Tankewol foar it besykjen fan Nature.com.Jo brûke in browserferzje mei beheinde CSS-stipe.Foar de bêste ûnderfining riede wy oan dat jo in bywurke browser brûke (of kompatibiliteitsmodus útskeakelje yn Internet Explorer).Yn 'e tuskentiid, om trochgeande stipe te garandearjen, sille wy de side werjaan sûnder stilen en JavaScript.
Toant in karrousel fan trije dia's tagelyk.Brûk de knoppen Foarige en Folgjende om troch trije dia's tagelyk te bewegen, of brûk de sliderknoppen oan 'e ein om troch trije dia's tagelyk te bewegen.
De rappe ûntwikkeling fan nanotechnology en har yntegraasje yn deistige applikaasjes kinne it miljeu bedrige.Wylst griene metoaden foar de degradaasje fan organyske kontaminanten goed fêststeld binne, is it herstel fan anorganyske kristallijne kontaminanten fan grutte soarch fanwegen har lege gefoelichheid foar biotransformaasje en gebrek oan begryp fan materiaal oerflak ynteraksjes mei biologyske.Hjir brûke wy in Nb-basearre anorganysk 2D MXenes-model kombineare mei in ienfâldige metoade foar analyse fan foarmparameters om it bioremediaasjemeganisme fan 2D keramyske nanomaterialen te spoaren troch de griene mikroalgen Raphidocelis subcapitata.Wy fûnen dat mikroalgen Nb-basearre MXenes degradearje troch oerflak-relatearre fysyk-gemyske ynteraksjes.Yn it earstoan waarden single-layer en multilayer MXene nanoflakes oan it oerflak fan mikroalgen hechte, wat de groei fan algen wat fermindere.By langere ynteraksje mei it oerflak oksidearre mikroalgen lykwols MXene-nanoflakes en ferdielden se fierder yn NbO en Nb2O5.Om't dizze oksides net-toxik binne foar mikroalgen-sellen, konsumearje se Nb-oxide-nanopartikels troch in absorptionmeganisme dat de mikroalgen nei 72 oeren fan wettersuvering fierder herstelt.De effekten fan fiedingsstoffen ferbûn mei absorption wurde ek wjerspegele yn 'e ferheging fan selvolumint, har glêde foarm en feroaring yn groeisnelheid.Op grûn fan dizze befinings konkludearje wy dat de oanwêzigens fan Nb-basearre MXenen op koarte en lange termyn yn swietwetterekosystemen allinich lytse miljeu-ynfloeden kin feroarsaakje.It is opmerklik dat wy, mei twadiminsjonale nanomaterialen as modelsystemen, de mooglikheid demonstrearje om foarmtransformaasje te folgjen, sels yn fynkorrelige materialen.Oer it algemien beantwurdet dizze stúdzje in wichtige fûnemintele fraach oer prosessen dy't relatearre binne oan oerflak-ynteraksje dy't it bioremediationmeganisme fan 2D nanomaterialen driuwen en biedt in basis foar fierdere koarte- en lange-termyn stúdzjes fan 'e miljeu-ynfloed fan anorganyske kristallijne nanomaterialen.
Nanomaterialen hawwe sûnt har ûntdekking in protte belangstelling generearre, en ferskate nanotechnologyen binne koartlyn in modernisearringsfaze1 yngien.Spitigernôch kin de yntegraasje fan nanomaterialen yn deistige tapassingen liede ta tafallige frijlitting fanwege ferkearde ôffier, achteleas ôfhanneljen, of ûnfoldwaande feiligensynfrastruktuer.Dêrom is it ridlik om oan te nimmen dat nanomaterialen, ynklusyf twadiminsjonale (2D) nanomaterialen, frijlitten wurde kinne yn 'e natuerlike omjouwing, wêrfan it gedrach en biologyske aktiviteit noch net folslein begrepen binne.Dêrom is it net ferrassend dat soargen oer ekotoxisiteit har rjochte hawwe op it fermogen fan 2D-nanomaterialen om te lekken yn akwatyske systemen2,3,4,5,6.Yn dizze ekosystemen kinne guon 2D nanomaterialen ynteraksje mei ferskate organismen op ferskate trofyske nivo's, ynklusyf mikroalgen.
Mikroalgen binne primitive organismen dy't natuerlik fûn wurde yn swietwetter en marine-ekosystemen dy't in ferskaat oan gemyske produkten produsearje troch fotosynteze7.As sadanich binne se kritysk foar akwatyske ekosystemen8,9,10,11,12, mar binne ek gefoelige, goedkeap en breed brûkte yndikatoaren fan ekotoksisiteit13,14.Sûnt mikroalgen sellen fermannichfâldigje fluch en fluch reagearje op de oanwêzigens fan ferskate ferbiningen, se binne belofte foar de ûntwikkeling fan miljeufreonlike metoaden foar it behanneljen fan wetter fersmoarge mei organyske stoffen15,16.
Algesellen kinne anorganyske ioanen út wetter ferwiderje troch biosorpsje en accumulation17,18.Guon algesoarten lykas Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue en Synechococcus sp.It is fûn om giftige metaalionen te dragen en sels te fieden lykas Fe2+, Cu2+, Zn2+ en Mn2+19.Oare ûndersiken hawwe oantoand dat Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ of Pb2+-ionen de groei fan Scenedesmus beheine troch sellemorfology te feroarjen en har chloroplasten te ferneatigjen20,21.
Griene metoaden foar de ûntbining fan organyske fersmoarging en it fuortheljen fan swiere metaalionen hawwe de oandacht lutsen fan wittenskippers en yngenieurs oer de hiele wrâld.Dit is benammen te tankjen oan it feit dat dizze kontaminanten maklik wurde ferwurke yn 'e floeibere faze.Anorganyske kristallijne fersmoargingen wurde lykwols karakterisearre troch lege wetteroplosberens en lege gefoelichheid foar ferskate biotransformaasjes, wat grutte swierrichheden feroarsaket by sanearring, en net folle foarútgong is makke op dit gebiet22,23,24,25,26.Sa bliuwt it sykjen nei miljeufreonlike oplossingen foar de reparaasje fan nanomaterialen in kompleks en net ûndersocht gebiet.Fanwegen de hege graad fan ûnwissichheid oangeande de biotransformaasje-effekten fan 2D nanomaterialen, is d'r gjin maklike manier om de mooglike paden fan har degradaasje by reduksje te finen.
Yn dizze stúdzje brûkten wy griene mikroalgen as in aktive wetterige bioremediation agent foar anorganyske keramyske materialen, kombinearre mei in situ monitoring fan it degradaasjeproses fan MXene as in fertsjintwurdiger fan anorganyske keramyske materialen.De term "MXene" wjerspegelet de stoichiometry fan it Mn + 1XnTx materiaal, dêr't M is in betide oergong metaal, X is koalstof en / of stikstof, Tx is in oerflak terminator (bgl, -OH, -F, -Cl), en n = 1, 2, 3 of 427,28.Sûnt de ûntdekking fan MXenes troch Naguib et al.Sensoryk, kankerterapy en membraanfiltraasje 27,29,30.Derneist kinne MXenes wurde beskôge as model 2D-systemen fanwege har poerbêste kolloïdale stabiliteit en mooglike biologyske ynteraksjes31,32,33,34,35,36.
