Terima kasih kerana melayari Nature.com. Anda menggunakan versi pelayar dengan sokongan CSS yang terhad. Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan pelayar yang dikemas kini (atau melumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami akan memaparkan laman web tanpa gaya dan JavaScript.
Memaparkan karusel tiga slaid sekaligus. Gunakan butang Sebelumnya dan Seterusnya untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa atau gunakan butang gelangsar di hujungnya untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa.
Perkembangan nanoteknologi yang pesat dan penyepaduannya ke dalam aplikasi harian boleh mengancam alam sekitar. Walaupun kaedah hijau untuk degradasi bahan cemar organik telah mantap, pemulihan bahan cemar kristal bukan organik menjadi perhatian utama kerana sensitiviti rendahnya terhadap biotransformasi dan kekurangan pemahaman tentang interaksi permukaan bahan dengan interaksi biologi. Di sini, kami menggunakan model MXenes 2D bukan organik berasaskan Nb yang digabungkan dengan kaedah analisis parameter bentuk mudah untuk mengesan mekanisme bioremediasi bahan nano seramik 2D oleh mikroalga hijau Raphidocelis subcapitata. Kami mendapati bahawa mikroalga mendegradasi MXenes berasaskan Nb disebabkan oleh interaksi fiziko-kimia yang berkaitan dengan permukaan. Pada mulanya, nanoflakes MXenes lapisan tunggal dan berbilang lapisan dilekatkan pada permukaan mikroalga, yang sedikit sebanyak mengurangkan pertumbuhan alga. Walau bagaimanapun, setelah interaksi berpanjangan dengan permukaan, mikroalga mengoksidakan nanoflakes MXenes dan seterusnya menguraikannya menjadi NbO dan Nb2O5. Oleh kerana oksida ini tidak toksik kepada sel mikroalga, ia menggunakan nanopartikel Nb oksida melalui mekanisme penyerapan yang memulihkan mikroalga selanjutnya selepas 72 jam rawatan air. Kesan nutrien yang berkaitan dengan penyerapan juga tercermin dalam peningkatan isipadu sel, bentuknya yang licin dan perubahan kadar pertumbuhan. Berdasarkan penemuan ini, kami menyimpulkan bahawa kehadiran MXena berasaskan Nb dalam jangka pendek dan panjang dalam ekosistem air tawar mungkin hanya menyebabkan kesan alam sekitar yang kecil. Perlu diperhatikan bahawa, dengan menggunakan bahan nano dua dimensi sebagai sistem model, kami menunjukkan kemungkinan menjejaki transformasi bentuk walaupun dalam bahan berbutir halus. Secara keseluruhan, kajian ini menjawab soalan asas yang penting tentang proses berkaitan interaksi permukaan yang memacu mekanisme bioremediasi bahan nano 2D dan menyediakan asas untuk kajian jangka pendek dan jangka panjang selanjutnya tentang kesan alam sekitar bahan nano kristal bukan organik.
Bahan nano telah menarik banyak perhatian sejak penemuannya, dan pelbagai nanoteknologi baru-baru ini telah memasuki fasa pemodenan1. Malangnya, penyepaduan bahan nano ke dalam aplikasi harian boleh menyebabkan pelepasan tidak sengaja disebabkan oleh pelupusan yang tidak betul, pengendalian yang cuai, atau infrastruktur keselamatan yang tidak mencukupi. Oleh itu, adalah munasabah untuk menganggap bahawa bahan nano, termasuk bahan nano dua dimensi (2D), boleh dilepaskan ke persekitaran semula jadi, yang tingkah laku dan aktiviti biologinya masih belum difahami sepenuhnya. Oleh itu, tidak hairanlah kebimbangan ekotoksisiti telah tertumpu pada keupayaan bahan nano 2D untuk meresap ke dalam sistem akuatik2,3,4,5,6. Dalam ekosistem ini, sesetengah bahan nano 2D boleh berinteraksi dengan pelbagai organisma pada tahap trofik yang berbeza, termasuk mikroalga.
Mikroalga ialah organisma primitif yang ditemui secara semula jadi dalam ekosistem air tawar dan marin yang menghasilkan pelbagai produk kimia melalui fotosintesis7. Oleh itu, ia penting untuk ekosistem akuatik8,9,10,11,12 tetapi juga merupakan penunjuk ekotoksisiti yang sensitif, murah dan digunakan secara meluas13,14. Memandangkan sel mikroalga membiak dengan cepat dan pantas bertindak balas terhadap kehadiran pelbagai sebatian, ia menjanjikan pembangunan kaedah mesra alam untuk merawat air yang tercemar dengan bahan organik15,16.
Sel alga boleh menyingkirkan ion bukan organik daripada air melalui biosorpsi dan pengumpulan17,18. Sesetengah spesies alga seperti Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue dan Synechococcus sp. Ia didapati membawa dan juga menyuburkan ion logam toksik seperti Fe2+, Cu2+, Zn2+ dan Mn2+19. Kajian lain menunjukkan bahawa ion Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ atau Pb2+ mengehadkan pertumbuhan Scenedesmus dengan mengubah morfologi sel dan memusnahkan kloroplasnya20,21.
Kaedah hijau untuk penguraian bahan pencemar organik dan penyingkiran ion logam berat telah menarik perhatian saintis dan jurutera di seluruh dunia. Ini terutamanya disebabkan oleh fakta bahawa bahan pencemar ini mudah diproses dalam fasa cecair. Walau bagaimanapun, bahan pencemar kristal bukan organik dicirikan oleh kelarutan air yang rendah dan kerentanan yang rendah terhadap pelbagai biotransformasi, yang menyebabkan kesukaran yang besar dalam pemulihan, dan sedikit kemajuan telah dicapai dalam bidang ini22,23,24,25,26. Oleh itu, pencarian penyelesaian mesra alam untuk pembaikan bahan nano kekal sebagai bidang yang kompleks dan belum diterokai. Disebabkan oleh tahap ketidakpastian yang tinggi mengenai kesan biotransformasi bahan nano 2D, tiada cara mudah untuk mengetahui kemungkinan laluan degradasi mereka semasa pengurangan.
Dalam kajian ini, kami menggunakan mikroalga hijau sebagai agen bioremediasi akueus aktif untuk bahan seramik bukan organik, digabungkan dengan pemantauan in situ proses degradasi MXena sebagai wakil bahan seramik bukan organik. Istilah "MXena" mencerminkan stoikiometri bahan Mn+1XnTx, di mana M ialah logam peralihan awal, X ialah karbon dan/atau nitrogen, Tx ialah terminator permukaan (contohnya, -OH, -F, -Cl), dan n = 1, 2, 3 atau 427.28. Sejak penemuan MXena oleh Naguib et al. Sensorik, terapi kanser dan penapisan membran 27,29,30. Di samping itu, MXena boleh dianggap sebagai sistem model 2D kerana kestabilan koloidnya yang sangat baik dan kemungkinan interaksi biologi31,32,33,34,35,36.
