Nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद. तुम्ही मर्यादित CSS समर्थनासह ब्राउझरची आवृत्ती वापरत आहात. सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही शिफारस करतो की तुम्ही अद्ययावत ब्राउझर वापरा (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमध्ये कॉम्पॅटिबिलिटी मोड अक्षम करा). यादरम्यान, सतत समर्थन सुनिश्चित करण्यासाठी, आम्ही ही साइट स्टाईल्स आणि जावास्क्रिप्टशिवाय प्रस्तुत करू.
एकाच वेळी तीन स्लाईड्सचा कॅरोसेल दाखवतो. एका वेळी तीन स्लाईड्स पुढे जाण्यासाठी 'मागील' आणि 'पुढील' बटणे वापरा, किंवा एका वेळी तीन स्लाईड्स पुढे जाण्यासाठी शेवटी असलेली स्लायडर बटणे वापरा.
नॅनोटेक्नॉलॉजीचा वेगवान विकास आणि दैनंदिन उपयोगांमध्ये त्याचे एकत्रीकरण पर्यावरणाला धोका निर्माण करू शकते. सेंद्रिय प्रदूषकांच्या विघटनासाठी हरित पद्धती सुस्थापित असल्या तरी, अजैविक स्फटिकमय प्रदूषकांची पुनर्प्राप्ती ही एक मोठी चिंतेची बाब आहे, कारण त्यांची जैव-रूपांतरणास असलेली कमी संवेदनशीलता आणि पदार्थांच्या पृष्ठभागाच्या जैविक घटकांसोबत होणाऱ्या आंतरक्रियांबद्दलच्या समजाचा अभाव. येथे, आम्ही हिरव्या सूक्ष्मशैवाल 'रॅफिडोसेलिस सबकॅपिटाटा'द्वारे होणाऱ्या २डी सिरॅमिक नॅनोमटेरियल्सच्या जैव-उपचार यंत्रणेचा मागोवा घेण्यासाठी, एका साध्या आकार मापदंड विश्लेषण पद्धतीसह एकत्रित केलेल्या Nb-आधारित अजैविक २डी एमएक्सिन मॉडेलचा वापर करतो. आम्हाला आढळले की सूक्ष्मशैवाल पृष्ठभागाशी संबंधित भौतिक-रासायनिक आंतरक्रियांमुळे Nb-आधारित एमएक्सिनचे विघटन करतात. सुरुवातीला, एक-स्तरीय आणि बहु-स्तरीय एमएक्सिन नॅनोफ्लेक्स सूक्ष्मशैवालांच्या पृष्ठभागाला चिकटले होते, ज्यामुळे शैवालांची वाढ काही प्रमाणात कमी झाली. तथापि, पृष्ठभागाशी दीर्घकाळ आंतरक्रिया झाल्यावर, सूक्ष्मशैवालांनी एमएक्सिन नॅनोफ्लेक्सचे ऑक्सिडीकरण केले आणि पुढे त्यांचे NbO आणि Nb2O5 मध्ये विघटन केले. हे ऑक्साइड सूक्ष्मशैवाल पेशींसाठी बिनविषारी असल्यामुळे, त्या Nb ऑक्साइड नॅनोकणांचे शोषण यंत्रणेद्वारे सेवन करतात, ज्यामुळे ७२ तासांच्या जलशुद्धीकरणानंतर सूक्ष्मशैवाल पुन्हा पूर्ववत होतात. शोषणाशी संबंधित पोषक तत्वांचे परिणाम पेशींच्या आकारमानात वाढ, त्यांचा गुळगुळीत आकार आणि वाढीच्या दरातील बदलामध्ये देखील दिसून येतात. या निष्कर्षांच्या आधारे, आम्ही असा निष्कर्ष काढतो की गोड्या पाण्याच्या परिसंस्थांमध्ये Nb-आधारित MXenes च्या अल्पकालीन आणि दीर्घकालीन उपस्थितीमुळे केवळ किरकोळ पर्यावरणीय परिणाम होऊ शकतात. हे उल्लेखनीय आहे की, द्विमितीय नॅनोसामग्रीचा आदर्श प्रणाली म्हणून वापर करून, आम्ही सूक्ष्म-कणयुक्त पदार्थांमध्येही आकार परिवर्तनाचा मागोवा घेण्याची शक्यता दाखवून देतो. एकूणच, हा अभ्यास द्विमितीय नॅनोसामग्रीच्या जैवउपचार यंत्रणेला चालना देणाऱ्या पृष्ठभागावरील आंतरक्रिया-संबंधित प्रक्रियांबद्दलच्या एका महत्त्वाच्या मूलभूत प्रश्नाचे उत्तर देतो आणि अजैविक स्फटिकमय नॅनोसामग्रीच्या पर्यावरणीय परिणामांच्या पुढील अल्पकालीन आणि दीर्घकालीन अभ्यासासाठी एक आधार प्रदान करतो.
नॅनोमटेरियल्सच्या शोधानंतर त्यांच्याबद्दल खूप उत्सुकता निर्माण झाली आहे, आणि विविध नॅनोतंत्रज्ञान अलीकडेच आधुनिकीकरणाच्या टप्प्यात दाखल झाले आहेत¹. दुर्दैवाने, दैनंदिन उपयोगांमध्ये नॅनोमटेरियल्सच्या एकत्रीकरणामुळे अयोग्य विल्हेवाट, निष्काळजी हाताळणी किंवा अपुऱ्या सुरक्षा पायाभूत सुविधांमुळे अपघाती गळती होऊ शकते. त्यामुळे, हे मानणे तर्कसंगत आहे की द्विमितीय (2D) नॅनोमटेरियल्ससह, नॅनोमटेरियल्स नैसर्गिक पर्यावरणात सोडले जाऊ शकतात, ज्यांचे वर्तन आणि जैविक क्रियाकलाप अद्याप पूर्णपणे समजलेले नाहीत. म्हणूनच, 2D नॅनोमटेरियल्सच्या जलीय प्रणालींमध्ये झिरपण्याच्या क्षमतेवर पर्यावरणविषारीतेची चिंता केंद्रित झाली आहे यात आश्चर्य नाही²,³,⁴,⁵,⁶. या परिसंस्थांमध्ये, काही 2D नॅनोमटेरियल्स सूक्ष्मशैवालांसह विविध पोषण स्तरांवरील विविध जीवांसोबत आंतरक्रिया करू शकतात.
सूक्ष्मशैवाल हे गोड्या पाण्यातील आणि सागरी परिसंस्थांमध्ये नैसर्गिकरित्या आढळणारे आदिम जीव आहेत, जे प्रकाशसंश्लेषणाद्वारे विविध रासायनिक उत्पादने तयार करतात⁷. त्यामुळे, ते जलीय परिसंस्थांसाठी महत्त्वपूर्ण आहेत⁸,⁹,¹⁰,¹¹,¹², पण त्याचबरोबर ते परिसंस्थेतील विषारीपणाचे संवेदनशील, स्वस्त आणि मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाणारे सूचक देखील आहेत¹³,¹⁴. सूक्ष्मशैवालांच्या पेशी वेगाने गुणाकार करतात आणि विविध संयुगांच्या उपस्थितीला त्वरित प्रतिसाद देतात, त्यामुळे सेंद्रिय पदार्थांनी दूषित झालेल्या पाण्यावर प्रक्रिया करण्यासाठी पर्यावरणपूरक पद्धती विकसित करण्याकरिता ते आश्वासक आहेत¹⁵,¹⁶.
शैवाल पेशी जैवशोषण आणि संचयनाद्वारे पाण्यातून अजैविक आयन काढून टाकू शकतात¹⁷,¹⁸. क्लोरेला, अनाबेना इन्व्हार, वेस्टिएलोप्सिस प्रोलिफिका, स्टिजिओक्लोनियम टेन्यू आणि सायनोकोकस एसपी. यांसारख्या काही शैवाल प्रजाती Fe²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ आणि Mn²⁺ सारखे विषारी धातू आयन वाहून नेतात आणि त्यांचे पोषणही करतात असे आढळून आले आहे¹⁹. इतर अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की Cu²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺ किंवा Pb²⁺ आयन पेशींची रचना बदलून आणि त्यांचे हरितलवक नष्ट करून सिनेडेस्मसच्या वाढीस मर्यादित करतात²⁰,²¹.
सेंद्रिय प्रदूषकांच्या विघटनासाठी आणि जड धातूंच्या आयनांना काढून टाकण्यासाठीच्या हरित पद्धतींनी जगभरातील शास्त्रज्ञ आणि अभियंत्यांचे लक्ष वेधून घेतले आहे. याचे मुख्य कारण म्हणजे हे प्रदूषक द्रव अवस्थेत सहजपणे प्रक्रिया केले जाऊ शकतात. तथापि, अजैविक स्फटिकमय प्रदूषकांची पाण्यात विद्राव्यता कमी असते आणि विविध जैव-रूपांतरांना त्यांची संवेदनशीलता कमी असते, ज्यामुळे उपचारांमध्ये मोठ्या अडचणी येतात आणि या क्षेत्रात फारच कमी प्रगती झाली आहे22,23,24,25,26. त्यामुळे, नॅनोमटेरियल्सच्या दुरुस्तीसाठी पर्यावरणपूरक उपायांचा शोध हे एक गुंतागुंतीचे आणि अज्ञात क्षेत्र राहिले आहे. २डी नॅनोमटेरियल्सच्या जैव-रूपांतरण परिणामांबद्दल मोठ्या प्रमाणात अनिश्चितता असल्यामुळे, क्षपणादरम्यान त्यांच्या विघटनाचे संभाव्य मार्ग शोधण्याचा कोणताही सोपा मार्ग नाही.
या अभ्यासात, आम्ही अजैविक सिरॅमिक पदार्थांसाठी सक्रिय जलीय जैवउपचारक म्हणून हिरव्या सूक्ष्मशैवालांचा वापर केला, तसेच अजैविक सिरॅमिक पदार्थांचे प्रतिनिधी म्हणून MXene च्या क्षरण प्रक्रियेचे इन-सिटू निरीक्षण केले. "MXene" ही संज्ञा Mn+1XnTx पदार्थाचे स्टॉइकियोमेट्री दर्शवते, जिथे M हा एक प्रारंभिक संक्रमण धातू आहे, X हे कार्बन आणि/किंवा नायट्रोजन आहे, Tx हा पृष्ठभाग समापक (उदा., -OH, -F, -Cl) आहे, आणि n = 1, 2, 3 किंवा 4 आहे. 27.28. नागुइब आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी MXenes चा शोध लावल्यापासून, सेन्सॉरिक्स, कर्करोग उपचार आणि पडदा गाळण 27,29,30. याव्यतिरिक्त, MXenes ला त्यांच्या उत्कृष्ट कोलाइडल स्थिरतेमुळे आणि संभाव्य जैविक आंतरक्रियांमुळे मॉडेल 2D प्रणाली मानले जाऊ शकते. 31,32,33,34,35,36.
