Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. U gebruikt een browserversie met beperkte CSS-ondersteuning. Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om de ondersteuning te blijven garanderen, zullen we de site in de tussentijd zonder stijlen en JavaScript weergeven.
Toont een carrousel met drie dia's tegelijk. Gebruik de knoppen Vorige en Volgende om door drie dia's tegelijk te bladeren, of gebruik de schuifregelaars aan het einde om door drie dia's tegelijk te bladeren.
De snelle ontwikkeling van nanotechnologie en de integratie ervan in alledaagse toepassingen kunnen een bedreiging vormen voor het milieu. Hoewel groene methoden voor de afbraak van organische verontreinigingen goed ingeburgerd zijn, is de verwijdering van anorganische kristallijne verontreinigingen een belangrijk aandachtspunt vanwege hun lage gevoeligheid voor biotransformatie en het gebrek aan inzicht in de interacties tussen materiaaloppervlakken en biologische processen. In dit onderzoek gebruiken we een op Nb gebaseerd anorganisch 2D MXene-model, gecombineerd met een eenvoudige methode voor vormparameteranalyse, om het bioremediatiemechanisme van 2D keramische nanomaterialen door de groene microalg Raphidocelis subcapitata te traceren. We ontdekten dat microalgen op Nb gebaseerde MXenes afbreken als gevolg van oppervlaktegerelateerde fysisch-chemische interacties. Aanvankelijk hechtten enkellaagse en meerlaagse MXene-nanovlokken zich aan het oppervlak van de microalgen, wat de groei van de algen enigszins remde. Bij langdurige interactie met het oppervlak oxideerden de microalgen de MXene-nanovlokken echter en braken ze verder af tot NbO en Nb2O5. Omdat deze oxiden niet giftig zijn voor microalgen, nemen ze Nb-oxide-nanodeeltjes op via een absorptiemechanisme dat de microalgen na 72 uur waterzuivering verder herstelt. De effecten van voedingsstoffen die met de absorptie gepaard gaan, worden ook weerspiegeld in de toename van het celvolume, hun gladde vorm en de verandering in de groeisnelheid. Op basis van deze bevindingen concluderen we dat de aanwezigheid van Nb-gebaseerde MXenes op korte en lange termijn in zoetwaterecosystemen slechts geringe milieueffecten kan veroorzaken. Het is opmerkelijk dat we, door tweedimensionale nanomaterialen als modelsystemen te gebruiken, de mogelijkheid aantonen om vormveranderingen te volgen, zelfs in fijnkorrelige materialen. Over het geheel genomen beantwoordt deze studie een belangrijke fundamentele vraag over oppervlakte-interactieprocessen die het bioremediatiemechanisme van 2D-nanomaterialen aansturen en biedt een basis voor verder onderzoek op korte en lange termijn naar de milieueffecten van anorganische kristallijne nanomaterialen.
Nanomaterialen hebben sinds hun ontdekking veel belangstelling gewekt en diverse nanotechnologieën bevinden zich recentelijk in een moderniseringsfase¹. Helaas kan de integratie van nanomaterialen in alledaagse toepassingen leiden tot onbedoelde lozingen als gevolg van onjuiste verwijdering, onzorgvuldige behandeling of ontoereikende veiligheidsinfrastructuur. Het is daarom aannemelijk dat nanomaterialen, waaronder tweedimensionale (2D) nanomaterialen, in het natuurlijke milieu terecht kunnen komen, waarvan het gedrag en de biologische activiteit nog niet volledig bekend zijn. Het is dan ook niet verwonderlijk dat de bezorgdheid over ecotoxiciteit zich richt op het vermogen van 2D nanomaterialen om in aquatische systemen terecht te komen²,³,⁴,⁵,⁶. In deze ecosystemen kunnen sommige 2D nanomaterialen een wisselwerking aangaan met diverse organismen op verschillende trofische niveaus, waaronder microalgen.
Microalgen zijn primitieve organismen die van nature voorkomen in zoetwater- en mariene ecosystemen en die via fotosynthese een verscheidenheid aan chemische producten produceren7. Daardoor zijn ze cruciaal voor aquatische ecosystemen8,9,10,11,12, maar ze zijn ook gevoelige, goedkope en veelgebruikte indicatoren voor ecotoxiciteit13,14. Omdat microalgen zich snel vermenigvuldigen en snel reageren op de aanwezigheid van verschillende verbindingen, zijn ze veelbelovend voor de ontwikkeling van milieuvriendelijke methoden voor de behandeling van met organische stoffen verontreinigd water15,16.
Algencellen kunnen anorganische ionen uit water verwijderen door middel van biosorptie en accumulatie17,18. Van sommige algensoorten, zoals Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue en Synechococcus sp., is aangetoond dat ze giftige metaalionen zoals Fe2+, Cu2+, Zn2+ en Mn2+ kunnen dragen en zelfs voeden19. Andere studies hebben aangetoond dat Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ of Pb2+ ionen de groei van Scenedesmus beperken door de celmorfologie te veranderen en hun chloroplasten te vernietigen20,21.
Groene methoden voor de afbraak van organische verontreinigingen en de verwijdering van zware metaalionen hebben de aandacht getrokken van wetenschappers en ingenieurs over de hele wereld. Dit komt vooral doordat deze verontreinigingen gemakkelijk in de vloeibare fase kunnen worden verwerkt. Anorganische kristallijne verontreinigingen worden echter gekenmerkt door een lage wateroplosbaarheid en een lage gevoeligheid voor diverse biotransformaties, wat grote moeilijkheden oplevert bij sanering, en er is weinig vooruitgang geboekt op dit gebied22,23,24,25,26. De zoektocht naar milieuvriendelijke oplossingen voor de reparatie van nanomaterialen blijft daarom een ​​complex en onontgonnen gebied. Vanwege de grote onzekerheid over de biotransformatie-effecten van 2D-nanomaterialen is het niet eenvoudig om de mogelijke afbraakroutes tijdens reductie te achterhalen.
In deze studie gebruikten we groene microalgen als actief waterig bioremediatiemiddel voor anorganische keramische materialen, gecombineerd met in situ monitoring van het degradatieproces van MXene als representatief anorganisch keramisch materiaal. De term "MXene" weerspiegelt de stoichiometrie van het Mn+1XnTx-materiaal, waarbij M een vroeg overgangsmetaal is, X koolstof en/of stikstof is, Tx een oppervlakteterminator is (bijv. -OH, -F, -Cl) en n = 1, 2, 3 of 427,28. Sinds de ontdekking van MXenes door Naguib et al. Sensorics, kankertherapie en membraanfiltratie 27,29,30. Bovendien kunnen MXenes worden beschouwd als model 2D-systemen vanwege hun uitstekende colloïdale stabiliteit en mogelijke biologische interacties31,32,33,34,35,36.
