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 kunnen blijven garanderen, zullen we de site in de tussentijd zonder stijlen en JavaScript weergeven.
Geeft een carrousel van drie dia's tegelijk weer. Gebruik de knoppen Vorige en Volgende om door drie dia's tegelijk te bladeren, of gebruik de schuifknoppen aan het einde om door drie dia's tegelijk te bladeren.
De snelle ontwikkeling van nanotechnologie en de integratie ervan in alledaagse toepassingen kan een bedreiging vormen voor het milieu. Hoewel groene methoden voor de afbraak van organische verontreinigingen al lang bekend zijn, baart de terugwinning van anorganische kristallijne verontreinigingen grote zorgen vanwege hun lage gevoeligheid voor biotransformatie en een gebrek aan inzicht in de interacties tussen het materiaaloppervlak en biologische verontreinigingen. Hier gebruiken we een Nb-gebaseerd anorganisch 2D MXenen-model in combinatie met een eenvoudige vormparameteranalysemethode om het bioremediatiemechanisme van 2D keramische nanomaterialen door de groene microalg Raphidocelis subcapitata te traceren. We ontdekten dat microalgen Nb-gebaseerde MXenen afbreken door fysisch-chemische interacties met het oppervlak. Aanvankelijk werden enkellaagse en meerlaagse MXenen-nanovlokken aan het oppervlak van microalgen gehecht, wat de algengroei enigszins verminderde. Bij langdurige interactie met het oppervlak oxideerden microalgen de MXenen-nanovlokken echter en ontbonden ze deze verder tot NbO en Nb2O5. Omdat deze oxiden niet giftig zijn voor microalgencellen, consumeren ze Nb-oxide nanodeeltjes via een absorptiemechanisme dat de microalgen na 72 uur waterbehandeling verder herstelt. De effecten van voedingsstoffen die verband houden met absorptie worden ook weerspiegeld in de toename van het celvolume, hun gladde vorm en verandering in groeisnelheid. Op basis van deze bevindingen concluderen we dat de korte- en langetermijnaanwezigheid van Nb-gebaseerde MXenen in zoetwaterecosystemen slechts geringe milieueffecten kan hebben. Het is opmerkelijk dat we, met behulp van tweedimensionale nanomaterialen als modelsystemen, de mogelijkheid aantonen om vormveranderingen zelfs in fijnkorrelige materialen te volgen. Al met al beantwoordt deze studie een belangrijke fundamentele vraag over oppervlakte-interactiegerelateerde processen die het bioremediatiemechanisme van 2D-nanomaterialen aansturen en biedt het een basis voor verdere korte- en langetermijnstudies naar de milieu-impact van anorganische kristallijne nanomaterialen.
Nanomaterialen hebben sinds hun ontdekking veel belangstelling gewekt en diverse nanotechnologieën zijn recentelijk een moderniseringsfase ingegaan1. Helaas kan de integratie van nanomaterialen in alledaagse toepassingen leiden tot onbedoelde lozingen als gevolg van onjuiste verwijdering, onzorgvuldige behandeling of ontoereikende veiligheidsinfrastructuur. Daarom is het redelijk om aan te nemen dat nanomaterialen, waaronder tweedimensionale (2D) nanomaterialen, in de natuurlijke omgeving kunnen terechtkomen, waarvan het gedrag en de biologische activiteit nog niet volledig worden begrepen. Het is dan ook niet verwonderlijk dat de bezorgdheid over ecotoxiciteit zich heeft gericht op het vermogen van 2D-nanomaterialen om in aquatische systemen uit te lekken2,3,4,5,6. In deze ecosystemen kunnen sommige 2D-nanomaterialen interageren met diverse organismen op verschillende trofische niveaus, waaronder microalgen.
Microalgen zijn primitieve organismen die van nature voorkomen in zoetwater- en mariene ecosystemen en die door middel van fotosynthese diverse chemische producten produceren7. Ze zijn daarom cruciaal voor aquatische ecosystemen8,9,10,11,12, maar zijn ook gevoelige, goedkope en veelgebruikte indicatoren voor ecotoxiciteit13,14. Omdat microalgencellen zich snel vermenigvuldigen en snel reageren op de aanwezigheid van diverse stoffen, 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. Sommige algensoorten, zoals Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue en Synechococcus sp., blijken giftige metaalionen zoals Fe2+, Cu2+, Zn2+ en Mn2+19 te dragen en zelfs te voeden. 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 voornamelijk doordat deze verontreinigingen gemakkelijk in de vloeibare fase te verwerken zijn. Anorganische kristallijne verontreinigingen worden echter gekenmerkt door een lage oplosbaarheid in water en een lage gevoeligheid voor diverse biotransformaties, wat grote problemen oplevert bij de sanering. Er is op dit gebied weinig vooruitgang geboekt22,23,24,25,26. 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 er geen eenvoudige manier om de mogelijke afbraakroutes tijdens de reductie te achterhalen.
