Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümünün CSS desteği sınırlıdır. En iyi deneyim için, güncel bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz. Bu süre zarfında, desteğin devamını sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan görüntüleyeceğiz.
Aynı anda üç slayttan oluşan bir slayt gösterisi sunar. Önceki ve Sonraki düğmelerini kullanarak üç slayt arasında geçiş yapabilir veya sondaki kaydırma düğmelerini kullanarak üç slayt arasında geçiş yapabilirsiniz.
Nanoteknolojinin hızlı gelişimi ve günlük uygulamalara entegrasyonu çevreyi tehdit edebilir. Organik kirleticilerin bozunması için yeşil yöntemler iyi bilinirken, inorganik kristal kirleticilerin geri kazanımı, biyotransformasyona karşı düşük duyarlılıkları ve biyolojik etkileşimlerle malzeme yüzey etkileşimlerinin anlaşılmaması nedeniyle büyük bir endişe kaynağıdır. Burada, yeşil mikroalg Raphidocelis subcapitata tarafından 2D seramik nanomalzemelerin biyoremediasyon mekanizmasını izlemek için basit bir şekil parametresi analiz yöntemiyle birleştirilmiş Nb bazlı inorganik 2D MXene modeli kullanıyoruz. Mikroalglerin, yüzeyle ilgili fizikokimyasal etkileşimler nedeniyle Nb bazlı MXeneleri bozduğunu bulduk. Başlangıçta, tek katmanlı ve çok katmanlı MXene nanoflakları mikroalglerin yüzeyine yapıştı ve bu da alglerin büyümesini bir miktar azalttı. Bununla birlikte, yüzeyle uzun süreli etkileşimde, mikroalgler MXene nanoflaklarını oksitledi ve daha sonra NbO ve Nb2O5'e ayrıştırdı. Bu oksitler mikroalg hücreleri için toksik olmadığından, Nb oksit nanopartiküllerini bir emilim mekanizmasıyla tüketirler ve bu da 72 saatlik su arıtımından sonra mikroalglerin eski haline dönmesini sağlar. Emilimle ilişkili besin maddelerinin etkileri, hücre hacmindeki artışa, düzgün şekillerine ve büyüme hızındaki değişime de yansır. Bu bulgulara dayanarak, Nb bazlı MXenlerin tatlı su ekosistemlerinde kısa ve uzun vadeli varlığının yalnızca küçük çevresel etkilere neden olabileceği sonucuna varıyoruz. İki boyutlu nanomalzemeleri model sistemler olarak kullanarak, ince taneli malzemelerde bile şekil dönüşümünü izleme olasılığını gösterdiğimizi belirtmekte fayda var. Genel olarak, bu çalışma, 2D nanomalzemelerin biyoremediasyon mekanizmasını yönlendiren yüzey etkileşimiyle ilgili süreçler hakkında önemli bir temel soruyu yanıtlıyor ve inorganik kristal nanomalzemelerin çevresel etkisine ilişkin daha kısa ve uzun vadeli çalışmalar için bir temel sağlıyor.
Nanomalzemeler keşfedildiklerinden beri büyük ilgi uyandırmış ve çeşitli nanoteknolojiler son zamanlarda modernizasyon aşamasına girmiştir¹. Ne yazık ki, nanomalzemelerin günlük uygulamalara entegrasyonu, uygunsuz bertaraf, dikkatsiz kullanım veya yetersiz güvenlik altyapısı nedeniyle kazara salınımlara yol açabilir. Bu nedenle, iki boyutlu (2D) nanomalzemeler de dahil olmak üzere nanomalzemelerin, davranışları ve biyolojik aktiviteleri henüz tam olarak anlaşılmamış olan doğal ortama salınabileceği varsayımı mantıklıdır. Bu nedenle, ekotoksiklik endişelerinin 2D nanomalzemelerin su sistemlerine sızma yeteneğine odaklanması şaşırtıcı değildir²⁻⁶. Bu ekosistemlerde, bazı 2D nanomalzemeler, mikroalgler de dahil olmak üzere farklı trofik seviyelerdeki çeşitli organizmalarla etkileşime girebilir.
Mikroalgler, tatlı su ve deniz ekosistemlerinde doğal olarak bulunan ve fotosentez yoluyla çeşitli kimyasal ürünler üreten ilkel organizmalardır.7 Bu nedenle, su ekosistemleri için kritik öneme sahiptirler8,9,10,11,12 ancak aynı zamanda ekotoksiklik için hassas, ucuz ve yaygın olarak kullanılan göstergelerdir13,14. Mikroalg hücreleri hızla çoğaldığı ve çeşitli bileşiklerin varlığına hızla yanıt verdiği için, organik maddelerle kirlenmiş suyun arıtılması için çevre dostu yöntemlerin geliştirilmesi açısından umut vaat etmektedirler15,16.
Alg hücreleri, biyosorpsiyon ve birikim yoluyla sudan inorganik iyonları uzaklaştırabilir17,18. Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue ve Synechococcus sp. gibi bazı alg türlerinin Fe2+, Cu2+, Zn2+ ve Mn2+ gibi toksik metal iyonlarını taşıdığı ve hatta beslediği bulunmuştur19. Diğer çalışmalar, Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ veya Pb2+ iyonlarının hücre morfolojisini değiştirerek ve kloroplastlarını yok ederek Scenedesmus'un büyümesini sınırladığını göstermiştir20,21.
Organik kirleticilerin parçalanması ve ağır metal iyonlarının giderilmesi için yeşil yöntemler, dünyanın dört bir yanındaki bilim insanlarının ve mühendislerin dikkatini çekmiştir. Bunun başlıca nedeni, bu kirleticilerin sıvı fazda kolayca işlenebilmesidir. Bununla birlikte, inorganik kristal kirleticiler düşük su çözünürlüğü ve çeşitli biyotransformasyonlara karşı düşük duyarlılık ile karakterize edilir, bu da iyileştirmede büyük zorluklara neden olur ve bu alanda çok az ilerleme kaydedilmiştir22,23,24,25,26. Bu nedenle, nanomalzemelerin onarımı için çevre dostu çözümler arayışı karmaşık ve keşfedilmemiş bir alan olmaya devam etmektedir. 2D nanomalzemelerin biyotransformasyon etkileriyle ilgili yüksek derecede belirsizlik nedeniyle, indirgeme sırasında olası bozunma yollarını bulmanın kolay bir yolu yoktur.
Bu çalışmada, inorganik seramik malzemeler için aktif bir sulu biyoremediasyon ajanı olarak yeşil mikroalgler kullanıldı ve inorganik seramik malzemelerin bir temsilcisi olarak MXene'nin bozunma sürecinin yerinde izlenmesiyle birleştirildi. "MXene" terimi, Mn+1XnTx malzemesinin stokiyometrisini yansıtır; burada M erken geçiş metalidir, X karbon ve/veya azottur, Tx bir yüzey sonlandırıcıdır (örneğin, -OH, -F, -Cl) ve n = 1, 2, 3 veya 4'tür. 27,28. MXene'lerin Naguib ve arkadaşları tarafından keşfedilmesinden bu yana, sensörler, kanser tedavisi ve membran filtrasyonu alanlarında kullanılmaktadır. 27,29,30 Ayrıca, MXene'ler mükemmel koloidal kararlılıkları ve olası biyolojik etkileşimleri nedeniyle model 2D sistemler olarak kabul edilebilir.31,32,33,34,35,36
Bu nedenle, bu makalede geliştirilen metodoloji ve araştırma hipotezlerimiz Şekil 1'de gösterilmiştir. Bu hipoteze göre, mikroalgler yüzeyle ilgili fizikokimyasal etkileşimler nedeniyle Nb bazlı MXenleri toksik olmayan bileşiklere dönüştürür ve bu da alglerin daha fazla iyileşmesine olanak tanır. Bu hipotezi test etmek için, erken niyobyum bazlı geçiş metal karbürleri ve/veya nitrürleri (MXenler) ailesinin iki üyesi, yani Nb2CTx ve Nb4C3TX seçilmiştir.
