Хвала вам што сте посетили Натуре.цом.Користите верзију претраживача са ограниченом подршком за ЦСС.За најбоље искуство препоручујемо да користите ажурирани прегледач (или онемогућите режим компатибилности у Интернет Екплорер-у).У међувремену, да бисмо обезбедили сталну подршку, приказаћемо сајт без стилова и ЈаваСцрипт-а.
Приказује вртешку од три слајда одједном.Користите дугмад Претходно и Следеће да бисте се кретали кроз три слајда одједном или користите дугмад клизача на крају да бисте се кретали кроз три слајда одједном.
Брзи развој нанотехнологије и њена интеграција у свакодневне апликације могу угрозити животну средину.Док су зелене методе за разградњу органских загађивача добро успостављене, опоравак неорганских кристалних загађивача представља велику забринутост због њихове ниске осетљивости на биотрансформацију и недостатка разумевања интеракција површине материјала са биолошким.Овде користимо неоргански 2Д МКСенес модел заснован на Нб у комбинацији са једноставном методом анализе параметара облика да бисмо пратили механизам биоремедијације 2Д керамичких наноматеријала од стране зелене микроалге Рапхидоцелис субцапитата.Открили смо да микроалге разграђују МКСене засноване на Нб због физичко-хемијских интеракција повезаних са површином.У почетку су једнослојне и вишеслојне МКСене нанопахуљице биле причвршћене на површину микроалги, што је донекле смањило раст алги.Међутим, након продужене интеракције са површином, микроалге су оксидисале МКСене нанопахуљице и даље их разложиле на НбО и Нб2О5.Пошто су ови оксиди нетоксични за ћелије микроалги, они троше наночестице Нб оксида помоћу механизма апсорпције који даље обнавља микроалге након 72 сата третмана водом.Ефекти хранљивих материја повезаних са апсорпцијом се такође огледају у повећању запремине ћелија, њиховом глатком облику и промени брзине раста.На основу ових налаза, закључујемо да краткорочно и дугорочно присуство МКСена заснованих на Нб у слатководним екосистемима може изазвати само мање утицаје на животну средину.Важно је напоменути да, користећи дводимензионалне наноматеријале као моделне системе, демонстрирамо могућност праћења трансформације облика чак иу финозрнатим материјалима.Све у свему, ова студија одговара на важно фундаментално питање о процесима везаним за површинску интеракцију који покрећу механизам биоремедијације 2Д наноматеријала и пружа основу за даље краткорочне и дугорочне студије 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 апликације може довести до случајног испуштања услед неправилног одлагања, непажљивог руковања или неадекватне безбедносне инфраструктуре.Стога је разумно претпоставити да се наноматеријали, укључујући дводимензионалне (2Д) наноматеријале, могу пустити у природно окружење, чије понашање и биолошка активност још нису у потпуности схваћени.Стога, није изненађујуће да су се забринутости у вези са екотоксичношћу фокусирале на способност 2Д наноматеријала да се испирају у водене системе2,3,4,5,6.У овим екосистемима, неки 2Д наноматеријали могу да ступе у интеракцију са различитим организмима на различитим трофичким нивоима, укључујући микроалге.
Микроалге су примитивни организми који се природно налазе у слатководним и морским екосистемима који производе различите хемијске производе фотосинтезом7.Као такви, они су критични 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, обећавајуће за развој еколошки прихватљивих метода за третман воде контаминиране органским супстанцама15,16.
Ћелије алги могу уклонити неорганске јоне из воде путем биосорпције и акумулације17,18.Неке врсте алги као што су Цхлорелла, Анабаена инвар, Вестиеллопсис пролифица, Стигеоцлониум тенуе и Синецхоцоццус сп.Утврђено је да носи и чак негује токсичне металне јоне као што су Фе2+, Цу2+, Зн2+ и Мн2+19.Друге студије су показале да Цу2+, Цд2+, Ни2+, Зн2+ или Пб2+ јони ограничавају раст Сценедесмуса тако што мењају морфологију ћелија и уништавају њихове хлоропласте20,21.
Зелене методе за разлагање органских загађивача и уклањање јона тешких метала привукле су пажњу научника и инжењера широм света.Ово је углавном због чињенице да се ови загађивачи лако обрађују у течној фази.Међутим, неорганске кристалне загађиваче карактерише ниска растворљивост у води и ниска подложност разним биотрансформацијама, што изазива велике потешкоће у санацији, а у овој области је направљен мали напредак22,23,24,25,26.Дакле, потрага за еколошки прихватљивим решењима за поправку наноматеријала остаје сложена и неистражена област.Због високог степена неизвесности у погледу ефеката биотрансформације 2Д наноматеријала, не постоји лак 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 ин ситу праћењем процеса деградације МКСене као представника неорганских керамичких материјала.Термин „МКСене“ одражава стехиометрију материјала Мн+1КснТк, где је М рани прелазни метал, Кс је угљеник и/или азот, Тк је површински терминатор (нпр. -ОХ, -Ф, -Цл), а н = 1, 2, 3 или 427,28.Од открића МКСенес-а од стране Нагиба ет ал.Сензорика, терапија рака и мембранска филтрација 27,29,30.Поред тога, МКСенес се могу сматрати моделом 2Д система због њихове одличне колоидне стабилности и могућих биолошких интеракција31,32,33,34,35,36.
Стога су методологија развијена у овом чланку и наше хипотезе истраживања приказане на слици 1. Према овој хипотези, микроалге разграђују МКСене засноване на Нб у нетоксична једињења услед физичко-хемијских интеракција повезаних са површином, што омогућава даљи опоравак алги.Да би се тестирала ова хипотеза, изабрана су два члана породице раних карбида и/или нитрида прелазних метала на бази ниобијума (МКСенес), односно Нб2ЦТк и Нб4Ц3ТКС.
