Tack för att du besöker Nature.com.Du använder en webbläsarversion med begränsat CSS-stöd.För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer).Under tiden, för att säkerställa fortsatt support, kommer vi att rendera webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Visar en karusell med tre bilder samtidigt.Använd knapparna Föregående och Nästa för att gå igenom tre bilder åt gången, eller använd skjutknapparna i slutet för att gå igenom tre bilder åt gången.
Den snabba utvecklingen av nanoteknik och dess integration i vardagliga tillämpningar kan hota miljön.Medan gröna metoder för nedbrytning av organiska föroreningar är väletablerade, är återvinningen av oorganiska kristallina föroreningar ett stort problem på grund av deras låga känslighet för biotransformation och bristande förståelse för materialytors interaktioner med biologiska.Här använder vi en Nb-baserad oorganisk 2D MXenes-modell kombinerad med en enkel formparameteranalysmetod för att spåra bioremedieringsmekanismen för 2D-keramiska nanomaterial av den gröna mikroalgen Raphidocelis subcapitata.Vi fann att mikroalger bryter ner Nb-baserade MXener på grund av ytrelaterade fysikalisk-kemiska interaktioner.Inledningsvis fästes enkellagers och flerlagers MXene nanoflakes på ytan av mikroalger, vilket något minskade tillväxten av alger.Men efter långvarig interaktion med ytan oxiderade mikroalger MXene-nanoflingor och sönderdelade dem ytterligare till NbO och Nb2O5.Eftersom dessa oxider är icke-toxiska för mikroalgceller, förbrukar de Nb-oxidnanopartiklar genom en absorptionsmekanism som återställer mikroalgerna ytterligare efter 72 timmars vattenbehandling.Effekterna av näringsämnen i samband med absorption återspeglas också i ökningen av cellvolymen, deras jämna form och förändring i tillväxthastighet.Baserat på dessa fynd drar vi slutsatsen att den kort- och långsiktiga förekomsten av Nb-baserade MXener i sötvattensekosystem endast kan orsaka mindre miljöpåverkan.Det är anmärkningsvärt att med tvådimensionella nanomaterial som modellsystem visar vi möjligheten att spåra formtransformation även i finkorniga material.Sammantaget svarar denna studie på en viktig grundläggande fråga om ytinteraktionsrelaterade processer som driver bioremedieringsmekanismen för 2D-nanomaterial och ger en grund för ytterligare kortsiktiga och långsiktiga studier av miljöpåverkan av oorganiska kristallina nanomaterial.
Nanomaterial har skapat stort intresse sedan de upptäcktes och olika nanoteknologier har nyligen gått in i en moderniseringsfas1.Tyvärr kan integreringen av nanomaterial i vardagliga applikationer leda till oavsiktliga utsläpp på grund av felaktig kassering, slarvig hantering eller otillräcklig säkerhetsinfrastruktur.Därför är det rimligt att anta att nanomaterial, inklusive tvådimensionella (2D) nanomaterial, kan släppas ut i den naturliga miljön, vars beteende och biologiska aktivitet ännu inte är helt klarlagda.Därför är det inte förvånande att ekotoxicitetsproblem har fokuserat på förmågan hos 2D-nanomaterial att läcka ut i vattensystem2,3,4,5,6.I dessa ekosystem kan vissa 2D nanomaterial interagera med olika organismer på olika trofiska nivåer, inklusive mikroalger.
Mikroalger är primitiva organismer som finns naturligt i sötvatten och marina ekosystem som producerar en mängd olika kemiska produkter genom fotosyntes7.Som sådana är de kritiska för akvatiska ekosystem8,9,10,11,12 men är också känsliga, billiga och allmänt använda indikatorer på ekotoxicitet13,14.Eftersom mikroalgceller förökar sig snabbt och snabbt reagerar på förekomsten av olika föreningar, lovar de utvecklingen av miljövänliga metoder för att behandla vatten kontaminerat med organiska ämnen15,16.
Algceller kan ta bort oorganiska joner från vatten genom biosorption och ackumulering17,18.Vissa algarter som Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue och Synechococcus sp.Det har visat sig bära och till och med ge näring till giftiga metalljoner som Fe2+, Cu2+, Zn2+ och Mn2+19.Andra studier har visat att Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ eller Pb2+ joner begränsar tillväxten av Scenedesmus genom att förändra cellmorfologin och förstöra deras kloroplaster20,21.
Gröna metoder för nedbrytning av organiska föroreningar och avlägsnande av tungmetalljoner har uppmärksammats av forskare och ingenjörer runt om i världen.Detta beror främst på att dessa föroreningar lätt bearbetas i flytande fas.Oorganiska kristallina föroreningar kännetecknas dock av låg vattenlöslighet och låg känslighet för olika biotransformationer, vilket orsakar stora svårigheter vid sanering, och små framsteg har gjorts på detta område22,23,24,25,26.Därför förblir sökandet efter miljövänliga lösningar för reparation av nanomaterial ett komplext och outforskat område.På grund av den höga graden av osäkerhet angående biotransformationseffekterna av 2D nanomaterial finns det inget enkelt sätt att ta reda på de möjliga vägarna för deras nedbrytning under reduktion.
I denna studie använde vi gröna mikroalger som ett aktivt vattenhaltigt bioremedieringsmedel för oorganiska keramiska material, kombinerat med in situ övervakning av nedbrytningsprocessen av MXene som en representant för oorganiska keramiska material.Termen "MXene" återspeglar stökiometrin för Mn+1XnTx-materialet, där M är en tidig övergångsmetall, X är kol och/eller kväve, Tx är en ytterminator (t.ex. -OH, -F, -Cl) och n = 1, 2, 3 eller 427,28.Sedan upptäckten av MXenes av Naguib et al.Sensorik, cancerterapi och membranfiltrering 27,29,30.Dessutom kan MXener betraktas som modell 2D-system på grund av deras utmärkta kolloidala stabilitet och möjliga biologiska interaktioner31,32,33,34,35,36.
