Asante kwa kutembelea Nature.com.Unatumia toleo la kivinjari lenye uwezo mdogo wa kutumia CSS.Kwa matumizi bora zaidi, tunapendekeza utumie kivinjari kilichosasishwa (au uzime Hali ya Upatanifu katika Internet Explorer).Wakati huo huo, ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tutatoa tovuti bila mitindo na JavaScript.
Huonyesha jukwa la slaidi tatu kwa wakati mmoja.Tumia vitufe vilivyotangulia na Vifuatavyo ili kupitia slaidi tatu kwa wakati mmoja, au tumia vitufe vya kutelezesha vilivyo mwishoni ili kupitia slaidi tatu kwa wakati mmoja.
Maendeleo ya haraka ya nanoteknolojia na ushirikiano wake katika matumizi ya kila siku yanaweza kutishia mazingira.Ingawa mbinu za kijani kibichi za uharibifu wa uchafu wa kikaboni zimewekwa vyema, urejeshaji wa uchafu wa fuwele isokaboni ni wa wasiwasi mkubwa kutokana na unyeti wao mdogo kwa biotransformation na ukosefu wa ufahamu wa mwingiliano wa uso wa nyenzo na wale wa kibiolojia.Hapa, tunatumia modeli ya 2D MXenes isokaboni yenye msingi wa Nb pamoja na mbinu rahisi ya uchanganuzi wa kigezo cha umbo ili kufuatilia utaratibu wa urekebishaji wa viumbe wa 2D nanomaterials za kauri na mwani mdogo wa kijani Raphidocelis subcapitata.Tuligundua kuwa mwani mdogo huharibu MXenes zenye msingi wa Nb kutokana na mwingiliano unaohusiana na uso wa fizikia na kemikali.Hapo awali, nanoflakes za safu moja na safu nyingi za MXene ziliunganishwa kwenye uso wa mwani, ambayo ilipunguza ukuaji wa mwani.Hata hivyo, baada ya mwingiliano wa muda mrefu na uso, mwani mdogo ulioksidisha nanoflakes za MXene na kuzitenganisha zaidi kuwa NbO na Nb2O5.Kwa sababu oksidi hizi hazina sumu kwa seli za mwani, hutumia nanoparticles ya oksidi ya Nb kwa utaratibu wa kufyonzwa ambao hurejesha zaidi mwani huo baada ya saa 72 za kutibu maji.Madhara ya virutubisho yanayohusiana na kunyonya pia yanaonyeshwa katika ongezeko la kiasi cha seli, sura yao laini na mabadiliko katika kiwango cha ukuaji.Kulingana na matokeo haya, tunahitimisha kuwa uwepo wa muda mfupi na mrefu wa MXenes wa Nb katika mifumo ikolojia ya maji baridi unaweza kusababisha athari ndogo tu za kimazingira.Ni vyema kutambua kwamba, kwa kutumia nanomaterials mbili-dimensional kama mifumo ya mfano, tunaonyesha uwezekano wa kufuatilia mabadiliko ya umbo hata katika nyenzo laini.Kwa ujumla, utafiti huu unajibu swali muhimu la msingi kuhusu michakato inayohusiana na mwingiliano wa uso inayoendesha utaratibu wa urekebishaji wa kibaolojia wa nanomaterials za 2D na hutoa msingi wa masomo zaidi ya muda mfupi na ya muda mrefu ya athari za kimazingira za nanomaterials za fuwele zisizo hai.
Nanomaterials wametoa riba nyingi tangu ugunduzi wao, na nanoteknolojia mbalimbali hivi karibuni zimeingia katika awamu1 ya kisasa.Kwa bahati mbaya, kuunganishwa kwa nanomaterials katika programu za kila siku kunaweza kusababisha kutolewa kwa bahati mbaya kwa sababu ya utupaji usiofaa, utunzaji usiojali, au miundombinu duni ya usalama.Kwa hiyo, ni busara kudhani kwamba nanomaterials, ikiwa ni pamoja na nanomaterials mbili-dimensional (2D), inaweza kutolewa katika mazingira ya asili, tabia na shughuli za kibiolojia ambayo bado haijaeleweka kikamilifu.Kwa hivyo, haishangazi kwamba wasiwasi wa ikolojia umezingatia uwezo wa nanomaterials wa 2D kuingia kwenye mifumo ya majini2,3,4,5,6.Katika mifumo hii ya ikolojia, baadhi ya nanomaterials za 2D zinaweza kuingiliana na viumbe mbalimbali katika viwango tofauti vya trophic, ikiwa ni pamoja na mwani mdogo.
Mwani ni viumbe wa zamani wanaopatikana kwa asili katika maji safi na mifumo ikolojia ya baharini ambayo huzalisha aina mbalimbali za bidhaa za kemikali kupitia usanisinuru7.Kwa hivyo, ni muhimu kwa mifumo ikolojia ya maji8,9,10,11,12 lakini pia ni viashiria nyeti, vya bei nafuu na vinavyotumika sana vya sumu-ikolojia13,14.Kwa kuwa seli za microalgae huongezeka kwa kasi na haraka kukabiliana na kuwepo kwa misombo mbalimbali, wanaahidi kwa ajili ya maendeleo ya mbinu za kirafiki za kutibu maji yaliyochafuliwa na vitu vya kikaboni15,16.
Seli za mwani zinaweza kuondoa ayoni isokaboni kutoka kwa maji kupitia biosorption na mkusanyiko17,18.Baadhi ya spishi za mwani kama vile Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue na Synechococcus sp.Imepatikana kubeba na hata kulisha ayoni za metali zenye sumu kama vile Fe2+, Cu2+, Zn2+ na Mn2+19.Uchunguzi mwingine umeonyesha kuwa Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ au Pb2+ ioni hupunguza ukuaji wa Scenedesmus kwa kubadilisha mofolojia ya seli na kuharibu kloroplasts20,21.
Mbinu za kijani za kuoza kwa uchafuzi wa kikaboni na kuondolewa kwa ioni za metali nzito zimevutia umakini wa wanasayansi na wahandisi kote ulimwenguni.Hii ni hasa kutokana na ukweli kwamba uchafuzi huu unasindika kwa urahisi katika awamu ya kioevu.Hata hivyo, vichafuzi vya fuwele isokaboni vina sifa ya umumunyifu mdogo wa maji na kuathiriwa kidogo na mabadiliko mbalimbali ya kibaolojia, ambayo husababisha matatizo makubwa katika urekebishaji, na maendeleo kidogo yamefanywa katika eneo hili22,23,24,25,26.Kwa hivyo, utafutaji wa ufumbuzi wa kirafiki wa mazingira kwa ajili ya ukarabati wa nanomaterials unabaki kuwa eneo ngumu na ambalo halijachunguzwa.Kwa sababu ya kiwango cha juu cha kutokuwa na uhakika kuhusu athari za mabadiliko ya kibayolojia ya nanomaterials za 2D, hakuna njia rahisi ya kujua njia zinazowezekana za uharibifu wao wakati wa kupunguzwa.
Katika utafiti huu, tulitumia mwani wa kijani kibichi kama wakala amilifu wa urekebishaji wa maji kwa nyenzo za kauri isokaboni, pamoja na ufuatiliaji wa in situ wa mchakato wa uharibifu wa MXene kama kiwakilishi cha nyenzo za kauri isokaboni.Neno "MXene" linaonyesha stoichiometry ya nyenzo za Mn+1XnTx, ambapo M ni chuma cha mpito cha awali, X ni kaboni na / au nitrojeni, Tx ni kiondoa uso (kwa mfano, -OH, -F, -Cl), na n = 1, 2, 3 au 427.28.Tangu ugunduzi wa MXenes na Naguib et al.Sensorics, tiba ya saratani na uchujaji wa membrane 27,29,30.Kwa kuongezea, MXenes inaweza kuzingatiwa kama mifumo ya 2D ya mfano kwa sababu ya uthabiti wao bora wa colloidal na mwingiliano unaowezekana wa kibaolojia31,32,33,34,35,36.
