Salamat sa pagbisita sa Nature.com.Naggamit ka usa ka bersyon sa browser nga adunay limitado nga suporta sa CSS.Alang sa labing kaayo nga kasinatian, among girekomenda nga mogamit ka usa ka bag-ong browser (o i-disable ang Compatibility Mode sa Internet Explorer).Sa kasamtangan, aron masiguro ang padayon nga suporta, among ihatag ang site nga walay mga estilo ug JavaScript.
Nagpakita sa usa ka carousel sa tulo ka mga slide sa usa ka higayon.Gamita ang Kaniadto ug Sunod nga mga buton sa paglihok sa tulo ka mga slide sa usa ka higayon, o gamita ang mga buton sa slider sa katapusan aron sa paglihok sa tulo ka mga slide sa usa ka higayon.
Ang paspas nga pag-uswag sa nanotechnology ug ang pag-integrate niini sa adlaw-adlaw nga aplikasyon mahimong makahulga sa kalikopan.Samtang ang berde nga mga pamaagi alang sa pagkadaot sa mga organikong kontaminado maayo nga natukod, ang pagbawi sa dili organikong mga kontaminado nga kristal usa ka hinungdanon nga kabalaka tungod sa ilang ubos nga pagkasensitibo sa biotransformation ug kakulang sa pagsabut sa mga interaksyon sa materyal nga nawong sa mga biolohikal.Dinhi, naggamit kami usa ka Nb-based nga dili organikong 2D MXenes nga modelo nga gihiusa sa usa ka yano nga pamaagi sa pag-analisar sa parameter sa porma aron masubay ang mekanismo sa bioremediation sa 2D ceramic nanomaterial sa berde nga microalgae Raphidocelis subcapitata.Among nakit-an nga ang microalgae nagdaot sa Nb-based MXenes tungod sa mga interaksyon sa physico-chemical nga may kalabotan sa ibabaw.Sa sinugdan, ang single-layer ug multilayer nga MXene nanoflakes gitaod sa ibabaw sa microalgae, nga medyo nagpamenos sa pagtubo sa algae.Bisan pa, sa dugay nga interaksyon sa nawong, ang microalgae nag-oxidize sa MXene nanoflakes ug labi pa nga nadugta kini sa NbO ug Nb2O5.Tungod kay kini nga mga oxide dili makahilo sa mga selula sa microalgae, ilang gigamit ang mga nanopartikel sa Nb oxide pinaagi sa usa ka mekanismo sa pagsuyup nga labi nga nagpahiuli sa microalgae pagkahuman sa 72 ka oras nga pagtambal sa tubig.Ang mga epekto sa mga sustansya nga may kalabutan sa pagsuyup gipakita usab sa pagtaas sa gidaghanon sa mga selula, sa ilang hapsay nga porma ug pagbag-o sa rate sa pagtubo.Base sa kini nga mga nahibal-an, among gihinapos nga ang mubo ug taas nga termino nga presensya sa Nb-based nga MXenes sa freshwater ecosystem mahimong hinungdan lamang sa gagmay nga mga epekto sa kinaiyahan.Mamatikdan nga, gamit ang duha ka dimensyon nga nanomaterial ingon mga sistema sa modelo, gipakita namon ang posibilidad sa pagsubay sa pagbag-o sa porma bisan sa pino nga mga materyales.Sa kinatibuk-an, kini nga pagtuon nagtubag sa usa ka hinungdanon nga sukaranan nga pangutana bahin sa mga proseso nga may kalabotan sa interaksyon sa ibabaw nga nagmaneho sa mekanismo sa bioremediation sa 2D nanomaterial ug naghatag usa ka sukaranan alang sa dugang nga mubo ug dugay nga pagtuon sa epekto sa kalikopan sa dili organikong mga kristal nga nanomaterial.
Ang mga nanomaterial nakamugna og daghang interes sukad sa ilang pagkadiskobre, ug ang nagkalain-laing nanotechnologies bag-o lang misulod sa modernisasyon nga yugto1.Ikasubo, ang paghiusa sa mga nanomaterial sa adlaw-adlaw nga aplikasyon mahimong mosangpot sa aksidente nga pagpagawas tungod sa dili husto nga paglabay, walay pagtagad nga pagdumala, o dili igo nga imprastraktura sa kaluwasan.Busa, makatarunganon nga hunahunaon nga ang mga nanomaterial, lakip ang duha-dimensional (2D) nga mga nanomaterial, mahimong buhian sa natural nga palibot, ang pamatasan ug biolohikal nga kalihokan nga wala pa hingpit nga nasabtan.Busa, dili ikatingala nga ang mga kabalaka sa ecotoxicity naka-focus sa abilidad sa 2D nanomaterials sa pag-leach ngadto sa aquatic systems2,3,4,5,6.Niini nga mga ekosistema, ang pipila ka mga 2D nanomaterial mahimong makig-uban sa lainlaing mga organismo sa lainlaing lebel sa trophic, lakip ang microalgae.
Ang microalgae kay mga primitive nga organismo nga natural nga makit-an sa tab-ang nga tubig ug marine ecosystem nga naggama ug lain-laing mga kemikal nga produkto pinaagi sa photosynthesis7.Sa ingon, kritikal sila sa mga ekosistema sa tubig8,9,10,11,12 apan sensitibo usab, dili mahal ug kaylap nga gigamit nga mga timailhan sa ecotoxicity13,14.Tungod kay ang mga selula sa microalgae paspas nga modaghan ug dali nga motubag sa presensya sa lainlaing mga compound, sila nagsaad alang sa pag-uswag sa mga pamaagi nga mahigalaon sa kalikopan alang sa pagtambal sa tubig nga nahugawan sa mga organikong sangkap15,16.
Ang mga selula sa algae makatangtang sa mga inorganic ions gikan sa tubig pinaagi sa biosorption ug accumulation17,18.Pipila ka klase sa algal sama sa Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue ug Synechococcus sp.Kini nakit-an nga nagdala ug bisan sa pag-amuma sa makahilo nga mga ion nga metal sama sa Fe2+, Cu2+, Zn2+ ug Mn2+19.Gipakita sa ubang mga pagtuon nga ang Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ o Pb2+ ions naglimite sa pagtubo sa Scenedesmus pinaagi sa pag-usab sa cell morphology ug pagguba sa ilang mga chloroplast20,21.
Ang berde nga mga pamaagi alang sa pagkadunot sa mga organikong pollutant ug ang pagtangtang sa mga bug-at nga metal nga mga ion nakadani sa atensyon sa mga siyentipiko ug mga inhenyero sa tibuuk kalibutan.Kini nag-una tungod sa kamatuoran nga kini nga mga kontaminante dali nga maproseso sa likido nga hugna.Bisan pa, ang mga dili organikong kristal nga mga pollutant gihulagway sa ubos nga pagkatunaw sa tubig ug ubos nga pagkasensitibo sa lainlaing biotransformations, nga hinungdan sa daghang mga kalisud sa pag-ayo, ug gamay nga pag-uswag ang nahimo sa kini nga lugar22,23,24,25,26.Sa ingon, ang pagpangita alang sa mga solusyon nga mahigalaon sa kalikopan alang sa pag-ayo sa mga nanomaterial nagpabilin nga usa ka komplikado ug wala pa masusi nga lugar.Tungod sa taas nga lebel sa kawalay kasiguruhan bahin sa mga epekto sa biotransformation sa 2D nanomaterials, wala’y dali nga paagi aron mahibal-an ang posible nga mga agianan sa ilang pagkadaot sa panahon sa pagkunhod.
