Asante kwa kutembelea Nature.com. Unatumia toleo la kivinjari lenye usaidizi mdogo wa CSS. Kwa matumizi bora zaidi, tunapendekeza utumie kivinjari kilichosasishwa (au uzime Hali ya Utangamano katika Internet Explorer). Wakati huo huo, ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tutatoa tovuti bila mitindo na JavaScript.
Huonyesha mzunguko wa slaidi tatu kwa wakati mmoja. Tumia vitufe vya Iliyotangulia na Inayofuata ili kupitia slaidi tatu kwa wakati mmoja, au tumia vitufe vya kutelezesha mwishoni ili kupitia slaidi tatu kwa wakati mmoja.
Maendeleo ya haraka ya nanoteknolojia na ujumuishaji wake katika matumizi ya kila siku yanaweza kutishia mazingira. Ingawa mbinu za kijani za uharibifu wa vichafuzi vya kikaboni zimethibitishwa vizuri, urejeshaji wa vichafuzi vya fuwele visivyo vya kikaboni ni jambo la wasiwasi mkubwa kutokana na unyeti wao mdogo kwa mabadiliko ya kibiolojia na ukosefu wa uelewa wa mwingiliano wa uso wa nyenzo na vile vya kibiolojia. Hapa, tunatumia modeli ya isokaboni ya 2D MXenes inayotokana na Nb pamoja na mbinu rahisi ya uchambuzi wa vigezo vya umbo ili kufuatilia utaratibu wa urekebishaji wa kibiolojia wa nanomaterials za kauri za 2D na microalgae ya kijani kibichi ya Raphidocelis subcapitata. Tuligundua kuwa microalgae huharibu MXenes zinazotokana na Nb kutokana na mwingiliano wa fizikia na kemikali unaohusiana na uso. Hapo awali, nanoflakes za MXene zenye safu moja na tabaka nyingi ziliunganishwa kwenye uso wa microalgae, ambayo ilipunguza ukuaji wa mwani kwa kiasi fulani. Hata hivyo, baada ya mwingiliano wa muda mrefu na uso, microalgae ilioksidisha nanoflakes za MXene na kuzioza zaidi katika NbO na Nb2O5. Kwa sababu oksidi hizi hazina sumu kwa seli za mwani mdogo, hutumia chembe chembe ndogo za oksidi ya Nb kwa utaratibu wa kunyonya ambao hurejesha zaidi mwani mdogo baada ya saa 72 za matibabu ya maji. Athari za virutubisho vinavyohusiana na kunyonya pia zinaonyeshwa katika ongezeko la ujazo wa seli, umbo lao laini na mabadiliko katika kiwango cha ukuaji. Kulingana na matokeo haya, tunahitimisha kwamba uwepo wa muda mfupi na mrefu wa MXenes zenye msingi wa Nb katika mifumo ikolojia ya maji safi unaweza kusababisha athari ndogo tu za mazingira. Ni muhimu kukumbuka kwamba, kwa kutumia nanomaterials zenye pande mbili kama mifumo ya mfano, tunaonyesha uwezekano wa kufuatilia mabadiliko ya umbo hata katika nyenzo zenye chembe ndogo. Kwa ujumla, utafiti huu unajibu swali muhimu la msingi kuhusu michakato inayohusiana na mwingiliano wa uso inayoendesha utaratibu wa bioremediation wa nanomaterials za 2D na hutoa msingi wa tafiti zaidi za muda mfupi na mrefu za athari za mazingira za nanomaterials zisizo za kikaboni.
Nanomaterials zimeibua shauku kubwa tangu ugunduzi wake, na nanoteknolojia mbalimbali hivi karibuni zimeingia katika awamu ya kisasa1. Kwa bahati mbaya, ujumuishaji wa nanomaterials katika matumizi ya kila siku unaweza kusababisha kutolewa kwa bahati mbaya kutokana na utupaji usiofaa, utunzaji usiojali, au miundombinu isiyofaa ya usalama. Kwa hivyo, ni busara kudhani kwamba nanomaterials, ikiwa ni pamoja na nanomaterials zenye pande mbili (2D), zinaweza kutolewa katika mazingira ya asili, tabia na shughuli za kibiolojia ambazo bado hazijaeleweka kikamilifu. Kwa hivyo, haishangazi kwamba wasiwasi wa sumu ya mazingira umezingatia uwezo wa nanomaterials za 2D kuvuja katika mifumo ya majini2,3,4,5,6. Katika mifumo hii ya ikolojia, baadhi ya nanomaterials za 2D zinaweza kuingiliana na viumbe mbalimbali katika viwango tofauti vya trophic, ikiwa ni pamoja na mwani mdogo.
Mwani mdogo ni viumbe vya kale vinavyopatikana kiasili katika mifumo ikolojia ya maji safi na baharini ambavyo hutoa aina mbalimbali za bidhaa za kemikali kupitia usanisinuru7. Kwa hivyo, ni muhimu kwa mifumo ikolojia ya majini8,9,10,11,12 lakini pia ni viashiria nyeti, vya bei nafuu na vinavyotumika sana vya sumu ya mazingira13,14. Kwa kuwa seli za mwani mdogo huzaliana haraka na haraka kutokana na uwepo wa misombo mbalimbali, zinaahidi maendeleo ya mbinu rafiki kwa mazingira za kutibu maji yaliyochafuliwa na vitu vya kikaboni15,16.
Seli za mwani zinaweza kuondoa ioni zisizo za kikaboni kutoka kwa maji kupitia biosorption na mkusanyiko17,18. Baadhi ya spishi za mwani kama vile Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolica, Stigeoclonium tenue na Synechococcus sp. Imegundulika kuwa hubeba na hata kulisha ioni zenye sumu za metali kama vile Fe2+, Cu2+, Zn2+ na Mn2+19. Uchunguzi mwingine umeonyesha kuwa ioni za Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ au Pb2+ hupunguza ukuaji wa Scenedesmus kwa kubadilisha umbo la seli na kuharibu kloroplasti zao20,21.
Mbinu za kijani za kuoza uchafuzi wa kikaboni na kuondoa ioni za metali nzito zimevutia umakini wa wanasayansi na wahandisi kote ulimwenguni. Hii ni hasa kutokana na ukweli kwamba uchafuzi huu husindikwa kwa urahisi katika awamu ya kimiminika. Hata hivyo, uchafuzi wa fuwele zisizo za kikaboni una sifa ya umumunyifu mdogo wa maji na uwezekano mdogo wa mabadiliko mbalimbali ya kibiolojia, ambayo husababisha ugumu mkubwa katika urekebishaji, na maendeleo kidogo yamefanywa katika eneo hili22,23,24,25,26. Kwa hivyo, utafutaji wa suluhisho rafiki kwa mazingira kwa ajili ya ukarabati wa nanomaterials unabaki kuwa eneo gumu na ambalo halijachunguzwa. Kutokana na kiwango cha juu cha kutokuwa na uhakika kuhusu athari za mabadiliko ya kibiolojia ya nanomaterials za 2D, hakuna njia rahisi ya kujua njia zinazowezekana za uharibifu wao wakati wa kupunguza.
Katika utafiti huu, tulitumia mwani mdogo wa kijani kama wakala hai wa bioremediation wa maji kwa vifaa vya kauri visivyo vya kikaboni, pamoja na ufuatiliaji wa ndani wa mchakato wa uharibifu wa MXene kama mwakilishi wa vifaa vya kauri visivyo vya kikaboni. Neno "MXene" linaonyesha stoichiometry ya nyenzo ya Mn+1XnTx, ambapo M ni metali ya mpito ya mapema, X ni kaboni na/au nitrojeni, Tx ni kimalizio cha uso (km, -OH, -F, -Cl), na n = 1, 2, 3 au 427.28. Tangu ugunduzi wa MXenes na Naguib et al. Sensorics, tiba ya saratani na uchujaji wa utando 27,29,30. Kwa kuongezea, MXenes zinaweza kuzingatiwa kama mifumo ya mfano ya 2D kutokana na uthabiti wao bora wa kolloidal na mwingiliano unaowezekana wa kibiolojia31,32,33,34,35,36.
