გმადლობთ, რომ ეწვიეთ Nature.com-ს. თქვენ იყენებთ ბრაუზერის ვერსიას შეზღუდული CSS მხარდაჭერით. საუკეთესო გამოცდილებისთვის გირჩევთ გამოიყენოთ განახლებული ბრაუზერი (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში). ამასობაში, მხარდაჭერის უწყვეტი უზრუნველყოფის მიზნით, საიტს სტილებისა და JavaScript-ის გარეშე ვაჩვენებთ.
ერთდროულად სამი სლაიდის კარუსელის ჩვენება. ერთდროულად სამ სლაიდს შორის გადასაადგილებლად გამოიყენეთ „წინა“ და „შემდეგი“ ღილაკები, ან ერთდროულად სამ სლაიდს შორის გადასაადგილებლად გამოიყენეთ ბოლოში არსებული სლაიდერის ღილაკები.
ნანოტექნოლოგიის სწრაფმა განვითარებამ და მის ყოველდღიურ გამოყენებაში ინტეგრაციამ შეიძლება საფრთხე შეუქმნას გარემოს. მიუხედავად იმისა, რომ ორგანული დამაბინძურებლების დეგრადაციის მწვანე მეთოდები კარგად არის დამკვიდრებული, არაორგანული კრისტალური დამაბინძურებლების აღდგენა დიდ შეშფოთებას იწვევს მათი ბიოტრანსფორმაციის მიმართ დაბალი მგრძნობელობის და მასალის ზედაპირის ბიოლოგიურ დამაბინძურებლებთან ურთიერთქმედების არასაკმარისი გაგების გამო. აქ ჩვენ ვიყენებთ Nb-ზე დაფუძნებულ არაორგანულ 2D MXenes მოდელს, რომელიც შერწყმულია მარტივ ფორმის პარამეტრის ანალიზის მეთოდთან, რათა მივაკვლიოთ 2D კერამიკული ნანომასალების ბიორემედიაციის მექანიზმს მწვანე მიკროწყალმცენარე Raphidocelis subcapitata-ს მიერ. ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ მიკროწყალმცენარეები ახდენენ Nb-ზე დაფუძნებულ MXenes-ების დეგრადაციას ზედაპირთან დაკავშირებული ფიზიკურ-ქიმიური ურთიერთქმედებების გამო. თავდაპირველად, მიკროწყალმცენარეების ზედაპირზე მიმაგრებული იყო ერთშრიანი და მრავალშრიანი MXene ნანოფანტელები, რამაც გარკვეულწილად შეამცირა წყალმცენარეების ზრდა. თუმცა, ზედაპირთან ხანგრძლივი ურთიერთქმედების შემდეგ, მიკროწყალმცენარეებმა დაჟანგეს MXene ნანოფანტელები და შემდგომში დაშალეს ისინი NbO-დ და Nb2O5-ად. რადგან ეს ოქსიდები არატოქსიკურია მიკროწყალმცენარეების უჯრედებისთვის, ისინი მოიხმარენ Nb ოქსიდის ნანონაწილაკებს შთანთქმის მექანიზმით, რომელიც კიდევ უფრო აღადგენს მიკროწყალმცენარეებს წყლის დამუშავებიდან 72 საათის შემდეგ. შთანთქმასთან დაკავშირებული საკვები ნივთიერებების ეფექტები ასევე აისახება უჯრედების მოცულობის ზრდაში, მათ გლუვ ფორმასა და ზრდის ტემპის ცვლილებაში. ამ დასკვნებზე დაყრდნობით, ჩვენ ვასკვნით, რომ Nb-ზე დაფუძნებული MXenes-ის მოკლევადიანი და გრძელვადიანი ყოფნა მტკნარი წყლის ეკოსისტემებში შეიძლება მხოლოდ მცირე გარემოზე ზემოქმედებას იწვევდეს. აღსანიშნავია, რომ ორგანზომილებიანი ნანომასალების, როგორც მოდელის სისტემების გამოყენებით, ჩვენ ვაჩვენებთ ფორმის ტრანსფორმაციის თვალყურის დევნების შესაძლებლობას წვრილმარცვლოვან მასალებშიც კი. საერთო ჯამში, ეს კვლევა პასუხობს მნიშვნელოვან ფუნდამენტურ კითხვას ზედაპირულ ურთიერთქმედებასთან დაკავშირებული პროცესების შესახებ, რომლებიც 2D ნანომასალების ბიორემედიაციის მექანიზმს ახორციელებენ და ქმნის საფუძველს არაორგანული კრისტალური ნანომასალების გარემოზე ზემოქმედების შემდგომი მოკლევადიანი და გრძელვადიანი კვლევებისთვის.
ნანომასალები აღმოჩენის შემდეგ დიდ ინტერესს იწვევს და სხვადასხვა ნანოტექნოლოგიებმა ბოლო დროს მოდერნიზაციის ფაზაში გადავიდნენ1. სამწუხაროდ, ნანომასალების ყოველდღიურ გამოყენებაში ინტეგრაციამ შეიძლება გამოიწვიოს შემთხვევითი გამოყოფა არასწორი განადგურების, უყურადღებო მოპყრობის ან არასაკმარისი უსაფრთხოების ინფრასტრუქტურის გამო. ამიტომ, გონივრულია ვივარაუდოთ, რომ ნანომასალები, მათ შორის ორგანზომილებიანი (2D) ნანომასალები, შეიძლება ბუნებრივ გარემოში გამოთავისუფლდეს, რომელთა ქცევა და ბიოლოგიური აქტივობა ჯერ კიდევ ბოლომდე შესწავლილი არ არის. ამიტომ, გასაკვირი არ არის, რომ ეკოტოქსიკურობის შესახებ შეშფოთება ფოკუსირებულია 2D ნანომასალების წყლის სისტემებში გაჟონვის უნარზე2,3,4,5,6. ამ ეკოსისტემებში, ზოგიერთ 2D ნანომასალს შეუძლია ურთიერთქმედება სხვადასხვა ორგანიზმებთან სხვადასხვა ტროფიკულ დონეზე, მათ შორის მიკროწყალმცენარეებთან.
მიკროწყალმცენარეები წარმოადგენენ პრიმიტიულ ორგანიზმებს, რომლებიც ბუნებრივად გვხვდება მტკნარი წყლისა და ზღვის ეკოსისტემებში და ფოტოსინთეზის გზით წარმოქმნიან სხვადასხვა ქიმიურ პროდუქტს7. შესაბამისად, ისინი კრიტიკულად მნიშვნელოვანია წყლის ეკოსისტემებისთვის8,9,10,11,12, მაგრამ ასევე წარმოადგენენ ეკოტოქსიკურობის მგრძნობიარე, იაფ და ფართოდ გამოყენებულ ინდიკატორებს13,14. ვინაიდან მიკროწყალმცენარეების უჯრედები სწრაფად მრავლდებიან და სწრაფად რეაგირებენ სხვადასხვა ნაერთების არსებობაზე, ისინი პერსპექტიულია ორგანული ნივთიერებებით დაბინძურებული წყლის გაწმენდის ეკოლოგიურად სუფთა მეთოდების შემუშავებისთვის15,16.
წყალმცენარეების უჯრედებს შეუძლიათ წყლიდან არაორგანული იონების მოცილება ბიოსორბციისა და დაგროვების გზით17,18. წყალმცენარეების ზოგიერთი სახეობა, როგორიცაა Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue და Synechococcus sp. აღმოჩნდა, რომ ის შეიცავს და კვებავს კიდეც ტოქსიკურ ლითონის იონებს, როგორიცაა Fe2+, Cu2+, Zn2+ და Mn2+19. სხვა კვლევებმა აჩვენა, რომ Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ ან Pb2+ იონები ზღუდავენ Scenedesmus-ის ზრდას უჯრედების მორფოლოგიის შეცვლით და მათი ქლოროპლასტების განადგურებით20,21.
ორგანული დამაბინძურებლების დაშლისა და მძიმე მეტალების იონების მოცილების მწვანე მეთოდებმა მთელი მსოფლიოს მეცნიერებისა და ინჟინრების ყურადღება მიიპყრო. ეს ძირითადად იმით არის განპირობებული, რომ ეს დამაბინძურებლები ადვილად გადამუშავდება თხევად ფაზაში. თუმცა, არაორგანული კრისტალური დამაბინძურებლები ხასიათდება წყალში დაბალი ხსნადობით და სხვადასხვა ბიოტრანსფორმაციისადმი დაბალი მგრძნობელობით, რაც დიდ სირთულეებს იწვევს რემედიაციაში და ამ სფეროში მცირე პროგრესია მიღწეული22,23,24,25,26. ამრიგად, ნანომასალების აღდგენისთვის ეკოლოგიურად სუფთა გადაწყვეტილებების ძიება კვლავ რთულ და შეუსწავლელ სფეროდ რჩება. 2D ნანომასალების ბიოტრანსფორმაციის ეფექტების შესახებ მაღალი გაურკვევლობის გამო, არ არსებობს მარტივი გზა მათი დაშლის შესაძლო გზების დასადგენად აღდგენის დროს.
ამ კვლევაში, ჩვენ გამოვიყენეთ მწვანე მიკროწყალმცენარეები, როგორც აქტიური წყალხსნარული ბიორემედიაციის აგენტი არაორგანული კერამიკული მასალებისთვის, MXene-ის დეგრადაციის პროცესის ადგილზე მონიტორინგთან ერთად, როგორც არაორგანული კერამიკული მასალების წარმომადგენლისა. ტერმინი „MXene“ ასახავს Mn+1XnTx მასალის სტექიომეტრიას, სადაც M არის ადრეული გარდამავალი ლითონი, X არის ნახშირბადი და/ან აზოტი, Tx არის ზედაპირის ტერმინატორი (მაგ., -OH, -F, -Cl) და n = 1, 2, 3 ან 427.28. MXenes-ის ნაგიბის და სხვების მიერ აღმოჩენის შემდეგ. სენსორიკა, კიბოს თერაპია და მემბრანული ფილტრაცია 27,29,30. გარდა ამისა, MXenes შეიძლება ჩაითვალოს მოდელურ 2D სისტემებად მათი შესანიშნავი კოლოიდური სტაბილურობისა და შესაძლო ბიოლოგიური ურთიერთქმედებების გამო31,32,33,34,35,36.
