Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз шектеулі CSS қолдауы бар браузер нұсқасын пайдаланып жатырсыз. Ең жақсы тәжірибе алу үшін жаңартылған браузерді пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін сайтты стильдер мен JavaScriptсіз көрсетеміз.
Бір уақытта үш слайдтан тұратын карусельді көрсетеді. Бір уақытта үш слайд арқылы жылжу үшін «Алдыңғы» және «Келесі» түймелерін пайдаланыңыз немесе бір уақытта үш слайд арқылы жылжу үшін соңындағы сырғытпа түймелерін пайдаланыңыз.
Нанотехнологияның қарқынды дамуы және оның күнделікті қолданыстарға интеграциялануы қоршаған ортаға қауіп төндіруі мүмкін. Органикалық ластаушы заттардың ыдырауының жасыл әдістері жақсы дамығанымен, бейорганикалық кристалды ластаушы заттарды қалпына келтіру олардың биотрансформацияға төмен сезімталдығына және материал бетінің биологиялық ластаушы заттармен өзара әрекеттесуін түсінбеуіне байланысты үлкен алаңдаушылық тудырады. Мұнда біз жасыл микробалдырлар Raphidocelis subcapitata арқылы 2D керамикалық наноматериалдардың биоремедиация механизмін бақылау үшін қарапайым пішін параметрлерін талдау әдісімен біріктірілген Nb негізіндегі бейорганикалық 2D MXen моделін қолданамыз. Біз микробалдырлардың бетке байланысты физика-химиялық өзара әрекеттесулерге байланысты Nb негізіндегі MXenдерді ыдырататынын анықтадық. Бастапқыда микробалдырлардың бетіне бір қабатты және көп қабатты MXen нанобөлшектері бекітілді, бұл балдырлардың өсуін біршама төмендетті. Дегенмен, бетімен ұзақ уақыт әрекеттескен кезде микробалдырлар MXen нанобөлшектерін тотықтырып, оларды NbO және Nb2O5-ке дейін ыдыратты. Бұл оксидтер микробалдыр жасушаларына улы емес болғандықтан, олар 72 сағаттық сумен өңдеуден кейін микробалдырларды одан әрі қалпына келтіретін сіңіру механизмі арқылы азот оксиді нанобөлшектерін тұтынады. Сіңірумен байланысты қоректік заттардың әсері жасуша көлемінің ұлғаюында, олардың тегіс пішінінде және өсу қарқынының өзгеруінде де көрінеді. Осы тұжырымдарға сүйене отырып, біз тұщы су экожүйелерінде азот негізіндегі MXenдердің қысқа және ұзақ мерзімді болуы қоршаған ортаға тек шамалы әсер етуі мүмкін деген қорытындыға келдік. Екі өлшемді наноматериалдарды модельдік жүйелер ретінде пайдалана отырып, біз тіпті ұсақ түйіршікті материалдарда да пішіннің өзгеруін бақылау мүмкіндігін көрсетеміз. Жалпы алғанда, бұл зерттеу 2D наноматериалдардың биоремедиация механизмін басқаратын беттік өзара әрекеттесуге байланысты процестер туралы маңызды іргелі сұраққа жауап береді және бейорганикалық кристалды наноматериалдардың қоршаған ортаға әсерін одан әрі қысқа және ұзақ мерзімді зерттеулерге негіз болады.
Наноматериалдар ашылғаннан бері үлкен қызығушылық тудырды, ал әртүрлі нанотехнологиялар жақында жаңғырту кезеңіне аяқ басты1. Өкінішке орай, наноматериалдарды күнделікті қолдануға интеграциялау дұрыс емес жою, абайсыз пайдалану немесе қауіпсіздік инфрақұрылымының жеткіліксіздігі салдарынан кездейсоқ шығарындыларға әкелуі мүмкін. Сондықтан, екі өлшемді (2D) наноматериалдарды қоса алғанда, наноматериалдар табиғи ортаға шығарылуы мүмкін деп болжауға болады, олардың мінез-құлқы мен биологиялық белсенділігі әлі толық түсінілмеген. Сондықтан, экотоксичность мәселелері 2D наноматериалдардың су жүйелеріне сіңу қабілетіне бағытталғаны таңқаларлық емес2,3,4,5,6. Бұл экожүйелерде кейбір 2D наноматериалдар микробалдырларды қоса алғанда, әртүрлі трофикалық деңгейлердегі әртүрлі организмдермен әрекеттесе алады.
Микробалдырлар - тұщы су және теңіз экожүйелерінде табиғи түрде кездесетін, фотосинтез арқылы әртүрлі химиялық өнімдер шығаратын қарабайыр организмдер7. Осылайша, олар су экожүйелері үшін маңызды8,9,10,11,12, сонымен қатар сезімтал, арзан және кеңінен қолданылатын экотоксичность көрсеткіштері болып табылады13,14. Микробалдыр жасушалары тез көбейіп, әртүрлі қосылыстардың болуына тез жауап беретіндіктен, олар органикалық заттармен ластанған суды тазартудың экологиялық таза әдістерін әзірлеу үшін перспективалы болып табылады15,16.
Балдыр жасушалары биосорбция және жинақтау арқылы судан бейорганикалық иондарды кетіре алады17,18. Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolica, Stigeoclonium tenue және Synechococcus sp. сияқты кейбір балдыр түрлері. Оның Fe2+, Cu2+, Zn2+ және Mn2+19 сияқты улы металл иондарын тасымалдайтыны және тіпті қоректендіретіні анықталды. Басқа зерттеулер Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ немесе Pb2+ иондарының жасуша морфологиясын өзгерту және олардың хлоропласттарын жою арқылы Scenedesmus өсуін шектейтінін көрсетті20,21.
Органикалық ластаушы заттардың ыдырауының және ауыр металл иондарын кетірудің жасыл әдістері бүкіл әлем ғалымдары мен инженерлерінің назарын аударды. Бұл негізінен бұл ластаушы заттардың сұйық фазада оңай өңделетіндігіне байланысты. Дегенмен, бейорганикалық кристалды ластаушы заттар суда ерігіштігі төмен және әртүрлі биотрансформацияларға төмен сезімталдықпен сипатталады, бұл қалпына келтіруде үлкен қиындықтар туғызады және бұл салада аз ғана ілгерілеушілік бар22,23,24,25,26. Осылайша, наноматериалдарды қалпына келтірудің экологиялық таза шешімдерін іздеу күрделі және зерттелмеген сала болып қала береді. 2D наноматериалдардың биотрансформация әсеріне қатысты жоғары деңгейдегі белгісіздікке байланысты, олардың тотықсыздану кезіндегі ыдырау жолдарын табудың оңай жолы жоқ.
Бұл зерттеуде біз бейорганикалық керамикалық материалдар үшін белсенді сулы биоремедиация агенті ретінде жасыл микробалдырларды қолдандық, сонымен қатар бейорганикалық керамикалық материалдардың өкілі ретінде MXene ыдырау процесін in situ бақылаумен біріктірдік. «MXene» термині Mn+1XnTx материалының стехиометриясын көрсетеді, мұндағы M - ерте өтпелі металл, X - көміртек және/немесе азот, Tx - беттік терминатор (мысалы, -OH, -F, -Cl) және n = 1, 2, 3 немесе 427.28. Нагиб және т.б. MXenes ашылғаннан бері. Сенсорлық, қатерлі ісік терапиясы және мембраналық сүзу 27,29,30. Сонымен қатар, MXenes тамаша коллоидтық тұрақтылығы мен мүмкін болатын биологиялық өзара әрекеттесулеріне байланысты модельдік 2D жүйелері ретінде қарастырылуы мүмкін31,32,33,34,35,36.
