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U rapidu sviluppu di a nanotecnologia è a so integrazione in l'applicazioni di ogni ghjornu ponu minaccià l'ambiente. Mentre i metudi verdi per a degradazione di i contaminanti organici sò ben stabiliti, a recuperazione di contaminanti cristallini inorganici hè di grande preoccupazione per via di a so bassa sensibilità à a biotrasfurmazione è a mancanza di comprensione di l'interazzione di a superficia di i materiali cù quelli biologichi. Quì, usemu un mudellu MXenes 2D inorganicu basatu annantu à Nb cumminatu cù un metudu simplice d'analisi di i parametri di forma per traccià u mecanismu di biorimediazione di nanumateriali ceramici 2D da a microalga verde Raphidocelis subcapitata. Avemu trovu chì e microalghe degradanu i MXenes basati annantu à Nb per via di l'interazzione fisicu-chimiche legate à a superficia. Inizialmente, i nanofiocchi di MXene à un stratu è à più strati eranu attaccati à a superficia di e microalghe, ciò chì hà riduttu in qualchì modu a crescita di l'alghe. Tuttavia, dopu à l'interazzione prolungata cù a superficia, e microalghe anu ossidatu i nanofiocchi di MXene è li anu decomposti ulteriormente in NbO è Nb2O5. Siccomu sti ossidi ùn sò micca tossichi per e cellule di e microalghe, cunsumanu nanoparticelle d'ossidu di Nb per via di un mecanismu d'assorbimentu chì restaura ulteriormente e microalghe dopu à 72 ore di trattamentu di l'acqua. L'effetti di i nutrienti assuciati à l'assorbimentu si riflettenu ancu in l'aumentu di u vulume cellulare, a so forma liscia è u cambiamentu di u ritmu di crescita. Basenduci nantu à sti risultati, cuncludemu chì a presenza à cortu è longu andà di MXeni à basa di Nb in l'ecosistemi d'acqua dolce pò causà solu impatti ambientali minori. Hè da nutà chì, aduprendu nanumateriali bidimensionali cum'è sistemi mudellu, dimustremu a pussibilità di seguità a trasfurmazione di a forma ancu in materiali à grana fina. In generale, stu studiu risponde à una quistione fundamentale impurtante nantu à i prucessi ligati à l'interazzione superficiale chì guidanu u mecanismu di biorimediazione di i nanumateriali 2D è furnisce una basa per ulteriori studii à cortu è longu andà di l'impattu ambientale di i nanumateriali cristallini inorganici.
I nanumateriali anu suscitatu assai interessu dapoi a so scuperta, è diverse nanutecnologie sò recentemente entrate in una fase di mudernizazione1. Sfurtunatamente, l'integrazione di nanumateriali in l'applicazioni di ogni ghjornu pò purtà à rilasci accidentali per via di un smaltimentu impropriu, una manipulazione trascurata o un'infrastruttura di sicurezza inadeguata. Dunque, hè ragiunevule suppone chì i nanumateriali, cumpresi i nanumateriali bidimensionali (2D), possinu esse liberati in l'ambiente naturale, u cumpurtamentu è l'attività biologica di i quali ùn sò ancu cumpletamente capiti. Dunque, ùn hè micca surprisante chì e preoccupazioni d'ecotossicità si sianu cuncentrate nantu à a capacità di i nanumateriali 2D di liscivià in i sistemi acquatici2,3,4,5,6. In questi ecosistemi, alcuni nanumateriali 2D ponu interagisce cù vari organismi à diversi livelli trofici, cumprese e microalghe.
E microalghe sò organismi primitivi chì si trovanu naturalmente in l'ecosistemi d'acqua dolce è marini chì producenu una varietà di prudutti chimichi per via di a fotosintesi7. In quantu tali, sò critiche per l'ecosistemi acquatici8,9,10,11,12, ma sò ancu indicatori di ecotossicità sensibili, economici è largamente usati13,14. Siccomu e cellule di e microalghe si multiplicanu rapidamente è rispondenu rapidamente à a presenza di diversi cumposti, sò promettenti per u sviluppu di metudi rispettosi di l'ambiente per trattà l'acqua contaminata da sustanzi organichi15,16.
E cellule d'alga ponu caccià l'ioni inorganici da l'acqua per via di a biosorbenza è di l'accumulazione17,18. Certe spezie d'alga cum'è Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue è Synechococcus sp. Hè statu trovu chì porta è ancu nutrisce ioni metallichi tossichi cum'è Fe2+, Cu2+, Zn2+ è Mn2+19. Altri studii anu dimustratu chì l'ioni Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ o Pb2+ limitanu a crescita di Scenedesmus alterendu a morfologia cellulare è distruggendu i so cloroplasti20,21.
I metudi verdi per a decomposizione di inquinanti organici è a rimuzione di ioni di metalli pesanti anu attiratu l'attenzione di scientifichi è ingegneri in u mondu sanu. Questu hè principalmente duvutu à u fattu chì questi contaminanti sò facilmente trasfurmati in fase liquida. Tuttavia, l'inquinanti cristallini inorganici sò carattarizati da una bassa solubilità in acqua è una bassa suscettibilità à varie biotrasformazioni, ciò chì causa grandi difficultà in a bonifica, è pochi progressi sò stati fatti in questu duminiu22,23,24,25,26. Cusì, a ricerca di suluzioni rispettose di l'ambiente per a riparazione di nanumateriali ferma un duminiu cumplessu è inesploratu. A causa di l'altu gradu d'incertezza riguardu à l'effetti di biotrasformazione di i nanumateriali 2D, ùn ci hè micca un modu faciule per scopre i pussibuli percorsi di a so degradazione durante a riduzione.
In questu studiu, avemu utilizatu microalghe verdi cum'è agente di biorimediazione acquosa attivu per i materiali ceramici inorganici, cumminati cù u monitoraghju in situ di u prucessu di degradazione di MXene cum'è rappresentante di i materiali ceramici inorganici. U termine "MXene" riflette a stechiometria di u materiale Mn+1XnTx, induve M hè un metallu di transizione precoce, X hè carbone è/o azotu, Tx hè un terminatore di superficia (per esempiu, -OH, -F, -Cl), è n = 1, 2, 3 o 427.28. Dapoi a scuperta di MXenes da Naguib et al. Sensorics, therapy of cancer and membrane filtration 27,29,30. Inoltre, l'MXenes ponu esse cunsiderati cum'è sistemi 2D mudellu per via di a so eccellente stabilità colloidale è di e pussibili interazzione biologiche31,32,33,34,35,36.