ამგვარად, ამ სტატიაში შემუშავებული მეთოდოლოგია და ჩვენი კვლევითი ჰიპოთეზები ნაჩვენებია ნახაზ 1-ში. ამ ჰიპოთეზის თანახმად, მიკროწყალმცენარეები ზედაპირთან დაკავშირებული ფიზიკურ-ქიმიური ურთიერთქმედებების გამო Nb-ზე დაფუძნებულ MXenes-ს არატოქსიკურ ნაერთებად შლიან, რაც წყალმცენარეების შემდგომ აღდგენას იძლევა. ამ ჰიპოთეზის შესამოწმებლად, ადრეული ნიობიუმზე დაფუძნებული გარდამავალი ლითონების კარბიდების და/ან ნიტრიდების (MXenes) ოჯახის ორი წევრი, კერძოდ, Nb2CTx და Nb4C3TX, შეირჩა.
მწვანე მიკროწყალმცენარე Raphidocelis subcapitata-ს მიერ MXene-ს აღდგენის კვლევის მეთოდოლოგია და მტკიცებულებებზე დაფუძნებული ჰიპოთეზები. გთხოვთ გაითვალისწინოთ, რომ ეს მხოლოდ მტკიცებულებებზე დაფუძნებული ვარაუდების სქემატური წარმოდგენაა. ტბის გარემო განსხვავდება გამოყენებული საკვები ნივთიერებებითა და პირობებით (მაგ., დღიური ციკლი და ხელმისაწვდომი აუცილებელი საკვები ნივთიერებების შეზღუდვები). შექმნილია BioRender.com-ით.
ამგვარად, MXene-ის, როგორც მოდელის სისტემის გამოყენებით, ჩვენ გავხსენით კარი სხვადასხვა ბიოლოგიური ეფექტების შესწავლისთვის, რომელთა დაკვირვებაც სხვა ჩვეულებრივი ნანომასალების გამოყენებით შეუძლებელია. კერძოდ, ჩვენ ვაჩვენებთ ორგანზომილებიანი ნანომასალების, როგორიცაა ნიობიუმზე დაფუძნებული MXenes, ბიორემედიაციის შესაძლებლობას მიკროწყალმცენარეების, Raphidocelis subcapitata-ს მიერ. მიკროწყალმცენარეებს შეუძლიათ Nb-MXenes-ის დაშლა არატოქსიკურ ოქსიდებად NbO და Nb2O5, რომლებიც ასევე უზრუნველყოფენ საკვებ ნივთიერებებს ნიობიუმის შთანთქმის მექანიზმის მეშვეობით. საერთო ჯამში, ეს კვლევა პასუხობს მნიშვნელოვან ფუნდამენტურ კითხვას ორგანზომილებიანი ნანომასალების ბიორემედიაციის მექანიზმების განმსაზღვრელი ზედაპირული ფიზიკურ-ქიმიური ურთიერთქმედებების პროცესებთან დაკავშირებული პროცესების შესახებ. გარდა ამისა, ჩვენ ვავითარებთ მარტივ ფორმის პარამეტრებზე დაფუძნებულ მეთოდს 2D ნანომასალების ფორმის დახვეწილი ცვლილებების თვალყურის დევნებისთვის. ეს შთააგონებს არაორგანული კრისტალური ნანომასალების სხვადასხვა გარემოზე ზემოქმედების მოკლევადიან და გრძელვადიან კვლევას. ამრიგად, ჩვენი კვლევა ზრდის მასალის ზედაპირსა და ბიოლოგიურ მასალას შორის ურთიერთქმედების გაგებას. ჩვენ ასევე ვქმნით საფუძველს მტკნარი წყლის ეკოსისტემებზე მათი შესაძლო ზემოქმედების გაფართოებული მოკლევადიანი და გრძელვადიანი კვლევებისთვის, რომელთა გადამოწმება ახლა ადვილად შესაძლებელია.
MXenes წარმოადგენს მასალების საინტერესო კლასს უნიკალური და მიმზიდველი ფიზიკური და ქიმიური თვისებებით და შესაბამისად, მრავალი პოტენციური გამოყენებით. ეს თვისებები დიდწილად დამოკიდებულია მათ სტექიომეტრიასა და ზედაპირის ქიმიაზე. ამიტომ, ჩვენს კვლევაში გამოვიკვლიეთ Nb-ზე დაფუძნებული იერარქიული ერთშრიანი (SL) MXenes-ის ორი ტიპი, Nb2CTx და Nb4C3TX, რადგან ამ ნანომასალების სხვადასხვა ბიოლოგიური ეფექტების დაკვირვება შეიძლებოდა. MXenes მიიღება მათი საწყისი მასალებიდან ატომურად თხელი MAX-ფაზის A-ფენების ზემოდან ქვემოთ შერჩევითი გრავირებით. MAX ფაზა არის სამმაგი კერამიკა, რომელიც შედგება გარდამავალი ლითონის კარბიდების „შეკავშირებული“ ბლოკებისა და „A“ ელემენტების, როგორიცაა Al, Si და Sn, თხელი ფენებისგან, MnAXn-1 სტექიომეტრიით. საწყისი MAX ფაზის მორფოლოგია დაფიქსირდა სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპიით (SEM) და შეესაბამებოდა წინა კვლევებს (იხილეთ დამატებითი ინფორმაცია, SI, სურათი S1). მრავალშრიანი (ML) Nb-MXene მიღებული იქნა Al ფენის 48% HF-ით (წყალბადფტორმჟავა) მოშორების შემდეგ. ML-Nb2CTx-ისა და ML-Nb4C3TX-ის მორფოლოგია შესწავლილი იქნა სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპიით (SEM) (შესაბამისად, სურათები S1c და S1d) და დაფიქსირდა MXene-ის ტიპური ფენოვანი მორფოლოგია, რომელიც წააგავს წაგრძელებული ფორების მსგავს ჭრილებში გამავალ ორგანზომილებიან ნანოფანტელს. ორივე Nb-MXene-ს ბევრი რამ აქვს საერთო MXene-ის ფაზებთან, რომლებიც ადრე სინთეზირებული იყო მჟავა გრავირებით27,38. MXene-ის სტრუქტურის დადასტურების შემდეგ, ჩვენ დავაფინეთ იგი ტეტრაბუტილამონიუმის ჰიდროქსიდის (TBAOH) ინტერკალაციით, რასაც მოჰყვა გარეცხვა და ულტრაბგერითი დამუშავება, რის შემდეგაც მივიღეთ ერთშრიანი ან დაბალშრიანი (SL) 2D Nb-MXene-ის ნანოფანტელები.
გრავირებისა და შემდგომი აქერცვლის ეფექტურობის შესამოწმებლად გამოვიყენეთ მაღალი გარჩევადობის გამტარი ელექტრონული მიკროსკოპია (HRTEM) და რენტგენის დიფრაქცია (XRD). ინვერსიული სწრაფი ფურიეს გარდაქმნის (IFFT) და სწრაფი ფურიეს გარდაქმნის (FFT) გამოყენებით დამუშავებული HRTEM შედეგები ნაჩვენებია ნახ. 2-ში. Nb-MXene ნანოფანტელები კიდით ზემოთ იყო ორიენტირებული ატომური ფენის სტრუქტურის შესამოწმებლად და სიბრტყეთაშორისი მანძილების გასაზომად. MXene Nb2CTx და Nb4C3TX ნანოფანტელების HRTEM გამოსახულებები ავლენს მათ ატომურად თხელშრეოვან ბუნებას (იხ. ნახ. 2a1, a2), როგორც ეს ადრე იყო აღწერილი ნაგიბის და სხვების მიერ27 და იასტრჟებსკას და სხვების მიერ38. ორი მიმდებარე Nb2CTx და Nb4C3Tx მონოშრეებისთვის, ჩვენ განვსაზღვრეთ შრეთაშორისი მანძილები შესაბამისად 0.74 და 1.54 ნმ (ნახ. 2b1, b2), რაც ასევე ემთხვევა ჩვენს წინა შედეგებს38. ეს კიდევ უფრო დადასტურდა სწრაფი ფურიეს შებრუნებული გარდაქმნით (სურ. 2c1, c2) და სწრაფი ფურიეს გარდაქმნით (სურ. 2d1, d2), რომლებიც აჩვენებს Nb2CTx და Nb4C3Tx მონოშრეებს შორის მანძილს. სურათზე ნაჩვენებია ნიობიუმის და ნახშირბადის ატომების შესაბამისი ღია და მუქი ზოლების მონაცვლეობა, რაც ადასტურებს შესწავლილი MXენების შრეობრივ ბუნებას. მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ Nb2CTx და Nb4C3Tx-ისთვის მიღებული ენერგიის დისპერსიული რენტგენის სპექტროსკოპიის (EDX) სპექტრები (სურათები S2a და S2b) არ აჩვენებდა ორიგინალური MAX ფაზის ნარჩენებს, რადგან Al პიკი არ დაფიქსირებულა.
SL Nb2CTx და Nb4C3Tx MXene ნანოფანტელების დახასიათება, მათ შორის (ა) მაღალი გარჩევადობის ელექტრონული მიკროსკოპიის (HRTEM) გვერდითი ხედვის 2D ნანოფანტელების გამოსახულება და შესაბამისი (ბ) ინტენსივობის რეჟიმი, (გ) ინვერსიული სწრაფი ფურიეს გარდაქმნა (IFFT), (დ) სწრაფი ფურიეს გარდაქმნა (FFT), (ე) Nb-MXenes რენტგენის ნიმუშები. SL 2D Nb2CTx-ისთვის რიცხვები გამოისახება როგორც (a1, b1, c1, d1, e1). SL 2D Nb4C3Tx-ისთვის რიცხვები გამოისახება როგორც (a2, b2, c2, d2, e1).
