Cảm ơn bạn đã truy cập Nature.com. Bạn đang sử dụng phiên bản trình duyệt có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã 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 một vòng quay gồm ba slide cùng một lúc. Sử dụng các nút Trước và Tiếp theo để di chuyển qua ba slide cùng một lúc hoặc sử dụng các nút thanh trượt ở cuối để di chuyển qua ba slide cùng một lúc.
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nano và sự tích hợp của nó vào các ứng dụng hàng ngày có thể đe dọa môi trường. Trong khi các phương pháp xanh để phân hủy các chất gây ô nhiễm hữu cơ đã được thiết lập tốt, thì việc thu hồi các chất gây ô nhiễm tinh thể vô cơ là mối quan tâm chính do độ nhạy thấp của chúng đối với quá trình chuyển đổi sinh học và thiếu hiểu biết về tương tác bề mặt vật liệu với các chất gây ô nhiễm sinh học. Ở đây, chúng tôi sử dụng mô hình MXenes 2D vô cơ dựa trên Nb kết hợp với phương pháp phân tích tham số hình dạng đơn giản để theo dõi cơ chế phục hồi sinh học của vật liệu nano gốm 2D của vi tảo xanh Raphidocelis subcapitata. Chúng tôi phát hiện ra rằng vi tảo phân hủy MXenes dựa trên Nb do các tương tác lý hóa liên quan đến bề mặt. Ban đầu, các nanoflake MXene một lớp và nhiều lớp được bám vào bề mặt của vi tảo, điều này làm giảm phần nào sự phát triển của tảo. Tuy nhiên, sau khi tương tác lâu dài với bề mặt, vi tảo đã oxy hóa các nanoflake MXene và phân hủy chúng thành NbO và Nb2O5. Vì các oxit này không độc đối với tế bào tảo siêu nhỏ nên chúng tiêu thụ các hạt nano oxit Nb theo cơ chế hấp thụ giúp phục hồi tảo siêu nhỏ sau 72 giờ xử lý nước. Tác động của các chất dinh dưỡng liên quan đến quá trình hấp thụ cũng được phản ánh trong sự gia tăng thể tích tế bào, hình dạng nhẵn và thay đổi tốc độ tăng trưởng của chúng. 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 chỉ có thể gây ra những tác động nhỏ đến môi trường. Điều đáng chú ý là, khi sử dụng vật liệu nano hai chiều làm hệ thống mô hình, chúng tôi chứng minh được khả năng theo dõi sự biến đổi hình dạng ngay cả trong các vật liệu có 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 phục hồi 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 đến môi trường của vật liệu nano tinh thể vô cơ.
Vật liệu nano đã tạo ra 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 ngẫu nhiên do thải bỏ không đúng cách, xử lý bất cẩn hoặc cơ sở hạ tầng an toàn không đầy đủ. Do đó, có lý khi cho rằng vật liệu nano, bao gồm vật liệu nano hai chiều (2D), có thể được phát tán vào môi trường tự nhiên, mà hành vi và hoạt động sinh học của chúng vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi các mối quan tâm về độc tính sinh thái tập trung vào khả năng vật liệu nano 2D thẩm thấu vào hệ thống thủy sinh2,3,4,5,6. Trong các hệ sinh thái này, một số vật liệu nano 2D có thể tương tác với nhiều sinh vật khác nhau ở các bậc dinh dưỡng khác nhau, bao gồm cả tảo siêu nhỏ.
Tảo siêu nhỏ là những sinh vật nguyên thủy được tìm thấy tự nhiên trong các hệ sinh thái nước ngọt và biển, tạo ra nhiều loại sản phẩm hóa học thông qua quá trình quang hợp7. Do đó, chúng rất quan trọng đối với các hệ sinh thái dưới nước8,9,10,11,12 nhưng cũng là những chỉ số nhạy cảm, không tốn kém và được sử dụng rộng rãi về độc tính sinh thái13,14. Vì các tế bào tảo siêu nhỏ sinh sôi nhanh chóng và phản ứng nhanh với sự hiện diện của nhiều hợp chất khác nhau, chúng hứa hẹn cho sự phát triển của 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 thụ sinh học và tích tụ17,18. Một số loài tảo như Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue và Synechococcus sp. Người ta phát hiện ra rằng chúng 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 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 thực tế là các chất ô nhiễm này dễ dàng được xử lý trong pha lỏng. Tuy nhiên, các chất ô nhiễm tinh thể vô cơ có đặc điểm là độ hòa tan trong nước thấp và khả năng nhạy cảm thấp với các chuyển đổi sinh học khác nhau, gây ra nhiều khó khăn trong việc khắc phục và ít tiến triển trong lĩnh vực này22,23,24,25,26. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp thân thiện với môi trường để sửa chữa vật liệu nano vẫn là một lĩnh vực phức tạp và chưa được khám phá. Do mức độ không chắc chắn cao liên quan đến các hiệu ứng chuyển đổi sinh học của vật liệu nano 2D, không có cách dễ dàng nào để tìm ra các con đường có thể xảy ra trong quá trình phân hủy của chúng trong quá trình khử.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng tảo lục làm tác nhân phục hồi sinh học trong nước hoạt động cho vật liệu gốm vô cơ, kết hợp với việc theo dõi tại chỗ quá trình phân hủy của MXene như một đại diện của vật liệu gốm vô cơ. Thuật ngữ “MXene” phản ánh thành phần hóa học của vật liệu Mn+1XnTx, trong đó M là kim loại chuyển tiếp sớm, X là cacbon 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 Naguib và cộng sự phát hiện ra MXenes. Cảm biến, liệu pháp điều trị ung thư và lọc màng 27,29,30. Ngoài ra, MXenes có thể được coi là hệ thống mô hình 2D do độ ổn định keo tuyệt vời và các tương tác sinh học có thể có của chúng31,32,33,34,35,36.
