Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com.Jūs izmantojat pārlūkprogrammas versiju ar ierobežotu CSS atbalstu.Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, ieteicams izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer).Tikmēr, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, mēs atveidosim vietni bez stiliem un JavaScript.
Vienlaicīgi parāda trīs slaidu karuseli.Izmantojiet pogas Iepriekšējais un Nākamais, lai pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus, vai izmantojiet slīdņa pogas, kas atrodas beigās, lai pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus.
Straujā nanotehnoloģiju attīstība un to integrācija ikdienas lietojumos var apdraudēt vidi.Lai gan zaļās metodes organisko piesārņotāju noārdīšanai ir labi zināmas, neorganisko kristālisko piesārņotāju reģenerācija rada lielas bažas, jo tām ir zema jutība pret biotransformāciju un trūkst izpratnes par materiāla virsmas mijiedarbību ar bioloģiskajiem.Šeit mēs izmantojam uz Nb balstītu neorganisku 2D MXenes modeli apvienojumā ar vienkāršu formas parametru analīzes metodi, lai izsekotu 2D keramikas nanomateriālu bioremediācijas mehānismam, ko veic zaļās mikroaļģes Raphidocelis subcapitata.Mēs noskaidrojām, ka mikroaļģes noārda uz Nb balstītus MXēnus ar virsmu saistītu fizikāli ķīmisko mijiedarbību dēļ.Sākotnēji uz mikroaļģu virsmas tika piestiprinātas viena slāņa un daudzslāņu MXene nanopārslas, kas nedaudz samazināja aļģu augšanu.Tomēr pēc ilgstošas ​​mijiedarbības ar virsmu mikroaļģes oksidēja MXene nanopārslas un tālāk sadalīja tās NbO un Nb2O5.Tā kā šie oksīdi nav toksiski mikroaļģu šūnām, tie patērē Nb oksīda nanodaļiņas, izmantojot absorbcijas mehānismu, kas vēl vairāk atjauno mikroaļģes pēc 72 stundu ūdens apstrādes.Barības vielu ietekme, kas saistīta ar uzsūkšanos, izpaužas arī šūnu tilpuma palielināšanās, to gludās formas un augšanas ātruma izmaiņās.Pamatojoties uz šiem atklājumiem, mēs secinām, ka Nb bāzes MXenes īstermiņa un ilgtermiņa klātbūtne saldūdens ekosistēmās var radīt tikai nelielu ietekmi uz vidi.Jāatzīmē, ka, izmantojot divdimensiju nanomateriālus kā modeļu sistēmas, mēs demonstrējam iespēju izsekot formas transformācijai pat smalkgraudainos materiālos.Kopumā šis pētījums atbild uz svarīgu pamatjautājumu par virsmas mijiedarbības procesiem, kas virza 2D nanomateriālu bioremediācijas mehānismu, un nodrošina pamatu turpmākiem īstermiņa un ilgtermiņa pētījumiem par neorganisko kristālisko nanomateriālu ietekmi uz vidi.
Kopš to atklāšanas nanomateriāli ir radījuši lielu interesi, un dažādas nanotehnoloģijas nesen ir nonākušas modernizācijas fāzē1.Diemžēl nanomateriālu integrēšana ikdienas lietojumos var izraisīt nejaušu izplūdi nepareizas iznīcināšanas, neuzmanīgas apiešanās vai neatbilstošas ​​drošības infrastruktūras dēļ.Tāpēc ir pamatoti pieņemt, ka nanomateriāli, tostarp divdimensiju (2D) nanomateriāli, var nonākt dabiskajā vidē, kuru uzvedība un bioloģiskā aktivitāte vēl nav pilnībā izprasta.Tāpēc nav pārsteidzoši, ka bažas par ekotoksicitāti ir vērstas uz 2D nanomateriālu spēju izskaloties ūdens sistēmās 2, 3, 4, 5, 6.Šajās ekosistēmās daži 2D nanomateriāli var mijiedarboties ar dažādiem organismiem dažādos trofiskajos līmeņos, tostarp ar mikroaļģēm.
Mikroaļģes ir primitīvi organismi, kas dabiski sastopami saldūdens un jūras ekosistēmās, kas fotosintēzes ceļā ražo dažādus ķīmiskos produktus7.Kā tādi tie ir kritiski svarīgi ūdens ekosistēmām 8, 9, 10, 11, 12, taču tie ir arī jutīgi, lēti un plaši izmantoti ekotoksicitātes indikatori13, 14.Tā kā mikroaļģu šūnas ātri vairojas un ātri reaģē uz dažādu savienojumu klātbūtni, tās ir perspektīvas videi draudzīgu metožu izstrādei ar organiskām vielām piesārņota ūdens attīrīšanai15,16.
Aļģu šūnas var noņemt neorganiskos jonus no ūdens, izmantojot biosorbciju un uzkrāšanos17,18.Dažas aļģu sugas, piemēram, Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue un Synechococcus sp.Ir konstatēts, ka tas pārnēsā un pat baro toksiskus metālu jonus, piemēram, Fe2+, Cu2+, Zn2+ un Mn2+19.Citi pētījumi ir parādījuši, ka Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ vai Pb2+ joni ierobežo Scenedesmus augšanu, mainot šūnu morfoloģiju un iznīcinot to hloroplastus20,21.
Zaļās metodes organisko piesārņotāju sadalīšanai un smago metālu jonu atdalīšanai ir piesaistījušas zinātnieku un inženieru uzmanību visā pasaulē.Tas galvenokārt ir saistīts ar faktu, ka šie piesārņotāji ir viegli apstrādājami šķidrā fāzē.Tomēr neorganiskajiem kristāliskajiem piesārņotājiem ir raksturīga zema šķīdība ūdenī un zema jutība pret dažādām biotransformācijām, kas rada lielas sanācijas grūtības, un šajā jomā ir panākts neliels progress22,23,24,25,26.Tādējādi videi draudzīgu risinājumu meklēšana nanomateriālu remontam joprojām ir sarežģīta un neizpētīta joma.Sakarā ar lielo nenoteiktības pakāpi attiecībā uz 2D nanomateriālu biotransformācijas ietekmi, nav vienkāršs veids, kā noskaidrot iespējamos to degradācijas ceļus reducēšanas laikā.
Šajā pētījumā mēs izmantojām zaļās mikroaļģes kā aktīvu ūdens bioremediācijas līdzekli neorganiskajiem keramikas materiāliem, apvienojumā ar MXene noārdīšanās procesa in situ uzraudzību kā neorganisko keramikas materiālu pārstāvi.Termins “MXene” atspoguļo Mn+1XnTx materiāla stehiometriju, kur M ir agrīns pārejas metāls, X ir ogleklis un/vai slāpeklis, Tx ir virsmas terminators (piemēram, -OH, -F, -Cl) un n = 1, 2, 3 vai 427,28.Kopš Naguibs et al. atklāja MXenes.Sensorika, vēža terapija un membrānfiltrācija 27,29,30.Turklāt MXenes var uzskatīt par modeļa 2D sistēmām to izcilās koloidālās stabilitātes un iespējamās bioloģiskās mijiedarbības dēļ31,32,33,34,35,36.
