, ktoré sú prenášané do vyšších úrovní potravinového reťazca43. Okrem toho by výskum R. subcapitata mohol objasniť náhodnú toxicitu SL Nb-MXenov na bežné sladkovodné mikroorganizmy. Na ilustráciu tohto tvrdenia výskumníci predpokladali, že každý mikrób má inú citlivosť na toxické zlúčeniny prítomné v prostredí. Pre väčšinu organizmov nízke koncentrácie látok neovplyvňujú ich rast, zatiaľ čo koncentrácie nad určitým limitom ich môžu inhibovať alebo dokonca spôsobiť smrť. Preto sme sa pre naše štúdie povrchovej interakcie medzi mikroriasami a MXenmi a súvisiacej regenerácie rozhodli testovať neškodné a toxické koncentrácie Nb-MXenov. Na tento účel sme testovali koncentrácie 0 (ako referencia), 0,01, 0,1 a 10 mg l-1 MXene a dodatočne sme infikovali mikroriasy veľmi vysokými koncentráciami MXene (100 mg l-1 MXene), ktoré môžu byť extrémne a smrteľné pre akékoľvek biologické prostredie.
Účinky SL Nb-MXenes na mikroriasy sú znázornené na obrázku 3, vyjadrené ako percento podpory rastu (+) alebo inhibície (-) merané pre vzorky s koncentráciou 0 mg l-1. Pre porovnanie bola testovaná aj fáza Nb-MAX a ML Nb-MXenes a výsledky sú uvedené v SI (pozri obr. S3). Získané výsledky potvrdili, že SL Nb-MXenes je takmer úplne bez toxicity v rozsahu nízkych koncentrácií od 0,01 do 10 mg/l, ako je znázornené na obr. 3a,b. V prípade Nb2CTx sme v špecifikovanom rozsahu nepozorovali viac ako 5 % ekotoxicitu.
Stimulácia (+) alebo inhibícia (-) rastu mikrorias v prítomnosti SL (a) Nb2CTx a (b) Nb4C3TX MXene. Analyzovala sa 24, 48 a 72 hodín interakcie MXene s mikroriasami. Signifikantné údaje (t-test, p < 0,05) boli označené hviezdičkou (*). Signifikantné údaje (t-test, p < 0,05) boli označené hviezdičkou (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Signifikantné údaje (t-test, p < 0,05) sú označené hviezdičkou (*).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 (*). Dôležité údaje (t-test, p < 0,05) sú označené hviezdičkou (*).Červené šípky označujú zrušenie inhibičnej stimulácie.
Na druhej strane, nízke koncentrácie Nb4C3TX sa ukázali byť o niečo toxickejšie, ale nie vyššie ako 7 %. Ako sme očakávali, pozorovali sme, že MXeny mali vyššiu toxicitu a inhibíciu rastu mikroorganizmov pri 100 mg L-1. Je zaujímavé, že žiadny z materiálov nevykazoval rovnaký trend a časovú závislosť atoxických/toxických účinkov v porovnaní so vzorkami MAX alebo ML (podrobnosti pozri na SI). Zatiaľ čo pre fázu MAX (pozri obr. S3) toxicita dosiahla približne 15 – 25 % a s časom sa zvyšovala, pre SL Nb2CTx a Nb4C3TX MXene bol pozorovaný opačný trend. Inhibícia rastu mikroorganizmov sa časom znižovala. Po 24 hodinách dosiahla približne 17 % a po 72 hodinách klesla na menej ako 5 % (obr. 3a, b).
Ešte dôležitejšie je, že v prípade SL Nb4C3TX dosiahla inhibícia rastu mikrorias po 24 hodinách približne 27 %, ale po 72 hodinách klesla na približne 1 %. Preto sme pozorovaný účinok označili ako inverznú inhibíciu stimulácie a účinok bol silnejší pre SL Nb4C3TX MXene. Stimulácia rastu mikrorias bola zaznamenaná skôr pri Nb4C3TX (interakcia pri 10 mg L-1 počas 24 hodín) v porovnaní so SL Nb2CTx MXene. Účinok reverzie inhibície a stimulácie bol tiež dobre znázornený na krivke rýchlosti zdvojnásobenia biomasy (podrobnosti pozri na obr. S4). Doteraz bola rôznymi spôsobmi študovaná iba ekotoxicita Ti3C2TX MXene. Nie je toxický pre embryá zebričky44, ale je mierne ekotoxický pre rastliny mikrorias Desmodesmus quadricauda a Sorghum saccharatum45. Medzi ďalšie príklady špecifických účinkov patrí vyššia toxicita pre rakovinové bunkové línie ako pre normálne bunkové línie46,47. Dalo by sa predpokladať, že testovacie podmienky by ovplyvnili zmeny v raste mikroorganizmov pozorované v prítomnosti Nb-MXénov. Napríklad pH približne 8 v stróme chloroplastov je optimálne pre efektívnu činnosť enzýmu RuBisCO. Preto zmeny pH negatívne ovplyvňujú rýchlosť fotosyntézy48,49. Počas experimentu sme však nepozorovali významné zmeny pH (podrobnosti pozri na obr. S5). Vo všeobecnosti kultúry mikroorganizmov s Nb-MXénmi mierne znižovali pH roztoku v priebehu času. Tento pokles však bol podobný zmene pH čistého média. Okrem toho bol rozsah zistených variácií podobný rozsahu nameranému pre čistú kultúru mikroorganizmov (kontrolná vzorka). Preto sme dospeli k záveru, že fotosyntéza nie je ovplyvnená zmenami pH v priebehu času.
