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나노기술의 급속한 발전과 일상생활에의 적용은 환경을 위협할 수 있습니다. 유기 오염물질 분해를 위한 친환경적인 방법들은 잘 확립되어 있지만, 무기 결정질 오염물질의 제거는 생물학적 분해에 대한 민감도가 낮고 물질 표면과 생물체 표면 간의 상호작용에 대한 이해가 부족하여 여전히 중요한 과제입니다. 본 연구에서는 간단한 형상 매개변수 분석 방법과 결합된 Nb 기반 무기 2차원 MXene 모델을 이용하여 녹조류 Raphidocelis subcapitata에 의한 2차원 세라믹 나노물질의 생물정화 메커니즘을 추적했습니다. 연구 결과, 미세조류는 표면 관련 물리화학적 상호작용으로 인해 Nb 기반 MXene을 분해하는 것으로 나타났습니다. 초기에는 단층 및 다층 MXene 나노플레이크가 미세조류 표면에 부착되어 조류의 성장을 다소 저해했습니다. 그러나 표면과의 상호작용이 장기간 지속됨에 따라 미세조류는 MXene 나노플레이크를 산화시키고, 더 나아가 NbO와 Nb2O5로 분해했습니다. 이러한 산화물은 미세조류 세포에 무독성이므로, 미세조류는 흡수 메커니즘을 통해 Nb 산화물 나노입자를 소비하여 72시간의 수처리 후 미세조류의 생장을 촉진합니다. 흡수와 관련된 영양소의 영향은 세포 부피 증가, 매끄러운 형태, 성장 속도 변화에서도 나타납니다. 이러한 결과를 바탕으로, 담수 생태계에 Nb 기반 MXene이 단기 및 장기적으로 존재하더라도 환경에 미치는 영향은 미미할 것으로 결론지었습니다. 특히, 2차원 나노물질을 모델 시스템으로 사용하여 미세 입자 물질에서도 형태 변화를 추적할 수 있음을 보여준 점은 주목할 만합니다. 종합적으로, 본 연구는 2차원 나노물질의 생물정화 메커니즘을 유도하는 표면 상호작용 관련 과정에 대한 중요한 기초 질문에 답하고, 무기 결정질 나노물질의 환경 영향에 대한 단기 및 장기 연구를 위한 토대를 제공합니다.
나노물질은 발견 이후 많은 관심을 불러일으켰으며, 다양한 나노기술이 최근 현대화 단계에 접어들었습니다.¹ 그러나 나노물질이 일상생활에 적용됨에 따라 부적절한 폐기, 부주의한 취급, 또는 미흡한 안전 인프라로 인해 사고로 유출될 위험이 있습니다. 따라서 2차원(2D) 나노물질을 포함한 나노물질이 자연환경으로 유출될 수 있으며, 그 거동과 생물학적 활성은 아직 완전히 규명되지 않았습니다. 이러한 이유로 2D 나노물질이 수생 생태계로 유출될 가능성에 대한 생태독성 우려가 집중되고 있는 것은 당연합니다.^2,3,4,5,6 이러한 생태계에서 일부 2D 나노물질은 미세조류를 비롯한 다양한 영양 단계의 생물들과 상호작용할 수 있습니다.
미세조류는 담수 및 해양 생태계에서 자연적으로 발견되는 원시 유기체로, 광합성을 통해 다양한 화학 물질을 생산합니다.7 따라서 미세조류는 수생 생태계에 매우 중요할 뿐만 아니라8,9,10,11,12 생태독성을 평가하는 데 있어 민감하고 저렴하며 널리 사용되는 지표이기도 합니다.13,14 미세조류 세포는 빠르게 증식하고 다양한 화합물의 존재에 신속하게 반응하기 때문에 유기물질로 오염된 물을 처리하는 환경 친화적인 방법 개발에 유망한 자원입니다.15,16
조류 세포는 생물흡착 및 축적을 통해 물에서 무기 이온을 제거할 수 있습니다.17,18 클로렐라, 아나베나 인바르, 웨스티엘롭시스 프로리피카, 스티게오클로니움 테누에, 시네코코쿠스 종과 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 스케네데스무스의 성장을 저해한다는 사실이 밝혀졌습니다.20,21
유기 오염물질의 분해 및 중금속 이온 제거를 위한 친환경적인 방법은 전 세계 과학자와 엔지니어들의 관심을 끌고 있습니다. 이는 주로 이러한 오염물질들이 액상에서 쉽게 처리될 수 있다는 점 때문입니다. 그러나 무기 결정성 오염물질은 낮은 수용성과 다양한 생물학적 변환에 대한 낮은 민감성을 특징으로 하며, 이로 인해 정화에 큰 어려움이 있고, 이 분야의 연구는 미흡한 실정입니다.22,23,24,25,26 따라서 나노물질의 환경 친화적인 정화 방법을 찾는 것은 여전히 ​​복잡하고 미개척된 분야입니다. 2차원 나노물질의 생물학적 변환 효과에 대한 불확실성이 크기 때문에 환원 과정에서 나노물질의 분해 경로를 쉽게 규명하기는 어렵습니다.
본 연구에서는 무기 세라믹 재료의 활성 수용액 생물 정화제로 녹색 미세조류를 사용하고, 무기 세라믹 재료의 대표적인 예인 MXene의 분해 과정을 현장에서 모니터링했습니다. "MXene"이라는 용어는 Mn+1XnTx 물질의 화학양론을 반영하며, 여기서 M은 초기 전이 금속, X는 탄소 및/또는 질소, Tx는 표면 종결자(예: -OH, -F, -Cl), n = 1, 2, 3 또는 4입니다. MXene은 Naguib 등이 발견한 이후로 센서, 암 치료 및 막 여과 분야에서 활용되어 왔습니다. 또한, MXene은 우수한 콜로이드 안정성과 생물학적 상호작용 가능성으로 인해 2차원 시스템의 모델로 간주될 수 있습니다.
따라서 본 논문에서 개발한 방법론과 연구 가설은 그림 1에 나타내었다. 이 가설에 따르면, 미세조류는 표면 관련 물리화학적 상호작용으로 인해 니오븀 기반 MXene을 무독성 화합물로 분해하여 조류의 추가 회복을 가능하게 한다. 이 가설을 검증하기 위해 초기 니오븀 기반 전이 금속 탄화물 및/또는 질화물(MXene) 계열의 두 가지 구성원인 Nb2CTx와 Nb4C3TX를 선택하였다.
