Hatur nuhun parantos nganjang ka Nature.com. Anjeun nganggo vérsi browser anu dukungan CSSna terbatas. Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun anjeun nganggo browser anu diénggalan (atanapi mareuman Modeu Kompatibilitas dina Internet Explorer). Samentawis waktos, pikeun mastikeun dukungan anu terus-terusan, kami bakal ngarender situs ieu tanpa gaya sareng JavaScript.
Nampilkeun korsel tilu slide sakaligus. Anggo tombol Sateuacanna sareng Salajengna pikeun ngaléngkah dina tilu slide sakaligus, atanapi anggo tombol slider di tungtungna pikeun ngaléngkah dina tilu slide sakaligus.
Kamajuan nanotéhnologi anu gancang sareng integrasina kana aplikasi sadidinten tiasa ngancam lingkungan. Sanaos metode héjo pikeun degradasi kontaminan organik parantos ditetepkeun, pamulihan kontaminan kristalin anorganik janten perhatian utama kusabab sensitivitasna anu handap kana biotransformasi sareng kurangna pamahaman ngeunaan interaksi permukaan bahan sareng anu biologis. Di dieu, urang nganggo modél MXenes 2D anorganik berbasis Nb digabungkeun sareng metode analisis parameter bentuk anu saderhana pikeun ngalacak mékanisme bioremediasi nanomaterial keramik 2D ku mikroalga héjo Raphidocelis subcapitata. Kami mendakan yén mikroalga ngadegradasi MXenes berbasis Nb kusabab interaksi fisiko-kimia anu aya hubunganana sareng permukaan. Mimitina, nanoflakes MXene lapisan tunggal sareng multilapis napel kana permukaan mikroalga, anu rada ngirangan kamekaran ganggang. Nanging, saatos interaksi anu berkepanjangan sareng permukaan, mikroalga ngoksidasi nanoflakes MXene sareng salajengna ngarecahna janten NbO sareng Nb2O5. Kusabab oksida-oksida ieu henteu toksik pikeun sél mikroalga, éta ngonsumsi nanopartikel oksida Nb ku mékanisme panyerepan anu salajengna mulangkeun mikroalga saatos 72 jam pangolahan cai. Pangaruh nutrisi anu aya hubunganana sareng panyerepan ogé katingali dina paningkatan volume sél, bentukna anu lemes sareng parobahan dina laju kamekaran. Dumasar kana panemuan ieu, urang nyimpulkeun yén ayana MXenes berbasis Nb dina ékosistem cai tawar dina jangka pondok sareng jangka panjang ngan ukur tiasa nyababkeun dampak lingkungan anu minor. Perlu dicatet yén, nganggo nanomaterial dua diménsi salaku sistem modél, urang nunjukkeun kamungkinan pikeun ngalacak transformasi bentuk bahkan dina bahan anu halus. Sacara umum, panilitian ieu ngajawab patarosan dasar anu penting ngeunaan prosés anu aya hubunganana sareng interaksi permukaan anu ngadorong mékanisme bioremediasi nanomaterial 2D sareng nyayogikeun dasar pikeun panilitian jangka pondok sareng jangka panjang salajengna ngeunaan dampak lingkungan nanomaterial kristalin anorganik.
Nanomaterial parantos ngahasilkeun seueur minat saprak kapanggihna, sareng rupa-rupa nanotéhnologi nembe lebet kana fase modernisasi1. Hanjakalna, integrasi nanomaterial kana aplikasi sadidinten tiasa nyababkeun pelepasan anu teu dihaja kusabab pembuangan anu teu leres, penanganan anu teu ati-ati, atanapi infrastruktur kaamanan anu teu cekap. Ku alatan éta, masuk akal pikeun nganggap yén nanomaterial, kalebet nanomaterial dua diménsi (2D), tiasa dileupaskeun kana lingkungan alam, paripolah sareng aktivitas biologisna tacan kahartos sapinuhna. Ku alatan éta, teu anéh yén perhatian kana ékotoksitas parantos museur kana kamampuan nanomaterial 2D pikeun lebet kana sistem akuatik2,3,4,5,6. Dina ékosistem ieu, sababaraha nanomaterial 2D tiasa berinteraksi sareng rupa-rupa organisme dina tingkat trofik anu béda, kalebet mikroalga.
Mikroalga nyaéta organisme primitif anu kapanggih sacara alami dina ékosistem cai tawar sareng laut anu ngahasilkeun rupa-rupa produk kimia ngaliwatan fotosintésis7. Ku kituna, éta penting pisan pikeun ékosistem akuatik8,9,10,11,12 tapi ogé indikator ékotoksitas anu sénsitip, murah sareng seueur dianggo13,14. Kusabab sél mikroalga baranahan gancang sareng gancang ngaréspon kana ayana rupa-rupa sanyawa, éta ngajangjikeun pikeun pamekaran metode anu ramah lingkungan pikeun ngolah cai anu kacemar ku zat organik15,16.
Sél ganggang bisa miceun ion anorganik tina cai ngaliwatan biosorpsi jeung akumulasi17,18. Sababaraha spésiés ganggang saperti Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue jeung Synechococcus sp. Ieu ganggang geus kapanggih mawa komo deui ngajaga ion logam toksik saperti Fe2+, Cu2+, Zn2+ jeung Mn2+19. Panilitian séjén geus némbongkeun yén ion Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ atawa Pb2+ ngawatesan tumuwuhna Scenedesmus ku cara ngarobah morfologi sél jeung ngancurkeun kloroplasna20,21.
Métode héjo pikeun dékomposisi polutan organik sareng miceun ion logam beurat parantos narik perhatian para ilmuwan sareng insinyur di sakumna dunya. Ieu utamina kusabab kanyataan yén polutan ieu gampang diolah dina fase cair. Nanging, polutan kristalin anorganik dicirikeun ku kalarutan cai anu handap sareng karentanan anu handap kana rupa-rupa biotransformasi, anu nyababkeun kasusah anu ageung dina remediasi, sareng sakedik kamajuan anu parantos dilakukeun dina widang ieu22,23,24,25,26. Ku kituna, milarian solusi anu ramah lingkungan pikeun perbaikan nanomaterial tetep janten daérah anu rumit sareng teu acan dijelajah. Kusabab tingkat kateupastian anu luhur ngeunaan épék biotransformasi nanomaterial 2D, teu aya cara anu gampang pikeun milarian jalur degradasi anu mungkin nalika réduksi.
Dina ieu panilitian, urang nganggo mikroalga héjo salaku agén bioremediasi cai aktif pikeun bahan keramik anorganik, digabungkeun sareng pemantauan in situ prosés degradasi MXene salaku wawakil bahan keramik anorganik. Istilah "MXene" ngagambarkeun stoikiometri bahan Mn+1XnTx, dimana M mangrupikeun logam transisi awal, X nyaéta karbon sareng/atanapi nitrogén, Tx mangrupikeun terminator permukaan (contona, -OH, -F, -Cl), sareng n = 1, 2, 3 atanapi 427.28. Kusabab kapanggihna MXene ku Naguib et al. Sensorics, terapi kanker sareng filtrasi mémbran 27,29,30. Salaku tambahan, MXene tiasa dianggap salaku sistem modél 2D kusabab stabilitas koloid anu saé sareng kamungkinan interaksi biologis 31,32,33,34,35,36.