Do đó, phương pháp luận được phát triển trong bài viết 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 các tương tác lý hóa liên quan đến bề mặt, cho phép thu hồi tảo thêm. Để kiểm tra giả thuyết này, hai thành viên của họ cacbua kim loại chuyển tiếp gốc niobi sớm và/hoặc nitrua (MXene), cụ thể là Nb2CTx và Nb4C3TX, đã được chọn.
Phương pháp nghiên cứu và giả thuyết dựa trên bằng chứng về khả năng phục hồi MXene của tảo lục Raphidocelis subcapitata. Xin lưu ý rằng đây chỉ là sơ đồ biểu diễn 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 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 cho việc nghiên cứu nhiều tác động sinh học khác nhau mà không thể quan sát được bằng các vật liệu nano thông thường khác. Đặc biệt, chúng tôi chứng minh khả năng phục hồi 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 là NbO và Nb2O5, cũng 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 các cơ chế phục hồi sinh học của vật liệu nano hai chiều. Ngoài ra, chúng tôi đang phát triển một phương pháp dựa trên tham số hình dạng đơn giản 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 cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu mở rộng ngắn hạn và dài hạn về tác động có thể có của chúng đối với hệ sinh thái nước ngọt, hiện có thể dễ dàng xác minh.
MXenes đại diện cho một lớp vật liệu thú vị với các tính chất vật lý và hóa học độc đáo và hấp dẫn và do đó có nhiều ứng dụng tiềm năng. Các tính chất này phần lớn phụ thuộc vào thành phần hóa học và hóa học bề mặt của chúng. Do đó, trong nghiên cứu của mình, chúng tôi đã nghiên cứu hai loại MXenes lớp đơn phân cấp (SL) dựa trên Nb, Nb2CTx và Nb4C3TX, vì có thể quan sát thấy các hiệu ứng sinh học khác nhau của các vật liệu nano này. MXenes được sản xuất từ ​​vật liệu ban đầu của chúng bằng cách khắc chọn lọc từ trên xuống các lớp A pha MAX mỏng nguyên tử. Pha MAX là gốm ba thành phần bao gồm các khối "liên kết" của cacbua kim loại chuyển tiếp và các lớp mỏng của các nguyên tố "A" như Al, Si và Sn với thành phần hóa học 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). Nb-MXene nhiều lớp (ML) thu được sau khi loại bỏ lớp Al bằng 48% HF (axit hydrofluoric). Hình thái của ML-Nb2CTx và ML-Nb4C3TX đã được kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) (Hình S1c và S1d tương ứng) và hình thái MXene phân lớp điển hình đã được quan sát thấy, tương tự như các nanoflake hai chiều đi qua các khe hở giống như lỗ rỗng dài. Cả hai Nb-MXene đều có nhiều điểm chung với các pha MXene trước đây được tổng hợp bằng phương pháp khắc axit27,38. Sau khi xác nhận cấu trúc của MXene, chúng tôi đã phân lớp nó bằng cách xen kẽ tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) sau đó rửa và siêu âm, sau đó chúng tôi thu được các nanoflake Nb-MXene 2D lớp đơn hoặc lớp thấp (SL).
Chúng tôi đã sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao (HRTEM) và nhiễu xạ tia X (XRD) để kiểm tra hiệu quả của quá trình khắc và bóc tách tiếp theo. Kết quả HRTEM được xử lý bằng Biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT) và Biến đổi Fourier nhanh (FFT) được thể hiện trong Hình 2. Các mảnh nano Nb-MXene được định hướng 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 phân lớp mỏng nguyên tử của chúng (xem Hình 2a1, a2), như đã được Naguib và cộng sự báo cáo trước đây.27 và Jastrzębska và cộng sự.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 ngược (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 của các dải sáng và tối tương ứng với các nguyên tử niobi và cacbon, xác nhận bản chất phân lớp của các MXene được nghiên cứu. Điều quan trọng cần lưu ý là phổ tia X phân tán năng lượng (EDX) thu được cho Nb2CTx và Nb4C3Tx (Hình S2a và S2b) không cho thấy tàn dư của pha MAX ban đầu, vì không phát hiện thấy đỉnh Al nào.
Đặc tính của các nanoflake MXene SL Nb2CTx và Nb4C3Tx, bao gồm (a) hình ảnh nanoflake 2D nhìn từ bên hông bằng kính hiển vi điện tử độ phân giải cao (HRTEM) và tương ứng, (b) chế độ cường độ, (c) biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT), (d) biến đổi Fourier nhanh (FFT), (e) các mẫu tia X 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) tại 4.31 và 4.32 tương ứng với các MXene phân lớp Nb2CTx và Nb4C3TX38,39,40,41 đã mô tả trước đó. Kết quả XRD cũng chỉ ra sự hiện diện của một số cấu trúc ML còn lại và 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 tập trung vào tảo lục thuộc loài R. subcapitata. Chúng tôi chọn tảo lục vì chúng là những sinh vật sản xuất quan trọng tham gia vào các lưới thức ăn chính42. Chúng cũng là một trong những chỉ số độc tính tốt nhất do khả năng loại bỏ các chất độc được đưa 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 cho điều này, các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng mỗi vi khuẩn có độ nhạy khác nhau với các hợp chất độc hại có trong môi trường. Đối với hầu hết các sinh vật, nồng độ chất thấp 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 tử vong. Do đó, đối với các nghiên cứu của chúng tôi về tương tác bề mặt giữa tảo lục và MXenes và quá trình phục hồi liên quan, chúng tôi quyết định thử nghiệm nồng độ vô hại và độc hại của Nb-MXenes. Để thực hiện điều này, chúng tôi đã thử nghiệm nồng độ 0 (để tham khảo), 0,01, 0,1 và 10 mg l-1 MXene và thêm vào đó là tảo siêu nhỏ bị nhiễm nồng độ MXene rất cao (100 mg l-1 MXene), có thể cực kỳ nguy hiểm và gây chết người. . đối với bất kỳ môi trường sinh học nào.
