Dankon pro vizito de Nature.com.Vi uzas retumilon kun limigita CSS-subteno.Por la plej bona sperto, ni rekomendas, ke vi uzu ĝisdatigitan retumilon (aŭ malŝaltu Kongruo-Reĝimon en Internet Explorer).Intertempe, por certigi daŭran subtenon, ni redonos la retejon sen stiloj kaj JavaScript.
Montras karuselon de tri diapozitivoj samtempe.Uzu la butonojn Antaŭa kaj Sekva por moviĝi tra tri diapozitivoj samtempe, aŭ uzu la glitilbutonojn ĉe la fino por moviĝi tra tri diapozitivoj samtempe.
La rapida evoluo de nanoteknologio kaj ĝia integriĝo en ĉiutagajn aplikojn povas minaci la medion.Dum verdaj metodoj por la degenero de organikaj poluaĵoj estas bone establitaj, la reakiro de neorganikaj kristalaj poluaĵoj estas de grava zorgo pro sia malalta sentemo al biotransformado kaj manko de kompreno de materialaj surfacinteragoj kun biologiaj.Ĉi tie, ni uzas Nb-bazitan neorganikan 2D MXenes-modelon kombinitan kun simpla forma parametra analiza metodo por spuri la bioremedian mekanismon de 2D ceramikaj nanomaterialoj de la verda mikroalgo Raphidocelis subcapitata.Ni trovis, ke mikroalgoj degradas Nb-bazitajn MXenojn pro surfac-rilataj fiziko-kemiaj interagoj.Komence, unutavolaj kaj plurtavolaj MXene nanoflokoj estis alkroĉitaj al la surfaco de mikroalgoj, kiuj iom reduktis la kreskon de algoj.Tamen, sur longedaŭra interagado kun la surfaco, mikroalgoj oksigenis MXene-nanoflokojn kaj plue malkomponis ilin en NbO kaj Nb2O5.Ĉar tiuj oksidoj estas ne-toksaj al mikroalgaj ĉeloj, ili konsumas Nb-oksidajn nanopartiklojn per sorbada mekanismo kiu plue restarigas la mikroalgojn post 72 horoj da akvopurigo.La efikoj de nutraĵoj asociitaj kun sorbado ankaŭ estas reflektitaj en la pliiĝo en ĉela volumo, ilia glata formo kaj ŝanĝo en kreskorapideco.Surbaze de ĉi tiuj trovoj, ni konkludas, ke la mallonga kaj longperspektiva ĉeesto de Nb-bazitaj MXenoj en dolĉakvaj ekosistemoj povas kaŭzi nur negravajn mediajn efikojn.Estas rimarkinde, ke, uzante dudimensiajn nanomaterialojn kiel modelsistemojn, ni pruvas la eblecon spuri formotransformon eĉ en fajngrajnaj materialoj.Ĝenerale, ĉi tiu studo respondas gravan fundamentan demandon pri surfacaj interagado-rilataj procezoj kondukantaj la bioripuran mekanismon de 2D nanomaterialoj kaj disponigas bazon por pliaj mallongperspektivaj kaj longperspektivaj studoj de la media efiko de neorganikaj kristalaj nanomaterialoj.
Nanomaterialoj generis multe da intereso ekde sia malkovro, kaj diversaj nanoteknologioj lastatempe eniris modernigan fazon1.Bedaŭrinde, la integriĝo de nanomaterialoj en ĉiutagajn aplikojn povas konduki al hazardaj liberigoj pro nedeca forigo, senzorga manipulado aŭ neadekvata sekureca infrastrukturo.Tial, estas akcepteble supozi ke nanomaterialoj, inkluzive de dudimensiaj (2D) nanomaterialoj, povas esti liberigitaj en la naturan medion, kies konduto kaj biologia agado ankoraŭ ne estas plene komprenitaj.Tial, ne estas surprize, ke zorgoj pri ekotokseco koncentriĝis pri la kapablo de 2D nanomaterialoj elsivi en akvajn sistemojn2,3,4,5,6.En tiuj ekosistemoj, kelkaj 2D nanomaterialoj povas interagi kun diversaj organismoj sur malsamaj trofaj niveloj, inkluzive de mikroalgoj.
Mikroalgoj estas primitivaj organismoj trovitaj nature en dolĉakvaj kaj maraj ekosistemoj kiuj produktas diversajn kemiajn produktojn per fotosintezo7.Kiel tiaj, ili estas kritikaj al akvaj ekosistemoj8,9,10,11,12 sed ankaŭ estas sentemaj, malmultekostaj kaj vaste uzataj indikiloj de ekotokseco13,14.Ĉar mikroalgaj ĉeloj multiĝas rapide kaj rapide respondas al la ĉeesto de diversaj komponaĵoj, ili promesas la disvolviĝon de ekologiemaj metodoj por trakti akvon poluitan per organikaj substancoj15,16.
Algaj ĉeloj povas forigi neorganikajn jonojn el akvo per biosorbado kaj amasiĝo17,18.Kelkaj algospecioj kiel ekzemple Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue kaj Synechococcus sp.Oni trovis, ke ĝi portas kaj eĉ nutras toksajn metalajn jonojn kiel Fe2+, Cu2+, Zn2+ kaj Mn2+19.Aliaj studoj montris ke Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ aŭ Pb2+ jonoj limigas la kreskon de Scenedesmus ŝanĝante ĉelmorfologion kaj detruante iliajn kloroplastojn20,21.
Verdaj metodoj por la putriĝo de organikaj malpurigaĵoj kaj la forigo de pezmetalaj jonoj altiris la atenton de sciencistoj kaj inĝenieroj ĉirkaŭ la mondo.Ĉi tio estas ĉefe pro la fakto, ke ĉi tiuj poluaĵoj estas facile prilaboritaj en la likva fazo.Tamen, neorganikaj kristalaj malpurigaĵoj estas karakterizitaj per malalta akvosolvebleco kaj malalta malsaniĝemeco al diversaj biotransformiĝoj, kio kaŭzas grandajn malfacilaĵojn en solvado, kaj malmulte da progreso estis farita en tiu areo22,23,24,25,26.Tiel, la serĉo de ekologiemaj solvoj por la riparo de nanomaterialoj restas kompleksa kaj neesplorita areo.Pro la alta grado da necerteco koncerne la biotransformajn efikojn de 2D nanomaterialoj, ekzistas neniu facila maniero eltrovi la eblajn padojn de ilia degenero dum redukto.
En ĉi tiu studo, ni uzis verdajn mikroalgojn kiel aktivan akvan bioremedian agenton por neorganikaj ceramikaj materialoj, kombinita kun surloka monitorado de la degradadprocezo de MXene kiel reprezentanto de neorganikaj ceramikaj materialoj.La esprimo "MXene" reflektas la stoiĥiometrion de la Mn+1XnTx-materialo, kie M estas frua transirmetalo, X estas karbono kaj/aŭ nitrogeno, Tx estas surfacterministo (ekz., -OH, -F, -Cl), kaj n = 1, 2, 3 aŭ 427.28.Ekde la eltrovo de MXenes de Naguib et al.Sensaj, kancerterapio kaj membrana filtrado 27,29,30.Krome, MXenoj povas esti konsiderataj kiel modelaj 2D-sistemoj pro sia bonega koloida stabileco kaj eblaj biologiaj interagoj31,32,33,34,35,36.
