Nature.com ని సందర్శించినందుకు ధన్యవాదాలు. మీరు పరిమిత CSS మద్దతు ఉన్న బ్రౌజర్ వెర్షన్‌ను ఉపయోగిస్తున్నారు. ఉత్తమ అనుభవం కోసం, మీరు నవీకరించబడిన బ్రౌజర్‌ను ఉపయోగించాలని మేము సిఫార్సు చేస్తున్నాము (లేదా ఇంటర్నెట్ ఎక్స్‌ప్లోరర్‌లో అనుకూలత మోడ్‌ను నిలిపివేయండి). ఈలోగా, నిరంతర మద్దతును నిర్ధారించడానికి, మేము సైట్‌ను శైలులు మరియు జావాస్క్రిప్ట్ లేకుండా రెండర్ చేస్తాము.
ఒకేసారి మూడు స్లయిడ్‌ల కారౌసెల్‌ను ప్రదర్శిస్తుంది. ఒకేసారి మూడు స్లయిడ్‌ల ద్వారా కదలడానికి మునుపటి మరియు తదుపరి బటన్‌లను ఉపయోగించండి లేదా ఒకేసారి మూడు స్లయిడ్‌ల ద్వారా కదలడానికి చివర ఉన్న స్లయిడర్ బటన్‌లను ఉపయోగించండి.
నానోటెక్నాలజీ యొక్క వేగవంతమైన అభివృద్ధి మరియు రోజువారీ అనువర్తనాలలో దాని ఏకీకరణ పర్యావరణానికి ముప్పు కలిగిస్తుంది. సేంద్రీయ కలుషితాల క్షీణతకు గ్రీన్ పద్ధతులు బాగా స్థిరపడినప్పటికీ, బయో ట్రాన్స్ఫర్మేషన్‌కు వాటి తక్కువ సున్నితత్వం మరియు జీవసంబంధమైన వాటితో పదార్థ ఉపరితల పరస్పర చర్యల అవగాహన లేకపోవడం వల్ల అకర్బన స్ఫటికాకార కలుషితాల పునరుద్ధరణ ప్రధాన ఆందోళన కలిగిస్తుంది. ఇక్కడ, ఆకుపచ్చ మైక్రోఅల్గే రాఫిడోసెలిస్ సబ్‌క్యాపిటాటా ద్వారా 2D సిరామిక్ నానోమెటీరియల్స్ యొక్క బయోరిమిడియేషన్ మెకానిజమ్‌ను గుర్తించడానికి మేము Nb-ఆధారిత అకర్బన 2D MXenes మోడల్‌ను సాధారణ ఆకార పారామితి విశ్లేషణ పద్ధతితో కలిపి ఉపయోగిస్తాము. ఉపరితల-సంబంధిత భౌతిక-రసాయన పరస్పర చర్యల కారణంగా మైక్రోఅల్గే Nb-ఆధారిత MXenes ను క్షీణింపజేస్తుందని మేము కనుగొన్నాము. ప్రారంభంలో, సింగిల్-లేయర్ మరియు మల్టీలేయర్ MXene నానోఫ్లేక్‌లు మైక్రోఅల్గే యొక్క ఉపరితలంతో జతచేయబడ్డాయి, ఇది ఆల్గే పెరుగుదలను కొంతవరకు తగ్గించింది. అయితే, ఉపరితలంతో సుదీర్ఘ పరస్పర చర్య తర్వాత, మైక్రోఅల్గే MXene నానోఫ్లేక్‌లను ఆక్సీకరణం చేసి, వాటిని NbO మరియు Nb2O5గా మరింత కుళ్ళిపోయింది. ఈ ఆక్సైడ్లు మైక్రోఆల్గే కణాలకు విషపూరితం కానందున, అవి 72 గంటల నీటి చికిత్స తర్వాత మైక్రోఆల్గేను మరింత పునరుద్ధరించే శోషణ విధానం ద్వారా Nb ఆక్సైడ్ నానోపార్టికల్స్‌ను వినియోగిస్తాయి. శోషణతో సంబంధం ఉన్న పోషకాల ప్రభావాలు కణ పరిమాణంలో పెరుగుదల, వాటి మృదువైన ఆకారం మరియు వృద్ధి రేటులో మార్పులో కూడా ప్రతిబింబిస్తాయి. ఈ ఫలితాల ఆధారంగా, మంచినీటి పర్యావరణ వ్యవస్థలలో Nb-ఆధారిత MXenes యొక్క స్వల్ప మరియు దీర్ఘకాలిక ఉనికి స్వల్ప పర్యావరణ ప్రభావాలకు మాత్రమే కారణమవుతుందని మేము నిర్ధారించాము. రెండు-డైమెన్షనల్ నానోమెటీరియల్‌లను మోడల్ సిస్టమ్‌లుగా ఉపయోగించి, సూక్ష్మ-కణిత పదార్థాలలో కూడా ఆకార పరివర్తనను ట్రాక్ చేసే అవకాశాన్ని మేము ప్రదర్శిస్తాము. మొత్తంమీద, ఈ అధ్యయనం 2D నానోమెటీరియల్స్ యొక్క బయోరిమిడియేషన్ మెకానిజమ్‌ను నడిపించే ఉపరితల పరస్పర చర్య-సంబంధిత ప్రక్రియల గురించి ఒక ముఖ్యమైన ప్రాథమిక ప్రశ్నకు సమాధానమిస్తుంది మరియు అకర్బన స్ఫటికాకార నానోమెటీరియల్స్ యొక్క పర్యావరణ ప్రభావం యొక్క మరింత స్వల్పకాలిక మరియు దీర్ఘకాలిక అధ్యయనాలకు ఒక ఆధారాన్ని అందిస్తుంది.
నానోమెటీరియల్స్ వాటి ఆవిష్కరణ నుండి చాలా ఆసక్తిని రేకెత్తించాయి మరియు వివిధ నానోటెక్నాలజీలు ఇటీవల ఆధునీకరణ దశలోకి ప్రవేశించాయి1. దురదృష్టవశాత్తు, రోజువారీ అనువర్తనాల్లో నానోమెటీరియల్‌ల ఏకీకరణ సరికాని పారవేయడం, అజాగ్రత్త నిర్వహణ లేదా సరిపోని భద్రతా మౌలిక సదుపాయాల కారణంగా ప్రమాదవశాత్తు విడుదలలకు దారితీస్తుంది. అందువల్ల, రెండు డైమెన్షనల్ (2D) నానోమెటీరియల్‌లతో సహా నానోమెటీరియల్‌లను సహజ వాతావరణంలోకి విడుదల చేయవచ్చని భావించడం సహేతుకమైనది, వీటి ప్రవర్తన మరియు జీవసంబంధ కార్యకలాపాలు ఇంకా పూర్తిగా అర్థం కాలేదు. అందువల్ల, ఎకోటాక్సిసిటీ ఆందోళనలు 2D నానోమెటీరియల్‌లు జల వ్యవస్థల్లోకి లీచ్ అయ్యే సామర్థ్యంపై దృష్టి సారించడంలో ఆశ్చర్యం లేదు2,3,4,5,6. ఈ పర్యావరణ వ్యవస్థలలో, కొన్ని 2D నానోమెటీరియల్‌లు మైక్రోఅల్గేతో సహా వివిధ ట్రోఫిక్ స్థాయిలలో వివిధ జీవులతో సంకర్షణ చెందుతాయి.
మైక్రోఅల్గేలు అనేవి మంచినీరు మరియు సముద్ర పర్యావరణ వ్యవస్థలలో సహజంగా కనిపించే ఆదిమ జీవులు, ఇవి కిరణజన్య సంయోగక్రియ ద్వారా వివిధ రకాల రసాయన ఉత్పత్తులను ఉత్పత్తి చేస్తాయి7. అందువల్ల, అవి జల పర్యావరణ వ్యవస్థలకు కీలకం8,9,10,11,12 కానీ సున్నితమైనవి, చవకైనవి మరియు పర్యావరణ విషపూరితం యొక్క విస్తృతంగా ఉపయోగించే సూచికలు13,14. మైక్రోఅల్గే కణాలు వేగంగా గుణించి, వివిధ సమ్మేళనాల ఉనికికి త్వరగా ప్రతిస్పందిస్తాయి కాబట్టి, సేంద్రీయ పదార్థాలతో కలుషితమైన నీటిని శుద్ధి చేయడానికి పర్యావరణ అనుకూల పద్ధతుల అభివృద్ధికి అవి హామీ ఇస్తున్నాయి15,16.
ఆల్గే కణాలు బయోశోషణ మరియు సంచితం ద్వారా నీటి నుండి అకర్బన అయాన్లను తొలగించగలవు17,18. క్లోరెల్లా, అనాబెనా ఇన్వార్, వెస్టియెల్లోప్సిస్ ప్రోలిఫికా, స్టిజియోక్లోనియం టెన్యూ మరియు సైనెకోకాకస్ sp వంటి కొన్ని ఆల్గల్ జాతులు. ఇది Fe2+, Cu2+, Zn2+ మరియు Mn2+19 వంటి విషపూరిత లోహ అయాన్లను తీసుకువెళుతుందని మరియు పోషించగలదని కనుగొనబడింది. ఇతర అధ్యయనాలు Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ లేదా Pb2+ అయాన్లు కణ స్వరూపాన్ని మార్చడం ద్వారా మరియు వాటి క్లోరోప్లాస్ట్‌లను నాశనం చేయడం ద్వారా సీనెడెస్మస్ పెరుగుదలను పరిమితం చేస్తాయని చూపించాయి20,21.
సేంద్రీయ కాలుష్య కారకాల కుళ్ళిపోవడానికి మరియు భారీ లోహ అయాన్లను తొలగించడానికి గ్రీన్ పద్ధతులు ప్రపంచవ్యాప్తంగా శాస్త్రవేత్తలు మరియు ఇంజనీర్ల దృష్టిని ఆకర్షించాయి. ఈ కలుషితాలు ద్రవ దశలో సులభంగా ప్రాసెస్ చేయబడటం దీనికి ప్రధాన కారణం. అయితే, అకర్బన స్ఫటికాకార కాలుష్య కారకాలు తక్కువ నీటిలో కరిగే సామర్థ్యం మరియు వివిధ బయోట్రాన్స్ఫర్మేషన్లకు తక్కువ గ్రహణశీలత కలిగి ఉంటాయి, ఇది నివారణలో గొప్ప ఇబ్బందులను కలిగిస్తుంది మరియు ఈ ప్రాంతంలో తక్కువ పురోగతి సాధించబడింది22,23,24,25,26. అందువల్ల, నానోమెటీరియల్స్ మరమ్మత్తు కోసం పర్యావరణ అనుకూల పరిష్కారాల కోసం అన్వేషణ సంక్లిష్టమైన మరియు అన్వేషించబడని ప్రాంతంగా మిగిలిపోయింది. 2D నానోమెటీరియల్స్ యొక్క బయోట్రాన్స్ఫర్మేషన్ ప్రభావాలకు సంబంధించి అధిక స్థాయిలో అనిశ్చితి కారణంగా, తగ్గింపు సమయంలో వాటి క్షీణత యొక్క సాధ్యమైన మార్గాలను కనుగొనడానికి సులభమైన మార్గం లేదు.
