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나노기술의 급속한 발전과 일상 생활에의 접목은 환경에 위협이 될 수 있습니다. 유기 오염물질 분해를 위한 친환경적인 방법은 이미 확립되어 있지만, 무기 결정질 오염물질의 회수는 생물변환에 대한 민감도가 낮고 물질 표면과 생물학적 상호작용에 대한 이해가 부족하기 때문에 심각한 문제입니다. 본 연구에서는 Nb 기반 무기 2D MXene 모델과 간단한 형상 매개변수 분석법을 결합하여 녹색 미세조류인 Raphidocelis subcapitata에 의한 2D 세라믹 나노물질의 생물학적 복원 메커니즘을 추적합니다. 미세조류는 표면과 관련된 물리화학적 상호작용으로 인해 Nb 기반 MXene을 분해합니다. 처음에는 단일층 및 다층 MXene 나노플레이크가 미세조류 표면에 부착되어 조류의 성장을 다소 감소시켰습니다. 그러나 표면과의 장기적인 상호작용으로 미세조류는 MXene 나노플레이크를 산화시키고 NbO와 Nb2O5로 분해했습니다. 이러한 산화물은 미세조류 세포에 무독성이기 때문에, 72시간 수처리 후 미세조류를 더욱 회복시키는 흡수 메커니즘을 통해 Nb 산화물 나노입자를 소모합니다. 흡수와 관련된 영양소의 영향은 세포 부피 증가, 매끄러운 모양, 그리고 성장 속도 변화에도 반영됩니다. 이러한 결과를 바탕으로, 담수 생태계에서 Nb 기반 MXene의 단기 및 장기 존재는 미미한 환경 영향만 초래할 수 있다고 결론지었습니다. 2차원 나노물질을 모델 시스템으로 사용하여 미세 입자 물질에서도 모양 변형을 추적할 수 있음을 입증한 것은 주목할 만합니다. 전반적으로, 본 연구는 2D 나노물질의 생물학적 복원 메커니즘을 구동하는 표면 상호작용 관련 과정에 대한 중요한 근본적인 질문에 답하고 무기 결정질 나노물질의 환경 영향에 대한 추가적인 단기 및 장기 연구의 기반을 제공합니다.
나노물질은 발견 이후 많은 관심을 불러일으켰으며, 다양한 나노기술은 최근 현대화 단계에 접어들었습니다.1 하지만 안타깝게도 나노물질이 일상생활에 접목되면서 부적절한 폐기, 부주의한 취급, 또는 안전 인프라 미비로 인해 우발적인 방출이 발생할 수 있습니다. 따라서 2차원(2D) 나노물질을 포함한 나노물질은 자연환경으로 방출될 수 있으며, 그 거동과 생물학적 활성은 아직 완전히 규명되지 않았습니다. 따라서 생태독성 문제가 2D 나노물질의 수생계 침출 가능성에 집중된 것은 놀라운 일이 아닙니다.2,3,4,5,6 이러한 생태계에서 일부 2D 나노물질은 미세조류를 포함한 다양한 영양 단계에 있는 다양한 생물과 상호작용할 수 있습니다.
미세조류는 담수 및 해양 생태계에서 자연적으로 발견되는 원시 생물로, 광합성을 통해 다양한 화학 물질을 생성합니다.7 따라서 수생태계에 매우 중요할 뿐만 아니라, 민감하고 저렴하며 생태독성 지표로 널리 사용됩니다.13,14 미세조류 세포는 다양한 화합물의 존재에 빠르게 증식하고 반응하기 때문에 유기물로 오염된 물을 처리하는 친환경적인 방법 개발에 유망합니다.15,16
조류 세포는 생물흡착 및 축적을 통해 물에서 무기 이온을 제거할 수 있습니다.17,18 클로렐라, 아나베나 인바, 웨스티엘롭시스 프로리피카, 스티게오클로니움 테누에, 시네코코쿠스 속(Synechococcus sp.)과 같은 일부 조류 종은 Fe₂+, Cu₂+, Zn₂+, Mn₂+와 같은 독성 금속 이온을 운반하고 심지어 영양분으로 삼는 것으로 밝혀졌습니다.19 다른 연구에서는 Cu₂+, Cd₂+, Ni₂+, Zn₂+ 또는 Pb₂+ 이온이 세포 형태를 변화시키고 엽록체를 파괴하여 세네데스무스(Scenedesmus)의 성장을 제한하는 것으로 나타났습니다.20,21
유기 오염물질 분해 및 중금속 이온 제거를 위한 친환경적인 방법은 전 세계 과학자와 엔지니어들의 관심을 끌고 있습니다. 이는 주로 이러한 오염물질이 액상에서 쉽게 처리될 수 있다는 사실에 기인합니다. 그러나 무기 결정질 오염물질은 낮은 수용성과 다양한 생물변환에 대한 민감성이 낮아 복원에 큰 어려움을 겪고 있으며, 이 분야에서는 거의 진전이 없었습니다.22,23,24,25,26 따라서 나노물질 복구를 위한 친환경적 해결책을 찾는 것은 복잡하고 미개척 분야로 남아 있습니다. 2D 나노물질의 생물변환 효과에 대한 높은 불확실성으로 인해, 환원 과정에서 분해 경로를 쉽게 파악할 수 있는 방법은 없습니다.
본 연구에서는 녹색 미세조류를 무기 세라믹 재료의 활성 수계 생물학적 복원제로 사용하였고, 무기 세라믹 재료의 대표격인 MXene의 분해 과정을 현장 모니터링하는 것과 병행했습니다. "MXene"이라는 용어는 Mn+1XnTx 재료의 화학양론을 나타냅니다. 여기서 M은 초기 전이 금속, X는 탄소 및/또는 질소, Tx는 표면 종결자(예: -OH, -F, -Cl)이며, n = 1, 2, 3 또는 427.28입니다. Naguib 등이 MXene을 발견한 이후, 센서공학, 암 치료 및 막 여과 분야에서 27,29,30 연구되어 왔습니다. 또한, MXene은 뛰어난 콜로이드 안정성과 가능한 생물학적 상호작용으로 인해 모델 2D 시스템으로 간주될 수 있습니다31,32,33,34,35,36.
따라서 본 논문에서 개발된 방법론과 연구 가설을 그림 1에 나타내었다. 이 가설에 따르면, 미세조류는 표면 관련 물리화학적 상호작용을 통해 Nb 기반 MXene을 무독성 화합물로 분해하여 조류의 추가 회수를 가능하게 한다. 이 가설을 검증하기 위해, 초기 니오븀 기반 전이금속 탄화물 및/또는 질화물(MXene) 계열의 두 가지 물질인 Nb2CTx와 Nb4C3TX를 선정하였다.
