Terima kasih telah mengunjungi Nature.com. Anda menggunakan versi peramban dengan dukungan CSS terbatas. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan peramban yang diperbarui (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami akan menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Menampilkan carousel berisi tiga slide sekaligus. Gunakan tombol Sebelumnya dan Berikutnya untuk berpindah antar tiga slide sekaligus, atau gunakan tombol penggeser di bagian akhir untuk berpindah antar tiga slide sekaligus.
Perkembangan pesat nanoteknologi dan integrasinya ke dalam aplikasi sehari-hari dapat mengancam lingkungan. Meskipun metode ramah lingkungan untuk degradasi kontaminan organik sudah mapan, pemulihan kontaminan kristal anorganik menjadi perhatian utama karena sensitivitasnya yang rendah terhadap biotransformasi dan kurangnya pemahaman tentang interaksi permukaan material dengan permukaan biologis. Di sini, kami menggunakan model MXene 2D anorganik berbasis Nb yang dikombinasikan dengan metode analisis parameter bentuk sederhana untuk menelusuri mekanisme bioremediasi nanomaterial keramik 2D oleh mikroalga hijau Raphidocelis subcapitata. Kami menemukan bahwa mikroalga mendegradasi MXene berbasis Nb karena interaksi fisikokimia yang terkait dengan permukaan. Awalnya, nanoflake MXene lapisan tunggal dan multilapis menempel pada permukaan mikroalga, yang sedikit mengurangi pertumbuhan alga. Namun, setelah interaksi yang berkepanjangan dengan permukaan, mikroalga mengoksidasi nanoflake MXene dan selanjutnya menguraikannya menjadi NbO dan Nb2O5. Karena oksida ini tidak beracun bagi sel mikroalga, sel-sel tersebut mengonsumsi nanopartikel oksida Nb melalui mekanisme penyerapan yang selanjutnya memulihkan mikroalga setelah 72 jam pengolahan air. Efek nutrisi yang terkait dengan penyerapan juga tercermin dalam peningkatan volume sel, bentuknya yang halus, dan perubahan laju pertumbuhan. Berdasarkan temuan ini, kami menyimpulkan bahwa keberadaan MXene berbasis Nb dalam jangka pendek dan panjang di ekosistem air tawar mungkin hanya menyebabkan dampak lingkungan yang kecil. Perlu dicatat bahwa, dengan menggunakan nanomaterial dua dimensi sebagai sistem model, kami menunjukkan kemungkinan untuk melacak transformasi bentuk bahkan pada material berbutir halus. Secara keseluruhan, penelitian ini menjawab pertanyaan mendasar yang penting tentang proses terkait interaksi permukaan yang mendorong mekanisme bioremediasi nanomaterial 2D dan memberikan dasar untuk studi jangka pendek dan jangka panjang lebih lanjut tentang dampak lingkungan dari nanomaterial kristal anorganik.
Nanomaterial telah menarik banyak perhatian sejak penemuannya, dan berbagai nanoteknologi baru-baru ini memasuki fase modernisasi¹. Sayangnya, integrasi nanomaterial ke dalam aplikasi sehari-hari dapat menyebabkan pelepasan yang tidak disengaja karena pembuangan yang tidak tepat, penanganan yang ceroboh, atau infrastruktur keselamatan yang tidak memadai. Oleh karena itu, wajar untuk berasumsi bahwa nanomaterial, termasuk nanomaterial dua dimensi (2D), dapat dilepaskan ke lingkungan alami, yang perilaku dan aktivitas biologisnya belum sepenuhnya dipahami. Karena itu, tidak mengherankan jika kekhawatiran ekotoksisitas telah berfokus pada kemampuan nanomaterial 2D untuk meresap ke dalam sistem perairan²,³,⁴,⁵,⁶. Di ekosistem ini, beberapa nanomaterial 2D dapat berinteraksi dengan berbagai organisme pada tingkat trofik yang berbeda, termasuk mikroalga.
Mikroalga adalah organisme primitif yang ditemukan secara alami di ekosistem air tawar dan laut yang menghasilkan berbagai produk kimia melalui fotosintesis7. Dengan demikian, mereka sangat penting bagi ekosistem perairan8,9,10,11,12 tetapi juga merupakan indikator ekotoksisitas yang sensitif, murah, dan banyak digunakan13,14. Karena sel mikroalga berkembang biak dengan cepat dan merespons dengan cepat terhadap keberadaan berbagai senyawa, mereka menjanjikan untuk pengembangan metode ramah lingkungan untuk mengolah air yang terkontaminasi zat organik15,16.
Sel alga dapat menghilangkan ion anorganik dari air melalui biosorpsi dan akumulasi17,18. Beberapa spesies alga seperti Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue dan Synechococcus sp. telah ditemukan membawa dan bahkan memelihara ion logam beracun seperti Fe2+, Cu2+, Zn2+ dan Mn2+19. Studi lain menunjukkan bahwa ion Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ atau Pb2+ membatasi pertumbuhan Scenedesmus dengan mengubah morfologi sel dan menghancurkan kloroplasnya20,21.
Metode ramah lingkungan untuk dekomposisi polutan organik dan penghilangan ion logam berat telah menarik perhatian para ilmuwan dan insinyur di seluruh dunia. Hal ini terutama disebabkan oleh fakta bahwa kontaminan ini mudah diproses dalam fase cair. Namun, polutan kristal anorganik dicirikan oleh kelarutan air yang rendah dan kerentanan yang rendah terhadap berbagai biotransformasi, yang menyebabkan kesulitan besar dalam remediasi, dan sedikit kemajuan telah dicapai di bidang ini22,23,24,25,26. Dengan demikian, pencarian solusi ramah lingkungan untuk perbaikan nanomaterial tetap menjadi bidang yang kompleks dan belum dieksplorasi. Karena tingkat ketidakpastian yang tinggi mengenai efek biotransformasi nanomaterial 2D, tidak ada cara mudah untuk mengetahui kemungkinan jalur degradasinya selama reduksi.
Dalam penelitian ini, kami menggunakan mikroalga hijau sebagai agen bioremediasi akuatik aktif untuk material keramik anorganik, dikombinasikan dengan pemantauan in situ proses degradasi MXene sebagai perwakilan material keramik anorganik. Istilah “MXene” mencerminkan stoikiometri material Mn+1XnTx, di mana M adalah logam transisi awal, X adalah karbon dan/atau nitrogen, Tx adalah terminator permukaan (misalnya, -OH, -F, -Cl), dan n = 1, 2, 3 atau 427,28. Sejak penemuan MXene oleh Naguib dkk., sensorik, terapi kanker, dan filtrasi membran 27,29,30. Selain itu, MXene dapat dianggap sebagai sistem 2D model karena stabilitas koloidnya yang sangat baik dan kemungkinan interaksi biologis31,32,33,34,35,36.