ఈ అధ్యయనంలో, మేము అకర్బన సిరామిక్ పదార్థాలకు చురుకైన జల బయోరిమిడియేషన్ ఏజెంట్‌గా ఆకుపచ్చ సూక్ష్మ శైవలాలను ఉపయోగించాము, అకర్బన సిరామిక్ పదార్థాల ప్రతినిధిగా MXene యొక్క క్షీణత ప్రక్రియ యొక్క సిటు పర్యవేక్షణతో కలిపి. "MXene" అనే పదం Mn+1XnTx పదార్థం యొక్క స్టోయికియోమెట్రీని ప్రతిబింబిస్తుంది, ఇక్కడ M అనేది ప్రారంభ పరివర్తన లోహం, X అనేది కార్బన్ మరియు/లేదా నైట్రోజన్, Tx అనేది ఉపరితల టెర్మినేటర్ (ఉదా. -OH, -F, -Cl), మరియు n = 1, 2, 3 లేదా 427.28. నాగుయిబ్ మరియు ఇతరులు MXenes ను కనుగొన్నప్పటి నుండి. సెన్సోరిక్స్, క్యాన్సర్ చికిత్స మరియు పొర వడపోత 27,29,30. అదనంగా, MXenes ను వాటి అద్భుతమైన కొల్లాయిడల్ స్థిరత్వం మరియు సాధ్యమయ్యే జీవసంబంధ పరస్పర చర్యల కారణంగా మోడల్ 2D వ్యవస్థలుగా పరిగణించవచ్చు31,32,33,34,35,36.
అందువల్ల, ఈ వ్యాసంలో అభివృద్ధి చేయబడిన పద్దతి మరియు మా పరిశోధన పరికల్పనలు చిత్రం 1లో చూపబడ్డాయి. ఈ పరికల్పన ప్రకారం, ఉపరితల సంబంధిత భౌతిక-రసాయన పరస్పర చర్యల కారణంగా మైక్రోఆల్గే Nb-ఆధారిత MXenes ను విషరహిత సమ్మేళనాలుగా క్షీణింపజేస్తుంది, ఇది ఆల్గే యొక్క మరింత పునరుద్ధరణకు వీలు కల్పిస్తుంది. ఈ పరికల్పనను పరీక్షించడానికి, ప్రారంభ నియోబియం-ఆధారిత పరివర్తన లోహ కార్బైడ్‌లు మరియు/లేదా నైట్రైడ్‌ల (MXenes) కుటుంబంలోని ఇద్దరు సభ్యులు, అవి Nb2CTx మరియు Nb4C3TX, ఎంపిక చేయబడ్డాయి.
ఆకుపచ్చ మైక్రోఆల్గే రాఫిడోసెలిస్ సబ్‌క్యాపిటాటా ద్వారా MXene రికవరీ కోసం పరిశోధనా పద్దతి మరియు ఆధారాల ఆధారిత పరికల్పనలు. దయచేసి ఇది ఆధారాల ఆధారిత అంచనాల యొక్క స్కీమాటిక్ ప్రాతినిధ్యం మాత్రమే అని గమనించండి. సరస్సు వాతావరణం ఉపయోగించిన పోషక మాధ్యమం మరియు పరిస్థితులలో భిన్నంగా ఉంటుంది (ఉదా., రోజువారీ చక్రం మరియు అందుబాటులో ఉన్న ముఖ్యమైన పోషకాలలో పరిమితులు). BioRender.comతో రూపొందించబడింది.
అందువల్ల, MXene ను ఒక నమూనా వ్యవస్థగా ఉపయోగించడం ద్వారా, ఇతర సాంప్రదాయ నానోమెటీరియల్స్‌తో గమనించలేని వివిధ జీవసంబంధమైన ప్రభావాల అధ్యయనానికి మేము తలుపులు తెరిచాము. ముఖ్యంగా, నియోబియం-ఆధారిత MXenes వంటి ద్విమితీయ నానోమెటీరియల్స్ యొక్క బయోరిమిడియేషన్ యొక్క అవకాశాన్ని మైక్రోఆల్గే రాఫిడోసెలిస్ సబ్‌క్యాపిటాటా ద్వారా మేము ప్రదర్శిస్తాము. మైక్రోఆల్గేలు Nb-MXenes ను విషరహిత ఆక్సైడ్‌లు NbO మరియు Nb2O5 గా తగ్గించగలవు, ఇవి నియోబియం అప్‌టేక్ మెకానిజం ద్వారా పోషకాలను కూడా అందిస్తాయి. మొత్తంమీద, ఈ అధ్యయనం ద్విమితీయ నానోమెటీరియల్స్ యొక్క బయోరిమిడియేషన్ యొక్క విధానాలను నియంత్రించే ఉపరితల భౌతిక రసాయన పరస్పర చర్యలతో సంబంధం ఉన్న ప్రక్రియల గురించి ఒక ముఖ్యమైన ప్రాథమిక ప్రశ్నకు సమాధానమిస్తుంది. అదనంగా, 2D నానోమెటీరియల్స్ ఆకారంలో సూక్ష్మమైన మార్పులను ట్రాక్ చేయడానికి మేము ఒక సాధారణ ఆకార-పారామితి-ఆధారిత పద్ధతిని అభివృద్ధి చేస్తున్నాము. ఇది అకర్బన స్ఫటికాకార నానోమెటీరియల్స్ యొక్క వివిధ పర్యావరణ ప్రభావాలపై మరింత స్వల్పకాలిక మరియు దీర్ఘకాలిక పరిశోధనను ప్రేరేపిస్తుంది. అందువలన, మా అధ్యయనం పదార్థ ఉపరితలం మరియు జీవసంబంధమైన పదార్థం మధ్య పరస్పర చర్య యొక్క అవగాహనను పెంచుతుంది. మంచినీటి పర్యావరణ వ్యవస్థలపై వాటి ప్రభావాల యొక్క విస్తరించిన స్వల్పకాలిక మరియు దీర్ఘకాలిక అధ్యయనాలకు మేము ఆధారాన్ని కూడా అందిస్తున్నాము, వీటిని ఇప్పుడు సులభంగా ధృవీకరించవచ్చు.
MXenes ప్రత్యేకమైన మరియు ఆకర్షణీయమైన భౌతిక మరియు రసాయన లక్షణాలను కలిగి ఉన్న ఆసక్తికరమైన తరగతి పదార్థాలను సూచిస్తాయి మరియు అందువల్ల అనేక సంభావ్య అనువర్తనాలు ఉన్నాయి. ఈ లక్షణాలు ఎక్కువగా వాటి స్టోయికియోమెట్రీ మరియు ఉపరితల రసాయన శాస్త్రంపై ఆధారపడి ఉంటాయి. అందువల్ల, మా అధ్యయనంలో, మేము రెండు రకాల Nb-ఆధారిత క్రమానుగత సింగిల్-లేయర్ (SL) MXenes, Nb2CTx మరియు Nb4C3TX లను పరిశోధించాము, ఎందుకంటే ఈ నానోమెటీరియల్స్ యొక్క విభిన్న జీవ ప్రభావాలను గమనించవచ్చు. MXenes వాటి ప్రారంభ పదార్థాల నుండి అణుపరంగా సన్నని MAX-దశ A-పొరలను టాప్-డౌన్ సెలెక్టివ్ ఎచింగ్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడతాయి. MAX దశ అనేది పరివర్తన లోహ కార్బైడ్‌ల "బంధిత" బ్లాక్‌లు మరియు MnAXn-1 స్టోయికియోమెట్రీతో Al, Si మరియు Sn వంటి "A" మూలకాల యొక్క సన్నని పొరలతో కూడిన టెర్నరీ సిరామిక్. ప్రారంభ MAX దశ యొక్క స్వరూపాన్ని ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (SEM) స్కానింగ్ ద్వారా గమనించారు మరియు మునుపటి అధ్యయనాలకు అనుగుణంగా ఉంది (అనుబంధ సమాచారం, SI, చిత్రం S1 చూడండి). 48% HF (హైడ్రోఫ్లోరిక్ ఆమ్లం)తో Al పొరను తొలగించిన తర్వాత బహుళ పొర (ML) Nb-MXene పొందబడింది. ML-Nb2CTx మరియు ML-Nb4C3TX యొక్క స్వరూపాన్ని స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (SEM) (చిత్రాలు S1c మరియు S1d వరుసగా) ద్వారా పరిశీలించారు మరియు ఒక సాధారణ లేయర్డ్ MXene స్వరూపాన్ని గమనించారు, ఇది పొడుగుచేసిన రంధ్రాల లాంటి చీలికల గుండా వెళ్ళే రెండు-డైమెన్షనల్ నానోఫ్లేక్‌ల మాదిరిగానే ఉంటుంది. Nb-MXenes రెండూ గతంలో యాసిడ్ ఎచింగ్ ద్వారా సంశ్లేషణ చేయబడిన MXene దశలతో చాలా సారూప్యతలను కలిగి ఉన్నాయి27,38. MXene యొక్క నిర్మాణాన్ని నిర్ధారించిన తర్వాత, మేము దానిని టెట్రాబ్యూటిలామోనియం హైడ్రాక్సైడ్ (TBAOH) యొక్క ఇంటర్కలేషన్ ద్వారా పొరలుగా చేసి, ఆపై వాషింగ్ మరియు సోనికేషన్ ద్వారా పొరలుగా చేసాము, ఆ తర్వాత మేము సింగిల్-లేయర్ లేదా లో-లేయర్ (SL) 2D Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లను పొందాము.
ఎచింగ్ మరియు తదుపరి పీలింగ్ సామర్థ్యాన్ని పరీక్షించడానికి మేము హై రిజల్యూషన్ ట్రాన్స్‌మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (HRTEM) మరియు ఎక్స్-రే డిఫ్రాక్షన్ (XRD)లను ఉపయోగించాము. ఇన్వర్స్ ఫాస్ట్ ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ (IFFT) మరియు ఫాస్ట్ ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ (FFT) ఉపయోగించి ప్రాసెస్ చేయబడిన HRTEM ఫలితాలు చిత్రం 2లో చూపబడ్డాయి. Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లు అణు పొర యొక్క నిర్మాణాన్ని తనిఖీ చేయడానికి మరియు ఇంటర్‌ప్లానార్ దూరాలను కొలవడానికి అంచు పైకి ఓరియెంటెడ్ చేయబడ్డాయి. MXene Nb2CTx మరియు Nb4C3TX నానోఫ్లేక్‌ల యొక్క HRTEM చిత్రాలు వాటి అణుపరంగా సన్నని పొరల స్వభావాన్ని వెల్లడించాయి (చిత్రం 2a1, a2 చూడండి), గతంలో నాగుయిబ్ మరియు ఇతరులు నివేదించారు. 27 మరియు జాస్ట్రెజ్‌బ్స్కా మరియు ఇతరులు 38. రెండు ప్రక్కనే ఉన్న Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx మోనోలేయర్‌ల కోసం, మేము వరుసగా 0.74 మరియు 1.54 nm ఇంటర్‌లేయర్ దూరాలను నిర్ణయించాము (చిత్రాలు 2b1,b2), ఇది మా మునుపటి ఫలితాలతో కూడా అంగీకరిస్తుంది38. Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx మోనోలేయర్‌ల మధ్య దూరాన్ని చూపించే విలోమ ఫాస్ట్ ఫోరియర్ పరివర్తన (Fig. 2c1, c2) మరియు ఫాస్ట్ ఫోరియర్ పరివర్తన (Fig. 2d1, d2) ద్వారా ఇది మరింత ధృవీకరించబడింది. చిత్రం నియోబియం మరియు కార్బన్ అణువులకు అనుగుణంగా కాంతి మరియు చీకటి బ్యాండ్‌ల ప్రత్యామ్నాయాన్ని చూపిస్తుంది, ఇది అధ్యయనం చేయబడిన MXenes యొక్క లేయర్డ్ స్వభావాన్ని నిర్ధారిస్తుంది. Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx (Figures S2a మరియు S2b) కోసం పొందిన ఎనర్జీ డిస్పర్సివ్ ఎక్స్-రే స్పెక్ట్రోస్కోపీ (EDX) స్పెక్ట్రా అసలు MAX దశ యొక్క అవశేషాన్ని చూపించలేదని గమనించడం ముఖ్యం, ఎందుకంటే Al శిఖరం కనుగొనబడలేదు.
