Þakka þér fyrir að heimsækja Nature.com. Þú ert að nota vafraútgáfu með takmörkuðum CSS-stuðningi. Til að fá sem bestu upplifun mælum við með að þú notir uppfærðan vafra (eða slökkvir á samhæfingarstillingu í Internet Explorer). Á meðan, til að tryggja áframhaldandi stuðning, munum við birta síðuna án stíla og JavaScript.
Sýnir hringekju með þremur glærum í einu. Notaðu hnappana Fyrri og Næsta til að fletta í gegnum þrjár glærur í einu, eða notaðu rennihnappana í lokin til að fletta í gegnum þrjár glærur í einu.
Hröð þróun nanótækni og samþætting hennar í dagleg notkun getur ógnað umhverfinu. Þó að grænar aðferðir til niðurbrots lífrænna mengunarefna séu vel þekktar, er endurheimt ólífrænna kristallaðra mengunarefna áhyggjuefni vegna lágrar næmi þeirra fyrir líffræðilegri umbreytingu og skorts á skilningi á víxlverkunum á yfirborði efna við líffræðileg. Hér notum við Nb-byggða ólífræna 2D MXene líkan ásamt einfaldri aðferð til að greina lögunarbreytur til að rekja líffræðilegan hreinsunarferil 2D keramik nanóefna með grænum örþörungum af tegundinni Raphidocelis subcapitata. Við komumst að því að örþörungar brjóta niður Nb-byggða MXene vegna yfirborðstengdra eðlis- og efnafræðilegra víxlverkana. Í upphafi voru einlags og marglaga MXene nanóflögur festar við yfirborð örþörunga, sem dró nokkuð úr vexti þörunga. Hins vegar, við langvarandi samskipti við yfirborðið, oxuðu örþörungar MXene nanóflögur og sundruðu þær frekar í NbO og Nb2O5. Þar sem þessi oxíð eru ekki eitruð fyrir örþörungafrumur, neyta þau Nb oxíð nanóagnir með frásogsferli sem endurheimtir örþörungana enn frekar eftir 72 klukkustunda vatnsmeðhöndlun. Áhrif næringarefna sem tengjast frásogi endurspeglast einnig í aukningu á frumurúmmáli, sléttri lögun þeirra og breytingum á vaxtarhraða. Byggt á þessum niðurstöðum drögum við þá ályktun að skammtíma- og langtímatilvist Nb-byggðra MXene í ferskvatnsvistkerfum geti aðeins valdið minniháttar umhverfisáhrifum. Það er athyglisvert að með því að nota tvívíddar nanóefni sem líkankerfi sýnum við fram á möguleikann á að rekja lögunarbreytingar jafnvel í fínkorna efnum. Í heildina svarar þessi rannsókn mikilvægri grundvallarspurningu um ferli sem tengjast yfirborðsvíxlverkun sem knýja áfram líffræðilega endurvinnsluferli tvívíddar nanóefna og veitir grunn að frekari skammtíma- og langtímarannsóknum á umhverfisáhrifum ólífrænna kristallaðra nanóefna.
Nanóefni hafa vakið mikinn áhuga síðan þau voru uppgötvuð og ýmsar nanótæknilausnir hafa nýlega farið í nútímavæðingu1. Því miður getur samþætting nanóefna í dagleg notkun leitt til óviljandi losunar vegna óviðeigandi förgunar, gáleysislegrar meðhöndlunar eða ófullnægjandi öryggisinnviða. Því er sanngjarnt að gera ráð fyrir að nanóefni, þar á meðal tvívíð (2D) nanóefni, geti borist út í náttúrulegt umhverfi, en hegðun og líffræðileg virkni þeirra er ekki enn að fullu skilin. Því kemur það ekki á óvart að áhyggjur af vistfræðilegum eituráhrifum hafa beinst að getu tvívíðra nanóefna til að leka út í vatnakerfi2,3,4,5,6. Í þessum vistkerfum geta sum tvívíð nanóefni haft samskipti við ýmsar lífverur á mismunandi næringarstigum, þar á meðal örþörunga.
Smærri þörungar eru frumstæðar lífverur sem finnast náttúrulega í ferskvatns- og sjávarvistkerfum og framleiða fjölbreytt efni með ljóstillífun7. Sem slíkar eru þær mikilvægar fyrir vatnavistkerfi8,9,10,11,12 en eru einnig viðkvæmar, ódýrar og mikið notaðar vísbendingar um vistfræðilegan eituráhrif13,14. Þar sem frumur smærri þörunga fjölga sér hratt og bregðast hratt við nærveru ýmissa efnasambanda eru þær efnilegar fyrir þróun umhverfisvænna aðferða til að meðhöndla vatn sem er mengað af lífrænum efnum15,16.
Þörungafrumur geta fjarlægt ólífrænar jónir úr vatni með lífsogi og uppsöfnun17,18. Sumar þörungategundir eins og Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue og Synechococcus sp. hafa reynst bera og jafnvel næra eitraðar málmjónir eins og Fe2+, Cu2+, Zn2+ og Mn2+19. Aðrar rannsóknir hafa sýnt að Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ eða Pb2+ jónir takmarka vöxt Scenedesmus með því að breyta frumugerð og eyðileggja grænukorn þeirra20,21.
Grænar aðferðir til niðurbrots lífrænna mengunarefna og fjarlægingar þungmálmajóna hafa vakið athygli vísindamanna og verkfræðinga um allan heim. Þetta er aðallega vegna þess að þessi mengunarefni eru auðveldlega unnin í fljótandi fasa. Hins vegar einkennast ólífræn kristallað mengunarefni af lágri vatnsleysni og lítilli næmi fyrir ýmsum líffræðilegum umbreytingum, sem veldur miklum erfiðleikum við úrbætur, og litlar framfarir hafa orðið á þessu sviði22,23,24,25,26. Því er leit að umhverfisvænum lausnum fyrir viðgerðir á nanóefnum enn flókið og ókannað svið. Vegna mikillar óvissu varðandi líffræðilega umbreytingaráhrif tvívíðra nanóefna er engin auðveld leið til að finna út mögulegar leiðir niðurbrots þeirra við afoxun.
Í þessari rannsókn notuðum við grænar örþörungar sem virkt vatnskennt lífrænt hreinsunarefni fyrir ólífræn keramikefni, ásamt eftirliti með niðurbrotsferli MXene á staðnum sem dæmigert fyrir ólífræn keramikefni. Hugtakið „MXene“ endurspeglar steikíómetríu Mn+1XnTx efnisins, þar sem M er snemmbúinn umskiptamálmur, X er kolefni og/eða köfnunarefni, Tx er yfirborðslokamálmur (t.d. -OH, -F, -Cl) og n = 1, 2, 3 eða 427,28. Frá uppgötvun MXene af Naguib o.fl. Skynjunarfræði, krabbameinsmeðferð og himnusíun 27,29,30. Að auki má líta á MXene sem fyrirmynd 2D kerfa vegna framúrskarandi kolloidstöðugleika þeirra og mögulegra líffræðilegra víxlverkana 31,32,33,34,35,36.
