Nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik.Siz məhdud CSS dəstəyi ilə brauzer versiyasından istifadə edirsiniz.Ən yaxşı təcrübə üçün sizə yenilənmiş brauzerdən istifadə etməyi tövsiyə edirik (və ya Internet Explorer-də Uyğunluq rejimini söndürün).Bu arada, davamlı dəstəyi təmin etmək üçün biz saytı üslub və JavaScript olmadan təqdim edəcəyik.
Eyni anda üç slayddan ibarət karuseli göstərir.Eyni anda üç slayd arasında hərəkət etmək üçün Əvvəlki və Sonrakı düymələrindən istifadə edin və ya bir anda üç slayd arasında hərəkət etmək üçün sonundakı sürüşmə düymələrindən istifadə edin.
Nanotexnologiyanın sürətli inkişafı və onun gündəlik tətbiqlərə inteqrasiyası ətraf mühiti təhdid edə bilər.Üzvi çirkləndiricilərin deqradasiyası üçün yaşıl üsullar yaxşı qurulmuş olsa da, qeyri-üzvi kristal çirkləndiricilərin bərpası onların biotransformasiyaya həssaslığının aşağı olması və bioloji olanlarla material səthinin qarşılıqlı təsirini başa düşməməsi səbəbindən böyük narahatlıq doğurur.Burada biz yaşıl mikroyosun Raphidocelis subcapitata tərəfindən 2D keramika nanomateriallarının bioremediasiya mexanizmini izləmək üçün sadə forma parametrlərinin təhlili metodu ilə birlikdə Nb əsaslı qeyri-üzvi 2D MXenes modelindən istifadə edirik.Mikroyosunların səthlə əlaqəli fiziki-kimyəvi qarşılıqlı təsirlərə görə Nb-əsaslı MXenləri parçaladığını aşkar etdik.İlkin olaraq mikroyosunların səthinə bir qatlı və çoxqatlı MXene nanoflakları yapışdırılıb ki, bu da yosunların böyüməsini bir qədər azaldıb.Bununla belə, səthlə uzun müddət qarşılıqlı təsirdə olduqda, mikroyosunlar MXene nanoflakeslərini oksidləşdirdilər və onları daha sonra NbO və Nb2O5-ə parçaladılar.Bu oksidlər mikroyosun hüceyrələri üçün zəhərli olmadığı üçün onlar 72 saatlıq su müalicəsindən sonra mikroyosunları daha da bərpa edən udma mexanizmi ilə Nb oksid nanohissəciklərini istehlak edirlər.Qida maddələrinin sorulması ilə bağlı təsiri hüceyrə həcminin artmasında, onların hamar formasının və böyümə sürətinin dəyişməsində də özünü göstərir.Bu tapıntılara əsaslanaraq, Nb əsaslı MXenlərin şirin su ekosistemlərində qısa və uzunmüddətli mövcudluğunun yalnız kiçik ətraf mühit təsirlərinə səbəb ola biləcəyi qənaətinə gəlirik.Maraqlıdır ki, ikiölçülü nanomateriallardan model sistemlər kimi istifadə edərək, hətta incə dənəli materiallarda da forma transformasiyasını izləmək imkanını nümayiş etdiririk.Ümumilikdə, bu tədqiqat 2D nanomaterialların bioremediasiya mexanizmini idarə edən səthin qarşılıqlı əlaqəsi ilə əlaqəli proseslərlə bağlı mühüm fundamental suala cavab verir və qeyri-üzvi kristal nanomateralların ətraf mühitə təsirinin gələcək qısamüddətli və uzunmüddətli tədqiqatları üçün əsas yaradır.
Nanomateriallar kəşf edildikdən sonra böyük maraq doğurdu və müxtəlif nanotexnologiyalar bu yaxınlarda modernləşmə mərhələsinə qədəm qoydu1.Təəssüf ki, nanomaterialların gündəlik tətbiqlərə inteqrasiyası düzgün olmayan utilizasiya, diqqətsiz işləmə və ya qeyri-adekvat təhlükəsizlik infrastrukturu səbəbindən təsadüfi buraxılışlara səbəb ola bilər.Buna görə də nanomaterialların, o cümlədən ikiölçülü (2D) nanomaterialların davranışı və bioloji aktivliyi hələ tam başa düşülməyən təbii mühitə buraxıla biləcəyini güman etmək məqsədəuyğundur.Buna görə də təəccüblü deyil ki, ekotoksisite ilə bağlı narahatlıqlar 2D nanomaterialların su sistemlərinə süzülmə qabiliyyətinə diqqət yetirmişdir2,3,4,5,6.Bu ekosistemlərdə bəzi 2D nanomateriallar müxtəlif trofik səviyyələrdə müxtəlif orqanizmlərlə, o cümlədən mikroyosunlarla qarşılıqlı əlaqədə ola bilər.
Mikroyosunlar təbii olaraq şirin su və dəniz ekosistemlərində tapılan və fotosintez yolu ilə müxtəlif kimyəvi məhsullar istehsal edən primitiv orqanizmlərdir7.Beləliklə, onlar su ekosistemləri üçün kritikdir8,9,10,11,12, lakin eyni zamanda həssas, ucuz və geniş istifadə olunan ekotoksisite göstəriciləridir13,14.Mikroyosun hüceyrələri sürətlə çoxaldıqlarından və müxtəlif birləşmələrin mövcudluğuna tez reaksiya verdiyindən, üzvi maddələrlə çirklənmiş suyun təmizlənməsi üçün ekoloji cəhətdən təmiz üsulların işlənib hazırlanması üçün perspektivlidir15,16.
Yosun hüceyrələri biosorbsiya və yığılma yolu ilə sudan qeyri-üzvi ionları çıxara bilər17,18.Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue və Synechococcus sp kimi bəzi yosun növləri.Fe2+, Cu2+, Zn2+ və Mn2+19 kimi zəhərli metal ionlarını daşıdığı və hətta qidalandırdığı aşkar edilmişdir.Digər tədqiqatlar göstərmişdir ki, Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ və ya Pb2+ ionları hüceyrə morfologiyasını dəyişdirərək və onların xloroplastlarını məhv etməklə Scenedesmusun böyüməsini məhdudlaşdırır20,21.
Üzvi çirkləndiricilərin parçalanması və ağır metal ionlarının çıxarılması üçün yaşıl üsullar bütün dünya alimlərinin və mühəndislərinin diqqətini cəlb edib.Bu, əsasən, bu çirkləndiricilərin maye fazada asanlıqla işlənməsi ilə əlaqədardır.Bununla belə, qeyri-üzvi kristal çirkləndiricilərin suda həllolma qabiliyyəti və müxtəlif biotransformasiyalara həssaslığı azdır ki, bu da remediasiyada böyük çətinliklərə səbəb olur və bu sahədə az irəliləyiş əldə edilmişdir22,23,24,25,26.Beləliklə, nanomaterialların təmiri üçün ekoloji cəhətdən təmiz həllərin axtarışı mürəkkəb və tədqiq edilməmiş sahə olaraq qalır.2D nanomaterialların biotransformasiya effektləri ilə bağlı yüksək dərəcədə qeyri-müəyyənlik səbəbindən onların reduksiya zamanı deqradasiyasının mümkün yollarını tapmaq üçün asan bir yol yoxdur.
Bu tədqiqatda qeyri-üzvi keramika materiallarının nümayəndəsi kimi MXene-nin deqradasiya prosesinin yerində monitorinqi ilə birlikdə qeyri-üzvi keramika materialları üçün aktiv sulu bioremediasiya agenti kimi yaşıl mikroyosunlardan istifadə etdik.“MXene” termini Mn+1XnTx materialının stokiometriyasını əks etdirir, burada M erkən keçid metalıdır, X karbon və/və ya azotdur, Tx səth terminatorudur (məsələn, -OH, -F, -Cl) və n = 1, 2, 3 və ya 427.28.Naguib et al tərəfindən MXenes-in kəşfindən bəri.Sensorlar, xərçəng müalicəsi və membran filtrasiyası 27,29,30.Bundan əlavə, MXenes əla kolloid sabitliyinə və mümkün bioloji qarşılıqlı təsirlərə görə model 2D sistemləri hesab edilə bilər31,32,33,34,35,36.
