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Die rasante Entwicklung der Nanotechnologie und ihre Integration in Alltagsanwendungen birgt Gefahren für die Umwelt. Während umweltfreundliche Verfahren zum Abbau organischer Schadstoffe etabliert sind, stellt die Rückgewinnung anorganischer kristalliner Schadstoffe aufgrund ihrer geringen Empfindlichkeit gegenüber Biotransformationen und des unzureichenden Verständnisses der Wechselwirkungen von Materialoberflächen mit biologischen Oberflächen ein großes Problem dar. In dieser Studie verwenden wir ein Nb-basiertes anorganisches 2D-MXen-Modell in Kombination mit einer einfachen Formparameteranalyse, um den Bioremediationsmechanismus von 2D-Keramik-Nanomaterialien durch die Grünalge Raphidocelis subcapitata zu untersuchen. Wir fanden heraus, dass Mikroalgen Nb-basierte MXene aufgrund oberflächenbedingter physikalisch-chemischer Wechselwirkungen abbauen. Anfänglich lagerten sich ein- und mehrlagige MXen-Nanoflocken an die Oberfläche der Mikroalgen an, was deren Wachstum zunächst hemmte. Bei längerer Interaktion mit der Oberfläche oxidierten die Mikroalgen die MXen-Nanoflocken jedoch und zersetzten sie weiter in NbO und Nb₂O₅. Da diese Oxide für Mikroalgenzellen ungiftig sind, werden Nb-Oxid-Nanopartikel durch einen Absorptionsmechanismus aufgenommen, der die Mikroalgen nach 72 Stunden Wasserbehandlung regeneriert. Die mit der Absorption verbundenen Nährstoffeffekte spiegeln sich auch in der Zunahme des Zellvolumens, der glatten Zellform und der veränderten Wachstumsrate wider. Basierend auf diesen Ergebnissen schließen wir, dass die kurz- und langfristige Präsenz von Nb-basierten MXenen in Süßwasserökosystemen nur geringe Umweltauswirkungen haben dürfte. Bemerkenswert ist, dass wir anhand zweidimensionaler Nanomaterialien als Modellsysteme die Möglichkeit demonstrieren, Formveränderungen selbst in feinkörnigen Materialien zu verfolgen. Insgesamt beantwortet diese Studie eine wichtige grundlegende Frage zu oberflächeninteraktionsbedingten Prozessen, die den Bioremediationsmechanismus von 2D-Nanomaterialien steuern, und liefert eine Grundlage für weitere kurz- und langfristige Untersuchungen der Umweltauswirkungen anorganischer kristalliner Nanomaterialien.
Nanomaterialien haben seit ihrer Entdeckung großes Interesse geweckt, und verschiedene Nanotechnologien befinden sich derzeit in einer Modernisierungsphase¹. Leider kann die Integration von Nanomaterialien in Alltagsanwendungen aufgrund unsachgemäßer Entsorgung, fahrlässiger Handhabung oder unzureichender Sicherheitsinfrastruktur zu unbeabsichtigten Freisetzungen führen. Daher ist anzunehmen, dass Nanomaterialien, einschließlich zweidimensionaler (2D) Nanomaterialien, in die Umwelt gelangen können, deren Verhalten und biologische Aktivität noch nicht vollständig erforscht sind. Aus diesem Grund ist es nicht verwunderlich, dass sich Bedenken hinsichtlich der Ökotoxizität auf die Fähigkeit von 2D-Nanomaterialien konzentrieren, in aquatische Systeme auszuwaschen^2,3,4,5,6. In diesen Ökosystemen können einige 2D-Nanomaterialien mit verschiedenen Organismen auf unterschiedlichen trophischen Ebenen, einschließlich Mikroalgen, interagieren.
Mikroalgen sind primitive Organismen, die natürlich in Süßwasser- und Meeresökosystemen vorkommen und durch Photosynthese eine Vielzahl chemischer Produkte herstellen⁷. Daher sind sie für aquatische Ökosysteme von entscheidender Bedeutung^8,9,10,11,12 und gleichzeitig sensible, kostengünstige und weit verbreitete Indikatoren für Ökotoxizität^13,14. Da sich Mikroalgenzellen schnell vermehren und rasch auf verschiedene Verbindungen reagieren, bieten sie vielversprechende Möglichkeiten für die Entwicklung umweltfreundlicher Verfahren zur Behandlung von mit organischen Substanzen kontaminiertem Wasser^15,16.
Algenzellen können anorganische Ionen durch Biosorption und Akkumulation aus dem Wasser entfernen^17,18. Einige Algenarten wie Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue und Synechococcus sp. transportieren und nähren nachweislich toxische Metallionen wie Fe²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ und Mn²⁺¹⁹. Andere Studien haben gezeigt, dass Cu²⁺-, Cd²⁺-, Ni²⁺-, Zn²⁺- oder Pb²⁺-Ionen das Wachstum von Scenedesmus hemmen, indem sie die Zellmorphologie verändern und die Chloroplasten zerstören^20,21.
Grüne Verfahren zur Zersetzung organischer Schadstoffe und zur Entfernung von Schwermetallionen haben weltweit das Interesse von Wissenschaftlern und Ingenieuren geweckt. Dies liegt vor allem daran, dass diese Schadstoffe in der flüssigen Phase leicht verarbeitet werden können. Anorganische kristalline Schadstoffe hingegen zeichnen sich durch geringe Wasserlöslichkeit und geringe Anfälligkeit für verschiedene Biotransformationen aus, was die Sanierung erheblich erschwert und bisher nur geringe Fortschritte ermöglicht hat.^{22,23,24,25,26} Daher bleibt die Suche nach umweltfreundlichen Lösungen für die Reparatur von Nanomaterialien ein komplexes und weitgehend unerforschtes Gebiet. Aufgrund der großen Unsicherheit bezüglich der Biotransformationseffekte von 2D-Nanomaterialien gibt es keine einfache Möglichkeit, die möglichen Abbauwege während der Reduktion zu ermitteln.
In dieser Studie nutzten wir grüne Mikroalgen als aktives wässriges Bioremediationsmittel für anorganische Keramikmaterialien, kombiniert mit der In-situ-Überwachung des Abbauprozesses von MXenen als Repräsentanten anorganischer Keramikmaterialien. Der Begriff „MXen“ beschreibt die Stöchiometrie des Materials Mn+1XnTx, wobei M ein frühes Übergangsmetall, X Kohlenstoff und/oder Stickstoff, Tx ein Oberflächenterminator (z. B. -OH, -F, -Cl) und n = 1, 2, 3 oder 4 ist. Seit der Entdeckung von MXenen durch Naguib et al. finden diese Materialien Anwendung in der Sensorik, der Krebstherapie und der Membranfiltration.^27,29,30 Aufgrund ihrer ausgezeichneten kolloidalen Stabilität und möglicher biologischer Wechselwirkungen können MXene zudem als Modellsysteme für zweidimensionale Systeme betrachtet werden.^{31,32,33,34,35,36}
Die in diesem Artikel entwickelte Methodik und unsere Forschungshypothesen sind in Abbildung 1 dargestellt. Gemäß dieser Hypothese bauen Mikroalgen Nb-basierte MXene aufgrund oberflächenbedingter physikalisch-chemischer Wechselwirkungen zu ungiftigen Verbindungen ab, was die weitere Regeneration der Algen ermöglicht. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurden zwei Vertreter der Familie der frühen Niob-basierten Übergangsmetallcarbide und/oder -nitride (MXene), nämlich Nb₂CTₓ und Nb₄C₃TX, ausgewählt.
