Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz.Sınırlı CSS desteğine sahip bir tarayıcı sürümü kullanıyorsunuz.En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz.Bu arada, sürekli destek sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan yapacağız.
Aynı anda üç slayttan oluşan bir döngü görüntüler.Üç slaytta aynı anda ilerlemek için Önceki ve Sonraki düğmelerini kullanın veya aynı anda üç slaytta ilerlemek için sondaki kaydırma düğmelerini kullanın.
Nanoteknolojinin hızlı gelişimi ve günlük uygulamalara entegrasyonu çevreyi tehdit edebilir.Organik kirleticilerin bozunmasına yönelik yeşil yöntemler iyi kurulmuş olsa da, inorganik kristalli kirleticilerin geri kazanımı, biyotransformasyona karşı düşük hassasiyetleri ve biyolojik olanlarla malzeme yüzeyi etkileşimlerinin anlaşılmaması nedeniyle büyük endişe kaynağıdır.Burada, yeşil mikroalg Raphidocelis subcapitata tarafından 2D seramik nanomalzemelerin biyoremediasyon mekanizmasını izlemek için basit bir şekil parametresi analiz yöntemiyle birleştirilmiş bir Nb tabanlı inorganik 2D MXenes modeli kullanıyoruz.Mikroalglerin, yüzeyle ilgili fiziko-kimyasal etkileşimler nedeniyle Nb bazlı MXenleri bozduğunu bulduk.Başlangıçta, mikroalglerin yüzeyine tek katmanlı ve çok katmanlı MXene nanopulları yapıştırıldı, bu da alglerin büyümesini bir şekilde azalttı.Bununla birlikte, yüzeyle uzun süreli etkileşim üzerine mikroalg, MXene nanoflakeleri oksitledi ve bunları NbO ve Nb2O5'e daha da ayrıştırdı.Bu oksitler mikroalg hücreleri için toksik olmadığından, 72 saatlik su arıtımı sonrasında mikroalgi daha da eski haline getiren bir absorpsiyon mekanizmasıyla Nb oksit nanoparçacıklarını tüketirler.Emilim ile ilişkili besinlerin etkileri, hücre hacmindeki artışa, düzgün şekillerine ve büyüme hızındaki değişikliklere de yansır.Bu bulgulara dayanarak, tatlı su ekosistemlerinde Nb bazlı MXenlerin kısa ve uzun vadeli varlığının yalnızca küçük çevresel etkilere neden olabileceği sonucuna vardık.İki boyutlu nanomalzemeleri model sistemler olarak kullanarak, ince taneli malzemelerde bile şekil dönüşümünü izleme olasılığını göstermemiz dikkat çekicidir.Genel olarak, bu çalışma, 2D nanomalzemelerin biyoremediasyon mekanizmasını yönlendiren yüzey etkileşimi ile ilgili süreçler hakkında önemli bir temel soruyu yanıtlıyor ve inorganik kristalli nanomalzemelerin çevresel etkisine ilişkin kısa ve uzun vadeli daha ileri çalışmalar için bir temel sağlıyor.
Nanomalzemeler keşfedildikleri günden bu yana büyük ilgi uyandırdı ve çeşitli nanoteknolojiler son zamanlarda bir modernizasyon aşamasına girdi1.Ne yazık ki, nanomalzemelerin günlük uygulamalara entegrasyonu, yanlış imha, dikkatsiz kullanım veya yetersiz güvenlik altyapısı nedeniyle kazara salınımlara yol açabilir.Bu nedenle, iki boyutlu (2D) nanomalzemeler de dahil olmak üzere nanomalzemelerin, davranışları ve biyolojik aktiviteleri henüz tam olarak anlaşılamayan doğal ortama salınabileceğini varsaymak mantıklıdır.Bu nedenle, ekotoksisite endişelerinin, 2D nanomalzemelerin su sistemlerine sızma kabiliyetine odaklanmış olması şaşırtıcı değildir2,3,4,5,6.Bu ekosistemlerde, bazı 2B nanomalzemeler, mikroalgler dahil olmak üzere farklı trofik seviyelerde çeşitli organizmalarla etkileşime girebilir.
Mikroalgler, tatlı su ve deniz ekosistemlerinde doğal olarak bulunan ve fotosentez yoluyla çeşitli kimyasal ürünler üreten ilkel organizmalardır7.Bu nedenle, su ekosistemleri8,9,10,11,12 için kritik öneme sahiptir, ancak aynı zamanda hassas, ucuz ve yaygın olarak kullanılan ekotoksisite13,14 göstergeleridir.Mikroalg hücreleri hızla çoğaldığından ve çeşitli bileşiklerin varlığına hızla yanıt verdiğinden, organik maddelerle kirlenmiş suların arıtılması için çevre dostu yöntemlerin geliştirilmesi için umut vericidir15,16.
Alg hücreleri, biyosorpsiyon ve birikim yoluyla inorganik iyonları sudan çıkarabilir17,18.Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue ve Synechococcus sp. gibi bazı alg türleri.Fe2+, Cu2+, Zn2+ ve Mn2+19 gibi zehirli metal iyonlarını taşıdığı ve hatta beslediği tespit edilmiştir.Diğer çalışmalar, Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ veya Pb2+ iyonlarının hücre morfolojisini değiştirerek ve kloroplastlarını yok ederek Scenedesmus'un büyümesini sınırladığını göstermiştir20,21.
Organik kirleticilerin ayrışması ve ağır metal iyonlarının uzaklaştırılması için yeşil yöntemler dünya çapında bilim adamlarının ve mühendislerin ilgisini çekmiştir.Bunun başlıca nedeni, bu kirleticilerin sıvı fazda kolayca işlenmeleridir.Bununla birlikte, inorganik kristalimsi kirleticiler, suda düşük çözünürlük ve iyileştirmede büyük zorluklara neden olan çeşitli biyodönüşümlere karşı düşük duyarlılık ile karakterize edilir ve bu alanda çok az ilerleme kaydedilmiştir22,23,24,25,26.Bu nedenle, nanomalzemelerin onarımı için çevre dostu çözümler arayışı, karmaşık ve keşfedilmemiş bir alan olmaya devam etmektedir.2D nanomalzemelerin biyotransformasyon etkilerine ilişkin yüksek derecede belirsizlik nedeniyle, indirgeme sırasında bozunmalarının olası yollarını bulmanın kolay bir yolu yoktur.
Bu çalışmada, inorganik seramik malzemelerin bir temsilcisi olarak MXene'nin bozunma sürecinin yerinde izlenmesi ile birlikte, inorganik seramik malzemeler için aktif sulu biyoremediasyon maddesi olarak yeşil mikroalgi kullandık."MXene" terimi Mn+1XnTx malzemesinin stokiyometrisini yansıtır, burada M bir erken geçiş metalidir, X karbon ve/veya nitrojendir, Tx bir yüzey sonlandırıcıdır (örn. -OH, -F, -Cl) ve n = 1, 2, 3 veya 427.28.Naguib ve diğerleri tarafından MXenes'in keşfinden bu yana.Sensörikler, kanser tedavisi ve membran filtrasyonu 27,29,30.Ek olarak, MXene'ler mükemmel kolloidal stabiliteleri ve olası biyolojik etkileşimleri31,32,33,34,35,36 nedeniyle model 2D sistemleri olarak kabul edilebilir.
