از بازدید شما از Nature.com متشکریم. شما از نسخه مرورگری با پشتیبانی محدود از CSS استفاده می‌کنید. برای بهترین تجربه، توصیه می‌کنیم از یک مرورگر به‌روز استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در Internet Explorer غیرفعال کنید). در عین حال، برای اطمینان از ادامه پشتیبانی، سایت را بدون استایل‌ها و جاوا اسکریپت رندر خواهیم کرد.
یک چرخ و فلک از سه اسلاید را به طور همزمان نمایش می‌دهد. از دکمه‌های قبلی و بعدی برای حرکت بین سه اسلاید به طور همزمان استفاده کنید، یا از دکمه‌های کشویی در انتها برای حرکت بین سه اسلاید به طور همزمان استفاده کنید.
توسعه سریع فناوری نانو و ادغام آن در کاربردهای روزمره می‌تواند محیط زیست را تهدید کند. در حالی که روش‌های سبز برای تخریب آلاینده‌های آلی به خوبی تثبیت شده‌اند، بازیابی آلاینده‌های کریستالی معدنی به دلیل حساسیت کم آنها به تبدیل زیستی و عدم درک تعاملات سطح مواد با سطوح بیولوژیکی، نگرانی عمده‌ای است. در اینجا، ما از یک مدل MXenes معدنی دوبعدی مبتنی بر Nb همراه با یک روش ساده تجزیه و تحلیل پارامتر شکل برای ردیابی مکانیسم زیست‌پالایی نانومواد سرامیکی دوبعدی توسط ریزجلبک سبز Raphidocelis subcapitata استفاده می‌کنیم. ما دریافتیم که ریزجلبک‌ها به دلیل تعاملات فیزیکی-شیمیایی مرتبط با سطح، MXenes مبتنی بر Nb را تخریب می‌کنند. در ابتدا، نانوپولک‌های MXene تک لایه و چند لایه به سطح ریزجلبک‌ها متصل شدند که تا حدودی رشد جلبک‌ها را کاهش داد. با این حال، پس از تعامل طولانی مدت با سطح، ریزجلبک‌ها نانوپولک‌های MXene را اکسید کرده و آنها را بیشتر به NbO و Nb2O5 تجزیه کردند. از آنجا که این اکسیدها برای سلول‌های ریزجلبک غیرسمی هستند، نانوذرات اکسید Nb را از طریق مکانیسم جذب مصرف می‌کنند که پس از ۷۲ ساعت تصفیه آب، ریزجلبک‌ها را بیشتر احیا می‌کند. اثرات مواد مغذی مرتبط با جذب نیز در افزایش حجم سلول، شکل صاف آنها و تغییر در سرعت رشد منعکس می‌شود. بر اساس این یافته‌ها، نتیجه می‌گیریم که حضور کوتاه مدت و بلند مدت MXene های مبتنی بر Nb در اکوسیستم‌های آب شیرین ممکن است تنها اثرات زیست‌محیطی جزئی ایجاد کند. شایان ذکر است که با استفاده از نانومواد دوبعدی به عنوان سیستم‌های مدل، امکان ردیابی تغییر شکل حتی در مواد ریزدانه را نشان می‌دهیم. به طور کلی، این مطالعه به یک سوال اساسی مهم در مورد فرآیندهای مرتبط با تعامل سطح که مکانیسم زیست‌پالایی نانومواد دوبعدی را هدایت می‌کنند، پاسخ می‌دهد و مبنایی برای مطالعات کوتاه مدت و بلند مدت بیشتر در مورد تأثیر زیست‌محیطی نانومواد کریستالی معدنی فراهم می‌کند.
نانومواد از زمان کشف خود توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند و فناوری‌های نانوی مختلف اخیراً وارد مرحله نوسازی شده‌اند.1 متأسفانه، ادغام نانومواد در کاربردهای روزمره می‌تواند منجر به انتشار تصادفی به دلیل دفع نامناسب، بی‌دقتی یا زیرساخت‌های ایمنی ناکافی شود. بنابراین، منطقی است که فرض کنیم نانومواد، از جمله نانومواد دوبعدی (2D)، می‌توانند در محیط طبیعی آزاد شوند، که رفتار و فعالیت بیولوژیکی آنها هنوز به طور کامل درک نشده است. بنابراین، جای تعجب نیست که نگرانی‌های مربوط به سمیت زیست‌محیطی بر توانایی نانومواد دوبعدی در نشت به سیستم‌های آبی متمرکز شده است.2،3،4،5،6. در این اکوسیستم‌ها، برخی از نانومواد دوبعدی می‌توانند با موجودات مختلف در سطوح مختلف تغذیه‌ای، از جمله ریزجلبک‌ها، تعامل داشته باشند.
ریزجلبک‌ها موجودات اولیه‌ای هستند که به طور طبیعی در اکوسیستم‌های آب شیرین و دریایی یافت می‌شوند و از طریق فتوسنتز انواع محصولات شیمیایی را تولید می‌کنند7. به همین دلیل، آنها برای اکوسیستم‌های آبی حیاتی هستند8،9،10،11،12 اما همچنین شاخص‌های حساس، ارزان و پرکاربردی برای سمیت زیست‌محیطی13،14 هستند13. از آنجایی که سلول‌های ریزجلبک به سرعت تکثیر می‌شوند و به سرعت به وجود ترکیبات مختلف پاسخ می‌دهند، نویدبخش توسعه روش‌های سازگار با محیط زیست برای تصفیه آب آلوده به مواد آلی هستند15،16.
سلول‌های جلبک می‌توانند یون‌های معدنی را از طریق جذب زیستی و تجمع از آب حذف کنند17،18. برخی از گونه‌های جلبکی مانند Chlorella، Anabaena invar، Westiellopsis prolifica، Stigeoclonium tenue و Synechococcus sp. مشخص شده است که این جلبک یون‌های فلزی سمی مانند Fe2+، Cu2+، Zn2+ و Mn2+ را حمل و حتی تغذیه می‌کند19. مطالعات دیگر نشان داده‌اند که یون‌های Cu2+، Cd2+، Ni2+، Zn2+ یا Pb2+ با تغییر مورفولوژی سلول و از بین بردن کلروپلاست‌های آنها، رشد Scenedesmus را محدود می‌کنند20،21.
روش‌های سبز برای تجزیه آلاینده‌های آلی و حذف یون‌های فلزات سنگین توجه دانشمندان و مهندسان در سراسر جهان را به خود جلب کرده است. این امر عمدتاً به این دلیل است که این آلاینده‌ها به راحتی در فاز مایع فرآوری می‌شوند. با این حال، آلاینده‌های کریستالی معدنی با حلالیت کم در آب و حساسیت کم به تبدیل‌های زیستی مختلف مشخص می‌شوند که باعث مشکلات زیادی در اصلاح می‌شود و پیشرفت کمی در این زمینه حاصل شده است22،23،24،25،26. بنابراین، جستجوی راه‌حل‌های سازگار با محیط زیست برای ترمیم نانومواد همچنان یک حوزه پیچیده و ناشناخته است. با توجه به درجه بالای عدم قطعیت در مورد اثرات تبدیل زیستی نانومواد دوبعدی، هیچ راه آسانی برای یافتن مسیرهای احتمالی تخریب آنها در طول کاهش وجود ندارد.
در این مطالعه، ما از ریزجلبک‌های سبز به عنوان یک عامل زیست‌پالایی آبی فعال برای مواد سرامیکی معدنی، همراه با پایش درجا فرآیند تخریب MXene به عنوان نماینده مواد سرامیکی معدنی، استفاده کردیم. اصطلاح "MXene" نشان دهنده استوکیومتری ماده Mn+1XnTx است، که در آن M یک فلز واسطه اولیه، X کربن و/یا نیتروژن، Tx یک پایانه سطحی (مثلاً -OH، -F، -Cl) و n = 1، 2، 3 یا 427.28 است. از زمان کشف MXenes توسط نقیب و همکاران. حسگرها، درمان سرطان و فیلتراسیون غشایی 27، 29، 30. علاوه بر این، MXenes را می‌توان به دلیل پایداری کلوئیدی عالی و تعاملات بیولوژیکی احتمالی، به عنوان سیستم‌های مدل 2D در نظر گرفت31، 32، 33، 34، 35، 36.