Yeşil mikroalg Raphidocelis subcapitata tarafından MXene geri kazanımı için araştırma metodolojisi ve kanıta dayalı hipotezler. Lütfen bunun sadece kanıta dayalı varsayımların şematik bir gösterimi olduğunu unutmayın. Göl ortamı, kullanılan besin ortamı ve koşullar (örneğin, günlük döngü ve mevcut temel besin maddelerindeki sınırlamalar) açısından farklılık gösterir. BioRender.com ile oluşturulmuştur.
Bu nedenle, MXene'i model sistem olarak kullanarak, diğer geleneksel nanomalzemelerle gözlemlenemeyen çeşitli biyolojik etkilerin incelenmesinin önünü açtık. Özellikle, niyobyum bazlı MXene'ler gibi iki boyutlu nanomalzemelerin, Raphidocelis subcapitata mikroalgleri tarafından biyolojik olarak iyileştirilme olasılığını gösteriyoruz. Mikroalgler, Nb-MXene'leri toksik olmayan oksitler olan NbO ve Nb2O5'e dönüştürebilir ve bu oksitler aynı zamanda niyobyum alım mekanizması yoluyla besin sağlar. Genel olarak, bu çalışma, iki boyutlu nanomalzemelerin biyolojik iyileştirme mekanizmalarını yöneten yüzey fiziko-kimyasal etkileşimlerle ilişkili süreçler hakkında önemli bir temel soruyu yanıtlamaktadır. Ayrıca, 2D nanomalzemelerin şeklindeki ince değişiklikleri izlemek için basit bir şekil parametresi tabanlı yöntem geliştiriyoruz. Bu, inorganik kristal nanomalzemelerin çeşitli çevresel etkileri üzerine daha fazla kısa ve uzun vadeli araştırmaya ilham vermektedir. Dolayısıyla, çalışmamız malzeme yüzeyi ile biyolojik malzeme arasındaki etkileşime dair anlayışı artırmaktadır. Ayrıca, tatlı su ekosistemleri üzerindeki olası etkilerine ilişkin genişletilmiş kısa ve uzun vadeli çalışmalar için de temel oluşturmakta ve bu etkilerin artık kolayca doğrulanabilmesini sağlamaktadır.
MXenler, benzersiz ve çekici fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip, dolayısıyla birçok potansiyel uygulamaya sahip ilginç bir malzeme sınıfını temsil eder. Bu özellikler büyük ölçüde stokiyometrilerine ve yüzey kimyalarına bağlıdır. Bu nedenle, çalışmamızda, bu nanomalzemelerin farklı biyolojik etkilerinin gözlemlenebileceği için, iki tip Nb bazlı hiyerarşik tek katmanlı (SL) MXen olan Nb2CTx ve Nb4C3TX'i inceledik. MXenler, başlangıç ​​malzemelerinden, atomik olarak ince MAX fazı A katmanlarının yukarıdan aşağıya seçici aşındırılmasıyla üretilir. MAX fazı, MnAXn-1 stokiyometrisine sahip, geçiş metal karbürlerinin "bağlı" bloklarından ve Al, Si ve Sn gibi "A" elementlerinin ince katmanlarından oluşan üçlü bir seramiktir. Başlangıçtaki MAX fazının morfolojisi taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile gözlemlendi ve önceki çalışmalarla tutarlıydı (Ek Bilgiler, SI, Şekil S1'e bakınız). Çok katmanlı (ML) Nb-MXene, %48 HF (hidroflorik asit) ile Al katmanının uzaklaştırılmasından sonra elde edildi. ML-Nb2CTx ve ML-Nb4C3TX'in morfolojisi taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelendi (sırasıyla Şekil S1c ve S1d) ve uzun gözenek benzeri yarıklar arasından geçen iki boyutlu nanoliflere benzer tipik bir katmanlı MXene morfolojisi gözlemlendi. Her iki Nb-MXene de daha önce asit aşındırma ile sentezlenen MXene fazlarıyla birçok ortak özelliğe sahiptir27,38. MXene'nin yapısını doğruladıktan sonra, tetrabutilamonyum hidroksit (TBAOH) ara katmanlaması, ardından yıkama ve sonikasyon ile katmanlandırdık ve tek katmanlı veya düşük katmanlı (SL) 2D Nb-MXene nanolifleri elde ettik.
Aşındırma ve daha fazla soyulmanın verimliliğini test etmek için yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu (HRTEM) ve X-ışını kırınımı (XRD) kullandık. Ters Hızlı Fourier Dönüşümü (IFFT) ve Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) kullanılarak işlenmiş HRTEM sonuçları Şekil 2'de gösterilmiştir. Nb-MXene nanoflakları, atomik katmanın yapısını kontrol etmek ve düzlemler arası mesafeleri ölçmek için kenarları yukarı bakacak şekilde yönlendirilmiştir. MXene Nb2CTx ve Nb4C3TX nanoflaklarının HRTEM görüntüleri, daha önce Naguib vd.27 ve Jastrzębska vd.38 tarafından bildirildiği gibi, atomik olarak ince katmanlı yapılarını ortaya koymuştur (bkz. Şekil 2a1, a2). İki bitişik Nb2CTx ve Nb4C3Tx tek katmanı için, sırasıyla 0,74 ve 1,54 nm'lik katmanlar arası mesafeler belirledik (Şekil 2b1, b2), bu da önceki sonuçlarımızla38 örtüşmektedir. Bu durum, Nb2CTx ve Nb4C3Tx tek katmanları arasındaki mesafeyi gösteren ters hızlı Fourier dönüşümü (Şekil 2c1, c2) ve hızlı Fourier dönüşümü (Şekil 2d1, d2) ile daha da doğrulandı. Görüntü, niyobyum ve karbon atomlarına karşılık gelen açık ve koyu bantların dönüşümlü olarak görülmesini göstererek incelenen MXenlerin katmanlı yapısını doğrulamaktadır. Nb2CTx ve Nb4C3Tx için elde edilen enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX) spektrumlarının (Şekil S2a ve S2b), Al pikinin tespit edilmemesi nedeniyle orijinal MAX fazının kalıntısını göstermediğini belirtmek önemlidir.
SL Nb2CTx ve Nb4C3Tx MXene nanoflakelerinin karakterizasyonu, (a) yüksek çözünürlüklü elektron mikroskobu (HRTEM) yandan görünüm 2B nanoflake görüntülemesi ve buna karşılık gelen, (b) yoğunluk modu, (c) ters hızlı Fourier dönüşümü (IFFT), (d) hızlı Fourier dönüşümü (FFT), (e) Nb-MXene X-ışını desenleri dahil. SL 2B Nb2CTx için sayılar (a1, b1, c1, d1, e1) olarak ifade edilir. SL 2B Nb4C3Tx için sayılar (a2, b2, c2, d2, e1) olarak ifade edilir.