Därför visas metodiken som utvecklats i denna artikel och våra forskningshypoteser i figur 1. Enligt denna hypotes bryter mikroalger ner Nb-baserade MXener till giftfria föreningar på grund av ytrelaterade fysikalisk-kemiska interaktioner, vilket möjliggör ytterligare återhämtning av algerna.För att testa denna hypotes valdes två medlemmar av familjen av tidiga niobbaserade övergångsmetallkarbider och/eller nitrider (MXenes), nämligen Nb2CTx och Nb4C3TX, ut.
Forskningsmetodik och evidensbaserade hypoteser för MXene-återvinning av gröna mikroalger Raphidocelis subcapitata.Observera att detta bara är en schematisk representation av evidensbaserade antaganden.Sjömiljön skiljer sig åt i vilket näringsmedium som används och förhållanden (t.ex. dygnscykel och begränsningar av tillgängliga essentiella näringsämnen).Skapad med BioRender.com.
Genom att använda MXene som modellsystem har vi därför öppnat dörren till studiet av olika biologiska effekter som inte kan observeras med andra konventionella nanomaterial.I synnerhet demonstrerar vi möjligheten till bioremediering av tvådimensionella nanomaterial, såsom niobbaserade MXener, av mikroalger Raphidocelis subcapitata.Mikroalger kan bryta ner Nb-MXener till de giftfria oxiderna NbO och Nb2O5, som också ger näringsämnen genom niobupptagningsmekanismen.Sammantaget svarar denna studie på en viktig grundläggande fråga om de processer som är förknippade med ytfysikalisk-kemiska interaktioner som styr mekanismerna för bioremediering av tvådimensionella nanomaterial.Dessutom utvecklar vi en enkel formparameterbaserad metod för att spåra subtila förändringar i formen av 2D nanomaterial.Detta inspirerar till ytterligare kortsiktig och långsiktig forskning om olika miljöpåverkan av oorganiska kristallina nanomaterial.Därmed ökar vår studie förståelsen för samspelet mellan materialytan och biologiskt material.Vi tillhandahåller också grunden för utökade kort- och långtidsstudier av deras möjliga effekter på sötvattensekosystem, som nu enkelt kan verifieras.
MXenes representerar en intressant klass av material med unika och attraktiva fysikaliska och kemiska egenskaper och därför många potentiella tillämpningar.Dessa egenskaper är till stor del beroende av deras stökiometri och ytkemi.Därför undersökte vi i vår studie två typer av Nb-baserade hierarkiska enkellagers (SL) MXener, Nb2CTx och Nb4C3TX, eftersom olika biologiska effekter av dessa nanomaterial kunde observeras.MXener tillverkas av sina utgångsmaterial genom selektiv etsning uppifrån och ned av atomärt tunna MAX-fas A-lager.MAX-fasen är en ternär keramik som består av "bundna" block av övergångsmetallkarbider och tunna lager av "A"-element som Al, Si och Sn med MnAXn-1-stökiometri.Morfologin för den initiala MAX-fasen observerades genom svepelektronmikroskopi (SEM) och överensstämde med tidigare studier (se kompletterande information, SI, figur S1).Flerskikts (ML) Nb-MXen erhölls efter avlägsnande av Al-skiktet med 48% HF (fluorvätesyra).Morfologin för ML-Nb2CTx och ML-Nb4C3TX undersöktes genom svepelektronmikroskopi (SEM) (figurerna S1c respektive S1d) och en typisk skiktad MXene-morfologi observerades, liknande tvådimensionella nanoflingor som passerar genom långsträckta porliknande slitsar.Båda Nb-MXenerna har mycket gemensamt med MXene-faser som tidigare syntetiserats genom syraetsning27,38.Efter att ha bekräftat strukturen av MXene, skiktade vi den genom interkalering av tetrabutylammoniumhydroxid (TBAOH) följt av tvättning och sonikering, varefter vi erhöll enkellager eller låglager (SL) 2D Nb-MXene nanoflingor.
Vi använde högupplöst transmissionselektronmikroskopi (HRTEM) och röntgendiffraktion (XRD) för att testa effektiviteten av etsning och ytterligare peeling.HRTEM-resultaten bearbetade med hjälp av invers snabb Fourier-transform (IFFT) och snabb Fourier-transform (FFT) visas i fig. 2. Nb-MXene nanoflingor orienterades uppåt för att kontrollera strukturen av atomskiktet och mäta de interplanära avstånden.HRTEM-bilder av MXene Nb2CTx och Nb4C3TX nanoflingor avslöjade deras atomärt tunna skiktade natur (se Fig. 2a1, a2), som tidigare rapporterats av Naguib et al.27 och Jastrzębska et al.38.För två intilliggande Nb2CTx- och Nb4C3Tx-monoskikt bestämde vi mellanskiktsavstånd på 0,74 respektive 1,54 nm (fig. 2b1,b2), vilket också överensstämmer med våra tidigare resultat38.Detta bekräftades ytterligare av den inversa snabba Fourier-transformen (fig. 2cl, c2) och den snabba Fourier-transformen (fig. 2d1, d2) som visar avståndet mellan Nb2CTx- och Nb4C3Tx-monoskikten.Bilden visar en växling av ljusa och mörka band som motsvarar niob- och kolatomer, vilket bekräftar den skiktade naturen hos de studerade MXenerna.Det är viktigt att notera att de energidispersiva röntgenspektroskopi (EDX) spektra erhållna för Nb2CTx och Nb4C3Tx (figurerna S2a och S2b) inte visade några rester av den ursprungliga MAX-fasen, eftersom ingen Al-topp upptäcktes.