Tial, la metodaro disvolvita en ĉi tiu artikolo kaj niaj esploraj hipotezoj estas montritaj en Figuro 1. Laŭ ĉi tiu hipotezo, mikroalgoj degradas Nb-bazitajn MXenojn en ne-toksajn kunmetaĵojn pro surfac-rilataj fiziko-kemiaj interagoj, kio permesas plian reakiron de la algoj.Por testi ĉi tiun hipotezon, du membroj de la familio de fruaj niobio-bazitaj transirmetalaj karbidoj kaj/aŭ nitruroj (MXenes), nome Nb2CTx kaj Nb4C3TX, estis elektitaj.
Esplormetodaro kaj indico-bazitaj hipotezoj por MXene-reakiro de verdaj mikroalgoj Raphidocelis subcapitata.Bonvolu noti, ke ĉi tio estas nur skema reprezentado de pruv-bazitaj supozoj.La laga medio malsamas en la nutra medio uzata kaj la kondiĉoj (ekz., taga ciklo kaj limigoj en disponeblaj esencaj nutraĵoj).Kreite kun BioRender.com.
Tial, uzante MXene kiel modelsistemon, ni malfermis la pordon al la studo de diversaj biologiaj efikoj kiuj ne povas esti observitaj kun aliaj konvenciaj nanomaterialoj.Aparte, ni pruvas la eblecon de bioripurigo de dudimensiaj nanomaterialoj, kiel niobio-bazitaj MXenoj, de mikroalgoj Raphidocelis subcapitata.Mikroalgoj povas degradi Nb-MXenes en la netoksajn oksidojn NbO kaj Nb2O5, kiuj ankaŭ disponigas nutraĵojn per la niobio-akcepta mekanismo.Ĝenerale, ĉi tiu studo respondas gravan fundamentan demandon pri la procezoj asociitaj kun surfacaj fizikokemiaj interagoj, kiuj regas la mekanismojn de bioreparado de dudimensiaj nanomaterialoj.Krome, ni disvolvas simplan formo-parametro-bazitan metodon por spuri subtilajn ŝanĝojn en la formo de 2D nanomaterialoj.Tio inspiras plian mallongperspektivan kaj longperspektivan esploradon en la diversajn mediajn efikojn de neorganikaj kristalaj nanomaterialoj.Tiel, nia studo pliigas la komprenon de la interago inter la materiala surfaco kaj biologia materialo.Ni ankaŭ provizas la bazon por vastigitaj mallongperspektivaj kaj longperspektivaj studoj pri iliaj eblaj efikoj al dolĉakvaj ekosistemoj, kiuj nun povas esti facile kontrolitaj.
MXenoj reprezentas interesan klason de materialoj kun unikaj kaj allogaj fizikaj kaj kemiaj trajtoj kaj tial multaj eblaj aplikoj.Tiuj trajtoj estas plejparte dependaj de sia stoiĥiometrio kaj surfackemio.Tial, en nia studo, ni esploris du specojn de Nb-bazitaj hierarkiaj unu-tavolaj (SL) MXenoj, Nb2CTx kaj Nb4C3TX, ĉar malsamaj biologiaj efikoj de ĉi tiuj nanomaterialoj povus esti observitaj.MXenoj estas produktitaj el siaj komencaj materialoj per desupra selektema akvaforto de atome maldikaj MAX-fazaj A-tavoloj.La MAX-fazo estas ternara ceramikaĵo kunmetita de "ligitaj" blokoj de transirmetalaj karbidoj kaj maldikaj tavoloj de "A" elementoj kiel ekzemple Al, Si, kaj Sn kun MnAXn-1-stoiĥiometrio.La morfologio de la komenca MAX-fazo estis observita per skanado de elektrona mikroskopio (SEM) kaj estis kongrua kun antaŭaj studoj (Vidu Suplementajn Informojn, SI, Figuro S1).Multilayer (ML) Nb-MXene estis akirita post forigo de la Al-tavolo kun 48% HF (hidrofluora acido).La morfologio de ML-Nb2CTx kaj ML-Nb4C3TX estis ekzamenita per skanado de elektrona mikroskopio (SEM) (Figuroj S1c kaj S1d respektive) kaj tipa tavoligita MXene-morfologio estis observita, simila al dudimensiaj nanoflokoj pasantaj tra longformaj por-similaj fendoj.Ambaŭ Nb-MXenoj havas multon komune kun MXene-fazoj antaŭe sintezitaj per acida akvaforto27,38.Post konfirmi la strukturon de MXene, ni tavoligis ĝin per interkalado de tetrabutilamonia hidroksido (TBAOH) sekvita de lavado kaj sonikado, post kio ni akiris unutavolajn aŭ malaltajn tavolojn (SL) 2D Nb-MXene nanoflokojn.
Ni uzis alt-rezolucian dissendan elektronan mikroskopion (HRTEM) kaj X-radian difrakton (XRD) por testi la efikecon de akvaforto kaj plua senŝeligado.La HRTEM-rezultoj prilaboritaj uzante la Inversa Fast Fourier Transform (IFFT) kaj Fast Fourier Transform (FFT) estas montritaj en Fig. 2. Nb-MXene nanoflakes estis orientitaj rando supren por kontroli la strukturon de la atoma tavolo kaj mezuri la interplanar distancoj.HRTEM-bildoj de MXene Nb2CTx kaj Nb4C3TX nanoflakes rivelis ilian atome maldikan tavoligitan naturon (vidu Fig. 2a1, a2), kiel antaŭe raportite fare de Naguib et al.27 kaj Jastrzębska et al.38.Por du apudaj monotavoloj Nb2CTx kaj Nb4C3Tx, ni determinis intertavolajn distancojn de 0.74 kaj 1.54 nm, respektive (Fig. 2b1, b2), kio ankaŭ konsentas kun niaj antaŭaj rezultoj38.Tio estis plue konfirmita per la inversa rapida Fourier-transformo (Fig. 2c1, c2) kaj la rapida Fourier-transformo (Fig. 2d1, d2) montranta la distancon inter la Nb2CTx kaj Nb4C3Tx monotavoloj.La bildo montras alternadon de helaj kaj malhelaj bandoj respondaj al niobio kaj karbonatomo, kio konfirmas la tavoligitan naturon de la studitaj MXenoj.Gravas noti, ke la energidisvastigaj Rentgenfota spektroskopio (EDX) spektroj akiritaj por Nb2CTx kaj Nb4C3Tx (Figuroj S2a kaj S2b) montris neniun restaĵon de la origina MAX-fazo, ĉar neniu Al-pinto estis detektita.
