Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com.U gebruikt een browserversie met beperkte CSS-ondersteuning.Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of Compatibiliteitsmodus uit te schakelen in Internet Explorer).In de tussentijd zullen we, om voortdurende ondersteuning te garanderen, de site weergeven zonder stijlen en JavaScript.
Toont een carrousel van drie dia's tegelijk.Gebruik de knoppen Vorige en Volgende om door drie dia's tegelijk te bladeren, of gebruik de schuifknoppen aan het einde om door drie dia's tegelijk te bladeren.
De snelle ontwikkeling van nanotechnologie en de integratie ervan in alledaagse toepassingen kan een bedreiging vormen voor het milieu.Hoewel groene methoden voor de afbraak van organische verontreinigingen goed ingeburgerd zijn, is het herstel van anorganische kristallijne verontreinigingen van groot belang vanwege hun lage gevoeligheid voor biotransformatie en gebrek aan begrip van interacties tussen materiaaloppervlakken en biologische.Hier gebruiken we een Nb-gebaseerd anorganisch 2D MXenes-model gecombineerd met een eenvoudige vormparameteranalysemethode om het bioremediatiemechanisme van 2D keramische nanomaterialen door de groene microalg Raphidocelis subcapitata te traceren.We ontdekten dat microalgen op Nb gebaseerde MXenen afbreken als gevolg van oppervlaktegerelateerde fysisch-chemische interacties.Aanvankelijk werden enkellaagse en meerlaagse MXeen-nanovlokken aan het oppervlak van microalgen bevestigd, wat de groei van algen enigszins verminderde.Bij langdurige interactie met het oppervlak oxideerden microalgen echter MXeen-nanovlokken en ontleedden ze verder in NbO en Nb2O5.Omdat deze oxiden niet giftig zijn voor microalgencellen, consumeren ze Nb-oxide nanodeeltjes door een absorptiemechanisme dat de microalgen verder herstelt na 72 uur waterbehandeling.De effecten van voedingsstoffen geassocieerd met absorptie worden ook weerspiegeld in de toename van het celvolume, hun gladde vorm en verandering in groeisnelheid.Op basis van deze bevindingen concluderen we dat de aanwezigheid op korte en lange termijn van op Nb gebaseerde MXenen in zoetwaterecosystemen slechts kleine milieueffecten kan veroorzaken.Het is opmerkelijk dat we, met behulp van tweedimensionale nanomaterialen als modelsystemen, de mogelijkheid aantonen om vormtransformatie te volgen, zelfs in fijnkorrelige materialen.Over het algemeen beantwoordt deze studie een belangrijke fundamentele vraag over oppervlakte-interactiegerelateerde processen die het bioremediatiemechanisme van 2D-nanomaterialen aansturen en biedt het een basis voor verdere korte- en langetermijnstudies van de milieu-impact van anorganische kristallijne nanomaterialen.
Nanomaterialen hebben sinds hun ontdekking veel belangstelling gewekt en diverse nanotechnologieën zijn recentelijk in een moderniseringsfase beland1.Helaas kan de integratie van nanomaterialen in alledaagse toepassingen leiden tot onbedoeld vrijkomen als gevolg van onjuiste verwijdering, onzorgvuldige behandeling of ontoereikende veiligheidsinfrastructuur.Daarom is het redelijk om aan te nemen dat nanomaterialen, inclusief tweedimensionale (2D) nanomaterialen, kunnen worden vrijgegeven in de natuurlijke omgeving, waarvan het gedrag en de biologische activiteit nog niet volledig worden begrepen.Daarom is het niet verwonderlijk dat zorgen over ecotoxiciteit zich hebben gericht op het vermogen van 2D-nanomaterialen om uit te logen in aquatische systemen2,3,4,5,6.In deze ecosystemen kunnen sommige 2D-nanomaterialen interageren met verschillende organismen op verschillende trofische niveaus, waaronder microalgen.
Microalgen zijn primitieve organismen die van nature voorkomen in zoetwater- en mariene ecosystemen en die via fotosynthese een verscheidenheid aan chemische producten produceren7.Als zodanig zijn ze cruciaal voor aquatische ecosystemen8,9,10,11,12 maar zijn het ook gevoelige, goedkope en veelgebruikte indicatoren van ecotoxiciteit13,14.Omdat microalgencellen zich snel vermenigvuldigen en snel reageren op de aanwezigheid van verschillende verbindingen, zijn ze veelbelovend voor de ontwikkeling van milieuvriendelijke methoden voor de behandeling van met organische stoffen verontreinigd water15,16.
Algencellen kunnen anorganische ionen uit water verwijderen door biosorptie en accumulatie17,18.Sommige algensoorten zoals Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue en Synechococcus sp.Gebleken is dat het giftige metaalionen zoals Fe2+, Cu2+, Zn2+ en Mn2+19 draagt ​​en zelfs voedt.Andere studies hebben aangetoond dat Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ of Pb2+ ionen de groei van Scenedesmus beperken door de celmorfologie te veranderen en hun chloroplasten te vernietigen20,21.
Groene methoden voor de afbraak van organische verontreinigende stoffen en de verwijdering van zware metaalionen hebben de aandacht getrokken van wetenschappers en ingenieurs over de hele wereld.Dit komt vooral doordat deze verontreinigingen in de vloeibare fase gemakkelijk worden verwerkt.Anorganische kristallijne verontreinigende stoffen worden echter gekenmerkt door een lage oplosbaarheid in water en een lage gevoeligheid voor verschillende biotransformaties, wat grote problemen veroorzaakt bij het saneren, en er is weinig vooruitgang geboekt op dit gebied22,23,24,25,26.Het zoeken naar milieuvriendelijke oplossingen voor het herstel van nanomaterialen blijft dus een complex en onontgonnen terrein.Vanwege de hoge mate van onzekerheid met betrekking tot de biotransformatie-effecten van 2D-nanomaterialen, is er geen gemakkelijke manier om de mogelijke routes van hun afbraak tijdens reductie te achterhalen.
In deze studie hebben we groene microalgen gebruikt als een actief waterig bioremediatiemiddel voor anorganische keramische materialen, gecombineerd met in situ monitoring van het afbraakproces van MXeen als vertegenwoordiger van anorganische keramische materialen.De term "MXeen" weerspiegelt de stoichiometrie van het Mn+1XnTx-materiaal, waarbij M een vroeg overgangsmetaal is, X koolstof en/of stikstof is, Tx een oppervlakteterminator is (bijv. -OH, -F, -Cl) en n = 1, 2, 3 of 427,28.Sinds de ontdekking van MXenes door Naguib et al.Sensoriek, kankertherapie en membraanfiltratie 27,29,30.Bovendien kunnen MXenes worden beschouwd als model 2D-systemen vanwege hun uitstekende colloïdale stabiliteit en mogelijke biologische interacties31,32,33,34,35,36.