Kwa hiyo, mbinu iliyotengenezwa katika makala hii na nadharia zetu za utafiti zinaonyeshwa kwenye Mchoro 1. Kwa mujibu wa hypothesis hii, microalgae huharibu MXenes ya Nb-msingi katika misombo isiyo ya sumu kutokana na mwingiliano wa physico-kemikali kuhusiana na uso, ambayo inaruhusu kurejesha zaidi mwani.Ili kupima hypothesis hii, wanachama wawili wa familia ya carbides ya chuma ya mpito ya awali ya niobium na / au nitridi (MXenes), yaani Nb2CTx na Nb4C3TX, walichaguliwa.
Mbinu ya utafiti na hypotheses kulingana na ushahidi kwa ajili ya uokoaji wa MXene na mwani wa kijani Raphidocelis subcapitata.Tafadhali kumbuka kuwa huu ni uwakilishi wa kimkakati wa mawazo yanayotegemea ushahidi.Mazingira ya ziwa yanatofautiana katika virutubishi vinavyotumika na masharti (kwa mfano, mzunguko wa mchana na vikwazo vya virutubishi muhimu vinavyopatikana).Imeundwa na BioRender.com.
Kwa hivyo, kwa kutumia MXene kama mfumo wa kielelezo, tumefungua mlango wa uchunguzi wa athari mbalimbali za kibaolojia ambazo haziwezi kuzingatiwa na nanomatadium zingine za kawaida.Hasa, tunaonyesha uwezekano wa urekebishaji wa biolojia wa nanomaterials zenye mwelekeo-mbili, kama vile MXenes zenye niobium, na mwani mdogo wa Raphidocelis.Microalgae inaweza kuharibu Nb-MXenes kuwa oksidi zisizo na sumu NbO na Nb2O5, ambayo pia hutoa virutubisho kupitia utaratibu wa kuchukua niobium.Kwa ujumla, utafiti huu unajibu swali muhimu la msingi kuhusu michakato inayohusiana na mwingiliano wa kemikali ya uso ambayo inasimamia taratibu za urekebishaji wa nanomaterials za pande mbili.Zaidi ya hayo, tunatengeneza mbinu rahisi inayotegemea umbo-kigezo kwa ajili ya kufuatilia mabadiliko ya hila katika umbo la nanomaterials za 2D.Hii inahamasisha utafiti zaidi wa muda mfupi na wa muda mrefu katika athari mbalimbali za mazingira za nanomaterials za fuwele zisizo hai.Kwa hivyo, utafiti wetu huongeza uelewa wa mwingiliano kati ya uso wa nyenzo na nyenzo za kibaolojia.Pia tunatoa msingi wa tafiti zilizopanuliwa za muda mfupi na muda mrefu za athari zake zinazowezekana kwenye mifumo ikolojia ya maji safi, ambayo sasa inaweza kuthibitishwa kwa urahisi.
MXenes inawakilisha darasa la kuvutia la vifaa na mali ya kipekee na ya kuvutia ya kimwili na kemikali na kwa hiyo maombi mengi ya uwezo.Tabia hizi kwa kiasi kikubwa hutegemea stoichiometry yao na kemia ya uso.Kwa hiyo, katika utafiti wetu, tulichunguza aina mbili za Nb-based hierarchical single-layer (SL) MXenes, Nb2CTx na Nb4C3TX, kwa kuwa athari tofauti za kibayolojia za nanomaterials hizi zinaweza kuzingatiwa.MXenes huzalishwa kutoka kwa nyenzo zao za kuanzia na etching ya juu-chini ya tabaka nyembamba za MAX-awamu A.Awamu ya MAX ni kauri ya mwisho inayojumuisha vizuizi "vilivyounganishwa" vya kabidi za mpito za chuma na tabaka nyembamba za vipengele vya "A" kama vile Al, Si, na Sn yenye stoichiometry ya MnAXn-1.Mofolojia ya awamu ya awali ya MAX ilizingatiwa kwa kuchanganua hadubini ya elektroni (SEM) na ililingana na tafiti za awali (Angalia Taarifa za Ziada, SI, Kielelezo S1).Multilayer (ML) Nb-MXene ilipatikana baada ya kuondoa safu ya Al na 48% HF (asidi hidrofloriki).Mofolojia ya ML-Nb2CTx na ML-Nb4C3TX ilichunguzwa kwa kuchanganua hadubini ya elektroni (SEM) (Takwimu S1c na S1d mtawalia) na mofolojia ya kawaida ya safu ya MXene ilizingatiwa, sawa na nanoflaki zenye mwelekeo-mbili zinazopita kwenye mipasuo mirefu kama ya pore.Nb-MXene zote mbili zinafanana sana na awamu za MXene zilizounganishwa hapo awali na etching27,38 ya asidi.Baada ya kuthibitisha muundo wa MXene, tuliiweka kwa kuingiliana kwa tetrabutylammonium hidroksidi (TBAOH) ikifuatiwa na kuosha na sonication, baada ya hapo tulipata safu moja au safu ya chini (SL) 2D Nb-MXene nanoflakes.
Tulitumia hadubini ya elektroni ya msongo wa juu (HRTEM) na mgawanyiko wa X-ray (XRD) ili kujaribu ufanisi wa kuweka na kumenya zaidi.Matokeo ya HRTEM yaliyochakatwa kwa kutumia Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) na Fast Fourier Transform (FFT) yanaonyeshwa kwenye Mchoro 2. Nb-MXene nanoflakes zilielekezwa juu ili kuangalia muundo wa safu ya atomiki na kupima umbali wa interplanar.Picha za HRTEM za MXene Nb2CTx na Nb4C3TX nanoflakes zilifichua asili yao ya tabaka nyembamba ya atomi (ona Mchoro 2a1, a2), kama ilivyoripotiwa awali na Naguib et al.27 na Jastrzębska et al.38.Kwa safu mbili za karibu za Nb2CTx na Nb4C3Tx, tuliamua umbali wa interlayer wa 0.74 na 1.54 nm, kwa mtiririko huo (Mchoro 2b1, b2), ambayo pia inakubaliana na matokeo yetu ya awali38.Hii ilithibitishwa zaidi na ubadilishaji wa haraka wa Fourier (Mchoro 2c1, c2) na ugeuzaji wa haraka wa Fourier (Mchoro 2d1, d2) unaoonyesha umbali kati ya Nb2CTx na Nb4C3Tx monolayers.Picha inaonyesha ubadilishaji wa bendi nyepesi na nyeusi zinazolingana na atomi za niobium na kaboni, ambayo inathibitisha asili ya tabaka la MXenes zilizosomwa.Ni muhimu kutambua kwamba mwonekano wa X-ray wa kutawanya nishati (EDX) uliopatikana kwa Nb2CTx na Nb4C3Tx (Takwimu S2a na S2b) haukuonyesha masalio ya awamu ya awali ya MAX, kwa kuwa hakuna kilele cha Al kilichogunduliwa.
