Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми відтворюємо сайт без стилів і JavaScript.
Відображає карусель із трьох слайдів одночасно.Використовуйте кнопки «Попередній» і «Наступний», щоб переходити по трьох слайдах одночасно, або використовуйте кнопки повзунка в кінці, щоб переходити по трьох слайдах одночасно.
Швидкий розвиток нанотехнологій та їх інтеграція в повсякденне застосування може загрожувати навколишньому середовищу.У той час як екологічні методи розкладання органічних забруднювачів добре відомі, відновлення неорганічних кристалічних забруднень викликає велике занепокоєння через їх низьку чутливість до біотрансформації та відсутність розуміння взаємодії поверхні матеріалу з біологічними.Тут ми використовуємо неорганічну 2D модель MXenes на основі Nb у поєднанні з простим методом аналізу параметрів форми, щоб відстежити механізм біоремедіації 2D керамічних наноматеріалів за допомогою зелених мікроводоростей Raphidocelis subcapitata.Ми виявили, що мікроводорості руйнують MXenes на основі Nb через пов’язані з поверхнею фізико-хімічні взаємодії.Спочатку до поверхні мікроводоростей прикріплювали одношарові та багатошарові нанопластівці MXene, що дещо зменшувало ріст водоростей.Однак при тривалій взаємодії з поверхнею мікроводорості окислили нанопластівці MXene і далі розклали їх на NbO і Nb2O5.Оскільки ці оксиди нетоксичні для клітин мікроводоростей, вони споживають наночастинки оксиду Nb за допомогою механізму поглинання, який додатково відновлює мікроводорості після 72 годин обробки водою.Ефекти поживних речовин, пов’язані з поглинанням, також відображаються на збільшенні об’єму клітин, їх гладкій формі та зміні швидкості росту.На основі цих висновків ми робимо висновок, що коротко- та довгострокова присутність MXenes на основі Nb у прісноводних екосистемах може спричинити лише незначний вплив на навколишнє середовище.Примітно, що, використовуючи як модельні системи двовимірні наноматеріали, ми демонструємо можливість відстеження перетворення форми навіть у дрібнозернистих матеріалах.Загалом, це дослідження відповідає на важливе фундаментальне питання про процеси, пов’язані з поверхневою взаємодією, що керують механізмом біоремедіації двовимірних наноматеріалів, і забезпечує основу для подальших короткострокових і довгострокових досліджень впливу неорганічних кристалічних наноматеріалів на навколишнє середовище.
Наноматеріали викликали великий інтерес з моменту їх відкриття, а різні нанотехнології нещодавно увійшли у фазу модернізації1.На жаль, інтеграція наноматеріалів у повсякденне застосування може призвести до випадкових викидів через неправильну утилізацію, недбале поводження або невідповідну інфраструктуру безпеки.Таким чином, розумно припустити, що наноматеріали, включаючи двовимірні (2D) наноматеріали, можуть бути випущені в природне середовище, поведінка та біологічна активність яких ще не повністю вивчені.Тому не дивно, що занепокоєння щодо екотоксичності зосереджено на здатності двовимірних наноматеріалів просочуватися у водні системи2,3,4,5,6.У цих екосистемах деякі двовимірні наноматеріали можуть взаємодіяти з різними організмами на різних трофічних рівнях, включаючи мікроводорості.
Мікроводорості — це примітивні організми, які природно зустрічаються в прісноводних і морських екосистемах, які виробляють різноманітні хімічні продукти за допомогою 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 і 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 і Synechococcus sp.Було виявлено, що він переносить і навіть живить іони токсичних металів, таких як Fe2+, Cu2+, Zn2+ і Mn2+19.Інші дослідження показали, що іони Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ або Pb2+ обмежують ріст Scenedesmus шляхом зміни морфології клітин і руйнування їхніх хлоропластів20,21.
Екологічні методи розкладання органічних забруднюючих речовин і видалення іонів важких металів привернули увагу вчених та інженерів у всьому світі.В основному це пов'язано з тим, що ці забруднення легко переробляються в рідкій фазі.Однак неорганічні кристалічні забруднювачі характеризуються низькою розчинністю у воді та низькою сприйнятливістю до різноманітних біотрансформацій, що викликає великі труднощі у відновленні, і в цій галузі досягнуто незначного прогресу22,23,24,25,26.Таким чином, пошук екологічно чистих рішень для ремонту наноматеріалів залишається складною та недослідженою сферою.Через високий ступінь невизначеності щодо ефектів біотрансформації двовимірних наноматеріалів не існує легкого способу з’ясувати можливі шляхи їх деградації під час відновлення.
У цьому дослідженні ми використовували зелені мікроводорості як активний водний агент для біоремедіації неорганічних керамічних матеріалів у поєднанні з моніторингом на місці 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 MXenes Naguib et al.Сенсорика, терапія раку та мембранна фільтрація 27,29,30.Крім того, MXenes можна розглядати як модель 2D систем через їх чудову колоїдну стабільність і можливі біологічні взаємодії31,32,33,34,35,36.
