Dankie dat u Nature.com besoek het. U gebruik 'n blaaierweergawe met beperkte CSS-ondersteuning. Vir die beste ervaring beveel ons aan dat u 'n opgedateerde blaaier gebruik (of Verenigbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer). Intussen, om voortgesette ondersteuning te verseker, sal ons die webwerf sonder style en JavaScript weergee.
Wys 'n karrousel van drie skyfies gelyktydig. Gebruik die Vorige en Volgende knoppies om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg, of gebruik die skuifknoppies aan die einde om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg.
Die vinnige ontwikkeling van nanotegnologie en die integrasie daarvan in alledaagse toepassings kan die omgewing bedreig. Terwyl groen metodes vir die afbraak van organiese kontaminante goed gevestig is, is die herwinning van anorganiese kristallyne kontaminante van groot belang as gevolg van hul lae sensitiwiteit vir biotransformasie en 'n gebrek aan begrip van materiaaloppervlak-interaksies met biologiese kontaminante. Hier gebruik ons ​​'n Nb-gebaseerde anorganiese 2D MXene-model gekombineer met 'n eenvoudige vormparameteranalisemetode om die bioremediëringsmeganisme van 2D keramiek nanomateriale deur die groen mikroalge Raphidocelis subcapitata na te spoor. Ons het gevind dat mikroalge Nb-gebaseerde MXene afbreek as gevolg van oppervlakverwante fisies-chemiese interaksies. Aanvanklik is enkellaag- en meerlaag MXene-nanovlokkies aan die oppervlak van mikroalge geheg, wat die groei van alge ietwat verminder het. Na langdurige interaksie met die oppervlak het mikroalge egter MXene-nanovlokkies geoksideer en dit verder in NbO en Nb2O5 ontbind. Omdat hierdie oksiede nie-giftig is vir mikroalgeselle, verbruik hulle Nb-oksied-nanopartikels deur 'n absorpsiemeganisme wat die mikroalge verder herstel na 72 uur se waterbehandeling. Die effekte van voedingstowwe wat met absorpsie geassosieer word, word ook weerspieël in die toename in selvolume, hul gladde vorm en verandering in groeikoers. Gebaseer op hierdie bevindinge, kom ons tot die gevolgtrekking dat die kort- en langtermyn teenwoordigheid van Nb-gebaseerde MXene in varswater-ekosisteme slegs geringe omgewingsimpakte kan veroorsaak. Dit is noemenswaardig dat ons, deur tweedimensionele nanomateriale as modelstelsels te gebruik, die moontlikheid demonstreer om vormtransformasie selfs in fynkorrelmateriale op te spoor. Oor die algemeen beantwoord hierdie studie 'n belangrike fundamentele vraag oor oppervlakinteraksie-verwante prosesse wat die bioremediëringsmeganisme van 2D-nanomateriale dryf en bied 'n basis vir verdere kort- en langtermynstudies van die omgewingsimpak van anorganiese kristallyne nanomateriale.
Nanomateriale het sedert hul ontdekking baie belangstelling gewek, en verskeie nanotegnologieë het onlangs 'n moderniseringsfase betree1. Ongelukkig kan die integrasie van nanomateriale in alledaagse toepassings lei tot toevallige vrystellings as gevolg van onbehoorlike wegdoening, sorgelose hantering of onvoldoende veiligheidsinfrastruktuur. Daarom is dit redelik om aan te neem dat nanomateriale, insluitend tweedimensionele (2D) nanomateriale, in die natuurlike omgewing vrygestel kan word, waarvan die gedrag en biologiese aktiwiteit nog nie ten volle verstaan ​​word nie. Daarom is dit nie verbasend dat kommer oor ekotoksisiteit gefokus het op die vermoë van 2D-nanomateriale om in akwatiese stelsels te loog2,3,4,5,6 nie. In hierdie ekosisteme kan sommige 2D-nanomateriale met verskeie organismes op verskillende trofiese vlakke, insluitend mikroalge, interaksie hê.
Mikroalge is primitiewe organismes wat natuurlik in varswater- en mariene ekosisteme voorkom en 'n verskeidenheid chemiese produkte deur fotosintese produseer7. As sodanig is hulle krities vir akwatiese ekosisteme8,9,10,11,12, maar is ook sensitiewe, goedkoop en wyd gebruikte aanwysers van ekotoksisiteit13,14. Aangesien mikroalgeselle vinnig vermeerder en vinnig reageer op die teenwoordigheid van verskeie verbindings, is hulle belowend vir die ontwikkeling van omgewingsvriendelike metodes vir die behandeling van water wat met organiese stowwe besoedel is15,16.
Algeselle kan anorganiese ione uit water verwyder deur biosorpsie en akkumulasie17,18. Sommige algespesies soos Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue en Synechococcus sp. Daar is gevind dat dit giftige metaalione soos Fe2+, Cu2+, Zn2+ en Mn2+19 dra en selfs voed. Ander studies het getoon dat Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ of Pb2+ ione die groei van Scenedesmus beperk deur selmorfologie te verander en hul chloroplaste te vernietig20,21.
Groen metodes vir die ontbinding van organiese besoedelingstowwe en die verwydering van swaarmetaalione het die aandag van wetenskaplikes en ingenieurs regoor die wêreld getrek. Dit is hoofsaaklik te wyte aan die feit dat hierdie besoedelingstowwe maklik in die vloeibare fase verwerk word. Anorganiese kristallyne besoedelingstowwe word egter gekenmerk deur lae wateroplosbaarheid en lae vatbaarheid vir verskeie biotransformasies, wat groot probleme met remediëring veroorsaak, en min vordering is op hierdie gebied gemaak22,23,24,25,26. Dus bly die soeke na omgewingsvriendelike oplossings vir die herstel van nanomateriale 'n komplekse en onontginde gebied. As gevolg van die hoë mate van onsekerheid rakende die biotransformasie-effekte van 2D-nanomateriale, is daar geen maklike manier om die moontlike weë van hul afbraak tydens reduksie uit te vind nie.
In hierdie studie het ons groen mikroalge as 'n aktiewe waterige bioremediëringsmiddel vir anorganiese keramiekmateriale gebruik, gekombineer met in situ monitering van die afbraakproses van MXene as 'n verteenwoordiger van anorganiese keramiekmateriale. Die term "MXene" weerspieël die stoïgiometrie van die Mn+1XnTx-materiaal, waar M 'n vroeë oorgangsmetaal is, X koolstof en/of stikstof is, Tx 'n oppervlakterminator is (bv. -OH, -F, -Cl), en n = 1, 2, 3 of 427.28. Sedert die ontdekking van MXene deur Naguib et al. Sensorika, kankerterapie en membraanfiltrasie 27,29,30. Daarbenewens kan MXene as model 2D-stelsels beskou word as gevolg van hul uitstekende kolloïdale stabiliteit en moontlike biologiese interaksies 31,32,33,34,35,36.
