Terima kasih telah mengunjungi Nature.com. Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau nonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan yang berkelanjutan, kami akan menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Menampilkan rangkaian tiga slide sekaligus. Gunakan tombol Sebelumnya dan Berikutnya untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus, atau gunakan tombol penggeser di bagian akhir untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus.
Perkembangan pesat nanoteknologi dan integrasinya ke dalam aplikasi sehari-hari dapat mengancam lingkungan. Sementara 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 kontaminan biologis. Di sini, kami menggunakan model MXenes 2D anorganik berbasis Nb yang dikombinasikan dengan metode analisis parameter bentuk sederhana untuk melacak mekanisme bioremediasi nanomaterial keramik 2D oleh mikroalga hijau Raphidocelis subcapitata. Kami menemukan bahwa mikroalga mendegradasi MXene berbasis Nb karena interaksi fisiko-kimia yang terkait dengan permukaan. Awalnya, nanoflake MXene satu lapis dan multilapis ditempelkan ke permukaan mikroalga, yang agak mengurangi pertumbuhan alga. Namun, setelah interaksi yang lama dengan permukaan, mikroalga mengoksidasi nanoflake MXene dan selanjutnya menguraikannya menjadi NbO dan Nb2O5. Karena oksida ini tidak beracun bagi sel mikroalga, mereka 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 jangka 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 pelacakan transformasi bentuk bahkan dalam material berbutir halus. Secara keseluruhan, studi 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 ditemukan, 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, masuk akal untuk berasumsi bahwa nanomaterial, termasuk nanomaterial dua dimensi (2D), dapat dilepaskan ke lingkungan alam, yang perilaku dan aktivitas biologisnya belum sepenuhnya dipahami. Oleh karena itu, tidak mengherankan bahwa kekhawatiran ekotoksisitas telah difokuskan pada kemampuan nanomaterial 2D untuk meresap ke dalam sistem perairan2,3,4,5,6. Dalam ekosistem ini, beberapa nanomaterial 2D dapat berinteraksi dengan berbagai organisme pada tingkat trofik yang berbeda, termasuk mikroalga.
Mikroalga merupakan organisme primitif yang ditemukan secara alami di ekosistem air tawar dan laut yang menghasilkan berbagai produk kimia melalui fotosintesis7. Oleh karena itu, mikroalga 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 cepat merespons keberadaan berbagai senyawa, mikroalga menjanjikan 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 diketahui bahwa alga dapat membawa dan bahkan memelihara ion logam beracun seperti Fe2+, Cu2+, Zn2+, dan Mn2+19. Penelitian lain telah menunjukkan bahwa ion Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+, atau Pb2+ membatasi pertumbuhan Scenedesmus dengan mengubah morfologi sel dan menghancurkan kloroplasnya20,21.
Metode ramah lingkungan untuk penguraian 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 dibuat di bidang ini22,23,24,25,26. Dengan demikian, pencarian solusi ramah lingkungan untuk perbaikan nanomaterial tetap menjadi area 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 air aktif untuk bahan keramik anorganik, dikombinasikan dengan pemantauan in situ proses degradasi MXene sebagai perwakilan bahan keramik anorganik. Istilah "MXene" mencerminkan stoikiometri bahan 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 MXenes oleh Naguib et al. Sensorik, terapi kanker dan filtrasi membran 27,29,30. Selain itu, MXenes dapat dianggap sebagai sistem model 2D 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 MXenes berbasis Nb menjadi senyawa tidak beracun karena interaksi fisiko-kimia yang berhubungan dengan permukaan, yang memungkinkan pemulihan alga lebih lanjut. Untuk menguji hipotesis ini, dua anggota keluarga karbida dan/atau nitrida logam transisi berbasis niobium awal (MXenes), 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 untuk mempelajari berbagai efek biologis yang tidak dapat diamati dengan nanomaterial konvensional lainnya. Secara khusus, kami menunjukkan kemungkinan bioremediasi nanomaterial dua dimensi, seperti MXenes berbasis niobium, oleh mikroalga Raphidocelis subcapitata. Mikroalga mampu mendegradasi Nb-MXenes menjadi oksida tidak beracun NbO dan Nb2O5, yang juga menyediakan nutrisi melalui mekanisme penyerapan niobium. Secara keseluruhan, penelitian 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 dalam bentuk nanomaterial 2D. Hal ini mengilhami penelitian jangka pendek dan jangka panjang lebih lanjut tentang berbagai dampak lingkungan dari nanomaterial kristal anorganik. Dengan demikian, penelitian kami meningkatkan pemahaman tentang interaksi antara permukaan material dan material biologis. Kami juga menyediakan dasar untuk studi jangka pendek dan jangka panjang yang diperluas tentang kemungkinan dampaknya terhadap ekosistem air tawar, yang sekarang dapat dengan mudah diverifikasi.
