תודה שביקרתם באתר Nature.com. אתם משתמשים בגרסת דפדפן עם תמיכה מוגבלת ב-CSS. לחוויית המשתמש הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב התאימות ב-Internet Explorer). בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, נציג את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
מציג קרוסלה של שלוש שקופיות בו זמנית. השתמשו בכפתורים הקודם והבא כדי לעבור בין שלוש שקופיות בו זמנית, או השתמשו בכפתורי המחוון בסוף כדי לעבור בין שלוש שקופיות בו זמנית.
ההתפתחות המהירה של ננוטכנולוגיה ושילובה ביישומים יומיומיים עלולים לאיים על הסביבה. בעוד ששיטות ירוקות לפירוק מזהמים אורגניים מבוססות היטב, שחזור מזהמים גבישיים אנאורגניים מדאיג במיוחד בשל רגישותם הנמוכה לביו-טרנספורמציה וחוסר הבנה של אינטראקציות בין פני השטח של חומרים עם מזהמים ביולוגיים. כאן, אנו משתמשים במודל MXene אנאורגניים דו-ממדי מבוסס Nb בשילוב עם שיטת ניתוח פרמטרים פשוטה של ​​צורה כדי לעקוב אחר מנגנון הביו-רמדיאציה של ננו-חומרים קרמיים דו-ממדיים על ידי המיקרו-אצות הירוקות Raphidocelis subcapitata. מצאנו שמיקרו-אצות מפרקות MXene מבוססי Nb עקב אינטראקציות פיזיקו-כימיות הקשורות לפני השטח. בתחילה, ננו-פתיתי MXene חד-שכבתיים ורב-שכבתיים חוברו לפני השטח של המיקרו-אצות, מה שהפחית במידה מסוימת את צמיחת האצות. עם זאת, לאחר אינטראקציה ממושכת עם פני השטח, המיקרו-אצות חמצו את ננו-פתיתי MXene ופירקו אותם עוד יותר ל-NbO ו-Nb2O5. מכיוון שתחמוצות אלו אינן רעילות לתאי מיקרו-אצות, הן צורכות ננו-חלקיקי תחמוצת ניאו-בקטריאלית (Nb) באמצעות מנגנון ספיגה המשקם עוד יותר את המיקרו-אצות לאחר 72 שעות של טיפול במים. השפעות החומרים המזינים הקשורות לספיגה משתקפות גם בעלייה בנפח התאים, בצורתם החלקה ובשינוי בקצב הגדילה. בהתבסס על ממצאים אלו, אנו מסיקים כי נוכחותם לטווח קצר וארוך של MXene מבוססי ניאו-בקטריאלית במערכות אקולוגיות של מים מתוקים עשויה לגרום להשפעות סביבתיות קלות בלבד. ראוי לציין כי באמצעות ננו-חומרים דו-ממדיים כמערכות מודל, אנו מדגימים את האפשרות לעקוב אחר שינוי צורה אפילו בחומרים בעלי גרגירים עדינים. בסך הכל, מחקר זה עונה על שאלה יסודית חשובה לגבי תהליכים הקשורים לאינטראקציה עם פני השטח המניעים את מנגנון הביו-רמדציה של ננו-חומרים דו-ממדיים ומספק בסיס למחקרים נוספים לטווח קצר וארוך על ההשפעה הסביבתית של ננו-חומרים גבישיים אנאורגניים.
ננו-חומרים עוררו עניין רב מאז גילויים, וננו-טכנולוגיות שונות נכנסו לאחרונה לשלב מודרניזציה1. למרבה הצער, שילוב ננו-חומרים ביישומים יומיומיים עלול להוביל לשחרור מקרי עקב סילוק לא נכון, טיפול רשלני או תשתית בטיחות לא מספקת. לכן, סביר להניח כי ננו-חומרים, כולל ננו-חומרים דו-ממדיים (2D), יכולים להשתחרר לסביבה הטבעית, שהתנהגותם ופעילותם הביולוגית עדיין אינן מובנות במלואן. לכן, אין זה מפתיע שדאגות בנוגע לאקו-רעילות התמקדו ביכולתם של ננו-חומרים דו-ממדיים לחלחל למערכות מימיות2,3,4,5,6. במערכות אקולוגיות אלו, חלק מהננו-חומרים הדו-ממדיים יכולים לתקשר עם אורגניזמים שונים ברמות טרופיות שונות, כולל מיקרו-אצות.
מיקרו-אצות הן אורגניזמים פרימיטיביים המצויים באופן טבעי במערכות אקולוגיות של מים מתוקים וימיים, המייצרים מגוון מוצרים כימיים באמצעות פוטוסינתזה7. ככאלה, הן קריטיות למערכות אקולוגיות מימיות8,9,10,11,12 אך הן גם אינדיקטורים רגישים, זולים ונמצאים בשימוש נרחב לאקו-רעילות13,14. מכיוון שתאי מיקרו-אצות מתרבים במהירות ומגיבים במהירות לנוכחות של תרכובות שונות, הן מבטיחות לפיתוח שיטות ידידותיות לסביבה לטיפול במים מזוהמים בחומרים אורגניים15,16.
תאי אצות יכולים להסיר יונים אנאורגניים ממים באמצעות ביוספיחה והצטברות17,18. מיני אצות מסוימים כמו Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue ו-Synechococcus sp. נמצא כי הם נושאים ואף מזינים יוני מתכת רעילים כגון Fe2+, Cu2+, Zn2+ ו-Mn2+19. מחקרים אחרים הראו כי יוני Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ או Pb2+ מגבילים את צמיחת ה-Scenedesmus על ידי שינוי מורפולוגיה של התאים והרס הכלורופלסטים שלהם20,21.
שיטות ירוקות לפירוק מזהמים אורגניים ולהסרת יוני מתכות כבדות משכו את תשומת ליבם של מדענים ומהנדסים ברחבי העולם. זאת בעיקר בשל העובדה שמזהמים אלה ניתנים לעיבוד בקלות בשלב הנוזלי. עם זאת, מזהמים גבישיים אנאורגניים מאופיינים במסיסות נמוכה במים ורגישות נמוכה לביו-טרנספורמציות שונות, מה שגורם לקשיים גדולים בשיקום, והתקדמות מועטה בתחום זה 22,23,24,25,26. לפיכך, החיפוש אחר פתרונות ידידותיים לסביבה לתיקון ננו-חומרים נותר תחום מורכב ולא נחקר. בשל רמת אי הוודאות הגבוהה בנוגע להשפעות הביו-טרנספורמציה של ננו-חומרים דו-ממדיים, אין דרך קלה לגלות את המסלולים האפשריים של פירוקם במהלך החיזור.
במחקר זה, השתמשנו במיקרו-אצות ירוקות כחומר ביו-רמדיאציה מימי פעיל עבור חומרים קרמיים אנאורגניים, בשילוב עם ניטור in situ של תהליך הפירוק של MXene כנציג של חומרים קרמיים אנאורגניים. המונח "MXene" משקף את הסטוכיומטריה של החומר Mn+1XnTx, כאשר M הוא מתכת מעבר מוקדמת, X הוא פחמן ו/או חנקן, Tx הוא מתכת מסוף על פני השטח (למשל, -OH, -F, -Cl), ו-n = 1, 2, 3 או 427.28. מאז גילוי ה-MXene על ידי Naגיב ועמיתיו, Sensorics, cancer therapy and membrane filtration 27,29,30. בנוסף, ניתן להתייחס ל-MXene כמערכות מודל דו-ממדיות בשל יציבותם הקולואידית המצוינת והאינטראקציות הביולוגיות האפשריות שלהם 31,32,33,34,35,36.
