Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Gumagamit ka ng bersyon ng browser na may limitadong suporta sa CSS. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o i-disable ang Compatibility Mode sa Internet Explorer). Samantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ire-render namin ang site nang walang mga style at JavaScript.
Nagpapakita ng isang carousel ng tatlong slide nang sabay-sabay. Gamitin ang mga button na Nakaraan at Susunod upang lumipat sa tatlong slide nang sabay-sabay, o gamitin ang mga button na slider sa dulo upang lumipat sa tatlong slide nang sabay-sabay.
Ang mabilis na pag-unlad ng nanotechnology at ang integrasyon nito sa pang-araw-araw na aplikasyon ay maaaring magbanta sa kapaligiran. Bagama't ang mga berdeng pamamaraan para sa pagkasira ng mga organikong kontaminante ay mahusay na naitatag, ang pagbawi ng mga inorganic crystalline na kontaminante ay pangunahing pinag-aalala dahil sa kanilang mababang sensitivity sa biotransformation at kakulangan ng pag-unawa sa mga interaksyon sa ibabaw ng materyal sa mga biyolohikal na interaksyon. Dito, gumagamit kami ng isang Nb-based inorganic 2D MXenes model na sinamahan ng isang simpleng paraan ng pagsusuri ng parameter ng hugis upang masubaybayan ang mekanismo ng bioremediation ng 2D ceramic nanomaterials ng berdeng microalgae na Raphidocelis subcapitata. Natuklasan namin na ang microalgae ay nagpapababa ng mga Nb-based MXenes dahil sa mga interaksyon na physico-chemical na may kaugnayan sa ibabaw. Sa una, ang mga single-layer at multilayer MXene nanoflakes ay nakakabit sa ibabaw ng microalgae, na medyo nagbawas sa paglaki ng algae. Gayunpaman, sa matagal na interaksyon sa ibabaw, na-oxidize ng microalgae ang mga MXene nanoflakes at higit pang nabulok ang mga ito sa NbO at Nb2O5. Dahil ang mga oxide na ito ay hindi nakakalason sa mga microalgae cell, kinokonsumo nila ang mga Nb oxide nanoparticle sa pamamagitan ng isang mekanismo ng pagsipsip na higit na nagpapanumbalik sa microalgae pagkatapos ng 72 oras na paggamot sa tubig. Ang mga epekto ng mga sustansya na nauugnay sa pagsipsip ay makikita rin sa pagtaas ng volume ng cell, ang kanilang makinis na hugis at pagbabago sa rate ng paglaki. Batay sa mga natuklasang ito, napagpasyahan namin na ang panandalian at pangmatagalang presensya ng mga Nb-based MXenes sa mga freshwater ecosystem ay maaaring magdulot lamang ng maliliit na epekto sa kapaligiran. Kapansin-pansin na, gamit ang mga two-dimensional nanomaterial bilang mga sistema ng modelo, ipinapakita namin ang posibilidad ng pagsubaybay sa pagbabago ng hugis kahit na sa mga pinong-grained na materyales. Sa pangkalahatan, sinasagot ng pag-aaral na ito ang isang mahalagang pangunahing tanong tungkol sa mga prosesong nauugnay sa surface interaction na nagtutulak sa mekanismo ng bioremediation ng mga 2D nanomaterial at nagbibigay ng batayan para sa karagdagang panandalian at pangmatagalang pag-aaral ng epekto sa kapaligiran ng mga inorganic crystalline nanomaterial.
Ang mga nanomaterial ay nakabuo ng maraming interes simula nang matuklasan ang mga ito, at iba't ibang nanotechnology ang kamakailan lamang pumasok sa isang yugto ng modernisasyon1. Sa kasamaang palad, ang pagsasama ng mga nanomaterial sa pang-araw-araw na aplikasyon ay maaaring humantong sa mga aksidenteng paglabas dahil sa hindi wastong pagtatapon, pabaya na paghawak, o hindi sapat na imprastraktura ng kaligtasan. Samakatuwid, makatuwirang ipalagay na ang mga nanomaterial, kabilang ang mga two-dimensional (2D) nanomaterial, ay maaaring ilabas sa natural na kapaligiran, na ang pag-uugali at biyolohikal na aktibidad ay hindi pa lubos na nauunawaan. Samakatuwid, hindi nakakagulat na ang mga alalahanin sa ecotoxicity ay nakatuon sa kakayahan ng mga 2D nanomaterial na tumagos sa mga sistemang pantubig2,3,4,5,6. Sa mga ecosystem na ito, ang ilang 2D nanomaterial ay maaaring makipag-ugnayan sa iba't ibang organismo sa iba't ibang antas ng trophic, kabilang ang microalgae.
Ang mga microalgae ay mga primitibong organismo na natural na matatagpuan sa mga ecosystem ng tubig-tabang at dagat na gumagawa ng iba't ibang produktong kemikal sa pamamagitan ng photosynthesis7. Dahil dito, mahalaga ang mga ito sa mga ecosystem ng tubig-tabang8,9,10,11,12 ngunit sensitibo rin, mura, at malawakang ginagamit na mga tagapagpahiwatig ng ecotoxicity13,14. Dahil mabilis na dumarami at mabilis na tumutugon ang mga selula ng microalgae sa pagkakaroon ng iba't ibang compound, nangangako ang mga ito para sa pagbuo ng mga pamamaraan na environment-friendly para sa paggamot ng tubig na kontaminado ng mga organikong sangkap15,16.
Kayang tanggalin ng mga selula ng algae ang mga inorganic ion mula sa tubig sa pamamagitan ng biosorption at accumulation17,18. May ilang uri ng algae tulad ng Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue at Synechococcus sp. Natuklasan na nagdadala at nagpapalusog pa nga ito ng mga nakalalasong metal ion tulad ng Fe2+, Cu2+, Zn2+ at Mn2+19. Ipinakita ng ibang mga pag-aaral na nililimitahan ng mga Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ o Pb2+ ang paglaki ng Scenedesmus sa pamamagitan ng pagbabago sa morpolohiya ng selula at pagsira sa kanilang mga chloroplast20,21.
Ang mga berdeng pamamaraan para sa dekomposisyon ng mga organikong pollutant at pag-aalis ng mga heavy metal ion ay nakakuha ng atensyon ng mga siyentipiko at inhinyero sa buong mundo. Ito ay pangunahing dahil sa katotohanan na ang mga kontaminadong ito ay madaling maproseso sa likidong yugto. Gayunpaman, ang mga inorganic crystalline pollutant ay nailalarawan sa pamamagitan ng mababang solubility sa tubig at mababang susceptibility sa iba't ibang biotransformations, na nagdudulot ng malaking kahirapan sa remediation, at kakaunti ang pag-unlad na nagawa sa lugar na ito22,23,24,25,26. Kaya, ang paghahanap ng mga solusyon na environment-friendly para sa pagkukumpuni ng mga nanomaterial ay nananatiling isang kumplikado at hindi pa nagagalugad na lugar. Dahil sa mataas na antas ng kawalan ng katiyakan tungkol sa mga epekto ng biotransformation ng mga 2D nanomaterial, walang madaling paraan upang malaman ang mga posibleng landas ng kanilang degradasyon sa panahon ng reduction.
Sa pag-aaral na ito, ginamit namin ang green microalgae bilang isang aktibong aqueous bioremediation agent para sa mga inorganic ceramic materials, kasama ang in situ monitoring ng proseso ng degradation ng MXene bilang kinatawan ng mga inorganic ceramic materials. Ang terminong "MXene" ay sumasalamin sa stoichiometry ng Mn+1XnTx material, kung saan ang M ay isang early transition metal, ang X ay carbon at/o nitrogen, ang Tx ay isang surface terminator (hal., -OH, -F, -Cl), at n = 1, 2, 3 o 427.28. Simula nang matuklasan ang MXenes nina Naguib et al. Sensorics, cancer therapy at membrane filtration 27,29,30. Bilang karagdagan, ang MXenes ay maaaring ituring bilang model 2D systems dahil sa kanilang mahusay na colloidal stability at posibleng biological interactions31,32,33,34,35,36.