녹색 미세조류 Raphidocelis subcapitata를 이용한 MXene 회수 연구 방법론 및 근거 기반 가설. 이는 근거 기반 가정을 도식적으로 나타낸 것일 뿐이며, 실제 호수 환경은 사용된 영양 배지 및 조건(예: 일주기 및 필수 영양소의 제한)에 따라 다를 수 있습니다. BioRender.com으로 제작되었습니다.
따라서, MXene을 모델 시스템으로 활용함으로써 기존의 다른 나노물질에서는 관찰할 수 없었던 다양한 생물학적 효과를 연구할 수 있는 가능성을 열었습니다. 특히, 니오븀 기반 MXene과 같은 2차원 나노물질이 미세조류 Raphidocelis subcapitata에 의해 생물학적 정화될 수 있음을 입증했습니다. 미세조류는 Nb-MXene을 무독성 산화물인 NbO와 Nb2O5로 분해할 수 있으며, 니오븀 흡수 메커니즘을 통해 영양분도 제공합니다. 전반적으로, 본 연구는 2차원 나노물질의 생물학적 정화 메커니즘을 지배하는 표면 물리화학적 상호작용과 관련된 중요한 기초 질문에 대한 해답을 제시합니다. 또한, 2차원 나노물질의 미묘한 형태 변화를 추적할 수 있는 간단한 형태 매개변수 기반 방법을 개발하고 있습니다. 이는 무기 결정질 나노물질의 다양한 환경적 영향에 대한 단기 및 장기 연구를 촉진할 것입니다. 따라서, 본 연구는 물질 표면과 생물학적 물질 간의 상호작용에 대한 이해를 증진시킵니다. 또한, 이를 통해 담수 생태계에 미칠 수 있는 단기 및 장기적 영향에 대한 연구를 확대할 수 있는 기반을 마련했으며, 이제 이러한 영향은 쉽게 검증할 수 있습니다.
MXene은 독특하고 매력적인 물리적, 화학적 특성을 지닌 흥미로운 물질군으로, 다양한 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다. 이러한 특성은 주로 조성비와 표면 화학에 따라 달라집니다. 따라서 본 연구에서는 서로 다른 생물학적 효과를 나타낼 수 있는 두 가지 유형의 Nb 기반 계층형 단층(SL) MXene인 Nb2CTx와 Nb4C3TX를 조사했습니다. MXene은 원자적으로 얇은 MAX상 A층을 선택적으로 에칭하는 탑다운 방식을 통해 제조됩니다. MAX상은 전이 금속 탄화물 블록과 Al, Si, Sn과 같은 "A" 원소의 얇은 층으로 구성된 MnAXn-1 조성의 3원계 세라믹입니다. 초기 MAX상의 형태는 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰했으며, 이전 연구 결과와 일치했습니다(보충 정보, SI, 그림 S1 참조). 다층(ML) Nb-MXene은 48% HF(불산)로 Al 층을 제거하여 얻었습니다. ML-Nb2CTx와 ML-Nb4C3TX의 형태는 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였고(그림 S1c 및 S1d 참조), 길쭉한 기공과 같은 틈새를 통과하는 2차원 나노플레이크와 유사한 전형적인 층상 MXene 형태가 관찰되었다. 두 Nb-MXene 모두 산 에칭을 통해 이전에 합성된 MXene 상과 많은 공통점을 가지고 있다.27,38 MXene의 구조를 확인한 후, 테트라부틸암모늄 하이드록사이드(TBAOH)를 층간에 삽입하고 세척 및 초음파 처리를 통해 층화시켜 단층 또는 저층(SL) 2D Nb-MXene 나노플레이크를 얻었다.
에칭 및 추가 박리 효율을 확인하기 위해 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM)과 X선 회절(XRD)을 사용했습니다. 역고속 푸리에 변환(IFFT)과 고속 푸리에 변환(FFT)을 사용하여 처리한 HRTEM 결과는 그림 2에 나타냈습니다. Nb-MXene 나노플레이크는 원자층 구조를 확인하고 층간 거리를 측정하기 위해 가장자리가 위로 향하도록 배향했습니다. MXene Nb2CTx 및 Nb4C3TX 나노플레이크의 HRTEM 이미지는 Naguib 등27 및 Jastrzębska 등38이 이전에 보고한 바와 같이 원자적으로 얇은 층상 구조를 보여줍니다(그림 2a1, a2 참조). 인접한 두 개의 Nb2CTx 및 Nb4C3Tx 단층에 대해 층간 거리를 각각 0.74nm 및 1.54nm로 측정했으며(그림 2b1, b2), 이는 이전 연구 결과38과도 일치합니다. 이는 역 고속 푸리에 변환(그림 2c1, c2)과 고속 푸리에 변환(그림 2d1, d2)을 통해 더욱 확인되었으며, 이 이미지들은 Nb2CTx와 Nb4C3Tx 단층 사이의 거리를 보여줍니다. 이미지에는 니오븀과 탄소 원자에 해당하는 밝고 어두운 띠가 교대로 나타나는데, 이는 연구된 MXene의 층상 구조를 확인시켜 줍니다. 중요한 점은 Nb2CTx와 Nb4C3Tx에 대해 얻은 에너지 분산 X선 분광법(EDX) 스펙트럼(그림 S2a 및 S2b)에서 Al 피크가 검출되지 않았으므로 원래 MAX 상의 잔류물이 없다는 것입니다.
(a) 고해상도 전자 현미경(HRTEM) 측면 2D 나노플레이크 이미지와 이에 상응하는 (b) 강도 모드, (c) 역고속 푸리에 변환(IFFT), (d) 고속 푸리에 변환(FFT), (e) Nb-MXene의 X선 회절 패턴을 포함한 SL Nb2CTx 및 Nb4C3Tx MXene 나노플레이크의 특성 분석. SL 2D Nb2CTx의 경우, 숫자는 (a1, b1, c1, d1, e1)로 표시된다. SL 2D Nb4C3Tx의 경우, 숫자는 (a2, b2, c2, d2, e1)로 표시된다.
SL Nb2CTx 및 Nb4C3Tx MXene의 X선 회절 측정 결과는 각각 그림 2e1과 2e2에 나타나 있다. 4.31 및 4.32에서의 (002) 피크는 이전에 보고된 층상 MXene인 Nb2CTx 및 Nb4C3TX38,39,40,41에 해당한다. XRD 결과는 또한 일부 잔류 ML 구조와 MAX 상의 존재를 나타내지만, 대부분은 SL Nb4C3Tx와 관련된 XRD 패턴을 보인다(그림 2e2). MAX 상의 작은 입자들이 존재하기 때문에 무작위로 적층된 Nb4C3Tx 층에 비해 MAX 피크가 더 강하게 나타나는 것으로 설명할 수 있다.
