Дзякуй за наведванне сайта Nature.com. Вы карыстаецеся версіяй браўзера з абмежаванай падтрымкай CSS. Для найлепшага карыстання рэкамендуем выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем адлюстроўваць сайт без стыляў і JavaScript.
Адлюстроўвае карусель з трох слайдаў адначасова. Выкарыстоўвайце кнопкі «Папярэдні» і «Наступны», каб перамяшчацца паміж трыма слайдамі адначасова, або выкарыстоўвайце кнопкі-паўзункі ў канцы, каб перамяшчацца паміж трыма слайдамі адначасова.
Хуткае развіццё нанатэхналогій і іх інтэграцыя ў паўсядзённыя прымяненні могуць пагражаць навакольнаму асяроддзю. Хоць зялёныя метады дэградацыі арганічных забруджвальнікаў добра распрацаваны, аднаўленне неарганічных крышталічных забруджвальнікаў выклікае сур'ёзную заклапочанасць з-за іх нізкай адчувальнасці да біятрансфармацыі і недастатковага разумення ўзаемадзеяння паверхні матэрыялаў з біялагічнымі. Тут мы выкарыстоўваем неарганічную 2D-мадэль MXenes на аснове Nb у спалучэнні з простым метадам аналізу параметраў формы, каб прасачыць механізм біярэмедыяцыі 2D-керамічных нанаматэрыялаў зялёнымі мікраводарасцямі Raphidocelis subcapitata. Мы выявілі, што мікраводарасці дэградуюць MXenes на аснове Nb з-за фізіка-хімічных узаемадзеянняў, звязаных з паверхняй. Першапачаткова аднаслаёвыя і шматслаёвыя нанапласцінкі MXene былі прымацаваны да паверхні мікраводарасцей, што некалькі зніжала рост водарасцяў. Аднак пры працяглым узаемадзеянні з паверхняй мікраводарасці акіслялі нанапласцінкі MXene і далей раскладалі іх на NbO і Nb2O5. Паколькі гэтыя аксіды не таксічныя для клетак мікраводарасцей, яны спажываюць наначасціцы аксіду Nb шляхам механізму паглынання, які далей аднаўляе мікраводарасці пасля 72 гадзін апрацоўкі вады. Эфекты пажыўных рэчываў, звязаныя з паглынаннем, таксама адлюстроўваюцца ў павелічэнні аб'ёму клетак, іх гладкай форме і змене хуткасці росту. Зыходзячы з гэтых высноў, мы робім выснову, што кароткатэрміновая і доўгатэрміновая прысутнасць MXenes на аснове Nb у прэснаводных экасістэмах можа выклікаць толькі нязначны ўплыў на навакольнае асяроддзе. Варта адзначыць, што, выкарыстоўваючы двухмерныя нанаматэрыялы ў якасці мадэльных сістэм, мы дэманструем магчымасць адсочвання трансфармацыі формы нават у дробназярністых матэрыялах. У цэлым, гэта даследаванне адказвае на важнае фундаментальнае пытанне аб працэсах, звязаных з паверхневым узаемадзеяннем, якія кіруюць механізмам біярэмедыяцыі 2D нанаматэрыялаў, і забяспечвае аснову для далейшых кароткатэрміновых і доўгатэрміновых даследаванняў уздзеяння неарганічных крышталічных нанаматэрыялаў на навакольнае асяроддзе.
Нанаматэрыялы выклікалі вялікую цікавасць з моманту іх адкрыцця, і розныя нанатэхналогіі нядаўна ўступілі ў фазу мадэрнізацыі1. На жаль, інтэграцыя нанаматэрыялаў у паўсядзённае прымяненне можа прывесці да выпадковых выкідаў з-за няправільнай утылізацыі, нядбайнага абыходжання або недастатковай інфраструктуры бяспекі. Таму разумна выказаць здагадку, што нанаматэрыялы, у тым ліку двухмерныя (2D) нанаматэрыялы, могуць трапляць у прыроднае асяроддзе, паводзіны і біялагічная актыўнасць якіх пакуль да канца не вывучаны. Таму не дзіўна, што праблемы экатаксічнасці былі сканцэнтраваны на здольнасці 2D нанаматэрыялаў вымывацца ў водныя сістэмы2,3,4,5,6. У гэтых экасістэмах некаторыя 2D нанаматэрыялы могуць узаемадзейнічаць з рознымі арганізмамі на розных трафічных узроўнях, у тым ліку з мікраводарасцямі.
Мікраводарасці — гэта прымітыўныя арганізмы, якія натуральна сустракаюцца ў прэснаводных і марскіх экасістэмах і выпрацоўваюць розныя хімічныя прадукты праз фотасінтэз7. Такім чынам, яны маюць вырашальнае значэнне для водных экасістэм8,9,10,11,12, але таксама з'яўляюцца адчувальнымі, недарагімі і шырока выкарыстоўванымі індыкатарамі экатаксічнасці13,14. Паколькі клеткі мікраводарасцей хутка размнажаюцца і хутка рэагуюць на прысутнасць розных злучэнняў, яны перспектыўныя для распрацоўкі экалагічна чыстых метадаў ачысткі вады, забруджанай арганічнымі рэчывамі15,16.
Клеткі водарасцяў могуць выдаляць неарганічныя іёны з вады шляхам біясорбцыі і назапашвання17,18. Некаторыя віды водарасцяў, такія як Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue і Synechococcus sp., былі выяўленыя як пераносчыкі і нават сілкуючыя таксічныя іёны металаў, такія як Fe2+, Cu2+, Zn2+ і Mn2+19. Іншыя даследаванні паказалі, што іёны Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ або Pb2+ абмяжоўваюць рост Scenedesmus, змяняючы марфалогію клетак і разбураючы іх хларапласты20,21.
Зялёныя метады раскладання арганічных забруджвальнікаў і выдалення іонаў цяжкіх металаў прыцягнулі ўвагу навукоўцаў і інжынераў па ўсім свеце. Гэта ў асноўным звязана з тым, што гэтыя забруджвальнікі лёгка апрацоўваюцца ў вадкай фазе. Аднак неарганічныя крышталічныя забруджвальнікі характарызуюцца нізкай растваральнасцю ў вадзе і нізкай успрымальнасцю да розных біятрансфармацый, што выклікае вялікія цяжкасці ў рэкультывацыі, і ў гэтай галіне дасягнуты нязначны прагрэс22,23,24,25,26. Такім чынам, пошук экалагічна чыстых рашэнняў для рамонту нанаматэрыялаў застаецца складанай і невывучанай вобласцю. З-за высокай ступені нявызначанасці адносна эфектаў біятрансфармацыі 2D нанаматэрыялаў няма простага спосабу высветліць магчымыя шляхі іх дэградацыі падчас аднаўлення.
У гэтым даследаванні мы выкарыстоўвалі зялёныя мікраводарасці ў якасці актыўнага воднага біярэмедыяцыйнага агента для неарганічных керамічных матэрыялаў у спалучэнні з маніторынгам in situ працэсу дэградацыі MXene як прадстаўніка неарганічных керамічных матэрыялаў. Тэрмін «MXene» адлюстроўвае стехіаметрыю матэрыялу Mn+1XnTx, дзе M - ранні пераходны метал, X - вуглярод і/або азот, Tx - павярхоўны тэрмінатар (напрыклад, -OH, -F, -Cl), а n = 1, 2, 3 або 427,28. З моманту адкрыцця MXene Нагібам і інш. Сенсорыка, тэрапія раку і мембранная фільтрацыя 27,29,30. Акрамя таго, MXene можна разглядаць як мадэльныя 2D-сістэмы дзякуючы іх выдатнай калоіднай стабільнасці і магчымым біялагічным узаемадзеянням 31,32,33,34,35,36.
