Köszönjük, hogy felkereste a Nature.com weboldalt. Ön egy korlátozott CSS-támogatású böngészőverziót használ. A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy egy frissített böngészőt használjon (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben). Időközben a folyamatos támogatás biztosítása érdekében stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg az oldalt.
Három diából álló forgószalagot jelenít meg egyszerre. Az Előző és Következő gombokkal egyszerre három dián, vagy a végén található csúszkagombokkal egyszerre három dián lapozhat.
A nanotechnológia gyors fejlődése és a mindennapi alkalmazásokba való integrálása veszélyeztetheti a környezetet. Míg a szerves szennyező anyagok lebontására szolgáló zöld módszerek jól beváltak, a szervetlen kristályos szennyező anyagok kinyerése komoly aggodalomra ad okot a biotranszformációval szembeni alacsony érzékenységük és a biológiai anyagokkal való felületi kölcsönhatások hiányos ismerete miatt. Ebben a tanulmányban egy Nb-alapú szervetlen 2D MXének modellt és egy egyszerű alakparaméter-analízis módszert alkalmazunk a 2D kerámia nanoanyagok bioremediációs mechanizmusának nyomon követésére a Raphidocelis subcapitata zöld mikroalga által. Megállapítottuk, hogy a mikroalgák a felülettel kapcsolatos fizikai-kémiai kölcsönhatások révén bontják le az Nb-alapú MXéneket. Kezdetben egyrétegű és többrétegű MXén nanopelyhek tapadtak a mikroalgák felületéhez, ami némileg csökkentette az algák növekedését. A felülettel való hosszan tartó kölcsönhatás során azonban a mikroalgák oxidálták az MXén nanopelyheket, és tovább bontották azokat NbO-vá és Nb2O5-té. Mivel ezek az oxidok nem toxikusak a mikroalga sejtekre, egy abszorpciós mechanizmus révén fogyasztják az Nb-oxid nanorészecskéket, amely 72 órás vízkezelés után tovább regenerálja a mikroalgákat. A felszívódással kapcsolatos tápanyagok hatásai a sejtek térfogatának növekedésében, sima alakjukban és növekedési ütemük változásában is tükröződnek. Ezen eredmények alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy az Nb-alapú MXének rövid és hosszú távú jelenléte az édesvízi ökoszisztémákban csak kisebb környezeti hatásokat okozhat. Figyelemre méltó, hogy kétdimenziós nanorészecskéket modellrendszerként használva bemutatjuk az alakváltozás nyomon követésének lehetőségét még finomszemcsés anyagokban is. Összességében ez a tanulmány egy fontos alapvető kérdésre ad választ a 2D nanorészecskék bioremediációs mechanizmusát mozgató felületi kölcsönhatásokkal kapcsolatos folyamatokkal kapcsolatban, és alapot teremt a szervetlen kristályos nanorészecskék környezeti hatásának további rövid és hosszú távú vizsgálatához.
A nanorészecskék felfedezésük óta nagy érdeklődésre tartanak számot, és a különféle nanotechnológiák a közelmúltban modernizációs fázisba léptek1. Sajnos a nanorészecskék mindennapi alkalmazásokba való integrálása véletlenszerű kibocsátásokhoz vezethet a nem megfelelő ártalmatlanítás, a gondatlan kezelés vagy a nem megfelelő biztonsági infrastruktúra miatt. Ezért ésszerű feltételezni, hogy a nanorészecskék, beleértve a kétdimenziós (2D) nanorészecskéket is, a természetes környezetbe kerülhetnek, amelyek viselkedése és biológiai aktivitása még nem teljesen ismert. Ezért nem meglepő, hogy az ökotoxicitással kapcsolatos aggodalmak a 2D nanorészecskék vízi rendszerekbe való kioldódásának képességére összpontosultak2,3,4,5,6. Ezekben az ökoszisztémákban egyes 2D nanorészecskék kölcsönhatásba léphetnek különböző trofikus szinteken lévő élőlényekkel, beleértve a mikroalgákat is.
A mikroalgák primitív élőlények, amelyek természetesen előfordulnak édesvízi és tengeri ökoszisztémákban, és fotoszintézis útján különféle kémiai termékeket termelnek7. Mint ilyenek, kritikus fontosságúak a vízi ökoszisztémák számára8,9,10,11,12, de érzékeny, olcsó és széles körben használt ökotoxicitási indikátorok is13,14. Mivel a mikroalgák sejtjei gyorsan szaporodnak és gyorsan reagálnak a különféle vegyületek jelenlétére, ígéretesek a szerves anyagokkal szennyezett víz környezetbarát kezelési módszereinek fejlesztése szempontjából15,16.
Az algasejtek bioszorpció és felhalmozódás útján képesek eltávolítani a szervetlen ionokat a vízből17,18. Néhány algafaj, mint például a Chlorella, az Anabaena invar, a Westiellopsis prolifica, a Stigeoclonium tenue és a Synechococcus sp., mérgező fémionokat, például Fe2+, Cu2+, Zn2+ és Mn2+ hordoz, sőt táplál is. Más tanulmányok kimutatták, hogy a Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ vagy Pb2+ ionok korlátozzák a Scenedesmus növekedését azáltal, hogy megváltoztatják a sejtek morfológiáját és elpusztítják kloroplasztjaikat20,21.
A szerves szennyező anyagok lebontására és a nehézfémionok eltávolítására szolgáló zöld módszerek világszerte felkeltették a tudósok és mérnökök figyelmét. Ez főként annak köszönhető, hogy ezek a szennyező anyagok könnyen feldolgozhatók folyékony fázisban. A szervetlen kristályos szennyező anyagokra azonban jellemző az alacsony vízoldhatóság és a különféle biotranszformációkkal szembeni alacsony érzékenység, ami nagy nehézségeket okoz a kármentesítésben, és ezen a területen kevés előrelépés történt22,23,24,25,26. Így a nanorészecskék javítására szolgáló környezetbarát megoldások keresése továbbra is összetett és feltáratlan terület. A 2D nanorészecskék biotranszformációs hatásaival kapcsolatos nagyfokú bizonytalanság miatt nincs egyszerű módja annak, hogy megtudjuk a lebomlásuk lehetséges útjait a redukció során.
Ebben a tanulmányban zöld mikroalgákat használtunk aktív vizes bioremediációs szerként szervetlen kerámia anyagokhoz, kombinálva az MXene, mint szervetlen kerámia anyagok reprezentatív példájának lebomlási folyamatának in situ monitorozásával. Az „MXene” kifejezés az Mn+1XnTx anyag sztöchiometriáját tükrözi, ahol M egy korai átmeneti fém, X szén és/vagy nitrogén, Tx egy felületi terminátor (pl. -OH, -F, -Cl), és n = 1, 2, 3 vagy 427,28. Az MXének Naguib és munkatársai általi felfedezése óta. Szenzorika, rákterápia és membránszűrés 27,29,30. Ezenkívül az MXének kiváló kolloid stabilitásuk és lehetséges biológiai kölcsönhatásaik miatt modell 2D rendszereknek tekinthetők 31,32,33,34,35,36.