SL Nb2CTx და Nb4C3Tx MXenes-ის რენტგენის დიფრაქციული გაზომვები ნაჩვენებია შესაბამისად ნახ. 2e1 და e2-ზე. პიკები (002) 4.31 და 4.32 წერტილებში შეესაბამება ადრე აღწერილ ფენებად დაყოფილ MXenes Nb2CTx და Nb4C3TX38,39,40,41 შესაბამისად. რენტგენის დიფრაქციის შედეგები ასევე მიუთითებს ML სტრუქტურისა და MAX ფაზების ნარჩენი რაოდენობის არსებობაზე, მაგრამ ძირითადად SL Nb4C3Tx-თან ასოცირებულ XRD ნიმუშებზე (ნახ. 2e2). MAX ფაზის უფრო მცირე ნაწილაკების არსებობამ შეიძლება ახსნას MAX პიკის უფრო ძლიერი მაჩვენებელი შემთხვევით დაწყობილ Nb4C3Tx ფენებთან შედარებით.
შემდგომი კვლევა ფოკუსირებული იყო R. subcapitata სახეობის მწვანე მიკროწყალმცენარეებზე. ჩვენ ავირჩიეთ მიკროწყალმცენარეები, რადგან ისინი მნიშვნელოვან მწარმოებლებს წარმოადგენენ და მონაწილეობენ ძირითად კვებით ჯაჭვებში42. ისინი ასევე წარმოადგენენ ტოქსიკურობის ერთ-ერთ საუკეთესო მაჩვენებელს, რადგან მათ შეუძლიათ ამოიღონ ტოქსიკური ნივთიერებები, რომლებიც გადადის კვებითი ჯაჭვის უფრო მაღალ დონეებზე43. გარდა ამისა, R. subcapitata-ს კვლევამ შესაძლოა ნათელი მოჰფინოს SL Nb-MXenes-ის შემთხვევით ტოქსიკურობას მტკნარი წყლის მიკროორგანიზმების მიმართ. ამის საილუსტრაციოდ, მკვლევარებმა წამოაყენეს ჰიპოთეზა, რომ თითოეულ მიკრობს განსხვავებული მგრძნობელობა აქვს გარემოში არსებული ტოქსიკური ნაერთების მიმართ. ორგანიზმების უმეტესობისთვის, ნივთიერებების დაბალი კონცენტრაცია გავლენას არ ახდენს მათ ზრდაზე, ხოლო გარკვეულ ზღვარზე მეტი კონცენტრაცია შეიძლება აფერხებდეს მათ ან თუნდაც გამოიწვიოს სიკვდილი. ამიტომ, მიკროწყალმცენარეებსა და MXenes-ს შორის ზედაპირული ურთიერთქმედების და მასთან დაკავშირებული აღდგენის შესწავლისთვის, ჩვენ გადავწყვიტეთ შეგვემოწმებინა Nb-MXenes-ის უვნებელი და ტოქსიკური კონცენტრაციები. ამისათვის ჩვენ გამოვცადეთ 0 (საცნობარო), 0.01, 0.1 და 10 მგ ლ-1 MXene-ის კონცენტრაციები და დამატებით ინფიცირებული მიკროწყალმცენარეები MXene-ის ძალიან მაღალი კონცენტრაციით (100 მგ ლ-1 MXene), რაც შეიძლება ექსტრემალური და ლეტალური იყოს ნებისმიერი ბიოლოგიური გარემოსთვის.
SL Nb-MXenes-ის მიკროწყალმცენარეებზე ზემოქმედება ნაჩვენებია ნახაზ 3-ში, რომელიც გამოხატულია ზრდის ხელშეწყობის (+) ან ინჰიბირების (-) პროცენტულად, რომელიც გაზომილია 0 მგ ლ-1 ნიმუშებისთვის. შედარებისთვის, ასევე გამოიცადა Nb-MAX ფაზა და ML Nb-MXenes და შედეგები ნაჩვენებია SI-ში (იხ. სურ. S3). მიღებულმა შედეგებმა დაადასტურა, რომ SL Nb-MXenes თითქმის მთლიანად მოკლებულია ტოქსიკურობას 0.01-დან 10 მგ/ლ-მდე დაბალი კონცენტრაციების დიაპაზონში, როგორც ეს ნაჩვენებია სურ. 3ა,ბ-ში. Nb2CTx-ის შემთხვევაში, მითითებულ დიაპაზონში დავაფიქსირეთ არაუმეტეს 5%-იანი ეკოტოქსიკურობა.
მიკროწყალმცენარეების ზრდის სტიმულირება (+) ან ინჰიბირება (-) SL-ის თანაობისას (ა) Nb2CTx და (ბ) Nb4C3TX MXene. გაანალიზდა MXene-მიკროწყალმცენარეების ურთიერთქმედების 24, 48 და 72 საათი. მნიშვნელოვანი მონაცემები (t-ტესტი, p < 0.05) მონიშნული იყო ვარსკვლავით (*). მნიშვნელოვანი მონაცემები (t-ტესტი, p < 0.05) მონიშნული იყო ვარსკვლავით (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). მნიშვნელოვანი მონაცემები (t-ტესტი, p < 0.05) აღნიშნულია ვარსკვლავით (*).重要数据（t 检验，p < 0.05）用星号(*) 标记.重要数据（t 检验，p < 0.05）用星号(*) 标记. Важные данные (t-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). მნიშვნელოვანი მონაცემები (t-ტესტი, p < 0.05) აღნიშნულია ვარსკვლავით (*).წითელი ისრები მიუთითებს ინჰიბიტორული სტიმულაციის გაუქმებაზე.
მეორე მხრივ, Nb4C3TX-ის დაბალი კონცენტრაციები ოდნავ უფრო ტოქსიკური აღმოჩნდა, მაგრამ არაუმეტეს 7%. როგორც მოსალოდნელი იყო, ჩვენ დავაკვირდით, რომ MXenes-ს 100 მგ L-1-ზე უფრო მაღალი ტოქსიკურობა და მიკროწყალმცენარეების ზრდის ინჰიბირება ჰქონდა. საინტერესოა, რომ არცერთ მასალას არ გამოუვლენია ატოქსიკური/ტოქსიკური ეფექტების იგივე ტენდენცია და დროზე დამოკიდებულება MAX ან ML ნიმუშებთან შედარებით (დეტალებისთვის იხილეთ SI). მიუხედავად იმისა, რომ MAX ფაზისთვის (იხილეთ სურ. S3) ტოქსიკურობამ დაახლოებით 15–25% მიაღწია და დროთა განმავლობაში გაიზარდა, საპირისპირო ტენდენცია დაფიქსირდა SL Nb2CTx-ისა და Nb4C3TX MXene-სთვის. მიკროწყალმცენარეების ზრდის ინჰიბირება დროთა განმავლობაში შემცირდა. 24 საათის შემდეგ მან დაახლოებით 17%-ს მიაღწია და 72 საათის შემდეგ 5%-ზე ნაკლებამდე დაეცა (შესაბამისად, სურ. 3ა, ბ).
უფრო მნიშვნელოვანია, რომ SL Nb4C3TX-ის შემთხვევაში, მიკროწყალმცენარეების ზრდის ინჰიბირებამ 24 საათის შემდეგ დაახლოებით 27%-ს მიაღწია, მაგრამ 72 საათის შემდეგ ის დაახლოებით 1%-მდე შემცირდა. ამიტომ, დაკვირვებულ ეფექტს სტიმულაციის შებრუნებული ინჰიბირება ვუწოდეთ და ეფექტი უფრო ძლიერი იყო SL Nb4C3TX MXene-ის შემთხვევაში. მიკროწყალმცენარეების ზრდის სტიმულირება უფრო ადრე აღინიშნა Nb4C3TX-ით (ურთიერთქმედება 10 მგ L-1-ზე 24 საათის განმავლობაში) SL Nb2CTx MXene-თან შედარებით. ინჰიბირება-სტიმულაციური შებრუნებული ეფექტი ასევე კარგად იყო ნაჩვენები ბიომასის გაორმაგების სიჩქარის მრუდში (დეტალებისთვის იხილეთ სურ. S4). ჯერჯერობით, სხვადასხვა გზით მხოლოდ Ti3C2TX MXene-ის ეკოტოქსიკურობაა შესწავლილი. ის არ არის ტოქსიკური ზებრა თევზის ემბრიონებისთვის44, მაგრამ ზომიერად ეკოტოქსიკურია მიკროწყალმცენარეების Desmodesmus quadricauda და Sorghum saccharatum მცენარეების45 მიმართ. სპეციფიკური ეფექტების სხვა მაგალითებია სიმსივნური უჯრედული ხაზების მიმართ უფრო მაღალი ტოქსიკურობა, ვიდრე ნორმალური უჯრედული ხაზების მიმართ46,47. შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ ტესტის პირობები გავლენას მოახდენდა მიკროწყალმცენარეების ზრდის ცვლილებებზე, რომლებიც დაფიქსირებულია Nb-MXenes-ის თანაარსებობისას. მაგალითად, ქლოროპლასტის სტრომაში დაახლოებით 8 pH ოპტიმალურია RuBisCO ფერმენტის ეფექტური ფუნქციონირებისთვის. ამიტომ, pH-ის ცვლილებები უარყოფითად მოქმედებს ფოტოსინთეზის სიჩქარეზე48,49. თუმცა, ექსპერიმენტის დროს pH-ის მნიშვნელოვანი ცვლილებები არ დაგვიფიქსირებია (დეტალებისთვის იხილეთ SI, სურ. S5). ზოგადად, Nb-MXenes-ის შემცველი მიკროწყალმცენარეების კულტურებმა დროთა განმავლობაში ოდნავ შეამცირა ხსნარის pH. თუმცა, ეს შემცირება სუფთა გარემოს pH-ის ცვლილების მსგავსი იყო. გარდა ამისა, ნაპოვნი ვარიაციების დიაპაზონი მსგავსი იყო მიკროწყალმცენარეების სუფთა კულტურისთვის (საკონტროლო ნიმუში) გაზომილი ვარიაციებისა. ამრიგად, დავასკვნით, რომ ფოტოსინთეზზე დროთა განმავლობაში pH-ის ცვლილებები გავლენას არ ახდენს.