In deze studie gebruikten we groene microalgen als een actief waterig bioremediatiemiddel voor anorganische keramische materialen, gecombineerd met in-situ monitoring van het degradatieproces van MXene als representatief voor anorganische keramische materialen. De term "MXene" weerspiegelt de stoichiometrie van het Mn+1XnTx-materiaal, waarbij M een vroeg overgangsmetaal is, X koolstof en/of stikstof, Tx een oppervlakteterminator (bijv. -OH, -F, -Cl) en n = 1, 2, 3 of 427,28. Sinds de ontdekking van MXenes door Naguib et al. Sensorics, cancer therapy and membrane filtratie 27,29,30. Bovendien kunnen MXenes worden beschouwd als model 2D-systemen vanwege hun uitstekende colloïdale stabiliteit en mogelijke biologische interacties 31,32,33,34,35,36.
De in dit artikel ontwikkelde methodologie en onze onderzoekshypotheses worden daarom weergegeven in Figuur 1. Volgens deze hypothese breken microalgen Nb-gebaseerde MXenen af ​​tot niet-toxische verbindingen door oppervlaktegerelateerde fysisch-chemische interacties, wat verder herstel van de algen mogelijk maakt. Om deze hypothese te testen, werden twee leden van de familie van vroege niobiumgebaseerde overgangsmetaalcarbiden en/of -nitriden (MXenen), namelijk Nb2CTx en Nb4C3TX, geselecteerd.
Onderzoeksmethodologie en evidence-based hypothesen voor MXene-herstel door de groene microalg Raphidocelis subcapitata. Houd er rekening mee dat dit slechts een schematische weergave is van evidence-based aannames. De omgeving van het meer verschilt qua gebruikte voedingsbodem en omstandigheden (bijv. dagcyclus en beperkingen in beschikbare essentiële voedingsstoffen). Gemaakt met BioRender.com.
Door MXene als modelsysteem te gebruiken, hebben we de deur geopend naar de studie van verschillende biologische effecten die niet kunnen worden waargenomen met andere conventionele nanomaterialen. In het bijzonder demonstreren we de mogelijkheid van bioremediatie van tweedimensionale nanomaterialen, zoals niobium-gebaseerde MXenen, door de microalg Raphidocelis subcapitata. Microalgen kunnen Nb-MXenen afbreken tot de niet-toxische oxiden NbO en Nb2O5, die ook voedingsstoffen leveren via het niobiumopnamemechanisme. Al met al beantwoordt deze studie een belangrijke fundamentele vraag over de processen die verband houden met fysisch-chemische interacties aan het oppervlak en die de mechanismen van bioremediatie van tweedimensionale nanomaterialen bepalen. Daarnaast ontwikkelen we een eenvoudige, op vormparameters gebaseerde methode voor het volgen van subtiele veranderingen in de vorm van 2D-nanomaterialen. Dit inspireert verder onderzoek op korte en lange termijn naar de verschillende milieueffecten van anorganische kristallijne nanomaterialen. Zo vergroot onze studie het begrip van de interactie tussen het materiaaloppervlak en biologisch materiaal. Bovendien leggen we de basis voor uitgebreide kortetermijn- en langetermijnstudies naar de mogelijke effecten op zoetwaterecosystemen, die nu eenvoudig kunnen worden geverifieerd.
MXenen vormen een interessante klasse materialen 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 onze studie twee soorten Nb-gebaseerde hiërarchische enkellaags (SL) MXenen onderzocht, Nb2CTx en Nb4C3TX, omdat er verschillende biologische effecten van deze nanomaterialen konden worden waargenomen. MXenen worden geproduceerd uit hun uitgangsmaterialen door top-down selectief etsen van atomair dunne MAX-fase A-lagen. De MAX-fase is een ternair keramiek bestaande uit "gebonden" blokken overgangsmetaalcarbiden en dunne lagen van "A"-elementen zoals Al, Si en Sn met MnAXn-1 stoichiometrie. De morfologie van de initiële MAX-fase werd waargenomen met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM) en kwam overeen met eerdere studies (zie Aanvullende Informatie, SI, Figuur S1). Meerlagig (ML) Nb-MXene werd verkregen na verwijdering van de Al-laag met 48% HF (waterstoffluoride). De morfologie van ML-Nb2CTx en ML-Nb4C3TX werd onderzocht met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM) (respectievelijk figuren S1c en S1d) en er werd een typische gelaagde MXene-morfologie waargenomen, vergelijkbaar met tweedimensionale nanoflakes die door langwerpige, porieachtige sleuven gaan. Beide Nb-MXenes hebben veel gemeen met MXene-fasen die eerder gesynthetiseerd zijn door middel van zuuretsen27,38. Nadat we de structuur van MXene hadden bevestigd, hebben we het gelaagd door intercalatie van tetrabutylammoniumhydroxide (TBAOH), gevolgd door wassen en sonificeren, waarna we enkellaagse of laaglaagse (SL) 2D Nb-MXene-nanovlokken verkregen.
