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Il rapido sviluppo della nanotecnologia e la sua integrazione nelle applicazioni quotidiane può minacciare l'ambiente.Mentre i metodi ecologici per la degradazione dei contaminanti organici sono ben consolidati, il recupero di contaminanti cristallini inorganici è di grande preoccupazione a causa della loro bassa sensibilità alla biotrasformazione e della mancanza di comprensione delle interazioni superficiali del materiale con quelle biologiche.Qui, utilizziamo un modello MXenes 2D inorganico basato su Nb combinato con un semplice metodo di analisi dei parametri di forma per tracciare il meccanismo di biorisanamento dei nanomateriali ceramici 2D da parte della microalga verde Raphidocelis subcapitata.Abbiamo scoperto che le microalghe degradano gli MXeni a base di Nb a causa delle interazioni fisico-chimiche legate alla superficie.Inizialmente, i nanofiocchi di MXene monostrato e multistrato sono stati attaccati alla superficie delle microalghe, il che ha in qualche modo ridotto la crescita delle alghe.Tuttavia, dopo un'interazione prolungata con la superficie, le microalghe hanno ossidato i nanofiocchi di MXene e li hanno ulteriormente decomposti in NbO e Nb2O5.Poiché questi ossidi non sono tossici per le cellule di microalghe, consumano nanoparticelle di ossido di Nb mediante un meccanismo di assorbimento che ripristina ulteriormente le microalghe dopo 72 ore di trattamento dell'acqua.Gli effetti dei nutrienti associati all'assorbimento si riflettono anche nell'aumento del volume cellulare, nella loro forma liscia e nella variazione del tasso di crescita.Sulla base di questi risultati, concludiamo che la presenza a breve e lungo termine di MXeni a base di Nb negli ecosistemi di acqua dolce può causare solo impatti ambientali minori.È interessante notare che, utilizzando nanomateriali bidimensionali come sistemi modello, dimostriamo la possibilità di tracciare la trasformazione della forma anche in materiali a grana fine.Nel complesso, questo studio risponde a un'importante domanda fondamentale sui processi correlati all'interazione superficiale che guidano il meccanismo di biorisanamento dei nanomateriali 2D e fornisce una base per ulteriori studi a breve e lungo termine sull'impatto ambientale dei nanomateriali cristallini inorganici.
I nanomateriali hanno suscitato molto interesse sin dalla loro scoperta e varie nanotecnologie sono recentemente entrate in una fase di modernizzazione1.Sfortunatamente, l'integrazione di nanomateriali nelle applicazioni quotidiane può portare a rilasci accidentali dovuti a smaltimento improprio, manipolazione negligente o infrastrutture di sicurezza inadeguate.Pertanto, è ragionevole presumere che i nanomateriali, inclusi i nanomateriali bidimensionali (2D), possano essere rilasciati nell'ambiente naturale, il cui comportamento e attività biologica non sono ancora completamente compresi.Pertanto, non sorprende che i problemi di ecotossicità si siano concentrati sulla capacità dei nanomateriali 2D di penetrare nei sistemi acquatici2,3,4,5,6.In questi ecosistemi, alcuni nanomateriali 2D possono interagire con vari organismi a diversi livelli trofici, comprese le microalghe.
Le microalghe sono organismi primitivi che si trovano naturalmente negli ecosistemi di acqua dolce e marina che producono una varietà di prodotti chimici attraverso la fotosintesi7.In quanto tali, sono fondamentali per gli ecosistemi acquatici8,9,10,11,12 ma sono anche indicatori di ecotossicità sensibili, poco costosi e ampiamente utilizzati13,14.Poiché le cellule di microalghe si moltiplicano rapidamente e rispondono rapidamente alla presenza di vari composti, sono promettenti per lo sviluppo di metodi rispettosi dell'ambiente per il trattamento dell'acqua contaminata da sostanze organiche15,16.
Le cellule di alghe possono rimuovere gli ioni inorganici dall'acqua attraverso il bioassorbimento e l'accumulo17,18.Alcune specie algali come Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue e Synechococcus sp.È stato scoperto che trasporta e persino nutre ioni metallici tossici come Fe2+, Cu2+, Zn2+ e Mn2+19.Altri studi hanno dimostrato che gli ioni Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ o Pb2+ limitano la crescita di Scenedesmus alterando la morfologia cellulare e distruggendo i loro cloroplasti20,21.
I metodi ecologici per la decomposizione degli inquinanti organici e la rimozione degli ioni di metalli pesanti hanno attirato l'attenzione di scienziati e ingegneri di tutto il mondo.Ciò è dovuto principalmente al fatto che questi contaminanti vengono facilmente processati nella fase liquida.Tuttavia, gli inquinanti cristallini inorganici sono caratterizzati da bassa solubilità in acqua e bassa suscettibilità a varie biotrasformazioni, il che causa grandi difficoltà nella bonifica, e sono stati compiuti pochi progressi in questo settore22,23,24,25,26.Pertanto, la ricerca di soluzioni rispettose dell'ambiente per la riparazione dei nanomateriali rimane un'area complessa e inesplorata.A causa dell'elevato grado di incertezza relativo agli effetti della biotrasformazione dei nanomateriali 2D, non esiste un modo semplice per scoprire i possibili percorsi della loro degradazione durante la riduzione.
In questo studio, abbiamo utilizzato microalghe verdi come agente di biorisanamento acquoso attivo per materiali ceramici inorganici, combinato con il monitoraggio in situ del processo di degradazione di MXene come rappresentante di materiali ceramici inorganici.Il termine "MXene" riflette la stechiometria del materiale Mn+1XnTx, dove M è un primo metallo di transizione, X è carbonio e/o azoto, Tx è un terminatore di superficie (ad es. -OH, -F, -Cl) e n = 1, 2, 3 o 427,28.Dalla scoperta degli MXeni da parte di Naguib et al.Sensoristica, terapia del cancro e filtrazione su membrana 27,29,30.Inoltre, gli MXeni possono essere considerati sistemi modello 2D grazie alla loro eccellente stabilità colloidale e alle possibili interazioni biologiche31,32,33,34,35,36.
