Nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. Məhdud CSS dəstəyi olan brauzer versiyasından istifadə edirsiniz. Ən yaxşı təcrübə üçün yenilənmiş brauzerdən istifadə etməyinizi (və ya Internet Explorer-də Uyğunluq Rejimini deaktiv etməyinizi) tövsiyə edirik. Bu vaxt ərzində davamlı dəstəyi təmin etmək üçün saytı stillər və JavaScript olmadan render edəcəyik.
Eyni anda üç slayddan ibarət karuseli göstərir. Bir anda üç slayd arasında hərəkət etmək üçün Əvvəlki və Növbəti düymələrindən, yaxud bir anda üç slayd arasında hərəkət etmək üçün sonundakı sürgü düymələrindən istifadə edin.
Nanotexnologiyanın sürətli inkişafı və gündəlik tətbiqlərə inteqrasiyası ətraf mühiti təhdid edə bilər. Üzvi çirkləndiricilərin parçalanması üçün yaşıl üsullar yaxşı qurulmuş olsa da, qeyri-üzvi kristal çirkləndiricilərin bərpası, biotransformasiyaya aşağı həssaslıq və material səthinin bioloji qarşılıqlı təsirlərini anlamamaları səbəbindən böyük narahatlıq doğurur. Burada, yaşıl mikroyosun Raphidocelis subcapitata tərəfindən 2D keramika nanomateriallarının bioremediasiya mexanizmini izləmək üçün sadə forma parametrləri təhlili metodu ilə birləşdirilmiş Nb əsaslı qeyri-üzvi 2D MXenlər modelindən istifadə edirik. Mikroyosunların səthlə əlaqəli fiziki-kimyəvi qarşılıqlı təsirlərə görə Nb əsaslı MXenləri parçaladığını aşkar etdik. Əvvəlcə tək qatlı və çox qatlı MXen nanoflakları mikroyosunların səthinə yapışdırılmışdı ki, bu da yosunların böyüməsini bir qədər azaltdı. Lakin, səthlə uzun müddət qarşılıqlı təsir göstərdikdən sonra mikroyosunlar MXen nanoflaklarını oksidləşdirərək onları daha da parçalayaraq NbO və Nb2O5-ə çevirmişdir. Bu oksidlər mikroyosun hüceyrələri üçün zəhərli olmadığı üçün, 72 saatlıq su təmizlənməsindən sonra mikroyosunları daha da bərpa edən bir udma mexanizmi ilə Nb oksid nanopartiküllərini istehlak edirlər. Absorbsiya ilə əlaqəli qida maddələrinin təsiri hüceyrə həcminin artmasında, onların hamar formasında və böyümə sürətinin dəyişməsində də əks olunur. Bu tapıntılara əsasən, şirin su ekosistemlərində Nb əsaslı MXenlərin qısa və uzunmüddətli mövcudluğunun yalnız kiçik ətraf mühitə təsirlərə səbəb ola biləcəyi qənaətinə gəlirik. Qeyd etmək lazımdır ki, ikiölçülü nanomaterialları model sistemləri kimi istifadə edərək, hətta incə dənəli materiallarda da forma transformasiyasını izləmək imkanını nümayiş etdiririk. Ümumilikdə, bu tədqiqat 2D nanomaterialların bioremediasiya mexanizmini idarə edən səth qarşılıqlı təsiri ilə əlaqəli proseslər haqqında vacib bir fundamental suala cavab verir və qeyri-üzvi kristal nanomaterialların ətraf mühitə təsirinin sonrakı qısa və uzunmüddətli tədqiqatları üçün əsas yaradır.
Nanomateriallar kəşf edildikdən bəri böyük maraq doğurub və müxtəlif nanotexnologiyalar bu yaxınlarda modernləşmə mərhələsinə qədəm qoyub1. Təəssüf ki, nanomaterialların gündəlik tətbiqlərə inteqrasiyası düzgün olmayan atılma, diqqətsiz istifadə və ya qeyri-kafi təhlükəsizlik infrastrukturu səbəbindən təsadüfi buraxılışlara səbəb ola bilər. Buna görə də, ikiölçülü (2D) nanomateriallar da daxil olmaqla, nanomaterialların davranışı və bioloji fəaliyyəti hələ tam başa düşülməyən təbii mühitə buraxıla biləcəyini düşünmək məntiqlidir. Buna görə də, ekotoksiklik narahatlıqlarının 2D nanomaterialların su sistemlərinə sızma qabiliyyətinə yönəlməsi təəccüblü deyil2,3,4,5,6. Bu ekosistemlərdə bəzi 2D nanomateriallar mikroyosunlar da daxil olmaqla müxtəlif trofik səviyyələrdə müxtəlif orqanizmlərlə qarşılıqlı təsir göstərə bilər.
Mikroyosunlar şirin su və dəniz ekosistemlərində təbii olaraq tapılan və fotosintez yolu ilə müxtəlif kimyəvi məhsullar istehsal edən ibtidai orqanizmlərdir7. Buna görə də, onlar su ekosistemləri üçün vacibdir8,9,10,11,12, eyni zamanda həssas, ucuz və geniş istifadə olunan ekotoksiklik göstəriciləridir13,14. Mikroyosun hüceyrələri sürətlə çoxaldığı və müxtəlif birləşmələrin mövcudluğuna tez reaksiya verdiyi üçün üzvi maddələrlə çirklənmiş suyun təmizlənməsi üçün ekoloji cəhətdən təmiz metodların inkişafı üçün perspektivlidir15,16.
Yosun hüceyrələri biosorbsiya və akkumulyasiya yolu ilə sudan qeyri-üzvi ionları çıxara bilər17,18. Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolica, 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 göstərir ki, Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ və ya Pb2+ ionları hüceyrə morfologiyasını dəyişdirərək və onların xloroplastlarını məhv edərək Scenedesmus-un böyüməsini məhdudlaşdırır20,21.
Üzvi çirkləndiricilərin parçalanması və ağır metal ionlarının çıxarılması üçün yaşıl üsullar dünyanın hər yerindən alim və mühəndislərin diqqətini cəlb etmişdir. Bu, əsasən bu çirkləndiricilərin maye fazada asanlıqla emal olunması ilə əlaqədardır. Lakin qeyri-üzvi kristal çirkləndiricilər aşağı suda həll olma qabiliyyəti və müxtəlif biotransformasiyalara qarşı aşağı həssaslıqla xarakterizə olunur ki, bu da rekultivasiyada böyük çətinliklərə səbəb olur və bu sahədə az irəliləyiş əldə edilmişdir22,23,24,25,26. Beləliklə, nanomaterialların bərpası üçün ekoloji cəhətdən təmiz həllərin axtarışı mürəkkəb və araşdırılmamış bir sahə olaraq qalır. 2D nanomaterialların biotransformasiya təsirləri ilə bağlı yüksək dərəcədə qeyri-müəyyənlik səbəbindən, reduksiya zamanı onların mümkün parçalanma yollarını tapmaq üçün asan bir yol yoxdur.
Bu tədqiqatda, qeyri-üzvi keramika materialları üçün aktiv sulu bioremediasiya agenti kimi yaşıl mikroyosunlardan istifadə etdik və qeyri-üzvi keramika materiallarının nümayəndəsi kimi MXene-nin parçalanma prosesinin yerində monitorinqini apardıq. "MXene" termini Mn+1XnTx materialının stexiometriyasını əks etdirir, burada M erkən keçid metalı, X karbon və/və ya azot, Tx səth terminatorudur (məsələn, -OH, -F, -Cl) və n = 1, 2, 3 və ya 427.28. Naguib və digərləri tərəfindən MXenlərin kəşfindən bəri. Sensorika, xərçəng müalicəsi və membran filtrasiyası 27,29,30. Bundan əlavə, MXenlər əla kolloid stabilliyi və mümkün bioloji qarşılıqlı təsirlərinə görə model 2D sistemləri hesab edilə bilər31,32,33,34,35,36.