Bu nedenle, bu makalede geliştirilen metodoloji ve araştırma hipotezlerimiz Şekil 1'de gösterilmektedir. Bu hipoteze göre, mikroalgler, Nb bazlı MXen'leri yüzeyle ilgili fiziko-kimyasal etkileşimler nedeniyle toksik olmayan bileşiklere indirger ve bu da alglerin daha fazla geri kazanılmasını sağlar.Bu hipotezi test etmek için, erken dönem niyobyum bazlı geçiş metali karbürleri ve/veya nitrürleri (MXenes) ailesinin iki üyesi, yani Nb2CTx ve Nb4C3TX seçildi.
Yeşil mikroalg Raphidocelis subcapitata tarafından MXene geri kazanımı için araştırma metodolojisi ve kanıta dayalı hipotezler.Lütfen bunun kanıta dayalı varsayımların yalnızca şematik bir temsili olduğunu unutmayın.Göl ortamı, kullanılan besin ortamı ve koşullar (örneğin, günlük döngü ve mevcut temel besinlerdeki sınırlamalar) açısından farklılık gösterir.BioRender.com ile oluşturuldu.
Bu nedenle MXene'i model sistem olarak kullanarak, diğer geleneksel nanomalzemelerle gözlemlenemeyen çeşitli biyolojik etkilerin araştırılmasına kapı araladık.Özellikle, niyobyum bazlı MXen'ler gibi iki boyutlu nanomalzemelerin mikroalg Raphidocelis subcapitata tarafından biyoremediasyon olasılığını gösteriyoruz.Mikroalgler, Nb-MXen'leri toksik olmayan oksitler NbO ve Nb2O5'e indirgeyebilirler ve bunlar da niyobyum alım mekanizması yoluyla besin sağlar.Genel olarak, bu çalışma, iki boyutlu nanomalzemelerin biyoremediasyon mekanizmalarını yöneten yüzey fizikokimyasal etkileşimleriyle ilişkili süreçler hakkında önemli bir temel soruyu yanıtlamaktadır.Ek olarak, 2B nanomalzemelerin şeklindeki ince değişiklikleri izlemek için basit bir şekil parametresi tabanlı yöntem geliştiriyoruz.Bu, inorganik kristalin nanomalzemelerin çeşitli çevresel etkilerine ilişkin kısa ve uzun vadeli araştırmalara ilham veriyor.Böylece çalışmamız, malzeme yüzeyi ile biyolojik malzeme arasındaki etkileşimin anlaşılmasını arttırmaktadır.Ayrıca tatlı su ekosistemleri üzerindeki olası etkilerinin artık kolayca doğrulanabilecek genişletilmiş kısa ve uzun vadeli çalışmaları için bir temel oluşturuyoruz.
MXene'ler, benzersiz ve çekici fiziksel ve kimyasal özelliklere ve dolayısıyla birçok potansiyel uygulamaya sahip ilginç bir malzeme sınıfını temsil eder.Bu özellikler büyük ölçüde stokiyometri ve yüzey kimyasına bağlıdır.Bu nedenle, çalışmamızda, bu nanomalzemelerin farklı biyolojik etkileri gözlenebildiğinden, iki tür Nb tabanlı hiyerarşik tek katmanlı (SL) MXen, Nb2CTx ve Nb4C3TX'i araştırdık.MXene'ler başlangıç ​​malzemelerinden atomik olarak ince MAX-faz A-katmanlarının yukarıdan aşağıya seçici dağlanmasıyla üretilir.MAX fazı, geçiş metali karbürlerinin "bağlı" bloklarından ve MnAXn-1 stokiyometrisi ile Al, Si ve Sn gibi ince "A" element katmanlarından oluşan üçlü bir seramiktir.İlk MAX fazının morfolojisi taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile gözlemlendi ve önceki çalışmalarla tutarlıydı (Bkz. Ek Bilgiler, SI, Şekil S1).Çok katmanlı (ML) Nb-MXene, Al katmanı %48 HF (hidroflorik asit) ile çıkarıldıktan sonra elde edildi.ML-Nb2CTx ve ML-Nb4C3TX'in morfolojisi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) (sırasıyla Şekil S1c ve S1d) ile incelendi ve uzun gözenek benzeri yarıklardan geçen iki boyutlu nanoflakelere benzer tipik bir katmanlı MXene morfolojisi gözlendi.Her iki Nb-MXene de daha önce asitle dağlama27,38ile sentezlenen MXene fazları ile pek çok ortak noktaya sahiptir.MXene'nin yapısını doğruladıktan sonra, tetrabutilamonyum hidroksit (TBAOH) interkalasyonu ve ardından yıkama ve sonikasyon ile katmanlaştırdık, ardından tek katmanlı veya düşük katmanlı (SL) 2D Nb-MXene nanoflakes elde ettik.
Aşındırma ve daha fazla soyma etkinliğini test etmek için yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu (HRTEM) ve X-ışını kırınımı (XRD) kullandık.Ters Hızlı Fourier Dönüşümü (IFFT) ve Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) kullanılarak işlenen HRTEM sonuçları, Şekil 2'de gösterilmektedir. Nb-MXene nanopulları, atomik katmanın yapısını kontrol etmek ve düzlemler arası mesafeleri ölçmek için kenardan yukarıya doğru yönlendirildi.MXene Nb2CTx ve Nb4C3TX nanoflakeslerinin HRTEM görüntüleri, daha önce Naguib ve diğerleri27 ve Jastrzębska ve diğerleri38 tarafından bildirildiği gibi, atomik olarak ince katmanlı yapılarını ortaya çıkardı (bkz. Şekil 2a1, a2).İki bitişik Nb2CTx ve Nb4C3Tx tek tabakası için, önceki sonuçlarımızla da aynı fikirde olan sırasıyla 0.74 ve 1.54 nm'lik ara tabaka mesafelerini belirledik (Şekil 2b1,b2).Bu, Nb2CTx ve Nb4C3Tx tek tabakaları arasındaki mesafeyi gösteren ters hızlı Fourier dönüşümü (Şekil 2c1, c2) ve hızlı Fourier dönüşümü (Şekil 2d1, d2) ile daha da doğrulandı.Görüntü, incelenen MXene'lerin katmanlı doğasını doğrulayan, niyobyum ve karbon atomlarına karşılık gelen bir açık ve koyu bant değişimini göstermektedir.Nb2CTx ve Nb4C3Tx (Şekiller S2a ve S2b) için elde edilen enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX) spektrumlarının, Al zirvesi tespit edilmediğinden orijinal MAX fazından hiçbir kalıntı göstermediğini not etmek önemlidir.
SL Nb2CTx ve Nb4C3Tx MXene nanoflakes karakterizasyonu, (a) yüksek çözünürlüklü elektron mikroskobu (HRTEM) yan görünüm 2D nanoflake görüntüleme ve karşılık gelen, (b) yoğunluk modu, (c) ters hızlı Fourier dönüşümü (IFFT), (d) hızlı Fourier dönüşümü (FFT), (e) Nb-MXenes X-ışını modelleri.SL 2D Nb2CTx için sayılar (a1, b1, c1, d1, e1) olarak ifade edilir.SL 2D Nb4C3Tx için sayılar (a2, b2, c2, d2, e1) olarak ifade edilir.