Sa kini nga pagtuon, gigamit namon ang berde nga microalgae ingon usa ka aktibo nga aqueous bioremediation nga ahente alang sa dili organikong mga materyales nga seramik, inubanan sa pag-monitor sa in situ sa proseso sa pagkadaot sa MXene ingon usa ka representante sa dili organikong mga materyales nga seramik.Ang termino nga "MXene" nagpakita sa stoichiometry sa Mn+1XnTx nga materyal, diin ang M usa ka sayo nga transisyon nga metal, ang X mao ang carbon ug/o nitrogen, ang Tx usa ka surface terminator (pananglitan, -OH, -F, -Cl), ug n = 1, 2, 3 o 427.28.Sukad sa pagkadiskobre sa MXenes ni Naguib et al.Mga sensoriko, terapiya sa kanser ug pagsala sa lamad 27,29,30.Dugang pa, ang MXenes mahimong isipon nga modelo nga mga sistema sa 2D tungod sa ilang maayo kaayo nga colloidal stability ug posible nga biolohikal nga interaksyon31,32,33,34,35,36.
Busa, ang metodolohiya nga naugmad niini nga artikulo ug ang among research hypotheses gipakita sa Figure 1. Sumala niini nga pangagpas, ang microalgae degrade Nb-based MXenes ngadto sa non-toxic compounds tungod sa surface-related physico-chemical interactions, nga nagtugot sa dugang nga pagbawi sa algae.Aron sulayan kini nga pangagpas, duha ka membro sa pamilya sa sayo nga niobium-based transition metal carbide ug/o nitride (MXenes), nga mao ang Nb2CTx ug Nb4C3TX, gipili.
Pamaagi sa panukiduki ug mga hypotheses nga nakabase sa ebidensya alang sa pagbawi sa MXene pinaagi sa berde nga microalgae Raphidocelis subcapitata.Palihug timan-i nga kini usa lamang ka eskematiko nga representasyon sa mga pangagpas nga gibase sa ebidensya.Ang palibot sa linaw lahi sa nutrient medium nga gigamit ug sa mga kondisyon (eg, diurnal cycle ug mga limitasyon sa anaa nga importanteng nutrients).Gihimo gamit ang BioRender.com.
Busa, pinaagi sa paggamit sa MXene isip usa ka modelo nga sistema, among giablihan ang pultahan sa pagtuon sa nagkalain-laing biolohikal nga mga epekto nga dili maobserbahan sa ubang mga conventional nanomaterials.Sa partikular, gipakita namon ang posibilidad sa bioremediation sa duha ka dimensiyon nga nanomaterial, sama sa MXenes nga nakabase sa niobium, pinaagi sa microalgae Raphidocelis subcapitata.Ang microalgae makahimo sa pagpaubos sa Nb-MXenes ngadto sa non-toxic oxides NbO ug Nb2O5, nga naghatag usab og sustansya pinaagi sa niobium uptake mechanism.Sa kinatibuk-an, kini nga pagtuon nagtubag sa usa ka importante nga sukaranan nga pangutana mahitungod sa mga proseso nga nalangkit sa mga interaksyon sa ibabaw nga physicochemical nga nagdumala sa mga mekanismo sa bioremediation sa duha ka dimensiyon nga nanomaterials.Dugang pa, naghimo kami usa ka yano nga pamaagi nga gibase sa porma nga parameter alang sa pagsubay sa maliputon nga mga pagbag-o sa porma sa mga 2D nanomaterial.Nagdasig kini sa dugang nga mubo ug dugay nga panukiduki sa lainlaing mga epekto sa kalikopan sa mga dili organikong kristal nga nanomaterial.Sa ingon, ang among pagtuon nagdugang sa pagsabut sa interaksyon tali sa materyal nga nawong ug biolohikal nga materyal.Naghatag usab kami og basehan alang sa gipalapdan nga mubo-term ug long-term nga mga pagtuon sa ilang posibleng mga epekto sa freshwater ecosystem, nga dali na nga mapamatud-an.
Ang MXenes nagrepresentar sa usa ka makapaikag nga klase sa mga materyales nga adunay talagsaon ug madanihon nga pisikal ug kemikal nga mga kabtangan ug busa daghang mga potensyal nga aplikasyon.Kini nga mga kabtangan nagsalig sa ilang stoichiometry ug kemistriya sa ibabaw.Busa, sa among pagtuon, among gisusi ang duha ka matang sa Nb-based hierarchical single-layer (SL) MXenes, Nb2CTx ug Nb4C3TX, tungod kay ang lain-laing mga biolohikal nga epekto niini nga mga nanomaterial mahimong maobserbahan.Ang MXenes gihimo gikan sa ilang mga materyales sa pagsugod pinaagi sa top-down selective etching sa atomically thin MAX-phase A-layers.Ang MAX phase kay usa ka ternary ceramic nga gilangkuban sa "bonded" blocks sa transition metal carbide ug thin layers sa "A" nga mga elemento sama sa Al, Si, ug Sn nga adunay MnAXn-1 stoichiometry.Ang morphology sa inisyal nga MAX nga hugna naobserbahan pinaagi sa pag-scan sa electron microscopy (SEM) ug nahiuyon sa nangaging mga pagtuon (Tan-awa ang Supplementary Information, SI, Figure S1).Ang Multilayer (ML) Nb-MXene nakuha human makuha ang Al layer nga adunay 48% HF (hydrofluoric acid).Ang morphology sa ML-Nb2CTx ug ML-Nb4C3TX gisusi pinaagi sa pag-scan sa electron microscopy (SEM) (Figures S1c ug S1d matag usa) ug usa ka tipikal nga layered MXene morphology ang naobserbahan, susama sa two-dimensional nanoflakes nga moagi sa elongated pore-like slits.Ang duha ka Nb-MXenes adunay daghan nga managsama sa mga hugna sa MXene nga kaniadto gi-synthesize sa acid etching27,38.Human sa pagkumpirma sa istruktura sa MXene, among gi-layer kini pinaagi sa intercalation sa tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) nga gisundan sa paghugas ug sonication, pagkahuman nakuha namo ang single-layer o low-layer (SL) 2D Nb-MXene nanoflakes.
Gigamit namo ang high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) ug X-ray diffraction (XRD) aron sulayan ang kahusayan sa etching ug dugang nga pagpanit.Ang mga resulta sa HRTEM nga giproseso gamit ang Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) ug Fast Fourier Transform (FFT) gipakita sa Fig. 2. Ang mga nanoflake sa Nb-MXene gipunting sa daplin aron masusi ang istruktura sa atomic layer ug sukdon ang mga distansya sa interplanar.Ang HRTEM nga mga hulagway sa MXene Nb2CTx ug Nb4C3TX nanoflakes nagpadayag sa ilang atomically thin layered nga kinaiyahan (tan-awa ang Fig. 2a1, a2), sama sa gitaho kaniadto ni Naguib et al.27 ug Jastrzębska et al.38.Alang sa duha ka kasikbit nga Nb2CTx ug Nb4C3Tx monolayers, among gitino ang interlayer nga gilay-on nga 0.74 ug 1.54 nm, matag usa (Fig. 2b1,b2), nga miuyon usab sa among naunang mga resulta38.Gipamatud-an pa kini sa inverse fast Fourier transform (Fig. 2c1, c2) ug ang fast Fourier transform (Fig. 2d1, d2) nga nagpakita sa gilay-on tali sa Nb2CTx ug Nb4C3Tx monolayers.Ang hulagway nagpakita sa alternation sa kahayag ug ngitngit nga mga banda nga katumbas sa niobium ug carbon atoms, nga nagpamatuod sa layered nga kinaiya sa gitun-an nga MXenes.Importante nga matikdan nga ang energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) spectra nga nakuha para sa Nb2CTx ug Nb4C3Tx (Figures S2a ug S2b) nagpakita nga walay salin sa orihinal nga MAX nga hugna, tungod kay walay Al peak ang nakita.
