Täname teid Nature.com-i külastamise eest. Teie brauseriversioon toetab piiratud CSS-i. Parima kogemuse saamiseks soovitame teil kasutada värskendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim). Seni aga renderdame saiti ilma stiilide ja JavaScriptita, et tagada jätkuv tugi.
Kuvab korraga kolmest slaidist koosneva karusselli. Kolme slaidi korraga läbimiseks kasutage nuppe Eelmine ja Järgmine või kolme slaidi korraga läbimiseks lõpus olevaid liuguri nuppe.
Nanotehnoloogia kiire areng ja selle integreerimine igapäevastesse rakendustesse võib keskkonda ohustada. Kuigi orgaaniliste saasteainete lagundamiseks on keskkonnasõbralikud meetodid hästi välja kujunenud, on anorgaaniliste kristalliliste saasteainete eraldamine suureks probleemiks nende madala biotransformatsioonitundlikkuse ja materjali pinna interaktsioonide puudumise tõttu bioloogiliste saasteainetega. Selles uuringus kasutame Nb-põhist anorgaaniliste 2D MXeenide mudelit koos lihtsa kujuparameetrite analüüsi meetodiga, et jälgida 2D keraamiliste nanomaterjalide bioremediatsioonimehhanismi roheliste mikrovetikate Raphidocelis subcapitata poolt. Leidsime, et mikrovetikad lagundavad Nb-põhiseid MXeene pinnaga seotud füüsikalis-keemiliste interaktsioonide tõttu. Algselt kinnitusid mikrovetikate pinnale ühe- ja mitmekihilised MXene nanohelbed, mis mõnevõrra vähendas vetikate kasvu. Pikaajalisel interaktsioonil pinnaga oksüdeerisid mikrovetikad aga MXene nanohelbeid ja lagundasid need edasi NbO-ks ja Nb2O5-ks. Kuna need oksiidid ei ole mikrovetikate rakkudele mürgised, tarbivad nad Nb-oksiidi nanoosakesi absorptsioonimehhanismi kaudu, mis taastab mikrovetikaid veelgi pärast 72-tunnist veetöötlust. Imendumisega seotud toitainete mõjud kajastuvad ka rakkude mahu suurenemises, nende sujuvas kujus ja kasvukiiruse muutuses. Nende leidude põhjal järeldame, et Nb-põhiste MXeenide lühi- ja pikaajaline esinemine magevee ökosüsteemides võib põhjustada vaid väikest keskkonnamõju. On tähelepanuväärne, et kahemõõtmeliste nanomaterjalide abil mudelsüsteemidena demonstreerime kuju muutumise jälgimise võimalust isegi peeneteralistes materjalides. Üldiselt vastab see uuring olulisele põhiküsimusele pinna interaktsiooniga seotud protsesside kohta, mis juhivad 2D nanomaterjalide bioremediatsioonimehhanismi, ning loob aluse edasistele lühi- ja pikaajalistele uuringutele anorgaaniliste kristalliliste nanomaterjalide keskkonnamõju kohta.
Nanomaterjalid on pärast nende avastamist palju huvi pakkunud ning mitmesugused nanotehnoloogiad on hiljuti jõudnud moderniseerimisfaasi1. Kahjuks võib nanomaterjalide integreerimine igapäevastesse rakendustesse viia juhuslike keskkonda sattumiseni ebaõige kõrvaldamise, hooletu käitlemise või ebapiisava ohutusinfrastruktuuri tõttu. Seetõttu on mõistlik eeldada, et nanomaterjalid, sealhulgas kahemõõtmelised (2D) nanomaterjalid, võivad sattuda looduskeskkonda, mille käitumist ja bioloogilist aktiivsust pole veel täielikult mõistetud. Seetõttu pole üllatav, et ökotoksilisusega seotud mured on keskendunud kahemõõtmeliste nanomaterjalide võimele leostuda veesüsteemidesse2,3,4,5,6. Nendes ökosüsteemides võivad mõned kahemõõtmelised nanomaterjalid suhelda erinevate organismidega erinevatel troofilistel tasemetel, sealhulgas mikrovetikatega.
Mikrovetikad on magevee- ja mereökosüsteemides looduslikult esinevad ürgsed organismid, mis toodavad fotosünteesi teel mitmesuguseid keemilisi saadusi7. Seega on nad veeökosüsteemide jaoks kriitilise tähtsusega8,9,10,11,12, kuid on ka tundlikud, odavad ja laialdaselt kasutatavad ökotoksilisuse indikaatorid13,14. Kuna mikrovetikate rakud paljunevad kiiresti ja reageerivad kiiresti erinevate ühendite olemasolule, on nad paljulubavad orgaaniliste ainetega saastunud vee töötlemiseks mõeldud keskkonnasõbralike meetodite väljatöötamisel15,16.
Vetikarakud suudavad veest anorgaanilisi ioone eemaldada biosorptsiooni ja akumuleerumise teel17,18. Mõned vetikaliigid, näiteks Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue ja Synechococcus sp., kannavad ja isegi toidavad mürgiseid metalliioone, nagu Fe2+, Cu2+, Zn2+ ja Mn2+19. Teised uuringud on näidanud, et Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ või Pb2+ ioonid piiravad Scenedesmuse kasvu, muutes rakkude morfoloogiat ja hävitades nende kloroplaste20,21.
Orgaaniliste saasteainete lagundamise ja raskmetalliioonide eemaldamise rohelised meetodid on pälvinud teadlaste ja inseneride tähelepanu kogu maailmas. See on peamiselt tingitud asjaolust, et neid saasteaineid on vedelas faasis lihtne töödelda. Anorgaanilistele kristallilistele saasteainetele on aga iseloomulik madal vees lahustuvus ja madal vastuvõtlikkus mitmesugustele biotransformatsioonidele, mis põhjustab suuri raskusi puhastamisel ning selles valdkonnas on tehtud vähe edusamme22,23,24,25,26. Seega on nanomaterjalide parandamiseks keskkonnasõbralike lahenduste otsing endiselt keeruline ja uurimata valdkond. Kuna 2D-nanomaterjalide biotransformatsiooniefektide osas on palju ebakindlust, puudub lihtne viis nende lagunemise võimalike radade väljaselgitamiseks redutseerimise ajal.
Selles uuringus kasutasime anorgaaniliste keraamiliste materjalide aktiivse vesilahuselise biopuhastusvahendina rohevetikaid, kombineerituna MXeeni lagunemisprotsessi kohapealse jälgimisega anorgaaniliste keraamiliste materjalide esindajana. Mõiste „MXeen” peegeldab Mn+1XnTx materjali stöhhiomeetriat, kus M on varajane siirdemetall, X on süsinik ja/või lämmastik, Tx on pinnaterminaator (nt -OH, -F, -Cl) ja n = 1, 2, 3 või 427,28. Alates MXeenide avastamisest Naguibi jt. poolt. Sensorics, vähiravi ja membraanfiltratsioon 27,29,30. Lisaks võib MXeene pidada kahemõõtmelisteks mudelsüsteemideks nende suurepärase kolloidse stabiilsuse ja võimalike bioloogiliste interaktsioonide tõttu 31,32,33,34,35,36.