SL Nb2CTx ve Nb4C3Tx MXenes'in X-ışını kırınım ölçümleri, Şekiller 1 ve 2'de gösterilmektedir.sırasıyla 2e1 ve e2.4.31 ve 4.32'deki zirveler (002), sırasıyla daha önce açıklanan katmanlı MXenes Nb2CTx ve Nb4C3TX38,39,40,41'e karşılık gelir.XRD sonuçları ayrıca bazı kalıntı ML yapılarının ve MAX fazlarının varlığını gösterir, ancak çoğunlukla SL Nb4C3Tx ile ilişkili XRD paternlerini gösterir (Şekil 2e2).MAX fazının daha küçük parçacıklarının varlığı, rastgele yığılmış Nb4C3Tx katmanlarına kıyasla daha güçlü MAX zirvesini açıklayabilir.
Daha fazla araştırma, R. subcapitata türüne ait yeşil mikroalglere odaklanmıştır.Mikroalgleri seçtik çünkü onlar ana besin ağlarında yer alan önemli üreticilerdir42.Ayrıca besin zincirinin daha üst seviyelerine taşınan toksik maddeleri uzaklaştırabilmeleri nedeniyle toksisitenin en iyi göstergelerinden biridir43.Ek olarak, R. subcapitata üzerine yapılan araştırmalar, SL Nb-MXene'lerin yaygın tatlı su mikroorganizmalarına tesadüfi toksisitesine ışık tutabilir.Bunu göstermek için araştırmacılar, her mikrobun çevrede bulunan toksik bileşiklere karşı farklı bir duyarlılığa sahip olduğunu varsaydılar.Çoğu organizma için, düşük madde konsantrasyonları büyümelerini etkilemezken, belirli bir sınırın üzerindeki konsantrasyonlar onları engelleyebilir ve hatta ölüme neden olabilir.Bu nedenle, mikroalgler ve MXen'ler arasındaki yüzey etkileşimi ve ilgili geri kazanım çalışmalarımız için, Nb-MXen'lerin zararsız ve toksik konsantrasyonlarını test etmeye karar verdik.Bunu yapmak için, 0 (referans olarak), 0,01, 0,1 ve 10 mg l-1 MXene konsantrasyonlarını ve ayrıca aşırı ve ölümcül olabilen çok yüksek MXene (100 mg l-1 MXene) konsantrasyonları ile enfekte mikroalgleri test ettik..Herhangi bir biyolojik ortam için.
SL Nb-MXenes'in mikroalgler üzerindeki etkileri Şekil 3'te gösterilmektedir ve 0 mg l-1 numuneleri için ölçülen büyüme desteği (+) veya inhibisyon (-) yüzdesi olarak ifade edilmektedir.Karşılaştırma için, Nb-MAX fazı ve ML Nb-MXen'ler de test edildi ve sonuçlar SI'da gösterildi (bkz. Şekil S3).Elde edilen sonuçlar, Şekil 3a,b'de gösterildiği gibi, SL Nb-MXenes'in 0,01 ila 10 mg/l arasındaki düşük konsantrasyon aralığında neredeyse tamamen toksisiteden yoksun olduğunu doğruladı.Nb2CTx durumunda, belirtilen aralıkta %5'ten fazla ekotoksisite gözlemlemedik.
SL (a) Nb2CTx ve (b) Nb4C3TX MXene varlığında mikroalg büyümesinin uyarılması (+) veya engellenmesi (-).24, 48 ve 72 saatlik MXene-mikroalg etkileşimi analiz edildi. Anlamlı veriler (t-testi, p < 0.05) yıldız işaretiyle (*) işaretlendi. Anlamlı veriler (t-testi, p < 0.05) yıldız işaretiyle (*) işaretlendi. (*). Önemli veriler (t-testi, p < 0.05) yıldız işaretiyle (*) işaretlenmiştir.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-testi, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Önemli veriler (t-testi, p < 0.05) yıldız işaretiyle (*) işaretlenmiştir.Kırmızı oklar, inhibe edici stimülasyonun kaldırıldığını gösterir.
Öte yandan, düşük Nb4C3TX konsantrasyonlarının biraz daha toksik olduğu, ancak %7'den yüksek olmadığı ortaya çıktı.Beklendiği gibi, MXene'lerin 100mg L-1'de daha yüksek toksisiteye ve mikroalg büyümesi inhibisyonuna sahip olduğunu gözlemledik.İlginç bir şekilde, malzemelerin hiçbiri MAX veya ML örnekleriyle karşılaştırıldığında atoksik/toksik etkilerin aynı eğilimini ve zamana bağımlılığını göstermedi (ayrıntılar için SI'ya bakın).MAX aşaması için (bkz. Şekil S3) toksisite yaklaşık %15-25'e ulaşırken ve zamanla artarken, SL Nb2CTx ve Nb4C3TX MXene için ters eğilim gözlendi.Mikroalg büyümesinin inhibisyonu zamanla azaldı.24 saat sonra yaklaşık %17'ye ulaştı ve 72 saat sonra %5'in altına düştü (sırasıyla Şekil 3a, b).
Daha da önemlisi, SL Nb4C3TX için mikroalg büyümesi inhibisyonu 24 saat sonra yaklaşık %27'ye ulaştı, ancak 72 saat sonra yaklaşık %1'e düştü.Bu nedenle, gözlemlenen etkiyi stimülasyonun ters inhibisyonu olarak etiketledik ve etki SL Nb4C3TX MXene için daha güçlüydü.Mikroalg büyümesinin uyarılması, SL Nb2CTx MXene ile karşılaştırıldığında Nb4C3TX (24 saat boyunca 10 mg L-1'de etkileşim) ile daha önce kaydedilmiştir.İnhibisyon-stimülasyon tersine çevirme etkisi, biyokütle ikiye katlama oranı eğrisinde de iyi gösterildi (ayrıntılar için bkz. Şekil S4).Şimdiye kadar sadece Ti3C2TX MXene'nin ekotoksisitesi farklı şekillerde incelenmiştir.Zebra balığı embriyoları44 için toksik değildir, ancak mikroalg Desmodesmus quadricauda ve Sorghum saccharatum bitkileri45 için orta derecede ekotoksiktir.Spesifik etkilerin diğer örnekleri, kanser hücre dizilerine karşı normal hücre dizilerine göre daha yüksek toksisiteyi içerir46,47.Test koşullarının, Nb-MXen'lerin varlığında gözlemlenen mikroalg büyümesindeki değişiklikleri etkileyeceği varsayılabilir.Örneğin, kloroplast stromasında yaklaşık 8'lik bir pH, RuBisCO enziminin verimli çalışması için optimaldir.Bu nedenle, pH değişiklikleri fotosentez hızını olumsuz etkiler48,49.Bununla birlikte, deney sırasında pH'ta önemli değişiklikler gözlemlemedik (ayrıntılar için bkz. SI, Şekil S5).Genel olarak, Nb-MXenes içeren mikroalg kültürleri, zaman içinde çözeltinin pH'ını biraz azaltmıştır.Ancak bu azalma, saf bir ortamın pH'ındaki bir değişikliğe benzerdi.Ek olarak, bulunan varyasyon aralığı, saf bir mikroalg kültürü (kontrol örneği) için ölçülene benzerdi.Böylece, fotosentezin zaman içinde pH'daki değişikliklerden etkilenmediği sonucuna varıyoruz.