לכן, המתודולוגיה שפותחה במאמר זה והשערות המחקר שלנו מוצגות באיור 1. על פי השערה זו, מיקרו-אצות מפרקות MXene מבוססי ניאוביום לתרכובות לא רעילות עקב אינטראקציות פיזיקו-כימיות הקשורות לפני השטח, מה שמאפשר התאוששות נוספת של האצות. כדי לבחון השערה זו, נבחרו שני חברים במשפחת הקרבידים ו/או הניטרידים (MXenes) של מתכות מעבר מוקדמות מבוססות ניוביום, כלומר Nb2CTx ו-Nb4C3TX.
מתודולוגיית מחקר והשערות מבוססות ראיות להשבת MXene על ידי מיקרו-אצות ירוקות Raphidocelis subcapitata. שימו לב שזהו רק ייצוג סכמטי של הנחות מבוססות ראיות. סביבת האגם שונה במצע התזונתי בו נעשה שימוש ובתנאים (למשל, מחזור יומי ומגבלות בחומרי הזנה חיוניים זמינים). נוצר באמצעות BioRender.com.
לכן, באמצעות שימוש ב-MXene כמערכת מודל, פתחנו את הדלת לחקר השפעות ביולוגיות שונות שלא ניתן לצפות בהן עם ננו-חומרים קונבנציונליים אחרים. בפרט, אנו מדגימים את האפשרות של ביורמדיאציה של ננו-חומרים דו-ממדיים, כגון MXene מבוססי ניוביום, על ידי המיקרו-אצות Raphidocelis subcapitata. מיקרו-אצות מסוגלות לפרק Nb-MXene לתחמוצות הלא רעילות NbO ו-Nb2O5, המספקות גם חומרים מזינים דרך מנגנון ספיגת הניוביום. בסך הכל, מחקר זה עונה על שאלה יסודית חשובה לגבי התהליכים הקשורים לאינטראקציות פיזיקוכימיות על פני השטח השולטות במנגנוני הביורמדיאציה של ננו-חומרים דו-ממדיים. בנוסף, אנו מפתחים שיטה פשוטה מבוססת פרמטרים של צורה למעקב אחר שינויים עדינים בצורה של ננו-חומרים דו-ממדיים. זה מעורר השראה למחקר נוסף לטווח קצר ולטווח ארוך על ההשפעות הסביבתיות השונות של ננו-חומרים גבישיים אנאורגניים. לפיכך, המחקר שלנו מגביר את ההבנה של האינטראקציה בין פני החומר לחומר ביולוגי. אנו גם מספקים את הבסיס למחקרים מורחבים לטווח קצר ולטווח ארוך על השפעותיהם האפשריות על מערכות אקולוגיות של מים מתוקים, שכעת ניתן לאמת בקלות.
MXene מייצגים סוג מעניין של חומרים בעלי תכונות פיזיקליות וכימיות ייחודיות ומושכות, ולכן יישומים פוטנציאליים רבים. תכונות אלו תלויות במידה רבה בסטוכיומטריה ובכימיה של פני השטח שלהם. לכן, במחקר שלנו, חקרנו שני סוגים של MXene היררכיים חד-שכבתיים (SL) מבוססי Nb, Nb2CTx ו-Nb4C3TX, מכיוון שניתן היה לצפות בהשפעות ביולוגיות שונות של ננו-חומרים אלו. MXene מיוצרים מחומרי המוצא שלהם על ידי איכול סלקטיבי מלמעלה למטה של ​​שכבות A דקות מבחינה אטומית בשלב MAX. פאזת ה-MAX היא קרמיקה טרנרית המורכבת מגושים "מחוברים" של קרבידים של מתכות מעבר ושכבות דקות של יסודות "A" כגון Al, Si ו-Sn עם סטוכיומטריה של MnAXn-1. המורפולוגיה של פאזת ה-MAX הראשונית נצפתה על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) והייתה עקבית עם מחקרים קודמים (ראה מידע משלים, SI, איור S1). Nb-MXene רב-שכבתי (ML) התקבל לאחר הסרת שכבת ה-Al עם 48% HF (חומצה הידרופלואורית). המורפולוגיה של ML-Nb2CTx ו-ML-Nb4C3TX נבדקה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) (איורים S1c ו-S1d בהתאמה) ונצפה מורפולוגיה אופיינית של MXene שכבתית, בדומה לננו-פתיתי דו-ממדיים העוברים דרך חריצים מוארכים דמויי נקבוביות. לשני ה-Nb-MXene יש הרבה במשותף עם פאזות MXene שסונתזו בעבר על ידי איכול חומצי 27,38. לאחר אישור מבנה ה-MXene, שכבנו אותו על ידי אינטרקלציה של טטרה-בוטיל-אמוניום הידרוקסיד (TBAOH) ולאחר מכן שטיפה וסוניקציה, ולאחר מכן קיבלנו ננו-פתיתי Nb-MXene דו-ממדיים בעלי שכבה אחת או שכבה נמוכה (SL).
השתמשנו במיקרוסקופ אלקטרונים חודר ברזולוציה גבוהה (HRTEM) ובדיפרקציית קרני רנטגן (XRD) כדי לבחון את יעילות האיכול והקילוף הנוסף. תוצאות HRTEM שעובדו באמצעות התמרת פורייה מהירה הפוכה (IFFT) והתמרת פורייה מהירה (FFT) מוצגות באיור 2. ננו-פתיתי Nb-MXene כוונו כשקצהם כלפי מעלה כדי לבדוק את מבנה השכבה האטומית ולמדוד את המרחקים הבין-מישוריים. תמונות HRTEM של ננו-פתיתי MXene Nb2CTx ו-Nb4C3TX חשפו את אופיים השכבתי הדק מבחינה אטומית (ראה איור 2a1, a2), כפי שדווח בעבר על ידי Naגיב ואחרים27 ו-Jastrzębska ואחרים38. עבור שתי שכבות חד-שכבתיות סמוכות Nb2CTx ו-Nb4C3Tx, קבענו מרחקים בין-שכבתיים של 0.74 ו-1.54 ננומטר, בהתאמה (איורים 2b1,b2), מה שתואם גם את התוצאות הקודמות שלנו38. ממצא זה אושר עוד יותר על ידי טרנספורמציית פורייה המהירה ההפוכה (איור 2c1, c2) וטרנספורמציית פורייה המהירה (איור 2d1, d2) המציגות את המרחק בין השכבות החד-שכבתיות Nb2CTx ו-Nb4C3Tx. התמונה מציגה חילופי פסים בהירים וכהים התואמים לאטומי ניוביום ופחמן, מה שמאשר את האופי השכבתי של ה-MXene שנחקרו. חשוב לציין שספקטרום ספקטרוסקופיית קרני ה-X פיזור האנרגיה (EDX) שהתקבל עבור Nb2CTx ו-Nb4C3Tx (איורים S2a ו-S2b) לא הראה שריד לפאזה MAX המקורית, מכיוון שלא זוהה שיא Al.
