از بازدید شما از Nature.com سپاسگزاریم.شما از یک نسخه مرورگر با پشتیبانی محدود CSS استفاده می کنید.برای بهترین تجربه، توصیه می کنیم از یک مرورگر به روز شده استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در اینترنت اکسپلورر غیرفعال کنید).در عین حال، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایل و جاوا اسکریپت ارائه می کنیم.
چرخ فلکی از سه اسلاید را همزمان نمایش می دهد.از دکمه های قبلی و بعدی برای حرکت در سه اسلاید در یک زمان استفاده کنید یا از دکمه های لغزنده در پایان برای حرکت در سه اسلاید در یک زمان استفاده کنید.
توسعه سریع فناوری نانو و ادغام آن در کاربردهای روزمره می تواند 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 سطحی مواد با آلاینده‌های بیولوژیکی، نگرانی عمده‌ای است.در اینجا، ما از یک مدل 2 بعدی MXenes غیر آلی مبتنی بر Nb همراه با یک روش تحلیل پارامتر شکل ساده برای ردیابی مکانیسم زیست پالایی نانومواد سرامیکی دو بعدی توسط ریزجلبک سبز Raphidocelis subcapitata استفاده می‌کنیم.ما دریافتیم که ریزجلبک‌ها MXen‌های مبتنی بر Nb را به دلیل تعاملات فیزیکی و شیمیایی مرتبط با سطح تخریب می‌کنند.در ابتدا نانوفلک های تک لایه و چند لایه MXene به سطح ریزجلبک ها متصل شدند که تا حدودی رشد جلبک ها را کاهش داد.با این حال، پس از برهمکنش طولانی مدت با سطح، ریزجلبک‌ها نانوفلکه‌های MXene را اکسید کرده و بیشتر به NbO و Nb2O5 تجزیه کردند.از آنجایی که این اکسیدها برای سلول های ریزجلبک غیرسمی هستند، نانوذرات اکسید Nb را با مکانیسم جذبی مصرف می کنند که پس از 72 ساعت تصفیه آب، ریزجلبک ها را بیشتر احیا می کند.اثرات مواد مغذی مرتبط با جذب نیز در افزایش حجم سلول، شکل صاف آنها و تغییر در سرعت رشد منعکس می شود.بر اساس این یافته‌ها، نتیجه می‌گیریم که حضور کوتاه‌مدت و بلندمدت MXenes مبتنی بر Nb در اکوسیستم‌های آب شیرین ممکن است تنها اثرات زیست‌محیطی جزئی ایجاد کند.قابل توجه است که با استفاده از نانومواد دو بعدی 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 برهمکنش سطحی که مکانیسم تصفیه زیستی نانومواد دوبعدی را هدایت می‌کنند پاسخ می‌دهد و مبنایی برای مطالعات کوتاه‌مدت و بلندمدت بیشتر در مورد تأثیر زیست‌محیطی نانومواد کریستالی غیرآلی فراهم می‌کند.
نانومواد از زمان کشف خود مورد توجه زیادی قرار گرفته اند و فناوری های نانو مختلف اخیراً وارد مرحله نوسازی شده اند.متأسفانه، ادغام نانومواد در برنامه‌های روزمره می‌تواند منجر به انتشار تصادفی به دلیل دفع نادرست، رسیدگی بی‌دقت، یا زیرساخت‌های ایمنی ناکافی شود.بنابراین، منطقی است که فرض کنیم نانومواد، از جمله نانومواد دو بعدی (2 بعدی)، می توانند در محیط طبیعی رها شوند که رفتار و فعالیت بیولوژیکی آن هنوز به طور کامل شناخته نشده است.بنابراین، جای تعجب نیست که نگرانی های مربوط به سمیت زیست محیطی بر توانایی نانومواد دو بعدی برای شستشو به سیستم های آبی متمرکز شده است.در این اکوسیستم ها، برخی از نانومواد دو بعدی می توانند با ارگانیسم های مختلف در سطوح مختلف تغذیه ای، از جمله ریزجلبک ها، تعامل داشته باشند.
ریزجلبک ها موجودات ابتدایی هستند که به طور طبیعی در آب شیرین و اکوسیستم های دریایی یافت می شوند و محصولات شیمیایی مختلفی را از طریق فتوسنتز تولید می کنند.به این ترتیب، آنها برای اکوسیستم‌های آبی حیاتی هستند.از آنجایی که سلول های ریزجلبک به سرعت تکثیر می شوند و به سرعت به حضور ترکیبات مختلف پاسخ می دهند، برای توسعه روش های سازگار با محیط زیست برای تصفیه آب آلوده به مواد آلی امیدوار کننده هستند.
سلول های جلبک می توانند یون های معدنی را از طریق جذب زیستی و انباشتگی از آب حذف کنند.برخی از گونه های جلبک مانند کلرلا، Anabaena invar، Westiellopsis prolifica، Stigeoclonium tenue و Synechococcus sp.مشخص شده است که یون‌های فلزی سمی مانند Fe2+، Cu2+، Zn2+ و Mn2+19 را حمل می‌کند و حتی آن‌ها را تغذیه می‌کند.مطالعات دیگر نشان داده‌اند که یون‌های Cu2+، Cd2+، Ni2+، Zn2+ یا Pb2+ رشد Scenedesmus را با تغییر مورفولوژی سلولی و از بین بردن کلروپلاست‌های آن‌ها محدود می‌کنند.
روش های سبز برای تجزیه آلاینده های آلی و حذف یون های فلزات سنگین توجه دانشمندان و مهندسان در سراسر جهان را به خود جلب کرده است.این عمدتا به دلیل این واقعیت است که این آلاینده ها به راحتی در فاز مایع پردازش می شوند.با این حال، آلاینده‌های کریستالی معدنی با حلالیت کم در آب و حساسیت کم به تغییر شکل‌های زیستی مشخص می‌شوند که باعث مشکلات زیادی در اصلاح می‌شود و پیشرفت کمی در این زمینه حاصل شده است.بنابراین، جست‌وجوی راه‌حل‌های سازگار با محیط‌زیست برای تعمیر نانومواد همچنان یک منطقه پیچیده و ناشناخته است.با توجه به درجه بالای عدم قطعیت در مورد اثرات تبدیل زیستی نانومواد دو بعدی، 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 زیست پالایی 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 مواد Mn+1XnTx است، که در آن M یک فلز انتقالی اولیه است، X کربن و/یا نیتروژن است، Tx یک پایان دهنده سطح است (به عنوان مثال، -OH، -F، -Cl)، و n = 1، 2، 3 یا 427.28.از زمان کشف MXenes توسط نجیب و همکاران.سنسوریک، درمان سرطان و فیلتراسیون غشایی 27،29،30.علاوه بر این، MXenes را می توان به دلیل پایداری کلوئیدی عالی و برهمکنش های بیولوژیکی احتمالی به عنوان سیستم های مدل 2 بعدی در نظر گرفت.