Seetõttu on käesolevas artiklis väljatöötatud metoodika ja meie uurimishüpoteesid näidatud joonisel 1. Selle hüpoteesi kohaselt lagundavad mikrovetikad Nb-põhiseid MXeene pinnaga seotud füüsikalis-keemiliste interaktsioonide tõttu mittetoksilisteks ühenditeks, mis võimaldab vetikate edasist eraldamist. Selle hüpoteesi kontrollimiseks valiti kaks varajaste nioobiumipõhiste siirdemetallide karbiidide ja/või nitriidide (MXeenide) perekonna liiget, nimelt Nb2CTx ja Nb4C3TX.
Uurimismetoodika ja tõenduspõhised hüpoteesid roheliste mikrovetikate Raphidocelis subcapitata MXeeni taaskasutamise kohta. Pange tähele, et see on vaid tõenduspõhiste eelduste skemaatiline esitus. Järvekeskkond erineb kasutatava toitainekeskkonna ja tingimuste (nt ööpäevane tsükkel ja oluliste toitainete kättesaadavuse piirangud) poolest. Loodud BioRender.com abil.
Seega, kasutades MXene'i mudelsüsteemina, oleme avanud ukse mitmesuguste bioloogiliste efektide uurimisele, mida teiste tavapäraste nanomaterjalide puhul ei ole võimalik täheldada. Eelkõige demonstreerime kahemõõtmeliste nanomaterjalide, näiteks nioobiumipõhiste MXeenide, bioremediatsiooni võimalust mikrovetikate Raphidocelis subcapitata abil. Mikrovetikad on võimelised lagundama Nb-MXeene mittetoksilisteks oksiidideks NbO ja Nb2O5, mis pakuvad ka toitaineid nioobiumi omastamise mehhanismi kaudu. Üldiselt vastab see uuring olulisele põhiküsimusele pinna füüsikalis-keemiliste interaktsioonidega seotud protsesside kohta, mis reguleerivad kahemõõtmeliste nanomaterjalide bioremediatsiooni mehhanisme. Lisaks töötame välja lihtsa kujuparameetripõhise meetodi kahemõõtmeliste nanomaterjalide kuju peente muutuste jälgimiseks. See inspireerib edasisi lühi- ja pikaajalisi uuringuid anorgaaniliste kristalliliste nanomaterjalide erinevate keskkonnamõjude kohta. Seega suurendab meie uuring arusaamist materjali pinna ja bioloogilise materjali vahelisest interaktsioonist. Samuti pakume alust laiendatud lühi- ja pikaajalistele uuringutele nende võimaliku mõju kohta magevee ökosüsteemidele, mida saab nüüd hõlpsasti kontrollida.
MXeenid esindavad huvitavat materjalide klassi, millel on ainulaadsed ja atraktiivsed füüsikalised ja keemilised omadused ning seega palju potentsiaalseid rakendusi. Need omadused sõltuvad suuresti nende stöhhiomeetriast ja pinnakeemiast. Seetõttu uurisime oma uuringus kahte tüüpi Nb-põhiseid hierarhilisi ühekihilisi (SL) MXeene, Nb2CTx ja Nb4C3TX, kuna nende nanomaterjalide erinevaid bioloogilisi efekte võib täheldada. MXeene toodetakse nende lähtematerjalidest aatomiliselt õhukeste MAX-faasi A-kihtide ülalt-alla selektiivse söövitamise teel. MAX-faas on kolmekomponentne keraamika, mis koosneb siirdemetallide karbiidide "seotud" plokkidest ja õhukestest "A"-elementide, näiteks Al, Si ja Sn, kihtidest MnAXn-1 stöhhiomeetriaga. Esialgse MAX-faasi morfoloogiat jälgiti skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) abil ja see oli kooskõlas varasemate uuringutega (vt lisateavet, SI, joonis S1). Mitmekihiline (ML) Nb-MXeen saadi pärast Al-kihi eemaldamist 48% HF-ga (vesinikfluoriidhape). ML-Nb2CTx ja ML-Nb4C3TX morfoloogiat uuriti skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) abil (vastavalt joonised S1c ja S1d) ning täheldati tüüpilist kihilist MXeeni morfoloogiat, mis sarnanes kahemõõtmeliste nanoflake'idega, mis läbivad piklikke pooritaolisi pilusid. Mõlemal Nb-MXeenil on palju ühist MXeeni faasidega, mis on varem happega söövitamise teel sünteesitud27,38. Pärast MXeeni struktuuri kinnitamist kihistasime selle tetrabutüülammooniumhüdroksiidi (TBAOH) interkalatsiooni teel, millele järgnes pesemine ja ultraheliga töötlemine, mille järel saime ühekihilised või madala kihi (SL) 2D Nb-MXeeni nanoflake'id.
Söövitamise ja edasise koorimise efektiivsuse testimiseks kasutasime kõrglahutusega transmissioon-elektronmikroskoopiat (HRTEM) ja röntgendifraktsiooni (XRD). Pöördkiire Fourier' teisenduse (IFFT) ja kiire Fourier' teisenduse (FFT) abil töödeldud HRTEM-i tulemused on näidatud joonisel 2. Nb-MXene nanohelbed suunati servaga ülespoole, et kontrollida aatomikihi struktuuri ja mõõta tasapindadevahelisi kaugusi. MXene Nb2CTx ja Nb4C3TX nanohelveste HRTEM-kujutised näitasid nende aatomiliselt õhukest kihilist olemust (vt joonis 2a1, a2), nagu on varem teatanud Naguib jt27 ja Jastrzębska jt38. Kahe külgneva Nb2CTx ja Nb4C3Tx monokihi puhul määrasime kihtidevaheliseks vahekauguseks vastavalt 0,74 ja 1,54 nm (joonis 2b1, b2), mis on kooskõlas ka meie varasemate tulemustega38. Seda kinnitasid veelgi pöördvõrdeline kiire Fourier' teisendus (joonis 2c1, c2) ja kiire Fourier' teisendus (joonis 2d1, d2), mis näitavad Nb2CTx ja Nb4C3Tx monokihide vahelist kaugust. Pildil on näha nioobiumi ja süsiniku aatomitele vastavate heledate ja tumedate ribade vaheldumine, mis kinnitab uuritud MXeenide kihilist olemust. Oluline on märkida, et Nb2CTx ja Nb4C3Tx jaoks saadud energiadispersiooni röntgenspektroskoopia (EDX) spektrid (joonised S2a ja S2b) ei näidanud algse MAX-faasi jääke, kuna Al-piiki ei tuvastatud.