אפיון ננו-פתיתי SL Nb2CTx ו-Nb4C3Tx MXene, כולל (א) הדמיית ננו-פתיתי 2D במבט צד במיקרוסקופ אלקטרונים ברזולוציה גבוהה (HRTEM) ותואם, (ב) מצב עוצמה, (ג) התמרת פורייה מהירה הפוכה (IFFT), (ד) התמרת פורייה מהירה (FFT), (ה) תבניות קרני רנטגן של Nb-MXenes. עבור SL 2D Nb2CTx, המספרים מבוטאים כ- (a1, b1, c1, d1, e1). עבור SL 2D Nb4C3Tx, המספרים מבוטאים כ- (a2, b2, c2, d2, e1).
מדידות דיפרקציית קרני רנטגן של MXenes SL Nb2CTx ו-Nb4C3Tx מוצגות באיורים 2e1 ו-e2, בהתאמה. שיאים (002) ב-4.31 ו-4.32 תואמים ל-MXenes השכבתיים Nb2CTx ו-Nb4C3TX38,39,40,41 שתוארו קודם לכן בהתאמה. תוצאות ה-XRD מצביעות גם על נוכחות של כמה מבני ML שיוריים ופאזות MAX, אך בעיקר דפוסי XRD הקשורים ל-SL Nb4C3Tx (איור 2e2). נוכחותם של חלקיקים קטנים יותר של פאזת MAX עשויה להסביר את שיא ה-MAX החזק יותר בהשוואה לשכבות Nb4C3Tx המוערמות באופן אקראי.
מחקר נוסף התמקד במיקרו-אצות ירוקות השייכות למין R. subcapitata. בחרנו במיקרו-אצות מכיוון שהן יצרניות חשובות המעורבות ברשתות מזון מרכזיות42. הן גם אחד המדדים הטובים ביותר לרעילות בשל יכולתן להסיר חומרים רעילים המועברים לרמות גבוהות יותר של שרשרת המזון43. בנוסף, מחקר על R. subcapitata עשוי לשפוך אור על הרעילות המקרית של SL ​​Nb-MXenes למיקרואורגניזמים נפוצים במים מתוקים. כדי להמחיש זאת, החוקרים שיערו שלכל מיקרוב יש רגישות שונה לתרכובות רעילות הקיימות בסביבה. עבור רוב האורגניזמים, ריכוזים נמוכים של חומרים אינם משפיעים על גדילתם, בעוד שריכוזים מעל גבול מסוים יכולים לעכב אותם או אפילו לגרום למוות. לכן, עבור המחקרים שלנו על האינטראקציה על פני השטח בין מיקרו-אצות ל-MXene וההתאוששות הנלווית, החלטנו לבדוק את הריכוזים הלא מזיקים והרעילים של Nb-MXenes. לשם כך, בדקנו ריכוזים של 0 (כנקודת ייחוס), 0.01, 0.1 ו-10 מ"ג ליטר ל-1 של MXene ובנוסף הדביקנו מיקרו-אצות בריכוזים גבוהים מאוד של MXene (100 מ"ג ליטר ל-1 של MXene), שיכולים להיות קיצוניים וקטלניים ... בכל סביבה ביולוגית.
השפעותיהם של SL ​​Nb-MXenes על מיקרו-אצות מוצגות באיור 3, מבוטאות כאחוז של קידום גדילה (+) או עיכוב (-) שנמדד עבור דגימות של 0 מ"ג לליטר. לשם השוואה, נבדקו גם פאזת Nb-MAX ו-ML Nb-MXenes והתוצאות מוצגות ב-SI (ראה איור S3). התוצאות שהתקבלו אישרו כי SL Nb-MXenes כמעט נטול רעילות לחלוטין בטווח הריכוזים הנמוכים מ-0.01 עד 10 מ"ג/ליטר, כפי שמוצג באיור 3א',ב'. במקרה של Nb2CTx, לא נצפה יותר מ-5% אקוטוקסיות בטווח שצוין.
גירוי (+) או עיכוב (-) של צמיחת מיקרואצות בנוכחות SL (א) Nb2CTx ו-(ב) Nb4C3TX MXene. נותחו 24, 48 ו-72 שעות של אינטראקציה בין MXene למיקרואצות. נתונים משמעותיים (מבחן t, p < 0.05) סומנו בכוכבית (*). נתונים משמעותיים (מבחן t, p < 0.05) סומנו בכוכבית (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). נתונים משמעותיים (מבחן t, p < 0.05) מסומנים בכוכבית (*).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 (מבחן t, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). נתונים חשובים (מבחן t, p < 0.05) מסומנים בכוכבית (*).חצים אדומים מצביעים על ביטול הגירוי המעכב.
מצד שני, ריכוזים נמוכים של Nb4C3TX התגלו כרעילים מעט יותר, אך לא גבוהים מ-7%. כצפוי, ראינו כי ל-MXene הייתה רעילות גבוהה יותר ועיכוב גדילת מיקרואצות במינון של 100 מ"ג ליטר. מעניין לציין, שאף אחד מהחומרים לא הראה את אותה מגמה ותלות בזמן של השפעות אטוקסיות/רעילות בהשוואה לדגימות MAX או ML (ראה SI לפרטים). בעוד שבשלב MAX (ראה איור S3) הרעילות הגיעה לכ-15-25% וגדלה עם הזמן, מגמה הפוכה נצפתה עבור SL Nb2CTx ו-Nb4C3TX MXene. עיכוב גדילת המיקרואצות ירד עם הזמן. הוא הגיע לכ-17% לאחר 24 שעות וירד לפחות מ-5% לאחר 72 שעות (איור 3א', ב', בהתאמה).
חשוב מכך, עבור SL Nb4C3TX, עיכוב גדילת המיקרו-אצות הגיע לכ-27% לאחר 24 שעות, אך לאחר 72 שעות הוא ירד לכ-1%. לכן, תייגנו את ההשפעה שנצפתה כעיכוב הפוך של גירוי, וההשפעה הייתה חזקה יותר עבור SL Nb4C3TX MXene. גירוי גדילת המיקרו-אצות צוין מוקדם יותר עם Nb4C3TX (אינטראקציה ב-10 מ"ג ליטר למשך 24 שעות) בהשוואה ל-SL Nb2CTx MXene. אפקט היפוך העיכוב-גירוי הוצג היטב גם בעקומת קצב הכפלת הביומסה (ראה איור S4 לפרטים). עד כה, נחקרה רק האקוטוקסיות של Ti3C2TX MXene בדרכים שונות. הוא אינו רעיל לעוברי דגי זברה44 אך אקוטוקסי במידה בינונית לצמחי המיקרו-אצות Desmodesmus quadricauda ו-Sorghum saccharatum45. דוגמאות נוספות להשפעות ספציפיות כוללות רעילות גבוהה יותר לקווי תאים סרטניים מאשר לקווי תאים רגילים46,47. ניתן להניח שתנאי הבדיקה ישפיעו על השינויים בגדילת המיקרו-אצות שנצפו בנוכחות Nb-MXenes. לדוגמה, pH של כ-8 בסטרומה של הכלורופלסט הוא אופטימלי לפעולה יעילה של האנזים RuBisCO. לכן, שינויים ב-pH משפיעים לרעה על קצב הפוטוסינתזה48,49. עם זאת, לא צפינו בשינויים משמעותיים ב-pH במהלך הניסוי (ראה SI, איור S5 לפרטים). באופן כללי, תרביות של מיקרו-אצות עם Nb-MXene הפחיתו מעט את ה-pH של התמיסה לאורך זמן. עם זאת, ירידה זו הייתה דומה לשינוי ב-pH של מצע טהור. בנוסף, טווח השינויים שנמצא היה דומה לזה שנמדד עבור תרבית טהורה של מיקרו-אצות (דגימת בקרה). לפיכך, אנו מסיקים כי פוטוסינתזה אינה מושפעת משינויים ב-pH לאורך זמן.