म्हणून, या लेखात विकसित केलेली कार्यपद्धती आणि आमची संशोधन गृहीतके आकृती १ मध्ये दर्शविली आहेत. या गृहीतकानुसार, सूक्ष्मशैवाल पृष्ठभागाशी संबंधित भौतिक-रासायनिक आंतरक्रियांद्वारे Nb-आधारित MXenes चे विघटन करून बिनविषारी संयुगे तयार करतात, ज्यामुळे शैवालांना ते पुन्हा मिळवणे शक्य होते. या गृहीतकाची चाचणी करण्यासाठी, सुरुवातीच्या नायोबियम-आधारित संक्रमण धातू कार्बाइड आणि/किंवा नायट्राइड (MXenes) कुटुंबातील दोन सदस्य, म्हणजेच Nb2CTx आणि Nb4C3TX, निवडण्यात आले.
हिरव्या सूक्ष्मशैवाल रॅफिडोसेलिस सबकॅपिटाटाद्वारे एमएक्सिन (MXene) पुनर्प्राप्तीसाठी संशोधन पद्धती आणि पुराव्यावर आधारित गृहितके. कृपया लक्षात घ्या की हे पुराव्यावर आधारित गृहितकांचे केवळ एक योजनाबद्ध सादरीकरण आहे. तलावाचे पर्यावरण वापरल्या जाणाऱ्या पोषक माध्यमात आणि परिस्थितीत (उदा., दैनिक चक्र आणि उपलब्ध अत्यावश्यक पोषक तत्वांची मर्यादा) भिन्न असते. BioRender.com द्वारे तयार केलेले.
म्हणून, MXene ला एक मॉडेल प्रणाली म्हणून वापरून, आम्ही विविध जैविक परिणामांच्या अभ्यासासाठी मार्ग खुला केला आहे, जे इतर पारंपरिक नॅनोमटेरियल्समध्ये पाहिले जाऊ शकत नाहीत. विशेषतः, आम्ही रॅफिडोसेलिस सबकॅपिटाटा (Raphidocelis subcapitata) या सूक्ष्मशैवालाद्वारे नायोबियम-आधारित MXenes सारख्या द्विमितीय नॅनोमटेरियल्सच्या जैवउपचाराची शक्यता दाखवून देतो. सूक्ष्मशैवाल Nb-MXenes चे विघटन करून NbO आणि Nb2O5 ही बिनविषारी ऑक्साईड्स तयार करू शकतात, जे नायोबियम शोषणाच्या यंत्रणेद्वारे पोषक तत्वे देखील पुरवतात. एकूणच, हा अभ्यास द्विमितीय नॅनोमटेरियल्सच्या जैवउपचाराच्या यंत्रणेवर नियंत्रण ठेवणाऱ्या पृष्ठभागावरील भौतिक-रासायनिक आंतरक्रियांशी संबंधित प्रक्रियांबद्दलच्या एका महत्त्वाच्या मूलभूत प्रश्नाचे उत्तर देतो. याव्यतिरिक्त, आम्ही द्विमितीय नॅनोमटेरियल्सच्या आकारातील सूक्ष्म बदलांचा मागोवा घेण्यासाठी एक सोपी आकार-मापदंड-आधारित पद्धत विकसित करत आहोत. यामुळे अजैविक स्फटिकमय नॅनोमटेरियल्सच्या विविध पर्यावरणीय परिणामांवर पुढील अल्प-मुदतीच्या आणि दीर्घ-मुदतीच्या संशोधनाला प्रेरणा मिळते. अशाप्रकारे, आमचा अभ्यास पदार्थाचा पृष्ठभाग आणि जैविक पदार्थ यांच्यातील आंतरक्रियेबद्दलची समज वाढवतो. आम्ही गोड्या पाण्याच्या परिसंस्थांवर होणाऱ्या त्यांच्या संभाव्य परिणामांच्या विस्तारित अल्पकालीन आणि दीर्घकालीन अभ्यासासाठी पाया देखील उपलब्ध करून देत आहोत, ज्याची आता सहज पडताळणी केली जाऊ शकते.
एमएक्सिन हे अद्वितीय आणि आकर्षक भौतिक व रासायनिक गुणधर्म असलेले आणि त्यामुळे अनेक संभाव्य उपयोग असलेले पदार्थांचे एक मनोरंजक वर्ग आहे. हे गुणधर्म मोठ्या प्रमाणावर त्यांच्या स्टॉइकिओमेट्री आणि पृष्ठभागाच्या रसायनशास्त्रावर अवलंबून असतात. म्हणून, आमच्या अभ्यासात, आम्ही Nb-आधारित दोन प्रकारचे पदानुक्रमित एकल-स्तर (SL) एमएक्सिन, Nb2CTx आणि Nb4C3TX, यांचा अभ्यास केला, कारण या नॅनोमटेरियल्सचे वेगवेगळे जैविक परिणाम पाहिले जाऊ शकतात. एमएक्सिन हे त्यांच्या सुरुवातीच्या पदार्थांपासून, अणूइतक्या पातळ मॅक्स-फेज ए-स्तरांच्या टॉप-डाउन निवडक एचिंगद्वारे तयार केले जातात. मॅक्स फेज हे एक त्रिसंयुजी सिरॅमिक आहे, जे संक्रमण धातू कार्बाइडच्या "जोडलेल्या" ब्लॉक्स आणि MnAXn-1 स्टॉइकिओमेट्रीसह Al, Si, आणि Sn सारख्या "A" घटकांच्या पातळ थरांनी बनलेले असते. सुरुवातीच्या मॅक्स फेजची मॉर्फोलॉजी स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (SEM) द्वारे पाहिली गेली आणि ती मागील अभ्यासांशी सुसंगत होती (पूरक माहिती, SI, आकृती S1 पहा). ४८% HF (हायड्रोफ्लोरिक ऍसिड) वापरून ॲल्युमिनियमचा थर काढल्यानंतर मल्टीलेयर (ML) Nb-MXene मिळवण्यात आले. ML-Nb2CTx आणि ML-Nb4C3TX यांच्या मॉर्फोलॉजीची तपासणी स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (SEM) द्वारे करण्यात आली (अनुक्रमे आकृती S1c आणि S1d) आणि एक वैशिष्ट्यपूर्ण स्तरित MXene मॉर्फोलॉजी दिसून आली, जी लांबट छिद्रांसारख्या फटींमधून जाणाऱ्या द्विमितीय नॅनोफ्लेक्ससारखी होती. दोन्ही Nb-MXenes मध्ये, पूर्वी ऍसिड एचिंगद्वारे संश्लेषित केलेल्या MXene फेजेसशी बरेच साम्य आहे²⁷,³⁸. MXene ची रचना निश्चित केल्यानंतर, आम्ही टेट्राब्युटिलअमोनियम हायड्रॉक्साईड (TBAOH) चे इंटरकॅलेशन करून, त्यानंतर धुलाई आणि सोनिकेशन करून त्याला स्तरित केले, ज्यानंतर आम्हाला सिंगल-लेयर किंवा लो-लेयर (SL) 2D Nb-MXene नॅनोफ्लेक्स मिळाले.
एचिंगची आणि पुढील पीलिंगची कार्यक्षमता तपासण्यासाठी आम्ही उच्च रिझोल्यूशन ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (HRTEM) आणि एक्स-रे डिफ्रेक्शन (XRD) वापरले. इन्व्हर्स फास्ट फूरियर ट्रान्सफॉर्म (IFFT) आणि फास्ट फूरियर ट्रान्सफॉर्म (FFT) वापरून प्रक्रिया केलेले HRTEM परिणाम आकृती २ मध्ये दर्शविले आहेत. अणूंच्या थराची रचना तपासण्यासाठी आणि आंतर-समतल अंतर मोजण्यासाठी Nb-MXene नॅनोफ्लेक्सची दिशा कडेने वर ठेवली होती. MXene Nb2CTx आणि Nb4C3TX नॅनोफ्लेक्सच्या HRTEM प्रतिमांनी त्यांचे अणू-पातळ थरांचे स्वरूप उघड केले (आकृती २a1, a2 पहा), जसे की नागुइब आणि सहकाऱ्यांनी²⁷ आणि जास्त्रझेब्स्का आणि सहकाऱ्यांनी³⁸ पूर्वी नोंदवले आहे. दोन लगतच्या Nb2CTx आणि Nb4C3Tx मोनोलेयर्ससाठी, आम्ही अनुक्रमे ०.७४ आणि १.५४ nm चे आंतर-थर अंतर निश्चित केले (आकृती २b1,b2), जे आमच्या पूर्वीच्या परिणामांशी³⁸ देखील जुळते. Nb2CTx आणि Nb4C3Tx मोनोलेयर्समधील अंतर दर्शविणाऱ्या इन्व्हर्स फास्ट फूरियर ट्रान्सफॉर्म (आकृती 2c1, c2) आणि फास्ट फूरियर ट्रान्सफॉर्म (आकृती 2d1, d2) द्वारे याची अधिक पुष्टी झाली. प्रतिमेमध्ये नायोबियम आणि कार्बन अणूंशी संबंधित फिकट आणि गडद पट्ट्यांचे एकाआड एक स्वरूप दिसते, जे अभ्यासलेल्या MXenes च्या स्तरित स्वरूपाची पुष्टी करते. हे लक्षात घेणे महत्त्वाचे आहे की Nb2CTx आणि Nb4C3Tx साठी प्राप्त झालेल्या एनर्जी डिसपर्सिव्ह एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDX) स्पेक्ट्रामध्ये (आकृत्या S2a आणि S2b) मूळ MAX फेजचा कोणताही अवशेष आढळला नाही, कारण Al चे कोणतेही शिखर (peak) आढळले नाही.