SL Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx MXene నానోఫ్లేక్‌ల లక్షణం, వీటిలో (a) హై రిజల్యూషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (HRTEM) సైడ్-వ్యూ 2D నానోఫ్లేక్ ఇమేజింగ్ మరియు సంబంధిత, (b) తీవ్రత మోడ్, (c) విలోమ ఫాస్ట్ ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ (IFFT), (d) ఫాస్ట్ ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ (FFT), (e) Nb-MXenes ఎక్స్-రే నమూనాలు ఉన్నాయి. SL 2D Nb2CTx కోసం, సంఖ్యలు (a1, b1, c1, d1, e1) గా వ్యక్తీకరించబడ్డాయి. SL 2D Nb4C3Tx కోసం, సంఖ్యలు (a2, b2, c2, d2, e1) గా వ్యక్తీకరించబడ్డాయి.
SL Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx MXenes యొక్క X-రే డిఫ్రాక్షన్ కొలతలు వరుసగా Figs. 2e1 మరియు e2 లలో చూపబడ్డాయి. 4.31 మరియు 4.32 వద్ద ఉన్న శిఖరాలు (002) గతంలో వివరించిన లేయర్డ్ MXenes Nb2CTx మరియు Nb4C3TX38,39,40,41 లకు అనుగుణంగా ఉంటాయి. XRD ఫలితాలు కొన్ని అవశేష ML నిర్మాణాలు మరియు MAX దశల ఉనికిని కూడా సూచిస్తాయి, కానీ ఎక్కువగా SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2) తో అనుబంధించబడిన XRD నమూనాలు. MAX దశ యొక్క చిన్న కణాల ఉనికి యాదృచ్ఛికంగా పేర్చబడిన Nb4C3Tx పొరలతో పోలిస్తే బలమైన MAX శిఖరాన్ని వివరించవచ్చు.
R. సబ్‌క్యాపిటాటా జాతికి చెందిన ఆకుపచ్చ మైక్రోఆల్గేలపై మరింత పరిశోధన దృష్టి సారించింది. ప్రధాన ఆహార వలలలో పాల్గొన్న ముఖ్యమైన ఉత్పత్తిదారులు కాబట్టి మేము మైక్రోఆల్గేలను ఎంచుకున్నాము42. ఆహార గొలుసు యొక్క అధిక స్థాయిలకు తీసుకువెళ్ళబడే విష పదార్థాలను తొలగించే సామర్థ్యం కారణంగా అవి విషపూరితతకు ఉత్తమ సూచికలలో ఒకటి43. అదనంగా, R. సబ్‌క్యాపిటాటాపై పరిశోధన సాధారణ మంచినీటి సూక్ష్మజీవులకు SL Nb-MXenes యొక్క యాదృచ్ఛిక విషపూరితంపై వెలుగునిస్తుంది. దీనిని వివరించడానికి, ప్రతి సూక్ష్మజీవి పర్యావరణంలో ఉన్న విషపూరిత సమ్మేళనాలకు భిన్నమైన సున్నితత్వాన్ని కలిగి ఉంటుందని పరిశోధకులు పరికల్పన చేశారు. చాలా జీవులకు, తక్కువ సాంద్రతల పదార్థాలు వాటి పెరుగుదలను ప్రభావితం చేయవు, అయితే ఒక నిర్దిష్ట పరిమితి కంటే ఎక్కువ సాంద్రతలు వాటిని నిరోధించవచ్చు లేదా మరణానికి కూడా కారణమవుతాయి. అందువల్ల, మైక్రోఆల్గే మరియు MXenes మధ్య ఉపరితల పరస్పర చర్య మరియు సంబంధిత పునరుద్ధరణపై మా అధ్యయనాల కోసం, Nb-MXenes యొక్క హానిచేయని మరియు విషపూరిత సాంద్రతలను పరీక్షించాలని మేము నిర్ణయించుకున్నాము. దీన్ని చేయడానికి, మేము 0 (సూచనగా), 0.01, 0.1 మరియు 10 mg l-1 MXene సాంద్రతలను మరియు అదనంగా MXene (100 mg l-1 MXene) యొక్క అధిక సాంద్రతలతో సోకిన మైక్రోఆల్గేలను పరీక్షించాము, ఇది ఏదైనా జీవ వాతావరణానికి తీవ్రమైనది మరియు ప్రాణాంతకం కావచ్చు.
మైక్రోఆల్గేలపై SL Nb-MXenes యొక్క ప్రభావాలు చిత్రం 3లో చూపబడ్డాయి, 0 mg l-1 నమూనాల కోసం కొలిచిన వృద్ధి ప్రోత్సాహక (+) లేదా నిరోధం (-) శాతంగా వ్యక్తీకరించబడింది. పోలిక కోసం, Nb-MAX దశ మరియు ML Nb-MXenes కూడా పరీక్షించబడ్డాయి మరియు ఫలితాలు SIలో చూపబడ్డాయి (చిత్రం S3 చూడండి). పొందిన ఫలితాలు చిత్రం 3a,bలో చూపిన విధంగా 0.01 నుండి 10 mg/l వరకు తక్కువ సాంద్రతల పరిధిలో SL Nb-MXenes దాదాపు పూర్తిగా విషపూరితం కాదని నిర్ధారించాయి. Nb2CTx విషయంలో, పేర్కొన్న పరిధిలో 5% కంటే ఎక్కువ ఎకోటాక్సిసిటీ లేదని మేము గమనించాము.
SL (a) Nb2CTx మరియు (b) Nb4C3TX MXene సమక్షంలో మైక్రోఆల్గే పెరుగుదల యొక్క ఉద్దీపన (+) లేదా నిరోధం (-). 24, 48 మరియు 72 గంటల MXene-మైక్రోఆల్గే సంకర్షణ విశ్లేషించబడింది. ముఖ్యమైన డేటా (t-పరీక్ష, p < 0.05) నక్షత్రం గుర్తుతో (*) గుర్తించబడింది. ముఖ్యమైన డేటా (t-పరీక్ష, p < 0.05) నక్షత్రం గుర్తుతో (*) గుర్తించబడింది. Значимые данные (t-критерий, p <0,05) отмечены звездочкой (*). ముఖ్యమైన డేటా (t-పరీక్ష, p < 0.05) నక్షత్రం గుర్తుతో (*) గుర్తించబడింది.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 (*). ముఖ్యమైన డేటా (t-పరీక్ష, p < 0.05) నక్షత్రం గుర్తుతో (*) గుర్తించబడింది.ఎరుపు బాణాలు నిరోధక ఉద్దీపన రద్దును సూచిస్తాయి.
మరోవైపు, Nb4C3TX యొక్క తక్కువ సాంద్రతలు కొంచెం ఎక్కువ విషపూరితమైనవిగా మారాయి, కానీ 7% కంటే ఎక్కువ కాదు. ఊహించినట్లుగా, 100mg L-1 వద్ద MXenes అధిక విషపూరితం మరియు మైక్రోఆల్గే పెరుగుదల నిరోధాన్ని కలిగి ఉన్నాయని మేము గమనించాము. ఆసక్తికరంగా, MAX లేదా ML నమూనాలతో పోలిస్తే ఏ పదార్థాలూ విషపూరిత/విష ప్రభావాల యొక్క అదే ధోరణి మరియు సమయ ఆధారపడటాన్ని చూపించలేదు (వివరాల కోసం SI చూడండి). MAX దశకు (Fig. S3 చూడండి) విషపూరితం సుమారు 15–25%కి చేరుకుంది మరియు కాలక్రమేణా పెరిగింది, అయితే SL Nb2CTx మరియు Nb4C3TX MXene లకు రివర్స్ ట్రెండ్ గమనించబడింది. మైక్రోఆల్గే పెరుగుదల నిరోధం కాలక్రమేణా తగ్గింది. ఇది 24 గంటల తర్వాత సుమారు 17%కి చేరుకుంది మరియు 72 గంటల తర్వాత 5% కంటే తక్కువకు పడిపోయింది (Fig. 3a, b, వరుసగా).
మరీ ముఖ్యంగా, SL Nb4C3TX కోసం, మైక్రోఆల్గే పెరుగుదల నిరోధం 24 గంటల తర్వాత దాదాపు 27%కి చేరుకుంది, కానీ 72 గంటల తర్వాత అది దాదాపు 1%కి తగ్గింది. అందువల్ల, మేము గమనించిన ప్రభావాన్ని ఉద్దీపన యొక్క విలోమ నిరోధంగా లేబుల్ చేసాము మరియు SL Nb4C3TX MXene కోసం ప్రభావం బలంగా ఉంది. SL Nb2CTx MXene తో పోలిస్తే Nb4C3TX (24 గంటలకు 10 mg L-1 వద్ద పరస్పర చర్య) తో మైక్రోఆల్గే పెరుగుదల యొక్క ఉద్దీపన ముందుగా గుర్తించబడింది. బయోమాస్ రెట్టింపు రేటు వక్రరేఖలో కూడా నిరోధం-ఉద్దీపన రివర్సల్ ప్రభావం బాగా చూపబడింది (వివరాల కోసం చిత్రం S4 చూడండి). ఇప్పటివరకు, Ti3C2TX MXene యొక్క ఎకోటాక్సిసిటీని మాత్రమే వివిధ మార్గాల్లో అధ్యయనం చేశారు. ఇది జీబ్రాఫిష్ పిండాలకు విషపూరితం కాదు44 కానీ మైక్రోఆల్గే డెస్మోడెస్మస్ క్వాడ్రికాడా మరియు సోర్గమ్ సాచరాటమ్ మొక్కలకు మధ్యస్తంగా ఎకోటాక్సిక్45. నిర్దిష్ట ప్రభావాలకు ఇతర ఉదాహరణలు సాధారణ కణ తంతువుల కంటే క్యాన్సర్ కణ తంతువులకు అధిక విషపూరితం46,47. Nb-MXenes సమక్షంలో గమనించిన మైక్రోఅల్గే పెరుగుదలలో మార్పులను పరీక్షా పరిస్థితులు ప్రభావితం చేస్తాయని భావించవచ్చు. ఉదాహరణకు, క్లోరోప్లాస్ట్ స్ట్రోమాలో దాదాపు 8 pH ఉంటే RuBisCO ఎంజైమ్ యొక్క సమర్థవంతమైన ఆపరేషన్ కోసం సరైనది. అందువల్ల, pH మార్పులు కిరణజన్య సంయోగక్రియ రేటును ప్రతికూలంగా ప్రభావితం చేస్తాయి48,49. అయితే, ప్రయోగం సమయంలో pHలో గణనీయమైన మార్పులను మేము గమనించలేదు (వివరాల కోసం SI, Fig. S5 చూడండి). సాధారణంగా, Nb-MXenesతో కూడిన మైక్రోఅల్గే యొక్క సంస్కృతులు కాలక్రమేణా ద్రావణం యొక్క pHని కొద్దిగా తగ్గించాయి. అయితే, ఈ తగ్గుదల స్వచ్ఛమైన మాధ్యమం యొక్క pHలో మార్పుకు సమానంగా ఉంటుంది. అదనంగా, కనుగొనబడిన వైవిధ్యాల పరిధి స్వచ్ఛమైన మైక్రోఅల్గే సంస్కృతి (నియంత్రణ నమూనా) కోసం కొలిచిన దానికి సమానంగా ఉంటుంది. అందువల్ల, కాలక్రమేణా pHలో మార్పుల వల్ల కిరణజన్య సంయోగక్రియ ప్రభావితం కాదని మేము నిర్ధారించాము.