녹색 미세조류 Raphidocelis subcapitata에 의한 MXene 회수에 대한 연구 방법론 및 증거 기반 가설. 이는 증거 기반 가정을 개략적으로 나타낸 것일 뿐입니다. 호수 환경은 사용되는 영양 배지와 조건(예: 일주기 및 이용 가능한 필수 영양소의 한계)에 따라 다릅니다. BioRender.com에서 제작되었습니다.
따라서 MXene을 모델 시스템으로 사용함으로써, 다른 기존 나노물질에서는 관찰되지 않는 다양한 생물학적 효과 연구의 문을 열었습니다. 특히, 미세조류인 Raphidocelis subcapitata를 이용하여 니오븀 기반 MXene과 같은 2차원 나노물질의 생물학적 복원 가능성을 입증했습니다. 미세조류는 Nb-MXene을 무독성 산화물인 NbO와 Nb2O5로 분해할 수 있으며, 이 산화물들은 니오븀 흡수 메커니즘을 통해 영양분을 공급합니다. 전반적으로, 본 연구는 2차원 나노물질의 생물학적 복원 메커니즘을 지배하는 표면 물리화학적 상호작용과 관련된 과정에 대한 중요한 근본적인 질문에 대한 해답을 제시합니다. 또한, 2D 나노물질의 미묘한 형태 변화를 추적하기 위한 간단한 형상 매개변수 기반 방법을 개발하고 있습니다. 이는 무기 결정질 나노물질의 다양한 환경 영향에 대한 추가적인 단기 및 장기 연구에 영감을 줄 것입니다. 따라서, 본 연구는 물질 표면과 생물학적 물질 간의 상호작용에 대한 이해를 증진시킬 것입니다. 또한 우리는 담수 생태계에 미칠 수 있는 영향에 대한 확대된 단기 및 장기 연구의 기반을 제공하고 있으며, 이는 이제 쉽게 검증될 수 있습니다.
MXene은 독특하고 매력적인 물리적 및 화학적 특성을 지닌 흥미로운 소재로, 다양한 분야에 응용될 수 있습니다. 이러한 특성은 주로 화학양론 및 표면 화학에 따라 달라집니다. 따라서 본 연구에서는 두 가지 유형의 Nb 기반 계층적 단일층(SL) MXene인 Nb2CTx와 Nb4C3TX를 연구했습니다. 이러한 나노소재의 생물학적 효과는 서로 다를 수 있기 때문입니다. MXene은 원자적으로 얇은 MAX 상 A 층을 위에서 아래로 선택적으로 에칭하여 원료 물질로부터 생성합니다. MAX 상은 전이 금속 탄화물의 "결합" 블록과 MnAXn-1 화학양론을 갖는 Al, Si, Sn과 같은 "A" 원소의 얇은 층으로 구성된 3원 세라믹입니다. 초기 MAX 상의 형태는 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰되었으며, 이전 연구와 일치했습니다(보충 정보, SI, 그림 S1 참조). 48% HF(불산)를 사용하여 Al 층을 제거한 후 다층(ML) Nb-MXene을 얻었다. ML-Nb2CTx와 ML-Nb4C3TX의 형태를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 결과(각각 그림 S1c 및 S1d), 길쭉한 기공 모양의 슬릿을 통과하는 2차원 나노플레이크와 유사한 전형적인 층상 MXene 형태가 관찰되었다. 두 Nb-MXene 모두 이전에 산 에칭으로 합성된 MXene 상과 많은 공통점을 가지고 있다27,38. MXene의 구조를 확인한 후, 테트라부틸암모늄 수산화물(TBAOH)을 삽입하여 층상 구조를 형성한 후 세척 및 초음파 처리를 수행하여 단층 또는 저층(SL) 2차원 Nb-MXene 나노플레이크를 얻었다.
우리는 에칭 및 추가 박리의 효율을 테스트하기 위해 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM)과 X선 회절(XRD)을 사용했습니다. 역 고속 푸리에 변환(IFFT)과 고속 푸리에 변환(FFT)을 사용하여 처리한 HRTEM 결과는 그림 2에 나와 있습니다. Nb-MXene 나노플레이크는 원자층의 구조를 확인하고 면간 거리를 측정하기 위해 가장자리가 위로 향하게 했습니다. MXene Nb2CTx 및 Nb4C3TX 나노플레이크의 HRTEM 이미지는 Naguib et al.27 및 Jastrzębska et al.38에서 이전에 보고한 바와 같이 원자적으로 얇은 층으로 이루어진 특성을 보여주었습니다. 두 개의 인접한 Nb2CTx 및 Nb4C3Tx 단층에 대해 층간 거리가 각각 0.74 및 1.54 nm임을 확인했습니다(그림 2b1, b2). 이는 이전 결과와도 일치합니다. 이는 역고속 푸리에 변환(그림 2c1, c2)과 Nb2CTx와 Nb4C3Tx 단층 사이의 거리를 보여주는 고속 푸리에 변환(그림 2d1, d2)을 통해 더욱 확인되었습니다. 이미지는 니오븀과 탄소 원자에 해당하는 밝은 띠와 어두운 띠가 번갈아 나타나는 것을 보여주는데, 이는 연구된 MXene의 층상 구조를 확인시켜 줍니다. Nb2CTx와 Nb4C3Tx에 대해 얻은 에너지 분산형 X선 분광법(EDX) 스펙트럼(그림 S2a 및 S2b)에서 Al 피크가 검출되지 않았기 때문에 원래 MAX 상의 잔여물이 나타나지 않았다는 점에 유의해야 합니다.
SL Nb2CTx 및 Nb4C3Tx MXene 나노플레이크의 특성 분석. (a) 고해상도 전자 현미경(HRTEM) 측면 2D 나노플레이크 이미징 및 해당 (b) 세기 모드, (c) 역 고속 푸리에 변환(IFFT), (d) 고속 푸리에 변환(FFT), (e) Nb-MXene X선 패턴 포함. SL 2D Nb2CTx의 경우, 각 수치는 (a1, b1, c1, d1, e1)로 표현됩니다. SL 2D Nb4C3Tx의 경우, 각 수치는 (a2, b2, c2, d2, e1)로 표현됩니다.
