Tapadh leibh airson tadhal air Nature.com.Tha thu a’ cleachdadh dreach brobhsair le taic CSS cuibhrichte.Airson an eòlas as fheàrr, tha sinn a’ moladh gun cleachd thu brobhsair ùraichte (no cuir à comas Modh Co-chòrdalachd ann an Internet Explorer).Anns an eadar-ama, gus dèanamh cinnteach à taic leantainneach, bheir sinn seachad an làrach gun stoidhlichean agus JavaScript.
A’ taisbeanadh carousel de thrì sleamhnagan aig an aon àm.Cleachd na putanan Roimhe agus Air adhart gus gluasad tro thrì sleamhnagan aig an aon àm, no cleachd na putanan sleamhnag aig an deireadh gus gluasad tro thrì sleamhnagan aig an aon àm.
Faodaidh leasachadh luath nanicneòlas agus an aonachadh a-steach do thagraidhean làitheil bagairt air an àrainneachd.Ged a tha dòighean uaine airson truaillearan organach a thruailleadh gu math stèidhichte, tha faighinn air ais truaillearan criostalach neo-organach na adhbhar dragh mòr air sgàth cho cugallach ‘s a tha iad ri bith-chruth-atharrachadh agus dìth tuigse air eadar-obrachadh uachdar stuthan le feadhainn bith-eòlasach.An seo, bidh sinn a’ cleachdadh modal 2D MXenes neo-organach stèidhichte air Nb còmhla ri dòigh sgrùdaidh paramadair cumadh sìmplidh gus lorg a dhèanamh air uidheamachd bioremediation de nano-stuthan ceirmeag 2D leis na microalgae uaine Raphidocelis subcapitata.Fhuair sinn a-mach gu bheil microalgae a’ lughdachadh MXenes stèidhichte air Nb mar thoradh air eadar-obrachaidhean fiosaigeach-ceimigeach co-cheangailte ri uachdar.An toiseach, bha nanoflakes MXene aon-fhillte agus multilayer ceangailte ri uachdar microalgae, a lùghdaich beagan fàs lìonanaich.Ach, às deidh eadar-obrachadh fada leis an uachdar, rinn microalgae oxidized nanoflakes MXene agus gan lobhadh a-steach do NbO agus Nb2O5.Leis gu bheil na ocsaidean sin neo-phuinnseanta do cheallan microalgae, bidh iad ag ithe nanoparticles Nb oxide le inneal sùghaidh a bheir tuilleadh ath-nuadhachadh air na microalgae às deidh 72 uair de làimhseachadh uisge.Tha buaidhean mathachaidh co-cheangailte ri in-ghabhail cuideachd ri fhaicinn anns an àrdachadh ann an meud cealla, an cumadh rèidh agus atharrachadh ann an ìre fàis.Stèidhichte air na co-dhùnaidhean sin, tha sinn a’ co-dhùnadh gur dòcha nach adhbhraich làthaireachd geàrr-ùine agus fad-ùine MXenes stèidhichte air Nb ann an eag-shiostaman fìor-uisge ach beagan bhuaidhean àrainneachdail.Bu chòir a thoirt fa-near, le bhith a’ cleachdadh nano-stuthan dà-mheudach mar shiostaman modail, gu bheil sinn a’ sealltainn gu bheil e comasach sùil a chumail air cruth-atharrachadh cumadh eadhon ann an stuthan grinn.Gu h-iomlan, tha an sgrùdadh seo a’ freagairt ceist bhunaiteach chudromach mu phròiseasan co-cheangailte ri eadar-obrachadh uachdar a tha a’ stiùireadh uidheamachd bioremediation de nano-stuthan 2D agus a’ toirt seachad bunait airson tuilleadh sgrùdaidhean geàrr-ùine agus fad-ùine air buaidh àrainneachdail nan stuthan criostalach neo-organach.
Tha nano-stuthan air mòran ùidh a thogail bho chaidh an lorg, agus o chionn ghoirid tha grunn nanicneòlasan air a dhol a-steach gu ìre ùrachaidh1.Gu mì-fhortanach, faodaidh amalachadh nano-stuthan ann an tagraidhean làitheil leigeil ma sgaoil gun fhiosta mar thoradh air faighinn cuidhteas neo-iomchaidh, làimhseachadh gun chùram, no bun-structar sàbhailteachd iomchaidh.Mar sin, tha e reusanta gabhail ris gum faodar nano-stuthan, a’ toirt a-steach nano-stuthan dà-thaobhach (2D), a leigeil ma sgaoil don àrainneachd nàdarra, nach eilear a’ tuigsinn an giùlan agus an gnìomhachd bith-eòlasach fhathast.Mar sin, chan eil e na iongnadh gu bheil draghan ecotoxicity air fòcas a chuir air comas nan stuthan 2D a dhol a-steach do shiostaman uisgeach2,3,4,5,6.Anns na h-eag-shiostaman sin, faodaidh cuid de nano-stuthan 2D eadar-obrachadh le diofar fhàs-bheairtean aig diofar ìrean trophic, nam measg meanbh-algae.
Tha meanbh-algae nam fàs-bheairtean prìomhadail a lorgar gu nàdarra ann an eag-shiostaman fìor-uisge agus mara a bhios a’ dèanamh measgachadh de thoraidhean ceimigeach tro photoynthesis7.Mar sin, tha iad deatamach do eag-shiostaman uisgeach8,9,10,11,12 ach tha iad cuideachd nan comharran mothachail, saor agus air an cleachdadh gu farsaing de ecotoxicity13,14.Leis gu bheil ceallan microalgae ag iomadachadh gu luath agus gu sgiobalta a ’freagairt ri làthaireachd diofar choimeasgaidhean, tha iad gealltanach airson leasachadh dhòighean a tha càirdeil don àrainneachd airson a bhith a’ làimhseachadh uisge air a thruailleadh le stuthan organach15,16.
Faodaidh ceallan algae ianan neo-organach a thoirt air falbh bho uisge tro bhith-shùghadh agus cruinneachadh17,18.Tha cuid de ghnèithean algach leithid Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue agus Synechococcus sp.Chaidh a lorg gu bheil e a’ giùlan agus eadhon a’ beathachadh ianan meatailt puinnseanta leithid Fe2+, Cu2+, Zn2+ agus Mn2+19.Tha sgrùdaidhean eile air sealltainn gu bheil ions Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ no Pb2+ a’ cuingealachadh fàs Scenedesmus le bhith ag atharrachadh morf-eòlas cealla agus a’ sgrios an cloroplastan20,21.
Tha dòighean uaine airson truailleadh organach a lobhadh agus toirt air falbh ianan meatailt trom air aire luchd-saidheans agus innleadairean air feadh an t-saoghail a tharraing.Tha seo gu ìre mhòr mar thoradh air gu bheil na stuthan truaillidh sin furasta an làimhseachadh aig ìre leaghaidh.Ach, tha truaillearan criostalach neo-organach air an comharrachadh le solubility ìosal ann an uisge agus buailteachd ìosal do dhiofar biotransformations, a dh’ adhbhraicheas duilgheadasan mòra ann an leigheas, agus cha deach mòran adhartais a dhèanamh san raon seo22,23,24,25,26.Mar sin, tha rannsachadh airson fuasglaidhean a tha càirdeil don àrainneachd airson càradh nano-stuthan fhathast na raon iom-fhillte agus gun sgrùdadh.Mar thoradh air an ìre àrd de mhì-chinnt a thaobh buaidhean biotransformation aig nano-stuthan 2D, chan eil dòigh fhurasta ann faighinn a-mach dè na slighean a dh’ fhaodadh a bhith aig an ìsleachadh rè lughdachadh.