We gebruikten hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) en röntgendiffractie (XRD) om de efficiëntie van het etsen en verder afpellen te testen. De HRTEM-resultaten, verwerkt met behulp van de Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) en Fast Fourier Transform (FFT), worden weergegeven in Fig. 2. Nb-MXene nanoflakes 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 nanoflakes onthulden hun atomair dunne gelaagdheid (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 tussenlaagafstanden 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, corresponderend met niobium- en koolstofatomen, wat de gelaagdheid van de bestudeerde MXenen bevestigt. Het is belangrijk om op te merken dat de energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDX)-spectra, verkregen voor Nb2CTx en Nb4C3Tx (Figuur 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) hoge-resolutie elektronenmicroscopie (HRTEM) zijaanzicht 2D nanoflake-beeldvorming en bijbehorende (b) intensiteitsmodus, (c) inverse snelle Fourier-transformatie (IFFT), (d) snelle Fourier-transformatie (FFT), (e) Nb-MXenes röntgenpatronen. Voor SL 2D Nb2CTx worden de getallen weergegeven als (a1, b1, c1, d1, e1). Voor SL 2D Nb4C3Tx worden de getallen weergegeven als (a2, b2, c2, d2, e1).
Röntgendiffractiemetingen van SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXenen worden weergegeven in respectievelijk Fig. 2e1 en e2. Pieken (002) bij 4,31 en 4,32 komen overeen met de eerder beschreven gelaagde MXenen 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 geassocieerd met SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2). De aanwezigheid van kleinere deeltjes in 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 die behoren tot de soort R. subcapitata. We hebben gekozen 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 van de voedselketen worden getransporteerd43. Daarnaast kan onderzoek naar R. subcapitata licht werpen op de incidentele toxiciteit van SL Nb-MXenen voor veel voorkomende zoetwatermicro-organismen. Om dit te illustreren, veronderstelden de onderzoekers dat elke microbe een andere gevoeligheid heeft voor giftige stoffen die in het milieu aanwezig zijn. Voor de meeste organismen hebben lage concentraties van stoffen geen invloed op hun groei, terwijl concentraties boven een bepaalde grenswaarde hen kunnen remmen of zelfs de dood kunnen veroorzaken. Daarom hebben we besloten om voor onze studies naar de oppervlakte-interactie tussen microalgen en MXenen en de bijbehorende terugwinning de onschadelijke en toxische concentraties van Nb-MXenen te testen. Om dit te doen, testten we concentraties van 0 (als referentie), 0,01, 0,1 en 10 mg l-1 MXene en daarnaast geïnfecteerde microalgen 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 de Nb-MAX-fase en ML Nb-MXenes ook getest en de resultaten worden weergegeven in SI (zie figuur S3). De verkregen resultaten bevestigden dat SL Nb-MXenes vrijwel volledig vrij is van toxiciteit in het bereik van lage concentraties van 0,01 tot 10 mg/l, zoals weergegeven in figuur 3a,b. In het geval van Nb2CTx observeerden we niet meer dan 5% ecotoxiciteit in het gespecificeerde bereik.
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 giftiger, maar niet hoger dan 7%. Zoals verwacht, observeerden we dat MXenen een hogere toxiciteit en remming van de microalgengroei hadden bij 100 mg L-1. Interessant is dat geen van de materialen dezelfde trend en tijdsafhankelijkheid van atoxische/toxische effecten vertoonde in vergelijking met de MAX- of ML-monsters (zie SI voor details). Terwijl de toxiciteit voor de MAX-fase (zie Fig. S3) ongeveer 15-25% bereikte en met 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 (Fig. 3a, b, respectievelijk).
Belangrijker nog is dat de groeiremming van microalgen voor SL Nb4C3TX na 24 uur ongeveer 27% bedroeg, maar na 72 uur daalde tot ongeveer 1%. Daarom hebben we het waargenomen effect bestempeld 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 effect van remming en stimulatie-omkering werd ook goed weergegeven in de curve van de biomassaverdubbeling (zie Fig. S4 voor details). Tot nu toe is alleen de ecotoxiciteit van Ti3C2TX MXene op verschillende manieren onderzocht. Het is niet toxisch voor zebravisembryo's44, maar matig ecotoxisch voor de microalgen Desmodesmus quadricauda en Sorghum saccharatum45. Andere voorbeelden van specifieke effecten zijn een hogere toxiciteit voor kankercellijnen dan voor normale cellijnen46,47. Er kan worden aangenomen dat de testomstandigheden de veranderingen in microalgengroei die worden waargenomen in aanwezigheid van Nb-MXenen, 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-MXenen de pH van de oplossing licht in de loop van de tijd. Deze afname 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 dus dat fotosynthese niet wordt beïnvloed door pH-veranderingen in de loop van de tijd.