Методологија истраживања и хипотезе засноване на доказима за опоравак МКСене зелене микроалге Рапхидоцелис субцапитата.Имајте на уму да је ово само шематски приказ претпоставки заснованих на доказима.Окружење језера се разликује по коришћеном хранљивом медијуму и условима (нпр. дневни циклус и ограничења у доступним есенцијалним хранљивим материјама).Креирано са БиоРендер.цом.
Дакле, коришћењем МКСене као модел система, отворили смо врата проучавању различитих биолошких ефеката који се не могу посматрати са другим конвенционалним наноматеријалима.Конкретно, демонстрирамо могућност биоремедијације дводимензионалних наноматеријала, као што су МКСенес на бази ниобијума, микроалгама Рапхидоцелис субцапитата.Микроалге су у стању да разграђују Нб-МКСене у нетоксичне оксиде НбО и Нб2О5, који такође обезбеђују хранљиве материје путем механизма узимања ниобијума.Све у свему, 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 о различитим утицајима неорганских кристалних наноматеријала на животну средину.Дакле, наша студија повећава разумевање интеракције између површине материјала и биолошког материјала.Такође пружамо основу за проширена краткорочна и дугорочна истраживања њихових могућих утицаја на слатководне екосистеме, што се сада може лако проверити.
МКСени представљају интересантну класу материјала са јединственим и атрактивним физичким и хемијским својствима и стога са много потенцијалних примена.Ова својства у великој мери зависе од њихове стехиометрије и површинске хемије.Стога смо у нашој студији истраживали два типа хијерархијских једнослојних (СЛ) МКСенес-а заснованих на Нб, Нб2ЦТк и Нб4Ц3ТКС, пошто се могу уочити различити биолошки ефекти ових наноматеријала.МКСени се производе од својих почетних материјала селективним нагризањем атомски танких МАКС-фазних А-слојева одозго надоле.МАКС фаза је тернарна керамика састављена од „везаних“ блокова карбида прелазних метала и танких слојева „А“ елемената као што су Ал, Си и Сн са стехиометријом МнАКСн-1.Морфологија почетне МАКС фазе примећена је скенирајућом електронском микроскопијом (СЕМ) и била је у складу са претходним студијама (види додатне информације, СИ, слика С1).Вишеслојни (МЛ) Нб-МКСене је добијен након уклањања Ал слоја са 48% ХФ (флуороводонична киселина).Морфологија МЛ-Нб2ЦТк и МЛ-Нб4Ц3ТКС испитана је скенирајућом електронском микроскопијом (СЕМ) (слике С1ц и С1д респективно) и примећена је типична слојевита МКСене морфологија, слична дводимензионалним нанопахуљицама које пролазе кроз прорезе налик издуженим порама.Оба Нб-МКСена имају много заједничког са МКСене фазама које су претходно синтетизоване киселим јеткањем27,38.Након што смо потврдили структуру МКСене-а, нанијели смо га интеркалацијом тетрабутиламонијум хидроксида (ТБАОХ) праћено испирањем и соникацијом, након чега смо добили једнослојне или нискослојне (СЛ) 2Д Нб-МКСене нанопахуљице.
Користили смо трансмисиону електронску микроскопију високе резолуције (ХРТЕМ) и рендгенску дифракцију (КСРД) да бисмо тестирали ефикасност јеткања и даљег пилинга.Резултати ХРТЕМ обрађени коришћењем инверзне брзе Фуријеове трансформације (ИФФТ) и Брзе Фуријеове трансформације (ФФТ) приказани су на Слици 2. Нб-МКСене нанопахуљице су оријентисане ивицом нагоре да би се проверила структура атомског слоја и измерила међупланарна растојања.ХРТЕМ слике МКСене Нб2ЦТк и Нб4Ц3ТКС нанопахуљица откриле су њихову атомски танко слојевиту природу (видети слику 2а1, а2), као што су раније известили Нагуиб ет ал.27 и Јастрзебска ет ал.38.За два суседна монослоја Нб2ЦТк и Нб4Ц3Тк, одредили смо међуслојне удаљености од 0,74 и 1,54 нм, респективно (слике 2б1,б2), што се такође слаже са нашим претходним резултатима38.Ово је даље потврђено инверзном брзом Фуријеовом трансформацијом (сл. 2ц1, ц2) и брзом Фуријеовом трансформацијом (сл. 2д1, д2) која показује растојање између монослојева Нб2ЦТк и Нб4Ц3Тк.Слика приказује смењивање светлих и тамних трака које одговарају атомима ниобијума и угљеника, што потврђује слојевитост проучаваних МКСена.Важно је напоменути да спектри енергетски дисперзивне рендгенске спектроскопије (ЕДКС) добијени за Нб2ЦТк и Нб4Ц3Тк (слике С2а и С2б) нису показали остатке оригиналне МАКС фазе, пошто није детектован Ал пик.
Карактеризација СЛ Нб2ЦТк и Нб4Ц3Тк МКСене нанопахуљица, укључујући (а) електронску микроскопију високе резолуције (ХРТЕМ) бочни приказ 2Д нанопахуљица и одговарајуће, (б) режим интензитета, (ц) инверзну брзу Фуријеову трансформацију (ИФФТ), (д) ​​брзу Фуријеову трансформацију (ФбФТ), (ФбФТ) Кс-раи образац.За СЛ 2Д Нб2ЦТк, бројеви су изражени као (а1, б1, ц1, д1, е1).За СЛ 2Д Нб4Ц3Тк, бројеви су изражени као (а2, б2, ц2, д2, е1).