გარდა ამისა, სინთეზირებულ MXenes-ს აქვს ზედაპირული დაბოლოებები (აღნიშნულია როგორც Tx). ესენი ძირითადად ფუნქციური ჯგუფებია -O, -F და -OH. თუმცა, ზედაპირის ქიმია პირდაპირ კავშირშია სინთეზის მეთოდთან. ცნობილია, რომ ეს ჯგუფები შემთხვევით არის განაწილებული ზედაპირზე, რაც ართულებს მათი გავლენის პროგნოზირებას MXene50-ის თვისებებზე. შეიძლება ითქვას, რომ Tx შეიძლება იყოს კატალიზური ძალა ნიობიუმის სინათლით დაჟანგვისთვის. ზედაპირული ფუნქციური ჯგუფები მართლაც უზრუნველყოფენ მრავალჯერად დამაგრების ადგილს მათი ძირითადი ფოტოკატალიზატორებისთვის, რათა შექმნან ჰეტეროკავშირები51. თუმცა, ზრდის გარემოს შემადგენლობა არ უზრუნველყოფდა ეფექტურ ფოტოკატალიზატორს (საშუალების დეტალური შემადგენლობა შეგიძლიათ იხილოთ SI ცხრილში S6). გარდა ამისა, ნებისმიერი ზედაპირის მოდიფიკაცია ასევე ძალიან მნიშვნელოვანია, რადგან MXenes-ის ბიოლოგიური აქტივობა შეიძლება შეიცვალოს ფენის შემდგომი დამუშავების, დაჟანგვის, ორგანული და არაორგანული ნაერთების ქიმიური ზედაპირის მოდიფიკაციის52,53,54,55,56 ან ზედაპირული მუხტის ინჟინერიის38 გამო. ამიტომ, იმის შესამოწმებლად, აქვს თუ არა ნიობიუმის ოქსიდს რაიმე კავშირი გარემოში მასალის არასტაბილურობასთან, ჩვენ ჩავატარეთ მიკროწყალმცენარეების ზრდის გარემოსა და დეიონიზებულ წყალში ზეტა (ζ) პოტენციალის კვლევები (შედარებისთვის). ჩვენი შედეგები აჩვენებს, რომ SL Nb-MXenes საკმაოდ სტაბილურია (MAX და ML შედეგებისთვის იხილეთ SI სურ. S6). SL MXenes-ის ზეტა პოტენციალი დაახლოებით -10 mV-ია. SR Nb2CTx-ის შემთხვევაში, ζ-ს მნიშვნელობა გარკვეულწილად უფრო უარყოფითია, ვიდრე Nb4C3Tx-ის. ζ მნიშვნელობის ასეთი ცვლილება შეიძლება მიუთითებდეს, რომ უარყოფითად დამუხტული MXene-ის ნანოფანტელების ზედაპირი შთანთქავს დადებითად დამუხტულ იონებს კულტურული გარემოდან. კულტურულ გარემოში Nb-MXenes-ის ზეტა პოტენციალისა და გამტარობის დროითი გაზომვები (დამატებითი ინფორმაციისთვის იხილეთ SI-ში სურათებზე S7 და S8), როგორც ჩანს, ადასტურებს ჩვენს ჰიპოთეზას.
თუმცა, ორივე Nb-MXene SL-მა ნულიდან მინიმალური ცვლილებები აჩვენა. ეს ნათლად აჩვენებს მათ სტაბილურობას მიკროწყალმცენარეების ზრდის გარემოში. გარდა ამისა, ჩვენ შევაფასეთ, იმოქმედებდა თუ არა ჩვენი მწვანე მიკროწყალმცენარეების არსებობა გარემოში Nb-MXenes-ების სტაბილურობაზე. MXenes-ების ზეტა პოტენციალისა და გამტარობის შედეგები საკვებ გარემოსა და კულტურაში მიკროწყალმცენარეებთან ურთიერთქმედების შემდეგ დროთა განმავლობაში შეგიძლიათ იხილოთ SI-ში (სურათები S9 და S10). საინტერესოა, რომ ჩვენ შევამჩნიეთ, რომ მიკროწყალმცენარეების არსებობამ, როგორც ჩანს, ორივე MXene-ის დისპერსია სტაბილიზაციას ახდენდა. Nb2CTx SL-ის შემთხვევაში, ზეტა პოტენციალი დროთა განმავლობაში ოდნავ შემცირდა უფრო უარყოფით მნიშვნელობებამდე (-15.8 -19.1 mV-ის წინააღმდეგ 72 საათიანი ინკუბაციის შემდეგ). SL Nb4C3TX-ის ზეტა პოტენციალი ოდნავ გაიზარდა, მაგრამ 72 საათის შემდეგ მან მაინც აჩვენა უფრო მაღალი სტაბილურობა, ვიდრე ნანოფანტელები მიკროწყალმცენარეების არსებობის გარეშე (-18.1 -9.1 mV-ის წინააღმდეგ).
ასევე აღმოვაჩინეთ მიკროწყალმცენარეების თანაარსებობისას ინკუბირებული Nb-MXene ხსნარების უფრო დაბალი გამტარობა, რაც მიუთითებს საკვებ გარემოში იონების უფრო დაბალ რაოდენობაზე. აღსანიშნავია, რომ MXenes-ის არასტაბილურობა წყალში ძირითადად განპირობებულია ზედაპირული დაჟანგვით57. ამიტომ, ჩვენ ვვარაუდობთ, რომ მწვანე მიკროწყალმცენარეებმა რატომღაც გაასუფთავეს Nb-MXene-ის ზედაპირზე წარმოქმნილი ოქსიდები და თავიდან აიცილეს მათი წარმოქმნა (MXene-ის დაჟანგვა). ეს შეიძლება დავინახოთ მიკროწყალმცენარეების მიერ შთანთქმული ნივთიერებების ტიპების შესწავლით.
მიუხედავად იმისა, რომ ჩვენი ეკოტოქსიკოლოგიური კვლევები მიუთითებდა, რომ მიკროწყალმცენარეებს დროთა განმავლობაში შეეძლოთ Nb-MXenes-ის ტოქსიკურობის დაძლევა და სტიმულირებული ზრდის უჩვეულო ინჰიბირება, ჩვენი კვლევის მიზანი იყო მოქმედების შესაძლო მექანიზმების შესწავლა. როდესაც ორგანიზმები, როგორიცაა წყალმცენარეები, ექვემდებარებიან მათი ეკოსისტემებისთვის უცხო ნაერთებს ან მასალებს, მათ შეიძლება სხვადასხვაგვარად რეაგირებდნენ58,59. ტოქსიკური ლითონის ოქსიდების არარსებობის შემთხვევაში, მიკროწყალმცენარეებს შეუძლიათ საკუთარი თავის კვება, რაც მათ საშუალებას აძლევს განუწყვეტლივ იზრდებიან60. ტოქსიკური ნივთიერებების მიღების შემდეგ, შეიძლება გააქტიურდეს თავდაცვის მექანიზმები, როგორიცაა ფორმის ან ფორმის შეცვლა. ასევე გასათვალისწინებელია შეწოვის შესაძლებლობა58,59. აღსანიშნავია, რომ თავდაცვის მექანიზმის ნებისმიერი ნიშანი სატესტო ნაერთის ტოქსიკურობის მკაფიო მაჩვენებელია. ამიტომ, ჩვენს შემდგომ ნაშრომში, ჩვენ გამოვიკვლიეთ SL Nb-MXene ნანოფანტელებსა და მიკროწყალმცენარეებს შორის პოტენციური ზედაპირული ურთიერთქმედება SEM-ის მეშვეობით და Nb-ზე დაფუძნებული MXene-ის შესაძლო შეწოვა რენტგენის ფლუორესცენტული სპექტროსკოპიის (XRF) მეშვეობით. გაითვალისწინეთ, რომ SEM და XRF ანალიზები ჩატარდა მხოლოდ MXene-ის ყველაზე მაღალი კონცენტრაციით, აქტივობის ტოქსიკურობის საკითხების მოსაგვარებლად.
SEM-ის შედეგები ნაჩვენებია ნახ. 4-ში. დაუმუშავებელი მიკროწყალმცენარეების უჯრედები (იხ. ნახ. 4ა, საცნობარო ნიმუში) აშკარად ავლენდნენ R. subcapitata-ს ტიპურ მორფოლოგიას და კრუასანის მსგავს უჯრედულ ფორმას. უჯრედები გაბრტყელებული და გარკვეულწილად არაორგანიზებული ჩანს. ზოგიერთი მიკროწყალმცენარე უჯრედი ერთმანეთში იყო გადაფარებული და ჩახლართული, მაგრამ ეს, სავარაუდოდ, ნიმუშის მომზადების პროცესით იყო გამოწვეული. ზოგადად, სუფთა მიკროწყალმცენარეების უჯრედებს გლუვი ზედაპირი ჰქონდათ და არ ავლენდნენ რაიმე მორფოლოგიურ ცვლილებებს.
SEM გამოსახულებები, რომლებიც აჩვენებენ მწვანე მიკროწყალმცენარეებსა და MXene-ის ნანოფურცლებს შორის ზედაპირულ ურთიერთქმედებას ექსტრემალური კონცენტრაციით (100 მგ L-1) 72-საათიანი ურთიერთქმედების შემდეგ. (ა) დაუმუშავებელი მწვანე მიკროწყალმცენარეები SL-თან ურთიერთქმედების შემდეგ (ბ) Nb2CTx და (გ) Nb4C3TX MXenes. გაითვალისწინეთ, რომ Nb-MXene-ის ნანოფანტელები წითელი ისრებით არის მონიშნული. შედარებისთვის, ასევე დამატებულია ოპტიკური მიკროსკოპიდან გადაღებული ფოტოები.
