תודה שביקרת ב-Nature.com.אתה משתמש בגרסת דפדפן עם תמיכת CSS מוגבלת.לקבלת החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב תאימות ב-Internet Explorer).בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, נעבד את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
מציג קרוסלה של שלוש שקופיות בבת אחת.השתמש בלחצנים 'הקודם' וה'הבא' כדי לעבור בין שלוש שקופיות בכל פעם, או השתמש בלחצני המחוון שבקצה כדי לעבור בין שלוש שקופיות בכל פעם.
ההתפתחות המהירה של הננוטכנולוגיה והשילוב שלה ביישומים יומיומיים עלולים לאיים על הסביבה.בעוד ששיטות ירוקות לפירוק של מזהמים אורגניים מבוססות היטב, ההתאוששות של מזהמים גבישיים אנאורגניים מעוררת דאגה גדולה בשל רגישותם הנמוכה לבי-טרנספורמציה וחוסר הבנה של אינטראקציות משטח החומר עם אלה ביולוגיים.כאן אנו משתמשים במודל MXenes 2D אנאורגני המבוסס על Nb בשילוב עם שיטת ניתוח פרמטרי צורה פשוטה כדי להתחקות אחר מנגנון התיקון הביולוגי של ננו-חומרים קרמיים 2D על ידי המיקרו-אצות הירוקות Raphidocelis subcapitata.מצאנו שמיקרו-אצות מפרקות MXenes מבוססי Nb עקב אינטראקציות פיסיקליות-כימיות הקשורות למשטח.בתחילה, ננו פתיתים MXene חד-שכבתיים ורב-שכבתיים הוצמדו לפני השטח של מיקרו-אצות, מה שהפחית במידת מה את צמיחת האצות.עם זאת, לאחר אינטראקציה ממושכת עם פני השטח, מיקרו-אצות חימצנו ננו-פתיתי MXene ופירקו אותם עוד יותר ל-NbO ו-Nb2O5.מכיוון שהתחמוצות הללו אינן רעילות לתאי מיקרו-אצות, הן צורכות ננו-חלקיקי תחמוצת Nb על ידי מנגנון ספיגה המשקם עוד יותר את המיקרו-אצות לאחר 72 שעות של טיפול במים.ההשפעות של חומרים מזינים הקשורים לספיגה באות לידי ביטוי גם בגידול בנפח התאים, בצורתם החלקה ובשינוי בקצב הגדילה.בהתבסס על ממצאים אלה, אנו מסיקים שנוכחות קצרת וארוכה של MXenes מבוססי Nb במערכות אקולוגיות של מים מתוקים עשויה לגרום להשפעות סביבתיות מינוריות בלבד.ראוי לציין כי, באמצעות ננו-חומרים דו-ממדיים כמערכות מודל, אנו מדגימים את האפשרות לעקוב אחר שינוי צורה אפילו בחומרים עדינים.בסך הכל, מחקר זה עונה על שאלה בסיסית חשובה לגבי תהליכים הקשורים לאינטראקציה על פני השטח המניעים את מנגנון התיקון הביולוגי של ננו-חומרים דו-ממדיים ומספק בסיס למחקרים קצרי טווח וארוכי טווח נוספים של ההשפעה הסביבתית של ננו-חומרים גבישיים אנאורגניים.
ננו-חומרים עוררו עניין רב מאז גילוים, וננו-טכנולוגיות שונות נכנסו לאחרונה לשלב מודרניזציה1.למרבה הצער, שילוב של ננו-חומרים ביישומים יומיומיים עלול להוביל לשחרורים בשוגג עקב השלכה לא נכונה, טיפול רשלני או תשתית בטיחות לא מספקת.לכן, סביר להניח שננו-חומרים, לרבות ננו-חומרים דו-ממדיים (2D), יכולים להשתחרר לסביבה הטבעית, שהתנהגותם ופעילותם הביולוגית עדיין לא מובנים במלואם.לכן, אין זה מפתיע שחששות רעילות אקולוגית התמקדו ביכולת של ננו-חומרים דו-ממדיים לשטוף למערכות מימיות2,3,4,5,6.במערכות אקולוגיות אלה, כמה ננו-חומרים דו-ממדיים יכולים לקיים אינטראקציה עם אורגניזמים שונים ברמות טרופיות שונות, כולל מיקרו-אצות.
מיקרו אצות הן אורגניזמים פרימיטיביים המצויים באופן טבעי במים מתוקים ובמערכות אקולוגיות ימיות המייצרים מגוון מוצרים כימיים באמצעות פוטוסינתזה7.ככאלה, הם קריטיים למערכות אקולוגיות מימיות8,9,10,11,12 אך הם גם אינדיקטורים רגישים, זולים ונפוצים של רעילות אקולוגית13,14.מאחר שתאי מיקרו אצות מתרבים במהירות ומגיבים במהירות לנוכחות תרכובות שונות, הם מבטיחים לפיתוח שיטות ידידותיות לסביבה לטיפול במים מזוהמים בחומרים אורגניים15,16.
תאי אצות יכולים להסיר יונים אנאורגניים מהמים באמצעות ספיגה ביולוגית והצטברות17,18.כמה מיני אצות כמו Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue ו-Synechococcus sp.נמצא שהוא נושא ואף מזין יוני מתכת רעילים כגון Fe2+, Cu2+, Zn2+ ו-Mn2+19.מחקרים אחרים הראו שיוני Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ או Pb2+ מגבילים את הצמיחה של Scenedesmus על ידי שינוי מורפולוגיית התא והרס הכלורופלסטים שלהם20,21.
שיטות ירוקות לפירוק של מזהמים אורגניים והרחקת יוני מתכות כבדות משכו את תשומת לבם של מדענים ומהנדסים ברחבי העולם.זה נובע בעיקר מהעובדה שמזהמים אלה מעובדים בקלות בשלב הנוזל.עם זאת, מזהמים גבישיים אנאורגניים מתאפיינים במסיסות נמוכה במים וברגישות נמוכה לתמורות ביולוגיות 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 הפירוק שלהם במהלך ההפחתה.
במחקר זה, השתמשנו במיקרו-אצות ירוקות כחומר ביולוגי מימי פעיל עבור חומרים קרמיים אנאורגניים, בשילוב עם ניטור באתרו של תהליך הפירוק של MXene כנציג של חומרים קרמיים אנאורגניים.המונח "MXene" משקף את הסטוכיומטריה של החומר Mn+1XnTx, כאשר M היא מתכת מעבר מוקדם, X הוא פחמן ו/או חנקן, Tx הוא מסיים משטח (למשל, -OH, -F, -Cl), ו-n = 1, 2, 3 או 427.28.מאז גילוי MXenes על ידי Naguib et al.סנסוריקה, טיפול בסרטן וסינון ממברנות 27,29,30.בנוסף, ניתן להתייחס ל-MXenes כמודלים של מערכות דו-ממדיות בשל יציבותם הקולואידית המצוינת ואינטראקציות ביולוגיות אפשריות31,32,33,34,35,36.