Oleh itu, metodologi yang dibangunkan dalam artikel ini dan hipotesis penyelidikan kami ditunjukkan dalam Rajah 1. Menurut hipotesis ini, mikroalga menguraikan MXena berasaskan Nb menjadi sebatian bukan toksik disebabkan oleh interaksi fiziko-kimia yang berkaitan dengan permukaan, yang membolehkan pemulihan alga selanjutnya. Untuk menguji hipotesis ini, dua ahli keluarga karbida dan/atau nitrida logam peralihan berasaskan niobium awal (MXena), iaitu Nb2CTx dan Nb4C3TX, telah dipilih.
Metodologi penyelidikan dan hipotesis berasaskan bukti untuk pemulihan MXene oleh mikroalga hijau Raphidocelis subcapitata. Sila ambil perhatian bahawa ini hanyalah gambaran skematik andaian berasaskan bukti. Persekitaran tasik berbeza dalam medium nutrien yang digunakan dan keadaannya (contohnya, kitaran diurnal dan batasan dalam nutrien penting yang tersedia). Dicipta dengan BioRender.com.
Oleh itu, dengan menggunakan MXene sebagai sistem model, kami telah membuka pintu kepada kajian pelbagai kesan biologi yang tidak dapat diperhatikan dengan bahan nano konvensional yang lain. Khususnya, kami menunjukkan kemungkinan bioremediasi bahan nano dua dimensi, seperti MXene berasaskan niobium, oleh mikroalga Raphidocelis subcapitata. Mikroalga mampu menguraikan Nb-MXene menjadi oksida bukan toksik NbO dan Nb2O5, yang juga menyediakan nutrien melalui mekanisme penyerapan niobium. Secara keseluruhan, kajian ini menjawab soalan asas yang penting tentang proses yang berkaitan dengan interaksi fizikokimia permukaan yang mengawal mekanisme bioremediasi bahan nano dua dimensi. Di samping itu, kami sedang membangunkan kaedah berasaskan parameter bentuk yang mudah untuk menjejaki perubahan halus dalam bentuk bahan nano 2D. Ini memberi inspirasi kepada penyelidikan jangka pendek dan jangka panjang selanjutnya ke dalam pelbagai kesan alam sekitar bahan nano kristal bukan organik. Oleh itu, kajian kami meningkatkan pemahaman tentang interaksi antara permukaan bahan dan bahan biologi. Kami juga menyediakan asas untuk kajian jangka pendek dan jangka panjang yang diperluas tentang kemungkinan kesannya terhadap ekosistem air tawar, yang kini boleh disahkan dengan mudah.
MXena mewakili kelas bahan yang menarik dengan sifat fizikal dan kimia yang unik dan menarik, dan oleh itu terdapat banyak aplikasi yang berpotensi. Sifat-sifat ini sebahagian besarnya bergantung pada stoikiometri dan kimia permukaannya. Oleh itu, dalam kajian kami, kami mengkaji dua jenis MXena lapisan tunggal hierarki (SL) berasaskan Nb, Nb2CTx dan Nb4C3TX, kerana kesan biologi yang berbeza daripada bahan nano ini dapat diperhatikan. MXena dihasilkan daripada bahan permulaannya melalui pengetsaan terpilih dari atas ke bawah lapisan A fasa MAX yang nipis secara atom. Fasa MAX ialah seramik ternari yang terdiri daripada blok karbida logam peralihan "terikat" dan lapisan nipis unsur "A" seperti Al, Si dan Sn dengan stoikiometri MnAXn-1. Morfologi fasa MAX awal diperhatikan melalui mikroskop elektron imbasan (SEM) dan selaras dengan kajian terdahulu (Lihat Maklumat Tambahan, SI, Rajah S1). Nb-MXena berbilang lapisan (ML) diperoleh selepas menanggalkan lapisan Al dengan 48% HF (asid hidrofluorik). Morfologi ML-Nb2CTx dan ML-Nb4C3TX telah diperiksa melalui mikroskop elektron imbasan (SEM) (Rajah S1c dan S1d masing-masing) dan morfologi MXena berlapis tipikal diperhatikan, serupa dengan nanoflake dua dimensi yang melalui celah seperti liang memanjang. Kedua-dua Nb-MXena mempunyai banyak persamaan dengan fasa MXena yang sebelum ini disintesis melalui pengetsaan asid27,38. Selepas mengesahkan struktur MXena, kami melapisinya melalui interkalasi tetrabutilamonium hidroksida (TBAOH) diikuti dengan pencucian dan sonikasi, selepas itu kami memperoleh nanoflake Nb-MXena 2D lapisan tunggal atau lapisan rendah (SL).
Kami menggunakan mikroskop elektron penghantaran resolusi tinggi (HRTEM) dan pembelauan sinar-X (XRD) untuk menguji kecekapan pengetsaan dan pengelupasan selanjutnya. Keputusan HRTEM yang diproses menggunakan Transformasi Fourier Pantas Songsang (IFFT) dan Transformasi Fourier Pantas (FFT) ditunjukkan dalam Rajah 2. Nanoflake Nb-MXena diorientasikan tepi ke atas untuk memeriksa struktur lapisan atom dan mengukur jarak antara satah. Imej HRTEM nanoflake MXena Nb2CTx dan Nb4C3TX mendedahkan sifat lapisan nipis atomnya (lihat Rajah 2a1, a2), seperti yang dilaporkan sebelum ini oleh Naguib et al.27 dan Jastrzębska et al.38. Bagi dua lapisan tunggal Nb2CTx dan Nb4C3Tx bersebelahan, kami menentukan jarak antara lapisan masing-masing 0.74 dan 1.54 nm (Rajah 2b1,b2), yang juga sepadan dengan keputusan kami sebelum ini38. Ini disahkan selanjutnya oleh transformasi Fourier pantas songsang (Rajah 2c1, c2) dan transformasi Fourier pantas (Rajah 2d1, d2) yang menunjukkan jarak antara lapisan tunggal Nb2CTx dan Nb4C3Tx. Imej tersebut menunjukkan silih bergantinya jalur terang dan gelap yang sepadan dengan atom niobium dan karbon, yang mengesahkan sifat berlapis MXena yang dikaji. Adalah penting untuk diperhatikan bahawa spektrum spektroskopi sinar-X serakan tenaga (EDX) yang diperoleh untuk Nb2CTx dan Nb4C3Tx (Rajah S2a dan S2b) tidak menunjukkan sisa fasa MAX asal, kerana tiada puncak Al dikesan.
Pencirian nanoflake SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx MXene, termasuk (a) pengimejan nanoflake 2D pandangan sisi mikroskopi elektron resolusi tinggi (HRTEM) dan sepadan, (b) mod keamatan, (c) transformasi Fourier pantas songsang (IFFT), (d) transformasi Fourier pantas (FFT), (e) corak sinar-X Nb-MXene. Bagi SL 2D Nb2CTx, nombor dinyatakan sebagai (a1, b1, c1, d1, e1). Bagi SL 2D Nb4C3Tx, nombor dinyatakan sebagai (a2, b2, c2, d2, e1).