Daarom word die metodologie wat in hierdie artikel ontwikkel is en ons navorsingshipoteses in Figuur 1 getoon. Volgens hierdie hipotese breek mikroalge Nb-gebaseerde MXene af in nie-giftige verbindings as gevolg van oppervlakverwante fisies-chemiese interaksies, wat verdere herstel van die alge moontlik maak. Om hierdie hipotese te toets, is twee lede van die familie van vroeë niobium-gebaseerde oorgangsmetaalkarbiede en/of nitriede (MXene), naamlik Nb2CTx en Nb4C3TX, gekies.
Navorsingsmetodologie en bewysgebaseerde hipoteses vir MXene-herwinning deur groen mikroalge Raphidocelis subcapitata. Let asseblief daarop dat hierdie slegs 'n skematiese voorstelling van bewysgebaseerde aannames is. Die meeromgewing verskil in die voedingsmedium wat gebruik word en die toestande (bv. daaglikse siklus en beperkings in beskikbare essensiële voedingstowwe). Geskep met BioRender.com.
Deur MXene as 'n modelstelsel te gebruik, het ons dus die deur oopgemaak vir die studie van verskeie biologiese effekte wat nie met ander konvensionele nanomateriale waargeneem kan word nie. In die besonder demonstreer ons die moontlikheid van bioremediëring van tweedimensionele nanomateriale, soos niobium-gebaseerde MXene, deur mikroalge Raphidocelis subcapitata. Mikroalge is in staat om Nb-MXene af te breek in die nie-giftige oksiede NbO en Nb2O5, wat ook voedingstowwe verskaf deur die niobium-opnamemeganisme. Oor die algemeen beantwoord hierdie studie 'n belangrike fundamentele vraag oor die prosesse wat verband hou met oppervlak-fisies-chemiese interaksies wat die meganismes van bioremediëring van tweedimensionele nanomateriale beheer. Daarbenewens ontwikkel ons 'n eenvoudige vormparameter-gebaseerde metode vir die opsporing van subtiele veranderinge in die vorm van 2D-nanomateriale. Dit inspireer verdere korttermyn- en langtermynnavorsing oor die verskeie omgewingsimpakte van anorganiese kristallyne nanomateriale. Dus verhoog ons studie die begrip van die interaksie tussen die materiaaloppervlak en biologiese materiaal. Ons bied ook die basis vir uitgebreide korttermyn- en langtermynstudies van hul moontlike impakte op varswater-ekosisteme, wat nou maklik geverifieer kan word.
MXene verteenwoordig 'n interessante klas materiale met unieke en aantreklike fisiese en chemiese eienskappe en dus baie potensiële toepassings. Hierdie eienskappe is grootliks afhanklik van hul stoïgiometrie en oppervlakchemie. Daarom het ons in ons studie twee tipes Nb-gebaseerde hiërargiese enkellaag (SL) MXene, Nb2CTx en Nb4C3TX, ondersoek, aangesien verskillende biologiese effekte van hierdie nanomateriale waargeneem kon word. MXene word uit hul uitgangsmateriale geproduseer deur top-down selektiewe etsing van atoomdun MAX-fase A-lae. Die MAX-fase is 'n ternêre keramiek wat bestaan ​​uit "gebonde" blokke oorgangsmetaalkarbiede en dun lae "A"-elemente soos Al, Si en Sn met MnAXn-1 stoïgiometrie. Die morfologie van die aanvanklike MAX-fase is waargeneem deur skandeerelektronmikroskopie (SEM) en was in ooreenstemming met vorige studies (Sien Aanvullende Inligting, SI, Figuur S1). Multilaag (ML) Nb-MXeen is verkry na die verwydering van die Al-laag met 48% HF (waterstoffluoorsuur). Die morfologie van ML-Nb2CTx en ML-Nb4C3TX is ondersoek deur skandeerelektronmikroskopie (SEM) (Figure S1c en S1d onderskeidelik) en 'n tipiese gelaagde MXeen-morfologie is waargeneem, soortgelyk aan tweedimensionele nanovlokkies wat deur verlengde porie-agtige splete beweeg. Beide Nb-MXene het baie in gemeen met MXeen-fases wat voorheen deur suur-etsing gesintetiseer is27,38. Nadat die struktuur van MXeen bevestig is, het ons dit gelaag deur interkalasie van tetrabutielammoniumhidroksied (TBAOH) gevolg deur was en sonikasie, waarna ons enkellaag- of laelaag (SL) 2D Nb-MXeen-nanovlokkies verkry het.
Ons het hoë-resolusie transmissie-elektronmikroskopie (HRTEM) en X-straaldiffraksie (XRD) gebruik om die doeltreffendheid van ets en verdere afskilfering te toets. Die HRTEM-resultate wat verwerk is met behulp van die Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) en Fast Fourier Transform (FFT) word in Fig. 2 getoon. Nb-MXeen nanovlokkies is met die rand na bo georiënteer om die struktuur van die atoomlaag na te gaan en die interplanêre afstande te meet. HRTEM-beelde van MXeen Nb2CTx en Nb4C3TX nanovlokkies het hul atoomdun gelaagde aard getoon (sien Fig. 2a1, a2), soos voorheen gerapporteer deur Naguib et al.27 en Jastrzębska et al.38. Vir twee aangrensende Nb2CTx en Nb4C3Tx monolae het ons tussenlaagafstande van onderskeidelik 0.74 en 1.54 nm bepaal (Fig. 2b1,b2), wat ook ooreenstem met ons vorige resultate38. Dit is verder bevestig deur die inverse vinnige Fourier-transform (Fig. 2c1, c2) en die vinnige Fourier-transform (Fig. 2d1, d2) wat die afstand tussen die Nb2CTx- en Nb4C3Tx-monolae toon. Die beeld toon 'n afwisseling van ligte en donker bande wat ooreenstem met niobium- en koolstofatome, wat die gelaagde aard van die bestudeerde MXene bevestig. Dit is belangrik om daarop te let dat die energiedispersiewe X-straalspektroskopie (EDX)-spektra wat vir Nb2CTx en Nb4C3Tx verkry is (Figure S2a en S2b) geen oorblyfsel van die oorspronklike MAX-fase getoon het nie, aangesien geen Al-piek waargeneem is nie.
