Terima kasih kerana melawat Nature.com.Anda menggunakan versi penyemak imbas dengan sokongan CSS terhad.Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan penyemak imbas yang dikemas kini (atau lumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer).Sementara itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami akan menjadikan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Memaparkan karusel tiga slaid serentak.Gunakan butang Sebelum dan Seterusnya untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa, atau gunakan butang gelangsar pada penghujung untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa.
Perkembangan pesat nanoteknologi dan integrasinya ke dalam aplikasi harian boleh mengancam alam sekitar.Walaupun kaedah hijau untuk degradasi bahan cemar organik sudah mantap, pemulihan bahan cemar kristal bukan organik menjadi kebimbangan utama kerana kepekaan mereka yang rendah terhadap biotransformasi dan kekurangan pemahaman tentang interaksi permukaan bahan dengan yang biologi.Di sini, kami menggunakan model MXenes 2D bukan organik berasaskan Nb yang digabungkan dengan kaedah analisis parameter bentuk mudah untuk mengesan mekanisme bioremediasi bahan nano seramik 2D oleh mikroalga hijau Raphidocelis subcapitata.Kami mendapati bahawa mikroalga merendahkan MXenes berasaskan Nb disebabkan oleh interaksi fiziko-kimia yang berkaitan dengan permukaan.Pada mulanya, nanoflakes MXene satu lapisan dan berbilang lapisan dilekatkan pada permukaan mikroalga, yang sedikit sebanyak mengurangkan pertumbuhan alga.Walau bagaimanapun, selepas interaksi yang berpanjangan dengan permukaan, mikroalga mengoksidakan nanoflake MXene dan seterusnya menguraikannya kepada NbO dan Nb2O5.Oleh kerana oksida ini tidak toksik kepada sel mikroalga, ia menggunakan nanopartikel Nb oksida melalui mekanisme penyerapan yang memulihkan mikroalga selepas rawatan air selama 72 jam.Kesan nutrien yang berkaitan dengan penyerapan juga dicerminkan dalam peningkatan jumlah sel, bentuk licin dan perubahan dalam kadar pertumbuhan.Berdasarkan penemuan ini, kami menyimpulkan bahawa kehadiran jangka pendek dan jangka panjang MXenes berasaskan Nb dalam ekosistem air tawar hanya boleh menyebabkan kesan alam sekitar yang kecil.Perlu diperhatikan bahawa, menggunakan bahan nano dua dimensi sebagai sistem model, kami menunjukkan kemungkinan menjejaki perubahan bentuk walaupun dalam bahan berbutir halus.Secara keseluruhannya, kajian ini menjawab persoalan asas yang penting tentang proses berkaitan interaksi permukaan yang memacu mekanisme bioremediasi bahan nano 2D dan menyediakan asas untuk kajian jangka pendek dan jangka panjang selanjutnya tentang kesan alam sekitar bahan nano kristal tak organik.
Bahan nano telah menjana banyak minat sejak penemuan mereka, dan pelbagai teknologi nano baru-baru ini memasuki fasa pemodenan1.Malangnya, penyepaduan bahan nano ke dalam aplikasi harian boleh menyebabkan pengeluaran tidak sengaja disebabkan oleh pelupusan yang tidak betul, pengendalian cuai atau infrastruktur keselamatan yang tidak mencukupi.Oleh itu, adalah munasabah untuk mengandaikan bahawa bahan nano, termasuk bahan nano dua dimensi (2D), boleh dilepaskan ke dalam persekitaran semula jadi, tingkah laku dan aktiviti biologi yang belum difahami sepenuhnya.Oleh itu, tidak menghairankan bahawa kebimbangan ekotoksisitas tertumpu pada keupayaan bahan nano 2D untuk meresap ke dalam sistem akuatik2,3,4,5,6.Dalam ekosistem ini, beberapa bahan nano 2D boleh berinteraksi dengan pelbagai organisma pada tahap trofik yang berbeza, termasuk mikroalga.
Mikroalga ialah organisma primitif yang ditemui secara semula jadi dalam ekosistem air tawar dan marin yang menghasilkan pelbagai produk kimia melalui fotosintesis7.Oleh yang demikian, ia adalah kritikal kepada ekosistem akuatik8,9,10,11,12 tetapi juga merupakan penunjuk ekotoksisiti yang sensitif, murah dan digunakan secara meluas13,14.Oleh kerana sel mikroalga membiak dengan cepat dan cepat bertindak balas terhadap kehadiran pelbagai sebatian, mereka menjanjikan pembangunan kaedah mesra alam untuk merawat air yang tercemar dengan bahan organik15,16.
Sel alga boleh mengeluarkan ion tak organik daripada air melalui biosorpsi dan pengumpulan17,18.Beberapa spesies alga seperti Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue dan Synechococcus sp.Ia didapati membawa dan juga menyuburkan ion logam toksik seperti Fe2+, Cu2+, Zn2+ dan Mn2+19.Kajian lain telah menunjukkan bahawa ion Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ atau Pb2+ mengehadkan pertumbuhan Scenedesmus dengan mengubah morfologi sel dan memusnahkan kloroplasnya20,21.
Kaedah hijau untuk penguraian bahan pencemar organik dan penyingkiran ion logam berat telah menarik perhatian saintis dan jurutera di seluruh dunia.Ini disebabkan terutamanya oleh fakta bahawa bahan cemar ini mudah diproses dalam fasa cecair.Walau bagaimanapun, bahan pencemar kristal bukan organik dicirikan oleh keterlarutan air yang rendah dan kerentanan yang rendah kepada pelbagai biotransformasi, yang menyebabkan kesukaran besar dalam pemulihan, dan sedikit kemajuan telah dicapai dalam kawasan ini22,23,24,25,26.Oleh itu, pencarian penyelesaian mesra alam untuk pembaikan bahan nano kekal sebagai kawasan yang kompleks dan belum diterokai.Disebabkan tahap ketidakpastian yang tinggi mengenai kesan biotransformasi bahan nano 2D, tidak ada cara mudah untuk mengetahui kemungkinan laluan kemerosotannya semasa pengurangan.
Dalam kajian ini, kami menggunakan mikroalga hijau sebagai agen bioremediasi akueus aktif untuk bahan seramik bukan organik, digabungkan dengan pemantauan in situ proses degradasi MXene sebagai wakil bahan seramik bukan organik.Istilah "MXene" mencerminkan stoikiometri bahan Mn+1XnTx, di mana M ialah logam peralihan awal, X ialah karbon dan/atau nitrogen, Tx ialah penamat permukaan (cth, -OH, -F, -Cl), dan n = 1, 2, 3 atau 427.28.Sejak penemuan MXenes oleh Naguib et al.Sensorik, terapi kanser dan penapisan membran 27,29,30.Di samping itu, MXenes boleh dianggap sebagai sistem model 2D kerana kestabilan koloid yang sangat baik dan kemungkinan interaksi biologi31,32,33,34,35,36.