Pengukuran pembelauan sinar-X bagi MXena SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx ditunjukkan dalam Rajah 2e1 dan e2. Puncak (002) pada 4.31 dan 4.32 masing-masing sepadan dengan MXena berlapis Nb2CTx dan Nb4C3TX38,39,40,41 yang diterangkan sebelum ini. Keputusan XRD juga menunjukkan kehadiran beberapa struktur ML dan fasa MAX yang tinggal, tetapi kebanyakannya corak XRD yang dikaitkan dengan SL Nb4C3Tx (Rajah 2e2). Kehadiran zarah yang lebih kecil bagi fasa MAX mungkin menjelaskan puncak MAX yang lebih kuat berbanding lapisan Nb4C3Tx yang disusun secara rawak.
Kajian lanjut telah tertumpu pada mikroalga hijau yang tergolong dalam spesies R. subcapitata. Kami memilih mikroalga kerana ia merupakan pengeluar penting yang terlibat dalam jaringan makanan utama42. Ia juga merupakan salah satu penunjuk ketoksikan terbaik kerana keupayaannya untuk menyingkirkan bahan toksik yang dibawa ke tahap rantaian makanan yang lebih tinggi43. Di samping itu, kajian mengenai R. subcapitata mungkin dapat memberi gambaran tentang ketoksikan sampingan SL Nb-MXenes kepada mikroorganisma air tawar biasa. Untuk menggambarkan perkara ini, para penyelidik membuat hipotesis bahawa setiap mikrob mempunyai kepekaan yang berbeza terhadap sebatian toksik yang terdapat di persekitaran. Bagi kebanyakan organisma, kepekatan bahan yang rendah tidak menjejaskan pertumbuhannya, manakala kepekatan melebihi had tertentu boleh menghalangnya atau menyebabkan kematian. Oleh itu, untuk kajian kami tentang interaksi permukaan antara mikroalga dan MXenes dan pemulihan yang berkaitan, kami memutuskan untuk menguji kepekatan Nb-MXenes yang tidak berbahaya dan toksik. Untuk melakukan ini, kami menguji kepekatan 0 (sebagai rujukan), 0.01, 0.1 dan 10 mg/l MXena dan juga mikroalga yang dijangkiti dengan kepekatan MXena yang sangat tinggi (100 mg/l MXena), yang boleh menjadi ekstrem dan membawa maut. . untuk sebarang persekitaran biologi.
Kesan SL Nb-MXenes terhadap mikroalga ditunjukkan dalam Rajah 3, dinyatakan sebagai peratusan promosi pertumbuhan (+) atau perencatan (-) yang diukur untuk sampel 0 mg l-1. Sebagai perbandingan, fasa Nb-MAX dan ML Nb-MXenes juga diuji dan keputusannya ditunjukkan dalam SI (lihat Rajah S3). Keputusan yang diperoleh mengesahkan bahawa SL Nb-MXenes hampir sepenuhnya bebas daripada ketoksikan dalam julat kepekatan rendah dari 0.01 hingga 10 mg/l, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3a,b. Dalam kes Nb2CTx, kami mendapati tidak lebih daripada 5% ekotoksisiti dalam julat yang ditentukan.
Rangsangan (+) atau perencatan (-) pertumbuhan mikroalga dengan kehadiran SL (a) Nb2CTx dan (b) Nb4C3TX MXene. Interaksi MXene-mikroalga selama 24, 48 dan 72 jam telah dianalisis. Data signifikan (ujian-t, p < 0.05) ditanda dengan asterisk (*). Data signifikan (ujian-t, p < 0.05) ditanda dengan asterisk (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Data penting (ujian-t, p < 0.05) ditanda dengan asterisk (*).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 (ujian-t, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Data penting (ujian-t, p < 0.05) ditanda dengan asterisk (*).Anak panah merah menunjukkan pemansuhan rangsangan perencatan.
Sebaliknya, kepekatan Nb4C3TX yang rendah ternyata sedikit lebih toksik, tetapi tidak lebih tinggi daripada 7%. Seperti yang dijangkakan, kami mendapati bahawa MXena mempunyai ketoksikan dan perencatan pertumbuhan mikroalga yang lebih tinggi pada 100 mg L-1. Menariknya, tiada bahan menunjukkan trend dan pergantungan masa yang sama terhadap kesan atoksik/toksik berbanding sampel MAX atau ML (lihat SI untuk butiran lanjut). Manakala untuk fasa MAX (lihat Rajah S3) ketoksikan mencapai kira-kira 15–25% dan meningkat dengan masa, trend sebaliknya diperhatikan untuk SL Nb2CTx dan Nb4C3TX MXena. Perencatan pertumbuhan mikroalga berkurangan dari semasa ke semasa. Ia mencapai kira-kira 17% selepas 24 jam dan menurun kepada kurang daripada 5% selepas 72 jam (Rajah 3a, b, masing-masing).
Lebih penting lagi, untuk SL Nb4C3TX, perencatan pertumbuhan mikroalga mencapai kira-kira 27% selepas 24 jam, tetapi selepas 72 jam ia menurun kepada kira-kira 1%. Oleh itu, kami melabelkan kesan yang diperhatikan sebagai perencatan rangsangan songsang, dan kesannya lebih kuat untuk SL Nb4C3TX MXene. Rangsangan pertumbuhan mikroalga telah dicatatkan sebelum ini dengan Nb4C3TX (interaksi pada 10 mg L-1 selama 24 jam) berbanding dengan SL Nb2CTx MXene. Kesan pembalikan perencatan-rangsangan juga ditunjukkan dengan baik dalam lengkung kadar penggandaan biojisim (lihat Rajah S4 untuk butiran). Setakat ini, hanya ekotoksisiti Ti3C2TX MXene telah dikaji dengan cara yang berbeza. Ia tidak toksik kepada embrio ikan zebra44 tetapi sederhana ekotoksik kepada tumbuhan mikroalga Desmodesmus quadricauda dan Sorghum saccharatum45. Contoh lain kesan khusus termasuk ketoksikan yang lebih tinggi kepada barisan sel kanser berbanding barisan sel normal46,47. Boleh diandaikan bahawa keadaan ujian akan mempengaruhi perubahan pertumbuhan mikroalga yang diperhatikan dengan kehadiran Nb-MXenes. Contohnya, pH kira-kira 8 dalam stroma kloroplas adalah optimum untuk operasi enzim RuBisCO yang cekap. Oleh itu, perubahan pH memberi kesan negatif kepada kadar fotosintesis48,49. Walau bagaimanapun, kami tidak melihat perubahan ketara dalam pH semasa eksperimen (lihat SI, Rajah S5 untuk butiran lanjut). Secara amnya, kultur mikroalga dengan Nb-MXenes sedikit sebanyak mengurangkan pH larutan dari semasa ke semasa. Walau bagaimanapun, penurunan ini adalah serupa dengan perubahan dalam pH medium tulen. Di samping itu, julat variasi yang ditemui adalah serupa dengan yang diukur untuk kultur mikroalga tulen (sampel kawalan). Oleh itu, kami menyimpulkan bahawa fotosintesis tidak terjejas oleh perubahan dalam pH dari semasa ke semasa.