Karakterisering van SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene nanovlokkies, insluitend (a) hoë-resolusie elektronmikroskopie (HRTEM) sy-aansig 2D nanovlokkie beelding en ooreenstemmende, (b) intensiteitsmodus, (c) inverse vinnige Fourier-transform (IFFT), (d) vinnige Fourier-transform (FFT), (e) Nb-MXene X-straalpatrone. Vir SL 2D Nb2CTx word die getalle uitgedruk as (a1, b1, c1, d1, e1). Vir SL 2D Nb4C3Tx word die getalle uitgedruk as (a2, b2, c2, d2, e1).
X-straaldiffraksiemetings van SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene word onderskeidelik in Fig. 2e1 en e2 getoon. Pieke (002) by 4.31 en 4.32 stem ooreen met die voorheen beskryfde gelaagde MXene Nb2CTx en Nb4C3TX38,39,40,41 onderskeidelik. Die XRD-resultate dui ook op die teenwoordigheid van sommige oorblywende ML-strukture en MAX-fases, maar meestal XRD-patrone wat met SL Nb4C3Tx geassosieer word (Fig. 2e2). Die teenwoordigheid van kleiner deeltjies van die MAX-fase kan die sterker MAX-piek verklaar in vergelyking met die lukraak gestapelde Nb4C3Tx-lae.
Verdere navorsing het gefokus op groen mikroalge wat tot die spesie R. subcapitata behoort. Ons het mikroalge gekies omdat hulle belangrike produsente is wat betrokke is by groot voedselwebbe42. Hulle is ook een van die beste aanwysers van toksisiteit as gevolg van die vermoë om giftige stowwe te verwyder wat na hoër vlakke van die voedselketting gedra word43. Daarbenewens kan navorsing oor R. subcapitata lig werp op die toevallige toksisiteit van SL Nb-MXene vir algemene varswater-mikroörganismes. Om dit te illustreer, het die navorsers gehipotetiseer dat elke mikrobe 'n ander sensitiwiteit het vir giftige verbindings wat in die omgewing teenwoordig is. Vir die meeste organismes beïnvloed lae konsentrasies van stowwe nie hul groei nie, terwyl konsentrasies bo 'n sekere limiet hulle kan inhibeer of selfs die dood kan veroorsaak. Daarom het ons, vir ons studies van die oppervlakinteraksie tussen mikroalge en MXene en die gepaardgaande herstel, besluit om die onskadelike en giftige konsentrasies van Nb-MXene te toets. Om dit te doen, het ons konsentrasies van 0 (as 'n verwysing), 0.01, 0.1 en 10 mg l-1 MXeen getoets en addisioneel mikroalge met baie hoë konsentrasies MXeen (100 mg l-1 MXeen) besmet, wat ekstreem en dodelik kan wees. . vir enige biologiese omgewing.
Die effekte van SL Nb-MXene op mikroalge word in Figuur 3 getoon, uitgedruk as die persentasie groeibevordering (+) of inhibisie (-) gemeet vir 0 mg l-1 monsters. Ter vergelyking is die Nb-MAX-fase en ML Nb-MXene ook getoets en die resultate word in SI getoon (sien Fig. S3). Die resultate wat verkry is, het bevestig dat SL Nb-MXene byna heeltemal vry van toksisiteit is in die reeks van lae konsentrasies van 0.01 tot 10 mg/l, soos getoon in Fig. 3a,b. In die geval van Nb2CTx het ons nie meer as 5% ekotoksisiteit in die gespesifiseerde reeks waargeneem nie.
Stimulasie (+) of inhibisie (-) van mikroalgegroei in die teenwoordigheid van SL (a) Nb2CTx en (b) Nb4C3TX MXene. 24, 48 en 72 uur van MXene-mikroalge-interaksie is geanaliseer. Beduidende data (t-toets, p < 0.05) is met 'n asterisk (*) gemerk. Beduidende data (t-toets, p < 0.05) is met 'n asterisk (*) gemerk. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Beduidende data (t-toets, p < 0.05) word met 'n asterisk (*) gemerk.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-toets, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Belangrike data (t-toets, p < 0.05) word met 'n asterisk (*) gemerk.Rooi pyle dui die afskaffing van inhiberende stimulasie aan.
Aan die ander kant het lae konsentrasies van Nb4C3TX effens meer toksies geblyk te wees, maar nie hoër as 7% nie. Soos verwag, het ons waargeneem dat MXene hoër toksisiteit en mikroalgegroei-inhibisie by 100 mg L-1 gehad het. Interessant genoeg het geeneen van die materiale dieselfde tendens en tydafhanklikheid van atoksiese/toksiese effekte getoon in vergelyking met die MAX- of ML-monsters nie (sien SI vir besonderhede). Terwyl die toksisiteit vir die MAX-fase (sien Fig. S3) ongeveer 15-25% bereik het en met tyd toegeneem het, is die omgekeerde tendens waargeneem vir SL Nb2CTx en Nb4C3TX MXene. Die inhibisie van mikroalgegroei het mettertyd afgeneem. Dit het ongeveer 17% na 24 uur bereik en na 72 uur tot minder as 5% gedaal (Fig. 3a, b, onderskeidelik).
Meer belangrik, vir SL Nb4C3TX, het die inhibisie van mikroalgegroei ongeveer 27% na 24 uur bereik, maar na 72 uur het dit tot ongeveer 1% afgeneem. Daarom het ons die waargenome effek as inverse inhibisie van stimulasie bestempel, en die effek was sterker vir SL Nb4C3TX MXene. Die stimulasie van mikroalgegroei is vroeër opgemerk met Nb4C3TX (interaksie teen 10 mg L-1 vir 24 uur) in vergelyking met SL Nb2CTx MXene. Die inhibisie-stimulasie-omkeringseffek is ook goed getoon in die biomassa-verdubbelingstempo-kurwe (sien Fig. S4 vir besonderhede). Tot dusver is slegs die ekotoksisiteit van Ti3C2TX MXene op verskillende maniere bestudeer. Dit is nie toksies vir sebravis-embrio's44 nie, maar matig ekotoksies vir die mikroalge Desmodesmus quadricauda en Sorghum saccharatum-plante45. Ander voorbeelde van spesifieke effekte sluit in hoër toksisiteit vir kankersellyne as vir normale sellyne46,47. Daar kan aanvaar word dat die toetstoestande die veranderinge in mikroalgegroei wat in die teenwoordigheid van Nb-MXene waargeneem word, sou beïnvloed. Byvoorbeeld, 'n pH van ongeveer 8 in die chloroplaststroma is optimaal vir die doeltreffende werking van die RuBisCO-ensiem. Daarom beïnvloed pH-veranderinge die tempo van fotosintese negatief48,49. Ons het egter nie beduidende veranderinge in pH tydens die eksperiment waargeneem nie (sien SI, Fig. S5 vir besonderhede). Oor die algemeen het kulture van mikroalge met Nb-MXene die pH van die oplossing oor tyd effens verminder. Hierdie afname was egter soortgelyk aan 'n verandering in die pH van 'n suiwer medium. Daarbenewens was die reeks variasies wat gevind is soortgelyk aan dié wat gemeet is vir 'n suiwer kultuur van mikroalge (kontrolemonster). Dus kom ons tot die gevolgtrekking dat fotosintese nie beïnvloed word deur veranderinge in pH oor tyd nie.