Oleh itu, metodologi yang dibangunkan dalam artikel ini dan hipotesis penyelidikan kami ditunjukkan dalam Rajah 1. Menurut hipotesis ini, mikroalga merendahkan MXenes berasaskan Nb kepada sebatian bukan toksik disebabkan oleh interaksi fiziko-kimia berkaitan permukaan, yang membolehkan pemulihan selanjutnya alga.Untuk menguji hipotesis ini, dua ahli keluarga karbida logam peralihan berasaskan niobium awal dan/atau nitrida (MXenes), iaitu Nb2CTx dan Nb4C3TX, telah dipilih.
Metodologi penyelidikan dan hipotesis berasaskan bukti untuk pemulihan MXene oleh mikroalga hijau Raphidocelis subcapitata.Sila ambil perhatian bahawa ini hanyalah perwakilan skematik andaian berasaskan bukti.Persekitaran tasik berbeza dalam medium nutrien yang digunakan dan keadaan (cth, kitaran harian dan had dalam nutrien penting yang ada).Dicipta dengan BioRender.com.
Oleh itu, dengan menggunakan MXene sebagai sistem model, kami telah membuka pintu kepada kajian pelbagai kesan biologi yang tidak dapat diperhatikan dengan bahan nano konvensional yang lain.Khususnya, kami menunjukkan kemungkinan bioremediasi bahan nano dua dimensi, seperti MXenes berasaskan niobium, oleh mikroalga Raphidocelis subcapitata.Mikroalga mampu merendahkan Nb-MXenes kepada oksida bukan toksik NbO dan Nb2O5, yang juga menyediakan nutrien melalui mekanisme pengambilan niobium.Secara keseluruhannya, kajian ini menjawab soalan asas yang penting tentang proses yang berkaitan dengan interaksi fizikokimia permukaan yang mengawal mekanisme bioremediasi bahan nano dua dimensi.Selain itu, kami sedang membangunkan kaedah berasaskan parameter bentuk yang mudah untuk menjejaki perubahan halus dalam bentuk bahan nano 2D.Ini memberi inspirasi kepada penyelidikan jangka pendek dan jangka panjang lanjut ke dalam pelbagai kesan alam sekitar bahan nano kristal tak organik.Oleh itu, kajian kami meningkatkan pemahaman tentang interaksi antara permukaan bahan dan bahan biologi.Kami juga menyediakan asas untuk kajian jangka pendek dan jangka panjang yang diperluas tentang kemungkinan kesannya terhadap ekosistem air tawar, yang kini boleh disahkan dengan mudah.
MXenes mewakili kelas bahan yang menarik dengan sifat fizikal dan kimia yang unik dan menarik dan oleh itu banyak aplikasi yang berpotensi.Sifat-sifat ini sebahagian besarnya bergantung pada stoikiometri dan kimia permukaannya.Oleh itu, dalam kajian kami, kami menyiasat dua jenis MXenes lapisan tunggal (SL) hierarki berasaskan Nb, Nb2CTx dan Nb4C3TX, kerana kesan biologi yang berbeza dari bahan nano ini boleh diperhatikan.MXenes dihasilkan daripada bahan permulaannya dengan etsa terpilih atas ke bawah lapisan MAX fasa A yang nipis secara atom.Fasa MAX ialah seramik terner yang terdiri daripada blok "terikat" karbida logam peralihan dan lapisan nipis unsur "A" seperti Al, Si, dan Sn dengan stoikiometri MnAXn-1.Morfologi fasa MAX awal diperhatikan dengan mengimbas mikroskop elektron (SEM) dan konsisten dengan kajian terdahulu (Lihat Maklumat Tambahan, SI, Rajah S1).Multilayer (ML) Nb-MXene diperolehi selepas mengeluarkan lapisan Al dengan 48% HF (asid hidrofluorik).Morfologi ML-Nb2CTx dan ML-Nb4C3TX telah diperiksa dengan mengimbas mikroskop elektron (SEM) (Rajah S1c dan S1d masing-masing) dan morfologi MXene berlapis biasa diperhatikan, serupa dengan nanoflakes dua dimensi yang melalui celah seperti liang memanjang.Kedua-dua Nb-MXenes mempunyai banyak persamaan dengan fasa MXene yang sebelum ini disintesis oleh etsa asid27,38.Selepas mengesahkan struktur MXene, kami melapisinya dengan interkalasi tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) diikuti dengan mencuci dan sonikasi, selepas itu kami memperoleh nanoflakes 2D Nb-MXene lapisan tunggal atau lapisan rendah (SL).
Kami menggunakan mikroskop elektron penghantaran resolusi tinggi (HRTEM) dan pembelauan sinar-X (XRD) untuk menguji kecekapan pengelasan dan pengelupasan selanjutnya.Keputusan HRTEM yang diproses menggunakan Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) dan Fast Fourier Transform (FFT) ditunjukkan dalam Rajah 2. Nb-MXene nanoflakes berorientasikan tepi ke atas untuk memeriksa struktur lapisan atom dan mengukur jarak antara satah.Imej HRTEM bagi nanoflakes MXene Nb2CTx dan Nb4C3TX mendedahkan sifat lapisan nipis atomnya (lihat Rajah 2a1, a2), seperti yang dilaporkan sebelum ini oleh Naguib et al.27 dan Jastrzębska et al.38.Untuk dua lapisan tunggal Nb2CTx dan Nb4C3Tx yang bersebelahan, kami menentukan jarak interlayer masing-masing 0.74 dan 1.54 nm (Rajah 2b1, b2), yang juga bersetuju dengan keputusan kami sebelum ini38.Ini selanjutnya disahkan oleh transformasi Fourier pantas songsang (Rajah 2c1, c2) dan transformasi Fourier pantas (Rajah 2d1, d2) yang menunjukkan jarak antara lapisan tunggal Nb2CTx dan Nb4C3Tx.Imej menunjukkan silih berganti jalur terang dan gelap sepadan dengan niobium dan atom karbon, yang mengesahkan sifat berlapis MXenes yang dikaji.Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa spektroskopi sinar-X (EDX) penyebaran tenaga yang diperolehi untuk Nb2CTx dan Nb4C3Tx (Rajah S2a dan S2b) tidak menunjukkan saki-baki fasa MAX asal, kerana tiada puncak Al dikesan.
Pencirian nanoflakes SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx MXene, termasuk (a) pengimejan nanoflake 2D pandangan sisi mikroskop elektron resolusi tinggi (HRTEM) dan sepadan, (b) mod intensiti, (c) transformasi Fourier pantas songsang (IFFT), (d) transformasi Fourier pantas (FFT), (e) corak X Nb-MXene.Untuk SL 2D Nb2CTx, nombor dinyatakan sebagai (a1, b1, c1, d1, e1).Untuk SL 2D Nb4C3Tx, nombor dinyatakan sebagai (a2, b2, c2, d2, e1).
