Tankewol foar jo besite oan Nature.com. Jo brûke in browserferzje mei beheinde CSS-stipe. Foar de bêste ûnderfining riede wy jo oan om in bywurke browser te brûken (of kompatibiliteitsmodus yn Internet Explorer út te skeakeljen). Yn 'e tuskentiid, om trochgeande stipe te garandearjen, sille wy de side sûnder stilen en JavaScript werjaan.
Toant in karrousel fan trije dia's tagelyk. Brûk de knoppen Foarige en Folgjende om troch trije dia's tagelyk te gean, of brûk de skúfknoppen oan 'e ein om troch trije dia's tagelyk te gean.
De rappe ûntwikkeling fan nanotechnology en de yntegraasje dêrfan yn deistige tapassingen kinne it miljeu bedriigje. Wylst griene metoaden foar de ôfbraak fan organyske fersmoarging goed fêstige binne, is it weromwinnen fan anorganyske kristallijne fersmoarging fan grutte soarch fanwegen har lege gefoelichheid foar biotransformaasje en gebrek oan begryp fan ynteraksjes fan materiaaloerflak mei biologyske. Hjir brûke wy in Nb-basearre anorganysk 2D MXenes-model kombineare mei in ienfâldige foarmparameteranalysemetoade om it bioremediaasjemeganisme fan 2D keramyske nanomaterialen te folgjen troch de griene mikroalgen Raphidocelis subcapitata. Wy fûnen dat mikroalgen Nb-basearre MXenes ôfbrekke troch oerflak-relatearre fysyk-gemyske ynteraksjes. Yn it earstoan waarden ienlaachse en mearlaachse MXene-nanoflakes oan it oerflak fan mikroalgen hechte, wat de groei fan algen wat fermindere. By langere ynteraksje mei it oerflak oksidearren mikroalgen lykwols MXene-nanoflakes en ûntbûnen se fierder yn NbO en Nb2O5. Omdat dizze oksiden net-giftig binne foar mikroalgsellen, konsumearje se Nb-okside-nanopartikels troch in absorpsjemeganisme dat de mikroalgen fierder herstelt nei 72 oeren wetterbehanneling. De effekten fan fiedingsstoffen dy't ferbûn binne mei absorpsje wurde ek wjerspegele yn 'e tanimming fan selvolume, har glêde foarm en feroaring yn groeisnelheid. Op basis fan dizze befiningen konkludearje wy dat de koarte- en lange-termyn oanwêzigens fan Nb-basearre MXenen yn swietwetterekosystemen allinich lytse miljeu-ynfloeden kin feroarsaakje. It is opmerklik dat wy, mei it brûken fan twadiminsjonale nanomaterialen as modelsystemen, de mooglikheid demonstrearje om foarmtransformaasje te folgjen, sels yn fynkorrelige materialen. Oer it algemien beantwurdet dizze stúdzje in wichtige fûnemintele fraach oer oerflak-ynteraksje-relatearre prosessen dy't it bioremediaasjemeganisme fan 2D-nanomaterialen oandriuwe en biedt in basis foar fierdere koarte- en lange-termyn stúdzjes fan 'e miljeu-ynfloed fan anorganyske kristallijne nanomaterialen.
Nanomaterialen hawwe sûnt har ûntdekking in soad belangstelling wekke, en ferskate nanotechnologyen binne koartlyn in modernisaasjefaze yngien1. Spitigernôch kin de yntegraasje fan nanomaterialen yn deistige tapassingen liede ta tafallige frijkommens fanwegen ferkearde ôffier, ûnfoarsichtige behanneling of ûnfoldwaande feiligensynfrastruktuer. Dêrom is it ridlik om oan te nimmen dat nanomaterialen, ynklusyf twadiminsjonale (2D) nanomaterialen, frijkomme kinne yn 'e natuerlike omjouwing, wêrfan it gedrach en de biologyske aktiviteit noch net folslein begrepen binne. Dêrom is it net ferrassend dat soargen oer ekotoksisiteit har rjochte hawwe op it fermogen fan 2D-nanomaterialen om yn akwatyske systemen te lekken2,3,4,5,6. Yn dizze ekosystemen kinne guon 2D-nanomaterialen ynteraksje hawwe mei ferskate organismen op ferskate trofyske nivo's, ynklusyf mikroalgen.
Mikroalgen binne primitive organismen dy't fan natuere fûn wurde yn swietwetter- en marine-ekosystemen dy't in ferskaat oan gemyske produkten produsearje troch fotosynteze7. As sadanich binne se kritysk foar akwatyske ekosystemen8,9,10,11,12, mar binne se ek gefoelige, goedkeape en breed brûkte yndikatoaren fan ekotoksisiteit13,14. Om't mikroalgsellen har rap fermannichfâldigje en fluch reagearje op 'e oanwêzigens fan ferskate ferbiningen, binne se beloftefol foar de ûntwikkeling fan miljeufreonlike metoaden foar it behanneljen fan wetter dat fersmoarge is mei organyske stoffen15,16.
Algsellen kinne anorganyske ioanen út wetter ferwiderje troch biosorpsje en opgarjen17,18. Guon algsoarten lykas Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue en Synechococcus sp. It is fûn dat it giftige metaalioanen lykas Fe2+, Cu2+, Zn2+ en Mn2+19 draacht en sels fiedet. Oare stúdzjes hawwe oantoand dat Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ of Pb2+ ioanen de groei fan Scenedesmus beheine troch de selmorfology te feroarjen en har chloroplasten te ferneatigjen20,21.
Griene metoaden foar it ûntbinen fan organyske fersmoargjende stoffen en it fuortheljen fan swiere metaalioanen hawwe de oandacht lutsen fan wittenskippers en yngenieurs oer de hiele wrâld. Dit komt benammen troch it feit dat dizze fersmoargjende stoffen maklik ferwurke wurde yn 'e floeibere faze. Anorganyske kristallijne fersmoargjende stoffen wurde lykwols karakterisearre troch lege wetteroplosberens en lege gefoelichheid foar ferskate biotransformaasjes, wat grutte swierrichheden feroarsaket by it sanearjen, en der is op dit mêd mar in bytsje foarútgong boekt22,23,24,25,26. Sa bliuwt de syktocht nei miljeufreonlike oplossingen foar it reparearjen fan nanomaterialen in kompleks en ûnûndersocht gebiet. Fanwegen de hege mjitte fan ûnwissichheid oangeande de biotransformaasje-effekten fan 2D-nanomaterialen, is der gjin maklike manier om de mooglike paden fan har degradaasje tidens reduksje út te finen.
Yn dizze stúdzje hawwe wy griene mikroalgen brûkt as in aktyf wetterich bioremediaasjemiddel foar anorganyske keramyske materialen, kombinearre mei in situ monitoring fan it degradaasjeproses fan MXene as in fertsjintwurdiger fan anorganyske keramyske materialen. De term "MXene" reflektearret de stoichiometry fan it Mn+1XnTx materiaal, wêrby't M in ier oergongsmetaal is, X koalstof en/of stikstof is, Tx in oerflakterminator is (bygelyks -OH, -F, -Cl), en n = 1, 2, 3 of 427.28. Sûnt de ûntdekking fan MXenes troch Naguib et al. Sensorika, kankerterapy en membraanfiltraasje 27,29,30. Derneist kinne MXenes beskôge wurde as model 2D-systemen fanwegen har poerbêste kolloïdale stabiliteit en mooglike biologyske ynteraksjes 31,32,33,34,35,36.