Tabia za SL Nb2CTx na Nb4C3Tx MXene nanoflakes, ikijumuisha (a) hadubini ya juu ya elektroni ya mwonekano wa juu (HRTEM) mwonekano wa upande wa 2D nanoflake ya picha na sambamba, (b) hali ya mkazo, (c) kubadilisha kwa kasi ya Fourier (IFFT), (d) mageuzi ya Fourier ya haraka (FFT-MX), (e) Miundo ya N-b.Kwa SL 2D Nb2CTx, nambari zinaonyeshwa kama (a1, b1, c1, d1, e1).Kwa SL 2D Nb4C3Tx, nambari zinaonyeshwa kama (a2, b2, c2, d2, e1).
Vipimo vya diffraction ya X-ray ya SL Nb2CTx na Nb4C3Tx MXenes vinaonyeshwa kwenye Mtini.2e1 na e2, kwa mtiririko huo.Vilele (002) katika 4.31 na 4.32 vinahusiana na MXenes Nb2CTx iliyoelezwa hapo awali na Nb4C3TX38,39,40,41 kwa mtiririko huo.Matokeo ya XRD pia yanaonyesha kuwepo kwa baadhi ya miundo ya ML iliyobaki na awamu MAX, lakini zaidi mifumo ya XRD inayohusishwa na SL Nb4C3Tx (Mchoro 2e2).Kuwepo kwa chembe ndogo zaidi za awamu ya MAX kunaweza kufafanua kilele chenye nguvu zaidi cha MAX ikilinganishwa na safu za Nb4C3Tx zilizopangwa kwa nasibu.
Utafiti zaidi umezingatia mwani wa kijani kibichi wa spishi R. subcapitata.Tulichagua mwani kwa sababu ni wazalishaji muhimu wanaohusika katika mtandao kuu wa chakula42.Pia ni mojawapo ya viashirio bora zaidi vya sumu kutokana na uwezo wa kuondoa vitu vyenye sumu ambavyo hubebwa hadi viwango vya juu vya mnyororo wa chakula43.Kwa kuongeza, utafiti juu ya R. subcapitata inaweza kutoa mwanga juu ya sumu ya SL Nb-MXenes kwa vijiumbe vya kawaida vya maji safi.Ili kuonyesha hili, watafiti walidhani kwamba kila microbe ina unyeti tofauti kwa misombo ya sumu iliyopo katika mazingira.Kwa viumbe vingi, viwango vya chini vya vitu haviathiri ukuaji wao, wakati viwango vya juu ya kikomo fulani vinaweza kuwazuia au hata kusababisha kifo.Kwa hiyo, kwa ajili ya masomo yetu ya mwingiliano wa uso kati ya microalgae na MXenes na urejeshaji unaohusishwa, tuliamua kupima viwango visivyo na madhara na vya sumu vya Nb-MXenes.Ili kufanya hivyo, tulijaribu viwango vya 0 (kama marejeleo), 0.01, 0.1 na 10 mg l-1 MXene na pia mwani mdogo ulioambukizwa na viwango vya juu sana vya MXene (100 mg l-1 MXene), ambayo inaweza kuwa mbaya na hatari..kwa mazingira yoyote ya kibiolojia.
Madhara ya SL Nb-MXenes kwenye mwani mdogo yanaonyeshwa kwenye Mchoro 3, ikionyeshwa kama asilimia ya ukuzaji wa ukuaji (+) au kizuizi (-) kinachopimwa kwa sampuli za 0 mg l-1.Kwa kulinganisha, awamu ya Nb-MAX na ML Nb-MXenes pia ilijaribiwa na matokeo yanaonyeshwa katika SI (angalia Mchoro S3).Matokeo yaliyopatikana yalithibitisha kuwa SL Nb-MXenes karibu haina sumu katika viwango vya chini kutoka 0.01 hadi 10 mg / l, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3a, b.Kwa upande wa Nb2CTx, tuliona si zaidi ya 5% ya sumu ya ikolojia katika masafa maalum.
Kuchochea (+) au kuzuia (-) ya ukuaji wa mwani mdogo mbele ya SL (a) Nb2CTx na (b) Nb4C3TX MXene.Saa 24, 48 na 72 za mwingiliano wa MXene-microalgae zilichambuliwa. Data muhimu (t-test, p <0.05) iliwekwa alama ya nyota (*). Data muhimu (t-test, p <0.05) iliwekwa alama ya nyota (*). Значимые данные (t-критерий, p <0,05) отмечены звездочкой (*). Data muhimu (t-test, p <0.05) imewekwa alama ya nyota (*).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 (*). Data muhimu (t-test, p <0.05) imewekwa alama ya nyota (*).Mishale nyekundu inaonyesha kukomesha uhamasishaji wa kuzuia.
Kwa upande mwingine, viwango vya chini vya Nb4C3TX viligeuka kuwa sumu zaidi, lakini sio zaidi ya 7%.Kama ilivyotarajiwa, tuliona kuwa MXenes walikuwa na sumu ya juu na kizuizi cha ukuaji wa mwani kwa 100mg L-1.Inafurahisha, hakuna nyenzo iliyoonyesha mwelekeo sawa na utegemezi wa wakati wa athari za sumu/sumu ikilinganishwa na sampuli za MAX au ML (angalia SI kwa maelezo zaidi).Wakati kwa awamu ya MAX (angalia Mtini. S3) sumu ilifikia takriban 15-25% na kuongezeka kwa muda, mwelekeo wa kinyume ulizingatiwa kwa SL Nb2CTx na Nb4C3TX MXene.Uzuiaji wa ukuaji wa mwani ulipungua kwa muda.Ilifikia takriban 17% baada ya masaa 24 na imeshuka hadi chini ya 5% baada ya masaa 72 (Mchoro 3a, b, kwa mtiririko huo).
Muhimu zaidi, kwa SL Nb4C3TX, kizuizi cha ukuaji wa mwani ulifikia karibu 27% baada ya masaa 24, lakini baada ya masaa 72 ilipungua hadi karibu 1%.Kwa hivyo, tuliita madoido yaliyoonekana kuwa kizuizi kinyume cha msisimko, na athari ilikuwa na nguvu zaidi kwa SL Nb4C3TX MXene.Uchochezi wa ukuaji wa mwani mdogo ulibainishwa mapema na Nb4C3TX (mwingiliano wa 10 mg L-1 kwa h 24) ikilinganishwa na SL Nb2CTx MXene.Athari ya urejeshaji ya vizuizi-uchochezi pia ilionyeshwa vyema katika mdundo wa kiwango cha kuongezeka maradufu (angalia Mtini. S4 kwa maelezo zaidi).Hadi sasa, tu ecotoxicity ya Ti3C2TX MXene imesomwa kwa njia tofauti.Sio sumu kwa pundamilia viinitete44 lakini ni sumu ya ikolojia kwa mwani mdogo wa Desmodesmus quadricauda na mimea ya Sorghum saccharatum45.Mifano mingine ya athari maalum ni pamoja na sumu ya juu kwa mistari ya seli ya saratani kuliko mistari ya kawaida ya seli46,47.Inaweza kuzingatiwa kuwa hali ya mtihani ingeathiri mabadiliko katika ukuaji wa mwani unaozingatiwa mbele ya Nb-MXenes.Kwa mfano, pH ya karibu 8 katika stroma ya kloroplast ni mojawapo kwa uendeshaji mzuri wa enzyme ya RuBisCO.Kwa hiyo, mabadiliko ya pH yanaathiri vibaya kiwango cha photosynthesis48,49.Hata hivyo, hatukuona mabadiliko makubwa katika pH wakati wa jaribio (angalia SI, Mtini. S5 kwa maelezo zaidi).Kwa ujumla, tamaduni za mwani mdogo na Nb-MXenes zilipunguza kidogo pH ya suluhisho kwa muda.Hata hivyo, upungufu huu ulikuwa sawa na mabadiliko katika pH ya kati safi.Kwa kuongeza, aina mbalimbali za tofauti zilizopatikana zilikuwa sawa na zilizopimwa kwa utamaduni safi wa microalgae (sampuli ya udhibiti).Kwa hivyo, tunahitimisha kuwa usanisinuru hauathiriwi na mabadiliko ya pH kwa wakati.