Dunque, a metodologia sviluppata in questu articulu è e nostre ipotesi di ricerca sò mostrate in a Figura 1. Sicondu sta ipotesi, e microalghe degradanu i MXeni à basa di Nb in cumposti non tossichi per via di l'interazioni fisico-chimiche legate à a superficia, ciò chì permette una ulteriore recuperazione di l'alga. Per pruvà sta ipotesi, sò stati selezziunati dui membri di a famiglia di carburi è/o nitruri di metalli di transizione (MXeni) à basa di niobiu precoce, vale à dì Nb2CTx è Nb4C3TX.
Metodologia di ricerca è ipotesi basate nantu à l'evidenza per a ricuperazione di MXene da a microalga verde Raphidocelis subcapitata. Attenti, questu hè solu una rappresentazione schematica di ipotesi basate nantu à l'evidenza. L'ambiente lacustre differisce in u mezu nutritivu utilizatu è in e cundizioni (per esempiu, u ciclu diurnu è e limitazioni di i nutrienti essenziali dispunibili). Creatu cù BioRender.com.
Dunque, aduprendu MXene cum'è sistema mudellu, avemu apertu a porta à u studiu di vari effetti biologichi chì ùn ponu esse osservati cù altri nanumateriali cunvinziunali. In particulare, dimustremu a pussibilità di biorimediazione di nanumateriali bidimensionali, cum'è i MXeni à basa di niobiu, da e microalghe Raphidocelis subcapitata. E microalghe sò capaci di degradà i Nb-MXeni in l'ossidi non tossichi NbO è Nb2O5, chì furniscenu ancu nutrienti attraversu u mecanismu di assorbimentu di niobiu. In generale, questu studiu risponde à una quistione fundamentale impurtante nantu à i prucessi assuciati à l'interazzione fisicu-chimica di a superficia chì guvernanu i meccanismi di biorimediazione di nanumateriali bidimensionali. Inoltre, stemu sviluppendu un metudu simplice basatu annantu à i parametri di forma per seguità i cambiamenti suttili in a forma di i nanumateriali 2D. Questu ispira ulteriori ricerche à cortu è longu andà nantu à i vari impatti ambientali di i nanumateriali cristallini inorganici. Cusì, u nostru studiu aumenta a comprensione di l'interazione trà a superficia di u materiale è u materiale biologicu. Furnimu dinù a basa per studii allargati à cortu è longu andà di i so pussibuli impatti nantu à l'ecosistemi d'acqua dolce, chì ponu esse avà facilmente verificati.
L'MXeni rapprisentanu una classa interessante di materiali cù proprietà fisiche è chimiche uniche è attraenti è dunque parechje applicazioni potenziali. Queste proprietà dipendenu in larga misura da a so stechiometria è da a chimica di a superficia. Dunque, in u nostru studiu, avemu investigatu dui tipi di MXeni gerarchichi à stratu unicu (SL) basati nantu à Nb, Nb2CTx è Nb4C3TX, postu chì si puderanu osservà diversi effetti biologichi di questi nanomateriali. L'MXeni sò prudutti da i so materiali di partenza per incisione selettiva top-down di strati A di fase MAX atomicamente sottili. A fase MAX hè una ceramica ternaria cumposta da blocchi "legati" di carburi di metalli di transizione è strati sottili di elementi "A" cum'è Al, Si è Sn cù stechiometria MnAXn-1. A morfologia di a fase MAX iniziale hè stata osservata per microscopia elettronica à scansione (SEM) è era coerente cù studii precedenti (vede informazioni supplementari, SI, Figura S1). U Nb-MXene multistrato (ML) hè statu ottenutu dopu avè eliminatu u stratu di Al cù 48% HF (acidu fluoridrico). A murfulugia di ML-Nb2CTx è ML-Nb4C3TX hè stata esaminata per microscopia elettronica à scansione (SEM) (Figure S1c è S1d rispettivamente) è hè stata osservata una murfulugia tipica di MXene stratificatu, simile à i nanofiocchi bidimensionali chì passanu per fessure allungate simili à pori. Tramindui i Nb-MXeni anu assai in cumunu cù e fasi MXene sintetizate prima per incisione acida27,38. Dopu avè cunfirmatu a struttura di MXene, l'avemu stratificata per intercalazione di idrossidu di tetrabutilammoniu (TBAOH) seguita da lavaggio è sonicazione, dopu à quale avemu ottenutu nanofiocchi di Nb-MXene 2D à stratu unicu o à stratu bassu (SL).
Avemu utilizatu a microscopia elettronica à trasmissione d'alta risoluzione (HRTEM) è a diffrazione di raggi X (XRD) per testà l'efficienza di l'incisione è di l'ulteriore sbucciatura. I risultati HRTEM trattati cù a Trasfurmata Inversa di Fourier Rapida (IFFT) è a Trasfurmata Rapida di Fourier (FFT) sò mostrati in a Fig. 2. I nanofiocchi di Nb-MXene sò stati orientati cù u bordu in altu per verificà a struttura di u stratu atomicu è misurà e distanze interplanari. L'imaghjini HRTEM di i nanofiocchi di MXene Nb2CTx è Nb4C3TX anu rivelatu a so natura a strati atomicamente fini (vede Fig. 2a1, a2), cum'è riportatu prima da Naguib et al.27 è Jastrzębska et al.38. Per dui monostrati adiacenti di Nb2CTx è Nb4C3Tx, avemu determinatu distanze interstrati di 0,74 è 1,54 nm, rispettivamente (Fig. 2b1,b2), chì hè ancu in cunfurmità cù i nostri risultati precedenti38. Questu hè statu cunfirmatu ancu di più da a trasfurmata inversa di Fourier rapida (Fig. 2c1, c2) è a trasfurmata rapida di Fourier (Fig. 2d1, d2) chì mostranu a distanza trà i monostrati Nb2CTx è Nb4C3Tx. L'imagine mostra un'alternanza di bande chiare è scure currispondenti à l'atomi di niobiu è di carboniu, ciò chì cunfirma a natura stratificata di i MXeni studiati. Hè impurtante nutà chì i spettri di spettroscopia à raggi X à dispersione d'energia (EDX) ottenuti per Nb2CTx è Nb4C3Tx (Figure S2a è S2b) ùn anu mostratu alcun residuu di a fase MAX originale, postu chì ùn hè statu rilevatu alcun piccu di Al.
Caratterizazione di i nanofiocchi SL Nb2CTx è Nb4C3Tx MXene, cumprese (a) imaging 2D di nanofiocchi in vista laterale per microscopia elettronica ad alta risoluzione (HRTEM) è currispundente, (b) modu d'intensità, (c) trasformata inversa di Fourier rapida (IFFT), (d) trasformata rapida di Fourier (FFT), (e) mudelli di raggi X di Nb-MXenes. Per SL 2D Nb2CTx, i numeri sò espressi cum'è (a1, b1, c1, d1, e1). Per SL 2D Nb4C3Tx, i numeri sò espressi cum'è (a2, b2, c2, d2, e1).