Ezért a cikkben kidolgozott módszertant és kutatási hipotéziseinket az 1. ábra mutatja. E hipotézis szerint a mikroalgák a Nb-alapú MXéneket nem toxikus vegyületekké bontják le a felülettel kapcsolatos fizikai-kémiai kölcsönhatások révén, ami lehetővé teszi az algák további kinyerését. A hipotézis teszteléséhez a korai nióbiumalapú átmenetifém-karbidok és/vagy -nitridek (MXének) családjának két tagját, nevezetesen az Nb2CTx-et és az Nb4C3TX-et választottuk ki.
Kutatási módszertan és bizonyítékokon alapuló hipotézisek a Raphidocelis subcapitata zöld mikroalgák MXene-kinyerésére vonatkozóan. Felhívjuk figyelmét, hogy ez csak a bizonyítékokon alapuló feltételezések sematikus ábrázolása. A tó környezete a felhasznált táptalajban és a körülményekben (pl. napi ciklus és a rendelkezésre álló esszenciális tápanyagok korlátozottsága) különbözik. Létrehozva a BioRender.com segítségével.
Ezért az MXene modellrendszerként való használatával megnyitottuk az utat a különféle biológiai hatások tanulmányozása előtt, amelyeket más hagyományos nanoanyagok esetében nem lehet megfigyelni. Különösen bemutatjuk a kétdimenziós nanoanyagok, például a nióbium alapú MXének bioremediációjának lehetőségét a Raphidocelis subcapitata mikroalgák által. A mikroalgák képesek az Nb-MXéneket nem toxikus NbO és Nb2O5 oxidokká bontani, amelyek a nióbiumfelvételi mechanizmuson keresztül tápanyagokat is biztosítanak. Összességében ez a tanulmány egy fontos alapvető kérdésre ad választ a kétdimenziós nanoanyagok bioremediációs mechanizmusait szabályozó felületi fizikai-kémiai kölcsönhatásokkal kapcsolatos folyamatokkal kapcsolatban. Ezenkívül egy egyszerű, alakparaméter-alapú módszert fejlesztünk ki a 2D nanoanyagok alakjában bekövetkező finom változások nyomon követésére. Ez további rövid és hosszú távú kutatásokat inspirál a szervetlen kristályos nanoanyagok különböző környezeti hatásaival kapcsolatban. Így tanulmányunk növeli az anyag felülete és a biológiai anyag közötti kölcsönhatás megértését. Emellett megalapozzuk az édesvízi ökoszisztémákra gyakorolt ​​lehetséges hatásuk kibővített rövid és hosszú távú vizsgálatait, amelyek most már könnyen ellenőrizhetők.
Az MXének érdekes anyagosztályt képviselnek, egyedi és vonzó fizikai és kémiai tulajdonságokkal, és ezért számos potenciális alkalmazási lehetőséggel. Ezek a tulajdonságok nagymértékben függenek sztöchiometriájuktól és felületi kémiájuktól. Ezért tanulmányunkban kétféle Nb-alapú hierarchikus egyrétegű (SL) MXént vizsgáltunk, az Nb2CTx-et és az Nb4C3TX-et, mivel ezen nanorészecskék eltérő biológiai hatásai figyelhetők meg. Az MXéneket kiindulási anyagaikból állítják elő atomilag vékony MAX fázisú A-rétegek felülről lefelé irányuló szelektív maratásával. A MAX fázis egy háromkomponensű kerámia, amely átmenetifém-karbidok „kötött” blokkjaiból és „A” elemek, például Al, Si és Sn vékony rétegeiből áll, MnAXn-1 sztöchiometriával. A kezdeti MAX fázis morfológiáját pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) figyeltük meg, és az összhangban volt a korábbi vizsgálatokkal (lásd a kiegészítő információkat, SI, S1. ábra). A többrétegű (ML) Nb-MXént az Al-réteg 48%-os HF-fel (hidrogén-fluorid) történő eltávolítása után kaptuk. Az ML-Nb2CTx és az ML-Nb4C3TX morfológiáját pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) vizsgáltuk (S1c. és S1d. ábra), és egy tipikus réteges MXene morfológiát figyeltünk meg, hasonlóan a megnyúlt, pórusszerű réseken áthaladó kétdimenziós nanopelyhekhez. Mindkét Nb-MXene sok közös vonást mutat a korábban savas maratással szintetizált MXene fázisokkal27,38. Miután megerősítettük az MXene szerkezetét, tetrabutilammónium-hidroxid (TBAOH) interkalációjával rétegeztük, majd mostuk és ultrahanggal kezeltük, ami után egyrétegű vagy alacsony rétegű (SL) 2D Nb-MXene nanopelyheket kaptunk.
Nagy felbontású transzmissziós elektronmikroszkópiát (HRTEM) és röntgendiffrakciót (XRD) használtunk a maratás és a további hámozás hatékonyságának tesztelésére. Az inverz gyors Fourier-transzformációval (IFFT) és a gyors Fourier-transzformációval (FFT) feldolgozott HRTEM eredményeket a 2. ábra mutatja. Az Nb-MXene nanopelyheket élükkel felfelé orientáltuk, hogy ellenőrizzük az atomréteg szerkezetét és megmérjük a síkok közötti távolságokat. Az MXene Nb2CTx és Nb4C3TX nanopelyhek HRTEM képei feltárták atomosan vékony réteges jellegüket (lásd 2a1, a2 ábra), amint azt Naguib és munkatársai27, valamint Jastrzębska és munkatársai38 korábban közölték. Két szomszédos Nb2CTx és Nb4C3Tx monoréteg esetén 0,74, illetve 1,54 nm-es rétegközi távolságokat határoztunk meg (2b1, b2 ábra), ami összhangban van korábbi eredményeinkkel38 is. Ezt tovább megerősítette az inverz gyors Fourier-transzformáció (2c1., c2. ábra) és a gyors Fourier-transzformáció (2d1., d2. ábra), amelyek az Nb2CTx és Nb4C3Tx monorétegek közötti távolságot mutatják. A képen a nióbium- és szénatomoknak megfelelő világos és sötét sávok váltakozása látható, ami megerősíti a vizsgált MXének réteges jellegét. Fontos megjegyezni, hogy az Nb2CTx és Nb4C3Tx esetében kapott energiadiszperzív röntgenspektroszkópiás (EDX) spektrumok (S2a. és S2b. ábra) nem mutatták az eredeti MAX fázis maradványait, mivel nem detektáltak Al csúcsot.
Az SL Nb2CTx és Nb4C3Tx MXene nanopelyhek jellemzése, beleértve (a) nagy felbontású elektronmikroszkópos (HRTEM) oldalnézeti 2D nanopelyhes képalkotást és a hozzá tartozó, (b) intenzitásmódot, (c) inverz gyors Fourier-transzformációt (IFFT), (d) gyors Fourier-transzformációt (FFT), (e) Nb-MXenes röntgenmintázatokat. Az SL 2D Nb2CTx esetében a számokat a következőképpen fejezzük ki: (a1, b1, c1, d1, e1). Az SL 2D Nb4C3Tx esetében a számokat a következőképpen fejezzük ki: (a2, b2, c2, d2, e1).
