Faleminderit që vizituat Nature.com. Po përdorni një version të shfletuesit me mbështetje të kufizuar CSS. Për përvojën më të mirë, ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose të çaktivizoni Modalitetin e Përputhshmërisë në Internet Explorer). Ndërkohë, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne do ta paraqesim faqen pa stile dhe JavaScript.
Shfaq një karusel me tre diapozitiva njëherësh. Përdorni butonat "Më parë" dhe "Më pas" për të lëvizur midis tre diapozitivave njëherësh, ose përdorni butonat e rrëshqitësit në fund për të lëvizur midis tre diapozitivave njëherësh.
Zhvillimi i shpejtë i nanoteknologjisë dhe integrimi i saj në aplikimet e përditshme mund të kërcënojë mjedisin. Ndërsa metodat e gjelbra për degradimin e ndotësve organikë janë të vendosura mirë, rikuperimi i ndotësve kristalorë inorganikë është një shqetësim i madh për shkak të ndjeshmërisë së tyre të ulët ndaj biotransformimit dhe mungesës së të kuptuarit të ndërveprimeve sipërfaqësore të materialit me ato biologjike. Këtu, ne përdorim një model MXenes inorganike 2D të bazuar në Nb të kombinuar me një metodë të thjeshtë të analizës së parametrave të formës për të gjurmuar mekanizmin e bioremediation të nanomaterialeve qeramike 2D nga mikroalgat e gjelbra Raphidocelis subcapitata. Ne zbuluam se mikroalgat degradojnë MXenes me bazë Nb për shkak të ndërveprimeve fiziko-kimike të lidhura me sipërfaqen. Fillimisht, nanofletë MXene me një shtresë dhe shumë shtresa u ngjitën në sipërfaqen e mikroalgave, të cilat reduktuan disi rritjen e algave. Megjithatë, pas ndërveprimit të zgjatur me sipërfaqen, mikroalgat oksiduan nanofletë MXene dhe i dekompozuan më tej ato në NbO dhe Nb2O5. Meqenëse këto okside nuk janë toksike për qelizat e mikroalgave, ato konsumojnë nanopjesëza të oksidit Nb me anë të një mekanizmi thithjeje që i rikthen më tej mikroalgat pas 72 orësh trajtimi të ujit. Efektet e lëndëve ushqyese të shoqëruara me thithjen reflektohen gjithashtu në rritjen e vëllimit të qelizave, formën e tyre të lëmuar dhe ndryshimin në shkallën e rritjes. Bazuar në këto gjetje, ne konkludojmë se prania afatshkurtër dhe afatgjatë e MXenes me bazë Nb në ekosistemet e ujërave të ëmbla mund të shkaktojë vetëm ndikime të vogla mjedisore. Vlen të përmendet se, duke përdorur nanomateriale dy-dimensionale si sisteme modeli, ne demonstrojmë mundësinë e ndjekjes së transformimit të formës edhe në materialet me kokërr të imët. Në përgjithësi, ky studim përgjigjet një pyetjeje të rëndësishme themelore në lidhje me proceset e lidhura me ndërveprimin sipërfaqësor që nxisin mekanizmin e bioremediacionit të nanomaterialeve 2D dhe ofron një bazë për studime të mëtejshme afatshkurtra dhe afatgjata të ndikimit mjedisor të nanomaterialeve kristalore inorganike.
Nanomaterialet kanë ngjallur shumë interes që nga zbulimi i tyre, dhe nanoteknologji të ndryshme kanë hyrë së fundmi në një fazë modernizimi1. Fatkeqësisht, integrimi i nanomaterialeve në aplikimet e përditshme mund të çojë në lëshime aksidentale për shkak të asgjësimit të pahijshëm, trajtimit të pakujdesshëm ose infrastrukturës së pamjaftueshme të sigurisë. Prandaj, është e arsyeshme të supozohet se nanomaterialet, duke përfshirë nanomaterialet dy-dimensionale (2D), mund të lëshohen në mjedisin natyror, sjellja dhe aktiviteti biologjik i të cilave ende nuk janë kuptuar plotësisht. Prandaj, nuk është për t'u habitur që shqetësimet për ekotoksicitetin janë përqendruar në aftësinë e nanomaterialeve 2D për t'u depërtuar në sistemet ujore2,3,4,5,6. Në këto ekosisteme, disa nanomateriale 2D mund të bashkëveprojnë me organizma të ndryshëm në nivele të ndryshme trofike, duke përfshirë mikroalgat.
Mikroalgat janë organizma primitivë që gjenden natyrshëm në ekosistemet e ujërave të ëmbla dhe detare që prodhojnë një sërë produktesh kimike përmes fotosintezës7. Si të tilla, ato janë kritike për ekosistemet ujore8,9,10,11,12, por janë gjithashtu tregues të ndjeshëm, të lirë dhe të përdorur gjerësisht të ekotoksicitetit13,14. Meqenëse qelizat e mikroalgave shumohen me shpejtësi dhe reagojnë shpejt ndaj pranisë së komponimeve të ndryshme, ato janë premtuese për zhvillimin e metodave miqësore me mjedisin për trajtimin e ujit të kontaminuar me substanca organike15,16.
Qelizat e algave mund të largojnë jonet inorganike nga uji nëpërmjet biosorbimit dhe akumulimit17,18. Disa lloje algash si Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue dhe Synechococcus sp. Është zbuluar se mbart dhe madje ushqen jone metalike toksike si Fe2+, Cu2+, Zn2+ dhe Mn2+19. Studime të tjera kanë treguar se jonet Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ ose Pb2+ kufizojnë rritjen e Scenedesmus duke ndryshuar morfologjinë e qelizave dhe duke shkatërruar kloroplastet e tyre20,21.
Metodat e gjelbra për dekompozimin e ndotësve organikë dhe largimin e joneve të metaleve të rënda kanë tërhequr vëmendjen e shkencëtarëve dhe inxhinierëve në të gjithë botën. Kjo kryesisht për shkak të faktit se këta ndotës përpunohen lehtësisht në fazën e lëngshme. Megjithatë, ndotësit kristalorë inorganikë karakterizohen nga tretshmëria e ulët në ujë dhe ndjeshmëria e ulët ndaj biotransformimeve të ndryshme, gjë që shkakton vështirësi të mëdha në rehabilitim, dhe pak përparim është bërë në këtë fushë22,23,24,25,26. Kështu, kërkimi i zgjidhjeve miqësore me mjedisin për riparimin e nanomaterialeve mbetet një fushë komplekse dhe e paeksploruar. Për shkak të shkallës së lartë të pasigurisë në lidhje me efektet e biotransformimit të nanomaterialeve 2D, nuk ka një mënyrë të lehtë për të zbuluar rrugët e mundshme të degradimit të tyre gjatë reduktimit.
Në këtë studim, ne përdorëm mikroalgat e gjelbra si një agjent aktiv ujor bioremediation për materialet qeramike inorganike, të kombinuara me monitorimin in situ të procesit të degradimit të MXene si një përfaqësues i materialeve qeramike inorganike. Termi "MXene" pasqyron stekiometrinë e materialit Mn+1XnTx, ku M është një metal i hershëm tranzicioni, X është karbon dhe/ose azot, Tx është një terminator sipërfaqësor (p.sh., -OH, -F, -Cl), dhe n = 1, 2, 3 ose 427.28. Që nga zbulimi i MXenes nga Naguib et al. Sensorics, terapia e kancerit dhe filtrimi i membranës 27,29,30. Përveç kësaj, MXenes mund të konsiderohen si sisteme model 2D për shkak të stabilitetit të tyre të shkëlqyer koloidal dhe ndërveprimeve të mundshme biologjike 31,32,33,34,35,36.
