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Il rapido sviluppo delle nanotecnologie e la loro integrazione nelle applicazioni quotidiane possono rappresentare una minaccia per l'ambiente. Mentre i metodi ecocompatibili per la degradazione dei contaminanti organici sono ben consolidati, il recupero dei contaminanti cristallini inorganici è motivo di grande preoccupazione a causa della loro bassa sensibilità alla biotrasformazione e della scarsa comprensione delle interazioni tra le superfici dei materiali e quelle biologiche. In questo studio, utilizziamo un modello di MXene 2D inorganico a base di niobio, 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 niobio grazie a interazioni fisico-chimiche legate alla superficie. Inizialmente, nanoflakes di MXene monostrato e multistrato si attaccavano alla superficie delle microalghe, riducendone in qualche modo la crescita. Tuttavia, in seguito a un'interazione prolungata con la superficie, le microalghe ossidavano i nanoflakes di MXene e li decomponevano ulteriormente in NbO e Nb2O5. Poiché questi ossidi non sono tossici per le cellule delle microalghe, queste consumano le nanoparticelle di ossido di niobio attraverso un meccanismo di assorbimento che, dopo 72 ore di trattamento dell'acqua, permette alle microalghe di rigenerarsi. Gli effetti dei nutrienti associati all'assorbimento si riflettono anche nell'aumento del volume cellulare, nella loro forma più liscia e nella variazione del tasso di crescita. Sulla base di questi risultati, concludiamo che la presenza a breve e lungo termine di MXene a base di niobio negli ecosistemi di acqua dolce può causare solo impatti ambientali minimi. È importante sottolineare che, utilizzando nanomateriali bidimensionali come sistemi modello, dimostriamo la possibilità di monitorare la trasformazione della forma anche in materiali a grana fine. Nel complesso, questo studio risponde a un'importante domanda fondamentale sui processi di 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 negligente o infrastrutture di sicurezza inadeguate. Pertanto, è ragionevole supporre che i nanomateriali, compresi i nanomateriali bidimensionali (2D), possano essere rilasciati nell'ambiente naturale, il cui comportamento e attività biologica non sono ancora del tutto compresi. Non sorprende quindi che le preoccupazioni relative all'ecotossicità si siano concentrate sulla capacità dei nanomateriali 2D di disperdersi nei sistemi acquatici2,3,4,5,6. In questi ecosistemi, alcuni nanomateriali 2D possono interagire con diversi organismi a differenti livelli trofici, comprese le microalghe.
Le microalghe sono organismi primitivi che si trovano naturalmente negli ecosistemi di acqua dolce e marini e 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, economici 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 distruggendo i loro cloroplasti20,21.
I metodi ecocompatibili 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 scarsa suscettibilità a varie biotrasformazioni, il che causa grandi difficoltà nella bonifica, e in questo campo sono stati compiuti pochi progressi22,23,24,25,26. 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 individuare i possibili percorsi di degradazione durante la riduzione.
In questo studio, abbiamo utilizzato microalghe verdi come agente attivo di biorisanamento acquoso per materiali ceramici inorganici, combinato con il monitoraggio in situ del processo di degradazione di MXene come rappresentante di materiali ceramici inorganici. Il termine "MXene" riflette la stechiometria del materiale Mn+1XnTx, dove M è un metallo di transizione iniziale, 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 MXene da parte di Naguib et al. Sensori, terapia del cancro e filtrazione a membrana 27,29,30. Inoltre, gli MXene possono essere considerati come 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 niobio in composti non tossici grazie a interazioni fisico-chimiche superficiali, che consentono il successivo recupero delle alghe. Per verificare questa ipotesi, sono stati selezionati due membri della famiglia dei carburi e/o nitruri di metalli di transizione a base di niobio (MXeni), 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 noti che questa è solo una rappresentazione schematica delle ipotesi basate sull'evidenza. L'ambiente lacustre differisce per il mezzo nutritivo utilizzato e per le condizioni (ad esempio, ciclo diurno e limitazioni dei nutrienti essenziali disponibili). Creato con BioRender.com.
Pertanto, utilizzando gli MXene come sistema modello, abbiamo aperto la strada allo studio di diversi effetti biologici che non possono essere osservati con altri nanomateriali convenzionali. In particolare, dimostriamo la possibilità di biorisanamento di nanomateriali bidimensionali, come gli MXene a base di niobio, da parte della microalga Raphidocelis subcapitata. Le microalghe sono in grado di degradare gli Nb-MXene negli ossidi non tossici NbO e Nb2O5, 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 superficiali 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. Ciò ispira ulteriori ricerche a breve e lungo termine sui vari 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, sia a breve che a lungo termine, sui loro possibili impatti sugli ecosistemi di acqua dolce, che ora possono essere facilmente verificati.