Az SL Nb2CTx és Nb4C3Tx MXének röntgendiffrakciós méréseit a 2e1. és e2. ábra mutatja. A 4,31-nél és 4,32-nél található csúcsok (002) megfelelnek a korábban leírt réteges Nb2CTx és Nb4C3TX38,39,40,41 MXéneknek. A röntgendiffrakciós eredmények néhány reziduális ML-szerkezet és MAX-fázis jelenlétét is jelzik, de főként az SL Nb4C3Tx-hez kapcsolódó röntgendiffrakciós mintázatokat (2e2. ábra). A MAX fázis kisebb részecskéinek jelenléte magyarázhatja az erősebb MAX-csúcsot a véletlenszerűen egymásra rakódott Nb4C3Tx rétegekhez képest.
További kutatások az R. subcapitata fajhoz tartozó zöld mikroalgákra összpontosítottak. Azért választottuk a mikroalgákat, mert fontos termelők, akik részt vesznek a főbb táplálékláncokban42. Emellett a toxicitás egyik legjobb indikátorai is, mivel képesek eltávolítani a tápláléklánc magasabb szintjeire kerülő mérgező anyagokat43. Ezenkívül az R. subcapitata-val kapcsolatos kutatások fényt deríthetnek az SL Nb-MXének véletlenszerű toxicitására a gyakori édesvízi mikroorganizmusokkal szemben. Ennek szemléltetésére a kutatók azt a hipotézist állították fel, hogy minden mikroba másképp érzékeny a környezetben jelenlévő mérgező vegyületekre. A legtöbb élőlény esetében az anyagok alacsony koncentrációja nem befolyásolja a növekedésüket, míg egy bizonyos határérték feletti koncentrációk gátolhatják őket, vagy akár halált is okozhatnak. Ezért a mikroalgák és az MXének közötti felszíni kölcsönhatás és a kapcsolódó kinyerés vizsgálatához úgy döntöttünk, hogy teszteljük az Nb-MXének ártalmatlan és toxikus koncentrációit. Ehhez 0 (referenciaként), 0,01, 0,1 és 10 mg l-1 MXene koncentrációkat teszteltünk, valamint nagyon magas MXene koncentrációval (100 mg l-1 MXene) fertőztünk meg mikroalgákat, ami bármilyen biológiai környezetben extrém és halálos lehet.
Az SL Nb-MXének mikroalgákra gyakorolt ​​hatását a 3. ábra mutatja, a 0 mg l-1 mintákra mért növekedésserkentés (+) vagy gátlás (-) százalékos arányában kifejezve. Összehasonlításképpen az Nb-MAX fázist és az ML Nb-MXéneket is teszteltük, és az eredményeket SI-ben mutatjuk be (lásd az S3. ábrát). A kapott eredmények megerősítették, hogy az SL Nb-MXének szinte teljesen mentesek a toxicitástól a 0,01 és 10 mg/l közötti alacsony koncentrációtartományban, amint azt a 3a, b ábra is mutatja. Az Nb2CTx esetében a megadott tartományban legfeljebb 5%-os ökotoxicitást figyeltünk meg.
Mikroalgák növekedésének stimulálása (+) vagy gátlása (-) SL (a) Nb2CTx és (b) Nb4C3TX MXene jelenlétében. Az MXene-mikroalgák kölcsönhatását 24, 48 és 72 órán át elemeztük. A szignifikáns adatokat (t-teszt, p < 0,05) csillaggal (*) jelöltük. A szignifikáns adatokat (t-teszt, p < 0,05) csillaggal (*) jelöltük. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). A szignifikáns adatokat (t-próba, p < 0,05) csillaggal (*) jelöltük.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-teszt, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). A fontos adatokat (t-próba, p < 0,05) csillaggal (*) jelöltük.A piros nyilak a gátló stimuláció megszűnését jelzik.
Másrészről az Nb4C3TX alacsony koncentrációi valamivel toxikusabbnak bizonyultak, de nem magasabbak 7%-nál. A várakozásoknak megfelelően azt figyeltük meg, hogy az MXének nagyobb toxicitást és mikroalgák növekedésgátlást mutattak 100 mg L-1 koncentrációban. Érdekes módon egyik anyag sem mutatta ugyanolyan trendet és időfüggést az atoxikus/toxikus hatások tekintetében, mint a MAX vagy ML minták (részletekért lásd az SI-t). Míg a MAX fázisban (lásd az S3. ábrát) a toxicitás elérte a körülbelül 15–25%-ot, és idővel növekedett, addig az SL Nb2CTx és Nb4C3TX MXén esetében fordított tendenciát figyeltünk meg. A mikroalgák növekedésgátlása idővel csökkent. 24 óra elteltével elérte a körülbelül 17%-ot, majd 72 óra elteltével 5% alá esett (3a. és 3b. ábra).
Ennél is fontosabb, hogy az SL Nb4C3TX esetében a mikroalgák növekedésgátlása 24 óra elteltével elérte a 27%-ot, de 72 óra elteltével körülbelül 1%-ra csökkent. Ezért a megfigyelt hatást a stimuláció inverz gátlásának neveztük, és a hatás erősebb volt az SL Nb4C3TX MXene esetében. A mikroalgák növekedésének stimulációját korábban megfigyelték az Nb4C3TX esetében (kölcsönhatás 10 mg L-1 dózisban 24 órán át) az SL Nb2CTx MXene-hez képest. A gátlás-stimuláció visszafordító hatása a biomassza-duplázódási sebesség görbéjében is jól látható volt (részletekért lásd az S4. ábrát). Eddig csak a Ti3C2TX MXene ökotoxicitását vizsgálták különböző módokon. Nem toxikus a zebrahal embriókra,44 de mérsékelten ökotoxikus a Desmodesmus quadricauda és a Sorghum saccharatum mikroalgák növényekre45. A specifikus hatások további példái közé tartozik a nagyobb toxicitás a rákos sejtvonalakra, mint a normál sejtvonalakra46,47. Feltételezhető, hogy a tesztkörülmények befolyásolják az Nb-MXének jelenlétében megfigyelt mikroalgák növekedésének változásait. Például a kloroplaszt sztrómában a körülbelül 8-as pH-érték optimális a RuBisCO enzim hatékony működéséhez. Ezért a pH-változások negatívan befolyásolják a fotoszintézis sebességét48,49. A kísérlet során azonban nem figyeltünk meg jelentős pH-változásokat (részletekért lásd az SI, S5. ábrát). Általánosságban elmondható, hogy az Nb-MXéneket tartalmazó mikroalgák tenyészetei idővel kismértékben csökkentették az oldat pH-értékét. Ez a csökkenés azonban hasonló volt a tiszta táptalaj pH-értékének változásához. Ezenkívül a talált változások tartománya hasonló volt a tiszta mikroalgák tenyészeténél (kontrollminta) mért értékekhez. Így arra a következtetésre jutottunk, hogy a fotoszintézist nem befolyásolja a pH időbeli változása.