SL Nb2CTx와 Nb4C3Tx MXene의 X선 회절 측정 결과는 각각 그림 2e1과 e2에 나타나 있습니다. 4.31과 4.32의 피크 (002)는 이전에 기술된 층상 MXene인 Nb2CTx와 Nb4C3TX에 각각 해당합니다(38, 39, 40, 41). XRD 결과는 일부 잔류 ML 구조와 MAX 상이 존재함을 나타내지만, 대부분 SL Nb4C3Tx와 관련된 XRD 패턴입니다(그림 2e2). 더 작은 MAX 상 입자의 존재는 무작위로 적층된 Nb4C3Tx 층보다 더 강한 MAX 피크를 설명할 수 있습니다.
추가 연구는 R. subcapitata 종에 속하는 녹색 미세조류에 집중되었습니다. 미세조류를 선택한 이유는 주요 먹이 사슬에 관여하는 중요한 생산자이기 때문입니다.42 또한 먹이 사슬의 상위 단계로 이동하는 독성 물질을 제거하는 능력으로 인해 독성을 가장 잘 나타내는 지표 중 하나입니다.43 또한, R. subcapitata에 대한 연구는 일반적인 담수 미생물에 대한 SL Nb-MXene의 부수적 독성을 밝혀낼 수 있습니다. 이를 설명하기 위해 연구진은 각 미생물이 환경에 존재하는 독성 화합물에 대해 서로 다른 민감도를 가지고 있다는 가설을 세웠습니다. 대부분의 생물은 저농도의 물질은 성장에 영향을 미치지 않지만, 일정 농도 이상의 농도는 성장을 저해하거나 심지어 사망에 이르게 할 수 있습니다. 따라서 미세조류와 MXene 간의 표면 상호작용 및 관련 회복을 연구하기 위해 Nb-MXene의 무해 및 독성 농도를 시험하기로 결정했습니다. 이를 위해 우리는 0(기준), 0.01, 0.1 및 10 mg l-1 MXene의 농도를 테스트했고, 모든 생물학적 환경에서 극단적이고 치명적일 수 있는 매우 높은 농도의 MXene(100 mg l-1 MXene)으로 미세조류를 추가적으로 감염시켰습니다.
SL Nb-MXene이 미세조류에 미치는 영향을 그림 3에 나타내었으며, 0 mg/l 시료에 대해 측정한 생장 촉진(+) 또는 저해(-) 백분율로 표현했습니다. 비교를 위해 Nb-MAX 상과 ML Nb-MXene도 시험했으며, 그 결과는 SI(그림 S3 참조)에 제시했습니다. 얻어진 결과를 통해 SL Nb-MXene은 그림 3a, b에서 볼 수 있듯이 0.01~10 mg/l의 저농도 범위에서 독성이 거의 없음을 확인했습니다. Nb2CTx의 경우, 명시된 범위에서 5% 이하의 생태독성을 관찰했습니다.
SL (a) Nb2CTx 및 (b) Nb4C3TX MXene이 존재할 때 미세조류 성장의 자극(+) 또는 억제(-). MXene-미세조류 상호 작용의 24, 48 및 72시간을 분석했습니다. 유의미한 데이터(t-검정, p < 0.05)는 별표(*)로 표시했습니다. 유의미한 데이터(t-검정, p < 0.05)는 별표(*)로 표시했습니다. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). 유의미한 데이터(t-검정, p < 0.05)는 별표(*)로 표시했습니다.重要数据(t 检验，p < 0.05) 用骨号(*) 标记。重要数据(t 检验，p < 0.05) 用骨号(*) 标记。 Важные данные (t-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). 중요한 데이터(t-검정, p < 0.05)는 별표(*)로 표시됩니다.빨간색 화살표는 억제 자극의 폐지를 나타냅니다.
반면, 저농도의 Nb4C3TX는 독성이 약간 더 높았지만 7%를 넘지 않았습니다. 예상대로 MXene은 100mg L-1에서 더 높은 독성과 미세조류 성장 억제를 보였습니다. 흥미롭게도, 어떤 물질도 MAX 또는 ML 샘플과 비교하여 무독성/독성 효과의 동일한 경향과 시간 의존성을 보이지 않았습니다(자세한 내용은 SI 참조). MAX 단계(그림 S3 참조)의 독성은 약 15~25%에 도달하고 시간이 지남에 따라 증가한 반면, SL Nb2CTx와 Nb4C3TX MXene의 경우 반대 경향이 관찰되었습니다. 미세조류 성장 억제는 시간이 지남에 따라 감소했습니다. 24시간 후 약 17%에 도달했고 72시간 후에는 5% 미만으로 떨어졌습니다(각각 그림 3a, b).
더 중요한 것은, SL Nb4C3TX의 경우 미세조류 생장 억제 효과가 24시간 후 약 27%에 도달했지만 72시간 후에는 약 1%로 감소했다는 점입니다. 따라서 관찰된 효과를 자극의 역억제로 명명했으며, 그 효과는 SL Nb4C3TX MXene에서 더 강했습니다. 미세조류 생장 자극은 SL Nb2CTx MXene에 비해 Nb4C3TX(10 mg L-1에서 24시간 동안 상호작용)에서 더 일찍 나타났습니다. 억제-자극 역전 효과는 바이오매스 배가율 곡선에서도 잘 나타났습니다(자세한 내용은 그림 S4 참조). 지금까지 Ti3C2TX MXene의 생태독성만 다양한 방식으로 연구되었습니다. 이 물질은 제브라피시 배아에는 독성이 없지만, 미세조류인 Desmodesmus quadricauda와 Sorghum saccharatum 식물에는 중간 정도의 생태독성을 나타냅니다. 특정 효과의 다른 예로는 정상 세포주보다 암 세포주에 대한 독성이 더 높은 것이 있습니다46,47. 시험 조건이 Nb-MXene의 존재 하에서 관찰되는 미세조류 성장의 변화에 ​​영향을 미칠 것이라고 가정할 수 있습니다. 예를 들어, 엽록체 스트로마의 pH가 약 8이면 RuBisCO 효소의 효율적인 작동에 최적입니다. 따라서 pH 변화는 광합성 속도에 부정적인 영향을 미칩니다48,49. 그러나 실험 중에 pH에서 유의미한 변화는 관찰되지 않았습니다(자세한 내용은 SI, 그림 S5 참조). 일반적으로 Nb-MXene으로 미세조류를 배양하면 시간이 지남에 따라 용액의 pH가 약간 감소했습니다. 그러나 이 감소는 순수 배지의 pH 변화와 유사했습니다. 또한 발견된 변화 범위는 미세조류 순수 배양(대조군 샘플)에서 측정된 것과 유사했습니다. 따라서 광합성은 시간이 지남에 따라 pH 변화에 영향을 받지 않는다고 결론지었습니다.