ამის საპირისპიროდ, SL Nb-MXene ნანოფანტელების მიერ ადსორბირებული მიკროწყალმცენარეების უჯრედები დაზიანდა (იხ. სურ. 4b, c, წითელი ისრები). Nb2CTx MXene-ს შემთხვევაში (სურ. 4b), მიკროწყალმცენარეები მიდრეკილნი არიან იზრდებიან მიმაგრებულ ორგანზომილებიან ნანომასშტაბებთან ერთად, რამაც შეიძლება შეცვალოს მათი მორფოლოგია. აღსანიშნავია, რომ ჩვენ ასევე დავაკვირდით ამ ცვლილებებს სინათლის მიკროსკოპიით (დეტალებისთვის იხილეთ SI სურათი S11). ამ მორფოლოგიურ გადასვლას დამაჯერებელი საფუძველი აქვს მიკროწყალმცენარეების ფიზიოლოგიასა და მათ თავდაცვის უნარში უჯრედის მორფოლოგიის შეცვლით, როგორიცაა უჯრედის მოცულობის გაზრდა61. ამიტომ, მნიშვნელოვანია შემოწმდეს მიკროწყალმცენარეების უჯრედების რაოდენობა, რომლებიც რეალურად კონტაქტში არიან Nb-MXenes-თან. SEM კვლევებმა აჩვენა, რომ მიკროწყალმცენარეების უჯრედების დაახლოებით 52% ექვემდებარებოდა Nb-MXenes-ს, ხოლო ამ მიკროწყალმცენარეების უჯრედების 48%-მა თავი აარიდა კონტაქტს. SL Nb4C3Tx MXene-ის შემთხვევაში, მიკროწყალმცენარეები ცდილობენ თავი აარიდონ MXene-თან კონტაქტს, რითაც ლოკალიზდებიან და იზრდებიან ორგანზომილებიანი ნანომასშტაბებიდან (სურ. 4გ). თუმცა, ჩვენ არ დავაკვირდით ნანომასშტაბების შეღწევას მიკროწყალმცენარეების უჯრედებში და მათ დაზიანებას.
თვითშენარჩუნება ასევე არის დროზე დამოკიდებული საპასუხო ქცევა ფოტოსინთეზის ბლოკირებაზე, რაც გამოწვეულია ნაწილაკების ადსორბციით უჯრედის ზედაპირზე და ე.წ. დაჩრდილვის (დაჩრდილვის) ეფექტით62. ცხადია, რომ მიკროწყალმცენარეებსა და სინათლის წყაროს შორის არსებული თითოეული ობიექტი (მაგალითად, Nb-MXene ნანოფანტელები) ზღუდავს ქლოროპლასტების მიერ შთანთქმული სინათლის რაოდენობას. თუმცა, ეჭვი არ გვეპარება, რომ ამას მნიშვნელოვანი გავლენა აქვს მიღებულ შედეგებზე. როგორც ჩვენი მიკროსკოპული დაკვირვებებით ჩანს, 2D ნანოფანტელები სრულად არ იყო შეფუთული ან მიმაგრებული მიკროწყალმცენარეების ზედაპირზე, მაშინაც კი, როდესაც მიკროწყალმცენარეების უჯრედები კონტაქტში იყო Nb-MXenes-თან. ამის ნაცვლად, აღმოჩნდა, რომ ნანოფანტელები ორიენტირებული იყო მიკროწყალმცენარეების უჯრედებზე მათი ზედაპირის დაფარვის გარეშე. ნანოფანტელების/მიკროწყალმცენარეების ასეთი ნაკრები მნიშვნელოვნად ვერ ზღუდავს მიკროწყალმცენარეების უჯრედების მიერ შთანთქმული სინათლის რაოდენობას. უფრო მეტიც, ზოგიერთმა კვლევამ აჩვენა ფოტოსინთეზური ორგანიზმების მიერ სინათლის შთანთქმის გაუმჯობესება ორგანზომილებიანი ნანომასალების თანაარსებობისას63,64,65,66.
ვინაიდან მიკროწყალმცენარეების უჯრედების მიერ ნიობიუმის შთანთქმის პირდაპირ დადასტურება SEM სურათებმა ვერ შეძლო, ამ საკითხის გასარკვევად ჩვენი შემდგომი კვლევა რენტგენის ფლუორესცენციის (XRF) და რენტგენის ფოტოელექტრონული სპექტროსკოპიის (XPS) ანალიზს გადაედო. ამიტომ, ჩვენ შევადარეთ MXenes-თან არ ურთიერთქმედებული საცნობარო მიკროწყალმცენარეების ნიმუშების Nb პიკების ინტენსივობა, მიკროწყალმცენარეების უჯრედების ზედაპირიდან მოწყვეტილი MXene-ის ნანოფანტელები და მიმაგრებული MXenes-ების მოცილების შემდეგ მიკროწყალმცენარეების უჯრედები. აღსანიშნავია, რომ თუ Nb შთანთქმა არ ხდება, მიმაგრებული ნანომასშტაბების მოცილების შემდეგ მიკროწყალმცენარეების უჯრედების მიერ მიღებული Nb მნიშვნელობა ნულის ტოლი უნდა იყოს. ამიტომ, თუ Nb შთანთქმა ხდება, როგორც XRF, ასევე XPS შედეგებმა უნდა აჩვენოს Nb-ის მკაფიო პიკი.
XRF სპექტრების შემთხვევაში, მიკროწყალმცენარეების ნიმუშებმა SL Nb2CTx-ისა და Nb4C3Tx MXene-სთვის Nb პიკები აჩვენეს SL Nb2CTx-თან და Nb4C3Tx MXene-თან ურთიერთქმედების შემდეგ (იხ. სურ. 5ა, ასევე გაითვალისწინეთ, რომ MAX და ML MXenes-ის შედეგები ნაჩვენებია SI-ში, სურათ S12–C17). საინტერესოა, რომ Nb პიკის ინტენსივობა ორივე შემთხვევაში ერთნაირია (წითელი ზოლები სურათ 5ა-ზე). ეს მიუთითებს, რომ წყალმცენარეებს არ შეეძლოთ მეტი Nb-ის შთანთქმა და უჯრედებში Nb-ის დაგროვების მაქსიმალური უნარი მიღწეული იქნა, თუმცა მიკროწყალმცენარეების უჯრედებს ორჯერ მეტი Nb4C3Tx MXene ჰქონდათ მიმაგრებული (ლურჯი ზოლები სურათ 5ა-ზე). აღსანიშნავია, რომ მიკროწყალმცენარეების ლითონების შთანთქმის უნარი დამოკიდებულია გარემოში ლითონის ოქსიდების კონცენტრაციაზე67,68. შამშადამ და სხვებმა67 აღმოაჩინეს, რომ მტკნარი წყლის წყალმცენარეების შთანთქმის უნარი pH-ის მატებასთან ერთად მცირდება. რაიზემ და სხვებმა68 აღნიშნეს, რომ ზღვის წყალმცენარეების ლითონების შთანთქმის უნარი Pb2+-ისთვის დაახლოებით 25%-ით მაღალი იყო, ვიდრე Ni2+-ისთვის.
(ა) SL Nb-MXenes-ის უკიდურესი კონცენტრაციით (100 მგ L-1) 72 საათის განმავლობაში ინკუბირებული მწვანე მიკროწყალმცენარეების მიერ Nb-ის ბაზალური შთანთქმის XRF შედეგები. შედეგები აჩვენებს α-ს არსებობას სუფთა მიკროწყალმცენარეების უჯრედებში (საკონტროლო ნიმუში, ნაცრისფერი სვეტები), ზედაპირული მიკროწყალმცენარეების უჯრედებიდან იზოლირებულ 2D ნანოფანტელებში (ლურჯი სვეტები) და მიკროწყალმცენარეების უჯრედებში 2D ნანოფანტელებში ზედაპირიდან გამოყოფის შემდეგ (წითელი სვეტები). ელემენტარული Nb-ს რაოდენობა, (ბ) მიკროწყალმცენარეების ორგანული კომპონენტების (C=O და CHx/C–O) ქიმიური შემადგენლობის პროცენტული მაჩვენებელი და Nb ოქსიდები, რომლებიც მიკროწყალმცენარეების უჯრედებში SL Nb-MXenes-ით ინკუბაციის შემდეგ არსებობს, (გ–ე) XPS SL Nb2CTx სპექტრების შემადგენლობითი პიკის მორგება და (ვჰ) მიკროწყალმცენარეების უჯრედების მიერ ინტერნალიზებული SL Nb4C3Tx MXene.
ამიტომ, ჩვენ ველოდით, რომ Nb შეიწოვებოდა წყალმცენარეების უჯრედების მიერ ოქსიდების სახით. ამის შესამოწმებლად, ჩვენ ჩავატარეთ XPS კვლევები MXenes Nb2CTx და Nb4C3TX და წყალმცენარეების უჯრედებზე. მიკროწყალმცენარეების ურთიერთქმედების შედეგები Nb-MXenes-თან და წყალმცენარეების უჯრედებიდან იზოლირებულ MXenes-თან ნაჩვენებია ნახ. 5b-ში. როგორც მოსალოდნელი იყო, მიკროწყალმცენარეების ნიმუშებში აღმოვაჩინეთ Nb 3d პიკები მიკროწყალმცენარეების ზედაპირიდან MXene-ს ამოღების შემდეგ. C=O, CHx/CO და Nb ოქსიდების რაოდენობრივი განსაზღვრა გამოითვალა ინკუბირებული მიკროწყალმცენარეებიდან მიღებული Nb 3d, O 1s და C 1s სპექტრების საფუძველზე. ) MXenes-ის სურათი 5f–h). ცხრილი S1-3 აჩვენებს პიკური პარამეტრების დეტალებს და შეთავსების შედეგად მიღებულ საერთო ქიმიურ შემადგენლობას. აღსანიშნავია, რომ Nb2CTx SL-ის და Nb4C3Tx SL-ის Nb 3d რეგიონები (სურ. 5c, f) შეესაბამება ერთ Nb2O5 კომპონენტს. აქ, სპექტრებში ვერ აღმოვაჩინეთ MXene-თან დაკავშირებული პიკები, რაც მიუთითებს, რომ მიკროწყალმცენარეების უჯრედები მხოლოდ Nb-ის ოქსიდის ფორმას შთანთქავენ. გარდა ამისა, C 1 s სპექტრი დაახლოებით შევადგინეთ C–C, CHx/C–O, C=O და –COOH კომპონენტებთან. CHx/C–O და C=O პიკები მიკროწყალმცენარეების უჯრედების ორგანულ წვლილს მივაკუთვნეთ. ეს ორგანული კომპონენტები შესაბამისად Nb2CTx SL-სა და Nb4C3TX SL-ში C 1s პიკების 36%-ს და 41%-ს შეადგენს. შემდეგ SL Nb2CTx-ისა და SL Nb4C3TX-ის O 1s სპექტრები Nb2O5-ით, მიკროწყალმცენარეების ორგანული კომპონენტებით (CHx/CO) და ზედაპირულად ადსორბირებული წყლით მოვარგეთ.