Dêrom is de metodyk ûntwikkele yn dit artikel en ús ûndersykshypotesen wurde werjûn yn figuer 1. Neffens dizze hypoteze, mikroalgen degradearje Nb-basearre MXenes yn net-giftige ferbiningen troch oerflak-relatearre fysyk-gemyske ynteraksjes, wêrtroch't fierdere herstel fan 'e algen mooglik is.Om dizze hypoteze te testen, waarden twa leden fan 'e famylje fan' e iere niobium-basearre oergongsmetaalkarbiden en / of nitriden (MXenes), nammentlik Nb2CTx en Nb4C3TX, selektearre.
Undersyksmetoadology en bewiis-basearre hypotezen foar MXene-herstel troch griene mikroalgen Raphidocelis subcapitata.Tink derom dat dit gewoan in skematyske foarstelling is fan bewiis-basearre oannames.De mar omjouwing ferskilt yn it fiedingsmiddel medium brûkt en de betingsten (bgl, deistige syklus en beheinings yn beskikbere essinsjele fiedingsstoffen).Makke mei BioRender.com.
Dêrom, troch it brûken fan MXene as modelsysteem, hawwe wy de doar iepene foar de stúdzje fan ferskate biologyske effekten dy't net kinne wurde waarnommen mei oare konvinsjonele nanomaterialen.Yn it bysûnder demonstrearje wy de mooglikheid fan bioremediation fan twadiminsjonale nanomaterialen, lykas niobium-basearre MXenes, troch mikroalgen Raphidocelis subcapitata.Mikroalgen kinne Nb-MXenes degradearje yn 'e net-giftige oksiden NbO en Nb2O5, dy't ek fiedingsstoffen leverje fia it niobium-opnamemeganisme.Oer it algemien beantwurdet dizze stúdzje in wichtige fûnemintele fraach oer de prosessen dy't ferbûn binne mei fysike-gemyske ynteraksjes op it oerflak dy't de meganismen fan bioremediation fan twadiminsjonale nanomaterialen regelje.Derneist ûntwikkelje wy in ienfâldige foarm-parameter-basearre metoade foar it folgjen fan subtile feroarings yn 'e foarm fan 2D nanomaterialen.Dit ynspirearret fierder ûndersyk op koarte termyn en lange termyn nei de ferskate miljeu-ynfloeden fan anorganyske kristallijne nanomaterialen.Sa fergruttet ús stúdzje it begryp fan 'e ynteraksje tusken it materiaal oerflak en biologysk materiaal.Wy leverje ek de basis foar útwreide stúdzjes op koarte termyn en lange termyn fan har mooglike gefolgen op swietwetterekosystemen, dy't no maklik kinne wurde ferifiearre.
MXenes fertsjintwurdigje in nijsgjirrige klasse fan materialen mei unike en oantreklike fysike en gemyske eigenskippen en dêrom in protte potinsjele applikaasjes.Dizze eigenskippen binne foar in grut part ôfhinklik fan har stoichiometrie en oerflakchemie.Dêrom ûndersochten wy yn ús stúdzje twa soarten Nb-basearre hiërargyske single-layer (SL) MXenes, Nb2CTx en Nb4C3TX, om't ferskate biologyske effekten fan dizze nanomaterialen kinne wurde waarnommen.MXenes wurde produsearre út har útgongsmaterialen troch top-down selektyf etsen fan atomysk tinne MAX-fase A-lagen.De MAX-faze is in ternêre keramyk gearstald út "bûnte" blokken fan oergongsmetaalkarbiden en tinne lagen fan "A" eleminten lykas Al, Si, en Sn mei MnAXn-1 stoichiometrie.De morfology fan 'e earste MAX-faze waard beoardiele troch skennende elektroanenmikroskopy (SEM) en wie konsistint mei eardere stúdzjes (Sjoch oanfoljende ynformaasje, SI, figuer S1).Multilayer (ML) Nb-MXene waard krigen nei it fuortheljen fan de Al-laach mei 48% HF (hydrofluoric acid).De morfology fan ML-Nb2CTx en ML-Nb4C3TX waard ûndersocht troch skennenelektronenmikroskopy (SEM) (respektyflik figueren S1c en S1d) en in typyske laach MXene-morfology waard waarnommen, fergelykber mei twadimensjonale nanoflakes dy't troch langwerpige pore-like slits passe.Beide Nb-MXenes hawwe in protte mienskiplik mei MXene fazen earder synthesized troch soere etsen27,38.Nei it befêstigjen fan 'e struktuer fan MXene, leinen wy it troch ynterkalaasje fan tetrabutylammoniumhydroxide (TBAOH) folge troch waskjen en sonication, wêrnei't wy single-layer of low-layer (SL) 2D Nb-MXene nanoflakes krigen.
Wy brûkten hege resolúsje oerdracht elektroanenmikroskopie (HRTEM) en X-ray diffraksje (XRD) om de effisjinsje fan etsen en fierdere peeling te testen.De HRTEM resultaten ferwurke mei help fan de Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) en Fast Fourier Transform (FFT) wurde werjûn yn figuer 2. Nb-MXene nanoflakes waarden oriïntearre râne omheech te kontrolearjen de struktuer fan de atoomlaach en mjitte de interplanar ôfstannen.HRTEM bylden fan MXene Nb2CTx en Nb4C3TX nanoflakes iepenbiere harren atomically tinne layered natuer (sjoch Fig. 2a1, a2), lykas earder rapportearre troch Naguib et al.27 en Jastrzębska et al.38.Foar twa neistlizzende Nb2CTx en Nb4C3Tx monolayers, wy bepale interlayer ôfstannen fan 0,74 en 1,54 nm, respektivelik (Fig. 2b1, b2), dy't ek oerienkomt mei ús foarige resultaten38.Dit waard fierder befêstige troch de omkearde flugge Fourier-transformaasje (fig. 2c1, c2) en de flugge Fourier-transformaasje (fig. 2d1, d2) dy't de ôfstân sjen litte tusken de Nb2CTx en Nb4C3Tx monolagen.De ôfbylding toant in ôfwikseling fan ljochte en tsjustere bands dy't oerienkomme mei niobium- en koalstofatomen, dy't de lagen aard fan 'e studearre MXenes befêstigje.It is wichtich om te merken dat de enerzjy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) spektra krigen foar Nb2CTx en Nb4C3Tx (figueren S2a en S2b) lieten gjin oerbliuwsel fan de oarspronklike MAX faze, sûnt gjin Al peak waard ûntdutsen.
