Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com. Naudojate naršyklės versiją su ribotu CSS palaikymu. Kad galėtumėte naudotis visomis įmanomomis funkcijomis, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“). Tuo tarpu, siekdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę teiksime be stilių ir „JavaScript“.
Rodo trijų skaidrių karuselę vienu metu. Naudokite mygtukus „Ankstesnis“ ir „Kitas“, kad vienu metu pereitumėte per tris skaidres, arba naudokite slankiklio mygtukus gale, kad vienu metu pereitumėte per tris skaidres.
Sparčiai vystantis nanotechnologijoms ir jas integruojant į kasdienes sritis, kyla grėsmė aplinkai. Nors ekologiški organinių teršalų skaidymo metodai yra gerai žinomi, neorganinių kristalinių teršalų išgavimas kelia didelį susirūpinimą dėl jų mažo jautrumo biotransformacijai ir nepakankamo medžiagų paviršiaus sąveikos su biologiniais teršalais supratimo. Šiame tyrime naudojame Nb pagrindu sukurtą neorganinių 2D MXenų modelį kartu su paprastu formos parametrų analizės metodu, siekdami atsekti 2D keraminių nanomedžiagų bioremediacijos mechanizmą, veikiantį žaliųjų mikrodumblių Raphidocelis subcapitata. Nustatėme, kad mikrodumbliai skaido Nb pagrindu sukurtus MXenus dėl su paviršiumi susijusios fizikinių ir cheminių sąveikų. Iš pradžių prie mikrodumblių paviršiaus prisitvirtino vieno ir daugiasluoksnės MXene nanodribsniai, kurie šiek tiek sumažino dumblių augimą. Tačiau ilgai sąveikaudami su paviršiumi, mikrodumbliai oksidavo MXene nanodribsnius ir toliau juos skaidė į NbO ir Nb2O5. Kadangi šie oksidai nėra toksiški mikrodumblių ląstelėms, jie sunaudoja Nb oksido nanodaleles absorbcijos mechanizmu, kuris dar labiau atkuria mikrodumblius po 72 valandų vandens apdorojimo. Su absorbcija susijusių maistinių medžiagų poveikis taip pat atsispindi ląstelių tūrio padidėjime, jų lygioje formoje ir augimo greičio pokytyje. Remdamiesi šiais duomenimis, darome išvadą, kad trumpalaikis ir ilgalaikis Nb pagrindu sukurtų MXenų buvimas gėlavandenėse ekosistemose gali sukelti tik nedidelį poveikį aplinkai. Pažymėtina, kad naudodami dvimatės nanomedžiagas kaip modelių sistemas, parodome galimybę sekti formos transformaciją net smulkiagrūdėse medžiagose. Apskritai šis tyrimas atsako į svarbų esminį klausimą apie su paviršiaus sąveika susijusius procesus, lemiančius 2D nanomedžiagų bioremediacijos mechanizmą, ir suteikia pagrindą tolesniems trumpalaikiams ir ilgalaikiams neorganinių kristalinių nanomedžiagų poveikio aplinkai tyrimams.
Nanomedžiagos nuo pat jų atradimo sukėlė didelį susidomėjimą, o įvairios nanotechnologijos pastaruoju metu įžengė į modernizacijos etapą1. Deja, nanomedžiagų integravimas į kasdienes praktikas gali sukelti atsitiktinį išleidimą į aplinką dėl netinkamo šalinimo, neatsargaus elgesio ar nepakankamos saugos infrastruktūros. Todėl pagrįstai galima manyti, kad nanomedžiagos, įskaitant dvimatės (2D) nanomedžiagas, gali būti išleidžiamos į gamtinę aplinką, kurios elgesys ir biologinis aktyvumas dar nėra iki galo suprantami. Todėl nenuostabu, kad susirūpinimas dėl ekotoksiškumo daugiausia buvo sutelktas į 2D nanomedžiagų gebėjimą išsiplauti į vandens sistemas2,3,4,5,6. Šiose ekosistemose kai kurios 2D nanomedžiagos gali sąveikauti su įvairiais organizmais skirtinguose trofiniuose lygiuose, įskaitant mikrodumblius.