Karakterizado de SL Nb2CTx kaj Nb4C3Tx MXene nanoflakes, inkluzive de (a) alta rezolucia elektronmikroskopio (HRTEM) flankvido 2D nanoflake bildigo kaj korespondado, (b) intensecreĝimo, (c) inversa rapida Fourier transformo (IFFT), (d) rapida Fourier transformo (FFT), (e) X-radiaj ŝablonoj Nb-MX.Por SL 2D Nb2CTx, la nombroj estas esprimitaj kiel (a1, b1, c1, d1, e1).Por SL 2D Nb4C3Tx, la nombroj estas esprimitaj kiel (a2, b2, c2, d2, e1).
Rentgenfotaj difraktomezuradoj de SL Nb2CTx kaj Nb4C3Tx MXenes estas montritaj en Figoj.2e1 kaj e2, respektive.Pintoj (002) ĉe 4.31 kaj 4.32 respondas al la antaŭe priskribitaj tavoligitaj MXenes Nb2CTx kaj Nb4C3TX38,39,40,41 respektive.La XRD-rezultoj ankaŭ indikas la ĉeeston de iuj restaj ML-strukturoj kaj MAX-fazoj, sed plejparte XRD-ŝablonoj asociitaj kun SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2).La ĉeesto de pli malgrandaj partikloj de la MAX-fazo povas klarigi la pli fortan MAX-pinton kompare kun la hazarde stakigitaj Nb4C3Tx-tavoloj.
Plia esplorado temigis verdajn mikroalgojn apartenantaj al la specio R. subcapitata .Ni elektis mikroalgojn ĉar ili estas gravaj produktantoj implikitaj en ĉefaj manĝretoj42.Ili ankaŭ estas unu el la plej bonaj indikiloj de tokseco pro la kapablo forigi toksajn substancojn, kiuj estas portitaj al pli altaj niveloj de la nutra ĉeno43.Krome, esplorado pri R. subcapitata povas deĵeti lumon sur la hazarda tokseco de SL Nb-MXenes al oftaj dolĉakvaj mikroorganismoj.Por ilustri tion, la esploristoj hipotezis, ke ĉiu mikrobo havas malsaman sentemon al venenaj komponaĵoj ĉeestantaj en la medio.Por plej multaj organismoj, malaltaj koncentriĝoj de substancoj ne influas ilian kreskon, dum koncentriĝoj super certa limo povas malhelpi ilin aŭ eĉ kaŭzi morton.Tial, por niaj studoj pri la surfaca interago inter mikroalgoj kaj MXenoj kaj la rilata reakiro, ni decidis testi la sendanĝerajn kaj toksajn koncentriĝojn de Nb-MXenoj.Por fari tion, ni testis koncentriĝojn de 0 (kiel referenco), 0,01, 0,1 kaj 10 mg l-1 MXene kaj aldone infektitajn mikroalgojn kun tre altaj koncentriĝoj de MXene (100 mg l-1 MXene), kiuj povas esti ekstremaj kaj mortigaj..por ajna biologia medio.
La efikoj de SL Nb-MXenes sur mikroalgoj estas montritaj en Figuro 3, esprimita kiel la procento de kresko-promocio (+) aŭ inhibicio (-) mezurita por 0 mg l-1 specimenoj.Por komparo, la fazo Nb-MAX kaj ML Nb-MXenes ankaŭ estis provitaj kaj la rezultoj estas montritaj en SI (vidu Fig. S3).La rezultoj akiritaj konfirmis, ke SL Nb-MXenes estas preskaŭ tute sen tokseco en la gamo de malaltaj koncentriĝoj de 0,01 ĝis 10 mg/l, kiel montrite en Fig. 3a,b.En la kazo de Nb2CTx, ni observis ne pli ol 5% ekotoksecon en la specifita gamo.
Stimulo (+) aŭ inhibicio (-) de mikroalga kresko en ĉeesto de SL (a) Nb2CTx kaj (b) Nb4C3TX MXene.24, 48 kaj 72 horoj de MXene-mikroalga interago estis analizitaj. Signifaj datumoj (t-testo, p < 0.05) estis markitaj per asterisko (*). Signifaj datumoj (t-testo, p < 0.05) estis markitaj per asterisko (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Signifaj datumoj (t-testo, p < 0,05) estas markitaj per asterisko (*).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-testo, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Gravaj datumoj (t-testo, p < 0,05) estas markitaj per asterisko (*).Ruĝaj sagoj indikas la forigon de inhibicia stimulo.
Aliflanke, malaltaj koncentriĝoj de Nb4C3TX montriĝis iomete pli venenaj, sed ne pli altaj ol 7%.Kiel atendite, ni observis, ke MXenoj havis pli altan toksecon kaj inhibicion de kresko de mikroalgoj ĉe 100mg L-1.Interese, neniu el la materialoj montris la saman tendencon kaj tempodependecon de toksaj/toksaj efikoj kompare kun la MAX aŭ ML-provaĵoj (vidu SI por detaloj).Dum por la MAX-fazo (vidu Fig. S3) tokseco atingis proksimume 15-25% kaj pliiĝis kun la tempo, la inversa tendenco estis observita por SL Nb2CTx kaj Nb4C3TX MXene.La inhibicio de mikroalga kresko malpliiĝis kun la tempo.Ĝi atingis proksimume 17% post 24 horoj kaj falis al malpli ol 5% post 72 horoj (Fig. 3a, b, respektive).
Pli grave, por SL Nb4C3TX, mikroalga kresko-inhibicio atingis ĉirkaŭ 27% post 24 horoj, sed post 72 horoj ĝi malpliiĝis al ĉirkaŭ 1%.Tial ni etikedis la observitan efikon kiel inversa inhibicio de stimulo, kaj la efiko estis pli forta por SL Nb4C3TX MXene.La stimulo de mikroalga kresko estis notita pli frue kun Nb4C3TX (interago ĉe 10 mg L-1 dum 24 h) kompare kun SL Nb2CTx MXene.La inhibicia-stimula inversa efiko ankaŭ estis bone montrita en la biomasa duobliga kurbo (vidu Fig. S4 por detaloj).Ĝis nun, nur la ekotokseco de Ti3C2TX MXene estis studita laŭ malsamaj manieroj.Ĝi ne estas toksa por embrioj de zebrofiŝo44 sed modere ekotoksa por la mikroalgoj Desmodesmus quadricauda kaj Sorghum saccharatum plantoj45.Aliaj ekzemploj de specifaj efikoj inkluzivas pli altan toksecon al kanceraj ĉellinioj ol al normalaj ĉellinioj46,47.Oni povus supozi, ke la testkondiĉoj influus la ŝanĝojn en mikroalga kresko observita en la ĉeesto de Nb-MXenes.Ekzemple, pH de proksimume 8 en la kloroplasta stromo estas optimuma por efika operacio de la RuBisCO-enzimo.Tial, pH-ŝanĝoj negative influas la rapidecon de fotosintezo48,49.Tamen, ni ne observis signifajn ŝanĝojn en pH dum la eksperimento (vidu SI, Fig. S5 por detaloj).Ĝenerale, kulturoj de mikroalgoj kun Nb-MXenes iomete reduktis la pH de la solvo dum tempo.Tamen, tiu malkresko estis simila al ŝanĝo en la pH de pura medio.Krome, la gamo de varioj trovitaj estis simila al tiu mezurita por pura kulturo de mikroalgoj (kontrolprovaĵo).Tiel, ni konkludas, ke fotosintezo ne estas tuŝita de ŝanĝoj en pH laŭlonge de la tempo.