Gli MXene rappresentano un'interessante classe di materiali con proprietà fisiche e chimiche uniche e attraenti, e quindi con molte potenziali applicazioni. Queste proprietà dipendono in larga misura dalla loro stechiometria e dalla chimica superficiale. Pertanto, nel nostro studio, abbiamo analizzato due tipi di MXene gerarchici a singolo strato (SL) a base di niobio, Nb2CTx e Nb4C3TX, poiché è possibile osservare diversi effetti biologici di questi nanomateriali. Gli MXene vengono prodotti a partire dai materiali di partenza mediante incisione selettiva 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). Il Nb-MXene multistrato (ML) è stato ottenuto dopo la rimozione dello strato di Al con HF al 48% (acido fluoridrico). La morfologia di ML-Nb2CTx e ML-Nb4C3TX è stata esaminata mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) (Figure S1c e S1d rispettivamente) ed è stata osservata una tipica morfologia stratificata di MXene, simile a nanoflakes bidimensionali che passano attraverso fessure allungate simili a pori. Entrambi i Nb-MXene hanno molto in comune con le fasi di 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, dopodiché abbiamo ottenuto nanoflakes di Nb-MXene 2D monostrato o a basso strato (SL).
Abbiamo utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) e la diffrazione di raggi X (XRD) per testare l'efficienza dell'incisione e del successivo distacco. 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 nanoflakes di Nb-MXene sono stati orientati con il bordo verso l'alto per controllare la struttura dello strato atomico e misurare le distanze interplanari. Le immagini HRTEM dei nanoflakes 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 di 0,74 e 1,54 nm, rispettivamente (Fig. 2b1,b2), il che concorda 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 ad atomi di niobio e carbonio, il che conferma la natura stratificata degli MXene 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 alcuna traccia della fase MAX originale, poiché non è stato rilevato alcun picco di Al.
Caratterizzazione di nanoflakes di MXene SL Nb2CTx e Nb4C3Tx, tra cui (a) microscopia elettronica ad alta risoluzione (HRTEM) con vista laterale, immagine 2D del nanoflake e corrispondente, (b) modalità intensità, (c) trasformata inversa di Fourier veloce (IFFT), (d) trasformata di Fourier veloce (FFT), (e) modelli di diffrazione a raggi X di Nb-MXene. Per SL 2D Nb2CTx, i numeri sono espressi come (a1, b1, c1, d1, e1). Per SL 2D Nb4C3Tx, i numeri sono espressi come (a2, b2, c2, d2, e1).
Le misurazioni di diffrazione a raggi X degli MXene SL Nb2CTx e Nb4C3Tx sono mostrate rispettivamente nelle Fig. 2e1 e e2. I picchi (002) a 4,31 e 4,32 corrispondono rispettivamente agli MXene stratificati Nb2CTx e Nb4C3TX38,39,40,41 precedentemente descritti. I risultati XRD indicano anche la presenza di alcune strutture ML residue e fasi MAX, ma soprattutto pattern XRD associati a SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2). La presenza di particelle più piccole della fase MAX può spiegare il picco MAX più intenso rispetto agli strati di Nb4C3Tx impilati casualmente.
