Merci fir besicht Nature.com.Dir benotzt eng Browser Versioun mat limitéierter CSS Ënnerstëtzung.Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten).An der Tëschenzäit, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, wäerte mir de Site ouni Stiler a JavaScript maachen.
Weist e Karussell vun dräi Rutschen op eemol.Benotzt d'Previous an Next Knäppercher fir duerch dräi Rutschen gläichzäiteg ze réckelen, oder benotzt d'Slider Knäppercher um Enn fir duerch dräi Rutschen gläichzäiteg ze réckelen.
Déi séier Entwécklung vun der Nanotechnologie a seng Integratioun an alldeeglechen Uwendungen kann d'Ëmwelt menacéieren.Wärend gréng Methoden fir d'Degradatioun vun organeschen Verschmotzungen gutt etabléiert sinn, ass d'Erhuelung vun anorganeschen kristallinesche Verschmotzunge vu grousse Suergen wéinst hirer gerénger Sensibilitéit fir Biotransformatioun a Mangel u Verständnis vu Materialoberflächeinteraktiounen mat biologeschen.Hei benotze mir en Nb-baséiert anorganeschen 2D MXenes Modell kombinéiert mat enger einfacher Formparameter Analysemethod fir de Bioremediatiounsmechanismus vun 2D Keramik Nanomaterialien duerch déi gréng Mikroalgen Raphidocelis subcapitata ze verfolgen.Mir hunn erausfonnt datt Mikroalgen Nb-baséiert MXenen degradéieren wéinst Uewerfläch-verbonne physikalesch-chemeschen Interaktiounen.Am Ufank goufen eenzel-Schicht a Multi-Layer MXene Nanoflakes un der Uewerfläch vu Mikroalgen befestegt, wat de Wuesstum vun Algen e bësse reduzéiert huet.Wéi och ëmmer, no längerer Interaktioun mat der Uewerfläch hunn d'Mikroalgen MXene Nanoflaken oxidéiert a se weider an NbO an Nb2O5 zerstéiert.Well dës Oxide fir Mikroalgenzellen net gëfteg sinn, verbrauchen se Nb-Oxid-Nanopartikel duerch en Absorptiounsmechanismus, deen d'Mikroalgen no 72 Stonnen Waasserbehandlung weider restauréiert.D'Effekter vun Nährstoffer, déi mat der Absorptioun assoziéiert sinn, reflektéieren och an der Erhéijung vum Zellvolumen, hirer glatter Form an der Verännerung vum Wuesstumsrate.Baséierend op dës Erkenntnisser, schléissen mir datt d'Kuerz- a laangfristeg Präsenz vun Nb-baséiert MXenen a Séisswaasser-Ökosystemer nëmme kleng Ëmweltimpakt verursaache kann.Et ass bemierkenswäert datt, andeems zweedimensional Nanomaterialien als Modellsystemer benotzt ginn, mir d'Méiglechkeet weisen d'Formtransformatioun ze verfolgen och a feinkornegen Materialien.Insgesamt beäntwert dës Etude eng wichteg fundamental Fro iwwer Uewerflächeninteraktiounsbezunnen Prozesser, déi de Bioremediatiounsmechanismus vun 2D Nanomaterialien dreiwen a bitt eng Basis fir weider kuerzfristeg a laangfristeg Studien iwwer den Ëmweltimpakt vun anorganeschen kristallinen Nanomaterialien.
Nanomaterialien hunn zënter hirer Entdeckung vill Interessi generéiert, a verschidde Nanotechnologien sinn zënter kuerzem an eng Moderniséierungsphase1 gaangen.Leider kann d'Integratioun vun Nanomaterialien an alldeeglechen Uwendungen zu versehentleche Verëffentlechunge féieren wéinst falscher Entsuergung, suergfälteg Handhabung oder inadequater Sécherheetsinfrastruktur.Dofir ass et raisonnabel unzehuelen datt Nanomaterialien, dorënner zweedimensional (2D) Nanomaterialien, an dat natierlecht Ëmfeld fräigelooss kënne ginn, d'Verhalen an d'biologesch Aktivitéit vun deenen nach net voll verstanen sinn.Dofir ass et net iwwerraschend datt d'Ökotoxizitéit Bedenken sech op d'Fäegkeet vun 2D Nanomaterialien konzentréiert hunn fir an aquatesch Systemer ze léien2,3,4,5,6.An dësen Ökosystemer kënnen e puer 2D Nanomaterialien mat verschiddenen Organismen op verschiddenen trophesche Niveauen interagéieren, dorënner Mikroalgen.
Mikroalgen si primitiv Organismen, déi natierlech a Séisswaasser a Marine Ökosystemer fonnt ginn, déi eng Vielfalt vu chemesche Produkter duerch Fotosynthese produzéieren7.Als solch si si kritesch fir aquatesch Ökosystemer8,9,10,11,12 awer sinn och sensibel, preiswert a wäit benotzt Indikatoren vun der Ökotoxizitéit13,14.Well d'Mikroalgenzellen séier multiplizéieren a séier op d'Präsenz vu verschiddene Verbindungen reagéieren, si verspriechen fir d'Entwécklung vun ëmweltfrëndleche Methoden fir d'Behandlung vu Waasser kontaminéiert mat organeschen Substanzen15,16.
Algenzellen kënnen anorganesch Ionen aus Waasser duerch Biosorptioun an Akkumulatioun erofhuelen17,18.E puer Algenarten wéi Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue a Synechococcus sp.Et gouf fonnt datt et gëfteg Metallionen wéi Fe2+, Cu2+, Zn2+ a Mn2+19 droen a souguer ernähren.Aner Studien hu gewisen datt Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ oder Pb2+ Ionen de Wuesstum vum Scenedesmus limitéieren andeems se Zellmorphologie änneren an hir Chloroplaste zerstéieren20,21.
Gréng Methoden fir d'Zersetzung vun organeschen Verschmotzungen an d'Entfernung vu Schwéiermetallionen hunn d'Opmierksamkeet vu Wëssenschaftler an Ingenieuren weltwäit ugezunn.Dëst ass haaptsächlech wéinst der Tatsaach datt dës Verschmotzung liicht an der flësseger Phase veraarbecht ginn.Wéi och ëmmer, anorganesch kristallin Verschmotzung zeechent sech duerch geréng Waasserléislechkeet a gerénger Empfindlechkeet fir verschidde Biotransformatiounen, wat grouss Schwieregkeete bei der Sanéierung verursaacht, a wéineg Fortschrëtter an dësem Beräich gemaach ginn22,23,24,25,26.Sou bleift d'Sich no ëmweltfrëndleche Léisunge fir d'Reparatur vun Nanomaterialien e komplext an onerfuerscht Gebitt.Wéinst dem héije Grad vun Onsécherheet iwwer d'Biotransformatiounseffekter vun 2D Nanomaterialien, gëtt et keen einfache Wee fir déi méiglech Weeër vun hirer Degradatioun wärend der Reduktioun erauszefannen.
An dëser Etude hu mir gréng Mikroalgen als aktive wässerleche Bioremediatiounsmëttel fir anorganesch Keramikmaterialien benotzt, kombinéiert mat der In-situ Iwwerwaachung vum Degradatiounsprozess vu MXene als Vertrieder vun anorganesche Keramikmaterialien.De Begrëff "MXene" reflektéiert d'Stoichiometrie vum Mn + 1XnTx Material, wou M e fréi Iwwergangsmetall ass, X Kuelestoff an / oder Stickstoff ass, Tx en Uewerflächeterminator ass (zB -OH, -F, -Cl), an n = 1, 2, 3 oder 427,28.Zënter der Entdeckung vu MXenes vum Naguib et al.Sensorik, Kriibstherapie a Membranfiltratioun 27,29,30.Zousätzlech kënnen MXenes als Modell 2D Systemer ugesi ginn wéinst hirer exzellenter kolloidaler Stabilitéit a méiglecher biologescher Interaktiounen31,32,33,34,35,36.
