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Die rasante Entwicklung der Nanotechnologie und ihre Integration in alltägliche Anwendungen können eine Gefahr für die Umwelt darstellen. Während umweltfreundliche Methoden zum Abbau organischer Schadstoffe gut etabliert sind, bereitet die Rückgewinnung anorganischer kristalliner Schadstoffe große Sorgen, da diese wenig empfindlich auf Biotransformation reagieren und die Wechselwirkungen von Materialoberflächen mit biologischen Schadstoffen nicht gut verstanden werden. Hier verwenden wir ein Nb-basiertes anorganisches 2D-MXene-Modell in Kombination mit einer einfachen Methode zur Formparameteranalyse, um den Bioremediationsmechanismus von 2D-Keramik-Nanomaterialien durch die grüne Mikroalge Raphidocelis subcapitata nachzuvollziehen. Wir fanden heraus, dass Mikroalgen Nb-basierte MXene aufgrund oberflächenbezogener physikalisch-chemischer Wechselwirkungen abbauen. Zunächst hafteten ein- und mehrschichtige MXene-Nanoflocken an der Oberfläche der Mikroalgen, was das Algenwachstum etwas reduzierte. Bei längerer Wechselwirkung mit der Oberfläche oxidierten die Mikroalgen die MXene-Nanoflocken jedoch und zersetzten sie weiter in NbO und Nb2O5. Da diese Oxide für Mikroalgenzellen ungiftig sind, verbrauchen diese Nb-Oxid-Nanopartikel durch einen Absorptionsmechanismus, der die Mikroalgen nach 72 Stunden Wasserbehandlung weiter regeneriert. Die mit der Absorption verbundenen Nährstoffeffekte spiegeln sich auch in der Zunahme des Zellvolumens, ihrer Glätte und der Veränderung der Wachstumsrate wider. Basierend auf diesen Erkenntnissen kommen wir zu dem Schluss, dass die kurz- und langfristige Präsenz von Nb-basierten MXenen in Süßwasserökosystemen nur geringe Auswirkungen auf die Umwelt haben dürfte. Es ist bemerkenswert, dass wir unter Verwendung zweidimensionaler Nanomaterialien als Modellsysteme die Möglichkeit aufzeigen, Formtransformationen selbst in feinkörnigen Materialien zu verfolgen. Insgesamt beantwortet diese Studie eine wichtige grundlegende Frage zu oberflächeninteraktionsbezogenen Prozessen, die den Bioremediationsmechanismus von 2D-Nanomaterialien antreiben, und bietet eine Grundlage für weitere kurz- und langfristige Studien zu den Umweltauswirkungen anorganischer kristalliner Nanomaterialien.
Nanomaterialien haben seit ihrer Entdeckung großes Interesse geweckt, und verschiedene Nanotechnologien befinden sich seit Kurzem in einer Modernisierungsphase1. Leider kann die Integration von Nanomaterialien in alltägliche Anwendungen aufgrund unsachgemäßer Entsorgung, unvorsichtiger Handhabung oder unzureichender Sicherheitsinfrastruktur zu unbeabsichtigten Freisetzungen führen. Daher ist davon auszugehen, dass Nanomaterialien, einschließlich zweidimensionaler (2D) Nanomaterialien, in die natürliche Umwelt freigesetzt werden können, deren Verhalten und biologische Aktivität noch nicht vollständig verstanden sind. Daher ist es nicht überraschend, dass sich Bedenken hinsichtlich der Ökotoxizität auf die Fähigkeit von 2D-Nanomaterialien konzentrieren, in aquatische Systeme zu gelangen2,3,4,5,6. In diesen Ökosystemen können einige 2D-Nanomaterialien mit verschiedenen Organismen auf unterschiedlichen trophischen Ebenen interagieren, darunter auch Mikroalgen.
Mikroalgen sind primitive Organismen, die natürlicherweise in Süßwasser- und Meeresökosystemen vorkommen und durch Photosynthese eine Vielzahl chemischer Produkte produzieren7. Daher sind sie für aquatische Ökosysteme von entscheidender Bedeutung8,9,10,11,12, sind aber auch empfindliche, kostengünstige und weit verbreitete Indikatoren für Ökotoxizität13,14. Da sich Mikroalgenzellen schnell vermehren und schnell auf verschiedene Verbindungen reagieren, sind sie vielversprechend für die Entwicklung umweltfreundlicher Methoden zur Behandlung von mit organischen Substanzen kontaminiertem Wasser15,16.
Algenzellen können anorganische Ionen durch Biosorption und Akkumulation aus Wasser entfernen17,18. Einige Algenarten wie Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue und Synechococcus sp. können giftige Metallionen wie Fe2+, Cu2+, Zn2+ und Mn2+ transportieren und sogar nähren19. Andere Studien haben gezeigt, dass Cu2+-, Cd2+-, Ni2+-, Zn2+- oder Pb2+-Ionen das Wachstum von Scenedesmus hemmen, indem sie die Zellmorphologie verändern und deren Chloroplasten zerstören20,21.
Umweltfreundliche Methoden zum Abbau organischer Schadstoffe und zur Entfernung von Schwermetallionen haben weltweit die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern und Ingenieuren auf sich gezogen. Dies liegt vor allem daran, dass sich diese Schadstoffe in der Flüssigphase leicht verarbeiten lassen. Anorganische, kristalline Schadstoffe zeichnen sich jedoch durch eine geringe Wasserlöslichkeit und geringe Anfälligkeit für verschiedene Biotransformationen aus, was die Sanierung erschwert. In diesem Bereich wurden bisher nur geringe Fortschritte erzielt22,23,24,25,26. Daher bleibt die Suche nach umweltfreundlichen Lösungen zur Reparatur von Nanomaterialien ein komplexes und unerforschtes Gebiet. Aufgrund der hohen Unsicherheit hinsichtlich der Biotransformationseffekte von 2D-Nanomaterialien gibt es keine einfache Möglichkeit, die möglichen Abbauwege während der Reduktion zu erforschen.
In dieser Studie verwendeten wir grüne Mikroalgen als aktives wässriges Bioremediationsmittel für anorganische Keramikmaterialien, kombiniert mit einer In-situ-Überwachung des Abbauprozesses von MXen als Vertreter anorganischer Keramikmaterialien. Der Begriff „MXen“ spiegelt die Stöchiometrie des Mn+1XnTx-Materials wider, wobei M ein frühes Übergangsmetall, X Kohlenstoff und/oder Stickstoff, Tx ein Oberflächenterminator (z. B. -OH, -F, -Cl) und n = 1, 2, 3 oder 427,28 ist. Seit der Entdeckung der MXene durch Naguib et al. Sensorik, Krebstherapie und Membranfiltration 27,29,30. Zudem können MXene aufgrund ihrer ausgezeichneten kolloidalen Stabilität und möglichen biologischen Wechselwirkungen als 2D-Modellsysteme betrachtet werden31,32,33,34,35,36.
