Eskerrik asko Nature.com bisitatzeagatik.CSS laguntza mugatua duen arakatzailearen bertsioa erabiltzen ari zara.Esperientzia onena lortzeko, eguneratutako arakatzailea erabiltzea gomendatzen dugu (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desgaitzea).Bitartean, laguntza etengabea bermatzeko, gunea estilorik eta JavaScript gabe errendatuko dugu.
Hiru diapositibako karrusel bat bistaratzen du aldi berean.Erabili Aurrekoa eta Hurrengoa botoiak aldi berean hiru diapositibatik mugitzeko, edo erabili amaierako graduatzaile-botoiak hiru diapositibatik aldi berean mugitzeko.
Nanoteknologiaren garapen azkarrak eta eguneroko aplikazioetan integratzeak ingurumena arriskuan jar dezake.Kutsatzaile organikoak degradatzeko metodo berdeak ondo finkatuta dauden arren, kutsatzaile inorganiko kristalinoak berreskuratzea kezka handia da biotransformazioarekiko sentsibilitate txikia dutelako eta materialaren gainazaleko elkarreraginak biologikoekin ulertzen ez direlako.Hemen, Nb-n oinarritutako 2D MXenes eredu ez-organiko bat erabiltzen dugu forma-parametroen analisi metodo sinple batekin konbinatuta, Raphidocelis subcapitata mikroalga berdearen 2D zeramikazko nanomaterialen bioerremediazio-mekanismoa jarraitzeko.Mikroalgek Nb-n oinarritutako MXenak degradatzen dituztela ikusi genuen gainazaleko elkarrekintza fisiko-kimikoen ondorioz.Hasieran, geruza bakarreko eta geruza anitzeko MXene nanomalutak mikroalgen gainazalean erantsi ziren, eta horrek zertxobait murriztu zuen algen hazkundea.Hala ere, gainazaleko elkarrekintza luzean, mikroalgek MXene nanomalutak oxidatu eta gehiago deskonposatu zituzten NbO eta Nb2O5-etan.Oxido hauek mikroalgaren zelulentzat toxikoak ez direnez, Nb oxido nanopartikulak kontsumitzen dituzte, ura tratatu ondoren mikroalgak 72 orduz gehiago berreskuratzen dituen xurgapen-mekanismo baten bidez.Xurgapenarekin lotutako mantenugaien ondorioak zelulen bolumenaren igoeran, haien forma leunean eta hazkunde-tasa aldatzean ere islatzen dira.Aurkikuntza hauetan oinarrituta, ondorioztatzen dugu epe laburrean eta luzean Nb-n oinarritutako MXenek ur gezako ekosistemetan egoteak ingurumen-inpaktu txikiak soilik eragin ditzakeela.Aipagarria da, bi dimentsioko nanomaterialak eredu-sistema gisa erabiliz, forma-eraldaketaren jarraipena egiteko aukera erakusten dugula ale fineko materialetan ere.Oro har, ikerketa honek gainazaleko elkarrekintzarekin lotutako prozesuei buruzko oinarrizko galdera garrantzitsu bati erantzuten dio 2D nanomaterialen bioerremediazio mekanismoa bultzatzen duten eta epe laburrerako eta epe luzerako nanomaterial kristalino ez-organikoen ingurumen-inpaktuaren inguruko azterketa gehiago egiteko oinarria eskaintzen du.
Nanomaterialek interes handia sortu dute aurkitu zutenetik, eta hainbat nanoteknologia modernizazio fasean sartu dira berriki1.Zoritxarrez, nanomaterialak eguneroko aplikazioetan txertatzeak ustekabeko askapenak ekar ditzake, ezabatze desegokiagatik, arduragabekeriaz manipulatzeagatik edo segurtasun azpiegitura desegokiagatik.Hori dela eta, zentzuzkoa da nanomaterialak, bi dimentsioko (2D) nanomaterialak barne, ingurune naturalera isur daitezkeela, eta horien portaera eta jarduera biologikoa oraindik ez dira guztiz ulertzen.Hori dela eta, ez da harritzekoa ekotoxikotasunaren kezkak 2D nanomaterialek ur-sistemetara lixibiatzeko gaitasunean bideratu izana2,3,4,5,6.Ekosistema hauetan, 2D nanomaterial batzuek maila trofiko desberdinetako hainbat organismorekin elkarreragin dezakete, mikroalgekin barne.
Mikroalgak ur gezako eta itsas ekosistemetan modu naturalean aurkitzen diren organismo primitiboak dira, fotosintesiaren bidez hainbat produktu kimiko ekoizten dituztenak7.Horiek horrela, funtsezkoak dira uretako ekosistemetarako8,9,10,11,12, baina ekotoxikotasunaren adierazle sentikorrak, merkeak eta oso erabiliak ere badira13,14.Mikroalgen zelulek hainbat konposatuen presentziari azkar eta azkar ugaltzen direnez, itxaropentsuak dira substantzia organikoekin kutsatutako ura tratatzeko ingurumena errespetatzen duten metodoak garatzeko15,16.
Alga zelulek uretatik ioi ez-organikoak ken ditzakete biozurgapen eta metaketaren bidez17,18.Alga espezie batzuk, hala nola Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue eta Synechococcus sp.Fe2+, Cu2+, Zn2+ eta Mn2+19 bezalako metal ioi toxikoak garraiatzen eta elikatzen dituela aurkitu da.Beste ikerketek erakutsi dute Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ edo Pb2+ ioiek Scenedesmus-en hazkundea mugatzen dutela zelulen morfologia aldatuz eta haien kloroplastoak suntsituz20,21.
Kutsatzaile organikoak deskonposatzeko eta metal astunen ioiak kentzeko metodo berdeek mundu osoko zientzialari eta ingeniarien arreta erakarri dute.Hau da, batez ere, kutsatzaile horiek fase likidoan erraz prozesatzen direlako.Hala ere, kutsatzaile kristalino ez-organikoen ezaugarriak ur-disolbagarritasun txikia eta hainbat bioeraldaketarekiko suszeptibilitate txikia dira, eta horrek zailtasun handiak eragiten ditu konponketan, eta arlo horretan aurrerapen gutxi egin dira22,23,24,25,26.Horrela, nanomaterialen konponketarako ingurumena errespetatzen duten irtenbideak bilatzea eremu konplexua eta esploratu gabea izaten jarraitzen du.2D nanomaterialen bioeraldaketa-efektuen inguruko ziurgabetasun-maila handia dela eta, ez dago modu errazik murrizketan degradatzeko bide posibleak ezagutzeko.
Azterketa honetan, mikroalga berdeak material zeramika ez-organikoen bioerremediazio-agente aktibo gisa erabili ditugu, MXene-ren degradazio-prozesuaren in situ monitorizazioarekin konbinatuta, zeramikazko material ez-organikoen ordezkari gisa."MXene" terminoak Mn+1XnTx materialaren estekiometria islatzen du, non M trantsizio metal goiztiarra den, X karbonoa eta/edo nitrogenoa den, Tx gainazaleko amaiera (adibidez, -OH, -F, -Cl) eta n = 1, 2, 3 edo 427.28.Naguib et al-ek MXenes aurkitu zutenetik.Sentsoriak, minbiziaren terapia eta mintz-iragazpena 27,29,30.Gainera, MXenak 2D sistema eredugarritzat har daitezke, egonkortasun koloidal bikainagatik eta interakzio biologiko posibleengatik31,32,33,34,35,36.