Anns an sgrùdadh seo, chleachd sinn microalgae uaine mar àidseant bioremediation uisgeach gnìomhach airson stuthan ceirmeag neo-organach, còmhla ri sgrùdadh in situ air pròiseas truaillidh MXene mar riochdaire stuthan ceirmeag neo-organach.Tha an teirm “MXene” a ’nochdadh stoichiometry an stuth Mn + 1XnTx, far a bheil M na mheatailt gluasaid tràth, is e carbon agus / no nitrogen a th’ ann an X, tha Tx na chrìoch uachdar (me, -OH, -F, -Cl), agus n = 1, 2, 3 no 427.28.Bho chaidh MXenes a lorg le Naguib et al.Sensorics, leigheas aillse agus sìoladh membran 27,29,30.A bharrachd air an sin, faodar beachdachadh air MXenes mar shiostaman modail 2D air sgàth an seasmhachd colloidal sàr-mhath agus eadar-obrachaidhean bith-eòlasach a dh’ fhaodadh a bhith ann31,32,33,34,35,36.
Mar sin, tha am modh-obrach a chaidh a leasachadh san artaigil seo agus na barailean rannsachaidh againn air an sealltainn ann am Figear 1. A rèir a’ bheachd-bharail seo, bidh microalgae a’ lughdachadh MXenes stèidhichte air Nb gu todhar neo-phuinnseanta mar thoradh air eadar-obrachaidhean fiosaigeach-ceimigeach co-cheangailte ri uachdar, a leigeas leis na lìonanaich faighinn air ais tuilleadh.Gus am beachd seo a dhearbhadh, chaidh dà bhall den teaghlach de charbidean meatailt gluasaid tràth stèidhichte air niobium agus / no nitrides (MXenes), is e sin Nb2CTx agus Nb4C3TX, a thaghadh.
Dòigh-obrach rannsachaidh agus barailean stèidhichte air fianais airson faighinn seachad air MXene le microalgae uaine Raphidocelis subcapitata.Thoir an aire gur e dìreach riochdachadh sgeamach de bharailean stèidhichte air fianais a tha seo.Tha àrainneachd nan lochan eadar-dhealaichte anns a’ mheadhan beathachaidh a thathar a’ cleachdadh agus na suidheachaidhean (me, cearcall làitheil agus crìochan air beathachadh riatanach).Air a chruthachadh le BioRender.com.
Mar sin, le bhith a’ cleachdadh MXene mar shiostam mhodail, tha sinn air an doras fhosgladh gu bhith a’ sgrùdadh diofar bhuaidhean bith-eòlasach nach fhaicear le nano-stuthan àbhaisteach eile.Gu sònraichte, tha sinn a’ sealltainn comasachd bioremediation de nano-stuthan dà-thaobhach, leithid MXenes stèidhichte air niobium, le meanbh-algae Raphidocelis subcapitata.Tha microalgae comasach air Nb-MXenes a dhì-mhilleadh gu ocsaidean neo-phuinnseanta NbO agus Nb2O5, a bhios cuideachd a’ toirt seachad beathachadh tron ​​​​inneal gabhail niobium.Gu h-iomlan, tha an sgrùdadh seo a’ freagairt ceist bhunaiteach chudromach mu na pròiseasan co-cheangailte ri eadar-obrachaidhean fiosaig uachdar a bhios a’ riaghladh uidheamachdan bith-leigheas air nano-stuthan dà-mheudach.A bharrachd air an sin, tha sinn a’ leasachadh dòigh shìmplidh stèidhichte air cumadh-paramadair airson sùil a chumail air atharrachaidhean beaga ann an cumadh nano-stuthan 2D.Tha seo a’ brosnachadh tuilleadh rannsachaidh geàrr-ùine agus fad-ùine air na diofar bhuaidhean àrainneachdail a tha aig nano-stuthan criostalach.Mar sin, tha an sgrùdadh againn a’ meudachadh tuigse air an eadar-obrachadh eadar uachdar stuthan agus stuth bith-eòlasach.Tha sinn cuideachd a’ toirt bunait airson sgrùdaidhean leudaichte geàrr-ùine agus fad-ùine air a’ bhuaidh a dh’ fhaodadh a bhith aca air eag-shiostaman fìor-uisge, a tha a-nis furasta a dhearbhadh.
Tha MXenes a’ riochdachadh clas inntinneach de stuthan le feartan fiosaigeach agus ceimigeach gun samhail agus tarraingeach agus mar sin mòran thagraidhean a dh’ fhaodadh a bhith ann.Tha na feartan sin gu mòr an urra ris an stochiometry agus ceimigeachd uachdar.Mar sin, nar sgrùdadh, rinn sinn sgrùdadh air dà sheòrsa de MXenes aon-fhillte rangachd stèidhichte air Nb (SL), Nb2CTx agus Nb4C3TX, leis gum faicear diofar bhuaidhean bith-eòlasach nan nano-stuthan sin.Bithear a’ toirt a-mach MXenes bho na stuthan tòiseachaidh aca le bhith a’ rùsgadh roghnach bhon mhullach sìos de shreathan MAX-ìre A atamach tana.Is e ceirmeag ternary a th’ anns an ìre MAX air a dhèanamh suas de bhlocaichean “ceangailte” de carbides meatailt gluasaid agus sreathan tana de eileamaidean “A” leithid Al, Si, agus Sn le stoichiometry MnAXn-1.Chaidh morf-eòlas na ciad ìre MAX fhaicinn le bhith a’ sganadh microscopy dealanach (SEM) agus bha e co-chòrdail ri sgrùdaidhean roimhe (Faic Fiosrachadh Leasachail, SI, Figear S1).Chaidh Multilayer (ML) Nb-MXene fhaighinn às deidh dha an còmhdach Al a thoirt air falbh le 48% HF (searbhag hydrofluoric).Chaidh morf-eòlas ML-Nb2CTx agus ML-Nb4C3TX a sgrùdadh le bhith a’ sganadh microscopy dealanach (SEM) (Figearan S1c agus S1d fa leth) agus chaidh morf-eòlas MXene le sreathan àbhaisteach fhaicinn, coltach ri nanoflakes dà-thaobhach a’ dol tro shlatan fada coltach ri pore.Tha mòran ann an cumantas aig an dà Nb-MXenes ri ìrean MXene a chaidh a cho-chur roimhe le searbhag searbhagach27,38.Às deidh dhuinn structar MXene a dhearbhadh, chuir sinn a-steach e le eadar-theangachadh tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) agus an uairsin nighe agus sonication, às deidh sin fhuair sinn nanoflakes aon-fhillte no ìre ìosal (SL) 2D Nb-MXene.
Chleachd sinn microscopy dealanach tar-chuir àrd-rèiteachaidh (HRTEM) agus eadar-dhealachadh X-ray (XRD) gus deuchainn a dhèanamh air èifeachdas searbhagachd agus tuilleadh feannadh.Tha toraidhean HRTEM air an giullachd le bhith a’ cleachdadh an Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) agus Fast Fourier Transform (FFT) air an sealltainn ann am Fig. 2. Bha nanoflakes nb-MXene air an stiùireadh oir suas gus sgrùdadh a dhèanamh air structar an t-sreath atamach agus tomhas na h-astaran eadar-phlanar.Nochd ìomhaighean HRTEM de nanoflakes MXene Nb2CTx agus Nb4C3TX an nàdar tana atamach aca (faic Fig. 2a1, a2), mar a chaidh aithris roimhe le Naguib et al.27 agus Jastrzębska et al.38.Airson dà monolayers Nb2CTx agus Nb4C3Tx a bha faisg air làimh, shuidhich sinn astaran eadar-fhighte de 0.74 agus 1.54 nm, fa leth (Figs. 2b1,b2), a tha cuideachd ag aontachadh leis na toraidhean a bh’ againn roimhe38.Chaidh seo a dhearbhadh tuilleadh le cruth-atharrachadh luath Fourier neo-dhruim (Fig. 2c1, c2) agus an cruth-atharrachadh luath Fourier (Fig. 2d1, d2) a' sealltainn an astar eadar na monolayers Nb2CTx agus Nb4C3Tx.Tha an ìomhaigh a’ sealltainn atharrachadh de chòmhlan aotrom is dorcha a tha co-chosmhail ri niobium agus dadaman gualain, a tha a’ dearbhadh nàdar sreathach nan MXenes a chaidh a sgrùdadh.Tha e cudromach a thoirt fa-near nach do sheall an speactra speactroscopaidh X-ray lùth (EDX) a fhuaireadh airson Nb2CTx agus Nb4C3Tx (Figearan S2a agus S2b) fuigheall den ìre MAX tùsail, leis nach deach stùc Al a lorg.