Samakatuwid, ang metodolohiyang binuo sa artikulong ito at ang aming mga hypotheses sa pananaliksik ay ipinapakita sa Figure 1. Ayon sa hypothesis na ito, ang microalgae ay nagpapababa ng mga Nb-based MXenes tungo sa mga hindi nakalalasong compound dahil sa mga interaksyon sa pisiko-kemikal na may kaugnayan sa ibabaw, na nagpapahintulot sa karagdagang pagbawi ng algae. Upang masubukan ang hypothesis na ito, dalawang miyembro ng pamilya ng mga maagang niobium-based transition metal carbides at/o nitrides (MXenes), na sina Nb2CTx at Nb4C3TX, ang napili.
Metodolohiya ng pananaliksik at mga hypotheses batay sa ebidensya para sa pagbawi ng MXene gamit ang berdeng microalgae na Raphidocelis subcapitata. Pakitandaan na ito ay isang eskematiko lamang na representasyon ng mga pagpapalagay batay sa ebidensya. Ang kapaligiran ng lawa ay naiiba sa nutrient medium na ginamit at sa mga kondisyon (hal., diurnal cycle at mga limitasyon sa magagamit na mahahalagang sustansya). Ginawa gamit ang BioRender.com.
Samakatuwid, sa pamamagitan ng paggamit ng MXene bilang isang sistema ng modelo, binuksan namin ang pinto sa pag-aaral ng iba't ibang mga biyolohikal na epekto na hindi maaaring maobserbahan sa iba pang mga kumbensyonal na nanomaterial. Sa partikular, ipinapakita namin ang posibilidad ng bioremediation ng mga two-dimensional na nanomaterial, tulad ng mga niobium-based na MXenes, sa pamamagitan ng microalgae na Raphidocelis subcapitata. Nagagawa ng mga microalgae na sirain ang mga Nb-MXenes upang maging mga hindi nakakalason na oxide na NbO at Nb2O5, na nagbibigay din ng mga sustansya sa pamamagitan ng mekanismo ng niobium uptake. Sa pangkalahatan, sinasagot ng pag-aaral na ito ang isang mahalagang pangunahing tanong tungkol sa mga prosesong nauugnay sa mga interaksyon sa ibabaw na physicochemical na namamahala sa mga mekanismo ng bioremediation ng mga two-dimensional na nanomaterial. Bilang karagdagan, bumubuo kami ng isang simpleng pamamaraan batay sa hugis-parameter para sa pagsubaybay sa mga banayad na pagbabago sa hugis ng mga 2D nanomaterial. Nagbibigay-inspirasyon ito sa karagdagang panandalian at pangmatagalang pananaliksik sa iba't ibang epekto sa kapaligiran ng mga inorganic crystalline nanomaterial. Kaya, pinapataas ng aming pag-aaral ang pag-unawa sa interaksyon sa pagitan ng ibabaw ng materyal at biyolohikal na materyal. Nagbibigay din kami ng batayan para sa pinalawak na mga panandalian at pangmatagalang pag-aaral ng kanilang mga posibleng epekto sa mga ekosistema ng tubig-tabang, na ngayon ay madali nang mabeberipika.
Ang mga MXenes ay kumakatawan sa isang kawili-wiling uri ng mga materyales na may kakaiba at kaakit-akit na pisikal at kemikal na mga katangian at samakatuwid ay maraming potensyal na aplikasyon. Ang mga katangiang ito ay higit na nakadepende sa kanilang stoichiometry at surface chemistry. Samakatuwid, sa aming pag-aaral, sinuri namin ang dalawang uri ng Nb-based hierarchical single-layer (SL) MXenes, ang Nb2CTx at Nb4C3TX, dahil maaaring maobserbahan ang iba't ibang biological effect ng mga nanomaterial na ito. Ang mga MXenes ay nalilikha mula sa kanilang mga panimulang materyales sa pamamagitan ng top-down selective etching ng atomically thin MAX-phase A-layers. Ang MAX phase ay isang ternary ceramic na binubuo ng mga "bonded" block ng transition metal carbides at manipis na layer ng mga elementong "A" tulad ng Al, Si, at Sn na may MnAXn-1 stoichiometry. Ang morpolohiya ng unang MAX phase ay naobserbahan sa pamamagitan ng scanning electron microscopy (SEM) at naaayon sa mga nakaraang pag-aaral (Tingnan ang Karagdagang Impormasyon, SI, Figure S1). Ang Multilayer (ML) Nb-MXene ay nakuha pagkatapos alisin ang Al layer na may 48% HF (hydrofluoric acid). Ang morpolohiya ng ML-Nb2CTx at ML-Nb4C3TX ay sinuri sa pamamagitan ng scanning electron microscopy (SEM) (Mga Larawan S1c at S1d ayon sa pagkakabanggit) at isang tipikal na layered MXene morphology ang naobserbahan, katulad ng two-dimensional nanoflakes na dumadaan sa pahabang butas na parang butas. Ang parehong Nb-MXenes ay may malaking pagkakatulad sa mga MXene phases na dating na-synthesize sa pamamagitan ng acid etching27,38. Matapos kumpirmahin ang istruktura ng MXene, pinatong-patong namin ito sa pamamagitan ng intercalation ng tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) na sinundan ng washing at sonication, pagkatapos nito ay nakakuha kami ng single-layer o low-layer (SL) 2D Nb-MXene nanoflakes.
Gumamit kami ng high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) at X-ray diffraction (XRD) upang masubukan ang kahusayan ng pag-ukit at karagdagang pagbabalat. Ang mga resulta ng HRTEM na naproseso gamit ang Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) at Fast Fourier Transform (FFT) ay ipinapakita sa Fig. 2. Ang mga Nb-MXene nanoflake ay itinuon nang pahilis upang suriin ang istruktura ng atomic layer at sukatin ang mga interplanar na distansya. Ang mga imahe ng HRTEM ng mga MXene Nb2CTx at Nb4C3TX nanoflake ay nagpakita ng kanilang atomically thin layered nature (tingnan ang Fig. 2a1, a2), gaya ng naunang iniulat nina Naguib et al.27 at Jastrzębska et al.38. Para sa dalawang magkatabing Nb2CTx at Nb4C3Tx monolayer, tinukoy namin ang mga interlayer distance na 0.74 at 1.54 nm, ayon sa pagkakabanggit (Figs. 2b1,b2), na sumasang-ayon din sa aming mga nakaraang resulta38. Ito ay karagdagang kinumpirma ng inverse fast Fourier transform (Fig. 2c1, c2) at ng fast Fourier transform (Fig. 2d1, d2) na nagpapakita ng distansya sa pagitan ng mga monolayer na Nb2CTx at Nb4C3Tx. Ang larawan ay nagpapakita ng pagpapalit-palit ng mga light at dark band na katumbas ng mga atomo ng niobium at carbon, na nagpapatunay sa layered na katangian ng mga pinag-aralang MXenes. Mahalagang tandaan na ang energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) spectra na nakuha para sa Nb2CTx at Nb4C3Tx (Mga Figure S2a at S2b) ay hindi nagpakita ng labi ng orihinal na MAX phase, dahil walang nakitang Al peak.
Paglalarawan ng mga nanoflake ng SL Nb2CTx at Nb4C3Tx MXene, kabilang ang (a) high resolution electron microscopy (HRTEM) side-view 2D nanoflake imaging at katumbas nito, (b) intensity mode, (c) inverse fast Fourier transform (IFFT), (d) fast Fourier transform (FFT), (e) mga pattern ng X-ray ng Nb-MXenes. Para sa SL 2D Nb2CTx, ang mga numero ay ipinapahayag bilang (a1, b1, c1, d1, e1). Para sa SL 2D Nb4C3Tx, ang mga numero ay ipinapahayag bilang (a2, b2, c2, d2, e1).
