Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com.Naudojate naršyklės versiją su ribotu CSS palaikymu.Norėdami gauti geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“).Tuo tarpu norėdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę pateiksime be stilių ir „JavaScript“.
Vienu metu rodoma trijų skaidrių karuselė.Naudokite mygtukus Ankstesnis ir Kitas, kad vienu metu pereitumėte per tris skaidres, arba naudokite slankiklio mygtukus, esančius pabaigoje, norėdami pereiti per tris skaidres vienu metu.
Spartus nanotechnologijų vystymasis ir jų integravimas į kasdienes programas gali kelti grėsmę aplinkai.Nors ekologiški organinių teršalų skaidymo metodai yra nusistovėję, neorganinių kristalinių teršalų atsigavimas kelia didelį susirūpinimą dėl mažo jų jautrumo biotransformacijai ir nesuvokimo apie medžiagų paviršiaus sąveiką su biologiniais.Čia mes naudojame Nb pagrindu sukurtą neorganinį 2D MXenes modelį kartu su paprastu formos parametrų analizės metodu, kad galėtume atsekti 2D keraminių nanomedžiagų bioremediacijos mechanizmą žaliaisiais mikrodumbliais Raphidocelis subcapitata.Mes nustatėme, kad mikrodumbliai skaido Nb pagrindu pagamintus MXenus dėl su paviršiumi susijusių fizikinių ir cheminių sąveikų.Iš pradžių prie mikrodumblių paviršiaus buvo pritvirtintos vienasluoksnės ir daugiasluoksnės MXene nanodribsniai, kurie šiek tiek sumažino dumblių augimą.Tačiau, ilgai sąveikaujant su paviršiumi, mikrodumbliai oksidavo MXene nanodribsnius ir toliau juos suskaidė į NbO ir Nb2O5.Kadangi šie oksidai nėra toksiški mikrodumblių ląstelėms, jie sunaudoja Nb oksido nanodaleles absorbcijos mechanizmu, kuris toliau atkuria mikrodumblius po 72 valandų vandens valymo.Maistinių medžiagų poveikis, susijęs su įsisavinimu, taip pat pasireiškia ląstelių tūrio padidėjimu, sklandžia jų forma ir augimo greičio pasikeitimu.Remdamiesi šiais duomenimis, darome išvadą, kad trumpalaikis ir ilgalaikis Nb pagrindu pagamintų MXenes buvimas gėlo vandens ekosistemose gali sukelti tik nedidelį poveikį aplinkai.Pažymėtina, kad naudojant dvimates nanomedžiagas kaip modelių sistemas, parodome galimybę stebėti formos transformaciją net ir smulkiagrūdėse medžiagose.Apskritai šis tyrimas atsako į svarbų pagrindinį klausimą apie su paviršiaus sąveika susijusius procesus, skatinančius 2D nanomedžiagų bioremediacijos mechanizmą, ir suteikia pagrindą tolesniems trumpalaikiams ir ilgalaikiams neorganinių kristalinių nanomedžiagų poveikio aplinkai tyrimams.
Nanomedžiagos sukėlė didelį susidomėjimą nuo tada, kai buvo atrastos, o įvairios nanotechnologijos neseniai įžengė į modernizavimo etapą1.Deja, nanomedžiagų integravimas į kasdienes programas gali sukelti atsitiktinių išmetimų dėl netinkamo šalinimo, neatsargaus elgesio ar netinkamos saugos infrastruktūros.Todėl pagrįsta manyti, kad nanomedžiagos, įskaitant dvimates (2D) nanomedžiagas, gali būti išleistos į natūralią aplinką, kurios elgsena ir biologinis aktyvumas dar nėra visiškai suprantami.Todėl nenuostabu, kad ekotoksiškumo problemos buvo sutelktos į 2D nanomedžiagų gebėjimą prasiskverbti į vandens sistemas 2, 3, 4, 5, 6.Šiose ekosistemose kai kurios 2D nanomedžiagos gali sąveikauti su įvairiais skirtingų trofinių lygių organizmais, įskaitant mikrodumblius.
Mikrodumbliai yra primityvūs organizmai, natūraliai randami gėlo vandens ir jūrų ekosistemose, kurie fotosintezės būdu gamina įvairius cheminius produktus7.Iš esmės jie yra labai svarbūs vandens ekosistemoms8, 9, 10, 11, 12, bet taip pat yra jautrūs, nebrangūs ir plačiai naudojami ekotoksiškumo rodikliai13, 14.Kadangi mikrodumblių ląstelės sparčiai dauginasi ir greitai reaguoja į įvairių junginių buvimą, jos yra perspektyvios kuriant ekologiškus organinėmis medžiagomis užteršto vandens valymo metodus15,16.
Dumblių ląstelės gali pašalinti neorganinius jonus iš vandens per biosorbciją ir kaupimąsi17,18.Kai kurios dumblių rūšys, tokios kaip Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue ir Synechococcus sp.Nustatyta, kad jis perneša ir netgi maitina toksiškus metalų jonus, tokius kaip Fe2+, Cu2+, Zn2+ ir Mn2+19.Kiti tyrimai parodė, kad Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ arba Pb2+ jonai riboja Scenedesmus augimą, keisdami ląstelių morfologiją ir sunaikindami jų chloroplastus20,21.
Žalieji organinių teršalų skaidymo ir sunkiųjų metalų jonų šalinimo metodai patraukė viso pasaulio mokslininkų ir inžinierių dėmesį.Taip yra daugiausia dėl to, kad šie teršalai lengvai apdorojami skystoje fazėje.Tačiau neorganiniams kristaliniams teršalams būdingas mažas tirpumas vandenyje ir mažas jautrumas įvairioms biotransformacijoms, o tai sukelia didelių sanavimo sunkumų, o šioje srityje padaryta nedidelė pažanga22,23,24,25,26.Taigi, aplinką tausojančių nanomedžiagų taisymo sprendimų paieška tebėra sudėtinga ir neištirta sritis.Dėl didelio neapibrėžtumo, susijusio su 2D nanomedžiagų biotransformacijos poveikiu, nėra lengvo būdo išsiaiškinti galimus jų skilimo būdus redukuojant.
Šiame tyrime žaliuosius mikrodumblius naudojome kaip aktyvų neorganinių keraminių medžiagų vandeninį bioremediacijos agentą, kartu su MXene, kaip neorganinių keraminių medžiagų atstovo, skilimo proceso stebėjimu in situ.Terminas „MXene“ atspindi medžiagos Mn+1XnTx stechiometriją, kur M yra ankstyvasis pereinamasis metalas, X yra anglis ir (arba) azotas, Tx yra paviršiaus terminatorius (pvz., -OH, -F, -Cl), o n = 1, 2, 3 arba 427,28.Nuo MXenes atradimo Naguibas ir kt.Sensorika, vėžio terapija ir membranų filtravimas 27,29,30.Be to, MXenes gali būti laikomos modeliinėmis 2D sistemomis dėl puikaus koloidinio stabilumo ir galimos biologinės sąveikos31,32,33,34,35,36.