Ezenkívül a szintetizált MXének felületi végződésekkel rendelkeznek (Tx-ként jelölve). Ezek főként -O, -F és -OH funkciós csoportok. A felületi kémia azonban közvetlenül összefügg a szintézis módszerével. Ismert, hogy ezek a csoportok véletlenszerűen oszlanak el a felületen, ami megnehezíti az MXén tulajdonságaira gyakorolt ​​hatásuk előrejelzését50. Felvethető, hogy a Tx lehet a nióbium fény általi oxidációjának katalitikus ereje. A felületi funkciós csoportok valóban több lehorgonyzási helyet biztosítanak az alattuk lévő fotokatalizátorok számára heteroátmenetek kialakításához51. A növekedési táptalaj összetétele azonban nem biztosított hatékony fotokatalizátort (a táptalaj részletes összetétele az S6. táblázatban található). Ezenkívül bármilyen felületmódosítás is nagyon fontos, mivel az MXének biológiai aktivitása megváltozhat a réteg utófeldolgozása, az oxidáció, a szerves és szervetlen vegyületek kémiai felületmódosítása52,53,54,55,56 vagy a felületi töltésmódosítás38 miatt. Ezért annak tesztelésére, hogy a nióbium-oxidnak van-e köze az anyag instabilitásához a táptalajban, vizsgálatokat végeztünk a zeta (ζ) potenciáljáról mikroalgák növekedési táptalajában és ioncserélt vízben (összehasonlításképpen). Eredményeink azt mutatják, hogy az SL Nb-MXének meglehetősen stabilak (lásd az SI S6. ábráját a MAX és ML eredményekért). Az SL MXének zeta potenciálja körülbelül -10 mV. Az SR Nb2CTx esetében a ζ értéke valamivel negatívabb, mint az Nb4C3Tx-é. Az ζ érték ilyen változása arra utalhat, hogy a negatív töltésű MXén nanopelyhek felülete pozitív töltésű ionokat abszorbeál a táptalajból. Az Nb-MXének zeta potenciáljának és vezetőképességének időbeli mérése a táptalajban (lásd az SI S7. és S8. ábráit a további részletekért) alátámasztani látszik hipotézisünket.
Mindkét Nb-MXene SL minimális változást mutatott a nullához képest. Ez egyértelműen bizonyítja stabilitásukat a mikroalga növekedési táptalajon. Ezenkívül megvizsgáltuk, hogy zöld mikroalgáink jelenléte befolyásolja-e az Nb-MXének stabilitását a táptalajon. Az MXének zeta-potenciáljának és vezetőképességének eredményei a mikroalgákkal való kölcsönhatás után, táptalajban és tenyészetben az idő múlásával az SI-ben találhatók (S9. és S10. ábra). Érdekes módon azt tapasztaltuk, hogy a mikroalgák jelenléte stabilizálta mindkét MXén diszperzióját. Az Nb2CTx SL esetében a zeta-potenciál idővel még kissé csökkent is, negatívabb értékekre (-15,8 vs. -19,1 mV 72 óra inkubáció után). Az Nb4C3TX SL zeta-potenciálja enyhén emelkedett, de 72 óra elteltével is nagyobb stabilitást mutatott, mint a mikroalgák jelenléte nélküli nanopelyhek (-18,1 vs. -9,1 mV).
Alacsonyabb vezetőképességet tapasztaltunk a mikroalgák jelenlétében inkubált Nb-MXene oldatokban is, ami a táptalajban lévő ionok alacsonyabb mennyiségére utal. Figyelemre méltó, hogy az MXének vízben való instabilitása főként a felületi oxidációnak köszönhető. Ezért feltételezzük, hogy a zöld mikroalgák valahogy eltávolították az Nb-MXene felületén képződött oxidokat, sőt megakadályozták azok előfordulását (az MXene oxidációját). Ez a mikroalgák által elnyelt anyagok típusainak vizsgálatával látható.
Bár ökotoxikológiai vizsgálataink azt mutatták, hogy a mikroalgák idővel képesek voltak leküzdeni az Nb-MXének toxicitását és a stimulált növekedés szokatlan gátlását, tanulmányunk célja a lehetséges hatásmechanizmusok vizsgálata volt. Amikor az olyan élőlények, mint az algák, olyan vegyületeknek vagy anyagoknak vannak kitéve, amelyek ismeretlenek az ökoszisztémájuk számára, különféle módon reagálhatnak58,59. Mérgező fém-oxidok hiányában a mikroalgák képesek önmagukat táplálni, lehetővé téve számukra a folyamatos növekedést60. Mérgező anyagok lenyelése után aktiválódhatnak a védekező mechanizmusok, például megváltozhat az alakjuk vagy a formájuk. A felszívódás lehetőségét is figyelembe kell venni58,59. Figyelemre méltó, hogy a védekező mechanizmus bármely jele egyértelműen jelzi a tesztvegyület toxicitását. Ezért további munkánkban pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) vizsgáltuk az SL Nb-MXene nanopelyhek és a mikroalgák közötti potenciális felületi kölcsönhatást, valamint az Nb-alapú MXene lehetséges abszorpcióját röntgenfluoreszcens spektroszkópiával (XRF). Megjegyezzük, hogy a pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) és röntgenfluoreszcens spektroszkópiával (XRF) az Nb-alapú MXene lehetséges abszorpcióját csak az MXene legmagasabb koncentrációján végeztük el az aktivitástoxicitási problémák vizsgálata érdekében.
Az SEM eredményeket a 4. ábra mutatja. A kezeletlen mikroalga sejtek (lásd a 4a. ábrát, referencia minta) egyértelműen a tipikus R. subcapitata morfológiát és kifliszerű sejtalakot mutatták. A sejtek lapítottak és némileg rendezetlenek voltak. Néhány mikroalga sejt átfedésben volt és összefonódott egymással, de ezt valószínűleg a minta-előkészítési folyamat okozta. Általánosságban elmondható, hogy a tiszta mikroalga sejtek sima felülettel rendelkeztek, és nem mutattak semmilyen morfológiai változást.
SEM képek, amelyek a zöld mikroalgák és az MXene nanoszálak felszíni kölcsönhatását mutatják 72 órás extrém koncentrációjú (100 mg L-1) kölcsönhatás után. (a) Kezeletlen zöld mikroalgák az SL (b) Nb2CTx és (c) Nb4C3TX MXénekkel való kölcsönhatás után. Megjegyzendő, hogy az Nb-MXene nanopelyheket piros nyilak jelölik. Összehasonlításképpen optikai mikroszkóppal készült fényképeket is csatoltunk.