Ang mga sukat ng X-ray diffraction ng SL Nb2CTx at Nb4C3Tx MXenes ay ipinapakita sa Mga Larawan 2e1 at e2, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga Peak (002) sa 4.31 at 4.32 ay tumutugma sa naunang inilarawang layered MXenes na Nb2CTx at Nb4C3TX38,39,40,41 ayon sa pagkakabanggit. Ang mga resulta ng XRD ay nagpapahiwatig din ng pagkakaroon ng ilang natitirang istruktura ng ML at mga MAX phase, ngunit karamihan ay mga XRD pattern na nauugnay sa SL Nb4C3Tx (Larawan 2e2). Ang pagkakaroon ng mas maliliit na particle ng MAX phase ay maaaring magpaliwanag sa mas malakas na MAX peak kumpara sa mga random na nakasalansan na mga layer ng Nb4C3Tx.
Ang karagdagang pananaliksik ay nakatuon sa berdeng microalgae na kabilang sa species na R. subcapitata. Pinili namin ang microalgae dahil sila ay mahahalagang prodyuser na kasangkot sa mga pangunahing food web42. Isa rin sila sa mga pinakamahusay na indikasyon ng toxicity dahil sa kakayahang mag-alis ng mga nakalalasong sangkap na dinadala sa mas mataas na antas ng food chain43. Bilang karagdagan, ang pananaliksik sa R. subcapitata ay maaaring magbigay-liwanag sa incidental toxicity ng SL Nb-MXenes sa mga karaniwang freshwater microorganism. Upang ilarawan ito, ang mga mananaliksik ay naghipotesis na ang bawat mikrobyo ay may iba't ibang sensitivity sa mga nakalalasong compound na nasa kapaligiran. Para sa karamihan ng mga organismo, ang mababang konsentrasyon ng mga sangkap ay hindi nakakaapekto sa kanilang paglaki, habang ang mga konsentrasyon na higit sa isang tiyak na limitasyon ay maaaring pumigil sa kanila o maging sanhi ng kamatayan. Samakatuwid, para sa aming mga pag-aaral sa interaksyon sa ibabaw sa pagitan ng microalgae at MXenes at ang nauugnay na pagbawi, nagpasya kaming subukan ang mga hindi nakakapinsala at nakalalasong konsentrasyon ng Nb-MXenes. Para magawa ito, sinubukan namin ang mga konsentrasyon na 0 (bilang sanggunian), 0.01, 0.1 at 10 mg/l MXene at dagdag pa rito ang mga nahawaang microalgae na may napakataas na konsentrasyon ng MXene (100 mg/l MXene), na maaaring maging matindi at nakamamatay. . para sa anumang biyolohikal na kapaligiran.
Ang mga epekto ng SL Nb-MXenes sa microalgae ay ipinapakita sa Figure 3, na ipinapahayag bilang porsyento ng pagsulong ng paglago (+) o pagsugpo (-) na sinukat para sa 0 mg l-1 na mga sample. Para sa paghahambing, ang Nb-MAX phase at ML Nb-MXenes ay sinubukan din at ang mga resulta ay ipinapakita sa SI (tingnan ang Fig. S3). Kinumpirma ng mga resultang nakuha na ang SL Nb-MXenes ay halos ganap na walang toxicity sa hanay ng mababang konsentrasyon mula 0.01 hanggang 10 mg/l, tulad ng ipinapakita sa Fig. 3a,b. Sa kaso ng Nb2CTx, naobserbahan namin ang hindi hihigit sa 5% ecotoxicity sa tinukoy na hanay.
Pag-stimulate (+) o inhibition (-) ng paglaki ng microalgae sa presensya ng SL (a) Nb2CTx at (b) Nb4C3TX MXene. Sinuri ang 24, 48 at 72 oras na interaksyon ng MXene-microalgae. Ang mga makabuluhang datos (t-test, p < 0.05) ay minarkahan ng asterisk (*). Ang mga makabuluhang datos (t-test, p < 0.05) ay minarkahan ng asterisk (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Ang mga makabuluhang datos (t-test, p < 0.05) ay minarkahan ng asterisk (*).重要数据（t 检验，p < 0.05）用星号(*) 标记。重要数据（t 检验，p < 0.05）用星号(*) 标记。 Важные данные (t-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Ang mahahalagang datos (t-test, p < 0.05) ay minarkahan ng asterisk (*).Ang mga pulang arrow ay nagpapahiwatig ng pag-aalis ng inhibitory stimulation.
Sa kabilang banda, ang mababang konsentrasyon ng Nb4C3TX ay lumabas na bahagyang mas nakakalason, ngunit hindi mas mataas sa 7%. Gaya ng inaasahan, naobserbahan namin na ang mga MXenes ay may mas mataas na toxicity at microalgae growth inhibition sa 100 mg L-1. Kapansin-pansin, wala sa mga materyales ang nagpakita ng parehong trend at time dependence ng atoxic/toxic effect kumpara sa mga sample ng MAX o ML (tingnan ang SI para sa mga detalye). Habang para sa MAX phase (tingnan ang Fig. S3) ang toxicity ay umabot sa humigit-kumulang 15–25% at tumaas sa paglipas ng panahon, ang kabaligtaran na trend ay naobserbahan para sa SL Nb2CTx at Nb4C3TX MXene. Ang inhibition ng microalgae growth ay bumaba sa paglipas ng panahon. Umabot ito sa humigit-kumulang 17% pagkatapos ng 24 na oras at bumaba sa mas mababa sa 5% pagkatapos ng 72 oras (Fig. 3a, b, ayon sa pagkakabanggit).
Higit sa lahat, para sa SL Nb4C3TX, ang pagpigil sa paglaki ng microalgae ay umabot sa humigit-kumulang 27% pagkatapos ng 24 na oras, ngunit pagkatapos ng 72 oras ay bumaba ito sa humigit-kumulang 1%. Samakatuwid, tinawag namin ang naobserbahang epekto bilang inverse inhibition ng stimulation, at ang epekto ay mas malakas para sa SL Nb4C3TX MXene. Ang pagpapasigla ng paglaki ng microalgae ay nabanggit kanina gamit ang Nb4C3TX (interaksyon sa 10 mg L-1 sa loob ng 24 na oras) kumpara sa SL Nb2CTx MXene. Ang epekto ng pagbaligtad ng inhibition-stimulation ay mahusay ding ipinakita sa biomass doubling rate curve (tingnan ang Fig. S4 para sa mga detalye). Sa ngayon, ang ecotoxicity lamang ng Ti3C2TX MXene ang pinag-aralan sa iba't ibang paraan. Hindi ito nakakalason sa mga embryo ng zebrafish44 ngunit katamtamang ecotoxic sa mga halaman ng microalgae na Desmodesmus quadricauda at Sorghum saccharatum45. Ang iba pang mga halimbawa ng mga partikular na epekto ay kinabibilangan ng mas mataas na toxicity sa mga linya ng selula ng kanser kaysa sa mga normal na linya ng selula46,47. Maaaring ipagpalagay na ang mga kondisyon ng pagsubok ay makakaimpluwensya sa mga pagbabago sa paglaki ng microalgae na naobserbahan sa presensya ng mga Nb-MXenes. Halimbawa, ang pH na humigit-kumulang 8 sa chloroplast stroma ay pinakamainam para sa mahusay na operasyon ng RuBisCO enzyme. Samakatuwid, ang mga pagbabago sa pH ay negatibong nakakaapekto sa rate ng photosynthesis48,49. Gayunpaman, hindi kami nakakita ng mga makabuluhang pagbabago sa pH sa panahon ng eksperimento (tingnan ang SI, Fig. S5 para sa mga detalye). Sa pangkalahatan, ang mga kultura ng microalgae na may Nb-MXenes ay bahagyang nagbawas sa pH ng solusyon sa paglipas ng panahon. Gayunpaman, ang pagbaba na ito ay katulad ng pagbabago sa pH ng isang purong medium. Bilang karagdagan, ang saklaw ng mga pagkakaiba-iba na natagpuan ay katulad ng nasukat para sa isang purong kultura ng microalgae (control sample). Kaya, napagpasyahan namin na ang photosynthesis ay hindi apektado ng mga pagbabago sa pH sa paglipas ng panahon.
