Grazzi talli żort Nature.com.Qed tuża verżjoni tal-browser b'appoġġ limitat CSS.Għall-aħjar esperjenza, nirrakkomandaw li tuża browser aġġornat (jew tiddiżattiva l-Modalità ta' Kompatibbiltà fl-Internet Explorer).Sadanittant, biex niżguraw appoġġ kontinwu, aħna se nirrendu s-sit mingħajr stili u JavaScript.
Juri karużell ta' tliet slides f'daqqa.Uża l-buttuni Preċedenti u Li jmiss biex timxi minn tliet slides kull darba, jew uża l-buttuni slider fl-aħħar biex timxi minn tliet slides kull darba.
L-iżvilupp mgħaġġel tan-nanoteknoloġija u l-integrazzjoni tagħha fl-applikazzjonijiet ta 'kuljum jistgħu jheddu l-ambjent.Filwaqt li l-metodi ħodor għad-degradazzjoni tal-kontaminanti organiċi huma stabbiliti sew, l-irkupru ta 'kontaminanti kristallini inorganiċi huwa ta' tħassib kbir minħabba s-sensittività baxxa tagħhom għall-bijotrasformazzjoni u n-nuqqas ta 'fehim tal-interazzjonijiet tal-wiċċ tal-materjal ma' dawk bijoloġiċi.Hawnhekk, nużaw mudell MXenes 2D inorganiku bbażat fuq Nb flimkien ma 'metodu ta' analiżi tal-parametri tal-forma sempliċi biex jintraċċaw il-mekkaniżmu ta 'bijorimedjazzjoni ta' nanomaterjali taċ-ċeramika 2D mill-mikroalka ħadra Raphidocelis subcapitata.Sibna li l-mikroalka jiddegrada l-MXenes ibbażati fuq Nb minħabba interazzjonijiet fiżiko-kimiċi relatati mal-wiċċ.Inizjalment, nanoflakes MXene b'saff wieħed u b'ħafna saffi kienu mwaħħla mal-wiċċ tal-mikroalka, li naqqas kemmxejn it-tkabbir tal-alka.Madankollu, wara interazzjoni fit-tul mal-wiċċ, il-mikroalka ossidaw nanoflakes MXene u kompliet iddekomposthom f'NbO u Nb2O5.Minħabba li dawn l-ossidi mhumiex tossiċi għaċ-ċelluli tal-mikroalka, huma jikkunsmaw nanopartiċelli ta 'ossidu Nb b'mekkaniżmu ta' assorbiment li jkompli jerġa 'jġib il-mikroalka wara 72 siegħa ta' trattament ta 'ilma.L-effetti tan-nutrijenti assoċjati mal-assorbiment huma riflessi wkoll fiż-żieda fil-volum taċ-ċelluli, il-forma bla xkiel tagħhom u l-bidla fir-rata tat-tkabbir.Abbażi ta’ dawn is-sejbiet, nikkonkludu li l-preżenza għal żmien qasir u twil ta’ MXenes ibbażati fuq Nb fl-ekosistemi tal-ilma ħelu tista’ tikkawża biss impatti ambjentali minuri.Ta 'min jinnota li, bl-użu ta' nanomaterjali bidimensjonali bħala sistemi ta 'mudell, nuru l-possibbiltà li nsegwu t-trasformazzjoni tal-forma anke f'materjali ta' qamħa fin.B'mod ġenerali, dan l-istudju jwieġeb mistoqsija fundamentali importanti dwar proċessi relatati mal-interazzjoni tal-wiċċ li jmexxu l-mekkaniżmu ta 'bijorimedjazzjoni ta' nanomaterjali 2D u jipprovdi bażi għal aktar studji fuq żmien qasir u fit-tul tal-impatt ambjentali ta 'nanomaterjali kristallini inorganiċi.
In-nanomaterjali ġġeneraw ħafna interess mill-iskoperta tagħhom, u diversi nanoteknoloġiji reċentement daħlu f'fażi ta' modernizzazzjoni1.Sfortunatament, l-integrazzjoni tan-nanomaterjali f'applikazzjonijiet ta' kuljum tista' twassal għal rilaxxi aċċidentali minħabba rimi mhux xieraq, immaniġġjar bi traskuraġni, jew infrastruttura ta' sikurezza inadegwata.Għalhekk, huwa raġonevoli li wieħed jassumi li n-nanomaterjali, inklużi n-nanomaterjali bidimensjonali (2D), jistgħu jiġu rilaxxati fl-ambjent naturali, li l-imġiba u l-attività bijoloġika tagħhom għadhom mhumiex mifhuma bis-sħiħ.Għalhekk, mhuwiex sorprendenti li t-tħassib dwar l-ekotossiċità ffoka fuq l-abbiltà tan-nanomaterjali 2D li jnixxu fis-sistemi akkwatiċi2,3,4,5,6.F'dawn l-ekosistemi, xi nanomaterjali 2D jistgħu jinteraġixxu ma' diversi organiżmi f'livelli trofiċi differenti, inkluż mikroalka.
Il-mikroalka huma organiżmi primittivi li jinstabu b'mod naturali fl-ekosistemi tal-ilma ħelu u tal-baħar li jipproduċu varjetà ta' prodotti kimiċi permezz tal-fotosintesi7.Bħala tali, huma kritiċi għall-ekosistemi akkwatiċi8,9,10,11,12 iżda huma wkoll indikaturi sensittivi, irħas u użati ħafna tal-ekotossiċità13,14.Peress li ċ-ċelloli tal-mikroalka jimmultiplikaw malajr u jirrispondu malajr għall-preżenza ta 'diversi komposti, huma promettenti għall-iżvilupp ta' metodi li jirrispettaw l-ambjent għat-trattament ta 'ilma kkontaminat b'sustanzi organiċi15,16.
Iċ-ċelloli tal-alka jistgħu jneħħu joni inorganiċi mill-ilma permezz ta 'bijosorbiment u akkumulazzjoni17,18.Xi speċi tal-alka bħal Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue u Synechococcus sp.Instab li jġorr u anke jsostni joni tal-metall tossiċi bħal Fe2+, Cu2+, Zn2+ u Mn2+19.Studji oħra wrew li l-joni Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ jew Pb2+ jillimitaw it-tkabbir ta 'Scenedesmus billi jbiddlu l-morfoloġija taċ-ċelluli u jeqirdu l-kloroplasti tagħhom20,21.
Metodi ħodor għad-dekompożizzjoni ta 'inkwinanti organiċi u t-tneħħija ta' joni tal-metall tqil ġibdu l-attenzjoni ta 'xjentisti u inġiniera madwar id-dinja.Dan huwa prinċipalment minħabba l-fatt li dawn il-kontaminanti huma faċilment ipproċessati fil-fażi likwida.Madankollu, sustanzi li jniġġsu kristallini inorganiċi huma kkaratterizzati minn solubilità baxxa fl-ilma u suxxettibilità baxxa għal diversi bijotrasformazzjonijiet, li tikkawża diffikultajiet kbar fir-rimedju, u ftit sar progress f'dan il-qasam22,23,24,25,26.Għalhekk, it-tfittxija għal soluzzjonijiet favur l-ambjent għat-tiswija tan-nanomaterjali għadha qasam kumpless u mhux esplorat.Minħabba l-grad għoli ta 'inċertezza rigward l-effetti tal-bijotrasformazzjoni tan-nanomaterjali 2D, m'hemm l-ebda mod faċli biex issir taf il-mogħdijiet possibbli tad-degradazzjoni tagħhom waqt it-tnaqqis.
F'dan l-istudju, użajna mikroalka ħadra bħala aġent ta 'bijorimedjazzjoni milwiema attiva għal materjali taċ-ċeramika inorganiċi, flimkien ma' monitoraġġ in situ tal-proċess ta 'degradazzjoni ta' MXene bħala rappreżentant ta 'materjali taċ-ċeramika inorganiċi.It-terminu "MXene" jirrifletti l-stojkjometrija tal-materjal Mn + 1XnTx, fejn M huwa metall ta 'tranżizzjoni bikrija, X huwa karbonju u/jew nitroġenu, Tx huwa terminatur tal-wiċċ (eż, -OH, -F, -Cl), u n = 1, 2, 3 jew 427.28.Peress li l-iskoperta ta 'MXenes minn Naguib et al.Sensorics, terapija tal-kanċer u filtrazzjoni tal-membrana 27,29,30.Barra minn hekk, MXenes jistgħu jitqiesu bħala sistemi 2D mudell minħabba l-istabbiltà kollojdali eċċellenti tagħhom u l-interazzjonijiet bijoloġiċi possibbli31,32,33,34,35,36.
