Terima kasih telah mengunjungi Alam.com.Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau nonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Sementara itu, untuk memastikan dukungan yang berkelanjutan, kami akan merender situs tanpa gaya dan JavaScript.
Menampilkan carousel tiga slide sekaligus.Gunakan tombol Sebelumnya dan Berikutnya untuk menelusuri tiga slide sekaligus, atau gunakan tombol penggeser di bagian akhir untuk menelusuri tiga slide sekaligus.
Pesatnya perkembangan nanoteknologi dan integrasinya ke dalam aplikasi sehari-hari dapat mengancam lingkungan.Sementara metode hijau untuk degradasi kontaminan organik sudah mapan, pemulihan kontaminan kristal anorganik menjadi perhatian utama karena sensitivitasnya yang rendah terhadap biotransformasi dan kurangnya pemahaman interaksi permukaan material dengan yang biologis.Di sini, kami menggunakan model MXenes 2D anorganik berbasis Nb yang dikombinasikan dengan metode analisis parameter bentuk sederhana untuk melacak mekanisme bioremediasi bahan nano keramik 2D oleh mikroalga hijau Raphidocelis subcapitata.Kami menemukan bahwa mikroalga menurunkan MXena berbasis Nb karena interaksi fisiko-kimia terkait permukaan.Awalnya, nanoflakes MXene satu lapis dan banyak lapis menempel pada permukaan mikroalga, yang agak mengurangi pertumbuhan alga.Namun, setelah interaksi yang lama dengan permukaan, mikroalga mengoksidasi nanoflakes MXene dan selanjutnya menguraikannya menjadi NbO dan Nb2O5.Karena oksida ini tidak beracun bagi sel mikroalga, mereka mengkonsumsi nanopartikel Nb oksida melalui mekanisme penyerapan yang selanjutnya mengembalikan mikroalga setelah 72 jam pengolahan air.Efek nutrisi yang terkait dengan penyerapan juga tercermin dalam peningkatan volume sel, bentuknya yang halus, dan perubahan laju pertumbuhan.Berdasarkan temuan ini, kami menyimpulkan bahwa kehadiran MXena berbasis Nb dalam jangka pendek dan jangka panjang di ekosistem air tawar hanya dapat menyebabkan dampak lingkungan yang kecil.Patut dicatat bahwa, dengan menggunakan bahan nano dua dimensi sebagai sistem model, kami mendemonstrasikan kemungkinan melacak transformasi bentuk bahkan dalam bahan berbutir halus.Secara keseluruhan, penelitian ini menjawab pertanyaan mendasar yang penting tentang proses terkait interaksi permukaan yang mendorong mekanisme bioremediasi bahan nano 2D dan memberikan dasar untuk penelitian jangka pendek dan jangka panjang lebih lanjut tentang dampak lingkungan dari bahan nano kristal anorganik.
Nanomaterial telah menghasilkan banyak minat sejak penemuannya, dan berbagai teknologi nano baru-baru ini memasuki fase modernisasi1.Sayangnya, integrasi nanomaterial ke dalam aplikasi sehari-hari dapat menyebabkan pelepasan yang tidak disengaja karena pembuangan yang tidak tepat, penanganan yang ceroboh, atau infrastruktur keamanan yang tidak memadai.Oleh karena itu, masuk akal untuk mengasumsikan bahwa bahan nano, termasuk bahan nano dua dimensi (2D), dapat dilepaskan ke lingkungan alam, yang perilaku dan aktivitas biologisnya belum sepenuhnya dipahami.Oleh karena itu, tidak mengherankan jika kekhawatiran tentang ekotoksisitas berfokus pada kemampuan bahan nano 2D untuk larut ke dalam sistem akuatik2,3,4,5,6.Dalam ekosistem ini, beberapa nanomaterial 2D dapat berinteraksi dengan berbagai organisme pada tingkat trofik yang berbeda, termasuk mikroalga.
Mikroalga adalah organisme primitif yang ditemukan secara alami di ekosistem air tawar dan laut yang menghasilkan berbagai produk kimia melalui fotosintesis7.Dengan demikian, mereka sangat penting untuk ekosistem perairan8,9,10,11,12 tetapi juga indikator ekotoksisitas yang sensitif, murah dan banyak digunakan13,14.Karena sel mikroalga berkembang biak dengan cepat dan cepat merespon keberadaan berbagai senyawa, mereka menjanjikan pengembangan metode ramah lingkungan untuk mengolah air yang terkontaminasi zat organik15,16.
Sel ganggang dapat menghilangkan ion anorganik dari air melalui biosorpsi dan akumulasi17,18.Beberapa spesies alga seperti Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue dan Synechococcus sp.Telah ditemukan untuk membawa dan bahkan memelihara ion logam beracun seperti Fe2+, Cu2+, Zn2+ dan Mn2+19.Penelitian lain menunjukkan bahwa ion Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ atau Pb2+ membatasi pertumbuhan Scenedesmus dengan mengubah morfologi sel dan menghancurkan kloroplasnya20,21.
Metode hijau untuk dekomposisi polutan organik dan penghilangan ion logam berat telah menarik perhatian para ilmuwan dan insinyur di seluruh dunia.Ini terutama disebabkan oleh fakta bahwa kontaminan ini mudah diproses dalam fase cair.Namun, polutan kristal anorganik dicirikan oleh kelarutan air yang rendah dan kerentanan yang rendah terhadap berbagai biotransformasi, yang menyebabkan kesulitan besar dalam remediasi, dan hanya sedikit kemajuan yang dicapai dalam bidang ini22,23,24,25,26.Dengan demikian, pencarian solusi ramah lingkungan untuk perbaikan bahan nano tetap menjadi area yang kompleks dan belum dijelajahi.Karena tingkat ketidakpastian yang tinggi mengenai efek biotransformasi bahan nano 2D, tidak ada cara mudah untuk mengetahui kemungkinan jalur degradasinya selama reduksi.
Dalam penelitian ini, kami menggunakan mikroalga hijau sebagai agen bioremediasi berair aktif untuk bahan keramik anorganik, dikombinasikan dengan pemantauan in situ dari proses degradasi MXene sebagai perwakilan dari bahan keramik anorganik.Istilah "MXene" mencerminkan stoikiometri dari bahan Mn+1XnTx, di mana M adalah logam transisi awal, X adalah karbon dan/atau nitrogen, Tx adalah terminator permukaan (misalnya, -OH, -F, -Cl), dan n = 1, 2, 3 atau 427,28.Sejak penemuan MXenes oleh Naguib et al.Sensorik, terapi kanker dan filtrasi membran 27,29,30.Selain itu, MXene dapat dianggap sebagai model sistem 2D karena stabilitas koloidnya yang sangat baik dan kemungkinan interaksi biologis31,32,33,34,35,36.