Pertanto, la metodologia sviluppata in questo articolo e le nostre ipotesi di ricerca sono mostrate nella Figura 1. Secondo questa ipotesi, le microalghe degradano gli MXeni a base di Nb in composti non tossici a causa delle interazioni fisico-chimiche legate alla superficie, che consente un ulteriore recupero delle alghe.Per verificare questa ipotesi, sono stati selezionati due membri della famiglia dei primi carburi e/o nitruri di metalli di transizione a base di niobio (MXeni), vale a dire Nb2CTx e Nb4C3TX.
Metodologia di ricerca e ipotesi basate sull'evidenza per il recupero di MXene da parte della microalga verde Raphidocelis subcapitata.Si prega di notare che questa è solo una rappresentazione schematica di ipotesi basate su prove.L'ambiente lacustre differisce nel mezzo nutritivo utilizzato e nelle condizioni (ad esempio, ciclo diurno e limitazioni nella disponibilità di nutrienti essenziali).Creato con BioRender.com.
Pertanto, utilizzando MXene come sistema modello, abbiamo aperto la porta allo studio di vari effetti biologici che non possono essere osservati con altri nanomateriali convenzionali.In particolare, dimostriamo la possibilità di biorisanamento di nanomateriali bidimensionali, come gli MXeni a base di niobio, da parte della microalga Raphidocelis subcapitata.Le microalghe sono in grado di degradare gli Nb-MXeni negli ossidi non tossici NbO e Nb2O5, che forniscono anche nutrienti attraverso il meccanismo di assorbimento del niobio.Nel complesso, questo studio risponde a un'importante domanda fondamentale sui processi associati alle interazioni fisico-chimiche di superficie che governano i meccanismi di biorisanamento dei nanomateriali bidimensionali.Inoltre, stiamo sviluppando un semplice metodo basato su parametri di forma per tenere traccia di sottili cambiamenti nella forma dei nanomateriali 2D.Ciò ispira ulteriori ricerche a breve ea lungo termine sui vari impatti ambientali dei nanomateriali cristallini inorganici.Pertanto, il nostro studio aumenta la comprensione dell'interazione tra la superficie del materiale e il materiale biologico.Stiamo anche fornendo la base per studi approfonditi a breve e lungo termine dei loro possibili impatti sugli ecosistemi di acqua dolce, che ora possono essere facilmente verificati.
Gli MXeni rappresentano un'interessante classe di materiali con proprietà fisiche e chimiche uniche e attraenti e quindi molte potenziali applicazioni.Queste proprietà dipendono in gran parte dalla loro stechiometria e dalla chimica della superficie.Pertanto, nel nostro studio, abbiamo studiato due tipi di MXeni gerarchici a strato singolo (SL) basati su Nb, Nb2CTx e Nb4C3TX, poiché è stato possibile osservare diversi effetti biologici di questi nanomateriali.Gli MXeni sono prodotti dai loro materiali di partenza mediante attacco selettivo dall'alto verso il basso di strati A di fase MAX atomicamente sottili.La fase MAX è una ceramica ternaria composta da blocchi "legati" di carburi di metalli di transizione e strati sottili di elementi "A" come Al, Si e Sn con stechiometria MnAXn-1.La morfologia della fase MAX iniziale è stata osservata mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) ed era coerente con studi precedenti (vedere Informazioni supplementari, SI, Figura S1).Il Nb-MXene multistrato (ML) è stato ottenuto dopo aver rimosso lo strato di Al con il 48% di HF (acido fluoridrico).La morfologia di ML-Nb2CTx e ML-Nb4C3TX è stata esaminata mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) (figure S1c e S1d rispettivamente) ed è stata osservata una tipica morfologia MXene stratificata, simile a nanofiocchi bidimensionali che passano attraverso fessure allungate simili a pori.Entrambi gli Nb-MXeni hanno molto in comune con le fasi MXene precedentemente sintetizzate mediante acid etching27,38.Dopo aver confermato la struttura di MXene, lo abbiamo stratificato mediante intercalazione di idrossido di tetrabutilammonio (TBAOH) seguito da lavaggio e sonicazione, dopo di che abbiamo ottenuto nanofiocchi di Nb-MXene 2D a strato singolo o basso (SL).
Abbiamo utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) e la diffrazione di raggi X (XRD) per testare l'efficienza dell'incisione e dell'ulteriore peeling.I risultati HRTEM elaborati utilizzando l'Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) e Fast Fourier Transform (FFT) sono mostrati in Fig. 2. I nanoflakes Nb-MXene sono stati orientati verso l'alto per controllare la struttura dello strato atomico e misurare le distanze interplanari.Le immagini HRTEM dei nanofiocchi MXene Nb2CTx e Nb4C3TX hanno rivelato la loro natura a strati atomicamente sottili (vedi Fig. 2a1, a2), come precedentemente riportato da Naguib et al.27 e Jastrzębska et al.38.Per due monostrati Nb2CTx e Nb4C3Tx adiacenti, abbiamo determinato distanze interstrato rispettivamente di 0,74 e 1,54 nm (Figg. 2b1, b2), che concordano anche con i nostri risultati precedenti38.Ciò è stato ulteriormente confermato dalla trasformata di Fourier veloce inversa (Fig. 2c1, c2) e dalla trasformata di Fourier veloce (Fig. 2d1, d2) che mostrano la distanza tra i monostrati Nb2CTx e Nb4C3Tx.L'immagine mostra un'alternanza di bande chiare e scure corrispondenti agli atomi di niobio e carbonio, che conferma la natura stratificata degli MXeni studiati.È importante notare che gli spettri di spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDX) ottenuti per Nb2CTx e Nb4C3Tx (Figure S2a e S2b) non hanno mostrato alcun residuo della fase MAX originale, poiché non è stato rilevato alcun picco Al.
Caratterizzazione dei nanoflakes SL Nb2CTx e Nb4C3Tx MXene, tra cui (a) microscopia elettronica ad alta risoluzione (HRTEM) imaging 2D nanoflake con vista laterale e corrispondente, (b) modalità di intensità, (c) trasformata di Fourier veloce inversa (IFFT), (d) trasformata di Fourier veloce (FFT), (e) modelli di raggi X Nb-MXenes.Per SL 2D Nb2CTx, i numeri sono espressi come (a1, b1, c1, d1, e1).Per SL 2D Nb4C3Tx, i numeri sono espressi come (a2, b2, c2, d2, e1).