Mikrodumbliai yra primityvūs organizmai, natūraliai randami gėlavandenių ir jūrų ekosistemose, kurie fotosintezės būdu gamina įvairius cheminius produktus7. Todėl jie yra labai svarbūs vandens ekosistemoms8,9,10,11,12, tačiau taip pat yra jautrūs, nebrangūs ir plačiai naudojami ekotoksiškumo indikatoriai13,14. Kadangi mikrodumblių ląstelės greitai dauginasi ir greitai reaguoja į įvairių junginių buvimą, jos yra perspektyvios kuriant aplinkai nekenksmingus organinėmis medžiagomis užteršto vandens valymo metodus15,16.
Dumblių ląstelės gali pašalinti neorganinius jonus iš vandens biosorbcijos ir kaupimo būdu17,18. Kai kurios dumblių rūšys, tokios kaip Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue ir Synechococcus sp., 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 naikindami jų chloroplastus20,21.
Ekologiški organinių teršalų skaidymo ir sunkiųjų metalų jonų šalinimo metodai patraukė mokslininkų ir inžinierių dėmesį visame pasaulyje. Taip yra daugiausia dėl to, kad šie teršalai lengvai apdorojami skystoje fazėje. Tačiau neorganiniai kristaliniai teršalai pasižymi mažu tirpumu vandenyje ir mažu jautrumu įvairioms biotransformacijoms, o tai sukelia didelių sunkumų juos valant, ir šioje srityje padaryta nedidelė pažanga22,23,24,25,26. Todėl aplinkai nekenksmingų nanomedžiagų taisymo sprendimų paieška išlieka sudėtinga ir neištirta sritimi. Dėl didelio neapibrėžtumo dėl 2D nanomedžiagų biotransformacijos poveikio nėra lengvo būdo išsiaiškinti galimus jų skaidymosi kelius redukcijos metu.
Šiame tyrime kaip aktyvų vandeninį bioremediacijos agentą neorganinėms keraminėms medžiagoms naudojome žaliuosius mikroalgius, kartu stebėdami MXeno, kaip neorganinių keraminių medžiagų atstovo, degradacijos procesą vietoje. Terminas „MXenas“ atspindi Mn+1XnTx medžiagos 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 MXenų atradimo Naguib ir kt. Sensorika, vėžio terapija ir membraninis filtravimas 27,29,30. Be to, MXenus galima laikyti 2D modelių sistemomis dėl puikaus koloidinio stabilumo ir galimų biologinių sąveikų 31,32,33,34,35,36.
Todėl šiame straipsnyje sukurta metodologija ir mūsų tyrimo hipotezės pateiktos 1 paveiksle. Remiantis šia hipoteze, mikrodumbliai dėl paviršiuje vykstančių fizikinių ir cheminių sąveikų skaido Nb pagrindu sudarytus MXenus į netoksiškus junginius, o tai leidžia toliau regeneruoti dumblius. Norint patikrinti šią hipotezę, buvo pasirinkti du ankstyvųjų niobio pagrindu sudarytų pereinamųjų metalų karbidų ir (arba) nitridų (MXenų) šeimos nariai, būtent Nb2CTx ir Nb4C3TX.
Žaliųjų mikrodumblių Raphidocelis subcapitata MXene regeneracijos tyrimo metodologija ir įrodymais pagrįstos hipotezės. Atkreipkite dėmesį, kad tai tik scheminis įrodymais pagrįstų prielaidų vaizdas. Ežero aplinka skiriasi naudojama maistine terpe ir sąlygomis (pvz., paros ciklu ir prieinamų esminių maistinių medžiagų apribojimais). Sukurta naudojant „BioRender.com“.