Hori dela eta, artikulu honetan garatutako metodologia eta gure ikerketa-hipotesiak 1. Irudian ageri dira. Hipotesi honen arabera, mikroalgek Nb oinarritutako MXenak konposatu ez-toxikoetan degradatzen dituzte gainazaleko elkarrekintza fisiko-kimikoen ondorioz, eta horrek algak gehiago berreskuratzeko aukera ematen du.Hipotesi hau probatzeko, niobioan oinarritutako trantsizio-metal karburo eta/edo nitruro (MXenes) hasierako familiako bi kide aukeratu ziren, hots, Nb2CTx eta Nb4C3TX.
Ikerketa-metodologia eta ebidentzian oinarritutako hipotesiak Raphidocelis subcapitata mikroalga berdeek MXenea berreskuratzeko.Kontuan izan ebidentzian oinarritutako hipotesien irudikapen eskematiko bat besterik ez dela.Lakuaren ingurunea desberdina da erabilitako mantenugaien eta baldintzen arabera (adibidez, eguneko zikloa eta erabilgarri dauden funtsezko mantenugaien mugak).BioRender.com-ekin sortua.
Horregatik, MXene sistema eredu gisa erabiliz, beste nanomaterial konbentzionalekin behatu ezin diren hainbat efektu biologikoren azterketari ateak ireki dizkiogu.Bereziki, Raphidocelis subcapitata mikroalgak bi dimentsioko nanomaterialak, hala nola niobioan oinarritutako MXenak, bioerremediatzeko aukera frogatzen dugu.Mikroalgak Nb-MXenak degradatzeko gai dira NbO eta Nb2O5 oxido ez-toxikoetan, eta horiek ere mantenugaiak ematen dituzte niobioa hartzeko mekanismoaren bidez.Oro har, ikerketa honek oinarrizko galdera garrantzitsu bati erantzuten dio bi dimentsioko nanomaterialen bioerremediazio mekanismoak zuzentzen dituzten gainazaleko elkarrekintza fisikokimikoekin lotutako prozesuei buruzkoa.Horrez gain, forma-parametroetan oinarritutako metodo sinple bat garatzen ari gara 2D nanomaterialen formako aldaketa sotilen jarraipena egiteko.Horrek epe laburreko eta epe luzeko nanomaterial kristalino ez-organikoen ingurumen-inpaktu ezberdinei buruzko ikerketa gehiago bultzatzen ditu.Horrela, gure ikerketak materialaren gainazalaren eta material biologikoaren arteko elkarrekintzaren ulermena areagotzen du.Era berean, epe laburrean eta epe luzean ur gezako ekosistemetan izan ditzaketen eraginei buruzko azterlan zabalak egiteko oinarria ematen ari gara, orain erraz egiaztatu daitezkeenak.
MXenek propietate fisiko eta kimiko berezi eta erakargarriak dituzten material klase interesgarri bat adierazten dute eta, beraz, aplikazio potentzial askorekin.Propietate hauek beren estekiometriaren eta gainazaleko kimikaren menpe daude hein handi batean.Hori dela eta, gure ikerketan, Nb-n oinarritutako geruza bakarreko (SL) MXen hierarkiko bi mota ikertu ditugu, Nb2CTx eta Nb4C3TX, nanomaterial horien efektu biologiko desberdinak ikusi baitziren.MXenak hasierako materialetatik ekoizten dira MAX faseko A geruzen atomiko meheen goitik beherako grabaketa selektiboaren bidez.MAX fasea trantsizio-metal karburoen bloke "lotu"z eta Al, Si eta Sn bezalako "A" elementuen geruza mehez MnAXn-1 estekiometriarekin osatutako zeramika ternarioa da.Hasierako MAX fasearen morfologia ekorketa-mikroskopia elektronikoaren bidez (SEM) behatu zen eta aurreko ikerketekin bat etorri zen (Ikus Informazio osagarria, SI, S1 irudia).Geruza anitzeko (ML) Nb-MXenea Al geruza %48 HF (azido fluorhidrikoarekin) kendu ondoren lortu zen.ML-Nb2CTx eta ML-Nb4C3TX-en morfologia ekorketa-mikroskopia elektronikoaren bidez (SEM) aztertu zen (S1c eta S1d irudiak hurrenez hurren) eta MXene geruzadun morfologia tipikoa ikusi zen, poro-itxurako zirrikitu luzangetatik igarotzen diren bi dimentsioko nanomalutaren antzekoa.Bi Nb-MXenek aurrez grabaketa azido bidez sintetizatutako MXene faseekin asko dute komunean27,38.MXenearen egitura baieztatu ondoren, tetrabutilamonio hidroxidoaren (TBAOH) tartekatuz geruzatu genuen eta ondoren garbiketa eta sonikapena egin genuen, eta ondoren geruza bakarreko edo geruza baxuko (SL) 2D Nb-MXene nanomalutak lortu genituen.
Erresoluzio handiko transmisio-mikroskopia elektronikoa (HRTEM) eta X izpien difrakzioa (XRD) erabili ditugu grabaketaren eta zuritzearen eraginkortasuna probatzeko.Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) eta Fast Fourier Transform (FFT) erabiliz prozesatutako HRTEM emaitzak 2. irudian ageri dira. Nb-MXene nanomalutak ertz gora orientatu ziren geruza atomikoaren egitura egiaztatzeko eta planoen arteko distantzia neurtzeko.MXene Nb2CTx eta Nb4C3TX nanomalutaren HRTEM irudiek geruza atomiko meheen izaera agerian utzi zuten (ikus 2a1, a2. irudiak), Naguib et al.27 eta Jastrzębska et al.38 aldez aurretik jakinarazi dutenez.Aldameneko bi Nb2CTx eta Nb4C3Tx monogeruzetarako, 0,74 eta 1,54 nm-ko geruzen arteko distantziak zehaztu ditugu, hurrenez hurren (2b1,b2 irudiak), eta hori ere bat dator gure aurreko emaitzekin38.Hori gehiago baieztatu zen Fourier transformazio azkarra alderantzizkoarekin (2c1, c2) eta Fourier transformazio azkarrarekin (2d1, d2 irudia), Nb2CTx eta Nb4C3Tx monogeruzen arteko distantzia erakutsiz.Irudiak niobio eta karbono atomoei dagozkien banda argien eta ilunen txandaketa erakusten du, eta horrek berresten du aztertutako MXenen geruzadun izaera.Garrantzitsua da kontuan izan Nb2CTx eta Nb4C3Tx-entzat (S2a eta S2b irudiak) lortutako X izpien espektroskopia energia-dispertsioko espektroek (S2a eta S2b irudiak) jatorrizko MAX fasearen aztarnarik ez dutela erakutsi, ez baita Al gailurrik detektatu.