MXenes mewakili kelas material yang menarik dengan sifat fisik dan kimia yang unik dan menarik dan karenanya memiliki banyak aplikasi potensial. 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, Nb2CTx dan Nb4C3TX, karena efek biologis yang berbeda dari nanomaterial ini dapat diamati. MXenes diproduksi dari material awalnya dengan etsa selektif top-down dari lapisan-A fase MAX yang tipis secara atomik. Fase MAX adalah keramik terner yang terdiri dari blok "terikat" karbida logam transisi dan lapisan tipis elemen "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). Nb-MXene multilapis (ML) diperoleh setelah menghilangkan lapisan Al dengan 48% HF (asam hidrofluorat). Morfologi ML-Nb2CTx dan ML-Nb4C3TX diperiksa dengan mikroskop elektron pemindaian (SEM) (masing-masing Gambar S1c dan S1d) dan morfologi MXene berlapis yang khas diamati, mirip dengan nanoflake dua dimensi yang melewati celah memanjang seperti pori. Kedua Nb-MXene memiliki banyak kesamaan dengan fase MXene yang sebelumnya disintesis dengan etsa asam27,38. Setelah mengonfirmasi 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 mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) dan difraksi sinar-X (XRD) untuk menguji efisiensi etsa dan pengelupasan lebih lanjut. Hasil HRTEM yang diproses menggunakan Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) dan Fast Fourier Transform (FFT) ditunjukkan pada Gambar 2. Nanoflake Nb-MXene diorientasikan dengan tepi ke atas untuk memeriksa struktur lapisan atom dan mengukur jarak antarbidang. Gambar HRTEM dari nanoflake MXene Nb2CTx dan Nb4C3TX mengungkapkan sifat lapisan tipis atomiknya (lihat Gambar 2a1, a2), seperti yang dilaporkan sebelumnya oleh Naguib et al.27 dan Jastrzębska et al.38. Untuk dua lapisan tunggal Nb2CTx dan Nb4C3Tx yang berdekatan, kami menentukan jarak antarlapisan masing-masing 0,74 dan 1,54 nm (Gambar 2b1,b2), yang juga sesuai dengan hasil kami sebelumnya38. Hal ini selanjutnya dikonfirmasi oleh transformasi Fourier cepat terbalik (Gbr. 2c1, c2) dan transformasi Fourier cepat (Gbr. 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 mengonfirmasi sifat berlapis dari MXenes yang diteliti. 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 SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx MXene, termasuk (a) pencitraan nanoflake 2D tampilan samping mikroskop elektron resolusi tinggi (HRTEM) dan yang sesuai, (b) mode intensitas, (c) transformasi Fourier cepat terbalik (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 MXenes SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx ditunjukkan pada Gambar 2e1 dan e2, masing-masing. Puncak (002) pada 4,31 dan 4,32 sesuai dengan MXenes berlapis Nb2CTx dan Nb4C3TX38,39,40,41 yang dijelaskan sebelumnya. Hasil XRD juga menunjukkan keberadaan beberapa struktur ML residual dan fase MAX, tetapi sebagian besar pola XRD terkait dengan SL Nb4C3Tx (Gambar 2e2). Keberadaan partikel fase MAX yang lebih kecil dapat menjelaskan puncak MAX yang lebih kuat dibandingkan dengan lapisan Nb4C3Tx yang ditumpuk secara acak.
Penelitian lebih lanjut difokuskan pada mikroalga hijau yang termasuk dalam spesies R. subcapitata. Kami memilih mikroalga karena mereka adalah produsen penting yang terlibat dalam jaring makanan utama42. Mereka juga merupakan salah satu indikator toksisitas terbaik karena kemampuan untuk menghilangkan zat beracun yang dibawa ke tingkat yang lebih tinggi dari rantai makanan43. Selain itu, penelitian tentang R. subcapitata dapat menjelaskan toksisitas insidental SL Nb-MXenes terhadap mikroorganisme air tawar umum. Untuk menggambarkan hal ini, para peneliti berhipotesis bahwa setiap mikroba memiliki kepekaan yang berbeda terhadap senyawa beracun yang ada di lingkungan. Bagi sebagian besar organisme, konsentrasi zat yang rendah tidak memengaruhi pertumbuhan mereka, sementara konsentrasi di atas batas tertentu dapat menghambat mereka atau bahkan menyebabkan kematian. Oleh karena itu, untuk penelitian kami tentang interaksi permukaan antara mikroalga dan MXenes dan pemulihan terkait, kami memutuskan untuk menguji konsentrasi Nb-MXenes yang tidak berbahaya dan beracun. Untuk melakukan ini, kami menguji konsentrasi 0 (sebagai referensi), 0,01, 0,1 dan 10 mg l-1 MXene dan sebagai tambahan menginfeksi mikroalga dengan konsentrasi MXene yang sangat tinggi (100 mg l-1 MXene), yang dapat menjadi ekstrem dan mematikan. . untuk lingkungan biologis apa pun.