Мерења дифракције рендгенских зрака СЛ Нб2ЦТк и Нб4Ц3Тк МКСенес приказана су на сл.2е1 и е2, респективно.Врхови (002) на 4.31 и 4.32 одговарају претходно описаним слојевитим МКСенес Нб2ЦТк и Нб4Ц3ТКС38,39,40,41 респективно.Резултати КСРД такође указују на присуство неких резидуалних МЛ структура и МАКС фаза, али углавном КСРД образаца повезаних са СЛ Нб4Ц3Тк (слика 2е2).Присуство мањих честица МАКС фазе може објаснити јачи МАКС пик у поређењу са насумично наслаганим слојевима Нб4Ц3Тк.
Даља истраживања су се фокусирала на зелене микроалге које припадају врсти Р. субцапитата.Изабрали смо микроалге јер су оне важни произвођачи укључени у главне мреже исхране42.Они су такође један од најбољих показатеља токсичности због способности уклањања токсичних супстанци које се преносе на више нивое ланца исхране43.Поред тога, истраживање Р. субцапитата може бацити светло на случајну токсичност СЛ Нб-МКСенес-а на уобичајене слатководне микроорганизме.Да би то илустровали, истраживачи су претпоставили 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.Због тога, за наше студије површинске интеракције између микроалги и МКСена и повезаног опоравка, одлучили смо да тестирамо безопасне и токсичне концентрације Нб-МКСена.Да бисмо то урадили, тестирали смо концентрације од 0 (као референца), 0,01, 0,1 и 10 мг л-1 МКСене и додатно инфициране микроалге са веома високим концентрацијама МКСене (100 мг л-1 МКСене), које могу бити екстремне и смртоносне..за било коју биолошку средину.
Ефекти СЛ Нб-МКСенес-а на микроалге приказани су на слици 3, изражени као проценат промоције раста (+) или инхибиције (-) мерен за узорке од 0 мг л-1.За поређење, Нб-МАКС фаза и МЛ Нб-МКСени су такође тестирани и резултати су приказани у СИ (види слику С3).Добијени резултати су потврдили да је СЛ Нб-МКСенес скоро потпуно лишен токсичности у опсегу ниских концентрација од 0,01 до 10 мг/л, као што је приказано на слици 3а,б.У случају Нб2ЦТк, приметили смо не више од 5% екотоксичности у наведеном опсегу.
Стимулација (+) или инхибиција (-) раста микроалги у присуству СЛ (а) Нб2ЦТк и (б) Нб4Ц3ТКС МКСене.Анализирано је 24, 48 и 72 сата интеракције МКСене-микроалге. Значајни подаци (т-тест, п < 0,05) означени су звездицом (*). Значајни подаци (т-тест, п < 0,05) означени су звездицом (*). Значимие ​​данние (т-критериј, п < 0,05) отмечени звездочкој (*). Значајни подаци (т-тест, п < 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 (т-тест, п < 0,05) означени су звездицом (*).Црвене стрелице указују на укидање инхибиторне стимулације.
С друге стране, испоставило се да су ниске концентрације Нб4Ц3ТКС нешто токсичније, али не веће од 7%.Као што се очекивало, приметили смо да МКСени имају већу токсичност и инхибицију раста микроалги при 100 мг Л-1.Занимљиво је да ниједан од материјала није показао исти тренд и временску зависност атоксичних/токсичних ефеката у поређењу са МАКС или МЛ узорцима (погледајте СИ за детаље).Док је за МАКС фазу (видети слику С3) токсичност достигла приближно 15–25% и временом се повећавала, за СЛ Нб2ЦТк и Нб4Ц3ТКС МКСене примећен је обрнути тренд.Инхибиција раста микроалги се временом смањивала.Достигао је приближно 17% након 24 сата и пао на мање од 5% након 72 сата (сл. 3а, б, респективно).
Што је још важније, за СЛ Нб4Ц3ТКС, инхибиција раста микроалги је достигла око 27% после 24 сата, али се после 72 сата смањила на око 1%.Стога смо уочени ефекат означили као инверзну инхибицију стимулације, а ефекат је био јачи за СЛ Нб4Ц3ТКС МКСене.Стимулација раста микроалги је раније забележена са Нб4Ц3ТКС (интеракција на 10 мг Л-1 током 24 х) у поређењу са СЛ Нб2ЦТк МКСене.Ефекат преокрета инхибиције и стимулације је такође добро приказан у кривуљи брзине удвостручавања биомасе (погледајте Слику С4 за детаље).До сада је само екотоксичност Ти3Ц2ТКС МКСене проучавана на различите начине.Није токсичан за ембрионе зебрице44, али је умерено екотоксичан за микроалге Десмодесмус куадрицауда и биљке Соргхум саццхаратум45.Други примери специфичних ефеката укључују већу токсичност за ћелијске линије рака него за нормалне ћелијске линије46,47.Може се претпоставити да ће услови испитивања утицати на промене у расту микроалги уочене у присуству Нб-МКСена.На пример, пХ од око 8 у строми хлоропласта је оптималан за ефикасан рад ензима РуБисЦО.Дакле, промене пХ негативно утичу на брзину фотосинтезе48,49.Међутим, нисмо приметили значајне промене у пХ током експеримента (погледајте СИ, сл. С5 за детаље).Уопштено говорећи, културе микроалги са Нб-МКСенима су временом благо смањиле пХ раствора.Међутим, ово смањење је било слично промени пХ чистог медијума.Поред тога, опсег пронађених варијација био је сличан оном измереном за чисту културу микроалги (контролни узорак).Дакле, закључујемо да на фотосинтезу не утичу промене пХ током времена.
