Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Naggamit ka og bersyon sa browser nga limitado ang suporta sa CSS. Para sa pinakamaayong kasinatian, among girekomendar nga mogamit ka og updated nga browser (o i-disable ang Compatibility Mode sa Internet Explorer). Samtang, aron masiguro ang padayon nga suporta, among i-render ang site nga walay mga style ug JavaScript.
Nagpakita og carousel nga gilangkoban og tulo ka slide sa usa ka higayon. Gamita ang mga buton nga Previous ug Next aron mobalhin sa tulo ka slide matag higayon, o gamita ang mga buton sa slider sa katapusan aron mobalhin sa tulo ka slide matag higayon.
Ang paspas nga pag-uswag sa nanotechnology ug ang pag-integra niini sa adlaw-adlaw nga mga aplikasyon mahimong hulga sa kalikopan. Samtang ang mga berde nga pamaagi alang sa pagkadaot sa mga organikong kontaminante natukod na, ang pagbawi sa mga inorganic crystalline nga kontaminante usa ka dakong kabalaka tungod sa ilang ubos nga pagkasensitibo sa biotransformation ug kakulang sa pagsabot sa mga interaksyon sa materyal sa ibabaw sa mga biolohikal. Dinhi, gigamit namo ang usa ka Nb-based inorganic 2D MXenes model nga gihiusa sa usa ka yano nga pamaagi sa pag-analisa sa parameter sa porma aron masubay ang mekanismo sa bioremediation sa 2D ceramic nanomaterials sa berde nga microalgae nga Raphidocelis subcapitata. Among nakita nga ang microalgae nagdaot sa Nb-based MXenes tungod sa mga interaksyon sa physico-chemical nga may kalabutan sa ibabaw. Sa sinugdanan, ang single-layer ug multilayer MXene nanoflakes gilakip sa ibabaw sa microalgae, nga medyo nakakunhod sa pagtubo sa algae. Bisan pa, sa dugay nga interaksyon sa ibabaw, ang microalgae nag-oxidize sa MXene nanoflakes ug dugang nga nagdugmok niini ngadto sa NbO ug Nb2O5. Tungod kay kini nga mga oxide dili makahilo sa mga microalgae cell, kini mokaon sa mga Nb oxide nanoparticles pinaagi sa usa ka mekanismo sa pagsuhop nga dugang nga nagpahiuli sa microalgae pagkahuman sa 72 ka oras nga pagtambal sa tubig. Ang mga epekto sa mga sustansya nga nalangkit sa pagsuhop makita usab sa pagtaas sa gidaghanon sa selula, sa ilang hamis nga porma ug pagbag-o sa rate sa pagtubo. Base sa kini nga mga nahibal-an, among nahinapos nga ang mubo ug taas nga termino nga presensya sa Nb-based MXenes sa mga ekosistema sa tab-ang nga tubig mahimong hinungdan lamang sa gagmay nga mga epekto sa kalikopan. Matikdan nga, gamit ang duha ka dimensyon nga nanomaterial isip mga sistema sa modelo, among gipakita ang posibilidad sa pagsubay sa pagbag-o sa porma bisan sa mga pino nga materyales. Sa kinatibuk-an, kini nga pagtuon nagtubag sa usa ka hinungdanon nga sukaranan nga pangutana bahin sa mga proseso nga may kalabotan sa interaksyon sa nawong nga nagduso sa mekanismo sa bioremediation sa 2D nanomaterials ug naghatag usa ka basehan alang sa dugang nga mubo ug taas nga termino nga mga pagtuon sa epekto sa kalikopan sa inorganic crystalline nanomaterials.
Ang mga nanomaterial nakapukaw og daghang interes sukad sa ilang nadiskobrehan, ug lain-laing mga nanotechnology ang bag-o lang misulod sa usa ka modernisasyon nga hugna1. Ikasubo, ang paghiusa sa mga nanomaterial sa adlaw-adlaw nga mga aplikasyon mahimong mosangpot sa aksidente nga pagpagawas tungod sa dili husto nga paglabay, walay pagtagad nga pagdumala, o dili igo nga imprastraktura sa kaluwasan. Busa, makatarunganon nga hunahunaon nga ang mga nanomaterial, lakip ang two-dimensional (2D) nanomaterials, mahimong ipagawas ngadto sa natural nga palibot, nga ang pamatasan ug biyolohikal nga kalihokan wala pa hingpit nga masabtan. Busa, dili ikatingala nga ang mga kabalaka sa ecotoxicity naka-focus sa abilidad sa 2D nanomaterials nga makasulod sa mga sistema sa tubig2,3,4,5,6. Niini nga mga ekosistema, ang pipila ka 2D nanomaterials mahimong makig-uban sa lain-laing mga organismo sa lain-laing mga trophic level, lakip ang microalgae.
Ang mga microalgae kay mga primitibong organismo nga natural nga makita sa mga ekosistema sa tab-ang nga tubig ug kadagatan nga nagpatunghag lain-laing mga kemikal nga produkto pinaagi sa photosynthesis7. Busa, sila importante sa mga ekosistema sa tubig8,9,10,11,12 apan sensitibo usab, barato ug kaylap nga gigamit nga mga timailhan sa ecotoxicity13,14. Tungod kay ang mga selula sa microalgae paspas nga modaghan ug dali nga motubag sa presensya sa lain-laing mga compound, kini nagsaad alang sa pagpalambo sa mga pamaagi nga mahigalaon sa kalikopan alang sa pagtambal sa tubig nga kontaminado sa mga organikong substansiya15,16.
Ang mga selula sa lumot makatangtang sa mga inorganic ions gikan sa tubig pinaagi sa biosorption ug accumulation17,18. Ang ubang mga klase sa lumot sama sa Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue ug Synechococcus sp. Nakaplagan nga kini nagdala ug gani nag-amuma sa mga makahilong metal ions sama sa Fe2+, Cu2+, Zn2+ ug Mn2+19. Ang ubang mga pagtuon nagpakita nga ang Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ o Pb2+ nga mga ion naglimite sa pagtubo sa Scenedesmus pinaagi sa pag-usab sa morphology sa selula ug pagguba sa ilang mga chloroplast20,21.
Ang mga berde nga pamaagi para sa pagkadunot sa mga organikong pollutant ug ang pagtangtang sa mga heavy metal ions nakadani sa atensyon sa mga siyentista ug mga inhenyero sa tibuok kalibutan. Kini tungod sa kamatuoran nga kini nga mga kontaminante dali nga maproseso sa likido nga hugna. Bisan pa, ang mga inorganic crystalline pollutant gihulagway sa ubos nga solubility sa tubig ug ubos nga susceptibility sa lainlaing mga biotransformation, nga hinungdan sa dakong kalisud sa remediation, ug gamay ra ang nahimo nga pag-uswag niini nga lugar22,23,24,25,26. Busa, ang pagpangita alang sa mga solusyon nga mahigalaon sa kalikopan alang sa pag-ayo sa mga nanomaterial nagpabilin nga usa ka komplikado ug wala pa masusi nga lugar. Tungod sa taas nga lebel sa kawalay kasiguruhan bahin sa mga epekto sa biotransformation sa 2D nanomaterials, walay sayon ​​nga paagi aron mahibal-an ang posible nga mga agianan sa ilang pagkadaot sa panahon sa pagkunhod.