Tāpēc šajā rakstā izstrādātā metodoloģija un mūsu pētījuma hipotēzes ir parādītas 1. attēlā. Saskaņā ar šo hipotēzi mikroaļģes noārda Nb bāzes MXēnus netoksiskos savienojumos, pateicoties ar virsmu saistītu fizikāli ķīmisko mijiedarbību, kas ļauj aļģēm tālāk atgūties.Lai pārbaudītu šo hipotēzi, tika atlasīti divi agrīno niobija bāzes pārejas metālu karbīdu un / vai nitrīdu (MXenes) ģimenes locekļi, proti, Nb2CTx un Nb4C3TX.
Pētījuma metodoloģija un uz pierādījumiem balstītas hipotēzes MXene reģenerācijai ar zaļajām mikroaļģēm Raphidocelis subcapitata.Lūdzu, ņemiet vērā, ka tas ir tikai shematisks uz pierādījumiem balstītu pieņēmumu attēlojums.Ezera vide atšķiras atkarībā no izmantotās barības vides un apstākļiem (piemēram, diennakts cikls un pieejamo būtisko barības vielu ierobežojumi).Izveidots ar BioRender.com.
Tāpēc, izmantojot MXene kā modeļa sistēmu, esam pavēruši durvis dažādu bioloģisko efektu izpētei, ko nevar novērot ar citiem parastajiem nanomateriāliem.Jo īpaši mēs demonstrējam iespēju ar mikroaļģēm Raphidocelis subcapitata veikt divdimensiju nanomateriālu, piemēram, niobija bāzes MXenes, bioremediāciju.Mikroaļģes spēj sadalīt Nb-MXēnus par netoksiskiem oksīdiem NbO un Nb2O5, kas arī nodrošina barības vielas, izmantojot niobija uzņemšanas mehānismu.Kopumā šis pētījums atbild uz svarīgu pamatjautājumu par procesiem, kas saistīti ar virsmas fizikāli ķīmisko mijiedarbību, kas regulē divdimensiju nanomateriālu bioremediācijas mehānismus.Turklāt mēs izstrādājam vienkāršu, uz formas parametriem balstītu metodi, lai izsekotu smalkām 2D nanomateriālu formas izmaiņām.Tas iedvesmo turpmākus īstermiņa un ilgtermiņa pētījumus par neorganisko kristālisko nanomateriālu dažādo ietekmi uz vidi.Tādējādi mūsu pētījums palielina izpratni par mijiedarbību starp materiāla virsmu un bioloģisko materiālu.Mēs arī nodrošinām pamatu paplašinātiem īstermiņa un ilgtermiņa pētījumiem par to iespējamo ietekmi uz saldūdens ekosistēmām, ko tagad var viegli pārbaudīt.
MXenes ir interesanta materiālu klase ar unikālām un pievilcīgām fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām un līdz ar to daudziem iespējamiem pielietojumiem.Šīs īpašības lielā mērā ir atkarīgas no to stehiometrijas un virsmas ķīmijas.Tāpēc mūsu pētījumā mēs pētījām divu veidu uz Nb balstītus hierarhiskus viena slāņa (SL) MXenes, Nb2CTx un Nb4C3TX, jo varēja novērot dažādus šo nanomateriālu bioloģiskos efektus.MXēnus ražo no to izejmateriāliem, no augšas uz leju selektīvi kodinot atomiski plānus MAX fāzes A slāņus.MAX fāze ir trīskārša keramika, kas sastāv no “saistītiem” pārejas metālu karbīdu blokiem un plāniem “A” elementu slāņiem, piemēram, Al, Si un Sn ar MnAXn-1 stehiometriju.Sākotnējās MAX fāzes morfoloģija tika novērota ar skenējošo elektronu mikroskopiju (SEM), un tā atbilst iepriekšējiem pētījumiem (skatīt papildinformāciju, SI, S1 attēls).Daudzslāņu (ML) Nb-MXēns tika iegūts pēc Al slāņa noņemšanas ar 48% HF (fluorūdeņražskābi).ML-Nb2CTx un ML-Nb4C3TX morfoloģija tika pārbaudīta ar skenējošo elektronu mikroskopiju (SEM) (attiecīgi S1c un S1d attēls), un tika novērota tipiska slāņaina MXene morfoloģija, līdzīga divdimensiju nanopārslām, kas iziet cauri iegarenām porām līdzīgām spraugām.Abiem Nb-MXēniem ir daudz kopīga ar MXene fāzēm, kas iepriekš sintezētas ar skābes kodināšanu 27, 38.Pēc MXene struktūras apstiprināšanas mēs to slāņojām, interkalējot tetrabutilamonija hidroksīdu (TBAOH), kam sekoja mazgāšana un apstrāde ar ultraskaņu, pēc tam mēs ieguvām viena slāņa vai zema slāņa (SL) 2D Nb-MXene nanopārslas.
Mēs izmantojām augstas izšķirtspējas transmisijas elektronu mikroskopiju (HRTEM) un rentgenstaru difrakciju (XRD), lai pārbaudītu kodināšanas un turpmākās pīlinga efektivitāti.HRTEM rezultāti, kas apstrādāti, izmantojot apgriezto ātro Furjē transformāciju (IFFT) un ātro Furjē transformāciju (FFT), ir parādīti 2. attēlā. Nb-MXene nanopārslas tika orientētas uz augšu, lai pārbaudītu atomu slāņa struktūru un izmērītu starpplakņu attālumus.MXene Nb2CTx un Nb4C3TX nanopārslu HRTEM attēli atklāja to atomiski plānu slāņaino raksturu (sk. 2.a1., a2. att.), kā iepriekš ziņoja Naguib et al.27 un Jastrzębska et al.38.Diviem blakus esošajiem Nb2CTx un Nb4C3Tx vienslāņiem mēs noteicām attiecīgi 0,74 un 1,54 nm starpslāņu attālumus (2.b1., b2. att.), kas arī atbilst mūsu iepriekšējiem rezultātiem38.To vēl vairāk apstiprināja apgrieztā ātrā Furjē transformācija (2.c1., c2. att.) un ātrā Furjē transformācija (2.d1., d2. att.), kas parāda attālumu starp Nb2CTx un Nb4C3Tx monoslāņiem.Attēlā redzama gaišo un tumšo joslu maiņa, kas atbilst niobija un oglekļa atomiem, kas apstiprina pētīto MXēnu slāņaino raksturu.Ir svarīgi atzīmēt, ka enerģiju izkliedējošās rentgenstaru spektroskopijas (EDX) spektros, kas iegūti Nb2CTx un Nb4C3Tx (attēls S2a un S2b), netika konstatētas sākotnējās MAX fāzes paliekas, jo Al pīķis netika atklāts.