Le misure di diffrazione di raggi X di SL Nb2CTx e Nb4C3Tx MXenes sono mostrate nelle Figg.2e1 ed e2, rispettivamente.I picchi (002) a 4.31 e 4.32 corrispondono rispettivamente agli MXeni stratificati precedentemente descritti Nb2CTx e Nb4C3TX38,39,40,41.I risultati XRD indicano anche la presenza di alcune strutture ML residue e fasi MAX, ma principalmente modelli XRD associati a SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2).La presenza di particelle più piccole della fase MAX può spiegare il picco MAX più forte rispetto agli strati Nb4C3Tx impilati in modo casuale.
Ulteriori ricerche si sono concentrate sulle microalghe verdi appartenenti alla specie R. subcapitata.Abbiamo scelto le microalghe perché sono importanti produttori coinvolti nelle principali reti trofiche42.Sono anche uno dei migliori indicatori di tossicità grazie alla capacità di rimuovere le sostanze tossiche che vengono trasportate ai livelli più alti della catena alimentare43.Inoltre, la ricerca su R. subcapitata può far luce sulla tossicità accidentale degli SL Nb-MXeni per i comuni microrganismi d'acqua dolce.Per illustrare questo, i ricercatori hanno ipotizzato che ogni microbo abbia una diversa sensibilità ai composti tossici presenti nell'ambiente.Per la maggior parte degli organismi, basse concentrazioni di sostanze non ne influenzano la crescita, mentre concentrazioni superiori a un certo limite possono inibirle o addirittura provocarne la morte.Pertanto, per i nostri studi sull'interazione superficiale tra microalghe e MXeni e il recupero associato, abbiamo deciso di testare le concentrazioni innocue e tossiche di Nb-MXeni.Per fare ciò, abbiamo testato concentrazioni di 0 (come riferimento), 0,01, 0,1 e 10 mg l-1 MXene e microalghe ulteriormente infette con concentrazioni molto elevate di MXene (100 mg l-1 MXene), che possono essere estreme e letali..per qualsiasi ambiente biologico.
Gli effetti di SL Nb-MXeni sulle microalghe sono mostrati nella Figura 3, espressi come percentuale di promozione della crescita (+) o inibizione (-) misurata per campioni da 0 mg l-1.Per confronto, sono stati testati anche la fase Nb-MAX e ML Nb-MXeni e i risultati sono mostrati in SI (vedi Fig. S3).I risultati ottenuti hanno confermato che SL Nb-MXeni è quasi completamente privo di tossicità nell'intervallo di basse concentrazioni da 0,01 a 10 mg/l, come mostrato in Fig. 3a,b.Nel caso di Nb2CTx, abbiamo osservato non più del 5% di ecotossicità nell'intervallo specificato.
Stimolazione (+) o inibizione (-) della crescita di microalghe in presenza di SL (a) Nb2CTx e (b) Nb4C3TX MXene.Sono state analizzate 24, 48 e 72 ore di interazione MXene-microalghe. I dati significativi (t-test, p <0,05) sono stati contrassegnati con un asterisco (*). I dati significativi (t-test, p <0,05) sono stati contrassegnati con un asterisco (*). Значимые данные (t-criterio, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). I dati significativi (test t, p <0,05) sono contrassegnati da un asterisco (*).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 (*). I dati importanti (t-test, p <0,05) sono contrassegnati da un asterisco (*).Le frecce rosse indicano l'abolizione della stimolazione inibitoria.
Al contrario, basse concentrazioni di Nb4C3TX si sono rivelate leggermente più tossiche, ma non superiori al 7%.Come previsto, abbiamo osservato che gli MXeni avevano una maggiore tossicità e inibizione della crescita delle microalghe a 100 mg L-1.È interessante notare che nessuno dei materiali ha mostrato la stessa tendenza e dipendenza temporale degli effetti atossici/tossici rispetto ai campioni MAX o ML (vedere SI per i dettagli).Mentre per la fase MAX (vedi Fig. S3) la tossicità ha raggiunto circa il 15-25% ed è aumentata con il tempo, è stata osservata la tendenza inversa per SL Nb2CTx e Nb4C3TX MXene.L'inibizione della crescita delle microalghe è diminuita nel tempo.Ha raggiunto circa il 17% dopo 24 ore ed è sceso a meno del 5% dopo 72 ore (Fig. 3a, b, rispettivamente).
Ancora più importante, per SL Nb4C3TX, l'inibizione della crescita delle microalghe ha raggiunto circa il 27% dopo 24 ore, ma dopo 72 ore è scesa a circa l'1%.Pertanto, abbiamo etichettato l'effetto osservato come inibizione inversa della stimolazione e l'effetto era più forte per SL Nb4C3TX MXene.La stimolazione della crescita delle microalghe è stata notata in precedenza con Nb4C3TX (interazione a 10 mg L-1 per 24 ore) rispetto a SL Nb2CTx MXene.L'effetto di inversione di inibizione-stimolazione è stato anche ben mostrato nella curva del tasso di raddoppio della biomassa (vedi Fig. S4 per i dettagli).Finora, solo l'ecotossicità di Ti3C2TX MXene è stata studiata in modi diversi.Non è tossico per gli embrioni di zebrafish44 ma moderatamente ecotossico per le microalghe Desmodesmus quadricauda e Sorghum saccharatum plants45.Altri esempi di effetti specifici includono una maggiore tossicità per le linee cellulari tumorali rispetto alle linee cellulari normali46,47.Si potrebbe presumere che le condizioni del test influenzerebbero i cambiamenti nella crescita delle microalghe osservati in presenza di Nb-MXeni.Ad esempio, un pH di circa 8 nello stroma dei cloroplasti è ottimale per un funzionamento efficiente dell'enzima RuBisCO.Pertanto, le variazioni di pH influiscono negativamente sulla velocità della fotosintesi48,49.Tuttavia, non abbiamo osservato cambiamenti significativi nel pH durante l'esperimento (vedi SI, Fig. S5 per i dettagli).In generale, le colture di microalghe con Nb-MXeni hanno ridotto leggermente il pH della soluzione nel tempo.Tuttavia, questa diminuzione era simile a una variazione del pH di un mezzo puro.Inoltre, l'intervallo di variazioni trovato era simile a quello misurato per una coltura pura di microalghe (campione di controllo).Pertanto, concludiamo che la fotosintesi non è influenzata dai cambiamenti del pH nel tempo.
