Eskerrik asko Nature.com webgunea bisitatzeagatik. CSS euskarri mugatua duen arakatzailearen bertsio bat erabiltzen ari zara. Esperientzia onena lortzeko, arakatzaile eguneratu bat erabiltzea gomendatzen dizugu (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desgaitzea). Bitartean, laguntza jarraitua bermatzeko, gunea estilo eta JavaScript gabe errendatuko dugu.
Hiru diapositiba aldi berean dituen karrusel bat erakusten du. Erabili Aurrekoa eta Hurrengoa botoiak hiru diapositiba aldi berean mugitzeko, edo erabili amaierako graduatzaile botoiak hiru diapositiba aldi berean mugitzeko.
Nanoteknologiaren garapen azkarrak eta eguneroko aplikazioetan integratzeak ingurumena mehatxatu dezakete. Kutsatzaile organikoak degradatzeko metodo berdeak ondo finkatuta dauden arren, kutsatzaile kristalino ez-organikoen berreskurapena kezka handia da, bioeraldaketarekiko duten sentikortasun txikia eta materialen gainazaleko eta biologikoen arteko elkarrekintzak ulertzeko zailtasuna direla eta. Hemen, Nb-n oinarritutako 2D MXeno ez-organikoen eredu bat erabiltzen dugu, forma-parametroen analisi-metodo sinple batekin konbinatuta, Raphidocelis subcapitata mikroalga berdeak 2D zeramikazko nanomaterialen biorremediazio-mekanismoa aztertzeko. Ikusi genuen mikroalgek Nb-n oinarritutako MXenoak degradatzen dituztela gainazalarekin lotutako elkarrekintza fisiko-kimikoen ondorioz. Hasieran, geruza bakarreko eta geruza anitzeko MXeno nanomalutak mikroalgen gainazalean itsatsita zeuden, eta horrek algen hazkundea murrizten zuen neurri batean. Hala ere, gainazalarekin denbora luzez elkarreragin ondoren, mikroalgek MXeno nanomalutak oxidatu eta NbO eta Nb2O5-tan deskonposatu zituzten. Oxido hauek mikroalgen zelulentzat toxikoak ez direnez, Nb oxido nanopartikulak kontsumitzen dituzte xurgapen-mekanismo baten bidez, eta horrek mikroalgak leheneratzen ditu 72 orduko ur-tratamenduaren ondoren. Xurgapenarekin lotutako mantenugaien efektuak zelulen bolumenaren handitzean, haien forma leunean eta hazkunde-tasaren aldaketan ere islatzen dira. Aurkikuntza hauetan oinarrituta, ondorioztatzen dugu ur gezako ekosistemetan Nb-n oinarritutako MXenen presentzia labur eta luzeak ingurumen-inpaktu txikiak baino ez dituela eragingo. Aipagarria da, bi dimentsioko nanomaterialak eredu-sistema gisa erabiliz, formaren eraldaketa jarraitzeko aukera erakusten dugula, material finenetan ere. Oro har, ikerketa honek 2D nanomaterialen biorremediazio-mekanismoa bultzatzen duten gainazaleko interakzio-prozesuei buruzko oinarrizko galdera garrantzitsu bati erantzuten dio, eta oinarri bat eskaintzen du nanomaterial kristalino ez-organikoen ingurumen-inpaktuaren inguruko epe labur eta luzeko ikerketa gehiago egiteko.
Nanomaterialek interes handia piztu dute aurkitu zirenetik, eta hainbat nanoteknologia modernizazio fase batean sartu dira duela gutxi1. Zoritxarrez, nanomaterialak eguneroko aplikazioetan integratzeak istripuzko isurketak sor ditzake desegokia den botatzeagatik, arduragabekeriaz maneiatzen direlako edo segurtasun-azpiegitura desegokia delako. Beraz, arrazoizkoa da suposatzea nanomaterialak, bi dimentsioko (2D) nanomaterialak barne, ingurune naturalera isur daitezkeela, eta horien portaera eta jarduera biologikoa oraindik ez direla guztiz ulertzen. Beraz, ez da harritzekoa ekotoxikotasunari buruzko kezkak 2D nanomaterialek ur-sistemetara iragazteko duten gaitasunean zentratu izana2,3,4,5,6. Ekosistema hauetan, 2D nanomaterial batzuek hainbat organismorekin elkarreragin dezakete maila trofiko desberdinetan, mikroalgak barne.
Mikroalgak ur gezako eta itsasoko ekosistemetan modu naturalean aurkitzen diren organismo primitiboak dira, fotosintesiaren bidez hainbat produktu kimiko sortzen dituztenak7. Horrela, funtsezkoak dira uretako ekosistementzat8,9,10,11,12, baina ekotoxikotasunaren adierazle sentikorrak, merkeak eta asko erabiltzen direnak ere badira13,14. Mikroalgen zelulak azkar ugaltzen direnez eta hainbat konposaturen presentziari azkar erantzuten diotenez, itxaropentsuak dira substantzia organikoekin kutsatutako ura tratatzeko ingurumena errespetatzen duten metodoak garatzeko15,16.
Alga-zelulek ioi ez-organikoak uretatik ken ditzakete bioxurtzio eta metaketaren bidez17,18. Alga-espezie batzuek, hala nola Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue eta Synechococcus sp., Fe2+, Cu2+, Zn2+ eta Mn2+ bezalako ioi metaliko toxikoak eramaten eta elikatzen dituela ikusi da19. Beste ikerketa batzuek erakutsi dute Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ edo Pb2+ ioiek Scenedesmus-en hazkundea mugatzen dutela, zelulen morfologia aldatuz eta haien kloroplastoak suntsituz20,21.
Kutsatzaile organikoak deskonposatzeko eta metal astun ioiak kentzeko metodo berdeek mundu osoko zientzialari eta ingeniarien arreta erakarri dute. Batez ere, kutsatzaile hauek fase likidoan erraz prozesatzen direlako gertatzen da hori. Hala ere, kutsatzaile kristalino ez-organikoak uretan disolbagarritasun txikia eta hainbat biotransformazioren aurrean sentikortasun txikia dute ezaugarri, eta horrek zailtasun handiak sortzen ditu erremediazioan, eta aurrerapen gutxi egin dira arlo honetan22,23,24,25,26. Horrela, nanomaterialak konpontzeko ingurumena errespetatzen duten irtenbideen bilaketa arlo konplexu eta esploratu gabea da oraindik. 2D nanomaterialen biotransformazio efektuei buruzko ziurgabetasun maila handia dela eta, ez dago modu errazik haien degradazio bide posibleak jakiteko murrizketan zehar.
Ikerketa honetan, mikroalga berdeak erabili ditugu material zeramiko ez-organikoen biorremediazio-agente urtsu aktibo gisa, MXenearen degradazio-prozesuaren in situ monitorizazioarekin konbinatuta, material zeramiko ez-organikoen ordezkari gisa. "MXene" terminoak Mn+1XnTx materialaren estekiometria islatzen du, non M trantsizio-metal goiztiarra den, X karbonoa eta/edo nitrogenoa den, Tx gainazaleko terminatzailea den (adibidez, -OH, -F, -Cl), eta n = 1, 2, 3 edo 427.28. Naguib et al.-ek MXenoak aurkitu zituztenetik. Sentsoreak, minbiziaren terapia eta mintz-iragazketa 27,29,30. Gainera, MXenoak 2D sistema eredu gisa har daitezke, haien egonkortasun koloidal bikainagatik eta elkarrekintza biologiko posibleengatik31,32,33,34,35,36.