Tác động của SL Nb-MXenes lên vi tảo được thể hiện trong Hình 3, được thể hiện dưới dạng phần trăm thúc đẩy tăng trưởng (+) hoặc ức chế (-) được đo cho các mẫu 0 mg l-1. Để so sánh, pha Nb-MAX và ML Nb-MXenes cũng đã được thử nghiệm và kết quả được thể hiện bằng SI (xem Hình S3). Các kết quả thu được xác nhận rằng SL Nb-MXenes gần như hoàn toàn 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 của 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 tảo siêu nhỏ khi có SL (a) Nb2CTx và (b) Nb4C3TX MXene. Tương tác MXene-tảo siêu nhỏ trong 24, 48 và 72 giờ đã được phân tích. Dữ liệu quan trọng (kiểm định t, p < 0,05) được đánh dấu bằng dấu hoa thị (*). Dữ liệu quan trọng (kiểm định t, p < 0,05) được đánh dấu bằng dấu hoa thị (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Dữ liệu quan trọng (kiểm định t, p < 0,05) được đánh dấu bằng dấu hoa thị (*).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 hoa thị (*).Mũi tên đỏ chỉ ra việc loại bỏ kích thích ức chế.
Mặt khác, nồng độ thấp của Nb4C3TX hóa ra lại độc hơn một chút, nhưng không cao hơn 7%. Như dự kiến, chúng tôi quan sát thấy rằng MXene có độc tính cao hơn và ức chế sự phát triển của tảo vi mô ở mức 100mg L-1. Điều thú vị là không có vật liệu nào cho thấy cùng xu hướng và sự phụ thuộc vào thời gian của các hiệu ứng không độc/độc so với các mẫu MAX hoặc ML (xem SI 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 tảo vi mô giảm dần theo thời gian. Nó đạt khoảng 17% sau 24 giờ và giảm xuống dưới 5% sau 72 giờ (lần lượt là Hình 3a, b).
Quan trọng hơn, đối với SL Nb4C3TX, sự ức chế tăng trưởng của tảo vi mô đạt khoảng 27% sau 24 giờ, nhưng sau 72 giờ, nó giảm xuống còn khoảng 1%. Do đó, chúng tôi dán nhãn hiệu ứng quan sát được là ức chế nghịch đảo của sự kích thích và hiệu ứng mạnh hơn đối với MXene SL Nb4C3TX. Sự kích thích tăng trưởng của tảo vi mô đã được ghi nhận trước đó với Nb4C3TX (tương tác ở mức 10 mg L-1 trong 24 giờ) so với MXene SL Nb2CTx. Hiệu ứng đảo ngược ức chế-kích thích cũng được thể hiện rõ trên 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 MXene Ti3C2TX được nghiên cứu theo những cách khác nhau. Nó không độc đối với phôi cá ngựa vằn44 nhưng có độc tính sinh thái ở mức trung bình đối với cây tảo Desmodesmus quadricauda và Sorghum saccharatum45. Các ví dụ khác về các tác động cụ thể bao gồm độc tính cao hơn đối với dòng tế bào ung thư so với dòng tế bào bình thường46,47. Có thể cho rằng các điều kiện thử nghiệm sẽ ảnh hưởng đến những thay đổi trong quá trình phát triển của tảo được quan sát thấy khi có 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, những thay đổi về độ 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 độ pH trong quá trình thí nghiệm (xem SI, Hình S5 để biết chi tiết). Nhìn chung, các nuôi cấy tảo có Nb-MXenes làm giảm nhẹ độ pH của dung dịch theo thời gian. Tuy nhiên, sự giảm này tương tự như sự thay đổi độ pH của môi trường tinh khiết. Ngoài ra, phạm vi biến thiên tìm thấy cũng tương tự như phạm vi đo được đối với nuôi cấy tảo tinh khiết (mẫu đối chứng). Do đó, chúng tôi kết luận rằng quá trình quang hợp không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi về độ pH theo thời gian.