Таким чином, методологія, розроблена в цій статті, і наші дослідницькі гіпотези показані на малюнку 1. Згідно з цією гіпотезою, мікроводорості розкладають MXene на основі ніобію до нетоксичних сполук завдяки поверхневим фізико-хімічним взаємодіям, що дозволяє подальше відновлення водоростей.Щоб перевірити цю гіпотезу, було вибрано два члени сімейства ранніх карбідів і/або нітридів перехідних металів на основі ніобію (MXenes), а саме Nb2CTx і Nb4C3TX.
Методологія дослідження та засновані на доказах гіпотези для відновлення MXene зеленими мікроводоростями Raphidocelis subcapitata.Зверніть увагу, що це лише схематичне представлення припущень, що ґрунтуються на фактах.Навколишнє середовище озера відрізняється використовуваним поживним середовищем та умовами (наприклад, добовий цикл і обмеження доступних основних поживних речовин).Створено за допомогою BioRender.com.
Таким чином, використовуючи MXene як модельну систему, ми відкрили двері для вивчення різноманітних біологічних ефектів, які неможливо спостерігати з іншими звичайними наноматеріалами.Зокрема, ми демонструємо можливість біоремедіації двовимірних наноматеріалів, таких як MXenes на основі ніобію, мікроводорістю Raphidocelis subcapitata.Мікроводорості здатні розкладати Nb-MXene на нетоксичні оксиди NbO та Nb2O5, які також забезпечують поживними речовинами через механізм поглинання ніобію.Загалом це дослідження відповідає на важливе фундаментальне питання про процеси, пов’язані з поверхневими фізико-хімічними взаємодіями, які керують механізмами біоремедіації двовимірних наноматеріалів.Крім того, ми розробляємо простий метод на основі параметрів форми для відстеження тонких змін у формі 2D наноматеріалів.Це надихає на подальші короткострокові та довгострокові дослідження різних впливів неорганічних кристалічних наноматеріалів на навколишнє середовище.Таким чином, наше дослідження покращує розуміння взаємодії між поверхнею матеріалу та біологічним матеріалом.Ми також створюємо основу для розширених короткострокових і довгострокових досліджень їх можливого впливу на прісноводні екосистеми, які тепер можна легко перевірити.
MXenes представляють цікавий клас матеріалів з унікальними та привабливими фізичними та хімічними властивостями, а отже, багатьма потенційними застосуваннями.Ці властивості значною мірою залежать від їх стехіометрії та хімічного складу поверхні.Тому в нашому дослідженні ми досліджували два типи ієрархічних одношарових (SL) MXenes на основі Nb, Nb2CTx і Nb4C3TX, оскільки можна було спостерігати різні біологічні ефекти цих наноматеріалів.MXene виробляються з вихідних матеріалів шляхом селективного травлення зверху вниз атомарно тонких A-шарів MAX-фази.Фаза MAX — це потрійна кераміка, що складається з «зв’язаних» блоків карбідів перехідних металів і 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, рис. S1).Багатошаровий (ML) Nb-MXene був отриманий після видалення шару Al за допомогою 48% HF (плавикової кислоти).Морфологію ML-Nb2CTx і ML-Nb4C3TX досліджували за допомогою скануючої електронної мікроскопії (SEM) (рисунки S1c і S1d відповідно) і спостерігали типову шарувату морфологію MXene, схожу на двовимірні нанопластівці, що проходять через витягнуті пориподібні щілини.Обидва Nb-MXene мають багато спільного з фазами MXene, раніше синтезованими кислотним травленням 27, 38.Після підтвердження структури MXene ми розшарували його інтеркаляцією гідроксиду тетрабутиламонію (TBAOH) з подальшим промиванням і обробкою ультразвуком, після чого ми отримали одношарові або низькошарові (SL) 2D нанопластівці Nb-MXene.
Ми використовували трансмісійну електронну мікроскопію високої роздільної здатності (HRTEM) і рентгенівську дифракцію (XRD), щоб перевірити ефективність травлення та подальшого відшарування.Результати HRTEM, оброблені за допомогою зворотного швидкого перетворення Фур’є (IFFT) і швидкого перетворення Фур’є (FFT), показані на рис. 2. Нанолусочки Nb-MXene були орієнтовані краєм догори, щоб перевірити структуру атомного шару та виміряти міжплощинні відстані.HRTEM-зображення нанопластівців MXene Nb2CTx і Nb4C3TX виявили їх атомарно тонку шарувату природу (див. рис. 2a1, a2), як раніше повідомляли Naguib et al.27 і Jastrzębska et al.38.Для двох суміжних моношарів Nb2CTx і Nb4C3Tx ми визначили міжшарові відстані 0,74 і 1,54 нм відповідно (рис. 2b1,b2), що також узгоджується з нашими попередніми результатами38.Це було додатково підтверджено зворотним швидким перетворенням Фур’є (рис. 2c1, c2) і швидким перетворенням Фур’є (рис. 2d1, d2), що показує відстань між моношарами Nb2CTx і Nb4C3Tx.На зображенні показано чергування світлих і темних смуг, що відповідають атомам ніобію і вуглецю, що підтверджує шарувату природу досліджуваних MXenes.Важливо відзначити, що спектри енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (EDX), отримані для Nb2CTx і Nb4C3Tx (рисунки S2a і S2b), не показали залишків початкової фази MAX, оскільки пік Al не був виявлений.
