Хвала вам што сте посетили Nature.com. Користите верзију прегледача са ограниченом CSS подршком. За најбоље искуство, препоручујемо вам да користите ажурирани прегледач (или да онемогућите режим компатибилности у Internet Explorer-у). У међувремену, како бисмо осигурали континуирану подршку, приказиваћемо сајт без стилова и JavaScript-а.
Приказује вртешку од три слајда одједном. Користите дугмад Претходно и Следеће да бисте се кретали кроз три слајда истовремено или користите клизаче на крају да бисте се кретали кроз три слајда одједном.
Брзи развој нанотехнологије и њена интеграција у свакодневне примене могу угрозити животну средину. Иако су зелене методе за разградњу органских загађивача добро успостављене, опоравак неорганских кристалних загађивача је од велике важности због њихове ниске осетљивости на биотрансформацију и недостатка разумевања интеракција површине материјала са биолошким. Овде користимо неоргански 2Д MXene модел на бази Nb у комбинацији са једноставном методом анализе параметара облика како бисмо пратили механизам биоремедијације 2Д керамичких наноматеријала помоћу зелене микроалге Raphidocelis subcapitata. Открили смо да микроалге разграђују MXene на бази Nb због физичко-хемијских интеракција повезаних са површином. У почетку су једнослојне и вишеслојне MXene нанољуспице биле причвршћене за површину микроалги, што је донекле смањило раст алги. Међутим, након дуже интеракције са површином, микроалге су оксидовале MXene нанољуспице и даље их разложиле на NbO и Nb2O5. Пошто су ови оксиди нетоксични за ћелије микроалги, они конзумирају наночестице Nb оксида механизмом апсорпције који додатно обнавља микроалге након 72 сата третмана водом. Ефекти хранљивих материја повезаних са апсорпцијом такође се огледају у повећању запремине ћелија, њиховом глатком облику и промени брзине раста. На основу ових налаза, закључујемо да краткорочно и дугорочно присуство MXena на бази Nb у слатководним екосистемима може изазвати само мање утицаје на животну средину. Важно је напоменути да, користећи дводимензионалне наноматеријале као моделне системе, показујемо могућност праћења трансформације облика чак и у финозрнастим материјалима. Генерално, ова студија одговара на важно фундаментално питање о процесима повезаним са површинском интеракцијом који покрећу механизам биоремедијације 2Д наноматеријала и пружа основу за даља краткорочна и дугорочна истраживања утицаја неорганских кристалних наноматеријала на животну средину.
Наноматеријали су изазвали велико интересовање од свог открића, а разне нанотехнологије су недавно ушле у фазу модернизације1. Нажалост, интеграција наноматеријала у свакодневне примене може довести до случајних испуштања услед неправилног одлагања, непажљивог руковања или неадекватне безбедносне инфраструктуре. Стога је разумно претпоставити да се наноматеријали, укључујући дводимензионалне (2Д) наноматеријале, могу испустити у природно окружење, чије понашање и биолошка активност још увек нису у потпуности схваћени. Стога није изненађујуће што су се забринутости због екотоксичности фокусирале на способност 2Д наноматеријала да се испирају у водене системе2,3,4,5,6. У овим екосистемима, неки 2Д наноматеријали могу да интерагују са различитим организмима на различитим трофичким нивоима, укључујући микроалге.
Микроалге су примитивни организми који се природно налазе у слатководним и морским екосистемима и производе разне хемијске производе путем фотосинтезе7. Као такве, оне су кључне за водене екосистеме8,9,10,11,12, али су такође осетљиви, јефтини и широко коришћени индикатори екотоксичности13,14. Пошто се ћелије микроалги брзо размножавају и брзо реагују на присуство различитих једињења, оне су обећавајуће за развој еколошки прихватљивих метода за пречишћавање воде контаминиране органским супстанцама15,16.
Ћелије алги могу уклонити неорганске јоне из воде путем биосорпције и акумулације17,18. Неке врсте алги као што су Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue и Synechococcus sp. Утврђено је да носе, па чак и хране токсичне металне јоне као што су Fe2+, Cu2+, Zn2+ и Mn2+19. Друге студије су показале да јони Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ или Pb2+ ограничавају раст Scenedesmus-а мењајући морфологију ћелија и уништавајући њихове хлоропласте20,21.
Зелене методе за разградњу органских загађивача и уклањање јона тешких метала привукле су пажњу научника и инжењера широм света. То је углавном због чињенице да се ови загађивачи лако обрађују у течној фази. Међутим, неоргански кристални загађивачи карактеришу се ниском растворљивошћу у води и ниском подложношћу различитим биотрансформацијама, што узрокује велике тешкоће у санацији, а у овој области је постигнут мали напредак22,23,24,25,26. Стога, потрага за еколошки прихватљивим решењима за поправку наноматеријала остаје сложена и неистражена област. Због високог степена неизвесности у вези са ефектима биотрансформације 2Д наноматеријала, не постоји једноставан начин да се открију могући путеви њихове деградације током редукције.
У овој студији, користили смо зелене микроалге као активно водено средство за биоремедијацију неорганских керамичких материјала, у комбинацији са in situ праћењем процеса разградње MXene као представника неорганских керамичких материјала. Термин „MXene“ одражава стехиометрију Mn+1XnTx материјала, где је M рани прелазни метал, X је угљеник и/или азот, Tx је површински терминатор (нпр. -OH, -F, -Cl), а n = 1, 2, 3 или 427,28. Од открића MXena од стране Нагиба и др. Сензорика, терапија рака и мембранска филтрација 27,29,30. Поред тога, MXene се могу сматрати моделним 2D системима због њихове одличне колоидне стабилности и могућих биолошких интеракција 31,32,33,34,35,36.