Għalhekk, il-metodoloġija żviluppata f'dan l-artikolu u l-ipoteżi ta 'riċerka tagħna huma murija fil-Figura 1. Skont din l-ipoteżi, il-mikroalka jiddegrada MXenes ibbażati fuq Nb f'komposti mhux tossiċi minħabba interazzjonijiet fiżiko-kimiċi relatati mal-wiċċ, li tippermetti aktar irkupru tal-alka.Biex tiġi ttestjata din l-ipoteżi, intgħażlu żewġ membri tal-familja ta 'karburi u/jew nitrudi tal-metall ta' transizzjoni bikrija bbażati fuq nijobju (MXenes), jiġifieri Nb2CTx u Nb4C3TX.
Metodoloġija tar-riċerka u ipoteżi bbażati fuq l-evidenza għall-irkupru ta 'MXene mill-mikroalka ħadra Raphidocelis subcapitata....Jekk jogħġbok innota li din hija biss rappreżentazzjoni skematika ta' suppożizzjonijiet ibbażati fuq l-evidenza.L-ambjent tal-lag ivarja fil-mezz tan-nutrijent użat u l-kundizzjonijiet (eż., ċiklu ta' matul il-ġurnata u limitazzjonijiet fin-nutrijenti essenzjali disponibbli).Maħluq ma 'BioRender.com.
Għalhekk, billi nużaw MXene bħala sistema mudell, ftaħna l-bieb għall-istudju ta 'diversi effetti bijoloġiċi li ma jistgħux jiġu osservati ma' nanomaterjali konvenzjonali oħra.B'mod partikolari, aħna nuru l-possibbiltà ta 'bijorimedjazzjoni ta' nanomaterjali bidimensjonali, bħal MXenes ibbażati fuq in-nijobju, mill-mikroalka Raphidocelis subcapitata.Il-mikroalka huma kapaċi jiddegradaw Nb-MXenes fl-ossidi mhux tossiċi NbO u Nb2O5, li jipprovdu wkoll nutrijenti permezz tal-mekkaniżmu ta 'assorbiment tan-nijobju.B'mod ġenerali, dan l-istudju jwieġeb mistoqsija fundamentali importanti dwar il-proċessi assoċjati ma 'interazzjonijiet fiżikokimiċi tal-wiċċ li jirregolaw il-mekkaniżmi ta' bijorimedjazzjoni ta 'nanomaterjali bidimensjonali.Barra minn hekk, qed niżviluppaw metodu sempliċi ibbażat fuq il-parametri tal-forma għat-traċċar ta 'bidliet sottili fil-forma ta' nanomaterjali 2D.Dan jispira aktar riċerka fuq żmien qasir u fit-tul dwar l-impatti ambjentali varji ta 'nanomaterjali kristallini inorganiċi.Għalhekk, l-istudju tagħna jżid il-fehim tal-interazzjoni bejn il-wiċċ tal-materjal u l-materjal bijoloġiku.Qed nipprovdu wkoll il-bażi għal studji estiżi fuq żmien qasir u fit-tul tal-impatti possibbli tagħhom fuq l-ekosistemi tal-ilma ħelu, li issa jistgħu jiġu vverifikati faċilment.
MXenes jirrappreżentaw klassi interessanti ta 'materjali bi proprjetajiet fiżiċi u kimiċi uniċi u attraenti u għalhekk ħafna applikazzjonijiet potenzjali.Dawn il-proprjetajiet huma fil-biċċa l-kbira dipendenti fuq l-istojkjometrija u l-kimika tal-wiċċ tagħhom.Għalhekk, fl-istudju tagħna, investigajna żewġ tipi ta 'MXenes ġerarkiċi b'saff wieħed (SL) ibbażati fuq Nb, Nb2CTx u Nb4C3TX, peress li setgħu jiġu osservati effetti bijoloġiċi differenti ta' dawn in-nanomaterjali.L-MXenes huma prodotti mill-materjali tal-bidu tagħhom permezz ta 'inċiżjoni selettiva minn fuq għal isfel ta' saffi A ta 'fażi MAX irqaq atomikament.Il-fażi MAX hija ċeramika ternarja magħmula minn blokki "magħqudin" ta 'karburi tal-metall ta' transizzjoni u saffi irqaq ta 'elementi "A" bħal Al, Si, u Sn bi stojkjometrija MnAXn-1.Il-morfoloġija tal-fażi MAX inizjali ġiet osservata permezz ta 'mikroskopija elettronika tal-iskannjar (SEM) u kienet konsistenti ma' studji preċedenti (Ara Informazzjoni Supplimentari, SI, Figura S1).Multilayer (ML) Nb-MXene inkiseb wara li tneħħi s-saff Al b'48% HF (aċidu idrofluworiku).Il-morfoloġija ta 'ML-Nb2CTx u ML-Nb4C3TX ġiet eżaminata permezz tal-mikroskopija elettronika tal-iskannjar (SEM) (Figuri S1c u S1d rispettivament) u ġiet osservata morfoloġija tipika ta' MXene f'saffi, simili għal nanoflakes bidimensjonali li jgħaddu minn qasmiet tawwali bħal pori.Iż-żewġ Nb-MXenes għandhom ħafna komuni mal-fażijiet MXene sintetizzati qabel bl-inċiżjoni bl-aċidu27,38.Wara li kkonfermajna l-istruttura ta 'MXene, għamilna b'saffi permezz ta' interkalazzjoni ta 'idrossidu tat-tetrabutylammonium (TBAOH) segwit minn ħasil u ivvibrar, u wara ksibna nanoflakes 2D Nb-MXene b'saff wieħed jew b'saff baxx (SL).
Aħna użajna mikroskopija elettronika ta 'trasmissjoni ta' riżoluzzjoni għolja (HRTEM) u diffrazzjoni tar-raġġi X (XRD) biex tittestja l-effiċjenza tal-inċiżjoni u t-tqaxxir ulterjuri.Ir-riżultati HRTEM ipproċessati bl-użu tal-Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) u Fast Fourier Transform (FFT) huma murija f'Fig. 2. Nanoflakes Nb-MXene kienu orjentati tarf sa biex jiċċekkjaw l-istruttura tas-saff atomiku u jkejlu d-distanzi interplanari.Immaġini HRTEM tan-nanoflakes MXene Nb2CTx u Nb4C3TX żvelaw in-natura tagħhom b'saffi atomikament irqaq (ara Fig. 2a1, a2), kif irrappurtat qabel minn Naguib et al.27 u Jastrzębska et al.38.Għal żewġ monosaffi Nb2CTx u Nb4C3Tx li jmissu magħhom, iddeterminajna distanzi bejn is-saffi ta '0.74 u 1.54 nm, rispettivament (Figuri 2b1, b2), li jaqbel ukoll mar-riżultati preċedenti tagħna38.Dan kien ikkonfermat ulterjorment bit-trasformazzjoni ta 'Fourier veloċi inversa (Fig. 2c1, c2) u t-trasformazzjoni ta' Fourier veloċi (Fig. 2d1, d2) li turi d-distanza bejn il-monosaffi Nb2CTx u Nb4C3Tx.L-immaġni turi alternazzjoni ta 'meded ħfief u skuri li jikkorrispondu għal nijobju u atomi tal-karbonju, li tikkonferma n-natura f'saffi tal-MXenes studjati.Huwa importanti li wieħed jinnota li l-ispettri ta 'l-ispettroskopija tar-raġġi X li jxerrdu l-enerġija (EDX) miksuba għal Nb2CTx u Nb4C3Tx (Figuri S2a u S2b) ma wrew l-ebda fdal tal-fażi MAX oriġinali, peress li ma nstabet l-ebda quċċata Al.