De in dit artikel ontwikkelde methodologie en onze onderzoekshypothesen worden daarom weergegeven in Figuur 1. Volgens deze hypothese breken microalgen Nb-gebaseerde MXenes af tot niet-toxische verbindingen door oppervlaktegebonden fysisch-chemische interacties, waardoor de algen verder kunnen worden hersteld. Om deze hypothese te testen, werden twee leden van de familie van vroege niobium-gebaseerde overgangsmetaalcarbiden en/of -nitriden (MXenes), namelijk Nb2CTx en Nb4C3TX, geselecteerd.
Onderzoeksmethodologie en op bewijs gebaseerde hypothesen voor MXene-winning door de groene microalg Raphidocelis subcapitata. Let op: dit is slechts een schematische weergave van op bewijs gebaseerde aannames. De omgeving van het meer verschilt in het gebruikte voedingsmedium en de omstandigheden (bijv. de dagelijkse cyclus en beperkingen in beschikbare essentiële voedingsstoffen). Gemaakt met BioRender.com.
Door MXene als modelsysteem te gebruiken, hebben we de weg vrijgemaakt voor de studie van diverse biologische effecten die niet waarneembaar zijn met andere conventionele nanomaterialen. In het bijzonder tonen we de mogelijkheid aan van bioremediatie van tweedimensionale nanomaterialen, zoals niobium-gebaseerde MXenes, door de microalg Raphidocelis subcapitata. Microalgen zijn in staat Nb-MXenes af te breken tot de niet-toxische oxiden NbO en Nb2O5, die tevens voedingsstoffen leveren via het niobiumopnamemechanisme. Over het geheel genomen beantwoordt deze studie een belangrijke fundamentele vraag over de processen die samenhangen met fysisch-chemische interacties aan het oppervlak en die de mechanismen van bioremediatie van tweedimensionale nanomaterialen bepalen. Daarnaast ontwikkelen we een eenvoudige methode op basis van vormparameters om subtiele veranderingen in de vorm van 2D-nanomaterialen te volgen. Dit inspireert verder onderzoek op korte en lange termijn naar de diverse milieueffecten van anorganische kristallijne nanomaterialen. Zo vergroot onze studie het begrip van de interactie tussen het materiaaloppervlak en biologisch materiaal. We leggen hiermee ook de basis voor uitgebreidere studies op korte en lange termijn naar de mogelijke gevolgen ervan voor zoetwaterecosystemen, die nu eenvoudig te verifiëren zijn.
MXenes vertegenwoordigen een interessante materiaalklasse met unieke en aantrekkelijke fysische en chemische eigenschappen en daardoor vele potentiële toepassingen. Deze eigenschappen zijn grotendeels afhankelijk van hun stoichiometrie en oppervlaktechemie. Daarom hebben we in ons onderzoek twee typen Nb-gebaseerde hiërarchische enkellaagse (SL) MXenes onderzocht, Nb2CTx en Nb4C3TX, aangezien er verschillende biologische effecten van deze nanomaterialen waargenomen konden worden. MXenes worden geproduceerd uit hun uitgangsmaterialen door middel van top-down selectieve etsing van atoomdunne MAX-fase A-lagen. De MAX-fase is een ternair keramisch materiaal dat bestaat uit "gebonden" blokken van overgangsmetaalcarbiden en dunne lagen van "A"-elementen zoals Al, Si en Sn met een MnAXn-1 stoichiometrie. De morfologie van de initiële MAX-fase werd waargenomen met behulp van scanningelektronenmicroscopie (SEM) en was consistent met eerdere studies (zie Aanvullende informatie, SI, Figuur S1). Meerlaags (ML) Nb-MXene werd verkregen na verwijdering van de Al-laag met 48% HF (fluorwaterstofzuur). De morfologie van ML-Nb2CTx en ML-Nb4C3TX werd onderzocht met behulp van scanningelektronenmicroscopie (SEM) (respectievelijk figuren S1c en S1d) en er werd een typische gelaagde MXene-morfologie waargenomen, vergelijkbaar met tweedimensionale nanoflakes die door langwerpige, porieachtige spleten lopen. Beide Nb-MXenes hebben veel gemeen met MXene-fasen die eerder zijn gesynthetiseerd door middel van zuuretsen27,38. Na bevestiging van de MXene-structuur hebben we deze gelaagd door intercalatie van tetrabutylammoniumhydroxide (TBAOH), gevolgd door wassen en sonificatie, waarna we enkellaags of laaglaags (SL) 2D Nb-MXene-nanoflakes verkregen.
We gebruikten transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (HRTEM) en röntgendiffractie (XRD) om de efficiëntie van etsen en verder afpellen te testen. De HRTEM-resultaten, verwerkt met behulp van de inverse snelle Fourier-transformatie (IFFT) en de snelle Fourier-transformatie (FFT), worden weergegeven in Fig. 2. Nb-MXene-nanovlokken werden met de rand naar boven georiënteerd om de structuur van de atomaire laag te controleren en de interplanaire afstanden te meten. HRTEM-beelden van MXene Nb2CTx- en Nb4C3TX-nanovlokken onthulden hun atomair dunne gelaagde aard (zie Fig. 2a1, a2), zoals eerder gerapporteerd door Naguib et al.27 en Jastrzębska et al.38. Voor twee aangrenzende Nb2CTx- en Nb4C3Tx-monolagen bepaalden we interlaagafstanden van respectievelijk 0,74 en 1,54 nm (Fig. 2b1, b2), wat ook overeenkomt met onze eerdere resultaten38. Dit werd verder bevestigd door de inverse snelle Fourier-transformatie (Fig. 2c1, c2) en de snelle Fourier-transformatie (Fig. 2d1, d2), die de afstand tussen de Nb2CTx- en Nb4C3Tx-monolagen weergeven. De afbeelding toont een afwisseling van lichte en donkere banden die overeenkomen met niobium- en koolstofatomen, wat de gelaagde structuur van de bestudeerde MXenes bevestigt. Het is belangrijk op te merken dat de energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDX)-spectra die zijn verkregen voor Nb2CTx en Nb4C3Tx (Figuren S2a en S2b) geen restanten van de oorspronkelijke MAX-fase vertoonden, aangezien er geen Al-piek werd gedetecteerd.