Pengukuran pembelauan sinar-X SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx MXenes ditunjukkan dalam Rajah.2e1 dan e2, masing-masing.Puncak (002) pada 4.31 dan 4.32 sepadan dengan MXenes Nb2CTx dan Nb4C3TX38,39,40,41 berlapis yang diterangkan sebelumnya.Keputusan XRD juga menunjukkan kehadiran beberapa struktur ML sisa dan fasa MAX, tetapi kebanyakannya corak XRD dikaitkan dengan SL Nb4C3Tx (Rajah 2e2).Kehadiran zarah yang lebih kecil daripada fasa MAX mungkin menjelaskan puncak MAX yang lebih kuat berbanding lapisan Nb4C3Tx yang disusun secara rawak.
Penyelidikan lanjut telah memberi tumpuan kepada mikroalga hijau kepunyaan spesies R. subcapitata.Kami memilih mikroalga kerana ia merupakan pengeluar penting yang terlibat dalam siratan makanan utama42.Ia juga merupakan salah satu penunjuk ketoksikan terbaik kerana keupayaan untuk mengeluarkan bahan toksik yang dibawa ke tahap rantai makanan yang lebih tinggi43.Di samping itu, penyelidikan tentang R. subcapitata mungkin memberi penerangan tentang ketoksikan sampingan SL Nb-MXenes kepada mikroorganisma air tawar biasa.Untuk menggambarkan ini, para penyelidik membuat hipotesis bahawa setiap mikrob mempunyai sensitiviti yang berbeza terhadap sebatian toksik yang terdapat dalam alam sekitar.Bagi kebanyakan organisma, kepekatan bahan yang rendah tidak menjejaskan pertumbuhannya, manakala kepekatan melebihi had tertentu boleh menghalangnya atau bahkan menyebabkan kematian.Oleh itu, untuk kajian kami tentang interaksi permukaan antara mikroalga dan MXenes dan pemulihan yang berkaitan, kami memutuskan untuk menguji kepekatan Nb-MXenes yang tidak berbahaya dan toksik.Untuk melakukan ini, kami menguji kepekatan 0 (sebagai rujukan), 0.01, 0.1 dan 10 mg l-1 MXene dan mikroalga tambahan yang dijangkiti dengan kepekatan MXene yang sangat tinggi (100 mg l-1 MXene), yang boleh menjadi melampau dan maut..untuk mana-mana persekitaran biologi.
Kesan SL Nb-MXenes pada mikroalga ditunjukkan dalam Rajah 3, dinyatakan sebagai peratusan promosi pertumbuhan (+) atau perencatan (-) yang diukur untuk 0 mg l-1 sampel.Sebagai perbandingan, fasa Nb-MAX dan ML Nb-MXenes juga telah diuji dan hasilnya ditunjukkan dalam SI (lihat Rajah S3).Keputusan yang diperolehi mengesahkan bahawa SL Nb-MXenes hampir tidak mempunyai ketoksikan sepenuhnya dalam julat kepekatan rendah dari 0.01 hingga 10 mg/l, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3a,b.Dalam kes Nb2CTx, kami memerhatikan tidak lebih daripada 5% ekotoksisitas dalam julat yang ditentukan.
Rangsangan (+) atau perencatan (-) pertumbuhan mikroalga dengan kehadiran SL (a) Nb2CTx dan (b) Nb4C3TX MXene.24, 48 dan 72 jam interaksi MXene-mikroalga dianalisis. Data penting (ujian-t, p <0.05) ditandakan dengan asterisk (*). Data penting (ujian-t, p <0.05) ditandakan dengan asterisk (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Data penting (ujian-t, p < 0.05) ditandakan dengan asterisk (*).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 (ujian-t, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Data penting (ujian-t, p < 0.05) ditandakan dengan asterisk (*).Anak panah merah menunjukkan pemansuhan rangsangan perencatan.
Sebaliknya, kepekatan rendah Nb4C3TX ternyata lebih toksik sedikit, tetapi tidak lebih tinggi daripada 7%.Seperti yang dijangkakan, kami mendapati bahawa MXenes mempunyai ketoksikan yang lebih tinggi dan perencatan pertumbuhan mikroalga pada 100mg L-1.Menariknya, tiada bahan menunjukkan trend dan pergantungan masa yang sama kesan toksik/toksik berbanding sampel MAX atau ML (lihat SI untuk butiran).Manakala untuk ketoksikan fasa MAX (lihat Rajah S3) mencapai kira-kira 15–25% dan meningkat mengikut masa, arah aliran terbalik diperhatikan untuk SL Nb2CTx dan Nb4C3TX MXene.Perencatan pertumbuhan mikroalga menurun dari semasa ke semasa.Ia mencapai kira-kira 17% selepas 24 jam dan menurun kepada kurang daripada 5% selepas 72 jam (Rajah 3a, b, masing-masing).
Lebih penting lagi, untuk SL Nb4C3TX, perencatan pertumbuhan mikroalga mencapai kira-kira 27% selepas 24 jam, tetapi selepas 72 jam ia menurun kepada kira-kira 1%.Oleh itu, kami melabelkan kesan yang diperhatikan sebagai perencatan songsang rangsangan, dan kesannya lebih kuat untuk SL Nb4C3TX MXene.Rangsangan pertumbuhan mikroalga telah diperhatikan lebih awal dengan Nb4C3TX (interaksi pada 10 mg L-1 selama 24 jam) berbanding dengan SL Nb2CTx MXene.Kesan pembalikan perencatan-stimulasi juga ditunjukkan dengan baik dalam lengkung kadar penggandaan biojisim (lihat Rajah S4 untuk butiran).Setakat ini, hanya ekotoksisitas Ti3C2TX MXene telah dikaji dengan cara yang berbeza.Ia tidak toksik kepada embrio ikan zebra44 tetapi secara sederhana ekotoksik kepada mikroalga Desmodesmus quadricauda dan tumbuhan Sorghum saccharatum45.Contoh lain kesan khusus termasuk ketoksikan yang lebih tinggi kepada saluran sel kanser berbanding garisan sel normal46,47.Ia boleh diandaikan bahawa keadaan ujian akan mempengaruhi perubahan dalam pertumbuhan mikroalga yang diperhatikan dengan kehadiran Nb-MXenes.Sebagai contoh, pH kira-kira 8 dalam stroma kloroplas adalah optimum untuk operasi enzim RuBisCO yang cekap.Oleh itu, perubahan pH memberi kesan negatif kepada kadar fotosintesis48,49.Walau bagaimanapun, kami tidak melihat perubahan ketara dalam pH semasa eksperimen (lihat SI, Rajah S5 untuk butiran).Secara umum, kultur mikroalga dengan Nb-MXenes sedikit mengurangkan pH larutan dari semasa ke semasa.Walau bagaimanapun, penurunan ini adalah serupa dengan perubahan dalam pH medium tulen.Di samping itu, julat variasi yang ditemui adalah serupa dengan yang diukur untuk kultur tulen mikroalga (sampel kawalan).Oleh itu, kami menyimpulkan bahawa fotosintesis tidak terjejas oleh perubahan pH dari semasa ke semasa.