Ezzel szemben az SL Nb-MXene nanopelyhek által adszorbeált mikroalga sejtek károsodtak (lásd a 4b., c. ábrát, piros nyilak). Az Nb2CTx MXene esetében (4b. ábra) a mikroalgák hajlamosak kétdimenziós nanoskálákkal együtt növekedni, ami megváltoztathatja morfológiájukat. Figyelemre méltó, hogy ezeket a változásokat fénymikroszkóppal is megfigyeltük (részletekért lásd az SI S11. ábrát). Ennek a morfológiai átmenetnek a mikroalgák fiziológiájában és a sejtmorfológia megváltoztatásával, például a sejttérfogat növelésével történő védekezési képességükben rejlik valószínű alapja. Ezért fontos ellenőrizni az Nb-MXene-ekkel ténylegesen érintkezésbe kerülő mikroalga sejtek számát. Az SEM vizsgálatok azt mutatták, hogy a mikroalga sejtek körülbelül 52%-a volt kitéve Nb-MXene-eknek, míg ezeknek a mikroalga sejteknek a 48%-a kerülte az érintkezést. Az SL Nb4C3Tx MXene esetében a mikroalgák megpróbálják elkerülni az MXene-nel való érintkezést, ezáltal kétdimenziós nanoskálákon lokalizálódva és onnan növekedve (4c. ábra). Azonban nem figyeltük meg a nanoskálák behatolását a mikroalga sejtekbe és azok károsodását.
Az önmegőrzés szintén időfüggő válaszreakció a fotoszintézis blokkolására, amelyet a sejtfelszínen lévő részecskék adszorpciója és az úgynevezett árnyékolási (árnyékolási) hatás okoz62. Nyilvánvaló, hogy minden egyes tárgy (például Nb-MXene nanopelyhek), amely a mikroalgák és a fényforrás között helyezkedik el, korlátozza a kloroplasztok által elnyelt fény mennyiségét. Azonban nem kétséges, hogy ez jelentős hatással van a kapott eredményekre. Amint azt mikroszkópos megfigyeléseink mutatják, a 2D nanopelyhek nem tekeredtek be teljesen vagy tapadtak a mikroalgák felületéhez, még akkor sem, amikor a mikroalga sejtek érintkezésbe kerültek az Nb-MXénekkel. Ehelyett a nanopelyhek a mikroalga sejtekhez igazodtak anélkül, hogy befedték volna azok felületét. Egy ilyen nanopelyhek/mikroalgák csoportja nem tudja jelentősen korlátozni a mikroalga sejtek által elnyelt fény mennyiségét. Sőt, egyes tanulmányok a fotoszintetikus organizmusok fényelnyelésének javulását is kimutatták kétdimenziós nanoanyagok jelenlétében63,64,65,66.
Mivel az SEM képek nem tudták közvetlenül megerősíteni a nióbium felvételét a mikroalga sejtek által, további vizsgálatainkban röntgenfluoreszcens (XRF) és röntgenfotoelektron spektroszkópiás (XPS) elemzést alkalmaztunk a kérdés tisztázása érdekében. Ezért összehasonlítottuk a referencia mikroalga minták Nb csúcsainak intenzitását, amelyek nem léptek kölcsönhatásba MXénekkel, a mikroalga sejtek felületéről levált MXén nanopelyhekkel és a hozzájuk tapadt MXének eltávolítása utáni mikroalga sejtekkel. Érdemes megjegyezni, hogy ha nincs Nb felvétel, akkor a mikroalga sejtek által kapott Nb értéknek nullának kell lennie a hozzájuk tapadt nanoskálák eltávolítása után. Ezért, ha Nb felvétel történik, mind az XRF, mind az XPS eredményeknek egyértelmű Nb csúcsot kell mutatniuk.
Az XRF spektrumok esetében a mikroalga minták Nb csúcsokat mutattak az SL Nb2CTx és Nb4C3Tx MXene esetében az SL Nb2CTx és Nb4C3Tx MXene-nel való kölcsönhatás után (lásd az 5a. ábrát, és vegye figyelembe, hogy a MAX és ML MXene-ekre vonatkozó eredmények az SI, S12–C17. ábrák alatt láthatók). Érdekes módon az Nb csúcs intenzitása mindkét esetben azonos (piros oszlopok az 5a. ábrán). Ez azt jelzi, hogy az algák nem tudtak több Nb-t elnyelni, és a sejtek elérték a maximális Nb-felhalmozódási kapacitást, bár kétszer annyi Nb4C3Tx MXene kapcsolódott a mikroalga sejtekhez (kék oszlopok az 5a. ábrán). Figyelemre méltó, hogy a mikroalgák fémek elnyelésére való képessége a környezetben lévő fém-oxidok koncentrációjától függ67,68. Shamshada és munkatársai67 azt találták, hogy az édesvízi algák abszorpciós kapacitása a pH növekedésével csökken. Raize és munkatársai68 megjegyezték, hogy a tengeri moszat fémek elnyelésére való képessége körülbelül 25%-kal magasabb volt Pb2+ esetében, mint Ni2+ esetében.
(a) Zöld mikroalga sejtek bazális Nb-felvételének XRF eredményei, SL Nb-MXének extrém koncentrációjában (100 mg L-1) 72 órán át inkubálva. Az eredmények az α jelenlétét mutatják tiszta mikroalga sejtekben (kontrollminta, szürke oszlopok), felszíni mikroalga sejtekből izolált 2D nanopelyhekben (kék oszlopok) és a felszínről 2D nanopelyhek elválasztása utáni mikroalga sejtekben (piros oszlopok). Az elemi Nb mennyisége, (b) a mikroalga szerves komponenseinek (C=O és CHx/C–O) és az Nb-oxidok kémiai összetételének százalékos aránya a mikroalga sejtekben SL Nb-MXénekkel való inkubálás után, (c–e) az XPS SL Nb2CTx spektrumok összetételi csúcsának és (fh) a mikroalga sejtek által internalizált SL Nb4C3Tx MXénnek az illesztése.
Ezért azt vártuk, hogy az Nb-t az algasejtek oxidok formájában képesek abszorbeálni. Ennek tesztelésére XPS vizsgálatokat végeztünk Nb2CTx és Nb4C3TX MXéneken, valamint algasejteken. A mikroalgák Nb-MXénekkel és algasejtekből izolált MXénekkel való kölcsönhatásának eredményeit az 5b. ábra mutatja. A várakozásoknak megfelelően Nb 3d csúcsokat detektáltunk a mikroalga mintákban az MXén mikroalgák felületéről történő eltávolítása után. A C=O, CHx/CO és Nb-oxidok kvantitatív meghatározását az inkubált mikroalgákból kapott Nb 3d, O 1s és C 1s spektrumok alapján számítottuk ki. 5f–h. ábra: MXének. Az S1-3. táblázat a csúcsparaméterek részleteit és az illesztésből származó általános kémiai összetételt mutatja. Figyelemre méltó, hogy az Nb2CTx SL és az Nb4C3Tx SL Nb 3d régiói (5c., f. ábra) egy Nb2O5 komponensnek felelnek meg. Itt nem találtunk MXene-hez kapcsolódó csúcsokat a spektrumokban, ami arra utal, hogy a mikroalga sejtek csak az Nb oxid formáját abszorbeálják. Ezenkívül a C 1 s spektrumot a C–C, CHx/C–O, C=O és –COOH komponensekkel közelítettük. A CHx/C–O és C=O csúcsokat a mikroalga sejtek szerves hozzájárulásához rendeltük. Ezek a szerves komponensek a C 1 s csúcsok 36%-át, illetve 41%-át teszik ki az Nb2CTx SL és az Nb4C3TX SL esetében. Ezután az SL Nb2CTx és SL Nb4C3TX O 1 s spektrumát Nb2O5-tel, a mikroalgák szerves komponenseivel (CHx/CO) és a felületen adszorbeált vízzel illesztettük.