بنابراین، روش توسعه‌یافته در این مقاله و فرضیه‌های تحقیق ما در شکل 1 نشان داده شده‌اند. طبق این فرضیه، ریزجلبک‌ها MXen‌های مبتنی بر Nb را به دلیل برهمکنش‌های فیزیکی و شیمیایی مرتبط با سطح، تجزیه می‌کنند که امکان بازیابی بیشتر جلبک‌ها را فراهم می‌کند.برای آزمایش این فرضیه، دو عضو از خانواده کاربیدها و/یا نیتریدهای فلزات واسطه مبتنی بر نیوبیم اولیه (MXenes)، یعنی Nb2CTx و Nb4C3TX، انتخاب شدند.
روش تحقیق و فرضیه های مبتنی بر شواهد برای بازیابی MXene توسط ریزجلبک سبز Raphidocelis subcapitata.لطفاً توجه داشته باشید که این فقط یک نمایش شماتیک از مفروضات مبتنی بر شواهد است.محیط دریاچه در محیط غذایی مورد استفاده و شرایط (مانند 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، دری را برای مطالعه اثرات بیولوژیکی مختلف که نمی توان با سایر نانومواد معمولی مشاهده کرد، باز کرده ایم.به طور خاص، ما امکان پاکسازی زیستی نانومواد دو بعدی، مانند MXenes مبتنی بر نیوبیم، توسط ریزجلبک Raphidocelis subcapitata را نشان می‌دهیم.ریزجلبک ها قادرند Nb-MXenes را به اکسیدهای غیر سمی NbO و Nb2O5 تجزیه کنند، که همچنین مواد مغذی را از طریق مکانیسم جذب نیوبیم فراهم می کند.به طور کلی، این مطالعه به یک سوال اساسی مهم در مورد فرآیندهای مرتبط با برهمکنش‌های فیزیکوشیمیایی سطحی پاسخ می‌دهد که مکانیسم‌های زیست پالایی نانومواد دو بعدی را کنترل می‌کنند.علاوه بر این، ما در حال توسعه یک روش ساده مبتنی بر پارامتر شکل برای ردیابی تغییرات ظریف در شکل نانومواد دو بعدی هستیم.این الهام بخش تحقیقات کوتاه مدت و بلندمدت بیشتر در مورد اثرات زیست محیطی مختلف نانومواد کریستالی معدنی است.بنابراین، مطالعه ما درک تعامل بین سطح مواد و مواد بیولوژیکی را افزایش می دهد.ما همچنین مبنایی برای مطالعات کوتاه‌مدت و بلندمدت گسترده در مورد تأثیرات احتمالی آنها بر اکوسیستم‌های آب شیرین فراهم می‌کنیم که اکنون به راحتی قابل تأیید است.
MXene ها دسته جالبی از مواد با خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد و جذاب و در نتیجه کاربردهای بالقوه زیادی را نشان می دهند.این خواص تا حد زیادی به استوکیومتری و شیمی سطح آنها بستگی دارد.بنابراین، در مطالعه خود، دو نوع MXenes سلسله مراتبی تک لایه (SL) مبتنی بر Nb، Nb2CTx و Nb4C3TX را بررسی کردیم، زیرا اثرات بیولوژیکی متفاوتی از این نانومواد قابل مشاهده بود.MXen ها از مواد اولیه خود با اچینگ انتخابی از بالا به پایین لایه های A اتمی نازک MAX فاز تولید می شوند.فاز MAX یک سرامیک سه تایی است که از بلوک های "پیوند" کاربیدهای فلزات واسطه و لایه های نازک عناصر "A" مانند Al، Si و Sn با استوکیومتری MnAXn-1 تشکیل شده است.مورفولوژی فاز MAX اولیه با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مشاهده شد و با مطالعات قبلی مطابقت داشت (به اطلاعات تکمیلی، SI، شکل S1 مراجعه کنید).چند لایه (ML) Nb-MXene پس از حذف لایه Al با 48٪ HF (اسید هیدروفلوئوریک) به دست آمد.مورفولوژی ML-Nb2CTx و ML-Nb4C3TX با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) (شکل S1c و S1d به ترتیب) مورد بررسی قرار گرفت و مورفولوژی لایه‌ای MXene مشاهده شد، شبیه به نانوذره‌های دوبعدی که از منافذ روشن دراز عبور می‌کنند.هر دو Nb-MXene شباهت زیادی با فازهای MXene دارند که قبلاً توسط اسید اچینگ سنتز شده بودند27،38.پس از تایید ساختار MXene، آن را با ترکیب هیدروکسید تترابوتیلامونیوم (TBAOH) و سپس شستشو و فراصوت، لایه‌بندی کردیم و پس از آن نانوفلک‌های تک لایه یا کم‌لایه (SL) 2D Nb-MXene به دست آوردیم.
ما از میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (HRTEM) و پراش اشعه ایکس (XRD) برای آزمایش کارایی اچ و لایه برداری بیشتر استفاده کردیم.نتایج HRTEM پردازش شده با استفاده از تبدیل فوریه معکوس (IFFT) و تبدیل فوریه سریع (FFT) در شکل 2 نشان داده شده است.تصاویر HRTEM از نانوفلکه های MXene Nb2CTx و Nb4C3TX ماهیت لایه ای نازک اتمی آنها را نشان داد (شکل 2a1، a2 را ببینید)، همانطور که قبلا توسط Naguib و همکاران 27 و Jastrzębska و همکاران 38 گزارش شده بود.برای دو تک لایه Nb2CTx و Nb4C3Tx مجاور، ما فواصل بین لایه ای را به ترتیب 0.74 و 1.54 نانومتر تعیین کردیم (شکل 2b1،b2)، که با نتایج قبلی ما نیز مطابقت دارد.این امر با تبدیل فوریه سریع معکوس (شکل 2c1، c2) و تبدیل فوریه سریع (شکل 2d1، d2) که فاصله بین تک لایه های Nb2CTx و Nb4C3Tx را نشان می دهد بیشتر تأیید شد.تصویر تناوب نوارهای روشن و تاریک مربوط به اتم های نیوبیوم و کربن را نشان می دهد که ماهیت لایه ای MXenes مورد مطالعه را تایید می کند.توجه به این نکته مهم است که طیف‌سنجی پرتو ایکس پراکنده انرژی (EDX) به‌دست‌آمده برای Nb2CTx و Nb4C3Tx (شکل‌های S2a و S2b) هیچ باقی‌مانده‌ای از فاز MAX اولیه را نشان نداد، زیرا پیک Al شناسایی نشد.
خصوصیات نانوفلکه‌های SL Nb2CTx و Nb4C3Tx MXene، از جمله (الف) میکروسکوپ الکترونی با وضوح بالا (HRTEM) تصویربرداری دوبعدی نانوذره‌ای با نمای جانبی و متناظر، (ب) حالت شدت، (ج) تبدیل فوریه سریع معکوس (IFFT)، (د) تبدیل‌های فوریه سریع معکوس (IFFT)، (د) تبدیل‌های فوریه سریع (FFT-Raye) (FFT)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 می شوند.