Die in diesem Artikel entwickelte Methodik und unsere Forschungshypothesen sind in Abbildung 1 dargestellt. Dieser Hypothese zufolge bauen Mikroalgen Nb-basierte MXene aufgrund oberflächenbezogener physikochemischer Wechselwirkungen in ungiftige Verbindungen ab, was eine weitere Verwertung der Algen ermöglicht. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurden zwei Mitglieder der Familie der frühen Niob-basierten Übergangsmetallcarbide und/oder -nitride (MXene), nämlich Nb2CTx und Nb4C3TX, ausgewählt.
Forschungsmethodik und evidenzbasierte Hypothesen zur MXen-Gewinnung durch die grüne Mikroalge Raphidocelis subcapitata. Bitte beachten Sie, dass dies lediglich eine schematische Darstellung evidenzbasierter Annahmen ist. Die Seeumgebung unterscheidet sich hinsichtlich des verwendeten Nährmediums und der Bedingungen (z. B. Tageszyklus und Einschränkungen der verfügbaren essentiellen Nährstoffe). Erstellt mit BioRender.com.
Durch die Verwendung von MXen als Modellsystem ermöglichen wir die Untersuchung verschiedener biologischer Effekte, die mit anderen konventionellen Nanomaterialien nicht beobachtet werden können. Insbesondere demonstrieren wir die Möglichkeit der Bioremediation zweidimensionaler Nanomaterialien, wie beispielsweise niobbasierter MXene, durch die Mikroalge Raphidocelis subcapitata. Mikroalgen können Nb-MXene in die ungiftigen Oxide NbO und Nb2O5 zerlegen, die über den Niob-Aufnahmemechanismus gleichzeitig Nährstoffe liefern. Insgesamt beantwortet diese Studie eine wichtige grundlegende Frage zu den Prozessen der physikochemischen Oberflächenwechselwirkungen, die die Mechanismen der Bioremediation zweidimensionaler Nanomaterialien bestimmen. Darüber hinaus entwickeln wir eine einfache, formparameterbasierte Methode zur Verfolgung subtiler Formänderungen von 2D-Nanomaterialien. Dies inspiriert weitere kurz- und langfristige Forschungen zu den verschiedenen Umweltauswirkungen anorganischer kristalliner Nanomaterialien. Unsere Studie trägt somit zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen Materialoberfläche und biologischem Material bei. Darüber hinaus schaffen wir die Grundlage für erweiterte Kurz- und Langzeitstudien zu ihren möglichen Auswirkungen auf Süßwasserökosysteme, die nun leicht überprüft werden können.
MXene stellen eine interessante Materialklasse mit einzigartigen und attraktiven physikalischen und chemischen Eigenschaften und daher vielen potenziellen Anwendungen dar. Diese Eigenschaften hängen weitgehend von ihrer Stöchiometrie und Oberflächenchemie ab. Daher untersuchten wir in unserer Studie zwei Arten von Nb-basierten hierarchischen Einzelschicht-MXenen (SL), Nb2CTx und Nb4C3TX, da unterschiedliche biologische Wirkungen dieser Nanomaterialien beobachtet werden konnten. MXene werden aus ihren Ausgangsmaterialien durch selektives Top-down-Ätzen von atomar dünnen MAX-Phase-A-Schichten hergestellt. Die MAX-Phase ist eine ternäre Keramik, die aus „gebundenen“ Blöcken von Übergangsmetallcarbiden und dünnen Schichten von „A“-Elementen wie Al, Si und Sn mit MnAXn-1-Stöchiometrie besteht. Die Morphologie der anfänglichen MAX-Phase wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) beobachtet und stimmte mit früheren Studien überein (siehe ergänzende Informationen, SI, Abbildung S1). Mehrschichtiges (ML) Nb-MXen wurde nach Entfernen der Al-Schicht mit 48 % HF (Flusssäure) erhalten. Die Morphologie von ML-Nb2CTx und ML-Nb4C3TX wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) untersucht (Abbildungen S1c bzw. S1d) und es wurde eine typische geschichtete MXen-Morphologie beobachtet, ähnlich zweidimensionalen Nanoflocken, die durch längliche, porenartige Schlitze verlaufen. Beide Nb-MXene haben viel mit MXen-Phasen gemeinsam, die zuvor durch Säureätzen synthetisiert wurden27,38. Nachdem wir die Struktur von MXen bestätigt hatten, schichteten wir es durch Interkalation von Tetrabutylammoniumhydroxid (TBAOH), gefolgt von Waschen und Ultraschallbehandlung, wodurch wir einschichtige oder niedrigschichtige (SL) 2D-Nb-MXen-Nanoflocken erhielten.
Wir verwendeten hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) und Röntgenbeugung (XRD), um die Effizienz des Ätzens und des weiteren Ablösens zu testen. Die mit der inversen schnellen Fourier-Transformation (IFFT) und der schnellen Fourier-Transformation (FFT) verarbeiteten HRTEM-Ergebnisse sind in Abb. 2 dargestellt. Nb-MXen-Nanoflocken wurden mit der Kante nach oben ausgerichtet, um die Struktur der atomaren Schicht zu überprüfen und die Interplanarabstände zu messen. HRTEM-Bilder von MXen-Nb2CTx- und Nb4C3TX-Nanoflocken enthüllten ihre atomar dünne Schichtbeschaffenheit (siehe Abb. 2a1, a2), wie zuvor von Naguib et al.27 und Jastrzębska et al.38 berichtet. Für zwei benachbarte Nb2CTx- und Nb4C3Tx-Monoschichten ermittelten wir Schichtabstände von 0,74 bzw. 1,54 nm (Abb. 2b1, b2), was auch mit unseren vorherigen Ergebnissen übereinstimmt38. Dies wurde zusätzlich durch die inverse schnelle Fourier-Transformation (Abb. 2c1, c2) und die schnelle Fourier-Transformation (Abb. 2d1, d2) bestätigt, die den Abstand zwischen den Nb2CTx- und Nb4C3Tx-Monoschichten zeigten. Das Bild zeigt einen Wechsel von hellen und dunklen Bändern, die Niob- und Kohlenstoffatomen entsprechen, was den geschichteten Charakter der untersuchten MXene bestätigt. Es ist wichtig zu beachten, dass die für Nb2CTx und Nb4C3Tx erhaltenen energiedispersiven Röntgenspektroskopie-Spektren (EDX) (Abbildungen S2a und S2b) keine Überreste der ursprünglichen MAX-Phase zeigten, da kein Al-Peak erkannt wurde.
Charakterisierung von SL Nb2CTx- und Nb4C3Tx-MXen-Nanoflocken, einschließlich (a) hochauflösender Elektronenmikroskopie (HRTEM), seitlicher 2D-Nanoflocken-Abbildung und zugehöriger (b) Intensitätsmodus, (c) inverser schneller Fourier-Transformation (IFFT), (d) schneller Fourier-Transformation (FFT), (e) Nb-MXen-Röntgenmustern. Für SL 2D Nb2CTx werden die Zahlen als (a1, b1, c1, d1, e1) ausgedrückt. Für SL 2D Nb4C3Tx werden die Zahlen als (a2, b2, c2, d2, e1) ausgedrückt.