Сондықтан, осы мақалада әзірленген әдіснама және біздің зерттеу гипотезалары 1-суретте көрсетілген. Бұл гипотезаға сәйкес, микробалдырлар беткі физика-химиялық өзара әрекеттесулерге байланысты Nb негізіндегі MXenдерді улы емес қосылыстарға ыдыратады, бұл балдырлардың одан әрі қалпына келуіне мүмкіндік береді. Бұл гипотезаны тексеру үшін ерте ниобий негізіндегі өтпелі металл карбидтері және/немесе нитридтері (MXenes) тұқымдасының екі мүшесі, атап айтқанда Nb2CTx және Nb4C3TX таңдалды.
Жасыл микробалдырлар Raphidocelis subcapitata арқылы MXene қалпына келтірудің зерттеу әдіснамасы және дәлелді гипотезалар. Бұл дәлелді болжамдардың схемалық көрінісі ғана екенін ескеріңіз. Көл ортасы пайдаланылатын қоректік орта мен жағдайлар бойынша ерекшеленеді (мысалы, тәуліктік цикл және қолжетімді маңызды қоректік заттардың шектеулері). BioRender.com сайтымен жасалған.
Сондықтан, MXene-ді модельдік жүйе ретінде пайдалану арқылы біз басқа дәстүрлі наноматериалдармен байқалмайтын әртүрлі биологиялық әсерлерді зерттеуге жол аштық. Атап айтқанда, біз екі өлшемді наноматериалдарды, мысалы, ниобий негізіндегі MXenдерді Raphidocelis subcapitata микробалдырларымен биоремедиациялау мүмкіндігін көрсетеміз. Микробалдырлар Nb-MXenдерді улы емес NbO және Nb2O5 оксидтеріне ыдырата алады, олар ниобий сіңіру механизмі арқылы қоректік заттармен қамтамасыз етеді. Жалпы алғанда, бұл зерттеу екі өлшемді наноматериалдардың биоремедиация механизмдерін басқаратын беттік физика-химиялық өзара әрекеттесулермен байланысты процестер туралы маңызды іргелі сұраққа жауап береді. Сонымен қатар, біз 2D наноматериалдар пішініндегі нәзік өзгерістерді бақылаудың қарапайым пішін-параметрге негізделген әдісін әзірлеп жатырмыз. Бұл бейорганикалық кристалды наноматериалдардың әртүрлі қоршаған ортаға әсерін қысқа мерзімді және ұзақ мерзімді зерттеулерге шабыттандырады. Осылайша, біздің зерттеуіміз материал беті мен биологиялық материал арасындағы өзара әрекеттесуді түсінуді арттырады. Біз сондай-ақ олардың тұщы су экожүйелеріне ықтимал әсерін кеңейтілген қысқа мерзімді және ұзақ мерзімді зерттеулерге негіз қалап отырмыз, оларды қазір оңай тексеруге болады.
MXenдер бірегей және тартымды физикалық және химиялық қасиеттері бар және сондықтан көптеген әлеуетті қолданылуы бар қызықты материалдар класын білдіреді. Бұл қасиеттер көбінесе олардың стехиометриясы мен беттік химиясына байланысты. Сондықтан, біздің зерттеуімізде біз Nb негізіндегі иерархиялық бір қабатты (SL) MXenдердің екі түрін, Nb2CTx және Nb4C3TX зерттедік, себебі бұл наноматериалдардың әртүрлі биологиялық әсерлерін байқауға болады. MXenдер бастапқы материалдарынан атомдық жұқа MAX-фазалы A-қабаттарын жоғарыдан төмен қарай селективті өңдеу арқылы алынады. MAX фазасы - өтпелі металл карбидтерінің «байланыстырылған» блоктарынан және MnAXn-1 стехиометриясы бар Al, Si және Sn сияқты «A» элементтерінің жұқа қабаттарынан тұратын үштік керамика. Бастапқы MAX фазасының морфологиясы сканерлеуші ​​​​электрондық микроскопия (SEM) арқылы байқалды және алдыңғы зерттеулермен сәйкес келді (Қосымша ақпаратты, SI, S1 суретін қараңыз). Көп қабатты (ML) Nb-MXen Al қабатын 48% HF (фторсутек қышқылы) көмегімен алып тастағаннан кейін алынды. ML-Nb2CTx және ML-Nb4C3TX морфологиясы сканерлеуші ​​электронды микроскопия (SEM) арқылы зерттелді (сәйкесінше S1c және S1d суреттері) және ұзын кеуек тәрізді саңылаулар арқылы өтетін екі өлшемді нанобөлшектерге ұқсас типтік қабатты MXene морфологиясы байқалды. Екі Nb-MXene де бұрын қышқылмен өңдеу арқылы синтезделген MXene фазаларымен көп ұқсастыққа ие27,38. MXene құрылымын растағаннан кейін, біз оны тетрабутиламмоний гидроксидін (TBAOH) интеркаляциялау арқылы қабаттадық, содан кейін жуу және ультрадыбыспен өңдедік, содан кейін бір қабатты немесе төмен қабатты (SL) 2D Nb-MXene нанобөлшектерін алдық.
Біз ою және одан әрі қабыршақтау тиімділігін тексеру үшін жоғары ажыратымдылықтағы трансмиссиялық электронды микроскопияны (HRTEM) және рентгендік дифракцияны (XRD) қолдандық. Кері жылдам фурье түрлендіруін (IFFT) және жылдам фурье түрлендіруін (FFT) пайдаланып өңделген HRTEM нәтижелері 2-суретте көрсетілген. Атом қабатының құрылымын тексеру және жазықтық аралық қашықтықты өлшеу үшін Nb-MXene нанобөлшектері шетінен жоғары бағытталған. MXene Nb2CTx және Nb4C3TX нанобөлшектерінің HRTEM суреттері олардың атомдық жұқа қабатты табиғатын көрсетті (2a1, a2 суреттерін қараңыз), бұрын Нагиб және т.б.27 және Ястржебска және т.б.38 хабарлағандай. Екі көршілес Nb2CTx және Nb4C3Tx моноқабаттары үшін біз қабаттар аралық қашықтықты сәйкесінше 0,74 және 1,54 нм деп анықтадық (2b1, b2 суреттер), бұл біздің алдыңғы нәтижелерімізбен де сәйкес келеді38. Бұл кері жылдам Фурье түрлендіруімен (2c1, c2 сурет) және Nb2CTx және Nb4C3Tx моноқабаттары арасындағы қашықтықты көрсететін жылдам Фурье түрлендіруімен (2d1, d2 сурет) расталды. Суретте ниобий мен көміртек атомдарына сәйкес келетін жарық және қараңғы жолақтардың кезектесіп орналасуы көрсетілген, бұл зерттелген MXenдердің қабатты сипатын растайды. Nb2CTx және Nb4C3Tx үшін алынған энергия дисперсиялық рентгендік спектроскопия (EDX) спектрлерінде (S2a және S2b суреттері) бастапқы MAX фазасының қалдықтары болмағанын атап өту маңызды, себебі Al шыңы анықталмады.
