Hvala vam što ste posjetili Nature.com. Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom. Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažuriranu verziju preglednika (ili da onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazat ćemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje karusel od tri slajda odjednom. Koristite dugmad Prethodno i Sljedeće za kretanje kroz tri slajda odjednom ili koristite klizače na kraju za kretanje kroz tri slajda odjednom.
Brzi razvoj nanotehnologije i njena integracija u svakodnevne primjene mogu ugroziti okoliš. Dok su zelene metode za razgradnju organskih zagađivača dobro uspostavljene, oporavak neorganskih kristalnih zagađivača je od velike važnosti zbog njihove niske osjetljivosti na biotransformaciju i nedostatka razumijevanja interakcija površine materijala s biološkim zagađivačima. Ovdje koristimo neorganski 2D MXene model na bazi Nb u kombinaciji s jednostavnom metodom analize parametara oblika kako bismo pratili mehanizam bioremedijacije 2D keramičkih nanomaterijala pomoću zelene mikroalge Raphidocelis subcapitata. Otkrili smo da mikroalge razgrađuju MXene na bazi Nb zbog fizičko-hemijskih interakcija povezanih s površinom. U početku su jednoslojne i višeslojne MXene nanopahuljice bile pričvršćene za površinu mikroalgi, što je donekle smanjilo rast algi. Međutim, nakon produžene interakcije s površinom, mikroalge su oksidirale MXene nanopahuljice i dalje ih razložile na NbO i Nb2O5. Budući da ovi oksidi nisu toksični za ćelije mikroalgi, oni konzumiraju nanočestice Nb oksida mehanizmom apsorpcije koji dodatno obnavlja mikroalge nakon 72 sata tretmana vodom. Efekti hranjivih tvari povezanih s apsorpcijom također se odražavaju u povećanju volumena ćelija, njihovom glatkom obliku i promjeni brzine rasta. Na osnovu ovih nalaza zaključujemo da kratkoročno i dugoročno prisustvo MXena na bazi Nb u slatkovodnim ekosistemima može uzrokovati samo manje utjecaje na okoliš. Vrijedno je napomenuti da, koristeći dvodimenzionalne nanomaterijale kao modelne sisteme, pokazujemo mogućnost praćenja transformacije oblika čak i u sitnozrnatim materijalima. Sveukupno, ova studija odgovara na važno fundamentalno pitanje o procesima povezanim s površinskom interakcijom koji pokreću mehanizam bioremedijacije 2D nanomaterijala i pruža osnovu za daljnja kratkoročna i dugoročna istraživanja utjecaja neorganskih kristalnih nanomaterijala na okoliš.
Nanomaterijali su izazvali veliko interesovanje od svog otkrića, a različite nanotehnologije su nedavno ušle u fazu modernizacije1. Nažalost, integracija nanomaterijala u svakodnevne primjene može dovesti do slučajnih ispuštanja zbog nepravilnog odlaganja, nepažljivog rukovanja ili neadekvatne sigurnosne infrastrukture. Stoga je razumno pretpostaviti da se nanomaterijali, uključujući dvodimenzionalne (2D) nanomaterijale, mogu ispustiti u prirodni okoliš, čije ponašanje i biološka aktivnost još nisu u potpunosti shvaćeni. Stoga ne čudi da su se zabrinutosti oko ekotoksičnosti fokusirale na sposobnost 2D nanomaterijala da se ispiru u vodene sisteme2,3,4,5,6. U ovim ekosistemima, neki 2D nanomaterijali mogu stupiti u interakciju s različitim organizmima na različitim trofičkim nivoima, uključujući mikroalge.
Mikroalge su primitivni organizmi koji se prirodno nalaze u slatkovodnim i morskim ekosistemima, a proizvode razne hemijske proizvode putem fotosinteze7. Kao takve, one su ključne za vodene ekosisteme8,9,10,11,12, ali su također osjetljivi, jeftini i široko korišteni indikatori ekotoksičnosti13,14. Budući da se ćelije mikroalgi brzo množe i brzo reagiraju na prisustvo različitih spojeva, one su obećavajuće za razvoj ekološki prihvatljivih metoda za tretman vode kontaminirane organskim supstancama15,16.
Ćelije algi mogu uklanjati neorganske ione iz vode putem biosorpcije i akumulacije17,18. Neke vrste algi kao što su Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue i Synechococcus sp. Utvrđeno je da nose, pa čak i hrane toksične metalne ione kao što su Fe2+, Cu2+, Zn2+ i Mn2+19. Druge studije su pokazale da ioni Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ ili Pb2+ ograničavaju rast Scenedesmusa mijenjajući morfologiju ćelija i uništavajući njihove hloroplaste20,21.
Zelene metode za razgradnju organskih zagađivača i uklanjanje iona teških metala privukle su pažnju naučnika i inženjera širom svijeta. To je uglavnom zbog činjenice da se ovi zagađivači lako obrađuju u tečnoj fazi. Međutim, neorganski kristalni zagađivači karakteriziraju se niskom topljivošću u vodi i malom podložnošću različitim biotransformacijama, što uzrokuje velike poteškoće u sanaciji, te je u ovom području postignut mali napredak22,23,24,25,26. Stoga, potraga za ekološki prihvatljivim rješenjima za popravak nanomaterijala ostaje složeno i neistraženo područje. Zbog visokog stepena nesigurnosti u vezi s efektima biotransformacije 2D nanomaterijala, ne postoji jednostavan način da se otkriju mogući putevi njihove degradacije tokom redukcije.
U ovoj studiji, koristili smo zelene mikroalge kao aktivno vodeno bioremedijacijsko sredstvo za neorganske keramičke materijale, u kombinaciji s in situ praćenjem procesa degradacije MXena kao predstavnika neorganskih keramičkih materijala. Termin "MXen" odražava stehiometriju Mn+1XnTx materijala, gdje je M rani prelazni metal, X je ugljik i/ili dušik, Tx je površinski terminator (npr. -OH, -F, -Cl), a n = 1, 2, 3 ili 427,28. Od otkrića MXena od strane Naguiba i saradnika. Senzorika, terapija raka i membranska filtracija 27,29,30. Osim toga, MXeni se mogu smatrati modelnim 2D sistemima zbog njihove odlične koloidne stabilnosti i mogućih bioloških interakcija 31,32,33,34,35,36.