Dêrom wurde de metodyk dy't yn dit artikel ûntwikkele is en ús ûndersykshypothesen werjûn yn figuer 1. Neffens dizze hypoteze brekke mikroalgen Nb-basearre MXenen ôf yn net-giftige ferbiningen troch oerflak-relatearre fysyk-gemyske ynteraksjes, wat fierder herstel fan 'e algen mooglik makket. Om dizze hypoteze te testen, waarden twa leden fan 'e famylje fan iere niobium-basearre oergongsmetaalkarbiden en/of nitriden (MXenen), nammentlik Nb2CTx en Nb4C3TX, selektearre.
Undersyksmetodology en bewiisbasearre hypotezen foar MXene-herstel troch griene mikroalgen Raphidocelis subcapitata. Tink derom dat dit allinich in skematyske werjefte is fan bewiisbasearre oannames. De maromjouwing ferskilt yn it brûkte fiedingsmedium en de omstannichheden (bygelyks deistige syklus en beheiningen yn beskikbere essensjele fiedingsstoffen). Makke mei BioRender.com.
Dêrom hawwe wy, troch MXene as modelsysteem te brûken, de doar iepene foar de stúdzje fan ferskate biologyske effekten dy't net waarnommen wurde kinne mei oare konvinsjonele nanomaterialen. Yn it bysûnder demonstrearje wy de mooglikheid fan bioremediaasje fan twadiminsjonale nanomaterialen, lykas niobium-basearre MXenen, troch mikroalgen Raphidocelis subcapitata. Mikroalgen binne yn steat om Nb-MXenen ôf te brekken yn 'e net-giftige oksiden NbO en Nb2O5, dy't ek fiedingsstoffen leverje fia it niobium-opnamemeganisme. Oer it algemien beantwurdet dizze stúdzje in wichtige fûnemintele fraach oer de prosessen dy't ferbûn binne mei oerflakfysikogemyske ynteraksjes dy't de meganismen fan bioremediaasje fan twadiminsjonale nanomaterialen regelje. Derneist ûntwikkelje wy in ienfâldige foarmparameter-basearre metoade foar it folgjen fan subtile feroaringen yn 'e foarm fan 2D-nanomaterialen. Dit ynspirearret fierder koarte- en lange-termyn ûndersyk nei de ferskate miljeu-ynfloeden fan anorganyske kristallijne nanomaterialen. Sa fergruttet ús stúdzje it begryp fan 'e ynteraksje tusken it materiaaloerflak en biologysk materiaal. Wy leverje ek de basis foar útwreide koarte- en lange-termynstúdzjes fan har mooglike ynfloeden op swietwetterekosystemen, dy't no maklik ferifiearre wurde kinne.
MXenen fertsjintwurdigje in nijsgjirrige klasse fan materialen mei unike en oantreklike fysike en gemyske eigenskippen en dêrom in protte potinsjele tapassingen. Dizze eigenskippen binne foar in grut part ôfhinklik fan har stoichiometry en oerflakgemy. Dêrom hawwe wy yn ús stúdzje twa soarten Nb-basearre hiërargyske ienlaach (SL) MXenen ûndersocht, Nb2CTx en Nb4C3TX, om't ferskate biologyske effekten fan dizze nanomaterialen waarnommen wurde koene. MXenen wurde produsearre út har útgongsmaterialen troch top-down selektyf etsen fan atoomtinne MAX-faze A-lagen. De MAX-faze is in ternaire keramyk gearstald út "bonded" blokken fan oergongsmetaalkarbiden en tinne lagen fan "A" eleminten lykas Al, Si en Sn mei MnAXn-1 stoichiometry. De morfology fan 'e earste MAX-faze waard waarnommen troch scanning elektronenmikroskopie (SEM) en wie yn oerienstimming mei eardere stúdzjes (Sjoch Oanfoljende Ynformaasje, SI, Figuer S1). Mearlaach (ML) Nb-MXeen waard krigen nei it fuortheljen fan 'e Al-laach mei 48% HF (fluorwetterstofsoer). De morfology fan ML-Nb2CTx en ML-Nb4C3TX waard ûndersocht troch scanning-elektronenmikroskopie (SEM) (figueren S1c en S1d respektivelik) en in typyske laachfoarmige MXene-morfology waard waarnommen, fergelykber mei twadiminsjonale nanoflakes dy't troch langwerpige poarfoarmige spleten geane. Beide Nb-MXenen hawwe in protte mienskiplik mei MXene-fazen dy't earder synthetisearre waarden troch soere etsing27,38. Nei it befêstigjen fan 'e struktuer fan MXene, hawwe wy it laachfoarmich makke troch ynterkalaasje fan tetrabutylammoniumhydroxide (TBAOH) folge troch waskjen en sonikaasje, wêrnei't wy ienlaachige of leechlaachige (SL) 2D Nb-MXene-nanoflakes krigen.
Wy hawwe hege-resolúsje transmissie-elektronenmikroskopie (HRTEM) en röntgendiffraksje (XRD) brûkt om de effisjinsje fan etsen en fierder peeling te testen. De HRTEM-resultaten ferwurke mei de Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) en Fast Fourier Transform (FFT) wurde werjûn yn Fig. 2. Nb-MXene nanoflakes waarden mei de râne nei boppen oriïntearre om de struktuer fan 'e atoomlaach te kontrolearjen en de ynterplanêre ôfstannen te mjitten. HRTEM-ôfbyldings fan MXene Nb2CTx en Nb4C3TX nanoflakes lieten har atoomtynlaach aard sjen (sjoch Fig. 2a1, a2), lykas earder rapportearre troch Naguib et al.27 en Jastrzębska et al.38. Foar twa neistlizzende Nb2CTx en Nb4C3Tx monolagen hawwe wy tuskenlaachôfstannen fan respektivelik 0,74 en 1,54 nm bepaald (Figs. 2b1, b2), wat ek oerienkomt mei ús eardere resultaten38. Dit waard fierder befêstige troch de inverse snelle Fourier-transformaasje (Fig. 2c1, c2) en de snelle Fourier-transformaasje (Fig. 2d1, d2) dy't de ôfstân tusken de Nb2CTx- en Nb4C3Tx-monolagen sjen litte. De ôfbylding lit in ôfwikseling sjen fan ljochte en tsjustere bannen dy't oerienkomme mei niobium- en koalstofatomen, wat de laachfoarmige aard fan 'e bestudearre MXenen befêstiget. It is wichtich om te notearjen dat de enerzjydispersive röntgenspektroskopie (EDX)-spektra dy't krigen binne foar Nb2CTx en Nb4C3Tx (Figuren S2a en S2b) gjin oerbliuwsel fan 'e orizjinele MAX-faze lieten sjen, om't gjin Al-piek waard detektearre.