Þess vegna eru aðferðafræðin sem þróuð var í þessari grein og rannsóknartilgátur okkar sýndar á mynd 1. Samkvæmt þessari tilgátu brjóta örþörungar niður níobíum-byggð MXen í eiturefnalaus efnasambönd vegna yfirborðstengdra eðlis- og efnafræðilegra víxlverkana, sem gerir kleift að endurheimta þörungana frekar. Til að prófa þessa tilgátu voru tveir meðlimir fjölskyldu snemmbúinna níobíum-byggðra umskiptamálmakarbíða og/eða nítríða (MXena), þ.e. Nb2CTx og Nb4C3TX, valdir.
Rannsóknaraðferðafræði og vísindalegar tilgátur um endurheimt MXene með grænum örþörungum af tegundinni Raphidocelis subcapitata. Athugið að þetta er aðeins skýringarmynd af vísindalegum forsendum. Umhverfi vatnsins er mismunandi hvað varðar næringarefni og aðstæður (t.d. sólarhringrás og takmarkanir á tiltækum nauðsynlegum næringarefnum). Búið til með BioRender.com.
Með því að nota MXene sem líkankerfi höfum við því opnað dyrnar að rannsóknum á ýmsum líffræðilegum áhrifum sem ekki er hægt að sjá með öðrum hefðbundnum nanóefnum. Við sýnum sérstaklega fram á möguleikann á líffræðilegri úrvinnslu tvívíðra nanóefna, svo sem níóbíum-byggðra MXene, með örþörungum af tegundinni Raphidocelis subcapitata. Örþörungar geta brotið niður Nb-MXene í eiturefnalaus oxíð NbO og Nb2O5, sem einnig veita næringarefni í gegnum níóbíumupptökuferlið. Í heildina svarar þessi rannsókn mikilvægri grundvallarspurningu um ferla sem tengjast efnafræðilegum víxlverkunum á yfirborði sem stjórna líffræðilegum úrvinnsluferlum tvívíðra nanóefna. Að auki erum við að þróa einfalda aðferð sem byggir á lögun og breytum til að rekja lúmskar breytingar á lögun tvívíðra nanóefna. Þetta hvetur til frekari skammtíma- og langtímarannsókna á ýmsum umhverfisáhrifum ólífrænna kristallaðra nanóefna. Þannig eykur rannsókn okkar skilning á víxlverkun milli yfirborðs efnisins og líffræðilegs efnis. Við erum einnig að leggja grunn að víðtækari skammtíma- og langtímarannsóknum á mögulegum áhrifum þeirra á ferskvatnsvistkerfi, sem nú er auðvelt að staðfesta.
MXen eru áhugaverður flokkur efna með einstaka og aðlaðandi eðlis- og efnafræðilega eiginleika og því margar mögulegar notkunarmöguleika. Þessir eiginleikar eru að miklu leyti háðir steikíómetríu þeirra og yfirborðsefnafræði. Þess vegna rannsökuðum við í rannsókn okkar tvær gerðir af Nb-byggðum stigveldisbundnum einlags (SL) MXenum, Nb2CTx og Nb4C3TX, þar sem mismunandi líffræðileg áhrif þessara nanóefna gátu komið í ljós. MXen eru framleidd úr upphafsefnum sínum með sértækri etsun ofan frá á atómþunnum MAX-fasa A-lögum. MAX-fasinn er þríhyrningslaga keramik sem samanstendur af „bundnum“ blokkum af umskiptamálmkarbíðum og þunnum lögum af „A“ frumefnum eins og Al, Si og Sn með MnAXn-1 steikíómetríu. Lögun upphaflega MAX-fasans var skoðuð með rafeindasmásjá (SEM) og var í samræmi við fyrri rannsóknir (sjá viðbótarupplýsingar, SI, mynd S1). Fjöllaga (ML) Nb-MXen fékkst eftir að Al-lagið var fjarlægt með 48% HF (flúorsýru). Lögun ML-Nb2CTx og ML-Nb4C3TX var skoðuð með rafeindasmásjá (SEM) (myndir S1c og S1d talið í sömu röð) og dæmigerð lagskipt MXene lögun sást, svipað og tvívíð nanóflögur sem fara í gegnum aflangar, svitaholalaga raufar. Báðar Nb-MXen eiga margt sameiginlegt með MXene fasa sem áður voru myndaðir með sýruetsun27,38. Eftir að hafa staðfest uppbyggingu MXene lögðum við það saman með innskoti af tetrabútýlammoníumhýdroxíði (TBAOH) og síðan þvotti og hljóðbylgju, en að lokum fengum við einlags- eða láglags (SL) 2D Nb-MXene nanóflögur.
Við notuðum rafeindasmásjá með mikilli upplausn (HRTEM) og röntgengeislun (XRD) til að prófa skilvirkni etsingar og frekari afhýðingar. Niðurstöður HRTEM, sem unnar voru með öfugum hraðvirkum Fourier umbreytingum (IFFT) og hraðvirkum Fourier umbreytingum (FFT), eru sýndar á mynd 2. Nb-MXene nanóflögur voru stilltar upp með brúnina til að athuga uppbyggingu atómlagsins og mæla fjarlægðir milli fleta. HRTEM myndir af MXene Nb2CTx og Nb4C3TX nanóflögum sýndu atómþunnt lag þeirra (sjá mynd 2a1, a2), eins og áður hefur verið greint frá af Naguib o.fl.27 og Jastrzębska o.fl.38. Fyrir tvö aðliggjandi Nb2CTx og Nb4C3Tx einlög ákvörðuðum við fjarlægðir milli laga upp á 0,74 og 1,54 nm, talið í sömu röð (myndir 2b1, b2), sem einnig er í samræmi við fyrri niðurstöður okkar38. Þetta var enn frekar staðfest með öfugum hraðvirkum Fourier umbreytingum (mynd 2c1, c2) og hraðvirkum Fourier umbreytingum (mynd 2d1, d2) sem sýna fjarlægðina milli einlaganna Nb2CTx og Nb4C3Tx. Myndin sýnir til skiptis ljósra og dökkra bönda sem samsvara níóbíum- og kolefnisatómum, sem staðfestir lagskipt eðli þeirra MXene sem rannsökuð voru. Mikilvægt er að hafa í huga að orkudreifandi röntgenlitróf (EDX) sem fengust fyrir Nb2CTx og Nb4C3Tx (myndir S2a og S2b) sýndu engar leifar af upprunalega MAX-fasanum, þar sem enginn Al-toppur greindist.
