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Il rapido sviluppo della nanotecnologia e la sua integrazione nelle applicazioni quotidiane possono rappresentare una minaccia per l'ambiente. Mentre i metodi ecologici per la degradazione dei contaminanti organici sono ben consolidati, il recupero dei contaminanti cristallini inorganici è fonte di notevole preoccupazione a causa della loro scarsa sensibilità alla biotrasformazione e della scarsa comprensione delle interazioni superficiali dei materiali con quelli biologici. In questo articolo, utilizziamo un modello di MXene 2D inorganico a base di Nb combinato con un semplice metodo di analisi dei parametri di forma per tracciare il meccanismo di biorisanamento dei nanomateriali ceramici 2D da parte della microalga verde Raphidocelis subcapitata. Abbiamo scoperto che le microalghe degradano gli MXene a base di Nb a causa di interazioni fisico-chimiche legate alla superficie. Inizialmente, nanofiocchi di MXene monostrato e multistrato si attaccavano alla superficie delle microalghe, il che ne riduceva in qualche modo la crescita. Tuttavia, a seguito di un'interazione prolungata con la superficie, le microalghe ossidavano i nanofiocchi di MXene e li decomponevano ulteriormente in NbO e Nb₂O₂. Poiché questi ossidi non sono tossici per le cellule delle microalghe, consumano le nanoparticelle di ossido di Nb attraverso un meccanismo di assorbimento che ripristina ulteriormente le microalghe dopo 72 ore di trattamento con acqua. Gli effetti dei nutrienti associati all'assorbimento si riflettono anche nell'aumento del volume cellulare, nella loro forma liscia e nella variazione del tasso di crescita. Sulla base di questi risultati, concludiamo che la presenza a breve e lungo termine di MXeni a base di Nb negli ecosistemi di acqua dolce può causare solo impatti ambientali minori. È interessante notare che, utilizzando nanomateriali bidimensionali come sistemi modello, dimostriamo la possibilità di tracciare la trasformazione della forma anche in materiali a grana fine. Nel complesso, questo studio risponde a un'importante domanda fondamentale sui processi correlati all'interazione superficiale che guidano il meccanismo di biorisanamento dei nanomateriali 2D e fornisce una base per ulteriori studi a breve e lungo termine sull'impatto ambientale dei nanomateriali cristallini inorganici.
I nanomateriali hanno suscitato grande interesse sin dalla loro scoperta e diverse nanotecnologie sono recentemente entrate in una fase di modernizzazione1. Purtroppo, l'integrazione dei nanomateriali nelle applicazioni quotidiane può portare a rilasci accidentali dovuti a smaltimento improprio, manipolazione incauta o infrastrutture di sicurezza inadeguate. Pertanto, è ragionevole supporre che i nanomateriali, compresi quelli bidimensionali (2D), possano essere rilasciati nell'ambiente naturale, il cui comportamento e la cui attività biologica non sono ancora pienamente compresi. Non sorprende, quindi, che le preoccupazioni relative all'ecotossicità si siano concentrate sulla capacità dei nanomateriali 2D di lisciviare nei sistemi acquatici2,3,4,5,6. In questi ecosistemi, alcuni nanomateriali 2D possono interagire con vari organismi a diversi livelli trofici, tra cui le microalghe.
Le microalghe sono organismi primitivi presenti naturalmente negli ecosistemi di acqua dolce e marina che producono una varietà di prodotti chimici attraverso la fotosintesi7. In quanto tali, sono fondamentali per gli ecosistemi acquatici8,9,10,11,12, ma sono anche indicatori di ecotossicità sensibili, poco costosi e ampiamente utilizzati13,14. Poiché le cellule delle microalghe si moltiplicano rapidamente e rispondono prontamente alla presenza di vari composti, sono promettenti per lo sviluppo di metodi ecocompatibili per il trattamento delle acque contaminate da sostanze organiche15,16.
Le cellule algali possono rimuovere gli ioni inorganici dall'acqua attraverso il biosorbimento e l'accumulo17,18. Alcune specie algali come Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue e Synechococcus sp. hanno dimostrato di trasportare e persino nutrire ioni metallici tossici come Fe₂+, Cu₂+, Zn₂+ e Mn₂+19. Altri studi hanno dimostrato che gli ioni Cu₂+, Cd₂+, Ni₂+, Zn₂+ o Pb₂+ limitano la crescita di Scenedesmus alterando la morfologia cellulare e distruggendone i cloroplasti20,21.
I metodi ecologici per la decomposizione degli inquinanti organici e la rimozione degli ioni di metalli pesanti hanno attirato l'attenzione di scienziati e ingegneri di tutto il mondo. Ciò è dovuto principalmente al fatto che questi contaminanti sono facilmente processabili in fase liquida. Tuttavia, gli inquinanti cristallini inorganici sono caratterizzati da una bassa solubilità in acqua e da una bassa suscettibilità a varie biotrasformazioni, il che causa notevoli difficoltà nella bonifica, e sono stati compiuti pochi progressi in questo ambito22,23,24,25,26. Pertanto, la ricerca di soluzioni ecocompatibili per la riparazione dei nanomateriali rimane un'area complessa e inesplorata. A causa dell'elevato grado di incertezza riguardo agli effetti di biotrasformazione dei nanomateriali 2D, non esiste un modo semplice per scoprire i possibili percorsi della loro degradazione durante la riduzione.
In questo studio, abbiamo utilizzato microalghe verdi come agente attivo di biorisanamento acquoso per materiali ceramici inorganici, in combinazione con il monitoraggio in situ del processo di degradazione dell'MXene come rappresentativo dei materiali ceramici inorganici. Il termine "MXene" riflette la stechiometria del materiale Mn+1XnTx, dove M è un metallo di transizione precoce, X è carbonio e/o azoto, Tx è un terminatore di superficie (ad esempio, -OH, -F, -Cl) e n = 1, 2, 3 o 427,28. Dalla scoperta degli MXeni da parte di Naguib et al. Sensorica, terapia del cancro e filtrazione a membrana 27,29,30. Inoltre, gli MXeni possono essere considerati sistemi 2D modello grazie alla loro eccellente stabilità colloidale e alle possibili interazioni biologiche31,32,33,34,35,36.
