Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature.com oldalt.Olyan böngészőverziót használ, amely korlátozott CSS-támogatással rendelkezik.A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon frissített böngészőt (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben).Addig is a folyamatos támogatás érdekében a webhelyet stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg.
Egyszerre három diából álló körhinta jeleníti meg.Az Előző és a Következő gombokkal egyszerre három dián lépkedhet, vagy a végén lévő csúszkagombokkal egyszerre három dián.
A nanotechnológia gyors fejlődése és a mindennapi alkalmazásokba való integrálása veszélyeztetheti a környezetet.Míg a szerves szennyeződések lebontására szolgáló zöld módszerek jól beváltak, a szervetlen kristályos szennyeződések visszanyerése komoly aggodalomra ad okot, mivel alacsony a biotranszformációra való érzékenységük, és nem ismerik az anyagfelület és a biológiai kölcsönhatásokat.Itt Nb-alapú szervetlen 2D MXenes modellt használunk egy egyszerű alakparaméter-elemző módszerrel kombinálva, hogy nyomon kövessük a 2D kerámia nanoanyagok bioremediációs mechanizmusát a Raphidocelis subcapitata zöld mikroalgák által.Azt találtuk, hogy a mikroalgák a felülettel kapcsolatos fizikai-kémiai kölcsönhatások következtében lebontják az Nb-alapú MXéneket.Kezdetben egy- és többrétegű MXene nanopelyheket rögzítettek a mikroalgák felületére, ami némileg csökkentette az algák növekedését.A felülettel való hosszan tartó kölcsönhatás során azonban a mikroalgák oxidálták az MXene nanopelyheket, és tovább bontották NbO-ra és Nb2O5-re.Mivel ezek az oxidok nem mérgezőek a mikroalgák sejtjére, az Nb-oxid nanorészecskéket olyan abszorpciós mechanizmus révén fogyasztják el, amely 72 órás vízkezelés után tovább helyreállítja a mikroalgákat.A tápanyagok felszívódáshoz kapcsolódó hatásai a sejttérfogat növekedésében, egyenletes alakjában és a növekedési ütem változásában is megmutatkoznak.Ezen eredmények alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy az Nb-alapú MXének rövid és hosszú távú jelenléte édesvízi ökoszisztémákban csak csekély környezeti hatásokat okozhat.Figyelemre méltó, hogy a kétdimenziós nanoanyagokat modellrendszerként használva bemutatjuk az alakváltozás nyomon követésének lehetőségét még finomszemcsés anyagokban is.Összességében ez a tanulmány választ ad egy fontos alapkérdésre a felületi kölcsönhatásokkal kapcsolatos folyamatokról, amelyek a 2D nanoanyagok bioremediációs mechanizmusát vezérlik, és alapot ad a szervetlen kristályos nanoanyagok környezeti hatásainak további rövid és hosszú távú vizsgálatához.
A nanoanyagok nagy érdeklődést váltottak ki felfedezésük óta, és a közelmúltban a különböző nanotechnológiák modernizációs szakaszba érkeztek1.Sajnos a nanoanyagok mindennapi alkalmazásokba való integrálása véletlenszerű kibocsátáshoz vezethet a nem megfelelő ártalmatlanítás, a gondatlan kezelés vagy a nem megfelelő biztonsági infrastruktúra miatt.Ezért joggal feltételezhető, hogy olyan nanoanyagok, köztük kétdimenziós (2D) nanoanyagok kerülhetnek a természetes környezetbe, amelyek viselkedése és biológiai aktivitása még nem teljesen ismert.Ezért nem meglepő, hogy az ökotoxicitási aggodalmak a 2D nanoanyagok vízi rendszerekbe való kioldódási képességére összpontosultak2,3,4,5,6.Ezekben az ökoszisztémákban egyes 2D-s nanoanyagok kölcsönhatásba léphetnek különböző trofikus szintű élőlényekkel, beleértve a mikroalgákat is.
A mikroalgák az édesvízi és tengeri ökoszisztémákban természetesen előforduló primitív organizmusok, amelyek fotoszintézis útján különféle vegyi termékeket állítanak elő7.Mint ilyenek, kritikusak a vízi ökoszisztémák számára8, 9, 10, 11, 12, de érzékeny, olcsó és széles körben használt ökotoxicitási indikátorok is13, 14.Mivel a mikroalgák gyorsan szaporodnak és gyorsan reagálnak a különféle vegyületek jelenlétére, ígéretesek a szerves anyagokkal szennyezett vizek környezetbarát kezelési módszereinek kifejlesztésében15,16.
Az algasejtek bioszorpcióval és akkumulációval képesek eltávolítani a szervetlen ionokat a vízből17,18.Néhány algafaj, például a Chlorella, az Anabaena invar, a Westiellopsis prolifica, a Stigeoclonium tenue és a Synechococcus sp.Azt találták, hogy hordozza, sőt táplálja is a mérgező fémionokat, mint például a Fe2+, Cu2+, Zn2+ és Mn2+19.Más tanulmányok kimutatták, hogy a Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ vagy Pb2+ ionok korlátozzák a Scenedesmus növekedését azáltal, hogy megváltoztatják a sejtmorfológiát és elpusztítják kloroplasztjaikat20,21.
A szerves szennyező anyagok lebontásának és a nehézfém-ionok eltávolításának zöld módszerei világszerte felkeltették a tudósok és mérnökök figyelmét.Ez elsősorban annak a ténynek köszönhető, hogy ezek a szennyeződések könnyen feldolgozhatók a folyékony fázisban.A szervetlen kristályos szennyező anyagokat azonban alacsony vízoldhatóság és alacsony érzékenység jellemzi a különféle biotranszformációkra, ami nagy nehézségeket okoz a kármentesítésben, és ezen a területen kevés előrelépés történt22,23,24,25,26.Így a nanoanyagok javítására szolgáló környezetbarát megoldások keresése továbbra is összetett és feltáratlan terület.A 2D nanoanyagok biotranszformációs hatásaival kapcsolatos nagyfokú bizonytalanság miatt nincs egyszerű módja annak, hogy kiderítsük a redukció során lebomlásuk lehetséges útjait.
Ebben a tanulmányban zöld mikroalgákat használtunk aktív vizes bioremediációs szerként szervetlen kerámia anyagokhoz, kombinálva az MXene lebomlási folyamatának in situ megfigyelésével, mint a szervetlen kerámia anyagok képviselőjeként.Az „MXene” kifejezés az Mn+1XnTx anyag sztöchiometriáját tükrözi, ahol M egy korai átmenetifém, X jelentése szén és/vagy nitrogén, Tx egy felületi terminátor (pl. -OH, -F, -Cl), és n = 1, 2, 3 vagy 427,28.Amióta Naguib és munkatársai felfedezték az MXéneket.Szenzorika, rákterápia és membránszűrés 27,29,30.Emellett az MXének kiváló kolloid stabilitásuk és lehetséges biológiai kölcsönhatásaik miatt modell 2D rendszereknek tekinthetők31,32,33,34,35,36.