לכן, המתודולוגיה שפותחה במאמר זה והשערות המחקר שלנו מוצגות באיור 1. לפי השערה זו, מיקרו-אצות מפרקות MXenes מבוססי Nb לתרכובות לא רעילות עקב אינטראקציות פיסיקליות-כימיות הקשורות לפני השטח, מה שמאפשר התאוששות נוספת של האצות.כדי לבחון השערה זו, נבחרו שניים ממשפחת קרבידים ו/או ניטרידים מתכת מעבר מוקדמים על בסיס ניוביום (MXenes), כלומר Nb2CTx ו-Nb4C3TX.
מתודולוגיה מחקרית והשערות מבוססות ראיות להתאוששות MXene על ידי מיקרו אצות ירוקות Raphidocelis subcapitata.שימו לב שזהו רק ייצוג סכמטי של הנחות מבוססות ראיות.סביבת האגם שונה במצע התזונתי המשמש ובתנאים (למשל, מחזור יומי ומגבלות ברכיבי תזונה חיוניים זמינים).נוצר עם BioRender.com.
לכן, על ידי שימוש ב- MXene כמערכת מודל, פתחנו את הדלת לחקר השפעות ביולוגיות שונות שלא ניתן לראות עם ננו-חומרים קונבנציונליים אחרים.בפרט, אנו מדגימים את האפשרות של תיקון ביולוגי של ננו-חומרים דו-ממדיים, כגון MXenes מבוססי ניוביום, על ידי מיקרו-אצות Raphidocelis subcapitata.מיקרו-אצות מסוגלות לפרק את Nb-MXenes לתחמוצות הלא רעילות NbO ו-Nb2O5, המספקות גם חומרי הזנה באמצעות מנגנון ספיגת הניוביום.בסך הכל, מחקר זה עונה על שאלה מהותית חשובה לגבי התהליכים הקשורים לאינטראקציות פיזיקוכימיות על פני השטח השולטות במנגנוני התיקון הביולוגי של ננו-חומרים דו-ממדיים.בנוסף, אנו מפתחים שיטה פשוטה מבוססת צורה מבוססת פרמטרים למעקב אחר שינויים עדינים בצורת ננו-חומרים דו-ממדיים.זה מעורר השראה נוספת למחקר קצר טווח וארוך טווח על ההשפעות הסביבתיות השונות של ננו-חומרים גבישיים אנאורגניים.לפיכך, המחקר שלנו מגביר את ההבנה של האינטראקציה בין משטח החומר לחומר ביולוגי.אנו מספקים גם את הבסיס למחקרים מורחבים לטווח קצר ולטווח ארוך של ההשפעות האפשריות שלהם על מערכות אקולוגיות של מים מתוקים, אשר כעת ניתן לאמת בקלות.
MXenes מייצגים סוג מעניין של חומרים בעלי תכונות פיסיקליות וכימיות ייחודיות ואטרקטיביות ולכן יישומים פוטנציאליים רבים.מאפיינים אלה תלויים במידה רבה בסטוכיומטריה ובכימיה של פני השטח שלהם.לכן, במחקר שלנו, חקרנו שני סוגים של MXenes היררכיים חד-שכבתיים (SL) מבוססי Nb, Nb2CTx ו-Nb4C3TX, מכיוון שניתן היה להבחין בהשפעות ביולוגיות שונות של ננו-חומרים אלה.MXenes מיוצרים מחומרי המוצא שלהם על ידי תחריט סלקטיבי מלמעלה למטה של ​​שכבות MAX שלב A דקות מבחינה אטומית.שלב ה-MAX הוא קרמיקה משולשת המורכבת מגושים "מלוכדים" של קרבידים מתכת מעבר ושכבות דקות של יסודות "A" כגון Al, Si ו-Sn עם סטוכיומטריית MnAXn-1.המורפולוגיה של שלב ה-MAX הראשוני נצפתה על ידי מיקרוסקופיה אלקטרונית סריקה (SEM) והייתה עקבית עם מחקרים קודמים (ראה מידע משלים, SI, איור S1).רב שכבתי (ML) Nb-MXene התקבל לאחר הסרת שכבת Al עם 48% HF (חומצה הידרופלואורית).המורפולוגיה של ML-Nb2CTx ו-ML-Nb4C3TX נבחנה על ידי מיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת (SEM) (איורים S1c ו-S1d בהתאמה) ונצפתה מורפולוגיה טיפוסית של MXene שכבות, בדומה לננו-פתיתי דו-ממד העוברים דרך חריצים דמויי נקבוביות מוארכים.לשני ה-Nb-MXene יש הרבה מן המשותף עם שלבי MXene שסונתזו בעבר על ידי תחריט חומצה27,38.לאחר אישור המבנה של MXene, שכבנו אותו על ידי אינטרקלציה של tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) ולאחר מכן כביסה וביצוע קולי, ולאחר מכן השגנו ננו פתיתי 2D Nb-MXene חד-שכבתי או נמוך (SL).
השתמשנו במיקרוסקופ אלקטרוני שידור ברזולוציה גבוהה (HRTEM) ובדיפרקציית רנטגן (XRD) כדי לבדוק את היעילות של תחריט וקילוף נוסף.תוצאות HRTEM שעובדו באמצעות טרנספורמציה מהירה פורייה הפוכה (IFFT) והתמרת פורייה מהירה (FFT) מוצגות באיור. 2. ננופתיתי Nb-MXene היו מכוונים בקצה למעלה כדי לבדוק את מבנה השכבה האטומית ולמדוד את המרחקים הבין מישוריים.תמונות HRTEM של ננו-פתיתי MXene Nb2CTx ו-Nb4C3TX חשפו את טבעם השכבתי הדקה מבחינה אטומית (ראה איור 2a1, a2), כפי שדווח בעבר על ידי Naguib et al.27 ו-Jastrzębska et al.38.עבור שני שכבות Nb2CTx ו-Nb4C3Tx סמוכות, קבענו מרחקים בין-שכבתיים של 0.74 ו-1.54 ננומטר, בהתאמה (איורים 2b1,b2), מה שמתאים גם לתוצאות הקודמות שלנו38.זה אושר עוד יותר על ידי התמרת פורייה מהירה הפוכה (איור 2c1, c2) והתמרת פורייה מהירה (איור 2d1, d2) המציגות את המרחק בין השכבות החד-שכבות Nb2CTx ו-Nb4C3Tx.התמונה מציגה חילופין של פסים בהירים וכהים התואמים לאטומי ניוביום ופחמן, מה שמאשר את הטבע השכבתי של ה-MXenes שנחקרו.חשוב לציין שהספקטרום של ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן מפזרת האנרגיה (EDX) שהתקבלה עבור Nb2CTx ו-Nb4C3Tx (איורים S2a ו-S2b) לא הראו שאריות של שלב ה-MAX המקורי, מכיוון שלא זוהה שיא Al.