Ang kinaiya sa SL Nb2CTx ug Nb4C3Tx MXene nanoflakes, lakip ang (a) high resolution electron microscopy (HRTEM) side-view 2D nanoflake imaging ug katugbang, (b) intensity mode, (c) inverse fast Fourier transform (IFFT), (d) fast Fourier transform (FFT), (e) X Nb-MXene patterns.Alang sa SL 2D Nb2CTx, ang mga numero gipahayag nga (a1, b1, c1, d1, e1).Alang sa SL 2D Nb4C3Tx, ang mga numero gipahayag nga (a2, b2, c2, d2, e1).
Ang X-ray diffraction measurements sa SL Nb2CTx ug Nb4C3Tx MXenes gipakita sa Fig.2e1 ug e2, matag usa.Ang mga taluktok (002) sa 4.31 ug 4.32 katumbas sa gihulagway kaniadto nga layered MXenes Nb2CTx ug Nb4C3TX38,39,40,41 matag usa.Ang mga resulta sa XRD nagpakita usab sa presensya sa pipila ka nahabilin nga mga istruktura sa ML ug MAX nga mga hugna, apan kasagaran ang mga sumbanan sa XRD nga may kalabutan sa SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2).Ang presensya sa mas gagmay nga mga partikulo sa MAX nga hugna mahimong magpatin-aw sa mas lig-on nga MAX peak kon itandi sa random nga stacked Nb4C3Tx layers.
Ang dugang nga panukiduki nakatutok sa berdeng microalgae nga sakop sa espisye nga R. subcapitata.Gipili namo ang microalgae tungod kay importante sila nga mga producer nga nalambigit sa dagkong food webs42.Usa usab sila sa pinakamaayong timailhan sa pagkahilo tungod sa abilidad sa pagtangtang sa makahilong mga substansiya nga gidala ngadto sa mas taas nga lebel sa food chain43.Dugang pa, ang panukiduki sa R. subcapitata mahimong maghatag ug katin-awan sa sulagma nga pagkahilo sa SL Nb-MXenes sa kasagarang mga mikroorganismo sa tab-ang nga tubig.Sa pag-ilustrar niini, ang mga tigdukiduki nagtuo nga ang matag mikrobyo adunay lahi nga pagkasensitibo sa makahilong mga compound nga anaa sa palibot.Alang sa kadaghanan sa mga organismo, ang ubos nga konsentrasyon sa mga substansiya dili makaapekto sa ilang pagtubo, samtang ang mga konsentrasyon nga labaw sa usa ka limitasyon mahimong makapugong kanila o makapahinabog kamatayon.Busa, alang sa among mga pagtuon sa interaksyon sa nawong tali sa microalgae ug MXenes ug sa kaubang pagkaayo, nakahukom kami nga sulayan ang dili makadaot ug makahilo nga konsentrasyon sa Nb-MXenes.Aron mahimo kini, gisulayan namo ang mga konsentrasyon sa 0 (isip usa ka reperensiya), 0.01, 0.1 ug 10 mg l-1 MXene ug dugang nga nataptan nga microalgae nga adunay taas kaayo nga konsentrasyon sa MXene (100 mg l-1 MXene), nga mahimong grabe ug makamatay..alang sa bisan unsang biological nga palibot.
Ang mga epekto sa SL Nb-MXenes sa microalgae gipakita sa Figure 3, nga gipahayag ingon nga porsyento sa pagtubo sa promosyon (+) o pagdili (-) nga gisukod alang sa 0 mg l-1 nga mga sample.Alang sa pagtandi, ang Nb-MAX phase ug ML Nb-MXenes gisulayan usab ug ang mga resulta gipakita sa SI (tan-awa ang Fig. S3).Ang mga resulta nga nakuha nagpamatuod nga ang SL Nb-MXenes halos wala'y toxicity sa han-ay sa ubos nga konsentrasyon gikan sa 0.01 ngadto sa 10 mg / l, ingon sa gipakita sa Fig. 3a, b.Sa kaso sa Nb2CTx, among naobserbahan nga dili molapas sa 5% nga ecotoxicity sa gitakda nga range.
Pagpukaw (+) o pagpugong (-) sa pagtubo sa microalgae sa presensya sa SL (a) Nb2CTx ug (b) Nb4C3TX MXene.Ang 24, 48 ug 72 nga mga oras sa MXene-microalgae nga interaksyon gisusi. Ang mahinungdanon nga datos (t-test, p <0.05) gimarkahan og asterisk (*). Ang mahinungdanon nga datos (t-test, p <0.05) gimarkahan og asterisk (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Ang mahinungdanong datos (t-test, p <0.05) gimarkahan og 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 (*). Ang importante nga datos (t-test, p <0.05) gimarkahan og asterisk (*).Ang pula nga mga pana nagpakita sa pagwagtang sa pagpugong sa pagpukaw.
Sa laing bahin, ang ubos nga konsentrasyon sa Nb4C3TX nahimo nga gamay nga mas makahilo, apan dili labaw sa 7%.Sama sa gipaabot, among naobserbahan nga ang MXenes adunay mas taas nga toxicity ug microalgae growth inhibition sa 100mg L-1.Makapainteres, walay bisan usa sa mga materyales nga nagpakita sa parehas nga uso ug pagsalig sa oras sa atoxic / makahilo nga mga epekto kung itandi sa MAX o ML nga mga sample (tan-awa ang SI para sa mga detalye).Samtang alang sa MAX phase (tan-awa ang Fig. S3) toxicity miabot sa gibana-bana nga 15-25% ug misaka sa panahon, ang reverse trend naobserbahan alang sa SL Nb2CTx ug Nb4C3TX MXene.Ang pagpugong sa pagtubo sa microalgae mikunhod sa paglabay sa panahon.Miabot kini sa gibana-bana nga 17% human sa 24 ka oras ug mikunhod ngadto sa ubos sa 5% human sa 72 ka oras (Fig. 3a, b, matag usa).
Labaw sa tanan, alang sa SL Nb4C3TX, ang pagdili sa pagtubo sa microalgae miabot sa mga 27% pagkahuman sa 24 ka oras, apan pagkahuman sa 72 ka oras mikunhod kini sa mga 1%.Busa, among gimarkahan ang naobserbahan nga epekto isip inverse inhibition of stimulation, ug ang epekto mas kusog alang sa SL Nb4C3TX MXene.Ang pagpukaw sa pagtubo sa microalgae namatikdan sa sayo pa sa Nb4C3TX (interaksyon sa 10 mg L-1 alang sa 24 h) kon itandi sa SL Nb2CTx MXene.Ang inhibition-stimulation reversal effect maayo usab nga gipakita sa biomass double rate curve (tan-awa ang Fig. S4 para sa mga detalye).Sa pagkakaron, ang ecotoxicity lamang sa Ti3C2TX MXene ang gitun-an sa lainlaing paagi.Dili kini makahilo sa mga embryo sa zebrafish44 apan medyo ecotoxic sa microalgae nga Desmodesmus quadricauda ug Sorghum saccharatum nga tanom45.Ang ubang mga pananglitan sa piho nga mga epekto naglakip sa mas taas nga toxicity sa mga linya sa selula sa kanser kaysa sa normal nga mga linya sa selula46,47.Mahimong hunahunaon nga ang mga kondisyon sa pagsulay makaimpluwensya sa mga pagbag-o sa pagtubo sa microalgae nga naobserbahan sa presensya sa Nb-MXenes.Pananglitan, ang pH nga mga 8 sa chloroplast stroma mao ang kamalaumon alang sa episyente nga operasyon sa RuBisCO enzyme.Busa, ang pH kausaban negatibo makaapekto sa rate sa photosynthesis48,49.Bisan pa, wala namo naobserbahan ang mahinungdanong mga kausaban sa pH atol sa eksperimento (tan-awa ang SI, Fig. S5 alang sa mga detalye).Sa kinatibuk-an, ang mga kultura sa microalgae nga adunay Nb-MXenes gamay nga pagkunhod sa pH sa solusyon sa paglabay sa panahon.Bisan pa, kini nga pagkunhod susama sa usa ka pagbag-o sa pH sa usa ka lunsay nga medium.Dugang pa, ang lainlain nga mga kalainan nga nakit-an parehas sa gisukod alang sa usa ka putli nga kultura sa microalgae (kontrol nga sample).Sa ingon, nakahinapos kami nga ang photosynthesis dili maapektuhan sa mga pagbag-o sa pH sa paglabay sa panahon.