Buna görə də, bu məqalədə hazırlanmış metodologiya və tədqiqat fərziyyələrimiz Şəkil 1-də göstərilmişdir. Bu fərziyyəyə əsasən, mikroyosunlar səthlə əlaqəli fiziki-kimyəvi qarşılıqlı təsirlər səbəbindən Nb əsaslı MXenləri toksik olmayan birləşmələrə parçalayır və bu da yosunların daha da bərpa olunmasına imkan verir. Bu fərziyyəni sınaqdan keçirmək üçün erkən niobium əsaslı keçid metal karbidləri və/və ya nitridləri (MXenlər) ailəsinin iki üzvü, yəni Nb2CTx və Nb4C3TX seçilmişdir.
Yaşıl mikroyosun Raphidocelis subcapitata tərəfindən MXene bərpası üçün tədqiqat metodologiyası və sübutlara əsaslanan fərziyyələr. Xahiş edirik unutmayın ki, bu, sadəcə sübutlara əsaslanan fərziyyələrin sxematik təsviridir. Göl mühiti istifadə olunan qida mühiti və şəraitdə (məsələn, gündəlik dövr və mövcud vacib qida maddələrindəki məhdudiyyətlər) fərqlənir. BioRender.com ilə yaradılmışdır.
Buna görə də, MXene-ni model sistemi kimi istifadə etməklə, digər ənənəvi nanomateriallarla müşahidə edilə bilməyən müxtəlif bioloji təsirlərin öyrənilməsinə yol açdıq. Xüsusilə, niobium əsaslı MXenlər kimi ikiölçülü nanomaterialların Raphidocelis subcapitata mikroyosunları tərəfindən bioremediasiyasının mümkünlüyünü nümayiş etdiririk. Mikroyosunlar Nb-MXenləri niobium udma mexanizmi vasitəsilə qida maddələri təmin edən toksik olmayan oksidlər NbO və Nb2O5-ə parçalaya bilir. Ümumilikdə, bu tədqiqat ikiölçülü nanomaterialların bioremediasiya mexanizmlərini idarə edən səth fiziki-kimyəvi qarşılıqlı təsirlərlə əlaqəli proseslər haqqında vacib bir fundamental suala cavab verir. Bundan əlavə, 2D nanomaterialların formasındakı incə dəyişiklikləri izləmək üçün sadə bir forma parametrlərinə əsaslanan bir metod hazırlayırıq. Bu, qeyri-üzvi kristal nanomaterialların müxtəlif ətraf mühit təsirləri ilə bağlı daha qısamüddətli və uzunmüddətli tədqiqatlara ilham verir. Beləliklə, tədqiqatımız material səthi ilə bioloji material arasındakı qarşılıqlı təsirin anlaşılmasını artırır. Biz həmçinin onların şirin su ekosistemlərinə mümkün təsirlərinin genişləndirilmiş qısamüddətli və uzunmüddətli tədqiqatları üçün əsas təmin edirik və bu tədqiqatlar artıq asanlıqla təsdiqlənə bilər.
MXenlər unikal və cəlbedici fiziki və kimyəvi xüsusiyyətlərinə və buna görə də bir çox potensial tətbiq sahələrinə malik maraqlı bir material sinfini təmsil edir. Bu xüsusiyyətlər əsasən onların stexiometriyasından və səth kimyasından asılıdır. Buna görə də, tədqiqatımızda iki növ Nb əsaslı iyerarxik tək qatlı (SL) MXenləri, Nb2CTx və Nb4C3TX araşdırdıq, çünki bu nanomaterialların fərqli bioloji təsirləri müşahidə edilə bilər. MXenlər başlanğıc materiallarından atom baxımından nazik MAX fazalı A təbəqələrinin yuxarıdan aşağıya selektiv aşındırılması yolu ilə istehsal olunur. MAX fazası, keçid metal karbidlərinin "birləşdirilmiş" bloklarından və MnAXn-1 stexiometriyası ilə Al, Si və Sn kimi "A" elementlərinin nazik təbəqələrindən ibarət üçqat keramikadır. İlkin MAX fazasının morfologiyası skanedici elektron mikroskopiyası (SEM) ilə müşahidə edildi və əvvəlki tədqiqatlarla uyğun idi (Əlavə Məlumat, SI, Şəkil S1-ə baxın). Çoxqatlı (ML) Nb-MXen, Al təbəqəsini 48% HF (flüor turşusu) ilə çıxardıqdan sonra əldə edildi. ML-Nb2CTx və ML-Nb4C3TX morfologiyası skanlama elektron mikroskopiyası (SEM) ilə araşdırıldı (müvafiq olaraq Şəkillər S1c və S1d) və uzunsov məsamə bənzəri yarıqlardan keçən ikiölçülü nanoflaklara bənzər tipik laylı MXene morfologiyası müşahidə edildi. Hər iki Nb-MXene əvvəllər turşu aşındırması ilə sintez edilmiş MXene fazaları ilə çox oxşarlığa malikdir27,38. MXene-nin strukturunu təsdiqlədikdən sonra, tetrabutilamonium hidroksidin (TBAOH) interkalasiyası, ardınca yuyulma və sonikasiya ilə laylara böldük, bundan sonra tək qatlı və ya aşağı qatlı (SL) 2D Nb-MXene nanoflakları əldə etdik.
Aşındırma və daha sonra soyulmanın səmərəliliyini yoxlamaq üçün yüksək qətnaməli ötürücü elektron mikroskopiyasından (HRTEM) və rentgen difraksiyasından (XRD) istifadə etdik. Tərs Sürətli Furye Çevrilməsi (IFFT) və Sürətli Furye Çevrilməsi (FFT) istifadə edilərək işlənmiş HRTEM nəticələri Şəkil 2-də göstərilmişdir. Atom təbəqəsinin quruluşunu yoxlamaq və müstəvilərarası məsafələri ölçmək üçün Nb-MXene nanotəpəcələri kənarları yuxarıya doğru yönəldilmişdir. MXene Nb2CTx və Nb4C3TX nanotəpəcələrinin HRTEM şəkilləri, əvvəllər Naguib və digərləri tərəfindən bildirildiyi kimi, onların atom baxımından nazik təbəqəli təbiətini ortaya qoydu (Şəkil 2a1, a2-yə baxın). İki bitişik Nb2CTx və Nb4C3Tx monolayerləri üçün müvafiq olaraq 0,74 və 1,54 nm təbəqələrarası məsafələr təyin etdik (Şəkil 2b1, b2), bu da əvvəlki nəticələrimizlə uyğun gəlir38. Bu, tərs sürətli Furye çevrilməsi (Şəkil 2c1, c2) və Nb2CTx və Nb4C3Tx monolayerləri arasındakı məsafəni göstərən sürətli Furye çevrilməsi (Şəkil 2d1, d2) ilə daha da təsdiqləndi. Şəkildə niobium və karbon atomlarına uyğun işıq və tünd zolaqların növbələşməsi göstərilir ki, bu da tədqiq olunan MXenlərin laylı təbiətini təsdiqləyir. Qeyd etmək vacibdir ki, Nb2CTx və Nb4C3Tx üçün əldə edilən enerji dispersiyaedici rentgen spektroskopiyası (EDX) spektrləri (Şəkillər S2a və S2b) orijinal MAX fazasının qalığını göstərməyib, çünki heç bir Al pik aşkar edilməyib.