Einkenni SL Nb2CTx og Nb4C3Tx MXene nanóflögna, þar á meðal (a) myndgreining á tvívíddum nanóflögum með rafeindasmásjá í mikilli upplausn (HRTEM) frá hlið og samsvarandi myndgreining, (b) styrkleikastilling, (c) öfug hröð Fourier umbreyting (IFFT), (d) hröð Fourier umbreyting (FFT), (e) Nb-MXene röntgenmynstur. Fyrir SL 2D Nb2CTx eru tölurnar táknaðar sem (a1, b1, c1, d1, e1). Fyrir SL 2D Nb4C3Tx eru tölurnar táknaðar sem (a2, b2, c2, d2, e1).
Röntgengeislunarmælingar á SL Nb2CTx og Nb4C3Tx MXenum eru sýndar á myndum 2e1 og e2, talið í sömu röð. Toppar (002) við 4.31 og 4.32 samsvara áður lýstum lagskiptum MXenum Nb2CTx og Nb4C3TX38,39,40,41, talið í sömu röð. Niðurstöður röntgengeislunarinnar benda einnig til þess að nokkrar leifar af ML-byggingum og MAX-fasa séu til staðar, en aðallega röntgengeislunarmynstrum sem tengjast SL Nb4C3Tx (mynd 2e2). Tilvist minni agna í MAX-fasanum gæti skýrt sterkari MAX-topp samanborið við handahófskennd staflað Nb4C3Tx lög.
Frekari rannsóknir hafa beinst að grænum örþörungum sem tilheyra tegundinni R. subcapitata. Við völdum örþörunga vegna þess að þeir eru mikilvægir framleiðendur sem taka þátt í helstu fæðukeðjum42. Þeir eru einnig einn besti vísirinn að eituráhrifum vegna getu þeirra til að fjarlægja eiturefni sem berast á hærri stig fæðukeðjunnar43. Að auki gætu rannsóknir á R. subcapitata varpað ljósi á tilfallandi eituráhrif SL Nb-MXene á algengar ferskvatnsörverur. Til að sýna fram á þetta settu vísindamennirnir fram þá tilgátu að hver örvera hefði mismunandi næmi fyrir eitruðum efnasamböndum sem eru til staðar í umhverfinu. Fyrir flestar lífverur hefur lágur styrkur efna ekki áhrif á vöxt þeirra, en styrkur yfir ákveðnum mörkum getur hamlað þeim eða jafnvel valdið dauða. Þess vegna ákváðum við, fyrir rannsóknir okkar á yfirborðssamspili örþörunga og MXene og tengdri endurheimt, að prófa skaðlausan og eitraðan styrk Nb-MXene. Til að gera þetta prófuðum við styrkleika upp á 0 (til viðmiðunar), 0,01, 0,1 og 10 mg l-1 MXene og smituðum að auki örþörunga með mjög háum styrk af MXene (100 mg l-1 MXene), sem getur verið mjög alvarlegt og banvænt ... fyrir hvaða líffræðilegt umhverfi sem er.
Áhrif SL Nb-MXene á örþörunga eru sýnd á mynd 3, tjáð sem hlutfall vaxtarhvata (+) eða hömlunar (-) mælt fyrir 0 mg l-1 sýni. Til samanburðar voru Nb-MAX fasinn og ML Nb-MXene einnig prófuð og niðurstöðurnar eru sýndar í SI (sjá mynd S3). Niðurstöðurnar staðfestu að SL Nb-MXene eru næstum alveg eiturefnalaus á bilinu lágs styrks frá 0,01 til 10 mg/l, eins og sést á mynd 3a,b. Í tilviki Nb2CTx sáum við ekki meira en 5% visteituráhrif á tilgreindu bili.
Örvun (+) eða hömlun (-) á vexti örþörunga í viðurvist SL (a) Nb2CTx og (b) Nb4C3TX MXene. Greint var frá víxlverkun MXene og örþörunga í 24, 48 og 72 klukkustundir. Marktæk gögn (t-próf, p < 0,05) voru merkt með stjörnu (*). Marktæk gögn (t-próf, p < 0,05) voru merkt með stjörnu (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Marktæk gögn (t-próf, p < 0,05) eru merkt með stjörnu (*).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-próf, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Mikilvæg gögn (t-próf, p < 0,05) eru merkt með stjörnu (*).Rauðar örvar gefa til kynna afnám hamlandi örvunar.
Hins vegar reyndist lágur styrkur Nb4C3TX vera örlítið eitraðri, en ekki hærri en 7%. Eins og búist var við komumst við að því að MXene höfðu meiri eituráhrif og hömlun á vexti örþörunga við 100 mg L-1. Athyglisvert er að ekkert efnanna sýndi sömu tilhneigingu og tímaháð áhrifum eiturefna/atóxískra áhrifa samanborið við MAX eða ML sýnin (sjá SI fyrir nánari upplýsingar). Þó að fyrir MAX áfangann (sjá mynd S3) hafi eituráhrifin náð um það bil 15–25% og aukist með tímanum, sást öfug þróun fyrir SL Nb2CTx og Nb4C3TX MXene. Hömlunin á vexti örþörunga minnkaði með tímanum. Hún náði um það bil 17% eftir 24 klukkustundir og lækkaði niður í minna en 5% eftir 72 klukkustundir (mynd 3a, b, talið í sömu röð).
Mikilvægara er að fyrir SL Nb4C3TX náði hömlun á vexti örþörunga um 27% eftir 24 klukkustundir, en eftir 72 klukkustundir minnkaði hún niður í um 1%. Þess vegna kölluðum við áhrifin sem komu fram sem öfug hömlun á örvun og áhrifin voru sterkari fyrir SL Nb4C3TX MXene. Örvun á vexti örþörunga sást fyrr með Nb4C3TX (víxlverkun við 10 mg L-1 í 24 klst.) samanborið við SL Nb2CTx MXene. Áhrif hömlunar-örvunar viðsnúnings sáust einnig vel í tvöföldunarhraða lífmassa (sjá mynd S4 fyrir nánari upplýsingar). Hingað til hefur aðeins vistfræðileg eituráhrif Ti3C2TX MXene verið rannsökuð á mismunandi vegu. Það er ekki eitrað fyrir sebrafiskafósturvísa44 en miðlungi vistfræðilega eitrað fyrir örþörungaplönturnar Desmodesmus quadricauda og Sorghum saccharatum45. Önnur dæmi um sértæk áhrif eru meiri eituráhrif á krabbameinsfrumulínur en á eðlilegar frumulínur46,47. Gera mætti ​​ráð fyrir að prófunarskilyrðin hefðu áhrif á breytingar á vexti örþörunga sem sjást í návist Nb-MXena. Til dæmis er pH um 8 í blaðgrænukornsstroma best fyrir skilvirka starfsemi RuBisCO ensímsins. Þess vegna hafa pH breytingar neikvæð áhrif á hraða ljóstillífunar48,49. Hins vegar sáum við ekki marktækar breytingar á pH meðan á tilrauninni stóð (sjá SI, mynd S5 fyrir nánari upplýsingar). Almennt séð lækkuðu ræktanir af örþörungum með Nb-MXenum pH lausnarinnar lítillega með tímanum. Hins vegar var þessi lækkun svipuð breytingu á pH í hreinu miðli. Að auki var breytileikinn sem fannst svipaður og sá sem mældist fyrir hreina ræktun af örþörungum (viðmiðunarsýni). Því drögum við þá ályktun að ljóstillífun verður ekki fyrir áhrifum af breytingum á pH með tímanum.