بنابراین، روش‌شناسی توسعه‌یافته در این مقاله و فرضیه‌های تحقیق ما در شکل 1 نشان داده شده است. طبق این فرضیه، ریزجلبک‌ها به دلیل فعل و انفعالات فیزیکی-شیمیایی مرتبط با سطح، MXeneهای مبتنی بر Nb را به ترکیبات غیرسمی تجزیه می‌کنند که امکان بازیابی بیشتر جلبک‌ها را فراهم می‌کند. برای آزمایش این فرضیه، دو عضو از خانواده کاربیدها و/یا نیتریدهای فلزات واسطه اولیه مبتنی بر نیوبیوم (MXenes)، یعنی Nb2CTx و Nb4C3TX، انتخاب شدند.
روش تحقیق و فرضیه‌های مبتنی بر شواهد برای بازیابی MXene توسط ریزجلبک سبز Raphidocelis subcapitata. لطفاً توجه داشته باشید که این فقط یک نمایش شماتیک از فرضیات مبتنی بر شواهد است. محیط دریاچه از نظر محیط مغذی مورد استفاده و شرایط (مثلاً چرخه روزانه و محدودیت در مواد مغذی ضروری موجود) متفاوت است. ایجاد شده با BioRender.com.
بنابراین، با استفاده از MXene به عنوان یک سیستم مدل، ما دری را به روی مطالعه اثرات بیولوژیکی مختلفی که با سایر نانومواد مرسوم قابل مشاهده نیستند، باز کرده‌ایم. به طور خاص، ما امکان زیست پالایی نانومواد دوبعدی، مانند MXene های مبتنی بر نیوبیوم، را توسط ریزجلبک Raphidocelis subcapitata نشان می‌دهیم. ریزجلبک‌ها قادر به تجزیه Nb-MXene ها به اکسیدهای غیرسمی NbO و Nb2O5 هستند که از طریق مکانیسم جذب نیوبیوم، مواد مغذی را نیز فراهم می‌کنند. به طور کلی، این مطالعه به یک سوال اساسی مهم در مورد فرآیندهای مرتبط با فعل و انفعالات فیزیکوشیمیایی سطحی که مکانیسم‌های زیست پالایی نانومواد دوبعدی را کنترل می‌کنند، پاسخ می‌دهد. علاوه بر این، ما در حال توسعه یک روش ساده مبتنی بر پارامتر شکل برای ردیابی تغییرات ظریف در شکل نانومواد دوبعدی هستیم. این امر الهام‌بخش تحقیقات کوتاه‌مدت و بلندمدت بیشتر در مورد اثرات مختلف زیست‌محیطی نانومواد کریستالی معدنی است. بنابراین، مطالعه ما درک تعامل بین سطح ماده و ماده بیولوژیکی را افزایش می‌دهد. ما همچنین زمینه را برای مطالعات کوتاه‌مدت و بلندمدت گسترده‌تر در مورد تأثیرات احتمالی آنها بر اکوسیستم‌های آب شیرین فراهم می‌کنیم که اکنون به راحتی قابل تأیید است.
MXeneها دسته‌ای جالب از مواد با خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد و جذاب و در نتیجه کاربردهای بالقوه فراوان هستند. این خواص تا حد زیادی به استوکیومتری و شیمی سطح آنها وابسته است. بنابراین، در مطالعه ما، دو نوع MXene تک لایه سلسله مراتبی (SL) مبتنی بر Nb، Nb2CTx و Nb4C3TX را بررسی کردیم، زیرا اثرات بیولوژیکی مختلفی از این نانومواد قابل مشاهده است. MXeneها از مواد اولیه خود با اچینگ انتخابی از بالا به پایین لایه‌های A فاز MAX نازک اتمی تولید می‌شوند. فاز MAX یک سرامیک سه‌تایی است که از بلوک‌های "پیوندی" کاربیدهای فلزات واسطه و لایه‌های نازک عناصر "A" مانند Al، Si و Sn با استوکیومتری MnAXn-1 تشکیل شده است. مورفولوژی فاز اولیه MAX توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مشاهده شد و با مطالعات قبلی مطابقت داشت (به اطلاعات تکمیلی، SI، شکل S1 مراجعه کنید). Nb-MXene چند لایه (ML) پس از حذف لایه Al با 48٪ HF (اسید هیدروفلوئوریک) به دست آمد. مورفولوژی ML-Nb2CTx و ML-Nb4C3TX توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی شد (به ترتیب شکل‌های S1c و S1d) و یک مورفولوژی لایه‌ای معمولی MXene مشاهده شد، شبیه به نانوپولک‌های دوبعدی که از شکاف‌های منفذ مانند کشیده عبور می‌کنند. هر دو Nb-MXene اشتراکات زیادی با فازهای MXene که قبلاً با اچینگ اسیدی سنتز شده بودند، دارند27،38. پس از تأیید ساختار MXene، آن را با قرار دادن تترابوتیل آمونیوم هیدروکسید (TBAOH) و سپس شستشو و سونیکاسیون لایه‌بندی کردیم، پس از آن نانوپولک‌های Nb-MXene دوبعدی تک لایه یا کم لایه (SL) را به دست آوردیم.
ما از میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (HRTEM) و پراش اشعه ایکس (XRD) برای آزمایش کارایی اچینگ و لایه برداری بیشتر استفاده کردیم. نتایج HRTEM که با استفاده از تبدیل فوریه سریع معکوس (IFFT) و تبدیل فوریه سریع (FFT) پردازش شده‌اند، در شکل 2 نشان داده شده است. نانوپولک‌های Nb-MXene برای بررسی ساختار لایه اتمی و اندازه‌گیری فواصل بین صفحه‌ای، به سمت بالا جهت‌گیری شدند. تصاویر HRTEM از نانوپولک‌های MXene Nb2CTx و Nb4C3TX، ماهیت لایه‌ای نازک اتمی آنها را نشان داد (شکل‌های 2a1 و a2 را ببینید)، همانطور که قبلاً توسط نقیب و همکاران 27 و جاسترزبسکا و همکاران 38 گزارش شده است. برای دو تک لایه مجاور Nb2CTx و Nb4C3Tx، فواصل بین لایه‌ای را به ترتیب 0.74 و 1.54 نانومتر تعیین کردیم (شکل‌های 2b1 و b2)، که با نتایج قبلی ما نیز مطابقت دارد 38. این موضوع با تبدیل فوریه سریع معکوس (شکل 2c1، c2) و تبدیل فوریه سریع (شکل 2d1، d2) که فاصله بین تک لایه‌های Nb2CTx و Nb4C3Tx را نشان می‌دهد، بیشتر تأیید شد. تصویر، تناوبی از نوارهای روشن و تاریک مربوط به اتم‌های نیوبیوم و کربن را نشان می‌دهد که ماهیت لایه‌ای MXene های مورد مطالعه را تأیید می‌کند. لازم به ذکر است که طیف‌های طیف‌سنجی پراش انرژی اشعه ایکس (EDX) به‌دست‌آمده برای Nb2CTx و Nb4C3Tx (شکل‌های S2a و S2b) هیچ بقایایی از فاز MAX اصلی نشان ندادند، زیرا هیچ پیک Al شناسایی نشد.
مشخصه‌یابی نانوپولک‌های SL Nb2CTx و Nb4C3Tx MXene، شامل (الف) تصویربرداری دوبعدی نانوپولک با وضوح بالا (HRTEM) از نمای جانبی و متناظر با آن، (ب) حالت شدت، (ج) تبدیل فوریه سریع معکوس (IFFT)، (د) تبدیل فوریه سریع (FFT)، (ه) الگوهای اشعه ایکس Nb-MXenes. برای SL 2D Nb2CTx، اعداد به صورت (a1، b1، c1، d1، e1) بیان می‌شوند. برای SL 2D Nb4C3Tx، اعداد به صورت (a2، b2، c2، d2، e1) بیان می‌شوند.