Karakterisaasje fan SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene nanoflakes, ynklusyf (a) hege resolúsje elektronmikroskopy (HRTEM) side-view 2D nanoflake imaging en korrespondearjende, (b) yntinsiteit modus, (c) inverse fast Fourier transform (IFFT), (d) fast Fourier transform (FFT), (e) X-ray patroanen.Foar SL 2D Nb2CTx wurde de nûmers útdrukt as (a1, b1, c1, d1, e1).Foar SL 2D Nb4C3Tx wurde de nûmers útdrukt as (a2, b2, c2, d2, e1).
X-ray diffraksjonsmjittingen fan SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXenes wurde werjûn yn Fig.2e1 en e2, respektivelik.Peaks (002) by 4.31 en 4.32 oerienkomme mei de earder beskreaune lagen MXenes Nb2CTx en Nb4C3TX38,39,40,41 respektivelik.De XRD-resultaten jouwe ek de oanwêzigens fan guon oerbleaune ML-struktueren en MAX-fazen oan, mar meast XRD-patroanen ferbûn mei SL Nb4C3Tx (fig. 2e2).De oanwêzigens fan lytsere dieltsjes fan 'e MAX-faze kin de sterkere MAX-peak ferklearje yn ferliking mei de willekeurich steapele Nb4C3Tx-lagen.
Fierder ûndersyk hat him rjochte op griene mikroalgen dy't ta de soarte R. subcapitata hearre.Wy hawwe foar mikroalgen keazen om't se wichtige produsinten binne belutsen by grutte fiedingswebs42.Se binne ek ien fan 'e bêste yndikatoaren fan toxiciteit fanwegen de mooglikheid om giftige stoffen te ferwiderjen dy't nei hegere nivo's fan' e fiedselketen wurde droegen43.Dêrnjonken kin ûndersyk nei R. subcapitata ljocht skine op 'e ynsidintele toxiciteit fan SL Nb-MXenes foar mienskiplike swietwettermikroorganismen.Om dit te yllustrearjen, hypoteze de ûndersikers dat elke mikrobe in oare gefoelichheid hat foar giftige ferbiningen oanwêzich yn 'e omjouwing.Foar de measte organismen hawwe lege konsintraasjes fan stoffen gjin ynfloed op har groei, wylst konsintraasjes boppe in bepaalde limyt har remme kinne of sels de dea feroarsaakje.Dêrom, foar ús stúdzjes fan 'e oerflak-ynteraksje tusken mikroalgen en MXenes en it byhearrende herstel, besleaten wy de harmless en giftige konsintraasjes fan Nb-MXenes te testen.Om dit te dwaan, testen wy konsintraasjes fan 0 (as referinsje), 0,01, 0,1 en 10 mg l-1 MXene en ek ynfekteare mikroalgen mei heul hege konsintraasjes fan MXene (100 mg l-1 MXene), dy't ekstreem en deadlik kinne wêze..foar elke biologyske omjouwing.
De effekten fan SL Nb-MXenes op mikroalgen wurde werjûn yn figuer 3, útdrukt as it persintaazje groei promoasje (+) of ynhibysje (-) mjitten foar 0 mg l-1 samples.Foar fergeliking waarden de Nb-MAX-faze en ML Nb-MXenes ek hifke en de resultaten wurde werjûn yn SI (sjoch Fig. S3).De resultaten krigen befêstige dat SL Nb-MXenes hast folslein sûnder toxiciteit is yn it berik fan lege konsintraasjes fan 0,01 oant 10 mg / l, lykas werjûn yn figuer 3a,b.Yn it gefal fan Nb2CTx observearren wy net mear as 5% ekotoksisiteit yn it opjûne berik.
Stimulaasje (+) of ynhibysje (-) fan groei fan mikroalgen yn 'e oanwêzigens fan SL (a) Nb2CTx en (b) Nb4C3TX MXene.24, 48 en 72 oeren fan MXene-mikroalgen ynteraksje waarden analysearre. Wichtige gegevens (t-test, p <0.05) waarden markearre mei in asterisk (*). Wichtige gegevens (t-test, p <0.05) waarden markearre mei in asterisk (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Wichtige gegevens (t-test, p <0.05) wurde markearre mei in 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 (*). Wichtige gegevens (t-test, p <0.05) binne markearre mei in asterisk (*).Reade pylken jouwe it ôfskaffen fan remmende stimulearring oan.
Oan 'e oare kant, lege konsintraasjes fan Nb4C3TX bliken te wêzen wat mear toxic, mar net heger as 7%.Lykas ferwachte, hawwe wy observearre dat MXenes hegere toxiciteit en remming fan mikroalgengroei hiene by 100mg L-1.Ynteressant toande gjin fan 'e materialen deselde trend en tiidôfhinklikens fan atoxyske / giftige effekten yn ferliking mei de MAX- of ML-samples (sjoch SI foar details).Wylst foar de MAX faze (sjoch Fig. S3) toxicity berikte likernôch 15-25% en ferhege mei de tiid, de omkearde trend waard waarnommen foar SL Nb2CTx en Nb4C3TX MXene.De ynhibysje fan mikro-algen groei fermindere oer de tiid.It berikte likernôch 17% nei 24 oeren en sakke nei minder as 5% nei 72 oeren (ôfb. 3a, b, respektivelik).
Noch wichtiger, foar SL Nb4C3TX berikte de remming fan mikroalgengroei nei 24 oeren sawat 27%, mar nei 72 oeren sakke it nei sawat 1%.Dêrom markearren wy it waarnommen effekt as inverse ynhibysje fan stimulearring, en it effekt wie sterker foar SL Nb4C3TX MXene.De stimulearring fan groei fan mikroalgen waard earder opmurken mei Nb4C3TX (ynteraksje by 10 mg L-1 foar 24 h) fergelike mei SL Nb2CTx MXene.De remming-stimulaasje omkearing effekt waard ek goed sjen litten yn de biomassa ferdûbeling taryf curve (sjoch Fig. S4 foar details).Oant no is allinich de ekotoksisiteit fan Ti3C2TX MXene op ferskate manieren studearre.It is net toskysk foar embryo's fan sebrafisken44 mar matig ekotoxik foar de mikroalgen Desmodesmus quadricauda en Sorghum saccharatum planten45.Oare foarbylden fan spesifike effekten omfetsje hegere toxiciteit foar kankersellinen dan foar normale sellenlinen46,47.Der kin oannommen wurde dat de testbetingsten ynfloed hawwe op de feroaringen yn mikroalgengroei waarnommen yn 'e oanwêzigens fan Nb-MXenes.Bygelyks, in pH fan sawat 8 yn 'e chloroplaststroma is optimaal foar effisjinte wurking fan it RuBisCO-enzyme.Dêrom hawwe pH-feroaringen negatyf ynfloed op de snelheid fan fotosynteze48,49.Wy hawwe lykwols gjin signifikante feroaringen yn pH yn 't eksperimint observearre (sjoch SI, Fig. S5 foar details).Yn 't algemien fermindere kultueren fan mikroalgen mei Nb-MXenes de pH fan' e oplossing oer de tiid wat.Dizze fermindering wie lykwols fergelykber mei in feroaring yn 'e pH fan in suver medium.Derneist wie it berik fan fûne fariaasjes fergelykber mei dat mjitten foar in suvere kultuer fan mikroalgen (kontrôlemonster).Sa konkludearje wy dat fotosynteze net wurdt beynfloede troch feroaringen yn pH oer de tiid.