SL Nb2CTx ja Nb4C3Tx MXene nanoflake'ide iseloomustus, sh (a) kõrgresolutsiooniga elektronmikroskoopia (HRTEM) külgvaates 2D nanoflake'ide pildistamine ja vastav, (b) intensiivsusrežiim, (c) pöördvõrdeline kiire Fourier' teisendus (IFFT), (d) kiire Fourier' teisendus (FFT), (e) Nb-MXeenide röntgenogrammid. SL 2D Nb2CTx puhul on numbrid väljendatud järgmiselt: (a1, b1, c1, d1, e1). SL 2D Nb4C3Tx puhul on numbrid väljendatud järgmiselt: (a2, b2, c2, d2, e1).
SL Nb2CTx ja Nb4C3Tx MXeenide röntgendifraktsioonimõõtmised on näidatud vastavalt joonistel 2e1 ja e2. Piigid (002) väärtustel 4,31 ja 4,32 vastavad vastavalt eelnevalt kirjeldatud kihilistele MXeenidele Nb2CTx ja Nb4C3TX38,39,40,41. XRD tulemused näitavad ka mõnede jääk-ML struktuuride ja MAX faaside olemasolu, kuid enamasti SL Nb4C3Tx-ga seotud XRD mustreid (joonis 2e2). MAX faasi väiksemate osakeste olemasolu võib selgitada tugevamat MAX piiki võrreldes juhuslikult virnastatud Nb4C3Tx kihtidega.
Edasised uuringud on keskendunud rohelistele mikrovetikatele, mis kuuluvad liiki R. subcapitata. Valisime mikrovetikad, kuna nad on olulised tootjad, kes osalevad peamistes toiduvõrgustikes42. Nad on ka ühed parimad toksilisuse indikaatorid tänu võimele eemaldada mürgiseid aineid, mis kanduvad toiduahela kõrgematele tasanditele43. Lisaks võivad R. subcapitata uuringud heita valgust SL Nb-MXeenide juhuslikule toksilisusele tavalistele magevee mikroorganismidele. Selle illustreerimiseks püstitasid teadlased hüpoteesi, et igal mikroobil on keskkonnas esinevate mürgiste ühendite suhtes erinev tundlikkus. Enamiku organismide puhul ei mõjuta ainete madal kontsentratsioon nende kasvu, samas kui teatud piirist kõrgemad kontsentratsioonid võivad neid pärssida või isegi surma põhjustada. Seetõttu otsustasime mikrovetikate ja MXeenide vahelise pinna interaktsiooni ja sellega seotud taastumise uuringute jaoks testida Nb-MXeenide ohutuid ja toksilisi kontsentratsioone. Selleks testisime MXeeni kontsentratsioone 0 (võrdlusväärtusena), 0,01, 0,1 ja 10 mg l-1 ning lisaks nakatasime mikrovetikaid väga suurte MXeeni kontsentratsioonidega (100 mg l-1 MXeen), mis võivad olla äärmuslikud ja surmavad igas bioloogilises keskkonnas.
SL Nb-MXeenide mõju mikrovetikatele on näidatud joonisel 3, väljendatuna kasvu soodustamise (+) või pärssimise (-) protsendina, mõõdetuna 0 mg l-1 proovide puhul. Võrdluseks testiti ka Nb-MAX faasi ja ML Nb-MXeene ning tulemused on esitatud SI-des (vt joonis S3). Saadud tulemused kinnitasid, et SL Nb-MXeenid on madalate kontsentratsioonide vahemikus 0,01 kuni 10 mg/l peaaegu täielikult toksilisuseta, nagu on näidatud joonisel 3a,b. Nb2CTx puhul täheldasime määratud vahemikus mitte rohkem kui 5% ökotoksilisust.
Mikrovetikate kasvu stimuleerimine (+) või inhibeerimine (-) SL (a) Nb2CTx ja (b) Nb4C3TX MXene juuresolekul. Analüüsiti MXene ja mikrovetikate interaktsiooni 24, 48 ja 72 tunni möödudes. Olulised andmed (t-test, p < 0,05) tähistati tärniga (*). Olulised andmed (t-test, p < 0,05) tähistati tärniga (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Olulised andmed (t-test, p < 0,05) on tähistatud tärniga (*).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 (*). Olulised andmed (t-test, p < 0,05) on tähistatud tärniga (*).Punased nooled näitavad inhibeeriva stimulatsiooni kaotamist.
Teisest küljest osutusid Nb4C3TX madalad kontsentratsioonid veidi toksilisemaks, kuid mitte kõrgemaks kui 7%. Nagu oodatud, täheldasime, et MXeenidel oli 100 mg L-1 kontsentratsioonil suurem toksilisus ja mikrovetikate kasvu pärssimine. Huvitaval kombel ei näidanud ükski materjal sama atoksiliste/toksiliste efektide trendi ja ajast sõltuvust võrreldes MAX- või ML-proovidega (üksikasjad vt lisateavet). Kuigi MAX-faasis (vt joonis S3) ulatus toksilisus ligikaudu 15–25% -ni ja suurenes aja jooksul, täheldati SL Nb2CTx ja Nb4C3TX MXene puhul vastupidist trendi. Mikrovetikate kasvu pärssimine vähenes aja jooksul. See ulatus 24 tunni pärast ligikaudu 17%-ni ja langes 72 tunni pärast alla 5% (vastavalt joonis 3a, b).
Veelgi olulisem on see, et SL Nb4C3TX puhul saavutas mikrovetikate kasvu pärssimine 24 tunni pärast umbes 27%, kuid 72 tunni pärast vähenes see umbes 1%-ni. Seetõttu nimetasime täheldatud efekti stimulatsiooni pöördvõrdeliseks pärssimiseks ja see efekt oli SL Nb4C3TX MXene puhul tugevam. Mikrovetikate kasvu stimuleerimist täheldati varem Nb4C3TX puhul (interaktsioon 10 mg L-1 juures 24 tunni jooksul) võrreldes SL Nb2CTx MXene'iga. Inhibeerimise-stimuleerimise pöördefekt oli hästi nähtav ka biomassi kahekordistumise kiiruse kõveral (üksikasjad vt jooniselt S4). Siiani on erineval viisil uuritud ainult Ti3C2TX MXene ökotoksilisust. See ei ole toksiline sebrakala embrüotele44, kuid on mõõdukalt ökotoksiline mikrovetikatele Desmodesmus quadricauda ja Sorghum saccharatum taimedele45. Teiste näidete hulka spetsiifilistest efektidest kuuluvad suurem toksilisus vähirakkude liinidele kui normaalsetele rakuliinidele46,47. Võib eeldada, et katsetingimused mõjutavad Nb-MXeenide juuresolekul täheldatud mikrovetikate kasvu muutusi. Näiteks on kloroplasti stroomas pH umbes 8 RuBisCO ensüümi tõhusaks toimimiseks optimaalne. Seetõttu mõjutavad pH muutused negatiivselt fotosünteesi kiirust48,49. Siiski ei täheldanud me katse ajal olulisi pH muutusi (üksikasjad vt lisateavet, joonis S5). Üldiselt vähendasid Nb-MXeenidega mikrovetikate kultuurid lahuse pH-d aja jooksul veidi. See langus oli aga sarnane puhta keskkonna pH muutusega. Lisaks oli leitud variatsioonide vahemik sarnane mikrovetikate puhta kultuuri (kontrollproov) puhul mõõdetule. Seega järeldame, et pH muutused aja jooksul fotosünteesi ei mõjuta.