Ezért a cikkben kidolgozott módszertan és kutatási hipotéziseink az 1. ábrán láthatók. E hipotézis szerint a mikroalgák a felülettel kapcsolatos fizikai-kémiai kölcsönhatások következtében nem toxikus vegyületekké bontják le az Nb-alapú MXéneket, ami lehetővé teszi az algák további hasznosítását.Ennek a hipotézisnek a tesztelésére a korai nióbium alapú átmenetifém-karbidok és/vagy -nitridek (MXenes) családjának két tagját választottuk ki, nevezetesen az Nb2CTx-et és az Nb4C3TX-et.
Kutatási módszertan és bizonyítékokon alapuló hipotézisek a Raphidocelis subcapitata zöld mikroalgák általi MXene visszanyerésére.Kérjük, vegye figyelembe, hogy ez csak a bizonyítékokon alapuló feltételezések sematikus ábrázolása.A tó környezete eltér a felhasznált tápközegben és a feltételekben (pl. a napi ciklus és a rendelkezésre álló alapvető tápanyagok korlátai).Létrehozva a BioRender.com segítségével.
Ezért az MXene modellrendszerként való felhasználásával megnyitottuk a kaput különböző biológiai hatások vizsgálata előtt, amelyek más hagyományos nanoanyagokkal nem figyelhetők meg.Különösen bemutatjuk a kétdimenziós nanoanyagok, például a nióbium alapú MXének bioremediációjának lehetőségét a Raphidocelis subcapitata mikroalgákkal.A mikroalgák képesek az Nb-MXéneket nem mérgező NbO és Nb2O5 oxidokká bontani, amelyek a nióbium felvételi mechanizmus révén tápanyagot is szolgáltatnak.Összességében ez a tanulmány egy fontos alapvető kérdésre ad választ a felszíni fizikai-kémiai kölcsönhatásokkal kapcsolatos folyamatokról, amelyek szabályozzák a kétdimenziós nanoanyagok bioremediációjának mechanizmusait.Emellett egy egyszerű alakparaméter-alapú módszert fejlesztünk ki a 2D nanoanyagok alakváltozásainak nyomon követésére.Ez további rövid és hosszú távú kutatásokat inspirál a szervetlen kristályos nanoanyagok különféle környezeti hatásaival kapcsolatban.Így tanulmányunk jobban megérti az anyagfelület és a biológiai anyag közötti kölcsönhatást.Alapot biztosítunk az édesvízi ökoszisztémákra gyakorolt ​​lehetséges hatásaik kibővített rövid és hosszú távú tanulmányaihoz is, amelyek ma már könnyen ellenőrizhetők.
Az MXenes az anyagok érdekes osztályát képviseli, egyedülálló és vonzó fizikai és kémiai tulajdonságokkal, és ezért számos lehetséges alkalmazási területtel rendelkezik.Ezek a tulajdonságok nagymértékben függnek sztöchiometriájuktól és felületi kémiájuktól.Ezért tanulmányunkban kétféle Nb-alapú hierarchikus egyrétegű (SL) MXene-t vizsgáltunk, az Nb2CTx-et és az Nb4C3TX-et, mivel ezeknek a nanoanyagoknak különböző biológiai hatásai voltak megfigyelhetők.Az MXéneket kiindulási anyagaikból állítják elő atomosan vékony MAX fázisú A-rétegek felülről lefelé történő szelektív maratásával.A MAX fázis egy háromkomponensű kerámia, amely átmenetifém-karbidok „összekötött” blokkjaiból és „A” elemek, például Al, Si és Sn vékony rétegeiből áll, MnAXn-1 sztöchiometriával.A kezdeti MAX fázis morfológiáját pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) figyelték meg, és összhangban volt a korábbi tanulmányokkal (lásd: Kiegészítő információ, SI, S1 ábra).Többrétegű (ML) Nb-MXene-t kaptunk, miután az Al-réteget 48%-os hidrogén-fluoriddal eltávolítottuk.Az ML-Nb2CTx és ML-Nb4C3TX morfológiáját pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) vizsgáltuk (S1c és S1d ábra), és egy tipikus réteges MXene morfológiát figyeltünk meg, hasonlóan a megnyúlt pórusszerű réseken áthaladó kétdimenziós nanopelyhekhez.Mindkét Nb-MXénnek sok közös vonása van a korábban savas maratással szintetizált MXene fázisokkal27,38.Az MXene szerkezetének megerősítése után tetrabutil-ammónium-hidroxid (TBAOH) interkalációjával rétegeztük, majd mosással és ultrahanggal kezeltük, majd egyrétegű vagy alacsony rétegű (SL) 2D Nb-MXene nanopelyheket kaptunk.
Nagy felbontású transzmissziós elektronmikroszkópiát (HRTEM) és röntgendiffrakciót (XRD) alkalmaztunk a maratási és további hámozás hatékonyságának tesztelésére.Az Inverz Gyors Fourier Transzformáció (IFFT) és Gyors Fourier Transzformáció (FFT) segítségével feldolgozott HRTEM eredmények a 2. ábrán láthatók. Az Nb-MXene nanopelyheket éllel felfelé orientáltuk, hogy ellenőrizzük az atomi réteg szerkezetét és mérjük a síkok közötti távolságokat.Az MXene Nb2CTx és Nb4C3TX nanopelyhek HRTEM-képei felfedték azok atomosan vékony réteges természetét (lásd a 2a1. és a2. ábrákat), amint azt Naguib és munkatársai27 és Jastrzębska és munkatársai38 korábban leírták.Két szomszédos Nb2CTx és Nb4C3Tx egyrétegű réteg esetén 0,74, illetve 1,54 nm-es rétegközi távolságot határoztunk meg (2b1, b2 ábra), ami szintén megegyezik korábbi eredményeinkkel38.Ezt tovább erősítette az inverz gyors Fourier-transzformáció (2c1, c2 ábra) és a gyors Fourier-transzformáció (2d1, d2 ábra), amelyek az Nb2CTx és Nb4C3Tx egyrétegű rétegek közötti távolságot mutatják.A képen a nióbium- és szénatomoknak megfelelő világos és sötét sávok váltakozása látható, ami megerősíti a vizsgált MXének rétegzettségét.Fontos megjegyezni, hogy az Nb2CTx és Nb4C3Tx esetében kapott energiadiszperzív röntgenspektroszkópiai (EDX) spektrumok (S2a és S2b ábra) nem mutattak maradványt az eredeti MAX fázisból, mivel Al-csúcsot nem észleltek.
