ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.com คุณกำลังใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันที่รองรับ CSS ได้จำกัด เพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดตแล้ว (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าจะได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงผลไซต์โดยไม่ใช้รูปแบบและ JavaScript
แสดงสไลด์ 3 สไลด์พร้อมกัน ใช้ปุ่ม Previous และ Next เพื่อเลื่อนดูสไลด์ 3 สไลด์พร้อมกัน หรือใช้ปุ่ม Slider ที่ท้ายสไลด์เพื่อเลื่อนดูสไลด์ 3 สไลด์พร้อมกัน
การพัฒนาอย่างรวดเร็วของนาโนเทคโนโลยีและการผสานเข้ากับการใช้งานในชีวิตประจำวันอาจคุกคามสิ่งแวดล้อม ในขณะที่วิธีการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการย่อยสลายสารปนเปื้อนอินทรีย์ได้รับการยอมรับแล้ว การฟื้นฟูสารปนเปื้อนผลึกอนินทรีย์นั้นเป็นปัญหาสำคัญเนื่องจากมีความอ่อนไหวต่อการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพต่ำและขาดความเข้าใจเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิวของวัสดุกับสารทางชีวภาพ ที่นี่ เราใช้แบบจำลอง MXenes อนินทรีย์ 2D ที่ใช้ Nb ร่วมกับวิธีการวิเคราะห์พารามิเตอร์รูปร่างที่เรียบง่ายเพื่อติดตามกลไกการฟื้นฟูทางชีวภาพของนาโนวัสดุเซรามิก 2D โดยสาหร่ายสีเขียว Raphidocelis subcapitata เราพบว่าสาหร่ายขนาดเล็กย่อยสลาย MXenes ที่ใช้ Nb เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ทางฟิสิกเคมีที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิว ในตอนแรก นาโนเฟลก MXene แบบชั้นเดียวและหลายชั้นจะติดอยู่บนพื้นผิวของสาหร่ายขนาดเล็ก ซึ่งทำให้การเติบโตของสาหร่ายลดลงบ้าง อย่างไรก็ตาม เมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิวเป็นเวลานาน สาหร่ายขนาดเล็กจะออกซิไดซ์นาโนเฟลก MXene และสลายตัวต่อไปเป็น NbO และ Nb2O5 เนื่องจากออกไซด์เหล่านี้ไม่มีพิษต่อเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก จึงใช้นาโนออกไซด์ Nb โดยกลไกการดูดซับที่ช่วยฟื้นฟูสาหร่ายขนาดเล็กหลังจากผ่านการบำบัดน้ำเป็นเวลา 72 ชั่วโมง ผลกระทบของสารอาหารที่เกี่ยวข้องกับการดูดซึมยังสะท้อนให้เห็นในปริมาตรเซลล์ที่เพิ่มขึ้น รูปร่างเรียบ และการเปลี่ยนแปลงของอัตราการเจริญเติบโต จากผลการค้นพบเหล่านี้ เราสรุปได้ว่าการมีอยู่ของ MXenes ที่มีส่วนประกอบของ Nb ในระบบนิเวศน้ำจืดในระยะสั้นและระยะยาวอาจส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ที่น่าสังเกตคือ การใช้นาโนวัสดุสองมิติเป็นระบบจำลอง แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการติดตามการเปลี่ยนแปลงรูปร่างแม้ในวัสดุที่มีเนื้อละเอียด โดยรวมแล้ว การศึกษาครั้งนี้ตอบคำถามพื้นฐานที่สำคัญเกี่ยวกับกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์บนพื้นผิวที่ขับเคลื่อนกลไกการฟื้นฟูทางชีวภาพของนาโนวัสดุสองมิติ และให้พื้นฐานสำหรับการศึกษาผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของนาโนวัสดุผลึกอนินทรีย์ในระยะสั้นและระยะยาวต่อไป
นาโนวัสดุได้รับความสนใจอย่างมากนับตั้งแต่มีการค้นพบ และนาโนเทคโนโลยีต่างๆ ได้เข้าสู่ขั้นตอนการปรับปรุงใหม่เมื่อไม่นานนี้1 น่าเสียดายที่การนำนาโนวัสดุไปประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวันอาจทำให้เกิดการปล่อยสารโดยไม่ได้ตั้งใจเนื่องจากการกำจัดที่ไม่เหมาะสม การจัดการที่ไม่ระมัดระวัง หรือโครงสร้างพื้นฐานด้านความปลอดภัยที่ไม่เพียงพอ ดังนั้น จึงสมเหตุสมผลที่จะสันนิษฐานว่านาโนวัสดุ รวมถึงนาโนวัสดุสองมิติ (2D) สามารถปล่อยลงสู่สิ่งแวดล้อมตามธรรมชาติได้ โดยที่พฤติกรรมและกิจกรรมทางชีวภาพของนาโนวัสดุเหล่านี้ยังไม่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ ดังนั้น จึงไม่น่าแปลกใจที่ความกังวลเรื่องพิษต่อระบบนิเวศจะมุ่งเน้นไปที่ความสามารถของนาโนวัสดุสองมิติที่จะซึมเข้าไปในระบบน้ำ2,3,4,5,6 ในระบบนิเวศเหล่านี้ นาโนวัสดุสองมิติบางชนิดสามารถโต้ตอบกับสิ่งมีชีวิตต่างๆ ในระดับโภชนาการที่แตกต่างกัน รวมถึงสาหร่ายขนาดเล็ก
สาหร่ายขนาดเล็กเป็นสิ่งมีชีวิตดั้งเดิมที่พบได้ตามธรรมชาติในระบบนิเวศน้ำจืดและทะเล ซึ่งผลิตผลิตภัณฑ์ทางเคมีต่างๆ มากมายผ่านการสังเคราะห์แสง7 ดังนั้น สาหร่ายขนาดเล็กจึงมีความสำคัญต่อระบบนิเวศทางน้ำ8,9,10,11,12 นอกจากนี้ยังเป็นตัวบ่งชี้ความเป็นพิษต่อระบบนิเวศที่มีความละเอียดอ่อน ราคาไม่แพง และใช้กันอย่างแพร่หลาย13,14 เนื่องจากเซลล์ของสาหร่ายขนาดเล็กขยายพันธุ์อย่างรวดเร็วและตอบสนองต่อการมีอยู่ของสารประกอบต่างๆ อย่างรวดเร็ว จึงมีความหวังในการพัฒนาวิธีการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในการบำบัดน้ำที่ปนเปื้อนสารอินทรีย์15,16
เซลล์สาหร่ายสามารถกำจัดไอออนอนินทรีย์ออกจากน้ำได้โดยการดูดซับทางชีวภาพและการสะสม17,18 สาหร่ายบางชนิด เช่น คลอเรลลา อะนาบาเอนา อินวาร์ เวสเทลโลปซิส โพรลิฟิกา สติโกโคโลเนียม เทนูเอ และซินโคคอคคัส สปีชีส์ พบว่าสาหร่ายชนิดนี้สามารถพาไอออนโลหะที่เป็นพิษ เช่น Fe2+, Cu2+, Zn2+ และ Mn2+19 ไปด้วยได้ การศึกษาวิจัยอื่นๆ แสดงให้เห็นว่าไอออน Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ หรือ Pb2+ จำกัดการเติบโตของซีนเดสมัสโดยการเปลี่ยนแปลงสัณฐานวิทยาของเซลล์และทำลายคลอโรพลาสต์ของเซลล์20,21
วิธีการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการย่อยสลายสารมลพิษอินทรีย์และการกำจัดไอออนของโลหะหนักได้ดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรทั่วโลก สาเหตุหลักมาจากการที่สารปนเปื้อนเหล่านี้สามารถประมวลผลได้ง่ายในเฟสของเหลว อย่างไรก็ตาม สารมลพิษผลึกอนินทรีย์มีลักษณะเฉพาะคือละลายน้ำได้น้อยและไวต่อการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพต่างๆ ต่ำ ซึ่งทำให้การแก้ไขปัญหาทำได้ยาก และยังมีความคืบหน้าเพียงเล็กน้อยในด้านนี้22,23,24,25,26 ดังนั้น การค้นหาวิธีแก้ปัญหาที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการซ่อมแซมนาโนวัสดุจึงยังคงเป็นพื้นที่ที่ซับซ้อนและไม่ได้รับการสำรวจ เนื่องจากมีความไม่แน่นอนในระดับสูงเกี่ยวกับผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพของนาโนวัสดุ 2 มิติ จึงไม่มีวิธีง่ายๆ ในการค้นหาเส้นทางที่เป็นไปได้ของการสลายตัวระหว่างการรีดักชัน