Pertanto, la metodologia sviluppata in questo articolo e le nostre ipotesi di ricerca sono illustrate nella Figura 1. Secondo questa ipotesi, le microalghe degradano gli MXeni a base di Nb in composti non tossici grazie a interazioni fisico-chimiche superficiali, consentendone un ulteriore recupero. Per verificare questa ipotesi, sono stati selezionati due membri della famiglia dei primi carburi e/o nitruri di metalli di transizione (MXeni) a base di niobio, ovvero Nb2CTx e Nb4C3TX.
Metodologia di ricerca e ipotesi basate sull'evidenza per il recupero di MXene da parte della microalga verde Raphidocelis subcapitata. Si prega di notare che questa è solo una rappresentazione schematica di ipotesi basate sull'evidenza. L'ambiente lacustre varia a seconda del mezzo nutritivo utilizzato e delle condizioni (ad esempio, ciclo diurno e limitazioni nella disponibilità di nutrienti essenziali). Creato con BioRender.com.
Pertanto, utilizzando MXene come sistema modello, abbiamo aperto le porte allo studio di diversi effetti biologici non osservabili con altri nanomateriali convenzionali. In particolare, dimostriamo la possibilità di biorisanamento di nanomateriali bidimensionali, come gli MXeni a base di niobio, da parte della microalga Raphidocelis subcapitata. Le microalghe sono in grado di degradare gli Nb-MXeni negli ossidi non tossici NbO e Nb₂O₂, che forniscono anche nutrienti attraverso il meccanismo di assorbimento del niobio. Nel complesso, questo studio risponde a un'importante domanda fondamentale sui processi associati alle interazioni fisico-chimiche di superficie che governano i meccanismi di biorisanamento dei nanomateriali bidimensionali. Inoltre, stiamo sviluppando un semplice metodo basato sui parametri di forma per monitorare sottili cambiamenti nella forma dei nanomateriali 2D. Questo stimola ulteriori ricerche a breve e lungo termine sui diversi impatti ambientali dei nanomateriali cristallini inorganici. Pertanto, il nostro studio accresce la comprensione dell'interazione tra la superficie del materiale e il materiale biologico. Stiamo inoltre fornendo le basi per studi più approfonditi a breve e lungo termine sui possibili impatti sugli ecosistemi di acqua dolce, che ora possono essere facilmente verificati.
Gli MXeni rappresentano un'interessante classe di materiali con proprietà fisiche e chimiche uniche e interessanti e, di conseguenza, numerose potenziali applicazioni. Queste proprietà dipendono in larga misura dalla loro stechiometria e dalla chimica di superficie. Pertanto, nel nostro studio, abbiamo studiato due tipi di MXeni a strato singolo (SL) gerarchici a base di Nb, Nb2CTx e Nb4C3TX, poiché è stato possibile osservare diversi effetti biologici di questi nanomateriali. Gli MXeni vengono prodotti dai loro materiali di partenza mediante attacco selettivo top-down di strati atomicamente sottili di fase MAX A. La fase MAX è una ceramica ternaria composta da blocchi "legati" di carburi di metalli di transizione e sottili strati di elementi "A" come Al, Si e Sn con stechiometria MnAXn-1. La morfologia della fase MAX iniziale è stata osservata mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) ed è risultata coerente con studi precedenti (vedere Informazioni supplementari, SI, Figura S1). L'Nb-MXene multistrato (ML) è stato ottenuto dopo aver rimosso lo strato di Al con HF (acido fluoridrico) al 48%. La morfologia di ML-Nb2CTx e ML-Nb4C3TX è stata esaminata mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) (rispettivamente Figure S1c e S1d) ed è stata osservata una tipica morfologia stratificata dell'MXene, simile a quella di nanofiocchi bidimensionali che attraversano fessure allungate simili a pori. Entrambi gli Nb-MXeni hanno molto in comune con le fasi MXene precedentemente sintetizzate mediante attacco acido27,38. Dopo aver confermato la struttura dell'MXene, lo abbiamo stratificato mediante intercalazione di idrossido di tetrabutilammonio (TBAOH) seguita da lavaggio e sonicazione, ottenendo così nanofiocchi di Nb-MXene 2D a strato singolo o a basso strato (SL).
Abbiamo utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) e la diffrazione dei raggi X (XRD) per testare l'efficienza dell'incisione e dell'ulteriore peeling. I risultati HRTEM elaborati utilizzando la Trasformata di Fourier Veloce Inversa (IFFT) e la Trasformata di Fourier Veloce (FFT) sono mostrati in Fig. 2. I nanofiocchi di Nb-MXene sono stati orientati con il bordo rivolto verso l'alto per verificare la struttura dello strato atomico e misurare le distanze interplanari. Le immagini HRTEM dei nanofiocchi di MXene Nb2CTx e Nb4C3TX hanno rivelato la loro natura a strati atomicamente sottili (vedi Fig. 2a1, a2), come precedentemente riportato da Naguib et al.27 e Jastrzębska et al.38. Per due monostrati adiacenti di Nb2CTx e Nb4C3Tx, abbiamo determinato distanze interstrato rispettivamente di 0,74 e 1,54 nm (Figg. 2b1, b2), che concordano anche con i nostri risultati precedenti38. Ciò è stato ulteriormente confermato dalla trasformata di Fourier veloce inversa (Fig. 2c1, c2) e dalla trasformata di Fourier veloce (Fig. 2d1, d2) che mostrano la distanza tra i monostrati di Nb2CTx e Nb4C3Tx. L'immagine mostra un'alternanza di bande chiare e scure corrispondenti agli atomi di niobio e carbonio, il che conferma la natura stratificata degli MXeni studiati. È importante notare che gli spettri di spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDX) ottenuti per Nb2CTx e Nb4C3Tx (Figure S2a e S2b) non hanno mostrato alcun residuo della fase MAX originale, poiché non è stato rilevato alcun picco di Al.
Caratterizzazione dei nanofiocchi di MXene Nb2CTx e Nb4C3Tx SL, inclusi (a) imaging 2D dei nanofiocchi in vista laterale con microscopia elettronica ad alta risoluzione (HRTEM) e corrispondente, (b) modalità di intensità, (c) trasformata di Fourier veloce inversa (IFFT), (d) trasformata di Fourier veloce (FFT), (e) pattern di raggi X degli MXene Nb. Per Nb2CTx 2D SL, i numeri sono espressi come (a1, b1, c1, d1, e1). Per Nb4C3Tx 2D SL, i numeri sono espressi come (a2, b2, c2, d2, e1).