SL Nb2CTx eta Nb4C3Tx MXene nanomalutak ezaugarritzea, besteak beste (a) bereizmen handiko mikroskopia elektronikoa (HRTEM) albo-ikuspegiko 2D nanomaluta irudia eta dagozkionak, (b) intentsitate modua, (c) Fourier transformazio azkarra alderantzizkoa (IFFT), (d) Fourier transformazio azkarra (FFT), (e) Nb-MXen ereduak.SL 2D Nb2CTx-rako, zenbakiak (a1, b1, c1, d1, e1) honela adierazten dira.SL 2D Nb4C3Tx-rako, zenbakiak (a2, b2, c2, d2, e1) honela adierazten dira.
SL Nb2CTx eta Nb4C3Tx MXenen X izpien difrakzioaren neurketak irudietan ageri dira.2e1 eta e2, hurrenez hurren.4.31 eta 4.32-ko gailurrak (002) aurretik deskribatutako Nb2CTx eta Nb4C3TX38,39,40,41 geruzadun MXenei dagozkie, hurrenez hurren.XRD emaitzek ML egitura eta MAX fase hondar batzuen presentzia ere adierazten dute, baina gehienbat SL Nb4C3Tx-rekin lotutako XRD ereduak (2e2. irudia).MAX faseko partikula txikiagoak egoteak MAX gailur indartsuagoa azal dezake ausaz pilatutako Nb4C3Tx geruzekin alderatuta.
Ikerketa gehiago R. subcapitata espezieko mikroalga berdeetan zentratu dira.Mikroalgak aukeratu ditugu elika-sare nagusietan parte hartzen duten ekoizle garrantzitsuak direlako42.Gainera, toxikotasunaren adierazle onenetariko bat dira, elika-katearen maila altuagoetara eramaten diren substantzia toxikoak kentzeko gaitasunagatik43.Gainera, R. subcapitata-ri buruzko ikerketek SL Nb-MXenek ur gezako mikroorganismo arruntekiko duten kasualitatezko toxikotasuna argitu dezakete.Hori argitzeko, ikertzaileek hipotesia egin zuten mikrobio bakoitzak ingurunean dauden konposatu toxikoekiko sentsibilitate ezberdina duela.Organismo gehienentzat, substantzien kontzentrazio baxuek ez dute haien hazkuntzan eragiten, eta muga jakin batetik gorako kontzentrazioek, berriz, eragotzi edo heriotza eragin dezakete.Hori dela eta, mikroalgen eta MXenen arteko gainazaleko elkarreragina eta lotutako berreskurapena aztertzeko, Nb-MXenen kontzentrazio kaltegabe eta toxikoak probatzea erabaki genuen.Horretarako, 0 (erreferentzia gisa), 0,01, 0,1 eta 10 mg l-1 MXenoko kontzentrazioa probatu dugu eta, gainera, MXene (100 mg l-1 MXeno) kontzentrazio oso altuak dituzten mikroalgak infektatuak, muturrekoak eta hilgarriak izan daitezkeenak..edozein ingurune biologikorako.
SL Nb-MXenek mikroalgetan duten eragina 3. irudian ageri da, 0 mg l-1 laginetarako neurtutako hazkundearen sustapenaren (+) edo inhibizioaren (-) ehuneko gisa adierazita.Konparaziorako, Nb-MAX fasea eta ML Nb-MXenak ere probatu ziren eta emaitzak SIn agertzen dira (ikus S3. irudia).Lortutako emaitzek baieztatu zuten SL Nb-MXenes ia guztiz toxikotasunik gabe dagoela 0,01 eta 10 mg/l arteko kontzentrazio baxuen tartean, 3a,b irudietan ikusten den bezala.Nb2CTx-en kasuan, ez dugu %5eko ekotoxikotasuna baino gehiago ikusi zehaztutako tartean.
Mikroalgen hazkuntzaren estimulazioa (+) edo inhibizioa (-) SL (a) Nb2CTx eta (b) Nb4C3TX MXenearen aurrean.MXene-mikroalgak 24, 48 eta 72 orduko elkarrekintza aztertu ziren. Datu esanguratsuak (t-test, p < 0,05) izartxo batekin markatu dira. Datu esanguratsuak (t-test, p < 0,05) izartxo batekin markatu dira. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Datu esanguratsuak (t-test, p < 0,05) izartxo batekin markatzen dira.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 (*). Datu garrantzitsuak (t-test, p < 0,05) izartxo batekin markatzen dira.Gezi gorriak estimulazio inhibitzailearen abolizioa adierazten du.
Bestalde, Nb4C3TX-ren kontzentrazio baxuak zertxobait toxikoagoak izan ziren, baina ez %7 baino handiagoak.Espero zen bezala, MXenek toxikotasun handiagoa eta mikroalgen hazkuntza inhibizioa 100mg L-1-n zituela ikusi genuen.Interesgarria da, materialetako batek ere ez zuen efektu atoxiko/toxikoen joera eta denboraren mendekotasun bera erakutsi MAX edo ML laginekin alderatuta (ikus SI xehetasunetarako).MAX faserako (ikus S3. irudia) toxikotasuna gutxi gorabehera % 15-25era iritsi zen eta denborarekin hazi egin zen, SL Nb2CTx eta Nb4C3TX MXene-ren alderantzizko joera ikusi zen.Mikroalgen hazkundearen inhibizioa gutxitu egin zen denborarekin.Gutxi gorabehera % 17ra iritsi zen 24 orduren buruan eta % 5 baino gutxiagora jaitsi zen 72 orduren buruan (3a, b irudiak, hurrenez hurren).
Are garrantzitsuagoa dena, SL Nb4C3TXrentzat, mikroalgen hazkuntzaren inhibizioa % 27ra iritsi zen 24 orduren buruan, baina 72 orduren buruan % 1 ingurura jaitsi zen.Hori dela eta, ikusitako efektua estimulazioaren alderantzizko inhibizio gisa etiketatu genuen, eta efektua indartsuagoa izan zen SL Nb4C3TX MXenerako.Mikroalgen hazkundearen estimulazioa lehenago adierazi zen Nb4C3TX-rekin (interakzioa 10 mg L-1-tan 24 orduz) SL Nb2CTx MXenearekin alderatuta.Inhibizioaren-estimulazioaren alderantzizko efektua biomasa bikoizteko tasaren kurban ere ondo erakutsi zen (ikus S4. irudia xehetasunetarako).Orain arte, Ti3C2TX MXenearen ekotoxikotasuna bakarrik ikertu da modu ezberdinetan.Ez da toxikoa zebra-arrain enbrioientzat44, baina neurriz ekotoxikoa Desmodesmus quadricauda eta Sorghum saccharatum landareentzat45 mikroalgentzat.Efektu espezifikoen beste adibide batzuk minbiziaren zelula-lerroekiko toxikotasun handiagoa dute zelula-lerro normalekiko baino46,47.Pentsa liteke proba-baldintzek Nb-MXenen presentzian ikusitako mikroalgen hazkuntzaren aldaketetan eragina izango dutela.Esate baterako, kloroplastoen estroman 8 inguruko pH-a aproposa da RuBisCO entzimaren funtzionamendu eraginkorra izateko.Hori dela eta, pH aldaketek negatiboki eragiten dute fotosintesiaren abiadura48,49.Hala ere, esperimentuan zehar ez dugu pH-aren aldaketa nabarmenik ikusi (ikus SI, S5. irudia xehetasunetarako).Oro har, Nb-MXenes duten mikroalgen hazkuntzak denborarekin disoluzioaren pH apur bat murriztu zuten.Hala ere, jaitsiera hori medio puru baten pH-aren aldaketaren antzekoa izan zen.Gainera, aurkitutako aldaerak mikroalgen (kontrol-lagina) hazkuntza huts baterako neurtutakoaren antzekoa zen.Horrela, ondorioztatzen dugu fotosintesiari ez zaiola eragiten denboran zehar pH-aren aldaketek.