და ბოლოს, XPS შედეგები ნათლად მიუთითებდა Nb-ს ფორმაზე და არა მხოლოდ მის არსებობაზე. Nb 3d სიგნალის პოზიციისა და დეკონვოლუციის შედეგების მიხედვით, ჩვენ ვადასტურებთ, რომ Nb შეიწოვება მხოლოდ ოქსიდების სახით და არა იონების ან თავად MXene-ის სახით. გარდა ამისა, XPS შედეგებმა აჩვენა, რომ მიკროწყალმცენარეების უჯრედებს უფრო მეტი უნარი აქვთ, შეიწოვონ Nb ოქსიდები SL Nb2CTx-დან SL Nb4C3TX MXene-თან შედარებით.
მიუხედავად იმისა, რომ ჩვენი Nb შთანთქმის შედეგები შთამბეჭდავია და საშუალებას გვაძლევს, დავადგინოთ MXene-ის დეგრადაცია, არ არსებობს მეთოდი, რომელიც 2D ნანოფანტელებში ასოცირებულ მორფოლოგიურ ცვლილებებს თვალყურს ადევნებდა. ამიტომ, ჩვენ ასევე გადავწყვიტეთ შეგვექმნა შესაფერისი მეთოდი, რომელსაც შეუძლია პირდაპირ რეაგირება მოახდინოს 2D Nb-MXene-ის ნანოფანტელებსა და მიკროწყალმცენარეების უჯრედებში მომხდარ ნებისმიერ ცვლილებაზე. მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ ჩვენ ვვარაუდობთ, რომ თუ ურთიერთქმედების მქონე სახეობები განიცდიან რაიმე ტრანსფორმაციას, დაშლას ან დეფრაგმენტაციას, ეს სწრაფად უნდა გამოვლინდეს ფორმის პარამეტრების ცვლილებებით, როგორიცაა ეკვივალენტური წრიული ფართობის დიამეტრი, სიმრგვალე, ფერეტის სიგანე ან ფერეტის სიგრძე. რადგან ეს პარამეტრები შესაფერისია წაგრძელებული ნაწილაკების ან ორგანზომილებიანი ნანოფანტების აღსაწერად, მათი დინამიური ნაწილაკების ფორმის ანალიზით თვალყურის დევნება მოგვცემს ღირებულ ინფორმაციას SL Nb-MXene-ის ნანოფანტელების მორფოლოგიური ტრანსფორმაციის შესახებ შემცირების დროს.
მიღებული შედეგები ნაჩვენებია ნახაზ 6-ში. შედარებისთვის, ჩვენ ასევე გამოვცადეთ ორიგინალური MAX ფაზა და ML-MXenes (იხ. SI სურათები S18 და S19). ნაწილაკების ფორმის დინამიურმა ანალიზმა აჩვენა, რომ ორი Nb-MXene SL-ის ყველა ფორმის პარამეტრი მნიშვნელოვნად შეიცვალა მიკროწყალმცენარეებთან ურთიერთქმედების შემდეგ. როგორც ნაჩვენებია ეკვივალენტური წრიული ფართობის დიამეტრის პარამეტრით (სურ. 6ა, ბ), დიდი ნანოფანტელების ფრაქციის შემცირებული პიკური ინტენსივობა მიუთითებს, რომ ისინი მიდრეკილნი არიან დაშლის უფრო მცირე ფრაგმენტებად. ნახ. 6გ, დ-ზე ნაჩვენებია ფანტელების განივი ზომასთან დაკავშირებული პიკების შემცირება (ნანოფანტელების წაგრძელება), რაც მიუთითებს 2D ნანოფანტელების უფრო ნაწილაკების მსგავს ფორმაში ტრანსფორმაციაზე. ნახაზი 6ე-ჰ გვიჩვენებს ფერეტის სიგანეს და სიგრძეს, შესაბამისად. ფერეტის სიგანე და სიგრძე დამატებითი პარამეტრებია და შესაბამისად, ერთად უნდა იქნას განხილული. მიკროწყალმცენარეების თანაარსებობისას 2D Nb-MXene ნანოფანტელების ინკუბაციის შემდეგ, მათი ფერეტის კორელაციის პიკები გადაიწია და მათი ინტენსივობა შემცირდა. ამ შედეგებსა და მორფოლოგიასთან, XRF-თან და XPS-თან კომბინაციის საფუძველზე, ჩვენ დავასკვენით, რომ დაკვირვებული ცვლილებები მჭიდრო კავშირშია დაჟანგვასთან, რადგან დაჟანგული MXenes უფრო დანაოჭდება და იშლება ფრაგმენტებად და სფერულ ოქსიდის ნაწილაკებად69,70.
მწვანე მიკროწყალმცენარეებთან ურთიერთქმედების შემდეგ MXene-ის ტრანსფორმაციის ანალიზი. დინამიური ნაწილაკების ფორმის ანალიზი ითვალისწინებს ისეთ პარამეტრებს, როგორიცაა (ა, ბ) ეკვივალენტური წრიული ფართობის დიამეტრი, (გ, დ) სიმრგვალე, (ე, ვ) ფერეტის სიგანე და (გ, თ) ფერეტის სიგრძე. ამ მიზნით, გაანალიზდა ორი საცნობარო მიკროწყალმცენარეების ნიმუში პირველად SL Nb2CTx და SL Nb4C3Tx MXenes-თან, SL Nb2CTx და SL Nb4C3Tx MXenes-თან, დეგრადირებულ მიკროწყალმცენარეებთან და დამუშავებულ მიკროწყალმცენარეებთან SL Nb2CTx და SL Nb4C3Tx MXenes-თან ერთად. წითელი ისრები აჩვენებს შესწავლილი ორგანზომილებიანი ნანოფანტელების ფორმის პარამეტრების გადასვლებს.
ვინაიდან ფორმის პარამეტრების ანალიზი ძალიან საიმედოა, მას ასევე შეუძლია გამოავლინოს მიკროწყალმცენარეების უჯრედებში მორფოლოგიური ცვლილებები. ამიტომ, ჩვენ გავაანალიზეთ სუფთა მიკროწყალმცენარეების უჯრედების და უჯრედების ეკვივალენტური წრიული ფართობის დიამეტრი, სიმრგვალე და ფერეტის სიგანე/სიგრძე 2D Nb ნანოფანტელებთან ურთიერთქმედების შემდეგ. ნახ. 6a–h-ზე ნაჩვენებია წყალმცენარეების უჯრედების ფორმის პარამეტრების ცვლილებები, რაც დასტურდება პიკური ინტენსივობის შემცირებით და მაქსიმუმის უფრო მაღალი მნიშვნელობებისკენ გადახრით. კერძოდ, უჯრედების სიმრგვალის პარამეტრებმა აჩვენა წაგრძელებული უჯრედების შემცირება და სფერული უჯრედების ზრდა (ნახ. 6a, b). გარდა ამისა, ფერეტის უჯრედების სიგანე გაიზარდა რამდენიმე მიკრომეტრით SL Nb2CTx MXene-თან ურთიერთქმედების შემდეგ (ნახ. 6e) SL Nb4C3TX MXene-თან შედარებით (ნახ. 6f). ჩვენ ვვარაუდობთ, რომ ეს შეიძლება გამოწვეული იყოს მიკროწყალმცენარეების მიერ Nb ოქსიდების ძლიერი შთანთქმით Nb2CTx SR-თან ურთიერთქმედების დროს. Nb ფანტელების მათ ზედაპირზე ნაკლებად ხისტი მიმაგრება შეიძლება გამოიწვიოს უჯრედების ზრდა მინიმალური დაჩრდილვის ეფექტით.
მიკროწყალმცენარეების ფორმისა და ზომის პარამეტრების ცვლილებების ჩვენი დაკვირვებები ავსებს სხვა კვლევებს. მწვანე მიკროწყალმცენარეებს შეუძლიათ შეცვალონ თავიანთი მორფოლოგია გარემო სტრესის საპასუხოდ უჯრედის ზომის, ფორმის ან მეტაბოლიზმის შეცვლით61. მაგალითად, უჯრედების ზომის შეცვლა ხელს უწყობს საკვები ნივთიერებების შეწოვას71. პატარა წყალმცენარეების უჯრედები ავლენენ საკვები ნივთიერებების შეწოვის დაბალ დონეს და ზრდის ტემპის დარღვევას. პირიქით, უფრო დიდი უჯრედები უფრო მეტ საკვებ ნივთიერებას მოიხმარენ, რომლებიც შემდეგ უჯრედშიდად დეპონირდება72,73. მაჩადომ და სოარესმა აღმოაჩინეს, რომ ფუნგიციდი ტრიკლოზანს შეუძლია გაზარდოს უჯრედის ზომა. მათ ასევე აღმოაჩინეს წყალმცენარეების ფორმის ღრმა ცვლილებები74. გარდა ამისა, იინმა და სხვებმა9 ასევე აღმოაჩინეს მორფოლოგიური ცვლილებები წყალმცენარეებში აღდგენილი გრაფენის ოქსიდის ნანოკომპოზიტების ზემოქმედების შემდეგ. ამიტომ, ცხადია, რომ მიკროწყალმცენარეების ზომის/ფორმის შეცვლილი პარამეტრები გამოწვეულია MXene-ის არსებობით. რადგან ზომისა და ფორმის ეს ცვლილება მიუთითებს საკვები ნივთიერებების შეწოვის ცვლილებებზე, ჩვენ გვჯერა, რომ ზომისა და ფორმის პარამეტრების დროთა განმავლობაში ანალიზმა შეიძლება აჩვენოს ნიობიუმის ოქსიდის შეწოვა მიკროწყალმცენარეების მიერ Nb-MXenes-ის თანაობისას.