אפיון של ננופתיתי SL Nb2CTx ו-Nb4C3Tx MXene, כולל (א) מיקרוסקופיה אלקטרונית ברזולוציה גבוהה (HRTEM) הדמיה דו מימדית של ננו-פתיתי צד ומתאים, (ב) מצב אינטנסיביות, (ג) טרנספורמציה פורייה מהירה (IFFT), (ד) טרנספורמציה פורייה מהירה (FFT), דפוסי X-ray (e) Nb-ray.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 עקיפה של קרני רנטגן של SL ​​Nb2CTx ו-Nb4C3Tx MXenes מוצגות באיורים.2e1 ו-e2, בהתאמה.פסגות (002) ב-4.31 ו-4.32 תואמות ל-MXenes השכבתיות שתוארו קודם לכן Nb2CTx ו-Nb4C3TX38,39,40,41 בהתאמה.תוצאות ה-XRD מצביעות גם על נוכחות של כמה מבני ML שיוריים ושלבי MAX, אך בעיקר דפוסי XRD הקשורים ל-SL Nb4C3Tx (איור 2e2).נוכחותם של חלקיקים קטנים יותר משלב ה-MAX עשויה להסביר את שיא ה-MAX החזק יותר בהשוואה לשכבות ה-Nb4C3Tx המוערמות באופן אקראי.
מחקר נוסף התמקד במיקרו-אצות ירוקות השייכות למין R. subcapitata.בחרנו במיקרו אצות מכיוון שהן יצרניות חשובות המעורבות ברשתות המזון העיקריות42.הם גם אחד האינדיקטורים הטובים ביותר לרעילות בשל היכולת להסיר חומרים רעילים הנישאים לרמות גבוהות יותר של שרשרת המזון43.בנוסף, מחקר על R. subcapitata עשוי לשפוך אור על הרעילות המקרית של SL ​​Nb-MXenes למיקרואורגניזמים נפוצים של מים מתוקים.כדי להמחיש זאת, החוקרים שיערו שלכל חיידק 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 ו-MXenes וההחלמה הקשורה, החלטנו לבדוק את הריכוזים הבלתי מזיקים והרעילים של Nb-MXenes.לשם כך, בדקנו ריכוזים של 0 (כהתייחסות), 0.01, 0.1 ו-10 מ"ג l-1 MXene ובנוסף מיקרו-אצות נגועות בריכוז גבוה מאוד של MXene (100 מ"ג l-1 MXene), שעלול להיות קיצוני וקטלני..לכל סביבה ביולוגית.
ההשפעות של SL ​​Nb-MXenes על מיקרו-אצות מוצגות באיור 3, מבוטאות כאחוז קידום הצמיחה (+) או עיכוב (-) שנמדדו עבור דגימות של 0 מ"ג l-1.לשם השוואה, נבדקו גם שלב Nb-MAX ו-ML Nb-MXenes והתוצאות מוצגות ב-SI (ראה איור S3).התוצאות שהתקבלו אישרו ש-SL Nb-MXenes נטול רעילות כמעט לחלוטין בטווח של ריכוזים נמוכים שבין 0.01 ל-10 מ"ג/ליטר, כפי שמוצג באיור 3a,b.במקרה של Nb2CTx, ראינו לא יותר מ-5% רעילות אקולוגית בטווח שצוין.
גירוי (+) או עיכוב (-) של צמיחת מיקרו-אצות בנוכחות SL (א) Nb2CTx ו-(ב) Nb4C3TX MXene.נותחו 24, 48 ו-72 שעות של אינטראקציה בין MXene למיקרו-אצות. נתונים מובהקים (מבחן t, p < 0.05) סומנו בכוכבית (*). נתונים מובהקים (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 (*).חיצים אדומים מצביעים על ביטול הגירוי המעכב.
מצד שני, ריכוזים נמוכים של Nb4C3TX התבררו כרעילים מעט יותר, אך לא גבוהים מ-7%.כצפוי, ראינו של-MXenes יש רעילות גבוהה יותר ועיכוב צמיחת מיקרו-אצות ב-100mg L-1.מעניין לציין שאף אחד מהחומרים לא הראה את אותה מגמה ותלות בזמן של השפעות רעילות/רעילות בהשוואה לדגימות MAX או ML (ראה SI לפרטים).בעוד שבשלב ה-MAX (ראה איור S3) הרעילות הגיעה לכ-15-25% ועלתה עם הזמן, המגמה ההפוכה נצפתה עבור SL Nb2CTx ו-Nb4C3TX MXene.עיכוב צמיחת המיקרו אצות ירד עם הזמן.זה הגיע לכ-17% לאחר 24 שעות וירד לפחות מ-5% לאחר 72 שעות (איור 3a, ב, בהתאמה).
חשוב מכך, עבור SL Nb4C3TX, עיכוב צמיחת מיקרו-אצות הגיע לכ-27% לאחר 24 שעות, אך לאחר 72 שעות הוא ירד לכ-1%.לכן, תייגנו את ההשפעה שנצפה כעיכוב הפוך של גירוי, והאפקט היה חזק יותר עבור SL Nb4C3TX MXene.הגירוי של צמיחת מיקרו-אצות צוין מוקדם יותר עם Nb4C3TX (אינטראקציה ב-10 מ"ג L-1 למשך 24 שעות) בהשוואה ל-SL Nb2CTx MXene.אפקט היפוך העיכוב-גירוי הוצג היטב בעקומת קצב הכפלת הביומסה (ראה איור S4 לפרטים).עד כה, רק הרעילות האקולוגית של Ti3C2TX MXene נחקרה בדרכים שונות.הוא אינו רעיל לעוברים של דג הזברה44 אלא רעיל לסביבה בינונית למיקרו-אצות Desmodesmus quadricauda וצמחי Sorghum saccharatum45.דוגמאות אחרות להשפעות ספציפיות כוללות רעילות גבוהה יותר לשורות תאים סרטניים מאשר לשורות תאים רגילות46,47.ניתן להניח שתנאי הבדיקה ישפיעו על השינויים בצמיחת מיקרו-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 ראינו שינויים משמעותיים ב-pH במהלך הניסוי (ראה SI, איור S5 לפרטים).באופן כללי, תרביות של מיקרו-אצות עם Nb-MXenes הפחיתו מעט את ה-pH של התמיסה לאורך זמן.עם זאת, ירידה זו הייתה דומה לשינוי ב-pH של תווך טהור.בנוסף, טווח הווריאציות שנמצאו היה דומה לזה שנמדד עבור תרבית טהורה של מיקרו אצות (דגימת ביקורת).לפיכך, אנו מסיקים שהפוטוסינתזה אינה מושפעת משינויים ב-pH לאורך זמן.