Le misure di diffrazione a raggi X degli MXeni Nb2CTx e Nb4C3Tx di SL sono mostrate rispettivamente nelle Fig. 2e1 ed e2. I picchi (002) a 4.31 e 4.32 corrispondono agli MXeni stratificati Nb2CTx e Nb4C3TX38,39,40,41 precedentemente descritti rispettivamente. I risultati XRD indicano anche la presenza di alcune strutture ML residue e fasi MAX, ma principalmente di pattern XRD associati a Nb4C3Tx di SL (Fig. 2e2). La presenza di particelle più piccole della fase MAX può spiegare il picco MAX più intenso rispetto agli strati di Nb4C3Tx impilati in modo casuale.
Ulteriori ricerche si sono concentrate sulle microalghe verdi appartenenti alla specie R. subcapitata. Abbiamo scelto le microalghe perché sono importanti produttori coinvolti nelle principali reti trofiche42. Sono anche uno dei migliori indicatori di tossicità grazie alla capacità di rimuovere le sostanze tossiche che vengono trasportate ai livelli superiori della catena alimentare43. Inoltre, la ricerca su R. subcapitata potrebbe far luce sulla tossicità accidentale degli Nb-MXeni SL per i comuni microrganismi d'acqua dolce. Per illustrare ciò, i ricercatori hanno ipotizzato che ogni microbo abbia una diversa sensibilità ai composti tossici presenti nell'ambiente. Per la maggior parte degli organismi, basse concentrazioni di sostanze non influenzano la loro crescita, mentre concentrazioni superiori a un certo limite possono inibirle o persino causarne la morte. Pertanto, per i nostri studi sull'interazione superficiale tra microalghe e MXeni e il relativo recupero, abbiamo deciso di testare le concentrazioni innocue e tossiche di Nb-MXeni. Per fare questo, abbiamo testato concentrazioni di 0 (come riferimento), 0,01, 0,1 e 10 mg l-1 di MXene e, in aggiunta, microalghe infette con concentrazioni molto elevate di MXene (100 mg l-1 di MXene), che possono essere estreme e letali per qualsiasi ambiente biologico.
Gli effetti degli Nb-MXeni SL sulle microalghe sono mostrati in Figura 3, espressi come percentuale di promozione (+) o inibizione (-) della crescita misurata per campioni di 0 mg l-1. A scopo di confronto, sono stati testati anche la fase Nb-MAX e gli Nb-MXeni ML e i risultati sono mostrati in SI (vedi Fig. S3). I risultati ottenuti hanno confermato che gli Nb-MXeni SL sono quasi completamente privi di tossicità nell'intervallo di basse concentrazioni da 0,01 a 10 mg/l, come mostrato nelle Fig. 3a, b. Nel caso di Nb2CTx, non abbiamo osservato un'ecotossicità superiore al 5% nell'intervallo specificato.
Stimolazione (+) o inibizione (-) della crescita delle microalghe in presenza di SL (a) Nb2CTx e (b) Nb4C3TX MXene. Sono state analizzate 24, 48 e 72 ore di interazione MXene-microalghe. I dati significativi (t-test, p < 0,05) sono stati contrassegnati con un asterisco (*). I dati significativi (t-test, p < 0,05) sono stati contrassegnati con un asterisco (*). Valori dei dati (criterio t, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). I dati significativi (t-test, p < 0,05) sono contrassegnati con un asterisco (*).重要数据（t 检验，p < 0.05）用星号(*) 标记.重要数据（t 检验，p < 0.05）用星号(*) 标记. Важные данные (t-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). I dati importanti (t-test, p < 0,05) sono contrassegnati con un asterisco (*).Le frecce rosse indicano l'abolizione della stimolazione inibitoria.
D'altra parte, basse concentrazioni di Nb4C3TX si sono rivelate leggermente più tossiche, ma non superiori al 7%. Come previsto, abbiamo osservato che gli MXeni presentavano una maggiore tossicità e inibizione della crescita delle microalghe a 100 mg L-1. È interessante notare che nessuno dei materiali ha mostrato la stessa tendenza e dipendenza temporale degli effetti atossici/tossici rispetto ai campioni MAX o ML (vedere SI per i dettagli). Mentre per la fase MAX (vedere Fig. S3) la tossicità ha raggiunto circa il 15-25% ed è aumentata nel tempo, è stata osservata la tendenza inversa per SL Nb2CTx e Nb4C3TX MXene. L'inibizione della crescita delle microalghe è diminuita nel tempo. Ha raggiunto circa il 17% dopo 24 ore ed è scesa a meno del 5% dopo 72 ore (Fig. 3a, b, rispettivamente).
Ancora più importante, per SL Nb4C3TX, l'inibizione della crescita delle microalghe ha raggiunto circa il 27% dopo 24 ore, ma dopo 72 ore è scesa a circa l'1%. Pertanto, abbiamo etichettato l'effetto osservato come inibizione inversa della stimolazione, e l'effetto è stato più forte per SL Nb4C3TX MXene. La stimolazione della crescita delle microalghe è stata notata in precedenza con Nb4C3TX (interazione a 10 mg L-1 per 24 ore) rispetto a SL Nb2CTx MXene. L'effetto di inversione inibizione-stimolazione è stato anche ben mostrato nella curva del tasso di raddoppio della biomassa (vedi Fig. S4 per i dettagli). Finora, solo l'ecotossicità di Ti3C2TX MXene è stata studiata in modi diversi. Non è tossico per gli embrioni di pesce zebra44 ma moderatamente ecotossico per le microalghe Desmodesmus quadricauda e Sorghum saccharatum45. Altri esempi di effetti specifici includono una maggiore tossicità per le linee cellulari tumorali rispetto alle linee cellulari normali46,47. Si potrebbe supporre che le condizioni del test influenzino i cambiamenti nella crescita delle microalghe osservati in presenza di Nb-MXeni. Ad esempio, un pH di circa 8 nello stroma del cloroplasto è ottimale per il funzionamento efficiente dell'enzima RuBisCO. Pertanto, le variazioni di pH influenzano negativamente il tasso di fotosintesi48,49. Tuttavia, non abbiamo osservato variazioni significative del pH durante l'esperimento (vedere SI, Fig. S5 per i dettagli). In generale, le colture di microalghe con Nb-MXeni hanno ridotto leggermente il pH della soluzione nel tempo. Tuttavia, questa diminuzione è stata simile a una variazione del pH di un mezzo puro. Inoltre, l'intervallo di variazioni riscontrato è stato simile a quello misurato per una coltura pura di microalghe (campione di controllo). Pertanto, concludiamo che la fotosintesi non è influenzata dalle variazioni di pH nel tempo.
