揭示 Ti 3C 2 MXene 对 Scenedesmus sp. 的生理反应和代谢网络的调节作用

《Algal Research》：Unveiling Ti 3C 2 MXene-modulated physiological responses and metabolic rewiring in Scenedesmus sp.

　　

• •
  Ti₃C₂ MXene 能够诱导 Scenedesmus 的浓度依赖性反应。
• •
  低浓度的 MXene（≤10?mg/L）可促进生长；高浓度则抑制增殖。
• •
  MXene 会引发脂质重塑和抗氧化代谢响应。
• •
  高浓度的 MXene 会抑制中枢碳代谢和能量途径。
• •
  该研究揭示了藻类对工程化二维纳米材料的代谢防御机制。

引言

由于二维材料在环境科学、医学和医疗保健等领域的广泛应用，它们受到了广泛关注。尽管像金属氧化物、石墨烯和过渡金属硫族化合物这样的二维材料已被广泛研究，但一类相对较新的二维材料——MXenes——虽然探索较少，却具有显著潜力来改进现有系统。MXenes 是一类新的二维过渡金属氮化物、碳化物或碳氮化物，其化学式为 M_n+1X_nT_x，其中 M 代表过渡金属（如 Ti、V、Mo 等），X 可以是碳或氮，而 T_x 是表面官能团（如 –OH、F、O）。MXene 这一名称的由来是因为它是由 MAX 相合成的，并且与其他二维材料（如石墨烯）有相似之处 [1]。MXenes 家族有四种不同的结构（M_{232、M43 和 M5C4），可以根据需要设计，具备优异的电导率、高强度的机械性能、较大的表面积以及可调的化学反应性 [2]。二维 MXenes 在环境修复方面展现出了巨大潜力，例如水处理 [3]、空气净化 [4] [5]，甚至环境污染物检测 [6] [7]。在最近的一篇综述中，Saxena 及其团队还强调了基于 MXene 的复合材料的生物医学应用，尤其是光热和光动力疗法在癌症治疗中的应用 [8]。}

尽管已经有许多纳米颗粒因其生物修复潜力而被研究，用于废水处理和通过微生物（如微藻）生产生物柴油 [9] [10]，但 MXene 纳米材料与水生微生物或环境的相互作用仍处于初步研究阶段。微藻是一类单细胞光合微生物，存在于各种栖息地中，包括陆地、淡水、海洋环境以及受污染的水域。与传统作物相比，微藻生长速度快，光合作用活性更强。每年，它们贡献了大约 50 吉吨的二氧化碳固定量，在海洋生态系统中占比超过 90% [11]。它们的生物量可达 77?g/m²/天，相当于每年每公顷 280 吨 [12]。由于它们丰富的生化成分（尤其是蛋白质、色素、碳水化合物和脂质），微藻在制药、营养补充剂、化妆品和生物燃料生产中发挥了重要作用。一些藻类菌株（如 Scenedesmus、Chlorella 和 Chlamydomonas）也被用于生物修复 [13]。选择 Scenedesmus 作为本研究的模型微藻，是因为其具有较强的生理适应性、快速的生长速度以及在废水处理、生态毒理学研究和生物燃料研究中的广泛应用 [12]。

然而，这些二维材料与微藻之间的相互作用模式取决于涉及的物种以及二维材料的特性。MXene 与其相互作用时表现出双重作用：一方面附着在微藻细胞表面并将其氧化转化为无毒的金属氧化物 [14]，从而促进水净化和环境修复；另一方面，MXene 的锋利边缘和粗糙表面会改变微生物的细胞机制，导致活性氧（ROS）的产生 [15]。先前关于 MXene 与微生物相互作用的研究显示了既有益也有害的效应。包括 E. coli 和 B. subtilis 在内的细菌菌株也与 Ti₃C₂T_x 纳米片层的相互作用进行了研究 [16]。一些微藻物种（如 Desmodesmus quadricauda 和 Raphidocelis subcapitata）也接受了 MXene 暴露及其潜在毒性的评估 [10]。尽管大多数研究集中在生长抑制方面，但在纳米材料暴露下的代谢变化和脂质积累等方面仍需进一步探索。