Todėl, naudodami MXene kaip modelinę sistemą, atvėrėme duris įvairių biologinių efektų, kurių negalima stebėti naudojant kitas įprastas nanomedžiagas, tyrimams. Visų pirma, parodome dvimačių nanomedžiagų, tokių kaip niobio pagrindu pagaminti MXenai, bioremediacijos galimybę naudojant mikrodumblius Raphidocelis subcapitata. Mikrodumbliai geba skaidyti Nb-MXenus į netoksiškus oksidus NbO ir Nb2O5, kurie taip pat aprūpina maistinėmis medžiagomis per niobio pasisavinimo mechanizmą. Apskritai šis tyrimas atsako į svarbų esminį klausimą apie procesus, susijusius su paviršiaus fizikocheminėmis sąveikomis, kurios reguliuoja dvimačių nanomedžiagų bioremediacijos mechanizmus. Be to, kuriame paprastą formos parametrais pagrįstą metodą, skirtą stebėti subtilius 2D nanomedžiagų formos pokyčius. Tai įkvepia tolesnius trumpalaikius ir ilgalaikius tyrimus, susijusius su įvairiu neorganinių kristalinių nanomedžiagų poveikiu aplinkai. Taigi, mūsų tyrimas didina supratimą apie medžiagos paviršiaus ir biologinės medžiagos sąveiką. Taip pat sudarome pagrindą išplėstiniams trumpalaikiams ir ilgalaikiams jų galimo poveikio gėlavandenių ekosistemoms tyrimams, kuriuos dabar galima lengvai patikrinti.
MXenai yra įdomi medžiagų klasė, pasižyminti unikaliomis ir patraukliomis fizinėmis bei cheminėmis savybėmis, todėl turi daug potencialių pritaikymų. Šios savybės labai priklauso nuo jų stechiometrijos ir paviršiaus cheminės sudėties. Todėl savo tyrime nagrinėjome dviejų tipų Nb pagrindu pagamintus hierarchinius vieno sluoksnio (SL) MXenus – Nb2CTx ir Nb4C3TX, nes galima pastebėti skirtingą šių nanomedžiagų biologinį poveikį. MXenai gaminami iš pradinių medžiagų selektyviai ėsdinant iš viršaus į apačią atomiškai plonus MAX fazės A sluoksnius. MAX fazė yra trikomponentė keramika, sudaryta iš „sujungtų“ 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 pastebėta tipiška sluoksniuota MXene morfologija, panaši į dvimatės nanodribsnius, praeinančius pro pailgus porų formos plyšius. Abu Nb-MXene turi daug bendro su MXene fazėmis, anksčiau susintetintomis rūgštiniu ėsdinimu27,38. Patvirtinę MXene struktūrą, jį susluoksniavome įterpdami tetrabutilamonio hidroksidą (TBAOH), po to plaudami ir sonikuodami, po to gavome vieno sluoksnio arba žemo sluoksnio (SL) 2D Nb-MXene nanodribsnius.
Ėsdinimo ir tolesnio lupimo efektyvumui patikrinti naudojome didelės skiriamosios gebos transmisinę elektroninę mikroskopiją (HRTEM) ir rentgeno spindulių difrakciją (XRD). HRTEM rezultatai, apdoroti naudojant atvirkštinę greitąją Furjė transformaciją (IFFT) ir greitąją Furjė transformaciją (FFT), parodyti 2 paveiksle. Nb-MXene nanodribsniai buvo orientuoti kraštu į viršų, siekiant patikrinti atominio sluoksnio struktūrą ir išmatuoti tarpplokštuminius atstumus. MXene Nb2CTx ir Nb4C3TX nanodribsnių HRTEM vaizdai atskleidė jų atomiškai ploną sluoksnį (žr. 2a1, a2 pav.), kaip anksčiau pranešė Naguib ir kt.27 bei Jastrzębska ir kt.38. Dviems gretimiems Nb2CTx ir Nb4C3Tx monosluoksniams nustatėme atitinkamai 0,74 ir 1,54 nm tarpsluoksnius (2b1, b2 pav.), kurie taip pat atitinka mūsų ankstesnius rezultatus38. Tai dar kartą patvirtino atvirkštinė greitoji Furjė transformacija (2c1, c2 pav.) ir greitoji Furjė transformacija (2d1, d2 pav.), rodančios atstumą tarp Nb2CTx ir Nb4C3Tx monosluoksnių. Paveikslėlyje parodytas šviesių ir tamsių juostų, atitinkančių niobio ir anglies atomus, kaitaliojimas, o tai patvirtina tirtų MXenų sluoksniuotą pobūdį. Svarbu pažymėti, kad Nb2CTx ir Nb4C3Tx energijos dispersijos rentgeno spektroskopijos (EDX) spektrai (S2a ir S2b pav.) neparodė jokių pradinės MAX fazės likučių, nes nebuvo aptikta Al smailės.