Karakterisering av SL Nb2CTx och Nb4C3Tx MXene nanoflakes, inklusive (a) högupplöst elektronmikroskopi (HRTEM) sidovy 2D nanoflake-avbildning och motsvarande, (b) intensitetsläge, (c) invers snabb Fourier-transform (IFFT), (d) snabb Fourier-transform (FFT), (e) X-b-ray mönster.För SL 2D Nb2CTx uttrycks talen som (a1, b1, c1, d1, e1).För SL 2D Nb4C3Tx uttrycks talen som (a2, b2, c2, d2, e1).
Röntgendiffraktionsmätningar av SL Nb2CTx och Nb4C3Tx MXener visas i Fig.2e1 respektive e2.Toppar (002) vid 4,31 och 4,32 motsvarar de tidigare beskrivna skiktade MXenerna Nb2CTx respektive Nb4C3TX38,39,40,41.XRD-resultaten indikerar också närvaron av några kvarvarande ML-strukturer och MAX-faser, men mestadels XRD-mönster associerade med SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2).Närvaron av mindre partiklar av MAX-fasen kan förklara den starkare MAX-toppen jämfört med de slumpmässigt staplade Nb4C3Tx-skikten.
Ytterligare forskning har fokuserat på gröna mikroalger som tillhör arten R. subcapitata.Vi valde mikroalger eftersom de är viktiga producenter involverade i stora näringsnät42.De är också en av de bästa indikatorerna på toxicitet på grund av förmågan att ta bort giftiga ämnen som transporteras till högre nivåer i näringskedjan43.Dessutom kan forskning på R. subcapitata belysa den tillfälliga toxiciteten av SL Nb-MXener för vanliga sötvattensmikroorganismer.För att illustrera detta antog forskarna att varje mikrob har olika känslighet för giftiga föreningar som finns i miljön.För de flesta organismer påverkar inte låga koncentrationer av ämnen deras tillväxt, medan koncentrationer över en viss gräns kan hämma dem eller till och med orsaka dödsfall.Därför, för våra studier av ytinteraktionen mellan mikroalger och MXener och den associerade återhämtningen, bestämde vi oss för att testa de ofarliga och giftiga koncentrationerna av Nb-MXener.För att göra detta testade vi koncentrationer av 0 (som referens), 0,01, 0,1 och 10 mg l-1 MXene och dessutom infekterade mikroalger med mycket höga koncentrationer av MXene (100 mg l-1 MXene), vilket kan vara extremt och dödligt..för alla biologiska miljöer.
Effekterna av SL Nb-MXener på mikroalger visas i figur 3, uttryckt som procentandelen tillväxtfrämjande (+) eller hämning (-) uppmätt för 0 mg 1-1 prover.För jämförelse testades också Nb-MAX-fasen och ML Nb-MXener och resultaten visas i SI (se Fig. S3).De erhållna resultaten bekräftade att SL Nb-MXenes nästan helt saknar toxicitet i intervallet av låga koncentrationer från 0,01 till 10 mg/l, som visas i Fig. 3a,b.När det gäller Nb2CTx observerade vi inte mer än 5% ekotoxicitet inom det specificerade området.
Stimulering (+) eller hämning (-) av mikroalgertillväxt i närvaro av SL (a) Nb2CTx och (b) Nb4C3TX MXene.24, 48 och 72 timmars interaktion mellan MXene och mikroalger analyserades. Signifikanta data (t-test, p < 0,05) markerades med en asterisk (*). Signifikanta data (t-test, p < 0,05) markerades med en asterisk (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Signifikanta data (t-test, p < 0,05) är markerade med en asterisk (*).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 (*). Viktiga data (t-test, p < 0,05) är markerade med en asterisk (*).Röda pilar indikerar avskaffandet av hämmande stimulering.
Å andra sidan visade sig låga koncentrationer av Nb4C3TX vara något mer toxiska, men inte högre än 7%.Som förväntat observerade vi att MXenes hade högre toxicitet och hämning av mikroalgertillväxt vid 100 mg L-1.Intressant nog visade inget av materialen samma trend- och tidsberoende av atoxiska/toxiska effekter jämfört med MAX- eller ML-proverna (se SI för detaljer).Medan toxiciteten för MAX-fasen (se Fig. S3) nådde cirka 15–25 % och ökade med tiden, observerades den omvända trenden för SL Nb2CTx och Nb4C3TX MXene.Hämningen av mikroalgertillväxt minskade med tiden.Den nådde ungefär 17 % efter 24 timmar och sjönk till mindre än 5 % efter 72 timmar (fig. 3a respektive b).
Ännu viktigare, för SL Nb4C3TX nådde hämningen av mikroalgertillväxt cirka 27 % efter 24 timmar, men efter 72 timmar minskade den till cirka 1 %.Därför märkte vi den observerade effekten som omvänd hämning av stimulering, och effekten var starkare för SL Nb4C3TX MXene.Stimuleringen av mikroalgertillväxt noterades tidigare med Nb4C3TX (interaktion vid 10 mg L-1 under 24 timmar) jämfört med SL Nb2CTx MXene.Inhiberingsstimuleringseffekten visades också väl i kurvan för biomassafördubbling (se Fig. S4 för detaljer).Hittills har endast ekotoxiciteten hos Ti3C2TX MXene studerats på olika sätt.Det är inte giftigt för zebrafiskembryon44 men måttligt ekotoxiskt för mikroalgerna Desmodesmus quadricauda och Sorghum saccharatum plants45.Andra exempel på specifika effekter inkluderar högre toxicitet för cancercellinjer än för normala cellinjer46,47.Det kan antas att testförhållandena skulle påverka förändringarna i mikroalgertillväxt som observerades i närvaro av Nb-MXener.Till exempel är ett pH på cirka 8 i kloroplaststroma optimalt för effektiv drift av RuBisCO-enzymet.Därför påverkar pH-förändringar fotosynteshastigheten negativt48,49.Men vi observerade inte signifikanta förändringar i pH under experimentet (se SI, Fig. S5 för detaljer).I allmänhet minskade odlingar av mikroalger med Nb-MXener lösningens pH något över tiden.Denna minskning liknade emellertid en förändring av pH-värdet i ett rent medium.Dessutom var variationsintervallet som hittades liknande det som uppmätts för en renodling av mikroalger (kontrollprov).Således drar vi slutsatsen att fotosyntesen inte påverkas av förändringar i pH över tiden.