在本研究中，Ti₃C₂ MXene 是通过从其前体 Ti₃AlC₂ MAX 相采用自上而下的方法合成的，随后研究了其对微藻行为的影响。本地微藻 Scenedesmus 被暴露在 0.1 至 500?mg/L 不同浓度的 MXene 下。选择 0.1 至 500?mg/L 的 MXene 浓度范围是为了研究环境上可能的低浓度暴露以及基于危害的暴露范围，以评估浓度依赖性的生理和代谢反应。根据建模和生命周期评估研究，工程纳米材料在环境中的预测浓度通常在 ng/L 至 μg/L 之间，而天然水系统中 Ti₃C₂ MXene 的实际浓度尚未有报道 [17]、[18]、[19]。因此，选择了较低的浓度（< 1?mg/L）来近似环境上的暴露水平，同时包括中等浓度（1–100?mg/L）和较高浓度（>100?mg/L）作为生态毒理学和基于危害的暴露水平，以研究浓度依赖性的生理和代谢反应 [20]。尽管人们对 MXenes 的兴趣日益增加，但它们对微藻代谢和脂质生物合成的影响（尤其是在代谢组学层面）仍不够清楚。我们假设 MXene 暴露会在 Scenedesmus 中引起相对的代谢重编程，表现为中枢碳代谢、脂质生物合成和氧化应激途径的变化。因此，本研究旨在结合色素分析（FAME）和代谢组学来了解 MXene 暴露对细胞代谢、脂质生物合成变化和氧化应激标志物的影响。该研究提供了 MXene 与微藻相互作用的机制见解，并探讨了将纳米材料修复技术与生物燃料相关脂质生产相结合的潜力，为环境生物技术的创新应用开辟了道路。

章节片段

化学物质

微藻生长培养基 BG11 及其成分由 HiMedia 提供，不同实验中使用的溶剂（如甲醇、H₂SO₄ 和 n-己烷）由 Merck 提供。内标（非十九烷酸甲酯）、核糖醇和 FAME 标准（C₄-C₂₄ FAME 混合物）由 Sigma Aldrich 提供。Ti₃AlC₂ MAX 相粉末（APS: 40–60?μm，纯度 99%）来自 Nanoshell LLC，去离子水（DI）的电阻率为 18.2?MΩ，盐酸（HCl）和氢氟酸（48%）也由该公司提供。

MXene 的合成与表征

Ti?C?Tx MXene 的结构和光学性质分别通过 XRD 和紫外（UV）吸收光谱进行了表征。图 2(a) 显示了 Ti?C?Tx MXene 的 XRD 图谱，分别在 5.74°、17.06° 和 28.49° 2θ 值处有明显的峰，对应于 (002)、(004) 和 (006) 面，证实了纯 Ti?C?T_x MXene 的成功合成。值得注意的是，(002) 峰的 2θ 角度从 9.5° 降至 5.74°，且没有其他残留峰。

结论

本研究阐明了 MXene 浓度增加对 Scenedesmus 生理和代谢特征的影响。结果表明，暴露于较高浓度的 MXene 会导致微藻生长和总叶绿素的显著下降，表明其光合作用和细胞机制受到破坏。FAME 分析显示，在较高 MXene 浓度下，MUFAs 和 SFAs 的比例增加。

CRediT 作者贡献声明

Rimjhim Sangtani：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论、实验设计、数据分析、概念构思。Anchal Sharma：初稿撰写、方法论、实验设计、数据分析、概念构思。Konica Katare：初稿撰写、实验设计、数据分析、概念构思。Pooja Devi：审稿与编辑、数据可视化、监督、概念构思。Kiran Bala：审稿与编辑。

资助

资助机构未参与本手稿的设计或发表决策。本研究未获得任何资助。

[57]

作者声明没有利益冲突。

致谢