Röntgenbeugungsmessungen der SL Nb2CTx- und Nb4C3Tx-MXene sind in Abb. 2e1 bzw. e2 dargestellt. Die Peaks (002) bei 4,31 und 4,32 entsprechen den zuvor beschriebenen geschichteten MXenen Nb2CTx bzw. Nb4C3TX38,39,40,41. Die XRD-Ergebnisse weisen ebenfalls auf das Vorhandensein einiger verbleibender ML-Strukturen und MAX-Phasen hin, hauptsächlich jedoch auf XRD-Muster, die mit SL Nb4C3Tx assoziiert sind (Abb. 2e2). Das Vorhandensein kleinerer Partikel der MAX-Phase könnte den stärkeren MAX-Peak im Vergleich zu den zufällig gestapelten Nb4C3Tx-Schichten erklären.
Weitere Forschungen konzentrierten sich auf grüne Mikroalgen der Art R. subcapitata. Wir wählten Mikroalgen, weil sie wichtige Produzenten in wichtigen Nahrungsnetzen sind42. Zudem zählen sie zu den besten Toxizitätsindikatoren, da sie giftige Substanzen entfernen können, die in die höheren Ebenen der Nahrungskette transportiert werden43. Außerdem könnte die Forschung an R. subcapitata Aufschluss über die zufällige Toxizität von SL-Nb-MXenen für gängige Süßwassermikroorganismen geben. Um dies zu veranschaulichen, stellten die Forscher die Hypothese auf, dass jeder Mikroorganismus unterschiedlich empfindlich auf in der Umwelt vorhandene toxische Verbindungen reagiert. Bei den meisten Organismen beeinträchtigen geringe Substanzkonzentrationen ihr Wachstum nicht, während Konzentrationen über einem bestimmten Grenzwert sie hemmen oder sogar zum Tod führen können. Daher beschlossen wir für unsere Studien zur Oberflächeninteraktion zwischen Mikroalgen und MXenen und der damit verbundenen Erholung, die harmlosen und toxischen Konzentrationen von Nb-MXenen zu testen. Dazu haben wir Konzentrationen von 0 (als Referenz), 0,01, 0,1 und 10 mg l-1 MXen getestet und zusätzlich Mikroalgen mit sehr hohen Konzentrationen von MXen (100 mg l-1 MXen) infiziert, die extrem und tödlich sein können. . für jede biologische Umgebung.
Die Auswirkungen von SL-Nb-MXenen auf Mikroalgen sind in Abbildung 3 dargestellt, ausgedrückt als prozentuale Wachstumsförderung (+) oder -hemmung (-), gemessen an 0 mg/l-1-Proben. Zum Vergleich wurden auch die Nb-MAX-Phase und ML-Nb-MXene getestet; die Ergebnisse sind in SI dargestellt (siehe Abb. S3). Die Ergebnisse bestätigten, dass SL-Nb-MXene im Bereich niedriger Konzentrationen von 0,01 bis 10 mg/l nahezu ungiftig sind, wie in Abb. 3a,b dargestellt. Im Fall von Nb2CTx beobachteten wir im angegebenen Bereich eine Ökotoxizität von maximal 5 %.
Stimulation (+) oder Hemmung (-) des Mikroalgenwachstums in Gegenwart von SL (a) Nb2CTx und (b) Nb4C3TX MXene. Die Interaktion zwischen MXene und Mikroalgen wurde über 24, 48 und 72 Stunden analysiert. Signifikante Daten (t-Test, p < 0,05) wurden mit einem Sternchen (*) gekennzeichnet. Signifikante Daten (t-Test, p < 0,05) wurden mit einem Sternchen (*) gekennzeichnet. Zufällige Ergebnisse (T-Kriterium, p < 0,05) werden mit Sternen (*) angezeigt. Signifikante Daten (t-Test, p < 0,05) sind mit einem Sternchen (*) gekennzeichnet.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 (*). Wichtige Daten (t-Test, p < 0,05) sind mit einem Sternchen (*) gekennzeichnet.Rote Pfeile zeigen die Aufhebung der hemmenden Stimulation an.
Andererseits erwiesen sich niedrige Konzentrationen von Nb4C3TX als etwas toxischer, aber nicht höher als 7 %. Wie erwartet beobachteten wir, dass MXene bei 100 mg L-1 eine höhere Toxizität und Hemmung des Mikroalgenwachstums aufwiesen. Interessanterweise zeigte keines der Materialien den gleichen Trend und die gleiche Zeitabhängigkeit der atoxischen/toxischen Wirkungen im Vergleich zu den MAX- oder ML-Proben (siehe SI für Details). Während in der MAX-Phase (siehe Abb. S3) die Toxizität etwa 15 – 25 % erreichte und mit der Zeit anstieg, wurde für SL Nb2CTx und Nb4C3TX MXene der umgekehrte Trend beobachtet. Die Hemmung des Mikroalgenwachstums nahm mit der Zeit ab. Sie erreichte nach 24 Stunden etwa 17 % und sank nach 72 Stunden auf weniger als 5 % (Abb. 3a bzw. b).
Noch wichtiger ist, dass bei SL Nb4C3TX die Wachstumshemmung von Mikroalgen nach 24 Stunden etwa 27 % erreichte, nach 72 Stunden jedoch auf etwa 1 % sank. Daher bezeichneten wir den beobachteten Effekt als umgekehrte Stimulationshemmung, und der Effekt war bei SL Nb4C3TX MXene stärker. Die Stimulation des Mikroalgenwachstums wurde bei Nb4C3TX früher beobachtet (Wechselwirkung bei 10 mg L-1 für 24 h) als bei SL Nb2CTx MXene. Der Effekt der Umkehrung von Hemmung und Stimulation war auch in der Kurve der Biomasseverdopplungsrate gut zu erkennen (Einzelheiten siehe Abb. S4). Bisher wurde nur die Ökotoxizität von Ti3C2TX MXene auf verschiedene Weisen untersucht. Es ist nicht toxisch für Zebrafischembryonen44, aber mäßig ökotoxisch für die Mikroalgen Desmodesmus quadricauda und Sorghum saccharatum45. Weitere Beispiele für spezifische Wirkungen sind eine höhere Toxizität für Krebszelllinien als für normale Zelllinien46,47. Man könnte annehmen, dass die Testbedingungen die Veränderungen im Mikroalgenwachstum beeinflussen, die in Gegenwart von Nb-MXenen beobachtet wurden. Beispielsweise ist ein pH-Wert von etwa 8 im Chloroplastenstroma optimal für eine effiziente Funktion des RuBisCO-Enzyms. Deshalb wirken sich pH-Wert-Veränderungen negativ auf die Photosyntheserate aus48,49. Wir konnten während des Experiments jedoch keine signifikanten pH-Veränderungen feststellen (siehe SI, Abb. S5 für Einzelheiten). Im Allgemeinen verringerten Mikroalgenkulturen mit Nb-MXenen den pH-Wert der Lösung mit der Zeit leicht. Dieser Abfall war jedoch vergleichbar mit einer Veränderung des pH-Werts eines reinen Mediums. Zudem war die festgestellte Schwankungsbreite ähnlich der für eine reine Mikroalgenkultur (Kontrollprobe) gemessenen. Wir schlussfolgern daher, dass die Photosynthese nicht durch pH-Veränderungen im Laufe der Zeit beeinflusst wird.