اندازه‌گیری‌های پراش پرتو ایکس MXene های SL Nb2CTx و Nb4C3Tx به ترتیب در شکل‌های 2e1 و e2 نشان داده شده‌اند. پیک‌های (002) در 4.31 و 4.32 به ترتیب مربوط به MXene های لایه‌ای Nb2CTx و Nb4C3TX38،39،40،41 هستند که قبلاً شرح داده شده‌اند. نتایج XRD همچنین نشان‌دهنده وجود برخی ساختارهای ML باقیمانده و فازهای MAX است، اما بیشتر الگوهای XRD مرتبط با SL Nb4C3Tx هستند (شکل 2e2). وجود ذرات کوچکتر از فاز MAX ممکن است پیک MAX قوی‌تر را در مقایسه با لایه‌های Nb4C3Tx که به صورت تصادفی روی هم چیده شده‌اند، توضیح دهد.
تحقیقات بیشتر بر روی ریزجلبک‌های سبز متعلق به گونه R. subcapitata متمرکز شده است. ما ریزجلبک‌ها را انتخاب کردیم زیرا تولیدکنندگان مهمی هستند که در شبکه‌های غذایی اصلی نقش دارند42. آنها همچنین به دلیل توانایی حذف مواد سمی که به سطوح بالاتر زنجیره غذایی منتقل می‌شوند، یکی از بهترین شاخص‌های سمیت هستند43. علاوه بر این، تحقیقات روی R. subcapitata ممکن است سمیت اتفاقی SL Nb-MXenes را برای میکروارگانیسم‌های رایج آب شیرین روشن کند. برای نشان دادن این موضوع، محققان فرض کردند که هر میکروب حساسیت متفاوتی به ترکیبات سمی موجود در محیط دارد. برای اکثر موجودات زنده، غلظت‌های پایین مواد بر رشد آنها تأثیری ندارد، در حالی که غلظت‌های بالاتر از یک حد مشخص می‌تواند آنها را مهار کند یا حتی باعث مرگ شود. بنابراین، برای مطالعات خود در مورد برهمکنش سطحی بین ریزجلبک‌ها و MXenes و بازیابی مرتبط با آن، تصمیم گرفتیم غلظت‌های بی‌ضرر و سمی Nb-MXenes را آزمایش کنیم. برای انجام این کار، غلظت‌های ۰ (به عنوان مرجع)، ۰.۰۱، ۰.۱ و ۱۰ میلی‌گرم در لیتر MXene را آزمایش کردیم و علاوه بر آن، ریزجلبک‌ها را با غلظت‌های بسیار بالای MXene (۱۰۰ میلی‌گرم در لیتر MXene) آلوده کردیم که می‌تواند برای هر محیط بیولوژیکی شدید و کشنده باشد.
اثرات SL Nb-MXenes بر روی ریزجلبک‌ها در شکل 3 نشان داده شده است که به صورت درصد افزایش رشد (+) یا مهار (-) اندازه‌گیری شده برای نمونه‌های 0 میلی‌گرم در لیتر بیان شده است. برای مقایسه، فاز Nb-MAX و ML Nb-MXenes نیز آزمایش شدند و نتایج در SI نشان داده شده است (شکل S3 را ببینید). نتایج به‌دست‌آمده تأیید کرد که SL Nb-MXenes تقریباً به‌طور کامل در محدوده غلظت‌های پایین از 0.01 تا 10 میلی‌گرم در لیتر عاری از سمیت است، همانطور که در شکل 3a،b نشان داده شده است. در مورد Nb2CTx، در محدوده مشخص‌شده بیش از 5٪ سمیت اکولوژیکی مشاهده نکردیم.
تحریک (+) یا مهار (-) رشد ریزجلبک‌ها در حضور SL (a) Nb2CTx و (b) Nb4C3TX MXene. 24، 48 و 72 ساعت برهمکنش MXene-ریزجلبک‌ها مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. داده‌های معنی‌دار (آزمون t، p < 0.05) با علامت ستاره (*) مشخص شده‌اند. داده‌های معنی‌دار (آزمون t، p < 0.05) با علامت ستاره (*) مشخص شده‌اند. Значимые данные (t-критерий, p <0,05) отмечены ѕвездочкой (*). داده‌های معنی‌دار (آزمون t، p < 0.05) با علامت ستاره (*) مشخص شده‌اند.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 (*). داده‌های مهم (آزمون t، p < 0.05) با علامت ستاره (*) مشخص شده‌اند.فلش‌های قرمز نشان دهنده‌ی حذف تحریک مهاری هستند.
از سوی دیگر، غلظت‌های پایین Nb4C3TX کمی سمی‌تر بودند، اما نه بیشتر از 7٪. همانطور که انتظار می‌رفت، مشاهده کردیم که MXeneها در غلظت 100 میلی‌گرم در لیتر سمیت و مهار رشد ریزجلبک‌ها بالاتری داشتند. جالب توجه است که هیچ یک از مواد روند و وابستگی زمانی یکسانی از اثرات غیرسمی/سمی در مقایسه با نمونه‌های MAX یا ML نشان ندادند (برای جزئیات به SI مراجعه کنید). در حالی که برای فاز MAX (شکل S3 را ببینید) سمیت تقریباً به 15 تا 25 درصد رسید و با زمان افزایش یافت، روند معکوس برای SL Nb2CTx و Nb4C3TX MXene مشاهده شد. مهار رشد ریزجلبک‌ها با گذشت زمان کاهش یافت. پس از 24 ساعت تقریباً به 17 درصد رسید و پس از 72 ساعت به کمتر از 5 درصد کاهش یافت (به ترتیب شکل 3a، b).
مهمتر از همه، برای SL Nb4C3TX، مهار رشد ریزجلبک‌ها پس از 24 ساعت به حدود 27٪ رسید، اما پس از 72 ساعت به حدود 1٪ کاهش یافت. بنابراین، ما اثر مشاهده شده را به عنوان مهار معکوس تحریک نامگذاری کردیم و این اثر برای SL Nb4C3TX MXene قوی‌تر بود. تحریک رشد ریزجلبک‌ها قبلاً با Nb4C3TX (تعامل در 10 میلی‌گرم در لیتر به مدت 24 ساعت) در مقایسه با SL Nb2CTx MXene مشاهده شد. اثر معکوس مهار-تحریک نیز به خوبی در منحنی سرعت دو برابر شدن زیست توده نشان داده شده است (برای جزئیات به شکل S4 مراجعه کنید). تاکنون، فقط سمیت اکولوژیکی Ti3C2TX MXene به روش‌های مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است. این ماده برای جنین‌های گورخرماهی سمی نیست44 اما برای ریزجلبک‌های Desmodesmus quadricauda و گیاهان Sorghum saccharatum45 سمیت اکولوژیکی متوسطی دارد. نمونه‌های دیگری از اثرات خاص شامل سمیت بیشتر برای رده‌های سلولی سرطانی نسبت به رده‌های سلولی طبیعی است46،47. می‌توان فرض کرد که شرایط آزمایش بر تغییرات رشد ریزجلبک‌ها که در حضور Nb-MXenes مشاهده می‌شود، تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، pH حدود 8 در استرومای کلروپلاست برای عملکرد کارآمد آنزیم RuBisCO بهینه است. بنابراین، تغییرات pH بر میزان فتوسنتز تأثیر منفی می‌گذارد48،49. با این حال، ما در طول آزمایش تغییرات قابل توجهی در pH مشاهده نکردیم (برای جزئیات به SI، شکل S5 مراجعه کنید). به طور کلی، کشت ریزجلبک‌ها با Nb-MXenes، pH محلول را با گذشت زمان کمی کاهش داد. با این حال، این کاهش مشابه تغییر در pH یک محیط کشت خالص بود. علاوه بر این، دامنه تغییرات مشاهده شده مشابه دامنه اندازه‌گیری شده برای کشت خالص ریزجلبک‌ها (نمونه کنترل) بود. بنابراین، نتیجه می‌گیریم که فتوسنتز تحت تأثیر تغییرات pH با گذشت زمان قرار نمی‌گیرد.