Di samping itu, MXena yang disintesis mempunyai hujung permukaan (dilambangkan sebagai Tx). Ini terutamanya kumpulan berfungsi -O, -F dan -OH. Walau bagaimanapun, kimia permukaan berkaitan secara langsung dengan kaedah sintesis. Kumpulan ini diketahui tersebar secara rawak di permukaan, menjadikannya sukar untuk meramalkan kesannya terhadap sifat MXena50. Boleh dikatakan bahawa Tx boleh menjadi daya pemangkin untuk pengoksidaan niobium oleh cahaya. Kumpulan berfungsi permukaan sememangnya menyediakan pelbagai tapak penambatan untuk fotomangkin asasnya untuk membentuk heterosimpang51. Walau bagaimanapun, komposisi medium pertumbuhan tidak menyediakan fotomangkin yang berkesan (komposisi medium terperinci boleh didapati dalam Jadual SI S6). Di samping itu, sebarang pengubahsuaian permukaan juga sangat penting, kerana aktiviti biologi MXena boleh diubah disebabkan oleh pemprosesan lapisan, pengoksidaan, pengubahsuaian permukaan kimia sebatian organik dan bukan organik52,53,54,55,56 atau kejuruteraan cas permukaan38. Oleh itu, untuk menguji sama ada niobium oksida mempunyai kaitan dengan ketidakstabilan bahan dalam medium, kami menjalankan kajian tentang potensi zeta (ζ) dalam medium pertumbuhan mikroalga dan air ternyahion (untuk perbandingan). Keputusan kami menunjukkan bahawa SL Nb-MXena agak stabil (lihat Rajah SI S6 untuk keputusan MAX dan ML). Potensi zeta SL MXena adalah kira-kira -10 mV. Dalam kes SR Nb2CTx, nilai ζ agak lebih negatif daripada Nb4C3Tx. Perubahan dalam nilai ζ sedemikian mungkin menunjukkan bahawa permukaan nanoflake MXena yang bercas negatif menyerap ion bercas positif daripada medium kultur. Pengukuran temporal potensi zeta dan kekonduksian Nb-MXena dalam medium kultur (lihat Rajah S7 dan S8 dalam SI untuk maklumat lanjut) nampaknya menyokong hipotesis kami.
Walau bagaimanapun, kedua-dua Nb-MXene SL menunjukkan perubahan minimum dari sifar. Ini jelas menunjukkan kestabilannya dalam medium pertumbuhan mikroalga. Di samping itu, kami menilai sama ada kehadiran mikroalga hijau kami akan menjejaskan kestabilan Nb-MXene dalam medium. Keputusan potensi zeta dan kekonduksian MXene selepas interaksi dengan mikroalga dalam media nutrien dan kultur dari semasa ke semasa boleh didapati dalam SI (Rajah S9 dan S10). Menariknya, kami perhatikan bahawa kehadiran mikroalga seolah-olah menstabilkan penyebaran kedua-dua MXene. Dalam kes Nb2CTx SL, potensi zeta juga sedikit menurun dari semasa ke semasa kepada nilai yang lebih negatif (-15.8 berbanding -19.1 mV selepas 72 jam pengeraman). Potensi zeta SL Nb4C3TX sedikit meningkat, tetapi selepas 72 jam ia masih menunjukkan kestabilan yang lebih tinggi daripada nanoflake tanpa kehadiran mikroalga (-18.1 berbanding -9.1 mV).
Kami juga mendapati kekonduksian larutan Nb-MXena yang lebih rendah yang diinkubasi dengan kehadiran mikroalga, menunjukkan jumlah ion yang lebih rendah dalam medium nutrien. Ketidakstabilan MXena dalam air terutamanya disebabkan oleh pengoksidaan permukaan57. Oleh itu, kami mengesyaki bahawa mikroalga hijau entah bagaimana membersihkan oksida yang terbentuk pada permukaan Nb-MXena dan juga menghalang kejadiannya (pengoksidaan MXena). Ini dapat dilihat dengan mengkaji jenis bahan yang diserap oleh mikroalga.
Walaupun kajian ekotoksikologi kami menunjukkan bahawa mikroalga dapat mengatasi ketoksikan Nb-MXenes dari semasa ke semasa dan perencatan pertumbuhan yang dirangsang yang luar biasa, tujuan kajian kami adalah untuk mengkaji kemungkinan mekanisme tindakan. Apabila organisma seperti alga terdedah kepada sebatian atau bahan yang tidak biasa dengan ekosistem mereka, ia mungkin bertindak balas dalam pelbagai cara58,59. Sekiranya tiada oksida logam toksik, mikroalga boleh memakan diri mereka sendiri, membolehkannya tumbuh secara berterusan60. Selepas pengambilan bahan toksik, mekanisme pertahanan mungkin diaktifkan, seperti perubahan bentuk atau bentuk. Kemungkinan penyerapan juga mesti dipertimbangkan58,59. Terutamanya, sebarang tanda mekanisme pertahanan adalah petunjuk yang jelas tentang ketoksikan sebatian ujian. Oleh itu, dalam kajian kami selanjutnya, kami mengkaji potensi interaksi permukaan antara nanoflake SL Nb-MXenes dan mikroalga oleh SEM dan kemungkinan penyerapan MXene berasaskan Nb melalui spektroskopi pendarfluor sinar-X (XRF). Ambil perhatian bahawa analisis SEM dan XRF hanya dilakukan pada kepekatan MXene tertinggi untuk menangani isu ketoksikan aktiviti.
Keputusan SEM ditunjukkan dalam Rajah 4. Sel mikroalga yang tidak dirawat (lihat Rajah 4a, sampel rujukan) jelas menunjukkan morfologi R. subcapitata yang tipikal dan bentuk sel seperti croissant. Sel kelihatan leper dan agak tidak teratur. Sesetengah sel mikroalga bertindih dan bersalut antara satu sama lain, tetapi ini mungkin disebabkan oleh proses penyediaan sampel. Secara amnya, sel mikroalga tulen mempunyai permukaan yang licin dan tidak menunjukkan sebarang perubahan morfologi.
Imej SEM menunjukkan interaksi permukaan antara mikroalga hijau dan nanosheet MXene selepas 72 jam interaksi pada kepekatan ekstrem (100 mg L-1). (a) Mikroalga hijau yang tidak dirawat selepas interaksi dengan SL (b) Nb2CTx dan (c) Nb4C3TX MXene. Perhatikan bahawa nanoflake Nb-MXene ditanda dengan anak panah merah. Sebagai perbandingan, gambar daripada mikroskop optik juga ditambah.