Ku kituna, metodologi anu dikembangkeun dina tulisan ieu sareng hipotesis panalungtikan kami dipidangkeun dina Gambar 1. Numutkeun hipotesis ieu, mikroalga ngadegradasi MXenes berbasis Nb janten sanyawa anu henteu toksik kusabab interaksi fisiko-kimia anu aya hubunganana sareng permukaan, anu ngamungkinkeun pamulihan ganggang salajengna. Pikeun nguji hipotesis ieu, dua anggota kulawarga karbida logam transisi berbasis niobium awal sareng/atanapi nitrida (MXenes), nyaéta Nb2CTx sareng Nb4C3TX, dipilih.
Metodologi panalungtikan sareng hipotesis dumasar bukti pikeun pamulihan MXene ku mikroalga héjo Raphidocelis subcapitata. Punten perhatoskeun yén ieu ngan ukur gambaran skematis tina asumsi dumasar bukti. Lingkungan situ béda-béda dina média nutrisi anu dianggo sareng kaayaanana (contona, siklus diurnal sareng watesan dina nutrisi penting anu sayogi). Didamel nganggo BioRender.com.
Ku kituna, ku ngagunakeun MXene salaku sistem modél, urang parantos muka panto pikeun ulikan ngeunaan rupa-rupa pangaruh biologis anu teu tiasa dititénan ku nanomaterial konvensional anu sanés. Khususna, urang nunjukkeun kamungkinan bioremediasi nanomaterial dua diménsi, sapertos MXenes dumasar niobium, ku mikroalga Raphidocelis subcapitata. Mikroalga tiasa ngadegradasi Nb-MXenes kana oksida non-toksik NbO sareng Nb2O5, anu ogé nyayogikeun nutrisi ngalangkungan mékanisme serapan niobium. Sacara umum, ulikan ieu ngajawab patarosan dasar anu penting ngeunaan prosés anu aya hubunganana sareng interaksi fisikokimia permukaan anu ngatur mékanisme bioremediasi nanomaterial dua diménsi. Salaku tambahan, urang ngembangkeun metode dumasar kana bentuk-parameter anu saderhana pikeun ngalacak parobahan anu halus dina bentuk nanomaterial 2D. Ieu ngainspirasi panalungtikan jangka pondok sareng jangka panjang salajengna kana rupa-rupa dampak lingkungan tina nanomaterial kristalin anorganik. Ku kituna, ulikan urang ningkatkeun pamahaman ngeunaan interaksi antara permukaan bahan sareng bahan biologis. Kami ogé nyayogikeun dasar pikeun panilitian jangka pondok sareng jangka panjang anu langkung lega ngeunaan kamungkinan dampakna kana ékosistem cai tawar, anu ayeuna tiasa gampang diverifikasi.
MXenes ngawakilan kelas bahan anu pikaresepeun kalayan sipat fisik sareng kimia anu unik sareng pikaresepeun sahingga seueur aplikasi poténsial. Sipat-sipat ieu gumantung pisan kana stoikiometri sareng kimia permukaanna. Ku alatan éta, dina panilitian kami, kami nalungtik dua jinis MXenes lapisan tunggal hirarkis (SL) berbasis Nb, Nb2CTx sareng Nb4C3TX, sabab épék biologis anu béda tina nanomaterial ieu tiasa dititénan. MXenes dihasilkeun tina bahan awalna ku cara ngetsa selektif ti luhur ka handap tina lapisan-A fase-MAX anu ipis sacara atom. Fase MAX nyaéta keramik terner anu diwangun ku blok "kabeungkeut" karbida logam transisi sareng lapisan ipis unsur "A" sapertos Al, Si, sareng Sn kalayan stoikiometri MnAXn-1. Morfologi fase MAX awal dititénan ku mikroskop éléktron scanning (SEM) sareng saluyu sareng panilitian sateuacana (Tingali Inpormasi Tambahan, SI, Gambar S1). Multilayer (ML) Nb-MXenes diala saatos miceun lapisan Al kalayan 48% HF (asam hidrofluorat). Morfologi ML-Nb2CTx sareng ML-Nb4C3TX ditalungtik ku mikroskop éléktron scanning (SEM) (Gambar S1c sareng S1d masing-masing) sareng morfologi MXene berlapis has anu dititénan, sami sareng nanoflake dua diménsi anu ngalangkungan celah sapertos pori anu manjang. Duanana Nb-MXenes gaduh seueur kamiripan sareng fase MXene anu sateuacanna disintésis ku etsa asam27,38. Saatos mastikeun struktur MXene, urang ngalapisna ku interkalasi tetrabutilammonium hidroksida (TBAOH) dituturkeun ku pencucian sareng sonikasi, saatos éta urang kéngingkeun nanoflake Nb-MXenes 2D lapisan tunggal atanapi lapisan handap (SL).
Kami nganggo mikroskop éléktron transmisi résolusi luhur (HRTEM) sareng difraksi sinar-X (XRD) pikeun nguji efisiensi étsa sareng peeling salajengna. Hasil HRTEM anu diprosés nganggo Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) sareng Fast Fourier Transform (FFT) dipidangkeun dina Gambar 2. Nanoflakes Nb-MXene diorientasikeun sisi ka luhur pikeun mariksa struktur lapisan atom sareng ngukur jarak antarplanar. Gambar HRTEM tina nanoflakes MXene Nb2CTx sareng Nb4C3TX ngungkabkeun sipat lapisan ipis atomikna (tingali Gambar 2a1, a2), sapertos anu dilaporkeun sateuacanna ku Naguib et al.27 sareng Jastrzębska et al.38. Pikeun dua lapisan mono Nb2CTx sareng Nb4C3Tx anu padeukeut, kami nangtukeun jarak antar lapisan masing-masing 0,74 sareng 1,54 nm (Gambar 2b1,b2), anu ogé saluyu sareng hasil kami sateuacanna38. Ieu salajengna dikonfirmasi ku transformasi Fourier gancang tibalik (Gambar 2c1, c2) sareng transformasi Fourier gancang (Gambar 2d1, d2) anu nunjukkeun jarak antara lapisan tunggal Nb2CTx sareng Nb4C3Tx. Gambar éta nunjukkeun silih ganti pita caang sareng poék anu saluyu sareng atom niobium sareng karbon, anu mastikeun sifat berlapis tina MXenes anu ditalungtik. Penting pikeun dicatet yén spéktroskopi sinar-X dispersif énergi (EDX) anu diala pikeun Nb2CTx sareng Nb4C3Tx (Gambar S2a sareng S2b) henteu nunjukkeun sésa-sésa fase MAX aslina, kumargi teu aya puncak Al anu dideteksi.