Такім чынам, методыка, распрацаваная ў гэтым артыкуле, і нашы даследчыя гіпотэзы паказаны на малюнку 1. Згодна з гэтай гіпотэзай, мікраводарасці раскладаюць MXenes на аснове Nb да нетаксічных злучэнняў з-за паверхневых фізіка-хімічных узаемадзеянняў, што дазваляе далейшае аднаўленне водарасцяў. Для праверкі гэтай гіпотэзы былі адабраны два члены сямейства ранніх карбідаў і/або нітрыдаў пераходных металаў на аснове ніобію (MXenes), а менавіта Nb2CTx і Nb4C3TX.
Метадалогія даследавання і гіпотэзы, заснаваныя на доказах, для аднаўлення MXene зялёнымі мікраводарасцямі Raphidocelis subcapitata. Звярніце ўвагу, што гэта толькі схематычнае адлюстраванне здагадак, заснаваных на доказах. Асяроддзе возера адрозніваецца выкарыстоўваным пажыўным асяроддзем і ўмовамі (напрыклад, сутачным цыклам і абмежаваннямі даступных неабходных пажыўных рэчываў). Створана з дапамогай BioRender.com.
Такім чынам, выкарыстоўваючы MXene ў якасці мадэльнай сістэмы, мы адкрылі дзверы для вывучэння розных біялагічных эфектаў, якія немагчыма назіраць з іншымі традыцыйнымі нанаматэрыяламі. У прыватнасці, мы дэманструем магчымасць біярэмедыяцыі двухмерных нанаматэрыялаў, такіх як MXene на аснове ніобію, мікраводарасцямі Raphidocelis subcapitata. Мікраводарасці здольныя раскладаць Nb-MXene на нетаксічныя аксіды NbO і Nb2O5, якія таксама забяспечваюць пажыўныя рэчывы праз механізм паглынання ніобію. У цэлым, гэта даследаванне адказвае на важнае фундаментальнае пытанне аб працэсах, звязаных з паверхневымі фізіка-хімічнымі ўзаемадзеяннямі, якія кіруюць механізмамі біярэмедыяцыі двухмерных нанаматэрыялаў. Акрамя таго, мы распрацоўваем просты метад на аснове параметраў формы для адсочвання тонкіх змен у форме двухмерных нанаматэрыялаў. Гэта натхняе на далейшыя кароткатэрміновыя і доўгатэрміновыя даследаванні розных уздзеянняў неарганічных крышталічных нанаматэрыялаў на навакольнае асяроддзе. Такім чынам, наша даследаванне паляпшае разуменне ўзаемадзеяння паміж паверхняй матэрыялу і біялагічным матэрыялам. Мы таксама ствараем аснову для пашыраных кароткатэрміновых і доўгатэрміновых даследаванняў іх магчымага ўздзеяння на прэснаводныя экасістэмы, якія цяпер можна лёгка праверыць.
MXenes прадстаўляюць сабой цікавы клас матэрыялаў з унікальнымі і прывабнымі фізічнымі і хімічнымі ўласцівасцямі, а значыць, і з мноствам патэнцыйных ужыванняў. Гэтыя ўласцівасці ў значнай ступені залежаць ад іх стехіаметрыі і хіміі паверхні. Таму ў нашым даследаванні мы даследавалі два тыпы іерархічных аднаслаёвых (SL) MXenes на аснове Nb, Nb2CTx і Nb4C3TX, паколькі можна было назіраць розныя біялагічныя эфекты гэтых нанаматэрыялаў. MXenes атрымліваюць з зыходных матэрыялаў шляхам селектыўнага травлення зверху ўніз атамна тонкіх слаёў А-фазы MAX. Фаза MAX - гэта трайная кераміка, якая складаецца з "звязаных" блокаў карбідаў пераходных металаў і тонкіх слаёў элементаў "А", такіх як Al, Si і Sn, са стехіаметрыяй MnAXn-1. Марфалогія пачатковай фазы MAX назіралася з дапамогай сканіруючай электроннай мікраскапіі (SEM) і адпавядала папярэднім даследаванням (гл. дадатковую інфармацыю, SI, малюнак S1). Шматслаёвы (ML) Nb-MXenes быў атрыманы пасля выдалення пласта Al з дапамогай 48% HF (плавікавай кіслаты). Марфалогія ML-Nb2CTx і ML-Nb4C3TX была даследавана з дапамогай сканіруючай электроннай мікраскапіі (SEM) (малюнкі S1c і S1d адпаведна), і назіралася тыповая слаістая марфалогія MXene, падобная да двухмерных нанапласцінак, якія праходзяць праз падоўжаныя падобныя на поры шчыліны. Абодва Nb-MXene маюць шмат агульнага з фазамі MXene, раней сінтэзаванымі шляхам кіслотнага травлення27,38. Пасля пацверджання структуры MXene мы нанеслі яго слаістымі шляхам інтэркаляцыі гідраксіду тэтрабутыламонію (TBAOH) з наступным прамываннем і апрацоўкай ультрагукам, пасля чаго мы атрымалі аднаслаёвыя або нізкаслаёвыя (SL) 2D нанапласцінкі Nb-MXene.
Для праверкі эфектыўнасці травлення і далейшага адслойвання мы выкарысталі прасвечвальную электронную мікраскапію высокага разрознення (HRTEM) і рэнтгенаўскую дыфракцыю (XRD). Вынікі HRTEM, апрацаваныя з выкарыстаннем адваротнага хуткага пераўтварэння Фур'е (IFFT) і хуткага пераўтварэння Фур'е (FFT), паказаны на мал. 2. Нанапластыкі Nb-MXene былі арыентаваны краем уверх, каб праверыць структуру атамнага пласта і вымераць міжплоскасныя адлегласці. Выявы HRTEM нанапластыкаў MXene Nb2CTx і Nb4C3TX паказалі іх атамна-тонкую слаістую прыроду (гл. мал. 2a1, a2), як раней паведамлялі Нагіб і інш.27 і Ястшэмбска і інш.38. Для двух суседніх монапластаў Nb2CTx і Nb4C3Tx мы вызначылі міжпластавыя адлегласці 0,74 і 1,54 нм адпаведна (мал. 2b1, b2), што таксама адпавядае нашым папярэднім вынікам38. Гэта было дадаткова пацверджана адваротным хуткім пераўтварэннем Фур'е (мал. 2c1, c2) і хуткім пераўтварэннем Фур'е (мал. 2d1, d2), якія паказваюць адлегласць паміж монаслаямі Nb2CTx і Nb4C3Tx. На выяве бачна чаргаванне светлых і цёмных палос, якія адпавядаюць атамам ніёбія і вугляроду, што пацвярджае слаістую прыроду вывучаных MXenes. Важна адзначыць, што спектры энергетычнай дысперсійнай рэнтгенаўскай спектраскапіі (EDX), атрыманыя для Nb2CTx і Nb4C3Tx (малюнкі S2a і S2b), не паказалі рэшткаў зыходнай MAX-фазы, паколькі пік Al не быў выяўлены.