Daarbenewens het die gesintetiseerde MXene oppervlak-eindpunte (aangedui as Tx). Dit is hoofsaaklik funksionele groepe -O, -F en -OH. Oppervlakchemie hou egter direk verband met die sintesemetode. Hierdie groepe is bekend daarvoor dat hulle ewekansig oor die oppervlak versprei is, wat dit moeilik maak om hul effek op die eienskappe van MXene50 te voorspel. Daar kan aangevoer word dat Tx die katalitiese krag vir die oksidasie van niobium deur lig kan wees. Oppervlakfunksionele groepe bied inderdaad veelvuldige ankerplekke vir hul onderliggende fotokatalisators om heterojuncties51 te vorm. Die groeimediumsamestelling het egter nie 'n effektiewe fotokatalisator verskaf nie (gedetailleerde mediumsamestelling kan in SI Tabel S6 gevind word). Daarbenewens is enige oppervlakmodifikasie ook baie belangrik, aangesien die biologiese aktiwiteit van MXene verander kan word as gevolg van laagnaverwerking, oksidasie, chemiese oppervlakmodifikasie van organiese en anorganiese verbindings52,53,54,55,56 of oppervlakladingsingenieurswese38. Om dus te toets of niobiumoksied enigiets te doen het met materiaalonstabiliteit in die medium, het ons studies van die zeta (ζ) potensiaal in mikroalge-groeimedium en gedeïoniseerde water uitgevoer (ter vergelyking). Ons resultate toon dat SL Nb-MXene redelik stabiel is (sien SI Fig. S6 vir MAX- en ML-resultate). Die zeta-potensiaal van SL MXene is ongeveer -10 mV. In die geval van SR Nb2CTx is die waarde van ζ ietwat meer negatief as dié van Nb4C3Tx. So 'n verandering in die ζ-waarde kan aandui dat die oppervlak van negatief gelaaide MXene-nanovlokkies positief gelaaide ione uit die kultuurmedium absorbeer. Temporale metings van die zeta-potensiaal en geleidingsvermoë van Nb-MXene in kultuurmedium (sien Figure S7 en S8 in SI vir meer besonderhede) blyk ons ​​hipotese te ondersteun.
Beide Nb-MXene SL'e het egter minimale veranderinge van nul getoon. Dit demonstreer duidelik hul stabiliteit in die mikroalge-groeimedium. Daarbenewens het ons bepaal of die teenwoordigheid van ons groen mikroalge die stabiliteit van Nb-MXene in die medium sou beïnvloed. Die resultate van die zeta-potensiaal en geleidingsvermoë van MXene na interaksie met mikroalge in voedingsmedia en kultuur oor tyd kan in SI gevind word (Figure S9 en S10). Interessant genoeg het ons opgemerk dat die teenwoordigheid van mikroalge die verspreiding van beide MXene blykbaar gestabiliseer het. In die geval van Nb2CTx SL het die zeta-potensiaal selfs effens afgeneem oor tyd tot meer negatiewe waardes (-15.8 teenoor -19.1 mV na 72 uur inkubasie). Die zeta-potensiaal van SL Nb4C3TX het effens toegeneem, maar na 72 uur het dit steeds hoër stabiliteit getoon as nanovlokkies sonder die teenwoordigheid van mikroalge (-18.1 teenoor -9.1 mV).
Ons het ook laer geleidingsvermoë van Nb-MXeen-oplossings gevind wat in die teenwoordigheid van mikroalge geïnkubeer is, wat dui op 'n laer hoeveelheid ione in die voedingsmedium. Dit is opmerklik dat die onstabiliteit van MXene in water hoofsaaklik te wyte is aan oppervlakoksidasie57. Daarom vermoed ons dat groen mikroalge op die een of ander manier die oksiede wat op die oppervlak van Nb-MXeen gevorm is, skoongemaak het en selfs hul voorkoms (oksidasie van MXeen) voorkom het. Dit kan gesien word deur die tipes stowwe wat deur mikroalge geabsorbeer word, te bestudeer.
Terwyl ons ekotoksikologiese studies aangedui het dat mikroalge die toksisiteit van Nb-MXene oor tyd en die ongewone inhibisie van gestimuleerde groei kon oorkom, was die doel van ons studie om moontlike werkingsmeganismes te ondersoek. Wanneer organismes soos alge blootgestel word aan verbindings of materiale wat onbekend is aan hul ekosisteme, kan hulle op 'n verskeidenheid maniere reageer58,59. In die afwesigheid van giftige metaaloksiede kan mikroalge hulself voed, wat hulle toelaat om voortdurend te groei60. Na inname van giftige stowwe kan verdedigingsmeganismes geaktiveer word, soos om van vorm of gedaante te verander. Die moontlikheid van absorpsie moet ook oorweeg word58,59. Dit is opmerklik dat enige teken van 'n verdedigingsmeganisme 'n duidelike aanduiding is van die toksisiteit van die toetsverbinding. Daarom het ons in ons verdere werk die potensiële oppervlakinteraksie tussen SL Nb-MXene-nanovlokkies en mikroalge deur SEM en die moontlike absorpsie van Nb-gebaseerde MXene deur X-straalfluoresensiespektroskopie (XRF) ondersoek. Let daarop dat SEM- en XRF-ontledings slegs teen die hoogste konsentrasie MXene uitgevoer is om aktiwiteitstoksisiteitskwessies aan te spreek.
Die SEM-resultate word in Fig. 4 getoon. Onbehandelde mikroalgeselle (sien Fig. 4a, verwysingsmonster) het duidelik tipiese R. subcapitata-morfologie en croissant-agtige selvorm getoon. Selle lyk plat en ietwat ongeorganiseerd. Sommige mikroalgeselle het oorvleuel en verstrengel met mekaar, maar dit is waarskynlik veroorsaak deur die monstervoorbereidingsproses. Oor die algemeen het suiwer mikroalgeselle 'n gladde oppervlak gehad en geen morfologiese veranderinge getoon nie.
SEM-beelde wat oppervlakinteraksie tussen groen mikroalge en MXeen-nanovelle toon na 72 uur se interaksie teen uiterste konsentrasie (100 mg L-1). (a) Onbehandelde groen mikroalge na interaksie met SL (b) Nb2CTx en (c) Nb4C3TX MXene. Let daarop dat die Nb-MXeen-nanovlokkies met rooi pyle gemerk is. Ter vergelyking word foto's van 'n optiese mikroskoop ook bygevoeg.
