نشكرك على زيارة موقع Nature.com. أنت تستخدم إصدارًا من المتصفح يدعم CSS بشكل محدود. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح مُحدَّث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، سنعرض الموقع بدون أنماط CSS وجافا سكريبت.
يعرض شريطًا دائريًا من ثلاث شرائح في وقت واحد. استخدم زري "السابق" و"التالي" للتنقل بين الشرائح الثلاث في كل مرة، أو استخدم أزرار التمرير في النهاية للتنقل بين الشرائح الثلاث في كل مرة.
قد يُشكل التطور السريع لتقنية النانو ودمجها في التطبيقات اليومية تهديدًا للبيئة. فبينما تُعدّ الطرق الصديقة للبيئة لتحليل الملوثات العضوية راسخة، يُمثل استخلاص الملوثات البلورية غير العضوية مصدر قلق بالغ نظرًا لانخفاض حساسيتها للتحول الحيوي وقلة فهم تفاعلات سطح المادة مع المواد البيولوجية. في هذه الدراسة، استخدمنا نموذجًا ثنائي الأبعاد من مادة MXenes غير العضوية القائمة على النيوبيوم، مُقترنًا بطريقة تحليل بسيطة لمعاملات الشكل، لتتبع آلية المعالجة الحيوية للمواد النانوية الخزفية ثنائية الأبعاد بواسطة الطحالب الخضراء الدقيقة Raphidocelis subcapitata. ووجدنا أن الطحالب الدقيقة تُحلل مادة MXenes القائمة على النيوبيوم نتيجةً للتفاعلات الفيزيائية والكيميائية المتعلقة بالسطح. في البداية، التصقت رقائق نانوية من MXene أحادية الطبقة ومتعددة الطبقات بسطح الطحالب الدقيقة، مما قلل من نمو الطحالب إلى حد ما. ومع ذلك، مع استمرار التفاعل مع السطح، قامت الطحالب الدقيقة بأكسدة رقائق MXene النانوية، ثم حللتها إلى NbO وNb2O5. نظرًا لأن هذه الأكاسيد غير سامة لخلايا الطحالب الدقيقة، فإنها تستهلك جزيئات أكسيد النيوبيوم النانوية عبر آلية امتصاص تُعيد للطحالب الدقيقة حيويتها بعد 72 ساعة من معالجة المياه. كما تنعكس آثار المغذيات المرتبطة بالامتصاص في زيادة حجم الخلايا، وشكلها الأملس، وتغير معدل نموها. بناءً على هذه النتائج، نستنتج أن وجود مركبات MXenes القائمة على النيوبيوم في النظم البيئية للمياه العذبة، سواءً على المدى القصير أو الطويل، قد يُسبب آثارًا بيئية طفيفة. ومن الجدير بالذكر أننا، باستخدام المواد النانوية ثنائية الأبعاد كنماذج، أثبتنا إمكانية تتبع تحول الشكل حتى في المواد ذات الحبيبات الدقيقة. إجمالًا، تُجيب هذه الدراسة على سؤال أساسي هام حول العمليات المتعلقة بتفاعل السطح التي تُحرك آلية المعالجة الحيوية للمواد النانوية ثنائية الأبعاد، وتُوفر أساسًا لمزيد من الدراسات قصيرة وطويلة الأجل حول الأثر البيئي للمواد النانوية البلورية غير العضوية.
حظيت المواد النانوية باهتمام واسع منذ اكتشافها، ودخلت تقنيات النانو المختلفة مؤخرًا مرحلة تحديث شاملة. مع ذلك، قد يؤدي دمج هذه المواد في التطبيقات اليومية إلى تسربات عرضية نتيجة التخلص غير السليم منها، أو التعامل غير الآمن معها، أو عدم كفاية البنية التحتية للسلامة. لذا، من المنطقي افتراض إمكانية تسرب المواد النانوية، بما فيها المواد النانوية ثنائية الأبعاد، إلى البيئة الطبيعية، حيث لم يُفهم سلوكها ونشاطها البيولوجي فهمًا كاملًا بعد. لذلك، ليس من المستغرب أن تركز المخاوف المتعلقة بالسمية البيئية على قدرة المواد النانوية ثنائية الأبعاد على التسرب إلى الأنظمة المائية. في هذه النظم البيئية، قد تتفاعل بعض المواد النانوية ثنائية الأبعاد مع كائنات حية مختلفة على مستويات غذائية متعددة، بما في ذلك الطحالب الدقيقة.
الطحالب الدقيقة كائنات بدائية توجد طبيعياً في النظم البيئية للمياه العذبة والبحرية، وتنتج مجموعة متنوعة من المركبات الكيميائية من خلال عملية التمثيل الضوئي.⁷ ولذلك، فهي بالغة الأهمية للنظم البيئية المائية،^{8،9،10،11،12} كما أنها مؤشرات حساسة وغير مكلفة وشائعة الاستخدام للسمية البيئية.^13،14 ونظراً لتكاثر خلايا الطحالب الدقيقة بسرعة واستجابتها الفورية لوجود مركبات مختلفة، فإنها تُعد واعدة لتطوير طرق صديقة للبيئة لمعالجة المياه الملوثة بالمواد العضوية.^15،16
تستطيع خلايا الطحالب إزالة الأيونات غير العضوية من الماء عبر الامتصاص الحيوي والتراكم^17،18. وقد وُجد أن بعض أنواع الطحالب، مثل الكلوريلا، والأناباينا إنفار، والويستيلوبسيس بروليفيكا، والستيجيوكلونيوم تينوي، والسينيكوكوس، تحمل بل وتغذي أيونات المعادن السامة مثل الحديد (Fe²⁺)، والنحاس (Cu²⁺)، والزنك (Zn²⁺)، والمنغنيز (Mn²⁺)¹⁹. كما أظهرت دراسات أخرى أن أيونات النحاس (Cu²⁺)، والكادميوم (Cd²⁺)، والنيكل (Ni²⁺)، والزنك (Zn²⁺)، والرصاص (Pb²⁺) تحدّ من نمو طحلب السينيدسموس عن طريق تغيير شكل الخلية وتدمير البلاستيدات الخضراء^20،21.
استقطبت الطرق الصديقة للبيئة لتحليل الملوثات العضوية وإزالة أيونات المعادن الثقيلة اهتمام العلماء والمهندسين حول العالم. ويعود ذلك أساسًا إلى سهولة معالجة هذه الملوثات في الحالة السائلة. مع ذلك، تتميز الملوثات البلورية غير العضوية بانخفاض ذوبانها في الماء وقلة قابليتها للتحولات الحيوية المختلفة، مما يُسبب صعوبات جمة في معالجتها، ولم يُحرز تقدم يُذكر في هذا المجال.^{22،23،24،25،26} لذا، يبقى البحث عن حلول صديقة للبيئة لإصلاح المواد النانوية مجالًا معقدًا وغير مستكشف. ونظرًا لارتفاع درجة عدم اليقين بشأن تأثيرات التحول الحيوي للمواد النانوية ثنائية الأبعاد، فليس من السهل تحديد المسارات المحتملة لتحللها أثناء عملية الاختزال.
في هذه الدراسة، استخدمنا الطحالب الخضراء الدقيقة كعامل نشط للمعالجة الحيوية المائية للمواد الخزفية غير العضوية، بالتزامن مع المراقبة الموضعية لعملية تحلل مادة MXene كممثل للمواد الخزفية غير العضوية. يشير مصطلح "MXene" إلى التركيب الكيميائي للمادة Mn+1XnTx، حيث M هو فلز انتقالي مبكر، وX هو الكربون و/أو النيتروجين، وTx هو مُنهي سطحي (مثل -OH، -F، -Cl)، وn = 1، 2، 3 أو 4. منذ اكتشاف MXenes بواسطة نجيب وآخرون، استُخدمت في مجالات الاستشعار، وعلاج السرطان، والترشيح الغشائي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن اعتبار MXenes أنظمة ثنائية الأبعاد نموذجية نظرًا لاستقرارها الغرواني الممتاز وتفاعلاتها البيولوجية المحتملة.
