Дякуємо за відвідування Nature.com. Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS. Для найкращої роботи рекомендуємо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer). Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми відображатимемо сайт без стилів та JavaScript.
Відображає карусель із трьох слайдів одночасно. Використовуйте кнопки «Попередній» та «Наступний», щоб переходити між трьома слайдами одночасно, або скористайтеся кнопками-повзунками в кінці, щоб переходити між трьома слайдами одночасно.
Швидкий розвиток нанотехнологій та їх інтеграція в повсякденне застосування можуть загрожувати навколишньому середовищу. Хоча екологічні методи деградації органічних забруднювачів добре розроблені, відновлення неорганічних кристалічних забруднювачів викликає серйозне занепокоєння через їх низьку чутливість до біотрансформації та недостатнє розуміння взаємодії поверхні матеріалів з біологічними. Тут ми використовуємо неорганічну 2D-модель MXene на основі Nb у поєднанні з простим методом аналізу параметрів форми, щоб простежити механізм біоремедіації 2D-керамічних наноматеріалів зеленими мікроводоростями Raphidocelis subcapitata. Ми виявили, що мікроводорості деградують MXene на основі Nb через фізико-хімічні взаємодії, пов'язані з поверхнею. Спочатку одношарові та багатошарові нанопластівці MXene прикріплювалися до поверхні мікроводоростей, що дещо зменшило ріст водоростей. Однак, при тривалій взаємодії з поверхнею, мікроводорості окислювали нанопластівці MXene та додатково розкладали їх на NbO та Nb2O5. Оскільки ці оксиди нетоксичні для клітин мікроводоростей, вони споживають наночастинки оксиду Nb за допомогою механізму абсорбції, що додатково відновлює мікроводорості після 72 годин обробки води. Вплив поживних речовин, пов'язаний з абсорбцією, також відображається у збільшенні об'єму клітин, їх гладкій формі та зміні швидкості росту. На основі цих висновків ми робимо висновок, що короткострокова та довгострокова присутність MXenes на основі Nb у прісноводних екосистемах може спричиняти лише незначний вплив на навколишнє середовище. Варто зазначити, що, використовуючи двовимірні наноматеріали як модельні системи, ми демонструємо можливість відстеження трансформації форми навіть у дрібнозернистих матеріалах. Загалом, це дослідження відповідає на важливе фундаментальне питання про процеси, пов'язані з поверхневою взаємодією, що керують механізмом біоремедіації 2D наноматеріалів, та забезпечує основу для подальших короткострокових та довгострокових досліджень впливу неорганічних кристалічних наноматеріалів на навколишнє середовище.
Наноматеріали викликали значний інтерес з моменту їх відкриття, і різні нанотехнології нещодавно вступили у фазу модернізації1. На жаль, інтеграція наноматеріалів у повсякденне застосування може призвести до випадкових викидів через неправильну утилізацію, необережне поводження або неадекватну інфраструктуру безпеки. Тому обґрунтовано припустити, що наноматеріали, включаючи двовимірні (2D) наноматеріали, можуть потрапляти в природне середовище, поведінка та біологічна активність яких ще не повністю вивчені. Тому не дивно, що занепокоєння щодо екотоксичності зосереджені на здатності 2D наноматеріалів вилуговуватися у водні системи2,3,4,5,6. У цих екосистемах деякі 2D наноматеріали можуть взаємодіяти з різними організмами на різних трофічних рівнях, включаючи мікроводорості.
Мікроводорості – це примітивні організми, що природно зустрічаються в прісноводних та морських екосистемах, які виробляють різноманітні хімічні продукти шляхом фотосинтезу7. Як такі, вони мають вирішальне значення для водних екосистем8,9,10,11,12, але також є чутливими, недорогими та широко використовуваними індикаторами екотоксичності13,14. Оскільки клітини мікроводоростей швидко розмножуються та швидко реагують на присутність різних сполук, вони є перспективними для розробки екологічно чистих методів очищення води, забрудненої органічними речовинами15,16.
Клітини водоростей можуть видаляти неорганічні іони з води шляхом біосорбції та накопичення17,18. Деякі види водоростей, такі як Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue та Synechococcus sp., були виявлені як переносники та навіть живителі токсичних іонів металів, таких як Fe2+, Cu2+, Zn2+ та Mn2+19. Інші дослідження показали, що іони Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ або Pb2+ обмежують ріст Scenedesmus, змінюючи морфологію клітин та руйнуючи їхні хлоропласти20,21.
Зелені методи розкладання органічних забруднювачів та видалення іонів важких металів привернули увагу вчених та інженерів у всьому світі. Це головним чином пов'язано з тим, що ці забруднювачі легко переробляються в рідкій фазі. Однак неорганічні кристалічні забруднювачі характеризуються низькою розчинністю у воді та низькою схильністю до різних біотрансформацій, що спричиняє великі труднощі в відновленні, і в цій галузі досягнуто незначного прогресу22,23,24,25,26. Таким чином, пошук екологічно чистих рішень для відновлення наноматеріалів залишається складною та невивченою галуззю. Через високий ступінь невизначеності щодо ефектів біотрансформації 2D наноматеріалів немає простого способу з'ясувати можливі шляхи їх деградації під час відновлення.
У цьому дослідженні ми використовували зелені мікроводорості як активний водний біоремедіаційний агент для неорганічних керамічних матеріалів, поєднуючи це з моніторингом in situ процесу деградації MXene як представника неорганічних керамічних матеріалів. Термін «MXene» відображає стехіометрію матеріалу Mn+1XnTx, де M – ранній перехідний метал, X – вуглець та/або азот, Tx – поверхневий термінатор (наприклад, -OH, -F, -Cl), а n = 1, 2, 3 або 427,28. З моменту відкриття MXene Нагібом та ін. [Сенсорика, терапія раку та мембранна фільтрація] 27,29,30. Крім того, MXene можна розглядати як модельні 2D-системи завдяки їхній чудовій колоїдній стабільності та можливим біологічним взаємодіям [31,32,33,34,35,36].