Di samping itu, MXene yang disintesis mempunyai penghujung permukaan (ditandakan sebagai Tx).Ini terutamanya kumpulan berfungsi -O, -F dan -OH.Walau bagaimanapun, kimia permukaan berkaitan secara langsung dengan kaedah sintesis.Kumpulan ini diketahui diedarkan secara rawak ke atas permukaan, menjadikannya sukar untuk meramalkan kesannya terhadap sifat MXene50.Ia boleh dikatakan bahawa Tx boleh menjadi daya pemangkin untuk pengoksidaan niobium oleh cahaya.Kumpulan berfungsi permukaan sememangnya menyediakan beberapa tapak penambat untuk fotomangkin asas mereka untuk membentuk heterojunctions51.Walau bagaimanapun, komposisi medium pertumbuhan tidak memberikan fotomangkin yang berkesan (komposisi sederhana terperinci boleh didapati dalam SI Jadual S6).Di samping itu, sebarang pengubahsuaian permukaan juga sangat penting, kerana aktiviti biologi MXenes boleh diubah disebabkan oleh pemprosesan pasca lapisan, pengoksidaan, pengubahsuaian permukaan kimia bagi sebatian organik dan bukan organik52,53,54,55,56 atau kejuruteraan cas permukaan38.Oleh itu, untuk menguji sama ada niobium oksida mempunyai kaitan dengan ketidakstabilan bahan dalam medium, kami menjalankan kajian potensi zeta (ζ) dalam medium pertumbuhan mikroalga dan air ternyahion (untuk perbandingan).Keputusan kami menunjukkan bahawa SL Nb-MXenes agak stabil (lihat SI Rajah S6 untuk keputusan MAX dan ML).Potensi zeta SL MXenes ialah kira-kira -10 mV.Dalam kes SR Nb2CTx, nilai ζ agak lebih negatif daripada Nb4C3Tx.Perubahan dalam nilai ζ sedemikian mungkin menunjukkan bahawa permukaan nanoflakes MXene bercas negatif menyerap ion bercas positif daripada medium kultur.Pengukuran temporal potensi zeta dan kekonduksian Nb-MXenes dalam medium kultur (lihat Rajah S7 dan S8 dalam SI untuk butiran lanjut) nampaknya menyokong hipotesis kami.
Walau bagaimanapun, kedua-dua Nb-MXene SLs menunjukkan perubahan minimum daripada sifar.Ini jelas menunjukkan kestabilan mereka dalam medium pertumbuhan mikroalga.Di samping itu, kami menilai sama ada kehadiran mikroalga hijau kami akan menjejaskan kestabilan Nb-MXenes dalam medium.Keputusan potensi zeta dan kekonduksian MXenes selepas interaksi dengan mikroalga dalam media nutrien dan budaya dari masa ke masa boleh didapati dalam SI (Rajah S9 dan S10).Menariknya, kami mendapati bahawa kehadiran mikroalga seolah-olah menstabilkan penyebaran kedua-dua MXenes.Dalam kes Nb2CTx SL, potensi zeta walaupun sedikit menurun dari semasa ke semasa kepada nilai yang lebih negatif (-15.8 berbanding -19.1 mV selepas 72 jam pengeraman).Potensi zeta SL Nb4C3TX sedikit meningkat, tetapi selepas 72 jam ia masih menunjukkan kestabilan yang lebih tinggi daripada nanoflakes tanpa kehadiran mikroalga (-18.1 vs. -9.1 mV).
Kami juga mendapati kekonduksian yang lebih rendah bagi larutan Nb-MXene yang diinkubasi dengan kehadiran mikroalga, menunjukkan jumlah ion yang lebih rendah dalam medium nutrien.Terutamanya, ketidakstabilan MXenes dalam air adalah disebabkan terutamanya oleh pengoksidaan permukaan57.Oleh itu, kami mengesyaki bahawa mikroalga hijau entah bagaimana membersihkan oksida yang terbentuk pada permukaan Nb-MXene dan juga menghalang kejadiannya (pengoksidaan MXene).Ini dapat dilihat dengan mengkaji jenis bahan yang diserap oleh mikroalga.
Walaupun kajian ekotoksikologi kami menunjukkan bahawa mikroalga dapat mengatasi ketoksikan Nb-MXenes dari semasa ke semasa dan perencatan luar biasa pertumbuhan yang dirangsang, tujuan kajian kami adalah untuk menyiasat kemungkinan mekanisme tindakan.Apabila organisma seperti alga terdedah kepada sebatian atau bahan yang tidak dikenali dengan ekosistemnya, mereka mungkin bertindak balas dalam pelbagai cara58,59.Dengan ketiadaan oksida logam toksik, mikroalga boleh memberi makan kepada diri mereka sendiri, membolehkan mereka berkembang secara berterusan60.Selepas pengambilan bahan toksik, mekanisme pertahanan mungkin diaktifkan, seperti mengubah bentuk atau bentuk.Kemungkinan penyerapan juga mesti dipertimbangkan58,59.Terutama, sebarang tanda mekanisme pertahanan adalah penunjuk jelas ketoksikan sebatian ujian.Oleh itu, dalam kerja kami selanjutnya, kami menyiasat potensi interaksi permukaan antara nanoflakes SL Nb-MXene dan mikroalga oleh SEM dan kemungkinan penyerapan MXene berasaskan Nb oleh spektroskopi pendarfluor sinar-X (XRF).Ambil perhatian bahawa analisis SEM dan XRF hanya dilakukan pada kepekatan tertinggi MXene untuk menangani isu ketoksikan aktiviti.
Keputusan SEM ditunjukkan dalam Rajah.4.Sel mikroalga yang tidak dirawat (lihat Rajah 4a, sampel rujukan) jelas menunjukkan morfologi R. subcapitata tipikal dan bentuk sel seperti croissant.Sel kelihatan rata dan agak tidak teratur.Sesetengah sel mikroalga bertindih dan terikat antara satu sama lain, tetapi ini mungkin disebabkan oleh proses penyediaan sampel.Secara amnya, sel mikroalga tulen mempunyai permukaan licin dan tidak menunjukkan sebarang perubahan morfologi.
Imej SEM menunjukkan interaksi permukaan antara mikroalga hijau dan lembaran nano MXene selepas 72 jam interaksi pada kepekatan melampau (100 mg L-1).(a) Mikroalga hijau yang tidak dirawat selepas interaksi dengan SL (b) Nb2CTx dan (c) Nb4C3TX MXenes.Ambil perhatian bahawa nanoflakes Nb-MXene ditandakan dengan anak panah merah.Sebagai perbandingan, gambar dari mikroskop optik juga ditambah.