SL Nb2CTx un Nb4C3Tx MXene nanopārslu raksturojums, ieskaitot (a) augstas izšķirtspējas elektronu mikroskopijas (HRTEM) sānskata 2D nanopārslu attēlveidošanu un atbilstošu, (b) intensitātes režīmu, (c) apgriezto ātro Furjē transformāciju (IFFT), (d) ātro Furjē transformāciju (FFT), (e) rentgenstaru modeļus.SL 2D Nb2CTx skaitļi ir izteikti kā (a1, b1, c1, d1, e1).SL 2D Nb4C3Tx skaitļi ir izteikti kā (a2, b2, c2, d2, e1).
SL Nb2CTx un Nb4C3Tx MXēnu rentgenstaru difrakcijas mērījumi ir parādīti 3.2e1 un e2, attiecīgi.Pīķi (002) pie 4, 31 un 4, 32 atbilst iepriekš aprakstītajiem slāņainajiem MXenes Nb2CTx un Nb4C3TX38, 39, 40, 41 attiecīgi.XRD rezultāti norāda arī uz dažām atlikušajām ML struktūrām un MAX fāzēm, bet galvenokārt XRD modeļiem, kas saistīti ar SL Nb4C3Tx (2.e2. attēls).Mazāku MAX fāzes daļiņu klātbūtne var izskaidrot spēcīgāko MAX maksimumu, salīdzinot ar nejauši saliktajiem Nb4C3Tx slāņiem.
Turpmākie pētījumi ir vērsti uz zaļajām mikroaļģēm, kas pieder pie sugas R. subcapitata.Mēs izvēlējāmies mikroaļģes, jo tās ir nozīmīgi ražotāji, kas iesaistīti galvenajos pārtikas tīklos42.Tie ir arī viens no labākajiem toksicitātes rādītājiem, pateicoties spējai izvadīt toksiskas vielas, kas tiek pārnestas uz augstākiem pārtikas ķēdes līmeņiem43.Turklāt pētījumi par R. subcapitata var atklāt SL Nb-MXenes nejaušu toksicitāti parastajiem saldūdens mikroorganismiem.Lai to ilustrētu, pētnieki izvirzīja hipotēzi, ka katram mikrobam ir atšķirīga jutība pret apkārtējā vidē esošajiem toksiskajiem savienojumiem.Lielākajai daļai organismu zema vielu koncentrācija neietekmē to augšanu, savukārt koncentrācija, kas pārsniedz noteiktu robežu, var tos kavēt vai pat izraisīt nāvi.Tāpēc, lai pētītu virsmas mijiedarbību starp mikroaļģēm un MXenes un ar to saistīto atveseļošanos, mēs nolēmām pārbaudīt Nb-MXenes nekaitīgās un toksiskās koncentrācijas.Lai to izdarītu, mēs pārbaudījām koncentrācijas 0 (kā atsauces), 0,01, 0,1 un 10 mg l-1 MXene un papildus inficētas mikroaļģes ar ļoti augstu MXene koncentrāciju (100 mg l-1 MXene), kas var būt ārkārtējs un letāls..jebkurai bioloģiskai videi.
SL Nb-MXenes ietekme uz mikroaļģēm ir parādīta 3. attēlā, kas izteikta kā augšanas veicināšanas (+) vai inhibīcijas (-) procentuālā daļa, kas izmērīta 0 mg l-1 paraugiem.Salīdzinājumam tika pārbaudīta arī Nb-MAX fāze un ML Nb-MXenes, un rezultāti ir parādīti SI (sk. S3 att.).Iegūtie rezultāti apstiprināja, ka SL Nb-MXenes gandrīz pilnībā nav toksiskas zemu koncentrāciju diapazonā no 0,01 līdz 10 mg/l, kā parādīts 3.a, b attēlā.Nb2CTx gadījumā mēs novērojām ne vairāk kā 5% ekotoksicitāti norādītajā diapazonā.
Mikroaļģu augšanas stimulēšana (+) vai kavēšana (-) SL (a) Nb2CTx un (b) Nb4C3TX MXene klātbūtnē.Tika analizēta 24, 48 un 72 stundu MXene-mikroaļģu mijiedarbība. Nozīmīgi dati (t-tests, p < 0,05) tika atzīmēti ar zvaigznīti (*). Nozīmīgi dati (t-tests, p < 0,05) tika atzīmēti ar zvaigznīti (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Būtiski dati (t-tests, p < 0,05) ir atzīmēti ar zvaigznīti (*).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-tests, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Svarīgi dati (t-tests, p < 0,05) ir atzīmēti ar zvaigznīti (*).Sarkanās bultiņas norāda uz inhibējošās stimulācijas atcelšanu.
No otras puses, zemas Nb4C3TX koncentrācijas izrādījās nedaudz toksiskākas, bet ne augstākas par 7%.Kā gaidīts, mēs novērojām, ka MXenes bija augstāka toksicitāte un mikroaļģu augšanas kavēšana pie 100 mg L-1.Interesanti, ka neviens no materiāliem neuzrādīja tādu pašu toksisko / toksisko efektu tendenci un atkarību no laika, salīdzinot ar MAX vai ML paraugiem (sīkāku informāciju skatiet SI).Kamēr MAX fāzei (sk. S3 att.) toksicitāte sasniedza aptuveni 15–25% un laika gaitā palielinājās, SL Nb2CTx un Nb4C3TX MXene tika novērota pretēja tendence.Laika gaitā mikroaļģu augšanas kavēšana samazinājās.Tas sasniedza aptuveni 17% pēc 24 stundām un samazinājās līdz mazāk nekā 5% pēc 72 stundām (attiecīgi 3.a, b att.).
Vēl svarīgāk ir tas, ka SL Nb4C3TX mikroaļģu augšanas kavēšana sasniedza aptuveni 27% pēc 24 stundām, bet pēc 72 stundām tā samazinājās līdz aptuveni 1%.Tāpēc mēs atzīmējām novēroto efektu kā apgrieztu stimulācijas kavēšanu, un efekts bija spēcīgāks SL Nb4C3TX MXene.Mikroaļģu augšanas stimulēšana tika novērota agrāk ar Nb4C3TX (mijiedarbība pie 10 mg L-1 24 stundas), salīdzinot ar SL Nb2CTx MXene.Inhibīcijas-stimulācijas maiņas efekts tika labi parādīts arī biomasas dubultošanās ātruma līknē (sīkāku informāciju skatīt S4 att.).Līdz šim dažādos veidos ir pētīta tikai Ti3C2TX MXene ekotoksicitāte.Tas nav toksisks zebrazivju embrijiem44, bet mēreni ekotoksisks mikroaļģēm Desmodesmus quadricauda un Sorghum saccharatum augiem45.Citi specifiskas iedarbības piemēri ietver augstāku toksicitāti vēža šūnu līnijām nekā normālām šūnu līnijām46,47.Varētu pieņemt, ka testa apstākļi ietekmētu mikroaļģu augšanas izmaiņas, kas novērotas Nb-MXēnu klātbūtnē.Piemēram, pH aptuveni 8 hloroplasta stromā ir optimāls efektīvai RuBisCO enzīma darbībai.Tāpēc pH izmaiņas negatīvi ietekmē fotosintēzes ātrumu48,49.Tomēr mēs nenovērojām būtiskas pH izmaiņas eksperimenta laikā (sīkāku informāciju skatīt SI, S5 att.).Kopumā mikroaļģu kultūras ar Nb-MXenes laika gaitā nedaudz samazināja šķīduma pH.Tomēr šis samazinājums bija līdzīgs tīras barotnes pH izmaiņām.Turklāt konstatēto variāciju diapazons bija līdzīgs tam, kas tika izmērīts mikroaļģu tīrkultūrai (kontroles paraugs).Tādējādi mēs secinām, ka fotosintēzi neietekmē pH izmaiņas laika gaitā.
