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나노 기술의 급속한 발전과 일상 응용 분야로의 통합은 환경을 위협할 수 있습니다.유기 오염물질의 분해를 위한 녹색 방법이 잘 확립되어 있지만, 무기 결정질 오염물질의 회수는 생물학적 변형에 대한 민감도가 낮고 생물학적 물질과의 물질 표면 상호 작용에 대한 이해 부족으로 인해 주요 관심사입니다.여기서는 녹색 미세조류인 Raphidocelis subcapitata에 의한 2D 세라믹 나노물질의 생물학적 정화 메커니즘을 추적하기 위해 간단한 형상 매개변수 분석 방법과 결합된 Nb 기반 무기 2D MXenes 모델을 사용합니다.우리는 미세 조류가 표면 관련 물리 화학적 상호 작용으로 인해 Nb 기반 MXene을 분해한다는 것을 발견했습니다.초기에는 단층 및 다층 MXene 나노플레이크를 미세조류 표면에 부착시켜 조류의 성장을 다소 감소시켰다.그러나 표면과 장기간 상호 작용하면 미세 조류가 MXene 나노 플레이크를 산화시키고 NbO와 Nb2O5로 더 분해합니다.이러한 산화물은 미세조류 세포에 무독성이기 때문에 72시간의 물 처리 후 미세조류를 추가로 복원하는 흡수 메커니즘에 의해 Nb 산화물 나노입자를 소비합니다.흡수와 관련된 영양소의 영향은 세포 부피의 증가, 매끄러운 모양 및 성장 속도의 변화에도 반영됩니다.이러한 결과를 바탕으로 담수 생태계에서 Nb 기반 MXene의 장단기 존재는 환경에 미치는 영향이 미미할 수 있다는 결론을 내렸습니다.2차원 나노 물질을 모델 시스템으로 사용하여 미세 입자 물질에서도 형태 변형을 추적할 수 있는 가능성을 입증했다는 점은 주목할 만합니다.전반적으로, 이 연구는 2D 나노물질의 생물학적 정화 메커니즘을 구동하는 표면 상호작용 관련 프로세스에 대한 중요한 근본적인 질문에 답하고 무기 결정 나노물질의 환경 영향에 대한 추가 단기 및 장기 연구의 기초를 제공합니다.
나노 물질은 발견 이후 많은 관심을 불러일으켰으며 다양한 나노 기술이 최근 현대화 단계에 진입했습니다1.불행하게도 일상적인 응용 프로그램에 나노 물질을 통합하면 부적절한 폐기, 부주의한 취급 또는 부적절한 안전 인프라로 인해 우발적인 방출이 발생할 수 있습니다.따라서 2차원(2D) 나노물질을 포함한 나노물질이 자연 환경으로 방출될 수 있으며, 그 거동과 생물학적 활성이 아직 완전히 이해되지 않은 상태라고 가정하는 것이 타당합니다.따라서 생태독성 문제가 2D 나노물질이 수생 시스템으로 침출되는 능력에 초점을 맞춘 것은 놀라운 일이 아닙니다2,3,4,5,6.이러한 생태계에서 일부 2D 나노 물질은 미세 조류를 포함하여 다양한 영양 수준에서 다양한 유기체와 상호 작용할 수 있습니다.
미세조류는 광합성7을 통해 다양한 화학 제품을 생산하는 담수 및 해양 생태계에서 자연적으로 발견되는 원시 유기체입니다.따라서 이들은 수중 생태계8,9,10,11,12에 매우 중요하지만 민감하고 저렴하며 널리 사용되는 생태독성 지표이기도 합니다13,14.미세조류 세포는 빠르게 증식하고 다양한 화합물의 존재에 빠르게 반응하기 때문에 유기물로 오염된 수질을 친환경적으로 처리하는 방법 개발에 유망하다15,16.
조류 세포는 생체 흡수 및 축적을 통해 물에서 무기 이온을 제거할 수 있습니다.Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue 및 Synechococcus sp.와 같은 일부 조류 종.Fe2+, Cu2+, Zn2+ 및 Mn2+19와 같은 독성 금속 이온을 운반하고 영양을 공급하는 것으로 밝혀졌습니다.다른 연구에서는 Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ 또는 Pb2+ 이온이 세포 형태를 변경하고 엽록체를 파괴함으로써 Scenedesmus의 성장을 제한하는 것으로 나타났습니다20,21.
유기 오염 물질을 분해하고 중금속 이온을 제거하는 녹색 방법은 전 세계 과학자와 엔지니어의 관심을 끌었습니다.이것은 주로 이러한 오염 물질이 액상에서 쉽게 처리된다는 사실 때문입니다.그러나 무기 결정성 오염물질은 수용해도가 낮고 다양한 생물학적 변형에 대한 감수성이 낮아 정화에 큰 어려움을 초래하며 이 분야에서 거의 진전이 없었다.따라서 나노물질 수리를 위한 환경 친화적 솔루션에 대한 탐색은 여전히 ​​복잡하고 미개척 영역으로 남아 있습니다.2D 나노물질의 생체 변형 효과에 대한 불확실성이 높기 때문에 환원 과정에서 분해 가능한 경로를 쉽게 찾을 수 있는 방법이 없습니다.
이 연구에서 우리는 무기 세라믹 재료를 대표하는 MXene의 분해 과정에 대한 현장 모니터링과 함께 무기 세라믹 재료에 대한 활성 수성 생물학적 정화제로 녹색 미세조류를 사용했습니다.용어 "MXene"은 Mn+1XnTx 물질의 화학양론을 반영하며, 여기서 M은 초기 전이 금속이고, X는 탄소 및/또는 질소이고, Tx는 표면 종결자(예: -OH, -F, -Cl)이고 n = 1, 2, 3 또는 427.28입니다.Naguib 등이 MXenes를 발견한 이후.감각학, 암 치료 및 막 여과 27,29,30.또한 MXenes는 우수한 콜로이드 안정성과 생물학적 상호작용 가능성으로 인해 모델 2D 시스템으로 간주될 수 있습니다.
따라서 이 기사에서 개발된 방법론과 연구 가설은 그림 1에 나와 있습니다. 이 가설에 따르면 미세 조류는 표면 관련 물리 화학적 상호 작용으로 인해 Nb 기반 MXene을 무독성 화합물로 분해하여 조류의 추가 회수를 허용합니다.이 가설을 테스트하기 위해 초기 니오븀 기반 전이 금속 탄화물 및/또는 질화물(MXenes) 계열의 두 구성원, 즉 Nb2CTx 및 Nb4C3TX를 선택했습니다.
