Go raibh maith agat as cuairt a thabhairt ar Nature.com.Tá tú ag baint úsáide as leagan brabhsálaí a bhfuil tacaíocht CSS teoranta aige.Chun an taithí is fearr a fháil, molaimid duit brabhsálaí nuashonraithe a úsáid (nó Mód Comhoiriúnachta a dhíchumasú in Internet Explorer).Idir an dá linn, chun tacaíocht leanúnach a chinntiú, cuirfimid an suíomh gan stíleanna agus JavaScript.
Taispeánann sé timpeallán de thrí shleamhnán ag an am céanna.Bain úsáid as na cnaipí Roimhe agus Ar Aghaidh chun bogadh trí thrí shleamhnán ag an am, nó bain úsáid as na cnaipí sleamhnáin ag an deireadh chun bogadh trí thrí shleamhnán ag an am.
Is féidir le forbairt mhear na nanaitheicneolaíochta agus a lánpháirtiú i bhfeidhmchláir laethúla an comhshaol a chur i mbaol.Cé go bhfuil modhanna glasa maidir le díghrádú ábhar salaithe orgánacha bunaithe go maith, is ábhar mór imní é aisghabháil ábhar salaithe criostalach neamhorgánach mar gheall ar a n-íogaireacht íseal i leith bith-chlaochlú agus easpa tuisceana ar idirghníomhaíochtaí dromchla ábhair le cinn bhitheolaíocha.Anseo, bainimid úsáid as samhail MXenes 2D neamhorgánacha bunaithe ar Nb in éineacht le modh anailíse paraiméadar cruth simplí chun meicníocht bithleasúcháin nana-ábhar ceirmeacha 2D a rianú ag an microalgae glas Raphidocelis subcapitata.Fuaireamar amach go ndíghrádaíonn microalgae MXenes Nb-bhunaithe mar gheall ar idirghníomhaíochtaí fisiciceimiceacha a bhaineann le dromchla.Ar dtús, bhí nanaflaí MXene aon-ciseal agus multilayer ceangailte le dromchla na microalgae, rud a laghdaigh fás algaí beagán.Mar sin féin, tar éis idirghníomhú fada leis an dromchla, ocsaídigh micrialgaí nanaflaí MXene agus dhianscaoileadh tuilleadh iad isteach i NbO agus Nb2O5.Toisc go bhfuil na hocsaídí seo neamh-tocsaineach do chealla microalgae, ídíonn siad nanacháithníní ocsaíd Nb trí mheicníocht ionsúcháin a athbhunaíonn na miocralgaí a thuilleadh tar éis 72 uair an chloig de chóireáil uisce.Léirítear éifeachtaí na gcothaithigh a bhaineann le hionsú freisin leis an méadú ar an méid cille, a gcruth réidh agus athrú ar an ráta fáis.Bunaithe ar na torthaí seo, tagaimid ar an gconclúid go bhféadfadh láithreacht gearrthéarmach agus fadtéarmach MXenes Nb-bhunaithe in éiceachórais fionnuisce a bheith ina chúis le tionchair bheaga comhshaoil ​​amháin.Is fiú a thabhairt faoi deara, agus nana-ábhair dhéthoiseacha á n-úsáid againn mar chórais mhúnla, léirímid an fhéidearthacht claochlú cruth a rianú fiú in ábhair mhíne.Tríd is tríd, freagraíonn an staidéar seo ceist bhunúsach thábhachtach faoi phróisis a bhaineann le hidirghníomhaíocht dromchla a stiúrann meicníocht bhithleasúcháin nana-ábhar 2D agus cuireann sé bonn ar fáil le haghaidh tuilleadh staidéir ghearrthéarmacha agus fhadtéarmacha ar thionchar comhshaoil ​​nana-ábhar criostalach neamhorgánach.
Tá go leor suime cruthaithe ag nana-ábhair ó aimsíodh iad, agus tá nanaitheicneolaíochtaí éagsúla tar éis dul isteach i gcéim nuachóirithe1 le déanaí.Ar an drochuair, is féidir scaoileadh de thaisme a bheith mar thoradh ar chomhtháthú na n-ábhar i bhfeidhmchláir laethúla mar gheall ar dhiúscairt mhíchuí, láimhseáil mhíchúramach, nó bonneagar sábháilteachta neamhleor.Dá bhrí sin, tá sé réasúnta glacadh leis gur féidir nana-ábhair, lena n-áirítear nana-ábhair déthoiseacha (2D), a scaoileadh isteach sa timpeallacht nádúrtha, nach bhfuil tuiscint iomlán fós ar a n-iompraíocht agus ar a ngníomhaíocht bhitheolaíoch.Mar sin, ní haon ionadh é gur dhírigh imní éiceathocsaineachta ar chumas na n-ábhar 2D láisteadh isteach i gcórais uisceacha2,3,4,5,6.Sna héiceachórais seo, is féidir le roinnt nana-ábhair 2T idirghníomhú le horgánaigh éagsúla ag leibhéil éagsúla trófacha, lena n-áirítear micreaalgaí.
Is orgánaigh phríomhúla iad micrialgaí a fhaightear go nádúrtha in éiceachórais fionnuisce agus mara a tháirgeann táirgí éagsúla ceimiceacha trí fhótaisintéis7.Mar sin, tá siad ríthábhachtach d'éiceachórais uisceacha8,9,10,11,12 ach is táscairí íogaire, neamhchostasach iad freisin ar éiceathocsaineacht13,14.Ós rud é go n-iolraíonn cealla micreaalgacha go tapa agus go bhfreagraíonn siad go tapa do láithreacht comhdhúile éagsúla, tá gealladh fúthu go bhforbrófar modhanna atá neamhdhíobhálach don chomhshaol chun uisce éillithe le substaintí orgánacha a chóireáil15,16.
Is féidir le cealla algaí iain neamhorgánacha a bhaint as uisce trí bhith-ionsú agus carnadh17,18.Roinnt speiceas algach ar nós Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue agus Synechococcus sp.Fuarthas amach go n-iompraíonn agus go gcothaíonn sé fiú iain mhiotail tocsaineacha amhail Fe2+, Cu2+, Zn2+ agus Mn2+19.Tá léirithe ag staidéir eile go gcuireann iain Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ nó Pb2+ srian le fás Scenedesmus trí mhoirfeolaíocht na gceall a athrú agus a gcuid clóraplastaí a scriosadh20,21.
Tá modhanna glasa chun truailleáin orgánacha a dhianscaoileadh agus fáil réidh le hiain mhiotail throma tar éis aird eolaithe agus innealtóirí ar fud an domhain a mhealladh.Tá sé seo go príomha mar gheall ar an bhfíric go ndéantar na hábhair salaithe seo a phróiseáil go héasca sa chéim leachtach.Mar sin féin, is sainairíonna iad truailleáin chriostail neamhorgánacha ag tuaslagthacht íseal uisce agus claonadh íseal i leith bith-chlaochlaithe éagsúla, rud a fhágann deacrachtaí móra maidir le feabhsúcháin, agus is beag dul chun cinn atá déanta sa réimse seo22,23,24,25,26.Mar sin, is réimse casta agus neamh-iniúchta fós é cuardach a dhéanamh ar réitigh atá neamhdhíobhálach don chomhshaol chun nana-ábhair a dheisiú.Mar gheall ar an leibhéal ard neamhchinnteachta maidir le héifeachtaí bith-chlaochlaithe nana-ábhar 2D, níl aon bhealach éasca ann chun bealaí féideartha a ndíghrádaithe a fháil amach le linn an laghdaithe.