Caractachadh nanoflakes SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx MXene, a’ toirt a-steach (a) miocroscopaidh dealanach àrd-rèiteachaidh (HRTEM) dealbh taobh-sealladh 2D nanoflake agus co-fhreagarrach, (b) modh dian, (c) cruth-atharrachadh luath luath Fourier (IFFT), (d) cruth-atharrachadh luath Fourier (FFT), (e) pàtrain Nbray X-MXen.Airson SL 2D Nb2CTx, tha na h-àireamhan air an cur an cèill mar (a1, b1, c1, d1, e1).Airson SL 2D Nb4C3Tx, tha na h-àireamhan air an cur an cèill mar (a2, b2, c2, d2, e1).
Tha tomhasan eadar-dhealachaidh X-ray de SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx MXenes air an sealltainn ann am Figs.2e1 agus e2, fa leth.Tha stùcan (002) aig 4.31 agus 4.32 a’ freagairt ris na MXenes Nb2CTx agus Nb4C3TX38,39,40,41 a chaidh a mhìneachadh roimhe seo.Tha toraidhean XRD cuideachd a 'sealltainn gu bheil cuid de structaran ML air fhàgail agus ìrean MAX, ach mar as trice pàtranan XRD co-cheangailte ri SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2).Is dòcha gu bheil làthaireachd mìrean nas lugha den ìre MAX a ’mìneachadh an stùc MAX nas làidire an taca ris na sreathan Nb4C3Tx a chaidh a chruachadh air thuaiream.
Tha tuilleadh rannsachaidh air fòcas a chuir air meanbh-algae uaine a bhuineas don ghnè R. subcapitata.Thagh sinn meanbh-algae oir tha iad nan riochdairean cudromach a tha an sàs ann am prìomh lìn bìdh42.Tha iad cuideachd mar aon de na comharran puinnseanta as fheàrr air sgàth comas stuthan puinnseanta a thoirt air falbh a thèid a ghiùlan gu ìrean nas àirde den t-sreath bìdh43.A bharrachd air an sin, dh’ fhaodadh rannsachadh air R. subcapitata solas a thoirt air puinnseanta tuiteamach SL Nb-MXenes gu meanbh-fhàs-bheairtean fìor-uisge.Gus seo a nochdadh, bha an luchd-rannsachaidh a’ smaoineachadh gu bheil cugallachd eadar-dhealaichte aig gach microbe ri todhar puinnseanta a tha san àrainneachd.Airson a ’mhòr-chuid de fhàs-bheairtean, chan eil dùmhlachd ìosal de stuthan a’ toirt buaidh air an fhàs aca, agus faodaidh dùmhlachdan os cionn crìoch sònraichte bacadh a chuir orra no eadhon bàs adhbhrachadh.Mar sin, airson ar sgrùdaidhean air an eadar-obrachadh uachdar eadar microalgae agus MXenes agus an ath-bheothachadh co-cheangailte ris, chuir sinn romhainn deuchainn a dhèanamh air na dùmhlachdan gun chron agus puinnseanta de Nb-MXenes.Gus seo a dhèanamh, rinn sinn deuchainn air dùmhlachdan de 0 (mar iomradh), 0.01, 0.1 agus 10 mg l-1 MXene agus a bharrachd air meanbh-algae gabhaltach le dùmhlachdan fìor àrd de MXene (100 mg l-1 MXene), a dh’ fhaodadh a bhith uamhasach agus marbhtach..airson àrainneachd bith-eòlasach sam bith.
Tha buaidhean SL Nb-MXenes air microalgae air an sealltainn ann am Figear 3, air an cur an cèill mar an àireamh sa cheud de bhrosnachadh fàis (+) no casg (-) air a thomhas airson sampallan 0 mg l-1.Airson coimeas a dhèanamh, chaidh ìre Nb-MAX agus ML Nb-MXenes a dhearbhadh cuideachd agus tha na toraidhean air an sealltainn ann an SI (faic Fig. S3).Dhearbh na co-dhùnaidhean a fhuaireadh gu bheil SL Nb-MXenes cha mhòr gu tur gun phuinnsean anns an raon de cho-chruinneachaidhean ìosal bho 0.01 gu 10 mg/l, mar a chithear ann am Fig. 3a,b.A thaobh Nb2CTx, cha do chunnaic sinn barrachd air 5% ecotoxicity anns an raon ainmichte.
Brosnachadh (+) no bacadh (-) air fàs microalgae ann an làthaireachd SL (a) Nb2CTx agus (b) Nb4C3TX MXene.Chaidh sgrùdadh a dhèanamh air 24, 48 agus 72 uairean de eadar-obrachadh MXene-microalgae. Chaidh dàta cudromach (t-test, p <0.05) a chomharrachadh le rionnag (*). Chaidh dàta cudromach (t-test, p <0.05) a chomharrachadh le rionnag (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Tha dàta cudromach (t-test, p <0.05) air a chomharrachadh le rionnag (*).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-deuchainn, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Tha dàta cudromach (t-deuchainn, p <0.05) air a chomharrachadh le rionnag (*).Tha saighdean dearga a 'sealltainn gu bheilear a' cur às do bhrosnachadh casg.
Air an làimh eile, thionndaidh co-chruinneachaidhean ìosal de Nb4C3TX gu bhith beagan nas puinnseanta, ach gun a bhith nas àirde na 7%.Mar a bhiodh dùil, chunnaic sinn gu robh puinnseanta nas àirde aig MXenes agus casg air fàs microalgae aig 100mg L-1.Gu inntinneach, cha do sheall gin de na stuthan an aon ghluasad agus eisimeileachd ùine de bhuaidhean puinnseanta / puinnseanta an taca ris na sampallan MAX no ML (faic SI airson mion-fhiosrachadh).Ged a ràinig puinnseanta airson ìre MAX (faic Fig. S3) mu 15–25% agus dh’àrdaich e le ùine, chunnacas an gluasad cùil airson SL Nb2CTx agus Nb4C3TX MXene.Lùghdaich casg air fàs microalgae thar ùine.Ràinig e mu 17% an dèidh 24 uairean agus thuit e gu nas lugha na 5% an dèidh 72 uairean (Fig. 3a, b, fa leth).
Nas cudromaiche, airson SL Nb4C3TX, ràinig casg fàs microalgae timcheall air 27% às deidh 24 uairean, ach às deidh 72 uair chaidh e sìos gu timcheall air 1%.Mar sin, dh’ ainmich sinn a’ bhuaidh a chaidh fhaicinn mar chasg neo-dhìreach air brosnachadh, agus bha a’ bhuaidh nas làidire airson SL Nb4C3TX MXene.Chaidh brosnachadh fàs microalgae a thoirt fa-near na bu thràithe le Nb4C3TX (eadar-obrachadh aig 10 mg L-1 airson 24 h) an coimeas ri SL Nb2CTx MXene.Bha a’ bhuaidh tionndadh bacadh-brosnachaidh cuideachd air a nochdadh gu math anns an lùb ìre dùblachadh bith-thomas (faic Fig. S4 airson mion-fhiosrachadh).Gu ruige seo, cha deach ach ecotoxicity Ti3C2TX MXene a sgrùdadh ann an diofar dhòighean.Chan eil e puinnseanta dha embryos zebrafish44 ach meadhanach eag-phuinnseanta dha na lusan microalgae Desmodesmus quadricauda agus Sorghum saccharatum45.Tha eisimpleirean eile de bhuaidhean sònraichte a’ toirt a-steach puinnseanta nas àirde do loidhnichean cealla aillse na loidhnichean cealla àbhaisteach46,47.Faodar gabhail ris gun toireadh na suidheachaidhean deuchainn buaidh air na h-atharrachaidhean ann am fàs microalgae a chaidh fhaicinn an làthair Nb-MXenes.Mar eisimpleir, tha pH de mu 8 anns an stroma chloroplast nas fheàrr airson obrachadh èifeachdach an enzyme RuBisCO.Mar sin, tha atharrachaidhean pH a’ toirt droch bhuaidh air ìre photoynthesis48,49.Ach, cha do chunnaic sinn atharrachaidhean mòra ann am pH rè an deuchainn (faic IR, Fig. S5 airson mion-fhiosrachadh).San fharsaingeachd, lùghdaich cultaran microalgae le Nb-MXenes beagan pH an fhuasglaidh thar ùine.Ach, bha an lùghdachadh seo coltach ri atharrachadh ann am pH meadhan fìor.A bharrachd air an sin, bha an raon de dh’ atharrachaidhean a chaidh a lorg coltach ris an fhear a chaidh a thomhas airson cultar fìor-ghlan de mhicroalgae (sampall smachd).Mar sin, tha sinn a’ co-dhùnadh nach eil atharrachaidhean ann am pH thar ùine a’ toirt buaidh air photosynthesis.