అదనంగా, సంశ్లేషణ చేయబడిన MXenes ఉపరితల ముగింపులను కలిగి ఉంటాయి (Tx గా సూచిస్తారు). ఇవి ప్రధానంగా క్రియాత్మక సమూహాలు -O, -F మరియు -OH. అయితే, ఉపరితల రసాయన శాస్త్రం సంశ్లేషణ పద్ధతికి నేరుగా సంబంధించినది. ఈ సమూహాలు ఉపరితలంపై యాదృచ్ఛికంగా పంపిణీ చేయబడతాయని పిలుస్తారు, దీని వలన MXene50 యొక్క లక్షణాలపై వాటి ప్రభావాన్ని అంచనా వేయడం కష్టమవుతుంది. కాంతి ద్వారా నియోబియం యొక్క ఆక్సీకరణకు Tx ఉత్ప్రేరక శక్తి కావచ్చునని వాదించవచ్చు. ఉపరితల క్రియాత్మక సమూహాలు వాస్తవానికి వాటి అంతర్లీన ఫోటోకాటలిస్ట్‌లు హెటెరోజంక్షన్‌లను ఏర్పరచడానికి బహుళ యాంకరింగ్ సైట్‌లను అందిస్తాయి. అయితే, వృద్ధి మాధ్యమ కూర్పు ప్రభావవంతమైన ఫోటోకాటలిస్ట్‌ను అందించలేదు (వివరణాత్మక మాధ్యమ కూర్పును SI టేబుల్ S6లో చూడవచ్చు). అదనంగా, ఏదైనా ఉపరితల మార్పు కూడా చాలా ముఖ్యమైనది, ఎందుకంటే పొర పోస్ట్-ప్రాసెసింగ్, ఆక్సీకరణ, సేంద్రీయ మరియు అకర్బన సమ్మేళనాల రసాయన ఉపరితల మార్పు52,53,54,55,56 లేదా ఉపరితల ఛార్జ్ ఇంజనీరింగ్38 కారణంగా MXenes యొక్క జీవసంబంధ కార్యకలాపాలను మార్చవచ్చు. అందువల్ల, నియోబియం ఆక్సైడ్ మాధ్యమంలో పదార్థ అస్థిరతతో ఏదైనా సంబంధం కలిగి ఉందో లేదో పరీక్షించడానికి, మేము సూక్ష్మ శైవలాల పెరుగుదల మాధ్యమం మరియు డీయోనైజ్డ్ నీటిలో జీటా (ζ) సంభావ్యతపై అధ్యయనాలు నిర్వహించాము (పోలిక కోసం). మా ఫలితాలు SL Nb-MXenes చాలా స్థిరంగా ఉన్నాయని చూపిస్తున్నాయి (MAX మరియు ML ఫలితాల కోసం SI Fig. S6 చూడండి). SL MXenes యొక్క జీటా సంభావ్యత -10 mV. SR Nb2CTx విషయంలో, ζ విలువ Nb4C3Tx కంటే కొంత ఎక్కువ ప్రతికూలంగా ఉంటుంది. ζ విలువలో ఇటువంటి మార్పు ప్రతికూలంగా చార్జ్ చేయబడిన MXene నానోఫ్లేక్‌ల ఉపరితలం కల్చర్ మాధ్యమం నుండి ధనాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడిన అయాన్‌లను గ్రహిస్తుందని సూచిస్తుంది. కల్చర్ మాధ్యమంలో Nb-MXenes యొక్క జీటా సంభావ్యత మరియు వాహకత యొక్క తాత్కాలిక కొలతలు (మరిన్ని వివరాల కోసం SIలోని గణాంకాలు S7 మరియు S8 చూడండి) మా పరికల్పనకు మద్దతు ఇస్తున్నట్లు అనిపిస్తుంది.
అయితే, రెండు Nb-MXene SLలు సున్నా నుండి కనీస మార్పులను చూపించాయి. ఇది సూక్ష్మఆల్గే వృద్ధి మాధ్యమంలో వాటి స్థిరత్వాన్ని స్పష్టంగా ప్రదర్శిస్తుంది. అదనంగా, మా ఆకుపచ్చ సూక్ష్మఆల్గేల ఉనికి మాధ్యమంలో Nb-MXenes యొక్క స్థిరత్వాన్ని ప్రభావితం చేస్తుందో లేదో మేము అంచనా వేసాము. కాలక్రమేణా పోషక మాధ్యమం మరియు సంస్కృతిలో సూక్ష్మఆల్గేలతో పరస్పర చర్య తర్వాత MXenes యొక్క జీటా సంభావ్యత మరియు వాహకత యొక్క ఫలితాలను SIలో చూడవచ్చు (గణాంకాలు S9 మరియు S10). ఆసక్తికరంగా, సూక్ష్మఆల్గేల ఉనికి రెండు MXenes యొక్క వ్యాప్తిని స్థిరీకరించినట్లు మేము గమనించాము. Nb2CTx SL విషయంలో, జీటా సంభావ్యత కాలక్రమేణా మరింత ప్రతికూల విలువలకు (-15.8 vs -19.1 mV) తగ్గింది. SL Nb4C3TX యొక్క జీటా సంభావ్యత కొద్దిగా పెరిగింది, కానీ 72 h తర్వాత అది సూక్ష్మఆల్గే (-18.1 vs. -9.1 mV) లేకుండా నానోఫ్లేక్‌ల కంటే ఎక్కువ స్థిరత్వాన్ని చూపించింది.
సూక్ష్మ శైవలాల సమక్షంలో పొదిగిన Nb-MXene ద్రావణాల యొక్క తక్కువ వాహకతను కూడా మేము కనుగొన్నాము, ఇది పోషక మాధ్యమంలో తక్కువ మొత్తంలో అయాన్లను సూచిస్తుంది. ముఖ్యంగా, నీటిలో MXenes యొక్క అస్థిరత ప్రధానంగా ఉపరితల ఆక్సీకరణ కారణంగా ఉంటుంది57. అందువల్ల, ఆకుపచ్చ సూక్ష్మ శైవలాలు ఏదో ఒకవిధంగా Nb-MXene ఉపరితలంపై ఏర్పడిన ఆక్సైడ్‌లను క్లియర్ చేసి, వాటి సంభవనీయతను (MXene యొక్క ఆక్సీకరణ) కూడా నిరోధించాయని మేము అనుమానిస్తున్నాము. సూక్ష్మ శైవలాలు గ్రహించే పదార్థాల రకాలను అధ్యయనం చేయడం ద్వారా దీనిని చూడవచ్చు.
మా పర్యావరణ విషపూరిత అధ్యయనాలు సూక్ష్మఆల్గేలు కాలక్రమేణా Nb-MXenes యొక్క విషపూరితతను మరియు ఉత్తేజిత పెరుగుదల యొక్క అసాధారణ నిరోధాన్ని అధిగమించగలవని సూచించినప్పటికీ, మా అధ్యయనం యొక్క లక్ష్యం చర్య యొక్క సాధ్యమైన విధానాలను పరిశోధించడం. ఆల్గే వంటి జీవులు వాటి పర్యావరణ వ్యవస్థలకు తెలియని సమ్మేళనాలు లేదా పదార్థాలకు గురైనప్పుడు, అవి వివిధ మార్గాల్లో స్పందించవచ్చు58,59. విషపూరిత మెటల్ ఆక్సైడ్లు లేనప్పుడు, సూక్ష్మఆల్గేలు తమను తాము పోషించుకోగలవు, అవి నిరంతరం పెరగడానికి వీలు కల్పిస్తాయి60. విషపూరిత పదార్థాలను తీసుకున్న తర్వాత, ఆకారం లేదా రూపాన్ని మార్చడం వంటి రక్షణ యంత్రాంగాలు సక్రియం చేయబడవచ్చు. శోషణ అవకాశాన్ని కూడా పరిగణించాలి58,59. ముఖ్యంగా, రక్షణ యంత్రాంగం యొక్క ఏదైనా సంకేతం పరీక్ష సమ్మేళనం యొక్క విషపూరితం యొక్క స్పష్టమైన సూచిక. అందువల్ల, మా తదుపరి పనిలో, SEM ద్వారా SL Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లు మరియు మైక్రోఆల్గేల మధ్య సంభావ్య ఉపరితల పరస్పర చర్యను మరియు X-రే ఫ్లోరోసెన్స్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (XRF) ద్వారా Nb-ఆధారిత MXene యొక్క సాధ్యమైన శోషణను మేము పరిశోధించాము. కార్యాచరణ విషపూరిత సమస్యలను పరిష్కరించడానికి SEM మరియు XRF విశ్లేషణలు MXene యొక్క అత్యధిక సాంద్రత వద్ద మాత్రమే నిర్వహించబడ్డాయని గమనించండి.
SEM ఫలితాలు Fig.4 లో చూపించబడ్డాయి. చికిత్స చేయని మైక్రోఅల్గే కణాలు (Fig. 4a, రిఫరెన్స్ నమూనా చూడండి) సాధారణ R. సబ్‌క్యాపిటాటా పదనిర్మాణం మరియు క్రోసెంట్ లాంటి కణ ఆకారాన్ని స్పష్టంగా చూపించాయి. కణాలు చదునుగా మరియు కొంతవరకు అస్తవ్యస్తంగా కనిపిస్తాయి. కొన్ని మైక్రోఅల్గే కణాలు అతివ్యాప్తి చెంది ఒకదానితో ఒకటి చిక్కుకున్నాయి, కానీ ఇది బహుశా నమూనా తయారీ ప్రక్రియ వల్ల సంభవించి ఉండవచ్చు. సాధారణంగా, స్వచ్ఛమైన మైక్రోఅల్గే కణాలు మృదువైన ఉపరితలాన్ని కలిగి ఉంటాయి మరియు ఎటువంటి పదనిర్మాణ మార్పులను చూపించలేదు.