Kwa kuongeza, MXenes zilizounganishwa zina miisho ya uso (iliyoonyeshwa kama Tx).Haya ni makundi ya kiutendaji -O, -F na -OH.Hata hivyo, kemia ya uso inahusiana moja kwa moja na njia ya awali.Vikundi hivi vinajulikana kusambazwa kwa nasibu juu ya uso, na hivyo kufanya kuwa vigumu kutabiri athari zao kwa mali ya MXene50.Inaweza kubishaniwa kuwa Tx inaweza kuwa nguvu ya kichocheo cha uoksidishaji wa niobiamu kwa mwanga.Vikundi vya utendaji vya usoni kwa hakika hutoa tovuti nyingi za kuunganisha kwa vichochezi vyao vya msingi ili kuunda miunganisho ya heterojunctions51.Hata hivyo, muundo wa kati ya ukuaji haukutoa photocatalyst yenye ufanisi (utungaji wa kina wa kati unaweza kupatikana katika Jedwali la SI S6).Kwa kuongeza, urekebishaji wowote wa uso pia ni muhimu sana, kwani shughuli za kibiolojia za MXenes zinaweza kubadilishwa kutokana na safu baada ya usindikaji, oxidation, urekebishaji wa uso wa kemikali wa misombo ya kikaboni na isokaboni52,53,54,55,56 au uhandisi wa malipo ya uso38.Kwa hivyo, ili kupima ikiwa oksidi ya niobiamu ina uhusiano wowote na ukosefu wa uthabiti wa nyenzo, tulifanya tafiti za uwezekano wa zeta (ζ) katika ukuaji wa mwani mdogo na maji yaliyotolewa (kwa kulinganisha).Matokeo yetu yanaonyesha kuwa SL Nb-MXenes ni thabiti (tazama SI Mtini. S6 kwa matokeo ya MAX na ML).Uwezo wa zeta wa SL MXenes ni takriban -10 mV.Kwa upande wa SR Nb2CTx, thamani ya ζ ni mbaya zaidi kuliko ile ya Nb4C3Tx.Mabadiliko kama haya katika thamani ya ζ yanaweza kuonyesha kuwa uso wa nanoflakes za MXene zilizo na chaji hasi hufyonza ioni zenye chaji chanya kutoka kwa njia ya utamaduni.Vipimo vya muda vya uwezo wa zeta na utendakazi wa Nb-MXenes katika njia ya utamaduni (tazama Vielelezo S7 na S8 katika SI kwa maelezo zaidi) vinaonekana kuunga mkono nadharia yetu.
Walakini, Nb-MXene SL zote mbili zilionyesha mabadiliko madogo kutoka sifuri.Hii inaonyesha wazi uthabiti wao katika njia ya ukuaji wa mwani mdogo.Kwa kuongezea, tulitathmini ikiwa uwepo wa mwani wetu wa kijani ungeathiri uthabiti wa Nb-MXenes kati.Matokeo ya uwezo wa zeta na conductivity ya MXenes baada ya kuingiliana na microalgae katika vyombo vya habari vya virutubisho na utamaduni kwa muda inaweza kupatikana katika SI (Takwimu S9 na S10).Inafurahisha, tuligundua kuwa uwepo wa mwani mdogo ulionekana kuleta utulivu wa utawanyiko wa MXenes zote mbili.Kwa upande wa Nb2CTx SL, uwezo wa zeta ulipungua hata kidogo baada ya muda hadi maadili hasi zaidi (-15.8 dhidi ya -19.1 mV baada ya h 72 ya incubation).Uwezo wa zeta wa SL Nb4C3TX uliongezeka kidogo, lakini baada ya 72 h bado ilionyesha utulivu wa juu kuliko nanoflakes bila kuwepo kwa microalgae (-18.1 vs. -9.1 mV).
Pia tulipata conductivity ya chini ya ufumbuzi wa Nb-MXene iliyoingizwa mbele ya microalgae, ikionyesha kiasi cha chini cha ions katika kati ya virutubisho.Hasa, ukosefu wa utulivu wa MXenes katika maji unatokana hasa na oxidation ya uso57.Kwa hivyo, tunashuku kuwa mwani wa kijani kwa namna fulani ulifuta oksidi zilizoundwa kwenye uso wa Nb-MXene na hata kuzuia kutokea kwao (oxidation ya MXene).Hii inaweza kuonekana kwa kujifunza aina za vitu vinavyoingizwa na microalgae.
Ingawa tafiti zetu za kiikolojia zilionyesha kuwa mwani mdogo uliweza kushinda sumu ya Nb-MXenes kwa muda na kizuizi kisicho cha kawaida cha ukuaji uliochochewa, lengo la utafiti wetu lilikuwa kuchunguza njia zinazowezekana za utekelezaji.Wakati viumbe kama vile mwani vinakabiliwa na misombo au nyenzo zisizojulikana kwa mifumo yao ya ikolojia, wanaweza kuguswa kwa njia mbalimbali58,59.Kwa kukosekana kwa oksidi za chuma zenye sumu, mwani mdogo unaweza kujilisha wenyewe, na kuwaruhusu kukua kwa kuendelea60.Baada ya kumeza vitu vyenye sumu, mifumo ya ulinzi inaweza kuanzishwa, kama vile kubadilisha sura au umbo.Uwezekano wa kunyonya lazima pia uzingatiwe58,59.Hasa, ishara yoyote ya utaratibu wa ulinzi ni kiashiria wazi cha sumu ya kiwanja cha mtihani.Kwa hivyo, katika kazi yetu zaidi, tulichunguza mwingiliano wa uso unaowezekana kati ya SL Nb-MXene nanoflakes na mwani mdogo kwa SEM na ufyonzaji unaowezekana wa MXene yenye msingi wa Nb kwa X-ray fluorescence spectroscopy (XRF).Kumbuka kuwa uchanganuzi wa SEM na XRF ulifanyika tu katika mkusanyiko wa juu zaidi wa MXene ili kushughulikia masuala ya sumu ya shughuli.
Matokeo ya SEM yanaonyeshwa kwenye Mtini.4.Seli ndogo za mwani ambazo hazijatibiwa (ona Mtini. 4a, sampuli ya marejeleo) zilionyesha wazi mofolojia ya kawaida ya R. subcapitata na umbo la seli kama croissant.Seli huonekana kuwa bapa na zisizo na mpangilio.Baadhi ya seli za mwani zilipishana na kushikana, lakini hii pengine ilisababishwa na mchakato wa utayarishaji wa sampuli.Kwa ujumla, seli za microalgae safi zilikuwa na uso laini na hazikuonyesha mabadiliko yoyote ya kimaadili.
Picha za SEM zinazoonyesha mwingiliano wa uso kati ya mwani wa kijani kibichi na nanosheets za MXene baada ya saa 72 za mwingiliano katika mkusanyiko uliokithiri (100 mg L-1).(a) Mwani wa kijani usiotibiwa baada ya kuingiliana na SL (b) Nb2CTx na (c) Nb4C3TX MXenes.Kumbuka kuwa nanoflakes za Nb-MXene zimewekwa alama na mishale nyekundu.Kwa kulinganisha, picha kutoka kwa darubini ya macho pia huongezwa.