Todėl šiame straipsnyje sukurta metodika ir mūsų tyrimo hipotezės pateiktos 1 paveiksle. Pagal šią hipotezę mikrodumbliai dėl su paviršiumi susijusių fizikinių-cheminių sąveikų skaido Nb pagrindu pagamintus MXenus į netoksiškus junginius, o tai leidžia toliau atsistatyti dumblius.Norint patikrinti šią hipotezę, buvo atrinkti du ankstyvųjų niobio pagrindu pagamintų pereinamųjų metalų karbidų ir (arba) nitridų (MXenes) šeimos nariai, būtent Nb2CTx ir Nb4C3TX.
Žaliųjų mikrodumblių Raphidocelis subcapitata tyrimo metodika ir įrodymais pagrįstos hipotezės MXene atstatymui.Atkreipkite dėmesį, kad tai tik schematiškai pavaizduotos įrodymais pagrįstos prielaidos.Ežero aplinka skiriasi dėl naudojamos maistinės terpės ir sąlygų (pvz., paros ciklo ir turimų pagrindinių maistinių medžiagų apribojimų).Sukurta naudojant BioRender.com.
Todėl naudodami MXene kaip pavyzdinę sistemą, atvėrėme duris įvairių biologinių poveikių, kurių negalima pastebėti naudojant kitas įprastas nanomedžiagas, tyrimui.Visų pirma, mes parodome galimybę biologiškai ištaisyti dvimates nanomedžiagas, tokias kaip niobio pagrindu pagaminti MXenes, naudojant mikrodumblius Raphidocelis subcapitata.Mikrodumbliai gali skaidyti Nb-MXenus į netoksiškus oksidus NbO ir Nb2O5, kurie taip pat aprūpina maistinėmis medžiagomis per niobio įsisavinimo mechanizmą.Apskritai šis tyrimas atsako į svarbų pagrindinį klausimą apie procesus, susijusius su paviršiaus fizikine ir chemine sąveika, kuri valdo dvimačių nanomedžiagų bioremediacijos mechanizmus.Be to, kuriame paprastą formos parametrais pagrįstą metodą, skirtą subtiliems 2D nanomedžiagų formos pokyčiams sekti.Tai įkvepia tolesnius trumpalaikius ir ilgalaikius įvairių neorganinių kristalinių nanomedžiagų poveikio aplinkai tyrimus.Taigi mūsų tyrimas padidina supratimą apie medžiagos paviršiaus ir biologinės medžiagos sąveiką.Taip pat suteikiame pagrindą išplėstiniams trumpalaikiams ir ilgalaikiams galimo jų poveikio gėlo vandens ekosistemoms tyrimams, kuriuos dabar galima lengvai patikrinti.
MXenes yra įdomi medžiagų klasė, pasižyminti unikaliomis ir patraukliomis fizinėmis ir cheminėmis savybėmis, todėl daug galimų pritaikymų.Šios savybės labai priklauso nuo jų stechiometrijos ir paviršiaus chemijos.Todėl savo tyrime ištyrėme dviejų tipų Nb pagrindu veikiančius hierarchinius vieno sluoksnio (SL) MXenes, Nb2CTx ir Nb4C3TX, nes buvo galima pastebėti skirtingą šių nanomedžiagų biologinį poveikį.MXenai gaminami iš pradinių medžiagų, iš viršaus į apačią selektyviai ėsdinant atomiškai plonus MAX fazės A sluoksnius.MAX fazė yra trijų dalių keramika, sudaryta iš „surištų“ pereinamųjų metalų karbidų blokų ir plonų „A“ elementų, tokių kaip Al, Si ir Sn, sluoksnių su MnAXn-1 stechiometrija.Pradinės MAX fazės morfologija buvo stebima skenuojančia elektronine mikroskopija (SEM) ir atitiko ankstesnius tyrimus (žr. papildomą informaciją, SI, S1 pav.).Daugiasluoksnis (ML) Nb-MXenas buvo gautas pašalinus Al sluoksnį 48% HF (vandenilio fluorido rūgštimi).ML-Nb2CTx ir ML-Nb4C3TX morfologija buvo ištirta skenuojančia elektronine mikroskopija (SEM) (atitinkamai S1c ir S1d paveikslai) ir buvo pastebėta tipiška sluoksniuota MXene morfologija, panaši į dvimačius nanodribsnius, praeinančius per pailgas į poras panašius plyšius.Abu Nb-MXenai turi daug bendro su MXene fazėmis, anksčiau susintetintomis ėsdinant rūgštimi 27, 38.Patvirtinus MXene struktūrą, mes ją sluoksniuojome interkaluodami tetrabutilamonio hidroksidą (TBAOH), po to plovėme ir apdorojome ultragarsu, po to gavome vieno sluoksnio arba žemo sluoksnio (SL) 2D Nb-MXene nanodribsnius.
Norėdami patikrinti ėsdinimo ir tolesnio lupimo efektyvumą, naudojome didelės skiriamosios gebos perdavimo elektronų mikroskopiją (HRTEM) ir rentgeno spindulių difrakciją (XRD).HRTEM rezultatai, apdoroti naudojant atvirkštinę greitąją Furjė transformaciją (IFFT) ir greitąją Furjė transformaciją (FFT), parodyti 2 pav. Nb-MXene nanodribsniai buvo nukreipti kraštais į viršų, kad būtų galima patikrinti atominio sluoksnio struktūrą ir išmatuoti tarpplaninius atstumus.MXene Nb2CTx ir Nb4C3TX nanodribsnių HRTEM vaizdai atskleidė jų atomiškai ploną sluoksnį (žr. 2a1, a2 pav.), kaip anksčiau pranešė Naguib ir kt.27 ir Jastrzębska ir kt.38.Dviejų gretimų Nb2CTx ir Nb4C3Tx vienasluoksnių sluoksnių tarpsluoksnių atstumus nustatėme atitinkamai 0,74 ir 1,54 nm (2b1, b2 pav.), o tai taip pat atitinka ankstesnius rezultatus38.Tai dar labiau patvirtino atvirkštinė greitoji Furjė transformacija (2c1 pav., c2) ir greitoji Furjė transformacija (2d1 pav., d2), rodanti atstumą tarp Nb2CTx ir Nb4C3Tx vienasluoksnių sluoksnių.Vaizdas rodo šviesių ir tamsių juostų, atitinkančių niobio ir anglies atomus, kaitą, o tai patvirtina tirtų MXenes sluoksniuotą pobūdį.Svarbu pažymėti, kad energijos dispersijos rentgeno spektroskopijos (EDX) spektrai, gauti Nb2CTx ir Nb4C3Tx (S2a ir S2b paveikslai), neparodė pradinės MAX fazės likučių, nes nebuvo aptikta Al smailės.
