Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Sınırlı CSS desteği olan bir tarayıcı sürümü kullanıyorsunuz. En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz. Bu arada, sürekli desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan sunacağız.
Aynı anda üç slayttan oluşan bir dönen görüntü görüntüler. Üç slaytta birer birer ilerlemek için Önceki ve Sonraki düğmelerini kullanın veya üç slaytta birer birer ilerlemek için sondaki kaydırıcı düğmelerini kullanın.
Nanoteknolojinin hızlı gelişimi ve günlük uygulamalara entegrasyonu çevreyi tehdit edebilir. Organik kirleticilerin bozunumu için yeşil yöntemler iyi kurulmuş olsa da, inorganik kristal kirleticilerin geri kazanımı, biyotransformasyona karşı düşük hassasiyetleri ve biyolojik olanlarla malzeme yüzeyi 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 yöntemi ile birleştirilmiş bir Nb tabanlı inorganik 2D MXenes modeli kullanıyoruz. Mikroalglerin, yüzeyle ilgili fiziko-kimyasal etkileşimler nedeniyle Nb tabanlı MXenes'i bozduğunu bulduk. Başlangıçta, tek katmanlı ve çok katmanlı MXene nanopulları mikroalglerin yüzeyine bağlandı ve bu da alglerin büyümesini bir miktar azalttı. Ancak, yüzeyle uzun süreli etkileşim üzerine, mikroalgler MXene nanopullarını oksitledi ve bunları daha sonra NbO ve Nb2O5'e ayrıştırdı. Bu oksitler mikroalg hücreleri için toksik olmadığından, mikroalgleri 72 saatlik su arıtımından sonra daha da eski haline getiren bir emilim mekanizmasıyla Nb oksit nanopartiküllerini tüketirler. Emilim ile ilişkili besin maddelerinin etkileri hücre hacmindeki artışa, düzgün şekillerine ve büyüme hızındaki değişime de yansır. Bu bulgulara dayanarak, tatlı su ekosistemlerinde Nb bazlı MXenlerin kısa ve uzun vadeli varlığının yalnızca küçük çevresel etkilere neden olabileceği sonucuna vardık. İki boyutlu nanomalzemeleri model sistemler olarak kullanarak, ince taneli malzemelerde bile şekil dönüşümünü izleme olasılığını gösterdiğimizi belirtmek gerekir. Genel olarak, bu çalışma 2 boyutlu nanomalzemelerin biyoremediasyon mekanizmasını yönlendiren yüzey etkileşimiyle ilgili süreçler hakkında önemli bir temel soruyu yanıtlıyor ve inorganik kristal nanomalzemelerin çevresel etkisine ilişkin daha fazla kısa ve uzun vadeli çalışma için bir temel sağlıyor.
Nanomalzemeler keşfedildikleri günden bu yana çok ilgi gördü ve çeşitli nanoteknolojiler yakın zamanda modernizasyon aşamasına girdi1. Ne yazık ki, nanomalzemelerin günlük uygulamalara entegre edilmesi, uygunsuz bertaraf, dikkatsiz kullanım veya yetersiz güvenlik altyapısı nedeniyle kazara salınımlara yol açabilir. Bu nedenle, iki boyutlu (2D) nanomalzemeler de dahil olmak üzere nanomalzemelerin, davranışı ve biyolojik aktivitesi henüz tam olarak anlaşılmamış olan doğal ortama salınabileceğini varsaymak makuldür. Bu nedenle, ekotoksisite endişelerinin 2D nanomalzemelerin su sistemlerine sızma yeteneğine odaklanması şaşırtıcı değildir2,3,4,5,6. 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 organizmalardır7. Bu nedenle, su ekosistemleri için kritik öneme sahiptirler8,9,10,11,12 ancak aynı zamanda hassas, ucuz ve yaygın olarak kullanılan ekotoksisite göstergeleridir13,14. Mikroalg hücreleri hızla çoğaldığından ve çeşitli bileşiklerin varlığına hızla yanıt verdiğinden, organik maddelerle kirlenmiş suyun arıtılması için çevre dostu yöntemlerin geliştirilmesi için umut vericidirler15,16.
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+19 gibi toksik metal iyonlarını taşıdığı ve hatta beslediği bulunmuştur. Diğer çalışmalar, Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ veya Pb2+ iyonlarının hücre morfolojisini değiştirerek ve kloroplastlarını yok ederek Scenedesmus'un büyümesini sınırladığını göstermiştir20,21.
Organik kirleticilerin ayrıştırılması ve ağır metal iyonlarının uzaklaştırılması için yeşil yöntemler, dünya çapında bilim insanlarının ve mühendislerin dikkatini çekmiştir. Bunun başlıca nedeni, bu kirleticilerin sıvı fazda kolayca işlenebilmesidir. Bununla birlikte, inorganik kristal kirleticiler düşük suda çözünürlük 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 etkilerine ilişkin 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 mikroalgleri kullandık ve inorganik seramik malzemelerin temsilcisi olan MXene'nin bozunma sürecinin yerinde izlenmesini sağladık. "MXene" terimi, Mn + 1XnTx malzemesinin stükiyometrisini 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 427,28'dir. Naguib ve arkadaşları tarafından MXene'lerin keşfinden bu yana. Sensörik, kanser tedavisi ve membran filtrasyonu 27,29,30. Ayrıca, MXene'ler mükemmel kolloidal kararlılıkları ve olası biyolojik etkileşimleri nedeniyle model 2D sistemler olarak düşünülebilir31,32,33,34,35,36.
Bu nedenle, bu makalede geliştirilen metodoloji ve araştırma hipotezlerimiz Şekil 1'de gösterilmiştir. Bu hipoteze göre, mikroalgler, yüzeyle ilişkili fiziko-kimyasal etkileşimler nedeniyle Nb tabanlı MXenleri toksik olmayan bileşiklere dönüştürür ve bu da alglerin daha fazla geri kazanılmasına olanak tanır. Bu hipotezi test etmek için, erken niyobyum tabanlı geçiş metal karbürleri ve/veya nitrürleri (MXen) ailesinin iki üyesi, yani Nb2CTx ve Nb4C3TX seçildi.
Yeşil mikroalg Raphidocelis subcapitata tarafından MXene geri kazanımı için araştırma metodolojisi ve kanıta dayalı hipotezler. Lütfen bunun yalnızca 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 oluşturuldu.
