Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com. Jūs izmantojat pārlūkprogrammas versiju ar ierobežotu CSS atbalstu. Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, iesakām izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer). Tikmēr, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, mēs atveidosim vietni bez stiliem un JavaScript.
Vienlaikus parāda trīs slaidu karuseli. Izmantojiet pogas Iepriekšējais un Nākamais, lai vienlaikus pārvietotos starp trim slaidiem, vai arī izmantojiet slīdņa pogas galā, lai vienlaikus pārvietotos starp trim slaidiem.
Nanotehnoloģiju straujā attīstība un to integrācija ikdienas lietojumos var apdraudēt vidi. Lai gan videi draudzīgas metodes organisko piesārņotāju noārdīšanai ir labi izveidotas, neorganisko kristālisko piesārņotāju atgūšana rada lielas bažas to zemās jutības pret biotransformāciju un materiālu virsmas mijiedarbības ar bioloģiskajiem piesārņotājiem trūkuma dēļ. Šeit mēs izmantojam uz Nb balstītu neorganisku 2D MXēnu modeli apvienojumā ar vienkāršu formas parametru analīzes metodi, lai izsekotu 2D keramikas nanomateriālu bioremediācijas mehānismu, ko veic zaļās mikroaļģes Raphidocelis subcapitata. Mēs atklājām, ka mikroaļģes noārda uz Nb balstītus MXēnus virsmas fizikāli ķīmisko mijiedarbību dēļ. Sākotnēji pie mikroaļģu virsmas bija piestiprinātas viena slāņa un daudzslāņu MXēna nanopārslas, kas nedaudz samazināja aļģu augšanu. Tomēr ilgstošas ​​mijiedarbības ar virsmu rezultātā mikroaļģes oksidēja MXēna nanopārslas un tālāk sadalīja tās NbO un Nb2O5. Tā kā šie oksīdi nav toksiski mikroaļģu šūnām, tie patērē Nb oksīda nanodaļiņas, izmantojot absorbcijas mehānismu, kas vēl vairāk atjauno mikroaļģes pēc 72 stundu ilgas ūdens apstrādes. Ar absorbciju saistīto barības vielu ietekme atspoguļojas arī šūnu tilpuma palielināšanā, to vienmērīgajā formā un augšanas ātruma izmaiņās. Pamatojoties uz šiem atklājumiem, mēs secinām, ka Nb bāzes MXēnu īstermiņa un ilgtermiņa klātbūtne saldūdens ekosistēmās var radīt tikai nelielu ietekmi uz vidi. Jāatzīmē, ka, izmantojot divdimensiju nanomateriālus kā modeļu sistēmas, mēs demonstrējam iespēju izsekot formas transformāciju pat smalkgraudainos materiālos. Kopumā šis pētījums atbild uz svarīgu fundamentālu jautājumu par ar virsmas mijiedarbību saistītajiem procesiem, kas virza 2D nanomateriālu bioremediācijas mehānismu, un nodrošina pamatu turpmākiem īstermiņa un ilgtermiņa pētījumiem par neorganisko kristālisko nanomateriālu ietekmi uz vidi.
Kopš to atklāšanas nanomateriāli ir izraisījuši lielu interesi, un dažādas nanotehnoloģijas nesen ir nonākušas modernizācijas fāzē1. Diemžēl nanomateriālu integrācija ikdienas lietojumos var izraisīt nejaušu noplūdi nepareizas utilizācijas, neuzmanīgas apiešanās vai nepietiekamas drošības infrastruktūras dēļ. Tāpēc ir pamatoti pieņemt, ka nanomateriāli, tostarp divdimensiju (2D) nanomateriāli, var nonākt dabiskajā vidē, kuru uzvedība un bioloģiskā aktivitāte vēl nav pilnībā izprasta. Tāpēc nav pārsteidzoši, ka bažas par ekotoksicitāti ir koncentrējušās uz 2D nanomateriālu spēju izskaloties ūdens sistēmās2,3,4,5,6. Šajās ekosistēmās daži 2D nanomateriāli var mijiedarboties ar dažādiem organismiem dažādos trofiskajos līmeņos, tostarp mikroaļģēm.
Mikroaļģes ir primitīvi organismi, kas dabiski sastopami saldūdens un jūras ekosistēmās un fotosintēzes ceļā ražo dažādus ķīmiskus produktus7. Tādējādi tās ir kritiski svarīgas ūdens ekosistēmām8,9,10,11,12, bet ir arī jutīgi, lēti un plaši izmantoti ekotoksicitātes indikatori13,14. Tā kā mikroaļģu šūnas ātri vairojas un ātri reaģē uz dažādu savienojumu klātbūtni, tās ir daudzsološas videi draudzīgu metožu izstrādei ar organiskām vielām piesārņota ūdens attīrīšanai15,16.
Aļģu šūnas var absorbēt neorganiskos jonus no ūdens, izmantojot biosorbciju un uzkrāšanos17,18. Dažas aļģu sugas, piemēram, Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue un Synechococcus sp., pārnēsā un pat baro toksiskus metālu jonus, piemēram, Fe2+, Cu2+, Zn2+ un Mn2+19. Citi pētījumi liecina, ka Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ vai Pb2+ joni ierobežo Scenedesmus augšanu, mainot šūnu morfoloģiju un iznīcinot to hloroplastus20,21.
Zaļās metodes organisko piesārņotāju sadalīšanai un smago metālu jonu atdalīšanai ir piesaistījušas zinātnieku un inženieru uzmanību visā pasaulē. Tas galvenokārt ir saistīts ar faktu, ka šos piesārņotājus ir viegli apstrādāt šķidrā fāzē. Tomēr neorganiskajiem kristāliskajiem piesārņotājiem raksturīga zema šķīdība ūdenī un zema jutība pret dažādām biotransformācijām, kas rada lielas grūtības sanācijā, un šajā jomā ir panākts neliels progress22,23,24,25,26. Tādējādi videi draudzīgu risinājumu meklēšana nanomateriālu labošanai joprojām ir sarežģīta un neizpētīta joma. Sakarā ar augsto nenoteiktību attiecībā uz 2D nanomateriālu biotransformācijas ietekmi, nav vienkārša veida, kā noskaidrot iespējamos to noārdīšanās ceļus reducēšanas laikā.
Šajā pētījumā mēs izmantojām zaļās mikroaļģes kā aktīvu ūdens bioremediācijas līdzekli neorganiskiem keramikas materiāliem, apvienojumā ar MXēna kā neorganisko keramikas materiālu pārstāvja noārdīšanās procesa uzraudzību in situ. Termins “MXēns” atspoguļo Mn+1XnTx materiāla stehiometriju, kur M ir agrīns pārejas metāls, X ir ogleklis un/vai slāpeklis, Tx ir virsmas terminators (piemēram, -OH, -F, -Cl) un n = 1, 2, 3 vai 427,28. Kopš MXēnu atklāšanas, ko veica Naguibs u.c. Sensorika, vēža terapija un membrānas filtrācija 27,29,30. Turklāt MXēnus var uzskatīt par 2D modeļa sistēmām, pateicoties to lieliskajai koloidālajai stabilitātei un iespējamām bioloģiskajām mijiedarbībām 31,32,33,34,35,36.