SL Nb2CTx ir Nb4C3Tx MXene nanodribsnių apibūdinimas, įskaitant (a) didelės skiriamosios gebos elektroninės mikroskopijos (HRTEM) 2D nanodribsnių vaizdą iš šono ir atitinkamą, (b) intensyvumo režimą, (c) atvirkštinę greitąją Furjė transformaciją (IFFT), (d) greitą Furjė transformaciją (FFT), (e) rentgeno spindulių modelius.SL 2D Nb2CTx skaičiai išreiškiami kaip (a1, b1, c1, d1, e1).SL 2D Nb4C3Tx skaičiai išreiškiami kaip (a2, b2, c2, d2, e1).
SL Nb2CTx ir Nb4C3Tx MXenes rentgeno spindulių difrakcijos matavimai parodyti Fig.2e1 ir e2 atitinkamai.Smailės (002) ties 4,31 ir 4,32 atitinka anksčiau aprašytus sluoksniuotus MXenes Nb2CTx ir Nb4C3TX38, 39, 40, 41.XRD rezultatai taip pat rodo, kad yra kai kurių likutinių ML struktūrų ir MAX fazių, tačiau dažniausiai XRD modeliai, susiję su SL Nb4C3Tx (2e2 pav.).Mažesnių MAX fazės dalelių buvimas gali paaiškinti stipresnę MAX smailę, palyginti su atsitiktinai sukrautais Nb4C3Tx sluoksniais.
Tolesni tyrimai buvo skirti žaliesiems mikrodumbliams, priklausantiems R. subcapitata rūšiai.Pasirinkome mikrodumblius, nes jie yra svarbūs gamintojai, dalyvaujantys pagrindiniuose maisto tinkluose42.Jie taip pat yra vienas geriausių toksiškumo rodiklių dėl gebėjimo pašalinti toksines medžiagas, kurios patenka į aukštesnius maisto grandinės lygius43.Be to, R. subcapitata tyrimai gali atskleisti atsitiktinį SL Nb-MXenes toksiškumą paprastiems gėlo vandens mikroorganizmams.Norėdami tai iliustruoti, mokslininkai iškėlė hipotezę, kad kiekvienas mikrobas turi skirtingą jautrumą toksiškiems junginiams, esantiems aplinkoje.Daugumos organizmų mažos koncentracijos medžiagų neturi įtakos jų augimui, o viršijančios tam tikrą ribą gali juos slopinti ar net sukelti mirtį.Todėl, norėdami tirti paviršiaus sąveiką tarp mikrodumblių ir MXenes ir susijusį atsigavimą, nusprendėme išbandyti nekenksmingas ir toksiškas Nb-MXenes koncentracijas.Norėdami tai padaryti, ištyrėme 0 (kaip atskaitos), 0,01, 0,1 ir 10 mg l-1 MXene koncentracijas ir papildomai užkrėstus mikrodumblius su labai didelėmis MXene (100 mg l-1 MXene) koncentracijomis, kurios gali būti ekstremalios ir mirtinos..bet kuriai biologinei aplinkai.
SL Nb-MXenes poveikis mikrodumbliams parodytas 3 paveiksle, išreikštas augimo skatinimo (+) arba slopinimo (-) procentine dalimi, išmatuota 0 mg l-1 mėginiams.Palyginimui, taip pat buvo išbandyta Nb-MAX fazė ir ML Nb-MXenes, o rezultatai pateikiami SI (žr. S3 pav.).Gauti rezultatai patvirtino, kad SL Nb-MXenes beveik visiškai neturi toksiškumo mažose koncentracijose nuo 0,01 iki 10 mg/l, kaip parodyta 3a, b pav.Nb2CTx atveju nustatytame diapazone ekotoksiškumas buvo ne didesnis kaip 5%.
Mikrodumblių augimo stimuliavimas (+) arba slopinimas (-), esant SL (a) Nb2CTx ir (b) Nb4C3TX MXene.Išanalizuotos 24, 48 ir 72 valandų MXene ir mikrodumblių sąveikos. Reikšmingi duomenys (t-testas, p < 0,05) pažymėti žvaigždute (*). Reikšmingi duomenys (t-testas, p < 0,05) pažymėti žvaigždute (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Reikšmingi duomenys (t-testas, p < 0,05) pažymėti žvaigždute (*).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 testas, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Svarbūs duomenys (t-testas, p < 0,05) pažymėti žvaigždute (*).Raudonos rodyklės rodo slopinančios stimuliacijos panaikinimą.
Kita vertus, mažos Nb4C3TX koncentracijos pasirodė šiek tiek toksiškesnės, bet ne didesnės kaip 7%.Kaip ir tikėtasi, mes pastebėjome, kad MXenes turėjo didesnį toksiškumą ir mikrodumblių augimo slopinimą esant 100 mg L-1.Įdomu tai, kad nė viena medžiaga neparodė tokios pat toksinio / toksinio poveikio tendencijos ir priklausomybės nuo laiko, palyginti su MAX arba ML mėginiais (daugiau informacijos rasite SI).Nors MAX fazėje (žr. S3 pav.) toksiškumas siekė maždaug 15–25% ir laikui bėgant didėjo, SL Nb2CTx ir Nb4C3TX MXene buvo pastebėta atvirkštinė tendencija.Laikui bėgant mikrodumblių augimo slopinimas mažėjo.Po 24 valandų jis pasiekė maždaug 17%, o po 72 valandų sumažėjo iki mažiau nei 5% (atitinkamai 3a, b pav.).
Dar svarbiau, kad SL Nb4C3TX mikrodumblių augimo slopinimas po 24 valandų siekė apie 27%, bet po 72 valandų sumažėjo iki maždaug 1%.Todėl pastebėtą poveikį pažymėjome kaip atvirkštinį stimuliacijos slopinimą, o SL Nb4C3TX MXene poveikis buvo stipresnis.Mikrodumblių augimo stimuliavimas buvo pastebėtas anksčiau naudojant Nb4C3TX (sąveika vartojant 10 mg L-1 24 valandas), palyginti su SL Nb2CTx MXene.Slopinimo-stimuliavimo atvirkštinis poveikis taip pat buvo gerai parodytas biomasės padvigubėjimo greičio kreivėje (išsamiau žr. S4 pav.).Iki šiol įvairiais būdais buvo tiriamas tik Ti3C2TX MXene ekotoksiškumas.Jis nėra toksiškas zebrafinių žuvų embrionams44, bet vidutiniškai ekotoksiškas mikrodumbliams Desmodesmus quadricauda ir Sorghum saccharatum augalams45.Kiti specifinio poveikio pavyzdžiai apima didesnį toksiškumą vėžio ląstelių linijoms nei įprastoms ląstelių linijoms46,47.Galima daryti prielaidą, kad bandymo sąlygos turės įtakos mikrodumblių augimo pokyčiams, pastebėtiems esant Nb-MXenes.Pavyzdžiui, maždaug 8 pH chloroplasto stromoje yra optimalus efektyviam RuBisCO fermento veikimui.Todėl pH pokyčiai neigiamai veikia fotosintezės greitį48,49.Tačiau mes nepastebėjome reikšmingų pH pokyčių eksperimento metu (žr. SI, S5 pav.).Apskritai, mikrodumblių kultūros su Nb-MXenes laikui bėgant šiek tiek sumažino tirpalo pH.Tačiau šis sumažėjimas buvo panašus į grynos terpės pH pasikeitimą.Be to, rasta variacijų diapazonas buvo panašus į išmatuotą grynai mikrodumblių kultūrai (kontrolinis mėginys).Taigi darome išvadą, kad fotosintezei pH pokyčiai laikui bėgant įtakos neturi.