Sa staidéar seo, d'úsáideamar microalgae glas mar ghníomhaire gníomhach bithleasúcháin uiscí d'ábhair ceirmeacha neamhorgánacha, in éineacht le monatóireacht in situ ar phróiseas díghrádaithe MXene mar ionadaí d'ábhair ceirmeacha neamhorgánacha.Léiríonn an téarma “MXene” stoichiometry an ábhair Mn+1XnTx, áit a bhfuil M ina mhiotal trasdultach luath, is carbóin agus/nó nítrigin é X, is críochnóir dromchla é Tx (m.sh., -OH, -F, -Cl), agus n = 1, 2, 3 nó 427.28.Ó tháinig Naguib et al ar MXenes.Braiteoirí, teiripe ailse agus scagachán membrane 27,29,30.Ina theannta sin, is féidir MXenes a mheas mar chórais mhúnla 2D mar gheall ar a gcobhsaíocht cholóideach den scoth agus idirghníomhaíochtaí bitheolaíocha féideartha31,32,33,34,35,36.
Dá bhrí sin, taispeántar an mhodheolaíocht a forbraíodh san Airteagal seo agus ár hipitéisí taighde i bhFíor 1. De réir an hipitéis seo, díghrádaíonn microalgae MXenes Nb-bhunaithe i gcomhdhúile neamh-tocsaineacha mar gheall ar idirghníomhaíochtaí fisiciceimiceacha a bhaineann le dromchla, rud a ligeann do na algaí a ghnóthú tuilleadh.Chun an hipitéis seo a thástáil, roghnaíodh beirt bhall den teaghlach de chomhdhúile agus/nó de nítrídí miotail trasdula bunaithe ar niobium (MXenes), eadhon Nb2CTx agus Nb4C3TX.
Modheolaíocht taighde agus hipitéisí fianaise-bhunaithe maidir le haisghabháil MXene ag microalgae glas Raphidocelis subcapitata.Tabhair faoi deara le do thoil nach bhfuil anseo ach léiriú scéimreach ar bhoinn tuisceana atá bunaithe ar fhianaise.Tá difríocht idir timpeallacht an locha sa mheán cothaitheach a úsáidtear agus na coinníollacha (m.sh., timthriall laethúil agus teorainneacha ar na cothaithigh riachtanacha atá ar fáil).Cruthaithe le BioRender.com.
Mar sin, trí úsáid a bhaint as MXene mar chóras eiseamláireach, tá an doras oscailte againn chun staidéar a dhéanamh ar éifeachtaí bitheolaíocha éagsúla nach féidir a fheiceáil le nana-ábhair thraidisiúnta eile.Léirímid go háirithe an fhéidearthacht go ndéanfaí bithleasú ar nana-ábhair dhéthoiseacha, mar MXenes niobium-bhunaithe, ag micreaalgaí Raphidocelis subcapitata.Tá microalgae in ann Nb-MXenes a dhíghrádú isteach sna ocsaídí neamh-tocsaineacha NbO agus Nb2O5, a sholáthraíonn cothaithigh freisin tríd an meicníocht iontógáil niobium.Ar an iomlán, freagraíonn an staidéar seo ceist bhunúsach thábhachtach faoi na próisis a bhaineann le hidirghníomhaíochtaí fisiciceimiceacha dromchla a rialaíonn meicníochtaí bithleasúcháin nana-ábhar déthoiseach.Ina theannta sin, táimid ag forbairt modh simplí cruth-paraiméadar-bhunaithe chun athruithe subtle i gcruth na n-ábhar 2T nana-ábhar a rianú.Spreagann sé seo tuilleadh taighde gearrthéarmach agus fadtéarmach ar na tionchair timpeallachta éagsúla a bhíonn ag nana-ábhair chriostail neamhorgánacha.Mar sin, méadaíonn ár staidéar an tuiscint ar an idirghníomhaíocht idir an dromchla ábhar agus ábhar bitheolaíoch.Táimid ag cur an bonn ar fáil freisin le haghaidh staidéir ghearrthéarmacha agus fhadtéarmacha leathnaithe ar a dtionchar féideartha ar éiceachórais fionnuisce, ar féidir a fhíorú go héasca anois.
Is ionann MXenes agus aicme ábhar suimiúil a bhfuil airíonna fisiceacha agus ceimiceacha uathúla tarraingteacha acu agus dá bhrí sin go leor feidhmeanna féideartha.Tá na hairíonna seo ag brath go mór ar a stoichiometry agus ar cheimic dromchla.Dá bhrí sin, inár staidéar, rinneamar imscrúdú ar dhá chineál MXenes aon-chiseal ordlathach (SL) atá bunaithe ar Nb, Nb2CTx agus Nb4C3TX, ós rud é go bhféadfaí éifeachtaí bitheolaíocha éagsúla na nana-ábhar seo a thabhairt faoi deara.Déantar MXenes a tháirgeadh óna n-ábhar tosaigh trí eitseáil roghnach ó bharr anuas de shraitheanna A-chéim A atá tanaí adamhach.Is ceirmeach thrínártha í an chéim MAX atá comhdhéanta de bhlocanna “nasctha” de chomhdhúile trasmhiotail agus sraitheanna tanaí d’eilimintí “A” mar Al, Si, agus Sn le stoichiometry MnAXn-1.Breathnaíodh ar mhoirfeolaíocht na céime MAX tosaigh trí mhicreascópacht leictreon a scanadh (SEM) agus bhí sé ag teacht le staidéir roimhe seo (Féach Faisnéis Fhorlíontach, SI, Fíor S1).Fuarthas Multilayer (ML) Nb-MXene tar éis an ciseal Al a bhaint le 48% HF (aigéad hidreafluarach).Scrúdaíodh moirfeolaíocht ML-Nb2CTx agus ML-Nb4C3TX trí mhicreascópacht leictreoin (SEM) (Figiúirí S1c agus S1d faoi seach) a scanadh agus breathnaíodh moirfeolaíocht MXene cisealach tipiciúil, cosúil le nana-noflakes déthoiseach ag dul trí slits fadaithe cosúil le pore.Tá mórán i bpáirt ag an dá Nb-MXenes agus na céimeanna MXene a shintéisíodh roimhe seo le heitseáil aigéad27,38.Tar éis an struchtúr MXene a dheimhniú, rinneamar é a chisealú trí hiodrocsaíd tetrabutylammonium (TBAOH) a idirghalú agus níocháin agus sonication ina dhiaidh sin, agus ina dhiaidh sin fuaireamar nanaflaí 2D Nb-MXene aonchiseal nó ciseal íseal (SL).
D’úsáideamar micreascópacht leictreoin tarchurtha ardtaifigh (HRTEM) agus díraonadh X-gha (XRD) chun éifeachtacht eitseála agus feannadh breise a thástáil.Taispeántar na torthaí HRTEM a phróiseáiltear ag baint úsáide as an Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) agus Fast Fourier Transform (FFT) i bhFíor 2. Bhí nanaflaí NB-MXene dírithe ar imeall suas chun struchtúr an chiseal adamhach a sheiceáil agus na hachair idirphleanacha a thomhas.Nocht íomhánna HRTEM de nanaflaí MXene Nb2CTx agus Nb4C3TX a nádúr cisealta adamhach tanaí (féach Fíor 2a1, a2), mar a thuairiscigh Naguib et al.27 agus Jastrzębska et al.38 roimhe seo.I gcás dhá mhonaiteoir Nb2CTx agus Nb4C3Tx in aice láimhe, chinneamar achair idirchiseal 0.74 agus 1.54 nm, faoi seach (Fíoracha 2b1,b2), a aontaíonn freisin lenár dtorthaí roimhe seo38.Deimhníodh é seo freisin ag an trasfhoirmiú tapa inbhéartach Fourier (Fíor 2c1, c2) agus an claochlú tapa Fourier (Fíor 2d1, d2) a thaispeánann an fad idir na monolayers Nb2CTx agus Nb4C3Tx.Taispeánann an íomhá malairt bannaí solais agus dorcha a fhreagraíonn do adaimh niobium agus charbóin, rud a dhearbhaíonn nádúr cisealta na MXenes a ndearnadh staidéar orthu.Tá sé tábhachtach a thabhairt faoi deara nár léirigh an speictreascópacht X-ghathaithe scaipthe fuinnimh (EDX) a fuarthas do Nb2CTx agus Nb4C3Tx (Figiúirí S2a agus S2b) aon iarsma den chéim MAX bhunaidh, ós rud é nár aimsíodh aon bhuaic Al.