Lisaks on sünteesitud MXeenidel pinnalõpud (tähistatud kui Tx). Need on peamiselt funktsionaalsed rühmad -O, -F ja -OH. Pinnakeemia on aga otseselt seotud sünteesimeetodiga. On teada, et need rühmad on pinnale juhuslikult jaotunud, mistõttu on raske ennustada nende mõju MXeenide omadustele50. Võib väita, et Tx võib olla nioobiumi valguse toimel oksüdeerimise katalüütiline jõud. Pinna funktsionaalsed rühmad pakuvad tõepoolest mitmeid kinnituskohti nende aluseks olevatele fotokatalüsaatoritele heterosiirde moodustamiseks51. Kasvukeskkonna koostis ei taganud aga efektiivset fotokatalüsaatorit (üksikasjalikku keskkonna koostist leiate SI tabelist S6). Lisaks on igasugune pinna modifitseerimine samuti väga oluline, kuna MXeenide bioloogilist aktiivsust saab muuta kihi järeltöötluse, oksüdeerimise, orgaaniliste ja anorgaaniliste ühendite keemilise pinna modifitseerimise52,53,54,55,56 või pinnalaengu muundamise38 tõttu. Seega, et testida, kas nioobiumoksiidil on mingit pistmist materjali ebastabiilsusega keskkonnas, viisime läbi dzeeta (ζ) potentsiaali uuringud mikrovetikate kasvukeskkonnas ja deioniseeritud vees (võrdluseks). Meie tulemused näitavad, et SL Nb-MXeenid on üsna stabiilsed (MAX ja ML tulemused vt SI joonis S6). SL MXeenide dzeeta potentsiaal on umbes -10 mV. SR Nb2CTx puhul on ζ väärtus mõnevõrra negatiivsem kui Nb4C3Tx oma. Selline ζ väärtuse muutus võib viidata sellele, et negatiivselt laetud MXeeni nanoflake'ide pind neelab kultuurikeskkonnast positiivselt laetud ioone. Nb-MXeenide dzeeta potentsiaali ja juhtivuse ajalised mõõtmised kultuurikeskkonnas (lisateavet vt SI joonised S7 ja S8) näivad meie hüpoteesi toetavat.
Siiski näitasid mõlemad Nb-MXene SL-id minimaalseid muutusi nullist. See näitab selgelt nende stabiilsust mikrovetikate kasvukeskkonnas. Lisaks hindasime, kas meie roheliste mikrovetikate olemasolu mõjutab Nb-MXeenide stabiilsust keskkonnas. MXeenide dzeetapotentsiaali ja juhtivuse tulemused pärast mikrovetikatega interaktsiooni toitainekeskkonnas ja kultuuris aja jooksul on leitavad lisast (joonis S9 ja S10). Huvitaval kombel märkasime, et mikrovetikate olemasolu stabiliseeris mõlema MXeeni dispersiooni. Nb2CTx SL puhul dzeetapotentsiaal aja jooksul isegi veidi vähenes negatiivsemate väärtusteni (-15,8 vs -19,1 mV pärast 72-tunnist inkubatsiooni). Nb4C3TX SL dzeetapotentsiaal veidi suurenes, kuid 72 tunni pärast näitas see siiski suuremat stabiilsust kui nanohelbed ilma mikrovetikateta (-18,1 vs -9,1 mV).
Samuti leidsime mikrovetikate juuresolekul inkubeeritud Nb-MXeeni lahuste madalamat juhtivust, mis viitab ioonide väiksemale hulgale toitainekeskkonnas. Märkimisväärne on see, et MXeenide ebastabiilsus vees on peamiselt tingitud pinnaoksüdatsioonist57. Seetõttu kahtlustame, et rohelised mikrovetikad eemaldasid kuidagi Nb-MXeeni pinnale tekkinud oksiidid ja isegi takistasid nende teket (MXeeni oksüdatsiooni). Seda on näha mikrovetikate poolt imenduvate ainete tüüpide uurimisel.
Kuigi meie ökotoksikoloogilised uuringud näitasid, et mikrovetikad suutsid aja jooksul ületada Nb-MXeenide toksilisuse ja stimuleeritud kasvu ebatavalise pärssimise, oli meie uuringu eesmärk uurida võimalikke toimemehhanisme. Kui organismid, näiteks vetikad, puutuvad kokku nende ökosüsteemidele võõraste ühendite või materjalidega, võivad nad reageerida mitmel viisil58,59. Mürgiste metalloksiidide puudumisel saavad mikrovetikad end toita, mis võimaldab neil pidevalt kasvada60. Pärast mürgiste ainete allaneelamist võivad aktiveeruda kaitsemehhanismid, näiteks muuta kuju või vormi. Samuti tuleb arvestada imendumise võimalusega58,59. Märkimisväärne on see, et iga kaitsemehhanismi märk on selge näitaja testühendi toksilisusest. Seetõttu uurisime oma edasises töös SEM-i abil SL Nb-MXene nanoflake'ide ja mikrovetikate võimalikku pinnainteraktsiooni ning Nb-põhise MXeeni võimalikku imendumist röntgenfluorestsentsspektroskoopia (XRF) abil. Pange tähele, et SEM- ja XRF-analüüsid viidi läbi ainult MXeeni kõrgeima kontsentratsiooni juures, et tegeleda aktiivsuse toksilisuse probleemidega.
SEM-i tulemused on näidatud joonisel 4. Töötlemata mikrovetikarakkudel (vt joonis 4a, võrdlusproov) oli selgelt näha tüüpilist R. subcapitata morfoloogiat ja croissant'i-sarnast rakukuju. Rakud tundusid lapikud ja mõnevõrra korrastamata. Mõned mikrovetikarakud kattusid ja takerdusid üksteisega, kuid see oli tõenäoliselt põhjustatud proovi ettevalmistusprotsessist. Üldiselt oli puhastel mikrovetikarakkudel sile pind ja need ei näidanud mingeid morfoloogilisi muutusi.
SEM-pildid, mis näitavad roheliste mikrovetikate ja MXene nanoslehtede vahelist pinnainteraktsiooni pärast 72-tunnist interaktsiooni äärmuslikus kontsentratsioonis (100 mg L-1). (a) Töötlemata rohelised mikrovetikad pärast interaktsiooni SL-iga (b) Nb2CTx ja (c) Nb4C3TX MXeenidega. Pange tähele, et Nb-MXene nanoshelbed on tähistatud punaste nooltega. Võrdluseks on lisatud ka optilise mikroskoobi fotod.