Характарыстыка нанапласцінак SL Nb2CTx і Nb4C3Tx MXene, у тым ліку (a) бакавая 2D-візуалізацыя нанапласцінак з дапамогай электроннай мікраскапіі высокага разрознення (HRTEM) і адпаведны (b) рэжым інтэнсіўнасці, (c) адваротнае хуткае пераўтварэнне Фур'е (IFFT), (d) хуткае пераўтварэнне Фур'е (FFT), (e) рэнтгенаграмы Nb-MXenes. Для SL 2D Nb2CTx лікі выражаны як (a1, b1, c1, d1, e1). Для SL 2D Nb4C3Tx лікі выражаны як (a2, b2, c2, d2, e1).
Вымярэнні рэнтгенаўскай дыфракцыі SL Nb2CTx і Nb4C3Tx MXenes паказаны на мал. 2e1 і e2 адпаведна. Пікі (002) пры 4.31 і 4.32 адпавядаюць раней апісаным слаістым MXenes Nb2CTx і Nb4C3TX38,39,40,41 адпаведна. Вынікі рэнтгенаўскай дыфракцыі таксама паказваюць на наяўнасць некаторых рэшткавых структур ML і фаз MAX, але ў асноўным рэнтгенаграмы, звязаныя з SL Nb4C3Tx (мал. 2e2). Прысутнасць меншых часціц фазы MAX можа растлумачыць больш моцны пік MAX у параўнанні з выпадкова ўкладзенымі пластамі Nb4C3Tx.
Далейшыя даследаванні былі сканцэнтраваны на зялёных мікраводарасцей, якія належаць да віду R. subcapitata. Мы выбралі мікраводарасці, таму што яны з'яўляюцца важнымі вытворцамі, якія ўдзельнічаюць у асноўных харчовых сетках42. Яны таксама з'яўляюцца адным з найлепшых індыкатараў таксічнасці дзякуючы здольнасці выдаляць таксічныя рэчывы, якія пераносяцца на больш высокія ўзроўні харчовага ланцуга43. Акрамя таго, даследаванні R. subcapitata могуць праліць святло на выпадковую таксічнасць SL Nb-MXenes для распаўсюджаных прэснаводных мікраарганізмаў. Каб праілюстраваць гэта, даследчыкі выказалі гіпотэзу, што кожны мікроб мае розную адчувальнасць да таксічных злучэнняў, якія прысутнічаюць у навакольным асяроддзі. Для большасці арганізмаў нізкія канцэнтрацыі рэчываў не ўплываюць на іх рост, у той час як канцэнтрацыі вышэй за пэўную мяжу могуць інгібіраваць іх або нават выклікаць смерць. Таму для нашых даследаванняў паверхневага ўзаемадзеяння паміж мікраводарасцямі і MXenes і звязанага з гэтым аднаўлення мы вырашылі праверыць бясшкодныя і таксічныя канцэнтрацыі Nb-MXenes. Для гэтага мы пратэставалі канцэнтрацыі MXene 0 (у якасці эталона), 0,01, 0,1 і 10 мг/л, а таксама заразілі мікраводарасці вельмі высокімі канцэнтрацыямі MXene (100 мг/л), якія могуць быць надзвычай высокімі і смяротнымі для любога біялагічнага асяроддзя.
Уплыў SL Nb-MXenes на мікраводарасці паказаны на малюнку 3 і выражаны ў працэнтах стымуляцыі росту (+) або інгібіравання (-), вымераных для ўзораў з канцэнтрацыяй 0 мг/л. Для параўнання таксама былі пратэставаны фаза Nb-MAX і ML Nb-MXenes, і вынікі паказаны ў SI (гл. мал. S3). Атрыманыя вынікі пацвердзілі, што SL Nb-MXenes практычна цалкам пазбаўлены таксічнасці ў дыяпазоне нізкіх канцэнтрацый ад 0,01 да 10 мг/л, як паказана на мал. 3a,b. У выпадку Nb2CTx мы назіралі не больш за 5% экатаксічнасці ў зададзеным дыяпазоне.
Стымуляцыя (+) або інгібіраванне (-) росту мікраводарасцей у прысутнасці SL (a) Nb2CTx і (b) Nb4C3TX MXene. Былі прааналізаваны 24, 48 і 72 гадзіны ўзаемадзеяння MXene з мікраводарасцямі. Значныя дадзеныя (t-крытэрый, p < 0,05) былі пазначаны зорачкай (*). Значныя дадзеныя (t-крытэрый, p < 0,05) былі пазначаны зорачкай (*). Значныя дадзеныя (t-крытэрый, p < 0,05) адзначаны зорачкай (*). Значныя дадзеныя (t-крытэрый, p < 0,05) пазначаны зорачкай (*).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。 Важныя дадзеныя (t-test, p <0,05) адзначаны зорачкай (*). Важныя дадзеныя (t-крытэрый, p < 0,05) пазначаны зорачкай (*).Чырвоныя стрэлкі паказваюць на адмену тармазільнай стымуляцыі.
З іншага боку, нізкія канцэнтрацыі Nb4C3TX аказаліся крыху больш таксічнымі, але не вышэй за 7%. Як і чакалася, мы назіралі, што MXenes мелі больш высокую таксічнасць і інгібіраванне росту мікраводарасцяў пры 100 мг L-1. Цікава, што ні адзін з матэрыялаў не прадэманстраваў такую ​​ж тэндэнцыю і залежнасць ад часу атоксічных/таксічных эфектаў у параўнанні з узорамі MAX або ML (падрабязнасці гл. на мал. S3). У той час як для фазы MAX (гл. мал. S3) таксічнасць дасягала прыблізна 15-25% і павялічвалася з часам, для SL Nb2CTx і Nb4C3TX MXene назіралася адваротная тэндэнцыя. Інгібіраванне росту мікраводарасцяў з часам змяншалася. Яно дасягнула прыблізна 17% праз 24 гадзіны і знізілася да менш чым 5% праз 72 гадзіны (адпаведна, мал. 3a, b).
Што яшчэ больш важна, для SL Nb4C3TX інгібіраванне росту мікраводарасцяў дасягнула каля 27% праз 24 гадзіны, але праз 72 гадзіны яно знізілася прыкладна да 1%. Таму мы пазначылі назіраны эфект як адваротнае інгібіраванне стымуляцыі, і эфект быў мацнейшым для SL Nb4C3TX MXene. Стымуляцыя росту мікраводарасцяў была адзначана раней з Nb4C3TX (узаемадзеянне пры 10 мг L-1 на працягу 24 гадзін) у параўнанні з SL Nb2CTx MXene. Эфект адваротнага інгібіравання-стымуляцыі таксама быў добра паказаны на крывой хуткасці падваення біямасы (падрабязнасці гл. на мал. S4). Да гэтага часу толькі экатаксічнасць Ti3C2TX MXene вывучалася рознымі спосабамі. Ён не таксічны для эмбрыёнаў рыбкі даніо рэрыа44, але ўмерана экатаксічны для мікраводарасцяў Desmodesmus quadricauda і раслін Sorghum saccharatum45. Іншыя прыклады спецыфічных эфектаў ўключаюць больш высокую таксічнасць для ракавых клеткавых ліній, чым для нармальных клеткавых ліній46,47. Можна выказаць здагадку, што ўмовы выпрабаванняў будуць уплываць на змены ў росце мікраводарасцяў, якія назіраюцца ў прысутнасці Nb-MXenes. Напрыклад, pH каля 8 у строме хларапластаў з'яўляецца аптымальным для эфектыўнай працы фермента RuBisCO. Такім чынам, змены pH негатыўна ўплываюць на хуткасць фотасінтэзу48,49. Аднак мы не назіралі значных змен pH падчас эксперыменту (падрабязнасці гл. на SI, мал. S5). У цэлым, культуры мікраводарасцяў з Nb-MXenes нязначна зніжалі pH раствора з цягам часу. Аднак гэта зніжэнне было падобна на змяненне pH чыстага асяроддзя. Акрамя таго, дыяпазон выяўленых варыяцый быў падобны да вымеранага для чыстай культуры мікраводарасцяў (кантрольны ўзор). Такім чынам, мы робім выснову, што фотасінтэз не залежыць ад змяненняў pH з цягам часу.