Daarom worden de in dit artikel ontwikkelde methodologie en onze onderzoekshypothesen weergegeven in figuur 1. Volgens deze hypothese degraderen microalgen op Nb gebaseerde MXenen tot niet-toxische verbindingen als gevolg van oppervlaktegerelateerde fysisch-chemische interacties, wat verder herstel van de algen mogelijk maakt.Om deze hypothese te testen, werden twee leden van de familie van vroege op niobium gebaseerde overgangsmetaalcarbiden en/of nitriden (MXenen), namelijk Nb2CTx en Nb4C3TX, geselecteerd.
Onderzoeksmethodologie en evidence-based hypothesen voor MXene-herstel door groene microalgen Raphidocelis subcapitata.Houd er rekening mee dat dit slechts een schematische weergave is van op bewijs gebaseerde aannames.De omgeving van het meer verschilt in het gebruikte voedingsmedium en de omstandigheden (bijv. dagelijkse cyclus en beperkingen in beschikbare essentiële voedingsstoffen).Gemaakt met BioRender.com.
Door MXene als modelsysteem te gebruiken, hebben we daarom de deur geopend voor de studie van verschillende biologische effecten die niet kunnen worden waargenomen met andere conventionele nanomaterialen.In het bijzonder demonstreren we de mogelijkheid van bioremediatie van tweedimensionale nanomaterialen, zoals op niobium gebaseerde MXenes, door microalgen Raphidocelis subcapitata.Microalgen kunnen Nb-MXenen afbreken tot de niet-toxische oxiden NbO en Nb2O5, die ook voedingsstoffen leveren via het opnamemechanisme van niobium.Over het algemeen beantwoordt deze studie een belangrijke fundamentele vraag over de processen die verband houden met fysisch-chemische interacties aan het oppervlak die de mechanismen van bioremediatie van tweedimensionale nanomaterialen bepalen.Daarnaast ontwikkelen we een eenvoudige op vormparameters gebaseerde methode voor het volgen van subtiele veranderingen in de vorm van 2D-nanomaterialen.Dit inspireert verder onderzoek op korte en lange termijn naar de verschillende milieueffecten van anorganische kristallijne nanomaterialen.Onze studie vergroot dus het begrip van de interactie tussen het materiële oppervlak en biologisch materiaal.We bieden ook de basis voor uitgebreide korte- en langetermijnstudies van hun mogelijke effecten op zoetwaterecosystemen, die nu gemakkelijk kunnen worden geverifieerd.
MXenen vertegenwoordigen een interessante klasse van materialen met unieke en aantrekkelijke fysische en chemische eigenschappen en daardoor vele potentiële toepassingen.Deze eigenschappen zijn grotendeels afhankelijk van hun stoichiometrie en oppervlaktechemie.Daarom hebben we in onze studie twee soorten Nb-gebaseerde hiërarchische enkellaagse (SL) MXenen onderzocht, Nb2CTx en Nb4C3TX, omdat verschillende biologische effecten van deze nanomaterialen konden worden waargenomen.MXenen worden geproduceerd uit hun uitgangsmaterialen door top-down selectief etsen van atomair dunne MAX-fase A-lagen.De MAX-fase is een ternaire keramiek die is samengesteld uit "gebonden" blokken overgangsmetaalcarbiden en dunne lagen "A" -elementen zoals Al, Si en Sn met MnAXn-1 stoichiometrie.De morfologie van de initiële MAX-fase werd waargenomen door scanning-elektronenmicroscopie (SEM) en was consistent met eerdere studies (zie aanvullende informatie, SI, figuur S1).Meerlaags (ML) Nb-MXeen werd verkregen na het verwijderen van de Al-laag met 48% HF (fluorwaterstofzuur).De morfologie van ML-Nb2CTx en ML-Nb4C3TX werd onderzocht door scanning-elektronenmicroscopie (SEM) (respectievelijk figuren S1c en S1d) en een typische gelaagde MXene-morfologie werd waargenomen, vergelijkbaar met tweedimensionale nanovlokken die door langwerpige porie-achtige spleten gaan.Beide Nb-MXenes hebben veel gemeen met MXene-fasen die eerder werden gesynthetiseerd door zuuretsen27,38.Nadat we de structuur van MXene hadden bevestigd, brachten we het in lagen door intercalatie van tetrabutylammoniumhydroxide (TBAOH) gevolgd door wassen en sonicatie, waarna we enkellaags of laaglaags (SL) 2D Nb-MXene nanoflakes verkregen.
We gebruikten transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (HRTEM) en röntgendiffractie (XRD) om de efficiëntie van etsen en verder afpellen te testen.De HRTEM-resultaten verwerkt met behulp van de Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) en Fast Fourier Transform (FFT) worden getoond in Fig. 2. Nb-MXene nanoflakes werden met de rand naar boven georiënteerd om de structuur van de atoomlaag te controleren en de interplanaire afstanden te meten.HRTEM-afbeeldingen van MXene Nb2CTx- en Nb4C3TX-nanovlokken onthulden hun atomair dunne gelaagde aard (zie Fig. 2a1, a2), zoals eerder gerapporteerd door Naguib et al.27 en Jastrzębska et al.38.Voor twee aangrenzende Nb2CTx- en Nb4C3Tx-monolagen hebben we tussenlaagafstanden van respectievelijk 0, 74 en 1, 54 nm bepaald (figuren 2b1, b2), wat ook overeenkomt met onze eerdere resultaten .Dit werd verder bevestigd door de inverse snelle Fourier-transformatie (Fig. 2c1, c2) en de snelle Fourier-transformatie (Fig. 2d1, d2) die de afstand tussen de Nb2CTx- en Nb4C3Tx-monolagen toont.De afbeelding toont een afwisseling van lichte en donkere banden die overeenkomen met niobium- en koolstofatomen, wat de gelaagdheid van de bestudeerde MXenen bevestigt.Het is belangrijk op te merken dat de energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDX) -spectra verkregen voor Nb2CTx en Nb4C3Tx (figuren S2a en S2b) geen overblijfsel vertoonden van de oorspronkelijke MAX-fase, aangezien er geen Al-piek werd gedetecteerd.