A bharrachd air an sin, tha crìochnachaidhean uachdar aig na MXenes synthesized (air an ainmeachadh mar Tx).Is iad seo buidhnean gnìomh sa mhòr-chuid -O, -F agus -OH.Ach, tha ceimigeachd uachdar ceangailte gu dìreach ris an dòigh synthesis.Tha fios gu bheil na buidhnean sin air an cuairteachadh air thuaiream thairis air an uachdar, ga dhèanamh duilich ro-innse a’ bhuaidh aca air feartan MXene50.Faodar argamaid a dhèanamh gum faodadh Tx a bhith na fheachd catalytach airson oxidation niobium le solas.Bidh buidhnean gnìomh uachdar gu dearbh a’ toirt seachad grunn làraich acair airson na photocatalyss bunaiteach aca gus heterojunctions51 a chruthachadh.Ach, cha tug an riochdachadh meadhan fàis seachad photocatalyst èifeachdach (gheibhear co-sgrìobhadh meadhanach mionaideach ann an Clàr SI S6).A bharrachd air an sin, tha atharrachadh uachdar sam bith glè chudromach cuideachd, oir faodar gnìomhachd bith-eòlasach MXenes atharrachadh mar thoradh air iar-giullachd còmhdach, oxidation, atharrachadh uachdar ceimigeach de choimeasgaidhean organach is neo-organach52,53,54,55,56 no innleadaireachd cosgais uachdar38.Mar sin, gus dearbhadh a bheil dad aig niobium oxide ri neo-sheasmhachd stuthan sa mheadhan, rinn sinn sgrùdaidhean air comas zeta (ζ) ann am meadhan fàis microalgae agus uisge deionized (airson coimeas).Tha na toraidhean againn a 'sealltainn gu bheil SL Nb-MXenes meadhanach seasmhach (faic SI Fig. S6 airson toraidhean MAX agus ML).Tha comas zeta SL MXenes timcheall air -10 mV.A thaobh SR Nb2CTx, tha luach ζ beagan nas àicheil na luach Nb4C3Tx.Dh’ fhaodadh atharrachadh mar seo ann an luach ζ nochdadh gu bheil uachdar nanoflakes MXene le uallach àicheil a’ gabhail a-steach ions le deagh chìsean bhon mheadhan cultair.Tha e coltach gu bheil tomhasan ùineail de chomas zeta agus giùlan Nb-MXenes ann am meadhan cultair (faic Figearan S7 agus S8 ann an SI airson tuilleadh fiosrachaidh) a’ toirt taic don bheachd-bharail againn.
Ach, sheall an dà chuid Nb-MXene SLn glè bheag de dh’ atharrachaidhean bho neoni.Tha seo a’ sealltainn gu soilleir an seasmhachd anns a’ mheadhan fàis microalgae.A bharrachd air an sin, rinn sinn measadh an toireadh làthaireachd ar microalgae uaine buaidh air seasmhachd Nb-MXenes sa mheadhan.Gheibhear toraidhean comas zeta agus giùlan MXenes às deidh eadar-obrachadh le microalgae ann am meadhanan beathachaidh agus cultar thar ùine ann an SI (Figearan S9 agus S10).Gu h-inntinneach, mhothaich sinn gu robh coltas gu robh làthaireachd microalgae a’ bunailteachadh sgapadh an dà MXenes.Ann an cùis Nb2CTx SL, chaidh an comas zeta eadhon sìos beagan thar ùine gu luachan nas àicheil (-15.8 versus -19.1 mV às deidh 72 h de dh 'ionnsaigh).Mheudaich comas zeta SL Nb4C3TX beagan, ach às deidh 72 h bha e fhathast a’ nochdadh seasmhachd nas àirde na nanoflakes às aonais làthaireachd microalgae (-18.1 vs -9.1 mV).
Lorg sinn cuideachd giùlan nas ìsle de fhuasglaidhean Nb-MXene air an toirt a-steach an làthair microalgae, a’ nochdadh gu bheil ìre nas ìsle de ianan anns a ’mheadhan beathachaidh.Gu sònraichte, tha neo-sheasmhachd MXenes ann an uisge gu ìre mhòr mar thoradh air oxidation uachdar57.Mar sin, tha sinn an amharas gun do ghlan microalgae uaine dòigh air choireigin na ocsaidean a chaidh a chruthachadh air uachdar Nb-MXene agus eadhon gun do chuir iad stad air tachairt (oxidation MXene).Chithear seo le bhith a’ sgrùdadh nan seòrsaichean stuthan a tha air an gabhail a-steach le microalgae.
Fhad ‘s a bha na sgrùdaidhean ecotoxicological againn a’ nochdadh gun robh e comasach dha microalgae faighinn thairis air puinnseanta Nb-MXenes thar ùine agus casg neo-àbhaisteach air fàs brosnachail, b ’e amas an sgrùdaidh againn sgrùdadh a dhèanamh air dòighean gnìomh a dh’ fhaodadh a bhith ann.Nuair a bhios fàs-bheairtean leithid lìonanaich fosgailte do choimeasgaidhean no stuthan air nach eil eòlas air na h-eag-shiostaman aca, faodaidh iad freagairt ann an grunn dhòighean58,59.Às aonais ocsaidean meatailt puinnseanta, faodaidh microalgae iad fhèin a bhiadhadh, a’ leigeil leotha fàs gu leantainneach60.Às deidh stuthan puinnseanta a ghabhail a-steach, faodar dòighean dìon a chuir an gnìomh, leithid atharrachadh cumadh no cruth.Feumar beachdachadh cuideachd air comasachd in-ghabhail 58,59.Gu sònraichte, tha soidhne sam bith de dh ’inneal dìon na chomharra soilleir air puinnseanta an stuth deuchainn.Mar sin, nar tuilleadh obrach, rinn sinn sgrùdadh air an eadar-obrachadh uachdar a dh’ fhaodadh a bhith eadar nanoflakes SL Nb-MXene agus microalgae le SEM agus an gabhail a-steach MXene stèidhichte air Nb le speactroscopaidh fluorescence X-ray (XRF).Thoir an aire nach deach mion-sgrùdaidhean SEM agus XRF a dhèanamh ach aig an ìre as àirde de MXene gus dèiligeadh ri cùisean puinnseanta gnìomhachd.
Tha toraidhean SEM air an sealltainn ann am Fig.4.Sheall ceallan microalgae gun làimhseachadh (faic Fig. 4a, sampall iomraidh) gu soilleir morphology àbhaisteach R. subcapitata agus cumadh cealla coltach ri croissant.Tha coltas gu bheil ceallan rèidh agus rudeigin mì-eagraichte.Bha cuid de cheallan microalgae a’ dol thairis air agus a’ dol an lùib a chèile, ach is dòcha gur e am pròiseas ullachaidh sampall a dh’ adhbharaich seo.San fharsaingeachd, bha uachdar rèidh aig ceallan microalgae fìor-ghlan agus cha do sheall iad atharrachaidhean morphologach sam bith.
Ìomhaighean SEM a ’sealltainn eadar-obrachadh uachdar eadar microalgae uaine agus nanosheets MXene às deidh 72 uair de eadar-obrachadh aig fìor dùmhlachd (100 mg L-1).(a) Microalgae uaine gun làimhseachadh às deidh eadar-obrachadh le SL (b) Nb2CTx agus (c) Nb4C3TX MXenes.Thoir an aire gu bheil na nanoflakes Nb-MXene air an comharrachadh le saigheadan dearga.Airson coimeas a dhèanamh, tha dealbhan bho mhiocroscop optigeach air an cur ris cuideachd.