72 గంటల పాటు తీవ్ర సాంద్రత (100 mg L-1) వద్ద సంకర్షణ తర్వాత ఆకుపచ్చ సూక్ష్మఆల్గే మరియు MXene నానోషీట్‌ల మధ్య ఉపరితల పరస్పర చర్యను చూపించే SEM చిత్రాలు. (a) SL (b) Nb2CTx మరియు (c) Nb4C3TX MXenes తో సంకర్షణ తర్వాత చికిత్స చేయని ఆకుపచ్చ సూక్ష్మఆల్గే. Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లు ఎరుపు బాణాలతో గుర్తించబడ్డాయని గమనించండి. పోలిక కోసం, ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్ నుండి ఛాయాచిత్రాలు కూడా జోడించబడ్డాయి.
దీనికి విరుద్ధంగా, SL Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌ల ద్వారా శోషించబడిన మైక్రోఆల్గే కణాలు దెబ్బతిన్నాయి (Fig. 4b, c, ఎరుపు బాణాలు చూడండి). Nb2CTx MXene (Fig. 4b) విషయంలో, మైక్రోఆల్గే జతచేయబడిన ద్విమితీయ నానోస్కేల్‌లతో పెరుగుతాయి, ఇవి వాటి స్వరూపాన్ని మార్చగలవు. ముఖ్యంగా, మేము ఈ మార్పులను కాంతి సూక్ష్మదర్శిని కింద కూడా గమనించాము (వివరాల కోసం SI చిత్రం S11 చూడండి). ఈ పదనిర్మాణ పరివర్తన మైక్రోఆల్గే యొక్క శరీరధర్మశాస్త్రంలో మరియు సెల్ వాల్యూమ్‌ను పెంచడం వంటి సెల్ స్వరూపాన్ని మార్చడం ద్వారా తమను తాము రక్షించుకునే సామర్థ్యంలో ఆమోదయోగ్యమైన ఆధారాన్ని కలిగి ఉంది61. అందువల్ల, వాస్తవానికి Nb-MXenesతో సంబంధంలో ఉన్న మైక్రోఆల్గే కణాల సంఖ్యను తనిఖీ చేయడం ముఖ్యం. SEM అధ్యయనాలు దాదాపు 52% మైక్రోఆల్గే కణాలు Nb-MXenesకి గురయ్యాయని, అయితే ఈ మైక్రోఆల్గే కణాలలో 48% సంపర్కాన్ని నివారించాయని చూపించాయి. SL Nb4C3Tx MXene కోసం, మైక్రోఆల్గే MXene తో సంబంధాన్ని నివారించడానికి ప్రయత్నిస్తాయి, తద్వారా ద్విమితీయ నానోస్కేల్‌ల నుండి స్థానికీకరించబడతాయి మరియు పెరుగుతాయి (Fig. 4c). అయితే, నానోస్కేల్‌లు మైక్రోఆల్గే కణాలలోకి చొచ్చుకుపోవడాన్ని మరియు వాటి నష్టాన్ని మేము గమనించలేదు.
సెల్ ఉపరితలంపై కణాల శోషణ మరియు షేడింగ్ (షేడింగ్) ప్రభావం అని పిలవబడే కారణంగా కిరణజన్య సంయోగక్రియ నిరోధానికి స్వీయ-సంరక్షణ అనేది సమయ-ఆధారిత ప్రతిస్పందన ప్రవర్తన. మైక్రోఅల్గే మరియు కాంతి మూలం మధ్య ఉన్న ప్రతి వస్తువు (ఉదాహరణకు, Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లు) క్లోరోప్లాస్ట్‌లు గ్రహించే కాంతి మొత్తాన్ని పరిమితం చేస్తుందని స్పష్టంగా తెలుస్తుంది. అయితే, ఇది పొందిన ఫలితాలపై గణనీయమైన ప్రభావాన్ని చూపుతుందని మాకు ఎటువంటి సందేహం లేదు. మా సూక్ష్మ పరిశీలనల ద్వారా చూపబడినట్లుగా, మైక్రోఅల్గే కణాలు Nb-MXenesతో సంబంధంలో ఉన్నప్పుడు కూడా 2D నానోఫ్లేక్‌లు మైక్రోఅల్గే యొక్క ఉపరితలంపై పూర్తిగా చుట్టబడలేదు లేదా కట్టుబడి లేవు. బదులుగా, నానోఫ్లేక్‌లు వాటి ఉపరితలాన్ని కవర్ చేయకుండా మైక్రోఅల్గే కణాలకు ఆధారితంగా మారాయి. అటువంటి నానోఫ్లేక్‌లు/మైక్రోఅల్గేల సమితి మైక్రోఅల్గే కణాల ద్వారా గ్రహించబడిన కాంతి మొత్తాన్ని గణనీయంగా పరిమితం చేయలేవు. అంతేకాకుండా, కొన్ని అధ్యయనాలు ద్విమితీయ సూక్ష్మ పదార్ధాల సమక్షంలో కిరణజన్య సంయోగ జీవుల ద్వారా కాంతి శోషణలో మెరుగుదలను కూడా ప్రదర్శించాయి63,64,65,66.
SEM చిత్రాలు మైక్రోఅల్గే కణాల ద్వారా నియోబియం శోషణను నేరుగా నిర్ధారించలేకపోవడంతో, ఈ సమస్యను స్పష్టం చేయడానికి మా తదుపరి అధ్యయనం ఎక్స్-రే ఫ్లోరోసెన్స్ (XRF) మరియు ఎక్స్-రే ఫోటోఎలక్ట్రాన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (XPS) విశ్లేషణ వైపు మళ్లింది. అందువల్ల, MXenes, మైక్రోఅల్గే కణాల ఉపరితలం నుండి వేరు చేయబడిన MXene నానోఫ్లేక్‌లు మరియు జతచేయబడిన MXenes తొలగించిన తర్వాత మైక్రోఅల్గే కణాలతో సంకర్షణ చెందని రిఫరెన్స్ మైక్రోఅల్గే నమూనాల Nb శిఖరాల తీవ్రతను మేము పోల్చాము. Nb తీసుకోవడం లేకపోతే, జతచేయబడిన నానోస్కేల్‌లను తొలగించిన తర్వాత మైక్రోఅల్గే కణాల ద్వారా పొందిన Nb విలువ సున్నాగా ఉండాలని గమనించాలి. అందువల్ల, Nb తీసుకోవడం జరిగితే, XRF మరియు XPS ఫలితాలు రెండూ స్పష్టమైన Nb శిఖరాన్ని చూపించాలి.
XRF స్పెక్ట్రా విషయంలో, SL Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx MXene లతో సంకర్షణ తర్వాత మైక్రోఆల్గే నమూనాలు SL Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx MXene లకు Nb శిఖరాలను చూపించాయి (Fig. 5a చూడండి, MAX మరియు ML MXenes ఫలితాలు SI, Figs S12–C17 లో చూపబడ్డాయని కూడా గమనించండి). ఆసక్తికరంగా, Nb శిఖరం యొక్క తీవ్రత రెండు సందర్భాలలోనూ ఒకే విధంగా ఉంటుంది (Fig. 5a లో ఎరుపు పట్టీలు). ఇది ఆల్గే ఎక్కువ Nb ని గ్రహించలేకపోయిందని మరియు కణాలలో Nb చేరడానికి గరిష్ట సామర్థ్యాన్ని సాధించిందని సూచించింది, అయినప్పటికీ రెండు రెట్లు ఎక్కువ Nb4C3Tx MXene మైక్రోఆల్గే కణాలకు జతచేయబడింది (Fig. 5a లో నీలిరంగు పట్టీలు). ముఖ్యంగా, లోహాలను గ్రహించే మైక్రోఆల్గే సామర్థ్యం పర్యావరణంలోని మెటల్ ఆక్సైడ్‌ల సాంద్రతపై ఆధారపడి ఉంటుంది67,68. మంచినీటి ఆల్గే యొక్క శోషణ సామర్థ్యం pH పెరుగుదలతో తగ్గుతుందని షంషాడా మరియు ఇతరులు కనుగొన్నారు.67. రైజ్ మరియు ఇతరులు 68 ప్రకారం, లోహాలను గ్రహించే సముద్రపు పాచి సామర్థ్యం Ni2+ కంటే Pb2+ కి 25% ఎక్కువగా ఉంది.
(ఎ) 72 గంటల పాటు SL Nb-MXenes (100 mg L-1) యొక్క తీవ్ర సాంద్రత వద్ద పొదిగిన ఆకుపచ్చ మైక్రోఅల్గే కణాల ద్వారా బేసల్ Nb తీసుకోవడం యొక్క XRF ఫలితాలు. ఫలితాలు స్వచ్ఛమైన మైక్రోఅల్గే కణాలలో (నియంత్రణ నమూనా, బూడిద రంగు స్తంభాలు), ఉపరితల మైక్రోఅల్గే కణాల నుండి వేరు చేయబడిన 2D నానోఫ్లేక్‌లు (నీలం స్తంభాలు) మరియు ఉపరితలం నుండి 2D నానోఫ్లేక్‌లను వేరు చేసిన తర్వాత మైక్రోఅల్గే కణాలలో (ఎరుపు స్తంభాలు) α ఉనికిని చూపుతాయి. ఎలిమెంటల్ Nb మొత్తం, (బి) SL Nb-MXenesతో పొదిగిన తర్వాత మైక్రోఅల్గే కణాలలో ఉండే మైక్రోఅల్గే సేంద్రీయ భాగాలు (C=O మరియు CHx/C–O) మరియు Nb ఆక్సైడ్‌ల రసాయన కూర్పు శాతం, (సి–ఇ) మైక్రోఅల్గే కణాల ద్వారా అంతర్గతీకరించబడిన XPS SL Nb2CTx స్పెక్ట్రా మరియు (fh) SL Nb4C3Tx MXene యొక్క కూర్పు శిఖరాన్ని అమర్చడం.
అందువల్ల, Nb ను ఆక్సైడ్ల రూపంలో ఆల్గల్ కణాలు గ్రహించవచ్చని మేము ఆశించాము. దీనిని పరీక్షించడానికి, మేము MXenes Nb2CTx మరియు Nb4C3TX మరియు ఆల్గే కణాలపై XPS అధ్యయనాలు చేసాము. ఆల్గే కణాల నుండి వేరుచేయబడిన Nb-MXenes మరియు MXenes తో మైక్రోఆల్గే యొక్క పరస్పర చర్య యొక్క ఫలితాలు అంజీర్ 5b లో చూపబడ్డాయి. ఊహించినట్లుగా, మైక్రోఆల్గే యొక్క ఉపరితలం నుండి MXene ను తొలగించిన తర్వాత మైక్రోఆల్గే నమూనాలలో Nb 3d శిఖరాలను మేము గుర్తించాము. ఇంక్యుబేట్ చేయబడిన మైక్రోఆల్గే నుండి పొందిన Nb 3d, O 1s మరియు C 1s స్పెక్ట్రా ఆధారంగా C=O, CHx/CO మరియు Nb ఆక్సైడ్ల పరిమాణాత్మక నిర్ణయం లెక్కించబడింది. చిత్రం 5f–h) MXenes. పట్టిక S1-3 ఫిట్ ఫలితంగా వచ్చే పీక్ పారామితులు మరియు మొత్తం కెమిస్ట్రీ వివరాలను చూపుతుంది. Nb2CTx SL మరియు Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) యొక్క Nb 3d ప్రాంతాలు ఒక Nb2O5 భాగానికి అనుగుణంగా ఉండటం గమనార్హం. ఇక్కడ, స్పెక్ట్రాలో MXene-సంబంధిత శిఖరాలు ఏవీ మాకు కనిపించలేదు, ఇది మైక్రోఆల్గే కణాలు Nb యొక్క ఆక్సైడ్ రూపాన్ని మాత్రమే గ్రహిస్తాయని సూచిస్తుంది. అదనంగా, మేము C–C, CHx/C–O, C=O, మరియు –COOH భాగాలతో C 1 s స్పెక్ట్రమ్‌ను అంచనా వేసాము. మేము CHx/C–O మరియు C=O శిఖరాలను మైక్రోఆల్గే కణాల సేంద్రీయ సహకారానికి కేటాయించాము. ఈ సేంద్రీయ భాగాలు వరుసగా Nb2CTx SL మరియు Nb4C3TX SL లలో C 1s శిఖరాలలో 36% మరియు 41% వాటా కలిగి ఉన్నాయి. తరువాత మేము SL Nb2CTx మరియు SL Nb4C3TX యొక్క O 1s స్పెక్ట్రాను Nb2O5, మైక్రోఆల్గే (CHx/CO) యొక్క సేంద్రీయ భాగాలు మరియు ఉపరితల శోషించబడిన నీటితో అమర్చాము.
