Σας ευχαριστούμε που επισκεφθήκατε το Nature.com. Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS. Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη Λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer). Εν τω μεταξύ, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, θα αποδώσουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Εμφανίζει ένα καρουζέλ τριών διαφανειών ταυτόχρονα. Χρησιμοποιήστε τα κουμπιά Προηγούμενο και Επόμενο για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά ή χρησιμοποιήστε τα κουμπιά ρυθμιστικού στο τέλος για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά.
Η ραγδαία ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας και η ενσωμάτωσή της σε καθημερινές εφαρμογές μπορεί να απειλήσει το περιβάλλον. Ενώ οι πράσινες μέθοδοι για την αποικοδόμηση οργανικών ρύπων είναι καθιερωμένες, η ανάκτηση ανόργανων κρυσταλλικών ρύπων αποτελεί μείζονα ανησυχία λόγω της χαμηλής ευαισθησίας τους στον βιομετασχηματισμό και της έλλειψης κατανόησης των αλληλεπιδράσεων της επιφάνειας των υλικών με τους βιολογικούς. Εδώ, χρησιμοποιούμε ένα ανόργανο δισδιάστατο μοντέλο MXenes με βάση το Nb σε συνδυασμό με μια απλή μέθοδο ανάλυσης παραμέτρων σχήματος για να εντοπίσουμε τον μηχανισμό βιοαποκατάστασης των δισδιάστατων κεραμικών νανοϋλικών από τα πράσινα μικροφύκη Raphidocelis subcapitata. Διαπιστώσαμε ότι τα μικροφύκη αποικοδομούν τα MXenes με βάση το Nb λόγω φυσικοχημικών αλληλεπιδράσεων που σχετίζονται με την επιφάνεια. Αρχικά, νανονιλάδες MXene μονής και πολλαπλών στρώσεων προσκολλήθηκαν στην επιφάνεια των μικροφυκών, γεγονός που μείωσε κάπως την ανάπτυξη των φυκών. Ωστόσο, μετά από παρατεταμένη αλληλεπίδραση με την επιφάνεια, τα μικροφύκη οξείδωσαν τις νανονιλάδες MXene και τις αποσύνθεσαν περαιτέρω σε NbO και Nb2O5. Επειδή αυτά τα οξείδια δεν είναι τοξικά για τα κύτταρα των μικροφυκών, καταναλώνουν νανοσωματίδια οξειδίου του Nb μέσω ενός μηχανισμού απορρόφησης που αποκαθιστά περαιτέρω τα μικροφύκη μετά από 72 ώρες επεξεργασίας νερού. Οι επιδράσεις των θρεπτικών συστατικών που σχετίζονται με την απορρόφηση αντικατοπτρίζονται επίσης στην αύξηση του όγκου των κυττάρων, στο ομαλό σχήμα τους και στην αλλαγή στον ρυθμό ανάπτυξης. Με βάση αυτά τα ευρήματα, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η βραχυπρόθεσμη και μακροπρόθεσμη παρουσία MXenes με βάση το Nb σε οικοσυστήματα γλυκού νερού μπορεί να προκαλέσει μόνο μικρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Αξίζει να σημειωθεί ότι, χρησιμοποιώντας δισδιάστατα νανοϋλικά ως συστήματα μοντέλων, καταδεικνύουμε τη δυνατότητα παρακολούθησης του μετασχηματισμού σχήματος ακόμη και σε λεπτόκοκκα υλικά. Συνολικά, αυτή η μελέτη απαντά σε ένα σημαντικό θεμελιώδες ερώτημα σχετικά με τις διεργασίες που σχετίζονται με την αλληλεπίδραση επιφανειών που οδηγούν τον μηχανισμό βιοαποκατάστασης των δισδιάστατων νανοϋλικών και παρέχει τη βάση για περαιτέρω βραχυπρόθεσμες και μακροπρόθεσμες μελέτες των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των ανόργανων κρυσταλλικών νανοϋλικών.
Τα νανοϋλικά έχουν προκαλέσει μεγάλο ενδιαφέρον από την ανακάλυψή τους και διάφορες νανοτεχνολογίες έχουν πρόσφατα εισέλθει σε φάση εκσυγχρονισμού1. Δυστυχώς, η ενσωμάτωση των νανοϋλικών σε καθημερινές εφαρμογές μπορεί να οδηγήσει σε τυχαίες απελευθερώσεις λόγω ακατάλληλης απόρριψης, απρόσεκτου χειρισμού ή ανεπαρκούς υποδομής ασφαλείας. Επομένως, είναι λογικό να υποθέσουμε ότι τα νανοϋλικά, συμπεριλαμβανομένων των δισδιάστατων (2D) νανοϋλικών, μπορούν να απελευθερωθούν στο φυσικό περιβάλλον, η συμπεριφορά και η βιολογική δραστηριότητα των οποίων δεν έχουν ακόμη κατανοηθεί πλήρως. Επομένως, δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι οι ανησυχίες για την οικοτοξικότητα έχουν επικεντρωθεί στην ικανότητα των δισδιάστατων νανοϋλικών να διαρρέουν σε υδάτινα συστήματα2,3,4,5,6. Σε αυτά τα οικοσυστήματα, ορισμένα δισδιάστατα νανοϋλικά μπορούν να αλληλεπιδράσουν με διάφορους οργανισμούς σε διαφορετικά τροφικά επίπεδα, συμπεριλαμβανομένων των μικροφυκών.
Τα μικροφύκη είναι πρωτόγονοι οργανισμοί που βρίσκονται φυσικά σε οικοσυστήματα γλυκού νερού και θαλάσσιας προέλευσης και παράγουν μια ποικιλία χημικών προϊόντων μέσω της φωτοσύνθεσης7. Ως εκ τούτου, είναι κρίσιμα για τα υδάτινα οικοσυστήματα8,9,10,11,12, αλλά είναι επίσης ευαίσθητοι, φθηνοί και ευρέως χρησιμοποιούμενοι δείκτες οικοτοξικότητας13,14. Δεδομένου ότι τα κύτταρα των μικροφυκών πολλαπλασιάζονται γρήγορα και αντιδρούν γρήγορα στην παρουσία διαφόρων ενώσεων, είναι πολλά υποσχόμενα για την ανάπτυξη φιλικών προς το περιβάλλον μεθόδων για την επεξεργασία νερού μολυσμένου με οργανικές ουσίες15,16.
Τα κύτταρα των φυκών μπορούν να απομακρύνουν ανόργανα ιόντα από το νερό μέσω βιορρόφησης και συσσώρευσης17,18. Ορισμένα είδη φυκών όπως τα Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue και Synechococcus sp. Έχει βρεθεί ότι μεταφέρει και μάλιστα θρέφει τοξικά μεταλλικά ιόντα όπως Fe2+, Cu2+, Zn2+ και Mn2+19. Άλλες μελέτες έχουν δείξει ότι τα ιόντα Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ ή Pb2+ περιορίζουν την ανάπτυξη του Scenedesmus αλλοιώνοντας τη μορφολογία των κυττάρων και καταστρέφοντας τους χλωροπλάστες τους20,21.
Οι πράσινες μέθοδοι για την αποσύνθεση οργανικών ρύπων και την απομάκρυνση ιόντων βαρέων μετάλλων έχουν προσελκύσει την προσοχή επιστημόνων και μηχανικών σε όλο τον κόσμο. Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι αυτοί οι ρύποι υποβάλλονται σε επεξεργασία εύκολα στην υγρή φάση. Ωστόσο, οι ανόργανοι κρυσταλλικοί ρύποι χαρακτηρίζονται από χαμηλή διαλυτότητα στο νερό και χαμηλή ευαισθησία σε διάφορους βιομετασχηματισμούς, γεγονός που προκαλεί μεγάλες δυσκολίες στην αποκατάσταση, και έχει σημειωθεί μικρή πρόοδος σε αυτόν τον τομέα22,23,24,25,26. Έτσι, η αναζήτηση φιλικών προς το περιβάλλον λύσεων για την επισκευή νανοϋλικών παραμένει μια πολύπλοκη και ανεξερεύνητη περιοχή. Λόγω του υψηλού βαθμού αβεβαιότητας σχετικά με τις επιδράσεις βιομετασχηματισμού των δισδιάστατων νανοϋλικών, δεν υπάρχει εύκολος τρόπος για να εντοπιστούν οι πιθανές οδοί υποβάθμισής τους κατά την αναγωγή.
Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε πράσινα μικροφύκη ως ενεργό υδατικό παράγοντα βιοαποκατάστασης για ανόργανα κεραμικά υλικά, σε συνδυασμό με in situ παρακολούθηση της διαδικασίας αποικοδόμησης του MXene ως αντιπροσωπευτικού ανόργανων κεραμικών υλικών. Ο όρος «MXene» αντικατοπτρίζει τη στοιχειομετρία του υλικού Mn+1XnTx, όπου το M είναι ένα πρώιμο μέταλλο μετάπτωσης, το X είναι άνθρακας ή/και άζωτο, το Tx είναι ένας επιφανειακός τερματιστής (π.χ., -OH, -F, -Cl) και n = 1, 2, 3 ή 427,28. Από την ανακάλυψη των MXenes από τους Naguib et al. Αισθητηρική, θεραπεία καρκίνου και διήθηση μεμβράνης 27,29,30. Επιπλέον, τα MXenes μπορούν να θεωρηθούν ως μοντέλα 2D συστημάτων λόγω της εξαιρετικής κολλοειδούς σταθερότητάς τους και των πιθανών βιολογικών αλληλεπιδράσεών τους31,32,33,34,35,36.