Ngoài ra, các MXene tổng hợp có các đầu cuối bề mặt (ký hiệu là Tx). Đây chủ yếu là các nhóm chức năng -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 tác động của chúng lên 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 năng bề mặt thực sự cung cấp nhiều vị trí neo cho các chất xúc tác quang bên dưới của chúng để tạo thành các dị chất51. Tuy nhiên, thành phần môi trường phát triển không cung cấp chất xúc tác quang hiệu quả (có thể tìm thấy thành phần môi trường chi tiết trong Bảng S6 của SI). Ngoài ra, bất kỳ sửa đổi bề mặt nào cũng rất quan trọng, vì hoạt động sinh học của MXene có thể bị thay đổi do quá trình 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 bất ổn định của vật liệu trong môi trường hay không, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu về thế zeta (ζ) trong môi trường phát triển của tảo siêu nhỏ và nước khử ion (để so sánh). Kết quả của chúng tôi cho thấy SL Nb-MXenes khá ổn định (xem SI Hình S6 để biết kết quả MAX và ML). Thế zeta của SL MXenes là khoảng -10 mV. Trong trường hợp của SR Nb2CTx, giá trị của ζ âm hơn một chút so với giá trị của Nb4C3Tx. Sự thay đổi như vậy trong giá trị ζ có thể chỉ ra rằng bề mặt của các nanoflake MXene tích điện âm hấp thụ các ion tích điện dương từ môi trường nuôi cấy. Các phép đo thời gian về thế zeta và độ dẫn điện của Nb-MXenes trong môi trường nuôi cấy (xem Hình S7 và S8 trong SI để biết thêm chi tiết) có vẻ ủng hộ cho giả thuyết của chúng tôi.
Tuy nhiên, cả hai SL Nb-MXene đều cho thấy những thay đổi tối thiểu từ 0. Điều này chứng minh rõ ràng tính ổn định của chúng trong môi trường phát triển của tảo vi mô. Ngoài ra, chúng tôi đã đánh giá xem sự hiện diện của tảo vi mô xanh của chúng tôi 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 tảo vi mô trong môi trường dinh dưỡng và nuôi cấy theo thời gian có thể được tìm thấy trong SI (Hình S9 và S10). Điều thú vị là chúng tôi nhận thấy rằng sự hiện diện của tảo vi mô dường như làm ổn định sự phân tán của cả hai MXene. Trong trường hợp của 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, nó vẫn cho thấy tính ổn định cao hơn so với các nanoflake không có sự hiện diện của tảo vi mô (-18,1 so với -9,1 mV).
Chúng tôi cũng phát hiện thấy độ dẫn điện thấp hơn của dung dịch Nb-MXene được ủ trong sự hiện diện của tảo siêu nhỏ, cho thấy lượng ion thấp hơn trong môi trường dinh dưỡng. 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 tảo siêu nhỏ xanh bằng cách nào đó đã làm sạch các oxit hình thành trên bề mặt của Nb-MXene và thậm chí ngăn ngừa sự xuất hiện của chúng (quá trình oxy hóa MXene). Điều này có thể thấy được bằng cách nghiên cứu các loại chất được tảo siêu nhỏ hấp thụ.
Trong khi các nghiên cứu về độc tính sinh thái của chúng tôi chỉ ra rằng tảo siêu nhỏ có thể khắc phục 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 của chúng tôi 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. Khi không có oxit kim loại độc hại, tảo siêu nhỏ có thể tự nuôi sống mình, 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 hoặc dạng. Khả năng hấp thụ cũng phải được xem xét58,59. Đáng chú ý là bất kỳ dấu hiệu nào của cơ chế phòng vệ đều là chỉ báo rõ ràng về độc tính của hợp chất thử nghiệm. Do đó, trong công trình nghiên cứu tiếp theo của mình, chúng tôi đã điều tra tương tác bề mặt tiềm ẩn giữa các mảnh nano SL Nb-MXene và tảo siêu nhỏ bằng SEM và khả năng hấp thụ MXene gốc Nb bằng phương pháp 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 tảo siêu nhỏ chưa qua xử lý (xem Hình 4a, mẫu tham chiếu) cho thấy rõ ràng hình thái điển hình của R. subcapitata và hình dạng tế bào giống bánh sừng bò. Các tế bào có vẻ dẹt và hơi mất tổ chức. Một số tế bào tảo siêu nhỏ chồng lên nhau và vướng vào nhau, nhưng điều này có thể là do quá trình chuẩn bị mẫu. Nhìn chung, các tế bào tảo siêu nhỏ nguyên chất có bề mặt nhẵn và không cho thấy bất kỳ thay đổi hình thái nào.
Hình ảnh SEM cho thấy tương tác bề mặt giữa tảo lục và các tấm nano MXene sau 72 giờ tương tác ở nồng độ cực đại (100 mg L-1). (a) Tảo lục 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, các bức ảnh chụp từ kính hiển vi quang học cũng được thêm vào.
Ngược lại, các tế bào tảo siêu nhỏ được hấp phụ bởi các mảnh nano SL Nb-MXene bị hư hại (xem Hình 4b, c, mũi tên màu đỏ). Trong trường hợp của Nb2CTx MXene (Hình 4b), tảo siêu nhỏ có xu hướng phát triển với các hạt nano hai chiều bám vào, 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 SI S11 để biết chi tiết). Sự chuyển đổi hình thái này có cơ sở hợp lý trong sinh lý học của tảo siêu nhỏ 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 tảo siêu nhỏ thực sự tiếp xúc với Nb-MXene. Các nghiên cứu SEM cho thấy khoảng 52% tế bào tảo siêu nhỏ tiếp xúc với Nb-MXene, trong khi 48% số tế bào tảo siêu nhỏ này tránh tiếp xúc. Đối với SL Nb4C3Tx MXene, tảo siêu nhỏ cố gắng tránh tiếp xúc với MXene, do đó định vị và phát triển từ các nano hai chiều (Hình 4c). Tuy nhiên, chúng tôi không quan sát thấy sự xâm nhập của nano vào tế bào tảo siêu nhỏ và thiệt hại của chúng.