SL Nb2CTx ir Nb4C3Tx MXene nanodribsnių charakteristikos, įskaitant (a) didelės skiriamosios gebos elektroninės mikroskopijos (HRTEM) šoninio vaizdo 2D nanodribsnių vaizdavimą ir atitinkamą, (b) intensyvumo režimą, (c) atvirkštinę greitąją Furjė transformaciją (IFFT), (d) greitąją Furjė transformaciją (FFT), (e) Nb-MXenes rentgeno spindulių diagramas. 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 MXenų rentgeno spindulių difrakcijos matavimai pateikti atitinkamai 2e1 ir e2 paveiksluose. Piko reikšmės (002) ties 4,31 ir 4,32 atitinka anksčiau aprašytus sluoksniuotus MXenus Nb2CTx ir Nb4C3TX38,39,40,41. Rentgeno spindulių difrakcijos rezultatai taip pat rodo kai kurių likusių ML struktūrų ir MAX fazių buvimą, tačiau daugiausia XRD diagramas, susijusias su SL Nb4C3Tx (2e2 pav.). Mažesnių MAX fazės dalelių buvimas gali paaiškinti stipresnį MAX piką, palyginti su atsitiktinai išdėstytais Nb4C3Tx sluoksniais.
Tolesni tyrimai buvo skirti žaliosioms mikrodumblėms, priklausančioms R. subcapitata rūšiai. Mikrodumblius pasirinkome todėl, kad jie yra svarbūs gamintojai, dalyvaujantys pagrindiniuose mitybos tinkluose42. Jie taip pat yra vienas geriausių toksiškumo indikatorių dėl gebėjimo pašalinti toksiškas medžiagas, kurios patenka į aukštesnius mitybos grandinės lygius43. Be to, R. subcapitata tyrimai gali padėti išsiaiškinti atsitiktinį SL Nb-MXenų toksiškumą įprastiems gėlavandeniams mikroorganizmams. Norėdami tai iliustruoti, tyrėjai iškėlė hipotezę, kad kiekvienas mikrobas turi skirtingą jautrumą aplinkoje esantiems toksiškiems junginiams. Daugumai organizmų maža medžiagų koncentracija neturi įtakos jų augimui, o koncentracijos, viršijančios tam tikrą ribą, gali juos slopinti ar net sukelti mirtį. Todėl, atlikdami mikrodumblių ir MXenų paviršiaus sąveikos ir susijusio atsigavimo tyrimus, nusprendėme išbandyti nekenksmingas ir toksiškas Nb-MXenų koncentracijas. Tam išbandėme 0 (kaip etaloninę), 0,01, 0,1 ir 10 mg l-1 MXene koncentracijas ir papildomai užkrėtėme mikrodumblius labai didelėmis MXene koncentracijomis (100 mg l-1 MXene), kurios gali būti ekstremalios ir mirtinos bet kurioje biologinėje aplinkoje.