Sebaliknya, sel mikroalga yang diserap oleh nanoflake SL Nb-MXene telah rosak (lihat Rajah 4b, c, anak panah merah). Dalam kes Nb2CTx MXene (Rajah 4b), mikroalga cenderung untuk tumbuh dengan nanoskala dua dimensi yang melekat, yang boleh mengubah morfologinya. Terutamanya, kami juga memerhatikan perubahan ini di bawah mikroskopi cahaya (lihat Rajah S11 SI untuk butiran lanjut). Peralihan morfologi ini mempunyai asas yang munasabah dalam fisiologi mikroalga dan keupayaannya untuk mempertahankan diri dengan mengubah morfologi sel, seperti meningkatkan isipadu sel61. Oleh itu, adalah penting untuk menyemak bilangan sel mikroalga yang sebenarnya bersentuhan dengan Nb-MXene. Kajian SEM menunjukkan bahawa kira-kira 52% sel mikroalga terdedah kepada Nb-MXene, manakala 48% daripada sel mikroalga ini mengelakkan sentuhan. Bagi SL Nb4C3Tx MXene, mikroalga cuba mengelakkan sentuhan dengan MXene, sekali gus menyetempat dan tumbuh daripada nanoskala dua dimensi (Rajah 4c). Walau bagaimanapun, kami tidak memerhatikan penembusan nanoskala ke dalam sel mikroalga dan kerosakannya.
Pemeliharaan diri juga merupakan tindak balas yang bergantung pada masa terhadap penyumbatan fotosintesis disebabkan oleh penjerapan zarah pada permukaan sel dan apa yang dipanggil kesan teduhan (shading)62. Jelas bahawa setiap objek (contohnya, nanoflake Nb-MXene) yang berada di antara mikroalga dan sumber cahaya mengehadkan jumlah cahaya yang diserap oleh kloroplas. Walau bagaimanapun, kami tidak ragu bahawa ini mempunyai kesan yang ketara terhadap hasil yang diperoleh. Seperti yang ditunjukkan oleh pemerhatian mikroskopik kami, nanoflake 2D tidak dibalut atau melekat sepenuhnya pada permukaan mikroalga, walaupun sel mikroalga bersentuhan dengan Nb-MXene. Sebaliknya, nanoflake ternyata berorientasikan pada sel mikroalga tanpa menutup permukaannya. Set nanoflake/mikroalga sedemikian tidak dapat mengehadkan jumlah cahaya yang diserap oleh sel mikroalga dengan ketara. Selain itu, beberapa kajian telah menunjukkan peningkatan dalam penyerapan cahaya oleh organisma fotosintesis dengan kehadiran bahan nano dua dimensi63,64,65,66.
Oleh kerana imej SEM tidak dapat mengesahkan secara langsung pengambilan niobium oleh sel mikroalga, kajian lanjut kami beralih kepada analisis pendarfluor sinar-X (XRF) dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) untuk menjelaskan isu ini. Oleh itu, kami membandingkan keamatan puncak Nb sampel mikroalga rujukan yang tidak berinteraksi dengan MXena, nanoflake MXena yang terpisah dari permukaan sel mikroalga, dan sel mikroalga selepas penyingkiran MXena yang melekat. Perlu diingatkan bahawa jika tiada pengambilan Nb, nilai Nb yang diperoleh oleh sel mikroalga sepatutnya sifar selepas penyingkiran nanoskala yang melekat. Oleh itu, jika pengambilan Nb berlaku, kedua-dua keputusan XRF dan XPS sepatutnya menunjukkan puncak Nb yang jelas.
Dalam kes spektrum XRF, sampel mikroalga menunjukkan puncak Nb untuk SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx MXena selepas interaksi dengan SL Nb2CTx dan Nb4C3Tx MXena (lihat Rajah 5a, juga ambil perhatian bahawa keputusan untuk MAX dan ML MXena ditunjukkan dalam SI, Rajah S12–C17). Menariknya, keamatan puncak Nb adalah sama dalam kedua-dua kes (bar merah dalam Rajah 5a). Ini menunjukkan bahawa alga tidak dapat menyerap lebih banyak Nb, dan kapasiti maksimum untuk pengumpulan Nb dicapai dalam sel, walaupun dua kali lebih banyak Nb4C3Tx MXena dilekatkan pada sel mikroalga (bar biru dalam Rajah 5a). Terutamanya, keupayaan mikroalga untuk menyerap logam bergantung pada kepekatan oksida logam dalam persekitaran67,68. Shamshada et al.67 mendapati bahawa kapasiti penyerapan alga air tawar berkurangan dengan peningkatan pH. Raize et al.68 menyatakan bahawa keupayaan rumpai laut untuk menyerap logam adalah kira-kira 25% lebih tinggi untuk Pb2+ berbanding Ni2+.
(a) Keputusan XRF penyerapan Nb basal oleh sel mikroalga hijau yang diinkubasi pada kepekatan ekstrem SL Nb-MXenes (100 mg L-1) selama 72 jam. Keputusan menunjukkan kehadiran α dalam sel mikroalga tulen (sampel kawalan, lajur kelabu), nanoflake 2D yang diasingkan daripada sel mikroalga permukaan (lajur biru), dan sel mikroalga selepas pemisahan nanoflake 2D daripada permukaan (lajur merah). Jumlah unsur Nb, (b) peratusan komposisi kimia komponen organik mikroalga (C=O dan CHx/C–O) dan oksida Nb yang terdapat dalam sel mikroalga selepas pengeraman dengan SL Nb-MXenes, (c–e) Pemadanan puncak komposisi spektrum XPS SL Nb2CTx dan (fh) SL Nb4C3Tx MXene yang diinternalisasikan oleh sel mikroalga.
Oleh itu, kami menjangkakan bahawa Nb boleh diserap oleh sel alga dalam bentuk oksida. Untuk menguji ini, kami menjalankan kajian XPS pada MXena Nb2CTx dan Nb4C3TX dan sel alga. Keputusan interaksi mikroalga dengan Nb-MXena dan MXena yang diasingkan daripada sel alga ditunjukkan dalam Rajah 5b. Seperti yang dijangkakan, kami mengesan puncak Nb 3d dalam sampel mikroalga selepas penyingkiran MXena daripada permukaan mikroalga. Penentuan kuantitatif oksida C=O, CHx/CO, dan Nb dikira berdasarkan spektrum Nb 3d, O1s, dan C1s yang diperoleh dengan Nb2CTx SL (Rajah 5c–e) dan Nb4C3Tx SL (Rajah 5c–e). ) yang diperoleh daripada mikroalga yang diinkubasi. Rajah 5f–h) MXena. Jadual S1-3 menunjukkan butiran parameter puncak dan kimia keseluruhan yang terhasil daripada padanan. Perlu diperhatikan bahawa kawasan Nb 3d bagi Nb2CTx SL dan Nb4C3Tx SL (Rajah 5c, f) sepadan dengan satu komponen Nb2O5. Di sini, kami tidak menemui puncak berkaitan MXene dalam spektrum, menunjukkan bahawa sel mikroalga hanya menyerap bentuk oksida Nb. Di samping itu, kami menganggarkan spektrum C1s dengan komponen C–C, CHx/C–O, C=O, dan –COOH. Kami menetapkan puncak CHx/C–O dan C=O kepada sumbangan organik sel mikroalga. Komponen organik ini masing-masing menyumbang 36% dan 41% daripada puncak C1s dalam Nb2CTx SL dan Nb4C3TX SL. Kami kemudian memasangkan spektrum O1s bagi SL Nb2CTx dan SL Nb4C3TX dengan Nb2O5, komponen organik mikroalga (CHx/CO), dan air yang diserap permukaan.