Ek olarak, sentezlenen MXene'lerin yüzey sonları vardır (Tx olarak gösterilir).Bunlar esas olarak fonksiyonel gruplar -O, -F ve -OH'dir.Bununla birlikte, yüzey kimyası doğrudan sentez yöntemiyle ilgilidir.Bu grupların yüzey üzerinde rastgele dağıldığı biliniyor ve bu da MXene50'nin özellikleri üzerindeki etkilerini tahmin etmeyi zorlaştırıyor.Tx'in niyobyumun ışıkla oksidasyonu için katalitik kuvvet olabileceği tartışılabilir.Yüzey işlevsel grupları gerçekten de altta yatan fotokatalizörlerinin heterojunctions51oluşturması için birden fazla bağlantı yeri sağlar.Bununla birlikte, büyüme ortamı bileşimi, etkili bir fotokatalizör sağlamadı (detaylı ortam bileşimi, SI Tablo S6'da bulunabilir).Ek olarak, MXene'lerin biyolojik aktivitesi, katman sonrası işleme, oksidasyon, organik ve inorganik bileşiklerin kimyasal yüzey modifikasyonu52,53,54,55,56 veya yüzey şarj mühendisliği38 nedeniyle değiştirilebileceğinden, herhangi bir yüzey modifikasyonu da çok önemlidir.Bu nedenle, niyobyum oksidin ortamdaki malzeme kararsızlığı ile bir ilgisi olup olmadığını test etmek için mikroalg büyüme ortamında ve deiyonize suda (karşılaştırma için) zeta (ζ) potansiyeli üzerine çalışmalar yürüttük.Sonuçlarımız, SL Nb-MXen'lerin oldukça kararlı olduğunu göstermektedir (MAX ve ML sonuçları için bkz. SI Şekil S6).SL MXenes'in zeta potansiyeli yaklaşık -10 mV'dir.SR Nb2CTx durumunda, ζ değeri Nb4C3Tx değerinden biraz daha negatiftir.ζ değerindeki böyle bir değişiklik, negatif yüklü MXene nanoflakes yüzeyinin, kültür ortamından pozitif yüklü iyonları emdiğini gösterebilir.Kültür ortamında Nb-MXen'lerin zeta potansiyeli ve iletkenliğinin geçici ölçümleri (daha fazla ayrıntı için SI'daki Şekil S7 ve S8'e bakınız) hipotezimizi destekliyor gibi görünmektedir.
Bununla birlikte, her iki Nb-MXene SL'si de sıfırdan minimum değişiklikler gösterdi.Bu, mikroalg büyüme ortamındaki kararlılıklarını açıkça göstermektedir.Ek olarak, yeşil mikroalglerimizin varlığının ortamdaki Nb-MXenes stabilitesini etkileyip etkilemeyeceğini değerlendirdik.Besin ortamlarında ve kültürde zamanla mikroalglerle etkileşime girdikten sonra MXen'lerin zeta potansiyeli ve iletkenliğinin sonuçları SI'da bulunabilir (Şekil S9 ve S10).İlginç bir şekilde, mikroalgin varlığının her iki MXene'nin dağılımını stabilize ettiğini fark ettik.Nb2CTx SL söz konusu olduğunda, zeta potansiyeli zamanla biraz daha düşerek daha negatif değerlere ulaştı (72 saatlik inkübasyondan sonra -15,8'e karşı -19,1 mV).SL Nb4C3TX'in zeta potansiyeli biraz arttı, ancak 72 saat sonra hala mikroalgler olmadan nanoflakelerden daha yüksek stabilite gösterdi (-18.1'e karşı -9.1 mV).
Mikroalg varlığında inkübe edilen Nb-MXene çözeltilerinin daha düşük iletkenliğini de bulduk, bu da besin ortamında daha düşük miktarda iyon olduğunu gösteriyor.Özellikle, MXen'lerin sudaki kararsızlığı esas olarak yüzey oksidasyonundan kaynaklanmaktadır57.Bu nedenle, yeşil mikroalglerin Nb-MXene yüzeyinde oluşan oksitleri bir şekilde temizlediğinden ve hatta bunların oluşumunu engellediğinden (MXene oksidasyonu) şüpheleniyoruz.Bu, mikroalgler tarafından emilen madde türlerini inceleyerek görülebilir.
Ekotoksikolojik çalışmalarımız, mikroalglerin Nb-MXen'lerin toksisitesinin ve uyarılmış büyümenin olağandışı inhibisyonunun zaman içinde üstesinden gelebildiğini gösterirken, çalışmamızın amacı olası etki mekanizmalarını araştırmaktı.Algler gibi organizmalar, ekosistemlerine aşina olmayan bileşiklere veya materyallere maruz kaldıklarında, çeşitli şekillerde tepki verebilirler58,59.Toksik metal oksitlerin yokluğunda mikroalgler kendi kendilerini besleyerek sürekli olarak büyümelerine olanak tanır60.Toksik maddelerin yutulmasından sonra, şekil veya form değiştirme gibi savunma mekanizmaları harekete geçirilebilir.Absorpsiyon olasılığı da göz önünde bulundurulmalıdır58,59.Özellikle, herhangi bir savunma mekanizması belirtisi, test bileşiğinin toksisitesinin açık bir göstergesidir.Bu nedenle, sonraki çalışmalarımızda, SEM tarafından SL Nb-MXene nanoflakes ve mikroalgler arasındaki potansiyel yüzey etkileşimini ve Nb bazlı MXene'nin X-ışını floresans spektroskopisi (XRF) ile olası absorpsiyonunu araştırdık.SEM ve XRF analizlerinin, aktivite toksisitesi sorunlarını ele almak için yalnızca en yüksek MXene konsantrasyonunda gerçekleştirildiğini unutmayın.
SEM sonuçları Şekil 4'te gösterilmiştir.Muamele edilmemiş mikroalg hücreleri (bkz. Şekil 4a, referans numunesi), tipik R. subcapitata morfolojisi ve kruvasan benzeri hücre şeklini açıkça göstermiştir.Hücreler düzleştirilmiş ve biraz dağınık görünür.Bazı mikroalg hücreleri üst üste bindi ve birbirine karıştı, ancak bu muhtemelen numune hazırlama sürecinden kaynaklandı.Genel olarak, saf mikroalg hücreleri pürüzsüz bir yüzeye sahipti ve herhangi bir morfolojik değişiklik göstermedi.
Aşırı konsantrasyonda (100 mg L-1) 72 saatlik etkileşimin ardından yeşil mikroalgler ve MXene nano-tabakaları arasındaki yüzey etkileşimini gösteren SEM görüntüleri.(a) SL (b) Nb2CTx ve (c) Nb4C3TX MXenes ile etkileşimden sonra işlenmemiş yeşil mikroalg.Nb-MXene nanopullarının kırmızı oklarla işaretlendiğini unutmayın.Karşılaştırma için optik mikroskoptan alınan fotoğraflar da eklenir.