Συνεπώς, η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε σε αυτό το άρθρο και οι ερευνητικές μας υποθέσεις παρουσιάζονται στο Σχήμα 1. Σύμφωνα με αυτήν την υπόθεση, τα μικροφύκη αποικοδομούν τα MXenes με βάση το Nb σε μη τοξικές ενώσεις λόγω επιφανειακών φυσικοχημικών αλληλεπιδράσεων, οι οποίες επιτρέπουν την περαιτέρω ανάκτηση των φυκών. Για να δοκιμαστεί αυτή η υπόθεση, επιλέχθηκαν δύο μέλη της οικογένειας των πρώιμων καρβιδίων ή/και νιτριδίων μεταβατικών μετάλλων (MXenes) με βάση το νιόβιο, συγκεκριμένα τα Nb2CTx και Nb4C3TX.
Μεθοδολογία έρευνας και υποθέσεις βασισμένες σε στοιχεία για την ανάκτηση MXene από τα πράσινα μικροφύκη Raphidocelis subcapitata. Λάβετε υπόψη ότι αυτή είναι απλώς μια σχηματική αναπαράσταση υποθέσεων βασισμένων σε στοιχεία. Το περιβάλλον της λίμνης διαφέρει ως προς το θρεπτικό μέσο που χρησιμοποιείται και τις συνθήκες (π.χ., ημερήσιος κύκλος και περιορισμοί στα διαθέσιμα απαραίτητα θρεπτικά συστατικά). Δημιουργήθηκε με το BioRender.com.
Επομένως, χρησιμοποιώντας το MXene ως σύστημα μοντέλου, έχουμε ανοίξει την πόρτα στη μελέτη διαφόρων βιολογικών επιδράσεων που δεν μπορούν να παρατηρηθούν με άλλα συμβατικά νανοϋλικά. Συγκεκριμένα, καταδεικνύουμε τη δυνατότητα βιοαποκατάστασης δισδιάστατων νανοϋλικών, όπως τα MXenes με βάση το νιόβιο, από τα μικροφύκη Raphidocelis subcapitata. Τα μικροφύκη είναι σε θέση να αποικοδομούν τα Nb-MXenes στα μη τοξικά οξείδια NbO και Nb2O5, τα οποία παρέχουν επίσης θρεπτικά συστατικά μέσω του μηχανισμού πρόσληψης νιοβίου. Συνολικά, αυτή η μελέτη απαντά σε ένα σημαντικό θεμελιώδες ερώτημα σχετικά με τις διεργασίες που σχετίζονται με τις επιφανειακές φυσικοχημικές αλληλεπιδράσεις που διέπουν τους μηχανισμούς βιοαποκατάστασης δισδιάστατων νανοϋλικών. Επιπλέον, αναπτύσσουμε μια απλή μέθοδο βασισμένη σε παραμέτρους σχήματος για την παρακολούθηση ανεπαίσθητων αλλαγών στο σχήμα των δισδιάστατων νανοϋλικών. Αυτό εμπνέει περαιτέρω βραχυπρόθεσμη και μακροπρόθεσμη έρευνα σχετικά με τις διάφορες περιβαλλοντικές επιπτώσεις των ανόργανων κρυσταλλικών νανοϋλικών. Έτσι, η μελέτη μας αυξάνει την κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της επιφάνειας του υλικού και του βιολογικού υλικού. Παρέχουμε επίσης τη βάση για εκτεταμένες βραχυπρόθεσμες και μακροπρόθεσμες μελέτες σχετικά με τις πιθανές επιπτώσεις τους στα οικοσυστήματα γλυκού νερού, οι οποίες μπορούν πλέον εύκολα να επαληθευτούν.
Τα MXenes αντιπροσωπεύουν μια ενδιαφέρουσα κατηγορία υλικών με μοναδικές και ελκυστικές φυσικές και χημικές ιδιότητες και επομένως πολλές πιθανές εφαρμογές. Αυτές οι ιδιότητες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη στοιχειομετρία και τη χημεία της επιφάνειάς τους. Επομένως, στη μελέτη μας, ερευνήσαμε δύο τύπους ιεραρχικών μονοστρωματικών (SL) MXenes με βάση το Nb, τα Nb2CTx και Nb4C3TX, καθώς μπορούν να παρατηρηθούν διαφορετικές βιολογικές επιδράσεις αυτών των νανοϋλικών. Τα MXenes παράγονται από τα αρχικά τους υλικά με επιλεκτική χάραξη από πάνω προς τα κάτω ατομικά λεπτών στρωμάτων Α φάσης MAX. Η φάση MAX είναι ένα τριαδικό κεραμικό που αποτελείται από «συνδεδεμένα» μπλοκ καρβιδίων μεταβατικών μετάλλων και λεπτά στρώματα στοιχείων «Α» όπως Al, Si και Sn με στοιχειομετρία MnAXn-1. Η μορφολογία της αρχικής φάσης MAX παρατηρήθηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και ήταν σύμφωνη με προηγούμενες μελέτες (Βλέπε Συμπληρωματικές Πληροφορίες, SI, Σχήμα S1). Το πολυστρωματικό (ML) Nb-MXene ελήφθη μετά την αφαίρεση του στρώματος Al με 48% HF (υδροφθορικό οξύ). Η μορφολογία των ML-Nb2CTx και ML-Nb4C3TX εξετάστηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) (Σχήματα S1c και S1d αντίστοιχα) και παρατηρήθηκε μια τυπική μορφολογία MXene σε στρώσεις, παρόμοια με δισδιάστατες νανονιφάδες που διέρχονται από επιμήκεις σχισμές που μοιάζουν με πόρους. Και τα δύο Nb-MXenes έχουν πολλά κοινά με τις φάσεις MXene που είχαν συντεθεί προηγουμένως με όξινη χάραξη27,38. Αφού επιβεβαιώσαμε τη δομή του MXene, το στρωματοποιήσαμε με παρεμβολή υδροξειδίου του τετραβουτυλαμμωνίου (TBAOH) ακολουθούμενη από πλύση και υπερήχηση, μετά την οποία λάβαμε νανονιφάδες Nb-MXene 2D μονής ή χαμηλής στρώσης (SL).
Χρησιμοποιήσαμε ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης υψηλής ανάλυσης (HRTEM) και περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) για να ελέγξουμε την αποτελεσματικότητα της χάραξης και της περαιτέρω αποφλοίωσης. Τα αποτελέσματα HRTEM που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία χρησιμοποιώντας τον Αντίστροφο Γρήγορο Μετασχηματισμό Fourier (IFFT) και τον Γρήγορο Μετασχηματισμό Fourier (FFT) φαίνονται στο Σχήμα 2. Οι νανονιφάδες Nb-MXene προσανατολίστηκαν με την άκρη προς τα πάνω για να ελεγχθεί η δομή του ατομικού στρώματος και να μετρηθούν οι διαεπίπεδες αποστάσεις. Οι εικόνες HRTEM των νανονιφάδων MXene Nb2CTx και Nb4C3TX αποκάλυψαν την ατομικά λεπτή στρωματοποιημένη φύση τους (βλ. Σχήμα 2a1, a2), όπως αναφέρθηκε προηγουμένως από τους Naguib et al.27 και Jastrzębska et al.38. Για δύο γειτονικές μονοστοιβάδες Nb2CTx και Nb4C3Tx, προσδιορίσαμε αποστάσεις μεταξύ των στρώσεων 0,74 και 1,54 nm, αντίστοιχα (Σχήματα 2b1,b2), τα οποία συμφωνούν επίσης με τα προηγούμενα αποτελέσματά μας38. Αυτό επιβεβαιώθηκε περαιτέρω από τον αντίστροφο γρήγορο μετασχηματισμό Fourier (Εικ. 2c1, c2) και τον γρήγορο μετασχηματισμό Fourier (Εικ. 2d1, d2) που δείχνουν την απόσταση μεταξύ των μονοστοιβάδων Nb2CTx και Nb4C3Tx. Η εικόνα δείχνει μια εναλλαγή φωτεινών και σκοτεινών ζωνών που αντιστοιχούν σε άτομα νιοβίου και άνθρακα, γεγονός που επιβεβαιώνει τη στρωματοποιημένη φύση των μελετώμενων MXenes. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι τα φάσματα φασματοσκοπίας ακτίνων Χ με ενεργειακή διασπορά (EDX) που ελήφθησαν για τα Nb2CTx και Nb4C3Tx (Εικόνες S2a και S2b) δεν έδειξαν υπολείμματα της αρχικής φάσης MAX, καθώς δεν ανιχνεύθηκε κορυφή Al.
Χαρακτηρισμός νανονιφάδων SL Nb2CTx και Nb4C3Tx MXene, συμπεριλαμβανομένων (α) απεικόνισης νανονιφάδων 2D πλάγιας όψης με ηλεκτρονική μικροσκοπία υψηλής ανάλυσης (HRTEM) και αντίστοιχων, (β) τρόπου έντασης, (γ) αντίστροφου γρήγορου μετασχηματισμού Fourier (IFFT), (δ) γρήγορου μετασχηματισμού Fourier (FFT), (ε) διαγραμμάτων ακτίνων Χ Nb-MXenes. Για το SL 2D Nb2CTx, οι αριθμοί εκφράζονται ως (a1, b1, c1, d1, e1). Για το SL 2D Nb4C3Tx, οι αριθμοί εκφράζονται ως (a2, b2, c2, d2, e1).