Bovendien hebben de gesynthetiseerde MXenen oppervlakte-uiteinden (aangeduid als Tx). Dit zijn voornamelijk de functionele groepen -O, -F en -OH. De oppervlaktechemie is echter direct gerelateerd aan de synthesemethode. Het is bekend dat deze groepen willekeurig over het oppervlak verdeeld zijn, waardoor het moeilijk is om hun effect op de eigenschappen van MXene te voorspellen50. Er kan worden gesteld dat Tx de katalytische kracht zou kunnen zijn voor de oxidatie van niobium door licht. Oppervlaktefunctionele groepen bieden inderdaad meerdere verankeringsplaatsen voor hun onderliggende fotokatalysatoren om heterojuncties te vormen51. De samenstelling van het groeimedium leverde echter geen effectieve fotokatalysator op (gedetailleerde mediumsamenstelling is te vinden in SI-tabel S6). Bovendien is elke oppervlaktemodificatie ook van groot belang, aangezien de biologische activiteit van MXenen kan veranderen door nabewerking van de laag, oxidatie, chemische oppervlaktemodificatie van organische en anorganische verbindingen52,53,54,55,56 of oppervlakteladingstechnologie38. Om te testen of niobiumoxide iets te maken heeft met de materiaalinstabiliteit in het medium, hebben we daarom studies uitgevoerd naar het zeta-potentiaal (ζ) in microalgengroeimedium en gedeïoniseerd water (ter vergelijking). Onze resultaten tonen aan dat SL Nb-MXenen redelijk stabiel zijn (zie SI Fig. S6 voor MAX- en ML-resultaten). Het zeta-potentiaal van SL MXenen is ongeveer -10 mV. In het geval van SR Nb2CTx is de waarde van ζ iets negatiever dan die van Nb4C3Tx. Een dergelijke verandering in de ζ-waarde kan erop wijzen dat het oppervlak van negatief geladen MXene-nanoflakes positief geladen ionen uit het kweekmedium absorbeert. Tijdelijke metingen van het zeta-potentiaal en de geleidbaarheid van Nb-MXenen in kweekmedium (zie Figuren S7 en S8 in SI 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 microalgengroeimedium aan. Daarnaast hebben we beoordeeld of de aanwezigheid van onze groene microalgen de stabiliteit van Nb-MXenen in het medium zou beïnvloeden. De resultaten van het zeta-potentiaal en de geleidbaarheid van MXenen na interactie met microalgen in voedingsmedia en kweek in de loop van de tijd zijn te vinden in SI (figuren S9 en S10). Interessant genoeg merkten we op dat de aanwezigheid van microalgen de dispersie van beide MXenen leek te stabiliseren. In het geval van Nb2CTx SL nam het zeta-potentiaal in de loop van de tijd zelfs licht af tot negatievere waarden (-15,8 versus -19,1 mV na 72 uur incubatie). Het 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-MXeen-oplossingen die geïncubeerd werden in aanwezigheid van microalgen, wat wijst op een lagere hoeveelheid ionen in het voedingsmedium. Opvallend is dat de instabiliteit van MXenen in water voornamelijk te wijten is aan oxidatie van het oppervlak57. Daarom vermoeden we dat groene microalgen op de een of andere manier de oxiden die zich op het oppervlak van Nb-MXeen vormen, hebben verwijderd en zelfs hun ontstaan ​​hebben voorkomen (oxidatie van MXeen). Dit is te zien door de soorten stoffen te bestuderen die door microalgen worden opgenomen.
Hoewel onze ecotoxicologische studies aangaven dat microalgen de toxiciteit van Nb-MXenen in de loop van de 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 voor hun ecosystemen, kunnen ze op verschillende manieren reageren58,59. Bij afwezigheid van giftige metaaloxiden kunnen microalgen zichzelf voeden, waardoor ze continu kunnen groeien60. Na inname van giftige stoffen kunnen afweermechanismen worden geactiveerd, zoals van vorm veranderen. De mogelijkheid van absorptie moet ook in overweging worden genomen58,59. Met name elk teken van een afweermechanisme is een duidelijke indicator van de toxiciteit van de testverbinding. Daarom hebben we in ons verdere werk de potentiële oppervlakte-interactie tussen SL Nb-MXene nanoflakes en microalgen onderzocht met behulp van SEM en de mogelijke absorptie van Nb-gebaseerd MXene met behulp van röntgenfluorescentiespectroscopie (XRF). Houd er rekening mee dat SEM- en XRF-analyses alleen zijn uitgevoerd bij de hoogste concentratie MXene 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 elkaar en raakten verstrengeld, maar dit werd waarschijnlijk veroorzaakt door de monsterbereiding. Over het algemeen hadden zuivere microalgencellen een glad oppervlak en vertoonden ze geen morfologische veranderingen.
SEM-beelden die de oppervlakte-interactie tussen groene microalgen en MXene-nanosheets laten zien na 72 uur interactie bij een extreme concentratie (100 mg L-1). (a) Onbehandelde groene microalgen na interactie met SL (b) Nb2CTx en (c) Nb4C3TX MXenes. Merk op dat de Nb-MXene-nanoflakes gemarkeerd zijn met rode pijlen. Ter vergelijking zijn ook foto's van een optische microscoop toegevoegd.
Daarentegen waren microalgencellen die geadsorbeerd waren door SL Nb-MXene nanoflakes beschadigd (zie Fig. 4b, c, rode pijlen). In het geval van Nb2CTx MXene (Fig. 4b) hebben microalgen de neiging te groeien met aangehechte tweedimensionale nanoschalen, waardoor hun morfologie kan veranderen. Opvallend is dat we deze veranderingen ook onder lichtmicroscopie hebben waargenomen (zie SI Figuur S11 voor details). Deze morfologische transitie heeft een plausibele basis in de fysiologie van microalgen en hun vermogen om zichzelf te verdedigen door hun celmorfologie te veranderen, zoals door hun celvolume te vergroten61. Daarom is het belangrijk om het aantal microalgencellen te controleren dat daadwerkelijk in contact komt met Nb-MXenen. SEM-studies toonden aan dat ongeveer 52% van de microalgencellen werd blootgesteld aan Nb-MXenen, terwijl 48% van deze microalgencellen contact vermeed. Voor SL Nb4C3Tx MXene proberen microalgen contact met MXene te vermijden, waardoor ze zich op tweedimensionale nanoschalen vestigen en daar vanuit groeien (fig. 4c). We hebben echter geen penetratie van nanoschalen in microalgencellen en beschadiging ervan waargenomen.