Beraz, artikulu honetan garatutako metodologia eta gure ikerketa-hipotesiak 1. irudian ageri dira. Hipotesi honen arabera, mikroalgek Nb-n oinarritutako MXenoak konposatu ez-toxikoetan degradatzen dituzte gainazalarekin lotutako elkarrekintza fisiko-kimikoen ondorioz, eta horrek algak gehiago berreskuratzea ahalbidetzen du. Hipotesi hau probatzeko, niobio-n oinarritutako trantsizio-metalen karburo eta/edo nitruroen (MXenoak) familiako bi kide hautatu ziren, hots, Nb2CTx eta Nb4C3TX.
Raphidocelis subcapitata mikroalga berdeak MXene berreskuratzeko ikerketa metodologia eta ebidentzian oinarritutako hipotesiak. Kontuan izan hau ebidentzian oinarritutako hipotesien eskema-irudikapen bat besterik ez dela. Lakuaren ingurunea erabilitako mantenugai-euskarrian eta baldintzetan (adibidez, eguneko zikloa eta eskuragarri dauden mantenugai esentzialen mugak) desberdina da. BioRender.com-ekin sortua.
Beraz, MXene sistema eredu gisa erabiliz, ateak ireki ditugu beste nanomaterial konbentzionalekin behatu ezin diren hainbat efektu biologiko aztertzeko. Bereziki, bi dimentsioko nanomaterialen bioerremediazioaren aukera erakusten dugu, hala nola niobioan oinarritutako MXeneak, Raphidocelis subcapitata mikroalgaren bidez. Mikroalgek Nb-MXeneak NbO eta Nb2O5 oxido ez-toxikoetan degradatzeko gai dira, eta hauek ere mantenugaiak ematen dituzte niobioaren xurgapen-mekanismoaren bidez. Oro har, ikerketa honek bi dimentsioko nanomaterialen bioerremediazio-mekanismoak gobernatzen dituzten gainazaleko elkarrekintza fisiko-kimikoekin lotutako prozesuei buruzko oinarrizko galdera garrantzitsu bati erantzuten dio. Horrez gain, 2D nanomaterialen formaren aldaketa sotilak jarraitzeko forma-parametroetan oinarritutako metodo sinple bat garatzen ari gara. Horrek nanomaterial kristalino ez-organikoen ingurumen-inpaktu desberdinei buruzko epe laburrerako eta luzerako ikerketa gehiago inspiratzen ditu. Horrela, gure ikerketak materialaren gainazalaren eta material biologikoaren arteko elkarrekintzaren ulermena handitzen du. Era berean, ur gezako ekosistemetan izan ditzaketen eraginei buruzko epe laburrerako eta luzerako ikerketa zabalagoetarako oinarria eskaintzen ari gara, eta orain erraz egiaztatu daitezke.
MXenek material klase interesgarri bat adierazten dute, propietate fisiko eta kimiko berezi eta erakargarriekin, eta, beraz, aplikazio potentzial asko dituzte. Propietate hauek neurri handi batean haien estekiometriaren eta gainazaleko kimikaren araberakoak dira. Hori dela eta, gure ikerketan, Nb-n oinarritutako bi MXen hierarkiko geruza bakarreko (SL) mota ikertu ditugu, Nb2CTx eta Nb4C3TX, nanomaterial hauen efektu biologiko desberdinak ikus daitezkeelako. MXenek hasierako materialetatik sortzen dira, MAX faseko A geruza atomikoki meheen goitik beherako grabatze selektiboaren bidez. MAX fasea trantsizio-metalezko karburoen "lotutako" blokez eta "A" elementuen geruza mehez, hala nola Al, Si eta Sn, MnAXn-1 estekiometriarekin osatua den zeramika ternario bat da. Hasierako MAX fasearen morfologia eskaneatze-mikroskopia elektronikoaren (SEM) bidez ikusi zen eta aurreko ikerketekin bat zetorren (ikus Informazio Osagarria, SI, S1 irudia). Geruza anitzeko (ML) Nb-MXenoa lortu zen Al geruza % 48 HF (azido fluorhidrikoa) erabiliz kendu ondoren. ML-Nb2CTx eta ML-Nb4C3TX-ren morfologia eskaneatze-mikroskopia elektronikoaren (SEM) bidez aztertu zen (S1c eta S1d irudiak, hurrenez hurren) eta MXene morfologia geruzatu tipikoa ikusi zen, bi dimentsioko nanomalutak poro-itxurako zirrikitu luzangetatik igarotzen direnean antzekoa. Bi Nb-MXenek gauza asko dituzte komunean lehenago azido-grabatze bidez sintetizatutako MXene faseekin27,38. MXenearen egitura baieztatu ondoren, tetrabutilamonio hidroxidoa (TBAOH) interkalatuz geruzatu genuen, ondoren garbitu eta sonikazioaren bidez, eta ondoren geruza bakarreko edo geruza baxuko (SL) 2D Nb-MXene nanomalutak lortu genituen.
Transmisiozko mikroskopia elektronikoa (HRTEM) eta X izpien difrakzioa (XRD) erabili genituen grabatzearen eta zuritzearen eraginkortasuna probatzeko. Fourier Transformatu Azkar Alderantzizkoa (IFFT) eta Fourier Transformatu Azkarra (FFT) erabiliz prozesatutako HRTEM emaitzak 2. irudian ageri dira. Nb-MXene nanomalutak ertz gora orientatu ziren geruza atomikoaren egitura egiaztatzeko eta plano arteko distantziak neurtzeko. MXene Nb2CTx eta Nb4C3TX nanomalutei buruzko HRTEM irudiek haien geruza atomiko meheen izaera agerian utzi zuten (ikus 2a1 eta a2 irudiak), Naguib et al.27 eta Jastrzębska et al.38-k aurretik jakinarazi zuten bezala. Bi Nb2CTx eta Nb4C3Tx monogeruza hurbilentzat, 0,74 eta 1,54 nm-ko geruza arteko distantziak zehaztu genituen, hurrenez hurren (2b1 eta b2 irudiak), eta hori ere bat dator gure aurreko emaitzekin38. Hau are gehiago berretsi zen Fourierren alderantzizko transformatu azkarraren bidez (2c1, c2 irudiak) eta Fourierren transformatu azkarraren bidez (2d1, d2 irudiak), Nb2CTx eta Nb4C3Tx monogeruzen arteko distantzia erakusten dutenak. Irudiak niobio eta karbono atomoei dagozkien banda argi eta ilunen txandakatzea erakusten du, eta horrek aztertutako MXenen geruza-izaera baieztatzen du. Garrantzitsua da aipatzea Nb2CTx eta Nb4C3Tx-rako lortutako energia dispertsiboko X izpien espektroskopia (EDX) espektroek (S2a eta S2b irudiak) ez zutela jatorrizko MAX fasearen aztarnarik erakutsi, ez baitzen Al gailurrik detektatu.