בנוסף, ל-MXene המסונתזים יש קצוות פני השטח (המסומנים כ-Tx). אלו הן בעיקר קבוצות פונקציונליות -O, -F ו--OH. עם זאת, כימיה של פני השטח קשורה ישירות לשיטת הסינתזה. ידוע שקבוצות אלו מפוזרות באופן אקראי על פני השטח, מה שמקשה על ניבוי השפעתן על תכונות ה-MXene50. ניתן לטעון ש-Tx יכול להיות הכוח הקטליטי לחמצון ניוביום על ידי אור. קבוצות פונקציונליות פני השטח אכן מספקות אתרי עיגון מרובים עבור הפוטו-קטליזטורים הבסיסיים שלהן ליצירת הטרו-ג'נקציות51. עם זאת, הרכב מצע הגידול לא סיפק פוטו-קטליזטור יעיל (ניתן למצוא הרכב מפורט של המצע בטבלה S6 ב-SI). בנוסף, כל שינוי פני השטח הוא גם חשוב מאוד, מכיוון שהפעילות הביולוגית של MXene יכולה להשתנות עקב עיבוד לאחר שכבה, חמצון, שינוי כימי של פני השטח של תרכובות אורגניות ואנאורגניות52,53,54,55,56 או הנדסת מטען פני השטח38. לכן, כדי לבדוק האם לתחמוצת ניוביום יש קשר כלשהו לחוסר יציבות החומר במדיום, ערכנו מחקרים על פוטנציאל הזטה (ζ) במדיום גידול של מיקרו-אצות ובמים מזוקקים (להשוואה). תוצאותינו מראות כי SL Nb-MXenes יציבים למדי (ראה איור S6 ב-SI לתוצאות MAX ו-ML). פוטנציאל הזטה של ​​SL ​​MXenes הוא כ- -10 mV. במקרה של SR Nb2CTx, ערך ζ שלילי במקצת מזה של Nb4C3Tx. שינוי כזה בערך ζ עשוי להצביע על כך שפני השטח של ננו-פתיתי MXene טעונים שלילית סופגים יונים טעונים חיובית ממדיום התרבית. מדידות זמניות של פוטנציאל הזטה והמוליכות של Nb-MXene במדיום תרבית (ראה איורים S7 ו-S8 ב-SI לפרטים נוספים) תומכות בהשערה שלנו.
עם זאת, שני ננו-אצות ה-Nb-MXene SL הראו שינויים מינימליים מאפס. זה מדגים בבירור את יציבותן במצע גידול המיקרו-אצות. בנוסף, הערכנו האם נוכחות המיקרו-אצות הירוקות שלנו תשפיע על יציבותן של Nb-MXene במצע. את תוצאות פוטנציאל הזטה והמוליכות של MXene לאחר אינטראקציה עם מיקרו-אצות במצע תזונתי ובתרבית לאורך זמן ניתן למצוא ב-SI (איורים S9 ו-S10). מעניין לציין, שמנו לב שנוכחות המיקרו-אצות נראה כי ייצבה את פיזור שני ה-MXene. במקרה של Nb2CTx SL, פוטנציאל הזטה אף ירד מעט לאורך זמן לערכים שליליים יותר (-15.8 לעומת -19.1 mV לאחר 72 שעות של דגירה). פוטנציאל הזטה של ​​SL ​​Nb4C3TX עלה מעט, אך לאחר 72 שעות הוא עדיין הראה יציבות גבוהה יותר מאשר ננו-פתיתי גז ללא נוכחות מיקרו-אצות (-18.1 לעומת -9.1 mV).
כמו כן, מצאנו מוליכות נמוכה יותר של תמיסות Nb-MXene שדגמו בנוכחות מיקרואצות, דבר המצביע על כמות נמוכה יותר של יונים במצע התזונתי. ראוי לציין כי חוסר היציבות של MXene במים נובע בעיקר מחמצון פני השטח57. לכן, אנו חושדים שמיקרואצות ירוקות פינו איכשהו את התחמוצות שנוצרו על פני השטח של Nb-MXene ואף מנעו את הופעתן (חמצון MXene). ניתן לראות זאת על ידי לימוד סוגי החומרים הנספגים על ידי מיקרואצות.
בעוד שמחקרי האקוטוקסיקולוגיה שלנו הצביעו על כך שמיקרו-אצות הצליחו להתגבר על הרעילות של Nb-MXene לאורך זמן ועל העיכוב יוצא הדופן של צמיחה מגורה, מטרת המחקר שלנו הייתה לחקור מנגנוני פעולה אפשריים. כאשר אורגניזמים כמו אצות נחשפים לתרכובות או חומרים שאינם מוכרים למערכות האקולוגיות שלהם, הם עשויים להגיב במגוון דרכים58,59. בהיעדר תחמוצות מתכת רעילות, מיקרו-אצות יכולות להזין את עצמן, מה שמאפשר להן לגדול ברציפות60. לאחר בליעת חומרים רעילים, מנגנוני הגנה עשויים להיות מופעלים, כגון שינוי צורה או מבנה. יש לשקול גם את האפשרות של ספיגה58,59. ראוי לציין שכל סימן למנגנון הגנה הוא אינדיקטור ברור לרעילות של התרכובת הנבדקת. לכן, בעבודתנו הנוספת, חקרנו את האינטראקציה הפוטנציאלית על פני השטח בין ננו-פתיתי SL Nb-MXene לבין מיקרו-אצות באמצעות SEM ואת הספיגה האפשרית של MXene מבוסס Nb באמצעות ספקטרוסקופיית פלואורסצנציה של קרני רנטגן (XRF). יש לציין כי ניתוחי SEM ו-XRF בוצעו רק בריכוז הגבוה ביותר של MXene כדי לטפל בבעיות רעילות פעילות.
תוצאות ה-SEM מוצגות באיור 4. תאי מיקרו-אצות שלא טופלו (ראה איור 4א', דגימת ייחוס) הראו בבירור מורפולוגיה אופיינית ל-R. subcapitata וצורת תא דמוית קרואסון. התאים נראים שטוחים ומעט לא מאורגנים. חלק מתאי המיקרו-אצות חפפו והסתבכו זה בזה, אך זה כנראה נגרם מתהליך הכנת הדגימה. באופן כללי, לתאי מיקרו-אצות טהורים היה משטח חלק ולא הראו שינויים מורפולוגיים.
תמונות SEM המציגות אינטראקציה על פני השטח בין מיקרו-אצות ירוקות לננו-גיליונות MXene לאחר 72 שעות של אינטראקציה בריכוז קיצוני (100 מ"ג ליטר). (א) מיקרו-אצות ירוקות שלא טופלו לאחר אינטראקציה עם SL (ב) Nb2CTx ו-(ג) Nb4C3TX MXene. שימו לב כי ננו-פתיתי Nb-MXene מסומנים בחצים אדומים. לשם השוואה, נוספו גם תמונות ממיקרוסקופ אופטי.