SL Nb2CTx ve Nb4C3Tx MXenlerinin X-ışını kırınımı ölçümleri sırasıyla Şekil 2e1 ve e2'de gösterilmiştir. 4,31 ve 4,32'deki (002) pikleri, daha önce tanımlanan katmanlı MXenler Nb2CTx ve Nb4C3TX38,39,40,41'e karşılık gelmektedir. XRD sonuçları ayrıca bazı kalıntı ML yapılarının ve MAX fazlarının varlığını da göstermektedir, ancak çoğunlukla SL Nb4C3Tx ile ilişkili XRD desenleri görülmektedir (Şekil 2e2). MAX fazının daha küçük parçacıklarının varlığı, rastgele istiflenmiş Nb4C3Tx katmanlarına kıyasla daha güçlü MAX pikini açıklayabilir.
Daha sonraki araştırmalar, R. subcapitata türüne ait yeşil mikroalgler üzerinde yoğunlaşmıştır. Mikroalgleri seçmemizin nedeni, önemli besin ağlarında yer alan önemli üreticiler olmalarıdır42. Ayrıca, besin zincirinin daha yüksek seviyelerine taşınan toksik maddeleri uzaklaştırma yetenekleri nedeniyle toksisitenin en iyi göstergelerinden biridirler43. Ek olarak, R. subcapitata üzerindeki araştırmalar, SL Nb-MXenlerin yaygın tatlı su mikroorganizmalarına olan tesadüfi toksisitesine ışık tutabilir. Bunu göstermek için araştırmacılar, her mikrobun çevrede bulunan toksik bileşiklere farklı bir duyarlılığa sahip olduğunu varsaymıştır. Çoğu organizma için, düşük konsantrasyonlardaki maddeler büyümelerini etkilemezken, belirli bir sınırın üzerindeki konsantrasyonlar onları engelleyebilir veya hatta ölüme neden olabilir. Bu nedenle, mikroalgler ve MXenler arasındaki yüzey etkileşimi ve ilgili iyileşme çalışmalarımız için, Nb-MXenlerin zararsız ve toksik konsantrasyonlarını test etmeye karar verdik. Bunu yapmak için, 0 (referans olarak), 0,01, 0,1 ve 10 mg l-1 MXene konsantrasyonlarını test ettik ve ayrıca mikroalgleri çok yüksek konsantrasyonlarda MXene (100 mg l-1 MXene) ile enfekte ettik; bu konsantrasyonlar herhangi bir biyolojik ortam için aşırı ve ölümcül olabilir.
SL Nb-MXenlerin mikroalgler üzerindeki etkileri, 0 mg l-1 numuneler için ölçülen büyüme artışı (+) veya inhibisyon (-) yüzdesi olarak Şekil 3'te gösterilmiştir. Karşılaştırma amacıyla, Nb-MAX fazı ve ML Nb-MXenler de test edilmiş ve sonuçlar Ek Bilgilerde (bkz. Şekil S3) gösterilmiştir. Elde edilen sonuçlar, Şekil 3a,b'de gösterildiği gibi, SL Nb-MXenlerin 0,01 ila 10 mg/l arasındaki düşük konsantrasyon aralığında neredeyse tamamen toksik olmadığını doğrulamıştır. Nb2CTx durumunda, belirtilen aralıkta %5'ten fazla ekotoksik etki gözlemlenmemiştir.
SL (a) Nb2CTx ve (b) Nb4C3TX MXene varlığında mikroalg büyümesinin uyarılması (+) veya inhibisyonu (-). MXene-mikroalg etkileşiminin 24, 48 ve 72 saatlik süreleri analiz edildi. Anlamlı veriler (t-testi, p < 0,05) yıldız işareti (*) ile gösterilmiştir. Anlamlı veriler (t-testi, p < 0,05) yıldız işareti (*) ile gösterilmiştir. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Anlamlı veriler (t-testi, p < 0,05) yıldız işareti (*) ile gösterilmiştir.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-testi, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Önemli veriler (t-testi, p < 0,05) yıldız işareti (*) ile belirtilmiştir.Kırmızı oklar, engelleyici uyarımın ortadan kalktığını göstermektedir.
Öte yandan, düşük konsantrasyonlardaki Nb4C3TX'in biraz daha toksik olduğu, ancak %7'den yüksek olmadığı ortaya çıktı. Beklendiği gibi, MXenlerin 100 mg L-1'de daha yüksek toksisiteye ve mikroalg büyümesini engellemeye sahip olduğunu gözlemledik. İlginç bir şekilde, malzemelerin hiçbiri MAX veya ML örneklerine kıyasla aynı eğilim ve zamana bağlı toksik/toksik olmayan etkileri göstermedi (ayrıntılar için Ek Bilgilere bakınız). MAX fazı için (bkz. Şekil S3) toksisite yaklaşık %15-25'e ulaştı ve zamanla arttı, ancak SL Nb2CTx ve Nb4C3TX MXene için ters eğilim gözlemlendi. Mikroalg büyümesinin engellenmesi zamanla azaldı. 24 saat sonra yaklaşık %17'ye ulaştı ve 72 saat sonra %5'in altına düştü (sırasıyla Şekil 3a, b).
Daha da önemlisi, SL Nb4C3TX için mikroalg büyümesinin engellenmesi 24 saat sonra yaklaşık %27'ye ulaşırken, 72 saat sonra yaklaşık %1'e düştü. Bu nedenle, gözlemlenen etkiyi uyarımın ters inhibisyonu olarak adlandırdık ve bu etki SL Nb4C3TX MXene için daha güçlüydü. Mikroalg büyümesinin uyarılması, SL Nb2CTx MXene ile karşılaştırıldığında Nb4C3TX ile daha erken fark edildi (24 saat boyunca 10 mg L-1'de etkileşim). İnhibisyon-uyarıcı ters etki, biyokütle ikiye katlanma hızı eğrisinde de açıkça gösterilmiştir (ayrıntılar için Şekil S4'e bakınız). Şimdiye kadar, sadece Ti3C2TX MXene'nin ekotoksikliği farklı şekillerde incelenmiştir. Zebra balığı embriyoları için toksik değildir44, ancak Desmodesmus quadricauda mikroalgleri ve Sorghum saccharatum bitkileri için orta derecede ekotoksiktir45. Diğer spesifik etkilere örnek olarak, kanser hücre hatlarına normal hücre hatlarına göre daha yüksek toksisite gösterilebilir46,47. Test koşullarının, Nb-MXenlerin varlığında gözlemlenen mikroalg büyümesindeki değişiklikleri etkileyeceği varsayılabilir. Örneğin, kloroplast stromasında yaklaşık 8 pH değeri, RuBisCO enziminin verimli çalışması için en uygun değerdir. Bu nedenle, pH değişiklikleri fotosentez hızını olumsuz etkiler48,49. Bununla birlikte, deney sırasında pH'da önemli değişiklikler gözlemlemedik (ayrıntılar için Ek Bilgiler, Şekil S5'e bakınız). Genel olarak, Nb-MXen içeren mikroalg kültürleri, zamanla çözeltinin pH'ını hafifçe düşürdü. Ancak bu düşüş, saf bir ortamın pH'ındaki değişime benzerdi. Ayrıca, bulunan varyasyon aralığı, saf bir mikroalg kültürü (kontrol örneği) için ölçülenle benzerdi. Bu nedenle, fotosentezin zamanla pH değişikliklerinden etkilenmediği sonucuna varıyoruz.