Að auki hafa mynduðu MXenin yfirborðsenda (táknað sem Tx). Þetta eru aðallega virknihóparnir -O, -F og -OH. Hins vegar tengist yfirborðsefnafræði beint aðferðinni við myndunina. Þessir hópar eru þekktir fyrir að vera af handahófi dreifðir yfir yfirborðið, sem gerir það erfitt að spá fyrir um áhrif þeirra á eiginleika MXensins. Má færa rök fyrir því að Tx gæti verið hvatakrafturinn fyrir oxun níóbíums með ljósi. Virknihópar á yfirborðinu veita vissulega marga festistaði fyrir undirliggjandi ljóshvata sína til að mynda tengipunkta. Hins vegar veitti samsetning vaxtarmiðilsins ekki virkan ljóshvata (nákvæma samsetningu miðilsins er að finna í töflu S6 í SI). Að auki eru allar yfirborðsbreytingar einnig mjög mikilvægar, þar sem líffræðileg virkni MXena getur breyst vegna eftirvinnslu laga, oxunar, efnafræðilegrar yfirborðsbreytingar á lífrænum og ólífrænum efnasamböndum eða yfirborðshleðslutækni. Til að kanna hvort níóbíumoxíð hafi eitthvað að gera með óstöðugleika efnisins í ræktunarmiðlinum, framkvæmdum við því rannsóknir á zeta-spennu (ζ) í ræktunarmiðli örþörunga og afjónuðu vatni (til samanburðar). Niðurstöður okkar sýna að SL Nb-MXen eru nokkuð stöðug (sjá SI mynd S6 fyrir MAX og ML niðurstöður). Zeta-spenna SL MXena er um -10 mV. Í tilviki SR Nb2CTx er gildi ζ nokkuð neikvæðara en gildi Nb4C3Tx. Slík breyting á ζ-gildinu gæti bent til þess að yfirborð neikvætt hlaðinna MXen nanóflaga gleypi jákvætt hlaðnar jónir úr ræktunarmiðlinum. Tímabundnar mælingar á zeta-spennu og leiðni Nb-MXena í ræktunarmiðli (sjá myndir S7 og S8 í SI fyrir frekari upplýsingar) virðast styðja tilgátu okkar.
Hins vegar sýndu bæði Nb-MXene SL lágmarksbreytingar frá núlli. Þetta sýnir greinilega stöðugleika þeirra í vaxtarmiðli örþörunga. Að auki mátum við hvort nærvera grænu örþörunganna okkar myndi hafa áhrif á stöðugleika Nb-MXene í miðlinum. Niðurstöður um zeta-spennu og leiðni MXene eftir víxlverkun við örþörunga í næringarmiðli og ræktun með tímanum má finna í SI (myndir S9 og S10). Athyglisvert er að við tókum eftir því að nærvera örþörunga virtist stöðuga dreifingu beggja MXene. Í tilviki Nb2CTx SL lækkaði zeta-spennan jafnvel lítillega með tímanum í neikvæðari gildi (-15,8 á móti -19,1 mV eftir 72 klst. ræktun). Zeta-spenna SL Nb4C3TX jókst lítillega, en eftir 72 klst. sýndi hún samt meiri stöðugleika en nanóflögur án örþörunga (-18,1 á móti -9,1 mV).
Við fundum einnig lægri leiðni í Nb-MXene lausnum sem voru ræktaðar í návist örþörunga, sem bendir til minna magns jóna í næringarefninu. Athyglisvert er að óstöðugleiki MXene í vatni stafar aðallega af yfirborðsoxun57. Þess vegna grunar okkur að grænir örþörungar hafi einhvern veginn hreinsað oxíðin sem mynduðust á yfirborði Nb-MXene og jafnvel komið í veg fyrir myndun þeirra (oxun MXene). Þetta má sjá með því að rannsaka þær tegundir efna sem örþörungar frásogast.
Þó að vistfræðilegar rannsóknir okkar bentu til þess að örþörungar gætu sigrast á eituráhrifum Nb-MXene með tímanum og óvenjulegri hömlun á örvuðum vexti, var markmið rannsóknarinnar að kanna mögulega verkunarhætti. Þegar lífverur eins og þörungar verða fyrir efnasamböndum eða efnum sem eru ókunnug vistkerfum þeirra geta þær brugðist við á ýmsa vegu58,59. Í fjarveru eitraðra málmoxíða geta örþörungar nærst sjálfir, sem gerir þeim kleift að vaxa stöðugt60. Eftir inntöku eitraðra efna geta varnarkerfi virkjast, svo sem að breyta um lögun eða form. Einnig verður að hafa í huga möguleikann á frásogi58,59. Athyglisvert er að öll merki um varnarkerfi eru skýr vísbending um eituráhrif prófunarefnisins. Þess vegna rannsökuðum við í frekari vinnu okkar hugsanlega yfirborðsvíxlverkun milli SL Nb-MXene nanóflaga og örþörunga með SEM og mögulega frásog á Nb-byggðu MXene með röntgenflúrljómunarspektroskopi (XRF). Athugið að SEM og XRF greiningar voru aðeins framkvæmdar við hæsta styrk MXene til að taka á vandamálum varðandi eituráhrif virkni.
Niðurstöður SEM eru sýndar á mynd 4. Ómeðhöndlaðar örþörungafrumur (sjá mynd 4a, viðmiðunarsýni) sýndu greinilega dæmigerða R. subcapitata formgerð og croissant-líka frumulögun. Frumur virðast flatar og nokkuð óskipulagðar. Sumar örþörungafrumur skarast og flæktust saman, en þetta stafaði líklega af undirbúningsferlinu fyrir sýnið. Almennt séð höfðu hreinar örþörungafrumur slétt yfirborð og sýndu engar formfræðilegar breytingar.
SEM myndir sem sýna yfirborðsvíxlverkun milli grænna örþörunga og MXene nanóþráða eftir 72 klukkustunda víxlverkun við mikinn styrk (100 mg L-1). (a) Ómeðhöndlaðir grænir örþörungar eftir víxlverkun við SL (b) Nb2CTx og (c) Nb4C3TX MXene. Athugið að Nb-MXene nanóflögurnar eru merktar með rauðum örvum. Til samanburðar eru ljósmyndir úr ljósasmásjá einnig bætt við.