Tự bảo tồn cũng là một hành vi phản ứng phụ thuộc vào thời gian đối với sự cản trở quang hợp do sự hấp phụ của các hạt trên bề mặt tế bào và cái gọi là hiệu ứng che bóng (shading)62. Rõ ràng là mỗi vật thể (ví dụ, các mảnh nano Nb-MXene) nằm giữa tảo và nguồn sáng sẽ giới hạn lượng ánh sáng được lục lạp hấp thụ. Tuy nhiên, chúng tôi không nghi ngờ gì rằng điều này có tác động đáng kể đến kết quả thu được. Như quan sát bằng kính hiển vi của chúng tôi cho thấy, các mảnh nano 2D không được bao bọc hoàn toàn hoặc bám dính vào bề mặt của tảo, ngay cả khi các tế bào tảo tiếp xúc với Nb-MXene. Thay vào đó, các mảnh nano hóa ra lại hướng về các tế bào tảo mà không bao phủ bề mặt của chúng. Một tập hợp các mảnh nano/tảo như vậy không thể hạn chế đáng kể lượng ánh sáng được các tế bào tảo hấp thụ. Hơn nữa, một số nghiên cứu thậm chí còn chứng minh khả năng hấp thụ ánh sáng của các sinh vật quang hợp được cải thiện khi có sự hiện diện của vật liệu nano hai chiều63,64,65,66.
Vì hình ảnh SEM không thể trực tiếp xác nhận sự hấp thụ niobi của tế bào tảo nhỏ, nghiên cứu sâu hơn của chúng tôi chuyển sang phân tích huỳnh quang tia X (XRF) và quang phổ điện tử tia X (XPS) để làm rõ vấn đề này. Do đó, chúng tôi đã so sánh cường độ của các đỉnh Nb của các mẫu tảo nhỏ tham chiếu không tương tác với MXene, các hạt nano MXene tách ra khỏi bề mặt của tế bào tảo nhỏ và các tế bào tảo nhỏ sau khi loại bỏ các MXene đã bám. Cần lưu ý rằng nếu không có sự hấp thụ Nb, giá trị Nb thu được bởi các tế bào tảo nhỏ phải bằng không 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 hiển thị một đỉnh Nb rõ ràng.
Trong trường hợp phổ XRF, các mẫu tảo siêu nhỏ 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 chỉ ra rằng tảo không thể hấp thụ thêm Nb và khả năng tích lũy Nb tối đa đã đạt được trong các tế bào, mặc dù có nhiều hơn gấp đôi Nb4C3Tx MXene được gắn vào các tế bào tảo siêu nhỏ (các thanh màu xanh lam trong Hình 5a). Đáng chú ý là khả năng hấp thụ kim loại của tảo siêu nhỏ phụ thuộc vào nồng độ oxit kim loại trong môi trường67,68. Shamshada và cộng sự67 phát hiện ra rằng khả năng hấp thụ của tảo nước ngọt giảm khi pH tăng. Raize et al.68 lưu ý rằng khả năng hấp thụ kim loại của rong biển đối với Pb2+ cao hơn khoảng 25% so với Ni2+.
(a) Kết quả XRF về sự hấp thụ Nb cơ bản của các tế bào tảo lục được ủ ở nồng độ cực đại của SL Nb-MXenes (100 mg L-1) trong 72 giờ. Kết quả cho thấy sự hiện diện của α trong các tế bào tảo tinh khiết (mẫu đối chứng, cột màu xám), các hạt nanoflake 2D được phân lập từ các tế bào tảo bề mặt (cột màu xanh lam) và các tế bào tảo sau khi tách các hạt nanoflake 2D ra khỏi bề mặt (cột màu đỏ). Lượng Nb nguyên tố, (b) phần trăm thành phần hóa học của các thành phần hữu cơ của tảo (C = O và CHx / C–O) và oxit Nb có trong các tế bào tảo sau khi ủ với SL Nb-MXene, (c–e) Phù hợp với đỉnh thành phần của phổ XPS SL Nb2CTx và (fh) MXene SL Nb4C3Tx được các tế bào tảo nội hóa.
Do đó, chúng tôi mong đợi 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 của tảo siêu nhỏ với Nb-MXenes và MXenes được phân lập từ các tế bào tảo được thể hiện trong Hình 5b. Đúng như mong đợi, chúng tôi đã phát hiện ra các đỉnh Nb 3d trong các mẫu tảo siêu nhỏ sau khi loại bỏ MXene khỏi bề mặt của tảo siêu nhỏ. 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 tảo siêu nhỏ đã ủ. Hình 5f–h) MXenes. Bảng S1-3 hiển thị chi tiết các thông số đỉnh và tổng thể hóa học thu được từ phép khớp. 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 quang phổ, cho thấy rằng các tế bào tảo siêu nhỏ chỉ hấp thụ dạng oxit của Nb. Ngoài ra, chúng tôi đã xấp xỉ quang phổ C 1 s với các thành phần C–C, CHx/C–O, C=O và –COOH. Chúng tôi đã gán các đỉnh CHx/C–O và C=O cho sự đóng góp hữu cơ của các tế bào tảo siêu nhỏ. Các thành phần hữu cơ này chiếm 36% và 41% các đỉnh C 1s trong Nb2CTx SL và Nb4C3TX SL. Sau đó, chúng tôi đã khớp quang phổ O 1s của SL Nb2CTx và SL Nb4C3TX với Nb2O5, các thành phần hữu cơ của tảo siêu nhỏ (CHx/CO) và nước hấp phụ trên bề mặt.