녹색 미세조류인 Raphidocelis subcapitata에 의한 MXene 회수에 대한 연구 방법론 및 증거 기반 가설.이는 증거 기반 가정을 개략적으로 나타낸 것일 뿐입니다.호수 환경은 사용되는 영양 배지와 조건(예: 주간 주기 및 이용 가능한 필수 영양소의 제한)이 다릅니다.BioRender.com으로 제작되었습니다.
따라서 MXene을 모델 시스템으로 활용함으로써 기존의 나노물질로는 관찰할 수 없는 다양한 생물학적 효과에 대한 연구의 문을 열었습니다.특히, 우리는 미세조류인 Raphidocelis subcapitata에 의한 니오븀 기반 MXenes와 같은 2차원 나노물질의 생물학적 정화 가능성을 입증합니다.미세조류는 Nb-MXenes를 무독성 산화물인 NbO 및 Nb2O5로 분해할 수 있으며, 이는 또한 니오븀 흡수 메커니즘을 통해 영양분을 제공합니다.전반적으로, 이 연구는 2차원 나노물질의 생물학적 정화 메커니즘을 지배하는 표면 물리화학적 상호작용과 관련된 과정에 대한 중요한 근본적인 질문에 답합니다.또한, 2차원 나노물질 형태의 미묘한 변화를 추적하기 위한 간단한 형태 매개변수 기반 방법을 개발하고 있습니다.이것은 무기 결정질 나노물질의 다양한 환경적 영향에 대한 단기 및 장기 연구에 영감을 줍니다.따라서 우리의 연구는 재료 표면과 생물학적 재료 간의 상호 작용에 대한 이해를 높입니다.우리는 또한 담수 생태계에 미칠 수 있는 영향에 대한 확장된 단기 및 장기 연구의 기반을 제공하고 있으며, 이는 이제 쉽게 확인할 수 있습니다.
MXenes는 독특하고 매력적인 물리적 및 화학적 특성을 가진 흥미로운 종류의 재료를 나타내므로 많은 잠재적 응용 분야가 있습니다.이러한 특성은 주로 화학양론과 표면 화학에 따라 달라집니다.따라서 본 연구에서는 두 가지 유형의 Nb 기반 계층적 단일층(SL) MXene, Nb2CTx 및 Nb4C3TX를 조사했습니다. 이러한 나노물질의 서로 다른 생물학적 효과가 관찰될 수 있기 때문입니다.MXene은 원자적으로 얇은 MAX-phase A-layers의 하향식 선택적 에칭에 의해 출발 물질로부터 생성됩니다.MAX 상은 MnAXn-1 화학양론을 가진 Al, Si 및 Sn과 같은 "A" 원소의 얇은 층과 전이 금속 탄화물의 "결합된" 블록으로 구성된 3원 세라믹입니다.초기 MAX 단계의 형태는 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰되었으며 이전 연구와 일치했습니다(보충 정보, SI, 그림 S1 참조).다층(ML) Nb-MXene은 48% HF(불화수소산)로 Al 층을 제거한 후 얻었습니다.ML-Nb2CTx 및 ML-Nb4C3TX의 형태는 주사 전자 현미경(SEM)(각각 그림 S1c 및 S1d)에 의해 조사되었으며 길쭉한 기공 유사 슬릿을 통과하는 2차원 나노플레이크와 유사한 전형적인 층상 MXene 형태가 관찰되었습니다.두 Nb-MXene은 이전에 산성 에칭27,38에 의해 합성된 MXene 단계와 공통점이 많습니다.MXene의 구조를 확인한 후 TBAOH(tetrabutylammonium hydroxide)를 층간 삽입한 후 세척 및 초음파 처리하여 단층 또는 저층(SL) 2D Nb-MXene 나노플레이크를 얻었습니다.
고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM)과 X선 회절(XRD)을 사용하여 에칭 및 추가 박리 효율을 테스트했습니다.IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 및 FFT(Fast Fourier Transform)를 사용하여 처리된 HRTEM 결과는 그림 2에 나와 있습니다. Nb-MXene 나노플레이크는 원자층의 구조를 확인하고 면간 거리를 측정하기 위해 가장자리를 위로 향하게 했습니다.MXene Nb2CTx 및 Nb4C3TX 나노플레이크의 HRTEM 이미지는 이전에 Naguib et al.27 및 Jastrzębska et al.38에 의해 보고된 바와 같이 원자적으로 얇은 층의 특성을 나타냅니다(그림 2a1, a2 참조).두 개의 인접한 Nb2CTx 및 Nb4C3Tx 단일층에 대해 각각 0.74 및 1.54nm의 층간 거리를 결정했으며(그림 2b1,b2), 이는 이전 결과와도 일치합니다.이것은 Nb2CTx와 Nb4C3Tx 단층 사이의 거리를 보여주는 역 고속 푸리에 변환(그림 2c1, c2) 및 고속 푸리에 변환(그림 2d1, d2)에 의해 추가로 확인되었습니다.이미지는 니오븀 및 탄소 원자에 해당하는 밝은 밴드와 어두운 밴드의 교대를 보여주며, 이는 연구된 MXenes의 계층적 특성을 확인합니다.Nb2CTx 및 Nb4C3Tx(그림 S2a 및 S2b)에 대해 얻은 에너지 분산형 X선 분광법(EDX) 스펙트럼은 Al 피크가 감지되지 않았기 때문에 원래 MAX 위상의 잔여물을 나타내지 않는다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
(a) 고해상도 전자 현미경(HRTEM) 측면 뷰 2D 나노플레이크 이미징 및 해당, (b) 강도 모드, (c) 역 고속 푸리에 변환(IFFT), (d) 고속 푸리에 변환(FFT), (e) Nb-MXenes X-선 패턴을 포함하는 SL Nb2CTx 및 Nb4C3Tx MXene 나노플레이크의 특성화.SL 2D Nb2CTx의 경우 숫자는 (a1, b1, c1, d1, e1)로 표시됩니다.SL 2D Nb4C3Tx의 경우 숫자는 (a2, b2, c2, d2, e1)로 표시됩니다.