Стога су методологија развијена у овом чланку и наше истраживачке хипотезе приказане на слици 1. Према овој хипотези, микроалге разграђују MXene на бази Nb у нетоксична једињења услед физичко-хемијских интеракција повезаних са површином, што омогућава даљи опоравак алги. Да би се тестирала ова хипотеза, одабрана су два члана породице раних карбида и/или нитрида прелазних метала (MXene) на бази ниобијума, наиме Nb2CTx и Nb4C3TX.
Методологија истраживања и хипотезе засноване на доказима за опоравак MXene помоћу зелених микроалги Raphidocelis subcapitata. Имајте у виду да је ово само шематски приказ претпоставки заснованих на доказима. Језерско окружење се разликује по коришћеном хранљивом медијуму и условима (нпр. дневни циклус и ограничења у доступним есенцијалним хранљивим материјама). Креирано помоћу BioRender.com.
Стога, користећи MXene као моделни систем, отворили смо врата проучавању различитих биолошких ефеката који се не могу посматрати код других конвенционалних наноматеријала. Посебно, демонстрирамо могућност биоремедијације дводимензионалних наноматеријала, као што су MXene на бази ниобијума, помоћу микроалги Raphidocelis subcapitata. Микроалге су у стању да разграде Nb-MXene у нетоксичне оксиде NbO и Nb2O5, који такође обезбеђују хранљиве материје путем механизма апсорпције ниобијума. Генерално, ова студија одговара на важно фундаментално питање о процесима повезаним са површинским физичко-хемијским интеракцијама које управљају механизмима биоремедијације дводимензионалних наноматеријала. Поред тога, развијамо једноставну методу засновану на параметрима облика за праћење суптилних промена у облику 2Д наноматеријала. Ово инспирише даља краткорочна и дугорочна истраживања различитих утицаја неорганских кристалних наноматеријала на животну средину. Стога, наша студија повећава разумевање интеракције између површине материјала и биолошког материјала. Такође пружамо основу за проширене краткорочне и дугорочне студије њихових могућих утицаја на слатководне екосистеме, што се сада може лако проверити.
MXени представљају занимљиву класу материјала са јединственим и атрактивним физичким и хемијским својствима и стога многим потенцијалним применама. Ова својства у великој мери зависе од њихове стехиометрије и површинске хемије. Стога смо у нашој студији истражили два типа хијерархијских једнослојних (SL) MXена на бази Nb, Nb2CTx и Nb4C3TX, јер су се могли уочити различити биолошки ефекти ових наноматеријала. MXени се производе од својих почетних материјала селективним нагризањем одозго надоле атомски танких А-слојева MAX-фазе. MAX фаза је тернарна керамика састављена од „везаних“ блокова карбида прелазних метала и танких слојева „А“ елемената као што су Al, Si и Sn са MnAXn-1 стехиометријом. Морфологија почетне MAX фазе је посматрана скенирајућом електронском микроскопијом (SEM) и била је у складу са претходним студијама (видети Додатне информације, SI, Слика S1). Вишеслојни (ML) Nb-MXен је добијен након уклањања Al слоја са 48% HF (флуороводонична киселина). Морфологија ML-Nb2CTx и ML-Nb4C3TX је испитана скенирајућом електронском микроскопијом (SEM) (слике S1c и S1d респективно) и примећена је типична слојевита морфологија MXene-а, слична дводимензионалним нанољуспицама које пролазе кроз издужене прорезе налик порама. Оба Nb-MXene-а имају много заједничког са MXene фазама претходно синтетисаним киселинским нагризањем27,38. Након потврде структуре MXene-а, нанели смо га слојевито интеркалацијом тетрабутиламонијум хидроксида (TBAOH), након чега је уследило прање и соникација, након чега смо добили једнослојне или нискослојне (SL) 2D Nb-MXene нанољуспице.
Користили смо трансмисиону електронску микроскопију високе резолуције (HRTEM) и рендгенску дифракцију (XRD) да бисмо тестирали ефикасност нагризања и даљег љуштења. Резултати HRTEM-а обрађени коришћењем инверзне брзе Фуријеове трансформације (IFFT) и брзе Фуријеове трансформације (FFT) приказани су на слици 2. Nb-MXene нанољуспице су оријентисане ивицама нагоре да би се проверила структура атомског слоја и измерила међуравнинска растојања. HRTEM слике MXene Nb2CTx и Nb4C3TX нанољуспица откриле су њихову атомски танку слојевиту природу (видети слику 2a1, a2), као што су претходно известили Нагиб и др.27 и Јастжемска и др.38. За два суседна монослоја Nb2CTx и Nb4C3Tx, одредили смо међуслојна растојања од 0,74 и 1,54 nm, респективно (слике 2b1,b2), што се такође слаже са нашим претходним резултатима38. Ово је додатно потврђено инверзном брзом Фуријеовом трансформацијом (слика 2ц1, ц2) и брзом Фуријеовом трансформацијом (слика 2д1, д2) које приказују растојање између монослојева Nb2CTx и Nb4C3Tx. Слика приказује наизменично смењивање светлих и тамних трака које одговарају атомима ниобијума и угљеника, што потврђује слојевиту природу проучаваних MXена. Важно је напоменути да спектри енергетски дисперзивне X-зрачне спектроскопије (EDX) добијени за Nb2CTx и Nb4C3Tx (слике S2a и S2b) нису показали остатке оригиналне MAX фазе, јер није детектован Al пик.