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 dei Nb-MXene 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 addirittura causarne la morte. Pertanto, per i nostri studi sull'interazione superficiale tra microalghe e MXene e sul relativo recupero, abbiamo deciso di testare le concentrazioni innocue e tossiche di Nb-MXene. Per fare ciò, abbiamo testato concentrazioni di 0 (come riferimento), 0,01, 0,1 e 10 mg l-1 di MXene e inoltre abbiamo infettato microalghe 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 SL Nb-MXene sulle microalghe sono mostrati nella Figura 3, espressi come percentuale di promozione (+) o inibizione (-) della crescita misurata per campioni a 0 mg l-1. Per confronto, sono state testate anche la fase Nb-MAX e gli ML Nb-MXene e i risultati sono mostrati nel SI (vedi Fig. S3). I risultati ottenuti hanno confermato che gli SL Nb-MXene sono quasi completamente privi di tossicità nell'intervallo di basse concentrazioni da 0,01 a 10 mg/l, come mostrato in 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 MXene SL (a) Nb2CTx e (b) Nb4C3TX. Sono state analizzate 24, 48 e 72 ore di interazione MXene-microalghe. I dati significativi (test t, p < 0,05) sono stati contrassegnati con un asterisco (*). I dati significativi (test t, p < 0,05) sono stati contrassegnati con un asterisco (*). Valori dei dati (criterio t, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). I dati significativi (test t, p < 0,05) sono contrassegnati da 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 (test t, p < 0,05) sono contrassegnati da 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 MXene presentavano una maggiore tossicità e inibizione della crescita delle microalghe a 100 mg L-1. È interessante notare che nessuno dei materiali ha mostrato lo stesso andamento e la stessa 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 con il tempo, è stato osservato l'andamento opposto 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 diminuita 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 prima con Nb4C3TX (interazione a 10 mg L-1 per 24 h) rispetto a SL Nb2CTx MXene. L'effetto di inversione inibizione-stimolazione è stato anche ben mostrato nella curva del tasso di raddoppio della biomassa (vedere Fig. S4 per i dettagli). Finora, solo l'ecotossicità di Ti3C2TX MXene è stata studiata in diversi modi. Non è tossico per gli embrioni di pesce zebra44 ma moderatamente ecotossico per le microalghe Desmodesmus quadricauda e le piante di Sorghum saccharatum45. Altri esempi di effetti specifici includono una maggiore tossicità per le linee cellulari tumorali rispetto alle linee cellulari normali46,47. Si potrebbe presumere che le condizioni di prova influenzino le variazioni nella crescita delle microalghe osservate in presenza di Nb-MXene. 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 di pH durante l'esperimento (vedere SI, Fig. S5 per i dettagli). In generale, le colture di microalghe con Nb-MXene hanno leggermente ridotto il pH della soluzione nel tempo. Tuttavia, questa diminuzione è risultata simile a una variazione del pH di un mezzo puro. Inoltre, l'intervallo di variazioni riscontrato è risultato 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 MXene sintetizzati presentano terminazioni superficiali (indicate come Tx). Si tratta principalmente di gruppi funzionali -O, -F e -OH. Tuttavia, la chimica superficiale è direttamente correlata al metodo di sintesi. È noto che questi gruppi sono distribuiti in modo casuale sulla superficie, il che rende difficile prevederne l'effetto sulle proprietà degli MXene50. Si può ipotizzare che Tx possa essere la forza catalitica per l'ossidazione del niobio mediante la luce. I gruppi funzionali superficiali forniscono infatti molteplici siti di ancoraggio per i fotocatalizzatori sottostanti per formare eterogiunzioni51. Tuttavia, la composizione del mezzo di crescita non ha fornito un fotocatalizzatore efficace (la composizione dettagliata del mezzo è riportata nella Tabella S6 del materiale supplementare). Inoltre, qualsiasi modifica superficiale è molto importante, poiché l'attività biologica degli MXene può essere alterata a causa della post-elaborazione dello strato, dell'ossidazione, della modifica chimica della superficie di composti organici e inorganici52,53,54,55,56 o dell'ingegneria della carica superficiale38. Pertanto, per verificare se l'ossido di niobio abbia 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 (per confronto). I nostri risultati mostrano che gli SL Nb-MXene sono abbastanza stabili (vedere la Figura S6 del SI per i risultati MAX e ML). Il potenziale zeta degli SL MXene è di circa -10 mV. Nel caso di SR Nb2CTx, il valore di ζ è leggermente più negativo di quello di Nb4C3Tx. Tale variazione del valore di ζ può indicare che la superficie dei nanoflakes di MXene caricati negativamente assorbe ioni caricati positivamente dal mezzo di coltura. Le misurazioni temporali del potenziale zeta e della conduttività degli Nb-MXene nel mezzo di coltura (vedere le Figure S7 e S8 nel SI per maggiori dettagli) sembrano supportare la nostra ipotesi.
Tuttavia, entrambi i superreticoli 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 dei superreticoli Nb-MXene nel mezzo. I risultati del potenziale zeta e della conduttività dei superreticoli MXene dopo l'interazione con le microalghe in mezzi nutritivi e coltura nel tempo sono riportati nel materiale supplementare (Figure S9 e S10). È interessante notare che la presenza di microalghe sembrava stabilizzare la dispersione di entrambi i superreticoli MXene. Nel caso del superreticolo Nb2CTx, il potenziale zeta è addirittura leggermente diminuito nel tempo, raggiungendo valori più negativi (-15,8 contro -19,1 mV dopo 72 ore di incubazione). Il potenziale zeta del superreticolo Nb4C3TX è leggermente aumentato, ma dopo 72 ore ha comunque mostrato una stabilità maggiore rispetto ai nanoflakes senza la presenza di microalghe (-18,1 contro -9,1 mV).