Dugang pa, ang synthesized nga MXenes adunay mga tumoy sa nawong (gipaila nga Tx).Kini ang nag-una nga mga grupo nga magamit -O, -F ug -OH.Bisan pa, ang kemistriya sa ibabaw direktang nalangkit sa pamaagi sa synthesis.Kini nga mga grupo nahibal-an nga random nga giapod-apod sa ibabaw, nga nagpalisud sa pagtagna sa ilang epekto sa mga kabtangan sa MXene50.Mahimong ipangatarungan nga ang Tx mahimong catalytic force alang sa oksihenasyon sa niobium pinaagi sa kahayag.Ang Surface functional nga mga grupo sa tinuud naghatag daghang mga anchoring site alang sa ilang nagpahiping mga photocatalyst aron maporma ang mga heterojunction51.Bisan pa, ang komposisyon sa medium nga pagtubo wala maghatag usa ka epektibo nga photocatalyst (detalyadong medium nga komposisyon makita sa SI Table S6).Dugang pa, ang bisan unsang pagbag-o sa nawong hinungdanon usab, tungod kay ang biological nga kalihokan sa MXenes mahimong mabag-o tungod sa layer post-processing, oksihenasyon, kemikal nga pagbag-o sa nawong sa mga organiko ug dili organikong compound52,53,54,55,56 o surface charge engineering38.Busa, aron masulayan kung ang niobium oxide adunay kalabotan sa pagkawalay kalig-on sa materyal sa medium, nagpahigayon kami mga pagtuon sa potensyal sa zeta (ζ) sa medium nga pagtubo sa microalgae ug deionized nga tubig (alang sa pagtandi).Ang among mga resulta nagpakita nga ang SL Nb-MXenes medyo lig-on (tan-awa ang SI Fig. S6 para sa MAX ug ML nga mga resulta).Ang potensyal sa zeta sa SL MXenes mga -10 mV.Sa kaso sa SR Nb2CTx, ang bili sa ζ medyo mas negatibo kaysa sa Nb4C3Tx.Ang ingon nga pagbag-o sa bili sa ζ mahimong magpakita nga ang nawong sa negatibo nga gikarga nga MXene nanoflakes mosuhop sa positibo nga mga ion gikan sa medium nga kultura.Ang mga temporaryo nga pagsukod sa potensyal sa zeta ug conductivity sa Nb-MXenes sa medium nga kultura (tan-awa ang Mga Figure S7 ug S8 sa SI alang sa dugang nga mga detalye) daw nagsuporta sa among hypothesis.
Bisan pa, ang duha nga Nb-MXene SL nagpakita gamay nga pagbag-o gikan sa zero.Kini klaro nga nagpakita sa ilang kalig-on sa microalgae growth medium.Dugang pa, among gisusi kung ang presensya sa among berde nga microalgae makaapekto sa kalig-on sa Nb-MXenes sa medium.Ang mga resulta sa potensyal sa zeta ug conductivity sa MXenes human sa interaksyon sa microalgae sa nutrient media ug kultura sa paglabay sa panahon makita sa SI (Figures S9 ug S10).Makapainteres, among namatikdan nga ang presensya sa microalgae daw nagpalig-on sa pagkatibulaag sa duha ka MXenes.Sa kaso sa Nb2CTx SL, ang potensyal sa zeta bisan gamay nga mikunhod sa paglabay sa panahon ngadto sa mas negatibo nga mga kantidad (-15.8 versus -19.1 mV human sa 72 h sa paglumlum).Ang potensyal sa zeta sa SL Nb4C3TX gamay nga misaka, apan human sa 72 h nagpakita gihapon kini nga mas taas nga kalig-on kay sa nanoflakes nga walay presensya sa microalgae (-18.1 vs. -9.1 mV).
Nakaplagan usab namo ang ubos nga conductivity sa mga solusyon sa Nb-MXene nga gilumlom sa presensya sa microalgae, nga nagpakita sa usa ka ubos nga gidaghanon sa mga ion sa nutrient medium.Ilabi na, ang pagkawalay kalig-on sa MXenes sa tubig nag-una tungod sa oksihenasyon sa nawong57.Busa, nagduda kami nga ang berde nga microalgae sa usa ka paagi nagwagtang sa mga oxide nga naporma sa nawong sa Nb-MXene ug bisan pa nga gipugngan ang ilang panghitabo (oxidation sa MXene).Kini makita pinaagi sa pagtuon sa mga matang sa mga substansiya nga masuhop sa microalgae.
Samtang ang among ecotoxicological nga mga pagtuon nagpakita nga ang microalgae nakahimo sa pagbuntog sa toxicity sa Nb-MXenes sa paglabay sa panahon ug ang talagsaon nga pagdili sa stimulated growth, ang tumong sa among pagtuon mao ang pag-imbestigar sa posibleng mga mekanismo sa aksyon.Kung ang mga organismo sama sa algae ma-expose sa mga compound o materyales nga dili pamilyar sa ilang ekosistema, mahimo silang mo-react sa lain-laing mga paagi58,59.Kung wala ang mga makahilo nga metal oxide, ang microalgae makapakaon sa ilang kaugalingon, nga gitugotan sila nga motubo nga padayon60.Human sa pagtulon sa makahilo nga mga butang, ang mga mekanismo sa depensa mahimong ma-aktibo, sama sa pagbag-o sa porma o porma.Ang posibilidad sa pagsuyup kinahanglan usab nga konsiderahon58,59.Ilabi na, ang bisan unsang timailhan sa mekanismo sa depensa usa ka tin-aw nga timailhan sa pagkahilo sa tambalan sa pagsulay.Busa, sa among dugang nga trabaho, among gisusi ang potensyal nga interaksyon sa nawong tali sa SL Nb-MXene nanoflakes ug microalgae sa SEM ug ang posible nga pagsuyup sa Nb-based MXene sa X-ray fluorescence spectroscopy (XRF).Timan-i nga ang SEM ug XRF nga pag-analisar gihimo lamang sa pinakataas nga konsentrasyon sa MXene aron matubag ang mga isyu sa toxicity sa kalihokan.
Ang mga resulta sa SEM gipakita sa Fig.4.Ang wala matambalan nga mga selula sa microalgae (tan-awa ang Fig. 4a, reference sample) tin-aw nga nagpakita sa tipikal nga R. subcapitata nga morphology ug croissant-like cell nga porma.Ang mga selyula makita nga patag ug medyo dili organisado.Ang ubang mga selula sa microalgae nagsapaw ug nagsapot sa usag usa, apan kini lagmit tungod sa proseso sa pag-andam sa sample.Sa kinatibuk-an, ang puro nga microalgae nga mga selula adunay hamis nga nawong ug wala magpakita sa bisan unsang mga pagbag-o sa morphological.
Ang mga imahe sa SEM nga nagpakita sa interaksyon sa nawong tali sa berde nga microalgae ug MXene nanosheet pagkahuman sa 72 ka oras nga interaksyon sa grabe nga konsentrasyon (100 mg L-1).(a) Wala matambalan nga green microalgae human sa interaksyon sa SL (b) Nb2CTx ug (c) Nb4C3TX MXenes.Timan-i nga ang Nb-MXene nanoflakes gimarkahan og pula nga mga pana.Alang sa pagtandi, ang mga litrato gikan sa usa ka optical microscope gidugang usab.