Οι μετρήσεις περίθλασης ακτίνων Χ των SL Nb2CTx και Nb4C3Tx MXenes παρουσιάζονται στα Σχήματα 2e1 και e2, αντίστοιχα. Οι κορυφές (002) στα 4.31 και 4.32 αντιστοιχούν στα προηγουμένως περιγραφέντα στρωματοποιημένα MXenes Nb2CTx και Nb4C3TX38,39,40,41 αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα XRD υποδεικνύουν επίσης την παρουσία ορισμένων υπολειμματικών δομών ML και φάσεων MAX, αλλά κυρίως μοτίβων XRD που σχετίζονται με το SL Nb4C3Tx (Σχήμα 2e2). Η παρουσία μικρότερων σωματιδίων της φάσης MAX μπορεί να εξηγήσει την ισχυρότερη κορυφή MAX σε σύγκριση με τα τυχαία στοιβαγμένα στρώματα Nb4C3Tx.
Περαιτέρω έρευνα έχει επικεντρωθεί στα πράσινα μικροφύκη που ανήκουν στο είδος R. subcapitata. Επιλέξαμε τα μικροφύκη επειδή είναι σημαντικοί παραγωγοί που συμμετέχουν σε μεγάλα τροφικά αλυσίδες42. Αποτελούν επίσης έναν από τους καλύτερους δείκτες τοξικότητας λόγω της ικανότητάς τους να απομακρύνουν τοξικές ουσίες που μεταφέρονται σε υψηλότερα επίπεδα της τροφικής αλυσίδας43. Επιπλέον, η έρευνα για το R. subcapitata μπορεί να ρίξει φως στην τυχαία τοξικότητα των SL Nb-MXenes σε κοινούς μικροοργανισμούς γλυκού νερού. Για να το δείξουν αυτό, οι ερευνητές υπέθεσαν ότι κάθε μικρόβιο έχει διαφορετική ευαισθησία στις τοξικές ενώσεις που υπάρχουν στο περιβάλλον. Για τους περισσότερους οργανισμούς, οι χαμηλές συγκεντρώσεις ουσιών δεν επηρεάζουν την ανάπτυξή τους, ενώ οι συγκεντρώσεις πάνω από ένα ορισμένο όριο μπορούν να τους αναστείλουν ή ακόμα και να προκαλέσουν θάνατο. Επομένως, για τις μελέτες μας σχετικά με την επιφανειακή αλληλεπίδραση μεταξύ μικροφυκών και MXenes και την σχετική ανάκτηση, αποφασίσαμε να ελέγξουμε τις ακίνδυνες και τοξικές συγκεντρώσεις Nb-MXenes. Για να το κάνουμε αυτό, δοκιμάσαμε συγκεντρώσεις 0 (ως αναφορά), 0,01, 0,1 και 10 mg l-1 MXene και επιπλέον μολυσμένα μικροφύκη με πολύ υψηλές συγκεντρώσεις MXene (100 mg l-1 MXene), οι οποίες μπορεί να είναι ακραίες και θανατηφόρες για οποιοδήποτε βιολογικό περιβάλλον.
Οι επιδράσεις των SL Nb-MXenes στα μικροφύκη φαίνονται στο Σχήμα 3, εκφρασμένες ως το ποσοστό προώθησης της ανάπτυξης (+) ή αναστολής (-) που μετρήθηκε για δείγματα 0 mg l-1. Για λόγους σύγκρισης, δοκιμάστηκαν επίσης η φάση Nb-MAX και τα ML Nb-MXenes και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται σε SI (βλ. Σχήμα S3). Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν επιβεβαίωσαν ότι τα SL Nb-MXenes είναι σχεδόν εντελώς απαλλαγμένα από τοξικότητα στο εύρος χαμηλών συγκεντρώσεων από 0,01 έως 10 mg/l, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3a,b. Στην περίπτωση του Nb2CTx, παρατηρήσαμε όχι περισσότερο από 5% οικοτοξικότητα στο καθορισμένο εύρος.
Διέγερση (+) ή αναστολή (-) της ανάπτυξης μικροφυκών παρουσία SL (α) Nb2CTx και (β) Nb4C3TX MXene. Αναλύθηκαν 24, 48 και 72 ώρες αλληλεπίδρασης MXene-μικροφυκών. Τα σημαντικά δεδομένα (t-test, p < 0,05) σημειώθηκαν με αστερίσκο (*). Τα σημαντικά δεδομένα (t-test, p < 0,05) σημειώθηκαν με αστερίσκο (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены ѕвездочкой (*). Τα σημαντικά δεδομένα (t-test, p < 0,05) σημειώνονται με αστερίσκο (*).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 (*). Τα σημαντικά δεδομένα (t-test, p < 0,05) σημειώνονται με αστερίσκο (*).Τα κόκκινα βέλη υποδεικνύουν την κατάργηση της ανασταλτικής διέγερσης.
Από την άλλη πλευρά, οι χαμηλές συγκεντρώσεις Nb4C3TX αποδείχθηκαν ελαφρώς πιο τοξικές, αλλά όχι υψηλότερες από 7%. Όπως αναμενόταν, παρατηρήσαμε ότι τα MXenes είχαν υψηλότερη τοξικότητα και αναστολή ανάπτυξης μικροφυκών στα 100mg L-1. Είναι ενδιαφέρον ότι κανένα από τα υλικά δεν έδειξε την ίδια τάση και χρονική εξάρτηση από τις ατοξικές/τοξικές επιδράσεις σε σύγκριση με τα δείγματα MAX ή ML (βλ. SI για λεπτομέρειες). Ενώ για τη φάση MAX (βλ. Σχήμα S3) η τοξικότητα έφτασε περίπου το 15-25% και αυξήθηκε με την πάροδο του χρόνου, η αντίστροφη τάση παρατηρήθηκε για το SL Nb2CTx και το Nb4C3TX MXene. Η αναστολή της ανάπτυξης μικροφυκών μειώθηκε με την πάροδο του χρόνου. Έφτασε περίπου το 17% μετά από 24 ώρες και μειώθηκε σε λιγότερο από 5% μετά από 72 ώρες (Σχήμα 3α, β, αντίστοιχα).
Το πιο σημαντικό είναι ότι για το SL Nb4C3TX, η αναστολή ανάπτυξης των μικροφυκών έφτασε περίπου το 27% μετά από 24 ώρες, αλλά μετά από 72 ώρες μειώθηκε σε περίπου 1%. Επομένως, χαρακτηρίσαμε το παρατηρούμενο αποτέλεσμα ως αντίστροφη αναστολή της διέγερσης, και το αποτέλεσμα ήταν ισχυρότερο για το SL Nb4C3TX MXene. Η διέγερση της ανάπτυξης των μικροφυκών παρατηρήθηκε νωρίτερα με το Nb4C3TX (αλληλεπίδραση στα 10 mg L-1 για 24 ώρες) σε σύγκριση με το SL Nb2CTx MXene. Το φαινόμενο αντιστροφής αναστολής-διέγερσης φάνηκε επίσης καλά στην καμπύλη ρυθμού διπλασιασμού της βιομάζας (βλ. Σχήμα S4 για λεπτομέρειες). Μέχρι στιγμής, μόνο η οικοτοξικότητα του Ti3C2TX MXene έχει μελετηθεί με διαφορετικούς τρόπους. Δεν είναι τοξικό για τα έμβρυα του ψαριού ζέβρα44 αλλά μέτρια οικοτοξικό για τα φυτά μικροφυκών Desmodesmus quadricauda και Sorghum saccharatum45. Άλλα παραδείγματα συγκεκριμένων επιδράσεων περιλαμβάνουν υψηλότερη τοξικότητα στις καρκινικές κυτταρικές σειρές από ό,τι στις φυσιολογικές κυτταρικές σειρές46,47. Θα μπορούσε να υποτεθεί ότι οι συνθήκες δοκιμής θα επηρέαζαν τις αλλαγές στην ανάπτυξη των μικροφυκών που παρατηρούνται παρουσία Nb-MXenes. Για παράδειγμα, ένα pH περίπου 8 στο στρώμα του χλωροπλάστη είναι βέλτιστο για την αποτελεσματική λειτουργία του ενζύμου RuBisCO. Επομένως, οι αλλαγές στο pH επηρεάζουν αρνητικά τον ρυθμό φωτοσύνθεσης48,49. Ωστόσο, δεν παρατηρήσαμε σημαντικές αλλαγές στο pH κατά τη διάρκεια του πειράματος (βλ. SI, Σχήμα S5 για λεπτομέρειες). Γενικά, οι καλλιέργειες μικροφυκών με Nb-MXenes μείωσαν ελαφρώς το pH του διαλύματος με την πάροδο του χρόνου. Ωστόσο, αυτή η μείωση ήταν παρόμοια με μια αλλαγή στο pH ενός καθαρού μέσου. Επιπλέον, το εύρος των διακυμάνσεων που βρέθηκαν ήταν παρόμοιο με αυτό που μετρήθηκε για μια καθαρή καλλιέργεια μικροφυκών (δείγμα ελέγχου). Έτσι, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η φωτοσύνθεση δεν επηρεάζεται από τις αλλαγές στο pH με την πάροδο του χρόνου.