Ona görə də bu məqalədə işlənib hazırlanmış metodologiya və tədqiqat fərziyyələrimiz Şəkil 1-də göstərilmişdir.Bu fərziyyəyə əsasən, mikroyosunlar Nb əsaslı MXenləri səthlə əlaqəli fiziki-kimyəvi qarşılıqlı təsirlər nəticəsində qeyri-toksik birləşmələrə parçalayır və bu da yosunların sonrakı bərpasına imkan verir.Bu fərziyyəni yoxlamaq üçün erkən niobium əsaslı keçid metal karbidləri və/və ya nitridləri (MXenes) ailəsinin iki üzvü, yəni Nb2CTx və Nb4C3TX seçildi.
Yaşıl mikroyosun Raphidocelis subcapitata tərəfindən MXene bərpası üçün tədqiqat metodologiyası və sübuta əsaslanan fərziyyələr.Nəzərə alın ki, bu, sübuta əsaslanan fərziyyələrin sadəcə sxematik təsviridir.Gölün mühiti istifadə olunan qida mühitinə və şəraitə (məsələn, gündəlik dövrə və mövcud əsas qida maddələrində məhdudiyyətlər) görə fərqlənir.BioRender.com ilə yaradılmışdır.
Buna görə də, MXene-dən bir model sistem kimi istifadə edərək, biz digər ənənəvi nanomateryallarla müşahidə olunmayan müxtəlif bioloji təsirlərin öyrənilməsinə qapı açdıq.Xüsusilə, biz niobium əsaslı MXenes kimi iki ölçülü nanomaterialların Raphidocelis subcapitata mikroyosunları ilə bioremediasiyasının mümkünlüyünü nümayiş etdiririk.Mikroyosunlar Nb-MXenləri zəhərli olmayan NbO və Nb2O5 oksidlərinə parçalaya bilirlər ki, bu da niobiumun qəbulu mexanizmi vasitəsilə qida maddələrini təmin edir.Ümumilikdə, bu tədqiqat iki ölçülü nanomateryalların bioremediasiya mexanizmlərini tənzimləyən səthin fiziki-kimyəvi qarşılıqlı təsirləri ilə bağlı proseslərlə bağlı mühüm fundamental suala cavab verir.Bundan əlavə, biz 2D nanomaterialların şəklindəki incə dəyişiklikləri izləmək üçün sadə forma parametrlərinə əsaslanan metod işləyib hazırlayırıq.Bu, qeyri-üzvi kristal nanomaterialların ətraf mühitə müxtəlif təsirləri ilə bağlı gələcək qısamüddətli və uzunmüddətli tədqiqatlara ilham verir.Beləliklə, tədqiqatımız material səthi ilə bioloji material arasındakı qarşılıqlı əlaqə haqqında anlayışı artırır.Biz həmçinin onların şirin su ekosistemlərinə mümkün təsirlərinin qısamüddətli və uzunmüddətli tədqiqatları üçün əsas veririk ki, bu da indi asanlıqla yoxlanıla bilər.
MXenes unikal və cəlbedici fiziki və kimyəvi xassələri və buna görə də bir çox potensial tətbiqləri olan maraqlı materiallar sinfini təmsil edir.Bu xüsusiyyətlər əsasən onların stoxiometriyasından və səth kimyasından asılıdır.Buna görə də, tədqiqatımızda Nb əsaslı iyerarxik tək qatlı (SL) MXenlərin iki növünü, Nb2CTx və Nb4C3TX-ni araşdırdıq, çünki bu nanomaterialların fərqli bioloji təsirləri müşahidə edilə bilər.MXenlər başlanğıc materiallarından atomik nazik MAX fazalı A təbəqələrinin yuxarıdan aşağıya seçici aşındırma yolu ilə istehsal olunur.MAX fazası, MnAXn-1 stokiometriya ilə keçid metal karbidlərinin “birləşdirilmiş” bloklarından və Al, Si və Sn kimi “A” elementlərinin nazik təbəqələrindən ibarət üçlü keramikadır.İlkin MAX mərhələsinin morfologiyası skan edilmiş elektron mikroskopiya (SEM) ilə müşahidə edildi və əvvəlki tədqiqatlara uyğun idi (Bax Əlavə Məlumat, SI, Şəkil S1).Çox qatlı (ML) Nb-MXene Al təbəqəsi 48% HF (hidroftorik turşu) ilə çıxarıldıqdan sonra əldə edilmişdir.ML-Nb2CTx və ML-Nb4C3TX-nin morfologiyası skan edən elektron mikroskopiya (SEM) (müvafiq olaraq S1c və S1d rəqəmləri) ilə tədqiq edildi və uzunsov məsaməbənzər yarıqlardan keçən iki ölçülü nanoflaklara bənzər tipik laylı MXene morfologiyası müşahidə edildi.Hər iki Nb-MXen-in əvvəllər turşu aşındırması ilə sintez edilmiş MXene fazaları ilə çoxlu ümumi cəhətləri var27,38.MXene-nin strukturunu təsdiq etdikdən sonra biz onu tetrabutilammonium hidroksidinin (TBAOH) interkalasiyası, ardınca yuyulma və sonikasiya yolu ilə qatladıq, bundan sonra bir qatlı və ya aşağı qatlı (SL) 2D Nb-MXene nanoflakes əldə etdik.
Biz aşındırma və sonrakı soyma effektivliyini yoxlamaq üçün yüksək ayırdetməli ötürücü elektron mikroskopiyadan (HRTEM) və rentgen şüalarının difraksiyasından (XRD) istifadə etdik.Tərs Sürətli Furye Çevrilmə (IFFT) və Sürətli Furye Çevrilmə (FFT) ilə işlənmiş HRTEM nəticələri Şəkil 2-də göstərilmişdir. Nb-MXene nanoflakes atom təbəqəsinin strukturunu yoxlamaq və planlararası məsafələri ölçmək üçün kənara doğru yönəldilmişdir.MXene Nb2CTx və Nb4C3TX nanoflaklarının HRTEM təsvirləri onların atomik nazik təbəqəli təbiətini aşkar etdi (bax. Şəkil 2a1, a2), əvvəllər Naguib və digərləri27 və Jastrzębska və digərləri38 tərəfindən bildirildi.İki bitişik Nb2CTx və Nb4C3Tx monolayları üçün biz müvafiq olaraq 0,74 və 1,54 nm təbəqələrarası məsafəni təyin etdik (şək. 2b1, b2), bu da əvvəlki nəticələrimizlə razılaşır38.Bu, Nb2CTx və Nb4C3Tx monolayerləri arasındakı məsafəni göstərən tərs sürətli Furye çevrilməsi (Şəkil 2c1, c2) və sürətli Furye çevrilməsi (Şəkil 2d1, d2) ilə daha da təsdiqləndi.Şəkildə niobium və karbon atomlarına uyğun gələn açıq və tünd zolaqların növbələşməsi göstərilir ki, bu da öyrənilən MXenlərin laylı təbiətini təsdiqləyir.Nəzərə almaq lazımdır ki, Nb2CTx və Nb4C3Tx (Şəkillər S2a və S2b) üçün əldə edilmiş enerji dispersiv rentgen spektroskopiyası (EDX) spektrləri orijinal MAX fazasının qalığını göstərməmişdir, çünki Al zirvəsi aşkar edilməmişdir.
SL Nb2CTx və Nb4C3Tx MXene nanoflakeslərinin xarakteristikası, o cümlədən (a) yüksək ayırdetməli elektron mikroskopiya (HRTEM) yan görünüşlü 2D nanoflake təsviri və müvafiq, (b) intensivlik rejimi, (c) tərs sürətli Furye transformasiyası (IFFT), (d) sürətli MFFT X-ray transformasiyaları), (d) sürətli X-ray Fourier transformasiyası.SL 2D Nb2CTx üçün rəqəmlər (a1, b1, c1, d1, e1) kimi ifadə edilir.SL 2D Nb4C3Tx üçün rəqəmlər (a2, b2, c2, d2, e1) kimi ifadə edilir.