Inoltre, gli MXeni sintetizzati hanno terminazioni superficiali (indicate come Tx).Questi sono principalmente gruppi funzionali -O, -F e -OH.Tuttavia, la chimica della superficie è direttamente correlata al metodo di sintesi.È noto che questi gruppi sono distribuiti in modo casuale sulla superficie, rendendo difficile prevedere il loro effetto sulle proprietà di MXene50.Si può sostenere che Tx potrebbe essere la forza catalitica per l'ossidazione del niobio da parte della luce.I gruppi funzionali di superficie forniscono infatti più siti di ancoraggio per i loro fotocatalizzatori sottostanti per formare eterogiunzioni51.Tuttavia, la composizione del mezzo di crescita non ha fornito un fotocatalizzatore efficace (la composizione dettagliata del mezzo può essere trovata nella tabella SI S6).Inoltre, anche qualsiasi modifica della superficie è molto importante, poiché l'attività biologica degli MXeni può essere alterata a causa della post-elaborazione dello strato, dell'ossidazione, della modifica chimica della superficie di composti organici e inorganici52,53,54,55,56 o dell'ingegneria della carica superficiale38.Pertanto, per verificare se l'ossido di niobio ha qualcosa a che fare con l'instabilità del materiale nel mezzo, abbiamo condotto studi sul potenziale zeta (ζ) nel mezzo di crescita delle microalghe e nell'acqua deionizzata (per confronto).I nostri risultati mostrano che gli SL Nb-MXeni sono abbastanza stabili (vedi SI Fig. S6 per i risultati MAX e ML).Il potenziale zeta degli SL MXeni è di circa -10 mV.Nel caso di SR Nb2CTx, il valore di ζ è leggermente più negativo di quello di Nb4C3Tx.Un tale cambiamento nel valore ζ può indicare che la superficie dei nanofiocchi di MXene caricati negativamente assorbe gli ioni caricati positivamente dal mezzo di coltura.Le misurazioni temporali del potenziale zeta e della conducibilità degli Nb-MXeni nel mezzo di coltura (vedere le figure S7 e S8 in SI per maggiori dettagli) sembrano supportare la nostra ipotesi.
Tuttavia, entrambe le SL Nb-MXene hanno mostrato variazioni minime rispetto a zero.Ciò dimostra chiaramente la loro stabilità nel mezzo di crescita delle microalghe.Inoltre, abbiamo valutato se la presenza delle nostre microalghe verdi avrebbe influenzato la stabilità degli Nb-MXeni nel terreno.I risultati del potenziale zeta e della conducibilità degli MXeni dopo l'interazione con le microalghe nei mezzi nutritivi e nella coltura nel tempo possono essere trovati in SI (Figure S9 e S10).È interessante notare che abbiamo notato che la presenza di microalghe sembrava stabilizzare la dispersione di entrambi gli MXeni.Nel caso di Nb2CTx SL, il potenziale zeta è anche leggermente diminuito nel tempo a valori più negativi (-15,8 contro -19,1 mV dopo 72 ore di incubazione).Il potenziale zeta di SL Nb4C3TX è leggermente aumentato, ma dopo 72 ore mostrava ancora una stabilità maggiore rispetto ai nanoflakes senza la presenza di microalghe (-18,1 vs. -9,1 mV).
Abbiamo anche riscontrato una minore conduttività delle soluzioni Nb-MXene incubate in presenza di microalghe, indicando una minore quantità di ioni nel mezzo nutritivo.In particolare, l'instabilità degli MXeni in acqua è principalmente dovuta all'ossidazione superficiale57.Pertanto, sospettiamo che le microalghe verdi in qualche modo abbiano eliminato gli ossidi formati sulla superficie di Nb-MXene e ne abbiano persino impedito la comparsa (ossidazione di MXene).Lo si può vedere studiando i tipi di sostanze assorbite dalle microalghe.
Mentre i nostri studi ecotossicologici hanno indicato che le microalghe erano in grado di superare la tossicità degli Nb-MXeni nel tempo e l'insolita inibizione della crescita stimolata, lo scopo del nostro studio era quello di indagare i possibili meccanismi di azione.Quando organismi come le alghe sono esposti a composti o materiali non familiari ai loro ecosistemi, possono reagire in vari modi58,59.In assenza di ossidi metallici tossici, le microalghe possono nutrirsi, permettendo loro di crescere continuamente60.Dopo l'ingestione di sostanze tossiche, possono essere attivati ​​​​meccanismi di difesa, come cambiare forma o forma.Va considerata anche la possibilità di assorbimento58,59.In particolare, qualsiasi segno di un meccanismo di difesa è un chiaro indicatore della tossicità del composto in esame.Pertanto, nel nostro ulteriore lavoro, abbiamo studiato la potenziale interazione superficiale tra i nanofiocchi SL Nb-MXene e le microalghe mediante SEM e il possibile assorbimento di MXene basato su Nb mediante spettroscopia di fluorescenza a raggi X (XRF).Si noti che le analisi SEM e XRF sono state eseguite solo alla massima concentrazione di MXene per affrontare i problemi di tossicità dell'attività.
I risultati SEM sono mostrati in Fig.4.Le cellule di microalghe non trattate (vedi Fig. 4a, campione di riferimento) mostravano chiaramente la tipica morfologia di R. subcapitata e la forma cellulare simile a un croissant.Le cellule appaiono appiattite e in qualche modo disorganizzate.Alcune cellule di microalghe si sono sovrapposte e aggrovigliate l'una con l'altra, ma ciò è stato probabilmente causato dal processo di preparazione del campione.In generale, le cellule di microalghe pure avevano una superficie liscia e non mostravano cambiamenti morfologici.
Immagini SEM che mostrano l'interazione superficiale tra microalghe verdi e nanosheet di MXene dopo 72 ore di interazione a concentrazione estrema (100 mg L-1).(a) Microalghe verdi non trattate dopo l'interazione con SL (b) Nb2CTx e (c) Nb4C3TX MXenes.Si noti che i nanoflakes Nb-MXene sono contrassegnati da frecce rosse.Per confronto, vengono aggiunte anche fotografie da un microscopio ottico.