Okrem toho majú syntetizované MXény povrchové zakončenia (označené ako Tx). Ide prevažne o funkčné skupiny -O, -F a -OH. Povrchová chémia však priamo súvisí s metódou syntézy. Je známe, že tieto skupiny sú náhodne rozložené po povrchu, čo sťažuje predpovedanie ich vplyvu na vlastnosti MXénu50. Dá sa tvrdiť, že Tx by mohol byť katalytickou silou pre oxidáciu nióbu svetlom. Povrchové funkčné skupiny skutočne poskytujú viacero kotviacich miest pre ich podkladové fotokatalyzátory za vzniku heterojunkcií51. Zloženie rastového média však neposkytlo účinný fotokatalyzátor (podrobné zloženie média možno nájsť v tabuľke SI S6). Okrem toho je veľmi dôležitá aj akákoľvek modifikácia povrchu, pretože biologická aktivita MXénov sa môže zmeniť v dôsledku dodatočného spracovania vrstvy, oxidácie, chemickej modifikácie povrchu organických a anorganických zlúčenín52,53,54,55,56 alebo inžinierstva povrchového náboja38. Preto sme s cieľom overiť, či má oxid nióbu nejaký vplyv na nestabilitu materiálu v médiu, vykonali štúdie zeta (ζ) potenciálu v rastovom médiu pre mikroriasy a deionizovanej vode (na porovnanie). Naše výsledky ukazujú, že SL Nb-MXény sú pomerne stabilné (výsledky MAX a ML pozri na obr. S6 v SI). Zeta potenciál SL MXénov je približne -10 mV. V prípade SR Nb2CTx je hodnota ζ o niečo negatívnejšia ako hodnota Nb4C3Tx. Takáto zmena hodnoty ζ môže naznačovať, že povrch negatívne nabitých nanovločiek MXénov absorbuje kladne nabité ióny z kultivačného média. Časové merania zeta potenciálu a vodivosti Nb-MXénov v kultivačnom médiu (podrobnosti pozri na obrázkoch S7 a S8 v SI) našu hypotézu podporujú.
Obe Nb-MXene SL však vykazovali minimálne zmeny od nuly. To jasne demonštruje ich stabilitu v rastovom médiu pre mikroriasy. Okrem toho sme hodnotili, či prítomnosť našich zelených mikrorias ovplyvní stabilitu Nb-MXénov v médiu. Výsledky zeta potenciálu a vodivosti MXénov po interakcii s mikroriasami v živnom médiu a kultúre v priebehu času možno nájsť v SI (obrázky S9 a S10). Je zaujímavé, že sme si všimli, že prítomnosť mikrorias zrejme stabilizovala disperziu oboch MXénov. V prípade Nb2CTx SL sa zeta potenciál dokonca mierne znížil v priebehu času na negatívnejšie hodnoty (-15,8 oproti -19,1 mV po 72 hodinách inkubácie). Zeta potenciál SL Nb4C3TX sa mierne zvýšil, ale po 72 hodinách stále vykazoval vyššiu stabilitu ako nanovločky bez prítomnosti mikrorias (-18,1 oproti -9,1 mV).
Zistili sme tiež nižšiu vodivosť roztokov Nb-MXene inkubovaných v prítomnosti mikroorganizmov, čo naznačuje nižšie množstvo iónov v živnom médiu. Je pozoruhodné, že nestabilita MXénov vo vode je spôsobená hlavne povrchovou oxidáciou57. Preto predpokladáme, že zelené mikroorganizmy nejakým spôsobom odstránili oxidy vytvorené na povrchu Nb-MXene a dokonca zabránili ich výskytu (oxidácii MXénu). Toto možno vidieť štúdiom typov látok absorbovaných mikroorganizmami.