Zelfbehoud is ook een tijdsafhankelijke reactie op de blokkering van fotosynthese door de adsorptie van deeltjes aan het celoppervlak en het zogenaamde schaduweffect62. Het is duidelijk dat elk object (bijvoorbeeld Nb-MXene nanoflakes) dat zich tussen de microalg en de lichtbron bevindt, de hoeveelheid licht die door de chloroplasten wordt geabsorbeerd, beperkt. We twijfelen er echter niet aan dat dit een aanzienlijke impact heeft op de verkregen resultaten. Zoals blijkt uit onze microscopische waarnemingen, waren de 2D nanoflakes niet volledig omwikkeld of gehecht aan het oppervlak van de microalg, zelfs niet wanneer de microalgencellen in contact kwamen met Nb-MXenes. In plaats daarvan bleken de nanoflakes gericht te zijn op microalgencellen zonder hun oppervlak te bedekken. Een dergelijke set nanoflakes/microalgen kan de hoeveelheid licht die door microalgencellen wordt geabsorbeerd, niet significant beperken. Bovendien hebben sommige onderzoeken zelfs aangetoond dat de lichtabsorptie door fotosynthetische organismen verbetert in de aanwezigheid van tweedimensionale nanomaterialen63,64,65,66.
Omdat SEM-beelden de opname van niobium door microalgencellen niet direct konden bevestigen, richtten we ons in onze verdere studie op röntgenfluorescentie (XRF) en röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS) om dit probleem te verduidelijken. Daarom vergeleken we de intensiteit van de Nb-pieken van referentiemonsters van microalgen die geen interactie hadden met MXenen, MXene-nanoflakes die loskwamen van het oppervlak van microalgencellen, en microalgencellen na verwijdering van de aangehechte MXenen. Het is belangrijk om op te merken dat als er geen Nb-opname is, de Nb-waarde die door de microalgencellen wordt verkregen nul zou moeten zijn na verwijdering van de aangehechte nanodeeltjes. Als er dus Nb-opname plaatsvindt, zouden zowel XRF- als XPS-resultaten een duidelijke Nb-piek moeten laten zien.
Nederlands 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, merk ook op dat de resultaten voor MAX en ML MXenes worden weergegeven in SI, Figs S12–C17). Interessant is dat de intensiteit van de Nb-piek in beide gevallen hetzelfde is (rode balken in Fig. 5a). Dit gaf aan dat de algen niet meer Nb konden absorberen en dat de maximale capaciteit voor Nb-accumulatie in de cellen werd bereikt, hoewel twee keer meer Nb4C3Tx MXene aan de microalgencellen was gehecht (blauwe balken in Fig. 5a). Opvallend is dat het vermogen van microalgen om metalen te absorberen afhankelijk is van de concentratie metaaloxiden in de omgeving67,68. Shamshada et al.67 ontdekten dat het absorptievermogen van zoetwateralgen afneemt met toenemende 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, geïncubeerd bij een extreme concentratie SL Nb-MXenes (100 mg L-1) gedurende 72 uur. De resultaten tonen de aanwezigheid van α aan in zuivere microalgencellen (controlemonster, grijze kolommen), 2D-nanoflakes geïsoleerd uit oppervlakte-microalgencellen (blauwe kolommen) en microalgencellen na scheiding van 2D-nanoflakes van het oppervlak (rode kolommen). De hoeveelheid elementair Nb, (b) het percentage 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) het aanpassen van de compositionele piek van XPS SL Nb2CTx-spectra en (fh) SL Nb4C3Tx MXene geïnternaliseerd door microalgencellen.
Daarom verwachtten we dat Nb door algencellen in de vorm van oxiden kon worden opgenomen. Om dit te testen, voerden we XPS-studies 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 Fig. 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 (Fig. 5c–e) en Nb4C3Tx SL (Fig. 5c–e). ) verkregen uit geïncubeerde microalgen. Figuur 5f–h) MXenes. Tabel S1-3 toont de details van de piekparameters en de algehele chemie als resultaat van de fit. Het is opmerkelijk dat de Nb 3d-gebieden van Nb2CTx SL en Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) overeenkomen met één Nb2O5-component. Hier vonden we geen MXene-gerelateerde pieken in de spectra, wat aangeeft dat microalgencellen alleen de oxidevorm van Nb absorberen. Daarnaast benaderden we het C1s-spectrum met de C–C-, CHx/C–O-, C=O- en –COOH-componenten. We kenden de CHx/C–O- en C=O-pieken toe aan de organische bijdrage van microalgencellen. Deze organische componenten vertegenwoordigen respectievelijk 36% en 41% van de C1s-pieken in Nb2CTx SL en Nb4C3TX SL. Vervolgens pasten we de O1s-spectra van SL Nb2CTx en SL Nb4C3TX aan met Nb2O5, organische componenten van microalgen (CHx/CO) en oppervlaktegeadsorbeerd 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 wordt opgenomen in de vorm van oxiden en niet in de vorm van ionen of MXene zelf. Bovendien toonden de XPS-resultaten aan dat microalgencellen beter in staat zijn om Nb-oxiden uit SL Nb2CTx op te nemen dan uit SL Nb4C3TX MXene.