Forschungsmethodik und evidenzbasierte Hypothesen zur MXen-Gewinnung durch die Grünalge Raphidocelis subcapitata. Bitte beachten Sie, dass es sich hierbei lediglich um eine schematische Darstellung der evidenzbasierten Annahmen handelt. Die Bedingungen im See (z. B. Tagesrhythmus und Verfügbarkeit essenzieller Nährstoffe) unterscheiden sich. Erstellt mit BioRender.com.
Durch die Verwendung von MXenen als Modellsystem haben wir die Möglichkeit eröffnet, verschiedene biologische Effekte zu untersuchen, die mit anderen herkömmlichen Nanomaterialien nicht beobachtet werden können. Insbesondere demonstrieren wir die Möglichkeit der Bioremediation zweidimensionaler Nanomaterialien, wie z. B. niobbasierter MXene, durch die Mikroalge Raphidocelis subcapitata. Die Mikroalge ist in der Lage, Nb-MXene in die ungiftigen Oxide NbO und Nb₂O₅ abzubauen, die über den Niob-Aufnahmemechanismus auch Nährstoffe liefern. Insgesamt beantwortet diese Studie eine wichtige grundlegende Frage zu den Prozessen, die mit oberflächenphysikalischen und -chemischen Wechselwirkungen verbunden sind und die Mechanismen der Bioremediation zweidimensionaler Nanomaterialien bestimmen. Darüber hinaus entwickeln wir eine einfache, auf Formparametern basierende Methode zur Verfolgung subtiler Formänderungen von 2D-Nanomaterialien. Dies regt weitere kurz- und langfristige Forschung zu den vielfältigen Umweltauswirkungen anorganischer kristalliner Nanomaterialien an. Unsere Studie trägt somit zu einem besseren Verständnis der Wechselwirkung zwischen Materialoberfläche und biologischem Material bei. Wir schaffen damit auch die Grundlage für erweiterte kurz- und langfristige Studien zu ihren möglichen Auswirkungen auf Süßwasserökosysteme, die nun leicht überprüft werden können.
MXene stellen eine interessante Materialklasse mit einzigartigen und attraktiven physikalischen und chemischen Eigenschaften und damit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten dar. Diese Eigenschaften hängen maßgeblich von ihrer Stöchiometrie und Oberflächenchemie ab. In unserer Studie untersuchten wir daher zwei Arten von Nb-basierten hierarchischen Einzelschicht-MXenen (SL), Nb₂CTₓ und Nb₄C₃TX, da unterschiedliche biologische Effekte dieser Nanomaterialien beobachtet werden konnten. MXene werden aus ihren Ausgangsmaterialien durch selektives Ätzen atomar dünner A-Schichten der MAX-Phase hergestellt. Die MAX-Phase ist eine ternäre Keramik, die aus „gebundenen“ Blöcken von Übergangsmetallcarbiden und dünnen Schichten von „A“-Elementen wie Al, Si und Sn mit der Stöchiometrie MnAXₙ₋₁ besteht. Die Morphologie der ursprünglichen MAX-Phase wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht und stimmte mit früheren Studien überein (siehe Ergänzende Informationen, SI, Abbildung S1). Mehrlagiges (ML) Nb-MXen wurde durch Entfernen der Al-Schicht mit 48%iger Fluorwasserstoffsäure (HF) erhalten. Die Morphologie von ML-Nb₂CTₓ und ML-Nb₄C₃TX wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht (Abbildungen S1c bzw. S1d). Dabei zeigte sich eine typische geschichtete MXen-Morphologie, ähnlich zweidimensionalen Nanoflocken, die durch längliche, porenartige Spalten verlaufen. Beide Nb-MXene weisen viele Gemeinsamkeiten mit MXen-Phasen auf, die zuvor durch Säureätzung synthetisiert wurden^27,38. Nach Bestätigung der MXen-Struktur wurde das Material durch Interkalation von Tetrabutylammoniumhydroxid (TBAOH) geschichtet. Anschließend wurde gewaschen und ultraschallbehandelt, wodurch einlagige bzw. niedriglagige (SL) 2D-Nb-MXen-Nanoflocken erhalten wurden.
Wir verwendeten hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) und Röntgenbeugung (XRD), um die Effizienz des Ätzens und des anschließenden Ablösens zu untersuchen. Die mittels inverser schneller Fourier-Transformation (IFFT) und schneller Fourier-Transformation (FFT) verarbeiteten HRTEM-Ergebnisse sind in Abb. 2 dargestellt. Nb-MXene-Nanoflakes wurden mit der Kante nach oben ausgerichtet, um die Struktur der Atomlage zu untersuchen und die Netzebenenabstände zu messen. HRTEM-Aufnahmen von MXene-Nb₂CTₓ- und Nb₄C₃TX-Nanoflakes zeigten deren atomar dünne Schichtstruktur (siehe Abb. 2a1, a2), wie bereits von Naguib et al.²⁷ und Jastrzębska et al.³⁸ berichtet. Für zwei benachbarte Nb₂CTₓ- und Nb₄C₃Tₓ-Monolagen bestimmten wir Netzebenenabstände von 0,74 nm bzw. 1,54 nm (Abb. 2b1, b2), was ebenfalls mit unseren früheren Ergebnissen³⁸ übereinstimmt. Dies wurde durch die inverse schnelle Fourier-Transformation (Abb. 2c1, c2) und die schnelle Fourier-Transformation (Abb. 2d1, d2) weiter bestätigt, die den Abstand zwischen den Nb₂CTₓ- und Nb₄C₃Tₓ-Monolagen zeigen. Das Bild zeigt einen Wechsel von hellen und dunklen Bändern, die Niob- und Kohlenstoffatomen entsprechen und die Schichtstruktur der untersuchten MXene bestätigen. Es ist wichtig anzumerken, dass die für Nb₂CTₓ und Nb₄C₃Tₓ erhaltenen energiedispersiven Röntgenspektren (EDX) (Abb. S2a und S2b) keine Spuren der ursprünglichen MAX-Phase aufwiesen, da kein Al-Peak detektiert wurde.
Charakterisierung von SL-Nanoflakes der MXene Nb₂CTₓ und Nb₄C₃Tₓ, einschließlich (a) hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) in Seitenansicht (2D) und zugehöriger (b) Intensitätsdarstellung, (c) inverser schneller Fourier-Transformation (IFFT), (d) schneller Fourier-Transformation (FFT) und (e) Röntgenbeugungsmuster der Nb-MXene. Die Nummern für SL-2D-Nb₂CTₓ lauten (a₁, b₁, c₁, d₁, e₁), die für SL-2D-Nb₄C₃Tₓ (a₂, b₂, c₂, d₂, e₁).