Kwa kulinganisha, seli za microalgae zilizotangazwa na SL Nb-MXene nanoflakes ziliharibiwa (tazama Mchoro 4b, c, mishale nyekundu).Katika kesi ya Nb2CTx MXene (Mchoro 4b), mwani mdogo huwa na kukua kwa nanoscales mbili-dimensional, ambayo inaweza kubadilisha mofolojia yao.Hasa, tuliona pia mabadiliko haya chini ya hadubini nyepesi (tazama Mchoro wa SI S11 kwa maelezo zaidi).Mpito huu wa kimofolojia una msingi unaokubalika katika fiziolojia ya mwani mdogo na uwezo wao wa kujilinda kwa kubadilisha mofolojia ya seli, kama vile kuongeza ujazo wa seli61.Kwa hiyo, ni muhimu kuangalia idadi ya seli za microalgae ambazo kwa kweli zinawasiliana na Nb-MXenes.Uchunguzi wa SEM ulionyesha kuwa takriban 52% ya seli za mwani ziliwekwa wazi kwa Nb-MXenes, wakati 48% ya seli hizi ndogo za mwani ziliepuka kugusana.Kwa SL Nb4C3Tx MXene, microalgae hujaribu kuepuka kuwasiliana na MXene, na hivyo kufanya ujanibishaji na kukua kutoka kwa nanoscales mbili-dimensional (Mchoro 4c).Hata hivyo, hatukuchunguza kupenya kwa nanoscales kwenye seli za microalgae na uharibifu wao.
Kujihifadhi pia ni tabia ya mwitikio tegemezi wa wakati kwa kuziba kwa usanisinuru kutokana na adsorption ya chembe kwenye uso wa seli na kile kinachoitwa shading (shading) athari62.Ni wazi kwamba kila kitu (kwa mfano, Nb-MXene nanoflakes) ambacho kiko kati ya mwani mdogo na chanzo cha mwanga kinapunguza kiwango cha mwanga kufyonzwa na kloroplast.Hata hivyo, hatuna shaka kwamba hii ina athari kubwa kwa matokeo yaliyopatikana.Kama inavyoonyeshwa na uchunguzi wetu wa microscopic, nanoflakes za 2D hazikufungwa kabisa au kuzingatiwa kwenye uso wa microalgae, hata wakati seli za microalgae ziliwasiliana na Nb-MXenes.Badala yake, nanoflakes zilielekezwa kwa seli za mwani bila kufunika uso wao.Seti kama hiyo ya nanoflakes/mwani mdogo hauwezi kupunguza kwa kiasi kikubwa kiasi cha mwanga unaofyonzwa na seli za mwani.Zaidi ya hayo, tafiti zingine zimeonyesha uboreshaji wa unyonyaji wa mwanga na viumbe vya photosynthetic mbele ya nanomaterials mbili-dimensional63,64,65,66.
Kwa kuwa picha za SEM hazikuweza kuthibitisha moja kwa moja uchukuaji wa niobium na seli ndogo za mwani, utafiti wetu zaidi uligeukia kwa X-ray fluorescence (XRF) na X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ili kufafanua suala hili.Kwa hiyo, tulilinganisha ukubwa wa kilele cha Nb cha sampuli za microalgae za kumbukumbu ambazo hazikuingiliana na MXenes, nanoflakes za MXene zilizojitenga kutoka kwa uso wa seli za microalgae, na seli za microalgal baada ya kuondolewa kwa MXenes zilizounganishwa.Inastahili kuzingatia kwamba ikiwa hakuna uchukuaji wa Nb, thamani ya Nb iliyopatikana na seli za microalgae inapaswa kuwa sifuri baada ya kuondolewa kwa nanoscales zilizounganishwa.Kwa hivyo, ikiwa uchukuaji wa Nb utatokea, matokeo ya XRF na XPS yanapaswa kuonyesha kilele cha Nb wazi.
Katika kesi ya spectra ya XRF, sampuli za microalgae zilionyesha kilele cha Nb kwa SL Nb2CTx na Nb4C3Tx MXene baada ya kuingiliana na SL Nb2CTx na Nb4C3Tx MXene (ona Mchoro 5a, pia kumbuka kuwa matokeo ya MAX na ML MXenes yanaonyeshwa katika SI, Mtini-C17 S1).Inashangaza, ukubwa wa kilele cha Nb ni sawa katika matukio yote mawili (baa nyekundu kwenye Mchoro 5a).Hii ilionyesha kuwa mwani haukuweza kunyonya Nb zaidi, na uwezo wa juu wa mkusanyiko wa Nb ulipatikana katika seli, ingawa mara mbili zaidi Nb4C3Tx MXene iliunganishwa kwenye seli za microalgae (baa za bluu kwenye Mchoro 5a).Hasa, uwezo wa mwani wa kunyonya metali hutegemea mkusanyiko wa oksidi za chuma katika mazingira67,68.Shamshada et al.67 waligundua kuwa uwezo wa kufyonza wa mwani wa maji baridi hupungua kwa kuongezeka kwa pH.Raize et al.68 alibainisha kuwa uwezo wa mwani kunyonya metali ulikuwa karibu 25% juu kwa Pb2+ kuliko kwa Ni2+.
(a) Matokeo ya XRF ya unywaji wa Nb ya msingi na seli za mwani za kijani zilizowekwa kwenye mkusanyiko uliokithiri wa SL Nb-MXenes (100 mg L-1) kwa masaa 72.Matokeo yanaonyesha kuwepo kwa α katika seli safi za mwani (sampuli ya udhibiti, safuwima za kijivu), nanoflakes za 2D zilizotengwa na seli za microalgae za uso (safu za bluu), na seli za microalgae baada ya kutenganishwa kwa nanoflakes za 2D kutoka kwa uso (safu nyekundu).Kiasi cha kipengele cha Nb, ( b) asilimia ya utungaji wa kemikali wa vipengele vya kikaboni vya microalgae (C=O na CHx/C–O) na oksidi za Nb zilizopo kwenye seli za mwani baada ya kuingizwa na SL Nb-MXenes, (c–e) Kufaa kwa kilele cha utunzi wa XPS SL Nb2CTx spectra ya ndani kwa microx Nb4CeT ya seli ndogo za (fh4C) na (fh4C)
Kwa hivyo, tulitarajia kwamba Nb inaweza kufyonzwa na seli za mwani kwa njia ya oksidi.Ili kujaribu hili, tulifanya tafiti za XPS kwenye MXenes Nb2CTx na Nb4C3TX na seli za mwani.Matokeo ya mwingiliano wa microalgae na Nb-MXenes na MXenes pekee kutoka kwa seli za mwani zinaonyeshwa kwenye Mtini.5b.Kama ilivyotarajiwa, tuligundua vilele vya Nb 3d katika sampuli za mwani mdogo baada ya kuondolewa kwa MXene kwenye uso wa mwani mdogo.Uamuzi wa kiasi cha C=O, CHx/CO, na oksidi za Nb ulihesabiwa kulingana na mwonekano wa Nb 3d, O 1s, na C 1s uliopatikana kwa Nb2CTx SL (Mchoro 5c-e) na Nb4C3Tx SL (Mchoro 5c-e).) zilizopatikana kutoka kwa mwani mdogo ulioamilishwa.Kielelezo 5f–h) Mxenes.Jedwali S1-3 linaonyesha maelezo ya vigezo vya kilele na kemia ya jumla inayotokana na kufaa.Ni vyema kutambua kwamba mikoa ya Nb 3d ya Nb2CTx SL na Nb4C3Tx SL (Mchoro 5c, f) inafanana na sehemu moja ya Nb2O5.Hapa, hatukupata vilele vinavyohusiana na MXene kwenye spectra, ikionyesha kwamba seli za mwani hufyonza tu aina ya oksidi ya Nb.Aidha, tulikadiria wigo wa C 1 na vijenzi C–C, CHx/C–O, C=O, na –COOH.Tuliweka vilele vya CHx/C–O na C=O kwa mchango wa kikaboni wa seli za mwani.Vipengele hivi vya kikaboni vinachangia 36% na 41% ya kilele cha C 1s katika Nb2CTx SL na Nb4C3TX SL, kwa mtiririko huo.Kisha tuliweka mwonekano wa O 1s wa SL Nb2CTx na SL Nb4C3TX na Nb2O5, viambajengo vya kikaboni vya mwani mdogo (CHx/CO), na maji yaliyowekwa kwenye uso.