בנוסף, ל-MXenes המסונתזים יש קצוות משטחים (מסומנים כ-Tx).אלו הן בעיקר קבוצות פונקציונליות -O, -F ו-OH.עם זאת, כימיה פני השטח קשורה ישירות לשיטת הסינתזה.ידוע כי קבוצות אלו מפוזרות באופן אקראי על פני השטח, מה שמקשה לחזות את השפעתן על המאפיינים של MXene50.ניתן לטעון ש-Tx יכול להיות הכוח הקטליטי לחמצון ניוביום על ידי אור.קבוצות פונקציונליות על פני השטח אכן מספקות אתרי עיגון מרובים עבור הפוטו-זרזים הבסיסיים שלהן ליצירת הטרוג'נקציות51.עם זאת, הרכב מצע הגידול לא סיפק photocatalyst יעיל (הרכב בינוני מפורט ניתן למצוא בטבלה SI S6).בנוסף, כל שינוי פני השטח הוא גם חשוב מאוד, שכן הפעילות הביולוגית של MXenes יכולה להשתנות עקב עיבוד שלאחר שכבות, חמצון, שינוי פני שטח כימי של תרכובות אורגניות ואי-אורגניות52,53,54,55,56 או הנדסת מטען פני השטח38.לכן, כדי לבדוק אם תחמוצת ניוביום קשורה לחוסר יציבות החומר בתווך, ערכנו מחקרים על פוטנציאל הזטה (ζ) במצע גידול של מיקרו-אצות ובמים דה-יונים (לשם השוואה).התוצאות שלנו מראות ש-SL Nb-MXenes יציבים למדי (ראה איור SI. S6 לתוצאות MAX ו-ML).פוטנציאל הזטה של ​​SL ​​MXenes הוא בערך -10 mV.במקרה של SR Nb2CTx, הערך של ζ הוא קצת יותר שלילי מזה של Nb4C3Tx.שינוי כזה בערך ζ עשוי להצביע על כך שפני השטח של ננופתיתי MXene בעלי מטען שלילי סופגים יונים טעונים חיובית ממדיום התרבות.מדידות זמניות של פוטנציאל הזטה והמוליכות של Nb-MXenes במדיום תרבות (ראה איורים S7 ו-S8 ב-SI לפרטים נוספים) תומכות בהשערה שלנו.
עם זאת, שני ה-Nb-MXene SLs הראו שינויים מינימליים מאפס.זה מדגים בבירור את היציבות שלהם במצע הגידול של מיקרו אצות.בנוסף, הערכנו אם נוכחות המיקרו-אצות הירוקות שלנו תשפיע על היציבות של Nb-MXenes במדיום.התוצאות של פוטנציאל הזטה והמוליכות של MXenes לאחר אינטראקציה עם מיקרו-אצות במדיה תזונתית ובתרבות לאורך זמן ניתן למצוא ב-SI (איורים S9 ו- S10).באופן מעניין, שמנו לב שנוכחותם של מיקרו-אצות כאילו מייצבת את הפיזור של שני ה-MXenes.במקרה של Nb2CTx SL, פוטנציאל הזטה ירד אפילו מעט עם הזמן לערכים שליליים יותר (-15.8 לעומת -19.1 mV לאחר 72 שעות דגירה).פוטנציאל הזטה של ​​SL ​​Nb4C3TX עלה מעט, אך לאחר 72 שעות הוא עדיין הראה יציבות גבוהה יותר מננו-פתיתי ללא נוכחות של מיקרו-אצות (-18.1 לעומת -9.1 mV).
מצאנו גם מוליכות נמוכה יותר של תמיסות Nb-MXene שהודגרו בנוכחות מיקרו-אצות, מה שמצביע על כמות נמוכה יותר של יונים בתווך התזונתי.יש לציין כי חוסר היציבות של MXenes במים נובעת בעיקר מחמצון פני השטח57.לכן, אנו חושדים שמיקרו-אצות ירוקות פינו איכשהו את התחמוצות שנוצרו על פני השטח של Nb-MXene ואף מנעו את התרחשותן (חימצון של MXene).ניתן לראות זאת על ידי לימוד סוגי החומרים הנספגים על ידי מיקרו אצות.
בעוד שמחקרים אקוטוקסיקולוגיים שלנו הצביעו על כך שמיקרו-אצות הצליחו להתגבר על הרעילות של Nb-MXenes לאורך זמן ועל עיכוב יוצא דופן של צמיחה מגורה, מטרת המחקר שלנו הייתה לחקור מנגנוני פעולה אפשריים.כאשר אורגניזמים כגון אצות נחשפים לתרכובות או חומרים שאינם מוכרים למערכות האקולוגיות שלהם, הם עלולים להגיב במגוון דרכים58,59.בהיעדר תחמוצות מתכות רעילות, מיקרו-אצות יכולות להאכיל את עצמן, ולאפשר להן לגדול ברציפות60.לאחר בליעת חומרים רעילים עלולים להיות מופעלים מנגנוני הגנה, כגון שינוי צורה או צורה.יש לשקול גם את אפשרות הקליטה58,59.יש לציין כי כל סימן למנגנון הגנה הוא אינדיקטור ברור לרעילות של תרכובת הבדיקה.לכן, בעבודה הנוספת שלנו, חקרנו את האינטראקציה הפוטנציאלית של פני השטח בין ננופתיתי SL Nb-MXene ומיקרו-אצות על ידי SEM ואת הספיגה האפשרית של MXene מבוסס Nb על ידי ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן (XRF).שימו לב שניתוחי SEM ו-XRF בוצעו רק בריכוז הגבוה ביותר של MXene כדי לטפל בבעיות רעילות פעילות.
תוצאות SEM מוצגות באיור 4.תאי מיקרו-אצות לא מטופלים (ראה איור 4א, מדגם התייחסות) הראו בבירור מורפולוגיה טיפוסית של R. subcapitata וצורת תא דמוי קרואסון.תאים נראים פחוסים ומעט לא מאורגנים.כמה תאי מיקרו-אצות חפפו והסתבכו זה בזה, אבל זה כנראה נגרם מתהליך הכנת הדגימה.באופן כללי, תאי מיקרו אצות טהורים היו בעלי משטח חלק ולא הראו שינויים מורפולוגיים.