Oleh karena itu, metodologi yang dikembangkan dalam artikel ini dan hipotesis penelitian kami ditunjukkan pada Gambar 1. Menurut hipotesis ini, mikroalga mendegradasi MXena berbasis Nb menjadi senyawa tidak beracun karena interaksi fisiko-kimia yang berhubungan dengan permukaan, yang memungkinkan pemulihan alga lebih lanjut.Untuk menguji hipotesis ini, dipilih dua anggota keluarga karbida logam transisi berbasis niobium awal dan/atau nitrida (MXenes), yaitu Nb2CTx dan Nb4C3TX.
Metodologi penelitian dan hipotesis berbasis bukti untuk pemulihan MXene oleh mikroalga hijau Raphidocelis subcapitata.Harap dicatat bahwa ini hanyalah representasi skematis dari asumsi berbasis bukti.Lingkungan danau berbeda dalam media nutrisi yang digunakan dan kondisinya (misalnya, siklus diurnal dan keterbatasan nutrisi esensial yang tersedia).Dibuat dengan BioRender.com.
Oleh karena itu, dengan menggunakan MXene sebagai sistem model, kami membuka pintu untuk mempelajari berbagai efek biologis yang tidak dapat diamati dengan bahan nano konvensional lainnya.Secara khusus, kami menunjukkan kemungkinan bioremediasi bahan nano dua dimensi, seperti MXenes berbasis niobium, oleh mikroalga Raphidocelis subcapitata.Mikroalga mampu mendegradasi Nb-MXenes menjadi oksida non-toksik NbO dan Nb2O5, yang juga menyediakan nutrisi melalui mekanisme serapan niobium.Secara keseluruhan, penelitian ini menjawab pertanyaan mendasar yang penting tentang proses yang terkait dengan interaksi fisikokimia permukaan yang mengatur mekanisme bioremediasi bahan nano dua dimensi.Selain itu, kami sedang mengembangkan metode berbasis parameter bentuk sederhana untuk melacak perubahan halus dalam bentuk bahan nano 2D.Ini menginspirasi penelitian jangka pendek dan jangka panjang lebih lanjut ke dalam berbagai dampak lingkungan dari bahan nano kristal anorganik.Dengan demikian, penelitian kami meningkatkan pemahaman tentang interaksi antara permukaan material dan material biologis.Kami juga memberikan dasar untuk studi jangka pendek dan jangka panjang yang diperluas tentang kemungkinan dampaknya terhadap ekosistem air tawar, yang sekarang dapat diverifikasi dengan mudah.
MXene mewakili kelas bahan yang menarik dengan sifat fisik dan kimia yang unik dan menarik dan karenanya memiliki banyak aplikasi potensial.Sifat-sifat ini sangat bergantung pada stoikiometri dan kimia permukaannya.Oleh karena itu, dalam penelitian kami, kami menyelidiki dua jenis MXenes hierarkis lapisan tunggal (SL) berbasis Nb, Nb2CTx dan Nb4C3TX, karena efek biologis yang berbeda dari bahan nano ini dapat diamati.MXene diproduksi dari bahan awalnya dengan etsa selektif top-down dari lapisan-A fase-MAX yang tipis secara atomik.Fase MAX adalah keramik terner yang terdiri dari blok karbida logam transisi "berikat" dan lapisan tipis elemen "A" seperti Al, Si, dan Sn dengan stoikiometri MnAXn-1.Morfologi fase MAX awal diamati dengan memindai mikroskop elektron (SEM) dan konsisten dengan penelitian sebelumnya (Lihat Informasi Tambahan, SI, Gambar S1).Multilayer (ML) Nb-MXene diperoleh setelah menghilangkan lapisan Al dengan 48% HF (hydrofluoric acid).Morfologi ML-Nb2CTx dan ML-Nb4C3TX diperiksa dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM) (masing-masing Gambar S1c dan S1d) dan morfologi MXene berlapis khas diamati, mirip dengan nanoflakes dua dimensi yang melewati celah seperti pori memanjang.Kedua Nb-MXene memiliki banyak kesamaan dengan fase MXene yang sebelumnya disintesis dengan etsa asam27,38.Setelah mengonfirmasi struktur MXene, kami melapisinya dengan interkalasi tetrabutilamonium hidroksida (TBAOH) diikuti dengan pencucian dan sonikasi, setelah itu kami memperoleh nanoflakes 2D Nb-MXene lapisan tunggal atau lapisan rendah (SL).
Kami menggunakan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) dan difraksi sinar-X (XRD) untuk menguji efisiensi etsa dan pengelupasan lebih lanjut.Hasil HRTEM diproses menggunakan Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) dan Fast Fourier Transform (FFT) ditunjukkan pada Gambar. 2. Serpihan nano Nb-MXene diorientasikan tepi ke atas untuk memeriksa struktur lapisan atom dan mengukur jarak interplanar.Gambar HRTEM dari nanoflakes MXene Nb2CTx dan Nb4C3TX mengungkapkan sifatnya yang berlapis tipis secara atomik (lihat Gambar 2a1, a2), seperti yang dilaporkan sebelumnya oleh Naguib et al.27 dan Jastrzębska et al.38.Untuk dua monolayer Nb2CTx dan Nb4C3Tx yang berdekatan, kami menentukan jarak interlayer masing-masing 0,74 dan 1,54 nm (Gambar 2b1, b2), yang juga sesuai dengan hasil kami sebelumnya38.Ini selanjutnya dikonfirmasi oleh transformasi Fourier cepat terbalik (Gbr. 2c1, c2) dan transformasi Fourier cepat (Gbr. 2d1, d2) yang menunjukkan jarak antara monolayer Nb2CTx dan Nb4C3Tx.Gambar menunjukkan pergantian pita terang dan gelap yang sesuai dengan niobium dan atom karbon, yang menegaskan sifat berlapis dari MXena yang dipelajari.Penting untuk dicatat bahwa spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDX) yang diperoleh untuk Nb2CTx dan Nb4C3Tx (Gambar S2a dan S2b) tidak menunjukkan sisa fase MAX asli, karena tidak ada puncak Al yang terdeteksi.
Karakterisasi nanoflakes SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx MXene, termasuk (a) mikroskop elektron resolusi tinggi (HRTEM) tampilan samping pencitraan nanoflake 2D dan yang sesuai, (b) mode intensitas, (c) transformasi Fourier cepat terbalik (IFFT), (d) transformasi Fourier cepat (FFT), (e) pola sinar-X Nb-MXenes.Untuk SL 2D Nb2CTx, angka dinyatakan sebagai (a1, b1, c1, d1, e1).Untuk SL 2D Nb4C3Tx, angka dinyatakan sebagai (a2, b2, c2, d2, e1).