Karakterisaasje fan SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene nanoflakes, ynklusyf (a) hege resolúsje elektronenmikroskopie (HRTEM) syd-werjefte 2D nanoflake-ôfbylding en oerienkommende, (b) yntensiteitsmodus, (c) inverse snelle Fourier-transformaasje (IFFT), (d) snelle Fourier-transformaasje (FFT), (e) Nb-MXenes röntgenpatroanen. Foar SL 2D Nb2CTx wurde de getallen útdrukt as (a1, b1, c1, d1, e1). Foar SL 2D Nb4C3Tx wurde de getallen útdrukt as (a2, b2, c2, d2, e1).
Röntgendiffraksjemjittingen fan SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXenen wurde werjûn yn respektivelik ôfb. 2e1 en e2. Peaken (002) by 4.31 en 4.32 komme oerien mei de earder beskreaune laachfoarmige MXenen Nb2CTx en Nb4C3TX38,39,40,41. De XRD-resultaten jouwe ek de oanwêzigens oan fan guon oerbleaune ML-strukturen en MAX-fazen, mar meast XRD-patroanen dy't ferbûn binne mei SL Nb4C3Tx (ôfb. 2e2). De oanwêzigens fan lytsere dieltsjes fan 'e MAX-faze kin de sterkere MAX-piek ferklearje yn ferliking mei de willekeurich steapele Nb4C3Tx-lagen.
Fierder ûndersyk hat him rjochte op griene mikroalgen dy't ta de soarte R. subcapitata hearre. Wy hawwe mikroalgen keazen, om't se wichtige produsinten binne dy't belutsen binne by wichtige fiedselwebben42. Se binne ek ien fan 'e bêste yndikatoaren fan toksisiteit fanwegen it fermogen om giftige stoffen te ferwiderjen dy't nei hegere nivo's fan 'e fiedselketen brocht wurde43. Derneist kin ûndersyk nei R. subcapitata ljocht skine op 'e tafallige toksisiteit fan SL Nb-MXenen foar gewoane swietwetter-mikroorganismen. Om dit te yllustrearjen, hawwe de ûndersikers de hypoteze opsteld dat elke mikrobe in oare gefoelichheid hat foar giftige ferbiningen dy't yn 'e omjouwing oanwêzich binne. Foar de measte organismen hawwe lege konsintraasjes fan stoffen gjin ynfloed op har groei, wylst konsintraasjes boppe in bepaalde limyt se kinne remme of sels de dea feroarsaakje. Dêrom hawwe wy foar ús stúdzjes fan 'e oerflakynteraksje tusken mikroalgen en MXenen en it byhearrende herstel besletten om de ûnskealike en giftige konsintraasjes fan Nb-MXenen te testen. Om dit te dwaan, hawwe wy konsintraasjes fan 0 (as referinsje), 0.01, 0.1 en 10 mg l-1 MXene testen en dêrneist mikroalgen ynfekteare mei tige hege konsintraasjes MXene (100 mg l-1 MXene), wat ekstreem en deadlik wêze kin. . foar elke biologyske omjouwing.
De effekten fan SL Nb-MXenen op mikroalgen wurde werjûn yn figuer 3, útdrukt as it persintaazje groeibefoardering (+) of ynhibysje (-) metten foar 0 mg l-1 samples. Ter ferliking waarden de Nb-MAX-faze en ML Nb-MXenen ek hifke en de resultaten wurde werjûn yn SI (sjoch figuer S3). De krigen resultaten befêstigen dat SL Nb-MXenen hast folslein frij is fan toksisiteit yn it berik fan lege konsintraasjes fan 0,01 oant 10 mg/l, lykas werjûn yn figuer 3a,b. Yn it gefal fan Nb2CTx hawwe wy net mear as 5% ekotoksisiteit waarnommen yn it oantsjutte berik.
Stimulaasje (+) of ynhibysje (-) fan mikroalgengroei yn 'e oanwêzigens fan SL (a) Nb2CTx en (b) Nb4C3TX MXene. 24, 48 en 72 oeren fan MXene-mikroalgen-ynteraksje waarden analysearre. Signifikante gegevens (t-test, p < 0.05) waarden markearre mei in asterisk (*). Signifikante gegevens (t-test, p < 0.05) waarden markearre mei in asterisk (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Signifikante gegevens (t-test, p < 0.05) binne markearre mei in 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 (*). Wichtige gegevens (t-test, p < 0.05) binne markearre mei in asterisk (*).Reade pylken jouwe de ôfskaffing fan ynhibitoryske stimulearring oan.
Oan 'e oare kant blieken lege konsintraasjes fan Nb4C3TX wat giftiger te wêzen, mar net heger as 7%. Lykas ferwachte, seagen wy dat MXenes in hegere toksisiteit en remming fan mikroalgengroei hiene by 100mg L-1. Nijsgjirrich is dat gjin fan 'e materialen deselde trend en tiidsôfhinklikens fan atoksiske/toksyske effekten liet sjen yn ferliking mei de MAX- of ML-samples (sjoch SI foar details). Wylst foar de MAX-faze (sjoch Fig. S3) de toksisiteit sawat 15-25% berikte en mei de tiid tanommen, waard de omkearde trend waarnommen foar SL Nb2CTx en Nb4C3TX MXene. De remming fan mikroalgengroei naam mei de tiid ôf. It berikte sawat 17% nei 24 oeren en sakke nei minder as 5% nei 72 oeren (Fig. 3a, b, respektivelik).
Wichtiger is dat foar SL Nb4C3TX de groeiremming fan mikroalgen nei 24 oeren sawat 27% berikte, mar nei 72 oeren naam it ôf nei sawat 1%. Dêrom hawwe wy it waarnommen effekt oantsjutten as inverse remming fan stimulearring, en it effekt wie sterker foar SL Nb4C3TX MXene. De stimulearring fan mikroalgengroei waard earder waarnommen mei Nb4C3TX (ynteraksje by 10 mg L-1 foar 24 oeren) yn ferliking mei SL Nb2CTx MXene. It omkeareffekt fan remming-stimulearring waard ek goed werjûn yn 'e ferdûbelingssnelheidskurve fan biomassa (sjoch Fig. S4 foar details). Oant no ta is allinich de ekotoksisiteit fan Ti3C2TX MXene op ferskate manieren bestudearre. It is net giftich foar sebrafiskembryo's44, mar matich ekotoksisk foar de mikroalgenplanten Desmodesmus quadricauda en Sorghum saccharatum45. Oare foarbylden fan spesifike effekten omfetsje hegere toksisiteit foar kankerselllinen dan foar normale sellinen46,47. Der koe oannommen wurde dat de testomstannichheden ynfloed hawwe soene op 'e feroarings yn 'e groei fan mikroalgen dy't waarnommen wurde yn 'e oanwêzigens fan Nb-MXenen. Bygelyks, in pH fan sawat 8 yn it chloroplaststroma is optimaal foar effisjinte wurking fan it RuBisCO-enzym. Dêrom beynfloedzje pH-feroarings negatyf de snelheid fan fotosynteze48,49. Wy hawwe lykwols gjin wichtige feroarings yn pH waarnommen tidens it eksperimint (sjoch SI, Fig. S5 foar details). Yn 't algemien fermindere kultueren fan mikroalgen mei Nb-MXenen de pH fan 'e oplossing yn 'e rin fan' e tiid wat. Dizze ôfname wie lykwols fergelykber mei in feroaring yn 'e pH fan in suver medium. Derneist wie it berik fan fûne fariaasjes fergelykber mei dat metten foar in suvere kultuer fan mikroalgen (kontrôlemonster). Sa konkludearje wy dat fotosynteze net beynfloede wurdt troch feroarings yn pH yn 'e rin fan' e tiid.