Отже, методологія, розроблена в цій статті, та наші дослідницькі гіпотези показані на рисунку 1. Згідно з цією гіпотезою, мікроводорості розкладають MXene на основі Nb на нетоксичні сполуки завдяки фізико-хімічним взаємодіям, пов'язаним з поверхнею, що дозволяє подальше відновлення водоростей. Для перевірки цієї гіпотези було обрано два члени родини ранніх карбідів та/або нітридів перехідних металів (MXene) на основі ніобію, а саме Nb2CTx та Nb4C3TX.
Методологія дослідження та гіпотези, що базуються на доказах, щодо відновлення MXene зеленими мікроводоростями Raphidocelis subcapitata. Зверніть увагу, що це лише схематичне зображення припущень, що базуються на доказах. Середовище озера відрізняється використовуваним поживним середовищем та умовами (наприклад, добовим циклом та обмеженнями доступних необхідних поживних речовин). Створено за допомогою BioRender.com.
Таким чином, використовуючи MXene як модельну систему, ми відкрили шлях до вивчення різних біологічних ефектів, які неможливо спостерігати з іншими традиційними наноматеріалами. Зокрема, ми демонструємо можливість біоремедіації двовимірних наноматеріалів, таких як MXene на основі ніобію, мікроводоростями Raphidocelis subcapitata. Мікроводорості здатні розкладати Nb-MXene на нетоксичні оксиди NbO та Nb2O5, які також забезпечують поживні речовини через механізм поглинання ніобію. Загалом, це дослідження відповідає на важливе фундаментальне питання про процеси, пов'язані з фізико-хімічними взаємодіями на поверхні, які керують механізмами біоремедіації двовимірних наноматеріалів. Крім того, ми розробляємо простий метод на основі параметрів форми для відстеження незначних змін форми 2D наноматеріалів. Це надихає на подальші короткострокові та довгострокові дослідження різних впливів неорганічних кристалічних наноматеріалів на навколишнє середовище. Таким чином, наше дослідження підвищує розуміння взаємодії між поверхнею матеріалу та біологічним матеріалом. Ми також створюємо основу для розширених короткострокових та довгострокових досліджень їхнього можливого впливу на прісноводні екосистеми, що тепер можна легко перевірити.
MXene являють собою цікавий клас матеріалів з унікальними та привабливими фізичними та хімічними властивостями, а отже, з багатьма потенційними застосуваннями. Ці властивості значною мірою залежать від їхньої стехіометрії та хімії поверхні. Тому в нашому дослідженні ми досліджували два типи ієрархічних одношарових (SL) MXene на основі Nb, Nb2CTx та Nb4C3TX, оскільки можна було спостерігати різні біологічні ефекти цих наноматеріалів. MXene виготовляються з вихідних матеріалів шляхом селективного травлення зверху вниз атомарно тонких шарів A-фази MAX. Фаза MAX являє собою потрійну кераміку, що складається з «зв'язаних» блоків карбідів перехідних металів та тонких шарів елементів «A», таких як Al, Si та Sn, зі стехіометрією MnAXn-1. Морфологію початкової фази MAX спостерігали за допомогою скануючої електронної мікроскопії (SEM) і вона узгоджується з попередніми дослідженнями (див. Додаткову інформацію, SI, Рисунок S1). Багатошаровий (ML) Nb-MXene був отриманий після видалення шару Al за допомогою 48% HF (плавикової кислоти). Морфологію ML-Nb2CTx та ML-Nb4C3TX досліджували за допомогою скануючої електронної мікроскопії (СЕМ) (рисунки S1c та S1d відповідно), і спостерігали типову шарувату морфологію MXene, подібну до двовимірних нанопластівців, що проходять через видовжені пороподібні щілини. Обидва Nb-MXene мають багато спільного з фазами MXene, раніше синтезованими шляхом кислотного травлення27,38. Після підтвердження структури MXene ми нашаровували його шляхом інтеркаляції гідроксиду тетрабутиламонію (TBAOH) з подальшим промиванням та обробкою ультразвуком, після чого отримали одношарові або низькошарові (SL) 2D нанопластівці Nb-MXene.
Для перевірки ефективності травлення та подальшого відшаровування ми використовували просвічувальну електронну мікроскопію високої роздільної здатності (HRTEM) та рентгенівську дифракцію (XRD). Результати HRTEM, оброблені за допомогою оберненого швидкого перетворення Фур'є (IFFT) та швидкого перетворення Фур'є (FFT), показані на рис. 2. Нанопластівці Nb-MXene були орієнтовані ребром вгору, щоб перевірити структуру атомного шару та виміряти міжплощинні відстані. Зображення HRTEM нанопластівців MXene Nb2CTx та Nb4C3TX показали їх атомарно тонку шарувату природу (див. рис. 2a1, a2), як раніше повідомляли Naguib et al.27 та Jastrzembska et al.38. Для двох сусідніх моношарів Nb2CTx та Nb4C3Tx ми визначили міжшарові відстані 0,74 та 1,54 нм відповідно (рис. 2b1,b2), що також узгоджується з нашими попередніми результатами38. Це було додатково підтверджено оберненим швидким перетворенням Фур'є (рис. 2c1, c2) та швидким перетворенням Фур'є (рис. 2d1, d2), що показують відстань між моношарами Nb2CTx та Nb4C3Tx. На зображенні видно чергування світлих і темних смуг, що відповідають атомам ніобію та вуглецю, що підтверджує шарувату природу досліджуваних MXen. Важливо зазначити, що спектри енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (EDX), отримані для Nb2CTx та Nb4C3Tx (рисунки S2a та S2b), не показали залишків початкової MAX-фази, оскільки пік Al не був виявлений.
Характеристика нанопластівців SL Nb2CTx та Nb4C3Tx MXene, включаючи (a) зображення нанопластівців з боковим видом за допомогою електронної мікроскопії високої роздільної здатності (HRTEM) у 2D та відповідний (b) режим інтенсивності, (c) обернене швидке перетворення Фур'є (IFFT), (d) швидке перетворення Фур'є (FFT), (e) рентгенівські картини Nb-MXenes. Для SL 2D Nb2CTx числа виражаються як (a1, b1, c1, d1, e1). Для SL 2D Nb4C3Tx числа виражаються як (a2, b2, c2, d2, e1).