Prandaj, metodologjia e zhvilluar në këtë artikull dhe hipotezat tona kërkimore tregohen në Figurën 1. Sipas kësaj hipoteze, mikroalgat i degradojnë MXenet me bazë Nb në komponime jo-toksike për shkak të ndërveprimeve fiziko-kimike që lidhen me sipërfaqen, gjë që lejon rikuperimin e mëtejshëm të algave. Për të testuar këtë hipotezë, u zgjodhën dy anëtarë të familjes së karbideve dhe/ose nitrideve të metaleve të tranzicionit (MXenet) të hershme me bazë niobiumi, përkatësisht Nb2CTx dhe Nb4C3TX.
Metodologjia e hulumtimit dhe hipotezat e bazuara në prova për rikuperimin e MXene nga mikroalgat e gjelbra Raphidocelis subcapitata. Ju lutemi vini re se ky është vetëm një paraqitje skematike e supozimeve të bazuara në prova. Mjedisi i liqenit ndryshon në mjedisin ushqyes të përdorur dhe kushtet (p.sh., cikli ditor dhe kufizimet në lëndët ushqyese thelbësore të disponueshme). Krijuar me BioRender.com.
Prandaj, duke përdorur MXene si një sistem model, ne kemi hapur derën për studimin e efekteve të ndryshme biologjike që nuk mund të vërehen me nanomateriale të tjera konvencionale. Në veçanti, ne demonstrojmë mundësinë e bioremediation të nanomaterialeve dy-dimensionale, siç janë MXenet me bazë niobiumi, nga mikroalgat Raphidocelis subcapitata. Mikroalgat janë në gjendje të degradojnë Nb-MXenet në oksidet jo-toksike NbO dhe Nb2O5, të cilat gjithashtu sigurojnë lëndë ushqyese përmes mekanizmit të thithjes së niobiumit. Në përgjithësi, ky studim përgjigjet një pyetjeje të rëndësishme themelore në lidhje me proceset e shoqëruara me ndërveprimet fiziko-kimike sipërfaqësore që qeverisin mekanizmat e bioremediation të nanomaterialeve dy-dimensionale. Përveç kësaj, ne po zhvillojmë një metodë të thjeshtë të bazuar në parametrat e formës për të ndjekur ndryshimet delikate në formën e nanomaterialeve 2D. Kjo frymëzon kërkime të mëtejshme afatshkurtra dhe afatgjata mbi ndikimet e ndryshme mjedisore të nanomaterialeve kristalore inorganike. Kështu, studimi ynë rrit kuptimin e ndërveprimit midis sipërfaqes së materialit dhe materialit biologjik. Ne gjithashtu po ofrojmë bazën për studime të zgjeruara afatshkurtra dhe afatgjata të ndikimeve të tyre të mundshme në ekosistemet e ujërave të ëmbla, të cilat tani mund të verifikohen lehtësisht.
MXenet përfaqësojnë një klasë interesante materialesh me veti fizike dhe kimike unike dhe tërheqëse dhe për këtë arsye shumë aplikime të mundshme. Këto veti varen kryesisht nga stekiometria dhe kimia e sipërfaqes së tyre. Prandaj, në studimin tonë, ne hetuam dy lloje të MXeneve hierarkike me një shtresë (SL) me bazë Nb, Nb2CTx dhe Nb4C3TX, pasi mund të vëreheshin efekte të ndryshme biologjike të këtyre nanomaterialeve. MXenet prodhohen nga materialet e tyre fillestare me anë të gdhendjes selektive nga lart poshtë të shtresave A të fazës MAX atomikisht të holla. Faza MAX është një qeramikë ternare e përbërë nga blloqe "të lidhura" të karbideve të metaleve të tranzicionit dhe shtresa të holla të elementëve "A" si Al, Si dhe Sn me stekiometri MnAXn-1. Morfologjia e fazës fillestare MAX u vu re nga mikroskopia elektronike skanuese (SEM) dhe ishte në përputhje me studimet e mëparshme (Shih Informacionin Plotësues, SI, Figura S1). Nb-MXene shumështresore (ML) u mor pas heqjes së shtresës së Al me 48% HF (acid hidrofluorik). Morfologjia e ML-Nb2CTx dhe ML-Nb4C3TX u ekzaminua me anë të mikroskopisë elektronike skanuese (SEM) (Figurat S1c dhe S1d përkatësisht) dhe u vu re një morfologji tipike e shtresuar e MXenit, e ngjashme me nanofletë dy-dimensionale që kalojnë nëpër çarje të zgjatura si pore. Të dy Nb-MXenet kanë shumë të përbashkëta me fazat MXene të sintetizuara më parë me anë të gdhendjes acidike27,38. Pas konfirmimit të strukturës së MXenit, ne e shtresuam atë me anë të interkalimit të hidroksidit të tetrabutilamonit (TBAOH) të ndjekur nga larja dhe sonifikimi, pas së cilës morëm nanofletë Nb-MXene 2D me një shtresë ose me shtresë të ulët (SL).
Ne përdorëm mikroskopinë elektronike të transmetimit me rezolucion të lartë (HRTEM) dhe difraksionin e rrezeve X (XRD) për të testuar efikasitetin e gdhendjes dhe zhveshjes së mëtejshme. Rezultatet e HRTEM të përpunuara duke përdorur Transformimin e Shpejtë Invers të Fourierit (IFFT) dhe Transformimin e Shpejtë të Fourierit (FFT) tregohen në Fig. 2. Nanofletëzat Nb-MXene u orientuan nga ana lart për të kontrolluar strukturën e shtresës atomike dhe për të matur distancat ndërplanare. Imazhet HRTEM të nanofletëzave MXene Nb2CTx dhe Nb4C3TX zbuluan natyrën e tyre të shtresave atomikisht të holla (shih Fig. 2a1, a2), siç është raportuar më parë nga Naguib et al.27 dhe Jastrzębska et al.38. Për dy shtresa monolitike ngjitur Nb2CTx dhe Nb4C3Tx, ne përcaktuam distanca ndërlidhëse prej 0.74 dhe 1.54 nm, përkatësisht (Fig. 2b1, b2), të cilat gjithashtu përputhen me rezultatet tona të mëparshme38. Kjo u konfirmua më tej nga transformimi i shpejtë invers i Furierit (Fig. 2c1, c2) dhe transformimi i shpejtë i Furierit (Fig. 2d1, d2) që tregon distancën midis shtresave monokrilore Nb2CTx dhe Nb4C3Tx. Imazhi tregon një alternim të brezave të çelët dhe të errët që korrespondojnë me atomet e niobiumit dhe karbonit, gjë që konfirmon natyrën e shtresuar të MXeneve të studiuara. Është e rëndësishme të theksohet se spektrat e spektroskopisë me shpërndarje të energjisë me rreze X (EDX) të marra për Nb2CTx dhe Nb4C3Tx (Figurat S2a dhe S2b) nuk treguan mbetje të fazës origjinale MAX, pasi nuk u zbulua asnjë kulm Al.