لذا، تُعرض المنهجية المُطورة في هذه المقالة وفرضيات بحثنا في الشكل 1. ووفقًا لهذه الفرضية، تُحلل الطحالب الدقيقة مركبات MXenes القائمة على النيوبيوم إلى مركبات غير سامة نتيجةً للتفاعلات الفيزيائية والكيميائية السطحية، مما يُتيح استخلاص الطحالب لاحقًا. ولاختبار هذه الفرضية، تم اختيار اثنين من أفراد عائلة كربيدات و/أو نتريدات المعادن الانتقالية المبكرة القائمة على النيوبيوم (MXenes)، وهما Nb2CTx وNb4C3TX.
منهجية البحث والفرضيات القائمة على الأدلة لاستخلاص مادة MXene بواسطة الطحالب الخضراء الدقيقة Raphidocelis subcapitata. يُرجى ملاحظة أن هذا مجرد تمثيل تخطيطي للافتراضات القائمة على الأدلة. تختلف بيئة البحيرة في الوسط الغذائي المستخدم والظروف المحيطة (مثل الدورة اليومية ومحدودية العناصر الغذائية الأساسية المتاحة). تم إنشاؤه باستخدام BioRender.com.
لذا، باستخدام مادة MXene كنظام نموذجي، فتحنا آفاقًا لدراسة تأثيرات بيولوجية متنوعة لا يمكن رصدها مع المواد النانوية التقليدية الأخرى. وعلى وجه الخصوص، أثبتنا إمكانية المعالجة الحيوية للمواد النانوية ثنائية الأبعاد، مثل MXenes القائمة على النيوبيوم، بواسطة الطحالب الدقيقة Raphidocelis subcapitata. تستطيع هذه الطحالب تحليل Nb-MXenes إلى أكاسيد غير سامة، NbO وNb2O5، والتي توفر بدورها مغذيات من خلال آلية امتصاص النيوبيوم. إجمالًا، تجيب هذه الدراسة على سؤال أساسي هام حول العمليات المرتبطة بالتفاعلات الفيزيائية والكيميائية السطحية التي تحكم آليات المعالجة الحيوية للمواد النانوية ثنائية الأبعاد. إضافةً إلى ذلك، نعمل على تطوير طريقة بسيطة تعتمد على معلمات الشكل لتتبع التغيرات الطفيفة في شكل المواد النانوية ثنائية الأبعاد. وهذا يُلهم إجراء المزيد من البحوث قصيرة وطويلة الأجل حول التأثيرات البيئية المختلفة للمواد النانوية البلورية غير العضوية. وبذلك، تُسهم دراستنا في تعزيز فهم التفاعل بين سطح المادة والمادة البيولوجية. كما نوفر الأساس لدراسات موسعة قصيرة وطويلة الأجل حول تأثيراتها المحتملة على النظم البيئية للمياه العذبة، والتي يُمكن التحقق منها بسهولة الآن.
تمثل مركبات MXene فئةً مثيرةً للاهتمام من المواد ذات خصائص فيزيائية وكيميائية فريدة وجذابة، ما يُتيح لها العديد من التطبيقات المحتملة. وتعتمد هذه الخصائص بشكل كبير على تركيبها الكيميائي وتركيب سطحها. لذلك، قمنا في دراستنا بدراسة نوعين من مركبات MXene أحادية الطبقة الهرمية القائمة على النيوبيوم، وهما Nb2CTx وNb4C3TX، نظرًا لإمكانية ملاحظة تأثيرات بيولوجية مختلفة لهذه المواد النانوية. تُنتَج مركبات MXene من موادها الأولية عن طريق الحفر الانتقائي من الأعلى إلى الأسفل لطبقات رقيقة ذرية من طور MAX. يتكون طور MAX من سيراميك ثلاثي يتألف من كتل مترابطة من كربيدات المعادن الانتقالية وطبقات رقيقة من عناصر "A" مثل الألومنيوم والسيليكون والقصدير، بنسبة MnAXn-1. تمت دراسة مورفولوجيا طور MAX الأولي باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وكانت النتائج متوافقة مع الدراسات السابقة (انظر المعلومات التكميلية، الشكل S1). تم الحصول على طبقات متعددة من مادة Nb-MXene بعد إزالة طبقة الألومنيوم باستخدام حمض الهيدروفلوريك بتركيز 48%. دُرست مورفولوجيا طبقتي ML-Nb2CTx وML-Nb4C3TX باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) (الشكلان S1c وS1d على التوالي)، ولوحظت مورفولوجيا نموذجية متعددة الطبقات لمادة MXene، تشبه رقائق نانوية ثنائية الأبعاد تمر عبر شقوق مسامية متطاولة. تشترك كلتا مادتي Nb-MXene في العديد من الخصائص مع أطوار MXene التي تم تصنيعها سابقًا عن طريق الحفر الحمضي^27،38. بعد التأكد من بنية MXene، قمنا بتكوين طبقات من خلال إدخال هيدروكسيد رباعي بوتيل الأمونيوم (TBAOH) متبوعًا بالغسل والمعالجة بالموجات فوق الصوتية، وبعد ذلك حصلنا على رقائق نانوية ثنائية الأبعاد من Nb-MXene أحادية الطبقة أو منخفضة الطبقات (SL).
استخدمنا المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة (HRTEM) وحيود الأشعة السينية (XRD) لاختبار كفاءة الحفر والتقشير اللاحق. تُظهر الصورة 2 نتائج HRTEM بعد معالجتها باستخدام تحويل فورييه العكسي السريع (IFFT) وتحويل فورييه السريع (FFT). وُجِّهت رقائق Nb-MXene النانوية بحيث تكون حافتها لأعلى للتحقق من بنية الطبقة الذرية وقياس المسافات بين المستويات الذرية. كشفت صور HRTEM لرقائق MXene Nb2CTx وNb4C3TX النانوية عن طبيعتها الطبقية الرقيقة على المستوى الذري (انظر الشكل 2أ1، أ2)، كما ورد سابقًا في دراسات نجيب وآخرون²⁷ وجاسترزيبسكا وآخرون³⁸. بالنسبة لطبقتين أحاديتين متجاورتين من Nb2CTx وNb4C3TX، حددنا المسافات بين الطبقات بـ 0.74 و1.54 نانومتر على التوالي (الشكلان 2ب1، ب2)، وهو ما يتوافق أيضًا مع نتائجنا السابقة³⁸. وقد تأكد ذلك أيضًا من خلال تحويل فورييه العكسي السريع (الشكل 2c1، c2) وتحويل فورييه السريع (الشكل 2d1، d2) اللذين يوضحان المسافة بين الطبقتين الأحاديتين Nb2CTx وNb4C3Tx. تُظهر الصورة تناوبًا بين نطاقات فاتحة وداكنة تُشير إلى ذرات النيوبيوم والكربون، مما يؤكد الطبيعة الطبقية لمركبات MXenes المدروسة. ومن الجدير بالذكر أن أطياف مطيافية تشتت طاقة الأشعة السينية (EDX) التي تم الحصول عليها لـ Nb2CTx وNb4C3Tx (الشكلان S2a وS2b) لم تُظهر أي أثر لطور MAX الأصلي، حيث لم يتم الكشف عن أي قمة للألومنيوم.
توصيف رقائق MXene النانوية أحادية الطبقة من نوعي Nb2CTx وNb4C3Tx، بما في ذلك: (أ) تصوير الرقائق النانوية ثنائية الأبعاد من الجانب باستخدام المجهر الإلكتروني عالي الدقة (HRTEM) وما يقابله، (ب) نمط شدة الإشارة، (ج) التحويل العكسي السريع لفورييه (IFFT)، (د) التحويل السريع لفورييه (FFT)، (هـ) أنماط حيود الأشعة السينية لـ Nb-MXenes. بالنسبة لرقائق Nb2CTx ثنائية الأبعاد أحادية الطبقة، تُكتب الأرقام كالتالي: (a1, b1, c1, d1, e1). أما بالنسبة لرقائق Nb4C3Tx ثنائية الأبعاد أحادية الطبقة، فتُكتب الأرقام كالتالي: (a2, b2, c2, d2, e1).