Buna karşılık, SL Nb-MXene nanopulları tarafından adsorbe edilen mikroalg hücreleri hasar gördü (bkz. Şekil 4b, c, kırmızı oklar).Nb2CTx MXene (Şekil 4b) durumunda, mikroalgler, morfolojilerini değiştirebilen bağlı iki boyutlu nano ölçeklerle büyüme eğilimindedir.Özellikle, bu değişiklikleri ışık mikroskobu altında da gözlemledik (ayrıntılar için bkz. SI Şekil S11).Bu morfolojik geçiş, mikroalglerin fizyolojisinde ve hücre hacmini artırmak gibi hücre morfolojisini değiştirerek kendilerini savunma yeteneklerinde makul bir temele sahiptir61.Bu nedenle, gerçekte Nb-MXenes ile temas halinde olan mikroalg hücrelerinin sayısını kontrol etmek önemlidir.SEM çalışmaları, mikroalg hücrelerinin yaklaşık %52'sinin Nb-MXen'lere maruz kaldığını, bu mikroalg hücrelerinin ise %48'inin temastan kaçındığını göstermiştir.SL Nb4C3Tx MXene için mikroalgler, MXene ile temastan kaçınmaya çalışır, böylece yerelleşir ve iki boyutlu nano ölçeklerden büyür (Şekil 4c).Bununla birlikte, nano ölçeklerin mikroalg hücrelerine nüfuz etmesini ve hasarlarını gözlemlemedik.
Kendini koruma ayrıca, parçacıkların hücre yüzeyinde adsorpsiyonu ve sözde gölgeleme (gölgeleme) etkisi nedeniyle fotosentezin bloke edilmesine karşı zamana bağlı bir tepki davranışıdır62.Mikroalg ile ışık kaynağı arasındaki her nesnenin (örneğin, Nb-MXene nanoflakes) kloroplastlar tarafından emilen ışık miktarını sınırladığı açıktır.Ancak bunun elde edilen sonuçlar üzerinde önemli bir etkisi olduğundan hiç şüphemiz yok.Mikroskobik gözlemlerimizin gösterdiği gibi, 2D nanopullar, mikroalg hücreleri Nb-MXenes ile temas halindeyken bile mikroalg yüzeyine tamamen sarılmadı veya yapışmadı.Bunun yerine, nanopulların yüzeylerini kaplamadan mikroalg hücrelerine yönlendirildiği ortaya çıktı.Böyle bir nanoflakes/mikroalg seti, mikroalg hücreleri tarafından emilen ışık miktarını önemli ölçüde sınırlayamaz.Ayrıca, bazı çalışmalar, iki boyutlu nanomalzemelerin63,64,65,66 mevcudiyetinde fotosentetik organizmalar tarafından ışık absorpsiyonunda bir gelişme olduğunu bile göstermiştir.
SEM görüntüleri, mikroalg hücreleri tarafından niyobyum alımını doğrudan doğrulayamadığı için, sonraki çalışmamız bu konuyu açıklığa kavuşturmak için X-ışını floresansı (XRF) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) analizine yöneldi.Bu nedenle, MXene'ler ile etkileşime girmeyen referans mikroalg numunelerinin Nb tepe noktalarının yoğunluğunu, mikroalg hücrelerinin yüzeyinden ayrılan MXene nanoflakeslerini ve ekli MXen'lerin çıkarılmasından sonra mikroalg hücrelerini karşılaştırdık.Nb alımı yoksa, mikroalg hücreleri tarafından elde edilen Nb değerinin, bağlı nano ölçeklerin çıkarılmasından sonra sıfır olması gerektiğini belirtmekte fayda var.Bu nedenle, Nb alımı meydana gelirse, hem XRF hem de XPS sonuçları net bir Nb zirvesi göstermelidir.
XRF spektrumları durumunda, mikroalg numuneleri, SL Nb2CTx ve Nb4C3Tx MXene ile etkileşimden sonra SL Nb2CTx ve Nb4C3Tx MXene için Nb tepe noktaları gösterdi (bkz. Şekil 5a, ayrıca MAX ve ML MXene sonuçlarının SI, Şekiller S12-C17'de gösterildiğine dikkat edin).İlginç bir şekilde, Nb zirvesinin yoğunluğu her iki durumda da aynıdır (Şekil 5a'daki kırmızı çubuklar).Bu, alglerin daha fazla Nb absorbe edemediğini ve mikroalg hücrelerine iki kat daha fazla Nb4C3Tx MXene bağlanmasına rağmen (Şekil 5a'daki mavi çubuklar) hücrelerde Nb birikimi için maksimum kapasiteye ulaşıldığını gösterdi.Özellikle, mikroalglerin metalleri emme yeteneği, ortamdaki metal oksitlerin konsantrasyonuna bağlıdır67,68.Shamshada ve ark.67, tatlı su alglerinin emme kapasitesinin artan pH ile azaldığını bulmuşlardır.Raize ve diğerleri68, deniz yosununun metalleri emme kabiliyetinin Pb2+ için Ni2+'ye göre yaklaşık %25 daha yüksek olduğunu kaydetmiştir.
(a) 72 saat boyunca aşırı bir SL Nb-MXenes (100 mg L-1) konsantrasyonunda inkübe edilen yeşil mikroalg hücreleri tarafından bazal Nb alımının XRF sonuçları.Sonuçlar, saf mikroalg hücrelerinde (kontrol örneği, gri sütunlar), yüzey mikroalg hücrelerinden (mavi sütunlar) izole edilen 2B nanoparçacıklarda ve 2B nanoparçacıkların yüzeyden ayrılmasından sonra (kırmızı sütunlar) mikroalg hücrelerinde α varlığını gösterir.Elemental Nb miktarı, ( b) SL Nb-MXenes ile inkübasyondan sonra mikroalg hücrelerinde bulunan mikroalg organik bileşenlerinin (C=O ve CHx/C–O) ve Nb oksitlerinin kimyasal bileşiminin yüzdesi, (c–e) Mikroalg hücreleri tarafından içselleştirilmiş XPS SL Nb2CTx spektrumlarının ve (fh) SL Nb4C3Tx MXene'nin bileşimsel zirvesinin uyumu.
Bu nedenle, Nb'nin alg hücreleri tarafından oksitler şeklinde absorbe edilebileceğini bekledik.Bunu test etmek için MXenes Nb2CTx ve Nb4C3TX ve alg hücreleri üzerinde XPS çalışmaları gerçekleştirdik.Mikroalglerin, alg hücrelerinden izole edilen Nb-MXen'ler ve MXen'ler ile etkileşiminin sonuçları, Şekiller 1 ve 2'de gösterilmektedir.5b.Beklendiği gibi, mikroalg yüzeyinden MXene çıkarıldıktan sonra mikroalg örneklerinde Nb 3d tepe noktaları saptadık.C=O, CHx/CO ve Nb oksitlerin kantitatif tayini, Nb2CTx SL (Şekil 5c-e) ve Nb4C3Tx SL (Şekil 5c-e) ile elde edilen Nb 3d, O 1s ve C 1s spektrumlarına göre hesaplanmıştır.) inkübe edilmiş mikroalglerden elde edilir.Şekil 5f–h) MXene'ler.Tablo S1-3, uyumdan kaynaklanan tepe parametrelerinin ve genel kimyanın ayrıntılarını gösterir.Nb2CTx SL ve Nb4C3Tx SL'nin (Şekil 5c, f) Nb 3d bölgelerinin bir Nb2O5 bileşenine karşılık gelmesi dikkat çekicidir.Burada, mikroalg hücrelerinin yalnızca Nb'nin oksit formunu emdiğini gösteren spektrumlarda MXene ile ilgili tepe noktaları bulamadık.Ek olarak, Cı s spektrumunu C–C, CHx/C–O, C=O ve –COOH bileşenleriyle yaklaştırdık.CHx/C–O ve C=O piklerini mikroalg hücrelerinin organik katkısına atadık.Bu organik bileşenler sırasıyla Nb2CTx SL ve Nb4C3TX SL'deki C1s piklerinin %36'sını ve %41'ini oluşturur.Daha sonra SL Nb2CTx ve SL Nb4C3TX'in O 1s spektrumlarını Nb2O5, mikroalglerin organik bileşenleri (CHx/CO) ve yüzeye çekilmiş su ile yerleştirdik.
