Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt được cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Hiển thị đồng thời ba slide dạng băng chuyền. Sử dụng các nút Trước và Tiếp theo để chuyển qua ba slide một lúc, hoặc sử dụng các nút trượt ở cuối để chuyển qua ba slide một lúc.
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nano và việc tích hợp nó vào các ứng dụng hàng ngày có thể đe dọa môi trường. Mặc dù các phương pháp xanh để phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ đã được thiết lập tốt, việc thu hồi các chất ô nhiễm tinh thể vô cơ vẫn là mối quan tâm lớn do độ nhạy thấp của chúng đối với quá trình biến đổi sinh học và thiếu hiểu biết về tương tác bề mặt vật liệu với sinh vật. Ở đây, chúng tôi sử dụng mô hình MXenes 2D vô cơ gốc Nb kết hợp với phương pháp phân tích tham số hình dạng đơn giản để theo dõi cơ chế xử lý sinh học của vật liệu nano gốm 2D bởi vi tảo xanh Raphidocelis subcapitata. Chúng tôi nhận thấy rằng vi tảo phân hủy MXenes gốc Nb do tương tác lý hóa liên quan đến bề mặt. Ban đầu, các mảnh nano MXene đơn lớp và đa lớp bám vào bề mặt của vi tảo, điều này phần nào làm giảm sự phát triển của tảo. Tuy nhiên, khi tương tác lâu dài với bề mặt, vi tảo đã oxy hóa các mảnh nano MXene và tiếp tục phân hủy chúng thành NbO và Nb2O5. Vì các oxit này không độc hại đối với tế bào vi tảo, chúng hấp thụ các hạt nano oxit Nb thông qua cơ chế hấp thụ, giúp phục hồi vi tảo sau 72 giờ xử lý nước. Tác động của các chất dinh dưỡng liên quan đến quá trình hấp thụ cũng được thể hiện qua sự gia tăng thể tích tế bào, hình dạng mịn màng và sự thay đổi tốc độ tăng trưởng. Dựa trên những phát hiện này, chúng tôi kết luận rằng sự hiện diện ngắn hạn và dài hạn của MXene gốc Nb trong hệ sinh thái nước ngọt có thể chỉ gây ra những tác động môi trường nhỏ. Điều đáng chú ý là, bằng cách sử dụng vật liệu nano hai chiều làm hệ thống mô hình, chúng tôi chứng minh khả năng theo dõi sự biến đổi hình dạng ngay cả trong các vật liệu có kích thước hạt mịn. Nhìn chung, nghiên cứu này trả lời một câu hỏi cơ bản quan trọng về các quá trình liên quan đến tương tác bề mặt thúc đẩy cơ chế xử lý sinh học của vật liệu nano 2D và cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu ngắn hạn và dài hạn hơn nữa về tác động môi trường của vật liệu nano tinh thể vô cơ.
Vật liệu nano đã thu hút rất nhiều sự quan tâm kể từ khi được phát hiện, và nhiều công nghệ nano gần đây đã bước vào giai đoạn hiện đại hóa¹. Thật không may, việc tích hợp vật liệu nano vào các ứng dụng hàng ngày có thể dẫn đến việc phát tán ngoài ý muốn do xử lý không đúng cách, thao tác bất cẩn hoặc cơ sở hạ tầng an toàn không đầy đủ. Do đó, có lý do để cho rằng vật liệu nano, bao gồm cả vật liệu nano hai chiều (2D), có thể được giải phóng vào môi trường tự nhiên, mà hành vi và hoạt động sinh học của chúng vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Vì vậy, không có gì đáng ngạc nhiên khi các mối quan ngại về độc tính sinh thái tập trung vào khả năng rò rỉ của vật liệu nano 2D vào hệ thống thủy sinh^2,3,4,5,6. Trong các hệ sinh thái này, một số vật liệu nano 2D có thể tương tác với nhiều sinh vật ở các bậc dinh dưỡng khác nhau, bao gồm cả vi tảo.
Vi tảo là những sinh vật nguyên thủy được tìm thấy tự nhiên trong hệ sinh thái nước ngọt và nước biển, chúng sản sinh ra nhiều sản phẩm hóa học thông qua quá trình quang hợp7. Do đó, chúng rất quan trọng đối với hệ sinh thái thủy sinh8,9,10,11,12 nhưng cũng là những chỉ thị nhạy cảm, rẻ tiền và được sử dụng rộng rãi để đánh giá độc tính sinh thái13,14. Vì tế bào vi tảo nhân lên nhanh chóng và phản ứng nhanh với sự hiện diện của các hợp chất khác nhau, chúng rất hứa hẹn cho việc phát triển các phương pháp thân thiện với môi trường để xử lý nước bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ15,16.
Tế bào tảo có thể loại bỏ các ion vô cơ khỏi nước thông qua quá trình hấp phụ sinh học và tích lũy17,18. Một số loài tảo như Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue và Synechococcus sp. đã được phát hiện có khả năng mang và thậm chí nuôi dưỡng các ion kim loại độc hại như Fe2+, Cu2+, Zn2+ và Mn2+19. Các nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng các ion Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ hoặc Pb2+ hạn chế sự phát triển của Scenedesmus bằng cách làm thay đổi hình thái tế bào và phá hủy lục lạp của chúng20,21.
Các phương pháp xanh để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ và loại bỏ các ion kim loại nặng đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học và kỹ sư trên toàn thế giới. Điều này chủ yếu là do các chất gây ô nhiễm này dễ dàng được xử lý trong pha lỏng. Tuy nhiên, các chất ô nhiễm tinh thể vô cơ lại có đặc điểm là độ hòa tan trong nước thấp và khả năng biến đổi sinh học khác nhau thấp, gây ra nhiều khó khăn trong việc xử lý, và ít tiến bộ đã đạt được trong lĩnh vực này22,23,24,25,26. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp thân thiện với môi trường để phục hồi vật liệu nano vẫn là một lĩnh vực phức tạp và chưa được khám phá. Do mức độ không chắc chắn cao về tác động biến đổi sinh học của vật liệu nano 2D, nên không có cách nào dễ dàng để tìm ra các con đường phân hủy khả thi của chúng trong quá trình khử.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng vi tảo xanh làm tác nhân xử lý sinh học trong môi trường nước để phân hủy vật liệu gốm vô cơ, kết hợp với việc theo dõi tại chỗ quá trình phân hủy MXene, một đại diện cho vật liệu gốm vô cơ. Thuật ngữ “MXene” phản ánh tỷ lệ thành phần của vật liệu Mn+1XnTx, trong đó M là kim loại chuyển tiếp sớm, X là carbon và/hoặc nitơ, Tx là chất kết thúc bề mặt (ví dụ: -OH, -F, -Cl), và n = 1, 2, 3 hoặc 427,28. Kể từ khi MXenes được Naguib et al. phát hiện. Cảm biến, điều trị ung thư và lọc màng 27,29,30. Ngoài ra, MXenes có thể được coi là hệ thống 2D mẫu do tính ổn định keo tuyệt vời và khả năng tương tác sinh học 31,32,33,34,35,36.