Oleh karena itu, metodologi yang dikembangkan dalam artikel ini dan hipotesis penelitian kami ditunjukkan pada Gambar 1. Menurut hipotesis ini, mikroalga mendegradasi MXene berbasis Nb menjadi senyawa non-toksik karena interaksi fisikokimia yang terkait dengan permukaan, yang memungkinkan pemulihan alga lebih lanjut. Untuk menguji hipotesis ini, dua anggota keluarga karbida dan/atau nitrida logam transisi berbasis niobium awal (MXene), yaitu Nb2CTx dan Nb4C3TX, dipilih.
Metodologi penelitian dan hipotesis berbasis bukti untuk pemulihan MXene oleh mikroalga hijau Raphidocelis subcapitata. Harap dicatat bahwa ini hanyalah representasi skematis dari asumsi berbasis bukti. Lingkungan danau berbeda dalam media nutrisi yang digunakan dan kondisinya (misalnya, siklus diurnal dan keterbatasan nutrisi esensial yang tersedia). Dibuat dengan BioRender.com.
Oleh karena itu, dengan menggunakan MXene sebagai sistem model, kami telah membuka pintu bagi studi berbagai efek biologis yang tidak dapat diamati dengan nanomaterial konvensional lainnya. Secara khusus, kami mendemonstrasikan kemungkinan bioremediasi nanomaterial dua dimensi, seperti MXene berbasis niobium, oleh mikroalga Raphidocelis subcapitata. Mikroalga mampu mendegradasi Nb-MXene menjadi oksida non-toksik NbO dan Nb2O5, yang juga menyediakan nutrisi melalui mekanisme penyerapan niobium. Secara keseluruhan, studi ini menjawab pertanyaan mendasar yang penting tentang proses yang terkait dengan interaksi fisikokimia permukaan yang mengatur mekanisme bioremediasi nanomaterial dua dimensi. Selain itu, kami sedang mengembangkan metode berbasis parameter bentuk sederhana untuk melacak perubahan halus pada bentuk nanomaterial 2D. Hal ini menginspirasi penelitian jangka pendek dan jangka panjang lebih lanjut tentang berbagai dampak lingkungan dari nanomaterial kristal anorganik. Dengan demikian, studi kami meningkatkan pemahaman tentang interaksi antara permukaan material dan material biologis. Kami juga menyediakan dasar untuk studi jangka pendek dan jangka panjang yang lebih luas mengenai kemungkinan dampaknya terhadap ekosistem air tawar, yang kini dapat diverifikasi dengan mudah.
MXenes merupakan kelas material yang menarik dengan sifat fisik dan kimia yang unik dan menarik, sehingga memiliki banyak potensi aplikasi. Sifat-sifat ini sebagian besar bergantung pada stoikiometri dan kimia permukaannya. Oleh karena itu, dalam penelitian kami, kami menyelidiki dua jenis MXenes lapisan tunggal (SL) hierarkis berbasis Nb, yaitu Nb2CTx dan Nb4C3TX, karena efek biologis yang berbeda dari nanomaterial ini dapat diamati. MXenes diproduksi dari bahan awalnya dengan etsa selektif top-down dari lapisan A fase MAX yang sangat tipis. Fase MAX adalah keramik terner yang terdiri dari blok-blok karbida logam transisi yang "terikat" dan lapisan tipis unsur "A" seperti Al, Si, dan Sn dengan stoikiometri MnAXn-1. Morfologi fase MAX awal diamati dengan mikroskop elektron pemindaian (SEM) dan konsisten dengan penelitian sebelumnya (Lihat Informasi Tambahan, SI, Gambar S1). Multilayer (ML) Nb-MXene diperoleh setelah menghilangkan lapisan Al dengan HF 48% (asam fluorida). Morfologi ML-Nb2CTx dan ML-Nb4C3TX diperiksa dengan mikroskop elektron pemindaian (SEM) (Gambar S1c dan S1d masing-masing) dan morfologi MXene berlapis yang khas diamati, mirip dengan nanoflake dua dimensi yang melewati celah seperti pori yang memanjang. Kedua Nb-MXene memiliki banyak kesamaan dengan fase MXene yang sebelumnya disintesis dengan etsa asam27,38. Setelah mengkonfirmasi struktur MXene, kami melapisinya dengan interkalasi tetrabutilamonium hidroksida (TBAOH) diikuti dengan pencucian dan sonikasi, setelah itu kami memperoleh nanoflake Nb-MXene 2D lapisan tunggal atau lapisan rendah (SL).
Kami menggunakan mikroskopi elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) dan difraksi sinar-X (XRD) untuk menguji efisiensi etsa dan pengelupasan lebih lanjut. Hasil HRTEM yang diproses menggunakan Transformasi Fourier Cepat Terbalik (IFFT) dan Transformasi Fourier Cepat (FFT) ditunjukkan pada Gambar 2. Nanoflake Nb-MXene diorientasikan dengan tepi menghadap ke atas untuk memeriksa struktur lapisan atom dan mengukur jarak antar bidang. Gambar HRTEM dari nanoflake MXene Nb2CTx dan Nb4C3TX mengungkapkan sifat lapisan tipis atomnya (lihat Gambar 2a1, a2), seperti yang dilaporkan sebelumnya oleh Naguib dkk.27 dan Jastrzębska dkk.38. Untuk dua lapisan tunggal Nb2CTx dan Nb4C3Tx yang berdekatan, kami menentukan jarak antar lapisan masing-masing sebesar 0,74 dan 1,54 nm (Gambar 2b1, b2), yang juga sesuai dengan hasil kami sebelumnya38. Hal ini selanjutnya dikonfirmasi oleh transformasi Fourier cepat invers (Gambar 2c1, c2) dan transformasi Fourier cepat (Gambar 2d1, d2) yang menunjukkan jarak antara lapisan tunggal Nb2CTx dan Nb4C3Tx. Gambar tersebut menunjukkan pergantian pita terang dan gelap yang sesuai dengan atom niobium dan karbon, yang mengkonfirmasi sifat berlapis dari MXene yang dipelajari. Penting untuk dicatat bahwa spektrum spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDX) yang diperoleh untuk Nb2CTx dan Nb4C3Tx (Gambar S2a dan S2b) tidak menunjukkan sisa fase MAX asli, karena tidak ada puncak Al yang terdeteksi.
Karakterisasi nanoflake MXene SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx, termasuk (a) pencitraan nanoflake 2D tampilan samping mikroskop elektron resolusi tinggi (HRTEM) dan yang sesuai, (b) mode intensitas, (c) transformasi Fourier cepat invers (IFFT), (d) transformasi Fourier cepat (FFT), (e) pola sinar-X Nb-MXenes. Untuk SL 2D Nb2CTx, angka-angka dinyatakan sebagai (a1, b1, c1, d1, e1). Untuk SL 2D Nb4C3Tx, angka-angka dinyatakan sebagai (a2, b2, c2, d2, e1).