Inoltre, gli MXeni sintetizzati presentano terminazioni superficiali (indicate come Tx). Si tratta principalmente di gruppi funzionali -O, -F e -OH. Tuttavia, la chimica di superficie è direttamente correlata al metodo di sintesi. È noto che questi gruppi sono distribuiti casualmente sulla superficie, rendendo difficile prevederne l'effetto sulle proprietà degli MXeni50. Si può sostenere che Tx potrebbe essere la forza catalitica per l'ossidazione del niobio da parte della luce. I gruppi funzionali di superficie forniscono infatti molteplici siti di ancoraggio per i fotocatalizzatori sottostanti, formando eterogiunzioni51. Tuttavia, la composizione del mezzo di crescita non ha fornito un fotocatalizzatore efficace (la composizione dettagliata del mezzo è riportata nella Tabella SI S6). Inoltre, qualsiasi modifica superficiale è molto importante, poiché l'attività biologica degli MXeni può essere alterata a causa della post-elaborazione degli strati, dell'ossidazione, della modifica chimica superficiale di composti organici e inorganici52,53,54,55,56 o dell'ingegneria della carica superficiale38. Pertanto, per verificare se l'ossido di niobio abbia qualcosa a che fare con l'instabilità del materiale nel mezzo, abbiamo condotto studi sul potenziale zeta (ζ) nel mezzo di crescita delle microalghe e in acqua deionizzata (a scopo di confronto). I nostri risultati mostrano che gli Nb-MXeni SL sono abbastanza stabili (vedere la Figura S6 di SI per i risultati MAX e ML). Il potenziale zeta degli MXeni SL è di circa -10 mV. Nel caso di Nb2CTx SR, il valore di ζ è leggermente più negativo di quello di Nb4C3Tx. Tale variazione del valore di ζ potrebbe indicare che la superficie dei nanofiocchi di MXeni caricati negativamente assorbe ioni caricati positivamente dal mezzo di coltura. Le misurazioni temporali del potenziale zeta e della conduttività degli Nb-MXeni nel mezzo di coltura (vedere le Figure S7 e S8 di SI per maggiori dettagli) sembrano supportare la nostra ipotesi.
Tuttavia, entrambi gli SL di Nb-MXene hanno mostrato variazioni minime rispetto allo zero. Ciò dimostra chiaramente la loro stabilità nel mezzo di crescita delle microalghe. Inoltre, abbiamo valutato se la presenza delle nostre microalghe verdi avrebbe influenzato la stabilità degli Nb-MXene nel mezzo. I risultati del potenziale zeta e della conduttività degli MXene dopo l'interazione con le microalghe nei terreni nutritivi e nella coltura nel tempo sono riportati in SI (Figure S9 e S10). È interessante notare che abbiamo notato che la presenza di microalghe sembrava stabilizzare la dispersione di entrambi gli MXene. Nel caso degli SL di Nb2CTx, il potenziale zeta è persino leggermente diminuito nel tempo fino a valori più negativi (-15,8 contro -19,1 mV dopo 72 ore di incubazione). Il potenziale zeta degli SL di Nb4C3TX è leggermente aumentato, ma dopo 72 ore ha mostrato ancora una maggiore stabilità rispetto ai nanoflakes senza la presenza di microalghe (-18,1 contro -9,1 mV).
Abbiamo anche riscontrato una minore conduttività delle soluzioni di Nb-MXene incubate in presenza di microalghe, a indicare una minore quantità di ioni nel mezzo nutritivo. In particolare, l'instabilità degli MXene in acqua è dovuta principalmente all'ossidazione superficiale57. Pertanto, sospettiamo che le microalghe verdi abbiano in qualche modo eliminato gli ossidi formati sulla superficie di Nb-MXene e ne abbiano persino prevenuto la formazione (ossidazione dell'MXene). Questo può essere osservato studiando i tipi di sostanze assorbite dalle microalghe.
Sebbene i nostri studi ecotossicologici abbiano indicato che le microalghe sono state in grado di superare la tossicità degli Nb-MXeni nel tempo e l'insolita inibizione della crescita stimolata, l'obiettivo del nostro studio era indagare i possibili meccanismi d'azione. Quando organismi come le alghe sono esposti a composti o materiali non familiari ai loro ecosistemi, possono reagire in diversi modi58,59. In assenza di ossidi metallici tossici, le microalghe possono autoalimentarsi, il che consente loro di crescere ininterrottamente60. Dopo l'ingestione di sostanze tossiche, possono essere attivati ​​meccanismi di difesa, come il cambiamento di forma. Anche la possibilità di assorbimento deve essere considerata58,59. In particolare, qualsiasi segno di un meccanismo di difesa è un chiaro indicatore della tossicità del composto in esame. Pertanto, nel nostro ulteriore lavoro, abbiamo studiato la potenziale interazione superficiale tra nanofiocchi di Nb-MXene SL e microalghe mediante SEM e il possibile assorbimento di MXene a base di Nb mediante spettroscopia a fluorescenza a raggi X (XRF). Si noti che le analisi SEM e XRF sono state eseguite solo alla massima concentrazione di MXene per affrontare i problemi di tossicità dell'attività.
I risultati dell'analisi SEM sono mostrati in Fig. 4. Le cellule di microalga non trattate (vedi Fig. 4a, campione di riferimento) mostravano chiaramente la tipica morfologia di R. subcapitata e una forma cellulare a croissant. Le cellule appaiono appiattite e leggermente disorganizzate. Alcune cellule di microalga si sovrapponevano e si intrecciavano tra loro, ma ciò era probabilmente dovuto al processo di preparazione del campione. In generale, le cellule di microalga pura presentavano una superficie liscia e non mostravano alcuna variazione morfologica.
Immagini SEM che mostrano l'interazione superficiale tra microalghe verdi e nanosfoglie di MXene dopo 72 ore di interazione a concentrazione estrema (100 mg L-1). (a) Microalghe verdi non trattate dopo interazione con SL (b) MXene Nb2CTx e (c) Nb4C3TX. Si noti che i nanosfoglie di Nb-MXene sono contrassegnati da frecce rosse. Per confronto, sono state aggiunte anche fotografie al microscopio ottico.