SL Nb2CTx 및 Nb4C3Tx MXene의 X-선 회절 측정은 도 1 및 도 2에 도시되어 있다.각각 2e1 및 e2.4.31 및 4.32의 피크(002)는 각각 이전에 설명한 계층화된 MXenes Nb2CTx 및 Nb4C3TX38,39,40,41에 해당합니다.XRD 결과는 또한 일부 잔류 ML 구조 및 MAX 단계의 존재를 나타내지만 대부분 SL Nb4C3Tx와 관련된 XRD 패턴을 나타냅니다(그림 2e2).MAX 위상의 더 작은 입자의 존재는 무작위로 쌓인 Nb4C3Tx 층과 비교하여 더 강한 MAX 피크를 설명할 수 있습니다.
추가 연구는 R. subcapitata 종에 속하는 녹색 미세조류에 초점을 맞췄습니다.우리는 미세조류가 주요 먹이 사슬42과 관련된 중요한 생산자이기 때문에 선택했습니다.그들은 또한 더 높은 수준의 먹이 사슬로 운반되는 독성 물질을 제거하는 능력으로 인해 독성의 가장 좋은 지표 중 하나입니다43.또한 R. subcapitata에 대한 연구는 일반적인 담수 미생물에 대한 SL Nb-MXenes의 우발적 독성에 대해 밝힐 수 있습니다.이를 설명하기 위해 연구원들은 각 미생물이 환경에 존재하는 독성 화합물에 대해 서로 다른 민감도를 가지고 있다는 가설을 세웠습니다.대부분의 유기체에서 낮은 농도의 물질은 성장에 영향을 미치지 않지만 특정 한계 이상의 농도는 성장을 억제하거나 사망에 이를 수 있습니다.따라서 미세조류와 MXenes 사이의 표면 상호작용 및 관련 회복에 대한 연구를 위해 Nb-MXenes의 무해하고 독성이 있는 농도를 테스트하기로 결정했습니다.이를 위해 우리는 0(참조), 0.01, 0.1 및 10 mg l-1 MXene의 농도와 극도로 치명적일 수 있는 매우 높은 농도의 MXene(100 mg l-1 MXene)으로 추가로 감염된 미세조류를 테스트했습니다..모든 생물학적 환경을 위해.
미세조류에 대한 SL Nb-MXenes의 효과는 그림 3에 나와 있으며, 0 mg l-1 샘플에 대해 측정된 성장 촉진(+) 또는 억제(-)의 백분율로 표시됩니다.비교를 위해 Nb-MAX 단계와 ML Nb-MXenes도 테스트했으며 결과는 SI에 표시됩니다(그림 S3 참조).얻은 결과는 SL Nb-MXenes가 그림 3a,b와 같이 0.01~10mg/l의 저농도 범위에서 거의 완전히 독성이 없음을 확인했습니다.Nb2CTx의 경우 지정된 범위에서 생태독성이 5% 이하로 관찰되었습니다.
SL (a) Nb2CTx 및 (b) Nb4C3TX MXene의 존재 하에서 미세조류 성장의 자극(+) 또는 억제(-).24, 48 및 72시간의 MXene-미세조류 상호작용을 분석했습니다. 중요한 데이터(t-test, p < 0.05)는 별표(*)로 표시했습니다. 중요한 데이터(t-test, p < 0.05)는 별표(*)로 표시했습니다. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). 중요한 데이터(t-테스트, p < 0.05)는 별표(*)로 표시됩니다.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 (*). 중요한 데이터(t-test, p < 0.05)는 별표(*)로 표시됩니다.빨간색 화살표는 억제 자극의 폐지를 나타냅니다.
반면, 낮은 농도의 Nb4C3TX는 약간 더 독성이 있는 것으로 밝혀졌지만 7%를 넘지 않았습니다.예상대로 우리는 MXenes가 100mg L-1에서 더 높은 독성과 미세조류 성장 억제를 가짐을 관찰했습니다.흥미롭게도, 어떤 물질도 MAX 또는 ML 샘플과 비교하여 무독성/독성 효과의 동일한 추세 및 시간 의존성을 나타내지 않았습니다(자세한 내용은 SI 참조).MAX 단계(그림 S3 참조)의 경우 독성이 약 15~25%에 도달하고 시간이 지남에 따라 증가했지만 SL Nb2CTx 및 Nb4C3TX MXene에서는 반대 경향이 관찰되었습니다.미세조류 성장 억제는 시간이 지남에 따라 감소했습니다.24시간 후에는 약 17%에 도달했고 72시간 후에는 5% 미만으로 떨어졌습니다(각각 그림 3a, b).
더 중요한 것은 SL Nb4C3TX의 경우 미세조류 성장 억제가 24시간 후에 약 27%에 도달했지만 72시간 후에는 약 1%로 감소했습니다.따라서 우리는 관찰된 효과를 자극의 역 억제로 표시했으며 그 효과는 SL Nb4C3TX MXene에 대해 더 강했습니다.미세조류 성장의 자극은 SL Nb2CTx MXene과 비교하여 Nb4C3TX(24시간 동안 10 mg L-1에서 상호작용)로 더 일찍 주목되었습니다.억제-자극 역전 효과는 바이오매스 배가율 곡선에서도 잘 나타났습니다(자세한 내용은 그림 S4 참조).지금까지 Ti3C2TX MXene의 생태 독성만 다른 방식으로 연구되었습니다.제브라피시 배아44에는 독성이 없지만 미세조류 Desmodesmus quadricauda 및 Sorghum saccharatum 식물45에는 적당히 생태독성이 있습니다.특정 효과의 다른 예에는 정상 세포주보다 암 세포주에 대한 더 높은 독성이 포함됩니다46,47.테스트 조건이 Nb-MXenes의 존재 하에서 관찰되는 미세조류 성장의 변화에 ​​영향을 미칠 것이라고 가정할 수 있습니다.예를 들어, 엽록체 기질의 약 pH는 RuBisCO 효소의 효율적인 작동에 최적입니다.따라서 pH 변화는 광합성 속도에 부정적인 영향을 미칩니다48,49.그러나 실험 중 pH의 큰 변화는 관찰되지 않았습니다(자세한 내용은 SI, 그림 S5 참조).일반적으로 미세조류와 Nb-MXenes의 배양은 시간이 지남에 따라 용액의 pH를 약간 감소시켰습니다.그러나 이러한 감소는 순수한 매질의 pH 변화와 유사했습니다.또한, 발견된 변이의 범위는 미세조류의 순수 배양(대조 샘플)에 대해 측정된 것과 유사했습니다.따라서 우리는 광합성이 시간 경과에 따른 pH 변화에 영향을 받지 않는다는 결론을 내립니다.