Stoga su metodologija razvijena u ovom članku i naše istraživačke hipoteze prikazane na Slici 1. Prema ovoj hipotezi, mikroalge razgrađuju MXene na bazi Nb u netoksične spojeve zbog fizičko-hemijskih interakcija povezanih s površinom, što omogućava daljnji oporavak algi. Da bi se testirala ova hipoteza, odabrana su dva člana porodice ranih karbida i/ili nitrida prelaznih metala (MXene) na bazi niobija, naime Nb2CTx i Nb4C3TX.
Metodologija istraživanja i hipoteze zasnovane na dokazima za oporavak MXene pomoću zelenih mikroalgi Raphidocelis subcapitata. Imajte na umu da je ovo samo shematski prikaz pretpostavki zasnovanih na dokazima. Okruženje jezera se razlikuje po korištenom hranjivom mediju i uslovima (npr. dnevni ciklus i ograničenja dostupnih esencijalnih hranjivih tvari). Kreirano sa BioRender.com.
Stoga, korištenjem MXene kao modelnog sistema, otvorili smo vrata proučavanju različitih bioloških efekata koji se ne mogu uočiti kod drugih konvencionalnih nanomaterijala. Posebno, demonstriramo mogućnost bioremedijacije dvodimenzionalnih nanomaterijala, kao što su MXene na bazi niobija, pomoću mikroalgi Raphidocelis subcapitata. Mikroalge su u stanju da razgrade Nb-MXene u netoksične okside NbO i Nb2O5, koji također obezbjeđuju hranjive tvari putem mehanizma apsorpcije niobija. Sveukupno, ova studija odgovara na važno fundamentalno pitanje o procesima povezanim sa površinskim fizičko-hemijskim interakcijama koje upravljaju mehanizmima bioremedijacije dvodimenzionalnih nanomaterijala. Osim toga, razvijamo jednostavnu metodu zasnovanu na parametrima oblika za praćenje suptilnih promjena u obliku 2D nanomaterijala. Ovo inspiriše dalja kratkoročna i dugoročna istraživanja različitih uticaja neorganskih kristalnih nanomaterijala na okolinu. Dakle, naša studija povećava razumijevanje interakcije između površine materijala i biološkog materijala. Također pružamo osnovu za proširene kratkoročne i dugoročne studije o njihovom mogućem utjecaju na slatkovodne ekosisteme, što se sada može lako provjeriti.
MXeni predstavljaju zanimljivu klasu materijala s jedinstvenim i atraktivnim fizičkim i hemijskim svojstvima, a samim tim i mnogim potencijalnim primjenama. Ova svojstva uveliko zavise od njihove stehiometrije i površinske hemije. Stoga smo u našoj studiji istražili dvije vrste hijerarhijskih jednoslojnih (SL) MXena na bazi Nb, Nb2CTx i Nb4C3TX, budući da su se mogli uočiti različiti biološki efekti ovih nanomaterijala. MXeni se proizvode od svojih početnih materijala selektivnim nagrizanjem odozgo prema dolje atomski tankih A-slojeva MAX faze. MAX faza je ternarna keramika sastavljena od "vezanih" blokova karbida prelaznih metala i tankih slojeva "A" elemenata kao što su Al, Si i Sn sa stehiometrijom MnAXn-1. Morfologija početne MAX faze uočena je skenirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM) i bila je u skladu s prethodnim studijama (vidi Dodatne informacije, SI, Slika S1). Višeslojni (ML) Nb-MXen je dobiven nakon uklanjanja Al sloja s 48% HF (fluorovodonična kiselina). Morfologija ML-Nb2CTx i ML-Nb4C3TX ispitana je skenirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM) (slike S1c i S1d respektivno) i uočena je tipična slojevita morfologija MXena, slična dvodimenzionalnim nanopahuljicama koje prolaze kroz izdužene proreze nalik porama. Oba Nb-MXena imaju mnogo zajedničkog sa MXenskim fazama prethodno sintetiziranim nagrizanjem kiselinom27,38. Nakon potvrde strukture MXena, nanijeli smo slojeve interkalacijom tetrabutilammonijum hidroksida (TBAOH), nakon čega su uslijedili pranje i sonikacija, nakon čega smo dobili jednoslojne ili niskoslojne (SL) 2D Nb-MXene nanopahuljice.
Koristili smo transmisijsku elektronsku mikroskopiju visoke rezolucije (HRTEM) i rendgensku difrakciju (XRD) za testiranje efikasnosti nagrizanja i daljnjeg ljuštenja. Rezultati HRTEM-a obrađeni korištenjem inverzne brze Fourierove transformacije (IFFT) i brze Fourierove transformacije (FFT) prikazani su na slici 2. Nb-MXene nanopahuljice su orijentirane rubom prema gore kako bi se provjerila struktura atomskog sloja i izmjerile međuravninske udaljenosti. HRTEM slike MXene Nb2CTx i Nb4C3TX nanopahuljica otkrile su njihovu atomski tanku slojevitu prirodu (vidi sliku 2a1, a2), kao što su prethodno izvijestili Naguib et al.27 i Jastrzębska et al.38. Za dva susjedna monosloja Nb2CTx i Nb4C3Tx, odredili smo međuslojne udaljenosti od 0,74 i 1,54 nm, respektivno (slike 2b1, b2), što se također slaže s našim prethodnim rezultatima38. Ovo je dodatno potvrđeno inverznom brzom Fourierovom transformacijom (Sl. 2c1, c2) i brzom Fourierovom transformacijom (Sl. 2d1, d2) koje prikazuju udaljenost između monoslojeva Nb2CTx i Nb4C3Tx. Slika prikazuje izmjenu svijetlih i tamnih traka koje odgovaraju atomima niobija i ugljika, što potvrđuje slojevitu prirodu proučavanih MXena. Važno je napomenuti da spektri energetski disperzivne rendgenske spektroskopije (EDX) dobijeni za Nb2CTx i Nb4C3Tx (Slike S2a i S2b) nisu pokazali ostatke originalne MAX faze, budući da nije detektovan Al vrh.
Karakterizacija SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXene nanopahuljica, uključujući (a) bočno 2D snimanje nanopahuljica dobijeno elektronskom mikroskopijom visoke rezolucije (HRTEM) i odgovarajući, (b) mod intenziteta, (c) inverznu brzu Fourierovu transformaciju (IFFT), (d) brzu Fourierovu transformaciju (FFT), (e) Nb-MXenes rendgenske dijagrame. Za SL 2D Nb2CTx, brojevi su izraženi kao (a1, b1, c1, d1, e1). Za SL 2D Nb4C3Tx, brojevi su izraženi kao (a2, b2, c2, d2, e1).