Do đó, phương pháp luận được phát triển trong bài báo này và các giả thuyết nghiên cứu của chúng tôi được thể hiện trong Hình 1. Theo giả thuyết này, vi tảo phân hủy MXene gốc Nb thành các hợp chất không độc hại do tương tác lý hóa liên quan đến bề mặt, cho phép tảo được thu hồi thêm. Để kiểm tra giả thuyết này, hai thành viên của họ cacbua và/hoặc nitrua kim loại chuyển tiếp gốc niobi (MXene), cụ thể là Nb2CTx và Nb4C3TX, đã được lựa chọn.
Phương pháp nghiên cứu và các giả thuyết dựa trên bằng chứng về khả năng thu hồi MXene của vi tảo xanh Raphidocelis subcapitata. Xin lưu ý rằng đây chỉ là sơ đồ minh họa các giả định dựa trên bằng chứng. Môi trường hồ khác nhau về môi trường dinh dưỡng được sử dụng và các điều kiện (ví dụ: chu kỳ ngày đêm và sự hạn chế về các chất dinh dưỡng thiết yếu có sẵn). Được tạo bằng BioRender.com.
Do đó, bằng cách sử dụng MXene làm hệ thống mô hình, chúng tôi đã mở ra cánh cửa nghiên cứu các hiệu ứng sinh học khác nhau mà không thể quan sát được với các vật liệu nano thông thường khác. Cụ thể, chúng tôi chứng minh khả năng xử lý sinh học các vật liệu nano hai chiều, chẳng hạn như MXene gốc niobi, bằng vi tảo Raphidocelis subcapitata. Vi tảo có khả năng phân hủy Nb-MXene thành các oxit không độc hại NbO và Nb2O5, đồng thời cung cấp chất dinh dưỡng thông qua cơ chế hấp thụ niobi. Nhìn chung, nghiên cứu này trả lời một câu hỏi cơ bản quan trọng về các quá trình liên quan đến tương tác lý hóa bề mặt chi phối cơ chế xử lý sinh học các vật liệu nano hai chiều. Ngoài ra, chúng tôi đang phát triển một phương pháp đơn giản dựa trên tham số hình dạng để theo dõi những thay đổi nhỏ về hình dạng của vật liệu nano 2D. Điều này truyền cảm hứng cho các nghiên cứu ngắn hạn và dài hạn hơn nữa về các tác động môi trường khác nhau của vật liệu nano tinh thể vô cơ. Do đó, nghiên cứu của chúng tôi làm tăng sự hiểu biết về tương tác giữa bề mặt vật liệu và vật liệu sinh học. Chúng tôi cũng đang cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu ngắn hạn và dài hạn mở rộng về tác động tiềm tàng của chúng đối với hệ sinh thái nước ngọt, điều mà giờ đây có thể dễ dàng được kiểm chứng.
MXene đại diện cho một nhóm vật liệu thú vị với các tính chất vật lý và hóa học độc đáo và hấp dẫn, do đó có nhiều ứng dụng tiềm năng. Các tính chất này phụ thuộc phần lớn vào tỷ lệ thành phần và hóa học bề mặt của chúng. Vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi đã khảo sát hai loại MXene đơn lớp (SL) phân cấp dựa trên Nb, Nb2CTx và Nb4C3TX, vì có thể quan sát thấy các tác dụng sinh học khác nhau của các vật liệu nano này. MXene được tạo ra từ các vật liệu ban đầu bằng cách khắc chọn lọc từ trên xuống các lớp A pha MAX mỏng ở cấp độ nguyên tử. Pha MAX là một loại gốm ba thành phần bao gồm các khối cacbua kim loại chuyển tiếp "liên kết" và các lớp mỏng của các nguyên tố "A" như Al, Si và Sn với tỷ lệ thành phần MnAXn-1. Hình thái của pha MAX ban đầu được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phù hợp với các nghiên cứu trước đây (Xem Thông tin bổ sung, SI, Hình S1). MXene Nb đa lớp (ML) được thu được sau khi loại bỏ lớp Al bằng HF 48% (axit flohydric). Hình thái của ML-Nb2CTx và ML-Nb4C3TX được kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) (Hình S1c và S1d tương ứng) và quan sát thấy hình thái MXene dạng lớp điển hình, tương tự như các mảnh nano hai chiều đi qua các khe hẹp hình lỗ rỗng kéo dài. Cả hai loại Nb-MXene đều có nhiều điểm chung với các pha MXene được tổng hợp trước đây bằng phương pháp khắc axit27,38. Sau khi xác nhận cấu trúc của MXene, chúng tôi đã tạo lớp bằng cách xen kẽ tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) sau đó rửa và siêu âm, sau đó thu được các mảnh nano Nb-MXene 2D đơn lớp hoặc nhiều lớp (SL).
Chúng tôi đã sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM) và nhiễu xạ tia X (XRD) để kiểm tra hiệu quả của quá trình khắc và bóc tách. Kết quả HRTEM được xử lý bằng phép biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo (IFFT) và phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) được thể hiện trong Hình 2. Các mảnh nano Nb-MXene được định hướng theo chiều cạnh lên trên để kiểm tra cấu trúc của lớp nguyên tử và đo khoảng cách giữa các mặt phẳng. Hình ảnh HRTEM của các mảnh nano MXene Nb2CTx và Nb4C3TX cho thấy bản chất lớp mỏng ở cấp độ nguyên tử của chúng (xem Hình 2a1, a2), như đã được báo cáo trước đây bởi Naguib et al.27 và Jastrzębska et al.38. Đối với hai lớp đơn Nb2CTx và Nb4C3Tx liền kề, chúng tôi đã xác định khoảng cách giữa các lớp lần lượt là 0,74 và 1,54 nm (Hình 2b1, b2), điều này cũng phù hợp với kết quả trước đây của chúng tôi38. Điều này được xác nhận thêm bằng phép biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo (Hình 2c1, c2) và phép biến đổi Fourier nhanh (Hình 2d1, d2) cho thấy khoảng cách giữa các lớp đơn Nb2CTx và Nb4C3Tx. Hình ảnh cho thấy sự xen kẽ giữa các dải sáng và tối tương ứng với các nguyên tử niobi và carbon, điều này xác nhận bản chất dạng lớp của các MXene được nghiên cứu. Điều quan trọng cần lưu ý là phổ tán xạ tia X năng lượng (EDX) thu được cho Nb2CTx và Nb4C3Tx (Hình S2a và S2b) không cho thấy dấu vết của pha MAX ban đầu, vì không phát hiện thấy đỉnh Al nào.
Đặc điểm của các mảnh nano MXene SL Nb2CTx và Nb4C3Tx, bao gồm (a) hình ảnh mảnh nano 2D nhìn từ cạnh bên bằng kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM) và (b) chế độ cường độ tương ứng, (c) biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo (IFFT), (d) biến đổi Fourier nhanh (FFT), (e) mẫu nhiễu xạ tia X của Nb-MXenes. Đối với SL 2D Nb2CTx, các số được biểu thị là (a1, b1, c1, d1, e1). Đối với SL 2D Nb4C3Tx, các số được biểu thị là (a2, b2, c2, d2, e1).
Các phép đo nhiễu xạ tia X của MXene SL Nb2CTx và Nb4C3Tx được thể hiện trong Hình 2e1 và e2 tương ứng. Các đỉnh (002) ở 4,31 và 4,32 tương ứng với các MXene lớp Nb2CTx và Nb4C3TX38,39,40,41 đã được mô tả trước đó. Kết quả XRD cũng cho thấy sự hiện diện của một số cấu trúc ML còn sót lại và các pha MAX, nhưng chủ yếu là các mẫu XRD liên quan đến SL Nb4C3Tx (Hình 2e2). Sự hiện diện của các hạt nhỏ hơn của pha MAX có thể giải thích đỉnh MAX mạnh hơn so với các lớp Nb4C3Tx xếp chồng ngẫu nhiên.