Al contrario, le cellule di microalga adsorbite da nanofiocchi di Nb-MXene SL sono state danneggiate (vedi Fig. 4b, c, frecce rosse). Nel caso di Nb2CTx MXene (Fig. 4b), le microalghe tendono a crescere con nanoscaglie bidimensionali attaccate, che possono modificarne la morfologia. In particolare, abbiamo osservato questi cambiamenti anche al microscopio ottico (vedi Figura S11 SI per i dettagli). Questa transizione morfologica ha una base plausibile nella fisiologia delle microalghe e nella loro capacità di difendersi modificando la morfologia cellulare, come l'aumento del volume cellulare61. Pertanto, è importante verificare il numero di cellule di microalga effettivamente a contatto con Nb-MXene. Studi al microscopio elettronico a scansione (SEM) hanno mostrato che circa il 52% delle cellule di microalga è stato esposto a Nb-MXene, mentre il 48% di queste cellule di microalga ha evitato il contatto. Per quanto riguarda l'MXene SL Nb4C3Tx, le microalghe cercano di evitare il contatto con l'MXene, localizzandosi e crescendo a partire da nanoscale bidimensionali (Fig. 4c). Tuttavia, non abbiamo osservato la penetrazione di nanoscale nelle cellule delle microalghe né il loro danneggiamento.
L'autoconservazione è anche un comportamento di risposta dipendente dal tempo al blocco della fotosintesi dovuto all'adsorbimento di particelle sulla superficie cellulare e al cosiddetto effetto shading (ombreggiatura)62. È chiaro che ogni oggetto (ad esempio, nanofiocchi di Nb-MXene) che si trova tra la microalga e la sorgente luminosa limita la quantità di luce assorbita dai cloroplasti. Tuttavia, non abbiamo dubbi che ciò abbia un impatto significativo sui risultati ottenuti. Come dimostrato dalle nostre osservazioni microscopiche, i nanofiocchi 2D non erano completamente avvolti o aderenti alla superficie delle microalghe, anche quando le cellule di microalga erano a contatto con Nb-MXene. Al contrario, i nanofiocchi si sono rivelati orientati verso le cellule di microalga senza coprirne la superficie. Un tale insieme di nanofiocchi/microalghe non può limitare significativamente la quantità di luce assorbita dalle cellule di microalga. Inoltre, alcuni studi hanno addirittura dimostrato un miglioramento nell'assorbimento della luce da parte degli organismi fotosintetici in presenza di nanomateriali bidimensionali63,64,65,66.
Poiché le immagini SEM non potevano confermare direttamente l'assorbimento di niobio da parte delle cellule di microalga, il nostro ulteriore studio si è concentrato sull'analisi di fluorescenza a raggi X (XRF) e spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) per chiarire questo problema. Pertanto, abbiamo confrontato l'intensità dei picchi di Nb di campioni di microalghe di riferimento che non interagivano con gli MXeni, nanofiocchi di MXeni staccati dalla superficie delle cellule di microalga e cellule di microalga dopo la rimozione degli MXeni ad essi legati. È importante notare che in assenza di assorbimento di Nb, il valore di Nb ottenuto dalle cellule di microalga dovrebbe essere zero dopo la rimozione delle nanoscaglie adese. Pertanto, in caso di assorbimento di Nb, sia i risultati XRF che XPS dovrebbero mostrare un chiaro picco di Nb.
Nel caso degli spettri XRF, i campioni di microalghe hanno mostrato picchi di Nb per SL Nb2CTx e Nb4C3Tx MXene dopo l'interazione con SL Nb2CTx e Nb4C3Tx MXene (vedere Fig. 5a, si noti inoltre che i risultati per MAX e ML MXene sono mostrati in SI, Fig. S12–C17). È interessante notare che l'intensità del picco di Nb è la stessa in entrambi i casi (barre rosse in Fig. 5a). Ciò indica che le alghe non potevano assorbire più Nb e la massima capacità di accumulo di Nb è stata raggiunta nelle cellule, sebbene una quantità doppia di Nb4C3Tx MXene fosse attaccata alle cellule di microalga (barre blu in Fig. 5a). In particolare, la capacità delle microalghe di assorbire metalli dipende dalla concentrazione di ossidi metallici nell'ambiente67,68. Shamshada et al.67 hanno scoperto che la capacità di assorbimento delle alghe d'acqua dolce diminuisce con l'aumentare del pH. Raize et al.68 hanno osservato che la capacità delle alghe di assorbire metalli era circa il 25% superiore per Pb2+ rispetto a Ni2+.
(a) Risultati XRF dell'assorbimento basale di Nb da parte di cellule di microalga verde incubate a una concentrazione estrema di SL Nb-MXeni (100 mg L-1) per 72 ore. I risultati mostrano la presenza di α in cellule di microalga pure (campione di controllo, colonne grigie), nanofiocchi 2D isolati da cellule di microalga di superficie (colonne blu) e cellule di microalga dopo la separazione dei nanofiocchi 2D dalla superficie (colonne rosse). La quantità di Nb elementare, (b) percentuale di composizione chimica dei componenti organici delle microalghe (C=O e CHx/C–O) e ossidi di Nb presenti nelle cellule di microalga dopo incubazione con SL Nb-MXeni, (c–e) Adattamento del picco composizionale degli spettri XPS SL Nb2CTx e (fh) SL Nb4C3Tx MXeni internalizzato dalle cellule di microalga.
Pertanto, ci aspettavamo che il Nb potesse essere assorbito dalle cellule algali sotto forma di ossidi. Per verificarlo, abbiamo eseguito studi XPS sugli MXeni Nb2CTx e Nb4C3TX e sulle cellule algali. I risultati dell'interazione delle microalghe con Nb-MXeni e MXeni isolati dalle cellule algali sono mostrati nelle Fig. 5b. Come previsto, abbiamo rilevato picchi di Nb 3d nei campioni di microalghe dopo la rimozione di MXene dalla superficie delle microalghe. La determinazione quantitativa degli ossidi di C=O, CHx/CO e Nb è stata calcolata sulla base degli spettri di Nb 3d, O₂s e C₂s ottenuti con Nb2CTx SL (Fig. 5c–e) e Nb4C3Tx SL (Fig. 5c–e). ) ottenuti da microalghe incubate. Figura 5f–h) MXeni. La Tabella S1-3 mostra i dettagli dei parametri di picco e della chimica complessiva risultanti dall'adattamento. È interessante notare che le regioni 3d di Nb di Nb2CTx SL e Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) corrispondono a una componente di Nb2O5. Qui, non abbiamo trovato picchi correlati all'MXene negli spettri, indicando che le cellule di microalga assorbono solo la forma ossido di Nb. Inoltre, abbiamo approssimato lo spettro C1s con le componenti C–C, CHx/C–O, C=O e –COOH. Abbiamo attribuito i picchi CHx/C–O e C=O al contributo organico delle cellule di microalga. Queste componenti organiche rappresentano rispettivamente il 36% e il 41% dei picchi C1s in Nb2CTx SL e Nb4C3TX SL. Abbiamo quindi adattato gli spettri O 1s di SL Nb2CTx e SL Nb4C3TX con Nb2O5, componenti organici di microalghe (CHx/CO) e acqua adsorbita in superficie.