SL Nb2CTx və Nb4C3Tx MXene nanoflaklarının xarakteristikası, o cümlədən (a) yüksək qətnaməli elektron mikroskopiyası (HRTEM) yan görünüşlü 2D nanoflak görüntüləməsi və müvafiq olaraq, (b) intensivlik rejimi, (c) tərs sürətli Furye çevrilməsi (IFFT), (d) sürətli Furye çevrilməsi (FFT), (e) Nb-MXenes rentgen nümunələri. SL 2D Nb2CTx üçün ədədlər (a1, b1, c1, d1, e1) kimi ifadə edilir. SL 2D Nb4C3Tx üçün ədədlər (a2, b2, c2, d2, e1) kimi ifadə edilir.
SL Nb2CTx və Nb4C3Tx MXenlərinin rentgen difraksiya ölçmələri müvafiq olaraq Şəkil 2e1 və e2-də göstərilmişdir. 4.31 və 4.32-dəki zirvələr (002) əvvəllər təsvir edilmiş laylı MXenlər Nb2CTx və Nb4C3TX38,39,40,41-ə uyğun gəlir. XRD nəticələri həmçinin bəzi qalıq ML strukturlarının və MAX fazalarının mövcudluğunu göstərir, lakin əsasən SL Nb4C3Tx ilə əlaqəli XRD nümunələridir (Şəkil 2e2). MAX fazasının daha kiçik hissəciklərinin olması təsadüfi şəkildə yığılmış Nb4C3Tx təbəqələri ilə müqayisədə daha güclü MAX pikini izah edə bilər.
Əlavə tədqiqatlar R. subcapitata növünə aid yaşıl mikroyosunlara yönəlmişdir. Biz mikroyosunları seçdik, çünki onlar əsas qida torlarında iştirak edən vacib istehsalçılardır42. Onlar həmçinin qida zəncirinin daha yüksək səviyyələrinə daşınan zəhərli maddələri çıxarmaq qabiliyyətinə görə toksikliyin ən yaxşı göstəricilərindən biridir43. Bundan əlavə, R. subcapitata üzərində aparılan tədqiqatlar SL Nb-MXenlərin adi şirin su mikroorqanizmlərinə təsadüfi toksikliyinə işıq sala bilər. Bunu göstərmək üçün tədqiqatçılar hər bir mikrobun ətraf mühitdə mövcud olan zəhərli birləşmələrə fərqli həssaslığa malik olduğu fərziyyəsini irəli sürdülər. Əksər orqanizmlər üçün maddələrin aşağı konsentrasiyaları onların böyüməsinə təsir etmir, müəyyən bir həddən yuxarı konsentrasiyalar isə onları maneə törədə və ya hətta ölümə səbəb ola bilər. Buna görə də, mikroyosunlar və MXenlər arasındakı səth qarşılıqlı təsiri və əlaqəli bərpa ilə bağlı tədqiqatlarımız üçün Nb-MXenlərin zərərsiz və zəhərli konsentrasiyalarını sınaqdan keçirməyə qərar verdik. Bunu etmək üçün, istənilən bioloji mühit üçün həddindən artıq və ölümcül ola bilən çox yüksək konsentrasiyalı MXene (100 mq l-1 MXene) ilə 0 (istinad olaraq), 0.01, 0.1 və 10 mq l-1 MXene konsentrasiyalarını və əlavə olaraq yoluxmuş mikroyosunları sınaqdan keçirdik.
SL Nb-MXenlərin mikroyosunlara təsiri Şəkil 3-də göstərilib və 0 mq l-1 nümunələri üçün ölçülmüş böyümə təşviqi (+) və ya inhibə (-) faizi kimi ifadə olunur. Müqayisə üçün, Nb-MAX fazası və ML Nb-MXenləri də sınaqdan keçirilmiş və nəticələr SI-də göstərilmişdir (Şəkil S3-ə baxın). Əldə edilən nəticələr təsdiqlədi ki, Şəkil 3a,b-də göstərildiyi kimi, SL Nb-MXenlərin 0,01-dən 10 mq/l-ə qədər aşağı konsentrasiyalar diapazonunda demək olar ki, tamamilə toksiklikdən məhrumdur. Nb2CTx halında, göstərilən diapazonda 5%-dən çox ekotoksiklik müşahidə etmədik.
SL (a) Nb2CTx və (b) Nb4C3TX MXene iştirakı ilə mikroyosunların böyüməsinin stimullaşdırılması (+) və ya inhibə edilməsi (-). 24, 48 və 72 saatlıq MXene-mikroyosun qarşılıqlı təsiri təhlil edilmişdir. Əhəmiyyətli məlumatlar (t-test, p < 0.05) ulduz (*) ilə işarələnmişdir. Əhəmiyyətli məlumatlar (t-test, p < 0.05) ulduz (*) ilə işarələnmişdir. Значимые данные (t-kriteriy, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Əhəmiyyətli məlumatlar (t-test, p < 0.05) ulduz (*) ilə işarələnmişdir.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 işarələnmişdir.Qırmızı oxlar inhibitor stimullaşdırmanın ləğvini göstərir.
Digər tərəfdən, Nb4C3TX-nin aşağı konsentrasiyaları bir qədər daha zəhərli, lakin 7%-dən yüksək deyildi. Gözlənildiyi kimi, MXenlərin 100 mq L-1-də daha yüksək toksikliyə və mikroyosunların böyüməsinin inhibə edilməsinə malik olduğunu müşahidə etdik. Maraqlıdır ki, materialların heç biri MAX və ya ML nümunələri ilə müqayisədə eyni trend və zamandan asılı olaraq atoksik/toksik təsirlər göstərmədi (ətraflı məlumat üçün SI-yə baxın). MAX fazası üçün (Şəkil S3-ə baxın) toksiklik təxminən 15-25%-ə çatdı və zamanla artdı, SL Nb2CTx və Nb4C3TX MXene üçün isə əks trend müşahidə edildi. Mikroyosunların böyüməsinin inhibə edilməsi zamanla azaldı. 24 saatdan sonra təxminən 17%-ə çatdı və 72 saatdan sonra 5%-dən az düşdü (müvafiq olaraq Şəkil 3a, b).
Daha da əhəmiyyətlisi, SL Nb4C3TX üçün mikroyosunların böyüməsinin inhibisyonu 24 saatdan sonra təxminən 27%-ə çatdı, lakin 72 saatdan sonra təxminən 1%-ə düşdü. Buna görə də, müşahidə edilən təsiri stimullaşdırmanın tərs inhibisyonu kimi qeyd etdik və təsir SL Nb4C3TX MXene üçün daha güclü idi. Mikroyosunların böyüməsinin stimullaşdırılması SL Nb2CTx MXene ilə müqayisədə əvvəllər Nb4C3TX ilə (24 saat ərzində 10 mq L-1-də qarşılıqlı təsir) qeyd edilmişdir. İnhibisiya-stimullaşdırmanın geri təsiri biokütlənin ikiqat sürət əyrisində də yaxşı göstərilmişdir (ətraflı məlumat üçün Şəkil S4-ə baxın). İndiyə qədər yalnız Ti3C2TX MXene-nin ekotoksikliyi müxtəlif yollarla öyrənilmişdir. Zebrafiş embrionları üçün zəhərli deyil44, lakin Desmodesmus quadricauda və Sorghum saccharatum mikroyosun bitkiləri üçün orta dərəcədə ekotoksikdir45. Xüsusi təsirlərin digər nümunələrinə normal hüceyrə xətlərinə nisbətən xərçəng hüceyrə xətlərinə daha yüksək toksiklik daxildir46,47. Test şərtlərinin Nb-MXenlərin iştirakı ilə müşahidə olunan mikroyosunların böyüməsindəki dəyişikliklərə təsir edəcəyini güman etmək olardı. Məsələn, xloroplast stromasında təxminən 8 pH RuBisCO fermentinin səmərəli işləməsi üçün optimaldır. Buna görə də, pH dəyişiklikləri fotosintez sürətinə mənfi təsir göstərir48,49. Lakin, təcrübə zamanı pH-da əhəmiyyətli dəyişikliklər müşahidə etmədik (ətraflı məlumat üçün SI, Şəkil S5-ə baxın). Ümumiyyətlə, Nb-MXenlərlə mikroyosunların kulturaları zamanla məhlulun pH-nı bir qədər azaltdı. Lakin, bu azalma təmiz mühitin pH-dakı dəyişikliyə bənzəyirdi. Bundan əlavə, tapılan variasiya diapazonu təmiz mikroyosun kulturası üçün ölçülən variasiya diapazonuna (nəzarət nümunəsi) bənzəyirdi. Beləliklə, fotosintezə zamanla pH-dakı dəyişikliklərin təsir etmədiyi qənaətinə gəlirik.