SL Nb-MXenų 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-MXenai, o rezultatai pateikti SI (žr. S3 pav.). Gauti rezultatai patvirtino, kad SL Nb-MXenai beveik visiškai netoksiški esant mažoms koncentracijoms nuo 0,01 iki 10 mg/l, kaip parodyta 3a ir 3b paveiksluose. Nb2CTx atveju nurodytame diapazone pastebėjome ne daugiau kaip 5 % ekotoksiškumą.
Mikrodumblių augimo stimuliavimas (+) arba slopinimas (-) esant SL (a) Nb2CTx ir (b) Nb4C3TX MXene. Buvo analizuojama 24, 48 ir 72 valandų MXene ir mikrodumblių sąveika. Reikšmingi duomenys (t-testas, p < 0,05) buvo pažymėti žvaigždute (*). Reikšmingi duomenys (t-testas, p < 0,05) buvo 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 esančios šiek tiek toksiškesnės, bet ne didesnės kaip 7 %. Kaip ir tikėtasi, pastebėjome, kad MXene pasižymėjo didesniu toksiškumu ir mikrodumblių augimo slopinimu esant 100 mg L-1 koncentracijai. Įdomu tai, kad nė viena iš medžiagų neparodė tokios pačios atoksinio/toksinio poveikio tendencijos ir laiko priklausomybės, palyginti su MAX ar ML mėginiais (daugiau informacijos žr. SI). Nors MAX fazėje (žr. S3 pav.) toksiškumas siekė maždaug 15–25 % ir didėjo laikui bėgant, SL Nb2CTx ir Nb4C3TX MXene atveju pastebėta atvirkštinė tendencija. Mikrodumblių augimo slopinimas laikui bėgant mažėjo. Po 24 valandų jis pasiekė maždaug 17 %, o po 72 valandų sumažėjo iki mažiau nei 5 % (atitinkamai 3a ir 3b pav.).
Dar svarbiau, kad SL Nb4C3TX atveju mikrodumblių augimo slopinimas pasiekė apie 27 % po 24 valandų, tačiau po 72 valandų sumažėjo iki maždaug 1 %. Todėl stebėtą poveikį pavadinome atvirkštiniu stimuliacijos slopinimu, o SL Nb4C3TX MXene poveikis buvo stipresnis. Mikrodumblių augimo stimuliavimas anksčiau buvo pastebėtas su Nb4C3TX (sąveika esant 10 mg L-1 24 val.), palyginti su SL Nb2CTx MXene. Slopinimo-stimuliacijos atvirkštinis poveikis taip pat buvo gerai matomas biomasės dvigubėjimo greičio kreivėje (išsamesnė informacija pateikta S4 pav.). Iki šiol įvairiais būdais buvo tirtas tik Ti3C2TX MXene ekotoksiškumas. Jis nėra toksiškas zebrinių žuvyčių embrionams44, tačiau yra vidutiniškai ekotoksiškas mikrodumblių Desmodesmus quadricauda ir Sorghum saccharatum augalams45. Kiti specifinio poveikio pavyzdžiai yra didesnis toksiškumas vėžio ląstelių linijoms nei normalioms ląstelių linijoms46,47. Galima daryti prielaidą, kad bandymo sąlygos turės įtakos mikrodumblių augimo pokyčiams, stebimiems esant Nb-MXenams. Pavyzdžiui, chloroplastų stromos pH apie 8 yra optimalus efektyviam RuBisCO fermento veikimui. Todėl pH pokyčiai neigiamai veikia fotosintezės greitį48,49. Tačiau eksperimento metu reikšmingų pH pokyčių nepastebėjome (daugiau informacijos žr. SI, S5 pav.). Apskritai mikrodumblių kultūros su Nb-MXenais laikui bėgant šiek tiek sumažino tirpalo pH. Tačiau šis sumažėjimas buvo panašus į grynos terpės pH pokytį. Be to, nustatytų pokyčių diapazonas buvo panašus į išmatuotą grynoje mikrodumblių kultūroje (kontroliniame mėginyje). Taigi darome išvadą, kad fotosintezei pH pokyčiai laikui bėgant įtakos neturi.