Sa kasukwahi, ang mga selula sa microalgae nga adsorbed sa SL Nb-MXene nanoflakes nadaot (tan-awa ang Fig. 4b, c, pula nga mga pana).Sa kaso sa Nb2CTx MXene (Fig. 4b), ang microalgae lagmit nga motubo uban ang gilakip nga duha ka dimensiyon nga nanoscales, nga makausab sa ilang morphology.Ilabi na, nakita usab namo kini nga mga pagbag-o ubos sa light microscopy (tan-awa ang SI Figure S11 alang sa mga detalye).Kini nga morphological transition adunay usa ka katuohan nga basehan sa physiology sa microalgae ug ang ilang abilidad sa pagpanalipod sa ilang kaugalingon pinaagi sa pagbag-o sa cell morphology, sama sa pagdugang sa cell volume61.Busa, importante nga susihon ang gidaghanon sa mga selula sa microalgae nga aktuwal nga nakontak sa Nb-MXenes.Gipakita sa mga pagtuon sa SEM nga gibana-bana nga 52% sa mga microalgae cells ang na-expose sa Nb-MXenes, samtang ang 48% niini nga mga microalgae cells naglikay sa kontak.Alang sa SL Nb4C3Tx MXene, ang microalgae mosulay sa paglikay sa kontak sa MXene, sa ingon localizing ug pagtubo gikan sa duha ka-dimensional nanoscales (Fig. 4c).Bisan pa, wala namon naobserbahan ang pagsulod sa mga nanoscale sa mga selula sa microalgae ug ang kadaot niini.
Ang pagpreserbar sa kaugalingon usa usab ka kinaiya nga nagsalig sa panahon nga tubag sa pagbabag sa photosynthesis tungod sa adsorption sa mga partikulo sa ibabaw sa selula ug ang gitawag nga shading (shading) effect62.Klaro nga ang matag butang (pananglitan, Nb-MXene nanoflakes) nga anaa sa taliwala sa microalgae ug sa tinubdan sa kahayag naglimite sa gidaghanon sa kahayag nga masuhop sa mga chloroplast.Bisan pa, wala kami magduhaduha nga kini adunay dakong epekto sa mga resulta nga nakuha.Ingon sa gipakita sa among mikroskopiko nga mga obserbasyon, ang 2D nanoflakes wala hingpit nga giputos o gisunod sa nawong sa microalgae, bisan kung ang mga microalgae nga mga selula nakontak sa Nb-MXenes.Hinunoa, ang mga nanoflake nahimo nga oriented sa mga selula sa microalgae nga wala magtabon sa ilang nawong.Ang ingon nga usa ka set sa nanoflakes/microalgae dili mahimo nga limitahan ang gidaghanon sa kahayag nga masuhop sa mga selula sa microalgae.Dugang pa, ang pipila ka mga pagtuon nagpakita pa gani sa usa ka pag-uswag sa kahayag pagsuyup pinaagi sa photosynthetic organismo sa atubangan sa duha-ka-dimensional nanomaterials63,64,65,66.
Tungod kay ang mga imahe sa SEM dili direkta nga makumpirma ang pag-abut sa niobium sa mga selula sa microalgae, ang among dugang nga pagtuon nahimo nga X-ray fluorescence (XRF) ug X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) nga pagtuki aron matin-aw kini nga isyu.Busa, among gitandi ang intensity sa Nb peaks sa reference microalgae samples nga wala makig-interact sa MXenes, MXene nanoflakes buwag gikan sa nawong sa microalgae cells, ug microalgal cells human sa pagtangtang sa gilakip MXenes.Angay nga matikdan nga kung walay Nb uptake, ang Nb value nga nakuha sa microalgae cells kinahanglan nga zero human sa pagtangtang sa gilakip nga nanoscales.Busa, kung mahitabo ang Nb uptake, ang mga resulta sa XRF ug XPS kinahanglan magpakita sa tin-aw nga Nb peak.
Sa kaso sa XRF spectra, ang mga sample sa microalgae nagpakita sa Nb peak alang sa SL Nb2CTx ug Nb4C3Tx MXene human sa interaksyon sa SL Nb2CTx ug Nb4C3Tx MXene (tan-awa ang Fig. 5a, timan-i usab nga ang mga resulta alang sa MAX ug ML MXenes gipakita sa SI, Figs S12-C17).Makapainteres, ang intensity sa Nb peak parehas sa duha nga mga kaso (pula nga mga bar sa Fig. 5a).Kini nagpakita nga ang algae dili makasuhop sa dugang nga Nb, ug ang maximum nga kapasidad alang sa Nb accumulation nakab-ot sa mga selula, bisan pa sa duha ka pilo nga mas Nb4C3Tx MXene ang gilakip sa microalgae cells (asul nga mga bar sa Fig. 5a).Ilabi na, ang abilidad sa microalgae sa pagsuhop sa mga metal nagdepende sa konsentrasyon sa mga metal oxide sa palibot67,68.Nakaplagan ni Shamshada et al.67 nga ang kapasidad sa pagsuyop sa freshwater algae mikunhod uban ang pagtaas sa pH.Raize et al.68 nakamatikod nga ang abilidad sa seaweed sa pagsuhop sa mga metal maoy mga 25% nga mas taas alang sa Pb2+ kay sa Ni2+.
(a) XRF nga mga resulta sa basal Nb uptake sa green microalgae cells nga gilumlom sa grabeng konsentrasyon sa SL Nb-MXenes (100 mg L-1) sulod sa 72 ka oras.Ang mga resulta nagpakita sa presensya sa α sa puro nga microalgae cells (control sample, gray columns), 2D nanoflakes nga nahimulag gikan sa surface microalgae cells (blue columns), ug microalgae cells human sa pagbulag sa 2D nanoflakes gikan sa ibabaw (pula nga mga column).Ang gidaghanon sa elemental Nb, (b) porsyento sa kemikal nga komposisyon sa microalgae organic nga mga sangkap (C=O ug CHx/C–O) ug Nb oxides anaa sa microalgae mga selula human sa paglumlum uban sa SL Nb-MXenes, (c-e) Fitting sa compositional peak sa XPS SL Nb2CTx spectra ug (fh) SLx Nb4CTx internal nga mga selula ug (fh) SLx Nb4CTx spectra.
Busa, gipaabot namo nga ang Nb mahimong masuhop sa mga selula sa algal sa porma sa mga oxide.Aron masulayan kini, naghimo kami og mga pagtuon sa XPS sa MXenes Nb2CTx ug Nb4C3TX ug mga selula sa algae.Ang mga resulta sa interaksyon sa microalgae sa Nb-MXenes ug MXenes nga nahimulag gikan sa mga selula sa algae gipakita sa Fig.5b.Sama sa gipaabut, among nakit-an ang Nb 3d nga mga taluktok sa mga sample sa microalgae pagkahuman sa pagtangtang sa MXene gikan sa nawong sa microalgae.Ang quantitative determination sa C = O, CHx / CO, ug Nb oxides gikalkulo base sa Nb 3d, O 1s, ug C 1s spectra nga nakuha sa Nb2CTx SL (Fig. 5c-e) ug Nb4C3Tx SL (Fig. 5c-e).) nakuha gikan sa incubated microalgae.Hulagway 5f–h) MXenes.Ang talaan S1-3 nagpakita sa mga detalye sa peak parameters ug kinatibuk-ang chemistry nga resulta sa pagkahaom.Mamatikdan nga ang Nb 3d nga mga rehiyon sa Nb2CTx SL ug Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) katumbas sa usa ka bahin sa Nb2O5.Dinhi, wala kami nakit-an nga may kalabotan sa MXene nga mga taluktok sa spectra, nga nagpakita nga ang mga selula sa microalgae mosuhop lamang sa oxide nga porma sa Nb.Dugang pa, gibanabana namo ang C 1 s spectrum nga adunay mga sangkap nga C–C, CHx/C–O, C=O, ug –COOH.Gi-assign namon ang CHx / C-O ug C = O nga mga taluktok sa organikong kontribusyon sa mga selula sa microalgae.Kini nga mga organikong sangkap nagkantidad alang sa 36% ug 41% sa C 1s nga mga taluktok sa Nb2CTx SL ug Nb4C3TX SL, matag usa.Gihaom dayon namo ang O 1s spectra sa SL Nb2CTx ug SL Nb4C3TX nga adunay Nb2O5, mga organikong sangkap sa microalgae (CHx/CO), ug surface adsorbed nga tubig.