Dêrneist hawwe de synthesized MXenes oerflak eintsjes (oantsjutte as Tx).Dit binne benammen funksjonele groepen -O, -F en -OH.De skiekunde fan it oerflak is lykwols direkt besibbe oan de metoade fan synteze.Dizze groepen binne bekend dat se willekeurich ferdield wurde oer it oerflak, wêrtroch it lestich is om har effekt te foarsizzen op 'e eigenskippen fan MXene50.It kin beweare wurde dat Tx de katalytyske krêft wêze kin foar de oksidaasje fan niobium troch ljocht.Funksjonele oerflakgroepen leverje yndie meardere ankerplakken foar har ûnderlizzende fotokatalysators om heterojunctions te foarmjen51.De komposysje fan groeimedium joech lykwols gjin effektive fotokatalysator (detaillearre mediumkomposysje kin fûn wurde yn SI Tabel S6).Derneist is elke oerflakmodifikaasje ek heul wichtich, om't de biologyske aktiviteit fan MXenes kin wurde feroare troch laach nei ferwurking, oksidaasje, gemyske oerflakmodifikaasje fan organyske en anorganyske ferbiningen52,53,54,55,56 of oerflakladingstechnyk38.Dêrom, om te testen oft niobium okside wat te krijen hat mei materiaal ynstabiliteit yn it medium, hawwe wy ûndersiken útfierd fan 'e zeta (ζ) potinsjeel yn mikroalgen groeimedium en deionisearre wetter (foar ferliking).Us resultaten litte sjen dat SL Nb-MXenes frij stabyl binne (sjoch SI Fig. S6 foar MAX- en ML-resultaten).It zetapotinsjeel fan SL MXenes is sawat -10 mV.Yn it gefal fan SR Nb2CTx is de wearde fan ζ wat negatyf as dy fan Nb4C3Tx.Sa'n feroaring yn 'e ζ-wearde kin oanjaan dat it oerflak fan negatyf laden MXene-nanoflakes posityf laden ioanen út it kultuermedium absorbearret.Tydlike mjittingen fan it zeta-potinsjeel en konduktiviteit fan Nb-MXenes yn kultuermedium (sjoch figueren S7 en S8 yn SI foar mear details) lykje ús hypoteze te stypjen.
Beide Nb-MXene SLs lieten lykwols minimale feroarings fan nul sjen.Dit toant dúdlik har stabiliteit yn it groeimedium fan mikroalgen.Dêrnjonken hawwe wy beoardiele oft de oanwêzigens fan ús griene mikroalgen ynfloed hat op de stabiliteit fan Nb-MXenes yn it medium.De resultaten fan it zeta-potinsjeel en konduktiviteit fan MXenes nei ynteraksje mei mikroalgen yn fiedingsmedia en kultuer oer de tiid kinne fûn wurde yn SI (figueren S9 en S10).Ynteressant hawwe wy opmurken dat de oanwêzigens fan mikroalgen de dispersje fan beide MXenen like te stabilisearjen.Yn it gefal fan Nb2CTx SL is it zetapotinsjeel yn 'e rin fan' e tiid sels in bytsje ôfnommen nei mear negative wearden (-15.8 tsjin -19.1 mV nei 72 h ynkubaasje).De zeta potinsjeel fan SL Nb4C3TX wat ferhege, mar nei 72 h liet it noch hieltyd hegere stabiliteit sjen as nanoflakes sûnder de oanwêzigens fan mikroalgen (-18.1 tsjin -9.1 mV).
Wy fûnen ek legere konduktiviteit fan Nb-MXene-oplossingen ynkubeare yn 'e oanwêzigens fan mikroalgen, wat oanjout op in legere hoemannichte ioanen yn it fiedingsmedium.Opmerklik is de ynstabiliteit fan MXenes yn wetter benammen troch oerflakoksidaasje57.Dêrom hawwe wy it fermoeden dat griene mikroalgen op ien of oare manier de oksiden op it oerflak fan Nb-MXene ferwidere en sels har foarkommen (oksidaasje fan MXene) foarkommen.Dit kin sjoen wurde troch it bestudearjen fan de soarten stoffen dy't troch mikroalgen opnommen wurde.
Wylst ús ekotoksikologyske stúdzjes oanjûn dat mikroalgen de toxiciteit fan Nb-MXenes oer de tiid en de ûngewoane ynhibysje fan stimulearre groei koenen oerwinne, wie it doel fan ús stúdzje om mooglike meganismen fan aksje te ûndersiikjen.As organismen lykas algen bleatsteld wurde oan ferbiningen of materialen dy't net bekend binne oan har ekosystemen, kinne se op ferskate manieren reagearje58,59.By it ûntbrekken fan giftige metaaloksiden kinne mikroalgen harsels fiede, sadat se kontinu groeie kinne60.Nei it ynnimmen fan giftige stoffen kinne ferdigeningsmeganismen aktivearre wurde, lykas it feroarjen fan foarm of foarm.De mooglikheid fan absorption moat ek wurde beskôge58,59.Opmerklik is elk teken fan in ferdigeningsmeganisme in dúdlike yndikator fan 'e toxiciteit fan' e testferbining.Dêrom ûndersochten wy yn ús fierdere wurk de potensjele oerflak-ynteraksje tusken SL Nb-MXene nanoflakes en mikroalgen troch SEM en de mooglike absorption fan Nb-basearre MXene troch X-ray fluorescence spectroscopy (XRF).Tink derom dat SEM- en XRF-analyses allinich waarden útfierd by de heechste konsintraasje fan MXene om problemen mei aktiviteitstoxiciteit oan te pakken.
De SEM-resultaten wurde werjûn yn Fig.4.Unbehannele microalge sellen (sjoch Fig. 4a, referinsje sample) dúdlik toande typyske R. subcapitata morfology en croissant-like sel foarm.Sellen ferskine plat en wat ûnorganisearre.Guon sellen fan mikroalgen oerlappe en ferwûnen mei elkoar, mar dit waard wierskynlik feroarsake troch it proses foar tarieding fan monsters.Yn 't algemien hienen suvere mikroalgen-sellen in glêd oerflak en lieten gjin morfologyske feroaringen sjen.
SEM-ôfbyldings dy't oerflak-ynteraksje sjen litte tusken griene mikroalgen en MXene-nanoblêden nei 72 oeren ynteraksje by ekstreme konsintraasje (100 mg L-1).(a) Unbehannele griene mikroalgen nei ynteraksje mei SL (b) Nb2CTx en (c) Nb4C3TX MXenes.Tink derom dat de Nb-MXene nanoflakes binne markearre mei reade pylken.Foar ferliking wurde ek foto's fan in optyske mikroskoop tafoege.