Tréithriú nanaflaí SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx MXene, lena n-áirítear (a) micreascópacht leictreon ardtaifeach (HRTEM) íomháú taobh-amharc 2D nanoflake agus comhfhreagrach, (b) modh déine, (c) claochlú inbhéartach tapa Fourier (IFFT), (d) claochlú tapa Fourier (FFT), (e) patrúin X-MXenes Nbray.Maidir le SL 2D Nb2CTx, cuirtear na huimhreacha in iúl mar (a1, b1, c1, d1, e1).I gcás SL 2D Nb4C3Tx, cuirtear na huimhreacha in iúl mar (a2, b2, c2, d2, e1).
Léirítear tomhais díraonta X-gha de SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx MXenes i bhFíoracha.2e1 agus e2, faoi seach.Freagraíonn beanna (002) ag 4.31 agus 4.32 leis na MXenes Nb2CTx agus Nb4C3TX38,39,40,41 faoi seach a thuairiscítear roimhe seo.Léiríonn torthaí XRD freisin láithreacht roinnt struchtúir ML iarmharacha agus céimeanna MAX, ach patrúin XRD den chuid is mó a bhaineann le SL Nb4C3Tx (Fíor 2e2).Féadfaidh láithreacht cáithníní níos lú den chéim MAX an buaic MAX níos láidre a mhíniú i gcomparáid leis na sraitheanna Nb4C3Tx atá cruachta go randamach.
Dhírigh tuilleadh taighde ar mhicreaalgaí glasa a bhaineann leis an speiceas R. subcapitata.Roghnaíomar micreaalgaí toisc gur táirgeoirí tábhachtacha iad a bhfuil baint acu le mórghréasáin bia42.Tá siad ar cheann de na táscairí is fearr maidir le tocsaineacht mar gheall ar an gcumas substaintí tocsaineacha a iompraítear go leibhéil níos airde den bhiashlabhra43 a bhaint.Ina theannta sin, féadfaidh taighde ar R. subcapitata solas a chaitheamh ar thocsaineacht theagmhasach SL Nb-MXenes do mhiocrorgánaigh choiteanna fionnuisce.Chun é seo a léiriú, rinne na taighdeoirí hipitéis go bhfuil íogaireacht dhifriúil ag gach miocrób do chomhdhúile tocsaineacha atá sa chomhshaol.I gcás fhormhór na n-orgánach, ní chuireann tiúchan íseal substaintí isteach ar a bhfás, agus is féidir le tiúchan os cionn teorainn áirithe bac a chur orthu nó fiú bás a chur faoi deara.Dá bhrí sin, le haghaidh ár gcuid staidéir ar an idirghníomhaíocht dromchla idir microalgae agus MXenes agus an t-aisghabháil gaolmhar, shocraigh muid tástáil a dhéanamh ar thiúchan neamhdhíobhálach agus tocsaineach Nb-MXenes.Chun seo a dhéanamh, rinneamar tástáil ar thiúchan 0 (mar thagairt), 0.01, 0.1 agus 10 mg l-1 MXene agus freisin micreaalgaí ionfhabhtaithe le tiúchan an-ard de MXene (100 mg l-1 MXene), ar féidir leo a bheith foircneach agus marfach..d’aon timpeallacht bhitheolaíoch.
Léirítear éifeachtaí SL Nb-MXenes ar mhicroalgae i bhFíor 3, arna shloinneadh mar chéatadán cur chun cinn fáis (+) nó cosc ​​(-) arna thomhas le haghaidh samplaí 0 mg l-1.Chun comparáid a dhéanamh, rinneadh tástáil ar chéim Nb-MAX agus ML Nb-MXenes freisin agus léirítear na torthaí in IR (féach Fíor. S3).Dheimhnigh na torthaí a fuarthas go bhfuil SL Nb-MXenes beagnach iomlán gan tocsaineacht sa raon tiúchan íseal ó 0.01 go 10 mg/l, mar a léirítear i bhFíor 3a,b.I gcás Nb2CTx, níor thugamar faoi deara níos mó ná 5% éiceathocsaineacht sa raon sonraithe.
Spreagadh (+) nó cosc ​​(-) ar fhás microalgae i láthair SL (a) Nb2CTx agus (b) Nb4C3TX MXene.Rinneadh anailís ar 24, 48 agus 72 uair an chloig d'idirghníomhaíocht MXene-microalgae. Marcáladh sonraí suntasacha (t-thástáil, p < 0.05) le réiltín (*). Marcáladh sonraí suntasacha (t-thástáil, p < 0.05) le réiltín (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Tá sonraí suntasacha (t-thástáil, p < 0.05) marcáilte le réiltín (*).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-tástáil, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Tá sonraí tábhachtacha (t-thástáil, p < 0.05) marcáilte le réiltín (*).Léiríonn saigheada dearga deireadh a chur le spreagadh coisctheach.
Ar an láimh eile, d'éirigh le tiúchan íseal Nb4C3TX a bheith beagán níos tocsaineach, ach gan a bheith níos airde ná 7%.De réir mar a bheifí ag súil leis, thugamar faoi deara go raibh tocsaineacht níos airde ag MXenes agus cosc ​​ar fhás microalgae ag 100mg L-1.Is díol spéise é nár léirigh aon cheann de na hábhair an treocht chéanna agus an spleáchas ama maidir le héifeachtaí tocsaineacha/tocsaineacha i gcomparáid leis na samplaí MAX nó ML (féach IR le haghaidh sonraí).Cé gur shroich an tocsaineacht don chéim MAX (féach Fíor. S3) thart ar 15-25% agus mhéadaigh sé le himeacht ama, breathnaíodh an treocht droim ar ais do SL Nb2CTx agus Nb4C3TX MXene.Tháinig laghdú ar chosc ar fhás microalgae le himeacht ama.Shroich sé thart ar 17% tar éis 24 uair an chloig agus thit sé go dtí níos lú ná 5% tar éis 72 uair an chloig (Fíor 3a, b, faoi seach).
Níos tábhachtaí fós, le haghaidh SL Nb4C3TX, shroich cosc ​​​​fás microalgae thart ar 27% tar éis 24 uair an chloig, ach tar éis 72 uair an chloig laghdaigh sé go dtí thart ar 1%.Mar sin, lipéadaigh muid an éifeacht breathnaithe mar chosc inbhéartach ar spreagadh, agus bhí an éifeacht níos láidre do SL Nb4C3TX MXene.Tugadh faoi deara spreagadh fáis microalgae níos luaithe le Nb4C3TX (idirghníomhaíocht ag 10 mg L-1 ar feadh 24 h) i gcomparáid le SL Nb2CTx MXene.Taispeánadh go maith an éifeacht aisiompaithe coisc-spreagtha freisin i gcuar an ráta dúbailt bithmhaise (féach Fíor. S4 le haghaidh sonraí).Go dtí seo, ní dhearnadh staidéar ach ar éiceathocsaineacht Ti3C2TX MXene ar bhealaí éagsúla.Níl sé tocsaineach do shuthanna ribeacha44 ach tá sé measartha éiceathocsaineach do phlandaí micrialgaí Desmodesmus quadricauda agus Sorghum saccharatum45.I measc samplaí eile d’éifeachtaí sonracha tá tocsaineacht níos airde do línte cille ailse ná do ghnáthlínte cille46,47.D’fhéadfaí glacadh leis go mbeadh tionchar ag na coinníollacha tástála ar na hathruithe ar fhás microalgae a breathnaíodh i láthair Nb-MXenes.Mar shampla, tá pH de thart ar 8 sa stroma clóraplasta optamach chun an einsím RuBisCO a oibriú go héifeachtach.Mar sin, bíonn tionchar diúltach ag athruithe pH ar an ráta fótaisintéise48,49.Mar sin féin, níor thugamar faoi deara athruithe suntasacha i pH le linn an turgnaimh (féach IR, Fíor. S5 le haghaidh sonraí).Go ginearálta, laghdaigh cultúir microalgae le Nb-MXenes beagán pH an tuaslagáin le himeacht ama.Mar sin féin, bhí an laghdú seo cosúil le hathrú ar pH meán íon.Ina theannta sin, bhí an raon éagsúlachtaí a fuarthas cosúil leis an gceann a tomhaiseadh do chultúr íon de mhicreaalga (sampla rialaithe).Mar sin, is é an tátal a bhainimid as nach mbíonn tionchar ag athruithe ar pH le himeacht ama ar fhótaisintéis.