E misurazioni di diffrazione di raggi X di i MXeni SL Nb2CTx è Nb4C3Tx sò mostrate in e Fig. 2e1 è e2, rispettivamente. I picchi (002) à 4.31 è 4.32 currispondenu à i MXeni stratificati Nb2CTx è Nb4C3TX38,39,40,41 descritti prima rispettivamente. I risultati XRD indicanu ancu a presenza di alcune strutture ML residuali è fasi MAX, ma soprattuttu mudelli XRD assuciati à SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2). A presenza di particelle più chjuche di a fase MAX pò spiegà u piccu MAX più forte paragunatu à i strati Nb4C3Tx impilati à casu.
Ulteriori ricerche si sò cuncentrate nantu à e microalghe verdi chì appartenenu à a spezia R. subcapitata. Avemu sceltu e microalghe perchè sò pruduttori impurtanti implicati in e principali reti alimentari42. Sò ancu unu di i migliori indicatori di tossicità per via di a capacità di rimuovere e sostanze tossiche chì sò purtate à livelli più alti di a catena alimentaria43. Inoltre, a ricerca nantu à R. subcapitata pò fà luce nantu à a tossicità incidentale di SL Nb-MXenes per i microrganismi cumuni d'acqua dolce. Per illustrà questu, i circadori anu ipotizzatu chì ogni microbu hà una sensibilità diversa à i cumposti tossichi presenti in l'ambiente. Per a maiò parte di l'organismi, e basse concentrazioni di sostanze ùn influenzanu micca a so crescita, mentre chì e concentrazioni sopra un certu limite ponu inibirle o ancu causà a morte. Dunque, per i nostri studii di l'interazione superficiale trà microalghe è MXenes è a ripresa assuciata, avemu decisu di testà e concentrazioni innocue è tossiche di Nb-MXenes. Per fà questu, avemu testatu cuncentrazioni di 0 (cum'è riferimentu), 0,01, 0,1 è 10 mg l-1 MXene è avemu ancu infettatu microalghe cù cuncentrazioni assai elevate di MXene (100 mg l-1 MXene), chì ponu esse estreme è letali per qualsiasi ambiente biologicu.
L'effetti di SL Nb-MXenes nantu à e microalghe sò mostrati in a Figura 3, espressi cum'è a percentuale di prumuzione di a crescita (+) o inibizione (-) misurata per campioni di 0 mg l-1. Per paragone, a fase Nb-MAX è ML Nb-MXenes sò stati ancu testati è i risultati sò mostrati in SI (vede Fig. S3). I risultati ottenuti anu cunfirmatu chì SL Nb-MXenes hè guasi cumpletamente privu di tossicità in l'intervallu di basse concentrazioni da 0,01 à 10 mg/l, cum'è mostratu in Fig. 3a,b. In u casu di Nb2CTx, ùn avemu osservatu più di 5% di ecotossicità in l'intervallu specificatu.
Stimulazione (+) o inibizione (-) di a crescita di microalghe in presenza di SL (a) Nb2CTx è (b) Nb4C3TX MXene. 24, 48 è 72 ore d'interazione MXene-microalghe sò state analizate. I dati significativi (test t, p < 0,05) sò stati marcati cù un asteriscu (*). I dati significativi (test t, p < 0,05) sò stati marcati cù un asteriscu (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). I dati significativi (test t, p < 0,05) sò marcati cù un asteriscu (*).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 (*). I dati impurtanti (test t, p < 0,05) sò marcati cù un asteriscu (*).E frecce rosse indicanu l'abolizione di a stimulazione inibitoria.
Da l’altra parte, e basse concentrazioni di Nb4C3TX sò risultate ligeramente più tossiche, ma micca più alte di 7%. Cum’è previstu, avemu osservatu chì l’MXeni avianu una tossicità è una inibizione di a crescita di e microalghe più elevate à 100 mg L-1. Hè interessante nutà chì nisunu di i materiali hà mostratu a listessa tendenza è dipendenza da u tempu di l’effetti atossici/tossici paragunatu à i campioni MAX o ML (vede SI per i dettagli). Mentre chì per a fase MAX (vede Fig. S3) a tossicità hà righjuntu circa u 15-25% è hè aumentata cù u tempu, a tendenza inversa hè stata osservata per SL Nb2CTx è Nb4C3TX MXene. L’inibizione di a crescita di e microalghe hè diminuita cù u tempu. Hà righjuntu circa u 17% dopu à 24 ore è hè cascata à menu di u 5% dopu à 72 ore (Fig. 3a, b, rispettivamente).
Più impurtante, per SL Nb4C3TX, l'inibizione di a crescita di e microalghe hà righjuntu circa u 27% dopu à 24 ore, ma dopu à 72 ore hè diminuita à circa l'1%. Dunque, avemu etichettatu l'effettu osservatu cum'è inibizione inversa di a stimulazione, è l'effettu era più forte per SL Nb4C3TX MXene. A stimulazione di a crescita di e microalghe hè stata nutata prima cù Nb4C3TX (interazione à 10 mg L-1 per 24 ore) paragunata à SL Nb2CTx MXene. L'effettu d'inversione di l'inibizione-stimulazione hè statu ancu ben mostratu in a curva di u tassu di radduppiu di a biomassa (vede Fig. S4 per i dettagli). Finu à avà, solu l'ecotossicità di Ti3C2TX MXene hè stata studiata in modi diversi. Ùn hè micca tossicu per l'embrioni di zebrafish44 ma moderatamente ecotossicu per e piante di microalghe Desmodesmus quadricauda è Sorghum saccharatum45. Altri esempi di effetti specifici includenu una tossicità più alta per e linee cellulari cancerose chè per e linee cellulari nurmali46,47. Si puderebbe suppone chì e cundizioni di prova influenzanu i cambiamenti in a crescita di e microalghe osservate in presenza di Nb-MXenes. Per esempiu, un pH di circa 8 in u stroma di u cloroplastu hè ottimale per un funziunamentu efficiente di l'enzima RuBisCO. Dunque, i cambiamenti di pH influenzanu negativamente a velocità di fotosintesi48,49. Tuttavia, ùn avemu micca osservatu cambiamenti significativi in ​​u pH durante l'esperimentu (vede SI, Fig. S5 per i dettagli). In generale, e culture di microalghe cù Nb-MXenes anu riduttu ligeramente u pH di a suluzione cù u tempu. Tuttavia, sta diminuzione era simile à un cambiamentu in u pH di un mezu puru. Inoltre, a gamma di variazioni truvate era simile à quella misurata per una cultura pura di microalghe (campione di cuntrollu). Cusì, cuncludemu chì a fotosintesi ùn hè micca affettata da i cambiamenti in u pH cù u tempu.