Efek SL Nb-MXenes pada mikroalga ditunjukkan pada Gambar 3, 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 dalam SI (lihat Gambar S3). Hasil yang diperoleh menegaskan bahwa SL Nb-MXenes hampir sepenuhnya bebas dari toksisitas 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 SL (a) Nb2CTx dan (b) Nb4C3TX MXene. Interaksi MXene-mikroalga selama 24, 48 dan 72 jam dianalisis. Data signifikan (uji-t, p < 0,05) ditandai dengan tanda bintang (*). Data 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 penghambatan.
Di sisi lain, konsentrasi rendah Nb4C3TX ternyata sedikit lebih beracun, tetapi tidak lebih tinggi dari 7%. Seperti yang diharapkan, kami mengamati bahwa MXenes memiliki toksisitas dan penghambatan pertumbuhan mikroalga yang lebih tinggi pada 100 mg L-1. Menariknya, tidak ada bahan yang menunjukkan tren dan ketergantungan waktu yang sama dari efek atoksi/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. Ini mencapai sekitar 17% setelah 24 jam dan turun menjadi kurang dari 5% setelah 72 jam (Gbr. 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 dicatat 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 dalam kurva laju penggandaan biomassa (lihat Gambar S4 untuk detailnya). Sejauh ini, hanya ekotoksisitas Ti3C2TX MXene yang telah dipelajari dengan cara yang berbeda. Ini tidak beracun bagi embrio ikan zebra44 tetapi cukup ekotoksik bagi mikroalga Desmodesmus quadricauda dan tanaman Sorghum saccharatum45. Contoh lain dari efek spesifik mencakup toksisitas yang lebih tinggi pada lini sel kanker daripada pada lini sel normal46,47. Dapat diasumsikan bahwa kondisi pengujian akan memengaruhi perubahan pertumbuhan mikroalga yang diamati dengan adanya Nb-MXenes. Misalnya, pH sekitar 8 dalam stroma kloroplas optimal untuk operasi enzim RuBisCO yang efisien. Oleh karena itu, perubahan pH berdampak negatif pada laju fotosintesis48,49. Namun, kami tidak mengamati perubahan signifikan pada pH selama percobaan (lihat SI, Gambar S5 untuk detailnya). Secara umum, kultur mikroalga dengan Nb-MXenes sedikit mengurangi pH larutan seiring berjalannya waktu. Namun, penurunan ini serupa dengan perubahan pH media murni. Selain itu, kisaran variasi yang ditemukan serupa dengan yang diukur untuk kultur mikroalga murni (sampel kontrol). Dengan demikian, kami menyimpulkan bahwa fotosintesis tidak dipengaruhi oleh perubahan pH seiring berjalannya waktu.
Selain itu, MXenes yang disintesis memiliki ujung permukaan (dilambangkan sebagai Tx). Ujung-ujung ini terutama adalah gugus fungsi -O, -F, dan -OH. Akan tetapi, kimia permukaan berhubungan langsung dengan metode sintesis. Gugus-gugus ini diketahui terdistribusi secara acak di permukaan, sehingga sulit untuk memprediksi pengaruhnya terhadap sifat-sifat MXene50. Dapat dikatakan bahwa Tx dapat menjadi gaya katalitik untuk oksidasi niobium oleh cahaya. Gugus fungsi permukaan memang menyediakan beberapa tempat penjangkaran bagi fotokatalis yang mendasarinya untuk membentuk heterojunction51. Akan tetapi, komposisi media pertumbuhan tidak menyediakan fotokatalis yang efektif (komposisi media terperinci dapat ditemukan di Tabel SI S6). Selain itu, modifikasi permukaan apa pun juga sangat penting, karena aktivitas biologis MXenes dapat diubah karena pasca-pemrosesan lapisan, 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 hubungan dengan ketidakstabilan material dalam medium, kami melakukan studi potensi zeta (ζ) dalam medium pertumbuhan mikroalga dan air deionisasi (sebagai perbandingan). Hasil kami menunjukkan bahwa SL Nb-MXenes cukup stabil (lihat Gambar SI S6 untuk hasil MAX dan ML). Potensi zeta SL MXenes sekitar -10 mV. Dalam kasus SR Nb2CTx, nilai ζ agak lebih negatif daripada Nb4C3Tx. Perubahan nilai ζ tersebut dapat menunjukkan bahwa permukaan nanoflake MXene yang bermuatan negatif menyerap ion bermuatan positif dari medium kultur. Pengukuran temporal potensi zeta dan konduktivitas Nb-MXenes dalam medium kultur (lihat Gambar S7 dan S8 dalam SI untuk detail lebih lanjut) tampaknya mendukung hipotesis kami.