Be to, susintetinti MXenai turi paviršiaus galūnes (žymimas kaip Tx).Tai daugiausia funkcinės grupės -O, -F ir -OH.Tačiau paviršiaus chemija yra tiesiogiai susijusi su sintezės metodu.Yra žinoma, kad šios grupės yra atsitiktinai paskirstytos paviršiuje, todėl sunku numatyti jų poveikį MXene50 savybėms.Galima teigti, kad Tx gali būti niobio oksidacijos šviesa katalizinė jėga.Paviršiaus funkcinės grupės iš tiesų suteikia daugybę tvirtinimo vietų jų pagrindiniams fotokatalizatoriams, kad susidarytų heterojungtys51.Tačiau auginimo terpės sudėtis nesuteikė veiksmingo fotokatalizatoriaus (išsamią terpės sudėtį galima rasti SI lentelėje S6).Be to, bet koks paviršiaus modifikavimas taip pat yra labai svarbus, nes MXenų biologinis aktyvumas gali pakisti dėl sluoksnio papildomo apdorojimo, oksidacijos, cheminių organinių ir neorganinių junginių paviršiaus modifikacijų52,53,54,55,56 ar paviršiaus krūvio inžinerijos38.Todėl norėdami patikrinti, ar niobio oksidas turi ką nors bendro su medžiagos nestabilumu terpėje, atlikome zeta (ζ) potencialo tyrimus mikrodumblių auginimo terpėje ir dejonizuotame vandenyje (palyginimui).Mūsų rezultatai rodo, kad SL Nb-MXenes yra gana stabilūs (žr. SI pav. S6 MAX ir ML rezultatus).SL MXenes zeta potencialas yra apie -10 mV.SR Nb2CTx atveju ζ reikšmė yra šiek tiek neigiama nei Nb4C3Tx.Toks ζ vertės pokytis gali rodyti, kad neigiamai įkrautų MXene nanodribsnių paviršius sugeria teigiamai įkrautus jonus iš auginimo terpės.Laikini zeta potencialo ir Nb-MXenų laidumo matavimai auginimo terpėje (daugiau informacijos rasite S7 ir S8 paveiksluose SI), atrodo, patvirtina mūsų hipotezę.
Tačiau abu Nb-MXene SL parodė minimalius pokyčius nuo nulio.Tai aiškiai parodo jų stabilumą mikrodumblių augimo terpėje.Be to, įvertinome, ar mūsų žaliųjų mikrodumblių buvimas turės įtakos Nb-MXenes stabilumui terpėje.MXenų zeta potencialo ir laidumo rezultatus po sąveikos su mikrodumbliais maistinėse terpėse ir kultūroje laikui bėgant galima rasti SI (S9 ir S10 paveikslai).Įdomu tai, kad pastebėjome, kad mikrodumblių buvimas stabilizuoja abiejų MXenų sklaidą.Nb2CTx SL atveju zeta potencialas laikui bėgant net šiek tiek sumažėjo iki neigiamų verčių (-15,8, palyginti su -19,1 mV po 72 h inkubacijos).SL Nb4C3TX zeta potencialas šiek tiek padidėjo, tačiau po 72 valandų jis vis tiek pasižymėjo didesniu stabilumu nei nanodribsniai be mikrodumblių (-18,1 vs. -9,1 mV).
Taip pat nustatėme mažesnį Nb-MXene tirpalų, inkubuotų esant mikrodumbliams, laidumą, o tai rodo mažesnį jonų kiekį maistinėje terpėje.Pažymėtina, kad MXenų nestabilumas vandenyje daugiausia yra dėl paviršiaus oksidacijos57.Todėl įtariame, kad žalieji mikrodumbliai kažkaip išvalė Nb-MXene paviršiuje susidariusius oksidus ir netgi užkirto kelią jų atsiradimui (MXene oksidacijai).Tai galima pastebėti tiriant mikrodumblių absorbuojamų medžiagų rūšis.
Nors mūsų ekotoksikologiniai tyrimai parodė, kad mikrodumbliai ilgainiui sugebėjo įveikti Nb-MXenes toksiškumą ir neįprastą stimuliuojamo augimo slopinimą, mūsų tyrimo tikslas buvo ištirti galimus veikimo mechanizmus.Kai organizmai, tokie kaip dumbliai, yra veikiami junginių ar medžiagų, nepažįstamų jų ekosistemoms, jie gali reaguoti įvairiais būdais58,59.Jei nėra toksiškų metalų oksidų, mikrodumbliai gali maitintis patys, todėl jie gali nuolat augti60.Nurijus toksinių medžiagų, gali suaktyvėti gynybos mechanizmai, pavyzdžiui, pasikeičia forma ar forma.Taip pat reikia atsižvelgti į absorbcijos galimybę58,59.Pažymėtina, kad bet koks gynybos mechanizmo požymis yra aiškus bandomojo junginio toksiškumo rodiklis.Todėl tolesniame darbe ištyrėme galimą paviršiaus sąveiką tarp SL Nb-MXene nanodumblių ir mikrodumblių naudojant SEM ir galimą Nb pagrindu pagaminto MXene absorbciją rentgeno fluorescencine spektroskopija (XRF).Atkreipkite dėmesį, kad SEM ir XRF analizės buvo atliekamos tik esant didžiausiai MXene koncentracijai, siekiant išspręsti aktyvumo toksiškumo problemas.
SEM rezultatai parodyti 4 pav.Neapdorotos mikrodumblių ląstelės (žr. 4a pav., etaloninis mėginys) aiškiai parodė tipišką R. subcapitata morfologiją ir į raguolį panašią ląstelių formą.Ląstelės atrodo suplotos ir šiek tiek neorganizuotos.Kai kurios mikrodumblių ląstelės persidengė ir įsipainiojo viena su kita, tačiau tai tikriausiai lėmė mėginio paruošimo procesas.Apskritai grynos mikrodumblių ląstelės turėjo lygų paviršių ir neturėjo jokių morfologinių pakitimų.
SEM vaizdai, rodantys žaliųjų mikrodumblių ir MXene nanosluoksnių paviršiaus sąveiką po 72 valandų sąveikos esant ekstremalioms koncentracijoms (100 mg L-1).(a) Neapdoroti žali mikrodumbliai po sąveikos su SL (b) Nb2CTx ir (c) Nb4C3TX MXenes.Atkreipkite dėmesį, kad Nb-MXene nanodribsniai yra pažymėti raudonomis rodyklėmis.Palyginimui taip pat pridedamos nuotraukos iš optinio mikroskopo.