Karakterisering van SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene nanoflakes, inclusief (a) HRTEM-beeldvorming van de nanoflake in zijaanzicht en bijbehorende (b) intensiteitsmodus, (c) inverse snelle Fourier-transformatie (IFFT), (d) snelle Fourier-transformatie (FFT), (e) Nb-MXene röntgendiffractiepatronen. Voor SL 2D Nb2CTx worden de nummers weergegeven als (a1, b1, c1, d1, e1). Voor SL 2D Nb4C3Tx worden de nummers weergegeven als (a2, b2, c2, d2, e1).
Röntgen diffractiemetingen van SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXenes worden weergegeven in respectievelijk figuur 2e1 en e2. Pieken (002) bij 4,31 en 4,32 komen overeen met de eerder beschreven gelaagde MXenes Nb2CTx en Nb4C3TX38,39,40,41. De XRD-resultaten wijzen ook op de aanwezigheid van enkele resterende ML-structuren en MAX-fasen, maar voornamelijk XRD-patronen die geassocieerd zijn met SL Nb4C3Tx (figuur 2e2). De aanwezigheid van kleinere deeltjes van de MAX-fase kan de sterkere MAX-piek verklaren in vergelijking met de willekeurig gestapelde Nb4C3Tx-lagen.
Verder onderzoek heeft zich gericht op groene microalgen van de soort R. subcapitata. We kozen voor microalgen omdat ze belangrijke producenten zijn die betrokken zijn bij grote voedselwebben42. Ze zijn ook een van de beste indicatoren voor toxiciteit vanwege hun vermogen om giftige stoffen te verwijderen die naar hogere niveaus in de voedselketen worden getransporteerd43. Daarnaast kan onderzoek naar R. subcapitata licht werpen op de incidentele toxiciteit van SL Nb-MXenes voor veelvoorkomende zoetwatermicro-organismen. Om dit te illustreren, veronderstelden de onderzoekers dat elke microbe een andere gevoeligheid heeft voor giftige stoffen in het milieu. Voor de meeste organismen hebben lage concentraties van stoffen geen invloed op hun groei, terwijl concentraties boven een bepaalde grens ze kunnen remmen of zelfs de dood kunnen veroorzaken. Daarom hebben we voor onze studies naar de oppervlakte-interactie tussen microalgen en MXenes en het bijbehorende herstel besloten om de onschadelijke en toxische concentraties van Nb-MXenes te testen. Om dit te doen, hebben we concentraties van 0 (als referentie), 0,01, 0,1 en 10 mg l-1 MXene getest en daarnaast microalgen geïnfecteerd met zeer hoge concentraties MXene (100 mg l-1 MXene), wat extreem en dodelijk kan zijn voor elke biologische omgeving.
De effecten van SL Nb-MXenes op microalgen worden weergegeven in Figuur 3, uitgedrukt als het percentage groeibevordering (+) of -remming (-) gemeten voor monsters van 0 mg l-1. Ter vergelijking werden ook de Nb-MAX-fase en ML Nb-MXenes getest en de resultaten hiervan zijn te vinden in de aanvullende informatie (zie Fig. S3). De verkregen resultaten bevestigen dat SL Nb-MXenes vrijwel geen toxiciteit vertoont in het lage concentratiebereik van 0,01 tot 10 mg/l, zoals weergegeven in Fig. 3a,b. In het geval van Nb2CTx werd in het genoemde bereik niet meer dan 5% ecotoxiciteit waargenomen.
Stimulatie (+) of remming (-) van de groei van microalgen in aanwezigheid van SL (a) Nb2CTx en (b) Nb4C3TX MXene. De interactie tussen MXene en microalgen werd geanalyseerd na 24, 48 en 72 uur. Significante gegevens (t-test, p < 0,05) zijn gemarkeerd met een asterisk (*). Significante gegevens (t-test, p < 0,05) zijn gemarkeerd met een asterisk (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Significante gegevens (t-test, p < 0,05) zijn gemarkeerd met een asterisk (*).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 (*). Belangrijke gegevens (t-test, p < 0,05) zijn gemarkeerd met een asterisk (*).Rode pijlen geven het opheffen van de remmende stimulatie aan.
Aan de andere kant bleken lage concentraties Nb4C3TX iets toxischer te zijn, maar niet meer dan 7%. Zoals verwacht, zagen we dat MXenes een hogere toxiciteit en remming van de microalgengroei vertoonden bij 100 mg L-1. Interessant genoeg vertoonde geen van de materialen dezelfde trend en tijdsafhankelijkheid van de niet-toxische/toxische effecten in vergelijking met de MAX- of ML-monsters (zie SI voor details). Terwijl de toxiciteit in de MAX-fase (zie Fig. S3) ongeveer 15-25% bereikte en in de loop van de tijd toenam, werd de omgekeerde trend waargenomen voor SL Nb2CTx en Nb4C3TX MXene. De remming van de microalgengroei nam in de loop van de tijd af. Deze bereikte ongeveer 17% na 24 uur en daalde tot minder dan 5% na 72 uur (respectievelijk Fig. 3a en b).
Belangrijker nog, voor SL Nb4C3TX bereikte de remming van de microalgengroei na 24 uur ongeveer 27%, maar na 72 uur daalde deze tot ongeveer 1%. Daarom hebben we het waargenomen effect aangeduid als omgekeerde remming van stimulatie, en het effect was sterker voor SL Nb4C3TX MXene. De stimulatie van de microalgengroei werd eerder waargenomen met Nb4C3TX (interactie bij 10 mg L-1 gedurende 24 uur) vergeleken met SL Nb2CTx MXene. Het omkeereffect van remming en stimulatie werd ook duidelijk weergegeven in de curve van de verdubbelingssnelheid van de biomassa (zie Fig. S4 voor details). Tot nu toe is alleen de ecotoxiciteit van Ti3C2TX MXene op verschillende manieren bestudeerd. Het is niet toxisch voor zebravisembryo's44, maar matig ecotoxisch voor de microalg Desmodesmus quadricauda en Sorghum saccharatum-planten45. Andere voorbeelden van specifieke effecten zijn onder meer een hogere toxiciteit voor kankercellijnen dan voor normale cellijnen46,47. Men zou kunnen aannemen dat de testomstandigheden de veranderingen in de groei van microalgen die in aanwezigheid van Nb-MXenes worden waargenomen, zouden beïnvloeden. Een pH van ongeveer 8 in het chloroplaststroma is bijvoorbeeld optimaal voor een efficiënte werking van het RuBisCO-enzym. Daarom hebben pH-veranderingen een negatieve invloed op de fotosynthesesnelheid48,49. We hebben echter geen significante pH-veranderingen waargenomen tijdens het experiment (zie SI, Fig. S5 voor details). Over het algemeen verlaagden culturen van microalgen met Nb-MXenes de pH van de oplossing in de loop van de tijd enigszins. Deze daling was echter vergelijkbaar met een verandering in de pH van een zuiver medium. Bovendien was het bereik van de gevonden variaties vergelijkbaar met dat gemeten voor een zuivere cultuur van microalgen (controlemonster). We concluderen daarom dat fotosynthese niet wordt beïnvloed door veranderingen in de pH in de loop van de tijd.