Karakterisering van SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene nanoflakes, inclusief (a) hoge resolutie elektronenmicroscopie (HRTEM) zijaanzicht 2D nanoflake beeldvorming en bijbehorende, (b) intensiteitsmodus, (c) inverse snelle Fourier-transformatie (IFFT), (d) snelle Fourier-transformatie (FFT), (e) Nb-MXenes röntgenpatronen.Voor SL 2D Nb2CTx worden de getallen uitgedrukt als (a1, b1, c1, d1, e1).Voor SL 2D Nb4C3Tx worden de getallen uitgedrukt als (a2, b2, c2, d2, e1).
Röntgendiffractiemetingen van SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXenes worden getoond in Fig.respectievelijk 2e1 en e2.Pieken (002) op 4.31 en 4.32 komen overeen met respectievelijk de eerder beschreven gelaagde MXenes Nb2CTx en Nb4C3TX38,39,40,41.De XRD-resultaten duiden ook op de aanwezigheid van enkele resterende ML-structuren en MAX-fasen, maar meestal XRD-patronen geassocieerd met SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2).De aanwezigheid van kleinere deeltjes van de MAX-fase kan de sterkere MAX-piek verklaren in vergelijking met de willekeurig gestapelde Nb4C3Tx-lagen.
Verder onderzoek heeft zich gericht op groene microalgen die behoren tot de soort R. subcapitata.We kozen voor microalgen omdat ze belangrijke producenten zijn die betrokken zijn bij grote voedselwebben42.Ze zijn ook een van de beste indicatoren van toxiciteit vanwege het vermogen om giftige stoffen te verwijderen die naar hogere niveaus van de voedselketen worden vervoerd43.Bovendien kan onderzoek naar R. subcapitata licht werpen op de incidentele toxiciteit van SL Nb-MXenes voor gewone zoetwatermicro-organismen.Om dit te illustreren, veronderstelden de onderzoekers dat elke microbe een andere gevoeligheid heeft voor toxische verbindingen die in het milieu aanwezig zijn.Voor de meeste organismen hebben lage concentraties van stoffen geen invloed op hun groei, terwijl concentraties boven een bepaalde grens ze kunnen remmen of zelfs de dood kunnen veroorzaken.Daarom hebben we voor onze studies naar de oppervlakte-interactie tussen microalgen en MXenen en het bijbehorende herstel besloten om de onschadelijke en toxische concentraties van Nb-MXenen te testen.Hiervoor hebben we concentraties van 0 (als referentie), 0,01, 0,1 en 10 mg l-1 MXeen getest en daarnaast geïnfecteerde microalgen met zeer hoge concentraties MXeen (100 mg l-1 MXeen), die extreem en dodelijk kunnen zijn..voor elke biologische omgeving.
De effecten van SL Nb-MXenes op microalgen worden weergegeven in figuur 3, uitgedrukt als het percentage groeibevordering (+) of remming (-) gemeten voor monsters van 0 mg l-1.Ter vergelijking werden ook de Nb-MAX-fase en ML Nb-MXenes getest en de resultaten worden weergegeven in SI (zie Fig. S3).De verkregen resultaten bevestigden dat SL Nb-MXenes bijna volledig vrij is van toxiciteit in het bereik van lage concentraties van 0,01 tot 10 mg/l, zoals weergegeven in Fig. 3a,b.In het geval van Nb2CTx hebben we niet meer dan 5% ecotoxiciteit waargenomen in het gespecificeerde bereik.
Stimulatie (+) of remming (-) van de groei van microalgen in aanwezigheid van SL (a) Nb2CTx en (b) Nb4C3TX MXene.24, 48 en 72 uur interactie tussen MXene en microalgen werd geanalyseerd. Significante gegevens (t-test, p < 0,05) werden gemarkeerd met een asterisk (*). Significante gegevens (t-test, p < 0,05) werden gemarkeerd met een asterisk (*). Controleer de waarde (t-критерий, p < 0,05) van de waarde (*). Significante gegevens (t-test, p < 0,05) zijn gemarkeerd met een asterisk (*).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 (*). Belangrijke gegevens (t-test, p < 0,05) zijn gemarkeerd met een asterisk (*).Rode pijlen geven de afschaffing van remmende stimulatie aan.
Daarentegen bleken lage concentraties Nb4C3TX iets giftiger, maar niet hoger dan 7%.Zoals verwacht, zagen we dat MXenes een hogere toxiciteit en remming van de groei van microalgen hadden bij 100 mg L-1.Interessant is dat geen van de materialen dezelfde trend en tijdsafhankelijkheid van atoxische/toxische effecten vertoonde in vergelijking met de MAX- of ML-monsters (zie SI voor details).Terwijl voor de MAX-fase (zie Fig. S3) de toxiciteit ongeveer 15-25% bereikte en met de tijd toenam, werd de omgekeerde trend waargenomen voor SL Nb2CTx en Nb4C3TX MXene.De remming van de groei van microalgen nam in de loop van de tijd af.Het bereikte ongeveer 17% na 24 uur en daalde tot minder dan 5% na 72 uur (respectievelijk figuur 3a, b).
Wat nog belangrijker is, voor SL Nb4C3TX bereikte de groeiremming van microalgen na 24 uur ongeveer 27%, maar na 72 uur nam deze af tot ongeveer 1%.Daarom bestempelden we het waargenomen effect als omgekeerde remming van stimulatie, en het effect was sterker voor SL Nb4C3TX MXene.De stimulatie van de groei van microalgen werd eerder opgemerkt met Nb4C3TX (interactie bij 10 mg L-1 gedurende 24 uur) in vergelijking met SL Nb2CTx MXene.Het remming-stimulatie-omkeereffect werd ook goed weergegeven in de verdubbelingssnelheidscurve van de biomassa (zie Fig. S4 voor details).Tot nu toe is alleen de ecotoxiciteit van Ti3C2TX MXene op verschillende manieren bestudeerd.Het is niet toxisch voor zebravisembryo's44 maar matig ecotoxisch voor de microalgen Desmodesmus quadricauda en Sorghum saccharatum-planten45.Andere voorbeelden van specifieke effecten zijn een hogere toxiciteit voor kankercellijnen dan voor normale cellijnen46,47.Aangenomen kan worden dat de testomstandigheden de waargenomen veranderingen in de groei van microalgen in de aanwezigheid van Nb-MXenen zouden beïnvloeden.Een pH van ongeveer 8 in het stroma van de chloroplast is bijvoorbeeld optimaal voor een efficiënte werking van het RuBisCO-enzym.Daarom hebben pH-veranderingen een negatieve invloed op de snelheid van fotosynthese48,49.We hebben tijdens het experiment echter geen significante veranderingen in de pH waargenomen (zie SI, Fig. S5 voor details).Over het algemeen verlaagden culturen van microalgen met Nb-MXenen de pH van de oplossing in de loop van de tijd enigszins.Deze afname was echter vergelijkbaar met een verandering in de pH van een zuiver medium.Bovendien was het bereik van gevonden variaties vergelijkbaar met dat gemeten voor een zuivere kweek van microalgen (controlemonster).We concluderen dus dat fotosynthese niet wordt beïnvloed door veranderingen in pH in de loop van de tijd.