Bundan əlavə, sintez edilmiş MXenlərin səth sonluqları var (Tx kimi işarə olunur). Bunlar əsasən -O, -F və -OH funksional qruplarıdır. Lakin, səth kimyası birbaşa sintez metodu ilə bağlıdır. Bu qrupların səth üzərində təsadüfi paylandığı məlumdur və bu da onların MXene50-nin xüsusiyyətlərinə təsirini proqnozlaşdırmağı çətinləşdirir. Tx-in niobiumun işıqla oksidləşməsi üçün katalitik qüvvə ola biləcəyi iddia edilə bilər. Səth funksional qrupları, həqiqətən də, əsas fotokatalizatorları üçün heterokeçidlər əmələ gətirmək üçün çoxsaylı lövbər yerləri təmin edir51. Lakin, böyümə mühitinin tərkibi effektiv fotokatalizator təmin etməmişdir (ətraflı mühit tərkibi SI Cədvəli S6-da tapıla bilər). Bundan əlavə, hər hansı bir səth modifikasiyası da çox vacibdir, çünki MXenlərin bioloji aktivliyi təbəqə sonrakı emal, oksidləşmə, üzvi və qeyri-üzvi birləşmələrin kimyəvi səth modifikasiyası52,53,54,55,56 və ya səth yükü mühəndisliyi58 səbəbindən dəyişdirilə bilər. Buna görə də, niobium oksidinin mühitdəki material qeyri-sabitliyi ilə əlaqəsinin olub-olmadığını yoxlamaq üçün mikroyosun böyümə mühitində və deionlaşdırılmış suda zeta (ζ) potensialının tədqiqatlarını apardıq (müqayisə üçün). Nəticələrimiz göstərir ki, SL Nb-MXenlər kifayət qədər sabitdir (MAX və ML nəticələri üçün SI Şəkil S6-ya baxın). SL MXenlərin zeta potensialı təxminən -10 mV-dir. SR Nb2CTx vəziyyətində ζ dəyəri Nb4C3Tx-dən bir qədər daha mənfidir. ζ dəyərindəki belə bir dəyişiklik mənfi yüklü MXen nanotəpəciklərinin səthinin mədəniyyət mühitindən müsbət yüklü ionları udur olduğunu göstərə bilər. Mədən mühitində Nb-MXenlərin zeta potensialının və keçiriciliyinin müvəqqəti ölçülməsi (daha ətraflı məlumat üçün SI-dəki S7 və S8 şəkillərinə baxın) hipotezimizi dəstəkləyir.
Lakin, hər iki Nb-MXene SL-i sıfırdan minimal dəyişikliklər göstərdi. Bu, onların mikroyosunların böyümə mühitindəki sabitliyini açıq şəkildə nümayiş etdirir. Bundan əlavə, yaşıl mikroyosunlarımızın mövcudluğunun mühitdəki Nb-MXenlərin sabitliyinə təsir edib-etməyəcəyini qiymətləndirdik. Qida mühitində və kulturada mikroyosunlarla qarşılıqlı təsirdən sonra MXenlərin zeta potensialı və keçiriciliyinin nəticələrini zamanla SI-də tapmaq olar (Şəkillər S9 və S10). Maraqlıdır ki, mikroyosunların mövcudluğunun hər iki MXenin dispersiyasını sabitləşdirdiyini gördük. Nb2CTx SL vəziyyətində, zeta potensialı zamanla daha mənfi dəyərlərə qədər bir qədər azalıb (72 saatlıq inkubasiyadan sonra -15.8 vs -19.1 mV). SL Nb4C3TX-nin zeta potensialı bir qədər artdı, lakin 72 saatdan sonra mikroyosunların iştirakı olmadan nanoflaklardan daha yüksək sabitlik göstərdi (-18.1 vs -9.1 mV).
Həmçinin mikroyosunların iştirakı ilə inkubasiya edilmiş Nb-MXen məhlullarının daha aşağı keçiriciliyini aşkar etdik ki, bu da qida mühitində daha az miqdarda ion olduğunu göstərir. Xüsusilə, suda MXenlərin qeyri-sabitliyi əsasən səth oksidləşməsi ilə əlaqədardır57. Buna görə də, yaşıl mikroyosunların Nb-MXenin səthində əmələ gələn oksidləri bir şəkildə təmizlədiyindən və hətta onların meydana gəlməsinin (MXenin oksidləşməsinin) qarşısını aldığından şübhələnirik. Bunu mikroyosunlar tərəfindən udulan maddələrin növlərini öyrənməklə görmək olar.
Ekotoksikoloji tədqiqatlarımız mikroyosunların zamanla Nb-MXenlərin toksikliyini və stimullaşdırılmış böyümənin qeyri-adi inhibisiyasını aradan qaldıra bildiyini göstərsə də, tədqiqatımızın məqsədi mümkün təsir mexanizmlərini araşdırmaq idi. Yosunlar kimi orqanizmlər ekosistemlərinə tanış olmayan birləşmələrə və ya materiallara məruz qaldıqda, müxtəlif yollarla reaksiya verə bilərlər58,59. Zəhərli metal oksidləri olmadıqda, mikroyosunlar özlərini qidalandıra bilər və bu da onların davamlı böyüməsinə imkan verir60. Zəhərli maddələrin qəbulundan sonra forma və ya formanın dəyişdirilməsi kimi müdafiə mexanizmləri aktivləşə bilər. Absorbsiya ehtimalı da nəzərə alınmalıdır58,59. Xüsusilə, müdafiə mexanizminin hər hansı bir əlaməti sınaq birləşməsinin toksikliyinin açıq bir göstəricisidir. Buna görə də, sonrakı işimizdə SL Nb-MXen nanotəpələri və mikroyosunlar arasında SEM tərəfindən potensial səth qarşılıqlı təsirini və Nb əsaslı MXenin rentgen flüoresans spektroskopiyası (XRF) ilə mümkün absorbsiyasını araşdırdıq. Qeyd edək ki, SEM və XRF analizləri aktivlik toksikliyi məsələlərini həll etmək üçün yalnız MXenin ən yüksək konsentrasiyasında aparılmışdır.
SEM nəticələri Şəkil 4-də göstərilib. Müalicə olunmamış mikroyosun hüceyrələri (bax Şəkil 4a, istinad nümunəsi) tipik R. subcapitata morfologiyasını və kruassana bənzər hüceyrə formasını aydın şəkildə göstərdi. Hüceyrələr yastı və bir qədər nizamsız görünür. Bəzi mikroyosun hüceyrələri bir-biri ilə üst-üstə düşür və dolaşırdı, lakin bu, ehtimal ki, nümunənin hazırlanması prosesindən qaynaqlanırdı. Ümumiyyətlə, təmiz mikroyosun hüceyrələri hamar bir səthə malik idi və heç bir morfoloji dəyişiklik göstərmədi.
Yaşıl mikroyosunlar və MXene nanotəbəkələri arasında 72 saatlıq qarşılıqlı təsirdən sonra (100 mq L-1) həddindən artıq konsentrasiyada səthi qarşılıqlı təsiri göstərən SEM şəkilləri. (a) SL (b) Nb2CTx və (c) Nb4C3TX MXenlərlə qarşılıqlı təsirdən sonra emal olunmamış yaşıl mikroyosunlar. Qeyd edək ki, Nb-MXene nanotəbəkələri qırmızı oxlarla işarələnib. Müqayisə üçün optik mikroskopdan fotoşəkillər də əlavə edilib.