Pengukuran difraksi sinar-X dari MXene SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx ditunjukkan pada Gambar 2e1 dan e2, masing-masing. Puncak (002) pada 4,31 dan 4,32 sesuai dengan MXene berlapis Nb2CTx dan Nb4C3TX38,39,40,41 yang telah dijelaskan sebelumnya. Hasil XRD juga menunjukkan adanya beberapa struktur ML residual dan fase MAX, tetapi sebagian besar pola XRD terkait dengan SL Nb4C3Tx (Gambar 2e2). Kehadiran partikel yang lebih kecil dari fase MAX dapat menjelaskan puncak MAX yang lebih kuat dibandingkan dengan lapisan Nb4C3Tx yang tersusun secara acak.
Penelitian lebih lanjut difokuskan pada mikroalga hijau yang termasuk dalam spesies R. subcapitata. Kami memilih mikroalga karena mereka merupakan produsen penting yang terlibat dalam jaring makanan utama42. Mereka juga merupakan salah satu indikator toksisitas terbaik karena kemampuannya untuk menghilangkan zat beracun yang terbawa ke tingkat rantai makanan yang lebih tinggi43. Selain itu, penelitian pada R. subcapitata dapat memberikan wawasan tentang toksisitas insidental SL Nb-MXenes terhadap mikroorganisme air tawar umum. Untuk mengilustrasikan hal ini, para peneliti berhipotesis bahwa setiap mikroba memiliki sensitivitas yang berbeda terhadap senyawa beracun yang ada di lingkungan. Bagi sebagian besar organisme, konsentrasi zat yang rendah tidak memengaruhi pertumbuhan mereka, sedangkan konsentrasi di atas batas tertentu dapat menghambatnya atau bahkan menyebabkan kematian. Oleh karena itu, untuk studi kami tentang interaksi permukaan antara mikroalga dan MXenes serta pemulihan terkait, kami memutuskan untuk menguji konsentrasi Nb-MXenes yang tidak berbahaya dan beracun. Untuk melakukan ini, kami menguji konsentrasi MXene sebesar 0 (sebagai referensi), 0,01, 0,1 dan 10 mg l-1 dan juga menginfeksi mikroalga dengan konsentrasi MXene yang sangat tinggi (100 mg l-1 MXene), yang dapat bersifat ekstrem dan mematikan bagi lingkungan biologis apa pun.
Pengaruh SL Nb-MXenes terhadap mikroalga ditunjukkan pada Gambar 3, yang dinyatakan sebagai persentase peningkatan pertumbuhan (+) atau penghambatan (-) yang diukur untuk sampel 0 mg l-1. Sebagai perbandingan, fase Nb-MAX dan ML Nb-MXenes juga diuji dan hasilnya ditunjukkan pada SI (lihat Gambar S3). Hasil yang diperoleh mengkonfirmasi bahwa SL Nb-MXenes hampir sepenuhnya tidak beracun dalam kisaran konsentrasi rendah dari 0,01 hingga 10 mg/l, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a,b. Dalam kasus Nb2CTx, kami mengamati tidak lebih dari 5% ekotoksisitas dalam kisaran yang ditentukan.
Stimulasi (+) atau penghambatan (-) pertumbuhan mikroalga dengan adanya MXene SL (a) Nb2CTx dan (b) Nb4C3TX. Interaksi MXene-mikroalga selama 24, 48, dan 72 jam dianalisis. Data yang signifikan (uji-t, p < 0,05) ditandai dengan tanda bintang (*). Data yang signifikan (uji-t, p < 0,05) ditandai dengan tanda bintang (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Data signifikan (uji-t, p < 0,05) ditandai dengan tanda bintang (*).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。 Tes t (uji-t, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Data penting (uji-t, p < 0,05) ditandai dengan tanda bintang (*).Panah merah menunjukkan penghapusan stimulasi penghambat.
Di sisi lain, konsentrasi rendah Nb4C3TX ternyata sedikit lebih toksik, tetapi tidak lebih tinggi dari 7%. Seperti yang diharapkan, kami mengamati bahwa MXene memiliki toksisitas dan penghambatan pertumbuhan mikroalga yang lebih tinggi pada 100 mg L-1. Menariknya, tidak satu pun dari material tersebut menunjukkan tren dan ketergantungan waktu yang sama terhadap efek atoksik/toksik dibandingkan dengan sampel MAX atau ML (lihat SI untuk detailnya). Sementara untuk fase MAX (lihat Gambar S3) toksisitas mencapai sekitar 15–25% dan meningkat seiring waktu, tren sebaliknya diamati untuk SL Nb2CTx dan Nb4C3TX MXene. Penghambatan pertumbuhan mikroalga menurun seiring waktu. Penghambatan mencapai sekitar 17% setelah 24 jam dan turun menjadi kurang dari 5% setelah 72 jam (Gambar 3a, b, masing-masing).
Yang lebih penting, untuk SL Nb4C3TX, penghambatan pertumbuhan mikroalga mencapai sekitar 27% setelah 24 jam, tetapi setelah 72 jam menurun menjadi sekitar 1%. Oleh karena itu, kami memberi label efek yang diamati sebagai penghambatan terbalik dari stimulasi, dan efeknya lebih kuat untuk SL Nb4C3TX MXene. Stimulasi pertumbuhan mikroalga telah diamati sebelumnya dengan Nb4C3TX (interaksi pada 10 mg L-1 selama 24 jam) dibandingkan dengan SL Nb2CTx MXene. Efek pembalikan penghambatan-stimulasi juga ditunjukkan dengan baik pada kurva laju penggandaan biomassa (lihat Gambar S4 untuk detailnya). Sejauh ini, hanya ekotoksisitas Ti3C2TX MXene yang telah dipelajari dengan berbagai cara. Senyawa ini tidak beracun bagi embrio ikan zebra44 tetapi bersifat ekotoksik sedang terhadap mikroalga Desmodesmus quadricauda dan tanaman Sorghum saccharatum45. Contoh efek spesifik lainnya termasuk toksisitas yang lebih tinggi terhadap sel kanker dibandingkan dengan sel normal46,47. Dapat diasumsikan bahwa kondisi pengujian akan memengaruhi perubahan pertumbuhan mikroalga yang diamati dengan adanya Nb-MXenes. Misalnya, pH sekitar 8 di stroma kloroplas optimal untuk pengoperasian enzim RuBisCO yang efisien. Oleh karena itu, perubahan pH berdampak negatif pada laju fotosintesis48,49. Namun, kami tidak mengamati perubahan pH yang signifikan selama percobaan (lihat SI, Gambar S5 untuk detailnya). Secara umum, kultur mikroalga dengan Nb-MXenes sedikit menurunkan pH larutan seiring waktu. Namun, penurunan ini mirip dengan perubahan pH media murni. Selain itu, kisaran variasi yang ditemukan mirip dengan yang diukur untuk kultur mikroalga murni (sampel kontrol). Dengan demikian, kami menyimpulkan bahwa fotosintesis tidak dipengaruhi oleh perubahan pH seiring waktu.