تُظهر الأشكال 2هـ1 و2هـ2 قياسات حيود الأشعة السينية لطبقات MXenes أحادية الطبقة Nb2CTx وNb4C3Tx على التوالي. تتوافق القمم (002) عند 4.31 و4.32 مع طبقات MXenes الموصوفة سابقًا Nb2CTx وNb4C3Tx على التوالي. تشير نتائج حيود الأشعة السينية أيضًا إلى وجود بعض البنى أحادية الطبقة المتبقية وأطوار MAX، ولكن أنماط حيود الأشعة السينية ترتبط في الغالب بطبقة Nb4C3Tx أحادية الطبقة (الشكل 2هـ2). قد يُفسر وجود جزيئات أصغر من طور MAX شدة قمة MAX مقارنةً بطبقات Nb4C3Tx المكدسة عشوائيًا.
ركزت الأبحاث اللاحقة على الطحالب الخضراء الدقيقة التابعة لنوع R. subcapitata. وقد اخترنا الطحالب الدقيقة لأهميتها كعناصر منتجة في الشبكات الغذائية الرئيسية⁴². كما أنها تُعدّ من أفضل المؤشرات على السمية لقدرتها على إزالة المواد السامة التي تنتقل إلى مستويات أعلى في السلسلة الغذائية⁴³. إضافةً إلى ذلك، قد تُسهم الأبحاث على R. subcapitata في فهم السمية العرضية لمركبات SL Nb-MXenes على الكائنات الحية الدقيقة الشائعة في المياه العذبة. ولتوضيح ذلك، افترض الباحثون أن لكل ميكروب حساسية مختلفة للمركبات السامة الموجودة في البيئة. فبالنسبة لمعظم الكائنات الحية، لا تؤثر التركيزات المنخفضة من المواد على نموها، بينما قد تُثبّطها التركيزات التي تتجاوز حدًا معينًا أو حتى تُسبب موتها. لذلك، قررنا في دراساتنا حول التفاعل السطحي بين الطحالب الدقيقة ومركبات MXenes والتعافي المرتبط به، اختبار التركيزات غير الضارة والسامة من مركبات Nb-MXenes. لتحقيق ذلك، اختبرنا تراكيز 0 (كمرجع)، و0.01، و0.1، و10 ملغم/لتر من مادة MXene، بالإضافة إلى إصابة الطحالب الدقيقة بتراكيز عالية جدًا من MXene (100 ملغم/لتر)، والتي قد تكون شديدة الخطورة وقاتلة لأي بيئة بيولوجية.
يوضح الشكل 3 تأثيرات مركبات SL Nb-MXenes على الطحالب الدقيقة، معبرًا عنها كنسبة مئوية لتحفيز النمو (+) أو تثبيطه (-) عند قياسها لعينات تركيزها 0 ملغم/لتر. وللمقارنة، تم اختبار طور Nb-MAX ومركبات ML Nb-MXenes أيضًا، وتظهر النتائج في الملحق (انظر الشكل S3). أكدت النتائج أن مركبات SL Nb-MXenes تكاد تكون خالية تمامًا من السمية في نطاق التركيزات المنخفضة من 0.01 إلى 10 ملغم/لتر، كما هو موضح في الشكلين 3أ و3ب. أما في حالة Nb2CTx، فلم نلاحظ سمية بيئية تتجاوز 5% ضمن النطاق المحدد.
تحفيز (+) أو تثبيط (-) نمو الطحالب الدقيقة في وجود مركبات MXene التالية: (أ) Nb2CTx و (ب) Nb4C3TX. تم تحليل تفاعل MXene مع الطحالب الدقيقة بعد 24 و 48 و 72 ساعة. تم تمييز البيانات المهمة (اختبار t، p < 0.05) بعلامة النجمة (*). تم تمييز البيانات المهمة (اختبار t، p < 0.05) بعلامة النجمة (*). Значимые данные (t-criterий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). البيانات المهمة (اختبار t، p < 0.05) تم تمييزها بعلامة النجمة (*).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. анные данные (اختبار t، p < 0,05) отмечены звездочкой (*). البيانات المهمة (اختبار t، p < 0.05) تم تمييزها بعلامة النجمة (*).تشير الأسهم الحمراء إلى إلغاء التحفيز المثبط.
من ناحية أخرى، تبين أن التركيزات المنخفضة من Nb4C3TX أكثر سمية بقليل، ولكن ليس بنسبة تتجاوز 7%. وكما هو متوقع، لاحظنا أن مركبات MXenes أظهرت سمية أعلى وتثبيطًا أكبر لنمو الطحالب الدقيقة عند تركيز 100 ملغم/لتر. ومن المثير للاهتمام أن أيًا من المواد لم يُظهر نفس الاتجاه أو التغير الزمني للتأثيرات السامة/غير السامة مقارنةً بعينات MAX أو ML (انظر الملحق لمزيد من التفاصيل). فبينما بلغت السمية في طور MAX (انظر الشكل S3) حوالي 15-25% وازدادت مع مرور الوقت، لوحظ اتجاه معاكس في مركبات SL Nb2CTx وNb4C3TX MXene. فقد انخفض تثبيط نمو الطحالب الدقيقة بمرور الوقت، حيث بلغ حوالي 17% بعد 24 ساعة، ثم انخفض إلى أقل من 5% بعد 72 ساعة (الشكل 3أ، ب على التوالي).
والأهم من ذلك، بالنسبة لمركب SL Nb4C3TX، بلغ تثبيط نمو الطحالب الدقيقة حوالي 27% بعد 24 ساعة، ولكنه انخفض إلى حوالي 1% بعد 72 ساعة. لذلك، وصفنا التأثير الملحوظ بأنه تثبيط عكسي للتحفيز، وكان هذا التأثير أقوى بالنسبة لمركب SL Nb4C3TX MXene. وقد لوحظ تحفيز نمو الطحالب الدقيقة في وقت أبكر مع مركب Nb4C3TX (عند تركيز 10 ملغم/لتر لمدة 24 ساعة) مقارنةً بمركب SL Nb2CTx MXene. كما ظهر تأثير عكس التثبيط والتحفيز بوضوح في منحنى معدل تضاعف الكتلة الحيوية (انظر الشكل S4 لمزيد من التفاصيل). حتى الآن، لم تُدرس سوى السمية البيئية لمركب Ti3C2TX MXene بطرق مختلفة. وهو غير سام لأجنة سمك الزيبرا⁴⁴ ولكنه سام بيئيًا بشكل متوسط ​​للطحالب الدقيقة Desmodesmus quadricauda ونباتات الذرة الرفيعة Sorghum saccharatum⁴⁵. تشمل الأمثلة الأخرى للتأثيرات المحددة زيادة سمية مركبات Nb-MXenes لخلايا السرطان مقارنةً بالخلايا الطبيعية^46،47. ويمكن افتراض أن ظروف الاختبار تؤثر على التغيرات في نمو الطحالب الدقيقة الملاحظة في وجود هذه المركبات. فعلى سبيل المثال، يُعد الرقم الهيدروجيني الأمثل لإنزيم RuBisCO هو حوالي 8 في حشوة البلاستيدات الخضراء. ولذلك، تؤثر تغيرات الرقم الهيدروجيني سلبًا على معدل عملية التمثيل الضوئي^48،49. ومع ذلك، لم نلاحظ تغيرات كبيرة في الرقم الهيدروجيني خلال التجربة (انظر الشكل S5 في المعلومات التكميلية لمزيد من التفاصيل). وبشكل عام، أدت مزارع الطحالب الدقيقة مع مركبات Nb-MXenes إلى انخفاض طفيف في الرقم الهيدروجيني للمحلول مع مرور الوقت. إلا أن هذا الانخفاض كان مماثلاً لتغير الرقم الهيدروجيني في وسط نقي. بالإضافة إلى ذلك، كان نطاق التغيرات المُلاحظة مماثلاً لما تم قياسه في مزرعة نقية من الطحالب الدقيقة (عينة التحكم). وبالتالي، نستنتج أن عملية التمثيل الضوئي لا تتأثر بتغيرات الرقم الهيدروجيني مع مرور الوقت.