Карактеризација SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene нанољуспица, укључујући (а) бочно снимање 2D нанољуспица добијено електронском микроскопијом високе резолуције (HRTEM) и одговарајући, (б) режим интензитета, (ц) инверзну брзу Фуријеову трансформацију (IFFT), (д) ​​брзу Фуријеову трансформацију (FFT), (е) Nb-MXenes X-зрачке дијаграме. За SL 2D Nb2CTx, бројеви су изражени као (a1, b1, c1, d1, e1). За SL 2D Nb4C3Tx, бројеви су изражени као (a2, b2, c2, d2, e1).
Мерења рендгенске дифракције SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXena приказана су на сликама 2e1 и e2, респективно. Врхови (002) на 4.31 и 4.32 одговарају претходно описаним слојевитим MXenima Nb2CTx и Nb4C3TX38,39,40,41 респективно. XRD резултати такође указују на присуство неких резидуалних ML структура и MAX фаза, али углавном XRD дијаграма повезаних са SL Nb4C3Tx (слика 2e2). Присуство мањих честица MAX фазе може објаснити јачи MAX пик у поређењу са насумично наслаганим Nb4C3Tx слојевима.
Даља истраживања су се фокусирала на зелене микроалге које припадају врсти R. subcapitata. Изабрали смо микроалге јер су важни произвођачи укључени у главне ланце исхране42. Оне су такође један од најбољих индикатора токсичности због способности уклањања токсичних супстанци које се преносе на више нивое ланца исхране43. Поред тога, истраживање R. subcapitata може расветлити случајну токсичност SL Nb-MXena на уобичајене слатководне микроорганизме. Да би ово илустровали, истраживачи су поставили хипотезу да сваки микроб има различиту осетљивост на токсична једињења присутна у окружењу. За већину организама, ниске концентрације супстанци не утичу на њихов раст, док концентрације изнад одређене границе могу да их инхибирају или чак изазову смрт. Стога смо за наша истраживања површинске интеракције између микроалги и MXena и повезаног опоравка, одлучили да тестирамо безопасне и токсичне концентрације Nb-MXena. Да бисмо то урадили, тестирали смо концентрације од 0 (као референца), 0,01, 0,1 и 10 мг л-1 MXene и додатно инфицирали микроалге веома високим концентрацијама MXene (100 мг л-1 MXene), што може бити екстремно и смртоносно за било које биолошко окружење.
Ефекти SL Nb-MXenes на микроалге приказани су на слици 3, изражени као проценат промоције раста (+) или инхибиције (-) мерено за узорке од 0 мг л-1. Ради поређења, тестирани су и Nb-MAX фаза и ML Nb-MXenes, а резултати су приказани у SI (видети сл. S3). Добијени резултати потврдили су да је SL Nb-MXenes готово потпуно лишен токсичности у опсегу ниских концентрација од 0,01 до 10 мг/л, као што је приказано на сл. 3а,б. У случају Nb2CTx, приметили смо не више од 5% екотоксичности у наведеном опсегу.
Стимулација (+) или инхибиција (-) раста микроалги у присуству SL (а) Nb2CTx и (б) Nb4C3TX MXene. Анализирана су 24, 48 и 72 сата интеракције MXene-микроалги. Значајни подаци (t-тест, p < 0,05) су означени звездицом (*). Значајни подаци (t-тест, p < 0,05) су означени звездицом (*). Значимие ​​данние (т-критериј, п < 0,05) отмечени звездочкој (*). Значајни подаци (t-тест, p < 0,05) су означени звездицом (*).重要数据 (т 检验, п < 0,05) 用星号(*) 标记.重要数据 (т 检验, п < 0,05) 用星号(*) 标记. Важние данние (т-тест, п < 0,05) отмечени звездочкој (*). Важни подаци (t-тест, p < 0,05) су означени звездицом (*).Црвене стрелице означавају укидање инхибиторне стимулације.
С друге стране, ниске концентрације Nb4C3TX показале су се нешто токсичнијим, али не вишим од 7%. Као што се и очекивало, приметили смо да MXenes имају већу токсичност и инхибицију раста микроалги при 100 мг L-1. Занимљиво је да ниједан од материјала није показао исти тренд и временску зависност атоксичних/токсичних ефеката у поређењу са MAX или ML узорцима (видети SI за детаље). Док је за MAX фазу (видети Сл. S3) токсичност достигла приближно 15–25% и повећавала се временом, обрнути тренд је примећен за SL Nb2CTx и Nb4C3TX MXene. Инхибиција раста микроалги се смањивала током времена. Достигла је приближно 17% након 24 сата и пала на мање од 5% након 72 сата (Сл. 3а, б, респективно).
Још важније, за SL Nb4C3TX, инхибиција раста микроалги достигла је око 27% након 24 сата, али је након 72 сата смањена на око 1%. Стога смо примећени ефекат означили као инверзну инхибицију стимулације, а ефекат је био јачи за SL Nb4C3TX MXene. Стимулација раста микроалги је раније примећена са Nb4C3TX (интеракција при 10 мг L-1 током 24 сата) у поређењу са SL Nb2CTx MXene. Ефекат обрнуте инхибиције-стимулације је такође добро приказан на кривој брзине удвостручавања биомасе (видети слику S4 за детаље). До сада је само екотоксичност Ti3C2TX MXene проучавана на различите начине. Није токсичан за ембрионе зебрица44, али је умерено екотоксичан за биљке микроалги Desmodesmus quadricauda и Sorghum saccharatum45. Други примери специфичних ефеката укључују већу токсичност за ћелијске линије рака него за нормалне ћелијске линије46,47. Може се претпоставити да ће услови тестирања утицати на промене у расту микроалги које се примећују у присуству Nb-MXenes. На пример, pH вредност од око 8 у строми хлоропласта је оптимална за ефикасан рад RuBisCO ензима. Стога, промене pH вредности негативно утичу на брзину фотосинтезе48,49. Међутим, нисмо приметили значајне промене pH вредности током експеримента (видети SI, слика S5 за детаље). Генерално, културе микроалги са Nb-MXenes благо су смањиле pH вредност раствора током времена. Међутим, ово смањење је било слично промени pH вредности чистог медијума. Поред тога, опсег пронађених варијација био је сличан оном измереном за чисту културу микроалги (контролни узорак). Стога закључујемо да фотосинтеза није под утицајем промена pH вредности током времена.