Aftur á móti skemmdust örþörungafrumur sem höfðu verið aðsogaðar af SL Nb-MXene nanóflögum (sjá mynd 4b, c, rauðar örvar). Í tilviki Nb2CTx MXene (mynd 4b) hafa örþörungar tilhneigingu til að vaxa með áföstum tvívíðum nanókvarða, sem getur breytt formgerð þeirra. Athyglisvert er að við fylgdumst einnig með þessum breytingum undir ljósasmásjá (sjá SI mynd S11 fyrir nánari upplýsingar). Þessi formgerðabreyting á sér líklega stoð í lífeðlisfræði örþörunga og getu þeirra til að verja sig með því að breyta frumuformgerð, svo sem með því að auka frumumagn61. Þess vegna er mikilvægt að athuga fjölda örþörungafrumna sem eru í raun í snertingu við Nb-MXene. SEM rannsóknir sýndu að um það bil 52% örþörungafrumna voru útsettar fyrir Nb-MXene, en 48% þessara örþörungafrumna forðuðust snertingu. Fyrir SL Nb4C3Tx MXene reyna örþörungar að forðast snertingu við MXene og staðsetja sig þannig og vaxa frá tvívíðum nanókvarða (mynd 4c). Hins vegar fylgdumst við ekki með því hvernig nanóstig komast inn í frumur örþörunga og hvernig þau valda skaða.
Sjálfsbjörgun er einnig tímaháð viðbrögð við hindrun ljóstillífunar vegna aðsogs agna á yfirborð frumunnar og svokallaðra skuggaáhrifa (skyggingaráhrifa)62. Það er ljóst að hver hlutur (til dæmis Nb-MXene nanóflögur) sem er á milli örþörunganna og ljósgjafans takmarkar magn ljóss sem grænukornin gleypa. Hins vegar erum við ekki í vafa um að þetta hefur veruleg áhrif á niðurstöðurnar. Eins og smásjárathuganir okkar sýndu voru tvívíddar nanóflögurnar ekki alveg vafðar eða festar við yfirborð örþörunganna, jafnvel þegar örþörungafrumurnar voru í snertingu við Nb-MXen. Í staðinn reyndust nanóflögurnar vera miðaðar við örþörungafrumur án þess að hylja yfirborð þeirra. Slíkt sett af nanóflögum/örþörungum getur ekki takmarkað magn ljóss sem örþörungafrumur gleypa verulega. Ennfremur hafa sumar rannsóknir jafnvel sýnt fram á bætta ljósgleypni ljóstillífandi lífvera í návist tvívíðra nanóefna63,64,65,66.
Þar sem rafeindasmásjármyndir gátu ekki staðfest beint upptöku níóbíums í örþörungafrumum, sneru frekari rannsóknir okkar sér að röntgenflúrljómun (XRF) og röntgenljósrafeindalitrófsgreiningu (XPS) til að skýra þetta mál. Þess vegna bárum við saman styrkleika Nb-tinda viðmiðunarörþörungasýna sem höfðu ekki milliverkanir við MXen, MXen-nanóflögur sem losnuðu af yfirborði örþörungafrumna og örþörungafrumur eftir að tengdir MXenar voru fjarlægðir. Það er vert að taka fram að ef engin Nb-upptaka á sér stað, ætti Nb-gildið sem örþörungafrumurnar fá að vera núll eftir að tengdir nanókvarðar hafa verið fjarlægðir. Þess vegna, ef Nb-upptaka á sér stað, ættu bæði XRF- og XPS-niðurstöður að sýna greinilegan Nb-topp.
Í tilviki XRF litrófs sýndu örþörungasýni Nb tinda fyrir SL Nb2CTx og Nb4C3Tx MXene eftir víxlverkun við SL Nb2CTx og Nb4C3Tx MXene (sjá mynd 5a, athugið einnig að niðurstöðurnar fyrir MAX og ML MXene eru sýndar í SI, myndum S12–C17). Athyglisvert er að styrkleiki Nb tindsins er sá sami í báðum tilvikum (rauðar súlur á mynd 5a). Þetta benti til þess að þörungarnir gátu ekki tekið upp meira Nb og hámarksgeta til Nb uppsöfnunar náðist í frumunum, þó að tvöfalt meira Nb4C3Tx MXene væri fest við örþörungafrumurnar (bláar súlur á mynd 5a). Athyglisvert er að geta örþörunga til að taka upp málma er háð styrk málmoxíða í umhverfinu67,68. Shamshada o.fl.67 komust að því að frásogsgeta ferskvatnsþörunga minnkar með hækkandi sýrustigi. Raize o.fl.68 tóku fram að geta þörunga til að taka upp málma væri um 25% meiri fyrir Pb2+ en fyrir Ni2+.
(a) Niðurstöður röntgenrannsókna á grunnupptöku Nb í grænum örþörungafrumum sem voru ræktaðar við mikinn styrk af SL Nb-MXenum (100 mg L-1) í 72 klukkustundir. Niðurstöðurnar sýna tilvist α í hreinum örþörungafrumum (viðmiðunarsýni, gráir dálkar), 2D nanóflögum einangruðum úr yfirborðsörþörungafrumum (bláir dálkar) og örþörungafrumum eftir að 2D nanóflögum var aðskilið frá yfirborðinu (rauðir dálkar). Magn frumefnis Nb, (b) hlutfall efnasamsetningar lífrænna þátta örþörunga (C=O og CHx/C–O) og Nb oxíða sem eru til staðar í örþörungafrumum eftir ræktun með SL Nb-MXenum, (c–e) Aðlögun á samsetningartopp XPS SL Nb2CTx litrófsins og (fh) SL Nb4C3Tx MXen sem örþörungafrumur hafa tekið upp.