Dofir ass d'Methodologie entwéckelt an dësem Artikel an eis Fuerschungshypothesen an der Figur 1. Laut dëser Hypothese, Mikroalgen degradéieren Nb-baséiert MXenen an net-gëfteg Verbindungen wéinst Uewerfläch-relatéierten physikalesch-chemeschen Interaktiounen, wat eng weider Erhuelung vun den Algen erlaabt.Fir dës Hypothes ze testen, goufen zwee Membere vun der Famill vu fréien Niob-baséierten Iwwergangsmetallkarbiden an /oder Nitriden (MXenes), nämlech Nb2CTx an Nb4C3TX, ausgewielt.
Fuerschungsmethodologie a Beweiser-baséiert Hypothesen fir MXene Erhuelung duerch gréng Mikroalgen Raphidocelis subcapitata.Notéiert w.e.g. datt dëst just eng schematesch Duerstellung vu evidenzbaséierten Viraussetzungen ass.D'Séi-Ëmfeld ënnerscheet sech am Nährstoffmedium dat benotzt gëtt an de Bedéngungen (zB Dageszyklus a Aschränkungen an verfügbare wesentleche Nährstoffer).Erstellt mat BioRender.com.
Dofir, andeems mir MXene als Modellsystem benotzen, hu mir d'Dier opgemaach fir d'Studie vu verschiddene biologesche Effekter, déi net mat anere konventionellen Nanomaterial beobachtet kënne ginn.Besonnesch beweise mir d'Méiglechkeet vun der Bioremediatioun vun zweedimensionalen Nanomaterialien, wéi Niobium-baséiert MXenen, duerch Mikroalgen Raphidocelis subcapitata.Mikroalgen si fäeg Nb-MXenen an déi net-gëfteg Oxiden NbO an Nb2O5 ze degradéieren, déi och Nährstoffer duerch den Niobiumopnammechanismus ubidden.Insgesamt beäntwert dës Etude eng wichteg fundamental Fro iwwer d'Prozesser, déi mat Uewerfläch physikochemeschen Interaktiounen assoziéiert sinn, déi d'Mechanismen vun der Bioremediatioun vun zweedimensionalen Nanomaterialien regéieren.Zousätzlech entwéckelen mir eng einfach Form-Parameter-baséiert Method fir subtile Ännerungen an der Form vun 2D Nanomaterial ze verfolgen.Dëst inspiréiert weider kuerzfristeg a laangfristeg Fuerschung iwwer déi verschidden Ëmweltimpakte vun anorganeschen kristalline Nanomaterialien.Also erhéicht eis Studie d'Verständnis vun der Interaktioun tëscht der materieller Uewerfläch a biologescher Material.Mir bidden och d'Basis fir erweidert kuerzfristeg a laangfristeg Studien iwwer hir méiglech Auswierkungen op Séisswaasserökosystemer, déi elo einfach verifizéiere kënnen.
MXenes representéieren eng interessant Klass vu Materialien mat eenzegaartegen an attraktiven physeschen a chemeschen Eegeschaften an dofir vill potenziell Uwendungen.Dës Eegeschafte si gréisstendeels ofhängeg vun hirer Stoichiometrie an Uewerflächechemie.Dofir, an eiser Etude, ënnersicht mir zwou Zorte vun Nb-baséiert hierarchesch Single-Layer (SL) MXenes, Nb2CTx an Nb4C3TX, well verschidde biologesch Effekter vun dësen Nanomaterial observéiert ginn.MXene ginn aus hiren Ausgangsmaterialien duerch Top-down selektiv Ätzen vun atomesch dënnen MAX-Phas A-Schichten produzéiert.D'MAX Phase ass eng ternär Keramik besteet aus "gebonnen" Blöcke vun Iwwergangsmetallkarbiden an dënnen Schichten vun "A" Elementer wéi Al, Si a Sn mat MnAXn-1 Stoichiometrie.D'Morphologie vun der initialer MAX Phase gouf duerch Scannen Elektronenmikroskopie (SEM) observéiert a war konsequent mat fréiere Studien (kuckt Zousaz Informatioun, SI, Figur S1).Multilayer (ML) Nb-MXene gouf kritt no der Entfernung vun der Al Schicht mat 48% HF (Floorsäure).D'Morphologie vun ML-Nb2CTx an ML-Nb4C3TX gouf duerch Scannen Elektronenmikroskopie (SEM) (Dorënner S1c an S1d respektiv) iwwerpréift an eng typesch geschichtlech MXene Morphologie gouf observéiert, ähnlech wéi zweedimensional Nanoflaken, déi duerch verlängert poreähnlech Schlitze passéieren.Béid Nb-MXenen hu vill gemeinsam mat MXene Phasen, déi virdru synthetiséiert goufen duerch Säureätsung27,38.Nodeem d'Struktur vum MXene bestätegt gouf, hu mir et duerch Interkalatioun vun Tetrabutylammoniumhydroxid (TBAOH) geschicht, gefollegt vu Wäschen a Sonikatioun, duerno hu mir Single-Layer oder Low-Layer (SL) 2D Nb-MXene Nanoflakes kritt.
Mir hunn héich Opléisung Transmissioun Elektronen Mikroskopie (HRTEM) an Röntgen Diffraktioun (XRD) benotzt fir d'Effizienz vun Ätzen a weider Peeling ze testen.D'HRTEM Resultater veraarbecht mat der Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) a Fast Fourier Transform (FFT) sinn an der Fig.HRTEM Biller vun MXene Nb2CTx an Nb4C3TX nanoflakes verroden hir atomically dënn Layer Natur (kuckt Lalumi 2a1, a2), wéi virdru gemellt vun Naguib et al.27 an Jastrzębska et al.38.Fir zwee ugrenzend Nb2CTx an Nb4C3Tx Monolayer, hu mir Interlayer Distanzen vun 0,74 an 1,54 nm bestëmmt (Fig. 2b1, b2), wat och mat eise fréiere Resultater averstanen38.Dëst gouf weider bestätegt duerch den ëmgedréint schnelle Fourier-Transform (Fig. 2c1, c2) an de schnelle Fourier-Transform (Fig. 2d1, d2) déi d'Distanz tëscht den Nb2CTx- an Nb4C3Tx-Monoschichten weist.D'Bild weist eng Ofwiesselung vun hell an donkel Bänner entspriechend Niobium a Kuelestoff Atomer, déi d'Schicht Natur vun der studéiert MXenes bestätegt.Et ass wichteg ze notéieren datt d'Energie dispersiv Röntgenspektroskopie (EDX) Spektre fir Nb2CTx an Nb4C3Tx kritt (Dorënner S2a an S2b) keng Iwwerreschter vun der ursprénglecher MAX Phase gewisen hunn, well keen Al Peak festgestallt gouf.
Charakteriséierung vun SL Nb2CTx an Nb4C3Tx MXene nanoflakes, dorënner (a) héich Opléisung Elektronen microscopy (HRTEM) Säit-Vue 2D nanoflake Imaging an entspriechend, (b) Intensitéit Modus, (c) inverse séier Fourier transforméiert (IFFT), (d) séier Fourier transforméiert (FFT), (e) X-Ray Muster.Fir SL 2D Nb2CTx sinn d'Zuelen ausgedréckt als (a1, b1, c1, d1, e1).Fir SL 2D Nb4C3Tx sinn d'Zuelen ausgedréckt als (a2, b2, c2, d2, e1).