Bovendien hebben de gesynthetiseerde MXenes oppervlakte-eindgroepen (aangeduid als Tx). Dit zijn voornamelijk functionele groepen -O, -F en -OH. De oppervlaktechemie is echter direct gerelateerd aan de synthesemethode. Deze groepen zijn willekeurig verdeeld over het oppervlak, waardoor het moeilijk is om hun effect op de eigenschappen van MXene50 te voorspellen. Er kan worden gesteld dat Tx de katalytische kracht zou kunnen zijn voor de oxidatie van niobium door licht. Oppervlaktefunctionele groepen bieden inderdaad meerdere ankerpunten voor hun onderliggende fotokatalysatoren om heteroverbindingen te vormen51. De samenstelling van het groeimedium leverde echter geen effectieve fotokatalysator op (de gedetailleerde samenstelling van het medium is te vinden in Tabel S6 in de aanvullende informatie). Daarnaast is elke oppervlaktemodificatie ook erg belangrijk, aangezien de biologische activiteit van MXenes kan worden gewijzigd door nabewerking van de laag, oxidatie, chemische oppervlaktemodificatie met organische en anorganische verbindingen52,53,54,55,56 of oppervlakte-ladingsmanipulatie38. Om te testen of niobiumoxide iets te maken heeft met de instabiliteit van het materiaal in het medium, hebben we daarom onderzoek gedaan naar de zeta-potentiaal (ζ) in een kweekmedium voor microalgen en in gedemineraliseerd water (ter vergelijking). Onze resultaten tonen aan dat SL Nb-MXenes redelijk stabiel zijn (zie Fig. S6 in de aanvullende informatie voor de MAX- en ML-resultaten). De zeta-potentiaal van SL MXenes is ongeveer -10 mV. In het geval van SR Nb2CTx is de ζ-waarde iets negatiever dan die van Nb4C3Tx. Een dergelijke verandering in de ζ-waarde kan erop wijzen dat het oppervlak van negatief geladen MXene-nanovlokken positief geladen ionen uit het kweekmedium absorbeert. Tijdsmetingen van de zeta-potentiaal en geleidbaarheid van Nb-MXenes in kweekmedium (zie Figuren S7 en S8 in de aanvullende informatie voor meer details) lijken onze hypothese te ondersteunen.
Beide Nb-MXene SL's vertoonden echter minimale veranderingen ten opzichte van nul. Dit toont duidelijk hun stabiliteit in het microalgenkweekmedium aan. Daarnaast hebben we onderzocht of de aanwezigheid van onze groene microalgen de stabiliteit van Nb-MXenes in het medium zou beïnvloeden. De resultaten van de zeta-potentiaal en geleidbaarheid van MXenes na interactie met microalgen in voedingsmedium en kweek over tijd zijn te vinden in de aanvullende informatie (figuren S9 en S10). Interessant genoeg merkten we op dat de aanwezigheid van microalgen de dispersie van beide MXenes leek te stabiliseren. In het geval van Nb2CTx SL nam de zeta-potentiaal zelfs licht af in de loop van de tijd naar meer negatieve waarden (-15,8 versus -19,1 mV na 72 uur incubatie). De zeta-potentiaal van SL Nb4C3TX nam licht toe, maar vertoonde na 72 uur nog steeds een hogere stabiliteit dan nanoflakes zonder de aanwezigheid van microalgen (-18,1 versus -9,1 mV).
We vonden ook een lagere geleidbaarheid van Nb-MXene-oplossingen die in aanwezigheid van microalgen waren geïncubeerd, wat wijst op een lagere hoeveelheid ionen in het voedingsmedium. De instabiliteit van MXenes in water is met name te wijten aan oppervlakteoxidatie57. Daarom vermoeden we dat groene microalgen de op het oppervlak van Nb-MXene gevormde oxiden op de een of andere manier hebben verwijderd en zelfs hun ontstaan ​​(oxidatie van MXene) hebben voorkomen. Dit kan worden aangetoond door de soorten stoffen te bestuderen die door microalgen worden geabsorbeerd.
Hoewel onze ecotoxicologische studies aantoonden dat microalgen de toxiciteit van Nb-MXenes na verloop van tijd en de ongebruikelijke remming van gestimuleerde groei konden overwinnen, was het doel van onze studie om mogelijke werkingsmechanismen te onderzoeken. Wanneer organismen zoals algen worden blootgesteld aan verbindingen of materialen die onbekend zijn in hun ecosystemen, kunnen ze op verschillende manieren reageren58,59. Bij afwezigheid van toxische metaaloxiden kunnen microalgen zichzelf voeden, waardoor ze continu kunnen groeien60. Na inname van toxische stoffen kunnen verdedigingsmechanismen worden geactiveerd, zoals het veranderen van vorm of structuur. Ook de mogelijkheid van absorptie moet worden overwogen58,59. Elk teken van een verdedigingsmechanisme is een duidelijke indicator van de toxiciteit van de testverbinding. Daarom hebben we in ons vervolgonderzoek de potentiële oppervlakte-interactie tussen SL Nb-MXene nanoflakes en microalgen onderzocht met behulp van SEM en de mogelijke absorptie van Nb-gebaseerde MXene met röntgenfluorescentiespectroscopie (XRF). Merk op dat SEM- en XRF-analyses alleen bij de hoogste MXene-concentratie zijn uitgevoerd om problemen met activiteitstoxiciteit aan te pakken.
De SEM-resultaten worden weergegeven in Fig. 4. Onbehandelde microalgencellen (zie Fig. 4a, referentiemonster) vertoonden duidelijk de typische morfologie van R. subcapitata en een croissantachtige celvorm. De cellen lijken afgeplat en enigszins ongeorganiseerd. Sommige microalgencellen overlapten en raakten met elkaar verstrengeld, maar dit werd waarschijnlijk veroorzaakt door het preparatieproces van het monster. Over het algemeen hadden zuivere microalgencellen een glad oppervlak en vertoonden ze geen morfologische veranderingen.
SEM-afbeeldingen die de interactie tussen groene microalgen en MXene-nanovellen na 72 uur interactie bij een extreme concentratie (100 mg L-1) laten zien. (a) Onbehandelde groene microalgen na interactie met SL (b) Nb2CTx en (c) Nb4C3TX MXenes. De Nb-MXene-nanovlokken zijn gemarkeerd met rode pijlen. Ter vergelijking zijn ook foto's van een optische microscoop toegevoegd.