SL Nb2CTx eta Nb4C3Tx MXene nanomaluten karakterizazioa, honako hauek barne: (a) bereizmen handiko mikroskopia elektronikoaren (HRTEM) alboko ikuspegiko 2D nanomaluten irudiak eta dagokienak, (b) intentsitate modua, (c) alderantzizko Fourier transformatu azkarra (IFFT), (d) Fourier transformatu azkarra (FFT), (e) Nb-MXenen X izpien patroiak. SL 2D Nb2CTx-rentzat, zenbakiak (a1, b1, c1, d1, e1) gisa adierazten dira. SL 2D Nb4C3Tx-rentzat, zenbakiak (a2, b2, c2, d2, e1) gisa adierazten dira.
SL Nb2CTx eta Nb4C3Tx MXenen X izpien difrakzio neurketak 2e1 eta e2 irudietan ageri dira, hurrenez hurren. 4.31 eta 4.32 puntuetako (002) gailurrak aurretik deskribatutako Nb2CTx eta Nb4C3TX38,39,40,41 geruzadun MXenei dagozkie, hurrenez hurren. XRD emaitzek ML egitura eta MAX fase hondar batzuen presentzia ere adierazten dute, baina batez ere SL Nb4C3Tx-rekin lotutako XRD ereduak (2e2 irudia). MAX faseko partikula txikiagoen presentziak azal lezake ausaz pilatutako Nb4C3Tx geruzekin alderatuta MAX gailur sendoagoa izatea.
Ikerketa gehiago R. subcapitata espezieko mikroalga berdeetan zentratu dira. Mikroalgak aukeratu genituen, elikadura-sare nagusietan parte hartzen duten ekoizle garrantzitsuak direlako42. Toxikotasunaren adierazle onenetako bat ere badira, elikadura-kateko maila altuagoetara eramaten diren substantzia toxikoak kentzeko gaitasuna dutelako43. Horrez gain, R. subcapitatari buruzko ikerketak SL Nb-MXenen toxikotasun ustekabekoa argitu dezake ur gezako mikroorganismo arruntentzat. Hori ilustratzeko, ikertzaileek hipotesi bat egin zuten: mikrobio bakoitzak sentikortasun desberdina du ingurumenean dauden konposatu toxikoekiko. Organismo gehienentzat, substantzien kontzentrazio baxuek ez dute eragiten haien hazkuntzan, eta muga jakin baten gainetik dauden kontzentrazioek inhibitatu edo heriotza ere eragin dezakete. Hori dela eta, mikroalgen eta MXenen arteko gainazaleko interakzioaren eta horrekin lotutako berreskurapenaren azterketetarako, Nb-MXenen kontzentrazio kaltegabeak eta toxikoak probatzea erabaki genuen. Horretarako, 0 (erreferentzia gisa), 0,01, 0,1 eta 10 mg l-1 MXene kontzentrazioak probatu genituen, eta, gainera, MXene kontzentrazio oso altuekin (100 mg l-1 MXene) infektatutako mikroalgak infektatu genituen, eta hori muturrekoa eta hilgarria izan daiteke edozein ingurune biologikotan.
SL Nb-MXenen mikroalgetan dituzten efektuak 3. irudian ageri dira, 0 mg l-1 laginetarako neurtutako hazkuntza-sustapenaren (+) edo inhibizioaren (-) ehuneko gisa adierazita. Alderatzeko, Nb-MAX fasea eta ML Nb-MXenak ere probatu ziren eta emaitzak SI formatuan ageri dira (ikus S3 irudia). Lortutako emaitzek baieztatu zuten SL Nb-MXenak ia erabat ez duela toxikotasunik 0,01 eta 10 mg/l arteko kontzentrazio baxuen tartean, 3a eta 3b irudietan ageri den bezala. Nb2CTx-en kasuan, zehaztutako tartean ez genuen % 5eko ekotoxikotasunik ikusi.
Mikroalgen hazkuntzaren estimulazioa (+) edo inhibizioa (-) SL (a) Nb2CTx eta (b) Nb4C3TX MXenearen aurrean. 24, 48 eta 72 orduko MXene-mikroalgen interakzioa aztertu zen. Datu esanguratsuak (t-testa, p < 0,05) izartxo batekin (*) markatu ziren. Datu esanguratsuak (t-testa, p < 0,05) izartxo batekin (*) markatu ziren. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Datu esanguratsuak (t-testa, p < 0,05) izartxo batekin (*) markatuta daude.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 (*). Datu garrantzitsuak (t-testa, p < 0,05) izartxo batekin (*) markatuta daude.Gezi gorriek estimulazio inhibitzailearen ezabapena adierazten dute.
Bestalde, Nb4C3TX kontzentrazio baxuek toxikotasun handiagoa izan zuten, baina ez % 7 baino gehiago. Espero bezala, ikusi genuen MXenek toxikotasun handiagoa eta mikroalgen hazkuntza inhibizio handiagoa zutela 100 mg L-1-tan. Interesgarria da, materialek ez zuten MAX edo ML laginekin alderatuta efektu atoxiko/toxikoen joera eta denborarekiko menpekotasun bera erakutsi (ikus SI xehetasunetarako). MAX fasean (ikus S3 irudia) toxikotasuna % 15-25 ingurukoa izan zen eta denborarekin handitu zen, baina alderantzizko joera ikusi zen SL Nb2CTx eta Nb4C3TX MXenean. Mikroalgen hazkuntza inhibitzea gutxitu egin zen denborarekin. % 17 ingurukoa izan zen 24 ordu igaro ondoren eta % 5 baino gutxiagora jaitsi zen 72 ordu igaro ondoren (3a eta b irudiak, hurrenez hurren).
Garrantzitsuagoa dena, SL Nb4C3TX-rentzat, mikroalgen hazkuntza-inhibizioa % 27 ingurura iritsi zen 24 ordu igaro ondoren, baina 72 ordu igaro ondoren % 1 ingurura jaitsi zen. Beraz, behatutako efektua estimulazioaren alderantzizko inhibizio gisa izendatu genuen, eta efektua indartsuagoa izan zen SL Nb4C3TX MXenoarentzat. Mikroalgen hazkuntza-estimulazioa lehenago nabaritu zen Nb4C3TX-rekin (10 mg L-1-ko interakzioa 24 orduz) SL Nb2CTx MXenoarekin alderatuta. Inhibizio-estimulazioaren alderantzizko efektua ere ondo erakutsi zen biomasaren bikoizketa-tasaren kurban (ikus S4 irudia xehetasunetarako). Orain arte, Ti3C2TX MXenoaren ekotoxikotasuna baino ez da aztertu modu ezberdinetan. Ez da toxikoa zebra-arrainen enbrioientzat44, baina neurriz ekotoxikoa Desmodesmus quadricauda eta Sorghum saccharatum landareen mikroalgentzat45. Efektu espezifikoen beste adibide batzuk minbizi-zelula-lerroetan toxikotasun handiagoa dute zelula-lerro normaletan baino46,47. Onar liteke proba-baldintzek Nb-MXenen presentzian mikroalgen hazkuntzan ikusten diren aldaketetan eragina izango zutela. Adibidez, kloroplasto-estroman 8 inguruko pHa da optimoa RuBisCO entzimaren funtzionamendu eraginkorrerako. Beraz, pH aldaketek negatiboki eragiten diote fotosintesiaren tasari48,49. Hala ere, ez genuen pH-an aldaketa esanguratsurik ikusi esperimentuan zehar (ikus SI, S5 irudia xehetasunetarako). Oro har, Nb-MXenekin mikroalgen kulturek disoluzioaren pHa apur bat murriztu zuten denboran zehar. Hala ere, jaitsiera hau ingurune puru baten pH-aren aldaketaren antzekoa izan zen. Gainera, aurkitutako aldakuntzen tartea mikroalgen kultura puru baterako (kontrol-lagina) neurtutakoaren antzekoa izan zen. Beraz, ondorioztatzen dugu fotosintesia ez dela pH-aren aldaketen eraginpean denboran zehar.