Bunun əksinə olaraq, SL Nb-MXen nanotəpəcikləri tərəfindən adsorbsiya olunmuş mikroyosun hüceyrələri zədələnmişdir (Şəkil 4b, c, qırmızı oxlara baxın). Nb2CTx MXene (Şəkil 4b) vəziyyətində, mikroyosunlar morfologiyasını dəyişdirə bilən ikiölçülü nanotəpəciklərlə böyüməyə meyllidirlər. Xüsusilə, bu dəyişiklikləri işıq mikroskopiyası altında da müşahidə etdik (ətraflı məlumat üçün SI Şəkil S11-ə baxın). Bu morfoloji keçid mikroyosunların fiziologiyasında və hüceyrə həcminin artırılması kimi hüceyrə morfologiyasını dəyişdirərək özlərini müdafiə etmək qabiliyyətlərində inandırıcı əsasa malikdir61. Buna görə də, Nb-MXenlərlə əslində təmasda olan mikroyosun hüceyrələrinin sayını yoxlamaq vacibdir. SEM tədqiqatları göstərdi ki, mikroyosun hüceyrələrinin təxminən 52%-i Nb-MXenlərə məruz qalıb, bu mikroyosun hüceyrələrinin isə 48%-i təmasdan qaçıb. SL Nb4C3Tx MXene üçün mikroyosunlar MXene ilə təmasdan qaçmağa çalışır, bununla da ikiölçülü nanoölçülərdən lokallaşır və böyüyür (Şəkil 4c). Lakin, nanoölçülərin mikroyosun hüceyrələrinə nüfuz etməsini və onların zədələnməsini müşahidə etmədik.
Özünüqoruma, həmçinin hüceyrə səthində hissəciklərin adsorbsiyası və sözdə kölgələmə (kölgələmə) effekti səbəbindən fotosintezin tıxanmasına qarşı zamandan asılı cavab davranışıdır62. Mikroyosunlar və işıq mənbəyi arasında olan hər bir obyektin (məsələn, Nb-MXene nanoflakes) xloroplastların udduğu işığın miqdarını məhdudlaşdırdığı aydındır. Lakin, bunun əldə edilən nəticələrə əhəmiyyətli dərəcədə təsir etdiyinə şübhə etmirik. Mikroskopik müşahidələrimizdən göründüyü kimi, 2D nanoflakeslər, mikroyosun hüceyrələri Nb-MXenlərlə təmasda olduqda belə, mikroyosunların səthinə tamamilə bükülməmiş və ya yapışmamışdır. Bunun əvəzinə, nanoflakeslərin səthini örtmədən mikroyosun hüceyrələrinə yönəldildiyi ortaya çıxdı. Belə bir nanoflakes/mikroyosun dəsti mikroyosun hüceyrələri tərəfindən udulmuş işığın miqdarını əhəmiyyətli dərəcədə məhdudlaşdıra bilməz. Bundan əlavə, bəzi tədqiqatlar hətta ikiölçülü nanomaterialların iştirakı ilə fotosintetik orqanizmlər tərəfindən işığın udulmasında yaxşılaşma olduğunu nümayiş etdirmişdir63,64,65,66.
SEM görüntüləri mikroyosun hüceyrələri tərəfindən niobiumun mənimsənilməsini birbaşa təsdiqləyə bilmədiyindən, sonrakı tədqiqatımız bu məsələni aydınlaşdırmaq üçün rentgen flüoresansı (XRF) və rentgen fotoelektron spektroskopiyası (XPS) analizinə müraciət etdi. Buna görə də, MXenlərlə qarşılıqlı təsir göstərməyən istinad mikroyosun nümunələrinin Nb piklərinin intensivliyini, mikroyosun hüceyrələrinin səthindən ayrılan MXen nanotəpəciklərini və bağlı MXenlərin çıxarılmasından sonra mikroyosun hüceyrələrini müqayisə etdik. Qeyd etmək lazımdır ki, Nb mənimsənilmədikdə, bağlı nanotəpəciklərin çıxarılmasından sonra mikroyosun hüceyrələri tərəfindən əldə edilən Nb dəyəri sıfır olmalıdır. Buna görə də, Nb mənimsənilməsi baş verərsə, həm XRF, həm də XPS nəticələri aydın Nb pikini göstərməlidir.
XRF spektrləri halında, mikroyosun nümunələri SL Nb2CTx və Nb4C3Tx MXene ilə qarşılıqlı təsirdən sonra SL Nb2CTx və Nb4C3Tx MXene üçün Nb piklərini göstərdi (Şəkil 5a-ya baxın, həmçinin MAX və ML MXenləri üçün nəticələrin SI, Şəkil S12–C17-də göstərildiyini unutmayın). Maraqlıdır ki, hər iki halda Nb pikinin intensivliyi eynidir (Şəkil 5a-da qırmızı zolaqlar). Bu, yosunların daha çox Nb uda bilmədiyini və hüceyrələrdə Nb yığılması üçün maksimum tutum əldə edildiyini göstərirdi, baxmayaraq ki, mikroyosun hüceyrələrinə iki dəfə çox Nb4C3Tx MXene yapışdırılmışdı (Şəkil 5a-da mavi zolaqlar). Xüsusilə, mikroyosunların metalları uda bilmə qabiliyyəti ətraf mühitdəki metal oksidlərinin konsentrasiyasından asılıdır67,68. Şamşada və digərləri67 şirin su yosunlarının uda bilmə qabiliyyətinin pH səviyyəsinin artması ilə azaldığını aşkar etdilər. Raize və digərləri68 dəniz yosununun metalları udma qabiliyyətinin Pb2+ üçün Ni2+ ilə müqayisədə təxminən 25% daha yüksək olduğunu qeyd etdilər.
(a) Yaşıl mikroyosun hüceyrələri tərəfindən SL Nb-MXenlərin (100 mq L-1) həddindən artıq konsentrasiyasında 72 saat ərzində inkubasiya edilmiş bazal Nb udulmasının XRF nəticələri. Nəticələr təmiz mikroyosun hüceyrələrində (nəzarət nümunəsi, boz sütunlar), səth mikroyosun hüceyrələrindən təcrid olunmuş 2D nanotəpəciklərdə (mavi sütunlar) və səthdən 2D nanotəpəciklərin ayrılmasından sonra mikroyosun hüceyrələrində (qırmızı sütunlar) α-nın mövcudluğunu göstərir. Elementar Nb-nin miqdarı, (b) SL Nb-MXenlərlə inkubasiyadan sonra mikroyosun hüceyrələrində mövcud olan mikroyosun üzvi komponentlərinin (C=O və CHx/C–O) və Nb oksidlərinin kimyəvi tərkibinin faizi, (c–e) XPS SL Nb2CTx spektrlərinin və (fh) Mikroyosun hüceyrələri tərəfindən daxililəşdirilmiş SL Nb4C3Tx MXeninin tərkib zirvəsinin uyğunlaşdırılması.