Derneist hawwe de synthetisearre MXenen oerflakeinen (oanjûn as Tx). Dit binne benammen funksjonele groepen -O, -F en -OH. Oerflakgemy is lykwols direkt relatearre oan de metoade fan synteze. Dizze groepen binne bekend om willekeurich ferspraat oer it oerflak, wêrtroch it lestich is om har effekt op 'e eigenskippen fan MXene50 te foarsizzen. Der kin bewearre wurde dat Tx de katalytyske krêft wêze kin foar de oksidaasje fan niobium troch ljocht. Oerflakfunksjonele groepen leverje yndie meardere ankerplakken foar har ûnderlizzende fotokatalysatoren om heterojunksjes te foarmjen51. De gearstalling fan it groeimedium levere lykwols gjin effektive fotokatalysator (detaillearre mediumgearstalling is te finen yn SI Tabel S6). Derneist is elke oerflakmodifikaasje ek tige wichtich, om't de biologyske aktiviteit fan MXenen feroare wurde kin troch laachneiferwurking, oksidaasje, gemyske oerflakmodifikaasje fan organyske en anorganyske ferbiningen52,53,54,55,56 of oerflakladingstechnyk38. Dêrom, om te testen oft niobiumokside wat te krijen hat mei materiaalynstabiliteit yn it medium, hawwe wy stúdzjes útfierd fan it zeta (ζ) potinsjeel yn mikroalgengroeimedium en deionisearre wetter (foar ferliking). Us resultaten litte sjen dat SL Nb-MXenen frij stabyl binne (sjoch SI Fig. S6 foar MAX- en ML-resultaten). It zeta potinsjeel fan SL MXenen is sawat -10 mV. Yn it gefal fan SR Nb2CTx is de wearde fan ζ wat negativer as dy fan Nb4C3Tx. Sa'n feroaring yn 'e ζ-wearde kin oanjaan dat it oerflak fan negatyf laden MXene-nanoflakes posityf laden ioanen út it kultuermedium absorbearret. Tydlike mjittingen fan it zeta potinsjeel en de konduktiviteit fan Nb-MXenen yn kultuermedium (sjoch figueren S7 en S8 yn SI foar mear details) lykje ús hypoteze te stypjen.
Beide Nb-MXene SL's lieten lykwols minimale feroarings fan nul sjen. Dit demonstrearret dúdlik har stabiliteit yn it groeimedium fan mikroalgen. Derneist hawwe wy beoardiele oft de oanwêzigens fan ús griene mikroalgen de stabiliteit fan Nb-MXenen yn it medium soe beynfloedzje. De resultaten fan it zeta-potinsjaal en de konduktiviteit fan MXenen nei ynteraksje mei mikroalgen yn fiedingsmedia en kultuer oer tiid kinne fûn wurde yn SI (figueren S9 en S10). Nijsgjirrich is dat wy opmurken hawwe dat de oanwêzigens fan mikroalgen de fersprieding fan beide MXenen like te stabilisearjen. Yn it gefal fan Nb2CTx SL naam it zeta-potinsjaal sels wat ôf yn 'e rin fan' e tiid nei mear negative wearden (-15,8 tsjin -19,1 mV nei 72 oeren ynkubaasje). It zeta-potinsjaal fan SL Nb4C3TX naam wat ta, mar nei 72 oeren liet it noch altyd hegere stabiliteit sjen as nanoflakes sûnder de oanwêzigens fan mikroalgen (-18,1 tsjin -9,1 mV).
Wy fûnen ek in legere konduktiviteit fan Nb-MXene-oplossingen dy't ynkubearre waarden yn 'e oanwêzigens fan mikroalgen, wat in legere hoemannichte ioanen yn it fiedingsmedium oanjout. It is opmerklik dat de ynstabiliteit fan MXenen yn wetter benammen te tankjen is oan oerflakoksidaasje57. Dêrom fermoedzje wy dat griene mikroalgen op ien of oare manier de oksiden dy't foarme waarden op it oerflak fan Nb-MXene ferwidere hawwe en sels har foarkommen (oksidaasje fan MXene) foarkommen hawwe. Dit kin sjoen wurde troch it bestudearjen fan 'e soarten stoffen dy't opnommen wurde troch mikroalgen.
Wylst ús ekotoksikologyske stúdzjes oanjûn hawwe dat mikroalgen de toksisiteit fan Nb-MXenes yn 'e rin fan' e tiid en de ûngewoane ynhibysje fan stimulearre groei oerwinne koene, wie it doel fan ús stúdzje om mooglike wurkingsmeganismen te ûndersykjen. As organismen lykas algen bleatsteld wurde oan ferbiningen of materialen dy't net bekend binne mei har ekosystemen, kinne se op ferskate manieren reagearje58,59. Yn 'e ôfwêzigens fan giftige metaaloxiden kinne mikroalgen harsels fiede, wêrtroch't se kontinu kinne groeie60. Nei it opnimmen fan giftige stoffen kinne ferdigeningsmeganismen aktivearre wurde, lykas it feroarjen fan foarm of foarm. De mooglikheid fan absorpsje moat ek beskôge wurde58,59. It is wichtich om te notearjen dat elk teken fan in ferdigeningsmeganisme in dúdlike yndikator is fan 'e toksisiteit fan' e testferbining. Dêrom hawwe wy yn ús fierdere wurk de potinsjele oerflakynteraksje tusken SL Nb-MXene nanoflakes en mikroalgen ûndersocht troch SEM en de mooglike absorpsje fan Nb-basearre MXene troch röntgenfluoreszinsjespektroskopie (XRF). Tink derom dat SEM- en XRF-analyses allinich waarden útfierd by de heechste konsintraasje fan MXene om problemen mei aktiviteitstoksisiteit oan te pakken.
De SEM-resultaten wurde werjûn yn Fig. 4. Unbehannele mikroalgsellen (sjoch Fig. 4a, referinsjemonster) lieten dúdlik typyske R. subcapitata-morfology en croissant-like selfoarm sjen. Sellen lykje plat en wat ûnorganisearre. Guon mikroalgsellen oerlaapje en ferweefden mei-inoar, mar dit waard wierskynlik feroarsake troch it tariedingsproses fan 'e monster. Yn 't algemien hienen suvere mikroalgsellen in glêd oerflak en lieten gjin morfologyske feroarings sjen.
SEM-ôfbyldings dy't oerflakynteraksje sjen litte tusken griene mikroalgen en MXene-nanoblêden nei 72 oeren ynteraksje by ekstreme konsintraasje (100 mg L-1). (a) Unbehannele griene mikroalgen nei ynteraksje mei SL (b) Nb2CTx en (c) Nb4C3TX MXenen. Tink derom dat de Nb-MXene-nanoflakes markearre binne mei reade pylken. Foar ferliking binne ek foto's fan in optyske mikroskoop tafoege.