Al contrario, le cellule di microalghe adsorbite dai nanoflakes SL Nb-MXene sono state danneggiate (vedi Fig. 4b, c, frecce rosse).Nel caso di Nb2CTx MXene (Fig. 4b), le microalghe tendono a crescere con nanoscale bidimensionali attaccate, che possono cambiare la loro morfologia.In particolare, abbiamo anche osservato questi cambiamenti al microscopio ottico (vedere SI Figura S11 per i dettagli).Questa transizione morfologica ha una base plausibile nella fisiologia delle microalghe e nella loro capacità di difendersi modificando la morfologia cellulare, come l'aumento del volume cellulare61.Pertanto, è importante controllare il numero di cellule di microalghe che sono effettivamente in contatto con gli Nb-MXeni.Gli studi SEM hanno mostrato che circa il 52% delle cellule di microalghe era esposto a Nb-MXeni, mentre il 48% di queste cellule di microalghe evitava il contatto.Per SL Nb4C3Tx MXene, le microalghe cercano di evitare il contatto con MXene, localizzandosi e crescendo in tal modo da nanoscale bidimensionali (Fig. 4c).Tuttavia, non abbiamo osservato la penetrazione di nanoscale nelle cellule di microalghe e il loro danno.
L'autoconservazione è anche un comportamento di risposta dipendente dal tempo al blocco della fotosintesi dovuto all'adsorbimento di particelle sulla superficie cellulare e al cosiddetto effetto shading (ombreggiatura)62.È chiaro che ogni oggetto (ad esempio, nanofiocchi di Nb-MXene) che si trova tra le microalghe e la sorgente luminosa limita la quantità di luce assorbita dai cloroplasti.Tuttavia, non abbiamo dubbi che ciò abbia un impatto significativo sui risultati ottenuti.Come mostrato dalle nostre osservazioni microscopiche, i nanoflakes 2D non erano completamente avvolti o aderiti alla superficie delle microalghe, anche quando le cellule di microalghe erano in contatto con Nb-MXeni.Invece, i nanofiocchi si sono rivelati orientati verso le cellule di microalghe senza coprirne la superficie.Un tale insieme di nanofiocchi/microalghe non può limitare significativamente la quantità di luce assorbita dalle cellule di microalghe.Inoltre, alcuni studi hanno dimostrato addirittura un miglioramento dell'assorbimento della luce da parte di organismi fotosintetici in presenza di nanomateriali bidimensionali63,64,65,66.
Poiché le immagini SEM non sono state in grado di confermare direttamente l'assorbimento del niobio da parte delle cellule di microalghe, il nostro ulteriore studio si è rivolto all'analisi della fluorescenza a raggi X (XRF) e della spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) per chiarire questo problema.Pertanto, abbiamo confrontato l'intensità dei picchi di Nb di campioni di microalghe di riferimento che non interagivano con MXeni, nanofiocchi di MXene staccati dalla superficie delle cellule di microalghe e cellule di microalghe dopo la rimozione degli MXeni attaccati.Vale la pena notare che se non c'è assorbimento di Nb, il valore di Nb ottenuto dalle cellule di microalghe dovrebbe essere zero dopo la rimozione delle nanoscale allegate.Pertanto, se si verifica l'assorbimento di Nb, entrambi i risultati XRF e XPS dovrebbero mostrare un chiaro picco di Nb.
Nel caso degli spettri XRF, i campioni di microalghe hanno mostrato picchi Nb per SL Nb2CTx e Nb4C3Tx MXene dopo l'interazione con SL Nb2CTx e Nb4C3Tx MXene (vedi Fig. 5a, nota anche che i risultati per MAX e ML MXenes sono mostrati in SI, Figs S12 – C17).È interessante notare che l'intensità del picco di Nb è la stessa in entrambi i casi (barre rosse in Fig. 5a).Ciò indicava che le alghe non potevano assorbire più Nb e la massima capacità di accumulo di Nb era stata raggiunta nelle cellule, sebbene due volte più Nb4C3Tx MXene fosse attaccato alle cellule di microalghe (barre blu in Fig. 5a).In particolare, la capacità delle microalghe di assorbire i metalli dipende dalla concentrazione di ossidi metallici nell'ambiente67,68.Shamshada et al.67 hanno scoperto che la capacità di assorbimento delle alghe d'acqua dolce diminuisce con l'aumentare del pH.Raize et al.68 hanno osservato che la capacità delle alghe di assorbire i metalli era di circa il 25% superiore per Pb2+ rispetto a Ni2+.
( a ) Risultati XRF dell'assorbimento basale di Nb da parte di cellule di microalghe verdi incubate a un'estrema concentrazione di SL Nb-MXenes (100 mg L-1) per 72 ore.I risultati mostrano la presenza di α in cellule di microalghe pure (campione di controllo, colonne grigie), nanoflakes 2D isolati da cellule di microalghe superficiali (colonne blu) e cellule di microalghe dopo la separazione di nanoflakes 2D dalla superficie (colonne rosse).La quantità di Nb elementare, (b) percentuale della composizione chimica dei componenti organici delle microalghe (C=O e CHx/C–O) e degli ossidi di Nb presenti nelle cellule di microalghe dopo l'incubazione con SL Nb-MXeni, (c–e) Adattamento del picco compositivo degli spettri XPS SL Nb2CTx e (fh) SL Nb4C3Tx MXene internalizzato dalle cellule di microalghe.
Pertanto, ci aspettavamo che Nb potesse essere assorbito dalle cellule algali sotto forma di ossidi.Per verificarlo, abbiamo eseguito studi XPS su MXenes Nb2CTx e Nb4C3TX e cellule di alghe.I risultati dell'interazione di microalghe con Nb-MXeni e MXeni isolati da cellule di alghe sono mostrati nelle Figg.5b.Come previsto, abbiamo rilevato picchi Nb 3d nei campioni di microalghe dopo la rimozione di MXene dalla superficie delle microalghe.La determinazione quantitativa degli ossidi C=O, CHx/CO e Nb è stata calcolata sulla base degli spettri Nb 3d, O 1s e C 1s ottenuti con Nb2CTx SL (Fig. 5c-e) e Nb4C3Tx SL (Fig. 5c-e).) ottenuto da microalghe incubate.Figura 5f-h) MXeni.La tabella S1-3 mostra i dettagli dei parametri di picco e la chimica complessiva risultanti dall'adattamento.È interessante notare che le regioni Nb 3d di Nb2CTx SL e Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) corrispondono a un componente Nb2O5.Qui, non abbiamo trovato picchi correlati a MXene negli spettri, indicando che le cellule di microalghe assorbono solo la forma di ossido di Nb.Inoltre, abbiamo approssimato lo spettro C 1 s con le componenti C–C, CHx/C–O, C=O e –COOH.Abbiamo assegnato i picchi CHx/C–O e C=O al contributo organico delle cellule di microalghe.Questi componenti organici rappresentano rispettivamente il 36% e il 41% dei picchi C 1s in Nb2CTx SL e Nb4C3TX SL.Abbiamo quindi adattato gli spettri O 1s di SL Nb2CTx e SL Nb4C3TX con Nb2O5, componenti organici di microalghe (CHx/CO) e acqua adsorbita in superficie.