또한, 합성된 MXene은 표면 말단(Tx로 표시)을 가지고 있습니다. 이는 주로 -O, -F, -OH 작용기입니다. 그러나 표면 화학은 합성 방법과 직접적인 관련이 있습니다. 이러한 작용기는 표면에 무작위로 분포하는 것으로 알려져 있어 MXene의 특성에 미치는 영향을 예측하기 어렵습니다.50. Tx가 빛에 의한 니오븀 산화의 촉매 작용기일 수 있다고 주장할 수 있습니다. 표면 작용기는 실제로 하부 광촉매가 헤테로접합을 형성할 수 있는 여러 고정 부위를 제공합니다.51. 그러나 성장 배지 조성은 효과적인 광촉매를 제공하지 못했습니다(자세한 배지 조성은 SI 표 S6에서 확인할 수 있습니다). 또한, MXene의 생물학적 활성은 층 후처리, 산화, 유기 및 무기 화합물의 화학적 표면 개질52,53,54,55,56 또는 표면 전하 공학38으로 인해 변경될 수 있으므로 표면 개질 또한 매우 중요합니다. 따라서, 니오븀 산화물이 배지 내 물질 불안정성과 관련이 있는지 시험하기 위해, 미세조류 성장 배지와 탈이온수(비교용)에서 제타(ζ) 전위에 대한 연구를 수행했습니다. 결과에 따르면 SL Nb-MXene은 상당히 안정적입니다(MAX 및 ML 결과는 SI 그림 S6 참조). SL MXene의 제타 전위는 약 -10 mV입니다. SR Nb2CTx의 경우, ζ 값은 Nb4C3Tx보다 다소 더 음수입니다. 이러한 ζ 값의 변화는 음전하를 띤 MXene 나노플레이크 표면이 배양 배지에서 양전하를 띤 이온을 흡수함을 나타낼 수 있습니다. 배양 배지에서 Nb-MXene의 제타 전위와 전도도를 시간별로 측정한 결과(자세한 내용은 SI 그림 S7 및 S8 참조)는 우리의 가설을 뒷받침하는 것으로 보입니다.
그러나 두 Nb-MXene SL 모두 0에서 최소한의 변화를 보였습니다. 이는 미세조류 성장 배지에서 안정성을 명확히 보여줍니다. 또한, 녹색 미세조류의 존재가 배지에서 Nb-MXene의 안정성에 영향을 미치는지 평가했습니다. 영양 배지 및 배양에서 미세조류와 상호 작용한 후 MXene의 제타 전위 및 전도도 결과는 SI(그림 S9 및 S10)에서 확인할 수 있습니다. 흥미롭게도 미세조류의 존재가 두 MXene의 분산을 안정화하는 것으로 나타났습니다. Nb2CTx SL의 경우, 제타 전위는 시간이 지남에 따라 약간 감소하여 더 음의 값(72시간 배양 후 -15.8mV 대 -19.1mV)으로 감소했습니다. SL Nb4C3TX의 제타 전위는 약간 증가했지만, 72시간 후에도 미세조류가 없는 나노플레이크(-18.1mV 대 -9.1mV)보다 더 높은 안정성을 보였습니다.
미세조류 존재 하에 배양된 Nb-MXene 용액의 전도도가 낮았음을 발견했는데, 이는 영양 배지 내 이온 함량이 낮음을 시사합니다. 특히, 물에서 MXene의 불안정성은 주로 표면 산화에 기인합니다.57 따라서 녹색 미세조류가 Nb-MXene 표면에 형성된 산화물을 어떻게든 제거했을 뿐만 아니라, MXene의 산화까지 방지했을 것으로 추정됩니다. 이는 미세조류가 흡수하는 물질의 종류를 연구하면 알 수 있습니다.
우리의 생태독성학 연구는 미세조류가 시간이 지남에 따라 Nb-MXene의 독성과 자극된 성장의 비정상적인 억제를 극복할 수 있음을 보여주었지만, 본 연구의 목적은 가능한 작용 기전을 규명하는 것이었습니다. 조류와 같은 생물체가 생태계에 익숙하지 않은 화합물이나 물질에 노출되면 다양한 방식으로 반응할 수 있습니다58,59. 독성 금속 산화물이 없는 경우, 미세조류는 스스로 먹이를 섭취하여 지속적으로 성장할 수 있습니다60. 독성 물질을 섭취한 후에는 형태나 모양이 변하는 등 방어 기전이 활성화될 수 있습니다. 흡수 가능성 또한 고려해야 합니다58,59. 특히, 방어 기전의 징후는 시험 화합물의 독성을 나타내는 명확한 지표입니다. 따라서, 추가 연구에서는 SEM을 이용하여 SL Nb-MXene 나노플레이크와 미세조류 사이의 잠재적인 표면 상호작용과 X선 형광 분광법(XRF)을 이용하여 Nb 기반 MXene의 흡수 가능성을 조사했습니다. SEM 및 XRF 분석은 활동 독성 문제를 해결하기 위해 MXene의 최고 농도에서만 수행되었습니다.
SEM 결과는 그림 4에 나타나 있습니다. 미처리 미세조류 세포(그림 4a, 참조 시료)는 전형적인 R. subcapitata 형태와 크루아상과 같은 세포 모양을 명확하게 나타냈습니다. 세포는 납작하고 다소 무질서해 보였습니다. 일부 미세조류 세포는 서로 겹쳐지고 얽혀 있었는데, 이는 시료 전처리 과정 때문일 가능성이 높습니다. 일반적으로 순수한 미세조류 세포는 표면이 매끄러웠으며 형태학적 변화는 보이지 않았습니다.
극한 농도(100 mg L-1)에서 72시간 동안 상호작용한 후 녹색 미세조류와 MXene 나노시트 사이의 표면 상호작용을 보여주는 SEM 이미지. (a) SL과 상호작용한 미처리 녹색 미세조류, (b) Nb2CTx 및 (c) Nb4C3TX MXene. Nb-MXene 나노플레이크는 빨간색 화살표로 표시되어 있습니다. 비교를 위해 광학 현미경 사진도 함께 첨부했습니다.