Pengukuran difraksi sinar-X SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx MXenes ditunjukkan pada Gambar.2e1 dan e2, masing-masing.Puncak (002) pada 4.31 dan 4.32 sesuai dengan lapisan MXenes Nb2CTx dan Nb4C3TX38,39,40,41 yang dijelaskan sebelumnya.Hasil XRD juga menunjukkan adanya beberapa sisa struktur ML dan fase MAX, tetapi sebagian besar pola XRD terkait dengan SL Nb4C3Tx (Gbr. 2e2).Kehadiran partikel yang lebih kecil dari fase MAX dapat menjelaskan puncak MAX yang lebih kuat dibandingkan dengan lapisan Nb4C3Tx yang ditumpuk secara acak.
Penelitian lebih lanjut difokuskan pada mikroalga hijau yang termasuk dalam spesies R. subcapitata.Kami memilih mikroalga karena mereka adalah produsen penting yang terlibat dalam jaring makanan utama42.Mereka juga merupakan salah satu indikator toksisitas terbaik karena kemampuan untuk menghilangkan zat beracun yang terbawa ke tingkat rantai makanan yang lebih tinggi43.Selain itu, penelitian tentang R. subcapitata dapat menjelaskan toksisitas insidental SL Nb-MXenes terhadap mikroorganisme air tawar biasa.Untuk mengilustrasikan hal ini, para peneliti berhipotesis bahwa setiap mikroba memiliki kepekaan yang berbeda terhadap senyawa beracun yang ada di lingkungan.Bagi sebagian besar organisme, konsentrasi zat yang rendah tidak mempengaruhi pertumbuhannya, sedangkan konsentrasi di atas batas tertentu dapat menghambat atau bahkan menyebabkan kematian.Oleh karena itu, untuk studi kami tentang interaksi permukaan antara mikroalga dan MXenes dan pemulihan terkait, kami memutuskan untuk menguji konsentrasi Nb-MXenes yang tidak berbahaya dan beracun.Untuk melakukan ini, kami menguji konsentrasi 0 (sebagai referensi), 0,01, 0,1 dan 10 mg l-1 MXene dan juga menginfeksi mikroalga dengan konsentrasi MXene yang sangat tinggi (100 mg l-1 MXene), yang dapat menjadi ekstrim dan mematikan..untuk setiap lingkungan biologis.
Efek SL Nb-MXenes pada mikroalga ditunjukkan pada Gambar 3, dinyatakan sebagai persentase promosi pertumbuhan (+) atau penghambatan (-) yang diukur untuk 0 mg l-1 sampel.Sebagai perbandingan, fase Nb-MAX dan ML Nb-MXenes juga diuji dan hasilnya ditampilkan dalam SI (lihat Gambar. S3).Hasil yang diperoleh menegaskan bahwa SL Nb-MXenes hampir sepenuhnya tidak memiliki toksisitas dalam kisaran konsentrasi rendah dari 0,01 hingga 10 mg/l, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a,b.Dalam kasus Nb2CTx, kami mengamati tidak lebih dari 5% ekotoksisitas dalam kisaran yang ditentukan.
Stimulasi (+) atau penghambatan (-) pertumbuhan mikroalga dengan adanya SL (a) Nb2CTx dan (b) Nb4C3TX MXene.24, 48 dan 72 jam interaksi MXene-mikroalga dianalisis. Data signifikan (uji-t, p <0,05) ditandai dengan tanda bintang (*). Data signifikan (uji-t, p <0,05) ditandai dengan tanda bintang (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Data signifikan (uji-t, p < 0,05) ditandai dengan tanda bintang (*).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 (uji-t, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Data penting (uji-t, p < 0,05) diberi tanda bintang (*).Panah merah menunjukkan penghapusan stimulasi penghambatan.
Di sisi lain, konsentrasi Nb4C3TX yang rendah ternyata sedikit lebih beracun, tetapi tidak lebih tinggi dari 7%.Seperti yang diharapkan, kami mengamati bahwa MXenes memiliki toksisitas dan penghambatan pertumbuhan mikroalga yang lebih tinggi pada 100mg L-1.Menariknya, tidak ada bahan yang menunjukkan tren dan ketergantungan waktu yang sama dari efek atoksik/toksik dibandingkan dengan sampel MAX atau ML (lihat SI untuk detailnya).Sedangkan untuk fase MAX (lihat Gambar. S3) toksisitas mencapai sekitar 15-25% dan meningkat seiring waktu, tren sebaliknya diamati untuk SL Nb2CTx dan Nb4C3TX MXene.Penghambatan pertumbuhan mikroalga menurun dari waktu ke waktu.Ini mencapai sekitar 17% setelah 24 jam dan turun menjadi kurang dari 5% setelah 72 jam (Gbr. 3a, b, masing-masing).
Lebih penting lagi, untuk SL Nb4C3TX, penghambatan pertumbuhan mikroalga mencapai sekitar 27% setelah 24 jam, tetapi setelah 72 jam menurun menjadi sekitar 1%.Oleh karena itu, kami memberi label efek yang diamati sebagai inhibisi stimulasi terbalik, dan efeknya lebih kuat untuk SL Nb4C3TX MXene.Stimulasi pertumbuhan mikroalga tercatat lebih awal dengan Nb4C3TX (interaksi pada 10 mg L-1 selama 24 jam) dibandingkan dengan SL Nb2CTx MXene.Efek pembalikan penghambatan-stimulasi juga ditunjukkan dengan baik dalam kurva laju penggandaan biomassa (lihat Gambar. S4 untuk detailnya).Sejauh ini, hanya ekotoksisitas Ti3C2TX MXene yang telah dipelajari dengan berbagai cara.Ini tidak beracun bagi embrio ikan zebra44 tetapi cukup ekotoksik bagi mikroalga Desmodesmus quadricauda dan tanaman Sorghum saccharatum45.Contoh lain dari efek spesifik termasuk toksisitas yang lebih tinggi pada garis sel kanker daripada garis sel normal46,47.Dapat diasumsikan bahwa kondisi pengujian akan mempengaruhi perubahan pertumbuhan mikroalga yang diamati dengan adanya Nb-MXenes.Misalnya, pH sekitar 8 di stroma kloroplas optimal untuk operasi efisien enzim RuBisCO.Oleh karena itu, perubahan pH berdampak negatif terhadap laju fotosintesis48,49.Namun, kami tidak mengamati perubahan pH yang signifikan selama percobaan (lihat SI, Gambar. S5 untuk detailnya).Secara umum, kultur mikroalga dengan Nb-MXenes sedikit menurunkan pH larutan dari waktu ke waktu.Namun, penurunan ini mirip dengan perubahan pH media murni.Selain itu, kisaran variasi yang ditemukan serupa dengan yang diukur untuk kultur murni mikroalga (sampel kontrol).Jadi, kami menyimpulkan bahwa fotosintesis tidak terpengaruh oleh perubahan pH dari waktu ke waktu.