Поред тога, синтетизовани MXени имају површинске завршетке (означене као Tx). То су углавном функционалне групе -O, -F и -OH. Међутим, површинска хемија је директно повезана са методом синтезе. Познато је да су ове групе насумично распоређене по површини, што отежава предвиђање њиховог утицаја на својства MXена50. Може се тврдити да би Tx могао бити каталитичка сила за оксидацију ниобијума светлошћу. Површинске функционалне групе заиста пружају вишеструка места за сидрење за своје основне фотокатализаторе да би формирале хетероспојнице51. Међутим, састав медијума за раст није обезбедио ефикасан фотокатализатор (детаљан састав медијума може се наћи у SI табели S6). Поред тога, свака модификација површине је такође веома важна, јер се биолошка активност MXена може променити због пост-обраде слоја, оксидације, хемијске модификације површине органских и неорганских једињења52,53,54,55,56 или инжењеринга површинског наелектрисања38. Стога, да бисмо тестирали да ли ниобијум оксид има икакве везе са нестабилношћу материјала у медијуму, спровели смо студије зета (ζ) потенцијала у медијуму за раст микроалги и дејонизованој води (ради поређења). Наши резултати показују да су SL Nb-MXene прилично стабилни (видети SI слику S6 за MAX и ML резултате). Зета потенцијал SL MXene је око -10 mV. У случају SR Nb2CTx, вредност ζ је нешто негативнија од вредности Nb4C3Tx. Таква промена вредности ζ може указивати на то да површина негативно наелектрисаних MXene нанољуспица апсорбује позитивно наелектрисане јоне из медијума за култивацију. Временска мерења зета потенцијала и проводљивости Nb-MXene у медијуму за култивацију (видети слике S7 и S8 у SI за више детаља) изгледа да подржавају нашу хипотезу.
Међутим, оба Nb-MXene SL-а су показала минималне промене од нуле. Ово јасно показује њихову стабилност у медијуму за раст микроалги. Поред тога, проценили смо да ли би присуство наших зелених микроалги утицало на стабилност Nb-MXena у медијуму. Резултати зета потенцијала и проводљивости MXena након интеракције са микроалгама у хранљивим медијумима и култури током времена могу се наћи у SI (слике S9 и S10). Занимљиво је да смо приметили да присуство микроалги изгледа стабилизује дисперзију оба MXena. У случају Nb2CTx SL, зета потенцијал се чак и благо смањио током времена на негативније вредности (-15,8 наспрам -19,1 mV након 72 сата инкубације). Зета потенцијал Nb4C3TX SL се благо повећао, али је након 72 сата и даље показивао већу стабилност од нанопахуљица без присуства микроалги (-18,1 наспрам -9,1 mV).
Такође смо открили нижу проводљивост раствора Nb-MXene инкубираних у присуству микроалги, што указује на мању количину јона у хранљивој подлози. Приметно је да је нестабилност MXene-а у води углавном последица површинске оксидације57. Стога сумњамо да су зелене микроалге некако очистиле оксиде формиране на површини Nb-MXene-а и чак спречиле њихову појаву (оксидацију MXene-а). Ово се може видети проучавањем врста супстанци које апсорбују микроалге.
Иако су наше екотоксиколошке студије показале да су микроалге биле у стању да превазиђу токсичност Nb-MXene током времена и неуобичајену инхибицију стимулисаног раста, циљ наше студије био је да истражимо могуће механизме деловања. Када су организми попут алги изложени једињењима или материјалима непознатим њиховим екосистемима, они могу реаговати на различите начине58,59. У одсуству токсичних металних оксида, микроалге се могу саме хранити, што им омогућава континуирани раст60. Након уноса токсичних супстанци, могу се активирати одбрамбени механизми, као што је промена облика или форме. Такође се мора узети у обзир могућност апсорпције58,59. Приметно је да је сваки знак одбрамбеног механизма јасан показатељ токсичности тестираног једињења. Стога смо у нашем даљем раду истраживали потенцијалну површинску интеракцију између SL Nb-MXene нанопахуљица и микроалги помоћу SEM и могућу апсорпцију MXene на бази Nb помоћу рендгенске флуоресцентне спектроскопије (XRF). Треба напоменути да су SEM и XRF анализе вршене само при највишој концентрацији MXene како би се решила питања токсичности активности.
Резултати SEM-а су приказани на слици 4. Нетретиране ћелије микроалги (видети слику 4а, референтни узорак) јасно су показале типичну морфологију R. subcapitata и облик ћелија сличан кроасану. Ћелије делују спљоштено и донекле неорганизовано. Неке ћелије микроалги су се преклапале и испреплетале једна са другом, али је то вероватно узроковано процесом припреме узорка. Генерално, чисте ћелије микроалги су имале глатку површину и нису показивале никакве морфолошке промене.
СЕМ слике које приказују површинску интеракцију између зелених микроалги и MXene нанолистова након 72 сата интеракције при екстремној концентрацији (100 мг L-1). (а) Нетретиране зелене микроалге након интеракције са SL (б) Nb2CTx и (ц) Nb4C3TX MXene. Треба напоменути да су Nb-MXene нанољуспице означене црвеним стрелицама. Ради поређења, додате су и фотографије са оптичког микроскопа.