Krome, la sintezitaj MXenoj havas surfacajn finaĵojn (signitajn kiel Tx).Ĉi tiuj estas ĉefe funkciaj grupoj -O, -F kaj -OH.Tamen, surfackemio estas rekte rilatita al la metodo de sintezo.Oni scias, ke ĉi tiuj grupoj estas hazarde distribuitaj sur la surfaco, malfaciligante antaŭdiri sian efikon al la propraĵoj de MXene50.Povas esti argumentite ke Tx povus esti la kataliza forto por la oksigenado de niobio per lumo.Surfacaj funkciaj grupoj efektive disponigas multoblajn ankrajn ejojn por siaj subestaj fotokataliziloj por formi heterojunkciojn51.Tamen, la kreskmedio-konsisto ne disponigis efikan fotokatalizilon (detala meza konsisto troveblas en SI-Tablo S6).Krome, ajna surfaca modifo ankaŭ estas tre grava, ĉar la biologia agado de MXenoj povas esti ŝanĝita pro tavola post-prilaborado, oksigenado, kemia surfaca modifo de organikaj kaj neorganikaj komponaĵoj52,53,54,55,56 aŭ surfaca ŝarga inĝenierado38.Tial, por testi ĉu niobiooksido havas ion ajn rilatan al materiala malstabileco en la medio, ni faris studojn pri la zeta (ζ) potencialo en mikroalga kreskmedio kaj dejonigita akvo (por komparo).Niaj rezultoj montras, ke SL Nb-MXenes estas sufiĉe stabilaj (vidu SI Fig. S6 por MAX kaj ML-rezultoj).La zeta potencialo de SL MXenes estas ĉirkaŭ -10 mV.En la kazo de SR Nb2CTx, la valoro de ζ estas iom pli negativa ol tiu de Nb4C3Tx.Tia ŝanĝo en la ζ-valoro povas indiki ke la surfaco de negative ŝargitaj MXene-nanoflokoj absorbas pozitive ŝargitajn jonojn de la kulturmedio.Tempaj mezuradoj de la zeta potencialo kaj kondukteco de Nb-MXenes en kultura medio (vidu Figurojn S7 kaj S8 en SI por pliaj detaloj) ŝajnas subteni nian hipotezon.
Tamen, ambaŭ Nb-MXene SL-oj montris minimumajn ŝanĝojn de nulo.Ĉi tio klare montras ilian stabilecon en la mikroalga kreskmedio.Krome, ni taksis ĉu la ĉeesto de niaj verdaj mikroalgoj influos la stabilecon de Nb-MXenes en la medio.La rezultoj de la zeta potencialo kaj kondukteco de MXenes post interago kun mikroalgoj en nutraj amaskomunikiloj kaj kulturo laŭlonge de la tempo troveblas en SI (Figuroj S9 kaj S10).Interese, ni rimarkis, ke la ĉeesto de mikroalgoj ŝajnis stabiligi la disvastigon de ambaŭ MXenoj.En la kazo de Nb2CTx SL, la zeta potencialo eĉ iomete malpliiĝis kun la tempo al pli negativaj valoroj (-15,8 kontraŭ -19,1 mV post 72 h de kovado).La zeta potencialo de SL Nb4C3TX iomete pliiĝis, sed post 72 h ĝi ankoraŭ montris pli altan stabilecon ol nanoflakes sen la ĉeesto de mikroalgoj (-18.1 kontraŭ -9.1 mV).
Ni ankaŭ trovis pli malaltan konduktivecon de Nb-MXene-solvoj kovataj en ĉeesto de mikroalgoj, indikante pli malaltan kvanton da jonoj en la nutra medio.Precipe, la malstabileco de MXenoj en akvo estas plejparte pro surfaca oksigenado57.Tial ni suspektas, ke verdaj mikroalgoj iel purigis la oksidojn formitajn sur la surfaco de Nb-MXene kaj eĉ malhelpis ilian aperon (oksidado de MXene).Ĉi tio povas esti vidita studante la specojn de substancoj absorbitaj de mikroalgoj.
Dum niaj ekotoksologiaj studoj indikis, ke mikroalgoj povis venki la toksecon de Nb-MXenoj kun la tempo kaj la nekutiman inhibicion de stimulita kresko, la celo de nia studo estis esplori eblajn mekanismojn de ago.Kiam organismoj kiel algoj estas elmontritaj al kunmetaĵoj aŭ materialoj nekonataj al siaj ekosistemoj, ili povas reagi en diversaj manieroj58,59.En foresto de toksaj metaloksidoj, mikroalgoj povas nutri sin, permesante al ili kreski senĉese60.Post konsumado de toksaj substancoj, defendaj mekanismoj povas esti aktivigitaj, kiel ŝanĝado de formo aŭ formo.Oni devas konsideri ankaŭ la eblecon de sorbado58,59.Precipe, ajna signo de defenda mekanismo estas klara indikilo de la tokseco de la testa kunmetaĵo.Tial, en nia plua laboro, ni esploris la eblan surfacan interagadon inter SL Nb-MXene nanoflakes kaj mikroalgoj per SEM kaj la eblan sorbadon de Nb-bazita MXene per X-radia fluoreskeca spektroskopio (XRF).Notu, ke SEM kaj XRF-analizoj estis nur faritaj ĉe la plej alta koncentriĝo de MXene por trakti agadtoksecajn problemojn.
La SEM-rezultoj estas montritaj en Fig.4.Netraktitaj mikroalgaj ĉeloj (vidu Fig. 4a, referencprovaĵo) klare montris tipan R. subcapitata morfologion kaj croissant-similan ĉelformon.Ĉeloj ŝajnas platigitaj kaj iom malorganizitaj.Kelkaj mikroalgaj ĉeloj interkovris kaj implikiĝis unu kun la alia, sed tio estis verŝajne kaŭzita de la specimena preparprocezo.Ĝenerale, puraj mikroalgaj ĉeloj havis glatan surfacon kaj ne montris iujn ajn morfologiajn ŝanĝojn.
SEM-bildoj montrantaj surfacan interagadon inter verdaj mikroalgoj kaj MXene nanofolioj post 72 horoj da interagado ĉe ekstrema koncentriĝo (100 mg L-1).(a) Netraktitaj verdaj mikroalgoj post interago kun SL (b) Nb2CTx kaj (c) Nb4C3TX MXenes.Notu ke la Nb-MXene nanoflakes estas markitaj per ruĝaj sagoj.Por komparo, fotoj de optika mikroskopo ankaŭ estas aldonitaj.