לעומת זאת, תאי מיקרו-אצות שנספחו על ידי ננו-פתיתי SL Nb-MXene ניזוקו (ראה איור 4b, c, חצים אדומים). במקרה של Nb2CTx MXene (איור 4b), מיקרו-אצות נוטות לגדול עם ננו-קני מידה דו-ממדיים מחוברים, מה שיכול לשנות את המורפולוגיה שלהן. ראוי לציין שגם צפינו בשינויים אלה תחת מיקרוסקופ אור (ראה איור SI S11 לפרטים). למעבר מורפולוגי זה יש בסיס סביר בפיזיולוגיה של המיקרו-אצות וביכולתן להגן על עצמן על ידי שינוי מורפולוגיה של התא, כגון הגדלת נפח התא 61. לכן, חשוב לבדוק את מספר תאי המיקרו-אצות שנמצאים בפועל במגע עם Nb-MXenes. מחקרי SEM הראו שכ-52% מתאי המיקרו-אצות נחשפו ל-Nb-MXenes, בעוד ש-48% מתאי המיקרו-אצות הללו נמנעו ממגע. עבור SL Nb4C3Tx MXene, מיקרו-אצות מנסות להימנע ממגע עם MXene, ובכך מתמקמות וגדלות מננו-קני מידה דו-ממדיים (איור 4c). עם זאת, לא צפינו בחדירה של ננו-קשקשים לתאי מיקרו-אצות ובנזק שנגרם להם.
שימור עצמי הוא גם תגובה תלוית זמן לחסימת הפוטוסינתזה עקב ספיחה של חלקיקים על פני התא ואפקט הצללה (shading) 62. ברור שכל אובייקט (לדוגמה, ננו-פתיתי Nb-MXene) שנמצא בין המיקרו-אצות למקור האור מגביל את כמות האור הנספגת על ידי הכלורופלסטים. עם זאת, אין לנו ספק שיש לכך השפעה משמעותית על התוצאות המתקבלות. כפי שמוצג בתצפיות המיקרוסקופיות שלנו, הננו-פתיתי הדו-ממדיים לא היו עטופים לחלוטין או דבוקים לפני השטח של המיקרו-אצות, גם כאשר תאי המיקרו-אצות היו במגע עם Nb-MXene. במקום זאת, הננו-פתיתי התבררו כמכוונים לתאי מיקרו-אצות מבלי לכסות את פני השטח שלהם. קבוצה כזו של ננו-פתיתי/מיקרו-אצות אינה יכולה להגביל באופן משמעותי את כמות האור הנספגת על ידי תאי מיקרו-אצות. יתר על כן, כמה מחקרים אף הדגימו שיפור בספיגת האור על ידי אורגניזמים פוטוסינתטיים בנוכחות ננו-חומרים דו-ממדיים 63,64,65,66.
מאחר שתמונות SEM לא יכלו לאשר ישירות את ספיגת הניוביום על ידי תאי מיקרו-אצות, המחקר הנוסף שלנו פנה לניתוח פלואורסצנציה של קרני רנטגן (XRF) וספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים של קרני רנטגן (XPS) כדי להבהיר סוגיה זו. לכן, השווינו את עוצמת שיאי ה-Nb של דגימות מיקרו-אצות ייחוס שלא קיימו אינטראקציה עם MXene, ננו-פתיתי MXene שהתנתקו מפני השטח של תאי מיקרו-אצות, ותאי מיקרו-אצות לאחר הסרת ה-MXene המחוברים. ראוי לציין שאם אין ספיגת Nb, ערך ה-Nb המתקבל על ידי תאי המיקרו-אצות צריך להיות אפס לאחר הסרת הננו-קני המחוברים. לכן, אם מתרחשת ספיגת Nb, גם תוצאות ה-XRF וגם תוצאות ה-XPS צריכות להראות שיא Nb ברור.
במקרה של ספקטרום XRF, דגימות מיקרואצות הראו שיאי Nb עבור SL Nb2CTx ו-Nb4C3Tx MXene לאחר אינטראקציה עם SL Nb2CTx ו-Nb4C3Tx MXene (ראה איור 5a, שימו לב גם שהתוצאות עבור MAX ו-ML MXene מוצגות ב-SI, איורים S12-C17). מעניין לציין שעוצמת שיא ה-Nb זהה בשני המקרים (פסים אדומים באיור 5a). זה מצביע על כך שהאצות לא יכלו לספוג יותר Nb, והקיבולת המקסימלית להצטברות Nb הושגה בתאים, אם כי פי שניים יותר Nb4C3Tx MXene נקשר לתאי המיקרואצות (פסים כחולים באיור 5a). ראוי לציין שיכולתן של המיקרואצות לספוג מתכות תלויה בריכוז תחמוצות המתכת בסביבה 67,68. שמשאדה ועמיתיו 67 מצאו כי קיבולת הספיגה של אצות מים מתוקים פוחתת עם עליית ה-pH. Raize ועמיתיו68 ציינו כי יכולתן של אצות לספוג מתכות הייתה גבוהה בכ-25% עבור Pb2+ מאשר עבור Ni2+.
(א) תוצאות XRF של קליטת ננו-חמצן בסיסית על ידי תאי מיקרו-אצות ירוקות שגודלו בריכוז קיצוני של SL ​​Nb-MXenes (100 מ"ג ליטר) למשך 72 שעות. התוצאות מראות את נוכחותו של α בתאי מיקרו-אצות טהורים (דגימת בקרה, עמודות אפורות), ננו-פתיתי דו-ממדיים שבודדו מתאי מיקרו-אצות על פני השטח (עמודות כחולות), ותאי מיקרו-אצות לאחר הפרדת ננו-פתיתי דו-ממדיים מפני השטח (עמודות אדומות). כמות הננו-חמצן האלמנטרי, (ב) אחוז ההרכב הכימי של רכיבים אורגניים של מיקרו-אצות (C=O ו-CHx/C–O) ותחמוצות ננו-חמצן הקיימות בתאי מיקרו-אצות לאחר דגירה עם SL Nb-MXene, (ג-ה) התאמת שיא ההרכב של ספקטרום XPS SL Nb2CTx ו-(fh) SL Nb4C3Tx MXene שהופנם על ידי תאי מיקרו-אצות.
לכן, ציפינו ש-Nb יוכל להיספג על ידי תאי אצות בצורת תחמוצות. כדי לבדוק זאת, ביצענו מחקרי XPS על ה-MXene Nb2CTx ו-Nb4C3TX ותאי אצות. תוצאות האינטראקציה של מיקרואצות עם Nb-MXene ו-MXene שבודדו מתאי אצות מוצגות באיורים 5b. כצפוי, זיהינו פיקים של Nb 3d בדגימות המיקרואצות לאחר הסרת MXene מפני השטח של המיקרואצות. הקביעה הכמותית של תחמוצות C=O, CHx/CO ו-Nb חושבה על סמך ספקטרום Nb 3d, O 1s ו-C 1s שהתקבל עם Nb2CTx SL (איור 5c-e) ו-Nb4C3Tx SL (איור 5c-e). שהתקבלו ממיקרואצות מודגרות. איור 5f-h) MXenes. טבלה S1-3 מציגה את פרטי פרמטרי השיא והכימיה הכוללת הנובעת מההתאמה. ראוי לציין כי אזורי Nb 3d של Nb2CTx SL ו-Nb4C3Tx SL (איור 5c, f) תואמים לרכיב Nb2O5 אחד. כאן, לא מצאנו שיאים הקשורים ל-MXene בספקטרום, דבר המצביע על כך שתאי מיקרואצות סופגים רק את צורת התחמוצת של Nb. בנוסף, קירבנו את ספקטרום C1s עם הרכיבים C–C, CHx/C–O, C=O ו-–COOH. שייכנו את שיאי CHx/C–O ו-C=O לתרומה האורגנית של תאי מיקרואצות. רכיבים אורגניים אלה מהווים 36% ו-41% משיאי C1s ב-Nb2CTx SL ו-Nb4C3TX SL, בהתאמה. לאחר מכן התאמנו את ספקטרום O1s של SL ​​Nb2CTx ו-SL Nb4C3TX עם Nb2O5, רכיבים אורגניים של מיקרואצות (CHx/CO) ומים ספוחים על פני השטח.