Tāpēc šajā rakstā izstrādātā metodoloģija un mūsu pētījuma hipotēzes ir parādītas 1. attēlā. Saskaņā ar šo hipotēzi mikroaļģes virsmas fizikāli ķīmisko mijiedarbību dēļ noārda uz Nb bāzes veidotos MXēnus netoksiskos savienojumos, kas ļauj tālāk atgūt aļģes. Lai pārbaudītu šo hipotēzi, tika izvēlēti divi agrīno niobija bāzes pārejas metālu karbīdu un/vai nitrīdu (MXēnu) saimes locekļi, proti, Nb2CTx un Nb4C3TX.
Pētījuma metodoloģija un uz pierādījumiem balstītas hipotēzes par MXene atgūšanu ar zaļajām mikroaļģēm Raphidocelis subcapitata. Lūdzu, ņemiet vērā, ka šis ir tikai shematisks uz pierādījumiem balstītu pieņēmumu attēlojums. Ezera vide atšķiras ar izmantoto barības vielu vidi un apstākļiem (piemēram, diennakts ciklu un pieejamo būtisko barības vielu ierobežojumiem). Izveidots, izmantojot BioRender.com.
Tādēļ, izmantojot MXene kā modeļa sistēmu, mēs esam pavēruši durvis dažādu bioloģisko efektu izpētei, ko nevar novērot ar citiem parastajiem nanomateriāliem. Konkrēti, mēs demonstrējam divdimensiju nanomateriālu, piemēram, uz niobija bāzes veidotu MXēnu, bioremediācijas iespēju ar mikroaļģēm Raphidocelis subcapitata. Mikroaļģes spēj noārdīt Nb-MXēnus netoksiskos oksīdos NbO un Nb2O5, kas arī nodrošina barības vielas, izmantojot niobija uzņemšanas mehānismu. Kopumā šis pētījums atbild uz svarīgu fundamentālu jautājumu par procesiem, kas saistīti ar virsmas fizikāli ķīmiskajām mijiedarbībām, kuras regulē divdimensiju nanomateriālu bioremediācijas mehānismus. Turklāt mēs izstrādājam vienkāršu, uz formas parametriem balstītu metodi, lai izsekotu smalkas izmaiņas 2D nanomateriālu formā. Tas iedvesmo turpmākus īstermiņa un ilgtermiņa pētījumus par neorganisko kristālisko nanomateriālu dažādo ietekmi uz vidi. Tādējādi mūsu pētījums palielina izpratni par mijiedarbību starp materiāla virsmu un bioloģisko materiālu. Mēs arī nodrošinām pamatu paplašinātiem īstermiņa un ilgtermiņa pētījumiem par to iespējamo ietekmi uz saldūdens ekosistēmām, ko tagad var viegli pārbaudīt.
MXēni ir interesanta materiālu klase ar unikālām un pievilcīgām fizikālām un ķīmiskām īpašībām un tāpēc daudziem potenciāliem pielietojumiem. Šīs īpašības lielā mērā ir atkarīgas no to stehiometrijas un virsmas ķīmijas. Tāpēc mūsu pētījumā mēs pētījām divu veidu Nb bāzes hierarhiskus viena slāņa (SL) MXēnus, Nb2CTx un Nb4C3TX, jo var novērot atšķirīgu šo nanomateriālu bioloģisko iedarbību. MXēni tiek iegūti no to izejmateriāliem, selektīvi kodinot no augšas uz leju atomiski plānus MAX fāzes A slāņus. MAX fāze ir trīskārša keramika, kas sastāv no pārejas metālu karbīdu "savienotiem" blokiem un plāniem "A" elementu, piemēram, Al, Si un Sn, slāņiem ar MnAXn-1 stehiometriju. Sākotnējās MAX fāzes morfoloģija tika novērota ar skenējošo elektronu mikroskopiju (SEM), un tā atbilda iepriekšējiem pētījumiem (sk. papildinformāciju, SI, S1. attēlu). Daudzslāņu (ML) Nb-MXēns tika iegūts pēc Al slāņa noņemšanas ar 48% HF (fluorūdeņražskābi). ML-Nb2CTx un ML-Nb4C3TX morfoloģija tika pārbaudīta ar skenējošo elektronu mikroskopiju (SEM) (attiecīgi S1c un S1d attēli), un tika novērota tipiska slāņaina MXene morfoloģija, līdzīga divdimensiju nanopārslām, kas iet cauri pagarinātām porām līdzīgām spraugām. Abiem Nb-MXeniem ir daudz kopīga ar MXene fāzēm, kas iepriekš sintezētas ar skābes kodināšanu27,38. Pēc MXene struktūras apstiprināšanas mēs to slāņojām, interkalējot tetrabutilammonija hidroksīdu (TBAOH), kam sekoja mazgāšana un ultraskaņas apstrāde, pēc kuras ieguvām viena slāņa vai zema slāņa (SL) 2D Nb-MXene nanopārslas.
Lai pārbaudītu kodināšanas un turpmākas lobīšanas efektivitāti, mēs izmantojām augstas izšķirtspējas transmisijas elektronu mikroskopiju (HRTEM) un rentgenstaru difrakciju (XRD). HRTEM rezultāti, kas apstrādāti, izmantojot apgriezto ātro Furjē transformāciju (IFFT) un ātro Furjē transformāciju (FFT), ir parādīti 2. attēlā. Nb-MXene nanopārslas tika orientētas ar malu uz augšu, lai pārbaudītu atomu slāņa struktūru un izmērītu starpplakņu attālumus. MXene Nb2CTx un Nb4C3TX nanopārslu HRTEM attēli atklāja to atomiski plāno slāņaino raksturu (sk. 2a1., a2. att.), kā iepriekš ziņoja Naguib et al.27 un Jastrzębska et al.38. Diviem blakus esošiem Nb2CTx un Nb4C3Tx monoslāņiem mēs noteicām starpslāņu attālumus attiecīgi 0,74 un 1,54 nm (2b1., b2. att.), kas arī atbilst mūsu iepriekšējiem rezultātiem38. To vēl vairāk apstiprināja apgrieztā ātrā Furjē transformācija (2.c1., c2. att.) un ātrā Furjē transformācija (2.d1., d2. att.), kas parāda attālumu starp Nb2CTx un Nb4C3Tx monoslāņiem. Attēlā redzama gaišo un tumšo joslu mija, kas atbilst niobija un oglekļa atomiem, kas apstiprina pētāmo MXēnu slāņaino raksturu. Ir svarīgi atzīmēt, ka Nb2CTx un Nb4C3Tx iegūtie enerģijas dispersīvās rentgenstaru spektroskopijas (EDX) spektri (S2.a un S2.b att.) neuzrādīja sākotnējās MAX fāzes paliekas, jo netika konstatēts Al maksimums.