Priešingai, mikrodumblių ląstelės, adsorbuotos SL Nb-MXene nanodribsnių, buvo pažeistos (žr. 4b, c pav., raudonos rodyklės).Nb2CTx MXene atveju (4b pav.) mikrodumbliai linkę augti su pritvirtintomis dvimatėmis nanoskalėmis, kurios gali pakeisti jų morfologiją.Pažymėtina, kad šiuos pokyčius taip pat stebėjome šviesos mikroskopu (išsamiau žr. SI S11 paveikslą).Šis morfologinis perėjimas turi patikimą pagrindą mikrodumblių fiziologijai ir jų gebėjimui apsiginti keičiant ląstelių morfologiją, pavyzdžiui, didinant ląstelių tūrį61.Todėl svarbu patikrinti mikrodumblių ląstelių, kurios iš tikrųjų liečiasi su Nb-MXenes, skaičių.SEM tyrimai parodė, kad maždaug 52% mikrodumblių ląstelių buvo veikiamos Nb-MXenes, o 48% šių mikrodumblių ląstelių išvengė kontakto.SL Nb4C3Tx MXene mikrodumbliai stengiasi vengti kontakto su MXene, taip lokalizuodami ir išaugdami iš dvimačių nanoskalių (4c pav.).Tačiau nanodalelių įsiskverbimo į mikrodumblių ląsteles ir jų pažeidimo nepastebėjome.
Savęs išsaugojimas taip pat yra nuo laiko priklausomas atsakas į fotosintezės blokavimą dėl dalelių adsorbcijos ląstelės paviršiuje ir vadinamojo šešėliavimo (tamsinimo) efekto62.Akivaizdu, kad kiekvienas objektas (pavyzdžiui, Nb-MXene nanodribsniai), esantis tarp mikrodumblių ir šviesos šaltinio, riboja chloroplastų sugeriamos šviesos kiekį.Tačiau neabejojame, kad tai turi didelės įtakos gautiems rezultatams.Kaip parodė mūsų mikroskopiniai stebėjimai, 2D nanodribsniai nebuvo visiškai apvynioti arba prilipę prie mikrodumblių paviršiaus, net kai mikrodumblių ląstelės liečiasi su Nb-MXenes.Vietoj to, nanodribsniai buvo orientuoti į mikrodumblių ląsteles, neuždengdami jų paviršiaus.Toks nanodumblių/mikrodumblių rinkinys negali reikšmingai apriboti mikrodumblių ląstelių sugeriamos šviesos kiekio.Be to, kai kurie tyrimai netgi parodė, kad fotosintetinių organizmų šviesos absorbcija pagerėjo, kai yra dvimatės nanomedžiagos 63, 64, 65, 66 .
Kadangi SEM vaizdai negalėjo tiesiogiai patvirtinti niobio įsisavinimo mikrodumblių ląstelėse, mūsų tolesnis tyrimas buvo nukreiptas į rentgeno fluorescencijos (XRF) ir rentgeno fotoelektroninės spektroskopijos (XPS) analizę, kad išaiškintume šią problemą.Todėl palyginome etaloninių mikrodumblių mėginių, kurie nesąveikavo su MXenes, MXene nanodribsnių, atsiskyrusių nuo mikrodumblių ląstelių paviršiaus, ir mikrodumblių ląstelių Nb smailių intensyvumą pašalinus pritvirtintus MXenes.Verta paminėti, kad jei nėra Nb įsisavinimo, mikrodumblių ląstelių gauta Nb vertė turėtų būti lygi nuliui, pašalinus pritvirtintas nanosvarstykles.Todėl, jei įvyksta Nb įsisavinimas, tiek XRF, tiek XPS rezultatai turėtų rodyti aiškią Nb smailę.
XRF spektrų atveju mikrodumblių mėginiai parodė Nb smailes SL Nb2CTx ir Nb4C3Tx MXene po sąveikos su SL Nb2CTx ir Nb4C3Tx MXene (žr. 5a pav., taip pat atkreipkite dėmesį, kad MAX ir ML MXenes rezultatai parodyti SI, S12 – C1C1 pav.).Įdomu tai, kad Nb smailės intensyvumas abiem atvejais yra vienodas (raudonos juostos 5a pav.).Tai parodė, kad dumbliai negalėjo absorbuoti daugiau Nb, o ląstelėse buvo pasiektas didžiausias Nb kaupimosi pajėgumas, nors prie mikrodumblių ląstelių buvo prijungta du kartus daugiau Nb4C3Tx MXene (mėlynos juostos 5a pav.).Pažymėtina, kad mikrodumblių gebėjimas absorbuoti metalus priklauso nuo metalų oksidų koncentracijos aplinkoje67, 68.Shamshada ir kt.67 nustatė, kad gėlavandenių dumblių sugeriamumas mažėja didėjant pH.Raize ir kt.68 pažymėjo, kad jūros dumblių gebėjimas sugerti metalus Pb2+ buvo apie 25 % didesnis nei Ni2+.
a ) XRF rezultatai apie bazinį Nb įsisavinimą žaliųjų mikrodumblių ląstelėse, inkubuojamose esant ekstremalioms SL Nb-MXenes koncentracijai (100 mg L-1) 72 valandas.Rezultatai rodo α buvimą grynose mikrodumblių ląstelėse (kontrolinis mėginys, pilkos spalvos stulpeliai), 2D nanodribsniuose, išskirtuose iš paviršinių mikrodumblių ląstelių (mėlynos spalvos stulpeliai), ir mikrodumblių ląstelėse po 2D nanodribsnių atskyrimo nuo paviršiaus (raudonos kolonėlės).Elementinio Nb kiekis, (b) mikrodumblių organinių komponentų (C=O ir CHx/C–O) ir Nb oksidų cheminės sudėties procentas, esantis mikrodumblių ląstelėse po inkubacijos su SL Nb-MXenes, (c–e) XPS SL Nb2CTx spektrų kompozicinės smailės pritaikymas ir (fh) MXC3 internalizuotos SL Nbgaalene SL.