Bukod pa rito, ang mga na-synthesize na MXene ay may mga dulo sa ibabaw (tinutukoy bilang Tx). Ang mga ito ay pangunahing mga functional group na -O, -F at -OH. Gayunpaman, ang kimika sa ibabaw ay direktang nauugnay sa paraan ng sintesis. Ang mga grupong ito ay kilalang random na ipinamamahagi sa ibabaw, na nagpapahirap hulaan ang kanilang epekto sa mga katangian ng MXene50. Maaaring italo na ang Tx ay maaaring ang catalytic force para sa oksihenasyon ng niobium sa pamamagitan ng liwanag. Ang mga functional group sa ibabaw ay nagbibigay nga ng maraming anchoring site para sa kanilang mga pinagbabatayang photocatalyst upang bumuo ng mga heterojunction51. Gayunpaman, ang komposisyon ng growth medium ay hindi nagbigay ng isang epektibong photocatalyst (ang detalyadong komposisyon ng medium ay matatagpuan sa SI Table S6). Bilang karagdagan, ang anumang pagbabago sa ibabaw ay napakahalaga rin, dahil ang biological activity ng MXene ay maaaring mabago dahil sa layer post-processing, oksihenasyon, kemikal na pagbabago sa ibabaw ng mga organic at inorganic compound52,53,54,55,56 o surface charge engineering38. Samakatuwid, upang masubukan kung ang niobium oxide ay may kinalaman sa kawalang-tatag ng materyal sa medium, nagsagawa kami ng mga pag-aaral sa potensyal ng zeta (ζ) sa medium ng paglaki ng microalgae at deionized na tubig (para sa paghahambing). Ipinapakita ng aming mga resulta na ang mga SL Nb-MXenes ay medyo matatag (tingnan ang SI Fig. S6 para sa mga resulta ng MAX at ML). Ang potensyal ng zeta ng mga SL MXenes ay humigit-kumulang -10 mV. Sa kaso ng SR Nb2CTx, ang halaga ng ζ ay medyo mas negatibo kaysa sa Nb4C3Tx. Ang ganitong pagbabago sa halaga ng ζ ay maaaring magpahiwatig na ang ibabaw ng mga negatibong naka-charge na MXene nanoflakes ay sumisipsip ng mga positibong naka-charge na ion mula sa medium ng kultura. Ang mga pansamantalang sukat ng potensyal ng zeta at konduktibidad ng mga Nb-MXenes sa medium ng kultura (tingnan ang Mga Larawan S7 at S8 sa SI para sa higit pang mga detalye) ay tila sumusuporta sa aming hipotesis.
Gayunpaman, ang parehong Nb-MXene SL ay nagpakita ng kaunting pagbabago mula sa zero. Malinaw na ipinapakita nito ang kanilang katatagan sa medium ng paglaki ng microalgae. Bukod pa rito, tinasa namin kung ang presensya ng aming berdeng microalgae ay makakaapekto sa katatagan ng mga Nb-MXenes sa medium. Ang mga resulta ng zeta potential at conductivity ng mga MXenes pagkatapos ng interaksyon sa microalgae sa nutrient media at culture sa paglipas ng panahon ay matatagpuan sa SI (Mga Larawan S9 at S10). Kapansin-pansin, napansin namin na ang presensya ng microalgae ay tila nagpapatatag sa dispersion ng parehong MXenes. Sa kaso ng Nb2CTx SL, ang zeta potential ay bahagyang bumaba sa paglipas ng panahon sa mas negatibong mga halaga (-15.8 laban sa -19.1 mV pagkatapos ng 72 oras ng incubation). Ang zeta potential ng SL Nb4C3TX ay bahagyang tumaas, ngunit pagkatapos ng 72 oras ay nagpakita pa rin ito ng mas mataas na katatagan kaysa sa mga nanoflakes nang walang presensya ng microalgae (-18.1 vs. -9.1 mV).
Nakakita rin kami ng mas mababang conductivity ng mga solusyon ng Nb-MXene na in-incubate sa presensya ng microalgae, na nagpapahiwatig ng mas mababang dami ng mga ion sa nutrient medium. Kapansin-pansin, ang kawalang-tatag ng mga MXenes sa tubig ay pangunahing dahil sa surface oxidation57. Samakatuwid, pinaghihinalaan namin na kahit papaano ay na-clear ng berdeng microalgae ang mga oxide na nabuo sa ibabaw ng Nb-MXene at napigilan pa ang paglitaw ng mga ito (oxidation ng MXene). Makikita ito sa pamamagitan ng pag-aaral ng mga uri ng sangkap na hinihigop ng microalgae.
Bagama't ipinahiwatig ng aming mga pag-aaral sa ecotoxicology na nagawang malampasan ng microalgae ang toxicity ng Nb-MXenes sa paglipas ng panahon at ang hindi pangkaraniwang pagpigil sa pinasiglang paglaki, ang layunin ng aming pag-aaral ay upang siyasatin ang mga posibleng mekanismo ng pagkilos. Kapag ang mga organismo tulad ng algae ay nalantad sa mga compound o materyales na hindi pamilyar sa kanilang mga ecosystem, maaari silang tumugon sa iba't ibang paraan58,59. Sa kawalan ng mga nakalalasong metal oxide, maaaring pakainin ng microalgae ang kanilang mga sarili, na nagpapahintulot sa kanila na patuloy na lumaki60. Pagkatapos ng paglunok ng mga nakalalasong sangkap, maaaring ma-activate ang mga mekanismo ng depensa, tulad ng pagbabago ng hugis o anyo. Dapat ding isaalang-alang ang posibilidad ng pagsipsip58,59. Kapansin-pansin, ang anumang senyales ng isang mekanismo ng depensa ay isang malinaw na indikasyon ng toxicity ng test compound. Samakatuwid, sa aming karagdagang pag-aaral, sinisiyasat namin ang potensyal na interaksyon sa ibabaw sa pagitan ng SL Nb-MXene nanoflakes at microalgae sa pamamagitan ng SEM at ang posibleng pagsipsip ng Nb-based MXene sa pamamagitan ng X-ray fluorescence spectroscopy (XRF). Tandaan na ang mga pagsusuri sa SEM at XRF ay isinagawa lamang sa pinakamataas na konsentrasyon ng MXene upang matugunan ang mga isyu sa activity toxicity.
Ang mga resulta ng SEM ay ipinapakita sa Fig.4. Ang mga hindi ginamot na selula ng microalgae (tingnan ang Fig. 4a, sangguniang sample) ay malinaw na nagpakita ng tipikal na morpolohiya ng R. subcapitata at hugis ng selula na parang croissant. Ang mga selula ay lumilitaw na patag at medyo hindi organisado. Ang ilang mga selula ng microalgae ay nagsasapawan at nagkakasabit sa isa't isa, ngunit malamang na ito ay sanhi ng proseso ng paghahanda ng sample. Sa pangkalahatan, ang mga purong selula ng microalgae ay may makinis na ibabaw at hindi nagpakita ng anumang mga pagbabago sa morpolohiya.
Mga imahe ng SEM na nagpapakita ng interaksyon sa ibabaw sa pagitan ng berdeng microalgae at mga nanosheet ng MXene pagkatapos ng 72 oras na interaksyon sa matinding konsentrasyon (100 mg L-1). (a) Hindi ginagamot na berdeng microalgae pagkatapos ng interaksyon sa SL (b) Nb2CTx at (c) Nb4C3TX MXenes. Tandaan na ang mga nanoflake ng Nb-MXene ay minarkahan ng mga pulang arrow. Para sa paghahambing, idinagdag din ang mga litrato mula sa isang optical microscope.