SL Nb2CTx və Nb4C3Tx MXenlərin rentgen şüalarının difraksiya ölçüləri Şek.müvafiq olaraq 2e1 və e2.4.31 və 4.32-də zirvələr (002) əvvəllər təsvir edilmiş laylı MXenes Nb2CTx və Nb4C3TX38,39,40,41 uyğun gəlir.XRD nəticələri də bəzi qalıq ML strukturlarının və MAX fazalarının, lakin əsasən SL Nb4C3Tx ilə əlaqəli XRD nümunələrinin mövcudluğunu göstərir (Şəkil 2e2).MAX fazasının daha kiçik hissəciklərinin olması təsadüfi yığılmış Nb4C3Tx təbəqələri ilə müqayisədə daha güclü MAX pikini izah edə bilər.
Əlavə tədqiqatlar R. subcapitata növünə aid yaşıl mikroyosunlara yönəldilmişdir.Biz mikroyosunları seçdik, çünki onlar əsas qida şəbəkələrində iştirak edən mühüm istehsalçılardır42.Onlar həm də qida zəncirinin daha yüksək səviyyələrinə daşınan zəhərli maddələri xaric etmək qabiliyyətinə görə toksikliyin ən yaxşı göstəricilərindən biridir43.Bundan əlavə, R. subcapitata üzərində aparılan tədqiqatlar SL Nb-MXenes-in ümumi şirin su mikroorqanizmləri üçün təsadüfi toksikliyinə işıq sala bilər.Bunu göstərmək üçün tədqiqatçılar hər bir mikrobun ətraf mühitdə mövcud olan zəhərli birləşmələrə fərqli həssaslığa malik olduğunu fərz etdilər.Əksər orqanizmlər üçün maddələrin aşağı konsentrasiyası onların böyüməsinə təsir göstərmir, müəyyən həddən yuxarı konsentrasiyalar isə onları maneə törədə və hətta ölümə səbəb ola bilər.Buna görə də, mikro yosunlar və MXenes arasındakı səth qarşılıqlı əlaqəsi və bununla əlaqədar bərpa ilə bağlı araşdırmalarımız üçün Nb-MXenes-in zərərsiz və zəhərli konsentrasiyalarını sınaqdan keçirmək qərarına gəldik.Bunun üçün biz 0 (istinad olaraq), 0,01, 0,1 və 10 mq l-1 MXene konsentrasiyalarını və əlavə olaraq ekstremal və öldürücü ola biləcək çox yüksək MXene konsentrasiyası (100 mq l-1 MXene) ilə yoluxmuş mikroyosunları sınaqdan keçirdik..istənilən bioloji mühit üçün.
SL Nb-MXenes-in mikroyosunlara təsiri 0 mq l-1 nümunələri üçün ölçülən böyümənin təşviqi (+) və ya inhibə (-) faizi kimi ifadə edilən Şəkil 3-də göstərilmişdir.Müqayisə üçün Nb-MAX mərhələsi və ML Nb-MXenlər də sınaqdan keçirilmiş və nəticələr SI-də göstərilmişdir (bax. Şəkil S3).Əldə edilmiş nəticələr SL Nb-MXenes-in Şəkil 3a,b-də göstərildiyi kimi 0,01-dən 10 mq/l-ə qədər aşağı konsentrasiyalar diapazonunda demək olar ki, tamamilə toksiklikdən məhrum olduğunu təsdiq etdi.Nb2CTx vəziyyətində biz göstərilən diapazonda 5%-dən çox olmayan ekotoksisite müşahidə etdik.
SL (a) Nb2CTx və (b) Nb4C3TX MXene varlığında mikro yosunların böyüməsinin stimullaşdırılması (+) və ya inhibisyonu (-).MXene-mikroyosunların 24, 48 və 72 saatlıq qarşılıqlı təsiri təhlil edilmişdir. Əhəmiyyətli məlumatlar (t-test, p <0.05) ulduz (*) ilə qeyd edilmişdir. Əhəmiyyətli məlumatlar (t-test, p <0.05) ulduz (*) ilə qeyd edilmişdir. Значимые данные (t-kriteriy, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Əhəmiyyətli məlumatlar (t-test, p <0.05) ulduz (*) ilə qeyd olunur.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 (*). Vacib məlumatlar (t-test, p < 0.05) ulduz (*) ilə qeyd olunur.Qırmızı oxlar inhibitor stimullaşdırmanın ləğvini göstərir.
Digər tərəfdən, Nb4C3TX-in aşağı konsentrasiyaları bir qədər daha zəhərli, lakin 7% -dən yüksək deyil.Gözlənildiyi kimi, MXenes-in 100 mq L-1-də daha yüksək toksiklik və mikroyosun inkişafının qarşısını aldığını müşahidə etdik.Maraqlıdır ki, materialların heç biri MAX və ya ML nümunələri ilə müqayisədə toksik/toksik təsirlərin eyni tendensiya və zamandan asılılığını göstərməmişdir (ətraflı məlumat üçün SI-ə baxın).MAX fazası üçün (bax. Şəkil S3) toksiklik təqribən 15-25%-ə çatdığı və zamanla artdığı halda, SL Nb2CTx və Nb4C3TX MXene üçün əks tendensiya müşahidə edildi.Mikroyosunların inkişafının qarşısının alınması zaman keçdikcə azaldı.24 saatdan sonra təxminən 17% -ə çatdı və 72 saatdan sonra 5% -dən aşağı düşdü (şəkil 3a, b, müvafiq olaraq).
Daha da əhəmiyyətlisi odur ki, SL Nb4C3TX üçün mikroyosunların böyüməsinin qarşısının alınması 24 saatdan sonra təxminən 27%-ə çatdı, lakin 72 saatdan sonra bu, təxminən 1%-ə qədər azaldı.Buna görə də, biz müşahidə olunan təsiri stimullaşdırmanın tərs inhibisyonu kimi etiketlədik və təsir SL Nb4C3TX MXene üçün daha güclü idi.SL Nb2CTx MXene ilə müqayisədə daha əvvəl Nb4C3TX (10 mq L-1-də 24 saat qarşılıqlı təsir) ilə mikroyosun artımının stimullaşdırılması qeyd edilmişdir.İnhibə-stimulyasiyanın əks effekti biokütlənin ikiqat artım sürəti əyrisində də yaxşı göstərilmişdir (ətraflı məlumat üçün Şəkil S4-ə baxın).İndiyə qədər yalnız Ti3C2TX MXene-nin ekotoksisitesi müxtəlif üsullarla öyrənilmişdir.Zebra balığı embrionları üçün zəhərli deyil44, lakin Desmodesmus quadricauda və Sorghum saccharatum bitkiləri45 mikroyosunları üçün orta dərəcədə ekotoksikdir.Spesifik təsirlərin digər nümunələrinə normal hüceyrə xətlərinə nisbətən xərçəng hüceyrə xətlərinə daha yüksək toksiklik daxildir46,47.Güman etmək olar ki, sınaq şərtləri Nb-MXenes varlığında müşahidə edilən mikroyosun artımındakı dəyişikliklərə təsir göstərəcək.Məsələn, xloroplast stromasında təxminən 8 pH RuBisCO fermentinin səmərəli işləməsi üçün optimaldır.Buna görə də pH dəyişiklikləri fotosintezin sürətinə mənfi təsir göstərir48,49.Bununla belə, təcrübə zamanı pH-da əhəmiyyətli dəyişikliklər müşahidə etmədik (ətraflı məlumat üçün SI, Şəkil S5-ə baxın).Ümumiyyətlə, Nb-MXenes ilə mikroyosun kulturaları zaman keçdikcə məhlulun pH-nı bir qədər azaldıb.Lakin bu azalma təmiz mühitin pH-nın dəyişməsinə bənzəyirdi.Bundan əlavə, aşkar edilmiş variasiya diapazonu təmiz mikroyosun mədəniyyəti (nəzarət nümunəsi) üçün ölçülən diapazona oxşar idi.Beləliklə, biz fotosintezin zamanla pH dəyişməsindən təsirlənmədiyi qənaətinə gəlirik.