Niini nga pagtuon, among gigamit ang green microalgae isip aktibong aqueous bioremediation agent para sa inorganic ceramic materials, inubanan sa in situ monitoring sa degradation process sa MXene isip representante sa inorganic ceramic materials. Ang terminong "MXene" nagpakita sa stoichiometry sa Mn+1XnTx material, diin ang M usa ka early transition metal, ang X mao ang carbon ug/o nitrogen, ang Tx usa ka surface terminator (eg, -OH, -F, -Cl), ug n = 1, 2, 3 o 427.28. Sukad sa pagkadiskobre sa MXenes ni Naguib et al. Sensorics, cancer therapy ug membrane filtration 27,29,30. Dugang pa, ang MXenes mahimong isipon nga model 2D systems tungod sa ilang maayo kaayong colloidal stability ug posibleng biological interactions31,32,33,34,35,36.
Busa, ang metodolohiya nga naugmad niini nga artikulo ug ang among mga pangagpas sa panukiduki gipakita sa Figure 1. Sumala niini nga pangagpas, ang microalgae nagguba sa Nb-based MXenes ngadto sa dili-makahilo nga mga compound tungod sa mga interaksyon sa physico-chemical nga may kalabutan sa nawong, nga nagtugot sa dugang nga pagbawi sa algae. Aron masulayan kini nga pangagpas, duha ka miyembro sa pamilya sa sayo nga niobium-based transition metal carbides ug/o nitrides (MXenes), nga mao ang Nb2CTx ug Nb4C3TX, ang gipili.
Metodolohiya sa panukiduki ug mga pangagpas nga gibase sa ebidensya alang sa pagbawi sa MXene pinaagi sa berde nga microalgae nga Raphidocelis subcapitata. Palihug timan-i nga kini usa lamang ka eskematiko nga representasyon sa mga pangagpas nga gibase sa ebidensya. Ang palibot sa lanaw managlahi sa nutrient medium nga gigamit ug sa mga kondisyon (pananglitan, diurnal cycle ug mga limitasyon sa magamit nga mga hinungdanon nga sustansya). Gihimo gamit ang BioRender.com.
Busa, pinaagi sa paggamit sa MXene isip usa ka sistema sa modelo, among giablihan ang pultahan sa pagtuon sa nagkalain-laing mga epekto sa biyolohikal nga dili maobserbahan sa ubang mga naandan nga nanomaterials. Sa partikular, among gipakita ang posibilidad sa bioremediation sa duha ka dimensyon nga mga nanomaterials, sama sa niobium-based MXenes, pinaagi sa microalgae nga Raphidocelis subcapitata. Ang mga microalgae makahimo sa pagguba sa Nb-MXenes ngadto sa dili makahilo nga mga oxide nga NbO ug Nb2O5, nga naghatag usab og mga sustansya pinaagi sa mekanismo sa niobium uptake. Sa kinatibuk-an, kini nga pagtuon nagtubag sa usa ka importante nga sukaranan nga pangutana bahin sa mga proseso nga nalangkit sa mga interaksyon sa physicochemical sa ibabaw nga nagdumala sa mga mekanismo sa bioremediation sa duha ka dimensyon nga mga nanomaterials. Dugang pa, nagpalambo kami og usa ka yano nga pamaagi nga gibase sa porma-parameter alang sa pagsubay sa gagmay nga mga pagbag-o sa porma sa 2D nanomaterials. Kini nagdasig sa dugang nga mubo ug taas nga termino nga panukiduki sa lainlaing mga epekto sa kalikopan sa mga inorganic crystalline nanomaterials. Busa, ang among pagtuon nagdugang sa pagsabot sa interaksyon tali sa nawong sa materyal ug sa biyolohikal nga materyal. Naghatag usab kami og basehan alang sa gipalapdan nga mga pagtuon sa mubo ug taas nga termino sa ilang posibleng mga epekto sa mga ekosistema sa tab-ang nga tubig, nga karon dali na nga mapamatud-an.
Ang mga MXenes nagrepresentar sa usa ka makapaikag nga klase sa mga materyales nga adunay talagsaon ug madanihon nga pisikal ug kemikal nga mga kabtangan ug busa daghang potensyal nga aplikasyon. Kini nga mga kabtangan nagdepende sa ilang stoichiometry ug surface chemistry. Busa, sa among pagtuon, among gisusi ang duha ka klase sa Nb-based hierarchical single-layer (SL) MXenes, Nb2CTx ug Nb4C3TX, tungod kay ang lainlaing mga epekto sa biyolohikal niining mga nanomaterial mahimong maobserbahan. Ang mga MXenes gihimo gikan sa ilang mga sinugdanan nga materyales pinaagi sa top-down selective etching sa atomically thin MAX-phase A-layers. Ang MAX phase usa ka ternary ceramic nga gilangkoban sa "bonded" nga mga bloke sa transition metal carbides ug nipis nga mga layer sa "A" nga mga elemento sama sa Al, Si, ug Sn nga adunay MnAXn-1 stoichiometry. Ang morphology sa inisyal nga MAX phase naobserbahan pinaagi sa scanning electron microscopy (SEM) ug nahiuyon sa mga nangaging pagtuon (Tan-awa ang Supplementary Information, SI, Figure S1). Ang Multilayer (ML) Nb-MXene nakuha human makuha ang Al layer nga adunay 48% HF (hydrofluoric acid). Ang morphology sa ML-Nb2CTx ug ML-Nb4C3TX gisusi pinaagi sa scanning electron microscopy (SEM) (Mga Figure S1c ug S1d matag usa) ug usa ka tipikal nga layered MXene morphology ang naobserbahan, susama sa two-dimensional nanoflakes nga moagi sa elongated pore-like slits. Ang duha ka Nb-MXenes adunay daghang pagkaparehas sa mga MXene phases nga kaniadto gi-synthesize pinaagi sa acid etching27,38. Human makumpirma ang istruktura sa MXene, among gi-layer kini pinaagi sa intercalation sa tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) gisundan sa washing ug sonication, pagkahuman nakakuha kami og single-layer o low-layer (SL) 2D Nb-MXene nanoflakes.
Gigamit namo ang high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) ug X-ray diffraction (XRD) aron masulayan ang efficiency sa etching ug dugang nga peeling. Ang mga resulta sa HRTEM nga giproseso gamit ang Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) ug Fast Fourier Transform (FFT) gipakita sa Fig. 2. Ang mga Nb-MXene nanoflakes gi-orient sa edge up aron masusi ang istruktura sa atomic layer ug masukod ang interplanar distances. Ang mga imahe sa HRTEM sa MXene Nb2CTx ug Nb4C3TX nanoflakes nagpakita sa ilang atomically thin layered nature (tan-awa ang Fig. 2a1, a2), sama sa gitaho kaniadto ni Naguib et al.27 ug Jastrzębska et al.38. Alang sa duha ka magkatapad nga Nb2CTx ug Nb4C3Tx monolayers, among gitino ang interlayer distances nga 0.74 ug 1.54 nm, matag usa (Figs. 2b1,b2), nga nahiuyon usab sa among nangaging mga resulta38. Kini dugang gikumpirma sa inverse fast Fourier transform (Fig. 2c1, c2) ug sa fast Fourier transform (Fig. 2d1, d2) nga nagpakita sa distansya tali sa Nb2CTx ug Nb4C3Tx monolayers. Ang imahe nagpakita sa pag-ilis-ilis sa light ug dark bands nga katumbas sa niobium ug carbon atoms, nga nagpamatuod sa layered nature sa gitun-an nga MXenes. Importante nga matikdan nga ang energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) spectra nga nakuha para sa Nb2CTx ug Nb4C3Tx (Figures S2a ug S2b) wala magpakita og salin sa orihinal nga MAX phase, tungod kay walay Al peak nga nakita.