추가 연구는 R. subcapitata 종에 속하는 녹색 미세조류에 초점을 맞추었습니다. 미세조류를 선택한 이유는 주요 먹이 사슬에 관여하는 중요한 생산자이기 때문입니다.42 또한 미세조류는 먹이 사슬의 상위 단계로 운반되는 독성 물질을 제거하는 능력이 있어 독성을 나타내는 가장 좋은 지표 중 하나입니다.43 더불어 R. subcapitata에 대한 연구는 일반적인 담수 미생물에 대한 SL Nb-MXene의 우발적 독성을 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다. 이를 설명하기 위해 연구자들은 각 미생물이 환경에 존재하는 독성 화합물에 대해 서로 다른 민감도를 가지고 있다고 가정했습니다. 대부분의 유기체는 낮은 농도의 물질은 성장에 영향을 미치지 않지만, 특정 한계 이상의 농도에서는 성장을 억제하거나 심지어 죽음에 이르게 할 수 있습니다. 따라서 미세조류와 MXene의 표면 상호작용 및 그에 따른 회복에 대한 연구에서 우리는 Nb-MXene의 무해 농도와 독성 농도를 테스트하기로 결정했습니다. 이를 위해 우리는 0(기준), 0.01, 0.1 및 10 mg l-1 MXene 농도를 테스트했으며, 추가적으로 모든 생물학적 환경에서 극단적이고 치명적일 수 있는 매우 높은 농도의 MXene(100 mg l-1 MXene)으로 미세조류를 감염시켰습니다.
SL Nb-MXenes가 미세조류에 미치는 영향은 그림 3에 나타냈으며, 0 mg l-1 샘플에서 측정한 성장 촉진(+) 또는 억제(-) 백분율로 표시했습니다. 비교를 위해 Nb-MAX 상과 ML Nb-MXenes도 테스트했으며, 결과는 보충 자료(그림 S3 참조)에 제시되어 있습니다. 그림 3a,b에서 볼 수 있듯이, 얻어진 결과는 SL Nb-MXenes가 0.01~10 mg/l의 낮은 농도 범위에서 거의 독성이 없음을 확인시켜 줍니다. Nb2CTx의 경우, 지정된 범위에서 5% 이하의 생태독성이 관찰되었습니다.
SL(a) Nb2CTx 및 (b) Nb4C3TX MXene 존재 하에서 미세조류 성장의 촉진(+) 또는 억제(-). MXene과 미세조류의 상호작용을 24시간, 48시간 및 72시간 동안 분석하였다. 통계적으로 유의미한 데이터(t-검정, p < 0.05)에는 별표(*)를 표시했습니다. 통계적으로 유의미한 데이터(t-검정, p < 0.05)에는 별표(*)를 표시했습니다. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). 통계적으로 유의미한 데이터(t-검정, p < 0.05)에는 별표(*)를 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 (*). 중요 데이터(t-검정, p < 0.05)에는 별표(*)가 표시되어 있습니다.붉은색 화살표는 억제 자극의 소멸을 나타냅니다.
반면, Nb4C3TX의 저농도에서는 독성이 약간 더 높았지만 7%를 넘지는 않았습니다. 예상대로 MXene은 100mg L-1 농도에서 더 높은 독성과 미세조류 성장 억제 효과를 나타냈습니다. 흥미롭게도, 어떤 물질도 MAX 또는 ML 샘플과 비교했을 때 독성/무독성 효과의 경향과 시간 의존성이 동일하지 않았습니다(자세한 내용은 SI 참조). MAX 상(그림 S3 참조)의 경우 독성이 약 15~25%에 도달하고 시간이 지남에 따라 증가한 반면, SL Nb2CTx와 Nb4C3TX MXene에서는 반대 경향이 관찰되었습니다. 미세조류 성장 억제는 시간이 지남에 따라 감소했습니다. 24시간 후에는 약 17%에 도달했고 72시간 후에는 5% 미만으로 떨어졌습니다(그림 3a, b 참조).
더욱 중요한 것은 SL Nb4C3TX의 경우, 미세조류 성장 억제율이 24시간 후 약 27%에 달했지만, 72시간 후에는 약 1%로 감소했다는 점입니다. 따라서 우리는 관찰된 효과를 자극의 역억제라고 명명했으며, SL Nb4C3TX MXene에서 그 효과가 더 강하게 나타났습니다. Nb4C3TX(10 mg L-1 농도에서 24시간 동안 반응)는 SL Nb2CTx MXene에 비해 미세조류 성장 자극을 더 일찍 유도했습니다. 이러한 억제-자극 역전 효과는 생물량 배가 속도 곡선에서도 잘 나타났습니다(자세한 내용은 그림 S4 참조). 지금까지 Ti3C2TX MXene의 생태독성만이 다양한 방식으로 연구되었습니다. 이 물질은 제브라피시 배아에는 독성이 없지만44 미세조류인 Desmodesmus quadricauda와 Sorghum saccharatum 식물에는 중간 정도의 생태독성을 나타냅니다45. 특정 효과의 다른 예로는 정상 세포주보다 암세포주에 대한 독성이 더 높다는 점이 있습니다.46,47 시험 조건이 Nb-MXene 존재 하에서 관찰된 미세조류 성장 변화에 영향을 미칠 수 있다고 추정할 수 있습니다. 예를 들어, 엽록체 기질의 pH가 약 8일 때 RuBisCO 효소가 효율적으로 작동합니다. 따라서 pH 변화는 광합성 속도에 부정적인 영향을 미칩니다.48,49 그러나 본 실험에서는 pH의 유의미한 변화를 관찰하지 못했습니다(자세한 내용은 SI, 그림 S5 참조). 일반적으로 Nb-MXene을 첨가한 미세조류 배양액은 시간이 지남에 따라 pH가 약간 감소했습니다. 하지만 이러한 감소는 순수 배지의 pH 변화와 유사했습니다. 또한, 관찰된 변화 범위는 순수 미세조류 배양액(대조군)에서 측정된 범위와 유사했습니다. 따라서 광합성은 시간 경과에 따른 pH 변화에 영향을 받지 않는다고 결론지었습니다.