Bundan əlavə, sintez edilmiş MXenlər səth sonlarına malikdir (Tx kimi qeyd olunur).Bunlar əsasən -O, -F və -OH funksional qruplarıdır.Bununla belə, səth kimyası birbaşa sintez üsulu ilə bağlıdır.Bu qrupların səth üzərində təsadüfi paylandığı məlumdur, bu da onların MXene50-nin xassələrinə təsirini proqnozlaşdırmağı çətinləşdirir.Tx-nin niobiumun işıqla oksidləşməsi üçün katalitik qüvvə ola biləcəyini iddia etmək olar.Səth funksional qrupları heteroqovşaqlar yaratmaq üçün onların əsas fotokatalizatorları üçün həqiqətən çoxlu anker yerləri təmin edir51.Bununla belə, böyümə mühitinin tərkibi effektiv fotokatalizatoru təmin etməmişdir (müfəssəl mühit tərkibi SI Cədvəl S6-da tapıla bilər).Bundan əlavə, hər hansı bir səth modifikasiyası da çox vacibdir, çünki MXenes-in bioloji aktivliyi təbəqədən sonrakı emal, oksidləşmə, üzvi və qeyri-üzvi birləşmələrin kimyəvi səthinin modifikasiyası52,53,54,55,56 və ya səth yükü mühəndisliyi38 hesabına dəyişdirilə bilər.Buna görə də, niobium oksidinin mühitdəki maddi qeyri-sabitliklə əlaqəsi olub-olmadığını yoxlamaq üçün mikroyosunların böyüməsi mühitində və deionlaşdırılmış suda (müqayisə üçün) zeta (ζ) potensialı ilə bağlı araşdırmalar apardıq.Nəticələrimiz göstərir ki, SL Nb-MXenes kifayət qədər sabitdir (MAX və ML nəticələri üçün SI Şəkil S6-a baxın).SL MXenes-in zeta potensialı təxminən -10 mV-dir.SR Nb2CTx vəziyyətində ζ dəyəri Nb4C3Tx dəyərindən bir qədər mənfidir.ζ qiymətində belə dəyişiklik mənfi yüklü MXene nanoflakes səthinin mədəni mühitdən müsbət yüklü ionları udduğunu göstərə bilər.Mədəniyyət mühitində Nb-MXenlərin zeta potensialının və keçiriciliyinin müvəqqəti ölçülməsi (daha ətraflı məlumat üçün SI-də Şəkil S7 və S8-ə baxın) hipotezimizi dəstəkləyir.
Bununla belə, hər iki Nb-MXene SL sıfırdan minimal dəyişikliklər göstərdi.Bu, onların mikroyosunların inkişaf mühitində sabitliyini açıq şəkildə nümayiş etdirir.Bundan əlavə, yaşıl mikroyosunlarımızın mövcudluğunun mühitdə Nb-MXenes sabitliyinə təsir edib-etməyəcəyini qiymətləndirdik.Qida mühitində və mədəniyyətdə mikroyosunlarla qarşılıqlı təsirdən sonra MXenlərin zeta potensialı və keçiriciliyinin nəticələri SI-də tapıla bilər (Şəkillər S9 və S10).Maraqlıdır ki, mikroyosunların mövcudluğunun hər iki MXenin dispersiyasını sabitləşdirdiyinə diqqət yetirdik.Nb2CTx SL vəziyyətində, zeta potensialı zaman keçdikcə daha çox mənfi dəyərlərə qədər bir qədər azaldı (72 saat inkubasiyadan sonra -15,8-ə qarşı -19,1 mV).SL Nb4C3TX-nin zeta potensialı bir qədər artdı, lakin 72 saatdan sonra o, hələ də mikroyosunların iştirakı olmadan nanoflakesdən daha yüksək sabitlik göstərdi (-18,1-ə qarşı -9,1 mV).
Biz həmçinin mikroyosunların iştirakı ilə inkubasiya edilmiş Nb-MXene məhlullarının daha aşağı keçiriciliyini tapdıq, bu da qida mühitində ionların daha az olduğunu göstərir.Qeyd edək ki, MXenlərin suda qeyri-sabitliyi əsasən səthin oksidləşməsi ilə bağlıdır57.Buna görə də, yaşıl mikroyosunların Nb-MXene-nin səthində əmələ gələn oksidləri bir şəkildə təmizlədiyinə və hətta onların meydana gəlməsinin qarşısını almasına (MXene oksidləşməsinə) şübhə edirik.Bunu mikroyosunlar tərəfindən udulan maddələrin növlərini öyrənməklə görmək olar.
Ekotoksikoloji tədqiqatlarımız mikroyosunların zamanla Nb-MXenes-in toksikliyini və stimullaşdırılmış böyümənin qeyri-adi inhibəsini dəf edə bildiyini göstərsə də, tədqiqatımızın məqsədi mümkün təsir mexanizmlərini araşdırmaq idi.Yosunlar kimi orqanizmlər öz ekosistemlərinə tanış olmayan birləşmələrə və ya materiallara məruz qaldıqda, onlar müxtəlif yollarla reaksiya verə bilərlər58,59.Zəhərli metal oksidləri olmadıqda, mikroyosunlar öz-özünə qidalana bilər, onların davamlı böyüməsinə imkan verir60.Zəhərli maddələrin qəbulundan sonra forma və ya forma dəyişməsi kimi müdafiə mexanizmləri işə düşə bilər.Absorbsiya ehtimalı da nəzərə alınmalıdır58,59.Xüsusilə, müdafiə mexanizminin hər hansı bir əlaməti sınaq birləşməsinin toksikliyinin aydın göstəricisidir.Buna görə də, sonrakı işimizdə SEM ilə SL Nb-MXene nanoflakes və mikroyosunlar arasında potensial səth qarşılıqlı əlaqəsini və Nb-əsaslı MXene-nin rentgen floresan spektroskopiyası (XRF) ilə mümkün udulmasını araşdırdıq.Qeyd edək ki, SEM və XRF analizləri yalnız fəaliyyət toksikliyi məsələlərini həll etmək üçün ən yüksək MXene konsentrasiyasında aparılmışdır.
SEM nəticələri Fig.4-də göstərilmişdir.Müalicə olunmamış mikroyosun hüceyrələri (bax. Şəkil 4a, istinad nümunəsi) aydın tipik R. subcapitata morfologiyasını və kruvasan kimi hüceyrə formasını göstərdi.Hüceyrələr düzlənmiş və bir qədər nizamsız görünür.Bəzi mikroyosun hüceyrələri üst-üstə düşdü və bir-birinə qarışdı, lakin bu, çox güman ki, nümunənin hazırlanması prosesi ilə əlaqədardır.Ümumiyyətlə, təmiz mikroyosun hüceyrələri hamar səthə malik olub, heç bir morfoloji dəyişiklik göstərmirdi.
Həddindən artıq konsentrasiyada (100 mq L-1) 72 saatlıq qarşılıqlı təsirdən sonra yaşıl mikroyosunlar və MXene nanosheets arasında səthi qarşılıqlı əlaqəni göstərən SEM şəkilləri.(a) SL (b) Nb2CTx və (c) Nb4C3TX MXenes ilə qarşılıqlı təsirdən sonra təmizlənməmiş yaşıl mikroyosunlar.Qeyd edək ki, Nb-MXene nanoflakes qırmızı oxlarla işarələnib.Müqayisə üçün optik mikroskopdan fotoşəkillər də əlavə olunur.