Abbiamo inoltre riscontrato una minore conduttività delle soluzioni di Nb-MXene incubate in presenza di microalghe, indicando 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 formatisi sulla superficie del Nb-MXene e addirittura ne abbiano impedito la formazione (ossidazione dell'MXene). Ciò 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 dei Nb-MXene nel tempo e l'insolita inibizione della crescita stimolata, l'obiettivo del nostro studio era quello di 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 vari modi58,59. In assenza di ossidi metallici tossici, le microalghe possono nutrirsi autonomamente, consentendo loro di crescere continuamente60. Dopo l'ingestione di sostanze tossiche, possono essere attivati ​​meccanismi di difesa, come il cambiamento di forma. Occorre considerare anche la possibilità di assorbimento58,59. In particolare, qualsiasi segno di un meccanismo di difesa è un chiaro indicatore della tossicità del composto in esame. Pertanto, nel nostro lavoro successivo, abbiamo studiato la potenziale interazione superficiale tra i nanoflakes SL Nb-MXene e le microalghe mediante SEM e il possibile assorbimento di MXene a base di Nb mediante spettroscopia a fluorescenza di raggi X (XRF). Si noti che le analisi SEM e XRF sono state eseguite solo alla più alta concentrazione di MXene per affrontare i problemi di tossicità dell'attività.
I risultati della microscopia elettronica a scansione (SEM) sono mostrati in Figura 4. Le cellule di microalghe non trattate (vedi Figura 4a, campione di riferimento) mostravano chiaramente la morfologia tipica di R. subcapitata e una forma cellulare a cornetto. Le cellule apparivano appiattite e in qualche modo disorganizzate. Alcune cellule di microalghe si sovrapponevano e si intrecciavano tra loro, ma ciò era probabilmente dovuto al processo di preparazione del campione. In generale, le cellule di microalghe pure presentavano una superficie liscia e non mostravano alcuna alterazione morfologica.
Immagini SEM che mostrano l'interazione superficiale tra microalghe verdi e nanofogli di MXene dopo 72 ore di interazione ad altissima concentrazione (100 mg L-1). (a) Microalghe verdi non trattate dopo l'interazione con SL (b) MXene Nb2CTx e (c) MXene Nb4C3TX. Si noti che i nanoflakes di Nb-MXene sono contrassegnati da frecce rosse. Per confronto, sono state aggiunte anche fotografie al microscopio ottico.
Al contrario, le cellule di microalghe adsorbite dai nanoflakes di SL Nb-MXene sono risultate danneggiate (vedi Fig. 4b, c, frecce rosse). Nel caso di Nb2CTx MXene (Fig. 4b), le microalghe tendono a crescere con nanostrutture 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 plausibile base nella fisiologia delle microalghe e nella loro capacità di difendersi modificando la morfologia cellulare, ad esempio aumentando il volume cellulare61. Pertanto, è importante verificare il numero di cellule di microalghe effettivamente a contatto con i Nb-MXene. Gli studi SEM hanno mostrato che circa il 52% delle cellule di microalghe era esposto ai Nb-MXene, mentre il 48% di queste cellule di microalghe evitava il contatto. Nel caso di SL Nb4C3Tx MXene, le microalghe cercano di evitare il contatto con l'MXene, localizzandosi e crescendo a partire da nanoscala bidimensionali (Fig. 4c). Tuttavia, non abbiamo osservato la penetrazione delle nanoscala 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 di ombreggiatura62. È chiaro che ogni oggetto (ad esempio, nanoflakes di Nb-MXene) che si trova tra le microalghe 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 nanoflakes 2D non erano completamente avvolti o aderenti alla superficie delle microalghe, anche quando le cellule delle microalghe erano a contatto con i Nb-MXene. Al contrario, i nanoflakes risultavano orientati verso le cellule delle microalghe senza coprirne la superficie. Tale insieme di nanoflakes/microalghe non può limitare in modo significativo la quantità di luce assorbita dalle cellule delle microalghe. 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 microalghe, il nostro studio successivo si è concentrato sull'analisi mediante fluorescenza a raggi X (XRF) e spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) per chiarire la questione. Pertanto, abbiamo confrontato l'intensità dei picchi di Nb di campioni di microalghe di riferimento che non avevano interagito con MXene, nanoflakes di MXene staccati dalla superficie delle cellule di microalghe e cellule di microalghe dopo la rimozione degli MXene adesi. È importante notare che, in assenza di assorbimento di Nb, il valore di Nb ottenuto dalle cellule di microalghe dovrebbe essere pari a zero dopo la rimozione delle nanoparticelle adese. Pertanto, se si verifica l'assorbimento di Nb, sia i risultati XRF che XPS dovrebbero mostrare un picco di Nb ben definito.