Turklāt sintezētajiem MXēniem ir virsmas galotnes (apzīmētas kā Tx).Tās galvenokārt ir funkcionālās grupas -O, -F un -OH.Tomēr virsmas ķīmija ir tieši saistīta ar sintēzes metodi.Ir zināms, ka šīs grupas ir nejauši sadalītas pa virsmu, tāpēc ir grūti paredzēt to ietekmi uz MXene50 īpašībām.Var apgalvot, ka Tx varētu būt katalītiskais spēks niobija oksidēšanai ar gaismu.Virsmas funkcionālās grupas patiešām nodrošina vairākas noenkurošanās vietas to pamatā esošajiem fotokatalizatoriem, lai veidotu heterosavienojumus51.Tomēr augšanas barotnes sastāvs nenodrošināja efektīvu fotokatalizatoru (detalizētu barotnes sastāvu var atrast SI tabulā S6).Turklāt jebkura virsmas modifikācija ir arī ļoti svarīga, jo MXenes bioloģiskā aktivitāte var tikt mainīta slāņa pēcapstrādes, oksidācijas, organisko un neorganisko savienojumu ķīmiskās virsmas modifikācijas52,53,54,55,56 vai virsmas lādiņu inženierijas dēļ38.Tāpēc, lai pārbaudītu, vai niobija oksīdam ir kāds sakars ar materiāla nestabilitāti vidē, mēs veicām zeta (ζ) potenciāla pētījumus mikroaļģu augšanas vidē un dejonizētā ūdenī (salīdzinājumam).Mūsu rezultāti liecina, ka SL Nb-MXenes ir diezgan stabilas (skatīt SI S6 attēlu MAX un ML rezultātiem).SL MXenes zeta potenciāls ir aptuveni -10 mV.SR Nb2CTx gadījumā ζ vērtība ir nedaudz negatīvāka nekā Nb4C3Tx.Šādas ζ vērtības izmaiņas var norādīt, ka negatīvi lādētu MXene nanopārslu virsma absorbē pozitīvi lādētus jonus no barotnes.Šķiet, ka Nb-MXēnu zeta potenciāla un vadītspējas laika mērījumi barotnē (sīkāku informāciju skatiet S7 un S8 attēlā SI), šķiet, apstiprina mūsu hipotēzi.
Tomēr abos Nb-MXene SL bija minimālas izmaiņas no nulles.Tas skaidri parāda to stabilitāti mikroaļģu augšanas vidē.Turklāt mēs novērtējām, vai mūsu zaļo mikroaļģu klātbūtne ietekmētu Nb-MXenes stabilitāti vidē.MXēnu zeta potenciāla un vadītspējas rezultātus pēc mijiedarbības ar mikroaļģēm barības vielu barotnē un kultūrā laika gaitā var atrast SI (attēls S9 un S10).Interesanti, ka mēs pamanījām, ka mikroaļģu klātbūtne, šķiet, stabilizē abu MXēnu izkliedi.Nb2CTx SL gadījumā zeta potenciāls laika gaitā pat nedaudz samazinājās līdz negatīvākām vērtībām (-15,8 pret -19,1 mV pēc 72 h inkubācijas).SL Nb4C3TX zeta potenciāls nedaudz palielinājās, bet pēc 72 stundām tas joprojām uzrādīja lielāku stabilitāti nekā nanopārslas bez mikroaļģu klātbūtnes (-18,1 pret -9,1 mV).
Mēs arī atklājām zemāku vadītspēju Nb-MXene šķīdumiem, kas inkubēti mikroaļģu klātbūtnē, norādot uz mazāku jonu daudzumu uzturvielu vidē.Proti, MXēnu nestabilitāte ūdenī galvenokārt ir saistīta ar virsmas oksidāciju57.Tāpēc mums ir aizdomas, ka zaļās mikroaļģes kaut kādā veidā attīrīja uz Nb-MXene virsmas izveidotos oksīdus un pat novērsa to rašanos (MXene oksidēšanās).To var redzēt, pētot mikroaļģu absorbēto vielu veidus.
Lai gan mūsu ekotoksikoloģiskie pētījumi liecināja, ka mikroaļģes laika gaitā spēja pārvarēt Nb-MXēnu toksicitāti un neparastu stimulētās augšanas kavēšanu, mūsu pētījuma mērķis bija izpētīt iespējamos darbības mehānismus.Kad organismi, piemēram, aļģes, tiek pakļauti savienojumiem vai materiāliem, kas nav pazīstami to ekosistēmām, tie var reaģēt dažādos veidos58,59.Ja nav toksisku metālu oksīdu, mikroaļģes var baroties pašas, ļaujot tām nepārtraukti augt60.Pēc toksisku vielu uzņemšanas var tikt aktivizēti aizsardzības mehānismi, piemēram, mainot formu vai formu.Jāņem vērā arī absorbcijas iespēja58,59.Proti, jebkura aizsardzības mehānisma pazīme ir skaidrs testa savienojuma toksicitātes rādītājs.Tāpēc mūsu turpmākajā darbā mēs pētījām iespējamo virsmas mijiedarbību starp SL Nb-MXene nanopārslām un mikroaļģēm ar SEM un iespējamo Nb bāzes MXene absorbciju ar rentgena fluorescences spektroskopiju (XRF).Ņemiet vērā, ka SEM un XRF analīzes tika veiktas tikai ar augstāko MXene koncentrāciju, lai risinātu aktivitātes toksicitātes problēmas.
SEM rezultāti ir parādīti 4. attēlā.Neapstrādātas mikroaļģu šūnas (sk. 4.a attēlu, atsauces paraugs) skaidri parādīja tipisku R. subcapitata morfoloģiju un kruasānam līdzīgu šūnu formu.Šūnas šķiet saplacinātas un nedaudz neorganizētas.Dažas mikroaļģu šūnas pārklājās un sapinās viena ar otru, taču to, iespējams, izraisīja parauga sagatavošanas process.Kopumā tīrām mikroaļģu šūnām bija gluda virsma, un tajās nebija nekādu morfoloģisku izmaiņu.
SEM attēli, kas parāda virsmas mijiedarbību starp zaļajām mikroaļģēm un MXene nanoloksnēm pēc 72 stundu mijiedarbības ekstremālā koncentrācijā (100 mg L-1).(a) Neapstrādātas zaļās mikroaļģes pēc mijiedarbības ar SL (b) Nb2CTx un (c) Nb4C3TX MXenes.Ņemiet vērā, ka Nb-MXene nanopārslas ir atzīmētas ar sarkanām bultiņām.Salīdzinājumam pievienotas arī fotogrāfijas no optiskā mikroskopa.