Hatimaye, matokeo ya XPS yalionyesha wazi aina ya Nb, si tu uwepo wake.Kwa mujibu wa nafasi ya ishara ya Nb 3d na matokeo ya deconvolution, tunathibitisha kwamba Nb inachukuliwa tu kwa namna ya oksidi na si ions au MXene yenyewe.Kwa kuongeza, matokeo ya XPS yalionyesha kuwa seli za microalgae zina uwezo mkubwa wa kuchukua oksidi za Nb kutoka SL Nb2CTx ikilinganishwa na SL Nb4C3TX MXene.
Ingawa matokeo yetu ya utumiaji wa Nb ni ya kuvutia na huturuhusu kutambua uharibifu wa MXene, hakuna njia inayopatikana ya kufuatilia mabadiliko yanayohusiana ya kimofolojia katika nanoflaki za 2D.Kwa hiyo, tuliamua pia kuendeleza njia inayofaa ambayo inaweza kukabiliana moja kwa moja na mabadiliko yoyote yanayotokea katika 2D Nb-MXene nanoflakes na seli za microalgae.Ni muhimu kutambua kwamba tunadhania kwamba ikiwa spishi zinazoingiliana zitapitia mabadiliko yoyote, mtengano au mgawanyiko, hii inapaswa kujidhihirisha haraka kama mabadiliko ya vigezo vya umbo, kama vile kipenyo cha eneo sawa la duara, umbo la duara, upana wa Feret, au urefu wa Feret.Kwa kuwa vigezo hivi vinafaa kwa kuelezea chembe zilizorefushwa au nanoflaki zenye pande mbili, ufuatiliaji wao kwa uchanganuzi wa umbo la chembe chembe utatupatia taarifa muhimu kuhusu mabadiliko ya kimofolojia ya nanoflaki za SL Nb-MXene wakati wa kupunguza.
Matokeo yaliyopatikana yanaonyeshwa kwenye Mchoro wa 6. Kwa kulinganisha, tulijaribu pia awamu ya awali ya MAX na ML-MXenes (angalia Takwimu za SI S18 na S19).Uchambuzi wa nguvu wa umbo la chembe ulionyesha kuwa vigezo vyote vya umbo vya Nb-MXene SL mbili vilibadilika sana baada ya mwingiliano na mwani mdogo.Kama inavyoonyeshwa na kigezo sawa cha kipenyo cha eneo la duara (Mchoro 6a, b), kiwango cha juu kilichopunguzwa cha sehemu ya nanoflaki kubwa huonyesha kwamba huwa na kuoza na kuwa vipande vidogo.Kwenye mtini.6c, d inaonyesha kupungua kwa vilele vinavyohusishwa na saizi ya kuvuka ya flakes (refusho la nanoflakes), ikionyesha mabadiliko ya nanoflaki za 2D kuwa umbo la chembe zaidi.Mchoro wa 6e-h unaoonyesha upana na urefu wa Feret, mtawalia.Upana na urefu wa feri ni vigezo vya ziada na kwa hivyo vinapaswa kuzingatiwa pamoja.Baada ya incubation ya 2D Nb-MXene nanoflakes mbele ya microalgae, kilele cha uwiano wa Feret kilibadilika na kiwango chao kilipungua.Kulingana na matokeo haya pamoja na mofolojia, XRF na XPS, tulihitimisha kuwa mabadiliko yaliyoonekana yanahusiana sana na uoksidishaji kwani MXenes zilizooksidishwa hukunjamana zaidi na kuvunjika vipande vipande na chembe za oksidi ya duara69,70.
Uchambuzi wa mabadiliko ya MXene baada ya mwingiliano na mwani wa kijani kibichi.Uchanganuzi unaobadilika wa umbo la chembe huzingatia vigezo kama vile (a, b) kipenyo cha eneo sawa la duara, (c, d) umbo la duara, (e, f) Upana wa Feret na (g, h) urefu wa Feret.Kufikia hili, sampuli mbili za marejeleo za mwani zilichanganuliwa pamoja na SL Nb2CTx ya msingi na SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx na SL Nb4C3Tx MXenes, mwani mdogo ulioharibika, na mwani mdogo uliotibiwa SL Nb2CTx na SL Nb4C3Tx MX.Mishale nyekundu inaonyesha mabadiliko ya vigezo vya sura ya nanoflakes mbili-dimensional zilizosomwa.
Kwa kuwa uchanganuzi wa vigezo vya umbo ni wa kutegemewa sana, unaweza pia kufichua mabadiliko ya kimofolojia katika seli za mwani.Kwa hivyo, tulichanganua kipenyo sawa cha eneo la duara, umbo la duara, na upana/urefu wa Feret wa seli na seli safi za mwani baada ya kuingiliana na nanoflaki za 2D Nb.Kwenye mtini.6a–h huonyesha mabadiliko katika vigezo vya umbo la seli za mwani, kama inavyothibitishwa na kupungua kwa kiwango cha juu na mabadiliko ya kiwango cha juu kuelekea maadili ya juu.Hasa, vigezo vya mzunguko wa seli vilionyesha kupungua kwa seli zilizopanuliwa na ongezeko la seli za spherical (Mchoro 6a, b).Kwa kuongeza, upana wa seli ya Feret uliongezeka kwa micrometers kadhaa baada ya kuingiliana na SL Nb2CTx MXene (Mchoro 6e) ikilinganishwa na SL Nb4C3TX MXene (Mchoro 6f).Tunashuku kuwa hii inaweza kuwa kutokana na unywaji mwingi wa oksidi za Nb na mwani mdogo unapoingiliana na Nb2CTx SR.Kiambatisho kidogo cha Nb kwenye uso wao kinaweza kusababisha ukuaji wa seli na athari ndogo ya kivuli.
Uchunguzi wetu wa mabadiliko katika vigezo vya umbo na ukubwa wa mwani mdogo hukamilisha masomo mengine.Mwani wa kijani kibichi unaweza kubadilisha mofolojia yao katika kukabiliana na mkazo wa kimazingira kwa kubadilisha ukubwa wa seli, umbo au kimetaboliki61.Kwa mfano, kubadilisha ukubwa wa seli hurahisisha ufyonzwaji wa virutubisho71.Seli ndogo za mwani huonyesha unywaji wa chini wa virutubishi na kasi ya ukuaji iliyoharibika.Kinyume chake, seli kubwa huwa na matumizi ya virutubisho zaidi, ambayo huwekwa ndani ya seli72,73.Machado na Soares waligundua kuwa dawa ya kuua kuvu aina ya triclosan inaweza kuongeza ukubwa wa seli.Pia walipata mabadiliko makubwa katika umbo la mwani74.Zaidi ya hayo, Yin et al.9 pia alifichua mabadiliko ya kimofolojia katika mwani baada ya kuathiriwa na nanocomposites ya oksidi ya graphene iliyopunguzwa.Kwa hiyo, ni wazi kwamba vigezo vya ukubwa / sura iliyobadilishwa ya microalgae husababishwa na kuwepo kwa MXene.Kwa kuwa mabadiliko haya ya ukubwa na umbo yanaonyesha mabadiliko katika uchukuaji wa virutubishi, tunaamini kwamba uchanganuzi wa vigezo vya ukubwa na umbo kwa muda unaweza kuonyesha uchukuaji wa oksidi ya niobium na mwani mdogo mbele ya Nb-MXenes.