לבסוף, תוצאות ה-XPS הצביעו בבירור על צורת ה-Nb, ולא רק על נוכחותו. בהתאם למיקום אות ה-Nb התלת-ממדי ולתוצאות הדה-קונבולוציה, אנו מאשרים ש-Nb נספג רק בצורת תחמוצות ולא כיונים או MXene עצמו. בנוסף, תוצאות ה-XPS הראו שלתאי מיקרו-אצות יש יכולת גדולה יותר לקלוט תחמוצות Nb מ-SL Nb2CTx בהשוואה ל-SL Nb4C3TX MXene.
בעוד שתוצאות ספיגת ה-Nb שלנו מרשימות ומאפשרות לנו לזהות פירוק MXene, אין שיטה זמינה למעקב אחר שינויים מורפולוגיים נלווים בננו-פתיתי Nb-MXene דו-ממדיים. לכן, החלטנו גם לפתח שיטה מתאימה שיכולה להגיב ישירות לכל שינוי המתרחש בננו-פתיתי Nb-MXene דו-ממדיים ובתאי מיקרו-אצות. חשוב לציין שאנו מניחים שאם המינים המקיימים אינטראקציה עוברים טרנספורמציה, פירוק או דיפרגמנטציה כלשהי, הדבר אמור להתבטא במהירות כשינויים בפרמטרי הצורה, כגון קוטר השטח המעגלי המקביל, עגלגלות, רוחב Feret או אורך Feret. מכיוון שפרמטרים אלה מתאימים לתיאור חלקיקים מוארכים או ננו-פתיתי דו-ממדיים, מעקבם באמצעות ניתוח דינמי של צורת החלקיקים ייתן לנו מידע בעל ערך על הטרנספורמציה המורפולוגית של ננו-פתיתי SL Nb-MXene במהלך החיזור.
התוצאות שהתקבלו מוצגות באיור 6. לשם השוואה, בדקנו גם את פאזת ה-MAX המקורית ואת ML-MXene (ראה איורים SI S18 ו-S19). ניתוח דינמי של צורת החלקיקים הראה שכל פרמטרי הצורה של שני ננו-פתיתי Nb-MXene השתנו באופן משמעותי לאחר אינטראקציה עם מיקרואצות. כפי שמוצג על ידי פרמטר קוטר השטח המעגלי המקביל (איור 6a, b), עוצמת השיא המופחתת של השבר של ננו-פתיתי גדולות מצביעה על כך שהן נוטות להתפרק לשברים קטנים יותר. באיור 6c, d מראה ירידה בשיאים הקשורים לגודל הרוחבי של הפתיתים (הארכה של הננו-פתיתי ה-2D), דבר המצביע על הפיכת ננו-פתיתי ה-2D לצורה דמוית חלקיק יותר. איור 6e-h מציג את הרוחב והאורך של ה-Feret, בהתאמה. רוחב ואורך ה-Feret הם פרמטרים משלימים ולכן יש להתייחס אליהם יחד. לאחר דגירה של ננו-פתיתי Nb-MXene דו-ממדיים בנוכחות מיקרואצות, שיאי המתאם של ה-Feret שלהם השתנו ועוצמתם ירדה. בהתבסס על תוצאות אלו בשילוב עם מורפולוגיה, XRF ו-XPS, הסקנו כי השינויים שנצפו קשורים קשר הדוק לחמצון כאשר MXene מחומצנים הופכים מקומטים יותר ומתפרקים לשברים וחלקיקי תחמוצת כדוריים 69,70.
ניתוח של טרנספורמציה של MXene לאחר אינטראקציה עם מיקרו-אצות ירוקות. ניתוח דינמי של צורת החלקיקים לוקח בחשבון פרמטרים כגון (a, b) קוטר השטח המעגלי המקביל, (c, d) עגלגלות, (e, f) רוחב החולדה ו-(g, h) אורך החולדה. לשם כך, נותחו שתי דגימות מיקרו-אצות ייחוס יחד עם MXene ראשוניים של SL ​​Nb2CTx ו-SL Nb4C3Tx, MXene של SL ​​Nb2CTx ו-SL Nb4C3Tx, מיקרו-אצות מפורקות, ומיקרו-אצות מטופלות של SL ​​Nb2CTx ו-SL Nb4C3Tx. החצים האדומים מראים את המעברים של פרמטרי הצורה של הננו-פתיתי המחקר הדו-ממדיים.
מאחר וניתוח פרמטרי צורה הוא אמין מאוד, הוא יכול גם לחשוף שינויים מורפולוגיים בתאי מיקרו-אצות. לכן, ניתחנו את קוטר השטח המעגלי המקביל, העגלגלות ורוחב/אורך ה-Feret של תאי מיקרו-אצות טהורים ותאים לאחר אינטראקציה עם ננו-פתיתי Nb דו-ממדיים. באיורים 6a-h ניתן לראות שינויים בפרמטרי הצורה של תאי האצות, כפי שמעידים ירידה בעוצמת השיא והסטה של ​​המקסימום לעבר ערכים גבוהים יותר. בפרט, פרמטרי העגלגלות של התא הראו ירידה בתאים מוארכים ועלייה בתאים כדוריים (איור 6a, b). בנוסף, רוחב תא ה-Feret גדל בכמה מיקרומטרים לאחר אינטראקציה עם SL Nb2CTx MXene (איור 6e) בהשוואה ל-SL Nb4C3TX MXene (איור 6f). אנו חושדים שזה עשוי להיות בגלל ספיגה חזקה של תחמוצות Nb על ידי מיקרו-אצות לאחר אינטראקציה עם Nb2CTx SR. חיבור פחות נוקשה של פתיתי Nb לפני השטח שלהם יכול לגרום לגדילת תאים עם אפקט הצללה מינימלי.
התצפיות שלנו על שינויים בפרמטרים של צורה וגודל של מיקרו-אצות משלימות מחקרים אחרים. מיקרו-אצות ירוקות יכולות לשנות את המורפולוגיה שלהן בתגובה ללחץ סביבתי על ידי שינוי גודל התא, צורתו או חילוף החומרים של התאים61. לדוגמה, שינוי גודל התאים מקל על ספיגת חומרים מזינים71. תאי אצות קטנים יותר מראים ספיגה נמוכה יותר של חומרים מזינים וקצב גדילה לקוי. לעומת זאת, תאים גדולים יותר נוטים לצרוך יותר חומרים מזינים, אשר לאחר מכן מופקדים תוך תאיים72,73. מצ'אדו וסוארס מצאו כי קוטל הפטריות טריקלוזן יכול להגדיל את גודל התא. הם גם מצאו שינויים עמוקים בצורת האצות74. בנוסף, יין ועמיתיו9 חשפו גם שינויים מורפולוגיים באצות לאחר חשיפה לננו-קומפוזיטים של תחמוצת גרפן מופחתת. לכן, ברור כי שינויים בפרמטרים של גודל/צורה של המיקרו-אצות נגרמים על ידי נוכחות של MXene. מכיוון ששינוי זה בגודל ובצורה מעיד על שינויים בספיגת חומרים מזינים, אנו מאמינים כי ניתוח של פרמטרים של גודל וצורה לאורך זמן יכול להדגים ספיגה של תחמוצת ניוביום על ידי מיקרו-אצות בנוכחות Nb-MXenes.