Sebaliknya, sel mikroalga yang diserap oleh nanoflakes SL Nb-MXene telah rosak (lihat Rajah 4b, c, anak panah merah).Dalam kes Nb2CTx MXene (Rajah 4b), mikroalga cenderung tumbuh dengan skala nano dua dimensi yang dilampirkan, yang boleh mengubah morfologinya.Terutama, kami juga melihat perubahan ini di bawah mikroskop cahaya (lihat Rajah SI S11 untuk butiran).Peralihan morfologi ini mempunyai asas yang munasabah dalam fisiologi mikroalga dan keupayaan mereka untuk mempertahankan diri dengan mengubah morfologi sel, seperti meningkatkan jumlah sel61.Oleh itu, adalah penting untuk memeriksa bilangan sel mikroalga yang sebenarnya bersentuhan dengan Nb-MXenes.Kajian SEM menunjukkan bahawa kira-kira 52% daripada sel mikroalga terdedah kepada Nb-MXenes, manakala 48% daripada sel mikroalga ini mengelakkan sentuhan.Untuk SL Nb4C3Tx MXene, mikroalga cuba mengelakkan sentuhan dengan MXene, dengan itu menyetempat dan berkembang daripada skala nano dua dimensi (Rajah 4c).Walau bagaimanapun, kami tidak memerhatikan penembusan skala nano ke dalam sel mikroalga dan kerosakannya.
Pemeliharaan diri juga merupakan tingkah laku tindak balas yang bergantung kepada masa kepada penyumbatan fotosintesis disebabkan oleh penjerapan zarah pada permukaan sel dan apa yang dipanggil kesan teduhan (teduhan)62.Adalah jelas bahawa setiap objek (contohnya, nanoflakes Nb-MXene) yang berada di antara mikroalga dan sumber cahaya mengehadkan jumlah cahaya yang diserap oleh kloroplas.Walau bagaimanapun, kami tidak ragu-ragu bahawa ini mempunyai kesan yang ketara ke atas keputusan yang diperolehi.Seperti yang ditunjukkan oleh pemerhatian mikroskopik kami, nanoflakes 2D tidak sepenuhnya dibalut atau melekat pada permukaan mikroalga, walaupun apabila sel mikroalga bersentuhan dengan Nb-MXenes.Sebaliknya, nanoflakes ternyata berorientasikan kepada sel mikroalga tanpa menutup permukaannya.Satu set nanoflakes/mikroalga tidak boleh mengehadkan jumlah cahaya yang diserap oleh sel mikroalga dengan ketara.Selain itu, beberapa kajian telah menunjukkan peningkatan dalam penyerapan cahaya oleh organisma fotosintesis dengan kehadiran bahan nano dua dimensi63,64,65,66.
Oleh kerana imej SEM tidak dapat secara langsung mengesahkan pengambilan niobium oleh sel mikroalga, kajian lanjut kami beralih kepada analisis pendarfluor sinar-X (XRF) dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) untuk menjelaskan isu ini.Oleh itu, kami membandingkan keamatan puncak Nb sampel mikroalga rujukan yang tidak berinteraksi dengan MXenes, nanoflakes MXene yang terpisah dari permukaan sel mikroalga, dan sel mikroalga selepas penyingkiran MXenes yang melekat.Perlu diingat bahawa jika tiada pengambilan Nb, nilai Nb yang diperoleh oleh sel mikroalga hendaklah sifar selepas penyingkiran skala nano yang dilampirkan.Oleh itu, jika pengambilan Nb berlaku, kedua-dua keputusan XRF dan XPS harus menunjukkan puncak Nb yang jelas.
Dalam kes spektrum XRF, sampel mikroalga menunjukkan puncak Nb untuk SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx MXene selepas interaksi dengan SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx MXene (lihat Rajah 5a, juga ambil perhatian bahawa keputusan untuk MAX dan ML MXene ditunjukkan dalam SI, Rajah S12–C17).Menariknya, keamatan puncak Nb adalah sama dalam kedua-dua kes (bar merah dalam Rajah 5a).Ini menunjukkan bahawa alga tidak dapat menyerap lebih banyak Nb, dan kapasiti maksimum untuk pengumpulan Nb telah dicapai dalam sel, walaupun dua kali lebih banyak Nb4C3Tx MXene telah dilekatkan pada sel mikroalga (bar biru dalam Rajah 5a).Terutamanya, keupayaan mikroalga untuk menyerap logam bergantung kepada kepekatan oksida logam dalam persekitaran67,68.Shamshada et al.67 mendapati bahawa kapasiti penyerapan alga air tawar berkurangan dengan peningkatan pH.Raize et al.68 menyatakan bahawa keupayaan rumpai laut untuk menyerap logam adalah kira-kira 25% lebih tinggi untuk Pb2+ berbanding Ni2+.
(a) Keputusan XRF pengambilan basal Nb oleh sel mikroalga hijau yang diinkubasi pada kepekatan melampau SL Nb-MXenes (100 mg L-1) selama 72 jam.Keputusan menunjukkan kehadiran α dalam sel mikroalga tulen (sampel kawalan, lajur kelabu), nanoflakes 2D diasingkan daripada sel mikroalga permukaan (lajur biru), dan sel mikroalga selepas pemisahan nanoflakes 2D dari permukaan (lajur merah).Jumlah unsur Nb, ( b) peratusan komposisi kimia komponen organik mikroalga (C=O dan CHx/C–O) dan Nb oksida yang terdapat dalam sel mikroalga selepas pengeraman dengan SL Nb-MXenes, (c–e) Pemasangan puncak komposisi XPS SL Nb2CTx spektrum dan (fh) SLxga.MXeneC dalaman sel spektra dan (fh) SLxga.
Oleh itu, kami menjangkakan bahawa Nb boleh diserap oleh sel alga dalam bentuk oksida.Untuk menguji ini, kami melakukan kajian XPS pada MXenes Nb2CTx dan Nb4C3TX dan sel alga.Keputusan interaksi mikroalga dengan Nb-MXenes dan MXenes yang diasingkan daripada sel alga ditunjukkan dalam Rajah.5b.Seperti yang dijangkakan, kami mengesan puncak Nb 3d dalam sampel mikroalga selepas penyingkiran MXene dari permukaan mikroalga.Penentuan kuantitatif C=O, CHx/CO, dan Nb oksida dikira berdasarkan spektrum Nb 3d, O 1s, dan C 1s yang diperoleh dengan Nb2CTx SL (Rajah 5c–e) dan Nb4C3Tx SL (Rajah 5c–e).) diperoleh daripada mikroalga yang diinkubasi.Rajah 5f–h) MXenes.Jadual S1-3 menunjukkan butiran parameter puncak dan kimia keseluruhan yang terhasil daripada kesesuaian.Perlu diperhatikan bahawa kawasan Nb 3d Nb2CTx SL dan Nb4C3Tx SL (Rajah 5c, f) sepadan dengan satu komponen Nb2O5.Di sini, kami mendapati tiada puncak berkaitan MXene dalam spektrum, menunjukkan bahawa sel mikroalga hanya menyerap bentuk oksida Nb.Di samping itu, kami menganggarkan spektrum C 1 s dengan komponen C–C, CHx/C–O, C=O dan –COOH.Kami memberikan puncak CHx / C-O dan C = O kepada sumbangan organik sel mikroalga.Komponen organik ini menyumbang 36% dan 41% daripada puncak C 1s dalam Nb2CTx SL dan Nb4C3TX SL, masing-masing.Kami kemudiannya memasang spektrum O 1s SL Nb2CTx dan SL Nb4C3TX dengan Nb2O5, komponen organik mikroalga (CHx/CO), dan air terjerap permukaan.