Ek olarak, sentezlenen MXenlerin yüzey uçları (Tx olarak gösterilir) vardır. Bunlar esas olarak -O, -F ve -OH fonksiyonel gruplarıdır. Bununla birlikte, yüzey kimyası doğrudan sentez yöntemiyle ilişkilidir. Bu grupların yüzey üzerinde rastgele dağıldığı bilinmektedir, bu da MXene50'nin özelliklerine olan etkilerini tahmin etmeyi zorlaştırmaktadır. Tx'in, niyobyumun ışıkla oksidasyonu için katalitik kuvvet olabileceği ileri sürülebilir. Yüzey fonksiyonel grupları, altta yatan fotokatalizörlerin heterojunction oluşturması için birden fazla tutunma noktası sağlar51. Bununla birlikte, büyüme ortamı bileşimi etkili bir fotokatalizör sağlamamıştır (ayrıntılı ortam bileşimi Ek Tablo S6'da bulunabilir). Ayrıca, herhangi bir yüzey modifikasyonu da çok önemlidir, çünkü MXenlerin biyolojik aktivitesi, katman sonrası işleme, oksidasyon, organik ve inorganik bileşiklerin kimyasal yüzey modifikasyonu52,53,54,55,56 veya yüzey yükü mühendisliği38 nedeniyle değiştirilebilir. Bu nedenle, niyobyum oksidin ortamdaki malzeme kararsızlığıyla bir ilgisi olup olmadığını test etmek için, mikroalg büyüme ortamında ve deiyonize suda (karşılaştırma için) zeta (ζ) potansiyeli çalışmaları yürüttük. Sonuçlarımız, SL Nb-MXenlerin oldukça kararlı olduğunu göstermektedir (MAX ve ML sonuçları için Ek Bilgilerdeki Şekil S6'ya bakınız). SL MXenlerin zeta potansiyeli yaklaşık -10 mV'dir. SR Nb2CTx durumunda, ζ değeri Nb4C3Tx'inkinden biraz daha negatiftir. ζ değerindeki bu değişiklik, negatif yüklü MXene nanoflaklarının yüzeyinin kültür ortamından pozitif yüklü iyonları absorbe ettiğini gösterebilir. Kültür ortamındaki Nb-MXenlerin zeta potansiyeli ve iletkenliğinin zamansal ölçümleri (daha fazla ayrıntı için Ek Bilgilerdeki Şekil S7 ve S8'e bakınız) hipotezimizi destekler gibi görünmektedir.
Ancak, her iki Nb-MXene SL de sıfırdan minimal değişiklikler gösterdi. Bu, mikroalg büyüme ortamında kararlılıklarını açıkça göstermektedir. Ek olarak, yeşil mikroalglerimizin varlığının Nb-MXene'lerin ortamdaki kararlılığını etkileyip etkilemeyeceğini değerlendirdik. Besin ortamında mikroalglerle etkileşimden ve zaman içinde kültürden sonra MXene'lerin zeta potansiyeli ve iletkenlik sonuçları Ek Bilgilerde (Şekil S9 ve S10) bulunabilir. İlginç bir şekilde, mikroalglerin varlığının her iki MXene'nin dağılımını stabilize ettiğini fark ettik. Nb2CTx SL durumunda, zeta potansiyeli zamanla daha negatif değerlere doğru hafifçe azaldı (-15,8'e karşı -19,1 mV, 72 saatlik inkübasyondan sonra). SL Nb4C3TX'in zeta potansiyeli hafifçe arttı, ancak 72 saat sonra bile mikroalglerin bulunmadığı nanoflake'lerden daha yüksek kararlılık gösterdi (-18,1'e karşı -9,1 mV).
Ayrıca, mikroalglerin varlığında inkübe edilen Nb-MXene çözeltilerinin daha düşük iletkenliğe sahip olduğunu bulduk; bu da besin ortamında daha az iyon bulunduğunu gösteriyor. Özellikle, MXenlerin suda kararsızlığı esas olarak yüzey oksidasyonundan kaynaklanmaktadır57. Bu nedenle, yeşil mikroalglerin bir şekilde Nb-MXene yüzeyinde oluşan oksitleri temizlediğini ve hatta bunların oluşumunu (MXene oksidasyonunu) engellediğini düşünüyoruz. Bu, mikroalgler tarafından emilen madde türlerini inceleyerek görülebilir.
Ekotoksikolojik çalışmalarımız, mikroalglerin zamanla Nb-MXenlerin toksisitesinin üstesinden gelebildiğini ve uyarılmış büyümenin alışılmadık şekilde engellendiğini gösterirken, çalışmamızın amacı olası etki mekanizmalarını araştırmaktı. Algler gibi organizmalar, ekosistemlerine yabancı bileşiklere veya maddelere maruz kaldıklarında çeşitli şekillerde tepki verebilirler58,59. Toksik metal oksitlerin yokluğunda, mikroalgler kendilerini besleyebilir ve sürekli olarak büyüyebilirler60. Toksik maddelerin yutulmasından sonra, şekil veya form değiştirme gibi savunma mekanizmaları aktive edilebilir. Emilim olasılığı da dikkate alınmalıdır58,59. Özellikle, herhangi bir savunma mekanizması belirtisi, test edilen bileşiğin toksisitesinin açık bir göstergesidir. Bu nedenle, sonraki çalışmalarımızda, SEM ile SL Nb-MXene nanoflakeleri ile mikroalgler arasındaki potansiyel yüzey etkileşimini ve X-ışını floresans spektroskopisi (XRF) ile Nb bazlı MXene'nin olası emilimini araştırdık. SEM ve XRF analizlerinin, aktivite toksisitesi sorunlarını ele almak amacıyla yalnızca en yüksek MXene konsantrasyonunda gerçekleştirildiğini lütfen unutmayın.
SEM sonuçları Şekil 4'te gösterilmiştir. İşlem görmemiş mikroalg hücreleri (bkz. Şekil 4a, referans örnek) tipik R. subcapitata morfolojisini ve kruvasan benzeri hücre şeklini açıkça göstermiştir. Hücreler yassılaşmış ve biraz düzensiz görünmektedir. Bazı mikroalg hücreleri üst üste binmiş ve birbirine dolanmıştır, ancak bu muhtemelen örnek hazırlama işleminden kaynaklanmıştır. Genel olarak, saf mikroalg hücreleri pürüzsüz bir yüzeye sahipti ve herhangi bir morfolojik değişiklik göstermedi.
Aşırı konsantrasyonda (100 mg L-1) 72 saatlik etkileşimden sonra yeşil mikroalgler ve MXene nano tabakaları arasındaki yüzey etkileşimini gösteren SEM görüntüleri. (a) SL ile etkileşimden sonra işlenmemiş yeşil mikroalgler (b) Nb2CTx ve (c) Nb4C3TX MXene'ler. Nb-MXene nano tabakalarının kırmızı oklarla işaretlendiğine dikkat edin. Karşılaştırma için optik mikroskoptan fotoğraflar da eklenmiştir.