Karakterizimi i nanofleve SL Nb2CTx dhe Nb4C3Tx MXene, duke përfshirë (a) imazhe anësore 2D të nanofleve me mikroskop elektronik me rezolucion të lartë (HRTEM) dhe (b) modalitetin e intensitetit përkatës, (c) transformimin e shpejtë invers të Furierit (IFFT), (d) transformimin e shpejtë të Furierit (FFT), (e) modelet e rrezeve X të Nb-MXenes. Për SL 2D Nb2CTx, numrat shprehen si (a1, b1, c1, d1, e1). Për SL 2D Nb4C3Tx, numrat shprehen si (a2, b2, c2, d2, e1).
Matjet e difraksionit me rreze X të SL Nb2CTx dhe Nb4C3Tx MXenes janë paraqitur përkatësisht në Fig. 2e1 dhe e2. Majat (002) në 4.31 dhe 4.32 korrespondojnë me MXenes Nb2CTx dhe Nb4C3TX38,39,40,41 të përshkruara më parë përkatësisht. Rezultatet e XRD tregojnë gjithashtu praninë e disa strukturave të mbetura ML dhe fazave MAX, por kryesisht modelet XRD të shoqëruara me SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2). Prania e grimcave më të vogla të fazës MAX mund të shpjegojë majën më të fortë MAX krahasuar me shtresat Nb4C3Tx të grumbulluara rastësisht.
Hulumtime të mëtejshme janë përqendruar në mikroalgat e gjelbra që i përkasin specieve R. subcapitata. Ne i zgjodhëm mikroalgat sepse ato janë prodhuese të rëndësishme të përfshira në rrjetet kryesore ushqimore42. Ato janë gjithashtu një nga treguesit më të mirë të toksicitetit për shkak të aftësisë për të hequr substancat toksike që transportohen në nivele më të larta të zinxhirit ushqimor43. Përveç kësaj, hulumtimi mbi R. subcapitata mund të hedhë dritë mbi toksicitetin rastësor të SL Nb-MXenes ndaj mikroorganizmave të zakonshëm të ujërave të ëmbla. Për ta ilustruar këtë, studiuesit hipotezuan se çdo mikrob ka një ndjeshmëri të ndryshme ndaj komponimeve toksike të pranishme në mjedis. Për shumicën e organizmave, përqendrimet e ulëta të substancave nuk ndikojnë në rritjen e tyre, ndërsa përqendrimet mbi një kufi të caktuar mund t'i pengojnë ato ose edhe të shkaktojnë vdekjen. Prandaj, për studimet tona mbi bashkëveprimin sipërfaqësor midis mikroalgave dhe MXenes dhe rikuperimin e shoqëruar, vendosëm të testojmë përqendrimet e padëmshme dhe toksike të Nb-MXenes. Për ta bërë këtë, ne testuam përqendrime prej 0 (si referencë), 0.01, 0.1 dhe 10 mg l-1 MXene dhe gjithashtu mikroalga të infektuara me përqendrime shumë të larta të MXene (100 mg l-1 MXene), të cilat mund të jenë ekstreme dhe vdekjeprurëse për çdo mjedis biologjik.
Efektet e SL Nb-MXenes në mikroalga tregohen në Figurën 3, të shprehura si përqindja e nxitjes së rritjes (+) ose frenimit (-) të matur për mostrat 0 mg l-1. Për krahasim, faza Nb-MAX dhe ML Nb-MXenes u testuan gjithashtu dhe rezultatet tregohen në SI (shih Fig. S3). Rezultatet e marra konfirmuan se SL Nb-MXenes është pothuajse plotësisht i lirë nga toksiciteti në rangun e përqendrimeve të ulëta nga 0.01 në 10 mg/l, siç tregohet në Fig. 3a,b. Në rastin e Nb2CTx, ne vumë re jo më shumë se 5% ekotoksicitet në rangun e specifikuar.
Stimulimi (+) ose frenimi (-) i rritjes së mikroalgave në prani të SL (a) Nb2CTx dhe (b) Nb4C3TX MXene. U analizuan 24, 48 dhe 72 orë të bashkëveprimit MXene-mikroalga. Të dhënat e rëndësishme (testi-t, p < 0.05) u shënuan me një yll (*). Të dhënat e rëndësishme (testi-t, p < 0.05) u shënuan me një yll (*). Значимые данные (t-kriteriй, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Të dhënat e rëndësishme (testi-t, p < 0.05) janë shënuar me një yll (*).重要数据（t 检验，p < 0,05）用星号(*) 标记。重要数据（t 检验，p < 0,05）用星号(*) 标记。 Важные данные (t-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Të dhënat e rëndësishme (testi-t, p < 0.05) janë shënuar me një yll (*).Shigjetat e kuqe tregojnë heqjen e stimulimit frenues.
Nga ana tjetër, përqendrimet e ulëta të Nb4C3TX rezultuan të ishin pak më toksike, por jo më të larta se 7%. Siç pritej, ne vumë re se MXenes kishin toksicitet dhe frenim më të lartë të rritjes së mikroalgave në 100mg L-1. Është interesante se asnjë nga materialet nuk tregoi të njëjtën tendencë dhe varësi kohore të efekteve atoksike/toksike krahasuar me mostrat MAX ose ML (shih SI për detaje). Ndërsa për fazën MAX (shih Fig. S3) toksiciteti arriti afërsisht 15-25% dhe u rrit me kalimin e kohës, tendenca e kundërt u vu re për SL Nb2CTx dhe Nb4C3TX MXene. Frenimi i rritjes së mikroalgave u ul me kalimin e kohës. Ai arriti afërsisht 17% pas 24 orësh dhe ra në më pak se 5% pas 72 orësh (Fig. 3a, b, përkatësisht).
Më e rëndësishmja, për SL Nb4C3TX, frenimi i rritjes së mikroalgave arriti rreth 27% pas 24 orësh, por pas 72 orësh u ul në rreth 1%. Prandaj, ne e etiketuam efektin e vëzhguar si frenim invers të stimulimit, dhe efekti ishte më i fortë për SL Nb4C3TX MXene. Stimulimi i rritjes së mikroalgave u vu re më herët me Nb4C3TX (bashkëveprimi në 10 mg L-1 për 24 orë) krahasuar me SL Nb2CTx MXene. Efekti i përmbysjes së frenimit-stimulimit u tregua mirë edhe në kurbën e shkallës së dyfishimit të biomasës (shih Fig. S4 për detaje). Deri më tani, vetëm ekotoksiciteti i Ti3C2TX MXene është studiuar në mënyra të ndryshme. Nuk është toksik për embrionet e peshkut zebra44, por mesatarisht ekotoksik për mikroalgat Desmodesmus quadricauda dhe bimët Sorghum saccharatum45. Shembuj të tjerë të efekteve specifike përfshijnë toksicitet më të lartë ndaj linjave qelizore kancerogjene sesa ndaj linjave qelizore normale46,47. Mund të supozohet se kushtet e testimit do të ndikonin në ndryshimet në rritjen e mikroalgave të vëzhguara në prani të Nb-MXenes. Për shembull, një pH prej rreth 8 në stromën e kloroplastit është optimale për funksionimin efikas të enzimës RuBisCO. Prandaj, ndryshimet e pH ndikojnë negativisht në shkallën e fotosintezës48,49. Megjithatë, ne nuk vumë re ndryshime të rëndësishme në pH gjatë eksperimentit (shih SI, Fig. S5 për detaje). Në përgjithësi, kulturat e mikroalgave me Nb-MXenes ulën pak pH-in e tretësirës me kalimin e kohës. Megjithatë, kjo rënie ishte e ngjashme me një ndryshim në pH-in e një mjedisi të pastër. Përveç kësaj, diapazoni i variacioneve të gjetura ishte i ngjashëm me atë të matur për një kulturë të pastër të mikroalgave (mostër kontrolli). Kështu, ne konkludojmë se fotosinteza nuk ndikohet nga ndryshimet në pH me kalimin e kohës.