Akhirnya, keputusan XPS jelas menunjukkan bentuk Nb, bukan hanya kehadirannya.Mengikut kedudukan isyarat Nb 3d dan hasil dekonvolusi, kami mengesahkan bahawa Nb hanya diserap dalam bentuk oksida dan bukan ion atau MXene itu sendiri.Di samping itu, keputusan XPS menunjukkan bahawa sel mikroalga mempunyai keupayaan yang lebih besar untuk mengambil Nb oksida daripada SL Nb2CTx berbanding SL Nb4C3TX MXene.
Walaupun keputusan pengambilan Nb kami mengagumkan dan membolehkan kami mengenal pasti kemerosotan MXene, tiada kaedah tersedia untuk mengesan perubahan morfologi yang berkaitan dalam nanoflake 2D.Oleh itu, kami juga memutuskan untuk membangunkan kaedah yang sesuai yang boleh bertindak balas secara langsung kepada sebarang perubahan yang berlaku dalam nanoflakes 2D Nb-MXene dan sel mikroalga.Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa kita menganggap bahawa jika spesies yang berinteraksi mengalami sebarang transformasi, penguraian atau defragmentasi, ini harus dengan cepat menjelma dirinya sebagai perubahan dalam parameter bentuk, seperti diameter kawasan bulat yang setara, kebulatan, lebar Feret atau panjang Feret.Memandangkan parameter ini sesuai untuk menerangkan zarah memanjang atau nanoflakes dua dimensi, pengesanannya melalui analisis bentuk zarah dinamik akan memberi kita maklumat berharga tentang transformasi morfologi nanoflakes SL Nb-MXene semasa pengurangan.
Keputusan yang diperolehi ditunjukkan dalam Rajah 6. Sebagai perbandingan, kami juga menguji fasa MAX asal dan ML-MXenes (lihat Rajah SI S18 dan S19).Analisis dinamik bentuk zarah menunjukkan bahawa semua parameter bentuk dua Nb-MXene SLs berubah dengan ketara selepas interaksi dengan mikroalga.Seperti yang ditunjukkan oleh parameter diameter kawasan bulatan yang setara (Rajah 6a, b), keamatan puncak yang dikurangkan bagi pecahan nanoflakes besar menunjukkan bahawa ia cenderung untuk mereput menjadi serpihan yang lebih kecil.Pada rajah.6c, d menunjukkan penurunan puncak yang dikaitkan dengan saiz melintang kepingan (pemanjangan nanoflakes), menunjukkan transformasi nanoflakes 2D kepada bentuk yang lebih seperti zarah.Rajah 6e-h menunjukkan lebar dan panjang Feret, masing-masing.Lebar dan panjang feret adalah parameter pelengkap dan oleh itu harus dipertimbangkan bersama.Selepas pengeraman nanoflakes 2D Nb-MXene dengan kehadiran mikroalga, puncak korelasi Feret mereka beralih dan keamatannya berkurangan.Berdasarkan keputusan ini dalam kombinasi dengan morfologi, XRF dan XPS, kami membuat kesimpulan bahawa perubahan yang diperhatikan sangat berkaitan dengan pengoksidaan kerana MXene yang teroksida menjadi lebih berkedut dan terurai kepada serpihan dan zarah oksida sfera69,70.
Analisis transformasi MXene selepas interaksi dengan mikroalga hijau.Analisis bentuk zarah dinamik mengambil kira parameter seperti (a, b) diameter kawasan bulat yang setara, (c, d) kebulatan, (e, f) Lebar feret dan (g, h) Panjang feret.Untuk tujuan ini, dua sampel mikroalga rujukan telah dianalisis bersama-sama dengan SL Nb2CTx primer dan SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx dan SL Nb4C3Tx MXenes, mikroalga terdegradasi, dan mikroalga SL Nb2CTx dan SL Nb4C3Tx MXenes yang dirawat.Anak panah merah menunjukkan peralihan parameter bentuk nanoflake dua dimensi yang dikaji.
Oleh kerana analisis parameter bentuk sangat dipercayai, ia juga boleh mendedahkan perubahan morfologi dalam sel mikroalga.Oleh itu, kami menganalisis diameter kawasan bulat yang setara, kebulatan, dan lebar/panjang Feret sel dan sel mikroalga tulen selepas interaksi dengan nanoflakes 2D Nb.Pada rajah.6a-h menunjukkan perubahan dalam parameter bentuk sel alga, seperti yang dibuktikan oleh penurunan keamatan puncak dan peralihan maksimum ke arah nilai yang lebih tinggi.Khususnya, parameter kebulatan sel menunjukkan penurunan dalam sel memanjang dan peningkatan dalam sel sfera (Rajah 6a, b).Di samping itu, lebar sel Feret meningkat sebanyak beberapa mikrometer selepas interaksi dengan SL Nb2CTx MXene (Rajah 6e) berbanding SL Nb4C3TX MXene (Rajah 6f).Kami mengesyaki bahawa ini mungkin disebabkan oleh pengambilan Nb oksida yang kuat oleh mikroalga apabila berinteraksi dengan Nb2CTx SR.Lekatan serpihan Nb yang kurang tegar pada permukaannya boleh mengakibatkan pertumbuhan sel dengan kesan teduhan yang minimum.
Pemerhatian kami terhadap perubahan dalam parameter bentuk dan saiz mikroalga melengkapkan kajian lain.Mikroalga hijau boleh mengubah morfologinya sebagai tindak balas kepada tekanan persekitaran dengan mengubah saiz sel, bentuk atau metabolisme61.Contohnya, menukar saiz sel memudahkan penyerapan nutrien71.Sel alga yang lebih kecil menunjukkan pengambilan nutrien yang lebih rendah dan kadar pertumbuhan terjejas.Sebaliknya, sel yang lebih besar cenderung untuk mengambil lebih banyak nutrien, yang kemudiannya disimpan secara intrasel72,73.Machado dan Soares mendapati bahawa triclosan racun kulat boleh meningkatkan saiz sel.Mereka juga mendapati perubahan mendalam dalam bentuk alga74.Di samping itu, Yin et al.9 juga mendedahkan perubahan morfologi dalam alga selepas terdedah kepada nanokomposit graphene oksida yang dikurangkan.Oleh itu, jelas bahawa parameter saiz/bentuk mikroalga yang diubah adalah disebabkan oleh kehadiran MXene.Oleh kerana perubahan dalam saiz dan bentuk ini menunjukkan perubahan dalam pengambilan nutrien, kami percaya bahawa analisis saiz dan parameter bentuk dari semasa ke semasa boleh menunjukkan pengambilan niobium oksida oleh mikroalga dengan kehadiran Nb-MXenes.