Þess vegna bjuggumst við við að þörungafrumur gætu frásogast Nb í formi oxíða. Til að prófa þetta framkvæmdum við XPS rannsóknir á MXenum Nb2CTx og Nb4C3TX og þörungafrumum. Niðurstöður víxlverkunar örþörunga við Nb-MXen og MXen einangruð úr þörungafrumum eru sýndar á mynd 5b. Eins og búist var við greindum við Nb 3d tinda í örþörungasýnunum eftir að MXen hafði verið fjarlægt af yfirborði örþörunganna. Magnbundin ákvörðun á C=O, CHx/CO og Nb oxíðum var reiknuð út frá Nb 3d, O 1s og C 1s litrófum sem fengust með Nb2CTx SL (mynd 5c–e) og Nb4C3Tx SL (mynd 5c–e). ) sem fengust úr ræktuðum örþörungum. Mynd 5f–h) MXen. Tafla S1-3 sýnir upplýsingar um tindabreytur og heildarefnafræði sem leiddi til aðlögunar. Það er athyglisvert að Nb 3d svæðin í Nb2CTx SL og Nb4C3Tx SL (mynd 5c, f) samsvara einum Nb2O5 þátti. Hér fundum við enga MXene-tengda tinda í litrófinu, sem bendir til þess að örþörungafrumur gleypa aðeins oxíðform Nb. Að auki nálguðum við C1s litrófið með C–C, CHx/C–O, C=O og –COOH þáttunum. Við tengdum CHx/C–O og C=O tindunum við lífræna framlag örþörungafrumna. Þessir lífrænu þættir standa fyrir 36% og 41% af C1s tindunum í Nb2CTx SL og Nb4C3TX SL, talið í sömu röð. Við pössuðum síðan O1s litrófin í SL Nb2CTx og SL Nb4C3TX við Nb2O5, lífræna þætti örþörunga (CHx/CO) og yfirborðsaðsogað vatn.
Að lokum gáfu XPS niðurstöðurnar greinilega til kynna form Nb, ekki bara tilvist þess. Samkvæmt staðsetningu Nb 3d merkisins og niðurstöðum afköstunarinnar staðfestum við að Nb frásogast aðeins í formi oxíða en ekki jóna eða MXene sjálfs. Að auki sýndu XPS niðurstöður að örþörungafrumur hafa meiri getu til að taka upp Nb oxíð úr SL Nb2CTx samanborið við SL Nb4C3TX MXene.
Þó að niðurstöður okkar um Nb upptöku séu áhrifamiklar og geri okkur kleift að greina niðurbrot MXene, þá er engin aðferð til að rekja tengdar formfræðilegar breytingar í tvívíddum nanóflögum. Þess vegna ákváðum við einnig að þróa hentuga aðferð sem getur brugðist beint við öllum breytingum sem verða í tvívíddum Nb-MXene nanóflögum og örþörungafrumum. Mikilvægt er að hafa í huga að við gerum ráð fyrir að ef tegundirnar sem hafa samskipti gangast undir einhverja umbreytingu, niðurbrot eða sundrun, ætti það fljótt að birtast sem breytingar á lögunarbreytum, svo sem þvermál samsvarandi hringlaga svæðis, ávölleika, Feret breidd eða Feret lengd. Þar sem þessir breytur henta til að lýsa aflöngum ögnum eða tvívíddum nanóflögum, mun rakning þeirra með breytilegri agnalögunargreiningu gefa okkur verðmætar upplýsingar um formfræðilega umbreytingu SL Nb-MXene nanóflaga meðan á afoxun stendur.
Niðurstöðurnar sem fengust eru sýndar á mynd 6. Til samanburðar prófuðum við einnig upprunalega MAX-fasa og ML-MXen (sjá SI myndir S18 og S19). Kvik greining á lögun agna sýndi að allir lögunarbreytur tveggja Nb-MXene SL breyttust verulega eftir víxlverkun við örþörunga. Eins og sést af breytunni fyrir samsvarandi hringlaga flatarmálsþvermál (mynd 6a, b), bendir minnkuð tindstyrkur brotsins af stórum nanóflögum til þess að þær hafi tilhneigingu til að brotna niður í smærri brot. Á mynd 6c, d sýnir lækkun á tindum sem tengjast þversstærð flagnanna (lenging nanóflagnanna), sem bendir til umbreytingar 2D nanóflagnanna í agnalíkari lögun. Mynd 6e-h sýnir breidd og lengd Feret, talið í sömu röð. Breidd og lengd Feret eru viðbótandi breytur og ætti því að skoða þær saman. Eftir ræktun 2D Nb-MXene nanóflaga í návist örþörunga, færðust Feret fylgnistoppar þeirra til og styrkleiki þeirra minnkaði. Byggt á þessum niðurstöðum í samsetningu við formgerð, XRF og XPS, komumst við að þeirri niðurstöðu að breytingarnar sem komu fram tengjast sterklega oxun þar sem oxuð MXen verða hrukkóttari og brotna niður í brot og kúlulaga oxíðagnir69,70.
Greining á umbreytingu MXene eftir víxlverkun við grænar örþörunga. Kvik greining á lögun agna tekur mið af breytum eins og (a, b) þvermáli samsvarandi hringlaga svæðis, (c, d) ávölleika, (e, f) breidd á feret og (g, h) lengd á feret. Í þessu skyni voru tvö viðmiðunarsýni af örþörungum greind ásamt frumþörungum SL Nb2CTx og SL Nb4C3Tx, SL Nb2CTx og SL Nb4C3Tx MXene, niðurbrotnum örþörungum og meðhöndluðum örþörungum SL Nb2CTx og SL Nb4C3Tx MXene. Rauðu örvarnar sýna breytingar á lögunarbreytum tveggja víddar nanóflagnanna sem voru rannsakaðar.
Þar sem greining á lögunarbreytum er mjög áreiðanleg getur hún einnig leitt í ljós formfræðilegar breytingar í örþörungafrumum. Þess vegna greindum við samsvarandi hringlaga flatarmál, kringlóttan líkama og Feret breidd/lengd hreinna örþörungafrumna og frumna eftir víxlverkun við 2D Nb nanóflögur. Á mynd 6a-h sjást breytingar á lögunarbreytum þörungafrumna, eins og sést af lækkun á hámarksstyrk og færslu hámarksgilda í átt að hærri gildum. Sérstaklega sýndu kringlóttar frumur fækkun í aflöngum frumum og aukningu í kúlulaga frumum (mynd 6a, b). Að auki jókst breidd Feret frumna um nokkra míkrómetra eftir víxlverkun við SL Nb2CTx MXene (mynd 6e) samanborið við SL Nb4C3TX MXene (mynd 6f). Við grunar að þetta gæti verið vegna sterkrar upptöku Nb oxíða af örþörungum við víxlverkun við Nb2CTx SR. Minni stíf festing Nb flaga við yfirborð þeirra getur leitt til frumuvaxtar með lágmarks skuggaáhrifum.
Athuganir okkar á breytingum á lögun og stærð örþörunga bæta við aðrar rannsóknir. Grænir örþörungar geta breytt formgerð sinni í kjölfar umhverfisálags með því að breyta stærð, lögun eða efnaskiptum frumna61. Til dæmis auðveldar breyting á stærð frumna upptöku næringarefna71. Minni þörungafrumur sýna minni næringarefnaupptöku og skertan vaxtarhraða. Aftur á móti hafa stærri frumur tilhneigingu til að neyta fleiri næringarefna, sem síðan eru sett innan frumna72,73. Machado og Soares komust að því að sveppaeyðirinn tríklósan getur aukið frumustærð. Þeir fundu einnig djúpstæðar breytingar á lögun þörunganna74. Að auki sýndu Yin o.fl.9 einnig fram á formgerðarbreytingar í þörungum eftir útsetningu fyrir afoxuðum grafenoxíð nanósamsetningum. Því er ljóst að breyttar stærðar-/lögunarbreytur örþörunganna eru af völdum nærveru MXene. Þar sem þessi breyting á stærð og lögun gefur til kynna breytingar á næringarefnaupptöku teljum við að greining á stærðar- og lögunarbreytum með tímanum geti sýnt fram á upptöku níóbíumoxíðs af örþörungum í nærveru Nb-MXene.