Az SL Nb2CTx és Nb4C3Tx MXene nanopelyhek jellemzése, beleértve (a) nagyfelbontású elektronmikroszkópos (HRTEM) oldalnézeti 2D nanopehely képalkotást és ennek megfelelő, (b) intenzitásmódot, (c) inverz gyors Fourier transzformációt (IFFT), (d) gyors Fourier transzformációt (FFT), (e) X-ray mintázatot.Az SL 2D Nb2CTx esetében a számok a következőképpen vannak kifejezve: (a1, b1, c1, d1, e1).Az SL 2D Nb4C3Tx esetében a számok a következőképpen vannak kifejezve: (a2, b2, c2, d2, e1).
Az SL Nb2CTx és Nb4C3Tx MXének röntgendiffrakciós méréseit az 1-1.2e1 és e2.A (002) csúcsok 4,31-nél és 4,32-nél megfelelnek a korábban leírt réteges MXenes Nb2CTx és Nb4C3TX38,39,40,41-nek.Az XRD eredmények bizonyos maradék ML struktúrák és MAX fázisok jelenlétét is jelzik, de többnyire az SL Nb4C3Tx-hez kapcsolódó XRD mintázatok (2e2. ábra).A MAX fázis kisebb részecskéinek jelenléte magyarázhatja az erősebb MAX csúcsot a véletlenszerűen egymásra rakott Nb4C3Tx rétegekhez képest.
A további kutatások a R. subcapitata fajhoz tartozó zöld mikroalgákra irányultak.Azért választottuk a mikroalgákat, mert ezek fontos termelők a fő táplálékhálózatokban42.Ezek a toxicitás egyik legjobb mutatói is, mivel képesek eltávolítani a mérgező anyagokat, amelyek az élelmiszerlánc magasabb szintjeire kerülnek43.Ezenkívül az R. subcapitata-n végzett kutatás rávilágíthat az SL Nb-MXének véletlenszerű toxicitására a közönséges édesvízi mikroorganizmusokra.Ennek illusztrálására a kutatók azt feltételezték, hogy az egyes mikrobák eltérően érzékenyek a környezetben jelen lévő mérgező vegyületekre.A legtöbb élőlény esetében az anyagok alacsony koncentrációja nem befolyásolja növekedésüket, míg egy bizonyos határ feletti koncentráció gátolhatja, vagy akár halált is okozhat.Ezért a mikroalgák és az MXének felületi kölcsönhatásával és az ezzel összefüggő visszanyeréssel kapcsolatos vizsgálataink során úgy döntöttünk, hogy teszteljük az Nb-MXének ártalmatlan és toxikus koncentrációját.Ehhez teszteltük a 0 (referenciaként), 0,01, 0,1 és 10 mg l-1 MXene koncentrációkat, valamint ezenkívül nagyon magas koncentrációjú MXene-t (100 mg l-1 MXene) fertőzött mikroalgákat, amelyek extrém és halálosak lehetnek..bármilyen biológiai környezethez.
Az SL Nb-MXének mikroalgákra gyakorolt ​​hatásait a 3. ábra mutatja, a növekedés elősegítésének (+) vagy gátlásának (-) százalékában kifejezve, 0 mg l-1 minták esetén.Összehasonlításképpen az Nb-MAX fázist és az ML Nb-MXene-t is teszteltük, és az eredményeket SI-ben mutatjuk be (lásd S3. ábra).A kapott eredmények megerősítették, hogy az SL Nb-MXenes szinte teljesen mentes a toxicitástól az alacsony, 0,01-10 mg/l koncentrációtartományban, amint az a 3a, b ábrán látható.Az Nb2CTx esetében legfeljebb 5%-os ökotoxicitást figyeltünk meg a megadott tartományban.
Mikroalgák növekedésének stimulálása (+) vagy gátlása (-) SL (a) Nb2CTx és (b) Nb4C3TX MXene jelenlétében.24, 48 és 72 órás MXene-mikroalgák kölcsönhatást elemeztünk. A szignifikáns adatokat (t-teszt, p < 0,05) csillaggal (*) jelöltük. A szignifikáns adatokat (t-teszt, p < 0,05) csillaggal (*) jelöltük. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). A szignifikáns adatokat (t-próba, p < 0,05) csillaggal (*) jelöljük.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-teszt, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). A fontos adatokat (t-teszt, p < 0,05) csillaggal (*) jelöljük.A piros nyilak a gátló stimuláció megszüntetését jelzik.
Másrészt az Nb4C3TX alacsony koncentrációja kissé toxikusabbnak bizonyult, de nem haladja meg a 7%-ot.Ahogy az várható volt, megfigyeltük, hogy az MXének nagyobb toxicitásúak és nagyobb a mikroalgák növekedésének gátlása 100 mg L-1 mellett.Érdekes módon egyik anyag sem mutatott ugyanolyan tendenciát és időfüggést az atoxikus/toxikus hatások tekintetében, mint a MAX vagy ML minták (a részletekért lásd az SI-t).Míg a MAX fázisban (lásd az S3 ábrát) a toxicitás elérte a 15–25%-ot, és az idő előrehaladtával nőtt, az SL Nb2CTx és az Nb4C3TX MXene esetében fordított tendencia figyelhető meg.A mikroalgák növekedésének gátlása idővel csökkent.24 óra elteltével elérte a 17%-ot, majd 72 óra elteltével 5% alá esett (3a., b. ábra).
Ennél is fontosabb, hogy az SL Nb4C3TX esetében a mikroalgák növekedésének gátlása 24 óra elteltével elérte a 27%-ot, de 72 óra elteltével körülbelül 1%-ra csökkent.Ezért a megfigyelt hatást a stimuláció inverz gátlásaként jelöltük meg, és a hatás erősebb volt az SL Nb4C3TX MXene esetében.A mikroalgák növekedésének stimulálását korábban észlelték Nb4C3TX-nél (kölcsönhatás 10 mg L-1-nél 24 órán át), összehasonlítva az SL Nb2CTx MXene-vel.A gátlás-stimuláció megfordító hatás a biomassza megkettőződési sebességgörbéjén is jól megmutatkozott (részletekért lásd az S4. ábrát).Eddig csak a Ti3C2TX MXene ökotoxicitását vizsgálták különböző módon.Nem mérgező a zebrahal embrióira44, de mérsékelten ökotoxikus a Desmodesmus quadricauda és Sorghum saccharatum növényekre45.A specifikus hatások egyéb példái közé tartozik a rákos sejtvonalakra gyakorolt ​​nagyobb toxicitás, mint a normál sejtvonalakra46,47.Feltételezhető, hogy a tesztkörülmények befolyásolják a mikroalgák növekedésében az Nb-MXének jelenlétében megfigyelt változásokat.Például a kloroplasztisztróma körülbelül 8-as pH-értéke optimális a RuBisCO enzim hatékony működéséhez.Ezért a pH-változások negatívan befolyásolják a fotoszintézis sebességét48,49.A kísérlet során azonban nem figyeltünk meg szignifikáns pH-változást (részletekért lásd SI, S5 ábra).Általában az Nb-MXéneket tartalmazó mikroalgák tenyészetei idővel kissé csökkentették az oldat pH-ját.Ez a csökkenés azonban hasonló volt a tiszta közeg pH-értékének változásához.Ezenkívül a talált eltérések tartománya hasonló volt a tiszta mikroalgátenyészetnél (kontrollminta) mérthez.Így arra a következtetésre jutottunk, hogy a fotoszintézist nem befolyásolja a pH időbeli változása.