Horrez gain, sintetizatutako MXenek gainazaleko amaierak dituzte (Tx gisa adierazita).Batez ere -O, -F eta -OH talde funtzionalak dira.Hala ere, gainazaleko kimika zuzenean lotuta dago sintesi metodoarekin.Talde hauek gainazalean ausaz banatuta daudela ezagutzen da, eta zaila da MXene50-ren propietateetan duten eragina aurreikustea.Tx argiaren bidez niobioa oxidatzeko indar katalitikoa izan daitekeela esan daiteke.Gainazaleko talde funtzionalek, hain zuzen, ainguratze gune anitz eskaintzen dituzte haien azpiko fotokatalizatzaileentzat heterojunturak eratzeko51.Hala ere, hazteko medioaren konposizioak ez zuen fotokatalizatzaile eraginkorrik eman (ertainen konposizio zehatza SI S6 taulan aurki daiteke).Gainera, gainazaleko edozein aldaketa ere oso garrantzitsua da, izan ere, MXenen jarduera biologikoa alda daiteke geruzaren postprozesaketa, oxidazioa, konposatu organiko eta ez-organikoen gainazaleko aldaketa kimikoak52,53,54,55,56 edo gainazaleko kargaren ingeniaritza38.Hori dela eta, niobio oxidoak materialaren ezegonkortasunarekin zerikusirik duen ala ez egiaztatzeko, mikroalgen hazkuntza-medioan eta ur deionizatuan zeta (ζ) potentzialaren azterketak egin genituen (konparazio baterako).Gure emaitzek erakusten dute SL Nb-MXenak nahiko egonkorrak direla (ikus SI S6 irudia MAX eta ML emaitzetarako).SL MXenen zeta potentziala -10 mV ingurukoa da.SR Nb2CTx-ren kasuan, ζ-ren balioa Nb4C3Tx-rena baino zertxobait negatiboa da.ζ balioaren aldaketa horrek adieraz dezake negatiboki kargatutako MXene nanomaluten gainazalak karga positiboko ioiak xurgatzen dituela kultura-euskarritik.Nb-MXenen zeta potentzialaren eta eroankortasunaren neurketa tenporalak kultura-medioan (ikus S7 eta S8 irudiak SI-n xehetasun gehiagorako) gure hipotesia onartzen duela dirudi.
Hala ere, Nb-MXene SL biek aldaketa minimoak erakutsi zituzten zerotik.Horrek argi erakusten du haien egonkortasuna mikroalgen hazteko medioan.Horrez gain, gure mikroalga berdeen presentziak Nb-MXenen egonkortasunean eragingo ote duen ebaluatu dugu.MXenen zeta potentzialaren eta eroankortasunaren emaitzak mantenugai-euskarrietan eta kulturan denboran zehar mikroalgekin elkarreraginaren ondoren SIn aurki daitezke (S9 eta S10 irudiak).Interesgarria da, mikroalgen presentziak bi MXenen barreiapena egonkortzen zuela zirudien.Nb2CTx SL-ren kasuan, zeta potentziala pixka bat gutxitu zen denborarekin balio negatiboagoetara (-15,8 versus -19,1 mV inkubazioaren 72 orduren ondoren).SL Nb4C3TX-ren zeta potentziala zertxobait handitu zen, baina 72 orduren buruan oraindik ere nanomalutak baino egonkortasun handiagoa erakutsi zuen mikroalgarik gabe (-18,1 vs. -9,1 mV).
Mikroalgen presentzian inkubatutako Nb-MXene disoluzioen eroankortasun txikiagoa ere aurkitu dugu, elikadura-medioan ioi-kantitate txikiagoa dela adieraziz.Nabarmentzekoa, uretan MXenen ezegonkortasuna gainazaleko oxidazioaren ondoriozkoa da batez ere57.Hori dela eta, susmoa dugu mikroalga berdeek Nb-MXenoaren gainazalean eratutako oxidoak nolabait garbitu eta horiek agertzea saihestu zutela ere (MXenoaren oxidazioa).Hori ikus daiteke mikroalgek xurgatzen dituzten substantzia motak aztertuz.
Gure ikerketa ekotoxikologikoek mikroalgek denboran zehar Nb-MXenen toxikotasuna eta hazkuntza estimulatuaren ezohiko inhibizioa gainditzeko gai zirela adierazi zuten arren, gure ikerketaren helburua ekintza-mekanismo posibleak ikertzea izan zen.Algak bezalako organismoek beren ekosistemetan ezezagunak diren konposatu edo materialen eraginpean jartzen direnean, hainbat modutan erreakzionatu dezakete58,59.Metal oxido toxikorik ezean, mikroalgek beren burua elikatu dezakete, etengabe hazten ahal izateko60.Substantzia toxikoak hartu ondoren, defentsa-mekanismoak aktibatu daitezke, hala nola forma edo forma aldatzea.Xurgatzeko aukera ere kontuan hartu behar da58,59.Nabarmentzekoa, defentsa-mekanismoaren edozein zantzu probako konposatuaren toxikotasunaren adierazle argia da.Hori dela eta, gure lan gehiagotan, SL Nb-MXene nanomalutaren eta mikroalgen arteko gainazaleko elkarreragina SEM bidez eta X izpien fluoreszentzia espektroskopia bidez (XRF) Nb-n oinarritutako MXenearen xurgapena posiblea ikertu dugu.Kontuan izan SEM eta XRF analisiak MXene-ren kontzentrazio altuenean soilik egin zirela jarduera-toxikotasun-arazoei aurre egiteko.
SEM emaitzak 4. irudian ageri dira.Tratatu gabeko mikroalga zelulek (ikus 4a. irudia, erreferentziako lagina) argi eta garbi erakusten zuten R. subcapitata morfologia tipikoa eta croissant-itxurako zelulen forma.Zelulak berdinduta eta zertxobait desordenatuta agertzen dira.Mikroalga zelula batzuk gainjarri ziren eta elkarren artean korapilatzen ziren, baina ziurrenik laginak prestatzeko prozesuak eragin zuen hori.Oro har, mikroalga puruen zelulek gainazal leuna zuten eta ez zuten aldaketa morfologikorik erakusten.