Namun, kedua SL Nb-MXene menunjukkan perubahan minimal dari nol. Ini dengan jelas menunjukkan stabilitasnya dalam media pertumbuhan mikroalga. Selain itu, kami menilai apakah keberadaan mikroalga hijau kami akan memengaruhi stabilitas Nb-MXene dalam media. Hasil potensi zeta dan konduktivitas MXene setelah interaksi 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, potensi zeta bahkan sedikit menurun dari waktu ke waktu ke nilai yang lebih negatif (-15,8 versus -19,1 mV setelah 72 jam inkubasi). Potensi 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 media nutrisi. Khususnya, ketidakstabilan MXene dalam air terutama disebabkan oleh oksidasi permukaan57. Oleh karena itu, kami menduga bahwa mikroalga hijau entah bagaimana membersihkan oksida yang terbentuk pada permukaan Nb-MXene dan bahkan mencegah terjadinya (oksidasi MXene). Hal ini dapat dilihat dengan mempelajari jenis zat yang diserap oleh mikroalga.
Sementara studi ekotoksikologi kami menunjukkan bahwa mikroalga mampu mengatasi toksisitas Nb-MXenes dari waktu ke waktu dan penghambatan yang tidak biasa terhadap pertumbuhan yang distimulasi, tujuan studi kami adalah untuk menyelidiki kemungkinan mekanisme aksi. Ketika organisme seperti alga terpapar senyawa atau bahan yang tidak dikenal oleh ekosistem mereka, mereka dapat bereaksi dengan berbagai cara58,59. Tanpa adanya oksida logam beracun, mikroalga dapat memberi makan diri mereka sendiri, yang memungkinkan mereka tumbuh terus menerus60. Setelah menelan zat beracun, mekanisme pertahanan dapat diaktifkan, seperti mengubah bentuk atau rupa. Kemungkinan penyerapan juga harus dipertimbangkan58,59. Khususnya, setiap tanda mekanisme pertahanan merupakan indikator yang jelas dari toksisitas senyawa uji. Oleh karena itu, dalam pekerjaan 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). Perhatikan 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 diobati (lihat Gambar 4a, sampel referensi) dengan jelas menunjukkan morfologi khas R. subcapitata dan bentuk sel seperti croissant. Sel-sel tampak pipih dan agak tidak teratur. Beberapa sel mikroalga saling tumpang tindih dan terjerat satu sama lain, 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 lembaran nano MXene setelah 72 jam interaksi pada konsentrasi ekstrem (100 mg L-1). (a) Mikroalga hijau yang tidak diolah setelah interaksi dengan SL (b) Nb2CTx dan (c) Nb4C3TX MXene. Perhatikan bahwa serpihan nano Nb-MXene ditandai dengan panah merah. Sebagai perbandingan, foto dari mikroskop optik juga ditambahkan.
Sebaliknya, sel-sel mikroalga yang diserap oleh nanoflake SL Nb-MXene mengalami kerusakan (lihat Gambar 4b, c, panah merah). Dalam kasus Nb2CTx MXene (Gambar 4b), mikroalga cenderung tumbuh dengan skala nano dua dimensi yang melekat, yang dapat mengubah morfologinya. Khususnya, kami juga mengamati perubahan-perubahan ini di bawah mikroskop cahaya (lihat Gambar SI S11 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 benar-benar bersentuhan dengan Nb-MXenes. Studi SEM menunjukkan bahwa sekitar 52% sel mikroalga terpapar Nb-MXenes, sementara 48% dari sel-sel mikroalga ini menghindari kontak. Untuk SL Nb4C3Tx MXene, mikroalga mencoba menghindari kontak dengan MXene, sehingga melokalisasi dan tumbuh dari skala nano dua dimensi (Gbr. 4c). Namun, kami tidak mengamati penetrasi skala nano ke dalam sel mikroalga dan kerusakannya.