Dessutom har de syntetiserade MXenerna ytändar (betecknade som Tx).Dessa är huvudsakligen funktionella grupper -O, -F och -OH.Ytkemi är dock direkt relaterad till syntesmetoden.Dessa grupper är kända för att vara slumpmässigt fördelade över ytan, vilket gör det svårt att förutsäga deras effekt på egenskaperna hos MXene50.Det kan hävdas att Tx kan vara den katalytiska kraften för oxidation av niob med ljus.Ytfunktionella grupper tillhandahåller verkligen flera förankringsplatser för deras underliggande fotokatalysatorer för att bilda heteroövergångar51.Tillväxtmediets sammansättning gav dock inte en effektiv fotokatalysator (detaljerad mediumsammansättning finns i SI-tabell S6).Dessutom är all ytmodifiering också mycket viktig, eftersom den biologiska aktiviteten hos MXener kan förändras på grund av lagerefterbearbetning, oxidation, kemisk ytmodifiering av organiska och oorganiska föreningar52,53,54,55,56 eller ytladdningsteknik38.Därför, för att testa om nioboxid har något att göra med materialinstabilitet i mediet, genomförde vi studier av zeta (ζ) potentialen i mikroalger tillväxtmedium och avjoniserat vatten (för jämförelse).Våra resultat visar att SL Nb-MXenes är ganska stabila (se SI Fig. S6 för MAX- och ML-resultat).Zetapotentialen för SL MXenes är cirka -10 mV.När det gäller SR Nb2CTx är värdet på ζ något mer negativt än för Nb4C3Tx.En sådan förändring av ζ-värdet kan indikera att ytan på negativt laddade MXene-nanoflingor absorberar positivt laddade joner från odlingsmediet.Temporala mätningar av zeta-potentialen och konduktiviteten hos Nb-MXener i odlingsmedium (se figurerna S7 och S8 i SI för mer detaljer) verkar stödja vår hypotes.
Båda Nb-MXene SL visade dock minimala förändringar från noll.Detta visar tydligt deras stabilitet i tillväxtmediet för mikroalger.Dessutom bedömde vi om närvaron av våra gröna mikroalger skulle påverka stabiliteten av Nb-MXener i mediet.Resultaten av zeta-potentialen och konduktiviteten hos MXener efter interaktion med mikroalger i näringsmedia och kultur över tid kan hittas i SI (figurerna S9 och S10).Intressant nog märkte vi att närvaron av mikroalger verkade stabilisera spridningen av båda MXenerna.I fallet med Nb2CTx SL minskade zetapotentialen till och med något med tiden till mer negativa värden (-15,8 mot -19,1 mV efter 72 timmars inkubation).Zetapotentialen för SL Nb4C3TX ökade något, men efter 72 timmar visade den fortfarande högre stabilitet än nanoflingor utan närvaro av mikroalger (-18,1 vs. -9,1 mV).
Vi fann också lägre ledningsförmåga hos Nb-MXene-lösningar inkuberade i närvaro av mikroalger, vilket tyder på en lägre mängd joner i näringsmediet.Noterbart är instabiliteten hos MXener i vatten huvudsakligen på grund av ytoxidation57.Därför misstänker vi att gröna mikroalger på något sätt rensade oxiderna som bildades på ytan av Nb-MXene och till och med förhindrade deras uppkomst (oxidation av MXene).Detta kan ses genom att studera vilka typer av ämnen som absorberas av mikroalger.
Medan våra ekotoxikologiska studier indikerade att mikroalger kunde övervinna toxiciteten hos Nb-MXener över tid och den ovanliga hämningen av stimulerad tillväxt, var syftet med vår studie att undersöka möjliga verkningsmekanismer.När organismer som alger exponeras för föreningar eller material som inte är bekanta med deras ekosystem, kan de reagera på en mängd olika sätt58,59.I frånvaro av giftiga metalloxider kan mikroalger livnära sig själva, vilket gör att de kan växa kontinuerligt60.Efter intag av giftiga ämnen kan försvarsmekanismer aktiveras, som att ändra form eller form.Möjligheten till absorption måste också beaktas58,59.I synnerhet är varje tecken på en försvarsmekanism en tydlig indikator på testföreningens toxicitet.Därför undersökte vi i vårt fortsatta arbete den potentiella ytinteraktionen mellan SL Nb-MXene nanoflakes och mikroalger av SEM och den möjliga absorptionen av Nb-baserad MXene genom röntgenfluorescensspektroskopi (XRF).Observera att SEM- och XRF-analyser endast utfördes vid den högsta koncentrationen av MXene för att lösa problem med aktivitetstoxicitet.
SEM-resultaten visas i fig. 4.Obehandlade mikroalgceller (se fig. 4a, referensprov) visade tydligt typisk R. subcapitata-morfologi och croissantliknande cellform.Celler verkar tillplattade och något oorganiserade.Vissa mikroalgceller överlappade och intrasslade med varandra, men detta orsakades troligen av provberedningsprocessen.Generellt sett hade rena mikroalgceller en slät yta och visade inga morfologiska förändringar.
SEM-bilder som visar ytinteraktion mellan gröna mikroalger och MXene nanosheets efter 72 timmars interaktion vid extrem koncentration (100 mg L-1).(a) Obehandlade gröna mikroalger efter interaktion med SL (b) Nb2CTx och (c) Nb4C3TX MXenes.Observera att Nb-MXene nanoflakes är markerade med röda pilar.Som jämförelse läggs även fotografier från ett optiskt mikroskop till.