Ezenkívül a szintetizált MXének felületvégződései vannak (Tx-ként jelölve).Ezek főként -O, -F és -OH funkciós csoportok.A felületi kémia azonban közvetlenül kapcsolódik a szintézis módszeréhez.Ismeretes, hogy ezek a csoportok véletlenszerűen oszlanak el a felületen, ami megnehezíti az MXene50 tulajdonságaira gyakorolt ​​hatásuk előrejelzését.Feltételezhető, hogy a Tx lehet a nióbium fény általi oxidációjának katalitikus ereje.A felületi funkciós csoportok valóban több rögzítési helyet biztosítanak az alatta lévő fotokatalizátoraik számára, hogy heterojunkciót képezzenek51.A táptalaj összetétele azonban nem biztosított hatékony fotokatalizátort (a tápközeg részletes összetétele az S6 SI táblázatban található).Ezen túlmenően minden felületmódosítás is nagyon fontos, hiszen az MXének biológiai aktivitása a réteg utófeldolgozása, oxidációja, szerves és szervetlen vegyületek kémiai felületmódosítása52,53,54,55,56 vagy felületi töltéstechnika38 hatására módosulhat.Ezért annak tesztelésére, hogy a nióbium-oxidnak van-e köze a közeg anyagi instabilitásához, tanulmányokat végeztünk a zéta (ζ) potenciálról mikroalgák tápközegében és ionmentesített vízben (összehasonlításképpen).Eredményeink azt mutatják, hogy az SL Nb-MXének meglehetősen stabilak (lásd az SI S6 ábrát a MAX és ML eredményekhez).Az SL MXenes zéta potenciálja körülbelül -10 mV.Az SR Nb2CTx esetében a ζ értéke valamivel negatívabb, mint az Nb4C3Txé.A ζ érték ilyen változása azt jelezheti, hogy a negatív töltésű MXene nanopelyhek felülete elnyeli a pozitív töltésű ionokat a táptalajból.Az Nb-MXének zéta-potenciáljának és vezetőképességének időbeli mérései tápközegben (további részletekért lásd az S7 és S8 ábrákat SI-ben) alátámasztják hipotézisünket.
Azonban mindkét Nb-MXene SL minimális változást mutatott a nullához képest.Ez egyértelműen mutatja stabilitásukat a mikroalgák tápközegében.Ezenkívül megvizsgáltuk, hogy zöld mikroalgáink jelenléte befolyásolja-e az Nb-MXének stabilitását a táptalajban.Az MXének zéta-potenciáljának és vezetőképességének eredményei a tápközegben és tenyészetben lévő mikroalgákkal való kölcsönhatás után az idő múlásával az SI-ben találhatók (S9 és S10 ábra).Érdekes módon észrevettük, hogy a mikroalgák jelenléte úgy tűnt, hogy stabilizálja mindkét MXén diszperzióját.Az Nb2CTx SL esetében a zéta-potenciál idővel még enyhén is csökkent, negatívabb értékekre (-15,8 versus -19,1 mV 72 órás inkubáció után).Az SL Nb4C3TX zéta potenciálja kismértékben nőtt, de 72 óra elteltével is nagyobb stabilitást mutatott, mint a mikroalgák jelenléte nélküli nanopelyhek (-18,1 vs. -9,1 mV).
A mikroalgák jelenlétében inkubált Nb-MXene oldatok alacsonyabb vezetőképességét is találtuk, ami arra utal, hogy a tápközegben kisebb az ionok mennyisége.Nevezetesen, az MXének instabilitása a vízben főként a felületi oxidációnak köszönhető57.Ezért azt gyanítjuk, hogy a zöld mikroalgák valamilyen módon megtisztították az Nb-MXene felületén képződött oxidokat, sőt meg is akadályozták azok előfordulását (az MXene oxidációját).Ez látható a mikroalgák által felvett anyagok típusainak tanulmányozásával.
Míg ökotoxikológiai vizsgálataink azt mutatták, hogy a mikroalgák idővel képesek voltak legyőzni az Nb-MXének toxicitását és a stimulált növekedés szokatlan gátlását, addig tanulmányunk célja a lehetséges hatásmechanizmusok vizsgálata volt.Amikor az olyan organizmusok, mint az algák, olyan vegyületeknek vagy anyagoknak vannak kitéve, amelyek nem ismerik az ökoszisztémáikat, különféle módon reagálhatnak58,59.Mérgező fém-oxidok hiányában a mikroalgák képesek táplálkozni, lehetővé téve számukra a folyamatos növekedést60.Mérgező anyagok lenyelése után a védekező mechanizmusok aktiválódhatnak, például megváltoztathatják az alakot vagy a formát.Figyelembe kell venni a felszívódás lehetőségét is58,59.Nevezetesen, a védekezési mechanizmus bármely jele egyértelműen jelzi a vizsgált vegyület toxicitását.Ezért további munkánk során az SL Nb-MXene nanopelyhek és a mikroalgák közötti lehetséges felületi kölcsönhatást vizsgáltuk SEM módszerrel, valamint az Nb alapú MXene lehetséges abszorpcióját röntgenfluoreszcencia spektroszkópiával (XRF).Vegye figyelembe, hogy a SEM- és XRF-elemzéseket csak a legmagasabb MXene-koncentráció mellett végezték el az aktivitási toxicitási problémák megoldása érdekében.
A SEM eredményeket a 4. ábra mutatja.A kezeletlen mikroalgák (lásd a 4a. ábrát, referenciaminta) egyértelműen jellegzetes R. subcapitata morfológiát és croissant-szerű sejtformát mutattak.A sejtek laposnak és kissé rendezetlennek tűnnek.Egyes mikroalgák sejtjei átfedték és összegabalyodtak egymással, de ezt valószínűleg a minta-előkészítési folyamat okozta.Általában a tiszta mikroalgák sejtek felülete sima volt, és nem mutattak morfológiai elváltozásokat.
SEM képek, amelyek felszíni kölcsönhatást mutatnak a zöld mikroalgák és az MXene nanorétegek között 72 órás kölcsönhatás után extrém koncentrációban (100 mg L-1).(a) Kezeletlen zöld mikroalgák SL-vel való interakció után (b) Nb2CTx és (c) Nb4C3TX MXenes.Vegye figyelembe, hogy az Nb-MXene nanopelyheket piros nyilak jelölik.Összehasonlításképpen optikai mikroszkópból készült fényképeket is adunk hozzá.