Buna karşılık, SL Nb-MXene nanoflakları tarafından adsorbe edilen mikroalg hücreleri hasar görmüştür (bkz. Şekil 4b, c, kırmızı oklar). Nb2CTx MXene durumunda (Şekil 4b), mikroalgler, morfolojilerini değiştirebilen, iki boyutlu nanoskalaya bağlı olarak büyümeye eğilimlidir. Özellikle, bu değişiklikleri ışık mikroskobu altında da gözlemledik (ayrıntılar için Ek Şekil S11'e bakınız). Bu morfolojik geçişin, mikroalglerin fizyolojisinde ve hücre hacmini artırmak gibi hücre morfolojisini değiştirerek kendilerini savunma yeteneklerinde makul bir temeli vardır61. Bu nedenle, Nb-MXene'lerle gerçekten temas halinde olan mikroalg hücrelerinin sayısını kontrol etmek önemlidir. SEM çalışmaları, mikroalg hücrelerinin yaklaşık %52'sinin Nb-MXene'lere maruz kaldığını, bu mikroalg hücrelerinin %48'inin ise temastan kaçındığını göstermiştir. SL Nb4C3Tx MXene için, mikroalgler MXene ile temastan kaçınmaya çalışarak iki boyutlu nano ölçeklerde lokalize olur ve büyür (Şekil 4c). Bununla birlikte, nano ölçeklerin mikroalg hücrelerine nüfuz ettiğini ve onlara zarar verdiğini gözlemlemedik.
Kendini koruma, hücre yüzeyindeki parçacıkların adsorpsiyonu ve sözde gölgeleme etkisi62 nedeniyle fotosentezin engellenmesine karşı zamana bağlı bir tepki davranışıdır. Mikroalgler ile ışık kaynağı arasında bulunan her bir nesnenin (örneğin, Nb-MXene nanoflakları) kloroplastlar tarafından emilen ışık miktarını sınırladığı açıktır. Bununla birlikte, bunun elde edilen sonuçlar üzerinde önemli bir etkisi olduğundan şüphemiz yoktur. Mikroskobik gözlemlerimizin gösterdiği gibi, 2D nanoflakları, mikroalg hücreleri Nb-MXenlerle temas halindeyken bile, mikroalglerin yüzeyine tamamen sarılmamış veya yapışmamıştır. Bunun yerine, nanoflakları mikroalg hücrelerine doğru yönlenmiş ancak yüzeylerini örtmemiştir. Bu tür bir nanoflak/mikroalg seti, mikroalg hücreleri tarafından emilen ışık miktarını önemli ölçüde sınırlayamaz. Dahası, bazı çalışmalar, iki boyutlu nanomalzemelerin varlığında fotosentetik organizmalar tarafından ışık emiliminde bir iyileşme olduğunu bile göstermiştir63,64,65,66.
SEM görüntüleri mikroalg hücreleri tarafından niyobyum alımını doğrudan doğrulayamadığı için, bu konuyu açıklığa kavuşturmak amacıyla daha sonraki çalışmamızda X-ışını floresans (XRF) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) analizine başvurduk. Bu nedenle, MXenlerle etkileşime girmeyen referans mikroalg örneklerinin, mikroalg hücrelerinin yüzeyinden ayrılan MXen nanoparçacıklarının ve yapışık MXenlerin uzaklaştırılmasından sonraki mikroalg hücrelerinin Nb piklerinin yoğunluğunu karşılaştırdık. Nb alımı gerçekleşmezse, yapışık nanoparçacıkların uzaklaştırılmasından sonra mikroalg hücreleri tarafından elde edilen Nb değerinin sıfır olması gerektiğini belirtmekte fayda var. Bu nedenle, Nb alımı gerçekleşirse, hem XRF hem de XPS sonuçlarında net bir Nb piki görülmelidir.
XRF spektrumları söz konusu olduğunda, mikroalg örnekleri, SL Nb2CTx ve Nb4C3Tx MXene ile etkileşimden sonra SL Nb2CTx ve Nb4C3Tx MXene için Nb pikleri gösterdi (bkz. Şekil 5a, ayrıca MAX ve ML MXene'ler için sonuçların Ek Bilgilerde, Şekil S12–C17'de gösterildiğini unutmayın). İlginç bir şekilde, Nb pikinin yoğunluğu her iki durumda da aynıdır (Şekil 5a'daki kırmızı çubuklar). Bu, alglerin daha fazla Nb absorbe edemediğini ve hücrelerde Nb birikimi için maksimum kapasiteye ulaşıldığını gösterdi, ancak mikroalg hücrelerine iki kat daha fazla Nb4C3Tx MXene bağlandı (Şekil 5a'daki mavi çubuklar). Özellikle, mikroalglerin metalleri absorbe etme yeteneği, ortamdaki metal oksitlerin konsantrasyonuna bağlıdır67,68. Shamshada vd.67, tatlı su alglerinin absorbe etme kapasitesinin pH artışıyla azaldığını bulmuştur. Raize ve diğerleri68, deniz yosununun metalleri absorbe etme yeteneğinin Pb2+ için Ni2+'ye göre yaklaşık %25 daha yüksek olduğunu belirtmiştir.
(a) 72 saat boyunca aşırı konsantrasyonda SL Nb-MXene (100 mg L-1) ile inkübe edilen yeşil mikroalg hücreleri tarafından bazal Nb alımının XRF sonuçları. Sonuçlar, saf mikroalg hücrelerinde (kontrol örneği, gri sütunlar), yüzey mikroalg hücrelerinden izole edilen 2D nanoliflerde (mavi sütunlar) ve 2D nanoliflerin yüzeyden ayrılmasından sonraki mikroalg hücrelerinde (kırmızı sütunlar) α varlığını göstermektedir. Elementel Nb miktarı, (b) SL Nb-MXene ile inkübasyondan sonra mikroalg hücrelerinde bulunan mikroalg organik bileşenlerinin (C=O ve CHx/C–O) ve Nb oksitlerinin kimyasal bileşiminin yüzdesi, (c–e) XPS SL Nb2CTx spektrumlarının bileşimsel tepe noktasının uyumu ve (fh) mikroalg hücreleri tarafından içselleştirilen SL Nb4C3Tx MXene.
Bu nedenle, Nb'nin alg hücreleri tarafından oksitler şeklinde emilebileceğini bekledik. Bunu test etmek için, MXenler Nb2CTx ve Nb4C3TX ve alg hücreleri üzerinde XPS çalışmaları gerçekleştirdik. Mikroalglerin Nb-MXenler ve alg hücrelerinden izole edilen MXenlerle etkileşiminin sonuçları Şekil 5b'de gösterilmiştir. Beklendiği gibi, mikroalg yüzeyinden MXene çıkarıldıktan sonra mikroalg örneklerinde Nb 3d pikleri tespit ettik. C=O, CHx/CO ve Nb oksitlerinin kantitatif tayini, Nb2CTx SL (Şekil 5c–e) ve Nb4C3Tx SL (Şekil 5c–e) ile elde edilen Nb 3d, O 1s ve C 1s spektrumlarına dayanarak hesaplandı. (Şekil 5f–h) MXenler. Tablo S1-3, uyumdan kaynaklanan tepe parametrelerinin ve genel kimyanın ayrıntılarını göstermektedir. Nb2CTx SL ve Nb4C3Tx SL'nin (Şekil 5c, f) Nb 3d bölgelerinin bir Nb2O5 bileşenine karşılık geldiği dikkate değerdir. Burada, spektrumlarda MXene ile ilgili tepe noktaları bulamadık, bu da mikroalg hücrelerinin yalnızca Nb'nin oksit formunu absorbe ettiğini göstermektedir. Ek olarak, C 1s spektrumunu C–C, CHx/C–O, C=O ve –COOH bileşenleriyle yaklaşık olarak belirledik. CHx/C–O ve C=O tepe noktalarını mikroalg hücrelerinin organik katkısına atadık. Bu organik bileşenler, Nb2CTx SL ve Nb4C3TX SL'deki C 1s tepe noktalarının sırasıyla %36 ve %41'ini oluşturmaktadır. Daha sonra SL Nb2CTx ve SL Nb4C3TX'in O 1s spektrumlarını Nb2O5, mikroalglerin organik bileşenleri (CHx/CO) ve yüzeyde adsorbe edilmiş su ile eşleştirdik.