Mjerenja rendgenske difrakcije SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXena prikazana su na slikama 2e1 i e2, respektivno. Vrhovi (002) na 4.31 i 4.32 odgovaraju prethodno opisanim slojevitim MXenima Nb2CTx i Nb4C3TX38,39,40,41 respektivno. XRD rezultati također ukazuju na prisustvo nekih rezidualnih ML struktura i MAX faza, ali uglavnom XRD obrasce povezane sa SL Nb4C3Tx (slika 2e2). Prisustvo manjih čestica MAX faze može objasniti jači MAX vrh u poređenju sa nasumično naslaganim Nb4C3Tx slojevima.
Dalja istraživanja su se fokusirala na zelene mikroalge koje pripadaju vrsti R. subcapitata. Odabrali smo mikroalge jer su one važni proizvođači uključeni u glavne lance ishrane42. One su također jedan od najboljih indikatora toksičnosti zbog sposobnosti uklanjanja toksičnih supstanci koje se prenose na više nivoe lanca ishrane43. Osim toga, istraživanje R. subcapitata moglo bi rasvijetliti slučajnu toksičnost SL Nb-MXena na uobičajene slatkovodne mikroorganizme. Da bi to ilustrovali, istraživači su postavili hipotezu da svaki mikrob ima različitu osjetljivost na toksične spojeve prisutne u okolini. Za većinu organizama, niske koncentracije supstanci ne utiču na njihov rast, dok koncentracije iznad određene granice mogu ih inhibirati ili čak uzrokovati smrt. Stoga smo za naša istraživanja površinske interakcije između mikroalgi i MXena i povezanog oporavka odlučili testirati bezopasne i toksične koncentracije Nb-MXena. Da bismo to uradili, testirali smo koncentracije od 0 (kao referenca), 0,01, 0,1 i 10 mg l-1 MXene i dodatno zarazili mikroalge vrlo visokim koncentracijama MXene (100 mg l-1 MXene), koje mogu biti ekstremne i smrtonosne za bilo koje biološko okruženje.
Efekti SL Nb-MXenes na mikroalge prikazani su na Slici 3, izraženi kao procenat promocije rasta (+) ili inhibicije (-) izmjeren za uzorke od 0 mg l-1. Poređenja radi, testirani su i Nb-MAX faza i ML Nb-MXenes, a rezultati su prikazani u SI (vidi Sliku S3). Dobijeni rezultati potvrdili su da je SL Nb-MXenes gotovo potpuno lišen toksičnosti u rasponu niskih koncentracija od 0,01 do 10 mg/l, kao što je prikazano na Slici 3a,b. U slučaju Nb2CTx, uočili smo ne više od 5% ekotoksičnosti u navedenom rasponu.
Stimulacija (+) ili inhibicija (-) rasta mikroalgi u prisustvu SL (a) Nb2CTx i (b) Nb4C3TX MXene. Analizirana je interakcija MXene-mikroalgi nakon 24, 48 i 72 sata. Značajni podaci (t-test, p < 0,05) označeni su zvjezdicom (*). Značajni podaci (t-test, p < 0,05) označeni su zvjezdicom (*). Značimye dannye (t-kriterij, p < 0,05) otmečeny zvezdočkoj (*). Značajni podaci (t-test, p < 0,05) su označeni zvjezdicom (*).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。 Važne podatke (t-test, p < 0,05) otmečeny zvezdočkoj (*). Važni podaci (t-test, p < 0,05) su označeni zvjezdicom (*).Crvene strelice označavaju ukidanje inhibitorne stimulacije.
S druge strane, niske koncentracije Nb4C3TX pokazale su se nešto toksičnijima, ali ne višim od 7%. Kao što se i očekivalo, primijetili smo da MXene imaju veću toksičnost i inhibiciju rasta mikroalgi pri 100 mg L-1. Zanimljivo je da nijedan od materijala nije pokazao isti trend i vremensku zavisnost atoksičnih/toksičnih efekata u poređenju sa MAX ili ML uzorcima (vidi SI za detalje). Dok je za MAX fazu (vidi Sl. S3) toksičnost dostigla približno 15-25% i povećavala se s vremenom, obrnut trend je uočen za SL Nb2CTx i Nb4C3TX MXene. Inhibicija rasta mikroalgi se smanjivala tokom vremena. Dostigla je približno 17% nakon 24 sata i pala na manje od 5% nakon 72 sata (Sl. 3a, b, respektivno).
Što je još važnije, za SL Nb4C3TX, inhibicija rasta mikroalgi dostigla je oko 27% nakon 24 sata, ali se nakon 72 sata smanjila na oko 1%. Stoga smo uočeni efekat označili kao inverznu inhibiciju stimulacije, a efekat je bio jači za SL Nb4C3TX MXene. Stimulacija rasta mikroalgi je ranije uočena sa Nb4C3TX (interakcija pri 10 mg L-1 tokom 24 sata) u poređenju sa SL Nb2CTx MXene. Efekat obrnute inhibicije-stimulacije je također dobro prikazan na krivulji brzine udvostručenja biomase (vidi Sl. S4 za detalje). Do sada je samo ekotoksičnost Ti3C2TX MXene proučavana na različite načine. Nije toksičan za embrione zebrica44, ali je umjereno ekotoksičan za biljke mikroalgi Desmodesmus quadricauda i Sorghum saccharatum45. Drugi primjeri specifičnih efekata uključuju veću toksičnost za ćelijske linije raka nego za normalne ćelijske linije46,47. Moglo bi se pretpostaviti da će uslovi testiranja uticati na promjene u rastu mikroalgi uočene u prisustvu Nb-MXena. Na primjer, pH od oko 8 u stromi hloroplasta je optimalan za efikasan rad enzima RuBisCO. Stoga, promjene pH negativno utiču na brzinu fotosinteze48,49. Međutim, nismo uočili značajne promjene pH vrednosti tokom eksperimenta (vidi SI, slika S5 za detalje). Općenito, kulture mikroalgi sa Nb-MXenima su blago smanjile pH vrednost rastvora tokom vremena. Međutim, ovo smanjenje je bilo slično promjeni pH vrednosti čistog medija. Pored toga, raspon pronađenih varijacija bio je sličan onome izmjerenom za čistu kulturu mikroalgi (kontrolni uzorak). Stoga zaključujemo da na fotosintezu ne utiču promjene pH vrednosti tokom vremena.