יתר על כן, MXene יכולים להתחמצן בנוכחות אצות. דלאי ועמיתיו75 הבחינו כי המורפולוגיה של אצות ירוקות שנחשפו לננו-TiO2 ו-Al2O376 לא הייתה אחידה. למרות שהתצפיות שלנו דומות למחקר הנוכחי, הן רלוונטיות רק לחקר השפעות הביו-רמדיאציה מבחינת תוצרי פירוק MXene בנוכחות ננו-פתיתי דו-ממדיים ולא ננו-חלקיקים. מכיוון ש-MXene יכולים להתפרק לתחמוצות מתכת,31,32,77,78 סביר להניח שגם ננו-פתיתי ה-Nb שלנו יכולים ליצור תחמוצות Nb לאחר אינטראקציה עם תאי מיקרו-אצות.
על מנת להסביר את החיזור של ננו-פתיתי Nb דו-ממדיים באמצעות מנגנון פירוק המבוסס על תהליך החמצון, ערכנו מחקרים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר ברזולוציה גבוהה (HRTEM) (איור 7א', ב') וספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים של קרני רנטגן (XPS) (איור 7). 7ג'-י' וטבלאות S4-5). שתי הגישות מתאימות לחקר חמצון של חומרים דו-ממדיים ומשלימות זו את זו. HRTEM מסוגל לנתח את הפירוק של מבנים שכבתיים דו-ממדיים ואת הופעתם שלאחר מכן של ננו-חלקיקי תחמוצת מתכת, בעוד ש-XPS רגיש לקשרים על פני השטח. למטרה זו, בדקנו ננו-פתיתי Nb-MXene דו-ממדיים שחולצו מפיזורי תאי מיקרו-אצות, כלומר, את צורתם לאחר אינטראקציה עם תאי מיקרו-אצות (ראה איור 7).
תמונות HRTEM המראות את המורפולוגיה של MXenes מחומצנים של (א) SL Nb2CTx ו-(ב) SL Nb4C3Tx, תוצאות ניתוח XPS המראות (ג) את הרכב תוצרי התחמוצת לאחר חיזור, (ד-ו) התאמת שיא של רכיבי ספקטרום XPS של SL ​​Nb2CTx ו-(ז-י) Nb4C3Tx SL שתוקנה באמצעות מיקרו-אצות ירוקות.
מחקרי HRTEM אישרו את החמצון של שני סוגים של ננו-פתיתי Nb-MXene. למרות שהננו-פתיתי ה-MXene שמרו במידה מסוימת על המורפולוגיה הדו-ממדית שלהם, החמצון הביא להופעתם של ננו-חלקיקים רבים המכסים את פני השטח של ננו-פתיתי ה-MXene (ראה איור 7a,b). ניתוח XPS של אותות c Nb 3d ו-O 1s הצביע על כך שנוצרו תחמוצות Nb בשני המקרים. כפי שמוצג באיור 7c, ל-MXene דו-ממדי Nb2CTx ו-Nb4C3TX יש אותות Nb 3d המצביעים על נוכחות של תחמוצות NbO ו-Nb2O5, בעוד שאותות O 1s מצביעים על מספר קשרי O-Nb הקשורים לפונקציונליזציה של פני השטח של הננו-פתיתי ה-MXene הדו-ממדיים. שמנו לב שתרומת תחמוצת ה-Nb דומיננטית בהשוואה ל-Nb-C ו-Nb3+-O.
באיורים 7g-i, איורים 7g-i מציגים את ספקטרום ה-XPS של Nb3d, C1s ו-O1s SL Nb2CTx (ראה איורים 7d-f) ו-SL Nb4C3TX MXene שבודדו מתאי מיקרו-אצות. פרטים על פרמטרי שיא ה-Nb-MXene מסופקים בטבלאות S4-5, בהתאמה. תחילה ניתחנו את הרכב ה-Nb3d. בניגוד ל-Nb שנספג על ידי תאי מיקרו-אצות, ב-MXene שבודד מתאי מיקרו-אצות, מלבד Nb2O5, נמצאו רכיבים נוספים. ב-Nb2CTx SL, צפינו בתרומה של Nb3+-O בסכום של 15%, בעוד ששאר ספקטרום ה-Nb3d נשלט על ידי Nb2O5 (85%). בנוסף, דגימת ה-SL Nb4C3TX מכילה רכיבים של Nb-C (9%) ו-Nb2O5 (91%). כאן Nb-C מגיע משתי שכבות אטומיות פנימיות של קרביד מתכתי ב-Nb4C3Tx SR. לאחר מכן אנו ממפים את ספקטרום C1s לארבעה רכיבים שונים, כפי שעשינו בדגימות שעברו הפנימה. כצפוי, ספקטרום C1s נשלט על ידי פחמן גרפיטי, ואחריו תרומות של חלקיקים אורגניים (CHx/CO ו-C=O) מתאי מיקרו-אצות. בנוסף, בספקטרום O1s, צפינו בתרומה של צורות אורגניות של תאי מיקרו-אצות, תחמוצת ניוביום ומים ספוחים.
בנוסף, בדקנו האם ביקוע של Nb-MXenes קשור לנוכחות של מיני חמצן ריאקטיביים (ROS) במצע התזונתי ו/או בתאי המיקרו-אצות. לשם כך, הערכנו את רמות החמצן הסינגלט (1O2) במצע התרבית ואת הגלוטתיון התוך-תאי, תיול הפועל כנוגד חמצון במיקרו-אצות. התוצאות מוצגות ב-SI (איורים S20 ו-S21). תרבויות עם SL Nb2CTx ו-Nb4C3TX MXene אופיינו בכמות מופחתת של 1O2 (ראה איור S20). במקרה של SL ​​Nb2CTx, MXene 1O2 מצטמצם לכ-83%. עבור תרביות מיקרו-אצות המשתמשות ב-SL, Nb4C3TX 1O2 ירד עוד יותר, ל-73%. מעניין לציין, ששינויים ב-1O2 הראו את אותה מגמה כמו ההשפעה המעכבת-מגרה שנצפתה בעבר (ראה איור 3). ניתן לטעון כי דגירה באור בהיר יכולה לשנות את הפוטו-חמצון. עם זאת, תוצאות ניתוח הבקרה הראו רמות כמעט קבועות של 1O2 במהלך הניסוי (איור S22). במקרה של רמות ROS תוך-תאיות, גם אנו צפינו באותה מגמה כלפי מטה (ראה איור S21). בתחילה, רמות ה-ROS בתאי מיקרו-אצות שגודלו בנוכחות SLs Nb2CTx ו-Nb4C3Tx חרגו מהרמות שנמצאו בתרביות טהורות של מיקרו-אצות. בסופו של דבר, עם זאת, נראה כי המיקרו-אצות הסתגלו לנוכחות שני ה-Nb-MXene, כאשר רמות ה-ROS ירדו ל-85% ו-91% מהרמות שנמדדו בתרביות טהורות של מיקרו-אצות שהוזרמו ב-SL Nb2CTx ו-Nb4C3TX, בהתאמה. ייתכן שזה מצביע על כך שמיקרו-אצות חשות בנוח יותר לאורך זמן בנוכחות Nb-MXene מאשר במצע תזונתי בלבד.