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 (vedi Fig. 5a, si noti inoltre che i risultati per MAX e ML MXene sono mostrati in SI, Figg. 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 il doppio di Nb4C3Tx MXene fosse attaccato alle cellule di microalghe (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 il Pb2+ rispetto al Ni2+.
(a) Risultati XRF dell'assorbimento basale di Nb da parte di cellule di microalghe verdi incubate ad una concentrazione estrema di SL Nb-MXenes (100 mg L-1) per 72 ore. I risultati mostrano la presenza di α in cellule di microalghe pure (campione di controllo, colonne grigie), nanoflakes 2D isolati da cellule di microalghe superficiali (colonne blu) e cellule di microalghe dopo la separazione dei nanoflakes 2D dalla superficie (colonne rosse). La quantità di Nb elementare, (b) percentuale della composizione chimica dei componenti organici delle microalghe (C=O e CHx/C–O) e ossidi di Nb presenti nelle cellule di microalghe dopo incubazione con SL Nb-MXenes, (c–e) Adattamento del picco compositivo degli spettri XPS SL Nb2CTx e (fh) SL Nb4C3Tx MXene internalizzato dalle cellule di microalghe.
Pertanto, ci aspettavamo che il Nb potesse essere assorbito dalle cellule algali sotto forma di ossidi. Per verificare ciò, abbiamo eseguito studi XPS su MXene Nb2CTx e Nb4C3TX e cellule algali. I risultati dell'interazione delle microalghe con Nb-MXene e MXene isolati da cellule algali sono mostrati nelle Fig. 5b. Come previsto, abbiamo rilevato picchi Nb 3d nei campioni di microalghe dopo la rimozione dell'MXene dalla superficie delle microalghe. La determinazione quantitativa di C=O, CHx/CO e ossidi di Nb è stata calcolata sulla base degli spettri Nb 3d, O 1s e C 1s ottenuti con Nb2CTx SL (Fig. 5c–e) e Nb4C3Tx SL (Fig. 5c–e). ) ottenuti da microalghe incubate. Figura 5f–h) MXene. La Tabella S1-3 mostra i dettagli dei parametri di picco e della chimica complessiva risultante dall'adattamento. È degno di nota che le regioni Nb 3d di Nb2CTx SL e Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) corrispondono a un componente Nb2O5. Qui, non abbiamo trovato picchi correlati a MXene negli spettri, indicando che le cellule di microalghe assorbono solo la forma ossidica di Nb. Inoltre, abbiamo approssimato lo spettro C 1s con i componenti C–C, CHx/C–O, C=O e –COOH. Abbiamo assegnato i picchi CHx/C–O e C=O al contributo organico delle cellule di microalghe. Questi componenti organici rappresentano il 36% e il 41% dei picchi C 1s in Nb2CTx SL e Nb4C3TX SL, rispettivamente. Abbiamo quindi adattato gli spettri O 1s di SL Nb2CTx e SL Nb4C3TX con Nb2O5, componenti organici delle microalghe (CHx/CO) e acqua adsorbita in superficie.
Infine, i risultati XPS hanno chiaramente indicato la forma del Nb, non solo la sua presenza. In base alla posizione del segnale Nb 3d e ai risultati della deconvoluzione, confermiamo che il Nb viene assorbito solo sotto forma di ossidi e non di ioni o di MXene stesso. Inoltre, i risultati XPS hanno mostrato che le cellule di microalghe hanno una maggiore capacità di assorbire ossidi di Nb da SL Nb2CTx rispetto a SL Nb4C3TX MXene.