Pelestarian diri juga merupakan perilaku respons yang bergantung pada waktu terhadap penyumbatan fotosintesis karena penyerapan partikel pada permukaan sel dan apa yang disebut efek naungan (shading)62. Jelas bahwa setiap objek (misalnya, nanoflakes Nb-MXene) yang berada di antara mikroalga dan sumber cahaya membatasi jumlah cahaya yang diserap oleh kloroplas. Namun, kami tidak meragukan bahwa hal ini memiliki dampak yang signifikan terhadap hasil yang diperoleh. Seperti yang ditunjukkan oleh pengamatan mikroskopis kami, nanoflakes 2D tidak sepenuhnya terbungkus atau melekat pada permukaan mikroalga, bahkan ketika sel-sel mikroalga bersentuhan dengan Nb-MXenes. Sebaliknya, nanoflakes ternyata berorientasi pada sel-sel mikroalga tanpa menutupi permukaannya. Seperangkat nanoflakes/mikroalga seperti itu tidak dapat secara signifikan membatasi jumlah cahaya yang diserap oleh sel-sel mikroalga. Selain itu, beberapa penelitian bahkan menunjukkan peningkatan penyerapan cahaya oleh organisme fotosintetik dengan adanya nanomaterial dua dimensi63,64,65,66.
Karena gambar SEM tidak dapat secara langsung mengonfirmasi penyerapan niobium oleh sel-sel mikroalga, penelitian 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 MXenes, serpihan nano MXene yang terlepas dari permukaan sel-sel mikroalga, dan sel-sel mikroalga setelah penghilangan MXenes yang menempel. Perlu dicatat bahwa jika tidak ada penyerapan Nb, nilai Nb yang diperoleh oleh sel-sel mikroalga harus nol setelah penghilangan skala nano yang menempel. Oleh karena itu, jika penyerapan Nb terjadi, hasil XRF dan XPS harus menunjukkan puncak Nb yang jelas.
Dalam kasus spektrum XRF, sampel mikroalga menunjukkan puncak Nb untuk SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx MXene setelah interaksi dengan SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx MXene (lihat Gambar 5a, perhatikan juga bahwa hasil untuk MAX dan ML MXene ditunjukkan dalam 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 dalam sel, meskipun dua kali lebih banyak Nb4C3Tx MXene yang menempel pada sel mikroalga (batang biru pada Gambar 5a). Khususnya, kemampuan mikroalga untuk menyerap logam tergantung pada konsentrasi oksida logam di lingkungan67,68. Shamshada et al.67 menemukan bahwa kapasitas penyerapan alga air tawar menurun seiring dengan meningkatnya 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 serapan Nb basal oleh sel mikroalga hijau yang diinkubasi pada konsentrasi ekstrem SL Nb-MXenes (100 mg L-1) selama 72 jam. Hasilnya menunjukkan keberadaan α dalam sel mikroalga murni (sampel kontrol, kolom abu-abu), serpihan nano 2D yang diisolasi dari sel mikroalga permukaan (kolom biru), dan sel mikroalga setelah pemisahan serpihan nano 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) Penyesuaian puncak komposisi spektrum XPS SL Nb2CTx dan (fh) SL Nb4C3Tx MXene yang diinternalisasi oleh sel mikroalga.
Oleh karena itu, kami berharap bahwa Nb dapat diserap oleh sel alga dalam bentuk oksida. Untuk menguji 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 dalam sampel mikroalga setelah penghilangan MXene dari permukaan mikroalga. Penentuan kuantitatif oksida C=O, CHx/CO, dan 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 rincian parameter puncak dan kimia keseluruhan yang dihasilkan dari kecocokan tersebut. Perlu dicatat bahwa daerah Nb 3d dari Nb2CTx SL dan Nb4C3Tx SL (Gbr. 5c, f) sesuai dengan satu komponen Nb2O5. Di sini, kami tidak menemukan puncak terkait MXene dalam spektrum, yang menunjukkan bahwa sel mikroalga hanya menyerap bentuk oksida dari Nb. Selain itu, kami memperkirakan spektrum C 1 s dengan komponen C–C, CHx/C–O, C=O, dan –COOH. Kami menetapkan puncak CHx/C–O dan C=O pada kontribusi organik sel mikroalga. Komponen organik ini masing-masing mencakup 36% dan 41% dari puncak C 1 s dalam Nb2CTx SL dan Nb4C3TX SL. Kami kemudian menyesuaikan spektrum O 1s dari SL Nb2CTx dan SL Nb4C3TX dengan Nb2O5, komponen organik mikroalga (CHx/CO), dan air yang teradsorpsi permukaan.