SL Nb2CTx आणि Nb4C3Tx MXene नॅनोफ्लेक्सचे वैशिष्ट्यीकरण, ज्यामध्ये (a) उच्च रिझोल्यूशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (HRTEM) साइड-व्ह्यू 2D नॅनोफ्लेक इमेजिंग आणि संबंधित, (b) इंटेन्सिटी मोड, (c) इन्व्हर्स फास्ट फूरियर ट्रान्सफॉर्म (IFFT), (d) फास्ट फूरियर ट्रान्सफॉर्म (FFT), (e) Nb-MXenes एक्स-रे पॅटर्न्स यांचा समावेश आहे. SL 2D Nb2CTx साठी, संख्या (a1, b1, c1, d1, e1) म्हणून दर्शविल्या आहेत. SL 2D Nb4C3Tx साठी, संख्या (a2, b2, c2, d2, e1) म्हणून दर्शविल्या आहेत.
SL Nb2CTx आणि Nb4C3Tx MXenes चे एक्स-रे विवर्तन मापन अनुक्रमे आकृती 2e1 आणि e2 मध्ये दर्शविले आहे. 4.31 आणि 4.32 वरील (002) शिखरे अनुक्रमे पूर्वी वर्णन केलेल्या स्तरित MXenes Nb2CTx आणि Nb4C3TX38,39,40,41 शी संबंधित आहेत. XRD परिणाम काही अवशिष्ट ML संरचना आणि MAX टप्प्यांची उपस्थिती देखील दर्शवतात, परंतु मुख्यतः SL Nb4C3Tx शी संबंधित XRD नमुने आहेत (आकृती 2e2). यादृच्छिकपणे रचलेल्या Nb4C3Tx थरांच्या तुलनेत MAX टप्प्याच्या लहान कणांच्या उपस्थितीमुळे अधिक तीव्र MAX शिखराचे स्पष्टीकरण मिळू शकते.
पुढील संशोधन R. subcapitata प्रजातीच्या हिरव्या सूक्ष्मशैवालांवर केंद्रित आहे. आम्ही सूक्ष्मशैवालांची निवड केली कारण ते प्रमुख अन्नसाखळ्यांमध्ये सहभागी असलेले महत्त्वाचे उत्पादक आहेत⁴². अन्नसाखळीच्या उच्च स्तरांवर वाहून नेले जाणारे विषारी पदार्थ काढून टाकण्याच्या क्षमतेमुळे ते विषारीपणाचे सर्वोत्तम सूचक देखील आहेत⁴³. याव्यतिरिक्त, R. subcapitata वरील संशोधन सामान्य गोड्या पाण्यातील सूक्ष्मजीवांवर SL Nb-MXenes च्या आकस्मिक विषारीपणावर प्रकाश टाकू शकते. हे स्पष्ट करण्यासाठी, संशोधकांनी अशी गृहीत धरली की पर्यावरणात असलेल्या विषारी संयुगांप्रति प्रत्येक सूक्ष्मजीवाची संवेदनशीलता वेगवेगळी असते. बहुतेक जीवांसाठी, पदार्थांची कमी सांद्रता त्यांच्या वाढीवर परिणाम करत नाही, तर एका विशिष्ट मर्यादेपेक्षा जास्त सांद्रता त्यांची वाढ रोखू शकते किंवा मृत्यू देखील घडवू शकते. म्हणून, सूक्ष्मशैवाल आणि MXenes यांच्यातील पृष्ठभागावरील आंतरक्रिया आणि संबंधित पुनर्प्राप्तीच्या आमच्या अभ्यासासाठी, आम्ही Nb-MXenes च्या निरुपद्रवी आणि विषारी सांद्रता तपासण्याचे ठरवले. हे करण्यासाठी, आम्ही 0 (संदर्भ म्हणून), 0.01, 0.1 आणि 10 mg l-1 MXene या सांद्रतांची चाचणी केली आणि त्याव्यतिरिक्त सूक्ष्मशैवालांना MXene च्या अत्यंत उच्च सांद्रतेने (100 mg l-1 MXene) संक्रमित केले, जे कोणत्याही जैविक पर्यावरणासाठी अत्यंत तीव्र आणि प्राणघातक असू शकते.
सूक्ष्मशैवालांवरील SL Nb-MXenes चे परिणाम आकृती ३ मध्ये दर्शविले आहेत, जे ० mg l-1 नमुन्यांसाठी मोजलेल्या वाढीस प्रोत्साहन (+) किंवा प्रतिबंध (-) च्या टक्केवारीच्या स्वरूपात व्यक्त केले आहेत. तुलनेसाठी, Nb-MAX फेज आणि ML Nb-MXenes यांची देखील चाचणी घेण्यात आली आणि त्याचे परिणाम SI मध्ये दर्शविले आहेत (आकृती S3 पहा). मिळालेल्या परिणामांनी पुष्टी केली की, आकृती ३a,b मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, SL Nb-MXenes हे ०.०१ ते १० mg/l या कमी सांद्रतेच्या श्रेणीत जवळजवळ पूर्णपणे विषारीपणाविरहित आहे. Nb2CTx च्या बाबतीत, आम्हाला निर्दिष्ट श्रेणीत ५% पेक्षा जास्त पर्यावरणीय विषारीपणा आढळला नाही.
SL (a) Nb2CTx आणि (b) Nb4C3TX MXene च्या उपस्थितीत सूक्ष्मशैवालांच्या वाढीस उत्तेजन (+) किंवा प्रतिबंध (-). MXene-सूक्ष्मशैवाल आंतरक्रियेच्या 24, 48 आणि 72 तासांचे विश्लेषण करण्यात आले. महत्त्वपूर्ण डेटा (टी-टेस्ट, p < 0.05) तारकाचिन्हाने (*) चिन्हांकित केला आहे. महत्त्वपूर्ण डेटा (टी-टेस्ट, p < 0.05) तारकाचिन्हाने (*) चिन्हांकित केला आहे. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). महत्त्वपूर्ण डेटा (टी-टेस्ट, p < 0.05) तारकाचिन्हाने (*) चिन्हांकित केले आहेत.重要数据（t 检验，p <0.05）用星号(*) 标记.重要数据（t 检验，p <0.05）用星号(*) 标记. Важные данные (t-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). महत्त्वपूर्ण डेटा (टी-टेस्ट, p < 0.05) तारकाचिन्हाने (*) चिन्हांकित केला आहे.लाल बाण प्रतिबंधात्मक उत्तेजनाचा लोप दर्शवतात.
दुसरीकडे, Nb4C3TX चे कमी सांद्रता असलेले नमुने थोडे अधिक विषारी असल्याचे दिसून आले, परंतु ते ७% पेक्षा जास्त नव्हते. अपेक्षेप्रमाणे, आमच्या निरीक्षणात आले की १००mg L-1 सांद्रतेवर MXenes मध्ये जास्त विषारीपणा आणि सूक्ष्मशैवाल वाढीस प्रतिबंध होता. विशेष म्हणजे, MAX किंवा ML नमुन्यांच्या तुलनेत कोणत्याही पदार्थाने अविषारी/विषारी परिणामांचा समान कल आणि वेळेनुसार अवलंबित्व दर्शवले नाही (तपशिलांसाठी SI पहा). MAX फेजसाठी (आकृती S3 पहा) विषारीपणा अंदाजे १५-२५% पर्यंत पोहोचला आणि वेळेनुसार वाढत गेला, तर SL Nb2CTx आणि Nb4C3TX MXene साठी याच्या उलट कल दिसून आला. सूक्ष्मशैवाल वाढीवरील प्रतिबंध वेळेनुसार कमी झाला. तो २४ तासांनंतर अंदाजे १७% पर्यंत पोहोचला आणि ७२ तासांनंतर ५% पेक्षा कमी झाला (अनुक्रमे आकृती ३a, b).
सर्वात महत्त्वाचे म्हणजे, SL Nb4C3TX साठी, २४ तासांनंतर सूक्ष्मशैवालांच्या वाढीतील प्रतिबंध सुमारे २७% पर्यंत पोहोचला, परंतु ७२ तासांनंतर तो सुमारे १% पर्यंत कमी झाला. म्हणून, आम्ही या निरीक्षित परिणामाला 'उत्तेजनाचा व्यस्त प्रतिबंध' असे नाव दिले, आणि SL Nb4C3TX MXene साठी हा परिणाम अधिक तीव्र होता. SL Nb2CTx MXene च्या तुलनेत Nb4C3TX (१० mg L-1 वर २४ तासांसाठी आंतरक्रिया) द्वारे सूक्ष्मशैवालांच्या वाढीची उत्तेजना आधीच नोंदवली गेली होती. प्रतिबंध-उत्तेजनाचा व्यस्त परिणाम बायोमास दुप्पट होण्याच्या दराच्या वक्रातही चांगल्या प्रकारे दिसून आला (तपशिलासाठी आकृती S4 पहा). आतापर्यंत, फक्त Ti3C2TX MXene च्या पर्यावरणविषारीतेचा वेगवेगळ्या प्रकारे अभ्यास केला गेला आहे. ते झेब्राफिशच्या भ्रूणांसाठी विषारी नाही⁴⁴ परंतु सूक्ष्मशैवाल डेस्मोडेस्मस क्वाड्रिकाउडा आणि सोरघम सॅकराटम वनस्पतींसाठी मध्यम पर्यावरणविषारी आहे⁴⁵. विशिष्ट परिणामांच्या इतर उदाहरणांमध्ये सामान्य पेशींपेक्षा कर्करोगाच्या पेशींवर जास्त विषारीपणाचा समावेश आहे४६,४७. असे गृहीत धरले जाऊ शकते की चाचणीच्या परिस्थितीचा Nb-MXenes च्या उपस्थितीत सूक्ष्मशैवालांच्या वाढीमध्ये दिसून येणाऱ्या बदलांवर प्रभाव पडेल. उदाहरणार्थ, RuBisCO एन्झाइमच्या कार्यक्षम कार्यासाठी क्लोरोप्लास्ट स्ट्रोमामध्ये सुमारे ८ चा pH इष्टतम असतो. त्यामुळे, pH मधील बदल प्रकाशसंश्लेषणाच्या दरावर नकारात्मक परिणाम करतात४८,४९. तथापि, आम्हाला प्रयोगादरम्यान pH मध्ये लक्षणीय बदल दिसून आले नाहीत (तपशिलांसाठी SI, आकृती S5 पहा). सर्वसाधारणपणे, Nb-MXenes सह सूक्ष्मशैवालांच्या संवर्धनाने कालांतराने द्रावणाचा pH किंचित कमी केला. तथापि, ही घट शुद्ध माध्यमाच्या pH मधील बदलासारखीच होती. याव्यतिरिक्त, आढळलेल्या बदलांची श्रेणी सूक्ष्मशैवालांच्या शुद्ध संवर्धनासाठी (नियंत्रण नमुना) मोजलेल्या श्रेणीसारखीच होती. अशाप्रकारे, आम्ही असा निष्कर्ष काढतो की कालांतराने pH मधील बदलांमुळे प्रकाशसंश्लेषणावर परिणाम होत नाही.