Поред тога, синтетисани МКСени имају површинске завршетке (означене као Тк).То су углавном функционалне групе -О, -Ф и -ОХ.Међутим, хемија површине је директно повезана са методом синтезе.Познато је да су ове групе насумично распоређене по површини, што отежава предвиђање њиховог утицаја на својства МКСене50.Може се тврдити да би Тк могао бити каталитичка сила за оксидацију ниобијума светлошћу.Површинске функционалне групе заиста пружају вишеструка места сидрења за њихове основне фотокатализаторе да формирају хетероспојнице51.Међутим, састав медијума за раст није обезбедио ефикасан фотокатализатор (детаљан састав медијума може се наћи у СИ табели С6).Поред тога, свака модификација површине је такође веома важна, пошто биолошка активност МКСена може бити промењена услед накнадне 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 везе са нестабилношћу материјала у медијуму, спровели смо студије зета (ζ) потенцијала у медијуму за раст микроалги и дејонизованој води (за поређење).Наши резултати показују да су СЛ Нб-МКСени прилично стабилни (види СИ слику С6 за МАКС и МЛ резултате).Зета потенцијал СЛ МКСенес-а је око -10 мВ.У случају СР Нб2ЦТк, вредност ζ је нешто негативнија од вредности Нб4Ц3Тк.Таква промена вредности ζ може указивати на то да површина негативно наелектрисаних МКСене нанопахуљица апсорбује позитивно наелектрисане јоне из медијума за културу.Временска мерења зета потенцијала и проводљивости Нб-МКСена у медијуму културе (видети слике С7 и С8 у СИ за више детаља) изгледа да подржавају нашу хипотезу.
Међутим, оба Нб-МКСене СЛ су показала минималне промене од нуле.Ово јасно показује њихову стабилност у медијуму за раст микроалги.Поред тога, проценили смо да ли ће присуство наших зелених микроалги утицати на стабилност Нб-МКСена у медијуму.Резултати зета потенцијала и проводљивости МКСена након интеракције са микроалгама у хранљивим медијима и култури током времена могу се наћи у СИ (Слике С9 и С10).Занимљиво је да смо приметили да присуство микроалги стабилизује дисперзију оба МКСена.У случају Нб2ЦТк СЛ, зета потенцијал се чак незнатно смањио током времена на негативније вредности (-15,8 наспрам -19,1 мВ након 72 х инкубације).Зета потенцијал СЛ Нб4Ц3ТКС је незнатно повећан, али је после 72 х и даље показао већу стабилност од нанопахуљица без присуства микроалги (-18,1 наспрам -9,1 мВ).
Такође смо открили нижу проводљивост раствора Нб-МКСене инкубираних у присуству микроалги, што указује на мању количину јона у хранљивој средини.Приметно је да је нестабилност МКСена у води углавном последица површинске оксидације57.Стога сумњамо да су зелене микроалге некако очистиле оксиде настале на површини Нб-МКСене и чак спречиле њихову појаву (оксидација МКСене).То се може видети проучавањем врста супстанци које апсорбују микроалге.
Док су наше екотоксиколошке студије показале да су микроалге биле у стању да превазиђу токсичност Нб-МКСена током времена и неуобичајену инхибицију стимулисаног раста, циљ наше студије је био да се испитају могући механизми деловања.Када су организми као што су алге изложени једињењима или материјалима који нису познати њиховим екосистемима, они могу реаговати на различите начине58,59.У одсуству токсичних металних оксида, микроалге се могу хранити, омогућавајући им да континуирано расту60.Након ингестије токсичних супстанци, могу се активирати одбрамбени механизми, као што је промена облика или облика.Такође се мора узети у обзир могућност апсорпције58,59.Посебно, сваки знак одбрамбеног механизма је јасан показатељ токсичности испитиваног једињења.Стога смо у даљем раду истраживали потенцијалну површинску интеракцију између СЛ Нб-МКСене нанопахуљица и микроалги помоћу СЕМ и могућу апсорпцију МКСене на бази Нб помоћу рендгенске флуоресцентне спектроскопије (КСРФ).Имајте на уму да су СЕМ и КСРФ анализе вршене само при највишој концентрацији МКСене да би се решили проблеми токсичности активности.
Резултати СЕМ-а су приказани на Сл.4.Нетретиране ћелије микроалги (видети Слику 4а, референтни узорак) јасно су показале типичну морфологију Р. субцапитата и облик ћелије сличан кроасану.Ћелије изгледају спљоштене и помало неорганизоване.Неке ћелије микроалги су се преклапале и заплитале једна са другом, али је то вероватно узроковано процесом припреме узорка.Уопштено говорећи, чисте ћелије микроалги су имале глатку површину и нису показивале никакве морфолошке промене.
СЕМ слике које показују површинску интеракцију између зелених микроалги и МКСене нано листова након 72 сата интеракције при екстремној концентрацији (100 мг Л-1).(а) Нетретиране зелене микроалге након интеракције са СЛ (б) Нб2ЦТк и (ц) Нб4Ц3ТКС МКСенес.Имајте на уму да су Нб-МКСене нанопахуљице означене црвеним стрелицама.Поређења ради, додају се и фотографије са оптичког микроскопа.