Акрамя таго, сінтэзаваныя MXenes маюць паверхневыя заканчэнні (пазначаныя як Tx). У асноўным гэта функцыянальныя групы -O, -F і -OH. Аднак хімія паверхні непасрэдна звязана з метадам сінтэзу. Вядома, што гэтыя групы размеркаваны па паверхні выпадковым чынам, што абцяжарвае прагназаванне іх уплыву на ўласцівасці MXenes50. Можна сцвярджаць, што Tx можа быць каталітычнай сілай для акіслення ніобія святлом. Паверхневыя функцыянальныя групы сапраўды забяспечваюць некалькі месцаў мацавання для сваіх асноўных фотакаталізатараў для ўтварэння гетэрапераходаў51. Аднак склад асяроддзя для росту не забяспечваў эфектыўнага фотакаталізатара (падрабязны склад асяроддзя можна знайсці ў табліцы S6 SI). Акрамя таго, любая мадыфікацыя паверхні таксама вельмі важная, паколькі біялагічная актыўнасць MXenes можа быць зменена з-за пасляапрацоўкі слаёў, акіслення, хімічнай мадыфікацыі паверхні арганічных і неарганічных злучэнняў52,53,54,55,56 або інжынерыі паверхневага зарада38. Такім чынам, каб праверыць, ці мае аксід ніобію нейкае дачыненне да нестабільнасці матэрыялу ў асяроддзі, мы правялі даследаванні дзета-патэнцыялу (ζ) у асяроддзі для росту мікраводарасцяў і дэіянізаванай вадзе (для параўнання). Нашы вынікі паказваюць, што SL Nb-MXenes даволі стабільныя (гл. малюнак S6 на SI для вынікаў MAX і ML). Дзета-патэнцыял SL MXenes складае каля -10 мВ. У выпадку SR Nb2CTx значэнне ζ некалькі больш адмоўнае, чым у Nb4C3Tx. Такое змяненне значэння ζ можа сведчыць аб тым, што паверхня адмоўна зараджаных нанапласцінак MXene паглынае станоўча зараджаныя іоны з культуральнага асяроддзя. Часовыя вымярэнні дзета-патэнцыялу і праводнасці Nb-MXenes у культуральным асяроддзі (больш падрабязна гл. малюнкі S7 і S8 на SI), здаецца, пацвярджаюць нашу гіпотэзу.
Аднак, абодва Nb-MXene SL прадэманстравалі мінімальныя змены ад нуля. Гэта выразна дэманструе іх стабільнасць у асяроддзі для росту мікраводарасцяў. Акрамя таго, мы ацанілі, ці паўплывае прысутнасць нашых зялёных мікраводарасцяў на стабільнасць Nb-MXenes у асяроддзі. Вынікі дзета-патэнцыялу і праводнасці MXenes пасля ўзаемадзеяння з мікраводарасцямі ў пажыўных асяроддзях і культуры з цягам часу можна знайсці ў SI (малюнкі S9 і S10). Цікава, што мы заўважылі, што прысутнасць мікраводарасцяў, здавалася, стабілізуе дысперсію абодвух MXenes. У выпадку Nb2CTx SL дзета-патэнцыял нават нязначна зніжаўся з цягам часу да больш адмоўных значэнняў (-15,8 супраць -19,1 мВ пасля 72 гадзін інкубацыі). Дзета-патэнцыял SL Nb4C3TX нязначна павялічыўся, але праз 72 гадзіны ён усё яшчэ паказваў больш высокую стабільнасць, чым нанапласцінкі без прысутнасці мікраводарасцяў (-18,1 супраць -9,1 мВ).
Мы таксама выявілі больш нізкую праводнасць раствораў Nb-MXene, інкубаваных у прысутнасці мікраводарасцяў, што сведчыць аб меншай колькасці іонаў у пажыўным асяроддзі. Прыкметна, што нестабільнасць MXenes у вадзе ў асноўным звязана з павярхоўным акісленнем57. Такім чынам, мы мяркуем, што зялёныя мікраводарасці нейкім чынам ачышчалі аксіды, якія ўтвараліся на паверхні Nb-MXene, і нават прадухілялі іх з'яўленне (акісленне MXene). Гэта можна ўбачыць, вывучаючы тыпы рэчываў, якія паглынаюцца мікраводарасцямі.
Хоць нашы экатаксікалагічныя даследаванні паказалі, што мікраводарасці здольныя з часам пераадольваць таксічнасць Nb-MXenes і незвычайнае тармажэнне стымуляванага росту, мэтай нашага даследавання было вывучэнне магчымых механізмаў дзеяння. Калі арганізмы, такія як водарасці, падвяргаюцца ўздзеянню злучэнняў або матэрыялаў, незнаёмых для іх экасістэм, яны могуць рэагаваць рознымі спосабамі58,59. Пры адсутнасці таксічных аксідаў металаў мікраводарасці могуць харчавацца самі, што дазваляе ім бесперапынна расці60. Пасля прыёму таксічных рэчываў могуць актывавацца ахоўныя механізмы, такія як змена формы або выгляду. Таксама неабходна ўлічваць магчымасць паглынання58,59. Варта адзначыць, што любая прыкмета ахоўнага механізму з'яўляецца відавочным паказчыкам таксічнасці тэставага злучэння. Таму ў нашай далейшай працы мы даследавалі патэнцыйнае павярхоўнае ўзаемадзеянне паміж нанапласцінкамі SL Nb-MXene і мікраводарасцямі з дапамогай SEM і магчымае паглынанне MXene на аснове Nb з дапамогай рэнтгенафлуарэсцэнтнай спектраскапіі (XRF). Звярніце ўвагу, што аналізы SEM і XRF праводзіліся толькі пры самай высокай канцэнтрацыі MXene для вырашэння праблем з таксічнасцю актыўнасці.
Вынікі SEM паказаны на мал. 4. Неапрацаваныя клеткі мікраводарасцяў (гл. мал. 4a, эталонны ўзор) выразна прадэманстравалі тыповую для R. subcapitata марфалогію і форму клетак, падобную на круасан. Клеткі выглядаюць сплюшчанымі і некалькі неарганізаванымі. Некаторыя клеткі мікраводарасцяў перакрываліся і перапляталіся адна з адной, але гэта, верагодна, было выклікана працэсам падрыхтоўкі ўзору. У цэлым, чыстыя клеткі мікраводарасцяў мелі гладкую паверхню і не праяўлялі ніякіх марфалагічных змен.
СЭМ-выявы, якія паказваюць павярхоўнае ўзаемадзеянне паміж зялёнымі мікраводарасцямі і наналістамі MXene пасля 72 гадзін узаемадзеяння пры экстрэмальнай канцэнтрацыі (100 мг/л). (а) Неапрацаваныя зялёныя мікраводарасці пасля ўзаемадзеяння з SL, (б) Nb2CTx і (в) Nb4C3TX MXene. Звярніце ўвагу, што нанапласцінкі Nb-MXene пазначаны чырвонымі стрэлкамі. Для параўнання таксама дададзены фатаграфіі з аптычнага мікраскопа.