Seevastu SL Nb-MXene nanoflake'ide poolt adsorbeeritud mikrovetikate rakud kahjustusid (vt joonis 4b, c, punased nooled). Nb2CTx MXene puhul (joonis 4b) kipuvad mikrovetikad kasvama kinnitunud kahemõõtmeliste nanoskaaladega, mis võib muuta nende morfoloogiat. Märkimisväärselt täheldasime neid muutusi ka valgusmikroskoobi all (üksikasjad vt SI joonis S11). Sellel morfoloogilisel üleminekul on usutav alus mikrovetikate füsioloogias ja nende võimes end kaitsta rakumorfoloogia muutmise, näiteks rakumahu suurendamise kaudu61. Seetõttu on oluline kontrollida mikrovetikate rakkude arvu, mis tegelikult Nb-MXeenidega kokku puutuvad. SEM-uuringud näitasid, et ligikaudu 52% mikrovetikate rakkudest puutusid kokku Nb-MXeenidega, samas kui 48% neist mikrovetikate rakkudest vältis kokkupuudet. SL Nb4C3Tx MXene puhul püüavad mikrovetikad vältida kokkupuudet MXene'iga, lokaliseerudes ja kasvades seeläbi kahemõõtmelistest nanoskaaladest (joonis 4c). Siiski ei täheldanud me nanoskaalade tungimist mikrovetikate rakkudesse ja nende kahjustusi.
Enesesäilitamine on ka ajast sõltuv reageering fotosünteesi blokeerimisele, mis on tingitud osakeste adsorptsioonist rakupinnale ja nn varjutusefektist62. On selge, et iga objekt (näiteks Nb-MXene nanohelbed), mis asub mikrovetikate ja valgusallika vahel, piirab kloroplastide poolt neelduva valguse hulka. Siiski ei kahtle me, et sellel on saadud tulemustele oluline mõju. Nagu meie mikroskoopilised vaatlused näitasid, ei olnud 2D nanohelbed täielikult mikrovetikate pinnale mähitud ega kleepunud isegi siis, kui mikrovetikate rakud olid kontaktis Nb-MXeenidega. Selle asemel osutusid nanohelbed mikrovetikate rakkudele orienteerituks, katmata nende pinda. Selline nanohelveste/mikrovetikate komplekt ei saa oluliselt piirata mikrovetikate rakkude poolt neelduva valguse hulka. Lisaks on mõned uuringud isegi näidanud fotosünteesivate organismide valguse neeldumise paranemist kahemõõtmeliste nanomaterjalide juuresolekul63,64,65,66.
Kuna SEM-pildid ei suutnud otseselt kinnitada nioobiumi omastamist mikrovetikate rakkude poolt, pöördusime edasises uuringus selle küsimuse selgitamiseks röntgenfluorestsentsi (XRF) ja röntgenfotoelektronspektroskoopia (XPS) analüüsi poole. Seetõttu võrdlesime Nb piikide intensiivsust võrdlusmikrovetikaproovides, mis ei interakteerunud MXeenidega, mikrovetikarakkude pinnalt eraldunud MXeeni nanohelveste ja mikrovetikarakkude puhul pärast kinnitunud MXeenide eemaldamist. Tasub märkida, et kui Nb omastamist ei toimu, peaks mikrovetikarakkude poolt saadud Nb väärtus pärast kinnitunud nanoskaalade eemaldamist olema null. Seega, kui Nb omastamine toimub, peaksid nii XRF- kui ka XPS-tulemused näitama selget Nb piiki.
XRF-spektrite puhul näitasid mikrovetikate proovid pärast interaktsiooni SL Nb2CTx ja Nb4C3Tx MXeeniga Nb piike (vt joonis 5a, pange tähele ka seda, et MAX ja ML MXeeni tulemused on näidatud lisajoonistel, joonistel S12–C17). Huvitaval kombel on Nb piigi intensiivsus mõlemal juhul sama (punased tulbad joonisel 5a). See näitas, et vetikad ei suutnud rohkem Nb absorbeerida ja rakkudes saavutati maksimaalne Nb akumuleerumisvõime, kuigi mikrovetikate rakkudele oli kinnitunud kaks korda rohkem Nb4C3Tx MXeeni (sinised tulbad joonisel 5a). Tähelepanuväärne on see, et mikrovetikate võime metalle absorbeerida sõltub metallioksiidide kontsentratsioonist keskkonnas67,68. Shamshada jt67 leidsid, et magevetikate absorptsioonivõime väheneb pH suurenemisega. Raize jt.68 märkisid, et merevetikate võime metalle absorbeerida oli Pb2+ puhul umbes 25% suurem kui Ni2+ puhul.
(a) Roheliste mikrovetikate rakkude Nb basaalse omastamise röntgenspektroskoopia (XRF) tulemused, mida inkubeeriti äärmusliku SL Nb-MXeenide kontsentratsiooniga (100 mg L-1) 72 tunni jooksul. Tulemused näitavad α esinemist puhastes mikrovetikarakkudes (kontrollproov, hallid tulbad), pinnamikrovetikarakkudest eraldatud 2D nanohelvestes (sinised tulbad) ja mikrovetikarakkudes pärast 2D nanohelveste eraldamist pinnalt (punased tulbad). Elementaarse Nb kogus, (b) mikrovetikate orgaaniliste komponentide (C=O ja CHx/C–O) ja Nb oksiidide keemilise koostise protsent mikrovetikarakkudes pärast inkubeerimist SL Nb-MXeenidega, (c–e) XPS SL Nb2CTx spektrite koostise piigi ja (fh) mikrovetikarakkude poolt internaliseerunud SL Nb4C3Tx MXeeni koostise piigi sobitamine.
Seetõttu eeldasime, et vetikarakud suudavad Nb-d absorbeerida oksiidide kujul. Selle testimiseks viisime läbi XPS-uuringud MXeenidega Nb2CTx ja Nb4C3TX ning vetikarakkudega. Mikrovetikate interaktsiooni tulemused Nb-MXeenidega ja vetikarakkudest eraldatud MXeenidega on näidatud joonisel 5b. Nagu oodatud, tuvastasime mikrovetikate proovides Nb 3d piike pärast MXeeni eemaldamist mikrovetikate pinnalt. C=O, CHx/CO ja Nb oksiidide kvantitatiivne määramine arvutati Nb 3d, O 1s ja C 1s spektrite põhjal, mis saadi Nb2CTx SL (joonis 5c–e) ja Nb4C3Tx SL (joonis 5c–e). Joonis 5f–h) MXeenid. Tabel S1-3 näitab sobitamise tulemusel saadud piikide parameetrite ja üldise keemilise koostise üksikasju. Tähelepanuväärne on see, et Nb2CTx SL ja Nb4C3Tx SL Nb 3d piirkonnad (joonis 5c, f) vastavad ühele Nb2O5 komponendile. Siin ei leidnud me spektrites MXeeniga seotud piike, mis näitab, et mikrovetikate rakud neelavad ainult Nb oksiidivormi. Lisaks lähendasime C 1 s spektrit komponentidega C–C, CHx/C–O, C=O ja –COOH. Me määrasime CHx/C–O ja C=O piigid mikrovetikate rakkude orgaanilisele panusele. Need orgaanilised komponendid moodustavad vastavalt 36% ja 41% Nb2CTx SL ja Nb4C3TX SL C 1 s piikidest. Seejärel sobitasime SL Nb2CTx ja SL Nb4C3TX O 1 s spektrid Nb2O5, mikrovetikate orgaaniliste komponentide (CHx/CO) ja pinnale adsorbeerunud veega.