Son olarak, XPS sonuçları Nb'nin sadece varlığını değil, formunu da açıkça gösterdi. Nb 3d sinyalinin konumuna ve dekonvolüsyon sonuçlarına göre, Nb'nin sadece oksitler şeklinde emildiğini, iyonlar veya MXene'nin kendisi şeklinde emilmediğini doğruladık. Ek olarak, XPS sonuçları, mikroalg hücrelerinin SL Nb4C3TX MXene'ye kıyasla SL Nb2CTx'ten Nb oksitlerini alma yeteneğinin daha yüksek olduğunu gösterdi.
Nb alım sonuçlarımız etkileyici olup MXene bozunmasını belirlememize olanak sağlasa da, 2D nanoliflerdeki ilişkili morfolojik değişiklikleri izlemek için mevcut bir yöntem bulunmamaktadır. Bu nedenle, 2D Nb-MXene nanoliflerinde ve mikroalg hücrelerinde meydana gelen herhangi bir değişikliğe doğrudan yanıt verebilecek uygun bir yöntem geliştirmeye karar verdik. Etkileşim halindeki türlerin herhangi bir dönüşüm, ayrışma veya parçalanmaya uğraması durumunda, bunun eşdeğer dairesel alanın çapı, yuvarlaklık, Feret genişliği veya Feret uzunluğu gibi şekil parametrelerinde değişiklikler olarak hızla kendini göstermesi gerektiğini varsayıyoruz. Bu parametreler uzunlamasına parçacıkları veya iki boyutlu nanolifleri tanımlamak için uygun olduğundan, dinamik parçacık şekli analizi ile bunların izlenmesi, indirgeme sırasında SL Nb-MXene nanoliflerinin morfolojik dönüşümü hakkında bize değerli bilgiler verecektir.
Elde edilen sonuçlar Şekil 6'da gösterilmiştir. Karşılaştırma amacıyla, orijinal MAX fazını ve ML-MXene'leri de test ettik (bkz. Ek Şekiller S18 ve S19). Parçacık şeklinin dinamik analizi, iki Nb-MXene SL'nin tüm şekil parametrelerinin mikroalglerle etkileşimden sonra önemli ölçüde değiştiğini göstermiştir. Eşdeğer dairesel alan çapı parametresinin (Şekil 6a, b) gösterdiği gibi, büyük nanoliflerin fraksiyonunun azalan tepe yoğunluğu, bunların daha küçük parçalara ayrışma eğiliminde olduğunu göstermektedir. Şekil 6c, d'de, pulların enine boyutuyla ilişkili tepelerde bir azalma (nanoliflerin uzaması) gösterilmekte olup, bu da 2D nanoliflerin daha parçacık benzeri bir şekle dönüşümünü göstermektedir. Şekil 6e-h sırasıyla Feret'in genişliğini ve uzunluğunu göstermektedir. Feret genişliği ve uzunluğu tamamlayıcı parametrelerdir ve bu nedenle birlikte değerlendirilmelidir. 2D Nb-MXene nanoliflerinin mikroalglerin varlığında inkübasyonundan sonra, Feret korelasyon tepeleri kaymış ve yoğunlukları azalmıştır. Bu sonuçları morfoloji, XRF ve XPS ile birlikte değerlendirdiğimizde, gözlemlenen değişikliklerin oksidasyonla yakından ilişkili olduğu sonucuna vardık; çünkü oksitlenmiş MXenler daha fazla buruşuyor ve parçalara ve küresel oksit parçacıklarına ayrışıyor69,70.
Yeşil mikroalglerle etkileşimden sonra MXene dönüşümünün analizi. Dinamik parçacık şekli analizi, (a, b) eşdeğer dairesel alanın çapı, (c, d) yuvarlaklık, (e, f) Feret genişliği ve (g, h) Feret uzunluğu gibi parametreleri dikkate alır. Bu amaçla, iki referans mikroalg örneği, birincil SL Nb2CTx ve SL Nb4C3Tx MXene'ler, SL Nb2CTx ve SL Nb4C3Tx MXene'ler, bozunmuş mikroalgler ve işlenmiş mikroalg SL Nb2CTx ve SL Nb4C3Tx MXene'ler ile birlikte analiz edildi. Kırmızı oklar, incelenen iki boyutlu nanoliflerin şekil parametrelerindeki geçişleri göstermektedir.
Şekil parametre analizi oldukça güvenilir olduğundan, mikroalg hücrelerindeki morfolojik değişiklikleri de ortaya çıkarabilir. Bu nedenle, saf mikroalg hücrelerinin ve 2D Nb nanoflake'lerle etkileşimden sonraki hücrelerin eşdeğer dairesel alan çapını, yuvarlaklığını ve Feret genişliğini/uzunluğunu analiz ettik. Şekil 6a-h'de, tepe yoğunluğundaki azalma ve maksimum değerlerin daha yüksek değerlere doğru kaymasıyla kanıtlandığı gibi, alg hücrelerinin şekil parametrelerindeki değişiklikler gösterilmektedir. Özellikle, hücre yuvarlaklığı parametreleri, uzamış hücrelerde azalma ve küresel hücrelerde artış göstermiştir (Şekil 6a, b). Ek olarak, SL Nb2CTx MXene ile etkileşimden sonra Feret hücre genişliği, SL Nb4C3TX MXene'ye (Şekil 6f) kıyasla birkaç mikrometre artmıştır (Şekil 6e). Bunun, Nb2CTx SR ile etkileşim üzerine mikroalgler tarafından Nb oksitlerinin güçlü bir şekilde alınmasından kaynaklanabileceğini düşünüyoruz. Nb pullarının yüzeylerine daha az sıkı bir şekilde bağlanması, minimum gölgeleme etkisiyle hücre büyümesine yol açabilir.