ในการศึกษาครั้งนี้ เราใช้สาหร่ายสีเขียวเป็นสารบำบัดทางชีวภาพในน้ำสำหรับวัสดุเซรามิกอนินทรีย์ ร่วมกับการติดตามกระบวนการย่อยสลายของ MXene ในสถานที่ซึ่งเป็นตัวแทนของวัสดุเซรามิกอนินทรีย์ คำว่า "MXene" สะท้อนถึงสัดส่วนของวัสดุ Mn+1XnTx โดยที่ M คือโลหะทรานซิชันระยะแรก X คือคาร์บอนและ/หรือไนโตรเจน Tx คือตัวสิ้นสุดพื้นผิว (เช่น -OH, -F, -Cl) และ n = 1, 2, 3 หรือ 427.28 ตั้งแต่การค้นพบ MXenes โดย Naguib et al. เซ็นเซอร์ การบำบัดมะเร็ง และการกรองด้วยเมมเบรน 27,29,30 นอกจากนี้ MXenes ยังถือเป็นระบบจำลอง 2 มิติได้เนื่องจากมีเสถียรภาพแบบคอลลอยด์ที่ยอดเยี่ยมและปฏิสัมพันธ์ทางชีวภาพที่เป็นไปได้31,32,33,34,35,36
ดังนั้น วิธีการที่พัฒนาขึ้นในบทความนี้และสมมติฐานการวิจัยของเราจะแสดงอยู่ในรูปที่ 1 ตามสมมติฐานนี้ สาหร่ายขนาดเล็กจะย่อยสลาย MXenes ที่มีฐานเป็น Nb ให้กลายเป็นสารประกอบที่ไม่เป็นพิษเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ทางฟิสิกเคมีที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิว ซึ่งช่วยให้สาหร่ายฟื้นตัวต่อไปได้ เพื่อทดสอบสมมติฐานนี้ จึงเลือกคาร์ไบด์โลหะทรานสิชันและ/หรือไนไตรด์ (MXenes) ที่มีฐานเป็นไนโอเบียมในช่วงแรก 2 ตัว ได้แก่ Nb2CTx และ Nb4C3TX
วิธีการวิจัยและสมมติฐานตามหลักฐานสำหรับการฟื้นตัวของ MXene โดยสาหร่ายสีเขียว Raphidocelis subcapitata โปรดทราบว่านี่เป็นเพียงการแสดงภาพแบบแผนผังของสมมติฐานตามหลักฐานเท่านั้น สภาพแวดล้อมของทะเลสาบแตกต่างกันในด้านสารอาหารที่ใช้และเงื่อนไข (เช่น วงจรรายวันและข้อจำกัดของสารอาหารที่จำเป็นที่มีอยู่) สร้างด้วย BioRender.com
ดังนั้น การใช้ MXene เป็นระบบจำลองจึงช่วยให้เราสามารถศึกษาผลกระทบทางชีวภาพต่างๆ ที่ไม่สามารถสังเกตได้จากนาโนวัสดุทั่วไปอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการฟื้นฟูทางชีวภาพของนาโนวัสดุสองมิติ เช่น MXenes ที่มีฐานเป็นไนโอเบียม โดยสาหร่ายขนาดเล็ก Raphidocelis subcapitata สาหร่ายขนาดเล็กสามารถย่อยสลาย Nb-MXenes ให้กลายเป็นออกไซด์ที่ไม่เป็นพิษ NbO และ Nb2O5 ซึ่งให้สารอาหารผ่านกลไกการดูดซึมไนโอเบียม โดยรวมแล้ว การศึกษาครั้งนี้ตอบคำถามพื้นฐานที่สำคัญเกี่ยวกับกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ทางฟิสิกเคมีบนพื้นผิวที่ควบคุมกลไกการฟื้นฟูทางชีวภาพของนาโนวัสดุสองมิติ นอกจากนี้ เรากำลังพัฒนาวิธีการง่ายๆ ตามพารามิเตอร์รูปร่างสำหรับการติดตามการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในรูปร่างของนาโนวัสดุสองมิติ ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการวิจัยในระยะสั้นและระยะยาวเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมต่างๆ ของนาโนวัสดุผลึกอนินทรีย์ ดังนั้น การศึกษาของเราจึงช่วยเพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิวของวัสดุและวัสดุทางชีวภาพ นอกจากนี้ เรายังจัดเตรียมพื้นฐานสำหรับการศึกษาในระยะสั้นและระยะยาวเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นต่อระบบนิเวศน้ำจืด ซึ่งขณะนี้สามารถตรวจยืนยันได้อย่างง่ายดาย
MXenes เป็นวัสดุประเภทที่น่าสนใจที่มีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่เป็นเอกลักษณ์และน่าดึงดูด ดังนั้นจึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย คุณสมบัติเหล่านี้ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับสัดส่วนทางเคมีและเคมีพื้นผิว ดังนั้น ในการศึกษานี้ เราจึงได้ศึกษา MXenes แบบชั้นเดียว (SL) ที่มีพื้นฐานมาจาก Nb สองประเภท ได้แก่ Nb2CTx และ Nb4C3TX เนื่องจากสามารถสังเกตเห็นผลทางชีวภาพที่แตกต่างกันของนาโนวัสดุเหล่านี้ได้ MXenes ผลิตขึ้นจากวัสดุเริ่มต้นโดยการกัดแบบเลือกจากบนลงล่างของชั้น A เฟส MAX ที่บางในระดับอะตอม เฟส MAX เป็นเซรามิกเทอร์นารีที่ประกอบด้วยบล็อกคาร์ไบด์โลหะทรานสิชั่นที่ "เชื่อมติดกัน" และชั้นบางๆ ของธาตุ "A" เช่น Al, Si และ Sn ด้วยสัดส่วนทางเคมีของ MnAXn-1 สัณฐานวิทยาของเฟส MAX เริ่มต้นถูกสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) และสอดคล้องกับการศึกษาครั้งก่อน (ดูข้อมูลเพิ่มเติม SI รูปที่ S1) เราได้รับ Nb-MXene แบบหลายชั้น (ML) หลังจากเอาชั้น Al ออกด้วยกรดไฮโดรฟลูออริก 48% HF (กรดไฮโดรฟลูออริก) เราตรวจสอบสัณฐานวิทยาของ ML-Nb2CTx และ ML-Nb4C3TX ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) (รูป S1c และ S1d ตามลำดับ) และสังเกตเห็นสัณฐานวิทยา MXene แบบเป็นชั้นทั่วไป ซึ่งคล้ายกับเกล็ดนาโนสองมิติที่ผ่านช่องยาวคล้ายรูพรุน Nb-MXene ทั้งสองชนิดมีความคล้ายคลึงกันมากกับเฟส MXene ที่สังเคราะห์ขึ้นก่อนหน้านี้โดยการกัดกรด27,38 หลังจากยืนยันโครงสร้างของ MXene แล้ว เราแบ่งชั้นด้วยการแทรกเทตระบิวทิลแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ (TBAOH) ตามด้วยการล้างและโซนิเคชั่น หลังจากนั้นเราจึงได้เกล็ดนาโน Nb-MXene แบบชั้นเดียวหรือชั้นต่ำ (SL)
เราใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านความละเอียดสูง (HRTEM) และการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของการกัดและการลอกเพิ่มเติม ผลลัพธ์ของ HRTEM ที่ประมวลผลโดยใช้การแปลงฟูเรียร์เร็วผกผัน (IFFT) และการแปลงฟูเรียร์เร็ว (FFT) จะแสดงในรูปที่ 2 นาโนเฟลก Nb-MXene ถูกวางแนวโดยให้ขอบอยู่ด้านบนเพื่อตรวจสอบโครงสร้างของชั้นอะตอมและวัดระยะห่างระหว่างระนาบ ภาพ HRTEM ของนาโนเฟลก MXene Nb2CTx และ Nb4C3TX เผยให้เห็นลักษณะเป็นชั้นบางในระดับอะตอม (ดูรูปที่ 2a1, a2) ตามที่ Naguib et al.27 และ Jastrzębska et al.38 รายงานไว้ก่อนหน้านี้ สำหรับโมโนเลเยอร์ Nb2CTx และ Nb4C3Tx สองชั้นที่อยู่ติดกัน เราได้กำหนดระยะห่างระหว่างเลเยอร์ที่ 0.74 และ 1.54 นาโนเมตร ตามลำดับ (รูปที่ 2b1, b2) ซึ่งสอดคล้องกับผลลัพธ์ก่อนหน้าของเราด้วย38 ซึ่งได้รับการยืนยันเพิ่มเติมด้วยการแปลงฟูเรียร์เร็วผกผัน (รูปที่ 2c1, c2) และการแปลงฟูเรียร์เร็ว (รูปที่ 2d1, d2) ซึ่งแสดงระยะห่างระหว่างโมโนเลเยอร์ Nb2CTx และ Nb4C3Tx รูปภาพแสดงการสลับกันของแถบสว่างและแถบมืดที่สอดคล้องกับอะตอมของไนโอเบียมและคาร์บอน ซึ่งยืนยันลักษณะเป็นชั้นของ MXenes ที่ศึกษา สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าสเปกตรัมสเปกโตรสโคปีรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน (EDX) ที่ได้สำหรับ Nb2CTx และ Nb4C3Tx (รูปที่ S2a และ S2b) ไม่พบร่องรอยของเฟส MAX เดิม เนื่องจากไม่พบจุดสูงสุดของ Al
การกำหนดลักษณะของนาโนเกล็ด SL Nb2CTx และ Nb4C3Tx MXene รวมถึง (ก) การถ่ายภาพนาโนเกล็ด 2 มิติแบบมองด้านข้างด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความละเอียดสูง (HRTEM) และ (ข) โหมดความเข้ม (ค) การแปลงฟูเรียร์เร็วผกผัน (IFFT) (ง) การแปลงฟูเรียร์เร็ว (FFT) (จ) รูปแบบรังสีเอกซ์ของ Nb-MXenes สำหรับ SL 2D Nb2CTx ตัวเลขจะแสดงเป็น (a1, b1, c1, d1, e1) สำหรับ SL 2D Nb4C3Tx ตัวเลขจะแสดงเป็น (a2, b2, c2, d2, e1)
การวัดการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของ SL Nb2CTx และ Nb4C3Tx MXenes แสดงไว้ในรูปที่ 2e1 และ e2 ตามลำดับ จุดสูงสุด (002) ที่ 4.31 และ 4.32 สอดคล้องกับ MXenes แบบแบ่งชั้นที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ Nb2CTx และ Nb4C3TX38,39,40,41 ตามลำดับ ผล XRD ยังบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของโครงสร้าง ML ที่เหลืออยู่บางส่วนและเฟส MAX แต่ส่วนใหญ่เป็นรูปแบบ XRD ที่เกี่ยวข้องกับ SL Nb4C3Tx (รูปที่ 2e2) การมีอยู่ของอนุภาคขนาดเล็กกว่าของเฟส MAX อาจอธิบายจุดสูงสุด MAX ที่แรงกว่าเมื่อเทียบกับชั้น Nb4C3Tx ที่ซ้อนกันแบบสุ่ม
งานวิจัยเพิ่มเติมมุ่งเน้นไปที่สาหร่ายสีเขียวขนาดเล็กที่อยู่ในสายพันธุ์ R. subcapitata เราเลือกสาหร่ายขนาดเล็กเนื่องจากเป็นผู้ผลิตที่สำคัญที่เกี่ยวข้องกับห่วงโซ่อาหารหลัก42 นอกจากนี้ยังเป็นหนึ่งในตัวบ่งชี้ความเป็นพิษที่ดีที่สุดเนื่องจากความสามารถในการกำจัดสารพิษที่ส่งไปยังระดับที่สูงขึ้นของห่วงโซ่อาหาร43 นอกจากนี้ การวิจัยเกี่ยวกับ R. subcapitata อาจช่วยไขความกระจ่างเกี่ยวกับความเป็นพิษโดยบังเอิญของ SL Nb-MXenes ต่อจุลินทรีย์ในน้ำจืดทั่วไปได้ เพื่อเป็นการอธิบายสิ่งนี้ นักวิจัยตั้งสมมติฐานว่าจุลินทรีย์แต่ละชนิดมีความไวต่อสารพิษที่มีอยู่ในสิ่งแวดล้อมต่างกัน สำหรับสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ ความเข้มข้นต่ำของสารจะไม่ส่งผลต่อการเจริญเติบโตของพวกมัน ในขณะที่ความเข้มข้นที่เกินขีดจำกัดบางอย่างสามารถยับยั้งหรือทำให้พวกมันตายได้ ดังนั้น ในการศึกษาปฏิสัมพันธ์บนพื้นผิวระหว่างสาหร่ายขนาดเล็กและ MXenes และการฟื้นตัวที่เกี่ยวข้อง เราจึงตัดสินใจทดสอบความเข้มข้นของ Nb-MXenes ที่ไม่เป็นอันตรายและเป็นพิษ เพื่อดำเนินการนี้ เราได้ทดสอบความเข้มข้น 0 (เป็นข้อมูลอ้างอิง), 0.01, 0.1 และ 10 มก./ล. ของ MXene และยังได้ติดเชื้อสาหร่ายขนาดเล็กด้วย MXene ในปริมาณสูงมาก (100 มก./ล. ของ MXene) ซึ่งอาจรุนแรงและเป็นอันตรายถึงชีวิตได้ สำหรับสภาพแวดล้อมทางชีวภาพใดๆ
ผลกระทบของ SL Nb-MXenes ต่อสาหร่ายขนาดเล็กแสดงไว้ในรูปที่ 3 โดยแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของการส่งเสริมการเจริญเติบโต (+) หรือการยับยั้ง (-) ที่วัดได้สำหรับตัวอย่าง 0 มก./ล. สำหรับการเปรียบเทียบ เฟส Nb-MAX และ ML Nb-MXenes ได้รับการทดสอบเช่นกัน และผลลัพธ์จะแสดงใน SI (ดูรูปที่ S3) ผลลัพธ์ที่ได้ยืนยันว่า SL Nb-MXenes แทบไม่มีพิษเลยในช่วงความเข้มข้นต่ำตั้งแต่ 0.01 ถึง 10 มก./ล. ดังที่แสดงในรูปที่ 3a,b ในกรณีของ Nb2CTx เราสังเกตเห็นพิษต่อระบบนิเวศไม่เกิน 5% ในช่วงที่กำหนด
การกระตุ้น (+) หรือการยับยั้ง (-) การเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กในสภาพที่มี SL (a) Nb2CTx และ (b) Nb4C3TX MXene มีการวิเคราะห์ปฏิสัมพันธ์ระหว่าง MXene กับสาหร่ายขนาดเล็กเป็นเวลา 24, 48 และ 72 ชั่วโมง ข้อมูลที่สำคัญ (การทดสอบ t, p < 0.05) ถูกทำเครื่องหมายด้วยเครื่องหมายดอกจัน (*) ข้อมูลที่สำคัญ (การทดสอบ t, p < 0.05) ถูกทำเครื่องหมายด้วยเครื่องหมายดอกจัน (*) Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*) ข้อมูลที่สำคัญ (การทดสอบ t, p < 0.05) จะมีเครื่องหมายดอกจัน (*)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 (*) ข้อมูลสำคัญ (การทดสอบ t, p < 0.05) จะมีเครื่องหมายดอกจัน (*)ลูกศรสีแดงแสดงถึงการยกเลิกการกระตุ้นการยับยั้ง
ในทางกลับกัน ความเข้มข้นต่ำของ Nb4C3TX กลับกลายเป็นพิษมากกว่าเล็กน้อย แต่ไม่เกิน 7% ตามที่คาดไว้ เราพบว่า MXenes มีพิษสูงกว่าและยับยั้งการเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กที่ 100 มก./ลิตร ที่น่าสนใจคือ ไม่มีวัสดุใดแสดงแนวโน้มและความสัมพันธ์ตามเวลาของผลกระทบจากพิษ/พิษเหมือนกันเมื่อเปรียบเทียบกับตัวอย่าง MAX หรือ ML (ดูรายละเอียดใน SI) ในขณะที่สำหรับเฟส MAX (ดูรูป S3) ความเป็นพิษสูงถึงประมาณ 15–25% และเพิ่มขึ้นตามเวลา แต่พบแนวโน้มย้อนกลับสำหรับ SL Nb2CTx และ Nb4C3TX MXene การยับยั้งการเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กลดลงเมื่อเวลาผ่านไป โดยสูงถึงประมาณ 17% หลังจาก 24 ชั่วโมง และลดลงเหลือต่ำกว่า 5% หลังจาก 72 ชั่วโมง (รูปที่ 3a, b ตามลำดับ)
ที่สำคัญกว่านั้น สำหรับ SL Nb4C3TX การยับยั้งการเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กจะถึงประมาณ 27% หลังจาก 24 ชั่วโมง แต่หลังจาก 72 ชั่วโมงก็ลดลงเหลือประมาณ 1% ดังนั้น เราจึงระบุผลที่สังเกตได้ว่าเป็น การยับยั้งการกระตุ้นแบบย้อนกลับ และผลจะรุนแรงกว่าสำหรับ SL Nb4C3TX MXene การกระตุ้นการเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กถูกสังเกตได้เร็วกว่าด้วย Nb4C3TX (ปฏิกิริยาที่ 10 มก./ลิตร เป็นเวลา 24 ชั่วโมง) เมื่อเปรียบเทียบกับ SL Nb2CTx MXene ผลการย้อนกลับการยับยั้ง-การกระตุ้นยังแสดงให้เห็นได้ดีในกราฟอัตราการเพิ่มเป็นสองเท่าของชีวมวล (ดูรายละเอียดในรูปที่ S4) จนถึงขณะนี้ มีการศึกษาเฉพาะความเป็นพิษต่อระบบนิเวศของ Ti3C2TX MXene ในวิธีต่างๆ เท่านั้น ไม่เป็นพิษต่อตัวอ่อนปลาซิบราฟิช44 แต่มีพิษต่อระบบนิเวศปานกลางต่อสาหร่ายขนาดเล็ก Desmodesmus quadricauda และ Sorghum saccharatum45 ตัวอย่างอื่นๆ ของผลกระทบเฉพาะเจาะจง ได้แก่ ความเป็นพิษต่อเซลล์มะเร็งมากกว่าเซลล์ปกติ46,47 อาจถือได้ว่าสภาวะการทดสอบจะส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงในการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กที่สังเกตพบในสภาพที่มี Nb-MXenes ตัวอย่างเช่น ค่า pH ประมาณ 8 ในสโตรมาของคลอโรพลาสต์นั้นเหมาะสมที่สุดสำหรับการทำงานอย่างมีประสิทธิภาพของเอนไซม์ RuBisCO ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงค่า pH จึงส่งผลเสียต่ออัตราการสังเคราะห์แสง48,49 อย่างไรก็ตาม เราไม่ได้สังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงค่า pH ที่สำคัญในระหว่างการทดลอง (ดูรายละเอียดใน SI รูปที่ S5) โดยทั่วไปแล้ว การเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็กที่มี Nb-MXenes จะทำให้ค่า pH ของสารละลายลดลงเล็กน้อยเมื่อเวลาผ่านไป อย่างไรก็ตาม การลดลงนี้คล้ายกับการเปลี่ยนแปลงค่า pH ของอาหารเลี้ยงเชื้อบริสุทธิ์ นอกจากนี้ ช่วงของการเปลี่ยนแปลงที่พบยังคล้ายกับช่วงที่วัดได้สำหรับเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็กบริสุทธิ์ (ตัวอย่างควบคุม) ดังนั้นเราจึงสรุปได้ว่าการสังเคราะห์แสงไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงค่า pH เมื่อเวลาผ่านไป