Selain itu, MXenes boleh teroksida dengan kehadiran alga.Dalai et al.75 memerhatikan bahawa morfologi alga hijau yang terdedah kepada nano-TiO2 dan Al2O376 adalah tidak seragam.Walaupun pemerhatian kami adalah serupa dengan kajian ini, ia hanya relevan dengan kajian kesan bioremediasi dari segi produk degradasi MXene dengan kehadiran nanoflakes 2D dan bukan nanopartikel.Memandangkan MXenes boleh merosot kepada oksida logam, 31,32,77,78 adalah munasabah untuk mengandaikan bahawa nanoflakes Nb kami juga boleh membentuk oksida Nb selepas berinteraksi dengan sel mikroalga.
Untuk menerangkan pengurangan nanoflakes 2D-Nb melalui mekanisme penguraian berdasarkan proses pengoksidaan, kami menjalankan kajian menggunakan mikroskop elektron penghantaran resolusi tinggi (HRTEM) (Rajah 7a, b) dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) (Rajah 7).7c-i dan jadual S4-5).Kedua-dua pendekatan ini sesuai untuk mengkaji pengoksidaan bahan 2D dan saling melengkapi.HRTEM dapat menganalisis kemerosotan struktur berlapis dua dimensi dan kemunculan seterusnya nanozarah oksida logam, manakala XPS sensitif terhadap ikatan permukaan.Untuk tujuan ini, kami menguji nanoflakes 2D Nb-MXene yang diekstrak daripada penyebaran sel mikroalga, iaitu bentuknya selepas interaksi dengan sel mikroalga (lihat Rajah 7).
Imej HRTEM menunjukkan morfologi teroksida (a) SL Nb2CTx dan (b) SL Nb4C3Tx MXenes, keputusan analisis XPS menunjukkan (c) komposisi produk oksida selepas pengurangan, (d–f) padanan puncak komponen spektrum XPS SL Nb2CTx dan (g– i) mikro Nb4C3Tx hijau dibaiki
Kajian HRTEM mengesahkan pengoksidaan dua jenis nanoflakes Nb-MXene.Walaupun nanoflakes mengekalkan morfologi dua dimensinya sedikit sebanyak, pengoksidaan menghasilkan penampilan banyak nanopartikel yang meliputi permukaan nanoflakes MXene (lihat Rajah 7a, b).Analisis XPS bagi isyarat c Nb 3d dan O 1s menunjukkan bahawa oksida Nb terbentuk dalam kedua-dua kes.Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7c, MXene Nb2CTx dan Nb4C3TX 2D mempunyai isyarat Nb 3d yang menunjukkan kehadiran oksida NbO dan Nb2O5, manakala isyarat O 1s menunjukkan bilangan ikatan O-Nb yang dikaitkan dengan kefungsian permukaan nanoflake 2D.Kami mendapati bahawa sumbangan Nb oksida adalah dominan berbanding dengan Nb-C dan Nb3+-O.
Pada rajah.Rajah 7g–i menunjukkan spektrum XPS Nb 3d, C 1s, dan O 1s SL Nb2CTx (lihat Rajah 7d–f) dan SL Nb4C3TX MXene yang diasingkan daripada sel mikroalga.Butiran parameter puncak Nb-MXenes disediakan dalam Jadual S4–5, masing-masing.Kami mula-mula menganalisis komposisi Nb 3d.Berbeza dengan Nb yang diserap oleh sel mikroalga, dalam MXene yang diasingkan daripada sel mikroalga, selain daripada Nb2O5, komponen lain ditemui.Dalam Nb2CTx SL, kami melihat sumbangan Nb3+-O dalam jumlah 15%, manakala selebihnya spektrum Nb 3d dikuasai oleh Nb2O5 (85%).Selain itu, sampel SL Nb4C3TX mengandungi komponen Nb-C (9%) dan Nb2O5 (91%).Di sini Nb-C berasal dari dua lapisan atom dalam logam karbida dalam Nb4C3Tx SR.Kami kemudian memetakan spektrum C 1s kepada empat komponen yang berbeza, seperti yang kami lakukan dalam sampel dalaman.Seperti yang dijangkakan, spektrum C 1s didominasi oleh karbon grafitik, diikuti oleh sumbangan daripada zarah organik (CHx/CO dan C=O) daripada sel mikroalga.Di samping itu, dalam spektrum O 1s, kami memerhatikan sumbangan bentuk organik sel mikroalga, niobium oksida, dan air terjerap.
Di samping itu, kami menyiasat sama ada belahan Nb-MXenes dikaitkan dengan kehadiran spesies oksigen reaktif (ROS) dalam medium nutrien dan/atau sel mikroalga.Untuk tujuan ini, kami menilai tahap oksigen singlet (1O2) dalam medium kultur dan glutation intraselular, thiol yang bertindak sebagai antioksidan dalam mikroalga.Keputusan ditunjukkan dalam SI (Rajah S20 dan S21).Kultur dengan SL Nb2CTx dan Nb4C3TX MXenes dicirikan oleh jumlah yang dikurangkan sebanyak 1O2 (lihat Rajah S20).Dalam kes SL Nb2CTx, MXene 1O2 dikurangkan kepada kira-kira 83%.Untuk kultur mikroalga yang menggunakan SL, Nb4C3TX 1O2 menurun lebih banyak lagi, kepada 73%.Menariknya, perubahan dalam 1O2 menunjukkan trend yang sama seperti kesan perencatan-stimulasi yang diperhatikan sebelum ini (lihat Rajah 3).Ia boleh dikatakan bahawa pengeraman dalam cahaya terang boleh mengubah fotooksidasi.Walau bagaimanapun, keputusan analisis kawalan menunjukkan tahap hampir malar 1O2 semasa eksperimen (Rajah S22).Dalam kes tahap ROS intraselular, kami juga melihat aliran menurun yang sama (lihat Rajah S21).Pada mulanya, tahap ROS dalam sel mikroalga yang dibiakkan dengan kehadiran Nb2CTx dan Nb4C3Tx SLs melebihi tahap yang terdapat dalam kultur tulen mikroalga.Walau bagaimanapun, akhirnya, nampaknya mikroalga menyesuaikan diri dengan kehadiran kedua-dua Nb-MXenes, kerana tahap ROS menurun kepada 85% dan 91% daripada tahap yang diukur dalam budaya tulen mikroalga yang diinokulasi dengan SL Nb2CTx dan Nb4C3TX, masing-masing.Ini mungkin menunjukkan bahawa mikroalga berasa lebih selesa dari semasa ke semasa dengan kehadiran Nb-MXene daripada dalam medium nutrien sahaja.