Daarentegen raakten microalgencellen die geadsorbeerd waren aan SL Nb-MXene nanoflakes beschadigd (zie figuur 4b, c, rode pijlen). In het geval van Nb2CTx MXene (figuur 4b) hebben microalgen de neiging om te groeien met aangehechte tweedimensionale nanodeeltjes, wat hun morfologie kan veranderen. Opvallend is dat we deze veranderingen ook onder een lichtmicroscoop hebben waargenomen (zie aanvullende figuur S11 voor details). Deze morfologische overgang heeft een plausibele basis in de fysiologie van microalgen en hun vermogen om zich te verdedigen door de celmorfologie te veranderen, zoals het vergroten van het celvolume61. Daarom is het belangrijk om te controleren hoeveel microalgencellen daadwerkelijk in contact komen met Nb-MXenes. SEM-onderzoek toonde aan dat ongeveer 52% van de microalgencellen werd blootgesteld aan Nb-MXenes, terwijl 48% van deze microalgencellen contact vermeed. Bij SL Nb4C3Tx MXene proberen microalgen contact met MXene te vermijden, waardoor ze zich lokaliseren en groeien vanuit tweedimensionale nanoschaal (Fig. 4c). We hebben echter geen penetratie van de nanoschaal in de microalgencellen en schade daaraan waargenomen.
Zelfbehoud is ook een tijdsafhankelijke reactie op de blokkering van de fotosynthese als gevolg van de adsorptie van deeltjes op het celoppervlak en het zogenaamde schaduweffect62. Het is duidelijk dat elk object (bijvoorbeeld Nb-MXene nanoflakes) dat zich tussen de microalgen en de lichtbron bevindt, de hoeveelheid licht beperkt die door de chloroplasten wordt geabsorbeerd. We twijfelen er echter niet aan dat dit een significante invloed heeft op de verkregen resultaten. Zoals blijkt uit onze microscopische waarnemingen, waren de 2D nanoflakes niet volledig om het oppervlak van de microalgen gewikkeld of eraan gehecht, zelfs niet wanneer de microalgencellen in contact waren met Nb-MXenes. In plaats daarvan bleken de nanoflakes zich naar de microalgencellen te richten zonder hun oppervlak te bedekken. Een dergelijke combinatie van nanoflakes en microalgen kan de hoeveelheid licht die door de microalgencellen wordt geabsorbeerd niet significant beperken. Bovendien hebben sommige studies zelfs een verbetering in de lichtabsorptie door fotosynthetische organismen aangetoond in de aanwezigheid van tweedimensionale nanomaterialen63,64,65,66.
Omdat SEM-afbeeldingen de opname van niobium door microalgencellen niet direct konden bevestigen, richtten we ons in ons vervolgonderzoek op röntgenfluorescentie (XRF) en röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) om dit te verduidelijken. We vergeleken daarom de intensiteit van de Nb-pieken van referentiemonsters van microalgen die niet met MXenes in contact waren gekomen, MXene-nanovlokken die van het oppervlak van microalgencellen waren losgekomen, en microalgencellen nadat de aangehechte MXenes waren verwijderd. Het is belangrijk op te merken dat als er geen Nb-opname plaatsvindt, de Nb-waarde die door de microalgencellen wordt verkregen nul zou moeten zijn na verwijdering van de aangehechte nanodeeltjes. Als er dus wel Nb-opname plaatsvindt, zouden zowel XRF- als XPS-resultaten een duidelijke Nb-piek moeten laten zien.
In het geval van XRF-spectra vertoonden microalgenmonsters Nb-pieken voor SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene na interactie met SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene (zie Fig. 5a; de resultaten voor MAX en ML MXenes zijn te vinden in de aanvullende informatie, Fig. S12–C17). Opvallend is dat de intensiteit van de Nb-piek in beide gevallen gelijk is (rode balken in Fig. 5a). Dit duidt erop dat de algen niet meer Nb konden absorberen en dat de maximale capaciteit voor Nb-accumulatie in de cellen werd bereikt, ondanks dat er tweemaal zoveel Nb4C3Tx MXene aan de microalgencellen was gehecht (blauwe balken in Fig. 5a). Het vermogen van microalgen om metalen te absorberen is afhankelijk van de concentratie metaaloxiden in de omgeving67,68. Shamshada et al.67 ontdekten dat het absorptievermogen van zoetwateralgen afneemt met een stijgende pH. Raize et al.68 merkten op dat het vermogen van zeewier om metalen te absorberen ongeveer 25% hoger was voor Pb2+ dan voor Ni2+.
(a) XRF-resultaten van de basale Nb-opname door groene microalgencellen die gedurende 72 uur zijn geïncubeerd bij een extreme concentratie SL Nb-MXenes (100 mg L-1). De resultaten tonen de aanwezigheid van α in zuivere microalgencellen (controlemonster, grijze kolommen), 2D-nanovlokken geïsoleerd van het oppervlak van microalgencellen (blauwe kolommen) en microalgencellen na scheiding van de 2D-nanovlokken van het oppervlak (rode kolommen). De hoeveelheid elementair Nb, (b) percentage van de chemische samenstelling van organische componenten van microalgen (C=O en CHx/C–O) en Nb-oxiden aanwezig in microalgencellen na incubatie met SL Nb-MXenes, (c–e) aanpassing van de samenstellingspiek van XPS SL Nb2CTx-spectra en (fh) SL Nb4C3Tx MXene opgenomen door microalgencellen.
Daarom verwachtten we dat Nb door algencellen in de vorm van oxiden geabsorbeerd zou kunnen worden. Om dit te testen, voerden we XPS-onderzoek uit op MXenes Nb2CTx en Nb4C3TX en algencellen. De resultaten van de interactie van microalgen met Nb-MXenes en MXenes geïsoleerd uit algencellen worden weergegeven in figuur 5b. Zoals verwacht detecteerden we Nb 3d-pieken in de microalgenmonsters na verwijdering van MXene van het oppervlak van de microalgen. De kwantitatieve bepaling van C=O, CHx/CO en Nb-oxiden werd berekend op basis van de Nb 3d-, O 1s- en C 1s-spectra verkregen met Nb2CTx SL (figuur 5c-e) en Nb4C3Tx SL (figuur 5c-e). Figuur 5f-h) MXenes. Tabel S1-3 toont de details van de piekparameters en de algehele chemie die voortvloeit uit de fit. Het is opmerkelijk dat de Nb 3d-gebieden van Nb2CTx SL en Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) overeenkomen met één Nb2O5-component. We vonden hier geen MXene-gerelateerde pieken in de spectra, wat aangeeft dat microalgen alleen de oxidevorm van Nb absorberen. Daarnaast hebben we het C 1s-spectrum benaderd met de C–C-, CHx/C–O-, C=O- en –COOH-componenten. We hebben de CHx/C–O- en C=O-pieken toegewezen aan de organische bijdrage van microalgen. Deze organische componenten zijn goed voor respectievelijk 36% en 41% van de C 1s-pieken in Nb2CTx SL en Nb4C3TX SL. Vervolgens hebben we de O 1s-spectra van SL Nb2CTx en SL Nb4C3TX gefit met Nb2O5, organische componenten van microalgen (CHx/CO) en aan het oppervlak geadsorbeerd water.