Végül, az XPS eredmények egyértelműen mutatták az Nb formáját, nem csak a jelenlétét. Az Nb 3d jel pozíciója és a dekonvolúció eredményei alapján megerősítjük, hogy az Nb csak oxidok formájában abszorbeálódik, és nem ionok vagy maga az MXene. Ezenkívül az XPS eredmények azt mutatták, hogy a mikroalga sejtek nagyobb képességgel rendelkeznek az Nb-oxidok felvételére az SL Nb2CTx-ből, mint az SL Nb4C3TX MXene-ből.
Bár az Nb-felvételi eredményeink lenyűgözőek és lehetővé teszik az MXene lebomlásának azonosítását, nincs olyan módszer, amellyel nyomon lehetne követni a kapcsolódó morfológiai változásokat a 2D nanopelyhekben. Ezért úgy döntöttünk, hogy kidolgozunk egy megfelelő módszert, amely közvetlenül reagál a 2D Nb-MXene nanopelyhekben és mikroalga sejtekben bekövetkező változásokra. Fontos megjegyezni, hogy feltételezzük, hogy ha a kölcsönható fajok bármilyen átalakuláson, bomláson vagy defragmentáción mennek keresztül, akkor ennek gyorsan meg kell nyilvánulnia az alakparaméterek, például az ekvivalens körfelület átmérőjének, a kerekdedségnek, a Feret-szélességnek vagy a Feret-hossznak a változásaiban. Mivel ezek a paraméterek alkalmasak a megnyúlt részecskék vagy a kétdimenziós nanopelyhek leírására, dinamikus részecskealaki elemzéssel történő nyomon követésük értékes információkat szolgáltat majd az SL Nb-MXene nanopelyhek morfológiai átalakulásáról a redukció során.
A kapott eredményeket a 6. ábra mutatja. Összehasonlításképpen teszteltük az eredeti MAX fázist és az ML-MXéneket is (lásd az SI S18. és S19. ábrákat). A részecskealaki dinamikus elemzése kimutatta, hogy két Nb-MXene SL összes alakparamétere jelentősen megváltozott a mikroalgákkal való kölcsönhatás után. Amint azt az ekvivalens kör alakú terület átmérő paramétere mutatja (6a., b. ábra), a nagy nanopelyhek frakciójának csökkent csúcsintenzitása azt jelzi, hogy ezek hajlamosak kisebb fragmensekre bomlani. A 6c., d. ábrán a pelyhek transzverzális méretével (a nanopelyhek megnyúlása) összefüggő csúcsok csökkenése látható, ami a 2D nanopelyhek részecskeszerűbb alakra való átalakulását jelzi. A 6e-h. ábra a Feret szélességét és hosszát mutatja. A Feret szélessége és hossza egymást kiegészítő paraméterek, ezért együtt kell őket tekinteni. A 2D Nb-MXene nanopelyhek mikroalgák jelenlétében történő inkubálása után a Feret korrelációs csúcsaik eltolódtak, és intenzitásuk csökkent. Ezen eredmények, valamint a morfológia, a röntgendiffrakció és az XPS kombinációja alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy a megfigyelt változások szorosan összefüggenek az oxidációval, mivel az oxidált MXének ráncosabbá válnak, és fragmentumokra, valamint gömb alakú oxidrészecskékre esnek szét69,70.
Az MXén átalakulásának elemzése zöld mikroalgákkal való kölcsönhatás után. A dinamikus részecskealaki elemzés olyan paramétereket vesz figyelembe, mint az (a, b) az ekvivalens körterület átmérője, (c, d) a kerekdedség, (e, f) a Feret szélessége és (g, h) a Feret hossza. Ebből a célból két referencia mikroalga mintát elemeztek együtt az elsődleges SL Nb2CTx és SL Nb4C3Tx MXénekkel, az SL Nb2CTx és SL Nb4C3Tx MXénekkel, a lebontott mikroalgákkal és a kezelt SL Nb2CTx és SL Nb4C3Tx MXénekkel. A piros nyilak a vizsgált kétdimenziós nanopelyhek alakparamétereinek átmeneteit mutatják.
Mivel az alakparaméter-elemzés nagyon megbízható, a mikroalga sejtek morfológiai változásait is feltárhatja. Ezért elemeztük a tiszta mikroalga sejtek, valamint a 2D Nb nanopelyhekkel való kölcsönhatás utáni sejtek ekvivalens körfelület-átmérőjét, kerekdedségét és Feret-szélességét/hosszát. A 6a–h. ábrán az alga sejtek alakparamétereinek változásai láthatók, amit a csúcsintenzitás csökkenése és a maximumok magasabb értékek felé való eltolódása bizonyít. Különösen a sejtek kerekdedségi paraméterei mutatták a megnyúlt sejtek csökkenését és a gömb alakú sejtek növekedését (6a, b. ábra). Ezenkívül a Feret-sejtek szélessége több mikrométerrel nőtt az SL Nb2CTx MXene-nel való kölcsönhatás után (6e. ábra) az SL Nb4C3TX MXene-hez képest (6f. ábra). Gyanítjuk, hogy ez az Nb-oxidok mikroalgák általi erős felvételének köszönhető az Nb2CTx SR-rel való kölcsönhatás során. Az Nb-pelyhek kevésbé merev rögzítése a felületükhöz minimális árnyékoló hatással járó sejtnövekedést eredményezhet.
A mikroalgák alakjának és méretének paramétereiben bekövetkező változásokkal kapcsolatos megfigyeléseink kiegészítik más tanulmányokat. A zöld mikroalgák a környezeti stresszre adott válaszként megváltoztathatják morfológiájukat a sejtek méretének, alakjának vagy anyagcseréjének megváltoztatásával61. Például a sejtek méretének megváltoztatása elősegíti a tápanyagok felszívódását71. A kisebb algasejtek alacsonyabb tápanyagfelvételt és csökkent növekedési sebességet mutatnak. Ezzel szemben a nagyobb sejtek több tápanyagot fogyasztanak, amelyek aztán a sejten belül lerakódnak72,73. Machado és Soares megállapították, hogy a triklozán nevű fungicid növelheti a sejtek méretét. Jelentős változásokat találtak az algák alakjában is74. Ezenkívül Yin és munkatársai9 morfológiai változásokat is kimutattak az algákban a redukált grafén-oxid nanokompozitoknak való kitettség után. Ezért egyértelmű, hogy a mikroalgák megváltozott méret-/alakparamétereit az MXene jelenléte okozza. Mivel ez a méret- és alakváltozás a tápanyagfelvétel változásaira utal, úgy véljük, hogy a méret- és alakparaméterek időbeli elemzése kimutathatja a nióbium-oxid felvételét a mikroalgák által Nb-MXének jelenlétében.