In teenstelling hiermee is mikroalgeselle wat deur SL Nb-MXene-nanovlokkies geadsorbeer is, beskadig (sien Fig. 4b, c, rooi pyle). In die geval van Nb2CTx MXene (Fig. 4b), is mikroalge geneig om te groei met aangehegte tweedimensionele nanoskale, wat hul morfologie kan verander. Dit is opmerklik dat ons hierdie veranderinge ook onder ligmikroskopie waargeneem het (sien SI Figuur S11 vir besonderhede). Hierdie morfologiese oorgang het 'n geloofwaardige basis in die fisiologie van mikroalge en hul vermoë om hulself te verdedig deur selmorfologie te verander, soos om selvolume te verhoog61. Daarom is dit belangrik om die aantal mikroalgeselle wat eintlik in kontak met Nb-MXene is, na te gaan. SEM-studies het getoon dat ongeveer 52% van mikroalgeselle aan Nb-MXene blootgestel is, terwyl 48% van hierdie mikroalgeselle kontak vermy het. Vir SL Nb4C3Tx MXene probeer mikroalge kontak met MXene vermy, waardeur hulle tweedimensionele nanoskale lokaliseer en groei (Fig. 4c). Ons het egter nie die penetrasie van nanoskale in mikroalgeselle en hul skade waargeneem nie.
Selfbehoud is ook 'n tydafhanklike reaksiegedrag op die blokkering van fotosintese as gevolg van die adsorpsie van deeltjies op die seloppervlak en die sogenaamde skadu-effek62. Dit is duidelik dat elke voorwerp (byvoorbeeld Nb-MXeen-nanovlokkies) wat tussen die mikroalge en die ligbron is, die hoeveelheid lig wat deur die chloroplaste geabsorbeer word, beperk. Ons twyfel egter nie dat dit 'n beduidende impak op die resultate het nie. Soos getoon deur ons mikroskopiese waarnemings, was die 2D-nanovlokkies nie volledig toegedraai of aan die oppervlak van die mikroalge geheg nie, selfs toe die mikroalgeselle in kontak was met Nb-MXene. In plaas daarvan het nanovlokkies geblyk om op mikroalgeselle georiënteer te wees sonder om hul oppervlak te bedek. So 'n stel nanovlokkies/mikroalge kan nie die hoeveelheid lig wat deur mikroalgeselle geabsorbeer word, beduidend beperk nie. Boonop het sommige studies selfs 'n verbetering in ligabsorpsie deur fotosintetiese organismes in die teenwoordigheid van tweedimensionele nanomateriale63,64,65,66 getoon.
Aangesien SEM-beelde nie die opname van niobium deur mikroalgeselle direk kon bevestig nie, het ons verdere studie na X-straalfluoresensie (XRF) en X-straalfotoelektronspektroskopie (XPS) analise gekyk om hierdie kwessie op te klaar. Daarom het ons die intensiteit van die Nb-pieke van verwysings-mikroalgemonsters wat nie met MXene interaksie gehad het nie, MXeen-nanovlokkies wat van die oppervlak van mikroalgeselle losgemaak het, en mikroalgeselle na die verwydering van aangehegte MXene vergelyk. Dit is opmerklik dat indien daar geen Nb-opname is nie, die Nb-waarde wat deur die mikroalgeselle verkry word, nul moet wees na die verwydering van die aangehegte nanoskale. Daarom, indien Nb-opname plaasvind, behoort beide XRF- en XPS-resultate 'n duidelike Nb-piek te toon.
In die geval van XRF-spektra het mikroalgemonsters Nb-pieke vir SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene getoon na interaksie met SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene (sien Fig. 5a, let ook daarop dat die resultate vir MAX en ML MXene in SI, Fig. S12–C17 getoon word). Interessant genoeg is die intensiteit van die Nb-piek in beide gevalle dieselfde (rooi stawe in Fig. 5a). Dit het aangedui dat die alge nie meer Nb kon absorbeer nie, en die maksimum kapasiteit vir Nb-akkumulasie is in die selle bereik, alhoewel twee keer meer Nb4C3Tx MXene aan die mikroalgeselle geheg is (blou stawe in Fig. 5a). Dit is opmerklik dat die vermoë van mikroalge om metale te absorbeer, afhang van die konsentrasie van metaaloksiede in die omgewing67,68. Shamshada et al.67 het bevind dat die absorpsievermoë van varswateralge afneem met toenemende pH. Raize et al.68 het opgemerk dat die vermoë van seewier om metale te absorbeer ongeveer 25% hoër was vir Pb2+ as vir Ni2+.
(a) XRF-resultate van basale Nb-opname deur groen mikroalgeselle geïnkubeer teen 'n uiterste konsentrasie SL Nb-MXene (100 mg L-1) vir 72 uur. Die resultate toon die teenwoordigheid van α in suiwer mikroalgeselle (kontrolemonster, grys kolomme), 2D-nanovlokkies geïsoleer van oppervlak-mikroalgeselle (blou kolomme), en mikroalgeselle na skeiding van 2D-nanovlokkies van die oppervlak (rooi kolomme). Die hoeveelheid elementêre Nb, (b) persentasie van chemiese samestelling van mikroalge organiese komponente (C=O en CHx/C–O) en Nb-oksiede teenwoordig in mikroalgeselle na inkubasie met SL Nb-MXene, (c–e) Passing van die samestellingspiek van XPS SL Nb2CTx spektra en (fh) SL Nb4C3Tx MXene geïnternaliseer deur mikroalgeselle.
Daarom het ons verwag dat Nb deur algeselle in die vorm van oksiede geabsorbeer kon word. Om dit te toets, het ons XPS-studies op MXene Nb2CTx en Nb4C3TX en algeselle uitgevoer. Die resultate van die interaksie van mikroalge met Nb-MXene en MXene wat uit algeselle geïsoleer is, word in Fig. 5b getoon. Soos verwag, het ons Nb 3d-pieke in die mikroalgemonsters opgespoor na verwydering van MXene van die oppervlak van die mikroalge. Die kwantitatiewe bepaling van C=O-, CHx/CO- en Nb-oksiede is bereken op grond van die Nb 3d-, O 1s- en C 1s-spektra wat verkry is met Nb2CTx SL (Fig. 5c–e) en Nb4C3Tx SL (Fig. 5c–e). ) verkry van geïnkubeerde mikroalge. Figuur 5f–h) MXene. Tabel S1-3 toon die besonderhede van die piekparameters en algehele chemie wat voortspruit uit die passing. Dit is noemenswaardig dat die Nb 3d-streke van Nb2CTx SL en Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) ooreenstem met een Nb2O5-komponent. Hier het ons geen MXeen-verwante pieke in die spektra gevind nie, wat aandui dat mikroalgeselle slegs die oksiedvorm van Nb absorbeer. Daarbenewens het ons die C1s-spektrum benader met die C–C, CHx/C–O, C=O en –COOH-komponente. Ons het die CHx/C–O en C=O-pieke toegeken aan die organiese bydrae van mikroalgeselle. Hierdie organiese komponente is verantwoordelik vir onderskeidelik 36% en 41% van die C1s-pieke in Nb2CTx SL en Nb4C3TX SL. Ons het toe die O1s-spektra van SL Nb2CTx en SL Nb4C3TX gepas met Nb2O5, organiese komponente van mikroalge (CHx/CO) en oppervlak-geadsorbeerde water.