Ten slotte gaven de XPS-resultaten duidelijk de vorm van Nb aan, niet alleen de aanwezigheid ervan. Op basis van de positie van het Nb 3d-signaal en de resultaten van de deconvolutie bevestigen we dat Nb alleen in de vorm van oxiden wordt geabsorbeerd en niet in de vorm van ionen of MXene zelf. Bovendien toonden de XPS-resultaten aan dat microalgen een groter vermogen hebben om Nb-oxiden op te nemen uit SL Nb2CTx in vergelijking met SL Nb4C3TX MXene.
Hoewel onze Nb-opnameresultaten indrukwekkend zijn en ons in staat stellen de MXene-degradatie te identificeren, is er geen methode beschikbaar om de bijbehorende morfologische veranderingen in 2D-nanovlokken te volgen. Daarom hebben we besloten om ook een geschikte methode te ontwikkelen die direct kan reageren op veranderingen die optreden in 2D Nb-MXene-nanovlokken en microalgencellen. Het is belangrijk om te benadrukken dat we ervan uitgaan dat als de interagerende deeltjes een transformatie, ontbinding of defragmentatie ondergaan, dit zich snel zal manifesteren als veranderingen in vormparameters, zoals de diameter van het equivalente cirkelvormige oppervlak, rondheid, Feret-breedte of Feret-lengte. Omdat deze parameters geschikt zijn voor het beschrijven van langwerpige deeltjes of tweedimensionale nanovlokken, zal het volgen ervan door middel van dynamische deeltjesvormanalyse ons waardevolle informatie verschaffen over de morfologische transformatie van SL Nb-MXene-nanovlokken tijdens reductie.
De verkregen resultaten worden weergegeven in Figuur 6. Ter vergelijking hebben we ook de originele MAX-fase en ML-MXenes getest (zie SI Figuren S18 en S19). Dynamische analyse van de deeltjesvorm toonde aan dat alle vormparameters van twee Nb-MXene SL's significant veranderden na interactie met microalgen. Zoals blijkt uit de parameter voor de equivalente cirkelvormige oppervlaktediameter (Fig. 6a, b), geeft de verminderde piekintensiteit van de fractie grote nanoflakes aan dat ze de neiging hebben om in kleinere fragmenten uiteen te vallen. Figuur 6c en d tonen een afname van de pieken die geassocieerd zijn met de transversale grootte van de flakes (verlenging van de nanoflakes), wat duidt op de transformatie van 2D nanoflakes naar een meer deeltjesachtige vorm. Figuur 6e-h tonen respectievelijk de breedte en lengte van de Feret-correlatie. De breedte en lengte van de Feret-correlatie zijn complementaire parameters en moeten daarom samen worden beschouwd. Na incubatie van 2D Nb-MXene nanoflakes in aanwezigheid van microalgen verschoven hun Feret-correlatiepieken en nam hun intensiteit af. Op basis van deze resultaten in combinatie met morfologie, XRF en XPS concludeerden we dat de waargenomen veranderingen sterk verband houden met oxidatie, aangezien geoxideerde MXenes meer gerimpeld raken en uiteenvallen in fragmenten en bolvormige oxidedeeltjes69,70.
Analyse van MXene-transformatie na interactie met groene microalgen. Dynamische deeltjesvormanalyse houdt rekening met parameters zoals (a, b) diameter van het equivalente cirkelvormige oppervlak, (c, d) rondheid, (e, f) Feret-breedte en (g, h) Feret-lengte. Hiertoe werden twee referentiemonsters van microalgen geanalyseerd samen met primaire SL Nb2CTx- en SL Nb4C3Tx-MXenes, SL Nb2CTx- en SL Nb4C3Tx-MXenes, afgebroken microalgen en behandelde microalgen SL Nb2CTx- en SL Nb4C3Tx-MXenes. De rode pijlen tonen de veranderingen in de vormparameters van de bestudeerde tweedimensionale nanoflakes.
Omdat de analyse van vormparameters zeer betrouwbaar is, kan deze ook morfologische veranderingen in microalgencellen aan het licht brengen. Daarom analyseerden we de equivalente cirkelvormige oppervlaktediameter, rondheid en Feret-breedte/lengte van zuivere microalgencellen en cellen na interactie met 2D Nb-nanovlokken. Figuur 6a-h toont veranderingen in de vormparameters van algencellen, zoals blijkt uit een afname van de piekintensiteit en een verschuiving van de maxima naar hogere waarden. Met name de rondheidsparameters van de cellen lieten een afname zien bij langwerpige cellen en een toename bij bolvormige cellen (Fig. 6a, b). Bovendien nam de Feret-celbreedte met enkele micrometers toe na interactie met SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) in vergelijking met SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f). We vermoeden dat dit te wijten is aan de sterke opname van Nb-oxiden door microalgen na interactie met Nb2CTx SR. Een minder rigide hechting van de Nb-vlokken aan het oppervlak kan resulteren in celgroei met een minimaal schaduweffect.
Onze waarnemingen van veranderingen in de parameters van de vorm en grootte van microalgen vullen andere studies aan. Groene microalgen kunnen hun morfologie veranderen als reactie op omgevingsstress door veranderingen in celgrootte, -vorm of -metabolisme61. Het veranderen van de celgrootte vergemakkelijkt bijvoorbeeld de opname van voedingsstoffen71. Kleinere algencellen vertonen een lagere opname van voedingsstoffen en een verminderde groeisnelheid. Omgekeerd hebben grotere cellen de neiging meer voedingsstoffen te verbruiken, die vervolgens intracellulair worden opgeslagen72,73. Machado en Soares ontdekten dat het fungicide triclosan de celgrootte kan vergroten. Ze vonden ook ingrijpende veranderingen in de vorm van de algen74. Daarnaast onthulden Yin et al.9 ook morfologische veranderingen in algen na blootstelling aan gereduceerde grafeenoxide-nanocomposieten. Het is daarom duidelijk dat de veranderde grootte/vormparameters van de microalgen worden veroorzaakt door de aanwezigheid van MXene. Aangezien deze verandering in grootte en vorm een ​​indicatie is van veranderingen in de opname van voedingsstoffen, zijn wij van mening dat analyse van grootte- en vormparameters in de loop van de tijd de opname van niobiumoxide door microalgen in aanwezigheid van Nb-MXenes kan aantonen.