Kwa hivyo, mbinu iliyotengenezwa katika makala haya na nadharia zetu za utafiti zinaonyeshwa kwenye Mchoro 1. Kulingana na dhana hii, mwani mdogo huharibu MXenes zenye msingi wa Nb kuwa misombo isiyo na sumu kutokana na mwingiliano wa fizikia na kemikali unaohusiana na uso, ambayo inaruhusu urejesho zaidi wa mwani. Ili kujaribu dhana hii, washiriki wawili wa familia ya kabidi za metali za mpito za mapema zenye msingi wa niobium na/au nitridi (MXenes), ambazo ni Nb2CTx na Nb4C3TX, walichaguliwa.
Mbinu ya utafiti na nadharia zinazotegemea ushahidi kwa ajili ya urejeshaji wa MXene na mwani mdogo wa kijani Raphidocelis subcapitata. Tafadhali kumbuka kwamba huu ni uwakilishi wa kimkakati wa dhana zinazotegemea ushahidi. Mazingira ya ziwa hutofautiana katika njia ya virutubisho inayotumika na hali (km, mzunguko wa kila siku na mapungufu katika virutubisho muhimu vinavyopatikana). Imeundwa na BioRender.com.
Kwa hivyo, kwa kutumia MXene kama mfumo wa kielelezo, tumefungua mlango wa utafiti wa athari mbalimbali za kibiolojia ambazo haziwezi kuzingatiwa na nanomaterials nyingine za kawaida. Hasa, tunaonyesha uwezekano wa urekebishaji wa kibiolojia wa nanomaterials zenye pande mbili, kama vile MXenes zenye msingi wa niobium, na microalgae Raphidocelis subcapitata. Microalgae zinaweza kuharibu Nb-MXenes kuwa oksidi zisizo na sumu NbO na Nb2O5, ambazo pia hutoa virutubisho kupitia utaratibu wa ufyonzaji wa niobium. Kwa ujumla, utafiti huu unajibu swali muhimu la msingi kuhusu michakato inayohusiana na mwingiliano wa fizikia ya uso ambayo inasimamia mifumo ya urekebishaji wa kibiolojia wa nanomaterials zenye pande mbili. Kwa kuongezea, tunatengeneza mbinu rahisi inayotegemea vigezo vya umbo kwa ajili ya kufuatilia mabadiliko madogo katika umbo la nanomaterials za 2D. Hii inahamasisha utafiti zaidi wa muda mfupi na mrefu kuhusu athari mbalimbali za kimazingira za nanomaterials zisizo za kikaboni. Kwa hivyo, utafiti wetu unaongeza uelewa wa mwingiliano kati ya uso wa nyenzo na nyenzo za kibiolojia. Pia tunatoa msingi wa tafiti zilizopanuliwa za muda mfupi na mrefu kuhusu athari zake zinazowezekana kwenye mifumo ikolojia ya maji safi, ambazo sasa zinaweza kuthibitishwa kwa urahisi.
MXenes zinawakilisha darasa la kuvutia la vifaa vyenye sifa za kipekee na za kuvutia za kimwili na kemikali na kwa hivyo matumizi mengi yanayowezekana. Sifa hizi hutegemea sana stoichiometry na kemia ya uso. Kwa hivyo, katika utafiti wetu, tulichunguza aina mbili za MXenes zenye safu moja ya kihierarkia (SL) zenye msingi wa Nb, Nb2CTx na Nb4C3TX, kwa kuwa athari tofauti za kibiolojia za nanomaterials hizi zinaweza kuzingatiwa. MXenes huzalishwa kutoka kwa vifaa vyao vya kuanzia kwa kuchora kutoka juu hadi chini tabaka nyembamba za awamu ya A ya MAX. Awamu ya MAX ni kauri ya ternary iliyojumuishwa na vitalu "vilivyounganishwa" vya kabidi za metali za mpito na tabaka nyembamba za vipengele vya "A" kama vile Al, Si, na Sn na stoichiometry ya MnAXn-1. Mofolojia ya awamu ya MAX ya awali ilizingatiwa kwa kuchanganua hadubini ya elektroni (SEM) na iliendana na tafiti zilizopita (Tazama Maelezo ya Ziada, SI, Mchoro S1). Nb-MXene ya Tabaka Nyingi (ML) ilipatikana baada ya kuondoa safu ya Al kwa kutumia 48% HF (asidi hidrofloriki). Mofolojia ya ML-Nb2CTx na ML-Nb4C3TX ilichunguzwa kwa kuchanganua hadubini ya elektroni (SEM) (Michoro S1c na S1d mtawalia) na mofolojia ya kawaida ya MXene yenye tabaka ilionekana, sawa na nanoflakes zenye pande mbili zinazopita kwenye mipasuko mirefu inayofanana na vinyweleo. Nb-MXene zote mbili zinafanana sana na awamu za MXene zilizotengenezwa hapo awali na asidi etching27,38. Baada ya kuthibitisha muundo wa MXene, tuliiweka kwenye tabaka kwa kuingiliana kwa hidroksidi ya tetrabutylammonium (TBAOH) ikifuatiwa na kuosha na sonication, baada ya hapo tulipata nanoflakes za tabaka moja au tabaka la chini (SL) 2D Nb-MXene.
Tulitumia hadubini ya elektroni ya upitishaji wa ubora wa juu (HRTEM) na mtawanyiko wa X-ray (XRD) ili kujaribu ufanisi wa kung'oa na kuondoa zaidi. Matokeo ya HRTEM yaliyosindikwa kwa kutumia Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) na Fast Fourier Transform (FFT) yanaonyeshwa kwenye Mchoro 2. Nanoflakes za Nb-MXene zilielekezwa ukingoni ili kuangalia muundo wa safu ya atomiki na kupima umbali wa kati. Picha za HRTEM za nanoflakes za MXene Nb2CTx na Nb4C3TX zilionyesha asili yao ya tabaka nyembamba za atomiki (tazama Mchoro 2a1, a2), kama ilivyoripotiwa hapo awali na Naguib et al.27 na Jastrzębska et al.38. Kwa tabaka mbili za Nb2CTx na Nb4C3Tx zilizo karibu, tuliamua umbali wa tabaka za kati ya 0.74 na 1.54 nm, mtawalia (Michoro 2b1,b2), ambayo pia inakubaliana na matokeo yetu ya awali38. Hii ilithibitishwa zaidi na mabadiliko ya haraka ya Fourier kinyume (Mchoro 2c1, c2) na mabadiliko ya haraka ya Fourier (Mchoro 2d1, d2) yanayoonyesha umbali kati ya tabaka moja za Nb2CTx na Nb4C3Tx. Picha inaonyesha ubadilishaji wa bendi za mwanga na nyeusi zinazolingana na atomi za niobamu na kaboni, ambayo inathibitisha asili ya tabaka za MXenes zilizosomwa. Ni muhimu kutambua kwamba spektroskopia ya X-ray ya mtawanyiko wa nishati (EDX) iliyopatikana kwa Nb2CTx na Nb4C3Tx (Michoro S2a na S2b) haikuonyesha mabaki ya awamu ya MAX ya awali, kwani hakuna kilele cha Al kilichogunduliwa.