Насупрот томе, ћелије микроалги адсорбоване SL Nb-MXene нанопахуљицама биле су оштећене (видети слику 4б, ц, црвене стрелице). У случају Nb2CTx MXene (слика 4б), микроалге имају тенденцију да расту са причвршћеним дводимензионалним наноскалама, што може променити њихову морфологију. Приметно је да смо ове промене посматрали и под светлосном микроскопијом (видети SI слику S11 за детаље). Ова морфолошка транзиција има вероватну основу у физиологији микроалги и њиховој способности да се бране променом морфологије ћелија, као што је повећање запремине ћелија61. Стога је важно проверити број ћелија микроалги које су заправо у контакту са Nb-MXenes. SEM студије су показале да је приближно 52% ћелија микроалги било изложено Nb-MXenes, док је 48% ових ћелија микроалги избегавало контакт. Код SL Nb4C3Tx MXene, микроалге покушавају да избегну контакт са MXene, чиме се локализују и расту из дводимензионалних наноскала (слика 4ц). Међутим, нисмо приметили продор наноскалa у ћелије микроалги и њихово оштећење.
Самоодржање је такође временски зависно понашање одговора на блокаду фотосинтезе услед адсорпције честица на површини ћелије и такозваног ефекта сенчења (сенчења)62. Јасно је да сваки објекат (на пример, Nb-MXene нанољуспице) који се налази између микроалги и извора светлости ограничава количину светлости коју апсорбују хлоропласти. Међутим, не сумњамо да ово има значајан утицај на добијене резултате. Као што су показала наша микроскопска посматрања, 2Д нанољуспице нису биле потпуно обмотане или прилепљене за површину микроалги, чак ни када су ћелије микроалги биле у контакту са Nb-MXenes. Уместо тога, испоставило се да су нанољуспице оријентисане ка ћелијама микроалги без покривања њихове површине. Такав скуп нанољуспица/микроалги не може значајно ограничити количину светлости коју апсорбују ћелије микроалги. Штавише, неке студије су чак показале побољшање апсорпције светлости од стране фотосинтетских организама у присуству дводимензионалних наноматеријала63,64,65,66.
Пошто SEM снимци нису могли директно да потврде апсорпцију ниобијума од стране ћелија микроалги, наша даља студија се окренула анализи X-зрацима флуоресценције (XRF) и X-зрацима фотоелектронске спектроскопије (XPS) како бисмо разјаснили ово питање. Стога смо упоредили интензитет Nb пикова референтних узорака микроалги који нису интераговали са MXenes, MXene нанољуспицама одвојеним од површине ћелија микроалги и ћелијама микроалги након уклањања причвршћених MXenes. Вреди напоменути да ако нема апсорпције Nb, вредност Nb коју добијају ћелије микроалги треба да буде нула након уклањања причвршћених наноскалa. Стога, ако дође до апсорпције Nb, и XRF и XPS резултати треба да покажу јасан Nb пик.
У случају XRF спектара, узорци микроалги показали су Nb пикове за SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene након интеракције са SL Nb2CTx и Nb4C3Tx MXene (видети слику 5а, такође треба напоменути да су резултати за MAX и ML MXene приказани у SI, слике S12–C17). Занимљиво је да је интензитет Nb пика исти у оба случаја (црвене траке на слици 5а). Ово је указивало на то да алге нису могле да апсорбују више Nb и да је максимални капацитет за акумулацију Nb постигнут у ћелијама, иако је два пута више Nb4C3Tx MXene било везано за ћелије микроалги (плаве траке на слици 5а). Приметно је да способност микроалги да апсорбују метале зависи од концентрације металних оксида у окружењу67,68. Шамшада и др.67 су открили да се апсорпциони капацитет слатководних алги смањује са повећањем pH. Рајз и др.68 су приметили да је способност морских алги да апсорбују метале била око 25% већа за Pb2+ него за Ni2+.
(а) XRF резултати базалног апсорпције Nb од стране зелених ћелија микроалги инкубираних при екстремној концентрацији SL Nb-MXenes (100 мг L-1) током 72 сата. Резултати показују присуство α у чистим ћелијама микроалги (контролни узорак, сиве колоне), 2D нанољуспицама изолованим из површинских ћелија микроалги (плаве колоне) и ћелијама микроалги након одвајања 2D нанољуспица са површине (црвене колоне). Количина елементарног Nb, (б) проценат хемијског састава органских компоненти микроалги (C=O и CHx/C–O) и Nb оксида присутних у ћелијама микроалги након инкубације са SL Nb-MXenes, (ц–е) Уклапање композиционог врха XPS SL Nb2CTx спектра и (фх) SL Nb4C3Tx MXene интернализованог ћелијама микроалги.