Pored toga, sintetizirani MXeni imaju površinske završetke (označene kao Tx). To su uglavnom funkcionalne grupe -O, -F i -OH. Međutim, površinska hemija je direktno povezana s metodom sinteze. Poznato je da su ove grupe nasumično raspoređene po površini, što otežava predviđanje njihovog utjecaja na svojstva MXena50. Može se tvrditi da bi Tx mogao biti katalitička sila za oksidaciju niobija svjetlošću. Površinske funkcionalne grupe zaista pružaju više mjesta sidrenja za svoje temeljne fotokatalizatore kako bi formirale heterospojeve51. Međutim, sastav medija za rast nije osigurao efikasan fotokatalizator (detaljan sastav medija može se naći u SI tabeli S6). Osim toga, svaka modifikacija površine je također vrlo važna, jer se biološka aktivnost MXena može promijeniti zbog naknadne obrade sloja, oksidacije, hemijske modifikacije površine organskih i neorganskih spojeva52,53,54,55,56 ili inženjerstva površinskog naboja38. Stoga, kako bismo testirali da li niobijum oksid ima ikakve veze sa nestabilnošću materijala u mediju, proveli smo studije zeta (ζ) potencijala u mediju za rast mikroalgi i deionizovanoj vodi (radi poređenja). Naši rezultati pokazuju da su SL Nb-MXeni prilično stabilni (vidi SI sliku S6 za MAX i ML rezultate). Zeta potencijal SL MXena je oko -10 mV. U slučaju SR Nb2CTx, vrijednost ζ je nešto negativnija od one kod Nb4C3Tx. Takva promjena vrijednosti ζ može ukazivati ​​na to da površina negativno naelektrisanih MXen nanopahuljica apsorbuje pozitivno naelektrisane ione iz medija za kulturu. Vremenska mjerenja zeta potencijala i provodljivosti Nb-MXena u mediju za kulturu (vidi slike S7 i S8 u SI za više detalja) čini se da podržavaju našu hipotezu.
Međutim, oba Nb-MXene SL-a pokazala su minimalne promjene od nule. Ovo jasno pokazuje njihovu stabilnost u mediju za rast mikroalgi. Osim toga, procijenili smo da li bi prisustvo naših zelenih mikroalgi uticalo na stabilnost Nb-MXena u mediju. Rezultati zeta potencijala i provodljivosti MXena nakon interakcije s mikroalgama u hranjivim medijima i kulturi tokom vremena mogu se naći u SI (Slike S9 i S10). Zanimljivo je da smo primijetili da prisustvo mikroalgi izgleda stabilizuje disperziju oba MXena. U slučaju Nb2CTx SL-a, zeta potencijal se čak i neznatno smanjio tokom vremena na negativnije vrijednosti (-15,8 naspram -19,1 mV nakon 72 sata inkubacije). Zeta potencijal SL Nb4C3TX se neznatno povećao, ali nakon 72 sata je i dalje pokazivao veću stabilnost od nanopahuljica bez prisustva mikroalgi (-18,1 naspram -9,1 mV).
Također smo otkrili nižu provodljivost Nb-MXene otopina inkubiranih u prisustvu mikroalgi, što ukazuje na manju količinu iona u hranjivoj podlozi. Važno je napomenuti da je nestabilnost MXena u vodi uglavnom posljedica površinske oksidacije57. Stoga sumnjamo da su zelene mikroalge nekako očistile okside formirane na površini Nb-MXena, pa čak i spriječile njihovu pojavu (oksidaciju MXena). To se može vidjeti proučavanjem vrsta tvari koje apsorbiraju mikroalge.
Iako su naše ekotoksikološke studije pokazale da su mikroalge bile u stanju da savladaju toksičnost Nb-MXena tokom vremena i neuobičajenu inhibiciju stimulisanog rasta, cilj naše studije bio je istražiti moguće mehanizme djelovanja. Kada su organizmi poput algi izloženi jedinjenjima ili materijalima koji nisu poznati njihovim ekosistemima, oni mogu reagovati na različite načine58,59. U odsustvu toksičnih metalnih oksida, mikroalge se mogu same hraniti, što im omogućava kontinuirani rast60. Nakon gutanja toksičnih supstanci, mogu se aktivirati odbrambeni mehanizmi, poput promjene oblika ili forme. Mogućnost apsorpcije također se mora uzeti u obzir58,59. Važno je napomenuti da je svaki znak odbrambenog mehanizma jasan pokazatelj toksičnosti ispitivanog jedinjenja. Stoga smo u našem daljem radu istražili potencijalnu površinsku interakciju između SL Nb-MXene nanopahuljica i mikroalgi pomoću SEM-a i moguću apsorpciju MXena na bazi Nb pomoću rendgenske fluorescentne spektroskopije (XRF). Treba napomenuti da su SEM i XRF analize provedene samo pri najvišoj koncentraciji MXena kako bi se riješila pitanja toksičnosti aktivnosti.
Rezultati SEM-a prikazani su na Sl. 4. Netretirane ćelije mikroalgi (vidi Sl. 4a, referentni uzorak) jasno su pokazale tipičnu morfologiju R. subcapitata i oblik ćelija sličan kroasanu. Ćelije izgledaju spljošteno i donekle neorganizovano. Neke ćelije mikroalgi su se preklapale i ispreplitale jedna s drugom, ali to je vjerovatno uzrokovano procesom pripreme uzorka. Općenito, čiste ćelije mikroalgi imale su glatku površinu i nisu pokazivale nikakve morfološke promjene.
SEM slike koje prikazuju površinsku interakciju između zelenih mikroalgi i MXene nanoslojeva nakon 72 sata interakcije pri ekstremnoj koncentraciji (100 mg L-1). (a) Netretirane zelene mikroalge nakon interakcije sa SL (b) Nb2CTx i (c) Nb4C3TX MXene. Treba napomenuti da su Nb-MXene nanopahuljice označene crvenim strelicama. Za poređenje, dodane su i fotografije s optičkog mikroskopa.