Bu nedenle, MXene'i bir model sistem olarak kullanarak, diğer geleneksel nanomalzemelerle gözlemlenemeyen çeşitli biyolojik etkilerin incelenmesine kapı açtık. Özellikle, niyobyum bazlı MXene'ler gibi iki boyutlu nanomalzemelerin Raphidocelis subcapitata mikroalgleri tarafından biyoremediasyon olasılığını gösteriyoruz. Mikroalgler, Nb-MXene'leri toksik olmayan oksitler NbO ve Nb2O5'e parçalayabilir ve bu da niyobyum alım mekanizması yoluyla besin sağlar. Genel olarak, bu çalışma iki boyutlu nanomalzemelerin biyoremediasyon mekanizmalarını yöneten yüzey fizikokimyasal etkileşimlerle ilişkili süreçler hakkında önemli bir temel soruyu yanıtlıyor. Ek olarak, 2 boyutlu nanomalzemelerin şeklindeki ince değişiklikleri izlemek için basit bir şekil parametresi tabanlı yöntem geliştiriyoruz. Bu, inorganik kristal nanomalzemelerin çeşitli çevresel etkilerine ilişkin daha fazla kısa vadeli ve uzun vadeli araştırmaya ilham veriyor. Böylece çalışmamız, malzeme yüzeyi ile biyolojik malzeme arasındaki etkileşimin anlaşılmasını artırıyor. Ayrıca, artık kolayca doğrulanabilen tatlı su ekosistemleri üzerindeki olası etkilerinin genişletilmiş kısa ve uzun vadeli çalışmaları için de temel sağlıyoruz.
MXene'ler, benzersiz ve çekici fiziksel ve kimyasal özelliklere ve dolayısıyla birçok potansiyel uygulamaya sahip ilginç bir malzeme sınıfını temsil eder. Bu özellikler büyük ölçüde stokiyometrisine ve yüzey kimyasına bağlıdır. Bu nedenle, çalışmamızda, bu nanomalzemelerin farklı biyolojik etkileri gözlemlenebildiğinden, iki tür Nb tabanlı hiyerarşik tek katmanlı (SL) MXene, Nb2CTx ve Nb4C3TX'i araştırdık. MXene'ler, başlangıç ​​malzemelerinden atomik olarak ince MAX fazı A katmanlarının yukarıdan aşağıya seçici aşındırılmasıyla üretilir. MAX fazı, geçiş metali karbürlerinin "bağlı" bloklarından ve MnAXn-1 stokiyometrisine sahip Al, Si ve Sn gibi "A" elementlerinin ince katmanlarından oluşan üçlü bir seramiktir. İlk MAX fazının morfolojisi taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile gözlendi ve önceki çalışmalarla tutarlıydı (Bkz. Ek Bilgi, SI, Şekil S1). Al tabakasının %48 HF (hidroflorik asit) ile çıkarılmasından sonra çok katmanlı (ML) Nb-MXene elde edildi. ML-Nb2CTx ve ML-Nb4C3TX'in morfolojisi taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelendi (sırasıyla Şekil S1c ve S1d) ve uzun gözenek benzeri yarıklardan geçen iki boyutlu nanopullara benzer tipik bir katmanlı MXene morfolojisi gözlemlendi. Her iki Nb-MXene de daha önce asit aşındırma ile sentezlenen MXene fazlarıyla çok ortak özelliğe sahiptir27,38. MXene'nin yapısını doğruladıktan sonra, tetrabutilamonyum hidroksit (TBAOH) ara katmanını, ardından yıkama ve sonikasyon işlemini uygulayarak katmanlaştırdık ve ardından tek katmanlı veya düşük katmanlı (SL) 2D Nb-MXene nanopulları elde ettik.
Aşındırma ve daha fazla soyma 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 işlenen HRTEM sonuçları Şekil 2'de gösterilmiştir. Nb-MXene nanoflakeleri, atomik tabakanın yapısını kontrol etmek ve düzlemler arası mesafeleri ölçmek için kenar yukarı yönlendirildi. MXene Nb2CTx ve Nb4C3TX nanoflakelerinin HRTEM görüntüleri, daha önce Naguib ve arkadaşları27 ve Jastrzębska ve arkadaşları38 tarafından bildirildiği gibi, atomik olarak ince katmanlı yapılarını ortaya koydu (bkz. Şekil 2a1, a2). İki bitişik Nb2CTx ve Nb4C3Tx monokatmanı için, sırasıyla 0,74 ve 1,54 nm'lik katmanlar arası mesafeler belirledik (Şekil 2b1, b2), bu da önceki sonuçlarımızla da uyuşuyor38. Bu, Nb2CTx ve Nb4C3Tx monokatmanları arasındaki mesafeyi gösteren ters hızlı Fourier dönüşümü (Şekil 2c1, c2) ve hızlı Fourier dönüşümü (Şekil 2d1, d2) tarafından daha da doğrulandı. Görüntü, incelenen MXenlerin katmanlı doğasını doğrulayan niyobyum ve karbon atomlarına karşılık gelen açık ve koyu bantların bir dönüşümünü göstermektedir. Nb2CTx ve Nb4C3Tx için elde edilen enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX) spektrumlarının (Şekil S2a ve S2b) hiçbir Al tepe noktası tespit edilmediğinden orijinal MAX fazının hiçbir kalıntısını göstermediğine dikkat etmek önemlidir.
(a) yüksek çözünürlüklü elektron mikroskobu (HRTEM) yan görünüm 2D nanopul görüntüleme ve karşılık gelen, (b) yoğunluk modu, (c) ters hızlı Fourier dönüşümü (IFFT), (d) hızlı Fourier dönüşümü (FFT), (e) Nb-MXenes X-ışını desenleri dahil olmak üzere SL Nb2CTx ve Nb4C3Tx MXene nanopullarının karakterizasyonu. SL 2D Nb2CTx için sayılar (a1, b1, c1, d1, e1) olarak ifade edilir. SL 2D 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 tepe noktaları (002), daha önce açıklanan katmanlı MXenleri Nb2CTx ve Nb4C3TX38,39,40,41'e karşılık gelir. XRD sonuçları ayrıca bazı kalıntı ML yapılarının ve MAX fazlarının varlığını, ancak çoğunlukla SL Nb4C3Tx ile ilişkili XRD desenlerini gösterir (Şekil 2e2). MAX fazının daha küçük parçacıklarının varlığı, rastgele istiflenmiş Nb4C3Tx katmanlarına kıyasla daha güçlü MAX zirvesini açıklayabilir.