Hoci naše ekotoxikologické štúdie ukázali, že mikroriasy boli schopné časom prekonať toxicitu Nb-MXenov a nezvyčajnú inhibíciu stimulovaného rastu, cieľom našej štúdie bolo preskúmať možné mechanizmy účinku. Keď sú organizmy, ako sú riasy, vystavené zlúčeninám alebo materiálom, ktoré nie sú pre ich ekosystémy známe, môžu reagovať rôznymi spôsobmi58,59. V neprítomnosti toxických oxidov kovov sa mikroriasy môžu živiť samy, čo im umožňuje nepretržitý rast60. Po požití toxických látok sa môžu aktivovať obranné mechanizmy, ako je zmena tvaru alebo formy. Treba zvážiť aj možnosť absorpcie58,59. Je potrebné poznamenať, že akýkoľvek znak obranného mechanizmu je jasným indikátorom toxicity testovanej zlúčeniny. Preto sme v našej ďalšej práci skúmali potenciálnu povrchovú interakciu medzi nanovločkami SL Nb-MXene a mikroriasami pomocou SEM a možnú absorpciu MXene na báze Nb pomocou röntgenovej fluorescenčnej spektroskopie (XRF). Treba poznamenať, že analýzy SEM a XRF sa vykonávali iba pri najvyššej koncentrácii MXene, aby sa riešili problémy s toxicitou aktivity.
Výsledky SEM sú znázornené na obr. 4. Neošetrené bunky mikrorias (pozri obr. 4a, referenčná vzorka) jasne vykazovali typickú morfológiu R. subcapitata a tvar buniek podobný croissantu. Bunky sa javia sploštené a trochu dezorganizované. Niektoré bunky mikrorias sa prekrývali a prepletali, ale to bolo pravdepodobne spôsobené procesom prípravy vzorky. Vo všeobecnosti mali čisté bunky mikrorias hladký povrch a nevykazovali žiadne morfologické zmeny.
SEM snímky znázorňujúce povrchovú interakciu medzi zelenými mikroriasami a nanovrstvami MXene po 72 hodinách interakcie pri extrémnej koncentrácii (100 mg L-1). (a) Neošetrené zelené mikroriasy po interakcii s SL (b) Nb2CTx a (c) Nb4C3TX MXene. Všimnite si, že nanovločky Nb-MXene sú označené červenými šípkami. Pre porovnanie sú pridané aj fotografie z optického mikroskopu.
Naproti tomu bunky mikrorias adsorbované nanoškrupinami SL Nb-MXene boli poškodené (pozri obr. 4b, c, červené šípky). V prípade Nb2CTx MXene (obr. 4b) majú mikroriasy tendenciu rásť s pripojenými dvojrozmernými nanoškálami, čo môže zmeniť ich morfológiu. Je pozoruhodné, že tieto zmeny sme pozorovali aj pod svetelnou mikroskopiou (podrobnosti pozri na obrázku SI S11). Tento morfologický prechod má pravdepodobný základ vo fyziológii mikrorias a ich schopnosti brániť sa zmenou morfológie buniek, ako je napríklad zvyšovanie objemu buniek61. Preto je dôležité skontrolovať počet buniek mikrorias, ktoré sú skutočne v kontakte s Nb-MXenmi. Štúdie SEM ukázali, že približne 52 % buniek mikrorias bolo vystavených Nb-MXenom, zatiaľ čo 48 % týchto buniek mikrorias sa kontaktu vyhýbalo. V prípade SL Nb4C3Tx MXene sa mikroriasy snažia vyhnúť kontaktu s MXenom, čím sa lokalizujú a rastú z dvojrozmerných nanoškál (obr. 4c). Nepozorovali sme však prenikanie nanoškál do buniek mikrorias a ich poškodenie.
Sebazáchova je tiež časovo závislá reakcia na blokovanie fotosyntézy v dôsledku adsorpcie častíc na povrchu bunky a tzv. efektu tieňovania (shadingu)62. Je zrejmé, že každý objekt (napríklad nanovločky Nb-MXene), ktorý sa nachádza medzi mikroriasou a zdrojom svetla, obmedzuje množstvo svetla absorbovaného chloroplastmi. Nepochybujeme však o tom, že to má významný vplyv na získané výsledky. Ako ukázali naše mikroskopické pozorovania, 2D nanovločky neboli úplne obalené alebo priľnuté k povrchu mikrorias, a to ani vtedy, keď boli bunky mikrorias v kontakte s Nb-MXenmi. Namiesto toho sa ukázalo, že nanovločky sú orientované na bunky mikrorias bez toho, aby pokrývali ich povrch. Takáto sada nanovločiek/mikrorias nemôže významne obmedziť množstvo svetla absorbovaného bunkami mikrorias. Navyše, niektoré štúdie dokonca preukázali zlepšenie absorpcie svetla fotosyntetickými organizmami v prítomnosti dvojrozmerných nanomateriálov63,64,65,66.