بالإضافة إلى ذلك، تحتوي مركبات MXenes المُصنّعة على نهايات سطحية (يُشار إليها بـ Tx). تتكون هذه النهايات بشكل أساسي من مجموعات وظيفية -O و-F و-OH. ومع ذلك، ترتبط كيمياء السطح ارتباطًا مباشرًا بطريقة التصنيع. ومن المعروف أن هذه المجموعات تتوزع عشوائيًا على السطح، مما يجعل من الصعب التنبؤ بتأثيرها على خصائص MXenes.⁵⁰ يمكن القول إن Tx قد تكون القوة التحفيزية لأكسدة النيوبيوم بواسطة الضوء. توفر المجموعات الوظيفية السطحية بالفعل مواقع تثبيت متعددة للمحفزات الضوئية الأساسية لتشكيل وصلات غير متجانسة.⁵¹ ومع ذلك، لم يوفر تركيب وسط النمو محفزًا ضوئيًا فعالًا (يمكن الاطلاع على تفاصيل تركيب الوسط في الجدول S6 من المعلومات التكميلية). علاوة على ذلك، يُعد أي تعديل سطحي بالغ الأهمية، حيث يمكن أن يتغير النشاط البيولوجي لمركبات MXenes نتيجةً للمعالجة اللاحقة للطبقة، أو الأكسدة، أو التعديل الكيميائي السطحي للمركبات العضوية وغير العضوية،^{52،53،54،55،56} أو هندسة الشحنة السطحية.³⁸ لذا، ولاختبار ما إذا كان لأكسيد النيوبيوم أي علاقة بعدم استقرار المادة في الوسط، أجرينا دراسات على جهد زيتا (ζ) في وسط نمو الطحالب الدقيقة والماء منزوع الأيونات (للمقارنة). تُظهر نتائجنا أن مركبات MXenes أحادية الطبقة من النيوبيوم مستقرة نسبيًا (انظر الشكل S6 في المعلومات التكميلية للاطلاع على نتائج MAX وML). يبلغ جهد زيتا لمركبات MXenes أحادية الطبقة حوالي -10 ملي فولت. في حالة Nb2CTx أحادي الطبقة، تكون قيمة ζ أكثر سلبيةً من قيمة Nb4C3Tx. قد يشير هذا التغير في قيمة ζ إلى أن سطح رقائق MXene النانوية سالبة الشحنة يمتص أيونات موجبة الشحنة من وسط الاستزراع. ويبدو أن القياسات الزمنية لجهد زيتا وموصلية مركبات MXenes في وسط الاستزراع (انظر الشكلين S7 وS8 في المعلومات التكميلية لمزيد من التفاصيل) تدعم فرضيتنا.
مع ذلك، أظهرت كلتا طبقتي Nb-MXene SL تغيرات طفيفة عن الصفر، مما يدل بوضوح على استقرارهما في وسط نمو الطحالب الدقيقة. إضافةً إلى ذلك، قمنا بتقييم ما إذا كان وجود الطحالب الخضراء الدقيقة سيؤثر على استقرار Nb-MXene في الوسط. يمكن الاطلاع على نتائج جهد زيتا وموصلية MXenes بعد تفاعلها مع الطحالب الدقيقة في أوساط مغذية ومزارع على مدى فترة زمنية في المعلومات التكميلية (الشكلان S9 وS10). ومن المثير للاهتمام أننا لاحظنا أن وجود الطحالب الدقيقة بدا أنه يُثبّت تشتت كلا طبقتي MXene. في حالة Nb2CTx SL، انخفض جهد زيتا انخفاضًا طفيفًا بمرور الوقت إلى قيم أكثر سلبية (-15.8 مقابل -19.1 ملي فولت بعد 72 ساعة من الحضانة). ارتفع جهد زيتا لـ Nb4C3TX SL ارتفاعًا طفيفًا، ولكنه بعد 72 ساعة ظل يُظهر استقرارًا أعلى من الرقائق النانوية في غياب الطحالب الدقيقة (-18.1 مقابل -9.1 ملي فولت).
وجدنا أيضًا انخفاضًا في موصلية محاليل Nb-MXene المحضونة بوجود الطحالب الدقيقة، مما يشير إلى انخفاض كمية الأيونات في الوسط المغذي. والجدير بالذكر أن عدم استقرار MXenes في الماء يعود أساسًا إلى الأكسدة السطحية⁵⁷. لذلك، نعتقد أن الطحالب الخضراء الدقيقة قد أزالت بطريقة ما الأكاسيد المتكونة على سطح Nb-MXene، بل ومنعت حدوثها (أكسدة MXene). ويمكن ملاحظة ذلك من خلال دراسة أنواع المواد التي امتصتها الطحالب الدقيقة.
بينما أشارت دراساتنا السمية البيئية إلى قدرة الطحالب الدقيقة على التغلب على سمية مركبات Nb-MXene بمرور الوقت، وعلى التثبيط غير المعتاد للنمو المحفز، كان هدف دراستنا هو استقصاء آليات العمل المحتملة. فعندما تتعرض الكائنات الحية، كالطحالب، لمركبات أو مواد غير مألوفة في أنظمتها البيئية، قد تتفاعل بطرق متنوعة^58،59. في غياب أكاسيد المعادن السامة، تستطيع الطحالب الدقيقة تغذية نفسها، مما يسمح لها بالنمو باستمرار⁶⁰. بعد ابتلاع المواد السامة، قد تُفعَّل آليات دفاعية، مثل تغيير الشكل أو الهيئة. كما يجب مراعاة إمكانية الامتصاص^58،59. والجدير بالذكر أن أي علامة على وجود آلية دفاعية تُعد مؤشرًا واضحًا على سمية المركب المختبر. لذلك، في عملنا اللاحق، بحثنا التفاعل السطحي المحتمل بين رقائق Nb-MXene النانوية أحادية الطبقة والطحالب الدقيقة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح، وامتصاص MXene القائم على النيوبيوم المحتمل باستخدام مطيافية التألق بالأشعة السينية. تجدر الإشارة إلى أن تحليلات SEM و XRF أجريت فقط عند أعلى تركيز من MXene لمعالجة مشكلات السمية الناتجة عن النشاط.
تُظهر نتائج المجهر الإلكتروني الماسح في الشكل 4. وقد أظهرت خلايا الطحالب الدقيقة غير المعالجة (انظر الشكل 4أ، العينة المرجعية) بوضوح الشكل المورفولوجي النموذجي لـ R. subcapitata وشكل الخلية الشبيه بالهلال. بدت الخلايا مسطحة وغير منتظمة إلى حد ما. تداخلت بعض خلايا الطحالب الدقيقة وتشابكت مع بعضها البعض، ولكن من المحتمل أن يكون هذا ناتجًا عن عملية تحضير العينة. بشكل عام، كانت خلايا الطحالب الدقيقة النقية ذات سطح أملس ولم تُظهر أي تغيرات مورفولوجية.
صور مجهرية إلكترونية ماسحة تُظهر التفاعل السطحي بين الطحالب الخضراء الدقيقة وصفائح MXene النانوية بعد 72 ساعة من التفاعل بتركيز عالٍ جدًا (100 ملغم/لتر). (أ) طحالب خضراء دقيقة غير معالجة بعد التفاعل مع SL، (ب) Nb2CTx، و(ج) Nb4C3TX MXene. يُشار إلى رقائق Nb-MXene النانوية بأسهم حمراء. وللمقارنة، أُضيفت صور مجهرية ضوئية.