Стога смо очекивали да ћелије алги могу апсорбовати Nb у облику оксида. Да бисмо ово тестирали, спровели смо XPS студије на MXenes Nb2CTx и Nb4C3TX и ћелијама алги. Резултати интеракције микроалги са Nb-MXenes и MXenes изолованим из ћелија алги приказани су на сликама 5б. Као што се и очекивало, детектовали смо Nb 3d пикове у узорцима микроалги након уклањања MXenes са површине микроалги. Квантитативно одређивање C=O, CHx/CO и Nb оксида израчунато је на основу Nb 3d, O 1s и C 1s спектара добијених са Nb2CTx SL (слика 5c–e) и Nb4C3Tx SL (слика 5c–e). ) добијених из инкубираних микроалги. Слика 5f–h) MXenes. Табела S1-3 приказује детаље параметара пикова и укупне хемије која је резултат уклапања. Важно је напоменути да Nb 3d региони Nb2CTx SL и Nb4C3Tx SL (Сл. 5ц, ф) одговарају једној Nb2O5 компоненти. Овде нисмо пронашли врхове повезане са MXene у спектрима, што указује да ћелије микроалги апсорбују само оксидни облик Nb. Поред тога, апроксимирали смо C 1 s спектар са C–C, CHx/C–O, C=O и –COOH компонентама. Врхове CHx/C–O и C=O доделили смо органском доприносу ћелија микроалги. Ове органске компоненте чине 36% и 41% C 1s врхова у Nb2CTx SL и Nb4C3TX SL, респективно. Затим смо уклопили O 1s спектре SL Nb2CTx и SL Nb4C3TX са Nb2O5, органским компонентама микроалги (CHx/CO) и површински адсорбованом водом.
Коначно, резултати XPS-а су јасно указали на облик Nb, не само на његово присуство. Према положају Nb 3d сигнала и резултатима деконволуције, потврђујемо да се Nb апсорбује само у облику оксида, а не јона или самог MXene-а. Поред тога, резултати XPS-а су показали да ћелије микроалги имају већу способност да апсорбују Nb оксиде из SL Nb2CTx у поређењу са SL Nb4C3TX MXene-ом.
Иако су наши резултати апсорпције Nb импресивни и омогућавају нам да идентификујемо деградацију MXene, не постоји метода за праћење повезаних морфолошких промена у 2D нанољуспицама. Стога смо одлучили да развијемо одговарајућу методу која може директно да реагује на било какве промене које се дешавају у 2D Nb-MXene нанољуспицама и ћелијама микроалги. Важно је напоменути да претпостављамо да ако интерагујуће врсте прођу кроз било какву трансформацију, разградњу или дефрагментацију, то би требало брзо да се манифестује као промене параметара облика, као што су пречник еквивалентне кружне површине, округлост, Феретова ширина или Феретова дужина. Пошто су ови параметри погодни за описивање издужених честица или дводимензионалних нанољуспица, њихово праћење динамичком анализом облика честица даће нам вредне информације о морфолошкој трансформацији SL Nb-MXene нанољуспица током редукције.
Добијени резултати су приказани на слици 6. Ради поређења, такође смо тестирали оригиналну MAX фазу и ML-MXene (видети SI слике S18 и S19). Динамичка анализа облика честица показала је да су се сви параметри облика два Nb-MXene SL значајно променили након интеракције са микроалгама. Као што је приказано параметром еквивалентног кружног пречника површине (слика 6а, б), смањени интензитет пикова фракције великих нанољуспица указује на то да оне теже распадању на мање фрагменте. На слици 6ц, д је приказано смањење пикова повезаних са попречном величином пахуљица (издужење нанољуспица), што указује на трансформацију 2D нанољуспица у облик сличнији честицама. Слика 6е-х приказује ширину и дужину Feret-а, респективно. Ширина и дужина Feret-а су комплементарни параметри и стога их треба посматрати заједно. Након инкубације 2D Nb-MXene нанољуспица у присуству микроалги, њихови Feret корелациони пикови су се померили, а њихов интензитет се смањио. На основу ових резултата у комбинацији са морфологијом, XRF и XPS, закључили смо да су примећене промене снажно повезане са оксидацијом, јер оксидовани MX-ени постају наборанији и разлажу се на фрагменте и сферне оксидне честице69,70.
Анализа трансформације MXene након интеракције са зеленим микроалгама. Динамичка анализа облика честица узима у обзир параметре као што су (а, б) пречник еквивалентне кружне површине, (ц, д) заобљеност, (е, ф) ширина Feret-а и (г, х) дужина Feret-а. У ту сврху, анализирана су два референтна узорка микроалги заједно са примарним SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXenes, деградираним микроалгама и третираним микроалгама SL Nb2CTx и SL Nb4C3Tx MXenes. Црвене стрелице приказују прелазе параметара облика проучаваних дводимензионалних нанољуспица.
Пошто је анализа параметара облика веома поуздана, она такође може открити морфолошке промене у ћелијама микроалги. Стога смо анализирали еквивалентни пречник кружне површине, заобљеност и Феретову ширину/дужину чистих ћелија микроалги и ћелија након интеракције са 2Д Nb нанољуспицама. На сликама 6а–х приказане су промене у параметрима облика ћелија алги, што је доказано смањењем интензитета пикова и померањем максимума ка вишим вредностима. Конкретно, параметри заобљености ћелија показали су смањење издужених ћелија и повећање сферних ћелија (слике 6а, б). Поред тога, ширина Феретових ћелија се повећала за неколико микрометара након интеракције са SL Nb2CTx MXene (слика 6е) у поређењу са SL Nb4C3TX MXene (слика 6ф). Сумњамо да би то могло бити последица јаког усвајања Nb оксида од стране микроалги након интеракције са Nb2CTx SR. Мање круто везивање Nb љуспица за њихову површину може довести до раста ћелија са минималним ефектом сенчења.
Наша запажања о променама параметара облика и величине микроалги допуњују друге студије. Зелене микроалге могу да промене своју морфологију као одговор на стрес из околине променом величине, облика или метаболизма ћелија61. На пример, промена величине ћелија олакшава апсорпцију хранљивих материја71. Мање ћелије алги показују мањи унос хранљивих материја и смањену брзину раста. Насупрот томе, веће ћелије имају тенденцију да конзумирају више хранљивих материја, које се затим таложе интрацелуларно72,73. Мачадо и Соарес су открили да фунгицид триклосан може повећати величину ћелија. Такође су пронашли значајне промене у облику алги74. Поред тога, Јин и др.9 су такође открили морфолошке промене у алгама након излагања редукованим нанокомпозитима графен оксида. Стога је јасно да су измењени параметри величине/облика микроалги узроковани присуством MXene. Пошто је ова промена величине и облика индикативна за промене у уносу хранљивих материја, верујемо да анализа параметара величине и облика током времена може показати унос ниобијум оксида од стране микроалги у присуству Nb-MXene.