Uainishaji wa nanoflakes za SL Nb2CTx na Nb4C3Tx MXene, ikiwa ni pamoja na (a) upigaji picha wa nanoflake wa 2D wenye ubora wa juu (HRTEM) na unaolingana, (b) hali ya kiwango, (c) ubadilishaji wa haraka wa Fourier (IFFT), (d) ubadilishaji wa haraka wa Fourier (FFT), (e) Mifumo ya X-ray ya Nb-MXenes. Kwa SL 2D Nb2CTx, nambari zinaonyeshwa kama (a1, b1, c1, d1, e1). Kwa SL 2D Nb4C3Tx, nambari zinaonyeshwa kama (a2, b2, c2, d2, e1).
Vipimo vya mtawanyiko wa X-ray vya SL Nb2CTx na Nb4C3Tx MXenes vinaonyeshwa kwenye Mchoro 2e1 na e2, mtawalia. Vilele (002) katika 4.31 na 4.32 vinahusiana na MXenes Nb2CTx na Nb4C3TX38,39,40,41 zilizoelezwa hapo awali mtawalia. Matokeo ya XRD pia yanaonyesha uwepo wa baadhi ya miundo ya ML iliyobaki na awamu za MAX, lakini zaidi mifumo ya XRD inayohusishwa na SL Nb4C3Tx (Mchoro 2e2). Uwepo wa chembe ndogo za awamu ya MAX unaweza kuelezea kilele cha MAX chenye nguvu zaidi ikilinganishwa na tabaka za Nb4C3Tx zilizopangwa bila mpangilio.
Utafiti zaidi umezingatia mikrowea ya kijani inayomilikiwa na spishi ya R. subcapitata. Tulichagua mikrowea kwa sababu ni wazalishaji muhimu wanaohusika katika utando mkuu wa chakula42. Pia ni mojawapo ya viashiria bora vya sumu kutokana na uwezo wa kuondoa vitu vyenye sumu vinavyopelekwa kwenye viwango vya juu vya mnyororo wa chakula43. Kwa kuongezea, utafiti kuhusu R. subcapitata unaweza kutoa mwanga juu ya sumu ya bahati mbaya ya SL Nb-MXenes kwa vijidudu vya kawaida vya maji safi. Ili kuonyesha hili, watafiti walidhani kwamba kila kijidudu kina unyeti tofauti kwa misombo yenye sumu iliyopo katika mazingira. Kwa viumbe vingi, viwango vya chini vya vitu haviathiri ukuaji wao, huku viwango vilivyo juu ya kikomo fulani vinaweza kuwazuia au hata kusababisha kifo. Kwa hivyo, kwa ajili ya tafiti zetu za mwingiliano wa uso kati ya mikrowea na MXenes na urejeshaji unaohusiana, tuliamua kujaribu viwango visivyo na madhara na vyenye sumu vya Nb-MXenes. Ili kufanya hivi, tulijaribu viwango vya 0 (kama marejeleo), 0.01, 0.1 na 10 mg l-1 MXene na pia microalgae iliyoambukizwa yenye viwango vya juu sana vya MXene (100 mg l-1 MXene), ambayo inaweza kuwa mbaya na hatari kwa mazingira yoyote ya kibiolojia.
Athari za SL Nb-MXenes kwenye mwani mdogo zinaonyeshwa kwenye Mchoro 3, unaoonyeshwa kama asilimia ya kukuza ukuaji (+) au kizuizi (-) kilichopimwa kwa sampuli za 0 mg l-1. Kwa kulinganisha, awamu ya Nb-MAX na ML Nb-MXenes pia zilijaribiwa na matokeo yanaonyeshwa katika SI (tazama Mchoro S3). Matokeo yaliyopatikana yalithibitisha kwamba SL Nb-MXenes karibu haina sumu kabisa katika kiwango cha viwango vya chini kutoka 0.01 hadi 10 mg/l, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3a,b. Katika kesi ya Nb2CTx, hatukuona sumu ya mazingira zaidi ya 5% katika kiwango kilichoainishwa.
Kuchochea (+) au kuzuia (-) ukuaji wa mwani mdogo mbele ya SL (a) Nb2CTx na (b) Nb4C3TX MXene. Masaa 24, 48 na 72 ya mwingiliano wa MXene-mwani mdogo yalichambuliwa. Data muhimu (jaribio la t, p < 0.05) ziliwekwa alama ya kinyota (*). Data muhimu (jaribio la t, p < 0.05) ziliwekwa alama ya kinyota (*). Значимые данные (t-критерий, p <0,05) отмечены звездочкой (*). Data muhimu (jaribio la t, p < 0.05) imewekwa alama ya kinyota (*).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 muhimu (jaribio la t, p < 0.05) imewekwa alama ya kinyota (*).Mishale nyekundu inaonyesha kukomeshwa kwa kichocheo cha kuzuia.
Kwa upande mwingine, viwango vya chini vya Nb4C3TX viligeuka kuwa na sumu zaidi kidogo, lakini si zaidi ya 7%. Kama ilivyotarajiwa, tuliona kwamba MXenes zilikuwa na sumu kubwa na kizuizi cha ukuaji wa mwani mdogo kwa 100mg L-1. Cha kufurahisha ni kwamba, hakuna hata moja ya vifaa vilivyoonyesha mwelekeo na utegemezi sawa wa athari za sumu/sumu ikilinganishwa na sampuli za MAX au ML (tazama SI kwa maelezo zaidi). Ingawa kwa awamu ya MAX (tazama Mchoro S3) sumu ilifikia takriban 15-25% na kuongezeka kwa muda, mwelekeo kinyume ulionekana kwa SL Nb2CTx na Nb4C3TX MXene. Kizuizi cha ukuaji wa mwani mdogo kilipungua baada ya muda. Kilifikia takriban 17% baada ya saa 24 na kushuka hadi chini ya 5% baada ya saa 72 (Mchoro 3a, b, mtawalia).
Muhimu zaidi, kwa SL Nb4C3TX, kizuizi cha ukuaji wa mwani mdogo kilifikia takriban 27% baada ya saa 24, lakini baada ya saa 72 kilipungua hadi takriban 1%. Kwa hivyo, tuliita athari iliyoonekana kama kizuizi kinyume cha kusisimua, na athari ilikuwa na nguvu zaidi kwa SL Nb4C3TX MXene. Kichocheo cha ukuaji wa mwani mdogo kilibainishwa mapema na Nb4C3TX (mwingiliano wa 10 mg L-1 kwa saa 24) ikilinganishwa na SL Nb2CTx MXene. Athari ya kurudisha nyuma ya kichocheo cha kuzuia pia ilionyeshwa vyema katika mkunjo wa kiwango cha kuongezeka maradufu kwa majani (tazama Mchoro S4 kwa maelezo zaidi). Hadi sasa, ni sumu ya kimazingira ya Ti3C2TX MXene pekee iliyosomwa kwa njia tofauti. Sio sumu kwa viinitete vya zebrafish44 lakini ni sumu ya kimazingira kwa kiasi kwa mimea ya mwani mdogo Desmodesmus quadricauda na Sorghum saccharatum45. Mifano mingine ya athari maalum ni pamoja na sumu ya juu kwa mistari ya seli za saratani kuliko mistari ya kawaida ya seli46,47. Inaweza kudhaniwa kwamba hali za majaribio zingeathiri mabadiliko katika ukuaji wa mwani mdogo unaoonekana mbele ya Nb-MXenes. Kwa mfano, pH ya takriban 8 katika stroma ya kloroplast ni bora zaidi kwa uendeshaji mzuri wa kimeng'enya cha RuBisCO. Kwa hivyo, mabadiliko ya pH huathiri vibaya kiwango cha usanisinuru48,49. Hata hivyo, hatukuona mabadiliko makubwa katika pH wakati wa jaribio (tazama SI, Mchoro S5 kwa maelezo zaidi). Kwa ujumla, tamaduni za mwani mdogo zilizo na Nb-MXenes zilipunguza kidogo pH ya myeyusho baada ya muda. Hata hivyo, kupungua huku kulikuwa sawa na mabadiliko katika pH ya kati safi. Kwa kuongezea, anuwai ya tofauti zilizopatikana ilikuwa sawa na ile iliyopimwa kwa utamaduni safi wa mwani mdogo (sampuli ya udhibiti). Kwa hivyo, tunahitimisha kuwa usanisinuru hauathiriwi na mabadiliko katika pH baada ya muda.