Röntgenbeugungsmessungen der SL-MXene Nb₂CTₓ und Nb₄C₃Tₓ sind in Abb. 2e1 bzw. e2 dargestellt. Die Peaks (002) bei 4,31° und 4,32° entsprechen den bereits beschriebenen geschichteten MXenen Nb₂CTₓ bzw. Nb₄C₃Tₓ^38,39,40,41. Die XRD-Ergebnisse deuten zudem auf das Vorhandensein einiger Reststrukturen aus Monolagen (ML) und MAX-Phasen hin, wobei die XRD-Muster überwiegend dem SL-MXen Nb₄C₃Tₓ zugeordnet werden (Abb. 2e2). Das Vorhandensein kleinerer Partikel der MAX-Phase könnte den stärkeren MAX-Peak im Vergleich zu den zufällig gestapelten Nb₄C₃Tₓ-Schichten erklären.
Weitere Forschungen konzentrierten sich auf grüne Mikroalgen der Art R. subcapitata. Wir wählten Mikroalgen, da sie wichtige Produzenten in bedeutenden Nahrungsnetzen sind⁴². Zudem zählen sie zu den besten Indikatoren für Toxizität, da sie toxische Substanzen eliminieren können, die in höhere Ebenen der Nahrungskette gelangen⁴³. Darüber hinaus könnte die Forschung an R. subcapitata Aufschluss über die unbeabsichtigte Toxizität von SL-Nb-MXenen gegenüber häufigen Süßwassermikroorganismen geben. Um dies zu veranschaulichen, stellten die Forscher die Hypothese auf, dass jedes Mikroorganismus unterschiedlich empfindlich auf in der Umwelt vorhandene toxische Verbindungen reagiert. Niedrige Konzentrationen von Substanzen beeinträchtigen das Wachstum der meisten Organismen nicht, während Konzentrationen oberhalb eines bestimmten Grenzwerts sie hemmen oder sogar zum Tod führen können. Daher entschieden wir uns für unsere Untersuchungen zur Oberflächeninteraktion zwischen Mikroalgen und MXenen sowie zur damit verbundenen Erholung, unschädliche und toxische Konzentrationen von Nb-MXenen zu testen. Dazu testeten wir MXen-Konzentrationen von 0 (als Referenzwert), 0,01, 0,1 und 10 mg l⁻¹ und infizierten zusätzlich Mikroalgen mit sehr hohen MXen-Konzentrationen (100 mg l⁻¹ MXen), die für jede biologische Umgebung extrem und letal sein können.
Die Auswirkungen von SL-Nb-MXenen auf Mikroalgen sind in Abbildung 3 dargestellt, ausgedrückt als prozentuale Wachstumsförderung (+) bzw. -hemmung (-), gemessen an Proben mit einer Konzentration von 0 mg/l. Zum Vergleich wurden auch die Nb-MAX-Phase und ML-Nb-MXene getestet; die Ergebnisse sind im Anhang (siehe Abb. S3) dargestellt. Die Ergebnisse bestätigen, dass SL-Nb-MXene im niedrigen Konzentrationsbereich von 0,01 bis 10 mg/l nahezu keine Toxizität aufweisen (Abb. 3a,b). Im Fall von Nb2CTx wurde im genannten Bereich eine Ökotoxizität von maximal 5 % beobachtet.
Stimulation (+) oder Hemmung (-) des Mikroalgenwachstums in Gegenwart von SL (a) Nb2CTx und (b) Nb4C3TX MXen. Die Wechselwirkung zwischen MXen und Mikroalgen wurde nach 24, 48 und 72 Stunden analysiert. Signifikante Daten (t-Test, p < 0,05) wurden mit einem Sternchen (*) gekennzeichnet. Signifikante Daten (t-Test, p < 0,05) wurden mit einem Sternchen (*) gekennzeichnet. Zufällige Ergebnisse (T-Kriterium, p < 0,05) werden mit Sternen (*) angezeigt. Signifikante Daten (t-Test, p < 0,05) sind mit einem Sternchen (*) gekennzeichnet.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 (*). Wichtige Daten (t-Test, p < 0,05) sind mit einem Sternchen (*) gekennzeichnet.Rote Pfeile deuten auf die Aufhebung der hemmenden Stimulation hin.
Niedrige Konzentrationen von Nb4C3TX erwiesen sich hingegen als etwas toxischer, jedoch nicht höher als 7 %. Wie erwartet, beobachteten wir bei MXenen eine höhere Toxizität und eine stärkere Hemmung des Mikroalgenwachstums bei einer Konzentration von 100 mg L⁻¹. Interessanterweise zeigte keines der Materialien denselben Trend und dieselbe zeitliche Abhängigkeit der atoxischen/toxischen Effekte wie die MAX- oder ML-Proben (siehe SI für Details). Während die Toxizität in der MAX-Phase (siehe Abb. S3) etwa 15–25 % erreichte und mit der Zeit zunahm, wurde für SL Nb2CTx und Nb4C3TX MXen der umgekehrte Trend beobachtet. Die Hemmung des Mikroalgenwachstums nahm mit der Zeit ab. Sie erreichte nach 24 Stunden etwa 17 % und sank nach 72 Stunden auf unter 5 % (Abb. 3a bzw. b).
Wichtiger noch: Bei SL Nb4C3TX erreichte die Wachstumshemmung der Mikroalgen nach 24 Stunden etwa 27 %, sank aber nach 72 Stunden auf etwa 1 %. Daher bezeichneten wir den beobachteten Effekt als inverse Hemmung der Stimulation, wobei dieser Effekt bei SL Nb4C3TX MXen stärker ausgeprägt war. Die Stimulation des Mikroalgenwachstums wurde bei Nb4C3TX (Interaktion bei 10 mg L⁻¹ über 24 h) im Vergleich zu SL Nb2CTx MXen früher beobachtet. Der umgekehrte Effekt von Hemmung und Stimulation zeigte sich auch deutlich in der Biomasseverdopplungskurve (siehe Abb. S4 für Details). Bisher wurde die Ökotoxizität von Ti3C2TX MXen nur auf verschiedene Weise untersucht. Es ist nicht toxisch für Zebrafischembryonen⁴⁴, aber mäßig ökotoxisch für die Mikroalgen Desmodesmus quadricauda und Sorghum saccharatum⁴⁵. Weitere Beispiele für spezifische Effekte sind eine höhere Toxizität gegenüber Krebszelllinien im Vergleich zu normalen Zelllinien^46,47. Es wäre denkbar, dass die Testbedingungen die beobachteten Veränderungen des Mikroalgenwachstums in Gegenwart von Nb-MXenen beeinflussen. Beispielsweise ist ein pH-Wert von etwa 8 im Chloroplastenstroma optimal für die effiziente Funktion des RuBisCO-Enzyms. Daher wirken sich pH-Wert-Änderungen negativ auf die Photosyntheserate aus^48,49. Wir beobachteten jedoch während des Experiments keine signifikanten pH-Wert-Änderungen (siehe SI, Abb. S5 für Details). Im Allgemeinen senkten Kulturen von Mikroalgen mit Nb-MXenen den pH-Wert der Lösung im Laufe der Zeit leicht ab. Diese Abnahme war jedoch vergleichbar mit einer pH-Wert-Änderung in einem reinen Medium. Darüber hinaus entsprach die beobachtete Schwankungsbreite derjenigen einer Mikroalgen-Reinkultur (Kontrollprobe). Wir schließen daraus, dass die Photosynthese durch pH-Wert-Änderungen im Zeitverlauf nicht beeinflusst wird.