Cuối cùng, kết quả XPS chỉ ra rõ ràng dạng Nb, không chỉ sự hiện diện của nó. Theo vị trí của tín hiệu Nb 3d và kết quả giải tích, chúng tôi xác nhận rằng Nb chỉ được hấp thụ dưới dạng oxit chứ không phải ion hoặc bản thân MXene. Ngoài ra, kết quả XPS cho thấy tế bào vi tảo có khả năng hấp thụ oxit Nb từ SL Nb2CTx lớn 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 không có phương pháp nào có sẵn để theo dõi những thay đổi về hình thái liên quan trong các nanoflake 2D. Do đó, chúng tôi cũng quyết định phát triển một phương pháp phù hợp có thể phản ứng trực tiếp với bất kỳ thay đổi nào xảy ra trong các nanoflake Nb-MXene 2D và tế bào vi tảo. Điều quan trọng cần lưu ý là chúng tôi cho rằng nếu các loài tương tác trải qua bất kỳ sự biến đổi, phân hủy hoặc phân mảnh nào, thì điều này sẽ nhanh chóng biểu hiện dưới dạng những thay đổi về 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 dài hoặc các nanoflake hai chiều, nên việc theo dõi chúng bằng phân tích hình dạng hạt động sẽ cung cấp cho chúng tôi thông tin có giá trị về sự biến đổi về hình thái của các nanoflake SL Nb-MXene 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 SI S18 và S19). Phân tích động về hình dạng hạt cho thấy tất cả các tham số hình dạng của hai SL Nb-MXene thay đổi đáng kể sau khi tương tác với tảo siêu nhỏ. Như thể hiện bởi tham số đường kính diện tích hình tròn tương đương (Hình 6a, b), cường độ đỉnh giảm của phần các hạt nanoflake 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 hạt (sự kéo dài của các hạt nanoflake), cho thấy sự biến đổi của các hạt nanoflake 2D thành hình dạng giống hạt hơn. Hình 6e-h cho thấy chiều rộng và chiều dài của Feret. Chiều rộng và chiều dài Feret là các tham số bổ sung và do đó nên được xem xét cùng nhau. Sau khi ủ các hạt nanoflake Nb-MXene 2D khi có mặt tảo siêu nhỏ, 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, XRF và XPS, chúng tôi kết luận rằng những thay đổi quan sát được có liên quan chặt chẽ đến quá trình oxy hóa vì MXene bị oxy hóa trở nên nhăn nheo hơn và phân hủy thành các mảnh và hạt oxit hình cầu69,70.
Phân tích quá trình biến đổi MXene sau khi tương tác với tảo lục. Phân tích hình dạng hạt động 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 đạt được mục đích này, hai mẫu tảo tham chiếu đã được phân tích cùng với MXene SL Nb2CTx và SL Nb4C3Tx chính, MXene SL Nb2CTx và SL Nb4C3Tx, tảo phân hủy và tảo xử lý SL Nb2CTx và MXene SL Nb4C3Tx. Các mũi tên màu đỏ cho thấy sự chuyển đổi của các thông số hình dạng của các nanoflake hai chiều đã nghiên cứu.
Vì phân tích tham số hình dạng rất đáng tin cậy, nó cũng có thể tiết lộ những thay đổi về hình thái trong các tế bào tảo siêu nhỏ. Do đó, chúng tôi đã phân tích đường kính diện tích hình tròn tương đương, độ tròn và chiều rộng/chiều dài Feret của các tế bào tảo siêu nhỏ tinh khiết và các tế bào sau khi tương tác với các mảnh nano Nb 2D. Trên hình 6a–h cho thấy những thay đổi trong các tham số hình dạng của các tế bào tảo, bằng chứng là cường độ đỉnh giảm và cực đại dịch chuyển về phía các giá trị cao hơn. Đặc biệt, các tham số độ tròn của tế bào cho thấy sự giảm ở các tế bào dài và tăng ở các tế bào hình cầu (Hình 6a, b). Ngoài ra, chiều rộng tế bào Feret tăng thêm 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 tảo siêu nhỏ hấp thụ mạnh các oxit Nb khi tương tác với Nb2CTx SR. Sự bám dính kém 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 bóng tối thiểu.
Quan sát của chúng tôi về những thay đổi trong các thông số về hình dạng và kích thước của tảo siêu nhỏ bổ sung cho các nghiên cứu khác. Tảo siêu nhỏ xanh có thể thay đổi hình thái của chúng để đáp ứng với căng thẳng môi trường bằng cách thay đổi kích thước tế bào, hình dạng hoặc quá trình trao đổi chất61. Ví dụ, thay đổi kích thước tế bào tạo điều kiện 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 yếu. Ngược lại, các tế bào lớn hơn có xu hướng tiêu thụ nhiều chất dinh dưỡng hơn, sau đó được lắng đọng bên trong tế bào72,73. Machado và Soares 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 phát hiện ra những thay đổi về hình thái ở tảo sau khi tiếp xúc với nanocomposite graphene oxide khử. Do đó, rõ ràng là các thông số về kích thước/hình dạng thay đổi của tảo siêu nhỏ là do sự hiện diện của MXene. Vì sự thay đổi về kích thước và hình dạng này chỉ ra những thay đổi trong quá trình hấp thụ chất dinh dưỡng, chúng tôi tin rằng việc phân tích các thông số về kích thước và hình dạng theo thời gian có thể chứng minh sự hấp thụ oxit niobi của tảo siêu nhỏ khi có mặt Nb-MXene.