Насупрот томе, ћелије микроалги адсорбоване нанопахуљицама СЛ Нб-МКСене биле су оштећене (видети слику 4б, ц, црвене стрелице).У случају Нб2ЦТк МКСене (слика 4б), микроалге имају тенденцију раста са причвршћеним дводимензионалним наноскалама, које могу променити њихову морфологију.Посебно смо приметили ове промене под светлосном микроскопијом (погледајте СИ слику С11 за детаље).Ова морфолошка транзиција има веродостојну основу у физиологији микроалги и њиховој способности да се бране променом ћелијске морфологије, као што је повећање запремине ћелије61.Због тога је важно проверити број ћелија микроалги које су заправо у контакту са Нб-МКСенима.СЕМ студије су показале да је приближно 52% ћелија микроалги било изложено Нб-МКСенима, док је 48% ових ћелија микроалги избегавало контакт.За СЛ Нб4Ц3Тк МКСене, микроалге покушавају да избегну контакт са МКСене, чиме се локализују и расту из дводимензионалних наноскала (слика 4ц).Међутим, нисмо приметили продор наноскала у ћелије микроалги и њихово оштећење.
Самоочување 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, Нб-МКСене нанопахуљице) 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 запажања, 2Д нанопахуљице нису биле потпуно умотане или прилепљене на површину микроалги, чак и када су ћелије микроалги биле у контакту са Нб-МКСенима.Уместо тога, показало се да су нанопахуљице оријентисане на ћелије микроалги без покривања њихове површине.Такав скуп нанопахуљица/микроалги не може значајно да ограничи 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 СЕМ слике нису могле директно да потврде узимање ниобијума ћелијама микроалги, наша даља студија се окренула анализи рендгенске флуоресценције (КСРФ) и рендгенске фотоелектронске спектроскопије (КСПС) како би се разјаснило ово питање.Због тога смо упоредили интензитет Нб врхова референтних узорака микроалги који нису ступили у интеракцију са МКСенима, МКСене нанопахуљицама које су се одвојиле од површине ћелија микроалги и ћелијама микроалги након уклањања везаних МКСене.Вреди напоменути да ако нема уноса Нб, вредност Нб коју добијају ћелије микроалги треба да буде нула након уклањања причвршћених наноскала.Стога, ако дође до узимања Нб, и КСРФ и КСПС резултати би требало да покажу јасан пик Нб.
У случају КСРФ спектра, узорци микроалги су показали пикове Нб за СЛ Нб2ЦТк и Нб4Ц3Тк МКСене након интеракције са СЛ Нб2ЦТк и Нб4Ц3Тк МКСене (види слику 5а, такође имајте на уму да су резултати за МАКС и МЛ МКСене приказани у СИ2–Ц17 С17 ).Занимљиво је да је интензитет пика Нб исти у оба случаја (црвене траке на слици 5а).Ово указује да алге не могу да апсорбују више Нб, а максимални капацитет за акумулацију Нб је постигнут у ћелијама, иако је два пута више Нб4Ц3Тк МКСене везано за ћелије микроалги (плаве траке на слици 5а).Посебно, способност микроалги да апсорбује метале зависи од концентрације металних оксида у животној средини67,68.Схамсхада ет ал.67 су открили да се капацитет упијања слатководних алги смањује са повећањем пХ.Раизе и сар.68 су приметили да је способност морске траве да апсорбује метале била око 25% већа за Пб2+ него за Ни2+.
(а) КСРФ резултати базалног уноса Нб ћелијама зелених микроалги инкубираних при екстремној концентрацији СЛ Нб-МКСенес (100 мг Л-1) током 72 сата.Резултати показују присуство α у чистим ћелијама микроалги (контролни узорак, сиве колоне), 2Д нанопахуљицама изолованим из површинских ћелија микроалги (плаве колоне) и ћелијама микроалги након одвајања 2Д нанопахуљица од површине (црвене колоне).Количина елементарног Нб, (б) проценат хемијског састава органских компоненти микроалги (Ц=О и ЦХк/Ц–О) и Нб оксида присутних у ћелијама микроалги након инкубације са СЛ Нб-МКСенес, (ц–е) Прилагођавање композиционог пика КСПС СЛ Нб2ЦТк спектра и (фх) интерних ћелија микроалги микроалги Нб4ЦеМКС.
Због тога смо очекивали да Нб могу да апсорбују ћелије алги у облику оксида.Да бисмо ово тестирали, извршили смо КСПС студије на МКСенес Нб2ЦТк и Нб4Ц3ТКС и ћелијама алги.Резултати интеракције микроалги са Нб-МКСенима и МКСенима изолованим из ћелија алги приказани су на Сл.5б.Као што се очекивало, детектовали смо Нб 3д врхове у узорцима микроалги након уклањања МКСене са површине микроалги.Квантитативно одређивање оксида Ц=О, ЦХк/ЦО и Нб израчунато је на основу Нб 3д, О 1с и Ц 1с спектра добијених са Нб2ЦТк СЛ (сл. 5ц–е) и Нб4Ц3Тк СЛ (сл. 5ц–е).) добијено из инкубираних микроалги.Слика 5ф–х) МКСенес.Табела С1-3 приказује детаље параметара пикова и укупне хемије која је резултат уклапања.Важно је напоменути да Нб 3д региони Нб2ЦТк СЛ и Нб4Ц3Тк СЛ (слика 5ц, ф) одговарају једној компоненти Нб2О5.Овде нисмо пронашли пикове везане за МКСене у спектрима, што указује да ћелије микроалги апсорбују само оксидни облик Нб.Поред тога, ми смо апроксимирали Ц 1 с спектар са компонентама Ц–Ц, ЦХк/Ц–О, Ц=О и –ЦООХ.Доделили смо ЦХк/Ц–О и Ц=О врхове органском доприносу ћелија микроалги.Ове органске компоненте чине 36% и 41% Ц 1с пикова у Нб2ЦТк СЛ и Нб4Ц3ТКС СЛ, респективно.Затим смо уградили О 1с спектре СЛ Нб2ЦТк и СЛ Нб4Ц3ТКС са Нб2О5, органским компонентама микроалги (ЦХк/ЦО) и површински адсорбованом водом.