Däremot skadades mikroalgceller adsorberade av SL Nb-MXene nanoflingor (se fig. 4b, c, röda pilar).När det gäller Nb2CTx MXene (Fig. 4b), tenderar mikroalger att växa med bifogade tvådimensionella nanoskalor, vilket kan förändra deras morfologi.Särskilt observerade vi också dessa förändringar under ljusmikroskopi (se SI Figur S11 för detaljer).Denna morfologiska övergång har en rimlig grund i mikroalgers fysiologi och deras förmåga att försvara sig genom att ändra cellmorfologi, såsom att öka cellvolymen61.Därför är det viktigt att kontrollera antalet mikroalgceller som faktiskt är i kontakt med Nb-MXener.SEM-studier visade att cirka 52 % av mikroalgcellerna exponerades för Nb-MXener, medan 48 % av dessa mikroalgceller undvek kontakt.För SL Nb4C3Tx MXene försöker mikroalger undvika kontakt med MXene och därigenom lokalisera och växa från tvådimensionella nanoskalor (Fig. 4c).Vi observerade dock inte penetrationen av nanoskalor i mikroalgceller och deras skador.
Självbevarande är också ett tidsberoende responsbeteende på blockeringen av fotosyntesen på grund av adsorptionen av partiklar på cellytan och den så kallade shading (shading) effekten62.Det är tydligt att varje föremål (till exempel Nb-MXene nanoflakes) som finns mellan mikroalgerna och ljuskällan begränsar mängden ljus som absorberas av kloroplasterna.Vi tvivlar dock inte på att detta har en betydande inverkan på de resultat som uppnås.Som framgår av våra mikroskopiska observationer var 2D-nanoflingorna inte helt inlindade eller vidhäftade till ytan av mikroalgerna, även när mikroalgcellerna var i kontakt med Nb-MXenes.Istället visade sig nanoflingor vara orienterade mot mikroalgceller utan att täcka deras yta.En sådan uppsättning av nanoflingor/mikroalger kan inte avsevärt begränsa mängden ljus som absorberas av mikroalgceller.Dessutom har vissa studier till och med visat en förbättring i ljusabsorption av fotosyntetiska organismer i närvaro av tvådimensionella nanomaterial63,64,65,66.
Eftersom SEM-bilder inte direkt kunde bekräfta upptaget av niob av mikroalgceller, vände sig vår ytterligare studie till röntgenfluorescens (XRF) och röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) analys för att klargöra denna fråga.Därför jämförde vi intensiteten av Nb-topparna för referensmikroalgprover som inte interagerade med MXener, MXene nanoflakes lossnade från ytan av mikroalgceller och mikroalgceller efter avlägsnande av fästa MXener.Det är värt att notera att om det inte finns något Nb-upptag bör Nb-värdet som erhålls av mikroalgcellerna vara noll efter avlägsnande av de fästa nanoskalorna.Därför, om Nb-upptag inträffar, bör både XRF- och XPS-resultaten visa en tydlig Nb-topp.
I fallet med XRF-spektra visade mikroalgprover Nb-toppar för SL Nb2CTx och Nb4C3Tx MXene efter interaktion med SL Nb2CTx och Nb4C3Tx MXene (se fig. 5a, notera också att resultaten för MAX och ML MXener visas i SI, C17, S12).Intressant nog är intensiteten för Nb-toppen densamma i båda fallen (röda staplar i fig. 5a).Detta indikerade att algerna inte kunde absorbera mer Nb, och den maximala kapaciteten för Nb-ackumulering uppnåddes i cellerna, även om två gånger mer Nb4C3Tx MXene var fäst vid mikroalgcellerna (blå staplar i fig. 5a).Speciellt beror mikroalgers förmåga att absorbera metaller på koncentrationen av metalloxider i miljön67,68.Shamshada et al.67 fann att sötvattenalgers absorptionsförmåga minskar med ökande pH.Raize et al.68 noterade att tångens förmåga att absorbera metaller var cirka 25 % högre för Pb2+ än för Ni2+.
(a) XRF-resultat av basalt Nb-upptag av gröna mikroalgceller inkuberade vid en extrem koncentration av SL Nb-MXener (100 mg L-1) under 72 timmar.Resultaten visar närvaron av α i rena mikroalgceller (kontrollprov, grå kolumner), 2D nanoflingor isolerade från ytmikroalgceller (blå kolumner) och mikroalgceller efter separation av 2D nanoflingor från ytan (röda kolumner).Mängden elementärt Nb, (b) procentandel av den kemiska sammansättningen av organiska komponenter i mikroalger (C=O och CHx/C–O) och Nb-oxider som finns i mikroalgceller efter inkubation med SL Nb-MXener, (c–e) Anpassning av sammansättningstoppen för XPS SL Nb2CTx-spektra och (fgaMXC3Tx-celler) interna av Nb4C3Tx-celler.
Därför förväntade vi oss att Nb kunde absorberas av algceller i form av oxider.För att testa detta utförde vi XPS-studier på MXenes Nb2CTx och Nb4C3TX och algceller.Resultaten av interaktionen av mikroalger med Nb-MXener och MXener isolerade från algceller visas i Fig.5b.Som förväntat upptäckte vi Nb 3d-toppar i mikroalgproverna efter avlägsnande av MXene från ytan av mikroalgerna.Den kvantitativa bestämningen av C=O-, CHx/CO- och Nb-oxider beräknades baserat på Nb 3d, O 1s och C 1s-spektra erhållna med Nb2CTx SL (fig. 5c-e) och Nb4C3Tx SL (fig. 5c-e).) erhållna från inkuberade mikroalger.Figur 5f–h) MXenes.Tabell S1-3 visar detaljerna för toppparametrarna och den övergripande kemin som härrör från passningen.Det är anmärkningsvärt att Nb 3d-regionerna av Nb2CTx SL och Nb4C3Tx SL (fig. 5c, f) motsvarar en Nb2O5-komponent.Här hittade vi inga MXene-relaterade toppar i spektra, vilket indikerar att mikroalgceller bara absorberar oxidformen av Nb.Dessutom approximerade vi C 1 s-spektrumet med komponenterna C–C, CHx/C–O, C=O och –COOH.Vi tilldelade CHx/C–O- och C=O-topparna till det organiska bidraget från mikroalgceller.Dessa organiska komponenter står för 36 % och 41 % av C 1s-topparna i Nb2CTx SL respektive Nb4C3TX SL.Vi försåg sedan O 1s-spektra av SL Nb2CTx och SL Nb4C3TX med Nb2O5, organiska komponenter av mikroalger (CHx/CO) och ytadsorberat vatten.