Darüber hinaus verfügen die synthetisierten MXene über Oberflächenendigungen (bezeichnet als Tx). Dabei handelt es sich hauptsächlich um die funktionellen Gruppen -O, -F und -OH. Die Oberflächenchemie hängt jedoch direkt mit der Synthesemethode zusammen. Diese Gruppen sind bekanntermaßen zufällig über die Oberfläche verteilt, weshalb sich ihre Wirkung auf die Eigenschaften von MXen50 nur schwer vorhersagen lässt. Man könnte argumentieren, dass Tx die katalytische Kraft für die Oxidation von Niob durch Licht sein könnte. Oberflächenfunktionelle Gruppen bieten tatsächlich mehrere Verankerungsstellen für die ihnen zugrunde liegenden Photokatalysatoren zur Bildung von Heteroübergängen51. Die Zusammensetzung des Wachstumsmediums ergab jedoch keinen wirksamen Photokatalysator (die detaillierte Zusammensetzung des Mediums finden Sie in SI-Tabelle S6). Darüber hinaus ist jede Oberflächenmodifizierung sehr wichtig, da die biologische Aktivität von MXenen durch Schichtnachbearbeitung, Oxidation, chemische Oberflächenmodifizierung organischer und anorganischer Verbindungen52,53,54,55,56 oder Oberflächenladungstechnik38 verändert werden kann. Um zu testen, ob Nioboxid etwas mit der Materialinstabilität im Medium zu tun hat, haben wir Studien zum Zetapotenzial (ζ) in Mikroalgen-Wachstumsmedium und deionisiertem Wasser (zum Vergleich) durchgeführt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass SL-Nb-MXene ziemlich stabil sind (MAX- und ML-Ergebnisse siehe SI Abb. S6). Das Zetapotenzial von SL-MXenen beträgt etwa -10 mV. Im Fall von SR Nb2CTx ist der ζ-Wert etwas negativer als der von Nb4C3Tx. Eine solche Änderung des ζ-Werts könnte darauf hinweisen, dass die Oberfläche negativ geladener MXen-Nanoflocken positiv geladene Ionen aus dem Kulturmedium absorbiert. Zeitliche Messungen des Zetapotenzials und der Leitfähigkeit von Nb-MXenen im Kulturmedium (siehe Abbildungen S7 und S8 in SI für weitere Einzelheiten) scheinen unsere Hypothese zu stützen.
Beide Nb-MXen-SLs zeigten jedoch nur minimale Veränderungen von Null. Dies zeigt deutlich ihre Stabilität im Mikroalgen-Wachstumsmedium. Darüber hinaus untersuchten wir, ob die Anwesenheit unserer grünen Mikroalgen die Stabilität der Nb-MXene im Medium beeinflussen würde. Die Ergebnisse des Zetapotenzials und der Leitfähigkeit von MXenen nach Interaktion mit Mikroalgen in Nährmedien und Kultur im Zeitverlauf finden Sie in SI (Abbildungen S9 und S10). Interessanterweise stellten wir fest, dass die Anwesenheit von Mikroalgen die Dispersion beider MXene zu stabilisieren schien. Im Fall von Nb2CTx SL sank das Zetapotenzial im Zeitverlauf sogar leicht auf negativere Werte (-15,8 gegenüber -19,1 mV nach 72 h Inkubation). Das Zetapotenzial von SL Nb4C3TX stieg leicht an, zeigte aber nach 72 h immer noch eine höhere Stabilität als Nanoflocken ohne Anwesenheit von Mikroalgen (-18,1 gegenüber -9,1 mV).
Wir stellten außerdem eine geringere Leitfähigkeit von Nb-MXen-Lösungen fest, die in Gegenwart von Mikroalgen inkubiert wurden, was auf einen geringeren Ionengehalt im Nährmedium hindeutet. Die Instabilität von MXenen in Wasser ist hauptsächlich auf Oberflächenoxidation zurückzuführen57. Daher vermuten wir, dass grüne Mikroalgen die auf der Oberfläche von Nb-MXen gebildeten Oxide entfernt und deren Entstehung (Oxidation von MXen) sogar verhindert haben. Dies lässt sich anhand der von Mikroalgen absorbierten Substanzen belegen.
Während unsere ökotoxikologischen Studien zeigten, dass Mikroalgen die Toxizität von Nb-MXenen und die ungewöhnliche Hemmung des stimulierten Wachstums mit der Zeit überwinden konnten, bestand das Ziel unserer Studie darin, mögliche Wirkmechanismen zu untersuchen. Wenn Organismen wie Algen Verbindungen oder Materialien ausgesetzt werden, die ihren Ökosystemen unbekannt sind, können sie auf verschiedene Weise reagieren58,59. In Abwesenheit toxischer Metalloxide können sich Mikroalgen selbst ernähren und so kontinuierlich wachsen60. Nach der Aufnahme toxischer Substanzen können Abwehrmechanismen aktiviert werden, wie z. B. eine Veränderung der Gestalt oder Form. Auch die Möglichkeit der Absorption muss berücksichtigt werden58,59. Insbesondere ist jedes Anzeichen eines Abwehrmechanismus ein klarer Indikator für die Toxizität der Testverbindung. Daher untersuchten wir in unserer weiteren Arbeit die potenzielle Oberflächeninteraktion zwischen SL Nb-MXen-Nanoflocken und Mikroalgen mittels SEM und die mögliche Absorption von Nb-basiertem MXen mittels Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF). Beachten Sie, dass SEM- und XRF-Analysen nur bei der höchsten MXen-Konzentration durchgeführt wurden, um Probleme hinsichtlich der Aktivitätstoxizität zu beheben.
Die SEM-Ergebnisse sind in Abb. 4 dargestellt. Unbehandelte Mikroalgenzellen (siehe Abb. 4a, Referenzprobe) zeigten deutlich die typische R. subcapitata-Morphologie und eine croissantartige Zellform. Die Zellen wirkten abgeflacht und etwas ungeordnet. Einige Mikroalgenzellen überlappten und verhedderten sich, was jedoch vermutlich auf die Probenvorbereitung zurückzuführen war. Im Allgemeinen hatten reine Mikroalgenzellen eine glatte Oberfläche und zeigten keine morphologischen Veränderungen.
SEM-Bilder zeigen die Oberflächeninteraktion zwischen grünen Mikroalgen und MXen-Nanoschichten nach 72 Stunden Interaktion bei extremer Konzentration (100 mg L-1). (a) Unbehandelte grüne Mikroalgen nach Interaktion mit SL, (b) Nb2CTx und (c) Nb4C3TX MXenen. Die Nb-MXen-Nanoflocken sind mit roten Pfeilen markiert. Zum Vergleich sind zusätzlich Fotos eines optischen Mikroskops beigefügt.