Inoltre, i MXeni sintetizzati anu terminazioni superficiali (indicate cum'è Tx). Quessi sò principalmente gruppi funziunali -O, -F è -OH. Tuttavia, a chimica di a superficia hè direttamente ligata à u metudu di sintesi. Sti gruppi sò cunnisciuti per esse distribuiti aleatoriamente nantu à a superficia, rendendu difficiule di prevede u so effettu nantu à e proprietà di MXene50. Si pò sustene chì Tx puderia esse a forza catalitica per l'ossidazione di u niobiu da a luce. I gruppi funziunali di a superficia furniscenu in effetti parechji siti di ancoraggio per i so fotocatalizatori sottostanti per furmà eterogiunzioni51. Tuttavia, a cumpusizione di u mezu di crescita ùn hà micca furnitu un fotocatalizatore efficace (a cumpusizione dettagliata di u mezu pò esse truvata in a Tabella SI S6). Inoltre, qualsiasi mudificazione di a superficia hè ancu assai impurtante, postu chì l'attività biologica di i MXeni pò esse alterata per via di u post-elaborazione di u stratu, l'ossidazione, a mudificazione chimica di a superficia di cumposti organici è inorganici52,53,54,55,56 o l'ingegneria di carica superficiale38. Dunque, per verificà s'ellu l'ossidu di niobiu hà qualcosa à chì vede cù l'instabilità di u materiale in u mezu, avemu realizatu studii di u putenziale zeta (ζ) in u mezu di crescita di microalghe è in acqua deionizzata (per paragone). I nostri risultati mostranu chì l'SL Nb-MXenes sò abbastanza stabili (vede SI Fig. S6 per i risultati MAX è ML). U putenziale zeta di l'SL MXenes hè circa -10 mV. In u casu di SR Nb2CTx, u valore di ζ hè un pocu più negativu chè quellu di Nb4C3Tx. Un tale cambiamentu in u valore ζ pò indicà chì a superficia di i nanofiocchi di MXene carichi negativamente assorbe ioni carichi pusitivamente da u mezu di cultura. E misurazioni temporali di u putenziale zeta è di a cunduttività di l'Nb-MXenes in u mezu di cultura (vede e Figure S7 è S8 in SI per più dettagli) parenu sustene a nostra ipotesi.
Tuttavia, i dui SL di Nb-MXene anu mostratu cambiamenti minimi da zero. Questu dimostra chjaramente a so stabilità in u mezu di crescita di microalghe. Inoltre, avemu valutatu se a presenza di e nostre microalghe verdi affetterebbe a stabilità di Nb-MXeni in u mezu. I risultati di u putenziale zeta è di a cunduttività di MXeni dopu l'interazione cù e microalghe in i mezi nutritivi è a cultura cù u tempu si ponu truvà in SI (Figure S9 è S10). Hè interessante nutà chì a presenza di microalghe pare stabilizà a dispersione di i dui MXeni. In u casu di Nb2CTx SL, u putenziale zeta hè ancu ligeramente diminuitu cù u tempu à valori più negativi (-15,8 versus -19,1 mV dopu 72 ore di incubazione). U putenziale zeta di SL Nb4C3TX hè aumentatu ligeramente, ma dopu 72 ore hà sempre mostratu una stabilità più alta chè i nanofiocchi senza a presenza di microalghe (-18,1 versus -9,1 mV).
Avemu ancu trovu una cunduttività più bassa di e suluzioni di Nb-MXene incubate in presenza di microalghe, chì indicanu una quantità più bassa di ioni in u mezu nutritivu. In particulare, l'instabilità di l'MXeni in acqua hè principalmente dovuta à l'ossidazione superficiale57. Dunque, suspettemu chì e microalghe verdi anu in qualchì modu eliminatu l'ossidi furmati nantu à a superficia di Nb-MXene è ancu impeditu a so presenza (ossidazione di MXene). Questu pò esse vistu studiendu i tipi di sustanzi assorbiti da e microalghe.
Mentre i nostri studii ecotossicologichi anu indicatu chì e microalghe eranu capaci di superà a tossicità di i Nb-MXeni cù u tempu è l'inibizione insolita di a crescita stimulata, u scopu di u nostru studiu era di investigà i pussibuli meccanismi d'azione. Quandu l'organismi cum'è l'alghe sò esposti à cumposti o materiali micca familiari à i so ecosistemi, ponu reagisce in una varietà di modi58,59. In assenza d'ossidi metallichi tossichi, e microalghe ponu nutrisce si da sole, permettendu li di cresce continuamente60. Dopu l'ingestione di sustanzi tossichi, i meccanismi di difesa ponu esse attivati, cum'è cambià forma o forma. A pussibilità d'assorbimentu deve ancu esse cunsiderata58,59. In particulare, ogni segnu di un mecanismu di difesa hè un indicatore chjaru di a tossicità di u compostu di prova. Dunque, in u nostru ulteriore travagliu, avemu investigatu a putenziale interazione superficiale trà i nanofiocchi SL Nb-MXene è e microalghe per SEM è a pussibile assorbimentu di MXene à basa di Nb per spettroscopia di fluorescenza à raggi X (XRF). Nutate bè chì l'analisi SEM è XRF sò state realizate solu à a più alta concentrazione di MXene per affruntà i prublemi di tossicità di l'attività.
I risultati SEM sò mostrati in Fig.4. E cellule di microalghe micca trattate (vede Fig. 4a, campione di riferimentu) anu mostratu chjaramente una morfologia tipica di R. subcapitata è una forma cellulare simile à un croissant. E cellule parenu appiattite è un pocu disurganizate. Alcune cellule di microalghe si sovrapponevanu è si intricciavanu trà di elle, ma questu era probabilmente causatu da u prucessu di preparazione di u campione. In generale, e cellule di microalghe pure avianu una superficia liscia è ùn anu mostratu alcun cambiamentu morfologicu.
Imagine SEM chì mostranu l'interazione superficiale trà e microalghe verdi è i nanosheets di MXene dopu à 72 ore d'interazione à cuncentrazione estrema (100 mg L-1). (a) Microalghe verdi micca trattate dopu à l'interazione cù SL (b) Nb2CTx è (c) Nb4C3TX MXenes. Nutate bè chì i nanosheets di Nb-MXene sò marcati cù frecce rosse. Per paragone, sò state aghjunte ancu fotografie da un microscopiu otticu.