على النقيض من ذلك، تضررت خلايا الطحالب الدقيقة الممتصة على رقائق نانوية من مادة Nb-MXene (انظر الشكل 4ب، ج، الأسهم الحمراء). في حالة Nb2CTx MXene (الشكل 4ب)، تميل الطحالب الدقيقة إلى النمو مع وجود مقاييس نانوية ثنائية الأبعاد ملتصقة بها، مما قد يغير شكلها. والجدير بالذكر أننا لاحظنا هذه التغيرات أيضًا باستخدام المجهر الضوئي (انظر الشكل S11 في المعلومات التكميلية لمزيد من التفاصيل). لهذا التحول المورفولوجي أساس منطقي في فسيولوجيا الطحالب الدقيقة وقدرتها على الدفاع عن نفسها بتغيير شكل الخلية، مثل زيادة حجمها⁶¹. لذلك، من المهم التحقق من عدد خلايا الطحالب الدقيقة التي تتلامس فعليًا مع Nb-MXenes. أظهرت دراسات المجهر الإلكتروني الماسح أن حوالي 52% من خلايا الطحالب الدقيقة كانت معرضة لـ Nb-MXenes، بينما تجنبت 48% من هذه الخلايا التلامس. بالنسبة لمركب MXene من نوع SL Nb4C3Tx، تحاول الطحالب الدقيقة تجنب ملامسته، فتتمركز وتنمو انطلاقاً من نطاقات نانوية ثنائية الأبعاد (الشكل 4ج). مع ذلك، لم نلاحظ اختراق هذه النطاقات النانوية لخلايا الطحالب الدقيقة أو إلحاق أي ضرر بها.
يُعدّ الحفاظ على الذات أيضًا سلوك استجابة يعتمد على الزمن لانسداد عملية التمثيل الضوئي نتيجة امتصاص الجسيمات على سطح الخلية، وما يُعرف بتأثير التظليل. من الواضح أن كل جسم (مثل رقائق نانوية من مادة Nb-MXene) يقع بين الطحالب الدقيقة ومصدر الضوء يُحدّ من كمية الضوء التي تمتصها البلاستيدات الخضراء. ومع ذلك، لا شك لدينا في أن لهذا تأثيرًا كبيرًا على النتائج المُتحصَّل عليها. وكما أظهرت ملاحظاتنا المجهرية، لم تكن الرقائق النانوية ثنائية الأبعاد مُغلِّفة أو مُلتصقة تمامًا بسطح الطحالب الدقيقة، حتى عندما كانت خلايا الطحالب الدقيقة مُلامسة لمادة Nb-MXene. بل على العكس، تبيّن أن الرقائق النانوية مُوجَّهة نحو خلايا الطحالب الدقيقة دون أن تُغطّي سطحها. لا يُمكن لمثل هذه المجموعة من الرقائق النانوية/الطحالب الدقيقة أن تُحدّ بشكلٍ كبير من كمية الضوء التي تمتصها خلايا الطحالب الدقيقة. علاوة على ذلك، أظهرت بعض الدراسات تحسنًا في امتصاص الضوء بواسطة الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي في وجود مواد نانوية ثنائية الأبعاد 63،64،65،66.
بما أن صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لم تتمكن من تأكيد امتصاص النيوبيوم بواسطة خلايا الطحالب الدقيقة بشكل مباشر، فقد اتجهت دراستنا اللاحقة إلى تحليل التألق بالأشعة السينية (XRF) وتحليل طيف الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية (XPS) لتوضيح هذه المسألة. ولذلك، قارنا شدة قمم النيوبيوم في عينات مرجعية من الطحالب الدقيقة لم تتفاعل مع MXenes، ورقائق MXene النانوية المنفصلة عن سطح خلايا الطحالب الدقيقة، وخلايا الطحالب الدقيقة بعد إزالة MXenes الملتصقة بها. ومن الجدير بالذكر أنه في حال عدم امتصاص النيوبيوم، فإن قيمة النيوبيوم التي تحصل عليها خلايا الطحالب الدقيقة ستكون صفرًا بعد إزالة الرقائق النانوية الملتصقة بها. وبالتالي، في حال حدوث امتصاص للنيوبيوم، يجب أن تُظهر نتائج كل من XRF وXPS قمة نيوبيوم واضحة.
في حالة أطياف الأشعة السينية الفلورية، أظهرت عينات الطحالب الدقيقة قممًا للنيوبيوم في مركبات MXene أحادية الطبقة من نوعي Nb2CTx وNb4C3Tx بعد تفاعلها مع هذه المركبات (انظر الشكل 5أ، مع ملاحظة أن نتائج مركبات MXene متعددة الطبقات ومركبات MXene ذات الطبقات المتعددة موضحة في المعلومات التكميلية، الأشكال من S12 إلى C17). ومن المثير للاهتمام أن شدة قمة النيوبيوم متساوية في الحالتين (الأعمدة الحمراء في الشكل 5أ). يشير هذا إلى أن الطحالب لم تتمكن من امتصاص المزيد من النيوبيوم، وأن أقصى قدرة لتراكم النيوبيوم قد تحققت في الخلايا، على الرغم من أن ضعف كمية MXene من نوع Nb4C3Tx قد التصقت بخلايا الطحالب الدقيقة (الأعمدة الزرقاء في الشكل 5أ). تجدر الإشارة إلى أن قدرة الطحالب الدقيقة على امتصاص المعادن تعتمد على تركيز أكاسيد المعادن في البيئة^67،68. وجد شامشادا وآخرون (67) أن قدرة الطحالب في المياه العذبة على الامتصاص تتناقص مع زيادة الرقم الهيدروجيني. ولاحظ رايز وآخرون (68) أن قدرة الأعشاب البحرية على امتصاص المعادن كانت أعلى بنحو 25% بالنسبة لأيونات الرصاص (Pb2+) مقارنة بأيونات النيكل (Ni2+).
(أ) نتائج تحليل الأشعة السينية الفلورية (XRF) لامتصاص النيوبيوم الأساسي بواسطة خلايا الطحالب الخضراء الدقيقة المحضونة بتركيز عالٍ من مركبات SL Nb-MXenes (100 ملغم/لتر) لمدة 72 ساعة. تُظهر النتائج وجود النيوبيوم ألفا في خلايا الطحالب الدقيقة النقية (عينة التحكم، الأعمدة الرمادية)، ورقائق نانوية ثنائية الأبعاد معزولة من سطح خلايا الطحالب الدقيقة (الأعمدة الزرقاء)، وخلايا الطحالب الدقيقة بعد فصل الرقائق النانوية ثنائية الأبعاد عن السطح (الأعمدة الحمراء). (ب) كمية عنصر النيوبيوم، (ج) النسبة المئوية للتركيب الكيميائي للمكونات العضوية للطحالب الدقيقة (C=O وCHx/C–O) وأكاسيد النيوبيوم الموجودة في خلايا الطحالب الدقيقة بعد التحضين مع مركبات SL Nb-MXenes، (ج-هـ) مطابقة قمة التركيب لأطياف XPS لمركبات SL Nb2CTx، و(و-ح) مركب SL Nb4C3Tx MXene الذي تم استيعابه داخل خلايا الطحالب الدقيقة.
لذلك، توقعنا أن تمتص خلايا الطحالب النيوبيوم على شكل أكاسيد. ولاختبار ذلك، أجرينا دراسات مطيافية الأشعة السينية الكهروضوئية (XPS) على مركبات MXenes Nb2CTx وNb4C3TX وخلايا الطحالب. تُظهر الأشكال 5ب نتائج تفاعل الطحالب الدقيقة مع مركبات Nb-MXenes وMXenes المعزولة من خلايا الطحالب. وكما هو متوقع، رصدنا قمم Nb 3d في عينات الطحالب الدقيقة بعد إزالة MXene من سطحها. تم حساب التحديد الكمي لـ C=O وCHx/CO وأكاسيد النيوبيوم بناءً على أطياف Nb 3d وO 1s وC 1s التي تم الحصول عليها باستخدام Nb2CTx SL (الشكل 5ج-هـ) وNb4C3TX SL (الشكل 5ج-هـ). يُبين الجدول S1-3 تفاصيل معلمات الذروة والتركيب الكيميائي العام الناتج عن عملية المطابقة. ومن الجدير بالذكر أن نطاقات Nb 3d في Nb2CTx SL وNb4C3Tx SL (الشكل 5c، f) تُشير إلى مُكوّن واحد من Nb2O5. لم نجد هنا أي ذروات مُرتبطة بـ MXene في الأطياف، مما يُشير إلى أن خلايا الطحالب الدقيقة تمتص فقط شكل أكسيد النيوبيوم. بالإضافة إلى ذلك، قمنا بتقريب طيف C 1s باستخدام مُكوّنات C–C وCHx/C–O وC=O و–COOH. وقد نسبنا ذروتي CHx/C–O وC=O إلى المُساهمة العضوية لخلايا الطحالب الدقيقة. تُمثل هذه المُكوّنات العضوية 36% و41% من ذروات C 1s في Nb2CTx SL وNb4C3Tx SL، على التوالي. ثم قمنا بمطابقة أطياف O 1s لـ SL Nb2CTx و SL Nb4C3TX مع Nb2O5 والمكونات العضوية للطحالب الدقيقة (CHx/CO) والماء الممتص على السطح.