SL Nb2CTx un Nb4C3Tx MXene nanopārslu raksturojums, tostarp (a) augstas izšķirtspējas elektronmikroskopijas (HRTEM) sānskata 2D nanopārslu attēlveidošana un atbilstošā, (b) intensitātes režīms, (c) apgrieztā ātrā Furjē transformācija (IFFT), (d) ātrā Furjē transformācija (FFT), (e) Nb-MXenes rentgena diagrammas. SL 2D Nb2CTx skaitļi ir izteikti kā (a1, b1, c1, d1, e1). SL 2D Nb4C3Tx skaitļi ir izteikti kā (a2, b2, c2, d2, e1).
SL Nb2CTx un Nb4C3Tx MXēnu rentgendifrakcijas mērījumi ir parādīti attiecīgi 2.e1. un e2. attēlā. Pīķi (002) pie 4,31 un 4,32 atbilst iepriekš aprakstītajiem slāņainajiem MXēniem Nb2CTx un Nb4C3TX38,39,40,41. XRD rezultāti norāda arī uz dažu atlikušo ML struktūru un MAX fāžu klātbūtni, bet galvenokārt uz XRD modeļiem, kas saistīti ar SL Nb4C3Tx (2.e2. attēls). Mazāku MAX fāzes daļiņu klātbūtne var izskaidrot spēcīgāku MAX pīķi salīdzinājumā ar nejauši sakārtotajiem Nb4C3Tx slāņiem.
Turpmākie pētījumi ir koncentrējušies uz zaļajām mikroaļģēm, kas pieder pie sugas R. subcapitata. Mēs izvēlējāmies mikroaļģes, jo tās ir nozīmīgi producenti, kas iesaistīti galvenajos barības tīklos42. Tās ir arī viens no labākajiem toksicitātes indikatoriem, pateicoties spējai noņemt toksiskas vielas, kas tiek pārnestas uz augstākiem barības ķēdes līmeņiem43. Turklāt pētījumi par R. subcapitata varētu izgaismot SL Nb-MXēnu nejaušo toksicitāti izplatītiem saldūdens mikroorganismiem. Lai to ilustrētu, pētnieki izvirzīja hipotēzi, ka katram mikrobam ir atšķirīga jutība pret vidē esošajiem toksiskajiem savienojumiem. Lielākajai daļai organismu zema vielu koncentrācija neietekmē to augšanu, savukārt koncentrācijas, kas pārsniedz noteiktu robežu, var tos kavēt vai pat izraisīt nāvi. Tāpēc, pētot mikroaļģu un MXēnu virsmas mijiedarbību un ar to saistīto atveseļošanos, mēs nolēmām pārbaudīt nekaitīgās un toksiskās Nb-MXēnu koncentrācijas. Lai to izdarītu, mēs testējām 0 (kā atsauces), 0,01, 0,1 un 10 mg l-1 MXene koncentrācijas un papildus inficējām mikroaļģes ar ļoti augstu MXene koncentrāciju (100 mg l-1 MXene), kas var būt ekstremāla un letāla jebkurā bioloģiskajā vidē.
SL Nb-MXēnu ietekme uz mikroaļģēm ir parādīta 3. attēlā, izteikta kā augšanas veicināšanas (+) vai inhibīcijas (-) procentuālā daļa, kas mērīta 0 mg l-1 paraugiem. Salīdzinājumam tika pārbaudīta arī Nb-MAX fāze un ML Nb-MXēni, un rezultāti ir parādīti SI (sk. S3. att.). Iegūtie rezultāti apstiprināja, ka SL Nb-MXēni gandrīz pilnībā nav toksicitātes zemās koncentrācijās no 0,01 līdz 10 mg/l, kā parādīts 3.a,b attēlā. Nb2CTx gadījumā norādītajā diapazonā mēs novērojām ne vairāk kā 5% ekotoksicitāti.
Mikroaļģu augšanas stimulēšana (+) vai kavēšana (-) SL (a) Nb2CTx un (b) Nb4C3TX MXene klātbūtnē. Tika analizēta 24, 48 un 72 stundu MXene-mikroaļģu mijiedarbība. Nozīmīgi dati (t-tests, p < 0,05) tika atzīmēti ar zvaigznīti (*). Nozīmīgi dati (t-tests, p < 0,05) tika atzīmēti ar zvaigznīti (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Nozīmīgi dati (t-tests, p < 0,05) ir atzīmēti ar zvaigznīti (*).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-tests, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Svarīgākie dati (t-tests, p < 0,05) ir atzīmēti ar zvaigznīti (*).Sarkanās bultiņas norāda uz inhibējošās stimulācijas atcelšanu.
No otras puses, zemas Nb4C3TX koncentrācijas izrādījās nedaudz toksiskākas, bet ne augstākas par 7%. Kā paredzēts, mēs novērojām, ka MXēniem bija augstāka toksicitāte un mikroaļģu augšanas inhibīcija pie 100 mg L-1. Interesanti, ka nevienam no materiāliem nebija tādas pašas atoksiskās/toksiskās iedarbības tendences un laika atkarības salīdzinājumā ar MAX vai ML paraugiem (sīkāku informāciju skatīt SI). Lai gan MAX fāzē (sk. S3. att.) toksicitāte sasniedza aptuveni 15–25% un laika gaitā palielinājās, SL Nb2CTx un Nb4C3TX MXēniem tika novērota pretēja tendence. Mikroaļģu augšanas inhibīcija laika gaitā samazinājās. Pēc 24 stundām tā sasniedza aptuveni 17% un pēc 72 stundām samazinājās līdz mazāk nekā 5% (attiecīgi 3.a, b att.).
Vēl svarīgāk ir tas, ka SL Nb4C3TX gadījumā mikroaļģu augšanas inhibīcija sasniedza aptuveni 27% pēc 24 stundām, bet pēc 72 stundām tā samazinājās līdz aptuveni 1%. Tāpēc mēs novēroto efektu apzīmējām kā stimulācijas apgriezto inhibīciju, un efekts bija spēcīgāks SL Nb4C3TX MXene gadījumā. Mikroaļģu augšanas stimulācija tika novērota agrāk ar Nb4C3TX (mijiedarbība pie 10 mg L-1 24 stundas), salīdzinot ar SL Nb2CTx MXene. Inhibīcijas-stimulācijas atgriezeniskais efekts bija labi parādīts arī biomasas dubultošanās ātruma līknē (sīkāku informāciju skatīt S4. attēlā). Līdz šim dažādos veidos ir pētīta tikai Ti3C2TX MXene ekotoksicitāte. Tas nav toksisks zebrafish embrijiem44, bet ir mēreni ekotoksisks mikroaļģu Desmodesmus quadricauda un Sorghum saccharatum augiem45. Citi specifiskas iedarbības piemēri ir augstāka toksicitāte vēža šūnu līnijām nekā normālām šūnu līnijām46,47. Varētu pieņemt, ka testa apstākļi ietekmēs mikroaļģu augšanas izmaiņas, kas novērotas Nb-MXēnu klātbūtnē. Piemēram, pH aptuveni 8 hloroplasta stromā ir optimāls RuBisCO enzīma efektīvai darbībai. Tāpēc pH izmaiņas negatīvi ietekmē fotosintēzes ātrumu48,49. Tomēr eksperimenta laikā mēs nenovērojām būtiskas pH izmaiņas (sīkāku informāciju skatīt SI, S5. attēlā). Kopumā mikroaļģu kultūras ar Nb-MXēniem laika gaitā nedaudz samazināja šķīduma pH. Tomēr šis samazinājums bija līdzīgs tīras barotnes pH izmaiņām. Turklāt konstatēto variāciju diapazons bija līdzīgs tam, kas tika mērīts tīrai mikroaļģu kultūrai (kontroles paraugs). Tādējādi mēs secinām, ka fotosintēzi neietekmē pH izmaiņas laika gaitā.