Buna görə də, Nb-nin yosun hüceyrələri tərəfindən oksidlər şəklində udula biləcəyini gözləyirdik. Bunu sınaqdan keçirmək üçün MXenlər Nb2CTx və Nb4C3TX və yosun hüceyrələri üzərində XPS tədqiqatları apardıq. Mikroyosunların Nb-MXenlər və yosun hüceyrələrindən təcrid olunmuş MXenlərlə qarşılıqlı təsirinin nəticələri Şəkil 5b-də göstərilmişdir. Gözlənildiyi kimi, mikroyosunların səthindən MXen çıxarıldıqdan sonra mikroyosun nümunələrində Nb 3d piklərini aşkar etdik. C=O, CHx/CO və Nb oksidlərinin kəmiyyət təyini inkubasiya edilmiş mikroyosunlardan əldə edilən Nb2CTx SL (Şəkil 5c–e) və Nb4C3Tx SL (Şəkil 5c–e) ilə əldə edilən Nb 3d, O 1s və C 1s spektrlərinə əsasən hesablanmışdır. Şəkil 5f–h) MXenlər. Cədvəl S1-3 uyğunluqdan yaranan pik parametrlərinin və ümumi kimyanın təfərrüatlarını göstərir. Diqqətəlayiqdir ki, Nb2CTx SL və Nb4C3Tx SL-in Nb 3d bölgələri (Şəkil 5c, f) bir Nb2O5 komponentinə uyğun gəlir. Burada spektrlərdə MXene ilə əlaqəli piklər tapmadıq, bu da mikroyosun hüceyrələrinin yalnız Nb-nin oksid formasını udurduğunu göstərir. Bundan əlavə, C 1s spektrini C–C, CHx/C–O, C=O və –COOH komponentləri ilə təxminiləşdirdik. CHx/C–O və C=O piklərini mikroyosun hüceyrələrinin üzvi töhfəsinə aid etdik. Bu üzvi komponentlər müvafiq olaraq Nb2CTx SL və Nb4C3TX SL-də C 1s piklərinin 36%-ni və 41%-ni təşkil edir. Daha sonra SL Nb2CTx və SL Nb4C3TX-in O 1s spektrlərini Nb2O5, mikroyosunların üzvi komponentləri (CHx/CO) və səth adsorbsiya olunmuş su ilə uyğunlaşdırdıq.
Nəhayət, XPS nəticələri Nb-nin yalnız mövcudluğunu deyil, formasını da açıq şəkildə göstərdi. Nb 3d siqnalının mövqeyinə və dekonvolyusiya nəticələrinə əsasən, Nb-nin yalnız oksidlər şəklində udulduğunu, ionlar və ya MXenin özünün deyil, təsdiqləyirik. Bundan əlavə, XPS nəticələri göstərdi ki, mikroyosun hüceyrələri SL Nb4C3TX MXene ilə müqayisədə SL Nb2CTx-dən Nb oksidlərini udmaq qabiliyyətinə daha çox malikdir.
Nb udma nəticələrimiz təsirli olsa da və MXene parçalanmasını müəyyən etməyə imkan versə də, 2D nanoflaklarda əlaqəli morfoloji dəyişiklikləri izləmək üçün heç bir metod mövcud deyil. Buna görə də, 2D Nb-MXene nanoflaklarında və mikroyosun hüceyrələrində baş verən hər hansı bir dəyişikliyə birbaşa cavab verə bilən uyğun bir metod hazırlamağa qərar verdik. Qeyd etmək vacibdir ki, qarşılıqlı təsir göstərən növlər hər hansı bir transformasiyaya, parçalanmaya və ya defraqmentasiyaya məruz qalarsa, bunun ekvivalent dairəvi sahənin diametri, yuvarlaqlıq, Feret eni və ya Feret uzunluğu kimi forma parametrlərində dəyişikliklər kimi tez bir zamanda özünü göstərəcəyini fərz edirik. Bu parametrlər uzunsov hissəcikləri və ya ikiölçülü nanoflakları təsvir etmək üçün uyğun olduğundan, onların dinamik hissəcik forma təhlili ilə izlənməsi bizə SL Nb-MXene nanoflaklarının reduksiya zamanı morfoloji transformasiyası haqqında dəyərli məlumatlar verəcəkdir.
Əldə edilən nəticələr Şəkil 6-da göstərilmişdir. Müqayisə üçün orijinal MAX fazasını 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 dəyişib. Ekvivalent dairəvi sahə diametri parametri ilə göstərildiyi kimi (Şəkil 6a, b), böyük nanoflakların fraksiyasının azalmış pik intensivliyi onların daha kiçik fraqmentlərə parçalanmağa meylli olduğunu göstərir. Şəkil 6c-də, d, lopaların eninə ölçüsü (nanoflakların uzanması) ilə əlaqəli piklərdə azalma göstərir ki, bu da 2D nanoflakların daha hissəcikbənzər formaya çevrilməsini göstərir. Şəkil 6e-h müvafiq olaraq Feretin eni və uzunluğunu göstərir. Feretin eni və uzunluğu tamamlayıcı parametrlərdir və buna görə də birlikdə nəzərdən keçirilməlidir. 2D Nb-MXene nanoflaklarının mikroyosunların iştirakı ilə inkubasiyasından sonra onların Feret korrelyasiya pikləri dəyişdi və intensivliyi azaldı. Morfologiya, XRF və XPS ilə birlikdə bu nəticələrə əsaslanaraq, müşahidə olunan dəyişikliklərin oksidləşmə ilə güclü şəkildə əlaqəli olduğu qənaətinə gəldik, çünki oksidləşmiş MXenlər daha qırışır və fraqmentlərə və sferik oksid hissəciklərinə parçalanır69,70.
Yaşıl mikroyosunlarla qarşılıqlı təsirdən sonra MXen 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 ilkin SL Nb2CTx və SL Nb4C3Tx MXenləri, SL Nb2CTx və SL Nb4C3Tx MXenləri, parçalanmış mikroyosunlar və işlənmiş mikroyosunlar SL Nb2CTx və SL Nb4C3Tx MXenləri 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 nanoflakları ilə qarşılıqlı təsirdən sonra təmiz mikroyosun hüceyrələrinin və hüceyrələrinin ekvivalent dairəvi sahə diametrini, yuvarlaqlığını və Feret enini/uzunluğunu təhlil etdik. Şəkil 6a–h-də yosun hüceyrələrinin forma parametrlərindəki dəyişikliklər göstərilir, bu da pik intensivliyinin azalması və maksimumların daha yüksək dəyərlərə doğru sürüşməsi ilə sübut olunur. Xüsusilə, hüceyrə yuvarlaqlığı parametrləri uzanmış hüceyrələrdə azalma və sferik hüceyrələrdə artım göstərdi (Şəkil 6a, b). Bundan əlavə, Feret hüceyrəsinin eni SL Nb4C3TX MXene ilə müqayisədə SL Nb2CTx MXene ilə qarşılıqlı təsirdən sonra bir neçə mikrometr artmışdır (Şəkil 6e). Şübhələnirik ki, bu, Nb2CTx SR ilə qarşılıqlı təsir zamanı mikroyosunlar tərəfindən Nb oksidlərinin güclü mənimsənilməsi ilə əlaqəli ola bilər. Nb lopalarının səthinə daha az sərt yapışması minimal kölgə effekti ilə hüceyrə böyüməsinə səbəb ola bilər.
Mikroyosunların forma və ölçü parametrlərindəki dəyişikliklərlə bağlı müşahidələrimiz digər tədqiqatları tamamlayır. Yaşıl mikroyosunlar ətraf mühitin stresinə cavab olaraq hüceyrə ölçüsünü, formasını və ya maddələr mübadiləsini dəyişdirərək morfologiyasını dəyişə bilərlər61. Məsələn, hüceyrələrin ölçüsünün dəyişdirilməsi qida maddələrinin udulmasını asanlaşdırır71. Kiçik yosun hüceyrələri daha az qida qəbulu və zəifləmiş böyümə sürətini göstərir. Əksinə, daha böyük hüceyrələr daha çox qida qəbul etməyə meyllidirlər və sonra hüceyrədaxili olaraq çökür72,73. Maçado və Soares funqisid triklosanın hüceyrə ölçüsünü artıra biləcəyini aşkar etdilər. Onlar həmçinin yosunların formasında dərin dəyişikliklər aşkar etdilər74. Bundan əlavə, Yin və digərləri9 azaldılmış qrafen oksid nanokompozitlərinə məruz qaldıqdan sonra yosunlarda morfoloji dəyişiklikləri də aşkar etdilər. Buna görə də, mikroyosunların dəyişdirilmiş ölçü/forma parametrlərinin MXenin olması səbəbindən yarandığı aydındır. Ölçü və formadakı bu dəyişiklik qida qəbulundakı dəyişiklikləri göstərdiyindən, zamanla ölçü və forma parametrlərinin təhlilinin Nb-MXenlərin iştirakı ilə mikroyosunlar tərəfindən niobium oksidinin udulmasını göstərə biləcəyinə inanırıq.