Nasuprot tome, ćelije mikroalgi adsorbovane SL Nb-MXene nanopahuljicama bile su oštećene (vidi sliku 4b, c, crvene strelice). U slučaju Nb2CTx MXene (slika 4b), mikroalge imaju tendenciju rasta sa pričvršćenim dvodimenzionalnim nanoskalama, što može promijeniti njihovu morfologiju. Značajno je da smo ove promjene primijetili i pod svjetlosnom mikroskopijom (vidi SI sliku S11 za detalje). Ova morfološka tranzicija ima vjerodostojnu osnovu u fiziologiji mikroalgi i njihovoj sposobnosti da se brane promjenom morfologije ćelija, kao što je povećanje volumena ćelija61. Stoga je važno provjeriti broj ćelija mikroalgi koje su zapravo u kontaktu sa Nb-MXenima. SEM studije su pokazale da je približno 52% ćelija mikroalgi bilo izloženo Nb-MXenima, dok je 48% ovih ćelija mikroalgi izbjegavalo kontakt. Kod SL Nb4C3Tx MXene, mikroalge pokušavaju izbjeći kontakt sa MXenom, čime se lokalizuju i rastu iz dvodimenzionalnih nanoskala (slika 4c). Međutim, nismo primijetili prodiranje nanoskala u ćelije mikroalgi i njihovo oštećenje.
Samoodržanje je također vremenski zavisno ponašanje odgovora na blokadu fotosinteze zbog adsorpcije čestica na površini ćelije i takozvanog efekta sjenčanja (zasjenjivanja)62. Jasno je da svaki objekt (na primjer, Nb-MXene nanopahuljice) koji se nalazi između mikroalgi i izvora svjetlosti ograničava količinu svjetlosti koju apsorbiraju hloroplasti. Međutim, ne sumnjamo da to ima značajan utjecaj na dobivene rezultate. Kao što su pokazala naša mikroskopska posmatranja, 2D nanopahuljice nisu bile potpuno omotane ili prilijepljene za površinu mikroalgi, čak ni kada su ćelije mikroalgi bile u kontaktu s Nb-MXenima. Umjesto toga, nanopahuljice su se pokazale orijentiranima prema ćelijama mikroalgi bez pokrivanja njihove površine. Takav skup nanopahuljica/mikroalgi ne može značajno ograničiti količinu svjetlosti koju apsorbiraju ćelije mikroalgi. Štaviše, neke studije su čak pokazale poboljšanje apsorpcije svjetlosti od strane fotosintetskih organizama u prisustvu dvodimenzionalnih nanomaterijala63,64,65,66.
Budući da SEM snimci nisu mogli direktno potvrditi unos niobija od strane ćelija mikroalgi, naša daljnja studija se okrenula analizi rendgenske fluorescencije (XRF) i rendgenske fotoelektronske spektroskopije (XPS) kako bismo razjasnili ovo pitanje. Stoga smo uporedili intenzitet Nb vrhova referentnih uzoraka mikroalgi koji nisu interagovali sa MXenima, MXen nanopahuljicama odvojenim od površine ćelija mikroalgi i ćelijama mikroalgi nakon uklanjanja pričvršćenih MXena. Vrijedi napomenuti da ako nema unosa Nb, vrijednost Nb koju su dobile ćelije mikroalgi trebala bi biti nula nakon uklanjanja pričvršćenih nanoskala. Stoga, ako dođe do unosa Nb, i XRF i XPS rezultati trebali bi pokazati jasan Nb vrh.
U slučaju XRF spektara, uzorci mikroalgi pokazali su Nb vrhove za SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXene nakon interakcije sa SL Nb2CTx i Nb4C3Tx MXene (vidi Sliku 5a, također imajte na umu da su rezultati za MAX i ML MXene prikazani u SI, Slike S12–C17). Zanimljivo je da je intenzitet Nb vrha isti u oba slučaja (crvene trake na Slici 5a). To je ukazivalo na to da alge nisu mogle apsorbirati više Nb, a maksimalni kapacitet za akumulaciju Nb postignut je u ćelijama, iako je dva puta više Nb4C3Tx MXene bilo vezano za ćelije mikroalgi (plave trake na Slici 5a). Značajno je da sposobnost mikroalgi da apsorbiraju metale ovisi o koncentraciji metalnih oksida u okolišu67,68. Shamshada i suradnici67 otkrili su da se apsorpcijski kapacitet slatkovodnih algi smanjuje s porastom pH. Raize i saradnici68 su primijetili da je sposobnost morskih algi da apsorbuju metale bila oko 25% veća za Pb2+ nego za Ni2+.
(a) XRF rezultati bazalnog unosa Nb od strane zelenih ćelija mikroalgi inkubiranih pri ekstremnoj koncentraciji SL Nb-MXena (100 mg L-1) tokom 72 sata. Rezultati pokazuju prisustvo α u čistim ćelijama mikroalgi (kontrolni uzorak, sivi stupci), 2D nanopahuljicama izolovanim iz površinskih ćelija mikroalgi (plavi stupci) i ćelijama mikroalgi nakon odvajanja 2D nanopahuljica sa površine (crveni stupci). Količina elementarnog Nb, (b) procenat hemijskog sastava organskih komponenti mikroalgi (C=O i CHx/C–O) i Nb oksida prisutnih u ćelijama mikroalgi nakon inkubacije sa SL Nb-MXenima, (c–e) Fitovanje kompozicijskog vrha XPS SL Nb2CTx spektra i (fh) SL Nb4C3Tx MXena internalizovanog od strane ćelija mikroalgi.
Stoga smo očekivali da ćelije algi mogu apsorbirati Nb u obliku oksida. Da bismo to testirali, proveli smo XPS studije na MXenima Nb2CTx i Nb4C3TX i ćelijama algi. Rezultati interakcije mikroalgi sa Nb-MXenima i MXenima izolovanim iz ćelija algi prikazani su na slici 5b. Kao što se i očekivalo, detektovali smo Nb 3d vrhove u uzorcima mikroalgi nakon uklanjanja MXena sa površine mikroalgi. Kvantitativno određivanje C=O, CHx/CO i Nb oksida izračunato je na osnovu Nb 3d, O 1s i C 1s spektara dobijenih sa Nb2CTx SL (slika 5c–e) i Nb4C3Tx SL (slika 5c–e). ) dobijenih iz inkubiranih mikroalgi. Slika 5f–h) MXeni. Tabela S1-3 prikazuje detalje parametara vrhova i ukupne hemije koja je rezultat prilagođavanja. Vrijedno je napomenuti da Nb 3d regije Nb2CTx SL i Nb4C3Tx SL (Sl. 5c, f) odgovaraju jednoj Nb2O5 komponenti. Ovdje nismo pronašli vrhove povezane s MXene u spektrima, što ukazuje na to da ćelije mikroalgi apsorbiraju samo oksidni oblik Nb. Osim toga, aproksimirali smo C 1 s spektar s komponentama C–C, CHx/C–O, C=O i –COOH. Vrhove CHx/C–O i C=O dodijelili smo organskom doprinosu ćelija mikroalgi. Ove organske komponente čine 36% i 41% C 1s vrhova u Nb2CTx SL i Nb4C3TX SL, respektivno. Zatim smo uklopili O 1s spektre SL Nb2CTx i SL Nb4C3TX s Nb2O5, organskim komponentama mikroalgi (CHx/CO) i površinski adsorbiranom vodom.