Infine, i risultati dell'XPS indicavano chiaramente la forma di Nb, non solo la sua presenza.In base alla posizione del segnale Nb 3d e ai risultati della deconvoluzione, confermiamo che Nb viene assorbito solo sotto forma di ossidi e non di ioni o MXene stesso.Inoltre, i risultati dell'XPS hanno mostrato che le cellule di microalghe hanno una maggiore capacità di assorbire ossidi di Nb da SL Nb2CTx rispetto a SL Nb4C3TX MXene.
Sebbene i nostri risultati sull'assorbimento di Nb siano impressionanti e ci consentano di identificare il degrado dell'MXene, non esiste alcun metodo disponibile per tenere traccia dei cambiamenti morfologici associati nei nanofiocchi 2D.Pertanto, abbiamo anche deciso di sviluppare un metodo adatto in grado di rispondere direttamente a qualsiasi cambiamento che si verifica nei nanoflakes 2D Nb-MXene e nelle cellule di microalghe.È importante notare che supponiamo che se le specie interagenti subiscono trasformazioni, decomposizioni o deframmentazioni, ciò dovrebbe manifestarsi rapidamente come cambiamenti nei parametri di forma, come il diametro dell'area circolare equivalente, la rotondità, la larghezza del Feret o la lunghezza del Feret.Poiché questi parametri sono adatti per descrivere particelle allungate o nanoflakes bidimensionali, il loro tracciamento mediante analisi dinamica della forma delle particelle ci fornirà preziose informazioni sulla trasformazione morfologica dei nanoflakes SL Nb-MXene durante la riduzione.
I risultati ottenuti sono mostrati nella Figura 6. Per confronto, abbiamo anche testato la fase MAX originale e gli ML-MXeni (vedere le figure SI S18 e S19).L'analisi dinamica della forma delle particelle ha mostrato che tutti i parametri di forma di due Nb-MXene SL sono cambiati significativamente dopo l'interazione con le microalghe.Come mostrato dal parametro del diametro dell'area circolare equivalente (Fig. 6a, b), l'intensità di picco ridotta della frazione di grandi nanofiocchi indica che tendono a decadere in frammenti più piccoli.Sulla fig.6c, d mostra una diminuzione dei picchi associati alla dimensione trasversale dei fiocchi (allungamento dei nanofiocchi), indicando la trasformazione dei nanofiocchi 2D in una forma più simile a una particella.Figura 6e-h che mostra rispettivamente la larghezza e la lunghezza del Feret.La larghezza e la lunghezza del furetto sono parametri complementari e dovrebbero quindi essere considerati insieme.Dopo l'incubazione di nanofiocchi 2D Nb-MXene in presenza di microalghe, i loro picchi di correlazione Feret si sono spostati e la loro intensità è diminuita.Sulla base di questi risultati in combinazione con morfologia, XRF e XPS, abbiamo concluso che i cambiamenti osservati sono fortemente correlati all'ossidazione poiché gli MXeni ossidati diventano più rugosi e si scompongono in frammenti e particelle sferiche di ossido69,70.
Analisi della trasformazione MXene dopo interazione con microalghe verdi.L'analisi dinamica della forma delle particelle tiene conto di parametri come (a, b) diametro dell'area circolare equivalente, (c, d) rotondità, (e, f) larghezza Feret e (g, h) lunghezza Feret.A tal fine, sono stati analizzati due campioni di microalghe di riferimento insieme a MXeni SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx primari, MXeni SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx, microalghe degradate e MXeni SL Nb2CTx e SL Nb4C3Tx di microalghe trattate.Le frecce rosse mostrano le transizioni dei parametri di forma dei nanoflakes bidimensionali studiati.
Poiché l'analisi dei parametri di forma è molto affidabile, può anche rivelare cambiamenti morfologici nelle cellule di microalghe.Pertanto, abbiamo analizzato il diametro dell'area circolare equivalente, la rotondità e la larghezza/lunghezza di Feret di cellule e cellule di microalghe pure dopo l'interazione con nanoflakes 2D Nb.Sulla fig.6a-h mostrano cambiamenti nei parametri di forma delle cellule di alghe, come evidenziato da una diminuzione dell'intensità di picco e da uno spostamento dei massimi verso valori più alti.In particolare, i parametri di rotondità cellulare hanno mostrato una diminuzione delle cellule allungate e un aumento delle cellule sferiche (Fig. 6a, b).Inoltre, la larghezza della cella Feret è aumentata di diversi micrometri dopo l'interazione con SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) rispetto a SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f).Sospettiamo che ciò possa essere dovuto al forte assorbimento di ossidi di Nb da parte delle microalghe durante l'interazione con Nb2CTx SR.Un attaccamento meno rigido dei fiocchi di Nb alla loro superficie può provocare una crescita cellulare con un effetto di ombreggiatura minimo.
Le nostre osservazioni sui cambiamenti nei parametri della forma e delle dimensioni delle microalghe completano altri studi.Le microalghe verdi possono cambiare la loro morfologia in risposta allo stress ambientale modificando le dimensioni, la forma o il metabolismo delle cellule61.Ad esempio, la modifica delle dimensioni delle cellule facilita l'assorbimento dei nutrienti71.Le cellule di alghe più piccole mostrano un minore assorbimento di nutrienti e un tasso di crescita ridotto.Al contrario, le cellule più grandi tendono a consumare più nutrienti, che vengono poi depositati a livello intracellulare72,73.Machado e Soares hanno scoperto che il fungicida triclosan può aumentare le dimensioni delle cellule.Hanno anche trovato profondi cambiamenti nella forma delle alghe74.Inoltre, Yin et al.9 hanno anche rivelato cambiamenti morfologici nelle alghe dopo l'esposizione a nanocompositi di ossido di grafene ridotto.È chiaro quindi che i parametri alterati di dimensione/forma delle microalghe sono causati dalla presenza di MXene.Poiché questo cambiamento di dimensioni e forma è indicativo di cambiamenti nell'assorbimento dei nutrienti, riteniamo che l'analisi dei parametri di dimensioni e forma nel tempo possa dimostrare l'assorbimento dell'ossido di niobio da parte delle microalghe in presenza di Nb-MXeni.