Infine, i risultati XPS hanno indicato chiaramente la forma di Nb, non solo la sua presenza. In base alla posizione del segnale 3d di Nb e ai risultati della deconvoluzione, confermiamo che Nb viene assorbito solo sotto forma di ossidi e non di ioni o MXene stesso. Inoltre, i risultati XPS hanno mostrato che le cellule di microalga hanno una maggiore capacità di assorbire ossidi di Nb da SL Nb2CTx rispetto a SL Nb4C3TX MXene.
Sebbene i nostri risultati di assorbimento di Nb siano impressionanti e ci consentano di identificare la degradazione dell'MXene, non esiste un metodo disponibile per tracciare i cambiamenti morfologici associati nei nanofiocchi 2D. Pertanto, abbiamo deciso di sviluppare un metodo adeguato in grado di rispondere direttamente a qualsiasi cambiamento che si verifichi nei nanofiocchi 2D di Nb-MXene e nelle cellule di microalghe. È importante notare che presupponiamo che se le specie interagenti subiscono una qualsiasi trasformazione, decomposizione o deframmentazione, ciò dovrebbe manifestarsi rapidamente come cambiamenti nei parametri di forma, come il diametro dell'area circolare equivalente, la rotondità, la larghezza o la lunghezza di Feret. Poiché questi parametri sono adatti per descrivere particelle allungate o nanofiocchi bidimensionali, il loro tracciamento mediante analisi dinamica della forma delle particelle ci fornirà preziose informazioni sulla trasformazione morfologica dei nanofiocchi di Nb-MXene SL durante la riduzione.
I risultati ottenuti sono mostrati in Figura 6. A scopo di confronto, abbiamo testato anche la fase MAX originale e gli ML-MXeni (vedere le Figure SI S18 e S19). L'analisi dinamica della forma delle particelle ha mostrato che tutti i parametri di forma di due SL di Nb-MXene sono cambiati significativamente dopo l'interazione con le microalghe. Come mostrato dal parametro del diametro dell'area circolare equivalente (Fig. 6a, b), la ridotta intensità del picco della frazione di nanofiocchi di grandi dimensioni indica che questi tendono a decadere in frammenti più piccoli. In Fig. 6c, d si mostra una diminuzione dei picchi associati alla dimensione trasversale dei fiocchi (allungamento dei nanofiocchi), indicando la trasformazione dei nanofiocchi 2D in una forma più simile a una particella. La Figura 6e-h mostra rispettivamente la larghezza e la lunghezza del Feret. La larghezza e la lunghezza del Feret sono parametri complementari e devono quindi essere considerate insieme. Dopo l'incubazione dei nanofiocchi 2D di Nb-MXene in presenza di microalghe, i loro picchi di correlazione del Feret si sono spostati e la loro intensità è diminuita. Sulla base di questi risultati, combinati con morfologia, XRF e XPS, abbiamo concluso che i cambiamenti osservati sono fortemente correlati all'ossidazione, poiché gli MXeni ossidati diventano più rugosi e si scompongono in frammenti e particelle di ossido sferiche69,70.
Analisi della trasformazione degli MXeni dopo l'interazione con microalghe verdi. L'analisi dinamica della forma delle particelle tiene conto di parametri quali (a, b) diametro dell'area circolare equivalente, (c, d) rotondità, (e, f) larghezza del Feret e (g, h) lunghezza del Feret. A tal fine, due campioni di microalghe di riferimento sono stati analizzati insieme a MXeni primari SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx, MXeni SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx, microalghe degradate e MXeni SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx trattati. Le frecce rosse mostrano le transizioni dei parametri di forma dei nanofiocchi bidimensionali studiati.
Poiché l'analisi dei parametri di forma è molto affidabile, può anche rivelare cambiamenti morfologici nelle cellule di microalga. Pertanto, abbiamo analizzato il diametro dell'area circolare equivalente, la rotondità e la larghezza/lunghezza di Feret di cellule di microalga pure e cellule dopo interazione con nanofiocchi di Nb 2D. Le figure 6a–h mostrano cambiamenti nei parametri di forma delle cellule di alga, come evidenziato da una diminuzione dell'intensità del picco e uno spostamento dei massimi verso valori più elevati. In particolare, i parametri di rotondità cellulare hanno mostrato una diminuzione nelle cellule allungate e un aumento in quelle sferiche (Fig. 6a, b). Inoltre, la larghezza delle cellule di Feret è aumentata di diversi micrometri dopo interazione con SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) rispetto a SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f). Sospettiamo che ciò possa essere dovuto al forte assorbimento di ossidi di Nb da parte delle microalghe in seguito all'interazione con Nb2CTx SR. Un fissaggio meno rigido dei fiocchi di Nb alla loro superficie può dare origine a una crescita cellulare con un effetto di ombreggiatura minimo.
Le nostre osservazioni sui cambiamenti nei parametri di forma e dimensione delle microalghe integrano altri studi. Le microalghe verdi possono cambiare la loro morfologia in risposta allo stress ambientale modificando le dimensioni, la forma o il metabolismo cellulare61. Ad esempio, la modifica delle dimensioni delle cellule facilita l'assorbimento dei nutrienti71. Le cellule algali più piccole mostrano un minore assorbimento di nutrienti e un tasso di crescita ridotto. Al contrario, le cellule più grandi tendono a consumare più nutrienti, che vengono poi depositati intracellularmente72,73. Machado e Soares hanno scoperto che il fungicida triclosan può aumentare le dimensioni cellulari. Hanno anche riscontrato profondi cambiamenti nella forma delle alghe74. Inoltre, Yin et al.9 hanno anche rivelato cambiamenti morfologici nelle alghe dopo l'esposizione a nanocompositi di ossido di grafene ridotto. Pertanto, è chiaro che i parametri alterati di dimensione/forma delle microalghe sono causati dalla presenza di MXene. Poiché questa variazione di dimensione e forma è indicativa di cambiamenti nell'assorbimento dei nutrienti, riteniamo che l'analisi dei parametri di dimensione e forma nel tempo possa dimostrare l'assorbimento di ossido di niobio da parte delle microalghe in presenza di Nb-MXeni.