Hơn nữa, MXene có thể bị oxy hóa khi có tảo. Dalai et al.75 quan sát thấy rằng 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 phục hồi sinh học về mặt sản phẩm phân hủy MXene khi có nanoflake 2D chứ không phải hạt nano. Vì MXene có thể phân hủy thành oxit kim loại,31,32,77,78 nên có lý khi cho rằng nanoflake Nb của chúng tôi cũng có thể tạo thành oxit Nb sau khi tương tác với tế bào vi tảo.
Để giải thích quá trình khử các mảnh nano Nb 2D thông qua cơ chế phân hủy dựa trên quá trình oxy hóa, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao (HRTEM) (Hình 7a, b) và quang phổ điện tử tia X (XPS) (Hình 7). 7c-i và bảng S4-5). Cả hai phương pháp đều phù hợp để nghiên cứu quá trình oxy hóa các vật liệu 2D và bổ sung cho nhau. HRTEM có thể phân tích sự phân hủy của các 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. Với mục đích này, chúng tôi đã thử nghiệm các mảnh nano Nb-MXene 2D được chiết xuất từ ​​các phân tán tế bào vi tảo, tức là hình dạng của chúng sau khi tương tác với các tế bào vi tảo (xem Hình 7).
Hình ảnh HRTEM cho thấy hình thái của MXene SL Nb2CTx bị oxy hóa (a) và (b) MXene SL Nb4C3Tx, kết quả phân tích XPS cho thấy (c) thành phần của các sản phẩm oxit sau khi khử, (d–f) sự khớp đỉnh của các thành phần trong phổ XPS của SL Nb2CTx và (g– i) Nb4C3Tx SL được sửa chữa bằng tảo lục.
Các nghiên cứu HRTEM đã xác nhận quá trình oxy hóa của hai loại nanoflake Nb-MXene. Mặc dù các nanoflake vẫn giữ nguyên hình thái hai chiều của chúng 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 chỉ ra rằng oxit Nb được hình thành trong cả hai trường hợp. Như thể hiện trong Hình 7c, MXene Nb2CTx và Nb4C3TX 2D có tín hiệu Nb 3d chỉ ra sự hiện diện của oxit NbO và Nb2O5, trong khi tín hiệu O 1s chỉ ra số lượng liên kết O–Nb liên quan đến 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.
Trên hình. Hình 7g–i cho thấy phổ XPS của Nb 3d, C 1s và O 1s SL Nb2CTx (xem Hình 7d–f) và SL Nb4C3TX MXene được phân lập từ tế bào tảo. Chi tiết về các tham số đỉnh Nb-MXene được cung cấp trong Bảng S4–5. Đầu tiên, chúng tôi phân tích thành phần của Nb 3d. Ngược lại với Nb được hấp thụ bởi tế bào tảo, trong MXene được phân lập từ tế bào tảo, ngoài Nb2O5, người ta còn tìm thấy các thành phần khác. Trong Nb2CTx SL, chúng tôi quan sát thấy sự đóng góp của Nb3+-O với lượng là 15%, trong khi phần còn lại của phổ Nb 3d do Nb2O5 chi phối (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 lập bản đồ quang phổ C 1s thành bốn thành phần khác nhau, như chúng tôi đã làm trong các mẫu nội hóa. Như mong đợi, quang phổ C 1s bị chi phối bởi cacbon graphit, tiếp theo là các đóng góp từ các hạt hữu cơ (CHx/CO và C=O) từ các tế bào tảo siêu nhỏ. Ngoài ra, trong quang phổ O 1s, chúng tôi quan sát thấy sự đóng góp của các dạng hữu cơ của các tế bào tảo siêu nhỏ, oxit niobi và nước hấp phụ.
Ngoài ra, chúng tôi đã nghiên cứu xem sự phân cắt Nb-MXenes có liên quan đến sự hiện diện của các loài oxy phản ứng (ROS) trong môi trường dinh dưỡng và/hoặc tế bào tảo nhỏ hay không. Để đạt được mục đích này, chúng tôi đã đánh giá mức độ oxy đơn (1O2) trong môi trường nuôi cấy và glutathione nội bào, một thiol hoạt động như một chất chống oxy hóa trong tảo nhỏ. Kết quả được thể hiện trong SI (Hình S20 và S21). Các nuôi cấy với SL Nb2CTx và Nb4C3TX MXenes được đặc trưng bởi lượng 1O2 giảm (xem Hình S20). Trong trường hợp SL Nb2CTx, MXene 1O2 giảm xuống còn khoảng 83%. Đối với các nuôi cấy tảo nhỏ sử dụng SL, Nb4C3TX 1O2 giảm thậm chí còn nhiều hơn, xuống còn 73%. Điều thú vị là, những thay đổi trong 1O2 cho thấy cùng xu hướng như tác dụng ức chế-kích thích đã quan sát trước đó (xem Hình 3). Có thể lập luận rằng quá trình ủ trong ánh sáng mạnh có thể làm thay đổi quá trình oxy hóa quang. Tuy nhiên, kết quả phân tích kiểm soát cho thấy mức 1O2 gần như không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm (Hình S22). Trong trường hợp mức ROS nội bào, chúng tôi cũng quan sát thấy xu hướng giảm tương tự (xem Hình S21). Ban đầu, mức ROS trong tế bào tảo được nuôi cấy trong sự hiện diện của Nb2CTx và Nb4C3Tx SL vượt quá mức tìm thấy trong các nuôi cấy tảo tinh khiết. Tuy nhiên, cuối cùng, có vẻ như tảo thích nghi với sự hiện diện của cả hai Nb-MXene, vì mức ROS giảm xuống còn 85% và 91% so với mức được đo trong các nuôi cấy tảo tinh khiết được tiêm SL Nb2CTx và Nb4C3TX. Điều này có thể chỉ ra rằng tảo cảm thấy thoải mái hơn theo thời gian khi có Nb-MXene so với chỉ trong môi trường dinh dưỡng.