Kwa kuongezea, MXene zilizotengenezwa zina miisho ya uso (inayoonyeshwa kama Tx). Hizi ni vikundi vya utendaji kazi -O, -F na -OH. Hata hivyo, kemia ya uso inahusiana moja kwa moja na njia ya usanisi. Vikundi hivi vinajulikana kusambazwa bila mpangilio juu ya uso, na kufanya iwe vigumu kutabiri athari zao kwenye sifa za MXene50. Inaweza kusemwa kwamba Tx inaweza kuwa nguvu ya kichocheo cha oxidation ya niobamu kwa mwanga. Vikundi vya utendaji kazi vya uso hutoa maeneo mengi ya nanga kwa fotokatalisti zao za msingi ili kuunda heterojunctions51. Hata hivyo, muundo wa kati ya ukuaji haukutoa fotokatalisti yenye ufanisi (muundo wa kati wa kina unaweza kupatikana katika Jedwali la SI S6). Kwa kuongezea, marekebisho yoyote ya uso pia ni muhimu sana, kwani shughuli za kibiolojia za MXenes zinaweza kubadilishwa kutokana na usindikaji wa tabaka baada ya usindikaji, oxidation, marekebisho ya uso wa kemikali ya misombo ya kikaboni na isokaboni52,53,54,55,56 au uhandisi wa chaji ya uso38. Kwa hivyo, ili kujaribu kama oksidi ya niobamu ina uhusiano wowote na kutokuwa na utulivu wa nyenzo katika hali ya hewa, tulifanya tafiti za uwezo wa zeta (ζ) katika hali ya ukuaji wa mwani mdogo na maji yaliyoondolewa ioni (kwa kulinganisha). Matokeo yetu yanaonyesha kuwa SL Nb-MXenes ni thabiti kiasi (tazama Mchoro S6 wa SI kwa matokeo ya MAX na ML). Uwezo wa zeta wa SL MXenes ni takriban -10 mV. Katika kisa cha SR Nb2CTx, thamani ya ζ ni hasi zaidi kuliko ile ya Nb4C3Tx. Mabadiliko kama hayo katika thamani ya ζ yanaweza kuonyesha kwamba uso wa nanoflakes za MXene zenye chaji hasi hunyonya ioni zenye chaji chanya kutoka kwa hali ya hewa ya kilimo. Vipimo vya muda vya uwezo wa zeta na upitishaji wa Nb-MXenes katika hali ya hewa ya kilimo (tazama Mchoro S7 na S8 katika SI kwa maelezo zaidi) vinaonekana kuunga mkono dhana yetu.
Hata hivyo, Nb-MXene SL zote zilionyesha mabadiliko madogo kutoka sifuri. Hii inaonyesha wazi uthabiti wao katika njia ya ukuaji wa mwani mdogo. Zaidi ya hayo, tulitathmini kama uwepo wa mwani mdogo wetu wa kijani ungeathiri uthabiti wa Nb-MXenes katika njia hiyo. Matokeo ya uwezo wa zeta na upitishaji wa MXenes baada ya kuingiliana na mwani mdogo katika vyombo vya virutubisho na utamaduni baada ya muda yanaweza kupatikana katika SI (Michoro S9 na S10). Cha kufurahisha, tuligundua kuwa uwepo wa mwani mdogo ulionekana kutuliza utawanyiko wa MXenes zote mbili. Katika kesi ya Nb2CTx SL, uwezo wa zeta ulipungua kidogo baada ya muda hadi thamani hasi zaidi (-15.8 dhidi ya -19.1 mV baada ya saa 72 za kuanguliwa). Uwezo wa zeta wa SL Nb4C3TX uliongezeka kidogo, lakini baada ya saa 72 bado ulionyesha uthabiti wa juu kuliko nanoflakes bila uwepo wa mwani mdogo (-18.1 dhidi ya -9.1 mV).
Pia tuligundua upitishaji mdogo wa myeyusho ya Nb-MXene iliyofunikwa mbele ya mwani mdogo, ikionyesha kiwango kidogo cha ioni katika mazingira ya virutubisho. Ikumbukwe kwamba, kutokuwa na utulivu wa MXenes katika maji kunatokana hasa na oksidi ya uso57. Kwa hivyo, tunashuku kwamba mwani mdogo wa kijani kwa namna fulani uliondoa oksidi zilizoundwa kwenye uso wa Nb-MXene na hata kuzuia kutokea kwake (oksidi ya MXene). Hii inaweza kuonekana kwa kusoma aina za vitu vinavyofyonzwa na mwani mdogo.
Ingawa tafiti zetu za sumu katika mazingira zilionyesha kuwa mwani mdogo uliweza kushinda sumu ya Nb-MXenes baada ya muda na kizuizi kisicho cha kawaida cha ukuaji uliochochewa, lengo la utafiti wetu lilikuwa kuchunguza mifumo inayowezekana ya utendaji. Wakati viumbe kama vile mwani vinapowekwa wazi kwa misombo au vifaa visivyojulikana katika mifumo yao ya ikolojia, vinaweza kuguswa kwa njia mbalimbali58,59. Kwa kukosekana kwa oksidi za metali zenye sumu, mwani mdogo unaweza kujilisha wenyewe, na kuviruhusu kukua mfululizo60. Baada ya kumeza vitu vyenye sumu, mifumo ya ulinzi inaweza kuamilishwa, kama vile kubadilisha umbo au umbo. Uwezekano wa kunyonya lazima pia uzingatiwe58,59. Ikumbukwe kwamba ishara yoyote ya utaratibu wa ulinzi ni kiashiria wazi cha sumu ya kiwanja cha majaribio. Kwa hivyo, katika kazi yetu zaidi, tulichunguza mwingiliano unaowezekana wa uso kati ya nanoflakes za SL Nb-MXene na mwani mdogo na SEM na uwezekano wa kunyonya kwa MXene inayotokana na Nb kwa kutumia spektroskopia ya fluorescence ya X-ray (XRF). Kumbuka kwamba uchambuzi wa SEM na XRF ulifanywa tu kwa kiwango cha juu zaidi cha MXene ili kushughulikia masuala ya sumu ya shughuli.
Matokeo ya SEM yanaonyeshwa kwenye Mchoro 4. Seli ndogo za mwani ambazo hazijatibiwa (tazama Mchoro 4a, sampuli ya marejeleo) zilionyesha wazi umbo la kawaida la R. subcapitata na umbo la seli linalofanana na croissant. Seli zinaonekana kuwa bapa na zisizo na mpangilio mzuri. Baadhi ya seli ndogo za mwani ziliingiliana na kukwama, lakini hii labda ilisababishwa na mchakato wa utayarishaji wa sampuli. Kwa ujumla, seli safi za mwani ndogo zilikuwa na uso laini na hazikuonyesha mabadiliko yoyote ya kimofolojia.
Picha za SEM zinazoonyesha mwingiliano wa uso kati ya mwani mdogo wa kijani na karatasi ndogo za MXene baada ya saa 72 za mwingiliano katika mkusanyiko mkubwa (100 mg L-1). (a) Mwani mdogo wa kijani ambao haujatibiwa baada ya mwingiliano na SL (b) Nb2CTx na (c) Nb4C3TX MXenes. Kumbuka kwamba nanoflakes za Nb-MXene zimetiwa alama na mishale nyekundu. Kwa kulinganisha, picha kutoka kwa darubini ya macho pia zinaongezwa.