Pag-karakterisasyon sa SL Nb2CTx ug Nb4C3Tx MXene nanoflakes, lakip ang (a) high resolution electron microscopy (HRTEM) side-view 2D nanoflake imaging ug katugbang, (b) intensity mode, (c) inverse fast Fourier transform (IFFT), (d) fast Fourier transform (FFT), (e) Nb-MXenes X-ray patterns. Para sa SL 2D Nb2CTx, ang mga numero gipahayag isip (a1, b1, c1, d1, e1). Para sa SL 2D Nb4C3Tx, ang mga numero gipahayag isip (a2, b2, c2, d2, e1).
Ang mga sukod sa X-ray diffraction sa SL Nb2CTx ug Nb4C3Tx MXenes gipakita sa Figs. 2e1 ug e2, matag usa. Ang mga peak (002) sa 4.31 ug 4.32 katumbas sa gihulagway kaniadto nga layered MXenes nga Nb2CTx ug Nb4C3TX38,39,40,41 matag usa. Ang mga resulta sa XRD nagpakita usab sa presensya sa pipila ka nahabilin nga mga istruktura sa ML ug mga hugna sa MAX, apan kasagaran mga sumbanan sa XRD nga nalangkit sa SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2). Ang presensya sa mas gagmay nga mga partikulo sa hugna sa MAX mahimong makapasabut sa mas kusog nga MAX peak kon itandi sa random nga gipatong nga mga lut-od sa Nb4C3Tx.
Dugang nga panukiduki ang naka-focus sa green microalgae nga sakop sa species nga R. subcapitata. Gipili namo ang microalgae tungod kay sila ang importanteng mga prodyuser nga nalambigit sa mga mayor nga food webs42. Usa usab sila sa pinakamaayong timailhan sa toxicity tungod sa abilidad sa pagtangtang sa mga makahilong substansiya nga gidala sa mas taas nga lebel sa food chain43. Dugang pa, ang panukiduki sa R. subcapitata mahimong makahatag og kahayag sa incidental toxicity sa SL Nb-MXenes ngadto sa komon nga mga mikroorganismo sa tab-ang nga tubig. Aron ipakita kini, ang mga tigdukiduki nag-hypothesize nga ang matag mikrobyo adunay lain-laing sensitivity sa mga makahilong compound nga anaa sa palibot. Alang sa kadaghanan sa mga organismo, ang ubos nga konsentrasyon sa mga substansiya dili makaapekto sa ilang pagtubo, samtang ang mga konsentrasyon nga labaw sa usa ka piho nga limitasyon mahimong makapugong kanila o gani hinungdan sa kamatayon. Busa, alang sa among mga pagtuon sa surface interaction tali sa microalgae ug MXenes ug ang nalangkit nga pagkaayo, nakahukom kami nga sulayan ang dili makadaot ug makahilong konsentrasyon sa Nb-MXenes. Aron mahimo kini, among gisulayan ang mga konsentrasyon nga 0 (isip reperensya), 0.01, 0.1 ug 10 mg l-1 MXene ug dugang pa nga nataptan ang mga microalgae nga adunay taas kaayo nga konsentrasyon sa MXene (100 mg l-1 MXene), nga mahimong grabe ug makamatay. . para sa bisan unsang biyolohikal nga palibot.
Ang mga epekto sa SL Nb-MXenes sa microalgae gipakita sa Figure 3, nga gipahayag isip porsyento sa pag-promote sa pagtubo (+) o pagpugong (-) nga gisukod alang sa 0 mg l-1 nga mga sample. Alang sa pagtandi, ang Nb-MAX phase ug ML Nb-MXenes gisulayan usab ug ang mga resulta gipakita sa SI (tan-awa ang Fig. S3). Ang mga resulta nga nakuha nagpamatuod nga ang SL Nb-MXenes halos hingpit nga walay toxicity sa range sa ubos nga konsentrasyon gikan sa 0.01 hangtod 10 mg/l, sama sa gipakita sa Fig. 3a,b. Sa kaso sa Nb2CTx, wala kami nakamatikod og labaw sa 5% nga ecotoxicity sa gitakdang range.
Pagdasig (+) o pagpugong (-) sa pagtubo sa microalgae sa presensya sa SL (a) Nb2CTx ug (b) Nb4C3TX MXene. Gisusi ang 24, 48 ug 72 ka oras nga interaksyon sa MXene-microalgae. Ang mga mahinungdanong datos (t-test, p < 0.05) gimarkahan og asterisk (*). Ang mga mahinungdanong datos (t-test, p < 0.05) gimarkahan og asterisk (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Ang mga mahinungdanong datos (t-test, p < 0.05) gimarkahan og asterisk (*).重要数据（t 检验，p < 0.05）用星号(*) 标记。重要数据（t 检验，p < 0.05）用星号(*) 标记。 Важные данные (t-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Ang mga importanteng datos (t-test, p < 0.05) gimarkahan og asterisk (*).Ang pula nga mga pana nagpakita sa paghunong sa pagpugong sa pagpukaw.
Sa laing bahin, ang ubos nga konsentrasyon sa Nb4C3TX nahimo nga medyo mas makahilo, apan dili mas taas sa 7%. Sama sa gilauman, among naobserbahan nga ang mga MXenes adunay mas taas nga toxicity ug microalgae growth inhibition sa 100mg L-1. Makapainteres, wala sa mga materyales ang nagpakita sa parehas nga trend ug time dependence sa atoxic/toxic effects kon itandi sa MAX o ML samples (tan-awa ang SI para sa mga detalye). Samtang para sa MAX phase (tan-awa ang Fig. S3) ang toxicity miabot sa gibana-bana nga 15–25% ug misaka sa paglabay sa panahon, ang baliktad nga trend naobserbahan para sa SL Nb2CTx ug Nb4C3TX MXene. Ang inhibition sa microalgae growth mikunhod sa paglabay sa panahon. Nakaabot kini sa gibana-bana nga 17% human sa 24 oras ug miubos ngadto sa ubos sa 5% human sa 72 oras (Fig. 3a, b, matag usa).
Mas importante, para sa SL Nb4C3TX, ang pagpugong sa pagtubo sa microalgae miabot og mga 27% human sa 24 oras, apan human sa 72 ka oras kini mikunhod ngadto sa mga 1%. Busa, among gimarkahan ang naobserbahan nga epekto isip inverse inhibition sa stimulation, ug ang epekto mas kusog para sa SL Nb4C3TX MXene. Ang pagdasig sa pagtubo sa microalgae namatikdan na kaniadto sa Nb4C3TX (interaksyon sa 10 mg L-1 sulod sa 24 oras) kon itandi sa SL Nb2CTx MXene. Ang epekto sa inhibition-stimulation reversal maayo usab nga gipakita sa biomass doubling rate curve (tan-awa ang Fig. S4 para sa mga detalye). Sa pagkakaron, ang ecotoxicity lamang sa Ti3C2TX MXene ang gitun-an sa lain-laing mga paagi. Dili kini makahilo sa mga embryo sa zebrafish44 apan kasarangan nga ecotoxic sa mga tanom sa microalgae nga Desmodesmus quadricauda ug Sorghum saccharatum45. Ang ubang mga pananglitan sa piho nga mga epekto naglakip sa mas taas nga toxicity sa mga linya sa selula sa kanser kaysa sa normal nga mga linya sa selula46,47. Mahimong hunahunaon nga ang mga kondisyon sa pagsulay makaimpluwensya sa mga pagbag-o sa pagtubo sa microalgae nga naobserbahan sa presensya sa Nb-MXenes. Pananglitan, ang pH nga mga 8 sa chloroplast stroma mao ang labing maayo alang sa episyente nga operasyon sa RuBisCO enzyme. Busa, ang mga pagbag-o sa pH negatibo nga makaapekto sa rate sa photosynthesis48,49. Bisan pa, wala kami nakakita og hinungdanon nga mga pagbag-o sa pH sa panahon sa eksperimento (tan-awa ang SI, Fig. S5 alang sa mga detalye). Sa kinatibuk-an, ang mga kultura sa microalgae nga adunay Nb-MXenes gamay nga nakakunhod sa pH sa solusyon sa paglabay sa panahon. Bisan pa, kini nga pagkunhod susama sa pagbag-o sa pH sa usa ka puro nga medium. Dugang pa, ang sakup sa mga kalainan nga nakit-an parehas sa gisukod alang sa usa ka puro nga kultura sa microalgae (control sample). Busa, among nahinapos nga ang photosynthesis wala maapektuhan sa mga pagbag-o sa pH sa paglabay sa panahon.