Bovendien hebben de gesynthetiseerde MXenen oppervlakte-uiteinden (aangeduid als Tx).Dit zijn voornamelijk functionele groepen -O, -F en -OH.Oppervlaktechemie is echter direct gerelateerd aan de synthesemethode.Het is bekend dat deze groepen willekeurig over het oppervlak zijn verdeeld, waardoor het moeilijk is om hun effect op de eigenschappen van MXene50 te voorspellen.Men kan stellen dat Tx de katalytische kracht zou kunnen zijn voor de oxidatie van niobium door licht.Oppervlaktefunctionele groepen bieden inderdaad meerdere verankeringsplaatsen voor hun onderliggende fotokatalysatoren om heterojuncties te vormen .De samenstelling van het groeimedium leverde echter geen effectieve fotokatalysator op (gedetailleerde mediumsamenstelling is te vinden in SI-tabel S6).Bovendien is elke oppervlaktemodificatie ook erg belangrijk, omdat de biologische activiteit van MXenen kan worden gewijzigd als gevolg van nabewerking van lagen, oxidatie, chemische oppervlaktemodificatie van organische en anorganische verbindingen52,53,54,55,56 of oppervlakteladingstechniek38.Om te testen of niobiumoxide iets te maken heeft met materiaalinstabiliteit in het medium, hebben we daarom studies uitgevoerd naar het zeta (ζ) -potentieel in groeimedium voor microalgen en gedeïoniseerd water (ter vergelijking).Onze resultaten laten zien dat SL Nb-MXenen redelijk stabiel zijn (zie SI Fig. S6 voor MAX- en ML-resultaten).Het zeta-potentieel van SL MXenes is ongeveer -10 mV.In het geval van SR Nb2CTx is de waarde van ζ iets negatiever dan die van Nb4C3Tx.Een dergelijke verandering in de ζ-waarde kan erop wijzen dat het oppervlak van negatief geladen MXene-nanovlokken positief geladen ionen uit het kweekmedium absorbeert.Tijdelijke metingen van het zeta-potentieel en de geleidbaarheid van Nb-MXenes in kweekmedium (zie figuren S7 en S8 in SI voor meer details) lijken onze hypothese te ondersteunen.
Beide Nb-MXene SL's vertoonden echter minimale veranderingen vanaf nul.Dit toont duidelijk hun stabiliteit in het groeimedium van microalgen aan.Daarnaast hebben we beoordeeld of de aanwezigheid van onze groene microalgen de stabiliteit van Nb-MXenes in het medium zou beïnvloeden.De resultaten van het zeta-potentieel en de geleidbaarheid van MXenen na interactie met microalgen in voedingsmedia en kweek in de loop van de tijd zijn te vinden in SI (figuren S9 en S10).Interessant is dat we merkten dat de aanwezigheid van microalgen de verspreiding van beide MXenen leek te stabiliseren.In het geval van Nb2CTx SL nam het zeta-potentieel in de loop van de tijd zelfs iets af tot meer negatieve waarden (-15,8 versus -19,1 mV na 72 uur incubatie).Het zeta-potentieel van SL Nb4C3TX nam iets toe, maar na 72 uur vertoonde het nog steeds een hogere stabiliteit dan nanovlokken zonder de aanwezigheid van microalgen (-18,1 vs. -9,1 mV).
We vonden ook een lagere geleidbaarheid van Nb-MXene-oplossingen geïncubeerd in de aanwezigheid van microalgen, wat wijst op een lagere hoeveelheid ionen in het voedingsmedium.Met name de instabiliteit van MXenen in water is voornamelijk te wijten aan oppervlakte-oxidatie57.Daarom vermoeden we dat groene microalgen op de een of andere manier de oxiden die op het oppervlak van Nb-MXene waren gevormd opruimden en zelfs het voorkomen ervan verhinderden (oxidatie van MXene).Dit kan worden gezien door de soorten stoffen te bestuderen die door microalgen worden opgenomen.
Hoewel onze ecotoxicologische studies aangaven dat microalgen in staat waren om de toxiciteit van Nb-MXenen in de loop van de tijd en de ongebruikelijke remming van gestimuleerde groei te overwinnen, was het doel van onze studie om mogelijke werkingsmechanismen te onderzoeken.Wanneer organismen zoals algen worden blootgesteld aan verbindingen of materialen die onbekend zijn met hun ecosystemen, kunnen ze op verschillende manieren reageren58,59.Bij afwezigheid van giftige metaaloxiden kunnen microalgen zichzelf voeden, waardoor ze continu kunnen groeien60.Na inname van toxische stoffen kunnen afweermechanismen geactiveerd worden, zoals het veranderen van vorm of vorm.Ook moet rekening worden gehouden met de mogelijkheid van absorptie58,59.Met name elk teken van een afweermechanisme is een duidelijke indicator van de toxiciteit van de testverbinding.Daarom hebben we in ons verdere werk de mogelijke oppervlakte-interactie onderzocht tussen SL Nb-MXene nanoflakes en microalgen door SEM en de mogelijke absorptie van op Nb gebaseerd MXene door röntgenfluorescentiespectroscopie (XRF).Merk op dat SEM- en XRF-analyses alleen werden uitgevoerd bij de hoogste concentratie MXene om problemen met activiteitstoxiciteit aan te pakken.
De SEM-resultaten worden getoond in Fig.4.Onbehandelde microalgencellen (zie Fig. 4a, referentiemonster) vertoonden duidelijk de typische R. subcapitata-morfologie en croissantachtige celvorm.Cellen lijken afgeplat en enigszins ongeorganiseerd.Sommige microalgencellen overlapten en raakten met elkaar verstrikt, maar dit werd waarschijnlijk veroorzaakt door het voorbereidingsproces van het monster.Over het algemeen hadden zuivere microalgencellen een glad oppervlak en vertoonden ze geen morfologische veranderingen.
SEM-afbeeldingen die oppervlakte-interactie tonen tussen groene microalgen en MXene nanosheets na 72 uur interactie bij extreme concentratie (100 mg L-1).(a) Onbehandelde groene microalgen na interactie met SL (b) Nb2CTx en (c) Nb4C3TX MXenes.Merk op dat de Nb-MXene nanoflakes zijn gemarkeerd met rode pijlen.Ter vergelijking zijn ook foto's van een optische microscoop toegevoegd.