Характеристика нанопластівців SL Nb2CTx і Nb4C3Tx MXene, включаючи (a) двовимірне зображення нанопластівців з високою роздільною здатністю (HRTEM) і відповідне двовимірне зображення нанопластівців, (b) режим інтенсивності, (c) зворотне 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 і Nb4C3Tx MXenes показані на рис.2e1 та e2 відповідно.Піки (002) на 4,31 і 4,32 відповідають раніше описаним шаруватим MXenes Nb2CTx і Nb4C3TX38,39,40,41 відповідно.Результати XRD також вказують на наявність деяких залишкових структур ML і фаз MAX, але в основному картини XRD пов’язані з SL Nb4C3Tx (рис. 2e2).Наявність менших частинок фази MAX може пояснити сильніший пік MAX порівняно з випадково складеними шарами Nb4C3Tx.
Подальші дослідження були зосереджені на зелених мікроводоростей, що належать до виду R. subcapitata.Ми обрали мікроводорості, оскільки вони є важливими виробниками, залученими до основних харчових мереж42.Вони також є одним із найкращих індикаторів токсичності завдяки здатності видаляти токсичні речовини, які переносяться на вищі рівні харчового ланцюга43.Крім того, дослідження R. subcapitata може пролити світло на випадкову токсичність SL Nb-MXenes для звичайних прісноводних мікроорганізмів.Щоб проілюструвати це, дослідники припустили, що кожен мікроб має різну чутливість до токсичних сполук, присутніх у навколишньому середовищі.Для більшості організмів низькі концентрації речовин не впливають на їх ріст, тоді як концентрації вище певної межі можуть пригнічувати їх або навіть викликати смерть.Тому для наших досліджень поверхневої взаємодії між мікроводоростями та MXenes і пов’язаного відновлення ми вирішили перевірити нешкідливі та токсичні концентрації Nb-MXenes.Для цього ми протестували концентрації 0 (як еталон), 0,01, 0,1 і 10 мг л-1 MXene та додатково заражені мікроводорості дуже високими концентраціями MXene (100 мг л-1 MXene), які можуть бути екстремальними та смертельними..для будь-якого біологічного середовища.
Ефекти SL Nb-MXenes на мікроводорості показані на малюнку 3, виражені як відсоток стимуляції росту (+) або інгібування (-), виміряний для 0 мг л-1 зразків.Для порівняння також було протестовано фазу Nb-MAX і ML Nb-MXenes, і результати наведено в SI (див. рис. S3).Отримані результати підтвердили, що SL Nb-MXenes практично 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 в зазначеному діапазоні.
Стимуляція (+) або інгібування (-) росту мікроводоростей у присутності SL (a) Nb2CTx і (b) Nb4C3TX MXene.Проаналізовано 24, 48 та 72 години взаємодії MXene-мікроводорості. Достовірні дані (t-тест, p < 0,05) позначені зірочкою (*). Достовірні дані (t-тест, p < 0,05) позначені зірочкою (*). Значимі дані (t-критерій, p < 0,05) позначені зірочкою (*). Достовірні 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 трохи більш токсичними, але не вище 7%.Як і очікувалося, ми спостерігали, що MXenes мали вищу токсичність і пригнічення росту мікроводоростей при 100 мг L-1.Цікаво, що жоден із матеріалів не показав такої ж тенденції та залежності від часу атоксичних/токсичних ефектів порівняно зі зразками MAX або ML (див. SI для деталей).У той час як для фази MAX (див. рис. S3) токсичність досягала приблизно 15–25% і зростала з часом, зворотна тенденція спостерігалася для SL Nb2CTx і Nb4C3TX MXene.Інгібування росту мікроводоростей з часом зменшувалося.Він досяг приблизно 17% через 24 години і знизився до менше 5% через 72 години (рис. 3a, b відповідно).
Що ще важливіше, для SL Nb4C3TX інгібування росту мікроводоростей досягло приблизно 27% через 24 години, але через 72 години воно знизилося приблизно до 1%.Тому ми позначили спостережуваний ефект як зворотне інгібування стимуляції, і ефект був сильнішим для SL Nb4C3TX MXene.Стимуляція росту мікроводоростей була відмічена раніше з Nb4C3TX (взаємодія при 10 мг L-1 протягом 24 годин) порівняно з SL Nb2CTx MXene.Ефект зворотного гальмування-стимуляції також був добре показаний на кривій швидкості подвоєння біомаси (детальніше дивіться на рис. S4).Поки що тільки екотоксичність Ti3C2TX MXene була вивчена різними способами.Він не токсичний для ембріонів рибок даніо44, але помірно екотоксичний для мікроводоростей Desmodesmus quadricauda та рослин Sorghum saccharatum45.Інші приклади специфічних ефектів включають вищу токсичність для ліній ракових клітин, ніж для нормальних клітинних ліній46,47.Можна було припустити, що умови випробувань впливатимуть на зміни росту мікроводоростей, які спостерігаються в присутності Nb-MXenes.Наприклад, рН близько 8 у стромі хлоропласта є оптимальним для ефективної роботи ферменту RuBisCO.Тому зміни pH негативно впливають на швидкість фотосинтезу48,49.Однак ми не спостерігали значних змін pH під час експерименту (докладніше див. SI, рис. S5).Загалом, культури мікроводоростей з Nb-MXenes трохи знижували pH розчину з часом.Однак це зниження було схоже на зміну рН чистого середовища.Крім того, діапазон знайдених варіацій був подібним до виміряного для чистої культури мікроводоростей (контрольний зразок).Таким чином, ми робимо висновок, що зміни рН з часом не впливають на фотосинтез.