Terakhir, hasil XPS dengan jelas menunjukkan bentuk Nb, bukan hanya keberadaannya. Berdasarkan posisi sinyal Nb 3d dan hasil dekonvolusi, kami mengonfirmasi bahwa Nb diserap hanya dalam bentuk oksida dan bukan ion atau MXene itu sendiri. Selain itu, hasil XPS menunjukkan bahwa sel mikroalga memiliki kemampuan lebih besar untuk menyerap oksida Nb dari SL Nb2CTx dibandingkan dengan SL Nb4C3TX MXene.
Meskipun hasil serapan Nb kami mengesankan dan memungkinkan kami mengidentifikasi degradasi MXene, tidak ada metode yang tersedia untuk melacak perubahan morfologi terkait dalam nanoflake 2D. Oleh karena itu, kami juga memutuskan untuk mengembangkan metode yang sesuai yang dapat 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 dalam parameter bentuk, seperti diameter area melingkar yang setara, kebulatan, lebar Feret, atau panjang Feret. Karena parameter ini cocok untuk menggambarkan partikel memanjang atau nanoflake dua dimensi, pelacakannya dengan 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-MXenes (lihat Gambar SI S18 dan S19). Analisis dinamis bentuk partikel menunjukkan bahwa semua parameter bentuk dari dua SL Nb-MXene berubah secara signifikan setelah interaksi dengan mikroalga. Seperti yang ditunjukkan oleh parameter diameter area melingkar yang setara (Gbr. 6a, b), intensitas puncak yang berkurang dari fraksi nanoflake besar menunjukkan bahwa mereka cenderung membusuk menjadi fragmen yang lebih kecil. Pada gbr. 6c, d menunjukkan penurunan puncak yang terkait dengan ukuran melintang serpihan (pemanjangan nanoflake), yang menunjukkan transformasi nanoflake 2D menjadi bentuk yang lebih seperti partikel. Gambar 6e-h menunjukkan lebar dan panjang Feret, masing-masing. Lebar dan panjang Feret adalah parameter yang saling melengkapi dan karenanya harus dipertimbangkan bersama. Setelah inkubasi nanoflake Nb-MXene 2D dengan adanya mikroalga, puncak korelasi Feret mereka bergeser dan intensitasnya menurun. Berdasarkan hasil ini dalam kombinasi dengan morfologi, XRF, dan XPS, kami menyimpulkan bahwa perubahan yang diamati sangat terkait dengan oksidasi karena MXene yang teroksidasi menjadi lebih keriput dan terpecah menjadi fragmen dan partikel oksida bulat69,70.
Analisis transformasi MXene setelah interaksi dengan mikroalga hijau. Analisis bentuk partikel dinamis memperhitungkan parameter seperti (a, b) diameter area melingkar ekivalen, (c, d) kebulatan, (e, f) lebar Feret dan (g, h) panjang Feret. Untuk tujuan ini, dua sampel mikroalga referensi dianalisis bersama dengan MXenes SL Nb2CTx dan SL Nb4C3Tx primer, MXenes SL Nb2CTx dan SL Nb4C3Tx, mikroalga terdegradasi, dan mikroalga yang diolah MXenes SL Nb2CTx dan SL Nb4C3Tx. Panah merah menunjukkan transisi parameter bentuk nanoflake dua dimensi yang dipelajari.