Përveç kësaj, MXenet e sintetizuara kanë mbaresa sipërfaqësore (të shënuara si Tx). Këto janë kryesisht grupe funksionale -O, -F dhe -OH. Megjithatë, kimia sipërfaqësore lidhet drejtpërdrejt me metodën e sintezës. Këto grupe dihet se shpërndahen rastësisht në sipërfaqe, duke e bërë të vështirë parashikimin e efektit të tyre në vetitë e MXene50. Mund të argumentohet se Tx mund të jetë forca katalitike për oksidimin e niobiumit nga drita. Grupet funksionale sipërfaqësore në të vërtetë ofrojnë vende të shumta ankorimi për fotokatalizatorët e tyre themelorë për të formuar heterolidhje51. Megjithatë, përbërja e mediumit të rritjes nuk siguroi një fotokatalizator efektiv (përbërja e detajuar e mediumit mund të gjendet në Tabelën SI S6). Përveç kësaj, çdo modifikim sipërfaqësor është gjithashtu shumë i rëndësishëm, pasi aktiviteti biologjik i MXeneve mund të ndryshohet për shkak të përpunimit pas shtresës, oksidimit, modifikimit kimik të sipërfaqes së përbërjeve organike dhe inorganike52,53,54,55,56 ose inxhinierisë së ngarkesës sipërfaqësore38. Prandaj, për të testuar nëse oksidi i niobiumit ka të bëjë me paqëndrueshmërinë e materialit në mjedis, ne kryem studime mbi potencialin zeta (ζ) në mjedisin e rritjes së mikroalgave dhe ujin e deionizuar (për krahasim). Rezultatet tona tregojnë se SL Nb-MXenes janë mjaft të qëndrueshme (shih SI Fig. S6 për rezultatet MAX dhe ML). Potenciali zeta i SL MXenes është rreth -10 mV. Në rastin e SR Nb2CTx, vlera e ζ është disi më negative se ajo e Nb4C3Tx. Një ndryshim i tillë në vlerën ζ mund të tregojë se sipërfaqja e nanoflakeve të MXenes me ngarkesë negative thith jone të ngarkuara pozitivisht nga mjedisi i kulturës. Matjet kohore të potencialit zeta dhe përçueshmërisë së Nb-MXenes në mjedisin e kulturës (shih Figurat S7 dhe S8 në SI për më shumë detaje) duket se mbështesin hipotezën tonë.
Megjithatë, të dy Nb-MXene SL treguan ndryshime minimale nga zero. Kjo tregon qartë stabilitetin e tyre në mjedisin e rritjes së mikroalgave. Përveç kësaj, ne vlerësuam nëse prania e mikroalgave tona të gjelbra do të ndikonte në stabilitetin e Nb-MXenes në mjedis. Rezultatet e potencialit zeta dhe përçueshmërisë së MXenes pas ndërveprimit me mikroalgat në mjedisin ushqyes dhe kulturën me kalimin e kohës mund të gjenden në SI (Figurat S9 dhe S10). Është interesante se vumë re se prania e mikroalgave dukej se stabilizonte shpërndarjen e të dy MXenes. Në rastin e Nb2CTx SL, potenciali zeta madje u ul pak me kalimin e kohës në vlera më negative (-15.8 kundrejt -19.1 mV pas 72 orësh inkubimi). Potenciali zeta i SL Nb4C3TX u rrit pak, por pas 72 orësh ai ende tregoi stabilitet më të lartë se nanoflaket pa praninë e mikroalgave (-18.1 kundrejt -9.1 mV).
Gjithashtu gjetëm përçueshmëri më të ulët të tretësirave të Nb-MXenës të inkubuara në prani të mikroalgave, duke treguar një sasi më të ulët të joneve në mjedisin ushqyes. Veçanërisht, paqëndrueshmëria e MXenës në ujë është kryesisht për shkak të oksidimit sipërfaqësor57. Prandaj, dyshojmë se mikroalgat e gjelbra në një farë mënyre i kanë pastruar oksidet e formuara në sipërfaqen e Nb-MXenës dhe madje kanë parandaluar shfaqjen e tyre (oksidimin e MXenës). Kjo mund të shihet duke studiuar llojet e substancave të absorbuara nga mikroalgat.
Ndërsa studimet tona ekotoksikologjike treguan se mikroalgat ishin në gjendje të kapërcenin toksicitetin e Nb-MXenes me kalimin e kohës dhe frenimin e pazakontë të rritjes së stimuluar, qëllimi i studimit tonë ishte të hetonte mekanizmat e mundshëm të veprimit. Kur organizmat si algat ekspozohen ndaj komponimeve ose materialeve të panjohura për ekosistemet e tyre, ato mund të reagojnë në një sërë mënyrash58,59. Në mungesë të oksideve të metaleve toksike, mikroalgat mund të ushqehen vetë, duke u lejuar atyre të rriten vazhdimisht60. Pas gëlltitjes së substancave toksike, mekanizmat mbrojtës mund të aktivizohen, siç është ndryshimi i formës ose formës. Mundësia e thithjes duhet gjithashtu të merret në konsideratë58,59. Veçanërisht, çdo shenjë e një mekanizmi mbrojtës është një tregues i qartë i toksicitetit të përbërjes së testuar. Prandaj, në punën tonë të mëtejshme, ne hetuam ndërveprimin e mundshëm sipërfaqësor midis nanoflakeve SL Nb-MXene dhe mikroalgave nga SEM dhe thithjen e mundshme të MXene me bazë Nb nga spektroskopia e fluoreshencës me rreze X (XRF). Vini re se analizat SEM dhe XRF u kryen vetëm në përqendrimin më të lartë të MXene për të adresuar çështjet e toksicitetit të aktivitetit.
Rezultatet e SEM-it tregohen në Fig. 4. Qelizat e patrajtuara të mikroalgave (shih Fig. 4a, mostra referuese) treguan qartë morfologjinë tipike të R. subcapitata dhe formën qelizore të ngjashme me kroasantët. Qelizat duken të rrafshuara dhe disi të çorganizuara. Disa qeliza të mikroalgave mbivendoseshin dhe ngatërroheshin me njëra-tjetrën, por kjo ndoshta u shkaktua nga procesi i përgatitjes së mostrës. Në përgjithësi, qelizat e pastra të mikroalgave kishin një sipërfaqe të lëmuar dhe nuk treguan ndonjë ndryshim morfologjik.
Imazhe SEM që tregojnë bashkëveprimin sipërfaqësor midis mikroalgave të gjelbra dhe nanofletëve MXene pas 72 orësh bashkëveprimi në përqendrim ekstrem (100 mg L-1). (a) Mikroalga të gjelbra të patrajtuara pas bashkëveprimit me SL (b) Nb2CTx dhe (c) Nb4C3TX MXene. Vini re se nanofletëzat Nb-MXene janë shënuar me shigjeta të kuqe. Për krahasim, janë shtuar edhe fotografi nga një mikroskop optik.