Hoewel onze resultaten voor de Nb-opname indrukwekkend zijn en ons in staat stellen de afbraak van MXene te identificeren, is er geen methode beschikbaar om de bijbehorende morfologische veranderingen in 2D-nanoflakes te volgen. Daarom hebben we besloten een geschikte methode te ontwikkelen die direct kan reageren op veranderingen die optreden in 2D Nb-MXene-nanoflakes en microalgencellen. Het is belangrijk om op te merken dat we ervan uitgaan dat als de interacterende soorten een transformatie, ontbinding of defragmentatie ondergaan, dit zich snel zou moeten 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 nanoflakes, zal hun tracking door middel van dynamische deeltjesvormanalyse ons waardevolle informatie verschaffen over de morfologische transformatie van SL Nb-MXene-nanoflakes tijdens de reductie.
De verkregen resultaten worden weergegeven in figuur 6. Ter vergelijking hebben we ook de originele MAX-fase en ML-MXenen 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 equivalente diameterparameter van het cirkelvormige oppervlak (figuur 6a, b), wijst de verminderde piekintensiteit van de fractie grote nanovlokken erop dat ze de neiging hebben om te vervallen in kleinere fragmenten. In figuur 6c toont d een afname van de pieken die samenhangen met de transversale grootte van de vlokken (verlenging van de nanovlokken), wat wijst op de transformatie van 2D-nanovlokken naar een meer deeltjesachtige vorm. Figuur 6e-h tonen respectievelijk de breedte en lengte van de Feret. De breedte en lengte van de Feret zijn complementaire parameters en moeten daarom samen worden beschouwd. Na incubatie van 2D Nb-MXene-nanovlokken 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 MXenen meer gerimpeld raken en uiteenvallen in fragmenten en bolvormige oxidedeeltjes69,70.
Analyse van de MXene-transformatie na interactie met groene microalgen. Dynamische analyse van de deeltjesvorm 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. Hiervoor werden twee referentiemonsters van microalgen geanalyseerd, samen met primaire SL Nb2CTx en SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx en SL Nb4C3Tx MXenes, gedegradeerde microalgen en behandelde microalgen SL Nb2CTx en SL Nb4C3Tx MXenes. De rode pijlen tonen de overgangen van de vormparameters van de bestudeerde tweedimensionale nanoflakes.
Omdat vormparameteranalyse 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-nanoflakes. Fig. 6a-h tonen veranderingen in de vormparameters van algencellen, zoals blijkt uit een afname van de piekintensiteit en een verschuiving van maxima naar hogere waarden. Met name de rondheidsparameters van cellen lieten een afname zien in langwerpige cellen en een toename in bolvormige cellen (Fig. 6a, b). Bovendien nam de Feret-celbreedte met enkele micrometers toe na interactie met SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) vergeleken met SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f). We vermoeden dat dit te wijten kan zijn aan de sterke opname van Nb-oxiden door microalgen na interactie met Nb2CTx SR. Een minder stevige hechting van Nb-vlokken aan hun oppervlak kan leiden tot celgroei met minimaal schaduweffect.
Onze observaties 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 de celgrootte, -vorm of -stofwisseling te veranderen61. 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 consumeren, die vervolgens intracellulair worden afgezet72,73. Machado en Soares ontdekten dat het fungicide triclosan de celgrootte kan vergroten. Ze vonden ook ingrijpende veranderingen in de vorm van de algen74. Daarnaast ontdekten Yin et al.9 ook morfologische veranderingen in algen na blootstelling aan nanocomposieten met gereduceerd grafeenoxide. Het is daarom duidelijk dat de veranderde grootte-/vormparameters van de microalgen worden veroorzaakt door de aanwezigheid van MXene. Omdat deze verandering in grootte en vorm een ​​indicatie is van veranderingen in de opname van voedingsstoffen, denken wij dat analyse van grootte- en vormparameters in de loop van de tijd de opname van niobiumoxide door microalgen in aanwezigheid van Nb-MXenen kan aantonen.
Bovendien kunnen MXenen geoxideerd worden in de aanwezigheid van algen. Dalai et al.75 observeerden dat de morfologie van groene algen die blootgesteld waren aan nano-TiO2 en Al2O376 niet uniform was. Hoewel onze observaties vergelijkbaar zijn met die van de huidige studie, zijn ze alleen relevant voor de studie van de effecten van bioremediatie in termen van MXene-afbraakproducten in de aanwezigheid van 2D-nanoflakes en niet van nanodeeltjes. Aangezien MXenen kunnen afbreken tot metaaloxiden31,32,77,78, is het redelijk om aan te nemen dat onze Nb-nanoflakes ook Nb-oxiden kunnen vormen na interactie met microalgencellen.