또한 합성된 MXene에는 표면 끝(Tx로 표시됨)이 있습니다.이들은 주로 작용기 -O, -F 및 -OH입니다.그러나 표면 화학은 합성 방법과 직접적인 관련이 있습니다.이러한 그룹은 표면에 무작위로 분포되어 MXene50의 특성에 미치는 영향을 예측하기 어렵습니다.Tx가 빛에 의한 니오븀의 산화에 대한 촉매력일 수 있다고 주장할 수 있습니다.표면 기능 그룹은 실제로 이종 접합을 형성하기 위해 기본 광촉매에 대한 여러 고정 사이트를 제공합니다.그러나, 성장 배지 조성은 효과적인 광촉매를 제공하지 않았다(자세한 배지 조성은 SI 표 S6에서 찾을 수 있음).또한 MXenes의 생물학적 활성은 층 후처리, 산화, 유기 및 무기 화합물의 화학적 표면 변형 또는 표면 전하 공학으로 인해 변경될 수 있기 때문에 모든 표면 변형도 매우 중요합니다.따라서 니오븀 산화물이 배지의 물질 불안정성과 관련이 있는지 여부를 테스트하기 위해 미세조류 성장 배지와 탈이온수(비교용)에서 제타(ζ) 전위에 대한 연구를 수행했습니다.우리의 결과는 SL Nb-MXenes가 상당히 안정적이라는 것을 보여줍니다(MAX 및 ML 결과에 대해서는 SI 그림 S6 참조).SL MXenes의 제타 전위는 약 -10mV입니다.SR Nb2CTx의 경우 ζ의 값이 Nb4C3Tx보다 다소 음수이다.ζ 값의 이러한 변화는 음으로 하전된 MXene 나노플레이크의 표면이 배양 배지로부터 양으로 하전된 이온을 흡수한다는 것을 나타낼 수 있습니다.배양 배지에서 Nb-MXenes의 제타 전위 및 전도도의 시간적 측정(자세한 내용은 SI의 그림 S7 및 S8 참조)이 우리의 가설을 뒷받침하는 것 같습니다.
그러나 두 Nb-MXene SL 모두 0에서 최소한의 변화를 보였습니다.이는 미세조류 성장 배지에서의 안정성을 명확하게 입증합니다.또한 녹색 미세조류의 존재가 배지에서 Nb-MXenes의 안정성에 영향을 미치는지 여부를 평가했습니다.시간 경과에 따른 영양 배지 및 배양에서 미세조류와의 상호작용 후 MXenes의 제타 전위 및 전도도 결과는 SI에서 찾을 수 있습니다(그림 S9 및 S10).흥미롭게도 미세조류의 존재가 두 MXene의 분산을 안정화시키는 것으로 나타났습니다.Nb2CTx SL의 경우, 제타 전위는 시간이 지남에 따라 더 음의 값으로 약간 감소하기도 했습니다(인큐베이션 72시간 후 -15.8 대 -19.1mV).SL Nb4C3TX의 제타 전위는 약간 증가했지만 72시간 후에도 미세조류가 없는 나노플레이크보다 여전히 더 높은 안정성을 보였다(-18.1 vs. -9.1 mV).
우리는 또한 미세조류의 존재 하에서 배양된 Nb-MXene 용액의 낮은 전도도를 발견했으며, 이는 영양 배지에서 더 적은 양의 이온을 나타냅니다.특히, 물에서 MXenes의 불안정성은 주로 표면 산화 때문입니다.따라서 녹색 미세조류가 Nb-MXene의 표면에 형성된 산화물을 어떻게든 제거하고 그 발생(MXene의 산화)까지 방지했을 것으로 추측됩니다.이는 미세조류가 흡수하는 물질의 종류를 연구하면 알 수 있다.
우리의 생태독성 연구는 미세조류가 시간이 지남에 따라 Nb-MXenes의 독성과 자극된 성장의 비정상적인 억제를 극복할 수 있음을 나타내었지만, 우리 연구의 목표는 가능한 작용 메커니즘을 조사하는 것이었습니다.조류와 같은 유기체가 생태계에 익숙하지 않은 화합물이나 물질에 노출되면 다양한 방식으로 반응할 수 있습니다58,59.독성 금속 산화물이 없는 상태에서 미세조류는 스스로 영양분을 섭취하여 지속적으로 성장할 수 있습니다60.독성 물질을 섭취한 후에는 모양이나 형태가 변하는 등의 방어기제가 활성화될 수 있습니다.흡수 가능성도 고려해야 한다58,59.특히, 방어 메커니즘의 모든 징후는 테스트 화합물의 독성에 대한 명확한 지표입니다.따라서 우리의 추가 연구에서 우리는 SEM에 의한 SL Nb-MXene 나노플레이크와 미세조류 사이의 잠재적인 표면 상호작용과 X선 형광 분광법(XRF)에 의한 Nb 기반 MXene의 가능한 흡수를 조사했습니다.SEM 및 XRF 분석은 활성 독성 문제를 해결하기 위해 가장 높은 농도의 MXene에서만 수행되었습니다.
SEM 결과는 그림 4에 나와 있습니다.처리되지 않은 미세조류 세포(참조 샘플, 그림 4a 참조)는 전형적인 R. subcapitata 형태와 크로와상 모양의 세포 모양을 명확하게 보여주었습니다.세포는 편평하고 다소 무질서하게 보입니다.일부 미세조류 세포가 서로 중첩되어 얽혀 있는데, 이는 시료 전처리 과정에서 발생한 것으로 추정된다.일반적으로 순수한 미세조류 세포는 표면이 매끄럽고 어떠한 형태적 변화도 나타내지 않았다.
극한 농도(100 mg L-1)에서 72시간 동안 상호작용한 후 녹색 미세조류와 MXene 나노시트 사이의 표면 상호작용을 보여주는 SEM 이미지.(a) SL (b) Nb2CTx 및 (c) Nb4C3TX MXenes와의 상호작용 후 처리되지 않은 녹색 미세조류.Nb-MXene 나노플레이크는 빨간색 화살표로 표시되어 있습니다.비교를 위해 광학 현미경의 사진도 추가됩니다.