У адрозненне ад гэтага, клеткі мікраводарасцей, адсарбаваныя нанапласцінкамі SL Nb-MXene, былі пашкоджаныя (гл. мал. 4b, c, чырвоныя стрэлкі). У выпадку Nb2CTx MXene (мал. 4b) мікраводарасці, як правіла, растуць з прымацаванымі двухмернымі нанамаштабамі, што можа змяняць іх марфалогію. Прыкметна, што мы таксама назіралі гэтыя змены пад светлавой мікраскапіяй (падрабязнасці глядзіце на малюнку SI S11). Гэты марфалагічны пераход мае праўдападобную аснову ў фізіялогіі мікраводарасцей і іх здольнасці абараняцца, змяняючы марфалогію клетак, напрыклад, павялічваючы аб'ём клетак61. Таму важна праверыць колькасць клетак мікраводарасцей, якія фактычна кантактуюць з Nb-MXenes. Даследаванні SEM паказалі, што прыблізна 52% клетак мікраводарасцей падвяргаліся ўздзеянню Nb-MXenes, у той час як 48% гэтых клетак мікраводарасцей пазбягалі кантакту. У выпадку SL Nb4C3Tx MXene мікраводарасці імкнуцца пазбягаць кантакту з MXene, тым самым лакалізуючыся і растучы з двухмерных нанамаштабаў (мал. 4c). Аднак мы не назіралі пранікнення нанамаштабаў у клеткі мікраводарасцей і іх пашкоджання.
Самазахаванне — гэта таксама залежная ад часу рэакцыя на блакаванне фотасінтэзу з-за адсорбцыі часціц на паверхні клеткі і так званага эфекту зацянення (зацянення)62. Зразумела, што кожны аб'ект (напрыклад, нанапласты Nb-MXene), які знаходзіцца паміж мікраводарасцямі і крыніцай святла, абмяжоўвае колькасць святла, паглынанага хларапластамі. Аднак мы не сумняваемся, што гэта аказвае істотны ўплыў на атрыманыя вынікі. Як паказалі нашы мікраскапічныя назіранні, 2D нанапласты не былі цалкам абгорнутыя або прыліплыя да паверхні мікраводарасцей, нават калі клеткі мікраводарасцей кантактавалі з Nb-MXene. Замест гэтага нанапласты аказаліся арыентаванымі на клеткі мікраводарасцей, не пакрываючы іх паверхню. Такі набор нанапластыкаў/мікраводарасцей не можа істотна абмежаваць колькасць святла, паглынанага клеткамі мікраводарасцей. Больш за тое, некаторыя даследаванні нават прадэманстравалі паляпшэнне паглынання святла фотасінтэтычнымі арганізмамі ў прысутнасці двухмерных нанаматэрыялаў63,64,65,66.
Паколькі выявы SEM не змаглі непасрэдна пацвердзіць паглынанне ніобію клеткамі мікраводарасцей, у нашым далейшым даследаванні мы выкарысталі рэнтгенафлуарэсцэнтны (XRF) і рэнтгенафлуарэсцэнтную фотаэлектронную спектраскапію (XPS), каб высветліць гэтае пытанне. Таму мы параўналі інтэнсіўнасць пікаў Nb эталонных узораў мікраводарасцей, якія не ўзаемадзейнічалі з MXenes, нанапласцінкі MXene, аддзеленыя ад паверхні клетак мікраводарасцей, і клеткі мікраводарасцей пасля выдалення далучаных MXenes. Варта адзначыць, што калі паглынання Nb няма, значэнне Nb, атрыманае клеткамі мікраводарасцей, павінна быць роўна нулю пасля выдалення далучаных нанамаштабаў. Такім чынам, калі паглынанне Nb адбываецца, вынікі як XRF, так і XPS павінны паказваць выразны пік Nb.
У выпадку XRF-спектраў узоры мікраводарасцяў паказалі пікі Nb для SL Nb2CTx і Nb4C3Tx MXene пасля ўзаемадзеяння з SL Nb2CTx і Nb4C3Tx MXene (гл. мал. 5a, таксама звярніце ўвагу, што вынікі для MAX і ML MXenes паказаны ў SI, мал. S12–C17). Цікава, што інтэнсіўнасць піка Nb аднолькавая ў абодвух выпадках (чырвоныя слупкі на мал. 5a). Гэта сведчыць аб тым, што водарасці не маглі паглынаць больш Nb, і максімальная здольнасць да назапашвання Nb была дасягнута ў клетках, хоць да клетак мікраводарасцяў было прымацавана ў два разы больш Nb4C3Tx MXene (сінія слупкі на мал. 5a). Варта адзначыць, што здольнасць мікраводарасцяў паглынаць металы залежыць ад канцэнтрацыі аксідаў металаў у навакольным асяроддзі67,68. Шамшада і інш.67 выявілі, што паглынальная здольнасць прэснаводных водарасцяў памяншаецца з павышэннем pH. Райз і інш.68 адзначылі, што здольнасць водарасцяў паглынаць металы была прыкладна на 25% вышэйшай для Pb2+, чым для Ni2+.
(a) Вынікі рэнтгенаўскай флуоресцэнцыі базальнага паглынання Nb клеткамі зялёных мікраводарасцяў, інкубаваных пры экстрэмальнай канцэнтрацыі SL Nb-MXenes (100 мг L-1) на працягу 72 гадзін. Вынікі паказваюць наяўнасць α ў чыстых клетках мікраводарасцяў (кантрольны ўзор, шэрыя слупкі), 2D нанапласцінках, выдзеленых з паверхневых клетак мікраводарасцяў (сінія слупкі), і клетках мікраводарасцяў пасля аддзялення 2D нанапласцінак ад паверхні (чырвоныя слупкі). Колькасць элементарнага Nb, (b) працэнт хімічнага складу арганічных кампанентаў мікраводарасцяў (C=O і CHx/C–O) і аксідаў Nb, якія прысутнічаюць у клетках мікраводарасцяў пасля інкубацыі з SL Nb-MXenes, (c–e) Апраксімацыя кампазіцыйнага піка спектраў XPS SL Nb2CTx і (fh) SL Nb4C3Tx MXene, інтэрналізаванага клеткамі мікраводарасцяў.
Такім чынам, мы чакалі, што Nb можа паглынацца клеткамі водарасцяў у выглядзе аксідаў. Каб праверыць гэта, мы правялі даследаванні XPS на MXenes Nb2CTx і Nb4C3TX і клетках водарасцяў. Вынікі ўзаемадзеяння мікраводарасцяў з Nb-MXenes і MXenes, выдзеленымі з клетак водарасцяў, паказаны на мал. 5b. Як і чакалася, мы выявілі пікі Nb 3d ва ўзорах мікраводарасцяў пасля выдалення MXenes з паверхні мікраводарасцяў. Колькаснае вызначэнне аксідаў C=O, CHx/CO і Nb было разлічана на аснове спектраў Nb 3d, O 1s і C 1s, атрыманых з Nb2CTx SL (мал. 5c–e) і Nb4C3Tx SL (мал. 5c–e). ), атрыманых з інкубаваных мікраводарасцяў. Малюнак 5f–h) MXenes. Табліца S1-3 паказвае падрабязную інфармацыю аб параметрах пікаў і агульнай хіміі, атрыманых у выніку апраксімацыі. Варта адзначыць, што 3d-вобласці Nb у Nb2CTx SL і Nb4C3Tx SL (мал. 5c, f) адпавядаюць аднаму кампаненце Nb2O5. Тут мы не выявілі ў спектрах пікаў, звязаных з MXene, што сведчыць аб тым, што клеткі мікраводарасцей паглынаюць толькі аксідную форму Nb. Акрамя таго, мы апраксімавалі спектр C1s з дапамогай кампанентаў C–C, CHx/C–O, C=O і –COOH. Мы аднеслі пікі CHx/C–O і C=O да арганічнага ўкладу клетак мікраводарасцей. Гэтыя арганічныя кампаненты складаюць 36% і 41% пікаў C1s у Nb2CTx SL і Nb4C3TX SL адпаведна. Затым мы апраксімавалі O1s-спектры SL Nb2CTx і SL Nb4C3TX з дапамогай Nb2O5, арганічных кампанентаў мікраводарасцей (CHx/CO) і вады, адсарбаванай на паверхні.