Selain itu, MXene yang disintesis memiliki ujung permukaan (dilambangkan sebagai Tx). Ini terutama merupakan gugus fungsional -O, -F, dan -OH. Namun, kimia permukaan berhubungan langsung dengan metode sintesis. Gugus-gugus ini diketahui tersebar secara acak di permukaan, sehingga sulit untuk memprediksi pengaruhnya terhadap sifat-sifat MXene50. Dapat dikatakan bahwa Tx dapat menjadi kekuatan katalitik untuk oksidasi niobium oleh cahaya. Gugus fungsional permukaan memang menyediakan banyak situs penambatan untuk fotokatalis di bawahnya untuk membentuk heterojunction51. Namun, komposisi media pertumbuhan tidak memberikan fotokatalis yang efektif (komposisi media terperinci dapat ditemukan di Tabel S6 SI). Selain itu, modifikasi permukaan juga sangat penting, karena aktivitas biologis MXene dapat diubah karena pemrosesan lapisan pasca-sintesis, oksidasi, modifikasi permukaan kimia senyawa organik dan anorganik52,53,54,55,56 atau rekayasa muatan permukaan38. Oleh karena itu, untuk menguji apakah niobium oksida memiliki kaitan dengan ketidakstabilan material dalam medium, kami melakukan studi potensial zeta (ζ) dalam medium pertumbuhan mikroalga dan air deionisasi (untuk perbandingan). Hasil kami menunjukkan bahwa SL Nb-MXenes cukup stabil (lihat Gambar S6 di SI untuk hasil MAX dan ML). Potensial zeta SL MXenes sekitar -10 mV. Dalam kasus SR Nb2CTx, nilai ζ agak lebih negatif daripada Nb4C3Tx. Perubahan nilai ζ tersebut mungkin menunjukkan bahwa permukaan nanoflake MXene bermuatan negatif menyerap ion bermuatan positif dari medium kultur. Pengukuran temporal potensial zeta dan konduktivitas Nb-MXenes dalam medium kultur (lihat Gambar S7 dan S8 di SI untuk detail lebih lanjut) tampaknya mendukung hipotesis kami.
Namun, kedua SL Nb-MXene menunjukkan perubahan minimal dari nol. Hal ini jelas menunjukkan stabilitasnya dalam media pertumbuhan mikroalga. Selain itu, kami menilai apakah keberadaan mikroalga hijau kami akan memengaruhi stabilitas Nb-MXene dalam media tersebut. Hasil potensial zeta dan konduktivitas MXene setelah berinteraksi dengan mikroalga dalam media nutrisi dan kultur dari waktu ke waktu dapat ditemukan di SI (Gambar S9 dan S10). Menariknya, kami memperhatikan bahwa keberadaan mikroalga tampaknya menstabilkan dispersi kedua MXene. Dalam kasus SL Nb2CTx, potensial zeta bahkan sedikit menurun seiring waktu ke nilai yang lebih negatif (-15,8 versus -19,1 mV setelah 72 jam inkubasi). Potensial zeta SL Nb4C3TX sedikit meningkat, tetapi setelah 72 jam masih menunjukkan stabilitas yang lebih tinggi daripada nanoflake tanpa kehadiran mikroalga (-18,1 vs. -9,1 mV).
Kami juga menemukan konduktivitas yang lebih rendah dari larutan Nb-MXene yang diinkubasi dengan adanya mikroalga, yang menunjukkan jumlah ion yang lebih rendah dalam medium nutrisi. Perlu dicatat, ketidakstabilan MXene dalam air terutama disebabkan oleh oksidasi permukaan57. Oleh karena itu, kami menduga bahwa mikroalga hijau membersihkan oksida yang terbentuk di permukaan Nb-MXene dan bahkan mencegah terjadinya oksidasi (oksidasi MXene). Hal ini dapat dilihat dengan mempelajari jenis zat yang diserap oleh mikroalga.
Meskipun studi ekotoksikologi kami menunjukkan bahwa mikroalga mampu mengatasi toksisitas Nb-MXene dari waktu ke waktu dan penghambatan pertumbuhan yang tidak biasa, tujuan penelitian kami adalah untuk menyelidiki kemungkinan mekanisme kerja. Ketika organisme seperti alga terpapar senyawa atau material yang tidak dikenal di ekosistemnya, mereka dapat bereaksi dengan berbagai cara58,59. Tanpa adanya oksida logam beracun, mikroalga dapat memberi makan diri sendiri, memungkinkan mereka untuk tumbuh terus menerus60. Setelah menelan zat beracun, mekanisme pertahanan dapat diaktifkan, seperti mengubah bentuk atau rupa. Kemungkinan penyerapan juga harus dipertimbangkan58,59. Perlu dicatat, setiap tanda mekanisme pertahanan merupakan indikator yang jelas tentang toksisitas senyawa uji. Oleh karena itu, dalam penelitian kami selanjutnya, kami menyelidiki potensi interaksi permukaan antara nanoflake SL Nb-MXene dan mikroalga dengan SEM dan kemungkinan penyerapan MXene berbasis Nb dengan spektroskopi fluoresensi sinar-X (XRF). Perlu dicatat bahwa analisis SEM dan XRF hanya dilakukan pada konsentrasi MXene tertinggi untuk mengatasi masalah toksisitas aktivitas.
Hasil SEM ditunjukkan pada Gambar 4. Sel mikroalga yang tidak diolah (lihat Gambar 4a, sampel referensi) jelas menunjukkan morfologi khas R. subcapitata dan bentuk sel seperti croissant. Sel tampak pipih dan agak tidak teratur. Beberapa sel mikroalga saling tumpang tindih dan kusut, tetapi ini mungkin disebabkan oleh proses persiapan sampel. Secara umum, sel mikroalga murni memiliki permukaan yang halus dan tidak menunjukkan perubahan morfologi apa pun.
Gambar SEM yang menunjukkan interaksi permukaan antara mikroalga hijau dan nanosheet MXene setelah 72 jam interaksi pada konsentrasi ekstrem (100 mg L-1). (a) Mikroalga hijau yang tidak diolah setelah berinteraksi dengan SL (b) Nb2CTx dan (c) Nb4C3TX MXene. Perhatikan bahwa nanoflake Nb-MXene ditandai dengan panah merah. Sebagai perbandingan, foto dari mikroskop optik juga disertakan.