أخيرًا، أوضحت نتائج مطيافية الأشعة السينية الكهروضوئية (XPS) شكل النيوبيوم، وليس مجرد وجوده. وبناءً على موقع إشارة Nb 3d ونتائج تحليل الطيف، نؤكد أن النيوبيوم يُمتص فقط على شكل أكاسيد، وليس على شكل أيونات أو مادة MXene نفسها. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت نتائج XPS أن خلايا الطحالب الدقيقة لديها قدرة أكبر على امتصاص أكاسيد النيوبيوم من SL Nb2CTx مقارنةً بـ SL Nb4C3TX MXene.
على الرغم من أن نتائج امتصاص النيوبيوم لدينا مبهرة وتسمح لنا بتحديد تحلل مادة MXene، إلا أنه لا توجد طريقة متاحة لتتبع التغيرات المورفولوجية المصاحبة في الرقائق النانوية ثنائية الأبعاد. لذلك، قررنا أيضًا تطوير طريقة مناسبة تستجيب مباشرةً لأي تغيرات تحدث في رقائق Nb-MXene النانوية ثنائية الأبعاد وخلايا الطحالب الدقيقة. من المهم الإشارة إلى أننا نفترض أنه في حال خضوع الأنواع المتفاعلة لأي تحول أو تحلل أو تفتت، فسيظهر ذلك سريعًا على شكل تغيرات في معايير الشكل، مثل قطر المنطقة الدائرية المكافئة، والاستدارة، وعرض فيريت، وطول فيريت. وبما أن هذه المعايير مناسبة لوصف الجسيمات المطولة أو الرقائق النانوية ثنائية الأبعاد، فإن تتبعها من خلال تحليل شكل الجسيمات الديناميكي سيوفر لنا معلومات قيّمة حول التحول المورفولوجي لرقائق Nb-MXene النانوية أحادية الطبقة أثناء عملية الاختزال.
تُظهر النتائج المُتحصَّل عليها في الشكل 6. وللمقارنة، اختبرنا أيضًا طور MAX الأصلي وML-MXenes (انظر الشكلين S18 وS19 في المعلومات التكميلية). أظهر التحليل الديناميكي لشكل الجسيمات أن جميع معايير شكل طبقتي Nb-MXene SL قد تغيرت بشكل ملحوظ بعد التفاعل مع الطحالب الدقيقة. وكما هو موضح في معيار قطر المساحة الدائرية المكافئ (الشكل 6أ، ب)، فإن انخفاض شدة ذروة جزء الرقائق النانوية الكبيرة يشير إلى ميلها للتحلل إلى أجزاء أصغر. يُظهر الشكلان 6ج، د انخفاضًا في الذروات المرتبطة بالحجم العرضي للرقائق (استطالة الرقائق النانوية)، مما يدل على تحول الرقائق النانوية ثنائية الأبعاد إلى شكل أقرب إلى الجسيمات. تُظهر الأشكال من 6هـ إلى 6ح عرض وطول فيريت، على التوالي. يُعد عرض وطول فيريت معيارين متكاملين، ولذلك يجب أخذهما في الاعتبار معًا. بعد حضانة رقائق Nb-MXene النانوية ثنائية الأبعاد في وجود الطحالب الدقيقة، انزاحت ذروات ارتباط فيريت الخاصة بها وانخفضت شدتها. استنادًا إلى هذه النتائج بالإضافة إلى المورفولوجيا، وXRF وXPS، استنتجنا أن التغييرات الملحوظة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالأكسدة حيث تصبح MXenes المؤكسدة أكثر تجعدًا وتتفكك إلى أجزاء وجزيئات أكسيد كروية 69،70.
تحليل تحول MXene بعد تفاعله مع الطحالب الخضراء الدقيقة. يأخذ تحليل شكل الجسيمات الديناميكي في الاعتبار معايير مثل (أ، ب) قطر المنطقة الدائرية المكافئة، (ج، د) الاستدارة، (هـ، و) عرض فيريت، و(ز، ح) طول فيريت. ولتحقيق هذه الغاية، تم تحليل عينتين مرجعيتين من الطحالب الدقيقة، بالإضافة إلى MXenes الأولية من نوع SL Nb2CTx وSL Nb4C3Tx، وMXenes من نوع SL Nb2CTx وSL Nb4C3Tx، وطحالب دقيقة متحللة، وطحالب دقيقة معالجة من نوع SL Nb2CTx وSL Nb4C3Tx. تشير الأسهم الحمراء إلى تغيرات معايير شكل الرقائق النانوية ثنائية الأبعاد المدروسة.
نظرًا لأن تحليل معلمات الشكل موثوق للغاية، فإنه يكشف أيضًا عن التغيرات المورفولوجية في خلايا الطحالب الدقيقة. لذلك، قمنا بتحليل قطر المنطقة الدائرية المكافئة، والاستدارة، ونسبة عرض/طول فيريت لخلايا الطحالب الدقيقة النقية والخلايا بعد تفاعلها مع رقائق نانوية ثنائية الأبعاد من النيوبيوم. تُظهر الأشكال من 6أ إلى 6ح تغيرات في معلمات شكل خلايا الطحالب، كما يتضح من انخفاض شدة الذروة وانزياح القيم القصوى نحو قيم أعلى. على وجه الخصوص، أظهرت معلمات استدارة الخلية انخفاضًا في الخلايا المستطيلة وزيادة في الخلايا الكروية (الشكل 6أ، ب). بالإضافة إلى ذلك، ازداد عرض خلية فيريت بعدة ميكرومترات بعد التفاعل مع طبقة أحادية من مادة MXene Nb2CTx (الشكل 6هـ) مقارنةً بطبقة أحادية من مادة MXene Nb4C3TX (الشكل 6و). نعتقد أن هذا قد يكون بسبب امتصاص الطحالب الدقيقة لأكاسيد النيوبيوم بشكل كبير عند تفاعلها مع Nb2CTx SR. يمكن أن يؤدي الالتصاق الأقل صلابة لرقائق النيوبيوم بسطحها إلى نمو الخلايا مع تأثير تظليل ضئيل.
تُكمّل ملاحظاتنا حول التغيرات في معايير شكل وحجم الطحالب الدقيقة دراسات أخرى. إذ تستطيع الطحالب الخضراء الدقيقة تغيير شكلها استجابةً للضغوط البيئية عن طريق تغيير حجم الخلية أو شكلها أو استقلابها⁶¹. فعلى سبيل المثال، يُسهّل تغيير حجم الخلايا امتصاص العناصر الغذائية⁷¹. وتُظهر خلايا الطحالب الأصغر حجمًا امتصاصًا أقل للعناصر الغذائية ومعدل نمو أبطأ. في المقابل، تميل الخلايا الأكبر حجمًا إلى استهلاك المزيد من العناصر الغذائية، والتي تُخزّن لاحقًا داخل الخلايا^72،73. وقد وجد ماتشادو وسواريس أن مبيد الفطريات التريكلوسان يُمكن أن يزيد من حجم الخلية. كما لاحظا تغيرات كبيرة في شكل الطحالب⁷⁴. بالإضافة إلى ذلك، كشف ين وآخرون⁹ عن تغيرات مورفولوجية في الطحالب بعد تعرضها لمركبات نانوية من أكسيد الجرافين المختزل. لذلك، من الواضح أن تغير معايير حجم/شكل الطحالب الدقيقة ناتج عن وجود مادة MXene. بما أن هذا التغيير في الحجم والشكل يشير إلى تغييرات في امتصاص العناصر الغذائية، فإننا نعتقد أن تحليل معلمات الحجم والشكل بمرور الوقت يمكن أن يوضح امتصاص أكسيد النيوبيوم بواسطة الطحالب الدقيقة في وجود Nb-MXenes.