Továbbá az MXének oxidálódhatnak algák jelenlétében. Dalai és munkatársai75 megfigyelték, hogy a nano-TiO2-nak és Al2O3-nak kitett zöldalgák morfológiája nem volt egységes. Bár megfigyeléseink hasonlóak a jelenlegi tanulmányhoz, csak a bioremediáció hatásainak vizsgálata szempontjából relevánsak az MXének bomlástermékei szempontjából 2D nanopelyhek jelenlétében, és nem nanorészecskék jelenlétében. Mivel az MXének fém-oxidokká bomlhatnak,31,32,77,78 ésszerű feltételezni, hogy Nb nanopelyheink is képesek Nb-oxidokat képezni a mikroalga sejtekkel való kölcsönhatás után.
A 2D-Nb nanopelyhek oxidációs folyamaton alapuló bomlási mechanizmuson keresztüli redukciójának magyarázata érdekében nagy felbontású transzmissziós elektronmikroszkópiával (HRTEM) (7a.,b. ábra) és röntgen-fotoelektron spektroszkópiával (XPS) (7. ábra) végeztünk vizsgálatokat. 7c-i. ábra és S4-5. táblázat). Mindkét megközelítés alkalmas a 2D anyagok oxidációjának vizsgálatára, és kiegészítik egymást. A HRTEM képes elemezni a kétdimenziós réteges szerkezetek lebomlását és a fém-oxid nanorészecskék későbbi megjelenését, míg az XPS érzékeny a felületi kötésekre. Erre a célra mikroalga sejtdiszperziókból kivont 2D Nb-MXene nanopelyheket teszteltünk, azaz alakjukat a mikroalga sejtekkel való kölcsönhatás után (lásd 7. ábra).
HRTEM képek, amelyek az oxidált (a) SL Nb2CTx és (b) SL Nb4C3Tx MXének morfológiáját mutatják, XPS analízis eredmények, amelyek a (c) oxidtermékek összetételét mutatják redukció után, (d–f) az SL Nb2CTx és (g–i) Nb4C3Tx SL XPS spektrumainak komponenseinek csúcsegyeztetése zöld mikroalgákkal javítva.
A HRTEM vizsgálatok kétféle Nb-MXene nanopehely oxidációját igazolták. Bár a nanopehely bizonyos mértékig megőrizte kétdimenziós morfológiáját, az oxidáció számos nanorészecske megjelenését eredményezte, amelyek az MXene nanopehely felületét borították (lásd a 7a.,b. ábrát). A c Nb 3d és O 1s jelek XPS-elemzése azt mutatta, hogy mindkét esetben Nb-oxidok képződtek. Amint a 7c. ábrán látható, a 2D MXene Nb2CTx és Nb4C3TX Nb 3d jelei az NbO és Nb2O5 oxidok jelenlétére utalnak, míg az O 1s jelek a 2D nanopehely felületének funkcionalizációjával kapcsolatos O–Nb kötések számát jelzik. Észrevettük, hogy az Nb-oxid hozzájárulása domináns az Nb-C és Nb3+-O-hoz képest.
A 7g–i. ábrán a mikroalgákból izolált Nb 3d, C 1s és O 1s SL Nb2CTx (lásd 7d–f. ábrák) és SL Nb4C3TX MXene XPS spektrumai láthatók. Az Nb-MXének csúcsparamétereinek részleteit az S4–5. táblázatok tartalmazzák. Először az Nb 3d összetételét elemeztük. A mikroalgák által abszorbeált Nb-vel ellentétben a mikroalgákból izolált MXene-ben az Nb2O5-ön kívül más komponenseket is találtunk. Az Nb2CTx SL-ben az Nb3+-O hozzájárulása 15% volt, míg az Nb 3d spektrum többi részében az Nb2O5 (85%) dominált. Ezenkívül az SL Nb4C3TX minta Nb-C (9%) és Nb2O5 (91%) komponenseket is tartalmaz. Itt az Nb-C az Nb4C3Tx SR fémkarbidjának két belső atomrétegéből származik. Ezután a C 1s spektrumokat négy különböző komponensre képezzük le, ahogyan azt az internalizált mintáknál is tettük. A várakozásoknak megfelelően a C 1s spektrumban a grafitikus szén dominál, ezt követi a mikroalgákból származó szerves részecskék (CHx/CO és C=O) hozzájárulása. Ezenkívül az O 1s spektrumban megfigyeltük a mikroalgák szerves formáinak, a nióbium-oxidnak és az adszorbeált víznek a hozzájárulását.
Ezenkívül megvizsgáltuk, hogy az Nb-MXének hasítása összefügg-e a reaktív oxigénfajták (ROS) jelenlétével a táptalajban és/vagy a mikroalga sejtekben. Ennek érdekében meghatároztuk a szingulett oxigén (1O2) szintjét a táptalajban és az intracelluláris glutation, egy antioxidánsként ható tiol szintjét a mikroalgákban. Az eredményeket az SI ábrákon mutatjuk be (S20. és S21. ábra). Az SL Nb2CTx és Nb4C3TX MXéneket tartalmazó tenyészeteket a csökkent 1O2 mennyiség jellemezte (lásd az S20. ábrát). Az SL Nb2CTx esetében az MXén 1O2 körülbelül 83%-ra csökken. Az SL-t használó mikroalga tenyészetek esetében az Nb4C3TX 1O2 még jobban, 73%-ra csökkent. Érdekes módon az 1O2 változásai ugyanazt a tendenciát mutatták, mint a korábban megfigyelt gátló-stimuláló hatás (lásd a 3. ábrát). Azt lehet állítani, hogy az erős fényben történő inkubálás megváltoztathatja a fotooxidációt. A kontrollanalízis eredményei azonban szinte állandó 1O2-szintet mutattak a kísérlet során (S22. ábra). Az intracelluláris ROS-szintek esetében is ugyanezt a csökkenő tendenciát figyeltük meg (lásd S21. ábra). Kezdetben az Nb2CTx és Nb4C3Tx SL-ek jelenlétében tenyésztett mikroalga sejtek ROS-szintje meghaladta a tiszta mikroalga kultúrákban talált szinteket. Végül azonban úgy tűnt, hogy a mikroalgák mindkét Nb-MXén jelenlétéhez alkalmazkodtak, mivel a ROS-szint az Nb2CTx-szel és Nb4C3TX-szel beoltott tiszta mikroalga kultúrákban mért szint 85%-ára, illetve 91%-ára csökkent. Ez arra utalhat, hogy a mikroalgák idővel jobban érzik magukat Nb-MXene jelenlétében, mint önmagában a táptalajban.