Karena analisis parameter bentuk sangat andal, analisis ini juga dapat mengungkap perubahan morfologi pada sel mikroalga. Oleh karena itu, kami menganalisis diameter area melingkar ekivalen, kebulatan, dan lebar/panjang Feret dari sel mikroalga murni dan sel setelah interaksi dengan nanoflake Nb 2D. Pada gambar 6a–h menunjukkan perubahan dalam parameter bentuk sel alga, sebagaimana dibuktikan oleh penurunan intensitas puncak dan pergeseran maksimum ke nilai yang lebih tinggi. Secara khusus, parameter kebulatan sel menunjukkan penurunan pada sel yang memanjang dan peningkatan pada sel yang bulat (Gambar 6a, b). Selain itu, lebar sel Feret meningkat beberapa mikrometer setelah interaksi dengan SL Nb2CTx MXene (Gambar 6e) dibandingkan dengan SL Nb4C3TX MXene (Gambar 6f). Kami menduga bahwa hal ini mungkin disebabkan oleh penyerapan oksida Nb yang kuat oleh mikroalga setelah interaksi dengan Nb2CTx SR. Perlekatan serpihan Nb yang kurang kaku pada 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 stres lingkungan dengan mengubah ukuran sel, bentuk, atau metabolisme61. Misalnya, mengubah ukuran sel memfasilitasi penyerapan nutrisi71. Sel alga yang lebih kecil menunjukkan penyerapan nutrisi yang lebih rendah dan laju pertumbuhan 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 besar dalam bentuk alga74. Selain itu, Yin et al.9 juga mengungkapkan perubahan morfologi pada alga setelah paparan nanokomposit oksida grafena tereduksi. Oleh karena itu, jelas bahwa parameter ukuran/bentuk mikroalga yang berubah disebabkan oleh keberadaan MXene. Karena perubahan ukuran dan bentuk ini merupakan indikasi perubahan penyerapan nutrisi, kami yakin bahwa analisis parameter ukuran dan bentuk dari waktu ke waktu dapat menunjukkan penyerapan niobium oksida oleh mikroalga dengan adanya Nb-MXenes.
Selain itu, MXenes dapat dioksidasi dengan adanya alga. Dalai dkk.75 mengamati bahwa morfologi alga hijau yang terpapar nano-TiO2 dan Al2O376 tidak seragam. Meskipun pengamatan kami serupa dengan penelitian saat ini, hal ini hanya relevan dengan penelitian tentang efek bioremediasi dalam hal produk degradasi MXene dengan adanya nanoflake 2D dan bukan nanopartikel. Karena MXenes 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 penelitian menggunakan mikroskopi elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) (Gbr. 7a,b) dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) (Gbr. 7). 7c-i dan tabel S4-5). Kedua pendekatan tersebut cocok untuk mempelajari oksidasi bahan 2D dan saling melengkapi. HRTEM mampu menganalisis degradasi struktur berlapis dua dimensi dan kemunculan nanopartikel oksida logam berikutnya, sementara XPS sensitif terhadap ikatan permukaan. Untuk tujuan ini, kami menguji nanoflake 2D Nb-MXene yang diekstraksi dari dispersi sel mikroalga, yaitu bentuknya setelah berinteraksi dengan sel mikroalga (lihat Gbr. 7).
Gambar HRTEM menunjukkan morfologi (a) SL Nb2CTx dan (b) SL Nb4C3Tx MXenes 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 mengonfirmasi 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 terhadap sinyal c Nb 3d dan O 1s mengindikasikan bahwa oksida Nb terbentuk dalam kedua kasus. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7c, MXene Nb2CTx dan Nb4C3TX 2D memiliki sinyal Nb 3d yang menunjukkan keberadaan oksida NbO dan Nb2O5, sementara sinyal O 1s menunjukkan jumlah ikatan O–Nb yang terkait dengan fungsionalisasi permukaan nanoflake 2D. Kami melihat bahwa kontribusi oksida Nb dominan dibandingkan dengan Nb-C dan Nb3+-O.
Pada gambar. 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. Rincian parameter puncak Nb-MXenes disediakan dalam Tabel S4–5, berturut-turut. Kami pertama-tama menganalisis komposisi Nb 3d. Berbeda dengan Nb yang diserap oleh sel mikroalga, dalam MXene yang diisolasi dari sel mikroalga, selain Nb2O5, ditemukan komponen lain. Dalam SL Nb2CTx, kami mengamati kontribusi Nb3+-O dalam jumlah 15%, sedangkan spektrum Nb 3d sisanya 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 di Nb4C3Tx SR. Kami kemudian memetakan spektrum C 1s ke empat komponen yang 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 teradsorpsi.
