O ṣeun fun lilo si Nature.com.O nlo ẹya ẹrọ aṣawakiri kan pẹlu atilẹyin CSS lopin.Fun iriri ti o dara julọ, a ṣeduro pe ki o lo ẹrọ aṣawakiri imudojuiwọn kan (tabi mu Ipo Ibamu ṣiṣẹ ni Internet Explorer).Lakoko, lati rii daju pe atilẹyin tẹsiwaju, a yoo ṣe aaye naa laisi awọn aza ati JavaScript.
Ṣe afihan carousel ti awọn kikọja mẹta ni ẹẹkan.Lo awọn Bọtini Iṣaaju ati Next lati gbe nipasẹ awọn ifaworanhan mẹta ni akoko kan, tabi lo awọn bọtini ifaworanhan ni ipari lati gbe nipasẹ awọn ifaworanhan mẹta ni akoko kan.
Idagbasoke iyara ti nanotechnology ati iṣọpọ rẹ si awọn ohun elo lojoojumọ le ṣe idẹruba ayika naa.Lakoko ti awọn ọna alawọ ewe fun ibajẹ ti awọn idoti Organic ti ni idasilẹ daradara, imularada ti awọn contaminants crystalline inorganic jẹ ti ibakcdun pataki nitori ifamọ kekere wọn si biotransformation ati aini oye ti awọn ibaraenisepo dada ohun elo pẹlu awọn ti ibi.Nibi, a lo a Nb-orisun inorganic 2D MXenes awoṣe ni idapo pelu a rọrun apẹrẹ paramita onínọmbà ọna lati wa kakiri awọn bioremediation siseto ti 2D seramiki nanomaterials nipasẹ awọn alawọ microalgae Raphidocelis subcapitata.A rii pe microalgae degrade Nb-based MXenes nitori awọn ibaraẹnisọrọ physico-kemikali ti o ni ibatan lori ilẹ.Ni ibẹrẹ, nikan-Layer ati multilayer MXene nanoflakes ni won so si awọn dada ti microalgae, eyi ti o ni itumo din idagba ti ewe.Bibẹẹkọ, lori ibaraenisepo gigun pẹlu dada, microalgae oxidized MXene nanoflakes ati siwaju decomposed wọn sinu NbO ati Nb2O5.Nitoripe awọn oxides wọnyi kii ṣe majele si awọn sẹẹli microalgae, wọn jẹ awọn ẹwẹ titobi Nb oxide nipasẹ ọna gbigba ti o tun mu microalgae pada siwaju lẹhin awọn wakati 72 ti itọju omi.Awọn ipa ti awọn ounjẹ ti o ni nkan ṣe pẹlu gbigba ni a tun ṣe afihan ni ilosoke ninu iwọn didun sẹẹli, apẹrẹ ti o rọra ati iyipada ninu oṣuwọn idagbasoke.Da lori awọn awari wọnyi, a pinnu pe wiwa kukuru ati igba pipẹ ti MXenes ti o da lori Nb ni awọn ilolupo ilolupo omi tutu le fa awọn ipa ayika kekere nikan.O ṣe akiyesi pe, lilo awọn nanomaterials meji-meji gẹgẹbi awọn ọna ṣiṣe awoṣe, a ṣe afihan o ṣeeṣe ti ipasẹ iyipada apẹrẹ paapaa ni awọn ohun elo ti o dara.Lapapọ, iwadii yii ṣe idahun ibeere ipilẹ pataki kan nipa awọn ilana ti o jọmọ ibaraenisepo dada ti n ṣe awakọ ọna ṣiṣe bioremediation ti awọn nanomaterials 2D ati pe o pese ipilẹ fun igba kukuru siwaju ati awọn iwadii igba pipẹ ti ipa ayika ti awọn nanomaterials crystalline inorganic.
Awọn ohun elo Nanomaterials ti ṣe agbekalẹ iwulo pupọ lati igba awari wọn, ati pe ọpọlọpọ awọn imọ-ẹrọ nanotechnologies ti wọ inu ipele isọdọtun laipẹ1.Laanu, iṣọpọ awọn ohun elo nanomaterials sinu awọn ohun elo lojoojumọ le ja si awọn idasilẹ lairotẹlẹ nitori sisọnu aibojumu, mimu aibikita, tabi awọn amayederun ailewu ti ko pe.Nitorinaa, o jẹ ohun ti o bọgbọnwa lati ro pe awọn nanomaterials, pẹlu awọn ohun elo onisẹpo meji (2D) nanomaterials, ni a le tu silẹ sinu agbegbe adayeba, ihuwasi ati iṣẹ ṣiṣe ti ara eyiti ko ti loye ni kikun.Nitorinaa, kii ṣe iyalẹnu pe awọn ifiyesi ecotoxicity ti dojukọ agbara ti awọn nanomaterials 2D lati lọ sinu awọn ọna omi inu omi2,3,4,5,6.Ninu awọn ilolupo eda abemi, diẹ ninu awọn nanomaterials 2D le ṣe ajọṣepọ pẹlu ọpọlọpọ awọn oganisimu ni awọn ipele trophic oriṣiriṣi, pẹlu microalgae.
Microalgae jẹ awọn oganisimu atijo ti a rii nipa ti ara ni omi tutu ati awọn ilolupo eda abemi omi ti o ṣe agbejade ọpọlọpọ awọn ọja kemikali nipasẹ photosynthesis7.Bii iru bẹẹ, wọn ṣe pataki si awọn ilolupo eda abemi omi inu omi8,9,10,11,12 ṣugbọn tun jẹ ifarabalẹ, ilamẹjọ ati awọn afihan lilo pupọ ti ecotoxicity13,14.Niwọn igba ti awọn sẹẹli microalgae n pọ si ni iyara ati yarayara dahun si wiwa ti awọn orisirisi agbo ogun, wọn ṣe ileri fun idagbasoke awọn ọna ore ayika fun atọju omi ti doti pẹlu awọn nkan Organic15,16.
Awọn sẹẹli algae le yọ awọn ions inorganic kuro ninu omi nipasẹ biosorption ati ikojọpọ17,18.Diẹ ninu awọn eya algal gẹgẹbi Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue ati Synechococcus sp.O ti rii lati gbe ati paapaa ṣe itọju awọn ions irin majele bii Fe2+, Cu2+, Zn2+ ati Mn2+19.Awọn ijinlẹ miiran ti fihan pe Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ tabi Pb2+ ions ṣe idiwọ idagbasoke ti Scenedesmus nipa yiyipada morphology sẹẹli ati iparun chloroplasts20,21 wọn.
Awọn ọna alawọ ewe fun jijẹ ti awọn idoti Organic ati yiyọ awọn ions irin ti o wuwo ti fa akiyesi awọn onimọ-jinlẹ ati awọn onimọ-ẹrọ kakiri agbaye.Eyi jẹ nipataki nitori otitọ pe awọn contaminants wọnyi ni irọrun ni ilọsiwaju ni ipele omi.Sibẹsibẹ, awọn idoti kirisita inorganic jẹ eyiti o ni ijuwe nipasẹ isokuso omi kekere ati ailagbara si ọpọlọpọ awọn biotransformations, eyiti o fa awọn iṣoro nla ni atunṣe, ati pe ilọsiwaju diẹ ni a ti ṣe ni agbegbe yii22,23,24,25,26.Nitorinaa, wiwa fun awọn solusan ore ayika fun atunṣe awọn ohun elo nanomaterials jẹ agbegbe eka kan ati agbegbe ti a ko ṣawari.Nitori iwọn giga ti aidaniloju nipa awọn ipa biotransformation ti awọn nanomaterials 2D, ko si ọna ti o rọrun lati wa awọn ipa ọna ti o ṣeeṣe ti ibajẹ wọn lakoko idinku.