Sa kabaligtaran, ang mga selula ng microalgae na na-adsorb ng mga SL Nb-MXene nanoflakes ay nasira (tingnan ang Fig. 4b, c, mga pulang arrow). Sa kaso ng Nb2CTx MXene (Fig. 4b), ang mga microalgae ay may posibilidad na lumaki kasama ng mga nakakabit na two-dimensional nanoscales, na maaaring magbago ng kanilang morpolohiya. Kapansin-pansin, naobserbahan din namin ang mga pagbabagong ito sa ilalim ng light microscopy (tingnan ang SI Figure S11 para sa mga detalye). Ang transisyong morpolohikal na ito ay may kapani-paniwalang batayan sa pisyolohiya ng microalgae at ang kanilang kakayahang ipagtanggol ang kanilang sarili sa pamamagitan ng pagbabago ng morpolohiya ng selula, tulad ng pagtaas ng volume ng selula61. Samakatuwid, mahalagang suriin ang bilang ng mga selula ng microalgae na aktwal na nakikipag-ugnayan sa mga Nb-MXenes. Ipinakita ng mga pag-aaral sa SEM na humigit-kumulang 52% ng mga selula ng microalgae ang nalantad sa mga Nb-MXenes, habang 48% ng mga selula ng microalgae na ito ang umiwas sa pakikipag-ugnayan. Para sa SL Nb4C3Tx MXene, sinusubukan ng mga microalgae na iwasan ang pakikipag-ugnayan sa MXene, sa gayon ay nag-localize at lumalaki mula sa mga two-dimensional nanoscales (Fig. 4c). Gayunpaman, hindi namin naobserbahan ang pagtagos ng mga nanoscale sa mga selula ng microalgae at ang kanilang pinsala.
Ang pagpapanatili ng sarili ay isa ring tugon na nakadepende sa oras sa pagbara ng photosynthesis dahil sa adsorption ng mga particle sa ibabaw ng cell at ang tinatawag na shading (shading) effect62. Malinaw na ang bawat bagay (halimbawa, Nb-MXene nanoflakes) na nasa pagitan ng microalgae at ng pinagmumulan ng liwanag ay naglilimita sa dami ng liwanag na hinihigop ng mga chloroplast. Gayunpaman, wala kaming duda na ito ay may malaking epekto sa mga resultang nakuha. Gaya ng ipinakita ng aming mga mikroskopikong obserbasyon, ang mga 2D nanoflake ay hindi ganap na nakabalot o nakadikit sa ibabaw ng microalgae, kahit na ang mga microalgae cell ay nakadikit sa mga Nb-MXenes. Sa halip, ang mga nanoflake ay lumabas na naka-orient sa mga microalgae cell nang hindi tinatakpan ang kanilang ibabaw. Ang ganitong hanay ng mga nanoflake/microalgae ay hindi maaaring makabuluhang limitahan ang dami ng liwanag na hinihigop ng mga microalgae cell. Bukod dito, ang ilang mga pag-aaral ay nagpakita pa ng isang pagpapabuti sa pagsipsip ng liwanag ng mga photosynthetic organism sa presensya ng mga two-dimensional nanomaterials63,64,65,66.
Dahil hindi direktang nakumpirma ng mga imahe ng SEM ang pagsipsip ng niobium ng mga microalgae cell, ang aming karagdagang pag-aaral ay bumaling sa X-ray fluorescence (XRF) at X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis upang linawin ang isyung ito. Samakatuwid, inihambing namin ang intensity ng mga Nb peak ng mga reference microalgae sample na hindi nakipag-ugnayan sa mga MXenes, mga MXene nanoflake na nahiwalay mula sa ibabaw ng mga microalgae cell, at mga microalgal cell pagkatapos tanggalin ang mga nakakabit na MXenes. Mahalagang tandaan na kung walang Nb uptake, ang Nb value na nakuha ng mga microalgae cell ay dapat na zero pagkatapos tanggalin ang mga nakakabit na nanoscale. Samakatuwid, kung mangyari ang Nb uptake, ang parehong resulta ng XRF at XPS ay dapat magpakita ng malinaw na Nb peak.
Sa kaso ng XRF spectra, ang mga sample ng microalgae ay nagpakita ng mga Nb peak para sa SL Nb2CTx at Nb4C3Tx MXene pagkatapos ng interaksyon sa SL Nb2CTx at Nb4C3Tx MXene (tingnan ang Fig. 5a, tandaan din na ang mga resulta para sa MAX at ML MXene ay ipinapakita sa SI, Figs S12–C17). Kapansin-pansin, ang intensity ng Nb peak ay pareho sa parehong kaso (mga pulang bar sa Fig. 5a). Ipinahiwatig nito na ang algae ay hindi kayang sumipsip ng mas maraming Nb, at ang pinakamataas na kapasidad para sa akumulasyon ng Nb ay nakamit sa mga cell, bagaman dalawang beses na mas maraming Nb4C3Tx MXene ang nakakabit sa mga microalgae cell (mga asul na bar sa Fig. 5a). Kapansin-pansin, ang kakayahan ng microalgae na sumipsip ng mga metal ay nakasalalay sa konsentrasyon ng mga metal oxide sa kapaligiran67,68. Natuklasan nina Shamshada et al.67 na ang kapasidad ng pagsipsip ng freshwater algae ay bumababa kasabay ng pagtaas ng pH. Nabanggit nina Raize et al.68 na ang kakayahan ng damong-dagat na sumipsip ng mga metal ay humigit-kumulang 25% na mas mataas para sa Pb2+ kaysa sa Ni2+.
(a) Mga resulta ng XRF ng basal Nb uptake ng mga berdeng microalgae cell na in-incubate sa matinding konsentrasyon ng SL Nb-MXenes (100 mg L-1) sa loob ng 72 oras. Ipinapakita ng mga resulta ang presensya ng α sa mga purong microalgae cell (control sample, gray columns), 2D nanoflakes na nakahiwalay mula sa mga surface microalgae cell (mga asul na column), at mga microalgae cell pagkatapos ng paghihiwalay ng 2D nanoflakes mula sa surface (mga pulang column). Ang dami ng elemental Nb, (b) porsyento ng kemikal na komposisyon ng mga organic component ng microalgae (C=O at CHx/C–O) at mga Nb oxide na nasa mga microalgae cell pagkatapos ng incubation gamit ang SL Nb-MXenes, (c–e) Pag-angkop ng compositional peak ng XPS SL Nb2CTx spectra at (fh) SL Nb4C3Tx MXene na na-internalize ng mga microalgae cell.
Samakatuwid, inaasahan namin na ang Nb ay maaaring masipsip ng mga algal cell sa anyo ng mga oxide. Upang masubukan ito, nagsagawa kami ng mga pag-aaral ng XPS sa mga MXenes na Nb2CTx at Nb4C3TX at mga algae cell. Ang mga resulta ng interaksyon ng microalgae sa mga Nb-MXenes at mga MXenes na nakahiwalay mula sa mga algae cell ay ipinapakita sa Mga Larawan 5b. Gaya ng inaasahan, nakita namin ang mga Nb 3d peak sa mga sample ng microalgae pagkatapos alisin ang MXene mula sa ibabaw ng microalgae. Ang quantitative determination ng C=O, CHx/CO, at Nb oxides ay kinalkula batay sa Nb 3d, O1s, at C1s spectra na nakuha gamit ang Nb2CTx SL (Larawan 5c–e) at Nb4C3Tx SL (Larawan 5c–e). ) na nakuha mula sa mga incubated microalgae. Larawan 5f–h) Mga MXenes. Ipinapakita ng Talahanayan S1-3 ang mga detalye ng mga peak parameter at pangkalahatang kimika na nagreresulta mula sa fit. Kapansin-pansin na ang mga rehiyon ng Nb 3d ng Nb2CTx SL at Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) ay tumutugma sa isang bahaging Nb2O5. Dito, wala kaming nakitang mga peak na may kaugnayan sa MXene sa spectra, na nagpapahiwatig na ang mga microalgae cell ay sumisipsip lamang sa anyong oxide ng Nb. Bukod pa rito, tinatayang namin ang C1s spectrum gamit ang mga bahaging C–C, CHx/C–O, C=O, at –COOH. Itinalaga namin ang mga peak na CHx/C–O at C=O sa organikong kontribusyon ng mga microalgae cell. Ang mga organikong bahaging ito ay bumubuo sa 36% at 41% ng mga peak na C1s sa Nb2CTx SL at Nb4C3TX SL, ayon sa pagkakabanggit. Pagkatapos ay iniakma namin ang O1s spectra ng SL Nb2CTx at SL Nb4C3TX sa Nb2O5, mga organikong bahagi ng microalgae (CHx/CO), at tubig na na-adsorb sa ibabaw.