대조적으로, SL Nb-MXene 나노플레이크에 의해 흡착된 미세조류 세포는 손상되었다(도 4b, c, 빨간색 화살표 참조).Nb2CTx MXene의 경우(그림 4b), 미세조류는 부착된 2차원 나노스케일로 성장하는 경향이 있어 형태를 변경할 수 있습니다.특히 광학 현미경으로 이러한 변화를 관찰했습니다(자세한 내용은 SI 그림 S11 참조).이러한 형태적 전이는 미세조류의 생리학 및 세포 부피 증가와 같은 세포 형태를 변화시킴으로써 스스로를 방어하는 능력에 그럴듯한 근거를 가지고 있습니다61.따라서 실제로 Nb-MXenes와 접촉하고 있는 미세조류 세포의 수를 확인하는 것이 중요하다.SEM 연구에 따르면 미세조류 세포의 약 52%가 Nb-MXenes에 노출된 반면, 이러한 미세조류 세포의 48%는 접촉을 피했습니다.SL Nb4C3Tx MXene의 경우 미세조류는 MXene과의 접촉을 피하려고 하므로 2차원 나노스케일에서 국소화되고 성장합니다(그림 4c).그러나 우리는 미세조류 세포에 나노스케일의 침투와 손상을 관찰하지 못했습니다.
자기 보존은 또한 세포 표면에 입자의 흡착으로 인한 광합성의 차단과 소위 차광(shading) 효과에 대한 시간 의존적 반응 행동이다62.미세조류와 광원 사이에 있는 각 물체(예: Nb-MXene 나노플레이크)가 엽록체가 흡수하는 빛의 양을 제한한다는 것은 분명합니다.그러나 이것이 얻은 결과에 상당한 영향을 미친다는 데는 의심의 여지가 없습니다.우리의 현미경 관찰에서 알 ​​수 있듯이 미세조류 세포가 Nb-MXenes와 접촉한 경우에도 2D 나노플레이크가 미세조류 표면에 완전히 포장되거나 부착되지 않았습니다.대신 나노플레이크는 표면을 덮지 않고 미세조류 세포를 향하는 것으로 밝혀졌다.이러한 나노플레이크/미세조류 세트는 미세조류 세포가 흡수하는 빛의 양을 크게 제한할 수 없습니다.더욱이 일부 연구에서는 2차원 나노물질의 존재 하에서 광합성 유기체에 의한 광 흡수의 개선을 입증하기도 했습니다63,64,65,66.
SEM 이미지는 미세조류 세포에 의한 니오븀 흡수를 직접 확인할 수 없었기 때문에 이 문제를 명확히 하기 위해 X선 형광(XRF) 및 X선 광전자 분광법(XPS) 분석을 추가로 연구했습니다.따라서 우리는 MXenes, 미세조류 세포의 표면에서 분리된 MXene 나노플레이크 및 부착된 MXenes 제거 후 미세조류 세포와 상호작용하지 않은 참조 미세조류 샘플의 Nb 피크의 강도를 비교했습니다.Nb 섭취가 없는 경우 미세조류 세포에서 얻은 Nb 값은 부착된 나노스케일을 제거한 후 0이 되어야 합니다.따라서 Nb 섭취가 발생하면 XRF 및 XPS 결과 모두 명확한 Nb 피크를 보여야 합니다.
XRF 스펙트럼의 경우, 미세조류 샘플은 SL Nb2CTx 및 Nb4C3Tx MXene과의 상호작용 후 SL Nb2CTx 및 Nb4C3Tx MXene에 대한 Nb 피크를 나타냈습니다(그림 5a 참조, MAX 및 ML MXene에 대한 결과는 SI, 그림 S12–C17 참조).흥미롭게도 Nb 피크의 강도는 두 경우 모두 동일합니다(그림 5a의 빨간색 막대).이는 미세조류 세포에 2배 더 많은 Nb4C3Tx MXene이 부착되었지만(그림 5a의 파란색 막대) 조류가 더 많은 Nb를 흡수할 수 없고 Nb 축적을 위한 최대 용량이 세포에서 달성되었음을 나타냅니다.특히 미세조류가 금속을 흡수하는 능력은 환경의 금속 산화물의 농도에 따라 달라집니다67,68.Shamshada et al.67은 담수 조류의 흡수 능력이 pH가 증가함에 따라 감소한다는 것을 발견했습니다.Raize 등68은 금속을 흡수하는 해조류의 능력이 Ni2+보다 Pb2+에서 약 25% 더 높다는 점에 주목했습니다.
(a) 극한 농도의 SL Nb-MXenes(100 mg L-1)에서 72시간 동안 배양된 녹색 미세조류 세포에 의한 기저 Nb 흡수의 XRF 결과.결과는 순수한 미세조류 세포(대조 샘플, 회색 열), 표면 미세조류 세포(파란색 열)에서 분리된 2D 나노플레이크 및 표면에서 2D 나노플레이크를 분리한 후 미세조류 세포(빨간색 열)에서 α의 존재를 보여줍니다.원소 Nb의 양, (b) 미세조류 유기 성분(C=O 및 CHx/C-O) 및 SL Nb-MXenes와 함께 배양한 후 미세조류 세포에 존재하는 Nb 산화물의 화학적 조성 백분율, (c-e) XPS SL Nb2CTx 스펙트럼 및 (fh) 미세조류 세포에 의해 내재화된 SL Nb4C3Tx MXene의 조성 피크 피팅.
따라서 우리는 Nb가 산화물의 형태로 조류 세포에 흡수될 수 있을 것으로 예상했습니다.이를 테스트하기 위해 MXenes Nb2CTx 및 Nb4C3TX 및 조류 세포에 대한 XPS 연구를 수행했습니다.미세조류와 Nb-MXenes 및 조류 세포로부터 분리된 MXenes의 상호작용 결과는 도 1 및 도 2에 나타내었다.5b.예상대로 미세조류 표면에서 MXene을 제거한 후 미세조류 샘플에서 Nb 3d 피크를 검출했습니다.C=O, CHx/CO 및 Nb 산화물의 정량적 결정은 Nb2CTx SL(그림 5c-e) 및 Nb4C3Tx SL(그림 5c-e)로 얻은 Nb 3d, O 1s 및 C 1s 스펙트럼을 기반으로 계산되었습니다.) 배양된 미세조류로부터 얻었다.그림 5f–h) MXenes.표 S1-3은 피크 매개변수의 세부사항과 적합성 결과 전체 화학을 보여줍니다.Nb2CTx SL 및 Nb4C3Tx SL(그림 5c, f)의 Nb 3d 영역이 하나의 Nb2O5 구성 요소에 해당한다는 것은 주목할 만합니다.여기서 우리는 스펙트럼에서 MXene 관련 피크를 발견하지 못했으며, 이는 미세조류 세포가 산화물 형태의 Nb만 흡수함을 나타냅니다.또한 C-C, CHx/C-O, C=O 및 -COOH 성분을 사용하여 C 1 s 스펙트럼을 근사화했습니다.CHx/C–O 및 C=O 피크를 미세조류 세포의 유기적 기여도에 할당했습니다.이러한 유기 성분은 각각 Nb2CTx SL 및 Nb4C3TX SL에서 C 1s 피크의 36% 및 41%를 차지합니다.그런 다음 SL Nb2CTx 및 SL Nb4C3TX의 O 1s 스펙트럼에 Nb2O5, 미세조류의 유기 성분(CHx/CO) 및 표면 흡착수를 장착했습니다.