Mikroalglerin şekil ve boyut parametrelerindeki değişikliklere ilişkin gözlemlerimiz, diğer çalışmalarla örtüşmektedir. Yeşil mikroalgler, hücre boyutu, şekli veya metabolizmasını değiştirerek çevresel strese yanıt olarak morfolojilerini değiştirebilirler61. Örneğin, hücre boyutunun değiştirilmesi besin emilimini kolaylaştırır71. Daha küçük alg hücreleri daha düşük besin alımı ve bozulmuş büyüme hızı gösterir. Tersine, daha büyük hücreler daha fazla besin tüketme eğilimindedir ve bu besinler daha sonra hücre içinde depolanır72,73. Machado ve Soares, fungisit triklosanın hücre boyutunu artırabileceğini bulmuşlardır. Ayrıca alglerin şeklinde önemli değişiklikler de tespit etmişlerdir74. Buna ek olarak, Yin ve ark.9 da indirgenmiş grafen oksit nanokompozitlerine maruz kaldıktan sonra alglerde morfolojik değişiklikler ortaya koymuştur. Bu nedenle, mikroalglerin değişen boyut/şekil parametrelerinin MXene'nin varlığından kaynaklandığı açıktır. Boyut ve şekildeki bu değişim besin alımındaki değişikliklerin göstergesi olduğundan, zaman içinde boyut ve şekil parametrelerinin analizinin, Nb-MXenlerin varlığında mikroalgler tarafından niyobyum oksit alımını gösterebileceğine inanıyoruz.
Dahası, MXenler alglerin varlığında oksitlenebilir. Dalai ve ark.75, nano-TiO2 ve Al2O376'ya maruz kalan yeşil alglerin morfolojisinin homojen olmadığını gözlemlemiştir. Gözlemlerimiz mevcut çalışmayla benzer olsa da, bu çalışma yalnızca 2D nanoflakelerin varlığında MXene bozunma ürünleri açısından biyoremediasyonun etkilerinin incelenmesiyle ilgilidir, nanopartiküllerle ilgili değildir. MXenler metal oksitlere bozunabildiğinden,31,32,77,78 Nb nanoflakelerimizin de mikroalg hücreleriyle etkileşime girdikten sonra Nb oksitleri oluşturabileceğini varsaymak mantıklıdır.
Oksidasyon sürecine dayalı bir bozunma mekanizması yoluyla 2D-Nb nanoflaklarının indirgenmesini açıklamak için, yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu (HRTEM) (Şekil 7a,b) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) (Şekil 7c-i ve Tablo S4-5) kullanarak çalışmalar yürüttük. Her iki yaklaşım da 2D malzemelerin oksidasyonunu incelemek için uygundur ve birbirini tamamlar. HRTEM, iki boyutlu katmanlı yapıların bozunmasını ve ardından metal oksit nanopartiküllerinin ortaya çıkmasını analiz edebilirken, XPS yüzey bağlarına duyarlıdır. Bu amaçla, mikroalg hücre dispersiyonlarından elde edilen 2D Nb-MXene nanoflaklarını, yani mikroalg hücreleriyle etkileşimden sonraki şekillerini test ettik (bkz. Şekil 7).
Oksitlenmiş (a) SL Nb2CTx ve (b) SL Nb4C3Tx MXenlerinin morfolojisini gösteren HRTEM görüntüleri, (c) indirgeme sonrası oksit ürünlerinin bileşimini gösteren XPS analiz sonuçları, (d–f) SL Nb2CTx ve (g– i) yeşil mikroalglerle onarılmış Nb4C3Tx SL'nin XPS spektrumlarının bileşenlerinin tepe noktası eşleşmesi.
HRTEM çalışmaları, iki tip Nb-MXene nanoflaklarının oksidasyonunu doğruladı. Nanoflaklar iki boyutlu morfolojilerini bir dereceye kadar korumuş olsalar da, oksidasyon, MXene nanoflaklarının yüzeyini kaplayan birçok nanopartikülün ortaya çıkmasına neden oldu (bkz. Şekil 7a,b). c Nb 3d ve O 1s sinyallerinin XPS analizi, her iki durumda da Nb oksitlerinin oluştuğunu gösterdi. Şekil 7c'de gösterildiği gibi, 2D MXene Nb2CTx ve Nb4C3TX, NbO ve Nb2O5 oksitlerinin varlığını gösteren Nb 3d sinyallerine sahipken, O 1s sinyalleri 2D nanoflak yüzeyinin fonksiyonelleştirilmesiyle ilişkili O–Nb bağlarının sayısını göstermektedir. Nb oksit katkısının Nb-C ve Nb3+-O'ya kıyasla baskın olduğunu fark ettik.
Şekil 7g–i'de, mikroalg hücrelerinden izole edilen Nb 3d, C 1s ve O 1s SL Nb2CTx (bkz. Şekil 7d–f) ve SL Nb4C3TX MXene'nin XPS spektrumları gösterilmektedir. Nb-MXene'lerin tepe parametrelerinin detayları sırasıyla Tablo S4–5'te verilmiştir. İlk olarak Nb 3d'nin bileşimini analiz ettik. Mikroalg hücreleri tarafından emilen Nb'nin aksine, mikroalg hücrelerinden izole edilen MXene'de, Nb2O5'in yanı sıra başka bileşenler de bulundu. Nb2CTx SL'de, %15 oranında Nb3+-O katkısı gözlemlenirken, Nb 3d spektrumunun geri kalanına Nb2O5 (%85) hakim oldu. Ek olarak, SL Nb4C3TX örneği Nb-C (%9) ve Nb2O5 (%91) bileşenlerini içermektedir. Burada Nb-C, Nb4C3Tx SR'deki metal karbürün iki iç atomik katmanından gelir. Daha sonra, içselleştirilmiş örneklerde yaptığımız gibi, C 1s spektrumlarını dört farklı bileşene eşleştirdik. Beklendiği gibi, C 1s spektrumu grafitik karbon tarafından domine edilir, bunu mikroalg hücrelerinden gelen organik parçacıkların (CHx/CO ve C=O) katkıları izler. Ek olarak, O 1s spektrumunda, mikroalg hücrelerinin organik formlarının, niyobyum oksidin ve adsorbe edilmiş suyun katkısını gözlemledik.
Ek olarak, Nb-MXenlerin parçalanmasının besin ortamında ve/veya mikroalg hücrelerinde reaktif oksijen türlerinin (ROS) varlığıyla ilişkili olup olmadığını araştırdık. Bu amaçla, kültür ortamındaki tekli oksijen (1O2) ve mikroalglerde antioksidan görevi gören bir tiyol olan hücre içi glutatyon seviyelerini değerlendirdik. Sonuçlar Ek Bilgilerde (Şekil S20 ve S21) gösterilmiştir. SL Nb2CTx ve Nb4C3TX MXenleri ile yapılan kültürler, azalmış miktarda 1O2 ile karakterize edildi (bkz. Şekil S20). SL Nb2CTx durumunda, MXene 1O2 yaklaşık %83 oranında azalmıştır. SL Nb4C3TX kullanan mikroalg kültürlerinde 1O2 daha da azalarak %73'e düşmüştür. İlginç bir şekilde, 1O2'deki değişiklikler, daha önce gözlemlenen inhibitör-uyarıcı etkiyle aynı eğilimi göstermiştir (bkz. Şekil 3). Parlak ışık altında inkübasyonun fotooksidasyonu değiştirebileceği ileri sürülebilir. Bununla birlikte, kontrol analizinin sonuçları, deney boyunca 1O2 seviyelerinin neredeyse sabit kaldığını göstermiştir (Şekil S22). Hücre içi ROS seviyelerinde de aynı düşüş eğilimini gözlemledik (bkz. Şekil S21). Başlangıçta, Nb2CTx ve Nb4C3Tx SL'lerinin varlığında kültürlenen mikroalg hücrelerindeki ROS seviyeleri, saf mikroalg kültürlerinde bulunan seviyeleri aşmıştır. Ancak, sonunda mikroalglerin her iki Nb-MXene'nin varlığına adapte olduğu görülmüştür; çünkü ROS seviyeleri, sırasıyla SL Nb2CTx ve Nb4C3TX ile aşılanmış saf mikroalg kültürlerinde ölçülen seviyelerin %85 ve %91'ine düşmüştür. Bu, mikroalglerin zamanla Nb-MXene'nin varlığında, sadece besin ortamında olduğundan daha rahat hissettiklerini gösterebilir.