Yn tsjinstelling, mikroalgsellen dy't adsorbearre waarden troch SL Nb-MXene nanoflakes waarden skansearre (sjoch Fig. 4b, c, reade pylken). Yn it gefal fan Nb2CTx MXene (Fig. 4b) hawwe mikroalgen de neiging om te groeien mei oanhingjende twadiminsjonale nanoskalen, wat har morfology kin feroarje. It is wichtich om dizze feroarings ek te observearjen ûnder ljochtmikroskopie (sjoch SI Figuer S11 foar details). Dizze morfologyske oergong hat in plausibele basis yn 'e fysiology fan mikroalgen en har fermogen om harsels te ferdigenjen troch selmorfology te feroarjen, lykas it fergrutsjen fan selvolume61. Dêrom is it wichtich om it oantal mikroalgsellen te kontrolearjen dat eins yn kontakt is mei Nb-MXenen. SEM-stúdzjes lieten sjen dat sawat 52% fan 'e mikroalgsellen bleatsteld waarden oan Nb-MXenen, wylst 48% fan dizze mikroalgsellen kontakt foarkaam. Foar SL Nb4C3Tx MXene besykje mikroalgen kontakt mei MXene te foarkommen, wêrtroch't se lokalisearje en groeie fanút twadiminsjonale nanoskalen (Fig. 4c). Wy hawwe lykwols de penetraasje fan nanoskalen yn mikroalgsellen en har skea net waarnommen.
Selsbehâld is ek in tiidsôfhinklik reaksjegedrach op 'e blokkearring fan fotosynteze troch de adsorpsje fan dieltsjes op it seloerflak en it saneamde skaadeffekt (shading)62. It is dúdlik dat elk objekt (bygelyks Nb-MXene nanoflakes) dat tusken de mikroalgen en de ljochtboarne leit, de hoemannichte ljocht beheint dy't troch de chloroplasten opnommen wurdt. Wy hawwe lykwols gjin twifel dat dit in wichtige ynfloed hat op 'e krigen resultaten. Lykas oantoand troch ús mikroskopyske observaasjes, wiene de 2D nanoflakes net folslein ynpakt of oan it oerflak fan 'e mikroalgen fêstplakt, sels doe't de mikroalgsellen yn kontakt wiene mei Nb-MXenen. Ynstee dêrfan die bliken dat nanoflakes oriïntearre wiene op mikroalgsellen sûnder har oerflak te dekken. Sa'n set nanoflakes/mikroalgen kin de hoemannichte ljocht dy't troch mikroalgsellen opnommen wurdt, net signifikant beheine. Boppedat hawwe guon stúdzjes sels in ferbettering fan ljochtabsorpsje troch fotosyntetyske organismen oantoand yn 'e oanwêzigens fan twadiminsjonale nanomaterialen63,64,65,66.
Omdat SEM-ôfbyldings de opname fan niobium troch mikroalgsellen net direkt befêstigje koene, hawwe wy ús fierdere stúdzje rjochte op röntgenfluoresinsje (XRF) en röntgenfotoelektronspektroskopie (XPS) analyze om dit probleem te ferdúdlikjen. Dêrom hawwe wy de yntensiteit fan 'e Nb-piken fan referinsje-mikroalgsamples dy't gjin ynteraksje hiene mei MXenen, MXene-nanoflakes dy't loskamen fan it oerflak fan mikroalgsellen, en mikroalgsellen nei it fuortheljen fan 'e oanhingjende MXenen fergelike. It is it neamen wurdich dat as der gjin Nb-opname is, de Nb-wearde dy't troch de mikroalgsellen krigen wurdt nul wêze moat nei it fuortheljen fan 'e oanhingjende nanoskalen. Dêrom, as Nb-opname foarkomt, moatte sawol XRF- as XPS-resultaten in dúdlike Nb-piek sjen litte.
Yn it gefal fan XRF-spektra lieten mikroalgenmonsters Nb-pieken sjen foar SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene nei ynteraksje mei SL Nb2CTx en Nb4C3Tx MXene (sjoch Fig. 5a, let ek op dat de resultaten foar MAX- en ML-MXenes werjûn wurde yn SI, Figs S12–C17). Nijsgjirrich is dat de yntensiteit fan 'e Nb-piek yn beide gefallen itselde is (reade balken yn Fig. 5a). Dit joech oan dat de algen net mear Nb opnimme koene, en de maksimale kapasiteit foar Nb-akkumulaasje waard berikt yn 'e sellen, hoewol twa kear mear Nb4C3Tx MXene oan 'e mikroalgensellen hechte wie (blauwe balken yn Fig. 5a). It is opmerklik dat it fermogen fan mikroalgen om metalen te absorberen ôfhinklik is fan 'e konsintraasje fan metaaloksiden yn 'e omjouwing67,68. Shamshada et al.67 fûnen dat de absorberende kapasiteit fan swietwetteralgen ôfnimt mei tanimmende pH. Raize et al.68 hawwe opmurken dat it fermogen fan seewier om metalen op te nimmen sawat 25% heger wie foar Pb2+ as foar Ni2+.
(a) XRF-resultaten fan basale Nb-opname troch griene mikroalgsellen ynkubearre by in ekstreme konsintraasje fan SL Nb-MXenen (100 mg L-1) foar 72 oeren. De resultaten litte de oanwêzigens fan α sjen yn suvere mikroalgsellen (kontrôlemonster, grize kolommen), 2D-nanoflakes isolearre fan oerflakmikroalgsellen (blauwe kolommen), en mikroalgsellen nei skieding fan 2D-nanoflakes fan it oerflak (reade kolommen). De hoemannichte elemintêr Nb, (b) persintaazje fan gemyske gearstalling fan organyske komponinten fan mikroalgen (C=O en CHx/C–O) en Nb-oksiden oanwêzich yn mikroalgsellen nei ynkubaasje mei SL Nb-MXenen, (c–e) Oanpassing fan 'e gearstallingspyk fan XPS SL Nb2CTx-spektra en (fh) SL Nb4C3Tx MXene ynternalisearre troch mikroalgsellen.
Dêrom ferwachten wy dat Nb troch algsellen opnommen wurde koe yn 'e foarm fan oksiden. Om dit te testen, hawwe wy XPS-stúdzjes útfierd op MXenen Nb2CTx en Nb4C3TX en algsellen. De resultaten fan 'e ynteraksje fan mikroalgen mei Nb-MXenen en MXenen isolearre út algsellen wurde werjûn yn Fig. 5b. Lykas ferwachte, hawwe wy Nb 3d-pieken yn 'e mikroalgenmonsters detektearre nei it fuortheljen fan MXen fan it oerflak fan 'e mikroalgen. De kwantitative bepaling fan C=O, CHx/CO, en Nb-oksiden waard berekkene op basis fan 'e Nb 3d, O 1s, en C 1s-spektra krigen mei Nb2CTx SL (Fig. 5c–e) en Nb4C3Tx SL (Fig. 5c–e). ) krigen fan ynkubearre mikroalgen. Figuer 5f–h) MXenen. Tabel S1-3 toant de details fan 'e piekparameters en algemiene skiekunde dy't resultearje út 'e fit. It is opmerklik dat de Nb 3d-regio's fan Nb2CTx SL en Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) oerienkomme mei ien Nb2O5-komponint. Hjir fûnen wy gjin MXene-relatearre pieken yn 'e spektra, wat oanjout dat mikroalgsellen allinich de oksidefoarm fan Nb opnimme. Derneist hawwe wy it C1s-spektrum benadere mei de C–C, CHx/C–O, C=O, en –COOH-komponinten. Wy hawwe de CHx/C–O en C=O-pieken tawiisd oan 'e organyske bydrage fan mikroalgsellen. Dizze organyske komponinten binne ferantwurdlik foar 36% en 41% fan 'e C1s-pieken yn Nb2CTx SL en Nb4C3TX SL, respektivelik. Wy hawwe doe de O1s-spektra fan SL Nb2CTx en SL Nb4C3TX oanpast mei Nb2O5, organyske komponinten fan mikroalgen (CHx/CO), en oerflak-adsorbearre wetter.