Om de reductie van 2D-Nb-nanovlokken via een ontledingsmechanisme gebaseerd op het oxidatieproces te verklaren, hebben we studies uitgevoerd met behulp van hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) (Fig. 7a,b) en röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS) (Fig. 7c-i en tabellen S4-5). Beide benaderingen 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 waren uit dispersies van microalgencellen, dat wil zeggen hun vorm na interactie met microalgencellen (zie Fig. 7).
HRTEM-afbeeldingen die de morfologie van geoxideerde (a) SL Nb2CTx en (b) SL Nb4C3Tx MXenen laten zien, XPS-analyseresultaten die (c) de samenstelling van oxideproducten na reductie laten zien, (d–f) piekmatching van componenten van de XPS-spectra van SL Nb2CTx en (g– i) Nb4C3Tx SL hersteld met groene microalgen.
HRTEM-studies bevestigden de oxidatie van twee soorten Nb-MXene nanoflakes. Hoewel de nanoflakes hun tweedimensionale morfologie tot op zekere hoogte behielden, resulteerde oxidatie in de vorming van vele nanodeeltjes die het oppervlak van de MXene nanoflakes bedekten (zie Fig. 7a,b). XPS-analyse van c Nb 3d- en O 1 s-signalen gaf aan dat in beide gevallen Nb-oxiden werden gevormd. Zoals weergegeven in Figuur 7c, hebben 2D MXene Nb2CTx en Nb4C3TX Nb 3d-signalen die wijzen op de aanwezigheid van NbO- en Nb2O5-oxiden, terwijl O 1 s-signalen het aantal O–Nb-bindingen aangeven dat geassocieerd is met de functionalisatie van het 2D nanoflake-oppervlak. We merkten op dat de bijdrage van Nb-oxide dominant is in vergelijking met Nb-C en Nb3+-O.
In fig. 7g-i worden de XPS-spectra weergegeven van Nb 3d, C 1s en O 1s SL Nb2CTx (zie fig. 7d-f) en SL Nb4C3TX MXene, geïsoleerd uit microalgencellen. Details van de piekparameters van Nb-MXenes worden respectievelijk weergegeven in tabel S4-5. We analyseerden eerst de samenstelling van Nb 3d. In tegenstelling tot Nb dat door microalgencellen wordt geabsorbeerd, werden in MXene, geïsoleerd uit microalgencellen, naast Nb2O5, andere componenten aangetroffen. In de Nb2CTx SL observeerden we een bijdrage van Nb3+-O ter hoogte 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 C1s-spectra in kaart op vier verschillende componenten, net zoals we dat in de geïnternaliseerde monsters deden. Zoals verwacht wordt het C1s-spectrum gedomineerd door grafietkoolstof, gevolgd door bijdragen van organische deeltjes (CHx/CO en C=O) uit microalgencellen. Daarnaast observeerden we in het O1s-spectrum de bijdrage van organische vormen van microalgencellen, niobiumoxide en geadsorbeerd water.
Daarnaast onderzochten we of de splitsing van Nb-MXenen verband houdt met de aanwezigheid van reactieve zuurstofsoorten (ROS) in het voedingsmedium en/of microalgencellen. Hiervoor beoordeelden we de concentraties singuletzuurstof (1O2) in het kweekmedium en intracellulair glutathion, een thiol die als antioxidant werkt in microalgen. De resultaten worden weergegeven in SI (figuren S20 en S21). Culturen met SL Nb2CTx en Nb4C3TX MXenen werden gekenmerkt door een verlaagde hoeveelheid 1O2 (zie figuur S20). In het geval van SL Nb2CTx daalde de 1O2 van MXenen tot ongeveer 83%. Bij microalgenculturen met SL daalde de 1O2 van Nb4C3TX nog verder, tot 73%. Interessant 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 tijdens het experiment (Fig. S22). Ook voor de intracellulaire ROS-niveaus zagen we dezelfde dalende trend (zie Figuur S21). Aanvankelijk overtroffen de ROS-niveaus in microalgencellen gekweekt in aanwezigheid van Nb2CTx en Nb4C3Tx SL's de niveaus die werden gevonden in zuivere microalgenculturen. Uiteindelijk bleek echter dat de microalgen zich aanpasten aan de aanwezigheid van beide Nb-MXenen, aangezien de ROS-niveaus daalden tot respectievelijk 85% en 91% van de niveaus gemeten in zuivere microalgenculturen geënt met SL Nb2CTx en Nb4C3TX. Dit zou erop kunnen wijzen dat microalgen zich na verloop van tijd prettiger voelen in de aanwezigheid van Nb-MXene dan in alleen voedingsmedium.