Laastens het die XPS-resultate duidelik die vorm van Nb aangedui, nie net die teenwoordigheid daarvan nie. Volgens die posisie van die Nb 3d-sein en die resultate van die dekonvolusie, bevestig ons dat Nb slegs in die vorm van oksiede geabsorbeer word en nie ione of MXeen self nie. Daarbenewens het XPS-resultate getoon dat mikroalgeselle 'n groter vermoë het om Nb-oksiede van SL Nb2CTx op te neem in vergelyking met SL Nb4C3TX MXeen.
Alhoewel ons Nb-opnameresultate indrukwekkend is en ons toelaat om MXeen-afbraak te identifiseer, is daar geen metode beskikbaar om geassosieerde morfologiese veranderinge in 2D-nanovlokkies op te spoor nie. Daarom het ons ook besluit om 'n geskikte metode te ontwikkel wat direk kan reageer op enige veranderinge wat in 2D Nb-MXeen-nanovlokkies en mikroalgeselle plaasvind. Dit is belangrik om daarop te let dat ons aanvaar dat as die interaktiewe spesies enige transformasie, ontbinding of defragmentasie ondergaan, dit vinnig moet manifesteer as veranderinge in vormparameters, soos die deursnee van die ekwivalente sirkelvormige area, rondheid, Feret-wydte of Feret-lengte. Aangesien hierdie parameters geskik is vir die beskrywing van verlengde deeltjies of tweedimensionele nanovlokkies, sal hul opsporing deur dinamiese deeltjievormanalise ons waardevolle inligting gee oor die morfologiese transformasie van SL Nb-MXeen-nanovlokkies tydens reduksie.
Die resultate wat verkry is, word in Figuur 6 getoon. Ter vergelyking het ons ook die oorspronklike MAX-fase en ML-MXene getoets (sien SI Figure S18 en S19). Dinamiese analise van deeltjievorm het getoon dat alle vormparameters van twee Nb-MXene SL's beduidend verander het na interaksie met mikroalge. Soos getoon deur die ekwivalente sirkelvormige area-diameterparameter (Fig. 6a, b), dui die verminderde piekintensiteit van die fraksie groot nanovlokkies daarop dat hulle geneig is om in kleiner fragmente te verval. Op fig. 6c toon d 'n afname in die pieke wat verband hou met die transversale grootte van die vlokkies (verlenging van die nanovlokkies), wat dui op die transformasie van 2D-nanovlokkies in 'n meer deeltjieagtige vorm. Figuur 6e-h toon onderskeidelik die breedte en lengte van die Feret. Feret-breedte en -lengte is komplementêre parameters en moet dus saam beskou word. Na inkubasie van 2D Nb-MXene-nanovlokkies in die teenwoordigheid van mikroalge, het hul Feret-korrelasiepieke verskuif en hul intensiteit afgeneem. Gebaseer op hierdie resultate in kombinasie met morfologie, XRF en XPS, het ons tot die gevolgtrekking gekom dat die waargenome veranderinge sterk verband hou met oksidasie, aangesien geoksideerde MXene meer gekreukel word en in fragmente en sferiese oksieddeeltjies afbreek69,70.
Analise van MXeen-transformasie na interaksie met groen mikroalge. Dinamiese deeltjievormanalise neem parameters soos (a, b) deursnee van die ekwivalente sirkelvormige area, (c, d) rondheid, (e, f) Fretbreedte en (g, h) Fretlengte in ag. Vir hierdie doel is twee verwysingsmikroalgemonsters saam met primêre SL Nb2CTx en SL Nb4C3Tx MXene, SL Nb2CTx en SL Nb4C3Tx MXene, gedegradeerde mikroalge, en behandelde mikroalge SL Nb2CTx en SL Nb4C3Tx MXene geanaliseer. Die rooi pyle toon die oorgange van die vormparameters van die bestudeerde tweedimensionele nanovlokkies.
Aangesien vormparameteranalise baie betroubaar is, kan dit ook morfologiese veranderinge in mikroalgeselle openbaar. Daarom het ons die ekwivalente sirkelvormige area-deursnee, rondheid en Feret-breedte/lengte van suiwer mikroalgeselle en selle na interaksie met 2D Nb-nanovlokkies geanaliseer. Fig. 6a-h toon veranderinge in die vormparameters van algeselle, soos blyk uit 'n afname in piekintensiteit en 'n verskuiwing van maksima na hoër waardes. In die besonder het selrondheidsparameters 'n afname in verlengde selle en 'n toename in sferiese selle getoon (Fig. 6a, b). Daarbenewens het Feret-selwydte met 'n paar mikrometer toegeneem na interaksie met SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) in vergelyking met SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f). Ons vermoed dat dit moontlik is as gevolg van die sterk opname van Nb-oksiede deur mikroalge na interaksie met Nb2CTx SR. Minder rigiede aanhegting van Nb-vlokkies aan hul oppervlak kan lei tot selgroei met minimale skadu-effek.
Ons waarnemings van veranderinge in die parameters van die vorm en grootte van mikroalge komplementeer ander studies. Groen mikroalge kan hul morfologie verander in reaksie op omgewingsstres deur selgrootte, vorm of metabolisme te verander61. Byvoorbeeld, die verandering van die grootte van selle vergemaklik die absorpsie van voedingstowwe71. Kleiner algeselle toon laer voedingstofopname en 'n verswakte groeikoers. Omgekeerd is groter selle geneig om meer voedingstowwe te verbruik, wat dan intrasellulêr neergelê word72,73. Machado en Soares het bevind dat die swamdoder triklosan selgrootte kan verhoog. Hulle het ook diepgaande veranderinge in die vorm van die alge gevind74. Daarbenewens het Yin et al.9 ook morfologiese veranderinge in alge aan die lig gebring na blootstelling aan gereduseerde grafeenoksied-nanokomposiete. Daarom is dit duidelik dat die veranderde grootte/vormparameters van die mikroalge veroorsaak word deur die teenwoordigheid van MXeen. Aangesien hierdie verandering in grootte en vorm aanduidend is van veranderinge in voedingstofopname, glo ons dat analise van grootte- en vormparameters oor tyd die opname van niobiumoksied deur mikroalge in die teenwoordigheid van Nb-MXene kan demonstreer.