Slutligen indikerade XPS-resultaten tydligt formen av Nb, inte bara dess närvaro.Enligt positionen för Nb 3d-signalen och resultaten av dekonvolutionen bekräftar vi att Nb endast absorberas i form av oxider och inte joner eller MXene i sig.Dessutom visade XPS-resultat att mikroalgceller har en större förmåga att ta upp Nb-oxider från SL Nb2CTx jämfört med SL Nb4C3TX MXene.
Medan våra Nb-upptagsresultat är imponerande och tillåter oss att identifiera MXene-nedbrytning, finns det ingen tillgänglig metod för att spåra associerade morfologiska förändringar i 2D-nanoflingor.Därför beslutade vi också att utveckla en lämplig metod som direkt kan reagera på eventuella förändringar som sker i 2D Nb-MXene nanoflingor och mikroalgceller.Det är viktigt att notera att vi antar att om de interagerande arterna genomgår någon transformation, sönderdelning eller defragmentering, bör detta snabbt visa sig som förändringar i formparametrar, såsom diametern på motsvarande cirkulära yta, rundhet, Feret bredd eller Feret längd.Eftersom dessa parametrar är lämpliga för att beskriva långsträckta partiklar eller tvådimensionella nanoflingor, kommer deras spårning genom dynamisk partikelformanalys att ge oss värdefull information om den morfologiska omvandlingen av SL Nb-MXene nanoflingor under reduktion.
De erhållna resultaten visas i figur 6. För jämförelse testade vi också den ursprungliga MAX-fasen och ML-MXenes (se SI-figurerna S18 och S19).Dynamisk analys av partikelformen visade att alla formparametrar för två Nb-MXene SL ändrades signifikant efter interaktion med mikroalger.Som visas av den ekvivalenta cirkulära areans diameterparameter (fig. 6a, b), indikerar den reducerade toppintensiteten hos fraktionen av stora nanoflingor att de tenderar att sönderfalla till mindre fragment.På fig.6c, d visar en minskning av topparna associerade med flingornas tvärgående storlek (förlängning av nanoflingorna), vilket indikerar omvandlingen av 2D-nanoflingor till en mer partikelliknande form.Figur 6e-h visar bredd respektive längd på Feret.Ferets bredd och längd är komplementära parametrar och bör därför övervägas tillsammans.Efter inkubation av 2D Nb-MXene nanoflingor i närvaro av mikroalger skiftade deras Feret-korrelationstoppar och deras intensitet minskade.Baserat på dessa resultat i kombination med morfologi, XRF och XPS drog vi slutsatsen att de observerade förändringarna är starkt relaterade till oxidation eftersom oxiderade MXener blir mer skrynkliga och bryts ner till fragment och sfäriska oxidpartiklar69,70.
Analys av MXene-transformation efter interaktion med gröna mikroalger.Dynamisk partikelformanalys tar hänsyn till sådana parametrar som (a, b) diametern på den ekvivalenta cirkulära arean, (c, d) rundhet, (e, f) Feretbredd och (g, h) Feretlängd.För detta ändamål analyserades två referensmikroalger tillsammans med primära SL Nb2CTx och SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx och SL Nb4C3Tx MXenes, nedbrutna mikroalger och behandlade mikroalger SL Nb2CTx och SL Nb4C3Tx MXenes.De röda pilarna visar övergångarna av formparametrarna för de studerade tvådimensionella nanoflingorna.
Eftersom formparameteranalys är mycket tillförlitlig kan den också avslöja morfologiska förändringar i mikroalgceller.Därför analyserade vi den ekvivalenta cirkulära areans diameter, rundhet och Feret bredd / längd av rena mikroalger celler och celler efter interaktion med 2D Nb nanoflakes.På fig.6a–h visar förändringar i formparametrarna för algceller, vilket framgår av en minskning av toppintensiteten och en förskjutning av maxima mot högre värden.Speciellt visade cellrundningsparametrar en minskning av förlängda celler och en ökning av sfäriska celler (fig. 6a, b).Dessutom ökade Ferets cellbredd med flera mikrometer efter interaktion med SL Nb2CTx MXene (fig. 6e) jämfört med SL Nb4C3TX MXene (fig. 6f).Vi misstänker att detta kan bero på det starka upptaget av Nb-oxider av mikroalger vid interaktion med Nb2CTx SR.Mindre stel vidfästning av Nb-flingor på deras yta kan resultera i celltillväxt med minimal skuggeffekt.
Våra observationer av förändringar i parametrarna för formen och storleken på mikroalger kompletterar andra studier.Gröna mikroalger kan ändra sin morfologi som svar på miljöstress genom att ändra cellstorlek, form eller metabolism61.Att ändra storleken på celler underlättar till exempel upptaget av näringsämnen71.Mindre algceller visar lägre näringsupptag och försämrad tillväxthastighet.Omvänt tenderar större celler att konsumera mer näringsämnen, som sedan deponeras intracellulärt72,73.Machado och Soares fann att svampmedlet triclosan kan öka cellstorleken.De hittade också djupgående förändringar i algernas form74.Dessutom avslöjade Yin et al.9 också morfologiska förändringar i alger efter exponering för reducerade grafenoxidnanokompositer.Därför är det tydligt att de förändrade storleks-/formparametrarna för mikroalgerna orsakas av närvaron av MXene.Eftersom denna förändring i storlek och form är en indikation på förändringar i näringsupptag, tror vi att analys av storleks- och formparametrar över tid kan påvisa upptag av nioboxid av mikroalger i närvaro av Nb-MXener.