Yn tsjinstelling, microalgae sellen adsorbearre troch SL Nb-MXene nanoflakes waarden skansearre (sjoch Fig. 4b, c, reade pylken).Yn it gefal fan Nb2CTx MXene (Fig. 4b), microalgen tend to groeie mei taheakke twadiminsjonale nanoscale, dat kin feroarje harren morfology.Opmerklik hawwe wy dizze feroaringen ek observearre ûnder ljochtmikroskopie (sjoch SI figuer S11 foar details).Dizze morfologyske oergong hat in plausibele basis yn 'e fysiology fan mikroalgen en har fermogen om harsels te ferdigenjen troch it feroarjen fan selmorfology, lykas it fergrutsjen fan selvolume61.Dêrom is it wichtich om it oantal mikroalgen-sellen te kontrolearjen dy't eins yn kontakt binne mei Nb-MXenes.SEM-stúdzjes lieten sjen dat sawat 52% fan mikroalgen-sellen bleatsteld waarden oan Nb-MXenes, wylst 48% fan dizze mikroalgen-sellen kontakt foarkommen.Foar SL Nb4C3Tx MXene besykje mikroalgen kontakt mei MXene te foarkommen, en dêrmei lokalisearje en groeie fan twadiminsjonale nanoskalen (figuer 4c).Wy hawwe lykwols de penetraasje fan nanoskalen yn mikroalgenzellen en har skea net observearre.
Selsbehâld is ek in tiidôfhinklik antwurdgedrach op it blokkearjen fan fotosynteze troch de adsorpsje fan dieltsjes op it sel-oerflak en it saneamde skaad-(shading)-effekt62.It is dúdlik dat elk objekt (bygelyks Nb-MXene nanoflakes) dat tusken de mikroalgen en de ljochtboarne is, de hoemannichte ljocht beheint dy't troch de chloroplasten opnommen wurdt.Wy hawwe lykwols gjin twifel dat dit in wichtige ynfloed hat op 'e resultaten dy't krigen binne.Lykas sjen litten troch ús mikroskopyske beoardielingen, waarden de 2D nanoflakes net folslein ferpakt of oan it oerflak fan 'e mikroalgen hechte, sels as de mikroalgen-sellen yn kontakt wiene mei Nb-MXenes.Ynstee, nanoflakes bliken te wêzen oriïntearre op mikroalgen sellen sûnder dekken harren oerflak.Sa'n set fan nanoflakes/mikroalgen kin de hoemannichte ljocht dy't troch mikroalgen-sellen opnommen wurdt net signifikant beheine.Boppedat hawwe guon stúdzjes sels in ferbettering yn ljochtabsorption troch fotosyntetyske organismen oantoand yn 'e oanwêzigens fan twadiminsjonale nanomaterialen63,64,65,66.
Sûnt SEM-ôfbyldings de opname fan niobium troch mikroalgen-sellen net direkt koenen befestigje, draaide ús fierdere stúdzje nei X-ray fluorescence (XRF) en X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyze om dit probleem te ferdúdlikjen.Dêrom fergelike wy de yntinsiteit fan 'e Nb-pieken fan referinsjes mikroalgen-samples dy't net ynteraksje mei MXenes, MXene nanoflakes losmakke fan it oerflak fan mikroalgen-sellen, en mikroalgen-sellen nei it fuortheljen fan taheakke MXenes.It is de muoite wurdich op te merken dat as der gjin Nb-opname is, de Nb-wearde krigen troch de mikroalgen-sellen nul wêze moat nei it fuortheljen fan de taheakke nanoskalen.Dêrom, as Nb-opname foarkomt, moatte sawol XRF- as XPS-resultaten in dúdlike Nb-peak sjen litte.
Yn it gefal fan XRF-spektra toande mikroalgen-monsters Nb-peaks foar SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene nei ynteraksje mei SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene (sjoch Fig. 5a, note ek dat de resultaten foar MAX en ML MXenes wurde werjûn yn SI-C172 S1).Opfallend is dat de yntinsiteit fan 'e Nb-peak yn beide gefallen itselde is (reade balken yn Fig. 5a).Dit joech oan dat de algen net mear Nb opnimme koene, en de maksimale kapasiteit foar Nb-akkumulaasje waard berikt yn 'e sellen, hoewol twa kear mear Nb4C3Tx MXene oan' e mikroalgen-sellen hechte waard (blauwe balken yn Fig. 5a).Benammen it fermogen fan mikroalgen om metalen op te nimmen hinget ôf fan 'e konsintraasje fan metaaloksiden yn 'e omjouwing67,68.Shamshada et al.67 fûnen dat de absorptive kapasiteit fan swietwetteralgen ôfnimt mei tanimmende pH.Raize et al.68 merkten op dat it fermogen fan seewier om metalen op te nimmen sa'n 25% heger wie foar Pb2+ as foar Ni2+.
(a) XRF-resultaten fan basale Nb-opname troch griene mikroalgen-sellen ynkubeare op in ekstreme konsintraasje fan SL Nb-MXenes (100 mg L-1) foar 72 oeren.De resultaten litte de oanwêzigens fan α sjen yn suvere mikroalgen-sellen (kontrôlemonster, grize kolommen), 2D nanoflakes isolearre fan oerflakmikroalgenzellen (blauwe kolommen), en mikroalgenzellen nei ôfskieding fan 2D nanoflakes fan it oerflak (reade kolommen).It bedrach fan elemintêre Nb, (b) persintaazje fan gemyske gearstalling fan mikroalgen organyske komponinten (C = O en CHx / C-O) en Nb oxides oanwêzich yn microalge sellen nei incubation mei SL Nb-MXenes, (c-e) Fitting fan de gearstalling peak fan XPS SL Nb2CTx spektra en (fMXh) microalge Nb-MXene sel.
Dêrom, wy ferwachte dat Nb koe wurde opnomd troch algen sellen yn 'e foarm fan oksides.Om dit te testen, hawwe wy XPS-stúdzjes útfierd op MXenes Nb2CTx en Nb4C3TX en algesellen.De resultaten fan 'e ynteraksje fan mikroalgen mei Nb-MXenes en MXenes isolearre út algesellen wurde werjûn yn Fig.5b.Lykas ferwachte, ûntdutsen wy Nb 3d-peaks yn 'e mikroalgen-monsters nei it fuortheljen fan MXene fan it oerflak fan' e mikroalgen.De kwantitative bepaling fan C = O, CHx / CO, en Nb oxides waard berekkene basearre op de Nb 3d, O 1s, en C 1s spektra krigen mei Nb2CTx SL (Fig. 5c-e) en Nb4C3Tx SL (Fig. 5c-e).) krigen fan ynkubeare mikroalgen.Ofbylding 5f–h) MXenes.Tabel S1-3 toant de details fan 'e peakparameters en algemiene skiekunde dy't ûntstien binne út' e fit.It is opmerklik dat de Nb 3d-regio's fan Nb2CTx SL en Nb4C3Tx SL (figuer 5c, f) oerienkomme mei ien Nb2O5-komponint.Hjir fûnen wy gjin MXene-relatearre peaks yn 'e spektra, wat oanjout dat mikroalgen-sellen allinich de oksidefoarm fan Nb absorbearje.Derneist hawwe wy it C 1 s-spektrum benadere mei de komponinten C–C, CHx/C–O, C=O, en –COOH.Wy hawwe de CHx/C–O- en C=O-peaks tawiisd oan de organyske bydrage fan mikroalgen-sellen.Dizze organyske komponinten jouwe respektivelik 36% en 41% fan 'e C 1s-pieken yn Nb2CTx SL en Nb4C3TX SL.Wy hawwe doe de O 1s spektra fan SL Nb2CTx en SL Nb4C3TX oanbrocht mei Nb2O5, organyske komponinten fan mikroalgen (CHx / CO), en oerflak adsorbearre wetter.