מיקרו-אצות הן קבוצה מגוונת של אורגניזמים פוטוסינתטיים. במהלך הפוטוסינתזה, הן ממירות פחמן דו-חמצני (CO2) אטמוספרי לפחמן אורגני. תוצרי הפוטוסינתזה הם גלוקוז וחמצן79. אנו חושדים שהחמצן שנוצר כך ממלא תפקיד קריטי בחמצון של Nb-MXenes. הסבר אפשרי אחד לכך הוא שפרמטר האוורור הדיפרנציאלי נוצר בלחצים חלקיים נמוכים וגבוהים של חמצן מחוץ ובתוך ננו-פתיתי Nb-MXene. משמעות הדבר היא שבכל מקום שיש אזורים עם לחצים חלקיים שונים של חמצן, האזור עם הרמה הנמוכה ביותר יהווה את האנודה 80, 81, 82. כאן, המיקרו-אצות תורמות ליצירת תאים מאווררים באופן דיפרנציאלי על פני פתיתי ה-MXene, המייצרים חמצן בשל תכונותיהם הפוטוסינתטיות. כתוצאה מכך, נוצרים תוצרי ביו-קורוזיה (במקרה זה, תחמוצות ניוביום). היבט נוסף הוא שמיקרו-אצות יכולות לייצר חומצות אורגניות המשתחררות למים83,84. לכן, נוצרת סביבה אגרסיבית, ובכך משנה את ה-Nb-MXene. בנוסף, מיקרו-אצות יכולות לשנות את רמת החומציות (pH) של הסביבה לבסיסית עקב ספיגת פחמן דו-חמצני, מה שעלול גם לגרום לקורוזיה79.
חשוב מכך, הפוטו-תקופת החושך/בהיר ששימשה במחקר שלנו היא קריטית להבנת התוצאות שהתקבלו. היבט זה מתואר בפירוט אצל Djemai-Zoghlache ואח'. 85 הם השתמשו במכוון בפוטו-תקופת זמן של 12/12 שעות כדי להדגים ביו-קורוזיה הקשורה לזיהום ביולוגי על ידי המיקרו-אצות האדומות Porphyridium purpureum. הם מראים שפוטו-תקופת הצילום קשורה להתפתחות הפוטנציאל ללא ביו-קורוזיה, המתבטאת כתנודות פסאודו-מחזוריות סביב השעה 24:00. תצפיות אלו אושרו על ידי Dowling ואח'. 86 הם הדגימו ביופילמים פוטוסינתטיים של ציאנובקטריה אנאבנה. חמצן מומס נוצר תחת פעולת אור, הקשור לשינוי או תנודות בפוטנציאל הביו-קורוזיה החופשי. חשיבות הפוטו-תקופת הצילום מודגשת על ידי העובדה שהפוטנציאל החופשי לביו-קורוזיה עולה בשלב הבהיר ויורד בשלב החושך. זאת בשל החמצן המיוצר על ידי מיקרו-אצות פוטוסינתטיות, אשר משפיע על התגובה הקתודית באמצעות הלחץ החלקי הנוצר ליד האלקטרודות87.
בנוסף, בוצעה ספקטרוסקופיית אינפרא אדום טרנספורמציית פורייה (FTIR) כדי לברר אם חלו שינויים כלשהם בהרכב הכימי של תאי מיקרו-אצות לאחר אינטראקציה עם Nb-MXenes. תוצאות אלו שהתקבלו מורכבות ואנו מציגים אותן ב-SI (איורים S23-S25, כולל תוצאות שלב MAX ו-ML MXenes). בקצרה, ספקטרום הייחוס שהתקבל של מיקרו-אצות מספק לנו מידע חשוב על המאפיינים הכימיים של אורגניזמים אלו. התנודות הסבירות ביותר הללו ממוקמות בתדרים של 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) ו-3280 cm–1 (O–H). עבור Nb-MXenes SL, מצאנו חתימת מתיחה של קשר CH התואמת את המחקר הקודם שלנו 38. עם זאת, צפינו כי כמה שיאים נוספים הקשורים לקשרים C=C ו-CH נעלמו. ממצא זה מצביע על כך שההרכב הכימי של מיקרו-אצות עשוי לעבור שינויים קלים עקב אינטראקציה עם SL Nb-MXenes.
כאשר בוחנים שינויים אפשריים בביוכימיה של מיקרואצות, יש לשקול מחדש את הצטברותן של תחמוצות אנאורגניות, כגון תחמוצת ניוביום,59. היא מעורבת בספיגת מתכות על פני התא, בהובלתן לציטופלזמה, בקשר שלהן לקבוצות קרבוקסיל תוך-תאיות ובהצטברותן בפוליפוסופומים של מיקרואצות20,88,89,90. בנוסף, הקשר בין מיקרואצות למתכות נשמר על ידי קבוצות פונקציונליות של תאים. מסיבה זו, הספיגה תלויה גם בכימיה של פני השטח של המיקרואצות, שהיא מורכבת למדי9,91. באופן כללי, כצפוי, ההרכב הכימי של מיקרואצות ירוקות השתנה מעט עקב ספיגת תחמוצת ניוביום.
מעניין לציין, כי העיכוב הראשוני שנצפה של מיקרואצות היה הפיך עם הזמן. כפי שראינו, המיקרואצות התגברו על השינוי הסביבתי הראשוני ובסופו של דבר חזרו לקצבי גדילה נורמליים ואף גדלו. מחקרים על פוטנציאל זטה מראים יציבות גבוהה כאשר הוכנסו למצעי תזונה. לפיכך, האינטראקציה פני השטח בין תאי מיקרואצות לננו-פתיתי Nb-MXene נשמרה לאורך כל ניסויי החיזור. בניתוח הנוסף שלנו, אנו מסכמים את מנגנוני הפעולה העיקריים העומדים בבסיס התנהגות יוצאת דופן זו של מיקרואצות.
תצפיות SEM הראו כי מיקרואצות נוטות להיקשר ל-Nb-MXene. באמצעות ניתוח תמונה דינמי, אנו מאשרים כי השפעה זו מובילה להפיכת ננו-פתיתי Nb-MXene דו-ממדיים לחלקיקים כדוריים יותר, ובכך מדגימים כי פירוק הננו-פתיתי קשור לחמצון שלהם. כדי לבחון את ההשערה שלנו, ערכנו סדרה של מחקרים חומריים וביוכימיים. לאחר הבדיקה, הננו-פתיתי התחמצו בהדרגה והתפרקו לתוצרי NbO ו-Nb2O5, שלא היוו איום על המיקרואצות הירוקות. באמצעות תצפית FTIR, לא מצאנו שינויים משמעותיים בהרכב הכימי של מיקרואצות שגודלו בנוכחות ננו-פתיתי Nb-MXene דו-ממדיים. בהתחשב באפשרות של ספיגה של תחמוצת ניוביום על ידי מיקרואצות, ביצענו ניתוח פלואורסצנציה בקרני רנטגן. תוצאות אלו מראות בבירור כי המיקרואצות הנחקרות ניזונות מתחמוצות ניוביום (NbO ו-Nb2O5), שאינן רעילות למיקרואצות הנחקרות.