นอกจากนี้ MXenes ที่สังเคราะห์ยังมีปลายบนพื้นผิว (แสดงเป็น Tx) ซึ่งส่วนใหญ่เป็นกลุ่มฟังก์ชัน -O, -F และ -OH อย่างไรก็ตาม เคมีพื้นผิวเกี่ยวข้องโดยตรงกับวิธีการสังเคราะห์ กลุ่มเหล่านี้ทราบกันดีว่ากระจายอยู่แบบสุ่มบนพื้นผิว ทำให้ยากต่อการคาดเดาผลกระทบที่มีต่อคุณสมบัติของ MXene50 อาจกล่าวได้ว่า Tx อาจเป็นแรงเร่งปฏิกิริยาในการออกซิเดชันของไนโอเบียมด้วยแสง กลุ่มฟังก์ชันพื้นผิวมีจุดยึดหลายจุดสำหรับโฟโตแคทาลิสต์พื้นฐานเพื่อสร้างเฮเทอโรจั๊งก์ชัน51 อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบของตัวกลางการเจริญเติบโตไม่ได้ให้โฟโตแคทาลิสต์ที่มีประสิทธิภาพ (องค์ประกอบของตัวกลางโดยละเอียดสามารถดูได้ในตาราง SI S6) นอกจากนี้ การดัดแปลงพื้นผิวใดๆ ก็มีความสำคัญมากเช่นกัน เนื่องจากกิจกรรมทางชีวภาพของ MXenes อาจเปลี่ยนแปลงได้เนื่องมาจากการประมวลผลหลังการประมวลผลชั้น ออกซิเดชัน การดัดแปลงพื้นผิวทางเคมีของสารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์52,53,54,55,56 หรือการออกแบบประจุบนพื้นผิว38 ดังนั้น เพื่อทดสอบว่าไนโอเบียมออกไซด์มีส่วนเกี่ยวข้องกับความไม่เสถียรของวัสดุในตัวกลางหรือไม่ เราจึงได้ทำการศึกษาศักย์ซีตา (ζ) ในอาหารเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็กและน้ำที่ผ่านการดีไอออนไนซ์ (เพื่อเปรียบเทียบ) ผลการศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่า SL Nb-MXenes ค่อนข้างเสถียร (ดูรูป S6 ใน SI สำหรับผลลัพธ์ MAX และ ML) ศักย์ซีตาของ SL MXenes อยู่ที่ประมาณ -10 mV ในกรณีของ SR Nb2CTx ค่าของ ζ จะเป็นค่าลบมากกว่าค่าของ Nb4C3Tx เล็กน้อย การเปลี่ยนแปลงค่า ζ ดังกล่าวอาจบ่งชี้ว่าพื้นผิวของนาโนเฟลก MXene ที่มีประจุลบจะดูดซับไอออนที่มีประจุบวกจากอาหารเลี้ยงเชื้อ การวัดศักย์ซีตาและค่าการนำไฟฟ้าของ Nb-MXenes ในอาหารเลี้ยงเชื้อตามช่วงเวลา (ดูรูป S7 และ S8 ใน SI สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม) ดูเหมือนจะสนับสนุนสมมติฐานของเรา
อย่างไรก็ตาม Nb-MXene SL ทั้งสองตัวแสดงการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยจากศูนย์ ซึ่งแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความเสถียรในอาหารเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็ก นอกจากนี้ เราได้ประเมินว่าการมีอยู่ของสาหร่ายขนาดเล็กสีเขียวของเราจะส่งผลต่อความเสถียรของ Nb-MXenes ในตัวกลางหรือไม่ ผลลัพธ์ของศักย์ซีตาและสภาพนำไฟฟ้าของ MXenes หลังจากมีปฏิสัมพันธ์กับสาหร่ายขนาดเล็กในอาหารเลี้ยงเชื้อและวัฒนธรรมเมื่อเวลาผ่านไปสามารถดูได้ใน SI (รูปภาพ S9 และ S10) ที่น่าสนใจคือ เราสังเกตเห็นว่าการมีอยู่ของสาหร่ายขนาดเล็กดูเหมือนจะทำให้การกระจายตัวของ MXenes ทั้งสองตัวมีความเสถียร ในกรณีของ Nb2CTx SL ศักย์ซีตาลดลงเล็กน้อยเมื่อเวลาผ่านไปจนมีค่าติดลบมากขึ้น (-15.8 เทียบกับ -19.1 mV หลังจากบ่มเพาะเป็นเวลา 72 ชั่วโมง) ศักย์ซีตาของ SL Nb4C3TX เพิ่มขึ้นเล็กน้อย แต่หลังจากผ่านไป 72 ชั่วโมง ยังคงแสดงให้เห็นถึงความเสถียรที่สูงกว่านาโนเฟลกที่ไม่มีสาหร่ายขนาดเล็ก (-18.1 เทียบกับ -9.1 mV)
นอกจากนี้ เรายังพบว่าสารละลาย Nb-MXene เมื่อบ่มในสาหร่ายขนาดเล็กจะมีสภาพการนำไฟฟ้าต่ำกว่า ซึ่งบ่งชี้ว่ามีปริมาณไอออนในสารอาหารที่ลดลง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความไม่เสถียรของ MXene ในน้ำนั้นส่วนใหญ่เกิดจากการออกซิเดชันบนพื้นผิว57 ดังนั้น เราจึงสงสัยว่าสาหร่ายขนาดเล็กสีเขียวสามารถกำจัดออกไซด์ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของ Nb-MXene ได้ และป้องกันไม่ให้ออกไซด์เหล่านี้เกิดขึ้น (ออกซิเดชันของ MXene) ได้ด้วย ซึ่งสามารถสังเกตได้จากการศึกษาประเภทของสารที่สาหร่ายขนาดเล็กดูดซับเข้าไป
แม้ว่าการศึกษาพิษวิทยาสิ่งแวดล้อมของเราจะบ่งชี้ว่าสาหร่ายขนาดเล็กสามารถเอาชนะพิษของ Nb-MXenes ได้เมื่อเวลาผ่านไป และการยับยั้งการเจริญเติบโตที่ผิดปกติจากการกระตุ้น จุดมุ่งหมายของการศึกษาของเราคือการตรวจสอบกลไกการออกฤทธิ์ที่เป็นไปได้ เมื่อสิ่งมีชีวิต เช่น สาหร่าย สัมผัสกับสารประกอบหรือวัสดุที่ไม่คุ้นเคยกับระบบนิเวศ สิ่งมีชีวิตเหล่านี้อาจตอบสนองได้หลายวิธี58,59 ในกรณีที่ไม่มีออกไซด์โลหะที่เป็นพิษ สาหร่ายขนาดเล็กสามารถหาอาหารเองได้ ทำให้เติบโตได้อย่างต่อเนื่อง60 หลังจากกินสารพิษเข้าไป กลไกการป้องกันอาจถูกกระตุ้น เช่น การเปลี่ยนรูปร่างหรือรูปแบบ ความเป็นไปได้ของการดูดซึมจะต้องได้รับการพิจารณาด้วย58,59 โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สัญญาณใดๆ ของกลไกการป้องกันเป็นตัวบ่งชี้ที่ชัดเจนถึงพิษของสารประกอบทดสอบ ดังนั้น ในงานต่อไปของเรา เราได้ตรวจสอบปฏิสัมพันธ์พื้นผิวที่อาจเกิดขึ้นระหว่างเกล็ดนาโน SL Nb-MXene และสาหร่ายขนาดเล็กโดย SEM และการดูดซึม MXene ที่ใช้ Nb ที่เป็นไปได้โดยสเปกโตรสโคปีการเรืองแสงของรังสีเอกซ์ (XRF) โปรดทราบว่าการวิเคราะห์ SEM และ XRF ดำเนินการเฉพาะที่ความเข้มข้นสูงสุดของ MXene เพื่อแก้ไขปัญหาความเป็นพิษจากกิจกรรม
ผลการทดสอบ SEM แสดงในรูปที่ 4 เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กที่ไม่ได้รับการบำบัด (ดูรูปที่ 4a ตัวอย่างอ้างอิง) แสดงให้เห็นลักษณะทางสัณฐานวิทยาของเซลล์ R. subcapitata ทั่วไปและรูปร่างเซลล์คล้ายครัวซองต์อย่างชัดเจน เซลล์มีลักษณะแบนราบและไม่ค่อยเป็นระเบียบ เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กบางเซลล์ซ้อนทับและพันกัน แต่สาเหตุน่าจะมาจากกระบวนการเตรียมตัวอย่าง โดยทั่วไป เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กบริสุทธิ์จะมีพื้นผิวเรียบและไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาใดๆ
ภาพ SEM แสดงปฏิสัมพันธ์บนพื้นผิวระหว่างสาหร่ายสีเขียวและแผ่นนาโน MXene หลังจากปฏิสัมพันธ์กันเป็นเวลา 72 ชั่วโมงที่ความเข้มข้นสูงสุด (100 มก./ลิตร) (ก) สาหร่ายสีเขียวที่ไม่ได้รับการบำบัดหลังจากปฏิสัมพันธ์กับ SL (ข) Nb2CTx และ (ค) Nb4C3TX MXene โปรดทราบว่าแผ่นนาโน Nb-MXene มีเครื่องหมายลูกศรสีแดง สำหรับการเปรียบเทียบ จะมีการเพิ่มภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์แบบออปติกเข้าไปด้วย