Karakterisasi nanoflake SL Nb2CTx sareng Nb4C3Tx MXene, kalebet (a) pencitraan nanoflake 2D tampilan sisi mikroskop éléktron résolusi luhur (HRTEM) sareng anu saluyu, (b) modeu inténsitas, (c) transformasi Fourier gancang tibalik (IFFT), (d) transformasi Fourier gancang (FFT), (e) pola sinar-X Nb-MXenes. Pikeun SL 2D Nb2CTx, angka-angka dinyatakeun salaku (a1, b1, c1, d1, e1). Pikeun SL 2D Nb4C3Tx, angka-angka dinyatakeun salaku (a2, b2, c2, d2, e1).
Pangukuran difraksi sinar-X tina SL Nb2CTx sareng Nb4C3Tx MXenes dipidangkeun dina Gambar 2e1 sareng e2, masing-masing. Puncak (002) dina 4.31 sareng 4.32 pakait sareng MXenes berlapis Nb2CTx sareng Nb4C3TX38,39,40,41 anu parantos dijelaskeun sateuacanna. Hasil XRD ogé nunjukkeun ayana sababaraha struktur ML sésa sareng fase MAX, tapi kalolobaanana pola XRD anu aya hubunganana sareng SL Nb4C3Tx (Gambar 2e2). Ayana partikel anu langkung alit tina fase MAX tiasa ngajelaskeun puncak MAX anu langkung kuat dibandingkeun sareng lapisan Nb4C3Tx anu ditumpuk sacara acak.
Panalungtikan salajengna parantos museur kana mikroalga héjo anu kagolong kana spésiés R. subcapitata. Kami milih mikroalga sabab éta mangrupikeun produsen penting anu kalibet dina jaring dahareun utama42. Éta ogé mangrupikeun salah sahiji indikator toksisitas anu pangsaéna kusabab kamampuan pikeun miceun zat toksik anu dibawa ka tingkat ranté dahareun anu langkung luhur43. Salaku tambahan, panalungtikan ngeunaan R. subcapitata tiasa ngajelaskeun toksisitas insidental SL Nb-MXenes ka mikroorganisme cai tawar umum. Pikeun ngagambarkeun ieu, para panaliti ngahipotésis yén unggal mikroba gaduh sensitivitas anu béda kana sanyawa toksik anu aya di lingkungan. Pikeun kaseueuran organisme, konsentrasi zat anu handap henteu mangaruhan kamekaranana, sedengkeun konsentrasi di luhur wates anu tangtu tiasa ngahalangan aranjeunna atanapi bahkan nyababkeun maot. Ku alatan éta, pikeun panilitian kami ngeunaan interaksi permukaan antara mikroalga sareng MXenes sareng pamulihan anu aya hubunganana, kami mutuskeun pikeun nguji konsentrasi Nb-MXenes anu henteu bahaya sareng toksik. Pikeun ngalakukeun ieu, urang nguji konsentrasi 0 (salaku rujukan), 0,01, 0,1 sareng 10 mg l-1 MXene sareng salajengna ngainféksi mikroalga kalayan konsentrasi MXene anu luhur pisan (100 mg l-1 MXene), anu tiasa ekstrim sareng fatal. . pikeun lingkungan biologis naon waé.
Pangaruh SL Nb-MXenes kana mikroalga dipidangkeun dina Gambar 3, anu dinyatakeun salaku persentase promosi kamekaran (+) atanapi inhibisi (-) anu diukur pikeun sampel 0 mg l-1. Pikeun babandingan, fase Nb-MAX sareng ML Nb-MXenes ogé diuji sareng hasilna dipidangkeun dina SI (tingali Gambar S3). Hasil anu diala mastikeun yén SL Nb-MXenes ampir teu aya toksikna dina kisaran konsentrasi rendah ti 0,01 dugi ka 10 mg/l, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 3a,b. Dina kasus Nb2CTx, urang niténan teu langkung ti 5% ékotoksisitas dina kisaran anu ditangtukeun.
Stimulasi (+) atanapi inhibisi (-) kamekaran mikroalga dina ayana SL (a) Nb2CTx sareng (b) Nb4C3TX MXene. Interaksi MXene-mikroalga salami 24, 48 sareng 72 jam dianalisis. Data anu signifikan (uji-t, p < 0,05) ditandaan ku tanda asterisk (*). Data anu signifikan (uji-t, p < 0,05) ditandaan ku tanda asterisk (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Data anu signifikan (uji-t, p < 0,05) ditandaan ku tanda 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 (t-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Data penting (uji-t, p < 0,05) ditandaan ku tanda asterisk (*).Panah beureum nunjukkeun geus euweuhna rangsangan inhibisi.
Di sisi séjén, konsentrasi Nb4C3TX anu handap tétéla rada langkung toksik, tapi henteu langkung luhur tibatan 7%. Sapertos anu dipiharep, urang niténan yén MXenes ngagaduhan toksisitas sareng inhibisi pertumbuhan mikroalga anu langkung luhur dina 100 mg L-1. Anu pikaresepeun, teu aya bahan anu nunjukkeun tren sareng gumantungna waktos anu sami tina épék atoksik/toksik dibandingkeun sareng sampel MAX atanapi ML (tingali SI kanggo langkung rinci). Sedengkeun pikeun fase MAX (tingali Gambar S3) toksisitas ngahontal sakitar 15–25% sareng ningkat sapanjang waktos, tren sabalikna dititénan pikeun SL Nb2CTx sareng Nb4C3TX MXene. Inhibisi pertumbuhan mikroalga nurun sapanjang waktos. Éta ngahontal sakitar 17% saatos 24 jam sareng turun janten kirang ti 5% saatos 72 jam (Gambar 3a, b, masing-masing).
Anu langkung penting, pikeun SL Nb4C3TX, inhibisi pertumbuhan mikroalga ngahontal sakitar 27% saatos 24 jam, tapi saatos 72 jam éta turun janten sakitar 1%. Ku alatan éta, urang nyebat pangaruh anu dititénan salaku inhibisi stimulasi tibalik, sareng pangaruhna langkung kuat pikeun SL Nb4C3TX MXene. Stimulasi pertumbuhan mikroalga dicatet sateuacanna ku Nb4C3TX (interaksi dina 10 mg L-1 salami 24 jam) dibandingkeun sareng SL Nb2CTx MXene. Pangaruh pambalikan inhibisi-stimulasi ogé dipidangkeun kalayan saé dina kurva laju penggandaan biomassa (tingali Gambar S4 kanggo langkung rinci). Dugi ka ayeuna, ngan ukur ekotoksisitas Ti3C2TX MXene anu parantos dikaji ku cara anu béda. Éta henteu toksik pikeun émbrio lauk zebra44 tapi sedeng ekotoksisitas pikeun pepelakan mikroalga Desmodesmus quadricauda sareng Sorghum saccharatum45. Conto sanés tina pangaruh khusus kalebet toksisitas anu langkung luhur pikeun garis sél kanker tibatan garis sél normal46,47. Bisa dianggap yén kaayaan tés bakal mangaruhan parobahan dina kamekaran mikroalga anu dititénan dina ayana Nb-MXenes. Salaku conto, pH sakitar 8 dina stroma kloroplas optimal pikeun operasi énzim RuBisCO anu efisien. Ku alatan éta, parobahan pH mangaruhan négatif laju fotosintésis48,49. Nanging, urang henteu niténan parobahan anu signifikan dina pH salami ékspérimén (tingali SI, Gambar S5 kanggo langkung lengkepna). Sacara umum, kultur mikroalga nganggo Nb-MXenes rada ngirangan pH larutan kana waktosna. Nanging, panurunan ieu sami sareng parobahan dina pH média murni. Salaku tambahan, rentang variasi anu kapendak sami sareng anu diukur pikeun kultur mikroalga murni (sampel kontrol). Ku kituna, urang nyimpulkeun yén fotosintésis henteu kapangaruhan ku parobahan pH kana waktosna.