Нарэшце, вынікі XPS выразна паказалі форму Nb, а не толькі яго прысутнасць. Згодна са становішчам сігналу Nb 3d і вынікамі дэканвалюцыі, мы пацвярджаем, што Nb паглынаецца толькі ў выглядзе аксідаў, а не іёнаў або самога MXene. Акрамя таго, вынікі XPS паказалі, што клеткі мікраводарасцей маюць большую здольнасць паглынаць аксіды Nb з SL Nb2CTx у параўнанні з SL Nb4C3TX MXene.
Нягледзячы на ​​тое, што нашы вынікі паглынання Nb уражваюць і дазваляюць нам вызначыць дэградацыю MXene, не існуе метаду для адсочвання звязаных з гэтым марфалагічных змен у 2D нанапластыках. Таму мы таксама вырашылі распрацаваць прыдатны метад, які можа непасрэдна рэагаваць на любыя змены, якія адбываюцца ў 2D нанапластыках Nb-MXene і клетках мікраводарасцей. Важна адзначыць, што мы мяркуем, што калі ўзаемадзейнічаючыя віды падвяргаюцца любой трансфармацыі, раскладанню або дэфрагментацыі, гэта павінна хутка праявіцца ў зменах параметраў формы, такіх як дыяметр эквівалентнай круглай плошчы, круглявасць, шырыня Ферэ або даўжыня Ферэ. Паколькі гэтыя параметры падыходзяць для апісання выцягнутых часціц або двухмерных нанапластыкаў, іх адсочванне з дапамогай дынамічнага аналізу формы часціц дасць нам каштоўную інфармацыю аб марфалагічным ператварэнні SL нанапластыкаў Nb-MXene падчас аднаўлення.
Атрыманыя вынікі паказаны на малюнку 6. Для параўнання мы таксама пратэставалі зыходную фазу MAX і ML-MXenes (гл. малюнкі SI S18 і S19). Дынамічны аналіз формы часціц паказаў, што ўсе параметры формы двух Nb-MXene SL значна змяніліся пасля ўзаемадзеяння з мікраводарасцямі. Як паказвае параметр эквівалентнага круглага дыяметра плошчы (мал. 6a, b), зніжэнне інтэнсіўнасці пікаў долі буйных нанапласцінак сведчыць аб тым, што яны імкнуцца распадацца на меншыя фрагменты. На мал. 6c, d паказана памяншэнне пікаў, звязаных з папярочным памерам пласцінак (падаўжэнне нанапласцінак), што сведчыць аб пераўтварэнні 2D нанапласцінак у больш падобную на часціцы форму. На мал. 6e-h паказаны шырыня і даўжыня Feret адпаведна. Шырыня і даўжыня Feret з'яўляюцца дапаўняльнымі параметрамі і таму павінны разглядацца разам. Пасля інкубацыі 2D нанапласцінак Nb-MXene ў прысутнасці мікраводарасцяў іх карэляцыйныя пікі Feret зрушыліся, а іх інтэнсіўнасць знізілася. Зыходзячы з гэтых вынікаў у спалучэнні з марфалогіяй, рэнтгенаўскай флуоресцэнцыяй (XRF) і рентгенафактарнай спектраскапіяй (XPS), мы прыйшлі да высновы, што назіраныя змены цесна звязаны з акісленнем, паколькі акісленыя MXenes становяцца больш маршчыністымі і распадаюцца на фрагменты і сферычныя аксідныя часціцы69,70.
Аналіз трансфармацыі MXene пасля ўзаемадзеяння з зялёнымі мікраводарасцямі. Дынамічны аналіз формы часціц улічвае такія параметры, як (a, b) дыяметр эквівалентнай круглай плошчы, (c, d) круглявасць, (e, f) шырыня Feret і (g, h) даўжыня Feret. Для гэтага былі прааналізаваны два эталонныя ўзоры мікраводарасцей разам з першаснымі MXenes SL Nb2CTx і SL Nb4C3Tx, MXenes SL Nb2CTx і SL Nb4C3Tx, дэградаванымі мікраводарасцямі і апрацаванымі MXenes мікраводарасцей SL Nb2CTx і SL Nb4C3Tx. Чырвоныя стрэлкі паказваюць пераходы параметраў формы даследаваных двухмерных нанашмалочак.
Паколькі аналіз параметраў формы вельмі надзейны, ён таксама можа выявіць марфалагічныя змены ў клетках мікраводарасцяў. Таму мы прааналізавалі дыяметр эквівалентнай круглай плошчы, кругласць і шырыню/даўжыню Ферэта чыстых клетак мікраводарасцяў і клетак пасля ўзаемадзеяння з 2D нанапласцінкамі Nb. На мал. 6a–h паказаны змены параметраў формы клетак водарасцяў, пра што сведчыць зніжэнне інтэнсіўнасці пікаў і зрух максімумаў у бок больш высокіх значэнняў. У прыватнасці, параметры кругласці клетак паказалі памяншэнне колькасці падоўжаных клетак і павелічэнне колькасці сферычных клетак (мал. 6a, b). Акрамя таго, шырыня клетак Ферэта павялічылася на некалькі мікраметраў пасля ўзаемадзеяння з SL Nb2CTx MXene (мал. 6e) у параўнанні з SL Nb4C3TX MXene (мал. 6f). Мы мяркуем, што гэта можа быць звязана з моцным паглынаннем аксідаў Nb мікраводарасцямі пры ўзаемадзеянні з Nb2CTx SR. Менш жорсткае прымацаванне пласцінак Nb да іх паверхні можа прывесці да росту клетак з мінімальным эфектам зацянення.
Нашы назіранні за зменамі параметраў формы і памеру мікраводарасцяў дапаўняюць іншыя даследаванні. Зялёныя мікраводарасці могуць змяняць сваю марфалогію ў адказ на стрэс навакольнага асяроддзя, змяняючы памер, форму або метабалізм клетак61. Напрыклад, змена памеру клетак спрыяе засваенню пажыўных рэчываў71. Меншыя клеткі водарасцяў дэманструюць ніжэйшае паглынанне пажыўных рэчываў і пагаршэнне хуткасці росту. І наадварот, больш буйныя клеткі, як правіла, спажываюць больш пажыўных рэчываў, якія затым адкладаюцца ўнутрыклеткава72,73. Мачада і Соарэс выявілі, што фунгіцыд трыклазан можа павялічваць памер клетак. Яны таксама выявілі значныя змены ў форме водарасцяў74. Акрамя таго, Інь і інш.9 таксама выявілі марфалагічныя змены ў водарасцях пасля ўздзеяння нанакампазітаў з адноўленага аксіду графену. Такім чынам, відавочна, што змененыя параметры памеру/формы мікраводарасцяў выкліканы прысутнасцю MXene. Паколькі гэта змяненне памеру і формы сведчыць аб зменах у паглынанні пажыўных рэчываў, мы лічым, што аналіз параметраў памеру і формы з цягам часу можа прадэманстраваць паглынанне аксіду ніобію мікраводарасцямі ў прысутнасці Nb-MXenes.