תמונות SEM המראות אינטראקציה על פני השטח בין מיקרו-אצות ירוקות וגליונות ננו של MXene לאחר 72 שעות של אינטראקציה בריכוז קיצוני (100 מ"ג L-1).(א) מיקרו-אצות ירוקות לא מטופלות לאחר אינטראקציה עם SL (ב) Nb2CTx ו-(ג) Nb4C3TX MXenes.שימו לב שה-Nb-MXene nanoflakes מסומנים בחצים אדומים.לשם השוואה מוסיפים גם צילומים ממיקרוסקופ אופטי.
לעומת זאת, תאי מיקרו-אצות שנספחו על ידי ננופתיתי SL Nb-MXene נפגעו (ראה איור 4b, c, חיצים אדומים).במקרה של Nb2CTx MXene (איור 4b), מיקרו-אצות נוטות לגדול עם ננו-סולמות דו-ממדיים מחוברים, מה שיכול לשנות את המורפולוגיה שלהן.יש לציין, גם צפינו בשינויים אלה במיקרוסקופ אור (ראה איור SI S11 לפרטים).למעבר מורפולוגי זה יש בסיס סביר בפיזיולוגיה של מיקרו-אצות וביכולתן להגן על עצמן על ידי שינוי מורפולוגיה של התא, כגון הגדלת נפח התא61.לכן, חשוב לבדוק את מספר תאי המיקרו-אצות שבאמת נמצאים 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 מקנה מידה ננו-מימדי (איור 4c).עם זאת, לא צפינו בחדירה של ננומטרים לתאי מיקרו-אצות והנזק שלהם.
שימור עצמי הוא גם התנהגות תגובה תלוית זמן לחסימת הפוטוסינתזה עקב ספיחה של חלקיקים על פני התא ומה שנקרא אפקט הצללה (הצללה)62.ברור שכל חפץ (לדוגמה, ננופתיתי 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 שהוכח מהתצפיות המיקרוסקופיות שלנו, הננו-פתיתים הדו-ממדיים לא היו עטופים לחלוטין או נדבקו לפני השטח של המיקרו-אצות, אפילו כאשר תאי המיקרו-אצות היו במגע עם Nb-MXenes.במקום זאת, ננו פתיתים 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 בתאי מיקרו-אצות.יתרה מכך, מחקרים מסוימים אף הוכיחו שיפור בספיגת האור על ידי אורגניזמים פוטוסינתטיים בנוכחות ננו-חומרים דו מימדיים63,64,65,66.
מכיוון שתמונות SEM לא יכלו לאשר באופן ישיר את ספיגת הניוביום על ידי תאי מיקרו-אצות, המחקר הנוסף שלנו פנה לניתוח קרינת רנטגן (XRF) וניתוח פוטואלקטרון (XPS) כדי להבהיר בעיה זו.לכן, השווינו את העוצמה של פסגות ה-Nb של דגימות ייחוס של מיקרו-אצות שלא קיימו אינטראקציה עם MXenes, ננו-פתיתי MXene שהתנתקו מפני השטח של תאי מיקרו-אצות, ותאי מיקרו-אצות לאחר הסרת MXenes מחוברים.ראוי לציין שאם אין ספיגת Nb, ערך ה-Nb המתקבל על ידי תאי המיקרו-אצות צריך להיות אפס לאחר הסרת הננוקשקשים המחוברים.לכן, אם מתרחשת קליטת Nb, תוצאות XRF וגם XPS אמורות להראות שיא Nb ברור.
במקרה של ספקטרום XRF, דגימות מיקרו-אצות הראו פסגות של Nb עבור SL Nb2CTx ו-Nb4C3Tx MXene לאחר אינטראקציה עם SL Nb2CTx ו-Nb4C3Tx MXene (ראה איור 5a, שים לב גם שהתוצאות עבור MAX ו-ML MXene מוצגות ב-SI, C17 Figs S12).מעניין לציין שעוצמת שיא Nb זהה בשני המקרים (פסים אדומים באיור 5a).זה הצביע על כך שהאצות לא יכלו לספוג יותר Nb, והיכולת המקסימלית להצטברות Nb הושגה בתאים, אם כי פי שניים יותר Nb4C3Tx MXene הוצמד לתאי המיקרו-אצות (פסים כחולים באיור 5a).יש לציין כי היכולת של מיקרו-אצות לספוג מתכות תלויה בריכוז תחמוצות המתכות בסביבה67,68.Shamshada et al.67 מצאו כי יכולת הספיגה של אצות מים מתוקים יורדת עם עליית ה-pH.Raize et al.68 ציינו כי יכולתן של אצות לספוג מתכות הייתה גבוהה בכ-25% עבור Pb2+ מאשר עבור Ni2+.
(א) תוצאות XRF של ספיגת Nb בסיסית על ידי תאי מיקרו-אצות ירוקות שהודגרו בריכוז קיצוני של SL ​​Nb-MXenes (100 מ"ג L-1) למשך 72 שעות.התוצאות מראות נוכחות של α בתאי מיקרו-אצות טהורים (דגימת בקרה, עמודות אפורות), ננו-פתיתי דו-ממד מבודדים מתאי מיקרו-אצות פני השטח (עמודות כחולות), ותאי מיקרו-אצות לאחר הפרדה של ננו-פתיתי דו-ממד מפני השטח (עמודות אדומות).כמות ה-Nb היסודי, (ב) אחוז ההרכב הכימי של רכיבים אורגניים של מיקרו-אצות (C=O ו-CHx/C-O) ותחמוצות Nb הקיימות בתאי מיקרו-אצות לאחר דגירה עם SL Nb-MXenes, (c-e) התאמת שיא ההרכב של XPS SL Nb2CTx ספקטרום ו-(fMXCene) תאים מיקרוניים ב-Nb4C3Tx.
לכן, ציפינו ש-Nb יכול להיספג על ידי תאי אצות בצורה של תחמוצות.כדי לבדוק זאת, ביצענו מחקרי XPS על MXenes Nb2CTx ו-Nb4C3TX ותאי אצות.תוצאות האינטראקציה של מיקרו-אצות עם Nb-MXenes ו-MXenes מבודדות מתאי אצות מוצגות באיורים.5ב.כצפוי, זיהינו פסגות Nb 3d בדגימות המיקרו-אצות לאחר הסרת MXene מפני השטח של המיקרו-אצות.הקביעה הכמותית של תחמוצות C=O, CHx/CO ו-Nb חושבה על סמך ספקטרום Nb 3d, O 1s ו-C 1s שהתקבלו עם Nb2CTx SL (איור 5c-e) ו-Nb4C3Tx SL (איור 5c-e).) המתקבל ממיקרו אצות מודגרות.איור 5f–h) MXenes.טבלה S1-3 מציגה את הפרטים של 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 פסגות הקשורות ל-MXene בספקטרום, מה שמצביע על כך שתאי מיקרו-אצות סופגים רק את צורת התחמוצת של Nb.בנוסף, קירבנו את ספקטרום C 1 s עם הרכיבים C–C, CHx/C–O, C=O ו-COOH.הקצינו את פסגות CHx/C–O ו-C=O לתרומה האורגנית של תאי מיקרו-אצות.רכיבים אורגניים אלו מהווים 36% ו-41% מהפסגות של C 1s ב-Nb2CTx SL ו-Nb4C3TX SL, בהתאמה.לאחר מכן התאמנו בספקטרום O 1s של SL ​​Nb2CTx ו-SL Nb4C3TX עם Nb2O5, רכיבים אורגניים של מיקרו-אצות (CHx/CO) ומים נספחים על פני השטח.