Selain itu, MXene yang disintesis memiliki ujung permukaan (dilambangkan sebagai Tx).Ini terutama gugus fungsi -O, -F dan -OH.Namun, kimia permukaan berhubungan langsung dengan metode sintesis.Gugus-gugus ini diketahui terdistribusi secara acak di atas permukaan, sehingga sulit untuk memprediksi pengaruhnya terhadap sifat-sifat MXene50.Dapat dikatakan bahwa Tx bisa menjadi gaya katalitik untuk oksidasi niobium oleh cahaya.Gugus fungsi permukaan memang menyediakan beberapa situs penahan untuk fotokatalis yang mendasarinya untuk membentuk sambungan hetero51.Namun, komposisi media pertumbuhan tidak memberikan fotokatalis yang efektif (komposisi media terperinci dapat ditemukan di SI Tabel S6).Selain itu, setiap modifikasi permukaan juga sangat penting, karena aktivitas biologis MXenes dapat diubah karena pemrosesan pasca-lapisan, oksidasi, modifikasi permukaan kimia dari senyawa organik dan anorganik52,53,54,55,56 atau rekayasa muatan permukaan38.Oleh karena itu, untuk menguji apakah niobium oksida ada hubungannya dengan ketidakstabilan material dalam medium, kami melakukan studi potensi zeta (ζ) dalam medium pertumbuhan mikroalga dan air deionisasi (untuk perbandingan).Hasil kami menunjukkan bahwa SL Nb-MXenes cukup stabil (lihat Gambar SI. S6 untuk hasil MAX dan ML).Potensi zeta SL MXenes sekitar -10 mV.Dalam kasus SR Nb2CTx, nilai ζ agak lebih negatif daripada Nb4C3Tx.Perubahan nilai ζ seperti itu dapat mengindikasikan bahwa permukaan nanoflakes MXene bermuatan negatif menyerap ion bermuatan positif dari media kultur.Pengukuran temporal potensi zeta dan konduktivitas Nb-MXenes dalam media kultur (lihat Gambar S7 dan S8 dalam SI untuk lebih jelasnya) tampaknya mendukung hipotesis kami.
Namun, kedua SL Nb-MXene menunjukkan perubahan minimal dari nol.Ini jelas menunjukkan stabilitas mereka dalam media pertumbuhan mikroalga.Selain itu, kami menilai apakah keberadaan mikroalga hijau kami akan mempengaruhi stabilitas Nb-MXenes dalam medium.Hasil potensi zeta dan konduktivitas MXenes setelah interaksi dengan mikroalga dalam media nutrisi dan kultur dari waktu ke waktu dapat ditemukan di SI (Gambar S9 dan S10).Menariknya, kami memperhatikan bahwa keberadaan mikroalga tampaknya menstabilkan dispersi kedua MXena.Dalam kasus Nb2CTx SL, potensial zeta bahkan sedikit menurun dari waktu ke waktu hingga nilai yang lebih negatif (-15,8 berbanding -19,1 mV setelah 72 jam inkubasi).Potensi zeta SL Nb4C3TX sedikit meningkat, tetapi setelah 72 jam masih menunjukkan stabilitas yang lebih tinggi daripada nanoflakes tanpa kehadiran mikroalga (-18,1 vs -9,1 mV).
Kami juga menemukan konduktivitas yang lebih rendah dari larutan Nb-MXene yang diinkubasi di hadapan mikroalga, yang menunjukkan jumlah ion yang lebih rendah dalam media nutrisi.Khususnya, ketidakstabilan MXene dalam air terutama disebabkan oleh oksidasi permukaan57.Oleh karena itu, kami menduga bahwa mikroalga hijau entah bagaimana membersihkan oksida yang terbentuk pada permukaan Nb-MXene dan bahkan mencegah terjadinya (oksidasi MXene).Hal ini dapat dilihat dengan mempelajari jenis zat yang diserap oleh mikroalga.
Sementara studi ekotoksikologi kami menunjukkan bahwa mikroalga mampu mengatasi toksisitas Nb-MXenes dari waktu ke waktu dan penghambatan pertumbuhan terstimulasi yang tidak biasa, tujuan dari penelitian kami adalah untuk menyelidiki kemungkinan mekanisme aksi.Ketika organisme seperti ganggang terpapar senyawa atau bahan yang tidak dikenal di ekosistemnya, mereka dapat bereaksi dalam berbagai cara58,59.Dengan tidak adanya oksida logam beracun, mikroalga dapat memberi makan diri mereka sendiri, memungkinkan mereka tumbuh terus menerus60.Setelah menelan zat beracun, mekanisme pertahanan dapat diaktifkan, seperti mengubah bentuk atau bentuk.Kemungkinan penyerapan juga harus diperhatikan58,59.Khususnya, setiap tanda mekanisme pertahanan merupakan indikator yang jelas dari toksisitas senyawa uji.Oleh karena itu, dalam pekerjaan kami selanjutnya, kami menyelidiki potensi interaksi permukaan antara nanoflakes SL Nb-MXene dan mikroalga oleh SEM dan kemungkinan penyerapan MXene berbasis Nb dengan spektroskopi fluoresensi sinar-X (XRF).Perhatikan bahwa analisis SEM dan XRF hanya dilakukan pada konsentrasi MXene tertinggi untuk mengatasi masalah toksisitas aktivitas.
Hasil SEM ditunjukkan pada Gbr.4.Sel mikroalga yang tidak dirawat (lihat Gambar 4a, sampel referensi) dengan jelas menunjukkan morfologi R. subcapitata yang khas dan bentuk sel seperti croissant.Sel tampak pipih dan agak tidak teratur.Beberapa sel mikroalga saling tumpang tindih dan terjerat, namun hal ini kemungkinan disebabkan oleh proses preparasi sampel.Secara umum, sel mikroalga murni memiliki permukaan yang halus dan tidak menunjukkan perubahan morfologi.
Gambar SEM menunjukkan interaksi permukaan antara mikroalga hijau dan nanosheet MXene setelah 72 jam interaksi pada konsentrasi ekstrim (100 mg L-1).( a ) Mikroalga hijau yang tidak diolah setelah interaksi dengan SL ( b ) Nb2CTx dan ( c ) Nb4C3TX MXenes.Perhatikan bahwa nanoflakes Nb-MXene ditandai dengan panah merah.Sebagai perbandingan, foto dari mikroskop optik juga ditambahkan.