Darüber hinaus weisen die synthetisierten MXene Oberflächengruppen (bezeichnet als Tx) auf. Diese bestehen hauptsächlich aus den funktionellen Gruppen -O, -F und -OH. Die Oberflächenchemie ist jedoch direkt von der Synthesemethode abhängig. Diese Gruppen sind bekanntermaßen zufällig über die Oberfläche verteilt, was es schwierig macht, ihren Einfluss auf die Eigenschaften der MXene vorherzusagen.⁵⁰ Es ist denkbar, dass Tx die katalytische Kraft für die Oxidation von Niob durch Licht darstellt. Oberflächengruppen bieten tatsächlich mehrere Ankerstellen für die darunterliegenden Photokatalysatoren und ermöglichen so die Bildung von Heteroübergängen.⁵¹ Die Zusammensetzung des Wachstumsmediums erwies sich jedoch nicht als effektiver Photokatalysator (die detaillierte Zusammensetzung des Mediums ist in Tabelle S6 des SI zu finden). Zudem ist jede Oberflächenmodifikation von großer Bedeutung, da die biologische Aktivität von MXenen durch Nachbearbeitung der Schichten, Oxidation, chemische Oberflächenmodifizierung mit organischen und anorganischen Verbindungen^{52,53,54,55,56} oder Oberflächenladungsmanipulation³⁸ verändert werden kann. Um zu prüfen, ob Nioboxid mit der Materialinstabilität im Medium zusammenhängt, untersuchten wir das Zeta-Potential (ζ) in Mikroalgen-Wachstumsmedium und deionisiertem Wasser (zum Vergleich). Unsere Ergebnisse zeigen, dass SL-Nb-MXene recht stabil sind (siehe Abb. S6 im Anhang für MAX- und ML-Ergebnisse). Das Zeta-Potential der SL-MXene beträgt etwa -10 mV. Im Fall von SR-Nb₂CTₓ ist der ζ-Wert etwas negativer als der von Nb₄C₃Tₓ. Diese Änderung des ζ-Wertes könnte darauf hindeuten, dass die Oberfläche der negativ geladenen MXen-Nanoflocken positiv geladene Ionen aus dem Kulturmedium absorbiert. Zeitliche Messungen des Zeta-Potentials und der Leitfähigkeit der Nb-MXene im Kulturmedium (siehe Abb. S7 und S8 im Anhang für weitere Details) scheinen unsere Hypothese zu bestätigen.
Beide Nb-MXene-SLs zeigten jedoch nur minimale Abweichungen vom Nullwert. Dies belegt eindeutig ihre Stabilität im Mikroalgen-Wachstumsmedium. Zusätzlich untersuchten wir, ob die Anwesenheit unserer Grünalgen die Stabilität der Nb-MXene im Medium beeinflusst. Die Ergebnisse des Zeta-Potenzials und der Leitfähigkeit der MXene nach der Interaktion mit Mikroalgen in Nährmedien und über einen bestimmten Zeitraum sind im SI (Abbildungen S9 und S10) dargestellt. Interessanterweise stellten wir fest, dass die Anwesenheit von Mikroalgen die Dispersion beider MXene zu stabilisieren schien. Im Fall von Nb2CTx SL sank das Zeta-Potenzial im Laufe der Zeit sogar leicht auf negativere Werte (-15,8 mV gegenüber -19,1 mV nach 72 h Inkubation). Das Zeta-Potenzial von SL Nb4C3TX stieg zwar leicht an, zeigte aber nach 72 h immer noch eine höhere Stabilität als Nanoflakes ohne Mikroalgen (-18,1 mV gegenüber -9,1 mV).
Wir beobachteten zudem eine geringere Leitfähigkeit von Nb-MXen-Lösungen, die in Gegenwart von Mikroalgen inkubiert wurden, was auf eine geringere Ionenkonzentration im Nährmedium hindeutet. Die Instabilität von MXenen in Wasser ist bekanntermaßen hauptsächlich auf Oberflächenoxidation zurückzuführen⁵⁷. Daher vermuten wir, dass grüne Mikroalgen die auf der Oberfläche von Nb-MXen gebildeten Oxide entfernten und deren Neubildung (Oxidation von MXen) sogar verhinderten. Dies lässt sich durch die Untersuchung der von den Mikroalgen aufgenommenen Substanzen belegen.
Unsere ökotoxikologischen Studien zeigten zwar, dass Mikroalgen die Toxizität von Nb-MXenen im Laufe der Zeit und die ungewöhnliche Wachstumshemmung überwinden konnten, doch das Ziel unserer Untersuchung war die Aufklärung möglicher Wirkmechanismen. Werden Organismen wie Algen Verbindungen oder Materialien ausgesetzt, die ihren Ökosystemen fremd sind, können sie auf vielfältige Weise reagieren^58,59. In Abwesenheit toxischer Metalloxide können sich Mikroalgen selbst ernähren und so kontinuierlich wachsen⁶⁰. Nach der Aufnahme toxischer Substanzen können Abwehrmechanismen wie Form- oder Gestaltveränderungen aktiviert werden. Auch die Möglichkeit der Absorption muss berücksichtigt werden^58,59. Jedes Anzeichen eines Abwehrmechanismus ist ein deutlicher Indikator für die Toxizität der Testsubstanz. Daher untersuchten wir in unseren weiteren Arbeiten die potenzielle Oberflächenwechselwirkung zwischen SL-Nb-MXen-Nanoflocken und Mikroalgen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) sowie die mögliche Absorption von Nb-basierten MXenen mittels Röntgenfluoreszenzspektroskopie (RFA). Zu beachten ist, dass SEM- und XRF-Analysen nur bei der höchsten MXene-Konzentration durchgeführt wurden, um Fragen der Aktivitätstoxizität zu klären.
Die Ergebnisse der REM-Aufnahmen sind in Abb. 4 dargestellt. Unbehandelte Mikroalgenzellen (siehe Abb. 4a, Referenzprobe) zeigten deutlich die typische Morphologie von R. subcapitata und eine halbmondförmige Zellform. Die Zellen erschienen abgeflacht und etwas ungeordnet. Einige Mikroalgenzellen überlappten und verhakten sich, was jedoch wahrscheinlich auf die Probenpräparation zurückzuführen war. Im Allgemeinen wiesen reine Mikroalgenzellen eine glatte Oberfläche auf und zeigten keine morphologischen Veränderungen.
SEM-Aufnahmen zeigen die Oberflächeninteraktion zwischen Grünalgen und MXen-Nanoblättern nach 72 Stunden Einwirkungszeit bei extrem hoher Konzentration (100 mg L⁻¹). (a) Unbehandelte Grünalgen nach der Interaktion mit SL, (b) Nb₂CTₓ und (c) Nb₄C₃TX MXenen. Die Nb-MXen-Nanoflocken sind mit roten Pfeilen markiert. Zum Vergleich sind auch Aufnahmen eines Lichtmikroskops beigefügt.