Крім того, синтезовані MXene мають поверхневі закінчення (позначаються як Tx).В основному це функціональні групи -O, -F і -OH.Однак хімія поверхні безпосередньо пов'язана з методом синтезу.Відомо, що ці групи випадково розподілені по поверхні, що ускладнює прогнозування їх впливу на властивості MXene50.Можна стверджувати, що Tx може бути каталітичною силою для окислення ніобію світлом.Поверхневі функціональні групи дійсно забезпечують численні сайти кріплення для їхніх базових 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 поверхнева модифікація також дуже важлива, оскільки біологічна активність MXenes може бути змінена внаслідок шарової пост-обробки, окислення, хімічної модифікації поверхні органічних і неорганічних сполук 52, 53, 54, 55, 56 або інженерії поверхневого заряду 38.Тому, щоб перевірити, чи має оксид ніобію щось спільне з нестабільністю матеріалу в середовищі, ми провели дослідження дзета-потенціалу (ζ) у середовищі росту мікроводоростей і деіонізованій воді (для порівняння).Наші результати показують, що SL Nb-MXenes досить стабільні (див. SI рис. S6 для результатів MAX і 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 нанопластівців MXene поглинає позитивно заряджені іони з культурального середовища.Тимчасові вимірювання дзета-потенціалу та провідності Nb-MXenes у культуральному середовищі (дивіться малюнки S7 та S8 у SI для більш детальної інформації), здається, підтверджують нашу гіпотезу.
Однак обидва Nb-MXene SL показали мінімальні зміни з нуля.Це наочно демонструє їх стабільність у середовищі росту мікроводоростей.Крім того, ми оцінили, чи впливатиме присутність наших зелених мікроводоростей на стабільність Nb-MXenes у середовищі.Результати дзета-потенціалу та провідності MXenes після взаємодії з мікроводоростями в поживних середовищах і культурі з часом можна знайти в SI (рис. S9 і S10).Цікаво, що ми помітили, що присутність мікроводоростей, здається, стабілізувала дисперсію обох MXenes.У випадку Nb2CTx SL дзета-потенціал навіть трохи знизився з часом до більш негативних значень (-15,8 проти -19,1 мВ після 72 год інкубації).Дзета-потенціал SL Nb4C3TX дещо збільшився, але через 72 години він все ще демонстрував вищу стабільність, ніж нанопластівці без присутності мікроводоростей (-18,1 проти -9,1 мВ).
Ми також виявили меншу провідність розчинів Nb-MXene, інкубованих у присутності мікроводоростей, що вказує на меншу кількість іонів у живильному середовищі.Примітно, що нестабільність MXenes у воді в основному зумовлена ​​поверхневим окисленням57.Тому ми підозрюємо, що зелені мікроводорості якимось чином очистили оксиди, що утворилися на поверхні Nb-MXene, і навіть запобігли їх виникненню (окисленню MXene).У цьому можна переконатися, вивчивши типи речовин, які поглинають мікроводорості.
Хоча наші екотоксикологічні дослідження показали, що мікроводорості змогли подолати токсичність Nb-MXenes з часом і незвичне пригнічення стимульованого росту, метою нашого дослідження було дослідити можливі механізми дії.Коли такі організми, як водорості, піддаються впливу сполук або матеріалів, незнайомих для їхніх екосистем, вони можуть реагувати різними способами58,59.За відсутності токсичних оксидів металів мікроводорості можуть харчуватися самі, дозволяючи їм безперервно рости60.Після проковтування токсичних речовин можуть активуватися захисні механізми, наприклад зміна форми або форми.Слід також враховувати можливість абсорбції58,59.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 рентгенівської флуоресцентної спектроскопії (XRF).Зверніть увагу, що SEM та XRF аналізи проводилися лише при найвищій концентрації MXene для вирішення проблем токсичності активності.
Результати SEM показані на рис.4.Необроблені клітини мікроводоростей (див. рис. 4а, еталонний зразок) чітко показали типову морфологію R. subcapitata та форму клітин, схожу на круасан.Клітини виглядають сплощеними і дещо дезорганізованими.Деякі клітини мікроводоростей перекривалися і заплутувалися одна з одною, але це, ймовірно, було викликано процесом підготовки зразка.Загалом чисті клітини мікроводоростей мали гладку поверхню і не виявляли жодних морфологічних змін.