לבסוף, תוצאות XPS ציינו בבירור את הצורה של Nb, לא רק את נוכחותו.על פי המיקום של האות Nb 3d ותוצאות הדקונבולציה, אנו מאשרים ש-Nb נספג רק בצורה של תחמוצות ולא יונים או MXene עצמו.בנוסף, תוצאות XPS הראו כי לתאי מיקרו-אצות יש יכולת גבוהה יותר לקלוט תחמוצות Nb מ-SL Nb2CTx בהשוואה ל-SL Nb4C3TX MXene.
בעוד שתוצאות ספיגת ה-Nb שלנו מרשימות ומאפשרות לנו לזהות השפלה של MXene, אין שיטה זמינה לעקוב אחר שינויים מורפולוגיים הקשורים בננו-פתיתי דו-ממד.לכן, החלטנו גם לפתח שיטה מתאימה שיכולה להגיב ישירות לכל שינוי המתרחש בננו-פתיתי Nb-MXene 2D ותאי מיקרו-אצות.חשוב לציין שאנו מניחים שאם המינים המקיימים אינטראקציה עוברים טרנספורמציה, פירוק או פירוק כלשהו, ​​זה אמור להתבטא במהירות כשינויים בפרמטרים של צורה, כגון קוטר השטח העגול המקביל, העגולות, רוחב הפרת או אורך הפרת.מאחר שפרמטרים אלו מתאימים לתיאור חלקיקים מוארכים או ננו-פתיתי דו-ממדיים, המעקב שלהם על ידי ניתוח צורת חלקיקים דינמי ייתן לנו מידע רב ערך על הטרנספורמציה המורפולוגית של ננו-פתיתי SL Nb-MXene במהלך ההפחתה.
התוצאות שהתקבלו מוצגות באיור 6. לשם השוואה, בדקנו גם את שלב ה-MAX המקורי ואת ה-ML-MXenes (ראה איורים SI S18 ו-S19).ניתוח דינמי של צורת החלקיקים הראה שכל פרמטרי הצורה של שני Nb-MXene SLs השתנו באופן משמעותי לאחר אינטראקציה עם מיקרו-אצות.כפי שמוצג על ידי פרמטר קוטר השטח המעגלי המקביל (איור 6א, ב), עוצמת השיא המופחתת של חלק הננו-פתיתי הגדול מעידה על כך שהם נוטים להתפרק לשברים קטנים יותר.על איור.6c, d מראה ירידה בפסגות הקשורות לגודל הרוחבי של הפתיתים (התארכות של הננו-פתיתי), מה שמעיד על הפיכתם של ננו-פתיתי דו-ממד לצורה דמוית חלקיקים יותר.איור 6e-h מציג את הרוחב והאורך של הפרת, בהתאמה.רוחב ואורך הפרטה הם פרמטרים משלימים ולכן יש לשקול אותם יחד.לאחר דגירה של ננו-פתיתי Nb-MXene דו-ממדיים בנוכחות מיקרו-אצות, שיאי מתאם ה-Feret שלהם השתנו ועוצמתם ירדה.בהתבסס על תוצאות אלו בשילוב עם מורפולוגיה, XRF ו-XPS, הגענו למסקנה שהשינויים שנצפו קשורים מאוד לחמצון כאשר MXenes מחומצנים הופכים מקומטים יותר ומתפרקים לשברים וחלקיקי תחמוצת כדוריים69,70.
ניתוח של טרנספורמציה של MXene לאחר אינטראקציה עם מיקרו אצות ירוקות.ניתוח צורת חלקיקים דינמי לוקח בחשבון פרמטרים כגון (א, ב) קוטר של השטח העגול המקביל, (ג, ד) עגולות, (ה, ו) רוחב הפרט ו-(ג, ח) אורך הפרת.לשם כך, נותחו שתי דגימות ייחוס של מיקרו-אצות יחד עם SL Nb2CTx ו-SL Nb4C3Tx MXenes ראשוניים, SL Nb2CTx ו-SL Nb4C3Tx MXenes, מיקרו-אצות מפורקות ומיקרו-אצות SL Nb2CTx ו-SL Nb4C3Tx MXenes.החצים האדומים מציגים את המעברים של פרמטרי הצורה של הננו-פתיתי הדו-ממדיים שנחקרו.
מכיוון שניתוח פרמטרי צורה אמין מאוד, הוא יכול גם לחשוף שינויים מורפולוגיים בתאי מיקרו-אצות.לכן, ניתחנו את קוטר השטח העגול המקביל, העגול והרוחב/אורך של ה-Feret של תאים ותאים טהורים של מיקרו-אצות לאחר אינטראקציה עם ננו-פתיתי Nb 2D.על איור.6a–h מציגים שינויים בפרמטרי הצורה של תאי אצות, כפי שמעידים על ירידה בעוצמת השיא ושינוי של מקסימום לערכים גבוהים יותר.בפרט, פרמטרים של עגלגלות התא הראו ירידה בתאים מוארכים ועלייה בתאים כדוריים (איור 6א, ב).בנוסף, רוחב תאי Feret גדל במספר מיקרומטרים לאחר אינטראקציה עם SL Nb2CTx MXene (איור 6e) בהשוואה ל-SL Nb4C3TX MXene (איור 6f).אנו חושדים שזה עשוי לנבוע מספיגה חזקה של תחמוצות Nb על ידי מיקרו אצות באינטראקציה עם Nb2CTx SR.התקשרות פחות נוקשה של פתיתי Nb אל פני השטח שלהם עלולה לגרום לצמיחת תאים עם אפקט הצללה מינימלי.
התצפיות שלנו על שינויים בפרמטרים של הצורה והגודל 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 החומרים61.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 תאי72,73.מצ'אדו וסוארס גילו שקוטל הפטריות טריקלוזן יכול להגדיל את גודל התא.הם גם מצאו שינויים עמוקים בצורת האצות74.בנוסף, Yin et al.9 חשפו גם שינויים מורפולוגיים באצות לאחר חשיפה לננו-מרוכבים מופחתים של תחמוצת גרפן.לכן, ברור שהפרמטרים המשתנים של גודל/צורה של המיקרו-אצות נגרמים מנוכחות MXene.מכיוון ששינוי זה בגודל ובצורה מעיד על שינויים בספיגת חומרים מזינים, אנו מאמינים שניתוח של פרמטרי גודל וצורה לאורך זמן יכול להדגים ספיגת תחמוצת ניוביום על ידי מיקרו-אצות בנוכחות Nb-MXenes.