Im Gegensatz dazu wurden Mikroalgenzellen, die an SL-Nb-MXene-Nanoflocken adsorbiert waren, beschädigt (siehe Abb. 4b, c, rote Pfeile). Im Fall von Nb₂CTₓ-MXene (Abb. 4b) neigen Mikroalgen dazu, mit anhaftenden zweidimensionalen Nanostrukturen zu wachsen, was ihre Morphologie verändern kann. Diese Veränderungen konnten wir auch lichtmikroskopisch beobachten (siehe Abb. S11 im Anhang für Details). Dieser morphologische Übergang lässt sich plausibel mit der Physiologie der Mikroalgen und ihrer Fähigkeit erklären, sich durch Veränderungen der Zellmorphologie, wie z. B. eine Vergrößerung des Zellvolumens, zu verteidigen⁶¹. Daher ist es wichtig, die Anzahl der Mikroalgenzellen zu überprüfen, die tatsächlich mit Nb-MXenen in Kontakt stehen. Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass etwa 52 % der Mikroalgenzellen Nb-MXenen ausgesetzt waren, während 48 % dieser Zellen keinen Kontakt hatten. Bei SL Nb4C3Tx MXen versuchen Mikroalgen, den Kontakt mit MXen zu vermeiden, wodurch sie sich lokalisieren und von zweidimensionalen Nanostrukturen aus wachsen (Abb. 4c). Wir konnten jedoch kein Eindringen der Nanostrukturen in die Mikroalgenzellen und deren Schädigung beobachten.
Die Selbsterhaltung ist auch eine zeitabhängige Reaktion auf die Blockierung der Photosynthese durch die Adsorption von Partikeln an der Zelloberfläche und den sogenannten Abschattungseffekt⁶². Es ist klar, dass jedes Objekt (z. B. Nb-MXen-Nanoflakes), das sich zwischen den Mikroalgen und der Lichtquelle befindet, die von den Chloroplasten absorbierte Lichtmenge begrenzt. Wir haben jedoch keinen Zweifel daran, dass dies einen signifikanten Einfluss auf die erzielten Ergebnisse hat. Wie unsere mikroskopischen Beobachtungen zeigen, waren die 2D-Nanoflakes nicht vollständig umhüllt oder an der Oberfläche der Mikroalgen anhaftend, selbst wenn die Mikroalgenzellen mit Nb-MXenen in Kontakt standen. Stattdessen orientierten sich die Nanoflakes an den Mikroalgenzellen, ohne deren Oberfläche zu bedecken. Ein solches Nanoflakes/Mikroalgen-System kann die von den Mikroalgenzellen absorbierte Lichtmenge nicht signifikant begrenzen. Darüber hinaus haben einige Studien sogar eine Verbesserung der Lichtabsorption durch photosynthetische Organismen in Gegenwart zweidimensionaler Nanomaterialien gezeigt.63,64,65,66
Da SEM-Aufnahmen die Aufnahme von Niob durch Mikroalgenzellen nicht direkt bestätigen konnten, untersuchten wir dies mittels Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS). Wir verglichen daher die Intensität der Nb-Peaks von Referenzproben aus Mikroalgen, die nicht mit MXenen interagierten, von MXen-Nanoflocken, die sich von der Oberfläche der Mikroalgenzellen abgelöst hatten, und von Mikroalgenzellen nach Entfernung der anhaftenden MXene. Es ist anzumerken, dass der von den Mikroalgenzellen gemessene Nb-Wert nach Entfernung der anhaftenden Nanopartikel null sein sollte, wenn keine Nb-Aufnahme stattfindet. Daher sollten sowohl die RFA- als auch die XPS-Ergebnisse einen deutlichen Nb-Peak zeigen, wenn Nb aufgenommen wird.
Im Fall der Röntgenfluoreszenzspektren zeigten Mikroalgenproben nach der Interaktion mit SL Nb2CTx und Nb4C3Tx MXen Nb-Peaks für SL Nb2CTx und Nb4C3Tx MXen (siehe Abb. 5a; die Ergebnisse für MAX- und ML-MXene sind im Anhang, Abb. S12–C17, dargestellt). Interessanterweise war die Intensität des Nb-Peaks in beiden Fällen gleich (rote Balken in Abb. 5a). Dies deutet darauf hin, dass die Algen kein weiteres Nb aufnehmen konnten und die maximale Kapazität für die Nb-Akkumulation in den Zellen erreicht war, obwohl die doppelte Menge an Nb4C3Tx MXen an die Mikroalgenzellen gebunden war (blaue Balken in Abb. 5a). Die Fähigkeit von Mikroalgen zur Metallaufnahme hängt bekanntermaßen von der Konzentration der Metalloxide in ihrer Umgebung ab^67,68. Shamshada et al.⁶⁷ stellten fest, dass die Absorptionskapazität von Süßwasseralgen mit steigendem pH-Wert abnimmt. Raize et al.68 stellten fest, dass die Fähigkeit von Algen, Metalle zu absorbieren, für Pb2+ um etwa 25 % höher war als für Ni2+.
(a) Ergebnisse der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) zur basalen Nb-Aufnahme durch grüne Mikroalgenzellen nach 72-stündiger Inkubation mit einer extremen Konzentration von SL-Nb-MXenen (100 mg L⁻¹). Die Ergebnisse zeigen das Vorhandensein von α-Nb in reinen Mikroalgenzellen (Kontrollprobe, graue Säulen), in von der Oberfläche isolierten 2D-Nanoflakes (blaue Säulen) und in Mikroalgenzellen nach Abtrennung der 2D-Nanoflakes von der Oberfläche (rote Säulen). Die Menge an elementarem Nb, (b) die prozentuale chemische Zusammensetzung der organischen Mikroalgenkomponenten (C=O und CHₓ/C–O) und der in den Mikroalgenzellen nach Inkubation mit SL-Nb-MXenen vorhandenen Nb-Oxide, (c–e) die Anpassung des Zusammensetzungspeaks der XPS-Spektren von SL-Nb₂CTₓ und (fh) das von Mikroalgenzellen internalisierte SL-Nb₄C₃Tₓ-MXen.
Daher erwarteten wir, dass Nb in Form von Oxiden von Algenzellen aufgenommen werden könnte. Um dies zu überprüfen, führten wir XPS-Untersuchungen an den MXenen Nb₂CTₓ und Nb₄C₃TX sowie an Algenzellen durch. Die Ergebnisse der Wechselwirkung von Mikroalgen mit Nb-MXenen und aus Algenzellen isolierten MXenen sind in Abb. 5b dargestellt. Wie erwartet, detektierten wir Nb-3d-Peaks in den Mikroalgenproben nach Entfernung der MXene von der Oberfläche der Mikroalgen. Die quantitative Bestimmung von C=O, CHₓ/CO und Nb-Oxiden erfolgte anhand der Nb-3d-, O-1s- und C-1s-Spektren, die mit Nb₂CTₓ SL (Abb. 5c–e) und Nb₄C₃TX SL (Abb. 5c–e) erhalten wurden. Abb. 5f–h) zeigt die Ergebnisse der Wechselwirkung von inkubierten Mikroalgen mit MXenen. Tabelle S1–3 enthält die Details der Peakparameter und der Gesamtchemie, die sich aus der Anpassung ergeben. Bemerkenswert ist, dass die Nb 3d-Regionen von Nb₂CTₓ SL und Nb₄C₃Tₓ SL (Abb. 5c, f) einer einzigen Nb₂O₅-Komponente entsprechen. In den Spektren fanden wir keine MXen-bezogenen Peaks, was darauf hindeutet, dass die Mikroalgenzellen ausschließlich die Oxidform von Nb absorbieren. Zusätzlich approximierten wir das C 1s-Spektrum mit den Komponenten C–C, CHₓ/C–O, C=O und –COOH. Die CHₓ/C–O- und C=O-Peaks ordneten wir dem organischen Anteil der Mikroalgenzellen zu. Diese organischen Komponenten machen 36 % bzw. 41 % der C 1s-Peaks in Nb₂CTₓ SL bzw. Nb₄C₃Tₓ SL aus. Anschließend fitten wir die O 1s-Spektren von SL Nb₂CTₓ und SL Nb₄C₃Tₓ mit Nb₂O₅, organischen Komponenten der Mikroalgen (CHₓ/CO) und oberflächenadsorbiertem Wasser.