علاوه بر این، MXene های سنتز شده دارای انتهای سطحی (با نام Tx) هستند. اینها عمدتاً گروه‌های عاملی -O، -F و -OH هستند. با این حال، شیمی سطح مستقیماً با روش سنتز مرتبط است. این گروه‌ها به طور تصادفی روی سطح توزیع شده‌اند و پیش‌بینی تأثیر آنها بر خواص MXene50 را دشوار می‌کند. می‌توان استدلال کرد که Tx می‌تواند نیروی کاتالیزوری برای اکسیداسیون نیوبیوم توسط نور باشد. گروه‌های عاملی سطحی در واقع مکان‌های لنگر متعددی را برای فوتوکاتالیست‌های زیرین خود فراهم می‌کنند تا اتصالات ناهمگن تشکیل دهند51. با این حال، ترکیب محیط رشد، یک فوتوکاتالیست مؤثر ارائه نکرد (ترکیب دقیق محیط را می‌توان در جدول SI S6 یافت). علاوه بر این، هرگونه اصلاح سطح نیز بسیار مهم است، زیرا فعالیت بیولوژیکی MXene ها می‌تواند به دلیل پس پردازش لایه، اکسیداسیون، اصلاح شیمیایی سطح ترکیبات آلی و معدنی52،53،54،55،56 یا مهندسی بار سطحی38 تغییر کند. بنابراین، برای بررسی اینکه آیا اکسید نیوبیوم ارتباطی با ناپایداری مواد در محیط کشت دارد، ما مطالعاتی در مورد پتانسیل زتا (ζ) در محیط کشت میکروجلبک و آب دیونیزه (برای مقایسه) انجام دادیم. نتایج ما نشان می‌دهد که Nb-MXene های SL نسبتاً پایدار هستند (برای نتایج MAX و ML به شکل SI S6 مراجعه کنید). پتانسیل زتای MXene های SL حدود -10 میلی ولت است. در مورد SR Nb2CTx، مقدار ζ تا حدودی منفی‌تر از Nb4C3Tx است. چنین تغییری در مقدار ζ ممکن است نشان دهد که سطح نانوپولک‌های MXene با بار منفی، یون‌های با بار مثبت را از محیط کشت جذب می‌کند. اندازه‌گیری‌های زمانی پتانسیل زتا و رسانایی Nb-MXene ها در محیط کشت (برای جزئیات بیشتر به شکل‌های S7 و S8 در SI مراجعه کنید) به نظر می‌رسد از فرضیه ما پشتیبانی می‌کند.
با این حال، هر دو SL مربوط به Nb-MXene تغییرات حداقلی از صفر نشان دادند. این به وضوح پایداری آنها را در محیط رشد میکروجلبک نشان می‌دهد. علاوه بر این، ما ارزیابی کردیم که آیا حضور میکروجلبک‌های سبز ما بر پایداری Nb-MXenes در محیط تأثیر می‌گذارد یا خیر. نتایج پتانسیل زتا و رسانایی MXenes پس از تعامل با میکروجلبک‌ها در محیط‌های مغذی و کشت در طول زمان را می‌توان در SI (شکل‌های S9 و S10) یافت. جالب توجه است که متوجه شدیم که به نظر می‌رسد حضور میکروجلبک‌ها پراکندگی هر دو MXenes را تثبیت می‌کند. در مورد Nb2CTx SL، پتانسیل زتا حتی با گذشت زمان به مقادیر منفی‌تری کاهش یافت (-15.8 در مقابل -19.1 میلی‌ولت پس از 72 ساعت انکوباسیون). پتانسیل زتای SL مربوط به Nb4C3TX کمی افزایش یافت، اما پس از 72 ساعت همچنان پایداری بالاتری نسبت به نانوپولک‌های بدون حضور میکروجلبک نشان داد (-18.1 در مقابل -9.1 میلی‌ولت).
ما همچنین رسانایی پایین‌تری از محلول‌های Nb-MXene انکوبه شده در حضور ریزجلبک‌ها مشاهده کردیم که نشان‌دهنده مقدار کمتر یون‌ها در محیط مغذی است. نکته قابل توجه این است که ناپایداری MXeneها در آب عمدتاً به دلیل اکسیداسیون سطحی است57. بنابراین، ما گمان می‌کنیم که ریزجلبک‌های سبز به نحوی اکسیدهای تشکیل شده روی سطح Nb-MXene را پاک کرده و حتی از وقوع آنها (اکسیداسیون MXene) جلوگیری کرده‌اند. این امر را می‌توان با مطالعه انواع مواد جذب شده توسط ریزجلبک‌ها مشاهده کرد.
در حالی که مطالعات بوم‌شناسی سم‌شناسی ما نشان داد که ریزجلبک‌ها قادر به غلبه بر سمیت Nb-MXenes در طول زمان و مهار غیرمعمول رشد تحریک‌شده هستند، هدف مطالعه ما بررسی مکانیسم‌های احتمالی عمل بود. هنگامی که ارگانیسم‌هایی مانند جلبک‌ها در معرض ترکیبات یا موادی ناآشنا با اکوسیستم‌های خود قرار می‌گیرند، ممکن است به روش‌های مختلفی واکنش نشان دهند58،59. در غیاب اکسیدهای فلزی سمی، ریزجلبک‌ها می‌توانند خود را تغذیه کنند و به آنها اجازه رشد مداوم می‌دهد60. پس از مصرف مواد سمی، مکانیسم‌های دفاعی ممکن است فعال شوند، مانند تغییر شکل یا فرم. احتمال جذب نیز باید در نظر گرفته شود58،59. نکته قابل توجه این است که هر نشانه‌ای از مکانیسم دفاعی، شاخص روشنی از سمیت ترکیب مورد آزمایش است. بنابراین، در کار بعدی خود، برهمکنش سطحی بالقوه بین نانوپولک‌های SL Nb-MXene و ریزجلبک‌ها را با SEM و جذب احتمالی MXene مبتنی بر Nb را با طیف‌سنجی فلورسانس اشعه ایکس (XRF) بررسی کردیم. توجه داشته باشید که تجزیه و تحلیل‌های SEM و XRF فقط در بالاترین غلظت MXene انجام شد تا به مسائل مربوط به سمیت فعالیت رسیدگی شود.
نتایج SEM در شکل 4 نشان داده شده است. سلول‌های میکروجلبک تیمار نشده (به شکل 4a، نمونه مرجع مراجعه کنید) به وضوح مورفولوژی معمول R. subcapitata و شکل سلولی کروسان مانند را نشان دادند. سلول‌ها مسطح و تا حدودی نامنظم به نظر می‌رسند. برخی از سلول‌های میکروجلبک روی هم افتاده و با یکدیگر درگیر شده‌اند، اما این احتمالاً ناشی از فرآیند آماده‌سازی نمونه بوده است. به طور کلی، سلول‌های میکروجلبک خالص سطح صافی داشتند و هیچ تغییر مورفولوژیکی نشان ندادند.
تصاویر SEM که برهمکنش سطحی بین ریزجلبک‌های سبز و نانوصفحات MXene را پس از ۷۲ ساعت برهمکنش در غلظت بسیار بالا (۱۰۰ میلی‌گرم در لیتر) نشان می‌دهند. (الف) ریزجلبک‌های سبز تیمار نشده پس از برهمکنش با SL (ب) Nb2CTx و (ج) Nb4C3TX MXenes. توجه داشته باشید که نانوپولک‌های Nb-MXene با فلش‌های قرمز مشخص شده‌اند. برای مقایسه، عکس‌هایی از میکروسکوپ نوری نیز اضافه شده است.