Рентгенівські дифракційні вимірювання SL Nb2CTx та Nb4C3Tx MXenes показані на рис. 2e1 та e2 відповідно. Піки (002) при 4.31 та 4.32 відповідають раніше описаним шаруватим MXenes Nb2CTx та Nb4C3TX38,39,40,41 відповідно. Результати рентгенівської дифракції також вказують на наявність деяких залишкових структур ML та фаз MAX, але здебільшого рентгенівські дифрактограми пов'язані з SL Nb4C3Tx (рис. 2e2). Присутність менших частинок фази MAX може пояснити сильніший пік MAX порівняно з випадково укладеними шарами Nb4C3Tx.
Подальші дослідження були зосереджені на зелених мікроводоростях, що належать до виду R. subcapitata. Ми обрали мікроводорості, оскільки вони є важливими продуцентами, що беруть участь у основних харчових ланцюгах42. Вони також є одним з найкращих індикаторів токсичності завдяки здатності видаляти токсичні речовини, які переносяться на вищі рівні харчового ланцюга43. Крім того, дослідження R. subcapitata можуть пролити світло на випадкову токсичність SL Nb-MXenes для звичайних прісноводних мікроорганізмів. Щоб проілюструвати це, дослідники висунули гіпотезу, що кожен мікроб має різну чутливість до токсичних сполук, присутніх у навколишньому середовищі. Для більшості організмів низькі концентрації речовин не впливають на їхній ріст, тоді як концентрації вище певної межі можуть пригнічувати їх або навіть спричиняти їх смерть. Тому для наших досліджень поверхневої взаємодії між мікроводоростями та MXenes та пов'язаного з цим відновлення ми вирішили перевірити нешкідливі та токсичні концентрації Nb-MXenes. Для цього ми протестували концентрації MXene 0 (як контрольна), 0,01, 0,1 та 10 мг/л, а також інфікували мікроводорості дуже високими концентраціями MXene (100 мг/л), які можуть бути екстремальними та смертельними для будь-якого біологічного середовища.
Вплив SL Nb-MXenes на мікроводорості показано на рисунку 3, виражений у відсотках стимуляції росту (+) або інгібування (-), виміряних для зразків з концентрацією 0 мг/л. Для порівняння також були протестовані фаза Nb-MAX та ML Nb-MXenes, результати яких наведено в SI (див. рис. S3). Отримані результати підтвердили, що SL Nb-MXenes майже повністю позбавлений токсичності в діапазоні низьких концентрацій від 0,01 до 10 мг/л, як показано на рис. 3a,b. У випадку Nb2CTx ми спостерігали не більше 5% екотоксичності у зазначеному діапазоні.
Стимуляція (+) або інгібування (-) росту мікроводоростей у присутності SL (a) Nb2CTx та (b) Nb4C3TX MXene. Було проаналізовано 24, 48 та 72 години взаємодії MXene з мікроводоростями. Значущі дані (t-тест, p < 0,05) були позначені зірочкою (*). Значущі дані (t-тест, p < 0,05) були позначені зірочкою (*). Значимі дані (t-критерій, p < 0,05) позначені зірочкою (*). Значущі дані (t-тест, p < 0,05) позначені зірочкою (*).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。 Важливі дані (t-критерій, p < 0,05) відзначені зірочкою (*). Важливі дані (t-тест, p < 0,05) позначені зірочкою (*).Червоні стрілки вказують на скасування гальмівної стимуляції.
З іншого боку, низькі концентрації Nb4C3TX виявилися дещо токсичнішими, але не вище 7%. Як і очікувалося, ми спостерігали, що MXene мали вищу токсичність та пригнічення росту мікроводоростей при 100 мг L-1. Цікаво, що жоден з матеріалів не показав такої ж тенденції та залежності атоксичних/токсичних ефектів від часу порівняно зі зразками MAX або ML (див. деталі на SI). У той час як для фази MAX (див. рис. S3) токсичність досягала приблизно 15–25% і зростала з часом, для SL Nb2CTx та Nb4C3TX MXene спостерігалася зворотна тенденція. Пригнічення росту мікроводоростей з часом зменшувалося. Воно досягло приблизно 17% через 24 години та впало до менш ніж 5% через 72 години (рис. 3a, b відповідно).
Що ще важливіше, для SL Nb4C3TX пригнічення росту мікроводоростей досягло приблизно 27% через 24 години, але через 72 години воно зменшилося приблизно до 1%. Тому ми позначили спостережуваний ефект як зворотне пригнічення стимуляції, і ефект був сильнішим для SL Nb4C3TX MXene. Стимуляцію росту мікроводоростей раніше відзначали з Nb4C3TX (взаємодія при 10 мг L-1 протягом 24 годин) порівняно з SL Nb2CTx MXene. Ефект зворотного пригнічення-стимуляції також був добре показаний на кривій швидкості подвоєння біомаси (див. рис. S4 для деталей). Досі лише екотоксичність Ti3C2TX MXene вивчалася різними способами. Він не токсичний для ембріонів даніо реріо44, але помірно екотоксичний для рослин мікроводоростей Desmodesmus quadricauda та Sorghum saccharatum45. Інші приклади специфічних ефектів включають вищу токсичність для ракових клітинних ліній, ніж для нормальних клітинних ліній46,47. Можна припустити, що умови випробування впливатимуть на зміни в рості мікроводоростей, що спостерігаються за наявності Nb-MXenes. Наприклад, pH близько 8 у стромі хлоропласту є оптимальним для ефективної роботи ферменту RuBisCO. Отже, зміни pH негативно впливають на швидкість фотосинтезу48,49. Однак ми не спостерігали значних змін pH під час експерименту (див. деталі на SI, рис. S5). Загалом, культури мікроводоростей з Nb-MXenes дещо знижували pH розчину з часом. Однак це зниження було подібним до зміни pH чистого середовища. Крім того, діапазон виявлених варіацій був подібним до того, що виміряно для чистої культури мікроводоростей (контрольний зразок). Таким чином, ми робимо висновок, що фотосинтез не залежить від змін pH з часом.