Die XPS-Ergebnisse zeigten schließlich eindeutig die Form von Nb an, nicht nur dessen Vorhandensein. Anhand der Position des Nb-3d-Signals und der Ergebnisse der Dekonvolution bestätigen wir, dass Nb ausschließlich in Form von Oxiden und nicht als Ionen oder MXen selbst absorbiert wird. Darüber hinaus ergaben die XPS-Ergebnisse, dass Mikroalgenzellen Nb-Oxide aus SL Nb₂CTx im Vergleich zu SL Nb₄C₃TX MXen deutlich besser aufnehmen können.
Unsere Ergebnisse zur Nb-Aufnahme sind zwar beeindruckend und ermöglichen die Identifizierung des MXen-Abbaus, jedoch existiert keine Methode, um die damit verbundenen morphologischen Veränderungen in 2D-Nanoflakes zu verfolgen. Daher haben wir uns entschieden, eine geeignete Methode zu entwickeln, die direkt auf jegliche Veränderungen in 2D-Nb-MXen-Nanoflakes und Mikroalgenzellen reagieren kann. Wir gehen davon aus, dass sich jegliche Transformation, Zersetzung oder Fragmentierung der interagierenden Spezies schnell in Änderungen von Formparametern wie dem Durchmesser der äquivalenten Kreisfläche, der Rundheit, der Feret-Breite oder der Feret-Länge manifestiert. Da diese Parameter geeignet sind, längliche Partikel oder zweidimensionale Nanoflakes zu beschreiben, liefert uns ihre Verfolgung mittels dynamischer Partikelformanalyse wertvolle Informationen über die morphologische Transformation von SL-Nb-MXen-Nanoflakes während der Reduktion.
Die erzielten Ergebnisse sind in Abbildung 6 dargestellt. Zum Vergleich wurden auch die ursprüngliche MAX-Phase und ML-MXene untersucht (siehe SI Abbildungen S18 und S19). Die dynamische Analyse der Partikelform zeigte, dass sich alle Formparameter der beiden Nb-MXen-SLs nach der Interaktion mit Mikroalgen signifikant veränderten. Wie der Parameter des äquivalenten Kreisflächendurchmessers (Abb. 6a, b) zeigt, deutet die reduzierte Peakintensität der großen Nanoflakes darauf hin, dass diese in kleinere Fragmente zerfallen. Abbildung 6c, d zeigt eine Abnahme der Peaks, die mit der Querausdehnung der Flakes assoziiert sind (Verlängerung der Nanoflakes), was auf die Umwandlung der 2D-Nanoflakes in eine partikelähnlichere Form hinweist. Abbildung 6e–h zeigt die Breite bzw. Länge des Feret-Signals. Feret-Breite und -Länge sind komplementäre Parameter und sollten daher gemeinsam betrachtet werden. Nach der Inkubation der 2D-Nb-MXen-Nanoflakes in Gegenwart von Mikroalgen verschoben sich deren Feret-Korrelationspeaks und ihre Intensität nahm ab. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse in Kombination mit Morphologie, Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) kamen wir zu dem Schluss, dass die beobachteten Veränderungen stark mit der Oxidation zusammenhängen, da oxidierte MXene faltiger werden und in Fragmente und kugelförmige Oxidpartikel zerfallen69,70.
Analyse der MXen-Transformation nach der Interaktion mit grünen Mikroalgen. Die dynamische Partikelformanalyse berücksichtigt Parameter wie (a, b) Durchmesser der äquivalenten Kreisfläche, (c, d) Rundheit, (e, f) Feret-Breite und (g, h) Feret-Länge. Zu diesem Zweck wurden zwei Referenzproben von Mikroalgen zusammen mit primären SL Nb₂CTₓ- und SL Nb₄C₃Tₓ-MXenen, abgebauten Mikroalgen sowie behandelten Mikroalgen-SL Nb₂CTₓ- und SL Nb₄C₃Tₓ-MXenen analysiert. Die roten Pfeile zeigen die Veränderungen der Formparameter der untersuchten zweidimensionalen Nanoflocken.
Da die Formparameteranalyse sehr zuverlässig ist, kann sie auch morphologische Veränderungen in Mikroalgenzellen aufzeigen. Daher analysierten wir den äquivalenten Kreisflächendurchmesser, die Rundheit und die Feret-Breite/Länge von reinen Mikroalgenzellen sowie von Zellen nach der Interaktion mit 2D-Nb-Nanoflakes. Abbildung 6a–h zeigt die Veränderungen der Formparameter der Algenzellen, die sich in einer Abnahme der Peakintensität und einer Verschiebung der Maxima zu höheren Werten äußern. Insbesondere die Zellrundheitsparameter zeigten eine Abnahme bei länglichen Zellen und eine Zunahme bei sphärischen Zellen (Abb. 6a, b). Darüber hinaus erhöhte sich die Feret-Zellbreite nach der Interaktion mit SL Nb₂CTₓ-MXen (Abb. 6e) im Vergleich zu SL Nb₄C₃TX-MXen (Abb. 6f) um mehrere Mikrometer. Wir vermuten, dass dies auf die starke Aufnahme von Nb-Oxiden durch die Mikroalgen nach der Interaktion mit Nb₂CTₓ-SR zurückzuführen ist. Eine weniger starre Anhaftung der Nb-Flakes an die Zelloberfläche kann zu Zellwachstum mit minimalem Abschattungseffekt führen.
Unsere Beobachtungen zu Veränderungen der Form- und Größenparameter von Mikroalgen ergänzen andere Studien. Grüne Mikroalgen können ihre Morphologie als Reaktion auf Umweltstress verändern, indem sie Zellgröße, -form oder Stoffwechsel anpassen⁶¹. Beispielsweise erleichtert eine veränderte Zellgröße die Nährstoffaufnahme⁷¹. Kleinere Algenzellen weisen eine geringere Nährstoffaufnahme und ein verlangsamtes Wachstum auf. Umgekehrt verbrauchen größere Zellen tendenziell mehr Nährstoffe, die dann intrazellulär eingelagert werden^72,73. Machado und Soares stellten fest, dass das Fungizid Triclosan die Zellgröße erhöhen kann. Sie beobachteten außerdem deutliche Veränderungen der Algenform⁷⁴. Darüber hinaus zeigten Yin et al.⁹ morphologische Veränderungen in Algen nach Exposition gegenüber reduziertem Graphenoxid-Nanokompositen. Daher ist klar, dass die veränderten Größen- und Formparameter der Mikroalgen durch die Anwesenheit von MXene verursacht werden. Da diese Veränderung der Größe und Form auf Veränderungen in der Nährstoffaufnahme hinweist, glauben wir, dass die Analyse der Größen- und Formparameter im Laufe der Zeit die Aufnahme von Nioboxid durch Mikroalgen in Gegenwart von Nb-MXenen nachweisen kann.