마지막으로 XPS 결과는 Nb의 존재뿐만 아니라 형태를 명확하게 나타냈습니다.Nb 3d 신호의 위치와 deconvolution 결과에 따라 Nb가 이온이나 MXene 자체가 아닌 산화물의 형태로만 흡수됨을 확인합니다.또한, XPS 결과는 미세조류 세포가 SL Nb4C3TX MXene에 비해 SL Nb2CTx로부터 Nb 산화물을 흡수하는 능력이 더 크다는 것을 보여주었습니다.
우리의 Nb 섭취 결과는 인상적이며 MXene 분해를 식별할 수 있지만 2D 나노플레이크의 관련 형태 변화를 추적할 수 있는 방법은 없습니다.따라서 2D Nb-MXene 나노플레이크와 미세조류 세포에서 발생하는 모든 변화에 직접 대응할 수 있는 적절한 방법을 개발하기로 했습니다.상호 작용하는 종이 변형, 분해 또는 조각 모음을 겪는 경우 등가 원형 영역의 직경, 진원도, Feret 너비 또는 Feret 길이와 같은 모양 매개 변수의 변화로 빠르게 나타나야 한다고 가정하는 것이 중요합니다.이러한 매개변수는 길쭉한 입자 또는 2차원 나노플레이크를 설명하는 데 적합하기 때문에 동적 입자 모양 분석에 의한 추적은 환원 중 SL Nb-MXene 나노플레이크의 형태학적 변형에 대한 유용한 정보를 제공합니다.
얻은 결과는 그림 6에 나와 있습니다. 비교를 위해 원래 MAX 단계와 ML-MXene도 테스트했습니다(SI 그림 S18 및 S19 참조).입자 모양의 동적 분석은 두 Nb-MXene SL의 모든 모양 매개변수가 미세조류와의 상호작용 후에 크게 변경되었음을 보여주었습니다.등가 원형 영역 직경 매개변수(그림 6a, b)에서 볼 수 있듯이 큰 나노플레이크 부분의 감소된 피크 강도는 더 작은 조각으로 붕괴되는 경향이 있음을 나타냅니다.무화과에.도 6c, d는 플레이크의 가로 크기(나노플레이크의 신장)와 관련된 피크의 감소를 나타내며, 이는 2D 나노플레이크가 보다 입자와 유사한 형태로 변형됨을 나타낸다.Feret의 너비와 길이를 각각 보여주는 그림 6e-h.Feret 너비와 길이는 상호 보완적인 매개변수이므로 함께 고려해야 합니다.미세조류 존재 하에서 2D Nb-MXene 나노플레이크를 배양한 후, Feret 상관관계 피크가 이동하고 강도가 감소했습니다.형태학, XRF 및 XPS와 함께 이러한 결과를 기반으로 우리는 산화된 MXene이 더 주름지고 조각 및 구형 산화물 입자로 분해됨에 따라 관찰된 변화가 산화와 강하게 관련되어 있다고 결론지었습니다69,70.
녹색 미세조류와의 상호작용 후 MXene 변환 분석.동적 입자 형상 분석은 (a, b) 등가 원형 영역의 직경, (c, d) 진원도, (e, f) Feret 너비 및 (g, h) Feret 길이와 같은 매개변수를 고려합니다.이를 위해 2개의 기준 미세조류 샘플을 1차 SL Nb2CTx 및 SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx 및 SL Nb4C3Tx MXenes, 분해된 미세조류, 처리된 미세조류 SL Nb2CTx 및 SL Nb4C3Tx MXenes와 함께 분석했습니다.빨간색 화살표는 연구된 2차원 나노플레이크의 형상 매개변수의 전이를 보여줍니다.
형상 매개변수 분석은 매우 신뢰할 수 있기 때문에 미세조류 세포의 형태학적 변화도 밝힐 수 있습니다.따라서 우리는 2D Nb 나노플레이크와의 상호작용 후 순수 미세조류 세포 및 세포의 등가 원형 면적 직경, 진원도 및 Feret 폭/길이를 분석했습니다.무화과에.도 6a-h는 피크 강도의 감소 및 더 높은 값으로의 최대값의 이동에 의해 입증되는 바와 같이 조류 세포의 형상 파라미터의 변화를 보여준다.특히, 세포 진원도 파라미터는 신장된 세포의 감소 및 구형 세포의 증가를 나타내었다(도 6a, b).또한 Feret 세포 폭은 SL Nb4C3TX MXene(그림 6f)에 비해 SL Nb2CTx MXene(그림 6e)과의 상호작용 후 수 마이크로미터 증가했습니다.우리는 이것이 Nb2CTx SR과의 상호작용 시 미세조류에 의한 Nb 산화물의 강력한 흡수 때문일 수 있다고 생각합니다.표면에 대한 Nb 플레이크의 덜 단단한 부착은 최소한의 음영 효과로 세포 성장을 초래할 수 있습니다.
미세조류의 모양과 크기 매개변수의 변화에 ​​대한 우리의 관찰은 다른 연구를 보완합니다.녹색 미세조류는 세포 크기, 모양 또는 대사를 변경하여 환경 스트레스에 대한 반응으로 형태를 변경할 수 있습니다61.예를 들어, 세포의 크기를 변경하면 영양소 흡수가 촉진됩니다71.더 작은 조류 세포는 더 낮은 영양분 흡수와 손상된 성장 속도를 나타냅니다.반대로, 큰 세포는 더 많은 영양분을 소비하는 경향이 있으며, 이는 세포 내로 축적됩니다72,73.Machado와 Soares는 살균제 트리클로산이 세포 크기를 증가시킬 수 있음을 발견했습니다.그들은 또한 조류74의 모양에서 심오한 변화를 발견했습니다.또한, Yin et al.9은 환원된 그래핀 산화물 나노복합체에 노출된 후 조류의 형태학적 변화도 밝혔습니다.따라서 미세조류의 변화된 크기/모양 매개변수는 MXene의 존재에 의해 야기됨이 분명합니다.이러한 크기와 모양의 변화는 영양소 흡수의 변화를 나타내므로 시간 경과에 따른 크기 및 모양 매개변수 분석은 Nb-MXenes가 있는 상태에서 미세조류에 의한 산화니오븀의 흡수를 입증할 수 있다고 믿습니다.