Bunun əksinə olaraq, SL Nb-MXene nanoflakes tərəfindən adsorbsiya edilmiş mikroyosun hüceyrələri zədələnmişdir (bax. Şəkil 4b, c, qırmızı oxlar).Nb2CTx MXene (Şəkil 4b) vəziyyətində, mikroyosunlar onların morfologiyasını dəyişə bilən ikiölçülü nanoölçənlərlə böyüməyə meyllidirlər.Xüsusilə, biz bu dəyişiklikləri işıq mikroskopiyası altında da müşahidə etdik (ətraflı məlumat üçün SI Şəkil S11-ə baxın).Bu morfoloji keçid mikroyosunların fiziologiyasında və onların hüceyrə həcmini artırmaq kimi hüceyrə morfologiyasını dəyişdirərək özlərini müdafiə etmək qabiliyyətində ağlabatan əsasa malikdir61.Buna görə də, əslində Nb-MXenes ilə təmasda olan mikroyosun hüceyrələrinin sayını yoxlamaq vacibdir.SEM tədqiqatları göstərdi ki, mikroyosun hüceyrələrinin təxminən 52%-i Nb-MXenes-ə məruz qalıb, bu mikroyosun hüceyrələrinin 48%-i isə təmasdan qaçıb.SL Nb4C3Tx MXene üçün mikro yosunlar MXene ilə təmasdan qaçmağa çalışır, beləliklə, lokallaşdırılır və iki ölçülü nanoölçənlərdən böyüyür (Şəkil 4c).Bununla belə, nanoölçülərin mikroyosun hüceyrələrinə nüfuz etməsini və onların zədələnməsini müşahidə etmədik.
Özünü qoruma həm də hüceyrə səthində hissəciklərin adsorbsiyasına və kölgə salma (kölgələmə) effektinə görə fotosintezin tıxanmasına zamandan asılı cavab davranışıdır62.Aydındır ki, mikroyosunlar və işıq mənbəyi arasında olan hər bir obyekt (məsələn, Nb-MXene nanoflakes) xloroplastlar tərəfindən udulmuş işığın miqdarını məhdudlaşdırır.Bununla belə, bunun əldə edilən nəticələrə ciddi təsir göstərdiyinə şübhə etmirik.Mikroskopik müşahidələrimizdən göründüyü kimi, mikroyosun hüceyrələri Nb-MXenes ilə təmasda olduqda belə, 2D nanoflakes tamamilə bükülməmiş və ya mikroyosunların səthinə yapışmamışdır.Bunun əvəzinə, nanoflakes səthini örtmədən mikroyosun hüceyrələrinə yönəldildi.Belə nanoflakes/mikroyosunlar dəsti mikroyosun hüceyrələri tərəfindən udulmuş işığın miqdarını əhəmiyyətli dərəcədə məhdudlaşdıra bilməz.Üstəlik, bəzi tədqiqatlar hətta ikiölçülü nanomaterialların mövcudluğunda fotosintetik orqanizmlər tərəfindən işığın udulmasının yaxşılaşdığını nümayiş etdirdi63,64,65,66.
SEM şəkilləri niobiumun mikroyosun hüceyrələri tərəfindən mənimsənilməsini birbaşa təsdiq edə bilmədiyindən, sonrakı araşdırmamız bu məsələyə aydınlıq gətirmək üçün rentgen-flüoresans (XRF) və rentgen fotoelektron spektroskopiya (XPS) analizinə çevrildi.Buna görə də, MXenes ilə qarşılıqlı əlaqədə olmayan istinad mikroyosun nümunələrinin Nb zirvələrinin intensivliyini, mikroyosun hüceyrələrinin səthindən ayrılmış MXene nanoflakes və birləşdirilmiş MXenes çıxarıldıqdan sonra mikroalq hüceyrələrini müqayisə etdik.Qeyd etmək lazımdır ki, əgər Nb qəbulu yoxdursa, mikroyosun hüceyrələri tərəfindən əldə edilən Nb dəyəri əlavə edilmiş nanoölçənlər çıxarıldıqdan sonra sıfır olmalıdır.Buna görə, Nb qəbulu baş verərsə, həm XRF, həm də XPS nəticələri aydın Nb zirvəsini göstərməlidir.
XRF spektrləri vəziyyətində, mikroyosun nümunələri SL Nb2CTx və Nb4C3Tx MXene ilə qarşılıqlı əlaqədən sonra SL Nb2CTx və Nb4C3Tx MXene üçün Nb zirvələrini göstərdi (bax. Şəkil 5a, həmçinin MAX və ML MXenlər üçün nəticələrin S12, FiC1-də göstərildiyini qeyd edin).Maraqlıdır ki, Nb zirvəsinin intensivliyi hər iki halda eynidir (şəkil 5a-da qırmızı çubuqlar).Bu, yosunların daha çox Nb qəbul edə bilməyəcəyini və hüceyrələrdə Nb toplanması üçün maksimum tutumun əldə edildiyini göstərdi, baxmayaraq ki, mikroyosun hüceyrələrinə iki dəfə çox Nb4C3Tx MXene əlavə edildi (Şəkil 5a-da mavi çubuqlar).Xüsusilə, mikroyosunların metalları udmaq qabiliyyəti ətraf mühitdə metal oksidlərinin konsentrasiyasından asılıdır67,68.Shamshada et al.67 aşkar etdi ki, şirin su yosunlarının udma qabiliyyəti pH artması ilə azalır.Raize et al.68 qeyd etmişlər ki, dəniz yosunlarının metalları udmaq qabiliyyəti Pb2+ üçün Ni2+ ilə müqayisədə təxminən 25% yüksək olmuşdur.
(a) SL Nb-MXenes (100 mq L-1) həddindən artıq konsentrasiyasında 72 saat ərzində inkubasiya edilmiş yaşıl mikroyosun hüceyrələri tərəfindən bazal Nb qəbulunun XRF nəticələri.Nəticələr təmiz mikroyosun hüceyrələrində (nəzarət nümunəsi, boz sütunlar), səth mikroyosun hüceyrələrindən təcrid olunmuş 2D nanoflakes (mavi sütunlar) və 2D nanoflakes səthdən ayrıldıqdan sonra mikroyosun hüceyrələrində (qırmızı sütunlar) α-nın olduğunu göstərir.Elemental Nb miqdarı, (b) SL Nb-MXenes ilə inkubasiyadan sonra mikroyosun hüceyrələrində mövcud olan mikroyosunların üzvi komponentlərinin (C=O və CHx/C–O) və Nb oksidlərinin kimyəvi tərkibinin faizi, (c–e) XPS SL Nb2CTx tərkibinin zirvəsinin və (fh) SLx3 mikroenli hüceyrələrin daxili spektrləri ilə uyğunlaşdırılması.
Buna görə də Nb-nin oksidlər şəklində yosun hüceyrələri tərəfindən udula biləcəyini gözləyirdik.Bunu yoxlamaq üçün MXenes Nb2CTx və Nb4C3TX və yosun hüceyrələrində XPS tədqiqatları apardıq.Mikroyosunların yosun hüceyrələrindən təcrid olunmuş Nb-MXenes və MXenes ilə qarşılıqlı təsirinin nəticələri Şek.5b.Gözlənildiyi kimi, mikroyosunların səthindən MXene çıxarıldıqdan sonra mikroyosun nümunələrində Nb 3d zirvələrini aşkar etdik.C=O, CHx/CO və Nb oksidlərinin kəmiyyət təyini Nb2CTx SL (şəkil 5c–e) və Nb4C3Tx SL (şək. 5c–e) ilə əldə edilmiş Nb 3d, O 1s və C 1s spektrləri əsasında hesablanmışdır.) inkubasiya edilmiş mikroyosunlardan əldə edilir.Şəkil 5f–h) MXenes.Cədvəl S1-3 uyğunlaşma nəticəsində yaranan pik parametrlərinin və ümumi kimyanın təfərrüatlarını göstərir.Maraqlıdır ki, Nb2CTx SL və Nb4C3Tx SL-nin Nb 3d bölgələri (Şəkil 5c, f) bir Nb2O5 komponentinə uyğundur.Burada, spektrlərdə MXene ilə əlaqəli heç bir zirvə tapmadıq, bu, mikroyosun hüceyrələrinin yalnız Nb-nin oksid formasını udduğunu göstərir.Bundan əlavə, biz C–C, CHx/C–O, C=O və –COOH komponentləri ilə C 1 s spektrini təxmin etdik.CHx/C–O və C=O zirvələrini mikroyosun hüceyrələrinin üzvi qatqısına təyin etdik.Bu üzvi komponentlər Nb2CTx SL və Nb4C3TX SL-də C 1s zirvələrinin müvafiq olaraq 36% və 41%-ni təşkil edir.Daha sonra SL Nb2CTx və SL Nb4C3TX-in O 1s spektrlərini Nb2O5, mikroyosunların üzvi komponentləri (CHx/CO) və səthi adsorbsiya olunmuş su ilə təchiz etdik.