Больш за тое, MXenes могуць акісляцца ў прысутнасці водарасцяў. Далай і інш.75 заўважылі, што марфалогія зялёных водарасцяў, якія падвяргаліся ўздзеянню нана-TiO2 і Al2O376, не была аднастайнай. Нягледзячы на ​​тое, што нашы назіранні падобныя да гэтага даследавання, яны маюць дачыненне толькі да вывучэння эфектаў біярэмедыяцыі з пункту гледжання прадуктаў дэградацыі MXenes у прысутнасці 2D нанапласцінак, а не наначасціц. Паколькі MXenes могуць дэградаваць на аксіды металаў,31,32,77,78 разумна выказаць здагадку, што нашы нанапласцінкі Nb таксама могуць утвараць аксіды Nb пасля ўзаемадзеяння з клеткамі мікраводарасцяў.
Каб растлумачыць аднаўленне 2D-Nb нанапласцінак праз механізм раскладання, заснаваны на працэсе акіслення, мы правялі даследаванні з выкарыстаннем прасвечвальнай электроннай мікраскапіі высокага разрознення (HRTEM) (мал. 7a,b) і рэнтгенаўскай фотаэлектроннай спектраскапіі (XPS) (мал. 7). 7c-i і табліцы S4-5). Абодва падыходы падыходзяць для вывучэння акіслення 2D-матэрыялаў і дапаўняюць адзін аднаго. HRTEM здольны аналізаваць дэградацыю двухмерных слаістых структур і наступнае з'яўленне наначасціц аксіду металу, у той час як XPS адчувальны да паверхневых сувязей. Для гэтай мэты мы пратэставалі 2D Nb-MXene нанапласцінкі, вынятыя з дысперсій клетак мікраводарасцей, гэта значыць іх форму пасля ўзаемадзеяння з клеткамі мікраводарасцей (гл. мал. 7).
HRTEM-выявы, якія паказваюць марфалогію акісленых (a) SL Nb2CTx і (b) SL Nb4C3Tx MXenes, вынікі XPS-аналізу, якія паказваюць (c) склад аксідных прадуктаў пасля аднаўлення, (d–f) супадзенне пікаў кампанентаў XPS-спектраў SL Nb2CTx і (g–i) Nb4C3Tx SL, адрамантаваных зялёнымі мікраводарасцямі.
Даследаванні HRTEM пацвердзілі акісленне двух тыпаў нанапласцінак Nb-MXene. Нягледзячы на ​​тое, што нанапласцінкі да пэўнай ступені захавалі сваю двухмерную марфалогію, акісленне прывяло да з'яўлення мноства наначасціц, якія пакрываюць паверхню нанапласцінак MXene (гл. мал. 7a,b). XPS-аналіз сігналаў c-Nb3d і O1s паказаў, што ў абодвух выпадках утварыліся аксіды Nb. Як паказана на малюнку 7c, 2D MXene Nb2CTx і Nb4C3TX маюць сігналы Nb3d, якія паказваюць на наяўнасць аксідаў NbO і Nb2O5, у той час як сігналы O1s паказваюць на колькасць сувязей O–Nb, звязаных з функцыяналізацыяй паверхні 2D нанапласцінак. Мы заўважылі, што ўклад аксіду Nb з'яўляецца дамінантным у параўнанні з Nb-C і Nb3+-O.
На мал. 7g–i паказаны спектры XPS для Nb 3d, C 1s і O 1s SL Nb2CTx (гл. мал. 7d–f) і SL Nb4C3TX MXene, выдзеленага з клетак мікраводарасцей. Падрабязная інфармацыя аб параметрах пікаў Nb-MXenes прыведзена ў табліцах S4–5 адпаведна. Спачатку мы прааналізавалі склад Nb 3d. У адрозненне ад Nb, паглынутага клеткамі мікраводарасцей, у MXene, выдзеленым з клетак мікраводарасцей, акрамя Nb2O5, былі выяўлены і іншыя кампаненты. У SL Nb2CTx мы назіралі ўклад Nb3+-O ў памеры 15%, у той час як у астатняй частцы спектру Nb 3d пераважаў Nb2O5 (85%). Акрамя таго, узор SL Nb4C3TX змяшчае кампаненты Nb-C (9%) і Nb2O5 (91%). Тут Nb-C паходзіць з двух унутраных атамных слаёў карбіду металу ў Nb4C3Tx SR. Затым мы супастаўляем спектры C 1s з чатырма рознымі кампанентамі, як мы рабілі ў інтэрналізаваных узорах. Як і чакалася, у спектры C 1s пераважае графітавы вуглярод, за якім ідуць уклады арганічных часціц (CHx/CO і C=O) з клетак мікраводарасцей. Акрамя таго, у спектры O 1s мы назіралі ўклад арганічных формаў клетак мікраводарасцей, аксіду ніобію і адсарбаванай вады.
Акрамя таго, мы даследавалі, ці звязана расшчапленне Nb-MXenes з наяўнасцю актыўных формаў кіслароду (ROS) у пажыўным асяроддзі і/або клетках мікраводарасцей. З гэтай мэтай мы ацанілі ўзровень сінглетнага кіслароду (1O2) у культуральным асяроддзі і ўнутрыклетачнага глутатыёну, тыялу, які дзейнічае як антыаксідант у мікраводарасцей. Вынікі паказаны ў SI (малюнкі S20 і S21). Культуры з SL Nb2CTx і Nb4C3TX MXenes характарызаваліся зніжанай колькасцю 1O2 (гл. малюнак S20). У выпадку SL Nb2CTx, MXene 1O2 зніжаецца прыкладна да 83%. Для культур мікраводарасцей з выкарыстаннем SL, Nb4C3TX 1O2 знізіўся яшчэ больш, да 73%. Цікава, што змены ў 1O2 паказалі тую ж тэндэнцыю, што і раней назіраны інгібіруюча-стымулюючы эфект (гл. мал. 3). Можна сцвярджаць, што інкубацыя пры яркім святле можа змяніць фотаакісленне. Аднак вынікі кантрольнага аналізу паказалі амаль пастаянны ўзровень 1O2 падчас эксперыменту (мал. S22). У выпадку ўнутрыклеткавых узроўняў АФК мы таксама назіралі такую ​​ж тэндэнцыю да зніжэння (гл. мал. S21). Спачатку ўзровень АФК у клетках мікраводарасцяў, культываваных у прысутнасці слаёў Nb2CTx і Nb4C3Tx, перавышаў узровень, выяўлены ў чыстых культурах мікраводарасцяў. Аднак у рэшце рэшт аказалася, што мікраводарасці адаптаваліся да прысутнасці абодвух Nb-MXenes, паколькі ўзровень АФК знізіўся да 85% і 91% ад узроўняў, вымераных у чыстых культурах мікраводарасцяў, інакуляваных слаямі Nb2CTx і Nb4C3TX адпаведна. Гэта можа сведчыць аб тым, што мікраводарасці з часам адчуваюць сябе больш камфортна ў прысутнасці Nb-MXene, чым толькі ў пажыўным асяроддзі.