Daarentegen waren microalgencellen geadsorbeerd door SL Nb-MXene nanoflakes beschadigd (zie Fig. 4b, c, rode pijlen).In het geval van Nb2CTx MXene (Fig. 4b), hebben microalgen de neiging om te groeien met aangehechte tweedimensionale nanoschalen, die hun morfologie kunnen veranderen.We hebben deze veranderingen met name ook waargenomen onder lichtmicroscopie (zie SI figuur S11 voor details).Deze morfologische overgang heeft een plausibele basis in de fysiologie van microalgen en hun vermogen om zichzelf te verdedigen door de celmorfologie te veranderen, zoals het vergroten van het celvolume61.Daarom is het belangrijk om het aantal microalgencellen te controleren dat daadwerkelijk in contact staat met Nb-MXenen.SEM-onderzoeken toonden aan dat ongeveer 52% van de microalgencellen werden blootgesteld aan Nb-MXenen, terwijl 48% van deze microalgencellen contact vermeden.Voor SL Nb4C3Tx MXene proberen microalgen contact met MXene te vermijden, waardoor ze zich lokaliseren en groeien vanuit tweedimensionale nanoschalen (Fig. 4c).We hebben echter niet de penetratie van nanoschalen in microalgencellen en hun schade waargenomen.
Zelfbehoud is ook een tijdsafhankelijk reactiegedrag op de blokkering van de fotosynthese door de adsorptie van deeltjes aan het celoppervlak en het zogenaamde shading (shading) effect62.Het is duidelijk dat elk object (bijvoorbeeld Nb-MXene nanoflakes) dat zich tussen de microalgen en de lichtbron bevindt, de hoeveelheid licht beperkt die door de chloroplasten wordt geabsorbeerd.We twijfelen er echter niet aan dat dit een aanzienlijke invloed heeft op de verkregen resultaten.Zoals blijkt uit onze microscopische waarnemingen, waren de 2D-nanovlokken niet volledig omwikkeld of gehecht aan het oppervlak van de microalgen, zelfs niet wanneer de microalgencellen in contact waren met Nb-MXenes.In plaats daarvan bleken nanovlokken gericht te zijn op microalgencellen zonder hun oppervlak te bedekken.Zo'n set nanoflakes/microalgen kan de hoeveelheid licht die door microalgencellen wordt geabsorbeerd niet significant beperken.Bovendien hebben sommige onderzoeken zelfs een verbetering van de lichtabsorptie door fotosynthetische organismen aangetoond in aanwezigheid van tweedimensionale nanomaterialen63,64,65,66.
Omdat SEM-beelden de opname van niobium door microalgencellen niet direct konden bevestigen, richtte ons verdere onderzoek zich op röntgenfluorescentie (XRF) en röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS) analyse om dit probleem op te helderen.Daarom vergeleken we de intensiteit van de Nb-pieken van referentie-microalgenmonsters die geen interactie hadden met MXenes, MXene-nanovlokken losgemaakt van het oppervlak van microalgencellen en microalgencellen na verwijdering van aangehechte MXenes.Het is vermeldenswaard dat als er geen Nb-opname is, de Nb-waarde verkregen door de microalgencellen nul moet zijn na verwijdering van de aangehechte nanoschalen.Daarom, als er Nb-opname optreedt, zouden zowel de XRF- als de XPS-resultaten een duidelijke Nb-piek moeten laten zien.
In het geval van XRF-spectra vertoonden microalgenmonsters Nb-pieken voor SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene na interactie met SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene (zie Fig. 5a, merk ook op dat de resultaten voor MAX en ML MXenes worden getoond in SI, Fig. S12-C17).Interessant is dat de intensiteit van de Nb-piek in beide gevallen hetzelfde is (rode balken in figuur 5a).Dit gaf aan dat de algen niet meer Nb konden absorberen en dat de maximale capaciteit voor Nb-accumulatie in de cellen werd bereikt, hoewel twee keer meer Nb4C3Tx MXene aan de microalgencellen was gehecht (blauwe balken in Fig. 5a).Met name het vermogen van microalgen om metalen te absorberen hangt af van de concentratie van metaaloxiden in de omgeving67,68.Shamshada et al.67 vonden dat het absorptievermogen van zoetwateralgen afneemt met toenemende pH.Raize et al.68 merkten op dat het vermogen van zeewier om metalen te absorberen ongeveer 25% hoger was voor Pb2+ dan voor Ni2+.
( a ) XRF-resultaten van basale Nb-opname door groene microalgencellen geïncubeerd bij een extreme concentratie SL Nb-MXenes (100 mg L-1) gedurende 72 uur.De resultaten tonen de aanwezigheid van α in zuivere microalgencellen (controlemonster, grijze kolommen), 2D-nanovlokken geïsoleerd uit oppervlakte-microalgencellen (blauwe kolommen) en microalgencellen na scheiding van 2D-nanovlokken van het oppervlak (rode kolommen).De hoeveelheid elementaire Nb, ( b ) percentage van de chemische samenstelling van organische componenten van microalgen (C = O en CHx / C – O) en Nb-oxiden aanwezig in microalgencellen na incubatie met SL Nb-MXenes, ( c – e ) Montage van de compositorische piek van XPS SL Nb2CTx-spectra en (fh) SL Nb4C3Tx MXene geïnternaliseerd door microalgencellen.
Daarom verwachtten we dat Nb door algencellen zou kunnen worden opgenomen in de vorm van oxiden.Om dit te testen, hebben we XPS-onderzoeken uitgevoerd op MXenes Nb2CTx en Nb4C3TX en algencellen.De resultaten van de interactie van microalgen met Nb-MXenes en MXenes geïsoleerd uit algencellen worden getoond in Fig.5b.Zoals verwacht, ontdekten we Nb 3d-pieken in de microalgenmonsters na verwijdering van MXene van het oppervlak van de microalgen.De kwantitatieve bepaling van C = O, CHx / CO en Nb-oxiden werd berekend op basis van de Nb 3d-, O 1s- en C 1s-spectra verkregen met Nb2CTx SL (Fig. 5c – e) en Nb4C3Tx SL (Fig. 5c – e).) verkregen uit geïncubeerde microalgen.Afbeelding 5f-h) MXenen.Tabel S1-3 toont de details van de piekparameters en de algehele chemie als gevolg van de aanpassing.Het is opmerkelijk dat de Nb 3d-regio's van Nb2CTx SL en Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) overeenkomen met één Nb2O5-component.Hier vonden we geen MXene-gerelateerde pieken in de spectra, wat aangeeft dat microalgencellen alleen de oxidevorm van Nb absorberen.Daarnaast hebben we het C 1 s-spectrum benaderd met de componenten C–C, CHx/C–O, C=O en –COOH.We hebben de CHx/C–O- en C=O-pieken toegewezen aan de organische bijdrage van microalgencellen.Deze organische componenten zijn goed voor respectievelijk 36% en 41% van de C 1s-pieken in Nb2CTx SL en Nb4C3TX SL.Vervolgens hebben we de O 1s-spectra van SL Nb2CTx en SL Nb4C3TX voorzien van Nb2O5, organische componenten van microalgen (CHx/CO) en aan het oppervlak geadsorbeerd water.