Turpretim mikroaļģu šūnas, kas adsorbētas ar SL Nb-MXene nanopārslām, tika bojātas (sk. 4.b, c att., sarkanās bultiņas).Nb2CTx MXene gadījumā (4.b att.) mikroaļģēm ir tendence augt ar pievienotām divdimensiju nanomērogām, kas var mainīt to morfoloģiju.Proti, mēs novērojām šīs izmaiņas arī gaismas mikroskopijā (sīkāku informāciju skatīt SI attēlā S11).Šai morfoloģiskajai pārejai ir ticams pamats mikroaļģu fizioloģijai un to spējai aizsargāties, mainot šūnu morfoloģiju, piemēram, palielinot šūnu tilpumu61.Tāpēc ir svarīgi pārbaudīt mikroaļģu šūnu skaitu, kas faktiski saskaras ar Nb-MXenes.SEM pētījumi parādīja, ka aptuveni 52% mikroaļģu šūnu tika pakļautas Nb-MXenes iedarbībai, savukārt 48% šo mikroaļģu šūnu izvairījās no saskares.Attiecībā uz SL Nb4C3Tx MXene mikroaļģes cenšas izvairīties no saskares ar MXene, tādējādi lokalizējoties un augot no divdimensiju nanomērogām (4.c attēls).Tomēr mēs nenovērojām nanoskalu iekļūšanu mikroaļģu šūnās un to bojājumus.
Pašsaglabāšanās ir arī no laika atkarīga reakcija uz fotosintēzes bloķēšanu, ko izraisa daļiņu adsorbcija uz šūnas virsmas un tā sauktais ēnojuma (ēnojuma) efekts62.Ir skaidrs, ka katrs objekts (piemēram, Nb-MXene nanopārslas), kas atrodas starp mikroaļģēm un gaismas avotu, ierobežo hloroplastu absorbētās gaismas daudzumu.Tomēr mums nav šaubu, ka tas būtiski ietekmē iegūtos rezultātus.Kā liecina mūsu mikroskopiskie novērojumi, 2D nanopārslas nebija pilnībā iesaiņotas vai pielipušas pie mikroaļģu virsmas, pat ja mikroaļģu šūnas bija saskarē ar Nb-MXenes.Tā vietā izrādījās, ka nanopārslas bija orientētas uz mikroaļģu šūnām, neaizsedzot to virsmu.Šāds nanopārslu/mikroaļģu komplekts nevar būtiski ierobežot mikroaļģu šūnu absorbētās gaismas daudzumu.Turklāt daži pētījumi pat ir parādījuši fotosintētisko organismu gaismas absorbcijas uzlabošanos divdimensiju nanomateriālu klātbūtnē63, 64, 65, 66.
Tā kā SEM attēli nevarēja tieši apstiprināt niobija uzņemšanu mikroaļģu šūnās, mūsu turpmākais pētījums pievērsās rentgenstaru fluorescences (XRF) un rentgena fotoelektronu spektroskopijas (XPS) analīzei, lai noskaidrotu šo problēmu.Tāpēc mēs salīdzinājām to atsauces mikroaļģu paraugu Nb pīķu intensitāti, kuri nebija mijiedarbojušies ar MXenes, MXene nanopārslām, kas atdalītas no mikroaļģu šūnu virsmas, un mikroaļģu šūnām pēc pievienoto MXenes noņemšanas.Ir vērts atzīmēt, ka, ja nav Nb uzņemšanas, mikroaļģu šūnu iegūtajai Nb vērtībai pēc pievienoto nanoskalu noņemšanas jābūt nullei.Tāpēc, ja notiek Nb uzņemšana, gan XRF, gan XPS rezultātiem vajadzētu parādīt skaidru Nb maksimumu.
XRF spektru gadījumā mikroaļģu paraugi uzrādīja Nb maksimumus SL Nb2CTx un Nb4C3Tx MXene pēc mijiedarbības ar SL Nb2CTx un Nb4C3Tx MXene (sk. 5.a att., ņemiet vērā arī to, ka MAX un ML MXenes rezultāti ir parādīti SI, S12-C17 att.).Interesanti, ka Nb pīķa intensitāte abos gadījumos ir vienāda (sarkanās joslas 5.a attēlā).Tas norādīja, ka aļģes nespēj absorbēt vairāk Nb, un šūnās tika sasniegta maksimālā Nb uzkrāšanās spēja, lai gan mikroaļģu šūnām tika pievienots divas reizes vairāk Nb4C3Tx MXene (zilas joslas 5.a attēlā).Proti, mikroaļģu spēja absorbēt metālus ir atkarīga no metālu oksīdu koncentrācijas vidē67, 68.Shamshada et al.67 atklāja, ka saldūdens aļģu absorbcijas spēja samazinās, palielinoties pH.Raize et al.68 atzīmēja, ka jūras aļģu spēja absorbēt metālus Pb2+ bija par aptuveni 25% augstāka nekā Ni2+.
a ) XRF rezultāti par bazālo Nb uzņemšanu zaļo mikroaļģu šūnās, kas inkubētas ārkārtējā SL Nb-MXenes koncentrācijā (100 mg L-1) 72 stundas.Rezultāti parāda α klātbūtni tīrās mikroaļģu šūnās (kontroles paraugs, pelēkās kolonnas), 2D nanopārslas, kas izolētas no virsmas mikroaļģu šūnām (zilās kolonnas), un mikroaļģu šūnās pēc 2D nanopārslu atdalīšanas no virsmas (sarkanās kolonnas).Elementārā Nb daudzums, (b) mikroaļģu organisko komponentu (C=O un CHx/C–O) un Nb oksīdu ķīmiskā sastāva procents, kas atrodas mikroaļģu šūnās pēc inkubācijas ar SL Nb-MXenes, (c–e) XPS SL Nb2CTx spektru un (fh) MXC3 internalizēto SL mikrogaalē šūnu kompozīcijas maksimuma pielāgošana.
Tāpēc mēs gaidījām, ka aļģu šūnas varētu absorbēt Nb oksīdu veidā.Lai to pārbaudītu, mēs veicām XPS pētījumus ar MXenes Nb2CTx un Nb4C3TX un aļģu šūnām.Mikroaļģu mijiedarbības rezultāti ar Nb-MXēniem un no aļģu šūnām izolētiem MXēniem ir parādīti 1-3.5b.Kā gaidīts, mēs atklājām Nb 3d virsotnes mikroaļģu paraugos pēc MXene noņemšanas no mikroaļģu virsmas.C=O, CHx/CO un Nb oksīdu kvantitatīvā noteikšana tika aprēķināta, pamatojoties uz Nb 3d, O 1s un C 1s spektriem, kas iegūti ar Nb2CTx SL (5.c–e. att.) un Nb4C3Tx SL (5.c–e att.).), kas iegūts no inkubētām mikroaļģēm.5f–h attēls) MXenes.Tabulā S1-3 ir parādīta detalizēta informācija par pīķa parametriem un kopējo ķīmiju, kas izriet no atbilstības.Zīmīgi, ka Nb2CTx SL un Nb4C3Tx SL Nb 3d reģioni (5.c, f att.) atbilst vienam Nb2O5 komponentam.Šeit mēs neatradām ar MXene saistītus pīķus spektros, kas norāda, ka mikroaļģu šūnas absorbē tikai Nb oksīda formu.Turklāt mēs tuvinājām C 1 s spektru ar C–C, CHx/C–O, C=O un –COOH komponentiem.Mēs piešķīrām CHx / C – O un C = O pīķus mikroaļģu šūnu organiskajam ieguldījumam.Šie organiskie komponenti veido attiecīgi 36% un 41% no C1s virsotnēm Nb2CTx SL un Nb4C3TX SL.Pēc tam mēs aprīkojām SL Nb2CTx un SL Nb4C3TX O 1s spektrus ar Nb2O5, mikroaļģu organiskajām sastāvdaļām (CHx / CO) un virsmas adsorbētu ūdeni.