Крім того, синтезовані MXene мають поверхневі закінчення (позначені як Tx). Це переважно функціональні групи -O, -F та -OH. Однак, хімія поверхні безпосередньо пов'язана з методом синтезу. Відомо, що ці групи розподілені по поверхні випадковим чином, що ускладнює прогнозування їхнього впливу на властивості MXene50. Можна стверджувати, що Tx може бути каталітичною силою для окислення ніобію світлом. Поверхневі функціональні групи дійсно забезпечують численні сайти закріплення для своїх основних фотокаталізаторів для утворення гетеропереходів51. Однак склад середовища для росту не забезпечив ефективного фотокаталізатора (детальний склад середовища можна знайти в таблиці S6 SI). Крім того, будь-яка модифікація поверхні також дуже важлива, оскільки біологічна активність MXene може бути змінена через пост-обробку шарів, окислення, хімічну модифікацію поверхні органічних та неорганічних сполук52,53,54,55,56 або інженерію поверхневого заряду38. Тому, щоб перевірити, чи має оксид ніобію якийсь зв'язок з нестабільністю матеріалу в середовищі, ми провели дослідження дзета-потенціалу (ζ) у середовищі для росту мікроводоростей та деіонізованій воді (для порівняння). Наші результати показують, що SL Nb-MXenes є досить стабільними (див. рис. S6 на SI для результатів MAX та ML). Дзета-потенціал SL MXenes становить близько -10 мВ. У випадку SR Nb2CTx значення ζ дещо негативніше, ніж у Nb4C3Tx. Така зміна значення ζ може свідчити про те, що поверхня негативно заряджених нанопластинців MXene поглинає позитивно заряджені іони з культурального середовища. Часові вимірювання дзета-потенціалу та провідності Nb-MXenes у культуральному середовищі (див. рисунки S7 та S8 на SI для отримання додаткової інформації) здається, підтверджують нашу гіпотезу.
Однак, обидва Nb-MXene SL показали мінімальні зміни від нуля. Це чітко демонструє їхню стабільність у середовищі для росту мікроводоростей. Крім того, ми оцінили, чи вплине присутність наших зелених мікроводоростей на стабільність Nb-MXenes у середовищі. Результати дзета-потенціалу та провідності MXenes після взаємодії з мікроводоростями в поживних середовищах та культурі з часом можна знайти в SI (рисунки S9 та S10). Цікаво, що ми помітили, що присутність мікроводоростей, здається, стабілізувала дисперсію обох MXenes. У випадку Nb2CTx SL дзета-потенціал навіть дещо зменшився з часом до більш негативних значень (-15,8 проти -19,1 мВ після 72 годин інкубації). Дзета-потенціал SL Nb4C3TX дещо збільшився, але після 72 годин він все ще демонстрував вищу стабільність, ніж нанопластівці без присутності мікроводоростей (-18,1 проти -9,1 мВ).
Ми також виявили нижчу провідність розчинів Nb-MXene, інкубованих у присутності мікроводоростей, що вказує на меншу кількість іонів у поживному середовищі. Примітно, що нестабільність MXene у воді зумовлена ​​головним чином поверхневим окисленням57. Тому ми підозрюємо, що зелені мікроводорості якимось чином очищали оксиди, що утворюються на поверхні Nb-MXene, і навіть запобігали їх появі (окисленню MXene). Це можна побачити, вивчаючи типи речовин, що поглинаються мікроводоростями.
Хоча наші екотоксикологічні дослідження показали, що мікроводорості здатні з часом долати токсичність Nb-MXene та незвичайне пригнічення стимульованого росту, метою нашого дослідження було вивчення можливих механізмів дії. Коли організми, такі як водорості, піддаються впливу сполук або матеріалів, незнайомих їхнім екосистемам, вони можуть реагувати різними способами58,59. За відсутності токсичних оксидів металів мікроводорості можуть харчуватися самі, що дозволяє їм безперервно рости60. Після потрапляння токсичних речовин можуть активуватися захисні механізми, такі як зміна форми або виду. Також слід враховувати можливість поглинання58,59. Примітно, що будь-яка ознака захисного механізму є чітким показником токсичності досліджуваної сполуки. Тому в нашій подальшій роботі ми досліджували потенційну поверхневу взаємодію між нанопластівцями SL Nb-MXene та мікроводоростями за допомогою SEM та можливе поглинання MXene на основі Nb за допомогою рентгенофлуоресцентної спектроскопії (XRF). Зауважте, що аналізи SEM та XRF проводилися лише при найвищій концентрації MXene для вирішення питань токсичності активності.
Результати SEM показано на рис. 4. Необроблені клітини мікроводоростей (див. рис. 4a, контрольний зразок) чітко демонстрували типову морфологію R. subcapitata та форму клітин, схожу на круасан. Клітини виглядають сплющеними та дещо неорганізованими. Деякі клітини мікроводоростей перекривалися та переплутувалися одна з одною, але це, ймовірно, було спричинено процесом підготовки зразка. Загалом, чисті клітини мікроводоростей мали гладку поверхню та не виявляли жодних морфологічних змін.
Зображення SEM, що показують поверхневу взаємодію між зеленими мікроводоростями та нанолистами MXene після 72 годин взаємодії за екстремальної концентрації (100 мг L-1). (a) Необроблені зелені мікроводорості після взаємодії з SL (b) Nb2CTx та (c) Nb4C3TX MXene. Зверніть увагу, що нанопластівці Nb-MXene позначені червоними стрілками. Для порівняння також додано фотографії з оптичного мікроскопа.