Keďže snímky SEM nedokázali priamo potvrdiť príjem nióbu bunkami mikrorias, naša ďalšia štúdia sa zamerala na analýzu röntgenovou fluorescenciou (XRF) a röntgenovou fotoelektrónovou spektroskopiou (XPS), aby sme túto problematiku objasnili. Preto sme porovnali intenzitu píkov Nb referenčných vzoriek mikrorias, ktoré neinteragovali s MXénmi, nanovločkami MXénu oddelenými od povrchu buniek mikrorias a bunkami mikrorias po odstránení pripojených MXénov. Stojí za zmienku, že ak nedôjde k príjmu Nb, hodnota Nb získaná bunkami mikrorias by mala byť po odstránení pripojených nanoškál nulová. Preto, ak dôjde k príjmu Nb, výsledky XRF aj XPS by mali vykazovať jasný pík Nb.
V prípade XRF spektier vzorky mikrorias vykazovali píky Nb pre SL Nb2CTx a Nb4C3Tx MXene po interakcii so SL Nb2CTx a Nb4C3Tx MXene (pozri obr. 5a, tiež si všimnite, že výsledky pre MAX a ML MXeny sú zobrazené v SI, obr. S12–C17). Je zaujímavé, že intenzita píku Nb je v oboch prípadoch rovnaká (červené stĺpce na obr. 5a). To naznačuje, že riasy nedokázali absorbovať viac Nb a maximálna kapacita akumulácie Nb bola dosiahnutá v bunkách, hoci na bunky mikrorias bolo pripojené dvakrát viac Nb4C3Tx MXene (modré stĺpce na obr. 5a). Je pozoruhodné, že schopnosť mikrorias absorbovať kovy závisí od koncentrácie oxidov kovov v prostredí67,68. Shamshada a kol.67 zistili, že absorpčná kapacita sladkovodných rias klesá so zvyšujúcim sa pH. Raize a kol.68 poznamenali, že schopnosť morských rias absorbovať kovy bola približne o 25 % vyššia pre Pb2+ ako pre Ni2+.
(a) Výsledky XRF bazálneho príjmu Nb zelenými bunkami mikrorias inkubovanými pri extrémnej koncentrácii SL Nb-MXénov (100 mg L-1) počas 72 hodín. Výsledky ukazujú prítomnosť α v čistých bunkách mikrorias (kontrolná vzorka, sivé stĺpce), 2D nanovločkách izolovaných z povrchových buniek mikrorias (modré stĺpce) a bunkách mikrorias po oddelení 2D nanovločiek od povrchu (červené stĺpce). Množstvo elementárneho Nb, (b) percento chemického zloženia organických zložiek mikrorias (C=O a CHx/C–O) a oxidov Nb prítomných v bunkách mikrorias po inkubácii so SL Nb-MXénmi, (c–e) Aproximácia kompozičného píku XPS SL Nb2CTx spektier a (fh) SL Nb4C3Tx MXénu internalizovaného bunkami mikrorias.
Preto sme očakávali, že Nb by mohol byť absorbovaný bunkami rias vo forme oxidov. Aby sme to otestovali, vykonali sme XPS štúdie na MXénoch Nb2CTx a Nb4C3TX a bunkách rias. Výsledky interakcie mikrorias s Nb-MXénmi a MXénmi izolovanými z buniek rias sú znázornené na obr. 5b. Ako sa očakávalo, po odstránení MXénu z povrchu mikrorias sme vo vzorkách mikrorias detegovali píky Nb 3d. Kvantitatívne stanovenie oxidov C=O, CHx/CO a Nb bolo vypočítané na základe spektier Nb 3d, O 1s a C 1s získaných s Nb2CTx SL (obr. 5c–e) a Nb4C3Tx SL (obr. 5c–e). ) získaných z inkubovaných mikrorias. Obrázok 5f–h) MXény. Tabuľka S1-3 zobrazuje podrobnosti o parametroch píkov a celkovej chémii vyplývajúcej z prispôsobenia. Je pozoruhodné, že oblasti Nb 3d v Nb2CTx SL a Nb4C3Tx SL (obr. 5c, f) zodpovedajú jednej zložke Nb2O5. V spektrách sme nenašli žiadne píky súvisiace s MXene, čo naznačuje, že bunky mikrorias absorbujú iba oxidovú formu Nb. Okrem toho sme aproximovali spektrum C1s so zložkami C–C, CHx/C–O, C=O a –COOH. Píky CHx/C–O a C=O sme priradili organickému príspevku buniek mikrorias. Tieto organické zložky predstavujú 36 % a 41 % píkov C1s v Nb2CTx SL a Nb4C3TX SL. Následne sme fitovali O1s spektrá SL Nb2CTx a SL Nb4C3TX s Nb2O5, organickými zložkami mikrorias (CHx/CO) a povrchovo adsorbovanou vodou.