Salian ti éta, MXenes anu disintésis ngagaduhan tungtung permukaan (dilambangkeun salaku Tx). Ieu utamina gugus fungsi -O, -F sareng -OH. Nanging, kimia permukaan aya hubunganana langsung sareng metode sintésis. Gugus ieu dipikanyaho disebarkeun sacara acak di luhur permukaan, janten hésé pikeun ngaduga pangaruhna kana sipat MXenes50. Bisa dibantah yén Tx tiasa janten gaya katalitik pikeun oksidasi niobium ku cahaya. Gugus fungsi permukaan memang nyayogikeun sababaraha situs jangkar pikeun fotokatalis anu aya di handapeunna pikeun ngabentuk heterojunction51. Nanging, komposisi média pertumbuhan henteu nyayogikeun fotokatalis anu efektif (komposisi média anu lengkep tiasa dipendakan dina Tabel SI S6). Salaku tambahan, modifikasi permukaan naon waé ogé penting pisan, sabab aktivitas biologis MXenes tiasa dirobih kusabab pasca-pamrosésan lapisan, oksidasi, modifikasi permukaan kimiawi sanyawa organik sareng anorganik52,53,54,55,56 atanapi rékayasa muatan permukaan38. Ku kituna, pikeun nguji naha niobium oksida aya hubunganana sareng ketidakstabilan bahan dina média, kami ngalaksanakeun panilitian ngeunaan poténsi zeta (ζ) dina média pertumbuhan mikroalga sareng cai deionisasi (kanggo babandingan). Hasil kami nunjukkeun yén SL Nb-MXenes cukup stabil (tingali Gambar SI S6 pikeun hasil MAX sareng ML). Poténsi zeta SL MXenes nyaéta sakitar -10 mV. Dina kasus SR Nb2CTx, nilai ζ rada langkung négatip tibatan Nb4C3Tx. Parobihan sapertos kitu dina nilai ζ tiasa nunjukkeun yén permukaan nanoflake MXenes anu muatanna négatip nyerep ion anu muatanna positip tina média kultur. Pangukuran temporal tina poténsi zeta sareng konduktivitas Nb-MXenes dina média kultur (tingali Gambar S7 sareng S8 dina SI pikeun langkung rinci) sigana ngadukung hipotesis kami.
Nanging, duanana Nb-MXene SL nunjukkeun parobahan minimal ti enol. Ieu sacara jelas nunjukkeun stabilitasna dina média pertumbuhan mikroalga. Salian ti éta, kami meunteun naha ayana mikroalga héjo kami bakal mangaruhan stabilitas Nb-MXenes dina média. Hasil poténsi zeta sareng konduktivitas MXenes saatos interaksi sareng mikroalga dina média nutrisi sareng kultur kana waktosna tiasa dipendakan dina SI (Gambar S9 sareng S10). Anu pikaresepeun, kami perhatoskeun yén ayana mikroalga sigana ngastabilkeun dispersi duanana MXenes. Dina kasus Nb2CTx SL, poténsi zeta malah rada turun kana waktosna ka nilai anu langkung négatip (-15,8 versus -19,1 mV saatos 72 jam inkubasi). Poténsi zeta SL Nb4C3TX rada ningkat, tapi saatos 72 jam éta masih nunjukkeun stabilitas anu langkung luhur tibatan nanoflakes tanpa ayana mikroalga (-18,1 vs. -9,1 mV).
Kami ogé mendakan konduktivitas anu langkung handap tina larutan Nb-MXene anu diinkubasi dina ayana mikroalga, nunjukkeun jumlah ion anu langkung handap dina média nutrisi. Anu penting, ketidakstabilan MXene dina cai utamina disababkeun ku oksidasi permukaan57. Ku alatan éta, kami curiga yén mikroalga héjo kumaha waé ngabersihkeun oksida anu kabentuk dina permukaan Nb-MXene sareng bahkan nyegah kajadianana (oksidasi MXene). Ieu tiasa ditingali ku cara nalungtik jinis zat anu diserep ku mikroalga.
Sanaos panilitian ékotoksikologis kami nunjukkeun yén mikroalga tiasa ngungkulan toksisitas Nb-MXenes kana waktosna sareng inhibisi anu teu biasa tina pertumbuhan anu dirangsang, tujuan panilitian kami nyaéta pikeun nalungtik mékanisme aksi anu mungkin. Nalika organisme sapertos ganggang kakeunaan sanyawa atanapi bahan anu teu wawuh kana ékosistemna, aranjeunna tiasa réaksi dina rupa-rupa cara58,59. Upami teu aya oksida logam toksik, mikroalga tiasa nyoco dirina sorangan, ngamungkinkeun aranjeunna tumuh terus-terusan60. Saatos ngonsumsi zat toksik, mékanisme pertahanan tiasa diaktipkeun, sapertos ngarobih bentuk atanapi wujud. Kamungkinan panyerepan ogé kedah dipertimbangkeun58,59. Anu penting, tanda-tanda mékanisme pertahanan mangrupikeun indikator anu jelas ngeunaan toksisitas sanyawa uji. Ku alatan éta, dina panilitian salajengna, kami nalungtik poténsi interaksi permukaan antara nanoflake SL Nb-MXenes sareng mikroalga ku SEM sareng kamungkinan panyerepan MXene berbasis Nb ku spéktroskopi fluoresensi sinar-X (XRF). Catet yén analisis SEM sareng XRF ngan ukur dilakukeun dina konsentrasi MXene anu pangluhurna pikeun ngatasi masalah toksisitas aktivitas.
Hasil SEM dipidangkeun dina Gambar 4. Sél mikroalga anu teu diubaran (tingali Gambar 4a, sampel rujukan) sacara jelas nunjukkeun morfologi R. subcapitata anu has sareng bentuk sél sapertos croissant. Sél katingalina rata sareng rada teu teratur. Sababaraha sél mikroalga tumpang tindih sareng silih patukang, tapi ieu sigana disababkeun ku prosés persiapan sampel. Sacara umum, sél mikroalga murni ngagaduhan permukaan anu lemes sareng henteu nunjukkeun parobahan morfologis.
Gambar SEM anu nunjukkeun interaksi permukaan antara mikroalga héjo sareng nanosheet MXene saatos 72 jam interaksi dina konsentrasi ekstrim (100 mg L-1). (a) Mikroalga héjo anu teu diolah saatos interaksi sareng SL (b) Nb2CTx sareng (c) Nb4C3TX MXenes. Catet yén nanoflakes Nb-MXene ditandaan ku panah beureum. Pikeun babandingan, poto tina mikroskop optik ogé ditambahkeun.