Son olarak, XPS sonuçları Nb'nin yalnızca varlığını değil, biçimini de açıkça gösterdi.Nb 3d sinyalinin konumuna ve ters evrişimin sonuçlarına göre, Nb'nin iyonlar veya MXene'nin kendisi değil, yalnızca oksitler biçiminde emildiğini doğrularız.Ek olarak, XPS sonuçları mikroalg hücrelerinin SL Nb2CTx'ten Nb oksitleri alma konusunda SL Nb4C3TX MXene'ye kıyasla daha büyük bir yeteneğe sahip olduğunu gösterdi.
Nb alım sonuçlarımız etkileyici olsa da ve MXene bozulmasını belirlememize izin verse de, 2D nanoflakelerde ilişkili morfolojik değişiklikleri izlemek için herhangi bir yöntem mevcut değildir.Bu nedenle, 2D Nb-MXene nanoflakes ve mikroalg hücrelerinde meydana gelen herhangi bir değişikliğe doğrudan yanıt verebilecek uygun bir yöntem geliştirmeye de karar verdik.Etkileşen türler herhangi bir dönüşüme, ayrışmaya veya parçalanmaya maruz kalırsa, bunun, eşdeğer dairesel alanın çapı, yuvarlaklık, Feret genişliği veya Feret uzunluğu gibi şekil parametrelerinde hızlı bir şekilde değişiklik olarak kendini göstermesi gerektiğini varsaydığımızı not etmek önemlidir.Bu parametreler uzun parçacıkları veya iki boyutlu nanoparçacıkları tanımlamak için uygun olduğundan, bunların dinamik parçacık şekli analizi ile izlenmesi bize indirgeme sırasında SL Nb-MXene nanoparçacıklarının morfolojik dönüşümü hakkında değerli bilgiler verecektir.
Elde edilen sonuçlar Şekil 6'da gösterilmektedir. Karşılaştırma için orijinal MAX fazını ve ML-MXenes'i de test ettik (bkz. SI Şekilleri S18 ve S19).Parçacık şeklinin dinamik analizi, iki Nb-MXene SL'nin tüm şekil parametrelerinin mikroalg ile etkileşimden sonra önemli ölçüde değiştiğini gösterdi.Eşdeğer dairesel alan çapı parametresiyle gösterildiği gibi (Şekil 6a, b), büyük nanoflake fraksiyonunun azaltılmış tepe yoğunluğu, daha küçük parçalara ayrılma eğiliminde olduklarını gösterir.Şek.Şekil 6c, d, pulların enine boyutuyla (nano pulların uzaması) ilişkili tepe noktalarında bir azalmayı gösterir, bu da 2D nano pulların daha parçacık benzeri bir şekle dönüştüğünü gösterir.Şekil 6e-h sırasıyla Feret'in genişliğini ve uzunluğunu göstermektedir.Feret genişliği ve uzunluğu tamamlayıcı parametrelerdir ve bu nedenle birlikte düşünülmelidir.2D Nb-MXene nanopullarının mikroalg varlığında inkübasyonundan sonra Feret korelasyon tepe noktaları değişti ve yoğunlukları azaldı.Morfoloji, XRF ve XPS ile birlikte bu sonuçlara dayanarak, oksitlenmiş MXen'ler daha buruşuk hale geldikçe ve parçalara ve küresel oksit parçacıklarına bölündükçe gözlenen değişikliklerin oksidasyonla güçlü bir şekilde ilişkili olduğu sonucuna vardık69,70.
Yeşil mikroalglerle etkileşimden sonra MXene dönüşümünün analizi.Dinamik parçacık şekli analizi, (a, b) eşdeğer dairesel alanın çapı, (c, d) yuvarlaklık, (e, f) Feret genişliği ve (g, h) Feret uzunluğu gibi parametreleri hesaba katar.Bu amaçla, iki referans mikroalg numunesi birincil SL Nb2CTx ve SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx ve SL Nb4C3Tx MXenes, bozunmuş mikroalg ve işlenmiş mikroalg SL Nb2CTx ve SL Nb4C3Tx MXenes ile birlikte analiz edildi.Kırmızı oklar, incelenen iki boyutlu nanopulların şekil parametrelerinin geçişlerini göstermektedir.
Şekil parametresi analizi oldukça güvenilir olduğu için mikroalg hücrelerindeki morfolojik değişiklikleri de ortaya koyabilmektedir.Bu nedenle, 2D Nb nanoflakes ile etkileşimden sonra saf mikroalg hücrelerinin ve hücrelerinin eşdeğer dairesel alan çapını, yuvarlaklığını ve Feret genişliğini/uzunluğunu analiz ettik.Şek.Şekil 6a-h, tepe yoğunluğundaki bir azalma ve maksimum değerlerin daha yüksek değerlere kayması ile kanıtlandığı gibi, alg hücrelerinin şekil parametrelerindeki değişiklikleri göstermektedir.Özellikle, hücre yuvarlaklığı parametreleri, uzun hücrelerde bir azalma ve küresel hücrelerde bir artış göstermiştir (Şekil 6a, b).Ek olarak Feret hücre genişliği, SL Nb2CTx MXene (Şekil 6e) ile etkileşimden sonra SL Nb4C3TX MXene (Şekil 6f) ile karşılaştırıldığında birkaç mikrometre arttı.Bunun, Nb2CTx SR ile etkileşim üzerine mikroalgler tarafından güçlü bir şekilde Nb oksit alımından kaynaklanabileceğinden şüpheleniyoruz.Nb pullarının yüzeylerine daha az sert bağlanması, minimum gölgeleme etkisi ile hücre büyümesine neden olabilir.