Sebaliknya, sel mikroalga yang diserap oleh nanoflakes SL Nb-MXene rusak (lihat Gambar 4b, c, panah merah).Dalam kasus Nb2CTx MXene (Gbr. 4b), mikroalga cenderung tumbuh dengan skala nano dua dimensi yang melekat, yang dapat mengubah morfologinya.Khususnya, kami juga mengamati perubahan ini di bawah mikroskop cahaya (lihat Gambar SI S11 untuk detailnya).Transisi morfologi ini memiliki dasar yang masuk akal dalam fisiologi mikroalga dan kemampuannya untuk mempertahankan diri dengan mengubah morfologi sel, seperti peningkatan volume sel61.Oleh karena itu, penting untuk memeriksa jumlah sel mikroalga yang benar-benar bersentuhan dengan Nb-MXenes.Studi SEM menunjukkan bahwa sekitar 52% sel mikroalga terpapar Nb-MXenes, sementara 48% sel mikroalga ini menghindari kontak.Untuk SL Nb4C3Tx MXene, mikroalga mencoba menghindari kontak dengan MXene, dengan demikian melokalisasi dan tumbuh dari skala nano dua dimensi (Gbr. 4c).Namun, kami tidak mengamati penetrasi skala nano ke dalam sel mikroalga dan kerusakannya.
Pelestarian diri juga merupakan perilaku respons yang bergantung pada waktu terhadap penyumbatan fotosintesis akibat adsorpsi partikel pada permukaan sel dan yang disebut efek naungan (shading)62.Jelas bahwa setiap objek (misalnya, serpihan nano Nb-MXene) yang berada di antara mikroalga dan sumber cahaya membatasi jumlah cahaya yang diserap oleh kloroplas.Namun, kami tidak ragu bahwa ini berdampak signifikan pada hasil yang diperoleh.Seperti yang ditunjukkan oleh pengamatan mikroskopis kami, nanoflakes 2D tidak sepenuhnya terbungkus atau menempel pada permukaan mikroalga, bahkan ketika sel mikroalga bersentuhan dengan Nb-MXenes.Sebaliknya, nanoflakes ternyata berorientasi pada sel mikroalga tanpa menutupi permukaannya.Serangkaian nanoflakes/mikroalga seperti itu tidak dapat secara signifikan membatasi jumlah cahaya yang diserap oleh sel mikroalga.Selain itu, beberapa penelitian bahkan menunjukkan peningkatan penyerapan cahaya oleh organisme fotosintetik dengan adanya bahan nano dua dimensi63,64,65,66.
Karena gambar SEM tidak dapat secara langsung mengkonfirmasi penyerapan niobium oleh sel mikroalga, penelitian lebih lanjut kami beralih ke analisis fluoresensi sinar-X (XRF) dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) untuk mengklarifikasi masalah ini.Oleh karena itu, kami membandingkan intensitas puncak Nb dari sampel mikroalga referensi yang tidak berinteraksi dengan MXene, nanoflakes MXene terlepas dari permukaan sel mikroalga, dan sel mikroalga setelah penghilangan MXene yang terpasang.Perlu dicatat bahwa jika tidak ada serapan Nb, nilai Nb yang diperoleh sel mikroalga harus nol setelah penghilangan skala nano yang menempel.Oleh karena itu, jika serapan Nb terjadi, hasil XRF dan XPS harus menunjukkan puncak Nb yang jelas.
Dalam kasus spektrum XRF, sampel mikroalga menunjukkan puncak Nb untuk SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx MXene setelah interaksi dengan SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx MXene (lihat Gambar 5a, juga perhatikan bahwa hasil untuk MAX dan ML MXene ditunjukkan dalam SI, Gambar S12–C17 ).Menariknya, intensitas puncak Nb sama pada kedua kasus (bilah merah pada Gambar 5a).Ini menunjukkan bahwa alga tidak dapat menyerap lebih banyak Nb, dan kapasitas maksimum untuk akumulasi Nb dicapai dalam sel, meskipun dua kali lebih banyak Nb4C3Tx MXene yang melekat pada sel mikroalga (bilah biru pada Gambar 5a).Khususnya, kemampuan mikroalga untuk menyerap logam bergantung pada konsentrasi oksida logam di lingkungan67,68.Shamshada et al.67 menemukan bahwa daya serap ganggang air tawar menurun dengan meningkatnya pH.Raize et al.68 mencatat bahwa kemampuan rumput laut untuk menyerap logam sekitar 25% lebih tinggi untuk Pb2+ daripada Ni2+.
( a ) Hasil XRF serapan Nb basal oleh sel mikroalga hijau diinkubasi pada konsentrasi ekstrim SL Nb-MXenes (100 mg L-1) selama 72 jam.Hasil menunjukkan adanya α dalam sel mikroalga murni (sampel kontrol, kolom abu-abu), nanoflakes 2D diisolasi dari sel mikroalga permukaan (kolom biru), dan sel mikroalga setelah pemisahan nanoflakes 2D dari permukaan (kolom merah).Jumlah unsur Nb, ( b ) persentase komposisi kimia komponen organik mikroalga (C = O dan CHx / C – O) dan oksida Nb yang ada dalam sel mikroalga setelah inkubasi dengan SL Nb-MXenes, (c – e) Pemasangan puncak komposisi spektrum XPS SL Nb2CTx dan (fh) SL Nb4C3Tx MXene yang diinternalisasi oleh sel mikroalga.
Oleh karena itu, diharapkan Nb dapat diserap oleh sel alga dalam bentuk oksida.Untuk menguji ini, kami melakukan studi XPS pada MXenes Nb2CTx dan Nb4C3TX dan sel alga.Hasil interaksi mikroalga dengan Nb-MXenes dan MXenes yang diisolasi dari sel alga ditunjukkan pada Gambar.5b.Seperti yang diharapkan, kami mendeteksi puncak Nb 3d dalam sampel mikroalga setelah menghilangkan MXene dari permukaan mikroalga.Penentuan kuantitatif C=O, CHx/CO, dan Nb oksida dihitung berdasarkan spektrum Nb 3d, O 1s, dan C 1s yang diperoleh dengan Nb2CTx SL (Gbr. 5c–e) dan Nb4C3Tx SL (Gbr. 5c–e).) diperoleh dari mikroalga yang diinkubasi.Gambar 5f – h) MXena.Tabel S1-3 menunjukkan detail parameter puncak dan kimia keseluruhan yang dihasilkan dari kesesuaian.Patut dicatat bahwa wilayah Nb 3d dari Nb2CTx SL dan Nb4C3Tx SL (Gbr. 5c, f) sesuai dengan satu komponen Nb2O5.Di sini, kami tidak menemukan puncak terkait MXene dalam spektrum, yang menunjukkan bahwa sel mikroalga hanya menyerap bentuk oksida Nb.Selain itu, kami mendekati spektrum C1 dengan komponen C–C, CHx/C–O, C=O, dan –COOH.Kami menetapkan puncak CHx / C – O dan C = O untuk kontribusi organik sel mikroalga.Komponen organik ini masing-masing menyumbang 36% dan 41% dari puncak C1 di Nb2CTx SL dan Nb4C3TX SL.Kami kemudian melengkapi spektrum O 1s dari SL Nb2CTx dan SL Nb4C3TX dengan Nb2O5, komponen organik mikroalga (CHx/CO), dan air yang diserap permukaan.