Turklāt sintezētajiem MXēniem ir virsmas gali (apzīmēti ar Tx). Tās galvenokārt ir funkcionālās grupas -O, -F un -OH. Tomēr virsmas ķīmija ir tieši saistīta ar sintēzes metodi. Ir zināms, ka šīs grupas ir nejauši sadalītas pa virsmu, tāpēc ir grūti paredzēt to ietekmi uz MXēnu īpašībām50. Var apgalvot, ka Tx varētu būt katalītiskais spēks niobija oksidēšanai ar gaismu. Virsmas funkcionālās grupas patiešām nodrošina vairākas piesaistes vietas to pamatā esošajiem fotokatalizatoriem, veidojot heterosavienojumus51. Tomēr augšanas vides sastāvs nenodrošināja efektīvu fotokatalizatoru (detalizēts vides sastāvs atrodams SI S6. tabulā). Turklāt jebkura virsmas modifikācija ir ļoti svarīga, jo MXēnu bioloģiskā aktivitāte var mainīties slāņu pēcapstrādes, oksidēšanās, organisko un neorganisko savienojumu ķīmiskās virsmas modifikācijas52,53,54,55,56 vai virsmas lādiņu inženierijas38 dēļ. Tāpēc, lai pārbaudītu, vai niobija oksīdam ir kāda saistība ar materiāla nestabilitāti vidē, mēs veicām zeta (ζ) potenciāla pētījumus mikroaļģu augšanas vidē un dejonizētā ūdenī (salīdzinājumam). Mūsu rezultāti liecina, ka SL Nb-MXēni ir diezgan stabili (sīkāku informāciju par MAX un ML skatīt SI S6. attēlā). SL MXēnu zeta potenciāls ir aptuveni -10 mV. SR Nb2CTx gadījumā ζ vērtība ir nedaudz negatīvāka nekā Nb4C3Tx. Šādas ζ vērtības izmaiņas var liecināt, ka negatīvi lādētu MXēna nanopārslu virsma absorbē pozitīvi lādētus jonus no barotnes. Nb-MXēnu zeta potenciāla un vadītspējas laika mērījumi barotnē (sīkāku informāciju skatīt SI S7. un S8. attēlā) šķietami apstiprina mūsu hipotēzi.
Tomēr abiem Nb-MXene SL bija minimālas izmaiņas no nulles. Tas skaidri parāda to stabilitāti mikroaļģu augšanas vidē. Turklāt mēs novērtējām, vai mūsu zaļo mikroaļģu klātbūtne ietekmēs Nb-MXēnu stabilitāti vidē. MXēnu zeta potenciāla un vadītspējas rezultātus pēc mijiedarbības ar mikroaļģēm barības vielu vidē un kultūrā laika gaitā var atrast SI (S9. un S10. attēls). Interesanti, ka mēs pamanījām, ka mikroaļģu klātbūtne, šķiet, stabilizēja abu MXēnu dispersiju. Nb2CTx SL gadījumā zeta potenciāls laika gaitā pat nedaudz samazinājās līdz negatīvākām vērtībām (-15,8 pret -19,1 mV pēc 72 h inkubācijas). Nb4C3TX SL zeta potenciāls nedaudz palielinājās, bet pēc 72 h tas joprojām uzrādīja augstāku stabilitāti nekā nanopārslas bez mikroaļģu klātbūtnes (-18,1 pret -9,1 mV).
Mēs arī konstatējām zemāku Nb-MXene šķīdumu vadītspēju, kas inkubēti mikroaļģu klātbūtnē, kas norāda uz mazāku jonu daudzumu barības vielu vidē. Jāatzīmē, ka MXene nestabilitāte ūdenī galvenokārt ir saistīta ar virsmas oksidāciju57. Tāpēc mēs pieņemam, ka zaļās mikroaļģes kaut kādā veidā attīrīja no Nb-MXene virsmas izveidojušajiem oksīdiem un pat novērsa to rašanos (MXene oksidāciju). To var redzēt, pētot mikroaļģu absorbēto vielu veidus.
Lai gan mūsu ekotoksikoloģiskie pētījumi liecināja, ka mikroaļģes laika gaitā spēja pārvarēt Nb-MXēnu toksicitāti un neparasto stimulētās augšanas inhibīciju, mūsu pētījuma mērķis bija izpētīt iespējamos darbības mehānismus. Kad organismi, piemēram, aļģes, tiek pakļauti savienojumiem vai materiāliem, kas nav pazīstami to ekosistēmām, tie var reaģēt dažādos veidos58,59. Toksisku metālu oksīdu neesamības gadījumā mikroaļģes var baroties pašas, ļaujot tām nepārtraukti augt60. Pēc toksisku vielu uzņemšanas var aktivizēties aizsardzības mehānismi, piemēram, mainīt formu vai veidolu. Jāņem vērā arī absorbcijas iespējamība58,59. Jāatzīmē, ka jebkura aizsardzības mehānisma pazīme ir skaidrs testa savienojuma toksicitātes rādītājs. Tāpēc turpmākajā darbā mēs pētījām iespējamo virsmas mijiedarbību starp SL Nb-MXēna nanopārslām un mikroaļģēm, izmantojot SEM, un iespējamo Nb bāzes MXēna absorbciju, izmantojot rentgenstaru fluorescences spektroskopiju (XRF). Ņemiet vērā, ka SEM un XRF analīzes tika veiktas tikai ar augstāko MXēna koncentrāciju, lai risinātu aktivitātes toksicitātes problēmas.
SEM rezultāti ir parādīti 4. attēlā. Neapstrādātas mikroaļģu šūnas (sk. 4.a att., references paraugs) skaidri parādīja tipisku R. subcapitata morfoloģiju un kruasānam līdzīgu šūnu formu. Šūnas izskatās saplacinātas un nedaudz dezorganizētas. Dažas mikroaļģu šūnas pārklājās un sapinās viena ar otru, bet to, iespējams, izraisīja parauga sagatavošanas process. Kopumā tīrām mikroaļģu šūnām bija gluda virsma, un tajās nebija nekādu morfoloģisku izmaiņu.
SEM attēli, kas parāda virsmas mijiedarbību starp zaļajām mikroaļģēm un MXene nanoslāniņām pēc 72 stundu mijiedarbības ekstremālā koncentrācijā (100 mg L-1). (a) Neapstrādātas zaļās mikroaļģes pēc mijiedarbības ar SL (b) Nb2CTx un (c) Nb4C3TX MXene. Ņemiet vērā, ka Nb-MXene nanopārslas ir atzīmētas ar sarkanām bultiņām. Salīdzinājumam pievienotas arī fotogrāfijas no optiskā mikroskopa.