Мікраводарасці — гэта разнастайная група фотасінтэтычных арганізмаў. Падчас фотасінтэзу яны пераўтвараюць атмасферны вуглякіслы газ (CO2) у арганічны вуглярод. Прадуктамі фотасінтэзу з'яўляюцца глюкоза і кісларод79. Мы мяркуем, што кісларод, які ўтвараецца такім чынам, гуляе важную ролю ў акісленні Nb-MXenes. Адно з магчымых тлумачэнняў гэтага заключаецца ў тым, што дыферэнцыяльны параметр аэрацыі фарміруецца пры нізкім і высокім парцыяльным ціску кіслароду звонку і ўнутры нанапласцінак Nb-MXenes. Гэта азначае, што ўсюды, дзе ёсць зоны з розным парцыяльным ціскам кіслароду, зона з самым нізкім узроўнем будзе ўтвараць анод80, 81, 82. Тут мікраводарасці спрыяюць стварэнню дыферэнцыяльна аэраваных клетак на паверхні пласцінак MXenes, якія выпрацоўваюць кісларод дзякуючы сваім фотасінтэтычным уласцівасцям. У выніку ўтвараюцца прадукты біякарозіі (у дадзеным выпадку аксіды ніобію). Іншы аспект заключаецца ў тым, што мікраводарасці могуць выпрацоўваць арганічныя кіслоты, якія вызваляюцца ў ваду83,84. Такім чынам, утвараецца агрэсіўнае асяроддзе, тым самым змяняючы Nb-MXenes. Акрамя таго, мікраводарасці могуць змяняць pH асяроддзя на шчолачны з-за паглынання вуглякіслага газу, што таксама можа выклікаць карозію79.
Што яшчэ больш важна, фотаперыяд цемры/светла, які выкарыстоўваўся ў нашым даследаванні, мае вырашальнае значэнне для разумення атрыманых вынікаў. Гэты аспект падрабязна апісаны ў працы Джэмай-Зоглачэ і інш.85. Яны наўмысна выкарысталі фотаперыяд 12/12 гадзін, каб прадэманстраваць біякарозію, звязаную з біяабрастаннем чырвонымі мікраводарасцямі Porphyridium purpureum. Яны паказваюць, што фотаперыяд звязаны з эвалюцыяй патэнцыялу без біякарозіі, якая праяўляецца ў выглядзе псеўдаперыядычных ваганняў каля 24:00. Гэтыя назіранні былі пацверджаны Доўлінгам і інш.86. Яны прадэманстравалі фотасінтэтычныя біяплёнкі цыянабактэрый Anabaena. Раствораны кісларод утвараецца пад дзеяннем святла, што звязана са змяненнем або ваганнямі патэнцыялу свабоднай біякарозіі. Важнасць фотаперыяду падкрэсліваецца тым фактам, што свабодны патэнцыял для біякарозіі павялічваецца ў светлай фазе і памяншаецца ў цёмнай фазе. Гэта звязана з кіслародам, які выпрацоўваецца фотасінтэтычнымі мікраводарасцямі, які ўплывае на катодную рэакцыю праз парцыяльны ціск, які ствараецца паблізу электродаў87.
Акрамя таго, была праведзена інфрачырвоная спектраскапія з пераўтварэннем Фур'е (FTIR), каб высветліць, ці адбыліся якія-небудзь змены ў хімічным складзе клетак мікраводарасцяў пасля ўзаемадзеяння з Nb-MXenes. Атрыманыя вынікі з'яўляюцца складанымі, і мы прадстаўляем іх у SI (малюнкі S23-S25, уключаючы вынікі стадыі MAX і ML MXenes). Карацей кажучы, атрыманыя эталонныя спектры мікраводарасцяў даюць нам важную інфармацыю аб хімічных характарыстыках гэтых арганізмаў. Гэтыя найбольш верагодныя ваганні размешчаны на частотах 1060 см-1 (CO), 1540 см-1, 1640 см-1 (C=C), 1730 см-1 (C=O), 2850 см-1, 2920 см-1 (C–H) і 3280 см-1 (O–H). Для SL Nb-MXenes мы выявілі характарыстыку расцяжэння CH-сувязі, якая адпавядае нашаму папярэдняму даследаванню38. Аднак мы назіралі, што некаторыя дадатковыя пікі, звязаныя са сувязямі C=C і CH, зніклі. Гэта сведчыць аб тым, што хімічны склад мікраводарасцяў можа зведваць нязначныя змены з-за ўзаемадзеяння з SL Nb-MXenes.
Пры разглядзе магчымых змяненняў у біяхіміі мікраводарасцяў неабходна перагледзець назапашванне неарганічных аксідаў, такіх як аксід ніобію,59. Ён удзельнічае ў паглынанні металаў паверхняй клеткі, іх транспарце ў цытаплазму, іх сувязі з унутрыклеткавымі карбаксільнымі групамі і іх назапашванні ў поліфасфасомах мікраводарасцяў20,88,89,90. Акрамя таго, сувязь паміж мікраводарасцямі і металамі падтрымліваецца функцыянальнымі групамі клетак. Па гэтай прычыне паглынанне таксама залежыць ад хіміі паверхні мікраводарасцяў, якая з'яўляецца даволі складанай9,91. У цэлым, як і чакалася, хімічны склад зялёных мікраводарасцяў нязначна змяніўся з-за паглынання аксіду Nb.
Цікава, што назіранае пачатковае інгібіраванне мікраводарасцей было зварачальным з цягам часу. Як мы назіралі, мікраводарасці пераадолелі пачатковыя змены ў навакольным асяроддзі і ў рэшце рэшт вярнуліся да нармальных тэмпаў росту і нават павялічыліся. Даследаванні дзета-патэнцыялу паказваюць высокую стабільнасць пры ўвядзенні ў пажыўныя асяроддзі. Такім чынам, павярхоўнае ўзаемадзеянне паміж клеткамі мікраводарасцей і нанапласцінкамі Nb-MXene падтрымлівалася на працягу ўсіх эксперыментаў па аднаўленні. У нашым далейшым аналізе мы коратка апісваем асноўныя механізмы дзеяння, якія ляжаць у аснове гэтай выдатнай паводзін мікраводарасцей.
Назіранні з дапамогай СЭМ паказалі, што мікраводарасці маюць тэндэнцыю далучацца да Nb-MXene. Выкарыстоўваючы дынамічны аналіз малюнкаў, мы пацвярджаем, што гэты эфект прыводзіць да пераўтварэння двухмерных нанапласцінак Nb-MXene ў больш сферычныя часціцы, тым самым дэманструючы, што раскладанне нанапласцінак звязана з іх акісленнем. Каб праверыць нашу гіпотэзу, мы правялі серыю даследаванняў матэрыялаў і біяхімічных даследаванняў. Пасля тэставання нанапласцінкі паступова акісляліся і раскладаліся на прадукты NbO і Nb2O5, якія не ўяўлялі пагрозы для зялёных мікраводарасцей. Выкарыстоўваючы назіранні з дапамогай ІЧ-спектраскапіі з пераўтварэннем Фур'е, мы не выявілі істотных змен у хімічным складзе мікраводарасцей, інкубаваных у прысутнасці 2D нанапласцінак Nb-MXene. Улічваючы магчымасць паглынання аксіду ніобію мікраводарасцямі, мы правялі рэнтгенафлуарэсцэнтны аналіз. Гэтыя вынікі выразна паказваюць, што даследаваныя мікраводарасці сілкуюцца аксідамі ніобію (NbO і Nb2O5), якія не з'яўляюцца таксічнымі для даследаваных мікраводарасцей.