Nghiên cứu sâu hơn đã tập trung vào vi tảo xanh thuộc loài R. subcapitata. Chúng tôi chọn vi tảo vì chúng là những sinh vật sản xuất quan trọng tham gia vào các chuỗi thức ăn chính42. Chúng cũng là một trong những chỉ thị tốt nhất về độc tính do khả năng loại bỏ các chất độc hại được vận chuyển đến các cấp cao hơn của chuỗi thức ăn43. Ngoài ra, nghiên cứu về R. subcapitata có thể làm sáng tỏ độc tính ngẫu nhiên của SL Nb-MXenes đối với các vi sinh vật nước ngọt phổ biến. Để minh họa điều này, các nhà nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết rằng mỗi vi sinh vật có độ nhạy khác nhau đối với các hợp chất độc hại có trong môi trường. Đối với hầu hết các sinh vật, nồng độ thấp của các chất không ảnh hưởng đến sự phát triển của chúng, trong khi nồng độ trên một giới hạn nhất định có thể ức chế chúng hoặc thậm chí gây chết. Do đó, đối với các nghiên cứu của chúng tôi về tương tác bề mặt giữa vi tảo và MXenes và sự phục hồi liên quan, chúng tôi đã quyết định thử nghiệm nồng độ Nb-MXenes không gây hại và gây độc. Để thực hiện điều này, chúng tôi đã thử nghiệm các nồng độ 0 (làm tham chiếu), 0,01, 0,1 và 10 mg l-1 MXene và ngoài ra còn cho vi tảo tiếp xúc với nồng độ MXene rất cao (100 mg l-1 MXene), có thể gây hại nghiêm trọng và chết người trong bất kỳ môi trường sinh học nào.
Tác động của SL Nb-MXenes lên vi tảo được thể hiện trong Hình 3, được biểu thị bằng phần trăm thúc đẩy tăng trưởng (+) hoặc ức chế (-) đo được đối với mẫu 0 mg l-1. Để so sánh, pha Nb-MAX và ML Nb-MXenes cũng được thử nghiệm và kết quả được trình bày trong Phụ lục (xem Hình S3). Kết quả thu được xác nhận rằng SL Nb-MXenes hầu như không có độc tính trong phạm vi nồng độ thấp từ 0,01 đến 10 mg/l, như thể hiện trong Hình 3a,b. Trong trường hợp Nb2CTx, chúng tôi quan sát thấy không quá 5% độc tính sinh thái trong phạm vi đã chỉ định.
Kích thích (+) hoặc ức chế (-) sự phát triển của vi tảo khi có mặt SL (a) Nb2CTx và (b) Nb4C3TX MXene. Tương tác giữa MXene và vi tảo trong 24, 48 và 72 giờ đã được phân tích. Dữ liệu có ý nghĩa thống kê (kiểm định t, p < 0,05) được đánh dấu bằng dấu sao (*). Dữ liệu có ý nghĩa thống kê (kiểm định t, p < 0,05) được đánh dấu bằng dấu sao (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Dữ liệu có ý nghĩa thống kê (kiểm định t, p < 0,05) được đánh dấu bằng dấu sao (*).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 (*). Dữ liệu quan trọng (kiểm định t, p < 0,05) được đánh dấu bằng dấu sao (*).Các mũi tên màu đỏ biểu thị sự loại bỏ kích thích ức chế.
Mặt khác, nồng độ thấp của Nb4C3TX lại có độc tính cao hơn một chút, nhưng không vượt quá 7%. Như dự đoán, chúng tôi quan sát thấy MXene có độc tính cao hơn và ức chế sự phát triển của vi tảo ở nồng độ 100mg L-1. Điều thú vị là, không có vật liệu nào cho thấy xu hướng và sự phụ thuộc vào thời gian của các tác động độc hại/không độc hại giống như các mẫu MAX hoặc ML (xem phần bổ sung để biết chi tiết). Trong khi đối với pha MAX (xem Hình S3), độc tính đạt khoảng 15–25% và tăng theo thời gian, thì xu hướng ngược lại được quan sát thấy đối với SL Nb2CTx và Nb4C3TX MXene. Sự ức chế sự phát triển của vi tảo giảm dần theo thời gian. Nó đạt khoảng 17% sau 24 giờ và giảm xuống dưới 5% sau 72 giờ (Hình 3a, b tương ứng).
Quan trọng hơn, đối với SL Nb4C3TX, sự ức chế tăng trưởng vi tảo đạt khoảng 27% sau 24 giờ, nhưng sau 72 giờ, nó giảm xuống còn khoảng 1%. Do đó, chúng tôi coi hiệu ứng quan sát được là sự ức chế ngược của sự kích thích, và hiệu ứng này mạnh hơn đối với SL Nb4C3TX MXene. Sự kích thích tăng trưởng vi tảo đã được ghi nhận sớm hơn với Nb4C3TX (tương tác ở nồng độ 10 mg L-1 trong 24 giờ) so với SL Nb2CTx MXene. Hiệu ứng đảo ngược ức chế-kích thích cũng được thể hiện rõ trong đường cong tốc độ tăng gấp đôi sinh khối (xem Hình S4 để biết chi tiết). Cho đến nay, chỉ có độc tính sinh thái của Ti3C2TX MXene được nghiên cứu theo nhiều cách khác nhau. Nó không độc hại đối với phôi cá ngựa vằn44 nhưng có độc tính sinh thái vừa phải đối với vi tảo Desmodesmus quadricauda và cây Sorghum saccharatum45. Các ví dụ khác về tác động cụ thể bao gồm độc tính cao hơn đối với các dòng tế bào ung thư so với các dòng tế bào bình thường46,47. Có thể giả định rằng các điều kiện thử nghiệm sẽ ảnh hưởng đến những thay đổi trong sự phát triển của vi tảo được quan sát thấy khi có mặt Nb-MXenes. Ví dụ, độ pH khoảng 8 trong chất nền lục lạp là tối ưu cho hoạt động hiệu quả của enzyme RuBisCO. Do đó, sự thay đổi pH ảnh hưởng tiêu cực đến tốc độ quang hợp48,49. Tuy nhiên, chúng tôi không quan sát thấy những thay đổi đáng kể về pH trong suốt thí nghiệm (xem Phụ lục, Hình S5 để biết chi tiết). Nhìn chung, nuôi cấy vi tảo với Nb-MXenes làm giảm nhẹ độ pH của dung dịch theo thời gian. Tuy nhiên, sự giảm này tương tự như sự thay đổi pH của môi trường tinh khiết. Ngoài ra, phạm vi biến đổi được tìm thấy tương tự như phạm vi đo được đối với nuôi cấy vi tảo thuần khiết (mẫu đối chứng). Do đó, chúng tôi kết luận rằng quá trình quang hợp không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi pH theo thời gian.