Ina theannta sin, tá foircinn dhromchla ag na MXenes sintéiseithe (a sainítear mar Tx).Is grúpaí feidhme iad seo go príomha -O, -F agus -OH.Mar sin féin, tá baint dhíreach ag ceimic dromchla leis an modh sintéise.Is eol go ndéantar na grúpaí seo a dháileadh go randamach thar an dromchla, rud a fhágann go bhfuil sé deacair a n-éifeacht ar airíonna MXene50 a thuar.Is féidir a áitiú go bhféadfadh Tx a bheith ina fhórsa catalaíoch chun niobium a ocsaídiú trí sholas.Soláthraíonn feidhmghrúpaí dromchla go deimhin suíomhanna iolracha ancaireachta dá bhfóta-chatalaíoch bunúsacha chun heitrea-junctions a chruthú51.Mar sin féin, níor chuir comhdhéanamh meán fáis fótacatalyst éifeachtach ar fáil (is féidir comhdhéanamh meánach mionsonraithe a fháil i dTábla IR S6).Ina theannta sin, tá aon mhodhnú dromchla an-tábhachtach freisin, toisc gur féidir gníomhaíocht bhitheolaíoch MXenes a athrú mar gheall ar iar-phróiseáil ciseal, ocsaídiú, modhnú ceimiceach dromchla comhdhúile orgánacha agus neamhorgánacha52,53,54,55,56 nó innealtóireacht muirear dromchla38.Dá bhrí sin, chun tástáil a dhéanamh an bhfuil baint ag ocsaíd niobium le héagobhsaíocht ábhair sa mheán, rinneamar staidéir ar an acmhainneacht zeta (ζ) i meán fáis microalgae agus uisce dí-ianaithe (le haghaidh comparáide).Léiríonn ár dtorthaí go bhfuil SL Nb-MXenes measartha cobhsaí (féach IR Fíor. S6 le haghaidh torthaí MAX agus ML).Tá poitéinseal zeta SL MXenes thart ar -10 mV.I gcás SR Nb2CTx, tá luach ζ beagán níos diúltaí ná luach Nb4C3Tx.Féadfaidh athrú den sórt sin ar an luach ζ a léiriú go n-ionsúnn dromchla na nanoflakes MXene atá luchtaithe go diúltach iain luchtaithe go dearfach ón meán cultúir.Dealraíonn sé go dtacaíonn tomhais ama ar acmhainneacht zeta agus seoltacht Nb-MXenes i meán cultúir (féach Fíoracha S7 agus S8 in IR le haghaidh tuilleadh sonraí) lenár hipitéis.
Mar sin féin, léirigh an dá Nb-MXene SL athruithe íosta ó nialas.Léiríonn sé seo go soiléir a gcobhsaíocht sa mheán fáis microalgae.Ina theannta sin, rinneamar measúnú ar cibé an gcuirfeadh láithreacht ár micrailgí glas isteach ar chobhsaíocht Nb-MXenes sa mheán.Is féidir torthaí an acmhainneacht zeta agus seoltacht MXenes tar éis idirghníomhú le microalgae i meáin chothaitheach agus i gcultúr le himeacht ama a fháil in IR (Figiúirí S9 agus S10).Suimiúil go leor, thugamar faoi deara go raibh an chuma ar an láthair microalgae a chobhsú scaipeadh an dá MXenes.I gcás Nb2CTx SL, laghdaigh an poitéinseal zeta fiú beagán le himeacht ama go luachanna níos diúltaí (-15.8 versus -19.1 mV tar éis 72 h de gor).Mhéadaigh acmhainneacht zeta SL Nb4C3TX beagán, ach tar éis 72 h léirigh sé cobhsaíocht níos airde fós ná na nanoflakes gan láithreacht microalgae (-18.1 vs -9.1 mV).
Fuaireamar freisin seoltacht níos ísle de thuaslagán Nb-MXene gortha i láthair microalgae, rud a léiríonn méid níos ísle d'ian sa mheán cothaitheach.Go háirithe, tá éagobhsaíocht MXenes in uisce go príomha mar gheall ar ocsaídiú dromchla57.Dá bhrí sin, tá amhras orainn gur ghlan microalgae glas ar bhealach éigin na ocsaídí a foirmíodh ar dhromchla Nb-MXene agus fiú cosc ​​​​a chur ar a dtarlú (ocsaídiú MXene).Is féidir é seo a fheiceáil trí staidéar a dhéanamh ar na cineálacha substaintí a ionsúnn micreaalgaí.
Cé gur léirigh ár gcuid staidéir éiceathocsaineolaíocha go raibh micreaalgaí in ann tocsaineacht Nb-MXenes a shárú le himeacht ama agus an cosc ​​neamhghnách ar fhás spreagtha, ba é aidhm ár staidéir ná meicníochtaí gníomhaíochta féideartha a fhiosrú.Nuair a nochtar orgánaigh ar nós algaí do chomhdhúile nó d’ábhair nach bhfuil cur amach acu ar a n-éiceachórais, féadfaidh siad freagairt ar bhealaí éagsúla58,59.In éagmais ocsaídí miotail tocsaineacha, is féidir le microalgae iad féin a bheathú, rud a ligeann dóibh fás go leanúnach60.Tar éis substaintí tocsaineacha a ionghabháil, féadfar meicníochtaí cosanta a chur i ngníomh, mar shampla cruth nó foirm a athrú.Ní mór an fhéidearthacht ionsúcháin a mheas freisin58,59.Go háirithe, is táscaire soiléir é aon chomhartha de mheicníocht chosanta ar thocsaineacht an chomhdhúil tástála.Dá bhrí sin, inár gcuid oibre breise, rinneamar imscrúdú ar an idirghníomhú dromchla féideartha idir nanaflaí SL Nb-MXene agus microalgae ag SEM agus an ionsú féideartha de MXene bunaithe ar Nb ag speictreascópacht fhluaraiseachta X-gha (XRF).Tabhair faoi deara nach ndearnadh anailísí SEM agus XRF ach ag an tiúchan is airde de MXene chun aghaidh a thabhairt ar shaincheisteanna tocsaineachta gníomhaíochta.
Taispeántar torthaí an SEM i bhFíor 4.Léirigh cealla micreaalgacha neamhchóireáilte (féach Fíor 4a, sampla tagartha) go soiléir moirfeolaíocht tipiciúil R. subcapitata agus cruth cille croissant-mhaith.Is cosúil go bhfuil cealla leacaithe agus beagán neamheagraithe.Rinne roinnt cealla micreaalga forluí agus fite fuaite lena chéile, ach is dócha gurbh é próiseas ullmhaithe an tsampla ba chúis leis seo.Go ginearálta, bhí dromchla réidh ag cealla microalgae íon agus níor léirigh siad aon athruithe moirfeolaíocha.