Karatterizzazzjoni ta 'SL Nb2CTx u Nb4C3Tx MXene nanoflakes, inkluż (a) mikroskopija elettronika b'riżoluzzjoni għolja (HRTEM) immaġni 2D nanoflake vista laterali u korrispondenti, (b) mod ta' intensità, (c) trasformazzjoni ta 'Fourier veloċi inversa (IFFT), (d) trasformazzjoni ta' Fourier veloċi (FFT), (e) mudelli X-ray MX.Għal SL 2D Nb2CTx, in-numri huma espressi bħala (a1, b1, c1, d1, e1).Għal SL 2D Nb4C3Tx, in-numri huma espressi bħala (a2, b2, c2, d2, e1).
Il-kejl tad-diffrazzjoni tar-raġġi X ta 'SL Nb2CTx u Nb4C3Tx MXenes huma murija fil-Fig.2e1 u e2, rispettivament.Il-qċaċet (002) f'4.31 u 4.32 jikkorrispondu għall-MXenes f'saffi Nb2CTx u Nb4C3TX38,39,40,41 deskritti qabel rispettivament.Ir-riżultati XRD jindikaw ukoll il-preżenza ta 'xi strutturi ML residwi u fażijiet MAX, iżda l-aktar mudelli XRD assoċjati ma' SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2).Il-preżenza ta 'partiċelli iżgħar tal-fażi MAX tista' tispjega l-quċċata MAX aktar b'saħħitha meta mqabbla mas-saffi Nb4C3Tx imqiegħda b'mod każwali.
Aktar riċerka ffokat fuq mikroalka ħadra li jappartjenu għall-ispeċi R. subcapitata.Għażilna l-mikroalka għax huma produtturi importanti involuti f’nisġa tal-ikel ewlenin42.Huma wkoll wieħed mill-aqwa indikaturi tat-tossiċità minħabba l-kapaċità li jitneħħew sustanzi tossiċi li jinġarru għal livelli ogħla tal-katina alimentari43.Barra minn hekk, ir-riċerka fuq R. subcapitata tista 'titfa' dawl fuq it-tossiċità inċidentali ta' SL Nb-MXenes għal mikro-organiżmi komuni tal-ilma ħelu.Biex juru dan, ir-riċerkaturi ipotizzaw li kull mikrobu għandu sensittività differenti għal komposti tossiċi preżenti fl-ambjent.Għal ħafna organiżmi, konċentrazzjonijiet baxxi ta 'sustanzi ma jaffettwawx it-tkabbir tagħhom, filwaqt li konċentrazzjonijiet 'il fuq minn ċertu limitu jistgħu jinibixxuhom jew saħansitra jikkawżaw il-mewt.Għalhekk, għall-istudji tagħna dwar l-interazzjoni tal-wiċċ bejn il-mikroalka u l-MXenes u l-irkupru assoċjat, iddeċidejna li nittestjaw il-konċentrazzjonijiet li ma jagħmlux ħsara u tossiċi ta 'Nb-MXenes.Biex tagħmel dan, ittestjajna konċentrazzjonijiet ta '0 (bħala referenza), 0.01, 0.1 u 10 mg l-1 MXene u addizzjonalment mikroalka infettata b'konċentrazzjonijiet għoljin ħafna ta' MXene (100 mg l-1 MXene), li jistgħu jkunu estremi u letali..għal kull ambjent bijoloġiku.
L-effetti ta 'SL Nb-MXenes fuq il-mikroalka huma murija fil-Figura 3, espressi bħala l-perċentwal ta' promozzjoni tat-tkabbir (+) jew inibizzjoni (-) imkejla għal kampjuni ta '0 mg l-1.Għal tqabbil, il-fażi Nb-MAX u ML Nb-MXenes ġew ittestjati wkoll u r-riżultati huma murija f'SI (ara Fig. S3).Ir-riżultati miksuba kkonfermaw li SL Nb-MXenes huwa kważi kompletament nieqes minn tossiċità fil-medda ta 'konċentrazzjonijiet baxxi minn 0.01 sa 10 mg / l, kif muri f'Fig. 3a,b.Fil-każ ta 'Nb2CTx, osservajna mhux aktar minn 5% ekotossiċità fil-medda speċifikata.
Stimulazzjoni (+) jew inibizzjoni (-) tat-tkabbir tal-mikroalka fil-preżenza ta 'SL (a) Nb2CTx u (b) Nb4C3TX MXene.Ġew analizzati 24, 48 u 72 siegħa ta 'interazzjoni MXene-microalgae. Dejta sinifikanti (t-test, p < 0.05) kienet immarkata b'asterisk (*). Dejta sinifikanti (t-test, p < 0.05) kienet immarkata b'asterisk (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Dejta sinifikanti (t-test, p < 0.05) hija mmarkata b'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 (test-t, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Dejta importanti (t-test, p < 0.05) hija mmarkata b'asterisk (*).Vleġeġ ħomor jindikaw l-abolizzjoni ta 'stimulazzjoni inibitorja.
Min-naħa l-oħra, konċentrazzjonijiet baxxi ta 'Nb4C3TX irriżultaw li kienu kemmxejn aktar tossiċi, iżda mhux ogħla minn 7%.Kif mistenni, osservajna li MXenes kellhom tossiċità ogħla u inibizzjoni tat-tkabbir tal-mikroalka f'100mg L-1.Interessanti, l-ebda wieħed mill-materjali ma wera l-istess tendenza u dipendenza fuq il-ħin ta 'effetti atossiċi/tossiċi meta mqabbla mal-kampjuni MAX jew ML (ara SI għad-dettalji).Filwaqt li għall-fażi MAX (ara Fig. S3) it-tossiċità laħqet madwar 15-25% u żdiedet maż-żmien, it-tendenza inversa ġiet osservata għal SL Nb2CTx u Nb4C3TX MXene.L-inibizzjoni tat-tkabbir tal-mikroalka naqset maż-żmien.Laħaq madwar 17% wara 24 siegħa u niżel għal inqas minn 5% wara 72 siegħa (Fig. 3a, b, rispettivament).
Aktar importanti minn hekk, għal SL Nb4C3TX, l-inibizzjoni tat-tkabbir tal-mikroalka laħqet madwar 27% wara 24 siegħa, iżda wara 72 siegħa naqset għal madwar 1%.Għalhekk, aħna ttikkettjaw l-effett osservat bħala inibizzjoni inversa ta 'stimulazzjoni, u l-effett kien aktar b'saħħtu għal SL Nb4C3TX MXene.L-istimulazzjoni tat-tkabbir tal-mikroalka ġiet innutata aktar kmieni b'Nb4C3TX (interazzjoni f'10 mg L-1 għal 24 siegħa) meta mqabbla ma 'SL Nb2CTx MXene.L-effett ta 'treġġigħ lura ta' inibizzjoni-stimulazzjoni kien muri tajjeb ukoll fil-kurva tar-rata ta 'irduppjar tal-bijomassa (ara Fig. S4 għad-dettalji).S'issa, l-ekotossiċità biss ta 'Ti3C2TX MXene ġiet studjata b'modi differenti.Mhuwiex tossiku għall-embrijuni tal-ħut zebra44 iżda moderatament ekotossiku għall-pjanti tal-mikroalka Desmodesmus quadricauda u Sorghum saccharatum45.Eżempji oħra ta' effetti speċifiċi jinkludu tossiċità ogħla għal-linji taċ-ċelluli tal-kanċer milli għal-linji taċ-ċelluli normali46,47.Jista' jiġi preżunt li l-kundizzjonijiet tat-test jinfluwenzaw il-bidliet fit-tkabbir tal-mikroalka osservati fil-preżenza ta' Nb-MXenes.Pereżempju, pH ta' madwar 8 fl-istroma tal-kloroplast huwa ottimali għal tħaddim effiċjenti tal-enzima RuBisCO.Għalhekk, il-bidliet fil-pH jaffettwaw b'mod negattiv ir-rata tal-fotosintesi48,49.Madankollu, aħna ma osservajnax bidliet sinifikanti fil-pH matul l-esperiment (ara SI, Fig. S5 għad-dettalji).B'mod ġenerali, kulturi ta 'mikroalka b'Nb-MXenes naqqsu kemmxejn il-pH tas-soluzzjoni maż-żmien.Madankollu, dan it-tnaqqis kien simili għal bidla fil-pH ta 'medja pur.Barra minn hekk, il-firxa ta 'varjazzjonijiet misjuba kienet simili għal dik imkejla għal kultura pura ta' mikroalka (kampjun ta 'kontroll).Għalhekk, nikkonkludu li l-fotosintesi mhix affettwata minn bidliet fil-pH maż-żmien.