Inoltre, gli MXeni possono essere ossidati in presenza di alghe. Dalai et al.75 hanno osservato che la morfologia delle alghe verdi esposte a nano-TiO₂ e Al₂O₂76 non era uniforme. Sebbene le nostre osservazioni siano simili a quelle del presente studio, esse sono rilevanti solo per lo studio degli effetti del biorisanamento in termini di prodotti di degradazione degli MXeni in presenza di nanofiocchi 2D e non di nanoparticelle. Poiché gli MXeni possono degradarsi in ossidi metallici,31,32,77,78 è ragionevole supporre che anche i nostri nanofiocchi di Nb possano formare ossidi di Nb dopo l'interazione con le cellule di microalga.
Per spiegare la riduzione dei nanofiocchi di Nb 2D attraverso un meccanismo di decomposizione basato sul processo di ossidazione, abbiamo condotto studi utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) (Fig. 7a, b) e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) (Fig. 7). 7c-i e tabelle S4-5). Entrambi gli approcci sono adatti allo studio dell'ossidazione di materiali 2D e si completano a vicenda. L'HRTEM è in grado di analizzare la degradazione di strutture stratificate bidimensionali e la successiva comparsa di nanoparticelle di ossido metallico, mentre l'XPS è sensibile ai legami superficiali. A tale scopo, abbiamo testato i nanofiocchi di Nb-MXene 2D estratti da dispersioni cellulari di microalghe, ovvero la loro forma dopo l'interazione con le cellule di microalga (vedi Fig. 7).
Immagini HRTEM che mostrano la morfologia di (a) SL Nb2CTx e (b) SL Nb4C3Tx MXeni ossidati, risultati dell'analisi XPS che mostrano (c) la composizione dei prodotti di ossido dopo la riduzione, (d–f) corrispondenza dei picchi dei componenti degli spettri XPS di SL Nb2CTx e (g– i) SL Nb4C3Tx riparati con microalghe verdi.
Gli studi HRTEM hanno confermato l'ossidazione di due tipi di nanofiocchi di Nb-MXene. Sebbene i nanofiocchi abbiano mantenuto in una certa misura la loro morfologia bidimensionale, l'ossidazione ha portato alla comparsa di numerose nanoparticelle che ricoprono la superficie dei nanofiocchi di MXene (vedi Fig. 7a, b). L'analisi XPS dei segnali c Nb 3d e O 1s ha indicato che in entrambi i casi si sono formati ossidi di Nb. Come mostrato in Figura 7c, gli MXene 2D Nb2CTx e Nb4C3TX presentano segnali Nb 3d che indicano la presenza di ossidi di NbO e Nb2O5, mentre i segnali O 1s indicano il numero di legami O–Nb associati alla funzionalizzazione della superficie dei nanofiocchi 2D. Abbiamo notato che il contributo dell'ossido di Nb è dominante rispetto a Nb-C e Nb3+-O.
Nelle figure 7g–i sono mostrati gli spettri XPS di Nb3d, C1s e O1s SL Nb2CTx (vedi figure 7d–f) e SL Nb4C3TX MXene isolati da cellule di microalga. Dettagli sui parametri di picco di Nb-MXene sono forniti rispettivamente nelle tabelle S4–5. Abbiamo inizialmente analizzato la composizione di Nb3d. A differenza del Nb assorbito dalle cellule di microalga, nell'MXene isolato da cellule di microalga, oltre a Nb2O5, sono stati trovati altri componenti. Nel campione SL Nb2CTx, abbiamo osservato il contributo di Nb3+-O pari al 15%, mentre il resto dello spettro di Nb3d era dominato da Nb2O5 (85%). Inoltre, il campione SL Nb4C3TX contiene componenti Nb-C (9%) e Nb2O5 (91%). Qui, Nb-C proviene da due strati atomici interni di carburo metallico nella SR Nb4C3Tx. Abbiamo quindi mappato gli spettri C1s su quattro diverse componenti, come abbiamo fatto nei campioni internalizzati. Come previsto, lo spettro C1s è dominato dal carbonio grafitico, seguito dai contributi delle particelle organiche (CHx/CO e C=O) provenienti dalle cellule di microalga. Inoltre, nello spettro O1s, abbiamo osservato il contributo delle forme organiche delle cellule di microalga, dell'ossido di niobio e dell'acqua adsorbita.
Inoltre, abbiamo studiato se la scissione di Nb-MXeni fosse associata alla presenza di specie reattive dell'ossigeno (ROS) nel mezzo nutritivo e/o nelle cellule di microalga. A tal fine, abbiamo valutato i livelli di ossigeno singoletto (1O₂) nel mezzo di coltura e di glutatione intracellulare, un tiolo che agisce come antiossidante nelle microalghe. I risultati sono mostrati in SI (Figure S20 e S21). Le colture con MXeni Nb2CTx e Nb4C3TX SL erano caratterizzate da una ridotta quantità di 1O₂ (vedi Figura S20). Nel caso di Nb2CTx SL, la quantità di MXeni 1O₂ è ridotta a circa l'83%. Per le colture di microalghe che utilizzavano SL, la quantità di 1O₂ Nb4C3TX è diminuita ulteriormente, al 73%. È interessante notare che le variazioni di 1O₂ hanno mostrato la stessa tendenza dell'effetto inibitorio-stimolatorio precedentemente osservato (vedi Fig. 3). Si può sostenere che l'incubazione in luce intensa possa alterare la fotoossidazione. Tuttavia, i risultati dell'analisi di controllo hanno mostrato livelli di 1O2 pressoché costanti durante l'esperimento (Fig. S22). Anche per quanto riguarda i livelli di ROS intracellulari, abbiamo osservato la stessa tendenza al ribasso (vedi Figura S21). Inizialmente, i livelli di ROS nelle cellule di microalga coltivate in presenza di SL Nb2CTx e Nb4C3Tx superavano i livelli riscontrati nelle colture pure di microalghe. Alla fine, tuttavia, è emerso che le microalghe si sono adattate alla presenza di entrambi gli Nb-MXeni, poiché i livelli di ROS sono diminuiti rispettivamente all'85% e al 91% dei livelli misurati nelle colture pure di microalghe inoculate con SL Nb2CTx e Nb4C3TX. Ciò potrebbe indicare che le microalghe si sentono più a loro agio nel tempo in presenza di Nb-MXeni rispetto al solo mezzo nutritivo.