Επιπλέον, τα συνθετικά MXenes έχουν επιφανειακές απολήξεις (που συμβολίζονται ως Tx). Αυτές είναι κυρίως λειτουργικές ομάδες -O, -F και -OH. Ωστόσο, η χημεία της επιφάνειας σχετίζεται άμεσα με τη μέθοδο σύνθεσης. Αυτές οι ομάδες είναι γνωστό ότι είναι τυχαία κατανεμημένες στην επιφάνεια, γεγονός που καθιστά δύσκολη την πρόβλεψη της επίδρασής τους στις ιδιότητες του MXene50. Μπορεί να υποστηριχθεί ότι το Tx θα μπορούσε να είναι η καταλυτική δύναμη για την οξείδωση του νιοβίου από το φως. Οι επιφανειακές λειτουργικές ομάδες πράγματι παρέχουν πολλαπλές θέσεις αγκύρωσης για τους υποκείμενους φωτοκαταλύτες τους για να σχηματίσουν ετεροεπαφές51. Ωστόσο, η σύνθεση του μέσου ανάπτυξης δεν παρείχε έναν αποτελεσματικό φωτοκαταλύτη (λεπτομερής σύνθεση του μέσου μπορεί να βρεθεί στον Πίνακα S6 του SI). Επιπλέον, οποιαδήποτε τροποποίηση της επιφάνειας είναι επίσης πολύ σημαντική, καθώς η βιολογική δραστικότητα των MXenes μπορεί να μεταβληθεί λόγω μετεπεξεργασίας στρωμάτων, οξείδωσης, χημικής τροποποίησης επιφάνειας οργανικών και ανόργανων ενώσεων52,53,54,55,56 ή μηχανικής επιφανειακού φορτίου38. Επομένως, για να ελέγξουμε εάν το οξείδιο του νιοβίου έχει κάποια σχέση με την αστάθεια του υλικού στο μέσο, ​​πραγματοποιήσαμε μελέτες του δυναμικού ζήτα (ζ) σε μέσο ανάπτυξης μικροφυκών και απιονισμένο νερό (για σύγκριση). Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι τα SL Nb-MXenes είναι αρκετά σταθερά (βλ. SI Σχήμα S6 για αποτελέσματα MAX και ML). Το δυναμικό ζήτα των SL MXenes είναι περίπου -10 mV. Στην περίπτωση του SR Nb2CTx, η τιμή του ζ είναι κάπως πιο αρνητική από αυτή του Nb4C3Tx. Μια τέτοια αλλαγή στην τιμή ζ μπορεί να υποδηλώνει ότι η επιφάνεια των αρνητικά φορτισμένων νανονιφάδων MXene απορροφά θετικά φορτισμένα ιόντα από το μέσο καλλιέργειας. Χρονικές μετρήσεις του δυναμικού ζήτα και της αγωγιμότητας των Nb-MXenes στο μέσο καλλιέργειας (βλ. Σχήματα S7 και S8 στο SI για περισσότερες λεπτομέρειες) φαίνεται να υποστηρίζουν την υπόθεσή μας.
Ωστόσο, και τα δύο Nb-MXene SL παρουσίασαν ελάχιστες αλλαγές από το μηδέν. Αυτό καταδεικνύει σαφώς τη σταθερότητά τους στο μέσο ανάπτυξης μικροφυκών. Επιπλέον, αξιολογήσαμε εάν η παρουσία των πράσινων μικροφυκών μας θα επηρέαζε τη σταθερότητα των Nb-MXenes στο μέσο. Τα αποτελέσματα του δυναμικού ζήτα και της αγωγιμότητας των MXenes μετά την αλληλεπίδραση με μικροφύκη σε θρεπτικά μέσα και καλλιέργεια με την πάροδο του χρόνου μπορούν να βρεθούν στο SI (Σχήματα S9 και S10). Είναι ενδιαφέρον ότι παρατηρήσαμε ότι η παρουσία μικροφυκών φάνηκε να σταθεροποιεί τη διασπορά και των δύο MXenes. Στην περίπτωση του Nb2CTx SL, το δυναμικό ζήτα μειώθηκε ακόμη και ελαφρώς με την πάροδο του χρόνου σε πιο αρνητικές τιμές (-15,8 έναντι -19,1 mV μετά από 72 ώρες επώασης). Το δυναμικό ζήτα του SL Nb4C3TX αυξήθηκε ελαφρώς, αλλά μετά από 72 ώρες έδειξε ακόμα υψηλότερη σταθερότητα από τις νανονιφάδες χωρίς την παρουσία μικροφυκών (-18,1 έναντι -9,1 mV).
Διαπιστώσαμε επίσης χαμηλότερη αγωγιμότητα των διαλυμάτων Nb-MXene που επωάστηκαν παρουσία μικροφυκών, υποδεικνύοντας χαμηλότερη ποσότητα ιόντων στο θρεπτικό μέσο. Αξίζει να σημειωθεί ότι η αστάθεια των MXenes στο νερό οφείλεται κυρίως στην επιφανειακή οξείδωση57. Επομένως, υποψιαζόμαστε ότι τα πράσινα μικροφύκη κατά κάποιο τρόπο καθάρισαν τα οξείδια που σχηματίστηκαν στην επιφάνεια του Nb-MXene και μάλιστα εμπόδισαν την εμφάνισή τους (οξείδωση του MXene). Αυτό μπορεί να φανεί μελετώντας τους τύπους ουσιών που απορροφώνται από τα μικροφύκη.
Ενώ οι οικοτοξικολογικές μας μελέτες έδειξαν ότι τα μικροφύκη ήταν σε θέση να ξεπεράσουν την τοξικότητα των Nb-MXenes με την πάροδο του χρόνου και την ασυνήθιστη αναστολή της διεγερμένης ανάπτυξης, ο στόχος της μελέτης μας ήταν να διερευνήσουμε πιθανούς μηχανισμούς δράσης. Όταν οργανισμοί όπως τα φύκια εκτίθενται σε ενώσεις ή υλικά που δεν είναι γνωστά στα οικοσυστήματά τους, μπορεί να αντιδράσουν με ποικίλους τρόπους58,59. Ελλείψει τοξικών μεταλλικών οξειδίων, τα μικροφύκη μπορούν να τραφούν μόνα τους, επιτρέποντάς τους να αναπτύσσονται συνεχώς60. Μετά την κατάποση τοξικών ουσιών, μπορεί να ενεργοποιηθούν αμυντικοί μηχανισμοί, όπως η αλλαγή σχήματος ή μορφής. Πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη η πιθανότητα απορρόφησης58,59. Αξίζει να σημειωθεί ότι οποιοδήποτε σημάδι αμυντικού μηχανισμού αποτελεί σαφή ένδειξη της τοξικότητας της υπό δοκιμή ένωσης. Επομένως, στην περαιτέρω εργασία μας, διερευνήσαμε την πιθανή επιφανειακή αλληλεπίδραση μεταξύ των νανονιλάδων SL Nb-MXene και των μικροφυκών με SEM και την πιθανή απορρόφηση του MXene με βάση το Nb με φασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων Χ (XRF). Σημειώστε ότι οι αναλύσεις SEM και XRF πραγματοποιήθηκαν μόνο στην υψηλότερη συγκέντρωση MXene για την αντιμετώπιση ζητημάτων τοξικότητας δραστηριότητας.
Τα αποτελέσματα της Ηλεκτρομαγνητικής Δοκιμασίας (SEM) παρουσιάζονται στο Σχήμα 4. Τα μη επεξεργασμένα κύτταρα μικροφυκών (βλ. Σχήμα 4α, δείγμα αναφοράς) έδειξαν σαφώς τυπική μορφολογία του R. subcapitata και κρουασάν σχήμα κυττάρων. Τα κύτταρα εμφανίζονται πεπλατυσμένα και κάπως αποδιοργανωμένα. Ορισμένα κύτταρα μικροφυκών επικαλύπτονταν και μπλέκονταν μεταξύ τους, αλλά αυτό πιθανότατα προκλήθηκε από τη διαδικασία προετοιμασίας του δείγματος. Γενικά, τα καθαρά κύτταρα μικροφυκών είχαν λεία επιφάνεια και δεν εμφάνισαν μορφολογικές αλλαγές.
Εικόνες SEM που δείχνουν την επιφανειακή αλληλεπίδραση μεταξύ πράσινων μικροφυκών και νανοφύλλων MXene μετά από 72 ώρες αλληλεπίδρασης σε ακραία συγκέντρωση (100 mg L-1). (α) Μη επεξεργασμένα πράσινα μικροφύκη μετά από αλληλεπίδραση με SL (β) Nb2CTx και (γ) Nb4C3TX MXenes. Σημειώστε ότι οι νανονιφάδες Nb-MXene σημειώνονται με κόκκινα βέλη. Για σύγκριση, προστέθηκαν επίσης φωτογραφίες από οπτικό μικροσκόπιο.