చివరగా, XPS ఫలితాలు Nb యొక్క రూపాన్ని స్పష్టంగా సూచించాయి, దాని ఉనికిని మాత్రమే కాదు. Nb 3d సిగ్నల్ యొక్క స్థానం మరియు డీకన్వల్యూషన్ ఫలితాల ప్రకారం, Nb అనేది అయాన్లు లేదా MXene రూపంలో కాకుండా ఆక్సైడ్ల రూపంలో మాత్రమే గ్రహించబడుతుందని మేము నిర్ధారించాము. అదనంగా, XPS ఫలితాలు SL Nb4C3TX MXene తో పోలిస్తే SL Nb2CTx నుండి Nb ఆక్సైడ్లను తీసుకునే సామర్థ్యాన్ని మైక్రోఆల్గే కణాలు కలిగి ఉన్నాయని చూపించాయి.
మా Nb అప్‌టేక్ ఫలితాలు ఆకట్టుకునేవి మరియు MXene క్షీణతను గుర్తించడానికి మాకు అనుమతిస్తాయి, అయితే 2D నానోఫ్లేక్‌లలో సంబంధిత పదనిర్మాణ మార్పులను ట్రాక్ చేయడానికి ఎటువంటి పద్ధతి అందుబాటులో లేదు. అందువల్ల, 2D Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లు మరియు మైక్రోఅల్గే కణాలలో సంభవించే ఏవైనా మార్పులకు నేరుగా స్పందించగల తగిన పద్ధతిని అభివృద్ధి చేయాలని కూడా మేము నిర్ణయించుకున్నాము. సంకర్షణ చెందుతున్న జాతులు ఏదైనా పరివర్తన, కుళ్ళిపోవడం లేదా డీఫ్రాగ్మెంటేషన్‌కు గురైతే, ఇది సమానమైన వృత్తాకార ప్రాంతం యొక్క వ్యాసం, గుండ్రనితనం, ఫెరెట్ వెడల్పు లేదా ఫెరెట్ పొడవు వంటి ఆకార పారామితులలో మార్పులుగా త్వరగా వ్యక్తమవుతుందని మేము భావించడం ముఖ్యం. ఈ పారామితులు పొడుగుచేసిన కణాలు లేదా ద్విమితీయ నానోఫ్లేక్‌లను వివరించడానికి అనుకూలంగా ఉంటాయి కాబట్టి, డైనమిక్ కణ ఆకార విశ్లేషణ ద్వారా వాటి ట్రాకింగ్ తగ్గింపు సమయంలో SL Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌ల పదనిర్మాణ పరివర్తన గురించి విలువైన సమాచారాన్ని ఇస్తుంది.
పొందిన ఫలితాలు చిత్రం 6లో చూపబడ్డాయి. పోలిక కోసం, మేము అసలు MAX దశ మరియు ML-MXenes (SI గణాంకాలు S18 మరియు S19 చూడండి) లను కూడా పరీక్షించాము. కణ ఆకారం యొక్క డైనమిక్ విశ్లేషణ మైక్రోఆల్గేతో సంకర్షణ తర్వాత రెండు Nb-MXene SL ల యొక్క అన్ని ఆకార పారామితులు గణనీయంగా మారాయని చూపించింది. సమానమైన వృత్తాకార ప్రాంత వ్యాసం పరామితి (Fig. 6a, b) ద్వారా చూపబడినట్లుగా, పెద్ద నానోఫ్లేక్‌ల భిన్నం యొక్క తగ్గిన గరిష్ట తీవ్రత అవి చిన్న ముక్కలుగా క్షీణిస్తాయని సూచిస్తుంది. చిత్రం 6cలో, d రేకుల విలోమ పరిమాణంతో (నానోఫ్లేక్‌ల పొడిగింపు) అనుబంధించబడిన శిఖరాలలో తగ్గుదలని చూపిస్తుంది, ఇది 2D నానోఫ్లేక్‌లను మరింత కణ-వంటి ఆకారంలోకి మార్చడాన్ని సూచిస్తుంది. చిత్రం 6e-h వరుసగా ఫెరెట్ యొక్క వెడల్పు మరియు పొడవును చూపుతుంది. ఫెరెట్ వెడల్పు మరియు పొడవు పరిపూరక పారామితులు మరియు అందువల్ల వాటిని కలిసి పరిగణించాలి. మైక్రోఆల్గే సమక్షంలో 2D Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లను పొదిగిన తర్వాత, వాటి ఫెరెట్ సహసంబంధ శిఖరాలు మారాయి మరియు వాటి తీవ్రత తగ్గింది. ఈ ఫలితాల ఆధారంగా, పదనిర్మాణ శాస్త్రం, XRF మరియు XPS లతో కలిపి, ఆక్సీకరణం చెందిన MXenes మరింత ముడతలు పడి శకలాలు మరియు గోళాకార ఆక్సైడ్ కణాలుగా విచ్ఛిన్నం కావడంతో గమనించిన మార్పులు ఆక్సీకరణకు బలంగా సంబంధం కలిగి ఉన్నాయని మేము నిర్ధారించాము.
ఆకుపచ్చ సూక్ష్మ శైవలాలతో సంకర్షణ తర్వాత MXene పరివర్తన యొక్క విశ్లేషణ. డైనమిక్ కణ ఆకార విశ్లేషణ (a, b) సమానమైన వృత్తాకార ప్రాంతం యొక్క వ్యాసం, (c, d) గుండ్రనితనం, (e, f) ఫెరెట్ వెడల్పు మరియు (g, h) ఫెరెట్ పొడవు వంటి పారామితులను పరిగణనలోకి తీసుకుంటుంది. ఈ ప్రయోజనం కోసం, రెండు రిఫరెన్స్ మైక్రోఅల్గే నమూనాలను ప్రాథమిక SL Nb2CTx మరియు SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx మరియు SL Nb4C3Tx MXenes, క్షీణించిన సూక్ష్మ శైవలాలు మరియు చికిత్స చేయబడిన సూక్ష్మ శైవలాలు SL Nb2CTx మరియు SL Nb4C3Tx MXenesతో కలిపి విశ్లేషించారు. ఎరుపు బాణాలు అధ్యయనం చేయబడిన రెండు-డైమెన్షనల్ నానోఫ్లేక్‌ల ఆకార పారామితుల పరివర్తనలను చూపుతాయి.
ఆకార పరామితి విశ్లేషణ చాలా నమ్మదగినది కాబట్టి, ఇది సూక్ష్మఆల్గే కణాలలో పదనిర్మాణ మార్పులను కూడా వెల్లడిస్తుంది. అందువల్ల, 2D Nb నానోఫ్లేక్‌లతో సంకర్షణ తర్వాత స్వచ్ఛమైన సూక్ష్మఆల్గే కణాలు మరియు కణాల సమానమైన వృత్తాకార ప్రాంత వ్యాసం, గుండ్రనితనం మరియు ఫెరెట్ వెడల్పు/పొడవును మేము విశ్లేషించాము. అత్తి 6a-hలో ఆల్గే కణాల ఆకార పారామితులలో మార్పులను చూపుతుంది, ఇది గరిష్ట తీవ్రతలో తగ్గుదల మరియు అధిక విలువల వైపు గరిష్ట మార్పు ద్వారా రుజువు చేయబడింది. ముఖ్యంగా, సెల్ గుండ్రనితనం పారామితులు పొడుగుచేసిన కణాలలో తగ్గుదల మరియు గోళాకార కణాలలో పెరుగుదలను చూపించాయి (చిత్రం 6a, b). అదనంగా, SL Nb4C3TX MXene (చిత్రం 6f) తో సంకర్షణ తర్వాత ఫెరెట్ సెల్ వెడల్పు అనేక మైక్రోమీటర్లు పెరిగింది. Nb2CTx SR తో సంకర్షణ తర్వాత మైక్రోఆల్గే ద్వారా Nb ఆక్సైడ్‌ల బలమైన తీసుకోవడం వల్ల ఇది జరిగి ఉండవచ్చని మేము అనుమానిస్తున్నాము. Nb రేకులను వాటి ఉపరితలంపై తక్కువ దృఢంగా అటాచ్ చేయడం వల్ల కనీస షేడింగ్ ప్రభావంతో కణ పెరుగుదల ఏర్పడుతుంది.
మైక్రోఅల్గేల ఆకారం మరియు పరిమాణం యొక్క పారామితులలో మార్పులపై మా పరిశీలనలు ఇతర అధ్యయనాలను పూర్తి చేస్తాయి. కణ పరిమాణం, ఆకారం లేదా జీవక్రియను మార్చడం ద్వారా పర్యావరణ ఒత్తిడికి ప్రతిస్పందనగా ఆకుపచ్చ సూక్ష్మఅల్గేలు వాటి స్వరూపాన్ని మార్చగలవు61. ఉదాహరణకు, కణాల పరిమాణాన్ని మార్చడం పోషకాల శోషణను సులభతరం చేస్తుంది71. చిన్న ఆల్గే కణాలు తక్కువ పోషక శోషణ మరియు బలహీనమైన వృద్ధి రేటును చూపుతాయి. దీనికి విరుద్ధంగా, పెద్ద కణాలు ఎక్కువ పోషకాలను వినియోగిస్తాయి, తరువాత అవి కణాంతరంగా 72,73 జమ చేయబడతాయి. మచాడో మరియు సోరెస్ శిలీంద్ర సంహారిణి ట్రైక్లోసాన్ కణ పరిమాణాన్ని పెంచుతుందని కనుగొన్నారు. వారు ఆల్గే74 ఆకారంలో కూడా తీవ్ర మార్పులను కనుగొన్నారు. అదనంగా, యిన్ మరియు ఇతరులు.9 తగ్గిన గ్రాఫేన్ ఆక్సైడ్ నానోకంపోజిట్‌లకు గురైన తర్వాత ఆల్గేలో పదనిర్మాణ మార్పులను కూడా వెల్లడించారు. అందువల్ల, సూక్ష్మఅల్గే యొక్క మారిన పరిమాణం/ఆకార పారామితులు MXene ఉనికి వల్ల సంభవిస్తాయని స్పష్టంగా తెలుస్తుంది. పరిమాణం మరియు ఆకారంలో ఈ మార్పు పోషక తీసుకోవడంలో మార్పులను సూచిస్తుంది కాబట్టి, కాలక్రమేణా పరిమాణం మరియు ఆకార పారామితుల విశ్లేషణ Nb-MXenes సమక్షంలో సూక్ష్మఅల్గే ద్వారా నియోబియం ఆక్సైడ్ తీసుకోవడం ప్రదర్శించగలదని మేము నమ్ముతున్నాము.