SEM irudiak mikroalga berdeen eta MXene nano-orrien arteko gainazaleko elkarreragina erakusten duten 72 orduko elkarreragina muturreko kontzentrazioan (100 mg L-1).(a) Tratatu gabeko mikroalga berdeak SL-ekin elkarreraginaren ondoren (b) Nb2CTx eta (c) Nb4C3TX MXenekin.Kontuan izan Nb-MXene nanomalutak gezi gorriz markatuta daudela.Konparazio baterako, mikroskopio optikoko argazkiak ere gehitzen dira.
Aitzitik, SL Nb-MXene nanomalutek xurgatutako mikroalga-zelulak kaltetu egin ziren (ikus 4b, c. irudia, gezi gorriak).Nb2CTx MXenearen kasuan (4b. irudia), mikroalgak erantsitako bi dimentsioko nanoeskalekin hazi ohi dira, eta horiek morfologia alda dezakete.Nabarmentzekoa, aldaketa horiek argi mikroskopian ere ikusi ditugu (ikus SI S11 irudia xehetasunetarako).Trantsizio morfologiko honek oinarri sinesgarria du mikroalgen fisiologian eta zelulen morfologia aldatuz defendatzeko gaitasunean, hala nola zelulen bolumena handituz61.Horregatik, garrantzitsua da Nb-MXenekin benetan kontaktuan dauden mikroalga-zelulen kopurua egiaztatzea.SEM ikerketek erakutsi zuten mikroalga-zelulen % 52 gutxi gorabehera Nb-MXenen eraginpean zegoela, mikroalga-zelulen % 48k kontaktua saihesten zuela.SL Nb4C3Tx MXenerako, mikroalgak MXenearekin kontaktua saihesten saiatzen dira, horrela bi dimentsioko nanoeskaletan kokatuz eta haziz (4c. irudia).Hala ere, ez dugu ikusi nanoeskalak mikroalgen zeluletan sartzen direnik eta haien kalteak.
Autokontserbazioa fotosintesiaren blokeoaren aurrean denboraren araberako erantzun-jokaera ere bada, zelularen gainazalean partikulen xurgapenaren eta itzaldura (itzalpen) efektu deritzonaren ondorioz62.Argi dago mikroalgen eta argi iturriaren artean dagoen objektu bakoitzak (adibidez, Nb-MXene nanomalutak) kloroplastoek xurgatzen duten argi kopurua mugatzen duela.Hala ere, ez dugu zalantzarik horrek eragin handia duela lortutako emaitzetan.Gure behaketa mikroskopikoek erakusten dutenez, 2D nanomalutak ez zeuden mikroalgen gainazalean guztiz bilduta edo itsatsi, nahiz eta mikroalgaren zelulak Nb-MXenekin kontaktuan egon.Horren ordez, nanomalutak mikroalgaren zeluletara orientatuta zeuden haien gainazala estali gabe.Nanomaluta/mikroalga multzo horrek ezin du nabarmen mugatu mikroalga-zelulek xurgatzen duten argi kopurua.Gainera, ikerketa batzuek frogatu dute organismo fotosintetikoek argiaren xurgapena hobetzen dutela bi dimentsioko nanomaterialen presentzia63,64,65,66.
SEM irudiek mikroalgen zelulek niobioa hartzea zuzenean baieztatu ezin zutenez, gure ikerketa gehiago X izpien fluoreszentzia (XRF) eta X izpien fotoelektroi espektroskopia (XPS) analisira jo zuen arazo hau argitzeko.Hori dela eta, MXenekin elkarreragin ez zuten erreferentziazko mikroalgen laginen Nb gailurren intentsitatea alderatu dugu, mikroalga-zelulen gainazaletik ateratako MXene nanomalutak eta erantsitako MXenak kendu ondoren mikroalga-zelulak.Azpimarratzekoa da Nb-a hartzen ez bada, mikroalga-zelulek lortutako Nb balioa zero izan behar dela erantsitako nanoeskalak kendu ondoren.Hori dela eta, Nb hartzea gertatzen bada, XRF zein XPS emaitzek Nb gailur argia erakutsi beharko lukete.
XRF espektroen kasuan, mikroalgen laginek SL Nb2CTx eta Nb4C3Tx MXene-ren Nb gailurrak erakutsi zituzten SL Nb2CTx eta Nb4C3Tx MXene-rekin elkarreragin ondoren (ikus 5a. irudia, kontutan izan ere MAX eta ML MXenen emaitzak SI, S12-C17 irudietan agertzen direla).Interesgarria da Nb gailurraren intentsitatea berdina dela bi kasuetan (5a irudiko barra gorriak).Horrek adierazten zuen algek ezin zutela Nb gehiago xurgatu, eta Nb metatzeko ahalmen maximoa lortu zen zeluletan, nahiz eta mikroalga-zeluletan Nb4C3Tx MXene bi aldiz gehiago erantsi zen (5a irudiko barra urdinak).Nabarmentzekoa, mikroalgek metalak xurgatzeko duten gaitasuna inguruneko oxido metalikoen kontzentrazioaren araberakoa da67,68.Shamshada et al.67k aurkitu zuten ur gezako algen xurgapen-ahalmena gutxitzen dela pH-a handitzean.Raize et al.68k adierazi zuten algek metalak xurgatzeko duten gaitasuna %25 inguru handiagoa zela Pb2+entzat Ni2+entzat baino.
(a) 72 orduz SL Nb-MXenen (100 mg L-1) muturreko kontzentrazio batean inkubatutako mikroalga berdeen zelulek Nb basalaren aprobetxamenduaren XRF emaitzak.Emaitzek erakusten dute α-ren presentzia mikroalga-zeluletan (kontrol-lagina, zutabe grisak), gainazaleko mikroalga-zeluletatik isolatutako 2D nanomalutetan (zutabe urdinak) eta mikroalga-zeluletan 2D nanomalutak gainazaletik bereizi ondoren (zutabe gorriak).Nb elementalaren kopurua, (b) mikroalgen osagai organikoen (C=O eta CHx/C–O) eta mikroalgen zeluletan dauden Nb oxidoen konposizio kimikoaren ehunekoa SL Nb-MXenekin inkubatu ondoren, (c–e) XPS SL Nb2CTx espektroen konposizio-gailurraren egokitzea eta (fh) SLx Nb4C3T microalgen zelulak barneratuta.