An coimeas ri sin, chaidh ceallan microalgae a chaidh a shanasachadh le SL Nb-MXene nanoflakes a mhilleadh (faic Fig. 4b, c, saighdean dearga).Ann an cùis Nb2CTx MXene (Fig. 4b), tha microalgae buailteach fàs le nanoscales dà-thaobhach ceangailte, a dh'fhaodas am morf-eòlas atharrachadh.Gu sònraichte, chunnaic sinn cuideachd na h-atharrachaidhean sin fo mhiocroscopaidh aotrom (faic IR Figear S11 airson mion-fhiosrachadh).Tha bunait so-chreidsinneach aig a’ ghluasad morphologach seo ann am eòlas-eòlas microalgae agus an comas iad fhèin a dhìon le bhith ag atharrachadh morf-eòlas cealla, leithid àrdachadh meud cealla61.Mar sin, tha e cudromach sgrùdadh a dhèanamh air an àireamh de cheallan microalgae a tha ann an conaltradh le Nb-MXenes.Sheall sgrùdaidhean SEM gu robh timcheall air 52% de cheallan microalgae fosgailte do Nb-MXenes, agus sheachain 48% de na ceallan microalgae sin conaltradh.Airson SL Nb4C3Tx MXene, bidh microalgae a’ feuchainn ri conaltradh le MXene a sheachnadh, agus mar sin a’ fàs gu h-ionadail agus a’ fàs bho nanoscales dà-thaobhach (Fig. 4c).Ach, cha do choimhead sinn air a dhol a-steach do nanoscales a-steach do cheallan microalgae agus am milleadh.
Tha fèin-ghlèidhteachas cuideachd na ghiùlan freagairt a tha an urra ri ùine do bhacadh photoynthesis mar thoradh air a bhith a’ sùghadh ghràineanan air uachdar na cealla agus a’ bhuaidh dubhar (dubhadh) ris an canar62.Tha e soilleir gu bheil gach nì (mar eisimpleir, Nb-MXene nanoflakes) a tha eadar na microalgae agus an stòr solais a’ cuingealachadh na tha de sholas air a ghabhail a-steach leis na cloroplasts.Ach, chan eil teagamh sam bith againn gu bheil buaidh mhòr aig seo air na toraidhean a gheibhear.Mar a chithear leis na beachdan microscopach againn, cha robh na nanoflakes 2D air am pasgadh gu tur no air an cumail ri uachdar nam microalgae, eadhon nuair a bha na ceallan microalgae ann an conaltradh le Nb-MXenes.An àite sin, thionndaidh nanolakes gu bhith air an stiùireadh gu ceallan microalgae gun a bhith a ’còmhdach an uachdar.Chan urrainn dha a leithid de sheata de nanoflakes / microalgae casg mòr a chuir air an ìre de sholas a thèid a ghabhail a-steach le ceallan microalgae.A bharrachd air an sin, tha cuid de sgrùdaidhean eadhon air leasachadh a nochdadh ann an sùghadh solais le fàs-bheairtean photosynthetic an làthair nano-stuthan dà-thaobhach63,64,65,66.
Leis nach b’ urrainn dha ìomhaighean SEM dearbhadh gu dìreach gu robh ceallan microalgae a’ gabhail a-steach niobium, thionndaidh an tuilleadh sgrùdaidh againn gu X-ray fluorescence (XRF) agus mion-sgrùdadh spectroscopy photoelectron X-ray (XPS) gus a’ chùis seo a shoilleireachadh.Mar sin, rinn sinn coimeas eadar dian stùcan Nb de shampaill microalgae iomraidh nach robh ag eadar-obrachadh le MXenes, nanoflakes MXene air an sgaradh bho uachdar cheallan microalgae, agus ceallan microalgal às deidh dhaibh MXenes ceangailte a thoirt air falbh.Is fhiach a bhith mothachail mura h-eil cleachdadh Nb ann, bu chòir an luach Nb a gheibhear leis na ceallan microalgae a bhith neoni às deidh na nanoscales ceangailte a thoirt air falbh.Mar sin, ma thachras gabhail ri Nb, bu chòir an dà chuid toraidhean XRF agus XPS nochdadh stùc Nb soilleir.
Ann an cùis XRF spectra, sheall sampallan microalgae Nb stùcan airson SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx MXene às deidh eadar-obrachadh le SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx MXene (faic Fig. 5a, thoir an aire cuideachd gu bheil na toraidhean airson MAX agus ML MXenes air an sealltainn ann an SI, Figs S12-C17).Gu inntinneach, tha dian an stùc Nb an aon rud anns gach cùis (bàraichean dearga ann am Fig. 5a).Sheall seo nach b 'urrainn dha lìonanaich barrachd Nb a ghabhail a-steach, agus chaidh an comas as motha airson cruinneachadh Nb a choileanadh anns na ceallan, ged a bha dà uair a bharrachd Nb4C3Tx MXene ceangailte ris na ceallan microalgae (bàraichean gorm ann am Fig. 5a).Gu sònraichte, tha comas meanbh-algae gus meatailtean a ghabhail a-steach an urra ris an ìre de ocsaidean meatailt san àrainneachd67,68.Lorg Shamshada et al.67 gu bheil comas algae fìor-uisge a’ lùghdachadh le àrdachadh ann am pH.Thug Raize et al.68 fa-near gun robh comas feamainn gus meatailtean a ghabhail a-steach mu 25% nas àirde airson Pb2+ na airson Ni2+.
(a) Toraidhean XRF de bhith a’ gabhail a-steach basal Nb le ceallan uaine microalgae air an toirt a-steach aig fìor chruinneachadh de SL Nb-MXenes (100 mg L-1) airson 72 uair.Tha na toraidhean a’ sealltainn làthaireachd α ann an ceallan microalgae fìor (sampall smachd, colbhan glasa), nanoflakes 2D air an sgaradh bho cheallan microalgae uachdar (colbhan gorm), agus ceallan microalgae às deidh sgaradh nanoflakes 2D bhon uachdar (colbhan dearga).An ìre de eileamaideach Nb, (b) ceudad de cho-dhèanamh ceimigeach de cho-phàirtean organach microalgae (C = O agus CHx / C-O) agus ogsaidean Nb a tha an làthair ann an ceallan microalgae às deidh a bhith air an goir le SL Nb-MXenes, (c-e) A ’suidheachadh stùc sgrìobhaidh XPS SL Nb2CTx spectra agus (fh) SL Nb4C3Tx microalgae a-staigh.
Mar sin, bha sinn an dùil gum faodadh Nb a bhith air a ghabhail a-steach le ceallan algach ann an cruth ocsaidean.Gus seo a dhearbhadh, rinn sinn sgrùdaidhean XPS air ceallan MXenes Nb2CTx agus Nb4C3TX agus algae.Tha toraidhean eadar-obrachadh microalgae le Nb-MXenes agus MXenes iomallach bho cheallan algae air an sealltainn ann am Figs.5b.Mar a bhiodh dùil, lorg sinn stùcan Nb 3d anns na sampallan microalgae às deidh dhuinn MXene a thoirt air falbh bho uachdar nam microalgae.Chaidh an co-dhùnadh cainneachdail de ocsaidean C = O, CHx / CO, agus Nb a thomhas a rèir an speactram Nb 3d, O 1s, agus C 1s a fhuaireadh le Nb2CTx SL (Fig. 5c - e) agus Nb4C3Tx SL (Fig. 5c -e).) air fhaighinn bho mhicroalgae goir.Figear 5f–h) MXenes.Tha Clàr S1-3 a’ sealltainn mion-fhiosrachadh mu na crìochan as àirde agus an ceimigeachd iomlan mar thoradh air an uidheamachadh.Bu chòir a thoirt fa-near gu bheil na roinnean Nb 3d de Nb2CTx SL agus Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) a’ freagairt ri aon phàirt Nb2O5.An seo, cha do lorg sinn stùcan sam bith co-cheangailte ri MXene anns an speactram, a’ nochdadh nach eil ceallan microalgae a’ gabhail a-steach ach cruth ogsaidean Nb.A bharrachd air an sin, rinn sinn tuairmse air an speactram C 1 s leis na pàirtean C–C, CHx/C–O, C=O, agus –COOH.Shònraich sinn na stùcan CHx / CO agus C = O gu tabhartas organach ceallan microalgae.Tha na co-phàirtean organach sin a’ dèanamh suas 36% agus 41% de na stùcan C 1s ann an Nb2CTx SL agus Nb4C3TX SL, fa leth.Chuir sinn an uairsin an speactra O 1s de SL Nb2CTx agus SL Nb4C3TX le Nb2O5, co-phàirtean organach de mhicroalgae (CHx / CO), agus uisge le còmhdach uachdar.