또한, 합성된 MXene은 표면 말단기(Tx로 표시)를 가지고 있습니다. 이들은 주로 -O, -F 및 -OH 작용기입니다. 그러나 표면 화학은 합성 방법에 직접적으로 관련되어 있습니다. 이러한 작용기들은 표면에 무작위로 분포되어 있어 MXene의 특성에 미치는 영향을 예측하기 어렵습니다.50 Tx가 빛에 의한 니오븀 산화의 촉매 역할을 할 수 있다고 주장할 수 있습니다. 표면 작용기는 실제로 하부 광촉매가 이종 접합을 형성할 수 있도록 여러 개의 고정 부위를 제공합니다.51 그러나 성장 배지 조성은 효과적인 광촉매를 제공하지 못했습니다(자세한 배지 조성은 SI 표 S6 참조). 또한, 표면 개질은 매우 중요합니다. MXene의 생물학적 활성은 층 후처리, 산화, 유기 및 무기 화합물의 화학적 표면 개질52,53,54,55,56 또는 표면 전하 엔지니어링38에 의해 변화될 수 있기 때문입니다. 따라서 니오븀 산화물이 매질 내 물질 불안정성과 관련이 있는지 확인하기 위해 미세조류 배양액과 탈이온수(비교용)에서 제타(ζ) 전위 연구를 수행했습니다. 연구 결과, SL Nb-MXene은 상당히 안정적인 것으로 나타났습니다(MAX 및 ML 결과는 SI 그림 S6 참조). SL MXene의 제타 전위는 약 -10mV입니다. SR Nb2CTx의 경우, ζ 값은 Nb4C3Tx보다 다소 더 음의 값을 보였습니다. 이러한 ζ 값의 변화는 음전하를 띤 MXene 나노플레이크 표면이 배양액으로부터 양전하를 띤 이온을 흡수함을 시사할 수 있습니다. 배양액에서 Nb-MXene의 제타 전위 및 전도도의 시간 경과에 따른 측정 결과(자세한 내용은 SI 그림 S7 및 S8 참조)는 이러한 가설을 뒷받침하는 것으로 보입니다.
그러나 두 Nb-MXene SL 모두 제타 전위가 거의 변화가 없었습니다. 이는 미세조류 배양 배지에서 이들의 안정성을 명확히 보여줍니다. 또한, 녹색 미세조류의 존재가 배지 내 Nb-MXene의 안정성에 영향을 미치는지 평가했습니다. 영양 배지에서 미세조류와 상호작용한 후 시간에 따른 MXene의 제타 전위 및 전도도 결과는 보충 자료(그림 S9 및 S10)에서 확인할 수 있습니다. 흥미롭게도, 미세조류의 존재는 두 MXene의 분산을 안정화시키는 것으로 나타났습니다. Nb2CTx SL의 경우, 제타 전위는 시간이 지남에 따라 오히려 약간 감소하여 더 낮은 값(-15.8mV 대 -19.1mV, 72시간 배양 후)을 보였습니다. Nb4C3TX SL의 제타 전위는 약간 증가했지만, 72시간 후에도 미세조류가 없는 나노플레이크보다 더 높은 안정성을 나타냈습니다(-18.1mV 대 -9.1mV).
또한 미세조류 존재 하에 배양된 Nb-MXene 용액의 전도도가 낮아지는 것을 확인했는데, 이는 영양 배지 내 이온량이 감소했음을 나타냅니다. 특히, MXene의 수용액 내 불안정성은 주로 표면 산화에 기인합니다.57 따라서, 녹색 미세조류가 Nb-MXene 표면에 형성된 산화물을 제거하고 심지어 산화를 방지하는 역할을 했을 것으로 추측됩니다. 이는 미세조류에 흡수된 물질의 종류를 분석함으로써 확인할 수 있습니다.
생태독성학 연구 결과 미세조류가 시간이 지남에 따라 Nb-MXene의 독성과 비정상적인 성장 억제를 극복할 수 있음을 보여주었지만, 본 연구의 목적은 가능한 작용 메커니즘을 규명하는 것이었습니다. 조류와 같은 유기체는 생태계에 익숙하지 않은 화합물이나 물질에 노출될 경우 다양한 방식으로 반응할 수 있습니다.58,59 독성 금속 산화물이 없는 경우 미세조류는 스스로 영양분을 섭취하여 지속적으로 성장할 수 있습니다.60 독성 물질을 섭취한 후에는 형태나 모양 변화와 같은 방어 메커니즘이 활성화될 수 있습니다. 흡수 가능성 또한 고려해야 합니다.58,59 특히, 방어 메커니즘의 징후는 시험 화합물의 독성을 나타내는 명확한 지표입니다. 따라서 본 연구에서는 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 SL Nb-MXene 나노플레이크와 미세조류 사이의 표면 상호작용 가능성을 조사하고, X선 형광 분광법(XRF)을 이용하여 Nb 기반 MXene의 흡수 가능성을 분석했습니다. 참고로, SEM 및 XRF 분석은 활성 독성 문제를 확인하기 위해 MXene의 최고 농도에서만 수행되었습니다.
SEM 결과는 그림 4에 나타나 있다. 처리하지 않은 미세조류 세포(그림 4a, 참조 시료)는 전형적인 R. subcapitata의 형태와 크루아상 모양의 세포 형태를 명확하게 보여준다. 세포들은 납작하고 다소 불규칙하게 배열되어 있다. 일부 미세조류 세포는 서로 겹치고 얽혀 있었지만, 이는 시료 준비 과정에서 발생한 것으로 추정된다. 일반적으로 순수한 미세조류 세포는 표면이 매끄러웠으며 형태학적 변화를 보이지 않았다.
극단적인 농도(100 mg L⁻¹)에서 72시간 동안 반응시킨 후 녹색 미세조류와 MXene 나노시트 사이의 표면 상호작용을 보여주는 SEM 이미지. (a) SL과 반응시킨 후의 미처리 녹색 미세조류, (b) Nb₂CTx 및 (c) Nb₄C₃TX MXene과 반응시킨 후의 녹색 미세조류. Nb-MXene 나노플레이크는 빨간색 화살표로 표시되어 있습니다. 비교를 위해 광학 현미경 사진도 함께 제시했습니다.