Dugang pa, ang mga na-synthesize nga MXene adunay mga surface endings (gitawag nga Tx). Kini kasagaran mga functional groups -O, -F ug -OH. Bisan pa, ang surface chemistry direktang may kalabutan sa pamaagi sa synthesis. Kini nga mga grupo nailhan nga random nga giapod-apod sa ibabaw, nga nagpalisud sa pagtagna sa ilang epekto sa mga kabtangan sa MXene50. Mahimong ikatarungan nga ang Tx mahimong catalytic force para sa oksihenasyon sa niobium pinaagi sa kahayag. Ang mga surface functional group naghatag gyud og daghang anchoring sites para sa ilang nagpahiping mga photocatalyst aron maporma ang mga heterojunction51. Bisan pa, ang komposisyon sa growth medium wala makahatag og epektibo nga photocatalyst (ang detalyado nga komposisyon sa medium makita sa SI Table S6). Dugang pa, ang bisan unsang surface modification importante usab kaayo, tungod kay ang biological activity sa MXene mahimong mausab tungod sa layer post-processing, oxidation, chemical surface modification sa organic ug inorganic compounds52,53,54,55,56 o surface charge engineering38. Busa, aron masulayan kung ang niobium oxide adunay kalabotan sa kawalay kalig-on sa materyal sa medium, nagpahigayon kami og mga pagtuon sa zeta (ζ) nga potensyal sa microalgae growth medium ug deionized nga tubig (alang sa pagtandi). Ang among mga resulta nagpakita nga ang SL Nb-MXenes medyo lig-on (tan-awa ang SI Fig. S6 para sa mga resulta sa MAX ug ML). Ang zeta potential sa SL MXenes mga -10 mV. Sa kaso sa SR Nb2CTx, ang bili sa ζ medyo mas negatibo kaysa sa Nb4C3Tx. Ang ingon nga pagbag-o sa bili sa ζ mahimong magpakita nga ang nawong sa negatibo nga gikarga nga MXene nanoflakes mosuhop sa positibo nga gikarga nga mga ion gikan sa culture medium. Ang temporal nga mga pagsukod sa zeta potential ug conductivity sa Nb-MXenes sa culture medium (tan-awa ang Figures S7 ug S8 sa SI para sa dugang nga mga detalye) daw nagsuporta sa among pangagpas.
Apan, ang duha ka Nb-MXene SL nagpakita og gamay nga mga pagbag-o gikan sa zero. Kini klaro nga nagpakita sa ilang kalig-on sa microalgae growth medium. Dugang pa, among gisusi kung ang presensya sa among berde nga microalgae makaapekto ba sa kalig-on sa Nb-MXenes sa medium. Ang mga resulta sa zeta potential ug conductivity sa MXenes human sa interaksyon sa microalgae sa nutrient media ug culture sa paglabay sa panahon makita sa SI (Figures S9 ug S10). Makapainteres, among namatikdan nga ang presensya sa microalgae daw nagpalig-on sa dispersion sa duha ka MXenes. Sa kaso sa Nb2CTx SL, ang zeta potential mikunhod gamay sa paglabay sa panahon ngadto sa mas negatibo nga mga kantidad (-15.8 batok sa -19.1 mV human sa 72 ka oras nga incubation). Ang zeta potential sa SL Nb4C3TX gamay nga misaka, apan human sa 72 ka oras kini nagpakita gihapon og mas taas nga kalig-on kaysa mga nanoflakes nga walay presensya sa microalgae (-18.1 batok sa -9.1 mV).
Nakakita sab mig mas ubos nga conductivity sa mga solusyon sa Nb-MXene nga gi-incubate sa presensya sa microalgae, nga nagpakita sa mas ubos nga gidaghanon sa mga ions sa nutrient medium. Talalupangdon nga ang kawalay kalig-on sa mga MXenes sa tubig kasagaran tungod sa surface oxidation57. Busa, nagduda mi nga ang green microalgae nakalimpyo sa mga oxide nga naporma sa ibabaw sa Nb-MXene ug nakapugong pa gani sa ilang pagkahitabo (oxidation sa MXene). Makita kini pinaagi sa pagtuon sa mga klase sa substansiya nga masuhop sa microalgae.
Samtang ang among mga pagtuon sa ecotoxicological nagpakita nga ang microalgae nakahimo sa pagbuntog sa toxicity sa Nb-MXenes sa paglabay sa panahon ug ang dili kasagaran nga pagpugong sa gipukaw nga pagtubo, ang tumong sa among pagtuon mao ang pag-imbestiga sa posible nga mga mekanismo sa aksyon. Kung ang mga organismo sama sa algae naladlad sa mga compound o mga materyales nga dili pamilyar sa ilang mga ekosistema, mahimo silang mo-react sa lainlaing mga paagi58,59. Kung wala ang makahilong mga metal oxide, ang microalgae makakaon sa ilang kaugalingon, nga magtugot kanila nga padayon nga motubo60. Human sa pagtulon sa makahilong mga substansiya, ang mga mekanismo sa depensa mahimong ma-aktibo, sama sa pag-usab sa porma o porma. Ang posibilidad sa pagsuhop kinahanglan usab nga tagdon58,59. Talalupangdon, ang bisan unsang timaan sa usa ka mekanismo sa depensa usa ka klaro nga timailhan sa toxicity sa test compound. Busa, sa among dugang nga trabaho, among gisusi ang potensyal nga interaksyon sa nawong tali sa SL Nb-MXene nanoflakes ug microalgae pinaagi sa SEM ug ang posible nga pagsuhop sa Nb-based MXene pinaagi sa X-ray fluorescence spectroscopy (XRF). Timan-i nga ang mga pag-analisa sa SEM ug XRF gihimo lamang sa labing taas nga konsentrasyon sa MXene aron matubag ang mga isyu sa activity toxicity.
Ang mga resulta sa SEM gipakita sa Fig.4. Ang wala matambalan nga mga microalgae cell (tan-awa ang Fig. 4a, reference sample) klaro nga nagpakita sa tipikal nga morpolohiya sa R. subcapitata ug porma sa selula nga sama sa croissant. Ang mga selula daw patag ug medyo wala organisado. Ang ubang mga microalgae cell nagsapaw ug nagkaguliyang, apan kini lagmit tungod sa proseso sa pag-andam sa sample. Sa kinatibuk-an, ang puro nga mga microalgae cell adunay hamis nga nawong ug wala magpakita og bisan unsang mga pagbag-o sa morpolohiya.
Mga hulagway sa SEM nga nagpakita sa interaksyon sa ibabaw tali sa berde nga microalgae ug MXene nanosheets human sa 72 ka oras nga interaksyon sa grabeng konsentrasyon (100 mg L-1). (a) Wala matambali nga berde nga microalgae human sa interaksyon sa SL (b) Nb2CTx ug (c) Nb4C3TX MXenes. Timan-i nga ang mga Nb-MXene nanoflakes gimarkahan og pula nga mga pana. Alang sa pagtandi, gidugang usab ang mga litrato gikan sa optical microscope.