Terakhir, hasil XPS dengan jelas menunjukkan bentuk Nb, bukan hanya keberadaannya.Menurut posisi sinyal 3d Nb dan hasil dekonvolusi, kami memastikan bahwa Nb diserap hanya dalam bentuk oksida dan bukan ion atau MXene itu sendiri.Selain itu, hasil XPS menunjukkan bahwa sel mikroalga memiliki kemampuan yang lebih besar untuk menyerap oksida Nb dari SL Nb2CTx dibandingkan dengan SL Nb4C3TX MXene.
Sementara hasil penyerapan Nb kami sangat mengesankan dan memungkinkan kami untuk mengidentifikasi degradasi MXene, tidak ada metode yang tersedia untuk melacak perubahan morfologis terkait dalam nanoflakes 2D.Oleh karena itu, kami juga memutuskan untuk mengembangkan metode yang cocok yang dapat langsung merespons setiap perubahan yang terjadi pada nanoflakes 2D Nb-MXene dan sel mikroalga.Penting untuk dicatat bahwa kami berasumsi bahwa jika spesies yang berinteraksi mengalami transformasi, dekomposisi, atau defragmentasi apa pun, ini akan dengan cepat memanifestasikan dirinya sebagai perubahan parameter bentuk, seperti diameter area lingkaran yang setara, kebulatan, lebar Feret, atau panjang Feret.Karena parameter ini cocok untuk mendeskripsikan partikel memanjang atau nanoflakes dua dimensi, pelacakannya dengan analisis bentuk partikel dinamis akan memberi kita informasi berharga tentang transformasi morfologi nanoflakes SL Nb-MXene selama reduksi.
Hasil yang diperoleh ditunjukkan pada Gambar 6. Sebagai perbandingan, kami juga menguji fase MAX asli dan ML-MXenes (lihat Gambar SI S18 dan S19).Analisis dinamis bentuk partikel menunjukkan bahwa semua parameter bentuk dari dua SL Nb-MXene berubah secara signifikan setelah interaksi dengan mikroalga.Seperti yang ditunjukkan oleh parameter diameter luas lingkaran yang setara (Gbr. 6a, b), intensitas puncak yang berkurang dari fraksi nanoflakes besar menunjukkan bahwa mereka cenderung membusuk menjadi fragmen yang lebih kecil.Pada ara.6c, d menunjukkan penurunan puncak yang terkait dengan ukuran transversal serpihan (perpanjangan serpihan nano), menunjukkan transformasi serpihan nano 2D menjadi bentuk yang lebih mirip partikel.Gambar 6e-h masing-masing menunjukkan lebar dan panjang Feret.Lebar dan panjang musang adalah parameter pelengkap dan karenanya harus dipertimbangkan bersama.Setelah inkubasi nanoflakes 2D Nb-MXene di hadapan mikroalga, puncak korelasi Feretnya bergeser dan intensitasnya menurun.Berdasarkan hasil ini dalam kombinasi dengan morfologi, XRF dan XPS, kami menyimpulkan bahwa perubahan yang diamati sangat terkait dengan oksidasi karena MXena teroksidasi menjadi lebih berkerut dan terurai menjadi fragmen dan partikel oksida berbentuk bola69,70.
Analisis transformasi MXene setelah interaksi dengan mikroalga hijau.Analisis bentuk partikel dinamis memperhitungkan parameter seperti (a, b) diameter area lingkaran yang setara, (c, d) kebulatan, (e, f) lebar musang dan (g, h) panjang musang.Untuk tujuan ini, dua sampel mikroalga referensi dianalisis bersama dengan SL Nb2CTx primer dan SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx dan SL Nb4C3Tx MXenes, mikroalga terdegradasi, dan mikroalga yang diberi perlakuan SL Nb2CTx dan SL Nb4C3Tx MXenes.Panah merah menunjukkan transisi parameter bentuk dari nanoflakes dua dimensi yang dipelajari.
Karena analisis parameter bentuk sangat andal, analisis ini juga dapat mengungkap perubahan morfologi sel mikroalga.Oleh karena itu, kami menganalisis diameter area lingkaran yang setara, kebulatan, dan lebar / panjang Feret sel dan sel mikroalga murni setelah interaksi dengan nanoflakes 2D Nb.Pada ara.6a – h menunjukkan perubahan parameter bentuk sel ganggang, yang dibuktikan dengan penurunan intensitas puncak dan pergeseran maksimum ke nilai yang lebih tinggi.Secara khusus, parameter kebulatan sel menunjukkan penurunan sel memanjang dan peningkatan sel bola (Gbr. 6a, b).Selain itu, lebar sel Feret meningkat beberapa mikrometer setelah interaksi dengan SL Nb2CTx MXene (Gbr. 6e) dibandingkan dengan SL Nb4C3TX MXene (Gbr. 6f).Kami menduga bahwa ini mungkin disebabkan oleh serapan Nb oksida yang kuat oleh mikroalga saat berinteraksi dengan Nb2CTx SR.Lampiran yang kurang kaku dari serpihan Nb ke permukaannya dapat menghasilkan pertumbuhan sel dengan efek naungan minimal.
Pengamatan kami terhadap perubahan parameter bentuk dan ukuran mikroalga melengkapi penelitian lainnya.Mikroalga hijau dapat mengubah morfologinya sebagai respons terhadap tekanan lingkungan dengan mengubah ukuran, bentuk, atau metabolisme sel61.Misalnya, mengubah ukuran sel memfasilitasi penyerapan nutrisi71.Sel ganggang yang lebih kecil menunjukkan serapan nutrisi yang lebih rendah dan tingkat pertumbuhan yang terganggu.Sebaliknya, sel yang lebih besar cenderung mengonsumsi lebih banyak nutrisi, yang kemudian disimpan secara intraseluler72,73.Machado dan Soares menemukan bahwa fungisida triclosan dapat meningkatkan ukuran sel.Mereka juga menemukan perubahan besar pada bentuk alga74.Selain itu, Yin et al.9 juga mengungkapkan perubahan morfologi alga setelah paparan nanokomposit graphene oksida tereduksi.Oleh karena itu, jelas bahwa perubahan parameter ukuran/bentuk mikroalga disebabkan oleh keberadaan MXene.Karena perubahan ukuran dan bentuk ini menunjukkan perubahan penyerapan nutrisi, kami percaya bahwa analisis parameter ukuran dan bentuk dari waktu ke waktu dapat menunjukkan penyerapan niobium oksida oleh mikroalga dengan adanya Nb-MXenes.