Röntgendiffraktiounsmiessunge vun SL Nb2CTx an Nb4C3Tx MXenes ginn an Fig.2e1 respektiv e2.Peaks (002) op 4.31 an 4.32 entspriechen dem virdrun beschriwwen Layer MXenes Nb2CTx an Nb4C3TX38,39,40,41 respektiv.D'XRD Resultater weisen och d'Präsenz vun e puer Rescht ML Strukturen a MAX Phasen un, awer meeschtens XRD Mustere verbonne mat SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2).D'Präsenz vu méi klenge Partikele vun der MAX Phase kann de méi staarken MAX Peak am Verglach zu den zoufälleg gestapelten Nb4C3Tx Schichten erklären.
Weider Fuerschung huet sech op gréng Mikroalgen konzentréiert, déi zu der Spezies R. subcapitata gehéieren.Mir hunn Mikroalgen gewielt well se wichteg Produzente sinn, déi a grousse Liewensmëttelwebs involvéiert sinn42.Si sinn och ee vun de beschten Indikatoren vun der Toxizitéit wéinst der Fäegkeet fir gëfteg Substanzen ze entfernen, déi op méi héije Niveaue vun der Liewensmëttelkette gefouert ginn43.Zousätzlech kann d'Fuerschung iwwer R. subcapitata d'Liicht iwwer d'zoufälleg Toxizitéit vu SL Nb-MXenes zu gemeinsame Séisswaassermikroorganismen werfen.Fir dëst ze illustréieren, hunn d'Fuerscher hypothetiséiert datt all Mikrobe eng aner Empfindlechkeet fir gëfteg Verbindungen, déi an der Ëmwelt präsent sinn.Fir déi meescht Organismen beaflossen déi niddreg Konzentratioune vu Stoffer hire Wuesstum net, während Konzentratioune iwwer eng gewësse Limit se hemmen oder souguer den Doud verursaachen.Dofir, fir eis Studien vun der Uewerflächeninteraktioun tëscht Mikroalgen an MXenen an der assoziéierter Erhuelung, hu mir décidéiert déi harmlos an gëfteg Konzentratioune vun Nb-MXenen ze testen.Fir dëst ze maachen, hu mir Konzentratioune vun 0 (als Referenz), 0,01, 0,1 an 10 mg l-1 MXene getest an zousätzlech infizéiert Mikroalgen mat ganz héije Konzentratioune vu MXene (100 mg l-1 MXene), déi extrem an fatal kënne sinn..fir all biologesch Ëmfeld.
D'Effekter vun SL Nb-MXenes op microalgae sinn an der Figur 3 gewisen, wéi de Prozentsaz vun Wuesstem Promotioun (+) oder inhibition (-) gemooss fir 0 mg l-1 Echantillon ausgedréckt.Zum Verglach, goufen d'Nb-MAX Phase an ML Nb-MXenes och getest an d'Resultater sinn an SI gewisen (kuckt Fig. S3).D'Resultater kritt confirméiert datt SL Nb-MXenes bal komplett ouni toxicity am Beräich vun niddereg Konzentratioune vun 0,01 bis 10 MG /l ass, wéi am Lalumi 3a gewisen, b.Am Fall vun Nb2CTx hu mir net méi wéi 5% Ökotoxizitéit am spezifizéierte Beräich observéiert.
Stimulatioun (+) oder Inhibitioun (-) vum Mikroalgenwachstum an der Präsenz vu SL (a) Nb2CTx an (b) Nb4C3TX MXene.24, 48 an 72 Stonnen MXene-Mikroalgen Interaktioun goufen analyséiert. Bedeitend Donnéeën (t-Test, p <0,05) sech mat engem Stär (*) markéiert. Bedeitend Donnéeën (t-Test, p <0,05) sech mat engem Stär (*) markéiert. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Bedeitend Donnéeën (t-Test, p <0,05) si mat engem Stern (*) markéiert.重要数据（t 检验，p < 0.05）用星号(*) 标记。重要数据（t 检验，p < 0.05）用星号(*) 标记。 Важные данные (t-Test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Wichteg Donnéeën (t-Test, p <0,05) si mat engem Stern (*) markéiert.Roude Pfeile weisen op d'Ofschafung vun der hemmende Stimulatioun.
Op der anerer Säit hunn déi niddreg Konzentratioune vun Nb4C3TX e bësse méi gëfteg erausgestallt, awer net méi wéi 7%.Wéi erwaart, hu mir observéiert datt MXenes méi héich Toxizitéit a Mikroalgen Wuesstumsinhibitioun bei 100mg L-1 haten.Interessanterweis huet keng vun de Materialien déiselwecht Trend an Zäitabhängegkeet vun atoxeschen / gëftege Effekter am Verglach mat de MAX oder ML Proben gewisen (kuckt SI fir Detailer).Iwwerdeems fir d'MAX Phase (kuckt Lalumi S3) toxicity erreecht ongeféier 15-25% a mat der Zäit erhéicht, war de ëmgedréint Trend fir SL Nb2CTx an Nb4C3TX MXene observéiert.D'Inhibitioun vum Mikroalgenwachstum ass mat der Zäit erofgaang.Et erreecht ongeféier 17% no 24 Stonnen a gefall op manner wéi 5% no 72 Stonnen (Figebam. 3a, b, respektiv).
Méi wichteg, fir SL Nb4C3TX, huet d'Inhibitioun vun der Mikroalgenwachstum ongeféier 27% no 24 Stonnen erreecht, awer no 72 Stonnen ass se op ongeféier 1% erofgaang.Dofir hu mir den observéierten Effekt als invers Inhibitioun vun der Stimulatioun bezeechent, an den Effekt war méi staark fir SL Nb4C3TX MXene.D'Stimulatioun vum Mikroalgenwachstum gouf virdru mat Nb4C3TX bemierkt (Interaktioun bei 10 mg L-1 fir 24 h) am Verglach mam SL Nb2CTx MXene.D'inhibition-Stimulatioun reversal Effekt war och gutt an der Biomass Verdueblung Taux Kéier gewisen (kuckt Lalumi S4 fir Detailer).Bis elo ass nëmmen d'Ökotoxizitéit vum Ti3C2TX MXene op verschidde Weeër studéiert ginn.Et ass net gëfteg fir Zebrafësch Embryonen44 awer mëttelméisseg ökotoxesch fir d'Mikroalgen Desmodesmus quadricauda a Sorghum saccharatum Planzen45.Aner Beispiller vu spezifeschen Effekter enthalen méi héich Toxizitéit fir Kriibszelllinnen wéi fir normal Zelllinnen46,47.Et kéint ugeholl ginn datt d'Testbedéngungen d'Verännerungen am Mikroalgenwachstum beaflossen, deen an der Präsenz vun Nb-MXenes observéiert gëtt.Zum Beispill ass e pH vun ongeféier 8 am Chloroplaststroma optimal fir effizient Operatioun vum RuBisCO Enzym.Dofir beaflossen pH Ännerungen negativ den Taux vun der Fotosynthese48,49.Allerdéngs hu mir keng bedeitend Ännerungen am pH während dem Experiment observéiert (kuckt SI, Lalumi S5 fir Detailer).Am Allgemengen hunn d'Kulturen vu Mikroalgen mat Nb-MXenen de pH vun der Léisung iwwer Zäit liicht reduzéiert.Wéi och ëmmer, dës Ofsenkung war ähnlech wéi eng Verännerung vum pH vun engem pure Medium.Zousätzlech war d'Gamme vu Variatioune fonnt ähnlech wéi déi gemooss fir eng reng Kultur vu Mikroalgen (Kontrollprobe).Also schléissen mir datt d'Fotosynthese net vun Verännerungen am pH iwwer Zäit beaflosst ass.