Gainera, sintetizatutako MXenoek gainazaleko bukaerak dituzte (Tx gisa adierazita). Hauek batez ere -O, -F eta -OH talde funtzionalak dira. Hala ere, gainazaleko kimika zuzenean lotuta dago sintesi metodoarekin. Talde hauek ausaz banatzen direla ezagutzen da gainazalean, eta horrek zaildu egiten du MXenoaren propietateetan duten eragina aurreikustea50. Esan daiteke Tx niobioaren oxidazio katalitikoa argiaren bidezko indar katalitikoa izan daitekeela. Gainazaleko talde funtzionalek hainbat ainguratze gune eskaintzen dituzte azpiko fotokatalizatzaileentzat heterojuntura51 eratzeko. Hala ere, hazkuntza-ingurunearen konposizioak ez zuen fotokatalizatzaile eraginkorrik eman (ingurunearen konposizio zehatza SI S6 taulan aurki daiteke). Horrez gain, edozein gainazaleko aldaketa ere oso garrantzitsua da, MXenoen jarduera biologikoa alda baitaiteke geruza-postprozesamenduaren, oxidazioaren, konposatu organiko eta ez-organikoen gainazaleko aldaketa kimikoaren52,53,54,55,56 edo gainazaleko karga-ingeniaritzaren38 ondorioz. Beraz, niobio oxidoak zerikusirik duen materialaren ezegonkortasunarekin ingurunean, zeta (ζ) potentzialaren ikerketak egin genituen mikroalgen hazkuntza-ingurunean eta ur desionizatuan (konparaziorako). Gure emaitzek erakusten dute SL Nb-MXenoak nahiko egonkorrak direla (ikus SI S6 irudia MAX eta ML emaitzentzat). SL MXenen zeta potentziala -10 mV ingurukoa da. SR Nb2CTx-ren kasuan, ζ-ren balioa Nb4C3Tx-rena baino zertxobait negatiboagoa da. ζ balioaren aldaketa horrek adieraz dezake karga negatiboa duten MXeno nanomaluten gainazalak karga positiboa duten ioiak xurgatzen dituela hazkuntza-ingurunean. Nb-MXenen zeta potentzialaren eta eroankortasunaren neurketa tenporalak hazkuntza-ingurunean (ikus SI-ko S7 eta S8 irudiak xehetasun gehiagorako) gure hipotesia babesten dutela dirudi.
Hala ere, bi Nb-MXene SL-ek zerotik aldaketa minimoak erakutsi zituzten. Horrek argi erakusten du haien egonkortasuna mikroalgen hazkuntza-ingurunean. Horrez gain, gure mikroalga berdeen presentziak Nb-MXenen egonkortasunean eraginik izango ote zuen ebaluatu genuen. MXenen zeta potentzialaren eta eroankortasunaren emaitzak mantenugai-ingurunean eta kulturan mikroalgekin denboran zehar elkarreragin ondoren SI-n aurki daitezke (S9 eta S10 irudiak). Interesgarria da, mikroalgen presentziak bi MXenen dispertsioa egonkortzen zuela ohartu ginen. Nb2CTx SL-ren kasuan, zeta potentziala apur bat jaitsi zen denboran zehar balio negatiboagoetaraino (-15,8 mV vs -19,1 mV 72 orduko inkubazioaren ondoren). Nb4C3TX SL-ren zeta potentziala apur bat handitu zen, baina 72 ordu igaro ondoren oraindik ere egonkortasun handiagoa erakutsi zuen mikroalgarik gabeko nanomalutekin alderatuta (-18,1 mV vs. -9,1 mV).
Mikroalgen aurrean inkubatutako Nb-MXene soluzioen eroankortasun txikiagoa ere aurkitu genuen, eta horrek mantenugai-ingurunean ioi kopuru txikiagoa adierazten du. Aipagarria da uretan MXenen ezegonkortasuna batez ere gainazaleko oxidazioaren ondorio dela57. Beraz, susmatzen dugu mikroalga berdeek nolabait Nb-MXenaren gainazalean sortutako oxidoak garbitu zituztela eta baita haien agerpena eragotzi ere (MXenaren oxidazioa). Hori ikus daiteke mikroalgek xurgatzen dituzten substantzia motak aztertuz.
Gure ekotoxikologia-ikerketek mikroalgek denborarekin Nb-MXenen toxikotasuna eta hazkunde estimulatuaren inhibizio ezohikoa gainditzeko gai zirela adierazi zuten arren, gure ikerketaren helburua ekintza-mekanismo posibleak ikertzea izan zen. Algak bezalako organismoak beren ekosistemetarako ohituta ez dauden konposatu edo materialen eraginpean daudenean, hainbat modutan erreakziona dezakete58,59. Metal oxido toxikorik ezean, mikroalgek beren burua elikatu dezakete, etengabe hazteko aukera emanez60. Substantzia toxikoak irentsi ondoren, defentsa-mekanismoak aktibatu daitezke, hala nola forma edo itxura aldatzea. Xurgapenaren aukera ere kontuan hartu behar da58,59. Aipagarria da, defentsa-mekanismo baten edozein zantzu proba-konposatuaren toxikotasunaren adierazle argia dela. Hori dela eta, gure hurrengo lanean, SL Nb-MXeno nanomaluen eta mikroalgen arteko gainazaleko elkarrekintza potentziala ikertu genuen SEM bidez eta Nb-oinarritutako MXenoaren xurgapen posiblea X ​​izpien fluoreszentzia espektroskopia (XRF) bidez. Kontuan izan SEM eta XRF analisiak MXenoaren kontzentrazio handienean bakarrik egin zirela jardueraren toxikotasun arazoak konpontzeko.
SEM emaitzak 4. irudian ageri dira. Tratatu gabeko mikroalga-zelulek (ikus 4a irudia, erreferentziazko lagina) R. subcapitata morfologia tipikoa eta croissant itxurako zelula-forma erakutsi zuten argi eta garbi. Zelulak lauak eta desantolatu samarrak dirudite. Mikroalga-zelula batzuk elkarren artean gainjarri eta korapilatu ziren, baina ziurrenik lagina prestatzeko prozesuak eragin zuen hori. Oro har, mikroalga-zelulen gainazal leuna zuten eta ez zuten aldaketa morfologikorik erakutsi.