Akhir sekali, keputusan XPS menunjukkan dengan jelas bentuk Nb, bukan sekadar kehadirannya. Mengikut kedudukan isyarat Nb 3d dan keputusan dekonvolusi, kami mengesahkan bahawa Nb hanya diserap dalam bentuk oksida dan bukan ion atau MXena itu sendiri. Di samping itu, keputusan XPS menunjukkan bahawa sel mikroalga mempunyai keupayaan yang lebih besar untuk menyerap oksida Nb daripada SL Nb2CTx berbanding SL Nb4C3TX MXena.
Walaupun keputusan penyerapan Nb kami mengagumkan dan membolehkan kami mengenal pasti degradasi MXene, tiada kaedah yang tersedia untuk menjejaki perubahan morfologi yang berkaitan dalam nanoflake 2D. Oleh itu, kami juga memutuskan untuk membangunkan kaedah yang sesuai yang boleh bertindak balas secara langsung terhadap sebarang perubahan yang berlaku dalam nanoflake Nb-MXene 2D dan sel mikroalga. Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa kami menganggap bahawa jika spesies yang berinteraksi mengalami sebarang transformasi, penguraian atau defragmentasi, ini sepatutnya cepat menjelma sebagai perubahan dalam parameter bentuk, seperti diameter kawasan bulat yang setara, kebulatan, lebar Feret atau panjang Feret. Memandangkan parameter ini sesuai untuk menggambarkan zarah memanjang atau nanoflake dua dimensi, penjejakannya melalui analisis bentuk zarah dinamik akan memberi kami maklumat berharga tentang transformasi morfologi nanoflake SL Nb-MXene semasa pengurangan.
Keputusan yang diperoleh ditunjukkan dalam Rajah 6. Sebagai perbandingan, kami juga menguji fasa MAX asal dan ML-MXenes (lihat Rajah SI S18 dan S19). Analisis dinamik bentuk zarah menunjukkan bahawa semua parameter bentuk dua Nb-MXenes SL berubah dengan ketara selepas interaksi dengan mikroalga. Seperti yang ditunjukkan oleh parameter diameter kawasan bulat yang setara (Rajah 6a, b), keamatan puncak yang berkurangan bagi pecahan nanoflakes besar menunjukkan bahawa ia cenderung mereput menjadi serpihan yang lebih kecil. Pada rajah 6c, d menunjukkan penurunan puncak yang berkaitan dengan saiz melintang serpihan (pemanjangan nanoflakes), menunjukkan transformasi nanoflakes 2D kepada bentuk yang lebih seperti zarah. Rajah 6e-h masing-masing menunjukkan lebar dan panjang Feret. Lebar dan panjang Feret adalah parameter pelengkap dan oleh itu harus dipertimbangkan bersama. Selepas pengeraman nanoflakes Nb-MXenes 2D dengan kehadiran mikroalga, puncak korelasi Feretnya beralih dan keamatannya berkurangan. Berdasarkan keputusan ini dengan kombinasi morfologi, XRF dan XPS, kami menyimpulkan bahawa perubahan yang diperhatikan sangat berkaitan dengan pengoksidaan apabila MXena yang teroksida menjadi lebih berkedut dan terurai menjadi serpihan dan zarah oksida sfera69,70.
Analisis transformasi MXena selepas interaksi dengan mikroalga hijau. Analisis bentuk zarah dinamik mengambil kira parameter seperti (a, b) diameter kawasan bulat setara, (c, d) kebulatan, (e, f) Lebar feret dan (g, h) Panjang feret. Untuk tujuan ini, dua sampel mikroalga rujukan dianalisis bersama dengan SL Nb2CTx primer dan SL Nb4C3Tx MXena, SL Nb2CTx dan SL Nb4C3Tx MXena, mikroalga terdegradasi, dan mikroalga SL Nb2CTx dan SL Nb4C3Tx MXena yang dirawat. Anak panah merah menunjukkan peralihan parameter bentuk nanoflakes dua dimensi yang dikaji.
Oleh kerana analisis parameter bentuk sangat andal, ia juga boleh mendedahkan perubahan morfologi dalam sel mikroalga. Oleh itu, kami menganalisis diameter kawasan bulat yang setara, kebulatan, dan lebar/panjang Feret sel dan sel mikroalga tulen selepas interaksi dengan nanoflakes Nb 2D. Pada rajah 6a–h menunjukkan perubahan dalam parameter bentuk sel alga, seperti yang dibuktikan oleh penurunan keamatan puncak dan anjakan maksimum ke arah nilai yang lebih tinggi. Khususnya, parameter kebulatan sel menunjukkan penurunan sel memanjang dan peningkatan sel sfera (Rajah 6a, b). Di samping itu, lebar sel Feret meningkat sebanyak beberapa mikrometer selepas interaksi dengan SL Nb2CTx MXene (Rajah 6e) berbanding SL Nb4C3TX MXene (Rajah 6f). Kami mengesyaki bahawa ini mungkin disebabkan oleh penyerapan oksida Nb yang kuat oleh mikroalga semasa interaksi dengan Nb2CTx SR. Pelekatan kepingan Nb yang kurang tegar pada permukaannya boleh mengakibatkan pertumbuhan sel dengan kesan teduhan yang minimum.
Pemerhatian kami terhadap perubahan dalam parameter bentuk dan saiz mikroalga melengkapi kajian lain. Mikroalga hijau boleh mengubah morfologi mereka sebagai tindak balas kepada tekanan persekitaran dengan mengubah saiz, bentuk atau metabolisme sel61. Contohnya, mengubah saiz sel memudahkan penyerapan nutrien71. Sel alga yang lebih kecil menunjukkan pengambilan nutrien yang lebih rendah dan kadar pertumbuhan yang terjejas. Sebaliknya, sel yang lebih besar cenderung untuk mengambil lebih banyak nutrien, yang kemudiannya dimendapkan secara intraselular72,73. Machado dan Soares mendapati bahawa triklosan racun kulat boleh meningkatkan saiz sel. Mereka juga mendapati perubahan yang ketara dalam bentuk alga74. Di samping itu, Yin et al.9 juga mendedahkan perubahan morfologi dalam alga selepas terdedah kepada nanokomposit oksida grafen yang dikurangkan. Oleh itu, adalah jelas bahawa parameter saiz/bentuk mikroalga yang diubah disebabkan oleh kehadiran MXene. Memandangkan perubahan saiz dan bentuk ini menunjukkan perubahan dalam pengambilan nutrien, kami percaya bahawa analisis parameter saiz dan bentuk dari semasa ke semasa boleh menunjukkan pengambilan niobium oksida oleh mikroalga dengan kehadiran Nb-MXene.