Uteinlik joegen de XPS-resultaten dúdlik de foarm fan Nb oan, net allinich syn oanwêzigens. Neffens de posysje fan it Nb 3d-sinjaal en de resultaten fan 'e dekonvolúsje befêstigje wy dat Nb allinich opnommen wurdt yn 'e foarm fan oksiden en net yn ioanen of MXene sels. Derneist lieten XPS-resultaten sjen dat mikroalgsellen in grutter fermogen hawwe om Nb-oksiden op te nimmen fan SL Nb2CTx yn ferliking mei SL Nb4C3TX MXene.
Hoewol ús Nb-opnameresultaten yndrukwekkend binne en ús tastean om MXene-degradaasje te identifisearjen, is der gjin metoade beskikber om assosjearre morfologyske feroarings yn 2D-nanoflakes te folgjen. Dêrom hawwe wy ek besletten om in gaadlike metoade te ûntwikkeljen dy't direkt kin reagearje op alle feroarings dy't foarkomme yn 2D Nb-MXene-nanoflakes en mikroalgsellen. It is wichtich om te notearjen dat wy oannimme dat as de ynteraksjende soarten in transformaasje, ûntbining of defragmentaasje ûndergeane, dit him gau manifestearje moat as feroarings yn foarmparameters, lykas de diameter fan it lykweardige sirkelfoarmige gebiet, rûnens, Feret-breedte of Feret-lingte. Om't dizze parameters geskikt binne foar it beskriuwen fan langwerpige dieltsjes of twadiminsjonale nanoflakes, sil har folgjen troch dynamyske dieltsjefoarmanalyse ús weardefolle ynformaasje jaan oer de morfologyske transformaasje fan SL Nb-MXene-nanoflakes tidens reduksje.
De krigen resultaten wurde werjûn yn figuer 6. Ter ferliking hawwe wy ek de orizjinele MAX-faze en ML-MXenen testen (sjoch SI-figuren S18 en S19). Dynamyske analyze fan 'e dieltsjefoarm liet sjen dat alle foarmparameters fan twa Nb-MXene SL's signifikant feroaren nei ynteraksje mei mikroalgen. Lykas te sjen is oan 'e lykweardige sirkelfoarmige diameterparameter (fig. 6a, b), jout de fermindere peakintensiteit fan 'e fraksje fan grutte nanoflakes oan dat se de neiging hawwe om te ferfallen yn lytsere fragminten. Op fig. 6c lit d in ôfname sjen yn 'e pieken dy't ferbûn binne mei de transversale grutte fan 'e flakes (ferlinging fan 'e nanoflakes), wat de transformaasje fan 2D-nanoflakes yn in mear dieltsje-eftige foarm oanjout. Figuer 6e-h dy't respektivelik de breedte en lingte fan 'e Feret sjen lit. Feretbreedte en -lingte binne komplementêre parameters en moatte dêrom tegearre beskôge wurde. Nei ynkubaasje fan 2D Nb-MXene-nanoflakes yn 'e oanwêzigens fan mikroalgen, ferskowen har Feret-korrelaasjepieken en naam har yntensiteit ôf. Op basis fan dizze resultaten yn kombinaasje mei morfology, XRF en XPS, konkludearren wy dat de waarnommen feroarings sterk relatearre binne oan oksidaasje, om't oksidearre MXenen mear rimpelich wurde en ôfbrekke yn fragminten en sferyske oksidepartikels69,70.
Analyse fan MXene-transformaasje nei ynteraksje mei griene mikroalgen. Dynamyske dieltsjefoarmanalyse hâldt rekken mei parameters lykas (a, b) diameter fan it lykweardige sirkelfoarmige gebiet, (c, d) rûnens, (e, f) Feretbreedte en (g, h) Feretlingte. Hjirfoar waarden twa referinsje-mikroalgenmonsters analysearre tegearre mei primêre SL Nb2CTx en SL Nb4C3Tx MXenen, SL Nb2CTx en SL Nb4C3Tx MXenen, degradearre mikroalgen, en behannele mikroalgen SL Nb2CTx en SL Nb4C3Tx MXenen. De reade pylken litte de oergongen sjen fan 'e foarmparameters fan' e bestudearre twadiminsjonale nanoflakes.
Omdat foarmparameteranalyse tige betrouber is, kin it ek morfologyske feroarings yn mikroalgsellen oantoane. Dêrom hawwe wy de lykweardige sirkelfoarmige oerflakdiameter, rûnens en Feret-breedte/lingte fan suvere mikroalgsellen en sellen nei ynteraksje mei 2D Nb-nanoflakes analysearre. Op fig. 6a-h wurde feroarings yn 'e foarmparameters fan algsellen sjen litten, lykas bliken docht út in ôfname yn piekyntensiteit en in ferskowing fan maksima nei hegere wearden. Benammen seldounensparameters lieten in ôfname sjen yn langwerpige sellen en in tanimming fan sferyske sellen (Fig. 6a, b). Derneist naam de breedte fan 'e Feret-sel mei ferskate mikrometers ta nei ynteraksje mei SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) yn ferliking mei SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f). Wy fermoedzje dat dit miskien te tankjen is oan 'e sterke opname fan Nb-oksiden troch mikroalgen by ynteraksje mei Nb2CTx SR. Minder stive oanhechting fan Nb-flakes oan har oerflak kin resultearje yn selgroei mei minimaal skaadeffekt.
Us observaasjes fan feroaringen yn 'e parameters fan' e foarm en grutte fan mikroalgen komplementearje oare stúdzjes. Griene mikroalgen kinne har morfology feroarje yn reaksje op miljeustress troch selgrutte, foarm of metabolisme te feroarjen61. Bygelyks, it feroarjen fan 'e grutte fan sellen fasilitearret de opname fan fiedingsstoffen71. Lytsere algsellen litte in legere opname fan fiedingsstoffen en in beheinde groeisnelheid sjen. Omkeard hawwe gruttere sellen de neiging om mear fiedingsstoffen te konsumearjen, dy't dan yntrasellulêr ôfset wurde72,73. Machado en Soares fûnen dat it fungicide triclosan de selgrutte kin ferheegje. Se fûnen ek djipgeande feroaringen yn 'e foarm fan' e algen74. Derneist hawwe Yin et al.9 ek morfologyske feroaringen yn algen iepenbiere nei bleatstelling oan redusearre grafeenokside-nanokompositen. Dêrom is it dúdlik dat de feroare grutte/foarmparameters fan 'e mikroalgen feroarsake wurde troch de oanwêzigens fan MXene. Om't dizze feroaring yn grutte en foarm oanjout op feroaringen yn fiedingsstofopname, leauwe wy dat analyze fan grutte- en foarmparameters oer tiid de opname fan niobiumokside troch mikroalgen yn 'e oanwêzigens fan Nb-MXenen kin oantoane.