Ngoài ra, các MXene tổng hợp có các đầu mút bề mặt (ký hiệu là Tx). Chúng chủ yếu là các nhóm chức -O, -F và -OH. Tuy nhiên, hóa học bề mặt có liên quan trực tiếp đến phương pháp tổng hợp. Các nhóm này được biết là phân bố ngẫu nhiên trên bề mặt, khiến việc dự đoán ảnh hưởng của chúng đến các tính chất của MXene50 trở nên khó khăn. Có thể lập luận rằng Tx có thể là lực xúc tác cho quá trình oxy hóa niobi bằng ánh sáng. Các nhóm chức bề mặt thực sự cung cấp nhiều vị trí neo cho các chất quang xúc tác bên dưới để tạo thành các dị liên kết51. Tuy nhiên, thành phần môi trường tăng trưởng không cung cấp chất quang xúc tác hiệu quả (thành phần môi trường chi tiết có thể được tìm thấy trong Bảng S6 của Phụ lục). Thêm vào đó, bất kỳ sự sửa đổi bề mặt nào cũng rất quan trọng, vì hoạt tính sinh học của MXene có thể bị thay đổi do xử lý sau lớp, oxy hóa, sửa đổi bề mặt hóa học của các hợp chất hữu cơ và vô cơ52,53,54,55,56 hoặc kỹ thuật điện tích bề mặt38. Do đó, để kiểm tra xem oxit niobi có liên quan gì đến sự không ổn định vật liệu trong môi trường hay không, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu điện thế zeta (ζ) trong môi trường nuôi cấy vi tảo và nước khử ion (để so sánh). Kết quả của chúng tôi cho thấy SL Nb-MXenes khá ổn định (xem Hình S6 trong phần bổ sung để biết kết quả MAX và ML). Điện thế zeta của SL MXenes vào khoảng -10 mV. Trong trường hợp SR Nb2CTx, giá trị ζ âm hơn một chút so với Nb4C3Tx. Sự thay đổi giá trị ζ này có thể cho thấy bề mặt của các mảnh nano MXene mang điện tích âm hấp thụ các ion mang điện tích dương từ môi trường nuôi cấy. Các phép đo theo thời gian về điện thế zeta và độ dẫn điện của Nb-MXenes trong môi trường nuôi cấy (xem Hình S7 và S8 trong phần bổ sung để biết thêm chi tiết) dường như ủng hộ giả thuyết của chúng tôi.
Tuy nhiên, cả hai loại Nb-MXene SL đều cho thấy sự thay đổi tối thiểu so với giá trị 0. Điều này chứng tỏ rõ ràng tính ổn định của chúng trong môi trường nuôi cấy vi tảo. Ngoài ra, chúng tôi đã đánh giá xem sự hiện diện của vi tảo xanh có ảnh hưởng đến tính ổn định của Nb-MXene trong môi trường hay không. Kết quả về điện thế zeta và độ dẫn điện của MXene sau khi tương tác với vi tảo trong môi trường dinh dưỡng và nuôi cấy theo thời gian có thể được tìm thấy trong phần bổ sung (Hình S9 và S10). Điều thú vị là, chúng tôi nhận thấy rằng sự hiện diện của vi tảo dường như làm ổn định sự phân tán của cả hai loại MXene. Trong trường hợp Nb2CTx SL, điện thế zeta thậm chí còn giảm nhẹ theo thời gian xuống các giá trị âm hơn (-15,8 so với -19,1 mV sau 72 giờ ủ). Điện thế zeta của SL Nb4C3TX tăng nhẹ, nhưng sau 72 giờ vẫn cho thấy độ ổn định cao hơn so với các nanoflake không có sự hiện diện của vi tảo (-18,1 so với -9,1 mV).
Chúng tôi cũng nhận thấy độ dẫn điện thấp hơn của dung dịch Nb-MXene được ủ trong sự hiện diện của vi tảo, cho thấy lượng ion trong môi trường dinh dưỡng thấp hơn. Đáng chú ý, sự không ổn định của MXene trong nước chủ yếu là do quá trình oxy hóa bề mặt57. Do đó, chúng tôi nghi ngờ rằng vi tảo xanh bằng cách nào đó đã loại bỏ các oxit hình thành trên bề mặt Nb-MXene và thậm chí ngăn chặn sự hình thành của chúng (quá trình oxy hóa MXene). Điều này có thể được thấy bằng cách nghiên cứu các loại chất được vi tảo hấp thụ.
Mặc dù các nghiên cứu độc tính sinh thái của chúng tôi chỉ ra rằng vi tảo có khả năng vượt qua độc tính của Nb-MXene theo thời gian và sự ức chế bất thường đối với sự tăng trưởng được kích thích, mục tiêu của nghiên cứu này là điều tra các cơ chế hoạt động có thể xảy ra. Khi các sinh vật như tảo tiếp xúc với các hợp chất hoặc vật liệu không quen thuộc với hệ sinh thái của chúng, chúng có thể phản ứng theo nhiều cách khác nhau58,59. Trong trường hợp không có oxit kim loại độc hại, vi tảo có thể tự nuôi sống bản thân, cho phép chúng phát triển liên tục60. Sau khi ăn phải các chất độc hại, các cơ chế phòng vệ có thể được kích hoạt, chẳng hạn như thay đổi hình dạng. Khả năng hấp thụ cũng cần được xem xét58,59. Đáng chú ý, bất kỳ dấu hiệu nào của cơ chế phòng vệ đều là một chỉ báo rõ ràng về độc tính của hợp chất thử nghiệm. Do đó, trong công việc tiếp theo của chúng tôi, chúng tôi đã điều tra sự tương tác bề mặt tiềm năng giữa các mảnh nano SL Nb-MXene và vi tảo bằng SEM và khả năng hấp thụ MXene gốc Nb bằng quang phổ huỳnh quang tia X (XRF). Lưu ý rằng các phân tích SEM và XRF chỉ được thực hiện ở nồng độ MXene cao nhất để giải quyết các vấn đề về độc tính hoạt động.
Kết quả SEM được thể hiện trong Hình 4. Các tế bào vi tảo chưa qua xử lý (xem Hình 4a, mẫu tham khảo) cho thấy rõ hình thái điển hình của R. subcapitata và hình dạng tế bào giống như bánh sừng bò. Các tế bào có vẻ dẹt và hơi lộn xộn. Một số tế bào vi tảo chồng lên nhau và vướng vào nhau, nhưng điều này có thể do quá trình chuẩn bị mẫu gây ra. Nhìn chung, các tế bào vi tảo tinh khiết có bề mặt nhẵn và không cho thấy bất kỳ thay đổi hình thái nào.
Ảnh SEM thể hiện sự tương tác bề mặt giữa vi tảo xanh và các tấm nano MXene sau 72 giờ tương tác ở nồng độ cực cao (100 mg L-1). (a) Vi tảo xanh chưa xử lý sau khi tương tác với SL (b) Nb2CTx và (c) Nb4C3TX MXene. Lưu ý rằng các mảnh nano Nb-MXene được đánh dấu bằng mũi tên màu đỏ. Để so sánh, ảnh chụp từ kính hiển vi quang học cũng được thêm vào.