Ninu iwadi yii, a lo microalgae alawọ ewe bi oluranlowo bioremediation olomi ti nṣiṣe lọwọ fun awọn ohun elo seramiki inorganic, ni idapo pẹlu ibojuwo ipo ti ilana ibajẹ ti MXene gẹgẹbi aṣoju ti awọn ohun elo seramiki inorganic.Ọrọ naa "MXene" ṣe afihan stoichiometry ti ohun elo Mn + 1XnTx, nibiti M jẹ irin iyipada ti o tete, X jẹ erogba ati / tabi nitrogen, Tx jẹ ipari oju-aye (fun apẹẹrẹ, -OH, -F, -Cl), ati n = 1, 2, 3 tabi 427.28.Niwọn igba ti iṣawari ti MXenes nipasẹ Naguib et al.Sensorics, akàn ailera ati awo ara ase 27,29,30.Ni afikun, MXenes le ṣe akiyesi bi awọn ọna ṣiṣe 2D awoṣe nitori iduroṣinṣin colloidal wọn ti o dara julọ ati awọn ibaraenisọrọ ti ibi ti o ṣeeṣe31,32,33,34,35,36.
Nitorina, awọn ilana ti o ni idagbasoke ninu nkan yii ati awọn iṣeduro iwadi wa ni a fihan ni Nọmba 1. Gẹgẹbi iṣeduro yii, microalgae degrade Nb-based MXenes sinu awọn agbo ogun ti kii ṣe majele nitori awọn ibaraẹnisọrọ physico-kemikali ti o ni oju-ilẹ, eyiti o fun laaye ni imularada siwaju sii ti awọn ewe.Lati ṣe idanwo igbero yii, awọn ọmọ ẹgbẹ meji ti idile ti ibẹrẹ niobium-orisun iyipada irin carbides ati / tabi nitrides (MXenes), eyun Nb2CTx ati Nb4C3TX, ni a yan.
Ilana iwadi ati awọn idawọle ti o da lori ẹri fun imularada MXene nipasẹ alawọ ewe microalgae Raphidocelis subcapitata.Jọwọ ṣakiyesi pe eyi jẹ aṣoju sikematiki ti awọn igbero ti o da lori ẹri.Ayika adagun yato si ni alabọde ounjẹ ti a lo ati awọn ipo (fun apẹẹrẹ, yiyi ọjọ-ọjọ ati awọn idiwọn ninu awọn ounjẹ pataki to wa).Ti a ṣẹda pẹlu BioRender.com.
Nitorina, nipa lilo MXene gẹgẹbi eto awoṣe, a ti ṣii ilẹkun si iwadi ti awọn orisirisi awọn ipa ti ibi ti a ko le ṣe akiyesi pẹlu awọn nanomaterials miiran ti aṣa.Ni pato, a ṣe afihan iṣeeṣe ti bioremediation ti awọn nanomaterials onisẹpo meji, gẹgẹbi niobium-based MXenes, nipasẹ microalgae Raphidocelis subcapitata.Microalgae ni anfani lati dinku awọn Nb-MXenes sinu awọn oxides ti kii-majele ti NbO ati Nb2O5, eyiti o tun pese awọn eroja nipasẹ ọna gbigbe niobium.Lapapọ, iwadii yii ṣe idahun ibeere ipilẹ pataki kan nipa awọn ilana ti o nii ṣe pẹlu awọn ibaraenisepo physicochemical dada ti o ṣe akoso awọn ọna ṣiṣe ti bioremediation ti awọn nanomaterials onisẹpo meji.Ni afikun, a n ṣe agbekalẹ ọna ipilẹ apẹrẹ-paramita ti o rọrun fun titele awọn ayipada arekereke ni apẹrẹ ti awọn nanomaterials 2D.Eyi n ṣe iwuri siwaju fun igba kukuru ati iwadii igba pipẹ sinu ọpọlọpọ awọn ipa ayika ti awọn nanomaterials crystalline inorganic.Nitorinaa, ikẹkọ wa pọ si oye ibaraenisepo laarin dada ohun elo ati ohun elo ti ibi.A tun n pese ipilẹ fun faagun igba kukuru ati awọn iwadii igba pipẹ ti awọn ipa ti o ṣeeṣe wọn lori awọn ilolupo ilolupo omi tutu, eyiti o le rii daju ni irọrun ni bayi.
MXenes ṣe aṣoju kilasi ti o nifẹ ti awọn ohun elo pẹlu alailẹgbẹ ati iwunilori ti ara ati awọn ohun-ini kemikali ati nitorinaa ọpọlọpọ awọn ohun elo ti o pọju.Awọn ohun-ini wọnyi dale pupọ lori stoichiometry wọn ati kemistri dada.Nitorinaa, ninu iwadi wa, a ṣe iwadii awọn oriṣi meji ti Nb-based hierarchical single-Layer (SL) MXenes, Nb2CTx ati Nb4C3TX, niwọn bi o ti jẹ pe awọn ipa ti ẹda ti o yatọ ti awọn nanomaterials wọnyi le ṣe akiyesi.Awọn MXenes ni a ṣejade lati awọn ohun elo ibẹrẹ wọn nipasẹ yiyan yiyan oke-isalẹ ti awọn ipele tinrin MAX atomiki A-Layer.Ipele MAX jẹ seramiki ternary kan ti o ni awọn bulọọki “isopọmọra” ti awọn kabides irin iyipada ati awọn fẹlẹfẹlẹ tinrin ti awọn eroja “A” gẹgẹbi Al, Si, ati Sn pẹlu MnAXn-1 stoichiometry.Mofoloji ti ipele MAX akọkọ ni a ṣakiyesi nipasẹ wiwo airi microscopy elekitironi (SEM) ati pe o ni ibamu pẹlu awọn iwadii iṣaaju (Wo Alaye Afikun, SI, Nọmba S1).Multilayer (ML) Nb-MXene ti gba lẹhin ti o ti yọ Al Layer pẹlu 48% HF (hydrofluoric acid).Ẹkọ-ara ti ML-Nb2CTx ati ML-Nb4C3TX ni a ṣe ayẹwo nipasẹ ọlọjẹ elekitironi microscopy (SEM) (Awọn eeya S1c ati S1d lẹsẹsẹ) ati pe a ṣe akiyesi morphology Layer Layer MXene, ti o jọra si awọn nanoflakes onisẹpo meji ti o kọja nipasẹ elongated pore-like slits.Mejeeji Nb-MXenes ni ọpọlọpọ ni wọpọ pẹlu awọn ipele MXene ti a ti ṣajọpọ tẹlẹ nipasẹ etching acid27,38.Lẹhin ti ifẹsẹmulẹ awọn be ti MXene, a Layer o nipa intercalation ti tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) atẹle nipa fifọ ati sonication, lẹhin eyi ti a gba nikan-Layer tabi kekere-Layer (SL) 2D Nb-MXene nanoflakes.
A lo awọn elekitironi elekitironi gbigbe giga giga (HRTEM) ati diffraction X-ray (XRD) lati ṣe idanwo ṣiṣe ti etching ati peeling siwaju sii.Awọn abajade HRTEM ti a ṣe ilana nipa lilo Iyipada Yara Iyipada Inverse Fast Fourier (IFFT) ati Yipada Yara Fourier (FFT) ni a fihan ni Ọpọtọ.Awọn aworan HRTEM ti MXene Nb2CTx ati Nb4C3TX nanoflakes ṣe afihan ẹda atomically tinrin siwa wọn (wo Ọpọtọ 2a1, a2), gẹgẹbi a ti sọ tẹlẹ nipasẹ Naguib et al.27 ati Jastrzębska et al.38.Fun Nb2CTx meji nitosi ati Nb4C3Tx monolayers, a pinnu awọn ijinna interlayer ti 0.74 ati 1.54 nm, lẹsẹsẹ (Figs. 2b1,b2), eyiti o tun gba pẹlu awọn abajade iṣaaju wa38.Eyi ni idaniloju siwaju sii nipasẹ iyipada iyara Fourier (Fig. 2c1, c2) ati iyara Fourier yipada (Fig. 2d1, d2) ti o nfihan aaye laarin awọn Nb2CTx ati Nb4C3Tx monolayers.Aworan naa ṣe afihan iyipada ti ina ati awọn ẹgbẹ dudu ti o baamu si niobium ati awọn ọta erogba, eyiti o jẹrisi iseda siwa ti MXenes ti a ṣe iwadi.O ṣe pataki lati ṣe akiyesi pe agbara dispersive X-ray spectroscopy (EDX) spectra ti a gba fun Nb2CTx ati Nb4C3Tx (Awọn nọmba S2a ati S2b) ko fihan iyokù ti ipele MAX atilẹba, niwon ko si Al tente ti a ri.