Ezzel szemben az SL Nb-MXene nanopelyhek által adszorbeált mikroalgasejtek károsodtak (lásd 4b, c ábra, piros nyilak).Az Nb2CTx MXene esetében (4b. ábra) a mikroalgák hajlamosak hozzájuk kapcsolódó kétdimenziós nanoméretekkel növekedni, ami megváltoztathatja morfológiájukat.Nevezetesen, ezeket a változásokat fénymikroszkóppal is megfigyeltük (a részletekért lásd az SI S11 ábrát).Ennek a morfológiai átmenetnek elfogadható alapja van a mikroalgák fiziológiájában és abban, hogy képesek védekezni a sejtmorfológia megváltoztatásával, például a sejttérfogat növelésével61.Ezért fontos ellenőrizni az Nb-MXénekkel ténylegesen érintkező mikroalgák számát.SEM vizsgálatok kimutatták, hogy a mikroalgák 52%-a volt kitéve Nb-MXéneknek, míg ezeknek a mikroalgasejteknek 48%-a kerülte az érintkezést.Az SL Nb4C3Tx MXene esetében a mikroalgák igyekeznek elkerülni az MXene-nel való érintkezést, ezáltal lokalizálódnak és kétdimenziós nanoskálákból nőnek ki (4c. ábra).Nem figyeltük meg azonban a nanopikkelyek mikroalgák sejtjébe való behatolását és azok károsodását.
Az önmegőrzés is időfüggő válaszviselkedés a fotoszintézis blokkolására a sejtfelszínen lévő részecskék adszorpciója és az úgynevezett árnyékoló (árnyékoló) hatás miatt62.Nyilvánvaló, hogy minden objektum (például Nb-MXene nanopelyhek), amely a mikroalgák és a fényforrás között van, korlátozza a kloroplasztiszok által elnyelt fény mennyiségét.Azonban nincs kétségünk afelől, hogy ez jelentős hatással van a kapott eredményekre.Amint azt mikroszkópos megfigyeléseink mutatják, a 2D nanopelyhek nem burkolódtak be vagy tapadtak teljesen a mikroalgák felületéhez, még akkor sem, ha a mikroalgák sejtek érintkeztek Nb-MXénekkel.Ehelyett kiderült, hogy a nanopelyhek a mikroalgák sejtjeihez orientáltak anélkül, hogy lefedték volna a felületüket.A nanopelyhek/mikroalgák ilyen halmaza nem tudja jelentősen korlátozni a mikroalgasejtek által elnyelt fény mennyiségét.Sőt, egyes tanulmányok még a fotoszintetikus szervezetek fényelnyelésének javulását is kimutatták kétdimenziós nanoanyagok jelenlétében63,64,65,66.
Mivel a SEM-felvételek nem tudták közvetlenül megerősíteni a nióbium mikroalgasejtek általi felvételét, további vizsgálatunk a röntgenfluoreszcencia (XRF) és a röntgen-fotoelektron-spektroszkópia (XPS) elemzéséhez fordult a probléma tisztázása érdekében.Ezért összehasonlítottuk azon referencia mikroalgák Nb csúcsainak intenzitását, amelyek nem léptek kölcsönhatásba az MXénekkel, a mikroalgasejtek felszínéről levált MXene nanopelyhek és a hozzájuk kapcsolódó MXének eltávolítása utáni mikroalga sejtek.Érdemes megjegyezni, hogy ha nincs Nb-felvétel, akkor a mikroalgák által kapott Nb-értéknek nullának kell lennie a hozzátapadt nanopikkelyek eltávolítása után.Ezért, ha Nb-felvétel történik, mind az XRF, mind az XPS eredményeknek egyértelmű Nb-csúcsot kell mutatniuk.
Az XRF spektrumok esetében a mikroalgák Nb-csúcsokat mutattak az SL Nb2CTx és Nb4C3Tx MXene esetében az SL Nb2CTx és Nb4C3Tx MXene interakció után (lásd az 5a. ábrát, vegye figyelembe azt is, hogy a MAX és ML MXének eredményeit az SI, S12–C1. ábra mutatja).Érdekes módon az Nb-csúcs intenzitása mindkét esetben azonos (piros sávok az 5a. ábrán).Ez azt jelzi, hogy az algák nem tudtak több Nb-t felvenni, és a sejtekben elértük a maximális Nb-felhalmozódási kapacitást, bár kétszer több Nb4C3Tx MXene kötődött a mikroalgák sejtjéhez (kék sávok az 5a. ábrán).Nevezetesen, a mikroalgák fémelnyelő képessége a fém-oxidok környezeti koncentrációjától függ67,68.Shamshada és munkatársai67 azt találták, hogy az édesvízi algák abszorpciós képessége csökken a pH növekedésével.Raize és munkatársai68 megjegyezték, hogy a tengeri moszat fémek felszívó képessége körülbelül 25%-kal magasabb Pb2+ esetén, mint Ni2+ esetében.
(a) Az SL Nb-MXének szélsőséges koncentrációjában (100 mg L-1) 72 órán keresztül inkubált zöld mikroalgák sejtek alap Nb felvételének XRF eredményei.Az eredmények az α jelenlétét mutatják tiszta mikroalga sejtekben (kontrollminta, szürke oszlopok), felszíni mikroalgasejtekből izolált 2D nanopelyhekben (kék oszlopok), és mikroalgák sejtjeiben, miután a 2D nanopelyheket elválasztották a felszínről (piros oszlopok).Az elemi Nb mennyisége, (b) a mikroalgák szerves komponenseinek (C=O és CHx/C–O) és Nb-oxidok kémiai összetételének százalékos aránya a mikroalgák sejtjeiben SL Nb-MXenes inkubáció után, (c–e) XPS SL Nb2CTx spektrumok összetételi csúcsának illesztése és (fh) MXC3 internalizált SL Nbgaalee sejtek.
Ezért arra számítottunk, hogy az Nb-t az algasejtek oxidok formájában felvehetik.Ennek tesztelésére XPS vizsgálatokat végeztünk MXenes Nb2CTx és Nb4C3TX és algasejteken.A mikroalgák Nb-MXénekkel és algasejtekből izolált MXénekkel való kölcsönhatásának eredményeit az 1-3.5b.Ahogy az várható volt, Nb 3d csúcsokat detektáltunk a mikroalgákban, miután eltávolítottuk az MXene-t a mikroalgák felszínéről.A C=O, CHx/CO és Nb oxidok kvantitatív meghatározását az Nb2CTx SL (5c–e. ábra) és Nb4C3Tx SL (5c–e. ábra) Nb 3d, O 1s és C 1s spektrumok alapján számítottuk ki.) inkubált mikroalgákból nyerik.5f–h ábra) MXenes.Az S1-3 táblázat a csúcsparaméterek részleteit és az illesztésből származó általános kémiát mutatja be.Figyelemre méltó, hogy az Nb2CTx SL és Nb4C3Tx SL Nb 3d régiói (5c, f ábra) egy Nb2O5 komponensnek felelnek meg.Itt nem találtunk MXene-hez kapcsolódó csúcsokat a spektrumokban, ami azt jelzi, hogy a mikroalgák csak az Nb oxid formáját abszorbeálják.Ezenkívül a C 1 s spektrumot a C–C, CHx/C–O, C=O és –COOH komponensekkel közelítettük.A CHx/C–O és C=O csúcsokat a mikroalgasejtek szerves hozzájárulásához rendeltük.Ezek a szerves komponensek adják az Nb2CTx SL és Nb4C3TX SL C 1s csúcsainak 36%-át, illetve 41%-át.Ezután az SL Nb2CTx és SL Nb4C3TX O 1s spektrumát Nb2O5-tel, a mikroalgák szerves komponenseivel (CHx/CO) és a felszínen adszorbeált vízzel illesztettük.