Sa katapusan, ang mga resulta sa XPS tin-aw nga nagpakita sa porma sa Nb, dili lamang sa presensya niini.Sumala sa posisyon sa Nb 3d signal ug ang mga resulta sa deconvolution, among gipamatud-an nga ang Nb masuhop lamang sa porma sa mga oxide ug dili mga ions o MXene mismo.Dugang pa, ang mga resulta sa XPS nagpakita nga ang mga selula sa microalgae adunay mas dako nga abilidad sa pagkuha sa Nb oxides gikan sa SL Nb2CTx kumpara sa SL Nb4C3TX MXene.
Samtang ang among Nb uptake nga mga resulta impresibo ug nagtugot kanamo sa pag-ila sa MXene degradation, walay pamaagi nga magamit sa pagsubay sa mga kalambigit nga morphological nga mga kausaban sa 2D nanoflakes.Busa, nakahukom usab kami nga maghimo usa ka angay nga pamaagi nga direktang makatubag sa bisan unsang mga pagbag-o nga nahitabo sa 2D Nb-MXene nanoflakes ug microalgae cells.Mahinungdanon nga timan-an nga atong hunahunaon nga kung ang mga interaksyon nga mga espisye moagi sa bisan unsang pagbag-o, pagkadunot o defragmentation, kini kinahanglan nga dali nga magpakita sa kaugalingon ingon mga pagbag-o sa mga parameter sa porma, sama sa diametro sa katumbas nga lingin nga lugar, pagkalingin, gilapdon sa Feret, o gitas-on sa Feret.Tungod kay kini nga mga parameter angay alang sa paghulagway sa mga elongated nga partikulo o duha ka dimensiyon nga nanoflakes, ang ilang pagsubay pinaagi sa dinamikong pag-analisar sa porma sa partikulo maghatag kanato og bililhong impormasyon mahitungod sa morphological transformation sa SL Nb-MXene nanoflakes atol sa pagkunhod.
Ang mga resulta nga nakuha gipakita sa Figure 6. Alang sa pagtandi, gisulayan usab namo ang orihinal nga MAX phase ug ML-MXenes (tan-awa ang SI Figures S18 ug S19).Ang dinamikong pag-analisa sa porma sa partikulo nagpakita nga ang tanan nga mga parametro sa porma sa duha ka Nb-MXene SLs nausab pag-ayo pagkahuman sa interaksyon sa microalgae.Ingon sa gipakita sa katumbas nga circular area diameter parameter (Fig. 6a, b), ang pagkunhod sa peak intensity sa tipik sa dagkong nanoflakes nagpakita nga sila lagmit nga madunot ngadto sa mas gagmay nga mga tipik.Sa fig.Ang 6c, d nagpakita sa usa ka pagkunhod sa mga taluktok nga nalangkit sa transverse nga gidak-on sa mga flakes (elongation sa nanoflakes), nga nagpakita sa pagbag-o sa 2D nanoflakes ngadto sa usa ka mas partikulo-sama sa porma.Figure 6e-h nga nagpakita sa gilapdon ug gitas-on sa Feret, matag usa.Ang gilapdon ug gitas-on sa feret maoy komplementaryong mga parametro ug busa kinahanglang tagdon nga magkauban.Human sa paglumlum sa 2D Nb-MXene nanoflakes sa presensya sa microalgae, ang ilang Feret correlation peaks mibalhin ug ang ilang intensity mikunhod.Base sa kini nga mga resulta sa kombinasyon sa morphology, XRF ug XPS, nakahinapos kami nga ang naobserbahan nga mga pagbag-o kusganon nga may kalabutan sa oksihenasyon samtang ang oxidized MXenes nahimong mas wrinkled ug nabungkag ngadto sa mga tipik ug spherical oxide nga mga partikulo69,70.
Pag-analisar sa pagbag-o sa MXene pagkahuman sa interaksyon sa berde nga microalgae.Ang dinamikong pag-analisar sa porma sa partikulo nagkonsiderar sa mga parameter sama sa (a, b) diametro sa katumbas nga circular area, (c, d) roundness, (e, f) Feret width ug (g, h) Feret length.Alang niini, duha ka reference microalgae samples ang gisusi uban sa primary SL Nb2CTx ug SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx ug SL Nb4C3Tx MXenes, degraded microalgae, ug gitambalan microalgae SL Nb2CTx ug SL Nb4C3Tx MXenes.Ang pula nga mga pana nagpakita sa mga transisyon sa mga parametro sa porma sa gitun-an nga duha ka dimensyon nga nanoflakes.
Tungod kay ang pag-analisar sa parameter sa porma kasaligan kaayo, mahimo usab nga ipadayag ang mga pagbag-o sa morphological sa mga selula sa microalgae.Busa, among gi-analisar ang katumbas nga circular area diameter, roundness, ug Feret width/gth sa puro microalgae cells ug cells human sa interaksyon sa 2D Nb nanoflakes.Sa fig.Ang 6a-h nagpakita sa mga pagbag-o sa porma nga mga parameter sa mga selula sa algae, ingon nga gipakita sa pagkunhod sa peak intensity ug pagbalhin sa maxima ngadto sa mas taas nga mga bili.Sa partikular, ang mga parameter sa cell roundness nagpakita sa pagkunhod sa mga elongated nga mga selula ug usa ka pagtaas sa mga spherical nga mga selula (Fig. 6a, b).Dugang pa, ang gilapdon sa selula sa Feret misaka sa daghang micrometers human sa interaksyon sa SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) kumpara sa SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f).Nagduda kami nga kini mahimo’g tungod sa kusog nga pagsuyup sa mga Nb oxide pinaagi sa microalgae sa interaksyon sa Nb2CTx SR.Ang dili kaayo estrikto nga pagdugtong sa Nb flakes sa ilang nawong mahimong moresulta sa pagtubo sa cell nga adunay gamay nga epekto sa shading.
Ang among mga obserbasyon sa mga pagbag-o sa mga parameter sa porma ug gidak-on sa microalgae makadugang sa ubang mga pagtuon.Ang berdeng microalgae makausab sa ilang morphology agig tubag sa kapit-os sa kinaiyahan pinaagi sa pagbag-o sa gidak-on sa selula, porma o metabolismo61.Pananglitan, ang pagbag-o sa gidak-on sa mga selula nagpadali sa pagsuyup sa mga sustansya71.Ang gagmay nga mga selula sa algae nagpakita sa ubos nga pagsuyup sa sustansya ug pagkadaot sa pagtubo.Sa kasukwahi, ang dagkong mga selyula lagmit nga mokaon ug daghang sustansiya, nga unya gideposito sa intracellularly72,73.Machado ug Soares nakakaplag nga ang fungicide triclosan makadugang sa gidak-on sa selula.Nakit-an usab nila ang lawom nga pagbag-o sa porma sa algae74.Dugang pa, gipadayag usab ni Yin et al.9 ang mga pagbag-o sa morphological sa algae pagkahuman sa pagkaladlad sa pagkunhod sa mga nanocomposite sa graphene oxide.Busa, klaro nga ang giusab nga gidak-on / porma nga mga parameter sa microalgae tungod sa presensya sa MXene.Tungod kay kini nga pagbag-o sa gidak-on ug porma nagpaila sa mga pagbag-o sa nutrient uptake, kami nagtuo nga ang pag-analisar sa gidak-on ug porma nga mga parametro sa paglabay sa panahon mahimong magpakita sa uptake sa niobium oxide pinaagi sa microalgae sa presensya sa Nb-MXenes.