반면, SL Nb-MXene 나노플레이크에 흡착된 미세조류 세포는 손상되었습니다(그림 4b, c, 빨간색 화살표 참조). Nb2CTx MXene의 경우(그림 4b), 미세조류는 부착된 2차원 나노구조와 함께 성장하는 경향을 보였으며, 이는 미세조류의 형태 변화를 유발할 수 있습니다. 특히, 이러한 변화는 광학 현미경으로도 관찰되었습니다(자세한 내용은 SI 그림 S11 참조). 이러한 형태 변화는 미세조류의 생리적 특성, 즉 세포 부피 증가와 같은 세포 형태 변화를 통한 자기 방어 능력에 근거한 것으로 보입니다.61 따라서 실제로 Nb-MXene과 접촉하는 미세조류 세포의 수를 확인하는 것이 중요합니다. SEM 연구 결과, 미세조류 세포의 약 52%가 Nb-MXene에 노출되었고, 48%는 접촉을 피한 것으로 나타났습니다. SL Nb4C3Tx MXene의 경우, 미세조류는 MXene과의 접촉을 피하려고 하며, 그 결과 2차원 나노 규모에서 국소화 및 성장합니다(그림 4c). 그러나 나노 규모가 미세조류 세포 내부로 침투하여 손상을 일으키는 현상은 관찰되지 않았습니다.
자기 보존은 세포 표면에 입자가 흡착되어 광합성이 차단되는 소위 차광 효과(shading effect)62에 대한 시간 의존적 반응 행동이기도 합니다. 미세조류와 광원 사이에 있는 각각의 물체(예: Nb-MXene 나노플레이크)는 엽록체가 흡수하는 빛의 양을 제한한다는 것은 분명합니다. 그러나 이것이 얻어진 결과에 상당한 영향을 미친다는 점에는 의심의 여지가 없습니다. 현미경 관찰 결과에서 알 수 있듯이, 미세조류 세포가 Nb-MXene과 접촉하고 있는 경우에도 2D 나노플레이크는 미세조류 표면을 완전히 감싸거나 부착되지 않았습니다. 오히려 나노플레이크는 미세조류 세포 표면을 덮지 않고 세포 방향으로 배열되어 있었습니다. 이러한 나노플레이크/미세조류 조합은 미세조류 세포가 흡수하는 빛의 양을 크게 제한하지 못합니다. 게다가 일부 연구에서는 2차원 나노물질이 존재할 때 광합성 유기체의 빛 흡수율이 향상되는 것을 보여주기도 했습니다.63,64,65,66
주사전자현미경(SEM) 이미지로는 미세조류 세포의 니오븀 흡수를 직접적으로 확인할 수 없었기 때문에, 본 연구에서는 X선 형광분석(XRF)과 X선 광전자분광법(XPS) 분석을 통해 이 문제를 규명하고자 했습니다. 따라서, MXene과 반응하지 않은 대조군 미세조류 시료, 미세조류 세포 표면에서 분리된 MXene 나노플레이크, 그리고 부착된 MXene을 제거한 미세조류 세포의 Nb 피크 강도를 비교했습니다. 만약 Nb 흡수가 일어나지 않았다면, 부착된 나노 입자를 제거한 후 미세조류 세포에서 얻은 Nb 값은 0이 되어야 합니다. 따라서 Nb 흡수가 일어났다면 XRF와 XPS 분석 결과 모두에서 명확한 Nb 피크가 나타나야 합니다.
XRF 스펙트럼의 경우, 미세조류 샘플은 SL Nb2CTx 및 Nb4C3Tx MXene과 반응한 후 SL Nb2CTx 및 Nb4C3Tx MXene에 대한 Nb 피크를 나타냈습니다(그림 5a 참조, MAX 및 ML MXene에 대한 결과는 SI, 그림 S12–C17에 나와 있음). 흥미롭게도 Nb 피크의 강도는 두 경우 모두 동일했습니다(그림 5a의 빨간색 막대). 이는 미세조류 세포에 두 배 더 많은 Nb4C3Tx MXene이 부착되었음에도 불구하고(그림 5a의 파란색 막대) 조류가 더 이상 Nb를 흡수할 수 없으며 세포 내 Nb 축적의 최대 용량에 도달했음을 나타냅니다. 특히, 미세조류의 금속 흡수 능력은 환경 내 금속 산화물의 농도에 따라 달라집니다.67,68 Shamshada et al.67은 담수 조류의 흡수 능력이 pH가 증가함에 따라 감소한다는 것을 발견했습니다. Raize et al.68은 해조류의 금속 흡수 능력이 Ni2+보다 Pb2+에 대해 약 25% 더 높다는 점을 지적했습니다.
(a) SL Nb-MXene의 극단적인 농도(100 mg L⁻¹)에서 72시간 동안 배양한 녹색 미세조류 세포의 기저 Nb 흡수에 대한 XRF 결과. 결과는 순수 미세조류 세포(대조군, 회색 막대), 미세조류 세포 표면에서 분리된 2D 나노플레이크(파란색 막대), 그리고 표면에서 2D 나노플레이크가 분리된 후의 미세조류 세포(빨간색 막대)에서 α상이 존재함을 보여준다. (b) 원소 Nb의 양, SL Nb-MXene과 함께 배양 후 미세조류 세포에 존재하는 미세조류 유기 성분(C=O 및 CHx/C–O) 및 Nb 산화물의 화학적 조성 비율, (c–e) XPS SL Nb₂CTx 스펙트럼의 조성 피크 피팅, (fh) 미세조류 세포에 흡수된 SL Nb₄C₃Tx MXene.
따라서 Nb가 산화물 형태로 조류 세포에 흡수될 수 있을 것으로 예상했습니다. 이를 확인하기 위해 MXene Nb2CTx와 Nb4C3TX 및 조류 세포에 대한 XPS 분석을 수행했습니다. 미세조류와 Nb-MXene 및 조류 세포에서 분리한 MXene의 상호작용 결과는 그림 5b에 나타냈습니다. 예상대로 미세조류 표면에서 MXene을 제거한 후 미세조류 시료에서 Nb 3d 피크가 검출되었습니다. C=O, CHx/CO 및 Nb 산화물의 정량은 Nb2CTx SL(그림 5c–e) 및 Nb4C3Tx SL(그림 5c–e)에서 얻은 Nb 3d, O 1s 및 C 1s 스펙트럼을 기반으로 계산했습니다. 그림 5f–h) 배양된 미세조류에서 얻은 MXene. 표 S1-3은 피팅 결과로 얻은 피크 매개변수와 전체 화학적 특성에 대한 세부 정보를 보여줍니다. Nb2CTx SL과 Nb4C3Tx SL의 Nb 3d 영역(그림 5c, f)이 하나의 Nb2O5 성분에 해당한다는 점은 주목할 만합니다. 여기서 스펙트럼에 MXene 관련 피크가 나타나지 않은 것은 미세조류 세포가 Nb의 산화물 형태만 흡수한다는 것을 의미합니다. 또한, C 1s 스펙트럼을 C–C, CHx/C–O, C=O 및 –COOH 성분으로 근사화했습니다. CHx/C–O 및 C=O 피크는 미세조류 세포의 유기 성분에 기인하는 것으로 판단했습니다. 이러한 유기 성분은 Nb2CTx SL과 Nb4C3TX SL에서 C 1s 피크의 각각 36%와 41%를 차지합니다. 그런 다음 SL Nb2CTx와 SL Nb4C3TX의 O 1s 스펙트럼을 Nb2O5, 미세조류의 유기 성분(CHx/CO) 및 표면에 흡착된 물로 피팅했습니다.