Në të kundërt, qelizat e mikroalgave të adsorbuara nga nanofletëzat SL Nb-MXene u dëmtuan (shih Fig. 4b, c, shigjetat e kuqe). Në rastin e Nb2CTx MXene (Fig. 4b), mikroalgat kanë tendencë të rriten me nanoskopë dy-dimensionale të bashkangjitura, të cilat mund të ndryshojnë morfologjinë e tyre. Veçanërisht, ne gjithashtu i vëzhguam këto ndryshime nën mikroskopinë e dritës (shih Figurën SI S11 për detaje). Ky tranzicion morfologjik ka një bazë të besueshme në fiziologjinë e mikroalgave dhe aftësinë e tyre për t'u mbrojtur duke ndryshuar morfologjinë e qelizave, siç është rritja e vëllimit të qelizave61. Prandaj, është e rëndësishme të kontrollohet numri i qelizave të mikroalgave që janë në të vërtetë në kontakt me Nb-MXenes. Studimet SEM treguan se afërsisht 52% e qelizave të mikroalgave ishin të ekspozuara ndaj Nb-MXenes, ndërsa 48% e këtyre qelizave të mikroalgave shmangën kontaktin. Për SL Nb4C3Tx MXene, mikroalgat përpiqen të shmangin kontaktin me MXene, duke u lokalizuar dhe duke u rritur nga nanoskalimet dy-dimensionale (Fig. 4c). Megjithatë, ne nuk vëzhguam depërtimin e nanoskalimeve në qelizat e mikroalgave dhe dëmtimin e tyre.
Vetë-ruajtja është gjithashtu një sjellje reagimi e varur nga koha ndaj bllokimit të fotosintezës për shkak të adsorbimit të grimcave në sipërfaqen e qelizës dhe të ashtuquajturit efekt hijëzimi (mbrojtjeje)62. Është e qartë se çdo objekt (për shembull, nanofletë Nb-MXene) që është midis mikroalgave dhe burimit të dritës kufizon sasinë e dritës së absorbuar nga kloroplastet. Megjithatë, nuk kemi dyshim se kjo ka një ndikim të rëndësishëm në rezultatet e marra. Siç tregohet nga vëzhgimet tona mikroskopike, nanofletë 2D nuk ishin mbështjellë ose ngjitur plotësisht në sipërfaqen e mikroalgave, edhe kur qelizat e mikroalgave ishin në kontakt me Nb-MXenes. Në vend të kësaj, nanofletë rezultuan të ishin të orientuara drejt qelizave të mikroalgave pa mbuluar sipërfaqen e tyre. Një grup i tillë nanofletësh/mikroalgash nuk mund të kufizojë ndjeshëm sasinë e dritës së absorbuar nga qelizat e mikroalgave. Për më tepër, disa studime kanë demonstruar madje një përmirësim në thithjen e dritës nga organizmat fotosintetikë në prani të nanomaterialeve dy-dimensionale63,64,65,66.
Meqenëse imazhet SEM nuk mund ta konfirmonin drejtpërdrejt thithjen e niobiumit nga qelizat e mikroalgave, studimi ynë i mëtejshëm iu drejtua analizës së fluoreshencës me rreze X (XRF) dhe spektroskopisë së fotoelektroneve me rreze X (XPS) për të sqaruar këtë çështje. Prandaj, ne krahasuam intensitetin e majave të Nb të mostrave të mikroalgave referuese që nuk bashkëvepruan me MXenes, nanofletëzat e MXenes të shkëputura nga sipërfaqja e qelizave të mikroalgave dhe qelizat mikroalgale pas heqjes së MXenes së bashkangjitur. Vlen të përmendet se nëse nuk ka thithje të Nb, vlera e Nb e marrë nga qelizat e mikroalgave duhet të jetë zero pas heqjes së nanoskopëve të bashkangjitur. Prandaj, nëse ndodh thithja e Nb, rezultatet e XRF dhe XPS duhet të tregojnë një majë të qartë të Nb.
Në rastin e spektrave XRF, mostrat e mikroalgave treguan maja Nb për SL Nb2CTx dhe Nb4C3Tx MXene pas ndërveprimit me SL Nb2CTx dhe Nb4C3Tx MXene (shih Fig. 5a, vini re gjithashtu se rezultatet për MAX dhe ML MXenes janë treguar në SI, Fig. S12–C17). Është interesante se intensiteti i majës Nb është i njëjtë në të dyja rastet (shirita të kuq në Fig. 5a). Kjo tregonte se algat nuk mund të thithnin më shumë Nb, dhe kapaciteti maksimal për akumulimin e Nb u arrit në qeliza, megjithëse dy herë më shumë Nb4C3Tx MXene ishte bashkangjitur në qelizat e mikroalgave (shirita blu në Fig. 5a). Veçanërisht, aftësia e mikroalgave për të thithur metale varet nga përqendrimi i oksideve të metaleve në mjedis67,68. Shamshada et al.67 zbuluan se kapaciteti thithës i algave të ujërave të ëmbla zvogëlohet me rritjen e pH. Raize et al.68 vunë re se aftësia e algave të detit për të thithur metalet ishte rreth 25% më e lartë për Pb2+ sesa për Ni2+.
(a) Rezultatet e RF-së të përthithjes bazale të Nb nga qelizat e mikroalgave të gjelbra të inkubuara në një përqendrim ekstrem të SL Nb-MXenes (100 mg L-1) për 72 orë. Rezultatet tregojnë praninë e α në qelizat e mikroalgave të pastra (mostra e kontrollit, kolonat gri), nanofletë 2D të izoluara nga qelizat sipërfaqësore të mikroalgave (kolonat blu) dhe qelizat e mikroalgave pas ndarjes së nanofletëve 2D nga sipërfaqja (kolonat e kuqe). Sasia e Nb elementare, (b) përqindja e përbërjes kimike të përbërësve organikë të mikroalgave (C=O dhe CHx/C–O) dhe oksideve të Nb të pranishme në qelizat e mikroalgave pas inkubimit me SL Nb-MXenes, (c–e) Përshtatja e pikut përbërës të spektrave XPS SL Nb2CTx dhe (fh) SL Nb4C3Tx MXene i internalizuar nga qelizat e mikroalgave.