Mikroalglerin şekil ve boyut parametrelerindeki değişikliklere ilişkin gözlemlerimiz, diğer çalışmaları tamamlamaktadır.Yeşil mikroalgler, hücre boyutunu, şeklini veya metabolizmasını değiştirerek çevresel strese yanıt olarak morfolojilerini değiştirebilir61.Örneğin, hücrelerin boyutunu değiştirmek besinlerin emilimini kolaylaştırır71.Daha küçük alg hücreleri, daha düşük besin alımı ve bozulmuş büyüme hızı gösterir.Tersine, daha büyük hücreler daha sonra hücre içinde depolanan daha fazla besin tüketme eğilimindedir72,73.Machado ve Soares, mantar ilacı triklosanın hücre boyutunu artırabildiğini buldu.Ayrıca alglerin şeklinde derin değişiklikler buldular74.Ek olarak Yin ve ark.9, indirgenmiş grafen oksit nanokompozitlere maruz kaldıktan sonra alglerde morfolojik değişiklikler de ortaya çıkardı.Bu nedenle, mikroalgin değişen boyut/şekil parametrelerinin MXene varlığından kaynaklandığı açıktır.Boyut ve şekildeki bu değişiklik, besin alımındaki değişikliklerin göstergesi olduğundan, zaman içinde boyut ve şekil parametrelerinin analizinin, Nb-MXene'lerin varlığında mikroalgler tarafından niyobyum oksit alımını gösterebileceğine inanıyoruz.
Ayrıca, MXen'ler alg varlığında oksitlenebilir.Dalai ve diğerleri75, nano-TiO2 ve Al2O376'ya maruz kalan yeşil alglerin morfolojisinin tekdüze olmadığını gözlemledi.Gözlemlerimiz bu çalışma ile benzer olsa da, nanoparçacıkların değil, 2D nanoflakelerin varlığında MXene bozunma ürünleri açısından biyoremediasyonun etkilerinin incelenmesiyle ilgilidir.MXen'ler metal oksitlere ayrışabildiğinden,31,32,77,78, Nb nanopullarımızın mikroalg hücreleriyle etkileşime girdikten sonra Nb oksitleri de oluşturabileceğini varsaymak mantıklıdır.
2D-Nb nanopulların oksidasyon sürecine dayalı bir ayrışma mekanizması yoluyla indirgenmesini açıklamak için, yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu (HRTEM) (Şekil 7a,b) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) (Şekil 7) kullanarak çalışmalar yaptık.7c-i ve tablolar S4-5).Her iki yaklaşım da 2D malzemelerin oksidasyonunu incelemek için uygundur ve birbirini tamamlar.HRTEM, iki boyutlu katmanlı yapıların bozulmasını ve ardından metal oksit nanopartiküllerin görünümünü analiz edebilirken, XPS yüzey bağlarına duyarlıdır.Bu amaçla, mikroalg hücre dispersiyonlarından ekstrakte edilen 2D Nb-MXene nanopulları, yani mikroalg hücreleri ile etkileşimden sonraki şekillerini test ettik (bkz. Şekil 7).
Oksitlenmiş (a) SL Nb2CTx ve (b) SL Nb4C3Tx MXenes'in morfolojisini gösteren HRTEM görüntüleri, (c) indirgeme sonrası oksit ürünlerinin bileşimini, (d-f) SL Nb2CTx ve (g– i) Nb4C3Tx SL'nin yeşil mikroalglerle onarılmış XPS spektrumlarının bileşenlerinin tepe eşleşmesini gösteren XPS analiz sonuçları.
HRTEM çalışmaları, iki tip Nb-MXene nanoflakesin oksidasyonunu doğruladı.Nano pullar iki boyutlu morfolojilerini bir dereceye kadar korusalar da oksidasyon, MXene nano pulların yüzeyini kaplayan birçok nanopartikülün ortaya çıkmasıyla sonuçlandı (bkz. Şekil 7a,b).c Nb 3d ve O 1s sinyallerinin XPS analizi, her iki durumda da Nb oksitlerin oluştuğunu gösterdi.Şekil 7c'de gösterildiği gibi, 2D MXene Nb2CTx ve Nb4C3TX, NbO ve Nb2O5 oksitlerin varlığını gösteren Nb 3d sinyallerine sahipken, O 1s sinyalleri, 2D nanoflake yüzeyinin işlevselleştirilmesiyle ilişkili O – Nb bağlarının sayısını gösterir.Nb oksit katkısının Nb-C ve Nb3+-O'ya kıyasla baskın olduğunu fark ettik.
Şek.Şekil 7g–i, mikroalg hücrelerinden izole edilen Nb 3d, C 1s ve O 1s SL Nb2CTx (bkz. Şekil 7d–f) ve SL Nb4C3TX MXene'nin XPS spektrumlarını göstermektedir.Nb-MXenes pik parametrelerinin detayları sırasıyla Tablo S4-5'te verilmektedir.İlk önce Nb 3d'nin bileşimini analiz ettik.Mikroalg hücreleri tarafından emilen Nb'nin aksine, mikroalg hücrelerinden izole edilen MXene'de Nb2O5 dışında başka bileşenler de bulundu.Nb2CTx SL'de Nb3+-O'nun katkısını %15 oranında gözlemledik, Nb 3d spektrumunun geri kalanına Nb2O5 (%85) hakim oldu.Ek olarak, SL Nb4C3TX örneği Nb-C (%9) ve Nb2O5 (%91) bileşenlerini içerir.Burada Nb-C, Nb4C3Tx SR'deki iki iç atomik metal karbür katmanından gelir.Daha sonra, içselleştirilmiş örneklerde yaptığımız gibi, C1s spektrumlarını dört farklı bileşene eşleriz.Beklendiği gibi, C1s spektrumuna grafitik karbon hakimdir, ardından mikroalg hücrelerinden organik partiküllerin (CHx/CO ve C=O) katkıları gelir.Ayrıca O 1s spektrumunda mikroalg hücrelerinin organik formlarının, niyobyum oksit ve adsorbe edilmiş suyun katkısını gözlemledik.
Ek olarak, Nb-MXenes bölünmesinin, besin ortamı ve/veya mikroalg hücrelerinde reaktif oksijen türlerinin (ROS) varlığı ile ilişkili olup olmadığını araştırdık.Bu amaçla, kültür ortamındaki singlet oksijen (1O2) ve mikroalglerde antioksidan görevi gören bir tiyol olan hücre içi glutatyon seviyelerini değerlendirdik.Sonuçlar SI'da gösterilmiştir (Şekil S20 ve S21).SL Nb2CTx ve Nb4C3TX MXen içeren kültürler, azaltılmış miktarda 1O2 ile karakterize edildi (bkz. Şekil S20).SL Nb2CTx durumunda, MXene 1O2 yaklaşık %83'e düşürülür.SL kullanan mikroalg kültürleri için Nb4C3TX 1O2 daha da düşerek %73'e düştü.İlginç bir şekilde, 1O2'deki değişiklikler, daha önce gözlenen inhibitör-uyarıcı etki ile aynı eğilimi gösterdi (bkz. Şekil 3).Parlak ışıkta inkübasyonun fotooksidasyonu değiştirebileceği tartışılabilir.Bununla birlikte, kontrol analizinin sonuçları, deney sırasında neredeyse sabit 1O2 seviyeleri gösterdi (Şekil S22).Hücre içi ROS seviyeleri söz konusu olduğunda, aynı düşüş eğilimini de gözlemledik (bkz. Şekil S21).Başlangıçta, Nb2CTx ve Nb4C3Tx SL'lerin varlığında kültürlenen mikroalg hücrelerindeki ROS seviyeleri, saf mikroalg kültürlerinde bulunan seviyeleri aştı.Bununla birlikte, sonunda, ROS seviyeleri SL Nb2CTx ve Nb4C3TX ile aşılanmış saf mikroalg kültürlerinde ölçülen seviyelerin sırasıyla %85 ve %91'ine düştüğü için, mikroalglerin her iki Nb-MXen'in varlığına adapte olduğu ortaya çıktı.Bu, mikroalglerin zamanla Nb-MXene mevcudiyetinde tek başına besin ortamına göre daha rahat hissettiklerini gösterebilir.