Im Gegensatz dazu wurden von SL Nb-MXen-Nanoflocken adsorbierte Mikroalgenzellen beschädigt (siehe Abb. 4b, c, rote Pfeile). Im Fall von Nb2CTx MXen (Abb. 4b) neigen Mikroalgen dazu, mit anhaftenden zweidimensionalen Nanoskalen zu wachsen, die ihre Morphologie verändern können. Bemerkenswerterweise konnten wir diese Veränderungen auch unter dem Lichtmikroskop beobachten (siehe SI Abbildung S11 für Einzelheiten). Dieser morphologische Übergang hat eine plausible Grundlage in der Physiologie der Mikroalgen und ihrer Fähigkeit, sich durch Veränderung der Zellmorphologie, wie z. B. Vergrößerung des Zellvolumens, zu verteidigen61. Deshalb ist es wichtig, die Anzahl der Mikroalgenzellen zu überprüfen, die tatsächlich mit Nb-MXenen in Kontakt sind. SEM-Studien zeigten, dass etwa 52 % der Mikroalgenzellen Nb-MXenen ausgesetzt waren, während 48 % dieser Mikroalgenzellen den Kontakt vermieden. Bei SL Nb4C3Tx MXen versuchen Mikroalgen den Kontakt mit MXen zu vermeiden, wodurch sie sich in zweidimensionalen Nanoskalen lokalisieren und wachsen (Abb. 4c). Wir konnten jedoch kein Eindringen von Nanoskalen in Mikroalgenzellen und deren Schädigung beobachten.
Selbsterhaltung ist auch ein zeitabhängiges Reaktionsverhalten auf die Blockierung der Photosynthese aufgrund der Adsorption von Partikeln auf der Zelloberfläche und des sogenannten Abschattungseffekts (Shading-Effekts)62. Es ist klar, dass jedes Objekt (beispielsweise Nb-MXen-Nanoflocken), das sich zwischen den Mikroalgen und der Lichtquelle befindet, die von den Chloroplasten absorbierte Lichtmenge begrenzt. Wir haben jedoch keinen Zweifel daran, dass dies einen erheblichen Einfluss auf die erhaltenen Ergebnisse hat. Wie unsere mikroskopischen Beobachtungen gezeigt haben, waren die 2D-Nanoflocken nicht vollständig umhüllt oder hafteten an der Oberfläche der Mikroalgen, selbst wenn die Mikroalgenzellen in Kontakt mit Nb-MXenen waren. Stattdessen erwiesen sich die Nanoflocken als auf die Mikroalgenzellen ausgerichtet, ohne deren Oberfläche zu bedecken. Ein solcher Satz von Nanoflocken/Mikroalgen kann die von den Mikroalgenzellen absorbierte Lichtmenge nicht signifikant begrenzen. Darüber hinaus haben einige Studien sogar eine Verbesserung der Lichtabsorption durch photosynthetische Organismen in Gegenwart zweidimensionaler Nanomaterialien gezeigt63,64,65,66.
Da die Aufnahme von Niob durch Mikroalgenzellen durch SEM-Bilder nicht direkt bestätigt werden konnte, untersuchten wir diese Frage mithilfe von Röntgenfluoreszenz (XRF) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS). Hierzu verglichen wir die Intensität der Nb-Peaks von Referenz-Mikroalgenproben, die nicht mit MXenen interagierten, von von der Oberfläche der Mikroalgenzellen abgelösten MXen-Nanoflocken und von Mikroalgenzellen nach Entfernung der anhaftenden MXene. Es ist zu beachten, dass der von den Mikroalgenzellen erhaltene Nb-Wert nach Entfernung der anhaftenden Nanoskalen Null betragen sollte, wenn keine Nb-Aufnahme stattfindet. Findet daher eine Nb-Aufnahme statt, sollten sowohl die XRF- als auch die XPS-Ergebnisse einen deutlichen Nb-Peak zeigen.
Im Fall von XRF-Spektren zeigten Mikroalgenproben Nb-Peaks für SL Nb2CTx und Nb4C3Tx MXene nach Interaktion mit SL Nb2CTx und Nb4C3Tx MXene (siehe Abb. 5a, beachten Sie auch, dass die Ergebnisse für MAX- und ML-MXene in SI, Abb. S12–C17, dargestellt sind). Interessanterweise ist die Intensität des Nb-Peaks in beiden Fällen gleich (rote Balken in Abb. 5a). Dies weist darauf hin, dass die Algen nicht mehr Nb aufnehmen konnten und die maximale Kapazität zur Nb-Akkumulation in den Zellen erreicht wurde, obwohl doppelt so viel Nb4C3Tx MXene an die Mikroalgenzellen anlagerte (blaue Balken in Abb. 5a). Bemerkenswerterweise hängt die Fähigkeit von Mikroalgen, Metalle aufzunehmen, von der Konzentration der Metalloxide in der Umgebung ab67,68. Shamshada et al.67 fanden heraus, dass die Aufnahmekapazität von Süßwasseralgen mit steigendem pH-Wert abnimmt. Raize et al.68 stellten fest, dass die Fähigkeit von Meeresalgen, Metalle zu absorbieren, bei Pb2+ um etwa 25 % höher war als bei Ni2+.
(a) XRF-Ergebnisse der basalen Nb-Aufnahme durch grüne Mikroalgenzellen, die 72 Stunden lang bei einer extremen Konzentration von SL Nb-MXenen (100 mg L-1) inkubiert wurden. Die Ergebnisse zeigen das Vorhandensein von α in reinen Mikroalgenzellen (Kontrollprobe, graue Säulen), 2D-Nanoflocken, die aus Oberflächenmikroalgenzellen isoliert wurden (blaue Säulen), und Mikroalgenzellen nach Trennung der 2D-Nanoflocken von der Oberfläche (rote Säulen). Die Menge an elementarem Nb, (b) Prozentsatz der chemischen Zusammensetzung der organischen Mikroalgenkomponenten (C=O und CHx/C–O) und Nb-Oxide, die in Mikroalgenzellen nach Inkubation mit SL Nb-MXenen vorhanden sind, (c–e) Anpassung des Zusammensetzungspeaks der XPS SL Nb2CTx-Spektren und (fh) von Mikroalgenzellen internalisiertes SL Nb4C3Tx-MXen.
Daher erwarteten wir, dass Nb von Algenzellen in Form von Oxiden absorbiert werden könnte. Um dies zu testen, führten wir XPS-Studien an den MXenen Nb2CTx und Nb4C3TX und Algenzellen durch. Die Ergebnisse der Interaktion von Mikroalgen mit Nb-MXenen und aus Algenzellen isolierten MXenen sind in Abb. 5b dargestellt. Wie erwartet detektierten wir Nb 3d-Peaks in den Mikroalgenproben, nachdem MXen von der Oberfläche der Mikroalgen entfernt worden war. Die quantitative Bestimmung von C=O, CHx/CO und Nb-Oxiden wurde anhand der Nb 3d-, O 1s- und C 1s-Spektren berechnet, die mit Nb2CTx SL (Abb. 5c–e) und Nb4C3Tx SL (Abb. 5c–e) erhalten wurden. ) aus inkubierten Mikroalgen gewonnen. Abbildung 5f–h) MXene. Tabelle S1-3 zeigt die Details der Peakparameter und der Gesamtchemie, die sich aus der Anpassung ergeben. Es ist bemerkenswert, dass die Nb 3d-Regionen von Nb2CTx SL und Nb4C3Tx SL (Abb. 5c, f) einer Nb2O5-Komponente entsprechen. Hier fanden wir keine MXene-bezogenen Peaks in den Spektren, was darauf hindeutet, dass Mikroalgenzellen nur die Oxidform von Nb absorbieren. Darüber hinaus approximierten wir das C 1 s-Spektrum mit den Komponenten C–C, CHx/C–O, C=O und –COOH. Wir ordneten die CHx/C–O- und C=O-Peaks dem organischen Beitrag der Mikroalgenzellen zu. Diese organischen Komponenten machen 36 % bzw. 41 % der C 1s-Peaks in Nb2CTx SL und Nb4C3TX SL aus. Dann passten wir die O 1s-Spektren von SL Nb2CTx und SL Nb4C3TX mit Nb2O5, organischen Komponenten von Mikroalgen (CHx/CO) und oberflächenadsorbiertem Wasser an.