Þar að auki geta MXen oxast í návist þörunga. Dalai o.fl.75 komust að því að formgerð grænþörunga sem verða fyrir nanó-TiO2 og Al2O376 var ekki einsleit. Þó að athuganir okkar séu svipaðar og í þessari rannsókn, þá er hún aðeins viðeigandi fyrir rannsókn á áhrifum lífrænnar úrbóta hvað varðar niðurbrotsafurðir MXen í návist tvívíðra nanóflaga en ekki nanóagna. Þar sem MXen geta brotnað niður í málmoxíð,31,32,77,78 er sanngjarnt að gera ráð fyrir að Nb nanóflögur okkar geti einnig myndað Nb oxíð eftir að hafa haft samskipti við örþörungafrumur.
Til að útskýra afoxun 2D-Nb nanóflaga með niðurbrotsferli sem byggir á oxunarferlinu, framkvæmdum við rannsóknir með því að nota hágæða rafeindasmásjá (HRTEM) (Mynd 7a, b) og röntgenljósrafeindaspektroskopíu (XPS) (Mynd 7). 7c-i og töflur S4-5). Báðar aðferðirnar henta til að rannsaka oxun 2D efna og bæta hvor aðra upp. HRTEM er fær um að greina niðurbrot tvívíðra lagskiptra uppbygginga og síðari útliti málmoxíðnanóagna, en XPS er næmt fyrir yfirborðstengjum. Í þessu skyni prófuðum við 2D Nb-MXene nanóflögur sem voru unnar úr dreifingu örþörungafrumna, þ.e. lögun þeirra eftir samskipti við örþörungafrumur (sjá mynd 7).
HRTEM myndir sem sýna formgerð oxaðra (a) SL Nb2CTx og (b) SL Nb4C3Tx MXene, niðurstöður XPS greiningar sem sýna (c) samsetningu oxíðafurða eftir afoxun, (d–f) toppsamsvörun þátta XPS litrófsins fyrir SL Nb2CTx og (g–i) Nb4C3Tx SL sem lagfært var með grænum örþörungum.
HRTEM rannsóknir staðfestu oxun tveggja gerða af Nb-MXene nanóflögum. Þó að nanóflögurnar hafi að einhverju leyti haldið tvívíddarlögun sinni, leiddi oxunin til þess að margar nanóagnir komu fram sem þöktu yfirborð MXene nanóflagnanna (sjá mynd 7a, b). XPS greining á c Nb 3d og O 1s merkjum benti til þess að Nb oxíð mynduðust í báðum tilvikum. Eins og sést á mynd 7c, hafa 2D MXene Nb2CTx og Nb4C3TX Nb 3d merki sem benda til nærveru NbO og Nb2O5 oxíða, en O 1s merki gefa til kynna fjölda O-Nb tengja sem tengjast virkjun á yfirborði 2D nanóflagnanna. Við tókum eftir því að framlag Nb oxíðs er ríkjandi samanborið við Nb-C og Nb3+-O.
Á mynd 7g–i sýna myndir 7g–i XPS litróf Nb3d, C1s og O1s SL Nb2CTx (sjá myndir 7d–f) og SL Nb4C3TX MXene einangrað úr örþörungafrumum. Nánari upplýsingar um hámarksbreytur Nb-MXene eru gefnar í töflum S4–5, talið í sömu röð. Við greindum fyrst samsetningu Nb3d. Ólíkt Nb sem örþörungafrumur frásoguðu, fundust aðrir þættir í MXene einangrað úr örþörungafrumum, fyrir utan Nb2O5. Í Nb2CTx SL sáum við framlag Nb3+-O upp á 15%, en restin af Nb3d litrófinu var ríkjandi af Nb2O5 (85%). Að auki inniheldur SL Nb4C3TX sýnið Nb-C (9%) og Nb2O5 (91%) þætti. Hér kemur Nb-C úr tveimur innri atómlögum úr málmkarbíði í Nb4C3Tx SR. Við kortleggjum síðan C1s litrófinu í fjóra mismunandi þætti, eins og við gerðum í innbyggðu sýnunum. Eins og búist var við er C1s litrófið ríkjandi af grafítkolefni, fylgt eftir af framlagi frá lífrænum ögnum (CHx/CO og C=O) úr örþörungafrumum. Að auki, í O1s litrófinu, fylgdumst við með framlagi lífrænna forma örþörungafrumna, níóbíumoxíðs og aðsogaðs vatns.
Að auki rannsökuðum við hvort klofnun Nb-MXene tengist nærveru hvarfgjarnra súrefnistegunda (ROS) í næringarmiðlinum og/eða örþörungafrumum. Í þessu skyni mátum við magn staks súrefnis (1O2) í ræktunarmiðlinum og innanfrumu glútaþíons, þíóls sem virkar sem andoxunarefni í örþörungum. Niðurstöðurnar eru sýndar í SI (myndir S20 og S21). Ræktanir með SL Nb2CTx og Nb4C3TX MXene einkenndust af minnkuðu magni af 1O2 (sjá mynd S20). Í tilviki SL Nb2CTx minnkaði MXene 1O2 niður í um 83%. Í örþörungaræktun sem notaði SL minnkaði Nb4C3TX 1O2 enn meira, niður í 73%. Athyglisvert er að breytingar á 1O2 sýndu sömu þróun og áður hefur sést hömlunar-örvandi áhrif (sjá mynd 3). Hægt er að færa rök fyrir því að ræktun í björtu ljósi geti breytt ljósoxun. Niðurstöður samanburðargreiningarinnar sýndu þó nánast stöðugt magn 1O2 meðan á tilrauninni stóð (Mynd S22). Hvað varðar innanfrumu ROS magn sáum við einnig sömu lækkandi þróun (sjá mynd S21). Í upphafi fór magn ROS í örþörungafrumum sem ræktaðar voru í viðurvist Nb2CTx og Nb4C3Tx SL yfir magn sem finnst í hreinum ræktunum af örþörungum. Að lokum virtist þó sem örþörungarnir aðlöguðust nærveru beggja Nb-MXene, þar sem ROS magn lækkaði í 85% og 91% af magni sem mælt var í hreinum ræktunum af örþörungum sem voru sáð með SL Nb2CTx og Nb4C3TX, talið í sömu röð. Þetta gæti bent til þess að örþörungar finni fyrir meiri vellíðan með tímanum í viðurvist Nb-MXene heldur en í næringarmiðli einu sér.