반면, SL Nb-MXene 나노플레이크에 흡착된 미세조류 세포는 손상되었다(그림 4b, c, 빨간색 화살표 참조). Nb2CTx MXene(그림 4b)의 경우, 미세조류는 부착된 2차원 나노스케일과 함께 성장하는 경향이 있어 형태가 변할 수 있다. 특히, 광학 현미경에서도 이러한 변화를 관찰했다(자세한 내용은 SI 그림 S11 참조). 이러한 형태적 변화는 미세조류의 생리학 및 세포 부피 증가와 같은 세포 형태를 변화시켜 자신을 방어하는 능력에 근거를 두고 있다61. 따라서 Nb-MXene과 실제로 접촉하는 미세조류 세포의 수를 확인하는 것이 중요하다. SEM 연구에 따르면 미세조류 세포의 약 52%가 Nb-MXene에 노출되었고, 이 중 48%는 접촉을 피했다. SL Nb4C3Tx MXene의 경우, 미세조류는 MXene과의 접촉을 피하려고 하며, 이로 인해 2차원 나노스케일에서 국소화되고 성장합니다(그림 4c). 그러나 나노스케일이 미세조류 세포 내로 침투하여 세포 손상을 유발하는 현상은 관찰되지 않았습니다.
자기 보존은 세포 표면에 입자가 흡착되어 광합성이 차단되는 현상과 소위 음영 효과(shading effect)62에 대한 시간 의존적 반응 거동이기도 합니다. 미세조류와 광원 사이에 있는 각 물체(예: Nb-MXene 나노플레이크)가 엽록체가 흡수하는 빛의 양을 제한한다는 것은 분명합니다. 그러나 이것이 결과에 상당한 영향을 미친다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 미세조류 세포가 Nb-MXene과 접촉했을 때에도 2D 나노플레이크는 미세조류 표면에 완전히 감싸지거나 부착되지 않았습니다. 대신 나노플레이크는 미세조류 세포의 표면을 덮지 않고 세포 방향으로 배향되는 것으로 나타났습니다. 이러한 나노플레이크/미세조류 세트는 미세조류 세포가 흡수하는 빛의 양을 크게 제한할 수 없습니다. 게다가 일부 연구에서는 2차원 나노물질이 존재할 때 광합성 유기체의 빛 흡수가 향상된다는 사실도 입증되었습니다.
SEM 이미지로는 미세조류 세포에 의한 니오븀의 흡수를 직접적으로 확인할 수 없었기 때문에, 본 연구에서는 이 문제를 명확히 하기 위해 X선 형광(XRF)과 X선 광전자 분광법(XPS) 분석을 활용했습니다. 따라서 MXene과 상호작용하지 않은 기준 미세조류 시료, 미세조류 세포 표면에서 분리된 MXene 나노플레이크, 그리고 부착된 MXene을 제거한 미세조류 세포의 Nb 피크 강도를 비교했습니다. Nb 흡수가 발생하지 않았다면, 부착된 나노스케일을 제거한 후 미세조류 세포에서 측정된 Nb 값은 0이어야 합니다. 따라서 Nb 흡수가 발생했다면 XRF와 XPS 결과 모두에서 명확한 Nb 피크가 나타나야 합니다.
XRF 스펙트럼의 경우, 미세조류 샘플은 SL Nb2CTx 및 Nb4C3Tx MXene과 상호 작용한 후 SL Nb2CTx 및 Nb4C3Tx MXene에 대해 Nb 피크를 보였습니다(그림 5a 참조, MAX 및 ML MXene에 대한 결과는 SI, 그림 S12–C17에 표시됨). 흥미롭게도 Nb 피크의 강도는 두 경우 모두 같습니다(그림 5a의 빨간색 막대). 이는 조류가 더 많은 Nb를 흡수할 수 없었고, 미세조류 세포에 두 배 더 많은 Nb4C3Tx MXene이 부착되었지만(그림 5a의 파란색 막대) 세포에서 Nb 축적의 최대 용량에 도달했음을 나타냅니다. 특히, 미세조류가 금속을 흡수하는 능력은 환경의 금속 산화물 농도에 따라 달라집니다67,68. Shamshada 외 연구67은 담수 조류의 흡수 능력이 pH가 증가함에 따라 감소함을 발견했습니다. Raize 외 연구68은 해조류의 금속 흡수 능력이 Ni2+보다 Pb2+에서 약 25% 더 높다는 점을 지적했습니다.
(a) SL Nb-MXenes(100 mg L-1)의 극한 농도에서 72시간 동안 배양한 녹색 미세조류 세포의 기저 Nb 흡수에 대한 XRF 결과. 결과는 순수한 미세조류 세포(대조 샘플, 회색 열), 표면 미세조류 세포에서 분리한 2D 나노플레이크(파란색 열), 표면에서 2D 나노플레이크를 분리한 후 미세조류 세포(빨간색 열)에 α가 존재함을 보여줍니다. 원소 Nb의 양, (b) SL Nb-MXenes와 함께 배양한 후 미세조류 세포에 존재하는 미세조류 유기 성분(C=O 및 CHx/C–O)과 Nb 산화물의 화학적 조성 백분율, (c–e) XPS SL Nb2CTx 스펙트럼의 구성 피크 피팅 및 (fh) 미세조류 세포에 내재화된 SL Nb4C3Tx MXene.
따라서 Nb는 산화물 형태로 조류 세포에 흡수될 수 있을 것으로 예상했습니다.이를 테스트하기 위해 MXene Nb2CTx 및 Nb4C3TX와 조류 세포에 대한 XPS 연구를 수행했습니다.조류 세포에서 분리한 Nb-MXene 및 MXene과 미세조류의 상호작용 결과는 그림 5b에 나와 있습니다.예상대로 미세조류 표면에서 MXene을 제거한 후 미세조류 샘플에서 Nb 3d 피크를 검출했습니다.C=O, CHx/CO 및 Nb 산화물의 정량 분석은 배양된 미세조류에서 얻은 Nb 3d, O 1s 및 C 1s 스펙트럼(그림 5c–e)과 Nb4C3Tx SL(그림 5c–e)을 사용하여 계산했습니다.그림 5f–h) MXene. 표 S1-3은 적합 결과의 피크 매개변수와 전반적인 화학 반응에 대한 세부 정보를 보여줍니다. Nb2CTx SL과 Nb4C3Tx SL의 Nb 3d 영역(그림 5c, f)이 하나의 Nb2O5 성분에 해당한다는 점이 주목할 만합니다. 여기서는 스펙트럼에서 MXene 관련 피크가 발견되지 않았는데, 이는 미세조류 세포가 Nb의 산화물 형태만 흡수함을 나타냅니다. 또한, C 1s 스펙트럼을 C–C, CHx/C–O, C=O 및 –COOH 성분으로 근사했습니다. CHx/C–O와 C=O 피크는 미세조류 세포의 유기물 기여도에 기인한 것으로 판단했습니다. 이러한 유기 성분은 Nb2CTx SL과 Nb4C3TX SL에서 각각 C 1s 피크의 36%와 41%를 차지합니다. 그런 다음 SL Nb2CTx와 SL Nb4C3TX의 O 1s 스펙트럼을 Nb2O5, 미세조류의 유기 성분(CHx/CO) 및 표면 흡착수에 맞춰 조정했습니다.