در مقابل، سلول‌های میکروجلبک جذب‌شده توسط نانوپولک‌های SL Nb-MXene آسیب دیدند (به شکل 4b، c، فلش‌های قرمز مراجعه کنید). در مورد Nb2CTx MXene (شکل 4b)، میکروجلبک‌ها تمایل دارند با نانومقیاس‌های دوبعدی متصل رشد کنند که می‌تواند مورفولوژی آنها را تغییر دهد. نکته قابل توجه این است که ما این تغییرات را زیر میکروسکوپ نوری نیز مشاهده کردیم (برای جزئیات به شکل SI S11 مراجعه کنید). این گذار مورفولوژیکی، مبنای قابل قبولی در فیزیولوژی میکروجلبک‌ها و توانایی آنها در دفاع از خود با تغییر مورفولوژی سلول، مانند افزایش حجم سلول، دارد61. بنابراین، بررسی تعداد سلول‌های میکروجلبکی که در واقع در تماس با Nb-MXenes هستند، مهم است. مطالعات SEM نشان داد که تقریباً 52٪ از سلول‌های میکروجلبک در معرض Nb-MXenes قرار گرفته‌اند، در حالی که 48٪ از این سلول‌های میکروجلبک از تماس اجتناب کرده‌اند. برای MXene مربوط به SL Nb4C3Tx، ریزجلبک‌ها سعی می‌کنند از تماس با MXene اجتناب کنند، در نتیجه از مقیاس‌های نانوی دوبعدی محلی‌سازی و رشد می‌کنند (شکل 4c). با این حال، ما نفوذ مقیاس‌های نانو به سلول‌های ریزجلبک و آسیب آنها را مشاهده نکردیم.
خود-حفاظتی همچنین یک رفتار واکنشی وابسته به زمان به انسداد فتوسنتز به دلیل جذب ذرات روی سطح سلول و به اصطلاح اثر سایه (shading effect)62 است. واضح است که هر جسم (به عنوان مثال، نانوپولک‌های Nb-MXene) که بین ریزجلبک و منبع نور قرار دارد، میزان نور جذب شده توسط کلروپلاست‌ها را محدود می‌کند. با این حال، شکی نداریم که این امر تأثیر قابل توجهی بر نتایج به دست آمده دارد. همانطور که مشاهدات میکروسکوپی ما نشان می‌دهد، نانوپولک‌های دوبعدی حتی زمانی که سلول‌های ریزجلبک در تماس با Nb-MXenes بودند، به طور کامل پیچیده نشده یا به سطح ریزجلبک‌ها نچسبیده بودند. در عوض، نانوپولک‌ها به سمت سلول‌های ریزجلبک جهت‌گیری شده بودند، بدون اینکه سطح آنها را بپوشانند. چنین مجموعه‌ای از نانوپولک‌ها/ریزجلبک‌ها نمی‌توانند میزان نور جذب شده توسط سلول‌های ریزجلبک را به طور قابل توجهی محدود کنند. علاوه بر این، برخی مطالعات حتی بهبود جذب نور توسط موجودات فتوسنتزکننده را در حضور نانومواد دوبعدی نشان داده‌اند63،64،65،66.
از آنجایی که تصاویر SEM نمی‌توانستند مستقیماً جذب نیوبیوم توسط سلول‌های ریزجلبک را تأیید کنند، مطالعه بیشتر ما برای روشن شدن این موضوع به آنالیز فلورسانس اشعه ایکس (XRF) و طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) روی آورد. بنابراین، ما شدت پیک‌های Nb نمونه‌های ریزجلبک مرجع که با MXenes، نانوپولک‌های MXene جدا شده از سطح سلول‌های ریزجلبک و سلول‌های ریزجلبک پس از حذف MXenes متصل، برهمکنش نداشتند را مقایسه کردیم. شایان ذکر است که اگر جذب Nb وجود نداشته باشد، مقدار Nb به‌دست‌آمده توسط سلول‌های ریزجلبک باید پس از حذف نانومقیاس‌های متصل، صفر باشد. بنابراین، اگر جذب Nb رخ دهد، هر دو نتایج XRF و XPS باید یک پیک Nb واضح را نشان دهند.
در مورد طیف‌های XRF، نمونه‌های ریزجلبک پس از برهمکنش با SL Nb2CTx و Nb4C3Tx MXene، پیک‌های Nb را برای SL Nb2CTx و Nb4C3Tx MXene نشان دادند (شکل 5a را ببینید، همچنین توجه داشته باشید که نتایج مربوط به MAX و ML MXene در SI، شکل‌های S12-C17 نشان داده شده است). جالب توجه است که شدت پیک Nb در هر دو مورد یکسان است (میله‌های قرمز در شکل 5a). این نشان می‌دهد که جلبک نمی‌تواند Nb بیشتری جذب کند و حداکثر ظرفیت برای تجمع Nb در سلول‌ها حاصل شده است، اگرچه دو برابر بیشتر Nb4C3Tx MXene به سلول‌های ریزجلبک متصل شده است (میله‌های آبی در شکل 5a). نکته قابل توجه این است که توانایی ریزجلبک‌ها در جذب فلزات به غلظت اکسیدهای فلزی در محیط بستگی دارد67،68. شمشادا و همکاران67 دریافتند که ظرفیت جذب جلبک‌های آب شیرین با افزایش pH کاهش می‌یابد. Raize و همکارانش68 اشاره کردند که توانایی جلبک دریایی در جذب فلزات Pb2+ حدود 25٪ بیشتر از Ni2+ است.
(الف) نتایج XRF از جذب پایه Nb توسط سلول‌های ریزجلبک سبز که در غلظت بسیار بالای SL Nb-MXenes (100 میلی‌گرم در لیتر) به مدت 72 ساعت انکوبه شده‌اند. نتایج، وجود α را در سلول‌های ریزجلبک خالص (نمونه کنترل، ستون‌های خاکستری)، نانوپولک‌های دوبعدی جدا شده از سلول‌های ریزجلبک سطحی (ستون‌های آبی) و سلول‌های ریزجلبک پس از جداسازی نانوپولک‌های دوبعدی از سطح (ستون‌های قرمز) نشان می‌دهد. مقدار Nb عنصری، (ب) درصد ترکیب شیمیایی اجزای آلی ریزجلبک (C=O و CHx/C–O) و اکسیدهای Nb موجود در سلول‌های ریزجلبک پس از انکوباسیون با SL Nb-MXenes، (ج–ه) برازش پیک ترکیبی طیف‌های XPS SL Nb2CTx و (ف) SL Nb4C3Tx MXene که توسط سلول‌های ریزجلبک درونی شده است.
بنابراین، ما انتظار داشتیم که Nb بتواند توسط سلول‌های جلبک به شکل اکسید جذب شود. برای آزمایش این موضوع، مطالعات XPS را روی MXenes Nb2CTx و Nb4C3TX و سلول‌های جلبک انجام دادیم. نتایج برهمکنش ریزجلبک‌ها با Nb-MXenes و MXenes جدا شده از سلول‌های جلبک در شکل‌های 5b نشان داده شده است. همانطور که انتظار می‌رفت، ما پیک‌های Nb 3d را در نمونه‌های ریزجلبک پس از حذف MXene از سطح ریزجلبک‌ها شناسایی کردیم. تعیین کمی اکسیدهای C=O، CHx/CO و Nb بر اساس طیف‌های Nb 3d، O 1s و C 1s به‌دست‌آمده با Nb2CTx SL (شکل 5c-e) و Nb4C3Tx SL (شکل 5c-e) که از ریزجلبک‌های انکوبه‌شده به‌دست‌آمده است، محاسبه شد. شکل 5f-h) MXenes. جدول S1-3 جزئیات پارامترهای پیک و شیمی کلی حاصل از برازش را نشان می‌دهد. شایان ذکر است که نواحی Nb 3d مربوط به Nb2CTx SL و Nb4C3Tx SL (شکل 5c، f) مربوط به یک جزء Nb2O5 هستند. در اینجا، ما هیچ پیک مرتبط با MXene در طیف‌ها پیدا نکردیم، که نشان می‌دهد سلول‌های میکروجلبک فقط فرم اکسید Nb را جذب می‌کنند. علاوه بر این، ما طیف C1s را با اجزای C-C، CHx/C-O، C=O و –COOH تقریب زدیم. پیک‌های CHx/C-O و C=O را به سهم آلی سلول‌های میکروجلبک نسبت دادیم. این اجزای آلی به ترتیب 36٪ و 41٪ از پیک‌های C1s را در Nb2CTx SL و Nb4C3TX SL تشکیل می‌دهند. سپس طیف‌های O1s مربوط به SL Nb2CTx و SL Nb4C3TX را با Nb2O5، اجزای آلی میکروجلبک‌ها (CHx/CO) و آب جذب‌شده سطحی برازش دادیم.