SEM irudiak, mikroalga berdeen eta MXeno nanoxaflen arteko gainazaleko elkarrekintza erakusten dutenak, 72 orduko elkarreraginaren ondoren kontzentrazio altuan (100 mg L-1). (a) Tratatu gabeko mikroalga berdeak SL (b) Nb2CTx eta (c) Nb4C3TX MXenekin elkarreragin ondoren. Kontuan izan Nb-MXeno nanomalutak gezi gorriekin markatuta daudela. Alderatzeko, mikroskopio optiko bateko argazkiak ere gehitu dira.
Aitzitik, SL Nb-MXene nanomalutak adsorbatutako mikroalga zelulak kaltetu egin ziren (ikus 4b eta c irudiak, gezi gorriak). Nb2CTx MXenearen kasuan (4b irudia), mikroalgak bi dimentsioko nanoeskalekin hazteko joera dute, eta horrek haien morfologia alda dezake. Aipagarria da aldaketa hauek mikroskopia optikoan ere ikusi ditugula (ikus SI S11 irudia xehetasunetarako). Trantsizio morfologiko honek oinarri sinesgarria du mikroalgen fisiologian eta zelulen morfologia aldatuz, hala nola zelulen bolumena handituz, beren burua defendatzeko duten gaitasunean61. Beraz, garrantzitsua da Nb-MXenekin kontaktuan dauden mikroalga zelulen kopurua egiaztatzea. SEM ikerketek erakutsi zuten mikroalga zelulen % 52 inguru Nb-MXenen eraginpean zeudela, eta mikroalga zelula horien % 48k kontaktua saihestu zutela. SL Nb4C3Tx MXenearentzat, mikroalgek MXenearekin kontaktua saihesten saiatzen dira, horrela bi dimentsioko nanoeskaletatik lokalizatzen eta hazten dira (4c irudia). Hala ere, ez genuen nanoeskalen sartzea mikroalgen zeluletan eta haien kaltea ikusi.
Autokontserbazioa denboraren araberako erantzun-jokabidea da, fotosintesiaren blokeoari aurre egiteko, zelula-gainazalean partikulen adsorzioaren eta itzaldura (itzaldura) efektu deritzonaren ondorioz62. Argi dago mikroalgen eta argi-iturriaren artean dagoen objektu bakoitzak (adibidez, Nb-MXeno nanomalutak) kloroplastoek xurgatzen duten argi-kopurua mugatzen duela. Hala ere, ez dugu zalantzarik horrek eragin handia duela lortutako emaitzetan. Gure behaketa mikroskopikoek erakusten dutenez, 2D nanomalutak ez ziren guztiz bildu edo itsatsi mikroalgen gainazalean, mikroalgen zelulak Nb-MXenoekin kontaktuan egon arren. Horren ordez, nanomalutak mikroalgen zeluletara orientatuta zeuden, haien gainazala estali gabe. Nanomaluta/mikroalga multzo horrek ezin du nabarmen mugatu mikroalgen zelulek xurgatzen duten argi-kopurua. Gainera, ikerketa batzuek organismo fotosintetikoek argi-xurgapenean hobekuntza bat ere erakutsi dute bi dimentsioko nanomaterialen aurrean63,64,65,66.
SEM irudiek ezin zutenez zuzenean baieztatu mikroalga-zelulek niobioaren xurgapena, gure ikerketa gehiago X izpien fluoreszentzia (XRF) eta X izpien fotoelektroi espektroskopia (XPS) analisietara jo genuen arazo hau argitzeko. Hori dela eta, MXenekin elkarreragin ez zuten erreferentziazko mikroalga-laginen Nb gailurren intentsitatea, mikroalga-zelulen gainazaletik askatu ziren MXeno nanomalutak eta atxikitako MXenoak kendu ondoren mikroalga-zelulak alderatu genituen. Kontuan izan behar da Nb xurgapenik ez badago, mikroalga-zelulek lortutako Nb balioa zero izan behar dela atxikitako nanoeskalak kendu ondoren. Beraz, Nb xurgapena gertatzen bada, bai XRF bai XPS emaitzek Nb gailur argi bat erakutsi beharko lukete.
XRF espektroen kasuan, mikroalgen laginek Nb gailurrak erakutsi zituzten SL Nb2CTx eta Nb4C3Tx MXenearentzat, SL Nb2CTx eta Nb4C3Tx MXenearekin elkarreragin ondoren (ikus 5a irudia, kontuan izan MAX eta ML MXeneen emaitzak SI irudian ageri direla, S12-C17 irudiak). Interesgarria da, Nb gailurraren intentsitatea berdina dela bi kasuetan (5a irudiko barra gorriak). Horrek adierazten zuen algek ezin zutela Nb gehiago xurgatu, eta Nb metatzeko ahalmen maximoa lortu zela zeluletan, nahiz eta Nb4C3Tx MXene bikoitza atxiki zitzaien mikroalgen zelulei (5a irudiko barra urdinak). Aipagarria da mikroalgek metalak xurgatzeko duten gaitasuna inguruneko metal oxidoen kontzentrazioaren araberakoa dela67,68. Shamshada et al.67-k aurkitu zuten ur gezako algen xurgapen-ahalmena gutxitzen dela pH-a handitzen den heinean. Raize et al.68-k adierazi zuten algak metalak xurgatzeko duen gaitasuna % 25 handiagoa zela Pb2+-rentzat Ni2+-rentzat baino.
(a) SL Nb-MXenen kontzentrazio altuan (100 mg L-1) 72 orduz inkubatu diren mikroalga-zelulen oinarrizko Nb xurgapenaren XRF emaitzak. Emaitzek α-ren presentzia erakusten dute mikroalga-zelula puruetan (kontrol-lagina, zutabe grisak), gainazaleko mikroalga-zeluletatik isolatutako 2D nanomalutetan (zutabe urdinak) eta 2D nanomalutak gainazaletik bereizi ondoren mikroalga-zeluletan (zutabe gorriak). Nb elementalaren kantitatea, (b) mikroalga-osagai organikoen konposizio kimikoaren ehunekoa (C=O eta CHx/C–O) eta mikroalga-zeluletan dauden Nb oxidoen SL Nb-MXenekin inkubatu ondoren, (c–e) XPS SL Nb2CTx espektroen konposizio-pikoaren doikuntza eta (fh) mikroalga-zelulek barneratutako SL Nb4C3Tx MXenoa.