Barra minn hekk, l-MXenes sintetizzati għandhom truf tal-wiċċ (immarkati bħala Tx).Dawn huma prinċipalment gruppi funzjonali -O, -F u -OH.Madankollu, il-kimika tal-wiċċ hija direttament relatata mal-metodu ta 'sintesi.Dawn il-gruppi huma magħrufa li jitqassmu b'mod każwali fuq il-wiċċ, li jagħmilha diffiċli li wieħed ibassar l-effett tagħhom fuq il-proprjetajiet ta 'MXene50.Jista 'jiġi argumentat li Tx jista' jkun il-forza katalitika għall-ossidazzjoni tan-nijobju bid-dawl.Gruppi funzjonali tal-wiċċ tabilħaqq jipprovdu siti multipli ta 'ankraġġ għall-fotokatalizzaturi sottostanti tagħhom biex jiffurmaw heterojunctions51.Madankollu, il-kompożizzjoni tal-mezz tat-tkabbir ma pprovdietx fotokatalizzatur effettiv (kompożizzjoni tal-medja dettaljata tista 'tinstab fit-Tabella SI S6).Barra minn hekk, kwalunkwe modifika tal-wiċċ hija wkoll importanti ħafna, peress li l-attività bijoloġika ta 'MXenes tista' tinbidel minħabba s-saff ta 'wara l-ipproċessar, ossidazzjoni, modifika kimika tal-wiċċ ta' komposti organiċi u inorganiċi52,53,54,55,56 jew inġinerija ta 'ċarġ tal-wiċċ38.Għalhekk, biex tittestja jekk l-ossidu tan-nijobju għandux x'jaqsam mal-instabilità materjali fil-medju, għamilna studji tal-potenzjal ta 'zeta (ζ) f'medja ta' tkabbir tal-mikroalka u ilma dejonizzat (għal paragun).Ir-riżultati tagħna juru li SL Nb-MXenes huma pjuttost stabbli (ara SI Fig. S6 għal riżultati MAX u ML).Il-potenzjal zeta ta 'SL MXenes huwa ta' madwar -10 mV.Fil-każ ta 'SR Nb2CTx, il-valur ta' ζ huwa kemmxejn aktar negattiv minn dak ta 'Nb4C3Tx.Bidla bħal din fil-valur ζ tista 'tindika li l-wiċċ ta' nanoflakes MXene iċċarġjati b'mod negattiv jassorbi joni iċċarġjati b'mod pożittiv mill-medju tal-kultura.Il-kejl temporali tal-potenzjal zeta u l-konduttività ta 'Nb-MXenes fil-medju tal-kultura (ara l-Figuri S7 u S8 f'SI għal aktar dettalji) jidher li jappoġġja l-ipoteżi tagħna.
Madankollu, iż-żewġ SLs Nb-MXene wrew bidliet minimi minn żero.Dan juri biċ-ċar l-istabbiltà tagħhom fil-mezz tat-tkabbir tal-mikroalka.Barra minn hekk, ivvalutajna jekk il-preżenza tal-mikroalka ħadra tagħna taffettwax l-istabbiltà ta 'Nb-MXenes fil-medju.Ir-riżultati tal-potenzjal ta 'zeta u l-konduttività ta' MXenes wara l-interazzjoni mal-mikroalka fil-midja tan-nutrijenti u l-kultura matul iż-żmien jistgħu jinstabu f'SI (Figuri S9 u S10).Interessanti, aħna ndunat li l-preżenza ta 'mikroalka dehret li tistabbilizza t-tixrid taż-żewġ MXenes.Fil-każ ta 'Nb2CTx SL, il-potenzjal ta' zeta naqas saħansitra ftit maż-żmien għal valuri aktar negattivi (-15.8 kontra -19.1 mV wara 72 siegħa ta 'inkubazzjoni).Il-potenzjal zeta ta 'SL Nb4C3TX żdied bi ftit, iżda wara 72 siegħa xorta wera stabbiltà ogħla minn nanoflakes mingħajr il-preżenza ta' mikroalka (-18.1 vs -9.1 mV).
Sibna wkoll konduttività aktar baxxa ta 'soluzzjonijiet Nb-MXene inkubati fil-preżenza ta' mikroalka, li tindika ammont aktar baxx ta 'jonji fil-medju nutrijent.Notevolment, l-instabilità ta 'MXenes fl-ilma hija prinċipalment dovuta għall-ossidazzjoni tal-wiċċ57.Għalhekk, nissuspettaw li l-mikroalka ħadra b'xi mod neħħiet l-ossidi ffurmati fuq il-wiċċ ta 'Nb-MXene u saħansitra pprevenuta l-okkorrenza tagħhom (ossidazzjoni ta' MXene).Dan jista 'jidher billi tistudja t-tipi ta' sustanzi assorbiti mill-mikroalka.
Filwaqt li l-istudji ekotossikoloġiċi tagħna indikaw li l-mikroalka kienu kapaċi jegħlbu t-tossiċità ta 'Nb-MXenes maż-żmien u l-inibizzjoni mhux tas-soltu ta' tkabbir stimulat, l-għan tal-istudju tagħna kien li jinvestiga mekkaniżmi possibbli ta 'azzjoni.Meta organiżmi bħall-alka huma esposti għal komposti jew materjali mhux familjari għall-ekosistemi tagħhom, jistgħu jirreaġixxu b'diversi modi58,59.Fin-nuqqas ta’ ossidi tal-metall tossiċi, il-mikroalka jistgħu jitimgħu lilhom infushom, u jippermettulhom jikbru kontinwament60.Wara l-inġestjoni ta 'sustanzi tossiċi, mekkaniżmi ta' difiża jistgħu jiġu attivati, bħal tibdil fil-forma jew il-forma.Għandha tiġi kkunsidrata wkoll il-possibbiltà ta' assorbiment58,59.Notevolment, kwalunkwe sinjal ta 'mekkaniżmu ta' difiża huwa indikatur ċar tat-tossiċità tal-kompost tat-test.Għalhekk, fix-xogħol ulterjuri tagħna, investigajna l-interazzjoni potenzjali tal-wiċċ bejn nanoflakes SL Nb-MXene u mikroalka permezz ta 'SEM u l-assorbiment possibbli ta' MXene ibbażat fuq Nb permezz ta 'spettroskopija ta' fluworexxenza tar-raġġi X (XRF).Innota li l-analiżi SEM u XRF saru biss fl-ogħla konċentrazzjoni ta 'MXene biex jindirizzaw kwistjonijiet ta' tossiċità tal-attività.
Ir-riżultati SEM huma murija fil-Fig.4.Ċelloli tal-mikroalka mhux ittrattati (ara Fig. 4a, kampjun ta 'referenza) urew b'mod ċar morfoloġija tipika ta' R. subcapitata u forma ta 'ċellula bħal croissant.Iċ-ċelloli jidhru ċċattjati u kemmxejn diżorganizzati.Xi ċelloli tal-mikroalka kienu jikkoinċidu u mħabbtu ma 'xulxin, iżda dan x'aktarx kien ikkawżat mill-proċess tal-preparazzjoni tal-kampjun.B'mod ġenerali, iċ-ċelloli tal-mikroalka puri kellhom wiċċ lixx u ma wrew l-ebda tibdil morfoloġiku.
Immaġini SEM li juru interazzjoni tal-wiċċ bejn mikroalka ħadra u nanosheets MXene wara 72 siegħa ta 'interazzjoni f'konċentrazzjoni estrema (100 mg L-1).(a) Mikroalka ħadra mhux ittrattata wara interazzjoni ma 'SL (b) Nb2CTx u (c) Nb4C3TX MXenes.Innota li n-nanoflakes Nb-MXene huma mmarkati bi vleġeġ ħomor.Għal tqabbil, ritratti minn mikroskopju ottiku huma miżjuda wkoll.