Be to, susintetinti MXenai turi paviršiaus galūnes (žymimas 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 pasiskirstiusios paviršiuje, todėl sunku numatyti jų poveikį MXen savybėms50. Galima teigti, kad Tx gali būti katalizinė jėga niobio oksidacijai šviesa. Paviršiaus funkcinės grupės iš tiesų suteikia daug įtvirtinimo vietų jų fotokatalizatoriams, kad susidarytų heterosandūros51. Tačiau augimo terpės sudėtis neužtikrino veiksmingo fotokatalizatoriaus (išsamią terpės sudėtį galima rasti SI S6 lentelėje). Be to, bet koks paviršiaus modifikavimas taip pat yra labai svarbus, nes MXenų biologinis aktyvumas gali būti pakeistas dėl sluoksnio papildomo apdorojimo, oksidacijos, organinių ir neorganinių junginių cheminio paviršiaus modifikavimo52,53,54,55,56 arba paviršiaus krūvio inžinerijos38. Todėl, norėdami patikrinti, ar niobio oksidas turi kaip nors bendro su medžiagos nestabilumu terpėje, atlikome zeta (ζ) potencialo tyrimus mikrodumblių augimo terpėje ir dejonizuotame vandenyje (palyginimui). Mūsų rezultatai rodo, kad SL Nb-MXenai yra gana stabilūs (žr. SI S6 pav., kuriuose pateikti MAX ir ML rezultatai). SL MXenų zeta potencialas yra apie -10 mV. SR Nb2CTx atveju ζ vertė yra šiek tiek neigiamesnė nei Nb4C3Tx. Toks ζ vertės pokytis gali rodyti, kad neigiamai įkrautų MXen nanodribsnių paviršius sugeria teigiamai įkrautus jonus iš kultūros terpės. Nb-MXenų zeta potencialo ir laidumo kultūros terpėje matavimai laike (daugiau informacijos žr. SI S7 ir S8 pav.) patvirtina mūsų hipotezę.
Vis dėlto abu Nb-MXene SL parodė minimalius pokyčius nuo nulio. Tai aiškiai rodo jų stabilumą mikrodumblių augimo terpėje. Be to, įvertinome, ar mūsų žaliųjų mikrodumblių buvimas paveiktų Nb-MXenų stabilumą terpėje. MXenų dzeta potencialo ir laidumo po sąveikos su mikrodumbliais maistinėje terpėje ir kultūroje laikui bėgant rezultatus galima rasti SI (S9 ir S10 paveikslai). Įdomu tai, kad pastebėjome, jog mikrodumblių buvimas stabilizavo abiejų MXenų dispersiją. Nb2CTx SL atveju dzeta potencialas laikui bėgant netgi šiek tiek sumažėjo iki neigiamų verčių (-15,8 ir -19,1 mV po 72 val. inkubacijos). Nb4C3TX SL dzeta potencialas šiek tiek padidėjo, tačiau po 72 val. jis vis tiek parodė didesnį stabilumą nei nanodribsniai be mikrodumblių (-18,1 ir -9,1 mV).
Taip pat nustatėme mažesnį Nb-MXene tirpalų, inkubuotų su mikrodumbliais, laidumą, o tai rodo mažesnį jonų kiekį maistinėje terpėje. Pažymėtina, kad MXenų nestabilumas vandenyje daugiausia susijęs su paviršiaus oksidacija57. Todėl įtariame, kad žalieji mikrodumbliai kažkaip pašalino Nb-MXene paviršiuje susidariusius oksidus ir netgi neleido jiems atsirasti (MXene oksidacijai). Tai galima pastebėti tiriant mikrodumblių absorbuojamų medžiagų rūšis.