Prandaj, ne prisnim që Nb të mund të absorbohej nga qelizat algale në formën e oksideve. Për ta testuar këtë, ne kryem studime XPS mbi MXenes Nb2CTx dhe Nb4C3TX dhe qelizat e algave. Rezultatet e ndërveprimit të mikroalgave me Nb-MXenes dhe MXenes të izoluara nga qelizat e algave tregohen në Fig. 5b. Siç pritej, ne zbuluam majat Nb 3d në mostrat e mikroalgave pas heqjes së MXenes nga sipërfaqja e mikroalgave. Përcaktimi sasior i oksideve C=O, CHx/CO dhe Nb u llogarit bazuar në spektrat Nb 3d, O 1s dhe C 1s të marra me Nb2CTx SL (Fig. 5c–e) dhe Nb4C3Tx SL (Fig. 5c–e). ) të marra nga mikroalgat e inkubuara. Figura 5f–h) MXenes. Tabela S1-3 tregon detajet e parametrave të majave dhe kimisë së përgjithshme që rezulton nga përshtatja. Vlen të përmendet se rajonet Nb 3d të Nb2CTx SL dhe Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) korrespondojnë me një përbërës Nb2O5. Këtu, nuk gjetëm maja të lidhura me MXene në spektra, duke treguar se qelizat e mikroalgave thithin vetëm formën e oksidit të Nb. Përveç kësaj, ne e përafruam spektrin C 1 s me përbërësit C–C, CHx/C–O, C=O dhe –COOH. Ne i caktuam majat CHx/C–O dhe C=O kontributit organik të qelizave të mikroalgave. Këta përbërës organikë përbëjnë përkatësisht 36% dhe 41% të majave C 1s në Nb2CTx SL dhe Nb4C3TX SL. Pastaj i përshtatëm spektrat O 1s të SL Nb2CTx dhe SL Nb4C3TX me Nb2O5, përbërës organikë të mikroalgave (CHx/CO) dhe ujë të adsorbuar në sipërfaqe.
Së fundmi, rezultatet e XPS treguan qartë formën e Nb, jo vetëm praninë e tij. Sipas pozicionit të sinjalit Nb 3d dhe rezultateve të dekonvolucionit, ne konfirmojmë se Nb absorbohet vetëm në formën e oksideve dhe jo të joneve ose vetë MXene. Përveç kësaj, rezultatet e XPS treguan se qelizat e mikroalgave kanë një aftësi më të madhe për të thithur oksidet e Nb nga SL Nb2CTx krahasuar me SL Nb4C3TX MXene.
Ndërsa rezultatet tona të përthithjes së Nb janë mbresëlënëse dhe na lejojnë të identifikojmë degradimin e MXene, nuk ka asnjë metodë në dispozicion për të ndjekur ndryshimet morfologjike të shoqëruara në nanofletë 2D. Prandaj, ne gjithashtu vendosëm të zhvillojmë një metodë të përshtatshme që mund t'i përgjigjet drejtpërdrejt çdo ndryshimi që ndodh në nanofletë 2D Nb-MXene dhe qelizat e mikroalgave. Është e rëndësishme të theksohet se ne supozojmë se nëse speciet bashkëvepruese i nënshtrohen ndonjë transformimi, dekompozimi ose defragmentimi, kjo duhet të shfaqet shpejt si ndryshime në parametrat e formës, siç është diametri i zonës rrethore ekuivalente, rrumbullakësia, gjerësia Feret ose gjatësia Feret. Meqenëse këto parametra janë të përshtatshëm për të përshkruar grimcat e zgjatura ose nanofletë dy-dimensionale, ndjekja e tyre me anë të analizës dinamike të formës së grimcave do të na japë informacion të vlefshëm në lidhje me transformimin morfologjik të nanofletëve SL Nb-MXene gjatë reduktimit.
Rezultatet e marra janë paraqitur në Figurën 6. Për krahasim, ne testuam gjithashtu fazën origjinale MAX dhe ML-MXenes (shih Figurat SI S18 dhe S19). Analiza dinamike e formës së grimcave tregoi se të gjithë parametrat e formës së dy SL-ve Nb-MXene ndryshuan ndjeshëm pas ndërveprimit me mikroalgat. Siç tregohet nga parametri ekuivalent i diametrit të sipërfaqes rrethore (Fig. 6a, b), intensiteti i reduktuar i majave të fraksionit të nanoflakeve të mëdha tregon se ato kanë tendencë të zbërthehen në fragmente më të vogla. Në figurën 6c, d tregon një rënie në majat e shoqëruara me madhësinë tërthore të flluskave (zgjatja e nanoflakeve), duke treguar transformimin e nanoflakeve 2D në një formë më të ngjashme me grimcat. Figura 6e-h tregon gjerësinë dhe gjatësinë e Feret, përkatësisht. Gjerësia dhe gjatësia e Feret janë parametra plotësues dhe për këtë arsye duhet të merren në konsideratë së bashku. Pas inkubimit të nanoflakeve 2D Nb-MXene në prani të mikroalgave, majat e tyre të korrelacionit Feret u zhvendosën dhe intensiteti i tyre u ul. Bazuar në këto rezultate në kombinim me morfologjinë, XRF dhe XPS, arritëm në përfundimin se ndryshimet e vëzhguara janë të lidhura fort me oksidimin, pasi MXenet e oksiduara bëhen më të rrudhosura dhe shpërbëhen në fragmente dhe grimca sferike oksidi69,70.
Analiza e transformimit të MXene pas ndërveprimit me mikroalgat e gjelbra. Analiza dinamike e formës së grimcave merr në konsideratë parametra të tillë si (a, b) diametri i zonës rrethore ekuivalente, (c, d) rrumbullakësia, (e, f) gjerësia e Feret dhe (g, h) gjatësia e Feret. Për këtë qëllim, u analizuan dy mostra të mikroalgave referuese së bashku me SL Nb2CTx primare dhe SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx dhe SL Nb4C3Tx MXenes, mikroalgat e degraduara dhe mikroalgat e trajtuara SL Nb2CTx dhe SL Nb4C3Tx MXenes. Shigjetat e kuqe tregojnë tranzicionet e parametrave të formës së nanoflake-ve dy-dimensionale të studiuara.
Meqenëse analiza e parametrave të formës është shumë e besueshme, ajo mund të zbulojë gjithashtu ndryshime morfologjike në qelizat e mikroalgave. Prandaj, ne analizuam diametrin e sipërfaqes rrethore ekuivalente, rrumbullakësinë dhe gjerësinë/gjatësinë Feret të qelizave të mikroalgave të pastra dhe qelizave pas ndërveprimit me nanofletë 2D Nb. Në fig. 6a-h tregohen ndryshime në parametrat e formës së qelizave të algave, siç dëshmohet nga një rënie në intensitetin e pikut dhe një zhvendosje e maksimumeve drejt vlerave më të larta. Në veçanti, parametrat e rrumbullakësisë së qelizave treguan një rënie në qelizat e zgjatura dhe një rritje në qelizat sferike (Fig. 6a, b). Përveç kësaj, gjerësia e qelizave Feret u rrit me disa mikrometra pas ndërveprimit me SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) krahasuar me SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f). Ne dyshojmë se kjo mund të jetë për shkak të thithjes së fortë të oksideve të Nb nga mikroalgat pas ndërveprimit me Nb2CTx SR. Ngjitja më pak e ngurtë e fletëzave të Nb në sipërfaqen e tyre mund të rezultojë në rritje të qelizave me efekt minimal të hijes.
Vëzhgimet tona të ndryshimeve në parametrat e formës dhe madhësisë së mikroalgave plotësojnë studime të tjera. Mikroalgat e gjelbra mund të ndryshojnë morfologjinë e tyre në përgjigje të stresit mjedisor duke ndryshuar madhësinë, formën ose metabolizmin e qelizave61. Për shembull, ndryshimi i madhësisë së qelizave lehtëson thithjen e lëndëve ushqyese71. Qelizat më të vogla të algave tregojnë thithje më të ulët të lëndëve ushqyese dhe shkallë të dëmtuar të rritjes. Anasjelltas, qelizat më të mëdha kanë tendencë të konsumojnë më shumë lëndë ushqyese, të cilat më pas depozitohen në mënyrë intraqelizore72,73. Machado dhe Soares zbuluan se fungicidi triklosan mund të rrisë madhësinë e qelizave. Ata gjithashtu gjetën ndryshime të thella në formën e algave74. Përveç kësaj, Yin et al.9 zbuluan gjithashtu ndryshime morfologjike në alga pas ekspozimit ndaj nanokompozitëve të oksidit të grafenit të reduktuar. Prandaj, është e qartë se parametrat e ndryshuar të madhësisë/formës së mikroalgave shkaktohen nga prania e MXene. Meqenëse ky ndryshim në madhësi dhe formë është tregues i ndryshimeve në thithjen e lëndëve ushqyese, ne besojmë se analiza e parametrave të madhësisë dhe formës me kalimin e kohës mund të tregojë thithjen e oksidit të niobiumit nga mikroalgat në prani të Nb-MXenes.