Zaidi ya hayo, MXenes inaweza kuwa oxidized mbele ya mwani.Dalai et al.75 aliona kuwa mofolojia ya mwani wa kijani iliyofunuliwa na nano-TiO2 na Al2O376 haikuwa sawa.Ingawa uchunguzi wetu ni sawa na utafiti wa sasa, ni muhimu tu kwa utafiti wa madhara ya bioremediation katika suala la bidhaa za uharibifu wa MXene mbele ya nanoflakes za 2D na si nanoparticles.Kwa kuwa MXenes inaweza kuharibika kuwa oksidi za chuma,31,32,77,78 ni busara kudhani kwamba nanoflakes zetu za Nb zinaweza pia kuunda oksidi za Nb baada ya kuingiliana na seli za microalgae.
Ili kueleza kupunguzwa kwa nanoflakes za 2D-Nb kupitia utaratibu wa mtengano kulingana na mchakato wa oxidation, tulifanya tafiti kwa kutumia microscopy ya elektroni ya maambukizi ya juu-azimio (HRTEM) (Mchoro 7a, b) na X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Mchoro 7).7c-i na meza S4-5).Njia zote mbili zinafaa kwa kusoma uoksidishaji wa nyenzo za 2D na kukamilishana.HRTEM ina uwezo wa kuchanganua uharibifu wa miundo yenye tabaka mbili-dimensional na mwonekano unaofuata wa nanoparticles za oksidi za chuma, huku XPS ni nyeti kwa vifungo vya uso.Kwa kusudi hili, tulijaribu nanoflakes za 2D Nb-MXene zilizotolewa kutoka kwa utawanyiko wa seli za microalgae, yaani, sura yao baada ya kuingiliana na seli za microalgae (ona Mchoro 7).
Picha za HRTEM zinazoonyesha umbile la oksidi (a) SL Nb2CTx na (b) SL Nb4C3Tx MXenes, matokeo ya uchanganuzi wa XPS yanayoonyesha (c) muundo wa bidhaa za oksidi baada ya kupunguzwa, (d–f) ulinganifu wa kilele wa vipengele vya mwonekano wa XPS wa SL Nb2CTx na (g– iT) urekebishaji wa kijani kibichi wa Nb4C wa Nb4C.
Uchunguzi wa HRTEM ulithibitisha oxidation ya aina mbili za nanoflakes za Nb-MXene.Ingawa nanoflakes zilihifadhi mofolojia ya pande mbili kwa kiasi fulani, uoksidishaji ulisababisha kuonekana kwa nanoparticles nyingi zinazofunika uso wa nanoflakes za MXene (ona Mchoro 7a, b).Uchambuzi wa XPS wa ishara za c Nb 3d na O 1s ulionyesha kuwa oksidi za Nb ziliundwa katika visa vyote viwili.Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 7c, 2D MXene Nb2CTx na Nb4C3TX zina ishara za Nb 3d zinazoonyesha uwepo wa oksidi za NbO na Nb2O5, wakati ishara za O 1s zinaonyesha idadi ya vifungo vya O-Nb vinavyohusishwa na utendakazi wa uso wa 2D wa nanoflake.Tuligundua kuwa mchango wa Nb oxide ni mkubwa ikilinganishwa na Nb-C na Nb3+-O.
Kwenye mtini.Takwimu 7g–i zinaonyesha mwonekano wa XPS wa Nb 3d, C 1s, na O 1s SL Nb2CTx (ona Mtini. 7d–f) na SL Nb4C3TX MXene iliyotengwa na seli ndogo za mwani.Maelezo ya vigezo vya kilele cha Nb-MXenes yametolewa katika Jedwali S4-5, kwa mtiririko huo.Kwanza tulichambua muundo wa Nb 3d.Tofauti na Nb iliyoingizwa na seli za microalgae, katika MXene iliyotengwa na seli za microalgae, mbali na Nb2O5, vipengele vingine vilipatikana.Katika Nb2CTx SL, tuliona mchango wa Nb3+-O kwa kiasi cha 15%, wakati wigo uliobaki wa Nb 3d ulitawaliwa na Nb2O5 (85%).Kwa kuongeza, sampuli ya SL Nb4C3TX ina vipengele vya Nb-C (9%) na Nb2O5 (91%).Hapa Nb-C inatoka kwa tabaka mbili za ndani za atomiki za carbudi ya chuma katika Nb4C3Tx SR.Kisha tunaweka ramani ya mwonekano wa C 1 kwa vipengele vinne tofauti, kama tulivyofanya katika sampuli zilizowekwa ndani.Kama inavyotarajiwa, wigo wa C 1s hutawaliwa na kaboni ya grafiti, ikifuatiwa na michango kutoka kwa chembe hai (CHx/CO na C=O) kutoka kwa seli ndogo za mwani.Kwa kuongeza, katika wigo wa O 1s, tuliona mchango wa aina za kikaboni za seli za microalgae, oksidi ya niobium, na maji ya adsorbed.
Zaidi ya hayo, tulichunguza ikiwa mpasuko wa Nb-MXenes unahusishwa na kuwepo kwa spishi tendaji za oksijeni (ROS) katika virutubishi na/au seli ndogo za mwani.Ili kufikia mwisho huu, tulitathmini viwango vya oksijeni ya singlet (1O2) katika utamaduni wa kati na glutathione ya ndani ya seli, thiol ambayo hufanya kama antioxidant katika mwani mdogo.Matokeo yanaonyeshwa katika SI (Takwimu S20 na S21).Tamaduni zilizo na SL Nb2CTx na Nb4C3TX MXenes zilibainishwa kwa kiasi kilichopunguzwa cha 1O2 (ona Mchoro S20).Kwa upande wa SL Nb2CTx, MXene 1O2 imepunguzwa hadi karibu 83%.Kwa tamaduni za mwani kwa kutumia SL, Nb4C3TX 1O2 ilipungua hata zaidi, hadi 73%.Inashangaza, mabadiliko katika 1O2 yalionyesha mwelekeo sawa na athari iliyozingatiwa hapo awali ya kuzuia-kuchochea (tazama Mchoro 3).Inaweza kusema kuwa incubation katika mwanga mkali inaweza kubadilisha photooxidation.Hata hivyo, matokeo ya uchambuzi wa udhibiti ilionyesha ngazi karibu mara kwa mara ya 1O2 wakati wa majaribio (Mtini. S22).Kwa upande wa viwango vya ndani vya seli za ROS, tuliona pia mwelekeo huo wa kushuka (ona Mchoro S21).Hapo awali, viwango vya ROS katika seli za mwani zilizokuzwa mbele ya Nb2CTx na Nb4C3Tx SL zilizidi viwango vilivyopatikana katika tamaduni safi za mwani mdogo.Hatimaye, hata hivyo, ilionekana kuwa microalgae ilichukuliwa kwa uwepo wa Nb-MXenes zote mbili, kwani viwango vya ROS vilipungua hadi 85% na 91% ya viwango vilivyopimwa katika tamaduni safi za microalgae iliyoingizwa na SL Nb2CTx na Nb4C3TX, kwa mtiririko huo.Hii inaweza kuonyesha kwamba mwani mdogo hujisikia vizuri zaidi baada ya muda mbele ya Nb-MXene kuliko katikati ya virutubisho pekee.