Konačno, XPS rezultati su jasno ukazali na oblik Nb, a ne samo na njegovo prisustvo. Prema položaju Nb 3d signala i rezultatima dekonvolucije, potvrđujemo da se Nb apsorbuje samo u obliku oksida, a ne iona ili samog MXene. Osim toga, XPS rezultati su pokazali da ćelije mikroalgi imaju veću sposobnost usvajanja Nb oksida iz SL Nb2CTx u poređenju sa SL Nb4C3TX MXene.
Iako su naši rezultati apsorpcije Nb impresivni i omogućavaju nam da identifikujemo degradaciju MXene, ne postoji dostupna metoda za praćenje povezanih morfoloških promjena u 2D nanopahuljicama. Stoga smo odlučili razviti i odgovarajuću metodu koja može direktno reagovati na bilo kakve promjene koje se javljaju u 2D Nb-MXene nanopahuljicama i ćelijama mikroalgi. Važno je napomenuti da pretpostavljamo da ako vrste koje interaguju prođu bilo kakvu transformaciju, dekompoziciju ili defragmentaciju, to bi se trebalo brzo manifestovati kao promjene u parametrima oblika, kao što su prečnik ekvivalentne kružne površine, zaobljenost, Feret širina ili Feret dužina. Budući da su ovi parametri pogodni za opisivanje izduženih čestica ili dvodimenzionalnih nanopahuljica, njihovo praćenje dinamičkom analizom oblika čestica dat će nam vrijedne informacije o morfološkoj transformaciji SL Nb-MXene nanopahuljica tokom redukcije.
Dobijeni rezultati su prikazani na Slici 6. Radi poređenja, testirali smo i originalnu MAX fazu i ML-MXene (vidi SI slike S18 i S19). Dinamička analiza oblika čestica pokazala je da su se svi parametri oblika dva Nb-MXene SL značajno promijenili nakon interakcije s mikroalgama. Kao što je prikazano parametrom ekvivalentnog kružnog promjera površine (Sl. 6a, b), smanjeni intenzitet vrha udjela velikih nanopahuljica ukazuje na to da one imaju tendenciju raspadanja na manje fragmente. Na Sl. 6c, d prikazano je smanjenje vrhova povezanih s poprečnom veličinom pahuljica (izduženje nanopahuljica), što ukazuje na transformaciju 2D nanopahuljica u oblik sličniji česticama. Slika 6e-h prikazuje širinu i dužinu Fereta. Širina i dužina Fereta su komplementarni parametri i stoga ih treba razmatrati zajedno. Nakon inkubacije 2D Nb-MXene nanopahuljica u prisustvu mikroalgi, njihovi Feret korelacijski vrhovi su se pomaknuli, a njihov intenzitet se smanjio. Na osnovu ovih rezultata u kombinaciji s morfologijom, XRF i XPS, zaključili smo da su uočene promjene snažno povezane s oksidacijom, jer oksidirani MXeni postaju naboraniji i raspadaju se na fragmente i sferne oksidne čestice69,70.
Analiza transformacije MXene nakon interakcije sa zelenim mikroalgama. Dinamička analiza oblika čestica uzima u obzir parametre kao što su (a, b) prečnik ekvivalentne kružne površine, (c, d) zaobljenost, (e, f) širina Fereta i (g, h) dužina Fereta. U tu svrhu, analizirana su dva referentna uzorka mikroalgi zajedno sa primarnim SL Nb2CTx i SL Nb4C3Tx MXenima, SL Nb2CTx i SL Nb4C3Tx MXenima, degradiranim mikroalgama i tretiranim mikroalgama SL Nb2CTx i SL Nb4C3Tx MXenima. Crvene strelice pokazuju prijelaze parametara oblika proučavanih dvodimenzionalnih nanopahuljica.
Budući da je analiza parametara oblika vrlo pouzdana, ona također može otkriti morfološke promjene u ćelijama mikroalgi. Stoga smo analizirali ekvivalentni promjer kružne površine, zaobljenost i Feret-ovu širinu/dužinu čistih ćelija mikroalgi i ćelija nakon interakcije s 2D Nb nanopahuljicama. Na slikama 6a-h prikazane su promjene u parametrima oblika ćelija algi, što se vidi po smanjenju intenziteta vrha i pomjeranju maksimuma prema višim vrijednostima. Konkretno, parametri zaobljenosti ćelija pokazali su smanjenje izduženih ćelija i povećanje sfernih ćelija (slika 6a, b). Osim toga, širina Feret-ove ćelije povećala se za nekoliko mikrometara nakon interakcije sa SL Nb2CTx MXene (slika 6e) u poređenju sa SL Nb4C3TX MXene (slika 6f). Sumnjamo da bi to moglo biti zbog jakog unosa Nb oksida od strane mikroalgi nakon interakcije s Nb2CTx SR. Manje kruto pričvršćivanje Nb pahuljica za njihovu površinu može rezultirati rastom ćelija s minimalnim efektom sjenčenja.
Naša zapažanja promjena parametara oblika i veličine mikroalgi nadopunjuju druge studije. Zelene mikroalge mogu promijeniti svoju morfologiju kao odgovor na stres iz okoliša promjenom veličine, oblika ili metabolizma ćelija61. Na primjer, promjena veličine ćelija olakšava apsorpciju hranjivih tvari71. Manje ćelije algi pokazuju nižu apsorpciju hranjivih tvari i smanjenu stopu rasta. Suprotno tome, veće ćelije imaju tendenciju konzumiranja više hranjivih tvari, koje se zatim talože unutarćelijski72,73. Machado i Soares su otkrili da fungicid triklosan može povećati veličinu ćelija. Također su pronašli značajne promjene u obliku algi74. Osim toga, Yin i sar.9 su također otkrili morfološke promjene u algama nakon izlaganja reduciranim nanokompozitima grafen oksida. Stoga je jasno da su promijenjeni parametri veličine/oblika mikroalgi uzrokovani prisustvom MXene-a. Budući da ova promjena veličine i oblika ukazuje na promjene u apsorpciji hranjivih tvari, vjerujemo da analiza parametara veličine i oblika tokom vremena može pokazati apsorpciju niobijum oksida od strane mikroalgi u prisustvu Nb-MXene-a.