Bundan əlavə, MXenlər yosunların iştirakı ilə oksidləşə bilər. Dalai və digərləri75 nano-TiO2 və Al2O376-ya məruz qalan yaşıl yosunların morfologiyasının vahid olmadığını müşahidə etdilər. Müşahidələrimiz hazırkı tədqiqata oxşar olsa da, bu, yalnız nanopartikullar deyil, 2D nanopartikulların iştirakı ilə MXen parçalanma məhsulları baxımından bioremediasiyanın təsirlərinin öyrənilməsi üçün aktualdır. MXenlər metal oksidlərinə parçalana bildiyindən31,32,77,78, Nb nanotartikullarımızın mikroyosun hüceyrələri ilə qarşılıqlı təsirdən sonra Nb oksidləri də əmələ gətirə biləcəyini düşünmək ağlabatandır.
2D-Nb nanoflaklarının oksidləşmə prosesinə əsaslanan parçalanma mexanizmi vasitəsilə reduksiyasını izah etmək üçün yüksək qətnaməli ötürmə elektron mikroskopiyası (HRTEM) (Şəkil 7a,b) və rentgen fotoelektron spektroskopiyası (XPS) (Şəkil 7) istifadə edərək tədqiqatlar apardıq. 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 sonradan metal oksid nanopartikullarının görünüşünü təhlil edə bilir, XPS isə səthi bağlara həssasdır. Bu məqsədlə, mikroyosun hüceyrə dispersiyalarından çıxarılan 2D Nb-MXene nanoflaklarını, yəni mikroyosun hüceyrələri ilə qarşılıqlı təsirdən sonra onların formasını sınaqdan keçirdik (Şəkil 7-yə baxın).
Oksidləşmiş (a) SL Nb2CTx və (b) SL Nb4C3Tx MXenlərin morfologiyasını göstərən HRTEM şəkilləri, XPS analiz nəticələri (c) reduksiyadan sonra oksid məhsullarının tərkibini, (d–f) yaşıl mikroyosunlarla bərpa olunmuş SL Nb2CTx və (g–i) Nb4C3Tx SL-in XPS spektrlərinin komponentlərinin pik uyğunluğunu göstərir.
HRTEM tədqiqatları iki növ Nb-MXene nanoflaklarının oksidləşməsini təsdiqlədi. Nanooflaklar müəyyən dərəcədə ikiölçülü morfologiyasını saxlasalar da, oksidləşmə MXene nanoflaklarının səthini örtən bir çox nanohissəciklərin meydana gəlməsinə səbəb oldu (Şəkil 7a, b-yə baxın). c Nb 3d və O 1s siqnallarının XPS təhlili 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 nanoflak səthinin funksionallaşması ilə əlaqəli O-Nb rabitələrinin sayını göstərir. Nb oksid töhfəsinin Nb-C və Nb3+-O ilə müqayisədə dominant olduğunu gördük.
Şəkil 7g–i-də mikroyosun hüceyrələrindən təcrid olunmuş Nb 3d, C 1s və O 1s SL Nb2CTx (Şəkil 7d–f-yə baxın) və SL Nb4C3TX MXeninin XPS spektrləri göstərilir. Nb-MXenlərin pik parametrlərinin təfərrüatları müvafiq olaraq S4–5 cədvəllərində verilmişdir. Əvvəlcə Nb 3d-nin tərkibini təhlil etdik. Mikroyosun hüceyrələri tərəfindən udulmuş Nb-dən fərqli olaraq, mikroyosun hüceyrələrindən təcrid olunmuş MXendə Nb2O5-dən başqa digər komponentlər də tapıldı. Nb2CTx SL-də Nb3+-O-nun 15% miqdarında töhfəsini müşahidə etdik, Nb 3d spektrinin qalan hissəsində isə Nb2O5 (85%) üstünlük təşkil etdi. Bundan əlavə, SL Nb4C3TX nümunəsində Nb-C (9%) və Nb2O5 (91%) komponentləri var. Burada Nb-C, Nb4C3Tx SR-də metal karbidin iki daxili atom təbəqəsindən gəlir. Daha sonra daxililəşdirilmiş nümunələrdə etdiyimiz kimi, C 1s spektrlərini dörd fərqli komponentə uyğunlaşdırırıq. Gözlənildiyi kimi, C 1s spektrində qrafit karbon üstünlük təşkil edir, ardınca mikroyosun hüceyrələrindən üzvi hissəciklərin (CHx/CO və C=O) töhfələri gəlir. Bundan əlavə, O 1s spektrində mikroyosun hüceyrələrinin üzvi formalarının, niobium oksidinin və adsorbsiya olunmuş suyun töhfəsini müşahidə etdik.
Bundan əlavə, Nb-MXenlərin parçalanmasının qida mühitində və/və ya mikroyosun hüceyrələrində reaktiv oksigen növlərinin (ROS) mövcudluğu ilə əlaqəli olub-olmadığını araşdırdıq. Bu məqsədlə, kultura mühitindəki tək oksigenin (1O2) və mikroyosunlarda antioksidant kimi çıxış edən tiol olan hüceyrədaxili qlutationun səviyyələrini qiymətləndirdik. Nəticələr SI-də göstərilmişdir (Şəkil S20 və S21). SL Nb2CTx və Nb4C3TX MXenləri olan kulturalar 1O2 miqdarının azalması ilə xarakterizə edilmişdir (Şəkil S20-yə baxın). SL Nb2CTx vəziyyətində MXene 1O2 təxminən 83%-ə qədər azalır. SL istifadə edən mikroyosun kulturaları üçün Nb4C3TX 1O2 daha da azalaraq 73%-ə qədər azalmışdır. Maraqlıdır ki, 1O2-dəki dəyişikliklər əvvəllər müşahidə edilən inhibitor-stimullaşdırıcı təsirlə eyni tendensiyanı göstərdi (Şəkil 3-ə baxın). Parlaq işıqda inkubasiyanın fotooksidləşməni dəyişdirə biləcəyi iddia edilə bilər. Lakin, nəzarət analizinin nəticələri təcrübə zamanı 1O2-nin demək olar ki, sabit səviyyələrini göstərdi (Şəkil S22). Hüceyrədaxili ROS səviyyələri halında da eyni aşağı meyli müşahidə etdik (Şəkil S21-ə baxın). Əvvəlcə, Nb2CTx və Nb4C3Tx SL-lərin iştirakı ilə becərilən mikroyosun hüceyrələrindəki ROS səviyyələri mikroyosunların təmiz kulturalarında olan səviyyələri aşdı. Lakin sonda məlum oldu ki, mikroyosunlar hər iki Nb-MXenin iştirakına uyğunlaşıb, çünki ROS səviyyələri SL Nb2CTx və Nb4C3TX ilə peyvənd edilmiş mikroyosunların təmiz kulturalarında ölçülən səviyyələrin müvafiq olaraq 85%-i və 91%-i səviyyəsinə düşüb. Bu, mikroyosunların zamanla yalnız qida mühitində olduğundan daha çox Nb-MXenin iştirakı ilə özlərini daha rahat hiss etdiklərini göstərə bilər.