Visbeidzot, XPS rezultāti skaidri norādīja uz Nb formu, ne tikai tā klātbūtni.Saskaņā ar Nb 3d signāla novietojumu un dekonvolūcijas rezultātiem mēs apstiprinām, ka Nb tiek absorbēts tikai oksīdu veidā, nevis jonu vai paša MXēna veidā.Turklāt XPS rezultāti parādīja, ka mikroaļģu šūnām ir lielāka spēja uzņemt Nb oksīdus no SL Nb2CTx, salīdzinot ar SL Nb4C3TX MXene.
Lai gan mūsu Nb uzņemšanas rezultāti ir iespaidīgi un ļauj mums noteikt MXene degradāciju, nav pieejama neviena metode, lai izsekotu saistītās morfoloģiskās izmaiņas 2D nanopārslās.Tāpēc mēs arī nolēmām izstrādāt piemērotu metodi, kas var tieši reaģēt uz jebkurām izmaiņām, kas notiek 2D Nb-MXene nanopārslās un mikroaļģu šūnās.Ir svarīgi atzīmēt, ka mēs pieņemam, ka, ja mijiedarbojošās sugas tiek pakļautas jebkādai transformācijai, sadalīšanai vai defragmentācijai, tam ātri vajadzētu izpausties kā formas parametru izmaiņas, piemēram, līdzvērtīgā apļveida laukuma diametrs, apaļums, Fereta platums vai Fereta garums.Tā kā šie parametri ir piemēroti iegarenu daļiņu vai divdimensiju nanopārslu aprakstīšanai, to izsekošana ar dinamisku daļiņu formas analīzi sniegs mums vērtīgu informāciju par SL Nb-MXene nanopārslu morfoloģisko transformāciju reducēšanas laikā.
Iegūtie rezultāti ir parādīti 6. attēlā. Salīdzinājumam mēs pārbaudījām arī sākotnējo MAX fāzi un ML-MXenes (sk. SI S18 un S19 attēlus).Daļiņu formas dinamiskā analīze parādīja, ka visi divu Nb-MXene SL formas parametri būtiski mainījās pēc mijiedarbības ar mikroaļģēm.Kā liecina ekvivalentais apļveida laukuma diametra parametrs (6.a, b att.), lielo nanopārslu frakcijas samazinātā maksimālā intensitāte norāda, ka tām ir tendence sadalīties mazākos fragmentos.Uz att.6c, d parāda pīķu samazināšanos, kas saistīta ar pārslu šķērsvirziena izmēru (nanopārslu pagarinājums), norādot uz 2D nanopārslu transformāciju daļiņām līdzīgākā formā.6e-h attēls, kurā parādīts attiecīgi Fereta platums un garums.Fereta platums un garums ir viens otru papildinoši parametri, un tāpēc tie jāapsver kopā.Pēc 2D Nb-MXene nanopārslu inkubācijas mikroaļģu klātbūtnē to Fereta korelācijas maksimumi mainījās un to intensitāte samazinājās.Pamatojoties uz šiem rezultātiem kombinācijā ar morfoloģiju, XRF un XPS, mēs secinājām, ka novērotās izmaiņas ir cieši saistītas ar oksidāciju, jo oksidētie MXēni kļūst saburzītāki un sadalās fragmentos un sfēriskās oksīda daļiņās 69, 70.
MXene transformācijas analīze pēc mijiedarbības ar zaļajām mikroaļģēm.Daļiņu formas dinamiskajā analīzē tiek ņemti vērā tādi parametri kā (a, b) ekvivalentā apļveida laukuma diametrs, (c, d) apaļums, (e, f) fereta platums un (g, h) fereta garums.Šim nolūkam tika analizēti divi atsauces mikroaļģu paraugi kopā ar primārajiem SL Nb2CTx un SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx un SL Nb4C3Tx MXenes, degradētām mikroaļģēm un apstrādātajām mikroaļģēm SL Nb2CTx un SL Nb4C3Tx MXenes.Sarkanās bultiņas parāda pētīto divdimensiju nanopārslu formas parametru pārejas.
Tā kā formas parametru analīze ir ļoti uzticama, tā var atklāt arī morfoloģiskas izmaiņas mikroaļģu šūnās.Tāpēc mēs analizējām tīru mikroaļģu šūnu un šūnu ekvivalento apļveida laukuma diametru, apaļumu un Fereta platumu / garumu pēc mijiedarbības ar 2D Nb nanopārslām.Uz att.6a – h parāda izmaiņas aļģu šūnu formas parametros, par ko liecina pīķa intensitātes samazināšanās un maksimumu maiņa uz augstākām vērtībām.Jo īpaši šūnu apaļuma parametri uzrādīja iegarenu šūnu samazināšanos un sfērisko šūnu pieaugumu (6.a, b att.).Turklāt Fereta šūnu platums palielinājās par vairākiem mikrometriem pēc mijiedarbības ar SL Nb2CTx MXene (6.e attēls), salīdzinot ar SL Nb4C3TX MXene (6.f attēls).Mums ir aizdomas, ka tas var būt saistīts ar spēcīgu Nb oksīdu uzņemšanu mikroaļģēs, mijiedarbojoties ar Nb2CTx SR.Mazāk stingra Nb pārslu piestiprināšana pie to virsmas var izraisīt šūnu augšanu ar minimālu ēnojuma efektu.
Mūsu novērojumi par mikroaļģu formas un izmēra parametru izmaiņām papildina citus pētījumus.Zaļās mikroaļģes var mainīt savu morfoloģiju, reaģējot uz vides stresu, mainot šūnu izmēru, formu vai metabolismu61.Piemēram, mainot šūnu izmērus, tiek atvieglota barības vielu uzsūkšanās71.Mazākām aļģu šūnām ir zemāks barības vielu uzņemšana un augšanas ātrums.Un otrādi, lielākas šūnas mēdz patērēt vairāk barības vielu, kas pēc tam tiek nogulsnētas intracelulāri72,73.Machado un Soares atklāja, ka fungicīds triklozāns var palielināt šūnu izmēru.Viņi arī atklāja pamatīgas izmaiņas aļģu formā74.Turklāt Yin et al.9 atklāja arī morfoloģiskas izmaiņas aļģēs pēc reducētā grafēna oksīda nanokompozītu iedarbības.Tāpēc ir skaidrs, ka mainītos mikroaļģu izmēra / formas parametrus izraisa MXene klātbūtne.Tā kā šīs lieluma un formas izmaiņas liecina par barības vielu uzņemšanas izmaiņām, mēs uzskatām, ka lieluma un formas parametru analīze laika gaitā var parādīt niobija oksīda uzņemšanu mikroaļģēs Nb-MXenes klātbūtnē.