Коначно, КСПС резултати јасно указују на облик Нб, а не само на његово присуство.Према положају Нб 3д сигнала и резултатима деконволуције, потврђујемо да се Нб апсорбује само у облику оксида, а не јона или сам МКСене.Поред тога, КСПС резултати су показали да ћелије микроалги имају већу способност да апсорбују Нб оксиде из СЛ Нб2ЦТк у поређењу са СЛ Нб4Ц3ТКС МКСене.
Док су наши резултати уноса Нб импресивни и омогућавају нам да идентификујемо деградацију МКСене, не постоји доступна метода за праћење повезаних морфолошких промена у 2Д нанопахуљицама.Стога смо такође одлучили да развијемо одговарајући метод који може директно да одговори на све промене које се дешавају у 2Д Нб-МКСене нанопахуљицама и ћелијама микроалги.Важно је напоменути да претпостављамо да ако се врсте у интеракцији подвргну било каквој трансформацији, декомпозицији или дефрагментацији, то би требало брзо да се манифестује као промене у параметрима облика, као што су пречник еквивалентне кружне површине, заобљеност, ширина Ферета или дужина Ферета.Пошто су ови параметри погодни за описивање издужених честица или дводимензионалних нанопахуљица, њихово праћење динамичком анализом облика честица ће нам дати драгоцене информације о морфолошкој трансформацији СЛ Нб-МКСене нанопахуљица током редукције.
Добијени резултати су приказани на слици 6. За поређење, тестирали смо и оригиналну МАКС фазу и МЛ-МКСене (види СИ слике С18 и С19).Динамичка анализа облика честица показала је да су се сви параметри облика два Нб-МКСене СЛ значајно променили након интеракције са микроалгама.Као што показује параметар пречника еквивалентног кружног подручја (слика 6а, б), смањени вршни интензитет фракције великих нанопахуљица указује на то да оне имају тенденцију распадања на мање фрагменте.На сл.6ц, д показује смањење врхова повезаних са попречном величином пахуљица (издужење нанопахуљица), што указује на трансформацију 2Д нанопахуљица у облик више налик честицама.Слика 6е-х која приказује ширину и дужину Ферета, респективно.Ширина и дужина ферета су комплементарни параметри и стога их треба разматрати заједно.Након инкубације 2Д Нб-МКСене нанопахуљица у присуству микроалги, њихови Ферет корелациони врхови су се померили и њихов интензитет се смањио.На основу ових резултата у комбинацији са морфологијом, КСРФ и КСПС, закључили смо да су уочене промене снажно повезане са оксидацијом јер оксидовани МКСени постају све наборанији и распадају се на фрагменте и сферне честице оксида69,70.
Анализа трансформације МКСене 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 Ферета и (г, х) Ферет дужина.У ту сврху, анализирана су два референтна узорка микроалги заједно са примарним СЛ Нб2ЦТк и СЛ Нб4Ц3Тк МКСенес, СЛ Нб2ЦТк и СЛ Нб4Ц3Тк МКСенес, деградираним микроалгама и третираним микроалгама СЛ Нб2ЦТк и СЛ Нб4Ц3Тк МКСенес.Црвене стрелице показују прелазе параметара облика проучаваних дводимензионалних нанопахуљица.
Пошто је анализа параметара облика веома поуздана, она такође може открити морфолошке промене у ћелијама микроалги.Због тога смо анализирали еквивалентни пречник кружне површине, заобљеност и Ферет ширину/дужину ћелија и ћелија чистих микроалги након интеракције са 2Д Нб нанопахуљицама.На сл.На сликама 6а–х приказане су промене у параметрима облика ћелија алги, о чему сведочи смањење вршног интензитета и померање максимума ка вишим вредностима.Конкретно, параметри заобљености ћелија су показали смањење издужених ћелија и повећање сферичних ћелија (слика 6а, б).Поред тога, ширина Ферет ћелије се повећала за неколико микрометара након интеракције са СЛ Нб2ЦТк МКСене (слика 6е) у поређењу са СЛ Нб4Ц3ТКС МКСене (слика 6ф).Претпостављамо да би то могло бити због снажног преузимања Нб оксида од стране микроалга након интеракције са Нб2ЦТк СР.Мање круто везивање љуспица Нб за њихову површину може довести до раста ћелија са минималним ефектом сенчења.
Наша запажања промена у параметрима облика и величине микроалги допуњују друга истраживања.Зелене микроалге могу променити своју морфологију као одговор на стрес околине променом величине, облика или метаболизма ћелије61.На пример, промена величине ћелија олакшава апсорпцију хранљивих материја71.Мање ћелије алги показују ниже усвајање хранљивих материја и смањену брзину раста.Супротно томе, веће ћелије имају тенденцију да троше више хранљивих материја, који се потом таложе интрацелуларно72,73.Мацхадо и Соарес су открили да фунгицид триклосан може повећати величину ћелије.Такође су открили дубоке промене у облику алги74.Поред тога, Иин ет ал.9 такође су открили морфолошке промене у алгама након излагања редукованим нанокомпозитима графен оксида.Стога је јасно да су измењени параметри величине/облика микроалги узроковани присуством МКСене.Пошто ова промена величине и облика указује на промене у уносу хранљивих материја, верујемо да анализа параметара величине и облика током времена може показати унос ниобијум оксида од стране микроалга у присуству Нб-МКСена.