SEM-зображення, що демонструють поверхневу взаємодію між зеленими мікроводоростями та нанолистами MXene після 72 годин взаємодії при граничній концентрації (100 мг L-1).(a) Необроблені зелені мікроводорості після взаємодії з SL (b) Nb2CTx і (c) Nb4C3TX MXenes.Зверніть увагу, що нанопластівці Nb-MXene позначені червоними стрілками.Для порівняння також додаються фотографії з оптичного мікроскопа.
Навпаки, клітини мікроводоростей, адсорбовані нанопластівцями SL Nb-MXene, були пошкоджені (див. рис. 4b, c, червоні стрілки).У випадку Nb2CTx MXene (рис. 4b), мікроводорості мають тенденцію до росту з прикріпленими двовимірними наномасштабами, які можуть змінити їх морфологію.Примітно, що ми також спостерігали ці зміни під світловим мікроскопом (детальніше див. малюнок S11 SI).Цей морфологічний перехід має правдоподібну основу у фізіології мікроводоростей та їх здатності захищатися шляхом зміни морфології клітин, наприклад, збільшення об’єму клітини61.Тому важливо перевірити кількість клітин мікроводоростей, які фактично контактують з Nb-MXenes.Дослідження SEM показали, що приблизно 52% клітин мікроводоростей піддавалися впливу Nb-MXenes, тоді як 48% цих клітин мікроводоростей уникали контакту.Для SL Nb4C3Tx MXene мікроводорості намагаються уникати контакту з MXene, тим самим локалізуючи та виростаючи з двовимірних наномасштабів (рис. 4c).Проте ми не спостерігали проникнення наномасштабів у клітини мікроводоростей та їх пошкодження.
Самозбереження також є залежною від часу поведінкою реакції 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 мікроводорістю та джерелом світла, обмежує кількість світла, що поглинається хлоропластами.Проте ми не сумніваємося, що це суттєво вплинуло на отримані результати.Як показали наші мікроскопічні спостереження, 2D нанопластівці не були повністю загорнуті або прилипли до поверхні мікроводоростей, навіть коли клітини мікроводоростей контактували з Nb-MXenes.Натомість нанопластівці виявилися орієнтованими на клітини мікроводоростей, не покриваючи їх поверхню.Такий набір нанопластівців/мікроводоростей не може істотно обмежити кількість світла, що поглинається клітинами мікроводоростей.Більше того, деякі дослідження навіть продемонстрували покращення поглинання світла фотосинтезуючими організмами в присутності двовимірних наноматеріалів63,64,65,66.
Оскільки SEM-зображення не могли безпосередньо підтвердити поглинання ніобію клітинами мікроводоростей, наше подальше дослідження звернулося до аналізу рентгенівської флуоресценції (XRF) і рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (XPS), щоб прояснити це питання.Таким чином, ми порівняли інтенсивність піків Nb еталонних зразків мікроводоростей, які не взаємодіяли з MXenes, нанопластівців MXene, відокремлених від поверхні клітин мікроводоростей, і клітин мікроводоростей після видалення прикріплених MXenes.Варто зазначити, що якщо немає поглинання Nb, значення Nb, отримане клітинами мікроводоростей, повинно дорівнювати нулю після видалення прикріплених нанолусок.Таким чином, якщо відбувається поглинання Nb, результати як XRF, так і XPS повинні показати чіткий пік Nb.
У випадку XRF-спектрів зразки мікроводоростей показали піки Nb для SL Nb2CTx і Nb4C3Tx MXene після взаємодії з SL Nb2CTx і Nb4C3Tx MXene (див. рис. 5a, також зауважте, що результати для MAX і ML MXene показані в SI, рис. S12–C17).Цікаво, що інтенсивність піку Nb в обох випадках однакова (червоні смуги на рис. 5а).Це вказувало на те, що водорості не могли поглинати більше Nb, і максимальна здатність до накопичення Nb була досягнута в клітинах, хоча вдвічі більше Nb4C3Tx MXene було прикріплено до клітин мікроводоростей (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.Raize та ін.68 відзначили, що здатність морських водоростей поглинати метали була приблизно на 25% вищою для Pb2+, ніж для Ni2+.
(a) Результати XRF базального поглинання Nb клітинами зелених мікроводоростей, інкубованих при екстремальній концентрації SL Nb-MXenes (100 мг L-1) протягом 72 годин.Результати показують присутність α в чистих клітинах мікроводоростей (контрольний зразок, сірі стовпці), 2D нанопластівців, виділених із поверхневих клітин мікроводоростей (сині стовпчики), і клітин мікроводоростей після відділення 2D нанопластівців від поверхні (червоні стовпці).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) Підгонка композиційного піку XPS SL Nb2CTx спектрів та (fh) SL Nb4C3Tx MXene, інтерналізованого клітинами мікроводоростей.