याव्यतिरिक्त, संश्लेषित MXenes मध्ये पृष्ठभागावर टोके (Tx म्हणून दर्शविलेली) असतात. हे प्रामुख्याने -O, -F आणि -OH हे कार्यात्मक गट आहेत. तथापि, पृष्ठभागाचे रसायनशास्त्र हे संश्लेषणाच्या पद्धतीशी थेट संबंधित आहे. हे गट पृष्ठभागावर यादृच्छिकपणे वितरित झालेले असतात, ज्यामुळे MXene50 च्या गुणधर्मांवर होणाऱ्या त्यांच्या परिणामाचा अंदाज लावणे कठीण होते. असा युक्तिवाद केला जाऊ शकतो की प्रकाशाद्वारे नायोबियमच्या ऑक्सिडेशनसाठी Tx ही उत्प्रेरक शक्ती असू शकते. पृष्ठभागावरील कार्यात्मक गट खरोखरच त्यांच्या खालील फोटोकॅटॅलिस्टसाठी हेटरोजंक्शन तयार करण्यासाठी अनेक अँकरिंग साइट्स प्रदान करतात51. तथापि, वाढीच्या माध्यमाच्या रचनेने प्रभावी फोटोकॅटॅलिस्ट प्रदान केला नाही (माध्यमाची तपशीलवार रचना SI तक्ता S6 मध्ये आढळू शकते). याव्यतिरिक्त, कोणतेही पृष्ठभागीय बदल देखील खूप महत्त्वाचे आहेत, कारण लेयर पोस्ट-प्रोसेसिंग, ऑक्सिडेशन, सेंद्रिय आणि असेंद्रिय संयुगांचे रासायनिक पृष्ठभागीय बदल52,53,54,55,56 किंवा पृष्ठभागीय चार्ज इंजिनिअरिंग38 मुळे MXenes ची जैविक क्रियाशीलता बदलू शकते. म्हणून, माध्यमातील पदार्थाच्या अस्थिरतेशी नायोबियम ऑक्साईडचा काही संबंध आहे की नाही हे तपासण्यासाठी, आम्ही सूक्ष्मशैवाल वाढ माध्यम आणि निर्आयनीकृत पाण्यात (तुलनेसाठी) झेटा (ζ) पोटेन्शिअलचा अभ्यास केला. आमचे निष्कर्ष दर्शवतात की SL Nb-MXenes बऱ्यापैकी स्थिर आहेत (MAX आणि ML परिणामांसाठी SI आकृती S6 पहा). SL MXenes चे झेटा पोटेन्शिअल सुमारे -10 mV आहे. SR Nb2CTx च्या बाबतीत, ζ चे मूल्य Nb4C3Tx पेक्षा थोडे अधिक ऋण आहे. ζ मूल्यातील असा बदल हे सूचित करू शकतो की ऋणभारित MXene नॅनोफ्लेक्सचा पृष्ठभाग संवर्धन माध्यमातून धनभारित आयन शोषून घेतो. संवर्धन माध्यमातील Nb-MXenes च्या झेटा पोटेन्शिअल आणि चालकतेची कालिक मोजमापे (अधिक तपशिलांसाठी SI मधील आकृत्या S7 आणि S8 पहा) आमच्या गृहीतकाला पुष्टी देत ​​असल्याचे दिसते.
तथापि, दोन्ही Nb-MXene SLs ने शून्यापासून कमीत कमी बदल दर्शवले. हे सूक्ष्मशैवाल वाढीच्या माध्यमात त्यांची स्थिरता स्पष्टपणे दर्शवते. याव्यतिरिक्त, आमच्या हिरव्या सूक्ष्मशैवालांच्या उपस्थितीचा माध्यमातील Nb-MXenes च्या स्थिरतेवर परिणाम होईल की नाही याचे आम्ही मूल्यांकन केले. पोषक माध्यमात आणि कल्चरमध्ये सूक्ष्मशैवालांशी संवाद साधल्यानंतर MXenes च्या झेटा पोटेन्शिअल आणि चालकतेचे कालांतराने आलेले परिणाम SI मध्ये (आकृत्या S9 आणि S10) आढळू शकतात. विशेष म्हणजे, आमच्या लक्षात आले की सूक्ष्मशैवालांच्या उपस्थितीमुळे दोन्ही MXenes चे विखुरणे स्थिर झाल्याचे दिसून आले. Nb2CTx SL च्या बाबतीत, झेटा पोटेन्शिअल कालांतराने किंचित कमी होऊन अधिक नकारात्मक मूल्यांवर आले (७२ तासांच्या इनक्यूबेशननंतर -१५.८ विरुद्ध -१९.१ mV). SL Nb4C3TX चे झेटा पोटेन्शिअल किंचित वाढले, परंतु ७२ तासांनंतरही त्याने सूक्ष्मशैवालांच्या अनुपस्थितीत असलेल्या नॅनोफ्लेक्सपेक्षा जास्त स्थिरता दर्शवली (-१८.१ विरुद्ध -९.१ mV).
सूक्ष्मशैवालांच्या उपस्थितीत उबवलेल्या Nb-MXene द्रावणांची चालकता कमी असल्याचेही आम्हाला आढळले, जे पोषक माध्यमात आयनांचे प्रमाण कमी असल्याचे दर्शवते. विशेष म्हणजे, पाण्यातील MXenes ची अस्थिरता प्रामुख्याने पृष्ठभागाच्या ऑक्सिडेशनमुळे असते⁵⁷. म्हणून, आम्हाला शंका आहे की हिरव्या सूक्ष्मशैवालांनी Nb-MXene च्या पृष्ठभागावर तयार झालेले ऑक्साइड्स कसेतरी काढून टाकले आणि त्यांचे घडणे (MXene चे ऑक्सिडेशन) देखील रोखले. सूक्ष्मशैवालांद्वारे शोषल्या जाणाऱ्या पदार्थांच्या प्रकारांचा अभ्यास करून हे पाहिले जाऊ शकते.
आमच्या पर्यावरण-विषविज्ञानविषयक अभ्यासातून असे दिसून आले की सूक्ष्मशैवाल कालांतराने Nb-MXenes च्या विषारीपणावर आणि उत्तेजित वाढीच्या असामान्य प्रतिबंधावर मात करण्यास सक्षम होते, तरीही आमच्या अभ्यासाचा उद्देश संभाव्य कार्यप्रणालींचा शोध घेणे हा होता. जेव्हा शैवालांसारखे जीव त्यांच्या परिसंस्थेसाठी अपरिचित संयुगे किंवा पदार्थांच्या संपर्कात येतात, तेव्हा ते विविध प्रकारे प्रतिक्रिया देऊ शकतात58,59. विषारी धातू ऑक्साईडच्या अनुपस्थितीत, सूक्ष्मशैवाल स्वतःचे पोषण करू शकतात, ज्यामुळे त्यांना सतत वाढण्यास मदत होते60. विषारी पदार्थांचे सेवन केल्यानंतर, संरक्षण यंत्रणा सक्रिय होऊ शकतात, जसे की आकार किंवा स्वरूप बदलणे. शोषणाची शक्यता देखील विचारात घेतली पाहिजे58,59. विशेष म्हणजे, संरक्षण यंत्रणेचे कोणतेही चिन्ह हे चाचणी संयुगाच्या विषारीपणाचे स्पष्ट सूचक असते. म्हणून, आमच्या पुढील कामात, आम्ही SEM द्वारे SL Nb-MXene नॅनोफ्लेक्स आणि सूक्ष्मशैवाल यांच्यातील संभाव्य पृष्ठभागीय आंतरक्रिया आणि एक्स-रे फ्लुरोसेन्स स्पेक्ट्रोस्कोपी (XRF) द्वारे Nb-आधारित MXene चे संभाव्य शोषण तपासले. हे लक्षात घ्या की क्रियाशीलतेच्या विषारीपणाच्या समस्यांचे निराकरण करण्यासाठी, SEM आणि XRF विश्लेषणे केवळ MXene च्या सर्वाधिक सांद्रतेवरच करण्यात आली होती.
SEM चे निकाल आकृती ४ मध्ये दाखवले आहेत. प्रक्रिया न केलेल्या सूक्ष्मशैवाल पेशींमध्ये (आकृती ४अ, संदर्भ नमुना पहा) R. subcapitata ची वैशिष्ट्यपूर्ण आकारिकी आणि क्रोइसेंटसारखा पेशी आकार स्पष्टपणे दिसून आला. पेशी चपट्या आणि काहीशा अव्यवस्थित दिसतात. काही सूक्ष्मशैवाल पेशी एकमेकांवर आच्छादित झाल्या होत्या आणि गुंतल्या होत्या, परंतु हे कदाचित नमुना तयार करण्याच्या प्रक्रियेमुळे झाले असावे. सर्वसाधारणपणे, शुद्ध सूक्ष्मशैवाल पेशींचा पृष्ठभाग गुळगुळीत होता आणि त्यांच्यात कोणतेही आकारिक बदल दिसून आले नाहीत.
अत्यंत जास्त सांद्रतेवर (१०० मिग्रॅ/लिटर) ७२ तासांच्या आंतरक्रियेनंतर हिरव्या सूक्ष्मशैवाल आणि एमएक्सिन नॅनोशीटमधील पृष्ठभागावरील आंतरक्रिया दर्शवणारी एसईएम (SEM) प्रतिमा. (अ) एसएल (SL) (ब) एनबी२सीटीएक्स (Nb2CTx) आणि (क) एनबी४सी३टीएक्स (Nb4C3TX) एमएक्सिनसोबत आंतरक्रिया झाल्यानंतरचे उपचार न केलेले हिरवे सूक्ष्मशैवाल. लक्षात घ्या की एनबी-एमएक्सिन नॅनोफ्लेक्स लाल बाणांनी चिन्हांकित केले आहेत. तुलनेसाठी, ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपमधील छायाचित्रे देखील जोडली आहेत.