Lõpuks näitasid XPS-i tulemused selgelt Nb vormi, mitte ainult selle olemasolu. Nb 3d-signaali positsiooni ja dekonvolutsiooni tulemuste põhjal kinnitame, et Nb neeldub ainult oksiidide kujul, mitte ioonide või MXeeni enda kujul. Lisaks näitasid XPS-i tulemused, et mikrovetikarakkudel on suurem võime omastada Nb oksiide SL Nb2CTx-ist võrreldes SL Nb4C3TX MXeeniga.
Kuigi meie Nb omastamise tulemused on muljetavaldavad ja võimaldavad meil tuvastada MXeeni lagunemist, puudub meetod seotud morfoloogiliste muutuste jälgimiseks 2D nanoflakides. Seetõttu otsustasime välja töötada ka sobiva meetodi, mis suudab otseselt reageerida mis tahes muutustele, mis toimuvad 2D Nb-MXeeni nanoflakides ja mikrovetikarakkudes. Oluline on märkida, et eeldame, et kui interakteeruvad liigid läbivad mis tahes transformatsiooni, lagunemise või defragmentimise, peaks see kiiresti avalduma kuju parameetrite muutustena, näiteks ekvivalentse ringikujulise ala läbimõõdu, ümaruse, Fereti laiuse või Fereti pikkuse osas. Kuna need parameetrid sobivad piklike osakeste või kahemõõtmeliste nanoflakide kirjeldamiseks, annab nende jälgimine dünaamilise osakeste kuju analüüsi abil meile väärtuslikku teavet SL Nb-MXeeni nanoflakide morfoloogilise transformatsiooni kohta redutseerimise ajal.
Saadud tulemused on näidatud joonisel 6. Võrdluseks testisime ka algset MAX-faasi ja ML-MXeene (vt SI joonised S18 ja S19). Osakeste kuju dünaamiline analüüs näitas, et kõik kahe Nb-MXene SL kujuparameetrid muutusid pärast mikrovetikatega interaktsiooni oluliselt. Nagu näitab ekvivalentse ringikujulise pindala läbimõõdu parameeter (joonis 6a, b), näitab suurte nanoflakide fraktsiooni vähenenud piigi intensiivsus, et need kipuvad lagunema väiksemateks fragmentideks. Joonisel 6c, d on näidatud helveste põikisuurusega (nanokflakide pikenemine) seotud piikide vähenemine, mis näitab 2D nanoflakide muutumist osakeste sarnasemaks kujuks. Joonis 6e-h näitab vastavalt Fereti laiust ja pikkust. Fereti laius ja pikkus on üksteist täiendavad parameetrid ja seetõttu tuleks neid koos vaadelda. Pärast 2D Nb-MXene nanoflakide inkubeerimist mikrovetikate juuresolekul nihkusid nende Fereti korrelatsioonipiigid ja intensiivsus vähenes. Nende tulemuste põhjal koos morfoloogia, röntgenkiirguse ja röntgenspektroskoopia (XRF) ja röntgenspektroskoopiaga (XPS) jõudsime järeldusele, et täheldatud muutused on tugevalt seotud oksüdatsiooniga, kuna oksüdeerunud MXeenid muutuvad kortsulisemaks ning lagunevad fragmentideks ja sfäärilisteks oksiidiosakesteks 69,70.
Roheliste mikrovetikatega interaktsiooni järgselt toimuva MXeeni transformatsiooni analüüs. Dünaamiline osakeste kuju analüüs võtab arvesse selliseid parameetreid nagu (a, b) ekvivalentse ringikujulise ala läbimõõt, (c, d) ümarus, (e, f) Fereti laius ja (g, h) Fereti pikkus. Selleks analüüsiti kahte võrdlusmikrovetika proovi koos primaarsete SL Nb2CTx ja SL Nb4C3Tx MXeenidega, SL Nb2CTx ja SL Nb4C3Tx MXeenidega, lagundatud mikrovetikatega ja töödeldud mikrovetikatega SL Nb2CTx ja SL Nb4C3Tx MXeenidega. Punased nooled näitavad uuritud kahemõõtmeliste nanohelveste kujuparameetrite üleminekuid.
Kuna kujuparameetrite analüüs on väga usaldusväärne, saab sellega paljastada ka mikrovetikarakkude morfoloogilisi muutusi. Seetõttu analüüsisime puhaste mikrovetikarakkude ja rakkude ekvivalentset ringikujulise pindala läbimõõtu, ümarust ja Fereti laiust/pikkust pärast interaktsiooni 2D Nb nanohelvestega. Joonistel 6a–h on näidatud vetikarakkude kujuparameetrite muutused, mida tõendab piigi intensiivsuse vähenemine ja maksimumide nihkumine kõrgemate väärtuste suunas. Eelkõige näitasid rakkude ümaruse parameetrid piklike rakkude vähenemist ja sfääriliste rakkude suurenemist (joonis 6a, b). Lisaks suurenes Fereti rakkude laius pärast interaktsiooni SL Nb2CTx MXene-ga mitme mikromeetri võrra (joonis 6e) võrreldes SL Nb4C3TX MXene-ga (joonis 6f). Kahtlustame, et see võib olla tingitud Nb-oksiidide tugevast omastamisest mikrovetikate poolt interaktsioonil Nb2CTx SR-ga. Nb-helveste vähem jäik kinnitumine nende pinnale võib põhjustada rakkude kasvu minimaalse varjutusefektiga.