마지막으로, XPS 결과는 Nb의 존재뿐만 아니라 형태까지 명확하게 나타냈습니다. Nb 3d 신호의 위치와 디콘볼루션 결과를 통해 Nb는 이온이나 MXene 자체가 아닌 산화물 형태로만 흡수됨을 확인했습니다. 또한, XPS 결과는 미세조류 세포가 SL Nb2CTx로부터 SL Nb4C3TX MXene보다 Nb 산화물을 더 잘 흡수함을 보여주었습니다.
Nb 흡수 결과는 인상적이며 MXene 분해를 확인할 수 있게 해 주지만, 2D 나노플레이크에서 관련 형태학적 변화를 추적할 수 있는 방법은 없습니다. 따라서 2D Nb-MXene 나노플레이크와 미세조류 세포에서 발생하는 모든 변화에 직접적으로 반응할 수 있는 적절한 방법을 개발하기로 결정했습니다. 상호작용하는 종들이 변형, 분해 또는 조각화를 겪을 경우, 이는 등가 원형 면적의 직경, 진원도, Feret 폭 또는 Feret 길이와 같은 형태 매개변수의 변화로 빠르게 나타날 것이라고 가정하는 것이 중요합니다. 이러한 매개변수는 길쭉한 입자 또는 2차원 나노플레이크를 설명하는 데 적합하므로, 동적 입자 형태 분석을 통한 추적은 환원 중 SL Nb-MXene 나노플레이크의 형태학적 변화에 대한 귀중한 정보를 제공할 것입니다.
얻어진 결과는 그림 6에 나타나 있습니다. 비교를 위해 원래의 MAX 상과 ML-MXene도 시험했습니다(SI 그림 S18 및 S19 참조). 입자 형상의 동적 분석 결과, 두 개의 Nb-MXene SL의 모든 형상 매개변수는 미세조류와의 상호작용 후 크게 변했습니다. 등가 원형 면적 직경 매개변수(그림 6a, b)에서 볼 수 있듯이, 큰 나노플레이크 분획의 피크 강도 감소는 나노플레이크가 더 작은 조각으로 붕괴되는 경향이 있음을 나타냅니다. 그림 6c의 d는 플레이크의 가로 크기(나노플레이크의 신장)와 관련된 피크의 감소를 보여주며, 이는 2D 나노플레이크가 더 입자와 유사한 형상으로 변형되었음을 나타냅니다. 그림 6e-h는 각각 Feret의 너비와 길이를 보여줍니다. Feret의 너비와 길이는 상호 보완적인 매개변수이므로 함께 고려해야 합니다. 미세조류 존재 하에서 2D Nb-MXene 나노플레이크를 배양한 후, Feret 상관 피크가 이동하고 강도가 감소했습니다. 이러한 결과를 형태학, XRF 및 XPS와 결합하여, 우리는 관찰된 변화가 산화와 밀접하게 관련되어 있다는 결론을 내렸습니다. 즉, 산화된 MXene은 더 주름지고 조각과 구형 산화물 입자로 분해되기 때문입니다69,70.
녹색 미세조류와의 상호작용 후 MXene 변형 분석. 동적 입자 형상 분석은 (a, b) 등가 원형 면적의 직경, (c, d) 진원도, (e, f) 페렛 폭, (g, h) 페렛 길이와 같은 매개변수를 고려합니다. 이를 위해 두 개의 기준 미세조류 시료를 1차 SL Nb2CTx 및 SL Nb4C3Tx MXene, SL Nb2CTx 및 SL Nb4C3Tx MXene, 분해된 미세조류, 그리고 처리된 미세조류 SL Nb2CTx 및 SL Nb4C3Tx MXene과 함께 분석했습니다. 빨간색 화살표는 연구된 2차원 나노플레이크의 형상 매개변수 변화를 나타냅니다.
형상 매개변수 분석은 매우 신뢰성이 높기 때문에 미세조류 세포의 형태학적 변화도 밝힐 수 있습니다. 따라서 순수 미세조류 세포와 2D Nb 나노플레이크와 상호작용 후 세포의 등가 원형 면적 직경, 진원도, 그리고 Feret 폭/길이를 분석했습니다. 그림 6a~h는 조류 세포의 형상 매개변수 변화를 보여주는데, 이는 피크 강도의 감소와 극대값이 더 높은 값으로 이동하는 것으로 입증됩니다. 특히, 세포 진원도 매개변수는 길쭉한 세포의 감소와 구형 세포의 증가를 나타냈습니다(그림 6a, b). 또한, Feret 세포 폭은 SL Nb2CTx MXene(그림 6e)과 상호작용 후 SL Nb4C3TX MXene(그림 6f)과 비교하여 수 마이크로미터 증가했습니다. 이는 Nb2CTx SR과 상호작용 시 미세조류가 Nb 산화물을 강하게 흡수하기 때문일 것으로 추정됩니다. Nb 플레이크가 표면에 덜 단단하게 부착되면 음영 효과가 최소화되면서 세포가 성장할 수 있습니다.
미세조류의 모양과 크기 매개변수 변화에 대한 우리의 관찰은 다른 연구들을 보완합니다. 녹색 미세조류는 세포 크기, 모양 또는 대사를 변화시켜 환경 스트레스에 반응하여 형태를 변화시킬 수 있습니다.61 예를 들어, 세포 크기의 변화는 영양소 흡수를 촉진합니다.71 작은 조류 세포는 영양소 흡수율이 낮고 성장 속도가 저하됩니다. 반대로, 큰 세포는 더 많은 영양소를 소비하는 경향이 있으며, 이는 세포 내에 축적됩니다.72,73 Machado와 Soares는 살균제 트리클로산이 세포 크기를 증가시킬 수 있음을 발견했습니다. 또한 조류의 모양에 큰 변화가 있음을 발견했습니다.74 또한 Yin et al.9은 환원된 그래핀 산화물 나노복합체에 노출된 후 조류의 형태학적 변화를 밝혔습니다. 따라서 미세조류의 크기/모양 매개변수 변화가 MXene의 존재로 인해 발생함이 분명합니다. 크기와 모양의 변화는 영양소 흡수의 변화를 나타내므로, 시간에 따른 크기와 모양 매개변수를 분석하면 Nb-MXene이 존재하는 미세조류가 니오븀 산화물을 흡수한다는 것을 입증할 수 있다고 생각합니다.