ในทางตรงกันข้าม เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กที่ถูกดูดซับโดยนาโนเกล็ด SL Nb-MXene ได้รับความเสียหาย (ดูรูปที่ 4b, c, ลูกศรสีแดง) ในกรณีของ Nb2CTx MXene (รูปที่ 4b) สาหร่ายขนาดเล็กมีแนวโน้มที่จะเติบโตโดยมีนาโนสเกลสองมิติที่ติดอยู่ ซึ่งสามารถเปลี่ยนสัณฐานวิทยาของพวกมันได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราได้สังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงด้วย (ดูรายละเอียดใน SI Figure S11) การเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยานี้มีพื้นฐานที่น่าเชื่อถือในสรีรวิทยาของสาหร่ายขนาดเล็กและความสามารถในการป้องกันตัวเองโดยการเปลี่ยนแปลงสัณฐานวิทยาของเซลล์ เช่น การเพิ่มปริมาตรเซลล์61 ดังนั้น จึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องตรวจสอบจำนวนเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กที่สัมผัสกับ Nb-MXene จริงๆ การศึกษา SEM แสดงให้เห็นว่าเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กประมาณ 52% สัมผัสกับ Nb-MXenes ในขณะที่เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กเหล่านี้ 48% หลีกเลี่ยงการสัมผัส สำหรับ SL Nb4C3Tx MXene สาหร่ายขนาดเล็กพยายามหลีกเลี่ยงการสัมผัสกับ MXene ดังนั้นจึงแยกตัวและเติบโตจากระดับนาโนสองมิติ (รูปที่ 4c) อย่างไรก็ตาม เราไม่ได้สังเกตเห็นการแทรกซึมของระดับนาโนเข้าไปในเซลล์ของสาหร่ายขนาดเล็กและความเสียหายที่เกิดขึ้น
การอนุรักษ์ตนเองยังเป็นพฤติกรรมการตอบสนองที่ขึ้นอยู่กับเวลาต่อการอุดตันของการสังเคราะห์แสงอันเนื่องมาจากการดูดซับของอนุภาคบนพื้นผิวเซลล์และสิ่งที่เรียกว่าเอฟเฟกต์การบังแสง (shading effect)62 เป็นที่ชัดเจนว่าวัตถุแต่ละชิ้น (ตัวอย่างเช่น นาโนเฟลก Nb-MXene) ที่อยู่ระหว่างสาหร่ายขนาดเล็กและแหล่งกำเนิดแสงจะจำกัดปริมาณแสงที่คลอโรพลาสต์ดูดซับ อย่างไรก็ตาม เราไม่สงสัยเลยว่าสิ่งนี้มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อผลลัพธ์ที่ได้ ดังที่แสดงจากการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์ของเรา นาโนเฟลก 2 มิติไม่ได้ห่อหุ้มหรือยึดติดกับพื้นผิวของสาหร่ายขนาดเล็กอย่างสมบูรณ์ แม้ว่าเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กจะสัมผัสกับ Nb-MXene ก็ตาม ในทางกลับกัน นาโนเฟลกกลับวางแนวไปที่เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กโดยไม่ปกคลุมพื้นผิว นาโนเฟลก/สาหร่ายขนาดเล็กชุดดังกล่าวไม่สามารถจำกัดปริมาณแสงที่เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กดูดซับได้อย่างมีนัยสำคัญ ยิ่งไปกว่านั้น การศึกษาบางกรณียังแสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงในการดูดซับแสงโดยสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงในที่ที่มีนาโนวัสดุสองมิติ63,64,65,66
เนื่องจากภาพ SEM ไม่สามารถยืนยันการดูดซึมไนโอเบียมของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กได้โดยตรง เราจึงหันไปศึกษาเพิ่มเติมโดยใช้การวิเคราะห์การเรืองแสงของรังสีเอกซ์ (XRF) และสเปกโตรสโคปีโฟโตอิเล็กตรอนของรังสีเอกซ์ (XPS) เพื่อชี้แจงประเด็นนี้ ดังนั้น เราจึงเปรียบเทียบความเข้มของค่าพีค Nb ของตัวอย่างสาหร่ายขนาดเล็กอ้างอิงที่ไม่ได้ทำปฏิกิริยากับ MXene นาโนเฟลก MXene ที่หลุดออกจากพื้นผิวของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก และเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กหลังจากกำจัด MXene ที่ติดอยู่ สิ่งที่น่าสังเกตคือหากไม่มีการดูดซึม Nb ค่า Nb ที่ได้จากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กควรเป็นศูนย์หลังจากกำจัดสเกลนาโนที่ติดอยู่ ดังนั้น หากเกิดการดูดซึม Nb ผลลัพธ์ของทั้ง XRF และ XPS ควรแสดงค่าพีค Nb ที่ชัดเจน
ในกรณีของสเปกตรัม XRF ตัวอย่างสาหร่ายขนาดเล็กแสดงจุดสูงสุดของ Nb สำหรับ SL Nb2CTx และ Nb4C3Tx MXene หลังจากมีปฏิกิริยากับ SL Nb2CTx และ Nb4C3Tx MXene (ดูรูปที่ 5a นอกจากนี้ โปรดทราบว่าผลลัพธ์สำหรับ MAX และ ML MXenes แสดงอยู่ใน SI รูปที่ S12–C17) ที่น่าสนใจคือ ความเข้มของจุดสูงสุดของ Nb นั้นเท่ากันในทั้งสองกรณี (แถบสีแดงในรูปที่ 5a) ซึ่งบ่งชี้ว่าสาหร่ายไม่สามารถดูดซับ Nb ได้มากขึ้น และเซลล์สามารถสะสม Nb ได้สูงสุด แม้ว่าจะมีการเชื่อม Nb MXene เข้ากับเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กมากกว่าถึงสองเท่า (แถบสีน้ำเงินในรูปที่ 5a) ที่น่าสังเกตคือ ความสามารถของสาหร่ายขนาดเล็กในการดูดซับโลหะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของออกไซด์ของโลหะในสิ่งแวดล้อม67,68 Shamshada และคณะ67 พบว่าความสามารถในการดูดซับของสาหร่ายน้ำจืดลดลงเมื่อค่า pH เพิ่มขึ้น Raize และคณะ68 สังเกตว่าความสามารถของสาหร่ายในการดูดซับโลหะนั้นสูงกว่า Pb2+ ประมาณ 25% เมื่อเทียบกับ Ni2+
(ก) ผล XRF ของการดูดซึม Nb พื้นฐานโดยเซลล์สาหร่ายสีเขียวที่ฟักในความเข้มข้นสูงสุดของ SL Nb-MXenes (100 มก./ลิตร) เป็นเวลา 72 ชั่วโมง ผลแสดงให้เห็นการมีอยู่ของ α ในเซลล์สาหร่ายบริสุทธิ์ (ตัวอย่างควบคุม คอลัมน์สีเทา) นาโนเฟลก 2 มิติที่แยกจากเซลล์สาหร่ายพื้นผิว (คอลัมน์สีน้ำเงิน) และเซลล์สาหร่ายหลังจากแยกนาโนเฟลก 2 มิติออกจากพื้นผิว (คอลัมน์สีแดง) ปริมาณของ Nb ธาตุ (ข) เปอร์เซ็นต์ขององค์ประกอบทางเคมีของส่วนประกอบอินทรีย์ของสาหร่ายขนาดเล็ก (C=O และ CHx/C–O) และออกไซด์ของ Nb ที่มีอยู่ในเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กหลังจากฟักกับ SL Nb-MXenes (ค–จ) ความพอดีของจุดสูงสุดขององค์ประกอบของสเปกตรัม XPS SL Nb2CTx และ (ฉ) SL Nb4C3Tx MXene ที่ถูกเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กทำให้เป็นสารภายใน
ดังนั้น เราจึงคาดว่า Nb จะถูกเซลล์สาหร่ายดูดซับในรูปของออกไซด์ได้ เพื่อทดสอบสิ่งนี้ เราได้ทำการศึกษา XPS กับ MXenes Nb2CTx และ Nb4C3TX และเซลล์สาหร่าย ผลลัพธ์ของปฏิกิริยาระหว่างสาหร่ายขนาดเล็กกับ Nb-MXenes และ MXenes ที่แยกได้จากเซลล์สาหร่ายแสดงไว้ในรูปที่ 5b ตามที่คาดไว้ เราตรวจพบจุดสูงสุดของ Nb 3d ในตัวอย่างสาหร่ายขนาดเล็กหลังจากกำจัด MXene ออกจากพื้นผิวของสาหร่ายขนาดเล็ก การกำหนดเชิงปริมาณของออกไซด์ C=O, CHx/CO และ Nb คำนวณจากสเปกตรัม Nb 3d, O 1s และ C 1s ที่ได้จาก Nb2CTx SL (รูปที่ 5c–e) และ Nb4C3Tx SL (รูปที่ 5c–e) ) ที่ได้จากสาหร่ายขนาดเล็กที่ฟักตัว รูปที่ 5f–h) MXenes ตาราง S1-3 แสดงรายละเอียดของพารามิเตอร์ค่าสูงสุดและเคมีโดยรวมที่เกิดจากการจับคู่ สังเกตได้ว่าบริเวณ Nb 3d ของ Nb2CTx SL และ Nb4C3Tx SL (รูปที่ 5c, f) สอดคล้องกับองค์ประกอบ Nb2O5 หนึ่งองค์ประกอบ ที่นี่ เราไม่พบค่าสูงสุดที่เกี่ยวข้องกับ MXene ในสเปกตรัม ซึ่งบ่งชี้ว่าเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กดูดซับเฉพาะรูปแบบออกไซด์ของ Nb เท่านั้น นอกจากนี้ เราประมาณสเปกตรัม C 1 s ด้วยองค์ประกอบ C–C, CHx/C–O, C=O และ –COOH เรากำหนดค่าสูงสุด CHx/C–O และ C=O ให้กับส่วนประกอบอินทรีย์ของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก องค์ประกอบอินทรีย์เหล่านี้คิดเป็น 36% และ 41% ของค่าสูงสุด C 1s ใน Nb2CTx SL และ Nb4C3TX SL ตามลำดับ จากนั้นเราจึงติดตั้งสเปกตรัม O 1s ของ SL Nb2CTx และ SL Nb4C3TX กับ Nb2O5 ส่วนประกอบอินทรีย์ของไมโครสาหร่าย (CHx/CO) และน้ำที่ดูดซับบนพื้นผิว