అంతేకాకుండా, MXenes ఆల్గే సమక్షంలో ఆక్సీకరణం చెందుతాయి. దలై మరియు ఇతరులు 75 నానో-TiO2 మరియు Al2O376 లకు గురైన ఆకుపచ్చ ఆల్గే యొక్క పదనిర్మాణం ఏకరీతిగా లేదని గమనించారు. మా పరిశీలనలు ప్రస్తుత అధ్యయనానికి సారూప్యంగా ఉన్నప్పటికీ, ఇది 2D నానోఫ్లేక్‌ల సమక్షంలో MXene క్షీణత ఉత్పత్తుల పరంగా బయోరిమిడియేషన్ యొక్క ప్రభావాల అధ్యయనానికి మాత్రమే సంబంధించినది మరియు నానోపార్టికల్స్ కాదు. MXenes మెటల్ ఆక్సైడ్‌లుగా క్షీణించగలవు కాబట్టి, 31,32,77,78 మైక్రోఆల్గే కణాలతో సంకర్షణ చెందిన తర్వాత మన Nb నానోఫ్లేక్‌లు కూడా Nb ఆక్సైడ్‌లను ఏర్పరుస్తాయని భావించడం సమంజసం.
ఆక్సీకరణ ప్రక్రియ ఆధారంగా కుళ్ళిపోయే విధానం ద్వారా 2D-Nb నానోఫ్లేక్‌ల తగ్గింపును వివరించడానికి, మేము హై-రిజల్యూషన్ ట్రాన్స్‌మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (HRTEM) (Fig. 7a,b) మరియు ఎక్స్-రే ఫోటోఎలక్ట్రాన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (XPS) (Fig. 7) ఉపయోగించి అధ్యయనాలను నిర్వహించాము. 7c-i మరియు పట్టికలు S4-5). రెండు విధానాలు 2D పదార్థాల ఆక్సీకరణను అధ్యయనం చేయడానికి అనుకూలంగా ఉంటాయి మరియు ఒకదానికొకటి పూరకంగా ఉంటాయి. HRTEM రెండు డైమెన్షనల్ లేయర్డ్ నిర్మాణాల క్షీణతను మరియు మెటల్ ఆక్సైడ్ నానోపార్టికల్స్ యొక్క తదుపరి రూపాన్ని విశ్లేషించగలదు, అయితే XPS ఉపరితల బంధాలకు సున్నితంగా ఉంటుంది. ఈ ప్రయోజనం కోసం, మేము మైక్రోఅల్గే సెల్ డిస్పర్షన్‌ల నుండి సేకరించిన 2D Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లను పరీక్షించాము, అంటే, మైక్రోఅల్గే కణాలతో సంకర్షణ తర్వాత వాటి ఆకారం (Fig. 7 చూడండి).
ఆక్సిడైజ్డ్ (a) SL Nb2CTx మరియు (b) SL Nb4C3Tx MXenes యొక్క స్వరూపాన్ని చూపించే HRTEM చిత్రాలు, XPS విశ్లేషణ ఫలితాలు (c) తగ్గింపు తర్వాత ఆక్సైడ్ ఉత్పత్తుల కూర్పు, (d–f) SL Nb2CTx యొక్క XPS స్పెక్ట్రా యొక్క భాగాల గరిష్ట సరిపోలిక మరియు (g–i) Nb4C3Tx SL ఆకుపచ్చ సూక్ష్మఆల్గేతో మరమ్మతు చేయబడ్డాయి.
HRTEM అధ్యయనాలు రెండు రకాల Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌ల ఆక్సీకరణను నిర్ధారించాయి. నానోఫ్లేక్‌లు కొంతవరకు వాటి ద్విమితీయ స్వరూపాన్ని నిలుపుకున్నప్పటికీ, ఆక్సీకరణ ఫలితంగా MXene నానోఫ్లేక్‌ల ఉపరితలాన్ని కప్పి ఉంచే అనేక నానోపార్టికల్స్ కనిపించాయి (Fig. 7a,b చూడండి). c Nb 3d మరియు O 1s సిగ్నల్‌ల XPS విశ్లేషణ రెండు సందర్భాలలో Nb ఆక్సైడ్‌లు ఏర్పడ్డాయని సూచించింది. Figure 7cలో చూపిన విధంగా, 2D MXene Nb2CTx మరియు Nb4C3TX NbO మరియు Nb2O5 ఆక్సైడ్‌ల ఉనికిని సూచించే Nb 3d సిగ్నల్‌లను కలిగి ఉంటాయి, అయితే O 1s సిగ్నల్‌లు 2D నానోఫ్లేక్ ఉపరితలం యొక్క కార్యాచరణతో సంబంధం ఉన్న O–Nb బంధాల సంఖ్యను సూచిస్తాయి. Nb-C మరియు Nb3+-O లతో పోలిస్తే Nb ఆక్సైడ్ సహకారం ప్రబలంగా ఉందని మేము గమనించాము.
అంజూరపు బొమ్మలో. 7g–i బొమ్మలు Nb 3d, C 1s, మరియు O 1s SL Nb2CTx (చిత్రాలు 7d–f చూడండి) మరియు SL Nb4C3TX MXene యొక్క XPS స్పెక్ట్రాను సూక్ష్మఆల్గే కణాల నుండి వేరుచేయబడ్డాయి. Nb-MXenes పీక్ పారామితుల వివరాలు వరుసగా పట్టికలు S4–5లో అందించబడ్డాయి. మేము మొదట Nb 3d యొక్క కూర్పును విశ్లేషించాము. సూక్ష్మఆల్గే కణాల ద్వారా గ్రహించబడిన Nbకి విరుద్ధంగా, సూక్ష్మఆల్గే కణాల నుండి వేరుచేయబడిన MXeneలో, Nb2O5 కాకుండా, ఇతర భాగాలు కనుగొనబడ్డాయి. Nb2CTx SLలో, మేము 15% మొత్తంలో Nb3+-O యొక్క సహకారాన్ని గమనించాము, మిగిలిన Nb 3d స్పెక్ట్రంలో Nb2O5 (85%) ఆధిపత్యం చెలాయించింది. అదనంగా, SL Nb4C3TX నమూనాలో Nb-C (9%) మరియు Nb2O5 (91%) భాగాలు ఉన్నాయి. ఇక్కడ Nb-C అనేది Nb4C3Tx SR లోని రెండు అంతర్గత అణు పొరల లోహ కార్బైడ్ నుండి వస్తుంది. తరువాత మేము అంతర్గత నమూనాలలో చేసినట్లుగా, C 1s స్పెక్ట్రాను నాలుగు వేర్వేరు భాగాలకు మ్యాప్ చేస్తాము. ఊహించినట్లుగా, C 1s స్పెక్ట్రం గ్రాఫిటిక్ కార్బన్ ద్వారా ఆధిపత్యం చెలాయిస్తుంది, తరువాత మైక్రోఆల్గే కణాల నుండి సేంద్రీయ కణాల (CHx/CO మరియు C=O) నుండి సహకారాలు ఉంటాయి. అదనంగా, O 1s స్పెక్ట్రంలో, మైక్రోఆల్గే కణాల సేంద్రీయ రూపాలు, నియోబియం ఆక్సైడ్ మరియు శోషించబడిన నీటి సహకారాన్ని మేము గమనించాము.
అదనంగా, పోషక మాధ్యమం మరియు/లేదా మైక్రోఆల్గే కణాలలో రియాక్టివ్ ఆక్సిజన్ జాతులు (ROS) ఉండటంతో Nb-MXenes చీలిక సంబంధం కలిగి ఉందా అని మేము పరిశోధించాము. ఈ ప్రయోజనం కోసం, మేము సంస్కృతి మాధ్యమంలో సింగిల్ట్ ఆక్సిజన్ (1O2) మరియు మైక్రోఆల్గేలో యాంటీఆక్సిడెంట్‌గా పనిచేసే థియోల్ అయిన కణాంతర గ్లూటాతియోన్ స్థాయిలను అంచనా వేసాము. ఫలితాలు SIలో చూపబడ్డాయి (చిత్రాలు S20 మరియు S21). SL Nb2CTx మరియు Nb4C3TX MXenes ఉన్న సంస్కృతులు 1O2 తగ్గిన మొత్తం ద్వారా వర్గీకరించబడ్డాయి (చిత్రం S20 చూడండి). SL Nb2CTx విషయంలో, MXene 1O2 దాదాపు 83%కి తగ్గించబడింది. SLని ఉపయోగించే మైక్రోఆల్గే సంస్కృతుల కోసం, Nb4C3TX 1O2 మరింత తగ్గింది, 73%కి. ఆసక్తికరంగా, 1O2లో మార్పులు గతంలో గమనించిన నిరోధక-ఉద్దీపన ప్రభావం వలె అదే ధోరణిని చూపించాయి (చిత్రం 3 చూడండి). ప్రకాశవంతమైన కాంతిలో పొదిగేటటువంటి ఫోటోఆక్సిడేషన్‌ను మార్చగలదని వాదించవచ్చు. అయితే, నియంత్రణ విశ్లేషణ ఫలితాలు ప్రయోగం సమయంలో దాదాపు స్థిరమైన 1O2 స్థాయిలను చూపించాయి (Fig. S22). కణాంతర ROS స్థాయిల విషయంలో, మేము అదే తగ్గుదల ధోరణిని కూడా గమనించాము (Figure S21 చూడండి). ప్రారంభంలో, Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx SLల సమక్షంలో కల్చర్ చేయబడిన మైక్రోఆల్గే కణాలలో ROS స్థాయిలు మైక్రోఆల్గే యొక్క స్వచ్ఛమైన సంస్కృతులలో కనిపించే స్థాయిలను మించిపోయాయి. అయితే, చివరికి, మైక్రోఆల్గే Nb-MXenes రెండింటి ఉనికికి అనుగుణంగా ఉన్నట్లు కనిపించింది, ఎందుకంటే ROS స్థాయిలు వరుసగా SL Nb2CTx మరియు Nb4C3TXలతో టీకాలు వేయబడిన మైక్రోఆల్గే యొక్క స్వచ్ఛమైన సంస్కృతులలో కొలవబడిన స్థాయిలలో 85% మరియు 91%కి తగ్గాయి. పోషక మాధ్యమంలో కంటే Nb-MXene సమక్షంలో మైక్రోఆల్గే కాలక్రమేణా మరింత సుఖంగా ఉంటుందని ఇది సూచిస్తుంది.