Ngược lại, các tế bào vi tảo bị hấp phụ bởi các mảnh nano SL Nb-MXene đã bị hư hại (xem Hình 4b, c, mũi tên màu đỏ). Trong trường hợp Nb2CTx MXene (Hình 4b), vi tảo có xu hướng phát triển với các cấu trúc nano hai chiều bám vào, điều này có thể làm thay đổi hình thái của chúng. Đáng chú ý, chúng tôi cũng quan sát thấy những thay đổi này dưới kính hiển vi quang học (xem Hình S11 trong phần bổ sung để biết chi tiết). Sự chuyển đổi hình thái này có cơ sở hợp lý trong sinh lý học của vi tảo và khả năng tự vệ của chúng bằng cách thay đổi hình thái tế bào, chẳng hạn như tăng thể tích tế bào61. Do đó, điều quan trọng là phải kiểm tra số lượng tế bào vi tảo thực sự tiếp xúc với Nb-MXene. Các nghiên cứu SEM cho thấy khoảng 52% tế bào vi tảo tiếp xúc với Nb-MXene, trong khi 48% số tế bào vi tảo này tránh tiếp xúc. Đối với SL Nb4C3Tx MXene, vi tảo cố gắng tránh tiếp xúc với MXene, do đó chúng tập trung và phát triển từ các cấu trúc nano hai chiều (Hình 4c). Tuy nhiên, chúng tôi không quan sát thấy sự xâm nhập của các cấu trúc nano vào tế bào vi tảo và gây tổn thương cho chúng.
Khả năng tự bảo tồn cũng là một phản ứng theo thời gian đối với sự tắc nghẽn quá trình quang hợp do sự hấp phụ các hạt trên bề mặt tế bào và cái gọi là hiệu ứng che chắn (shading)62. Rõ ràng là mỗi vật thể (ví dụ, các mảnh nano Nb-MXene) nằm giữa vi tảo và nguồn sáng sẽ hạn chế lượng ánh sáng được hấp thụ bởi lục lạp. Tuy nhiên, chúng tôi không nghi ngờ gì rằng điều này có tác động đáng kể đến các kết quả thu được. Như quan sát bằng kính hiển vi của chúng tôi cho thấy, các mảnh nano 2D không hoàn toàn bao phủ hoặc bám dính vào bề mặt của vi tảo, ngay cả khi các tế bào vi tảo tiếp xúc với Nb-MXene. Thay vào đó, các mảnh nano được định hướng theo các tế bào vi tảo mà không che phủ bề mặt của chúng. Một tập hợp các mảnh nano/vi tảo như vậy không thể hạn chế đáng kể lượng ánh sáng được hấp thụ bởi các tế bào vi tảo. Hơn nữa, một số nghiên cứu thậm chí đã chứng minh sự cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng của các sinh vật quang hợp khi có sự hiện diện của vật liệu nano hai chiều63,64,65,66.
Vì ảnh SEM không thể trực tiếp xác nhận sự hấp thụ niobi bởi tế bào vi tảo, nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi đã chuyển sang phân tích huỳnh quang tia X (XRF) và quang phổ quang điện tử tia X (XPS) để làm rõ vấn đề này. Do đó, chúng tôi đã so sánh cường độ đỉnh Nb của các mẫu vi tảo tham chiếu không tương tác với MXenes, các mảnh nano MXene tách ra từ bề mặt tế bào vi tảo và tế bào vi tảo sau khi loại bỏ MXenes bám dính. Điều đáng chú ý là nếu không có sự hấp thụ Nb, giá trị Nb thu được từ tế bào vi tảo phải bằng 0 sau khi loại bỏ các hạt nano bám dính. Do đó, nếu sự hấp thụ Nb xảy ra, cả kết quả XRF và XPS đều phải cho thấy đỉnh Nb rõ ràng.
Trong trường hợp phổ XRF, các mẫu vi tảo cho thấy các đỉnh Nb đối với SL Nb2CTx và Nb4C3Tx MXene sau khi tương tác với SL Nb2CTx và Nb4C3Tx MXene (xem Hình 5a, cũng lưu ý rằng kết quả đối với MAX và ML MXene được hiển thị trong SI, Hình S12–C17). Điều thú vị là cường độ của đỉnh Nb là như nhau trong cả hai trường hợp (các thanh màu đỏ trong Hình 5a). Điều này cho thấy tảo không thể hấp thụ thêm Nb, và khả năng tích lũy Nb tối đa đã đạt được trong tế bào, mặc dù lượng Nb4C3Tx MXene gắn vào tế bào vi tảo nhiều gấp đôi (các thanh màu xanh lam trong Hình 5a). Đáng chú ý, khả năng hấp thụ kim loại của vi tảo phụ thuộc vào nồng độ oxit kim loại trong môi trường67,68. Shamshada et al.67 nhận thấy rằng khả năng hấp thụ của tảo nước ngọt giảm khi độ pH tăng. Raize et al.68 lưu ý rằng khả năng hấp thụ kim loại của rong biển cao hơn khoảng 25% đối với Pb2+ so với Ni2+.
(a) Kết quả XRF về sự hấp thụ Nb cơ bản của tế bào vi tảo xanh được ủ ở nồng độ cực cao của SL Nb-MXenes (100 mg L-1) trong 72 giờ. Kết quả cho thấy sự hiện diện của α trong tế bào vi tảo nguyên chất (mẫu đối chứng, cột màu xám), các mảnh nano 2D được phân lập từ bề mặt tế bào vi tảo (cột màu xanh lam) và tế bào vi tảo sau khi tách các mảnh nano 2D khỏi bề mặt (cột màu đỏ). (b) Lượng Nb nguyên tố, (c) phần trăm thành phần hóa học của các thành phần hữu cơ vi tảo (C=O và CHx/C–O) và oxit Nb có trong tế bào vi tảo sau khi ủ với SL Nb-MXenes, (c–e) Phân tích đỉnh thành phần của phổ XPS SL Nb2CTx và (fh) SL Nb4C3Tx MXene được tế bào vi tảo hấp thụ.
Do đó, chúng tôi dự đoán rằng Nb có thể được hấp thụ bởi các tế bào tảo dưới dạng oxit. Để kiểm tra điều này, chúng tôi đã thực hiện các nghiên cứu XPS trên MXenes Nb2CTx và Nb4C3TX và các tế bào tảo. Kết quả tương tác giữa vi tảo với Nb-MXenes và MXenes được phân lập từ các tế bào tảo được thể hiện trong Hình 5b. Như dự đoán, chúng tôi đã phát hiện các đỉnh Nb 3d trong các mẫu vi tảo sau khi loại bỏ MXene khỏi bề mặt của vi tảo. Việc xác định định lượng C=O, CHx/CO và oxit Nb được tính toán dựa trên phổ Nb 3d, O 1s và C 1s thu được với Nb2CTx SL (Hình 5c–e) và Nb4C3Tx SL (Hình 5c–e). ) thu được từ vi tảo được ủ. Hình 5f–h) MXenes. Bảng S1-3 trình bày chi tiết các thông số đỉnh và thành phần hóa học tổng thể thu được từ phép hiệu chỉnh. Điều đáng chú ý là vùng Nb 3d của Nb2CTx SL và Nb4C3Tx SL (Hình 5c, f) tương ứng với một thành phần Nb2O5. Ở đây, chúng tôi không tìm thấy các đỉnh liên quan đến MXene trong phổ, cho thấy các tế bào vi tảo chỉ hấp thụ dạng oxit của Nb. Ngoài ra, chúng tôi đã xấp xỉ phổ C 1s với các thành phần C–C, CHx/C–O, C=O và –COOH. Chúng tôi gán các đỉnh CHx/C–O và C=O cho sự đóng góp hữu cơ của các tế bào vi tảo. Các thành phần hữu cơ này chiếm lần lượt 36% và 41% các đỉnh C 1s trong Nb2CTx SL và Nb4C3TX SL. Sau đó, chúng tôi đã khớp phổ O 1s của SL Nb2CTx và SL Nb4C3TX với Nb2O5, các thành phần hữu cơ của vi tảo (CHx/CO) và nước hấp phụ trên bề mặt.