Αντίθετα, τα κύτταρα μικροφυκών που προσροφήθηκαν από νανονιφάδες SL Nb-MXene υπέστησαν βλάβη (βλ. Σχήμα 4b, c, κόκκινα βέλη). Στην περίπτωση του Nb2CTx MXene (Σχήμα 4b), τα μικροφύκη τείνουν να αναπτύσσονται με προσαρτημένες δισδιάστατες νανοκλίμακες, οι οποίες μπορούν να αλλάξουν τη μορφολογία τους. Αξιοσημείωτα, παρατηρήσαμε επίσης αυτές τις αλλαγές υπό οπτική μικροσκοπία (βλ. Σχήμα S11 SI για λεπτομέρειες). Αυτή η μορφολογική μετάβαση έχει μια εύλογη βάση στη φυσιολογία των μικροφυκών και στην ικανότητά τους να αμύνονται αλλάζοντας τη μορφολογία των κυττάρων, όπως η αύξηση του όγκου των κυττάρων61. Επομένως, είναι σημαντικό να ελεγχθεί ο αριθμός των κυττάρων μικροφυκών που βρίσκονται στην πραγματικότητα σε επαφή με τα Nb-MXenes. Οι μελέτες SEM έδειξαν ότι περίπου το 52% των κυττάρων μικροφυκών εκτέθηκαν σε Nb-MXenes, ενώ το 48% αυτών των κυττάρων μικροφυκών απέφυγαν την επαφή. Για το SL Nb4C3Tx MXene, τα μικροφύκη προσπαθούν να αποφύγουν την επαφή με το MXene, εντοπίζοντας έτσι και αναπτύσσοντας τις δισδιάστατες νανοκλίμακες (Εικ. 4c). Ωστόσο, δεν παρατηρήσαμε τη διείσδυση νανοκλίμακων στα κύτταρα των μικροφυκών και τη βλάβη τους.
Η αυτοσυντήρηση είναι επίσης μια χρονικά εξαρτώμενη συμπεριφορά απόκρισης στην παρεμπόδιση της φωτοσύνθεσης λόγω της προσρόφησης σωματιδίων στην κυτταρική επιφάνεια και του λεγόμενου φαινομένου σκίασης (σκίασης)62. Είναι σαφές ότι κάθε αντικείμενο (για παράδειγμα, νανονιφάδες Nb-MXene) που βρίσκεται μεταξύ των μικροφυκών και της πηγής φωτός περιορίζει την ποσότητα φωτός που απορροφάται από τους χλωροπλάστες. Ωστόσο, δεν έχουμε καμία αμφιβολία ότι αυτό έχει σημαντικό αντίκτυπο στα αποτελέσματα που ελήφθησαν. Όπως φαίνεται από τις μικροσκοπικές μας παρατηρήσεις, οι δισδιάστατες νανονιφάδες δεν ήταν πλήρως τυλιγμένες ή προσκολλημένες στην επιφάνεια των μικροφυκών, ακόμη και όταν τα κύτταρα των μικροφυκών ήρθαν σε επαφή με Nb-MXenes. Αντ' αυτού, οι νανονιφάδες αποδείχθηκαν προσανατολισμένες προς τα κύτταρα των μικροφυκών χωρίς να καλύπτουν την επιφάνειά τους. Ένα τέτοιο σύνολο νανονιφάδων/μικροφυκών δεν μπορεί να περιορίσει σημαντικά την ποσότητα φωτός που απορροφάται από τα κύτταρα των μικροφυκών. Επιπλέον, ορισμένες μελέτες έχουν δείξει ακόμη και βελτίωση στην απορρόφηση φωτός από φωτοσυνθετικούς οργανισμούς παρουσία δισδιάστατων νανοϋλικών63,64,65,66.
Δεδομένου ότι οι εικόνες SEM δεν μπορούσαν να επιβεβαιώσουν άμεσα την πρόσληψη νιοβίου από τα κύτταρα μικροφυκών, η περαιτέρω μελέτη μας στράφηκε στην ανάλυση φθορισμού ακτίνων Χ (XRF) και φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS) για να διευκρινίσουμε αυτό το ζήτημα. Επομένως, συγκρίναμε την ένταση των κορυφών Nb των δειγμάτων αναφοράς μικροφυκών που δεν αλληλεπιδρούσαν με MXenes, τις νανονιφάδες MXene που αποκολλήθηκαν από την επιφάνεια των κυττάρων μικροφυκών και τα κύτταρα μικροφυκών μετά την αφαίρεση των προσκολλημένων MXenes. Αξίζει να σημειωθεί ότι εάν δεν υπάρχει πρόσληψη Nb, η τιμή Nb που λαμβάνεται από τα κύτταρα μικροφυκών θα πρέπει να είναι μηδέν μετά την αφαίρεση των προσκολλημένων νανοκλίμακων. Επομένως, εάν συμβεί πρόσληψη Nb, τόσο τα αποτελέσματα XRF όσο και XPS θα πρέπει να δείχνουν μια σαφή κορυφή Nb.
Στην περίπτωση των φασμάτων XRF, δείγματα μικροφυκών έδειξαν κορυφές Nb για τα SL Nb2CTx και Nb4C3Tx MXene μετά από αλληλεπίδραση με τα SL Nb2CTx και Nb4C3Tx MXene (βλ. Σχήμα 5α, σημειώστε επίσης ότι τα αποτελέσματα για τα MAX και ML MXenes φαίνονται στο SI, Σχήματα S12–C17). Είναι ενδιαφέρον ότι η ένταση της κορυφής Nb είναι η ίδια και στις δύο περιπτώσεις (κόκκινες γραμμές στο Σχήμα 5α). Αυτό έδειξε ότι τα φύκια δεν μπορούσαν να απορροφήσουν περισσότερο Nb και η μέγιστη ικανότητα συσσώρευσης Nb επιτεύχθηκε στα κύτταρα, αν και δύο φορές περισσότερο Nb4C3Tx MXene προσκολλήθηκε στα κύτταρα των μικροφυκών (μπλε γραμμές στο Σχήμα 5α). Αξίζει να σημειωθεί ότι η ικανότητα των μικροφυκών να απορροφούν μέταλλα εξαρτάται από τη συγκέντρωση οξειδίων μετάλλων στο περιβάλλον67,68. Οι Shamshada et al.67 διαπίστωσαν ότι η απορροφητική ικανότητα των φυκών γλυκού νερού μειώνεται με την αύξηση του pH. Οι Raize et al.68 σημείωσαν ότι η ικανότητα των φυκιών να απορροφούν μέταλλα ήταν περίπου 25% υψηλότερη για το Pb2+ από ό,τι για το Ni2+.
(α) Αποτελέσματα XRF της βασικής πρόσληψης Nb από πράσινα κύτταρα μικροφυκών που επωάστηκαν σε ακραία συγκέντρωση SL Nb-MXenes (100 mg L-1) για 72 ώρες. Τα αποτελέσματα δείχνουν την παρουσία α σε καθαρά κύτταρα μικροφυκών (δείγμα ελέγχου, γκρι στήλες), δισδιάστατες νανονιφάδες που απομονώθηκαν από επιφανειακά κύτταρα μικροφυκών (μπλε στήλες) και κύτταρα μικροφυκών μετά τον διαχωρισμό των δισδιάστατων νανονιφάδων από την επιφάνεια (κόκκινες στήλες). Η ποσότητα του στοιχειακού Nb, (β) το ποσοστό της χημικής σύνθεσης των οργανικών συστατικών των μικροφυκών (C=O και CHx/C–O) και των οξειδίων του Nb που υπάρχουν σε κύτταρα μικροφυκών μετά την επώαση με SL Nb-MXenes, (γ–ε) Προσαρμογή της κορυφής σύνθεσης των φασμάτων XPS SL Nb2CTx και (στχ) SL Nb4C3Tx MXene που εσωτερικεύτηκε από κύτταρα μικροφυκών.
Επομένως, αναμέναμε ότι το Nb θα μπορούσε να απορροφηθεί από τα κύτταρα των φυκών με τη μορφή οξειδίων. Για να το ελέγξουμε αυτό, πραγματοποιήσαμε μελέτες XPS σε MXenes Nb2CTx και Nb4C3TX και κύτταρα φυκών. Τα αποτελέσματα της αλληλεπίδρασης των μικροφυκών με Nb-MXenes και MXenes που απομονώθηκαν από κύτταρα φυκών φαίνονται στα Σχήματα 5b. Όπως αναμενόταν, ανιχνεύσαμε κορυφές Nb 3d στα δείγματα μικροφυκών μετά την αφαίρεση του MXene από την επιφάνεια των μικροφυκών. Ο ποσοτικός προσδιορισμός των οξειδίων C=O, CHx/CO και Nb υπολογίστηκε με βάση τα φάσματα Nb 3d, O 1s και C 1s που ελήφθησαν με Nb2CTx SL (Σχήμα 5c–e) και Nb4C3Tx SL (Σχήμα 5c–e). ) που ελήφθησαν από επωασμένα μικροφύκη. Σχήμα 5f–h) MXenes. Ο Πίνακας S1-3 δείχνει τις λεπτομέρειες των παραμέτρων των κορυφών και της συνολικής χημείας που προέκυψε από την προσαρμογή. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι περιοχές Nb 3d των Nb2CTx SL και Nb4C3Tx SL (Εικ. 5c, f) αντιστοιχούν σε ένα συστατικό Nb2O5. Εδώ, δεν βρήκαμε κορυφές σχετιζόμενες με MXene στα φάσματα, υποδεικνύοντας ότι τα κύτταρα μικροφυκών απορροφούν μόνο την οξειδική μορφή του Nb. Επιπλέον, προσεγγίσαμε το φάσμα C1s με τα συστατικά C–C, CHx/C–O, C=O και –COOH. Αντιστοιχίσαμε τις κορυφές CHx/C–O και C=O στην οργανική συμβολή των κυττάρων μικροφυκών. Αυτά τα οργανικά συστατικά αντιπροσωπεύουν το 36% και 41% των κορυφών C1s στο Nb2CTx SL και το Nb4C3TX SL, αντίστοιχα. Στη συνέχεια, προσαρμόσαμε τα φάσματα O1s των SL Nb2CTx και SL Nb4C3TX με Nb2O5, οργανικά συστατικά μικροφυκών (CHx/CO) και νερό που προσροφήθηκε στην επιφάνεια.