Штавише, MXene се могу оксидовати у присуству алги. Далај и др.75 су приметили да морфологија зелених алги изложених нано-TiO2 и Al2O376 није била једнообразна. Иако су наша запажања слична овој студији, она су релевантна само за проучавање ефеката биоремедијације у смислу производа разградње MXene у присуству 2D нанољуспица, а не наночестица. Пошто се MXene могу разградити у металне оксиде,31,32,77,78 разумно је претпоставити да наше Nb нанољуспице такође могу формирати Nb оксиде након интеракције са ћелијама микроалги.
Да бисмо објаснили редукцију 2Д-Nb нанољуспица путем механизма разградње заснованог на процесу оксидације, спровели смо студије користећи трансмисиону електронску микроскопију високе резолуције (HRTEM) (Сл. 7а,б) и рендгенску фотоелектронску спектроскопију (XPS) (Сл. 7). 7ц-и и табеле S4-5). Оба приступа су погодна за проучавање оксидације 2Д материјала и међусобно се допуњују. HRTEM је у стању да анализира деградацију дводимензионалних слојевитих структура и накнадну појаву наночестица металних оксида, док је XPS осетљив на површинске везе. У ту сврху, тестирали смо 2Д Nb-MXene нанољуспице екстраховане из дисперзија ћелија микроалги, односно њихов облик након интеракције са ћелијама микроалги (видети Сл. 7).
HRTEM слике које приказују морфологију оксидованих (а) SL Nb2CTx и (б) SL Nb4C3Tx MXena, резултати XPS анализе који приказују (ц) састав оксидних производа након редукције, (д–ф) подударање пикова компоненти XPS спектра SL Nb2CTx и (г–и) Nb4C3Tx SL поправљених зеленим микроалгама.
HRTEM студије су потврдиле оксидацију два типа Nb-MXene нанољуспица. Иако су нанољуспице донекле задржале своју дводимензионалну морфологију, оксидација је резултирала појавом многих наночестица које прекривају површину MXene нанољуспица (видети сл. 7а,б). XPS анализа c Nb 3d и O 1s сигнала је показала да су Nb оксиди формирани у оба случаја. Као што је приказано на слици 7ц, 2D MXene Nb2CTx и Nb4C3TX имају Nb 3d сигнале који указују на присуство NbO и Nb2O5 оксида, док O 1s сигнали указују на број O–Nb веза повезаних са функционализацијом површине 2D нанољуспица. Приметили смо да је допринос Nb оксида доминантан у поређењу са Nb-C и Nb3+-O.
На сл. 7г–и приказани су XPS спектри Nb 3d, C 1s и O 1s SL Nb2CTx (видети сл. 7д–ф) и SL Nb4C3TX MXene изолованог из ћелија микроалги. Детаљи о параметрима пикова Nb-MXenes дати су у табелама S4–5, респективно. Прво смо анализирали састав Nb 3d. За разлику од Nb апсорбованог од стране ћелија микроалги, у MXene изолованом из ћелија микроалги, поред Nb2O5, пронађене су и друге компоненте. У Nb2CTx SL, уочили смо допринос Nb3+-O у количини од 15%, док је остатак Nb 3d спектра био доминиран Nb2O5 (85%). Поред тога, узорак SL Nb4C3TX садржи компоненте Nb-C (9%) и Nb2O5 (91%). Овде Nb-C долази из два унутрашња атомска слоја металног карбида у Nb4C3Tx SR. Затим мапирамо C 1s спектре на четири различите компоненте, као што смо урадили у интернализованим узорцима. Као што се и очекивало, у C 1s спектру доминира графитни угљеник, након чега следе доприноси органских честица (CHx/CO и C=O) из ћелија микроалги. Поред тога, у O 1s спектру, посматрали смо допринос органских облика ћелија микроалги, ниобијум оксида и адсорбоване воде.
Поред тога, истраживали смо да ли је разлагање Nb-MXenes повезано са присуством реактивних врста кисеоника (ROS) у хранљивој подлози и/или ћелијама микроалги. У ту сврху, проценили смо нивое синглетног кисеоника (1O2) у подлози за култивацију и интрацелуларног глутатиона, тиола који делује као антиоксидант у микроалгама. Резултати су приказани у SI (слике S20 и S21). Културе са SL Nb2CTx и Nb4C3TX MXenes карактерисале су смањена количина 1O2 (видети слику S20). У случају SL Nb2CTx, MXene 1O2 је смањен на око 83%. За културе микроалги које користе SL, Nb4C3TX 1O2 је смањен још више, на 73%. Занимљиво је да су промене у 1O2 показале исти тренд као и претходно примећени инхибиторно-стимулаторни ефекат (видети слику 3). Може се тврдити да инкубација на јаком светлу може променити фотооксидацију. Међутим, резултати контролне анализе показали су скоро константне нивое 1O2 током експеримента (Сл. С22). У случају интрацелуларних нивоа ROS, такође смо приметили исти тренд пада (видети Сл. С21). У почетку, нивои ROS у ћелијама микроалги култивисаних у присуству Nb2CTx и Nb4C3Tx SL премашили су нивое пронађене у чистим културама микроалги. Међутим, на крају се показало да су се микроалге прилагодиле присуству оба Nb-MXena, јер су се нивои ROS смањили на 85% и 91% нивоа измерених у чистим културама микроалги инокулираних са SL Nb2CTx и Nb4C3TX, респективно. Ово може указивати на то да се микроалге осећају удобније током времена у присуству Nb-MXena него само у хранљивој подлози.