SL Nb2CTx және Nb4C3Tx MXene нанобөлшектерінің сипаттамасы, оның ішінде (a) жоғары ажыратымдылықтағы электронды микроскопия (HRTEM) бүйірлік көріністі 2D нанобөлшек бейнелеу және сәйкесінше, (b) қарқындылық режимі, (c) кері жылдам Фурье түрлендіруі (IFFT), (d) жылдам Фурье түрлендіруі (FFT), (e) Nb-MXenes рентгендік үлгілері. SL 2D Nb2CTx үшін сандар (a1, b1, c1, d1, e1) ретінде көрсетіледі. SL 2D Nb4C3Tx үшін сандар (a2, b2, c2, d2, e1) ретінде көрсетіледі.
SL Nb2CTx және Nb4C3Tx MXenдерінің рентгендік дифракциялық өлшеулері сәйкесінше 2e1 және e2 суреттерінде көрсетілген. 4.31 және 4.32 нүктелеріндегі шыңдар (002) бұрын сипатталған қабатты MXenдер Nb2CTx және Nb4C3TX38,39,40,41 сәйкес келеді. Рентгендік дифракция нәтижелері сонымен қатар кейбір қалдық ML құрылымдары мен MAX фазаларының бар екенін көрсетеді, бірақ көбінесе SL Nb4C3Tx-пен байланысты XRD үлгілері (2e2 сурет). MAX фазасының кішірек бөлшектерінің болуы кездейсоқ қабатталған Nb4C3Tx қабаттарымен салыстырғанда MAX шыңының күштірек болуын түсіндіруі мүмкін.
Әрі қарайғы зерттеулер R. subcapitata түріне жататын жасыл микробалдырларға бағытталған. Біз микробалдырларды таңдадық, себебі олар негізгі қоректік торларға қатысатын маңызды өндірушілер42. Олар сондай-ақ қоректік тізбектің жоғары деңгейлеріне тасымалданатын улы заттарды кетіру қабілетіне байланысты уыттылықтың ең жақсы көрсеткіштерінің бірі43. Сонымен қатар, R. subcapitata бойынша зерттеулер SL Nb-MXenes-тің кең таралған тұщы су микроорганизмдеріне кездейсоқ уыттылығын анықтауы мүмкін. Мұны көрсету үшін зерттеушілер әрбір микробтың қоршаған ортада болатын улы қосылыстарға әртүрлі сезімталдығы бар деген болжам жасады. Көптеген организмдер үшін заттардың төмен концентрациясы олардың өсуіне әсер етпейді, ал белгілі бір шектен жоғары концентрация оларды тежеуі немесе тіпті өлімге әкелуі мүмкін. Сондықтан, микробалдырлар мен MXenes арасындағы беттік өзара әрекеттесуді және онымен байланысты қалпына келтіруді зерттеу үшін біз Nb-MXenes-тің зиянсыз және улы концентрацияларын тексеруді шештік. Ол үшін біз 0 (анықтама ретінде), 0,01, 0,1 және 10 мг л-1 MXen концентрацияларын және қосымша жұқтырған микробалдырларды кез келген биологиялық орта үшін өте жоғары және өлімге әкелетін MXen (100 мг л-1 MXen) концентрациясымен тексердік.
SL Nb-MXenes микробалдырларға әсері 3-суретте көрсетілген, ол 0 мг л-1 үлгілері үшін өлшенген өсуді ынталандыру (+) немесе тежеу ​​(-) пайызы ретінде көрсетілген. Салыстыру үшін Nb-MAX фазасы және ML Nb-MXenes де сыналды және нәтижелер SI форматында көрсетілген (S3 суретін қараңыз). Алынған нәтижелер SL Nb-MXenes 3a,b суреттерінде көрсетілгендей, 0,01-ден 10 мг/л-ге дейінгі төмен концентрациялар диапазонында уыттылықтан толығымен дерлік айырылғанын растады. Nb2CTx жағдайында біз көрсетілген диапазонда экотоксичность 5%-дан аспайтынын байқадық.
SL (a) Nb2CTx және (b) Nb4C3TX MXene қатысуымен микробалдырлардың өсуін ынталандыру (+) немесе тежеу ​​(-). MXene-микробалдырлардың 24, 48 және 72 сағаттық өзара әрекеттесуі талданды. Маңызды деректер (t-тест, p < 0,05) жұлдызшамен (*) белгіленді. Маңызды деректер (t-тест, p < 0,05) жұлдызшамен (*) белгіленді. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Маңызды деректер (t-тест, p < 0,05) жұлдызшамен (*) белгіленген.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 (*). Маңызды деректер (t-тест, p < 0,05) жұлдызшамен (*) белгіленген.Қызыл көрсеткілер ингибиторлық ынталандырудың жойылуын көрсетеді.
Екінші жағынан, Nb4C3TX төмен концентрациясы сәл уыттырақ болып шықты, бірақ 7%-дан жоғары емес. Күткендей, біз MXenдердің 100 мг L-1 дозасында уыттылығы мен микробалдырлардың өсуін тежеу ​​​​жоғары екенін байқадық. Қызығы, ешбір материал MAX немесе ML үлгілерімен салыстырғанда атопиялық/уытты әсерлердің бірдей үрдісі мен уақытқа тәуелділігін көрсетпеді (толығырақ SI қараңыз). MAX фазасы үшін (S3 суретін қараңыз) уыттылық шамамен 15–25%-ға жетіп, уақыт өте келе артса, SL Nb2CTx және Nb4C3TX MXene үшін кері үрдіс байқалды. Микробалдырлардың өсуін тежеу ​​​​уақыт өте келе төмендеді. Ол 24 сағаттан кейін шамамен 17%-ға жетті және 72 сағаттан кейін 5%-дан азға дейін төмендеді (сәйкесінше 3a, b суреттері).
Ең бастысы, SL Nb4C3TX үшін микробалдырлардың өсуінің тежелуі 24 сағаттан кейін шамамен 27%-ға жетті, бірақ 72 сағаттан кейін ол шамамен 1%-ға дейін төмендеді. Сондықтан біз байқалған әсерді ынталандырудың кері тежелуі деп белгіледік, ал SL Nb4C3TX MXene үшін әсері күштірек болды. Микробалдырлардың өсуінің ынталандырылуы SL Nb2CTx MXene-мен салыстырғанда Nb4C3TX-пен бұрын байқалды (24 сағат ішінде 10 мг L-1-де өзара әрекеттесу). Тежеу-ынталандырудың кері әсері биомассаның екі еселену жылдамдығының қисығында да жақсы көрсетілген (толығырақ S4 суретін қараңыз). Әзірге тек Ti3C2TX MXene-нің экотоксикалықтығы әртүрлі жолдармен зерттелген. Ол зебра балығының эмбриондарына44 улы емес, бірақ Desmodesmus quadricauda және Sorghum saccharatum микробалдырлары өсімдіктеріне45 орташа экотоксикалық. Нақты әсерлердің басқа мысалдарына қалыпты жасуша желілеріне қарағанда қатерлі ісік жасушаларына46,47 жоғары уыттылық жатады. Nb-MXenes қатысуымен байқалған микробалдырлардың өсуінің өзгеруіне сынақ жағдайлары әсер етеді деп болжауға болады. Мысалы, хлоропласт стромасындағы рН шамамен 8 болуы RuBisCO ферментінің тиімді жұмыс істеуі үшін оңтайлы болып табылады. Сондықтан рН өзгерістері фотосинтез жылдамдығына кері әсер етеді48,49. Дегенмен, біз эксперимент барысында рН-ның айтарлықтай өзгерістерін байқамадық (толығырақ SI, S5 суретін қараңыз). Жалпы, Nb-MXenes бар микробалдырлардың дақылдары уақыт өте келе ерітіндінің рН-ын сәл төмендетті. Дегенмен, бұл төмендеу таза ортаның рН-ының өзгеруіне ұқсас болды. Сонымен қатар, табылған вариациялар диапазоны микробалдырлардың таза дақылы үшін өлшенген вариацияларға ұқсас болды (бақылау үлгісі). Осылайша, біз фотосинтезге уақыт өте келе рН-ның өзгеруі әсер етпейді деген қорытындыға келдік.