اندازه گیری پراش اشعه ایکس SL Nb2CTx و Nb4C3Tx MXenes در شکل ها نشان داده شده است.2e1 و e2 به ترتیب.پیک‌های (002) در 4.31 و 4.32 به ترتیب با MXenes Nb2CTx و Nb4C3TX38،39،40،41 لایه‌ای که قبلاً توضیح داده شد، مطابقت دارد.نتایج XRD همچنین وجود برخی ساختارهای ML باقیمانده و فازهای MAX را نشان می‌دهد، اما بیشتر الگوهای XRD مرتبط با SL Nb4C3Tx (شکل 2e2).وجود ذرات کوچکتر فاز MAX ممکن است اوج MAX قوی تر را در مقایسه با لایه های Nb4C3Tx که به طور تصادفی روی هم چیده شده اند توضیح دهد.
تحقیقات بیشتر بر روی ریزجلبک های سبز متعلق به گونه R. subcapitata متمرکز شده است.ما ریزجلبک‌ها را انتخاب کردیم زیرا آنها تولیدکنندگان مهمی هستند که در شبکه‌های غذایی عمده نقش دارند.آنها همچنین به دلیل توانایی حذف مواد سمی که به سطوح بالاتر زنجیره غذایی منتقل می شوند، یکی از بهترین شاخص های سمیت هستند.علاوه بر این، تحقیقات روی R. subcapitata ممکن است سمیت اتفاقی SL Nb-MXenes را برای میکروارگانیسم‌های معمول آب شیرین روشن کند.برای نشان دادن این موضوع، محققان این فرضیه را مطرح کردند که هر میکروب حساسیت متفاوتی به ترکیبات سمی موجود در محیط دارد.برای اکثر موجودات، غلظت کم مواد بر رشد آنها تأثیر نمی گذارد، در حالی که غلظت بالای یک حد معین می تواند آنها را مهار کند یا حتی باعث مرگ شود.بنابراین، برای مطالعات ما در مورد تعامل سطحی بین ریزجلبک ها و MXenes و بازیابی مرتبط، تصمیم گرفتیم غلظت های بی ضرر و سمی Nb-MXenes را آزمایش کنیم.برای انجام این کار، غلظت‌های 0 (به عنوان مرجع)، 0.01، 0.1 و 10 میلی‌گرم در لیتر MXene و همچنین میکروجلبک‌های آلوده با غلظت‌های بسیار بالای MXene (100 میلی‌گرم در لیتر MXene) را آزمایش کردیم که می‌تواند شدید و کشنده باشد..برای هر محیط زیستی
اثرات SL Nb-MXenes بر روی ریزجلبک ها در شکل 3 نشان داده شده است که به صورت درصد افزایش رشد (+) یا مهار (-) اندازه گیری شده برای نمونه های 0 میلی گرم 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 به طور کامل فاقد سمیت در محدوده غلظت‌های پایین از 0.01 تا 10 mg/l است، همانطور که در شکل 3a،b نشان داده شده است.در مورد Nb2CTx، ما بیش از 5٪ سمیت زیست محیطی را در محدوده مشخص مشاهده نکردیم.
تحریک (+) یا مهار (-) رشد ریزجلبک در حضور SL (الف) Nb2CTx و (ب) Nb4C3TX MXene.24، 48 و 72 ساعت تعامل MXene-ریزجلبک مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. داده های معنی داری (آزمون t، 05/0p<) با ستاره (*) مشخص شد. داده های معنی داری (آزمون t، 05/0p<) با ستاره (*) مشخص شد. Значимые данные (t-критерий, p <0,05) отмечены ѕвездочкой (*). داده های مهم (آزمون t، p <0.05) با ستاره (*) مشخص می شوند.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 (*). داده های مهم (t-test، p <0.05) با ستاره (*) مشخص می شوند.فلش های قرمز نشان دهنده لغو تحریک بازدارنده است.
از سوی دیگر، غلظت های پایین Nb4C3TX کمی سمی تر بود، اما نه بیشتر از 7٪.همانطور که انتظار می رفت، مشاهده کردیم که MXenes سمیت بالاتر و مهار رشد ریزجلبک در 100mg L-1 داشتند.جالب توجه است که هیچ یک از مواد روند و وابستگی زمانی اثرات سمی/سمی را در مقایسه با نمونه‌های MAX یا ML نشان ندادند (برای جزئیات به SI مراجعه کنید).در حالی که برای فاز MAX (نگاه کنید به شکل S3) سمیت تقریباً به 15-25٪ رسید و با گذشت زمان افزایش یافت، روند معکوس برای SL Nb2CTx و Nb4C3TX MXene مشاهده شد.مهار رشد ریزجلبک ها با گذشت زمان کاهش یافت.پس از 24 ساعت تقریباً به 17٪ رسید و پس از 72 ساعت به کمتر از 5٪ کاهش یافت (به ترتیب شکل 3a, b).
مهمتر از آن، برای SL Nb4C3TX، مهار رشد ریزجلبک پس از 24 ساعت به حدود 27 درصد رسید، اما پس از 72 ساعت به حدود 1 درصد کاهش یافت.بنابراین، ما اثر مشاهده‌شده را به‌عنوان مهار معکوس تحریک برچسب‌گذاری کردیم و اثر برای SL Nb4C3TX MXene قوی‌تر بود.تحریک رشد ریزجلبک‌ها قبلاً با Nb4C3TX (تعامل در 10 میلی‌گرم L-1 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 شد (برای جزئیات به شکل S4 مراجعه کنید).تاکنون تنها سمیت زیست محیطی Ti3C2TX MXene به روش های مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است.برای جنین گورخرماهی سمی نیست، اما نسبت به ریزجلبک‌های Desmodesmus quadricauda و Sorghum saccharatum گیاهان نسبتاً اکوتوکسیک است.نمونه های دیگر از اثرات خاص عبارتند از سمیت بالاتر برای رده های سلولی سرطانی نسبت به رده های سلولی طبیعی 46،47.می توان فرض کرد که شرایط آزمایش بر تغییرات رشد ریزجلبک مشاهده شده در حضور Nb-MXene تأثیر می گذارد.به عنوان مثال، pH حدود 8 در استرومای کلروپلاست برای عملکرد موثر آنزیم RuBisCO بهینه است.بنابراین، تغییرات pH بر سرعت فتوسنتز تأثیر منفی می گذارد48،49.با این حال، ما تغییرات قابل توجهی در pH در طول آزمایش مشاهده نکردیم (برای جزئیات به SI، شکل S5 مراجعه کنید).به طور کلی، کشت ریزجلبک ها با Nb-MXenes کمی pH محلول را در طول زمان کاهش داد.با این حال، این کاهش شبیه به تغییر در pH یک محیط خالص بود.علاوه بر این، دامنه تغییرات یافت شده مشابه با اندازه گیری شده برای کشت خالص ریزجلبک (نمونه شاهد) بود.بنابراین، نتیجه می گیریم که فتوسنتز تحت تأثیر تغییرات pH در طول زمان قرار نمی گیرد.