Iwa ti SL Nb2CTx ati Nb4C3Tx MXene nanoflakes, pẹlu (a) ga elekitironi microscopy (HRTEM) ẹgbẹ-view 2D nanoflake aworan ati awọn ti o baamu, (b) kikankikan mode, (c) inverse fast Fourier transform (IFFT), (d) fast Fourier transform (FFT), (e) X-MX NbrayFun SL 2D Nb2CTx, awọn nọmba naa jẹ afihan bi (a1, b1, c1, d1, e1).Fun SL 2D Nb4C3Tx, awọn nọmba naa jẹ afihan bi (a2, b2, c2, d2, e1).
Awọn wiwọn diffraction X-ray ti SL Nb2CTx ati Nb4C3Tx MXenes ti han ni Ọpọtọ.2e1 ati e2, lẹsẹsẹ.Peaks (002) ni 4.31 ati 4.32 ni ibamu si MXenes Nb2CTx Layer Layer ti a ti ṣalaye tẹlẹ ati Nb4C3TX38,39,40,41 lẹsẹsẹ.Awọn abajade XRD tun tọka wiwa diẹ ninu awọn ẹya ML ti o ku ati awọn ipele MAX, ṣugbọn pupọ julọ awọn ilana XRD ti o ni nkan ṣe pẹlu SL Nb4C3Tx (Fig. 2e2).Iwaju awọn patikulu ti o kere ju ti ipele MAX le ṣe alaye tente oke MAX ti o lagbara ni akawe si awọn ipele Nb4C3Tx tolera laileto.
Iwadi siwaju ti dojukọ lori alawọ microalgae ti o jẹ ti eya R. subcapitata.A yan microalgae nitori wọn jẹ awọn olupilẹṣẹ pataki ti o ni ipa ninu awọn wẹẹbu ounje pataki42.Wọn tun jẹ ọkan ninu awọn itọkasi ti o dara julọ ti majele nitori agbara lati yọ awọn nkan majele kuro ti o gbe lọ si awọn ipele giga ti pq ounje43.Ni afikun, iwadi lori R. subcapitata le tan imọlẹ lori majele ti SL Nb-MXenes si awọn microorganisms omi tutu ti o wọpọ.Lati ṣe apejuwe eyi, awọn oniwadi ṣe akiyesi pe microbe kọọkan ni ifamọra oriṣiriṣi si awọn agbo ogun majele ti o wa ni agbegbe.Fun ọpọlọpọ awọn oganisimu, awọn ifọkansi kekere ti awọn nkan ko ni ipa lori idagbasoke wọn, lakoko ti awọn ifọkansi loke opin kan le ṣe idiwọ wọn tabi paapaa fa iku.Nitorinaa, fun awọn iwadii wa ti ibaraenisepo dada laarin microalgae ati MXenes ati imularada ti o somọ, a pinnu lati ṣe idanwo awọn ifọkansi ti ko lewu ati majele ti Nb-MXenes.Lati ṣe eyi, a ṣe idanwo awọn ifọkansi ti 0 (gẹgẹbi itọkasi), 0.01, 0.1 ati 10 mg l-1 MXene ati afikun microalgae ti o ni arun pẹlu awọn ifọkansi giga ti MXene (100 mg l-1 MXene), eyiti o le jẹ iwọn ati apaniyan..fun eyikeyi ti ibi ayika.
Awọn ipa ti SL Nb-MXenes lori microalgae ni a fihan ni Nọmba 3, ti a fihan bi ipin ogorun ti igbega idagbasoke (+) tabi idinamọ (-) ti a ṣewọn fun awọn ayẹwo 0 mg l-1.Fun lafiwe, ipele Nb-MAX ati ML Nb-MXenes tun ni idanwo ati awọn abajade ti han ni SI (wo Fig. S3).Awọn abajade ti o gba ni idaniloju pe SL Nb-MXenes ti fẹrẹ jẹ ailopin patapata ti majele ni ibiti awọn ifọkansi kekere lati 0.01 si 10 mg / l, bi a ṣe han ni aworan 3a,b.Ninu ọran ti Nb2CTx, a ṣe akiyesi ko ju 5% ecotoxicity ni ibiti o ti sọ.
Imudara (+) tabi idinamọ (-) ti idagbasoke microalgae ni iwaju SL (a) Nb2CTx ati (b) Nb4C3TX MXene.Awọn wakati 24, 48 ati 72 ti ibaraenisepo MXene-microalgae ni a ṣe itupalẹ. Awọn data pataki (t-idanwo, p <0.05) ni a samisi pẹlu aami akiyesi (*). Awọn data pataki (t-idanwo, p <0.05) ni a samisi pẹlu aami akiyesi (*). Значимые данные (t-критерий, p <0,05) отмечены звездочкой (*). Awọn data pataki (t-idanwo, p <0.05) ti samisi pẹlu aami akiyesi (*).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-igbeyewo, p <0,05) отмечены звездочкой (*). Awọn data pataki (t-idanwo, p <0.05) ti samisi pẹlu aami akiyesi (*).Awọn itọka pupa ṣe afihan ifasilẹ ti imuduro inhibitory.
Ni apa keji, awọn ifọkansi kekere ti Nb4C3TX jade lati jẹ majele diẹ diẹ sii, ṣugbọn ko ga ju 7%.Gẹgẹbi a ti ṣe yẹ, a ṣe akiyesi pe MXenes ni majele ti o ga julọ ati idinamọ idagbasoke microalgae ni 100mg L-1.O yanilenu, ko si ọkan ninu awọn ohun elo ti o ṣe afihan aṣa kanna ati igbẹkẹle akoko ti majele / awọn ipa majele ti akawe si awọn ayẹwo MAX tabi ML (wo SI fun awọn alaye).Lakoko ti akoko MAX (wo Fig. S3) majele ti de iwọn 15-25% ati pe o pọ si pẹlu akoko, a ṣe akiyesi aṣa iyipada fun SL Nb2CTx ati Nb4C3TX MXene.Idinamọ ti idagbasoke microalgae dinku ni akoko pupọ.O de isunmọ 17% lẹhin awọn wakati 24 o lọ silẹ si kere ju 5% lẹhin awọn wakati 72 (Fig. 3a, b, lẹsẹsẹ).
Ni pataki julọ, fun SL Nb4C3TX, idinamọ idagbasoke microalgae de iwọn 27% lẹhin awọn wakati 24, ṣugbọn lẹhin awọn wakati 72 o dinku si iwọn 1%.Nitoribẹẹ, a ṣe aami ipa ti a ṣe akiyesi bi idinamọ inira ti imudara, ati pe ipa naa lagbara fun SL Nb4C3TX MXene.Imudara ti idagbasoke microalgae ni a ṣe akiyesi ni iṣaaju pẹlu Nb4C3TX (ibaraṣepọ ni 10 mg L-1 fun 24 h) ni akawe pẹlu SL Nb2CTx MXene.Ipa ipadasẹhin idinamọ ni a tun han daradara ni iwọn ilọpo meji biomass (wo Fig. S4 fun awọn alaye).Nitorinaa, nikan ecotoxicity ti Ti3C2TX MXene ti ṣe iwadi ni awọn ọna oriṣiriṣi.Kii ṣe majele fun awọn ọmọ inu oyun zebrafish44 ṣugbọn iwọntunwọnsi ecotoxic si microalgae Desmodesmus quadricauda ati awọn irugbin Sorghum saccharatum45.Awọn apẹẹrẹ miiran ti awọn ipa kan pato pẹlu majele ti o ga si awọn laini sẹẹli alakan ju si awọn laini sẹẹli deede46,47.O le ṣe akiyesi pe awọn ipo idanwo yoo ni ipa awọn iyipada ninu idagbasoke microalgae ti a ṣe akiyesi ni iwaju Nb-MXenes.Fun apẹẹrẹ, pH kan ti o to 8 ni chloroplast stroma jẹ aipe fun iṣẹ ṣiṣe daradara ti enzymu RuBisCO.Nitorinaa, awọn iyipada pH ni odi ni ipa lori oṣuwọn photosynthesis48,49.Sibẹsibẹ, a ko ṣe akiyesi awọn ayipada pataki ni pH lakoko idanwo (wo SI, Fig. S5 fun awọn alaye).Ni gbogbogbo, awọn aṣa ti microalgae pẹlu Nb-MXenes diẹ dinku pH ti ojutu ni akoko pupọ.Sibẹsibẹ, idinku yii jẹ iru si iyipada ninu pH ti alabọde mimọ.Ni afikun, awọn iyatọ ti awọn iyatọ ti a ri jẹ iru si ti a ṣewọn fun aṣa mimọ ti microalgae (ayẹwo iṣakoso).Nitorinaa, a pinnu pe photosynthesis ko ni ipa nipasẹ awọn ayipada ninu pH ni akoko pupọ.