Dugang pa, ang MXenes mahimong ma-oxidize sa presensya sa algae.Dalai et al.75 nakaobserbar nga ang morpolohiya sa berdeng algae nga na-expose sa nano-TiO2 ug Al2O376 dili uniporme.Bisan kung ang among mga obserbasyon susama sa karon nga pagtuon, kini may kalabutan lamang sa pagtuon sa mga epekto sa bioremediation sa mga termino sa MXene degradation nga mga produkto sa presensya sa 2D nanoflakes ug dili nanoparticle.Tungod kay ang MXenes mahimong mag-degrade ngadto sa metal oxides, 31,32,77,78 makatarunganon nga hunahunaon nga ang atong Nb nanoflakes mahimo usab nga maporma ang Nb oxides human makig-uban sa microalgae cells.
Aron mapatin-aw ang pagkunhod sa 2D-Nb nanoflakes pinaagi sa mekanismo sa pagkadunot base sa proseso sa oksihenasyon, nagpahigayon kami og mga pagtuon gamit ang high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) (Fig. 7a, b) ug X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Fig. 7).7c-i ug mga lamesa S4-5).Ang duha nga mga pamaagi angay alang sa pagtuon sa oksihenasyon sa 2D nga mga materyales ug magtinabangay sa usag usa.Ang HRTEM makahimo sa pag-analisar sa pagkadaut sa duha-ka-dimensional nga layered nga mga istruktura ug ang sunod-sunod nga pagpakita sa metal oxide nanoparticle, samtang ang XPS sensitibo sa surface bonds.Alang niini nga katuyoan, gisulayan namo ang 2D Nb-MXene nanoflakes nga gikuha gikan sa microalgae cell dispersions, nga mao, ang ilang porma human sa interaksyon sa microalgae cells (tan-awa ang Fig. 7).
Ang mga hulagway sa HRTEM nga nagpakita sa morphology sa oxidized (a) SL Nb2CTx ug (b) SL Nb4C3Tx MXenes, XPS analysis results nga nagpakita (c) sa komposisyon sa oxide nga mga produkto human sa pagkunhod, (d-f) peak matching sa mga component sa XPS spectra sa SL Nb2CTx ug (g- i) green nga Nb4C3Tx nga giayo nga adunay micro Nb4C3.
Ang mga pagtuon sa HRTEM nagpamatuod sa oksihenasyon sa duha ka matang sa Nb-MXene nanoflakes.Bisan tuod ang mga nanoflakes nagpabilin sa ilang duha ka-dimensional nga morpolohiya sa pipila ka gidak-on, ang oksihenasyon miresulta sa dagway sa daghang mga nanoparticle nga nagtabon sa nawong sa MXene nanoflakes (tan-awa ang Fig. 7a, b).Ang pag-analisar sa XPS sa mga signal sa c Nb 3d ug O 1s nagpakita nga ang mga Nb oxide naporma sa duha ka mga kaso.Sama sa gipakita sa Figure 7c, ang 2D MXene Nb2CTx ug Nb4C3TX adunay Nb 3d signal nga nagpakita sa presensya sa NbO ug Nb2O5 oxides, samtang ang O 1s signal nagpakita sa gidaghanon sa O-Nb bonds nga may kalabutan sa functionalization sa 2D nanoflake surface.Among namatikdan nga ang kontribusyon sa Nb oxide kay dominante kon itandi sa Nb-C ug Nb3+-O.
Sa fig.Ang mga numero 7g–i nagpakita sa XPS spectra sa Nb 3d, C 1s, ug O 1s SL Nb2CTx (tan-awa ang Fig. 7d–f) ug SL Nb4C3TX MXene nga nahimulag gikan sa microalgae cells.Ang mga detalye sa Nb-MXenes peak parameters gihatag sa Tables S4-5, matag usa.Una namon gisusi ang komposisyon sa Nb 3d.Sukwahi sa Nb nga masuhop sa mga selula sa microalgae, sa MXene nga nahimulag gikan sa mga selula sa microalgae, gawas sa Nb2O5, ang ubang mga sangkap nakit-an.Sa Nb2CTx SL, among naobserbahan ang kontribusyon sa Nb3 + -O sa kantidad nga 15%, samtang ang nahabilin sa Nb 3d spectrum gidominar sa Nb2O5 (85%).Dugang pa, ang sample sa SL Nb4C3TX naglangkob sa Nb-C (9%) ug Nb2O5 (91%) nga mga sangkap.Dinhi ang Nb-C naggikan sa duha ka sulod nga atomic layer sa metal carbide sa Nb4C3Tx SR.Dayon among mapa ang C 1s spectra sa upat ka lain-laing mga component, sama sa among gibuhat sa internalized samples.Sama sa gipaabot, ang C 1s spectrum gidominar sa graphitic carbon, gisundan sa mga kontribusyon gikan sa mga organikong partikulo (CHx/CO ug C=O) gikan sa mga selula sa microalgae.Dugang pa, sa O 1s spectrum, among naobserbahan ang kontribusyon sa mga organikong porma sa microalgae cells, niobium oxide, ug adsorbed nga tubig.
Dugang pa, among gisusi kung ang Nb-MXenes cleavage nalangkit sa presensya sa reactive oxygen species (ROS) sa nutrient medium ug/o microalgae cells.Alang niini, among gisusi ang lebel sa singlet oxygen (1O2) sa medium nga kultura ug intracellular glutathione, usa ka thiol nga naglihok isip antioxidant sa microalgae.Ang mga resulta gipakita sa SI (Figures S20 ug S21).Ang mga kultura nga adunay SL Nb2CTx ug Nb4C3TX MXenes gihulagway pinaagi sa pagkunhod sa kantidad nga 1O2 (tan-awa ang Figure S20).Sa kaso sa SL Nb2CTx, ang MXene 1O2 mikunhod ngadto sa mga 83%.Alang sa microalgae nga mga kultura nga naggamit sa SL, ang Nb4C3TX 1O2 mikunhod pa, ngadto sa 73%.Makapainteres, ang mga pagbag-o sa 1O2 nagpakita sa parehas nga uso sama sa naobserbahan kaniadto nga inhibitory-stimulatory nga epekto (tan-awa ang Fig. 3).Mahimong ipangatarungan nga ang paglumlum sa hayag nga kahayag makausab sa photooxidation.Bisan pa, ang mga resulta sa pag-analisa sa pagkontrol nagpakita sa halos kanunay nga lebel sa 1O2 sa panahon sa eksperimento (Fig. S22).Sa kaso sa intracellular nga lebel sa ROS, nakita usab namo ang parehas nga ubos nga uso (tan-awa ang Figure S21).Sa sinugdan, ang mga lebel sa ROS sa mga selula sa microalgae nga gikultura sa presensya sa Nb2CTx ug Nb4C3Tx SLs milabaw sa lebel nga nakit-an sa puro nga kultura sa microalgae.Sa kadugayan, bisan pa, kini nagpakita nga ang microalgae gipasibo sa presensya sa Nb-MXenes, tungod kay ang mga lebel sa ROS mikunhod ngadto sa 85% ug 91% sa mga lebel nga gisukod sa putli nga mga kultura sa microalgae nga inoculated sa SL Nb2CTx ug Nb4C3TX, matag usa.Kini mahimong nagpakita nga ang microalgae mobati nga mas komportable sa paglabay sa panahon sa presensya sa Nb-MXene kaysa sa nutrient medium lamang.