Schließlich zeigten die XPS-Ergebnisse eindeutig die Form von Nb, nicht nur dessen Vorhandensein. Anhand der Position des Nb-3d-Signals und der Ergebnisse der Dekonvolution bestätigen wir, dass Nb nur in Form von Oxiden und nicht als Ionen oder MXene selbst absorbiert wird. Darüber hinaus zeigten die XPS-Ergebnisse, dass Mikroalgenzellen Nb-Oxide aus SL Nb2CTx im Vergleich zu SL Nb4C3TX MXene besser aufnehmen können.
Obwohl unsere Ergebnisse zur Nb-Aufnahme beeindruckend sind und uns die Feststellung des MXen-Abbaus ermöglichen, existiert keine Methode zur Verfolgung der damit verbundenen morphologischen Veränderungen in 2D-Nanoflocken. Daher haben wir uns zudem entschlossen, eine geeignete Methode zu entwickeln, die direkt auf alle in 2D-Nb-MXen-Nanoflocken und Mikroalgenzellen auftretenden Veränderungen reagieren kann. Wichtig ist hierbei, dass wir davon ausgehen, dass sich eine Transformation, Zersetzung oder Defragmentierung der interagierenden Spezies schnell in Veränderungen der Formparameter wie Durchmesser der äquivalenten Kreisfläche, Rundheit, Feret-Breite oder Feret-Länge äußern sollte. Da sich diese Parameter zur Beschreibung länglicher Partikel oder zweidimensionaler Nanoflocken eignen, wird uns ihre Verfolgung mittels dynamischer Partikelformanalyse wertvolle Informationen über die morphologische Transformation von SL-Nb-MXen-Nanoflocken während der Reduktion liefern.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in Abbildung 6 dargestellt. Zum Vergleich haben wir auch die ursprüngliche MAX-Phase und ML-MXene getestet (siehe SI-Abbildungen S18 und S19). Die dynamische Analyse der Partikelform zeigte, dass sich alle Formparameter zweier Nb-MXen-SLs nach der Interaktion mit Mikroalgen signifikant veränderten. Wie der Parameter des äquivalenten Kreisflächendurchmessers (Abb. 6a, b) zeigt, deutet die reduzierte Peakintensität des Anteils großer Nanoflocken darauf hin, dass diese dazu neigen, in kleinere Fragmente zu zerfallen. Abbildung 6c, d zeigt eine Abnahme der Peaks, die mit der Quergröße der Flocken verbunden sind (Verlängerung der Nanoflocken), was auf die Umwandlung von 2D-Nanoflocken in eine eher partikelähnliche Form hinweist. Abbildung 6e-h zeigt die Breite bzw. Länge des Feret-Signals. Feret-Breite und -Länge sind komplementäre Parameter und sollten daher zusammen betrachtet werden. Nach der Inkubation von 2D-Nb-MXen-Nanoflocken in Gegenwart von Mikroalgen verschoben sich ihre Feret-Korrelationspeaks und ihre Intensität nahm ab. Basierend auf diesen Ergebnissen in Kombination mit Morphologie, XRF und XPS kamen wir zu dem Schluss, dass die beobachteten Veränderungen stark mit der Oxidation zusammenhängen, da oxidierte MXene schrumpeliger werden und in Fragmente und sphärische Oxidpartikel zerfallen69,70.
Analyse der MXen-Transformation nach Interaktion mit grünen Mikroalgen. Die dynamische Partikelformanalyse berücksichtigt Parameter wie (a, b) Durchmesser der äquivalenten Kreisfläche, (c, d) Rundheit, (e, f) Feret-Breite und (g, h) Feret-Länge. Zu diesem Zweck wurden zwei Referenz-Mikroalgenproben zusammen mit primären SL Nb2CTx- und SL Nb4C3Tx-MXenen, SL Nb2CTx- und SL Nb4C3Tx-MXenen, degradierten Mikroalgen sowie behandelten SL Nb2CTx- und SL Nb4C3Tx-MXenen analysiert. Die roten Pfeile zeigen die Übergänge der Formparameter der untersuchten zweidimensionalen Nanoflocken.
Da die Analyse der Formparameter sehr zuverlässig ist, kann sie auch morphologische Veränderungen in Mikroalgenzellen aufdecken. Daher analysierten wir den äquivalenten Kreisflächendurchmesser, die Rundheit und die Feret-Breite/Länge von reinen Mikroalgenzellen und Zellen nach Interaktion mit 2D-Nb-Nanoflocken. Abb. 6a–h zeigen Veränderungen der Formparameter von Algenzellen, erkennbar an einer Abnahme der Spitzenintensität und einer Verschiebung der Maxima zu höheren Werten. Insbesondere zeigten die Zellrundheitsparameter eine Abnahme bei länglichen Zellen und eine Zunahme bei kugelförmigen Zellen (Abb. 6a, b). Darüber hinaus vergrößerte sich die Feret-Zellbreite nach Interaktion mit SL Nb2CTx MXene (Abb. 6e) um mehrere Mikrometer im Vergleich zu SL Nb4C3TX MXene (Abb. 6f). Wir vermuten, dass dies auf die starke Aufnahme von Nb-Oxiden durch Mikroalgen bei Interaktion mit Nb2CTx SR zurückzuführen sein könnte. Eine weniger starre Anhaftung der Nb-Flocken an ihrer Oberfläche kann zu Zellwachstum mit minimalem Schatteneffekt führen.
Unsere Beobachtungen von Veränderungen der Form- und Größenparameter von Mikroalgen ergänzen andere Studien. Grüne Mikroalgen können ihre Morphologie als Reaktion auf Umweltstress verändern, indem sie Zellgröße, -form oder Stoffwechsel ändern61. So erleichtert beispielsweise eine Veränderung der Zellgröße die Nährstoffaufnahme71. Kleinere Algenzellen zeigen eine geringere Nährstoffaufnahme und ein verlangsamtes Wachstum. Umgekehrt neigen größere Zellen dazu, mehr Nährstoffe zu verbrauchen, die dann intrazellulär abgelagert werden72,73. Machado und Soares fanden heraus, dass das Fungizid Triclosan die Zellgröße vergrößern kann. Sie stellten zudem deutliche Veränderungen der Algenform fest74. Yin et al.9 zeigten zudem morphologische Veränderungen bei Algen nach Exposition gegenüber reduzierten Graphenoxid-Nanokompositen. Daher ist klar, dass die veränderten Größen-/Formparameter der Mikroalgen durch das Vorhandensein von MXene verursacht werden. Da diese Größen- und Formänderung auf Veränderungen bei der Nährstoffaufnahme hinweist, glauben wir, dass eine Analyse der Größen- und Formparameter im Zeitverlauf die Aufnahme von Nioboxid durch Mikroalgen in Gegenwart von Nb-MXenen nachweisen kann.