Végül az XPS eredmények egyértelműen jelezték az Nb formáját, nem csak a jelenlétét.Az Nb 3d jel helyzete és a dekonvolúció eredményei alapján megerősítjük, hogy az Nb csak oxidok formájában abszorbeálódik, nem ionok vagy maga MXene formájában.Ezenkívül az XPS-eredmények azt mutatták, hogy a mikroalgák jobban képesek Nb-oxidokat felvenni az SL Nb2CTx-ből, mint az SL Nb4C3TX MXene.
Noha az Nb-felvétel eredményei lenyűgözőek, és lehetővé teszik az MXene lebomlásának azonosítását, nem áll rendelkezésre módszer a kapcsolódó morfológiai változások nyomon követésére a 2D nanopelyhekben.Ezért úgy döntöttünk, hogy egy megfelelő módszert dolgozunk ki, amely közvetlenül reagálhat a 2D Nb-MXene nanopelyhekben és mikroalgasejtekben fellépő bármilyen változásra.Fontos megjegyezni, hogy feltételezzük, hogy ha a kölcsönhatásban lévő fajok bármilyen átalakuláson, dekompozíción vagy töredezettségmentesítésen mennek keresztül, annak gyorsan meg kell nyilvánulnia az alakparaméterek változásaiban, mint például az egyenértékű körfelület átmérője, kereksége, Feret szélessége vagy Feret hossza.Mivel ezek a paraméterek alkalmasak megnyúlt részecskék vagy kétdimenziós nanopelyhek leírására, dinamikus részecskealak-analízissel történő követésük értékes információkat szolgáltat az SL Nb-MXene nanopelyhek morfológiai átalakulásáról a redukció során.
A kapott eredményeket a 6. ábra mutatja. Összehasonlításképpen teszteltük az eredeti MAX fázist és az ML-MXeneseket is (lásd az SI S18 és S19 ábrákat).A részecske alakjának dinamikus elemzése azt mutatta, hogy két Nb-MXene SL összes alakparamétere jelentősen megváltozott a mikroalgákkal való interakció után.Amint azt az ekvivalens kör alakú terület átmérő paraméter (6a, b ábra) mutatja, a nagy nanopelyhek frakciójának csökkent csúcsintenzitása azt jelzi, hogy hajlamosak kisebb töredékekre bomlani.ábrán.A 6c, d ábrák a pelyhek keresztirányú méretéhez kapcsolódó csúcsok csökkenését mutatják (a nanopelyhek megnyúlása), ami azt jelzi, hogy a 2D nanopelyhek részecskeszerűbb formává alakulnak.A 6e-h ábra a Feret szélességét, illetve hosszát mutatja.A feret szélessége és hossza egymást kiegészítő paraméterek, ezért ezeket együtt kell figyelembe venni.A 2D Nb-MXene nanopelyhek mikroalgák jelenlétében történő inkubálása után Feret korrelációs csúcsaik eltolódtak és intenzitásuk csökkent.Ezen eredmények alapján a morfológiával, az XRF-vel és az XPS-sel kombinálva arra a következtetésre jutottunk, hogy a megfigyelt változások szorosan összefüggenek az oxidációval, mivel az oxidált MXének egyre ráncosodnak, és töredékekre és gömb alakú oxidrészecskékre bomlanak le69,70.
Az MXene átalakulásának elemzése zöld mikroalgákkal való kölcsönhatás után.A dinamikus részecskealak-elemzés olyan paramétereket vesz figyelembe, mint (a, b) az egyenértékű körfelület átmérője, (c, d) kerekség, (e, f) Feret szélessége és (g, h) Feret hossza.Ebből a célból két referencia mikroalgát elemeztek az elsődleges SL Nb2CTx és SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx és SL Nb4C3Tx MXenes, degradált mikroalgák és kezelt mikroalgák SL Nb2CTx és SL Nb4C3Tx MXenesekkel együtt.A piros nyilak a vizsgált kétdimenziós nanopelyhek alakparamétereinek átmeneteit mutatják.
Mivel az alakparaméter-elemzés nagyon megbízható, a mikroalgák sejtjeinek morfológiai változásait is feltárhatja.Ezért elemeztük a tiszta mikroalgák és -sejtek egyenértékű kör alakú terület átmérőjét, kerekségét és Feret szélességét/hosszát a 2D Nb nanopelyhekkel való kölcsönhatás után.ábrán.A 6a–h ábrák az algasejtek alakparamétereinek változását mutatják, amit a csúcsintenzitás csökkenése és a maximumok magasabb értékek felé történő eltolódása bizonyít.A sejtkerekségi paraméterek különösen a megnyúlt sejtek csökkenését és a gömb alakú sejtek növekedését mutatták (6a, b ábra).Ezen túlmenően, a Feret-sejtek szélessége több mikrométerrel nőtt az SL Nb2CTx MXene-nel való interakciót követően (6e. ábra) az SL Nb4C3TX MXene-hez képest (6f. ábra).Gyanítjuk, hogy ennek oka lehet, hogy a mikroalgák Nb2CTx SR-rel való kölcsönhatás során erős Nb-oxidokat vesznek fel.Az Nb pelyhek kevésbé merev rögzítése a felületükhöz minimális árnyékoló hatás mellett sejtnövekedést eredményezhet.
A mikroalgák alakjában és méretében bekövetkezett változásokra vonatkozó megfigyeléseink kiegészítik más tanulmányokat.A zöld mikroalgák megváltoztathatják morfológiájukat a környezeti stressz hatására a sejt méretének, alakjának vagy anyagcseréjének megváltoztatásával61.Például a sejtek méretének megváltoztatása megkönnyíti a tápanyagok felszívódását71.A kisebb algasejtek alacsonyabb tápanyagfelvételt és károsodott növekedési sebességet mutatnak.Ezzel szemben a nagyobb sejtek hajlamosak több tápanyagot fogyasztani, amelyek aztán intracellulárisan rakódnak le72,73.Machado és Soares azt találták, hogy a triklozán gombaölő szer növelheti a sejtméretet.Mélyreható változásokat találtak az algák alakjában is74.Ezenkívül Yin és munkatársai9 morfológiai változásokat is feltártak az algákban redukált grafén-oxid nanokompozitoknak való kitettség után.Ezért egyértelmű, hogy a mikroalgák megváltozott méret/alak paramétereit az MXene jelenléte okozza.Mivel ez a méret- és alakváltozás a tápanyagfelvétel változását jelzi, úgy gondoljuk, hogy a méret- és alakparaméterek időbeli elemzése kimutathatja a nióbium-oxid mikroalgák általi felvételét Nb-MXének jelenlétében.