Tảo nhỏ 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 hình thành như vậy đóng vai trò quan trọng trong quá trình oxy hóa Nb-MXene. Một lời giải thích có thể 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 bất cứ nơi nào có các vùng có áp suất riêng phần oxy khác nhau, thì vùng có mức thấp nhất sẽ hình thành anot 80, 81, 82. Tại đây, tảo nhỏ góp phần tạo ra các tế bào được 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 tảo nhỏ có thể tạo ra các axit hữu cơ được giải phóng vào nước83,84. Do đó, một môi trường hung hăng được hình thành, do đó 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 sự ăn mòn79.
Quan trọng hơn, quang kỳ tối/sáng 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 tình sử dụng quang kỳ 12/12 giờ để chứng minh sự ăn mòn sinh học liên quan đến sự bám bẩn sinh học của tảo đỏ Porphyridium purpureum. Họ chỉ ra rằng quang kỳ có liên quan đến sự tiến hóa của điện thế mà không có sự ăn mòn sinh học, biểu hiện dưới dạng dao động giả chu kỳ vào khoảng 24:00. Những quan sát này đã được Dowling et al. 86 Họ chứng minh được màng sinh học quang hợp của vi khuẩn lam Anabaena. Oxy hòa tan được hình thành dưới tác động của ánh sáng, liên quan đến sự thay đổi hoặc dao động trong điện thế ăn mòn sinh học tự do. Tầm quan trọng của quang kỳ 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 tảo quang hợp, ảnh hưởng đến phản ứng catốt thông qua áp suất riêng phần được tạo ra gần các điện cực87.
Ngoài ra, 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 tảo siêu nhỏ sau khi tương tác với Nb-MXenes hay không. Những kết quả thu được này rất phức tạp và chúng tôi trình bày chúng theo hệ SI (Hình S23-S25, bao gồm kết quả của giai đoạn MAX và ML MXenes). Tóm lại, phổ tham chiếu thu được của tảo siêu nhỏ cung cấp cho chúng tôi thông tin quan trọng về các đặc điểm hóa học của các sinh vật này. Những rung động có khả năng xảy ra nhất này nằm ở 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. một. 1 1 (C–H) và 3280 cm–1 (O–H). Đối với SL Nb-MXenes, chúng tôi đã tìm thấy một chữ ký kéo dài liên kết CH phù hợp với nghiên cứu trước đây của chúng tôi38. Tuy nhiên, chúng tôi quan sát thấy một số đỉnh bổ sung liên quan đến liên kết C=C và CH biến mất. Điều này chỉ ra rằng thành phần hóa học của vi tảo có thể có những thay đổi nhỏ do tương tác với SL Nb-MXenes.
Khi xem xét những thay đổi có thể xảy ra trong quá trình sinh hóa của tảo, sự tích tụ các oxit vô cơ, chẳng hạn như oxit niobi, cần được xem xét lại59. Nó liên quan đến quá trình hấp thụ kim loại của bề mặt tế bào, quá trình vận chuyển chúng vào tế bào chất, sự liên kết của chúng với các nhóm cacboxyl nội bào và sự tích tụ của chúng trong polyphosphosome của tảo20,88,89,90. Ngoài ra, mối quan hệ giữa 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 tảo, khá phức tạp9,91. Nhìn chung, như mong đợi, thành phần hóa học của tảo lục thay đổi đôi chút do sự hấp thụ oxit Nb.
Điều thú vị là sự ức chế ban đầu quan sát được của tảo siêu nhỏ có thể đảo ngược theo thời gian. Như chúng tôi đã quan sát, tảo siêu nhỏ đã vượt qua được sự thay đổi môi trường ban đầu và cuối cùng trở lại tốc độ tăng trưởng bình thường và thậm chí còn tăng lên. Các nghiên cứu về điện thế zeta cho thấy độ ổn định cao khi đưa vào môi trường dinh dưỡng. Do đó, tương tác bề mặt giữa các tế bào tảo siêu nhỏ và các mảnh nano Nb-MXene được duy trì trong suốt các thí nghiệm khử. Trong phân tích sâu hơn của mình, chúng tôi tóm tắt các cơ chế hoạt động chính làm nền tảng cho hành vi đáng chú ý này của tảo siêu nhỏ.
Quan sát SEM cho thấy tảo siêu nhỏ 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 hạt nano dạng vảy Nb-MXene hai chiều thành các hạt hình cầu hơn, qua đó chứng minh rằng sự phân hủy của các hạt nano dạng vảy 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 hạt nano dần dần bị oxy hóa và phân hủy thành các sản phẩm NbO và Nb2O5, không gây ra mối đe dọa cho tảo lục. Sử dụng quan sát FTIR, chúng tôi không tìm thấy thay đổi đáng kể nào trong thành phần hóa học của tảo siêu nhỏ được ủ trong sự hiện diện của các hạt nano dạng vảy Nb-MXene 2D. Có tính đến khả năng tảo siêu nhỏ hấp thụ oxit niobi, chúng tôi đã tiến hành phân tích huỳnh quang tia X. Những kết quả này cho thấy rõ ràng rằng tảo siêu nhỏ được nghiên cứu ăn các oxit niobi (NbO và Nb2O5), không độc đối với tảo siêu nhỏ được nghiên cứu.