Mikroyosunlar fotosintetik orqanizmlərin müxtəlif qrupudur. Fotosintez zamanı onlar atmosfer karbon qazını (CO2) üzvi karbona çevirirlər. Fotosintez məhsulları qlükoza və oksigendir79. Şübhələnirik ki, bu şəkildə əmələ gələn oksigen Nb-MXenlərin oksidləşməsində mühüm rol oynayır. Bunun mümkün izahlarından biri, diferensial aerasiya parametrinin Nb-MXen nanotəpəciklərinin xaricində və içərisində oksigenin aşağı və yüksək parsial təzyiqlərində əmələ gəlməsidir. Bu o deməkdir ki, oksigenin müxtəlif parsial təzyiq sahələri olduğu yerdə ən aşağı səviyyəyə malik sahə anod 80, 81, 82 əmələ gətirəcək. Burada mikroyosunlar fotosintetik xüsusiyyətlərinə görə oksigen istehsal edən MXen lopalarının səthində diferensial aerasiya olunmuş hüceyrələrin yaranmasına kömək edir. Nəticədə biokorroziya məhsulları (bu halda niobium oksidləri) əmələ gəlir. Digər bir cəhət isə mikroyosunların suya buraxılan üzvi turşular istehsal edə bilməsidir83,84. Buna görə də aqressiv bir mühit yaranır və bununla da Nb-MXenlər dəyişir. Bundan əlavə, mikroyosunlar karbon qazının udulması səbəbindən ətraf mühitin pH-nı qələviyə çevirə bilər ki, bu da korroziyaya səbəb ola bilər79.
Daha da əhəmiyyətlisi, tədqiqatımızda istifadə edilən qaranlıq/işıqlı fotoperiod əldə edilən nəticələri anlamaq üçün çox vacibdir. Bu aspekt Djemai-Zoghlache və digərlərində ətraflı təsvir edilmişdir. 85 Onlar qırmızı mikroyosun Porphyridium purpureum tərəfindən bioçirklənmə ilə əlaqəli biokorroziyanı nümayiş etdirmək üçün qəsdən 12/12 saatlıq fotoperioddan istifadə etmişlər. Onlar fotoperiodun biokorroziya olmadan potensialın təkamülü ilə əlaqəli olduğunu və özünü 24:00 ətrafında psevdoperiodik rəqslər kimi göstərdiyini göstərirlər. Bu müşahidələr Dowling və digərləri tərəfindən təsdiqlənmişdir. 86 Onlar siyanobakteriya Anabaena-nın fotosintetik biofilmlərini nümayiş etdirdilər. Həll olmuş oksigen işığın təsiri altında əmələ gəlir ki, bu da sərbəst biokorroziya potensialında dəyişiklik və ya dalğalanmalarla əlaqələndirilir. Fotoperiodun əhəmiyyəti, sərbəst biokorroziya potensialının işıq fazasında artması və qaranlıq fazada azalması ilə vurğulanır. Bu, elektrodların yaxınlığında yaranan qismən təzyiq vasitəsilə katodik reaksiyaya təsir edən fotosintetik mikroyosunların istehsal etdiyi oksigenlə əlaqədardır87.
Bundan əlavə, Nb-MXenlərlə qarşılıqlı təsirdən sonra mikroyosun hüceyrələrinin kimyəvi tərkibində hər hansı bir dəyişiklik baş verib-vermədiyini öyrənmək üçün Furye transformasiyalı infraqırmızı spektroskopiya (FTIR) aparılmışdır. Əldə edilən bu nəticələr mürəkkəbdir və biz onları SI-də təqdim edirik (MAX mərhələsinin və ML MXenlərin nəticələri daxil olmaqla S23-S25 şəkilləri). Bir sözlə, mikroyosunların əldə edilən istinad spektrləri bizə bu orqanizmlərin kimyəvi xüsusiyyətləri haqqında vacib məlumat verir. Bu ən çox ehtimal olunan titrəmələr 1060 sm-1 (CO), 1540 sm-1, 1640 sm-1 (C=C), 1730 sm-1 (C=O), 2850 sm-1, 2920 sm-1 tezliklərində yerləşir. 1.1 1 (C–H) və 3280 sm–1 (O–H) tezliklərində yerləşir. SL Nb-MXenləri üçün əvvəlki tədqiqatımızla uyğun gələn CH-rabitə uzanma imzası tapdıq38. Lakin, C=C və CH rabitələri ilə əlaqəli bəzi əlavə piklərin yoxa çıxdığını müşahidə etdik. Bu, mikroyosunların kimyəvi tərkibinin SL Nb-MXenlərlə qarşılıqlı təsir nəticəsində kiçik dəyişikliklərə məruz qala biləcəyini göstərir.
Mikroyosunların biokimyasında mümkün dəyişiklikləri nəzərdən keçirərkən, niobium oksidi kimi qeyri-üzvi oksidlərin toplanması yenidən nəzərdən keçirilməlidir59. O, metalların hüceyrə səthi tərəfindən mənimsənilməsində, sitoplazmaya daşınmasında, hüceyrədaxili karboksil qrupları ilə əlaqəsində və mikroyosun polifosfosomlarında toplanmasında iştirak edir20,88,89,90. Bundan əlavə, mikroyosunlar və metallar arasındakı əlaqə hüceyrələrin funksional qrupları tərəfindən qorunur. Bu səbəbdən, udma da olduqca mürəkkəb olan mikroyosunların səth kimyasından asılıdır9,91. Ümumiyyətlə, gözlənildiyi kimi, yaşıl mikroyosunların kimyəvi tərkibi Nb oksidinin udulması səbəbindən bir qədər dəyişdi.
Maraqlıdır ki, mikroyosunların müşahidə edilən ilkin inhibisiyası zamanla geri dönən idi. Müşahidə etdiyimiz kimi, mikroyosunlar ilkin ətraf mühit dəyişikliyini dəf etdi və nəticədə normal böyümə sürətinə qayıtdı və hətta artdı. Zeta potensialının tədqiqatları qida mühitinə daxil edildikdə yüksək sabitlik göstərir. Beləliklə, mikroyosun hüceyrələri ilə Nb-MXene nanotəpələri arasındakı səth qarşılıqlı təsiri reduksiya təcrübələri boyunca qorunub saxlanıldı. Əlavə təhlilimizdə mikroyosunların bu əlamətdar davranışının əsasını təşkil edən əsas təsir mexanizmlərini ümumiləşdiririk.
SEM müşahidələri göstərdi ki, mikroyosunlar Nb-MXenlərə yapışmağa meyllidirlər. Dinamik görüntü analizindən istifadə edərək, bu effektin ikiölçülü Nb-MXen nanoflaklarının daha sferik hissəciklərə çevrilməsinə səbəb olduğunu təsdiqləyirik və bununla da nanoflakların parçalanmasının onların oksidləşməsi ilə əlaqəli olduğunu nümayiş etdiririk. Hipotezimizi yoxlamaq üçün bir sıra material və biokimyəvi tədqiqatlar apardıq. Testdən sonra nanoflaklar tədricən oksidləşərək NbO və Nb2O5 məhsullarına parçalandı ki, bu da yaşıl mikroyosunlar üçün təhlükə yaratmadı. FTIR müşahidəsindən istifadə edərək, 2D Nb-MXen nanoflaklarının iştirakı ilə inkubasiya edilmiş mikroyosunların kimyəvi tərkibində heç bir əhəmiyyətli dəyişiklik aşkar etmədik. Mikroyosunlar tərəfindən niobium oksidinin udulması ehtimalını nəzərə alaraq, rentgen flüoresans analizi apardıq. Bu nəticələr açıq şəkildə göstərir ki, tədqiq olunan mikroyosunlar tədqiq olunan mikroyosunlar üçün zəhərli olmayan niobium oksidləri (NbO və Nb2O5) ilə qidalanır.