გარდა ამისა, MXenes-ის დაჟანგვა შესაძლებელია წყალმცენარეების თანაარსებობისას. დალაიმ და სხვებმა75 დააკვირდნენ, რომ ნანო-TiO2-ისა და Al2O376-ის ზემოქმედების ქვეშ მყოფი მწვანე წყალმცენარეების მორფოლოგია ერთგვაროვანი არ იყო. მიუხედავად იმისა, რომ ჩვენი დაკვირვებები ამ კვლევის მსგავსია, ის მხოლოდ MXene-ის დაშლის პროდუქტების თვალსაზრისით ბიორემედიაციის ეფექტების შესწავლისთვისაა რელევანტური 2D ნანოფანტელების და არა ნანონაწილაკების თანაარსებობისას. ვინაიდან MXenes-ს შეუძლია ლითონის ოქსიდებად დაშლა,31,32,77,78, გონივრულია ვივარაუდოთ, რომ ჩვენს Nb ნანოფანტელებს ასევე შეუძლიათ Nb ოქსიდების წარმოქმნა მიკროწყალმცენარეების უჯრედებთან ურთიერთქმედების შემდეგ.
2D-Nb ნანოფანტელების შემცირების ახსნის მიზნით, დაჟანგვის პროცესზე დაფუძნებული დაშლის მექანიზმით, ჩვენ ჩავატარეთ კვლევები მაღალი გარჩევადობის გამტარი ელექტრონული მიკროსკოპიის (HRTEM) (სურ. 7ა,ბ) და რენტგენის ფოტოელექტრონული სპექტროსკოპიის (XPS) (სურ. 7). 7c-i და ცხრილები S4-5). ორივე მიდგომა შესაფერისია 2D მასალების დაჟანგვის შესასწავლად და ავსებს ერთმანეთს. HRTEM-ს შეუძლია გააანალიზოს ორგანზომილებიანი ფენოვანი სტრუქტურების დეგრადაცია და ლითონის ოქსიდის ნანონაწილაკების შემდგომი წარმოქმნა, ხოლო XPS მგრძნობიარეა ზედაპირული ბმების მიმართ. ამ მიზნით, ჩვენ გამოვცადეთ მიკროწყალმცენარეების უჯრედების დისპერსიებიდან ამოღებული 2D Nb-MXene ნანოფანტელები, ანუ მათი ფორმა მიკროწყალმცენარეების უჯრედებთან ურთიერთქმედების შემდეგ (იხ. სურ. 7).
HRTEM გამოსახულებები, რომლებიც აჩვენებს დაჟანგული (ა) SL Nb2CTx-ის და (ბ) SL Nb4C3Tx MXენების მორფოლოგიას, XPS ანალიზის შედეგები აჩვენებს (გ) აღდგენის შემდეგ ოქსიდის პროდუქტების შემადგენლობას, (დ–ვ) SL Nb2CTx-ის და (გ–ი) მწვანე მიკროწყალმცენარეებით აღდგენილი Nb4C3Tx SL-ის XPS სპექტრების კომპონენტების პიკურ შესაბამისობას.
HRTEM კვლევებმა დაადასტურა Nb-MXene ნანოფანტელების ორი ტიპის დაჟანგვა. მიუხედავად იმისა, რომ ნანოფანტელებმა გარკვეულწილად შეინარჩუნეს ორგანზომილებიანი მორფოლოგია, დაჟანგვის შედეგად MXene ნანოფანტელების ზედაპირი დაფარული იყო მრავალი ნანონაწილაკით (იხ. სურ. 7ა,ბ). c Nb 3d და O 1s სიგნალების XPS ანალიზმა აჩვენა, რომ ორივე შემთხვევაში Nb ოქსიდები წარმოიქმნა. როგორც ნაჩვენებია სურათ 7გ-ზე, 2D MXene Nb2CTx-სა და Nb4C3TX-ს აქვთ Nb 3d სიგნალები, რომლებიც მიუთითებენ NbO და Nb2O5 ოქსიდების არსებობაზე, ხოლო O 1s სიგნალები მიუთითებს O–Nb ბმების რაოდენობაზე, რომლებიც დაკავშირებულია 2D ნანოფანტელების ზედაპირის ფუნქციონალიზაციასთან. ჩვენ შევნიშნეთ, რომ Nb ოქსიდის წვლილი დომინანტურია Nb-C-სა და Nb3+-O-სთან შედარებით.
ნახ. 7g–i-ზე ნაჩვენებია მიკროწყალმცენარეების უჯრედებიდან იზოლირებული Nb 3d, C 1s და O 1s SL Nb2CTx (იხ. ნახ. 7d–f) და SL Nb4C3TX MXene-ის XPS სპექტრები. Nb-MXenes-ის პიკური პარამეტრების დეტალები მოცემულია შესაბამისად ცხრილებში S4–5. ჩვენ თავდაპირველად გავაანალიზეთ Nb 3d-ის შემადგენლობა. მიკროწყალმცენარეების უჯრედების მიერ შთანთქმული Nb-სგან განსხვავებით, მიკროწყალმცენარეების უჯრედებიდან იზოლირებულ MXene-ში, Nb2O5-ის გარდა, სხვა კომპონენტებიც აღმოვაჩინეთ. Nb2CTx SL-ში ჩვენ დავაკვირდით Nb3+-O-ს წვლილს 15%-ის ოდენობით, ხოლო Nb 3d სპექტრის დანარჩენ ნაწილში დომინირებდა Nb2O5 (85%). გარდა ამისა, SL Nb4C3TX ნიმუში შეიცავს Nb-C (9%) და Nb2O5 (91%) კომპონენტებს. აქ Nb-C მიიღება Nb4C3Tx SR-ში ლითონის კარბიდის ორი შიდა ატომური ფენიდან. შემდეგ C 1s სპექტრები ოთხ სხვადასხვა კომპონენტად შევადარეთ, როგორც ეს ინტერნალიზებულ ნიმუშებში გავაკეთეთ. როგორც მოსალოდნელი იყო, C 1s სპექტრში დომინირებს გრაფიტული ნახშირბადი, რასაც მოჰყვება მიკროწყალმცენარეების უჯრედებიდან ორგანული ნაწილაკების (CHx/CO და C=O) წვლილი. გარდა ამისა, O 1s სპექტრში დავაკვირდით მიკროწყალმცენარეების უჯრედების ორგანული ფორმების, ნიობიუმის ოქსიდის და ადსორბირებული წყლის წვლილს.
გარდა ამისა, ჩვენ გამოვიკვლიეთ, დაკავშირებულია თუ არა Nb-MXenes-ის დაშლა რეაქტიული ჟანგბადის სახეობების (ROS) არსებობასთან საკვებ გარემოში და/ან მიკროწყალმცენარეების უჯრედებში. ამ მიზნით, ჩვენ შევაფასეთ სინგლეტური ჟანგბადის (1O2) დონეები კულტურულ გარემოში და უჯრედშიდა გლუტათიონის, თიოლის, რომელიც მიკროწყალმცენარეებში ანტიოქსიდანტის როლს ასრულებს. შედეგები ნაჩვენებია SI-ში (სურათები S20 და S21). SL Nb2CTx და Nb4C3TX MXenes-ის კულტურები ხასიათდებოდა 1O2-ის შემცირებული რაოდენობით (იხ. სურათი S20). SL Nb2CTx-ის შემთხვევაში, MXene 1O2 შემცირებულია დაახლოებით 83%-მდე. SL-ის გამოყენებით მიკროწყალმცენარეების კულტურებში Nb4C3TX 1O2 კიდევ უფრო შემცირდა, 73%-მდე. საინტერესოა, რომ 1O2-ის ცვლილებებმა აჩვენა იგივე ტენდენცია, რაც ადრე დაფიქსირებულ ინჰიბიტორულ-სტიმულატორულ ეფექტს (იხ. სურათი 3). შეიძლება ითქვას, რომ კაშკაშა შუქზე ინკუბაციამ შეიძლება შეცვალოს ფოტოჟანგვა. თუმცა, საკონტროლო ანალიზის შედეგებმა ექსპერიმენტის დროს 1O2-ის თითქმის მუდმივი დონე აჩვენა (სურ. S22). უჯრედშიდა ROS-ის დონის შემთხვევაშიც იგივე კლების ტენდენცია დავაკვირდით (იხ. სურათი S21). თავდაპირველად, Nb2CTx და Nb4C3Tx SL-ების თანაარსებობით კულტივირებულ მიკროწყალმცენარეების უჯრედებში ROS-ის დონე აღემატებოდა მიკროწყალმცენარეების სუფთა კულტურებში აღმოჩენილ დონეებს. თუმცა, საბოლოოდ აღმოჩნდა, რომ მიკროწყალმცენარეები ადაპტირდნენ ორივე Nb-MXene-ის თანაარსებობასთან, რადგან ROS-ის დონე შემცირდა SL Nb2CTx და Nb4C3TX-ით ინოკულირებული მიკროწყალმცენარეების სუფთა კულტურებში გაზომილი დონის 85%-მდე და 91%-მდე, შესაბამისად. ეს შეიძლება მიუთითებდეს, რომ მიკროწყალმცენარეები დროთა განმავლობაში უფრო კომფორტულად გრძნობენ თავს Nb-MXene-ის თანაარსებობისას, ვიდრე მხოლოდ საკვებ გარემოში.