На противагу цьому, клітини мікроводоростей, адсорбовані нанопластинками SL Nb-MXene, були пошкоджені (див. рис. 4b, c, червоні стрілки). У випадку Nb2CTx MXene (рис. 4b), мікроводорості, як правило, ростуть із прикріпленими двовимірними наномасштабами, що може змінювати їхню морфологію. Примітно, що ми також спостерігали ці зміни під світловою мікроскопією (див. детальніше рисунок SI S11). Цей морфологічний перехід має правдоподібну основу у фізіології мікроводоростей та їхній здатності захищатися, змінюючи морфологію клітин, наприклад, збільшуючи об'єм клітин61. Тому важливо перевірити кількість клітин мікроводоростей, які фактично контактують з Nb-MXene. Дослідження SEM показали, що приблизно 52% клітин мікроводоростей зазнали впливу Nb-MXene, тоді як 48% цих клітин мікроводоростей уникали контакту. У випадку SL Nb4C3Tx MXene, мікроводорості намагаються уникати контакту з MXene, тим самим локалізуючись та зростаючи з двовимірних наномасштабів (рис. 4c). Однак, ми не спостерігали проникнення наночастинок у клітини мікроводоростей та їх пошкодження.
Самозбереження також є залежною від часу реакцією на блокування фотосинтезу через адсорбцію частинок на поверхні клітини та так званий ефект затінення (затінення)62. Зрозуміло, що кожен об'єкт (наприклад, нанопластівці Nb-MXene), який знаходиться між мікроводоростями та джерелом світла, обмежує кількість світла, що поглинається хлоропластами. Однак ми не сумніваємося, що це має значний вплив на отримані результати. Як показали наші мікроскопічні спостереження, 2D нанопластівці не були повністю обгорнуті або прикріплені до поверхні мікроводоростей, навіть коли клітини мікроводоростей контактували з Nb-MXene. Натомість, нанопластівці виявилися орієнтованими на клітини мікроводоростей, не покриваючи їхню поверхню. Такий набір нанопластівців/мікроводоростей не може суттєво обмежити кількість світла, що поглинається клітинами мікроводоростей. Більше того, деякі дослідження навіть продемонстрували покращення поглинання світла фотосинтезуючими організмами у присутності двовимірних наноматеріалів63,64,65,66.
Оскільки зображення SEM не могли безпосередньо підтвердити поглинання ніобію клітинами мікроводоростей, наше подальше дослідження звернулося до аналізу рентгенівської флуоресценції (XRF) та рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (XPS), щоб прояснити це питання. Тому ми порівняли інтенсивність піків Nb зразків еталонних мікроводоростей, які не взаємодіяли з MXene, нанопластівками MXene, відокремленими від поверхні клітин мікроводоростей, та клітинами мікроводоростей після видалення приєднаних MXene. Варто зазначити, що якщо поглинання Nb відсутнє, значення Nb, отримане клітинами мікроводоростей, має дорівнювати нулю після видалення приєднаних нанорозмірів. Тому, якщо відбувається поглинання Nb, результати як XRF, так і XPS повинні показувати чіткий пік Nb.
У випадку XRF-спектрів, зразки мікроводоростей показали піки Nb для SL Nb2CTx та Nb4C3Tx MXene після взаємодії з SL Nb2CTx та Nb4C3Tx MXene (див. рис. 5a, також зауважте, що результати для MAX та ML MXenes показані на SI, рис. S12–C17). Цікаво, що інтенсивність піку Nb однакова в обох випадках (червоні стовпчики на рис. 5a). Це вказує на те, що водорості не могли поглинати більше Nb, і максимальна здатність до накопичення Nb була досягнута в клітинах, хоча до клітин мікроводоростей було приєднано вдвічі більше Nb4C3Tx MXene (сині стовпчики на рис. 5a). Примітно, що здатність мікроводоростей поглинати метали залежить від концентрації оксидів металів у середовищі67,68. Шамшада та ін.67 виявили, що поглинальна здатність прісноводних водоростей зменшується зі збільшенням pH. Райз та ін.68 зазначили, що здатність морських водоростей поглинати метали була приблизно на 25% вищою для Pb2+, ніж для Ni2+.
(a) Результати рентгенофлуоресценції базального поглинання Nb клітинами зелених мікроводоростей, інкубованих при екстремальній концентрації SL Nb-MXenes (100 мг L-1) протягом 72 годин. Результати показують наявність α у чистих клітинах мікроводоростей (контрольний зразок, сірі стовпчики), 2D нанопластівцях, виділених з поверхневих клітин мікроводоростей (сині стовпчики), та клітинах мікроводоростей після відділення 2D нанопластівців від поверхні (червоні стовпчики). Кількість елементарного Nb, (b) відсоток хімічного складу органічних компонентів мікроводоростей (C=O та CHx/C–O) та оксидів Nb, присутніх у клітинах мікроводоростей після інкубації з SL Nb-MXenes, (c–e) Апроксимація композиційного піку спектрів XPS SL Nb2CTx та (fh) SL Nb4C3Tx MXene, інтерналізованого клітинами мікроводоростей.
Отже, ми очікували, що Nb може поглинатися клітинами водоростей у формі оксидів. Щоб перевірити це, ми провели дослідження рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФЕС) на MXenes Nb2CTx та Nb4C3TX, а також на клітинах водоростей. Результати взаємодії мікроводоростей з Nb-MXenes та MXenes, виділеними з клітин водоростей, показані на рис. 5b. Як і очікувалося, ми виявили піки Nb 3d у зразках мікроводоростей після видалення MXene з поверхні мікроводоростей. Кількісне визначення оксидів C=O, CHx/CO та Nb було розраховано на основі спектрів Nb 3d, O 1s та C 1s, отриманих за допомогою Nb2CTx SL (рис. 5c–e) та Nb4C3Tx SL (рис. 5c–e). ), отриманих з інкубованих мікроводоростей. Рисунок 5f–h) MXenes. У таблиці S1-3 наведено детальну інформацію про параметри піків та загальний хімічний склад, отримані в результаті апроксимації. Примітно, що 3d-області Nb у Nb2CTx SL та Nb4C3Tx SL (рис. 5c, f) відповідають одному компоненту Nb2O5. Тут ми не виявили піків, пов'язаних з MXene, у спектрах, що вказує на те, що клітини мікроводоростей поглинають лише оксидну форму Nb. Крім того, ми апроксимували спектр C 1 s компонентами C–C, CHx/C–O, C=O та –COOH. Ми віднесли піки CHx/C–O та C=O до органічного внеску клітин мікроводоростей. Ці органічні компоненти становлять 36% та 41% піків C 1 s у Nb2CTx SL та Nb4C3TX SL відповідно. Потім ми апроксимували спектри O 1 s у SL Nb2CTx та SL Nb4C3TX з використанням Nb2O5, органічних компонентів мікроводоростей (CHx/CO) та адсорбованої на поверхні води.