Inoltre, gli MXeni possono essere ossidati in presenza di alghe.Dalai et al.75 hanno osservato che la morfologia delle alghe verdi esposte a nano-TiO2 e Al2O376 non era uniforme.Sebbene le nostre osservazioni siano simili al presente studio, è rilevante solo per lo studio degli effetti del biorisanamento in termini di prodotti di degradazione dell'MXene in presenza di nanofiocchi 2D e non di nanoparticelle.Poiché gli MXeni possono degradarsi in ossidi metallici,31,32,77,78 è ragionevole supporre che i nostri nanofiocchi di Nb possano anche formare ossidi di Nb dopo aver interagito con le cellule di microalghe.
Per spiegare la riduzione dei nanoflakes 2D-Nb attraverso un meccanismo di decomposizione basato sul processo di ossidazione, abbiamo condotto studi utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) (Fig. 7a, b) e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) (Fig. 7).7c-i e tavole S4-5).Entrambi gli approcci sono adatti per studiare l'ossidazione dei materiali 2D e si completano a vicenda.HRTEM è in grado di analizzare il degrado di strutture stratificate bidimensionali e la successiva comparsa di nanoparticelle di ossido di metallo, mentre XPS è sensibile ai legami superficiali.A tale scopo, abbiamo testato nanoflakes 2D Nb-MXene estratti da dispersioni di cellule di microalghe, ovvero la loro forma dopo l'interazione con le cellule di microalghe (vedi Fig. 7).
Immagini HRTEM che mostrano la morfologia di (a) SL Nb2CTx e (b) SL Nb4C3Tx MXenes ossidati, risultati dell'analisi XPS che mostrano (c) la composizione dei prodotti di ossido dopo la riduzione, (d-f) corrispondenza dei picchi dei componenti degli spettri XPS di SL Nb2CTx e (g- i) Nb4C3Tx SL riparati con microalghe verdi.
Gli studi HRTEM hanno confermato l'ossidazione di due tipi di nanofiocchi di Nb-MXene.Sebbene i nanofiocchi abbiano mantenuto in una certa misura la loro morfologia bidimensionale, l'ossidazione ha provocato la comparsa di molte nanoparticelle che ricoprono la superficie dei nanofiocchi di MXene (vedi Fig. 7a, b).L'analisi XPS dei segnali c Nb 3d e O 1s ha indicato che in entrambi i casi si sono formati ossidi di Nb.Come mostrato nella Figura 7c, 2D MXene Nb2CTx e Nb4C3TX hanno segnali Nb 3d che indicano la presenza di ossidi NbO e Nb2O5, mentre i segnali O 1s indicano il numero di legami O – Nb associati alla funzionalizzazione della superficie del nanoflake 2D.Abbiamo notato che il contributo dell'ossido di Nb è dominante rispetto a Nb-C e Nb3+-O.
Sulla fig.Le figure 7g-i mostrano gli spettri XPS di Nb 3d, C 1s e O 1s SL Nb2CTx (vedi Figs. 7d-f) e SL Nb4C3TX MXene isolati da cellule di microalghe.I dettagli dei parametri di picco degli Nb-MXeni sono forniti rispettivamente nelle Tabelle S4–5.Abbiamo prima analizzato la composizione di Nb 3d.Contrariamente all'Nb assorbito dalle cellule di microalghe, nell'MXene isolato dalle cellule di microalghe, oltre a Nb2O5, sono stati trovati altri componenti.Nel Nb2CTx SL, abbiamo osservato il contributo di Nb3+-O nella quantità del 15%, mentre il resto dello spettro Nb 3d era dominato da Nb2O5 (85%).Inoltre, il campione SL Nb4C3TX contiene componenti Nb-C (9%) e Nb2O5 (91%).Qui Nb-C proviene da due strati atomici interni di carburo metallico in Nb4C3Tx SR.Quindi mappiamo gli spettri C 1s su quattro diversi componenti, come abbiamo fatto nei campioni interiorizzati.Come previsto, lo spettro C 1s è dominato dal carbonio grafitico, seguito dai contributi delle particelle organiche (CHx/CO e C=O) delle cellule di microalghe.Inoltre, nello spettro O 1s, abbiamo osservato il contributo di forme organiche di cellule di microalghe, ossido di niobio e acqua adsorbita.
Inoltre, abbiamo studiato se la scissione di Nb-MXeni è associata alla presenza di specie reattive dell'ossigeno (ROS) nel mezzo nutritivo e/o nelle cellule di microalghe.A tal fine, abbiamo valutato i livelli di ossigeno singoletto (1O2) nel mezzo di coltura e di glutatione intracellulare, un tiolo che agisce come antiossidante nelle microalghe.I risultati sono mostrati in SI (Figure S20 e S21).Le colture con SL Nb2CTx e Nb4C3TX MXenes erano caratterizzate da una quantità ridotta di 1O2 (vedi Figura S20).Nel caso di SL Nb2CTx, MXene 1O2 è ridotto a circa l'83%.Per le colture di microalghe che utilizzano SL, Nb4C3TX 1O2 è diminuito ancora di più, al 73%.È interessante notare che i cambiamenti in 1O2 hanno mostrato la stessa tendenza dell'effetto inibitorio-stimolante osservato in precedenza (vedi Fig. 3).Si può sostenere che l'incubazione in piena luce può alterare la fotoossidazione.Tuttavia, i risultati dell'analisi di controllo hanno mostrato livelli quasi costanti di 1O2 durante l'esperimento (Fig. S22).Nel caso dei livelli intracellulari di ROS, abbiamo anche osservato la stessa tendenza al ribasso (vedi Figura S21).Inizialmente, i livelli di ROS nelle cellule di microalghe coltivate in presenza di SL Nb2CTx e Nb4C3Tx superavano i livelli trovati nelle colture pure di microalghe.Alla fine, tuttavia, è emerso che le microalghe si sono adattate alla presenza di entrambi gli Nb-MXeni, poiché i livelli di ROS sono diminuiti rispettivamente all'85% e al 91% dei livelli misurati in colture pure di microalghe inoculate con SL Nb2CTx e Nb4C3TX.Ciò potrebbe indicare che le microalghe si sentono più a loro agio nel tempo in presenza di Nb-MXene che nel solo mezzo nutritivo.