Uteinlik hawwe de XPS-resultaten dúdlik de foarm fan Nb oanjûn, net allinich syn oanwêzigens.Neffens de posysje fan it Nb 3d-sinjaal en de resultaten fan 'e dekonvolúsje, befêstigje wy dat Nb allinich yn' e foarm fan oksiden opnommen wurdt en net ioanen of MXene sels.Derneist lieten XPS-resultaten sjen dat mikroalgen-sellen in grutter fermogen hawwe om Nb-oksiden fan SL Nb2CTx op te nimmen yn ferliking mei SL Nb4C3TX MXene.
Wylst ús resultaten fan Nb-opname yndrukwekkend binne en ús MXene-degradaasje kinne identifisearje, is d'r gjin metoade beskikber om assosjearre morfologyske feroaringen yn 2D nanoflakes te folgjen.Dêrom hawwe wy ek besletten om in gaadlike metoade te ûntwikkeljen dy't direkt kin reagearje op alle feroaringen dy't foarkomme yn 2D Nb-MXene nanoflakes en mikroalgenzellen.It is wichtich om te notearjen dat wy oannimme dat as de ynteraktearjende soarten elke transformaasje, ûntbining of defragmentaasje ûndergeane, dit him gau manifestearje moat as feroaringen yn foarmparameters, lykas de diameter fan it lykweardige sirkulêre gebiet, rûnheid, Feret-breedte of Feret-lingte.Om't dizze parameters geskikt binne foar it beskriuwen fan langwerpige dieltsjes as twadiminsjonale nanoflakes, sil har folgjen troch dynamyske dieltsjefoarmanalyse ús weardefolle ynformaasje jaan oer de morfologyske transformaasje fan SL Nb-MXene nanoflakes by reduksje.
De resultaten krigen wurde werjûn yn figuer 6. Foar ferliking, wy testen ek de oarspronklike MAX faze en ML-MXenes (sjoch SI Figures S18 en S19).Dynamyske analyze fan dieltsjefoarm liet sjen dat alle foarmparameters fan twa Nb-MXene SL's signifikant feroare nei ynteraksje mei mikroalgen.As oanjûn troch de lykweardige sirkulêre gebietsdiameter parameter (Fig. 6a, b), jout de fermindere peakintensiteit fan 'e fraksje fan grutte nanoflakes oan dat se tendearje yn lytsere fragminten.Op fig.6c, d lit in fermindering sjen yn 'e peaks dy't ferbûn binne mei de transversale grutte fan' e flakken (ferlinging fan 'e nanoflakes), wat de transformaasje fan 2D nanoflakes oanjout yn in mear partikel-like foarm.Figure 6e-h toant de breedte en lingte fan de Feret, respektivelik.Feret breedte en lingte binne komplementêre parameters en moatte dêrom wurde beskôge tegearre.Nei ynkubaasje fan 2D Nb-MXene nanoflakes yn 'e oanwêzigens fan mikroalgen, ferskowen har Feret-korrelaasje-peaks en har yntinsiteit fermindere.Op grûn fan dizze resultaten yn kombinaasje mei morfology, XRF en XPS, konkludearren wy dat de waarnommen feroaringen sterk besibbe binne oan oksidaasje as oksidearre MXenen mear rimpelich wurde en ôfbrekke yn fragminten en sferyske oksidedieltsjes69,70.
Analyse fan MXene-transformaasje nei ynteraksje mei griene mikroalgen.Dynamic dieltsje foarm analyse nimt rekken mei sokke parameters as (a, b) diameter fan it lykweardich circular gebiet, (c, d) roundness, (e, f) Feret breedte en (g, h) Feret lingte.Foar dit doel waarden twa referinsjes mikroalgen-monsters analysearre tegearre mei primêre SL Nb2CTx en SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx en SL Nb4C3Tx MXenes, degradearre mikroalgen, en behannele mikroalgen SL Nb2CTx en SL Nb4C3Tx MXenes.De reade pylken litte de oergongen sjen fan 'e foarmparameters fan' e studearre twadiminsjonale nanoflakes.
Sûnt foarmparameteranalyse is heul betrouber, kin it ek morfologyske feroaringen yn mikroalgen-sellen sjen litte.Dêrom analysearren wy de lykweardige sirkulêre gebietsdiameter, rûnheid, en Feret breedte / lingte fan suvere mikroalgen sellen en sellen nei ynteraksje mei 2D Nb nanoflakes.Op fig.6a–h litte feroaringen sjen yn 'e foarmparameters fan algesellen, sa't bliken docht út in fermindering fan pykintensiteit en in ferskowing fan maksima nei hegere wearden.Benammen sel roundness parameters toande in ôfnimming fan langwerpige sellen en in tanimming fan sfearyske sellen (Fig. 6a, b).Dêrneist Feret sel breedte ferhege troch ferskate micrometers nei ynteraksje mei SL Nb2CTx MXene (figuer 6e) ferlike mei SL Nb4C3TX MXene (figuer 6f).Wy fermoedzje dat dit kin komme troch de sterke opname fan Nb-oksiden troch mikroalgen by ynteraksje mei Nb2CTx SR.Minder rigide hechting fan Nb-flakken oan har oerflak kin resultearje yn selgroei mei minimaal skaadeffekt.
Us observaasjes fan feroaringen yn 'e parameters fan' e foarm en grutte fan mikroalgen komplementearje oare stúdzjes.Griene mikroalgen kinne har morfology feroarje yn reaksje op miljeu-stress troch sellengrutte, foarm of metabolisme te feroarjen61.Bygelyks, it feroarjen fan de grutte fan sellen fasilitearret de opname fan fiedingsstoffen71.Lytsere algesellen litte legere fiedingsopname en fermindere groeitempo sjen.Oarsom, gruttere sellen tendearje mear fiedingsstoffen te konsumearjen, dy't dan intracellularly dellein wurde72,73.Machado en Soares fûnen dat it fungicide triclosan selgrutte kin fergrutsje.Se fûnen ek djippe feroaringen yn 'e foarm fan 'e algen74.Dêrnjonken iepenbiere Yin et al.9 ek morfologyske feroaringen yn algen nei bleatstelling oan fermindere graphene okside nanocomposites.Dêrom is it dúdlik dat de feroare grutte / foarmparameters fan 'e mikroalgen wurde feroarsake troch de oanwêzigens fan MXene.Sûnt dizze feroaring yn grutte en foarm is yndikatyf fan feroaringen yn fiedingsstoffen opname, wy leauwe dat analyze fan grutte en foarm parameters oer de tiid kin bewize opname fan niobium okside troch mikroalgen yn 'e oanwêzigens fan Nb-MXenes.