Meie tähelepanekud mikrovetikate kuju ja suuruse parameetrite muutuste kohta täiendavad teisi uuringuid. Rohelised mikrovetikad võivad oma morfoloogiat muuta vastusena keskkonnastressile, muutes raku suurust, kuju või ainevahetust61. Näiteks rakkude suuruse muutmine hõlbustab toitainete imendumist71. Väiksemad vetikarakud omastavad toitaineid vähem ja nende kasvukiirus on aeglustunud. Seevastu suuremad rakud tarbivad rohkem toitaineid, mis seejärel ladestuvad rakusiseselt72,73. Machado ja Soares leidsid, et fungitsiid triklosaan võib suurendada rakkude suurust. Samuti leidsid nad vetikate kujus olulisi muutusi74. Lisaks näitasid Yin jt9 ka vetikate morfoloogilisi muutusi pärast kokkupuudet redutseeritud grafeenoksiidi nanokomposiitidega. Seega on selge, et mikrovetikate muutunud suuruse/kuju parameetrid on põhjustatud MXeeni olemasolust. Kuna see suuruse ja kuju muutus viitab toitainete omastamise muutustele, usume, et suuruse ja kuju parameetrite analüüs aja jooksul näitab nioobiumoksiidi omastamist mikrovetikate poolt Nb-MXeenide juuresolekul.
Lisaks võivad MXeenid vetikate juuresolekul oksüdeeruda. Dalai jt75 täheldasid, et nano-TiO2 ja Al2O376-ga kokkupuutunud rohevetikate morfoloogia ei olnud ühtlane. Kuigi meie tähelepanekud on sarnased käesoleva uuringuga, on see oluline ainult bioremediatsiooni mõju uurimisel MXeeni lagunemissaaduste osas 2D nanoflakide, mitte nanoosakeste juuresolekul. Kuna MXeenid võivad laguneda metalloksiidideks,31,32,77,78, on mõistlik eeldada, et meie Nb nanoflake'id võivad pärast mikrovetikarakkudega suhtlemist moodustada ka Nb-oksiide.
2D-Nb nanoflake'ide redutseerimise selgitamiseks oksüdatsiooniprotsessil põhineva lagunemismehhanismi kaudu viisime läbi uuringud, kasutades kõrglahutusega transmissioon-elektronmikroskoopiat (HRTEM) (joonis 7a, b) ja röntgenfotoelektronspektroskoopiat (XPS) (joonis 7). 7c-i ja tabelid S4-5). Mõlemad lähenemisviisid sobivad 2D-materjalide oksüdatsiooni uurimiseks ja täiendavad teineteist. HRTEM suudab analüüsida kahemõõtmeliste kihiliste struktuuride lagunemist ja sellele järgnevat metalloksiidi nanoosakeste teket, samas kui XPS on tundlik pinnasidemete suhtes. Sel eesmärgil testisime mikrovetikate rakkude dispersioonidest ekstraheeritud 2D Nb-MXene nanoflake'e, st nende kuju pärast interaktsiooni mikrovetikate rakkudega (vt joonis 7).
HRTEM-pildid, mis näitavad oksüdeeritud (a) SL Nb2CTx ja (b) SL Nb4C3Tx MXeenide morfoloogiat, XPS-analüüsi tulemused, mis näitavad (c) oksiidproduktide koostist pärast redutseerimist, (d–f) roheliste mikrovetikatega parandatud SL Nb2CTx ja (g–i) Nb4C3Tx SL XPS-spektrite komponentide piikide vastavust.
HRTEM-uuringud kinnitasid kahte tüüpi Nb-MXene nanoflake'ide oksüdeerumist. Kuigi nanoflake'id säilitasid mingil määral oma kahemõõtmelise morfoloogia, põhjustas oksüdeerumine paljude nanoosakeste ilmumise MXene nanoflake'ide pinnale (vt joonis 7a, b). c Nb 3d ja O 1s signaalide XPS-analüüs näitas, et mõlemal juhul moodustusid Nb-oksiidid. Nagu on näidatud joonisel 7c, on 2D MXene Nb2CTx ja Nb4C3TX Nb 3d signaalid, mis näitavad NbO ja Nb2O5 oksiidide olemasolu, samas kui O 1s signaalid näitavad 2D nanoflake'i pinna funktsionaliseerumisega seotud O-Nb sidemete arvu. Panime tähele, et Nb oksiidi panus on domineeriv võrreldes Nb-C ja Nb3+-O-ga.
Joonistel 7g–i on näidatud mikrovetikarakkudest eraldatud Nb 3d, C 1s ja O 1s SL Nb2CTx (vt joonised 7d–f) ja SL Nb4C3TX MXeeni XPS-spektrid. Nb-MXeenide piigi parameetrite üksikasjad on esitatud vastavalt tabelites S4–5. Esmalt analüüsisime Nb 3d koostist. Erinevalt mikrovetikarakkude poolt neeldunud Nb-st leiti mikrovetikarakkudest eraldatud MXeenis lisaks Nb2O5-le ka teisi komponente. Nb2CTx SL-s täheldasime Nb3+-O panust 15% ulatuses, samas kui ülejäänud Nb 3d spektris domineeris Nb2O5 (85%). Lisaks sisaldab SL Nb4C3TX proov Nb-C (9%) ja Nb2O5 (91%) komponente. Siin pärineb Nb-C kahest sisemisest metallkarbiidi aatomikihist Nb4C3Tx SR-is. Seejärel kaardistame C 1s spektrid neljaks erinevaks komponendiks, nagu me tegime internaliseeritud proovide puhul. Nagu oodatud, domineerib C 1s spektris grafiitne süsinik, millele järgnevad mikrovetikarakkude orgaaniliste osakeste (CHx/CO ja C=O) panused. Lisaks täheldasime O 1s spektris mikrovetikarakkude orgaaniliste vormide, nioobiumoksiidi ja adsorbeeritud vee panust.
Lisaks uurisime, kas Nb-MXeenide lõhustumine on seotud reaktiivsete hapnikuühendite (ROS) esinemisega toitainekeskkonnas ja/või mikrovetikate rakkudes. Selleks hindasime singletse hapniku (1O2) taset kultuurikeskkonnas ja rakusisese glutatiooni, tiooli, mis toimib mikrovetikates antioksüdandina, taset. Tulemused on näidatud lisana (joonis S20 ja S21). SL Nb2CTx ja Nb4C3TX MXeenidega kultuure iseloomustas 1O2 vähenenud kogus (vt joonis S20). SL Nb2CTx puhul vähenes MXeen 1O2 umbes 83%-ni. SL-i kasutavate mikrovetikate kultuuride puhul vähenes Nb4C3TX 1O2 veelgi rohkem, 73%-ni. Huvitaval kombel näitasid 1O2 muutused sama trendi kui eelnevalt täheldatud inhibeeriv-stimuleeriv efekt (vt joonis 3). Võib väita, et inkubeerimine eredas valguses võib muuta fotooksüdatsiooni. Kontrollanalüüsi tulemused näitasid aga katse jooksul peaaegu konstantset 1O2 taset (joonis S22). Rakusiseste ROS-i tasemete puhul täheldasime samuti sama langustrendi (vt joonis S21). Algselt ületas ROS-i tase Nb2CTx ja Nb4C3Tx SL-ide juuresolekul kultiveeritud mikrovetikarakkudes mikrovetikate puhaskultuurides leitud tasemeid. Lõpuks selgus aga, et mikrovetikad kohanesid mõlema Nb-MXeeni juuresolekul, kuna ROS-i tase langes vastavalt 85%-ni ja 91%-ni tasemetest, mida mõõdeti Nb2CTx ja Nb4C3TX-iga inokuleeritud mikrovetikate puhaskultuurides. See võib viidata sellele, et mikrovetikad tunnevad end aja jooksul Nb-MXeeni juuresolekul mugavamalt kui ainult toitekeskkonnas.