याउलट, SL Nb-MXene नॅनोफ्लेक्सद्वारे शोषलेल्या सूक्ष्मशैवाल पेशींचे नुकसान झाले होते (आकृती 4b, c, लाल बाण पहा). Nb2CTx MXene च्या बाबतीत (आकृती 4b), सूक्ष्मशैवाल संलग्न द्विमितीय नॅनोस्केलसह वाढतात, ज्यामुळे त्यांचे आकारशास्त्र बदलू शकते. विशेष म्हणजे, आम्ही हे बदल प्रकाश सूक्ष्मदर्शकाखाली देखील पाहिले (तपशिलासाठी SI आकृती S11 पहा). या आकारशास्त्रीय संक्रमणाला सूक्ष्मशैवालांच्या शरीरशास्त्रात आणि पेशींचे आकारमान वाढवण्यासारख्या पेशी आकारशास्त्रात बदल करून स्वतःचे संरक्षण करण्याच्या त्यांच्या क्षमतेमध्ये एक संभाव्य आधार आहे⁶¹. म्हणून, Nb-MXenes च्या प्रत्यक्ष संपर्कात असलेल्या सूक्ष्मशैवाल पेशींची संख्या तपासणे महत्त्वाचे आहे. SEM अभ्यासातून असे दिसून आले की अंदाजे ५२% सूक्ष्मशैवाल पेशी Nb-MXenes च्या संपर्कात आल्या, तर यापैकी ४८% सूक्ष्मशैवाल पेशींनी संपर्क टाळला. SL Nb4C3Tx MXene च्या बाबतीत, सूक्ष्मशैवाल MXene शी संपर्क टाळण्याचा प्रयत्न करतात, त्यामुळे ते द्विमितीय नॅनोस्केलवर मर्यादित राहून वाढतात (आकृती ४क). तथापि, आम्हाला नॅनोस्केलचा सूक्ष्मशैवाल पेशींमध्ये प्रवेश आणि त्यांचे नुकसान दिसून आले नाही.
पेशीच्या पृष्ठभागावर कणांचे अधिशोषण आणि तथाकथित 'शेडिंग' (छाया) प्रभावामुळे प्रकाशसंश्लेषणात अडथळा आल्यास, स्व-संरक्षण ही एक वेळेवर अवलंबून असलेली प्रतिसाद वर्तणूक आहे. हे स्पष्ट आहे की सूक्ष्मशैवाल आणि प्रकाश स्रोत यांच्यामध्ये असलेली प्रत्येक वस्तू (उदाहरणार्थ, Nb-MXene नॅनोफ्लेक्स) हरितलवकांद्वारे शोषल्या जाणाऱ्या प्रकाशाचे प्रमाण मर्यादित करते. तथापि, आम्हाला यात शंका नाही की याचा प्राप्त झालेल्या परिणामांवर महत्त्वपूर्ण परिणाम होतो. आमच्या सूक्ष्मदर्शकीय निरीक्षणांनुसार, सूक्ष्मशैवाल पेशी Nb-MXenes च्या संपर्कात असतानाही, २डी नॅनोफ्लेक्स सूक्ष्मशैवालांच्या पृष्ठभागाला पूर्णपणे वेढले किंवा चिकटले नव्हते. त्याऐवजी, नॅनोफ्लेक्स सूक्ष्मशैवाल पेशींचा पृष्ठभाग न झाकता त्यांच्या दिशेने संरेखित झालेले आढळले. नॅनोफ्लेक्स/सूक्ष्मशैवालांचा असा संच सूक्ष्मशैवाल पेशींद्वारे शोषल्या जाणाऱ्या प्रकाशाचे प्रमाण लक्षणीयरीत्या मर्यादित करू शकत नाही. शिवाय, काही अभ्यासांनी द्विमितीय नॅनोमटेरियल्सच्या उपस्थितीत प्रकाशसंश्लेषक जीवांद्वारे प्रकाश शोषणात सुधारणा झाल्याचे देखील दाखवून दिले आहे63,64,65,66.
SEM प्रतिमांद्वारे सूक्ष्मशैवाल पेशींद्वारे नायोबियमचे ग्रहण झाल्याची थेट पुष्टी होऊ शकत नसल्यामुळे, हा मुद्दा स्पष्ट करण्यासाठी आमच्या पुढील अभ्यासात एक्स-रे फ्लुरोसेन्स (XRF) आणि एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) विश्लेषणाचा आधार घेण्यात आला. त्यामुळे, आम्ही MXenes शी आंतरक्रिया न केलेल्या संदर्भ सूक्ष्मशैवाल नमुन्यांच्या, सूक्ष्मशैवाल पेशींच्या पृष्ठभागापासून वेगळे झालेल्या MXene नॅनोफ्लेक्सच्या आणि संलग्न MXenes काढून टाकल्यानंतरच्या सूक्ष्मशैवाल पेशींच्या Nb शिखरांच्या तीव्रतेची तुलना केली. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की, जर Nb चे ग्रहण झाले नसेल, तर संलग्न नॅनोफ्लेक्स काढून टाकल्यानंतर सूक्ष्मशैवाल पेशींद्वारे प्राप्त झालेले Nb चे मूल्य शून्य असले पाहिजे. म्हणून, जर Nb चे ग्रहण झाले असेल, तर XRF आणि XPS दोन्हीच्या निकालांमध्ये एक स्पष्ट Nb शिखर दिसले पाहिजे.
XRF स्पेक्ट्राच्या बाबतीत, सूक्ष्मशैवाल नमुन्यांनी SL Nb2CTx आणि Nb4C3Tx MXene सोबत आंतरक्रिया केल्यानंतर Nb शिखरे दर्शविली (आकृती 5a पहा, तसेच लक्षात घ्या की MAX आणि ML MXenes चे परिणाम SI, आकृत्या S12–C17 मध्ये दर्शविले आहेत). विशेष म्हणजे, दोन्ही बाबतीत Nb शिखराची तीव्रता समान आहे (आकृती 5a मधील लाल पट्ट्या). यावरून असे दिसून आले की शैवाल अधिक Nb शोषू शकले नाहीत आणि Nb संचयनाची कमाल क्षमता पेशींमध्येच प्राप्त झाली, जरी सूक्ष्मशैवाल पेशींना दुप्पट Nb4C3Tx MXene जोडले गेले होते (आकृती 5a मधील निळ्या पट्ट्या). विशेषतः, सूक्ष्मशैवालांची धातू शोषण्याची क्षमता पर्यावरणातील धातू ऑक्साईडच्या एकाग्रतेवर अवलंबून असते67,68. शमशादा आणि सहकाऱ्यांनी67 असे आढळले की गोड्या पाण्यातील शैवालांची शोषण क्षमता वाढत्या pH सह कमी होते. राईझ आणि इतरांनी68 नमूद केले की शैवालाची धातू शोषण्याची क्षमता Ni2+ पेक्षा Pb2+ साठी सुमारे 25% जास्त होती.
(अ) ७२ तासांसाठी SL Nb-MXenes च्या अत्यंत जास्त सांद्रतेमध्ये (१०० मिग्रॅ/लिटर) उबवलेल्या हिरव्या सूक्ष्मशैवाल पेशींद्वारे होणाऱ्या मूलभूत Nb शोषणाचे XRF परिणाम. हे परिणाम शुद्ध सूक्ष्मशैवाल पेशींमध्ये (नियंत्रण नमुना, राखाडी स्तंभ), पृष्ठभागावरील सूक्ष्मशैवाल पेशींपासून वेगळे केलेल्या २डी नॅनोफ्लेक्समध्ये (निळे स्तंभ), आणि पृष्ठभागापासून २डी नॅनोफ्लेक्स वेगळे केल्यानंतरच्या सूक्ष्मशैवाल पेशींमध्ये (लाल स्तंभ) α ची उपस्थिती दर्शवतात. मूलद्रव्यीय Nb चे प्रमाण, (ब) SL Nb-MXenes सोबत उबवल्यानंतर सूक्ष्मशैवाल पेशींमध्ये उपस्थित असलेल्या सूक्ष्मशैवाल सेंद्रिय घटकांच्या (C=O आणि CHx/C–O) आणि Nb ऑक्साईड्सच्या रासायनिक रचनेची टक्केवारी, (क-इ) XPS SL Nb2CTx स्पेक्ट्राच्या रचना शिखरांचे फिटिंग आणि (फह) सूक्ष्मशैवाल पेशींद्वारे अंतर्ग्रहित केलेले SL Nb4C3Tx MXene.
म्हणून, आम्हाला अपेक्षा होती की Nb हे ऑक्साईडच्या स्वरूपात शैवाल पेशींद्वारे शोषले जाऊ शकते. हे तपासण्यासाठी, आम्ही MXenes Nb2CTx आणि Nb4C3TX आणि शैवाल पेशींवर XPS अभ्यास केला. सूक्ष्मशैवालांची Nb-MXenes आणि शैवाल पेशींमधून वेगळे केलेल्या MXenes सोबतच्या आंतरक्रियेचे परिणाम आकृती 5b मध्ये दर्शविले आहेत. अपेक्षेप्रमाणे, सूक्ष्मशैवालांच्या पृष्ठभागावरून MXene काढून टाकल्यानंतर आम्हाला सूक्ष्मशैवाल नमुन्यांमध्ये Nb 3d शिखरे आढळली. C=O, CHx/CO, आणि Nb ऑक्साईडचे परिमाणात्मक निर्धारण, Nb2CTx SL (आकृती 5c–e) आणि Nb4C3Tx SL (आकृती 5c–e) सह प्राप्त झालेल्या Nb 3d, O 1s, आणि C 1s स्पेक्ट्राच्या आधारावर मोजले गेले. आकृती 5f–h) MXenes. सारणी S1-3 मध्ये फिटमधून मिळालेल्या पीक पॅरामीटर्स आणि एकूण रसायनशास्त्राचा तपशील दर्शविला आहे. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की Nb2CTx SL आणि Nb4C3Tx SL चे Nb 3d क्षेत्र (आकृती 5c, f) एका Nb2O5 घटकाशी संबंधित आहे. येथे, आम्हाला स्पेक्ट्रामध्ये MXene-संबंधित कोणतेही पीक आढळले नाहीत, जे दर्शवते की सूक्ष्मशैवाल पेशी केवळ Nb चे ऑक्साइड स्वरूप शोषून घेतात. याव्यतिरिक्त, आम्ही C 1s स्पेक्ट्रमला C–C, CHx/C–O, C=O, आणि –COOH घटकांसह अंदाजित केले. आम्ही CHx/C–O आणि C=O पीक सूक्ष्मशैवाल पेशींच्या सेंद्रिय योगदानाला दिले. हे सेंद्रिय घटक Nb2CTx SL आणि Nb4C3TX SL मधील C 1s पीकच्या अनुक्रमे 36% आणि 41% आहेत. त्यानंतर आम्ही SL Nb2CTx आणि SL Nb4C3TX च्या O 1s स्पेक्ट्राला Nb2O5, सूक्ष्मशैवालांचे सेंद्रिय घटक (CHx/CO), आणि पृष्ठभागावर शोषलेले पाणी यांच्याशी जुळवले.