Зрештою, результати рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФЕС) чітко вказали на форму Nb, а не лише на його присутність. Відповідно до положення 3d-сигналу Nb та результатів деконволюції, ми підтверджуємо, що Nb поглинається лише у формі оксидів, а не іонів чи самого MXene. Крім того, результати РФЕС показали, що клітини мікроводоростей мають більшу здатність поглинати оксиди Nb з SL Nb2CTx порівняно з SL Nb4C3TX MXene.
Хоча наші результати щодо поглинання Nb вражають і дозволяють нам ідентифікувати деградацію MXene, немає методу для відстеження пов'язаних з цим морфологічних змін у 2D нанопластівцях. Тому ми також вирішили розробити відповідний метод, який може безпосередньо реагувати на будь-які зміни, що відбуваються в 2D нанопластівцях Nb-MXene та клітинах мікроводоростей. Важливо зазначити, що ми припускаємо, що якщо взаємодіючі види зазнають будь-якої трансформації, розкладу або дефрагментації, це має швидко проявитися у змінах параметрів форми, таких як діаметр еквівалентної круглої площі, округлість, ширина Фере або довжина Фере. Оскільки ці параметри підходять для опису витягнутих частинок або двовимірних нанопластівців, їх відстеження за допомогою динамічного аналізу форми частинок дасть нам цінну інформацію про морфологічну трансформацію SL нанопластівців Nb-MXene під час відновлення.
Отримані результати показано на рисунку 6. Для порівняння ми також протестували вихідну фазу MAX та ML-MXenes (див. рисунки SI S18 та S19). Динамічний аналіз форми частинок показав, що всі параметри форми двох Nb-MXene SL значно змінилися після взаємодії з мікроводоростями. Як показано параметром еквівалентного діаметра кругової площі (рис. 6a, b), знижена інтенсивність піків фракції великих нанопластівців вказує на те, що вони мають тенденцію розпадатися на менші фрагменти. На рис. 6c, d показано зменшення піків, пов'язаних з поперечним розміром пластівців (видовження нанопластівців), що вказує на перетворення 2D нанопластівців у більш частинкоподібну форму. На рисунку 6e-h показано ширину та довжину Feret відповідно. Ширина та довжина Feret є додатковими параметрами, і тому їх слід розглядати разом. Після інкубації 2D нанопластівців Nb-MXene у присутності мікроводоростей їх піки кореляції Feret змістилися, а їх інтенсивність зменшилася. На основі цих результатів у поєднанні з морфологією, рентгенівською флуоресценцією (XRF) та рентгенівською фотоелектронною спектроскопією (XPS) ми дійшли висновку, що спостережувані зміни тісно пов'язані з окисленням, оскільки окислені MXene стають більш зморшкуватими та розпадаються на фрагменти та сферичні частинки оксиду69,70.
Аналіз трансформації MXene після взаємодії із зеленими мікроводоростями. Динамічний аналіз форми частинок враховує такі параметри, як (a, b) діаметр еквівалентної круглої площі, (c, d) округлість, (e, f) ширина Feret та (g, h) довжина Feret. З цією метою було проаналізовано два еталонні зразки мікроводоростей разом з первинними MXenами SL Nb2CTx та SL Nb4C3Tx, MXenами SL Nb2CTx та SL Nb4C3Tx, деградованими мікроводоростями та обробленими MXenами мікроводоростей SL Nb2CTx та SL Nb4C3Tx. Червоні стрілки показують переходи параметрів форми досліджуваних двовимірних нанопластинців.
Оскільки аналіз параметрів форми є дуже надійним, він також може виявити морфологічні зміни в клітинах мікроводоростей. Тому ми проаналізували еквівалентний діаметр круглої площі, округлість та ширину/довжину Фере чистих клітин мікроводоростей та клітин після взаємодії з 2D нанопластівцями Nb. На рис. 6a–h показано зміни параметрів форми клітин водоростей, про що свідчить зменшення інтенсивності піків та зміщення максимумів у бік вищих значень. Зокрема, параметри округлості клітин показали зменшення кількості витягнутих клітин та збільшення кількості сферичних клітин (рис. 6a, b). Крім того, ширина клітин Фере збільшилася на кілька мікрометрів після взаємодії з SL Nb2CTx MXene (рис. 6e) порівняно з SL Nb4C3TX MXene (рис. 6f). Ми підозрюємо, що це може бути пов'язано з сильним поглинанням оксидів Nb мікроводоростями при взаємодії з Nb2CTx SR. Менш жорстке прикріплення пластівців Nb до їхньої поверхні може призвести до росту клітин з мінімальним ефектом затінення.
Наші спостереження за змінами параметрів форми та розміру мікроводоростей доповнюють інші дослідження. Зелені мікроводорості можуть змінювати свою морфологію у відповідь на стресові умови навколишнього середовища, змінюючи розмір, форму або метаболізм клітин61. Наприклад, зміна розміру клітин сприяє засвоєнню поживних речовин71. Менші клітини водоростей демонструють нижче поглинання поживних речовин та знижену швидкість росту. І навпаки, більші клітини, як правило, споживають більше поживних речовин, які потім відкладаються внутрішньоклітинно72,73. Мачадо та Соарес виявили, що фунгіцид триклозан може збільшувати розмір клітин. Вони також виявили значні зміни форми водоростей74. Крім того, Інь та ін.9 також виявили морфологічні зміни у водоростях після впливу відновлених нанокомпозитів оксиду графену. Отже, очевидно, що змінені параметри розміру/форми мікроводоростей спричинені присутністю MXene. Оскільки ця зміна розміру та форми свідчить про зміни у поглинанні поживних речовин, ми вважаємо, що аналіз параметрів розміру та форми з часом може продемонструвати поглинання оксиду ніобію мікроводоростями у присутності Nb-MXenes.