Turklāt MXenes var oksidēties aļģu klātbūtnē.Dalai et al.75 novēroja, ka nano-TiO2 un Al2O376 iedarbībai pakļauto zaļo aļģu morfoloģija nebija viendabīga.Lai gan mūsu novērojumi ir līdzīgi šim pētījumam, tas attiecas tikai uz bioremediācijas ietekmes izpēti attiecībā uz MXene noārdīšanās produktiem 2D nanopārslu, nevis nanodaļiņu klātbūtnē.Tā kā MXenes var sadalīties metālu oksīdos, 31, 32, 77, 78 ir pamatoti pieņemt, ka mūsu Nb nanopārslas var veidot Nb oksīdus arī pēc mijiedarbības ar mikroaļģu šūnām.
Lai izskaidrotu 2D-Nb nanopārslu reducēšanos ar sadalīšanās mehānismu, kas balstīts uz oksidācijas procesu, mēs veicām pētījumus, izmantojot augstas izšķirtspējas transmisijas elektronu mikroskopiju (HRTEM) (7.a, b att.) un rentgena fotoelektronu spektroskopiju (XPS) (7. att.).7c-i un tabulas S4-5).Abas pieejas ir piemērotas 2D materiālu oksidācijas pētīšanai un viena otru papildina.HRTEM spēj analizēt divdimensiju slāņu struktūru noārdīšanos un sekojošo metāla oksīda nanodaļiņu parādīšanos, savukārt XPS ir jutīga pret virsmas saitēm.Šim nolūkam mēs pārbaudījām 2D Nb-MXene nanopārslas, kas iegūtas no mikroaļģu šūnu dispersijām, tas ir, to formu pēc mijiedarbības ar mikroaļģu šūnām (sk. 7. att.).
HRTEM attēli, kas parāda oksidēto (a) SL Nb2CTx un (b) SL Nb4C3Tx MXēnu morfoloģiju, XPS analīzes rezultātus, kas parāda (c) oksīda produktu sastāvu pēc reducēšanas, (d–f) SL Nb2CTx XPS spektru komponentu pīķa atbilstību un (g–i) Nb4C3 ar TxSL microalgae green remontu.
HRTEM pētījumi apstiprināja divu veidu Nb-MXene nanopārslu oksidāciju.Lai gan nanopārslas zināmā mērā saglabāja savu divdimensiju morfoloģiju, oksidēšanās rezultātā parādījās daudzas nanodaļiņas, kas pārklāja MXene nanopārslu virsmu (sk. 7.a, b att.).c Nb 3d un O 1s signālu XPS analīze liecināja, ka abos gadījumos veidojās Nb oksīdi.Kā parādīts 7.c attēlā, 2D MXene Nb2CTx un Nb4C3TX ir Nb 3d signāli, kas norāda uz NbO un Nb2O5 oksīdu klātbūtni, savukārt O 1s signāli norāda O – Nb saišu skaitu, kas saistītas ar 2D nanopārslu virsmas funkcionalizāciju.Mēs pamanījām, ka Nb oksīda ieguldījums ir dominējošs salīdzinājumā ar Nb-C un Nb3+-O.
Uz att.Attēlos 7g–i parādīti Nb 3d, C 1s un O 1s SL Nb2CTx (sk. 7.d–f att.) un SL Nb4C3TX MXene XPS spektri, kas izolēti no mikroaļģu šūnām.Sīkāka informācija par Nb-MXenes pīķu parametriem ir sniegta attiecīgi S4–5 tabulās.Vispirms mēs analizējām Nb 3d sastāvu.Pretstatā mikroaļģu šūnās absorbētajam Nb, no mikroaļģu šūnām izolētajā MXene, izņemot Nb2O5, tika atrastas citas sastāvdaļas.Nb2CTx SL mēs novērojām Nb3+-O devumu 15% apmērā, savukārt pārējā Nb 3d spektrā dominēja Nb2O5 (85%).Turklāt SL Nb4C3TX paraugs satur Nb-C (9%) un Nb2O5 (91%) komponentus.Šeit Nb-C nāk no diviem iekšējiem metāla karbīda atomu slāņiem Nb4C3Tx SR.Pēc tam mēs kartējam C 1s spektrus uz četriem dažādiem komponentiem, kā to darījām internalizētajos paraugos.Kā gaidīts, C1s spektrā dominē grafīta ogleklis, kam seko mikroaļģu šūnu organisko daļiņu (CHx/CO un C=O) ieguldījums.Turklāt O 1s spektrā mēs novērojām mikroaļģu šūnu organisko formu, niobija oksīda un adsorbētā ūdens ieguldījumu.
Turklāt mēs pētījām, vai Nb-MXenes šķelšanās ir saistīta ar reaktīvo skābekļa sugu (ROS) klātbūtni barības vielu barotnē un / vai mikroaļģu šūnās.Šim nolūkam mēs novērtējām singleta skābekļa (1O2) līmeni barotnē un intracelulārā glutationa, tiola, kas darbojas kā antioksidants mikroaļģēs, līmeni.Rezultāti ir parādīti SI (attēls S20 un S21).Kultūrām ar SL Nb2CTx un Nb4C3TX MXenes bija raksturīgs samazināts 1O2 daudzums (sk. S20. attēlu).SL Nb2CTx gadījumā MXene 1O2 tiek samazināts līdz aptuveni 83%.Mikroaļģu kultūrām, izmantojot SL, Nb4C3TX 1O2 samazinājās vēl vairāk, līdz 73%.Interesanti, ka 1O2 izmaiņas uzrādīja tādu pašu tendenci kā iepriekš novērotā inhibējošā-stimulējošā iedarbība (sk. 3. att.).Var apgalvot, ka inkubācija spilgtā gaismā var mainīt fotooksidāciju.Tomēr kontroles analīzes rezultāti uzrādīja gandrīz nemainīgu 1O2 līmeni eksperimenta laikā (S22. att.).Intracelulāro ROS līmeņu gadījumā mēs novērojām to pašu lejupejošo tendenci (sk. S21 attēlu).Sākotnēji ROS līmenis mikroaļģu šūnās, kas kultivētas Nb2CTx un Nb4C3Tx SL klātbūtnē, pārsniedza līmeni, kas konstatēts mikroaļģu tīrkultūrās.Tomēr galu galā izrādījās, ka mikroaļģes pielāgojās abu Nb-MXēnu klātbūtnei, jo ROS līmenis samazinājās līdz 85% un 91% no līmeņa, kas izmērīts mikroaļģu tīrkultūrās, kas inokulētas attiecīgi ar SL Nb2CTx un Nb4C3TX.Tas var norādīt, ka mikroaļģes laika gaitā jūtas ērtāk Nb-MXene klātbūtnē nekā tikai barotnē.