Ezenkívül az MXének algák jelenlétében oxidálódhatnak.Dalai és munkatársai75 megfigyelték, hogy a nano-TiO2-nak és Al2O376-nak kitett zöldalgák morfológiája nem volt egységes.Bár megfigyeléseink hasonlóak a jelen tanulmányhoz, ez csak a bioremediáció hatásainak vizsgálata szempontjából releváns az MXene lebomlási termékek szempontjából 2D nanopelyhek és nem nanorészecskék jelenlétében.Mivel az MXének fém-oxidokká bomlhatnak le, ésszerű feltételezés, hogy Nb nanopelyheink Nb-oxidokat is képezhetnek mikroalgasejtekkel való kölcsönhatás után.
Annak érdekében, hogy megmagyarázzuk a 2D-Nb nanopelyhek redukcióját az oxidációs folyamaton alapuló bomlási mechanizmuson keresztül, vizsgálatokat végeztünk nagyfelbontású transzmissziós elektronmikroszkóppal (HRTEM) (7a,b ábra) és röntgen fotoelektron spektroszkópiával (XPS) (7. ábra).7c-i és S4-5 táblázatok).Mindkét megközelítés alkalmas 2D anyagok oxidációjának vizsgálatára és kiegészíti egymást.A HRTEM képes elemezni a kétdimenziós réteges struktúrák degradációját és az ezt követő fémoxid nanorészecskék megjelenését, míg az XPS érzékeny a felületi kötésekre.Ebből a célból mikroalgasejt-diszperziókból kinyert 2D Nb-MXene nanopelyheket teszteltünk, azaz mikroalgasejtekkel való kölcsönhatás utáni alakjukat (lásd 7. ábra).
HRTEM képek, amelyek az oxidált (a) SL Nb2CTx és (b) SL Nb4C3Tx MXének morfológiáját mutatják, XPS elemzési eredmények, amelyek (c) az oxidtermékek összetételét mutatják a redukció után, (d–f) az SL Nb2CTx XPS spektrumának komponenseinek csúcsillesztése és (g– i) Nb4C3 TxL microalgae3 zölddel.
A HRTEM vizsgálatok kétféle Nb-MXene nanopehely oxidációját igazolták.Bár a nanopelyhek bizonyos mértékig megőrizték kétdimenziós morfológiájukat, az oxidáció eredményeként sok nanorészecske jelent meg az MXene nanopelyhek felületén (lásd 7a, b ábra).A c Nb 3d és O 1s jelek XPS analízise azt mutatta, hogy mindkét esetben Nb oxidok képződtek.A 7c. ábrán látható módon a 2D MXene Nb2CTx és Nb4C3TX Nb 3d jelekkel rendelkezik, amelyek az NbO és Nb2O5 oxidok jelenlétét jelzik, míg az O 1s jelek a 2D nanopehely felületének funkcionalizálásához kapcsolódó O–Nb kötések számát jelzik.Megfigyeltük, hogy az Nb-oxid hozzájárulása domináns az Nb-C és Nb3+-O-hoz képest.
ábrán.A 7g–i. ábrák a mikroalgasejtekből izolált Nb 3d, C 1s és O 1s SL Nb2CTx (lásd 7d–f. ábra) és SL Nb4C3TX MXene XPS spektrumát mutatják.Az Nb-MXenes csúcsparaméterek részleteit az S4–5. táblázat tartalmazza.Először az Nb 3d összetételét elemeztük.A mikroalgasejtek által felszívódó Nb-vel ellentétben a mikroalgasejtekből izolált MXene-ben az Nb2O5-ön kívül más komponenseket is találtak.Az Nb2CTx SL-ben az Nb3+-O 15%-os hozzájárulását figyeltük meg, míg az Nb 3d spektrum többi részét az Nb2O5 uralta (85%).Ezenkívül az SL Nb4C3TX minta Nb-C (9%) és Nb2O5 (91%) komponenseket tartalmaz.Itt az Nb-C az Nb4C3Tx SR fémkarbid két belső atomos rétegéből származik.Ezután a C 1s spektrumokat négy különböző komponensre képezzük le, ahogyan az internalizált mintáknál is tettük.Ahogy az várható volt, a C 1s spektrumot a grafitos szén uralja, ezt követi a mikroalgákból származó szerves részecskék (CHx/CO és C=O) hozzájárulása.Ezenkívül az O 1s spektrumban megfigyeltük a mikroalgasejtek szerves formáinak, a nióbium-oxidnak és az adszorbeált víznek a hozzájárulását.
Ezenkívül megvizsgáltuk, hogy az Nb-MXenes hasítása összefüggésben áll-e a reaktív oxigénfajták (ROS) jelenlétével a tápközegben és/vagy a mikroalga sejtekben.Ebből a célból felmértük a szingulett oxigén (1O2) szintjét a tápközegben és az intracelluláris glutationt, egy tiolt, amely antioxidánsként működik a mikroalgákban.Az eredményeket SI-ben mutatjuk be (S20 és S21 ábra).Az SL Nb2CTx és Nb4C3TX MXenes tenyészeteket csökkentett mennyiségű 1O2 jellemezte (lásd az S20. ábrát).Az SL Nb2CTx esetében az MXene 1O2 körülbelül 83%-ra csökken.Az SL-t használó mikroalgátenyészeteknél az Nb4C3TX 1O2 még jobban, 73%-ra csökkent.Érdekes módon az 1O2 változása ugyanazt a tendenciát mutatta, mint a korábban megfigyelt gátló-stimuláló hatás (lásd 3. ábra).Vitatható, hogy az erős fényben történő inkubálás megváltoztathatja a fotooxidációt.A kontrollanalízis eredményei azonban szinte állandó 1O2 szintet mutattak a kísérlet során (S22. ábra).Az intracelluláris ROS-szintek esetében is ugyanezt a csökkenő tendenciát figyeltük meg (lásd S21. ábra).Kezdetben az Nb2CTx és Nb4C3Tx SL jelenlétében tenyésztett mikroalgák sejtjeiben a ROS szintje meghaladta a tiszta mikroalgátenyészetekben tapasztalt szinteket.Végül azonban úgy tűnt, hogy a mikroalgák alkalmazkodtak mindkét Nb-MXén jelenlétéhez, mivel a ROS-szint az SL Nb2CTx-vel és Nb4C3TX-szel oltott mikroalgák tiszta kultúrájában mért értékek 85%-ára, illetve 91%-ára csökkent.Ez arra utalhat, hogy a mikroalgák idővel jobban érzik magukat Nb-MXene jelenlétében, mint önmagában a tápközegben.