B'kuntrast, iċ-ċelloli tal-mikroalka adsorbiti minn nanoflakes SL Nb-MXene ġew imħassra (ara Fig. 4b, c, vleġeġ ħomor).Fil-każ ta 'Nb2CTx MXene (Fig. 4b), il-mikroalka għandhom tendenza li jikbru b'nanoscales bidimensjonali mehmuża, li jistgħu jibdlu l-morfoloġija tagħhom.Notevolment, osservajna wkoll dawn il-bidliet taħt mikroskopija tad-dawl (ara SI Figura S11 għad-dettalji).Din it-tranżizzjoni morfoloġika għandha bażi plawsibbli fil-fiżjoloġija tal-mikroalka u l-kapaċità tagħhom li jiddefendu lilhom infushom billi jibdlu l-morfoloġija taċ-ċelluli, bħal żieda fil-volum taċ-ċelluli61.Għalhekk, huwa importanti li tivverifika n-numru ta 'ċelluli tal-mikroalka li huma attwalment f'kuntatt ma' Nb-MXenes.Studji SEM wrew li madwar 52% taċ-ċelloli tal-mikroalka kienu esposti għal Nb-MXenes, filwaqt li 48% ta 'dawn iċ-ċelloli tal-mikroalka evitaw il-kuntatt.Għal SL Nb4C3Tx MXene, il-mikroalka tipprova tevita kuntatt ma 'MXene, u b'hekk tiġi lokalizzata u tikber minn nanoskali bidimensjonali (Fig. 4c).Madankollu, aħna ma osservajnax il-penetrazzjoni ta 'nanoscales fiċ-ċelloli tal-mikroalka u l-ħsara tagħhom.
L-awtopreservazzjoni hija wkoll imġieba ta 'rispons li tiddependi mill-ħin għall-imblukkar tal-fotosintesi minħabba l-assorbiment ta' partiċelli fuq il-wiċċ taċ-ċellula u l-hekk imsejjaħ effett ta 'dell (dell)62.Huwa ċar li kull oġġett (per eżempju, Nb-MXene nanoflakes) li jkun bejn il-mikroalka u s-sors tad-dawl jillimita l-ammont ta 'dawl assorbit mill-kloroplasti.Madankollu, m'għandniex dubju li dan għandu impatt sinifikanti fuq ir-riżultati miksuba.Kif muri mill-osservazzjonijiet mikroskopiċi tagħna, in-nanoflakes 2D ma kinux kompletament imgeżwer jew imwaħħla mal-wiċċ tal-mikroalka, anke meta ċ-ċelloli tal-mikroalka kienu f'kuntatt ma 'Nb-MXenes.Minflok, in-nanoflakes irriżultaw li kienu orjentati lejn ċelloli tal-mikroalka mingħajr ma jkopru l-wiċċ tagħhom.Sett bħal dan ta 'nanoflakes/mikroalka ma jistax jillimita b'mod sinifikanti l-ammont ta' dawl assorbit miċ-ċelloli tal-mikroalka.Barra minn hekk, xi studji wrew saħansitra titjib fl-assorbiment tad-dawl minn organiżmi fotosintetiċi fil-preżenza ta 'nanomaterjali bidimensjonali63,64,65,66.
Peress li l-immaġini SEM ma setgħux jikkonfermaw direttament it-teħid tan-nijobju miċ-ċelluli tal-mikroalka, l-istudju ulterjuri tagħna daru għal analiżi tal-fluworexxenza tar-raġġi X (XRF) u tal-ispettroskopija tal-fotoelettroni tar-raġġi X (XPS) biex tiċċara din il-kwistjoni.Għalhekk, qabbilna l-intensità tal-qċaċet Nb ta 'kampjuni ta' mikroalka ta 'referenza li ma jinteraġixxux ma' MXenes, nanoflakes MXene maqlugħa mill-wiċċ taċ-ċelluli tal-mikroalka, u ċelloli mikroalgali wara t-tneħħija ta 'MXenes mehmuża.Ta 'min jinnota li jekk ma jkunx hemm teħid ta' Nb, il-valur Nb miksub miċ-ċelluli tal-mikroalka għandu jkun żero wara t-tneħħija tan-nanoskali mehmuża.Għalhekk, jekk isseħħ l-assorbiment ta 'Nb, kemm ir-riżultati XRF kif ukoll XPS għandhom juru quċċata ċara ta' Nb.
Fil-każ ta 'l-ispettri XRF, kampjuni ta' mikroalka wrew qċaċet Nb għal SL Nb2CTx u Nb4C3Tx MXene wara interazzjoni ma 'SL Nb2CTx u Nb4C3Tx MXene (ara Fig. 5a, innota wkoll li r-riżultati għal MAX u ML MXenes huma murija f'SI, Figs S12-C17).Interessanti, l-intensità tal-quċċata Nb hija l-istess fiż-żewġ każijiet (vireg ħomor f'Fig. 5a).Dan indika li l-alka ma setgħetx tassorbi aktar Nb, u l-kapaċità massima għall-akkumulazzjoni ta 'Nb inkisbet fiċ-ċelloli, għalkemm darbtejn aktar Nb4C3Tx MXene kien imwaħħal maċ-ċelloli tal-mikroalka (vireg blu f'Fig. 5a).Notevolment, il-kapaċità tal-mikroalka li jassorbu metalli tiddependi fuq il-konċentrazzjoni ta 'ossidi tal-metall fl-ambjent67,68.Shamshada et al.67 sabu li l-kapaċità ta 'assorbiment tal-alka tal-ilma ħelu tonqos maż-żieda tal-pH.Raize et al.68 innutaw li l-abbiltà tal-alka li tassorbi l-metalli kienet madwar 25% ogħla għal Pb2+ milli għal Ni2+.
(a) Riżultati XRF ta 'assorbiment bażali ta' Nb minn ċelluli mikroalka ħodor inkubati f'konċentrazzjoni estrema ta 'SL Nb-MXenes (100 mg L-1) għal 72 siegħa.Ir-riżultati juru l-preżenza ta 'α fiċ-ċelloli tal-mikroalka pur (kampjun ta' kontroll, kolonni griżi), nanoflakes 2D iżolati minn ċelloli tal-mikroalka tal-wiċċ (kolonni blu), u ċelloli tal-mikroalka wara separazzjoni ta 'nanoflakes 2D mill-wiċċ (kolonni ħomor).L-ammont ta 'Nb elementali, (b) perċentwal tal-kompożizzjoni kimika ta' komponenti organiċi tal-mikroalka (C=O u CHx/C-O) u ossidi Nb preżenti fiċ-ċelloli tal-mikroalka wara inkubazzjoni ma 'SL Nb-MXenes, (c-e) Armar tal-quċċata tal-kompożizzjoni tal-ispettri XPS SL Nb2CTx u (fh) SLx Nb4C3T internalizzati minn microalgae.
Għalhekk, aħna stennejna li Nb jista 'jiġi assorbit miċ-ċelloli tal-alka fil-forma ta' ossidi.Biex nittestjaw dan, għamilna studji XPS fuq MXenes Nb2CTx u Nb4C3TX u ċelloli tal-alka.Ir-riżultati tal-interazzjoni tal-mikroalka ma 'Nb-MXenes u MXenes iżolati miċ-ċelloli tal-alka huma murija fil-Fig.5b.Kif mistenni, skoprejna qċaċet Nb 3d fil-kampjuni tal-mikroalka wara t-tneħħija ta 'MXene mill-wiċċ tal-mikroalka.Id-determinazzjoni kwantitattiva ta 'ossidi C = O, CHx / CO, u Nb ġiet ikkalkulata abbażi tal-ispettri Nb 3d, O 1s, u C 1s miksuba b'Nb2CTx SL (Fig. 5c–e) u Nb4C3Tx SL (Fig. 5c–e).) miksuba minn mikroalka inkubata.Figura 5f–h) MXenes.It-Tabella S1-3 turi d-dettalji tal-parametri tal-ogħla livell u l-kimika ġenerali li tirriżulta mit-twaħħil.Ta 'min jinnota li r-reġjuni Nb 3d ta' Nb2CTx SL u Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) jikkorrispondu għal komponent wieħed Nb2O5.Hawnhekk, ma sibna l-ebda quċċata relatata ma 'MXene fl-ispettri, li jindika li ċ-ċelloli tal-mikroalka jassorbu biss il-forma ta' ossidu ta 'Nb.Barra minn hekk, approssirnajna l-ispettru C 1 s bil-komponenti C–C, CHx/C–O, C = O, u –COOH.Assenjajna l-qċaċet CHx/C-O u C=O għall-kontribuzzjoni organika taċ-ċelloli tal-mikroalka.Dawn il-komponenti organiċi jammontaw għal 36% u 41% tal-qċaċet C 1s f'Nb2CTx SL u Nb4C3TX SL, rispettivament.Imbagħad imwaħħal l-ispettri O 1s ta 'SL Nb2CTx u SL Nb4C3TX b'Nb2O5, komponenti organiċi ta' mikroalka (CHx/CO), u ilma adsorbit tal-wiċċ.