მიკროწყალმცენარეები ფოტოსინთეზური ორგანიზმების მრავალფეროვანი ჯგუფია. ფოტოსინთეზის დროს ისინი ატმოსფერულ ნახშირორჟანგს (CO2) ორგანულ ნახშირბადად გარდაქმნიან. ფოტოსინთეზის პროდუქტებია გლუკოზა და ჟანგბადი79. ჩვენ ვვარაუდობთ, რომ ამგვარად წარმოქმნილი ჟანგბადი კრიტიკულ როლს ასრულებს Nb-MXenes-ის დაჟანგვაში. ამის ერთ-ერთი შესაძლო ახსნა ის არის, რომ დიფერენციალური აერაციის პარამეტრი წარმოიქმნება ჟანგბადის დაბალი და მაღალი ნაწილობრივი წნევის დროს Nb-MXene ნანოფანტელების გარეთ და შიგნით. ეს ნიშნავს, რომ სადაც არის ჟანგბადის განსხვავებული ნაწილობრივი წნევის არეალი, ყველაზე დაბალი დონის მქონე არეალი შექმნის ანოდს 80, 81, 82. აქ მიკროწყალმცენარეები ხელს უწყობენ MXene-ის ფანტელების ზედაპირზე დიფერენცირებულად აერირებული უჯრედების შექმნას, რომლებიც ფოტოსინთეზური თვისებების გამო წარმოქმნიან ჟანგბადს. შედეგად, წარმოიქმნება ბიოკოროზიის პროდუქტები (ამ შემთხვევაში, ნიობიუმის ოქსიდები). კიდევ ერთი ასპექტი ის არის, რომ მიკროწყალმცენარეებს შეუძლიათ წარმოქმნან ორგანული მჟავები, რომლებიც გამოიყოფა წყალში83,84. შესაბამისად, წარმოიქმნება აგრესიული გარემო, რაც ცვლის Nb-MXenes-ს. გარდა ამისა, მიკროწყალმცენარეებს შეუძლიათ გარემოს pH ტუტედ აქციონ ნახშირორჟანგის შთანთქმის გამო, რამაც ასევე შეიძლება გამოიწვიოს კოროზია79.
უფრო მნიშვნელოვანია, რომ ჩვენს კვლევაში გამოყენებული ბნელი/სინათლის ფოტოპერიოდი კრიტიკულად მნიშვნელოვანია მიღებული შედეგების გასაგებად. ეს ასპექტი დეტალურად არის აღწერილი ჯემაი-ზოგლაშეს და სხვ.85 ნაშრომში. მათ განზრახ გამოიყენეს 12/12-საათიანი ფოტოპერიოდი, რათა ეჩვენებინათ წითელი მიკროწყალმცენარე Porphyridium purpureum-ის მიერ ბიოდაბინძურებასთან დაკავშირებული ბიოკოროზია. ისინი აჩვენებენ, რომ ფოტოპერიოდი დაკავშირებულია ბიოკოროზიის გარეშე პოტენციალის ევოლუციასთან, რაც ვლინდება ფსევდოპერიოდული რხევების სახით 24:00 საათის გარშემო. ეს დაკვირვებები დაადასტურეს დაულინგმა და სხვ.86. მათ აჩვენეს ციანობაქტერია Anabaena-ს ფოტოსინთეზური ბიოფილმები. სინათლის ზემოქმედებით წარმოიქმნება გახსნილი ჟანგბადი, რაც დაკავშირებულია თავისუფალი ბიოკოროზიის პოტენციალის ცვლილებასთან ან რყევებთან. ფოტოპერიოდის მნიშვნელობას ხაზს უსვამს ის ფაქტი, რომ ბიოკოროზიის თავისუფალი პოტენციალი იზრდება სინათლის ფაზაში და მცირდება ბნელ ფაზაში. ეს განპირობებულია ფოტოსინთეზური მიკროწყალმცენარეების მიერ წარმოქმნილი ჟანგბადით, რომელიც გავლენას ახდენს კათოდურ რეაქციაზე ელექტროდების მახლობლად წარმოქმნილი ნაწილობრივი წნევის მეშვეობით87.
გარდა ამისა, ჩატარდა ფურიეს გარდაქმნის ინფრაწითელი სპექტროსკოპია (FTIR) იმის გასარკვევად, მოხდა თუ არა რაიმე ცვლილება მიკროწყალმცენარეების უჯრედების ქიმიურ შემადგენლობაში Nb-MXenes-თან ურთიერთქმედების შემდეგ. მიღებული შედეგები კომპლექსურია და ჩვენ მათ წარმოგიდგენთ SI-ში (სურათები S23-S25, მათ შორის MAX სტადიის და ML MXenes-ის შედეგები). მოკლედ, მიკროწყალმცენარეების მიღებული საცნობარო სპექტრები გვაწვდის მნიშვნელოვან ინფორმაციას ამ ორგანიზმების ქიმიური მახასიათებლების შესახებ. ეს ყველაზე სავარაუდო ვიბრაციები განლაგებულია 1060 სმ-1 (CO), 1540 სმ-1, 1640 სმ-1 (C=C), 1730 სმ-1 (C=O), 2850 სმ-1, 2920 სმ-1. ერთი. 1 1 (C–H) და 3280 სმ-1 (O–H) სიხშირეებზე. SL Nb-MXenes-ისთვის ჩვენ აღმოვაჩინეთ CH-ბმის გაჭიმვის ხელმოწერა, რომელიც შეესაბამება ჩვენს წინა კვლევას38. თუმცა, ჩვენ დავაკვირდით, რომ C=C და CH ბმებთან დაკავშირებული ზოგიერთი დამატებითი პიკი გაქრა. ეს მიუთითებს, რომ მიკროწყალმცენარეების ქიმიური შემადგენლობა შესაძლოა მცირე ცვლილებებს განიცდიდეს SL Nb-MXenes-თან ურთიერთქმედების გამო.
მიკროწყალმცენარეების ბიოქიმიაში შესაძლო ცვლილებების განხილვისას, საჭიროა არაორგანული ოქსიდების, მაგალითად ნიობიუმის ოქსიდის, დაგროვების გადახედვა59. ის მონაწილეობს ლითონების უჯრედის ზედაპირის მიერ შთანთქმაში, მათ ციტოპლაზმაში ტრანსპორტირებაში, უჯრედშიდა კარბოქსილის ჯგუფებთან კავშირში და მიკროწყალმცენარეების პოლიფოსფოსომებში დაგროვებაში20,88,89,90. გარდა ამისა, მიკროწყალმცენარეებსა და ლითონებს შორის ურთიერთობა შენარჩუნებულია უჯრედების ფუნქციური ჯგუფებით. ამ მიზეზით, შეწოვა ასევე დამოკიდებულია მიკროწყალმცენარეების ზედაპირის ქიმიაზე, რომელიც საკმაოდ რთულია9,91. ზოგადად, როგორც მოსალოდნელი იყო, მწვანე მიკროწყალმცენარეების ქიმიური შემადგენლობა ოდნავ შეიცვალა Nb ოქსიდის შეწოვის გამო.
საინტერესოა, რომ მიკროწყალმცენარეების დაფიქსირებული საწყისი ინჰიბირება დროთა განმავლობაში შექცევადი იყო. როგორც დავაკვირდით, მიკროწყალმცენარეებმა გადალახეს საწყისი გარემო ცვლილება და საბოლოოდ დაუბრუნდნენ ნორმალურ ზრდის ტემპს და კიდევ უფრო გაიზარდა. ზეტა პოტენციალის კვლევები აჩვენებს მაღალ სტაბილურობას საკვებ გარემოში შეყვანისას. ამრიგად, მიკროწყალმცენარეების უჯრედებსა და Nb-MXene ნანოფანტლებს შორის ზედაპირული ურთიერთქმედება შენარჩუნდა აღდგენის ექსპერიმენტების განმავლობაში. ჩვენს შემდგომ ანალიზში ჩვენ შევაჯამებთ მიკროწყალმცენარეების ამ შესანიშნავი ქცევის საფუძვლად მყოფი მოქმედების ძირითად მექანიზმებს.
SEM დაკვირვებებმა აჩვენა, რომ მიკროწყალმცენარეები მიდრეკილნი არიან Nb-MXenes-თან მიმაგრებისკენ. დინამიური გამოსახულების ანალიზის გამოყენებით, ჩვენ ვადასტურებთ, რომ ეს ეფექტი იწვევს ორგანზომილებიანი Nb-MXene ნანოფანტელების უფრო სფერულ ნაწილაკებად გარდაქმნას, რითაც ვაჩვენებთ, რომ ნანოფანტელების დაშლა დაკავშირებულია მათ დაჟანგვასთან. ჩვენი ჰიპოთეზის შესამოწმებლად, ჩვენ ჩავატარეთ მასალისა და ბიოქიმიური კვლევების სერია. ტესტირების შემდეგ, ნანოფანტელები თანდათან იჟანგებოდა და იშლებოდა NbO და Nb2O5 პროდუქტებად, რაც საფრთხეს არ წარმოადგენდა მწვანე მიკროწყალმცენარეებისთვის. FTIR დაკვირვების გამოყენებით, ჩვენ ვერ აღმოვაჩინეთ მნიშვნელოვანი ცვლილებები 2D Nb-MXene ნანოფანტელების თანაარსებობით ინკუბირებული მიკროწყალმცენარეების ქიმიურ შემადგენლობაში. მიკროწყალმცენარეების მიერ ნიობიუმის ოქსიდის შეწოვის შესაძლებლობის გათვალისწინებით, ჩვენ ჩავატარეთ რენტგენის ფლუორესცენტული ანალიზი. ეს შედეგები ნათლად აჩვენებს, რომ შესწავლილი მიკროწყალმცენარეები იკვებებიან ნიობიუმის ოქსიდებით (NbO და Nb2O5), რომლებიც არატოქსიკურია შესწავლილი მიკროწყალმცენარეებისთვის.