Todėl tikėjomės, kad Nb gali absorbuoti dumblių ląstelės oksidų pavidalu.Norėdami tai patikrinti, atlikome XPS tyrimus su MXenes Nb2CTx ir Nb4C3TX bei dumblių ląstelėmis.Mikrodumblių sąveikos su Nb-MXenais ir iš dumblių ląstelių išskirtais MXenais rezultatai parodyti Fig.5b.Kaip ir tikėtasi, mikrodumblių mėginiuose aptikome Nb 3d smailes pašalinus MXene nuo mikrodumblių paviršiaus.Kiekybinis C=O, CHx/CO ir Nb oksidų nustatymas buvo apskaičiuotas remiantis Nb 3d, O 1s ir C 1s spektrais, gautais naudojant Nb2CTx SL (5c – e pav.) ir Nb4C3Tx SL (5c – e pav.).), gautas iš inkubuotų mikrodumblių.5f–h pav.) MXenes.S1-3 lentelėje parodyta išsami informacija apie smailių parametrus ir bendrą chemiją, atsirandančią dėl pritaikymo.Pažymėtina, kad Nb2CTx SL ir Nb4C3Tx SL Nb 3d sritys (5c, f pav.) atitinka vieną Nb2O5 komponentą.Čia neradome su MXene susijusių smailių spektruose, o tai rodo, kad mikrodumblių ląstelės sugeria tik Nb oksido formą.Be to, apytiksliai įvertinome C 1 s spektrą su C–C, CHx/C–O, C=O ir –COOH komponentais.CHx / C – O ir C = O smailes priskyrėme organiniam mikrodumblių ląstelių indėliui.Šie organiniai komponentai sudaro atitinkamai 36% ir 41% C1s smailių Nb2CTx SL ir Nb4C3TX SL.Tada mes pritaikėme SL Nb2CTx ir SL Nb4C3TX O 1s spektrus su Nb2O5, organiniais mikrodumblių komponentais (CHx / CO) ir paviršiumi adsorbuotu vandeniu.
Galiausiai XPS rezultatai aiškiai parodė Nb formą, o ne tik jo buvimą.Pagal Nb 3d signalo padėtį ir dekonvoliucijos rezultatus patvirtiname, kad Nb absorbuojamas tik oksidų, o ne jonų ar paties MXene pavidalu.Be to, XPS rezultatai parodė, kad mikrodumblių ląstelės turi didesnį gebėjimą įsisavinti Nb oksidus iš SL Nb2CTx, palyginti su SL Nb4C3TX MXene.
Nors mūsų Nb įsisavinimo rezultatai yra įspūdingi ir leidžia nustatyti MXene skaidymą, nėra metodo, kaip sekti susijusius morfologinius 2D nanodribsnių pokyčius.Todėl mes taip pat nusprendėme sukurti tinkamą metodą, kuris galėtų tiesiogiai reaguoti į bet kokius 2D Nb-MXene nanodribsnių ir mikrodumblių ląstelių pokyčius.Svarbu pažymėti, kad darome prielaidą, kad jei sąveikaujančios rūšys patiria kokių nors transformacijų, skaidymo ar defragmentavimo, tai turėtų greitai pasireikšti kaip formos parametrų, tokių kaip lygiaverčio apskritimo ploto skersmuo, apvalumas, Fereto plotis arba Feret ilgis, pokyčiai.Kadangi šie parametrai tinka apibūdinti pailgas daleles ar dvimates nanodribsnius, jų sekimas dinamine dalelių formos analize suteiks mums vertingos informacijos apie SL Nb-MXene nanodribsnių morfologinę transformaciją redukcijos metu.
Gauti rezultatai parodyti 6 paveiksle. Palyginimui taip pat išbandėme originalią MAX fazę ir ML-MXenes (žr. SI S18 ir S19 pav.).Dinaminė dalelių formos analizė parodė, kad visi dviejų Nb-MXene SL formos parametrai labai pasikeitė po sąveikos su mikrodumbliais.Kaip rodo ekvivalentinio apskritimo ploto skersmens parametras (6a, b pav.), sumažėjęs didelių nanodribsnių frakcijos smailės intensyvumas rodo, kad jie linkę suskaidyti į mažesnius fragmentus.Ant pav.6c, d rodo smailių, susijusių su skersiniu dribsnių dydžiu, sumažėjimą (nano dribsnių pailgėjimą), o tai rodo 2D nanodribsnių transformaciją į daleles panašesnę formą.6e-h paveikslas, rodantis atitinkamai Fereto plotį ir ilgį.Fereto plotis ir ilgis yra vienas kitą papildantys parametrai, todėl juos reikėtų vertinti kartu.Po 2D Nb-MXene nanodribsnių inkubacijos mikrodumblių akivaizdoje jų Feret koreliacijos smailės pasislinko ir jų intensyvumas sumažėjo.Remdamiesi šiais rezultatais kartu su morfologija, XRF ir XPS, padarėme išvadą, kad pastebėti pokyčiai yra stipriai susiję su oksidacija, nes oksiduoti MXenai tampa labiau susiraukšlėję ir skyla į fragmentus ir sferines oksido daleles 69, 70.
MXene transformacijos po sąveikos su žaliais mikrodumbliais analizė.Dinaminėje dalelių formos analizėje atsižvelgiama į tokius parametrus kaip (a, b) ekvivalentinio apskritimo ploto skersmuo, (c, d) apvalumas, (e, f) Fereto plotis ir (g, h) Fereto ilgis.Šiuo tikslu buvo analizuojami du etaloniniai mikrodumblių mėginiai kartu su pirminiais SL Nb2CTx ir SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx ir SL Nb4C3Tx MXenes, suskaidytais mikrodumbliais ir apdorotais mikrodumbliais SL Nb2CTx ir SL Nb4C3Tx MXenes.Raudonos rodyklės rodo tiriamų dvimačių nanodribsnių formos parametrų perėjimus.
Kadangi formos parametrų analizė yra labai patikima, ji taip pat gali atskleisti morfologinius mikrodumblių ląstelių pokyčius.Todėl išanalizavome grynų mikrodumblių ląstelių ir ląstelių lygiavertį apskrito ploto skersmenį, apvalumą ir Fereto plotį / ilgį po sąveikos su 2D Nb nanodribsniais.Ant pav.6a – h rodo dumblių ląstelių formos parametrų pokyčius, kaip rodo smailės intensyvumo sumažėjimas ir maksimumų poslinkis į didesnes vertes.Visų pirma, ląstelių apvalumo parametrai rodė pailgų ląstelių sumažėjimą ir sferinių ląstelių padidėjimą (6a, b pav.).Be to, Feret ląstelės plotis padidėjo keliais mikrometrais po sąveikos su SL Nb2CTx MXene (6e pav.), palyginti su SL Nb4C3TX MXene (6f pav.).Įtariame, kad tai gali būti dėl stipraus Nb oksidų įsisavinimo mikrodumbliams sąveikaujant su Nb2CTx SR.Ne toks tvirtas Nb dribsnių pritvirtinimas prie jų paviršiaus gali sukelti ląstelių augimą ir minimalų šešėlio efektą.