Për më tepër, MXenet mund të oksidohen në prani të algave. Dalai et al.75 vunë re se morfologjia e algave të gjelbra të ekspozuara ndaj nano-TiO2 dhe Al2O376 nuk ishte uniforme. Edhe pse vëzhgimet tona janë të ngjashme me studimin e tanishëm, ato janë të rëndësishme vetëm për studimin e efekteve të bioremediation në terma të produkteve të degradimit të MXeneve në prani të nanoflakeve 2D dhe jo të nanopjesëzave. Meqenëse MXenet mund të degradohen në okside metalike,31,32,77,78 është e arsyeshme të supozohet se nanoflaket tona të Nb mund të formojnë gjithashtu okside Nb pas bashkëveprimit me qelizat e mikroalgave.
Për të shpjeguar reduktimin e nanoflakeve 2D-Nb përmes një mekanizmi dekompozimi bazuar në procesin e oksidimit, ne kryem studime duke përdorur mikroskopinë elektronike të transmetimit me rezolucion të lartë (HRTEM) (Fig. 7a, b) dhe spektroskopinë fotoelektronike me rreze X (XPS) (Fig. 7). 7c-i dhe tabelat S4-5). Të dyja qasjet janë të përshtatshme për të studiuar oksidimin e materialeve 2D dhe plotësojnë njëra-tjetrën. HRTEM është në gjendje të analizojë degradimin e strukturave dy-dimensionale të shtresuara dhe shfaqjen pasuese të nanopjesëzave të oksidit të metalit, ndërsa XPS është i ndjeshëm ndaj lidhjeve sipërfaqësore. Për këtë qëllim, ne testuam nanoflaket 2D Nb-MXene të nxjerra nga dispersionet e qelizave të mikroalgave, domethënë, formën e tyre pas ndërveprimit me qelizat e mikroalgave (shih Fig. 7).
Imazhe HRTEM që tregojnë morfologjinë e (a) SL Nb2CTx dhe (b) MXeneve SL Nb4C3Tx të oksiduara, rezultatet e analizës XPS që tregojnë (c) përbërjen e produkteve të oksidit pas reduktimit, (d–f) përputhjen e pikut të përbërësve të spektrave XPS të SL Nb2CTx dhe (g–i) Nb4C3Tx SL të riparuar me mikroalga jeshile.
Studimet HRTEM konfirmuan oksidimin e dy llojeve të nanofleve Nb-MXene. Edhe pse nanoflevet ruajtën morfologjinë e tyre dy-dimensionale deri në një farë mase, oksidimi rezultoi në shfaqjen e shumë nanopjesëzave që mbulonin sipërfaqen e nanofleve MXene (shih Fig. 7a,b). Analiza XPS e sinjaleve c Nb 3d dhe O 1s tregoi se oksidet Nb u formuan në të dyja rastet. Siç tregohet në Figurën 7c, 2D MXene Nb2CTx dhe Nb4C3TX kanë sinjale Nb 3d që tregojnë praninë e oksideve NbO dhe Nb2O5, ndërsa sinjalet O 1s tregojnë numrin e lidhjeve O-Nb të shoqëruara me funksionalizimin e sipërfaqes së nanofleve 2D. Ne vumë re se kontributi i oksidit Nb është dominues krahasuar me Nb-C dhe Nb3+-O.
Në fig. Figurat 7g–i tregojnë spektrat XPS të Nb 3d, C 1s dhe O 1s SL Nb2CTx (shih Fig. 7d–f) dhe SL Nb4C3TX MXene të izoluar nga qelizat e mikroalgave. Detajet e parametrave të kulmit të Nb-MXenes jepen përkatësisht në Tabelat S4–5. Së pari analizuam përbërjen e Nb 3d. Në dallim nga Nb e absorbuar nga qelizat e mikroalgave, në MXene të izoluar nga qelizat e mikroalgave, përveç Nb2O5, u gjetën edhe përbërës të tjerë. Në Nb2CTx SL, vëzhguam kontributin e Nb3+-O në sasinë prej 15%, ndërsa pjesa tjetër e spektrit Nb 3d dominohej nga Nb2O5 (85%). Përveç kësaj, mostra SL Nb4C3TX përmban përbërës Nb-C (9%) dhe Nb2O5 (91%). Këtu Nb-C vjen nga dy shtresa të brendshme atomike të karbidit të metalit në Nb4C3Tx SR. Pastaj i hartëzojmë spektrat C 1s në katër përbërës të ndryshëm, siç bëmë në mostrat e internalizuara. Siç pritej, spektri C 1s dominohet nga karboni grafitik, i ndjekur nga kontributet nga grimcat organike (CHx/CO dhe C=O) nga qelizat e mikroalgave. Përveç kësaj, në spektrin O 1s, vëzhguam kontributin e formave organike të qelizave të mikroalgave, oksidit të niobiumit dhe ujit të adsorbuar.
Përveç kësaj, ne hetuam nëse copëtimi i Nb-MXenes është i lidhur me praninë e specieve reaktive të oksigjenit (ROS) në mjedisin ushqyes dhe/ose qelizat e mikroalgave. Për këtë qëllim, ne vlerësuam nivelet e oksigjenit singlet (1O2) në mjedisin e kulturës dhe glutationin intraqelizor, një tiol që vepron si antioksidant në mikroalga. Rezultatet tregohen në SI (Figurat S20 dhe S21). Kulturat me SL Nb2CTx dhe Nb4C3TX MXenes u karakterizuan nga një sasi e reduktuar e 1O2 (shih Figurën S20). Në rastin e SL Nb2CTx, MXene 1O2 reduktohet në rreth 83%. Për kulturat e mikroalgave që përdorin SL, Nb4C3TX 1O2 u ul edhe më shumë, në 73%. Është interesante se ndryshimet në 1O2 treguan të njëjtën tendencë si efekti frenues-stimulues i vëzhguar më parë (shih Fig. 3). Mund të argumentohet se inkubimi në dritë të ndritshme mund të ndryshojë fotooksidimin. Megjithatë, rezultatet e analizës së kontrollit treguan nivele pothuajse konstante të 1O2 gjatë eksperimentit (Fig. S22). Në rastin e niveleve të ROS brendaqelizore, ne gjithashtu vumë re të njëjtën tendencë në rënie (shih Figurën S21). Fillimisht, nivelet e ROS në qelizat e mikroalgave të kultivuara në prani të SL-ve Nb2CTx dhe Nb4C3Tx tejkaluan nivelet e gjetura në kulturat e pastra të mikroalgave. Megjithatë, përfundimisht, u duk se mikroalgat u përshtatën me praninë e të dy Nb-MXenes, pasi nivelet e ROS u ulën në 85% dhe 91% të niveleve të matura në kulturat e pastra të mikroalgave të inokuluara me SL Nb2CTx dhe Nb4C3TX, përkatësisht. Kjo mund të tregojë se mikroalgat ndihen më rehat me kalimin e kohës në prani të Nb-MXene sesa vetëm në mjedisin ushqyes.