Штавише, МКСени могу бити оксидовани у присуству алги.Далаи ет ал.75 приметили су да морфологија зелених алги изложених нано-ТиО2 и Ал2О376 није уједначена.Иако су наша запажања слична овој студији, она су релевантна само за проучавање ефеката биоремедијације у смислу производа разградње МКСене у присуству 2Д нанопахуљица, а не наночестица.Пошто МКСени могу да се разграђују у металне оксиде,31,32,77,78, разумно је претпоставити да наше Нб нанопахуљице такође могу формирати Нб оксиде након интеракције са ћелијама микроалги.
Да бисмо објаснили редукцију 2Д-Нб нанопахуљица путем механизма разлагања заснованог на процесу оксидације, спровели смо студије применом трансмисионе електронске микроскопије високе резолуције (ХРТЕМ) (слика 7а,б) и рендгенске фотоелектронске спектроскопије (КСПС) (слика 7).7ц-и и табеле С4-5).Оба приступа су погодна за проучавање оксидације 2Д материјала и међусобно се допуњују.ХРТЕМ је у стању да анализира деградацију дводимензионалних слојевитих структура и накнадну појаву наночестица металних оксида, док је КСПС осетљив на површинске везе.У ту сврху тестирали смо 2Д Нб-МКСене нанопахуљице екстраховане из дисперзија ћелија микроалги, односно њихов облик након интеракције са ћелијама микроалги (види слику 7).
ХРТЕМ слике које показују морфологију оксидисаних (а) СЛ Нб2ЦТк и (б) СЛ Нб4Ц3Тк МКСенес, резултати КСПС анализе показују (ц) састав оксидних производа након редукције, (д–ф) подударање врхова компоненти КСПС спектра СЛ Нб2ЦТк и (г–и) СЛга микро поправке са зеленом поправком.
ХРТЕМ студије су потврдиле оксидацију два типа Нб-МКСене нанопахуљица.Иако су нанопахуљице у извесној мери задржале своју дводимензионалну морфологију, оксидација је резултирала појавом многих наночестица које покривају површину МКСене нанопахуљица (видети слику 7а,б).КСПС анализа ц Нб 3д и О 1с сигнала је показала да су у оба случаја настали Нб оксиди.Као што је приказано на слици 7ц, 2Д МКСене Нб2ЦТк и Нб4Ц3ТКС имају Нб 3д сигнале који указују на присуство НбО и Нб2О5 оксида, док О 1с сигнали указују на број О-Нб веза повезаних са функционализацијом површине 2Д нанопахуљица.Приметили смо да је допринос Нб оксида доминантан у поређењу са Нб-Ц и Нб3+-О.
На сл.Слике 7г–и приказују КСПС спектре Нб 3д, Ц 1с и О 1с СЛ Нб2ЦТк (видети слике 7д–ф) и СЛ Нб4Ц3ТКС МКСене изоловане из ћелија микроалги.Детаљи параметара пика Нб-МКСенес дати су у табелама С4–5, респективно.Прво смо анализирали састав Нб 3д.За разлику од Нб који апсорбују ћелије микроалги, у МКСене изолованом из ћелија микроалги, осим Нб2О5, пронађене су и друге компоненте.У Нб2ЦТк СЛ запажен је допринос Нб3+-О у износу од 15%, док је у остатку Нб 3д спектра доминирао Нб2О5 (85%).Поред тога, узорак СЛ Нб4Ц3ТКС садржи компоненте Нб-Ц (9%) и Нб2О5 (91%).Овде Нб-Ц долази из два унутрашња атомска слоја металног карбида у Нб4Ц3Тк СР.Затим мапирамо Ц 1с спектре на четири различите компоненте, као што смо урадили у интернализованим узорцима.Као што се и очекивало, Ц1с спектром доминира графитни угљеник, праћен доприносом органских честица (ЦХк/ЦО и Ц=О) из ћелија микроалги.Поред тога, у О 1с спектру, приметили смо допринос органских облика ћелија микроалги, ниобијум оксида и адсорбоване воде.
Поред тога, истражили смо да ли је цепање Нб-МКСенес повезано са присуством реактивних врста кисеоника (РОС) у хранљивом медијуму и/или ћелијама микроалги.У том циљу, проценили смо нивое синглетног кисеоника (1О2) у медијуму културе и интрацелуларног глутатиона, тиола који делује као антиоксидант у микроалгама.Резултати су приказани у СИ (слике С20 и С21).Културе са СЛ Нб2ЦТк и Нб4Ц3ТКС МКСенес карактерише смањена количина 1О2 (види слику С20).У случају СЛ Нб2ЦТк, МКСене 1О2 је смањен на око 83%.За културе микроалги које користе СЛ, Нб4Ц3ТКС 1О2 се смањио још више, на 73%.Занимљиво је да су промене у 1О2 показале исти тренд као претходно уочени инхибиторно-стимулативни ефекат (видети слику 3).Може се тврдити да инкубација на јаком светлу може да промени фотооксидацију.Међутим, резултати контролне анализе показали су скоро константне нивое 1О2 током експеримента (слика С22).У случају интрацелуларних нивоа РОС-а, такође смо приметили исти опадајући тренд (види слику С21).У почетку, нивои РОС у ћелијама микроалги култивисаним у присуству Нб2ЦТк и Нб4Ц3Тк СЛ су премашили нивое пронађене у чистим културама микроалги.На крају се, међутим, показало да су се микроалге прилагодиле присуству оба Нб-МКСена, пошто су се нивои РОС смањили на 85% и 91% нивоа измерених у чистим културама микроалги инокулисаних са СЛ Нб2ЦТк и Нб4Ц3ТКС, респективно.Ово може указивати на то да се микроалге осећају пријатније током времена у присуству Нб-МКСене него само у хранљивом медијуму.