Turpretī mikroaļģu šūnas, ko adsorbēja SL Nb-MXene nanopārslas, tika bojātas (sk. 4.b, c att., sarkanās bultiņas). Nb2CTx MXene gadījumā (4.b att.) mikroaļģes mēdz augt ar pievienotiem divdimensiju nanoskaliem, kas var mainīt to morfoloģiju. Jāatzīmē, ka šīs izmaiņas novērojām arī gaismas mikroskopijā (sīkāku informāciju skatīt SI S11. attēlā). Šai morfoloģiskajai pārejai ir ticams pamats mikroaļģu fizioloģijā un to spējā aizstāvēties, mainot šūnu morfoloģiju, piemēram, palielinot šūnu tilpumu61. Tāpēc ir svarīgi pārbaudīt to mikroaļģu šūnu skaitu, kas faktiski nonāk saskarē ar Nb-MXene. SEM pētījumi parādīja, ka aptuveni 52% mikroaļģu šūnu bija pakļautas Nb-MXene iedarbībai, savukārt 48% no šīm mikroaļģu šūnām izvairījās no saskares. SL Nb4C3Tx MXene gadījumā mikroaļģes cenšas izvairīties no saskares ar MXene, tādējādi lokalizējoties un augot no divdimensiju nanoskaliem (4.c att.). Tomēr mēs nenovērojām nanoskalu iekļūšanu mikroaļģu šūnās un to bojājumus.
Pašsaglabāšanās ir arī no laika atkarīga atbildes reakcija uz fotosintēzes bloķēšanu daļiņu adsorbcijas dēļ uz šūnas virsmas un tā saukto ēnojuma (ēnojuma) efektu62. Ir skaidrs, ka katrs objekts (piemēram, Nb-MXene nanopārslas), kas atrodas starp mikroaļģēm un gaismas avotu, ierobežo hloroplastu absorbētās gaismas daudzumu. Tomēr mums nav šaubu, ka tam ir būtiska ietekme uz iegūtajiem rezultātiem. Kā liecina mūsu mikroskopiskie novērojumi, 2D nanopārslas nebija pilnībā ietītas vai pielipušas pie mikroaļģu virsmas pat tad, kad mikroaļģu šūnas bija saskarē ar Nb-MXene. Tā vietā nanopārslas izrādījās orientētas uz mikroaļģu šūnām, neaizsedzot to virsmu. Šāds nanopārslu/mikroaļģu kopums nevar būtiski ierobežot mikroaļģu šūnu absorbētās gaismas daudzumu. Turklāt daži pētījumi pat ir pierādījuši fotosintēzes organismu gaismas absorbcijas uzlabošanos divdimensiju nanomateriālu klātbūtnē63,64,65,66.
Tā kā SEM attēli nevarēja tieši apstiprināt niobija uzņemšanu mikroaļģu šūnās, mūsu turpmākajā pētījumā tika izmantota rentgena fluorescences (XRF) un rentgena fotoelektronu spektroskopijas (XPS) analīze, lai noskaidrotu šo jautājumu. Tāpēc mēs salīdzinājām Nb maksimumu intensitāti references mikroaļģu paraugos, kas nemijiedarbojās ar MXēniem, MXēna nanopārslām, kas atdalījušās no mikroaļģu šūnu virsmas, un mikroaļģu šūnās pēc pievienoto MXēnu noņemšanas. Jāatzīmē, ka, ja Nb uzņemšanas nav, mikroaļģu šūnu iegūtajai Nb vērtībai pēc pievienoto nanoskalu noņemšanas jābūt nullei. Tādēļ, ja notiek Nb uzņemšana, gan XRF, gan XPS rezultātiem vajadzētu parādīt skaidru Nb maksimumu.
Rentgena frekvences spektru gadījumā mikroaļģu paraugos pēc mijiedarbības ar SL Nb2CTx un Nb4C3Tx MXene bija redzami Nb pīķi (sk. 5.a att., kā arī jāņem vērā, ka MAX un ML MXene rezultāti ir parādīti SI, S12.–C17. att.). Interesanti, ka Nb pīķa intensitāte abos gadījumos ir vienāda (sarkanie stabiņi 5.a attēlā). Tas norāda, ka aļģes nevarēja absorbēt vairāk Nb, un šūnās tika sasniegta maksimālā Nb uzkrāšanās spēja, lai gan mikroaļģu šūnām bija piesaistījies divreiz vairāk Nb4C3Tx MXene (zilie stabiņi 5.a attēlā). Jāatzīmē, ka mikroaļģu spēja absorbēt metālus ir atkarīga no metālu oksīdu koncentrācijas vidē67,68. Šamsada et al.67 atklāja, ka saldūdens aļģu absorbcijas spēja samazinās, palielinoties pH līmenim. Raize et al.68 atzīmēja, ka jūraszāļu spēja absorbēt metālus Pb2+ bija aptuveni par 25% augstāka nekā Ni2+.
(a) XRF rezultāti par bazālo Nb uzņemšanu zaļo mikroaļģu šūnās, inkubējot tās ar ekstremālu SL Nb-MXēnu koncentrāciju (100 mg L-1) 72 stundas. Rezultāti parāda α klātbūtni tīrās mikroaļģu šūnās (kontroles paraugs, pelēkās kolonnas), 2D nanopārslās, kas izolētas no virsmas mikroaļģu šūnām (zilās kolonnas), un mikroaļģu šūnās pēc 2D nanopārslu atdalīšanas no virsmas (sarkanās kolonnas). Elementārā Nb daudzums, (b) mikroaļģu organisko komponentu (C=O un CHx/C–O) un Nb oksīdu ķīmiskā sastāva procentuālā daļa mikroaļģu šūnās pēc inkubācijas ar SL Nb-MXēniem, (c–e) XPS SL Nb2CTx spektru sastāva pīķa un (fh) mikroaļģu šūnu internalizētā SL Nb4C3Tx MXēna sastāva pīķa pielāgošana.
Tāpēc mēs sagaidām, ka aļģu šūnas varētu absorbēt Nb oksīdu veidā. Lai to pārbaudītu, mēs veicām XPS pētījumus ar MXēniem Nb2CTx un Nb4C3TX un aļģu šūnām. Mikroaļģu mijiedarbības rezultāti ar Nb-MXēniem un no aļģu šūnām izolētiem MXēniem ir parādīti 5.b attēlā. Kā paredzēts, pēc MXēna noņemšanas no mikroaļģu virsmas mikroaļģu paraugos mēs atklājām Nb 3d pīķus. C=O, CHx/CO un Nb oksīdu kvantitatīvā noteikšana tika aprēķināta, pamatojoties uz Nb 3d, O 1s un C 1s spektriem, kas iegūti ar Nb2CTx SL (5.c–e attēls) un Nb4C3Tx SL (5.c–e attēls). ), kas iegūti no inkubētām mikroaļģēm. 5.f–h attēls) MXēni. S1-3. tabulā parādīta detalizēta informācija par pīķu parametriem un kopējo ķīmiju, kas iegūta no pielāgošanas. Jāatzīmē, ka Nb2CTx SL un Nb4C3Tx SL Nb 3d reģioni (5.c, f att.) atbilst vienam Nb2O5 komponentam. Šeit mēs spektros neatradām ar MXene saistītus maksimumus, kas norāda, ka mikroaļģu šūnas absorbē tikai Nb oksīda formu. Turklāt mēs tuvinājām C 1 s spektru ar C–C, CHx/C–O, C=O un –COOH komponentiem. Mēs piešķīrām CHx/C–O un C=O maksimumus mikroaļģu šūnu organiskajam ieguldījumam. Šie organiskie komponenti veido attiecīgi 36% un 41% no C 1s maksimumiem Nb2CTx SL un Nb4C3TX SL. Pēc tam mēs pielāgojām SL Nb2CTx un SL Nb4C3TX O 1s spektrus Nb2O5, mikroaļģu organiskajiem komponentiem (CHx/CO) un virsmas adsorbēto ūdeni.