Mu dheireadh, sheall toraidhean XPS gu soilleir cruth Nb, chan e dìreach a làthaireachd.A rèir suidheachadh a’ chomharra Nb 3d agus toraidhean an dì-chonnachaidh, tha sinn a’ dearbhadh gu bheil Nb air a ghabhail a-steach a-mhàin ann an cruth ocsaidean agus chan e ions no MXene fhèin.A bharrachd air an sin, sheall toraidhean XPS gu bheil comas nas motha aig ceallan microalgae air Nb oxides a ghabhail bho SL Nb2CTx an coimeas ri SL Nb4C3TX MXene.
Fhad ‘s a tha na toraidhean gabhail Nb againn drùidhteach agus a’ leigeil leinn truailleadh MXene a chomharrachadh, chan eil dòigh ann gus sùil a chumail air atharrachaidhean morf-eòlach co-cheangailte ann an nanoflakes 2D.Mar sin, cho-dhùin sinn cuideachd dòigh fhreagarrach a leasachadh a dh'fhaodas dèiligeadh gu dìreach ri atharrachaidhean sam bith a tha a 'tachairt ann an ceallan nanoflakes 2D Nb-MXene agus microalgae.Tha e cudromach toirt fa-near gu bheil sinn a’ gabhail ris ma thèid na gnèithean eadar-ghnìomhach tro chruth-atharrachadh, lobhadh no defragmentation sam bith, gum bu chòir seo nochdadh gu sgiobalta mar atharrachaidhean ann am paramadairean cumadh, leithid trast-thomhas na sgìre cruinn co-ionann, cruinn, leud Feret, no fad Feret.Leis gu bheil na paramadairean sin freagarrach airson a bhith a’ toirt cunntas air mìrean fada no nanoflakes dà-thaobhach, bheir an lorg aca le mion-sgrùdadh cumadh gràineach fiùghantach fiosrachadh luachmhor dhuinn mu chruth-atharrachadh moirfeòlais nanoflakes SL Nb-MXene aig àm lughdachadh.
Tha na toraidhean a gheibhear air an sealltainn ann am Figear 6. Airson coimeas a dhèanamh, rinn sinn deuchainn cuideachd air an ìre MAX tùsail agus ML-MXenes (faic Figearan SI S18 agus S19).Sheall mion-sgrùdadh fiùghantach air cumadh gràin gun do dh’ atharraich a h-uile paramadair cumadh de dhà Nb-MXene SL gu mòr às deidh eadar-obrachadh le microalgae.Mar a chithear le paramadair trast-thomhas sgìre cruinn co-ionann (Fig. 6a, b), tha an ìre as ìsle de dhian na bloigh de nanoflakes mòra a’ nochdadh gu bheil iad buailteach a dhol sìos gu pìosan nas lugha.Air fige.Tha 6c, d a’ sealltainn lùghdachadh anns na stùcan co-cheangailte ri meud transverse nam flakes (leudachadh nan nanoflakes), a’ nochdadh cruth-atharrachadh nanoflakes 2D gu cumadh nas coltaiche ri gràin.Figear 6e-h a’ sealltainn leud agus fad an Feret, fa leth.Tha leud agus fad feòir nam crìochan co-phàirteach agus mar sin bu chòir beachdachadh orra còmhla.Às deidh guir nanoflakes 2D Nb-MXene an làthair microalgae, ghluais na stùcan co-dhàimh Feret aca agus lùghdaich an dian aca.Stèidhichte air na toraidhean sin ann an co-bhonn ri morf-eòlas, XRF agus XPS, cho-dhùin sinn gu bheil na h-atharrachaidhean a chaidh fhaicinn ceangailte gu làidir ri oxidation leis gu bheil MXenes oxidized a’ fàs nas roc agus a ’briseadh sìos gu pìosan agus mìrean spherical oxide69,70.
Mion-sgrùdadh air cruth-atharrachadh MXene às deidh eadar-obrachadh le microalgae uaine.Bidh mion-sgrùdadh cumadh mìrean dinamach a’ toirt aire do pharaimearan leithid (a, b) trast-thomhas na sgìre cruinn co-ionann, (c, d) cruinn, (e, f) leud feòir agus (g, h) fad feòir.Chun na crìche seo, chaidh dà shampall microalgae iomraidh a sgrùdadh còmhla ri bun-sgoil SL Nb2CTx agus SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx agus SL Nb4C3Tx MXenes, meanbh-algaichean truaillidh, agus microalgae làimhseachaidh SL Nb2CTx agus SL Nb4C3Tx MXenes.Tha na saighdean dearga a’ sealltainn na h-eadar-ghluasadan de pharaimearan cumadh nan nanoflakes dà-thaobhach a chaidh a sgrùdadh.
Leis gu bheil mion-sgrùdadh paramadair cumadh gu math earbsach, faodaidh e cuideachd atharrachaidhean morphologach ann an ceallan microalgae fhoillseachadh.Mar sin, rinn sinn mion-sgrùdadh air trast-thomhas sgìre cruinn co-ionann, cruinn, agus leud / fad Feret de cheallan microalgae fìor-ghlan agus ceallan às deidh eadar-obrachadh le 2D Nb nanoflakes.Air fige.Tha 6a–h a’ sealltainn atharrachaidhean ann am paramadairean cumadh cheallan algae, mar a chithear le lùghdachadh ann an dian as àirde agus gluasad as àirde a dh’ionnsaigh luachan nas àirde.Gu sònraichte, sheall paramadairean cruinn cealla lùghdachadh ann an ceallan fada agus àrdachadh ann an ceallan spherical (Fig. 6a, b).A bharrachd air an sin, mheudaich leud cealla Feret grunn micrometers às deidh eadar-obrachadh le SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) an coimeas ri SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f).Tha sinn an amharas gum faodadh seo a bhith mar thoradh air an cleachdadh làidir de Nb oxides le microalgae nuair a bhios iad ag eadar-obrachadh le Nb2CTx SR.Faodaidh ceangal nas cruaidhe de lannan Nb ris an uachdar aca fàs cealla adhbhrachadh le glè bheag de bhuaidh sgàile.
Tha ar beachdan air atharrachaidhean ann am paramadairean cumadh agus meud meanbh-algae a’ cur ri sgrùdaidhean eile.Faodaidh meanbh-algae uaine am morf-eòlas atharrachadh mar fhreagairt air cuideam àrainneachdail le bhith ag atharrachadh meud cealla, cumadh no metabolism61.Mar eisimpleir, bidh atharrachadh meud cheallan a’ comasachadh gabhail a-steach beathachadh71.Tha ceallan algae nas lugha a’ nochdadh cleachdadh beathachaidh nas ìsle agus ìre fàis lag.Air an làimh eile, tha ceallan nas motha buailteach a bhith ag ithe barrachd beathachaidh, a tha an uairsin air an tasgadh gu taobh a-staigh nan ceallan72,73.Lorg Machado agus Soares gum faod am fungicide triclosan meud cealla àrdachadh.Lorg iad cuideachd atharrachaidhean mòra ann an cumadh nan lìonanaich74.A bharrachd air an sin, nochd Yin et al.9 cuideachd atharrachaidhean moirfeòlais ann an lìonanaich às deidh dhaibh a bhith fosgailte do nanocomposites graphene oxide lùghdaichte.Mar sin, tha e soilleir gu bheil na crìochan meud / cumadh atharraichte de na microalgae air adhbhrachadh le làthaireachd MXene.Leis gu bheil an t-atharrachadh seo ann am meud agus cumadh na chomharra air atharrachaidhean ann an gabhail beathachaidh, tha sinn den bheachd gum faod mion-sgrùdadh air paramadairean meud is cumadh thar ùine sealltainn gu bheil mi a’ gabhail ri niobium oxide le microalgae an làthair Nb-MXenes.