Ten slotte gaven de XPS-resultaten duidelijk de vorm van Nb aan, niet alleen de aanwezigheid ervan.Volgens de positie van het Nb 3d-signaal en de resultaten van de deconvolutie, bevestigen we dat Nb alleen wordt geabsorbeerd in de vorm van oxiden en niet in de vorm van ionen of MXene zelf.Bovendien toonden XPS-resultaten aan dat microalgencellen een groter vermogen hebben om Nb-oxiden uit SL Nb2CTx op te nemen in vergelijking met SL Nb4C3TX MXene.
Hoewel onze Nb-opnameresultaten indrukwekkend zijn en ons in staat stellen MXene-degradatie te identificeren, is er geen methode beschikbaar om de bijbehorende morfologische veranderingen in 2D-nanovlokken te volgen.Daarom hebben we ook besloten een geschikte methode te ontwikkelen die direct kan reageren op eventuele veranderingen in 2D Nb-MXene nanoflakes en microalgencellen.Het is belangrijk op te merken dat we ervan uitgaan dat als de op elkaar inwerkende soorten een transformatie, ontbinding of defragmentatie ondergaan, dit zich snel zou moeten manifesteren als veranderingen in vormparameters, zoals de diameter van het equivalente cirkelvormige gebied, ronding, Feret-breedte of Feret-lengte.Aangezien deze parameters geschikt zijn voor het beschrijven van langwerpige deeltjes of tweedimensionale nanovlokken, zal hun tracking door dynamische deeltjesvormanalyse ons waardevolle informatie geven over de morfologische transformatie van SL Nb-MXeen nanovlokken tijdens reductie.
De verkregen resultaten worden weergegeven in figuur 6. Ter vergelijking hebben we ook de oorspronkelijke MAX-fase en ML-MXenen getest (zie SI-figuren S18 en S19).Dynamische analyse van de deeltjesvorm toonde aan dat alle vormparameters van twee Nb-MXene SL's significant veranderden na interactie met microalgen.Zoals blijkt uit de equivalente diameterparameter van het cirkelvormige gebied (Fig. 6a, b), geeft de verminderde piekintensiteit van de fractie van grote nanovlokken aan dat ze de neiging hebben om in kleinere fragmenten te vervallen.Op afb.6c, d toont een afname van de pieken geassocieerd met de transversale grootte van de vlokken (verlenging van de nanovlokken), wat wijst op de transformatie van 2D nanovlokken in een meer deeltjesachtige vorm.Figuur 6e-h met respectievelijk de breedte en lengte van de fret.Fretbreedte en -lengte zijn complementaire parameters en moeten daarom samen worden beschouwd.Na incubatie van 2D Nb-MXene nanoflakes in de aanwezigheid van microalgen, verschoven hun Feret-correlatiepieken en nam hun intensiteit af.Op basis van deze resultaten in combinatie met morfologie, XRF en XPS, concludeerden we dat de waargenomen veranderingen sterk verband houden met oxidatie naarmate geoxideerde MXenen meer gerimpeld worden en uiteenvallen in fragmenten en bolvormige oxidedeeltjes69,70.
Analyse van MXeen-transformatie na interactie met groene microalgen.Dynamische deeltjesvormanalyse houdt rekening met parameters als (a, b) diameter van het equivalente cirkelvormige gebied, (c, d) rondheid, (e, f) Feretbreedte en (g, h) Feretlengte.Hiertoe werden twee referentiemonsters van microalgen geanalyseerd samen met primaire SL Nb2CTx en SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx en SL Nb4C3Tx MXenes, gedegradeerde microalgen en behandelde microalgen SL Nb2CTx en SL Nb4C3Tx MXenes.De rode pijlen tonen de overgangen van de vormparameters van de bestudeerde tweedimensionale nanovlokken.
Omdat vormparameteranalyse zeer betrouwbaar is, kan het ook morfologische veranderingen in microalgencellen onthullen.Daarom hebben we de equivalente cirkelvormige gebiedsdiameter, ronding en Feret-breedte / -lengte van zuivere microalgencellen en -cellen geanalyseerd na interactie met 2D Nb-nanovlokken.Op afb.6a – h tonen veranderingen in de vormparameters van algencellen, zoals blijkt uit een afname van de piekintensiteit en een verschuiving van maxima naar hogere waarden.In het bijzonder vertoonden celrondheidsparameters een afname van langwerpige cellen en een toename van bolvormige cellen (Fig. 6a, b).Bovendien nam de celbreedte van Feret toe met enkele micrometers na interactie met SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) vergeleken met SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f).We vermoeden dat dit te wijten kan zijn aan de sterke opname van Nb-oxiden door microalgen na interactie met Nb2CTx SR.Minder rigide hechting van Nb-vlokken aan hun oppervlak kan resulteren in celgroei met minimaal schaduweffect.
Onze waarnemingen van veranderingen in de parameters van de vorm en grootte van microalgen vormen een aanvulling op andere studies.Groene microalgen kunnen hun morfologie veranderen als reactie op omgevingsstress door de celgrootte, vorm of stofwisseling te veranderen61.Het veranderen van de grootte van cellen vergemakkelijkt bijvoorbeeld de opname van voedingsstoffen71.Kleinere algencellen vertonen een lagere opname van voedingsstoffen en een verminderde groeisnelheid.Omgekeerd hebben grotere cellen de neiging om meer voedingsstoffen te consumeren, die vervolgens intracellulair worden afgezet72,73.Machado en Soares ontdekten dat het fungicide triclosan de celgrootte kan vergroten.Ze vonden ook ingrijpende veranderingen in de vorm van de algen74.Daarnaast onthulden Yin et al.9 ook morfologische veranderingen in algen na blootstelling aan gereduceerde grafeenoxide nanocomposieten.Daarom is het duidelijk dat de gewijzigde grootte/vormparameters van de microalgen worden veroorzaakt door de aanwezigheid van MXene.Aangezien deze verandering in grootte en vorm indicatief is voor veranderingen in de opname van voedingsstoffen, zijn wij van mening dat analyse van grootte- en vormparameters in de loop van de tijd de opname van niobiumoxide door microalgen in de aanwezigheid van Nb-MXenen kan aantonen.