Mikroaļģes ir daudzveidīga fotosintētisko organismu grupa.Fotosintēzes laikā tie pārvērš atmosfēras oglekļa dioksīdu (CO2) par organisko oglekli.Fotosintēzes produkti ir glikoze un skābeklis79.Mums ir aizdomas, ka šādi izveidotajam skābeklim ir izšķiroša loma Nb-MXēnu oksidēšanā.Viens no iespējamiem skaidrojumiem tam ir tāds, ka diferenciālais aerācijas parametrs veidojas pie zema un augsta skābekļa parciālā spiediena ārpus Nb-MXene nanopārslām un iekšpusē.Tas nozīmē, ka visur, kur ir dažādu skābekļa parciālo spiedienu apgabali, apgabals ar zemāko līmeni veidos anodu 80, 81, 82. Šeit mikroaļģes veicina diferenciāli aerētu šūnu veidošanos uz MXene pārslu virsmas, kas to fotosintētisko īpašību dēļ ražo skābekli.Tā rezultātā veidojas biokorozijas produkti (šajā gadījumā niobija oksīdi).Vēl viens aspekts ir tas, ka mikroaļģes var ražot organiskās skābes, kas tiek izlaistas ūdenī83,84.Tāpēc veidojas agresīva vide, tādējādi mainot Nb-MXenes.Turklāt mikroaļģes var mainīt vides pH uz sārmainu oglekļa dioksīda absorbcijas dēļ, kas var izraisīt arī koroziju79.
Vēl svarīgāk ir tas, ka mūsu pētījumā izmantotais tumšais / gaišais fotoperiods ir būtisks, lai izprastu iegūtos rezultātus.Šis aspekts ir detalizēti aprakstīts Djemai-Zoghlache et al.85 Viņi apzināti izmantoja 12/12 stundu fotoperiodu, lai demonstrētu bioloģisko koroziju, kas saistīta ar sarkano mikroaļģu Porphyridium purpureum radīto bioloģisko piesārņojumu.Tie parāda, ka fotoperiods ir saistīts ar potenciāla evolūciju bez biokorozijas, kas izpaužas kā pseidoperiodiskas svārstības ap pulksten 24:00.Šos novērojumus apstiprināja Dowling et al.86 Viņi demonstrēja cianobaktērijas Anabaena fotosintēzes bioplēves.Gaismas iedarbībā veidojas izšķīdis skābeklis, kas saistīts ar brīvā biokorozijas potenciāla izmaiņām vai svārstībām.Fotoperioda nozīmi uzsver fakts, ka brīvais biokorozijas potenciāls gaišajā fāzē palielinās un tumšajā fāzē samazinās.Tas ir saistīts ar fotosintētisko mikroaļģu radīto skābekli, kas ietekmē katoda reakciju, izmantojot daļēju spiedienu, kas rodas elektrodu tuvumā87.
Papildus tika veikta Furjē transformācijas infrasarkanā spektroskopija (FTIR), lai noskaidrotu, vai mikroaļģu šūnu ķīmiskajā sastāvā ir notikušas izmaiņas pēc mijiedarbības ar Nb-MXenes.Šie iegūtie rezultāti ir sarežģīti, un mēs tos attēlojam SI (attēli S23-S25, ieskaitot MAX posma un ML MXenes rezultātus).Īsāk sakot, iegūtie mikroaļģu references spektri sniedz mums svarīgu informāciju par šo organismu ķīmiskajām īpašībām.Šīs visticamākās vibrācijas atrodas pie frekvencēm 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.viens.1 1 (C–H) un 3280 cm–1 (O–H).Attiecībā uz SL Nb-MXenes mēs atradām CH-saites stiepes parakstu, kas atbilst mūsu iepriekšējam pētījumam38.Tomēr mēs novērojām, ka daži papildu maksimumi, kas saistīti ar C = C un CH saitēm, pazuda.Tas norāda, ka mijiedarbības ar SL Nb-MXenes dēļ mikroaļģu ķīmiskais sastāvs var nedaudz mainīties.
Apsverot iespējamās izmaiņas mikroaļģu bioķīmijā, ir jāpārskata neorganisko oksīdu, piemēram, niobija oksīda, uzkrāšanās59.Tas ir iesaistīts metālu uzņemšanā ar šūnu virsmu, to transportēšanā citoplazmā, saistīšanā ar intracelulārām karboksilgrupām un to uzkrāšanā mikroaļģu polifosfosomās 20, 88, 89, 90.Turklāt attiecības starp mikroaļģēm un metāliem uztur šūnu funkcionālās grupas.Šī iemesla dēļ absorbcija ir atkarīga arī no mikroaļģu virsmas ķīmijas, kas ir diezgan sarežģīta9,91.Kopumā, kā gaidīts, zaļo mikroaļģu ķīmiskais sastāvs nedaudz mainījās Nb oksīda absorbcijas dēļ.
Interesanti, ka novērotā sākotnējā mikroaļģu inhibīcija laika gaitā bija atgriezeniska.Kā mēs novērojām, mikroaļģes pārvarēja sākotnējās vides izmaiņas un galu galā atgriezās normālā augšanas ātrumā un pat palielinājās.Zeta potenciāla pētījumi liecina par augstu stabilitāti, ievadot to barības vielu barotnē.Tādējādi visu reducēšanas eksperimentu laikā tika saglabāta virsmas mijiedarbība starp mikroaļģu šūnām un Nb-MXene nanopārslām.Turpmākajā analīzē mēs apkopojam galvenos darbības mehānismus, kas ir šīs ievērojamās mikroaļģu uzvedības pamatā.
SEM novērojumi liecina, ka mikroaļģēm ir tendence pievienoties Nb-MXenes.Izmantojot dinamisko attēla analīzi, mēs apstiprinām, ka šis efekts noved pie divdimensiju Nb-MXene nanopārslu pārvēršanas sfēriskākās daļiņās, tādējādi parādot, ka nanopārslu sadalīšanās ir saistīta ar to oksidāciju.Lai pārbaudītu mūsu hipotēzi, mēs veicām virkni materiālu un bioķīmisku pētījumu.Pēc testēšanas nanopārslas pakāpeniski oksidējās un sadalījās NbO un Nb2O5 produktos, kas neradīja draudus zaļajām mikroaļģēm.Izmantojot FTIR novērojumus, mēs neatradām būtiskas izmaiņas mikroaļģu ķīmiskajā sastāvā, kas inkubētas 2D Nb-MXene nanopārslu klātbūtnē.Ņemot vērā iespēju, ka mikroaļģes var absorbēt niobija oksīdu, mēs veicām rentgena fluorescences analīzi.Šie rezultāti skaidri parāda, ka pētītās mikroaļģes barojas ar niobija oksīdiem (NbO un Nb2O5), kas nav toksiski pētītajām mikroaļģēm.