Sebbene i nostri risultati sull'assorbimento di Nb siano notevoli e ci permettano di identificare la degradazione del MXene, non esiste un metodo disponibile per monitorare i cambiamenti morfologici associati nei nanoflakes 2D. Pertanto, abbiamo deciso di sviluppare un metodo adatto in grado di rispondere direttamente a qualsiasi cambiamento che si verifichi nei nanoflakes 2D di Nb-MXene e nelle cellule di microalghe. È importante notare che ipotizziamo che se le specie interagenti subiscono una qualsiasi trasformazione, decomposizione o frammentazione, ciò dovrebbe manifestarsi rapidamente come cambiamenti nei parametri di forma, come il diametro dell'area circolare equivalente, la rotondità, la larghezza di Feret o la lunghezza di Feret. Poiché questi parametri sono adatti a descrivere particelle allungate o nanoflakes bidimensionali, il loro monitoraggio tramite analisi dinamica della forma delle particelle ci fornirà informazioni preziose sulla trasformazione morfologica dei nanoflakes SL di Nb-MXene durante la riduzione.
I risultati ottenuti sono mostrati nella Figura 6. Per confronto, abbiamo anche testato la fase MAX originale e gli ML-MXene (vedere Figure S18 e S19 del materiale supplementare). L'analisi dinamica della forma delle particelle ha mostrato che tutti i parametri di forma dei 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 nanoflakes di grandi dimensioni indica che tendono a decomporsi in frammenti più piccoli. Nella Fig. 6c, d si osserva una diminuzione dei picchi associati alla dimensione trasversale dei fiocchi (allungamento dei nanoflakes), indicando la trasformazione dei nanoflakes 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 dovrebbero quindi essere considerati insieme. Dopo l'incubazione dei nanoflakes 2D di Nb-MXene in presenza di microalghe, i loro picchi di correlazione di Feret si sono spostati e la loro intensità è diminuita. Sulla base di questi risultati, in combinazione con la morfologia, XRF e XPS, abbiamo concluso che i cambiamenti osservati sono fortemente correlati all'ossidazione, poiché gli MXene ossidati diventano più rugosi e si frammentano in particelle di ossido sferiche69,70.
Analisi della trasformazione degli MXene 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 di Feret e (g, h) lunghezza di Feret. A tal fine, sono stati analizzati due campioni di microalghe di riferimento insieme a MXene primari SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx, MXene SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx, microalghe degradate e microalghe trattate con MXene SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx. Le frecce rosse mostrano le transizioni dei parametri di forma dei nanoflakes bidimensionali studiati.
Poiché l'analisi dei parametri di forma è molto affidabile, può anche rivelare cambiamenti morfologici nelle cellule delle microalghe. Pertanto, abbiamo analizzato il diametro equivalente dell'area circolare, la rotondità e la larghezza/lunghezza di Feret di cellule di microalghe pure e di cellule dopo l'interazione con nanoflakes di Nb 2D. Le figure 6a-h mostrano i cambiamenti nei parametri di forma delle cellule algali, 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 nelle cellule sferiche (Fig. 6a, b). Inoltre, la larghezza cellulare di Feret è aumentata di diversi micrometri dopo l'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'adesione meno rigida dei fiocchi di Nb alla loro superficie può comportare una crescita cellulare con un effetto di ombreggiamento minimo.
Le nostre osservazioni sui cambiamenti nei parametri di forma e dimensione delle microalghe integrano altri studi. Le microalghe verdi possono modificare la loro morfologia in risposta allo stress ambientale, cambiando le dimensioni, la forma o il metabolismo delle cellule61. 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 a livello intracellulare72,73. Machado e Soares hanno scoperto che il fungicida triclosan può aumentare le dimensioni delle cellule. 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 di dimensione/forma alterati delle microalghe sono causati dalla presenza di MXene. Poiché questo cambiamento di dimensioni e forma è indicativo di cambiamenti nell'assorbimento di nutrienti, riteniamo che l'analisi dei parametri di dimensioni e forma nel tempo possa dimostrare l'assorbimento di ossido di niobio da parte delle microalghe in presenza di Nb-MXene.
Inoltre, gli MXene possono essere ossidati in presenza di alghe. Dalai et al.75 hanno osservato che la morfologia delle alghe verdi esposte a nano-TiO2 e Al2O376 non era uniforme. Sebbene le nostre osservazioni siano simili a quelle del presente studio, sono rilevanti solo per lo studio degli effetti della biorisanamento in termini di prodotti di degradazione degli MXene in presenza di nanoflakes 2D e non di nanoparticelle. Poiché gli MXene possono degradarsi in ossidi metallici,31,32,77,78 è ragionevole supporre che anche i nostri nanoflakes di Nb possano formare ossidi di Nb dopo aver interagito con le cellule di microalghe.