Сонымен қатар, синтезделген MXenдердің беттік ұштары бар (Tx деп белгіленеді). Бұлар негізінен -O, -F және -OH функционалды топтары. Дегенмен, беттік химия синтез әдісімен тікелей байланысты. Бұл топтардың бетке кездейсоқ таралғаны белгілі, бұл олардың MXene50 қасиеттеріне әсерін болжауды қиындатады. Tx жарықпен ниобийдің тотығуының каталитикалық күші болуы мүмкін деп айтуға болады. Беттік функционалды топтар шын мәнінде олардың астындағы фотокатализаторлар үшін гетероөткізгіштерді51 қалыптастыру үшін бірнеше бекіту орындарын қамтамасыз етеді. Дегенмен, өсу ортасының құрамы тиімді фотокатализаторды қамтамасыз етпеді (орта құрамын SI S6 кестесінен табуға болады). Сонымен қатар, кез келген беттік модификация да өте маңызды, себебі MXenдердің биологиялық белсенділігі қабатты өңдеуден кейінгі өңдеу, тотығу, органикалық және бейорганикалық қосылыстардың химиялық беттік модификациясы52,53,54,55,56 немесе беттік заряд инженериясы38 салдарынан өзгеруі мүмкін. Сондықтан, ниобий оксидінің ортадағы материалдық тұрақсыздыққа қатысы бар-жоғын тексеру үшін біз микробалдырлардың өсу ортасындағы және деионданған судағы дзета (ζ) потенциалын зерттедік (салыстыру үшін). Біздің нәтижелеріміз SL Nb-MXenes айтарлықтай тұрақты екенін көрсетеді (MAX және ML нәтижелері үшін SI S6 суретін қараңыз). SL MXenes дзета потенциалы шамамен -10 мВ құрайды. SR Nb2CTx жағдайында ζ мәні Nb4C3Tx мәніне қарағанда біршама теріс. ζ мәнінің мұндай өзгеруі теріс зарядталған MXen нанобөлшектерінің беті өсу ортасынан оң зарядталған иондарды сіңіретінін көрсетуі мүмкін. Өсу ортасындағы Nb-MXenes дзета потенциалы мен өткізгіштігінің уақытша өлшемдері (толығырақ ақпарат алу үшін SI-дегі S7 және S8 суреттерін қараңыз) біздің гипотезамызды растайтын сияқты.
Дегенмен, екі Nb-MXene SL да нөлден минималды өзгерістер көрсетті. Бұл олардың микробалдырлардың өсу ортасындағы тұрақтылығын анық көрсетеді. Сонымен қатар, біз жасыл микробалдырларымыздың болуы ортадағы Nb-MXenдердің тұрақтылығына әсер ететінін бағаладық. Қоректік ортада және дақылда микробалдырлармен әрекеттескеннен кейінгі MXenдердің дзета потенциалы мен өткізгіштігінің нәтижелерін SI-ден табуға болады (S9 және S10 суреттер). Қызығы, біз микробалдырлардың болуы екі MXenнің де дисперсиясын тұрақтандыратын сияқты екенін байқадық. Nb2CTx SL жағдайында дзета потенциалы уақыт өте келе теріс мәндерге дейін аздап төмендеді (72 сағат инкубациядан кейін -15,8 -19,1 мВ). SL Nb4C3TX дзета потенциалы аздап артты, бірақ 72 сағаттан кейін ол микробалдырлардың қатысуынсыз наноқабыршақтарға қарағанда жоғары тұрақтылықты көрсетті (-18,1 -9,1 мВ).
Сондай-ақ, микробалдырлардың қатысуымен инкубацияланған Nb-MXen ерітінділерінің өткізгіштігінің төмен екенін анықтадық, бұл қоректік ортадағы иондардың аз мөлшерін көрсетеді. Атап айтқанда, судағы MXenдердің тұрақсыздығы негізінен беткі тотығудан болады57. Сондықтан, біз жасыл микробалдырлардың Nb-MXen бетінде пайда болған оксидтерді қандай да бір жолмен тазартып, тіпті олардың пайда болуына (MXenнің тотығуына) жол бермегеніне күмәнданамыз. Мұны микробалдырлар сіңіретін заттардың түрлерін зерттеу арқылы көруге болады.
Біздің экотоксикологиялық зерттеулеріміз микробалдырлардың уақыт өте келе Nb-MXen уыттылығын және ынталандырылған өсудің ерекше тежелуін жеңе алатынын көрсеткенімен, біздің зерттеуіміздің мақсаты ықтимал әсер ету механизмдерін зерттеу болды. Балдырлар сияқты организмдер экожүйелеріне таныс емес қосылыстарға немесе материалдарға ұшыраған кезде, олар әртүрлі жолдармен реакция жасай алады58,59. Уытты металл оксидтері болмаған кезде микробалдырлар өздерін қоректендіре алады, бұл олардың үздіксіз өсуіне мүмкіндік береді60. Уытты заттарды жұтқаннан кейін қорғаныс механизмдері іске қосылуы мүмкін, мысалы, пішінін немесе пішінін өзгерту. Абсорбция мүмкіндігін де ескеру қажет58,59. Қорғаныс механизмінің кез келген белгісі сынақ қосылысының уыттылығының айқын көрсеткіші болып табылады. Сондықтан, әрі қарайғы жұмысымызда біз SL Nb-MXen нанобөлшектері мен микробалдырлар арасындағы SEM арқылы беттік өзара әрекеттесудің ықтималдығын және рентгендік флуоресценциялық спектроскопия (XRF) арқылы Nb негізіндегі MXen-нің ықтимал сіңуін зерттедік. Белсенділік уыттылығы мәселелерін шешу үшін SEM және XRF талдаулары тек MXen-нің ең жоғары концентрациясында жүргізілгенін ескеріңіз.
SEM нәтижелері 4-суретте көрсетілген. Өңделмеген микробалдыр жасушалары (4a-суретті қараңыз, анықтамалық үлгі) R. subcapitata типтік морфологиясын және круассан тәрізді жасуша пішінін анық көрсетті. Жасушалар жалпақ және біршама ретсіз болып көрінеді. Кейбір микробалдыр жасушалары бір-бірімен қабаттасып, шатасып қалған, бірақ бұл, мүмкін, үлгі дайындау процесінен туындаған. Жалпы, таза микробалдыр жасушаларының беті тегіс болды және ешқандай морфологиялық өзгерістер байқалмады.
Жасыл микробалдырлар мен MXene наноқабаттарының экстремалды концентрацияда (100 мг L-1) 72 сағаттық әрекеттесуден кейін беттік әрекеттесуін көрсететін SEM кескіндері. (a) SL (b) Nb2CTx және (c) Nb4C3TX MXenes-пен әрекеттесуден кейінгі өңделмеген жасыл микробалдырлар. Nb-MXene наноқабаттары қызыл көрсеткілермен белгіленгенін ескеріңіз. Салыстыру үшін оптикалық микроскоптан алынған фотосуреттер де қосылды.