Štaviše, MXeni se mogu oksidirati u prisustvu algi. Dalai i saradnici75 su primijetili da morfologija zelenih algi izloženih nano-TiO2 i Al2O376 nije bila ujednačena. Iako su naša zapažanja slična ovoj studiji, ona su relevantna samo za proučavanje efekata bioremedijacije u smislu produkata razgradnje MXena u prisustvu 2D nanopahuljica, a ne nanočestica. Budući da se MXeni mogu razgraditi u metalne okside,31,32,77,78 razumno je pretpostaviti da i naše Nb nanopahuljice mogu formirati Nb okside nakon interakcije sa ćelijama mikroalgi.
Kako bismo objasnili redukciju 2D-Nb nanopahuljica putem mehanizma dekompozicije zasnovanog na procesu oksidacije, proveli smo studije korištenjem transmisijske elektronske mikroskopije visoke rezolucije (HRTEM) (Sl. 7a,b) i rendgenske fotoelektronske spektroskopije (XPS) (Sl. 7). 7c-i i tabele S4-5). Oba pristupa su pogodna za proučavanje oksidacije 2D materijala i međusobno se dopunjuju. HRTEM je u stanju analizirati degradaciju dvodimenzionalnih slojevitih struktura i naknadnu pojavu nanočestica metalnih oksida, dok je XPS osjetljiv na površinske veze. U tu svrhu testirali smo 2D Nb-MXene nanopahuljice ekstrahovane iz disperzija ćelija mikroalgi, odnosno njihov oblik nakon interakcije sa ćelijama mikroalgi (vidi Sl. 7).
HRTEM slike koje prikazuju morfologiju oksidiranih (a) SL Nb2CTx i (b) SL Nb4C3Tx MXena, rezultati XPS analize koji prikazuju (c) sastav oksidnih produkata nakon redukcije, (d–f) podudaranje pikova komponenti XPS spektra SL Nb2CTx i (g–i) Nb4C3Tx SL popravljenih zelenim mikroalgama.
HRTEM studije su potvrdile oksidaciju dva tipa Nb-MXene nanopahuljica. Iako su nanopahuljice donekle zadržale svoju dvodimenzionalnu morfologiju, oksidacija je rezultirala pojavom mnogih nanočestica koje prekrivaju površinu MXene nanopahuljica (vidi sliku 7a,b). XPS analiza c-Nb3d i O1s signala pokazala je da su Nb oksidi formirani u oba slučaja. Kao što je prikazano na slici 7c, 2D MXene Nb2CTx i Nb4C3TX imaju Nb3d signale koji ukazuju na prisustvo NbO i Nb2O5 oksida, dok O1s signali ukazuju na broj O-Nb veza povezanih s funkcionalizacijom površine 2D nanopahuljica. Primijetili smo da je doprinos Nb oksida dominantan u poređenju s Nb-C i Nb3+-O.
Na sl. 7g–i prikazani su XPS spektri Nb 3d, C 1s i O 1s SL Nb2CTx (vidi sl. 7d–f) i SL Nb4C3TX MXene izolovanog iz ćelija mikroalgi. Detalji o parametrima pikova Nb-MXene dati su u tabelama S4–5, respektivno. Prvo smo analizirali sastav Nb 3d. Za razliku od Nb apsorbovanog od strane ćelija mikroalgi, u MXene izolovanom iz ćelija mikroalgi, osim Nb2O5, pronađene su i druge komponente. U Nb2CTx SL, uočili smo doprinos Nb3+-O u količini od 15%, dok je ostatak Nb 3d spektra bio dominantno zastupljen Nb2O5 (85%). Pored toga, uzorak SL Nb4C3TX sadrži komponente Nb-C (9%) i Nb2O5 (91%). Ovdje Nb-C dolazi iz dva unutrašnja atomska sloja metalnog karbida u Nb4C3Tx SR. Zatim mapiramo C 1s spektre na četiri različite komponente, kao što smo to učinili u internaliziranim uzorcima. Kao što se i očekivalo, C 1s spektrom dominira grafitni ugljik, nakon čega slijede doprinosi organskih čestica (CHx/CO i C=O) iz ćelija mikroalgi. Osim toga, u O 1s spektru uočili smo doprinos organskih oblika ćelija mikroalgi, niobijum oksida i adsorbovane vode.
Pored toga, istražili smo da li je cijepanje Nb-MXena povezano sa prisustvom reaktivnih vrsta kiseonika (ROS) u hranjivoj podlozi i/ili ćelijama mikroalgi. U tu svrhu, procijenili smo nivoe singletnog kiseonika (1O2) u podlozi za kulturu i intracelularnog glutationa, tiola koji djeluje kao antioksidans u mikroalgama. Rezultati su prikazani u SI (Slike S20 i S21). Kulture sa SL Nb2CTx i Nb4C3TX MXenima karakterizirala je smanjena količina 1O2 (vidi Sliku S20). U slučaju SL Nb2CTx, MXen 1O2 je smanjen na oko 83%. Za kulture mikroalgi koje koriste SL, Nb4C3TX 1O2 se još više smanjio, na 73%. Zanimljivo je da su promjene u 1O2 pokazale isti trend kao i prethodno uočeni inhibitorno-stimulirajući efekat (vidi Sliku 3). Može se tvrditi da inkubacija na jakom svjetlu može promijeniti fotooksidaciju. Međutim, rezultati kontrolne analize pokazali su gotovo konstantne nivoe 1O2 tokom eksperimenta (Sl. S22). U slučaju intracelularnih nivoa ROS, također smo primijetili isti trend smanjenja (vidi Sliku S21). U početku su nivoi ROS u ćelijama mikroalgi kultivisanih u prisustvu Nb2CTx i Nb4C3Tx SL premašivali nivoe pronađene u čistim kulturama mikroalgi. Međutim, na kraju se ispostavilo da su se mikroalge prilagodile prisustvu oba Nb-MXena, jer su se nivoi ROS smanjili na 85% i 91% nivoa izmjerenih u čistim kulturama mikroalgi inokuliranih sa SL Nb2CTx i Nb4C3TX, respektivno. Ovo može ukazivati ​​na to da se mikroalge vremenom osjećaju ugodnije u prisustvu Nb-MXena nego samo u hranjivoj podlozi.