Boonop kan MXene in die teenwoordigheid van alge geoksideer word. Dalai et al.75 het waargeneem dat die morfologie van groen alge wat aan nano-TiO2 en Al2O376 blootgestel is, nie uniform was nie. Alhoewel ons waarnemings soortgelyk is aan die huidige studie, is dit slegs relevant vir die studie van die effekte van bioremediëring in terme van MXene-afbraakprodukte in die teenwoordigheid van 2D-nanovlokkies en nie nanopartikels nie. Aangesien MXene in metaaloksiede kan afbreek,31,32,77,78 is dit redelik om aan te neem dat ons Nb-nanovlokkies ook Nb-oksiede kan vorm na interaksie met mikroalgeselle.
Om die reduksie van 2D-Nb-nanovlokkies deur 'n ontbindingsmeganisme gebaseer op die oksidasieproses te verduidelik, het ons studies uitgevoer met behulp van hoë-resolusie transmissie-elektronmikroskopie (HRTEM) (Fig. 7a,b) en X-straal foto-elektronspektroskopie (XPS) (Fig. 7). 7c-i en tabelle S4-5). Beide benaderings is geskik vir die bestudering van die oksidasie van 2D-materiale en komplementeer mekaar. HRTEM is in staat om die afbraak van tweedimensionele gelaagde strukture en die daaropvolgende voorkoms van metaaloksied-nanopartikels te analiseer, terwyl XPS sensitief is vir oppervlakbindings. Vir hierdie doel het ons 2D Nb-MXeen-nanovlokkies getoets wat uit mikroalge-seldispersies onttrek is, dit wil sê hul vorm na interaksie met mikroalgeselle (sien Fig. 7).
HRTEM-beelde wat die morfologie van geoksideerde (a) SL Nb2CTx en (b) SL Nb4C3Tx MXene toon, XPS-analiseresultate wat (c) die samestelling van oksiedprodukte na reduksie toon, (d–f) piekooreenstemming van komponente van die XPS-spektra van SL Nb2CTx en (g–i) Nb4C3Tx SL wat met groen mikroalge herstel is.
HRTEM-studies het die oksidasie van twee tipes Nb-MXeen-nanovlokkies bevestig. Alhoewel die nanovlokkies hul tweedimensionele morfologie tot 'n mate behou het, het oksidasie gelei tot die verskyning van baie nanopartikels wat die oppervlak van die MXeen-nanovlokkies bedek (sien Fig. 7a,b). XPS-analise van c Nb 3d- en O 1s-seine het aangedui dat Nb-oksiede in beide gevalle gevorm is. Soos getoon in Figuur 7c, het 2D MXeen Nb2CTx en Nb4C3TX Nb 3d-seine wat die teenwoordigheid van NbO- en Nb2O5-oksiede aandui, terwyl O 1s-seine die aantal O-Nb-bindings aandui wat verband hou met funksionalisering van die 2D-nanovlokkie-oppervlak. Ons het opgemerk dat die Nb-oksiedbydrae dominant is in vergelyking met Nb-C en Nb3+-O.
Op fig. Figure 7g–i toon die XPS-spektra van Nb3d, C1s en O1s SL Nb2CTx (sien Fig. 7d–f) en SL Nb4C3TX MXeen wat uit mikroalgeselle geïsoleer is. Besonderhede van Nb-MXene se piekparameters word onderskeidelik in Tabelle S4–5 verskaf. Ons het eers die samestelling van Nb3d geanaliseer. In teenstelling met Nb wat deur mikroalgeselle geabsorbeer word, is ander komponente in MXeen wat uit mikroalgeselle geïsoleer is, behalwe Nb2O5, gevind. In die Nb2CTx SL het ons die bydrae van Nb3+-O in die hoeveelheid van 15% waargeneem, terwyl die res van die Nb3d-spektrum deur Nb2O5 (85%) oorheers is. Daarbenewens bevat die SL Nb4C3TX-monster Nb-C (9%) en Nb2O5 (91%) komponente. Hier kom Nb-C van twee binneste atoomlae van metaalkarbied in Nb4C3Tx SR. Ons karteer dan die C1s-spektra na vier verskillende komponente, soos ons in die geïnternaliseerde monsters gedoen het. Soos verwag, word die C1s-spektrum oorheers deur grafitiese koolstof, gevolg deur bydraes van organiese deeltjies (CHx/CO en C=O) van mikroalgeselle. Daarbenewens het ons in die O1s-spektrum die bydrae van organiese vorme van mikroalgeselle, niobiumoksied en geadsorbeerde water waargeneem.
Daarbenewens het ons ondersoek of Nb-MXene-splitsing geassosieer word met die teenwoordigheid van reaktiewe suurstofspesies (ROS) in die voedingsmedium en/of mikroalgeselle. Vir hierdie doel het ons die vlakke van enkelvoudige suurstof (1O2) in die kweekmedium en intrasellulêre glutatioon, 'n tiol wat as 'n antioksidant in mikroalge optree, geassesseer. Die resultate word in SI (Figure S20 en S21) getoon. Kulture met SL Nb2CTx en Nb4C3TX MXene is gekenmerk deur 'n verminderde hoeveelheid 1O2 (sien Figuur S20). In die geval van SL Nb2CTx word MXene 1O2 verminder tot ongeveer 83%. Vir mikroalgekulture wat SL gebruik, het Nb4C3TX 1O2 selfs meer afgeneem, tot 73%. Interessant genoeg het veranderinge in 1O2 dieselfde tendens getoon as die voorheen waargenome inhiberende-stimulerende effek (sien Fig. 3). Daar kan aangevoer word dat inkubasie in helder lig fotooksidasie kan verander. Die resultate van die kontrole-analise het egter byna konstante vlakke van 1O2 tydens die eksperiment getoon (Fig. S22). In die geval van intrasellulêre ROS-vlakke het ons ook dieselfde afwaartse neiging waargeneem (sien Figuur S21). Aanvanklik het die vlakke van ROS in mikroalgeselle wat in die teenwoordigheid van Nb2CTx en Nb4C3Tx SL's gekweek is, die vlakke wat in suiwer kulture van mikroalge gevind is, oorskry. Uiteindelik het dit egter geblyk dat die mikroalge aangepas het by die teenwoordigheid van beide Nb-MXene, aangesien ROS-vlakke afgeneem het tot 85% en 91% van die vlakke wat gemeet is in suiwer kulture van mikroalge wat onderskeidelik met SL Nb2CTx en Nb4C3TX ingeënt is. Dit kan aandui dat mikroalge mettertyd gemakliker voel in die teenwoordigheid van Nb-MXene as in voedingsmedium alleen.