Керісінше, SL Nb-MXene нанобөлшектерімен адсорбцияланған микробалдыр жасушалары зақымдалған (4b, c суреттерін, қызыл көрсеткілерді қараңыз). Nb2CTx MXene жағдайында (4b сурет), микробалдырлар екі өлшемді наноөлшемдермен өсуге бейім, бұл олардың морфологиясын өзгерте алады. Атап айтқанда, біз бұл өзгерістерді жарық микроскопиясы кезінде де байқадық (толығырақ SI S11 суретін қараңыз). Бұл морфологиялық ауысу микробалдырлардың физиологиясында және олардың жасуша көлемін ұлғайту сияқты жасуша морфологиясын өзгерту арқылы өздерін қорғау қабілетінде негізге ие61. Сондықтан, Nb-MXenдермен іс жүзінде байланыста болатын микробалдыр жасушаларының санын тексеру маңызды. SEM зерттеулері микробалдыр жасушаларының шамамен 52%-ы Nb-MXenдерге ұшырағанын, ал бұл микробалдыр жасушаларының 48%-ы жанасудан аулақ болғанын көрсетті. SL Nb4C3Tx MXene үшін микробалдырлар MXene-мен жанасудан аулақ болуға тырысады, осылайша екі өлшемді наноөлшемдерден локализацияланып, өседі (4c-сурет). Дегенмен, біз наноөлшемдердің микробалдыр жасушаларына енуін және олардың зақымдануын байқамадық.
Өзін-өзі сақтау сонымен қатар жасуша бетіндегі бөлшектердің адсорбциясына және көлеңкелеу (көлеңкелеу) әсері деп аталатын фотосинтездің бітелуіне уақытқа тәуелді жауап беру әрекеті болып табылады62. Микробалдырлар мен жарық көзі арасындағы әрбір нысанның (мысалы, Nb-MXene нанобөлшектерінің) хлоропласттар сіңіретін жарық мөлшерін шектейтіні анық. Дегенмен, бұл алынған нәтижелерге айтарлықтай әсер ететініне күмәніміз жоқ. Біздің микроскопиялық бақылауларымыз көрсеткендей, 2D нанобөлшектер микробалдырлардың бетіне толығымен оралмаған немесе жабыспаған, тіпті микробалдырлар жасушалары Nb-MXenдермен жанасқан кезде де. Оның орнына, нанобөлшектер бетін жаппай микробалдырлар жасушаларына бағытталған болып шықты. Мұндай нанобөлшектер/микробалдырлар жиынтығы микробалдырлар жасушалары сіңіретін жарық мөлшерін айтарлықтай шектей алмайды. Сонымен қатар, кейбір зерттеулер тіпті екі өлшемді наноматериалдардың қатысуымен фотосинтетикалық организмдердің жарық сіңіруінің жақсарғанын көрсетті63,64,65,66.
SEM кескіндері микробалдыр жасушаларының ниобий сіңіруін тікелей растай алмағандықтан, біздің әрі қарай зерттеуіміз бұл мәселені анықтау үшін рентгендік флуоресценция (XRF) және рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия (XPS) талдауына жүгінді. Сондықтан біз MXen-дермен әрекеттеспеген эталондық микробалдыр үлгілерінің Nb шыңдарының қарқындылығын, микробалдыр жасушаларының бетінен бөлінген MXen нанобөлшектерін және бекітілген MXen-дерді алып тастағаннан кейінгі микробалдыр жасушаларын салыстырдық. Айта кету керек, егер Nb сіңірілмесе, бекітілген наноөлшемдерді алып тастағаннан кейін микробалдыр жасушалары алған Nb мәні нөлге тең болуы керек. Сондықтан, егер Nb сіңірілсе, XRF және XPS нәтижелері айқын Nb шыңын көрсетуі керек.
XRF спектрлері жағдайында микробалдырлар үлгілері SL Nb2CTx және Nb4C3Tx MXene-мен әрекеттескеннен кейін SL Nb2CTx және Nb4C3Tx MXene үшін Nb шыңдарын көрсетті (5a суретті қараңыз, сонымен қатар MAX және ML MXen нәтижелері SI, S12–C17 суреттерінде көрсетілгенін ескеріңіз). Қызығы, Nb шыңының қарқындылығы екі жағдайда да бірдей (5a суреттегі қызыл жолақтар). Бұл балдырлардың көбірек Nb сіңіре алмайтынын және жасушаларда Nb жинақтау үшін максималды сыйымдылыққа қол жеткізілгенін көрсетті, дегенмен микробалдырлар жасушаларына екі есе көп Nb4C3Tx MXene бекітілген (5a суреттегі көк жолақтар). Атап айтқанда, микробалдырлардың металдарды сіңіру қабілеті қоршаған ортадағы металл оксидтерінің концентрациясына байланысты67,68. Шамшада және т.б.67 тұщы су балдырларының сіңіру қабілеті рН жоғарылауымен төмендейтінін анықтады. Райзе және т.б.68 балдырлардың металдарды сіңіру қабілеті Pb2+ үшін Ni2+-ке қарағанда шамамен 25%-ға жоғары екенін атап өтті.
(a) SL Nb-MXenes (100 мг L-1) экстремалды концентрациясында 72 сағат бойы инкубацияланған жасыл микробалдыр жасушаларының базальды Nb сіңіруінің XRF нәтижелері. Нәтижелер таза микробалдыр жасушаларында (бақылау үлгісі, сұр бағандар), беткі микробалдыр жасушаларынан оқшауланған 2D нанобөлшектерде (көк бағандар) және бетінен 2D нанобөлшектерді бөлгеннен кейінгі микробалдыр жасушаларында (қызыл бағандар) α бар екенін көрсетеді. Элементтік Nb мөлшері, (b) SL Nb-MXenes-пен инкубациядан кейін микробалдыр жасушаларында болатын микробалдырлардың органикалық компоненттерінің (C=O және CHx/C–O) және Nb оксидтерінің химиялық құрамының пайызы, (c–e) XPS SL Nb2CTx спектрлерінің және (fh) микробалдыр жасушаларымен сіңдірілген SL Nb4C3Tx MXen-нің құрамдық шыңын сәйкестендіру.
Сондықтан, біз Nb балдыр жасушаларымен оксидтер түрінде сіңірілуі мүмкін деп күттік. Мұны тексеру үшін біз MXenes Nb2CTx және Nb4C3TX және балдыр жасушаларына XPS зерттеулерін жүргіздік. Микробалдырлардың балдыр жасушаларынан бөлініп алынған Nb-MXenes және MXenes-пен әрекеттесу нәтижелері 5b-суретте көрсетілген. Күтілгендей, біз микробалдырлардың бетінен MXen алынып тасталғаннан кейін микробалдыр үлгілерінде Nb 3d шыңдарын анықтадық. C=O, CHx/CO және Nb оксидтерінің сандық анықталуы инкубацияланған микробалдырлардан алынған Nb2CTx SL (5c–e сурет) және Nb4C3Tx SL (5c–e сурет) арқылы алынған Nb 3d, O 1s және C 1s спектрлеріне негізделіп есептелді. 5f–h сурет) MXenes. S1-3 кестесінде шың параметрлерінің және сәйкестік нәтижесінде алынған жалпы химияның егжей-тегжейлері көрсетілген. Nb2CTx SL және Nb4C3Tx SL (5c, f-сурет) Nb3d аймақтарының бір Nb2O5 компонентіне сәйкес келетінін атап өткен жөн. Мұнда біз спектрлерде MXene-мен байланысты шыңдарды таппадық, бұл микробалдыр жасушаларының тек Nb оксидтік формасын сіңіретінін көрсетеді. Сонымен қатар, біз C1s спектрін C–C, CHx/C–O, C=O және –COOH компоненттерімен жақындаттық. Біз CHx/C–O және C=O шыңдарын микробалдыр жасушаларының органикалық үлесіне жатқыздық. Бұл органикалық компоненттер Nb2CTx SL және Nb4C3TX SL құрамындағы C1s шыңдарының сәйкесінше 36% және 41% құрайды. Содан кейін біз SL Nb2CTx және SL Nb4C3TX O1s спектрлерін Nb2O5, микробалдырлардың органикалық компоненттері (CHx/CO) және беттік адсорбцияланған сумен сәйкестендірдік.