Cuối cùng, kết quả XPS đã chỉ rõ dạng tồn tại của Nb, chứ không chỉ đơn thuần là sự hiện diện của nó. Dựa trên vị trí của tín hiệu Nb 3d và kết quả phân tích tách phổ, chúng tôi khẳng định rằng Nb chỉ được hấp thụ dưới dạng oxit chứ không phải ion hay bản thân MXene. Ngoài ra, kết quả XPS cho thấy tế bào vi tảo có khả năng hấp thụ oxit Nb từ SL Nb2CTx cao hơn so với SL Nb4C3TX MXene.
Mặc dù kết quả hấp thụ Nb của chúng tôi rất ấn tượng và cho phép chúng tôi xác định sự phân hủy MXene, nhưng hiện chưa có phương pháp nào để theo dõi các thay đổi hình thái liên quan trong các mảnh nano 2D. Do đó, chúng tôi cũng quyết định phát triển một phương pháp phù hợp có thể trực tiếp phản ứng với bất kỳ thay đổi nào xảy ra trong các mảnh nano Nb-MXene 2D và tế bào vi tảo. Điều quan trọng cần lưu ý là chúng tôi giả định rằng nếu các chất tương tác trải qua bất kỳ sự biến đổi, phân hủy hoặc phân mảnh nào, điều này sẽ nhanh chóng biểu hiện dưới dạng các thay đổi trong các thông số hình dạng, chẳng hạn như đường kính của diện tích hình tròn tương đương, độ tròn, chiều rộng Feret hoặc chiều dài Feret. Vì các thông số này phù hợp để mô tả các hạt kéo dài hoặc các mảnh nano hai chiều, việc theo dõi chúng bằng phân tích hình dạng hạt động sẽ cung cấp cho chúng ta thông tin có giá trị về sự biến đổi hình thái của các mảnh nano Nb-MXene SL trong quá trình khử.
Kết quả thu được được thể hiện trong Hình 6. Để so sánh, chúng tôi cũng đã thử nghiệm pha MAX ban đầu và ML-MXenes (xem Hình S18 và S19 trong phần Phụ lục). Phân tích động học hình dạng hạt cho thấy tất cả các thông số hình dạng của hai lớp siêu mỏng Nb-MXene đã thay đổi đáng kể sau khi tương tác với vi tảo. Như được thể hiện bởi thông số đường kính diện tích hình tròn tương đương (Hình 6a, b), cường độ đỉnh giảm của phần các mảnh nano lớn cho thấy chúng có xu hướng phân rã thành các mảnh nhỏ hơn. Trên hình 6c, d cho thấy sự giảm các đỉnh liên quan đến kích thước ngang của các mảnh (sự kéo dài của các mảnh nano), cho thấy sự chuyển đổi của các mảnh nano 2D thành hình dạng giống hạt hơn. Hình 6e-h lần lượt cho thấy chiều rộng và chiều dài của Feret. Chiều rộng và chiều dài của Feret là các thông số bổ sung và do đó nên được xem xét cùng nhau. Sau khi ủ các mảnh nano Nb-MXene 2D trong sự hiện diện của vi tảo, các đỉnh tương quan Feret của chúng dịch chuyển và cường độ của chúng giảm. Dựa trên những kết quả này kết hợp với hình thái học, XRF và XPS, chúng tôi kết luận rằng những thay đổi quan sát được có liên quan mật thiết đến quá trình oxy hóa vì MXene bị oxy hóa trở nên nhăn nheo hơn và bị phân hủy thành các mảnh và các hạt oxit hình cầu69,70.
Phân tích sự biến đổi của MXene sau khi tương tác với vi tảo xanh. Phân tích hình dạng hạt động có tính đến các thông số như (a, b) đường kính của diện tích hình tròn tương đương, (c, d) độ tròn, (e, f) chiều rộng Feret và (g, h) chiều dài Feret. Để làm được điều này, hai mẫu vi tảo tham chiếu đã được phân tích cùng với MXene SL Nb2CTx và SL Nb4C3Tx ban đầu, MXene SL Nb2CTx và SL Nb4C3Tx, vi tảo bị phân hủy và MXene SL Nb2CTx và SL Nb4C3Tx từ vi tảo đã qua xử lý. Các mũi tên màu đỏ thể hiện sự chuyển đổi các thông số hình dạng của các nanoflake hai chiều được nghiên cứu.
Vì phân tích thông số hình dạng rất đáng tin cậy, nó cũng có thể tiết lộ những thay đổi hình thái trong tế bào vi tảo. Do đó, chúng tôi đã phân tích đường kính diện tích hình tròn tương đương, độ tròn và chiều rộng/chiều dài Feret của tế bào vi tảo nguyên chất và tế bào sau khi tương tác với các mảnh nano Nb 2D. Hình 6a–h cho thấy những thay đổi trong các thông số hình dạng của tế bào tảo, được thể hiện bằng sự giảm cường độ đỉnh và sự dịch chuyển của các cực đại về phía các giá trị cao hơn. Cụ thể, các thông số độ tròn của tế bào cho thấy sự giảm ở các tế bào kéo dài và tăng ở các tế bào hình cầu (Hình 6a, b). Ngoài ra, chiều rộng tế bào Feret tăng lên vài micromet sau khi tương tác với SL Nb2CTx MXene (Hình 6e) so với SL Nb4C3TX MXene (Hình 6f). Chúng tôi nghi ngờ rằng điều này có thể là do sự hấp thụ mạnh mẽ các oxit Nb bởi vi tảo khi tương tác với Nb2CTx SR. Sự gắn kết ít cứng nhắc hơn của các mảnh Nb vào bề mặt của chúng có thể dẫn đến sự phát triển của tế bào với hiệu ứng che chắn tối thiểu.
Những quan sát của chúng tôi về sự thay đổi các thông số hình dạng và kích thước của vi tảo bổ sung cho các nghiên cứu khác. Vi tảo xanh có thể thay đổi hình thái của chúng để đáp ứng với áp lực môi trường bằng cách thay đổi kích thước, hình dạng hoặc quá trình trao đổi chất của tế bào61. Ví dụ, việc thay đổi kích thước tế bào tạo điều kiện thuận lợi cho việc hấp thụ chất dinh dưỡng71. Các tế bào tảo nhỏ hơn cho thấy khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng thấp hơn và tốc độ tăng trưởng bị suy giảm. Ngược lại, các tế bào lớn hơn có xu hướng tiêu thụ nhiều chất dinh dưỡng hơn, sau đó được tích lũy bên trong tế bào72,73. Machado và Soares đã phát hiện ra rằng thuốc diệt nấm triclosan có thể làm tăng kích thước tế bào. Họ cũng tìm thấy những thay đổi sâu sắc về hình dạng của tảo74. Ngoài ra, Yin et al.9 cũng tiết lộ những thay đổi hình thái ở tảo sau khi tiếp xúc với các nanocomposite oxit graphene khử. Do đó, rõ ràng là các thông số kích thước/hình dạng bị thay đổi của vi tảo là do sự hiện diện của MXene. Vì sự thay đổi về kích thước và hình dạng này là dấu hiệu của những thay đổi trong việc hấp thụ chất dinh dưỡng, chúng tôi tin rằng việc phân tích các thông số kích thước và hình dạng theo thời gian có thể chứng minh sự hấp thụ oxit niobi của vi tảo khi có mặt Nb-MXenes.