Selain itu, MXene dapat dioksidasi dengan adanya alga.Dalai et al.75 mengamati bahwa morfologi alga hijau yang dipapar nano-TiO2 dan Al2O376 tidak seragam.Meskipun pengamatan kami mirip dengan penelitian ini, ini hanya relevan untuk mempelajari efek bioremediasi dalam hal produk degradasi MXene dengan adanya nanoflakes 2D dan bukan nanopartikel.Karena MXena dapat terdegradasi menjadi oksida logam, 31,32,77,78 masuk akal untuk mengasumsikan bahwa nanoflakes Nb kami juga dapat membentuk oksida Nb setelah berinteraksi dengan sel mikroalga.
Untuk menjelaskan pengurangan nanoflakes 2D-Nb melalui mekanisme dekomposisi berdasarkan proses oksidasi, kami melakukan penelitian menggunakan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) (Gbr. 7a, b) dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) (Gbr. 7).7c-i dan tabel S4-5).Kedua pendekatan tersebut cocok untuk mempelajari oksidasi material 2D dan saling melengkapi.HRTEM mampu menganalisis degradasi struktur berlapis dua dimensi dan munculnya nanopartikel oksida logam selanjutnya, sedangkan XPS sensitif terhadap ikatan permukaan.Untuk tujuan ini, kami menguji nanoflakes 2D Nb-MXene yang diekstraksi dari dispersi sel mikroalga, yaitu bentuknya setelah interaksi dengan sel mikroalga (lihat Gambar 7).
Gambar HRTEM menunjukkan morfologi teroksidasi (a) SL Nb2CTx dan (b) SL Nb4C3Tx MXenes, hasil analisis XPS menunjukkan (c) komposisi produk oksida setelah reduksi, (d-f) pencocokan puncak komponen spektrum XPS dari SL Nb2CTx dan (g– i) Nb4C3Tx SL diperbaiki dengan mikroalga hijau.
Studi HRTEM mengkonfirmasi oksidasi dua jenis nanoflakes Nb-MXene.Meskipun nanoflakes mempertahankan morfologi dua dimensinya sampai batas tertentu, oksidasi mengakibatkan munculnya banyak partikel nano yang menutupi permukaan nanoflakes MXene (lihat Gambar 7a, b).Analisis XPS dari sinyal c Nb 3d dan O 1s menunjukkan bahwa Nb oksida terbentuk dalam kedua kasus.Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7c, 2D MXene Nb2CTx dan Nb4C3TX memiliki sinyal Nb 3d yang menunjukkan keberadaan oksida NbO dan Nb2O5, sedangkan sinyal O 1s menunjukkan jumlah ikatan O-Nb yang terkait dengan fungsionalisasi permukaan nanoflake 2D.Kami melihat bahwa kontribusi Nb oksida dominan dibandingkan dengan Nb-C dan Nb3+-O.
Pada ara.Gambar 7g – i menunjukkan spektrum XPS dari Nb 3d, C 1s, dan O 1s SL Nb2CTx (lihat Gambar. 7d – f) dan SL Nb4C3TX MXene yang diisolasi dari sel mikroalga.Rincian parameter puncak Nb-MXenes masing-masing disediakan dalam Tabel S4–5.Kami pertama kali menganalisis komposisi Nb 3d.Berbeda dengan Nb yang diserap oleh sel mikroalga, pada MXene yang diisolasi dari sel mikroalga, selain Nb2O5, ditemukan komponen lain.Pada Nb2CTx SL, kami mengamati kontribusi Nb3+-O sebesar 15%, sedangkan spektrum Nb 3d lainnya didominasi oleh Nb2O5 (85%).Selain itu, sampel SL Nb4C3TX mengandung komponen Nb-C (9%) dan Nb2O5 (91%).Di sini Nb-C berasal dari dua lapisan atom bagian dalam karbida logam di Nb4C3Tx SR.Kami kemudian memetakan spektrum C 1s ke empat komponen berbeda, seperti yang kami lakukan pada sampel yang diinternalisasi.Seperti yang diharapkan, spektrum C 1s didominasi oleh karbon grafit, diikuti oleh kontribusi partikel organik (CHx/CO dan C=O) dari sel mikroalga.Selain itu, dalam spektrum O 1s, kami mengamati kontribusi bentuk organik sel mikroalga, niobium oksida, dan air yang terserap.
Selain itu, kami menyelidiki apakah pembelahan Nb-MXenes dikaitkan dengan keberadaan spesies oksigen reaktif (ROS) dalam media nutrisi dan / atau sel mikroalga.Untuk tujuan ini, kami menilai kadar oksigen singlet (1O2) dalam media kultur dan glutathione intraseluler, tiol yang bertindak sebagai antioksidan dalam mikroalga.Hasilnya ditunjukkan dalam SI (Gambar S20 dan S21).Kultur dengan SL Nb2CTx dan Nb4C3TX MXenes ditandai dengan pengurangan jumlah 1O2 (lihat Gambar S20).Dalam kasus SL Nb2CTx, MXene 1O2 berkurang menjadi sekitar 83%.Untuk kultur mikroalga menggunakan SL, Nb4C3TX 1O2 semakin menurun, hingga 73%.Menariknya, perubahan 1O2 menunjukkan tren yang sama dengan efek penghambatan-stimulasi yang diamati sebelumnya (lihat Gambar 3).Dapat dikatakan bahwa inkubasi dalam cahaya terang dapat mengubah fotooksidasi.Namun, hasil analisis kontrol menunjukkan kadar 1O2 yang hampir konstan selama percobaan (Gbr. S22).Dalam kasus level ROS intraseluler, kami juga mengamati tren penurunan yang sama (lihat Gambar S21).Awalnya, tingkat ROS dalam sel mikroalga yang dikultur dengan adanya SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx melebihi tingkat yang ditemukan dalam kultur murni mikroalga.Akhirnya, bagaimanapun, tampaknya mikroalga beradaptasi dengan keberadaan kedua Nb-MXenes, karena tingkat ROS menurun menjadi 85% dan 91% dari tingkat yang diukur dalam kultur murni mikroalga yang diinokulasi dengan SL Nb2CTx dan Nb4C3TX, masing-masing.Ini mungkin menunjukkan bahwa mikroalga merasa lebih nyaman dari waktu ke waktu dengan adanya Nb-MXene daripada di media nutrisi saja.