Boppedat kinne MXenen wurde oksidearre yn 'e oanwêzigens fan algen.Dalai et al.75 observearre dat de morfology fan griene algen bleatsteld oan nano-TiO2 en Al2O376 wie net unifoarm.Hoewol ús observaasjes binne fergelykber mei de hjoeddeiske stúdzje, is it allinich relevant foar de stúdzje fan 'e effekten fan bioremediation yn termen fan MXene-degradaasjeprodukten yn' e oanwêzigens fan 2D nanoflakes en net nanopartikels.Sûnt MXenes kinne degradearje yn metaaloksiden,31,32,77,78, is it ridlik om oan te nimmen dat ús Nb-nanoflakes ek Nb-oksiden kinne foarmje nei ynteraksje mei mikroalgen-sellen.
Om de reduksje fan 2D-Nb nanoflakes te ferklearjen troch in dekomposysjemeganisme basearre op it oksidaasjeproses, hawwe wy ûndersiken útfierd mei hege resolúsje-transmission-elektronenmikroskopy (HRTEM) (Fig. 7a, b) en X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Fig. 7).7c-i en tabellen S4-5).Beide oanpakken binne geskikt foar it bestudearjen fan de oksidaasje fan 2D-materialen en komplementearje inoar.HRTEM is by steat om te analysearjen de degradaasje fan twadiminsjonale laach struktueren en it dêrop folgjende uterlik fan metaal okside nanopartikels, wylst XPS is gefoelich foar oerflak obligaasjes.Foar dit doel, wy hifke 2D Nb-MXene nanoflakes extracted út microalgae sel dispersions, dat is, harren foarm nei ynteraksje mei microalgae sellen (sjoch Fig. 7).
HRTEM-ôfbyldings dy't de morfology fan oksidearre (a) SL Nb2CTx en (b) SL Nb4C3Tx MXenes sjen litte, XPS-analyzeresultaten dy't sjen litte (c) de gearstalling fan oksideprodukten nei reduksje, (d–f) peak-oerienkomst fan komponinten fan 'e XPS-spektra fan SL Nb2CTx en (g- i) Nb43-reparearre mei Nb43-mikro.
HRTEM-stúdzjes befêstige de oksidaasje fan twa soarten Nb-MXene nanoflakes.Hoewol't de nanoflakes har twadiminsjonale morfology yn guon mjitte behâlden, resultearre oksidaasje yn it ferskinen fan in protte nanopartikels dy't it oerflak fan 'e MXene nanoflakes bedekke (sjoch Fig. 7a,b).XPS-analyse fan c Nb 3d en O 1s sinjalen oanjûn dat Nb oksides waarden foarme yn beide gefallen.Lykas werjûn yn figuer 7c, hawwe 2D MXene Nb2CTx en Nb4C3TX Nb 3d-sinjalen dy't de oanwêzigens fan NbO- en Nb2O5-oksiden oanjaan, wylst O 1s-sinjalen it oantal O-Nb-obligaasjes oanjaan dy't ferbûn binne mei funksjonalisaasje fan it 2D nanoflake-oerflak.Wy hawwe opmurken dat de Nb okside bydrage dominant is yn ferliking mei Nb-C en Nb3 + -O.
Op fig.Figuren 7g-i litte de XPS-spektra fan Nb 3d, C 1s, en O 1s SL Nb2CTx (sjoch Fig. 7d-f) en SL Nb4C3TX MXene isolearre út mikroalgen sellen.Details fan Nb-MXenes peak parameters wurde jûn yn respektivelik tabellen S4-5.Wy analysearre earst de gearstalling fan Nb 3d.Yn tsjinstelling ta Nb opnomd troch mikroalgen sellen, yn MXene isolearre út microalge sellen, útsein Nb2O5, waarden oare komponinten fûn.Yn 'e Nb2CTx SL observearren wy de bydrage fan Nb3 + -O yn it bedrach fan 15%, wylst de rest fan it Nb 3d-spektrum dominearre waard troch Nb2O5 (85%).Derneist befettet it SL Nb4C3TX-monster Nb-C (9%) en Nb2O5 (91%) komponinten.Hjir komt Nb-C út twa ynderlike atomêre lagen fan metaalkarbid yn Nb4C3Tx SR.Wy map dan de C 1s spektra oan fjouwer ferskillende komponinten, lykas wy diene yn de internalized samples.Lykas ferwachte wurdt it C 1s-spektrum dominearre troch grafytyske koalstof, folge troch bydragen fan organyske dieltsjes (CHx/CO en C=O) fan mikroalgen-sellen.Dêrnjonken hawwe wy yn it O 1s-spektrum de bydrage observearre fan organyske foarmen fan mikroalgen-sellen, niobiumoxide en adsorbearre wetter.
Dêrnjonken hawwe wy ûndersocht oft Nb-MXenes-spjalting assosjeare is mei de oanwêzigens fan reaktive soerstofsoarten (ROS) yn it fiedingsmedium en/of mikroalgenzellen.Dêrta beoardielje wy de nivo's fan singlet soerstof (1O2) yn it kultuermedium en intracellular glutathione, in thiol dat fungearret as antyoksidant yn mikroalgen.De resultaten wurde werjûn yn SI (figueren S20 en S21).Kultueren mei SL Nb2CTx en Nb4C3TX MXenes waarden karakterisearre troch in fermindere bedrach fan 1O2 (sjoch figuer S20).Yn it gefal fan SL Nb2CTx wurdt MXene 1O2 fermindere nei sawat 83%.Foar mikro-algekultueren dy't SL brûke, fermindere Nb4C3TX 1O2 noch mear, nei 73%.Ynteressant lieten feroaringen yn 1O2 deselde trend sjen as it earder beoardielde ynhiberende-stimulearjende effekt (sjoch Fig. 3).It kin wurde argumearre dat ynkubaasje yn helder ljocht fotooxidaasje kin feroarje.De resultaten fan 'e kontrôleanalyse lieten lykwols hast konstante nivo's fan 1O2 tidens it eksperimint sjen (Fig. S22).Yn it gefal fan intrazellulêre ROS-nivo's observearren wy ek deselde delgeande trend (sjoch figuer S21).Yn earste ynstânsje wiene de nivo's fan ROS yn mikroalgen-sellen kultivearre yn 'e oanwêzigens fan Nb2CTx en Nb4C3Tx SL's de nivo's fûn yn reine kultueren fan mikroalgen.Uteinlik die lykwols bliken dat de mikroalgen har oanpast oan 'e oanwêzigens fan beide Nb-MXenes, om't ROS-nivo's sakken nei 85% en 91% fan 'e nivo's mjitten yn suvere kultueren fan mikroalgen dy't ynokulearre binne mei SL Nb2CTx en Nb4C3TX, respektivelik.Dit kin oanjaan dat mikroalgen yn 'e rin fan' e tiid nofliker fiele yn 'e oanwêzigens fan Nb-MXene dan yn fiedingsmedium allinich.