Bovendien kunnen MXenes worden geoxideerd in aanwezigheid van algen. Dalai et al.75 observeerden dat de morfologie van groene algen die werden blootgesteld aan nano-TiO2 en Al2O376 niet uniform was. Hoewel onze observaties vergelijkbaar zijn met die in de huidige studie, zijn ze alleen relevant voor het onderzoek naar de effecten van bioremediatie in termen van MXene-afbraakproducten in aanwezigheid van 2D-nanovlokken en niet van nanodeeltjes. Aangezien MXenes kunnen afbreken tot metaaloxiden,31,32,77,78 is het aannemelijk dat onze Nb-nanovlokken ook Nb-oxiden kunnen vormen na interactie met microalgencellen.
Om de reductie van 2D-Nb-nanovlokken te verklaren via een ontbindingsmechanisme gebaseerd op het oxidatieproces, hebben we onderzoek gedaan met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (HRTEM) (Fig. 7a,b) en röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) (Fig. 7c-i en tabellen S4-5). Beide methoden zijn geschikt voor het bestuderen van de oxidatie van 2D-materialen en vullen elkaar aan. HRTEM kan de afbraak van tweedimensionale gelaagde structuren en het daaropvolgende ontstaan ​​van metaaloxide-nanodeeltjes analyseren, terwijl XPS gevoelig is voor oppervlaktebindingen. Hiervoor hebben we 2D Nb-MXene-nanovlokken getest die geëxtraheerd zijn uit dispersies van microalgencellen, dat wil zeggen hun vorm na interactie met microalgencellen (zie Fig. 7).
HRTEM-afbeeldingen die de morfologie tonen van geoxideerde (a) SL Nb2CTx en (b) SL Nb4C3Tx MXenes, XPS-analyseresultaten die (c) de samenstelling van oxideproducten na reductie tonen, (d-f) piekovereenkomst van componenten van de XPS-spectra van SL Nb2CTx en (g-i) Nb4C3Tx SL hersteld met groene microalgen.
HRTEM-onderzoek bevestigde de oxidatie van twee typen Nb-MXene-nanovlokken. Hoewel de nanovlokken hun tweedimensionale morfologie tot op zekere hoogte behielden, resulteerde de oxidatie in het verschijnen van vele nanodeeltjes die het oppervlak van de MXene-nanovlokken bedekten (zie figuur 7a,b). XPS-analyse van de c Nb 3d- en O 1s-signalen gaf aan dat in beide gevallen Nb-oxiden werden gevormd. Zoals weergegeven in figuur 7c, vertonen de 2D MXene Nb2CTx en Nb4C3TX Nb 3d-signalen die wijzen op de aanwezigheid van NbO- en Nb2O5-oxiden, terwijl de O 1s-signalen het aantal O–Nb-bindingen aangeven dat geassocieerd is met de functionalisering van het 2D-nanovlokoppervlak. We merkten op dat de bijdrage van Nb-oxide dominant is in vergelijking met Nb-C en Nb3+-O.
Figuur 7g–i tonen de XPS-spectra van Nb 3d, C 1s en O 1s SL Nb2CTx (zie figuren 7d–f) en SL Nb4C3TX MXene geïsoleerd uit microalgen. Details van de piekparameters van de Nb-MXenes zijn respectievelijk te vinden in tabellen S4–5. We analyseerden eerst de samenstelling van Nb 3d. In tegenstelling tot Nb geabsorbeerd door microalgen, werden in MXene geïsoleerd uit microalgen, naast Nb2O5, ook andere componenten aangetroffen. In de Nb2CTx SL zagen we een bijdrage van Nb3+-O van 15%, terwijl de rest van het Nb 3d-spectrum werd gedomineerd door Nb2O5 (85%). Daarnaast bevat het SL Nb4C3TX-monster Nb-C (9%) en Nb2O5 (91%) componenten. Hier is Nb-C afkomstig van twee binnenste atomaire lagen metaalcarbide in Nb4C3Tx SR. Vervolgens brengen we de C 1s-spectra in kaart en herleiden we ze tot vier verschillende componenten, zoals we ook deden bij de geïnternaliseerde monsters. Zoals verwacht wordt het C 1s-spectrum gedomineerd door grafietkoolstof, gevolgd door bijdragen van organische deeltjes (CHx/CO en C=O) van microalgencellen. Daarnaast observeerden we in het O 1s-spectrum de bijdrage van organische vormen van microalgencellen, niobiumoxide en geadsorbeerd water.
Daarnaast onderzochten we of de splitsing van Nb-MXenes samenhangt met de aanwezigheid van reactieve zuurstofsoorten (ROS) in het voedingsmedium en/of de microalgencellen. Hiertoe bepaalden we de niveaus van singletzuurstof (¹O₂) in het kweekmedium en intracellulair glutathion, een thiol dat als antioxidant fungeert in microalgen. De resultaten zijn weergegeven in de aanvullende informatie (figuren S20 en S21). Kweken met SL Nb₂CTx en Nb₄C₃TX MXenes werden gekenmerkt door een verlaagde hoeveelheid ¹O₂ (zie figuur S20). In het geval van SL Nb₂CTx werd de hoeveelheid MXene ¹O₂ met ongeveer 83% verminderd. Bij microalgenkweken met SL Nb₄C₃TX nam de hoeveelheid ¹O₂ nog verder af, tot 73%. Opvallend is dat de veranderingen in ¹O₂ dezelfde trend vertoonden als het eerder waargenomen remmende-stimulerende effect (zie figuur 3). Er kan worden gesteld dat incubatie in fel licht de foto-oxidatie kan beïnvloeden. De resultaten van de controleanalyse lieten echter vrijwel constante 1O2-niveaus zien gedurende het experiment (Fig. S22). Ook voor de intracellulaire ROS-niveaus observeerden we dezelfde neerwaartse trend (zie Figuur S21). Aanvankelijk waren de ROS-niveaus in microalgencellen die gekweekt werden in aanwezigheid van Nb2CTx en Nb4C3Tx SL's hoger dan de niveaus die werden aangetroffen in zuivere microalgenculturen. Uiteindelijk bleek echter dat de microalgen zich aanpasten aan de aanwezigheid van beide Nb-MXenes, aangezien de ROS-niveaus daalden tot respectievelijk 85% en 91% van de niveaus gemeten in zuivere microalgenculturen geïnoculeerd met SL Nb2CTx en Nb4C3TX. Dit kan erop wijzen dat microalgen zich na verloop van tijd comfortabeler voelen in aanwezigheid van Nb-MXene dan in een voedingsmedium alleen.