Zousätzlech hunn déi synthetiséiert MXenen Uewerflächendungen (bezeechent als Tx).Dëst sinn haaptsächlech funktionell Gruppen -O, -F an -OH.Wéi och ëmmer, Uewerflächechemie ass direkt mat der Synthesmethod verbonnen.Dës Gruppe si bekannt datt se zoufälleg iwwer d'Uewerfläch verdeelt sinn, wat et schwéier mécht hiren Effekt op d'Eegeschafte vum MXene50 virauszesoen.Et kann argumentéiert ginn datt Tx déi katalytesch Kraaft fir d'Oxidatioun vum Niob duerch Liicht kéint sinn.Uewerfläch funktionell Gruppe liwweren tatsächlech verschidde Verankerungsplazen fir hir ënnerierdesch Fotokatalysatoren fir Heterojunctions ze bilden51.Wéi och ëmmer, d'Wuesstemsmëttel Zesummesetzung huet keen effektiven Fotokatalysator geliwwert (detailléiert Medium Zesummesetzung kann an SI Table S6 fonnt ginn).Zousätzlech ass all Uewerflächemodifikatioun och ganz wichteg, well d'biologesch Aktivitéit vu MXenes ka geännert ginn duerch Schichtpostveraarbechtung, Oxidatioun, chemesch Uewerflächemodifikatioun vun organeschen an anorganesche Verbindungen52,53,54,55,56 oder Surface Charge Engineering38.Dofir, fir ze testen ob Niobiumoxid eppes mat der materieller Instabilitéit am Medium ze dinn huet, hu mir Studien vum Zeta (ζ) Potenzial am Mikroalgen Wuesstumsmedium an deioniséiertem Waasser gemaach (zum Verglach).Eis Resultater weisen datt SL Nb-MXenes zimlech stabil sinn (kuckt SI Fig. S6 fir MAX an ML Resultater).Den Zetapotenzial vu SL MXenes ass ongeféier -10 mV.Am Fall vun SR Nb2CTx ass de Wäert vun ζ e bësse méi negativ wéi dee vun Nb4C3Tx.Sou eng Ännerung vum ζ Wäert kann uginn datt d'Uewerfläch vun negativ geluedenen MXene Nanoflaken positiv gelueden Ionen aus dem Kulturmedium absorbéiert.Temporär Miessunge vum Zetapotenzial an der Konduktivitéit vun Nb-MXenen am Kulturmedium (kuckt d'Figuren S7 an S8 am SI fir méi Detailer) schéngen eis Hypothes z'ënnerstëtzen.
Wéi och ëmmer, béid Nb-MXene SLs hunn minimal Ännerungen vun Null gewisen.Dëst weist kloer hir Stabilitéit am Mikroalgen Wuesstumsmedium.Ausserdeem hu mir bewäert, ob d'Präsenz vun eise grénge Mikroalgen d'Stabilitéit vun Nb-MXenen am Medium beaflosst.D'Resultater vum Zeta Potenzial an d'Konduktivitéit vun MXenen no Interaktioun mat Mikroalgen an Nährstoffmedien a Kultur iwwer Zäit kënnen an SI (Figuren S9 a S10) fonnt ginn.Interessanterweis hu mir gemierkt datt d'Präsenz vu Mikroalgen d'Dispersioun vu béide MXenen schéngen ze stabiliséieren.Am Fall vun Nb2CTx SL, ass d'Zeta Potenzial souguer liicht erofgaang iwwer Zäit op méi negativ Wäerter (-15.8 versus -19.1 mV no 72 Stonnen Inkubatioun).D'Zeta Potenzial vum SL Nb4C3TX liicht eropgaang, awer no 72 h huet et ëmmer nach méi héich Stabilitéit gewisen wéi Nanoflaken ouni d'Präsenz vu Mikroalgen (-18.1 vs. -9.1 mV).
Mir hunn och méi niddereg Konduktivitéit vun Nb-MXene Léisungen fonnt, déi an der Präsenz vu Mikroalgen inkubéiert sinn, wat eng méi niddreg Quantitéit vun Ionen am Nährstoffmedium beweist.Notamment ass d'Instabilitéit vu MXenen am Waasser haaptsächlech wéinst der Uewerflächeoxidatioun57.Dofir hu mir de Verdacht datt gréng Mikroalgen iergendwéi d'Oxide geläscht hunn, déi op der Uewerfläch vum Nb-MXene geformt sinn an och hir Optriede verhënnert hunn (Oxidatioun vu MXene).Dëst kann gesi ginn andeems Dir d'Aarte vu Substanzen studéiert, déi vu Mikroalgen absorbéiert ginn.
Wärend eis ökotoxikologesch Studien uginn datt Mikroalgen d'Toxizitéit vun Nb-MXenes mat der Zäit an der ongewéinlecher Hemmung vum stimuléierte Wuesstum iwwerwanne konnten, war d'Zil vun eiser Etude méiglech Handlungsmechanismen z'ënnersichen.Wann Organismen wéi Algen u Verbindungen oder Materialien ausgesat sinn, déi hir Ökosystemer onbekannt sinn, kënne se op verschidde Weeër reagéieren58,59.An der Verontreiung vu gëftege Metalloxide kënne Mikroalgen sech selwer ernähren, sou datt se kontinuéierlech wuessen60.No der Verdauung vu gëftege Substanzen kënnen d'Verteidegungsmechanismen aktivéiert ginn, wéi zB Form oder Form änneren.D'Méiglechkeet vun der Absorptioun muss och berücksichtegt ginn58,59.Notamment ass all Zeeche vun engem Verteidegungsmechanismus e klore Indikator fir d'Toxizitéit vun der Testverbindung.Dofir, an eiser weiderer Aarbecht, ënnersicht mir déi potenziell Uewerflächeinteraktioun tëscht SL Nb-MXene Nanoflaken a Mikroalgen duerch SEM an déi méiglech Absorptioun vun Nb-baséiert MXene duerch Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF).Notéiert datt SEM an XRF Analysen nëmme mat der héchster Konzentratioun vu MXene gemaach goufen fir Aktivitéitstoxizitéitsprobleemer unzegoen.
D'SEM Resultater sinn an Fig.4 gewisen.Onbehandelt Mikroalgenzellen (kuckt Fig. 4a, Referenzprobe) weisen kloer typesch R. subcapitata Morphologie a Croissant-ähnlech Zellform.Zellen schéngen flaach an e bëssen desorganiséiert.E puer Mikroalgenzellen hunn iwwerlappt a verwéckelt mateneen, awer dëst gouf wahrscheinlech duerch de Probepräparatiounsprozess verursaacht.Am Allgemengen hunn reng Mikroalgenzellen eng glat Uewerfläch an hunn keng morphologesch Verännerungen gewisen.
SEM Biller déi Uewerflächeinteraktioun tëscht gréngen Mikroalgen a MXene Nanoblieder weisen no 72 Stonnen Interaktioun bei extremer Konzentratioun (100 mg L-1).(a) Onbehandelt gréng Mikroalgen no Interaktioun mat SL (b) Nb2CTx an (c) Nb4C3TX MXenes.Notéiert datt d'Nb-MXene Nanoflakes mat roude Pfeile markéiert sinn.Zum Verglach ginn och Fotoe vun engem opteschen Mikroskop dobäigesat.