Ni afikun, awọn MXenes ti a ṣepọ ni awọn opin oju (ti a tọka si bi Tx).Iwọnyi jẹ awọn ẹgbẹ iṣẹ ṣiṣe ni pataki -O, -F ati -OH.Sibẹsibẹ, kemistri dada ni ibatan taara si ọna ti iṣelọpọ.Awọn wọnyi ni awọn ẹgbẹ ti wa ni mo lati wa ni laileto pin lori dada, ṣiṣe awọn ti o soro lati ṣe asọtẹlẹ ipa wọn lori awọn ini ti MXene50.O le ṣe jiyan pe Tx le jẹ agbara katalitiki fun oxidation ti niobium nipasẹ ina.Awọn ẹgbẹ iṣẹ ṣiṣe ti dada nitootọ pese awọn aaye idaduro pupọ fun awọn olutọpa ti o wa labẹ wọn lati ṣe agbekalẹ heterojunctions51.Bibẹẹkọ, akopọ alabọde idagba ko pese photocatalyst ti o munadoko (apejuwe akopọ alabọde ni a le rii ni SI Table S6).Ni afikun, eyikeyi dada iyipada jẹ tun pataki, bi awọn ti ibi aṣayan iṣẹ-ṣiṣe ti MXenes le ti wa ni yipada nitori Layer post-processing, ifoyina, kemikali dada iyipada ti Organic ati inorganic agbo52,53,54,55,56 tabi dada idiyele engineering38.Nitorina, lati ṣe idanwo boya niobium oxide ni ohunkohun lati ṣe pẹlu aiṣedeede ohun elo ni alabọde, a ṣe awọn iwadi ti o pọju zeta (ζ) ti o pọju ninu idagbasoke idagbasoke microalgae ati omi ti a ti sọ diionized (fun lafiwe).Awọn abajade wa fihan pe SL Nb-MXenes jẹ iduroṣinṣin deede (wo SI Fig. S6 fun awọn abajade MAX ati ML).Agbara zeta ti SL MXenes jẹ nipa -10 mV.Ninu ọran ti SR Nb2CTx, iye ζ jẹ odi diẹ sii ju ti Nb4C3Tx lọ.Iru iyipada ninu iye ζ le fihan pe oju ti MXene nanoflakes ti ko ni idiyele gba awọn ions ti o ni idiyele ti o daadaa lati inu aṣa aṣa.Awọn wiwọn akoko ti agbara zeta ati ifarapa ti Nb-MXenes ni alabọde aṣa (wo Awọn nọmba S7 ati S8 ni SI fun awọn alaye diẹ sii) dabi pe o ṣe atilẹyin imọran wa.
Sibẹsibẹ, mejeeji Nb-MXene SLs ṣe afihan awọn ayipada kekere lati odo.Eyi ṣe afihan iduroṣinṣin wọn kedere ni alabọde idagbasoke microalgae.Ni afikun, a ṣe ayẹwo boya wiwa microalgae alawọ ewe wa yoo ni ipa lori iduroṣinṣin ti Nb-MXenes ni alabọde.Awọn abajade ti o pọju zeta ati ifarapa ti MXenes lẹhin ibaraenisepo pẹlu microalgae ni media onje ati aṣa ni akoko pupọ ni a le rii ni SI (Awọn nọmba S9 ati S10).O yanilenu, a ṣe akiyesi pe wiwa microalgae dabi ẹni pe o ṣe iduroṣinṣin pipinka ti MXenes mejeeji.Ninu ọran ti Nb2CTx SL, agbara zeta paapaa dinku diẹ sii ju akoko lọ si awọn iye odi diẹ sii (-15.8 dipo -19.1 mV lẹhin 72 h ti abeabo).Agbara zeta ti SL Nb4C3TX pọ si diẹ, ṣugbọn lẹhin 72 h o tun fihan iduroṣinṣin ti o ga ju nanoflakes laisi wiwa microalgae (-18.1 vs. -9.1 mV).
A tun rii iṣiṣẹ kekere ti awọn solusan Nb-MXene ti o wa ni iwaju microalgae, ti o nfihan iye kekere ti awọn ions ni alabọde ounjẹ.Ni pataki, aisedeede ti MXenes ninu omi jẹ pataki nitori oxidation dada57.Nitorinaa, a fura pe microalgae alawọ ewe bakan pa awọn oxides ti o ṣẹda lori dada ti Nb-MXene ati paapaa ṣe idiwọ iṣẹlẹ wọn (ifoyina ti MXene).Eyi ni a le rii nipasẹ kikọ ẹkọ awọn oriṣi awọn nkan ti o gba nipasẹ microalgae.
Lakoko ti awọn ijinlẹ ilolupo wa fihan pe microalgae ni anfani lati bori majele ti Nb-MXenes ni akoko pupọ ati idinamọ dani ti idagbasoke idagbasoke, ero ti ikẹkọ wa ni lati ṣe iwadii awọn ilana iṣe iṣe.Nigbati awọn oganisimu bii ewe ba farahan si awọn agbo ogun tabi awọn ohun elo ti ko mọ si awọn ilolupo eda wọn, wọn le fesi ni awọn ọna oriṣiriṣi58,59.Ni aini ti awọn ohun elo afẹfẹ irin majele, microalgae le jẹun fun ara wọn, gbigba wọn laaye lati dagba nigbagbogbo60.Lẹhin jijẹ ti awọn nkan majele, awọn ọna aabo le mu ṣiṣẹ, gẹgẹbi iyipada apẹrẹ tabi fọọmu.O ṣeeṣe ti gbigba gbọdọ tun jẹ akiyesi58,59.Ni pataki, eyikeyi ami ti ẹrọ aabo jẹ itọkasi mimọ ti majele ti agbo idanwo naa.Nitorina, ninu iṣẹ wa siwaju sii, a ṣe iwadi awọn ibaraẹnisọrọ oju-ọna ti o pọju laarin SL Nb-MXene nanoflakes ati microalgae nipasẹ SEM ati gbigba agbara ti Nb-based MXene nipasẹ X-ray fluorescence spectroscopy (XRF).Ṣe akiyesi pe awọn itupalẹ SEM ati XRF ni a ṣe nikan ni ifọkansi ti o ga julọ ti MXene lati koju awọn ọran majele ti iṣẹ-ṣiṣe.
Awọn abajade SEM ti han ni Fig.4.Awọn sẹẹli microalgae ti ko ni itọju (wo Ọpọtọ 4a, apẹẹrẹ itọkasi) fihan ni kedere aṣoju R. subcapitata morphology ati apẹrẹ sẹẹli croissant.Awọn sẹẹli han ni pẹlẹbẹ ati aito ni itumo.Diẹ ninu awọn sẹẹli microalgae ni agbekọja ati di ara wọn, ṣugbọn eyi ṣee ṣe nipasẹ ilana igbaradi ayẹwo.Ni gbogbogbo, awọn sẹẹli microalgae mimọ ni oju didan ati pe ko ṣe afihan eyikeyi awọn ayipada nipa ẹda.
Awọn aworan SEM ti n ṣe afihan ibaraenisepo dada laarin microalgae alawọ ewe ati awọn nanosheets MXene lẹhin awọn wakati 72 ti ibaraenisepo ni ifọkansi pupọ (100 mg L-1).(a) microalgae alawọ ewe ti ko ni itọju lẹhin ibaraenisepo pẹlu SL (b) Nb2CTx ati (c) Nb4C3TX MXenes.Ṣe akiyesi pe awọn nanoflakes Nb-MXene ti samisi pẹlu awọn ọfa pupa.Fun ifiwera, awọn fọto lati inu maikirosikopu opiti tun wa ni afikun.