또한, MXenes는 조류의 존재 하에서 산화될 수 있습니다.Dalai et al.75은 nano-TiO2 및 Al2O376에 노출된 녹조류의 형태가 균일하지 않음을 관찰했습니다.우리의 관찰이 현재 연구와 유사하지만, 나노입자가 아닌 2D 나노플레이크의 존재 하에서 MXene 분해 생성물 측면에서 생물학적 정화 효과에 대한 연구에만 관련이 있습니다.MXenes는 금속 산화물로 분해될 수 있기 때문에 Nb 나노플레이크가 미세조류 세포와 상호작용한 후 Nb 산화물을 형성할 수도 있다고 가정하는 것이 타당합니다.
산화 공정에 기반한 분해 메커니즘을 통한 2D-Nb 나노플레이크의 환원을 설명하기 위해 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM)(그림 7a,b) 및 X선 광전자 분광법(XPS)을 사용하여 연구를 수행했습니다(그림 7).7c-i 및 표 S4-5).두 접근법 모두 2D 재료의 산화를 연구하는 데 적합하며 서로를 보완합니다.HRTEM은 2차원 층 구조의 분해와 금속 산화물 나노입자의 후속 출현을 분석할 수 있는 반면 XPS는 표면 결합에 민감합니다.이를 위해 미세조류 세포 분산액에서 추출한 2D Nb-MXene 나노플레이크, 즉 미세조류 세포와의 상호작용 후 모양을 테스트했습니다(그림 7 참조).
산화된 (a) SL Nb2CTx 및 (b) SL Nb4C3Tx MXenes의 형태를 보여주는 HRTEM 이미지, (c) 환원 후 산화물 생성물의 조성, (d–f) SL Nb2CTx 및 (g–i) 녹색 미세조류로 복구된 Nb4C3Tx SL의 XPS 스펙트럼 구성 요소의 피크 일치를 보여주는 XPS 분석 결과.
HRTEM 연구는 두 가지 유형의 Nb-MXene 나노플레이크의 산화를 확인했습니다.나노플레이크는 2차원 형태를 어느 정도 유지했지만 산화로 인해 MXene 나노플레이크의 표면을 덮고 있는 많은 나노입자가 나타났습니다(그림 7a,b 참조).c Nb 3d 및 O 1s 신호의 XPS 분석은 Nb 산화물이 두 경우 모두에서 형성되었음을 나타냅니다.그림 7c에서 볼 수 있듯이 2D MXene Nb2CTx 및 Nb4C3TX에는 NbO 및 Nb2O5 산화물의 존재를 나타내는 Nb 3d 신호가 있는 반면 O 1s 신호는 2D 나노플레이크 표면의 기능화와 관련된 O-Nb 결합의 수를 나타냅니다.우리는 Nb 산화물 기여도가 Nb-C 및 Nb3+-O에 비해 우세하다는 것을 알아차렸습니다.
무화과에.그림 7g-i는 Nb 3d, C 1s 및 O 1s SL Nb2CTx(그림 7d-f 참조) 및 미세조류 세포에서 분리된 SL Nb4C3TX MXene의 XPS 스펙트럼을 보여줍니다.Nb-MXenes 피크 파라미터에 대한 자세한 내용은 각각 표 S4-5에 나와 있습니다.먼저 Nb 3d의 구성을 분석했습니다.미세조류 세포에 의해 흡수되는 Nb와 달리, 미세조류 세포로부터 분리된 MXene에서는 Nb2O5 외에 다른 성분들이 발견되었다.Nb2CTx SL에서 우리는 Nb3+-O의 기여도가 15%인 반면 나머지 Nb 3d 스펙트럼은 Nb2O5(85%)가 지배하는 것을 관찰했습니다.또한 SL Nb4C3TX 샘플에는 Nb-C(9%) 및 Nb2O5(91%) 성분이 포함되어 있습니다.여기서 Nb-C는 Nb4C3Tx SR에 있는 금속 카바이드의 두 내부 원자층에서 나옵니다.그런 다음 내부화된 샘플에서와 같이 C 1s 스펙트럼을 4개의 다른 구성 요소에 매핑합니다.예상대로 C 1s 스펙트럼은 흑연 탄소에 의해 지배되고 미세조류 세포의 유기 입자(CHx/CO 및 C=O)의 기여가 뒤따릅니다.또한, O 1s 스펙트럼에서 유기 형태의 미세조류 세포, 산화 니오븀 및 흡착된 물의 기여도를 관찰했습니다.
또한 Nb-MXenes 절단이 영양 배지 및/또는 미세조류 세포에서 반응성 산소종(ROS)의 존재와 관련이 있는지 조사했습니다.이를 위해 미세조류에서 항산화제 역할을 하는 티올인 세포내 글루타티온과 배양 배지의 일중항 산소(1O2) 수준을 평가했습니다.결과는 SI로 표시됩니다(그림 S20 및 S21).SL Nb2CTx 및 Nb4C3TX MXenes를 사용한 배양은 감소된 양의 1O2를 특징으로 합니다(그림 S20 참조).SL Nb2CTx의 경우 MXene 1O2가 약 83%로 감소된다.SL을 사용한 미세조류 배양의 경우 Nb4C3TX 1O2가 73%로 훨씬 더 감소했습니다.흥미롭게도 1O2의 변화는 이전에 관찰된 억제-자극 효과와 동일한 경향을 보였다(그림 3 참조).밝은 빛에서의 부화는 광산화를 변화시킬 수 있다고 주장할 수 있습니다.그러나 대조군 분석 결과는 실험 동안 거의 일정한 수준의 1O2를 보였다(그림 S22).세포 내 ROS 수준의 경우에도 동일한 하향 추세를 관찰했습니다(그림 S21 참조).처음에 Nb2CTx 및 Nb4C3Tx SL의 존재 하에서 배양된 미세조류 세포의 ROS 수준은 미세조류의 순수 배양에서 발견되는 수준을 초과했습니다.그러나 결국 미세조류는 두 Nb-MXenes의 존재에 적응한 것으로 나타났습니다. ROS 수준은 각각 SL Nb2CTx 및 Nb4C3TX로 접종된 미세조류의 순수 배양물에서 측정된 수준의 85% 및 91%로 감소했습니다.이는 미세조류가 영양 배지 단독보다 Nb-MXene의 존재 하에서 시간이 지남에 따라 더 편안함을 느낀다는 것을 나타낼 수 있습니다.