शेवटी, XPS परिणामांनी Nb चे केवळ अस्तित्वच नव्हे, तर त्याचे स्वरूपही स्पष्टपणे दर्शवले. Nb 3d सिग्नलच्या स्थानानुसार आणि डीकन्व्होल्यूशनच्या परिणामांनुसार, आम्ही पुष्टी करतो की Nb केवळ ऑक्साईडच्या स्वरूपात शोषले जाते, आयन किंवा स्वतः MXene च्या स्वरूपात नाही. याव्यतिरिक्त, XPS परिणामांनी दाखवले की सूक्ष्मशैवाल पेशींमध्ये SL Nb4C3TX MXene च्या तुलनेत SL Nb2CTx मधून Nb ऑक्साईड शोषून घेण्याची अधिक क्षमता आहे.
जरी आमचे Nb शोषणाचे परिणाम प्रभावी असले आणि त्यामुळे आम्हाला MXene चे विघटन ओळखता येत असले, तरी 2D नॅनोफ्लेक्समधील संबंधित आकारिक बदलांचा मागोवा घेण्यासाठी कोणतीही पद्धत उपलब्ध नाही. म्हणून, आम्ही एक अशी योग्य पद्धत विकसित करण्याचे ठरवले, जी 2D Nb-MXene नॅनोफ्लेक्स आणि सूक्ष्मशैवाल पेशींमध्ये होणाऱ्या कोणत्याही बदलांना थेट प्रतिसाद देऊ शकेल. हे लक्षात घेणे महत्त्वाचे आहे की, आम्ही असे गृहीत धरतो की जर आंतरक्रिया करणाऱ्या घटकांमध्ये कोणतेही रूपांतरण, विघटन किंवा विखंडन झाले, तर ते आकाराच्या मापदंडांमधील बदलांच्या रूपात त्वरित दिसून आले पाहिजे, जसे की समतुल्य वर्तुळाकार क्षेत्राचा व्यास, गोलाकारपणा, फेरेट रुंदी किंवा फेरेट लांबी. हे मापदंड लांबट कण किंवा द्विमितीय नॅनोफ्लेक्सचे वर्णन करण्यासाठी योग्य असल्याने, गतिशील कण आकार विश्लेषणाद्वारे त्यांचा मागोवा घेतल्यास, क्षपणादरम्यान SL Nb-MXene नॅनोफ्लेक्सच्या आकारिक रूपांतरणाबद्दल आम्हाला मौल्यवान माहिती मिळेल.
मिळालेले परिणाम आकृती ६ मध्ये दाखवले आहेत. तुलनेसाठी, आम्ही मूळ MAX फेज आणि ML-MXenes यांचीही चाचणी केली (SI आकृत्या S18 आणि S19 पहा). कणांच्या आकाराच्या गतिशील विश्लेषणातून असे दिसून आले की, सूक्ष्मशैवालांशी आंतरक्रिया झाल्यानंतर दोन Nb-MXene SLs चे सर्व आकार मापदंड लक्षणीयरीत्या बदलले. समतुल्य वर्तुळाकार क्षेत्र व्यास मापदंडाने (आकृती ६अ, ब) दाखवल्याप्रमाणे, मोठ्या नॅनोफ्लेक्सच्या अंशाची कमी झालेली शिखर तीव्रता हे दर्शवते की त्यांचे लहान तुकड्यांमध्ये विघटन होण्याची प्रवृत्ती आहे. आकृती ६क, ड मध्ये फ्लेक्सच्या आडव्या आकाराशी (नॅनोफ्लेक्सचे लांबणे) संबंधित शिखरांमध्ये घट दिसून येते, जे २डी नॅनोफ्लेक्सचे अधिक कण-सदृश आकारात रूपांतर दर्शवते. आकृती ६इ-ह अनुक्रमे फेरेटची रुंदी आणि लांबी दर्शवते. फेरेटची रुंदी आणि लांबी हे पूरक मापदंड आहेत आणि म्हणूनच त्यांचा एकत्रितपणे विचार केला पाहिजे. सूक्ष्मशैवालांच्या उपस्थितीत २डी Nb-MXene नॅनोफ्लेक्सचे इनक्यूबेशन केल्यानंतर, त्यांचे फेरेट सहसंबंध शिखर सरकले आणि त्यांची तीव्रता कमी झाली. मॉर्फोलॉजी, एक्सआरएफ आणि एक्सपीएस यांच्या संयोगाने या निकालांच्या आधारावर, आम्ही असा निष्कर्ष काढला की निरीक्षण केलेले बदल ऑक्सिडेशनशी संबंधित आहेत कारण ऑक्सिडाइज्ड एमएक्सिन अधिक सुरकुतलेले होतात आणि तुकड्यांमध्ये आणि गोलाकार ऑक्साईड कणांमध्ये तुटतात69,70.
हिरव्या सूक्ष्मशैवालांशी आंतरक्रिया झाल्यानंतर एमएक्सिनच्या परिवर्तनाचे विश्लेषण. गतिशील कण आकार विश्लेषणात (अ, ब) समतुल्य वर्तुळाकार क्षेत्राचा व्यास, (क, ड) गोलाकारपणा, (इ, फ) फेरेट रुंदी आणि (ग, ह) फेरेट लांबी यांसारख्या मापदंडांचा विचार केला जातो. यासाठी, दोन संदर्भ सूक्ष्मशैवाल नमुन्यांचे विश्लेषण प्राथमिक SL Nb2CTx आणि SL Nb4C3Tx एमएक्सिन, SL Nb2CTx आणि SL Nb4C3Tx एमएक्सिन, विघटित सूक्ष्मशैवाल, आणि उपचारित सूक्ष्मशैवाल SL Nb2CTx आणि SL Nb4C3Tx एमएक्सिन यांच्यासोबत करण्यात आले. लाल बाण अभ्यासलेल्या द्विमितीय नॅनोफ्लेक्सच्या आकार मापदंडांमधील संक्रमणे दर्शवतात.
आकार मापदंड विश्लेषण अत्यंत विश्वसनीय असल्याने, ते सूक्ष्मशैवाल पेशींमधील आकारशास्त्रीय बदल देखील उघड करू शकते. म्हणून, आम्ही शुद्ध सूक्ष्मशैवाल पेशी आणि २डी एनबी नॅनोफ्लेक्ससोबतच्या आंतरक्रियेनंतरच्या पेशींच्या समतुल्य वर्तुळाकार क्षेत्र व्यास, गोलाकारपणा आणि फेरेट रुंदी/लांबी यांचे विश्लेषण केले. आकृती ६अ-ह मध्ये शैवाल पेशींच्या आकार मापदंडांमधील बदल दर्शविले आहेत, जे शिखर तीव्रतेतील घट आणि महत्तम मूल्यांचे उच्च मूल्यांकडे सरकणे यावरून दिसून येते. विशेषतः, पेशींच्या गोलाकारपणाच्या मापदंडांमध्ये लांबट पेशींमध्ये घट आणि गोलाकार पेशींमध्ये वाढ दिसून आली (आकृती ६अ, ब). याव्यतिरिक्त, SL Nb4C3TX MXene (आकृती ६फ) च्या तुलनेत SL Nb2CTx MXene (आकृती ६इ) सोबतच्या आंतरक्रियेनंतर फेरेट पेशी रुंदी अनेक मायक्रोमीटरने वाढली. आम्हाला शंका आहे की हे Nb2CTx SR सोबतच्या आंतरक्रियेनंतर सूक्ष्मशैवालांद्वारे एनबी ऑक्साईड्सच्या तीव्र शोषणामुळे असू शकते. एनबी फ्लेक्सचे त्यांच्या पृष्ठभागावर कमी घट्ट चिकटणे हे कमीतकमी सावलीच्या प्रभावासह पेशींच्या वाढीस कारणीभूत ठरू शकते.
सूक्ष्मशैवालांच्या आकार आणि आकाराच्या मापदंडांमधील बदलांविषयीची आमची निरीक्षणे इतर अभ्यासांना पूरक आहेत. हिरवे सूक्ष्मशैवाल पर्यावरणीय ताणाला प्रतिसाद म्हणून पेशींचा आकार, स्वरूप किंवा चयापचय बदलून त्यांचे आकारशास्त्र बदलू शकतात⁶¹. उदाहरणार्थ, पेशींचा आकार बदलल्याने पोषक तत्वांचे शोषण सुलभ होते⁷¹. लहान शैवाल पेशी कमी पोषक तत्वे शोषून घेतात आणि त्यांच्या वाढीचा दर मंदावतो. याउलट, मोठ्या पेशी अधिक पोषक तत्वे वापरतात, जी नंतर पेशींच्या आत जमा होतात⁷²,⁷³. माचाडो आणि सोआरेस यांना आढळले की ट्रायक्लोसान हे बुरशीनाशक पेशींचा आकार वाढवू शकते. त्यांना शैवालांच्या आकारातही मोठे बदल आढळले⁷⁴. याव्यतिरिक्त, यिन आणि इतरांनी⁹ देखील रिड्यूस्ड ग्राफीन ऑक्साईड नॅनोकम्पोझिट्सच्या संपर्कात आल्यानंतर शैवालांमध्ये आकारशास्त्रीय बदल झाल्याचे उघड केले. म्हणून, हे स्पष्ट आहे की सूक्ष्मशैवालांच्या आकार/स्वरूपातील बदल हे एमएक्सिनच्या (MXene) उपस्थितीमुळे होतात. आकार आणि स्वरूपातील हा बदल पोषक तत्वांच्या शोषणातील बदलांचे सूचक असल्यामुळे, आम्हाला विश्वास आहे की कालांतराने आकार आणि स्वरूपाच्या मापदंडांचे विश्लेषण केल्यास Nb-MXenes च्या उपस्थितीत सूक्ष्मशैवालांद्वारे नायोबियम ऑक्साईडचे शोषण सिद्ध करता येईल.