In cuntrastu, e cellule di microalghe adsorbite da i nanofiocchi SL Nb-MXene sò state danneggiate (vede Fig. 4b, c, frecce rosse). In u casu di Nb2CTx MXene (Fig. 4b), e microalghe tendenu à cresce cù nanoscale bidimensionali attaccate, chì ponu cambià a so morfologia. In particulare, avemu ancu osservatu questi cambiamenti sottu microscopia ottica (vede SI Figura S11 per i dettagli). Questa transizione morfologica hà una basa plausibile in a fisiologia di e microalghe è a so capacità di difendesi cambiendu a morfologia cellulare, cum'è l'aumentu di u vulume cellulare61. Dunque, hè impurtante verificà u numeru di cellule di microalghe chì sò effettivamente in cuntattu cù Nb-MXeni. Studi SEM anu dimustratu chì circa u 52% di e cellule di microalghe sò state esposte à Nb-MXeni, mentre chì u 48% di queste cellule di microalghe anu evitatu u cuntattu. Per SL Nb4C3Tx MXene, e microalghe cercanu d'evità u cuntattu cù MXene, lucalizendusi è crescendu cusì da nanoscale bidimensionali (Fig. 4c). Tuttavia, ùn avemu micca osservatu a penetrazione di nanoscale in e cellule di microalghe è i so danni.
L'autoconservazione hè ancu un cumpurtamentu di risposta dipendente da u tempu à u bloccu di a fotosintesi per via di l'adsorbimentu di particelle nantu à a superficia cellulare è u cusì dettu effettu di ombreggiatura (shading)62. Hè chjaru chì ogni ughjettu (per esempiu, nanofiocchi di Nb-MXene) chì si trova trà e microalghe è a fonte di luce limita a quantità di luce assorbita da i cloroplasti. Tuttavia, ùn avemu micca dubbitu chì questu hà un impattu significativu nantu à i risultati ottenuti. Cum'è dimustratu da e nostre osservazioni microscopiche, i nanofiocchi 2D ùn eranu micca cumpletamente avvolti o aderiti à a superficia di e microalghe, ancu quandu e cellule di microalghe eranu in cuntattu cù Nb-MXeni. Invece, i nanofiocchi sò risultati orientati versu e cellule di microalghe senza copre a so superficia. Un tale inseme di nanofiocchi/microalghe ùn pò micca limità significativamente a quantità di luce assorbita da e cellule di microalghe. Inoltre, alcuni studii anu ancu dimustratu un miglioramentu di l'assorbimentu di luce da l'organismi fotosintetici in presenza di nanomateriali bidimensionali63,64,65,66.
Siccomu l'imaghjini SEM ùn anu pussutu cunfirmà direttamente l'assorbimentu di niobiu da e cellule microalghe, u nostru studiu ulteriore si hè rivoltu à l'analisi di fluorescenza à raggi X (XRF) è di spettroscopia fotoelettronica à raggi X (XPS) per chiarificà stu prublema. Dunque, avemu paragunatu l'intensità di i picchi di Nb di i campioni di microalghe di riferimentu chì ùn anu micca interagitu cù l'MXeni, i nanofiocchi di MXene staccati da a superficia di e cellule microalghe, è e cellule microalghe dopu a rimozione di l'MXeni attaccati. Vale a pena nutà chì s'ellu ùn ci hè micca assorbimentu di Nb, u valore di Nb ottenutu da e cellule microalghe deve esse zero dopu a rimozione di e nanoscale attaccate. Dunque, se si verifica un assorbimentu di Nb, i risultati XRF è XPS devenu mustrà un piccu di Nb chjaru.
In u casu di i spettri XRF, i campioni di microalghe anu mostratu picchi di Nb per SL Nb2CTx è Nb4C3Tx MXene dopu l'interazzione cù SL Nb2CTx è Nb4C3Tx MXene (vede Fig. 5a, nutate ancu chì i risultati per MAX è ML MXene sò mostrati in SI, Fig. S12-C17). Hè interessante nutà chì l'intensità di u piccu di Nb hè a listessa in i dui casi (barre rosse in Fig. 5a). Questu indicava chì l'alghe ùn pudianu micca assorbe più Nb, è a capacità massima di accumulazione di Nb hè stata ottenuta in e cellule, ancu s'è duie volte più Nb4C3Tx MXene era attaccatu à e cellule di microalghe (barre blu in Fig. 5a). In particulare, a capacità di e microalghe di assorbe i metalli dipende da a cuncentrazione di ossidi metallichi in l'ambiente67,68. Shamshada et al.67 anu trovu chì a capacità di assorbimentu di l'alghe d'acqua dolce diminuisce cù l'aumentu di u pH. Raize et al.68 anu nutatu chì a capacità di l'alga d'assorbe i metalli era circa 25% più alta per u Pb2+ chè per u Ni2+.
(a) Risultati XRF di l'assorbimentu basale di Nb da e cellule di microalghe verdi incubate à una cuncentrazione estrema di SL Nb-MXenes (100 mg L-1) per 72 ore. I risultati mostranu a presenza di α in cellule di microalghe pure (campione di cuntrollu, colonne grigie), nanofiocchi 2D isolati da e cellule di microalghe superficiali (colonne blu), è cellule di microalghe dopu a separazione di nanofiocchi 2D da a superficia (colonne rosse). A quantità di Nb elementale, (b) percentuale di cumpusizione chimica di i cumpunenti organici di e microalghe (C=O è CHx/C–O) è ossidi di Nb presenti in e cellule di microalghe dopu l'incubazione cù SL Nb-MXenes, (c–e) Adattamentu di u piccu cumposizionale di i spettri XPS SL Nb2CTx è (fh) SL Nb4C3Tx MXene internalizatu da e cellule di microalghe.
Dunque, ci aspettavamu chì Nb puderia esse assorbitu da e cellule algali in forma d'ossidi. Per pruvà questu, avemu realizatu studii XPS nantu à MXenes Nb2CTx è Nb4C3TX è cellule d'alga. I risultati di l'interazzione di microalghe cù Nb-MXenes è MXenes isolati da cellule d'alga sò mostrati in Fig. 5b. Cum'è previstu, avemu rilevatu picchi Nb 3d in i campioni di microalghe dopu a rimozione di MXene da a superficia di e microalghe. A determinazione quantitativa di C=O, CHx/CO, è ossidi Nb hè stata calculata basendu si nantu à i spettri Nb 3d, O 1s, è C 1s ottenuti cù Nb2CTx SL (Fig. 5c-e) è Nb4C3Tx SL (Fig. 5c-e). ) ottenuti da microalghe incubate. Figura 5f-h) MXenes. A Tavula S1-3 mostra i dettagli di i parametri di piccu è a chimica generale risultante da l'adattamentu. Hè da nutà chì e regioni Nb 3d di Nb2CTx SL è Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) currispondenu à un cumpunente Nb2O5. Quì, ùn avemu trovu picchi ligati à MXene in i spettri, ciò chì indica chì e cellule microalghe assorbenu solu a forma d'ossidu di Nb. Inoltre, avemu apprussimatu u spettru C 1 s cù i cumpunenti C–C, CHx/C–O, C=O, è –COOH. Avemu assignatu i picchi CHx/C–O è C=O à u cuntributu organicu di e cellule microalghe. Quessi cumpunenti organici rapprisentanu u 36% è u 41% di i picchi C 1s in Nb2CTx SL è Nb4C3TX SL, rispettivamente. Avemu dopu adattatu i spettri O 1s di SL Nb2CTx è SL Nb4C3TX cù Nb2O5, cumpunenti organici di microalghe (CHx/CO), è acqua adsorbita in superficia.