Sabalikna, sél mikroalga anu diserep ku nanoflake SL Nb-MXene ruksak (tingali Gambar 4b, c, panah beureum). Dina kasus Nb2CTx MXene (Gambar 4b), mikroalga condong tumuwuh kalayan nanoskala dua diménsi anu napel, anu tiasa ngarobih morfologi na. Anu penting, urang ogé niténan parobahan ieu dina mikroskop cahaya (tingali Gambar SI S11 kanggo langkung lengkepna). Transisi morfologis ieu ngagaduhan dasar anu masuk akal dina fisiologi mikroalga sareng kamampuanna pikeun ngabela diri ku cara ngarobih morfologi sél, sapertos ningkatkeun volume sél61. Ku alatan éta, penting pikeun mariksa jumlah sél mikroalga anu sabenerna aya kontak sareng Nb-MXene. Panilitian SEM nunjukkeun yén sakitar 52% sél mikroalga kakeunaan Nb-MXene, sedengkeun 48% sél mikroalga ieu nyingkahan kontak. Pikeun SL Nb4C3Tx MXene, mikroalga nyobian nyingkahan kontak sareng MXene, ku kituna lokalisasi sareng tumuwuh tina nanoskala dua diménsi (Gambar 4c). Nanging, kami henteu niténan penetrasi nanoskala kana sél mikroalga sareng karusakanna.
Pangawétan diri ogé mangrupikeun paripolah réspon anu gumantung kana waktos kana panyumbatan fotosintésis kusabab adsorpsi partikel dina permukaan sél sareng anu disebut pangaruh shading (ngarayung)62. Jelas yén unggal objék (contona, nanoflakes Nb-MXene) anu aya di antara mikroalga sareng sumber cahaya ngawatesan jumlah cahaya anu diserep ku kloroplas. Nanging, urang henteu ragu yén ieu gaduh dampak anu signifikan kana hasil anu diala. Sakumaha anu dipidangkeun ku observasi mikroskopis urang, nanoflakes 2D henteu dibungkus sacara lengkep atanapi napel kana permukaan mikroalga, bahkan nalika sél mikroalga kontak sareng Nb-MXene. Sabalikna, nanoflakes tétéla diorientasikeun kana sél mikroalga tanpa nutupan permukaanna. Sakumpulan nanoflakes/mikroalga sapertos kitu henteu tiasa sacara signifikan ngawatesan jumlah cahaya anu diserep ku sél mikroalga. Leuwih ti éta, sababaraha panilitian bahkan nunjukkeun paningkatan dina panyerepan cahaya ku organisme fotosintésis dina ayana nanomaterials dua diménsi63,64,65,66.
Kusabab gambar SEM teu tiasa langsung mastikeun serapan niobium ku sél mikroalga, panilitian salajengna kami ngalih ka analisis fluoresensi sinar-X (XRF) sareng spéktroskopi fotoéléktron sinar-X (XPS) pikeun ngajelaskeun masalah ieu. Ku alatan éta, kami ngabandingkeun inténsitas puncak Nb tina sampel mikroalga rujukan anu henteu berinteraksi sareng MXenes, nanoflakes MXenes anu dipisahkeun tina permukaan sél mikroalga, sareng sél mikroalga saatos miceun MXenes anu napel. Perlu dicatet yén upami teu aya serapan Nb, nilai Nb anu diala ku sél mikroalga kedah nol saatos miceun nanoskala anu napel. Ku alatan éta, upami serapan Nb kajantenan, hasil XRF sareng XPS kedah nunjukkeun puncak Nb anu jelas.
Dina kasus spéktra XRF, sampel mikroalga nunjukkeun puncak Nb pikeun SL Nb2CTx sareng Nb4C3Tx MXene saatos interaksi sareng SL Nb2CTx sareng Nb4C3Tx MXene (tingali Gambar 5a, ogé perhatikeun yén hasil pikeun MAX sareng ML MXene dipidangkeun dina SI, Gambar S12–C17). Anu pikaresepeun, inténsitas puncak Nb sami dina dua kasus (garis beureum dina Gambar 5a). Ieu nunjukkeun yén ganggang henteu tiasa nyerep langkung seueur Nb, sareng kapasitas maksimum pikeun akumulasi Nb kahontal dina sél, sanaos dua kali langkung seueur Nb4C3Tx MXene napel kana sél mikroalga (garis biru dina Gambar 5a). Anu penting, kamampuan mikroalga pikeun nyerep logam gumantung kana konsentrasi oksida logam dina lingkungan67,68. Shamshada et al.67 mendakan yén kapasitas nyerep ganggang cai tawar nurun kalayan ningkatna pH. Raize et al.68 nyatet yén kamampuan rumput laut pikeun nyerep logam sakitar 25% langkung luhur pikeun Pb2+ tibatan Ni2+.
(a) Hasil XRF tina serapan Nb basal ku sél mikroalga héjo anu diinkubasi dina konsentrasi ekstrim SL Nb-MXenes (100 mg L-1) salami 72 jam. Hasilna nunjukkeun ayana α dina sél mikroalga murni (sampel kontrol, kolom kulawu), nanoflake 2D anu diisolasi tina sél mikroalga permukaan (kolom biru), sareng sél mikroalga saatos misahkeun nanoflake 2D tina permukaan (kolom beureum). Jumlah unsur Nb, (b) perséntase komposisi kimia komponén organik mikroalga (C=O sareng CHx/C–O) sareng oksida Nb anu aya dina sél mikroalga saatos inkubasi sareng SL Nb-MXenes, (c–e) Pas puncak komposisi spéktra XPS SL Nb2CTx sareng (fh) SL Nb4C3Tx MXene anu diinternalisasi ku sél mikroalga.
Ku kituna, urang ngarepkeun yén Nb tiasa diserep ku sél ganggang dina bentuk oksida. Pikeun nguji ieu, urang ngalaksanakeun studi XPS dina MXenes Nb2CTx sareng Nb4C3TX sareng sél ganggang. Hasil interaksi mikroalga sareng Nb-MXenes sareng MXenes anu diisolasi tina sél ganggang dipidangkeun dina Gambar 5b. Sapertos anu dipiharep, urang ngadeteksi puncak Nb 3d dina sampel mikroalga saatos dipiceun MXenes tina permukaan mikroalga. Panentuan kuantitatif oksida C=O, CHx/CO, sareng Nb diitung dumasar kana spéktra Nb 3d, O 1s, sareng C 1s anu diala ku Nb2CTx SL (Gambar 5c–e) sareng Nb4C3Tx SL (Gambar 5c–e). ) anu diala tina mikroalga anu diinkubasi. Gambar 5f–h) MXenes. Tabel S1-3 nunjukkeun rinci parameter puncak sareng kimia sacara umum anu dihasilkeun tina pas. Perlu dicatet yén daérah Nb 3d tina Nb2CTx SL sareng Nb4C3Tx SL (Gambar 5c, f) pakait sareng hiji komponén Nb2O5. Di dieu, urang henteu mendakan puncak anu aya hubunganana sareng MXene dina spéktra, nunjukkeun yén sél mikroalga ngan ukur nyerep bentuk oksida Nb. Salian ti éta, urang ngadeukeutkeun spéktrum C1s sareng komponén C–C, CHx/C–O, C=O, sareng –COOH. Urang nangtukeun puncak CHx/C–O sareng C=O kana kontribusi organik sél mikroalga. Komponén organik ieu masing-masing nyumbang 36% sareng 41% tina puncak C1s dina Nb2CTx SL sareng Nb4C3TX SL. Teras urang cocogkeun spéktrum O1s tina SL Nb2CTx sareng SL Nb4C3TX sareng Nb2O5, komponén organik mikroalga (CHx/CO), sareng cai anu diadsorpsi permukaan.