Výsledky XPS jasne ukázali formu Nb, nielen jeho prítomnosť. Podľa polohy signálu Nb 3d a výsledkov dekonvolúcie potvrdzujeme, že Nb sa absorbuje iba vo forme oxidov a nie iónov alebo samotného MXenu. Okrem toho výsledky XPS ukázali, že bunky mikrorias majú väčšiu schopnosť prijímať oxidy Nb z SL Nb2CTx v porovnaní so SL Nb4C3TX MXenom.
Hoci sú naše výsledky absorpcie Nb pôsobivé a umožňujú nám identifikovať degradáciu MXene, neexistuje žiadna metóda na sledovanie súvisiacich morfologických zmien v 2D nanovločkách. Preto sme sa rozhodli vyvinúť vhodnú metódu, ktorá dokáže priamo reagovať na akékoľvek zmeny vyskytujúce sa v 2D nanovločkách Nb-MXene a bunkách mikrorias. Je dôležité poznamenať, že predpokladáme, že ak interagujúce druhy prechádzajú akoukoľvek transformáciou, rozkladom alebo defragmentáciou, malo by sa to rýchlo prejaviť ako zmeny tvarových parametrov, ako je priemer ekvivalentnej kruhovej plochy, kruhovitosť, Feretova šírka alebo Feretova dĺžka. Keďže tieto parametre sú vhodné na opis predĺžených častíc alebo dvojrozmerných nanovločiek, ich sledovanie dynamickou analýzou tvaru častíc nám poskytne cenné informácie o morfologickej transformácii SL nanovločiek Nb-MXene počas redukcie.
Získané výsledky sú znázornené na obrázku 6. Pre porovnanie sme testovali aj pôvodnú fázu MAX a ML-MXény (pozri obrázky SI S18 a S19). Dynamická analýza tvaru častíc ukázala, že všetky parametre tvaru dvoch Nb-MXénových SL sa po interakcii s mikroorganizmami významne zmenili. Ako ukazuje parameter ekvivalentného priemeru kruhovej plochy (obr. 6a, b), znížená intenzita píkov podielu veľkých nanovločiek naznačuje, že majú tendenciu sa rozpadať na menšie fragmenty. Na obr. 6c, d je znázornený pokles píkov spojených s priečnou veľkosťou vločiek (predĺženie nanovločiek), čo naznačuje transformáciu 2D nanovločiek do tvaru podobného časticiam. Obrázok 6e-h znázorňuje šírku a dĺžku Feretu. Šírka a dĺžka Feretu sú komplementárne parametre, a preto by sa mali posudzovať spoločne. Po inkubácii 2D nanovločiek Nb-MXénu v prítomnosti mikroorganizmov sa ich Feretove korelačné píky posunuli a ich intenzita sa znížila. Na základe týchto výsledkov v kombinácii s morfológiou, XRF a XPS sme dospeli k záveru, že pozorované zmeny silne súvisia s oxidáciou, pretože oxidované MXény sa stávajú viac zvrásnenými a rozpadajú sa na fragmenty a sférické oxidové častice69,70.
Analýza transformácie MXene po interakcii so zelenými mikroriasami. Dynamická analýza tvaru častíc zohľadňuje parametre ako (a, b) priemer ekvivalentnej kruhovej plochy, (c, d) zaoblenosť, (e, f) šírka Feretu a (g, h) dĺžka Feretu. Na tento účel boli analyzované dve referenčné vzorky mikrorias spolu s primárnymi MXenmi SL Nb2CTx a SL Nb4C3Tx, MXenmi SL Nb2CTx a SL Nb4C3Tx, degradovanými mikroriasami a ošetrenými MXenmi mikrorias SL Nb2CTx a SL Nb4C3Tx. Červené šípky znázorňujú prechody tvarových parametrov študovaných dvojrozmerných nanovločiek.
Keďže analýza tvarových parametrov je veľmi spoľahlivá, dokáže odhaliť aj morfologické zmeny v bunkách mikrorias. Preto sme analyzovali ekvivalentný priemer kruhovej plochy, zaoblenosť a Feretovú šírku/dĺžku čistých buniek mikrorias a buniek po interakcii s 2D nanovločkami Nb. Na obr. 6a–h sú znázornené zmeny tvarových parametrov buniek rias, o čom svedčí pokles intenzity píku a posun maxím smerom k vyšším hodnotám. Najmä parametre zaoblenosti buniek ukázali pokles predĺžených buniek a nárast sférických buniek (obr. 6a, b). Okrem toho sa šírka Feretových buniek po interakcii so SL Nb2CTx MXene (obr. 6e) v porovnaní so SL Nb4C3TX MXene (obr. 6f) zvýšila o niekoľko mikrometrov. Domnievame sa, že to môže byť spôsobené silným vychytávaním oxidov Nb mikroriasami po interakcii s Nb2CTx SR. Menej pevné prichytenie vločiek Nb k ich povrchu môže viesť k rastu buniek s minimálnym tieniacim efektom.