Sa kasukwahi, ang mga microalgae cell nga nasuhop sa SL Nb-MXene nanoflakes nadaot (tan-awa ang Fig. 4b, c, pula nga mga pana). Sa kaso sa Nb2CTx MXene (Fig. 4b), ang microalgae lagmit motubo uban sa gilakip nga two-dimensional nanoscales, nga mahimong makausab sa ilang morphology. Talalupangdon nga among naobserbahan usab kini nga mga pagbag-o ubos sa light microscopy (tan-awa ang SI Figure S11 alang sa mga detalye). Kini nga morphological transition adunay usa ka posible nga basehan sa pisyolohiya sa microalgae ug sa ilang abilidad sa pagdepensa sa ilang kaugalingon pinaagi sa pag-usab sa morphology sa cell, sama sa pagdugang sa volume sa cell61. Busa, importante nga susihon ang gidaghanon sa mga microalgae cell nga aktuwal nga nakontak sa Nb-MXenes. Ang mga pagtuon sa SEM nagpakita nga gibana-bana nga 52% sa mga microalgae cell ang naladlad sa Nb-MXenes, samtang 48% niini nga mga microalgae cell ang naglikay sa kontak. Alang sa SL Nb4C3Tx MXene, ang microalgae naningkamot nga malikayan ang kontak sa MXene, sa ingon nag-localize ug nagtubo gikan sa two-dimensional nanoscales (Fig. 4c). Apan, wala namo naobserbahan ang pagsulod sa mga nanoscale ngadto sa mga microalgae cell ug ang ilang kadaot.
Ang pagpreserbar sa kaugalingon usa usab ka kinaiya sa tubag nga nagdepende sa oras sa pagbabag sa photosynthesis tungod sa adsorption sa mga partikulo sa ibabaw sa selula ug ang gitawag nga shading (shading) effect62. Klaro nga ang matag butang (pananglitan, Nb-MXene nanoflakes) nga anaa sa taliwala sa microalgae ug sa tinubdan sa kahayag naglimite sa gidaghanon sa kahayag nga masuhop sa mga chloroplast. Bisan pa, wala kami magduhaduha nga kini adunay dakong epekto sa mga resulta nga nakuha. Sama sa gipakita sa among mikroskopikong mga obserbasyon, ang 2D nanoflakes wala hingpit nga naputos o nagtapot sa ibabaw sa microalgae, bisan kung ang mga selula sa microalgae nakigkontak sa Nb-MXenes. Hinuon, ang mga nanoflake nahimo nga naka-orient sa mga selula sa microalgae nga wala magtabon sa ilang nawong. Ang ingon nga hugpong sa mga nanoflakes/microalgae dili kaayo makalimite sa gidaghanon sa kahayag nga masuhop sa mga selula sa microalgae. Dugang pa, ang pipila ka mga pagtuon nagpakita pa gani og pag-uswag sa pagsuhop sa kahayag sa mga photosynthetic organism sa presensya sa duha ka dimensyon nga nanomaterials63,64,65,66.
Tungod kay ang mga imahe sa SEM dili direktang makakumpirma sa pagsuhop sa niobium sa mga microalgae cell, ang among dugang nga pagtuon midangop sa X-ray fluorescence (XRF) ug X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis aron maklaro kini nga isyu. Busa, among gitandi ang intensity sa mga Nb peak sa mga reference microalgae sample nga wala makig-interact sa mga MXenes, mga MXene nanoflake nga nabulag gikan sa nawong sa mga microalgae cell, ug mga microalgal cell human sa pagtangtang sa gilakip nga mga MXenes. Angayan nga matikdan nga kung walay Nb uptake, ang Nb value nga makuha sa mga microalgae cell kinahanglan nga zero human sa pagtangtang sa gilakip nga mga nanoscale. Busa, kung mahitabo ang Nb uptake, ang mga resulta sa XRF ug XPS kinahanglan nga magpakita og klaro nga Nb peak.
Sa kaso sa XRF spectra, ang mga sample sa microalgae nagpakita og mga Nb peak para sa SL Nb2CTx ug Nb4C3Tx MXene human sa interaksyon sa SL Nb2CTx ug Nb4C3Tx MXene (tan-awa ang Fig. 5a, timan-i usab nga ang mga resulta para sa MAX ug ML MXenes gipakita sa SI, Figs S12–C17). Makapainteres, ang intensity sa Nb peak parehas sa duha ka kaso (pula nga mga bar sa Fig. 5a). Kini nagpakita nga ang algae dili makasuhop og dugang nga Nb, ug ang pinakataas nga kapasidad para sa akumulasyon sa Nb nakab-ot sa mga selula, bisan kung doble ang gidaghanon sa Nb4C3Tx MXene nga gilakip sa mga selula sa microalgae (asul nga mga bar sa Fig. 5a). Talalupangdon nga ang abilidad sa microalgae sa pagsuhop og mga metal nagdepende sa konsentrasyon sa mga metal oxide sa palibot67,68. Nakita ni Shamshada et al.67 nga ang kapasidad sa pagsuhop sa freshwater algae mikunhod uban sa pagtaas sa pH. Si Raize et al.68 miingon nga ang abilidad sa lumot sa pagsuhop og mga metal mga 25% nga mas taas para sa Pb2+ kaysa sa Ni2+.
(a) Mga resulta sa XRF sa basal Nb uptake sa mga berdeng microalgae cells nga gi-incubate sa grabeng konsentrasyon sa SL Nb-MXenes (100 mg L-1) sulod sa 72 ka oras. Ang mga resulta nagpakita sa presensya sa α sa puro nga microalgae cells (control sample, gray columns), 2D nanoflakes nga gi-isolate gikan sa surface microalgae cells (blue columns), ug microalgae cells human sa pagbulag sa 2D nanoflakes gikan sa surface (red columns). Ang gidaghanon sa elemental Nb, (b) porsyento sa kemikal nga komposisyon sa mga microalgae organic components (C=O ug CHx/C–O) ug Nb oxides nga anaa sa microalgae cells human sa incubation gamit ang SL Nb-MXenes, (c–e) Pag-fit sa compositional peak sa XPS SL Nb2CTx spectra ug (fh) SL Nb4C3Tx MXene nga gi-internalize sa mga microalgae cells.
Busa, among gilauman nga ang Nb masuhop sa mga algal cell sa porma sa mga oxide. Aron masulayan kini, naghimo kami og mga pagtuon sa XPS sa mga MXenes nga Nb2CTx ug Nb4C3TX ug mga algae cell. Ang mga resulta sa interaksyon sa microalgae uban sa Nb-MXenes ug MXenes nga nahimulag gikan sa mga algae cell gipakita sa Figs. 5b. Sama sa gilauman, among nakita ang mga Nb 3d peaks sa mga sample sa microalgae human makuha ang MXene gikan sa ibabaw sa microalgae. Ang quantitative determination sa C=O, CHx/CO, ug Nb oxides gikalkulo base sa Nb 3d, O 1s, ug C 1s spectra nga nakuha gamit ang Nb2CTx SL (Fig. 5c–e) ug Nb4C3Tx SL (Fig. 5c–e). ) nga nakuha gikan sa incubated microalgae. Figure 5f–h) MXenes. Ang Table S1-3 nagpakita sa mga detalye sa peak parameters ug kinatibuk-ang chemistry nga resulta sa fit. Matikdan nga ang mga rehiyon sa Nb 3d sa Nb2CTx SL ug Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) katumbas sa usa ka sangkap nga Nb2O5. Dinhi, wala kami nakakita og mga peak nga may kalabutan sa MXene sa spectra, nga nagpakita nga ang mga selula sa microalgae mosuhop lamang sa porma sa oxide sa Nb. Dugang pa, among gibanabana ang spectrum sa C1s nga adunay mga sangkap nga C–C, CHx/C–O, C=O, ug –COOH. Among gi-assign ang mga peak sa CHx/C–O ug C=O sa organikong kontribusyon sa mga selula sa microalgae. Kini nga mga organikong sangkap naglangkob sa 36% ug 41% sa mga peak sa C1s sa Nb2CTx SL ug Nb4C3TX SL, matag usa. Dayon among gi-fit ang O1s spectra sa SL Nb2CTx ug SL Nb4C3TX nga adunay Nb2O5, mga organikong sangkap sa microalgae (CHx/CO), ug tubig nga nasuhop sa ibabaw.