더욱이, MXene은 조류 존재 하에서 산화될 수 있습니다. Dalai et al.75은 나노 TiO2와 Al2O376에 노출된 녹조류의 형태가 균일하지 않음을 관찰했습니다. 본 연구의 관찰 결과는 본 연구와 유사하지만, 이는 나노입자가 아닌 2D 나노플레이크 존재 하에서 MXene 분해 산물 측면에서 생물학적 복원 효과 연구에만 적용됩니다. MXene은 금속 산화물로 분해될 수 있으므로(31,32,77,78), 본 연구에서 개발된 Nb 나노플레이크도 미세조류 세포와 상호작용 후 Nb 산화물을 형성할 수 있다고 가정하는 것이 타당합니다.
산화 과정에 기반한 분해 메커니즘을 통한 2D-Nb 나노플레이크의 환원을 설명하기 위해, 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM)(그림 7a, b)과 X선 광전자 분광법(XPS)(그림 7c-i 및 표 S4-5)을 이용한 연구를 수행했습니다. 두 접근 방식 모두 2D 물질의 산화 연구에 적합하며 서로 보완적입니다. HRTEM은 2차원 층상 구조의 분해와 그에 따른 금속 산화물 나노입자의 출현을 분석할 수 있는 반면, XPS는 표면 결합에 민감합니다. 이를 위해 미세조류 세포 분산액에서 추출한 2D Nb-MXene 나노플레이크, 즉 미세조류 세포와 상호작용 후의 형태를 분석했습니다(그림 7 참조).
산화된 (a) SL Nb2CTx 및 (b) SL Nb4C3Tx MXene의 형태를 보여주는 HRTEM 이미지, 환원 후 산화물 생성물의 구성을 보여주는 XPS 분석 결과, (d–f) 녹색 미세조류로 복구된 SL Nb2CTx 및 (g– i) Nb4C3Tx SL의 XPS 스펙트럼 구성 요소의 피크 매칭.
HRTEM 연구는 두 종류의 Nb-MXene 나노플레이크의 산화를 확인했습니다. 나노플레이크는 어느 정도 2차원 형태를 유지했지만, 산화로 인해 MXene 나노플레이크 표면을 덮는 많은 나노입자가 형성되었습니다(그림 7a, b 참조). c Nb 3d 및 O 1s 신호에 대한 XPS 분석 결과, 두 경우 모두 Nb 산화물이 형성되었음을 알 수 있었습니다. 그림 7c에서 볼 수 있듯이, 2D MXene Nb2CTx와 Nb4C3TX는 Nb 3d 신호를 나타내며, 이는 NbO와 Nb2O5 산화물의 존재를 나타내고, O 1s 신호는 2D 나노플레이크 표면의 기능화와 관련된 O-Nb 결합의 수를 나타냅니다. 본 연구에서는 Nb-C와 Nb3+-O에 비해 Nb 산화물의 기여도가 더 큰 것을 확인했습니다.
그림 7g-i는 미세조류 세포에서 분리한 Nb 3d, C 1s, O 1s SL Nb2CTx(그림 7d-f 참조)와 SL Nb4C3TX MXene의 XPS 스펙트럼을 보여줍니다. Nb-MXene 피크 매개변수에 대한 자세한 내용은 각각 표 S4-5에 나와 있습니다. 먼저 Nb 3d의 구성을 분석했습니다. 미세조류 세포에 흡수된 Nb와 달리 미세조류 세포에서 분리한 MXene에서는 Nb2O5 외에도 다른 성분이 발견되었습니다. Nb2CTx SL에서 Nb3+-O가 15%의 기여도를 보인 반면, 나머지 Nb 3d 스펙트럼은 Nb2O5(85%)가 지배적이었습니다. 또한 SL Nb4C3TX 샘플에는 Nb-C(9%)와 Nb2O5(91%) 성분이 포함되어 있습니다. 여기서 Nb-C는 Nb4C3Tx SR에서 금속 탄화물의 두 내부 원자층에서 유래합니다. 그런 다음 내부화된 샘플에서와 마찬가지로 C 1s 스펙트럼을 네 가지 다른 성분에 매핑합니다. 예상대로 C 1s 스펙트럼은 흑연질 탄소가 지배적이며, 그 다음으로 미세조류 세포의 유기 입자(CHx/CO 및 C=O)가 기여합니다. 또한, O 1s 스펙트럼에서는 미세조류 세포의 유기 형태, 산화니오븀, 그리고 흡착된 물이 기여하는 것을 관찰했습니다.
또한, Nb-MXene 절단이 영양 배지 및/또는 미세조류 세포 내 활성 산소종(ROS)의 존재와 관련이 있는지 조사했습니다. 이를 위해 배양 배지 내 싱글렛 산소(1O2)와 미세조류에서 항산화제로 작용하는 티올인 세포 내 글루타티온의 수준을 평가했습니다. 결과는 SI(그림 S20 및 S21)에 나와 있습니다. SL Nb2CTx 및 Nb4C3TX MXene을 사용한 배양은 1O2의 양이 감소하는 것으로 나타났습니다(그림 S20 참조). SL Nb2CTx의 경우, MXene 1O2는 약 83%로 감소했습니다. SL을 사용한 미세조류 배양의 경우, Nb4C3TX 1O2는 73%로 더욱 감소했습니다. 흥미롭게도, 1O2의 변화는 이전에 관찰된 저해-자극 효과와 동일한 경향을 보였습니다(그림 3 참조). 밝은 빛에서 배양하면 광산화가 변할 수 있다고 주장할 수 있습니다. 그러나 대조군 분석 결과에서는 실험 기간 동안 1O2 수준이 거의 일정했습니다(그림 S22). 세포 내 ROS 수준의 경우에도 동일한 감소 추세를 관찰했습니다(그림 S21 참조). 처음에는 Nb2CTx 및 Nb4C3Tx SL이 존재하는 환경에서 배양한 미세조류 세포의 ROS 수준이 순수 미세조류 배양에서 발견된 수준을 초과했습니다. 그러나 결국 미세조류가 두 Nb-MXene의 존재에 적응한 것으로 나타났으며, ROS 수준이 SL Nb2CTx 및 Nb4C3TX로 접종한 미세조류의 순수 배양에서 측정된 수준의 각각 85% 및 91%로 감소했습니다. 이는 미세조류가 영양 배지만 있는 경우보다 Nb-MXene이 존재하는 경우 시간이 지남에 따라 더 편안함을 느낀다는 것을 나타낼 수 있습니다.