En kontrasto, mikroalgaj ĉeloj adsorbitaj de SL Nb-MXene nanoflakes estis difektitaj (vidu Fig. 4b, c, ruĝaj sagoj).En la kazo de Nb2CTx MXene (Fig. 4b), mikroalgoj emas kreski kun alfiksitaj dudimensiaj nanoskaloj, kiuj povas ŝanĝi sian morfologion.Precipe, ni ankaŭ observis ĉi tiujn ŝanĝojn sub lummikroskopio (vidu SI-Figuron S11 por detaloj).Ĉi tiu morfologia transiro havas kredindan bazon en la fiziologio de mikroalgoj kaj ilia kapablo defendi sin ŝanĝante ĉelmorfologion, kiel ekzemple kreskanta ĉelvolumeno61.Tial gravas kontroli la nombron da mikroalgaj ĉeloj, kiuj fakte kontaktas Nb-MXenes.SEM-studoj montris ke ĉirkaŭ 52% de mikroalgaj ĉeloj estis eksponitaj al Nb-MXenes, dum 48% de tiuj mikroalgaj ĉeloj evitis kontakton.Por SL Nb4C3Tx MXene, mikroalgoj provas eviti kontakton kun MXene, tiel lokalizante kaj kreskante de dudimensiaj nanoskaloj (Fig. 4c).Tamen, ni ne observis la penetron de nanoskaloj en mikroalgajn ĉelojn kaj ilian damaĝon.
Memkonservado ankaŭ estas temp-dependa respondkonduto al la blokado de fotosintezo pro la adsorbado de partikloj sur la ĉela surfaco kaj la tiel nomata ombra (ombrigo) efiko62.Estas klare, ke ĉiu objekto (ekzemple, Nb-MXene nanoflakes) kiu estas inter la mikroalgoj kaj la lumfonto limigas la kvanton de lumo sorbita de la kloroplastoj.Tamen, ni ne dubas, ke ĉi tio havas gravan efikon sur la rezultoj akiritaj.Kiel montrite de niaj mikroskopaj observoj, la 2D nanoflokoj ne estis tute envolvitaj aŭ aligitaj al la surfaco de la mikroalgoj, eĉ kiam la mikroalgaj ĉeloj estis en kontakto kun Nb-MXenoj.Anstataŭe, nanoflokoj montriĝis orientitaj al mikroalgaj ĉeloj sen kovri sian surfacon.Tia aro de nanoflokoj/mikroalgoj ne povas signife limigi la kvanton de lumo sorbita de mikroalgaj ĉeloj.Plie, iuj studoj eĉ pruvis plibonigon de lumsorbado de fotosintezaj organismoj en ĉeesto de dudimensiaj nanomaterialoj63,64,65,66.
Ĉar SEM-bildoj ne povis rekte konfirmi la konsumon de niobio de mikroalgaj ĉeloj, nia plua studo turnis sin al analizo de X-radia fluoreskeco (XRF) kaj X-radia fotoelektrona spektroskopio (XPS) por klarigi ĉi tiun aferon.Sekve, ni komparis la intensecon de la Nb-pintoj de referencaj mikroalgaj specimenoj, kiuj ne interagis kun MXenoj, MXene-nanoflokoj dekroĉitaj de la surfaco de mikroalgaj ĉeloj kaj mikroalgaj ĉeloj post forigo de aligitaj MXenoj.Indas noti, ke se ne ekzistas Nb-asimilado, la Nb-valoro akirita de la mikroalgaj ĉeloj devus esti nul post forigo de la alkroĉitaj nanoskaloj.Tial, se Nb-asimilado okazas, ambaŭ rezultoj de XRF kaj XPS devus montri klaran Nb-pinton.
En la kazo de XRF-spektroj, mikroalgaj specimenoj montris Nb-pintojn por SL Nb2CTx kaj Nb4C3Tx MXene post interago kun SL Nb2CTx kaj Nb4C3Tx MXene (vidu Fig. 5a, ankaŭ notu, ke la rezultoj por MAX kaj ML MXenes estas montritaj en SI, Figoj S12-C17).Interese, la intenseco de la Nb-pinto estas la sama en ambaŭ kazoj (ruĝaj stangoj en Fig. 5a).Ĉi tio indikis, ke la algoj ne povis sorbi pli da Nb, kaj la maksimuma kapablo por Nb-amasiĝo estis atingita en la ĉeloj, kvankam dufoje pli da Nb4C3Tx MXene estis alfiksita al la mikroalgaj ĉeloj (bluaj stangoj en Fig. 5a).Precipe, la kapablo de mikroalgoj sorbi metalojn dependas de la koncentriĝo de metaloksidoj en la medio67,68.Shamshada et al.67 trovis ke la absorba kapablo de dolĉakvaj algoj malpliiĝas kun pliiĝanta pH.Raize et al.68 rimarkis, ke la kapablo de algoj sorbi metalojn estis ĉirkaŭ 25% pli alta por Pb2+ ol por Ni2+.
(a) XRF-rezultoj de baza Nb-asimilado de verdaj mikroalgaj ĉeloj kovataj ĉe ekstrema koncentriĝo de SL Nb-MXenes (100 mg L-1) dum 72 horoj.La rezultoj montras la ĉeeston de α en puraj mikroalgaj ĉeloj (kontrolprovaĵo, grizaj kolonoj), 2D nanoflokoj izolitaj de surfacaj mikroalgaj ĉeloj (bluaj kolonoj), kaj mikroalgaj ĉeloj post apartigo de 2D nanoflokoj de la surfaco (ruĝaj kolonoj).La kvanto de elementa Nb, (b) procento de kemia konsisto de mikroalgaj organikaj komponentoj (C=O kaj CHx/C-O) kaj Nb-oksidoj ĉeestantaj en mikroalgaj ĉeloj post kovado kun SL Nb-MXenes, (c-e) Fitting de la kompona pinto de XPS SL Nb2CTx-spektroj kaj (fh) SLx Nb4C-ĉeligitaj internigitaj de SL Nb4C3T.
Tial, ni atendis ke Nb povus esti sorbita de algoĉeloj en la formo de oksidoj.Por provi ĉi tion, ni faris XPS-studojn pri MXenes Nb2CTx kaj Nb4C3TX kaj algoj ĉeloj.La rezultoj de la interago de mikroalgoj kun Nb-MXenes kaj MXenes izolitaj de algoĉeloj estas montritaj en Figoj.5b.Kiel atendite, ni detektis Nb 3d-pintojn en la mikroalgaj specimenoj post forigo de MXene de la surfaco de la mikroalgoj.La kvanta determino de C=O, CHx/CO, kaj Nb-oksidoj estis kalkulita surbaze de la Nb 3d, O 1s, kaj C 1s-spektroj akiritaj kun Nb2CTx SL (Fig. 5c-e) kaj Nb4C3Tx SL (Fig. 5c-e).) akirita de kovataj mikroalgoj.Figuro 5f–h) MXenes.Tabelo S1-3 montras la detalojn de la pintaj parametroj kaj ĝeneralan kemion rezultantan el la kongruo.Estas rimarkinde, ke la regionoj Nb 3d de Nb2CTx SL kaj Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) respondas al unu Nb2O5-komponento.Ĉi tie, ni trovis neniujn MXene-rilatajn pintojn en la spektroj, indikante ke mikroalgaj ĉeloj nur sorbas la oksidan formon de Nb.Krome, ni proksimigis la spektron C 1 s kun la komponantoj C–C, CHx/C–O, C=O kaj –COOH.Ni asignis la CHx/C–O kaj C=O-pintojn al la organika kontribuo de mikroalgaj ĉeloj.Ĉi tiuj organikaj komponentoj respondecas pri 36% kaj 41% de la C 1s-pintoj en Nb2CTx SL kaj Nb4C3TX SL, respektive.Ni tiam ekipis la O 1s-spektrojn de SL Nb2CTx kaj SL Nb4C3TX kun Nb2O5, organikaj komponantoj de mikroalgoj (CHx/CO), kaj surfaca adsorbita akvo.