Al fine di spiegare la riduzione dei nanoflakes 2D-Nb 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. 7c-i e tabelle S4-5). Entrambi gli approcci sono adatti per studiare l'ossidazione dei materiali 2D e si completano a vicenda. L'HRTEM è in grado di analizzare la degradazione delle strutture stratificate bidimensionali e la successiva comparsa di nanoparticelle di ossido metallico, mentre l'XPS è sensibile ai legami superficiali. A questo scopo, abbiamo testato i nanoflakes 2D Nb-MXene estratti da dispersioni di cellule di microalghe, ovvero la loro forma dopo l'interazione con le cellule di microalghe (vedi Fig. 7).
Immagini HRTEM che mostrano la morfologia degli MXene SL Nb2CTx (a) e SL Nb4C3Tx (b) ossidati, risultati dell'analisi XPS che mostrano (c) la composizione dei prodotti di ossido dopo la riduzione, (d–f) la corrispondenza dei picchi dei componenti degli spettri XPS di SL Nb2CTx e (g–i) Nb4C3Tx SL riparato con microalghe verdi.
Studi HRTEM hanno confermato l'ossidazione di due tipi di nanoflakes di Nb-MXene. Sebbene i nanoflakes abbiano mantenuto in una certa misura la loro morfologia bidimensionale, l'ossidazione ha portato alla comparsa di numerose nanoparticelle che ricoprono la superficie dei nanoflakes 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 niobio. Come mostrato nella Figura 7c, i nanoflakes 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 del nanoflake 2D. Abbiamo notato che il contributo dell'ossido di niobio è dominante rispetto a Nb-C e Nb3+-O.
Nella figura 7g–i sono mostrati gli spettri XPS di Nb 3d, C 1s e O 1s di SL Nb2CTx (vedi Fig. 7d–f) e SL Nb4C3TX MXene isolato da cellule di microalghe. I dettagli dei parametri dei picchi di Nb-MXene sono forniti rispettivamente nelle Tabelle S4–5. Abbiamo innanzitutto analizzato la composizione di Nb 3d. A differenza del Nb assorbito dalle cellule di microalghe, nell'MXene isolato da cellule di microalghe, oltre a Nb2O5, sono stati trovati altri componenti. In Nb2CTx SL, abbiamo osservato il contributo di Nb3+-O in quantità pari al 15%, mentre il resto dello spettro Nb 3d 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 in Nb4C3Tx SR. Abbiamo quindi mappato gli spettri C 1s in quattro componenti diverse, come abbiamo fatto nei campioni internalizzati. Come previsto, lo spettro C 1s è dominato dal carbonio grafitico, seguito da contributi di particelle organiche (CHx/CO e C=O) provenienti da cellule di microalghe. Inoltre, nello spettro O 1s, abbiamo osservato il contributo di forme organiche di cellule di microalghe, ossido di niobio e acqua adsorbita.
Inoltre, abbiamo studiato se la scissione dei Nb-MXene sia associata alla presenza di specie reattive dell'ossigeno (ROS) nel mezzo nutritivo e/o nelle cellule di microalghe. 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 nel materiale supplementare (Figure S20 e S21). Le colture con MXene SL Nb2CTx e Nb4C3TX sono state caratterizzate da una quantità ridotta di 1O2 (vedi Figura S20). Nel caso di SL Nb2CTx, l'1O2 dell'MXene si riduce a circa l'83%. Per le colture di microalghe che utilizzano SL, l'1O2 di Nb4C3TX è diminuito ulteriormente, al 73%. È interessante notare che le variazioni di 1O2 hanno mostrato lo stesso andamento dell'effetto inibitorio-stimolatorio precedentemente osservato (vedi Fig. 3). Si potrebbe obiettare 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). Nel caso dei livelli intracellulari di ROS, abbiamo osservato la stessa tendenza al ribasso (vedi Figura S21). Inizialmente, i livelli di ROS nelle cellule di microalghe coltivate in presenza di SL Nb2CTx e Nb4C3Tx superavano i livelli riscontrati nelle colture pure di microalghe. Alla fine, tuttavia, sembra che le microalghe si siano adattate alla presenza di entrambi i Nb-MXene, poiché i livelli di ROS sono diminuiti all'85% e al 91% dei livelli misurati nelle colture pure di microalghe inoculate rispettivamente con SL Nb2CTx e Nb4C3TX. Ciò potrebbe indicare che le microalghe si sentono più a loro agio nel tempo in presenza di Nb-MXene rispetto al solo mezzo nutritivo.