Kwa upande mwingine, seli ndogo za mwani zilizofunikwa na nanoflakes za SL Nb-MXene ziliharibiwa (tazama Mchoro 4b, c, mishale nyekundu). Katika kisa cha Nb2CTx MXene (Mchoro 4b), mwani mdogo huwa hukua na nanoscales zenye pande mbili zilizounganishwa, ambazo zinaweza kubadilisha mofolojia yao. Ikumbukwe kwamba, pia tuliona mabadiliko haya chini ya hadubini nyepesi (tazama Mchoro SI S11 kwa maelezo zaidi). Mpito huu wa kimofolojia una msingi unaowezekana katika fiziolojia ya mwani mdogo na uwezo wao wa kujilinda kwa kubadilisha mofolojia ya seli, kama vile kuongeza ujazo wa seli61. Kwa hivyo, ni muhimu kuangalia idadi ya seli ndogo za mwani ambazo kwa kweli zinawasiliana na Nb-MXenes. Uchunguzi wa SEM ulionyesha kuwa takriban 52% ya seli ndogo za mwani ziliwekwa wazi kwa Nb-MXenes, huku 48% ya seli hizi ndogo za mwani ziliepuka kugusana. Kwa SL Nb4C3Tx MXene, mwani mdogo hujaribu kuepuka kugusana na MXene, na hivyo kuitambua na kukua kutoka kwa mizani midogo yenye pande mbili (Mchoro 4c). Hata hivyo, hatukuona kupenya kwa mizani midogo kwenye seli za mwani mdogo na uharibifu wake.
Kujihifadhi pia ni tabia ya mwitikio inayotegemea wakati kwa kuzibwa kwa usanisinuru kutokana na ufyonzaji wa chembe kwenye uso wa seli na kile kinachoitwa athari ya kivuli (kivuli)62. Ni wazi kwamba kila kitu (kwa mfano, nanoflakes za Nb-MXene) kilicho kati ya mwani mdogo na chanzo cha mwanga hupunguza kiwango cha mwanga unaofyonzwa na kloroplasti. Hata hivyo, hatuna shaka kwamba hii ina athari kubwa kwenye matokeo yaliyopatikana. Kama inavyoonyeshwa na uchunguzi wetu wa hadubini, nanoflakes za 2D hazikufungwa kabisa au kushikamana na uso wa mwani mdogo, hata wakati seli za mwani mdogo zilikuwa zinagusana na Nb-MXenes. Badala yake, nanoflakes ziligeuka kuwa zimeelekezwa kwa seli ndogo za mwani bila kufunika uso wao. Seti kama hiyo ya nanoflakes/microalgae haiwezi kupunguza kwa kiasi kikubwa kiwango cha mwanga unaofyonzwa na seli ndogo za mwani. Zaidi ya hayo, baadhi ya tafiti zimeonyesha hata uboreshaji wa unyonyaji wa mwanga na viumbe vinavyotengeneza mwanga mbele ya nanomaterials zenye pande mbili63,64,65,66.
Kwa kuwa picha za SEM hazikuweza kuthibitisha moja kwa moja ufyonzwaji wa niobiamu na seli ndogo za mwani, utafiti wetu zaidi uligeukia uchanganuzi wa X-ray fluorescence (XRF) na X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ili kufafanua suala hili. Kwa hivyo, tulilinganisha ukubwa wa vilele vya Nb vya sampuli ndogo za mwani za marejeleo ambazo hazikuingiliana na MXenes, nanoflakes za MXene zilizotengwa kutoka kwenye uso wa seli ndogo za mwani, na seli ndogo za mwani baada ya kuondolewa kwa MXenes zilizounganishwa. Ni muhimu kuzingatia kwamba ikiwa hakuna ufyonzwaji wa Nb, thamani ya Nb iliyopatikana na seli ndogo za mwani inapaswa kuwa sifuri baada ya kuondolewa kwa nanoscales zilizounganishwa. Kwa hivyo, ikiwa ufyonzwaji wa Nb utatokea, matokeo ya XRF na XPS yanapaswa kuonyesha kilele wazi cha Nb.
Katika kisa cha spektra za XRF, sampuli za mwani mdogo zilionyesha vilele vya Nb kwa SL Nb2CTx na Nb4C3Tx MXene baada ya kuingiliana na SL Nb2CTx na Nb4C3Tx MXene (tazama Mchoro 5a, pia kumbuka kwamba matokeo ya MAX na ML MXene yanaonyeshwa katika SI, Mchoro S12–C17). Cha kufurahisha ni kwamba, kiwango cha kilele cha Nb ni sawa katika visa vyote viwili (vipande vyekundu katika Mchoro 5a). Hii ilionyesha kwamba mwani haukuweza kunyonya Nb zaidi, na uwezo wa juu zaidi wa mkusanyiko wa Nb ulipatikana katika seli, ingawa Nb4C3Tx MXene mara mbili zaidi iliunganishwa kwenye seli za mwani mdogo (vipande vya bluu katika Mchoro 5a). Ikumbukwe kwamba uwezo wa mwani mdogo kunyonya metali hutegemea mkusanyiko wa oksidi za metali katika mazingira67,68. Shamshada na wenzake67 waligundua kuwa uwezo wa kunyonya wa mwani wa maji safi hupungua kadri pH inavyoongezeka. Raize na wenzake 68 walibainisha kuwa uwezo wa mwani kunyonya metali ulikuwa juu kwa takriban 25% kwa Pb2+ kuliko kwa Ni2+.
(a) Matokeo ya XRF ya ufyonzaji wa Nb ya msingi na seli ndogo za mwani kijani zilizowekwa kwenye mkusanyiko mkubwa wa SL Nb-MXenes (100 mg L-1) kwa saa 72. Matokeo yanaonyesha uwepo wa α katika seli safi za mwani mdogo (sampuli ya udhibiti, safu wima za kijivu), nanoflakes za 2D zilizotengwa kutoka kwa seli ndogo za mwani mdogo (safu wima za bluu), na seli ndogo za mwani baada ya kutenganishwa kwa nanoflakes za 2D kutoka kwenye uso (safu wima nyekundu). Kiasi cha Nb ya elementi, (b) asilimia ya muundo wa kemikali wa vipengele vya kikaboni vya mwani mdogo (C=O na CHx/C–O) na oksidi za Nb zilizopo katika seli ndogo za mwani baada ya kuingizwa na SL Nb-MXenes, (c–e) Uwekaji wa kilele cha utungaji wa spektra za XPS SL Nb2CTx na (fh) SL Nb4C3Tx MXene zilizowekwa ndani na seli ndogo za mwani.
Kwa hivyo, tulitarajia kwamba Nb inaweza kufyonzwa na seli za mwani katika mfumo wa oksidi. Ili kujaribu hili, tulifanya tafiti za XPS kwenye MXenes Nb2CTx na Nb4C3TX na seli za mwani. Matokeo ya mwingiliano wa mwani mdogo na Nb-MXenes na MXenes zilizotengwa kutoka kwa seli za mwani yanaonyeshwa kwenye Mchoro 5b. Kama ilivyotarajiwa, tuligundua vilele vya Nb 3d katika sampuli za mwani mdogo baada ya kuondolewa kwa MXene kutoka kwenye uso wa mwani mdogo. Uamuzi wa kiasi wa oksidi za C=O, CHx/CO, na Nb ulihesabiwa kulingana na spektra za Nb 3d, O 1s, na C 1s zilizopatikana na Nb2CTx SL (Mchoro 5c–e) na Nb4C3Tx SL (Mchoro 5c–e). ) zilizopatikana kutoka kwa mwani mdogo uliowekwa ndani. Mchoro 5f–h) MXenes. Jedwali S1-3 linaonyesha maelezo ya vigezo vya kilele na kemia ya jumla inayotokana na utoshelevu. Ni muhimu kukumbuka kwamba maeneo ya Nb 3d ya Nb2CTx SL na Nb4C3Tx SL (Mchoro 5c, f) yanahusiana na sehemu moja ya Nb2O5. Hapa, hatukupata vilele vinavyohusiana na MXene kwenye spektra, ikionyesha kwamba seli za mwani mdogo hunyonya tu umbo la oksidi la Nb. Zaidi ya hayo, tulikadiria wigo wa C1 s na vipengele vya C–C, CHx/C–O, C=O, na –COOH. Tuligawa vilele vya CHx/C–O na C=O kwenye mchango wa kikaboni wa seli za mwani mdogo. Vipengele hivi vya kikaboni vinachangia 36% na 41% ya vilele vya C 1s katika Nb2CTx SL na Nb4C3TX SL, mtawalia. Kisha tukaweka spektra za O 1s za SL Nb2CTx na SL Nb4C3TX na Nb2O5, vipengele vya kikaboni vya mwani mdogo (CHx/CO), na maji yaliyofunikwa na uso.