A bharrachd air an sin, faodar MXenes a oxidachadh an làthair lìonanaich.Mhothaich Dalai et al.75 nach robh morf-eòlas lìonanaich uaine fosgailte do nano-TiO2 agus Al2O376 co-ionnan.Ged a tha na beachdan againn coltach ris an sgrùdadh a th’ ann an-dràsta, chan eil e buntainneach ach ri sgrùdadh buaidh bioremediation a thaobh toraidhean truaillidh MXene an làthair nanoflakes 2D agus chan e nanoparticles.Leis gum faod MXenes crìonadh gu ocsaidean meatailt, 31,32,77,78 tha e reusanta gabhail ris gum faod na nanoflakes Nb againn cuideachd Nb oxides a chruthachadh às deidh dhaibh eadar-obrachadh le ceallan microalgae.
Gus lughdachadh nanoflakes 2D-Nb a mhìneachadh tro uidheamachd lobhadh stèidhichte air a ’phròiseas oxidation, rinn sinn sgrùdaidhean a’ cleachdadh microscopy dealanach tar-chuir àrd-rèiteachaidh (HRTEM) (Fig. 7a, b) agus speactroscopaidh photoelectron X-ray (XPS) (Fig. 7).7c-i agus bùird S4-5).Tha an dà dhòigh-obrach freagarrach airson a bhith a’ sgrùdadh oxidation stuthan 2D agus a’ cur ri chèile.Tha HRTEM comasach air sgrùdadh a dhèanamh air truailleadh structaran dà-thaobhach le sreathan agus coltas nanoparticles meatailt ocsaid às deidh sin, fhad ‘s a tha XPS mothachail air bannan uachdar.Airson an adhbhair seo, rinn sinn deuchainn air nanoflakes 2D Nb-MXene air an toirt a-mach à sgapadh cealla microalgae, is e sin, an cumadh às deidh eadar-obrachadh le ceallan microalgae (faic Fig. 7).
Ìomhaighean HRTEM a’ sealltainn morf-eòlas oxidized (a) SL Nb2CTx agus (b) SL Nb4C3Tx MXenes, toraidhean mion-sgrùdadh XPS a’ sealltainn (c) co-dhèanamh thoraidhean ogsaid às deidh lughdachadh, (d-f) maidseadh stùc de cho-phàirtean de spectra XPS de SL Nb2CTx agus (g– i) Nb4C3Tx green gae air a chàradh.
Dhaingnich sgrùdaidhean HRTEM oxidation dà sheòrsa nanoflakes Nb-MXene.Ged a ghlèidh na nanoflakes am morf-eòlas dà-thaobhach aca gu ìre, dh’ adhbhraich oxidation gu robh mòran nanoparticles a’ còmhdach uachdar nan nanoflakes MXene (faic Fig. 7a,b).Chomharraich mion-sgrùdadh XPS air comharran c Nb 3d agus O 1s gun deach Nb oxides a chruthachadh anns gach cùis.Mar a chithear ann am Figear 7c, tha comharran Nb 3d aig 2D MXene Nb2CTx agus Nb4C3TX a’ nochdadh làthaireachd NbO agus Nb2O5 oxides, fhad ‘s a tha comharran O 1s a’ nochdadh an àireamh de bannan O-Nb co-cheangailte ri gnìomhachd uachdar 2D nanoflake.Mhothaich sinn gu bheil an tabhartas Nb oxide as làidire an taca ri Nb-C agus Nb3 + -O.
Air fige.Tha figearan 7g–i a’ sealltainn an speactram XPS de Nb 3d, C 1s, agus O 1s SL Nb2CTx (faic Figs. 7d–f) agus SL Nb4C3TX MXene iomallach bho cheallan microalgae.Tha mion-fhiosrachadh mu pharaimearan stùc Nb-MXenes air an toirt seachad ann an Clàran S4–5, fa leth.Rinn sinn mion-sgrùdadh an toiseach air co-dhèanamh Nb 3d.An coimeas ri Nb air a ghabhail a-steach le ceallan microalgae, ann am MXene air a sgaradh bho cheallan microalgae, a bharrachd air Nb2O5, chaidh co-phàirtean eile a lorg.Anns an Nb2CTx SL, chunnaic sinn tabhartas Nb3 + -O anns an ìre de 15%, agus bha an còrr den speactram Nb 3d fo smachd Nb2O5 (85%).A bharrachd air an sin, tha co-phàirtean Nb-C (9%) agus Nb2O5 (91%) anns an sampall SL Nb4C3TX.An seo tha Nb-C a’ tighinn bho dhà shreath atamach a-staigh de mheatailt carbide ann an Nb4C3Tx SR.Bidh sinn an uairsin a’ mapadh speactram C 1s gu ceithir diofar phàirtean, mar a rinn sinn anns na sampallan a-staigh.Mar a bhiodh dùil, tha an speactram C 1s fo smachd gualain grafait, air a leantainn le tabhartasan bho ghràinean organach (CHx / CO agus C = O) bho cheallan microalgae.A bharrachd air an sin, anns an speactram O 1s, chunnaic sinn na chuir cruthan organach de cheallan microalgae, niobium oxide, agus uisge adsorbed.
A bharrachd air an sin, rinn sinn sgrùdadh a bheil ceangal Nb-MXenes ceangailte ri làthaireachd gnèithean ocsaidean reactive (ROS) anns a’ mheadhan beathachaidh agus / no ceallan microalgae.Chun na crìche seo, rinn sinn measadh air na h-ìrean de ocsaidean singilte (1O2) anns a’ mheadhan cultair agus glutathione intracellular, thiol a tha ag obair mar antioxidant ann am microalgae.Tha na toraidhean air an sealltainn ann an SI (Figear S20 agus S21).Bha cultaran le SL Nb2CTx agus Nb4C3TX MXenes air an comharrachadh le ìre nas lugha de 1O2 (faic Figear S20).A thaobh SL Nb2CTx, tha MXene 1O2 air a lughdachadh gu timcheall air 83%.Airson cultaran microalgae a 'cleachdadh SL, lùghdaich Nb4C3TX 1O2 eadhon nas motha, gu 73%.Gu h-inntinneach, sheall atharrachaidhean ann an 1O2 an aon ghluasad ris a’ bhuaidh bacadh-brosnachaidh a chaidh fhaicinn roimhe (faic Fig. 3).Faodar argamaid a dhèanamh gum faod goir ann an solas soilleir photooxidation atharrachadh.Ach, sheall toraidhean an sgrùdaidh smachd ìrean cha mhòr seasmhach de 1O2 rè an deuchainn (Fig. S22).A thaobh ìrean ROS intracellular, chunnaic sinn cuideachd an aon ghluasad sìos (faic Figear S21).An toiseach, bha na h-ìrean de ROS ann an ceallan microalgae cultarach an làthair Nb2CTx agus Nb4C3Tx SLs nas àirde na na h-ìrean a chaidh a lorg ann an cultaran fìor-ghlan de mhicroalgae.Aig a 'cheann thall, ge-tà, bha e coltach gun do dh'atharraich na microalgae gu làthaireachd an dà chuid Nb-MXenes, mar a chaidh ìrean ROS sìos gu 85% agus 91% de na h-ìrean a chaidh a thomhas ann an cultaran fìor-ghlan de mhic-algae air an gabhail a-steach le SL Nb2CTx agus Nb4C3TX, fa leth.Dh’ fhaodadh seo nochdadh gu bheil microalgae a’ faireachdainn nas comhfhurtail thar ùine an làthair Nb-MXene na ann am meadhan beathachaidh a-mhàin.