Mikroalga ialah kumpulan organisma fotosintetik yang pelbagai.Semasa fotosintesis, mereka menukar karbon dioksida (CO2) atmosfera kepada karbon organik.Hasil fotosintesis ialah glukosa dan oksigen79.Kami mengesyaki bahawa oksigen yang terbentuk memainkan peranan penting dalam pengoksidaan Nb-MXenes.Satu penjelasan yang mungkin untuk ini ialah parameter pengudaraan pembezaan terbentuk pada tekanan separa rendah dan tinggi oksigen di luar dan di dalam nanoflakes Nb-MXene.Ini bermakna di mana sahaja terdapat kawasan tekanan separa oksigen yang berbeza, kawasan yang mempunyai tahap paling rendah akan membentuk anod 80, 81, 82. Di sini, mikroalga menyumbang kepada penciptaan sel berudara berbeza pada permukaan kepingan MXene, yang menghasilkan oksigen kerana sifat fotosintesisnya.Akibatnya, produk biocorrosion (dalam kes ini, niobium oksida) terbentuk.Aspek lain ialah mikroalga boleh menghasilkan asid organik yang dilepaskan ke dalam air83,84.Oleh itu, persekitaran yang agresif terbentuk, dengan itu mengubah Nb-MXenes.Selain itu, mikroalga boleh mengubah pH persekitaran kepada beralkali disebabkan oleh penyerapan karbon dioksida, yang juga boleh menyebabkan kakisan79.
Lebih penting lagi, fotokala gelap / terang yang digunakan dalam kajian kami adalah penting untuk memahami keputusan yang diperolehi.Aspek ini diterangkan secara terperinci dalam Djemai-Zoghlache et al.85 Mereka sengaja menggunakan fototempoh 12/12 jam untuk menunjukkan biokarat yang dikaitkan dengan biofouling oleh mikroalga merah Porphyridium purpureum.Mereka menunjukkan bahawa fotokala dikaitkan dengan evolusi potensi tanpa biokarat, menampakkan dirinya sebagai ayunan pseudoperiodik sekitar 24:00.Pemerhatian ini telah disahkan oleh Dowling et al.86 Mereka menunjukkan biofilm fotosintesis cyanobacteria Anabaena.Oksigen terlarut terbentuk di bawah tindakan cahaya, yang dikaitkan dengan perubahan atau turun naik dalam potensi biokarat bebas.Kepentingan photoperiod ditekankan oleh fakta bahawa potensi bebas untuk biocorrosion meningkat dalam fasa cahaya dan berkurangan dalam fasa gelap.Ini disebabkan oleh oksigen yang dihasilkan oleh mikroalga fotosintetik, yang mempengaruhi tindak balas katodik melalui tekanan separa yang dihasilkan berhampiran elektrod87.
Selain itu, spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) dilakukan untuk mengetahui sama ada sebarang perubahan berlaku dalam komposisi kimia sel mikroalga selepas interaksi dengan Nb-MXenes.Keputusan yang diperoleh ini adalah kompleks dan kami membentangkannya dalam SI (Rajah S23-S25, termasuk keputusan peringkat MAX dan ML MXenes).Ringkasnya, spektrum rujukan mikroalga yang diperolehi memberikan kita maklumat penting tentang ciri-ciri kimia organisma ini.Getaran yang paling berkemungkinan 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 menemui tandatangan regangan ikatan CH yang konsisten dengan kajian terdahulu kami38.Walau bagaimanapun, kami mendapati bahawa beberapa puncak tambahan yang dikaitkan dengan ikatan C = C dan CH hilang.Ini menunjukkan bahawa komposisi kimia mikroalga mungkin mengalami perubahan kecil akibat interaksi dengan SL Nb-MXenes.
Apabila mempertimbangkan kemungkinan perubahan dalam biokimia mikroalga, pengumpulan oksida bukan organik, seperti niobium oksida, perlu dipertimbangkan semula59.Ia terlibat dalam pengambilan logam oleh permukaan sel, pengangkutannya ke dalam sitoplasma, perkaitannya dengan kumpulan karboksil intraselular, dan pengumpulannya dalam polifosfosom mikroalga20,88,89,90.Di samping itu, hubungan antara mikroalga dan logam dikekalkan oleh kumpulan sel berfungsi.Atas sebab ini, penyerapan juga bergantung kepada kimia permukaan mikroalga, yang agak kompleks9,91.Secara umum, seperti yang dijangkakan, komposisi kimia mikroalga hijau berubah sedikit disebabkan oleh penyerapan Nb oksida.
Menariknya, perencatan awal mikroalga yang diperhatikan boleh diterbalikkan dari semasa ke semasa.Seperti yang kita perhatikan, mikroalga mengatasi perubahan persekitaran awal dan akhirnya kembali kepada kadar pertumbuhan normal dan malah meningkat.Kajian tentang potensi zeta menunjukkan kestabilan yang tinggi apabila dimasukkan ke dalam media nutrien.Oleh itu, interaksi permukaan antara sel mikroalga dan nanoflakes Nb-MXene dikekalkan sepanjang eksperimen pengurangan.Dalam analisis lanjut kami, kami meringkaskan mekanisme tindakan utama yang mendasari tingkah laku mikroalga yang luar biasa ini.
Pemerhatian SEM telah menunjukkan bahawa mikroalga cenderung melekat pada Nb-MXenes.Menggunakan analisis imej dinamik, kami mengesahkan bahawa kesan ini membawa kepada transformasi nanoflakes Nb-MXene dua dimensi kepada zarah yang lebih sfera, dengan itu menunjukkan bahawa penguraian nanoflakes dikaitkan dengan pengoksidaan mereka.Untuk menguji hipotesis kami, kami menjalankan satu siri kajian bahan dan biokimia.Selepas ujian, nanoflakes secara beransur-ansur teroksida dan terurai menjadi produk NbO dan Nb2O5, yang tidak menimbulkan ancaman kepada mikroalga hijau.Menggunakan pemerhatian FTIR, kami mendapati tiada perubahan ketara dalam komposisi kimia mikroalga yang diinkubasi dengan kehadiran nanoflakes 2D Nb-MXene.Dengan mengambil kira kemungkinan penyerapan niobium oksida oleh mikroalga, kami melakukan analisis pendarfluor sinar-X.Keputusan ini jelas menunjukkan bahawa mikroalga yang dikaji memakan niobium oksida (NbO dan Nb2O5), yang tidak toksik kepada mikroalga yang dikaji.