Mikroalga adalah kelompok beragam organisme fotosintetik.Selama fotosintesis, mereka mengubah karbon dioksida atmosfer (CO2) menjadi karbon organik.Produk fotosintesis adalah glukosa dan oksigen79.Kami menduga bahwa oksigen yang terbentuk memainkan peran penting dalam oksidasi Nb-MXenes.Satu penjelasan yang mungkin untuk ini adalah bahwa parameter aerasi diferensial terbentuk pada tekanan parsial rendah dan tinggi oksigen di luar dan di dalam nanoflakes Nb-MXene.Ini berarti bahwa di mana pun ada area dengan tekanan parsial oksigen yang berbeda, area dengan level terendah akan membentuk anoda 80, 81, 82. Di sini, mikroalga berkontribusi pada pembuatan sel yang diaerasi secara berbeda pada permukaan serpihan MXene, yang menghasilkan oksigen karena sifat fotosintesisnya.Akibatnya, produk biokorosi (dalam hal ini niobium oksida) terbentuk.Aspek lain adalah bahwa mikroalga dapat menghasilkan asam organik yang dilepaskan ke dalam air83,84.Oleh karena itu, lingkungan yang agresif terbentuk, sehingga mengubah Nb-MXenes.Selain itu, mikroalga dapat mengubah pH lingkungan menjadi basa akibat penyerapan karbondioksida yang juga dapat menyebabkan korosi79.
Lebih penting lagi, fotoperiode gelap/terang yang digunakan dalam penelitian kami sangat penting untuk memahami hasil yang diperoleh.Aspek ini dijelaskan secara rinci dalam Djemai-Zoghlache et al.85 Mereka dengan sengaja menggunakan fotoperiode 12/12 jam untuk menunjukkan biokorosi yang terkait dengan biofouling oleh mikroalga merah Porphyridium purpureum.Mereka menunjukkan bahwa penyinaran dikaitkan dengan evolusi potensi tanpa biokorosi, yang memanifestasikan dirinya sebagai osilasi pseudoperiodik sekitar pukul 24:00.Pengamatan ini dikonfirmasi oleh Dowling et al.86 Mereka mendemonstrasikan biofilm fotosintesis dari cyanobacteria Anabaena.Oksigen terlarut terbentuk di bawah aksi cahaya, yang dikaitkan dengan perubahan atau fluktuasi potensi biokorosi bebas.Pentingnya fotoperiode ditekankan oleh fakta bahwa potensi bebas untuk biokorosi meningkat pada fase terang dan menurun pada fase gelap.Hal ini disebabkan oleh oksigen yang dihasilkan oleh mikroalga fotosintetik, yang mempengaruhi reaksi katodik melalui tekanan parsial yang dihasilkan di dekat elektroda87.
Selain itu, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) dilakukan untuk mengetahui apakah terjadi perubahan komposisi kimia sel mikroalga setelah interaksi dengan Nb-MXenes.Hasil yang diperoleh ini kompleks dan kami menyajikannya dalam SI (Gambar S23-S25, termasuk hasil tahap MAX dan ML MXenes).Singkatnya, spektrum referensi mikroalga yang diperoleh memberi kita informasi penting tentang karakteristik kimia organisme ini.Getaran yang paling mungkin ini terletak pada frekuensi 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.satu.1 1 (C–H) dan 3280 cm–1 (O–H).Untuk SL Nb-MXenes, kami menemukan tanda peregangan ikatan CH yang konsisten dengan penelitian kami sebelumnya38.Namun, kami mengamati bahwa beberapa puncak tambahan yang terkait dengan ikatan C=C dan CH menghilang.Hal ini menunjukkan bahwa komposisi kimia mikroalga dapat mengalami sedikit perubahan akibat interaksi dengan SL Nb-MXenes.
Saat mempertimbangkan kemungkinan perubahan biokimia mikroalga, akumulasi oksida anorganik, seperti niobium oksida, perlu dipertimbangkan kembali59.Ini terlibat dalam penyerapan logam oleh permukaan sel, pengangkutannya ke dalam sitoplasma, hubungannya dengan gugus karboksil intraseluler, dan akumulasinya dalam mikroalga polifosfosom20,88,89,90.Selain itu, hubungan antara mikroalga dan logam dipertahankan oleh gugus fungsi sel.Untuk alasan ini, penyerapan juga bergantung pada kimia permukaan mikroalga yang cukup kompleks9,91.Secara umum, seperti yang diharapkan, komposisi kimia mikroalga hijau sedikit berubah karena penyerapan Nb oksida.
Menariknya, penghambatan awal mikroalga yang diamati dapat dibalik dari waktu ke waktu.Seperti yang kami amati, mikroalga mengatasi perubahan lingkungan awal dan akhirnya kembali ke tingkat pertumbuhan normal dan bahkan meningkat.Studi potensi zeta menunjukkan stabilitas tinggi ketika dimasukkan ke dalam media nutrisi.Dengan demikian, interaksi permukaan antara sel mikroalga dan nanoflakes Nb-MXene dipertahankan selama percobaan reduksi.Dalam analisis kami lebih lanjut, kami meringkas mekanisme aksi utama yang mendasari perilaku mikroalga yang luar biasa ini.
Pengamatan SEM menunjukkan bahwa mikroalga cenderung menempel pada Nb-MXenes.Dengan menggunakan analisis gambar dinamis, kami mengonfirmasi bahwa efek ini mengarah pada transformasi nanoflakes Nb-MXene dua dimensi menjadi partikel yang lebih bulat, dengan demikian menunjukkan bahwa dekomposisi nanoflakes dikaitkan dengan oksidasinya.Untuk menguji hipotesis kami, kami melakukan serangkaian studi material dan biokimia.Setelah pengujian, nanoflakes secara bertahap teroksidasi dan terurai menjadi produk NbO dan Nb2O5, yang tidak mengancam mikroalga hijau.Menggunakan pengamatan FTIR, kami tidak menemukan perubahan signifikan dalam komposisi kimia mikroalga yang diinkubasi dengan adanya nanoflakes 2D Nb-MXene.Mempertimbangkan kemungkinan penyerapan niobium oksida oleh mikroalga, kami melakukan analisis fluoresensi sinar-X.Hasil ini dengan jelas menunjukkan bahwa mikroalga yang dipelajari memakan niobium oksida (NbO dan Nb2O5), yang tidak beracun bagi mikroalga yang dipelajari.