Visbeidzot, XPS rezultāti skaidri norādīja uz Nb formu, ne tikai tā klātbūtni. Saskaņā ar Nb 3d signāla pozīciju un dekonvolūcijas rezultātiem mēs apstiprinām, ka Nb tiek absorbēts tikai oksīdu veidā, nevis jonu vai paša MXene veidā. Turklāt XPS rezultāti parādīja, ka mikroaļģu šūnām ir lielāka spēja uzņemt Nb oksīdus no SL Nb2CTx salīdzinājumā ar SL Nb4C3TX MXene.
Lai gan mūsu Nb uzņemšanas rezultāti ir iespaidīgi un ļauj mums identificēt MXene degradāciju, nav pieejama metode, lai izsekotu saistītās morfoloģiskās izmaiņas 2D nanopārslās. Tāpēc mēs arī nolēmām izstrādāt piemērotu metodi, kas var tieši reaģēt uz jebkādām izmaiņām, kas notiek 2D Nb-MXene nanopārslās un mikroaļģu šūnās. Ir svarīgi atzīmēt, ka mēs pieņemam, ka, ja mijiedarbojošās sugas piedzīvo jebkādu transformāciju, sadalīšanos vai defragmentāciju, tam vajadzētu ātri izpausties kā izmaiņām formas parametros, piemēram, ekvivalentā apļa laukuma diametrā, apaļumā, Fereta platumā vai Fereta garumā. Tā kā šie parametri ir piemēroti iegarenu daļiņu vai divdimensiju nanopārslu aprakstīšanai, to izsekošana, izmantojot dinamisko daļiņu formas analīzi, sniegs mums vērtīgu informāciju par SL Nb-MXene nanopārslu morfoloģisko transformāciju reducēšanas laikā.
Iegūtie rezultāti ir parādīti 6. attēlā. Salīdzinājumam mēs testējām arī sākotnējo MAX fāzi un ML-MXēnus (sk. SI S18. un S19. attēlu). Daļiņu formas dinamiskā analīze parādīja, ka visi divu Nb-MXene SL formas parametri būtiski mainījās pēc mijiedarbības ar mikroaļģēm. Kā parādīts ekvivalentā apļa laukuma diametra parametrā (6.a, b att.), lielo nanopārslu frakcijas samazinātā pīķa intensitāte norāda, ka tām ir tendence sadalīties mazākos fragmentos. 6.c, d attēlā redzams pīķu samazinājums, kas saistīts ar pārslu šķērsvirziena izmēru (nanoplīšu pagarinājums), kas norāda uz 2D nanopārslu pārveidošanos daļiņām līdzīgākā formā. 6.e-h attēlā parādīts Fereta platums un garums. Fereta platums un garums ir savstarpēji papildinoši parametri, tāpēc tie jāaplūko kopā. Pēc 2D Nb-MXene nanopārslu inkubācijas mikroaļģu klātbūtnē to Fereta korelācijas pīķi mainījās un to intensitāte samazinājās. Pamatojoties uz šiem rezultātiem kombinācijā ar morfoloģiju, XRF un XPS, mēs secinājām, ka novērotās izmaiņas ir cieši saistītas ar oksidēšanos, jo oksidētie MXēni kļūst grumbaināki un sadalās fragmentos un sfēriskās oksīda daļiņās 69,70.
MXēnu transformācijas analīze pēc mijiedarbības ar zaļajām mikroaļģēm. Dinamiskā daļiņu formas analīze ņem vērā tādus parametrus kā (a, b) ekvivalentā apļa laukuma diametrs, (c, d) apaļums, (e, f) Fereta platums un (g, h) Fereta garums. Šim nolūkam tika analizēti divi references mikroaļģu paraugi kopā ar primārajiem SL Nb2CTx un SL Nb4C3Tx MXēniem, SL Nb2CTx un SL Nb4C3Tx MXēniem, degradētajām mikroaļģēm un apstrādātajām mikroaļģēm SL Nb2CTx un SL Nb4C3Tx MXēniem. Sarkanās bultiņas parāda pētāmo divdimensiju nanopārslu formas parametru pārejas.
Tā kā formas parametru analīze ir ļoti uzticama, tā var atklāt arī morfoloģiskas izmaiņas mikroaļģu šūnās. Tāpēc mēs analizējām tīru mikroaļģu šūnu un šūnu pēc mijiedarbības ar 2D Nb nanopārslām ekvivalento apļveida laukuma diametru, apaļumu un Fereta platumu/garumu. 6.a–h attēlā redzamas aļģu šūnu formas parametru izmaiņas, ko apliecina pīķa intensitātes samazināšanās un maksimumu nobīde uz augstākām vērtībām. Jo īpaši šūnu apaļuma parametri uzrādīja pagarinātu šūnu skaita samazināšanos un sfērisku šūnu skaita palielināšanos (6.a, b att.). Turklāt Fereta šūnu platums palielinājās par vairākiem mikrometriem pēc mijiedarbības ar SL Nb2CTx MXene (6.e att.), salīdzinot ar SL Nb4C3TX MXene (6.f att.). Mēs pieņemam, ka tas varētu būt saistīts ar spēcīgu Nb oksīdu uzņemšanu mikroaļģēs, mijiedarbojoties ar Nb2CTx SR. Mazāk stingra Nb pārslu piestiprināšana pie to virsmas var izraisīt šūnu augšanu ar minimālu ēnojuma efektu.
Mūsu novērojumi par mikroaļģu formas un izmēra parametru izmaiņām papildina citus pētījumus. Zaļās mikroaļģes var mainīt savu morfoloģiju, reaģējot uz vides stresu, mainot šūnu izmēru, formu vai vielmaiņu61. Piemēram, šūnu izmēra maiņa veicina barības vielu uzsūkšanos71. Mazākām aļģu šūnām ir zemāka barības vielu uzņemšana un traucēts augšanas ātrums. Turpretī lielākas šūnas mēdz patērēt vairāk barības vielu, kas pēc tam tiek nogulsnētas šūnās72,73. Mačado un Soaress atklāja, ka fungicīds triklozāns var palielināt šūnu izmēru. Viņi arī atklāja būtiskas izmaiņas aļģu formā74. Turklāt Jins un līdzautori9 atklāja arī morfoloģiskas izmaiņas aļģēs pēc iedarbības ar reducētiem grafēna oksīda nanokompozītmateriāliem. Tāpēc ir skaidrs, ka mainītos mikroaļģu izmēra/formas parametrus izraisa MXēna klātbūtne. Tā kā šīs izmēra un formas izmaiņas liecina par barības vielu uzņemšanas izmaiņām, mēs uzskatām, ka izmēra un formas parametru analīze laika gaitā var pierādīt niobija oksīda uzņemšanu mikroaļģēs Nb-MXēnu klātbūtnē.