Ni idakeji, awọn sẹẹli microalgae adsorbed nipasẹ SL Nb-MXene nanoflakes ti bajẹ (wo Fig. 4b, c, awọn ọfà pupa).Ninu ọran ti Nb2CTx MXene (Fig. 4b), microalgae maa n dagba pẹlu awọn nanoscales onisẹpo meji ti o somọ, eyiti o le yi ẹda-ara wọn pada.Ni pataki, a tun ṣe akiyesi awọn ayipada wọnyi labẹ airi ina (wo SI Figure S11 fun awọn alaye).Iyipo mofoloji yii ni ipilẹ ti o ṣeeṣe ni ẹkọ ẹkọ-ẹkọ ti microalgae ati agbara wọn lati daabobo ara wọn nipa yiyipada mofoloji sẹẹli, gẹgẹbi jijẹ iwọn didun sẹẹli61.Nitorina, o ṣe pataki lati ṣayẹwo nọmba awọn sẹẹli microalgae ti o wa ni olubasọrọ pẹlu Nb-MXenes.Awọn ijinlẹ SEM fihan pe to 52% ti awọn sẹẹli microalgae ti farahan si Nb-MXenes, lakoko ti 48% ti awọn sẹẹli microalgae wọnyi yago fun olubasọrọ.Fun SL Nb4C3Tx MXene, microalgae gbiyanju lati yago fun olubasọrọ pẹlu MXene, nitorinaa agbegbe ati dagba lati awọn nanoscales onisẹpo meji (Fig. 4c).Sibẹsibẹ, a ko ṣe akiyesi ilaluja ti awọn nanoscales sinu awọn sẹẹli microalgae ati ibajẹ wọn.
Itọju ara ẹni tun jẹ ihuwasi idahun ti o gbẹkẹle akoko si idinamọ ti photosynthesis nitori ipolowo ti awọn patikulu lori dada sẹẹli ati ohun ti a pe ni shading (shading) ipa62.O han gbangba pe ohun kọọkan (fun apẹẹrẹ, Nb-MXene nanoflakes) ti o wa laarin microalgae ati orisun ina ṣe opin iye ina ti o gba nipasẹ awọn chloroplasts.Sibẹsibẹ, a ko ni iyemeji pe eyi ni ipa pataki lori awọn esi ti o gba.Gẹgẹbi a ti fihan nipasẹ awọn akiyesi airi wa, awọn nanoflakes 2D ko ni ipari patapata tabi faramọ oju ti microalgae, paapaa nigbati awọn sẹẹli microalgae wa ni olubasọrọ pẹlu Nb-MXenes.Dipo, awọn nanoflakes yipada lati wa ni iṣalaye si awọn sẹẹli microalgae laisi bo oju wọn.Iru ṣeto ti nanoflakes/microalgae ko le ṣe idiwọn iye ina ti o gba nipasẹ awọn sẹẹli microalgae.Pẹlupẹlu, diẹ ninu awọn ijinlẹ paapaa ti ṣe afihan ilọsiwaju ni gbigba ina nipasẹ awọn oganisimu fọtosyntetiki ni iwaju awọn nanomaterials onisẹpo meji63,64,65,66.
Niwọn bi awọn aworan SEM ko le jẹrisi taara gbigbe ti niobium nipasẹ awọn sẹẹli microalgae, iwadii siwaju wa yipada si X-ray fluorescence (XRF) ati X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) itupalẹ lati ṣe alaye ọran yii.Nitorinaa, a ṣe afiwe kikankikan ti awọn oke giga Nb ti awọn ayẹwo microalgae itọkasi ti ko ṣe ajọṣepọ pẹlu MXenes, MXene nanoflakes ti o ya sọtọ lati oju awọn sẹẹli microalgae, ati awọn sẹẹli microalgal lẹhin yiyọkuro ti MXenes ti o somọ.O ṣe akiyesi pe ti ko ba si gbigba Nb, iye Nb ti o gba nipasẹ awọn sẹẹli microalgae yẹ ki o jẹ odo lẹhin yiyọ awọn nanoscales ti o somọ.Nitorinaa, ti gbigba Nb ba waye, mejeeji awọn abajade XRF ati XPS yẹ ki o ṣafihan tente Nb ti o han gbangba.
Ninu ọran ti XRF spectra, awọn ayẹwo microalgae fihan awọn ipele Nb fun SL Nb2CTx ati Nb4C3Tx MXene lẹhin ibaraenisepo pẹlu SL Nb2CTx ati Nb4C3Tx MXene (wo Fig. 5a, tun ṣe akiyesi pe awọn abajade fun MAX ati ML MXenes ti han ni SI, Figs S12).O yanilenu, kikankikan ti tente oke Nb jẹ kanna ni awọn ọran mejeeji (awọn ọpa pupa ni aworan 5a).Eyi fihan pe awọn ewe ko le fa Nb diẹ sii, ati pe o pọju agbara fun ikojọpọ Nb ti waye ninu awọn sẹẹli, biotilejepe ni igba meji diẹ sii Nb4C3Tx MXene ti a so mọ awọn sẹẹli microalgae (awọn ọpa buluu ni 5a).Ni pataki, agbara ti microalgae lati fa awọn irin da lori ifọkansi ti awọn oxides irin ni agbegbe67,68.Shamshada et al.67 rii pe agbara gbigba ti awọn ewe omi tutu n dinku pẹlu pH ti o pọ si.Raize et al.68 ṣe akiyesi pe agbara okun lati fa awọn irin jẹ nipa 25% ti o ga julọ fun Pb2 + ju fun Ni2 +.
(a) Awọn abajade XRF ti igbasilẹ basal Nb nipasẹ awọn sẹẹli microalgae alawọ ewe ti a fi sinu ifọkansi pupọ ti SL Nb-MXenes (100 mg L-1) fun awọn wakati 72.Awọn abajade fihan wiwa α ninu awọn sẹẹli microalgae mimọ (ayẹwo iṣakoso, awọn ọwọn grẹy), 2D nanoflakes ti o ya sọtọ lati awọn sẹẹli microalgae dada (awọn ọwọn buluu), ati awọn sẹẹli microalgae lẹhin ipinya ti 2D nanoflakes lati dada (awọn ọwọn pupa).Awọn iye ti Nb elemental, (b) ogorun ti kemikali tiwqn ti microalgae Organic irinše (C = O ati CHx/C–O) ati Nb oxides ti o wa ninu microalgae ẹyin lẹhin abeabo pẹlu SL Nb-MXenes, (c-e) Fitting ti awọn tiwqn tente oke ti XPS SL Nb2CTx spectra ati (f4CXE) SL .
Nitorina, a nireti pe Nb le gba nipasẹ awọn sẹẹli algal ni irisi awọn oxides.Lati ṣe idanwo eyi, a ṣe awọn ẹkọ XPS lori MXenes Nb2CTx ati Nb4C3TX ati awọn sẹẹli algae.Awọn abajade ti ibaraenisepo ti microalgae pẹlu Nb-MXenes ati MXenes ti o ya sọtọ lati awọn sẹẹli algae ni a fihan ni Ọpọtọ.5b.Gẹgẹbi a ti ṣe yẹ, a rii awọn oke giga Nb 3d ni awọn ayẹwo microalgae lẹhin yiyọkuro MXene lati oju ti microalgae.Ipinnu titobi ti C = O, CHx / CO, ati Nb oxides ni a ṣe iṣiro da lori Nb 3d, O 1s, ati C 1s spectra ti a gba pẹlu Nb2CTx SL (Fig. 5c-e) ati Nb4C3Tx SL (Fig. 5c-e).) ti a gba lati inu microalgae ti a fi silẹ.Olusin 5f-h) MXenes.Tabili S1-3 ṣe afihan awọn alaye ti awọn paramita ti o ga julọ ati kemistri gbogbogbo ti o waye lati ibamu.O ṣe akiyesi pe awọn agbegbe Nb 3d ti Nb2CTx SL ati Nb4C3Tx SL (Fig. 5c, f) ni ibamu si ẹya Nb2O5 kan.Nibi, a ko rii awọn oke giga ti o ni ibatan MXene ni iwoye, nfihan pe awọn sẹẹli microalgae nikan fa fọọmu oxide ti Nb.Ni afikun, a isunmọ spekitimu C 1 pẹlu awọn paati C–C, CHx/C–O, C=O, ati –COOH.A yàn awọn CHx/C–O ati awọn giga C=O si idasi Organic ti awọn sẹẹli microalgae.Awọn paati Organic wọnyi ṣe akọọlẹ fun 36% ati 41% ti awọn giga C 1s ni Nb2CTx SL ati Nb4C3TX SL, ni atele.Lẹhinna a ni ibamu pẹlu iwoye O 1s ti SL Nb2CTx ati SL Nb4C3TX pẹlu Nb2O5, awọn ohun elo Organic ti microalgae (CHx/CO), ati omi adsorbed dada.