Pamungkas, hasil XPS nunjukkeun sacara jelas bentuk Nb, sanés ngan ukur ayana. Numutkeun posisi sinyal Nb 3d sareng hasil dekonvolusi, urang mastikeun yén Nb ngan ukur diserep dina bentuk oksida sareng sanés ion atanapi MXene sorangan. Salian ti éta, hasil XPS nunjukkeun yén sél mikroalga gaduh kamampuan anu langkung ageung pikeun nyerep oksida Nb tina SL Nb2CTx dibandingkeun sareng SL Nb4C3TX MXene.
Sanaos hasil serapan Nb kami nyugemakeun sareng ngamungkinkeun kami pikeun ngaidentipikasi degradasi MXene, teu aya metode anu sayogi pikeun ngalacak parobahan morfologis anu aya hubunganana dina nanoflakes 2D. Ku alatan éta, kami ogé mutuskeun pikeun ngembangkeun metode anu cocog anu tiasa langsung ngaréspon kana parobahan naon waé anu lumangsung dina nanoflakes Nb-MXene 2D sareng sél mikroalga. Penting pikeun dicatet yén kami nganggap yén upami spésiés anu berinteraksi ngalaman transformasi, dekomposisi atanapi defragmentasi, ieu kedah gancang némbongan salaku parobahan dina parameter bentuk, sapertos diaméter daérah bunderan anu sami, bunderan, lébar Feret, atanapi panjang Feret. Kusabab parameter ieu cocog pikeun ngajelaskeun partikel anu manjang atanapi nanoflakes dua diménsi, pelacakanna ku analisis bentuk partikel dinamis bakal masihan kami inpormasi anu berharga ngeunaan transformasi morfologis nanoflakes SL Nb-MXene salami réduksi.
Hasil anu diala dipidangkeun dina Gambar 6. Pikeun babandingan, kami ogé nguji fase MAX asli sareng ML-MXenes (tingali Gambar SI S18 sareng S19). Analisis dinamis bentuk partikel nunjukkeun yén sadaya parameter bentuk dua Nb-MXene SL robih sacara signifikan saatos interaksi sareng mikroalga. Sakumaha anu dipidangkeun ku parameter diaméter daérah bunderan anu sami (Gambar 6a, b), inténsitas puncak anu dikirangan tina fraksi nanoflakes ageung nunjukkeun yén aranjeunna condong buruk kana fragmen anu langkung alit. Dina gambar 6c, d nunjukkeun panurunan puncak anu aya hubunganana sareng ukuran transversal tina serpihan (elongasi nanoflakes), nunjukkeun transformasi nanoflakes 2D kana bentuk anu langkung mirip partikel. Gambar 6e-h nunjukkeun lébar sareng panjang Feret, masing-masing. Lebar sareng panjang Feret mangrupikeun parameter anu saling ngalengkepan sareng ku kituna kedah dipertimbangkeun babarengan. Saatos inkubasi nanoflakes Nb-MXene 2D dina ayana mikroalga, puncak korélasi Feretna robah sareng inténsitasna turun. Dumasar kana hasil ieu digabungkeun sareng morfologi, XRF sareng XPS, urang nyimpulkeun yén parobahan anu dititénan aya hubunganana pisan sareng oksidasi sabab MXena anu teroksidasi janten langkung keriput sareng ngarecah janten fragmen sareng partikel oksida buleud69,70.
Analisis transformasi MXene saatos interaksi sareng mikroalga héjo. Analisis bentuk partikel dinamis merhatoskeun parameter sapertos (a, b) diaméter daérah bunderan anu sami, (c, d) bunderan, (e, f) Lebar Feret sareng (g, h) Panjang Feret. Pikeun tujuan ieu, dua sampel mikroalga rujukan dianalisis babarengan sareng SL Nb2CTx primér sareng SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx sareng SL Nb4C3Tx MXenes, mikroalga anu didegradasi, sareng mikroalga anu dirawat SL Nb2CTx sareng SL Nb4C3Tx MXenes. Panah beureum nunjukkeun transisi parameter bentuk nanoflakes dua diménsi anu ditalungtik.
Kusabab analisis parameter bentuk téh bisa dipercaya pisan, éta ogé bisa ngungkabkeun parobahan morfologis dina sél mikroalga. Ku kituna, urang nganalisis diaméter daérah sirkular anu sarua, kabunderan, sareng lébar/panjang Feret sél mikroalga murni sareng sél saatos interaksi sareng nanoflakes Nb 2D. Dina gambar 6a-h nunjukkeun parobahan dina parameter bentuk sél ganggang, sakumaha dibuktikeun ku panurunan inténsitas puncak sareng pergeseran maxima nuju nilai anu langkung luhur. Khususna, parameter kabunderan sél nunjukkeun panurunan sél anu manjang sareng paningkatan sél buleud (Gambar 6a, b). Salaku tambahan, lébar sél Feret ningkat sababaraha mikrométer saatos interaksi sareng SL Nb2CTx MXene (Gambar 6e) dibandingkeun sareng SL Nb4C3TX MXene (Gambar 6f). Kami curiga yén ieu tiasa disababkeun ku panyerepan oksida Nb anu kuat ku mikroalga nalika interaksi sareng Nb2CTx SR. Napelna serpihan Nb anu kirang kaku kana permukaanana tiasa nyababkeun kamekaran sél kalayan pangaruh bayangan minimal.
Pangamatan kami ngeunaan parobahan dina parameter bentuk sareng ukuran mikroalga ngalengkepan panilitian anu sanés. Mikroalga héjo tiasa ngarobih morfologi na salaku réspon kana setrés lingkungan ku cara ngarobih ukuran sél, bentuk atanapi métabolisme61. Salaku conto, ngarobih ukuran sél ngagampangkeun panyerepan nutrisi71. Sél ganggang anu langkung alit nunjukkeun panyerepan nutrisi anu langkung handap sareng laju pertumbuhan anu kaganggu. Sabalikna, sél anu langkung ageung condong ngonsumsi langkung seueur nutrisi, anu teras disimpen sacara intraseluler72,73. Machado sareng Soares mendakan yén fungisida triklosan tiasa ningkatkeun ukuran sél. Aranjeunna ogé mendakan parobahan anu ageung dina bentuk ganggang74. Salaku tambahan, Yin et al.9 ogé ngungkabkeun parobahan morfologis dina ganggang saatos kakeunaan nanokomposit oksida graféna anu dikirangan. Ku alatan éta, jelas yén parameter ukuran/bentuk anu robih tina mikroalga disababkeun ku ayana MXene. Kusabab parobahan ukuran sareng bentuk ieu nunjukkeun parobahan dina panyerepan nutrisi, kami yakin yén analisis parameter ukuran sareng bentuk kana waktosna tiasa nunjukkeun panyerepan niobium oksida ku mikroalga dina ayana Nb-MXenes.