Sebaliknya, sel mikroalga yang terserap oleh nanoflake SL Nb-MXene mengalami kerusakan (lihat Gambar 4b, c, panah merah). Dalam kasus Nb2CTx MXene (Gambar 4b), mikroalga cenderung tumbuh dengan nanoskala dua dimensi yang menempel, yang dapat mengubah morfologinya. Perlu dicatat, kami juga mengamati perubahan ini di bawah mikroskop cahaya (lihat Gambar S11 di SI untuk detailnya). Transisi morfologi ini memiliki dasar yang masuk akal dalam fisiologi mikroalga dan kemampuannya untuk mempertahankan diri dengan mengubah morfologi sel, seperti meningkatkan volume sel61. Oleh karena itu, penting untuk memeriksa jumlah sel mikroalga yang sebenarnya bersentuhan dengan Nb-MXene. Studi SEM menunjukkan bahwa sekitar 52% sel mikroalga terpapar Nb-MXene, sedangkan 48% dari sel mikroalga ini menghindari kontak. Untuk SL Nb4C3Tx MXene, mikroalga berusaha menghindari kontak dengan MXene, sehingga terlokalisasi dan tumbuh dari skala nano dua dimensi (Gambar 4c). Namun, kami tidak mengamati penetrasi skala nano ke dalam sel mikroalga dan kerusakan yang ditimbulkannya.
Perlindungan diri juga merupakan perilaku respons yang bergantung pada waktu terhadap penghambatan fotosintesis karena adsorpsi partikel pada permukaan sel dan apa yang disebut efek bayangan (shading effect)62. Jelas bahwa setiap objek (misalnya, nanoflake Nb-MXene) yang berada di antara mikroalga dan sumber cahaya membatasi jumlah cahaya yang diserap oleh kloroplas. Namun, kami tidak ragu bahwa hal ini memiliki dampak signifikan pada hasil yang diperoleh. Seperti yang ditunjukkan oleh pengamatan mikroskopis kami, nanoflake 2D tidak sepenuhnya terbungkus atau menempel pada permukaan mikroalga, bahkan ketika sel mikroalga bersentuhan dengan Nb-MXene. Sebaliknya, nanoflake ternyata berorientasi pada sel mikroalga tanpa menutupi permukaannya. Kumpulan nanoflake/mikroalga seperti itu tidak dapat secara signifikan membatasi jumlah cahaya yang diserap oleh sel mikroalga. Selain itu, beberapa penelitian bahkan menunjukkan peningkatan penyerapan cahaya oleh organisme fotosintetik dengan adanya nanomaterial dua dimensi63,64,65,66.
Karena citra SEM tidak dapat secara langsung mengkonfirmasi penyerapan niobium oleh sel mikroalga, studi lebih lanjut kami beralih ke analisis fluoresensi sinar-X (XRF) dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) untuk mengklarifikasi masalah ini. Oleh karena itu, kami membandingkan intensitas puncak Nb dari sampel mikroalga referensi yang tidak berinteraksi dengan MXene, nanoflake MXene yang terlepas dari permukaan sel mikroalga, dan sel mikroalga setelah pelepasan MXene yang menempel. Perlu dicatat bahwa jika tidak ada penyerapan Nb, nilai Nb yang diperoleh oleh sel mikroalga seharusnya nol setelah pelepasan nanoskala yang menempel. Oleh karena itu, jika terjadi penyerapan Nb, baik hasil XRF maupun XPS seharusnya menunjukkan puncak Nb yang jelas.
Dalam kasus spektrum XRF, sampel mikroalga menunjukkan puncak Nb untuk MXene SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx setelah berinteraksi dengan MXene SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx (lihat Gambar 5a, perhatikan juga bahwa hasil untuk MXene MAX dan ML ditunjukkan pada SI, Gambar S12–C17). Menariknya, intensitas puncak Nb sama dalam kedua kasus (batang merah pada Gambar 5a). Ini menunjukkan bahwa alga tidak dapat menyerap lebih banyak Nb, dan kapasitas maksimum untuk akumulasi Nb tercapai di dalam sel, meskipun dua kali lebih banyak MXene Nb4C3Tx menempel pada sel mikroalga (batang biru pada Gambar 5a). Perlu dicatat, kemampuan mikroalga untuk menyerap logam bergantung pada konsentrasi oksida logam di lingkungan67,68. Shamshada dkk.67 menemukan bahwa kapasitas penyerapan alga air tawar menurun seiring dengan peningkatan pH. Raize et al.68 mencatat bahwa kemampuan rumput laut untuk menyerap logam sekitar 25% lebih tinggi untuk Pb2+ dibandingkan dengan Ni2+.
(a) Hasil XRF dari penyerapan Nb basal oleh sel mikroalga hijau yang diinkubasi pada konsentrasi ekstrem SL Nb-MXenes (100 mg L-1) selama 72 jam. Hasil menunjukkan keberadaan α pada sel mikroalga murni (sampel kontrol, kolom abu-abu), nanoflake 2D yang diisolasi dari permukaan sel mikroalga (kolom biru), dan sel mikroalga setelah pemisahan nanoflake 2D dari permukaan (kolom merah). Jumlah unsur Nb, (b) persentase komposisi kimia komponen organik mikroalga (C=O dan CHx/C–O) dan oksida Nb yang ada dalam sel mikroalga setelah inkubasi dengan SL Nb-MXenes, (c–e) Pencocokan puncak komposisi spektrum XPS SL Nb2CTx dan (fh) MXene SL Nb4C3Tx yang diinternalisasi oleh sel mikroalga.
Oleh karena itu, kami memperkirakan bahwa Nb dapat diserap oleh sel alga dalam bentuk oksida. Untuk menguji hal ini, kami melakukan studi XPS pada MXenes Nb2CTx dan Nb4C3TX dan sel alga. Hasil interaksi mikroalga dengan Nb-MXenes dan MXenes yang diisolasi dari sel alga ditunjukkan pada Gambar 5b. Seperti yang diharapkan, kami mendeteksi puncak Nb 3d pada sampel mikroalga setelah MXene dihilangkan dari permukaan mikroalga. Penentuan kuantitatif C=O, CHx/CO, dan oksida Nb dihitung berdasarkan spektrum Nb 3d, O 1s, dan C 1s yang diperoleh dengan Nb2CTx SL (Gambar 5c–e) dan Nb4C3Tx SL (Gambar 5c–e). ) yang diperoleh dari mikroalga yang diinkubasi. Gambar 5f–h) MXenes. Tabel S1-3 menunjukkan detail parameter puncak dan kimia keseluruhan yang dihasilkan dari kecocokan. Perlu dicatat bahwa daerah Nb 3d dari Nb2CTx SL dan Nb4C3Tx SL (Gambar 5c, f) sesuai dengan satu komponen Nb2O5. Di sini, kami tidak menemukan puncak yang terkait dengan MXene dalam spektrum, yang menunjukkan bahwa sel mikroalga hanya menyerap bentuk oksida Nb. Selain itu, kami mendekati spektrum C 1s dengan komponen C–C, CHx/C–O, C=O, dan –COOH. Kami menetapkan puncak CHx/C–O dan C=O sebagai kontribusi organik dari sel mikroalga. Komponen organik ini menyumbang 36% dan 41% dari puncak C 1s pada Nb2CTx SL dan Nb4C3TX SL, masing-masing. Kemudian kami mencocokkan spektrum O 1s dari SL Nb2CTx dan SL Nb4C3TX dengan Nb2O5, komponen organik mikroalga (CHx/CO), dan air yang teradsorpsi di permukaan.