در نهایت، نتایج XPS به وضوح شکل Nb را نشان داد، نه فقط حضور آن را. با توجه به موقعیت سیگنال Nb 3d و نتایج دکانولوشن، تأیید می‌کنیم که Nb فقط به شکل اکسیدها جذب می‌شود و نه یون‌ها یا خود MXene. علاوه بر این، نتایج XPS نشان داد که سلول‌های ریزجلبک توانایی بیشتری در جذب اکسیدهای Nb از SL Nb2CTx در مقایسه با SL Nb4C3TX MXene دارند.
اگرچه نتایج جذب Nb ما چشمگیر است و به ما امکان شناسایی تخریب MXene را می‌دهد، اما هیچ روشی برای ردیابی تغییرات مورفولوژیکی مرتبط در نانوپولک‌های دوبعدی وجود ندارد. بنابراین، ما همچنین تصمیم گرفتیم روشی مناسب ایجاد کنیم که بتواند مستقیماً به هرگونه تغییر رخ داده در نانوپولک‌های دوبعدی Nb-MXene و سلول‌های ریزجلبک پاسخ دهد. توجه به این نکته ضروری است که فرض می‌کنیم اگر گونه‌های در حال تعامل دچار هرگونه تغییر، تجزیه یا تجزیه شوند، این امر باید به سرعت خود را به صورت تغییر در پارامترهای شکل، مانند قطر ناحیه دایره‌ای معادل، گردی، عرض فرت یا طول فرت نشان دهد. از آنجایی که این پارامترها برای توصیف ذرات کشیده یا نانوپولک‌های دوبعدی مناسب هستند، ردیابی آنها با تجزیه و تحلیل شکل پویای ذرات، اطلاعات ارزشمندی در مورد تغییر مورفولوژیکی نانوپولک‌های SL Nb-MXene در طول کاهش به ما می‌دهد.
نتایج به‌دست‌آمده در شکل 6 نشان داده شده است. برای مقایسه، ما فاز MAX اصلی و ML-MXenes را نیز آزمایش کردیم (به شکل‌های SI S18 و S19 مراجعه کنید). تجزیه و تحلیل دینامیکی شکل ذرات نشان داد که تمام پارامترهای شکل دو SL Nb-MXene پس از برهمکنش با ریزجلبک‌ها به طور قابل توجهی تغییر کردند. همانطور که توسط پارامتر قطر سطح دایره‌ای معادل (شکل 6a، b) نشان داده شده است، شدت پیک کاهش‌یافته کسری از نانوپولک‌های بزرگ نشان می‌دهد که آنها تمایل به تجزیه به قطعات کوچکتر دارند. در شکل 6c، d کاهش در پیک‌های مرتبط با اندازه عرضی پولک‌ها (کشیدگی نانوپولک‌ها) نشان داده شده است که نشان‌دهنده تبدیل نانوپولک‌های دوبعدی به شکلی شبیه‌تر به ذره است. شکل 6e-h به ترتیب عرض و طول فرت را نشان می‌دهد. عرض و طول فرت پارامترهای مکمل هستند و بنابراین باید با هم در نظر گرفته شوند. پس از انکوباسیون نانوپولک‌های دوبعدی Nb-MXene در حضور ریزجلبک‌ها، پیک‌های همبستگی فرت آنها تغییر کرد و شدت آنها کاهش یافت. بر اساس این نتایج در ترکیب با مورفولوژی، XRF و XPS، نتیجه گرفتیم که تغییرات مشاهده شده به شدت با اکسیداسیون مرتبط هستند، زیرا MXene های اکسید شده چروکیده تر شده و به قطعات و ذرات اکسید کروی تجزیه می شوند69،70.
تحلیل تبدیل MXene پس از برهمکنش با ریزجلبک‌های سبز. تحلیل شکل دینامیکی ذرات، پارامترهایی مانند (a، b) قطر ناحیه دایره‌ای معادل، (c، d) گردی، (e، f) عرض Feret و (g، h) طول Feret را در نظر می‌گیرد. برای این منظور، دو نمونه ریزجلبک مرجع به همراه MXene های اولیه SL Nb2CTx و SL Nb4C3Tx، MXene های SL Nb2CTx و SL Nb4C3Tx، ریزجلبک‌های تخریب‌شده و ریزجلبک‌های تیمار شده SL Nb2CTx و SL Nb4C3Tx MXenes مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. فلش‌های قرمز، انتقال پارامترهای شکل نانوپولک‌های دوبعدی مورد مطالعه را نشان می‌دهند.
از آنجایی که آنالیز پارامتر شکل بسیار قابل اعتماد است، می‌تواند تغییرات مورفولوژیکی در سلول‌های میکروجلبک را نیز آشکار کند. بنابراین، ما قطر ناحیه دایره‌ای معادل، گردی و عرض/طول فرت سلول‌های میکروجلبک خالص و سلول‌ها را پس از برهمکنش با نانوپولک‌های دوبعدی Nb تجزیه و تحلیل کردیم. در شکل‌های 6a-h تغییرات در پارامترهای شکل سلول‌های جلبک نشان داده شده است، همانطور که با کاهش شدت پیک و تغییر حداکثر به سمت مقادیر بالاتر مشهود است. به طور خاص، پارامترهای گردی سلول، کاهش در سلول‌های کشیده و افزایش در سلول‌های کروی را نشان دادند (شکل 6a، b). علاوه بر این، عرض سلول فرت پس از برهمکنش با SL Nb2CTx MXene (شکل 6e) در مقایسه با SL Nb4C3TX MXene (شکل 6f) چندین میکرومتر افزایش یافت. ما گمان می‌کنیم که این ممکن است به دلیل جذب قوی اکسیدهای Nb توسط میکروجلبک‌ها پس از برهمکنش با Nb2CTx SR باشد. اتصال کمتر و سفت‌تر پولک‌های Nb به سطح آنها می‌تواند منجر به رشد سلول با حداقل اثر سایه‌زنی شود.
مشاهدات ما از تغییرات در پارامترهای شکل و اندازه ریزجلبک‌ها، مطالعات دیگر را تکمیل می‌کند. ریزجلبک‌های سبز می‌توانند مورفولوژی خود را در پاسخ به استرس محیطی با تغییر اندازه سلول، شکل یا متابولیسم تغییر دهند61. به عنوان مثال، تغییر اندازه سلول‌ها جذب مواد مغذی را تسهیل می‌کند71. سلول‌های جلبک کوچک‌تر جذب مواد مغذی کمتری و سرعت رشد مختل‌شده‌ای را نشان می‌دهند. برعکس، سلول‌های بزرگ‌تر تمایل به مصرف مواد مغذی بیشتری دارند که سپس به صورت درون سلولی رسوب می‌کنند72،73. ماچادو و سوارز دریافتند که قارچ‌کش تریکلوزان می‌تواند اندازه سلول را افزایش دهد. آنها همچنین تغییرات عمیقی در شکل جلبک‌ها یافتند74. علاوه بر این، یین و همکارانش9 نیز تغییرات مورفولوژیکی در جلبک‌ها را پس از قرار گرفتن در معرض نانوکامپوزیت‌های اکسید گرافن احیا شده نشان دادند. بنابراین، واضح است که پارامترهای تغییر اندازه/شکل ریزجلبک‌ها ناشی از وجود MXene است. از آنجایی که این تغییر در اندازه و شکل نشان‌دهنده‌ی تغییرات در جذب مواد مغذی است، ما معتقدیم که تجزیه و تحلیل پارامترهای اندازه و شکل در طول زمان می‌تواند جذب اکسید نیوبیوم توسط ریزجلبک‌ها را در حضور Nb-MXenes نشان دهد.