마지막으로, XPS 분석 결과는 Nb의 존재뿐 아니라 형태까지 명확하게 보여주었습니다. Nb 3d 신호의 위치와 디컨볼루션 결과를 통해 Nb가 이온이나 MXene 자체가 아닌 산화물 형태로만 흡착되었음을 확인했습니다. 또한, XPS 분석 결과는 미세조류 세포가 SL Nb2CTx MXene에서 Nb 산화물을 흡수하는 능력이 SL Nb4C3TX MXene에서 흡수하는 능력보다 더 크다는 것을 보여주었습니다.
Nb 흡수 결과는 인상적이며 MXene 분해를 확인할 수 있게 해주지만, 2D 나노플레이크의 형태 변화를 추적할 수 있는 방법은 아직 없습니다. 따라서 2D Nb-MXene 나노플레이크와 미세조류 세포에서 발생하는 변화에 직접적으로 반응할 수 있는 적절한 방법을 개발하기로 했습니다. 상호작용하는 물질이 변형, 분해 또는 파편화를 겪는다면, 이는 등가 원형 면적의 직경, 원형도, 페렛 폭, 페렛 길이와 같은 형태 매개변수의 변화로 빠르게 나타날 것이라고 가정합니다. 이러한 매개변수는 길쭉한 입자 또는 2차원 나노플레이크를 설명하는 데 적합하므로, 동적 입자 형상 분석을 통해 이러한 매개변수를 추적하면 환원 과정 중 SL Nb-MXene 나노플레이크의 형태 변화에 대한 귀중한 정보를 얻을 수 있습니다.
얻어진 결과는 그림 6에 나타나 있다. 비교를 위해 원래의 MAX상과 ML-MXene도 테스트하였다(보충 자료 그림 S18 및 S19 참조). 입자 형상의 동적 분석 결과, 두 Nb-MXene SL의 모든 형상 매개변수가 미세조류와의 상호작용 후 크게 변화함을 알 수 있었다. 등가 원형 면적 직경 매개변수(그림 6a, b)에서 볼 수 있듯이, 큰 나노플레이크 부분의 피크 강도가 감소한 것은 나노플레이크가 더 작은 조각으로 분해되는 경향이 있음을 나타낸다. 그림 6c, d는 플레이크의 횡방향 크기(나노플레이크의 신장)와 관련된 피크의 감소를 보여주는데, 이는 2D 나노플레이크가 더욱 입자와 유사한 형태로 변형되었음을 나타낸다. 그림 6e-h는 각각 페렛의 폭과 길이를 나타낸다. 페렛의 폭과 길이는 상호 보완적인 매개변수이므로 함께 고려해야 한다. 2D Nb-MXene 나노플레이크를 미세조류 존재 하에 배양한 후, 페렛 상관 피크가 이동하고 강도가 감소하였다. 형태학, XRF 및 XPS와 결합된 이러한 결과를 바탕으로 우리는 관찰된 변화가 산화와 밀접하게 관련되어 있으며 산화된 MXene이 더욱 주름지고 조각과 구형 산화물 입자로 분해된다는 결론을 내렸습니다.69,70
녹색 미세조류와의 상호작용 후 MXene 변형 분석. 동적 입자 형상 분석은 (a, b) 등가 원형 면적의 직경, (c, d) 원형도, (e, f) 페렛 폭, (g, h) 페렛 길이와 같은 매개변수를 고려합니다. 이를 위해 두 가지 기준 미세조류 샘플과 함께 1차 SL Nb2CTx 및 SL Nb4C3Tx MXene, SL Nb2CTx 및 SL Nb4C3Tx MXene, 분해된 미세조류, 그리고 미세조류로 처리된 SL Nb2CTx 및 SL Nb4C3Tx MXene을 분석했습니다. 붉은색 화살표는 연구 대상인 2차원 나노플레이크의 형상 매개변수 변화를 나타냅니다.
형상 매개변수 분석은 매우 신뢰할 수 있으므로 미세조류 세포의 형태학적 변화를 파악하는 데에도 사용할 수 있습니다. 따라서 순수 미세조류 세포와 2D Nb 나노플레이크와 상호작용한 세포의 등가 원형 면적 직경, 원형도, 페렛 폭/길이를 분석했습니다. 그림 6a~h는 피크 강도의 감소와 최대값의 상승 이동을 통해 미세조류 세포의 형상 매개변수 변화를 보여줍니다. 특히, 세포의 원형도 매개변수는 길쭉한 세포에서는 감소하고 구형 세포에서는 증가하는 경향을 보였습니다(그림 6a, b). 또한, SL Nb2CTx MXene과 상호작용한 후(그림 6e) 페렛 세포 폭이 SL Nb4C3TX MXene과 상호작용한 후(그림 6f)보다 수 마이크로미터 증가했습니다. 이는 미세조류가 Nb2CTx SR과 상호작용하면서 Nb 산화물을 강하게 흡수했기 때문으로 추측됩니다. Nb 플레이크가 세포 표면에 덜 단단하게 부착되면 세포 성장에 미치는 음영 효과가 최소화될 수 있습니다.
미세조류의 형태와 크기 변화에 대한 우리의 관찰 결과는 다른 연구들을 보완합니다. 녹색 미세조류는 세포 크기, 형태 또는 대사를 변화시켜 환경 스트레스에 반응하여 형태를 바꿀 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 소비하고 이를 세포 내에 축적하는 경향이 있습니다.72,73 Machado와 Soares는 살균제 트리클로산이 세포 크기를 증가시킬 수 있음을 발견했으며, 조류의 형태에도 상당한 변화가 있음을 확인했습니다.74 또한 Yin 등9은 환원 그래핀 산화물 나노복합체에 노출된 후 조류의 형태 변화를 밝혀냈습니다. 따라서 미세조류의 크기/형태 변화는 MXene의 존재에 의해 유발된다는 것이 분명합니다. 크기와 모양의 변화는 영양분 흡수량의 변화를 나타내므로, 시간에 따른 크기 및 모양 매개변수 분석을 통해 Nb-MXene이 존재하는 환경에서 미세조류의 산화니오븀 흡수량을 확인할 수 있을 것으로 생각합니다.