Mikroalgat janë një grup i larmishëm organizmash fotosintetikë. Gjatë fotosintezës, ato shndërrojnë dioksidin e karbonit atmosferik (CO2) në karbon organik. Produktet e fotosintezës janë glukoza dhe oksigjeni79. Dyshojmë se oksigjeni i formuar në këtë mënyrë luan një rol kritik në oksidimin e Nb-MXenes. Një shpjegim i mundshëm për këtë është se parametri i ajrimit diferencial formohet në presione të ulëta dhe të larta të pjesshme të oksigjenit jashtë dhe brenda nanofleve të Nb-MXene. Kjo do të thotë se kudo që ka zona me presione të ndryshme të pjesshme të oksigjenit, zona me nivelin më të ulët do të formojë anodën 80, 81, 82. Këtu, mikroalgat kontribuojnë në krijimin e qelizave të ajrosura në mënyrë të ndryshme në sipërfaqen e fleve të MXene, të cilat prodhojnë oksigjen për shkak të vetive të tyre fotosintetike. Si rezultat, formohen produkte të biokorozionit (në këtë rast, okside të niobiumit). Një aspekt tjetër është se mikroalgat mund të prodhojnë acide organike që lirohen në ujë83,84. Prandaj, formohet një mjedis agresiv, duke ndryshuar kështu Nb-MXenes. Përveç kësaj, mikroalgat mund ta ndryshojnë pH-in e mjedisit në alkalin për shkak të thithjes së dioksidit të karbonit, i cili gjithashtu mund të shkaktojë korrozion79.
Më e rëndësishmja, fotoperiudha e errët/dritë e përdorur në studimin tonë është kritike për të kuptuar rezultatet e marra. Ky aspekt përshkruhet në detaje në Djemai-Zoghlache et al. 85 Ata përdorën qëllimisht një fotoperiod 12/12 orë për të demonstruar biokorozionin e lidhur me biokorozionin nga mikroalgat e kuqe Porphyridium purpureum. Ata tregojnë se fotoperiudha është e lidhur me evolucionin e potencialit pa biokorozion, duke u manifestuar si lëkundje pseudoperiodike rreth orës 24:00. Këto vëzhgime u konfirmuan nga Dowling et al. 86 Ata demonstruan biofilma fotosintetikë të cianobaktereve Anabaena. Oksigjeni i tretur formohet nën veprimin e dritës, i cili shoqërohet me një ndryshim ose luhatje në potencialin e lirë të biokorozionit. Rëndësia e fotoperiodës theksohet nga fakti se potenciali i lirë për biokorozion rritet në fazën e dritës dhe zvogëlohet në fazën e errët. Kjo për shkak të oksigjenit të prodhuar nga mikroalgat fotosintetike, i cili ndikon në reagimin katodik përmes presionit të pjesshëm të gjeneruar pranë elektrodave 87.
Përveç kësaj, u krye spektroskopia infra e kuqe me transformim Furier (FTIR) për të zbuluar nëse ka ndodhur ndonjë ndryshim në përbërjen kimike të qelizave të mikroalgave pas ndërveprimit me Nb-MXenes. Këto rezultate të marra janë komplekse dhe ne i paraqesim ato në SI (Figurat S23-S25, duke përfshirë rezultatet e fazës MAX dhe ML MXenes). Shkurt, spektrat e referencës së marra të mikroalgave na japin informacion të rëndësishëm në lidhje me karakteristikat kimike të këtyre organizmave. Këto vibracione më të mundshme janë të vendosura në frekuencat 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1. një. 1 1 (C–H) dhe 3280 cm–1 (O–H). Për SL Nb-MXenes, gjetëm një nënshkrim shtrirjeje të lidhjes CH që është në përputhje me studimin tonë të mëparshëm38. Megjithatë, ne vumë re se disa maja shtesë të shoqëruara me lidhjet C=C dhe CH u zhdukën. Kjo tregon se përbërja kimike e mikroalgave mund të pësojë ndryshime të vogla për shkak të ndërveprimit me SL Nb-MXenes.
Kur merren në konsideratë ndryshimet e mundshme në biokiminë e mikroalgave, duhet të rishqyrtohet akumulimi i oksideve inorganike, siç është oksidi i niobiumit,59. Ai është i përfshirë në thithjen e metaleve nga sipërfaqja e qelizës, transportin e tyre në citoplazmë, shoqërimin e tyre me grupet karboksile intraqelizore dhe akumulimin e tyre në polifosfozomet e mikroalgave20,88,89,90. Përveç kësaj, marrëdhënia midis mikroalgave dhe metaleve mbahet nga grupet funksionale të qelizave. Për këtë arsye, thithja varet edhe nga kimia sipërfaqësore e mikroalgave, e cila është mjaft komplekse9,91. Në përgjithësi, siç pritej, përbërja kimike e mikroalgave të gjelbra ndryshoi pak për shkak të thithjes së oksidit të Nb.
Është interesante se frenimi fillestar i vëzhguar i mikroalgave ishte i kthyeshëm me kalimin e kohës. Siç e vëzhguam, mikroalgat kapërcyen ndryshimin fillestar mjedisor dhe përfundimisht u kthyen në ritme normale të rritjes dhe madje u rritën. Studimet mbi potencialin zeta tregojnë stabilitet të lartë kur futen në media ushqyese. Kështu, bashkëveprimi sipërfaqësor midis qelizave të mikroalgave dhe nanoflakëve Nb-MXene u ruajt gjatë gjithë eksperimenteve të reduktimit. Në analizën tonë të mëtejshme, ne përmbledhim mekanizmat kryesorë të veprimit që qëndrojnë në themel të kësaj sjelljeje të jashtëzakonshme të mikroalgave.
Vëzhgimet SEM kanë treguar se mikroalgat kanë tendencë të ngjiten në Nb-MXenes. Duke përdorur analizën dinamike të imazhit, ne konfirmojmë se ky efekt çon në transformimin e nanoflakeve dy-dimensionale të Nb-MXene në grimca më sferike, duke demonstruar kështu se dekompozimi i nanoflakeve shoqërohet me oksidimin e tyre. Për të testuar hipotezën tonë, ne kryem një sërë studimesh materiale dhe biokimike. Pas testimit, nanoflaket gradualisht oksidohen dhe dekompozohen në produkte NbO dhe Nb2O5, të cilat nuk paraqesin kërcënim për mikroalgat e gjelbra. Duke përdorur vëzhgimin FTIR, ne nuk gjetëm ndryshime të rëndësishme në përbërjen kimike të mikroalgave të inkubuara në prani të nanoflakeve 2D të Nb-MXene. Duke marrë parasysh mundësinë e thithjes së oksidit të niobiumit nga mikroalgat, ne kryem një analizë fluoreshente me rreze X. Këto rezultate tregojnë qartë se mikroalgat e studiuara ushqehen me okside të niobiumit (NbO dhe Nb2O5), të cilat nuk janë toksike për mikroalgat e studiuara.