ในที่สุด ผล XPS แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงรูปแบบของ Nb ไม่ใช่แค่การมีอยู่ของมันเท่านั้น จากตำแหน่งของสัญญาณ Nb 3d และผลของการแยกส่วน เราได้ยืนยันแล้วว่า Nb ถูกดูดซับเฉพาะในรูปแบบของออกไซด์เท่านั้น ไม่ใช่ไอออนหรือ MXene เอง นอกจากนี้ ผล XPS ยังแสดงให้เห็นว่าเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กมีความสามารถในการดูดซับออกไซด์ของ Nb จาก SL Nb2CTx ได้ดีกว่า SL Nb4C3TX MXene
แม้ว่าผลการดูดซึม Nb ของเราจะน่าประทับใจและช่วยให้เราระบุการสลายตัวของ MXene ได้ แต่ก็ไม่มีวิธีการใดที่สามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาที่เกี่ยวข้องในนาโนเฟลก 2 มิติได้ ดังนั้น เราจึงตัดสินใจพัฒนาวิธีการที่เหมาะสมซึ่งสามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่เกิดขึ้นในนาโนเฟลก 2 มิติ Nb-MXene และเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กได้โดยตรง สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าเราถือว่าหากสปีชีส์ที่โต้ตอบกันเกิดการเปลี่ยนแปลง การสลายตัว หรือการแตกตัว สิ่งนี้ควรแสดงออกมาอย่างรวดเร็วในรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์รูปร่าง เช่น เส้นผ่านศูนย์กลางของพื้นที่วงกลมที่เทียบเท่า ความกลม ความกว้างของเฟอเรต หรือความยาวของเฟอเรต เนื่องจากพารามิเตอร์เหล่านี้เหมาะสำหรับการอธิบายอนุภาคที่ยาวหรือนาโนเฟลก 2 มิติ การติดตามด้วยการวิเคราะห์รูปร่างของอนุภาคแบบไดนามิกจะให้ข้อมูลอันมีค่าแก่เราเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของนาโนเฟลก SL Nb-MXene ในระหว่างการรีดิวซ์
ผลลัพธ์ที่ได้แสดงไว้ในรูปที่ 6 เพื่อการเปรียบเทียบ เราได้ทดสอบเฟส MAX ดั้งเดิมและ ML-MXenes ด้วย (ดูรูป SI S18 และ S19) การวิเคราะห์แบบไดนามิกของรูปร่างอนุภาคแสดงให้เห็นว่าพารามิเตอร์รูปร่างทั้งหมดของ Nb-MXene SL สองตัวเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญหลังจากมีปฏิสัมพันธ์กับสาหร่ายขนาดเล็ก ดังที่แสดงโดยพารามิเตอร์เส้นผ่านศูนย์กลางพื้นที่วงกลมที่เทียบเท่า (รูปที่ 6a, b) ความเข้มของจุดสูงสุดที่ลดลงของเศษส่วนของนาโนเฟลกขนาดใหญ่บ่งชี้ว่ามีแนวโน้มที่จะสลายตัวเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย ในรูปที่ 6c, d แสดงให้เห็นการลดลงของจุดสูงสุดที่เกี่ยวข้องกับขนาดตามขวางของเกล็ด (การยืดออกของนาโนเฟลก) ซึ่งบ่งชี้การเปลี่ยนแปลงของนาโนเฟลก 2 มิติให้มีรูปร่างคล้ายอนุภาคมากขึ้น รูปที่ 6e-h แสดงความกว้างและความยาวของ Feret ตามลำดับ ความกว้างและความยาวของ Feret เป็นพารามิเตอร์ที่เสริมกันและควรพิจารณาร่วมกัน หลังจากฟักนาโนเกล็ด Nb-MXene 2D ในสภาพที่มีสาหร่ายขนาดเล็ก จุดสูงสุดของความสัมพันธ์ระหว่าง Feret จะเปลี่ยนไปและความเข้มข้นของนาโนเกล็ดจะลดลง จากผลลัพธ์เหล่านี้เมื่อรวมกับสัณฐานวิทยา XRF และ XPS เราสรุปได้ว่าการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตพบนั้นเกี่ยวข้องอย่างมากกับการเกิดออกซิเดชัน เนื่องจาก MXene ที่ถูกออกซิไดซ์จะย่นมากขึ้นและสลายตัวเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยและอนุภาคออกไซด์ทรงกลม69,70
การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของ MXene หลังจากปฏิสัมพันธ์กับไมโครสาหร่ายสีเขียว การวิเคราะห์รูปร่างของอนุภาคแบบไดนามิกจะคำนึงถึงพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น (a, b) เส้นผ่านศูนย์กลางของพื้นที่วงกลมที่เทียบเท่า (c, d) ความกลม (e, f) ความกว้างของเฟอเรต และ (g, h) ความยาวของเฟอเรต เพื่อจุดประสงค์นี้ ตัวอย่างไมโครสาหร่ายอ้างอิงสองตัวอย่างได้รับการวิเคราะห์ร่วมกับ SL Nb2CTx และ SL Nb4C3Tx MXenes ขั้นต้น SL Nb2CTx และ SL Nb4C3Tx MXenes ไมโครสาหร่ายที่ย่อยสลาย และไมโครสาหร่ายที่ผ่านการบำบัด SL Nb2CTx และ SL Nb4C3Tx MXenes ลูกศรสีแดงแสดงการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์รูปร่างของนาโนเฟลกสองมิติที่ศึกษา
เนื่องจากการวิเคราะห์พารามิเตอร์รูปร่างมีความน่าเชื่อถือสูง จึงสามารถเปิดเผยการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาในเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กได้ด้วย ดังนั้น เราจึงวิเคราะห์เส้นผ่านศูนย์กลางพื้นที่วงกลมที่เทียบเท่า ความกลม และความกว้าง/ความยาวของ Feret ของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กและเซลล์หลังจากมีปฏิสัมพันธ์กับนาโนเฟลก 2D Nb จากรูปที่ 6a–h จะเห็นการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์รูปร่างของเซลล์สาหร่าย ซึ่งเห็นได้จากการลดลงของความเข้มสูงสุดและการเปลี่ยนแปลงของค่าสูงสุดไปทางค่าที่สูงขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พารามิเตอร์ความกลมของเซลล์แสดงให้เห็นถึงการลดลงของเซลล์รูปยาวและการเพิ่มขึ้นของเซลล์รูปทรงกลม (รูปที่ 6a, b) นอกจากนี้ ความกว้างของเซลล์ Feret ยังเพิ่มขึ้นหลายไมโครเมตรหลังจากมีปฏิสัมพันธ์กับ SL Nb2CTx MXene (รูปที่ 6e) เมื่อเปรียบเทียบกับ SL Nb4C3TX MXene (รูปที่ 6f) เราสงสัยว่านี่อาจเป็นผลจากการที่สาหร่ายขนาดเล็กดูดซับออกไซด์ Nb ในปริมาณมากเมื่อทำปฏิกิริยากับ Nb2CTx SR การยึดติดที่น้อยกว่าของเกล็ด Nb กับพื้นผิวอาจทำให้เซลล์เติบโตโดยมีเอฟเฟกต์การบังแดดเพียงเล็กน้อย
การสังเกตการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์ของรูปร่างและขนาดของสาหร่ายขนาดเล็กของเรานั้นเป็นส่วนเสริมของการศึกษาอื่นๆ สาหร่ายขนาดเล็กสีเขียวสามารถเปลี่ยนสัณฐานวิทยาได้เมื่อเผชิญกับความเครียดจากสิ่งแวดล้อมโดยการเปลี่ยนขนาด รูปร่าง หรือการเผาผลาญของเซลล์61 ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนขนาดของเซลล์จะช่วยให้ดูดซึมสารอาหารได้ง่ายขึ้น71 เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กจะดูดซึมสารอาหารได้น้อยลงและมีอัตราการเจริญเติบโตที่ลดลง ในทางกลับกัน เซลล์ขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะบริโภคสารอาหารมากขึ้น ซึ่งสารอาหารเหล่านี้จะถูกสะสมไว้ภายในเซลล์72,73 Machado และ Soares พบว่าไตรโคลซานซึ่งเป็นสารฆ่าเชื้อราสามารถเพิ่มขนาดเซลล์ได้ พวกเขายังพบการเปลี่ยนแปลงอย่างลึกซึ้งในรูปร่างของสาหร่าย74 นอกจากนี้ Yin และคณะ9 ยังเผยให้เห็นการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของสาหร่ายหลังจากสัมผัสกับนาโนคอมโพสิตออกไซด์กราฟีนที่ลดลง ดังนั้น จึงชัดเจนว่าพารามิเตอร์ขนาด/รูปร่างที่เปลี่ยนแปลงไปของสาหร่ายขนาดเล็กนั้นเกิดจากการมีอยู่ของ MXene เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงขนาดและรูปร่างนี้บ่งชี้ถึงการเปลี่ยนแปลงในการดูดซึมสารอาหาร เราจึงเชื่อว่าการวิเคราะห์พารามิเตอร์ขนาดและรูปร่างตามกาลเวลาสามารถแสดงให้เห็นการดูดซึมไนโอเบียมออกไซด์โดยสาหร่ายขนาดเล็กในสภาพที่มี Nb-MXenes ได้