Am Géigesaz, goufen microalgae Zellen adsorbed vun SL Nb-MXene Nanoflakes beschiedegt (kuckt Fig. 4b, c, rout Pfeile).Am Fall vun Nb2CTx MXene (Fig. 4b), Mikroalgen tendéieren mat angeschlossene zweedimensionalen Nanoskalen ze wuessen, déi hir Morphologie änneren.Notamment hu mir dës Ännerungen och ënner Liichtmikroskopie observéiert (kuckt SI Figur S11 fir Detailer).Dëse morphologeschen Iwwergang huet eng plausibel Basis an der Physiologie vu Mikroalgen an hir Fäegkeet fir sech selwer ze verteidegen andeems d'Zellmorphologie geännert gëtt, sou wéi d'Erhéijung vum Zellvolumen61.Dofir ass et wichteg d'Zuel vu Mikroalgenzellen z'iwwerpréiwen déi tatsächlech a Kontakt mat Nb-MXenes sinn.SEM Studien weisen datt ongeféier 52% vun Mikroalgenzellen un Nb-MXenen ausgesat waren, während 48% vun dëse Mikroalgenzellen Kontakt vermeit hunn.Fir SL Nb4C3Tx MXene probéieren Mikroalgen de Kontakt mat MXene ze vermeiden, doduerch lokaliséieren a wuessen aus zweedimensionalen Nanoskalen (Fig. 4c).Wéi och ëmmer, mir hunn d'Penetratioun vun Nanoskalen an Mikroalgenzellen an hire Schued net beobachtet.
Selbstkonservatioun ass och en Zäit-ofhängeg Äntwertverhalen op d'Blockéierung vun der Fotosynthese wéinst der Adsorptioun vu Partikelen op der Zelluewerfläch an dem sougenannte Schiet (Schatten) Effekt62.Et ass kloer datt all Objet (zum Beispill Nb-MXene Nanoflaken), deen tëscht de Mikroalgen an der Liichtquell ass, d'Quantitéit u Liicht limitéiert, déi vun de Chloroplaste absorbéiert gëtt.Mir hunn awer keen Zweiwel datt dëst e wesentlechen Impakt op d'Resultater huet.Wéi duerch eis mikroskopesch Observatioune gewisen, goufen d'2D Nanoflakes net komplett gewéckelt oder un d'Uewerfläch vun de Mikroalgen ageklemmt, och wann d'Mikroalgenzellen a Kontakt mat Nb-MXenes waren.Amplaz hunn d'Nanoflaken sech op Mikroalgenzellen orientéiert ouni hir Uewerfläch ze decken.Esou e Set vun Nanoflaken/Mikroalgen kann d'Quantitéit u Liicht, déi duerch Mikroalgenzellen absorbéiert gëtt, net wesentlech limitéieren.Ausserdeem hunn e puer Studien souguer eng Verbesserung vun der Liichtabsorptioun duerch fotosynthetesch Organismen an der Präsenz vun zweedimensionalen Nanomaterialien63,64,65,66 bewisen.
Zënter SEM-Biller konnten net direkt d'Aufnahme vum Niob duerch Mikroalgenzellen bestätegen, huet eis weider Studie sech op Röntgenfluoreszenz (XRF) an Röntgenfotoelektronenspektroskopie (XPS) Analyse gemaach fir dëst Thema ze klären.Dofir hu mir d'Intensitéit vun den Nb Peaks vu Referenz Mikroalgen Echantillon verglach, déi net mat MXenen interagéiert hunn, MXene Nanoflaken, déi vun der Uewerfläch vu Mikroalgenzellen ofgeschloss sinn, a Mikroalgenzellen no der Entfernung vun befestegten MXenen.Et ass derwäert ze bemierken datt wann et keng Nb-Aufnahme gëtt, den Nb-Wäert kritt vun de Mikroalgenzellen no der Entfernung vun den angeschlossene Nanoskalen null soll sinn.Dofir, wann d'Nb-Aufnahme geschitt, solle béid XRF an XPS Resultater e klore Nb Peak weisen.
Am Fall vun XRF Spektrum, Mikroalgen Echantillon weisen Nb Peaks fir SL Nb2CTx an Nb4C3Tx MXene no Interaktioun mat SL Nb2CTx an Nb4C3Tx MXene (kuckt Fig. 5a, Note och, datt d'Resultater fir MAX an ML MXenes sinn an SI-C Fig. S12 gewisen).Interessanterweis ass d'Intensitéit vum Nb-Peak d'selwecht a béide Fäll (roude Baren an der Fig. 5a).Dëst huet uginn datt d'Algen net méi Nb absorbéiere konnten, an d'maximal Kapazitéit fir Nb Akkumulation gouf an den Zellen erreecht, obwuel zweemol méi Nb4C3Tx MXene un d'Mikroalgenzellen befestegt war (blo Baren an der Fig. 5a).Notamment hänkt d'Fäegkeet vu Mikroalgen fir Metaller ze absorbéieren vun der Konzentratioun vu Metalloxiden an der Ëmwelt of67,68.Shamshada et al.67 hu festgestallt datt d'Absorptiounskapazitéit vu Séisswaasseralgen mat Erhéijung vum pH erofgeet.Raize et al.68 bemierkt datt d'Fäegkeet vu Mier fir Metaller ze absorbéieren ongeféier 25% méi héich fir Pb2+ wéi fir Ni2+.
(a) XRF Resultater vun der basaler Nb-Aufnahme vu gréngen Mikroalgenzellen inkubéiert bei enger extremer Konzentratioun vu SL Nb-MXenes (100 mg L-1) fir 72 Stonnen.D'Resultater weisen d'Präsenz vun α a pure Mikroalgenzellen (Kontrollprobe, groe Sailen), 2D Nanoflaken isoléiert vun Uewerflächmikroalgenzellen (blo Sailen), a Mikroalgenzellen no der Trennung vun 2D Nanoflakes vun der Uewerfläch (rout Sailen).De Montant vun elementar Nb, (b) Prozentsaz vun chemescher Zesummesetzung vun microalgae organesch Komponente (C = O an CHx / C-O) an Nb oxides präsent an microalgae Zellen no incubation mat SL Nb-MXenes, (c-e) Upassung vun der Zesummesetzung Peak vun XPS SL Nb2CTx Spektrum an (fga4C3Tx SL) intern Zellen.
Dofir hu mir erwaart datt Nb vun Algenzellen a Form vun Oxiden absorbéiert ka ginn.Fir dëst ze testen, hu mir XPS Studien iwwer MXenes Nb2CTx an Nb4C3TX an Algenzellen gemaach.D'Resultater vun der Interaktioun vu Mikroalgen mat Nb-MXenen a MXenen isoléiert aus Algenzellen ginn an Fig.5b vun.Wéi erwaart hu mir Nb 3d Peaks an de Mikroalgen Echantillon no der Entfernung vum MXene vun der Uewerfläch vun de Mikroalgen festgestallt.D'quantitativ Bestëmmung vun C = O, CHx /CO, an Nb oxides war baséiert op der Nb 3d, O 1s, an C 1s Spektrum berechent mat Nb2CTx SL (Lalumi 5c-e) an Nb4C3Tx SL (Lalumi 5c-e) kritt.) kritt aus inkubéierten Mikroalgen.Figure 5f–h) MXenes.Table S1-3 weist d'Detailer vun de Peak Parameteren an allgemeng Chimie entstinn aus der fit.Et ass bemierkenswäert datt d'Nb 3d Regioune vun Nb2CTx SL an Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) engem Nb2O5 Komponent entspriechen.Hei hu mir keng MXene-verbonne Peaks an de Spektra fonnt, wat beweist datt Mikroalgenzellen nëmmen d'Oxidform vun Nb absorbéieren.Zousätzlech hu mir de C 1 s Spektrum mat den C–C, CHx/C–O, C=O, an –COOH Komponenten ugeschloss.Mir hunn d'CHx / C–O an C = O Peaks un den organesche Bäitrag vu Mikroalgenzellen zougewisen.Dës organesch Komponente stellen 36% an 41% vun den C 1s Peaks an Nb2CTx SL an Nb4C3TX SL, respektiv.Mir hunn dann d'O 1s Spektrum vun SL Nb2CTx an SL Nb4C3TX mat Nb2O5, organesch Komponente vu Mikroalgen (CHx / CO) an Uewerfläch adsorbéiert Waasser ugepasst.