Mikroalgler, çeşitli fotosentetik organizmalar grubudur. Fotosentez sırasında, atmosferik karbondioksiti (CO2) organik karbona dönüştürürler. Fotosentezin ürünleri glikoz ve oksijendir79. Oluşan oksijenin Nb-MXenlerin oksidasyonunda kritik bir rol oynadığından şüpheleniyoruz. Bunun olası bir açıklaması, Nb-MXene nanoflaklarının dışında ve içinde düşük ve yüksek kısmi oksijen basınçlarında farklı havalandırma parametresinin oluşmasıdır. Bu, farklı kısmi oksijen basınçlarına sahip alanların bulunduğu her yerde, en düşük seviyedeki alanın anot oluşturacağı anlamına gelir80, 81, 82. Burada, mikroalgler, fotosentetik özellikleri nedeniyle oksijen üreten MXene pullarının yüzeyinde farklı şekilde havalandırılmış hücrelerin oluşmasına katkıda bulunur. Sonuç olarak, biyokorozyon ürünleri (bu durumda niyobyum oksitler) oluşur. Bir diğer husus ise, mikroalglerin suya salınan organik asitler üretebilmesidir83,84. Bu nedenle, agresif bir ortam oluşur ve bu da Nb-MXenleri değiştirir. Ek olarak, mikroalgler karbondioksit emilimi nedeniyle ortamın pH'ını alkali hale getirebilir ve bu da korozyona neden olabilir79.
Daha da önemlisi, çalışmamızda kullanılan karanlık/aydınlık fotoperiyot, elde edilen sonuçları anlamak için kritik öneme sahiptir. Bu yön, Djemai-Zoghlache ve ark. 85 tarafından ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Kırmızı mikroalg Porphyridium purpureum'un neden olduğu biyokirlenme ile ilişkili biyokorozyonu göstermek için kasıtlı olarak 12/12 saatlik bir fotoperiyot kullanmışlardır. Fotoperiyodun, biyokorozyon olmadan potansiyelin evrimiyle ilişkili olduğunu ve 24:00 civarında sözde periyodik salınımlar olarak kendini gösterdiğini göstermişlerdir. Bu gözlemler, Dowling ve ark. 86 tarafından doğrulanmıştır. Siyanobakteri Anabaena'nın fotosentetik biyofilmlerini göstermişlerdir. Çözünmüş oksijen, ışığın etkisi altında oluşur ve bu da serbest biyokorozyon potansiyelinde bir değişiklik veya dalgalanma ile ilişkilidir. Fotoperiyodun önemi, biyokorozyon için serbest potansiyelin aydınlık fazda artması ve karanlık fazda azalması gerçeğiyle vurgulanmaktadır. Bu durum, fotosentetik mikroalgler tarafından üretilen oksijenin, elektrotların yakınında oluşan kısmi basınç yoluyla katodik reaksiyonu etkilemesinden kaynaklanmaktadır87.
Ek olarak, Nb-MXenlerle etkileşimden sonra mikroalg hücrelerinin kimyasal bileşiminde herhangi bir değişiklik olup olmadığını belirlemek için Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) gerçekleştirildi. Elde edilen bu sonuçlar karmaşıktır ve bunları Ek Bilgilerde (Şekil S23-S25, MAX aşaması ve ML MXenlerin sonuçları dahil) sunuyoruz. Kısaca, mikroalglerin elde edilen referans spektrumları, bu organizmaların kimyasal özellikleri hakkında önemli bilgiler sağlamaktadır. Bu en olası titreşimler 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1 (C–H) ve 3280 cm–1 (O–H) frekanslarında yer almaktadır. SL Nb-MXenler için, önceki çalışmamızla tutarlı bir CH-bağ gerilme imzası bulduk38. Ancak, C=C ve CH bağlarıyla ilişkili bazı ek tepe noktalarının kaybolduğunu gözlemledik. Bu, mikroalglerin kimyasal bileşiminin SL Nb-MXenlerle etkileşim nedeniyle küçük değişikliklere uğrayabileceğini göstermektedir.
Mikroalglerin biyokimyasındaki olası değişiklikler göz önünde bulundurulduğunda, niyobyum oksit gibi inorganik oksitlerin birikimi yeniden değerlendirilmelidir59. Bu, metallerin hücre yüzeyi tarafından alınması, sitoplazmaya taşınması, hücre içi karboksil gruplarıyla ilişkilendirilmesi ve mikroalg polifosfozomlarında birikmesiyle ilgilidir20,88,89,90. Ayrıca, mikroalgler ve metaller arasındaki ilişki, hücrelerin fonksiyonel grupları tarafından korunmaktadır. Bu nedenle, emilim aynı zamanda oldukça karmaşık olan mikroalg yüzey kimyasına da bağlıdır9,91. Genel olarak, beklendiği gibi, yeşil mikroalglerin kimyasal bileşimi Nb oksit emilimi nedeniyle hafifçe değişmiştir.
İlginç bir şekilde, gözlemlenen mikroalglerin başlangıçtaki inhibisyonu zamanla tersine döndü. Gözlemlediğimiz gibi, mikroalgler başlangıçtaki çevresel değişimin üstesinden geldi ve sonunda normal büyüme hızlarına geri döndü, hatta arttı. Zeta potansiyeli çalışmaları, besin ortamına eklendiğinde yüksek stabilite gösterdiğini ortaya koymaktadır. Bu nedenle, mikroalg hücreleri ile Nb-MXene nanoflakları arasındaki yüzey etkileşimi, indirgeme deneyleri boyunca korunmuştur. Daha sonraki analizimizde, mikroalglerin bu dikkat çekici davranışının altında yatan ana etki mekanizmalarını özetliyoruz.
SEM gözlemleri, mikroalglerin Nb-MXenlere yapışma eğiliminde olduğunu göstermiştir. Dinamik görüntü analizi kullanarak, bu etkinin iki boyutlu Nb-MXen nanoflakelerinin daha küresel parçacıklara dönüşmesine yol açtığını ve böylece nanoflakelerin ayrışmasının oksidasyonlarıyla ilişkili olduğunu doğruladık. Hipotezimizi test etmek için bir dizi malzeme ve biyokimyasal çalışma yürüttük. Testten sonra, nanoflakeler kademeli olarak oksitlendi ve yeşil mikroalgler için tehdit oluşturmayan NbO ve Nb2O5 ürünlerine ayrıştı. FTIR gözlemi kullanarak, 2D Nb-MXen nanoflakelerinin varlığında inkübe edilen mikroalglerin kimyasal bileşiminde önemli bir değişiklik bulamadık. Mikroalgler tarafından niyobyum oksit emilimi olasılığını dikkate alarak, X-ışını floresans analizi gerçekleştirdik. Bu sonuçlar, incelenen mikroalglerin, incelenen mikroalgler için toksik olmayan niyobyum oksitleri (NbO ve Nb2O5) ile beslendiğini açıkça göstermektedir.