Naše pozorovania zmien parametrov tvaru a veľkosti mikrorias dopĺňajú ďalšie štúdie. Zelené mikroriasy môžu meniť svoju morfológiu v reakcii na environmentálny stres zmenou veľkosti, tvaru alebo metabolizmu buniek61. Napríklad zmena veľkosti buniek uľahčuje vstrebávanie živín71. Menšie bunky rias vykazujú nižší príjem živín a zhoršenú rýchlosť rastu. Naopak, väčšie bunky majú tendenciu konzumovať viac živín, ktoré sa potom ukladajú intracelulárne72,73. Machado a Soares zistili, že fungicíd triclosan môže zväčšiť veľkosť buniek. Zistili tiež výrazné zmeny v tvare rias74. Okrem toho Yin a kol.9 tiež odhalili morfologické zmeny v riasach po vystavení redukovaným nanokompozitom oxidu grafénu. Preto je zrejmé, že zmenené parametre veľkosti/tvaru mikrorias sú spôsobené prítomnosťou MXenu. Keďže táto zmena veľkosti a tvaru svedčí o zmenách v príjme živín, domnievame sa, že analýza parametrov veľkosti a tvaru v priebehu času môže preukázať príjem oxidu nióbu mikroriasami v prítomnosti Nb-MXénov.
Okrem toho, MXény môžu byť oxidované v prítomnosti rias. Dalai a kol.75 pozorovali, že morfológia zelených rias vystavených nano-TiO2 a Al2O376 nebola jednotná. Hoci naše pozorovania sú podobné tejto štúdii, sú relevantné iba pre štúdium účinkov bioremediácie z hľadiska produktov degradácie MXénov v prítomnosti 2D nanovločiek a nie nanočastíc. Keďže MXény sa môžu degradovať na oxidy kovov,31,32,77,78 je rozumné predpokladať, že naše nanovločky Nb môžu tiež tvoriť oxidy Nb po interakcii s bunkami mikrorias.
Aby sme vysvetlili redukciu 2D-Nb nanovločiek prostredníctvom rozkladného mechanizmu založeného na oxidačnom procese, vykonali sme štúdie s použitím transmisnej elektrónovej mikroskopie s vysokým rozlíšením (HRTEM) (obr. 7a,b) a röntgenovej fotoelektrónovej spektroskopie (XPS) (obr. 7). 7c-i a tabuľky S4-5). Oba prístupy sú vhodné na štúdium oxidácie 2D materiálov a navzájom sa dopĺňajú. HRTEM je schopný analyzovať degradáciu dvojrozmerných vrstevnatých štruktúr a následný výskyt nanočastíc oxidov kovov, zatiaľ čo XPS je citlivý na povrchové väzby. Na tento účel sme testovali 2D Nb-MXene nanovločky extrahované z disperzií buniek mikrorias, teda ich tvar po interakcii s bunkami mikrorias (pozri obr. 7).
HRTEM snímky znázorňujúce morfológiu oxidovaných (a) SL Nb2CTx a (b) SL Nb4C3Tx MXénov, výsledky XPS analýzy znázorňujúce (c) zloženie oxidových produktov po redukcii, (d–f) zhodu píkov zložiek XPS spektier SL Nb2CTx a (g–i) Nb4C3Tx SL opravených zelenými mikroriasami.
Štúdie HRTEM potvrdili oxidáciu dvoch typov nanovločiek Nb-MXene. Hoci si nanovločky do určitej miery zachovali svoju dvojrozmernú morfológiu, oxidácia viedla k vzniku mnohých nanočastíc pokrývajúcich povrch nanovločiek MXene (pozri obr. 7a,b). XPS analýza signálov c-Nb3d a O1s ukázala, že v oboch prípadoch sa vytvorili oxidy Nb. Ako je znázornené na obrázku 7c, 2D MXene Nb2CTx a Nb4C3TX majú signály Nb3d, čo naznačuje prítomnosť oxidov NbO a Nb2O5, zatiaľ čo signály O1s naznačujú počet väzieb O-Nb spojených s funkcionalizáciou povrchu 2D nanovločiek. Všimli sme si, že príspevok oxidu Nb je dominantný v porovnaní s Nb-C a Nb3+-O.