Schlussendlech hunn d'XPS Resultater kloer d'Form vum Nb uginn, net nëmme seng Präsenz.Laut der Positioun vum Nb 3d Signal an de Resultater vun der Dekonvolutioun bestätegen mir datt Nb nëmmen a Form vun Oxiden absorbéiert gëtt an net Ionen oder MXene selwer.Zousätzlech hunn XPS Resultater gewisen datt Mikroalgenzellen eng méi grouss Fäegkeet hunn Nb-Oxiden aus SL Nb2CTx opzehuelen am Verglach zum SL Nb4C3TX MXene.
Wärend eis Nb Opname Resultater beandrockend sinn an eis erlaben MXene Degradatioun z'identifizéieren, gëtt et keng Method verfügbar fir assoziéiert morphologesch Verännerungen an 2D Nanoflaken ze verfolgen.Dofir hu mir och beschloss eng gëeegent Method z'entwéckelen déi direkt op all Ännerunge reagéiere kann, déi an 2D Nb-MXene Nanoflaken a Mikroalgenzellen optrieden.Et ass wichteg ze bemierken datt mir dovun ausgoen datt wann déi interagéierend Arten eng Transformatioun, Zersetzung oder Defragmentatioun erliewen, dëst sech séier als Verännerungen a Formparameter manifestéiere sollt, wéi zum Beispill den Duerchmiesser vum gläichwäertege kreesfërmege Gebitt, Ronnheet, Feret Breet oder Feret Längt.Zënter datt dës Parameteren gëeegent sinn fir verlängert Partikel oder zweedimensional Nanoflaken ze beschreiwen, gëtt hir Tracking duerch dynamesch Partikelform Analyse eis wäertvoll Informatioun iwwer d'morphologesch Transformatioun vun SL Nb-MXene Nanoflakes wärend der Reduktioun.
D'Resultater kritt sinn an der Figur 6. Zum Verglach, getest mir och d'Original MAX Phase an ML-MXenes (kuckt SI Figuren S18 an S19).Dynamesch Analyse vun der Partikelform huet gewisen datt all Formparameter vun zwee Nb-MXene SLs wesentlech geännert hunn no der Interaktioun mat Mikroalgen.Wéi vun der gläichwäerteg kreesfërmeg Fläch Duerchmiesser Parameter gewisen (Fig. 6a, b), der reduzéiert Héichpunkt Intensitéit vun der Fraktioun vun grouss Nanoflakes weist, datt se éischter a méi kleng Fragmenter ze Zerfall.Op Fig.6c, d weist eng Ofsenkung vun de Peaks verbonne mat der transversaler Gréisst vun de Flakelen (Verlängerung vun den Nanoflaken), wat d'Transformatioun vun 2D Nanoflaken an eng méi partikelähnlech Form beweist.Figur 6e-h weist d'Breet an Längt vun der Feret, respektiv.Feret Breet an Längt sinn komplementar Parameteren a sollen dofir zesummen considéréiert ginn.No der Inkubatioun vun 2D Nb-MXene Nanoflaken an der Präsenz vu Mikroalgen hunn hir Feret Korrelatiounspeaks verännert an hir Intensitéit ofgeholl.Baséierend op dës Resultater a Kombinatioun mat Morphologie, XRF an XPS, hu mir ofgeschloss datt déi beobachtet Verännerungen staark mat der Oxidatioun verbonne sinn, well oxidéiert MXene méi falen ginn an a Fragmenter a sphäresch Oxidpartikel zerbriechen69,70.
Analyse vun der MXene Transformatioun no Interaktioun mat gréngen Mikroalgen.Dynamesch Partikelformanalyse berücksichtegt esou Parameteren wéi (a, b) Duerchmiesser vum gläichwäertege kreesfërmege Beräich, (c, d) Ronnheet, (e, f) Feret Breet an (g, h) Feret Längt.Zu dësem Zweck goufen zwee Referenz Mikroalgen Echantillon zesumme mat primäre SL Nb2CTx an SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx an SL Nb4C3Tx MXenes, ofgebauter Mikroalgen a behandelt Mikroalgen SL Nb2CTx an SL Nb4C3Tx MXenes analyséiert.Déi roude Pfeile weisen d'Iwwergäng vun de Formparameter vun den studéierten zweedimensionalen Nanoflaken.
Zënter der Formparameteranalyse ganz zouverlässeg ass, kann et och morphologesch Verännerungen an Mikroalgenzellen opdecken.Dofir analyséiert mir den gläichwäerteg kreesfërmeg Fläch Duerchmiesser, Ronnheet, a Feret Breet / Längt vun pure microalgae Zellen an Zellen no Interaktioun mat 2D Nb Nanoflakes.Op Fig.6a–h weisen Ännerungen an de Formparameter vun Algenzellen, wéi bewisen duerch eng Ofsenkung vun der Spëtzintensitéit an enger Verréckelung vu Maxima a Richtung méi héije Wäerter.Besonnesch Zell roundness Parameteren weisen eng Ofsenkung vun verlängerten Zellen an eng Erhéijung vun sphäresch Zellen (Fig. 6a, b).Zousätzlech, vergréissert Feret Zell Breet vun e puer micrometers no Interaktioun mat SL Nb2CTx MXene (Lalumi 6e) Verglach zu SL Nb4C3TX MXene (Lalumi 6f).Mir de Verdacht datt dëst wéinst der staarker Opnahm vun Nb-Oxiden duerch Mikroalgen op Interaktioun mat Nb2CTx SR ka sinn.Manner steiwe Befestegung vun Nb Flakelen op hir Uewerfläch kann zu Zellwachstum mat minimalem Schatteneffekt resultéieren.
Eis Observatioune vun Ännerungen an de Parameteren vun der Form a Gréisst vun Mikroalgen ergänzen aner Studien.Gréng Mikroalgen kënnen hir Morphologie als Äntwert op Ëmweltstress änneren andeems d'Zellgréisst, Form oder Metabolismus geännert gëtt61.Zum Beispill, d'Verännerung vun der Gréisst vun den Zellen erliichtert d'Absorptioun vun Nährstoffer71.Kleng Algenzellen weisen manner Nährstoffaufnahme a behënnerte Wuesstumsrate.Ëmgekéiert tendéieren méi grouss Zellen méi Nährstoffer ze konsuméieren, déi dann intrazellulär deposéiert ginn72,73.Machado a Soares hunn erausfonnt datt de Fungizid Triclosan d'Zellgréisst erhéijen kann.Si hunn och déif Verännerungen an der Form vun den Algen fonnt74.Ausserdeem hunn Yin et al.9 och morphologesch Verännerungen an Algen opgedeckt no der Belaaschtung vu reduzéierter Graphenoxid-Nanokomposite.Dofir ass et kloer datt déi geännert Gréisst / Form Parameter vun de Mikroalgen duerch d'Präsenz vu MXene verursaacht ginn.Zënter datt dës Ännerung vun der Gréisst a Form indikativ ass fir Ännerungen an der Nährstoffaufnahme, gleewen mir datt d'Analyse vu Gréisst a Formparameter iwwer Zäit d'Aufnahme vum Niobiumoxid duerch Mikroalgen an der Präsenz vun Nb-MXenen beweise kann.