Соңында, XPS нәтижелері Nb-ның тек бар екенін ғана емес, оның түрін де анық көрсетті. Nb 3d сигналының орналасуына және деконволюция нәтижелеріне сәйкес, біз Nb тек оксидтер түрінде сіңетінін және иондар немесе MXen-нің өзі емес екенін растаймыз. Сонымен қатар, XPS нәтижелері микробалдыр жасушаларының SL Nb4C3TX MXene-мен салыстырғанда SL Nb2CTx-тен Nb оксидтерін сіңіру қабілеті жоғары екенін көрсетті.
Біздің Nb сіңіру нәтижелеріміз әсерлі болғанымен және MXene ыдырауын анықтауға мүмкіндік бергенімен, 2D нанобөлшектерімен байланысты морфологиялық өзгерістерді бақылау әдісі жоқ. Сондықтан біз 2D Nb-MXene нанобөлшектері мен микробалдыр жасушаларында болатын кез келген өзгерістерге тікелей жауап бере алатын қолайлы әдісті әзірлеуді шештік. Егер өзара әрекеттесетін түрлер кез келген трансформацияға, ыдырауға немесе дефрагментацияға ұшыраса, бұл эквивалентті дөңгелек ауданның диаметрі, дөңгелектігі, Ферет ені немесе Ферет ұзындығы сияқты пішін параметрлерінің өзгеруі ретінде тез көрінуі керек деп есептейтінімізді атап өту маңызды. Бұл параметрлер созылған бөлшектерді немесе екі өлшемді нанобөлшектерді сипаттауға жарамды болғандықтан, оларды динамикалық бөлшектер пішінін талдау арқылы бақылау бізге тотықсыздану кезінде SL Nb-MXene нанобөлшектерінің морфологиялық трансформациясы туралы құнды ақпарат береді.
Алынған нәтижелер 6-суретте көрсетілген. Салыстыру үшін біз бастапқы MAX фазасы мен ML-MXenдерді де тексердік (SI S18 және S19 суреттерін қараңыз). Бөлшек пішінінің динамикалық талдауы екі Nb-MXene SL-дің барлық пішін параметрлерінің микробалдырлармен әрекеттескеннен кейін айтарлықтай өзгергенін көрсетті. Балама дөңгелек аудан диаметрі параметрімен көрсетілгендей (6a, b сурет), үлкен нанобөлшектер фракциясының шың қарқындылығының төмендеуі олардың кішірек фрагменттерге ыдырауға бейім екенін көрсетеді. 6c, d суретінде қабыршақтардың көлденең өлшемімен (нанобөлшектердің ұзаруы) байланысты шыңдардың азаюы көрсетілген, бұл 2D нанобөлшектердің бөлшек тәрізді пішінге айналуын көрсетеді. 6e-h суретінде сәйкесінше Feret ені мен ұзындығы көрсетілген. Feret ені мен ұзындығы бір-бірін толықтыратын параметрлер болып табылады және сондықтан оларды бірге қарастыру керек. 2D Nb-MXene нанобөлшектерін микробалдырлардың қатысуымен инкубациялағаннан кейін олардың Feret корреляция шыңдары ығысып, қарқындылығы төмендеді. Морфологиямен, XRF және XPS-пен бірге осы нәтижелерге сүйене отырып, біз байқалған өзгерістер тотығумен тығыз байланысты деген қорытындыға келдік, себебі тотыққан MXenдер мыжылған және фрагменттер мен сфералық оксид бөлшектеріне ыдырайды69,70.
Жасыл микробалдырлармен әрекеттескеннен кейінгі MXen трансформациясын талдау. Динамикалық бөлшектер пішінін талдау (a, b) эквивалентті дөңгелек ауданның диаметрі, (c, d) дөңгелектік, (e, f) Ферет ені және (g, h) Ферет ұзындығы сияқты параметрлерді ескереді. Осы мақсатта екі анықтамалық микробалдыр үлгілері бастапқы SL Nb2CTx және SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx және SL Nb4C3Tx MXenes, ыдыраған микробалдырлар және өңделген микробалдырлар SL Nb2CTx және SL Nb4C3Tx MXenes-пен бірге талданды. Қызыл көрсеткілер зерттелген екі өлшемді нанобөлшектердің пішін параметрлерінің ауысуын көрсетеді.
Пішін параметрлерін талдау өте сенімді болғандықтан, ол микробалдыр жасушаларындағы морфологиялық өзгерістерді де анықтай алады. Сондықтан, біз 2D Nb нанобөлшектерімен әрекеттескеннен кейінгі таза микробалдыр жасушалары мен жасушаларының эквивалентті дөңгелек аудан диаметрін, дөңгелектігін және Feret енін/ұзындығын талдадық. 6a–h суретте балдыр жасушаларының пішін параметрлеріндегі өзгерістер көрсетілген, бұл шың қарқындылығының төмендеуімен және максимумдардың жоғары мәндерге қарай ығысуымен дәлелденеді. Атап айтқанда, жасуша дөңгелектігі параметрлері созылған жасушалардың азаюын және сфералық жасушалардың ұлғаюын көрсетті (6a, b сурет). Сонымен қатар, Feret жасушаларының ені SL Nb2CTx MXene-мен әрекеттескеннен кейін SL Nb4C3TX MXene-мен салыстырғанда бірнеше микрометрге артты (6e сурет). Біз мұның Nb2CTx SR-мен әрекеттескен кезде микробалдырлардың Nb оксидтерін күшті сіңіруіне байланысты болуы мүмкін деп болжаймыз. Nbбөлшектерінің олардың бетіне аз қатты бекітілуі минималды көлеңкелеу әсерімен жасуша өсуіне әкелуі мүмкін.
Микробалдырлардың пішіні мен өлшемінің параметрлерінің өзгеруін бақылауымыз басқа зерттеулерді толықтырады. Жасыл микробалдырлар қоршаған ортаның күйзелісіне жауап ретінде жасуша өлшемін, пішінін немесе метаболизмін өзгерту арқылы морфологиясын өзгерте алады61. Мысалы, жасушалардың өлшемін өзгерту қоректік заттардың сіңуін жеңілдетеді71. Кішігірім балдыр жасушалары қоректік заттардың сіңуін төмендетеді және өсу қарқынының төмендеуін көрсетеді. Керісінше, үлкенірек жасушалар көбірек қоректік заттарды тұтынатын болады, содан кейін олар жасуша ішінде жиналады72,73. Мачадо мен Соарес фунгицид триклозанның жасуша өлшемін арттыра алатынын анықтады. Олар сондай-ақ балдырлардың пішінінде терең өзгерістерді анықтады74. Сонымен қатар, Инь және т.б.9 графен оксидінің нанокомпозиттерінің азаюына ұшырағаннан кейін балдырлардағы морфологиялық өзгерістерді де анықтады. Сондықтан, микробалдырлардың өзгерген өлшем/пішін параметрлері MXen-нің болуынан туындайтыны анық. Өлшемі мен пішінінің бұл өзгеруі қоректік заттардың сіңуіндегі өзгерістерді көрсететіндіктен, уақыт өте келе өлшемі мен пішіні параметрлерін талдау Nb-MXen-дердің қатысуымен микробалдырлардың ниобий оксидін сіңуін көрсете алады деп санаймыз.