Le microalghe sono un gruppo eterogeneo di organismi fotosintetici. Durante la fotosintesi, convertono l'anidride carbonica atmosferica (CO₂) in carbonio organico. I prodotti della fotosintesi sono glucosio e ossigeno79. Sospettiamo che l'ossigeno così formato svolga un ruolo critico nell'ossidazione dei Nb-MXeni. Una possibile spiegazione è che il parametro di aerazione differenziale si forma a basse e alte pressioni parziali di ossigeno all'esterno e all'interno dei nanofiocchi di Nb-MXeni. Ciò significa che ovunque ci siano aree con diverse pressioni parziali di ossigeno, l'area con il livello più basso formerà l'anodo 80, 81, 82. Qui, le microalghe contribuiscono alla creazione di celle aerate in modo differenziale sulla superficie dei fiocchi di MXeni, che producono ossigeno grazie alle loro proprietà fotosintetiche. Di conseguenza, si formano prodotti di biocorrosione (in questo caso, ossidi di niobio). Un altro aspetto è che le microalghe possono produrre acidi organici che vengono rilasciati nell'acqua83,84. Si forma quindi un ambiente aggressivo, che altera i Nb-MXeni. Inoltre, le microalghe possono alterare il pH dell'ambiente in alcalino a causa dell'assorbimento di anidride carbonica, che può anche causare corrosione79.
Ancora più importante, il fotoperiodo buio/luce utilizzato nel nostro studio è fondamentale per la comprensione dei risultati ottenuti. Questo aspetto è descritto in dettaglio in Djemai-Zoghlache et al. 85 Hanno deliberatamente utilizzato un fotoperiodo di 12/12 ore per dimostrare la biocorrosione associata al biofouling da parte della microalga rossa Porphyridium purpureum. Mostrano che il fotoperiodo è associato all'evoluzione del potenziale senza biocorrosione, manifestandosi come oscillazioni pseudoperiodiche intorno alle 24:00. Queste osservazioni sono state confermate da Dowling et al. 86 Hanno dimostrato biofilm fotosintetici di cianobatteri Anabaena. L'ossigeno disciolto si forma sotto l'azione della luce, che è associata a una variazione o fluttuazioni del potenziale libero di biocorrosione. L'importanza del fotoperiodo è sottolineata dal fatto che il potenziale libero per la biocorrosione aumenta nella fase luminosa e diminuisce nella fase oscura. Ciò è dovuto all'ossigeno prodotto dalle microalghe fotosintetiche, che influenza la reazione catodica attraverso la pressione parziale generata in prossimità degli elettrodi87.
Inoltre, è stata eseguita una spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) per verificare eventuali cambiamenti nella composizione chimica delle cellule di microalghe dopo l'interazione con Nb-MXeni. I risultati ottenuti sono complessi e li presentiamo in SI (Figure S23-S25, inclusi i risultati dello stadio MAX e degli MXeni ML). In breve, gli spettri di riferimento ottenuti per le microalghe ci forniscono informazioni importanti sulle caratteristiche chimiche di questi organismi. Queste vibrazioni più probabili si trovano alle frequenze di 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1, 11 (C–H) e 3280 cm-1 (O–H). Per gli Nb-MXeni SL, abbiamo riscontrato una firma di allungamento del legame CH coerente con il nostro studio precedente38. Tuttavia, abbiamo osservato la scomparsa di alcuni picchi aggiuntivi associati ai legami C=C e CH. Ciò indica che la composizione chimica delle microalghe potrebbe subire lievi modifiche a causa dell'interazione con i Nb-MXeni SL.
Quando si considerano i possibili cambiamenti nella biochimica delle microalghe, è necessario riconsiderare l'accumulo di ossidi inorganici, come l'ossido di niobio59. Esso è coinvolto nell'assorbimento dei metalli da parte della superficie cellulare, nel loro trasporto nel citoplasma, nella loro associazione con i gruppi carbossilici intracellulari e nel loro accumulo nei polifosfosomi delle microalghe20,88,89,90. Inoltre, la relazione tra microalghe e metalli è mantenuta da gruppi funzionali di cellule. Per questo motivo, l'assorbimento dipende anche dalla chimica di superficie delle microalghe, che è piuttosto complessa9,91. In generale, come previsto, la composizione chimica delle microalghe verdi è leggermente cambiata a causa dell'assorbimento dell'ossido di Nb.
È interessante notare che l'inibizione iniziale osservata nelle microalghe è risultata reversibile nel tempo. Come abbiamo osservato, le microalghe hanno superato il cambiamento ambientale iniziale e alla fine sono tornate ai normali tassi di crescita, con un'ulteriore crescita. Studi sul potenziale zeta mostrano un'elevata stabilità quando introdotte nei substrati nutritivi. Pertanto, l'interazione superficiale tra le cellule delle microalghe e i nanofiocchi di Nb-MXene è stata mantenuta durante gli esperimenti di riduzione. Nella nostra ulteriore analisi, riassumiamo i principali meccanismi d'azione alla base di questo straordinario comportamento delle microalghe.
Le osservazioni SEM hanno dimostrato che le microalghe tendono ad attaccarsi ai Nb-MXeni. Utilizzando l'analisi dinamica delle immagini, confermiamo che questo effetto porta alla trasformazione dei nanofiocchi bidimensionali di Nb-MXene in particelle più sferiche, dimostrando così che la decomposizione dei nanofiocchi è associata alla loro ossidazione. Per testare la nostra ipotesi, abbiamo condotto una serie di studi sui materiali e biochimici. Dopo i test, i nanofiocchi si sono gradualmente ossidati e decomposti in prodotti di NbO e Nb₂O₂, che non hanno rappresentato una minaccia per le microalghe verdi. Utilizzando l'osservazione FTIR, non abbiamo riscontrato cambiamenti significativi nella composizione chimica delle microalghe incubate in presenza di nanofiocchi bidimensionali di Nb-MXene. Considerando la possibilità di assorbimento di ossido di niobio da parte delle microalghe, abbiamo eseguito un'analisi di fluorescenza a raggi X. Questi risultati mostrano chiaramente che le microalghe studiate si nutrono di ossidi di niobio (NbO e Nb2O5), che non sono tossici per le microalghe studiate.