Mikrovetikad on mitmekesine fotosünteesivate organismide rühm. Fotosünteesi käigus muundavad nad atmosfääri süsinikdioksiidi (CO2) orgaaniliseks süsinikuks. Fotosünteesi produktideks on glükoos ja hapnik79. Kahtlustame, et nii tekkinud hapnik mängib Nb-MXeenide oksüdeerimisel kriitilist rolli. Üks võimalik seletus sellele on see, et diferentsiaalse aeratsiooni parameeter moodustub madala ja kõrge hapniku osarõhu korral Nb-MXene nanohelveste sees ja väljaspool. See tähendab, et kõikjal, kus on erineva hapniku osarõhuga alad, moodustab madalaima tasemega ala anoodi 80, 81, 82. Siin aitavad mikrovetikad kaasa MXene helveste pinnale diferentsiaalselt aereeritud rakkude tekkele, mis oma fotosünteesi omaduste tõttu toodavad hapnikku. Selle tulemusena tekivad biokorrosiooni produktid (antud juhul nioobiumoksiidid). Teine aspekt on see, et mikrovetikad võivad toota orgaanilisi happeid, mis eralduvad vette83,84. Seetõttu tekib agressiivne keskkond, mis muudab Nb-MXeene. Lisaks võivad mikrovetikad muuta keskkonna pH-d aluseliseks süsinikdioksiidi neeldumise tõttu, mis võib samuti põhjustada korrosiooni79.
Veelgi olulisem on see, et meie uuringus kasutatud pimeda/valguse fotoperiood on saadud tulemuste mõistmiseks kriitilise tähtsusega. Seda aspekti on üksikasjalikult kirjeldatud Djemai-Zoghlache jt. töös. 85 Nad kasutasid teadlikult 12/12-tunnist fotoperioodi, et demonstreerida punaste mikrovetikate Porphyridium purpureum biosaastumisega seotud biokorrosiooni. Nad näitavad, et fotoperiood on seotud potentsiaali arenguga ilma biokorrosioonita, avaldudes pseudoperioodiliste võnkumiste näol umbes kell 24:00. Neid tähelepanekuid kinnitasid Dowling jt. 86 Nad demonstreerisid tsüanobakterite Anabaena fotosünteetilisi biokilesid. Valguse toimel moodustub lahustunud hapnik, mis on seotud vaba biokorrosiooni potentsiaali muutuse või kõikumistega. Fotoperioodi olulisust rõhutab asjaolu, et biokorrosiooni vaba potentsiaal suureneb valguse faasis ja väheneb pimedas faasis. See on tingitud fotosünteetiliste mikrovetikate poolt toodetud hapnikust, mis mõjutab katoodreaktsiooni elektroodide lähedal tekkiva osarõhu kaudu.
Lisaks viidi läbi Fourier' teisendusega infrapunaspektroskoopia (FTIR), et teha kindlaks, kas mikrovetikate rakkude keemilises koostises on pärast Nb-MXeenidega interaktsiooni toimunud muutusi. Saadud tulemused on keerukad ja me esitame need SI-na (joonis S23-S25, sealhulgas MAX-etapi ja ML-MXeenide tulemused). Lühidalt öeldes annavad saadud mikrovetikate võrdlusspektrid meile olulist teavet nende organismide keemiliste omaduste kohta. Need kõige tõenäolisemad vibratsioonid paiknevad sagedustel 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1, 1,1 (C–H) ja 3280 cm–1 (O–H). SL Nb-MXeenide puhul leidsime CH-sideme venitusjälje, mis on kooskõlas meie varasema uuringuga38. Siiski täheldasime, et mõned C=C ja CH-sidemetega seotud täiendavad piigid kadusid. See näitab, et mikrovetikate keemiline koostis võib SL Nb-MXeenidega interaktsiooni tõttu väiksemaid muutusi läbi viia.
Mikrovetikate biokeemia võimalike muutuste kaalumisel tuleb uuesti läbi vaadata anorgaaniliste oksiidide, näiteks nioobiumoksiidi, akumuleerumine59. See on seotud metallide omastamisega rakupinna poolt, nende transportimisega tsütoplasmasse, nende seostumisega rakusiseste karboksüülrühmadega ja nende akumuleerumisega mikrovetikate polüfosfosoomides20,88,89,90. Lisaks säilitavad mikrovetikate ja metallide vahelist suhet rakkude funktsionaalsed rühmad. Sel põhjusel sõltub imendumine ka mikrovetikate pinnakeemiast, mis on üsna keeruline9,91. Üldiselt, nagu oodatud, muutus roheliste mikrovetikate keemiline koostis Nb-oksiidi imendumise tõttu veidi.
Huvitaval kombel oli mikrovetikate esialgne pärssimine aja jooksul pöörduv. Nagu me täheldasime, said mikrovetikad esialgsest keskkonnamuutusest üle ja lõpuks taastusid normaalsed kasvukiirused ning isegi suurenesid. Zeta potentsiaali uuringud näitavad toitainekeskkonda viimisel suurt stabiilsust. Seega säilis mikrovetikarakkude ja Nb-MXene nanohelveste vaheline pinnainteraktsioon kogu redutseerimiskatsete vältel. Oma edasises analüüsis võtame kokku peamised toimemehhanismid, mis on mikrovetikate selle tähelepanuväärse käitumise aluseks.
SEM-vaatlused on näidanud, et mikrovetikad kipuvad kinnituma Nb-MXeenidele. Dünaamilise pildianalüüsi abil kinnitame, et see efekt viib kahemõõtmeliste Nb-MXene nanoflake'ide muutumiseni sfäärilisemateks osakesteks, näidates seeläbi, et nanoflake'ide lagunemine on seotud nende oksüdeerumisega. Meie hüpoteesi kontrollimiseks viisime läbi rea materjali- ja biokeemilisi uuringuid. Pärast testimist oksüdeerusid nanoflake'id järk-järgult ja lagunesid NbO ja Nb2O5 produktideks, mis ei kujutanud endast ohtu rohelistele mikrovetikatele. FTIR-vaatluse abil ei leidnud me 2D Nb-MXene nanoflake'ide juuresolekul inkubeeritud mikrovetikate keemilises koostises olulisi muutusi. Võttes arvesse nioobiumoksiidi imendumise võimalust mikrovetikate poolt, viisime läbi röntgenfluorestsentsanalüüsi. Need tulemused näitavad selgelt, et uuritud mikrovetikad toituvad nioobiumoksiididest (NbO ja Nb2O5), mis ei ole uuritud mikrovetikatele mürgised.