Nəhayət, XPS nəticələri Nb-nin yalnız mövcudluğunu deyil, formasını açıq şəkildə göstərdi.Nb 3d siqnalının mövqeyinə və dekonvolutionin nəticələrinə görə, biz təsdiq edirik ki, Nb ionlar və ya MXene özü deyil, yalnız oksidlər şəklində udulur.Bundan əlavə, XPS nəticələri göstərdi ki, mikroyosun hüceyrələri SL Nb4C3TX MXene ilə müqayisədə SL Nb2CTx-dən Nb oksidlərini qəbul etmək qabiliyyətinə malikdir.
Nb qəbulu nəticələrimiz təsirli olsa da və MXene deqradasiyasını müəyyən etməyə imkan versə də, 2D nanoflakesdə əlaqəli morfoloji dəyişiklikləri izləmək üçün heç bir üsul mövcud deyil.Buna görə də biz 2D Nb-MXene nanoflakes və mikroyosun hüceyrələrində baş verən hər hansı dəyişikliyə birbaşa cavab verə biləcək uyğun bir metod hazırlamağa qərar verdik.Qeyd etmək vacibdir ki, qarşılıqlı əlaqədə olan növlər hər hansı bir transformasiya, parçalanma və ya defraqmentasiyaya məruz qaldıqda, bu, ekvivalent dairəvi sahənin diametri, yuvarlaqlıq, Feret eni və ya Feret uzunluğu kimi forma parametrlərində dəyişikliklər kimi tez bir zamanda özünü göstərməlidir.Bu parametrlər uzunsov hissəcikləri və ya ikiölçülü nanoflakları təsvir etmək üçün uyğun olduğundan, onların dinamik hissəcik forması analizi ilə izlənilməsi bizə reduksiya zamanı SL Nb-MXene nanoflakeslərinin morfoloji transformasiyası haqqında dəyərli məlumat verəcəkdir.
Alınan nəticələr Şəkil 6-da göstərilmişdir. Müqayisə üçün biz orijinal MAX mərhələsini və ML-MXenləri də sınaqdan keçirdik (bax SI Şəkilləri S18 və S19).Hissəcik formasının dinamik təhlili göstərdi ki, iki Nb-MXene SL-nin bütün forma parametrləri mikroyosunlarla qarşılıqlı təsirdən sonra əhəmiyyətli dərəcədə dəyişdi.Ekvivalent dairəvi sahə diametri parametri ilə göstərildiyi kimi (şək. 6a, b), böyük nanoflakes fraksiyasının azaldılmış pik intensivliyi onların daha kiçik fraqmentlərə parçalanmağa meylli olduğunu göstərir.Əncirdə.6c, d lopaların eninə ölçüsü ilə əlaqəli zirvələrin azalması (nanoflakeslərin uzanması) göstərir ki, bu da 2D nanoflakeslərin daha çox hissəciklərə bənzər formaya çevrilməsini göstərir.Şəkil 6e-h, müvafiq olaraq Feretin enini və uzunluğunu göstərir.Feret eni və uzunluğu tamamlayıcı parametrlərdir və buna görə də birlikdə nəzərə alınmalıdır.Mikroyosunların iştirakı ilə 2D Nb-MXene nanoflakes inkubasiya edildikdən sonra onların Feret korrelyasiya zirvələri dəyişdi və intensivliyi azaldı.Morfologiya, XRF və XPS ilə birlikdə bu nəticələrə əsaslanaraq belə nəticəyə gəldik ki, müşahidə edilən dəyişikliklər oksidləşmə ilə güclü şəkildə bağlıdır, çünki oksidləşmiş MXenlər daha da qırışır və fraqmentlərə və sferik oksid hissəciklərinə69,70 parçalanır.
Yaşıl mikroyosunlarla qarşılıqlı təsirdən sonra MXene transformasiyasının təhlili.Dinamik hissəcik formasının təhlili (a, b) ekvivalent dairəvi sahənin diametri, (c, d) yuvarlaqlıq, (e, f) Feret eni və (g, h) Feret uzunluğu kimi parametrləri nəzərə alır.Bu məqsədlə, iki istinad mikroyosun nümunəsi əsas SL Nb2CTx və SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx və SL Nb4C3Tx MXenes, deqradasiyaya uğramış mikroyosunlar və müalicə olunmuş mikroyosunlar SL Nb2CTx və SL Nb4C3Tx MXenes ilə birlikdə təhlil edilmişdir.Qırmızı oxlar tədqiq olunan ikiölçülü nanoflakların forma parametrlərinin keçidlərini göstərir.
Forma parametrlərinin təhlili çox etibarlı olduğundan, mikroyosun hüceyrələrində morfoloji dəyişiklikləri də aşkar edə bilər.Buna görə də, 2D Nb nanoflakes ilə qarşılıqlı əlaqədən sonra təmiz mikroyosun hüceyrələrinin və hüceyrələrin ekvivalent dairəvi sahə diametrini, yuvarlaqlığını və Feret eni/uzunluğunu təhlil etdik.Əncirdə.6a-h, yosun hüceyrələrinin forma parametrlərindəki dəyişiklikləri göstərir, bunu pik intensivliyin azalması və maksimumların daha yüksək dəyərlərə doğru dəyişməsi sübut edir.Xüsusilə, hüceyrə yuvarlaqlığı parametrləri uzunsov hüceyrələrdə azalma və sferik hüceyrələrdə artım göstərdi (Şəkil 6a, b).Bundan əlavə, Feret hüceyrə eni SL Nb2CTx MXene (Şəkil 6e) ilə SL Nb4C3TX MXene (Şəkil 6f) ilə müqayisədə qarşılıqlı təsirdən sonra bir neçə mikrometr artmışdır.Bunun Nb2CTx SR ilə qarşılıqlı əlaqədə mikroyosunlar tərəfindən Nb oksidlərinin güclü şəkildə mənimsənilməsi ilə bağlı ola biləcəyindən şübhələnirik.Nb lopalarının səthinə daha az sərt yapışması minimal kölgə effekti ilə hüceyrə böyüməsi ilə nəticələnə bilər.
Mikroyosunların forma və ölçü parametrlərindəki dəyişikliklərlə bağlı müşahidələrimiz digər tədqiqatları tamamlayır.Yaşıl mikroyosunlar ətraf mühitin stresinə cavab olaraq hüceyrə ölçüsünü, formasını və ya metabolizmini dəyişdirərək morfologiyasını dəyişə bilər61.Məsələn, hüceyrələrin ölçüsünün dəyişdirilməsi qida maddələrinin sorulmasını asanlaşdırır71.Kiçik yosun hüceyrələri daha az qida qəbulu və pozulmuş böyümə sürətini göstərir.Əksinə, daha böyük hüceyrələr daha çox qida istehlak etməyə meyllidirlər, daha sonra hüceyrədaxili olaraq yerləşdirilir72,73.Machado və Soares tapdılar ki, funqisid triklosan hüceyrə ölçüsünü artıra bilər.Onlar həmçinin yosunların formasında dərin dəyişikliklər aşkar ediblər74.Bundan əlavə, Yin et al.9 azaldılmış qrafen oksidi nanokompozitlərinə məruz qaldıqdan sonra yosunlarda morfoloji dəyişiklikləri də aşkar etdi.Buna görə də aydındır ki, mikroyosunların dəyişdirilmiş ölçü/forma parametrləri MXene-nin olması ilə əlaqədardır.Ölçü və formada olan bu dəyişiklik qida maddələrinin qəbulunda dəyişikliklərin göstəricisi olduğundan, biz hesab edirik ki, zamanla ölçü və forma parametrlərinin təhlili Nb-MXenlərin iştirakı ilə niobium oksidinin mikroyosunlar tərəfindən mənimsənilməsini nümayiş etdirə bilər.