미세조류는 광합성 유기체의 다양한 그룹입니다.광합성 동안 그들은 대기 중 이산화탄소(CO2)를 유기 탄소로 전환합니다.광합성의 산물은 포도당과 산소입니다79.우리는 이렇게 형성된 산소가 Nb-MXenes의 산화에 중요한 역할을 한다고 생각합니다.이에 대한 한 가지 가능한 설명은 Nb-MXene 나노플레이크 외부와 내부의 낮은 산소 분압과 높은 산소 분압에서 차등 폭기 매개변수가 형성된다는 것입니다.이는 산소의 분압이 다른 영역이 있는 곳마다 가장 낮은 수준의 영역이 양극(80, 81, 82)을 형성할 것임을 의미합니다. 여기서 미세조류는 광합성 특성으로 인해 산소를 생성하는 MXene 플레이크의 표면에 차등적으로 통기된 세포의 생성에 기여합니다.결과적으로 생체 부식 생성물(이 경우 산화 니오븀)이 형성됩니다.또 다른 측면은 미세조류가 물에 방출되는 유기산을 생성할 수 있다는 것입니다83,84.따라서 공격적인 환경이 형성되어 Nb-MXenes가 변경됩니다.또한 미세조류는 이산화탄소 흡수로 인해 환경의 pH를 알칼리성으로 변화시킬 수 있으며, 이는 부식을 유발할 수도 있습니다79.
더 중요한 것은 우리 연구에 사용된 어둡고 밝은 광주기가 얻은 결과를 이해하는 데 중요하다는 것입니다.이 측면은 Djemai-Zoghlache et al.85 그들은 적색 미세조류인 Porphyridium purpureum에 의한 생체 오염과 관련된 생체 부식을 입증하기 위해 의도적으로 12/12시간 광주기를 사용했습니다.그들은 광주기가 생물학적 부식 없이 전위의 진화와 연관되어 있으며, 24:00 주변에 유사 주기 진동으로 나타남을 보여줍니다.이러한 관찰은 Dowling et al.86 그들은 시아노박테리아 아나바에나(Anabaena)의 광합성 생물막을 증명했습니다.용존 산소는 빛의 작용으로 형성되며 자유 생물 부식 전위의 변화 또는 변동과 관련됩니다.광주기의 중요성은 생물학적 부식에 대한 자유 잠재력이 밝은 단계에서 증가하고 어두운 단계에서 감소한다는 사실에 의해 강조됩니다.이는 광합성을 하는 미세조류에 의해 생성된 산소 때문인데, 이는 전극 근처에서 생성된 분압을 통해 음극 반응에 영향을 미칩니다87.
또한 Nb-MXenes와의 상호작용 후 미세조류 세포의 화학조성에 변화가 있는지 알아보기 위해 FTIR(Fourier transform infrared spectroscopy)을 수행하였다.이렇게 얻은 결과는 복잡하며 이를 SI로 제시합니다(MAX 단계 및 ML MXenes의 결과를 포함하는 그림 S23-S25).요컨대, 미세조류에서 얻은 참조 스펙트럼은 이러한 유기체의 화학적 특성에 대한 중요한 정보를 제공합니다.이러한 가장 가능성 있는 진동은 1060cm-1(CO), 1540cm-1, 1640cm-1(C=C), 1730cm-1(C=O), 2850cm-1, 2920cm-1의 주파수에 위치합니다.하나.1 1(C–H) 및 3280cm–1(O–H).SL Nb-MXenes의 경우 이전 연구와 일치하는 CH 결합 스트레칭 시그니처를 발견했습니다.그러나 C=C 및 CH 결합과 관련된 일부 추가 피크가 사라진 것을 관찰했습니다.이는 미세조류의 화학적 조성이 SL Nb-MXenes와의 상호작용으로 인해 약간의 변화를 겪을 수 있음을 나타냅니다.
미세조류의 생화학에서 가능한 변화를 고려할 때 산화니오븀과 같은 무기 산화물의 축적을 재고해야 합니다59.그것은 세포 표면에 의한 금속의 흡수, 세포질로의 금속 수송, 세포내 카르복실 그룹과의 결합 및 미세조류 폴리포스포좀에서의 축적에 관여합니다20,88,89,90.또한 미세조류와 금속의 관계는 세포의 작용기에 의해 유지된다.이러한 이유로 흡수는 매우 복잡한 미세조류 표면 화학에 따라 달라집니다9,91.일반적으로 녹미세조류의 화학적 조성은 예상대로 Nb 산화물의 흡수로 인해 약간의 변화를 보였다.
흥미롭게도, 관찰된 미세조류의 초기 억제는 시간이 지남에 따라 가역적이었습니다.우리가 관찰한 것처럼 미세조류는 초기 환경 변화를 극복하고 결국 정상적인 성장 속도로 돌아가고 심지어 증가하기까지 했다.제타 전위에 대한 연구는 영양 배지에 도입되었을 때 높은 안정성을 보여줍니다.따라서, 미세조류 세포와 Nb-MXene 나노플레이크 사이의 표면 상호작용은 환원 실험 내내 유지되었다.우리의 추가 분석에서 우리는 미세조류의 놀라운 행동의 기본이 되는 주요 작용 메커니즘을 요약합니다.
SEM 관찰은 미세조류가 Nb-MXenes에 부착하는 경향이 있음을 보여주었습니다.동적 이미지 분석을 사용하여 이 효과가 2차원 Nb-MXene 나노플레이크를 구형 입자로 변환하여 나노플레이크의 분해가 산화와 관련되어 있음을 입증합니다.가설을 테스트하기 위해 일련의 재료 및 생화학 연구를 수행했습니다.테스트 후 나노플레이크는 점차 산화되어 NbO 및 Nb2O5 제품으로 분해되었으며 이는 녹조류에 위협이 되지 않았습니다.FTIR 관찰을 사용하여 우리는 2D Nb-MXene 나노플레이크의 존재 하에서 배양된 미세조류의 화학적 조성에 큰 변화가 없음을 발견했습니다.미세조류에 의한 산화니오븀의 흡수 가능성을 고려하여 X선 형광분석을 수행하였다.이러한 결과는 연구된 미세조류가 연구된 미세조류에 비독성인 니오븀 산화물(NbO 및 Nb2O5)을 먹고 산다는 것을 명확하게 보여줍니다.