Mūsų pastebėti mikrodumblių formos ir dydžio parametrų pokyčiai papildo kitus tyrimus.Žalieji mikrodumbliai gali pakeisti savo morfologiją, reaguodami į aplinkos stresą, keisdami ląstelių dydį, formą ar metabolizmą61.Pavyzdžiui, pakeitus ląstelių dydį palengvinamas maistinių medžiagų įsisavinimas71.Mažesnės dumblių ląstelės rodo mažesnį maistinių medžiagų pasisavinimą ir sumažėjusį augimo greitį.Ir atvirkščiai, didesnės ląstelės paprastai sunaudoja daugiau maistinių medžiagų, kurios vėliau nusėda į ląstelę72,73.Machado ir Soaresas nustatė, kad fungicidas triklozanas gali padidinti ląstelių dydį.Jie taip pat nustatė esminius dumblių formos pokyčius74.Be to, Yin et al.9 taip pat atskleidė morfologinius dumblių pokyčius po poveikio redukuoto grafeno oksido nanokompozitams.Todėl aišku, kad pakitusius mikrodumblių dydžio / formos parametrus sukelia MXene buvimas.Kadangi šis dydžio ir formos pokytis rodo maistinių medžiagų pasisavinimo pokyčius, manome, kad dydžio ir formos parametrų analizė laikui bėgant gali parodyti, kad mikrodumbliai pasisavina niobio oksidą esant Nb-MXenes.
Be to, MXenai gali būti oksiduojami esant dumbliams.Dalai ir kt.75 pastebėjo, kad nano-TiO2 ir Al2O376 paveiktų žaliųjų dumblių morfologija nebuvo vienoda.Nors mūsų stebėjimai yra panašūs į šį tyrimą, jie svarbūs tik tiriant bioremediacijos poveikį MXene skilimo produktams, kai yra 2D nanodribsniai, o ne nanodalelės.Kadangi MXenai gali suirti į metalų oksidus, 31, 32, 77, 78 galima pagrįstai manyti, kad mūsų Nb nanodribsniai taip pat gali sudaryti Nb oksidus po sąveikos su mikrodumblių ląstelėmis.
Siekdami paaiškinti 2D-Nb nanodribsnių redukciją skaidymo mechanizmu, pagrįstu oksidacijos procesu, atlikome tyrimus taikydami didelės raiškos perdavimo elektronų mikroskopiją (HRTEM) (7a,b pav.) ir rentgeno fotoelektronų spektroskopiją (XPS) (7 pav.).7c-i ir lentelės S4-5).Abu metodai tinka 2D medžiagų oksidacijos tyrimui ir vienas kitą papildo.HRTEM gali analizuoti dvimačių sluoksninių struktūrų degradaciją ir vėlesnį metalo oksido nanodalelių atsiradimą, o XPS yra jautrus paviršiaus ryšiams.Šiuo tikslu išbandėme 2D Nb-MXene nanodribsnius, išskirtus iš mikrodumblių ląstelių dispersijų, tai yra jų formą po sąveikos su mikrodumblių ląstelėmis (žr. 7 pav.).
HRTEM vaizdai, rodantys oksiduotų (a) SL Nb2CTx ir (b) SL Nb4C3Tx MXenes morfologiją, XPS analizės rezultatai, rodantys (c) oksido produktų sudėtį po redukcijos, (d–f) SL Nb2CTx XPS spektro komponentų smailės atitikimas ir (g – i) Nb4C3Tx su TxSL microalgaed green.
HRTEM tyrimai patvirtino dviejų tipų Nb-MXene nanodribsnių oksidaciją.Nors nanodribsniai tam tikru mastu išlaikė savo dvimatę morfologiją, dėl oksidacijos atsirado daug nanodalelių, dengiančių MXene nanodribsnių paviršių (žr. 7a, b pav.).C Nb 3d ir O 1s signalų XPS analizė parodė, kad abiem atvejais susidarė Nb oksidai.Kaip parodyta 7c paveiksle, 2D MXene Nb2CTx ir Nb4C3TX turi Nb 3d signalus, rodančius NbO ir Nb2O5 oksidų buvimą, o O 1s signalai rodo O – Nb jungčių, susijusių su 2D nanodribsnių paviršiaus funkcionalizavimu, skaičių.Pastebėjome, kad Nb oksido indėlis yra dominuojantis, palyginti su Nb-C ir Nb3+-O.
Ant pav.7g–i paveiksluose pavaizduoti iš mikrodumblių ląstelių išskirto Nb 3d, C 1s ir O 1s SL Nb2CTx (žr. 7d – f pav.) ir SL Nb4C3TX MXene XPS spektrai.Išsami informacija apie Nb-MXenes smailių parametrus pateikta atitinkamai S4–5 lentelėse.Pirmiausia išanalizavome Nb 3d sudėtį.Priešingai nei Nb, kurį absorbuoja mikrodumblių ląstelės, iš mikrodumblių ląstelių išskirtame MXene, be Nb2O5, rasta ir kitų komponentų.Nb2CTx SL mes stebėjome 15% Nb3+-O indėlį, o likusioje Nb 3d spektro dalyje dominavo Nb2O5 (85%).Be to, SL Nb4C3TX mėginyje yra Nb-C (9%) ir Nb2O5 (91%) komponentų.Čia Nb-C gaunamas iš dviejų vidinių atominių metalo karbido sluoksnių Nb4C3Tx SR.Tada suskirstome C 1s spektrus į keturis skirtingus komponentus, kaip tai padarėme internalizuotuose mėginiuose.Kaip ir tikėtasi, C1s spektre dominuoja grafitinė anglis, o po to seka organinių dalelių (CHx/CO ir C=O) indėlis iš mikrodumblių ląstelių.Be to, O 1s spektre stebėjome organinių mikrodumblių ląstelių formų, niobio oksido ir adsorbuoto vandens indėlį.
Be to, ištyrėme, ar Nb-MXenes skilimas yra susijęs su reaktyviųjų deguonies rūšių (ROS) buvimu maistinėje terpėje ir (arba) mikrodumblių ląstelėse.Šiuo tikslu įvertinome pavienio deguonies (1O2) kiekį auginimo terpėje ir tarpląstelinį glutationą – tiolį, kuris mikrodumbliuose veikia kaip antioksidantas.Rezultatai parodyti SI (S20 ir S21 pav.).Kultūros su SL Nb2CTx ir Nb4C3TX MXenes pasižymėjo sumažėjusiu 1O2 kiekiu (žr. S20 pav.).SL Nb2CTx atveju MXene 1O2 sumažėja iki maždaug 83%.Mikrodumblių kultūrose naudojant SL, Nb4C3TX 1O2 sumažėjo dar labiau – iki 73%.Įdomu tai, kad 1O2 pokyčiai parodė tokią pat tendenciją, kaip ir anksčiau stebėtas slopinamasis-stimuliuojantis poveikis (žr. 3 pav.).Galima teigti, kad inkubacija ryškioje šviesoje gali pakeisti fotooksidaciją.Tačiau kontrolinės analizės rezultatai parodė beveik pastovų 1O2 lygį eksperimento metu (S22 pav.).Tarpląstelinio ROS lygio atveju mes taip pat stebėjome tą pačią mažėjimo tendenciją (žr. S21 paveikslą).Iš pradžių ROS lygis mikrodumblių ląstelėse, kultivuotose esant Nb2CTx ir Nb4C3Tx SL, viršijo lygius, nustatytus grynose mikrodumblių kultūrose.Tačiau galiausiai paaiškėjo, kad mikrodumbliai prisitaikė prie abiejų Nb-MXenų buvimo, nes ROS lygis sumažėjo iki 85% ir 91% lygių, išmatuotų grynose mikrodumblių kultūrose, užkrėstose atitinkamai SL Nb2CTx ir Nb4C3TX.Tai gali reikšti, kad mikrodumbliai laikui bėgant jaučiasi patogiau, kai yra Nb-MXene, nei vien maistinėje terpėje.