יתר על כן, ניתן לחמצן MXenes בנוכחות אצות.Dalai et al.75 הבחינו שהמורפולוגיה של אצות ירוקות שנחשפו לננו-TiO2 ו-Al2O376 לא הייתה אחידה.למרות שהתצפיות שלנו דומות למחקר הנוכחי, היא רלוונטית רק למחקר של ההשפעות של ביולוגיות במונחים של תוצרי פירוק MXene בנוכחות ננו-פתיתי דו-ממדיים ולא ננו-חלקיקים.מכיוון ש-MXenes יכולים להתפרק לתחמוצות מתכת,31,32,77,78, סביר להניח שננו-פתיתי Nb שלנו יכולים ליצור תחמוצות Nb גם לאחר אינטראקציה עם תאי מיקרו אצות.
על מנת להסביר את ההפחתה של ננו-פתיתי 2D-Nb באמצעות מנגנון פירוק המבוסס על תהליך החמצון, ביצענו מחקרים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים העברה ברזולוציה גבוהה (HRTEM) (איור 7a,b) וספקטרוסקופיה פוטואלקטרון-רנטגן (XPS) (איור 7).7c-i וטבלאות S4-5).שתי הגישות מתאימות לחקר החמצון של חומרים דו מימדיים ומשלימות זו את זו.HRTEM מסוגל לנתח את ההשפלה של מבנים דו מימדיים בשכבות ואת המראה הבא של ננו-חלקיקי תחמוצת מתכת, בעוד ש-XPS רגיש לקשרים פני השטח.למטרה זו, בדקנו ננופתיתי 2D Nb-MXene שהופקו מפיזור תאי מיקרו-אצות, כלומר, צורתם לאחר אינטראקציה עם תאי מיקרו-אצות (ראה איור 7).
תמונות HRTEM המציגות את המורפולוגיה של (a) SL Nb2CTx ו-(ב) SL Nb4C3Tx MXenes, תוצאות ניתוח XPS המראות (ג) את הרכב מוצרי התחמוצת לאחר הפחתה, (d-f) התאמת שיא של רכיבי הספקטרום של XPS של SL ​​Nb2CTx ו-(g–i) Nb4GaTx מתוקן עם ירוק.
מחקרי HRTEM אישרו את החמצון של שני סוגים של ננופתיתי Nb-MXene.למרות שהננו-פתיתי שמרו על המורפולוגיה הדו-ממדית שלהם במידה מסוימת, החמצון הביא להופעת 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-2D MXene Nb2CTx ו-Nb4C3TX יש אותות Nb 3d המצביעים על נוכחות של תחמוצות NbO ו-Nb2O5, בעוד שאותות O 1s מציינים את מספר הקשרים O-Nb הקשורים לפונקציונליזציה של פני השטח של ננו-פתיתי 2D.שמנו לב שתרומת תחמוצת Nb היא דומיננטית בהשוואה ל-Nb-C ו-Nb3+-O.
על איור.איורים 7g-i מציגים את ספקטרום XPS של Nb 3d, C 1s ו-O 1s SL Nb2CTx (ראה איורים 7d-f) ו-SL Nb4C3TX MXene מבודדים מתאי מיקרו-אצות.פרטים על פרמטרי שיא Nb-MXenes מסופקים בטבלאות S4-5, בהתאמה.תחילה ניתחנו את ההרכב של Nb 3d.בניגוד ל-Nb שנספג בתאי מיקרו-אצות, ב-MXene מבודד מתאי מיקרו-אצות, מלבד Nb2O5, נמצאו רכיבים נוספים.ב-Nb2CTx SL, צפינו בתרומה של Nb3+-O בכמות של 15%, בעוד ששאר ספקטרום ה-Nb 3d נשלט על ידי Nb2O5 (85%).בנוסף, מדגם SL Nb4C3TX מכיל רכיבי Nb-C (9%) ו-Nb2O5 (91%).כאן Nb-C מגיע משתי שכבות אטומיות פנימיות של קרביד מתכת ב-Nb4C3Tx SR.לאחר מכן אנו ממפים את ספקטרום C 1s לארבעה רכיבים שונים, כפי שעשינו בדגימות המופנמות.כצפוי, ספקטרום C 1s נשלט על ידי פחמן גרפיטי, ואחריו תרומות של חלקיקים אורגניים (CHx/CO ו-C=O) מתאי מיקרו אצות.בנוסף, בספקטרום O 1s, ראינו את התרומה של צורות אורגניות של תאי מיקרו אצות, תחמוצת ניוביום ומים נספחים.
בנוסף, בדקנו האם מחשוף Nb-MXenes קשור לנוכחות מיני חמצן תגובתיים (ROS) במצע התזונתי ו/או בתאי מיקרו-אצות.לשם כך, הערכנו את רמות החמצן הסינגל (1O2) במצע התרבות וגלוטתיון תוך תאי, תיול הפועל כנוגד חמצון במיקרו אצות.התוצאות מוצגות ב-SI (איורים S20 ו-S21).תרבויות עם SL Nb2CTx ו-Nb4C3TX MXenes אופיינו בכמות מופחתת של 1O2 (ראה איור S20).במקרה של SL ​​Nb2CTx, MXene 1O2 מופחת לכ-83%.עבור תרביות מיקרו אצות המשתמשות ב-SL, Nb4C3TX 1O2 ירד אפילו יותר, ל-73%.מעניין לציין ששינויים ב-1O2 הראו את אותה מגמה כמו ההשפעה המעכבת-מעוררת שנצפתה בעבר (ראה איור 3).ניתן לטעון שדגירה באור בהיר יכולה לשנות את הפוטו-אוקסידציה.עם זאת, תוצאות ניתוח הבקרה הראו רמות כמעט קבועות של 1O2 במהלך הניסוי (איור S22).במקרה של רמות ROS תוך תאיות, ראינו גם את אותה מגמת ירידה (ראה איור S21).בתחילה, רמות ה-ROS בתאי מיקרו-אצות שהתרביתו בנוכחות Nb2CTx ו-Nb4C3Tx SLs עלו על הרמות שנמצאו בתרביות טהורות של מיקרו-אצות.אולם בסופו של דבר, נראה שהמיקרו-אצות הסתגלו לנוכחות של שני ה-Nb-MXenes, שכן רמות ה-ROS ירדו ל-85% ו-91% מהרמות שנמדדו בתרביות טהורות של מיקרו-אצות שחוסנו עם SL Nb2CTx ו-Nb4C3TX, בהתאמה.זה עשוי להצביע על כך שמיקרו-אצות מרגישות יותר בנוח לאורך זמן בנוכחות Nb-MXene מאשר במדיום תזונתי בלבד.