Daha ileri araştırmalar R. subcapitata türüne ait yeşil mikroalglere odaklanmıştır. Mikroalgleri seçmemizin sebebi, bunların büyük besin ağlarında yer alan önemli üreticiler olmalarıdır42. Ayrıca besin zincirinin daha yüksek seviyelerine taşınan toksik maddeleri uzaklaştırma kabiliyetleri nedeniyle toksisitenin en iyi göstergelerinden biridirler43. Ek olarak, R. subcapitata üzerine yapılacak araştırmalar, SL Nb-MXenlerin yaygın tatlı su mikroorganizmalarına karşı tesadüfi toksisitesine ışık tutabilir. Bunu açıklamak için araştırmacılar, her mikrobun çevrede bulunan toksik bileşiklere karşı farklı bir duyarlılığa sahip olduğunu varsaymışlardır. Çoğu organizma için, düşük madde konsantrasyonları büyümelerini etkilemezken, belirli bir sınırın üzerindeki konsantrasyonlar bunları engelleyebilir veya hatta ölüme neden olabilir. Bu nedenle, mikroalgler ve MXenlerin yüzey etkileşimi ve ilişkili geri kazanım üzerine çalışmalarımız için, zararsız ve toksik Nb-MXen 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 Şekil 3'te gösterilmiştir ve 0 mg l-1 numuneler için ölçülen büyüme teşviki (+) veya inhibisyon (-) yüzdesi olarak ifade edilmiştir. Karşılaştırma için, Nb-MAX fazı ve ML Nb-MXenleri de test edilmiştir ve sonuçlar SI cinsinden gösterilmiştir (bkz. Şekil S3). Elde edilen sonuçlar, Şekil 3a,b'de gösterildiği gibi, SL Nb-MXenlerin 0,01 ila 10 mg/l arasındaki düşük konsantrasyon aralığında neredeyse tamamen toksisiteden yoksun olduğunu doğrulamıştır. Nb2CTx durumunda, belirtilen aralıkta %5'ten fazla ekotoksisite gözlemlemedik.
SL (a) Nb2CTx ve (b) Nb4C3TX MXene varlığında mikroalg büyümesinin uyarılması (+) veya engellenmesi (-). 24, 48 ve 72 saatlik MXene-mikroalg etkileşimi analiz edildi. Anlamlı veriler (t-testi, p < 0,05) yıldız işaretiyle (*) işaretlendi. Anlamlı veriler (t-testi, p < 0,05) yıldız işaretiyle (*) işaretlendi. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Anlamlı veriler (t-testi, p < 0,05) yıldız işaretiyle (*) işaretlenmiştir.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 işaretiyle (*) işaretlenmiştir.Kırmızı oklar inhibitör uyarının ortadan kalktığını göstermektedir.
Öte yandan, düşük Nb4C3TX konsantrasyonlarının biraz daha toksik olduğu, ancak %7'den yüksek olmadığı ortaya çıktı. Beklendiği gibi, MXenlerin 100 mg L-1'de daha yüksek toksisiteye ve mikroalg büyüme inhibisyonuna sahip olduğunu gözlemledik. İlginç bir şekilde, malzemelerin hiçbiri MAX veya ML örnekleriyle karşılaştırıldığında aynı eğilimi ve atoksik/toksik etkilerin zamana bağlılığını göstermedi (ayrıntılar için SI'ya bakın). MAX fazı için (bkz. Şekil S3) toksisite yaklaşık %15-25'e ulaşırken ve zamanla artarken, SL Nb2CTx ve Nb4C3TX MXene için ters eğilim gözlemlendi. Mikroalg büyümesinin inhibisyonu 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 büyüme inhibisyonu 24 saat sonra yaklaşık %27'ye ulaştı, ancak 72 saat sonra yaklaşık %1'e düştü. Bu nedenle, gözlemlenen etkiyi uyarımın ters inhibisyonu olarak etiketledik ve etki SL Nb4C3TX MXene için daha güçlüydü. Mikroalg büyümesinin uyarılması, SL Nb2CTx MXene ile karşılaştırıldığında Nb4C3TX ile (24 saat boyunca 10 mg L-1'de etkileşim) daha önce not edildi. İnhibisyon-uyarının tersine çevrilmesi etkisi, biyokütle iki katına çıkma hızı eğrisinde de iyi bir şekilde gösterildi (ayrıntılar için bkz. Şekil S4). Şimdiye kadar, sadece Ti3C2TX MXene'nin ekotoksisitesi farklı şekillerde incelenmiştir. Zebra balığı embriyoları için toksik değildir44 ancak mikroalg Desmodesmus quadricauda ve Sorghum saccharatum bitkileri için orta derecede ekotoksiktir45. Diğer belirli etki örnekleri arasında, normal hücre hatlarına kıyasla kanser hücre hatlarına karşı daha yüksek toksisite yer alır46,47. Test koşullarının, Nb-MXenlerin varlığında gözlemlenen mikroalg büyümesindeki değişiklikleri etkileyeceği varsayılabilir. Örneğin, kloroplast stromasında yaklaşık 8'lik bir pH, RuBisCO enziminin verimli çalışması için idealdir. Bu nedenle, pH değişiklikleri fotosentez oranını olumsuz etkiler48,49. Ancak, deney sırasında pH'ta önemli değişiklikler gözlemlemedik (ayrıntılar için bkz. SI, Şekil S5). Genel olarak, Nb-MXenli mikroalg kültürleri, zamanla çözeltinin pH'ını hafifçe düşürdü. Ancak, bu azalma saf bir ortamın pH'ındaki bir değişikliğe benziyordu. Ek olarak, bulunan varyasyon aralığı, saf bir mikroalg kültürü (kontrol örneği) için ölçülene benziyordu. Bu nedenle, fotosentezin zamanla pH'taki değişikliklerden etkilenmediği sonucuna vardık.