علاوه بر این، MXen های سنتز شده دارای انتهای سطحی هستند (که با Tx مشخص می شوند).اینها عمدتاً گروههای عملکردی -O، -F و -OH هستند.با این حال، شیمی سطح ارتباط مستقیمی با روش سنتز دارد.این گروه‌ها به‌طور تصادفی در سطح توزیع می‌شوند و پیش‌بینی تأثیر آن‌ها بر خواص MXene50 را دشوار می‌کند.می توان استدلال کرد که Tx می تواند نیروی کاتالیزوری برای اکسیداسیون نیوبیم توسط نور باشد.گروه‌های عملکردی سطحی در واقع مکان‌های لنگر چندگانه‌ای را برای فوتوکاتالیست‌های زیرین خود فراهم می‌کنند تا اتصالات ناهمگون را تشکیل دهند.با این حال، ترکیب محیط رشد یک فوتوکاتالیست موثر ارائه نمی دهد (ترکیب جزئی محیط را می توان در جدول SI S6 یافت).علاوه بر این، هر گونه اصلاح سطح نیز بسیار مهم است، زیرا فعالیت بیولوژیکی MXenes می تواند به دلیل پس پردازش لایه، اکسیداسیون، اصلاح شیمیایی سطح ترکیبات آلی و معدنی 52،53،54،55،56 یا مهندسی بار سطحی تغییر کند.بنابراین، برای آزمایش اینکه آیا اکسید نیوبیم ارتباطی با بی‌ثباتی مواد در محیط دارد، مطالعاتی را در مورد پتانسیل زتا (ζ) در محیط رشد ریزجلبک‌ها و آب دیونیزه (برای مقایسه) انجام دادیم.نتایج ما نشان می دهد که SL Nb-MXenes نسبتاً پایدار هستند (به شکل SI S6 برای نتایج MAX و ML مراجعه کنید).پتانسیل زتا SL MXenes حدود 10- میلی ولت است.در مورد SR Nb2CTx، مقدار ζ تا حدودی منفی تر از Nb4C3Tx است.چنین تغییری در مقدار ζ ممکن است نشان دهد که سطح نانوفلکه های MXene با بار منفی، یون های دارای بار مثبت را از محیط کشت جذب می کند.اندازه‌گیری‌های زمانی پتانسیل زتا و رسانایی Nb-MXenes در محیط کشت (برای جزئیات بیشتر به شکل‌های S7 و S8 در SI مراجعه کنید) فرضیه ما را تأیید می‌کند.
با این حال، هر دو Nb-MXene SL حداقل تغییرات را از صفر نشان دادند.این به وضوح پایداری آنها را در محیط رشد ریزجلبک ها نشان می دهد.علاوه بر این، ما ارزیابی کردیم که آیا حضور ریزجلبک‌های سبز ما بر پایداری Nb-MXenes در محیط تأثیر می‌گذارد یا خیر.نتایج پتانسیل زتا و هدایت MXen ها پس از برهمکنش با ریزجلبک ها در محیط های غذایی و کشت در طول زمان را می توان در SI یافت (شکل S9 و S10).جالب توجه است، ما متوجه شدیم که به نظر می‌رسد حضور ریزجلبک‌ها باعث تثبیت پراکندگی هر دو MXen می‌شود.در مورد Nb2CTx SL، پتانسیل زتا حتی اندکی در طول زمان به مقادیر منفی تری کاهش یافت (15.8- در مقابل -19.1 میلی ولت پس از 72 ساعت انکوباسیون).پتانسیل زتا SL Nb4C3TX کمی افزایش یافت، اما پس از 72 ساعت همچنان پایداری بالاتری نسبت به نانوفلکه‌ها بدون حضور ریزجلبک‌ها نشان داد (18.1- در مقابل 9.1-mV).
ما همچنین رسانایی کمتری از محلول‌های Nb-MXene را یافتیم که در حضور ریزجلبک‌ها انکوبه شده بودند، که نشان‌دهنده مقدار کمتر یون‌ها در محیط غذایی است.شایان ذکر است که ناپایداری MXenها در آب عمدتاً به دلیل اکسیداسیون سطحی است.بنابراین، ما مشکوک هستیم که ریزجلبک‌های سبز به نحوی اکسیدهای تشکیل‌شده در سطح Nb-MXene را پاک کرده و حتی از بروز آن‌ها (اکسیداسیون MXene) جلوگیری می‌کنند.این را می توان با مطالعه انواع مواد جذب شده توسط ریزجلبک ها مشاهده کرد.
در حالی که مطالعات زیست‌توکسیکولوژیکی ما نشان داد که ریزجلبک‌ها قادر به غلبه بر سمیت Nb-MXenes در طول زمان و مهار غیرمعمول رشد تحریک‌شده بودند، هدف مطالعه ما بررسی مکانیسم‌های احتمالی عمل بود.هنگامی که ارگانیسم هایی مانند جلبک ها در معرض ترکیبات یا مواد ناآشنا برای اکوسیستم خود قرار می گیرند، ممکن است به طرق مختلف واکنش نشان دهند.در غیاب اکسیدهای فلزی سمی، ریزجلبک‌ها می‌توانند خود را تغذیه کنند و به آنها اجازه رشد مداوم را می‌دهند.پس از مصرف مواد سمی، مکانیسم های دفاعی ممکن است فعال شوند، مانند تغییر شکل یا شکل.امکان جذب نیز باید در نظر گرفته شود58،59.قابل ذکر است، هر نشانه ای از مکانیسم دفاعی نشانگر واضحی از سمیت ترکیب آزمایشی است.بنابراین، در کار بعدی، تعامل سطحی بالقوه بین نانوفلکه‌های SL Nb-MXene و ریزجلبک‌ها توسط SEM و جذب احتمالی MXene مبتنی بر Nb توسط طیف‌سنجی فلورسانس اشعه ایکس (XRF) را بررسی کردیم.توجه داشته باشید که آنالیزهای SEM و XRF فقط در بالاترین غلظت MXene برای رسیدگی به مسائل سمیت فعالیت انجام شد.
نتایج SEM در شکل 4 نشان داده شده است.سلول های ریزجلبک تیمار نشده (نگاه کنید به شکل 4a، نمونه مرجع) به وضوح مورفولوژی R. subcapitata و شکل سلولی شبیه کروسان را نشان دادند.سلول ها صاف و تا حدودی نامرتب به نظر می رسند.برخی از سلول های ریزجلبک با یکدیگر همپوشانی و درهم تنیدگی داشتند، اما این احتمالاً ناشی از فرآیند آماده سازی نمونه بوده است.به طور کلی سلول های ریزجلبک خالص دارای سطح صاف بوده و هیچ گونه تغییر مورفولوژیکی از خود نشان ندادند.
تصاویر SEM برهمکنش سطحی بین ریزجلبک سبز و نانوصفحات MXene را پس از 72 ساعت تعامل در غلظت بسیار زیاد (100 میلی گرم در لیتر) نشان می دهد.(الف) میکروجلبک سبز درمان نشده پس از تعامل با SL (ب) Nb2CTx و (ج) Nb4C3TX MXenes.توجه داشته باشید که نانوفلکه های Nb-MXene با فلش های قرمز مشخص شده اند.برای مقایسه، عکس هایی از یک میکروسکوپ نوری نیز اضافه شده است.