Na obr. 7g–i sú znázornené XPS spektrá Nb 3d, C 1s a O 1s SL Nb2CTx (pozri obr. 7d–f) a SL Nb4C3TX MXene izolovaného z buniek mikrorias. Podrobnosti o parametroch píkov Nb-MXenes sú uvedené v tabuľkách S4–5. Najprv sme analyzovali zloženie Nb 3d. Na rozdiel od Nb absorbovaného bunkami mikrorias sa v MXene izolovanom z buniek mikrorias okrem Nb2O5 našli aj iné zložky. V Nb2CTx SL sme pozorovali príspevok Nb3+-O vo výške 15 %, zatiaľ čo zvyšok spektra Nb 3d bol dominantný pre Nb2O5 (85 %). Okrem toho vzorka SL Nb4C3TX obsahuje zložky Nb-C (9 %) a Nb2O5 (91 %). Nb-C tu pochádza z dvoch vnútorných atómových vrstiev karbidu kovu v Nb4C3Tx SR. Následne sme mapovali spektrá C 1s na štyri rôzne zložky, rovnako ako sme to urobili v internalizovaných vzorkách. Ako sa očakávalo, v spektre C 1s dominuje grafitický uhlík, nasledovaný príspevkami organických častíc (CHx/CO a C=O) z buniek mikrorias. Okrem toho sme v spektre O 1s pozorovali príspevok organických foriem buniek mikrorias, oxidu nióbu a adsorbovanej vody.
Okrem toho sme skúmali, či je štiepenie Nb-MXénov spojené s prítomnosťou reaktívnych foriem kyslíka (ROS) v živnom médiu a/alebo bunkách mikrorias. Za týmto účelom sme hodnotili hladiny singletového kyslíka (1O2) v kultivačnom médiu a intracelulárneho glutatiónu, tiolu, ktorý pôsobí ako antioxidant v mikroriasach. Výsledky sú uvedené v SI (obrázky S20 a S21). Kultúry s SL Nb2CTx a Nb4C3TX MXénmi boli charakterizované zníženým množstvom 1O2 (pozri obrázok S20). V prípade SL Nb2CTx je MXén 1O2 znížený na približne 83 %. V kultúrach mikrorias s použitím SL sa Nb4C3TX 1O2 znížil ešte viac, na 73 %. Je zaujímavé, že zmeny v 1O2 vykazovali rovnaký trend ako predtým pozorovaný inhibičný a stimulačný účinok (pozri obr. 3). Dá sa tvrdiť, že inkubácia v jasnom svetle môže zmeniť fotooxidáciu. Výsledky kontrolnej analýzy však ukázali takmer konštantné hladiny 1O2 počas experimentu (obr. S22). V prípade intracelulárnych hladín ROS sme tiež pozorovali rovnaký klesajúci trend (pozri obrázok S21). Spočiatku hladiny ROS v bunkách mikrorias kultivovaných v prítomnosti SL Nb2CTx a Nb4C3Tx prekročili hladiny zistené v čistých kultúrach mikrorias. Nakoniec sa však ukázalo, že mikroriasy sa adaptovali na prítomnosť oboch Nb-MXénov, pretože hladiny ROS klesli na 85 % a 91 % hladín nameraných v čistých kultúrach mikrorias inokulovaných SL Nb2CTx a Nb4C3TX. To môže naznačovať, že mikroriasy sa časom cítia pohodlnejšie v prítomnosti Nb-MXénu ako v samotnom živnom médiu.
Mikroriasy sú rozmanitou skupinou fotosyntetických organizmov. Počas fotosyntézy premieňajú atmosférický oxid uhličitý (CO2) na organický uhlík. Produktmi fotosyntézy sú glukóza a kyslík79. Domnievame sa, že takto vytvorený kyslík hrá kľúčovú úlohu pri oxidácii Nb-MXénov. Jedným z možných vysvetlení je, že rozdielny parameter aerácie sa tvorí pri nízkych a vysokých parciálnych tlakoch kyslíka mimo a vo vnútri nanovločiek Nb-MXénu. To znamená, že všade, kde sú oblasti s rôznymi parciálnymi tlakmi kyslíka, oblasť s najnižšou úrovňou bude tvoriť anódu 80, 81, 82. Tu mikroriasy prispievajú k tvorbe rozdielne prevzdušnených buniek na povrchu vločiek MXénu, ktoré vďaka svojim fotosyntetickým vlastnostiam produkujú kyslík. V dôsledku toho sa tvoria produkty biokorózie (v tomto prípade oxidy nióbu). Ďalším aspektom je, že mikroriasy môžu produkovať organické kyseliny, ktoré sa uvoľňujú do vody83,84. Preto sa vytvára agresívne prostredie, čím sa menia Nb-MXény. Okrem toho môžu mikroriasy zmeniť pH prostredia na zásadité v dôsledku absorpcie oxidu uhličitého, čo môže tiež spôsobiť koróziu79.