Ek olarak, sentezlenen MXenlerin yüzey sonları (Tx olarak gösterilir) vardır. Bunlar esas olarak fonksiyonel gruplardır -O, -F ve -OH. Ancak, yüzey kimyası doğrudan sentez yöntemiyle ilgilidir. Bu grupların yüzey üzerinde rastgele dağıldığı bilinmektedir ve bu da MXen50'nin özellikleri üzerindeki etkilerini tahmin etmeyi zorlaştırmaktadır. Tx'in niyobyumun ışıkla oksidasyonu için katalitik kuvvet olabileceği ileri sürülebilir. Yüzey fonksiyonel grupları aslında altta yatan fotokatalizörlerinin heterojunksiyonlar oluşturması için çoklu bağlama yerleri sağlar51. Ancak, büyüme ortamı bileşimi etkili bir fotokatalizör sağlamamıştır (ayrıntılı ortam bileşimi SI Tablo S6'da bulunabilir). Ek olarak, herhangi bir yüzey değişikliği de çok önemlidir, çünkü MXenlerin biyolojik aktivitesi katman son işleme, oksidasyon, organik ve inorganik bileşiklerin kimyasal yüzey değişikliği52,53,54,55,56 veya yüzey yük mühendisliği38 nedeniyle değişebilir. 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 SI Şekil S6'ya bakın). SL MXenlerin zeta potansiyeli yaklaşık -10 mV'dir. SR Nb2CTx durumunda, ζ değeri Nb4C3Tx'inkinden biraz daha negatiftir. ζ değerindeki böyle bir değişiklik, negatif yüklü MXen nanopullarının yüzeyinin kültür ortamından pozitif yüklü iyonları emdiğini gösterebilir. Kültür ortamındaki Nb-MXenlerin zeta potansiyeli ve iletkenliğinin zamansal ölçümleri (daha fazla ayrıntı için SI'daki Şekil S7 ve S8'e bakın) hipotezimizi destekliyor gibi görünüyor.
Ancak, her iki Nb-MXene SL'si sıfırdan itibaren minimal değişimler gösterdi. Bu, mikroalg büyüme ortamındaki kararlılıklarını açıkça göstermektedir. Ek olarak, yeşil mikroalglerimizin varlığının ortamdaki Nb-MXene'lerin kararlılığını etkileyip etkilemeyeceğini değerlendirdik. MXene'lerin besin ortamında ve kültürde mikroalglerle etkileşime girdikten sonra zeta potansiyeli ve iletkenliğinin sonuçları zaman içinde SI'da bulunabilir (Şekil S9 ve S10). İlginç bir şekilde, mikroalglerin varlığının her iki MXene'nin dağılımını stabilize ediyor gibi göründüğünü fark ettik. Nb2CTx SL durumunda, zeta potansiyeli zamanla hafifçe azalarak daha negatif değerlere (72 saatlik inkübasyondan sonra -15,8'e karşı -19,1 mV) düştü. SL Nb4C3TX'in zeta potansiyeli hafifçe arttı, ancak 72 saat sonra hala mikroalglerin varlığı olmadan nanoflakelerden daha yüksek kararlılık gösterdi (-18,1'e karşı -9,1 mV).
Ayrıca, mikroalglerin varlığında inkübe edilen Nb-MXene çözeltilerinin daha düşük iletkenlik değerlerine sahip olduğunu bulduk; bu, besin ortamında daha düşük miktarda iyon olduğunu gösteriyor. Özellikle, MXene'lerin sudaki kararsızlığı esas olarak yüzey oksidasyonundan kaynaklanmaktadır57. Bu nedenle, yeşil mikroalglerin bir şekilde Nb-MXene yüzeyinde oluşan oksitleri temizlediğinden ve hatta bunların oluşumunu engellediğinden (MXene'nin oksidasyonu) şüpheleniyoruz. Bu, mikroalgler tarafından emilen madde türlerini inceleyerek görülebilir.
Ekotoksikolojik çalışmalarımız, mikroalglerin zamanla Nb-MXenlerin toksisitesini ve uyarılmış büyümenin alışılmadık inhibisyonunu aşabildiğini gösterse de, çalışmamızın amacı olası etki mekanizmalarını araştırmaktı. Algler gibi organizmalar ekosistemlerine yabancı bileşiklere veya malzemelere maruz kaldıklarında çeşitli şekillerde tepki verebilirler58,59. Toksik metal oksitlerin yokluğunda, mikroalgler kendilerini besleyebilir ve sürekli büyümelerine olanak tanır60. Toksik maddelerin yutulmasından sonra, şekil veya form değiştirme gibi savunma mekanizmaları aktive edilebilir. Emilim olasılığı da dikkate alınmalıdır58,59. Özellikle, bir savunma mekanizmasının herhangi bir işareti, test bileşiğinin toksisitesinin açık bir göstergesidir. Bu nedenle, daha ileri çalışmalarımızda, SEM ile SL Nb-MXen nanoflakesleri ve mikroalgler arasındaki olası yüzey etkileşimini ve Nb tabanlı MXen'in X-ışını floresan spektroskopisi (XRF) ile olası emilimini araştırdık. Aktivite toksisitesi sorunlarını gidermek için SEM ve XRF analizlerinin yalnızca en yüksek MXene konsantrasyonunda gerçekleştirildiğine dikkat edin.
SEM sonuçları Şekil 4'te gösterilmiştir. İşlenmemiş mikroalg hücreleri (bkz. Şekil 4a, referans örneği) açıkça tipik R. subcapitata morfolojisi ve kruvasan benzeri hücre şekli göstermiştir. Hücreler düzleşmiş ve biraz düzensiz görünmektedir. Bazı mikroalg hücreleri üst üste binmiş ve birbirleriyle dolaşık haldeydi, ancak bu muhtemelen örnek hazırlama sürecinden kaynaklanmıştır. Genel olarak, saf mikroalg hücreleri pürüzsüz bir yüzeye sahipti ve herhangi bir morfolojik değişiklik göstermedi.
Yeşil mikroalgler ile MXene nanotabakaları arasındaki yüzey etkileşimini aşırı konsantrasyonda (100 mg L-1) 72 saatlik etkileşimden sonra gösteren SEM görüntüleri. (a) SL ile etkileşimden sonra işlenmemiş yeşil mikroalgler (b) Nb2CTx ve (c) Nb4C3TX MXene'ler. Nb-MXene nanotabakalarının kırmızı oklarla işaretlendiğine dikkat edin. Karşılaştırma için optik mikroskoptan fotoğraflar da eklenmiştir.