Mikroalgler, çeşitli fotosentetik organizmalar grubudur.Fotosentez sırasında, atmosferik karbondioksiti (CO2) organik karbona dönüştürürler.Fotosentez ürünleri glikoz ve oksijendir79.Bu şekilde oluşan oksijenin, Nb-MXen'lerin oksidasyonunda kritik bir rol oynadığından şüpheleniyoruz.Bunun olası bir açıklaması, diferansiyel havalandırma parametresinin, Nb-MXene nanopullarının içindeki ve dışındaki düşük ve yüksek kısmi oksijen basınçlarında oluşmasıdır.Bu, farklı kısmi oksijen basınçlarına sahip alanların olduğu her yerde, en düşük seviyeye sahip alanın anot 80, 81, 82'yi oluşturacağı anlamına gelir. Burada mikroalgler, fotosentetik özelliklerinden dolayı oksijen üreten MXene pullarının yüzeyinde farklı şekilde havalandırılmış hücrelerin oluşturulmasına katkıda bulunur.Sonuç olarak, biyokorozyon ürünleri (bu durumda niyobyum oksitler) oluşur.Diğer bir husus ise mikroalglerin suya salınan organik asitler üretebilmesidir83,84.Bu nedenle, Nb-MXen'leri değiştirerek agresif bir ortam oluşur.Ek olarak, mikroalgler, korozyona da neden olabilen karbondioksit emilimi nedeniyle ortamın pH'ını alkali hale getirebilir79.
Daha da önemlisi, çalışmamızda kullanılan karanlık/aydınlık fotoperyodu, elde edilen sonuçların anlaşılması açısından kritik öneme sahiptir.Bu yön, Djemai-Zoghlache ve ark.85 Kırmızı mikroalg Porphyridium purpureum tarafından biyokirlenme ile ilişkili biyokorozyonu göstermek için kasıtlı olarak 12/12 saatlik bir fotoperiyod kullandılar.Fotoperiyodun, biyolojik korozyon olmadan potansiyelin evrimi ile ilişkili olduğunu ve kendisini saat 24:00 civarında psödoperiyodik salınımlar olarak gösterdiğini gösteriyorlar.Bu gözlemler Dowling ve diğerleri tarafından doğrulandı.86 Siyanobakteri Anabaena'nın fotosentetik biyofilmlerini gösterdiler.Çözünmüş oksijen, serbest biyokorozyon potansiyelindeki bir değişiklik veya dalgalanma ile bağlantılı olarak ışığın etkisi altında oluşur.Fotoperyotun önemi, biyokorozyon için serbest potansiyelin ışık fazında artması ve karanlık fazda azalmasıyla vurgulanmaktadır.Bunun nedeni, elektrotların yakınında üretilen kısmi basınç yoluyla katodik reaksiyonu etkileyen fotosentetik mikroalgler tarafından üretilen oksijendir87.
Ek olarak, Nb-MXenes ile etkileşimden sonra mikroalg hücrelerinin kimyasal bileşiminde herhangi bir değişiklik olup olmadığını bulmak için Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) yapıldı.Elde edilen bu sonuçlar karmaşıktır ve bunları SI'da sunuyoruz (MAX aşamasının ve ML MXen'lerin sonuçları dahil olmak üzere Şekiller S23-S25).Kısacası mikroalglerin elde edilen referans spektrumları bize bu organizmaların kimyasal özellikleri hakkında önemli bilgiler vermektedir.Bu en olası titreşimler 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1 frekanslarında bulunur.bir.1 1 (C–H) ve 3280 cm–1 (O–H).SL Nb-MXenes için, önceki çalışmamız38ile tutarlı bir CH-bağı germe imzası bulduk.Ancak, C=C ve CH bağları ile ilişkili bazı ek tepe noktalarının kaybolduğunu gözlemledik.Bu, mikroalglerin kimyasal bileşiminin, SL Nb-MXenes ile etkileşime bağlı olarak küçük değişikliklere uğrayabileceğini gösterir.
Mikroalglerin biyokimyasındaki olası değişiklikler düşünüldüğünde, niyobyum oksit gibi inorganik oksitlerin birikiminin yeniden değerlendirilmesi gerekir59.Metallerin hücre yüzeyi tarafından alınmasında, sitoplazmaya taşınmasında, hücre içi karboksil grupları ile birleşmesinde ve mikroalg polifosfozomlarında birikmesinde rol oynar20,88,89,90.Ek olarak, mikroalgler ve metaller arasındaki ilişki, fonksiyonel hücre grupları tarafından sürdürülür.Bu nedenle emilim, oldukça karmaşık9,91 olan mikroalg yüzey kimyasına da bağlıdır.Genel olarak, beklendiği gibi, yeşil mikroalglerin kimyasal bileşimi, Nb oksidin emilmesi nedeniyle biraz değişti.
İlginç bir şekilde, mikroalglerin gözlemlenen ilk inhibisyonu, zaman içinde tersine çevrilebilirdi.Gözlemlediğimiz gibi, mikroalgler başlangıçtaki çevresel değişikliğin üstesinden geldi ve sonunda normal büyüme oranlarına geri döndü ve hatta arttı.Zeta potansiyeli çalışmaları, besin ortamına eklendiğinde yüksek stabilite gösterir.Böylece, indirgeme deneyleri boyunca mikroalg hücreleri ve Nb-MXene nanoflakes arasındaki yüzey etkileşimi korunmuştur.Daha sonraki analizlerimizde, mikroalglerin bu dikkate değer davranışının altında yatan ana etki mekanizmalarını özetliyoruz.
SEM gözlemleri, mikroalglerin Nb-MXen'lere bağlanma eğiliminde olduğunu göstermiştir.Dinamik görüntü analizi kullanarak, bu etkinin iki boyutlu Nb-MXene nanoflakeslerin daha küresel parçacıklara dönüşmesine yol açtığını doğruladık, böylece nanoflakeslerin ayrışmasının oksidasyonları ile ilişkili olduğunu gösterdik.Hipotezimizi test etmek için bir dizi malzeme ve biyokimyasal çalışma yürüttük.Testten sonra, nano pullar yavaş yavaş oksitlendi ve yeşil mikroalgler için tehdit oluşturmayan NbO ve Nb2O5 ürünlerine ayrıştı.FTIR gözlemini kullanarak, 2D Nb-MXene nanoflakes varlığında inkübe edilen mikroalglerin kimyasal bileşiminde önemli bir değişiklik bulamadık.Niyobyum oksidin mikroalgler tarafından emilme olasılığını dikkate alarak, bir X-ışını floresan analizi gerçekleştirdik.Bu sonuçlar, incelenen mikroalglerin, incelenen mikroalgler için toksik olmayan niyobyum oksitlerle (NbO ve Nb2O5) beslendiğini açıkça göstermektedir.