Beraz, espero genuen Nb alga-zelulek oxido moduan xurgatu ahal izatea. Hori probatzeko, XPS azterketak egin genituen Nb2CTx eta Nb4C3TX MXenen eta alga-zelulen gainean. Mikroalgen eta alga-zeluletatik isolatutako Nb-MXenen eta MXenen arteko interakzioaren emaitzak 5b irudietan ageri dira. Espero bezala, Nb 3d gailurrak detektatu genituen mikroalga-laginetan, MXenoa mikroalgen gainazaletik kendu ondoren. C=O, CHx/CO eta Nb oxidoen determinazio kuantitatiboa Nb2CTx SL-rekin (5c-e irudiak) eta Nb4C3Tx SL-rekin (5c-e irudiak) lortutako Nb 3d, O 1s eta C 1s espektroetan oinarrituta kalkulatu zen. ) inkubatutako mikroalgetatik lortutakoak. 5f-h irudia) MXenak. S1-3 taulak doikuntzaren ondoriozko gailur-parametroen eta kimika orokorraren xehetasunak erakusten ditu. Azpimarratzekoa da Nb2CTx SL eta Nb4C3Tx SL-ren Nb 3d eskualdeak (5c eta f irudiak) Nb2O5 osagai bati dagozkiola. Hemen, ez dugu MXenoarekin lotutako gailurrik aurkitu espektroetan, eta horrek adierazten du mikroalga-zelulek Nb-ren oxido forma soilik xurgatzen dutela. Horrez gain, C 1 s espektroa hurbildu dugu C–C, CHx/C–O, C=O eta –COOH osagaiekin. CHx/C–O eta C=O gailurrak mikroalga-zelulen ekarpen organikoari esleitu dizkiogu. Osagai organiko hauek Nb2CTx SL eta Nb4C3TX SL-ren C 1s gailurren % 36 eta % 41 dira, hurrenez hurren. Ondoren, SL Nb2CTx eta SL Nb4C3TX-ren O 1s espektroak egokitu ditugu Nb2O5-rekin, mikroalga-ren osagai organikoekin (CHx/CO) eta gainazalean xurgatutako urarekin.
Azkenik, XPS emaitzek Nb-ren forma argi adierazi zuten, ez bakarrik bere presentzia. Nb 3d seinalearen posizioaren eta dekonboluzioaren emaitzen arabera, baieztatzen dugu Nb oxido moduan bakarrik xurgatzen dela eta ez ioi edo MXeno moduan. Gainera, XPS emaitzek erakutsi zuten mikroalga-zelulek gaitasun handiagoa dutela SL Nb2CTx-etik Nb oxidoak xurgatzeko SL Nb4C3TX MXenoarekin alderatuta.
Gure Nb xurgapenaren emaitzak ikusgarriak diren eta MXenearen degradazioa identifikatzeko aukera ematen diguten arren, ez dago 2D nanomalutetan lotutako aldaketa morfologikoak jarraitzeko metodorik. Hori dela eta, 2D Nb-MXene nanomalutetan eta mikroalga-zeluletan gertatzen diren aldaketei zuzenean erantzun diezaiekeen metodo egoki bat garatzea ere erabaki genuen. Garrantzitsua da kontuan izatea elkarreragiten duten espezieek eraldaketa, deskonposizio edo desfragmentazioren bat jasaten badute, hori azkar agertu beharko litzatekeela forma-parametroetan aldaketak eginez, hala nola eremu zirkular baliokidearen diametroa, biribiltasuna, Feret zabalera edo Feret luzera. Parametro hauek egokiak direnez partikula luzangak edo bi dimentsioko nanomalutak deskribatzeko, partikulen formaren analisi dinamikoaren bidezko jarraipenak informazio baliotsua emango digu SL Nb-MXene nanomalutak murrizketaren zehar egiten duten eraldaketa morfologikoari buruz.
Lortutako emaitzak 6. irudian ageri dira. Alderatzeko, jatorrizko MAX fasea eta ML-MXenoak ere probatu genituen (ikus SI S18 eta S19 irudiak). Partikula-formaren analisi dinamikoak erakutsi zuen bi Nb-MXene SL-ren forma-parametro guztiak nabarmen aldatu zirela mikroalgekin elkarreragin ondoren. Eremu zirkular baliokidearen diametroaren parametroak erakusten duen bezala (6a, b irudiak), nanomaluta handien frakzioaren gailur-intentsitate murriztuak adierazten du zati txikiagoetan deskonposatzeko joera dutela. 6c irudian, d irudiak malutaren zeharkako tamainarekin lotutako gailurren jaitsiera erakusten du (nanomaluten luzapena), 2D nanomalutak partikula-antzeko forma batera eraldatzen direla adieraziz. 6e-h irudiak Fereten zabalera eta luzera erakusten ditu, hurrenez hurren. Fereten zabalera eta luzera parametro osagarriak dira eta, beraz, elkarrekin kontuan hartu behar dira. 2D Nb-MXene nanomalutak mikroalgen aurrean inkubatu ondoren, haien Fereten korrelazio-gailurrak mugitu eta haien intentsitatea gutxitu egin zen. Emaitza hauek morfologiarekin, XRFrekin eta XPSrekin konbinatuta, ondorioztatu genuen behatutako aldaketak oxidazioarekin oso lotuta daudela, oxidatutako MXenoek zimurtuago bihurtzen baitira eta zatitan eta oxido partikula esferikoetan deskonposatzen baitira69,70.
MXenearen eraldaketaren analisia mikroalga berdeekin elkarreragin ondoren. Partikula-formaren analisi dinamikoak parametro hauek hartzen ditu kontuan: (a, b) eremu zirkular baliokidearen diametroa, (c, d) biribiltasuna, (e, f) Feret-en zabalera eta (g, h) Feret-en luzera. Horretarako, bi erreferentziazko mikroalga lagin aztertu ziren, SL Nb2CTx eta SL Nb4C3Tx MXenekin, SL Nb2CTx eta SL Nb4C3Tx MXenekin, degradatutako mikroalgekin eta tratatutako SL Nb2CTx eta SL Nb4C3Tx MXenekin batera. Gezi gorriek aztertutako bi dimentsioko nanomaluten forma-parametroen trantsizioak erakusten dituzte.
Forma-parametroen analisia oso fidagarria denez, mikroalga-zelulen aldaketa morfologikoak ere agerian utz ditzake. Hori dela eta, mikroalga-zelulen eta 2D Nb nanomalutekin elkarreragin ondoren, zirkulu-eremu baliokidearen diametroa, biribiltasuna eta Feret zabalera/luzera aztertu genituen. 6a-h irudietan alga-zelulen forma-parametroen aldaketak ageri dira, gailur-intentsitatearen jaitsierak eta maximoen balio handiagoetarantz desplazamenduak frogatzen duten bezala. Bereziki, zelulen biribiltasun-parametroek zelula luzangetan jaitsiera eta zelula esferikoetan igoera erakutsi zuten (6a, b irudiak). Horrez gain, Feret zelulen zabalera hainbat mikrometro handitu zen SL Nb2CTx MXenoarekin elkarreragin ondoren (6e irudia) SL Nb4C3TX MXenoarekin alderatuta (6f irudia). Susmoa dugu hori mikroalgek Nb2CTx SR-rekin elkarreraginean Nb oxidoak sendo xurgatzen dituztelako izan daitekeela. Nb malutak gainazalean atxikimendu zurrun gutxiago izateak zelulen hazkundea eragin dezake itzal-efektu minimoarekin.