در مقابل، سلول های ریزجلبک جذب شده توسط نانوفلکه های SL Nb-MXene آسیب دیدند (شکل 4b، c، فلش های قرمز را ببینید).در مورد Nb2CTx MXene (شکل 4b)، ریزجلبک‌ها با مقیاس‌های نانومقیاس دوبعدی متصل به رشد تمایل دارند که می‌تواند مورفولوژی آنها را تغییر دهد.قابل ذکر است که ما این تغییرات را در زیر میکروسکوپ نوری نیز مشاهده کردیم (برای جزئیات به شکل SI S11 مراجعه کنید).این انتقال مورفولوژیکی مبنای قابل قبولی در فیزیولوژی ریزجلبک ها و توانایی آنها برای دفاع از خود با تغییر مورفولوژی سلولی مانند افزایش حجم سلول دارد.بنابراین، بررسی تعداد سلول های ریزجلبکی که در واقع با Nb-MXenes در تماس هستند، مهم است.مطالعات SEM نشان داد که تقریباً 52٪ از سلول های ریزجلبک در معرض Nb-MXenes قرار گرفتند، در حالی که 48٪ از این سلول های ریزجلبک از تماس اجتناب کردند.برای SL Nb4C3Tx MXene، ریزجلبک‌ها سعی می‌کنند از تماس با MXene اجتناب کنند، در نتیجه بومی‌سازی شده و از مقیاس‌های نانو دو بعدی رشد می‌کنند (شکل 4c).با این حال، ما نفوذ نانومقیاس به سلول های ریزجلبک و آسیب آنها را مشاهده نکردیم.
حفظ خود نیز یک رفتار پاسخ وابسته به زمان به انسداد فتوسنتز به دلیل جذب ذرات در سطح سلول و به اصطلاح اثر سایه‌زنی (سایه‌دهی) است.واضح است که هر جسم (به عنوان مثال، نانوذرات Nb-MXene) که بین ریزجلبک ها و منبع نور قرار دارد، مقدار نور جذب شده توسط کلروپلاست ها را محدود می کند.با این حال، شکی نداریم که این امر تأثیر بسزایی در نتایج به دست آمده دارد.همانطور که مشاهدات میکروسکوپی ما نشان داد، نانوفلکه های دوبعدی به طور کامل پیچیده نشده بودند یا به سطح ریزجلبک ها نچسبیده بودند، حتی زمانی که سلول های ریزجلبک با Nb-MXenes در تماس بودند.در عوض، معلوم شد که نانوفلکه‌ها به سمت سلول‌های ریزجلبک بدون پوشاندن سطح آن‌ها هدایت می‌شوند.چنین مجموعه ای از نانوفلکه ها/ریزجلبک ها نمی توانند میزان نور جذب شده توسط سلول های ریزجلبک را به میزان قابل توجهی محدود کنند.علاوه بر این، برخی مطالعات حتی بهبود جذب نور توسط ارگانیسم‌های فتوسنتزی را در حضور نانومواد دو بعدی نشان داده‌اند.
از آنجایی که تصاویر SEM نمی‌توانند مستقیما جذب نیوبیم توسط سلول‌های ریزجلبک را تأیید کنند، مطالعه بیشتر ما به تجزیه و تحلیل فلورسانس پرتو ایکس (XRF) و طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) برای روشن شدن این موضوع پرداخت.بنابراین، ما شدت پیک‌های Nb نمونه‌های ریزجلبک مرجع را که با MXenes، نانوفلکه‌های MXene جدا شده از سطح سلول‌های ریزجلبک و سلول‌های ریزجلبکی پس از حذف MXen‌های متصل تعامل نداشتند، مقایسه کردیم.شایان ذکر است که اگر جذب Nb وجود نداشته باشد، مقدار Nb بدست آمده توسط سلول های ریزجلبک پس از حذف مقیاس های نانو متصل شده باید صفر باشد.بنابراین، اگر جذب Nb اتفاق بیفتد، هر دو نتایج XRF و XPS باید پیک واضح Nb را نشان دهند.
در مورد طیف‌های XRF، نمونه‌های ریزجلبک پیک‌های Nb را برای SL Nb2CTx و Nb4C3Tx MXene پس از برهمکنش با SL Nb2CTx و Nb4C3Tx MXene نشان دادند (شکل 5a را ببینید، همچنین توجه داشته باشید که نتایج برای MAX و ML MXenes در شکل‌های SS71, ML نشان داده شده است).جالب توجه است که شدت پیک Nb در هر دو مورد یکسان است (نوارهای قرمز در شکل 5a).این نشان داد که جلبک ها نمی توانند Nb بیشتری جذب کنند و حداکثر ظرفیت برای تجمع Nb در سلول ها به دست آمد، اگرچه دو برابر Nb4C3Tx MXene بیشتر به سلول های ریزجلبک متصل شد (نوارهای آبی در شکل 5a).شایان ذکر است، توانایی ریزجلبک ها در جذب فلزات به غلظت اکسیدهای فلزی در محیط بستگی دارد67،68.شمشادا و همکاران 67 دریافتند که ظرفیت جذب جلبک های آب شیرین با افزایش pH کاهش می یابد.Raize و همکاران 68 اشاره کردند که توانایی جلبک دریایی برای جذب فلزات برای Pb2+ 25% بیشتر از Ni2+ بود.
(الف) نتایج XRF از جذب پایه Nb توسط سلول‌های ریزجلبک سبز که در غلظت شدید SL Nb-MXenes (100 میلی‌گرم در لیتر) به مدت 72 ساعت انکوبه شدند.نتایج حضور α را در سلول‌های ریزجلبک خالص (نمونه شاهد، ستون‌های خاکستری)، نانو دانه‌های دوبعدی جدا شده از سلول‌های میکروجلبک سطحی (ستون‌های آبی) و سلول‌های ریزجلبک پس از جداسازی نانوذره‌های دوبعدی از سطح (ستون‌های قرمز) نشان می‌دهند.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، (c–e) تناسب پیک ترکیبی XPS SL Nb2CTx با طیف‌های میکروسکوپی Nb2CTx M.SLXT.
بنابراین، ما انتظار داشتیم که Nb بتواند توسط سلول های جلبک به شکل اکسید جذب شود.برای آزمایش این، ما مطالعات XPS را روی MXenes Nb2CTx و Nb4C3TX و سلول‌های جلبک انجام دادیم.نتایج برهمکنش ریزجلبک ها با Nb-MXenes و MXen های جدا شده از سلول های جلبک در شکل نشان داده شده است.5b.همانطور که انتظار می‌رفت، پس از حذف MXene از سطح ریزجلبک، پیک‌های Nb 3d را در نمونه‌های ریزجلبک شناسایی کردیم.تعیین کمی اکسیدهای C=O، CHx/CO، و Nb بر اساس طیف های Nb 3d، O 1s و C 1s به دست آمده با Nb2CTx SL (شکل 5c-e) و Nb4C3Tx SL (شکل 5c-e) محاسبه شد.) از ریزجلبک های انکوبه شده به دست می آید.شکل 5f–h) MXenes.جدول S1-3 جزئیات پارامترهای پیک و شیمی کلی حاصل از برازش را نشان می دهد.قابل توجه است که مناطق Nb 3d Nb2CTx SL و Nb4C3Tx SL (شکل 5c، f) با یک جزء Nb2O5 مطابقت دارند.در اینجا، هیچ پیک مرتبط با MXene در طیف‌ها پیدا نکردیم، که نشان می‌دهد سلول‌های ریزجلبک فقط شکل 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.ما قله‌های CHx/C-O و C=O را به سهم آلی سلول‌های ریزجلبک اختصاص دادیم.این اجزای آلی به ترتیب 36% و 41% از پیک های C 1s را در Nb2CTx SL و Nb4C3TX SL تشکیل می دهند.سپس طیف O 1s SL Nb2CTx و SL Nb4C3TX را با Nb2O5، اجزای آلی ریزجلبک‌ها (CHx/CO)، و آب جذب‌شده سطحی برازش کردیم.