علاوة على ذلك، يمكن أن تتأكسد مركبات MXenes بوجود الطحالب. لاحظ دالاي وآخرون⁷⁵ أن مورفولوجيا الطحالب الخضراء المعرضة لجسيمات نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) وأكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) لم تكن منتظمة. على الرغم من تشابه ملاحظاتنا مع هذه الدراسة، إلا أنها ذات صلة فقط بدراسة تأثيرات المعالجة الحيوية من حيث نواتج تحلل MXenes بوجود رقائق نانوية ثنائية الأبعاد، وليس جسيمات نانوية. بما أن MXenes يمكن أن تتحلل إلى أكاسيد معدنية^{31،32،77،78}، فمن المنطقي افتراض أن رقائق النيوبيوم النانوية لدينا يمكن أن تُكوّن أيضًا أكاسيد النيوبيوم بعد تفاعلها مع خلايا الطحالب الدقيقة.
لتفسير اختزال رقائق النيوبيوم ثنائية الأبعاد النانوية عبر آلية تحلل تعتمد على عملية الأكسدة، أجرينا دراسات باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة (HRTEM) (الشكل 7أ، ب) ومطيافية الأشعة السينية الكهروضوئية (XPS) (الشكل 7، 7ج-ط والجداول S4-5). كلا الطريقتين مناسبتان لدراسة أكسدة المواد ثنائية الأبعاد، وهما متكاملتان. يُمكّن HRTEM من تحليل تحلل البنى الطبقية ثنائية الأبعاد وظهور جسيمات أكسيد المعادن النانوية لاحقًا، بينما تُعدّ XPS حساسة للروابط السطحية. لهذا الغرض، اختبرنا رقائق النيوبيوم-MXene ثنائية الأبعاد النانوية المستخلصة من تشتت خلايا الطحالب الدقيقة، أي شكلها بعد تفاعلها مع خلايا الطحالب الدقيقة (انظر الشكل 7).
صور HRTEM التي توضح مورفولوجيا MXenes المؤكسدة (أ) SL Nb2CTx و (ب) SL Nb4C3Tx، ونتائج تحليل XPS التي توضح (ج) تركيب منتجات الأكسيد بعد الاختزال، (د-و) مطابقة قمم مكونات أطياف XPS لـ SL Nb2CTx و (ز-ط) Nb4C3Tx SL التي تم إصلاحها بالطحالب الخضراء الدقيقة.
أكدت دراسات المجهر الإلكتروني عالي الدقة (HRTEM) أكسدة نوعين من رقائق نانوية من مادة Nb-MXene. على الرغم من احتفاظ الرقائق النانوية بشكلها ثنائي الأبعاد إلى حد ما، إلا أن الأكسدة أدت إلى ظهور العديد من الجسيمات النانوية التي تغطي سطح رقائق MXene النانوية (انظر الشكل 7أ، ب). أشار تحليل XPS لإشارات Nb 3d وO 1s إلى تكوّن أكاسيد النيوبيوم في كلتا الحالتين. كما هو موضح في الشكل 7ج، تحتوي رقائق MXene ثنائية الأبعاد Nb2CTx وNb4C3TX على إشارات Nb 3d تشير إلى وجود أكاسيد NbO وNb2O5، بينما تشير إشارات O 1s إلى عدد روابط O–Nb المرتبطة بتفعيل سطح الرقائق النانوية ثنائية الأبعاد. لاحظنا أن مساهمة أكسيد النيوبيوم هي السائدة مقارنةً بـ Nb-C وNb3+-O.
تُظهر الأشكال من 7g إلى 7i أطياف XPS لعناصر النيوبيوم Nb 3d، والكربون C 1s، والأكسجين O 1s في طبقة Nb2CTx الرقيقة (انظر الأشكال من 7d إلى 7f) وطبقة Nb4C3TX الرقيقة من مادة MXene المعزولة من خلايا الطحالب الدقيقة. ترد تفاصيل معلمات قمم Nb-MXenes في الجدولين S4 وS5 على التوالي. قمنا أولاً بتحليل تركيب عنصر النيوبيوم Nb 3d. على عكس النيوبيوم الممتص بواسطة خلايا الطحالب الدقيقة، وُجدت مكونات أخرى في مادة MXene المعزولة من خلايا الطحالب الدقيقة، بالإضافة إلى Nb2O5. في طبقة Nb2CTx الرقيقة، لاحظنا مساهمة Nb3+-O بنسبة 15%، بينما هيمن Nb2O5 (85%) على باقي طيف Nb 3d. علاوة على ذلك، تحتوي عينة Nb4C3TX الرقيقة على مكونات Nb-C (9%) وNb2O5 (91%). هنا، يأتي مركب Nb-C من طبقتين ذريتين داخليتين من كربيد المعدن في Nb4C3Tx SR. ثم قمنا بتحليل طيف C 1s إلى أربعة مكونات مختلفة، كما فعلنا في العينات الداخلية. وكما هو متوقع، يهيمن الكربون الجرافيتي على طيف C 1s، يليه مساهمات من الجسيمات العضوية (CHx/CO وC=O) من خلايا الطحالب الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك، لاحظنا في طيف O 1s مساهمة الأشكال العضوية لخلايا الطحالب الدقيقة، وأكسيد النيوبيوم، والماء الممتص.
بالإضافة إلى ذلك، بحثنا فيما إذا كان انشطار مركبات Nb-MXenes مرتبطًا بوجود أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) في الوسط الغذائي و/أو خلايا الطحالب الدقيقة. ولتحقيق هذه الغاية، قمنا بتقييم مستويات الأكسجين الأحادي (1O2) في وسط الاستزراع والجلوتاثيون داخل الخلايا، وهو ثيول يعمل كمضاد للأكسدة في الطحالب الدقيقة. تظهر النتائج في المعلومات التكميلية (الشكلان S20 وS21). تميزت المزارع التي تحتوي على مركبات MXenes من نوع SL Nb2CTx وNb4C3TX بانخفاض كمية الأكسجين الأحادي (انظر الشكل S20). في حالة SL Nb2CTx، انخفض الأكسجين الأحادي في MXenes إلى حوالي 83%. أما بالنسبة لمزارع الطحالب الدقيقة التي تستخدم SL، فقد انخفض الأكسجين الأحادي في Nb4C3TX بشكل أكبر، إلى 73%. ومن المثير للاهتمام أن التغيرات في الأكسجين الأحادي أظهرت نفس اتجاه التأثير التثبيطي-التحفيزي الذي لوحظ سابقًا (انظر الشكل 3). يمكن القول إن الحضانة في ضوء ساطع قد تُغير عملية الأكسدة الضوئية. مع ذلك، أظهرت نتائج تحليل التحكم مستويات ثابتة تقريبًا من الأكسجين المفرد (1O2) خلال التجربة (الشكل S22). وفي حالة مستويات أنواع الأكسجين التفاعلية داخل الخلايا، لاحظنا أيضًا نفس الاتجاه التنازلي (انظر الشكل S21). في البداية، تجاوزت مستويات أنواع الأكسجين التفاعلية في خلايا الطحالب الدقيقة المزروعة في وجود مركبات Nb2CTx وNb4C3Tx SL المستويات الموجودة في مزارع الطحالب الدقيقة النقية. ولكن في النهاية، بدا أن الطحالب الدقيقة قد تكيفت مع وجود كلا المركبين Nb-MXene، حيث انخفضت مستويات أنواع الأكسجين التفاعلية إلى 85% و91% من المستويات المقاسة في مزارع الطحالب الدقيقة النقية الملقحة بمركبات Nb2CTx وNb4C3Tx SL، على التوالي. قد يشير هذا إلى أن الطحالب الدقيقة تشعر براحة أكبر بمرور الوقت في وجود Nb-MXene مقارنةً بالوسط الغذائي وحده.