Íomhánna SEM a thaispeánann idirghníomhaíocht dromchla idir microalgae glas agus nana-bhileoga MXene tar éis 72 uair an chloig d'idirghníomhaíocht ag tiúchan mhór (100 mg L-1).(a) Micrealga glas neamhchóireáilte tar éis idirghníomhú le SL (b) Nb2CTx agus (c) Nb4C3TX MXenes.Tabhair faoi deara go bhfuil na nanaflaí Nb-MXene marcáilte le saigheada dearga.Chun comparáid a dhéanamh, cuirtear grianghraif ó mhicreascóp optúil leis freisin.
I gcodarsnacht leis sin, rinneadh damáiste do chealla microalgae arna n-ionsú ag nanaflaí SL Nb-MXene (féach Fíor 4b, c, saigheada dearga).I gcás Nb2CTx MXene (Fíor 4b), is gnách go bhfásann microalgae le nana scálaí déthoiseacha ceangailte, ar féidir leo a mhoirfeolaíocht a athrú.Go háirithe, thugamar faoi deara freisin na hathruithe seo faoi mhicreascópacht éadrom (féach IR Fíor S11 le haghaidh sonraí).Tá bunús sochreidte ag an aistriú moirfeolaíoch seo i bhfiseolaíocht na micrialgaí agus ina gcumas iad féin a chosaint trí mhoirfeolaíocht na gceall a athrú, mar shampla toirt na gceall a mhéadú61.Dá bhrí sin, tá sé tábhachtach líon na gcealla microalgae atá i dteagmháil le Nb-MXenes i ndáiríre a sheiceáil.Léirigh staidéir SEM go raibh thart ar 52% de chealla microalgae faoi lé Nb-MXenes, agus sheachain 48% de na cealla microalgae seo teagmháil.Maidir le SL Nb4C3Tx MXene, déanann micrailgí iarracht teagmháil le MXene a sheachaint, agus ar an gcaoi sin logánú agus fás ó nanascálaí déthoiseacha (Fíor 4c).Mar sin féin, níor thugamar faoi deara dul i bhfód na nanascála isteach i gcealla micrialgacha agus an damáiste a rinne siad.
Is iompar freagartha ama-spleách é féinchaomhnú freisin ar bhac fótaisintéise mar gheall ar asaithe cáithníní ar dhromchla na cille agus an éifeacht scáthaithe (scáthfhoghlaim) mar a thugtar air62.Is léir go gcuireann gach réad (mar shampla, nanaflaí Nb-MXene) atá idir na micrialgaí agus an fhoinse solais teorainn leis an méid solais a ionsúitear ag na clóraplastaí.Mar sin féin, níl aon amhras orainn ach go bhfuil tionchar suntasach aige seo ar na torthaí a fhaightear.Mar atá léirithe ag ár mbreathnuithe micreascópacha, ní raibh na nanoflakes 2D fillte nó cloí go hiomlán le dromchla na miocralga, fiú nuair a bhí na cealla microalgae i dteagmháil le Nb-MXenes.Ina áit sin, d'éirigh nanaflakes amach a bheith dírithe ar chealla microalgae gan a ndromchla a chlúdach.Ní féidir le sraith nana-lochanna/micreaalga dá leithéid teorainn shuntasach a chur leis an méid solais a ionsúitear cealla micrialga.Ina theannta sin, léirigh roinnt staidéir fiú go bhfuil feabhas tagtha ar ionsú solais ó orgánaigh fhótaisintéiseacha i láthair nana-ábhar déthoiseach63,64,65,66.
Ós rud é nach bhféadfadh íomhánna SEM glacadh niobium ag cealla micreaalgacha a dhearbhú go díreach, d'iompaigh ár staidéar breise ar fhluaraiseacht X-gha (XRF) agus anailís speictreascópachta fótaileictreon X-gha (XPS) chun an cheist seo a shoiléiriú.Dá bhrí sin, rinneamar comparáid idir déine na mbuaiceanna Nb de shamplaí microalgae tagartha nach raibh idirghníomhú acu le MXenes, nanaflaí MXene scoite ó dhromchla cealla microalgae, agus cealla microalgal tar éis deireadh a chur le MXenes ceangailte.Is fiú a thabhairt faoi deara, mura bhfuil aon ghlacadh Nb ann, ba cheart go mbeadh an luach Nb a fhaigheann na cealla microalgae ag nialas tar éis na nana scálaí ceangailte a bhaint.Dá bhrí sin, má tharlaíonn glacadh Nb, ba cheart go léireodh torthaí XRF agus XPS buaic Nb soiléir.
I gcás speictrim XRF, léirigh samplaí microalgae buaiceanna Nb do SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx MXene tar éis idirghníomhú le SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx MXene (féach Fíor 5a, tabhair faoi deara freisin go bhfuil na torthaí do MAX agus ML MXenes léirithe i SI, Figs S12-C17).Suimiúil go leor, tá déine an bhuaic Nb mar an gcéanna sa dá chás (barraí dearga i bhFíor 5a).Léirigh sé seo nach bhféadfadh na algaí níos mó Nb a ionsú, agus baineadh amach an cumas uasta le haghaidh carnadh Nb sna cealla, cé go raibh dhá uair níos mó Nb4C3Tx MXene ceangailte leis na cealla microalgae (barraí gorm i bhFíor 5a).Go háirithe, braitheann cumas microalgae miotail a ionsú ar thiúchan ocsaídí miotail sa chomhshaol67,68.Fuair ​​Shamshada et al.67 amach go laghdaítear cumas ionsúcháin algaí fionnuisce le méadú ar an pH.Thug Raize et al.68 faoi deara go raibh cumas feamainne chun miotail a ionsú thart ar 25% níos airde do Pb2+ ná do Ni2+.
(a) Torthaí XRF ar ghlacadh basal Nb ag cealla glasa micrialgaí arna ghortú ag tiúchan foircneacha SL Nb-MXenes (100 mg L-1) ar feadh 72 uair an chloig.Léiríonn na torthaí láithreacht α i gcealla microalgae íon (sampla rialaithe, colúin ghlasa), nana-locha 2D scoite ó chealla microalgae dromchla (colúin ghorma), agus cealla microalgae tar éis nana-naflaí 2D a scaradh ón dromchla (colúin dhearga).Méid eiliminteach Nb, (b) céatadán de chomhdhéanamh ceimiceach na gcomhpháirteanna orgánacha micrialgaí (C=O agus CHx/C–O) agus ocsaídí Nb atá i láthair i gcealla micrialgaí tar éis gortha le SL Nb-MXenes, (c–e) Feistiú buaic chomhdhéanaimh speictrim XPS SL Nb2CTx agus (fh) SL Nb4C3Tx cealla inmheánacha.
Mar sin, bhíomar ag súil go bhféadfaí Nb a ionsú ag cealla algach i bhfoirm ocsaídí.Chun é seo a thástáil, rinneamar staidéir XPS ar MXenes Nb2CTx agus Nb4C3TX agus cealla algaí.Léirítear torthaí idirghníomhú microalgae le Nb-MXenes agus MXenes scoite ó chealla algaí i bhFíor.5b.De réir mar a bhíothas ag súil leis, bhraitheamar beanna Nb 3d sna samplaí microalgae tar éis MXene a bhaint as dromchla an mhicrealga.Ríomhadh an cinneadh cainníochtúil ocsaídí C = O, CHx / CO, agus Nb bunaithe ar an speictrim NB 3d, O 1s, agus C 1s a fhaightear le Nb2CTx SL (Fíor 5c - e) agus Nb4C3Tx SL ( Fíor. 5c - e).(e) a fhaightear ó mhicreaalgaí gortha.Fíor 5f–h) MXenes.Taispeánann Tábla S1-3 sonraí na bparaiméadar buaic agus ceimic iomlán mar thoradh ar an bhfeistiú.Is fiú a lua go gcomhfhreagraíonn réigiúin Nb 3d de Nb2CTx SL agus Nb4C3Tx SL (Fíor 5c, f) do chomhpháirt amháin Nb2O5.Anseo, ní bhfuaireamar aon bhuaiceanna a bhaineann le MXene sa speictream, rud a thugann le fios nach n-ionsúnn cealla microalgae ach foirm ocsaíd Nb.Ina theannta sin, rinneamar an speictream C 1 s a chomhfhogasú leis na comhpháirteanna C–C, CHx/C–O, C=O, agus –COOH.Sannamar na buaiceanna CHx/CO-O agus C=O don rannchuidiú orgánach de chealla micreaalgacha.Is ionann na comhpháirteanna orgánacha seo agus 36% agus 41% de na buaiceanna C 1s i Nb2CTx SL agus Nb4C3TX SL, faoi seach.Ansin fheistiú muid an speictream O 1s de SL Nb2CTx agus SL Nb4C3TX le Nb2O5, comhpháirteanna orgánacha de mhicreaalga (CHx/CO), agus uisce dromchla asaithe.