Darüber hinaus können MXene in Gegenwart von Algen oxidiert werden. Dalai et al.⁷⁵ beobachteten, dass die Morphologie von Grünalgen nach Exposition gegenüber Nano-TiO₂ und Al₂O₃⁷⁶ nicht einheitlich war. Obwohl unsere Beobachtungen denen der vorliegenden Studie ähneln, sind sie nur für die Untersuchung der Auswirkungen der Bioremediation auf MXen-Abbauprodukte in Gegenwart von 2D-Nanoflocken, nicht aber von Nanopartikeln, relevant. Da MXene zu Metalloxiden abgebaut werden können,^31,32,77,78 ist anzunehmen, dass unsere Nb-Nanoflocken nach der Wechselwirkung mit Mikroalgenzellen ebenfalls Nb-Oxide bilden können.
Um die Reduktion von 2D-Nb-Nanoflakes durch einen auf Oxidation basierenden Zersetzungsmechanismus zu erklären, führten wir Untersuchungen mittels hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) (Abb. 7a,b) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) (Abb. 7c–i und Tabellen S4–5) durch. Beide Methoden eignen sich zur Untersuchung der Oxidation von 2D-Materialien und ergänzen sich. HRTEM ermöglicht die Analyse des Abbaus zweidimensionaler Schichtstrukturen und des anschließenden Auftretens von Metalloxid-Nanopartikeln, während XPS empfindlich auf Oberflächenbindungen reagiert. Zu diesem Zweck untersuchten wir 2D-Nb-MXene-Nanoflakes, die aus Mikroalgenzelldispersionen extrahiert wurden, d. h. ihre Form nach der Interaktion mit Mikroalgenzellen (siehe Abb. 7).
HRTEM-Bilder, die die Morphologie von oxidierten (a) SL Nb2CTx und (b) SL Nb4C3Tx MXenen zeigen, XPS-Analyseergebnisse, die (c) die Zusammensetzung der Oxidprodukte nach der Reduktion zeigen, (d–f) Peak-Übereinstimmung der Komponenten der XPS-Spektren von SL Nb2CTx und (g–i) Nb4C3Tx SL, die mit grünen Mikroalgen repariert wurden.
HRTEM-Untersuchungen bestätigten die Oxidation zweier Arten von Nb-MXen-Nanoflocken. Obwohl die Nanoflocken ihre zweidimensionale Morphologie teilweise beibehielten, führte die Oxidation zur Bildung zahlreicher Nanopartikel auf der Oberfläche der MXen-Nanoflocken (siehe Abb. 7a,b). XPS-Analysen der Nb 3d- und O 1s-Signale zeigten, dass in beiden Fällen Nb-Oxide gebildet wurden. Wie in Abbildung 7c dargestellt, weisen die 2D-MXene Nb₂CTₓ und Nb₄C₃TX Nb 3d-Signale auf, die auf das Vorhandensein von NbO- und Nb₂O₅-Oxiden hinweisen, während die O 1s-Signale die Anzahl der O–Nb-Bindungen anzeigen, die mit der Funktionalisierung der 2D-Nanoflockenoberfläche verbunden sind. Der Anteil der Nb-Oxide ist im Vergleich zu Nb-C und Nb³⁺-O deutlich höher.
Die Abbildungen 7g–i zeigen die XPS-Spektren von Nb 3d, C 1s und O 1s in SL Nb₂CTₓ (siehe Abb. 7d–f) und SL Nb₄C₃TX, isoliert aus Mikroalgenzellen. Details zu den Peakparametern der Nb-MXene sind in den Tabellen S4–5 aufgeführt. Zunächst analysierten wir die Zusammensetzung von Nb 3d. Im Gegensatz zu dem von Mikroalgenzellen absorbierten Nb wurden in den aus Mikroalgenzellen isolierten MXenen neben Nb₂O₅ weitere Komponenten gefunden. In SL Nb₂CTₓ wurde ein Anteil von Nb³⁺-O von 15 % beobachtet, während der Rest des Nb 3d-Spektrums von Nb₂O₅ (85 %) dominiert wurde. Die SL-Probe Nb₄C₃TX enthält zudem Nb-C (9 %) und Nb₂O₅ (91 %). Hierbei stammt Nb-C aus zwei inneren Atomlagen von Metallcarbid in Nb₄C₃Tₓ SR. Anschließend ordnen wir die C 1s-Spektren vier verschiedenen Komponenten zu, wie wir es bereits bei den internalisierten Proben getan haben. Erwartungsgemäß wird das C 1s-Spektrum von graphitischem Kohlenstoff dominiert, gefolgt von Beiträgen organischer Partikel (CHₓ/CO und C=O) aus Mikroalgenzellen. Zusätzlich beobachteten wir im O 1s-Spektrum Beiträge organischer Formen von Mikroalgenzellen, Nioboxid und adsorbiertem Wasser.
Zusätzlich untersuchten wir, ob die Spaltung von Nb-MXenen mit dem Vorhandensein reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) im Nährmedium und/oder in den Mikroalgenzellen zusammenhängt. Dazu bestimmten wir die Konzentrationen von Singulett-Sauerstoff (¹O₂) im Kulturmedium sowie von intrazellulärem Glutathion, einem Thiol, das in Mikroalgen als Antioxidans wirkt. Die Ergebnisse sind im Anhang (Abbildungen S20 und S21) dargestellt. Kulturen mit SL-Nb₂CTx- und Nb₄C₃TX-MXenen wiesen eine reduzierte Menge an ¹O₂ auf (siehe Abbildung S20). Im Fall von SL-Nb₂CTx sank der MXen-Gehalt an ¹O₂ auf etwa 83 %. Bei Mikroalgenkulturen mit SL-Nb₄C₃TX war der ¹O₂-Gehalt sogar noch niedriger und lag bei 73 %. Interessanterweise zeigten die Veränderungen des ¹O₂-Gehalts denselben Trend wie der zuvor beobachtete hemmende-stimulierende Effekt (siehe Abb. 3). Man könnte argumentieren, dass die Inkubation unter hellem Licht die Photooxidation beeinflussen kann. Die Ergebnisse der Kontrollanalyse zeigten jedoch während des gesamten Experiments nahezu konstante ¹O₂-Werte (Abb. S22). Auch bei den intrazellulären ROS-Werten beobachteten wir denselben Abwärtstrend (siehe Abb. S21). Anfänglich lagen die ROS-Werte in Mikroalgenzellen, die in Gegenwart der SLs Nb₂CTx und Nb₄C3Tx kultiviert wurden, über den Werten in Reinkulturen der Mikroalgen. Schließlich schienen sich die Mikroalgen jedoch an die Anwesenheit beider Nb-MXene anzupassen, da die ROS-Werte auf 85 % bzw. 91 % der Werte in Reinkulturen von Mikroalgen sanken, die mit den SLs Nb₂CTx bzw. Nb₄C3Tx beimpft worden waren. Dies deutet darauf hin, dass sich Mikroalgen mit der Zeit in Gegenwart von Nb-MXenen wohler fühlen als in reinem Nährmedium.