शिवाय, शैवालांच्या उपस्थितीत एमएक्सिनचे ऑक्सिडीकरण होऊ शकते. दलाई आणि सहकाऱ्यांनी75 असे निरीक्षण नोंदवले की नॅनो-TiO2 आणि Al2O376 च्या संपर्कात आलेल्या हिरव्या शैवालांची आकारिकी एकसमान नव्हती. जरी आमची निरीक्षणे सध्याच्या अभ्यासाशी मिळतीजुळती असली तरी, ती केवळ २डी नॅनोफ्लेक्सच्या उपस्थितीत एमएक्सिनच्या विघटन उत्पादनांच्या संदर्भात जैवउपचारांच्या परिणामांच्या अभ्यासाशी संबंधित आहेत, नॅनोकणांशी नाही. एमएक्सिनचे धातूंच्या ऑक्साईडमध्ये विघटन होऊ शकत असल्यामुळे,31,32,77,78 हे मानणे तर्कसंगत आहे की आमचे Nb नॅनोफ्लेक्स देखील सूक्ष्मशैवाल पेशींशी आंतरक्रिया करून Nb ऑक्साईड तयार करू शकतात.
ऑक्सिडेशन प्रक्रियेवर आधारित विघटन यंत्रणेद्वारे 2D-Nb नॅनोफ्लेक्सच्या क्षय होण्याचे स्पष्टीकरण देण्यासाठी, आम्ही उच्च-रिझोल्यूशन ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (HRTEM) (आकृती 7a,b) आणि एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) (आकृती 7c-i आणि तक्ते S4-5) वापरून अभ्यास केला. दोन्ही पद्धती 2D पदार्थांच्या ऑक्सिडेशनचा अभ्यास करण्यासाठी योग्य आहेत आणि एकमेकांना पूरक आहेत. HRTEM द्विमितीय स्तरित संरचनांच्या ऱ्हासाचे आणि त्यानंतर मेटल ऑक्साईड नॅनोपार्टिकल्सच्या उदयाचे विश्लेषण करण्यास सक्षम आहे, तर XPS पृष्ठभागावरील बंधांसाठी संवेदनशील आहे. या उद्देशासाठी, आम्ही सूक्ष्मशैवाल पेशींच्या विखुरलेल्या द्रावणातून काढलेल्या 2D Nb-MXene नॅनोफ्लेक्सची चाचणी केली, म्हणजेच सूक्ष्मशैवाल पेशींशी संवाद साधल्यानंतर त्यांचा आकार (आकृती 7 पहा).
ऑक्सिडाइज्ड (a) SL Nb2CTx आणि (b) SL Nb4C3Tx MXenes चे मॉर्फोलॉजी दर्शविणाऱ्या HRTEM प्रतिमा, (c) रिडक्शननंतरच्या ऑक्साइड उत्पादनांची रचना दर्शविणारे XPS विश्लेषण परिणाम, (d–f) SL Nb2CTx च्या XPS स्पेक्ट्राच्या घटकांचे पीक मॅचिंग आणि (g–i) हिरव्या सूक्ष्मशैवालांनी दुरुस्त केलेले Nb4C3Tx SL.
एचआरटीईएम (HRTEM) अभ्यासाने दोन प्रकारच्या एनबी-एमएक्सिन (Nb-MXene) नॅनोफ्लेक्सच्या ऑक्सिडेशनची पुष्टी केली. जरी नॅनोफ्लेक्सनी त्यांचा द्विमितीय आकार काही प्रमाणात टिकवून ठेवला असला तरी, ऑक्सिडेशनमुळे एमएक्सिन नॅनोफ्लेक्सच्या पृष्ठभागावर अनेक नॅनोपार्टिकल्स दिसू लागले (आकृती 7a,b पहा). एनबी 3d आणि ओ 1s सिग्नल्सच्या एक्सपीएस (XPS) विश्लेषणाने असे सूचित केले की दोन्ही बाबतीत एनबी ऑक्साईड्स तयार झाले होते. आकृती 7c मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, 2D एमएक्सिन Nb2CTx आणि Nb4C3TX मध्ये एनबी 3d सिग्नल्स आहेत जे NbO आणि Nb2O5 ऑक्साईड्सची उपस्थिती दर्शवतात, तर ओ 1s सिग्नल्स 2D नॅनोफ्लेक पृष्ठभागाच्या कार्यात्मकीकरणाशी संबंधित ओ-एनबी बंधांची संख्या दर्शवतात. आमच्या लक्षात आले की एनबी-सी आणि एनबी3+-ओ च्या तुलनेत एनबी ऑक्साईडचे योगदान अधिक आहे.
आकृती 7g–i मध्ये सूक्ष्मशैवाल पेशींपासून वेगळे केलेल्या Nb 3d, C 1s, आणि O 1s SL Nb2CTx (आकृती 7d–f पहा) आणि SL Nb4C3TX MXene चे XPS स्पेक्ट्रा दर्शविले आहेत. Nb-MXenes च्या पीक पॅरामीटर्सचा तपशील अनुक्रमे तक्ते S4–5 मध्ये दिला आहे. आम्ही सर्वप्रथम Nb 3d च्या रचनेचे विश्लेषण केले. सूक्ष्मशैवाल पेशींनी शोषलेल्या Nb च्या विपरीत, सूक्ष्मशैवाल पेशींपासून वेगळे केलेल्या MXene मध्ये, Nb2O5 व्यतिरिक्त, इतर घटक आढळले. Nb2CTx SL मध्ये, आम्हाला 15% प्रमाणात Nb3+-O चे योगदान आढळले, तर उर्वरित Nb 3d स्पेक्ट्रमवर Nb2O5 (85%) चे वर्चस्व होते. याव्यतिरिक्त, SL Nb4C3TX नमुन्यामध्ये Nb-C (9%) आणि Nb2O5 (91%) घटक आहेत. येथे Nb-C हे Nb4C3Tx SR मधील मेटल कार्बाइडच्या दोन आतील अणूंच्या थरांमधून येते. त्यानंतर, जसे आपण आत घेतलेल्या नमुन्यांमध्ये केले होते, त्याचप्रमाणे आपण C 1s स्पेक्ट्राचे चार वेगवेगळ्या घटकांमध्ये मॅपिंग करतो. अपेक्षेप्रमाणे, C 1s स्पेक्ट्रममध्ये ग्राफायटिक कार्बनचे वर्चस्व आहे, त्यानंतर सूक्ष्मशैवाल पेशींमधील सेंद्रिय कणांचे (CHx/CO आणि C=O) योगदान आहे. याव्यतिरिक्त, O 1s स्पेक्ट्रममध्ये, आम्हाला सूक्ष्मशैवाल पेशींची सेंद्रिय रूपे, नायोबियम ऑक्साईड आणि शोषलेल्या पाण्याचे योगदान आढळले.
याव्यतिरिक्त, आम्ही तपासले की Nb-MXenes चे विघटन हे पोषक माध्यमात आणि/किंवा सूक्ष्मशैवाल पेशींमध्ये असलेल्या क्रियाशील ऑक्सिजन प्रजातींच्या (ROS) उपस्थितीशी संबंधित आहे का. यासाठी, आम्ही संवर्धन माध्यमातील सिंगलेट ऑक्सिजन (1O2) आणि पेशींमधील ग्लुटाथिओन, जे सूक्ष्मशैवालांमध्ये अँटिऑक्सिडंट म्हणून कार्य करणारे एक थायोल आहे, यांच्या पातळीचे मूल्यांकन केले. निकाल SI मध्ये (आकृत्या S20 आणि S21) दर्शविले आहेत. SL Nb2CTx आणि Nb4C3TX MXenes असलेल्या संवर्धनांमध्ये 1O2 चे प्रमाण कमी झालेले आढळले (आकृती S20 पहा). SL Nb2CTx च्या बाबतीत, MXene 1O2 सुमारे ८३% पर्यंत कमी झाले. SL, Nb4C3TX वापरणाऱ्या सूक्ष्मशैवाल संवर्धनांमध्ये 1O2 आणखी कमी होऊन ७३% पर्यंत पोहोचले. विशेष म्हणजे, 1O2 मधील बदलांनी पूर्वी निरीक्षण केलेल्या निरोधात्मक-उत्तेजक परिणामासारखाच कल दर्शविला (आकृती ३ पहा). प्रखर प्रकाशात उष्मायन केल्याने फोटोऑक्सिडेशनमध्ये बदल होऊ शकतो, असा युक्तिवाद केला जाऊ शकतो. तथापि, नियंत्रण विश्लेषणाच्या निकालांनी प्रयोगादरम्यान 1O2 ची पातळी जवळजवळ स्थिर असल्याचे दर्शविले (आकृती S22). पेशींमधील ROS पातळीच्या बाबतीतही, आम्हाला तोच घसरणीचा कल दिसून आला (आकृती S21 पहा). सुरुवातीला, Nb2CTx आणि Nb4C3Tx SLs च्या उपस्थितीत संवर्धित केलेल्या सूक्ष्मशैवाल पेशींमधील ROS ची पातळी, सूक्ष्मशैवालांच्या शुद्ध संवर्धनामध्ये आढळलेल्या पातळीपेक्षा जास्त होती. तथापि, कालांतराने असे दिसून आले की सूक्ष्मशैवाल दोन्ही Nb-MXenes च्या उपस्थितीशी जुळवून घेत होते, कारण ROS ची पातळी SL Nb2CTx आणि Nb4C3TX ने संवर्धित केलेल्या सूक्ष्मशैवालांच्या शुद्ध संवर्धनामध्ये मोजलेल्या पातळीच्या अनुक्रमे 85% आणि 91% पर्यंत कमी झाली. यावरून असे सूचित होऊ शकते की, केवळ पोषक माध्यमाच्या तुलनेत, सूक्ष्मशैवालांना कालांतराने Nb-MXene च्या उपस्थितीत अधिक आरामदायक वाटते.