Mikroalgen binne in ferskaat groep fan fotosyntetyske organismen.Tidens fotosynteze feroarje se atmosfearyske koaldiokside (CO2) yn organyske koalstof.De produkten fan fotosynteze binne glukoaze en soerstof79.Wy fermoedzje dat de soerstof sa foarme in krityske rol spilet yn 'e oksidaasje fan Nb-MXenes.Ien mooglike ferklearring foar dit is dat de differinsjaaloperator beluchting parameter wurdt foarme by lege en hege parsjele druk fan soerstof bûten en binnen de Nb-MXene nanoflakes.Dit betsjut dat oeral dêr't gebieten binne fan ferskate partieldrukken fan soerstof, it gebiet mei it leechste nivo sil de anode foarmje 80, 81, 82. Hjirmei drage de mikroalgen by oan it meitsjen fan differinsjaal beluchte sellen op it oerflak fan 'e MXene-flakken, dy't soerstof produsearje troch har fotosyntetyske eigenskippen.As gefolch, biocorrosie produkten (yn dit gefal, niobium oxides) wurde foarme.In oar aspekt is dat mikroalgen organyske soeren produsearje kinne dy't yn it wetter frijlitten wurde83,84.Dêrom wurdt in agressive omjouwing foarme, wêrtroch't de Nb-MXenes feroaret.Dêrnjonken kinne mikroalgen de pH fan 'e omjouwing feroarje nei alkaline troch de opname fan koaldiokside, wat ek korrosje feroarsaakje kin79.
Noch wichtiger, de donkere / ljochte fotoperioade brûkt yn ús stúdzje is kritysk foar it begripen fan 'e krigen resultaten.Dit aspekt wurdt yn detail beskreaun yn Djemai-Zoghlache et al.85 Se brûkten mei opsetsin in 12/12 oere fotoperioade om biokorrosje te demonstrearjen ferbûn mei biofouling troch de reade mikroalgen Porphyridium purpureum.Se litte sjen dat de photoperiod is assosjearre mei de evolúsje fan it potinsjeel sûnder biocorrosie, manifestearret him as pseudoperiodic oscillations om 24:00.Dizze observaasjes waarden befêstige troch Dowling et al.86 Se demonstrearren fotosyntetyske biofilms fan cyanobaktearjes Anabaena.Oploste soerstof wurdt foarme ûnder de aksje fan ljocht, dy't assosjearre is mei in feroaring of fluktuaasjes yn it frije biokorrosjepotinsjeel.It belang fan 'e fotoperioade wurdt beklamme troch it feit dat it frije potinsjeel foar biokorrosje yn' e ljochtfaze tanimt en yn 'e tsjustere faze ôfnimt.Dit komt troch de soerstof produsearre troch fotosyntetyske mikroalgen, dy't de katodyske reaksje beynfloedet troch de dieldruk dy't yn 'e buert fan' e elektroden ûntstiet87.
Dêrnjonken waard Fourier-transformaasje-ynfrareadspektroskopy (FTIR) útfierd om út te finen oft der feroaringen barde yn 'e gemyske gearstalling fan mikroalgen-sellen nei ynteraksje mei Nb-MXenes.Dizze resultaten binne kompleks en wy presintearje se yn SI (figueren S23-S25, ynklusyf de resultaten fan 'e MAX-poadium en ML MXenes).Koartsein, de krigen referinsjespektra fan mikroalgen jouwe ús wichtige ynformaasje oer de gemyske skaaimerken fan dizze organismen.Dizze meast wierskynlike trillings sitte by frekwinsjes fan 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.ien.1 1 (C–H) en 3280 cm–1 (O–H).Foar SL Nb-MXenes fûnen wy in CH-bond stretching signature dy't konsistint is mei ús foarige stúdzje38.Wy observearren lykwols dat guon ekstra peaks ferbûn mei C = C en CH obligaasjes ferdwûnen.Dit jout oan dat de gemyske gearstalling fan mikroalgen lytse feroarings ûndergean kin troch ynteraksje mei SL Nb-MXenes.
By it beoardieljen fan mooglike feroarings yn de biogemy fan mikroalgen, moat de opgarjen fan anorganyske oksides, lykas niobiumokse, op 'e nij besjoen wurde59.It is belutsen by de opname fan metalen troch it sel oerflak, harren ferfier yn it cytoplasma, harren assosjaasje mei intracellular carboxyl groepen, en harren accumulation yn microalgen polyphosphosomes20,88,89,90.Dêrnjonken wurdt de relaasje tusken mikroalgen en metalen behâlden troch funksjonele groepen fan sellen.Om dizze reden hinget absorption ek ôf fan mikroalgen-oerflakgemy, dy't frij kompleks is9,91.Yn 't algemien feroare, lykas ferwachte, de gemyske gearstalling fan griene mikroalgen wat troch it opnimmen fan Nb okside.
Ynteressant wie de waarnommen earste ynhibysje fan mikroalgen oer de tiid omkearber.Lykas wy observearre, oerwûnen de mikroalgen de earste miljeuferoaring en kamen úteinlik werom nei normale groeisifers en namen sels ta.Stúdzjes fan it zeta-potinsjeel litte hege stabiliteit sjen as it yn fiedingsmedia ynfierd wurdt.Sa waard de oerflak-ynteraksje tusken mikroalgen-sellen en Nb-MXene nanoflakes behâlden yn 'e reduksje-eksperiminten.Yn ús fierdere analyze gearfetsje wy de haadmeganismen fan aksje dy't dit opmerklike gedrach fan mikroalgen ûnderlizze.
SEM-observaasjes hawwe oantoand dat mikroalgen de neiging hawwe om te hechtsje oan Nb-MXenes.Mei help fan dynamyske ôfbyldingsanalyse befestigje wy dat dit effekt liedt ta de transformaasje fan twadiminsjonale Nb-MXene nanoflakes yn mear sfearyske dieltsjes, dêrmei oantoand dat de ûntbining fan nanoflakes is ferbûn mei har oksidaasje.Om ús hypoteze te testen, hawwe wy in searje materiaal en biogemyske stúdzjes útfierd.Nei it testen oksidearren de nanoflokken stadichoan en ferdwûnen yn NbO- en Nb2O5-produkten, dy't gjin bedriging foar griene mikroalgen foarmen.Mei FTIR-observaasje fûnen wy gjin signifikante feroaringen yn 'e gemyske gearstalling fan mikroalgen ynkubeare yn' e oanwêzigens fan 2D Nb-MXene nanoflakes.Mei rekkening mei de mooglikheid fan opname fan niobium okside troch mikroalgen, hawwe wy in X-ray fluorescence analyze útfierd.Dizze resultaten litte dúdlik sjen dat de ûndersochte mikroalgen fiede op niobiumoksiden (NbO en Nb2O5), dy't net-giftig binne foar de ûndersochte mikroalgen.