Ar deireadh, léirigh torthaí XPS go soiléir foirm Nb, ní hamháin a láithreacht.De réir seasamh an chomhartha Nb 3d agus torthaí an dí-chomhbhrú, dearbhaímid nach n-ionsúitear Nb ach i bhfoirm ocsaídí agus ní hiain nó MXene féin.Ina theannta sin, léirigh torthaí XPS go bhfuil cumas níos mó ag cealla microalgae chun ocsaídí Nb a ghlacadh ó SL Nb2CTx i gcomparáid le SL Nb4C3TX MXene.
Cé go bhfuil ár dtorthaí glactha Nb go hiontach agus go gceadaíonn siad dúinn díghrádú MXene a aithint, níl aon mhodh ar fáil chun athruithe moirfeolaíocha gaolmhara i nana-lochanna 2T a rianú.Dá bhrí sin, shocraigh muid freisin modh oiriúnach a fhorbairt a fhéadfaidh freagairt go díreach d'aon athruithe a tharlaíonn i nanoflaí 2D Nb-MXene agus cealla microalgae.Tá sé tábhachtach a thabhairt faoi deara go nglacaimid leis má dhéantar aon chlaochlú, lobhadh nó lobhadh ar na speicis idirghníomhaithe, ba cheart go léireofaí é seo go tapa mar athruithe ar pharaiméadair cruth, mar thrastomhas an limistéir chiorclaigh choibhéisigh, roundness, Feret leithead, nó Feret fad.Ós rud é go bhfuil na paraiméadair seo oiriúnach chun cur síos a dhéanamh ar cháithníní fadaithe nó nanaflaí déthoiseacha, tabharfaidh a rianú trí anailís dhinimiciúil ar chruth na gcáithníní faisnéis luachmhar dúinn faoi chlaochlú moirfeolaíoch na nanoflakes SL Nb-MXene le linn laghdaithe.
Taispeántar na torthaí a fuarthas i bhFíor 6. Chun comparáid a dhéanamh, rinneamar tástáil freisin ar an mbunchéim MAX agus ML-MXenes (féach Fíoracha IR S18 agus S19).Léirigh anailís dhinimiciúil ar chruth na gcáithníní gur tháinig athrú suntasach ar gach paraiméadair cruth de dhá Nb-MXene SL tar éis idirghníomhú le microalgae.Mar a léiríonn an paraiméadar trastomhas limistéar ciorclach coibhéiseach (Fíor 6a, b), léiríonn an buaic-déine laghdaithe an codán de nanaflaí móra go bhfuil claonadh acu meath i blúirí níos lú.Ar fig.Léiríonn 6c, d laghdú ar na buaiceanna a bhaineann le méid trasnánach na calóga (fadú na nanoflakes), rud a léiríonn claochlú nana-naflaí 2T go cruth níos mó cosúil le cáithníní.Fíor 6e-h a thaispeánann leithead agus fad an Feret, faoi seach.Paraiméadair chomhlántacha iad leithead agus fad feadáin agus mar sin ba cheart iad a chur san áireamh le chéile.Tar éis gor na nanoflakes 2D Nb-MXene i láthair na micrialga, d'aistrigh a mbuaiceanna comhghaolaithe Feret agus tháinig laghdú ar a ndéine.Bunaithe ar na torthaí seo i gcomhcheangal le moirfeolaíocht, XRF agus XPS, tháinig muid ar an gconclúid go bhfuil baint láidir ag na hathruithe a breathnaíodh le ocsaídiú de réir mar a éiríonn MXenes ocsaídithe níos roic agus a bhriseann síos ina blúirí agus ina gcáithníní ocsaíde sféarúla69,70.
Anailís ar chlaochlú MXene tar éis idirghníomhú le microalgae glas.Cuirtear san áireamh le hanailís dhinimiciúil cruth na gcáithníní paraiméadair mar (a, b) trastomhas an achair chiorclaigh choibhéisigh, (c, d) cruinn, (e, f) Leithead feadair agus (g, h) fad feid.Chuige sin, rinneadh anailís ar dhá shampla microalgae tagartha mar aon le SL Nb2CTx bunscoile agus SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx agus SL Nb4C3Tx MXenes, micreaalgaí díghrádaithe, agus microalgae cóireáilte SL Nb2CTx agus SL Nb4C3Tx MXenes.Léiríonn na saigheada dearga trasdulta pharaiméadair chruth na nanoflakes déthoiseach a ndearnadh staidéar orthu.
Ós rud é go bhfuil anailís paraiméadar cruth an-iontaofa, féadann sé athruithe moirfeolaíocha i gcealla microalgae a nochtadh freisin.Dá bhrí sin, rinneamar anailís ar an trastomhas limistéar ciorclach coibhéiseach, roundness, agus Feret leithead / fad na gcealla microalgae íon agus cealla tar éis idirghníomhú le 2D nanaflaí Nb.Ar fig.Léiríonn 6a–h athruithe ar pharaiméadair chruth na gceall algaí, mar is léir ó laghdú ar bhuaic-déine agus aistriú uasta i dtreo luachanna níos airde.Go háirithe, léirigh paraiméadair roundness cille laghdú ar chealla fadaithe agus méadú ar chealla sféarúil (Fíor 6a, b).Ina theannta sin, mhéadaigh leithead cille Feret roinnt micriméadair tar éis idirghníomhú le SL Nb2CTx MXene (Fíor 6e) i gcomparáid le SL Nb4C3TX MXene (Fíor 6f).Tá amhras orainn go bhféadfadh sé seo a bheith mar gheall ar an iontógáil láidir ar ocsaídí Nb ag micreaalgaí nuair a bhíonn idirghníomhaíocht le Nb2CTx SR.D'fhéadfadh fás cille a bheith mar thoradh ar cheangal níos lú dochta calóga Nb lena ndromchla le héifeacht scáthaithe íosta.
Comhlánaíonn ár dtuairimí ar athruithe ar pharaiméadair chruth agus mhéid na miocralga staidéir eile.Is féidir le micreaalgaí glasa a mhoirfeolaíocht a athrú mar fhreagra ar strus comhshaoil ​​trí mhéid cille, cruth nó meitibileacht a athrú61.Mar shampla, trí mhéid na gceall a athrú, éascaítear ionsú cothaithigh71.Léiríonn cealla algaí níos lú glacadh cothaitheach níos ísle agus ráta fáis lagaithe.Os a choinne sin, is gnách go n-itheann cealla níos mó níos mó cothaithigh, a thaisctear ansin go hincheallach72,73.Fuair ​​​​Machado agus Soares amach gur féidir leis an triclosan fungaicíd méid cille a mhéadú.Fuair ​​​​siad freisin athruithe as cuimse ar chruth na n-alga74.Ina theannta sin, léirigh Yin et al.9 freisin athruithe moirfeolaíocha in algaí tar éis nochtadh do nanacomposites laghdaithe ocsaíd graphene.Mar sin, is léir gurb é láithreacht MXene is cúis le paraiméadair athraithe mhéid/cruth na miocralga.Ós rud é gur léiriú é an t-athrú seo ar mhéid agus ar chruth ar athruithe ar iontógáil cothaitheach, creidimid gur féidir le hanailís ar pharaiméadair mhéid agus chruth thar thréimhse ama a léiriú go bhfuil ocsaíd niobium ag micrialgaí i láthair Nb-MXenes.