Ausserdeem kënnen MXenen a Präsenz vun Algen oxidéiert ginn.Dalai et al.75 observéiert datt d'Morphologie vu gréngen Algen, déi un Nano-TiO2 an Al2O376 ausgesat waren, net eenheetlech war.Och wann eis Observatioune ähnlech wéi déi haiteg Studie sinn, ass et nëmme relevant fir d'Studie vun den Effekter vun der Bioremediatioun a punkto MXene-Degradatiounsprodukter an der Präsenz vun 2D Nanoflaken an net Nanopartikelen.Zënter MXenen kënnen an Metalloxide degradéieren,31,32,77,78, ass et raisonnabel unzehuelen datt eis Nb Nanoflaken och Nb-Oxide bilden nodeems se mat Mikroalgenzellen interagéieren.
Fir d'Reduktioun vun 2D-Nb Nanoflaken duerch en Zersetzungsmechanismus baséiert op der Oxidatiounsprozess z'erklären, hu mir Studien mat héijer Opléisung Transmissioun Elektronenmikroskopie (HRTEM) (Fig. 7a, b) an Röntgenfotoelektronenspektroskopie (XPS) (Fig. 7) gemaach.7c-i an Tabelle S4-5).Béid Approche si gëeegent fir d'Oxidatioun vun 2D Materialien ze studéieren an ergänzen sech.HRTEM ass fäeg d'Degradatioun vun zweedimensionalen Schichtstrukturen an déi spéider Erscheinung vu Metalloxid Nanopartikelen ze analyséieren, während XPS sensibel ass fir Uewerflächebindungen.Fir dësen Zweck, getest mir 2D Nb-MXene Nanoflakes aus microalgae Zell Dispersiounen extrahéiert, dat ass, hir Form no Interaktioun mat microalgae Zellen (kuckt Fig. 7).
HRTEM Biller déi d'Morphologie vun oxidéierten (a) SL Nb2CTx an (b) SL Nb4C3Tx MXenes weisen, XPS Analyseresultater weisen (c) d'Zesummesetzung vun den Oxidprodukter no Reduktioun, (d-f) Peakmatching vun Komponenten vun den XPS Spektra vun SL Nb2CTx an (g- i) Nb4Tx reparéiert mat gréngen MikroSLgae.
HRTEM Studien bestätegt d'Oxidatioun vun zwou Zorte vun Nb-MXene Nanoflaken.Obwuel d'Nanoflakes hir zweedimensional Morphologie zu engem gewësse Mooss behalen hunn, huet d'Oxidatioun zu der Erscheinung vu villen Nanopartikelen gefouert, déi d'Uewerfläch vun den MXene Nanoflakes ofdecken (kuckt Fig. 7a, b).XPS Analyse vun c Nb 3d an O 1s Signaler uginn datt Nb Oxiden a béide Fäll geformt goufen.Wéi an der Figur 7c gewisen, hunn 2D MXene Nb2CTx an Nb4C3TX Nb 3d Signaler déi d'Präsenz vun NbO an Nb2O5 Oxiden uginn, während O 1s Signaler d'Zuel vun O-Nb Obligatiounen uginn, déi mat der Funktionaliséierung vun der 2D Nanoflake Uewerfläch verbonne sinn.Mir hu gemierkt datt den Nb-Oxidbeitrag dominant ass am Verglach zum Nb-C an Nb3 + -O.
Op Fig.Figuren 7g-i weisen d'XPS Spektrum vun Nb 3d, C 1s, an O 1s SL Nb2CTx (kuckt Lalumi 7d-f) an SL Nb4C3TX MXene aus microalgae Zellen isoléiert.Detailer vun Nb-MXenes Biergspëtzten Parameteren sinn an Dëscher S4-5 gëtt, respektiv.Mir analyséieren éischt d'Zesummesetzung vun Nb 3d.Am Géigesaz zu Nb absorbéiert duerch Mikroalgenzellen, an MXene isoléiert aus Mikroalgenzellen, ausser Nb2O5, goufen aner Komponenten fonnt.Am Nb2CTx SL hu mir de Bäitrag vun Nb3 + -O an der Quantitéit vun 15% observéiert, während de Rescht vum Nb 3d Spektrum vun Nb2O5 dominéiert gouf (85%).Zousätzlech enthält d'SL Nb4C3TX Probe Nb-C (9%) an Nb2O5 (91%) Komponenten.Hei kënnt Nb-C aus zwee bannenzegen Atomschichten aus Metallkarbid am Nb4C3Tx SR.Mir kartéieren dann d'C 1s Spektren op véier verschidde Komponenten, sou wéi mir an den internaliséierte Proben gemaach hunn.Wéi erwaart gëtt de C 1s Spektrum vu grafitesche Kuelestoff dominéiert, gefollegt vu Bäiträg vun organeschen Partikelen (CHx / CO an C = O) aus Mikroalgenzellen.Zousätzlech, am O 1s Spektrum, hu mir de Bäitrag vun organesche Forme vu Mikroalgenzellen, Niobiumoxid an adsorbéiert Waasser observéiert.
Zousätzlech hu mir ënnersicht ob Nb-MXenes Spaltung mat der Präsenz vu reaktive Sauerstoffaarten (ROS) am Nährstoffmedium an / oder Mikroalgenzellen assoziéiert ass.Zu dësem Zweck hu mir d'Niveaue vum Singlet Sauerstoff (1O2) am Kulturmedium an intrazellulärem Glutathion bewäert, en Thiol deen als Antioxidant a Mikroalgen wierkt.D'Resultater sinn am SI gewisen (Dorënner S20 an S21).Kulturen mat SL Nb2CTx an Nb4C3TX MXenes sech duerch eng reduzéiert Quantitéit vun 1O2 charakteriséiert (kuckt Dorënner S20).Am Fall vun SL Nb2CTx gëtt MXene 1O2 op ongeféier 83% reduzéiert.Fir Mikroalgenkulturen déi SL benotzen, ass Nb4C3TX 1O2 nach méi erofgaang, op 73%.Interessanterweis hunn d'Verännerungen an 1O2 deeselwechten Trend gewisen wéi de virdru observéierte hemmungsstimulatoreschen Effekt (kuckt Fig. 3).Et kann argumentéiert ginn datt d'Inkubatioun an helle Liicht d'Photooxidatioun verännere kann.Allerdéngs huet d'Resultater vun der Kontroll Analyse bal konstante Niveau vun 1O2 während dem Experiment (Lalumi S22).Am Fall vun intrazelluläre ROS Niveauen hu mir och deeselwechten Downward Trend observéiert (kuckt Figur S21).Am Ufank hunn d'Niveaue vu ROS a Mikroalgenzellen, déi an der Präsenz vun Nb2CTx an Nb4C3Tx SLs kultivéiert goufen, d'Niveauen iwwerschratt, déi a pure Kulturen vu Mikroalgen fonnt goufen.Schlussendlech huet et awer erschéngt datt d'Mikroalgen sech un d'Präsenz vu béide Nb-MXenen ugepasst hunn, well d'ROS Niveauen op 85% an 91% vun den Niveauen erofgaange sinn, déi a pure Kulturen vu Mikroalgen gemooss goufen, respektiv mat SL Nb2CTx an Nb4C3TX inokuléiert.Dëst kann uginn datt Mikroalgen sech mat der Zäit méi bequem fillen an der Präsenz vun Nb-MXene wéi an Nährstoffmedium eleng.