Sa katapusan, ang mga resulta sa XPS klaro nga nagpakita sa porma sa Nb, dili lang ang presensya niini. Sumala sa posisyon sa Nb 3d signal ug sa mga resulta sa deconvolution, among gikumpirma nga ang Nb masuhop lamang sa porma sa mga oxide ug dili sa mga ion o MXene mismo. Dugang pa, ang mga resulta sa XPS nagpakita nga ang mga microalgae cell adunay mas dako nga abilidad sa pagsuhop sa Nb oxide gikan sa SL Nb2CTx kon itandi sa SL Nb4C3TX MXene.
Samtang ang among mga resulta sa Nb uptake impresibo ug nagtugot kanamo sa pag-ila sa pagkadaot sa MXene, walay pamaagi nga magamit aron masubay ang mga kalambigit nga pagbag-o sa morphological sa 2D nanoflakes. Busa, nakahukom usab kami nga maghimo usa ka angay nga pamaagi nga direktang makatubag sa bisan unsang mga pagbag-o nga nahitabo sa 2D Nb-MXene nanoflakes ug microalgae cells. Importante nga matikdan nga among gihunahuna nga kung ang mga interacting species moagi sa bisan unsang pagbag-o, pagkadunot o defragmentation, kini kinahanglan nga dali nga magpakita sa kaugalingon ingon mga pagbag-o sa mga parameter sa porma, sama sa diametro sa katumbas nga lingin nga lugar, pagkalingin, gilapdon sa Feret, o gitas-on sa Feret. Tungod kay kini nga mga parameter angay alang sa paghulagway sa mga elongated nga partikulo o two-dimensional nanoflakes, ang ilang pagsubay pinaagi sa dynamic particle shape analysis maghatag kanamo og bililhong impormasyon bahin sa morphological transformation sa SL Nb-MXene nanoflakes atol sa pagkunhod.
Ang mga resulta nga nakuha gipakita sa Figure 6. Alang sa pagtandi, among gisulayan usab ang orihinal nga MAX phase ug ML-MXenes (tan-awa ang SI Figures S18 ug S19). Ang dinamikong pag-analisa sa porma sa partikulo nagpakita nga ang tanan nga mga parameter sa porma sa duha ka Nb-MXene SLs nausab pag-ayo pagkahuman sa interaksyon sa microalgae. Sama sa gipakita sa katumbas nga parameter sa circular area diameter (Fig. 6a, b), ang pagkunhod sa peak intensity sa fraction sa dagkong mga nanoflake nagpakita nga kini lagmit nga madunot ngadto sa mas gagmay nga mga tipik. Sa fig. 6c, ang d nagpakita sa pagkunhod sa mga peak nga nalangkit sa transverse size sa mga flakes (elongation sa mga nanoflake), nga nagpakita sa pagbag-o sa 2D nanoflakes ngadto sa usa ka mas particle-like nga porma. Ang Figure 6e-h nagpakita sa gilapdon ug gitas-on sa Feret, matag usa. Ang gilapdon ug gitas-on sa Feret mga komplementaryong parameter ug busa kinahanglan nga tagdon nga magkauban. Human sa incubation sa 2D Nb-MXene nanoflakes sa presensya sa microalgae, ang ilang mga Feret correlation peak mibalhin ug ang ilang intensity mikunhod. Base sa kini nga mga resulta inubanan sa morphology, XRF ug XPS, among nahinapos nga ang naobserbahan nga mga pagbag-o kusganong nalambigit sa oksihenasyon samtang ang na-oxidize nga mga MXenes mahimong mas kunot ug mabungkag ngadto sa mga tipik ug lingin nga mga partikulo sa oxide69,70.
Pagtuki sa pagbag-o sa MXene human sa interaksyon sa berde nga microalgae. Ang dinamikong pagtuki sa porma sa partikulo nagkonsiderar sa mga parametro sama sa (a, b) diametro sa katumbas nga lingin nga lugar, (c, d) pagkalingin, (e, f) gilapdon sa Feret ug (g, h) gitas-on sa Feret. Tungod niini, duha ka reference microalgae sample ang gisusi uban sa primary SL Nb2CTx ug SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx ug SL Nb4C3Tx MXenes, degraded microalgae, ug gitambalan nga microalgae SL Nb2CTx ug SL Nb4C3Tx MXenes. Ang pula nga mga pana nagpakita sa mga transisyon sa mga parametro sa porma sa gitun-an nga two-dimensional nanoflakes.
Tungod kay ang pag-analisa sa porma sa parameter kasaligan kaayo, mahimo usab kini nga magpadayag sa mga pagbag-o sa morpolohiya sa mga selula sa microalgae. Busa, among gisusi ang katumbas nga diametro sa lingin nga lugar, pagkalingin, ug gilapdon/gitas-on sa Feret sa puro nga mga selula ug mga selula sa microalgae pagkahuman sa interaksyon sa 2D Nb nanoflakes. Sa fig. 6a–h nagpakita sa mga pagbag-o sa mga parameter sa porma sa mga selula sa algae, sama sa gipamatud-an sa pagkunhod sa peak intensity ug pagbalhin sa maxima padulong sa mas taas nga mga kantidad. Sa partikular, ang mga parameter sa pagkalingin sa selula nagpakita sa pagkunhod sa mga elongated cell ug pagtaas sa mga spherical cell (Fig. 6a, b). Dugang pa, ang gilapdon sa selula sa Feret misaka sa daghang micrometer pagkahuman sa interaksyon sa SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) kung itandi sa SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f). Nagduda kami nga kini mahimong tungod sa kusog nga pagsuhop sa Nb oxides sa microalgae sa interaksyon sa Nb2CTx SR. Ang dili kaayo gahi nga pagkabit sa Nb flakes sa ilang nawong mahimong moresulta sa pagtubo sa selula nga adunay gamay nga epekto sa shading.
Ang among mga obserbasyon sa mga pagbag-o sa mga parametro sa porma ug gidak-on sa microalgae nagkomplemento sa ubang mga pagtuon. Ang berde nga microalgae makausab sa ilang morphology agig tubag sa stress sa palibot pinaagi sa pag-usab sa gidak-on, porma o metabolismo sa selula61. Pananglitan, ang pag-usab sa gidak-on sa mga selula makapadali sa pagsuhop sa mga sustansya71. Ang gagmay nga mga selula sa algae nagpakita og mas ubos nga pagsuhop sa sustansya ug pagkunhod sa rate sa pagtubo. Sa kasukwahi, ang mas dagkong mga selula lagmit nga mokonsumo og daghang sustansya, nga dayon ideposito sa intracellular72,73. Nakaplagan nila ni Machado ug Soares nga ang fungicide triclosan makadugang sa gidak-on sa selula. Nakakita usab sila og dakong mga pagbag-o sa porma sa algae74. Dugang pa, si Yin et al.9 nagpadayag usab og mga pagbag-o sa morphological sa algae human sa pagkaladlad sa pagkunhod sa graphene oxide nanocomposites. Busa, klaro nga ang giusab nga mga parametro sa gidak-on/porma sa microalgae gipahinabo sa presensya sa MXene. Tungod kay kini nga pagbag-o sa gidak-on ug porma nagpakita sa mga pagbag-o sa pagsuhop sa sustansya, nagtuo kami nga ang pag-analisar sa mga parametro sa gidak-on ug porma sa paglabay sa panahon makapakita sa pagsuhop sa niobium oxide sa microalgae sa presensya sa Nb-MXenes.