Microalgae ni kundi tofauti la viumbe vya photosynthetic.Wakati wa photosynthesis, hubadilisha kaboni dioksidi ya anga (CO2) kuwa kaboni ya kikaboni.Bidhaa za usanisinuru ni glukosi na oksijeni79.Tunashuku kuwa oksijeni iliyoundwa hivyo ina jukumu muhimu katika uoksidishaji wa Nb-MXenes.Ufafanuzi mmoja unaowezekana kwa hili ni kwamba parameter ya aeration tofauti huundwa kwa shinikizo la chini na la juu la sehemu ya oksijeni nje na ndani ya nanoflakes ya Nb-MXene.Hii ina maana kwamba popote kuna maeneo ya shinikizo la sehemu tofauti za oksijeni, eneo lenye kiwango cha chini kabisa litaunda anode 80, 81, 82. Hapa, microalgae huchangia kuundwa kwa seli za aerated tofauti kwenye uso wa flakes MXene, ambayo hutoa oksijeni kutokana na mali zao za photosynthetic.Matokeo yake, bidhaa za biocorrosion (katika kesi hii, oksidi za niobium) zinaundwa.Kipengele kingine ni kwamba mwani mdogo unaweza kuzalisha asidi za kikaboni ambazo hutolewa ndani ya maji83,84.Kwa hiyo, mazingira ya fujo huundwa, na hivyo kubadilisha Nb-MXenes.Aidha, mwani mdogo unaweza kubadilisha pH ya mazingira hadi alkali kutokana na kufyonzwa kwa kaboni dioksidi, ambayo inaweza pia kusababisha kutu79.
Muhimu zaidi, kipindi cha giza/mwanga kilichotumiwa katika utafiti wetu ni muhimu ili kuelewa matokeo yaliyopatikana.Kipengele hiki kimeelezewa kwa kina katika Djemai-Zoghlache et al.85 Walitumia kimakusudi kipindi cha kupiga picha cha saa 12/12 ili kuonyesha kutu kuhusishwa na uchafuzi wa mazingira na mwani mwekundu wa Porphyridium purpureum.Zinaonyesha kuwa kipindi cha kupiga picha kinahusishwa na mageuzi ya uwezo bila kutu, na kujidhihirisha kama oscillations ya pseudoperiodic karibu 24:00.Uchunguzi huu ulithibitishwa na Dowling et al.86 Walionyesha biofilamu za usanisinuru za cyanobacteria Anabaena.Oksijeni iliyoyeyushwa huundwa chini ya hatua ya mwanga, ambayo inahusishwa na mabadiliko au kushuka kwa uwezo wa biocorrosion ya bure.Umuhimu wa photoperiod unasisitizwa na ukweli kwamba uwezekano wa bure wa biocorrosion huongezeka katika awamu ya mwanga na hupungua katika awamu ya giza.Hii ni kutokana na oksijeni inayozalishwa na microalgae ya photosynthetic, ambayo huathiri mmenyuko wa cathodic kupitia shinikizo la sehemu inayozalishwa karibu na electrodes87.
Kwa kuongeza, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) ilifanywa ili kujua kama mabadiliko yoyote yalitokea katika utungaji wa kemikali ya seli za mwani baada ya kuingiliana na Nb-MXenes.Matokeo haya yaliyopatikana ni changamano na tunayawasilisha katika SI (Takwimu S23-S25, ikijumuisha matokeo ya hatua ya MAX na ML MXenes).Kwa kifupi, spectra ya kumbukumbu iliyopatikana ya microalgae hutupatia taarifa muhimu kuhusu sifa za kemikali za viumbe hivi.Mitetemo hii inayowezekana zaidi iko kwenye masafa ya 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.moja.1 1 (C–H) na 3280 cm–1 (O–H).Kwa SL Nb-MXenes, tulipata saini ya kunyoosha bondi ya CH ambayo inalingana na utafiti wetu wa awali38.Hata hivyo, tuliona kwamba baadhi ya vilele vya ziada vinavyohusishwa na vifungo vya C=C na CH vilitoweka.Hii inaonyesha kwamba utungaji wa kemikali ya microalgae inaweza kupitia mabadiliko madogo kutokana na kuingiliana na SL Nb-MXenes.
Wakati wa kuzingatia mabadiliko yanayoweza kutokea katika biokemia ya mwani mdogo, mrundikano wa oksidi isokaboni, kama vile oksidi ya niobium, unahitaji kuangaliwa upya59.Inashiriki katika uchukuaji wa metali na uso wa seli, usafirishaji wao ndani ya cytoplasm, uhusiano wao na vikundi vya carboxyl vya ndani, na mkusanyiko wao katika polyphosphosomes ya microalgae20,88,89,90.Kwa kuongeza, uhusiano kati ya microalgae na metali huhifadhiwa na vikundi vya kazi vya seli.Kwa sababu hii, ngozi pia inategemea kemia ya uso wa microalgae, ambayo ni ngumu kabisa9,91.Kwa ujumla, kama inavyotarajiwa, muundo wa kemikali wa mwani wa kijani ulibadilika kidogo kutokana na kunyonya kwa Nb oxide.
Inafurahisha, kizuizi cha awali kilichoonekana cha mwani kiliweza kutenduliwa baada ya muda.Kama tulivyoona, mwani ulishinda mabadiliko ya awali ya mazingira na hatimaye kurudi kwa viwango vya kawaida vya ukuaji na hata kuongezeka.Uchunguzi wa uwezo wa zeta unaonyesha uthabiti wa juu unapoletwa kwenye vyombo vya habari vya virutubisho.Kwa hivyo, mwingiliano wa uso kati ya seli za microalgae na nanoflakes za Nb-MXene zilihifadhiwa katika majaribio ya kupunguza.Katika uchanganuzi wetu zaidi, tunatoa muhtasari wa njia kuu za utekelezaji zinazotokana na tabia hii ya ajabu ya mwani mdogo.
Uchunguzi wa SEM umeonyesha kuwa mwani mdogo huwa unashikamana na Nb-MXenes.Kwa kutumia uchanganuzi wa picha wenye nguvu, tunathibitisha kwamba athari hii inasababisha mabadiliko ya nanoflakes ya Nb-MXene yenye sura mbili katika chembe zaidi za spherical, na hivyo kuonyesha kwamba mtengano wa nanoflakes unahusishwa na oxidation yao.Ili kupima hypothesis yetu, tulifanya mfululizo wa masomo ya nyenzo na biochemical.Baada ya kupima, nanoflakes hatua kwa hatua zilioksidishwa na kuharibiwa katika bidhaa za NbO na Nb2O5, ambazo hazikuwa tishio kwa microalgae ya kijani.Kwa kutumia uchunguzi wa FTIR, hatukupata mabadiliko makubwa katika muundo wa kemikali wa mwani mdogo uliowekwa mbele ya nanoflakes za 2D Nb-MXene.Kwa kuzingatia uwezekano wa kunyonya oksidi ya niobium na mwani mdogo, tulifanya uchambuzi wa fluorescence ya X-ray.Matokeo haya yanaonyesha wazi kwamba mwani mdogo uliosomwa hulisha oksidi za niobium (NbO na Nb2O5), ambazo hazina sumu kwa mwani mdogo uliosomwa.