Boppedat kinne MXenen oksidearre wurde yn 'e oanwêzigens fan algen. Dalai et al.75 observearren dat de morfology fan griene algen dy't bleatsteld waarden oan nano-TiO2 en Al2O376 net unifoarm wie. Hoewol ús waarnimmings fergelykber binne mei de hjoeddeiske stúdzje, is it allinich relevant foar de stúdzje fan 'e effekten fan bioremediaasje yn termen fan MXene-ôfbraakprodukten yn 'e oanwêzigens fan 2D-nanoflakes en net nanopartikels. Om't MXenen kinne ôfbrekke yn metaaloksiden,31,32,77,78 is it ridlik om oan te nimmen dat ús Nb-nanoflakes ek Nb-oksiden kinne foarmje nei ynteraksje mei mikroalgsellen.
Om de reduksje fan 2D-Nb-nanoflakes te ferklearjen fia in ûntbiningsmeganisme basearre op it oksidaasjeproses, hawwe wy stúdzjes útfierd mei hege-resolúsje transmissie-elektronenmikroskopie (HRTEM) (Fig. 7a, b) en röntgenfotoelektronspektroskopie (XPS) (Fig. 7). 7c-i en tabellen S4-5). Beide oanpakken binne geskikt foar it bestudearjen fan 'e oksidaasje fan 2D-materialen en komplementearje elkoar. HRTEM is yn steat om de degradaasje fan twadiminsjonale laachstrukturen en it neifolgjende ferskinen fan metaalokside-nanopartikels te analysearjen, wylst XPS gefoelich is foar oerflakbiningen. Foar dit doel hawwe wy 2D Nb-MXeen-nanoflakes testen dy't ekstrahearre binne út mikroalgenseldispersjes, dat is, har foarm nei ynteraksje mei mikroalgenzellen (sjoch Fig. 7).
HRTEM-ôfbyldings dy't de morfology sjen litte fan oksidearre (a) SL Nb2CTx en (b) SL Nb4C3Tx MXenen, XPS-analyseresultaten dy't (c) de gearstalling fan oksideprodukten nei reduksje sjen litte, (d-f) peak-oerienkomst fan komponinten fan 'e XPS-spektra fan SL Nb2CTx en (g-i) Nb4C3Tx SL reparearre mei griene mikroalgen.
HRTEM-stúdzjes befêstigen de oksidaasje fan twa soarten Nb-MXene nanoflakes. Hoewol't de nanoflakes har twadiminsjonale morfology oant in beskate mjitte beholden, resultearre oksidaasje yn it ferskinen fan in protte nanopartikels dy't it oerflak fan 'e MXene nanoflakes bedekken (sjoch Fig. 7a,b). XPS-analyze fan c Nb 3d en O 1s sinjalen joech oan dat yn beide gefallen Nb-oksiden foarme waarden. Lykas te sjen is yn Figuer 7c, hawwe 2D MXene Nb2CTx en Nb4C3TX Nb 3d sinjalen dy't de oanwêzigens fan NbO- en Nb2O5-oksiden oanjaan, wylst O 1s sinjalen it oantal O-Nb-bannen oanjaan dy't ferbûn binne mei funksjonalisaasje fan it 2D nanoflake-oerflak. Wy hawwe opmurken dat de bydrage fan Nb-okside dominant is yn ferliking mei Nb-C en Nb3+-O.
Op fig. 7g-i litte de XPS-spektra sjen fan Nb3d, C1s, en O1s SL Nb2CTx (sjoch fig. 7d-f) en SL Nb4C3TX MXene isolearre út mikroalgsellen. Details fan Nb-MXenes pykparameters wurde jûn yn tabellen S4-5, respektivelik. Wy hawwe earst de gearstalling fan Nb3d analysearre. Yn tsjinstelling ta Nb opnommen troch mikroalgsellen, waarden yn MXene isolearre út mikroalgsellen, neist Nb2O5, oare komponinten fûn. Yn 'e Nb2CTx SL hawwe wy de bydrage fan Nb3+-O waarnommen yn in hoemannichte fan 15%, wylst de rest fan it Nb3d-spektrum dominearre waard troch Nb2O5 (85%). Derneist befettet it SL Nb4C3TX-monster Nb-C (9%) en Nb2O5 (91%) komponinten. Hjir komt Nb-C út twa binnenste atoomlagen fan metaalkarbid yn Nb4C3Tx SR. Wy mappje dan de C1s-spektra nei fjouwer ferskillende komponinten, lykas wy diene yn 'e ynternalisearre samples. Lykas ferwachte wurdt it C1s-spektrum dominearre troch grafityske koalstof, folge troch bydragen fan organyske dieltsjes (CHx/CO en C=O) fan mikroalgsellen. Derneist hawwe wy yn it O1s-spektrum de bydrage waarnommen fan organyske foarmen fan mikroalgsellen, niobiumokside en adsorbearre wetter.
Derneist hawwe wy ûndersocht oft de splitsing fan Nb-MXenen assosjeare is mei de oanwêzigens fan reaktive soerstofsoarten (ROS) yn it fiedingsmedium en/of mikroalgsellen. Hjirfoar hawwe wy de nivo's fan singlet soerstof (1O2) yn it kweekmedium en intrasellulêre glutathion beoardiele, in thiol dy't as in antioxidant yn mikroalgen fungearret. De resultaten wurde werjûn yn SI (figuren S20 en S21). Kultueren mei SL Nb2CTx en Nb4C3TX MXenen waarden karakterisearre troch in fermindere hoemannichte 1O2 (sjoch figuer S20). Yn it gefal fan SL Nb2CTx is MXene 1O2 fermindere nei sawat 83%. Foar mikroalgkultueren mei SL naam Nb4C3TX 1O2 noch mear ôf, nei 73%. Nijsgjirrich is dat feroarings yn 1O2 deselde trend lieten sjen as it earder waarnommen remmende-stimulearjende effekt (sjoch fig. 3). Der kin bewearre wurde dat ynkubaasje yn helder ljocht fotooksidaasje kin feroarje. De resultaten fan 'e kontrôle-analyze lieten lykwols hast konstante nivo's fan 1O2 sjen tidens it eksperimint (Fig. S22). Yn it gefal fan intrasellulêre ROS-nivo's hawwe wy ek deselde delgeande trend waarnommen (sjoch Figuer S21). Yn it earstoan wiene de nivo's fan ROS yn mikroalgsellen kultivearre yn 'e oanwêzigens fan Nb2CTx en Nb4C3Tx SL's heger as de nivo's fûn yn suvere kultueren fan mikroalgen. Uteinlik die lykwols bliken dat de mikroalgen har oanpasten oan 'e oanwêzigens fan beide Nb-MXenen, om't de ROS-nivo's ôfnamen nei 85% en 91% fan 'e nivo's metten yn suvere kultueren fan mikroalgen ynintingd mei SL Nb2CTx en Nb4C3TX, respektivelik. Dit kin oanjaan dat mikroalgen har yn 'e rin fan' e tiid nofliker fiele yn 'e oanwêzigens fan Nb-MXene dan yn allinich fiedingsmedium.