Fl-aħħarnett, ir-riżultati XPS indikaw b'mod ċar il-forma ta 'Nb, mhux biss il-preżenza tiegħu.Skont il-pożizzjoni tas-sinjal Nb 3d u r-riżultati tad-dekonvoluzzjoni, nikkonfermaw li Nb huwa assorbit biss fil-forma ta 'ossidi u mhux joni jew MXene innifsu.Barra minn hekk, ir-riżultati XPS wrew li ċ-ċelloli tal-mikroalka għandhom kapaċità akbar li jieħdu ossidi Nb minn SL Nb2CTx meta mqabbla ma 'SL Nb4C3TX MXene.
Filwaqt li r-riżultati tagħna ta 'assorbiment ta' Nb huma impressjonanti u jippermettulna nidentifikaw id-degradazzjoni ta 'MXene, m'hemm l-ebda metodu disponibbli biex jintraċċaw bidliet morfoloġiċi assoċjati fin-nanoflakes 2D.Għalhekk, iddeċidejna wkoll li niżviluppaw metodu adattat li jista 'jirrispondi direttament għal kwalunkwe tibdil li jseħħ fin-nanoflakes 2D Nb-MXene u ċ-ċelloli tal-mikroalka.Huwa importanti li wieħed jinnota li nassumu li jekk l-ispeċi li jinteraġixxu jgħaddu minn xi trasformazzjoni, dekompożizzjoni jew deframmentazzjoni, dan għandu jimmanifesta ruħu malajr bħala bidliet fil-parametri tal-forma, bħad-dijametru tal-erja ċirkolari ekwivalenti, tond, wisa 'feret, jew tul Feret.Peress li dawn il-parametri huma adattati biex jiddeskrivu partiċelli tawwalija jew nanoflakes bidimensjonali, it-traċċar tagħhom permezz ta 'analiżi dinamika tal-forma ta' partiċelli se jagħtina informazzjoni siewja dwar it-trasformazzjoni morfoloġika tan-nanoflakes SL Nb-MXene waqt it-tnaqqis.
Ir-riżultati miksuba huma murija fil-Figura 6. Għal tqabbil, aħna ttestjaw ukoll il-fażi MAX oriġinali u ML-MXenes (ara SI Figuri S18 u S19).L-analiżi dinamika tal-forma tal-partiċelli wriet li l-parametri kollha tal-forma ta 'żewġ SLs Nb-MXene nbidlu b'mod sinifikanti wara l-interazzjoni mal-mikroalka.Kif muri mill-parametru tad-dijametru ta 'żona ċirkolari ekwivalenti (Fig. 6a, b), l-intensità massima mnaqqsa tal-frazzjoni ta' nanoflakes kbar tindika li dawn għandhom tendenza li jitmermru fi frammenti iżgħar.Fuq il-fig.6c, d turi tnaqqis fil-qċaċet assoċjati mad-daqs trasversali tal-qxur (titwil tan-nanoflakes), li jindika t-trasformazzjoni ta 'nanoflakes 2D f'forma aktar simili ta' partiċelli.Figura 6e-h li turi l-wisa 'u t-tul tal-Feret, rispettivament.Il-wisa' u t-tul tal-feret huma parametri kumplimentari u għalhekk għandhom jitqiesu flimkien.Wara l-inkubazzjoni ta 'nanoflakes 2D Nb-MXene fil-preżenza ta' mikroalka, il-qċaċet tal-korrelazzjoni Feret tagħhom inbidlu u l-intensità tagħhom naqset.Ibbażat fuq dawn ir-riżultati flimkien mal-morfoloġija, XRF u XPS, aħna kkonkludejna li l-bidliet osservati huma relatati ħafna mal-ossidazzjoni hekk kif MXenes ossidizzati jsiru aktar imkemmxa u jkissru fi frammenti u partiċelli ta 'ossidu sferiku69,70.
Analiżi tat-trasformazzjoni ta 'MXene wara interazzjoni ma' mikroalka ħadra.L-analiżi tal-forma tal-partiċelli dinamika tqis parametri bħal (a, b) dijametru taż-żona ċirkolari ekwivalenti, (c, d) tond, (e, f) Wisa 'feret u (g, h) tul Feret.Għal dan il-għan, ġew analizzati żewġ kampjuni ta’ mikroalka ta’ referenza flimkien ma’ SL Nb2CTx u SL Nb4C3Tx MXenes primarji, SL Nb2CTx u SL Nb4C3Tx MXenes, mikroalka degradata, u mikroalka SL Nb2CTx u SL Nb4C3Tx MXenes trattati.Il-vleġeġ ħomor juru t-tranżizzjonijiet tal-parametri tal-forma tan-nanoflakes bidimensjonali studjati.
Peress li l-analiżi tal-parametri tal-forma hija affidabbli ħafna, tista 'wkoll tiżvela bidliet morfoloġiċi fiċ-ċelloli tal-mikroalka.Għalhekk, analizzajna d-dijametru ta 'żona ċirkolari ekwivalenti, tond, u wisa'/tul Feret ta 'ċelloli u ċelloli tal-mikroalka pura wara interazzjoni ma' nanoflakes 2D Nb.Fuq il-fig.6a–h juru bidliet fil-parametri tal-forma taċ-ċelloli tal-alka, kif muri minn tnaqqis fl-ogħla intensità u bidla tal-massimi lejn valuri ogħla.B'mod partikolari, il-parametri tat-tond taċ-ċelluli wrew tnaqqis fiċ-ċelloli tawwalija u żieda fiċ-ċelloli sferiċi (Fig. 6a, b).Barra minn hekk, il-wisa 'taċ-ċellula Feret żdiedet b'diversi mikrometri wara l-interazzjoni ma' SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) meta mqabbla ma 'SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f).Aħna nissuspettaw li dan jista 'jkun minħabba l-assorbiment qawwi ta' ossidi Nb mill-mikroalka mal-interazzjoni ma 'Nb2CTx SR.Twaħħil inqas riġidu ta 'qxur Nb mal-wiċċ tagħhom jista' jirriżulta fi tkabbir taċ-ċelluli b'effett ta 'dell minimu.
L-osservazzjonijiet tagħna tal-bidliet fil-parametri tal-forma u d-daqs tal-mikroalka jikkumplimentaw studji oħra.Il-mikroalgi ħodor jistgħu jbiddlu l-morfoloġija tagħhom b’reazzjoni għall-istress ambjentali billi jbiddlu d-daqs, il-forma jew il-metaboliżmu taċ-ċelluli61.Pereżempju, it-tibdil tad-daqs taċ-ċelloli jiffaċilita l-assorbiment tan-nutrijenti71.Ċelloli iżgħar ta 'l-alka juru assorbiment aktar baxx ta' nutrijenti u rata ta 'tkabbir indebolita.Bil-maqlub, ċelluli akbar għandhom it-tendenza li jikkunsmaw aktar nutrijenti, li mbagħad jiġu depożitati intraċellulari72,73.Machado u Soares sabu li l-fungiċida triclosan jista 'jżid id-daqs taċ-ċelluli.Sabu wkoll bidliet profondi fil-forma tal-alka74.Barra minn hekk, Yin et al.9 żvelaw ukoll bidliet morfoloġiċi fl-alka wara espożizzjoni għal nanokomposti mnaqqsa tal-ossidu tal-grafene.Għalhekk, huwa ċar li l-parametri ta 'daqs/forma mibdula tal-mikroalka huma kkawżati mill-preżenza ta' MXene.Peress li din il-bidla fid-daqs u l-għamla hija indikattiva ta 'bidliet fl-assorbiment tan-nutrijenti, nemmnu li l-analiżi tad-daqs u l-parametri tal-forma maż-żmien tista' turi l-assorbiment tal-ossidu tan-nijobju mill-mikroalka fil-preżenza ta 'Nb-MXenes.