Hatimaye, matokeo ya XPS yalionyesha wazi umbo la Nb, si tu uwepo wake. Kulingana na nafasi ya ishara ya Nb 3d na matokeo ya deconvolution, tunathibitisha kwamba Nb hufyonzwa tu katika umbo la oksidi na si ioni au MXene yenyewe. Zaidi ya hayo, matokeo ya XPS yalionyesha kuwa seli za mwani mdogo zina uwezo mkubwa wa kuchukua oksidi za Nb kutoka SL Nb2CTx ikilinganishwa na SL Nb4C3TX MXene.
Ingawa matokeo yetu ya ufyonzaji wa Nb ni ya kuvutia na yanaturuhusu kutambua uharibifu wa MXene, hakuna njia inayopatikana ya kufuatilia mabadiliko yanayohusiana ya kimofolojia katika nanoflakes za 2D. Kwa hivyo, pia tuliamua kutengeneza njia inayofaa ambayo inaweza kujibu moja kwa moja mabadiliko yoyote yanayotokea katika nanoflakes za 2D Nb-MXene na seli ndogo za mwani. Ni muhimu kutambua kwamba tunadhania kwamba ikiwa spishi zinazoingiliana zitapitia mabadiliko yoyote, mtengano au mgawanyiko, hii inapaswa kujidhihirisha haraka kama mabadiliko katika vigezo vya umbo, kama vile kipenyo cha eneo sawa la duara, umbo la mviringo, upana wa Feret, au urefu wa Feret. Kwa kuwa vigezo hivi vinafaa kuelezea chembe ndefu au nanoflakes zenye pande mbili, ufuatiliaji wao kwa uchambuzi wa umbo la chembe unaobadilika utatupa taarifa muhimu kuhusu mabadiliko ya kimofolojia ya nanoflakes za SL Nb-MXene wakati wa upunguzaji.
Matokeo yaliyopatikana yanaonyeshwa kwenye Mchoro 6. Kwa kulinganisha, pia tulijaribu awamu ya awali ya MAX na ML-MXenes (tazama Mchoro SI S18 na S19). Uchambuzi wa nguvu wa umbo la chembe ulionyesha kuwa vigezo vyote vya umbo la Nb-MXene SL mbili vilibadilika sana baada ya kuingiliana na mwani mdogo. Kama inavyoonyeshwa na kigezo sawa cha kipenyo cha eneo la mviringo (Mchoro 6a, b), kiwango cha kilele kilichopunguzwa cha sehemu ya nanoflakes kubwa kinaonyesha kuwa huwa zinaoza na kuwa vipande vidogo. Kwenye Mchoro 6c, d inaonyesha kupungua kwa vilele vinavyohusiana na ukubwa wa mlalo wa vipande (kurefusha nanoflakes), ikionyesha mabadiliko ya nanoflakes za 2D kuwa umbo linalofanana na chembe zaidi. Mchoro 6e-h unaonyesha upana na urefu wa Feret, mtawalia. Upana na urefu wa Feret ni vigezo vya ziada na kwa hivyo vinapaswa kuzingatiwa pamoja. Baada ya kuangushwa kwa nanoflakes za 2D Nb-MXene mbele ya mwani mdogo, vilele vyao vya uhusiano wa Feret vilibadilika na kiwango chao kilipungua. Kulingana na matokeo haya pamoja na mofolojia, XRF na XPS, tulihitimisha kwamba mabadiliko yaliyoonekana yanahusiana sana na oksidasheni kwani MXene zilizooksidishwa huzidi kukunjamana na kuvunjika vipande vipande na chembe za oksidi za duara69,70.
Uchambuzi wa mabadiliko ya MXene baada ya mwingiliano na mwani mdogo wa kijani. Uchambuzi wa umbo la chembe unaobadilika huzingatia vigezo kama vile (a, b) kipenyo cha eneo sawa la mviringo, (c, d) umbo la mviringo, (e, f) upana wa mwani mdogo na (g, h) urefu wa mwani mdogo. Kwa lengo hili, sampuli mbili za mwani mdogo wa marejeleo zilichambuliwa pamoja na SL Nb2CTx ya msingi na SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx na SL Nb4C3Tx MXenes, mwani mdogo ulioharibika, na mwani mdogo uliotibiwa SL Nb2CTx na SL Nb4C3Tx MXenes. Mishale nyekundu inaonyesha mabadiliko ya vigezo vya umbo la nanoflakes zenye pande mbili zilizochunguzwa.
Kwa kuwa uchanganuzi wa vigezo vya umbo unaaminika sana, unaweza pia kufichua mabadiliko ya kimofolojia katika seli za mwani mdogo. Kwa hivyo, tulichambua kipenyo sawa cha eneo la mviringo, umbo la mviringo, na upana/urefu wa Feret wa seli na seli safi za mwani mdogo baada ya kuingiliana na nanoflakes za 2D Nb. Kwenye mchoro 6a–h zinaonyesha mabadiliko katika vigezo vya umbo la seli za mwani, kama inavyothibitishwa na kupungua kwa kiwango cha kilele na mabadiliko ya kiwango cha juu kuelekea thamani za juu. Hasa, vigezo vya umbo la mviringo wa seli vilionyesha kupungua kwa seli ndefu na ongezeko la seli za duara (Mchoro 6a, b). Kwa kuongezea, upana wa seli za Feret uliongezeka kwa mikromita kadhaa baada ya kuingiliana na SL Nb2CTx MXene (Mchoro 6e) ikilinganishwa na SL Nb4C3TX MXene (Mchoro 6f). Tunashuku kuwa hii inaweza kuwa ni kutokana na ufyonzaji mkubwa wa oksidi za Nb na mwani mdogo wakati wa kuingiliana na Nb2CTx SR. Ushikamano mdogo wa vipande vya Nb kwenye uso wao unaweza kusababisha ukuaji wa seli na athari ndogo ya kivuli.
Uchunguzi wetu wa mabadiliko katika vigezo vya umbo na ukubwa wa mwani mdogo unakamilisha tafiti zingine. Mwani mdogo wa kijani unaweza kubadilisha umbo lake ili kukabiliana na msongo wa mazingira kwa kubadilisha ukubwa wa seli, umbo au kimetaboliki61. Kwa mfano, kubadilisha ukubwa wa seli hurahisisha ufyonzaji wa virutubisho71. Seli ndogo za mwani huonyesha ufyonzaji mdogo wa virutubisho na kiwango cha ukuaji kilichoharibika. Kinyume chake, seli kubwa huwa hutumia virutubisho zaidi, ambavyo huwekwa ndani ya seli72,73. Machado na Soares waligundua kuwa triclosan ya kuvu inaweza kuongeza ukubwa wa seli. Pia walipata mabadiliko makubwa katika umbo la mwani74. Kwa kuongezea, Yin et al.9 pia walifunua mabadiliko ya kimofolojia katika mwani baada ya kuathiriwa na nanocomposites zilizopunguzwa za oksidi ya graphene. Kwa hivyo, ni wazi kwamba vigezo vya ukubwa/umbo vilivyobadilishwa vya mwani mdogo husababishwa na uwepo wa MXene. Kwa kuwa mabadiliko haya ya ukubwa na umbo yanaonyesha mabadiliko katika ufyonzaji wa virutubisho, tunaamini kwamba uchambuzi wa vigezo vya ukubwa na umbo baada ya muda unaweza kuonyesha ufyonzaji wa oksidi ya niobium na mwani mdogo mbele ya Nb-MXenes.