더욱이, MXene은 조류의 존재 하에서 산화될 수 있습니다. Dalai 등75은 나노 TiO2 및 Al2O376에 노출된 녹조류의 형태가 균일하지 않다는 것을 관찰했습니다. 우리의 관찰 결과는 본 연구와 유사하지만, 이는 나노입자가 아닌 2차원 나노플레이크의 존재 하에서 MXene 분해 생성물 측면에서 생물정화 효과 연구에만 해당됩니다. MXene은 금속 산화물로 분해될 수 있으므로31,32,77,78, 본 연구의 Nb 나노플레이크 또한 미세조류 세포와 상호작용 후 Nb 산화물을 형성할 수 있다고 추정하는 것이 타당합니다.
산화 과정을 기반으로 한 분해 메커니즘을 통해 2D-Nb 나노플레이크의 감소를 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 가지 방법 모두 2D 물질의 산화를 연구하는 데 적합하며 서로를 보완합니다. HRTEM은 2차원 층상 구조의 분해와 그 결과로 나타나는 금속 산화물 나노입자를 분석할 수 있는 반면, XPS는 표면 결합에 민감합니다. 이를 위해 미세조류 세포 분산액에서 추출한 2D Nb-MXene 나노플레이크, 즉 미세조류 세포와의 반응 후의 형태를 분석했습니다(그림 7 참조).
산화된 (a) SL Nb2CTx 및 (b) SL Nb4C3Tx MXene의 형태를 보여주는 HRTEM 이미지, (c) 환원 후 산화물 생성물의 조성을 보여주는 XPS 분석 결과, (d–f) SL Nb2CTx의 XPS 스펙트럼 구성 요소의 피크 매칭 및 (g–i) 녹색 미세조류로 복원된 Nb4C3Tx SL의 XPS 스펙트럼 구성 요소의 피크 매칭.
HRTEM 연구를 통해 두 종류의 Nb-MXene 나노플레이크의 산화가 확인되었습니다. 나노플레이크는 어느 정도 2차원 형태를 유지했지만, 산화로 인해 MXene 나노플레이크 표면을 덮는 많은 나노입자가 나타났습니다(그림 7a,b 참조). XPS 분석을 통해 Nb 3d 및 O 1s 신호를 분석한 결과, 두 경우 모두 Nb 산화물이 형성되었음을 알 수 있었습니다. 그림 7c에서 볼 수 있듯이, 2차원 MXene인 Nb2CTx와 Nb4C3TX는 NbO 및 Nb2O5 산화물의 존재를 나타내는 Nb 3d 신호를 보였고, O 1s 신호는 2차원 나노플레이크 표면의 기능화와 관련된 O-Nb 결합 수를 나타냈습니다. Nb 산화물의 기여도가 Nb-C 및 Nb3+-O 결합에 비해 지배적임을 확인했습니다.
그림 7g~i는 미세조류 세포에서 분리한 SL Nb2CTx(그림 7d~f 참조) 및 SL Nb4C3TX MXene의 Nb 3d, C 1s 및 O 1s XPS 스펙트럼을 보여줍니다. Nb-MXene의 피크 매개변수에 대한 자세한 내용은 각각 표 S4~5에 제공됩니다. 먼저 Nb 3d의 조성을 분석했습니다. 미세조류 세포에 흡착된 Nb와는 달리, 미세조류 세포에서 분리한 MXene에서는 Nb2O5 외에도 다른 성분들이 발견되었습니다. Nb2CTx SL에서는 Nb3+-O가 15%를 차지했으며, 나머지 Nb 3d 스펙트럼은 Nb2O5(85%)가 대부분을 차지했습니다. 또한, SL Nb4C3TX 샘플은 Nb-C(9%)와 Nb2O5(91%) 성분을 포함하고 있습니다. 여기서 Nb-C는 Nb4C3Tx SR의 금속 탄화물 내부 두 원자층에서 유래합니다. 내부화된 샘플에서와 마찬가지로 C 1s 스펙트럼을 네 가지 구성 요소로 매핑했습니다. 예상대로 C 1s 스펙트럼은 흑연 탄소가 지배적이며, 그 다음으로 미세조류 세포에서 유래한 유기 입자(CHx/CO 및 C=O)의 기여도가 나타납니다. 또한 O 1s 스펙트럼에서는 미세조류 세포의 유기 형태, 산화니오븀 및 흡착된 물의 기여도를 관찰했습니다.
또한, Nb-MXene 분해가 배양액 및/또는 미세조류 세포 내 반응성 산소종(ROS)의 존재와 관련이 있는지 조사했습니다. 이를 위해 배양액 내 단일항산소(¹O₂) 수준과 미세조류에서 항산화제 역할을 하는 티올인 세포 내 글루타티온 수준을 측정했습니다. 결과는 보충 자료(그림 S20 및 S21)에 제시되어 있습니다. SL Nb2CTx 및 Nb4C3TX MXene을 사용한 배양액에서는 ¹O₂ 수준이 감소했습니다(그림 S20 참조). SL Nb2CTx의 경우, MXene ¹O₂는 약 83%까지 감소했습니다. SL Nb4C3TX를 사용한 미세조류 배양액에서는 ¹O₂가 73%까지 더욱 감소했습니다. 흥미롭게도, ¹O₂의 변화는 이전에 관찰된 억제-자극 효과와 동일한 경향을 보였습니다(그림 3 참조). 밝은 빛 아래에서 배양하면 광산화에 변화가 생길 수 있다는 주장이 제기될 수 있습니다. 그러나 대조 분석 결과, 실험 기간 동안 IO2 수치는 거의 일정하게 유지되었습니다(그림 S22). 세포 내 ROS 수치 또한 동일한 감소 추세를 보였습니다(그림 S21 참조). 초기에는 Nb2CTx 및 Nb4C3Tx SL이 존재하는 환경에서 배양된 미세조류 세포의 ROS 수치가 순수 미세조류 배양액에서 측정된 수치보다 높았습니다. 그러나 시간이 지남에 따라 미세조류는 두 Nb-MXene의 존재에 적응한 것으로 보이며, ROS 수치는 Nb2CTx 및 Nb4C3TX SL을 접종한 순수 미세조류 배양액에서 측정된 수치의 각각 85% 및 91% 수준으로 감소했습니다. 이는 미세조류가 영양 배지만 있는 환경보다 Nb-MXene이 존재하는 환경에서 시간이 지남에 따라 더 안정적으로 생존한다는 것을 시사할 수 있습니다.