Thairis sin, is féidir MXenes a ocsaídiú i láthair algaí.Thug Dalai et al.75 faoi deara nach raibh moirfeolaíocht na n-algaí glasa nochta do nana-TiO2 agus Al2O376 aonfhoirmeach.Cé go bhfuil ár gcuid tuairimí cosúil leis an staidéar reatha, níl sé ábhartha ach amháin maidir le staidéar a dhéanamh ar éifeachtaí bithleasúcháin i dtéarmaí táirgí díghrádaithe MXene i láthair nana-naflaí 2D agus ní nanacháithníní.Ós rud é gur féidir le MXenes díghrádú ina ocsaídí miotail, 31,32,77,78 tá sé réasúnta glacadh leis gur féidir lenár nanaflaí Nb ocsaídí Nb a fhoirmiú freisin tar éis idirghníomhú le cealla micreaalgacha.
D'fhonn laghdú na nanoflakes 2D-Nb a mhíniú trí mheicníocht dianscaoilte bunaithe ar an bpróiseas ocsaídiúcháin, rinneamar staidéir ag baint úsáide as micreascópacht leictreoin tarchurtha ardtaifigh (HRTEM) (Fíor 7a, b) agus speictreascópacht fótaileictreon X-gha (XPS) (Fíor 7).7c-i agus táblaí S4-5).Tá an dá chur chuige oiriúnach chun staidéar a dhéanamh ar ocsaídiú ábhar 2D agus comhlánaíonn siad a chéile.Tá HRTEM in ann anailís a dhéanamh ar dhíghrádú struchtúr cisealach déthoiseach agus an chuma ina dhiaidh sin ar nanacháithníní ocsaíd miotail, cé go bhfuil XPS íogair do bhannaí dromchla.Chun na críche sin, rinneamar tástáil ar nanoflaí 2D Nb-MXene a bhaintear as spréanna cille microalgae, is é sin, a gcruth tar éis idirghníomhú le cealla microalgae (féach Fíor 7).
Íomhánna HRTEM a thaispeánann moirfeolaíocht ocsaídithe (a) SL Nb2CTx agus (b) SL Nb4C3Tx MXenes, torthaí anailíse XPS a thaispeánann (c) comhdhéanamh táirgí ocsaíde tar éis dí-ocsaídiúcháin, (d–f) buaicmheaitseáil na gcomhpháirteanna de speictream XPS SL Nb2CTx agus (g– i) Nb4C3Tx green gae deisithe.
Dhearbhaigh staidéir HRTEM ocsaídiú dhá chineál nanaflaí Nb-MXene.Cé gur choinnigh na nana-lochanna a mhoirfeolaíocht dhéthoiseach go pointe áirithe, tháinig an chuma ar go leor nanacháithníní a chlúdaigh dromchla na nanacháithníní MXene mar thoradh ar ocsaídiú (féach Fíor 7a,b).Léirigh anailís XPS ar chomharthaí c Nb 3d agus O 1s gur foirmíodh ocsaídí Nb sa dá chás.Mar a léirítear i bhFíor 7c, tá comharthaí Nb 3d ag 2D MXene Nb2CTx agus Nb4C3TX a léiríonn láithreacht ocsaídí NbO agus Nb2O5, agus léiríonn comharthaí O 1s líon na mbannaí O-Nb a bhaineann le feidhmiú an dromchla nanoflake 2D.Thugamar faoi deara go bhfuil ranníocaíocht ocsaíd Nb ceannasach i gcomparáid le Nb-C agus Nb3+-O.
Ar fig.Léiríonn Fíoracha 7g–i an speictream XPS de Nb 3d, C 1s, agus O 1s SL Nb2CTx (féach Fíoracha 7d–f) agus SL Nb4C3TX MXene scoite ó chealla micreaalgae.Soláthraítear sonraí maidir le buaicpharaiméadair Nb-MXenes i dTáblaí S4–5, faoi seach.Rinneamar anailís ar dtús ar chomhdhéanamh Nb 3d.I gcodarsnacht le Nb absorbtha ag cealla microalgae, i MXene scoite ó chealla microalgae, seachas Nb2O5, fuarthas comhpháirteanna eile.Sa Nb2CTx SL, thugamar faoi deara ranníocaíocht Nb3+-O sa mhéid 15%, agus bhí an chuid eile den speictream Nb 3d faoi cheannas Nb2O5 (85%).Ina theannta sin, tá comhpháirteanna Nb-C (9%) agus Nb2O5 (91%) sa sampla SL Nb4C3TX.Anseo tagann Nb-C ó dhá shraith adamhach istigh de chomhdhúile miotail i Nb4C3Tx SR.Déanaimid an speictream C 1s a mhapáil ansin go ceithre chomhpháirt éagsúla, mar a rinneamar sna samplaí inmheánaithe.Mar a bheifí ag súil leis, is é carbón graifíteach is mó atá sa speictream C 1s, agus ina dhiaidh sin cuireann cáithníní orgánacha (CHx/CO agus C=O) ó chealla micreaalgaí.Ina theannta sin, sa speictream O 1s, thugamar faoi deara an méid a chuireann foirmeacha orgánacha de chealla microalgae, ocsaíd niobium, agus uisce asaithe.
Ina theannta sin, rinneamar imscrúdú cibé an bhfuil baint ag scoilteacht Nb-MXenes le láithreacht speiceas ocsaigine imoibríoch (ROS) sa mheán cothaitheach agus/nó i gcealla micreaalga.Chuige sin, rinneamar measúnú ar na leibhéil ocsaigine singlet (1O2) sa mheán cultúir agus glutathione intracellular, thiol a fheidhmíonn mar fhrithocsaídeoir i micrialgaí.Taispeántar na torthaí in IR (Fíoracha S20 agus S21).Bhí cultúir le SL Nb2CTx agus Nb4C3TX MXenes tréithrithe ag méid laghdaithe 1O2 (féach Fíor S20).I gcás SL Nb2CTx, laghdaítear MXene 1O2 go dtí thart ar 83%.Maidir le cultúir microalgae ag baint úsáide as SL, tháinig laghdú níos mó fós ar Nb4C3TX 1O2, go 73%.Suimiúil go leor, léirigh athruithe i 1O2 an treocht chéanna leis an éifeacht coisctheach-spreagthach a breathnaíodh roimhe seo (féach Fíor 3).Is féidir a áitiú gur féidir le gor i solas geal fótaocsaídiú a athrú.Mar sin féin, léirigh torthaí na hanailíse rialaithe leibhéil beagnach seasta de 1O2 le linn an turgnaimh ( Fíor. S22 ).I gcás leibhéil ROS incheallacha, thugamar faoi deara freisin an treocht anuas céanna (féach Fíor S21).Ar dtús, sháraigh leibhéil ROS i gcealla microalgae saothraithe i láthair Nb2CTx agus Nb4C3Tx SL na leibhéil a fuarthas i gcultúir íon microalgae.Faoi dheireadh, áfach, bhí an chuma air go raibh na microalgae in oiriúint do láithreacht an dá Nb-MXenes, de réir mar a laghdaigh leibhéil ROS go 85% agus 91% de na leibhéil a tomhaiseadh i gcultúir íon de mhicrealga ionaclaithe le SL Nb2CTx agus Nb4C3TX, faoi seach.D’fhéadfadh sé seo a léiriú go mbraitheann microalgae níos compordaí le himeacht ama i láthair Nb-MXene ná i meán cothaitheach amháin.