Terakhir, hasil XPS secara jelas menunjukkan bentuk Nb, bukan hanya keberadaannya. Berdasarkan posisi sinyal Nb 3d dan hasil dekonvolusi, kami memastikan bahwa Nb hanya diserap dalam bentuk oksida dan bukan ion atau MXene itu sendiri. Selain itu, hasil XPS menunjukkan bahwa sel mikroalga memiliki kemampuan yang lebih besar untuk menyerap oksida Nb dari SL Nb2CTx dibandingkan dengan MXene SL Nb4C3TX.
Meskipun hasil penyerapan Nb kami mengesankan dan memungkinkan kami untuk mengidentifikasi degradasi MXene, tidak ada metode yang tersedia untuk melacak perubahan morfologi terkait pada nanoflake 2D. Oleh karena itu, kami juga memutuskan untuk mengembangkan metode yang sesuai yang dapat secara langsung menanggapi setiap perubahan yang terjadi pada nanoflake Nb-MXene 2D dan sel mikroalga. Penting untuk dicatat bahwa kami berasumsi bahwa jika spesies yang berinteraksi mengalami transformasi, dekomposisi, atau defragmentasi, hal ini akan segera terwujud sebagai perubahan parameter bentuk, seperti diameter area lingkaran ekuivalen, kebulatan, lebar Feret, atau panjang Feret. Karena parameter ini cocok untuk menggambarkan partikel memanjang atau nanoflake dua dimensi, pelacakan parameter tersebut melalui analisis bentuk partikel dinamis akan memberi kita informasi berharga tentang transformasi morfologi nanoflake SL Nb-MXene selama reduksi.
Hasil yang diperoleh ditunjukkan pada Gambar 6. Sebagai perbandingan, kami juga menguji fase MAX asli dan ML-MXene (lihat Gambar S18 dan S19 di SI). Analisis dinamis bentuk partikel menunjukkan bahwa semua parameter bentuk dari dua SL Nb-MXene berubah secara signifikan setelah berinteraksi dengan mikroalga. Seperti yang ditunjukkan oleh parameter diameter area lingkaran ekuivalen (Gambar 6a, b), intensitas puncak yang berkurang dari fraksi nanoflake besar menunjukkan bahwa mereka cenderung meluruh menjadi fragmen yang lebih kecil. Pada Gambar 6c, d menunjukkan penurunan puncak yang terkait dengan ukuran melintang serpihan (pemanjangan nanoflake), yang menunjukkan transformasi nanoflake 2D menjadi bentuk yang lebih mirip partikel. Gambar 6e-h menunjukkan lebar dan panjang Feret, masing-masing. Lebar dan panjang Feret adalah parameter komplementer dan oleh karena itu harus dipertimbangkan bersama. Setelah inkubasi nanoflake Nb-MXene 2D dengan adanya mikroalga, puncak korelasi Feret mereka bergeser dan intensitasnya menurun. Berdasarkan hasil ini dikombinasikan dengan morfologi, XRF dan XPS, kami menyimpulkan bahwa perubahan yang diamati sangat berkaitan dengan oksidasi karena MXene yang teroksidasi menjadi lebih keriput dan pecah menjadi fragmen dan partikel oksida bulat69,70.
Analisis transformasi MXene setelah interaksi dengan mikroalga hijau. Analisis bentuk partikel dinamis mempertimbangkan parameter seperti (a, b) diameter area lingkaran ekuivalen, (c, d) kebulatan, (e, f) lebar Feret dan (g, h) panjang Feret. Untuk tujuan ini, dua sampel mikroalga referensi dianalisis bersama dengan MXene SL Nb2CTx dan SL Nb4C3Tx primer, MXene SL Nb2CTx dan SL Nb4C3Tx, mikroalga yang terdegradasi, dan MXene SL Nb2CTx dan SL Nb4C3Tx mikroalga yang telah diolah. Panah merah menunjukkan transisi parameter bentuk dari nanoflake dua dimensi yang dipelajari.
Karena analisis parameter bentuk sangat andal, analisis ini juga dapat mengungkapkan perubahan morfologi pada sel mikroalga. Oleh karena itu, kami menganalisis diameter area melingkar ekuivalen, kebulatan, dan lebar/panjang Feret dari sel mikroalga murni dan sel setelah berinteraksi dengan nanoflake Nb 2D. Pada Gambar 6a–h menunjukkan perubahan parameter bentuk sel alga, yang dibuktikan dengan penurunan intensitas puncak dan pergeseran maksimum ke arah nilai yang lebih tinggi. Secara khusus, parameter kebulatan sel menunjukkan penurunan pada sel memanjang dan peningkatan pada sel bulat (Gambar 6a, b). Selain itu, lebar sel Feret meningkat beberapa mikrometer setelah berinteraksi dengan SL Nb2CTx MXene (Gambar 6e) dibandingkan dengan SL Nb4C3TX MXene (Gambar 6f). Kami menduga bahwa ini mungkin disebabkan oleh penyerapan oksida Nb yang kuat oleh mikroalga setelah berinteraksi dengan Nb2CTx SR. Pelekatan serpihan Nb yang kurang kaku ke permukaannya dapat menghasilkan pertumbuhan sel dengan efek bayangan minimal.