Bovendien kunnen MXenen worden geoxideerd in aanwezigheid van algen.Dalai et al.75 merkten op dat de morfologie van groene algen die werden blootgesteld aan nano-TiO2 en Al2O376 niet uniform was.Hoewel onze waarnemingen vergelijkbaar zijn met de huidige studie, is het alleen relevant voor de studie van de effecten van bioremediatie in termen van afbraakproducten van MXene in de aanwezigheid van 2D-nanovlokken en niet van nanodeeltjes.Aangezien MXenen kunnen worden afgebroken tot metaaloxiden,31,32,77,78 is het redelijk om aan te nemen dat onze Nb-nanovlokken ook Nb-oxiden kunnen vormen na interactie met microalgencellen.
Om de reductie van 2D-Nb-nanovlokken door een ontledingsmechanisme op basis van het oxidatieproces te verklaren, hebben we studies uitgevoerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (HRTEM) (Fig. 7a, b) en röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS) (Fig. 7).7c-i en tabellen S4-5).Beide benaderingen zijn geschikt om de oxidatie van 2D-materialen te bestuderen en vullen elkaar aan.HRTEM is in staat om de afbraak van tweedimensionale gelaagde structuren en het daaropvolgende verschijnen van metaaloxide-nanodeeltjes te analyseren, terwijl XPS gevoelig is voor oppervlaktebindingen.Voor dit doel hebben we 2D Nb-MXeen-nanovlokken getest die zijn geëxtraheerd uit microalgenceldispersies, dat wil zeggen hun vorm na interactie met microalgencellen (zie figuur 7).
HRTEM-afbeeldingen die de morfologie tonen van geoxideerde (a) SL Nb2CTx en (b) SL Nb4C3Tx MXenes, XPS-analyseresultaten tonen (c) de samenstelling van oxideproducten na reductie, (d – f) piekafstemming van componenten van de XPS-spectra van SL Nb2CTx en (g – i) Nb4C3Tx SL gerepareerd met groene microalgen.
HRTEM-onderzoeken bevestigden de oxidatie van twee soorten Nb-MXeen-nanovlokken.Hoewel de nanovlokken hun tweedimensionale morfologie tot op zekere hoogte behielden, resulteerde oxidatie in het verschijnen van vele nanodeeltjes die het oppervlak van de MXene nanovlokken bedekten (zie Fig. 7a,b).XPS-analyse van c Nb 3d- en O 1s-signalen gaf aan dat in beide gevallen Nb-oxiden werden gevormd.Zoals weergegeven in figuur 7c, hebben 2D MXene Nb2CTx en Nb4C3TX Nb 3d-signalen die de aanwezigheid van NbO- en Nb2O5-oxiden aangeven, terwijl O 1s-signalen het aantal O-Nb-bindingen aangeven dat geassocieerd is met functionalisering van het 2D-nanoflake-oppervlak.We hebben gemerkt dat de bijdrage van Nb-oxide dominant is in vergelijking met Nb-C en Nb3+-O.
Op afb.Figuren 7g – i tonen de XPS-spectra van Nb 3d, C 1s en O 1s SL Nb2CTx (zie figuren 7d – f) en SL Nb4C3TX MXene geïsoleerd uit microalgencellen.Details van Nb-MXenes-piekparameters worden gegeven in respectievelijk tabellen S4-5.We hebben eerst de samenstelling van Nb 3d geanalyseerd.In tegenstelling tot Nb geabsorbeerd door microalgencellen, werden in MXene geïsoleerd uit microalgencellen naast Nb2O5 andere componenten gevonden.In de Nb2CTx SL zagen we de bijdrage van Nb3+-O in de hoeveelheid van 15%, terwijl de rest van het Nb 3d-spectrum werd gedomineerd door Nb2O5 (85%).Bovendien bevat het SL Nb4C3TX-monster Nb-C (9%) en Nb2O5 (91%) componenten.Hier komt Nb-C uit twee binnenste atoomlagen van metaalcarbide in Nb4C3Tx SR.Vervolgens brengen we de C 1s-spectra in kaart in vier verschillende componenten, zoals we deden in de geïnternaliseerde monsters.Zoals verwacht wordt het C 1s-spectrum gedomineerd door grafietkoolstof, gevolgd door bijdragen van organische deeltjes (CHx/CO en C=O) uit microalgencellen.Bovendien hebben we in het O 1s-spectrum de bijdrage waargenomen van organische vormen van microalgencellen, niobiumoxide en geadsorbeerd water.
Daarnaast hebben we onderzocht of Nb-MXenes-splitsing geassocieerd is met de aanwezigheid van reactieve zuurstofspecies (ROS) in het voedingsmedium en/of microalgencellen.Daartoe hebben we de niveaus van singlet-zuurstof (1O2) in het kweekmedium en intracellulair glutathion, een thiol dat werkt als een antioxidant in microalgen, beoordeeld.De resultaten worden weergegeven in SI (figuren S20 en S21).Culturen met SL Nb2CTx en Nb4C3TX MXenes werden gekenmerkt door een verminderde hoeveelheid 1O2 (zie figuur S20).In het geval van SL Nb2CTx wordt MXene 1O2 gereduceerd tot ongeveer 83%.Voor microalgenculturen die SL gebruikten, nam Nb4C3TX 1O2 nog meer af, tot 73%.Interessant is dat veranderingen in 1O2 dezelfde trend vertoonden als het eerder waargenomen remmende stimulerende effect (zie figuur 3).Men kan stellen dat incubatie bij fel licht de foto-oxidatie kan veranderen.De resultaten van de controleanalyse toonden echter bijna constante niveaus van 1O2 tijdens het experiment (Fig. S22).In het geval van intracellulaire ROS-niveaus zagen we ook dezelfde neerwaartse trend (zie figuur S21).Aanvankelijk overtroffen de niveaus van ROS in microalgencellen gekweekt in de aanwezigheid van Nb2CTx en Nb4C3Tx SL's de niveaus die werden gevonden in pure culturen van microalgen.Uiteindelijk bleek echter dat de microalgen zich aanpasten aan de aanwezigheid van beide Nb-MXenen, aangezien ROS-niveaus daalden tot 85% en 91% van de niveaus gemeten in zuivere culturen van microalgen geïnoculeerd met respectievelijk SL Nb2CTx en Nb4C3TX.Dit kan erop wijzen dat microalgen zich na verloop van tijd prettiger voelen in de aanwezigheid van Nb-MXene dan alleen in een voedingsbodem.