Nikẹhin, awọn abajade XPS ṣe afihan irisi Nb ni kedere, kii ṣe wiwa rẹ nikan.Gẹgẹbi ipo ti ifihan Nb 3d ati awọn abajade ti deconvolution, a jẹrisi pe Nb ti gba nikan ni irisi awọn oxides kii ṣe awọn ions tabi MXene funrararẹ.Ni afikun, awọn abajade XPS fihan pe awọn sẹẹli microalgae ni agbara nla lati gba awọn oxides Nb lati SL Nb2CTx ni akawe si SL Nb4C3TX MXene.
Lakoko ti awọn abajade gbigba Nb wa jẹ iwunilori ati gba wa laaye lati ṣe idanimọ ibajẹ MXene, ko si ọna ti o wa lati tọpinpin awọn iyipada mofoloji ti o somọ ni awọn nanoflakes 2D.Nitorinaa, a tun pinnu lati ṣe agbekalẹ ọna ti o dara ti o le dahun taara si eyikeyi awọn ayipada ti o waye ni 2D Nb-MXene nanoflakes ati awọn sẹẹli microalgae.O ṣe pataki lati ṣe akiyesi pe ti a ba ro pe ti awọn eya ibaraenisepo ba ni iyipada eyikeyi, ibajẹ tabi defragmentation, eyi yẹ ki o yara farahan bi awọn ayipada ninu awọn apẹrẹ apẹrẹ, gẹgẹbi iwọn ila opin ti agbegbe iyipo deede, iyipo, iwọn Feret, tabi ipari Feret.Niwọn igba ti awọn paramita wọnyi dara fun apejuwe awọn patikulu elongated tabi awọn nanoflakes onisẹpo meji, ipasẹ wọn nipasẹ itupalẹ apẹrẹ patiku ti o ni agbara yoo fun wa ni alaye ti o niyelori nipa iyipada morphological ti SL Nb-MXene nanoflakes lakoko idinku.
Awọn abajade ti o gba ni a fihan ni Nọmba 6. Fun lafiwe, a tun ṣe idanwo ipele MAX atilẹba ati ML-MXenes (wo SI Awọn nọmba S18 ati S19).Ayẹwo ti o ni agbara ti apẹrẹ patiku fihan pe gbogbo awọn aye apẹrẹ ti Nb-MXene SLs meji yipada ni pataki lẹhin ibaraenisepo pẹlu microalgae.Gẹgẹbi a ti ṣe afihan nipasẹ iwọn ila opin agbegbe ipin deede (Eeya. 6a, b), kikankikan tente ti o dinku ti ida ti awọn nanoflakes nla tọkasi pe wọn ṣọ lati bajẹ sinu awọn ajẹkù kekere.Lori ọpọtọ.6c, d fihan idinku ninu awọn oke giga ti o ni nkan ṣe pẹlu iwọn iṣipopada ti awọn flakes (elongation ti nanoflakes), ti o nfihan iyipada ti awọn nanoflakes 2D sinu apẹrẹ ti o dabi patiku diẹ sii.Ṣe nọmba 6e-h ti n fihan iwọn ati ipari ti Feret, lẹsẹsẹ.Feret iwọn ati ipari jẹ awọn paramita ibaramu ati nitorinaa o yẹ ki o gbero papọ.Lẹhin abeabo ti 2D Nb-MXene nanoflakes ni iwaju microalgae, awọn oke ibatan Feret wọn yipada ati kikankikan wọn dinku.Da lori awọn abajade wọnyi ni apapo pẹlu mofoloji, XRF ati XPS, a pinnu pe awọn ayipada ti a ṣe akiyesi ni o ni ibatan si oxidation bi awọn MXenes oxidized ṣe di wrinkled diẹ sii ati fọ si awọn ajẹkù ati awọn patikulu oxide ti iyipo69,70.
Onínọmbà ti iyipada MXene lẹhin ibaraenisepo pẹlu microalgae alawọ ewe.Itupalẹ apẹrẹ patiku ti o ni agbara ṣe akiyesi iru awọn aye bi (a, b) iwọn ila opin ti agbegbe iyipo deede, (c, d) iyipo, (e, f) Iwọn Feret ati (g, h) Gigun Feret.Ni ipari yii, awọn ayẹwo microalgae itọkasi meji ni a ṣe atupale pẹlu SL Nb2CTx akọkọ ati SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx ati SL Nb4C3Tx MXenes, microalgae degraded, ati itọju microalgae SL Nb2CTx ati SL Nb4C3Tx MXenes.Awọn itọka pupa fihan awọn iyipada ti awọn apẹrẹ apẹrẹ ti awọn nanoflakes onisẹpo meji ti a ṣe iwadi.
Niwọn bi itupalẹ paramita apẹrẹ jẹ igbẹkẹle pupọ, o tun le ṣafihan awọn iyipada mofoloji ninu awọn sẹẹli microalgae.Nitorinaa, a ṣe atupale iwọn ila opin ipin agbegbe deede, iyipo, ati iwọn Feret / ipari ti awọn sẹẹli microalgae mimọ ati awọn sẹẹli lẹhin ibaraenisepo pẹlu 2D Nb nanoflakes.Lori ọpọtọ.6a-h ṣe afihan awọn iyipada ninu awọn apẹrẹ apẹrẹ ti awọn sẹẹli algae, bi a ti jẹri nipasẹ idinku ninu kikankikan oke ati iyipada ti maxima si awọn iye ti o ga julọ.Ni pato, awọn iṣiro iyipo sẹẹli fihan idinku ninu awọn sẹẹli elongated ati ilosoke ninu awọn sẹẹli iyipo (Fig. 6a, b).Ni afikun, Feret cell iwọn pọ nipa orisirisi awọn micrometers lẹhin ibaraenisepo pẹlu SL Nb2CTx MXene (Fig. 6e) akawe si SL Nb4C3TX MXene (Fig. 6f).A fura pe eyi le jẹ nitori gbigba agbara ti Nb oxides nipasẹ microalgae lori ibaraenisepo pẹlu Nb2CTx SR.Asomọ lile lile ti awọn flakes Nb si dada wọn le ja si idagbasoke sẹẹli pẹlu ipa ojiji iboji kekere.
Awọn akiyesi wa ti awọn ayipada ninu awọn aye ti apẹrẹ ati iwọn ti microalgae ni ibamu pẹlu awọn ẹkọ miiran.Awọn microalgae alawọ ewe le yi imọ-ara wọn pada ni idahun si aapọn ayika nipa yiyipada iwọn sẹẹli, apẹrẹ tabi iṣelọpọ agbara61.Fun apẹẹrẹ, yiyipada iwọn awọn sẹẹli ṣe iranlọwọ fun gbigba awọn ounjẹ ounjẹ71.Awọn sẹẹli ewe ti o kere ju ṣe afihan gbigba ounjẹ kekere ati oṣuwọn idagbasoke ti bajẹ.Lọna miiran, awọn sẹẹli ti o tobi julọ maa n jẹ awọn ounjẹ diẹ sii, eyiti a fi sii intracellularly72,73.Machado ati Soares rii pe triclosan fungicide le mu iwọn sẹẹli pọ si.Wọn tun rii awọn iyipada nla ni irisi algae74.Ni afikun, Yin et al.9 tun ṣe afihan awọn iyipada morphological ninu ewe lẹhin ifihan si awọn nanocomposites graphene oxide dinku.Nitorinaa, o han gbangba pe awọn iwọn ti a yipada / awọn iwọn apẹrẹ ti microalgae jẹ nitori wiwa MXene.Niwọn igba ti iyipada yii ni iwọn ati apẹrẹ jẹ itọkasi awọn iyipada ninu gbigbemi ounjẹ, a gbagbọ pe itupalẹ iwọn ati awọn iwọn apẹrẹ lori akoko le ṣe afihan gbigba ti niobium oxide nipasẹ microalgae ni iwaju Nb-MXenes.