Pengamatan kami terhadap perubahan parameter bentuk dan ukuran mikroalga melengkapi penelitian lain. Mikroalga hijau dapat mengubah morfologinya sebagai respons terhadap tekanan lingkungan dengan mengubah ukuran sel, bentuk, atau metabolisme61. Misalnya, perubahan ukuran sel memfasilitasi penyerapan nutrisi71. Sel alga yang lebih kecil menunjukkan penyerapan nutrisi yang lebih rendah dan laju pertumbuhan yang terganggu. Sebaliknya, sel yang lebih besar cenderung mengonsumsi lebih banyak nutrisi, yang kemudian disimpan secara intraseluler72,73. Machado dan Soares menemukan bahwa fungisida triclosan dapat meningkatkan ukuran sel. Mereka juga menemukan perubahan yang signifikan pada bentuk alga74. Selain itu, Yin dkk.9 juga mengungkapkan perubahan morfologi pada alga setelah terpapar nanokomposit oksida grafena tereduksi. Oleh karena itu, jelas bahwa perubahan parameter ukuran/bentuk mikroalga disebabkan oleh keberadaan MXene. Karena perubahan ukuran dan bentuk ini menunjukkan perubahan penyerapan nutrisi, kami percaya bahwa analisis parameter ukuran dan bentuk dari waktu ke waktu dapat menunjukkan penyerapan niobium oksida oleh mikroalga dengan adanya Nb-MXenes.
Selain itu, MXene dapat teroksidasi dengan adanya alga. Dalai et al.75 mengamati bahwa morfologi alga hijau yang terpapar nano-TiO2 dan Al2O376 tidak seragam. Meskipun pengamatan kami serupa dengan penelitian ini, hal itu hanya relevan dengan studi tentang efek bioremediasi dalam hal produk degradasi MXene dengan adanya nanoflake 2D dan bukan nanopartikel. Karena MXene dapat terdegradasi menjadi oksida logam,31,32,77,78 masuk akal untuk berasumsi bahwa nanoflake Nb kami juga dapat membentuk oksida Nb setelah berinteraksi dengan sel mikroalga.
Untuk menjelaskan reduksi nanoflake 2D-Nb melalui mekanisme dekomposisi berdasarkan proses oksidasi, kami melakukan studi menggunakan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) (Gambar 7a,b) dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) (Gambar 7c-i dan tabel S4-5). Kedua pendekatan tersebut cocok untuk mempelajari oksidasi material 2D dan saling melengkapi. HRTEM mampu menganalisis degradasi struktur berlapis dua dimensi dan kemunculan nanopartikel oksida logam selanjutnya, sedangkan XPS sensitif terhadap ikatan permukaan. Untuk tujuan ini, kami menguji nanoflake 2D Nb-MXene yang diekstrak dari dispersi sel mikroalga, yaitu bentuknya setelah berinteraksi dengan sel mikroalga (lihat Gambar 7).
Gambar HRTEM menunjukkan morfologi MXene SL (a) Nb2CTx dan (b) SL Nb4C3Tx yang teroksidasi, hasil analisis XPS menunjukkan (c) komposisi produk oksida setelah reduksi, (d–f) pencocokan puncak komponen spektrum XPS dari SL Nb2CTx dan (g–i) SL Nb4C3Tx yang diperbaiki dengan mikroalga hijau.
Studi HRTEM mengkonfirmasi oksidasi dua jenis nanoflake Nb-MXene. Meskipun nanoflake mempertahankan morfologi dua dimensinya sampai batas tertentu, oksidasi mengakibatkan munculnya banyak nanopartikel yang menutupi permukaan nanoflake MXene (lihat Gambar 7a,b). Analisis XPS dari sinyal c Nb 3d dan O 1s menunjukkan bahwa oksida Nb terbentuk dalam kedua kasus. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7c, MXene 2D Nb2CTx dan Nb4C3TX memiliki sinyal Nb 3d yang menunjukkan keberadaan oksida NbO dan Nb2O5, sedangkan sinyal O 1s menunjukkan jumlah ikatan O–Nb yang terkait dengan fungsionalisasi permukaan nanoflake 2D. Kami memperhatikan bahwa kontribusi oksida Nb dominan dibandingkan dengan Nb-C dan Nb3+-O.
Pada Gambar 7g–i menunjukkan spektrum XPS dari Nb 3d, C 1s, dan O 1s SL Nb2CTx (lihat Gambar 7d–f) dan SL Nb4C3TX MXene yang diisolasi dari sel mikroalga. Detail parameter puncak Nb-MXene diberikan pada Tabel S4–5. Pertama, kami menganalisis komposisi Nb 3d. Berbeda dengan Nb yang diserap oleh sel mikroalga, pada MXene yang diisolasi dari sel mikroalga, selain Nb2O5, ditemukan komponen lain. Pada SL Nb2CTx, kami mengamati kontribusi Nb3+-O sebesar 15%, sedangkan sisa spektrum Nb 3d didominasi oleh Nb2O5 (85%). Selain itu, sampel SL Nb4C3TX mengandung komponen Nb-C (9%) dan Nb2O5 (91%). Di sini Nb-C berasal dari dua lapisan atom bagian dalam karbida logam dalam Nb4C3Tx SR. Kemudian kami memetakan spektrum C 1s ke empat komponen berbeda, seperti yang kami lakukan pada sampel yang diinternalisasi. Seperti yang diharapkan, spektrum C 1s didominasi oleh karbon grafit, diikuti oleh kontribusi dari partikel organik (CHx/CO dan C=O) dari sel mikroalga. Selain itu, dalam spektrum O 1s, kami mengamati kontribusi bentuk organik sel mikroalga, niobium oksida, dan air yang terserap.
Selain itu, kami menyelidiki apakah pemecahan Nb-MXenes terkait dengan keberadaan spesies oksigen reaktif (ROS) dalam medium nutrisi dan/atau sel mikroalga. Untuk tujuan ini, kami menilai kadar oksigen singlet (1O2) dalam medium kultur dan glutathione intraseluler, suatu tiol yang bertindak sebagai antioksidan pada mikroalga. Hasilnya ditunjukkan pada SI (Gambar S20 dan S21). Kultur dengan MXenes SL Nb2CTx dan Nb4C3TX ditandai dengan penurunan jumlah 1O2 (lihat Gambar S20). Dalam kasus SL Nb2CTx, 1O2 MXene berkurang hingga sekitar 83%. Untuk kultur mikroalga yang menggunakan SL, 1O2 Nb4C3TX menurun lebih banyak lagi, hingga 73%. Menariknya, perubahan pada 1O2 menunjukkan tren yang sama dengan efek penghambat-perangsang yang diamati sebelumnya (lihat Gambar 3). Dapat dikatakan bahwa inkubasi dalam cahaya terang dapat mengubah fotooksidasi. Namun, hasil analisis kontrol menunjukkan tingkat 1O2 yang hampir konstan selama percobaan (Gambar S22). Dalam kasus tingkat ROS intraseluler, kami juga mengamati tren penurunan yang sama (lihat Gambar S21). Awalnya, tingkat ROS dalam sel mikroalga yang dikultur dengan adanya SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx melebihi tingkat yang ditemukan dalam kultur murni mikroalga. Namun, pada akhirnya, tampaknya mikroalga beradaptasi dengan keberadaan kedua Nb-MXene, karena tingkat ROS menurun menjadi 85% dan 91% dari tingkat yang diukur dalam kultur murni mikroalga yang diinokulasi dengan SL Nb2CTx dan Nb4C3TX, masing-masing. Hal ini mungkin menunjukkan bahwa mikroalga merasa lebih nyaman dari waktu ke waktu dengan adanya Nb-MXene daripada hanya dalam media nutrisi saja.