Microalgen vormen een diverse groep fotosynthetische organismen. Tijdens fotosynthese zetten ze atmosferische koolstofdioxide (CO2) om in organische koolstof. De producten van fotosynthese zijn glucose en zuurstof79. We vermoeden dat de zo gevormde zuurstof een cruciale rol speelt bij de oxidatie van Nb-MXenen. Een mogelijke verklaring hiervoor is dat de differentiële beluchtingsparameter wordt gevormd bij lage en hoge partiële zuurstofdrukken buiten en binnen de Nb-MXene nanovlokken. Dit betekent dat overal waar zich gebieden met verschillende partiële zuurstofdrukken bevinden, het gebied met het laagste niveau de anode vormt 80, 81, 82. Hier dragen de microalgen bij aan de vorming van differentieel beluchte cellen op het oppervlak van de MXene vlokken, die zuurstof produceren vanwege 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, waardoor de Nb-MXenen veranderen. Bovendien kunnen microalgen door de absorptie van koolstofdioxide de pH-waarde van de omgeving alkalisch maken, wat ook corrosie kan veroorzaken79.
Belangrijker nog is dat de donker/licht fotoperiode die in onze studie werd gebruikt cruciaal is voor het begrijpen van de verkregen resultaten. Dit aspect wordt gedetailleerd beschreven in Djemai-Zoghlache et al. 85 Zij gebruikten bewust een 12/12 uur fotoperiode om biocorrosie aan te tonen geassocieerd met biofouling door de rode microalg Porphyridium purpureum. Ze laten zien dat de fotoperiode geassocieerd is met de evolutie van het potentiaal zonder biocorrosie, wat zich manifesteert als pseudoperiodieke oscillaties rond 24:00. Deze observaties werden bevestigd door Dowling et al. 86 Zij toonden fotosynthetische biofilms aan van cyanobacteriën Anabaena. Opgeloste zuurstof wordt gevormd onder invloed van licht, wat geassocieerd is met een verandering of fluctuaties in het vrije biocorrosiepotentieel. Het belang van de fotoperiode wordt benadrukt door het feit dat het vrije potentiaal voor biocorrosie toeneemt in de lichte fase en afneemt in de donkere fase. Dit komt door de zuurstof die door fotosynthetische microalgen wordt geproduceerd, die de kathodische reactie beïnvloedt via de partiële druk die bij de elektroden ontstaat87.
Daarnaast werd Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) uitgevoerd om te achterhalen of er veranderingen optraden in de chemische samenstelling van microalgencellen na interactie met Nb-MXenen. Deze verkregen resultaten zijn complex en we presenteren ze in SI (figuren S23-S25, inclusief de resultaten van de MAX-fase en ML MXenen). Kortom, de verkregen referentiespectra van microalgen verschaffen ons belangrijke informatie over de chemische kenmerken van deze organismen. Deze 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. 1 1 (C–H) en 3280 cm–1 (O–H). Voor SL Nb-MXenen vonden we een CH-bindingsstreksignatuur die consistent is met onze eerdere studie38. We zagen echter dat enkele extra pieken, geassocieerd met C=C- en CH-bindingen, verdwenen. Dit wijst erop dat de chemische samenstelling van microalgen mogelijk kleine veranderingen ondergaat door interactie met SL Nb-MXenen.
Bij het overwegen van mogelijke veranderingen in de biochemie van microalgen moet de accumulatie van anorganische oxiden, zoals niobiumoxide, heroverwogen worden59. Het is betrokken bij de opname van metalen door het celoppervlak, hun transport naar het cytoplasma, hun associatie met intracellulaire carboxylgroepen en hun accumulatie in polyfosfossomen van microalgen20,88,89,90. Bovendien wordt de relatie tussen microalgen en metalen in stand gehouden door functionele celgroepen. Om deze reden hangt de absorptie ook af van de oppervlaktechemie van microalgen, die vrij complex is9,91. Over het algemeen veranderde de chemische samenstelling van groene microalgen, zoals verwacht, licht door de absorptie van Nb-oxide.
Interessant genoeg bleek de waargenomen initiële remming van microalgen na verloop van tijd omkeerbaar. Zoals we zagen, overwonnen de microalgen de initiële omgevingsverandering en keerden ze uiteindelijk terug naar normale groeisnelheden, of namen ze zelfs toe. Studies naar het zeta-potentiaal tonen een hoge stabiliteit aan bij introductie in voedingsmedia. Zo bleef de oppervlakte-interactie tussen microalgencellen en Nb-MXene nanoflakes gedurende de reductie-experimenten behouden. In onze verdere analyse vatten we de belangrijkste werkingsmechanismen samen die aan dit opmerkelijke gedrag van microalgen ten grondslag liggen.
SEM-waarnemingen hebben aangetoond dat microalgen de neiging hebben zich te hechten aan Nb-MXenen. Met behulp van dynamische beeldanalyse bevestigen we dat dit effect leidt tot de transformatie van tweedimensionale Nb-MXene nanoflakes naar meer bolvormige deeltjes, wat aantoont dat de ontleding van nanoflakes verband houdt met hun oxidatie. Om onze hypothese te testen, hebben we een reeks materiaal- en biochemische studies uitgevoerd. Na het testen oxideerden en ontbonden de nanoflakes geleidelijk tot NbO- en Nb2O5-producten, wat geen bedreiging vormde voor groene microalgen. Met behulp van FTIR-waarnemingen vonden we geen significante veranderingen in de chemische samenstelling van microalgen die geïncubeerd waren in aanwezigheid van 2D Nb-MXene nanoflakes. Rekening houdend met de mogelijke 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.