Microalgen zijn een diverse groep fotosynthetische organismen.Tijdens de fotosynthese zetten ze koolstofdioxide (CO2) uit de lucht om in organische koolstof.De producten van fotosynthese zijn glucose en zuurstof79.We vermoeden dat de aldus gevormde zuurstof een cruciale rol speelt bij de oxidatie van Nb-MXenen.Een mogelijke verklaring hiervoor is dat de differentiële beluchtingsparameter wordt gevormd bij lage en hoge partiële zuurstofdrukken buiten en binnen de Nb-MXene nanoflakes.Dit betekent dat waar er gebieden zijn met verschillende partiële zuurstofdrukken, het gebied met het laagste niveau de anode 80, 81, 82 zal vormen. Hier dragen de microalgen bij aan de vorming van differentieel beluchte cellen op het oppervlak van de MXene-vlokken, die zuurstof produceren vanwege hun fotosynthetische eigenschappen.Hierdoor worden biocorrosieproducten (in dit geval niobiumoxiden) gevormd.Een ander aspect is dat microalgen organische zuren kunnen produceren die vrijkomen in het water83,84.Daarom wordt een agressieve omgeving gevormd, waardoor de Nb-MXenes veranderen.Bovendien kunnen microalgen de pH van de omgeving alkalisch maken door de opname van koolstofdioxide, wat ook corrosie kan veroorzaken79.
Wat nog belangrijker is, is dat de donkere/lichte fotoperiode die in onze studie wordt gebruikt, van cruciaal belang is voor het begrijpen van de verkregen resultaten.Dit aspect wordt in detail beschreven in Djemai-Zoghlache et al.85 Ze gebruikten bewust een fotoperiode van 12/12 uur om biocorrosie aan te tonen die verband houdt met biofouling door de rode microalg Porphyridium purpureum.Ze laten zien dat de fotoperiode geassocieerd is met de evolutie van het potentieel zonder biocorrosie, wat zich manifesteert als pseudoperiodieke oscillaties rond 24:00 uur.Deze waarnemingen werden bevestigd door Dowling et al.86 Ze demonstreerden fotosynthetische biofilms van cyanobacteriën Anabaena.Opgeloste zuurstof wordt gevormd onder invloed van licht, wat gepaard gaat met een verandering of fluctuaties in het vrije biocorrosiepotentieel.Het belang van de fotoperiode wordt benadrukt door het feit dat het vrije potentieel voor biocorrosie toeneemt in de lichte fase en afneemt in de donkere fase.Dit komt door de zuurstof geproduceerd door fotosynthetische microalgen, die de kathodische reactie beïnvloedt door de partiële druk die wordt gegenereerd in de buurt van de elektroden87.
Daarnaast werd Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) uitgevoerd om na te gaan of er veranderingen optraden in de chemische samenstelling van microalgencellen na interactie met Nb-MXenes.Deze verkregen resultaten zijn complex en we presenteren ze in SI (figuren S23-S25, inclusief de resultaten van de MAX-fase en ML MXenes).Kortom, de verkregen referentiespectra van microalgen geven ons belangrijke informatie over de chemische eigenschappen van deze organismen.Deze meest waarschijnlijke trillingen bevinden zich bij frequenties van 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.een.1 1 (C–H) en 3280 cm–1 (O–H).Voor SL Nb-MXenes vonden we een handtekening voor het uitrekken van de CH-binding die consistent is met onze vorige studie .We hebben echter waargenomen dat enkele extra pieken geassocieerd met C=C- en CH-bindingen verdwenen.Dit geeft aan dat de chemische samenstelling van microalgen kleine veranderingen kan ondergaan als gevolg van interactie met SL Nb-MXenes.
Bij het overwegen van mogelijke veranderingen in de biochemie van microalgen moet de accumulatie van anorganische oxiden, zoals niobiumoxide, worden heroverwogen59.Het is betrokken bij de opname van metalen door het celoppervlak, hun transport naar het cytoplasma, hun associatie met intracellulaire carboxylgroepen en hun accumulatie in polyfosfosomen van microalgen20,88,89,90.Bovendien wordt de relatie tussen microalgen en metalen in stand gehouden door functionele groepen cellen.Om deze reden hangt de absorptie ook af van de oppervlaktechemie van microalgen, wat vrij complex is9,91.Over het algemeen veranderde, zoals verwacht, de chemische samenstelling van groene microalgen enigszins als gevolg van de absorptie van Nb-oxide.
Interessant is dat de waargenomen initiële remming van microalgen in de loop van de tijd omkeerbaar was.Zoals we hebben waargenomen, overwonnen de microalgen de aanvankelijke omgevingsverandering en keerden uiteindelijk terug naar normale groeisnelheden en namen zelfs toe.Studies van het zeta-potentieel laten een hoge stabiliteit zien wanneer ze in voedingsmedia worden geïntroduceerd.Aldus bleef de oppervlakte-interactie tussen microalgencellen en Nb-MXeen-nanovlokken behouden tijdens de reductie-experimenten.In onze verdere analyse vatten we de belangrijkste werkingsmechanismen samen die ten grondslag liggen aan dit opmerkelijke gedrag van microalgen.
SEM-waarnemingen hebben aangetoond dat microalgen de neiging hebben zich te hechten aan Nb-MXenen.Met behulp van dynamische beeldanalyse bevestigen we dat dit effect leidt tot de transformatie van tweedimensionale Nb-MXeen-nanovlokken in meer bolvormige deeltjes, waarmee wordt aangetoond dat de ontleding van nanovlokken verband houdt met hun oxidatie.Om onze hypothese te testen, hebben we een reeks materiële en biochemische studies uitgevoerd.Na het testen oxideerden de nanovlokken geleidelijk en vielen ze uiteen in NbO- en Nb2O5-producten, die geen bedreiging vormden voor groene microalgen.Met behulp van FTIR-observatie vonden we geen significante veranderingen in de chemische samenstelling van microalgen die werden geïncubeerd in aanwezigheid van 2D Nb-MXene nanoflakes.Rekening houdend met de mogelijkheid van absorptie van niobiumoxide door microalgen, hebben we een röntgenfluorescentieanalyse uitgevoerd.Deze resultaten laten duidelijk zien dat de bestudeerde microalgen zich voeden met niobiumoxiden (NbO en Nb2O5), die niet giftig zijn voor de bestudeerde microalgen.