Більше того, MXene можуть окислюватися у присутності водоростей. Далай та ін.75 спостерігали, що морфологія зелених водоростей, що зазнали впливу нано-TiO2 та Al2O376, не була однорідною. Хоча наші спостереження подібні до цього дослідження, вони стосуються лише вивчення впливу біоремедіації з точки зору продуктів деградації MXene у присутності 2D нанопластівців, а не наночастинок. Оскільки MXene можуть деградувати на оксиди металів,31,32,77,78 логічно припустити, що наші нанопластівці Nb також можуть утворювати оксиди Nb після взаємодії з клітинами мікроводоростей.
Щоб пояснити відновлення 2D-Nb нанопластівців через механізм розкладання, заснований на процесі окислення, ми провели дослідження з використанням високороздільної просвічувальної електронної мікроскопії (HRTEM) (рис. 7a,b) та рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (XPS) (рис. 7). 7c-i та таблиці S4-5). Обидва підходи підходять для вивчення окислення 2D матеріалів та доповнюють один одного. HRTEM здатний аналізувати деградацію двовимірних шаруватих структур та подальшу появу наночастинок оксиду металу, тоді як XPS чутливий до поверхневих зв'язків. Для цього ми протестували 2D Nb-MXene нанопластівці, екстраговані з дисперсій клітин мікроводоростей, тобто їх форму після взаємодії з клітинами мікроводоростей (див. рис. 7).
Зображення HRTEM, що показують морфологію окислених (a) SL Nb2CTx та (b) SL Nb4C3Tx MXenes, результати рентгенофотоелектронної спектроскопії (РФЕС), що показують (c) склад оксидних продуктів після відновлення, (d–f) збіг піків компонентів рентгенофотоелектронної спектроскопії (РФЕС) SL Nb2CTx та (g–i) Nb4C3Tx SL, відновлених зеленими мікроводоростями.
Дослідження HRTEM підтвердили окислення двох типів нанопластівців Nb-MXene. Хоча нанопластівці певною мірою зберегли свою двовимірну морфологію, окислення призвело до появи багатьох наночастинок, що покривають поверхню нанопластівців MXene (див. рис. 7a,b). XPS-аналіз сигналів c-Nb3d та O1s показав, що в обох випадках утворилися оксиди Nb. Як показано на рисунку 7c, 2D MXene Nb2CTx та Nb4C3TX мають сигнали Nb3d, що вказують на наявність оксидів NbO та Nb2O5, тоді як сигнали O1s вказують на кількість зв'язків O–Nb, пов'язаних з функціоналізацією поверхні 2D нанопластівців. Ми помітили, що внесок оксиду Nb є домінуючим порівняно з Nb-C та Nb3+-O.
На рис. 7g–i показано спектри рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФЕС) Nb 3d, C 1s та O 1s SL Nb2CTx (див. рис. 7d–f) та SL Nb4C3TX MXene, виділеного з клітин мікроводоростей. Детальна інформація про параметри піків Nb-MXenes наведена в таблицях S4–5 відповідно. Спочатку ми проаналізували склад Nb 3d. На відміну від Nb, поглиненого клітинами мікроводоростей, у MXene, виділеному з клітин мікроводоростей, крім Nb2O5, були виявлені й інші компоненти. У SL Nb2CTx ми спостерігали внесок Nb3+-O у розмірі 15%, тоді як решта спектру Nb 3d була переважно представлена ​​Nb2O5 (85%). Крім того, зразок SL Nb4C3TX містить компоненти Nb-C (9%) та Nb2O5 (91%). Тут Nb-C походить з двох внутрішніх атомних шарів карбіду металу в Nb4C3Tx SR. Потім ми зіставляємо спектри C 1s з чотирма різними компонентами, як це було зроблено в інтерналізованих зразках. Як і очікувалося, у спектрі C ​​1s переважає графітовий вуглець, за яким йдуть внески від органічних частинок (CHx/CO та C=O) з клітин мікроводоростей. Крім того, у спектрі O 1s ми спостерігали внесок органічних форм клітин мікроводоростей, оксиду ніобію та адсорбованої води.
Крім того, ми досліджували, чи пов'язане розщеплення Nb-MXenes з наявністю активних форм кисню (ROS) у поживному середовищі та/або клітинах мікроводоростей. З цією метою ми оцінили рівні синглетного кисню (1O2) у культуральному середовищі та внутрішньоклітинного глутатіону, тіолу, який діє як антиоксидант у мікроводоростях. Результати показані на SI (рисунки S20 та S21). Культури з SL Nb2CTx та Nb4C3TX MXenes характеризувалися зниженою кількістю 1O2 (див. рисунок S20). У випадку SL Nb2CTx, MXene 1O2 знижується приблизно до 83%. Для культур мікроводоростей з використанням SL, Nb4C3TX 1O2 зменшився ще більше, до 73%. Цікаво, що зміни 1O2 показали таку ж тенденцію, як і раніше спостережуваний інгібіторно-стимулюючий ефект (див. рис. 3). Можна стверджувати, що інкубація при яскравому світлі може змінювати фотоокислення. Однак, результати контрольного аналізу показали майже постійні рівні 1O2 протягом експерименту (рис. S22). У випадку внутрішньоклітинних рівнів активних форм кисню (АФК) ми також спостерігали таку ж тенденцію до зниження (див. рис. S21). Спочатку рівні АФК у клітинах мікроводоростей, культивованих у присутності субпопуляційних лейкоцитів Nb2CTx та Nb4C3Tx, перевищували рівні, виявлені в чистих культурах мікроводоростей. Зрештою, однак, виявилося, що мікроводорості адаптувалися до присутності обох Nb-MXenів, оскільки рівні АФК знизилися до 85% та 91% від рівнів, виміряних у чистих культурах мікроводоростей, інокульованих субпопуляційними лейкоцитами Nb2CTx та Nb4C3TX відповідно. Це може свідчити про те, що мікроводорості з часом почуваються комфортніше в присутності Nb-MXen, ніж лише в живильному середовищі.