Panghuli, malinaw na ipinahiwatig ng mga resulta ng XPS ang anyo ng Nb, hindi lamang ang presensya nito. Ayon sa posisyon ng Nb 3d signal at sa mga resulta ng deconvolution, kinukumpirma namin na ang Nb ay nasisipsip lamang sa anyo ng mga oxide at hindi ng mga ion o MXene mismo. Bukod pa rito, ipinakita ng mga resulta ng XPS na ang mga microalgae cell ay may mas malaking kakayahang sumipsip ng mga Nb oxide mula sa SL Nb2CTx kumpara sa SL Nb4C3TX MXene.
Bagama't kahanga-hanga ang aming mga resulta ng Nb uptake at nagbibigay-daan sa amin upang matukoy ang MXene degradation, walang magagamit na paraan upang subaybayan ang mga kaugnay na pagbabago sa morpolohiya sa 2D nanoflakes. Samakatuwid, nagpasya rin kaming bumuo ng isang angkop na paraan na maaaring direktang tumugon sa anumang mga pagbabagong nagaganap sa 2D Nb-MXene nanoflakes at microalgae cells. Mahalagang tandaan na ipinapalagay namin na kung ang mga nakikipag-ugnayang species ay sumasailalim sa anumang pagbabago, decomposition o defragmentation, dapat itong mabilis na magpakita bilang mga pagbabago sa mga parameter ng hugis, tulad ng diameter ng katumbas na pabilog na lugar, bilog, lapad ng Feret, o haba ng Feret. Dahil ang mga parameter na ito ay angkop para sa paglalarawan ng mga pahabang particle o two-dimensional nanoflakes, ang kanilang pagsubaybay sa pamamagitan ng dynamic particle shape analysis ay magbibigay sa amin ng mahalagang impormasyon tungkol sa morphological transformation ng SL Nb-MXene nanoflakes sa panahon ng reduction.
Ang mga resultang nakuha ay ipinapakita sa Figure 6. Para sa paghahambing, sinubukan din namin ang orihinal na MAX phase at ML-MXenes (tingnan ang SI Figures S18 at S19). Ipinakita ng dinamikong pagsusuri ng hugis ng particle na ang lahat ng mga parameter ng hugis ng dalawang Nb-MXene SL ay nagbago nang malaki pagkatapos ng interaksyon sa microalgae. Gaya ng ipinapakita ng katumbas na parameter ng circular area diameter (Fig. 6a, b), ang nabawasang peak intensity ng fraction ng malalaking nanoflakes ay nagpapahiwatig na may posibilidad silang mabulok sa mas maliliit na fragment. Sa fig. 6c, ipinapakita ng d ang pagbaba sa mga peak na nauugnay sa transverse size ng mga flakes (pagpahaba ng mga nanoflakes), na nagpapahiwatig ng pagbabago ng 2D nanoflakes sa isang mas mala-particle na hugis. Ipinapakita ng Figure 6e-h ang lapad at haba ng Feret, ayon sa pagkakabanggit. Ang lapad at haba ng Feret ay mga komplementaryong parameter at samakatuwid ay dapat isaalang-alang nang magkasama. Pagkatapos ng incubation ng 2D Nb-MXene nanoflakes sa presensya ng microalgae, ang kanilang mga Feret correlation peak ay nagbago at ang kanilang intensity ay nabawasan. Batay sa mga resultang ito kasama ng morpolohiya, XRF at XPS, napagpasyahan namin na ang mga naobserbahang pagbabago ay may malaking kaugnayan sa oksihenasyon habang ang mga na-oxidize na MXene ay nagiging mas kulubot at nabubulok sa mga pira-piraso at spherical oxide particle69,70.
Pagsusuri ng pagbabagong-anyo ng MXene pagkatapos ng interaksyon sa berdeng microalgae. Isinasaalang-alang ng pagsusuri ng hugis ng partikulo nang dinamiko ang mga parametro tulad ng (a, b) diyametro ng katumbas na pabilog na lugar, (c, d) pagiging bilog, (e, f) lapad ng Feret at (g, h) haba ng Feret. Para dito, sinuri ang dalawang sangguniang sample ng microalgae kasama ang mga pangunahing SL Nb2CTx at SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx at SL Nb4C3Tx MXenes, mga nabulok na microalgae, at mga ginamot na microalgae na SL Nb2CTx at SL Nb4C3Tx MXenes. Ipinapakita ng mga pulang arrow ang mga transisyon ng mga parametro ng hugis ng pinag-aralang two-dimensional nanoflakes.
Dahil ang pagsusuri ng mga parameter ng hugis ay lubos na maaasahan, maaari rin nitong ipakita ang mga pagbabagong morpolohikal sa mga selula ng microalgae. Samakatuwid, sinuri namin ang katumbas na diyametro ng pabilog na lugar, pagiging bilog, at lapad/haba ng Feret ng mga purong selula at selula ng microalgae pagkatapos ng pakikipag-ugnayan sa 2D Nb nanoflakes. Sa fig. 6a–h ay nagpapakita ng mga pagbabago sa mga parameter ng hugis ng mga selula ng algae, gaya ng pinatutunayan ng pagbaba ng peak intensity at paglipat ng maxima patungo sa mas mataas na mga halaga. Sa partikular, ang mga parameter ng pagiging bilog ng selula ay nagpakita ng pagbaba sa mga pahabang selula at pagtaas sa mga spherical cell (Fig. 6a, b). Bilang karagdagan, ang lapad ng selula ng Feret ay tumaas ng ilang micrometer pagkatapos ng pakikipag-ugnayan sa SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) kumpara sa SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f). Pinaghihinalaan namin na maaaring ito ay dahil sa malakas na pagsipsip ng mga Nb oxide ng microalgae sa pakikipag-ugnayan sa Nb2CTx SR. Ang hindi gaanong matibay na pagkabit ng mga Nb flakes sa kanilang ibabaw ay maaaring magresulta sa paglaki ng selula na may kaunting epekto ng pagtatabing.
Ang aming mga obserbasyon sa mga pagbabago sa mga parametro ng hugis at laki ng microalgae ay umaakma sa iba pang mga pag-aaral. Maaaring baguhin ng berdeng microalgae ang kanilang morpolohiya bilang tugon sa stress sa kapaligiran sa pamamagitan ng pagbabago sa laki, hugis o metabolismo ng cell61. Halimbawa, ang pagbabago sa laki ng mga cell ay nagpapadali sa pagsipsip ng mga sustansya71. Ang mas maliliit na selula ng algae ay nagpapakita ng mas mababang pagsipsip ng sustansya at may kapansanan na rate ng paglaki. Sa kabaligtaran, ang mas malalaking selula ay may posibilidad na kumonsumo ng mas maraming sustansya, na pagkatapos ay idinedeposito sa loob ng selula72,73. Natuklasan nina Machado at Soares na ang fungicide triclosan ay maaaring magpataas ng laki ng cell. Nakakita rin sila ng malalaking pagbabago sa hugis ng algae74. Bukod pa rito, inihayag din nina Yin et al.9 ang mga pagbabago sa morpolohiya sa algae pagkatapos malantad sa mga pinababang graphene oxide nanocomposites. Samakatuwid, malinaw na ang binagong mga parametro ng laki/hugis ng microalgae ay sanhi ng pagkakaroon ng MXene. Dahil ang pagbabagong ito sa laki at hugis ay nagpapahiwatig ng mga pagbabago sa pagsipsip ng sustansya, naniniwala kami na ang pagsusuri ng mga parametro ng laki at hugis sa paglipas ng panahon ay maaaring magpakita ng pagsipsip ng niobium oxide ng microalgae sa presensya ng Nb-MXenes.