Infine, i risultati XPS anu indicatu chjaramente a forma di Nb, micca solu a so presenza. Sicondu a pusizione di u signale Nb 3d è i risultati di a deconvoluzione, cunfermemu chì Nb hè assorbitu solu in forma d'ossidi è micca d'ioni o di MXene stessu. Inoltre, i risultati XPS anu dimustratu chì e cellule microalghe anu una maggiore capacità di assorbe l'ossidi di Nb da SL Nb2CTx paragunatu à SL Nb4C3TX MXene.
Mentre i nostri risultati di assorbimentu di Nb sò impressiunanti è ci permettenu di identificà a degradazione di MXene, ùn ci hè micca metudu dispunibule per seguità i cambiamenti morfologichi assuciati in i nanofiocchi 2D. Dunque, avemu ancu decisu di sviluppà un metudu adattatu chì pò risponde direttamente à qualsiasi cambiamentu chì si verifica in i nanofiocchi 2D di Nb-MXene è e cellule di microalghe. Hè impurtante nutà chì supponemu chì se e spezie interagenti subiscenu qualsiasi trasfurmazione, decomposizione o deframmentazione, questu duveria manifestassi rapidamente cum'è cambiamenti in i parametri di forma, cum'è u diametru di l'area circulare equivalente, a rotondità, a larghezza di Feret, o a lunghezza di Feret. Siccomu questi parametri sò adatti per discrive particelle allungate o nanofiocchi bidimensionali, u so seguimentu per analisi dinamica di a forma di e particelle ci darà informazioni preziose nantu à a trasfurmazione morfologica di i nanofiocchi SL di Nb-MXene durante a riduzione.
I risultati ottenuti sò mostrati in a Figura 6. Per paragone, avemu ancu testatu a fase MAX originale è i ML-MXeni (vede e Figure SI S18 è S19). L'analisi dinamica di a forma di e particelle hà dimustratu chì tutti i parametri di forma di dui SL di Nb-MXene sò cambiati significativamente dopu l'interazzione cù e microalghe. Cum'è mostratu da u parametru di diametru di l'area circulare equivalente (Fig. 6a, b), l'intensità di piccu ridutta di a frazione di grandi nanofiocchi indica chì tendenu à decadere in frammenti più chjuchi. In a fig. 6c, d mostra una diminuzione di i picchi assuciati à a dimensione trasversale di i fiocchi (allungamentu di i nanofiocchi), chì indica a trasfurmazione di nanofiocchi 2D in una forma più simile à e particelle. A Figura 6e-h mostra a larghezza è a lunghezza di u Feret, rispettivamente. A larghezza è a lunghezza di u Feret sò parametri cumplementari è devenu dunque esse cunsiderate inseme. Dopu l'incubazione di nanofiocchi 2D di Nb-MXene in presenza di microalghe, i so picchi di currelazione di Feret si sò spostati è a so intensità hè diminuita. Basendu si nantu à sti risultati in cumbinazione cù a morfologia, XRF è XPS, avemu cunclusu chì i cambiamenti osservati sò strettamente ligati à l'ossidazione, postu chì l'MXeni ossidati diventanu più rugosi è si decomponenu in frammenti è particelle d'ossidu sferiche69,70.
Analisi di a trasfurmazione di MXene dopu l'interazzione cù microalghe verdi. L'analisi dinamica di a forma di e particelle tene contu di parametri cum'è (a, b) diametru di l'area circulare equivalente, (c, d) rotondità, (e, f) larghezza di Feret è (g, h) lunghezza di Feret. À questu scopu, dui campioni di microalghe di riferimentu sò stati analizati inseme cù MXeni SL Nb2CTx è SL Nb4C3Tx primari, MXeni SL Nb2CTx è SL Nb4C3Tx, microalghe degradate è MXeni SL Nb2CTx è SL Nb4C3Tx trattati. E frecce rosse mostranu e transizioni di i parametri di forma di i nanofiocchi bidimensionali studiati.
Siccomu l'analisi di i parametri di forma hè assai affidabile, pò ancu rivelà cambiamenti morfologichi in e cellule di microalghe. Dunque, avemu analizatu u diametru di l'area circulare equivalente, a rotondità è a larghezza/lunghezza di Feret di e cellule di microalghe pure è di e cellule dopu l'interazzione cù i nanofiocchi di Nb 2D. In a figura 6a-h si mostranu cambiamenti in i parametri di forma di e cellule di alghe, cum'è evidenziatu da una diminuzione di l'intensità di u piccu è un cambiamentu di i massimi versu valori più alti. In particulare, i parametri di rotondità cellulare anu mostratu una diminuzione di e cellule allungate è un aumentu di e cellule sferiche (Fig. 6a, b). Inoltre, a larghezza di e cellule di Feret hè aumentata di parechji micrometri dopu l'interazzione cù SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) paragunatu à SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f). Suspettemu chì questu pò esse duvutu à a forte assunzione di ossidi di Nb da e microalghe dopu l'interazzione cù Nb2CTx SR. Un attaccamentu menu rigidu di i fiocchi di Nb à a so superficia pò purtà à una crescita cellulare cù un effettu di ombreggiatura minimu.
E nostre osservazioni di cambiamenti in i parametri di a forma è di a dimensione di e microalghe cumplementanu altri studii. E microalghe verdi ponu cambià a so morfologia in risposta à u stress ambientale cambiendu a dimensione, a forma o u metabolismu di e cellule61. Per esempiu, cambià a dimensione di e cellule facilita l'assorbimentu di nutrienti71. E cellule d'alghe più chjuche mostranu un assorbimentu di nutrienti più bassu è un tassu di crescita alteratu. À u cuntrariu, e cellule più grande tendenu à cunsumà più nutrienti, chì sò poi depositati intracellularmente72,73. Machado è Soares anu trovu chì u fungicida triclosan pò aumentà a dimensione di e cellule. Anu ancu trovu cambiamenti prufondi in a forma di l'alghe74. Inoltre, Yin et al.9 anu ancu rivelatu cambiamenti morfologichi in l'alghe dopu l'esposizione à nanocompositi di ossidu di grafene riduttu. Dunque, hè chjaru chì i parametri di dimensione/forma alterati di e microalghe sò causati da a presenza di MXene. Siccomu questu cambiamentu di dimensione è forma hè indicativu di cambiamenti in l'assorbimentu di nutrienti, credemu chì l'analisi di i parametri di dimensione è forma in u tempu pò dimustrà l'assorbimentu di l'ossidu di niobiu da e microalghe in presenza di Nb-MXeni.