Horregatik, Nb alga-zelulek oxido moduan xurgatzea espero genuen.Hori probatzeko, XPS azterketak egin ditugu Nb2CTx eta Nb4C3TX eta alga-zeluletan.Mikroalgen Nb-MXenekin eta alga-zeluletatik isolatutako MXenekin elkarreraginaren emaitzak agertzen dira.5b.Espero bezala, mikroalgen laginetan Nb 3d gailurrak detektatu genituen MXenea mikroalgen gainazaletik kendu ondoren.C=O, CHx/CO eta Nb oxidoen determinazio kuantitatiboa Nb 3d, O 1s eta C 1s espektroetan oinarrituta kalkulatu da Nb2CTx SL-ekin (5c-e) eta Nb4C3Tx SL-ekin (5c-e irudia).) inkubatutako mikroalgetatik lortutakoa.5f–h irudia) MXenak.S1-3 taulak parametro goren eta doikuntzaren ondoriozko kimika orokorraren xehetasunak erakusten ditu.Aipagarria da Nb2CTx SL eta Nb4C3Tx SL-ren Nb 3d eskualdeak (5c, f. irudia) Nb2O5 osagai bati dagozkiola.Hemen, ez dugu MXenearekin lotutako gailurrik aurkitu espektroetan, mikroalgen zelulek Nb-ren oxido forma soilik xurgatzen dutela adierazten duena.Horrez gain, C 1 s espektroa C–C, CHx/C–O, C=O eta –COOH osagaiekin hurbildu dugu.CHx/C–O eta C=O gailurrak esleitu genizkion mikroalgen zelulen ekarpen organikoari.Osagai organiko hauek C 1s gailurren % 36 eta % 41 dira Nb2CTx SL eta Nb4C3TX SLn, hurrenez hurren.Ondoren, SL Nb2CTx eta SL Nb4C3TX-ren O 1s espektroak Nb2O5, mikroalgen osagai organikoak (CHx/CO) eta gainazaleko adsorbatutako urarekin egokitu ditugu.
Azkenik, XPS emaitzek argi eta garbi adierazi zuten Nb-ren forma, ez bakarrik bere presentzia.Nb 3d seinalearen posizioaren eta dekonboluzioaren emaitzen arabera, Nb oxidoen forman soilik xurgatzen dela baieztatzen dugu eta ez ioi edo MXene bera.Horrez gain, XPS emaitzek erakutsi zuten mikroalgen zelulek SL Nb2CTx-tik Nb oxidoak hartzeko gaitasun handiagoa dutela SL Nb4C3TX MXenearekin alderatuta.
Gure Nb hartzearen emaitzak ikusgarriak diren eta MXenearen degradazioa identifikatzeko aukera ematen diguten arren, ez dago 2D nanomalutetan lotutako aldaketa morfologikoak jarraitzeko metodorik eskuragarri.Horregatik, 2D Nb-MXene nanomalutetan eta mikroalgen zeluletan gertatzen diren aldaketei zuzenean erantzun diezaiekeen metodo egoki bat garatzea ere erabaki genuen.Garrantzitsua da kontutan hartu behar dela onartzen dugula elkarreraginean dauden espezieek eraldaketa, deskonposizio edo desfragmentazioren bat jasaten badute, hori azkar agertu beharko litzatekeela forma-parametroen aldaketa gisa, hala nola eremu zirkular baliokidearen diametroa, biribiltasuna, Feret-aren zabalera edo Feret-en luzera.Parametro hauek partikula luzangak edo bi dimentsioko nanomalutak deskribatzeko egokiak direnez, partikulen forma dinamikoaren analisiaren bidez haien jarraipenak informazio baliotsua emango digu SL Nb-MXene nanomalutaren eraldaketa morfologikoari buruz murrizketan zehar.
Lortutako emaitzak 6. Irudian agertzen dira. Konparazio baterako, jatorrizko MAX fasea eta ML-MXenak ere probatu ditugu (ikus SI S18 eta S19 irudiak).Partikulen formaren analisi dinamikoak erakutsi zuen bi Nb-MXene SLren forma-parametro guztiak nabarmen aldatu zirela mikroalgekin elkarreragin ondoren.Eremu zirkular baliokidearen diametroaren parametroak (6a, b. irudiak) erakusten duen bezala, nanomaluta handien frakzioaren gailur intentsitateak zati txikiagoetan desintegratzeko joera dutela adierazten du.irudian.6c, d-k malutaren zeharkako tamainari lotutako gailurren beherakada erakusten du (nanomalutaren luzapena), 2D nanomalutak partikula itxurako forma batean eraldaketa direla adierazten du.6e-h irudia Feretaren zabalera eta luzera erakusten dituena, hurrenez hurren.Feretaren zabalera eta luzera parametro osagarriak dira eta, beraz, elkarrekin kontuan hartu behar dira.2D Nb-MXene nanomalutak mikroalgen presentzian inkubatu ondoren, haien Feret-en korrelazio gailurrak aldatu egin ziren eta haien intentsitatea gutxitu egin zen.Emaitza hauek morfologiarekin, XRFarekin eta XPSarekin konbinatuta, ondorioztatu dugu ikusitako aldaketak oso lotuta daudela oxidazioarekin, oxidatutako MXenak gehiago zimurtu eta zati eta oxido partikula esferikoetan hausten diren heinean69,70.
Mikroalga berdeekin elkarreraginaren ondoren MXene eraldaketaren analisia.Partikulen forma dinamikoaren analisiak parametro hauek hartzen ditu kontuan: (a, b) eremu zirkular baliokidearen diametroa, (c, d) biribiltasuna, (e, f) Feretaren zabalera eta (g, h) Feretaren luzera.Horretarako, erreferentziazko mikroalgaren bi lagin aztertu ziren lehen mailako SL Nb2CTx eta SL Nb4C3Tx MXenekin, SL Nb2CTx eta SL Nb4C3Tx MXenekin, mikroalg degradatuekin eta tratatutako SL Nb2CTx eta SL Nb4C3Tx MXenekin batera.Gezi gorriek aztertutako bi dimentsioko nanomalutaen forma-parametroen trantsizioak erakusten dituzte.
Forma-parametroen analisia oso fidagarria denez, mikroalgen zelulen aldaketa morfologikoak ere ager ditzake.Hori dela eta, mikroalga puruen zelula eta zelulen eremu zirkular baliokidearen diametroa, biribiltasuna eta Feret-en zabalera/luzera aztertu ditugu 2D Nb nanomalutekin elkarreragin ondoren.irudian.6a-h-k alga-zelulen forma-parametroen aldaketak erakusten ditu, intentsitate gailurraren beherakada eta maximoen desplazamenduak balio handiagoetaraino erakusten duen moduan.Bereziki, zelulen biribiltasun-parametroek zelula luzangen jaitsiera eta zelula esferikoen hazkundea erakutsi zuten (6a, b. irudiak).Gainera, Feret-en zelulen zabalera hainbat mikrometro handitu zen SL Nb2CTx MXenearekin elkarreragin ondoren (6e. irudia) SL Nb4C3TX MXenearekin alderatuta (6f. irudia).Susmoa dugu hori Nb oxidoek Nb2CTx SRrekin elkarreraginean mikroalgek Nb oxidoen hartze handia dutelako.Nb malutak gainazalean zurrunago atxikitzeak zelulen hazkundea eragin dezake itzal-efektu minimoarekin.