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 حاصل از دکانولوشن، تأیید می کنیم که Nb فقط به شکل اکسیدها جذب می شود و نه یون ها 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.
در حالی که نتایج جذب Nb ما قابل توجه است و به ما امکان می دهد تخریب MXene را شناسایی کنیم، هیچ روشی برای ردیابی تغییرات مورفولوژیکی مرتبط در نانوفلکه های دوبعدی وجود ندارد.بنابراین، ما همچنین تصمیم گرفتیم یک روش مناسب ایجاد کنیم که بتواند به طور مستقیم به هر تغییری که در نانوفلکه‌های 2 بعدی Nb-MXene و سلول‌های ریزجلبک رخ می‌دهد پاسخ دهد.توجه به این نکته مهم است که فرض می‌کنیم اگر گونه‌های متقابل تحت هر گونه تغییر شکل، تجزیه یا تکه تکه شدن قرار گیرند، این 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 دراز یا نانوذره های دوبعدی مناسب هستند، ردیابی آنها توسط تجزیه و تحلیل شکل ذرات دینامیکی اطلاعات ارزشمندی در مورد تبدیل مورفولوژیکی نانوذرات SL Nb-MXene در طول کاهش به ما می دهد.
نتایج به‌دست‌آمده در شکل 6 نشان داده شده‌اند. برای مقایسه، ما فاز MAX اصلی و ML-MXenes را نیز آزمایش کردیم (شکل‌های SI S18 و S19 را ببینید).تجزیه و تحلیل دینامیکی شکل ذرات نشان داد که تمام پارامترهای شکل دو Nb-MXene SL پس از برهمکنش با ریزجلبک‌ها به‌طور معنی‌داری تغییر کردند.همانطور که توسط پارامتر قطر مساحت دایره ای معادل (شکل 6a, b) نشان داده شده است، کاهش شدت پیک کسر نانوفلکه های بزرگ نشان می دهد که آنها تمایل دارند به قطعات کوچکتر تجزیه شوند.روی انجیر6c, d کاهش قله های مرتبط با اندازه عرضی پوسته ها را نشان می دهد (طولانی شدن دانه های نانو) که نشان دهنده تبدیل نانوذره های 2 بعدی به شکل ذرات بیشتر است.شکل 6e-h به ترتیب عرض و طول فرت را نشان می دهد.عرض و طول فرت پارامترهای مکمل هستند و بنابراین باید با هم در نظر گرفته شوند.پس از انکوباسیون نانوفلکه‌های 2 بعدی Nb-MXene در حضور ریزجلبک‌ها، پیک‌های همبستگی Feret آن‌ها تغییر کرده و شدت آن‌ها کاهش یافت.بر اساس این نتایج در ترکیب با مورفولوژی، XRF و XPS، ما به این نتیجه رسیدیم که تغییرات مشاهده شده به شدت با اکسیداسیون مرتبط است زیرا MXen های اکسید شده چروکیده تر می شوند و به قطعات و ذرات اکسید کروی تجزیه می شوند69،70.
تجزیه و تحلیل تبدیل MXene پس از تعامل با ریزجلبک سبز.تجزیه و تحلیل شکل ذرات دینامیکی پارامترهایی مانند (الف، ب) قطر ناحیه دایره ای معادل، (ج، د) گرد بودن، (e، f) عرض فرت و (g، h) طول فرت را در نظر می گیرد.برای این منظور، دو نمونه ریزجلبک مرجع همراه با SL Nb2CTx اولیه و SL Nb4C3Tx MXenes، SL Nb2CTx و SL Nb4C3Tx MXenes، ریزجلبک های تخریب شده، و میکروجلبک های تیمار شده SL Nb2CTx و SL Nb4C3Tx MXen مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.فلش های قرمز انتقال پارامترهای شکل نانوفلکه های دو بعدی مورد مطالعه را نشان می دهد.
از آنجایی که تجزیه و تحلیل پارامتر شکل بسیار قابل اعتماد است، می تواند تغییرات مورفولوژیکی در سلول های ریزجلبک را نیز آشکار کند.بنابراین، ما قطر سطح دایره‌ای معادل، گردی، و عرض/طول فرت سلول‌ها و سلول‌های ریزجلبک خالص را پس از برهم‌کنش با نانوفلکه‌های 2 بعدی Nb تجزیه و تحلیل کردیم.روی انجیر6a–h تغییراتی را در پارامترهای شکل سلول‌های جلبک نشان می‌دهد که با کاهش شدت پیک و تغییر حداکثر به سمت مقادیر بالاتر مشهود است.به طور خاص، پارامترهای گردی سلول کاهش در سلول های کشیده و افزایش سلول های کروی را نشان داد (شکل 6a، b).علاوه بر این، عرض سلول Feret پس از تعامل با SL Nb2CTx MXene (شکل 6e) در مقایسه با SL Nb4C3TX MXene (شکل 6f) چندین میکرومتر افزایش یافت.ما گمان می کنیم که این ممکن است به دلیل جذب قوی اکسیدهای Nb توسط ریزجلبک ها در تعامل با Nb2CTx SR باشد.چسبیدن سفت و سخت کمتر تکه های Nb به سطح آنها می تواند منجر به رشد سلولی با حداقل اثر سایه شود.
مشاهدات ما از تغییرات در پارامترهای شکل و اندازه ریزجلبک ها مکمل مطالعات دیگر است.ریزجلبک‌های سبز می‌توانند مورفولوژی خود را در پاسخ به استرس محیطی با تغییر اندازه، شکل یا متابولیسم سلول تغییر دهند.به عنوان مثال، تغییر اندازه سلول ها جذب مواد مغذی را تسهیل می کند.سلول های جلبک کوچکتر جذب مواد مغذی کمتری را نشان می دهند و سرعت رشد را مختل می کنند.برعکس، سلول های بزرگتر تمایل به مصرف مواد مغذی بیشتری دارند، که سپس در داخل سلولی 72،73 رسوب می کنند.ماچادو و سورس دریافتند که قارچ کش تریکلوزان می تواند اندازه سلول را افزایش دهد.آنها همچنین تغییرات عمیقی در شکل جلبک پیدا کردند.علاوه بر این، یین و همکاران 9 نیز تغییرات مورفولوژیکی در جلبک ها را پس از قرار گرفتن در معرض نانوکامپوزیت های اکسید گرافن کاهش یافته نشان دادند.بنابراین، واضح است که پارامترهای اندازه/شکل تغییر یافته ریزجلبک‌ها ناشی از حضور MXene است.از آنجایی که این تغییر در اندازه و شکل نشان دهنده تغییرات در جذب مواد مغذی است، ما معتقدیم که تجزیه و تحلیل پارامترهای اندازه و شکل در طول زمان می‌تواند جذب اکسید نیوبیم توسط ریزجلبک‌ها را در حضور Nb-MXenes نشان دهد.