Mikroalgen binne in ferskate groep fotosyntetyske organismen. Tidens fotosynteze konvertearje se atmosfearyske koalstofdiokside (CO2) yn organyske koalstof. De produkten fan fotosynteze binne glukoaze en soerstof79. Wy fermoedzje dat de sa foarme soerstof in krityske rol spilet yn 'e oksidaasje fan Nb-MXenen. Ien mooglike ferklearring hjirfoar is dat de ferskillende beluchtingsparameter foarme wurdt by lege en hege parsjele druk fan soerstof bûten en binnen de Nb-MXen-nanoflakes. Dit betsjut dat oeral wêr't gebieten binne mei ferskillende parsjele druk fan soerstof, it gebiet mei it leechste nivo de anode sil foarmje 80, 81, 82. Hjir drage de mikroalgen by oan 'e skepping fan ferskillend beluchte sellen op it oerflak fan' e MXen-flakes, dy't soerstof produsearje fanwegen har fotosyntetyske eigenskippen. As gefolch wurde biokorrosjeprodukten (yn dit gefal niobiumoxiden) foarme. In oar aspekt is dat mikroalgen organyske soeren kinne produsearje dy't yn it wetter frijkomme83,84. Dêrom wurdt in agressive omjouwing foarme, wêrtroch't de Nb-MXenen feroarje. Derneist kinne mikroalgen de pH fan 'e omjouwing feroarje nei alkaline troch de opname fan koalstofdiokside, wat ek korrosje feroarsaakje kin79.
Wichtiger is dat de tsjuster/ljocht-fotoperioade dy't yn ús stúdzje brûkt is kritysk is foar it begripen fan 'e krigen resultaten. Dit aspekt wurdt yn detail beskreaun yn Djemai-Zoghlache et al. 85 Se brûkten bewust in fotoperioade fan 12/12 oeren om biokorrosje oan te toanen dy't ferbûn is mei biofouling troch de reade mikroalgen Porphyridium purpureum. Se litte sjen dat de fotoperioade assosjeare wurdt mei de evolúsje fan it potinsjeel sûnder biokorrosje, wat him manifestearret as pseudoperiodyske oscillaasjes om 24:00 oere. Dizze waarnimmings waarden befêstige troch Dowling et al. 86 Se demonstrearren fotosyntetyske biofilms fan cyanobaktearjes Anabaena. Oploste soerstof wurdt foarme ûnder ynfloed fan ljocht, wat assosjeare wurdt mei in feroaring of fluktuaasjes yn it frije biokorrosjepotinsjeel. It belang fan 'e fotoperioade wurdt beklamme troch it feit dat it frije potinsjeel foar biokorrosje tanimt yn 'e ljochte faze en ôfnimt yn 'e tsjustere faze. Dit komt troch de soerstof produsearre troch fotosyntetyske mikroalgen, dy't ynfloed hat op 'e kathodyske reaksje troch de parsjele druk dy't generearre wurdt tichtby de elektroden87.
Derneist waard Fourier-transformearre ynfrareadspektroskopie (FTIR) útfierd om út te finen oft der feroaringen bard binne yn 'e gemyske gearstalling fan mikroalgsellen nei ynteraksje mei Nb-MXenen. Dizze krigen resultaten binne kompleks en wy presintearje se yn SI (Figuren S23-S25, ynklusyf de resultaten fan 'e MAX-faze en ML MXenen). Koartsein, de krigen referinsjespektra fan mikroalgen jouwe ús wichtige ynformaasje oer de gemyske skaaimerken fan dizze organismen. Dizze meast wierskynlike trillingen binne te finen by frekwinsjes fan 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.11 (C–H) en 3280 cm–1 (O–H). Foar SL Nb-MXenen fûnen wy in CH-bân-strekhandtekening dy't oerienkomt mei ús eardere stúdzje38. Wy hawwe lykwols waarnommen dat guon ekstra pieken dy't ferbûn binne mei C=C- en CH-biningen ferdwûnen. Dit jout oan dat de gemyske gearstalling fan mikroalgen lytse feroarings kin ûndergean fanwegen ynteraksje mei SL Nb-MXenen.
By it beskôgjen fan mooglike feroarings yn 'e biogemy fan mikroalgen, moat de opgarjen fan anorganyske oksiden, lykas niobiumokside, opnij beskôge wurde59. It is belutsen by de opname fan metalen troch it seloerflak, har transport yn it cytoplasma, har assosjaasje mei intrasellulêre karboksylgroepen, en har opgarjen yn mikroalgenpolyfosfosomen20,88,89,90. Derneist wurdt de relaasje tusken mikroalgen en metalen ûnderhâlden troch funksjonele groepen fan sellen. Om dizze reden hinget absorpsje ek ôf fan 'e oerflakgemy fan mikroalgen, dy't frij kompleks is9,91. Yn 't algemien, lykas ferwachte, feroare de gemyske gearstalling fan griene mikroalgen wat fanwegen de absorpsje fan Nb-okside.
Nijsgjirrich is dat de waarnommen earste ynhibysje fan mikroalgen yn 'e rin fan' e tiid omkearber wie. Lykas wy observearren, oerwûnen de mikroalgen de earste feroaring yn 'e omjouwing en kamen úteinlik werom nei normale groeisnelheden en namen se sels ta. Undersyk nei it zeta-potinsjaal lit hege stabiliteit sjen as it ynfierd wurdt yn fiedingsmedia. Sa waard de oerflakynteraksje tusken mikroalgsellen en Nb-MXene-nanoflakes hanthavene tidens de reduksje-eksperiminten. Yn ús fierdere analyze fetsje wy de wichtichste aksjemeganismen gear dy't oan dit opmerklike gedrach fan mikroalgen ten grondslach lizze.
SEM-waarnimmings hawwe oantoand dat mikroalgen de neiging hawwe om te hechten oan Nb-MXenen. Mei help fan dynamyske ôfbyldingsanalyse befêstigje wy dat dit effekt liedt ta de transformaasje fan twadiminsjonale Nb-MXene-nanoflakes yn mear sferyske dieltsjes, wêrtroch't oantoand wurdt dat de ûntbining fan nanoflakes assosjeare is mei har oksidaasje. Om ús hypoteze te testen, hawwe wy in searje materiaal- en biogemyske stúdzjes útfierd. Nei it testen oksidearren de nanoflakes stadichoan en ûntbûnen se yn NbO- en Nb2O5-produkten, dy't gjin bedriging foarmen foar griene mikroalgen. Mei help fan FTIR-waarnimming fûnen wy gjin wichtige feroaringen yn 'e gemyske gearstalling fan mikroalgen dy't ynkubearre waarden yn 'e oanwêzigens fan 2D Nb-MXene-nanoflakes. Rekken hâldend mei de mooglikheid fan opname fan niobiumokside troch mikroalgen, hawwe wy in röntgenfluoreszinsje-analyze útfierd. Dizze resultaten litte dúdlik sjen dat de bestudearre mikroalgen fiede mei niobiumoksiden (NbO en Nb2O5), dy't net-giftig binne foar de bestudearre mikroalgen.