Fine, la rezultoj de XPS klare indikis la formon de Nb, ne nur ĝian ĉeeston.Laŭ la pozicio de la signalo Nb 3d kaj la rezultoj de la dekonvolucio, ni konfirmas, ke Nb estas sorbita nur en formo de oksidoj kaj ne jonoj aŭ MXene mem.Krome, XPS-rezultoj montris, ke mikroalgaj ĉeloj havas pli grandan kapablon preni Nb-oksidojn de SL Nb2CTx kompare kun SL Nb4C3TX MXene.
Dum niaj rezultoj de konsumado de Nb estas impresaj kaj permesas al ni identigi MXene-degeneron, ekzistas neniu metodo disponebla por spuri rilatajn morfologiajn ŝanĝojn en 2D nanoflakes.Tial ni ankaŭ decidis evoluigi taŭgan metodon, kiu povas rekte respondi al ajnaj ŝanĝoj okazantaj en 2D Nb-MXene nanoflakes kaj mikroalgaj ĉeloj.Gravas noti, ke ni supozas, ke se la interrilatantaj specioj spertas iun ajn transformon, putriĝon aŭ malfragmentiĝon, tio rapide manifestiĝu kiel ŝanĝoj en formo-parametroj, kiel la diametro de la ekvivalenta cirkla areo, rondeco, Feret-larĝo aŭ Feret-longo.Ĉar ĉi tiuj parametroj taŭgas por priskribi longformajn partiklojn aŭ dudimensiajn nanoflokojn, ilia spurado per dinamika partikloforma analizo donos al ni valorajn informojn pri la morfologia transformo de SL Nb-MXene nanoflokoj dum redukto.
La rezultoj akiritaj estas montritaj en Figuro 6. Por komparo, ni ankaŭ testis la originalan MAX-fazon kaj ML-MXenes (vidu SI-Figurojn S18 kaj S19).Dinamika analizo de partikloformo montris, ke ĉiuj formaj parametroj de du Nb-MXene SL-oj signife ŝanĝiĝis post interagado kun mikroalgoj.Kiel montrite per la ekvivalenta cirkla areodiametra parametro (Fig. 6a, b), la reduktita pintintenseco de la frakcio de grandaj nanoflokoj indikas ke ili tendencas kadukiĝi en pli malgrandajn fragmentojn.Sur fig.6c, d montras malkreskon en la pintoj asociitaj kun la transversa grandeco de la flokoj (plilongigo de la nanoflokoj), indikante la transformon de 2D nanoflokoj en pli partiklo-similan formon.Figuro 6e-h montrante la larĝon kaj longon de la Feret, respektive.Feret-larĝo kaj longo estas komplementaj parametroj kaj tial devus esti pripensitaj kune.Post kovado de 2D Nb-MXene nanoflokoj en ĉeesto de mikroalgoj, iliaj Feret-korelaciaj pintoj ŝanĝiĝis kaj ilia intenseco malpliiĝis.Surbaze de ĉi tiuj rezultoj en kombinaĵo kun morfologio, XRF kaj XPS, ni konkludis, ke la observitaj ŝanĝoj estas forte rilataj al oksigenado, ĉar oksigenitaj MXenoj fariĝas pli sulkigitaj kaj rompiĝas en fragmentojn kaj sferajn oksidajn partiklojn69,70.
Analizo de MXene-transformo post interago kun verdaj mikroalgoj.Dinamika partikloforma analizo enkalkulas tiajn parametrojn kiel (a, b) diametro de la ekvivalenta cirkla areo, (c, d) rondeco, (e, f) Feret-larĝo kaj (g, h) Feret-longo.Tiucele, du referencaj mikroalgoj estis analizitaj kune kun primaraj SL Nb2CTx kaj SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx kaj SL Nb4C3Tx MXenes, degraditaj mikroalgoj kaj traktitaj mikroalgoj SL Nb2CTx kaj SL Nb4C3Tx MXenes.La ruĝaj sagoj montras la transirojn de la formoparametroj de la studitaj dudimensiaj nanoflokoj.
Ĉar formo-parametroanalizo estas tre fidinda, ĝi ankaŭ povas riveli morfologiajn ŝanĝojn en mikroalgaj ĉeloj.Tial ni analizis la ekvivalentan cirklan arean diametron, rondecon kaj Feret-larĝon/longon de puraj mikroalgaj ĉeloj kaj ĉeloj post interago kun 2D Nb nanoflakes.Sur fig.6a–h montras ŝanĝojn en la formoparametroj de algoĉeloj, kiel konstatite per malkresko en pintintenseco kaj ŝanĝo de maksimumoj direkte al pli altaj valoroj.Aparte, ĉelaj rondecaj parametroj montris malpliiĝon de longformaj ĉeloj kaj pliiĝon de sferaj ĉeloj (Fig. 6a, b).Krome, Feret-ĉela larĝo pliiĝis je pluraj mikrometroj post interago kun SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) kompare kun SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f).Ni suspektas, ke ĉi tio povas ŝuldiĝi al la forta konsumado de Nb-oksidoj de mikroalgoj sur interago kun Nb2CTx SR.Malpli rigida alligiteco de Nb-flokoj al ilia surfaco povas rezultigi ĉelkreskon kun minimuma ombra efiko.
Niaj observoj de ŝanĝoj en la parametroj de la formo kaj grandeco de mikroalgoj kompletigas aliajn studojn.Verdaj mikroalgoj povas ŝanĝi sian morfologion en respondo al media streso ŝanĝante ĉelgrandecon, formon aŭ metabolon61.Ekzemple, ŝanĝi la grandecon de ĉeloj faciligas la sorbadon de nutraĵoj71.Pli malgrandaj algoĉeloj montras pli malaltan nutran konsumadon kaj difektitan kreskorapidecon.Male, pli grandaj ĉeloj tendencas konsumi pli da nutraĵoj, kiuj tiam estas deponitaj intraĉele72,73.Machado kaj Soares trovis ke la fungicida triclosan povas pliigi ĉelgrandecon.Ili ankaŭ trovis profundajn ŝanĝojn en la formo de la algoj74.Krome, Yin et al.9 ankaŭ rivelis morfologiajn ŝanĝojn en algoj post eksponiĝo al reduktitaj grafenoksidaj nanokunmetaĵoj.Tial, estas klare, ke la ŝanĝitaj grandeco/forma parametroj de la mikroalgoj estas kaŭzitaj de la ĉeesto de MXene.Ĉar ĉi tiu ŝanĝo en grandeco kaj formo estas indika de ŝanĝoj en nutra konsumado, ni kredas, ke analizo de grandeco kaj formaj parametroj laŭlonge de la tempo povas pruvi konsumadon de niobiooksido de mikroalgoj en la ĉeesto de Nb-MXenes.