Тому ми очікували, що Nb може поглинатися клітинами водоростей у формі оксидів.Щоб перевірити це, ми провели дослідження XPS на MXenes Nb2CTx і Nb4C3TX і клітинах водоростей.Результати взаємодії мікроводоростей з Nb-MXenes і MXenes, виділеними з клітин водоростей, наведені на рис.5б.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 з Nb2CTx SL (рис. 5c–e) та Nb4C3Tx SL (рис. 5c–e).), отримані з інкубованих мікроводоростей.Рисунок 5f–h) MXenes.Таблиця S1-3 показує деталі пікових параметрів і загальну хімію, отриману в результаті відповідності.Примітно, що Nb 3d області Nb2CTx SL і Nb4C3Tx SL (рис. 5в, е) 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.На ці органічні компоненти припадає 36% і 41% піків C 1s у Nb2CTx SL і Nb4C3TX SL відповідно.Потім ми підігнали спектри O 1s для SL Nb2CTx і SL Nb4C3TX з Nb2O5, органічними компонентами мікроводоростей (CHx/CO) і поверхневою адсорбованою водою.
Нарешті, результати XPS чітко показали форму Nb, а не лише його присутність.Згідно з положенням сигналу Nb 3d і результатами деконволюції, ми підтверджуємо, що Nb поглинається лише у формі оксидів, а не іонів або самого MXene.Крім того, результати XPS показали, що клітини мікроводоростей мають більшу здатність поглинати оксиди Nb з SL Nb2CTx порівняно з SL Nb4C3TX MXene.
Незважаючи на те, що наші результати поглинання Nb вражаючі та дозволяють нам ідентифікувати деградацію MXene, немає методу для відстеження пов’язаних морфологічних змін у 2D нанопластівцях.Тому ми також вирішили розробити відповідний метод, який може безпосередньо реагувати на будь-які зміни, що відбуваються в двовимірних нанопластівцях Nb-MXene та клітинах мікроводоростей.Важливо відзначити, що ми припускаємо, що якщо взаємодіючі види зазнають будь-якої трансформації, розкладання або дефрагментації, це повинно швидко проявлятися у вигляді змін у параметрах форми, таких як діаметр еквівалентної круглої області, 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 нанопластівців SL Nb-MXene під час відновлення.
Отримані результати показані на малюнку 6. Для порівняння ми також перевірили оригінальну фазу MAX і ML-MXenes (див. SI-рис. S18 і S19).Динамічний аналіз форми частинок показав, що всі параметри форми двох Nb-MXene SL значно змінилися після взаємодії з мікроводоростями.Як показує параметр діаметра еквівалентної круглої області (рис. 6a, b), знижена пікова інтенсивність фракції великих нанопластівців вказує на те, що вони мають тенденцію розпадатися на менші фрагменти.На рис.6c, d показує зменшення піків, пов’язаних із поперечним розміром пластівців (подовження нанопластівців), що вказує на перетворення 2D нанопластівців у форму, більш схожу на частинки.На рисунку 6e-h показано ширину та довжину Feret відповідно.Ширина та довжина тхора є додатковими параметрами, тому їх слід розглядати разом.Після інкубації двовимірних нанопластівців Nb-MXene в присутності мікроводоростей їхні піки кореляції Фере змістилися, а їх інтенсивність зменшилася.На основі цих результатів у поєднанні з морфологією, XRF та 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 перетворення MXene після взаємодії із зеленими мікроводоростями.Динамічний аналіз форми частинок враховує такі параметри, як (a, b) діаметр еквівалентної круглої області, (c, d) округлість, (e, f) ширина Feret і (g, h) довжина Feret.З цією метою два еталонних зразки мікроводоростей були проаналізовані разом з первинними SL Nb2CTx і SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx і SL Nb4C3Tx MXenes, деградованими мікроводоростями та обробленими мікроводоростями SL Nb2CTx і SL Nb4C3Tx MXenes.Червоними стрілками показано переходи параметрів форми досліджуваних двовимірних нанопластівців.
Оскільки аналіз параметрів форми є дуже надійним, він також може виявити морфологічні зміни в клітинах мікроводоростей.Тому ми проаналізували еквівалентний діаметр кругової області, округлість і ширину/довжину Фере чистих клітин мікроводоростей і клітин після взаємодії з 2D нанопластівцями Nb.На рис.6a–h показано зміни параметрів форми клітин водоростей, про що свідчить зменшення інтенсивності піку та зміщення максимумів у бік вищих значень.Зокрема, параметри округлості клітин показали зменшення подовжених клітин і збільшення сферичних (рис. 6а, б).Крім того, ширина клітини 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 їх поверхні може призвести до росту клітин із мінімальним ефектом затінення.