Inoltre, l'MXeni ponu esse ossidati in presenza d'alghe. Dalai et al.75 anu osservatu chì a morfologia di l'alghe verdi esposte à nano-TiO2 è Al2O376 ùn era micca uniforme. Ancu s'è e nostre osservazioni sò simili à u presente studiu, hè pertinente solu per u studiu di l'effetti di a biorimediazione in termini di prudutti di degradazione di l'MXene in presenza di nanofiocchi 2D è micca di nanoparticelle. Siccomu l'MXeni ponu degradà si in ossidi metallichi,31,32,77,78 hè raghjonevule di suppone chì i nostri nanofiocchi di Nb ponu ancu furmà ossidi di Nb dopu avè interagitu cù e cellule di microalghe.
Per spiegà a riduzione di i nanofiocchi 2D-Nb per via di un mecanismu di decomposizione basatu annantu à u prucessu d'ossidazione, avemu realizatu studii utilizendu a microscopia elettronica à trasmissione d'alta risoluzione (HRTEM) (Fig. 7a,b) è a spettroscopia fotoelettronica à raggi X (XPS) (Fig. 7). 7c-i è tabelle S4-5). Tramindui l'approcci sò adatti per studià l'ossidazione di i materiali 2D è si cumplementanu. HRTEM hè capace di analizà a degradazione di strutture stratificate bidimensionali è a successiva apparizione di nanoparticelle d'ossidu metallicu, mentre chì XPS hè sensibile à i ligami superficiali. Per questu scopu, avemu testatu nanofiocchi 2D Nb-MXene estratti da dispersioni cellulari di microalghe, vale à dì, a so forma dopu l'interazione cù e cellule di microalghe (vede Fig. 7).
Imagine HRTEM chì mostranu a morfologia di (a) SL Nb2CTx è (b) SL Nb4C3Tx MXenes ossidati, risultati di l'analisi XPS chì mostranu (c) a cumpusizione di i prudutti d'ossidu dopu a riduzione, (d-f) currispundenza di piccu di i cumpunenti di i spettri XPS di SL Nb2CTx è (g-i) Nb4C3Tx SL riparati cù microalghe verdi.
Studi HRTEM anu cunfirmatu l'ossidazione di dui tipi di nanofiocchi di Nb-MXene. Ancu s'è i nanofiocchi anu cunservatu a so morfologia bidimensionale in una certa misura, l'ossidazione hà purtatu à l'apparizione di parechje nanoparticule chì cuprianu a superficia di i nanofiocchi di MXene (vede Fig. 7a,b). L'analisi XPS di i signali c Nb 3d è O 1s hà indicatu chì l'ossidi di Nb sò stati furmati in i dui casi. Cum'è mostratu in a Figura 7c, i signali 2D MXene Nb2CTx è Nb4C3TX anu signali Nb 3d chì indicanu a presenza di ossidi NbO è Nb2O5, mentre chì i signali O 1s indicanu u numeru di ligami O-Nb assuciati à a funziunalizazione di a superficia di i nanofiocchi 2D. Avemu nutatu chì u cuntributu di l'ossidu di Nb hè duminante paragunatu à Nb-C è Nb3+-O.
In a figura 7g-i, e figure 7g-i mostranu i spettri XPS di Nb 3d, C 1s, è O 1s SL Nb2CTx (vede e figure 7d-f) è SL Nb4C3TX MXene isolatu da e cellule di microalghe. I dettagli di i parametri di piccu di Nb-MXenes sò furniti in e Tabelle S4-5, rispettivamente. Avemu prima analizatu a cumpusizione di Nb 3d. In cuntrastu cù Nb assorbitu da e cellule di microalghe, in MXene isolatu da e cellule di microalghe, fora di Nb2O5, sò stati trovati altri cumpunenti. In u Nb2CTx SL, avemu osservatu u cuntributu di Nb3+-O in a quantità di 15%, mentre chì u restu di u spettru Nb 3d era duminatu da Nb2O5 (85%). Inoltre, u campione SL Nb4C3TX cuntene cumpunenti Nb-C (9%) è Nb2O5 (91%). Quì, Nb-C vene da dui strati atomichi interni di carburu metallicu in Nb4C3Tx SR. Dopu, mappamu i spettri C 1s à quattru cumpunenti diversi, cum'è avemu fattu in i campioni internalizati. Cum'è previstu, u spettru C 1s hè duminatu da u carbone grafiticu, seguitatu da cuntribuzioni di particelle organiche (CHx/CO è C=O) da cellule microalghe. Inoltre, in u spettru O 1s, avemu osservatu u cuntributu di forme organiche di cellule microalghe, ossidu di niobiu è acqua adsorbita.
Inoltre, avemu investigatu se a scissione di Nb-MXenes hè assuciata à a presenza di spezie reattive di l'ossigenu (ROS) in u mezu nutritivu è/o in e cellule di microalghe. À questu scopu, avemu valutatu i livelli di ossigenu singlettu (1O2) in u mezu di cultura è u glutatione intracellulare, un tiolu chì agisce cum'è antioxidante in e microalghe. I risultati sò mostrati in SI (Figure S20 è S21). E culture cù SL Nb2CTx è Nb4C3TX MXenes sò state carattarizate da una quantità ridutta di 1O2 (vede Figura S20). In u casu di SL Nb2CTx, MXene 1O2 hè riduttu à circa 83%. Per e culture di microalghe chì utilizanu SL, Nb4C3TX 1O2 hè diminuitu ancu di più, à 73%. Hè interessante nutà chì i cambiamenti in 1O2 anu mostratu a stessa tendenza di l'effettu inhibitoriu-stimulatoriu osservatu prima (vede Fig. 3). Si pò sustene chì l'incubazione in luce intensa pò alterà a fotoossidazione. Tuttavia, i risultati di l'analisi di cuntrollu anu mostratu livelli guasi custanti di 1O2 durante l'esperimentu (Fig. S22). In u casu di i livelli ROS intracellulari, avemu ancu osservatu a stessa tendenza à a calata (vede a Figura S21). Inizialmente, i livelli di ROS in e cellule di microalghe cultivate in presenza di Nb2CTx è Nb4C3Tx SL anu superatu i livelli truvati in culture pure di microalghe. Infine, però, hè parsu chì e microalghe si sò adattate à a presenza di i dui Nb-MXeni, postu chì i livelli di ROS sò diminuiti à 85% è 91% di i livelli misurati in culture pure di microalghe inoculate cù SL Nb2CTx è Nb4C3TX, rispettivamente. Questu pò indicà chì e microalghe si sentenu più comode cù u tempu in presenza di Nb-MXene chè in u solu mezu nutritivu.