Üstəlik, MXenes yosunların iştirakı ilə oksidləşə bilər.Dalai və digərləri75 nano-TiO2 və Al2O376-ya məruz qalan yaşıl yosunların morfologiyasının vahid olmadığını müşahidə etmişlər.Müşahidələrimiz hazırkı tədqiqata bənzəsə də, bu, yalnız nanohissəciklərin deyil, 2D nanoflakesin iştirakı ilə MXene deqradasiya məhsulları baxımından bioremediasiyanın təsirlərinin öyrənilməsinə aiddir.MXenes metal oksidlərə parçalana bildiyindən, 31,32,77,78 bizim Nb nanoflakeslərimizin mikroyosun hüceyrələri ilə qarşılıqlı əlaqədə olduqdan sonra Nb oksidləri də əmələ gətirə biləcəyini güman etmək məqsədəuyğundur.
Oksidləşmə prosesinə əsaslanan parçalanma mexanizmi vasitəsilə 2D-Nb nanoflakların reduksiyasını izah etmək üçün biz yüksək ayırdetmə qabiliyyətinə malik transmissiya elektron mikroskopiyasından (HRTEM) (Şəkil 7a,b) və rentgen fotoelektron spektroskopiyasından (XPS) istifadə etməklə tədqiqatlar apardıq (şək. 7).7c-i və cədvəllər S4-5).Hər iki yanaşma 2D materialların oksidləşməsini öyrənmək üçün uyğundur və bir-birini tamamlayır.HRTEM ikiölçülü laylı strukturların deqradasiyasını və metal oksid nanohissəciklərinin sonrakı görünüşünü təhlil edə bilir, XPS isə səthi bağlara həssasdır.Bu məqsədlə biz mikroyosun hüceyrələrinin dispersiyalarından çıxarılan 2D Nb-MXene nanoflakeslərini, yəni mikroyosun hüceyrələri ilə qarşılıqlı təsirdən sonra onların formasını sınaqdan keçirdik (bax. Şəkil 7).
Oksidləşmiş (a) SL Nb2CTx və (b) SL Nb4C3Tx MXenes morfologiyasını göstərən HRTEM şəkilləri, (c) reduksiyadan sonra oksid məhsullarının tərkibini, (d–f) SL Nb2CTx və (g–SLCxi) təmir edilmiş XPS spektrlərinin komponentlərinin Nb2CTx və (g–SLCgai) təmirdən sonra pik uyğunluğunu göstərən XPS analizi nəticələri.
HRTEM tədqiqatları iki növ Nb-MXene nanoflakesinin oksidləşməsini təsdiqlədi.Nanooflaklar müəyyən dərəcədə ikiölçülü morfologiyasını saxlasalar da, oksidləşmə MXene nanoflaklarının səthini örtən çoxlu nanohissəciklərin meydana çıxması ilə nəticələndi (bax. Şəkil 7a,b).c Nb 3d və O 1s siqnallarının XPS analizi hər iki halda Nb oksidlərinin əmələ gəldiyini göstərdi.Şəkil 7c-də göstərildiyi kimi, 2D MXene Nb2CTx və Nb4C3TX NbO və Nb2O5 oksidlərinin mövcudluğunu göstərən Nb 3d siqnallarına malikdir, O 1s siqnalları isə 2D nanoflake səthinin funksionallaşması ilə əlaqəli O–Nb bağlarının sayını göstərir.Nb-oksid qatqısının Nb-C və Nb3+-O ilə müqayisədə dominant olduğunu gördük.
Əncirdə.Şəkil 7g–i mikroyosun hüceyrələrindən təcrid olunmuş Nb 3d, C 1s və O 1s SL Nb2CTx (bax. Şəkil 7d–f) və SL Nb4C3TX MXene-nin XPS spektrlərini göstərir.Nb-MXenes pik parametrlərinin təfərrüatları müvafiq olaraq Cədvəl S4-5-də verilmişdir.Əvvəlcə Nb 3d tərkibini təhlil etdik.Mikroyosun hüceyrələri tərəfindən udulmuş Nb-dən fərqli olaraq, mikroyosun hüceyrələrindən təcrid olunmuş MXene-də Nb2O5-dən başqa digər komponentlər aşkar edilmişdir.Nb2CTx SL-də biz Nb3+-O-nun 15% həcmində qatqısını müşahidə etdik, Nb 3d spektrinin qalan hissəsində isə Nb2O5 (85%) üstünlük təşkil edirdi.Bundan əlavə, SL Nb4C3TX nümunəsi Nb-C (9%) və Nb2O5 (91%) komponentlərini ehtiva edir.Burada Nb-C Nb4C3Tx SR-də metal karbidin iki daxili atom qatından gəlir.Daha sonra C 1s spektrlərini daxili nümunələrdə etdiyimiz kimi dörd fərqli komponentə uyğunlaşdırırıq.Gözlənildiyi kimi, C 1s spektrində qrafit karbon üstünlük təşkil edir, ardınca mikroyosun hüceyrələrindən üzvi hissəciklərin (CHx/CO və C=O) qatqıları.Bundan əlavə, O 1s spektrində biz mikroyosun hüceyrələrinin üzvi formalarının, niobium oksidinin və adsorbsiya edilmiş suyun töhfəsini müşahidə etdik.
Bundan əlavə, Nb-MXenes parçalanmasının qida mühitində və / və ya mikroyosun hüceyrələrində reaktiv oksigen növlərinin (ROS) olması ilə əlaqəli olub olmadığını araşdırdıq.Bu məqsədlə mədəniyyət mühitində təkli oksigen (1O2) və mikroyosunlarda antioksidant rolunu oynayan tiol olan hüceyrədaxili qlutatyon səviyyələrini qiymətləndirdik.Nəticələr SI-də göstərilmişdir (Şəkillər S20 və S21).SL Nb2CTx və Nb4C3TX MXenes olan kulturalar azalmış 1O2 miqdarı ilə xarakterizə olunurdu (bax Şəkil S20).SL Nb2CTx vəziyyətində MXene 1O2 təxminən 83%-ə qədər azalır.SL istifadə edən mikroyosun mədəniyyətləri üçün Nb4C3TX 1O2 daha da azalaraq 73%-ə qədər azalıb.Maraqlıdır ki, 1O2-də dəyişikliklər əvvəllər müşahidə edilən inhibitor-stimullaşdırıcı təsirlə eyni tendensiyanı göstərdi (bax. Şəkil 3).Parlaq işıqda inkubasiyanın fotooksidləşməni dəyişdirə biləcəyi iddia edilə bilər.Bununla belə, nəzarət analizinin nəticələri təcrübə zamanı demək olar ki, sabit 1O2 səviyyələrini göstərdi (Şəkil S22).Hüceyrədaxili ROS səviyyələri vəziyyətində biz də eyni eniş tendensiyasını müşahidə etdik (bax Şəkil S21).İlkin olaraq, Nb2CTx və Nb4C3Tx SL-lərin iştirakı ilə yetişdirilmiş mikroyosun hüceyrələrində ROS səviyyələri mikroyosunların təmiz mədəniyyətlərində olan səviyyələri aşdı.Nəhayət, məlum oldu ki, mikroyosunlar hər iki Nb-MXen-in mövcudluğuna uyğunlaşıb, belə ki, ROS səviyyələri müvafiq olaraq SL Nb2CTx və Nb4C3TX ilə aşılanmış mikroyosunların təmiz kulturalarında ölçülən səviyyələrin 85% və 91%-nə qədər azalıb.Bu onu göstərə bilər ki, mikroyosunlar zamanla Nb-MXene varlığında tək qida mühitinə nisbətən daha rahat hiss edirlər.