A mikroalgák a fotoszintetikus organizmusok változatos csoportját alkotják. A fotoszintézis során a légköri szén-dioxidot (CO2) szerves szénné alakítják. A fotoszintézis termékei a glükóz és az oxigén79. Feltételezzük, hogy az így képződő oxigén kritikus szerepet játszik az Nb-MXének oxidációjában. Ennek egyik lehetséges magyarázata az, hogy a differenciális levegőztetési paraméter alacsony és magas oxigén parciális nyomáson alakul ki az Nb-MXén nanopelyheken kívül és belül. Ez azt jelenti, hogy ahol eltérő oxigén parciális nyomású területek vannak, a legalacsonyabb szintű terület alkotja az anódot 80, 81, 82. Itt a mikroalgák hozzájárulnak a differenciálisan levegőztetett sejtek létrehozásához az MXén pelyhek felületén, amelyek fotoszintetikus tulajdonságaiknak köszönhetően oxigént termelnek. Ennek eredményeként biokorróziós termékek (ebben az esetben nióbium-oxidok) keletkeznek. Egy másik szempont, hogy a mikroalgák szerves savakat termelhetnek, amelyek a vízbe szabadulnak fel 83,84. Ezért agresszív környezet alakul ki, ezáltal megváltoztatva az Nb-MXéneket. Ezenkívül a mikroalgák a szén-dioxid elnyelése miatt lúgossá tehetik a környezet pH-értékét, ami szintén korróziót okozhat79.
Ennél is fontosabb, hogy a tanulmányunkban alkalmazott sötét/világos fotoperiódus kritikus fontosságú a kapott eredmények megértéséhez. Ezt a szempontot Djemai-Zoghlache és munkatársai részletesen ismertetik.85 Szándékosan 12/12 órás fotoperiódust alkalmaztak a vörös mikroalga, a Porphyridium purpureum bioszennyeződésével összefüggő biokorrózió bemutatására. Kimutatták, hogy a fotoperiódus a potenciál biokorrózió nélküli fejlődésével van összefüggésben, ami 24:00 óra körüli pszeudoperiodikus oszcillációkként nyilvánul meg. Ezeket a megfigyeléseket Dowling és munkatársai megerősítették.86 Kimutatták az Anabaena cianobaktériumok fotoszintetikus biofilmjeit. Fény hatására oldott oxigén képződik, ami a szabad biokorróziós potenciál változásával vagy ingadozásával jár. A fotoperiódus fontosságát hangsúlyozza az a tény, hogy a biokorrózió szabad potenciálja a világos fázisban növekszik, a sötét fázisban pedig csökken. Ez a fotoszintetikus mikroalgák által termelt oxigénnek köszönhető, amely az elektródák közelében keletkező parciális nyomáson keresztül befolyásolja a katódos reakciót87.
Ezenkívül Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópiát (FTIR) végeztünk annak megállapítására, hogy a mikroalga sejtek kémiai összetételében bekövetkezett-e bármilyen változás az Nb-MXénekkel való kölcsönhatás után. A kapott eredmények összetettek, és SI formátumban mutatjuk be őket (S23-S25. ábrák, beleértve a MAX szakasz és az ML MXének eredményeit). Röviden, a mikroalgák referencia spektrumai fontos információkkal szolgálnak ezen organizmusok kémiai jellemzőiről. Ezek a legvalószínűbb rezgések az 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) és 3280 cm⁻¹ (O–H) frekvenciákon találhatók. Az SL Nb-MXének esetében CH-kötés nyújtási jelet találtunk, amely összhangban van korábbi tanulmányunkkal38. Megfigyeltük azonban, hogy a C=C és CH₃ kötésekhez kapcsolódó további csúcsok eltűntek. Ez arra utal, hogy a mikroalgák kémiai összetétele kisebb változásokon mehet keresztül az SL Nb-MXénekkel való kölcsönhatás miatt.
A mikroalgák biokémiájában bekövetkező lehetséges változások mérlegelésekor újra kell gondolni a szervetlen oxidok, például a nióbium-oxid felhalmozódását59. Részt vesz a fémek sejtfelszín általi felvételében, citoplazmába történő transzportjában, az intracelluláris karboxilcsoportokkal való kapcsolatukban és a mikroalgák polifoszfoszómáiban való felhalmozódásukban20,88,89,90. Ezenkívül a mikroalgák és a fémek közötti kapcsolatot a sejtek funkcionális csoportjai tartják fenn. Emiatt az abszorpció a mikroalgák felületi kémiájától is függ, ami meglehetősen összetett9,91. Általánosságban elmondható, hogy a várakozásoknak megfelelően a zöld mikroalgák kémiai összetétele kismértékben megváltozott az Nb-oxid abszorpciója miatt.
Érdekes módon a mikroalgák megfigyelt kezdeti gátlása idővel visszafordítható volt. Ahogy megfigyeltük, a mikroalgák leküzdötték a kezdeti környezeti változást, és végül visszatértek a normális növekedési ütemhez, sőt, növekedtek is. A zeta-potenciállal kapcsolatos vizsgálatok nagy stabilitást mutatnak táptalajba juttatva. Így a mikroalga sejtek és az Nb-MXene nanopelyhek közötti felszíni kölcsönhatás a redukciós kísérletek során végig fennmaradt. További elemzésünkben összefoglaljuk a mikroalgák e figyelemre méltó viselkedésének alapjául szolgáló főbb hatásmechanizmusokat.
Az SEM megfigyelések kimutatták, hogy a mikroalgák hajlamosak az Nb-MXénekhez tapadni. Dinamikus képelemzés segítségével megerősítjük, hogy ez a hatás a kétdimenziós Nb-MXene nanopelyhek gömb alakú részecskékké alakulásához vezet, ezáltal bizonyítva, hogy a nanopelyhek bomlása összefügg azok oxidációjával. Hipotézisünk teszteléséhez egy sor anyag- és biokémiai vizsgálatot végeztünk. A tesztelés után a nanopelyhek fokozatosan oxidálódtak és NbO és Nb2O5 termékekké bomlottak, amelyek nem jelentettek veszélyt a zöld mikroalgákra. FTIR megfigyeléssel nem találtunk szignifikáns változást a 2D Nb-MXene nanopelyhek jelenlétében inkubált mikroalgák kémiai összetételében. Figyelembe véve a nióbium-oxid mikroalgák általi abszorpciójának lehetőségét, röntgenfluoreszcens analízist végeztünk. Ezek az eredmények egyértelműen azt mutatják, hogy a vizsgált mikroalgák nióbium-oxidokkal (NbO és Nb2O5) táplálkoznak, amelyek nem toxikusak a vizsgált mikroalgákra.