Bukod dito, ang mga MXenes ay maaaring ma-oxidize sa presensya ng algae. Naobserbahan nina Dalai et al.75 na ang morpolohiya ng berdeng algae na nalantad sa nano-TiO2 at Al2O376 ay hindi pare-pareho. Bagama't ang aming mga obserbasyon ay katulad ng kasalukuyang pag-aaral, ito ay may kaugnayan lamang sa pag-aaral ng mga epekto ng bioremediation sa mga tuntunin ng mga produkto ng pagkasira ng MXene sa presensya ng 2D nanoflakes at hindi ng mga nanoparticle. Dahil ang mga MXenes ay maaaring mag-degrade sa mga metal oxide,31,32,77,78, makatwirang ipalagay na ang aming mga Nb nanoflakes ay maaari ring bumuo ng mga Nb oxide pagkatapos makipag-ugnayan sa mga microalgae cell.
Upang maipaliwanag ang pagbawas ng 2D-Nb nanoflakes sa pamamagitan ng mekanismo ng dekomposisyon batay sa proseso ng oksihenasyon, nagsagawa kami ng mga pag-aaral gamit ang high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) (Fig. 7a,b) at X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Fig. 7). 7c-i at mga talahanayan S4-5). Ang parehong pamamaraan ay angkop para sa pag-aaral ng oksihenasyon ng mga 2D na materyales at nagpupuno sa isa't isa. Nagagawa ng HRTEM na suriin ang degradasyon ng mga two-dimensional layered na istruktura at ang kasunod na paglitaw ng mga metal oxide nanoparticle, habang ang XPS ay sensitibo sa mga surface bond. Para sa layuning ito, sinubukan namin ang 2D Nb-MXene nanoflakes na kinuha mula sa mga microalgae cell dispersion, ibig sabihin, ang kanilang hugis pagkatapos ng interaksyon sa mga microalgae cell (tingnan ang Fig. 7).
Mga imahe ng HRTEM na nagpapakita ng morpolohiya ng na-oxidize na (a) SL Nb2CTx at (b) SL Nb4C3Tx MXenes, mga resulta ng pagsusuri ng XPS na nagpapakita ng (c) komposisyon ng mga produktong oxide pagkatapos ng reduction, (d–f) peak matching ng mga bahagi ng XPS spectra ng SL Nb2CTx at (g–i) Nb4C3Tx SL na inayos gamit ang berdeng microalgae.
Kinumpirma ng mga pag-aaral ng HRTEM ang oksihenasyon ng dalawang uri ng Nb-MXene nanoflakes. Bagama't napanatili ng mga nanoflakes ang kanilang two-dimensional morphology sa ilang antas, ang oksihenasyon ay nagresulta sa paglitaw ng maraming nanoparticles na bumabalot sa ibabaw ng MXene nanoflakes (tingnan ang Fig. 7a,b). Ang pagsusuri ng XPS ng mga signal na c Nb 3d at O ​​1s ay nagpapahiwatig na ang mga Nb oxide ay nabuo sa parehong kaso. Gaya ng ipinapakita sa Figure 7c, ang 2D MXene Nb2CTx at Nb4C3TX ay may mga signal na Nb 3d na nagpapahiwatig ng presensya ng mga NbO at Nb2O5 oxide, habang ang mga signal na O 1s ay nagpapahiwatig ng bilang ng mga O–Nb bond na nauugnay sa functionalization ng 2D nanoflake surface. Napansin namin na ang kontribusyon ng Nb oxide ay nangingibabaw kumpara sa Nb-C at Nb3+-O.
Sa fig., ipinapakita ng mga Fig. 7g–i ang XPS spectra ng Nb 3d, C 1s, at O ​​1s SL Nb2CTx (tingnan ang Figs. 7d–f) at SL Nb4C3TX MXene na nakahiwalay mula sa mga microalgae cell. Ang mga detalye ng mga peak parameter ng Nb-MXenes ay ibinibigay sa Mga Talahanayan S4–5, ayon sa pagkakabanggit. Una naming sinuri ang komposisyon ng Nb 3d. Kabaligtaran ng Nb na hinihigop ng mga microalgae cell, sa MXene na nakahiwalay mula sa mga microalgae cell, bukod sa Nb2O5, natagpuan ang iba pang mga bahagi. Sa Nb2CTx SL, naobserbahan namin ang kontribusyon ng Nb3+-O sa halagang 15%, habang ang natitirang bahagi ng Nb 3d spectrum ay pinangungunahan ng Nb2O5 (85%). Bilang karagdagan, ang SL Nb4C3TX sample ay naglalaman ng mga bahaging Nb-C (9%) at Nb2O5 (91%). Dito, ang Nb-C ay nagmumula sa dalawang panloob na atomic layer ng metal carbide sa Nb4C3Tx SR. Pagkatapos ay inimapa namin ang C1s spectra sa apat na magkakaibang bahagi, tulad ng ginawa namin sa mga internalized sample. Gaya ng inaasahan, ang C1s spectrum ay pinangungunahan ng graphitic carbon, na sinusundan ng mga kontribusyon mula sa mga organic particle (CHx/CO at C=O) mula sa mga microalgae cell. Bukod pa rito, sa O1s spectrum, naobserbahan namin ang kontribusyon ng mga organic na anyo ng mga microalgae cell, niobium oxide, at adsorbed water.
Bukod pa rito, sinuri namin kung ang pagkahiwalay ng Nb-MXenes ay nauugnay sa presensya ng reactive oxygen species (ROS) sa nutrient medium at/o mga microalgae cell. Para dito, sinuri namin ang mga antas ng singlet oxygen (1O2) sa culture medium at intracellular glutathione, isang thiol na gumaganap bilang antioxidant sa microalgae. Ang mga resulta ay ipinapakita sa SI (Mga Larawan S20 at S21). Ang mga kultura na may SL Nb2CTx at Nb4C3TX MXenes ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang nabawasang dami ng 1O2 (tingnan ang Larawan S20). Sa kaso ng SL Nb2CTx, ang MXene 1O2 ay nabawasan sa humigit-kumulang 83%. Para sa mga kultura ng microalgae na gumagamit ng SL, ang Nb4C3TX 1O2 ay mas bumaba pa, sa 73%. Kapansin-pansin, ang mga pagbabago sa 1O2 ay nagpakita ng parehong trend gaya ng naunang naobserbahang inhibitory-stimulatory effect (tingnan ang Fig. 3). Maaaring maitalo na ang incubation sa maliwanag na liwanag ay maaaring magpabago sa photooxidation. Gayunpaman, ang mga resulta ng control analysis ay nagpakita ng halos pare-parehong antas ng 1O2 sa panahon ng eksperimento (Fig. S22). Sa kaso ng mga intracellular na antas ng ROS, naobserbahan din namin ang parehong pababang trend (tingnan ang Figure S21). Sa una, ang mga antas ng ROS sa mga microalgae cell na kinultura sa presensya ng Nb2CTx at Nb4C3Tx SLs ay lumampas sa mga antas na matatagpuan sa mga purong kultura ng microalgae. Gayunpaman, kalaunan, lumitaw na ang microalgae ay umangkop sa presensya ng parehong Nb-MXenes, dahil ang mga antas ng ROS ay bumaba sa 85% at 91% ng mga antas na nasukat sa mga purong kultura ng microalgae na inoculated ng SL Nb2CTx at Nb4C3TX, ayon sa pagkakabanggit. Maaaring ipahiwatig nito na ang mga microalgae ay mas komportable sa paglipas ng panahon sa presensya ng Nb-MXene kaysa sa nutrient medium lamang.