Barra minn hekk, MXenes jistgħu jiġu ossidizzati fil-preżenza ta 'alka.Dalai et al.75 osservaw li l-morfoloġija tal-alka ħadra esposta għal nano-TiO2 u Al2O376 ma kinitx uniformi.Għalkemm l-osservazzjonijiet tagħna huma simili għall-istudju preżenti, huwa rilevanti biss għall-istudju tal-effetti tal-bijorimedjazzjoni f'termini ta 'prodotti ta' degradazzjoni MXene fil-preżenza ta 'nanoflakes 2D u mhux nanopartiċelli.Peress li l-MXenes jistgħu jiddegradaw f'ossidi tal-metall,31,32,77,78 huwa raġonevoli li wieħed jassumi li n-nanoflakes Nb tagħna jistgħu wkoll jiffurmaw ossidi Nb wara li jinteraġixxu maċ-ċelloli tal-mikroalka.
Sabiex tispjega t-tnaqqis ta 'nanoflakes 2D-Nb permezz ta' mekkaniżmu ta 'dekompożizzjoni bbażat fuq il-proċess ta' ossidazzjoni, wettaqna studji bl-użu ta 'mikroskopija elettronika ta' trasmissjoni b'riżoluzzjoni għolja (HRTEM) (Fig. 7a, b) u spettroskopija ta 'fotoelettron tar-raġġi X (XPS) (Fig. 7).7c-i u tabelli S4-5).Iż-żewġ approċċi huma adattati għall-istudju tal-ossidazzjoni tal-materjali 2D u jikkumplimentaw lil xulxin.HRTEM huwa kapaċi janalizza d-degradazzjoni ta 'strutturi b'saffi bidimensjonali u d-dehra sussegwenti ta' nanopartiċelli ta 'ossidu tal-metall, filwaqt li XPS huwa sensittiv għal bonds tal-wiċċ.Għal dan il-għan, aħna ttestjajna nanoflakes 2D Nb-MXene estratti minn dispersjonijiet taċ-ċelluli tal-mikroalka, jiġifieri, il-forma tagħhom wara l-interazzjoni ma 'ċelluli tal-mikroalka (ara Fig. 7).
Immaġini HRTEM li juru l-morfoloġija ta 'ossidati (a) SL Nb2CTx u (b) SL Nb4C3Tx MXenes, riżultati ta' analiżi XPS li juru (c) il-kompożizzjoni ta 'prodotti ta' ossidu wara tnaqqis, (d–f) tqabbil tal-quċċata tal-komponenti tal-ispettri XPS ta 'SL Nb2CTx u (g–i) SL Nb4C3Tx imsewwija b'greenalx.
Studji HRTEM ikkonfermaw l-ossidazzjoni ta 'żewġ tipi ta' nanoflakes Nb-MXene.Għalkemm in-nanoflakes żammew il-morfoloġija bidimensjonali tagħhom sa ċertu punt, l-ossidazzjoni rriżultat fid-dehra ta 'ħafna nanopartiċelli li jkopru l-wiċċ tan-nanoflakes MXene (ara Fig. 7a, b).L-analiżi XPS tas-sinjali c Nb 3d u O 1s indikat li l-ossidi Nb ġew iffurmati fiż-żewġ każijiet.Kif muri fil-Figura 7c, 2D MXene Nb2CTx u Nb4C3TX għandhom sinjali Nb 3d li jindikaw il-preżenza ta 'ossidi NbO u Nb2O5, filwaqt li sinjali O 1s jindikaw in-numru ta' bonds O-Nb assoċjati mal-funzjonalizzazzjoni tal-wiċċ nanoflake 2D.Aħna ndunat li l-kontribuzzjoni tal-ossidu Nb hija dominanti meta mqabbla ma 'Nb-C u Nb3 + -O.
Fuq il-fig.Figuri 7g–i juru l-ispettri XPS ta 'Nb 3d, C 1s, u O 1s SL Nb2CTx (ara Figuri 7d–f) u SL Nb4C3TX MXene iżolati minn ċelluli mikroalka.Dettalji tal-parametri tal-quċċata Nb-MXenes huma pprovduti fit-Tabelli S4–5, rispettivament.Aħna l-ewwel analizzat il-kompożizzjoni ta 'Nb 3d.B'kuntrast ma 'Nb assorbit miċ-ċelloli tal-mikroalka, f'MXene iżolat miċ-ċelloli tal-mikroalka, apparti minn Nb2O5, instabu komponenti oħra.Fl-Nb2CTx SL, osservajna l-kontribuzzjoni ta 'Nb3+-O fl-ammont ta' 15%, filwaqt li l-bqija tal-ispettru Nb 3d kien iddominat minn Nb2O5 (85%).Barra minn hekk, il-kampjun SL Nb4C3TX fih komponenti Nb-C (9%) u Nb2O5 (91%).Hawnhekk Nb-C ġej minn żewġ saffi atomiċi ta 'ġewwa ta' karbur tal-metall f'Nb4C3Tx SR.Aħna mbagħad nippjanaw l-ispettri C 1s għal erba 'komponenti differenti, kif għamilna fil-kampjuni internalizzati.Kif mistenni, l-ispettru C 1s huwa ddominat minn karbonju grafitiku, segwit minn kontribuzzjonijiet minn partiċelli organiċi (CHx/CO u C=O) minn ċelloli tal-mikroalka.Barra minn hekk, fl-ispettru O 1s, osservajna l-kontribuzzjoni ta 'forom organiċi ta' ċelluli tal-mikroalka, ossidu tan-nijobju, u ilma adsorbit.
Barra minn hekk, investigajna jekk il-qsim ta 'Nb-MXenes hijiex assoċjata mal-preżenza ta' speċi ta 'ossiġnu reattiv (ROS) fil-medju tan-nutrijent u/jew ċelloli tal-mikroalka.Għal dan il-għan, ivvalutajna l-livelli ta 'ossiġnu singlet (1O2) fil-medja tal-kultura u glutathione intraċellulari, thiol li jaġixxi bħala antiossidant fil-mikroalka.Ir-riżultati huma murija fis-SI (Figuri S20 u S21).Il-kulturi b'SL Nb2CTx u Nb4C3TX MXenes kienu kkaratterizzati minn ammont imnaqqas ta '1O2 (ara Figura S20).Fil-każ ta' SL Nb2CTx, MXene 1O2 jitnaqqas għal madwar 83%.Għall-kulturi tal-mikroalka li jużaw SL, Nb4C3TX 1O2 naqas saħansitra aktar, għal 73%.Interessanti, bidliet f'1O2 wrew l-istess tendenza bħall-effett inibitorju-stimulatorju osservat qabel (ara Fig. 3).Jista 'jiġi argumentat li l-inkubazzjoni f'dawl qawwi tista' tbiddel il-fotoossidazzjoni.Madankollu, ir-riżultati tal-analiżi tal-kontroll wrew livelli kważi kostanti ta '1O2 matul l-esperiment (Fig. S22).Fil-każ ta 'livelli ta' ROS intraċellulari, osservajna wkoll l-istess xejra 'l isfel (ara Figura S21).Inizjalment, il-livelli ta 'ROS fiċ-ċelloli tal-mikroalka kkultivati ​​fil-preżenza ta' Nb2CTx u Nb4C3Tx SLs qabżu l-livelli misjuba f'kulturi puri ta 'mikroalka.Eventwalment, madankollu, deher li l-mikroalka addattat għall-preżenza taż-żewġ Nb-MXenes, peress li l-livelli ta 'ROS naqsu għal 85% u 91% tal-livelli mkejla f'kulturi puri ta' mikroalka mlaqqma b'SL Nb2CTx u Nb4C3TX, rispettivament.Dan jista 'jindika li l-mikroalka jħossuhom aktar komdi maż-żmien fil-preżenza ta' Nb-MXene milli f'medju nutrittiv waħdu.