Zaidi ya hayo, MXenes zinaweza kuoksidishwa mbele ya mwani. Dalai na wenzake 75 waliona kwamba mofolojia ya mwani kijani iliyo wazi kwa nano-TiO2 na Al2O376 haikuwa sawa. Ingawa uchunguzi wetu unafanana na utafiti huu, ni muhimu tu kwa utafiti wa athari za bioremediation katika suala la bidhaa za uharibifu wa MXene mbele ya nanoflakes za 2D na sio nanochembechembe. Kwa kuwa MXenes zinaweza kuharibika na kuwa oksidi za metali, 31,32,77,78 ni busara kudhani kwamba nanoflakes zetu za Nb zinaweza pia kuunda oksidi za Nb baada ya kuingiliana na seli za microalgae.
Ili kuelezea upunguzaji wa nanoflakes za 2D-Nb kupitia utaratibu wa mtengano kulingana na mchakato wa oksidi, tulifanya tafiti kwa kutumia hadubini ya elektroni ya upitishaji yenye ubora wa juu (HRTEM) (Mchoro 7a,b) na spektroskopia ya picha ya elektroni ya X-ray (XPS) (Mchoro 7). 7c-i na majedwali S4-5). Mbinu zote mbili zinafaa kwa kusoma oksidi ya nyenzo za 2D na kukamilishana. HRTEM ina uwezo wa kuchambua uharibifu wa miundo yenye tabaka mbili na mwonekano unaofuata wa nanoflakes za oksidi ya chuma, huku XPS ikiwa nyeti kwa vifungo vya uso. Kwa kusudi hili, tulijaribu nanoflakes za 2D Nb-MXene zilizotolewa kutoka kwa utawanyiko wa seli za mwani mdogo, yaani, umbo lao baada ya kuingiliana na seli za mwani mdogo (tazama Mchoro 7).
Picha za HRTEM zinazoonyesha mofolojia ya oksidi (a) SL Nb2CTx na (b) SL Nb4C3Tx MXenes, matokeo ya uchambuzi wa XPS yanayoonyesha (c) muundo wa bidhaa za oksidi baada ya kupunguzwa, (d–f) ulinganishaji wa kilele wa vipengele vya spektra ya XPS ya SL Nb2CTx na (g–i) Nb4C3Tx SL iliyorekebishwa kwa mwani mdogo wa kijani.
Uchunguzi wa HRTEM ulithibitisha oksidi ya aina mbili za nanoflakes za Nb-MXene. Ingawa nanoflakes zilihifadhi umbo lao la pande mbili kwa kiasi fulani, oksidi ilisababisha kuonekana kwa chembechembe nyingi za nano zinazofunika uso wa nanoflakes za MXene (tazama Mchoro 7a,b). Uchambuzi wa XPS wa ishara za c Nb 3d na O1s ulionyesha kuwa oksidi za Nb ziliundwa katika visa vyote viwili. Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 7c, 2D MXene Nb2CTx na Nb4C3TX zina ishara za Nb 3d zinazoonyesha uwepo wa oksidi za NbO na Nb2O5, huku ishara za O 1s zikionyesha idadi ya vifungo vya O–Nb vinavyohusiana na utendakazi wa uso wa nanoflakes wa 2D. Tuligundua kuwa mchango wa oksidi ya Nb ni mkubwa ikilinganishwa na Nb-C na Nb3+-O.
Kwenye mchoro. Michoro 7g–i inaonyesha spektra ya XPS ya Nb 3d, C 1s, na O 1s SL Nb2CTx (tazama Michoro 7d–f) na SL Nb4C3TX MXene zilizotengwa kutoka kwa seli za mwani mdogo. Maelezo ya vigezo vya kilele vya Nb-MXenes yametolewa katika Majedwali S4–5, mtawalia. Kwanza tulichambua muundo wa Nb 3d. Tofauti na Nb iliyofyonzwa na seli za mwani mdogo, katika MXene iliyotengwa kutoka kwa seli za mwani mdogo, mbali na Nb2O5, vipengele vingine vilipatikana. Katika Nb2CTx SL, tuliona mchango wa Nb3+-O kwa kiasi cha 15%, huku wigo uliobaki wa Nb 3d ukitawaliwa na Nb2O5 (85%). Kwa kuongezea, sampuli ya SL Nb4C3TX ina vipengele vya Nb-C (9%) na Nb2O5 (91%). Hapa Nb-C inatoka kwenye tabaka mbili za ndani za atomiki za kabidi ya chuma katika Nb4C3Tx SR. Kisha tunaweka ramani ya spektra ya C1s kwa vipengele vinne tofauti, kama tulivyofanya katika sampuli zilizowekwa ndani. Kama ilivyotarajiwa, spektra ya C1s inatawaliwa na kaboni ya grafiti, ikifuatiwa na michango kutoka kwa chembe hai (CHx/CO2 na C=O2) kutoka kwa seli ndogo za mwani. Zaidi ya hayo, katika spektra ya O1s, tuliona mchango wa aina hai za seli ndogo za mwani, oksidi ya niobiamu, na maji yaliyofyonzwa.
Kwa kuongezea, tulichunguza kama mgawanyiko wa Nb-MXenes unahusishwa na uwepo wa spishi tendaji za oksijeni (ROS) katika seli za virutubisho na/au mwani mdogo. Kwa lengo hili, tulipima viwango vya oksijeni ya singlet (1O2) katika seli za utamaduni na glutathione ya ndani ya seli, thiol ambayo hufanya kazi kama antioxidant katika mwani mdogo. Matokeo yanaonyeshwa katika SI (Michoro S20 na S21). Mimea yenye SL Nb2CTx na Nb4C3TX MXenes ilibainishwa na kiwango kilichopunguzwa cha 1O2 (tazama Mchoro S20). Katika kesi ya SL Nb2CTx, MXene 1O2 imepunguzwa hadi takriban 83%. Kwa tamaduni za mwani mdogo zinazotumia SL, Nb4C3TX 1O2 ilipungua zaidi, hadi 73%. Cha kufurahisha ni kwamba, mabadiliko katika 1O2 yalionyesha mwelekeo sawa na athari ya kuzuia-kuchochea iliyoonekana hapo awali (tazama Mchoro 3). Inaweza kusemwa kwamba kuachishwa kwa mwanga mkali kunaweza kubadilisha fotooksidi. Hata hivyo, matokeo ya uchambuzi wa udhibiti yalionyesha viwango vya karibu vya 1O2 wakati wa jaribio (Mchoro S22). Katika kesi ya viwango vya ROS ndani ya seli, pia tuliona mwelekeo huo wa kushuka (tazama Mchoro S21). Hapo awali, viwango vya ROS katika seli ndogo za mwani zilizokuzwa mbele ya Nb2CTx na Nb4C3Tx SL zilizidi viwango vilivyopatikana katika tamaduni safi za mwani mdogo. Hata hivyo, hatimaye, ilionekana kwamba mwani mdogo ulibadilika kulingana na uwepo wa Nb-MXene zote mbili, kwani viwango vya ROS vilipungua hadi 85% na 91% ya viwango vilivyopimwa katika tamaduni safi za mwani mdogo zilizochanjwa na SL Nb2CTx na Nb4C3TX, mtawalia. Hii inaweza kuonyesha kwamba mwani mdogo huhisi vizuri zaidi baada ya muda mbele ya Nb-MXene kuliko katika njia ya virutubisho pekee.