Mikroalgen forma eta tamainaren parametroetan izandako aldaketen gure behaketek beste ikerketa batzuk osatzen dituzte. Mikroalga berdeek beren morfologia alda dezakete ingurumen-estresari erantzunez, zelulen tamaina, forma edo metabolismoa aldatuz61. Adibidez, zelulen tamaina aldatzeak mantenugaien xurgapena errazten du71. Alga-zelula txikiagoek mantenugaien xurgapen txikiagoa eta hazkuntza-tasa okertua erakusten dute. Alderantziz, zelula handiagoek mantenugai gehiago kontsumitzeko joera dute, eta ondoren zelula barruan metatzen dira72,73. Machadok eta Soaresek aurkitu zuten triklosan fungizidak zelulen tamaina handitu dezakeela. Algen forman aldaketa sakonak ere aurkitu zituzten74. Horrez gain, Yin et al.9-k algetan aldaketa morfologikoak ere agerian utzi zituzten grafeno oxido nanokonposite murriztuen eraginpean egon ondoren. Beraz, argi dago mikroalgen tamaina/forma parametro aldatuak MXenoaren presentziak eragiten dituela. Tamaina eta formaren aldaketa hau mantenugaien xurgapenean izandako aldaketen adierazgarri denez, uste dugu denboran zehar tamaina eta forma parametroen analisiak mikroalgek niobio oxidoa xurgatzen dutela frogatu dezakeela Nb-MXenoen aurrean.
Gainera, MXenoak algen aurrean oxidatu daitezke. Dalai et al.75-ek nano-TiO2 eta Al2O376-ri esposizioa izan zuten alga berdeen morfologia ez zela uniformea ​​ikusi zuten. Gure behaketak egungo ikerketaren antzekoak diren arren, bioerremediazioaren efektuen azterketarako bakarrik da garrantzitsua MXenoaren degradazio-produktuen aldetik 2D nanomalutetan eta ez nanopartikuletan. MXenoak metal oxidoetan degrada daitezkeenez,31,32,77,78 arrazoizkoa da suposatzea gure Nb nanomalutak ere Nb oxidoak sor ditzaketela mikroalga-zelulekin elkarreragin ondoren.
2D-Nb nanomaluten erredukzioa oxidazio-prozesuan oinarritutako deskonposizio-mekanismo baten bidez azaltzeko, bereizmen handiko transmisio-mikroskopia elektronikoa (HRTEM) (7a,b irudiak) eta X izpien fotoelektroi-espektroskopia (XPS) (7. irudia) erabiliz egindako ikerketak egin genituen. 7c-i eta S4-5 taulak). Bi ikuspegiak egokiak dira 2D materialen oxidazioa aztertzeko eta elkar osatzen dute. HRTEMek bi dimentsioko geruza-egituren degradazioa eta ondorengo oxido metaliko nanopartikulen agerpena aztertzeko gai da, XPS gainazaleko loturekiko sentikorra den bitartean. Horretarako, mikroalgen zelulen dispertsioetatik ateratako 2D Nb-MXeno nanomaluak probatu genituen, hau da, mikroalgen zelulekin elkarreragin ondoren duten forma (ikus 7. irudia).
HRTEM irudiek (a) SL Nb2CTx eta (b) SL Nb4C3Tx MXenen oxidazioaren morfologia erakusten dute, XPS analisi emaitzek (c) erredukzio ondoren oxido produktuen konposizioa erakusten dute, (d–f) mikroalga berdeekin konpondutako SL Nb2CTx eta (g–i) Nb4C3Tx SL-ren XPS espektroen osagaien gailurren bat-etortzea.
HRTEM ikerketek bi Nb-MXene nanomaluta motaren oxidazioa baieztatu zuten. Nanomalutek neurri batean beren bi dimentsioko morfologia mantendu bazuten ere, oxidazioak MXene nanomaluteen gainazala estaltzen zuten nanopartikula asko agertzea eragin zuen (ikus 7a eta 7b irudiak). c Nb 3d eta O 1s seinalen XPS analisiak adierazi zuen bi kasuetan Nb oxidoak sortu zirela. 7c irudian erakusten den bezala, 2D MXene Nb2CTx eta Nb4C3TX-ek Nb 3d seinaleak dituzte, NbO eta Nb2O5 oxidoen presentzia adierazten dutenak, eta O 1s seinalek, berriz, 2D nanomalutaren gainazalaren funtzionalizazioarekin lotutako O-Nb loturen kopurua adierazten dute. Ohartu ginen Nb oxidoaren ekarpena nagusi dela Nb-C eta Nb3+-O-rekin alderatuta.
7g-i irudietan, mikroalga-zeluletatik isolatutako Nb 3d, C 1s eta O 1s SL Nb2CTx (ikus 7d-f irudiak) eta SL Nb4C3TX MXenoaren XPS espektroak erakusten dira. Nb-MXenoen gailur-parametroen xehetasunak S4-5 tauletan ematen dira, hurrenez hurren. Lehenik eta behin, Nb 3d-ren konposizioa aztertu genuen. Mikroalga-zelulek xurgatutako Nb-aren aldean, mikroalga-zeluletatik isolatutako MXenoan, Nb2O5-ez gain, beste osagai batzuk aurkitu ziren. Nb2CTx SL-an, Nb3+-O-ren ekarpena % 15ean ikusi genuen, eta gainerako Nb 3d espektroan Nb2O5-ek (% 85) nagusitu zen. Horrez gain, SL Nb4C3TX laginak Nb-C (% 9) eta Nb2O5 (% 91) osagaiak ditu. Hemen Nb-C Nb4C3Tx SR-ko metal karburoaren bi barne geruza atomikoetatik dator. Ondoren, C 1s espektroak lau osagai ezberdinetara mapatzen ditugu, barneratutako laginetan egin genuen bezala. Espero bezala, C 1s espektroan karbono grafitikoak du nagusitasun, eta ondoren mikroalga-zelulen partikula organikoen ekarpenak (CHx/CO eta C=O). Horrez gain, O 1s espektroan, mikroalga-zelulen forma organikoen, niobio oxidoaren eta adsorbatutako uraren ekarpena ikusi genuen.
Horrez gain, ikertu genuen ea Nb-MXenen haustura loturarik dagoen erreaktibo oxigeno espezieen (ROS) presentziarekin mantenugai-ingurunean eta/edo mikroalgen zeluletan. Horretarako, oxigeno singletearen (1O2) mailak ebaluatu genituen hazkuntza-ingurunean eta glutation intrazelularra, mikroalgetan antioxidatzaile gisa jokatzen duen tiola. Emaitzak SI irudian ageri dira (S20 eta S21 irudiak). SL Nb2CTx eta Nb4C3TX MXenak dituzten kulturek 1O2 kantitate murriztua zuten ezaugarri (ikus S20 irudia). SL Nb2CTx-ren kasuan, MXeno 1O2 % 83 ingurura murrizten da. SL erabiltzen duten mikroalgen kulturen kasuan, Nb4C3TX 1O2 are gehiago jaitsi zen, % 73ra. Interesgarria da, 1O2-ren aldaketek aurretik behatutako efektu inhibitzaile-estimulatzaile bera erakutsi zuten (ikus 3. irudia). Esan daiteke argi bizian inkubatzeak fotooxidazioa alda dezakeela. Hala ere, kontrol-analisiaren emaitzek 1O2-ren maila ia konstanteak erakutsi zituzten esperimentuan zehar (S22 irudia). Zelula barneko ROS mailen kasuan ere, beheranzko joera bera ikusi genuen (ikus S21 irudia). Hasieran, Nb2CTx eta Nb4C3Tx SL-en aurrean hazitako mikroalga-zeluletan ROS mailak mikroalga-kultura puruetan aurkitutako mailak baino handiagoak ziren. Azkenean, ordea, badirudi mikroalgak bi Nb-MXenen presentziara egokitu zirela, ROS mailak Nb2CTx eta Nb4C3TX SL-rekin inokulatutako mikroalga-kultura puruetan neurtutako mailen % 85era eta % 91ra jaitsi baitziren, hurrenez hurren. Horrek adieraz dezake mikroalgak denborarekin erosoago sentitzen direla Nb-MXenoaren aurrean mantenugai-ingurunean bakarrik baino.