Dugang pa, ang mga MXenes mahimong ma-oxidize sa presensya sa lumot. Naobserbahan ni Dalai et al.75 nga ang morphology sa green algae nga na-expose sa nano-TiO2 ug Al2O376 dili parehas. Bisan tuod ang among mga obserbasyon parehas sa kasamtangang pagtuon, kini may kalabutan lamang sa pagtuon sa mga epekto sa bioremediation sa mga termino sa mga produkto sa pagkadaot sa MXene sa presensya sa 2D nanoflakes ug dili sa mga nanoparticles. Tungod kay ang mga MXenes mahimong madunot ngadto sa mga metal oxide,31,32,77,78 makatarunganon nga hunahunaon nga ang among Nb nanoflakes mahimo usab nga maporma ang mga Nb oxide human makig-uban sa mga microalgae cells.
Aron ipasabut ang pagkunhod sa 2D-Nb nanoflakes pinaagi sa mekanismo sa pagkadunot nga gibase sa proseso sa oksihenasyon, nagpahigayon kami og mga pagtuon gamit ang high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) (Fig. 7a,b) ug X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Fig. 7). 7c-i ug mga lamesa S4-5). Ang duha ka pamaagi angay alang sa pagtuon sa oksihenasyon sa 2D nga mga materyales ug nagkomplemento sa usag usa. Ang HRTEM makahimo sa pag-analisar sa pagkadaot sa duha ka dimensyon nga layered nga mga istruktura ug ang sunod nga pagpakita sa mga nanoparticle sa metal oxide, samtang ang XPS sensitibo sa mga bugkos sa ibabaw. Alang niini nga katuyoan, among gisulayan ang 2D Nb-MXene nanoflakes nga gikuha gikan sa mga dispersion sa microalgae cell, nga mao, ang ilang porma pagkahuman sa interaksyon sa mga selula sa microalgae (tan-awa ang Fig. 7).
Mga hulagway sa HRTEM nga nagpakita sa morpolohiya sa na-oxidize nga (a) SL Nb2CTx ug (b) SL Nb4C3Tx MXenes, mga resulta sa pag-analisa sa XPS nga nagpakita sa (c) komposisyon sa mga produkto sa oxide pagkahuman sa reduction, (d–f) peak matching sa mga sangkap sa XPS spectra sa SL Nb2CTx ug (g–i) Nb4C3Tx SL nga giayo gamit ang berde nga microalgae.
Gikumpirma sa mga pagtuon sa HRTEM ang oksihenasyon sa duha ka klase sa Nb-MXene nanoflakes. Bisan tuod ang mga nanoflakes nagpabilin sa ilang two-dimensional morphology sa pipila ka sukod, ang oksihenasyon miresulta sa pagpakita sa daghang nanoparticles nga nagtabon sa nawong sa MXene nanoflakes (tan-awa ang Fig. 7a,b). Ang XPS analysis sa c Nb 3d ug O 1s signals nagpakita nga ang Nb oxides naporma sa duha ka kaso. Sama sa gipakita sa Figure 7c, ang 2D MXene Nb2CTx ug Nb4C3TX adunay Nb 3d signals nga nagpakita sa presensya sa NbO ug Nb2O5 oxides, samtang ang O 1s signals nagpakita sa gidaghanon sa O–Nb bonds nga nalangkit sa functionalization sa 2D nanoflake surface. Among namatikdan nga ang kontribusyon sa Nb oxide dominante kon itandi sa Nb-C ug Nb3+-O.
Sa fig. Ang mga Fig. 7g–i nagpakita sa XPS spectra sa Nb 3d, C 1s, ug O 1s SL Nb2CTx (tan-awa ang Figs. 7d–f) ug SL Nb4C3TX MXene nga nahimulag gikan sa mga microalgae cell. Ang mga detalye sa Nb-MXenes peak parameters gihatag sa Tables S4–5, matag usa. Una namong gisusi ang komposisyon sa Nb 3d. Sukwahi sa Nb nga nasuhop sa mga microalgae cell, sa MXene nga nahimulag gikan sa mga microalgae cell, gawas sa Nb2O5, nakit-an ang ubang mga sangkap. Sa Nb2CTx SL, among naobserbahan ang kontribusyon sa Nb3+-O sa kantidad nga 15%, samtang ang nahabilin sa Nb 3d spectrum gidominar sa Nb2O5 (85%). Dugang pa, ang SL Nb4C3TX sample adunay mga sangkap nga Nb-C (9%) ug Nb2O5 (91%). Dinhi ang Nb-C gikan sa duha ka inner atomic layers sa metal carbide sa Nb4C3Tx SR. Dayon among gi-map ang C 1s spectra ngadto sa upat ka lain-laing components, sama sa among gibuhat sa internalized samples. Sama sa gilauman, ang C 1s spectrum gidominar sa graphitic carbon, gisundan sa mga kontribusyon gikan sa organic particles (CHx/CO ug C=O) gikan sa microalgae cells. Dugang pa, sa O 1s spectrum, among naobserbahan ang kontribusyon sa organic forms sa microalgae cells, niobium oxide, ug adsorbed water.
Dugang pa, among gisusi kung ang Nb-MXenes cleavage nalambigit ba sa presensya sa reactive oxygen species (ROS) sa nutrient medium ug/o microalgae cells. Tungod niini, among gisusi ang lebel sa singlet oxygen (1O2) sa culture medium ug intracellular glutathione, usa ka thiol nga naglihok isip antioxidant sa microalgae. Ang mga resulta gipakita sa SI (Figures S20 ug S21). Ang mga kultura nga adunay SL Nb2CTx ug Nb4C3TX MXenes gihulagway sa pagkunhod sa gidaghanon sa 1O2 (tan-awa ang Figure S20). Sa kaso sa SL Nb2CTx, ang MXene 1O2 mikunhod ngadto sa mga 83%. Alang sa mga kultura sa microalgae nga naggamit sa SL, ang Nb4C3TX 1O2 mikunhod pa, ngadto sa 73%. Makapainteres, ang mga pagbag-o sa 1O2 nagpakita sa parehas nga uso sama sa naobserbahan kaniadto nga inhibitory-stimulatory effect (tan-awa ang Fig. 3). Mahimong ikapangatarungan nga ang incubation sa hayag nga kahayag makausab sa photooxidation. Apan, ang mga resulta sa control analysis nagpakita og halos makanunayon nga lebel sa 1O2 atol sa eksperimento (Fig. S22). Sa kaso sa intracellular ROS levels, among naobserbahan usab ang parehas nga paubos nga trend (tan-awa ang Figure S21). Sa sinugdanan, ang lebel sa ROS sa mga microalgae cells nga gipatubo sa presensya sa Nb2CTx ug Nb4C3Tx SLs milabaw sa lebel nga makita sa puro nga mga kultura sa microalgae. Apan, sa kadugayan, daw ang microalgae nakapasibo sa presensya sa duha ka Nb-MXenes, tungod kay ang lebel sa ROS mikunhod ngadto sa 85% ug 91% sa lebel nga gisukod sa puro nga mga kultura sa microalgae nga gi-inoculate sa SL Nb2CTx ug Nb4C3TX, matag usa. Kini mahimong magpakita nga ang microalgae mobati nga mas komportable sa paglabay sa panahon sa presensya sa Nb-MXene kaysa sa nutrient medium lamang.