A čo je dôležitejšie, fotoperióda tma/svetlo použitá v našej štúdii je kľúčová pre pochopenie získaných výsledkov. Tento aspekt je podrobne opísaný v Djemai-Zoghlache a kol.85 Zámerne použili 12/12-hodinovú fotoperiódu na demonštráciu biokorózie spojenej s bioznečistením červenými mikroriasami Porphyridium purpureum. Ukazujú, že fotoperióda je spojená s vývojom potenciálu bez biokorózie, ktorý sa prejavuje ako pseudoperiodické oscilácie okolo 24:00. Tieto pozorovania potvrdili Dowling a kol.86 Preukázali fotosyntetické biofilmy siníc Anabaena. Rozpustený kyslík sa tvorí pôsobením svetla, čo je spojené so zmenou alebo fluktuáciami voľného biokorózneho potenciálu. Dôležitosť fotoperiódy zdôrazňuje skutočnosť, že voľný potenciál pre biokoróziu sa zvyšuje vo svetlej fáze a znižuje vo fáze tmy. Je to spôsobené kyslíkom produkovaným fotosyntetickými mikroriasami, ktorý ovplyvňuje katódovú reakciu prostredníctvom parciálneho tlaku generovaného v blízkosti elektród87.
Okrem toho sa vykonala infračervená spektroskopia s Fourierovou transformáciou (FTIR), aby sa zistilo, či po interakcii s Nb-MXénmi došlo k nejakým zmenám v chemickom zložení buniek mikrorias. Tieto získané výsledky sú komplexné a prezentujeme ich v SI (obrázky S23-S25, vrátane výsledkov štádia MAX a ML MXén). Stručne povedané, získané referenčné spektrá mikrorias nám poskytujú dôležité informácie o chemických vlastnostiach týchto organizmov. Tieto najpravdepodobnejšie vibrácie sa nachádzajú na frekvenciách 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1 (C–H) a 3280 cm–1 (O–H). Pre SL Nb-MXény sme zistili charakteristický znak natiahnutia CH-väzby, ktorý je v súlade s našou predchádzajúcou štúdiou38. Pozorovali sme však, že niektoré ďalšie píky spojené s väzbami C=C a CH zmizli. To naznačuje, že chemické zloženie mikroorganizmov môže prechádzať menšími zmenami v dôsledku interakcie so SL Nb-MXénmi.
Pri zvažovaní možných zmien v biochémii mikrorias je potrebné prehodnotiť akumuláciu anorganických oxidov, ako je oxid nióbu59. Podieľa sa na príjme kovov bunkovým povrchom, ich transporte do cytoplazmy, ich spojení s intracelulárnymi karboxylovými skupinami a ich akumulácii v polyfosfozómoch mikrorias20,88,89,90. Okrem toho je vzťah medzi mikroriasami a kovmi udržiavaný funkčnými skupinami buniek. Z tohto dôvodu absorpcia závisí aj od povrchovej chémie mikrorias, ktorá je pomerne zložitá9,91. Vo všeobecnosti sa, ako sa očakávalo, chemické zloženie zelených mikrorias mierne zmenilo v dôsledku absorpcie oxidu Nb.
Je zaujímavé, že pozorovaná počiatočná inhibícia mikroorganizmov bola časom reverzibilná. Ako sme pozorovali, mikroorganizmy prekonali počiatočnú zmenu prostredia a nakoniec sa vrátili k normálnym rýchlostiam rastu a dokonca sa zvýšili. Štúdie zeta potenciálu ukazujú vysokú stabilitu pri zavedení do živných médií. Povrchová interakcia medzi bunkami mikroorganizmov a nanočasticami Nb-MXene sa teda zachovala počas všetkých redukčných experimentov. V našej ďalšej analýze zhrnieme hlavné mechanizmy účinku, ktoré sú základom tohto pozoruhodného správania mikroorganizmov.
Pozorovania SEM ukázali, že mikroriasy majú tendenciu sa prichytávať na Nb-MXény. Pomocou dynamickej analýzy obrazu potvrdzujeme, že tento efekt vedie k transformácii dvojrozmerných nanovločiek Nb-MXénu na guľovejšie častice, čím demonštrujeme, že rozklad nanovločiek je spojený s ich oxidáciou. Na overenie našej hypotézy sme vykonali sériu materiálových a biochemických štúdií. Po testovaní nanovločky postupne oxidovali a rozkladali sa na produkty NbO a Nb2O5, ktoré nepredstavovali hrozbu pre zelené mikroriasy. Pomocou pozorovania FTIR sme nezistili žiadne významné zmeny v chemickom zložení mikrorias inkubovaných v prítomnosti 2D nanovločiek Nb-MXénu. Vzhľadom na možnosť absorpcie oxidu nióbu mikroriasami sme vykonali röntgenovú fluorescenčnú analýzu. Tieto výsledky jasne ukazujú, že študované mikroriasy sa živia oxidmi nióbu (NbO a Nb2O5), ktoré sú pre študované mikroriasy netoxické.