Сонымен қатар, MXenдер балдырлардың қатысуымен тотығуға болады. Dalai және т.б.75 нано-TiO2 және Al2O376 әсеріне ұшыраған жасыл балдырлардың морфологиясы біркелкі емес екенін байқады. Біздің бақылауларымыз осы зерттеуге ұқсас болғанымен, ол тек 2D нанобөлшектердің қатысуымен MXen ыдырау өнімдері тұрғысынан биоремедиацияның әсерін зерттеуге қатысты, ал нанобөлшектер емес. MXenдер металл оксидтеріне ыдырай алатындықтан,31,32,77,78 біздің Nb нанобөлшектері микробалдыр жасушаларымен әрекеттескеннен кейін Nb оксидтерін де түзе алады деп болжауға болады.
2D-Nb нанобөлшектерінің тотығу процесіне негізделген ыдырау механизмі арқылы тотықсыздануын түсіндіру үшін біз жоғары ажыратымдылықтағы трансмиссиялық электронды микроскопияны (HRTEM) (7a,b сурет) және рентгендік фотоэлектронды спектроскопияны (XPS) (7 сурет) пайдаланып зерттеулер жүргіздік. 7c-i және S4-5 кестелері). Екі тәсіл де 2D материалдардың тотығуын зерттеуге жарамды және бір-бірін толықтырады. HRTEM екі өлшемді қабатты құрылымдардың деградациясын және металл оксиді нанобөлшектерінің кейінгі пайда болуын талдай алады, ал XPS беттік байланыстарға сезімтал. Осы мақсатта біз микробалдыр жасушаларының дисперсиясынан алынған 2D Nb-MXene нанобөлшектерін, яғни олардың микробалдыр жасушаларымен әрекеттескеннен кейінгі пішінін тексердік (7-суретті қараңыз).
Тотыққан (a) SL Nb2CTx және (b) SL Nb4C3Tx MXen морфологиясын көрсететін HRTEM кескіндері, XPS талдау нәтижелері (c) тотықсызданудан кейінгі оксид өнімдерінің құрамын, (d–f) жасыл микробалдырлармен қалпына келтірілген SL Nb2CTx және (g–i) Nb4C3Tx SL XPS спектрлерінің компоненттерінің шыңдарының сәйкестігін көрсетеді.
HRTEM зерттеулері екі типті Nb-MXene нанобөлшектерінің тотығуын растады. Нанобөлшектер белгілі бір дәрежеде екі өлшемді морфологиясын сақтағанымен, тотығу MXene нанобөлшектерінің бетін жабатын көптеген нанобөлшектердің пайда болуына әкелді (7a,b суреттерін қараңыз). c Nb 3d және O 1s сигналдарының XPS талдауы екі жағдайда да Nb оксидтерінің пайда болғанын көрсетті. 7c суретте көрсетілгендей, 2D MXene Nb2CTx және Nb4C3TX NbO және Nb2O5 оксидтерінің болуын көрсететін Nb 3d сигналдарына ие, ал O 1s сигналдары 2D нанобөлшек бетінің функционализациясымен байланысты O-Nb байланыстарының санын көрсетеді. Біз Nb оксидінің үлесі Nb-C және Nb3+-O-мен салыстырғанда басым екенін байқадық.
7g–i суреттерінде микробалдыр жасушаларынан бөлініп алынған Nb 3d, C 1s және O 1s SL Nb2CTx (7d–f суреттерін қараңыз) және SL Nb4C3TX MXen XPS спектрлері көрсетілген. Nb-MXenes шың параметрлерінің егжей-тегжейлері сәйкесінше S4–5 кестелерінде келтірілген. Біз алдымен Nb 3d құрамын талдадық. Микробалдыр жасушалары сіңірген Nb-ден айырмашылығы, микробалдыр жасушаларынан бөлініп алынған MXen-де Nb2O5-тен басқа басқа компоненттер табылды. Nb2CTx SL-де біз Nb3+-O үлесін 15% мөлшерінде байқадық, ал Nb 3d спектрінің қалған бөлігінде Nb2O5 басым болды (85%). Сонымен қатар, SL Nb4C3TX үлгісінде Nb-C (9%) және Nb2O5 (91%) компоненттері бар. Мұнда Nb-C Nb4C3Tx SR металл карбидінің екі ішкі атом қабатынан келеді. Содан кейін біз C 1s спектрлерін төрт түрлі компонентке картаға түсіреміз, бұл ішкі үлгілердегідей. Күтілгендей, C 1s спектрінде графит көміртегі басым, одан кейін микробалдыр жасушаларынан алынған органикалық бөлшектердің (CHx/CO және C=O) үлесі бар. Сонымен қатар, O 1s спектрінде біз микробалдыр жасушаларының органикалық формаларының, ниобий оксидінің және адсорбцияланған судың үлесін байқадық.
Сонымен қатар, біз Nb-MXenes бөлінуінің қоректік ортада және/немесе микробалдырлар жасушаларында реактивті оттегі түрлерінің (ROS) болуымен байланысты екенін зерттедік. Осы мақсатта біз қоректік ортадағы синглеттік оттегінің (1O2) деңгейін және микробалдырларда антиоксидант ретінде әрекет ететін тиол - жасушаішілік глутатионды бағаладық. Нәтижелер SI-де көрсетілген (S20 және S21 суреттер). SL Nb2CTx және Nb4C3TX MXenes бар дақылдар 1O2 мөлшерінің азаюымен сипатталды (S20 суретін қараңыз). SL Nb2CTx жағдайында MXene 1O2 шамамен 83%-ға дейін азайды. SL қолданатын микробалдырлар дақылдары үшін Nb4C3TX 1O2 одан да көп, 73%-ға дейін азайды. Қызығы, 1O2 өзгерістері бұрын байқалған ингибиторлық-ынталандырушы әсермен бірдей үрдісті көрсетті (3-суретті қараңыз). Жарқын жарықта инкубациялау фотототықсыздануды өзгерте алады деп айтуға болады. Дегенмен, бақылау талдауының нәтижелері тәжірибе кезінде 1O2 деңгейінің тұрақты екенін көрсетті (S22-сурет). Жасушаішілік ROS деңгейлері жағдайында біз де сол төмендеу үрдісін байқадық (S21-суретті қараңыз). Бастапқыда Nb2CTx және Nb4C3Tx SL қатысуымен өсірілген микробалдырлар жасушаларындағы ROS деңгейі микробалдырлардың таза дақылдарындағы деңгейден асып түсті. Алайда, ақырында, микробалдырлар Nb-MXenдердің екеуінің де қатысуына бейімделгені белгілі болды, себебі ROS деңгейі SL Nb2CTx және Nb4C3TX егілген микробалдырлардың таза дақылдарында өлшенген деңгейлердің сәйкесінше 85% және 91%-ына дейін төмендеді. Бұл микробалдырлардың уақыт өте келе тек қоректік ортаға қарағанда Nb-MXen қатысуымен өздерін жайлы сезінетінін көрсетуі мүмкін.