Krome, MXenoj povas esti oksigenitaj en ĉeesto de algoj.Dalai et al.75 observis ke la morfologio de verdaj algoj elmontritaj al nano-TiO2 kaj Al2O376 ne estis unuforma.Kvankam niaj observoj estas similaj al la nuna studo, ĝi nur rilatas al la studo de la efikoj de bioripurigo laŭ MXene-degradproduktoj en la ĉeesto de 2D nanoflokoj kaj ne nanopartikloj.Ĉar MXenoj povas degradi en metalajn oksidojn,31,32,77,78 estas akcepteble supozi, ke niaj Nb-nanoflokoj ankaŭ povas formi Nb-oksidojn post interagado kun mikroalgaj ĉeloj.
Por klarigi la redukton de 2D-Nb nanoflakes per malkompona mekanismo bazita sur la oxidada procezo, ni faris studojn uzante alt-rezolucian transmisigan elektronmikroskopion (HRTEM) (Fig. 7a,b) kaj X-radian fotoelektronan spektroskopion (XPS) (Fig. 7).7c-i kaj tabeloj S4-5).Ambaŭ aliroj taŭgas por studi la oksigenadon de 2D materialoj kaj kompletigas unu la alian.HRTEM povas analizi la degeneron de dudimensiaj tavoligitaj strukturoj kaj la postan aspekton de metaloksidaj nanopartikloj, dum XPS estas sentema al surfacaj obligacioj.Por ĉi tiu celo, ni testis 2D Nb-MXene nanoflakes ĉerpitaj de mikroalgaj ĉelaj dispersoj, tio estas, ilia formo post interago kun mikroalgaj ĉeloj (vidu Fig. 7).
HRTEM-bildoj montrantaj la morfologion de oksigenitaj (a) SL Nb2CTx kaj (b) SL Nb4C3Tx MXenes, XPS-analizrezultoj montrantaj (c) la konsiston de oksidaj produktoj post redukto, (d–f) pinta kongruo de komponentoj de la XPS-spektroj de SL Nb2CTx kaj (g–i) Nb4C3-i) SLNb4C3-i) riparita verda microxga.
HRTEM-studoj konfirmis la oksigenadon de du specoj de Nb-MXene nanoflakes.Kvankam la nanoflakes retenis sian dudimensian morfologion iagrade, oksigenado rezultigis la aspekton de multaj nanopartikloj kovrantaj la surfacon de la MXene nanoflakes (vidu Fig. 7a,b).XPS-analizo de c Nb 3d kaj O 1s signaloj indikis ke Nb-oksidoj estis formitaj en ambaŭ kazoj.Kiel montrite en Figuro 7c, 2D MXene Nb2CTx kaj Nb4C3TX havas Nb 3d signalojn indikantajn la ĉeeston de NbO kaj Nb2O5-oksidoj, dum O 1s-signaloj indikas la nombron da O-Nb-obligacioj asociitaj kun funkciigo de la 2D nanoflaksurfaco.Ni rimarkis, ke la Nb-oksida kontribuo estas domina kompare kun Nb-C kaj Nb3+-O.
Sur fig.Figuroj 7g–i montras la XPS-spektrojn de Nb 3d, C 1s, kaj O 1s SL Nb2CTx (vidu Fig. 7d–f) kaj SL Nb4C3TX MXene izolita de mikroalgaj ĉeloj.Detaloj de Nb-MXenes-pintaj parametroj estas provizitaj en Tabloj S4-5, respektive.Ni unue analizis la konsiston de Nb 3d.Kontraste al Nb sorbita de mikroalgaj ĉeloj, en MXene izolita de mikroalgaj ĉeloj, krom Nb2O5, aliaj komponantoj estis trovitaj.En la Nb2CTx SL, ni observis la kontribuon de Nb3+-O en la kvanto de 15%, dum la resto de la Nb 3d-spektro estis regata de Nb2O5 (85%).Krome, la specimeno SL Nb4C3TX enhavas komponantojn Nb-C (9%) kaj Nb2O5 (91%).Ĉi tie Nb-C venas de du internaj atomtavoloj de metalkarbido en Nb4C3Tx SR.Ni tiam mapas la C 1s-spektrojn al kvar malsamaj komponentoj, kiel ni faris en la internigitaj specimenoj.Kiel atendite, la C 1s-spektro estas dominita per grafita karbono, sekvita per kontribuoj de organikaj partikloj (CHx/CO kaj C=O) de mikroalgaj ĉeloj.Krome, en la O 1s-spektro, ni observis la kontribuon de organikaj formoj de mikroalgaj ĉeloj, niobiooksido kaj adsorbita akvo.
Krome, ni esploris ĉu Nb-MXenes-fendado estas rilata al la ĉeesto de reaktivaj oksigenaj specioj (ROS) en la nutra medio kaj/aŭ mikroalgaj ĉeloj.Tiucele, ni taksis la nivelojn de singlet-oksigeno (1O2) en la kulturmedio kaj intraĉela glutationo, tiolo kiu funkcias kiel antioksidanto en mikroalgoj.La rezultoj estas montritaj en SI (Figuroj S20 kaj S21).Kulturoj kun SL Nb2CTx kaj Nb4C3TX MXenes estis karakterizitaj per reduktita kvanto de 1O2 (vidu Figuro S20).En la kazo de SL Nb2CTx, MXene 1O2 estas reduktita al ĉirkaŭ 83%.Por mikroalgaj kulturoj uzantaj SL, Nb4C3TX 1O2 malpliiĝis eĉ pli, al 73%.Interese, ŝanĝoj en 1O2 montris la saman tendencon kiel la antaŭe observita inhibicia-stimula efiko (vidu Fig. 3).Povas esti argumentite ke kovado en hela lumo povas ŝanĝi fotooksidadon.Tamen, la rezultoj de la kontrola analizo montris preskaŭ konstantajn nivelojn de 1O2 dum la eksperimento (Fig. S22).En la kazo de intraĉelaj ROS-niveloj, ni ankaŭ observis la saman malsupreniĝan tendencon (vidu Figuro S21).Komence, la niveloj de ROS en mikroalgaj ĉeloj kultivitaj en la ĉeesto de Nb2CTx kaj Nb4C3Tx SLs superis la nivelojn trovitajn en puraj kulturoj de mikroalgoj.Fine, tamen, ŝajnis, ke la mikroalgoj adaptiĝis al la ĉeesto de ambaŭ Nb-MXenoj, ĉar ROS-niveloj malpliiĝis al 85% kaj 91% de la niveloj mezuritaj en puraj kulturoj de mikroalgoj inokulitaj kun SL Nb2CTx kaj Nb4C3TX, respektive.Ĉi tio povas indiki, ke mikroalgoj sentas sin pli komfortaj dum la tempo en la ĉeesto de Nb-MXene ol en nutra medio sole.