นอกจากนี้ MXenes สามารถถูกออกซิไดซ์ได้ในสภาพที่มีสาหร่าย Dalai et al.75 สังเกตว่าสัณฐานวิทยาของสาหร่ายสีเขียวที่สัมผัสกับนาโน-TiO2 และ Al2O376 นั้นไม่สม่ำเสมอ แม้ว่าการสังเกตของเราจะคล้ายกับการศึกษานี้ แต่ก็เกี่ยวข้องกับการศึกษาผลกระทบของการฟื้นฟูทางชีวภาพในแง่ของผลิตภัณฑ์การย่อยสลาย MXene ในสภาพที่มีนาโนเกล็ด 2 มิติเท่านั้น ไม่ใช่อนุภาคขนาดนาโน เนื่องจาก MXenes สามารถย่อยสลายเป็นออกไซด์ของโลหะได้31,32,77,78 จึงสมเหตุสมผลที่จะสันนิษฐานว่านาโนเกล็ด Nb ของเราสามารถสร้างออกไซด์ของ Nb ได้หลังจากทำปฏิกิริยากับเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กเช่นกัน
เพื่ออธิบายการรีดักชันของเกล็ดนาโน 2D-Nb ผ่านกลไกการสลายตัวตามกระบวนการออกซิเดชัน เราได้ดำเนินการศึกษาโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านความละเอียดสูง (HRTEM) (รูปที่ 7a,b) และสเปกโตรสโคปีโฟโตอิเล็กตรอนเอกซ์เรย์ (XPS) (รูปที่ 7) 7c-i และตาราง S4-5) ทั้งสองวิธีเหมาะสำหรับการศึกษาออกซิเดชันของวัสดุ 2 มิติและเสริมซึ่งกันและกัน HRTEM สามารถวิเคราะห์การเสื่อมสภาพของโครงสร้างแบบชั้น 2 มิติและการปรากฏของอนุภาคนาโนออกไซด์ของโลหะในเวลาต่อมา ในขณะที่ XPS มีความไวต่อพันธะบนพื้นผิว เพื่อจุดประสงค์นี้ เราได้ทดสอบเกล็ดนาโน 2D Nb-MXene ที่สกัดจากการกระจายของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก นั่นคือ รูปร่างของพวกมันหลังจากปฏิกิริยากับเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก (ดูรูปที่ 7)
ภาพ HRTEM แสดงสัณฐานวิทยาของ (a) SL Nb2CTx และ (b) SL Nb4C3Tx MXenes ที่ถูกออกซิไดซ์ ผลการวิเคราะห์ XPS แสดงให้เห็น (c) องค์ประกอบของผลิตภัณฑ์ออกไซด์หลังการรีดักชัน (d–f) การจับคู่พีคของส่วนประกอบของสเปกตรัม XPS ของ SL Nb2CTx และ (g– i) Nb4C3Tx SL ที่ได้รับการซ่อมแซมด้วยไมโครสาหร่ายสีเขียว
การศึกษาของ HRTEM ยืนยันการเกิดออกซิเดชันของนาโนเกล็ด Nb-MXene สองประเภท แม้ว่านาโนเกล็ดจะยังคงมีสัณฐานวิทยาสองมิติอยู่บ้าง แต่การเกิดออกซิเดชันทำให้มีอนุภาคนาโนจำนวนมากปกคลุมพื้นผิวของนาโนเกล็ด MXene (ดูรูปที่ 7a,b) การวิเคราะห์ XPS ของสัญญาณ c Nb 3d และ O 1s บ่งชี้ว่ามีออกไซด์ของ Nb เกิดขึ้นในทั้งสองกรณี ดังที่แสดงในรูปที่ 7c 2D MXene Nb2CTx และ Nb4C3TX มีสัญญาณ Nb 3d บ่งชี้การมีอยู่ของออกไซด์ของ NbO และ Nb2O5 ในขณะที่สัญญาณ O 1s บ่งชี้จำนวนพันธะ O–Nb ที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของพื้นผิวนาโนเกล็ด 2D เราสังเกตเห็นว่าออกไซด์ของ Nb มีส่วนสำคัญเมื่อเทียบกับ Nb-C และ Nb3+-O
รูปที่ 7g–i แสดงสเปกตรัม XPS ของ Nb 3d, C 1s และ O 1s SL Nb2CTx (ดูรูปที่ 7d–f) และ SL Nb4C3TX MXene ที่แยกจากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก รายละเอียดของพารามิเตอร์พีคของ Nb-MXene มีอยู่ในตาราง S4–5 ตามลำดับ ก่อนอื่น เราได้วิเคราะห์องค์ประกอบของ Nb 3d ในทางตรงกันข้ามกับ Nb ที่เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กดูดซับ ใน MXene ที่แยกจากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก นอกจาก Nb2O5 แล้ว ยังมีองค์ประกอบอื่นๆ อีก ใน SL Nb2CTx เราสังเกตเห็นการมีส่วนสนับสนุนของ Nb3+-O ในปริมาณ 15% ในขณะที่สเปกตรัม Nb 3d ที่เหลือถูกครอบงำโดย Nb2O5 (85%) นอกจากนี้ ตัวอย่าง SL Nb4C3TX ยังมีองค์ประกอบ Nb-C (9%) และ Nb2O5 (91%) ที่นี่ Nb-C มาจากชั้นอะตอมด้านในสองชั้นของคาร์ไบด์โลหะใน Nb4C3Tx SR จากนั้นเราจะทำการแมปสเปกตรัม C 1s ไปยังองค์ประกอบที่แตกต่างกันสี่องค์ประกอบ เช่นเดียวกับที่เราทำในตัวอย่างภายใน ตามที่คาดไว้ สเปกตรัม C 1s จะถูกครอบงำโดยคาร์บอนกราไฟต์ ตามมาด้วยอนุภาคอินทรีย์ (CHx/CO และ C=O) จากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก นอกจากนี้ ในสเปกตรัม O 1s เรายังสังเกตเห็นการมีส่วนสนับสนุนของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กในรูปแบบอินทรีย์ ไนโอเบียมออกไซด์ และน้ำที่ดูดซับ
นอกจากนี้ เราได้ศึกษาว่าการแตกตัวของ Nb-MXenes เกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของอนุมูลอิสระออกซิเจน (ROS) ในสารอาหารและ/หรือเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กหรือไม่ เพื่อจุดประสงค์นี้ เราจึงประเมินระดับออกซิเจนซิงเกิล (1O2) ในอาหารเลี้ยงเชื้อและกลูตาไธโอนภายในเซลล์ ซึ่งเป็นสารไทออลที่ทำหน้าที่เป็นสารต้านอนุมูลอิสระในสาหร่ายขนาดเล็ก ผลลัพธ์แสดงไว้ใน SI (รูปภาพ S20 และ S21) การเลี้ยงเชื้อด้วย SL Nb2CTx และ Nb4C3TX MXenes มีลักษณะเฉพาะคือมีปริมาณ 1O2 ลดลง (ดูรูป S20) ในกรณีของ SL Nb2CTx MXene 1O2 ลดลงเหลือประมาณ 83% สำหรับการเลี้ยงเชื้อสาหร่ายขนาดเล็กที่ใช้ SL Nb4C3TX 1O2 ลดลงอีกเหลือ 73% ที่น่าสนใจคือ การเปลี่ยนแปลงใน 1O2 แสดงให้เห็นแนวโน้มเดียวกันกับผลยับยั้ง-กระตุ้นที่สังเกตได้ก่อนหน้านี้ (ดูรูปที่ 3) อาจกล่าวได้ว่าการบ่มเพาะในที่ที่มีแสงสว่างมากสามารถเปลี่ยนการเกิดออกซิเดชันด้วยแสงได้ อย่างไรก็ตาม ผลการวิเคราะห์การควบคุมแสดงให้เห็นระดับ 1O2 ที่เกือบคงที่ตลอดการทดลอง (รูปที่ S22) ในกรณีของระดับ ROS ภายในเซลล์ เราก็สังเกตเห็นแนวโน้มลดลงเช่นเดียวกัน (ดูรูป S21) ในตอนแรก ระดับ ROS ในเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กที่เพาะเลี้ยงในสภาวะที่มี Nb2CTx และ Nb4C3Tx SL เกินระดับที่พบในเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กบริสุทธิ์ อย่างไรก็ตาม ในที่สุด พบว่าสาหร่ายขนาดเล็กปรับตัวเข้ากับสภาวะที่มี Nb-MXene ทั้งสองชนิดได้ เนื่องจากระดับ ROS ลดลงเหลือ 85% และ 91% ของระดับที่วัดได้ในเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กบริสุทธิ์ที่เพาะเลี้ยงด้วย SL Nb2CTx และ Nb4C3TX ตามลำดับ ซึ่งอาจบ่งชี้ว่าสาหร่ายขนาดเล็กรู้สึกสบายตัวมากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปเมื่อมี Nb-MXene มากกว่าในอาหารเลี้ยงเชื้อเพียงอย่างเดียว