Turklāt MXēni var oksidēties aļģu klātbūtnē. Dalai et al.75 novēroja, ka nano-TiO2 un Al2O376 iedarbībai pakļauto zaļo aļģu morfoloģija nebija vienmērīga. Lai gan mūsu novērojumi ir līdzīgi pašreizējam pētījumam, tie ir būtiski tikai bioremediācijas ietekmes izpētei uz MXēnu noārdīšanās produktiem 2D nanopārslu, nevis nanodaļiņu klātbūtnē. Tā kā MXēni var sadalīties metālu oksīdos,31,32,77,78, ir pamatoti pieņemt, ka mūsu Nb nanopārslas var veidot arī Nb oksīdus pēc mijiedarbības ar mikroaļģu šūnām.
Lai izskaidrotu 2D-Nb nanopārslu reducēšanu, izmantojot sadalīšanās mehānismu, kas balstīts uz oksidācijas procesu, mēs veicām pētījumus, izmantojot augstas izšķirtspējas transmisijas elektronu mikroskopiju (HRTEM) (7.a,b att.) un rentgenstaru fotoelektronu spektroskopiju (XPS) (7. att.). 7.c-i un S4-5. tabulas). Abas pieejas ir piemērotas 2D materiālu oksidācijas pētīšanai un viena otru papildina. HRTEM spēj analizēt divdimensiju slāņveida struktūru degradāciju un sekojošu metālu oksīdu nanopartikulu parādīšanos, savukārt XPS ir jutīgs pret virsmas saitēm. Šim nolūkam mēs testējām 2D Nb-MXene nanopārslas, kas ekstrahētas no mikroaļģu šūnu dispersijām, tas ir, to formu pēc mijiedarbības ar mikroaļģu šūnām (sk. 7. att.).
HRTEM attēli, kas parāda oksidēto (a) SL Nb2CTx un (b) SL Nb4C3Tx MXēnu morfoloģiju, XPS analīzes rezultāti, kas parāda (c) oksīda produktu sastāvu pēc reducēšanas, (d–f) SL Nb2CTx un (g–i) Nb4C3Tx SL XPS spektru komponentu pīķu atbilstību, kas labota ar zaļajām mikroaļģēm.
HRTEM pētījumi apstiprināja divu veidu Nb-MXene nanopārslu oksidēšanos. Lai gan nanopārslas zināmā mērā saglabāja savu divdimensiju morfoloģiju, oksidēšanās rezultātā parādījās daudzas nanopartikulas, kas klāja MXene nanopārslu virsmu (sk. 7.a,b att.). c Nb 3d un O 1s signālu XPS analīze norādīja, ka abos gadījumos veidojās Nb oksīdi. Kā parādīts 7.c attēlā, 2D MXene Nb2CTx un Nb4C3TX ir Nb 3d signāli, kas norāda uz NbO un Nb2O5 oksīdu klātbūtni, savukārt O 1s signāli norāda uz O–Nb saišu skaitu, kas saistītas ar 2D nanopārslu virsmas funkcionalizāciju. Mēs ievērojām, ka Nb oksīda ieguldījums ir dominējošs, salīdzinot ar Nb-C un Nb3+-O.
7.g–i attēlā parādīti Nb 3d, C 1s un O 1s SL Nb2CTx (sk. 7.d–f att.) un no mikroaļģu šūnām izolēta SL Nb4C3TX MXene XPS spektri. Sīkāka informācija par Nb-MXēnu pīķu parametriem ir sniegta attiecīgi S4.–5. tabulā. Vispirms analizējām Nb 3d sastāvu. Atšķirībā no Nb, ko absorbē mikroaļģu šūnas, no mikroaļģu šūnām izolētā MXene bez Nb2O5 tika atrastas arī citas sastāvdaļas. Nb2CTx SL mēs novērojām Nb3+-O ieguldījumu 15% apmērā, savukārt pārējā Nb 3d spektrā dominēja Nb2O5 (85%). Turklāt SL Nb4C3TX paraugs satur Nb-C (9%) un Nb2O5 (91%) komponentus. Šeit Nb-C nāk no diviem iekšējiem metāla karbīda atomu slāņiem Nb4C3Tx SR paraugā. Pēc tam mēs kartējam C 1s spektrus četrās dažādās komponentēs, tāpat kā internalizētajos paraugos. Kā paredzēts, C 1s spektrā dominē grafītiskais ogleklis, kam seko organisko daļiņu (CHx/CO un C=O) ieguldījums no mikroaļģu šūnām. Turklāt O 1s spektrā mēs novērojām mikroaļģu šūnu organisko formu, niobija oksīda un adsorbēta ūdens ieguldījumu.
Turklāt mēs pētījām, vai Nb-MXēnu šķelšanās ir saistīta ar reaktīvo skābekļa sugu (ROS) klātbūtni barības vielu vidē un/vai mikroaļģu šūnās. Šajā nolūkā mēs novērtējām singleta skābekļa (1O2) līmeni barotnē un intracelulāro glutationu, tiolu, kas darbojas kā antioksidants mikroaļģēs. Rezultāti ir parādīti SI (S20. un S21. attēls). Kultūrām ar SL Nb2CTx un Nb4C3TX MXēniem bija raksturīgs samazināts 1O2 daudzums (sk. S20. attēlu). SL Nb2CTx gadījumā MXēna 1O2 samazinās līdz aptuveni 83%. Mikroaļģu kultūrās, izmantojot SL, Nb4C3TX 1O2 samazinājās vēl vairāk, līdz 73%. Interesanti, ka 1O2 izmaiņas uzrādīja tādu pašu tendenci kā iepriekš novērotais inhibējošais-stimulējošais efekts (sk. 3. att.). Var apgalvot, ka inkubācija spilgtā gaismā var mainīt fotooksidāciju. Tomēr kontroles analīzes rezultāti uzrādīja gandrīz nemainīgu 1O2 līmeni eksperimenta laikā (S22. att.). Arī intracelulārā ROS līmeņa gadījumā mēs novērojām tādu pašu lejupejošu tendenci (sk. S21. attēlu). Sākotnēji ROS līmenis mikroaļģu šūnās, kas kultivētas Nb2CTx un Nb4C3Tx SL klātbūtnē, pārsniedza līmeņus, kas konstatēti mikroaļģu tīrkultūrās. Tomēr galu galā izrādījās, ka mikroaļģes pielāgojās abu Nb-MXēnu klātbūtnei, jo ROS līmenis samazinājās līdz 85% un 91% no līmeņiem, kas izmērīti mikroaļģu tīrkultūrās, kas inokulētas ar SL Nb2CTx un Nb4C3TX. Tas var liecināt, ka mikroaļģes laika gaitā jūtas ērtāk Nb-MXēna klātbūtnē nekā tikai barības vielu vidē.