Mikroalge is 'n diverse groep fotosintetiese organismes. Tydens fotosintese skakel hulle atmosferiese koolstofdioksied (CO2) om in organiese koolstof. Die produkte van fotosintese is glukose en suurstof79. Ons vermoed dat die suurstof wat so gevorm word 'n kritieke rol speel in die oksidasie van Nb-MXene. Een moontlike verduideliking hiervoor is dat die differensiële belugtingsparameter gevorm word by lae en hoë parsiële suurstofdrukke buite en binne die Nb-MXene-nanovlokkies. Dit beteken dat waar daar ook al areas van verskillende parsiële suurstofdrukke is, die area met die laagste vlak die anode 80, 81, 82 sal vorm. Hier dra die mikroalge by tot die skepping van differensieel belugte selle op die oppervlak van die MXene-vlokkies, wat suurstof produseer as gevolg van hul fotosintetiese eienskappe. Gevolglik word biokorrosieprodukte (in hierdie geval niobiumoksiede) gevorm. Nog 'n aspek is dat mikroalge organiese sure kan produseer wat in die water vrygestel word83,84. Daarom word 'n aggressiewe omgewing gevorm, waardeur die Nb-MXene verander word. Daarbenewens kan mikroalge die pH van die omgewing na alkalies verander as gevolg van die absorpsie van koolstofdioksied, wat ook korrosie kan veroorsaak79.
Meer belangrik, die donker/lig-fotoperiode wat in ons studie gebruik is, is van kritieke belang om die resultate wat verkry is, te verstaan. Hierdie aspek word in detail beskryf in Djemai-Zoghlache et al. 85 Hulle het doelbewus 'n 12/12 uur fotoperiode gebruik om biokorrosie wat verband hou met biobevuiling deur die rooi mikroalge Porphyridium purpureum te demonstreer. Hulle toon dat die fotoperiode geassosieer word met die evolusie van die potensiaal sonder biokorrosie, wat manifesteer as pseudoperiodiese ossillasies rondom 24:00. Hierdie waarnemings is bevestig deur Dowling et al. 86 Hulle het fotosintetiese biofilms van sianobakterieë Anabaena gedemonstreer. Opgeloste suurstof word gevorm onder die werking van lig, wat geassosieer word met 'n verandering of fluktuasies in die vrye biokorrosiepotensiaal. Die belangrikheid van die fotoperiode word beklemtoon deur die feit dat die vrye potensiaal vir biokorrosie in die ligfase toeneem en in die donkerfase afneem. Dit is as gevolg van die suurstof wat deur fotosintetiese mikroalge geproduseer word, wat die katodiese reaksie beïnvloed deur die parsiële druk wat naby die elektrodes gegenereer word87.
Daarbenewens is Fourier-transform infrarooi spektroskopie (FTIR) uitgevoer om uit te vind of enige veranderinge in die chemiese samestelling van mikroalgeselle plaasgevind het na interaksie met Nb-MXene. Hierdie verkrygde resultate is kompleks en ons bied dit in SI aan (Figure S23-S25, insluitend die resultate van die MAX-stadium en ML MXene). Kortliks, die verkrygde verwysingsspektra van mikroalge verskaf ons belangrike inligting oor die chemiese eienskappe van hierdie organismes. Hierdie mees waarskynlike vibrasies is geleë by frekwensies van 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.11 (C–H) en 3280 cm–1 (O–H). Vir SL Nb-MXene het ons 'n CH-bindingstrekhandtekening gevind wat ooreenstem met ons vorige studie38. Ons het egter waargeneem dat sommige bykomende pieke wat met C=C- en CH-bindings geassosieer word, verdwyn het. Dit dui daarop dat die chemiese samestelling van mikroalge geringe veranderinge kan ondergaan as gevolg van interaksie met SL Nb-MXene.
Wanneer moontlike veranderinge in die biochemie van mikroalge oorweeg word, moet die ophoping van anorganiese oksiede, soos niobiumoksied, heroorweeg word59. Dit is betrokke by die opname van metale deur die seloppervlak, hul vervoer na die sitoplasma, hul assosiasie met intrasellulêre karboksielgroepe, en hul ophoping in mikroalge-polifosfosome20,88,89,90. Daarbenewens word die verhouding tussen mikroalge en metale gehandhaaf deur funksionele groepe selle. Om hierdie rede hang absorpsie ook af van mikroalge-oppervlakchemie, wat nogal kompleks is9,91. Oor die algemeen, soos verwag, het die chemiese samestelling van groen mikroalge effens verander as gevolg van die absorpsie van Nb-oksied.
Interessant genoeg was die waargenome aanvanklike inhibisie van mikroalge mettertyd omkeerbaar. Soos ons waargeneem het, het die mikroalge die aanvanklike omgewingsverandering oorkom en uiteindelik teruggekeer na normale groeikoerse en selfs toegeneem. Studies van die zeta-potensiaal toon hoë stabiliteit wanneer dit in voedingsmedia ingebring word. Dus is die oppervlakinteraksie tussen mikroalgeselle en Nb-MXeen-nanovlokkies dwarsdeur die reduksie-eksperimente gehandhaaf. In ons verdere analise som ons die hoofmeganismes van werking onderliggend aan hierdie merkwaardige gedrag van mikroalge op.
SEM-waarnemings het getoon dat mikroalge geneig is om aan Nb-MXene te heg. Deur gebruik te maak van dinamiese beeldanalise, bevestig ons dat hierdie effek lei tot die transformasie van tweedimensionele Nb-MXeen-nanovlokkies in meer sferiese deeltjies, wat sodoende demonstreer dat die ontbinding van nanovlokkies geassosieer word met hul oksidasie. Om ons hipotese te toets, het ons 'n reeks materiaal- en biochemiese studies uitgevoer. Na toetsing het die nanovlokkies geleidelik geoksideer en ontbind in NbO- en Nb2O5-produkte, wat nie 'n bedreiging vir groen mikroalge ingehou het nie. Deur gebruik te maak van FTIR-waarneming, het ons geen beduidende veranderinge in die chemiese samestelling van mikroalge gevind wat in die teenwoordigheid van 2D Nb-MXeen-nanovlokkies geïnkubeer is nie. Met inagneming van die moontlikheid van absorpsie van niobiumoksied deur mikroalge, het ons 'n X-straalfluoresensie-analise uitgevoer. Hierdie resultate toon duidelik dat die bestudeerde mikroalge voed op niobiumoksiede (NbO en Nb2O5), wat nie-giftig is vir die bestudeerde mikroalge.