Tambahan pula, MXena boleh dioksidakan dengan kehadiran alga. Dalai et al.75 memerhatikan bahawa morfologi alga hijau yang terdedah kepada nano-TiO2 dan Al2O376 adalah tidak seragam. Walaupun pemerhatian kami serupa dengan kajian ini, ia hanya relevan dengan kajian kesan bioremediasi dari segi produk degradasi MXena dengan kehadiran nanoflake 2D dan bukan nanopartikel. Memandangkan MXena boleh terdegradasi menjadi oksida logam,31,32,77,78 adalah munasabah untuk mengandaikan bahawa nanoflake Nb kita juga boleh membentuk oksida Nb selepas berinteraksi dengan sel mikroalga.
Untuk menjelaskan pengurangan nanoflake 2D-Nb melalui mekanisme penguraian berdasarkan proses pengoksidaan, kami menjalankan kajian menggunakan mikroskop elektron penghantaran resolusi tinggi (HRTEM) (Rajah 7a,b) dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) (Rajah 7). 7c-i dan jadual S4-5). Kedua-dua pendekatan ini sesuai untuk mengkaji pengoksidaan bahan 2D dan saling melengkapi. HRTEM berupaya menganalisis degradasi struktur berlapis dua dimensi dan kemunculan nanopartikel oksida logam seterusnya, manakala XPS sensitif terhadap ikatan permukaan. Untuk tujuan ini, kami menguji nanoflake Nb-MXena 2D yang diekstrak daripada penyebaran sel mikroalga, iaitu bentuknya selepas interaksi dengan sel mikroalga (lihat Rajah 7).
Imej HRTEM menunjukkan morfologi (a) SL Nb2CTx dan (b) SL Nb4C3Tx MXenes yang teroksida, keputusan analisis XPS menunjukkan (c) komposisi produk oksida selepas penurunan, (d–f) pemadanan puncak komponen spektrum XPS SL Nb2CTx dan (g–i) Nb4C3Tx SL yang dibaiki dengan mikroalga hijau.
Kajian HRTEM mengesahkan pengoksidaan dua jenis nanoflake Nb-MXena. Walaupun nanoflake mengekalkan morfologi dua dimensinya sehingga tahap tertentu, pengoksidaan mengakibatkan kemunculan banyak nanopartikel yang menutupi permukaan nanoflake MXena (lihat Rajah 7a,b). Analisis XPS bagi isyarat c Nb 3d dan O 1s menunjukkan bahawa oksida Nb telah terbentuk dalam kedua-dua kes. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7c, 2D MXena Nb2CTx dan Nb4C3TX mempunyai isyarat Nb 3d yang menunjukkan kehadiran oksida NbO dan Nb2O5, manakala isyarat O 1s menunjukkan bilangan ikatan O–Nb yang berkaitan dengan pemfungsian permukaan nanoflake 2D. Kami mendapati bahawa sumbangan Nb oksida adalah dominan berbanding Nb-C dan Nb3+-O.
Pada rajah. Rajah 7g–i menunjukkan spektrum XPS bagi Nb 3d, C 1s, dan O 1s SL Nb2CTx (lihat Rajah 7d–f) dan SL Nb4C3TX MXena yang diasingkan daripada sel mikroalga. Butiran parameter puncak Nb-MXena diberikan dalam Jadual S4–5, masing-masing. Kami mula-mula menganalisis komposisi Nb 3d. Berbeza dengan Nb yang diserap oleh sel mikroalga, dalam MXena yang diasingkan daripada sel mikroalga, selain daripada Nb2O5, komponen lain ditemui. Dalam Nb2CTx SL, kami memerhatikan sumbangan Nb3+-O dalam jumlah 15%, manakala spektrum Nb 3d yang lain didominasi oleh Nb2O5 (85%). Di samping itu, sampel SL Nb4C3TX mengandungi komponen Nb-C (9%) dan Nb2O5 (91%). Di sini, Nb-C berasal daripada dua lapisan atom dalaman karbida logam dalam Nb4C3Tx SR. Kemudian, kami memetakan spektrum C1s kepada empat komponen berbeza, seperti yang kami lakukan dalam sampel dalaman. Seperti yang dijangkakan, spektrum C1s didominasi oleh karbon grafit, diikuti oleh sumbangan daripada zarah organik (CHx/CO dan C=O) daripada sel mikroalga. Di samping itu, dalam spektrum O1s, kami memerhatikan sumbangan bentuk organik sel mikroalga, niobium oksida dan air yang terserap.
Di samping itu, kami menyiasat sama ada pembelahan Nb-MXenes dikaitkan dengan kehadiran spesies oksigen reaktif (ROS) dalam medium nutrien dan/atau sel mikroalga. Untuk tujuan ini, kami menilai tahap oksigen singlet (1O2) dalam medium kultur dan glutation intraselular, sejenis tiol yang bertindak sebagai antioksidan dalam mikroalga. Keputusan ditunjukkan dalam SI (Rajah S20 dan S21). Kultur dengan SL Nb2CTx dan Nb4C3TX MXenes dicirikan oleh jumlah 1O2 yang dikurangkan (lihat Rajah S20). Dalam kes SL Nb2CTx, MXene 1O2 dikurangkan kepada kira-kira 83%. Bagi kultur mikroalga yang menggunakan SL, Nb4C3TX 1O2 menurun lebih banyak, kepada 73%. Menariknya, perubahan dalam 1O2 menunjukkan trend yang sama seperti kesan perangsangan perencatan yang diperhatikan sebelum ini (lihat Rajah 3). Boleh dikatakan bahawa pengeraman dalam cahaya terang boleh mengubah fotooksidasi. Walau bagaimanapun, keputusan analisis kawalan menunjukkan tahap 1O2 yang hampir malar semasa eksperimen (Rajah S22). Dalam kes tahap ROS intraselular, kami juga memerhatikan trend menurun yang sama (lihat Rajah S21). Pada mulanya, tahap ROS dalam sel mikroalga yang dikultur dengan kehadiran Nb2CTx dan Nb4C3Tx SL melebihi tahap yang terdapat dalam kultur tulen mikroalga. Walau bagaimanapun, akhirnya, mikroalga tersebut menyesuaikan diri dengan kehadiran kedua-dua Nb-MXenes, kerana tahap ROS menurun kepada 85% dan 91% daripada tahap yang diukur dalam kultur tulen mikroalga yang diinokulasi dengan SL Nb2CTx dan Nb4C3TX, masing-masing. Ini mungkin menunjukkan bahawa mikroalga berasa lebih selesa dari semasa ke semasa dengan kehadiran Nb-MXenes berbanding dalam medium nutrien sahaja.