Buna karşılık, SL Nb-MXene nanoflakesleri tarafından adsorbe edilen mikroalg hücreleri hasar görmüştür (bkz. Şekil 4b, c, kırmızı oklar). Nb2CTx MXene durumunda (Şekil 4b), mikroalgler morfolojilerini değiştirebilen bağlı iki boyutlu nanoölçeklerle büyüme eğilimindedir. Özellikle, bu değişiklikleri ışık mikroskobu altında da gözlemledik (ayrıntılar için SI Şekil S11'e bakın). Bu morfolojik geçişin mikroalglerin fizyolojisinde ve hücre morfolojisini değiştirerek (örneğin hücre hacmini artırarak) kendilerini savunma yeteneklerinde makul bir temeli vardır61. Bu nedenle, aslında Nb-MXenes ile temas halinde olan mikroalg hücrelerinin sayısını kontrol etmek önemlidir. SEM çalışmaları, mikroalg hücrelerinin yaklaşık %52'sinin Nb-MXenes'e maruz kaldığını, bu mikroalg hücrelerinin %48'inin ise temastan kaçındığını göstermiştir. SL Nb4C3Tx MXene için, mikroalgler MXene ile temastan kaçınmaya çalışır, böylece iki boyutlu nanoskalalardan lokalize olur ve büyür (Şekil 4c). Ancak, nanoskalaların mikroalg hücrelerine nüfuz ettiğini ve hasar verdiğini gözlemlemedik.
Öz-koruma, aynı zamanda, parçacıkların hücre yüzeyine adsorpsiyonu ve sözde gölgeleme (shading) etkisi nedeniyle fotosentezin engellenmesine karşı zamana bağlı bir tepki davranışıdır62. Mikroalg ile ışık kaynağı arasında bulunan her bir nesnenin (örneğin, Nb-MXene nanoflakes) kloroplastlar tarafından emilen ışık miktarını sınırladığı açıktır. Ancak bunun elde edilen sonuçlar üzerinde önemli bir etkisi olduğundan şüphemiz yok. Mikroskobik gözlemlerimizin gösterdiği gibi, mikroalg hücreleri Nb-MXene'lerle temas halinde olduğunda bile, 2D nanoflakes mikroalglerin yüzeyine tamamen sarılmamış veya yapışmamıştır. Bunun yerine, nanoflakesin mikroalg hücrelerine yüzeylerini örtmeden yöneldiği ortaya çıkmıştır. Böyle bir nanoflakes/mikroalg kümesi, mikroalg hücreleri tarafından emilen ışık miktarını önemli ölçüde sınırlayamaz. Üstelik bazı çalışmalar, iki boyutlu nanomalzemelerin varlığında fotosentetik organizmalar tarafından ışık emiliminde bir iyileşme olduğunu bile göstermiştir63,64,65,66.
SEM görüntüleri mikroalg hücreleri tarafından niyobyumun alınımını doğrudan doğrulayamadığından, daha ileri çalışmamız bu konuyu açıklığa kavuşturmak için X-ışını floresansı (XRF) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) analizine yöneldi. Bu nedenle, MXenlerle etkileşime girmeyen referans mikroalg örneklerinin, mikroalg hücrelerinin yüzeyinden ayrılan MXen nanopullarının ve bağlı MXenlerin çıkarılmasından sonra mikroalg hücrelerinin Nb piklerinin yoğunluğunu karşılaştırdık. Nb alımı yoksa, mikroalg hücreleri tarafından elde edilen Nb değerinin bağlı nanoskalaların çıkarılmasından sonra sıfır olması gerektiğini belirtmekte fayda vardır. Bu nedenle, Nb alımı meydana gelirse, hem XRF hem de XPS sonuçları net bir Nb pikini göstermelidir.
XRF spektrumları durumunda, 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 SI, Şekil S12–C17'de gösterildiğine dikkat edin). İlginç bir şekilde, Nb pikinin yoğunluğu her iki durumda da aynıdır (Şekil 5a'daki kırmızı çubuklar). Bu, alglerin daha fazla Nb ememediğini ve hücrelerde maksimum Nb birikimi kapasitesine ulaşıldığını, ancak mikroalg hücrelerine iki kat daha fazla Nb4C3Tx MXene bağlandığını (Şekil 5a'daki mavi çubuklar) göstermiştir. Özellikle, mikroalglerin metalleri emme yeteneği, çevredeki metal oksitlerin konsantrasyonuna bağlıdır67,68. Shamshada ve diğerleri.67 tatlı su alglerinin emilim kapasitesinin artan pH ile azaldığını buldu. Raize ve diğerleri.68 deniz yosununun metalleri emme yeteneğinin Pb2+ için Ni2+'den yaklaşık %25 daha yüksek olduğunu kaydetti.
(a) 72 saat boyunca aşırı konsantrasyonda SL Nb-MXenlerde (100 mg L-1) 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 nanopullarda (mavi sütunlar) ve yüzeyden 2D nanopulların ayrılmasından sonra mikroalg hücrelerinde (kırmızı sütunlar) α varlığını göstermektedir. Elementel Nb miktarı, (b) mikroalg organik bileşenlerinin (C=O ve CHx/C–O) kimyasal bileşim yüzdesi ve SL Nb-MXenlerle inkübasyondan sonra mikroalg hücrelerinde bulunan Nb oksitleri, (c–e) XPS SL Nb2CTx spektrumlarının ve (fh) mikroalg hücreleri tarafından içselleştirilen SL Nb4C3Tx MXen'in bileşimsel zirvesinin uydurulması.