Mikroalgoj estas varia grupo de fotosintezaj organismoj.Dum fotosintezo, ili konvertas atmosferan karbondioksidon (CO2) en organikan karbonon.La produktoj de fotosintezo estas glukozo kaj oksigeno79.Ni suspektas, ke la oksigeno tiel formita ludas kritikan rolon en la oksigenado de Nb-MXenoj.Unu ebla klarigo por tio estas ke la diferenciga aeruma parametro estas formita ĉe malaltaj kaj altaj partaj premoj de oksigeno ekstere kaj ene de la Nb-MXene nanoflokoj.Ĉi tio signifas, ke kie ajn estas areoj de malsamaj partaj premoj de oksigeno, la areo kun la plej malalta nivelo formos la anodon 80, 81, 82. Ĉi tie, la mikroalgoj kontribuas al la kreado de diferencige aerigitaj ĉeloj sur la surfaco de la MXene-flokoj, kiuj produktas oksigenon pro siaj fotosintezaj trajtoj.Kiel rezulto, biokorodaj produktoj (en ĉi tiu kazo, niobiaj oksidoj) formiĝas.Alia aspekto estas, ke mikroalgoj povas produkti organikajn acidojn, kiuj estas liberigitaj en la akvon83,84.Tial, agresema medio formiĝas, tiel ŝanĝante la Nb-MXenes.Krome, mikroalgoj povas ŝanĝi la pH de la medio al alkala pro la sorbado de karbondioksido, kiu ankaŭ povas kaŭzi korodon79.
Pli grave, la malhela/luma fotoperiodo uzata en nia studo estas kritika por kompreni la rezultojn akiritajn.Ĉi tiu aspekto estas detale priskribita en Djemai-Zoghlache et al.85 Ili intence uzis 12/12-horan fotoperiodon por montri biokorosion asociitan kun biomalpurigo de la ruĝa mikroalgo Porphyridium purpureum.Ili montras ke la fotoperiodo estas rilata al la evoluo de la potencialo sen biokorodo, manifestiĝante kiel pseŭdoperiodaj osciladoj ĉirkaŭ 24:00.Ĉi tiuj observoj estis konfirmitaj de Dowling et al.86 Ili montris fotosintezajn biofilmojn de cianobakterioj Anabaena.Dissolvita oksigeno formiĝas sub la ago de lumo, kiu estas rilata al ŝanĝo aŭ fluktuoj en la libera biokoroda potencialo.La graveco de la fotoperiodo estas emfazita per la fakto ke la libera potencialo por biokorodo pliiĝas en la malpeza fazo kaj malpliiĝas en la malhela fazo.Ĉi tio estas pro la oksigeno produktita de fotosintezaj mikroalgoj, kiu influas la katodian reagon per la parta premo generita proksime de la elektrodoj87.
Krome, Fourier transformita infraruĝa spektroskopio (FTIR) estis farita por malkovri ĉu iuj ŝanĝoj okazis en la kemia kunmetaĵo de mikroalgaj ĉeloj post interagado kun Nb-MXenes.Ĉi tiuj akiritaj rezultoj estas kompleksaj kaj ni prezentas ilin en SI (Figuroj S23-S25, inkluzive de la rezultoj de la MAX-etapo kaj ML MXenes).Resume, la akiritaj referencaj spektroj de mikroalgoj provizas al ni gravajn informojn pri la kemiaj trajtoj de ĉi tiuj organismoj.Ĉi tiuj plej verŝajnaj vibroj situas ĉe frekvencoj de 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.unu.1 1 (C–H) kaj 3280 cm–1 (O–H).Por SL Nb-MXenes, ni trovis CH-ligan streĉan subskribon, kiu kongruas kun nia antaŭa studo38.Tamen, ni observis, ke kelkaj pliaj pintoj asociitaj kun C=C kaj CH-ligoj malaperis.Ĉi tio indikas, ke la kemia konsisto de mikroalgoj povas suferi malgrandajn ŝanĝojn pro interago kun SL Nb-MXenes.
Konsiderante eblajn ŝanĝojn en la biokemio de mikroalgoj, la amasiĝo de neorganikaj oksidoj, kiel ekzemple niobiooksido, devas esti rekonsiderita59.Ĝi estas implikita en la asimilado de metaloj per la ĉela surfaco, ilia transporto en la citoplasmon, ilia asocio kun intraĉelaj karboksilaj grupoj, kaj ilia amasiĝo en mikroalgaj polifososomoj20,88,89,90.Krome, la rilato inter mikroalgoj kaj metaloj estas konservita de funkciaj grupoj de ĉeloj.Tial, sorbado ankaŭ dependas de mikroalga surfaca kemio, kiu estas sufiĉe kompleksa9,91.Ĝenerale, kiel atendite, la kemia konsisto de verdaj mikroalgoj iomete ŝanĝiĝis pro la sorbado de Nb-oksido.
Interese, la observita komenca inhibicio de mikroalgoj estis reigebla dum tempo.Kiel ni observis, la mikroalgoj venkis la komencan median ŝanĝon kaj finfine revenis al normalaj kreskorapidecoj kaj eĉ pliiĝis.Studoj de la zeta potencialo montras altan stabilecon kiam enkondukitaj en nutraj amaskomunikiloj.Tiel, la surfaca interago inter mikroalgaj ĉeloj kaj Nb-MXene nanoflakes estis konservita dum la reduktaj eksperimentoj.En nia plia analizo, ni resumas la ĉefajn mekanismojn de ago subestas ĉi tiun rimarkindan konduton de mikroalgoj.
SEM-observaĵoj montris ke mikroalgoj tendencas alkroĉi al Nb-MXenes.Uzante dinamikan bildan analizon, ni konfirmas, ke ĉi tiu efiko kondukas al la transformo de dudimensiaj Nb-MXene-nanoflokoj en pli sferajn partiklojn, tiel pruvante, ke la putriĝo de nanoflakoj estas rilata al ilia oksigenado.Por testi nian hipotezon, ni faris serion de materialaj kaj biokemiaj studoj.Post testado, la nanoflokoj iom post iom oksidiĝis kaj malkomponiĝis en NbO kaj Nb2O5-produktojn, kiuj ne prezentis minacon al verdaj mikroalgoj.Uzante FTIR-observadon, ni trovis neniujn signifajn ŝanĝojn en la kemia konsisto de mikroalgoj kovataj en la ĉeesto de 2D Nb-MXene nanoflokoj.Konsiderante la eblecon de sorbado de niobia rusto per mikroalgoj, ni faris X-radian fluoreskecan analizon.Ĉi tiuj rezultoj klare montras, ke la studitaj mikroalgoj manĝas niobiajn oksidojn (NbO kaj Nb2O5), kiuj estas netoksaj por la studitaj mikroalgoj.