Ang mga microalgae usa ka lain-laing grupo sa mga organismo nga photosynthetic. Atol sa photosynthesis, ilang gi-convert ang atmospheric carbon dioxide (CO2) ngadto sa organic carbon. Ang mga produkto sa photosynthesis mao ang glucose ug oxygen79. Nagduda kami nga ang oxygen nga naporma adunay kritikal nga papel sa oksihenasyon sa Nb-MXenes. Usa ka posible nga katin-awan niini mao nga ang differential aeration parameter naporma sa ubos ug taas nga partial pressures sa oxygen sa gawas ug sulod sa Nb-MXene nanoflakes. Kini nagpasabot nga bisan asa nga adunay mga lugar nga adunay lain-laing partial pressures sa oxygen, ang lugar nga adunay labing ubos nga lebel mao ang anode 80, 81, 82. Dinhi, ang microalgae nakatampo sa paghimo sa lain-laing aerated cells sa ibabaw sa MXene flakes, nga nagpatunghag oxygen tungod sa ilang photosynthetic properties. Ingon usa ka resulta, ang mga produkto sa biocorrosion (sa kini nga kaso, niobium oxides) naporma. Laing aspeto mao nga ang microalgae makahimo og mga organic acid nga gipagawas sa tubig83,84. Busa, usa ka agresibo nga palibot ang naporma, sa ingon nag-usab sa Nb-MXenes. Dugang pa, ang microalgae makausab sa pH sa palibot ngadto sa alkaline tungod sa pagsuhop sa carbon dioxide, nga mahimo usab nga hinungdan sa kaagnasan79.
Mas importante, ang dark/light photoperiod nga gigamit sa among pagtuon importante kaayo aron masabtan ang mga resulta nga nakuha. Kini nga aspeto detalyado nga gihulagway sa Djemai-Zoghlache et al. 85 Tinuyo nilang gigamit ang 12/12 oras nga photoperiod aron ipakita ang biocorrosion nga nalangkit sa biofouling sa pula nga microalgae nga Porphyridium purpureum. Gipakita nila nga ang photoperiod nalangkit sa ebolusyon sa potensyal nga walay biocorrosion, nga nagpakita sa kaugalingon isip pseudoperiodic oscillations mga alas 24:00. Kini nga mga obserbasyon gikumpirma ni Dowling et al. 86 Gipakita nila ang photosynthetic biofilms sa cyanobacteria Anabaena. Ang dissolved oxygen naporma ubos sa aksyon sa kahayag, nga nalangkit sa pagbag-o o pag-usab-usab sa free biocorrosion potential. Ang kamahinungdanon sa photoperiod gipasiugda sa kamatuoran nga ang free potential alang sa biocorrosion nagdugang sa light phase ug mikunhod sa dark phase. Kini tungod sa oksiheno nga gihimo sa photosynthetic microalgae, nga nakaimpluwensya sa cathodic reaction pinaagi sa partial pressure nga namugna duol sa mga electrodes87.
Dugang pa, gihimo ang Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) aron mahibal-an kung adunay mga pagbag-o nga nahitabo sa kemikal nga komposisyon sa mga selula sa microalgae pagkahuman sa interaksyon sa mga Nb-MXenes. Kini nga nakuha nga mga resulta komplikado ug among gipresentar kini sa SI (Mga Figure S23-S25, lakip ang mga resulta sa MAX stage ug ML MXenes). Sa laktod nga pagkasulti, ang nakuha nga reference spectra sa microalgae naghatag kanato og importanteng impormasyon bahin sa kemikal nga mga kinaiya niini nga mga organismo. Kini nga labing posible nga mga vibrations nahimutang sa mga frequency nga 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1. one. 1 1 (C–H) ug 3280 cm–1 (O–H). Para sa SL Nb-MXenes, nakakita kami og CH-bond stretching signature nga nahiuyon sa among miaging pagtuon38. Apan, among naobserbahan nga ang pipila ka dugang nga mga taluktok nga nalangkit sa C=C ug CH bonds nawala. Kini nagpakita nga ang kemikal nga komposisyon sa microalgae mahimong moagi sa gagmay nga mga pagbag-o tungod sa interaksyon sa SL Nb-MXenes.
Kon hunahunaon ang posibleng mga pagbag-o sa biochemistry sa microalgae, ang akumulasyon sa mga inorganic oxide, sama sa niobium oxide, kinahanglan nga hunahunaon pag-usab59. Nalambigit kini sa pagsuhop sa mga metal sa ibabaw sa selula, ang ilang pagdala ngadto sa cytoplasm, ang ilang asosasyon sa mga intracellular carboxyl group, ug ang ilang akumulasyon sa mga microalgae polyphosphosomes20,88,89,90. Dugang pa, ang relasyon tali sa microalgae ug mga metal gipadayon sa mga functional group sa mga selula. Tungod niini nga hinungdan, ang pagsuhop nagdepende usab sa kemistri sa ibabaw sa microalgae, nga medyo komplikado9,91. Sa kinatibuk-an, sama sa gilauman, ang kemikal nga komposisyon sa berde nga microalgae gamay nga nausab tungod sa pagsuhop sa Nb oxide.
Makapainteres, ang naobserbahan nga inisyal nga pagpugong sa microalgae nabaliktad sa paglabay sa panahon. Sama sa among naobserbahan, ang microalgae nakabuntog sa inisyal nga pagbag-o sa palibot ug sa kadugayan mibalik sa normal nga rate sa pagtubo ug misaka pa gani. Ang mga pagtuon sa zeta potential nagpakita og taas nga kalig-on kung idugang sa nutrient media. Busa, ang interaksyon sa ibabaw tali sa mga microalgae cell ug Nb-MXene nanoflakes gipadayon sa tibuok nga mga eksperimento sa pagkunhod. Sa among dugang nga pag-analisar, among gisumada ang mga nag-unang mekanismo sa aksyon nga nagpahipi niining talagsaong pamatasan sa microalgae.
Ang mga obserbasyon sa SEM nagpakita nga ang mga microalgae lagmit nga motapot sa mga Nb-MXenes. Gamit ang dynamic image analysis, among gikumpirma nga kini nga epekto mosangpot sa pagbag-o sa duha ka dimensyon nga Nb-MXene nanoflakes ngadto sa mas spherical nga mga partikulo, sa ingon nagpakita nga ang pagkadunot sa mga nanoflake nalangkit sa ilang oksihenasyon. Aron masulayan ang among hypothesis, nagpahigayon kami og serye sa mga pagtuon sa materyal ug biochemical. Human sa pagsulay, ang mga nanoflakes hinay-hinay nga na-oxidize ug nadugta ngadto sa mga produkto nga NbO ug Nb2O5, nga wala maghulga sa berde nga microalgae. Gamit ang obserbasyon sa FTIR, wala kami nakakita og bisan unsang hinungdanon nga mga pagbag-o sa kemikal nga komposisyon sa microalgae nga gi-incubate sa presensya sa 2D Nb-MXene nanoflakes. Gikonsiderar ang posibilidad sa pagsuhop sa niobium oxide sa microalgae, naghimo kami og X-ray fluorescence analysis. Kini nga mga resulta klaro nga nagpakita nga ang gitun-an nga microalgae mokaon sa niobium oxides (NbO ug Nb2O5), nga dili makahilo sa gitun-an nga microalgae.