Bu nedenle, Nb'nin oksitler formunda alg hücreleri tarafından emilebileceğini bekliyorduk. Bunu test etmek için, MXenes Nb2CTx ve Nb4C3TX ve alg hücreleri üzerinde XPS çalışmaları gerçekleştirdik. Mikroalglerin Nb-MXenes ve alg hücrelerinden izole edilen MXenes ile etkileşiminin sonuçları Şekil 5b'de gösterilmiştir. Beklendiği gibi, mikroalglerin yüzeyinden MXene çıkarıldıktan sonra mikroalg örneklerinde Nb 3d pikleri tespit ettik. C=O, CHx/CO ve Nb oksitlerin 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. ) inkübe edilmiş mikroalglerden elde edildi. Şekil 5f–h) MXenes. 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 gelmesi dikkat çekicidir. Burada, spektrumlarda MXene ile ilgili tepe bulamadık; bu, mikroalg hücrelerinin yalnızca Nb'nin oksit formunu emdiğini göstermektedir. Ek olarak, C 1 s spektrumunu C–C, CHx/C–O, C=O ve –COOH bileşenleriyle yaklaştırdık. CHx/C–O ve C=O tepelerini mikroalg hücrelerinin organik katkısına atadık. Bu organik bileşenler, sırasıyla Nb2CTx SL ve Nb4C3TX SL'deki C 1s tepelerinin %36'sını ve %41'ini oluşturmaktadır. Daha sonra SL Nb2CTx ve SL Nb4C3TX'in O 1s spektrumlarını Nb2O5, mikroalglerin organik bileşenleri (CHx/CO) ve yüzey adsorplanmış su ile eşleştirdik.
Son olarak, XPS sonuçları Nb'nin sadece varlığını değil, formunu da açıkça gösterdi. Nb 3d sinyalinin pozisyonuna ve dekonvolüsyon sonuçlarına göre, Nb'nin sadece oksitler formunda emildiğini ve iyonlar veya MXene'nin kendisi olarak emilmediğini doğruluyoruz. Ek olarak, XPS sonuçları mikroalg hücrelerinin SL Nb4C3TX MXene'ye kıyasla SL Nb2CTx'ten Nb oksitleri alma yeteneğinin daha yüksek olduğunu gösterdi.
Nb alım sonuçlarımız etkileyici olsa ve MXene bozunmasını tanımlamamıza izin verse de, 2D nanopullardaki ilişkili morfolojik değişiklikleri izlemek için kullanılabilecek bir yöntem yoktur. Bu nedenle, 2D Nb-MXene nanopullarında ve mikroalg hücrelerinde meydana gelen herhangi bir değişikliğe doğrudan yanıt verebilecek uygun bir yöntem geliştirmeye karar verdik. Etkileşimli türlerin herhangi bir dönüşüm, ayrışma veya parçalanma geçirmesi durumunda, bunun eşdeğer dairesel alanın çapı, yuvarlaklık, Feret genişliği veya Feret uzunluğu gibi şekil parametrelerinde değişiklikler olarak kendini hızla göstermesi gerektiğini varsaydığımızı belirtmek önemlidir. Bu parametreler uzunlamasına parçacıkları veya iki boyutlu nanopulları tanımlamak için uygun olduğundan, bunların dinamik parçacık şekli analizi ile izlenmesi bize indirgeme sırasında SL Nb-MXene nanopullarının morfolojik dönüşümü hakkında değerli bilgiler verecektir.
Elde edilen sonuçlar Şekil 6'da gösterilmiştir. Karşılaştırma için, orijinal MAX fazını ve ML-MXen'leri de test ettik (bkz. SI Şekilleri S18 ve S19). Parçacık şeklinin dinamik analizi, iki Nb-MXen SL'sinin tüm şekil parametrelerinin mikroalglerle etkileşimden sonra önemli ölçüde değiştiğini göstermiştir. Eşdeğer dairesel alan çapı parametresinin gösterdiği gibi (Şekil 6a, b), büyük nanopulların kesrinin azalan tepe yoğunluğu, bunların daha küçük parçalara bozulma eğiliminde olduğunu gösterir. Şekil 6c'de, d, pulların enine boyutuyla ilişkili tepelerde bir azalmayı (nanopulların uzaması) gösterir ve bu, 2D nanopulların daha parçacık benzeri bir şekle dönüştüğünü gösterir. Şekil 6e-h, sırasıyla Feret'in genişliğini ve uzunluğunu göstermektedir. Feret genişliği ve uzunluğu tamamlayıcı parametrelerdir ve bu nedenle birlikte düşünülmelidir. 2D Nb-MXen nanopullarının mikroalglerin varlığında inkübe edilmesinden sonra, Feret korelasyon tepeleri kaymış ve yoğunlukları azalmıştır. Bu sonuçları morfoloji, XRF ve XPS ile birleştirerek, gözlenen değişikliklerin oksidasyonla güçlü bir şekilde ilişkili olduğu sonucuna vardık; çünkü oksitlenmiş MXen'ler daha fazla kırışıyor ve parçalara ve küresel oksit parçacıklarına ayrılıyor69,70.
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 hesaba katar. Bu amaçla, iki referans mikroalg örneği birincil SL Nb2CTx ve SL Nb4C3Tx MXene'ler, SL Nb2CTx ve SL Nb4C3Tx MXene'ler, bozulmuş mikroalgler ve işlenmiş mikroalgler SL Nb2CTx ve SL Nb4C3Tx MXene'lerle birlikte analiz edildi. Kırmızı oklar, incelenen iki boyutlu nanopulların şekil parametrelerinin geçişlerini göstermektedir.
Şekil parametresi analizi çok güvenilir olduğundan, mikroalg hücrelerindeki morfolojik değişiklikleri de ortaya çıkarabilir. Bu nedenle, saf mikroalg hücrelerinin ve 2D Nb nanopullarıyla etkileşimden sonraki hücrelerin eşdeğer dairesel alan çapını, yuvarlaklığını ve Feret genişliğini/uzunluğunu analiz ettik. Şekil 6a–h'de, tepe yoğunluğunda bir azalma ve maksimumların daha yüksek değerlere doğru kaymasıyla kanıtlandığı gibi, alg hücrelerinin şekil parametrelerindeki değişiklikleri gösterin. Özellikle, hücre yuvarlaklığı parametreleri, uzun hücrelerde bir azalma ve küresel hücrelerde bir artış gösterdi (Şekil 6a, b). Ek olarak, Feret hücre genişliği, SL Nb4C3TX MXene'ye (Şekil 6f) kıyasla SL Nb2CTx MXene (Şekil 6e) ile etkileşimden sonra birkaç mikron arttı. Bunun, Nb2CTx SR ile etkileşimden sonra mikroalgler tarafından Nb oksitlerin güçlü bir şekilde alınmasından kaynaklanabileceğinden şüpheleniyoruz. Nb pullarının yüzeylerine daha az sert bir şekilde tutunması, minimal gölgeleme etkisiyle hücre büyümesine neden olabilir.