Is grúpa éagsúil d’orgánaigh fhótaisintéiseacha iad micreaalgaí.Le linn fótaisintéise, athraíonn siad dé-ocsaíd charbóin atmaisféarach (CO2) go carbón orgánach.Is iad táirgí na fótaisintéise ná glúcós agus ocsaigin79.Tá amhras orainn go bhfuil ról ríthábhachtach ag an ocsaigin a chruthaítear mar sin in ocsaídiú Nb-MXenes.Míniú amháin a d'fhéadfadh a bheith air seo is ea go ndéantar an paraiméadar aeraithe difreálach a fhoirmiú ag brúnna páirteacha íseal agus ard ocsaigine taobh amuigh agus taobh istigh de na nanoflakes Nb-MXene.Ciallaíonn sé seo, cibé áit a bhfuil réimsí de bhrúnna páirteach éagsúla ocsaigine, beidh an limistéar leis an leibhéal is ísle mar anóid 80, 81, 82. Anseo, cuireann na microalgae le cruthú cealla aeraithe difreálach ar dhromchla na calóga MXene, a tháirgeann ocsaigin mar gheall ar a n-airíonna fótaisintéiseach.Mar thoradh air sin, déantar táirgí bith-chreimeadh (sa chás seo, ocsaídí niobium).Gné eile is ea gur féidir le micreaalgaí aigéid orgánacha a scaoiltear isteach san uisce83,84 a tháirgeadh.Dá bhrí sin, cruthaítear timpeallacht ionsaitheach, rud a athraíonn an Nb-MXenes.Ina theannta sin, is féidir le microalgae pH an chomhshaoil ​​a athrú go alcaileach mar gheall ar ionsú dé-ocsaíd charbóin, rud a d'fhéadfadh a bheith ina chúis le creimeadh79.
Níos tábhachtaí fós, tá an fótachtréimhse dorcha/éadrom a úsáidtear inár staidéar ríthábhachtach chun na torthaí a fhaightear a thuiscint.Déantar cur síos mionsonraithe ar an ngné seo i Djemai-Zoghlache et al.85 D’úsáid siad d’aon ghnó fótatréimhse 12/12 uair an chloig chun bithchreimeadh a bhaineann le bithshalú ag an micreaalgaí dearga Porphyridium purpureum a léiriú.Léiríonn siad go bhfuil an photoperiod bhaineann leis an éabhlóid an acmhainneacht gan bithchreimeadh, manifesting féin mar ascaluithe pseudoperidic timpeall 24:00.Dheimhnigh Dowling et al. na tuairimí seo.86 Léirigh siad bithscannáin fótaisintéiseach de chianabaictéir Anabaena.Déantar ocsaigin tuaslagtha a fhoirmiú faoi ghníomhaíocht an tsolais, a bhaineann le hathrú nó le luaineachtaí sa phoitéinseal bithchreimeadh saor in aisce.Leagtar béim ar thábhacht an photoperiod ag an bhfíric go n-ardóidh an acmhainneacht saor in aisce le haghaidh bith-chreimeadh sa chéim solais agus laghduithe sa chéim dorcha.Tá sé seo mar gheall ar an ocsaigin a tháirgtear trí mhicreaalgaí fótaisintéiseach, a mbíonn tionchar aige ar an imoibriú cathodach tríd an mbrú páirteach a ghintear in aice leis na leictreoidí87.
Ina theannta sin, rinneadh speictreascópacht infridhearg a chlaochlú Fourier (FTIR) chun a fháil amach ar tharla aon athruithe ar chomhdhéanamh ceimiceach cealla microalgae tar éis idirghníomhú le Nb-MXenes.Tá na torthaí seo casta agus cuirimid i láthair iad in IR (Figiúirí S23-S25, lena n-áirítear torthaí chéim MAX agus ML MXenes).I mbeagán focal, cuireann an speictream tagartha a fhaightear de mhicreaalgaí faisnéis thábhachtach ar fáil dúinn faoi shaintréithe ceimiceacha na n-orgánach seo.Tá na creathadh is dóichí seo suite ag minicíochtaí 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.aon.1 1 (C–H) agus 3280 cm–1 (O–H).Maidir le SL Nb-MXenes, fuaireamar síniú sínte banna CH atá comhsheasmhach lenár staidéar roimhe38.Mar sin féin, thugamar faoi deara go bhfuil roinnt buaicphointí breise a bhaineann le C=C agus CH bannaí imithe.Tugann sé seo le fios go bhféadfadh athruithe beaga a dhéanamh ar chomhdhéanamh ceimiceach na miocralga mar gheall ar idirghníomhaíocht le SL Nb-MXenes.
Agus athruithe féideartha i mbithcheimic na micrialgaí á mbreithniú, ní mór carnadh ocsaídí neamhorgánacha, amhail ocsaíd niobium, a athbhreithniú59.Tá baint aige le hiontógáil miotail ag dromchla na cille, lena n-iompar isteach sa chíteaplasma, a gcomhlachas le grúpaí carbocsaileacha infhéitheacha, agus a charnadh i polafosóim mhicrealgacha20,88,89,90.Ina theannta sin, tá an gaol idir microalgae agus miotail á chothabháil ag grúpaí feidhme cealla.Ar an gcúis seo, braitheann an ionsú freisin ar cheimic dromchla microalgae, atá casta go leor9,91.Go ginearálta, mar a bhíothas ag súil leis, d'athraigh comhdhéanamh ceimiceach na microalgae glas beagán mar gheall ar ionsú ocsaíd Nb.
Is díol suntais é go raibh an cosc ​​tosaigh a breathnaíodh ar mhicrealgaí inchúlaithe le himeacht ama.Mar a thugamar faoi deara, sháraigh na microalgae an t-athrú comhshaoil ​​tosaigh agus ar deireadh d'fhill siad ar ghnáthrátaí fáis agus fiú méadú.Léiríonn staidéir ar an acmhainneacht zeta ardchobhsaíocht nuair a thugtar isteach na meáin chothaitheach é.Mar sin, coinníodh an t-idirghníomhú dromchla idir cealla microalgae agus nanoflaí Nb-MXene le linn na dturgnaimh laghdaithe.In ár n-anailís bhreise, tugaimid achoimre ar na príomh-mheicníochtaí gníomhaíochta atá mar bhonn leis an iompar iontach seo de mhicrealga.
Tá sé léirithe ag breathnuithe SEM go mbíonn claonadh ag micrialgaí ceangal le Nb-MXenes.Ag baint úsáide as anailís íomhá dhinimiciúil, dearbhaímid go n-eascraíonn an éifeacht seo go n-aistrítear nanaflaí Nb-MXene déthoiseach ina gcáithníní níos sféarúla, rud a léiríonn go bhfuil baint ag dianscaoileadh na nanoflakes lena n-ocsaídiú.Chun ár hipitéis a thástáil, rinneamar sraith staidéar ábharach agus bithcheimiceach.Tar éis tástála, ocsaídigh na nana-locha de réir a chéile agus dí-chomhbhrúigh siad isteach i dtáirgí NbO agus Nb2O5, rud nach raibh ina bhagairt do mhicrealga glas.Ag baint úsáide as breathnadóireacht FTIR, ní bhfuaireamar aon athruithe suntasacha ar chomhdhéanamh ceimiceach na micrialgaí a goraíodh i láthair nana-naflaí 2D Nb-MXene.Agus an fhéidearthacht go bhféadfaí ocsaíd niobium a ionsú ag micreaalgaí, rinneamar anailís fhluaraiseachta X-gha.Léiríonn na torthaí seo go soiléir go n-eascraíonn na micrailgí a ndéantar staidéar orthu ar ocsaídí niobium (NbO agus Nb2O5), atá neamh-tocsaineach do na micrailgí a ndéantar staidéar orthu.