Микробалдырлар - фотосинтетикалық организмдердің алуан түрлі тобы. Фотосинтез кезінде олар атмосфералық көмірқышқыл газын (CO2) органикалық көміртекке айналдырады. Фотосинтез өнімдері - глюкоза және оттегі79. Біз осылайша түзілген оттегі Nb-MXenдердің тотығуында маңызды рөл атқарады деп болжаймыз. Мұның бір мүмкін түсіндірмесі - дифференциалды аэрация параметрі Nb-MXen нанобөлшектерінің сыртында және ішінде оттегінің төмен және жоғары парциалды қысымында түзіледі. Бұл оттегінің парциалды қысымы әртүрлі аймақтар бар жерде ең төменгі деңгейдегі аймақ анодты 80, 81, 82 түзеді дегенді білдіреді. Мұнда микробалдырлар фотосинтетикалық қасиеттеріне байланысты оттегі өндіретін MXen қабыршақтарының бетінде дифференциалды аэрацияланған жасушалардың пайда болуына ықпал етеді. Нәтижесінде биокоррозия өнімдері (бұл жағдайда ниобий оксидтері) түзіледі. Тағы бір аспект - микробалдырлар суға бөлінетін органикалық қышқылдарды өндіре алады83,84. Сондықтан агрессивті орта пайда болады, осылайша Nb-MXenдер өзгереді. Сонымен қатар, микробалдырлар көмірқышқыл газын сіңіру салдарынан қоршаған ортаның рН мәнін сілтіліге өзгерте алады, бұл да коррозияны тудыруы мүмкін79.
Ең бастысы, біздің зерттеуімізде қолданылған қараңғы/жарық фотопериод алынған нәтижелерді түсіну үшін өте маңызды. Бұл аспект Джемай-Зоглаче және т.б. еңбектерінде егжей-тегжейлі сипатталған. 85 Олар қызыл микробалдырлар Porphyridium purpureum биологиялық ластануымен байланысты биокоррозияны көрсету үшін әдейі 12/12 сағаттық фотопериодты пайдаланды. Олар фотопериодтың биокоррозиясыз потенциалдың эволюциясымен байланысты екенін, шамамен 24:00 псевдопериодты тербелістер ретінде көрінетінін көрсетеді. Бұл бақылауларды Доулинг және т.б. растады. 86 Олар цианобактериялар Anabaena фотосинтетикалық биоүлбірлерін көрсетті. Еріген оттегі жарықтың әсерінен пайда болады, бұл бос биокоррозия потенциалының өзгеруімен немесе ауытқуымен байланысты. Фотопериодтың маңыздылығы биокоррозияның бос потенциалы жарық фазасында артып, қараңғы фазада азаятындығымен айқындалады. Бұл фотосинтетикалық микробалдырлар шығаратын оттегіге байланысты, ол электродтардың жанында пайда болатын парциалды қысым арқылы катодтық реакцияға әсер етеді87.
Сонымен қатар, Nb-MXen-дермен әрекеттескеннен кейін микробалдырлар жасушаларының химиялық құрамында қандай да бір өзгерістер болғанын анықтау үшін Фурье түрлендіру инфрақызыл спектроскопиясы (FTIR) жүргізілді. Алынған нәтижелер күрделі және біз оларды SI форматында ұсынамыз (MAX сатысы мен ML MXen нәтижелерін қоса алғанда, S23-S25 суреттері). Қысқасы, алынған микробалдырлардың анықтамалық спектрлері бізге осы организмдердің химиялық сипаттамалары туралы маңызды ақпарат береді. Бұл ең ықтимал тербелістер 1060 см-1 (CO), 1540 см-1, 1640 см-1 (C=C), 1730 см-1 (C=O), 2850 см-1, 2920 см-1 жиіліктерінде орналасқан. 1 1 (C–H) және 3280 см–1 (O–H). SL Nb-MXen-дер үшін біз алдыңғы зерттеуімізге сәйкес келетін CH-байланыстың созылу сигнатурасын таптық38. Дегенмен, біз C=C және CH байланыстарымен байланысты кейбір қосымша шыңдардың жоғалып кеткенін байқадық. Бұл микробалдырлардың химиялық құрамы SL Nb-MXen-мен әрекеттесуге байланысты шамалы өзгерістерге ұшырауы мүмкін екенін көрсетеді.
Микробалдырлардың биохимиясындағы ықтимал өзгерістерді қарастырған кезде, ниобий оксиді сияқты бейорганикалық оксидтердің жиналуын қайта қарастыру қажет59. Ол жасуша бетімен металдардың сіңуіне, олардың цитоплазмаға тасымалдануына, жасушаішілік карбоксил топтарымен байланысуына және микробалдырлар полифосфосомаларындағы жиналуына қатысады20,88,89,90. Сонымен қатар, микробалдырлар мен металдар арасындағы байланыс жасушалардың функционалдық топтарымен сақталады. Осы себепті сіңу микробалдырлардың беткі химиясына да байланысты, ол өте күрделі9,91. Жалпы, күтілгендей, жасыл микробалдырлардың химиялық құрамы Nb оксидінің сіңуіне байланысты аздап өзгерді.
Қызығы, микробалдырлардың байқалған бастапқы тежелуі уақыт өте келе қайтымды болды. Біз байқағандай, микробалдырлар бастапқы қоршаған орта өзгерісін жеңіп, ақырында қалыпты өсу қарқынына оралды, тіпті артты. Дзета потенциалын зерттеу қоректік ортаға енгізілген кезде жоғары тұрақтылықты көрсетеді. Осылайша, микробалдыр жасушалары мен Nb-MXene нанобөлшектері арасындағы беттік өзара әрекеттесу тотықсыздану эксперименттері барысында сақталды. Әрі қарай талдауымызда біз микробалдырлардың осы керемет мінез-құлқының негізінде жатқан негізгі әсер ету механизмдерін қорытындылаймыз.
SEM бақылаулары микробалдырлардың Nb-MXen-дерге жабысуға бейім екенін көрсетті. Динамикалық кескін талдауын қолдана отырып, біз бұл әсердің екі өлшемді Nb-MXen наноқабыршақтарының сфералық бөлшектерге айналуына әкелетінін растаймыз, осылайша нанобөлшектердің ыдырауы олардың тотығуымен байланысты екенін көрсетеміз. Біздің гипотезамызды тексеру үшін біз бірқатар материалдық және биохимиялық зерттеулер жүргіздік. Сынақтан кейін нанобөлшектер біртіндеп тотығады және NbO және Nb2O5 өнімдеріне ыдырады, бұл жасыл микробалдырларға қауіп төндірмеді. FTIR бақылауын қолдана отырып, біз 2D Nb-MXen наноқабыршақтарының қатысуымен инкубацияланған микробалдырлардың химиялық құрамында айтарлықтай өзгерістер байқамадық. Микробалдырлардың ниобий оксидін сіңіру мүмкіндігін ескере отырып, біз рентгендік флуоресценциялық талдау жүргіздік. Бұл нәтижелер зерттелген микробалдырлардың зерттелген микробалдырларға улы емес ниобий оксидтерімен (NbO және Nb2O5) қоректенетінін анық көрсетеді.