Darüber hinaus können MXene in Gegenwart von Algen oxidiert werden. Dalai et al.75 beobachteten, dass die Morphologie von Grünalgen, die Nano-TiO2 und Al2O376 ausgesetzt waren, nicht einheitlich war. Obwohl unsere Beobachtungen denen der vorliegenden Studie ähneln, sind sie nur für die Untersuchung der Auswirkungen der Bioremediation hinsichtlich der MXene-Abbauprodukte in Gegenwart von 2D-Nanoflocken und nicht von Nanopartikeln relevant. Da MXene zu Metalloxiden abgebaut werden können31,32,77,78, ist anzunehmen, dass unsere Nb-Nanoflocken nach der Interaktion mit Mikroalgenzellen ebenfalls Nb-Oxide bilden können.
Um die Reduktion von 2D-Nb-Nanoflocken durch einen auf dem Oxidationsprozess basierenden Zersetzungsmechanismus zu erklären, haben wir Studien mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) (Abb. 7a,b) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) (Abb. 7c-i und Tabellen S4-5) durchgeführt. Beide Ansätze eignen sich zur Untersuchung der Oxidation von 2D-Materialien und ergänzen sich gegenseitig. HRTEM kann den Abbau zweidimensionaler Schichtstrukturen und das anschließende Auftreten von Metalloxid-Nanopartikeln analysieren, während XPS empfindlich auf Oberflächenbindungen reagiert. Zu diesem Zweck haben wir 2D-Nb-MXen-Nanoflocken getestet, die aus Mikroalgenzelldispersionen extrahiert wurden, d. h. ihre Form nach der Interaktion mit Mikroalgenzellen (siehe Abb. 7).
HRTEM-Bilder zeigen die Morphologie oxidierter (a) SL Nb2CTx- und (b) SL Nb4C3Tx-MXene, XPS-Analyseergebnisse zeigen (c) die Zusammensetzung der Oxidprodukte nach der Reduktion, (d–f) Spitzenübereinstimmung der Komponenten der XPS-Spektren von SL Nb2CTx und (g–i) Nb4C3Tx SL, repariert mit grünen Mikroalgen.
HRTEM-Studien bestätigten die Oxidation von zwei Arten von Nb-MXen-Nanoflocken. Obwohl die Nanoflocken ihre zweidimensionale Morphologie bis zu einem gewissen Grad beibehielten, führte die Oxidation zur Bildung vieler Nanopartikel, die die Oberfläche der MXen-Nanoflocken bedeckten (siehe Abb. 7a,b). Die XPS-Analyse der c Nb 3d- und O 1s-Signale deutete darauf hin, dass in beiden Fällen Nb-Oxide gebildet wurden. Wie in Abbildung 7c dargestellt, weisen 2D-MXene Nb2CTx und Nb4C3TX Nb 3d-Signale auf das Vorhandensein von NbO- und Nb2O5-Oxiden hin, während O 1s-Signale die Anzahl der O–Nb-Bindungen anzeigen, die mit der Funktionalisierung der 2D-Nanoflockenoberfläche verbunden sind. Wir stellten fest, dass der Beitrag des Nb-Oxids im Vergleich zu Nb-C und Nb3+-O dominant ist.
In Abb. 7g–i sind die XPS-Spektren von Nb 3d, C 1s und O 1s SL Nb2CTx (siehe Abb. 7d–f) und SL Nb4C3TX MXene dargestellt, die aus Mikroalgenzellen isoliert wurden. Details zu den Peakparametern von Nb-MXenen finden Sie in den Tabellen S4–5. Wir analysierten zunächst die Zusammensetzung von Nb 3d. Im Gegensatz zu dem von Mikroalgenzellen absorbierten Nb wurden in aus Mikroalgenzellen isoliertem MXene neben Nb2O5 auch andere Komponenten gefunden. Im Nb2CTx SL beobachteten wir einen Beitrag von Nb3+-O in Höhe von 15 %, während der Rest des Nb 3d-Spektrums von Nb2O5 (85 %) dominiert wurde. Darüber hinaus enthält die SL Nb4C3TX-Probe die Komponenten Nb-C (9 %) und Nb2O5 (91 %). Hier stammt Nb-C aus zwei inneren Atomlagen von Metallcarbid in Nb4C3Tx SR. Wir ordnen die C1s-Spektren anschließend vier verschiedenen Komponenten zu, wie wir es bei den internalisierten Proben getan haben. Wie erwartet wird das C1s-Spektrum von graphitischem Kohlenstoff dominiert, gefolgt von Beiträgen organischer Partikel (CHx/CO und C=O) aus Mikroalgenzellen. Zusätzlich beobachteten wir im O1s-Spektrum Beiträge organischer Formen von Mikroalgenzellen, Nioboxid und adsorbiertem Wasser.
Darüber hinaus untersuchten wir, ob die Spaltung von Nb-MXenen mit dem Vorhandensein reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) im Nährmedium und/oder in den Mikroalgenzellen zusammenhängt. Zu diesem Zweck untersuchten wir die Konzentrationen von Singulett-Sauerstoff (1O2) im Kulturmedium und von intrazellulärem Glutathion, einem Thiol, das in Mikroalgen als Antioxidans wirkt. Die Ergebnisse sind in SI (Abbildungen S20 und S21) dargestellt. Kulturen mit SL Nb2CTx und Nb4C3TX MXenen zeichneten sich durch eine reduzierte Menge an 1O2 aus (siehe Abbildung S20). Im Fall von SL Nb2CTx ist der MXen-1O2-Gehalt auf etwa 83 % reduziert. Bei Mikroalgenkulturen mit SL sank der Nb4C3TX-1O2-Gehalt sogar noch stärker, auf 73 %. Interessanterweise zeigten die Veränderungen von 1O2 den gleichen Trend wie der zuvor beobachtete hemmend-stimulierende Effekt (siehe Abb. 3). Man könnte argumentieren, dass die Inkubation in hellem Licht die Photooxidation verändern kann. Die Ergebnisse der Kontrollanalyse zeigten jedoch während des Experiments nahezu konstante 1O2-Werte (Abb. S22). Auch bei den intrazellulären ROS-Werten beobachteten wir den gleichen Abwärtstrend (siehe Abbildung S21). Anfänglich überstiegen die ROS-Werte in Mikroalgenzellen, die in Gegenwart von Nb2CTx- und Nb4C3Tx-SLs kultiviert wurden, die in Reinkulturen von Mikroalgen gefundenen Werte. Schließlich schienen sich die Mikroalgen jedoch an die Anwesenheit beider Nb-MXene anzupassen, da die ROS-Werte auf 85 % bzw. 91 % der Werte sanken, die in Reinkulturen von Mikroalgen gemessen wurden, die mit SL Nb2CTx bzw. Nb4C3TX beimpft wurden. Dies könnte darauf hindeuten, dass sich Mikroalgen mit der Zeit in Gegenwart von Nb-MXen wohler fühlen als in Nährmedium allein.