Ang microalgae kay lainlain nga grupo sa mga organismo nga photosynthetic.Atol sa photosynthesis, ilang gi-convert ang atmospheric carbon dioxide (CO2) ngadto sa organic carbon.Ang mga produkto sa photosynthesis mao ang glucose ug oxygen79.Nagduda kami nga ang oxygen nga naporma adunay hinungdanon nga papel sa oksihenasyon sa Nb-MXenes.Usa ka posible nga katin-awan alang niini mao nga ang differential aeration parameter naporma sa ubos ug taas nga partial pressure sa oxygen sa gawas ug sa sulod sa Nb-MXene nanoflakes.Kini nagpasabot nga bisan asa adunay mga dapit sa lain-laing partial pressure sa oksiheno, ang dapit uban sa labing ubos nga lebel maporma ang anode 80, 81, 82. Dinhi, ang microalgae nakatampo sa pagmugna sa differentially aerated mga selula sa ibabaw sa MXene flakes, nga nagpatunghag oksiheno tungod sa ilang photosynthetic kabtangan.Ingon usa ka sangputanan, ang mga produkto sa biocorrosion (sa kini nga kaso, niobium oxides) naporma.Ang laing aspeto mao nga ang microalgae makahimo og mga organikong asido nga ipagawas sa tubig83,84.Busa, usa ka agresibo nga palibot ang naporma, sa ingon nagbag-o sa Nb-MXenes.Dugang pa, ang microalgae makausab sa pH sa palibot ngadto sa alkaline tungod sa pagsuyop sa carbon dioxide, nga mahimo usab nga hinungdan sa corrosion79.
Labaw sa tanan, ang ngitngit / kahayag nga photoperiod nga gigamit sa among pagtuon hinungdanon aron masabtan ang mga resulta nga nakuha.Kini nga aspeto gihulagway sa detalye sa Djemai-Zoghlache et al.85 Sila tinuyo nga migamit ug 12/12 ka oras nga photoperiod aron ipakita ang biocorrosion nga nalangkit sa biofouling sa pula nga microalgae nga Porphyridium purpureum.Gipakita nila nga ang photoperiod nalangkit sa ebolusyon sa potensyal nga walay biocorrosion, nga nagpakita sa iyang kaugalingon isip pseudoperiodic oscillations sa palibot sa 24:00.Kini nga mga obserbasyon gikumpirma ni Dowling et al.86 Nagpakita sila og mga photosynthetic biofilms sa cyanobacteria Anabaena.Ang dissolved oxygen naporma ubos sa aksyon sa kahayag, nga nalangkit sa usa ka pagbag-o o pag-usab-usab sa libre nga potensyal sa biocorrosion.Ang kahinungdanon sa photoperiod gipasiugda sa kamatuoran nga ang libre nga potensyal alang sa biocorrosion nagdugang sa kahayag nga bahin ug mikunhod sa ngitngit nga bahin.Kini tungod sa oxygen nga gihimo sa photosynthetic microalgae, nga nag-impluwensya sa cathodic reaction pinaagi sa partial pressure nga namugna duol sa electrodes87.
Dugang pa, gihimo ang Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) aron mahibal-an kung adunay mga pagbag-o nga nahitabo sa kemikal nga komposisyon sa mga selula sa microalgae pagkahuman sa interaksyon sa Nb-MXenes.Kini nga nakuha nga mga resulta komplikado ug among gipresentar kini sa SI (Figures S23-S25, lakip ang mga resulta sa MAX stage ug ML MXenes).Sa laktod, ang nakuha nga reference spectra sa microalgae naghatag kanato ug importanteng impormasyon bahin sa kemikal nga mga kinaiya niini nga mga organismo.Kining labing lagmit nga mga vibrations nahimutang sa mga frequency nga 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.sa usa ka.1 1 (C–H) ug 3280 cm–1 (O–H).Alang sa SL Nb-MXenes, nakit-an namon ang usa ka CH-bond stretching sign nga nahiuyon sa among miaging pagtuon38.Bisan pa, among naobserbahan nga ang pipila ka dugang nga mga taluktok nga may kalabutan sa C = C ug CH bonds nawala.Kini nagpakita nga ang kemikal nga komposisyon sa microalgae mahimong moagi sa ginagmay nga mga kausaban tungod sa interaksyon sa SL Nb-MXenes.
Kung gikonsiderar ang posible nga mga pagbag-o sa biochemistry sa microalgae, ang pagtipon sa mga inorganic oxide, sama sa niobium oxide, kinahanglan nga konsiderahon pag-usab59.Nalambigit kini sa pagsuyup sa mga metal pinaagi sa nawong sa selula, ang ilang pagdala ngadto sa cytoplasm, ang ilang pagpakig-uban sa mga intracellular carboxyl nga mga grupo, ug ang ilang panagtapok sa microalgae polyphosphosomes20,88,89,90.Dugang pa, ang relasyon tali sa microalgae ug mga metal gipadayon sa mga functional nga grupo sa mga selula.Tungod niini, ang pagsuyup nagdepende usab sa microalgae surface chemistry, nga medyo komplikado9,91.Sa kinatibuk-an, sama sa gipaabut, ang kemikal nga komposisyon sa berde nga microalgae nausab gamay tungod sa pagsuyup sa Nb oxide.
Makapainteres, ang naobserbahan nga pasiunang pagpugong sa microalgae mabalik sa paglabay sa panahon.Sa among naobserbahan, ang microalgae nakabuntog sa inisyal nga pagbag-o sa kalikopan ug sa kadugayan mibalik sa normal nga rate sa pagtubo ug mitaas pa.Ang mga pagtuon sa potensyal sa zeta nagpakita sa taas nga kalig-on kung gipaila sa nutrient media.Busa, ang interaksyon sa nawong tali sa mga selula sa microalgae ug Nb-MXene nanoflakes gipadayon sa tibuok nga mga eksperimento sa pagkunhod.Sa among dugang nga pagtuki, among gi-summarize ang mga nag-unang mekanismo sa aksyon nga nagpahiping niining talagsaon nga kinaiya sa microalgae.
Gipakita sa mga obserbasyon sa SEM nga ang microalgae lagmit nga motapot sa Nb-MXenes.Gamit ang dinamikong pag-analisar sa imahe, among gipamatud-an nga kini nga epekto modala ngadto sa pagbag-o sa duha ka dimensiyon nga Nb-MXene nanoflakes ngadto sa mas spherical nga mga partikulo, sa ingon nagpakita nga ang pagkadunot sa nanoflakes nalangkit sa ilang oksihenasyon.Aron sulayan ang among hypothesis, nagpahigayon kami usa ka serye sa mga pagtuon sa materyal ug biochemical.Pagkahuman sa pagsulay, ang mga nanoflake anam-anam nga na-oxidize ug nadugta sa mga produkto nga NbO ug Nb2O5, nga wala maghatag hulga sa berde nga microalgae.Gamit ang obserbasyon sa FTIR, wala kami nakit-an nga hinungdanon nga mga pagbag-o sa kemikal nga komposisyon sa microalgae nga gilumlum sa presensya sa 2D Nb-MXene nanoflakes.Giisip ang posibilidad sa pagsuyup sa niobium oxide pinaagi sa microalgae, naghimo kami usa ka X-ray fluorescence analysis.Kini nga mga resulta tin-aw nga nagpakita nga ang gitun-an nga microalgae mokaon sa niobium oxides (NbO ug Nb2O5), nga dili makahilo sa gitun-an nga microalgae.