Мікроводорості – це різноманітна група фотосинтезуючих організмів. Під час фотосинтезу вони перетворюють атмосферний вуглекислий газ (CO2) на органічний вуглець. Продуктами фотосинтезу є глюкоза та кисень79. Ми підозрюємо, що утворений таким чином кисень відіграє вирішальну роль в окисленні Nb-MXenes. Одним з можливих пояснень цього є те, що диференціальний параметр аерації формується при низькому та високому парціальному тиску кисню зовні та всередині нанопластівців Nb-MXenes. Це означає, що скрізь, де є області з різним парціальним тиском кисню, область з найнижчим рівнем утворюватиме анод80, 81, 82. Тут мікроводорості сприяють створенню диференціально аерованих клітин на поверхні пластівців MXenes, які виробляють кисень завдяки своїм фотосинтетичним властивостям. В результаті утворюються продукти біокорозії (в даному випадку оксиди ніобію). Інший аспект полягає в тому, що мікроводорості можуть виробляти органічні кислоти, які виділяються у воду83,84. Таким чином, утворюється агресивне середовище, тим самим змінюючи Nb-MXenes. Крім того, мікроводорості можуть змінювати pH середовища на лужний через поглинання вуглекислого газу, що також може спричинити корозію79.
Що ще важливіше, фотоперіод темряви/світла, який використовувався в нашому дослідженні, є критично важливим для розуміння отриманих результатів. Цей аспект детально описано у Djemai-Zoghlache та ін.85 Вони навмисно використовували фотоперіод 12/12 годин, щоб продемонструвати біокорозію, пов'язану з біообрастанням червоними мікроводоростями Porphyridium purpureum. Вони показують, що фотоперіод пов'язаний з еволюцією потенціалу без біокорозії, проявляючись як псевдоперіодичні коливання близько 24:00. Ці спостереження були підтверджені Dowling та ін.86 Вони продемонстрували фотосинтетичні біоплівки ціанобактерій Anabaena. Розчинений кисень утворюється під дією світла, що пов'язано зі зміною або коливаннями потенціалу вільної біокорозії. Важливість фотоперіоду підкреслюється тим фактом, що вільний потенціал для біокорозії збільшується у світлій фазі та зменшується в темній фазі. Це пов'язано з киснем, що виробляється фотосинтетичними мікроводоростями, який впливає на катодну реакцію через парціальний тиск, що генерується поблизу електродів87.
Крім того, було проведено інфрачервону спектроскопію з перетворенням Фур'є (FTIR), щоб з'ясувати, чи відбулися якісь зміни в хімічному складі клітин мікроводоростей після взаємодії з Nb-MXenes. Отримані результати є комплексними, і ми представляємо їх у SI (рисунки S23-S25, включаючи результати стадії MAX та ML MXenes). Коротше кажучи, отримані опорні спектри мікроводоростей надають нам важливу інформацію про хімічні характеристики цих організмів. Ці найімовірніші коливання розташовані на частотах 1060 см-1 (CO), 1540 см-1, 1640 см-1 (C=C), 1730 см-1 (C=O), 2850 см-1, 2920 см-1 (C–H) та 3280 см-1 (O–H). Для SL Nb-MXenes ми виявили сигнатуру валентності CH-зв'язку, яка узгоджується з нашим попереднім дослідженням38. Однак, ми спостерігали, що деякі додаткові піки, пов'язані зі зв'язками C=C та CH, зникли. Це вказує на те, що хімічний склад мікроводоростей може зазнавати незначних змін через взаємодію з SL Nb-MXenes.
Розглядаючи можливі зміни в біохімії мікроводоростей, необхідно переглянути накопичення неорганічних оксидів, таких як оксид ніобію59. Він бере участь у поглинанні металів поверхнею клітин, їх транспортуванні в цитоплазму, їх зв'язку з внутрішньоклітинними карбоксильними групами та їх накопиченні в поліфосфосомах мікроводоростей20,88,89,90. Крім того, зв'язок між мікроводоростями та металами підтримується функціональними групами клітин. З цієї причини поглинання також залежить від хімії поверхні мікроводоростей, яка є досить складною9,91. Загалом, як і очікувалося, хімічний склад зелених мікроводоростей дещо змінився через поглинання оксиду Nb.
Цікаво, що спостережуване початкове пригнічення мікроводоростей було оборотним з часом. Як ми спостерігали, мікроводорості подолали початкову зміну навколишнього середовища та зрештою повернулися до нормальних темпів росту та навіть збільшилися. Дослідження дзета-потенціалу показують високу стабільність при введенні в поживні середовища. Таким чином, поверхнева взаємодія між клітинами мікроводоростей та нанопластівцями Nb-MXene зберігалася протягом усіх експериментів з відновлення. У нашому подальшому аналізі ми підсумовуємо основні механізми дії, що лежать в основі цієї дивовижної поведінки мікроводоростей.
Спостереження SEM показали, що мікроводорості мають тенденцію приєднуватися до Nb-MXene. Використовуючи динамічний аналіз зображень, ми підтверджуємо, що цей ефект призводить до перетворення двовимірних нанопластівців Nb-MXene на більш сферичні частинки, тим самим демонструючи, що розкладання нанопластівців пов'язане з їх окисленням. Щоб перевірити нашу гіпотезу, ми провели серію досліджень матеріалів та біохімічних досліджень. Після тестування нанопластівці поступово окислювалися та розкладалися на продукти NbO та Nb2O5, які не становили загрози для зелених мікроводоростей. Використовуючи спостереження з використанням ІЧ-спектроскопії з перетворенням Фур'є, ми не виявили суттєвих змін у хімічному складі мікроводоростей, інкубованих у присутності 2D нанопластівців Nb-MXene. Враховуючи можливість поглинання оксиду ніобію мікроводоростями, ми провели рентгенофлуоресцентний аналіз. Ці результати чітко показують, що досліджувані мікроводорості живляться оксидами ніобію (NbO та Nb2O5), які є нетоксичними для досліджуваних мікроводоростей.