علاوه بر این، MXene ها می توانند در حضور جلبک ها اکسید شوند.دالایی و همکاران 75 مشاهده کردند که مورفولوژی جلبک سبز در معرض نانو TiO2 و Al2O376 یکنواخت نیست.اگرچه مشاهدات ما مشابه مطالعه حاضر است، اما فقط به مطالعه اثرات زیست پالایی از نظر محصولات تخریب MXene در حضور نانوذرات دو بعدی و نه نانوذرات مربوط است.از آنجایی که MXen ها می توانند به اکسیدهای فلزی تجزیه شوند، 31،32،77،78 منطقی است که فرض کنیم نانوفلکه های Nb ما نیز می توانند پس از برهم کنش با سلول های ریزجلبک، اکسیدهای Nb را تشکیل دهند.
به منظور توضیح کاهش نانوذره‌های 2D-Nb از طریق مکانیسم تجزیه بر اساس فرآیند اکسیداسیون، ما مطالعاتی را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (HRTEM) (شکل 7a,b) و طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) انجام دادیم (شکل 7).7c-i و جداول S4-5).هر دو روش برای مطالعه اکسیداسیون مواد دو بعدی مناسب هستند و مکمل یکدیگر هستند.HRTEM قادر به تجزیه و تحلیل تخریب ساختارهای لایه ای دو بعدی و ظاهر بعدی نانوذرات اکسید فلز است، در حالی که XPS به پیوندهای سطحی حساس است.برای این منظور، نانوفلکه‌های 2 بعدی Nb-MXene استخراج‌شده از پراکندگی سلول‌های ریزجلبک، یعنی شکل آن‌ها پس از تعامل با سلول‌های ریزجلبک را آزمایش کردیم (شکل 7 را ببینید).
تصاویر HRTEM که مورفولوژی اکسید شده (a) SL Nb2CTx و (ب) SL Nb4C3Tx MXenes را نشان می دهد، نتایج تجزیه و تحلیل XPS نشان می دهد (ج) ترکیب محصولات اکسیدی پس از کاهش، (d–f) تطبیق اوج اجزای طیف XPS SL Nb2CTx و (g–3CTx، با میکرو اس ال gae.
مطالعات HRTEM اکسیداسیون دو نوع نانوفلکه Nb-MXene را تایید کرد.اگرچه نانوذرات مورفولوژی دو بعدی خود را تا حدودی حفظ کردند، اکسیداسیون منجر به ظهور نانوذرات بسیاری شد که سطح نانوذرات MXene را پوشانده بودند (شکل 7a،b را ببینید).تجزیه و تحلیل XPS سیگنال های c Nb 3d و O 1s نشان داد که اکسیدهای Nb در هر دو مورد تشکیل شده است.همانطور که در شکل 7c نشان داده شده است، 2D MXene Nb2CTx و Nb4C3TX دارای سیگنال های Nb 3d هستند که حضور اکسیدهای NbO و Nb2O5 را نشان می دهد، در حالی که سیگنال های O 1s تعداد پیوندهای O-Nb مرتبط با عاملی شدن سطح نانوفلکه دوبعدی را نشان می دهد.ما متوجه شدیم که سهم اکسید Nb در مقایسه با Nb-C و Nb3 + -O غالب است.
روی انجیرشکل 7g-i طیف XPS Nb 3d، C 1s، و O 1s SL Nb2CTx (نگاه کنید به شکل 7d-f) و SL Nb4C3TX MXene جدا شده از سلول های ریزجلبک را نشان می دهد.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 سلول های ریزجلبک، در MXene جدا شده از سلول های ریزجلبک، به غیر از Nb2O5، اجزای دیگری نیز یافت شد.در Nb2CTx SL، ما سهم Nb3 + -O را در مقدار 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 فلز در Nb4C3Tx SR می آید.سپس طیف C 1s را به چهار جزء مختلف نگاشت می کنیم، همانطور که در نمونه های درونی شده انجام دادیم.همانطور که انتظار می رود، طیف C 1s توسط کربن گرافیتی تحت سلطه است و به دنبال آن سهم ذرات آلی (CHx/CO و C=O) از سلول های ریزجلبک قرار دارد.علاوه بر این، در طیف O1s، ما سهم اشکال آلی سلول‌های ریزجلبک، اکسید نیوبیم و آب جذب شده را مشاهده کردیم.
علاوه بر این، ما بررسی کردیم که آیا رخ Nb-MXenes با حضور گونه‌های اکسیژن فعال (ROS) در محیط غذایی و/یا سلول‌های ریزجلبک مرتبط است یا خیر.برای این منظور، ما سطح اکسیژن منفرد (1O2) را در محیط کشت و گلوتاتیون درون سلولی، یک تیول که به عنوان یک آنتی اکسیدان در ریزجلبک ها عمل می کند، ارزیابی کردیم.نتایج در SI نشان داده شده است (شکل S20 و S21).کشت های دارای SL Nb2CTx و Nb4C3TX MXenes با مقدار کاهش یافته 1O2 مشخص شدند (شکل S20 را ببینید).در مورد SL Nb2CTx، MXene 1O2 به حدود 83٪ کاهش می یابد.برای کشت های ریزجلبک با استفاده از SL، Nb4C3TX 1O2 حتی بیشتر کاهش یافت و به 73 درصد رسید.جالب توجه است، تغییرات در 1O2 روند مشابهی را نشان داد که قبلاً اثر مهاری-تحریکی مشاهده شده بود (شکل 3 را ببینید).می توان استدلال کرد که جوجه کشی در نور شدید می تواند اکسیداسیون نور را تغییر دهد.با این حال، نتایج تجزیه و تحلیل کنترل سطوح تقریبا ثابتی از 1O2 را در طول آزمایش نشان داد (شکل S22).در مورد سطوح ROS داخل سلولی، ما نیز همین روند نزولی را مشاهده کردیم (شکل S21 را ببینید).در ابتدا، سطوح ROS در سلول‌های ریزجلبک کشت‌شده در حضور Nb2CTx و Nb4C3Tx SL از سطوح موجود در کشت خالص ریزجلبک‌ها فراتر رفت.با این حال، در نهایت به نظر می‌رسد که ریزجلبک‌ها با حضور هر دو Nb-MXen سازگار شده‌اند، زیرا سطوح ROS به ترتیب به 85% و 91% از سطوح اندازه‌گیری شده در کشت خالص ریزجلبک‌های تلقیح شده با SL Nb2CTx و Nb4C3TX کاهش یافت.این ممکن است نشان دهد که ریزجلبک ها در طول زمان در حضور Nb-MXene احساس راحتی بیشتری نسبت به محیط غذایی به تنهایی دارند.