Mikroalga merupakan kumpulan organisma fotosintesis yang pelbagai. Semasa fotosintesis, ia menukar karbon dioksida atmosfera (CO2) kepada karbon organik. Hasil fotosintesis ialah glukosa dan oksigen79. Kami mengesyaki bahawa oksigen yang terbentuk memainkan peranan penting dalam pengoksidaan Nb-MXena. Satu penjelasan yang mungkin untuk ini ialah parameter pengudaraan berbeza terbentuk pada tekanan separa oksigen yang rendah dan tinggi di luar dan di dalam nanoflake Nb-MXena. Ini bermakna di mana sahaja terdapat kawasan tekanan separa oksigen yang berbeza, kawasan dengan aras terendah akan membentuk anod 80, 81, 82. Di sini, mikroalga menyumbang kepada penciptaan sel yang diudarakan secara berbeza pada permukaan kepingan MXena, yang menghasilkan oksigen disebabkan oleh sifat fotosintesisnya. Hasilnya, produk biokarat (dalam kes ini, niobium oksida) terbentuk. Aspek lain ialah mikroalga boleh menghasilkan asid organik yang dilepaskan ke dalam air83,84. Oleh itu, persekitaran yang agresif terbentuk, sekali gus mengubah Nb-MXena. Di samping itu, mikroalga boleh mengubah pH persekitaran kepada alkali disebabkan oleh penyerapan karbon dioksida, yang juga boleh menyebabkan kakisan79.
Lebih penting lagi, fotokala gelap/terang yang digunakan dalam kajian kami adalah penting untuk memahami hasil yang diperoleh. Aspek ini diterangkan secara terperinci dalam Djemai-Zoghlache et al. 85 Mereka sengaja menggunakan fotokala 12/12 jam untuk menunjukkan biokarat yang berkaitan dengan biofouling oleh mikroalga merah Porphyridium purpureum. Mereka menunjukkan bahawa fotokala dikaitkan dengan evolusi potensi tanpa biokarat, yang menunjukkan dirinya sebagai ayunan pseudoperiodik sekitar jam 24:00. Pemerhatian ini telah disahkan oleh Dowling et al. 86 Mereka menunjukkan biofilm fotosintetik sianobakteria Anabaena. Oksigen terlarut terbentuk di bawah tindakan cahaya, yang dikaitkan dengan perubahan atau turun naik dalam potensi biokarat bebas. Kepentingan fotokala ditekankan oleh fakta bahawa potensi bebas untuk biokarat meningkat dalam fasa terang dan berkurangan dalam fasa gelap. Ini disebabkan oleh oksigen yang dihasilkan oleh mikroalga fotosintetik, yang mempengaruhi tindak balas katodik melalui tekanan separa yang dijana berhampiran elektrod87.
Di samping itu, spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) telah dijalankan untuk mengetahui sama ada sebarang perubahan berlaku dalam komposisi kimia sel mikroalga selepas interaksi dengan Nb-MXenes. Keputusan yang diperoleh ini adalah kompleks dan kami membentangkannya dalam SI (Rajah S23-S25, termasuk keputusan peringkat MAX dan ML MXenes). Pendek kata, spektrum rujukan mikroalga yang diperoleh memberikan kita maklumat penting tentang ciri-ciri kimia organisma 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. one. 1 1 (C–H) dan 3280 cm–1 (O–H). Bagi SL Nb-MXenes, kami menemui tanda regangan ikatan CH yang konsisten dengan kajian kami sebelum ini38. Walau bagaimanapun, kami mendapati bahawa beberapa puncak tambahan yang berkaitan dengan ikatan C=C dan CH telah hilang. Ini menunjukkan bahawa komposisi kimia mikroalga mungkin mengalami perubahan kecil akibat interaksi dengan SL Nb-MXenes.
Apabila mempertimbangkan kemungkinan perubahan dalam biokimia mikroalga, pengumpulan oksida bukan organik, seperti niobium oksida, perlu dipertimbangkan semula59. Ia terlibat dalam pengambilan logam oleh permukaan sel, pengangkutannya ke dalam sitoplasma, perkaitannya dengan kumpulan karboksil intraselular, dan pengumpulannya dalam polifosfosom mikroalga20,88,89,90. Di samping itu, hubungan antara mikroalga dan logam dikekalkan oleh kumpulan berfungsi sel. Atas sebab ini, penyerapan juga bergantung pada kimia permukaan mikroalga, yang agak kompleks9,91. Secara amnya, seperti yang dijangkakan, komposisi kimia mikroalga hijau berubah sedikit disebabkan oleh penyerapan Nb oksida.
Menariknya, perencatan awal mikroalga yang diperhatikan boleh diterbalikkan dari semasa ke semasa. Seperti yang kami perhatikan, mikroalga mengatasi perubahan persekitaran awal dan akhirnya kembali kepada kadar pertumbuhan normal dan juga meningkat. Kajian potensi zeta menunjukkan kestabilan yang tinggi apabila diperkenalkan ke dalam media nutrien. Oleh itu, interaksi permukaan antara sel mikroalga dan nanoflake Nb-MXene dikekalkan sepanjang eksperimen pengurangan. Dalam analisis lanjut kami, kami meringkaskan mekanisme tindakan utama yang mendasari tingkah laku mikroalga yang luar biasa ini.
Pemerhatian SEM telah menunjukkan bahawa mikroalga cenderung melekat pada Nb-MXenes. Dengan menggunakan analisis imej dinamik, kami mengesahkan bahawa kesan ini membawa kepada transformasi nanoflake Nb-MXenes dua dimensi kepada zarah yang lebih sfera, sekali gus menunjukkan bahawa penguraian nanoflakes dikaitkan dengan pengoksidaannya. Untuk menguji hipotesis kami, kami menjalankan satu siri kajian bahan dan biokimia. Selepas ujian, nanoflakes secara beransur-ansur teroksida dan terurai menjadi produk NbO dan Nb2O5, yang tidak menimbulkan ancaman kepada mikroalga hijau. Dengan menggunakan pemerhatian FTIR, kami tidak menemui perubahan ketara dalam komposisi kimia mikroalga yang diinkubasi dengan kehadiran nanoflake Nb-MXenes 2D. Dengan mengambil kira kemungkinan penyerapan niobium oksida oleh mikroalga, kami menjalankan analisis pendarfluor sinar-X. Keputusan ini dengan jelas menunjukkan bahawa mikroalga yang dikaji memakan niobium oksida (NbO dan Nb2O5), yang tidak toksik kepada mikroalga yang dikaji.