Hơn nữa, MXenes có thể bị oxy hóa khi có mặt tảo. Dalai et al.75 quan sát thấy hình thái của tảo xanh tiếp xúc với nano-TiO2 và Al2O376 không đồng nhất. Mặc dù quan sát của chúng tôi tương tự như nghiên cứu hiện tại, nhưng nó chỉ liên quan đến nghiên cứu về tác động của quá trình xử lý sinh học đối với các sản phẩm phân hủy MXene khi có mặt các mảnh nano 2D chứ không phải các hạt nano. Vì MXenes có thể phân hủy thành oxit kim loại,31,32,77,78 nên có lý do để cho rằng các mảnh nano Nb của chúng ta cũng có thể tạo thành oxit Nb sau khi tương tác với tế bào vi tảo.
Để giải thích sự giảm kích thước của các mảnh nano 2D-Nb thông qua cơ chế phân hủy dựa trên quá trình oxy hóa, chúng tôi đã tiến hành các nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM) (Hình 7a,b) và quang phổ quang điện tử tia X (XPS) (Hình 7c-i và bảng S4-5). Cả hai phương pháp đều phù hợp để nghiên cứu quá trình oxy hóa vật liệu 2D và bổ sung cho nhau. HRTEM có khả năng phân tích sự suy thoái của cấu trúc lớp hai chiều và sự xuất hiện tiếp theo của các hạt nano oxit kim loại, trong khi XPS nhạy cảm với các liên kết bề mặt. Vì mục đích này, chúng tôi đã thử nghiệm các mảnh nano 2D Nb-MXene được chiết xuất từ ​​dung dịch phân tán tế bào vi tảo, tức là hình dạng của chúng sau khi tương tác với tế bào vi tảo (xem Hình 7).
Hình ảnh HRTEM cho thấy hình thái của (a) SL Nb2CTx và (b) SL Nb4C3Tx MXenes bị oxy hóa, kết quả phân tích XPS cho thấy (c) thành phần của các sản phẩm oxit sau quá trình khử, (d–f) sự phù hợp đỉnh của các thành phần trong phổ XPS của SL Nb2CTx và (g–i) Nb4C3Tx SL được sửa chữa bằng vi tảo xanh.
Nghiên cứu HRTEM đã xác nhận quá trình oxy hóa của hai loại nanoflake Nb-MXene. Mặc dù các nanoflake vẫn giữ được hình thái hai chiều ở một mức độ nào đó, quá trình oxy hóa đã dẫn đến sự xuất hiện của nhiều hạt nano bao phủ bề mặt của các nanoflake MXene (xem Hình 7a,b). Phân tích XPS của tín hiệu c Nb 3d và O 1s cho thấy oxit Nb đã được hình thành trong cả hai trường hợp. Như thể hiện trong Hình 7c, MXene 2D Nb2CTx và Nb4C3TX có tín hiệu Nb 3d cho thấy sự hiện diện của oxit NbO và Nb2O5, trong khi tín hiệu O 1s cho biết số lượng liên kết O–Nb liên quan đến quá trình chức năng hóa bề mặt nanoflake 2D. Chúng tôi nhận thấy rằng sự đóng góp của oxit Nb chiếm ưu thế so với Nb-C và Nb3+-O.
Hình 7g–i thể hiện phổ XPS của Nb 3d, C 1s và O 1s của SL Nb2CTx (xem Hình 7d–f) và SL Nb4C3TX MXene được phân lập từ tế bào vi tảo. Chi tiết về các thông số đỉnh của Nb-MXene được cung cấp trong Bảng S4–5 tương ứng. Đầu tiên, chúng tôi phân tích thành phần của Nb 3d. Trái ngược với Nb được hấp thụ bởi tế bào vi tảo, trong MXene được phân lập từ tế bào vi tảo, ngoài Nb2O5, còn tìm thấy các thành phần khác. Trong Nb2CTx SL, chúng tôi quan sát thấy sự đóng góp của Nb3+-O với lượng 15%, trong khi phần còn lại của phổ Nb 3d chủ yếu là Nb2O5 (85%). Ngoài ra, mẫu SL Nb4C3TX chứa các thành phần Nb-C (9%) và Nb2O5 (91%). Ở đây, Nb-C đến từ hai lớp nguyên tử bên trong của cacbua kim loại trong Nb4C3Tx SR. Sau đó, chúng tôi phân tích phổ C 1s thành bốn thành phần khác nhau, tương tự như cách chúng tôi đã làm với các mẫu nội bào. Đúng như dự đoán, phổ C 1s chủ yếu là carbon graphit, tiếp theo là các thành phần từ các hạt hữu cơ (CHx/CO và C=O) từ tế bào vi tảo. Ngoài ra, trong phổ O 1s, chúng tôi quan sát thấy sự đóng góp của các dạng hữu cơ từ tế bào vi tảo, oxit niobi và nước hấp phụ.
Ngoài ra, chúng tôi đã điều tra xem liệu sự phân cắt Nb-MXenes có liên quan đến sự hiện diện của các loại oxy hoạt tính (ROS) trong môi trường dinh dưỡng và/hoặc tế bào vi tảo hay không. Để làm được điều này, chúng tôi đã đánh giá mức độ oxy đơn bội (1O2) trong môi trường nuôi cấy và glutathione nội bào, một thiol hoạt động như chất chống oxy hóa trong vi tảo. Kết quả được trình bày trong phần bổ sung (Hình S20 và S21). Các mẫu nuôi cấy với MXenes SL Nb2CTx và Nb4C3TX được đặc trưng bởi lượng 1O2 giảm (xem Hình S20). Trong trường hợp SL Nb2CTx, MXene 1O2 giảm xuống khoảng 83%. Đối với các mẫu nuôi cấy vi tảo sử dụng SL, Nb4C3TX 1O2 giảm thậm chí còn nhiều hơn, xuống còn 73%. Điều thú vị là, sự thay đổi của 1O2 cho thấy xu hướng tương tự như hiệu ứng ức chế-kích thích đã được quan sát trước đó (xem Hình 3). Có thể lập luận rằng việc ủ trong ánh sáng mạnh có thể làm thay đổi quá trình quang oxy hóa. Tuy nhiên, kết quả phân tích kiểm soát cho thấy nồng độ 1O2 gần như không đổi trong suốt thí nghiệm (Hình S22). Trong trường hợp nồng độ ROS nội bào, chúng tôi cũng quan sát thấy xu hướng giảm tương tự (xem Hình S21). Ban đầu, nồng độ ROS trong tế bào vi tảo được nuôi cấy trong sự hiện diện của Nb2CTx và Nb4C3Tx SLs vượt quá nồng độ được tìm thấy trong nuôi cấy vi tảo thuần khiết. Tuy nhiên, cuối cùng, dường như vi tảo đã thích nghi với sự hiện diện của cả hai loại Nb-MXene, vì nồng độ ROS giảm xuống còn 85% và 91% so với nồng độ đo được trong nuôi cấy vi tảo thuần khiết được cấy với SL Nb2CTx và Nb4C3TX, tương ứng. Điều này có thể cho thấy rằng theo thời gian, vi tảo cảm thấy thoải mái hơn khi có mặt Nb-MXene so với chỉ trong môi trường dinh dưỡng.