Микроалге су разнолика група фотосинтетских организама. Током фотосинтезе, оне претварају атмосферски угљен-диоксид (CO2) у органски угљеник. Производи фотосинтезе су глукоза и кисеоник79. Сумњамо да тако формирани кисеоник игра кључну улогу у оксидацији Nb-MXene-а. Једно могуће објашњење за ово је да се диференцијални параметар аерације формира при ниским и високим парцијалним притисцима кисеоника изван и унутар Nb-MXene нанољуспица. То значи да где год постоје подручја са различитим парцијалним притисцима кисеоника, подручје са најнижим нивоом ће формирати аноду 80, 81, 82. Овде микроалге доприносе стварању диференцијално аерираних ћелија на површини MXene пахуљица, које производе кисеоник због својих фотосинтетских својстава. Као резултат тога, формирају се производи биокорозије (у овом случају, ниобијум оксиди). Други аспект је да микроалге могу да производе органске киселине које се ослобађају у воду83,84. Стога се формира агресивна средина, чиме се мењају Nb-MXene-и. Поред тога, микроалге могу променити pH вредност средине у алкалну због апсорпције угљен-диоксида, што такође може изазвати корозију79.
Још важније, фотопериод таме/светлости који је коришћен у нашој студији је кључан за разумевање добијених резултата. Овај аспект је детаљно описан у раду Џемаи-Зоглаше и др.85 Они су намерно користили фотопериод од 12/12 сати да би демонстрирали биокорозију повезану са биообраштањем црвеном микроалгом Porphyridium purpureum. Они показују да је фотопериод повезан са еволуцијом потенцијала без биокорозије, манифестујући се као псеудопериодичне осцилације око 24:00. Ова запажања су потврдили Даулинг и др.86 Они су демонстрирали фотосинтетске биофилмове цијанобактерија Anabaena. Растворени кисеоник се формира под дејством светлости, што је повезано са променом или флуктуацијама у слободном потенцијалу биокорозије. Значај фотопериода је наглашен чињеницом да се слободни потенцијал за биокорозију повећава у светлосној фази, а смањује у тамној фази. То је због кисеоника који производе фотосинтетске микроалге, а који утиче на катодну реакцију кроз парцијални притисак генерисан у близини електрода87.
Поред тога, извршена је Фуријеова трансформациона инфрацрвена спектроскопија (FTIR) како би се утврдило да ли је дошло до било каквих промена у хемијском саставу ћелија микроалги након интеракције са Nb-MXenes. Ови добијени резултати су сложени и представљамо их у SI (слике S23-S25, укључујући резултате MAX фазе и ML MXenes). Укратко, добијени референтни спектри микроалги пружају нам важне информације о хемијским карактеристикама ових организама. Ове највероватније вибрације налазе се на фреквенцијама од 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) и 3280 cm–1 (O–H). За SL Nb-MXenes, пронашли смо потпис истезања CH-везе који је у складу са нашом претходном студијом38. Међутим, приметили смо да су неки додатни врхови повезани са C=C и CH везама нестали. Ово указује на то да хемијски састав микроалги може претрпети мање промене услед интеракције са SL Nb-MXeнима.
Када се разматрају могуће промене у биохемији микроалги, потребно је поново размотрити акумулацију неорганских оксида, као што је ниобијум оксид59. Он је укључен у апсорпцију метала од стране ћелијске површине, њихов транспорт у цитоплазму, њихово повезивање са интрацелуларним карбоксилним групама и њихову акумулацију у полифосфосфомима микроалги20,88,89,90. Поред тога, однос између микроалги и метала одржавају функционалне групе ћелија. Из тог разлога, апсорпција такође зависи од површинске хемије микроалги, која је прилично сложена9,91. Генерално, као што се и очекивало, хемијски састав зелених микроалги се незнатно променио због апсорпције Nb оксида.
Занимљиво је да је примећена почетна инхибиција микроалги била реверзибилна током времена. Као што смо приметили, микроалге су превазишле почетну промену у окружењу и на крају се вратиле нормалној стопи раста, па чак и повећале. Студије зета потенцијала показују високу стабилност када се унесу у хранљиве подлоге. Дакле, површинска интеракција између ћелија микроалги и Nb-MXene нанопахуљица је одржана током експеримената редукције. У нашој даљој анализи, сумирамо главне механизме деловања који леже у основи овог изузетног понашања микроалги.
СЕМ посматрања су показала да микроалге имају тенденцију да се вежу за Nb-MXene. Користећи динамичку анализу слике, потврђујемо да овај ефекат доводи до трансформације дводимензионалних Nb-MXene нанопахуљица у сферније честице, чиме показујемо да је разградња нанопахуљица повезана са њиховом оксидацијом. Да бисмо тестирали нашу хипотезу, спровели смо низ материјалних и биохемијских студија. Након тестирања, нанопахуљице су постепено оксидовале и разлагале се на производе NbO и Nb2O5, што није представљало претњу за зелене микроалге. Користећи FTIR посматрање, нисмо пронашли значајне промене у хемијском саставу микроалги инкубираних у присуству 2D Nb-MXene нанопахуљица. Узимајући у обзир могућност апсорпције ниобијум оксида од стране микроалги, извршили смо рендгенску флуоресцентну анализу. Ови резултати јасно показују да се проучаване микроалге хране ниобијум оксидима (NbO и Nb2O5), који нису токсични за проучаване микроалге.