Mikrodumbliai yra įvairi fotosintetinių organizmų grupė.Fotosintezės metu jie atmosferos anglies dioksidą (CO2) paverčia organine anglimi.Fotosintezės produktai yra gliukozė ir deguonis79.Įtariame, kad taip susidaręs deguonis vaidina lemiamą vaidmenį oksiduojant Nb-MXenes.Vienas iš galimų paaiškinimų yra tas, kad diferencinis aeracijos parametras susidaro esant žemam ir dideliam daliniam deguonies slėgiui Nb-MXene nanodribsnių išorėje ir viduje.Tai reiškia, kad visur, kur yra skirtingo dalinio deguonies slėgio sritys, ten, kur yra žemiausias lygis, susidarys anodas 80, 81, 82. Čia mikrodumbliai prisideda prie diferencijuotai aeruojamų ląstelių susidarymo MXene dribsnių paviršiuje, kurios dėl savo fotosintezės savybių gamina deguonį.Dėl to susidaro biokorozijos produktai (šiuo atveju niobio oksidai).Kitas aspektas yra tai, kad mikrodumbliai gali gaminti organines rūgštis, kurios patenka į vandenį83,84.Todėl susidaro agresyvi aplinka, keičianti Nb-MXenes.Be to, mikrodumbliai dėl anglies dioksido absorbcijos gali pakeisti aplinkos pH į šarminį, o tai taip pat gali sukelti koroziją79.
Dar svarbiau, kad mūsų tyrime naudojamas tamsus / šviesus fotoperiodas yra labai svarbus norint suprasti gautus rezultatus.Šis aspektas yra išsamiai aprašytas Djemai-Zoghlache ir kt.85 Jie sąmoningai naudojo 12/12 valandų fotoperiodą, kad parodytų biologinę koroziją, susijusią su raudonųjų mikrodumblių Porphyridium purpureum sukeltu užteršimu.Jie rodo, kad fotoperiodas yra susijęs su potencialo evoliucija be biokorozijos, pasireiškiančios pseudoperiodiniais svyravimais apie 24:00.Šiuos pastebėjimus patvirtino Dowling ir kt.86 Jie demonstravo cianobakterijų Anabaena fotosintezės bioplėveles.Šviesai veikiant susidaro ištirpęs deguonis, kuris yra susijęs su laisvo biokorozinio potencialo pasikeitimu ar svyravimais.Fotoperiodo svarbą pabrėžia tai, kad laisvas biokorozijos potencialas didėja šviesioje fazėje, o mažėja tamsiojoje.Taip yra dėl fotosintetinių mikrodumblių gaminamo deguonies, kuris veikia katodinę reakciją per dalinį slėgį, susidarantį šalia elektrodų87.
Be to, buvo atlikta Furjė transformacijos infraraudonųjų spindulių spektroskopija (FTIR), siekiant išsiaiškinti, ar po sąveikos su Nb-MXenes pasikeitė mikrodumblių ląstelių cheminė sudėtis.Šie gauti rezultatai yra sudėtingi ir pateikiame juos SI (S23-S25 pav., įskaitant MAX etapo ir ML MXenes rezultatus).Trumpai tariant, gauti etaloniniai mikrodumblių spektrai suteikia mums svarbios informacijos apie šių organizmų chemines savybes.Šios labiausiai tikėtinos vibracijos yra 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1 dažniuose.vienas.1 1 (C–H) ir 3280 cm–1 (O–H).SL Nb-MXenes radome CH jungties tempimo parašą, kuris atitinka ankstesnį mūsų tyrimą38.Tačiau mes pastebėjome, kad kai kurios papildomos smailės, susijusios su C = C ir CH ryšiais, išnyko.Tai rodo, kad dėl sąveikos su SL Nb-MXenes cheminė mikrodumblių sudėtis gali šiek tiek pakisti.
Svarstant galimus mikrodumblių biochemijos pokyčius, reikia iš naujo apsvarstyti neorganinių oksidų, tokių kaip niobio oksidas, kaupimąsi59.Jis dalyvauja metalų pasisavinime ląstelės paviršiuje, pernešime į citoplazmą, susiejant su ląstelėje esančiomis karboksilo grupėmis ir kaupiantis mikrodumblių polifosfosomose20,88,89,90.Be to, ryšį tarp mikrodumblių ir metalų palaiko funkcinės ląstelių grupės.Dėl šios priežasties absorbcija taip pat priklauso nuo mikrodumblių paviršiaus chemijos, kuri yra gana sudėtinga9,91.Apskritai, kaip ir tikėtasi, žaliųjų mikrodumblių cheminė sudėtis šiek tiek pasikeitė dėl Nb oksido absorbcijos.
Įdomu tai, kad pastebėtas pradinis mikrodumblių slopinimas laikui bėgant buvo grįžtamas.Kaip pastebėjome, mikrodumbliai įveikė pradinius aplinkos pokyčius ir galiausiai grįžo į normalų augimo tempą ir netgi padidėjo.Zeta potencialo tyrimai rodo didelį stabilumą, kai jis patenka į maistinę terpę.Taigi, paviršiaus sąveika tarp mikrodumblių ląstelių ir Nb-MXene nanodribsnių buvo palaikoma per visus redukcijos eksperimentus.Tolesnėje analizėje apibendriname pagrindinius veikimo mechanizmus, kuriais grindžiamas šis nepaprastas mikrodumblių elgesys.
SEM stebėjimai parodė, kad mikrodumbliai linkę prisijungti prie Nb-MXenes.Naudodami dinaminę vaizdo analizę, patvirtiname, kad dėl šio efekto dvimatės Nb-MXene nanodribsniai virsta labiau sferinėmis dalelėmis, taip parodydami, kad nanodribsnių skilimas yra susijęs su jų oksidacija.Norėdami patikrinti savo hipotezę, atlikome daugybę medžiagų ir biocheminių tyrimų.Po bandymų nanodribsniai palaipsniui oksidavosi ir suskyla į NbO ir Nb2O5 produktus, o tai nekėlė grėsmės žaliesiems mikrodumbliams.Naudodamiesi FTIR stebėjimu, neradome reikšmingų mikrodumblių, inkubuotų esant 2D Nb-MXene nanodribsniams, cheminės sudėties pokyčių.Atsižvelgdami į tai, kad mikrodumbliai gali absorbuoti niobio oksidą, atlikome rentgeno fluorescencijos analizę.Šie rezultatai aiškiai parodo, kad tirti mikrodumbliai minta niobio oksidais (NbO ir Nb2O5), kurie nėra toksiški tirtiems mikrodumbliams.