Microalgen vormen een diverse groep fotosynthetische organismen. Tijdens de fotosynthese zetten ze atmosferisch koolstofdioxide (CO2) om in organische koolstof. De producten van de fotosynthese zijn glucose en zuurstof79. We vermoeden dat de aldus gevormde zuurstof een cruciale rol speelt bij de oxidatie van Nb-MXenes. Een mogelijke verklaring hiervoor is dat de differentiële beluchtingsparameter wordt gevormd bij lage en hoge partiële zuurstofdrukken buiten en binnen de Nb-MXene nanoflakes. Dit betekent dat waar er gebieden zijn met verschillende partiële zuurstofdrukken, het gebied met het laagste niveau de anode zal vormen80, 81, 82. Hier dragen de microalgen bij aan de vorming van differentieel beluchte cellen op het oppervlak van de MXene-flakes, die zuurstof produceren dankzij hun fotosynthetische eigenschappen. Als gevolg hiervan worden biocorrosieproducten (in dit geval niobiumoxiden) gevormd. Een ander aspect is dat microalgen organische zuren kunnen produceren die in het water vrijkomen83,84. Hierdoor ontstaat een agressieve omgeving, die de Nb-MXenes verandert. Bovendien kunnen microalgen de pH van de omgeving alkalisch maken door de absorptie van koolstofdioxide, wat ook corrosie kan veroorzaken79.
Belangrijker nog is dat de donker/licht-fotoperiode die in ons onderzoek is gebruikt, cruciaal is voor het begrijpen van de verkregen resultaten. Dit aspect wordt gedetailleerd beschreven in Djemai-Zoghlache et al. 85 Zij gebruikten opzettelijk een fotoperiode van 12/12 uur om biocorrosie aan te tonen die geassocieerd is met biofouling door de rode microalg Porphyridium purpureum. Zij laten zien dat de fotoperiode samenhangt met de evolutie van de potentiaal zonder biocorrosie, wat zich manifesteert als pseudoperiodieke oscillaties rond 24:00 uur. Deze observaties werden bevestigd door Dowling et al. 86 Zij toonden fotosynthetische biofilms aan van de cyanobacterie Anabaena. Onder invloed van licht wordt opgeloste zuurstof gevormd, wat gepaard gaat met een verandering of fluctuatie in de vrije biocorrosiepotentiaal. Het belang van de fotoperiode wordt benadrukt door het feit dat de vrije potentiaal voor biocorrosie toeneemt in de lichtfase en afneemt in de donkerfase. Dit komt door de zuurstof die wordt geproduceerd door fotosynthetische microalgen, die de kathodische reactie beïnvloedt via de partiële druk die in de buurt van de elektroden ontstaat87.
Daarnaast werd Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) uitgevoerd om te onderzoeken of er veranderingen optraden in de chemische samenstelling van microalgencellen na interactie met Nb-MXenes. De verkregen resultaten zijn complex en worden gepresenteerd in de aanvullende informatie (figuren S23-S25, inclusief de resultaten van de MAX-fase en ML MXenes). Kort gezegd, de verkregen referentiespectra van microalgen verschaffen ons belangrijke informatie over de chemische eigenschappen van deze organismen. De meest waarschijnlijke vibraties bevinden zich op frequenties van 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) en 3280 cm⁻¹ (O–H). Voor SL Nb-MXenes vonden we een CH-bindingsreksignaal dat consistent is met onze eerdere studie³⁸. We constateerden echter dat enkele extra pieken die geassocieerd waren met C=C- en CH-bindingen verdwenen. Dit wijst erop dat de chemische samenstelling van microalgen mogelijk kleine veranderingen ondergaat als gevolg van de interactie met SL Nb-MXenes.
Bij het overwegen van mogelijke veranderingen in de biochemie van microalgen moet de accumulatie van anorganische oxiden, zoals niobiumoxide, opnieuw worden bekeken59. Deze accumulatie speelt een rol bij de opname van metalen door het celoppervlak, het transport ervan naar het cytoplasma, de associatie met intracellulaire carboxylgroepen en de accumulatie ervan in polyfosfosomen van microalgen20,88,89,90. Daarnaast wordt de relatie tussen microalgen en metalen in stand gehouden door functionele groepen van de cellen. Om deze reden is de absorptie ook afhankelijk van de oppervlaktechemie van de microalgen, die vrij complex is9,91. Over het algemeen veranderde de chemische samenstelling van groene microalgen, zoals verwacht, slechts licht door de absorptie van Nb-oxide.
Interessant genoeg bleek de aanvankelijk waargenomen remming van de microalgen in de loop van de tijd omkeerbaar. Zoals we hebben vastgesteld, overwonnen de microalgen de aanvankelijke omgevingsverandering en keerden ze uiteindelijk terug naar normale groeisnelheden, die zelfs toenamen. Studies naar de zeta-potentiaal tonen een hoge stabiliteit aan wanneer de microalgen in voedingsbodems worden gebracht. De oppervlakte-interactie tussen microalgencellen en Nb-MXene-nanovlokken bleef dus behouden gedurende de reductie-experimenten. In onze verdere analyse vatten we de belangrijkste werkingsmechanismen samen die ten grondslag liggen aan dit opmerkelijke gedrag van de microalgen.
SEM-waarnemingen hebben aangetoond dat microalgen de neiging hebben zich te hechten aan Nb-MXenes. Met behulp van dynamische beeldanalyse bevestigen we dat dit effect leidt tot de transformatie van tweedimensionale Nb-MXene-nanovlokken in meer bolvormige deeltjes, waarmee wordt aangetoond dat de afbraak van nanovlokken samenhangt met hun oxidatie. Om onze hypothese te testen, hebben we een reeks materiaal- en biochemische studies uitgevoerd. Na de tests bleken de nanovlokken geleidelijk te oxideren en af ​​te breken tot NbO- en Nb2O5-producten, die geen bedreiging vormden voor groene microalgen. Met behulp van FTIR-waarnemingen vonden we geen significante veranderingen in de chemische samenstelling van microalgen die werden geïncubeerd in aanwezigheid van 2D Nb-MXene-nanovlokken. Rekening houdend met de mogelijkheid van absorptie van niobiumoxide door microalgen, hebben we een röntgenfluorescentieanalyse uitgevoerd. Deze resultaten tonen duidelijk aan dat de bestudeerde microalgen zich voeden met niobiumoxiden (NbO en Nb2O5), die niet giftig zijn voor de bestudeerde microalgen.