Il-mikroalka huma grupp divers ta’ organiżmi fotosintetiċi.Matul il-fotosintesi, jikkonvertu d-dijossidu tal-karbonju atmosferiku (CO2) f'karbonju organiku.Il-prodotti tal-fotosintesi huma l-glukożju u l-ossiġnu79.Aħna nissuspettaw li l-ossiġnu hekk iffurmat għandu rwol kritiku fl-ossidazzjoni ta 'Nb-MXenes.Spjegazzjoni waħda possibbli għal dan hija li l-parametru ta 'arjazzjoni differenzjali huwa ffurmat fi pressjonijiet parzjali baxxi u għoljin ta' ossiġnu barra u ġewwa n-nanoflakes Nb-MXene.Dan ifisser li kull fejn ikun hemm żoni ta 'pressjonijiet parzjali differenti ta' ossiġnu, iż-żona bl-inqas livell se tifforma l-anodu 80, 81, 82. Hawnhekk, il-mikroalka jikkontribwixxu għall-ħolqien ta 'ċelluli b'arja differenti fuq il-wiċċ tal-qxur MXene, li jipproduċu ossiġnu minħabba l-proprjetajiet fotosintetiċi tagħhom.Bħala riżultat, prodotti tal-bijokorrużjoni (f'dan il-każ, ossidi tan-nijobju) huma ffurmati.Aspett ieħor huwa li l-mikroalka tista 'tipproduċi aċidi organiċi li jiġu rilaxxati fl-ilma83,84.Għalhekk, jiġi ffurmat ambjent aggressiv, u b'hekk jinbidel l-Nb-MXenes.Barra minn hekk, il-mikroalka tista 'tbiddel il-pH tal-ambjent għal alkalin minħabba l-assorbiment tad-dijossidu tal-karbonju, li jista' wkoll jikkawża korrużjoni79.
Aktar importanti minn hekk, il-fotoperjodu dlam/dawl użat fl-istudju tagħna huwa kritiku biex nifhmu r-riżultati miksuba.Dan l-aspett huwa deskritt fid-dettall f'Djemai-Zoghlache et al.85 Huma użaw deliberatament fotoperjodu ta' 12/12-il siegħa biex juru l-bijokorrużjoni assoċjata mal-bijofouling mill-mikroalka ħamra Porphyridium purpureum.Huma juru li l-fotoperjodu huwa assoċjat ma 'l-evoluzzjoni tal-potenzjal mingħajr bijokorrużjoni, li jimmanifesta ruħu bħala oxxillazzjonijiet psewdoperijodi madwar 24:00.Dawn l-osservazzjonijiet ġew ikkonfermati minn Dowling et al.86 Huma wrew bijofilms fotosintetiċi taċ-ċjanobatterji Anabaena.L-ossiġnu maħlul huwa ffurmat taħt l-azzjoni tad-dawl, li huwa assoċjat ma 'bidla jew varjazzjonijiet fil-potenzjal ta' bijokorrużjoni ħielsa.L-importanza tal-fotoperjodu hija enfasizzata mill-fatt li l-potenzjal ħieles għall-bijokorrużjoni jiżdied fil-fażi tad-dawl u jonqos fil-fażi mudlama.Dan huwa dovut għall-ossiġnu prodott mill-mikroalka fotosintetiċi, li jinfluwenza r-reazzjoni katodika permezz tal-pressjoni parzjali ġġenerata ħdejn l-elettrodi87.
Barra minn hekk, twettqet spettroskopija infra-aħmar tat-trasformazzjoni Fourier (FTIR) biex issir taf jekk seħħx xi tibdil fil-kompożizzjoni kimika taċ-ċelloli tal-mikroalka wara l-interazzjoni ma 'Nb-MXenes.Dawn ir-riżultati miksuba huma kumplessi u aħna nippreżentawhom f'SI (Figuri S23-S25, inklużi r-riżultati tal-istadju MAX u ML MXenes).Fil-qosor, l-ispettri ta 'referenza miksuba tal-mikroalka jipprovdulna informazzjoni importanti dwar il-karatteristiċi kimiċi ta' dawn l-organiżmi.Dawn il-vibrazzjonijiet l-aktar probabbli jinsabu fi frekwenzi ta '1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.waħda.1 1 (C–H) u 3280 ċm–1 (O–H).Għal SL Nb-MXenes, sibna firma ta 'tiġbid ta' CH-bond li hija konsistenti mal-istudju preċedenti tagħna38.Madankollu, osservajna li xi qċaċet addizzjonali assoċjati ma 'bonds C=C u CH sparixxew.Dan jindika li l-kompożizzjoni kimika tal-mikroalka tista’ tgħaddi minn bidliet żgħar minħabba l-interazzjoni ma’ SL Nb-MXenes.
Meta jiġu kkunsidrati bidliet possibbli fil-bijokimika tal-mikroalka, l-akkumulazzjoni ta 'ossidi inorganiċi, bħall-ossidu tan-nijobju, jeħtieġ li terġa' tiġi kkunsidrata59.Huwa involut fit-teħid ta 'metalli mill-wiċċ taċ-ċellula, it-trasport tagħhom fiċ-ċitoplasma, l-assoċjazzjoni tagħhom ma' gruppi karbossili intraċellulari, u l-akkumulazzjoni tagħhom fil-polifososomi tal-mikroalka20,88,89,90.Barra minn hekk, ir-relazzjoni bejn il-mikroalka u l-metalli tinżamm minn gruppi funzjonali ta 'ċelloli.Għal din ir-raġuni, l-assorbiment jiddependi wkoll fuq il-kimika tal-wiċċ tal-mikroalka, li hija pjuttost kumplessa9,91.B'mod ġenerali, kif mistenni, il-kompożizzjoni kimika tal-mikroalka ħadra inbidlet ftit minħabba l-assorbiment ta 'ossidu Nb.
Interessanti, l-inibizzjoni inizjali osservata tal-mikroalka kienet riversibbli maż-żmien.Kif osservajna, il-mikroalka għelbet il-bidla ambjentali inizjali u eventwalment reġgħet lura għar-rati ta 'tkabbir normali u saħansitra żdiedet.Studji tal-potenzjal zeta juru stabbiltà għolja meta jiġu introdotti fil-midja tan-nutrijenti.Għalhekk, l-interazzjoni tal-wiċċ bejn iċ-ċelloli tal-mikroalka u n-nanoflakes Nb-MXene inżammet matul l-esperimenti ta 'tnaqqis.Fl-analiżi ulterjuri tagħna, aħna niġbru fil-qosor il-mekkaniżmi ewlenin ta 'azzjoni sottostanti din l-imġiba notevoli tal-mikroalka.
L-osservazzjonijiet tas-SEM wrew li l-mikroalka għandhom it-tendenza li jeħlu ma 'Nb-MXenes.Bl-użu ta 'analiżi dinamika tal-immaġni, nikkonfermaw li dan l-effett iwassal għat-trasformazzjoni ta' nanoflakes Nb-MXene bidimensjonali f'partiċelli aktar sferiċi, u b'hekk nuru li d-dekompożizzjoni tan-nanoflakes hija assoċjata mal-ossidazzjoni tagħhom.Biex nittestjaw l-ipoteżi tagħna, għamilna serje ta 'studji materjali u bijokimiċi.Wara l-ittestjar, in-nanoflakes gradwalment ossidizzati u ddekomposti fi prodotti NbO u Nb2O5, li ma kinux ta 'theddida għall-mikroalka ħadra.Bl-użu ta 'osservazzjoni FTIR, ma sibna l-ebda tibdil sinifikanti fil-kompożizzjoni kimika tal-mikroalka inkubata fil-preżenza ta' nanoflakes 2D Nb-MXene.B'kont meħud tal-possibbiltà ta 'assorbiment ta' ossidu tan-nijobju mill-mikroalka, għamilna analiżi tal-fluworexxenza tar-raġġi X.Dawn ir-riżultati juru biċ-ċar li l-mikroalka studjata titma 'l-ossidi tan-nijobju (NbO u Nb2O5), li mhumiex tossiċi għall-mikroalka studjata.