สาหร่ายขนาดเล็กเป็นกลุ่มของสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงได้หลากหลาย ในระหว่างการสังเคราะห์แสง พวกมันจะเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศ (CO2) ให้เป็นคาร์บอนอินทรีย์ ผลิตภัณฑ์จากการสังเคราะห์แสงคือกลูโคสและออกซิเจน79 เราสงสัยว่าออกซิเจนที่เกิดขึ้นนี้มีบทบาทสำคัญในการออกซิเดชันของ Nb-MXene คำอธิบายที่เป็นไปได้ประการหนึ่งก็คือ พารามิเตอร์การเติมอากาศที่แตกต่างกันนั้นเกิดขึ้นที่ความดันบางส่วนของออกซิเจนต่ำและสูงภายนอกและภายในนาโนเกล็ด Nb-MXene ซึ่งหมายความว่าทุกที่ที่มีบริเวณที่มีความดันบางส่วนของออกซิเจนแตกต่างกัน พื้นที่ที่มีระดับต่ำสุดจะก่อตัวเป็นแอโนด 80, 81, 82 ในกรณีนี้ สาหร่ายขนาดเล็กมีส่วนช่วยในการสร้างเซลล์ที่มีการเติมอากาศที่แตกต่างกันบนพื้นผิวของเกล็ด MXene ซึ่งผลิตออกซิเจนเนื่องจากคุณสมบัติในการสังเคราะห์แสงของมัน เป็นผลให้เกิดผลิตภัณฑ์จากการกัดกร่อนทางชีวภาพ (ในกรณีนี้คือไนโอเบียมออกไซด์) อีกแง่มุมหนึ่งก็คือ สาหร่ายขนาดเล็กสามารถผลิตกรดอินทรีย์ที่ถูกปล่อยลงในน้ำ83,84 ดังนั้นจึงเกิดสภาพแวดล้อมที่ก้าวร้าว ส่งผลให้ Nb-MXenes เปลี่ยนแปลงไป นอกจากนี้ สาหร่ายขนาดเล็กสามารถเปลี่ยนค่า pH ของสิ่งแวดล้อมให้เป็นด่างได้เนื่องจากการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งอาจทำให้เกิดการกัดกร่อนได้เช่นกัน79
ที่สำคัญกว่านั้น โฟโตคาบมืด/สว่างที่ใช้ในการศึกษาของเรามีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจผลลัพธ์ที่ได้ แง่มุมนี้ได้รับการอธิบายโดยละเอียดใน Djemai-Zoghlache et al. 85 พวกเขาใช้โฟโตคาบ 12/12 ชั่วโมงโดยเจตนาเพื่อแสดงการกัดกร่อนทางชีวภาพที่เกี่ยวข้องกับการเกาะติดทางชีวภาพของสาหร่ายสีแดง Porphyridium purpureum พวกเขาแสดงให้เห็นว่าโฟโตคาบเกี่ยวข้องกับวิวัฒนาการของศักยภาพโดยไม่มีการกัดกร่อนทางชีวภาพ ซึ่งแสดงออกมาในรูปแบบของการแกว่งแบบกึ่งคาบเวลาประมาณ 24:00 น. การสังเกตเหล่านี้ได้รับการยืนยันโดย Dowling et al. 86 พวกเขาแสดงให้เห็นไบโอฟิล์มสังเคราะห์แสงของไซยาโนแบคทีเรีย Anabaena ออกซิเจนที่ละลายน้ำจะเกิดขึ้นภายใต้การกระทำของแสง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงหรือความผันผวนในศักยภาพการกัดกร่อนทางชีวภาพแบบอิสระ ความสำคัญของโฟโตคาบเน้นจากข้อเท็จจริงที่ว่าศักยภาพอิสระสำหรับการกัดกร่อนทางชีวภาพเพิ่มขึ้นในเฟสแสงและลดลงในเฟสมืด เกิดจากออกซิเจนที่ผลิตโดยสาหร่ายขนาดเล็กที่สังเคราะห์แสง ซึ่งส่งผลต่อปฏิกิริยาแคโทดิกผ่านแรงดันย่อยที่เกิดขึ้นใกล้กับอิเล็กโทรด87
นอกจากนี้ ยังได้ดำเนินการสเปกโตรสโคปีอินฟราเรดแปลงฟูเรียร์ (FTIR) เพื่อค้นหาว่ามีการเปลี่ยนแปลงใดๆ เกิดขึ้นในองค์ประกอบทางเคมีของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กหรือไม่หลังจากมีปฏิสัมพันธ์กับ Nb-MXenes ผลลัพธ์ที่ได้เหล่านี้มีความซับซ้อนและเราจะนำเสนอผลลัพธ์เหล่านี้ใน SI (รูป S23-S25 รวมถึงผลลัพธ์ของระยะ MAX และ ML MXenes) กล่าวโดยสรุป สเปกตรัมอ้างอิงที่ได้ของสาหร่ายขนาดเล็กให้ข้อมูลที่สำคัญแก่เราเกี่ยวกับลักษณะทางเคมีของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ การสั่นสะเทือนที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดเหล่านี้อยู่ที่ความถี่ 1060 ซม. -1 (CO), 1540 ซม. -1, 1640 ซม. -1 (C=C), 1730 ซม. -1 (C=O), 2850 ซม. -1, 2920 ซม. -1 (C–H) และ 3280 ซม. -1 (O–H) สำหรับ SL Nb-MXenes เราพบลายเซ็นการยืดพันธะ CH ซึ่งสอดคล้องกับการศึกษาครั้งก่อนของเรา38 อย่างไรก็ตาม เราพบว่าจุดสูงสุดเพิ่มเติมบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับพันธะ C=C และ CH หายไป ซึ่งบ่งชี้ว่าองค์ประกอบทางเคมีของสาหร่ายขนาดเล็กอาจเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเนื่องจากปฏิกิริยากับ SL Nb-MXenes
เมื่อพิจารณาถึงการเปลี่ยนแปลงที่เป็นไปได้ในชีวเคมีของสาหร่ายขนาดเล็ก จำเป็นต้องพิจารณาการสะสมของออกไซด์อนินทรีย์ เช่น ไนโอเบียมออกไซด์ ใหม่59 ออกไซด์นี้เกี่ยวข้องกับการดูดซับโลหะบนพื้นผิวเซลล์ การขนส่งโลหะเข้าไปในไซโตพลาสซึม การเชื่อมโยงกับกลุ่มคาร์บอกซิลภายในเซลล์ และการสะสมโลหะในโพลีฟอสโฟโซมของสาหร่ายขนาดเล็ก20,88,89,90 นอกจากนี้ ความสัมพันธ์ระหว่างสาหร่ายขนาดเล็กและโลหะยังได้รับการรักษาไว้โดยกลุ่มฟังก์ชันของเซลล์ ด้วยเหตุนี้ การดูดซึมจึงขึ้นอยู่กับเคมีบนพื้นผิวของสาหร่ายขนาดเล็ก ซึ่งค่อนข้างซับซ้อน9,91 โดยทั่วไป ตามที่คาดไว้ องค์ประกอบทางเคมีของสาหร่ายขนาดเล็กสีเขียวจะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเนื่องจากการดูดซึมของออกไซด์ Nb
ที่น่าสนใจคือ การยับยั้งสาหร่ายขนาดเล็กในระยะเริ่มต้นที่สังเกตได้นั้นสามารถกลับคืนสู่สภาวะเดิมได้เมื่อเวลาผ่านไป ดังที่เราสังเกต สาหร่ายขนาดเล็กสามารถเอาชนะการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมในระยะเริ่มต้นได้ และในที่สุดก็กลับสู่ระดับการเจริญเติบโตปกติและเพิ่มขึ้นด้วยซ้ำ การศึกษาศักย์ซีตาแสดงให้เห็นถึงความเสถียรสูงเมื่อนำเข้าสู่สารอาหาร ดังนั้น ปฏิสัมพันธ์บนพื้นผิวระหว่างเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กและนาโนเฟลก Nb-MXene จึงยังคงอยู่ตลอดการทดลองการรีดักชัน ในการวิเคราะห์เพิ่มเติมของเรา เราสรุปกลไกหลักของการกระทำที่อยู่เบื้องหลังพฤติกรรมที่น่าทึ่งนี้ของสาหร่ายขนาดเล็ก
การสังเกตด้วยกล้อง SEM แสดงให้เห็นว่าสาหร่ายขนาดเล็กมีแนวโน้มที่จะเกาะติดกับ Nb-MXene โดยใช้การวิเคราะห์ภาพแบบไดนามิก เราขอยืนยันว่าผลกระทบนี้ทำให้เกล็ดนาโน Nb-MXene แบบสองมิติเปลี่ยนเป็นอนุภาคทรงกลมมากขึ้น ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการสลายตัวของเกล็ดนาโนเกี่ยวข้องกับออกซิเดชันของเกล็ดนาโน เพื่อทดสอบสมมติฐานของเรา เราได้ทำการศึกษาทางวัสดุและชีวเคมีชุดหนึ่ง หลังจากการทดสอบ เกล็ดนาโนจะค่อยๆ ออกซิไดซ์และสลายตัวเป็นผลิตภัณฑ์ NbO และ Nb2O5 ซึ่งไม่ก่อให้เกิดภัยคุกคามต่อสาหร่ายขนาดเล็กสีเขียว จากการสังเกตด้วย FTIR เราพบว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในองค์ประกอบทางเคมีของสาหร่ายขนาดเล็กที่ฟักในสภาวะที่มีเกล็ดนาโน Nb-MXene แบบสองมิติ เมื่อพิจารณาถึงความเป็นไปได้ในการดูดซับไนโอเบียมออกไซด์โดยสาหร่ายขนาดเล็ก เราจึงดำเนินการวิเคราะห์การเรืองแสงด้วยรังสีเอกซ์ ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นชัดเจนว่าสาหร่ายขนาดเล็กที่ศึกษากินไนโอเบียมออกไซด์ (NbO และ Nb2O5) ซึ่งไม่เป็นพิษต่อสาหร่ายขนาดเล็กที่ศึกษา