Örþörungar eru fjölbreyttur hópur ljóstillífandi lífvera. Við ljóstillífun umbreyta þeir koltvísýringi (CO2) í andrúmsloftinu í lífrænt kolefni. Afurðir ljóstillífunar eru glúkósi og súrefni79. Við grunar að súrefnið sem þannig myndast gegni lykilhlutverki í oxun Nb-MXena. Ein möguleg skýring á þessu er að mismunandi loftræstingarbreyta myndast við lágan og háan hlutþrýsting súrefnis utan og innan Nb-MXen nanóflagnanna. Þetta þýðir að hvar sem eru svæði með mismunandi hlutþrýsting súrefnis, mun svæðið með lægsta magnið mynda anóðuna 80, 81, 82. Hér stuðla örþörungarnir að myndun mismunandi loftræstra frumna á yfirborði MXen-flagnanna, sem framleiða súrefni vegna ljóstillífunareiginleika sinna. Fyrir vikið myndast líftæringarafurðir (í þessu tilfelli níóbíumoxíð). Annar þáttur er að örþörungar geta framleitt lífrænar sýrur sem losna út í vatnið83,84. Þess vegna myndast árásargjarnt umhverfi, sem breytir Nb-MXenunum. Að auki geta örþörungar breytt sýrustigi umhverfisins í basískt vegna frásogs koltvísýrings, sem getur einnig valdið tæringu79.
Mikilvægara er að ljós/myrkur ljóstímabilið sem notað var í rannsókn okkar er mikilvægt til að skilja niðurstöðurnar sem fengust. Þessum þætti er lýst ítarlega í Djemai-Zoghlache o.fl. 85 Þeir notuðu vísvitandi 12/12 klukkustunda ljóstímabil til að sýna fram á líftæringu sem tengist lífmengun af völdum rauðu örþörunganna Porphyridium purpureum. Þeir sýna að ljóstímabilið tengist þróun möguleikans án líftæringar, sem birtist sem sýndarlotubundnar sveiflur í kringum klukkan 24:00. Þessar athuganir voru staðfestar af Dowling o.fl. 86 Þeir sýndu fram á ljóstillífandi líffilmur blágrænna baktería Anabaena. Uppleyst súrefni myndast við áhrif ljóss, sem tengist breytingum eða sveiflum í frjálsum líftæringarmöguleikum. Mikilvægi ljóstímabilsins er undirstrikað af þeirri staðreynd að frjáls möguleiki á líftæringu eykst í ljósfasa og minnkar í myrkri fasa. Þetta er vegna súrefnis sem myndast af ljóstillífandi örþörungum, sem hefur áhrif á katóðviðbrögðin í gegnum hlutaþrýstinginn sem myndast nálægt rafskautunum87.
Að auki var Fourier umbreytingar innrauða litrófsgreining (FTIR) framkvæmd til að kanna hvort einhverjar breytingar hefðu átt sér stað á efnasamsetningu örþörungafrumna eftir víxlverkun við Nb-MXen. Þessar niðurstöður eru flóknar og við birtum þær í SI (myndir S23-S25, þar á meðal niðurstöður MAX-stigsins og ML MXena). Í stuttu máli veita viðmiðunarlitrófin sem fengust fyrir örþörunga okkur mikilvægar upplýsingar um efnafræðilega eiginleika þessara lífvera. Þessar líklegustu titrings eru staðsettar við tíðnina 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1,1 (C–H) og 3280 cm–1 (O–H). Fyrir SL Nb-MXen fundum við teygjuundirskrift CH-tengis sem er í samræmi við fyrri rannsókn okkar38. Hins vegar tókum við eftir því að nokkrir viðbótar tindar tengdir C=C og CH tengjum hurfu. Þetta bendir til þess að efnasamsetning örþörunga geti tekið minniháttar breytingum vegna víxlverkunar við SL Nb-MXen.
Þegar mögulegar breytingar á lífefnafræði örþörunga eru skoðaðar þarf að endurskoða uppsöfnun ólífrænna oxíða, svo sem níóbíumoxíðs59. Það tekur þátt í upptöku málma af frumuyfirborði, flutningi þeirra inn í umfrymið, tengslum þeirra við innanfrumukarboxýlhópa og uppsöfnun þeirra í fjölfosfósómum örþörunga20,88,89,90. Að auki er samband örþörunga og málma viðhaldið af virkum frumuhópum. Af þessari ástæðu er frásog einnig háð yfirborðsefnafræði örþörunga, sem er nokkuð flókin9,91. Almennt séð, eins og búist var við, breyttist efnasamsetning grænna örþörunga lítillega vegna frásogs á níóbíumoxíði.
Athyglisvert er að upphafleg hömlun örþörunga gekk til baka með tímanum. Eins og við sáum yfirbuguðu örþörungarnir upphaflegu umhverfisbreytingarnar og náðu að lokum eðlilegum vaxtarhraða og jukust jafnvel. Rannsóknir á zeta-möguleikum sýna mikla stöðugleika þegar þeim var komið fyrir í næringarefnum. Þannig var yfirborðsvíxlverkun milli örþörungafrumna og Nb-MXene nanóflaga viðhaldin allan tímann sem tilraunirnar með afoxun stóðu yfir. Í frekari greiningu okkar drögum við saman helstu verkunarhætti sem liggja að baki þessari merkilegu hegðun örþörunga.
SEM athuganir hafa sýnt að örþörungar hafa tilhneigingu til að festast við Nb-MXen. Með því að nota kraftmikla myndgreiningu staðfestum við að þessi áhrif leiða til umbreytingar tvívíðra Nb-MXen nanóflaga í kúlulaga agnir, og sýnum þannig fram á að niðurbrot nanóflaga tengist oxun þeirra. Til að prófa tilgátu okkar framkvæmdum við röð efnis- og lífefnafræðilegra rannsókna. Eftir prófanirnar oxuðust nanóflögurnar smám saman og brotnuðu niður í NbO og Nb2O5 vörur, sem voru ekki ógn við græna örþörunga. Með því að nota FTIR athuganir fundum við engar marktækar breytingar á efnasamsetningu örþörunga sem voru ræktaðir í návist tvívíðra Nb-MXen nanóflaga. Með hliðsjón af möguleikanum á frásogi níóbíumoxíðs af örþörungum framkvæmdum við röntgenflúrljómunargreiningu. Þessar niðurstöður sýna greinilega að rannsakaðir örþörungar nærast á níóbíumoxíðum (NbO og Nb2O5), sem eru ekki eitruð fyrir rannsakaða örþörungana.