미세조류는 다양한 광합성 생물군입니다. 광합성 과정에서 미세조류는 대기 중 이산화탄소(CO2)를 유기 탄소로 전환합니다. 광합성 생성물은 포도당과 산소입니다.79 이렇게 생성된 산소가 Nb-MXene의 산화에 중요한 역할을 하는 것으로 추정됩니다. 이에 대한 한 가지 가능한 설명은 Nb-MXene 나노플레이크의 내부와 외부의 산소 분압이 낮고 높을 때 차등 통기 매개변수가 형성된다는 것입니다. 즉, 산소 분압이 다른 영역이 있는 곳에서는 산소 분압이 가장 낮은 영역이 양극을 형성합니다.80, 81, 82. 여기서 미세조류는 MXene 플레이크 표면에 차등 통기 세포를 생성하는 데 기여하며, 이 세포는 광합성 특성으로 인해 산소를 생성합니다. 결과적으로 생물부식 생성물(이 경우 산화니오븀)이 생성됩니다. 또 다른 측면은 미세조류가 물로 방출되는 유기산을 생성할 수 있다는 것입니다.83,84. 따라서 공격적인 환경이 형성되어 Nb-MXene이 변하게 됩니다. 또한, 미세조류는 이산화탄소를 흡수하여 환경의 pH를 알칼리성으로 변화시킬 수 있으며, 이는 부식을 유발할 수도 있습니다79.
더 중요한 것은, 본 연구에서 사용된 어둡고 밝은 광주기가 얻은 결과를 이해하는 데 중요하다는 것이다. 이 측면은 Djemai-Zoghlache et al. 85에 자세히 설명되어 있다. 그들은 의도적으로 12/12시간 광주기를 사용하여 붉은 미세조류인 Porphyridium purpureum에 의한 생물부착과 관련된 생물부식을 입증했다. 그들은 광주기가 생물부식이 없는 전위의 진화와 관련되어 있으며, 24:00경에 의사주기적 진동으로 나타난다는 것을 보여준다. 이러한 관찰은 Dowling et al. 86에 의해 확인되었다. 그들은 남조류 Anabaena의 광합성 생물막을 입증했다. 용존 산소는 빛의 작용으로 형성되는데, 이는 자유 생물부식 전위의 변화 또는 변동과 관련이 있다. 광주기의 중요성은 생물부식에 대한 자유 전위가 밝은 단계에서 증가하고 어두운 단계에서 감소한다는 사실에 의해 강조된다. 이는 광합성 미세조류가 생성하는 산소로 인해 발생하며, 이는 전극 근처에서 발생하는 분압을 통해 음극 반응에 영향을 미칩니다.
또한, Nb-MXene과 상호작용 후 미세조류 세포의 화학적 조성에 변화가 발생하는지 확인하기 위해 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 수행했습니다. 얻어진 결과는 복잡하며, SI(그림 S23-S25, MAX 단계 및 ML MXene 결과 포함)에 제시했습니다. 간단히 말해, 미세조류의 기준 스펙트럼은 이러한 생물체의 화학적 특성에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 가장 가능성이 높은 진동은 1060cm-1(CO), 1540cm-1, 1640cm-1(C=C), 1730cm-1(C=O), 2850cm-1, 2920cm-1, 11(C–H), 3280cm-1(O–H)의 주파수에 위치합니다. SL Nb-MXene의 경우, 이전 연구38과 일치하는 CH-결합 신축 특성을 발견했습니다. 그러나 C=C 및 CH 결합과 관련된 일부 추가 피크가 사라진 것을 관찰했습니다. 이는 미세조류의 화학적 조성이 SL Nb-MXene과의 상호작용으로 인해 미미한 변화를 겪을 수 있음을 시사합니다.
미세조류의 생화학적 변화 가능성을 고려할 때, 산화니오븀과 같은 무기 산화물의 축적을 재고해야 합니다59. 산화니오븀은 세포 표면의 금속 흡수, 세포질 내로의 이동, 세포 내 카르복실기와의 결합, 그리고 미세조류 폴리포스포솜 내 금속 축적에 관여합니다20,88,89,90. 또한, 미세조류와 금속의 관계는 세포의 기능적 그룹에 의해 유지됩니다. 이러한 이유로, 흡수는 미세조류의 표면 화학에도 의존하는데, 이는 매우 복잡합니다9,91. 일반적으로 예상대로, 녹색 미세조류의 화학적 조성은 산화니오븀의 흡수로 인해 약간 변했습니다.
흥미롭게도, 관찰된 미세조류의 초기 저해는 시간이 지남에 따라 가역적이었습니다. 관찰된 바와 같이, 미세조류는 초기 환경 변화를 극복하고 결국 정상적인 성장 속도로 돌아왔으며 심지어 증가하기까지 했습니다. 제타 전위 연구는 영양 배지에 도입되었을 때 높은 안정성을 보였습니다. 따라서 미세조류 세포와 Nb-MXene 나노플레이크 사이의 표면 상호작용은 환원 실험 내내 유지되었습니다. 추가 분석에서 미세조류의 이러한 놀라운 거동의 근간이 되는 주요 작용 기전을 요약합니다.
SEM 관찰 결과, 미세조류는 Nb-MXene에 부착되는 경향이 있는 것으로 나타났습니다. 동적 이미지 분석을 통해 이러한 효과가 2차원 Nb-MXene 나노플레이크를 구형 입자로 변형시키는 것을 확인했으며, 이를 통해 나노플레이크의 분해가 산화와 관련이 있음을 입증했습니다. 가설을 검증하기 위해 일련의 재료 및 생화학적 연구를 수행했습니다. 실험 후, 나노플레이크는 점진적으로 산화되어 NbO와 Nb2O5로 분해되었으며, 이는 녹색 미세조류에 위협이 되지 않았습니다. FTIR 관찰 결과, 2차원 Nb-MXene 나노플레이크가 존재하는 환경에서 배양된 미세조류의 화학적 조성에는 유의미한 변화가 없었습니다. 미세조류가 산화니오븀을 흡수할 가능성을 고려하여 X선 형광 분석을 수행했습니다. 이러한 결과는 연구된 미세조류가 연구된 미세조류에 독성이 없는 니오븀 산화물(NbO 및 Nb2O5)을 먹는다는 것을 분명히 보여줍니다.