Dessutom kan MXener oxideras i närvaro av alger.Dalai et al.75 observerade att morfologin hos grönalger exponerade för nano-TiO2 och Al2O376 inte var enhetlig.Även om våra observationer liknar den aktuella studien, är den bara relevant för studien av effekterna av bioremediering när det gäller MXene-nedbrytningsprodukter i närvaro av 2D-nanoflingor och inte nanopartiklar.Eftersom MXener kan brytas ned till metalloxider,31,32,77,78 är det rimligt att anta att våra Nb-nanoflingor också kan bilda Nb-oxider efter att ha interagerat med mikroalgceller.
För att förklara reduktionen av 2D-Nb nanoflingor genom en sönderdelningsmekanism baserad på oxidationsprocessen genomförde vi studier med högupplöst transmissionselektronmikroskopi (HRTEM) (Fig. 7a,b) och röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) (Fig. 7).7c-i och tabellerna S4-5).Båda metoderna är lämpliga för att studera oxidation av 2D-material och kompletterar varandra.HRTEM kan analysera nedbrytningen av tvådimensionella skiktade strukturer och det efterföljande utseendet av metalloxidnanopartiklar, medan XPS är känsligt för ytbindningar.För detta ändamål testade vi 2D Nb-MXene nanoflingor extraherade från mikroalgcelldispersioner, det vill säga deras form efter interaktion med mikroalgceller (se fig. 7).
HRTEM-bilder som visar morfologin för oxiderade (a) SL Nb2CTx och (b) SL Nb4C3Tx MXener, XPS-analysresultat som visar (c) sammansättningen av oxidprodukter efter reduktion, (d–f) toppmatchning av komponenter i XPS-spektra av SL Nb2CTx och (g–i) Nb4C3Tx reparerad med grön mikroslga.Tx.
HRTEM-studier bekräftade oxidationen av två typer av Nb-MXene nanoflingor.Även om nanoflingorna behöll sin tvådimensionella morfologi till viss del, resulterade oxidation i uppkomsten av många nanopartiklar som täcker ytan av MXene-nanoflingorna (se fig. 7a, b).XPS-analys av cNb 3d- och O 1s-signaler indikerade att Nb-oxider bildades i båda fallen.Som visas i figur 7c har 2D MXene Nb2CTx och Nb4C3TX Nb 3d-signaler som indikerar närvaron av NbO- och Nb2O5-oxider, medan O 1s-signaler indikerar antalet O-Nb-bindningar associerade med funktionalisering av 2D-nanoflakeytan.Vi märkte att Nb-oxidbidraget är dominant jämfört med Nb-C och Nb3+-O.
På fig.Figurerna 7g–i visar XPS-spektra för Nb 3d, C 1s och O 1s SL Nb2CTx (se fig. 7d–f) och SL Nb4C3TX MXene isolerade från mikroalgceller.Detaljer om Nb-MXenes toppparametrar finns i respektive tabell S4–5.Vi analyserade först sammansättningen av Nb 3d.I motsats till Nb som absorberats av mikroalgceller, i MXene isolerat från mikroalgceller, förutom Nb2O5, hittades andra komponenter.I Nb2CTx SL observerade vi bidraget av Nb3+-O i mängden 15%, medan resten av Nb 3d-spektrumet dominerades av Nb2O5 (85%).Dessutom innehåller SL Nb4C3TX-provet Nb-C (9%) och Nb2O5 (91%) komponenter.Här kommer Nb-C från två inre atomlager av metallkarbid i Nb4C3Tx SR.Vi mappar sedan C 1s-spektra till fyra olika komponenter, som vi gjorde i de internaliserade proverna.Som förväntat domineras C 1s-spektrumet av grafitkol, följt av bidrag från organiska partiklar (CHx/CO och C=O) från mikroalgceller.I O 1s-spektrumet observerade vi dessutom bidraget från organiska former av mikroalgceller, nioboxid och adsorberat vatten.
Dessutom undersökte vi om Nb-MXenes-klyvning är associerad med närvaron av reaktiva syrearter (ROS) i näringsmediet och/eller mikroalgceller.För detta ändamål bedömde vi nivåerna av singlettsyre (1O2) i odlingsmediet och intracellulärt glutation, en tiol som fungerar som en antioxidant i mikroalger.Resultaten visas i SI (figurerna S20 och S21).Kulturer med SL Nb2CTx och Nb4C3TX MXener kännetecknades av en reducerad mängd 1O2 (se figur S20).I fallet med SL Nb2CTx reduceras MXene 1O2 till cirka 83 %.För mikroalgkulturer med SL minskade Nb4C3TX 1O2 ännu mer, till 73 %.Intressant nog visade förändringar i 1O2 samma trend som den tidigare observerade hämmande-stimulerande effekten (se fig. 3).Det kan hävdas att inkubation i starkt ljus kan förändra fotooxidation.Men resultaten av kontrollanalysen visade nästan konstanta nivåer av 1O2 under experimentet (Fig. S22).När det gäller intracellulära ROS-nivåer observerade vi också samma nedåtgående trend (se figur S21).Inledningsvis översteg nivåerna av ROS i mikroalgceller odlade i närvaro av Nb2CTx och Nb4C3Tx SLs nivåerna som hittades i rena kulturer av mikroalger.Så småningom visade det sig dock att mikroalgerna anpassade sig till närvaron av båda Nb-MXenerna, eftersom ROS-nivåerna minskade till 85 % och 91 % av nivåerna som mättes i rena kulturer av mikroalger inokulerade med SL Nb2CTx respektive Nb4C3TX.Detta kan tyda på att mikroalger känner sig mer bekväma över tid i närvaro av Nb-MXene än i enbart näringsmedium.