Mikroaļģes ir daudzveidīga fotosintēzes organismu grupa. Fotosintēzes laikā tās pārvērš atmosfēras oglekļa dioksīdu (CO2) organiskajā ogleklī. Fotosintēzes produkti ir glikoze un skābeklis79. Mēs pieņemam, ka šādi veidotajam skābeklim ir izšķiroša loma Nb-MXēnu oksidēšanā. Viens no iespējamiem skaidrojumiem ir tas, ka diferenciālās aerācijas parametrs veidojas pie zema un augsta skābekļa parciālā spiediena ārpus Nb-MXēna nanopārslu un to iekšpusē. Tas nozīmē, ka visur, kur ir apgabali ar atšķirīgu skābekļa parciālo spiedienu, apgabals ar zemāko līmeni veidos anodu 80, 81, 82. Šeit mikroaļģes veicina diferenciāli aerētu šūnu veidošanos uz MXēna pārslu virsmas, kas savu fotosintēzes īpašību dēļ ražo skābekli. Rezultātā veidojas biokorozijas produkti (šajā gadījumā niobija oksīdi). Vēl viens aspekts ir tas, ka mikroaļģes var ražot organiskās skābes, kas izdalās ūdenī83,84. Tādēļ veidojas agresīva vide, tādējādi mainot Nb-MXēnus. Turklāt mikroaļģes var mainīt vides pH līmeni uz sārmainu oglekļa dioksīda absorbcijas dēļ, kas arī var izraisīt koroziju79.
Vēl svarīgāk ir tas, ka mūsu pētījumā izmantotais tumšais/gaismas fotoperiods ir kritiski svarīgs iegūto rezultātu izpratnei. Šis aspekts ir detalizēti aprakstīts Djemai-Zoghlaches et al. 85 darbā. Viņi apzināti izmantoja 12/12 stundu fotoperiodu, lai demonstrētu biokoroziju, kas saistīta ar sarkano mikroaļģu Porphyridium purpureum biopiesārņojumu. Viņi parāda, ka fotoperiods ir saistīts ar potenciāla evolūciju bez biokorozijas, kas izpaužas kā pseidoperiodiskas svārstības ap plkst. 24:00. Šos novērojumus apstiprināja Dowling et al. 86. Viņi demonstrēja zilaļģu Anabaena fotosintēzes bioplēves. Gaismas iedarbībā veidojas izšķīdušais skābeklis, kas ir saistīts ar brīvā biokorozijas potenciāla izmaiņām vai svārstībām. Fotoperioda nozīmi uzsver fakts, ka brīvais biokorozijas potenciāls palielinās gaišajā fāzē un samazinās tumšajā fāzē. Tas ir saistīts ar fotosintēzes mikroaļģu ražoto skābekli, kas ietekmē katodisko reakciju caur elektrodu tuvumā radīto parciālo spiedienu87.
Turklāt tika veikta Furjē transformācijas infrasarkanā spektroskopija (FTIR), lai noskaidrotu, vai pēc mijiedarbības ar Nb-MXēniem ir notikušas izmaiņas mikroaļģu šūnu ķīmiskajā sastāvā. Iegūtie rezultāti ir sarežģīti, un mēs tos attēlojam SI formātā (S23.–S25. attēls, ieskaitot MAX stadijas un ML MXēnu rezultātus). Īsāk sakot, iegūtie mikroaļģu references spektri sniedz mums svarīgu informāciju par šo organismu ķīmiskajām īpašībām. Šīs visticamākās vibrācijas atrodas frekvencēs 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) un 3280 cm⁻¹ (O–H). SL Nb-MXēniem mēs atradām CH₃ saišu stiepšanās signālu, kas atbilst mūsu iepriekšējam pētījumam38. Tomēr mēs novērojām, ka daži papildu pīķi, kas saistīti ar C=C un CH₃ saitēm, pazuda. Tas norāda, ka mikroaļģu ķīmiskais sastāvs var nedaudz mainīties mijiedarbības dēļ ar SL Nb-MXēniem.
Apsverot iespējamās izmaiņas mikroaļģu bioķīmijā, atkārtoti jāapsver neorganisko oksīdu, piemēram, niobija oksīda, uzkrāšanās59. Tas ir iesaistīts metālu uzņemšanā šūnas virsmā, to transportēšanā citoplazmā, to saistīšanā ar intracelulārajām karboksilgrupām un to uzkrāšanā mikroaļģu polifosfosomās20,88,89,90. Turklāt attiecības starp mikroaļģēm un metāliem uztur šūnu funkcionālās grupas. Šī iemesla dēļ absorbcija ir atkarīga arī no mikroaļģu virsmas ķīmijas, kas ir diezgan sarežģīta9,91. Kopumā, kā paredzēts, zaļo mikroaļģu ķīmiskais sastāvs nedaudz mainījās Nb oksīda absorbcijas dēļ.
Interesanti, ka novērotā sākotnējā mikroaļģu inhibīcija laika gaitā bija atgriezeniska. Kā mēs novērojām, mikroaļģes pārvarēja sākotnējās vides izmaiņas un galu galā atgriezās normālā augšanas ātrumā un pat palielinājās. Zeta potenciāla pētījumi uzrāda augstu stabilitāti, ievadot to barības vielu vidē. Tādējādi virsmas mijiedarbība starp mikroaļģu šūnām un Nb-MXene nanopārslām tika saglabāta visu redukcijas eksperimentu laikā. Turpmākajā analīzē mēs apkopojam galvenos darbības mehānismus, kas ir šīs ievērojamās mikroaļģu uzvedības pamatā.
SEM novērojumi liecina, ka mikroaļģes mēdz piesaistīties Nb-MXēniem. Izmantojot dinamisko attēlu analīzi, mēs apstiprinām, ka šis efekts noved pie divdimensiju Nb-MXene nanopārslu pārveidošanas sfēriskākās daļiņās, tādējādi pierādot, ka nanopārslu sadalīšanās ir saistīta ar to oksidēšanos. Lai pārbaudītu mūsu hipotēzi, mēs veicām virkni materiālu un bioķīmisko pētījumu. Pēc testēšanas nanopārslas pakāpeniski oksidējās un sadalījās NbO un Nb2O5 produktos, kas neradīja draudus zaļajām mikroaļģēm. Izmantojot FTIR novērojumus, mēs neatradām būtiskas izmaiņas mikroaļģu ķīmiskajā sastāvā, kas inkubētas 2D Nb-MXene nanopārslu klātbūtnē. Ņemot vērā niobija oksīda absorbcijas iespēju mikroaļģēs, mēs veicām rentgenstaru fluorescences analīzi. Šie rezultāti skaidri parāda, ka pētītās mikroaļģes barojas ar niobija oksīdiem (NbO un Nb2O5), kas nav toksiski pētītajām mikroaļģēm.