ریزجلبک ها گروه متنوعی از موجودات فتوسنتزی هستند.در طول فتوسنتز، آنها دی اکسید کربن اتمسفر (CO2) را به کربن آلی تبدیل می کنند.محصولات فتوسنتز عبارتند از گلوکز و اکسیژن79.ما گمان می کنیم که اکسیژن به این ترتیب تشکیل شده نقش مهمی در اکسیداسیون Nb-MXenes ایفا می کند.یک توضیح احتمالی برای این موضوع این است که پارامتر هوادهی تفاضلی در فشارهای جزئی کم و زیاد اکسیژن در خارج و داخل نانوفلکه‌های Nb-MXene تشکیل می‌شود.این بدان معناست که هر جا مناطقی با فشارهای جزئی مختلف اکسیژن وجود داشته باشد، ناحیه با کمترین سطح آند 80، 81، 82 را تشکیل می‌دهد. در اینجا، ریزجلبک‌ها به ایجاد سلول‌های هوادهی متفاوت روی سطح تکه‌های MXene کمک می‌کنند که به دلیل خواص فتوسنتزی خود، اکسیژن تولید می‌کنند.در نتیجه محصولات زیست خوردگی (در این مورد اکسیدهای نیوبیم) تشکیل می شوند.جنبه دیگر این است که ریزجلبک ها می توانند اسیدهای آلی تولید کنند که در آب آزاد می شوند 83،84.بنابراین، یک محیط تهاجمی شکل می‌گیرد و در نتیجه Nb-MXenes تغییر می‌کند.علاوه بر این، ریزجلبک ها به دلیل جذب دی اکسید کربن می توانند PH محیط را به قلیایی تبدیل کنند که این امر نیز می تواند باعث خوردگی شود.
مهمتر از آن، دوره نوری تاریک/روشن استفاده شده در مطالعه ما برای درک نتایج به دست آمده بسیار مهم است.این جنبه به تفصیل در Djemai-Zoglache et al.85 آنها عمداً از یک دوره نوری 12/12 ساعته برای نشان دادن خوردگی زیستی مرتبط با رسوب زیستی توسط میکروجلبک قرمز Porphyridium purpureum استفاده کردند.آنها نشان می دهند که دوره نوری با تکامل پتانسیل بدون خوردگی زیستی همراه است و خود را به صورت نوسانات شبه دوره ای در حوالی ساعت 24:00 نشان می دهد.این مشاهدات توسط داولینگ و همکاران تایید شد.86 آنها بیوفیلم های فتوسنتزی سیانوباکتری آنابنا را نشان دادند.اکسیژن محلول تحت تأثیر نور تشکیل می شود که با تغییر یا نوسانات پتانسیل زیست خوردگی آزاد همراه است.اهمیت دوره نوری با این واقعیت مورد تاکید قرار می گیرد که پتانسیل آزاد برای خوردگی زیستی در فاز روشن افزایش و در فاز تاریک کاهش می یابد.این به دلیل اکسیژن تولید شده توسط ریزجلبک های فتوسنتزی است که بر واکنش کاتدی از طریق فشار جزئی تولید شده در نزدیکی الکترودها تأثیر می گذارد.
علاوه بر این، طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) برای بررسی اینکه آیا تغییراتی در ترکیب شیمیایی سلول‌های ریزجلبک‌ها پس از تعامل با Nb-MXenes رخ داده است یا خیر، انجام شد.این نتایج به‌دست‌آمده پیچیده هستند و ما آنها را در SI ارائه می‌کنیم (شکل‌های S23-S25، شامل نتایج مرحله MAX و ML MXenes).به طور خلاصه، طیف مرجع به دست آمده از ریزجلبک ها اطلاعات مهمی در مورد ویژگی های شیمیایی این موجودات در اختیار ما قرار می دهد.این محتمل ترین ارتعاشات در فرکانس های 1060 سانتی متر-1 (CO)، 1540 سانتی متر-1، 1640 سانتی متر-1 (C=C)، 1730 سانتی متر-1 (C=O)، 2850 سانتی متر-1، 2920 سانتی متر-1 قرار دارند.یکی1 1 (C-H) و 3280 cm-1 (O-H).برای SL Nb-MXenes، ما یک امضای کششی پیوند CH پیدا کردیم که با مطالعه قبلی ما مطابقت دارد.با این حال، مشاهده کردیم که برخی از قله‌های اضافی مرتبط با پیوندهای C=C و CH ناپدید شدند.این نشان می دهد که ترکیب شیمیایی ریزجلبک ها ممکن است به دلیل تعامل با SL Nb-MXenes دچار تغییرات جزئی شود.
هنگام در نظر گرفتن تغییرات احتمالی در بیوشیمی ریزجلبک ها، تجمع اکسیدهای معدنی مانند اکسید نیوبیوم نیاز به بازنگری دارد.در جذب فلزات توسط سطح سلول، انتقال آنها به سیتوپلاسم، ارتباط آنها با گروه های کربوکسیل داخل سلولی و تجمع آنها در پلی فسفوزوم های ریزجلبکی 20،88،89،90 نقش دارد.علاوه بر این، ارتباط بین ریزجلبک ها و فلزات توسط گروه های عملکردی سلول ها حفظ می شود.به همین دلیل، جذب به شیمی سطح ریزجلبک نیز بستگی دارد که بسیار پیچیده است.به طور کلی همانطور که انتظار می رفت، ترکیب شیمیایی ریزجلبک سبز به دلیل جذب اکسید Nb اندکی تغییر کرد.
جالب توجه است که مهار اولیه مشاهده شده ریزجلبک ها در طول زمان برگشت پذیر بود.همانطور که مشاهده کردیم، ریزجلبک ها بر تغییرات اولیه محیطی غلبه کردند و در نهایت به سرعت رشد طبیعی بازگشتند و حتی افزایش یافتند.مطالعات پتانسیل زتا هنگام وارد شدن به محیط های غذایی پایداری بالایی را نشان می دهد.بنابراین، تعامل سطحی بین سلول‌های ریزجلبک و نانوفلکه‌های Nb-MXene در طول آزمایش‌های کاهش حفظ شد.در تجزیه و تحلیل بیشتر، ما مکانیسم‌های اصلی عمل زیربنای این رفتار قابل توجه ریزجلبک‌ها را خلاصه می‌کنیم.
مشاهدات SEM نشان داده است که ریزجلبک ها تمایل دارند به Nb-MXenes متصل شوند.با استفاده از تجزیه و تحلیل تصویر پویا، تأیید می‌کنیم که این اثر منجر به تبدیل نانوفلکه‌های دو بعدی Nb-MXene به ذرات کروی‌تر می‌شود، در نتیجه نشان می‌دهد که تجزیه نانوذره‌ها با اکسیداسیون آنها مرتبط است.برای آزمایش فرضیه خود، یک سری مطالعات مواد و بیوشیمیایی انجام دادیم.پس از آزمایش، نانوفلکه ها به تدریج اکسید شده و به محصولات NbO و Nb2O5 تجزیه می شوند که خطری برای ریزجلبک های سبز ایجاد نمی کند.با استفاده از مشاهده FTIR، ما هیچ تغییر قابل توجهی در ترکیب شیمیایی ریزجلبک‌های انکوبه‌شده در حضور نانوفلکه‌های 2 بعدی Nb-MXene نیافتیم.با در نظر گرفتن امکان جذب اکسید نیوبیم توسط ریزجلبک‌ها، آنالیز فلورسانس اشعه ایکس را انجام دادیم.این نتایج به وضوح نشان می‌دهد که ریزجلبک‌های مورد مطالعه از اکسیدهای نیوبیم (NbO و Nb2O5) تغذیه می‌کنند که برای ریزجلبک‌های مورد مطالعه غیرسمی هستند.