Τέλος, τα αποτελέσματα XPS έδειξαν σαφώς τη μορφή του Nb, όχι μόνο την παρουσία του. Σύμφωνα με τη θέση του σήματος Nb 3d και τα αποτελέσματα της αποσυνέλιξης, επιβεβαιώνουμε ότι το Nb απορροφάται μόνο με τη μορφή οξειδίων και όχι ιόντων ή του ίδιου του MXene. Επιπλέον, τα αποτελέσματα XPS έδειξαν ότι τα κύτταρα των μικροφυκών έχουν μεγαλύτερη ικανότητα να προσλαμβάνουν οξείδια Nb από το SL Nb2CTx σε σύγκριση με το SL Nb4C3TX MXene.
Ενώ τα αποτελέσματα πρόσληψης Nb είναι εντυπωσιακά και μας επιτρέπουν να εντοπίσουμε την αποικοδόμηση του MXene, δεν υπάρχει διαθέσιμη μέθοδος για την παρακολούθηση των σχετικών μορφολογικών αλλαγών στις δισδιάστατες νανονιφάδες. Ως εκ τούτου, αποφασίσαμε επίσης να αναπτύξουμε μια κατάλληλη μέθοδο που μπορεί να ανταποκριθεί άμεσα σε τυχόν αλλαγές που συμβαίνουν στις δισδιάστατες νανονιφάδες Nb-MXene και στα κύτταρα μικροφυκών. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι υποθέτουμε ότι εάν τα αλληλεπιδρώντα είδη υποστούν οποιονδήποτε μετασχηματισμό, αποσύνθεση ή αναθραυσματοποίηση, αυτό θα πρέπει να εκδηλωθεί γρήγορα ως αλλαγές στις παραμέτρους σχήματος, όπως η διάμετρος της ισοδύναμης κυκλικής επιφάνειας, η στρογγυλότητα, το πλάτος Feret ή το μήκος Feret. Δεδομένου ότι αυτές οι παράμετροι είναι κατάλληλες για την περιγραφή επιμήκων σωματιδίων ή δισδιάστατων νανονιφάδων, η παρακολούθησή τους με δυναμική ανάλυση σχήματος σωματιδίων θα μας δώσει πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τον μορφολογικό μετασχηματισμό των νανονιφάδων SL Nb-MXene κατά τη διάρκεια της αναγωγής.
Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν παρουσιάζονται στο Σχήμα 6. Για λόγους σύγκρισης, εξετάσαμε επίσης την αρχική φάση MAX και τα ML-MXenes (βλ. Σχήματα SI S18 και S19). Η δυναμική ανάλυση του σχήματος των σωματιδίων έδειξε ότι όλες οι παράμετροι σχήματος δύο Nb-MXene SL άλλαξαν σημαντικά μετά την αλληλεπίδραση με μικροφύκη. Όπως φαίνεται από την ισοδύναμη παράμετρο διαμέτρου κυκλικής επιφάνειας (Εικ. 6a, b), η μειωμένη ένταση κορυφής του κλάσματος των μεγάλων νανονιφάδων υποδεικνύει ότι τείνουν να αποσυντίθενται σε μικρότερα θραύσματα. Στο σχήμα 6c, d φαίνεται μια μείωση στις κορυφές που σχετίζονται με το εγκάρσιο μέγεθος των νιφάδων (επιμήκυνση των νανονιφάδων), υποδεικνύοντας τον μετασχηματισμό των 2D νανονιφάδων σε σχήμα που μοιάζει περισσότερο με σωματίδια. Το Σχήμα 6e-h δείχνει το πλάτος και το μήκος του Feret, αντίστοιχα. Το πλάτος και το μήκος του Feret είναι συμπληρωματικές παράμετροι και επομένως θα πρέπει να ληφθούν υπόψη μαζί. Μετά την επώαση των 2D νανονιφάδων Nb-MXene παρουσία μικροφυκών, οι κορυφές συσχέτισης Feret μετατοπίστηκαν και η έντασή τους μειώθηκε. Με βάση αυτά τα αποτελέσματα σε συνδυασμό με τη μορφολογία, το XRF και το XPS, καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι οι παρατηρούμενες αλλαγές σχετίζονται έντονα με την οξείδωση, καθώς τα οξειδωμένα MXenes γίνονται πιο ζαρωμένα και διασπώνται σε θραύσματα και σφαιρικά σωματίδια οξειδίου69,70.
Ανάλυση του μετασχηματισμού MXene μετά από αλληλεπίδραση με πράσινα μικροφύκη. Η δυναμική ανάλυση σχήματος σωματιδίων λαμβάνει υπόψη παραμέτρους όπως (α, β) διάμετρος της ισοδύναμης κυκλικής επιφάνειας, (γ, δ) στρογγυλότητα, (ε, στ) πλάτος Feret και (ζ, η) μήκος Feret. Για το σκοπό αυτό, αναλύθηκαν δύο δείγματα μικροφυκών αναφοράς μαζί με πρωτογενή SL Nb2CTx και SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx και SL Nb4C3Tx MXenes, αποικοδομημένα μικροφύκη και επεξεργασμένα μικροφύκη SL Nb2CTx και SL Nb4C3Tx MXenes. Τα κόκκινα βέλη δείχνουν τις μεταβάσεις των παραμέτρων σχήματος των μελετημένων δισδιάστατων νανονιφάδων.
Δεδομένου ότι η ανάλυση παραμέτρων σχήματος είναι πολύ αξιόπιστη, μπορεί επίσης να αποκαλύψει μορφολογικές αλλαγές στα κύτταρα των μικροφυκών. Επομένως, αναλύσαμε την ισοδύναμη κυκλική διάμετρο, την στρογγυλότητα και το πλάτος/μήκος Feret των καθαρών κυττάρων μικροφυκών και των κυττάρων μετά την αλληλεπίδραση με νανονιφάδες Nb 2D. Στα σχήματα 6a-h φαίνονται αλλαγές στις παραμέτρους σχήματος των κυττάρων των φυκών, όπως αποδεικνύεται από τη μείωση της έντασης της κορυφής και τη μετατόπιση των μεγίστων προς υψηλότερες τιμές. Συγκεκριμένα, οι παράμετροι στρογγυλότητας των κυττάρων έδειξαν μείωση στα επιμήκη κύτταρα και αύξηση στα σφαιρικά κύτταρα (Εικόνα 6a, b). Επιπλέον, το πλάτος των κυττάρων Feret αυξήθηκε κατά αρκετά μικρόμετρα μετά την αλληλεπίδραση με το SL Nb2CTx MXene (Εικόνα 6e) σε σύγκριση με το SL Nb4C3TX MXene (Εικόνα 6f). Υποψιαζόμαστε ότι αυτό μπορεί να οφείλεται στην ισχυρή πρόσληψη οξειδίων Nb από τα μικροφύκη κατά την αλληλεπίδραση με το Nb2CTx SR. Η λιγότερο άκαμπτη προσκόλληση των νιφάδων Nb στην επιφάνειά τους μπορεί να οδηγήσει σε κυτταρική ανάπτυξη με ελάχιστο φαινόμενο σκίασης.
Οι παρατηρήσεις μας για αλλαγές στις παραμέτρους του σχήματος και του μεγέθους των μικροφυκών συμπληρώνουν άλλες μελέτες. Τα πράσινα μικροφύκη μπορούν να αλλάξουν τη μορφολογία τους ως απόκριση στο περιβαλλοντικό στρες αλλάζοντας το μέγεθος, το σχήμα ή τον μεταβολισμό των κυττάρων61. Για παράδειγμα, η αλλαγή του μεγέθους των κυττάρων διευκολύνει την απορρόφηση θρεπτικών συστατικών71. Τα μικρότερα κύτταρα των φυκών εμφανίζουν χαμηλότερη πρόσληψη θρεπτικών συστατικών και μειωμένο ρυθμό ανάπτυξης. Αντίθετα, τα μεγαλύτερα κύτταρα τείνουν να καταναλώνουν περισσότερα θρεπτικά συστατικά, τα οποία στη συνέχεια εναποτίθενται ενδοκυτταρικά72,73. Οι Machado και Soares διαπίστωσαν ότι το μυκητοκτόνο τρικλοζάνη μπορεί να αυξήσει το μέγεθος των κυττάρων. Βρήκαν επίσης βαθιές αλλαγές στο σχήμα των φυκών74. Επιπλέον, οι Yin et al.9 αποκάλυψαν επίσης μορφολογικές αλλαγές στα φύκια μετά από έκθεση σε νανοσύνθετα αναγμένου οξειδίου του γραφενίου. Επομένως, είναι σαφές ότι οι αλλοιωμένες παράμετροι μεγέθους/σχήματος των μικροφυκών προκαλούνται από την παρουσία MXene. Δεδομένου ότι αυτή η αλλαγή στο μέγεθος και το σχήμα είναι ενδεικτική αλλαγών στην πρόσληψη θρεπτικών συστατικών, πιστεύουμε ότι η ανάλυση των παραμέτρων μεγέθους και σχήματος με την πάροδο του χρόνου μπορεί να δείξει την πρόσληψη οξειδίου του νιοβίου από τα μικροφύκη παρουσία Nb-MXenes.