सूक्ष्मशैवाल हे प्रकाशसंश्लेषक जीवांचा एक वैविध्यपूर्ण गट आहे. प्रकाशसंश्लेषणादरम्यान, ते वातावरणातील कार्बन डायऑक्साइड (CO2) चे सेंद्रिय कार्बनमध्ये रूपांतर करतात. प्रकाशसंश्लेषणाची उत्पादने ग्लुकोज आणि ऑक्सिजन आहेत79. आम्हाला शंका आहे की अशा प्रकारे तयार झालेला ऑक्सिजन Nb-MXenes च्या ऑक्सिडीकरणामध्ये महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावतो. याचे एक संभाव्य स्पष्टीकरण असे आहे की Nb-MXene नॅनोफ्लेक्सच्या बाहेर आणि आत ऑक्सिजनच्या कमी आणि उच्च आंशिक दाबांवर विभेदक वायुमिश्रण पॅरामीटर तयार होतो. याचा अर्थ असा की, जिथे जिथे ऑक्सिजनच्या वेगवेगळ्या आंशिक दाबांचे क्षेत्र असेल, तिथे सर्वात कमी पातळी असलेले क्षेत्र ॲनोड तयार करेल 80, 81, 82. येथे, सूक्ष्मशैवाल MXene फ्लेक्सच्या पृष्ठभागावर विभेदक वायुमिश्रण असलेल्या पेशींच्या निर्मितीमध्ये योगदान देतात, ज्या त्यांच्या प्रकाशसंश्लेषक गुणधर्मांमुळे ऑक्सिजन तयार करतात. परिणामी, जैवक्षरण उत्पादने (या प्रकरणात, नायोबियम ऑक्साईड) तयार होतात. दुसरा पैलू असा आहे की सूक्ष्मशैवाल सेंद्रिय आम्ल तयार करू शकतात जे पाण्यात सोडले जातात83,84. त्यामुळे, एक आक्रमक वातावरण तयार होते, ज्यामुळे Nb-MXenes मध्ये बदल होतो. याव्यतिरिक्त, सूक्ष्म शैवाल कार्बन डायऑक्साइड शोषून घेतल्यामुळे पर्यावरणाचा pH अल्कधर्मी बनवू शकतात, ज्यामुळे क्षरण देखील होऊ शकते79.
सर्वात महत्त्वाचे म्हणजे, आमच्या अभ्यासात वापरलेला अंधार/प्रकाश प्रकाशकालावधी प्राप्त झालेले परिणाम समजून घेण्यासाठी महत्त्वपूर्ण आहे. या पैलूचे सविस्तर वर्णन Djemai-Zoghlache et al. 85 मध्ये केले आहे. त्यांनी लाल सूक्ष्मशैवाल Porphyridium purpureum द्वारे होणाऱ्या जैव-दूषणाशी (biofouling) संबंधित जैव-क्षरण (biocorrosion) दाखवण्यासाठी हेतुपुरस्सर १२/१२ तासांचा प्रकाशकालावधी वापरला. ते दाखवतात की प्रकाशकालावधी हा जैव-क्षरणाशिवाय संभाव्यतेच्या उत्क्रांतीशी संबंधित आहे, जो २४:०० च्या सुमारास छद्म-आवर्ती दोलनांच्या (pseudoperiodic oscillations) रूपात प्रकट होतो. या निरीक्षणांची पुष्टी Dowling et al. 86 यांनी केली. त्यांनी सायनोबॅक्टेरिया Anabaena चे प्रकाशसंश्लेषक जैव-पटल (photosynthetic biofilms) दाखवले. प्रकाशाच्या क्रियेमुळे विरघळलेला ऑक्सिजन तयार होतो, जो मुक्त जैव-क्षरण संभाव्यतेतील बदल किंवा चढउतारांशी संबंधित असतो. प्रकाशकालावधीचे महत्त्व या वस्तुस्थितीमुळे अधोरेखित होते की, जैव-क्षरणाची मुक्त संभाव्यता प्रकाश टप्प्यात वाढते आणि अंधार टप्प्यात कमी होते. हे प्रकाशसंश्लेषक सूक्ष्मशैवालांद्वारे उत्पादित ऑक्सिजनमुळे होते, जे इलेक्ट्रोड87 जवळ निर्माण होणाऱ्या आंशिक दाबाद्वारे कॅथोडिक प्रतिक्रियेवर प्रभाव टाकते.
याव्यतिरिक्त, Nb-MXenes सोबतच्या आंतरक्रियेनंतर सूक्ष्मशैवाल पेशींच्या रासायनिक रचनेत काही बदल झाले आहेत का, हे शोधण्यासाठी फूरियर ट्रान्सफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (FTIR) करण्यात आली. हे प्राप्त झालेले परिणाम गुंतागुंतीचे आहेत आणि आम्ही ते SI मध्ये सादर करत आहोत (आकृत्या S23-S25, ज्यामध्ये MAX टप्पा आणि ML MXenes चे परिणाम समाविष्ट आहेत). थोडक्यात, सूक्ष्मशैवालांचे प्राप्त झालेले संदर्भ स्पेक्ट्रा आपल्याला या जीवांच्या रासायनिक वैशिष्ट्यांविषयी महत्त्वाची माहिती देतात. ही सर्वात संभाव्य कंपने 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) आणि 3280 cm–1 (O–H) या वारंवारतांवर स्थित आहेत. SL Nb-MXenes साठी, आम्हाला एक CH-बंध ताणण्याची खूण आढळली जी आमच्या मागील अभ्यासाशी सुसंगत आहे38. तथापि, आमच्या असे लक्षात आले की C=C आणि CH बंधांशी संबंधित काही अतिरिक्त शिखरे नाहीशी झाली. यावरून असे सूचित होते की SL Nb-MXenes सोबतच्या आंतरक्रियेमुळे सूक्ष्मशैवालांच्या रासायनिक रचनेत किरकोळ बदल होऊ शकतात.
सूक्ष्मशैवालांच्या जैवरसायनशास्त्रातील संभाव्य बदलांचा विचार करताना, नायोबियम ऑक्साईडसारख्या अजैविक ऑक्साईडच्या संचयावर पुनर्विचार करणे आवश्यक आहे59. हे पेशीच्या पृष्ठभागाद्वारे धातूंचे ग्रहण, त्यांचे पेशीद्रव्यात वहन, पेशींमधील कार्बोक्सिल गटांशी त्यांचा संयोग आणि सूक्ष्मशैवाल पॉलीफॉस्फोसोम्समध्ये त्यांचा संचय यामध्ये सामील असते20,88,89,90. याव्यतिरिक्त, सूक्ष्मशैवाल आणि धातू यांच्यातील संबंध पेशींच्या कार्यात्मक गटांद्वारे राखला जातो. या कारणास्तव, शोषण हे सूक्ष्मशैवालांच्या पृष्ठभागाच्या रसायनशास्त्रावर देखील अवलंबून असते, जे बरेच गुंतागुंतीचे असते9,91. सर्वसाधारणपणे, अपेक्षेप्रमाणे, Nb ऑक्साईडच्या शोषणामुळे हिरव्या सूक्ष्मशैवालांच्या रासायनिक रचनेत किंचित बदल झाला.
विशेष म्हणजे, सूक्ष्मशैवालांमध्ये सुरुवातीला दिसून आलेली वाढ-अवरोध कालांतराने उलटवता येण्यासारखा होता. आमच्या निरीक्षणाप्रमाणे, सूक्ष्मशैवालांनी सुरुवातीच्या पर्यावरणीय बदलावर मात केली आणि अखेरीस त्यांच्या वाढीचा दर सामान्य झाला, किंबहुना तो वाढलासुद्धा. पोषक माध्यमात आणल्यावर झेटा पोटेन्शिअलच्या अभ्यासातून उच्च स्थिरता दिसून येते. अशाप्रकारे, संपूर्ण क्षपण प्रयोगांदरम्यान सूक्ष्मशैवाल पेशी आणि Nb-MXene नॅनोफ्लेक्स यांच्यातील पृष्ठभागीय आंतरक्रिया टिकून राहिली. आमच्या पुढील विश्लेषणात, आम्ही सूक्ष्मशैवालांच्या या उल्लेखनीय वर्तनामागील मुख्य कार्यप्रणालींचा सारांश सादर करतो.
SEM निरीक्षणातून असे दिसून आले आहे की सूक्ष्मशैवाल Nb-MXenes ला चिकटण्याची प्रवृत्ती दर्शवतात. डायनॅमिक इमेज ॲनालिसिसचा वापर करून, आम्ही याची पुष्टी करतो की या परिणामामुळे द्विमितीय Nb-MXene नॅनोफ्लेक्सचे अधिक गोलाकार कणांमध्ये रूपांतर होते, ज्यामुळे हे सिद्ध होते की नॅनोफ्लेक्सचे विघटन त्यांच्या ऑक्सिडेशनशी संबंधित आहे. आमच्या गृहितकाची चाचणी घेण्यासाठी, आम्ही अनेक भौतिक आणि जैवरासायनिक अभ्यास केले. चाचणीनंतर, नॅनोफ्लेक्स हळूहळू ऑक्सिडाइज झाले आणि NbO व Nb2O5 उत्पादनांमध्ये विघटित झाले, ज्यामुळे हिरव्या सूक्ष्मशैवालांना कोणताही धोका निर्माण झाला नाही. FTIR निरीक्षणाद्वारे, आम्हाला 2D Nb-MXene नॅनोफ्लेक्सच्या उपस्थितीत वाढवलेल्या सूक्ष्मशैवालांच्या रासायनिक रचनेत कोणतेही महत्त्वपूर्ण बदल आढळले नाहीत. सूक्ष्मशैवालांद्वारे नायोबियम ऑक्साईडच्या शोषणाची शक्यता लक्षात घेऊन, आम्ही एक्स-रे फ्लुरोसन्स विश्लेषण केले. हे परिणाम स्पष्टपणे दर्शवतात की अभ्यासलेले सूक्ष्मशैवाल नायोबियम ऑक्साईड (NbO आणि Nb2O5) वर जगतात, जे अभ्यासलेल्या सूक्ष्मशैवालांसाठी बिनविषारी आहेत.