Mikroalgen formaren eta tamainaren parametroen aldaketen behaketak beste ikerketa batzuen osagarri dira.Mikroalga berdeek beren morfologia alda dezakete ingurumeneko estresari erantzunez, zelularen tamaina, forma edo metabolismoa aldatuz61.Adibidez, zelulen tamaina aldatzeak mantenugaien xurgapena errazten du71.Alga-zelula txikiagoek mantenugaien aprobetxamendu txikiagoa eta hazkunde-tasa urriagoa erakusten dute.Alderantziz, zelula handiagoek mantenugai gehiago kontsumitu ohi dituzte, gero zelula barnean metatzen direnak72,73.Machado eta Soaresek aurkitu zuten triklosano fungizidak zelulen tamaina handitu dezakeela.Algen forman ere aldaketa sakonak aurkitu zituzten74.Horrez gain, Yin et al.9k algen aldaketa morfologikoak ere agerian utzi zituzten grafeno oxido murriztuaren nanokonpositeen eraginpean.Hori dela eta, argi dago mikroalgen tamaina/forma parametroak MXenearen presentziak eragiten dituela.Tamainaren eta formaren aldaketa hau nutrienteen aprobetxamenduaren aldaketen adierazgarri denez, uste dugu denboran zehar tamaina eta forma parametroen azterketak froga dezakeela mikroalgek niobio oxidoa hartzen dutela Nb-MXenen presentzian.
Gainera, MXenak algen aurrean oxidatu daitezke.Dalai et al.75ek ikusi zuten nano-TiO2 eta Al2O376-ren eraginpean dauden alga berdeen morfologia ez zela uniformea.Gure behaketak oraingo ikerketaren antzekoak badira ere, bioerremediazioaren ondorioak aztertzeko soilik da garrantzitsua MXenearen degradazio produktuei dagokienez, 2D nanomalutak eta ez nanopartikulen presentzian.MXenek oxido metalikoetan degradatu daitezkeenez,31,32,77,78 arrazoizkoa da pentsatzea gure Nb nanomalutak Nb oxidoak ere sor ditzaketela mikroalgaren zelulekin elkarreragin ondoren.
Oxidazio-prozesuan oinarritutako deskonposizio-mekanismo baten bidez 2D-Nb nanomalutaren murrizketa azaltzeko, bereizmen handiko transmisio-mikroskopia elektronikoa (HRTEM) (7a,b) eta X izpien fotoelektroi-espektroskopia (XPS) (7. irudia) erabiliz azterketak egin ditugu.7c-i eta S4-5 taulak).Bi ikuspegiak egokiak dira 2D materialen oxidazioa aztertzeko eta elkarren osagarri.HRTEM gai da bi dimentsioko geruzadun egituren degradazioa eta ondorengo metal oxidoaren nanopartikulen agerpena aztertzeko, XPS gainazaleko loturekiko sentikorra den bitartean.Horretarako, mikroalga-zelulen dispertsioetatik ateratako 2D Nb-MXene nanomalutak probatu ditugu, hau da, mikroalgaren zelulekin elkarreragin ondoren duten forma (ikus 7. irudia).
HRTEM irudiak (a) SL Nb2CTx eta (b) SL Nb4C3Tx MXeno oxidatuen morfologia erakusten dutenak, XPS analisiaren emaitzak (c) oxido produktuen konposizioa erreduzitu ondoren erakusten dutenak, (d–f) SL Nb2CTx eta (g– i) SL Nb2CTx-ren XPS espektroen osagaien parekatze gailurra eta (g– i) SL Nb4C3T microalx berdearekin konponduta.
HRTEM ikerketek Nb-MXene nanomaluta bi motaren oxidazioa baieztatu zuten.Nanomalutak neurri batean bi dimentsioko morfologiari eutsi bazion ere, oxidazioak MXene nanomalutaren gainazala estaltzen zuten nanopartikula askoren agerpena eragin zuen (ikus 7a,b irudiak).C Nb 3d eta O 1s seinaleen XPS azterketak bi kasuetan Nb oxidoak sortu zirela adierazi zuen.7c irudian ikusten den bezala, 2D MXene Nb2CTx eta Nb4C3TX Nb 3d seinaleak dituzte NbO eta Nb2O5 oxidoen presentzia adierazten dutenak, O 1s seinaleek 2D nanofakaren gainazalaren funtzionalizazioarekin lotutako O-Nb lotura kopurua adierazten duten bitartean.Konturatu ginen Nb oxidoaren ekarpena nagusi dela Nb-C eta Nb3+-Orekin alderatuta.
irudian.7g–i irudiek Nb 3d, C 1s eta O 1s SL Nb2CTx (ikus 7d–f irudiak) eta SL Nb4C3TX MXene mikroalga-zeluletatik isolatutako XPS espektroak erakusten dituzte.Nb-MXenes gailurreko parametroen xehetasunak S4-5 tauletan ematen dira, hurrenez hurren.Lehenik Nb 3d-ren konposizioa aztertu dugu.Mikroalga-zelulek xurgatutako Nb-aren aldean, mikroalga-zeluletatik isolatutako MXenean, Nb2O5az gain, beste osagai batzuk aurkitu ziren.Nb2CTx SLn, Nb3+-O-ren ekarpena %15eko zenbatekoan ikusi dugu, eta Nb 3d espektroaren gainerakoan Nb2O5 (%85) nagusitu zen.Gainera, SL Nb4C3TX laginak Nb-C (% 9) eta Nb2O5 (% 91) osagaiak ditu.Hemen Nb-C Nb4C3Tx SR-ko karburo metalikoaren barneko bi geruza atomikoetatik dator.Ondoren, C 1s espektroak lau osagai ezberdinetara mapatzen ditugu, barneraturiko laginetan egin genuen bezala.Espero zen bezala, C 1s espektroan karbono grafitikoa da nagusi, eta ondoren mikroalga-zeluletako partikula organikoen ekarpenak (CHx/CO eta C=O).Horrez gain, O 1s espektroan, mikroalga-zelulen, niobio oxidoaren eta adsorbatutako uraren forma organikoen ekarpena ikusi dugu.
Horrez gain, Nb-MXenen mozketak oxigeno-espezie erreaktiboen (ROS) presentziarekin erlazionatuta dagoen ikertu dugu nutriente-medioan eta/edo mikroalgen zeluletan.Horretarako, kultura-medioan dagoen oxigeno singlet (1O2) eta zelula barneko glutationa, mikroalgetan antioxidatzaile gisa jarduten duen tiol-maila baloratu dugu.Emaitzak SIn agertzen dira (S20 eta S21 irudiak).SL Nb2CTx eta Nb4C3TX MXenoak dituzten kulturak 1O2-ko kantitate murriztua izan dira (ikus S20 irudia).SL Nb2CTx-ren kasuan, MXene 1O2 %83 ingurura murrizten da.SL erabiltzen duten mikroalgaren hazkuntzan, Nb4C3TX 1O2 are gehiago murriztu zen, %73raino.Interesgarria da 1O2-ren aldaketek aurrez ikusitako efektu inhibitzaile-estimulatzailearen joera bera erakutsi zuten (ikus 3. irudia).Argi distiratsuan inkubatzeak fotooxidazioa alda dezakeela esan daiteke.Hala ere, kontrol-analisiaren emaitzek esperimentuan zehar 1O2 maila ia konstanteak erakutsi zituzten (S22. irudia).Zelula barneko ROS mailen kasuan, gainera, beheranzko joera bera ikusi dugu (ikus S21. irudia).Hasieran, Nb2CTx eta Nb4C3Tx SL-en presentzian hazitako mikroalga-zeluletan ROS mailak mikroalga-hazkuntza puruetan aurkitutako mailak gainditu zituen.Azkenean, ordea, badirudi mikroalgak Nb-MXenen presentziara egokitu zirela, SL Nb2CTx eta Nb4C3TX-ekin inokulatutako mikroalga-kultura puruetan neurtutako mailen % 85 eta % 91ra jaitsi baitziren ROS mailak, hurrenez hurren.Horrek adieraz dezake mikroalgak denboran zehar erosoago sentitzen direla Nb-MXenearen presentzian mantenugai-euskarrietan bakarrik baino.