Mikroalglerin şekil ve boyut parametrelerindeki değişikliklere ilişkin gözlemlerimiz diğer çalışmaları tamamlar. Yeşil mikroalgler, hücre boyutunu, şeklini veya metabolizmasını değiştirerek çevresel strese yanıt olarak morfolojilerini değiştirebilirler61. Örneğin, hücrelerin boyutunu değiştirmek besinlerin 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 içine biriktirilir72,73. Machado ve Soares, fungisit triklosanın hücre boyutunu artırabileceğini buldular. Ayrıca alglerin şeklinde derin değişiklikler buldular74. Ek olarak, Yin ve ark.9 alglerde indirgenmiş grafen oksit nanokompozitlerine maruz kaldıktan sonra morfolojik değişiklikler de ortaya koydu. Bu nedenle, mikroalglerin değişen boyut/şekil parametrelerinin MXene varlığından kaynaklandığı açıktır. Boyut ve şekildeki bu değişim besin alımındaki değişimlerin göstergesi olduğundan, zaman içinde boyut ve şekil parametrelerinin analizinin, Nb-MXenlerin varlığında mikroalgler tarafından niyobyum oksit alımının gösterilebileceğine inanıyoruz.
Ayrıca, MXene'ler alglerin varlığında oksitlenebilir. Dalai ve diğerleri75 nano-TiO2 ve Al2O376'ya maruz kalan yeşil alglerin morfolojisinin tekdüze olmadığını gözlemlediler. Gözlemlerimiz mevcut çalışmaya benzer olsa da, yalnızca 2D nanopulların varlığında MXene bozunma ürünleri açısından biyoremediasyonun etkilerinin incelenmesiyle ilgilidir ve nanopartiküllerle ilgili değildir. MXene'ler metal oksitlere ayrışabildiğinden31,32,77,78 Nb nanopullarının mikroalg hücreleriyle etkileşime girdikten sonra Nb oksitleri oluşturabileceğini varsaymak mantıklıdır.
2D-Nb nanoflakeslerinin oksidasyon sürecine dayalı bir ayrışma mekanizmasıyla indirgenmesini açıklamak için yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu (HRTEM) (Şekil 7a,b) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) (Şekil 7) kullanarak çalışmalar yürüttük. 7c-i ve tablolar S4-5). 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 çıkarılan 2D Nb-MXene nanoflakeslerini, yani mikroalg hücreleriyle etkileşime girdikten sonraki şekillerini test ettik (bkz. Şekil 7).
Oksitlenmiş (a) SL Nb2CTx ve (b) SL Nb4C3Tx MXenlerinin morfolojisini gösteren HRTEM görüntüleri, (c) indirgenmeden sonra oksit ürünlerinin bileşimini gösteren XPS analiz sonuçları, (d–f) yeşil mikroalglerle onarılan SL Nb2CTx ve (g– i) Nb4C3Tx SL'nin XPS spektrumlarının bileşenlerinin pik eşleşmesi.
HRTEM çalışmaları iki tip Nb-MXene nanoflakesinin oksidasyonunu doğruladı. Nanoflakeler iki boyutlu morfolojilerini bir dereceye kadar korumuş olsalar da oksidasyon, MXene nanoflakelerinin yüzeyini kaplayan birçok nanopartikülün ortaya çıkmasıyla sonuçlandı (bkz. Şekil 7a,b). c Nb 3d ve O 1s sinyallerinin XPS analizi, her iki durumda da Nb oksitlerin 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 nanoflake yüzeyinin fonksiyonelleşmesiyle ilişkili O–Nb bağlarının sayısını gösterir. 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 pik parametrelerinin ayrıntıları 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 dışında başka bileşenler de bulundu. Nb2CTx SL'de Nb3+-O'nun %15 oranında katkısını gözlemlerken, Nb 3d spektrumunun geri kalanına Nb2O5 (%85) hakimdi. Ek olarak, SL Nb4C3TX örneği Nb-C (%9) ve Nb2O5 (%91) bileşenleri içermektedir. Burada Nb-C, Nb4C3Tx SR'deki metal karbürün iki iç atom katmanından gelir. Daha sonra, içselleştirilmiş örneklerde yaptığımız gibi C 1s spektrumlarını dört farklı bileşene eşleriz. Beklendiği gibi, C 1s spektrumu grafit karbon tarafından domine edilir, ardından mikroalg hücrelerinden gelen organik parçacıkların (CHx/CO ve C=O) katkıları gelir. Ek olarak, O 1s spektrumunda, mikroalg hücrelerinin organik formlarının, niyobyum oksitin ve adsorbe edilmiş suyun katkısını gözlemledik.
Ek olarak, Nb-MXenlerin ayrılmasının besin ortamında ve/veya mikroalg hücrelerinde reaktif oksijen türlerinin (ROS) varlığıyla ilişkili olup olmadığını araştırdık. Bu amaçla, kültür ortamındaki singlet oksijen (1O2) ve mikroalglerde antioksidan görevi gören bir tiyol olan hücre içi glutatyon seviyelerini değerlendirdik. Sonuçlar SI'da gösterilmiştir (Şekil S20 ve S21). SL Nb2CTx ve Nb4C3TX MXenleri içeren kültürler, azalmış miktarda 1O2 ile karakterize edildi (bkz. Şekil S20). SL Nb2CTx durumunda, MXen 1O2 yaklaşık %83'e düşer. SL kullanan mikroalg kültürleri için, Nb4C3TX 1O2 daha da düşerek %73'e indi. İlginç bir şekilde, 1O2'deki değişiklikler daha önce gözlemlenen engelleyici-uyarıcı etkiyle aynı eğilimi gösterdi (bkz. Şekil 3). Parlak ışıkta inkübasyonun fotooksidasyonu değiştirebileceği ileri sürülebilir. Ancak, kontrol analizinin sonuçları deney boyunca neredeyse sabit 1O2 seviyeleri gösterdi (Şekil S22). Hücre içi ROS seviyeleri durumunda da aynı düşüş eğilimini gözlemledik (bkz. Şekil S21). Başlangıçta, Nb2CTx ve Nb4C3Tx SL'lerinin varlığında kültürlenen mikroalg hücrelerindeki ROS seviyeleri, saf mikroalg kültürlerinde bulunan seviyeleri aştı. Ancak sonunda, mikroalglerin her iki Nb-MXen'in varlığına adapte olduğu görüldü, çünkü ROS seviyeleri sırasıyla SL Nb2CTx ve Nb4C3TX ile aşılanmış saf mikroalg kültürlerinde ölçülen seviyelerin %85'ine ve %91'ine düştü. Bu, mikroalglerin zamanla Nb-MXen varlığında, yalnızca besin ortamında olduğundan daha rahat hissettiğini gösterebilir.