تُعدّ الطحالب الدقيقة مجموعة متنوعة من الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي. خلال هذه العملية، تُحوّل ثاني أكسيد الكربون الجوي (CO2) إلى كربون عضوي. ومن نواتج هذه العملية الجلوكوز والأكسجين.⁷⁹ ونعتقد أن الأكسجين الناتج يلعب دورًا حاسمًا في أكسدة مركبات Nb-MXene. أحد التفسيرات المحتملة لذلك هو أن معامل التهوية التفاضلية يتشكل عند ضغوط جزئية منخفضة وعالية للأكسجين خارج وداخل رقائق Nb-MXene النانوية. وهذا يعني أنه أينما وُجدت مناطق ذات ضغوط جزئية مختلفة للأكسجين، فإن المنطقة ذات المستوى الأدنى ستشكل المصعد.^{80، 81، 82} هنا، تُساهم الطحالب الدقيقة في تكوين خلايا ذات تهوية تفاضلية على سطح رقائق MXene، والتي تُنتج الأكسجين بفضل خصائصها التمثيلية الضوئية. ونتيجة لذلك، تتشكل نواتج التآكل الحيوي (أكاسيد النيوبيوم في هذه الحالة). جانب آخر هو أن الطحالب الدقيقة قادرة على إنتاج أحماض عضوية تُطلق في الماء.^{83، 84} وبالتالي، تتشكل بيئة عدائية، مما يؤدي إلى تغيير خصائص مركبات النيوبيوم-إم إكسين. إضافةً إلى ذلك، يمكن للطحالب الدقيقة أن تغير درجة حموضة البيئة إلى قلوية نتيجة امتصاصها لثاني أكسيد الكربون، مما قد يسبب التآكل أيضاً.
والأهم من ذلك، أن دورة الضوء/الظلام المستخدمة في دراستنا تُعدّ أساسية لفهم النتائج المُتحصَّل عليها. وقد وُصِف هذا الجانب بالتفصيل في دراسة دجيماي-زوغلاش وآخرون⁸⁵. استخدموا عمدًا دورة ضوئية مدتها 12/12 ساعة لإثبات التآكل الحيوي المرتبط بالتلوث الحيوي بواسطة الطحالب الدقيقة الحمراء بورفيريديوم بوربوروم. وأظهروا أن الدورة الضوئية مرتبطة بتطور الجهد دون حدوث تآكل حيوي، والذي يتجلى في صورة تذبذبات شبه دورية حول الساعة 24:00. وقد أكد داولينغ وآخرون⁸⁶ هذه الملاحظات، حيث أثبتوا وجود أغشية حيوية ضوئية من البكتيريا الزرقاء أنابينا. ويتكون الأكسجين المذاب بفعل الضوء، وهو ما يرتبط بتغير أو تقلبات في جهد التآكل الحيوي الحر. وتتجلى أهمية الدورة الضوئية في حقيقة أن جهد التآكل الحيوي الحر يزداد في مرحلة الضوء وينخفض ​​في مرحلة الظلام. ويرجع ذلك إلى الأكسجين الذي تنتجه الطحالب الدقيقة الضوئية، والذي يؤثر على التفاعل الكاثودي من خلال الضغط الجزئي المتولد بالقرب من الأقطاب الكهربائية 87.
بالإضافة إلى ذلك، أُجري تحليل طيفي بالأشعة تحت الحمراء باستخدام تحويل فورييه (FTIR) لمعرفة ما إذا كانت قد طرأت أي تغييرات على التركيب الكيميائي لخلايا الطحالب الدقيقة بعد تفاعلها مع مركبات Nb-MXenes. النتائج المُتحصَّل عليها مُعقَّدة، ونعرضها في الملحق (الأشكال من S23 إلى S25، بما في ذلك نتائج مرحلة MAX ومركبات ML MXenes). باختصار، تُزوِّدنا الأطياف المرجعية المُتحصَّل عليها للطحالب الدقيقة بمعلومات مهمة حول الخصائص الكيميائية لهذه الكائنات. تقع هذه الاهتزازات الأكثر احتمالًا عند الترددات التالية: 1060 سم⁻¹ (CO)، 1540 سم⁻¹، 1640 سم⁻¹ (C=C)، 1730 سم⁻¹ (C=O)، 2850 سم⁻¹، 2920 سم⁻¹ (C–H)، و3280 سم⁻¹ (O–H). بالنسبة لمركبات SL Nb-MXenes، وجدنا بصمة تمدد رابطة CH، وهو ما يتوافق مع دراستنا السابقة³⁸. مع ذلك، لاحظنا اختفاء بعض القمم الإضافية المرتبطة بروابط C=C وCH. يشير هذا إلى أن التركيب الكيميائي للطحالب الدقيقة قد يخضع لتغيرات طفيفة نتيجة تفاعلها مع مركبات SL Nb-MXenes.
عند دراسة التغيرات المحتملة في الكيمياء الحيوية للطحالب الدقيقة، يجب إعادة النظر في تراكم الأكاسيد غير العضوية، مثل أكسيد النيوبيوم⁵⁹. إذ يُسهم هذا التراكم في امتصاص المعادن عبر سطح الخلية، ونقلها إلى السيتوبلازم، وارتباطها بمجموعات الكربوكسيل داخل الخلايا، وتراكمها في عديدات الفوسفات في الطحالب الدقيقة^{20،88،89،90}. إضافةً إلى ذلك، تُحافظ المجموعات الوظيفية للخلايا على العلاقة بين الطحالب الدقيقة والمعادن. ولهذا السبب، يعتمد الامتصاص أيضًا على التركيب الكيميائي لسطح الطحالب الدقيقة، وهو تركيب معقد للغاية^9،91. وبشكل عام، وكما هو متوقع، لم يطرأ تغيير يُذكر على التركيب الكيميائي للطحالب الخضراء الدقيقة نتيجة امتصاص أكسيد النيوبيوم.
ومن المثير للاهتمام أن التثبيط الأولي الملحوظ للطحالب الدقيقة كان قابلاً للانعكاس بمرور الوقت. وكما لاحظنا، تغلبت الطحالب الدقيقة على التغير البيئي الأولي، وعادت في النهاية إلى معدلات نموها الطبيعية، بل وزادت. تُظهر دراسات جهد زيتا استقرارًا عاليًا عند إضافتها إلى أوساط غذائية. وبالتالي، فقد حافظت التفاعلات السطحية بين خلايا الطحالب الدقيقة ورقائق Nb-MXene النانوية على استقرارها طوال تجارب الاختزال. في تحليلنا اللاحق، نلخص الآليات الرئيسية الكامنة وراء هذا السلوك الملحوظ للطحالب الدقيقة.
أظهرت ملاحظات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن الطحالب الدقيقة تميل إلى الالتصاق بجزيئات Nb-MXene. وباستخدام تحليل الصور الديناميكي، تأكدنا من أن هذا التأثير يؤدي إلى تحول رقائق Nb-MXene النانوية ثنائية الأبعاد إلى جزيئات كروية الشكل، مما يدل على أن تحلل الرقائق النانوية مرتبط بأكسدتها. ولاختبار فرضيتنا، أجرينا سلسلة من الدراسات المادية والكيميائية الحيوية. بعد الاختبار، تأكسدت الرقائق النانوية تدريجيًا وتحللت إلى منتجات NbO وNb2O5، والتي لم تشكل أي خطر على الطحالب الخضراء الدقيقة. وباستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، لم نجد أي تغييرات جوهرية في التركيب الكيميائي للطحالب الدقيقة التي تم تحضينها في وجود رقائق Nb-MXene النانوية ثنائية الأبعاد. ونظرًا لاحتمالية امتصاص الطحالب الدقيقة لأكسيد النيوبيوم، أجرينا تحليلًا باستخدام مطيافية الأشعة السينية الفلورية. تُظهر هذه النتائج بوضوح أن الطحالب الدقيقة التي تمت دراستها تتغذى على أكاسيد النيوبيوم (NbO و Nb2O5)، وهي غير سامة للطحالب الدقيقة التي تمت دراستها.