A mikroalgák a fotoszintetikus organizmusok változatos csoportja.A fotoszintézis során a légköri szén-dioxidot (CO2) szerves szénné alakítják.A fotoszintézis termékei a glükóz és az oxigén79.Gyanítjuk, hogy az így képződött oxigén kritikus szerepet játszik az Nb-MXének oxidációjában.Ennek egyik lehetséges magyarázata az, hogy a differenciális levegőztetési paraméter alacsony és magas parciális oxigénnyomás mellett alakul ki az Nb-MXene nanopelyheken kívül és belül.Ez azt jelenti, hogy ahol különböző parciális oxigénnyomású területek vannak, ott a legalacsonyabb szinttel rendelkező terület képezi a 80, 81, 82 anódot. Itt a mikroalgák hozzájárulnak az MXene pelyhek felületén differenciáltan levegőztetett sejtek létrehozásához, amelyek fotoszintetikus tulajdonságaik miatt oxigént termelnek.Ennek eredményeként biokorróziós termékek (jelen esetben nióbium-oxidok) keletkeznek.Egy másik szempont, hogy a mikroalgák szerves savakat tudnak termelni, amelyek a vízbe kerülnek83,84.Ezért agresszív környezet alakul ki, ami megváltoztatja az Nb-MXéneket.Emellett a mikroalgák a szén-dioxid felszívódása miatt a környezet pH-ját lúgosra változtathatják, ami szintén korróziót okozhat79.
Ennél is fontosabb, hogy a tanulmányunkban használt sötét/világos fényperiódus kritikus a kapott eredmények megértéséhez.Ezt a szempontot Djemai-Zoghlache et al.85 Szándékosan 12/12 órás fényperiódust alkalmaztak a Porphyridium purpureum vörös mikroalgák által okozott bioszennyeződéssel összefüggő biokorrózió kimutatására.Azt mutatják, hogy a fotoperiódus a biokorrózió nélküli potenciál kifejlődésével függ össze, ami 24:00 körüli pszeudperiodikus oszcillációként nyilvánul meg.Ezeket a megfigyeléseket Dowling et al.86 Bemutatták az Anabaena cianobaktériumok fotoszintetikus biofilmjeit.Fény hatására oldott oxigén képződik, ami a szabad biokorróziós potenciál változásával vagy ingadozásával jár.A fotoperiódus jelentőségét hangsúlyozza, hogy a biokorrózió szabadpotenciálja a világos fázisban növekszik, míg a sötét fázisban csökken.Ennek oka a fotoszintetikus mikroalgák által termelt oxigén, amely az elektródák közelében keletkező parciális nyomáson keresztül befolyásolja a katódos reakciót87.
Ezenkívül Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópiát (FTIR) végeztek annak kiderítésére, hogy történt-e változás a mikroalgasejtek kémiai összetételében az Nb-MXénekkel való kölcsönhatás után.A kapott eredmények összetettek és SI-ben mutatjuk be (S23-S25 ábrák, beleértve a MAX szakasz és az ML MXenes eredményeit).Röviden, a kapott mikroalgák referenciaspektrumai fontos információkkal szolgálnak számunkra ezen organizmusok kémiai jellemzőiről.Ezek a legvalószínűbb rezgések 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1 frekvenciákon találhatók.egy.1 1 (C–H) és 3280 cm–1 (O–H).Az SL Nb-MXenes esetében találtunk egy CH-kötés nyújtási szignatúrát, amely összhangban van korábbi tanulmányunkkal38.Megfigyeltük azonban, hogy a C=C és CH kötésekkel kapcsolatos további csúcsok eltűntek.Ez azt jelzi, hogy a mikroalgák kémiai összetétele kisebb változásokon mehet keresztül az SL Nb-MXénekkel való kölcsönhatás miatt.
A mikroalgák biokémiájában bekövetkező lehetséges változások mérlegelésekor újra kell gondolni a szervetlen oxidok, például a nióbium-oxid felhalmozódását59.Részt vesz a fémek sejtfelszín általi felvételében, a citoplazmába történő szállításában, az intracelluláris karboxilcsoportokkal való asszociációjában, valamint a mikroalgák polifoszfoszómáiban való felhalmozódásában20,88,89,90.Ezenkívül a mikroalgák és a fémek közötti kapcsolatot a sejtek funkcionális csoportjai tartják fenn.Emiatt a felszívódás a mikroalgák felületi kémiájától is függ, ami meglehetősen összetett9,91.Általában a várakozásoknak megfelelően a zöld mikroalgák kémiai összetétele kismértékben változott az Nb-oxid felszívódása miatt.
Érdekes módon a mikroalgák megfigyelt kezdeti gátlása idővel visszafordítható volt.Amint azt megfigyeltük, a mikroalgák felülkerekedtek a kezdeti környezeti változáson, és végül visszatértek a normál növekedési ütemhez, sőt még növekedtek is.A zéta-potenciál tanulmányozása nagy stabilitást mutat, ha tápközegbe juttatják.Így a mikroalgák sejtek és az Nb-MXene nanopelyhek közötti felületi kölcsönhatás a redukciós kísérletek során végig fennmaradt.További elemzésünkben összefoglaljuk a mikroalgák e figyelemre méltó viselkedésének hátterében álló fő hatásmechanizmusokat.
A SEM megfigyelések azt mutatták, hogy a mikroalgák hajlamosak az Nb-MXénekhez tapadni.Dinamikus képelemzés segítségével megerősítjük, hogy ez a hatás a kétdimenziós Nb-MXene nanopelyhek gömbölyűbb részecskéivé való átalakulásához vezet, ezzel bizonyítva, hogy a nanopelyhek bomlása összefügg az oxidációjukkal.Hipotézisünk tesztelésére anyagi és biokémiai vizsgálatokat végeztünk.A tesztelést követően a nanopelyhek fokozatosan oxidálódtak és NbO és Nb2O5 termékekké bomlottak, ami nem jelentett veszélyt a zöld mikroalgákra.FTIR megfigyeléssel nem találtunk jelentős változást a 2D Nb-MXene nanopelyhek jelenlétében inkubált mikroalgák kémiai összetételében.Figyelembe véve a nióbium-oxid mikroalgák általi abszorpciójának lehetőségét, röntgen fluoreszcencia analízist végeztünk.Ezek az eredmények egyértelműen azt mutatják, hogy a vizsgált mikroalgák nióbium-oxidokkal (NbO és Nb2O5) táplálkoznak, amelyek nem mérgezőek a vizsgált mikroalgákra.