미세조류는 다양한 광합성 유기체 집단입니다. 광합성 과정에서 대기 중 이산화탄소(CO2)를 유기 탄소로 전환합니다. 광합성 산물은 포도당과 산소입니다.79 이렇게 생성된 산소가 Nb-MXene의 산화에 중요한 역할을 할 것으로 추측됩니다. 이에 대한 한 가지 가능한 설명은 Nb-MXene 나노플레이크의 외부와 내부의 산소 분압이 낮고 높은 영역에서 차등 통기 매개변수가 형성된다는 것입니다. 즉, 산소 분압이 다른 영역이 있는 곳에서는 분압이 가장 낮은 영역이 양극을 형성하게 됩니다.80, 81, 82 여기서 미세조류는 MXene 플레이크 표면에 차등 통기 세포를 생성하는 데 기여하며, 이 세포들은 광합성 특성으로 인해 산소를 생성합니다. 결과적으로 생물 부식 생성물(이 경우 니오븀 산화물)이 생성됩니다. 또 다른 측면은 미세조류가 유기산을 생성하여 물속으로 방출할 수 있다는 것입니다.83, 84 따라서 공격적인 환경이 형성되어 Nb-MXene이 변형됩니다. 또한 미세조류는 이산화탄소 흡수로 인해 환경의 pH를 알칼리성으로 변화시킬 수 있으며, 이는 부식을 유발할 수도 있습니다.79
더욱 중요한 것은, 본 연구에서 사용된 광주기(암/광주기)가 얻어진 결과를 이해하는 데 매우 중요하다는 점입니다. 이 측면은 Djemai-Zoghlache 등85의 연구에서 자세히 설명되어 있습니다. 그들은 붉은 미세조류인 Porphyridium purpureum에 의한 생물막 오염과 관련된 생물부식을 보여주기 위해 의도적으로 12시간/12시간 광주기를 사용했습니다. 그들은 광주기가 생물부식 없이 발생하는 전위의 변화와 관련이 있으며, 이는 24시를 중심으로 유사주기적 진동으로 나타난다는 것을 보여주었습니다. 이러한 관찰 결과는 Dowling 등86에 의해 확인되었습니다. 그들은 남세균 Anabaena의 광합성 생물막을 연구했습니다. 빛의 작용으로 용존산소가 생성되는데, 이는 자유 생물부식 전위의 변화 또는 변동과 관련이 있습니다. 생물부식에 대한 자유 전위가 밝은 시간대에는 증가하고 어두운 시간대에는 감소한다는 사실은 광주기의 중요성을 강조합니다. 이는 광합성 미세조류가 생성하는 산소로 인해 전극 근처에서 생성되는 부분압을 통해 음극 반응에 영향을 미치기 때문입니다.87
또한, 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 사용하여 Nb-MXenes와의 상호작용 후 미세조류 세포의 화학적 조성에 변화가 있는지 확인했습니다. 얻어진 결과는 복잡하며, 자세한 내용은 보충 자료(그림 S23-S25, MAX 단계 및 ML MXenes 결과 포함)에 제시되어 있습니다. 요약하면, 얻어진 미세조류의 참조 스펙트럼은 이러한 유기체의 화학적 특성에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 가장 가능성이 높은 진동은 1060 cm⁻¹(CO), 1540 cm⁻¹, 1640 cm⁻¹(C=C), 1730 cm⁻¹(C=O), 2850 cm⁻¹, 2920 cm⁻¹(C–H) 및 3280 cm⁻¹(O–H) 주파수에 위치합니다. SL Nb-MXenes의 경우, 이전 연구38와 일치하는 CH 결합 신축 신호를 발견했습니다. 그러나 C=C 및 CH 결합과 관련된 일부 추가 피크가 사라지는 것을 관찰했습니다. 이는 미세조류의 화학적 조성이 SL Nb-MXene과의 상호작용으로 인해 미미한 변화를 겪을 수 있음을 나타냅니다.
미세조류의 생화학적 변화 가능성을 고려할 때, 산화니오븀과 같은 무기산화물 축적에 대한 재고가 필요합니다.59 이는 세포 표면의 금속 흡수, 세포질 내 이동, 세포 내 카르복실기와의 결합, 그리고 미세조류 폴리포스포솜에의 축적과 관련이 있습니다.20,88,89,90 또한, 미세조류와 금속 간의 관계는 세포의 기능기들에 의해 유지됩니다. 따라서 흡수는 미세조류 표면 화학에도 의존하는데, 이는 상당히 복잡합니다.9,91 일반적으로 예상대로 산화니오븀 흡수로 인해 녹색 미세조류의 화학적 조성은 약간 변화했습니다.
흥미롭게도, 관찰된 미세조류의 초기 성장 억제는 시간이 지남에 따라 가역적이었습니다. 관찰 결과, 미세조류는 초기 환경 변화를 극복하고 결국 정상적인 성장 속도를 회복했으며 심지어 증가하기도 했습니다. 제타 전위 연구 결과, 영양 배지에 도입되었을 때 높은 안정성을 보였습니다. 따라서, 미세조류 세포와 Nb-MXene 나노플레이크 사이의 표면 상호작용은 환원 실험 전반에 걸쳐 유지되었습니다. 추가 분석에서, 우리는 이러한 미세조류의 놀라운 행동을 뒷받침하는 주요 작용 메커니즘을 요약했습니다.
주사전자현미경(SEM) 관찰 결과, 미세조류가 Nb-MXene에 부착되는 경향이 있음을 확인했습니다. 동적 이미지 분석을 통해 이러한 부착 현상이 2차원 Nb-MXene 나노플레이크를 구형 입자로 변형시키는 것을 확인했으며, 이는 나노플레이크의 분해가 산화와 관련이 있음을 보여줍니다. 이러한 가설을 검증하기 위해 일련의 물질 및 생화학적 연구를 수행했습니다. 실험 결과, 나노플레이크는 점차 산화되어 NbO와 Nb2O5로 분해되었으며, 이는 녹색 미세조류에 위협이 되지 않았습니다. 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 분석 결과, 2차원 Nb-MXene 나노플레이크 존재 하에서 배양된 미세조류의 화학적 조성에는 유의미한 변화가 없었습니다. 미세조류의 산화니오븀 흡수 가능성을 고려하여 X선 형광 분석(XRF)을 수행했습니다. 이러한 결과는 연구 대상 미세조류가 무독성인 산화니오븀(NbO 및 Nb2O5)을 섭취한다는 것을 명확히 보여줍니다.