Vi tảo là một nhóm sinh vật quang hợp đa dạng. Trong quá trình quang hợp, chúng chuyển đổi carbon dioxide (CO2) trong khí quyển thành carbon hữu cơ. Sản phẩm của quá trình quang hợp là glucose và oxy79. Chúng tôi nghi ngờ rằng oxy được tạo thành đóng vai trò quan trọng trong quá trình oxy hóa Nb-MXenes. Một lời giải thích khả thi cho điều này là thông số sục khí khác biệt được hình thành ở áp suất riêng phần thấp và cao của oxy bên ngoài và bên trong các mảnh nano Nb-MXene. Điều này có nghĩa là ở bất cứ nơi nào có các khu vực có áp suất riêng phần oxy khác nhau, khu vực có mức thấp nhất sẽ tạo thành cực dương 80, 81, 82. Tại đây, vi tảo góp phần tạo ra các tế bào sục khí khác biệt trên bề mặt của các mảnh MXene, tạo ra oxy do đặc tính quang hợp của chúng. Kết quả là, các sản phẩm ăn mòn sinh học (trong trường hợp này là oxit niobi) được hình thành. Một khía cạnh khác là vi tảo có thể tạo ra các axit hữu cơ được giải phóng vào nước83,84. Do đó, một môi trường ăn mòn được hình thành, làm thay đổi Nb-MXenes. Ngoài ra, vi tảo có thể làm thay đổi độ pH của môi trường thành kiềm do hấp thụ carbon dioxide, điều này cũng có thể gây ra hiện tượng ăn mòn79.
Quan trọng hơn, chu kỳ sáng/tối được sử dụng trong nghiên cứu của chúng tôi rất quan trọng để hiểu được các kết quả thu được. Khía cạnh này được mô tả chi tiết trong Djemai-Zoghlache et al. 85 Họ cố ý sử dụng chu kỳ sáng/tối 12/12 giờ để chứng minh sự ăn mòn sinh học liên quan đến sự bám bẩn sinh học bởi vi tảo đỏ Porphyridium purpureum. Họ cho thấy rằng chu kỳ sáng/tối có liên quan đến sự phát triển của điện thế mà không có sự ăn mòn sinh học, biểu hiện dưới dạng dao động giả tuần hoàn xung quanh 24:00. Những quan sát này đã được Dowling et al. 86 xác nhận. Họ đã chứng minh màng sinh học quang hợp của vi khuẩn lam Anabaena. Oxy hòa tan được hình thành dưới tác động của ánh sáng, điều này liên quan đến sự thay đổi hoặc dao động trong điện thế ăn mòn sinh học tự do. Tầm quan trọng của chu kỳ sáng/tối được nhấn mạnh bởi thực tế là điện thế tự do cho sự ăn mòn sinh học tăng lên trong pha sáng và giảm xuống trong pha tối. Điều này là do oxy được tạo ra bởi vi tảo quang hợp, ảnh hưởng đến phản ứng catốt thông qua áp suất riêng phần được tạo ra gần các điện cực87.
Ngoài ra, phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) đã được thực hiện để tìm hiểu xem có bất kỳ thay đổi nào xảy ra trong thành phần hóa học của tế bào vi tảo sau khi tương tác với Nb-MXenes hay không. Các kết quả thu được rất phức tạp và chúng tôi trình bày chúng trong phần bổ sung (Hình S23-S25, bao gồm kết quả của giai đoạn MAX và ML MXenes). Tóm lại, các phổ tham chiếu thu được của vi tảo cung cấp cho chúng ta thông tin quan trọng về đặc điểm hóa học của các sinh vật này. Các dao động có khả năng nhất nằm ở các tần số 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) và 3280 cm-1 (O–H). Đối với SL Nb-MXenes, chúng tôi tìm thấy dấu hiệu kéo giãn liên kết CH phù hợp với nghiên cứu trước đây của chúng tôi38. Tuy nhiên, chúng tôi nhận thấy một số đỉnh bổ sung liên quan đến liên kết C=C và CH đã biến mất. Điều này cho thấy thành phần hóa học của vi tảo có thể trải qua những thay đổi nhỏ do tương tác với SL Nb-MXenes.
Khi xem xét những thay đổi có thể xảy ra trong sinh hóa của vi tảo, cần phải xem xét lại sự tích tụ các oxit vô cơ, chẳng hạn như oxit niobi.59 Oxit niobi tham gia vào quá trình hấp thụ kim loại bởi bề mặt tế bào, vận chuyển chúng vào tế bào chất, liên kết với các nhóm carboxyl nội bào và tích tụ trong polyphosphosome của vi tảo.20, 88, 89, 90 Ngoài ra, mối quan hệ giữa vi tảo và kim loại được duy trì bởi các nhóm chức năng của tế bào. Vì lý do này, sự hấp thụ cũng phụ thuộc vào hóa học bề mặt của vi tảo, vốn khá phức tạp.9, 91 Nhìn chung, như dự đoán, thành phần hóa học của vi tảo xanh đã thay đổi nhẹ do sự hấp thụ oxit niobi.
Điều thú vị là, sự ức chế ban đầu đối với vi tảo được quan sát thấy có thể đảo ngược theo thời gian. Như chúng tôi đã quan sát, vi tảo đã vượt qua sự thay đổi môi trường ban đầu và cuối cùng trở lại tốc độ tăng trưởng bình thường, thậm chí còn tăng lên. Các nghiên cứu về điện thế zeta cho thấy tính ổn định cao khi được đưa vào môi trường dinh dưỡng. Do đó, sự tương tác bề mặt giữa các tế bào vi tảo và các mảnh nano Nb-MXene được duy trì trong suốt các thí nghiệm khử. Trong phân tích tiếp theo của chúng tôi, chúng tôi tóm tắt các cơ chế hoạt động chính làm nền tảng cho hành vi đáng chú ý này của vi tảo.
Quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy vi tảo có xu hướng bám vào Nb-MXene. Sử dụng phân tích hình ảnh động, chúng tôi xác nhận rằng hiệu ứng này dẫn đến sự biến đổi các mảnh nano Nb-MXene hai chiều thành các hạt hình cầu hơn, từ đó chứng minh rằng sự phân hủy của các mảnh nano có liên quan đến quá trình oxy hóa của chúng. Để kiểm tra giả thuyết của mình, chúng tôi đã tiến hành một loạt các nghiên cứu về vật liệu và sinh hóa. Sau khi thử nghiệm, các mảnh nano dần dần bị oxy hóa và phân hủy thành các sản phẩm NbO và Nb2O5, không gây nguy hại cho vi tảo xanh. Sử dụng quan sát FTIR, chúng tôi không tìm thấy sự thay đổi đáng kể nào trong thành phần hóa học của vi tảo được nuôi cấy trong sự hiện diện của các mảnh nano Nb-MXene hai chiều. Xem xét khả năng hấp thụ oxit niobi bởi vi tảo, chúng tôi đã thực hiện phân tích huỳnh quang tia X. Những kết quả này cho thấy rõ ràng rằng vi tảo được nghiên cứu hấp thụ oxit niobi (NbO và Nb2O5), những chất không độc hại đối với vi tảo.