Наші спостереження за змінами параметрів форми та розміру мікроводоростей доповнюють інші дослідження.Зелені мікроводорості можуть змінювати свою морфологію у відповідь на стрес навколишнього середовища шляхом зміни розміру клітини, форми або метаболізму61.Наприклад, зміна розміру клітин сприяє засвоєнню поживних речовин71.Менші клітини водоростей демонструють нижче поглинання поживних речовин і уповільнену швидкість росту.І навпаки, більші клітини мають тенденцію споживати більше поживних речовин, які потім відкладаються внутрішньоклітинно72,73.Мачадо і Соарес виявили, що фунгіцид триклозан може збільшити розмір клітин.Вони також виявили глибокі зміни у формі водоростей74.Крім того, Yin et al.9 також виявили морфологічні зміни у водоростях після впливу нанокомпозитів з відновленим оксидом графену.Отже, зрозуміло, що змінені параметри розміру/форми мікроводоростей спричинені присутністю MXene.Оскільки ця зміна розміру та форми вказує на зміни в поглинанні поживних речовин, ми вважаємо, що аналіз параметрів розміру та форми з часом може продемонструвати поглинання оксиду ніобію мікроводоростями в присутності Nb-MXenes.
Крім того, MXenes можуть окислюватися в присутності водоростей.Dalai et al.75 помітили, що морфологія зелених водоростей, підданих впливу нано-TiO2 та Al2O376, не була однорідною.Хоча наші спостереження подібні до даного дослідження, вони стосуються лише вивчення ефектів біоремедіації з точки зору продуктів розпаду MXene у присутності 2D нанопластівців, а не наночастинок.Оскільки MXene можуть розкладатися на оксиди металів,31,32,77,78, розумно припустити, що наші нанопластівці Nb також можуть утворювати оксиди Nb після взаємодії з клітинами мікроводоростей.
Щоб пояснити відновлення нанопластівців 2D-Nb за допомогою механізму розкладання, заснованого на процесі окислення, ми провели дослідження з використанням трансмісійної електронної мікроскопії високої роздільної здатності (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 і доповнюють один одного.HRTEM здатний аналізувати деградацію двовимірних шаруватих структур і подальшу появу наночастинок оксиду металу, тоді як XPS чутливий до поверхневих зв’язків.Для цього ми протестували 2D нанопластівці Nb-MXene, 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 і (b) SL Nb4C3Tx MXenes, результати аналізу XPS, що показують (c) склад оксидних продуктів після відновлення, (d–f) відповідність піків компонентів спектрів XPS SL Nb2CTx і (g–i) Nb4C3Tx SL, відремонтованих 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 Nb 3d і O 1s показав, що в обох випадках утворилися оксиди Nb.Як показано на малюнку 7c, 2D MXene Nb2CTx і Nb4C3TX мають сигнали Nb 3d, що вказують на присутність оксидів NbO і Nb2O5, тоді як сигнали O 1s вказують на кількість зв’язків O–Nb, пов’язаних із функціоналізацією поверхні 2D нанопластівців.Ми помітили, що внесок оксиду Nb домінує порівняно з Nb-C та Nb3+-O.
На рис.На малюнках 7g–i показано XPS-спектри Nb 3d, C 1s та O 1s SL Nb2CTx (див. рис. 7d–f) та SL Nb4C3TX MXene, виділених із клітин мікроводоростей.Деталі пікових параметрів Nb-MXenes наведено в таблицях S4–5 відповідно.Спочатку ми проаналізували склад Nb 3d.На відміну від Nb, що поглинається клітинами мікроводоростей, у MXene, виділеному з клітин мікроводоростей, окрім Nb2O5, виявлені інші компоненти.У Nb2CTx SL ми спостерігали внесок Nb3+-O у розмірі 15%, тоді як в решті спектру Nb 3d домінував Nb2O5 (85%).Крім того, зразок SL Nb4C3TX містить компоненти Nb-C (9%) та Nb2O5 (91%).Тут Nb-C походить від двох внутрішніх атомних шарів карбіду металу в Nb4C3Tx SR.Потім ми зіставляємо спектри C 1s з чотирма різними компонентами, як ми робили в інтерналізованих зразках.Як і очікувалося, у спектрі C ​​1s домінує графітовий вуглець, за яким йдуть органічні частинки (CHx/CO та C=O) із клітин мікроводоростей.Крім того, у спектрі O 1s 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 (АФК) у живильному 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 мікроводоростей.Результати показано в SI (рис. S20 і S21).Культури з SL Nb2CTx і Nb4C3TX MXenes характеризуються зниженою кількістю 1O2 (див. Малюнок S20).У випадку SL Nb2CTx, MXene 1O2 знижується приблизно до 83%.Для культур мікроводоростей з використанням SL Nb4C3TX 1O2 знизився ще більше, до 73%.Цікаво, що зміни 1O2 показали ту саму тенденцію, що й спостережуваний раніше інгібіторно-стимулюючий ефект (див. рис. 3).Можна стверджувати, що інкубація при яскравому світлі може змінити фотоокислення.Однак результати контрольного аналізу показали майже постійні рівні 1O2 протягом експерименту (рис. S22).У випадку внутрішньоклітинних рівнів АФК ми також спостерігали ту саму тенденцію до зниження (див. Малюнок S21).Спочатку рівні АФК у клітинах мікроводоростей, культивованих у присутності Nb2CTx і Nb4C3Tx SL, перевищували рівні, виявлені в чистих культурах мікроводоростей.Однак згодом виявилося, що мікроводорості адаптувалися до присутності обох Nb-MXenes, оскільки рівні АФК знизилися до 85% і 91% від рівнів, виміряних у чистих культурах мікроводоростей, інокульованих SL Nb2CTx і Nb4C3TX відповідно.Це може свідчити про те, що мікроводорості з часом почуваються комфортніше в присутності Nb-MXene, ніж у окремому живильному середовищі.