Le microalghe sono un gruppo eterogeneo di organismi fotosintetici.Durante la fotosintesi, convertono l'anidride carbonica atmosferica (CO2) in carbonio organico.I prodotti della fotosintesi sono glucosio e ossigeno79.Sospettiamo che l'ossigeno così formato svolga un ruolo critico nell'ossidazione degli Nb-MXeni.Una possibile spiegazione di ciò è che il parametro di aerazione differenziale si forma a pressioni parziali basse e alte di ossigeno all'esterno e all'interno dei nanofiocchi di Nb-MXene.Ciò significa che ovunque ci siano aree di diverse pressioni parziali di ossigeno, l'area con il livello più basso formerà l'anodo 80, 81, 82. Qui, le microalghe contribuiscono alla creazione di cellule differenzialmente aerate sulla superficie dei fiocchi di MXene, che producono ossigeno grazie alle loro proprietà fotosintetiche.Di conseguenza, si formano prodotti di biocorrosione (in questo caso ossidi di niobio).Un altro aspetto è che le microalghe possono produrre acidi organici che vengono rilasciati nell'acqua83,84.Pertanto, si forma un ambiente aggressivo, cambiando così gli Nb-MXeni.Inoltre, le microalghe possono modificare il pH dell'ambiente in alcalino a causa dell'assorbimento di anidride carbonica, che può anche causare corrosione79.
Ancora più importante, il fotoperiodo buio/luce utilizzato nel nostro studio è fondamentale per comprendere i risultati ottenuti.Questo aspetto è descritto in dettaglio in Djemai-Zoghlache et al.85 Hanno deliberatamente utilizzato un fotoperiodo di 12/12 ore per dimostrare la biocorrosione associata al biofouling da parte della microalga rossa Porphyridium purpureum.Mostrano che il fotoperiodo è associato all'evoluzione del potenziale senza biocorrosione, manifestandosi come oscillazioni pseudoperiodiche intorno alle 24:00.Queste osservazioni sono state confermate da Dowling et al.86 Hanno dimostrato biofilm fotosintetici di cianobatteri Anabaena.L'ossigeno disciolto si forma sotto l'azione della luce, che è associata a un cambiamento o fluttuazioni nel potenziale di biocorrosione libera.L'importanza del fotoperiodo è sottolineata dal fatto che il potenziale libero di biocorrosione aumenta nella fase luminosa e diminuisce nella fase oscura.Ciò è dovuto all'ossigeno prodotto dalle microalghe fotosintetiche, che influenza la reazione catodica attraverso la pressione parziale generata in prossimità degli elettrodi87.
Inoltre, è stata eseguita la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) per scoprire se si sono verificati cambiamenti nella composizione chimica delle cellule di microalghe dopo l'interazione con gli Nb-MXeni.Questi risultati ottenuti sono complessi e li presentiamo in SI (Figure S23-S25, inclusi i risultati dello stadio MAX e ML MXeni).In breve, gli spettri di riferimento ottenuti dalle microalghe ci forniscono importanti informazioni sulle caratteristiche chimiche di questi organismi.Queste vibrazioni più probabili si trovano a frequenze di 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.uno.1 1 (C–H) e 3280 cm–1 (O–H).Per SL Nb-MXenes, abbiamo trovato una firma di allungamento del legame CH che è coerente con il nostro studio precedente38.Tuttavia, abbiamo osservato che alcuni picchi aggiuntivi associati ai legami C=C e CH sono scomparsi.Ciò indica che la composizione chimica delle microalghe può subire piccoli cambiamenti a causa dell'interazione con SL Nb-MXeni.
Quando si considerano possibili cambiamenti nella biochimica delle microalghe, l'accumulo di ossidi inorganici, come l'ossido di niobio, deve essere riconsiderato59.È coinvolto nell'assorbimento dei metalli dalla superficie cellulare, nel loro trasporto nel citoplasma, nella loro associazione con gruppi carbossilici intracellulari e nel loro accumulo nei polifosfosomi delle microalghe20,88,89,90.Inoltre, la relazione tra microalghe e metalli è mantenuta da gruppi funzionali di cellule.Per questo motivo l'assorbimento dipende anche dalla chimica superficiale delle microalghe, che è piuttosto complessa9,91.In generale, come previsto, la composizione chimica delle microalghe verdi è leggermente cambiata a causa dell'assorbimento dell'ossido di Nb.
È interessante notare che l'inibizione iniziale osservata delle microalghe era reversibile nel tempo.Come abbiamo osservato, le microalghe hanno superato il cambiamento ambientale iniziale e alla fine sono tornate a tassi di crescita normali e sono addirittura aumentate.Gli studi sul potenziale zeta mostrano un'elevata stabilità quando vengono introdotti nei mezzi nutritivi.Pertanto, l'interazione superficiale tra cellule di microalghe e nanofiocchi di Nb-MXene è stata mantenuta durante gli esperimenti di riduzione.Nella nostra ulteriore analisi, riassumiamo i principali meccanismi di azione alla base di questo straordinario comportamento delle microalghe.
Le osservazioni al SEM hanno dimostrato che le microalghe tendono ad attaccarsi agli Nb-MXeni.Utilizzando l'analisi dinamica dell'immagine, confermiamo che questo effetto porta alla trasformazione di nanoflakes bidimensionali di Nb-MXene in particelle più sferiche, dimostrando così che la decomposizione dei nanoflakes è associata alla loro ossidazione.Per verificare la nostra ipotesi, abbiamo condotto una serie di studi materiali e biochimici.Dopo i test, i nanofiocchi si sono gradualmente ossidati e decomposti in prodotti NbO e Nb2O5, che non rappresentavano una minaccia per le microalghe verdi.Utilizzando l'osservazione FTIR, non abbiamo riscontrato cambiamenti significativi nella composizione chimica delle microalghe incubate in presenza di nanoflakes 2D Nb-MXene.Tenendo conto della possibilità di assorbimento dell'ossido di niobio da parte delle microalghe, abbiamo eseguito un'analisi di fluorescenza a raggi X.Questi risultati mostrano chiaramente che le microalghe studiate si nutrono di ossidi di niobio (NbO e Nb2O5), che non sono tossici per le microalghe studiate.