Επιπλέον, τα MXenes μπορούν να οξειδωθούν παρουσία φυκών. Οι Dalai et al.75 παρατήρησαν ότι η μορφολογία των πράσινων φυκών που εκτέθηκαν σε νανο-TiO2 και Al2O376 δεν ήταν ομοιόμορφη. Αν και οι παρατηρήσεις μας είναι παρόμοιες με την παρούσα μελέτη, είναι σχετικές μόνο με τη μελέτη των επιδράσεων της βιοαποκατάστασης όσον αφορά τα προϊόντα αποικοδόμησης του MXene παρουσία δισδιάστατων νανονιφάδων και όχι νανοσωματιδίων. Δεδομένου ότι τα MXenes μπορούν να αποικοδομηθούν σε οξείδια μετάλλων,31,32,77,78 είναι λογικό να υποθέσουμε ότι οι νανονιφάδες Nb μας μπορούν επίσης να σχηματίσουν οξείδια Nb μετά από αλληλεπίδραση με κύτταρα μικροφυκών.
Προκειμένου να εξηγήσουμε την αναγωγή των νανονιλάδων 2D-Nb μέσω ενός μηχανισμού αποσύνθεσης που βασίζεται στη διαδικασία οξείδωσης, πραγματοποιήσαμε μελέτες χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης υψηλής ανάλυσης (HRTEM) (Εικ. 7a,b) και φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS) (Εικ. 7). 7c-i και πίνακες S4-5). Και οι δύο προσεγγίσεις είναι κατάλληλες για τη μελέτη της οξείδωσης δισδιάστατων υλικών και αλληλοσυμπληρώνονται. Το HRTEM είναι σε θέση να αναλύσει την αποικοδόμηση δισδιάστατων στρωματοποιημένων δομών και την επακόλουθη εμφάνιση νανοσωματιδίων μεταλλικού οξειδίου, ενώ το XPS είναι ευαίσθητο στους επιφανειακούς δεσμούς. Για το σκοπό αυτό, δοκιμάσαμε νανονιλάδες 2D Nb-MXene που εξήχθησαν από διασπορές κυττάρων μικροφυκών, δηλαδή, το σχήμα τους μετά την αλληλεπίδραση με κύτταρα μικροφυκών (βλ. Σχήμα 7).
Εικόνες HRTEM που δείχνουν τη μορφολογία των οξειδωμένων (α) SL Nb2CTx και (β) SL Nb4C3Tx MXenes, αποτελέσματα ανάλυσης XPS που δείχνουν (γ) τη σύνθεση των προϊόντων οξειδίου μετά την αναγωγή, (δ-στ) αντιστοίχιση κορυφών των συστατικών των φασμάτων XPS του SL Nb2CTx και (ζ-ι) Nb4C3Tx SL που επισκευάστηκε με πράσινα μικροφύκη.
Μελέτες HRTEM επιβεβαίωσαν την οξείδωση δύο τύπων νανονιφάδων Nb-MXene. Αν και οι νανονιφάδες διατήρησαν τη δισδιάστατη μορφολογία τους σε κάποιο βαθμό, η οξείδωση είχε ως αποτέλεσμα την εμφάνιση πολλών νανοσωματιδίων που καλύπτουν την επιφάνεια των νανονιφάδων MXene (βλ. Σχήμα 7a,b). Η ανάλυση XPS των σημάτων c Nb 3d και O 1s έδειξε ότι σχηματίστηκαν οξείδια Nb και στις δύο περιπτώσεις. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 7c, τα 2D MXene Nb2CTx και Nb4C3TX έχουν σήματα Nb 3d που υποδεικνύουν την παρουσία οξειδίων NbO και Nb2O5, ενώ τα σήματα O 1s υποδεικνύουν τον αριθμό των δεσμών O-Nb που σχετίζονται με τη λειτουργικοποίηση της επιφάνειας των 2D νανονιφάδων. Παρατηρήσαμε ότι η συμβολή του οξειδίου του Nb είναι κυρίαρχη σε σύγκριση με τα Nb-C και Nb3+-O.
Στο σχήμα 7g–i φαίνονται τα φάσματα XPS των Nb 3d, C 1s και O 1s SL Nb2CTx (βλ. Σχήματα 7d–f) και SL Nb4C3TX MXene που απομονώθηκε από κύτταρα μικροφυκών. Λεπτομέρειες για τις παραμέτρους κορυφής των Nb-MXenes παρέχονται στους Πίνακες S4–5, αντίστοιχα. Αρχικά αναλύσαμε τη σύνθεση του Nb 3d. Σε αντίθεση με το Nb που απορροφήθηκε από κύτταρα μικροφυκών, στο MXene που απομονώθηκε από κύτταρα μικροφυκών, εκτός από το Nb2O5, βρέθηκαν και άλλα συστατικά. Στο Nb2CTx SL, παρατηρήσαμε τη συνεισφορά του Nb3+-O σε ποσοστό 15%, ενώ το υπόλοιπο φάσμα Nb 3d κυριαρχήθηκε από το Nb2O5 (85%). Επιπλέον, το δείγμα SL Nb4C3TX περιέχει συστατικά Nb-C (9%) και Nb2O5 (91%). Εδώ, το Nb-C προέρχεται από δύο εσωτερικά ατομικά στρώματα μεταλλικού καρβιδίου στο Nb4C3Tx SR. Στη συνέχεια, χαρτογραφούμε τα φάσματα C 1s σε τέσσερα διαφορετικά συστατικά, όπως κάναμε στα εσωτερικευμένα δείγματα. Όπως αναμενόταν, το φάσμα C 1s κυριαρχείται από γραφιτικό άνθρακα, ακολουθούμενο από συνεισφορές από οργανικά σωματίδια (CHx/CO και C=O) από κύτταρα μικροφυκών. Επιπλέον, στο φάσμα O 1s, παρατηρήσαμε τη συνεισφορά οργανικών μορφών κυττάρων μικροφυκών, οξειδίου του νιοβίου και προσροφημένου νερού.
Επιπλέον, διερευνήσαμε εάν η διάσπαση των Nb-MXenes σχετίζεται με την παρουσία δραστικών ειδών οξυγόνου (ROS) στο θρεπτικό μέσο ή/και στα κύτταρα των μικροφυκών. Για το σκοπό αυτό, αξιολογήσαμε τα επίπεδα του απλού οξυγόνου (1O2) στο μέσο καλλιέργειας και της ενδοκυτταρικής γλουταθειόνης, μιας θειόλης που δρα ως αντιοξειδωτικό στα μικροφύκη. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο SI (Σχήματα S20 και S21). Οι καλλιέργειες με SL Nb2CTx και Nb4C3TX MXenes χαρακτηρίστηκαν από μειωμένη ποσότητα 1O2 (βλ. Σχήμα S20). Στην περίπτωση του SL Nb2CTx, το MXene 1O2 μειώνεται σε περίπου 83%. Για τις καλλιέργειες μικροφυκών που χρησιμοποιούν SL, το Nb4C3TX 1O2 μειώθηκε ακόμη περισσότερο, στο 73%. Είναι ενδιαφέρον ότι οι αλλαγές στο 1O2 έδειξαν την ίδια τάση με το προηγουμένως παρατηρούμενο ανασταλτικό-διεγερτικό αποτέλεσμα (βλ. Σχήμα 3). Μπορεί να υποστηριχθεί ότι η επώαση σε έντονο φως μπορεί να μεταβάλει τη φωτοοξείδωση. Ωστόσο, τα αποτελέσματα της ανάλυσης ελέγχου έδειξαν σχεδόν σταθερά επίπεδα 1O2 κατά τη διάρκεια του πειράματος (Εικ. S22). Στην περίπτωση των ενδοκυτταρικών επιπέδων ROS, παρατηρήσαμε επίσης την ίδια πτωτική τάση (βλ. Σχήμα S21). Αρχικά, τα επίπεδα ROS σε κύτταρα μικροφυκών που καλλιεργήθηκαν παρουσία SLs Nb2CTx και Nb4C3Tx υπερέβαιναν τα επίπεδα που βρέθηκαν σε καθαρές καλλιέργειες μικροφυκών. Τελικά, ωστόσο, φάνηκε ότι τα μικροφύκη προσαρμόστηκαν στην παρουσία και των δύο Nb-MXenes, καθώς τα επίπεδα ROS μειώθηκαν στο 85% και 91% των επιπέδων που μετρήθηκαν σε καθαρές καλλιέργειες μικροφυκών εμβολιασμένων με SL Nb2CTx και Nb4C3TX, αντίστοιχα. Αυτό μπορεί να υποδηλώνει ότι τα μικροφύκη αισθάνονται πιο άνετα με την πάροδο του χρόνου παρουσία Nb-MXene παρά μόνο σε θρεπτικό μέσο.