Leuwih ti éta, MXenes bisa dioksidasi ku ayana ganggang. Dalai et al.75 niténan yén morfologi ganggang héjo anu kakeunaan nano-TiO2 sareng Al2O376 henteu seragam. Sanaos pangamatan kami sami sareng panilitian ayeuna, éta ngan ukur relevan pikeun panilitian ngeunaan pangaruh bioremediasi dina hal produk degradasi MXenes ku ayana nanoflakes 2D sareng sanés nanopartikel. Kusabab MXenes tiasa ngadegradasi janten oksida logam,31,32,77,78, masuk akal pikeun nganggap yén nanoflakes Nb kami ogé tiasa ngabentuk oksida Nb saatos berinteraksi sareng sél mikroalga.
Pikeun ngajelaskeun réduksi nanoflakes 2D-Nb ngaliwatan mékanisme dékomposisi dumasar kana prosés oksidasi, kami ngalaksanakeun panilitian nganggo mikroskop éléktron transmisi résolusi luhur (HRTEM) (Gambar 7a, b) sareng spéktroskopi fotoéléktron sinar-X (XPS) (Gambar 7). 7c-i sareng tabel S4-5). Kadua pendekatan ieu cocog pikeun nalungtik oksidasi bahan 2D sareng silih lengkepan. HRTEM tiasa nganalisis degradasi struktur berlapis dua diménsi sareng penampilan nanopartikel oksida logam salajengna, sedengkeun XPS sénsitip kana beungkeut permukaan. Pikeun tujuan ieu, kami nguji nanoflakes Nb-MXene 2D anu diekstrak tina dispersi sél mikroalga, nyaéta, bentukna saatos interaksi sareng sél mikroalga (tingali Gambar 7).
Gambar HRTEM nu némbongkeun morfologi (a) SL Nb2CTx jeung (b) SL Nb4C3Tx MXenes nu geus dioksidasi, hasil analisis XPS nu némbongkeun (c) komposisi produk oksida sanggeus réduksi, (d–f) cocogna puncak komponén spéktra XPS SL Nb2CTx jeung (g–i) Nb4C3Tx SL nu diropéa ku mikroalga héjo.
Panilitian HRTEM mastikeun oksidasi dua jinis nanoflake Nb-MXene. Sanaos nanoflake nahan morfologi dua diménsi na dugi ka tingkat anu tangtu, oksidasi nyababkeun munculna seueur nanopartikel anu nutupan permukaan nanoflake MXene (tingali Gambar 7a, b). Analisis XPS tina sinyal c Nb 3d sareng O 1s nunjukkeun yén oksida Nb kabentuk dina dua kasus éta. Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 7c, 2D MXene Nb2CTx sareng Nb4C3TX gaduh sinyal Nb 3d anu nunjukkeun ayana oksida NbO sareng Nb2O5, sedengkeun sinyal O 1s nunjukkeun jumlah beungkeut O-Nb anu aya hubunganana sareng fungsionalisasi permukaan nanoflake 2D. Kami perhatikeun yén kontribusi oksida Nb dominan dibandingkeun sareng Nb-C sareng Nb3+-O.
Dina gambar. Gambar 7g–i nunjukkeun spéktra XPS tina Nb 3d, C 1s, sareng O 1s SL Nb2CTx (tingali Gambar 7d–f) sareng SL Nb4C3TX MXene anu diisolasi tina sél mikroalga. Rincian parameter puncak Nb-MXenes disayogikeun dina Tabel S4–5, masing-masing. Kami mimiti nganalisis komposisi Nb 3d. Sabalikna tina Nb anu diserep ku sél mikroalga, dina MXene anu diisolasi tina sél mikroalga, sajaba ti Nb2O5, komponén sanésna kapanggih. Dina Nb2CTx SL, kami niténan kontribusi Nb3+-O dina jumlah 15%, sedengkeun sésana spéktrum Nb 3d didominasi ku Nb2O5 (85%). Salaku tambahan, sampel SL Nb4C3TX ngandung komponén Nb-C (9%) sareng Nb2O5 (91%). Di dieu Nb-C asalna tina dua lapisan atom jero karbida logam dina Nb4C3Tx SR. Teras urang memetakan spéktra C 1s kana opat komponén anu béda, sapertos anu urang lakukeun dina sampel internalisasi. Sapertos anu dipiharep, spéktrum C 1s didominasi ku karbon grafit, dituturkeun ku kontribusi tina partikel organik (CHx/CO sareng C=O) tina sél mikroalga. Salaku tambahan, dina spéktrum O 1s, urang niténan kontribusi bentuk organik sél mikroalga, niobium oksida, sareng cai anu diserep.
Salian ti éta, urang nalungtik naha pamotongan Nb-MXenes aya patalina jeung ayana spésiés oksigén réaktif (ROS) dina média nutrisi jeung/atawa sél mikroalga. Pikeun tujuan ieu, urang meunteun kadar oksigén singlet (1O2) dina média kultur jeung glutation intraseluler, hiji tiol anu bertindak salaku antioksidan dina mikroalga. Hasilna dipidangkeun dina SI (Gambar S20 jeung S21). Kultur kalawan SL Nb2CTx jeung Nb4C3TX MXenes dicirikeun ku jumlah 1O2 anu dikirangan (tingali Gambar S20). Dina kasus SL Nb2CTx, MXene 1O2 dikirangan jadi kira-kira 83%. Pikeun kultur mikroalga anu ngagunakeun SL, Nb4C3TX 1O2 turun leuwih loba, jadi 73%. Anu pikaresepeun, parobahan dina 1O2 némbongkeun tren anu sarua jeung éfék stimulasi-inhibisi anu geus dititénan saméméhna (tingali Gambar 3). Bisa dibantah yén inkubasi dina cahaya caang bisa ngarobah fotooksidasi. Nanging, hasil tina analisis kontrol nunjukkeun tingkat 1O2 anu ampir konstan salami ékspérimén (Gambar S22). Dina kasus tingkat ROS intraseluler, kami ogé niténan tren turun anu sami (tingali Gambar S21). Mimitina, tingkat ROS dina sél mikroalga anu dibudidayakeun kalayan ayana Nb2CTx sareng Nb4C3Tx SL ngaleuwihan tingkat anu aya dina kultur murni mikroalga. Nanging, pamustunganana, katingalina mikroalga adaptasi kana ayana duanana Nb-MXenes, sabab tingkat ROS turun janten 85% sareng 91% tina tingkat anu diukur dina kultur murni mikroalga anu diinokulasi ku SL Nb2CTx sareng Nb4C3TX, masing-masing. Ieu tiasa nunjukkeun yén mikroalga karasa langkung nyaman kana waktosna kalayan ayana Nb-MXenes tibatan dina média nutrisi nyalira.