Mikroalge su raznolika grupa fotosintetskih organizama. Tokom fotosinteze, one pretvaraju atmosferski ugljikov dioksid (CO2) u organski ugljik. Produkti fotosinteze su glukoza i kisik79. Sumnjamo da tako nastali kisik igra ključnu ulogu u oksidaciji Nb-MXena. Jedno moguće objašnjenje za ovo je da se diferencijalni parametar aeracije formira pri niskim i visokim parcijalnim pritiscima kisika izvan i unutar Nb-MXene nanopahuljica. To znači da gdje god postoje područja različitih parcijalnih pritisaka kisika, područje s najnižim nivoom će formirati anodu 80, 81, 82. Ovdje mikroalge doprinose stvaranju različito aeriranih ćelija na površini MXene pahuljica, koje proizvode kisik zbog svojih fotosintetskih svojstava. Kao rezultat toga, formiraju se produkti biokorozije (u ovom slučaju, niobijum oksidi). Drugi aspekt je da mikroalge mogu proizvoditi organske kiseline koje se oslobađaju u vodu83,84. Stoga se formira agresivno okruženje, čime se mijenjaju Nb-MXene. Osim toga, mikroalge mogu promijeniti pH okoline u alkalnu zbog apsorpcije ugljičnog dioksida, što također može uzrokovati koroziju79.
Što je još važnije, fotoperiod tame/svijetla korišten u našoj studiji ključan je za razumijevanje dobijenih rezultata. Ovaj aspekt je detaljno opisan u Djemai-Zoghlache i saradnici.85 Oni su namjerno koristili fotoperiod od 12/12 sati kako bi demonstrirali biokoroziju povezanu s bioobraštanjem crvenim mikroalgama Porphyridium purpureum. Oni pokazuju da je fotoperiod povezan s evolucijom potencijala bez biokorozije, manifestirajući se kao pseudoperiodične oscilacije oko 24:00. Ova zapažanja potvrdili su Dowling i saradnici.86 Oni su demonstrirali fotosintetske biofilmove cijanobakterija Anabaena. Rastvoreni kisik se formira pod djelovanjem svjetlosti, što je povezano s promjenom ili fluktuacijama slobodnog potencijala biokorozije. Važnost fotoperioda naglašena je činjenicom da se slobodni potencijal za biokoroziju povećava u svjetlosnoj fazi, a smanjuje u tamnoj fazi. To je zbog kisika koji proizvode fotosintetske mikroalge, a koji utječe na katodnu reakciju putem parcijalnog pritiska generiranog u blizini elektroda87.
Pored toga, provedena je Fourierova transformacijska infracrvena spektroskopija (FTIR) kako bi se utvrdilo da li je došlo do ikakvih promjena u hemijskom sastavu ćelija mikroalgi nakon interakcije sa Nb-MXenima. Dobijeni rezultati su kompleksni i predstavljamo ih u SI (slike S23-S25, uključujući rezultate MAX faze i ML MXena). Ukratko, dobijeni referentni spektri mikroalgi pružaju nam važne informacije o hemijskim karakteristikama ovih organizama. Ove najvjerovatnije vibracije nalaze se na frekvencijama od 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) i 3280 cm–1 (O–H). Za SL Nb-MXene, pronašli smo potpis istezanja CH-veze koji je u skladu s našom prethodnom studijom38. Međutim, primijetili smo da su neki dodatni vrhovi povezani sa C=C i CH vezama nestali. To ukazuje na to da hemijski sastav mikroalgi može pretrpjeti manje promjene zbog interakcije sa SL Nb-MXenima.
Prilikom razmatranja mogućih promjena u biohemiji mikroalgi, potrebno je preispitati akumulaciju neorganskih oksida, poput niobijum oksida59. On je uključen u unos metala na površinu ćelije, njihov transport u citoplazmu, njihovo povezivanje sa intracelularni karboksilnim grupama i njihovu akumulaciju u polifosfosomima mikroalgi20,88,89,90. Osim toga, odnos između mikroalgi i metala održavaju funkcionalne grupe ćelija. Iz tog razloga, apsorpcija također zavisi od površinske hemije mikroalgi, koja je prilično složena9,91. Općenito, kao što se i očekivalo, hemijski sastav zelenih mikroalgi se neznatno promijenio zbog apsorpcije Nb oksida.
Zanimljivo je da je uočena početna inhibicija mikroalgi bila reverzibilna tokom vremena. Kao što smo primijetili, mikroalge su prevazišle početnu promjenu okoline i na kraju se vratile normalnim stopama rasta, pa čak i povećale. Studije zeta potencijala pokazuju visoku stabilnost kada se unesu u hranjive podloge. Dakle, površinska interakcija između ćelija mikroalgi i Nb-MXene nanopahuljica održana je tokom eksperimenata redukcije. U našoj daljoj analizi, sumiramo glavne mehanizme djelovanja koji leže u osnovi ovog izuzetnog ponašanja mikroalgi.
SEM posmatranja su pokazala da se mikroalge teže vezivati ​​za Nb-MXene. Korištenjem dinamičke analize slike, potvrđujemo da ovaj efekat dovodi do transformacije dvodimenzionalnih Nb-MXene nanopahuljica u sfernije čestice, čime pokazujemo da je razgradnja nanopahuljica povezana s njihovom oksidacijom. Da bismo testirali našu hipotezu, proveli smo niz materijalnih i biohemijskih studija. Nakon testiranja, nanopahuljice su postepeno oksidirale i razložile se na NbO i Nb2O5 produkte, koji nisu predstavljali prijetnju zelenim mikroalgama. Korištenjem FTIR posmatranja nismo pronašli značajne promjene u hemijskom sastavu mikroalgi inkubiranih u prisustvu 2D Nb-MXene nanopahuljica. Uzimajući u obzir mogućnost apsorpcije niobijum oksida od strane mikroalgi, izvršili smo rendgensku fluorescentnu analizu. Ovi rezultati jasno pokazuju da se proučavane mikroalge hrane niobijum oksidima (NbO i Nb2O5), koji nisu toksični za proučavane mikroalge.