Mikroalgak organismo fotosintetikoen talde anitza dira. Fotosintesian zehar, atmosferako karbono dioxidoa (CO2) karbono organiko bihurtzen dute. Fotosintesiaren produktuak glukosa eta oxigenoa dira79. Susmoa dugu horrela sortutako oxigenoak funtsezko zeregina duela Nb-MXenen oxidazioan. Azalpen posible bat da aireztapen diferentzialaren parametroa oxigenoaren presio partzial baxu eta altuetan sortzen dela Nb-MXeno nanomaluten kanpoaldean eta barruan. Horrek esan nahi du oxigenoaren presio partzial desberdineko eremuak dauden lekuetan, maila baxuena duen eremuak anodoa sortuko duela 80, 81, 82. Hemen, mikroalgek MXeno maluten gainazalean aireztapen diferentzialeko zelulak sortzen laguntzen dute, eta hauek oxigenoa sortzen dute beren propietate fotosintetikoei esker. Ondorioz, biokorrosio produktuak (kasu honetan, niobio oxidoak) sortzen dira. Beste alderdi bat da mikroalgek uretara askatzen diren azido organikoak sor ditzaketela83,84. Beraz, ingurune oldarkor bat sortzen da, eta horrela Nb-MXenoak aldatzen dira. Gainera, mikroalgek ingurunearen pHa alkalinora alda dezakete karbono dioxidoaren xurgapenaren ondorioz, eta horrek ere korrosioa eragin dezake79.
Garrantzitsuagoa dena, gure ikerketan erabilitako ilun/argi fotoperiodoa funtsezkoa da lortutako emaitzak ulertzeko. Alderdi hau zehatz-mehatz deskribatzen da Djemai-Zoghlache et al.-en lanean. 85 Nahita 12/12 orduko fotoperiodoa erabili zuten Porphyridium purpureum mikroalga gorriaren biofouling-arekin lotutako biokorrosioa frogatzeko. Erakusten dute fotoperiodoa biokorrosiorik gabeko potentzialaren bilakaerarekin lotuta dagoela, 24:00ak inguruan oszilazio pseudoperiodiko gisa agertzen dela. Behaketa hauek Dowling et al.-ek berretsi zituzten. 86 Anabaena zianobakterioen biofilm fotosintetikoak frogatu zituzten. Oxigeno disolbatua argiaren eraginpean sortzen da, eta hori biokorrosio potentzial askearen aldaketa edo gorabeheren batekin lotuta dago. Fotoperiodoaren garrantzia azpimarratzen da biokorrosiorako potentzial askea argi fasean handitzen delako eta ilun fasean gutxitzen delako. Hori mikroalga fotosintetikoek sortutako oxigenoari zor zaio, eta horrek erreakzio katodikoa eragiten du elektrodoen ondoan sortutako presio partzialaren bidez87.
Horrez gain, Fourier transformatuaren infragorri espektroskopia (FTIR) egin zen mikroalga-zelulen konposizio kimikoan aldaketarik gertatu ote zen jakiteko Nb-MXenekin elkarreragin ondoren. Lortutako emaitza hauek konplexuak dira eta SI formatuan aurkezten ditugu (S23-S25 irudiak, MAX fasearen eta ML MXenen emaitzak barne). Laburbilduz, mikroalgen lortutako erreferentzia-espektroek organismo hauen ezaugarri kimikoei buruzko informazio garrantzitsua ematen digute. Bibrazio probableenak 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) eta 3280 cm–1 (O–H) maiztasunetan kokatzen dira. SL Nb-MXenen kasuan, CH lotura-luzapen sinadura bat aurkitu dugu, gure aurreko ikerketarekin bat datorrena38. Hala ere, C=C eta CH loturekin lotutako gailur gehigarri batzuk desagertu egin zirela ikusi genuen. Horrek adierazten du mikroalgen konposizio kimikoak aldaketa txikiak izan ditzakeela SL Nb-MXenekin elkarreraginean.
Mikroalgen biokimikan gerta daitezkeen aldaketak aztertzerakoan, niobio oxidoa bezalako oxido ez-organikoen metaketa berraztertu behar da59. Zelulen gainazalak metalak xurgatzen, zitoplasmara garraiatzen, karboxilo talde intrazelularrekin lotzen eta mikroalgen polifosfosometan metatzen parte hartzen du20,88,89,90. Gainera, mikroalgen eta metalen arteko harremana zelulen talde funtzionalek mantentzen dute. Hori dela eta, xurgapena mikroalgen gainazaleko kimikaren araberakoa ere bada, eta hori nahiko konplexua da9,91. Oro har, espero bezala, mikroalga berdeen konposizio kimikoa apur bat aldatu zen Nb oxidoaren xurgapenaren ondorioz.
Interesgarria da, mikroalgen hasierako inhibizioa denboran zehar itzulgarria izan zela. Ikusi genuen bezala, mikroalgek hasierako ingurumen-aldaketa gainditu zuten eta azkenean hazkunde-tasa normaletara itzuli ziren, eta are gehiago handitu ere bai. Zeta potentzialaren ikerketek egonkortasun handia erakusten dute mantenugai-inguruneetan sartzen direnean. Horrela, mikroalgen zelulen eta Nb-MXene nanomaluen arteko gainazaleko elkarrekintza mantendu zen murrizketa-esperimentuetan zehar. Gure analisi aurreratuan, mikroalgen portaera nabarmen honen oinarrian dauden ekintza-mekanismo nagusiak laburbiltzen ditugu.
SEM behaketek erakutsi dute mikroalgek Nb-MXenei atxikitzeko joera dutela. Irudien analisi dinamikoa erabiliz, baieztatzen dugu efektu honek bi dimentsioko Nb-MXene nanomalutak partikula esferikoagoetan eraldatzen dituela, eta horrela frogatzen dugu nanomaluten deskonposizioa haien oxidazioarekin lotuta dagoela. Gure hipotesia probatzeko, hainbat material eta ikerketa biokimiko egin genituen. Probatu ondoren, nanomalutak pixkanaka oxidatu eta deskonposatu ziren NbO eta Nb2O5 produktuetan, eta horrek ez zuen mehatxurik suposatu mikroalga berdeentzat. FTIR behaketa erabiliz, ez genuen aldaketa esanguratsurik aurkitu 2D Nb-MXene nanomaluten aurrean inkubatutako mikroalgen konposizio kimikoan. Mikroalgek niobio oxidoa xurgatzeko aukera kontuan hartuta, X izpien fluoreszentzia analisi bat egin genuen. Emaitza hauek argi erakusten dute aztertutako mikroalgek niobio oxidoz (NbO eta Nb2O5) elikatzen direla, eta hauek ez direla toxikoak aztertutako mikroalgentzat.