Selain itu, kami menyelidiki apakah pembelahan Nb-MXenes dikaitkan dengan keberadaan spesies oksigen reaktif (ROS) dalam media nutrisi dan/atau sel mikroalga. Untuk tujuan ini, kami menilai kadar oksigen singlet (1O2) dalam media kultur dan glutathione intraseluler, suatu tiol yang bertindak sebagai antioksidan dalam mikroalga. Hasilnya ditunjukkan dalam SI (Gambar S20 dan S21). Kultur dengan SL Nb2CTx dan Nb4C3TX MXenes dicirikan oleh jumlah 1O2 yang berkurang (lihat Gambar S20). Dalam kasus SL Nb2CTx, MXene 1O2 berkurang hingga sekitar 83%. Untuk kultur mikroalga yang menggunakan SL, Nb4C3TX 1O2 menurun lebih jauh, hingga 73%. Menariknya, perubahan pada 1O2 menunjukkan tren yang sama dengan efek penghambatan-perangsangan yang diamati sebelumnya (lihat Gambar 3). Dapat dikatakan bahwa inkubasi dalam cahaya terang dapat mengubah fotooksidasi. Namun, hasil analisis kontrol menunjukkan kadar 1O2 yang hampir konstan selama percobaan (Gbr. S22). Dalam kasus kadar ROS intraseluler, kami juga mengamati tren penurunan yang sama (lihat Gambar S21). Awalnya, kadar ROS dalam sel mikroalga yang dikultur dengan adanya SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx melebihi kadar yang ditemukan dalam kultur mikroalga murni. Namun, akhirnya, tampak bahwa mikroalga beradaptasi dengan keberadaan kedua Nb-MXenes, karena kadar ROS menurun hingga 85% dan 91% dari kadar yang diukur dalam kultur mikroalga murni yang diinokulasi dengan SL Nb2CTx dan Nb4C3TX, masing-masing. Ini mungkin menunjukkan bahwa mikroalga merasa lebih nyaman dari waktu ke waktu dengan adanya Nb-MXene daripada dalam media nutrisi saja.
Mikroalga merupakan 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-MXene. Salah satu kemungkinan penjelasan untuk hal ini 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 level terendah akan membentuk anoda 80, 81, 82. Di sini, mikroalga berkontribusi pada pembentukan sel-sel dengan aerasi yang berbeda pada permukaan serpihan MXene, yang menghasilkan oksigen karena sifat fotosintesisnya. Akibatnya, produk biokorosi (dalam hal ini, niobium oksida) terbentuk. Aspek lainnya adalah bahwa mikroalga dapat menghasilkan asam organik yang dilepaskan ke dalam air83,84. Oleh karena itu, terbentuklah 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 et al. 85 Mereka sengaja menggunakan fotoperiode 12/12 jam untuk menunjukkan biokorosi yang terkait dengan biofouling oleh mikroalga merah Porphyridium purpureum. Mereka menunjukkan bahwa fotoperiode dikaitkan dengan evolusi potensial tanpa biokorosi, yang memanifestasikan dirinya sebagai osilasi pseudoperiodik sekitar pukul 24:00. Pengamatan ini dikonfirmasi oleh Dowling et al. 86 Mereka menunjukkan biofilm fotosintesis dari cyanobacteria Anabaena. Oksigen terlarut terbentuk di bawah aksi cahaya, yang dikaitkan dengan perubahan atau fluktuasi dalam potensial biokorosi bebas. Pentingnya fotoperiode ditekankan oleh fakta bahwa potensial bebas untuk biokorosi meningkat dalam fase terang dan menurun dalam fase gelap. Hal ini disebabkan oleh oksigen yang dihasilkan oleh mikroalga fotosintetik, yang memengaruhi reaksi katoda melalui tekanan parsial yang dihasilkan di dekat elektroda87.
Selain itu, spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) dilakukan untuk mengetahui apakah ada perubahan yang terjadi pada komposisi kimia sel mikroalga setelah interaksi 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. 1 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 karena interaksi dengan SL Nb-MXenes.
Ketika mempertimbangkan kemungkinan perubahan dalam biokimia mikroalga, akumulasi oksida anorganik, seperti niobium oksida, perlu dipertimbangkan kembali59. Oksida ini terlibat dalam penyerapan logam oleh permukaan sel, pengangkutannya ke dalam sitoplasma, hubungannya 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 yang diamati pada mikroalga bersifat reversibel seiring berjalannya waktu. Seperti yang kami amati, mikroalga mengatasi perubahan lingkungan awal dan akhirnya kembali ke tingkat pertumbuhan normal dan bahkan meningkat. Studi potensi zeta menunjukkan stabilitas tinggi saat 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 merangkum mekanisme aksi utama yang mendasari perilaku mikroalga yang luar biasa ini.
Pengamatan SEM telah menunjukkan bahwa mikroalga cenderung menempel pada Nb-MXenes. Dengan menggunakan analisis citra dinamis, kami mengonfirmasi bahwa efek ini mengarah pada transformasi nanoflake Nb-MXene dua dimensi menjadi partikel yang lebih bulat, dengan demikian menunjukkan bahwa dekomposisi nanoflake dikaitkan 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 dengan jelas menunjukkan bahwa mikroalga yang diteliti memakan niobium oksida (NbO dan Nb2O5), yang tidak beracun bagi mikroalga yang diteliti.