Mikroyosunlar fotosintetik orqanizmlərin müxtəlif qrupudur.Fotosintez zamanı onlar atmosferdəki karbon qazını (CO2) üzvi karbona çevirirlər.Fotosintezin məhsulları qlükoza və oksigendir79.Bu şəkildə əmələ gələn oksigenin Nb-MXenlərin oksidləşməsində mühüm rol oynadığından şübhələnirik.Bunun mümkün izahı ondan ibarətdir ki, diferensial aerasiya parametri Nb-MXene nanoflakes xaricində və daxilində oksigenin aşağı və yüksək qismən təzyiqlərində formalaşır.Bu o deməkdir ki, oksigenin müxtəlif parsial təzyiqləri olan ərazilər olduğu yerdə, ən aşağı səviyyəyə malik olan sahə 80, 81, 82 anodunu təşkil edəcəkdir. Burada mikroyosunlar MXene lopalarının səthində fotosintetik xüsusiyyətlərinə görə oksigen istehsal edən differensial aerasiyalı hüceyrələrin yaranmasına kömək edir.Nəticədə biokorroziya məhsulları (bu halda niobium oksidləri) əmələ gəlir.Digər cəhət ondan ibarətdir ki, mikroyosunlar suya buraxılan üzvi turşuları istehsal edə bilir83,84.Buna görə də, aqressiv bir mühit formalaşır və bununla da Nb-MXenes dəyişir.Bundan əlavə, mikroyosunlar karbon qazının udulması səbəbindən ətraf mühitin pH-nı qələvi hala gətirə bilər, bu da korroziyaya səbəb ola bilər79.
Daha da əhəmiyyətlisi, tədqiqatımızda istifadə edilən qaranlıq/açıq fotoperiod əldə edilən nəticələri başa düşmək üçün çox vacibdir.Bu aspekt Djemai-Zoghlache və digərlərində ətraflı təsvir edilmişdir.85 Qırmızı mikroyosun Porphyridium purpureum tərəfindən bioloji çirklənmə ilə əlaqəli biokorroziya nümayiş etdirmək üçün qəsdən 12/12 saatlıq fotoperioddan istifadə etdilər.Onlar göstərir ki, fotoperiodun biokorroziya olmadan potensialın təkamülü ilə əlaqələndirilir, 24:00 radələrində psevdooperiodik rəqslər kimi özünü göstərir.Bu müşahidələr Dowling et al tərəfindən təsdiq edilmişdir.86 Onlar Anabaena siyanobakteriyalarının fotosintetik biofilmlərini nümayiş etdirdilər.Həll olunmuş oksigen işığın təsiri altında əmələ gəlir ki, bu da sərbəst biokorroziya potensialının dəyişməsi və ya dəyişməsi ilə bağlıdır.Fotoperiodun əhəmiyyəti işıq fazasında biokorroziya üçün sərbəst potensialın artması, qaranlıq fazada isə azalması ilə vurğulanır.Bu, elektrodların yaxınlığında əmələ gələn qismən təzyiq vasitəsilə katod reaksiyasına təsir edən fotosintetik mikroyosunların istehsal etdiyi oksigenlə bağlıdır87.
Bundan əlavə, Nb-MXenes ilə qarşılıqlı təsirdən sonra mikroyosun hüceyrələrinin kimyəvi tərkibində hər hansı dəyişikliyin olub-olmadığını öyrənmək üçün Furye transform infraqırmızı spektroskopiyası (FTIR) aparılmışdır.Əldə edilmiş bu nəticələr mürəkkəbdir və biz onları SI-də təqdim edirik (Şəkillər S23-S25, MAX mərhələsinin nəticələri və ML MXenes).Bir sözlə, mikroyosunların əldə edilmiş istinad spektrləri bizə bu orqanizmlərin kimyəvi xüsusiyyətləri haqqında mühüm məlumatlar verir.Bu ən çox ehtimal olunan vibrasiyalar 1060 sm-1 (CO), 1540 sm-1, 1640 sm-1 (C=C), 1730 sm-1 (C=O), 2850 sm-1, 2920 sm-1 tezliklərdə yerləşir.bir.1 1 (C–H) və 3280 sm–1 (O–H).SL Nb-MXenes üçün biz əvvəlki tədqiqatımıza38 uyğun gələn CH-bond uzanan imza tapdıq.Bununla belə, C=C və CH bağları ilə əlaqəli bəzi əlavə zirvələrin itdiyini müşahidə etdik.Bu onu göstərir ki, mikroyosunların kimyəvi tərkibi SL Nb-MXenes ilə qarşılıqlı təsirə görə cüzi dəyişikliklərə məruz qala bilər.
Mikroyosunların biokimyasında mümkün dəyişiklikləri nəzərdən keçirərkən, niobium oksidi kimi qeyri-üzvi oksidlərin toplanmasına yenidən baxmaq lazımdır59.Metalların hüceyrə səthi tərəfindən mənimsənilməsində, sitoplazmaya daşınmasında, hüceyrədaxili karboksil qrupları ilə birləşməsində və mikroyosun polifosfosomlarında toplanmasında iştirak edir20,88,89,90.Bundan əlavə, mikroyosunlar və metallar arasındakı əlaqə funksional hüceyrə qrupları tərəfindən qorunur.Bu səbəbdən udma kifayət qədər mürəkkəb olan mikroyosunların səthi kimyasından da asılıdır9,91.Ümumiyyətlə, gözlənildiyi kimi yaşıl mikroyosunların kimyəvi tərkibi Nb oksidin udulması hesabına bir qədər dəyişdi.
Maraqlıdır ki, mikroyosunların müşahidə edilən ilkin inhibisyonu zamanla geri dönə bilərdi.Müşahidə etdiyimiz kimi, mikroyosunlar ilkin ətraf mühit dəyişikliyinə qalib gəldi və nəticədə normal böyümə sürətlərinə qayıtdı və hətta artdı.Zeta potensialının tədqiqatları qida mühitinə daxil olduqda yüksək sabitlik göstərir.Beləliklə, reduksiya təcrübələri boyu mikroyosun hüceyrələri ilə Nb-MXene nanoflakes arasında səthi qarşılıqlı əlaqə saxlanıldı.Sonrakı təhlilimizdə mikroyosunların bu əlamətdar davranışının əsasını təşkil edən əsas fəaliyyət mexanizmlərini ümumiləşdiririk.
SEM müşahidələri göstərdi ki, mikroyosunlar Nb-MXenes-ə yapışmağa meyllidirlər.Dinamik təsvir analizindən istifadə edərək, bu effektin iki ölçülü Nb-MXene nanoflakeslərinin daha çox sferik hissəciklərə çevrilməsinə gətirib çıxardığını təsdiq edirik və bununla da nanoflakların parçalanmasının onların oksidləşməsi ilə əlaqəli olduğunu nümayiş etdiririk.Hipotezimizi yoxlamaq üçün bir sıra maddi və biokimyəvi tədqiqatlar apardıq.Sınaqdan sonra nanoflaklar tədricən oksidləşərək NbO və Nb2O5 məhsullarına parçalanaraq yaşıl mikroyosunlar üçün təhlükə yaratmayıb.FTIR müşahidəsindən istifadə edərək, 2D Nb-MXene nanoflakeslərinin iştirakı ilə inkubasiya edilmiş mikroyosunların kimyəvi tərkibində heç bir əhəmiyyətli dəyişiklik aşkar etmədik.Niobium oksidinin mikroyosunlar tərəfindən udulma ehtimalını nəzərə alaraq, rentgen-flüoresan analizi apardıq.Bu nəticələr aydın şəkildə göstərir ki, tədqiq edilən mikroyosunlar öyrənilən mikroyosunlar üçün toksik olmayan niobium oksidləri (NbO və Nb2O5) ilə qidalanır.