Mikroalga adalah kelompok organisme fotosintetik yang beragam. Selama fotosintesis, mereka mengubah karbon dioksida (CO2) atmosfer menjadi karbon organik. Produk fotosintesis adalah glukosa dan oksigen79. Kami menduga bahwa oksigen yang terbentuk memainkan peran penting dalam oksidasi Nb-MXenes. Salah satu penjelasan yang mungkin adalah bahwa parameter aerasi diferensial terbentuk pada tekanan parsial oksigen rendah dan tinggi di luar dan di dalam nanoflake Nb-MXene. Ini berarti bahwa di mana pun terdapat area dengan tekanan parsial oksigen yang berbeda, area dengan tingkat terendah akan membentuk anoda 80, 81, 82. Di sini, mikroalga berkontribusi pada pembentukan sel-sel yang teraerasi secara diferensial pada permukaan serpihan MXene, yang menghasilkan oksigen karena sifat fotosintetiknya. Akibatnya, produk biokorosi (dalam hal ini, niobium oksida) terbentuk. Aspek lain adalah bahwa mikroalga dapat menghasilkan asam organik yang dilepaskan ke dalam air83,84. Oleh karena itu, terbentuk lingkungan yang agresif, sehingga mengubah Nb-MXenes. Selain itu, mikroalga dapat mengubah pH lingkungan menjadi basa karena penyerapan karbon dioksida, yang juga dapat menyebabkan korosi79.
Yang lebih penting, fotoperiode gelap/terang yang digunakan dalam penelitian kami sangat penting untuk memahami hasil yang diperoleh. Aspek ini dijelaskan secara rinci dalam Djemai-Zoghlache dkk. 85 Mereka sengaja menggunakan fotoperiode 12/12 jam untuk mendemonstrasikan biokorosi yang terkait dengan biofouling oleh mikroalga merah Porphyridium purpureum. Mereka menunjukkan bahwa fotoperiode dikaitkan dengan evolusi potensi tanpa biokorosi, yang bermanifestasi sebagai osilasi pseudoperiodik sekitar pukul 24:00. Pengamatan ini dikonfirmasi oleh Dowling dkk. 86 Mereka mendemonstrasikan biofilm fotosintetik sianobakteri Anabaena. Oksigen terlarut terbentuk di bawah pengaruh cahaya, yang dikaitkan dengan perubahan atau fluktuasi potensi biokorosi bebas. Pentingnya fotoperiode ditekankan oleh fakta bahwa potensi bebas untuk biokorosi meningkat pada fase terang dan menurun pada fase gelap. Hal ini disebabkan oleh oksigen yang dihasilkan oleh mikroalga fotosintetik, yang mempengaruhi reaksi katodik melalui tekanan parsial yang dihasilkan di dekat elektroda87.
Selain itu, spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) dilakukan untuk mengetahui apakah terjadi perubahan komposisi kimia sel mikroalga setelah berinteraksi dengan Nb-MXenes. Hasil yang diperoleh ini kompleks dan kami menyajikannya dalam SI (Gambar S23-S25, termasuk hasil tahap MAX dan ML MXenes). Singkatnya, spektrum referensi mikroalga yang diperoleh memberi kita informasi penting tentang karakteristik kimia organisme ini. Getaran yang paling mungkin ini terletak pada frekuensi 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1 (C–H) dan 3280 cm-1 (O–H). Untuk SL Nb-MXenes, kami menemukan tanda peregangan ikatan CH yang konsisten dengan penelitian kami sebelumnya38. Namun, kami mengamati bahwa beberapa puncak tambahan yang terkait dengan ikatan C=C dan CH menghilang. Hal ini menunjukkan bahwa komposisi kimia mikroalga mungkin mengalami perubahan kecil akibat interaksi dengan SL Nb-MXenes.
Ketika mempertimbangkan kemungkinan perubahan dalam biokimia mikroalga, akumulasi oksida anorganik, seperti niobium oksida, perlu dipertimbangkan kembali59. Hal ini terlibat dalam penyerapan logam oleh permukaan sel, transportasinya ke dalam sitoplasma, asosiasinya dengan gugus karboksil intraseluler, dan akumulasinya dalam polifosfosom mikroalga20,88,89,90. Selain itu, hubungan antara mikroalga dan logam dipertahankan oleh gugus fungsional sel. Karena alasan ini, penyerapan juga bergantung pada kimia permukaan mikroalga, yang cukup kompleks9,91. Secara umum, seperti yang diharapkan, komposisi kimia mikroalga hijau sedikit berubah karena penyerapan oksida Nb.
Menariknya, penghambatan awal mikroalga yang diamati bersifat reversibel seiring waktu. Seperti yang kami amati, mikroalga mengatasi perubahan lingkungan awal dan akhirnya kembali ke tingkat pertumbuhan normal dan bahkan meningkat. Studi potensial zeta menunjukkan stabilitas tinggi ketika dimasukkan ke dalam media nutrisi. Dengan demikian, interaksi permukaan antara sel mikroalga dan nanoflake Nb-MXene dipertahankan selama percobaan reduksi. Dalam analisis lebih lanjut kami, kami merangkum mekanisme kerja utama yang mendasari perilaku luar biasa mikroalga ini.
Pengamatan SEM menunjukkan bahwa mikroalga cenderung menempel pada Nb-MXene. Dengan menggunakan analisis citra dinamis, kami mengkonfirmasi bahwa efek ini menyebabkan transformasi nanoflake Nb-MXene dua dimensi menjadi partikel yang lebih bulat, sehingga menunjukkan bahwa dekomposisi nanoflake terkait dengan oksidasinya. Untuk menguji hipotesis kami, kami melakukan serangkaian studi material dan biokimia. Setelah pengujian, nanoflake secara bertahap teroksidasi dan terurai menjadi produk NbO dan Nb2O5, yang tidak menimbulkan ancaman bagi mikroalga hijau. Dengan menggunakan pengamatan FTIR, kami tidak menemukan perubahan signifikan dalam komposisi kimia mikroalga yang diinkubasi dengan adanya nanoflake Nb-MXene 2D. Dengan mempertimbangkan kemungkinan penyerapan niobium oksida oleh mikroalga, kami melakukan analisis fluoresensi sinar-X. Hasil ini jelas menunjukkan bahwa mikroalga yang diteliti memakan niobium oksida (NbO dan Nb2O5), yang tidak beracun bagi mikroalga yang diteliti.