علاوه بر این، MXeneها می‌توانند در حضور جلبک‌ها اکسید شوند. دالای و همکارانش مشاهده کردند که مورفولوژی جلبک‌های سبز در معرض نانو-TiO2 و Al2O376 یکنواخت نبود. اگرچه مشاهدات ما مشابه مطالعه حاضر است، اما این مطالعه فقط به مطالعه اثرات زیست‌پالایی از نظر محصولات تخریب MXene در حضور نانوپولک‌های دوبعدی و نه نانوذرات مربوط می‌شود. از آنجایی که MXeneها می‌توانند به اکسیدهای فلزی تجزیه شوند،31،32،77،78 منطقی است که فرض کنیم نانوپولک‌های Nb ما نیز می‌توانند پس از تعامل با سلول‌های ریزجلبک، اکسیدهای Nb را تشکیل دهند.
به منظور توضیح کاهش نانوپولک‌های دوبعدی-Nb از طریق مکانیسم تجزیه مبتنی بر فرآیند اکسیداسیون، ما مطالعاتی را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (HRTEM) (شکل 7a، b) و طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) (شکل 7) انجام دادیم. 7c-i و جداول S4-5). هر دو رویکرد برای مطالعه اکسیداسیون مواد دوبعدی مناسب هستند و یکدیگر را تکمیل می‌کنند. HRTEM قادر به تجزیه و تحلیل تخریب ساختارهای لایه‌ای دوبعدی و ظهور بعدی نانوذرات اکسید فلزی است، در حالی که XPS به پیوندهای سطحی حساس است. برای این منظور، ما نانوپولک‌های دوبعدی Nb-MXene استخراج شده از پراکندگی‌های سلولی میکروجلبک، یعنی شکل آنها پس از تعامل با سلول‌های میکروجلبک را آزمایش کردیم (شکل 7 را ببینید).
تصاویر HRTEM که مورفولوژی (a) SL Nb2CTx و (b) SL Nb4C3Tx MXene های اکسید شده را نشان می‌دهد، نتایج آنالیز XPS که (c) ترکیب محصولات اکسید پس از احیا را نشان می‌دهد، (d-f) تطابق پیک اجزای طیف XPS SL Nb2CTx و (g-i) Nb4C3Tx SL ترمیم شده با ریزجلبک سبز را نشان می‌دهد.
مطالعات HRTEM اکسیداسیون دو نوع نانوورقه Nb-MXene را تأیید کرد. اگرچه نانوورقه‌ها تا حدودی مورفولوژی دوبعدی خود را حفظ کردند، اما اکسیداسیون منجر به ظهور نانوذرات زیادی شد که سطح نانوورقه‌های MXene را می‌پوشانند (شکل 7a، b را ببینید). آنالیز XPS سیگنال‌های cNb 3d و O 1s نشان داد که اکسیدهای Nb در هر دو مورد تشکیل شده‌اند. همانطور که در شکل 7c نشان داده شده است، MXene دوبعدی Nb2CTx و Nb4C3TX دارای سیگنال‌های Nb 3d هستند که نشان‌دهنده وجود اکسیدهای NbO و Nb2O5 است، در حالی که سیگنال‌های O 1s تعداد پیوندهای O-Nb مرتبط با عامل‌دار شدن سطح نانوورقه دوبعدی را نشان می‌دهند. ما متوجه شدیم که سهم اکسید Nb در مقایسه با Nb-C و Nb3+-O غالب است.
در شکل‌های 7g-i طیف‌های XPS مربوط به Nb 3d، C 1s و O 1s SL Nb2CTx (به شکل‌های 7d-f مراجعه کنید) و SL Nb4C3TX MXene جدا شده از سلول‌های میکروجلبک را نشان می‌دهند. جزئیات پارامترهای پیک Nb-MXenes به ترتیب در جداول S4-5 ارائه شده است. ما ابتدا ترکیب Nb 3d را تجزیه و تحلیل کردیم. برخلاف Nb جذب شده توسط سلول‌های میکروجلبک، در MXene جدا شده از سلول‌های میکروجلبک، جدا از Nb2O5، اجزای دیگری نیز یافت شد. در Nb2CTx SL، سهم Nb3+-O را به میزان 15٪ مشاهده کردیم، در حالی که بقیه طیف Nb 3d تحت سلطه Nb2O5 (85٪) بود. علاوه بر این، نمونه SL Nb4C3TX حاوی اجزای Nb-C (9٪) و Nb2O5 (91٪) است. در اینجا Nb-C از دو لایه اتمی داخلی کاربید فلزی در Nb4C3Tx SR می‌آید. سپس طیف‌های C 1s را به چهار جزء مختلف نگاشت می‌کنیم، همانطور که در نمونه‌های درونی‌سازی شده انجام دادیم. همانطور که انتظار می‌رفت، طیف C 1s تحت سلطه کربن گرافیتی است و پس از آن سهم ذرات آلی (CHx/CO و C=O) از سلول‌های ریزجلبک قرار دارد. علاوه بر این، در طیف O 1s، سهم اشکال آلی سلول‌های ریزجلبک، اکسید نیوبیوم و آب جذب شده را مشاهده کردیم.
علاوه بر این، ما بررسی کردیم که آیا تجزیه Nb-MXenes با حضور گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) در محیط کشت و/یا سلول‌های میکروجلبک مرتبط است یا خیر. برای این منظور، ما سطح اکسیژن تکی (1O2) را در محیط کشت و گلوتاتیون درون سلولی، یک تیول که به عنوان یک آنتی‌اکسیدان در میکروجلبک‌ها عمل می‌کند، ارزیابی کردیم. نتایج در SI نشان داده شده است (شکل‌های S20 و S21). کشت‌هایی با SL Nb2CTx و Nb4C3TX MXenes با مقدار کاهش‌یافته 1O2 مشخص شدند (شکل S20 را ببینید). در مورد SL Nb2CTx، MXene 1O2 به حدود 83٪ کاهش می‌یابد. برای کشت‌های میکروجلبک با استفاده از SL، Nb4C3TX 1O2 حتی بیشتر، به 73٪ کاهش یافت. جالب توجه است که تغییرات در 1O2 همان روند اثر مهاری-تحریک‌کننده‌ای را که قبلاً مشاهده شده بود، نشان داد (شکل 3 را ببینید). می‌توان استدلال کرد که انکوباسیون در نور روشن می‌تواند فوتواکسیداسیون را تغییر دهد. با این حال، نتایج تجزیه و تحلیل کنترل، سطوح تقریباً ثابتی از 1O2 را در طول آزمایش نشان داد (شکل S22). در مورد سطوح ROS درون سلولی، ما نیز همان روند نزولی را مشاهده کردیم (شکل S21 را ببینید). در ابتدا، سطوح ROS در سلول‌های میکروجلبک کشت‌شده در حضور SLهای Nb2CTx و Nb4C3Tx از سطوح یافت‌شده در کشت‌های خالص میکروجلبک‌ها فراتر رفت. با این حال، در نهایت، به نظر رسید که میکروجلبک‌ها با حضور هر دو Nb-MXene سازگار شدند، زیرا سطوح ROS به ترتیب به 85٪ و 91٪ از سطوح اندازه‌گیری شده در کشت‌های خالص میکروجلبک‌های تلقیح‌شده با SL Nb2CTx و Nb4C3TX کاهش یافت. این ممکن است نشان دهد که میکروجلبک‌ها در طول زمان در حضور Nb-MXene نسبت به محیط کشت به تنهایی، احساس راحتی بیشتری می‌کنند.