Mikroalgak organismo fotosintetikoen talde anitza dira.Fotosintesian, atmosferako karbono dioxidoa (CO2) karbono organiko bihurtzen dute.Fotosintesiaren produktuak glukosa eta oxigenoa dira79.Horrela sortutako oxigenoak Nb-MXenoen oxidazioan zeregin kritikoa duela susmatzen dugu.Horren azalpen posible bat da aireztapen diferentziala parametroa oxigenoaren presio partzialen baxu eta altuetan sortzen dela Nb-MXene nanomalutetatik kanpo eta barruan.Horrek esan nahi du oxigenoaren presio partzial ezberdineko eremuak dauden lekuetan, maila baxuena duen eremuak anodoa osatuko duela 80, 81, 82. Hemen, mikroalgek MXene malutaren gainazalean aireztatutako zelulak sortzen laguntzen dute, eta haien propietate fotosintetikoengatik oxigenoa sortzen dute.Ondorioz, biokorrosio produktuak (kasu honetan, niobio oxidoak) sortzen dira.Beste alderdi bat da mikroalgek uretara askatzen diren azido organikoak sor ditzaketela83,84.Hori dela eta, ingurune oldarkorra sortzen da, horrela Nb-MXenak aldatuz.Gainera, mikroalgek ingurumenaren pH alkalinoa izatera pasa dezakete karbono dioxidoa xurgatzearen ondorioz, eta horrek korrosioa ere eragin dezake79.
Are garrantzitsuagoa dena, gure ikerketan erabilitako fotoperiodo ilun/argia funtsezkoa da lortutako emaitzak ulertzeko.Alderdi hau zehatz-mehatz deskribatzen da Djemai-Zoghlache et al.85 Nahita 12/12 orduko fotoperiodoa erabili zuten Porphyridium purpureum mikroalga gorriek biokorrosioarekin lotutako biokorrosioa frogatzeko.Fotoperiodoa biokorrosiorik gabeko potentzialaren bilakaerarekin lotuta dagoela erakusten dute, 24:00ak aldera oszilazio pseudoperiodiko gisa agertuz.Behaketa hauek Dowling et al-ek baieztatu zituzten.86 Anabaena zianobakterioen biofilm fotosintetikoak frogatu zituzten.Oxigeno disolbatua argiaren eraginpean sortzen da, eta biokorrosio askearen potentzialaren aldaketa edo gorabeherekin lotzen da.Fotoperiodoaren garrantzia azpimarratzen da biokorrosiorako potentzial askea argi-fasean handitzen dela eta ilunean gutxitzen dela.Mikroalga fotosintetikoek sortzen duten oxigenoari zor zaio hori, elektrodoetatik gertu sortzen den presio partzialaren bidez erreakzio katodikoan eragiten baitu87.
Horrez gain, Fourier transformatu infragorrien espektroskopia (FTIR) egin zen, mikroalgen zelulen konposizio kimikoan Nb-MXenekin elkarreraginaren ondoren aldaketarik gertatu zen jakiteko.Lortutako emaitza hauek konplexuak dira eta SIn aurkezten ditugu (S23-S25 irudiak, MAX etaparen eta ML MXenen emaitzak barne).Laburbilduz, lortutako mikroalgen erreferentzia-espektroek organismo horien ezaugarri kimikoei buruzko informazio garrantzitsua eskaintzen digute.Bibrazio probable hauek 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1 maiztasunetan kokatzen dira.bat.1 1 (C–H) eta 3280 cm–1 (O–H).SL Nb-MXenesentzat, CH-bond luzatze sinadura bat aurkitu dugu, gure aurreko azterketarekin bat datorrena38.Hala ere, C=C eta CH loturei lotutako gailur gehigarri batzuk desagertu zirela ikusi genuen.Honek adierazten du mikroalgen konposizio kimikoak aldaketa txikiak izan ditzakeela SL Nb-MXenekin elkarreraginaren ondorioz.
Mikroalgen biokimikan izan daitezkeen aldaketak kontuan hartuta, oxido ez-organikoen metaketa, niobio oxidoa adibidez, birplanteatu behar da59.Metalak zelularen gainazalean harrapatzen, zitoplasmara garraiatzen, zelula barneko karboxilo taldeekin elkartzen eta mikroalga polifososometan metatzen ditu20,88,89,90.Gainera, mikroalgen eta metalen arteko erlazioa zelula-talde funtzionalek mantentzen dute.Hori dela eta, xurgapena mikroalgen gainazaleko kimikaren araberakoa da, nahiko konplexua baita9,91.Oro har, espero bezala, mikroalga berdeen konposizio kimikoa pixka bat aldatu zen Nb oxidoaren xurgapenaren ondorioz.
Interesgarria da, ikusitako mikroalgen hasierako inhibizioa denboran zehar itzulgarria izan zen.Ikusi genuenez, mikroalgek hasierako ingurumen-aldaketa gainditu zuten eta azkenean hazkuntza-tasa normaletara itzuli ziren eta are gehiago handitu ziren.Zeta potentzialaren azterketek egonkortasun handia erakusten dute mantenugai-euskarrietan sartzen direnean.Horrela, mikroalgen zelulen eta Nb-MXene nanomalutaren arteko gainazaleko elkarrekintza mantendu zen murrizketa-esperimentuetan zehar.Gehiago aztertzean, mikroalgen portaera nabarmen horren azpian dauden ekintza-mekanismo nagusiak laburbiltzen ditugu.
SEM behaketek erakutsi dute mikroalgak Nb-MXenetara atxikitzeko joera dutela.Irudien analisi dinamikoa erabiliz, efektu horrek bi dimentsioko Nb-MXene nanomalutak partikula esferikoagoetan bihurtzea dakarrela baieztatzen dugu, eta, horrela, nanomalutaren deskonposizioa haien oxidazioarekin lotuta dagoela frogatzen dugu.Gure hipotesia egiaztatzeko, azterketa material eta biokimiko batzuk egin genituen.Proba egin ondoren, nanomalutak pixkanaka oxidatu eta deskonposatu ziren NbO eta Nb2O5 produktuetan, eta horrek ez zuen mehatxurik sortzen mikroalga berdeentzat.FTIR behaketa erabiliz, ez dugu aldaketa esanguratsurik aurkitu 2D Nb-MXene nanomalutetan inkubatutako mikroalgen konposizio kimikoan.Mikroalgek niobio oxidoa xurgatzeko aukera kontuan hartuta, X izpien fluoreszentzia analisia egin dugu.Emaitza hauek argi eta garbi erakusten dute aztertutako mikroalgak niobio oxidoez (NbO eta Nb2O5) elikatzen direla, eta horiek ez dira toxikoak aztertutako mikroalgentzat.