Tha microalgae nam buidheann eadar-mheasgte de fhàs-bheairtean photosynthetic.Tro photoynthesis, bidh iad a’ tionndadh carbon dà-ogsaid àile (CO2) gu gualain organach.Is e toraidhean photosynthesis glùcois agus ogsaidean79.Tha sinn an amharas gu bheil pàirt deatamach aig an ocsaidean a chaidh a chruthachadh mar sin ann an oxidation Nb-MXenes.Is e aon mhìneachadh a dh’ fhaodadh a bhith ann airson seo gu bheil am paramadair èadhair eadar-dhealaichte air a chruthachadh aig cuideaman ìosal agus àrd pàirt de ocsaidean taobh a-muigh agus taobh a-staigh nan nanoflakes Nb-MXene.Tha seo a’ ciallachadh, ge bith càite a bheil raointean de dhiofar cuideaman de ocsaidean, gum bi an sgìre leis an ìre as ìsle a’ cruthachadh an anod 80, 81, 82. An seo, bidh na meanbh-algae a’ cur ri cruthachadh cheallan le èadhar eadar-dhealaichte air uachdar flakes MXene, a bhios a’ toirt a-mach ocsaidean mar thoradh air na feartan photoynthetic aca.Mar thoradh air an sin, tha stuthan biocorrosion (anns a 'chùis seo, niobium oxides) air an cruthachadh.Is e taobh eile gum faod meanbh-algae searbhagan organach a thoirt a-mach a thèid a leigeil a-steach don uisge83,84.Mar sin, tha àrainneachd ionnsaigheach air a chruthachadh, agus mar sin ag atharrachadh an Nb-MXenes.A bharrachd air an sin, faodaidh microalgae pH na h-àrainneachd atharrachadh gu alkaline mar thoradh air a bhith a’ gabhail a-steach carbon dà-ogsaid, a dh’ fhaodadh corrachadh cuideachd79.
Nas cudromaiche, tha an photoperiod dorcha / aotrom a thathar a’ cleachdadh san sgrùdadh againn deatamach gus na toraidhean a gheibhear a thuigsinn.Tha an taobh seo air a mhìneachadh gu mionaideach ann an Djemai-Zoghlache et al.85 Chleachd iad a dh’aona ghnothach photoperiod 12/12 uair a thìde gus biocorrosion co-cheangailte ri biofouling a nochdadh leis a’ mhicroalgae dearg Porphyridium purpureum.Tha iad a 'sealltainn gu bheil an photoperiod co-cheangailte ri mean-fhàs a' chomas gun biocorrosion, ga nochdadh fhèin mar pseudoperiodic oscillations timcheall air 24:00.Chaidh na beachdan sin a dhearbhadh le Dowling et al.86 Sheall iad biofilms photosynthetic de cyanobacteria Anabaena.Tha ocsaidean fuasgailte air a chruthachadh fo ghnìomhachd solais, a tha co-cheangailte ri atharrachadh no caochlaidhean ann an comas biocorrosion an-asgaidh.Tha cudromachd an photoperiod air a dhaingneachadh leis gu bheil an comas an-asgaidh airson biocorrosion ag àrdachadh anns an ìre solais agus a’ lughdachadh anns an ìre dhorcha.Tha seo mar thoradh air an ocsaidean a chaidh a thoirt a-mach le microalgae photoynthetic, a bheir buaidh air an ath-bhualadh cathodic tron ​​​​chuideam a chaidh a chruthachadh faisg air na dealanan87.
A bharrachd air an sin, chaidh speactroscopaidh infridhearg cruth-atharrachadh Fourier (FTIR) a dhèanamh gus faighinn a-mach an do thachair atharrachaidhean sam bith ann an co-dhèanamh ceimigeach ceallan microalgae às deidh eadar-obrachadh le Nb-MXenes.Tha na toraidhean seo iom-fhillte agus bidh sinn gan taisbeanadh ann an SI (Figearan S23-S25, a’ toirt a-steach toraidhean ìre MAX agus ML MXenes).Ann an ùine ghoirid, tha an speactra iomraidh a gheibhear de mhicroalgae a’ toirt dhuinn fiosrachadh cudromach mu fheartan ceimigeach nam fàs-bheairtean sin.Tha na crithidhean as coltaiche seo suidhichte aig triceadan 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C = C), 1730 cm-1 (C = O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.aon.1 1 (C–H) agus 3280 cm–1 (O–H).Airson SL Nb-MXenes, lorg sinn ainm-sgrìobhte sìnte bann CH a tha co-chòrdail ris an sgrùdadh a rinn sinn roimhe38.Ach, chunnaic sinn gun deach cuid de stùcan a bharrachd co-cheangailte ri bannan C = C agus CH à bith.Tha seo a’ sealltainn gum faodadh atharrachaidhean beaga a bhith ann an co-dhèanamh ceimigeach microalgae mar thoradh air eadar-obrachadh le SL Nb-MXenes.
Nuair a thathar a’ beachdachadh air atharrachaidhean a dh’ fhaodadh a bhith ann am bith-cheimigeachd meanbh-algae, feumar ath-bheachdachadh air cruinneachadh ocsaidean neo-organach, leithid niobium oxide59.Tha e an sàs ann an gabhail a-steach mheatailtean le uachdar na cealla, an giùlan a-steach don cytoplasm, an ceangal ri buidhnean carboxyl intracellular, agus an cruinneachadh ann am polyphosphosoma microalgae20,88,89,90.A bharrachd air an sin, tha an dàimh eadar microalgae agus meatailtean air a chumail suas le buidhnean gnìomh de cheallan.Air an adhbhar seo, tha in-ghabhail cuideachd an urra ri ceimigeachd uachdar microalgae, a tha gu math iom-fhillte9,91.San fharsaingeachd, mar a bhiodh dùil, dh'atharraich co-dhèanamh ceimigeach microalgae uaine beagan air sgàth 's gun deach Nb oxide a ghabhail a-steach.
Gu h-inntinneach, bha an casg tùsail air microalgae air a thionndadh air ais thar ùine.Mar a chunnaic sinn, fhuair na microalgae thairis air a’ chiad atharrachadh àrainneachdail agus mu dheireadh thill iad gu ìrean fàis àbhaisteach agus dh’ èirich iad eadhon.Tha sgrùdaidhean air comas zeta a’ nochdadh seasmhachd àrd nuair a thèid an toirt a-steach do mheadhanan beathachaidh.Mar sin, chaidh an eadar-obrachadh uachdar eadar ceallan microalgae agus nanolakes Nb-MXene a chumail suas tro na deuchainnean lughdachadh.Anns an tuilleadh sgrùdaidh againn, tha sinn a’ toirt geàrr-chunntas air na prìomh dhòighean gnìomh a tha mar bhunait air a’ ghiùlan iongantach seo de mhicroalgae.
Tha beachdan SEM air sealltainn gu bheil microalgae buailteach a bhith ceangailte ri Nb-MXenes.A’ cleachdadh mion-sgrùdadh ìomhaigh fiùghantach, tha sinn a’ dearbhadh gu bheil a’ bhuaidh seo a’ leantainn gu cruth-atharrachadh nanoflakes Nb-MXene dà-thaobhach gu bhith nan gràineanan nas spherical, agus mar sin a’ sealltainn gu bheil lobhadh nanoflakes co-cheangailte ris an oxidation aca.Gus ar beachd-bharail a dhearbhadh, rinn sinn sreath de sgrùdaidhean stuthan agus bith-cheimiceach.Às deidh deuchainn, mean air mhean chaidh na nanoflakes oxidachadh agus lobhadh a-steach do thoraidhean NbO agus Nb2O5, nach robh nan cunnart do mhicroalgae uaine.A’ cleachdadh amharc FTIR, cha do lorg sinn atharrachaidhean mòra sam bith ann an co-dhèanamh ceimigeach meanbh-algae air an toirt a-steach an làthair nanoflakes 2D Nb-MXene.A’ gabhail a-steach comasachd niobium oxide a ghabhail a-steach le microalgae, rinn sinn mion-sgrùdadh fluorescence X-ray.Tha na toraidhean sin a’ sealltainn gu soilleir gu bheil am meanbh-algae a chaidh a sgrùdadh a’ biathadh air niobium oxides (NbO agus Nb2O5), a tha neo-phuinnseanta dha na meanbh-algae a chaidh a sgrùdadh.