Mikroalgen sind eine vielfältige Gruppe photosynthetischer Organismen. Während der Photosynthese wandeln sie atmosphärisches Kohlendioxid (CO2) in organischen Kohlenstoff um. Die Produkte der Photosynthese sind Glucose und Sauerstoff79. Wir vermuten, dass der dabei gebildete Sauerstoff eine entscheidende Rolle bei der Oxidation von Nb-MXenen spielt. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass der unterschiedliche Belüftungsparameter bei niedrigen und hohen Sauerstoffpartialdrücken außerhalb und innerhalb der Nb-MXen-Nanoflocken entsteht. Das bedeutet, dass überall dort, wo es Bereiche mit unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücken gibt, der Bereich mit dem niedrigsten Niveau die Anode bildet 80, 81, 82. Hier tragen die Mikroalgen zur Bildung unterschiedlich belüfteter Zellen auf der Oberfläche der MXen-Flocken bei, die aufgrund ihrer photosynthetischen Eigenschaften Sauerstoff produzieren. Infolgedessen entstehen Biokorrosionsprodukte (in diesem Fall Nioboxide). Ein weiterer Aspekt ist, dass Mikroalgen organische Säuren produzieren können, die ins Wasser abgegeben werden83,84. Dadurch entsteht eine aggressive Umgebung, die die Nb-MXene verändert. Darüber hinaus können Mikroalgen durch die Aufnahme von Kohlendioxid den pH-Wert der Umgebung ins Alkalische verändern, was ebenfalls zu Korrosion führen kann79.
Noch wichtiger ist, dass die in unserer Studie verwendete Dunkel-/Hell-Photoperiode entscheidend zum Verständnis der erhaltenen Ergebnisse ist. Dieser Aspekt wird ausführlich in Djemai-Zoghlache et al. 85 beschrieben. Sie verwendeten absichtlich eine 12/12-stündige Photoperiode, um Biokorrosion in Verbindung mit Biofouling durch die rote Mikroalge Porphyridium purpureum nachzuweisen. Sie zeigen, dass die Photoperiode mit der Entwicklung des Potenzials ohne Biokorrosion verbunden ist, die sich in Form pseudoperiodischer Schwingungen um 24:00 Uhr manifestiert. Diese Beobachtungen wurden von Dowling et al. 86 bestätigt. Sie wiesen photosynthetische Biofilme von Cyanobakterien Anabaena nach. Unter Lichteinwirkung wird gelöster Sauerstoff gebildet, was mit einer Änderung bzw. Schwankungen des freien Biokorrosionspotenzials einhergeht. Die Bedeutung der Photoperiode wird durch die Tatsache unterstrichen, dass das freie Potenzial für Biokorrosion in der Hellphase zunimmt und in der Dunkelphase abnimmt. Dies ist auf den von photosynthetischen Mikroalgen produzierten Sauerstoff zurückzuführen, der durch den in der Nähe der Elektroden erzeugten Partialdruck die kathodische Reaktion beeinflusst87.
Zusätzlich wurde eine Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FT-IR) durchgeführt, um festzustellen, ob sich die chemische Zusammensetzung der Mikroalgenzellen nach der Interaktion mit Nb-MXenen ändert. Die erhaltenen Ergebnisse sind komplex und werden in den SI dargestellt (Abbildungen S23–S25, einschließlich der Ergebnisse der MAX-Phase und der ML-MXene). Kurz gesagt liefern uns die erhaltenen Referenzspektren der Mikroalgen wichtige Informationen über die chemischen Eigenschaften dieser Organismen. Die wahrscheinlichsten Schwingungen liegen bei folgenden Frequenzen: 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) und 3280 cm−1 (O–H). Für SL-Nb-MXene fanden wir eine CH-Bindungsstreckungssignatur, die mit unserer vorherigen Studie übereinstimmt38. Wir beobachteten jedoch, dass einige zusätzliche Peaks, die mit C=C- und CH-Bindungen assoziiert waren, verschwanden. Dies deutet darauf hin, dass sich die chemische Zusammensetzung von Mikroalgen durch die Wechselwirkung mit SL Nb-MXenen geringfügig verändern könnte.
Bei der Betrachtung möglicher Veränderungen in der Biochemie von Mikroalgen muss die Anreicherung anorganischer Oxide wie Nioboxid neu betrachtet werden59. Nioboxid ist an der Aufnahme von Metallen durch die Zelloberfläche, ihrem Transport ins Zytoplasma, ihrer Bindung an intrazelluläre Carboxylgruppen und ihrer Anreicherung in Mikroalgen-Polyphosphosomen beteiligt20,88,89,90. Darüber hinaus wird die Beziehung zwischen Mikroalgen und Metallen durch funktionelle Zellgruppen aufrechterhalten. Daher hängt die Absorption auch von der komplexen Oberflächenchemie der Mikroalgen ab9,91. Generell veränderte sich die chemische Zusammensetzung grüner Mikroalgen erwartungsgemäß durch die Absorption von Nioboxid leicht.
Interessanterweise war die beobachtete anfängliche Hemmung der Mikroalgen mit der Zeit reversibel. Wie wir beobachteten, überwanden die Mikroalgen die anfängliche Umweltveränderung und kehrten schließlich zu normalen Wachstumsraten zurück und nahmen sogar zu. Studien des Zetapotenzials zeigen eine hohe Stabilität bei Zugabe in Nährmedien. Somit blieb die Oberflächeninteraktion zwischen Mikroalgenzellen und Nb-MXen-Nanoflocken während der Reduktionsexperimente erhalten. In unserer weiteren Analyse fassen wir die wichtigsten Wirkmechanismen zusammen, die diesem bemerkenswerten Verhalten der Mikroalgen zugrunde liegen.
SEM-Beobachtungen haben gezeigt, dass Mikroalgen dazu neigen, an Nb-MXene zu haften. Mittels dynamischer Bildanalyse bestätigen wir, dass dieser Effekt zur Umwandlung zweidimensionaler Nb-MXen-Nanoflocken in kugelförmigere Partikel führt und zeigen damit, dass die Zersetzung der Nanoflocken mit ihrer Oxidation verbunden ist. Zur Überprüfung unserer Hypothese führten wir eine Reihe von Material- und biochemischen Studien durch. Nach den Tests oxidierten die Nanoflocken allmählich und zersetzten sich zu NbO- und Nb2O5-Produkten, die keine Gefahr für grüne Mikroalgen darstellten. Mittels FT-IR-Beobachtung stellten wir keine signifikanten Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung der in Gegenwart von 2D-Nb-MXen-Nanoflocken inkubierten Mikroalgen fest. Unter Berücksichtigung der Möglichkeit der Absorption von Nioboxid durch Mikroalgen führten wir eine Röntgenfluoreszenzanalyse durch. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass sich die untersuchten Mikroalgen von Nioboxiden (NbO und Nb2O5) ernähren, die für die untersuchten Mikroalgen ungiftig sind.