מיקרו אצות הן קבוצה מגוונת של אורגניזמים פוטוסינתטיים.במהלך הפוטוסינתזה, הם ממירים 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 ננופתיתי ה-Nb-MXene.המשמעות היא שבכל מקום שבו יש אזורים של לחצים חלקיים שונים של חמצן, האזור עם הרמה הנמוכה ביותר יהווה את האנודה 80, 81, 82. כאן, המיקרו-אצות תורמות ליצירת תאים מאווררים דיפרנציאליים על פני השטח של פתיתי ה-MXene, אשר מייצרים חמצן בשל תכונותיהם הפוטוסינתטיות.כתוצאה מכך נוצרים מוצרי ביוקורוזיה (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-MXenes.בנוסף, מיקרו-אצות יכולות לשנות את ה-pH של הסביבה לבסיסי עקב ספיגת פחמן דו חמצני, שעלול לגרום גם לקורוזיה79.
חשוב מכך, תקופת הצילום הכהה/אור המשמשת במחקר שלנו היא קריטית להבנת התוצאות שהתקבלו.היבט זה מתואר בפירוט ב-Djemai-Zoghlache et al.85 הם השתמשו בכוונה בתקופת צילום של 12/12 שעות כדי להדגים קורוזיה ביולוגית הקשורה להדבקה ביולוגית על ידי המיקרו-אצה האדומה Porphyridium purpureum.הם מראים שהפוטו-פריוד קשור לאבולוציה של הפוטנציאל ללא קורוזיה ביולוגית, המתבטאת כתנודות פסאודו-מחזוריות בסביבות השעה 24:00.תצפיות אלו אושרו על ידי דאולינג וחב'.86 הם הדגימו ביופילמים פוטוסינתטיים של ציאנובקטריה אנאבאנה.חמצן מומס נוצר תחת פעולת האור, הקשור לשינוי או תנודות בפוטנציאל הביוקורוזיה החופשי.חשיבותה של הפוטופרודה מודגשת על ידי העובדה שהפוטנציאל החופשי לביוקורוזיה עולה בשלב הבהיר ויורד בשלב הכהה.הדבר נובע מהחמצן המיוצר על ידי מיקרו-אצות פוטוסינתטיות, אשר משפיע על התגובה הקתודית דרך הלחץ החלקי שנוצר ליד האלקטרודות87.
בנוסף, בוצעה ספקטרוסקופיה של פורייה טרנספורמציה אינפרא אדום (FTIR) כדי לגלות אם התרחשו שינויים כלשהם בהרכב הכימי של תאי מיקרו אצות לאחר אינטראקציה עם Nb-MXenes.התוצאות שהתקבלו הן מורכבות ואנו מציגים אותן ב-SI (איורים S23-S25, כולל התוצאות של שלב MAX ו-ML MXenes).בקיצור, ספקטרום ההתייחסות המתקבל של מיקרו-אצות מספקות לנו מידע חשוב על המאפיינים הכימיים של האורגניזמים הללו.הרעידות הסבירות ביותר הללו ממוקמות בתדרים של 1060 ס"מ-1 (CO), 1540 ס"מ-1, 1640 ס"מ-1 (C=C), 1730 ס"מ-1 (C=O), 2850 ס"מ-1, 2920 ס"מ-1.אחד.1 1 (C–H) ו-3280 ס"מ–1 (O–H).עבור SL Nb-MXenes, מצאנו חתימת מתיחה של קשר CH התואמת את המחקר הקודם שלנו38.עם זאת, ראינו שכמה שיאים נוספים הקשורים לקשרי C=C ו-CH נעלמו.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 מיקרו אצות, יש לשקול מחדש את הצטברות של תחמוצות אנאורגניות, כגון תחמוצת ניוביום59.הוא מעורב בקליטת מתכות על ידי פני התא, בהובלתן לציטופלזמה, בקשר שלהן עם קבוצות קרבוקסיל תוך-תאיות ובהצטברותן בפוליפוספוסומים של מיקרו-אצות20,88,89,90.בנוסף, הקשר בין מיקרו-אצות למתכות נשמר על ידי קבוצות תפקוד של תאים.מסיבה זו, הספיגה תלויה גם בכימיה של פני השטח של אצות, שהיא די מורכבת9,91.באופן כללי, כצפוי, ההרכב הכימי של מיקרו-אצות ירוקות השתנה מעט עקב ספיגת תחמוצת Nb.
מעניין, העיכוב הראשוני שנצפה של מיקרו-אצות היה הפיך לאורך זמן.כפי שצפינו, המיקרו-אצות התגברו על השינוי הסביבתי הראשוני ובסופו של דבר חזרו לקצבי גדילה נורמליים ואף עלו.מחקרים על פוטנציאל הזטה מראים יציבות גבוהה כאשר הם מוכנסים למדיה תזונתית.לפיכך, האינטראקציה על פני השטח בין תאי מיקרו-אצות לננו-פתיתי Nb-MXene נשמרה לאורך כל ניסויי ההפחתה.בניתוח נוסף שלנו, אנו מסכמים את מנגנוני הפעולה העיקריים העומדים בבסיס ההתנהגות המדהימה הזו של מיקרו-אצות.
תצפיות SEM הראו שמיקרו-אצות נוטות להיצמד ל-Nb-MXenes.באמצעות ניתוח תמונה דינמי, אנו מאשרים שהאפקט הזה מוביל להפיכת ננו-פתיתי Nb-MXene דו-מימדיים לחלקיקים כדוריים יותר, ובכך מוכיחים שהפירוק של ננו-פתיתי קשור לחמצון שלהם.כדי לבדוק את ההשערה שלנו, ערכנו סדרה של מחקרים חומריים וביוכימיים.לאחר הבדיקה, הננו-פתיתי התחמצנו בהדרגה והתפרקו למוצרי NbO ו-Nb2O5, שלא היוו איום על מיקרו-אצות ירוקות.באמצעות תצפית FTIR, לא מצאנו שינויים משמעותיים בהרכב הכימי של מיקרו-אצות שהודגרו בנוכחות ננופתיתי 2D Nb-MXene.בהתחשב באפשרות של ספיגה של תחמוצת ניוביום על ידי מיקרו-אצות, ביצענו ניתוח קרינה רנטגן.תוצאות אלו מראות בבירור שהמיקרו-אצות שנחקרו ניזונות מתחמוצות ניוביום (NbO ו-Nb2O5), שאינן רעילות למיקרו-אצות שנחקרו.