Le microalghe sono un gruppo eterogeneo di organismi fotosintetici. Durante la fotosintesi, convertono l'anidride carbonica (CO2) atmosferica 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-MXene. 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 nanoflakes di Nb-MXene. Ciò significa che ovunque vi siano aree con diverse pressioni parziali di ossigeno, l'area con il livello più basso formerà l'anodo80, 81, 82. Qui, le microalghe contribuiscono alla creazione di cellule aerate in modo differenziale sulla superficie dei fiocchi di MXene, 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. Pertanto, si forma un ambiente aggressivo, che modifica i Nb-MXene. Inoltre, le microalghe possono alterare il pH dell'ambiente rendendolo alcalino a causa dell'assorbimento di anidride carbonica, il che può anche causare corrosione79.
Ancora più importante, il fotoperiodo buio/luce utilizzato nel nostro studio è fondamentale per comprendere i risultati ottenuti. Questo aspetto è descritto in dettaglio in Djemai-Zoghlache et al. 85 Essi hanno deliberatamente utilizzato un fotoperiodo di 12/12 ore per dimostrare la biocorrosione associata al biofouling da parte della microalga rossa Porphyridium purpureum. Essi 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 Essi hanno dimostrato la presenza di biofilm fotosintetici di cianobatteri Anabaena. L'ossigeno disciolto si forma sotto l'azione della luce, che è associata a una variazione o fluttuazione del potenziale libero di biocorrosione. L'importanza del fotoperiodo è sottolineata dal fatto che il potenziale libero per la biocorrosione aumenta nella fase di luce e diminuisce nella fase di buio. Ciò è dovuto all'ossigeno prodotto dalle microalghe fotosintetiche, che influenza la reazione catodica attraverso la pressione parziale generata vicino agli elettrodi87.
Inoltre, è stata eseguita la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) per scoprire se si verificavano cambiamenti nella composizione chimica delle cellule di microalghe dopo l'interazione con i Nb-MXene. Questi risultati ottenuti sono complessi e li presentiamo nel SI (Figure S23-S25, inclusi i risultati dello stadio MAX e dei ML MXene). In breve, gli spettri di riferimento ottenuti delle 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, 1 1 (C–H) e 3280 cm–1 (O–H). Per i SL Nb-MXene, abbiamo trovato una firma di stiramento del legame CH che è 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 può subire lievi modifiche a causa dell'interazione con gli SL Nb-MXenes.
Quando si considerano possibili cambiamenti nella biochimica delle microalghe, è necessario riconsiderare l'accumulo di ossidi inorganici, come l'ossido di niobio59. Questo 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 dai gruppi funzionali delle cellule. Per questo motivo, l'assorbimento dipende anche dalla chimica della superficie delle microalghe, che è piuttosto complessa9,91. In generale, come previsto, la composizione chimica delle microalghe verdi è cambiata leggermente a causa dell'assorbimento dell'ossido di Nb.
È interessante notare che l'inibizione iniziale delle microalghe osservata si è rivelata reversibile nel tempo. Come abbiamo osservato, le microalghe hanno superato il cambiamento ambientale iniziale e sono infine tornate a tassi di crescita normali, se non addirittura aumentati. Gli studi sul potenziale zeta mostrano un'elevata stabilità quando introdotto in terreni di coltura. Pertanto, l'interazione superficiale tra le cellule delle microalghe e i nanoflakes di Nb-MXene si è mantenuta per tutta la durata degli esperimenti di riduzione. Nella nostra analisi successiva, riassumiamo i principali meccanismi d'azione alla base di questo notevole comportamento delle microalghe.
Le osservazioni al microscopio elettronico a scansione (SEM) hanno mostrato che le microalghe tendono ad aderire ai Nb-MXene. Utilizzando l'analisi dinamica delle immagini, confermiamo che questo effetto porta alla trasformazione dei nanoflakes bidimensionali di Nb-MXene in particelle più sferiche, dimostrando così che la decomposizione dei nanoflakes è associata alla loro ossidazione. Per verificare la nostra ipotesi, abbiamo condotto una serie di studi sui materiali e biochimici. Dopo i test, i nanoflakes si sono gradualmente ossidati e decomposti in prodotti di NbO e Nb2O5, 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 nanoflakes bidimensionali di Nb-MXene. Tenendo conto della possibilità di assorbimento dell'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 sono atossici per le microalghe studiate.