Τα μικροφύκη είναι μια ποικιλόμορφη ομάδα φωτοσυνθετικών οργανισμών. Κατά τη φωτοσύνθεση, μετατρέπουν το ατμοσφαιρικό διοξείδιο του άνθρακα (CO2) σε οργανικό άνθρακα. Τα προϊόντα της φωτοσύνθεσης είναι η γλυκόζη και το οξυγόνο79. Υποψιαζόμαστε ότι το οξυγόνο που σχηματίζεται έτσι παίζει κρίσιμο ρόλο στην οξείδωση των Nb-MXenes. Μια πιθανή εξήγηση για αυτό είναι ότι η παράμετρος διαφορικού αερισμού σχηματίζεται σε χαμηλές και υψηλές μερικές πιέσεις οξυγόνου έξω και μέσα στις νανονιφάδες Nb-MXene. Αυτό σημαίνει ότι όπου υπάρχουν περιοχές με διαφορετικές μερικές πιέσεις οξυγόνου, η περιοχή με το χαμηλότερο επίπεδο θα σχηματίσει την άνοδο 80, 81, 82. Εδώ, τα μικροφύκη συμβάλλουν στη δημιουργία διαφορικά αεριζόμενων κυττάρων στην επιφάνεια των νιφάδων MXene, τα οποία παράγουν οξυγόνο λόγω των φωτοσυνθετικών τους ιδιοτήτων. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται προϊόντα βιοδιάβρωσης (σε αυτήν την περίπτωση, οξείδια νιοβίου). Μια άλλη πτυχή είναι ότι τα μικροφύκη μπορούν να παράγουν οργανικά οξέα που απελευθερώνονται στο νερό83,84. Επομένως, σχηματίζεται ένα επιθετικό περιβάλλον, αλλάζοντας έτσι τα Nb-MXenes. Επιπλέον, τα μικροφύκη μπορούν να αλλάξουν το pH του περιβάλλοντος σε αλκαλικό λόγω της απορρόφησης διοξειδίου του άνθρακα, το οποίο μπορεί επίσης να προκαλέσει διάβρωση79.
Το πιο σημαντικό είναι ότι η φωτοπερίοδος σκότους/φωτός που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη μας είναι κρίσιμη για την κατανόηση των αποτελεσμάτων που ελήφθησαν. Αυτή η πτυχή περιγράφεται λεπτομερώς στο Djemai-Zoghlache et al. 85 Χρησιμοποίησαν σκόπιμα μια φωτοπερίοδο 12/12 ωρών για να καταδείξουν τη βιοδιάβρωση που σχετίζεται με τη βιορύπανση από το κόκκινο μικροφύκος Porphyridium purpureum. Δείχνουν ότι η φωτοπερίοδος σχετίζεται με την εξέλιξη του δυναμικού χωρίς βιοδιάβρωση, που εκδηλώνεται ως ψευδοπεριοδικές ταλαντώσεις γύρω στις 24:00. Αυτές οι παρατηρήσεις επιβεβαιώθηκαν από τους Dowling et al. 86 Παρουσίασαν φωτοσυνθετικά βιοφίλμ κυανοβακτηρίων Anabaena. Το διαλυμένο οξυγόνο σχηματίζεται υπό την επίδραση του φωτός, το οποίο σχετίζεται με μια αλλαγή ή διακυμάνσεις στο ελεύθερο δυναμικό βιοδιάβρωσης. Η σημασία της φωτοπεριόδου τονίζεται από το γεγονός ότι το ελεύθερο δυναμικό για βιοδιάβρωση αυξάνεται στη φωτεινή φάση και μειώνεται στη σκοτεινή φάση. Αυτό οφείλεται στο οξυγόνο που παράγεται από τα φωτοσυνθετικά μικροφύκη, το οποίο επηρεάζει την καθοδική αντίδραση μέσω της μερικής πίεσης που παράγεται κοντά στα ηλεκτρόδια 87.
Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε φασματοσκοπία υπέρυθρης μετατροπής Fourier (FTIR) για να διαπιστωθεί εάν έχουν συμβεί αλλαγές στη χημική σύνθεση των κυττάρων των μικροφυκών μετά την αλληλεπίδραση με Nb-MXenes. Αυτά τα αποτελέσματα που ελήφθησαν είναι σύνθετα και τα παρουσιάζουμε σε SI (Σχήματα S23-S25, συμπεριλαμβανομένων των αποτελεσμάτων του σταδίου MAX και των ML MXenes). Εν ολίγοις, τα φάσματα αναφοράς που ελήφθησαν από τα μικροφύκη μας παρέχουν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τα χημικά χαρακτηριστικά αυτών των οργανισμών. Αυτές οι πιο πιθανές δονήσεις εντοπίζονται σε συχνότητες 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.1 (C–H) και 3280 cm-1 (O–H). Για τα SL Nb-MXenes, βρήκαμε μια υπογραφή τάνυσης δεσμού CH που είναι σύμφωνη με την προηγούμενη μελέτη μας38. Ωστόσο, παρατηρήσαμε ότι εξαφανίστηκαν ορισμένες επιπλέον κορυφές που σχετίζονται με τους δεσμούς C=C και CH3. Αυτό υποδεικνύει ότι η χημική σύνθεση των μικροφυκών μπορεί να υποστεί μικρές αλλαγές λόγω της αλληλεπίδρασης με τα SL Nb-MXenes.
Όταν εξετάζονται πιθανές αλλαγές στη βιοχημεία των μικροφυκών, η συσσώρευση ανόργανων οξειδίων, όπως το οξείδιο του νιοβίου, πρέπει να επανεξεταστεί59. Συμμετέχει στην πρόσληψη μετάλλων από την κυτταρική επιφάνεια, στη μεταφορά τους στο κυτταρόπλασμα, στη σύνδεσή τους με ενδοκυτταρικές καρβοξυλικές ομάδες και στη συσσώρευσή τους στα πολυφωσφοσώματα των μικροφυκών20,88,89,90. Επιπλέον, η σχέση μεταξύ μικροφυκών και μετάλλων διατηρείται από λειτουργικές ομάδες των κυττάρων. Για το λόγο αυτό, η απορρόφηση εξαρτάται επίσης από τη χημεία της επιφάνειας των μικροφυκών, η οποία είναι αρκετά πολύπλοκη9,91. Γενικά, όπως αναμενόταν, η χημική σύνθεση των πράσινων μικροφυκών άλλαξε ελαφρώς λόγω της απορρόφησης του οξειδίου του Nb.
Είναι ενδιαφέρον ότι η παρατηρούμενη αρχική αναστολή των μικροφυκών ήταν αναστρέψιμη με την πάροδο του χρόνου. Όπως παρατηρήσαμε, τα μικροφύκη ξεπέρασαν την αρχική περιβαλλοντική αλλαγή και τελικά επέστρεψαν σε φυσιολογικούς ρυθμούς ανάπτυξης, ακόμη και αυξήθηκαν. Μελέτες του δυναμικού ζήτα δείχνουν υψηλή σταθερότητα όταν εισήχθησαν σε θρεπτικά μέσα. Έτσι, η επιφανειακή αλληλεπίδραση μεταξύ των κυττάρων των μικροφυκών και των νανονιφάδων Nb-MXene διατηρήθηκε καθ' όλη τη διάρκεια των πειραμάτων αναγωγής. Στην περαιτέρω ανάλυσή μας, συνοψίζουμε τους κύριους μηχανισμούς δράσης που διέπουν αυτή την αξιοσημείωτη συμπεριφορά των μικροφυκών.
Οι παρατηρήσεις SEM έχουν δείξει ότι τα μικροφύκη τείνουν να προσκολλώνται σε Nb-MXenes. Χρησιμοποιώντας δυναμική ανάλυση εικόνας, επιβεβαιώνουμε ότι αυτό το φαινόμενο οδηγεί στον μετασχηματισμό των δισδιάστατων νανονιφάδων Nb-MXene σε πιο σφαιρικά σωματίδια, αποδεικνύοντας έτσι ότι η αποσύνθεση των νανονιφάδων σχετίζεται με την οξείδωσή τους. Για να ελέγξουμε την υπόθεσή μας, πραγματοποιήσαμε μια σειρά μελετών υλικού και βιοχημικών μελετών. Μετά τις δοκιμές, οι νανονιφάδες σταδιακά οξειδώθηκαν και αποσυντέθηκαν σε προϊόντα NbO και Nb2O5, τα οποία δεν αποτελούσαν απειλή για τα πράσινα μικροφύκη. Χρησιμοποιώντας παρατήρηση FTIR, δεν βρήκαμε σημαντικές αλλαγές στη χημική σύνθεση των μικροφυκών που επωάστηκαν παρουσία νανονιφάδων Nb-MXene 2D. Λαμβάνοντας υπόψη την πιθανότητα απορρόφησης οξειδίου του νιοβίου από μικροφύκη, πραγματοποιήσαμε ανάλυση φθορισμού ακτίνων Χ. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν σαφώς ότι τα μελετώμενα μικροφύκη τρέφονται με οξείδια του νιοβίου (NbO και Nb2O5), τα οποία δεν είναι τοξικά για τα μελετώμενα μικροφύκη.