Mikroalgler, çeşitli fotosentetik organizmalar grubudur. Fotosentez sırasında, atmosferik karbondioksiti (CO2) organik karbona dönüştürürler. Fotosentezin ürünleri glikoz ve oksijendir79. Bu şekilde oluşan oksijenin, Nb-MXenlerin oksidasyonunda kritik bir rol oynadığından şüpheleniyoruz. Bunun olası bir açıklaması, farklı havalandırma parametresinin, Nb-MXen nanoflakeslerinin dışında ve içinde düşük ve yüksek kısmi oksijen basınçlarında oluşmasıdır. Bu, farklı kısmi oksijen basınçlarına sahip alanlar olduğu her yerde, en düşük seviyeye sahip alanın anodu oluşturacağı anlamına gelir 80, 81, 82. Burada, mikroalgler, fotosentetik özellikleri nedeniyle oksijen üreten MXen pullarının yüzeyinde farklı şekilde havalandırılan hücrelerin oluşumuna katkıda bulunur. Sonuç olarak, biyokorozyon ürünleri (bu durumda, niyobyum oksitler) oluşur. Başka bir yönü de, mikroalglerin suya salınan organik asitler üretebilmesidir83,84. Bu nedenle agresif bir ortam oluşur ve bu da Nb-MXenleri değiştirir. Ayrıca mikroalgler, karbondioksit emilimi nedeniyle ortamın pH'ını alkalin 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 husus Djemai-Zoghlache ve ark. tarafından ayrıntılı olarak açıklanmıştır.85 Kırmızı mikroalg Porphyridium purpureum tarafından biyolojik kirlenmeyle ilişkili biyokorozyonun gösterilmesi için kasıtlı olarak 12/12 saatlik bir fotoperiyot kullanmışlardır. Fotoperiyodun biyokorozyon olmaksızın potansiyelin evrimiyle ilişkili olduğunu ve 24:00 civarında psödoperiyodik salınımlar olarak kendini gösterdiğini göstermişlerdir. Bu gözlemler Dowling ve ark. tarafından doğrulanmıştır.86 Siyanobakteri Anabaena'nın fotosentetik biyofilmlerini göstermişlerdir. Çözünmüş oksijen, serbest biyokorozyon potansiyelindeki bir değişim veya dalgalanmayla ilişkili olan ışığın etkisi altında oluşur. Fotoperiyodun önemi, biyokorozyon için serbest potansiyelin ışık fazında artması ve karanlık fazda azalması gerçeğiyle vurgulanmaktadır. Bu, fotosentetik mikroalglerin ürettiği oksijenin, elektrotların yakınında oluşan kısmi basınç yoluyla katot reaksiyonunu etkilemesinden kaynaklanmaktadır87.
Ek olarak, Nb-MXenlerle etkileşimden sonra mikroalg hücrelerinin kimyasal bileşimlerinde herhangi bir değişiklik olup olmadığını bulmak için Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) gerçekleştirildi. Elde edilen bu sonuçlar karmaşıktır ve bunları SI'da sunuyoruz (MAX aşaması ve ML MXenlerinin sonuçları dahil Şekil S23-S25). Kısacası, mikroalglerin elde edilen referans spektrumları bize bu organizmaların kimyasal özellikleri hakkında önemli bilgiler sağlar. 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 frekanslarında bulunur. 1. 1 1 (C–H) ve 3280 cm–1 (O–H). SL Nb-MXenleri için önceki çalışmamızla tutarlı bir CH-bağı 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 önüne alındığında, niyobyum oksit gibi inorganik oksitlerin birikimi yeniden değerlendirilmelidir59. Hücre yüzeyi tarafından metallerin alınmasında, sitoplazmaya taşınmasında, hücre içi karboksil gruplarıyla birleşmesinde ve mikroalg polifosfozomlarında birikmesinde rol oynar20,88,89,90. Ayrıca, mikroalgler ve metaller arasındaki ilişki hücrelerin işlevsel grupları tarafından sürdürülür. 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 değişti.
İlginçtir ki, mikroalglerin gözlemlenen ilk inhibisyonu zamanla geri döndürülebilirdi. Gözlemlediğimiz gibi, mikroalgler ilk çevresel değişikliğin üstesinden geldi ve sonunda normal büyüme oranlarına geri döndü ve hatta arttı. Zeta potansiyeli çalışmaları besin ortamına sokulduğunda yüksek stabilite göstermektedir. Bu nedenle, mikroalg hücreleri ile Nb-MXene nanoflakes arasındaki yüzey etkileşimi indirgeme deneyleri boyunca korundu. Daha ileri analizimizde, mikroalglerin bu dikkate değer davranışının altında yatan ana etki mekanizmalarını özetliyoruz.
SEM gözlemleri, mikroalglerin Nb-MXene'lere bağlanma eğiliminde olduğunu göstermiştir. Dinamik görüntü analizi kullanarak, bu etkinin iki boyutlu Nb-MXene nanoflakeslerinin daha küresel parçacıklara dönüşmesine yol açtığını doğruladık ve böylece nanoflakeslerin ayrışmasının oksidasyonlarıyla ilişkili olduğunu gösterdik. Hipotezimizi test etmek için bir dizi malzeme ve biyokimyasal çalışma yürüttük. Testten sonra, nanoflakesler kademeli olarak oksitlendi ve yeşil mikroalgler için bir tehdit oluşturmayan NbO ve Nb2O5 ürünlerine ayrıştı. FTIR gözlemini kullanarak, 2D Nb-MXene nanoflakeslerinin varlığında inkübe edilen mikroalglerin kimyasal bileşiminde önemli bir değişiklik bulamadık. Mikroalgler tarafından niyobyum oksit emilimi olasılığını hesaba katarak, bir X-ışını floresan analizi gerçekleştirdik. Bu sonuçlar incelenen mikroalglerin, kendileri için toksik olmayan niyobyum oksitlerle (NbO ve Nb2O5) beslendiğini açıkça göstermektedir.