E microalghe sò un gruppu diversu d'organismi fotosintetici. Durante a fotosintesi, cunvertenu u diossidu di carbonu atmosfericu (CO2) in carbonu organicu. I prudutti di a fotosintesi sò glucosiu è ossigenu79. Suspettemu chì l'ossigenu cusì furmatu ghjoca un rolu criticu in l'ossidazione di i Nb-MXeni. Una pussibile spiegazione per questu hè chì u parametru di aerazione differenziale si forma à basse è alte pressioni parziali di ossigenu fora è in l'internu di i nanofiocchi di Nb-MXene. Questu significa chì induve ci sò zone di diverse pressioni parziali di ossigenu, a zona cù u livellu u più bassu formerà l'anodu 80, 81, 82. Quì, e microalghe cuntribuiscenu à a creazione di cellule aerate differenzialmente nantu à a superficia di i fiocchi di MXene, chì producenu ossigenu per via di e so proprietà fotosintetiche. Di cunsiguenza, si formanu prudutti di biocorrosione (in questu casu, ossidi di niobiu). Un altru aspettu hè chì e microalghe ponu pruduce acidi organici chì sò liberati in l'acqua83,84. Dunque, si forma un ambiente aggressivu, cambiendu cusì i Nb-MXeni. Inoltre, e microalghe ponu cambià u pH di l'ambiente à alcalinu per via di l'assorbimentu di diossidu di carbonu, chì pò ancu causà currusione79.
Più impurtante, u fotoperiodu scuru/chjaru utilizatu in u nostru studiu hè cruciale per capisce i risultati ottenuti. Questu aspettu hè discrittu in dettagliu in Djemai-Zoghlache et al. 85 Anu utilizatu deliberatamente un fotoperiodu di 12/12 ore per dimustrà a biocorrosione assuciata à u biofouling da a microalga rossa Porphyridium purpureum. Mostranu chì u fotoperiodu hè assuciatu cù l'evoluzione di u putenziale senza biocorrosione, manifestendu si cum'è oscillazioni pseudoperiodiche intornu à 24:00. Queste osservazioni sò state cunfirmate da Dowling et al. 86 Anu dimustratu biofilm fotosintetici di cianobatterie Anabaena. L'ossigenu dissoltu si forma sottu l'azione di a luce, chì hè assuciata à un cambiamentu o fluttuazioni in u putenziale di biocorrosione libera. L'impurtanza di u fotoperiodu hè enfatizzata da u fattu chì u putenziale liberu per a biocorrosione aumenta in a fase luminosa è diminuisce in a fase scura. Questu hè duvutu à l'ossigenu pruduttu da e microalghe fotosintetiche, chì influenza a reazione catodica per via di a pressione parziale generata vicinu à l'elettrodi87.
Inoltre, a spettroscopia infrarossa à trasformata di Fourier (FTIR) hè stata realizata per scopre s'ellu ci sò stati cambiamenti in a cumpusizione chimica di e cellule di microalghe dopu l'interazzione cù i Nb-MXeni. Quessi risultati ottenuti sò cumplessi è li presentemu in SI (Figure S23-S25, cumpresi i risultati di a fase MAX è di i MXeni ML). In breve, i spettri di riferimentu ottenuti di microalghe ci furniscenu informazioni impurtanti nantu à e caratteristiche chimiche di questi organismi. Queste vibrazioni più probabili sò situate à frequenze di 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.11 (C–H) è 3280 cm–1 (O–H). Per i Nb-MXeni SL, avemu trovu una firma di stiramentu di legame CH chì hè coerente cù u nostru studiu precedente38. Tuttavia, avemu osservatu chì certi picchi supplementari assuciati à i ligami C=C è CH sò spariti. Questu indica chì a cumpusizione chimica di e microalghe pò subisce cambiamenti minori per via di l'interazione cù i SL Nb-MXenes.
Quandu si cunsideranu pussibuli cambiamenti in a biochimica di e microalghe, l'accumulazione d'ossidi inorganici, cum'è l'ossidu di niobiu, deve esse ricunsiderata59. Hè implicata in l'assorbimentu di metalli da a superficia cellulare, u so trasportu in u citoplasma, a so associazione cù i gruppi carbossilici intracellulari è a so accumulazione in i polifosfosomi di e microalghe20,88,89,90. Inoltre, a relazione trà e microalghe è i metalli hè mantenuta da i gruppi funziunali di e cellule. Per questa ragione, l'assorbimentu dipende ancu da a chimica di a superficia di e microalghe, chì hè abbastanza cumplessa9,91. In generale, cum'è previstu, a cumpusizione chimica di e microalghe verdi hè cambiata ligeramente per via di l'assorbimentu di l'ossidu di Nb.
Curiosamente, l'inibizione iniziale osservata di e microalghe era reversibile cù u tempu. Cum'è avemu osservatu, e microalghe anu superatu u cambiamentu ambientale iniziale è infine sò tornate à tassi di crescita nurmali è ancu aumentate. Studi di u putenziale zeta mostranu una alta stabilità quandu sò introdutte in i mezi nutritivi. Cusì, l'interazione superficiale trà e cellule di microalghe è i nanofiocchi di Nb-MXene hè stata mantenuta in tuttu l'esperimenti di riduzione. In a nostra ulteriore analisi, riassumemu i principali meccanismi d'azione chì sò à a basa di questu cumpurtamentu rimarchevule di e microalghe.
L'osservazioni SEM anu dimustratu chì e microalghe tendenu à attaccassi à i Nb-MXeni. Usendu l'analisi dinamica di l'imagine, cunfermemu chì questu effettu porta à a trasfurmazione di nanofiocchi di Nb-MXene bidimensionali in particelle più sferiche, dimustrendu cusì chì a decomposizione di i nanofiocchi hè assuciata à a so ossidazione. Per pruvà a nostra ipotesi, avemu realizatu una seria di studii materiali è biochimichi. Dopu à i testi, i nanofiocchi si sò gradualmente ossidati è decomposti in prudutti NbO è Nb2O5, chì ùn anu micca rapprisintatu una minaccia per e microalghe verdi. Usendu l'osservazione FTIR, ùn avemu trovu cambiamenti significativi in ​​a cumpusizione chimica di e microalghe incubate in presenza di nanofiocchi di Nb-MXene 2D. Tenendu contu di a pussibilità di assorbimentu di l'ossidu di niobiu da e microalghe, avemu realizatu un'analisi di fluorescenza à raggi X. Questi risultati mostranu chjaramente chì e microalghe studiate si nutriscenu di ossidi di niobiu (NbO è Nb2O5), chì ùn sò micca tossichi per e microalghe studiate.