Pẹlupẹlu, MXenes le jẹ oxidized ni iwaju ewe.Dalai et al.75 ṣe akiyesi pe morphology ti alawọ ewe alawọ ti o farahan si nano-TiO2 ati Al2O376 kii ṣe aṣọ.Botilẹjẹpe awọn akiyesi wa jọra si iwadii lọwọlọwọ, o jẹ pataki nikan si iwadi ti awọn ipa ti bioremediation ni awọn ofin ti awọn ọja ibajẹ MXene ni iwaju awọn nanoflakes 2D kii ṣe awọn ẹwẹ titobi.Niwọn igba ti MXenes le dinku si awọn ohun elo irin, 31,32,77,78 o jẹ oye lati ro pe Nb nanoflakes wa tun le ṣe agbekalẹ Nb oxides lẹhin ibaraenisepo pẹlu awọn sẹẹli microalgae.
Lati le ṣe alaye idinku awọn 2D-Nb nanoflakes nipasẹ ọna-ara-ara ti o da lori ilana oxidation, a ṣe awọn iwadi nipa lilo awọn ohun elo elekitironi ti o ga julọ (HRTEM) (Fig. 7a,b) ati X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Fig. 7).7c-i ati awọn tabili S4-5).Awọn ọna mejeeji dara fun kikọ ẹkọ ifoyina ti awọn ohun elo 2D ati ni ibamu si ara wọn.HRTEM ni anfani lati ṣe itupalẹ ibajẹ ti awọn ẹya sikirin onisẹpo meji ati irisi atẹle ti awọn ẹwẹ titobi afẹfẹ irin, lakoko ti XPS ṣe ifarabalẹ si awọn iwe ifowopamọ oju.Fun idi eyi, a ṣe idanwo awọn nanoflakes 2D Nb-MXene ti a fa jade lati awọn pipinka sẹẹli microalgae, eyini ni, apẹrẹ wọn lẹhin ibaraenisepo pẹlu awọn sẹẹli microalgae (wo Fig. 7).
Awọn aworan HRTEM ti o nfihan ẹda-ara ti oxidized (a) SL Nb2CTx ati (b) SL Nb4C3Tx MXenes, awọn abajade itupalẹ XPS ti o nfihan (c) akopọ ti awọn ọja oxide lẹhin idinku, (d – f) ibaamu awọn paati ti iwoye XPS ti SL Nb2CTx ati (g – i) Nb4C3T alawọ ewe ti tunṣe.
Awọn ijinlẹ HRTEM jẹrisi ifoyina ti awọn oriṣi meji ti awọn nanoflakes Nb-MXene.Botilẹjẹpe awọn nanoflakes ni idaduro iwọn-ara iwọn-meji wọn si iwọn diẹ, oxidation yorisi ifarahan ti ọpọlọpọ awọn ẹwẹ titobi ti o bo oju ti awọn nanoflakes MXene (wo Fig. 7a,b).Iṣiro XPS ti c Nb 3d ati awọn ifihan agbara O 1s fihan pe Nb oxides ni a ṣẹda ni awọn ọran mejeeji.Gẹgẹbi a ṣe han ni Nọmba 7c, 2D MXene Nb2CTx ati Nb4C3TX ni awọn ifihan agbara Nb 3d ti o nfihan niwaju NbO ati Nb2O5 oxides, lakoko ti awọn ifihan agbara O 1s tọkasi nọmba awọn iwe ifowopamọ O-Nb ti o ni nkan ṣe pẹlu iṣẹ ṣiṣe ti 2D nanoflake dada.A ṣe akiyesi pe ilowosi Nb oxide jẹ agbara ni akawe si Nb-C ati Nb3 + -O.
Lori ọpọtọ.Awọn nọmba 7g-i ṣe afihan irisi XPS ti Nb 3d, C 1s, ati O 1s SL Nb2CTx (wo Awọn aworan 7d-f) ati SL Nb4C3TX MXene ti o ya sọtọ lati awọn sẹẹli microalgae.Awọn alaye ti awọn paramita tente oke Nb-MXenes ni a pese ni Awọn tabili S4-5, lẹsẹsẹ.A kọkọ ṣe atupale akopọ ti Nb 3d.Ni idakeji si Nb ti o gba nipasẹ awọn sẹẹli microalgae, ni MXene ti o ya sọtọ lati awọn sẹẹli microalgae, yato si Nb2O5, awọn ẹya miiran ti a ri.Ni Nb2CTx SL, a ṣe akiyesi ilowosi ti Nb3 + -O ni iye ti 15%, nigba ti iyokù Nb 3d spectrum jẹ gaba lori nipasẹ Nb2O5 (85%).Ni afikun, apẹẹrẹ SL Nb4C3TX ni awọn paati Nb-C (9%) ati Nb2O5 (91%).Nibi Nb-C wa lati awọn fẹlẹfẹlẹ atomiki inu meji ti carbide irin ni Nb4C3Tx SR.Lẹhinna a ya aworan iwoye C 1s si awọn paati oriṣiriṣi mẹrin, bi a ti ṣe ninu awọn apẹẹrẹ inu inu.Gẹgẹbi a ti nireti, irisi C 1s jẹ gaba lori nipasẹ erogba ayaworan, atẹle nipasẹ awọn ifunni lati awọn patikulu Organic (CHx/CO ati C=O) lati awọn sẹẹli microalgae.Ni afikun, ni iwoye O 1s, a ṣe akiyesi idasi ti awọn fọọmu Organic ti awọn sẹẹli microalgae, oxide niobium, ati omi adsorbed.
Ni afikun, a ṣe iwadi boya Nb-MXenes cleavage ni nkan ṣe pẹlu wiwa awọn ẹya atẹgun ti o ni ifaseyin (ROS) ni alabọde ounjẹ ati / tabi awọn sẹẹli microalgae.Ni opin yii, a ṣe ayẹwo awọn ipele ti awọn atẹgun atẹrin (1O2) ni alabọde aṣa ati intracellular glutathione, thiol ti o ṣe bi antioxidant ni microalgae.Awọn abajade ti han ni SI (Awọn eeya S20 ati S21).Awọn aṣa pẹlu SL Nb2CTx ati Nb4C3TX MXenes ni a ṣe afihan nipasẹ iye ti o dinku ti 1O2 (wo Nọmba S20).Ninu ọran ti SL Nb2CTx, MXene 1O2 dinku si nipa 83%.Fun awọn aṣa microalgae nipa lilo SL, Nb4C3TX 1O2 dinku paapaa diẹ sii, si 73%.O yanilenu, awọn iyipada ninu 1O2 ṣe afihan aṣa kanna bi ipa ti inhibitory-stimulatory ti a ṣe akiyesi tẹlẹ (wo aworan 3).O le ṣe jiyan pe ifibọ ni ina didan le paarọ photooxidation.Sibẹsibẹ, awọn esi ti iṣakoso iṣakoso fihan fere awọn ipele ti 1O2 nigbagbogbo nigba idanwo (Fig. S22).Ninu ọran ti awọn ipele ROS intracellular, a tun ṣe akiyesi aṣa sisale kanna (wo Nọmba S21).Ni ibẹrẹ, awọn ipele ti ROS ninu awọn sẹẹli microalgae ti a gbin ni iwaju Nb2CTx ati Nb4C3Tx SL ti kọja awọn ipele ti a rii ni awọn aṣa mimọ ti microalgae.Nikẹhin, sibẹsibẹ, o han pe microalgae ṣe deede si wiwa ti awọn mejeeji Nb-MXenes, bi awọn ipele ROS ti dinku si 85% ati 91% ti awọn ipele ti a ṣe ni awọn aṣa mimọ ti microalgae ti a ṣe pẹlu SL Nb2CTx ati Nb4C3TX, lẹsẹsẹ.Eyi le fihan pe microalgae ni itara diẹ sii ju akoko lọ niwaju Nb-MXene ju ni alabọde ounjẹ nikan.