Микроалге су разнолика група фотосинтетских организама.Током фотосинтезе, они претварају атмосферски угљен-диоксид (ЦО2) у органски угљеник.Производи фотосинтезе су глукоза и кисеоник79.Претпостављамо да тако формирани кисеоник игра кључну улогу у оксидацији Нб-МКСена.Једно могуће објашњење за ово је да се параметар диференцијалне аерације формира при ниским и високим парцијалним притисцима кисеоника изван и унутар Нб-МКСене нанопахуљица.То значи да где год постоје области различитих парцијалних притисака кисеоника, област са најнижим нивоом формираће аноду 80, 81, 82. Овде микроалге доприносе стварању диференцијално аерираних ћелија на површини МКСене пахуљица, које производе кисеоник због својих фотосинтетских својстава.Као резултат, формирају се производи биокорозије (у овом случају ниобијум оксиди).Други аспект је да микроалге могу произвести органске киселине које се ослобађају у воду83,84.Стога се формира агресивно окружење, чиме се мењају Нб-МКСене.Поред тога, микроалге могу да промене пХ средине у алкални због апсорпције угљен-диоксида, што такође може изазвати корозију79.
Што је још важније, таман/светли фотопериод коришћен у нашој студији је критичан за разумевање добијених резултата.Овај аспект је детаљно описан у Дјемаи-Зогхлацхе ет ал.85 Намерно су користили фотопериод од 12/12 сати да би демонстрирали биокорозију повезану са биообраштањем црвеним микроалгама Порпхиридиум пурпуреум.Они показују да је фотопериод повезан са еволуцијом потенцијала без биокорозије, манифестујући се као псеудпериодичне осцилације око 24:00.Ова запажања су потврдили Довлинг ет ал.86 Они су демонстрирали фотосинтетске биофилмове цијанобактерије Анабаена.Растворен кисеоник настаје под дејством светлости, што је повезано са променом или флуктуацијама потенцијала слободне 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, који утиче на катодну реакцију кроз парцијални притисак који се ствара у близини електрода87.
Поред тога, урађена је инфрацрвена спектроскопија са Фуријеовом трансформацијом (ФТИР) да би се утврдило да ли је дошло до било каквих промена у хемијском саставу ћелија микроалги након интеракције са Нб-МКСенима.Ови добијени резултати су сложени и представљамо их у СИ (слике С23-С25, укључујући резултате МАКС фазе и МЛ МКСенес).Укратко, добијени референтни спектри микроалги пружају нам важне информације о хемијским карактеристикама ових организама.Ове највероватније вибрације се налазе на фреквенцијама од 1060 цм-1 (ЦО), 1540 цм-1, 1640 цм-1 (Ц=Ц), 1730 цм-1 (Ц=О), 2850 цм-1, 2920 цм-1.један.1 1 (Ц–Х) и 3280 цм–1 (О–Х).За СЛ Нб-МКСенес, пронашли смо потпис растезања ЦХ-везе који је у складу са нашом претходном студијом38.Међутим, приметили смо да су неки додатни врхови повезани са Ц=Ц и ЦХ везама нестали.Ово указује да хемијски састав микроалги може да претрпи мање промене услед интеракције са СЛ Нб-МКСенес.
Када се разматрају могуће промене у биохемији микроалги, потребно је преиспитати акумулацију неорганских оксида, као што је ниобијум оксид59.Учествује у преузимању метала на површини ћелије, њиховом транспорту у цитоплазму, њиховој повезаности са интрацелуларним карбоксилним групама и њиховој акумулацији у полифосфосомима микроалги20,88,89,90.Поред тога, однос између микроалги и метала одржавају функционалне групе ћелија.Из тог разлога, апсорпција зависи и од хемије површине микроалги, која је прилично сложена9,91.Генерално, очекивано, хемијски састав зелених микроалги се незнатно променио услед апсорпције Нб оксида.
Занимљиво је да је уочена почетна инхибиција микроалги била реверзибилна током времена.Као што смо приметили, микроалге су превазишле почетну промену животне средине и на крају су се вратиле на нормалне стопе раста, па чак и повећале.Студије зета потенцијала показују високу стабилност када се унесу у хранљиве подлоге.Тако је површинска интеракција између ћелија микроалги и нанопахуљица Нб-МКСене одржавана током експеримената редукције.У нашој даљој анализи, сумирамо главне механизме деловања који су у основи овог изузетног понашања микроалги.
СЕМ запажања су показала да микроалге имају тенденцију да се вежу за Нб-МКСене.Користећи динамичку анализу слике, потврђујемо да овај ефекат доводи до трансформације дводимензионалних Нб-МКСене нанопахуљица у сферичне честице, чиме се показује да је распадање нанопахуљица повезано са њиховом оксидацијом.Да бисмо тестирали нашу хипотезу, спровели смо серију материјалних и биохемијских студија.Након тестирања, нанопахуљице су постепено оксидирале и разлагале се у продукте НбО и Нб2О5, који нису представљали претњу за зелене микроалге.Користећи ФТИР посматрање, нисмо пронашли значајне промене у хемијском саставу микроалги инкубираних у присуству 2Д Нб-МКСене нанопахуљица.Узимајући у обзир могућност апсорпције ниобијум оксида микроалгама, извршили смо анализу рендгенске флуоресценције.Ови резултати јасно показују да се проучаване микроалге хране ниобијум оксидима (НбО и Нб2О5), који нису токсични за проучаване микроалге.