Mikroalgen sinn eng divers Grupp vu fotosyntheteschen Organismen.Wärend der Fotosynthese konvertéieren se atmosphäresch Kuelendioxid (CO2) an organesch Kuelestoff.D'Produkter vun der Fotosynthese si Glukos a Sauerstoff79.Mir de Verdacht datt de Sauerstoff sou geformt eng kritesch Roll bei der Oxidatioun vun Nb-MXenen spillt.Eng méiglech Erklärung dofir ass datt den Differentialbeleuchtungsparameter bei nidderegen an héijen Deeldrock vu Sauerstoff baussent a bannent den Nb-MXene Nanoflaken geformt gëtt.Dat heescht, datt iwwerall wou et Beräicher vun verschiddenen Partiell Drock vun Sauerstoff sinn, der Géigend mat den niddregsten Niveau wäert d'Anode bilden 80, 81, 82. Hei dréit d'Mikroalgen zu der Schafung vun differentiell beliichten Zellen op der Uewerfläch vun der MXene Flakelen bäidroen, déi Sauerstoff produzéiere wéinst hirer photosynthetic Eegeschafte.Als Resultat ginn Biokorrosiounsprodukter (an dësem Fall Niobiumoxid) geformt.En aneren Aspekt ass datt Mikroalgen organesch Säuren produzéieren déi an d'Waasser fräigelooss ginn83,84.Dofir gëtt en aggressivt Ëmfeld geformt, doduerch d'Nb-MXenes verännert.Zousätzlech kënnen Mikroalgen den pH vun der Ëmwelt op alkalesch änneren duerch d'Absorptioun vu Kuelendioxid, wat och Korrosioun verursaache kann79.
Méi wichteg ass déi donkel / liicht Fotoperiod, déi an eiser Studie benotzt gëtt, kritesch fir d'Resultater ze verstoen.Dësen Aspekt gëtt am Detail an Djemai-Zoghlache et al.85 Si hunn bewosst eng 12/12 Stonn Fotoperiod benotzt fir Biokorrosioun ze demonstréieren, déi mat Biofouling vun de roude Mikroalgen Porphyridium purpureum assoziéiert ass.Si weisen datt d'Fotoperiod mat der Entwécklung vum Potenzial ouni Biokorrosioun assoziéiert ass, manifestéiert sech als pseudoperiodesch Schwéngungen ëm 24:00.Dës Observatioune goufen vun Dowling et al bestätegt.86 Si hunn fotosynthetesch Biofilme vu Cyanobakterien Anabaena bewisen.Opgeléist Sauerstoff gëtt ënner der Handlung vum Liicht geformt, wat mat enger Verännerung oder Schwankungen am fräie Biokorrosiounspotenzial assoziéiert ass.D'Wichtegkeet vun der Fotoperiod gëtt betount datt de fräie Potenzial fir Biokorrosioun an der Liichtphase eropgeet an an der donkeler Phase erofgeet.Dëst ass wéinst dem Sauerstoff deen duerch fotosynthetesch Mikroalgen produzéiert gëtt, wat d'kathodesch Reaktioun duerch den Deeldrock entsteet bei den Elektroden beaflosst87.
Zousätzlech gouf d'Fourier Transform Infraroutspektroskopie (FTIR) duerchgefouert fir erauszefannen ob all Verännerungen an der chemescher Zesummesetzung vu Mikroalgenzellen no Interaktioun mat Nb-MXenen geschitt sinn.Dës kritt Resultater sinn komplex a mir presentéieren hinnen am SI (Dorënner S23-S25, dorënner d'Resultater vun der MAX Etapp an ML MXenes).Kuerz gesot, déi kritt Referenzspektre vu Mikroalgen liwweren eis wichteg Informatioun iwwer déi chemesch Charakteristike vun dësen Organismen.Dës wahrscheinlechst Schwéngungen leien bei Frequenzen vun 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.eent.1 1 (C–H) an 3280 cm–1 (O–H).Fir SL Nb-MXenes hu mir eng CH-Bond Stretching Ënnerschrëft fonnt déi konsequent mat eiser viregter Studie38 ass.Wéi och ëmmer, hu mir observéiert datt e puer zousätzlech Peaks verbonne mat C = C an CH Obligatiounen verschwonnen sinn.Dëst weist datt d'chemesch Zesummesetzung vu Mikroalgen kleng Verännerungen duerch Interaktioun mat SL Nb-MXenes ënnergoe kann.
Wann Dir méiglech Ännerungen an der Biochemie vu Mikroalgen berécksiichtegt, muss d'Akkumulation vun anorganeschen Oxiden, wéi Niobiumoxid, iwwerluecht ginn59.Et ass an der Opnahm vun Metaller duerch d'Zelloberfläche involvéiert, hiren Transport an den Zytoplasma, hir Associatioun mat intrazelluläre Carboxylgruppen, an hir Akkumulation a Mikroalgen Polyphosphosomen20,88,89,90.Zousätzlech gëtt d'Relatioun tëscht Mikroalgen a Metalle vu funktionnelle Gruppen vun Zellen erhale gelooss.Aus dësem Grond hänkt d'Absorptioun och vun der Mikroalgen-Uewerflächchemie of, déi zimlech komplex ass9,91.Am Allgemengen, wéi erwaart, huet d'chemesch Zesummesetzung vu grénge Mikroalgen liicht geännert wéinst der Absorptioun vum Nb-Oxid.
Interessanterweis war déi observéiert initial Hemmung vu Mikroalgen iwwer Zäit reversibel.Wéi mir observéiert hunn, hunn d'Mikroalgen den initialen Ëmweltverännerung iwwerwonnen a schliisslech zréck op normal Wuesstumsraten a souguer erhéicht.Studien vum Zeta Potenzial weisen héich Stabilitéit wann se an Nährstoffmedien agefouert ginn.Also ass d'Uewerflächeninteraktioun tëscht Mikroalgenzellen an Nb-MXene Nanoflaken duerch d'Reduktiounsexperimenter behalen.An eiser weiderer Analyse resüméiere mir d'Haaptmechanismen vun der Handlung, déi dëst bemierkenswäert Verhalen vu Mikroalgen ënnersträichen.
SEM Observatioune hu gewisen datt Mikroalgen tendéieren un Nb-MXenen ze befestigen.Mat dynamescher Bildanalyse bestätegen mir datt dësen Effekt zu der Transformatioun vun zweedimensionalen Nb-MXene Nanoflaken a méi kugelfërmeg Partikelen féiert, an doduerch ze demonstréieren datt d'Zersetzung vun Nanoflaken mat hirer Oxidatioun assoziéiert ass.Fir eis Hypothes ze testen, hu mir eng Serie vu materiellen a biochemesche Studien gemaach.Nom Testen hunn d'Nanoflakes graduell oxidéiert an zerfall an NbO an Nb2O5 Produkter, déi keng Bedrohung fir gréng Mikroalgen duerstellen.Mat FTIR Observatioun hu mir keng bedeitend Ännerungen an der chemescher Zesummesetzung vu Mikroalgen fonnt, déi an der Präsenz vun 2D Nb-MXene Nanoflaken inkubéiert goufen.Wann Dir d'Méiglechkeet vun der Absorptioun vum Niobiumoxid duerch Mikroalgen berücksichtegt, hu mir eng Röntgenfluoreszenzanalyse gemaach.Dës Resultater weisen kloer datt déi studéiert Mikroalgen op Niobiumoxide (NbO an Nb2O5) ernähren, déi net gëfteg fir déi studéiert Mikroalgen sinn.