Mikroalga nyaéta sakumpulan organisme fotosintétik anu rupa-rupa. Salila fotosintésis, aranjeunna ngarobah karbon dioksida atmosfir (CO2) jadi karbon organik. Produk fotosintésis nyaéta glukosa sareng oksigén79. Kami curiga yén oksigén anu kabentuk maénkeun peran penting dina oksidasi Nb-MXenes. Hiji katerangan anu mungkin pikeun ieu nyaéta parameter aerasi diferensial kabentuk dina tekanan parsial oksigén anu handap sareng luhur di luar sareng di jero nanoflakes Nb-MXenes. Ieu ngandung harti yén dimana waé aya daérah tekanan parsial oksigén anu béda, daérah anu tingkatna panghandapna bakal ngabentuk anoda 80, 81, 82. Di dieu, mikroalga nyumbang kana nyiptakeun sél anu diaérasi sacara béda dina permukaan serpihan MXene, anu ngahasilkeun oksigén kusabab sipat fotosintésisna. Hasilna, produk biokorosi (dina hal ieu, niobium oksida) kabentuk. Aspék anu sanés nyaéta mikroalga tiasa ngahasilkeun asam organik anu dileupaskeun kana cai83,84. Ku alatan éta, lingkungan agrésif kabentuk, sahingga ngarobih Nb-MXenes. Salian ti éta, mikroalga tiasa ngarobih pH lingkungan janten basa kusabab panyerepan karbon dioksida, anu ogé tiasa nyababkeun korosi79.
Anu langkung penting, fotoperiode poék/caang anu dianggo dina panilitian kami penting pisan pikeun ngartos hasil anu diala. Aspék ieu dijelaskeun sacara rinci dina Djemai-Zoghlache et al. 85 Aranjeunna ngahaja nganggo fotoperiode 12/12 jam pikeun nunjukkeun biokorosi anu aya hubunganana sareng biofouling ku mikroalga beureum Porphyridium purpureum. Aranjeunna nunjukkeun yén fotoperiode aya hubunganana sareng évolusi poténsial tanpa biokorosi, anu némbongan salaku osilasi pseudoperiodik sakitar jam 24:00. Observasi ieu dikonfirmasi ku Dowling et al. 86 Aranjeunna nunjukkeun biofilm fotosintétik tina cyanobacteria Anabaena. Oksigén anu leyur kabentuk dina tindakan cahaya, anu aya hubunganana sareng parobahan atanapi fluktuasi dina poténsi biokorosi bébas. Pentingna fotoperiode ditekenkeun ku kanyataan yén poténsial bébas pikeun biokorosi ningkat dina fase cahaya sareng turun dina fase poék. Ieu disababkeun ku oksigén anu dihasilkeun ku mikroalga fotosintétik, anu mangaruhan réaksi katoda ngaliwatan tekanan parsial anu dihasilkeun caket éléktroda87.
Salian ti éta, spéktroskopi infra red transformasi Fourier (FTIR) dilaksanakeun pikeun milarian naha aya parobahan anu lumangsung dina komposisi kimia sél mikroalga saatos interaksi sareng Nb-MXenes. Hasil anu diala ieu rumit sareng kami nampilkeunana dina SI (Gambar S23-S25, kalebet hasil tahapan MAX sareng ML MXenes). Singkatna, spéktra rujukan mikroalga anu diala nyayogikeun inpormasi penting ngeunaan ciri kimia organisme ieu. Getaran anu paling dipikaresep ieu ayana dina frékuénsi 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1. hiji. 1 1 (C–H) sareng 3280 cm–1 (O–H). Pikeun SL Nb-MXenes, kami mendakan tanda peregangan beungkeut CH anu saluyu sareng panilitian kami sateuacanna38. Nanging, urang niténan yén sababaraha puncak tambahan anu aya hubunganana sareng beungkeut C=C sareng CH ngaleungit. Ieu nunjukkeun yén komposisi kimia mikroalga tiasa ngalaman parobahan minor kusabab interaksi sareng SL Nb-MXenes.
Nalika mertimbangkeun parobahan anu mungkin dina biokimia mikroalga, akumulasi oksida anorganik, sapertos niobium oksida, kedah dipertimbangkeun deui59. Éta kalibet dina panyerepan logam ku permukaan sél, transportasi kana sitoplasma, hubunganana sareng gugus karboksil intraseluler, sareng akumulasina dina polifosfosom mikroalga20,88,89,90. Salaku tambahan, hubungan antara mikroalga sareng logam dijaga ku gugus fungsi sél. Kusabab kitu, panyerepan ogé gumantung kana kimia permukaan mikroalga, anu cukup rumit9,91. Sacara umum, sapertos anu dipiharep, komposisi kimia mikroalga héjo rada robih kusabab panyerepan Nb oksida.
Anu pikaresepeun nyaéta, inhibisi awal mikroalga anu dititénan tiasa malik deui kana waktosna. Sakumaha anu urang titénan, mikroalga éta tiasa ngatasi parobahan lingkungan awal sareng pamustunganana uih deui kana laju pertumbuhan normal sareng malah ningkat. Panilitian ngeunaan poténsi zeta nunjukkeun stabilitas anu luhur nalika diwanohkeun kana média nutrisi. Ku kituna, interaksi permukaan antara sél mikroalga sareng nanoflake Nb-MXene dijaga sapanjang ékspérimén réduksi. Dina analisis salajengna, urang nyimpulkeun mékanisme utama tindakan anu mendasari paripolah mikroalga anu luar biasa ieu.
Observasi SEM nunjukkeun yén mikroalga condong napel kana Nb-MXenes. Ngagunakeun analisis gambar dinamis, kami mastikeun yén pangaruh ieu ngarah kana transformasi nanoflakes Nb-MXenes dua diménsi kana partikel anu langkung buleud, ku kituna nunjukkeun yén dékomposisi nanoflakes aya hubunganana sareng oksidasi na. Pikeun nguji hipotesis kami, kami ngalaksanakeun serangkaian studi bahan sareng biokimia. Saatos nguji, nanoflakes laun-laun dioksidasi sareng didekomposisi kana produk NbO sareng Nb2O5, anu henteu ngabahayakeun mikroalga héjo. Ngagunakeun observasi FTIR, kami henteu mendakan parobahan anu signifikan dina komposisi kimia mikroalga anu diinkubasi dina ayana nanoflakes Nb-MXenes 2D. Kalayan merhatoskeun kamungkinan panyerepan niobium oksida ku mikroalga, kami ngalaksanakeun analisis fluoresensi sinar-X. Hasil ieu sacara jelas nunjukkeun yén mikroalga anu ditalungtik ngahakan niobium oksida (NbO sareng Nb2O5), anu henteu toksik pikeun mikroalga anu ditalungtik.