సూక్ష్మ శైవలాలు కిరణజన్య సంయోగక్రియ జీవుల యొక్క విభిన్న సమూహం. కిరణజన్య సంయోగక్రియ సమయంలో, అవి వాతావరణ కార్బన్ డయాక్సైడ్ (CO2) ను సేంద్రీయ కార్బన్‌గా మారుస్తాయి. కిరణజన్య సంయోగక్రియ ఉత్పత్తులు గ్లూకోజ్ మరియు ఆక్సిజన్79. ఈ విధంగా ఏర్పడిన ఆక్సిజన్ Nb-MXenes యొక్క ఆక్సీకరణలో కీలక పాత్ర పోషిస్తుందని మేము అనుమానిస్తున్నాము. దీనికి ఒక సాధ్యమైన వివరణ ఏమిటంటే, Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌ల వెలుపల మరియు లోపల ఆక్సిజన్ యొక్క తక్కువ మరియు అధిక పాక్షిక పీడనాల వద్ద అవకలన వాయు పరామితి ఏర్పడుతుంది. దీని అర్థం ఆక్సిజన్ యొక్క వివిధ పాక్షిక పీడనాల ప్రాంతాలు ఉన్నచోట, అత్యల్ప స్థాయి ఉన్న ప్రాంతం ఆనోడ్ 80, 81, 82 ను ఏర్పరుస్తుంది. ఇక్కడ, సూక్ష్మ శైవలాలు MXene రేకుల ఉపరితలంపై భేదాత్మకంగా వాయు కణాల సృష్టికి దోహదం చేస్తాయి, ఇవి వాటి కిరణజన్య సంయోగక్రియ లక్షణాల కారణంగా ఆక్సిజన్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తాయి. ఫలితంగా, బయోకోరోషన్ ఉత్పత్తులు (ఈ సందర్భంలో, నియోబియం ఆక్సైడ్‌లు) ఏర్పడతాయి. మరొక అంశం ఏమిటంటే, సూక్ష్మ శైవలాలు నీటిలోకి విడుదలయ్యే సేంద్రీయ ఆమ్లాలను ఉత్పత్తి చేయగలవు83,84. అందువల్ల, ఒక దూకుడు వాతావరణం ఏర్పడుతుంది, తద్వారా Nb-MXenes మారుతుంది. అదనంగా, మైక్రోఅల్గేలు కార్బన్ డయాక్సైడ్ శోషణ కారణంగా పర్యావరణం యొక్క pHని ఆల్కలీన్‌గా మార్చగలవు, ఇది తుప్పుకు కూడా కారణమవుతుంది79.
మరింత ముఖ్యంగా, మా అధ్యయనంలో ఉపయోగించిన చీకటి/కాంతి ఫోటోపీరియడ్ పొందిన ఫలితాలను అర్థం చేసుకోవడానికి చాలా కీలకం. ఈ అంశం Djemai-Zoghlache et al. లో వివరంగా వివరించబడింది. 85 వారు ఉద్దేశపూర్వకంగా ఎరుపు సూక్ష్మఅల్గే పోర్ఫిరిడియం పర్ప్యూరియం ద్వారా బయోఫౌలింగ్‌తో సంబంధం ఉన్న బయోకోరోషన్‌ను ప్రదర్శించడానికి 12/12 గంటల ఫోటోపీరియడ్‌ను ఉపయోగించారు. ఫోటోపీరియడ్ బయోకోరోషన్ లేకుండా పొటెన్షియల్ పరిణామంతో సంబంధం కలిగి ఉందని, 24:00 చుట్టూ సూడోపెరియోడిక్ డోలనాలుగా వ్యక్తమవుతుందని వారు చూపిస్తున్నారు. ఈ పరిశీలనలను డౌలింగ్ మరియు ఇతరులు నిర్ధారించారు. 86 వారు సైనోబాక్టీరియా అనబేనా యొక్క కిరణజన్య సంయోగక్రియ బయోఫిల్మ్‌లను ప్రదర్శించారు. కరిగిన ఆక్సిజన్ కాంతి చర్య కింద ఏర్పడుతుంది, ఇది ఉచిత బయోకోరోషన్ పొటెన్షియల్‌లో మార్పు లేదా హెచ్చుతగ్గులతో సంబంధం కలిగి ఉంటుంది. బయోకోరోషన్ కోసం ఉచిత సంభావ్యత కాంతి దశలో పెరుగుతుంది మరియు చీకటి దశలో తగ్గుతుంది అనే వాస్తవం ద్వారా ఫోటోపీరియడ్ యొక్క ప్రాముఖ్యత నొక్కి చెప్పబడింది. ఇది కిరణజన్య సంయోగక్రియ మైక్రోఅల్గే ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఆక్సిజన్ కారణంగా ఉంటుంది, ఇది ఎలక్ట్రోడ్‌ల దగ్గర ఉత్పత్తి అయ్యే పాక్షిక పీడనం ద్వారా కాథోడిక్ ప్రతిచర్యను ప్రభావితం చేస్తుంది87.
అదనంగా, Nb-MXenes తో సంకర్షణ తర్వాత మైక్రోఅల్గే కణాల రసాయన కూర్పులో ఏవైనా మార్పులు సంభవించాయో లేదో తెలుసుకోవడానికి ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ ఇన్‌ఫ్రారెడ్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (FTIR) నిర్వహించబడింది. ఈ పొందిన ఫలితాలు సంక్లిష్టంగా ఉంటాయి మరియు మేము వాటిని SI లో ప్రదర్శిస్తాము (Figure S23-S25, MAX దశ మరియు ML MXenes ఫలితాలతో సహా). సంక్షిప్తంగా, మైక్రోఅల్గే యొక్క పొందిన రిఫరెన్స్ స్పెక్ట్రా ఈ జీవుల రసాయన లక్షణాల గురించి ముఖ్యమైన సమాచారాన్ని మాకు అందిస్తుంది. ఈ అత్యంత సంభావ్య కంపనాలు 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1 పౌనఃపున్యాల వద్ద ఉన్నాయి. 1 1 (C–H) మరియు 3280 cm–1 (O–H). SL Nb-MXenes కోసం, మా మునుపటి అధ్యయనానికి అనుగుణంగా ఉండే CH-బాండ్ స్ట్రెచింగ్ సంతకాన్ని మేము కనుగొన్నాము38. అయితే, C=C మరియు CH బంధాలతో సంబంధం ఉన్న కొన్ని అదనపు శిఖరాలు అదృశ్యమైనట్లు మేము గమనించాము. SL Nb-MXenes తో సంకర్షణ కారణంగా మైక్రోఆల్గేల రసాయన కూర్పు స్వల్ప మార్పులకు లోనవుతుందని ఇది సూచిస్తుంది.
సూక్ష్మ శైవలాల జీవరసాయన శాస్త్రంలో సాధ్యమయ్యే మార్పులను పరిగణనలోకి తీసుకున్నప్పుడు, నియోబియం ఆక్సైడ్ వంటి అకర్బన ఆక్సైడ్‌ల సంచితాన్ని పునఃపరిశీలించాల్సిన అవసరం ఉంది59. ఇది కణ ఉపరితలం ద్వారా లోహాలను తీసుకోవడం, సైటోప్లాజంలోకి వాటి రవాణా, కణాంతర కార్బాక్సిల్ సమూహాలతో వాటి అనుబంధం మరియు సూక్ష్మ శైవల పాలిఫాస్ఫోసోమ్‌లలో వాటి సంచితంలో పాల్గొంటుంది20,88,89,90. అదనంగా, సూక్ష్మ శైవలాలు మరియు లోహాల మధ్య సంబంధం కణాల క్రియాత్మక సమూహాల ద్వారా నిర్వహించబడుతుంది. ఈ కారణంగా, శోషణ కూడా సూక్ష్మ శైవల ఉపరితల రసాయన శాస్త్రంపై ఆధారపడి ఉంటుంది, ఇది చాలా క్లిష్టంగా ఉంటుంది9,91. సాధారణంగా, ఊహించినట్లుగా, Nb ఆక్సైడ్ శోషణ కారణంగా ఆకుపచ్చ సూక్ష్మ శైవలాల రసాయన కూర్పు కొద్దిగా మారిపోయింది.
ఆసక్తికరంగా, మైక్రోఆల్గే యొక్క ప్రారంభ నిరోధం కాలక్రమేణా తిరిగి మార్చబడింది. మేము గమనించినట్లుగా, మైక్రోఆల్గే ప్రారంభ పర్యావరణ మార్పును అధిగమించి చివరికి సాధారణ వృద్ధి రేటుకు తిరిగి వచ్చింది మరియు పెరిగింది. పోషక మాధ్యమంలోకి ప్రవేశపెట్టినప్పుడు జీటా సంభావ్యత యొక్క అధ్యయనాలు అధిక స్థిరత్వాన్ని చూపుతాయి. అందువల్ల, తగ్గింపు ప్రయోగాల అంతటా మైక్రోఆల్గే కణాలు మరియు Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌ల మధ్య ఉపరితల పరస్పర చర్య నిర్వహించబడింది. మా తదుపరి విశ్లేషణలో, మైక్రోఆల్గే యొక్క ఈ అద్భుతమైన ప్రవర్తనకు అంతర్లీనంగా ఉన్న చర్య యొక్క ప్రధాన విధానాలను మేము సంగ్రహించాము.
SEM పరిశీలనలు సూక్ష్మ శకలాలు Nb-MXenes కు అటాచ్ అవుతాయని చూపించాయి. డైనమిక్ ఇమేజ్ విశ్లేషణను ఉపయోగించి, ఈ ప్రభావం ద్విమితీయ Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లను మరింత గోళాకార కణాలుగా మార్చడానికి దారితీస్తుందని మేము ధృవీకరిస్తాము, తద్వారా నానోఫ్లేక్‌ల కుళ్ళిపోవడం వాటి ఆక్సీకరణతో ముడిపడి ఉందని నిరూపిస్తాము. మా పరికల్పనను పరీక్షించడానికి, మేము పదార్థ మరియు జీవరసాయన అధ్యయనాల శ్రేణిని నిర్వహించాము. పరీక్షించిన తర్వాత, నానోఫ్లేక్‌లు క్రమంగా ఆక్సీకరణం చెంది NbO మరియు Nb2O5 ఉత్పత్తులుగా కుళ్ళిపోయాయి, ఇవి ఆకుపచ్చ సూక్ష్మ శకలాలకు ముప్పు కలిగించలేదు. FTIR పరిశీలనను ఉపయోగించి, 2D Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌ల సమక్షంలో పొదిగిన సూక్ష్మ శకలాల రసాయన కూర్పులో గణనీయమైన మార్పులు ఏవీ మాకు కనిపించలేదు. సూక్ష్మ శకలాల ద్వారా నియోబియం ఆక్సైడ్‌ను గ్రహించే అవకాశాన్ని పరిగణనలోకి తీసుకుని, మేము ఎక్స్-రే ఫ్లోరోసెన్స్ విశ్లేషణను నిర్వహించాము. అధ్యయనం చేయబడిన సూక్ష్మ శకలాలు నియోబియం ఆక్సైడ్‌లను (NbO మరియు Nb2O5) తింటాయని ఈ ఫలితాలు స్పష్టంగా చూపిస్తున్నాయి, ఇవి అధ్యయనం చేయబడిన సూక్ష్మ శకలాలకు విషపూరితం కాదు.