ریزجلبک‌ها گروه متنوعی از موجودات فتوسنتزکننده هستند. در طول فتوسنتز، آنها دی‌اکسید کربن اتمسفری (CO2) را به کربن آلی تبدیل می‌کنند. محصولات فتوسنتز گلوکز و اکسیژن هستند79. ما گمان می‌کنیم که اکسیژن تشکیل‌شده نقش مهمی در اکسیداسیون Nb-MXenes ایفا می‌کند. یک توضیح احتمالی برای این امر این است که پارامتر هوادهی افتراقی در فشارهای جزئی کم و زیاد اکسیژن در خارج و داخل نانوپولک‌های Nb-MXene تشکیل می‌شود. این بدان معناست که هر جا مناطقی با فشارهای جزئی مختلف اکسیژن وجود داشته باشد، ناحیه‌ای که کمترین سطح را دارد، آند 80، 81، 82 را تشکیل می‌دهد. در اینجا، ریزجلبک‌ها در ایجاد سلول‌های هوادهی افتراقی روی سطح پولک‌های MXene نقش دارند که به دلیل خواص فتوسنتزی خود اکسیژن تولید می‌کنند. در نتیجه، محصولات خوردگی زیستی (در این مورد، اکسیدهای نیوبیوم) تشکیل می‌شوند. جنبه دیگر این است که ریزجلبک‌ها می‌توانند اسیدهای آلی تولید کنند که در آب آزاد می‌شوند83،84. بنابراین، یک محیط تهاجمی تشکیل می‌شود و در نتیجه Nb-MXenes تغییر می‌کند. علاوه بر این، ریزجلبک‌ها می‌توانند به دلیل جذب دی‌اکسید کربن، pH محیط را به قلیایی تغییر دهند که این امر نیز می‌تواند باعث خوردگی شود79.
مهمتر از همه، دوره نوری تاریکی/روشنایی مورد استفاده در مطالعه ما برای درک نتایج به دست آمده بسیار مهم است. این جنبه به طور مفصل در Djemai-Zoghlache و همکاران شرح داده شده است. 85 آنها عمداً از دوره نوری 12/12 ساعته برای نشان دادن خوردگی زیستی مرتبط با رسوب زیستی توسط ریزجلبک قرمز Porphyridium purpureum استفاده کردند. آنها نشان می‌دهند که دوره نوری با تکامل پتانسیل بدون خوردگی زیستی مرتبط است و خود را به صورت نوسانات شبه دوره‌ای در حدود ساعت 24:00 نشان می‌دهد. این مشاهدات توسط داولینگ و همکاران تأیید شد. 86 آنها بیوفیلم‌های فتوسنتزی سیانوباکتری آنابنا را نشان دادند. اکسیژن محلول تحت عمل نور تشکیل می‌شود که با تغییر یا نوسانات در پتانسیل خوردگی زیستی آزاد همراه است. اهمیت دوره نوری با این واقعیت که پتانسیل آزاد برای خوردگی زیستی در فاز نور افزایش و در فاز تاریکی کاهش می‌یابد، تأکید می‌شود. این به دلیل اکسیژن تولید شده توسط ریزجلبک‌های فتوسنتزی است که از طریق فشار جزئی تولید شده در نزدیکی الکترودها، بر واکنش کاتدی تأثیر می‌گذارد87.
علاوه بر این، طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) برای بررسی اینکه آیا پس از برهمکنش با Nb-MXenes تغییری در ترکیب شیمیایی سلول‌های میکروجلبک رخ داده است یا خیر، انجام شد. این نتایج به‌دست‌آمده پیچیده هستند و ما آنها را در SI ارائه می‌دهیم (شکل‌های S23-S25، شامل نتایج مرحله MAX و ML MXenes). به طور خلاصه، طیف‌های مرجع به‌دست‌آمده از میکروجلبک‌ها اطلاعات مهمی در مورد ویژگی‌های شیمیایی این موجودات زنده در اختیار ما قرار می‌دهند. این ارتعاشات محتمل در فرکانس‌های 1060 cm-1 (CO)، 1540 cm-1، 1640 cm-1 (C=C)، 1730 cm-1 (C=O)، 2850 cm-1، 2920 cm-1. one. 1 1 (C–H) و 3280 cm–1 (O–H) قرار دارند. برای SL Nb-MXenes، ما یک امضای کششی پیوند CH پیدا کردیم که با مطالعه قبلی ما 38 سازگار است. با این حال، مشاهده کردیم که برخی از پیک‌های اضافی مرتبط با پیوندهای C=C و CH ناپدید شدند. این نشان می‌دهد که ترکیب شیمیایی ریزجلبک‌ها ممکن است به دلیل برهمکنش با SL Nb-MXenes دستخوش تغییرات جزئی شود.
هنگام بررسی تغییرات احتمالی در بیوشیمی ریزجلبک‌ها، تجمع اکسیدهای معدنی، مانند اکسید نیوبیوم، باید مورد بررسی مجدد قرار گیرد59. این امر در جذب فلزات توسط سطح سلول، انتقال آنها به سیتوپلاسم، ارتباط آنها با گروه‌های کربوکسیل درون سلولی و تجمع آنها در پلی‌فسفوسوم‌های ریزجلبک نقش دارد20،88،89،90. علاوه بر این، رابطه بین ریزجلبک‌ها و فلزات توسط گروه‌های عاملی سلول‌ها حفظ می‌شود. به همین دلیل، جذب به شیمی سطح ریزجلبک‌ها نیز بستگی دارد که کاملاً پیچیده است9،91. به طور کلی، همانطور که انتظار می‌رفت، ترکیب شیمیایی ریزجلبک‌های سبز به دلیل جذب اکسید Nb کمی تغییر کرد.
جالب توجه است که مهار اولیه مشاهده شده در ریزجلبک‌ها با گذشت زمان برگشت‌پذیر بود. همانطور که مشاهده کردیم، ریزجلبک‌ها بر تغییر اولیه محیطی غلبه کردند و در نهایت به سرعت رشد طبیعی بازگشتند و حتی افزایش یافتند. مطالعات پتانسیل زتا، پایداری بالایی را هنگام ورود به محیط‌های مغذی نشان می‌دهد. بنابراین، برهمکنش سطحی بین سلول‌های ریزجلبک و نانوپولک‌های Nb-MXene در طول آزمایش‌های کاهش حفظ شد. در تجزیه و تحلیل بیشتر، مکانیسم‌های اصلی عمل زیربنایی این رفتار قابل توجه ریزجلبک‌ها را خلاصه می‌کنیم.
مشاهدات SEM نشان داده است که ریزجلبک‌ها تمایل به اتصال به Nb-MXenes دارند. با استفاده از آنالیز تصویر دینامیکی، تأیید می‌کنیم که این اثر منجر به تبدیل نانوپولک‌های دوبعدی Nb-MXene به ذرات کروی‌تر می‌شود و در نتیجه نشان می‌دهیم که تجزیه نانوپولک‌ها با اکسیداسیون آنها مرتبط است. برای آزمایش فرضیه خود، مجموعه‌ای از مطالعات مواد و بیوشیمیایی را انجام دادیم. پس از آزمایش، نانوپولک‌ها به تدریج اکسید شده و به محصولات NbO و Nb2O5 تجزیه شدند که تهدیدی برای ریزجلبک‌های سبز ایجاد نمی‌کردند. با استفاده از مشاهده FTIR، هیچ تغییر قابل توجهی در ترکیب شیمیایی ریزجلبک‌های انکوبه شده در حضور نانوپولک‌های دوبعدی Nb-MXene مشاهده نکردیم. با در نظر گرفتن احتمال جذب اکسید نیوبیوم توسط ریزجلبک‌ها، آنالیز فلورسانس اشعه ایکس را انجام دادیم. این نتایج به وضوح نشان می‌دهد که ریزجلبک‌های مورد مطالعه از اکسیدهای نیوبیوم (NbO و Nb2O5) تغذیه می‌کنند که برای ریزجلبک‌های مورد مطالعه غیرسمی هستند.