Мікроводорості — різноманітна група фотосинтезуючих організмів.Під час фотосинтезу вони перетворюють атмосферний вуглекислий газ (CO2) на органічний вуглець.Продуктами фотосинтезу є глюкоза і кисень79.Ми підозрюємо, що утворений таким чином кисень відіграє вирішальну роль в окисленні Nb-MXenes.Одним із можливих пояснень цього є те, що диференціальний параметр аерації формується при низькому та високому парціальних тисках кисню поза та всередині нанопластівців Nb-MXene.Це означає, що всюди, де є області з різним парціальним тиском кисню, область з найнижчим рівнем утворюватиме анод 80, 81, 82. Тут мікроводорості сприяють створенню диференціально аерованих клітин на поверхні пластівців MXene, які виробляють кисень завдяки своїм фотосинтетичним властивостям.У 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.Тому утворюється агресивне середовище, що змінює Nb-MXene.Крім того, мікроводорості можуть змінювати рН середовища до лужного через поглинання вуглекислого газу, що також може викликати корозію79.
Що ще важливіше, темний/світлий фотоперіод, який використовується в нашому дослідженні, має вирішальне значення для розуміння отриманих результатів.Цей аспект детально описаний у Djemai-Zoghlache et al.85 Вони навмисно використали 12/12-годинний фотоперіод, щоб продемонструвати біокорозію, пов’язану з біообростанням червоною мікроводорістю Porphyridium purpureum.Вони показують, що фотоперіод пов'язаний з еволюцією потенціалу без біокорозії, що проявляється у вигляді псевдоперіодичних коливань близько 24:00.Ці спостереження були підтверджені Доулінгом та ін.86 Вони продемонстрували фотосинтетичні біоплівки ціанобактерій Anabaena.Розчинений кисень утворюється під дією світла, що пов'язано зі зміною або коливаннями вільного біокорозійного потенціалу.Важливість фотоперіоду підкреслюється тим фактом, що вільний потенціал для біокорозії зростає в світловій фазі і зменшується в темновій.Це пов’язано з киснем, який виробляють фотосинтезуючі мікроводорості, який впливає на катодну реакцію через парціальний тиск, що створюється біля електродів87.
Крім того, була проведена інфрачервона спектроскопія з перетворенням Фур’є (FTIR), щоб з’ясувати, чи відбулися будь-які зміни в хімічному складі клітин мікроводоростей після взаємодії з Nb-MXenes.Ці отримані результати є складними, і ми представляємо їх у SI (рисунки S23-S25, включаючи результати етапу MAX і ML MXenes).Одним словом, отримані контрольні спектри мікроводоростей дають нам важливу інформацію про хімічні характеристики цих організмів.Ці найбільш вірогідні коливання знаходяться 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.один.1 1 (C–H) та 3280 см–1 (O–H).Для SL Nb-MXenes ми виявили сигнатуру розтягування CH-зв’язку, яка узгоджується з нашим попереднім дослідженням38.Однак ми помітили, що деякі додаткові піки, пов'язані зі зв'язками C=C і CH, зникли.Це свідчить про те, що хімічний склад мікроводоростей може зазнавати незначних змін внаслідок взаємодії 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 клітини, їхньому транспортуванні в цитоплазму, зв’язуванні з внутрішньоклітинними карбоксильними групами та накопиченні в поліфосфосомах мікроводоростей20,88,89,90.Крім того, зв'язок між мікроводоростями і 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 змінився незначно через поглинання оксиду Nb.
Цікаво, що спостережене початкове інгібування мікроводоростей було оборотним з часом.Як ми спостерігали, мікроводорості подолали початкову зміну навколишнього середовища і 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 і нанопластівцями Nb-MXene зберігалася протягом експериментів із відновлення.У нашому подальшому аналізі ми підсумовуємо основні механізми дії, що лежать в основі цієї чудової поведінки мікроводоростей.
Спостереження SEM показали, що мікроводорості мають тенденцію приєднуватися до Nb-MXenes.Використовуючи динамічний аналіз зображень, ми підтверджуємо, що цей ефект призводить до перетворення двовимірних нанопластівців Nb-MXene у більш сферичні частинки, демонструючи тим самим, що розкладання нанопластівців пов’язане з їх окисленням.Щоб перевірити нашу гіпотезу, ми провели серію матеріальних і біохімічних досліджень.Після тестування нанопластівці поступово окислювалися і розкладалися на продукти NbO і Nb2O5, які не становили загрози для зелених мікроводоростей.Використовуючи FTIR спостереження, ми не виявили значних 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 харчуються оксидами ніобію (NbO та Nb2O5), які нетоксичні для досліджуваних мікроводоростей.