Mikroalger är en mångsidig grupp av fotosyntetiska organismer.Under fotosyntesen omvandlar de atmosfärisk koldioxid (CO2) till organiskt kol.Produkterna från fotosyntesen är glukos och syre79.Vi misstänker att syret som bildas på detta sätt spelar en avgörande roll i oxidationen av Nb-MXener.En möjlig förklaring till detta är att den differentiella luftningsparametern bildas vid låga och höga partialtryck av syre utanför och inuti Nb-MXene nanoflingorna.Det betyder att varhelst det finns områden med olika partialtryck av syre kommer området med den lägsta nivån att bilda anoden 80, 81, 82. Här bidrar mikroalgerna till skapandet av differentiellt luftade celler på ytan av MXene-flingorna, som producerar syre på grund av deras fotosyntetiska egenskaper.Som ett resultat bildas biokorrosionsprodukter (i detta fall nioboxider).En annan aspekt är att mikroalger kan producera organiska syror som släpps ut i vattnet83,84.Därför bildas en aggressiv miljö som därigenom förändrar Nb-MXenes.Dessutom kan mikroalger ändra miljöns pH till alkaliskt på grund av absorptionen av koldioxid, vilket också kan orsaka korrosion79.
Ännu viktigare är att den mörka/ljusa fotoperioden som används i vår studie är avgörande för att förstå de erhållna resultaten.Denna aspekt beskrivs i detalj i Djemai-Zoghlache et al.85 De använde medvetet en 12/12 timmars fotoperiod för att påvisa biokorrosion associerad med biopåväxt av den röda mikroalgen Porphyridium purpureum.De visar att fotoperioden är associerad med utvecklingen av potentialen utan biokorrosion, vilket visar sig som pseudoperiodiska svängningar runt 24:00.Dessa observationer bekräftades av Dowling et al.86 De demonstrerade fotosyntetiska biofilmer av cyanobakterier Anabaena.Löst syre bildas under inverkan av ljus, vilket är förknippat med en förändring eller fluktuationer i den fria biokorrosionspotentialen.Vikten av fotoperioden understryks av det faktum att den fria potentialen för biokorrosion ökar i den ljusa fasen och minskar i den mörka fasen.Detta beror på det syre som produceras av fotosyntetiska mikroalger, vilket påverkar den katodiska reaktionen genom det partialtryck som genereras nära elektroderna87.
Dessutom utfördes Fourier transform infraröd spektroskopi (FTIR) för att ta reda på om några förändringar inträffade i den kemiska sammansättningen av mikroalgceller efter interaktion med Nb-MXener.Dessa erhållna resultat är komplexa och vi presenterar dem i SI (figurerna S23-S25, inklusive resultaten från MAX-steget och ML MXenes).Kort sagt ger de erhållna referensspektra av mikroalger oss viktig information om dessa organismers kemiska egenskaper.Dessa mest sannolika vibrationer är lokaliserade vid frekvenser på 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.ett.1 1 (C–H) och 3280 cm–1 (O–H).För SL Nb-MXenes hittade vi en CH-bindningssträckningssignatur som överensstämmer med vår tidigare studie38.Vi observerade dock att några ytterligare toppar associerade med C=C- och CH-bindningar försvann.Detta indikerar att den kemiska sammansättningen av mikroalger kan genomgå mindre förändringar på grund av interaktion med SL Nb-MXener.
När man överväger möjliga förändringar i mikroalgers biokemi måste ansamlingen av oorganiska oxider, såsom nioboxid, omprövas59.Det är involverat i upptaget av metaller av cellytan, deras transport in i cytoplasman, deras association med intracellulära karboxylgrupper och deras ackumulering i mikroalger polyfosfosomer20,88,89,90.Dessutom upprätthålls förhållandet mellan mikroalger och metaller av funktionella grupper av celler.Av denna anledning beror absorptionen också på mikroalgers ytkemi, som är ganska komplex9,91.I allmänhet, som förväntat, förändrades den kemiska sammansättningen av gröna mikroalger något på grund av absorptionen av Nb-oxid.
Intressant nog var den observerade initiala hämningen av mikroalger reversibel över tiden.Som vi observerade övervann mikroalgerna den initiala miljöförändringen och återgick så småningom till normala tillväxthastigheter och till och med ökade.Studier av zetapotentialen visar hög stabilitet när de introduceras i näringsmedier.Således bibehölls ytinteraktionen mellan mikroalgceller och Nb-MXene nanoflingor under reduktionsexperimenten.I vår fortsatta analys sammanfattar vi de viktigaste verkningsmekanismerna som ligger till grund för detta anmärkningsvärda beteende hos mikroalger.
SEM-observationer har visat att mikroalger tenderar att fästa vid Nb-MXener.Med hjälp av dynamisk bildanalys bekräftar vi att denna effekt leder till omvandlingen av tvådimensionella Nb-MXene nanoflingor till mer sfäriska partiklar, vilket visar att nedbrytningen av nanoflingor är förknippad med deras oxidation.För att testa vår hypotes genomförde vi en serie material- och biokemiska studier.Efter testning oxiderade nanoflingorna gradvis och sönderdelade till NbO- och Nb2O5-produkter, vilket inte utgjorde något hot mot gröna mikroalger.Med hjälp av FTIR-observation hittade vi inga signifikanta förändringar i den kemiska sammansättningen av mikroalger inkuberade i närvaro av 2D Nb-MXene nanoflingor.Med hänsyn till möjligheten till absorption av nioboxid av mikroalger, utförde vi en röntgenfluorescensanalys.Dessa resultat visar tydligt att de studerade mikroalgerna livnär sig på nioboxider (NbO och Nb2O5), som är icke-toxiska för de studerade mikroalgerna.