Microalgae jẹ ẹgbẹ oniruuru ti awọn oganisimu fọtosyntetiki.Lakoko photosynthesis, wọn ṣe iyipada carbon dioxide ti afẹfẹ (CO2) sinu erogba Organic.Awọn ọja ti photosynthesis jẹ glukosi ati atẹgun79.A fura pe atẹgun bayi ti a ṣẹda ṣe ipa pataki ninu ifoyina ti Nb-MXenes.Alaye kan ti o ṣee ṣe fun eyi ni pe a ṣe agbekalẹ paramita aeration iyatọ ni awọn iwọn kekere ati giga ti atẹgun ti ita ati inu awọn nanoflakes Nb-MXene.Eyi tumọ si pe nibikibi ti o wa ni awọn agbegbe ti o yatọ si awọn igara apa ti atẹgun, agbegbe ti o ni ipele ti o kere julọ yoo ṣe awọn anode 80, 81, 82. Nibi, awọn microalgae ṣe alabapin si ẹda ti awọn sẹẹli ti o ni iyatọ ti o yatọ si lori oju ti awọn flakes MXene, eyiti o nmu atẹgun nitori awọn ohun-ini fọtosythetic wọn.Bi abajade, awọn ọja biocorrosion (ni idi eyi, niobium oxides) ti ṣẹda.Apa miran ni wipe microalgae le gbe awọn Organic acids ti o ti wa ni idasilẹ sinu omi83,84.Nitorinaa, agbegbe ibinu ti ṣẹda, nitorinaa yiyipada Nb-MXenes.Ni afikun, microalgae le yi pH ti agbegbe pada si ipilẹ nitori gbigba carbon dioxide, eyiti o tun le fa ibajẹ79.
Ni pataki julọ, akoko fọto dudu / ina ti a lo ninu iwadi wa jẹ pataki lati ni oye awọn abajade ti o gba.A ṣe apejuwe abala yii ni awọn alaye ni Djemai-Zoglache et al.85 Wọn mọọmọ lo akoko fọto wakati 12/12 lati ṣe afihan biocorrosion ti o ni nkan ṣe pẹlu biofouling nipasẹ microalgae pupa Porphyridium purpureum.Wọn fihan pe akoko photoperiod ni nkan ṣe pẹlu itankalẹ ti o pọju laisi biocorrosion, ti o fi ara rẹ han bi awọn oscillations pseudoperiodic ni ayika 24:00.Awọn akiyesi wọnyi ni idaniloju nipasẹ Dowling et al.86 Wọn ṣe afihan awọn fiimu biosinthetic ti cyanobacteria Anabaena.Atẹgun ti tuka ni a ṣẹda labẹ iṣe ti ina, eyiti o ni nkan ṣe pẹlu iyipada tabi awọn iyipada ninu agbara biocorrosion ọfẹ.Pataki ti photoperiod jẹ itọkasi nipasẹ otitọ pe agbara ọfẹ fun biocorrosion pọ si ni ipele ina ati dinku ni ipele dudu.Eyi jẹ nitori atẹgun ti a ṣelọpọ nipasẹ microalgae fọtosyntetiki, eyiti o ni ipa lori iṣesi cathodic nipasẹ titẹ apakan ti o ti ipilẹṣẹ nitosi awọn eletiriki87.
Ni afikun, Fourier transform infurarẹẹdi spectroscopy (FTIR) ni a ṣe lati wa boya eyikeyi awọn ayipada waye ninu akopọ kemikali ti awọn sẹẹli microalgae lẹhin ibaraenisepo pẹlu Nb-MXenes.Awọn abajade ti o gba wọnyi jẹ eka ati pe a ṣafihan wọn ni SI (Awọn eeya S23-S25, pẹlu awọn abajade ti ipele MAX ati ML MXenes).Ni kukuru, irisi itọkasi ti o gba ti microalgae fun wa ni alaye pataki nipa awọn abuda kemikali ti awọn ohun alumọni wọnyi.Awọn gbigbọn ti o ṣeeṣe julọ julọ wa ni awọn iwọn 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C = C), 1730 cm-1 (C = O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.ọkan.1 1 (C–H) ati 3280 cm–1 (O-H).Fun SL Nb-MXenes, a rii ibuwọlu nina CH-bond ti o ni ibamu pẹlu iwadi wa tẹlẹ38.Sibẹsibẹ, a ṣe akiyesi pe diẹ ninu awọn afikun giga ti o ni nkan ṣe pẹlu C=C ati awọn iwe adehun CH sọnu.Eyi tọkasi pe akopọ kemikali ti microalgae le ṣe awọn ayipada kekere nitori ibaraenisepo pẹlu SL Nb-MXenes.
Nigbati o ba n gbero awọn iyipada ti o ṣee ṣe ninu biochemistry ti microalgae, ikojọpọ awọn oxides inorganic, gẹgẹbi niobium oxide, nilo lati tun ronu59.O ṣe alabapin ninu gbigbe awọn irin nipasẹ oju sẹẹli, gbigbe wọn sinu cytoplasm, ajọṣepọ wọn pẹlu awọn ẹgbẹ carboxyl intracellular, ati ikojọpọ wọn ni microalgae polyphosphosomes20,88,89,90.Ni afikun, ibatan laarin microalgae ati awọn irin jẹ itọju nipasẹ awọn ẹgbẹ iṣẹ ṣiṣe ti awọn sẹẹli.Fun idi eyi, gbigba tun da lori microalgae dada kemistri, eyi ti o jẹ oyimbo complexed9,91.Ni gbogbogbo, bi a ti ṣe yẹ, akopọ kemikali ti microalgae alawọ ewe yipada diẹ nitori gbigba Nb oxide.
O yanilenu pe, idinamọ ibẹrẹ akọkọ ti a ṣe akiyesi ti microalgae jẹ iyipada ni akoko pupọ.Gẹgẹbi a ti ṣe akiyesi, microalgae bori iyipada ayika akọkọ ati nikẹhin pada si awọn iwọn idagba deede ati paapaa pọ si.Awọn ẹkọ-ẹkọ ti o pọju zeta ṣe afihan iduroṣinṣin to gaju nigba ti a ṣe sinu media onje.Nitorinaa, ibaraenisepo dada laarin awọn sẹẹli microalgae ati awọn nanoflakes Nb-MXene ni itọju jakejado awọn adanwo idinku.Ninu itupalẹ wa siwaju, a ṣe akopọ awọn ọna ṣiṣe akọkọ ti iṣe ti o wa labẹ ihuwasi iyalẹnu ti microalgae.
Awọn akiyesi SEM ti fihan pe microalgae ṣọ lati so pọ si Nb-MXenes.Lilo itupalẹ aworan ti o ni agbara, a jẹrisi pe ipa yii yori si iyipada ti Nb-MXene nanoflakes onisẹpo meji sinu awọn patikulu iyipo diẹ sii, nitorinaa n ṣe afihan pe jijẹ ti nanoflakes ni nkan ṣe pẹlu ifoyina wọn.Lati ṣe idanwo igbero wa, a ṣe lẹsẹsẹ awọn ohun elo ati awọn iwadii biokemika.Lẹhin idanwo, awọn nanoflakes di oxidized ati jijẹ sinu awọn ọja NbO ati Nb2O5, eyiti ko ṣe irokeke ewu si microalgae alawọ ewe.Lilo akiyesi FTIR, a ko ri awọn ayipada pataki ninu akopọ kemikali ti microalgae ti a fi sinu niwaju awọn nanoflakes 2D Nb-MXene.Ni akiyesi iṣeeṣe gbigba ti niobium oxide nipasẹ microalgae, a ṣe itupalẹ fluorescence X-ray kan.Awọn abajade wọnyi fihan ni kedere pe awọn ifunni microalgae ti a ṣe iwadi lori niobium oxides (NbO ati Nb2O5), eyiti kii ṣe majele si microalgae ti a ṣe iwadi.