Ang mga microalgae ay isang magkakaibang grupo ng mga organismong photosynthetic. Sa panahon ng photosynthesis, kino-convert nila ang atmospheric carbon dioxide (CO2) tungo sa organic carbon. Ang mga produkto ng photosynthesis ay glucose at oxygen79. Pinaghihinalaan namin na ang oxygen na nabuo ay may mahalagang papel sa oksihenasyon ng mga Nb-MXenes. Ang isang posibleng paliwanag para dito ay ang differential aeration parameter ay nabubuo sa mababa at mataas na partial pressures ng oxygen sa labas at loob ng mga Nb-MXene nanoflakes. Nangangahulugan ito na saanman may mga lugar na may iba't ibang partial pressures ng oxygen, ang lugar na may pinakamababang antas ay bubuo ng anode 80, 81, 82. Dito, ang microalgae ay nakakatulong sa paglikha ng mga differentially aerated cells sa ibabaw ng mga MXene flakes, na gumagawa ng oxygen dahil sa kanilang mga photosynthetic properties. Bilang resulta, nabubuo ang mga produktong biocorrosion (sa kasong ito, niobium oxides). Ang isa pang aspeto ay ang microalgae ay maaaring gumawa ng mga organic acid na inilalabas sa tubig83,84. Samakatuwid, isang agresibong kapaligiran ang nabubuo, sa gayon ay binabago ang mga Nb-MXenes. Bukod pa rito, maaaring baguhin ng microalgae ang pH ng kapaligiran tungo sa alkaline dahil sa pagsipsip ng carbon dioxide, na maaari ring magdulot ng corrosion79.
Higit sa lahat, ang madilim/maliwanag na photoperiod na ginamit sa aming pag-aaral ay mahalaga sa pag-unawa sa mga resultang nakuha. Ang aspetong ito ay detalyadong inilarawan sa Djemai-Zoghlache et al. 85 Sadya nilang ginamit ang 12/12 oras na photoperiod upang ipakita ang biocorrosion na nauugnay sa biofouling ng pulang microalgae na Porphyridium purpureum. Ipinapakita nila na ang photoperiod ay nauugnay sa ebolusyon ng potensyal nang walang biocorrosion, na nagpapakita ng sarili bilang mga pseudoperiodic oscillations bandang 24:00. Ang mga obserbasyong ito ay kinumpirma nina Dowling et al. 86 Ipinakita nila ang mga photosynthetic biofilm ng cyanobacteria na Anabaena. Ang dissolved oxygen ay nabubuo sa ilalim ng aksyon ng liwanag, na nauugnay sa isang pagbabago o pagbabago-bago sa potensyal ng libreng biocorrosion. Ang kahalagahan ng photoperiod ay binibigyang-diin ng katotohanan na ang libreng potensyal para sa biocorrosion ay tumataas sa light phase at bumababa sa dark phase. Ito ay dahil sa oksihenong nalilikha ng photosynthetic microalgae, na nakakaimpluwensya sa cathodic reaction sa pamamagitan ng partial pressure na nalilikha malapit sa mga electrodes87.
Bukod pa rito, isinagawa ang Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) upang malaman kung may naganap na mga pagbabago sa kemikal na komposisyon ng mga selula ng microalgae pagkatapos ng interaksyon sa mga Nb-MXenes. Ang mga nakuhang resultang ito ay kumplikado at ipinapakita namin ang mga ito sa SI (Mga Larawan S23-S25, kabilang ang mga resulta ng MAX stage at ML MXenes). Sa madaling salita, ang nakuha na reference spectra ng microalgae ay nagbibigay sa amin ng mahahalagang impormasyon tungkol sa mga kemikal na katangian ng mga organismong ito. Ang mga pinaka-malamang na vibration na ito ay matatagpuan sa mga frequency na 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1. 11 (C–H) at 3280 cm–1 (O–H). Para sa mga SL Nb-MXenes, nakakita kami ng CH-bond stretching signature na naaayon sa aming nakaraang pag-aaral38. Gayunpaman, naobserbahan namin na ang ilang karagdagang peak na nauugnay sa mga C=C at CH bond ay nawala. Ipinapahiwatig nito na ang kemikal na komposisyon ng microalgae ay maaaring sumailalim sa maliliit na pagbabago dahil sa interaksyon sa mga SL Nb-MXenes.
Kapag isinasaalang-alang ang mga posibleng pagbabago sa biochemistry ng microalgae, ang akumulasyon ng mga inorganic oxide, tulad ng niobium oxide, ay kailangang muling isaalang-alang59. Ito ay kasangkot sa pagsipsip ng mga metal sa ibabaw ng cell, ang kanilang transportasyon papunta sa cytoplasm, ang kanilang kaugnayan sa mga intracellular carboxyl group, at ang kanilang akumulasyon sa mga microalgae polyphosphosome20,88,89,90. Bukod pa rito, ang ugnayan sa pagitan ng microalgae at mga metal ay pinapanatili ng mga functional group ng mga cell. Dahil dito, ang pagsipsip ay nakasalalay din sa kemistri sa ibabaw ng microalgae, na medyo kumplikado9,91. Sa pangkalahatan, gaya ng inaasahan, ang kemikal na komposisyon ng berdeng microalgae ay bahagyang nagbago dahil sa pagsipsip ng Nb oxide.
Kapansin-pansin, ang naobserbahang paunang pagsugpo sa microalgae ay nababaligtad sa paglipas ng panahon. Gaya ng aming naobserbahan, nalampasan ng microalgae ang paunang pagbabago sa kapaligiran at kalaunan ay bumalik sa normal na mga rate ng paglago at tumaas pa. Ang mga pag-aaral sa potensyal ng zeta ay nagpapakita ng mataas na katatagan kapag ipinakilala sa nutrient media. Kaya, ang interaksyon sa ibabaw sa pagitan ng mga selula ng microalgae at mga nanoflake ng Nb-MXene ay napanatili sa buong mga eksperimento sa pagbawas. Sa aming karagdagang pagsusuri, ibubuod namin ang mga pangunahing mekanismo ng aksyon na pinagbabatayan ng kahanga-hangang pag-uugaling ito ng microalgae.
Ipinakita ng mga obserbasyon sa SEM na ang mga microalgae ay may posibilidad na kumapit sa mga Nb-MXenes. Gamit ang dynamic image analysis, kinukumpirma namin na ang epektong ito ay humahantong sa pagbabago ng mga two-dimensional na Nb-MXene nanoflakes tungo sa mas spherical na mga particle, sa gayon ay ipinapakita na ang decomposition ng mga nanoflakes ay nauugnay sa kanilang oksihenasyon. Upang masubukan ang aming hypothesis, nagsagawa kami ng isang serye ng mga pag-aaral sa materyal at biochemical. Pagkatapos ng pagsubok, ang mga nanoflakes ay unti-unting na-oxidize at nabulok sa mga produktong NbO at Nb2O5, na hindi nagdulot ng banta sa mga berdeng microalgae. Gamit ang obserbasyon ng FTIR, wala kaming nakitang makabuluhang pagbabago sa kemikal na komposisyon ng mga microalgae na in-incubate sa presensya ng 2D Nb-MXene nanoflakes. Isinasaalang-alang ang posibilidad ng pagsipsip ng niobium oxide ng microalgae, nagsagawa kami ng X-ray fluorescence analysis. Malinaw na ipinapakita ng mga resultang ito na ang pinag-aralang microalgae ay kumakain ng mga niobium oxide (NbO at Nb2O5), na hindi nakakalason sa pinag-aralang microalgae.