Mikroalgen bilden eine vielfältige Gruppe photosynthetischer Organismen. Während der Photosynthese wandeln sie atmosphärisches Kohlendioxid (CO₂) in organischen Kohlenstoff um. Die Produkte der Photosynthese sind Glucose und Sauerstoff⁷⁹. Wir vermuten, dass der dabei entstehende Sauerstoff eine entscheidende Rolle bei der Oxidation von Nb-MXenen spielt. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass sich der Parameter der differentiellen Belüftung bei niedrigen und hohen Sauerstoffpartialdrücken außerhalb und innerhalb der Nb-MXen-Nanoflocken ausbildet. Das bedeutet, dass sich überall dort, wo unterschiedliche Sauerstoffpartialdrücke vorhanden sind, der Bereich mit dem niedrigsten Partialdruck als Anode ausbildet⁸⁰, ⁸¹, ⁸². Hierbei tragen die Mikroalgen zur Bildung differentiell belüfteter Zellen auf der Oberfläche der MXen-Flocken bei, die aufgrund ihrer photosynthetischen Eigenschaften Sauerstoff produzieren. Infolgedessen entstehen Biokorrosionsprodukte (in diesem Fall Nioboxide). Ein weiterer Aspekt ist, dass Mikroalgen organische Säuren produzieren können, die ins Wasser abgegeben werden⁸³, ⁸⁴. Dadurch entsteht ein aggressives Milieu, das die Nb-MXene verändert. Zusätzlich können Mikroalgen durch die Absorption von Kohlendioxid den pH-Wert des Milieus in den alkalischen Bereich verschieben, was ebenfalls Korrosion verursachen kann.⁷⁹
Wichtiger noch: Die in unserer Studie verwendete Hell-Dunkel-Photoperiode ist entscheidend für das Verständnis der erzielten Ergebnisse. Dieser Aspekt wird detailliert in Djemai-Zoghlache et al.⁸⁵ beschrieben. Sie verwendeten bewusst eine 12/12-Stunden-Photoperiode, um die mit Biofouling durch die Rotalge Porphyridium purpureum verbundene Biokorrosion zu demonstrieren. Sie zeigen, dass die Photoperiode mit der Entwicklung des Potenzials ohne Biokorrosion korreliert, was sich in pseudoperiodischen Oszillationen um 24:00 Uhr manifestiert. Diese Beobachtungen wurden von Dowling et al.⁸⁶ bestätigt. Sie demonstrierten photosynthetische Biofilme des Cyanobakteriums Anabaena. Unter Lichteinwirkung wird gelöster Sauerstoff gebildet, was mit einer Veränderung oder Schwankung des freien Biokorrosionspotenzials einhergeht. Die Bedeutung der Photoperiode wird dadurch unterstrichen, dass das freie Potenzial für Biokorrosion in der Lichtphase zunimmt und in der Dunkelphase abnimmt. Dies ist auf den von photosynthetischen Mikroalgen produzierten Sauerstoff zurückzuführen, der die kathodische Reaktion durch den in der Nähe der Elektroden erzeugten Partialdruck beeinflusst.87
Zusätzlich wurde Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) durchgeführt, um festzustellen, ob sich die chemische Zusammensetzung der Mikroalgenzellen nach der Interaktion mit Nb-MXenen verändert hat. Die Ergebnisse sind komplex und werden im Anhang (Abbildungen S23–S25, einschließlich der Ergebnisse der MAX-Stufe und der ML-MXene) dargestellt. Kurz gesagt, die erhaltenen Referenzspektren der Mikroalgen liefern wichtige Informationen über die chemischen Eigenschaften dieser Organismen. Die wahrscheinlichsten Schwingungen liegen bei Frequenzen von 1060 cm⁻¹ (CO), 1540 cm⁻¹, 1640 cm⁻¹ (C=C), 1730 cm⁻¹ (C=O), 2850 cm⁻¹, 2920 cm⁻¹ (C–H) und 3280 cm⁻¹ (O–H). Für SL-Nb-MXene wurde eine CH-Streckschwingung gefunden, die mit unserer vorherigen Studie übereinstimmt.³⁸ Wir beobachteten jedoch, dass einige zusätzliche Peaks, die mit C=C- und CH-Bindungen assoziiert sind, verschwanden. Dies deutet darauf hin, dass die chemische Zusammensetzung der Mikroalgen durch die Wechselwirkung mit SL-Nb-MXenen geringfügige Veränderungen erfahren kann.
Bei der Betrachtung möglicher Veränderungen in der Biochemie von Mikroalgen muss die Akkumulation anorganischer Oxide, wie beispielsweise Nioboxid, neu bewertet werden⁵⁹. Es ist an der Aufnahme von Metallen über die Zelloberfläche, deren Transport ins Zytoplasma, deren Assoziation mit intrazellulären Carboxylgruppen und deren Akkumulation in den Polyphosphosomen der Mikroalgen beteiligt^20,88,89,90. Darüber hinaus wird die Wechselwirkung zwischen Mikroalgen und Metallen durch funktionelle Gruppen der Zellen aufrechterhalten. Aus diesem Grund hängt die Absorption auch von der komplexen Oberflächenchemie der Mikroalgen ab^9,91. Im Allgemeinen veränderte sich die chemische Zusammensetzung grüner Mikroalgen erwartungsgemäß durch die Absorption von Nioboxid nur geringfügig.
Interessanterweise war die anfängliche Hemmung der Mikroalgen im Laufe der Zeit reversibel. Wie wir beobachteten, kompensierten die Mikroalgen die anfängliche Umweltveränderung und erreichten schließlich wieder normale Wachstumsraten, die sich sogar noch erhöhten. Untersuchungen des Zeta-Potenzials zeigten eine hohe Stabilität in Nährmedien. Somit blieb die Oberflächeninteraktion zwischen den Mikroalgenzellen und den Nb-MXene-Nanoflocken während der gesamten Reduktionsexperimente erhalten. In unserer weiteren Analyse fassen wir die wichtigsten Wirkmechanismen zusammen, die diesem bemerkenswerten Verhalten der Mikroalgen zugrunde liegen.
SEM-Aufnahmen zeigten, dass Mikroalgen dazu neigen, sich an Nb-MXene anzulagern. Mithilfe dynamischer Bildanalyse bestätigten wir, dass dieser Effekt zur Umwandlung zweidimensionaler Nb-MXen-Nanoflakes in kugelförmigere Partikel führt. Dies belegt, dass die Zersetzung der Nanoflakes mit ihrer Oxidation einhergeht. Um unsere Hypothese zu überprüfen, führten wir eine Reihe von Material- und biochemischen Untersuchungen durch. Die Tests ergaben, dass die Nanoflakes allmählich oxidierten und sich in NbO- und Nb₂O₅-Produkte zersetzten, die keine Gefahr für die Grünalgen darstellten. FTIR-Spektroskopie zeigte keine signifikanten Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung der Mikroalgen, die in Gegenwart von 2D-Nb-MXen-Nanoflakes inkubiert wurden. Um die Möglichkeit der Absorption von Nioboxid durch die Mikroalgen zu berücksichtigen, führten wir eine Röntgenfluoreszenzanalyse durch. Die Ergebnisse zeigen eindeutig, dass die untersuchten Mikroalgen Nioboxide (NbO und Nb₂O₅) aufnehmen, die für sie ungiftig sind.