Mwani mdogo ni kundi tofauti la viumbe hai vya usanisinuru. Wakati wa usanisinuru, hubadilisha kaboni dioksidi ya angahewa (CO2) kuwa kaboni kikaboni. Bidhaa za usanisinuru ni glukosi na oksijeni79. Tunashuku kwamba oksijeni inayoundwa hivyo ina jukumu muhimu katika oksijeni ya Nb-MXenes. Maelezo moja yanayowezekana kwa hili ni kwamba kigezo tofauti cha upenyezaji huundwa kwa shinikizo la chini na la juu la sehemu ya oksijeni nje na ndani ya nanoflakes za Nb-MXene. Hii ina maana kwamba popote pale kuna maeneo ya shinikizo tofauti la sehemu ya oksijeni, eneo lenye kiwango cha chini kabisa litaunda anodi 80, 81, 82. Hapa, mwani mdogo huchangia katika uundaji wa seli zenye hewa tofauti kwenye uso wa vipande vya MXene, ambavyo hutoa oksijeni kutokana na sifa zao za usanisinuru. Matokeo yake, bidhaa za biocorrosion (katika kesi hii, oksidi za niobiamu) huundwa. Kipengele kingine ni kwamba mwani mdogo unaweza kutoa asidi kikaboni ambazo hutolewa ndani ya maji83,84. Kwa hivyo, mazingira ya fujo huundwa, na hivyo kubadilisha Nb-MXenes. Zaidi ya hayo, mwani mdogo unaweza kubadilisha pH ya mazingira kuwa alkali kutokana na kunyonya kaboni dioksidi, ambayo pia inaweza kusababisha kutu79.
Muhimu zaidi, kipindi cha mwanga/giza kilichotumika katika utafiti wetu ni muhimu katika kuelewa matokeo yaliyopatikana. Kipengele hiki kimeelezewa kwa undani katika Djemai-Zoghlache et al. 85 Walitumia kimakusudi kipindi cha mwanga cha saa 12/12 kuonyesha biocorrosion inayohusishwa na biofouling na mwani mwekundu Porphyridium purpureum. Wanaonyesha kuwa kipindi cha mwanga kinahusishwa na mageuko ya uwezo bila biocorrosion, ikijidhihirisha kama mitetemo ya pseudoperiodic karibu saa 24:00. Uchunguzi huu ulithibitishwa na Dowling et al. 86 Walionyesha biofilms za usanisinuru wa cyanobacteria Anabaena. Oksijeni iliyoyeyuka huundwa chini ya hatua ya mwanga, ambayo inahusishwa na mabadiliko au kushuka kwa uwezo wa biocorrosion huru. Umuhimu wa kipindi cha mwanga unasisitizwa na ukweli kwamba uwezo wa biocorrosion huru huongezeka katika awamu ya mwanga na hupungua katika awamu ya giza. Hii ni kutokana na oksijeni inayozalishwa na mwani mdogo wa usanisinuru, ambao huathiri mmenyuko wa kathodi kupitia shinikizo la sehemu linalozalishwa karibu na elektrodi87.
Kwa kuongezea, spektroskopia ya infrared ya Fourier transform (FTIR) ilifanywa ili kujua kama mabadiliko yoyote yalitokea katika muundo wa kemikali wa seli za mwani mdogo baada ya kuingiliana na Nb-MXenes. Matokeo haya yaliyopatikana ni magumu na tunayawasilisha katika SI (Michoro S23-S25, ikijumuisha matokeo ya hatua ya MAX na ML MXenes). Kwa kifupi, spektroskopia za marejeleo zilizopatikana za mwani mdogo hutupa taarifa muhimu kuhusu sifa za kemikali za viumbe hawa. Mitetemo hii inayowezekana zaidi iko katika masafa ya 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1. moja. 1 1 (C–H) na 3280 cm–1 (O–H). Kwa SL Nb-MXenes, tulipata sahihi ya kunyoosha dhamana ya CH ambayo inaendana na utafiti wetu uliopita38. Hata hivyo, tuliona kwamba baadhi ya vilele vya ziada vinavyohusiana na vifungo vya C=C na CH vilitoweka. Hii inaonyesha kwamba muundo wa kemikali wa mwani mdogo unaweza kupitia mabadiliko madogo kutokana na mwingiliano na SL Nb-MXenes.
Wakati wa kuzingatia mabadiliko yanayowezekana katika biokemia ya mwani mdogo, mkusanyiko wa oksidi zisizo za kikaboni, kama vile oksidi ya niobamu, unahitaji kuzingatiwa upya59. Unahusika katika ufyonzaji wa metali na uso wa seli, usafirishaji wao hadi kwenye saitoplazimu, uhusiano wao na vikundi vya kaboksili ndani ya seli, na mkusanyiko wao katika polifosfosomu za mwani mdogo20,88,89,90. Kwa kuongezea, uhusiano kati ya mwani mdogo na metali unadumishwa na vikundi vya seli vinavyofanya kazi. Kwa sababu hii, ufyonzaji pia hutegemea kemia ya uso wa mwani mdogo, ambayo ni ngumu sana9,91. Kwa ujumla, kama inavyotarajiwa, muundo wa kemikali wa mwani mdogo wa kijani ulibadilika kidogo kutokana na ufyonzaji wa oksidi ya Nb.
Cha kufurahisha ni kwamba kizuizi cha awali cha mwani mdogo kilibadilishwa baada ya muda. Kama tulivyoona, mwani mdogo ulishinda mabadiliko ya awali ya mazingira na hatimaye kurudi kwenye viwango vya kawaida vya ukuaji na hata kuongezeka. Uchunguzi wa uwezo wa zeta unaonyesha utulivu wa hali ya juu ulipoingizwa kwenye vyombo vya virutubisho. Hivyo, mwingiliano wa uso kati ya seli za mwani mdogo na nanoflakes za Nb-MXene ulidumishwa katika majaribio yote ya kupunguza. Katika uchambuzi wetu zaidi, tunafupisha mifumo mikuu ya utendaji inayozingatia tabia hii ya ajabu ya mwani mdogo.
Uchunguzi wa SEM umeonyesha kuwa mwani mdogo huwa unaambatana na Nb-MXenes. Kwa kutumia uchanganuzi wa picha unaobadilika, tunathibitisha kwamba athari hii husababisha mabadiliko ya nanoflakes za Nb-MXene zenye pande mbili kuwa chembe za duara zaidi, na hivyo kuonyesha kwamba mtengano wa nanoflakes unahusishwa na oksidi yao. Ili kujaribu dhana yetu, tulifanya mfululizo wa tafiti za nyenzo na kibiokemikali. Baada ya majaribio, nanoflakes zilioksidishwa polepole na kuoza kuwa bidhaa za NbO na Nb2O5, ambazo hazikuwa tishio kwa mwani mdogo wa kijani. Kwa kutumia uchunguzi wa FTIR, hatukupata mabadiliko yoyote muhimu katika muundo wa kemikali wa mwani mdogo uliowekwa mbele ya nanoflakes za 2D Nb-MXene. Kwa kuzingatia uwezekano wa kunyonya oksidi ya niobiamu na mwani mdogo, tulifanya uchanganuzi wa mwangaza wa X-ray. Matokeo haya yanaonyesha wazi kwamba mwani mdogo uliosomwa hula oksidi za niobiamu (NbO na Nb2O5), ambazo hazina sumu kwa mwani mdogo uliosomwa.