Nors mūsų ekotoksikologiniai tyrimai parodė, kad mikrodumbliai laikui bėgant sugebėjo įveikti Nb-MXenų 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. Nesant toksiškų metalų oksidų, mikrodumbliai gali patys maitintis, todėl gali nuolat augti60. Prarijus toksiškas medžiagas, gali suaktyvėti gynybos mechanizmai, pavyzdžiui, keisti formą ar pavidalą. Taip pat reikia atsižvelgti į absorbcijos galimybę58,59. Pažymėtina, kad bet koks gynybos mechanizmo požymis yra aiškus bandomojo junginio toksiškumo rodiklis. Todėl tolesniame darbe tyrėme galimą paviršiaus sąveiką tarp SL Nb-MXene nanodribsnių ir mikrodumblių SEM metodu ir galimą Nb pagrindu pagaminto MXene absorbciją rentgeno fluorescencijos spektroskopijos (XRF) metodu. Atkreipkite dėmesį, kad SEM ir XRF analizės buvo atliktos tik esant didžiausiai MXene koncentracijai, siekiant išspręsti aktyvumo toksiškumo problemas.
SEM rezultatai pateikti 4 pav. Neapdorotos mikrodumblių ląstelės (žr. 4a pav., etaloninis mėginys) aiškiai parodė tipišką R. subcapitata morfologiją ir kruasano formos ląstelių formą. Ląstelės atrodė suplokštėjusios ir šiek tiek neorganizuotos. Kai kurios mikrodumblių ląstelės persidengė ir susipynė viena su kita, tačiau tai tikriausiai lėmė mėginio paruošimo procesas. Apskritai grynos mikrodumblių ląstelės turėjo lygų paviršių ir nerodė jokių morfologinių pokyčių.
SEM vaizdai, rodantys paviršiaus sąveiką tarp žaliųjų mikrodumblių ir MXene nanosluoksnių po 72 valandų sąveikos esant ekstremaliai koncentracijai (100 mg L-1). (a) Neapdoroti žalieji mikrodumbliai po sąveikos su SL, (b) Nb2CTx ir (c) Nb4C3TX MXenais. Atkreipkite dėmesį, kad Nb-MXene nanodribsniai pažymėti raudonomis rodyklėmis. Palyginimui, taip pat pridėtos optinio mikroskopo nuotraukos.
Priešingai, SL Nb-MXene nanodribsnių adsorbuotos mikrodumblių ląstelės 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 (išsamesnė informacija pateikiama SI S11 pav.). Šis morfologinis perėjimas turi tikėtiną pagrindą mikrodumblių fiziologijoje ir jų gebėjime apsiginti keičiant ląstelių morfologiją, pavyzdžiui, didinant ląstelių tūrį61. Todėl svarbu patikrinti mikrodumblių ląstelių, kurios iš tikrųjų liečiasi su Nb-MXenais, skaičių. SEM tyrimai parodė, kad maždaug 52 % mikrodumblių ląstelių buvo veikiamos Nb-MXenų, o 48 % šių mikrodumblių ląstelių vengė kontakto. SL Nb4C3Tx MXene atveju mikrodumbliai stengiasi išvengti kontakto su MXene, tokiu būdu lokalizuodamiesi ir augdami iš dvimatių nanoskalių (4c pav.). Tačiau nepastebėjome nanoskalių įsiskverbimo į mikrodumblių ląsteles ir jų pažeidimo.
Savisauga taip pat yra nuo laiko priklausantis atsakas į fotosintezės blokavimą dėl dalelių adsorbcijos ląstelės paviršiuje ir vadinamojo šešėliavimo (šešėlinimo) efekto62. Akivaizdu, kad kiekvienas objektas (pavyzdžiui, Nb-MXene nanodribsniai), esantis tarp mikrodumblių ir šviesos šaltinio, riboja chloroplastų sugeriamos šviesos kiekį. Tačiau neabejojame, kad tai daro didelę įtaką gautiems rezultatams. Kaip parodė mūsų mikroskopiniai stebėjimai, 2D nanodribsniai nebuvo visiškai apvynioti ar prilipę prie mikrodumblių paviršiaus, net kai mikrodumblių ląstelės lietėsi su Nb-MXenais. Vietoj to, paaiškėjo, kad nanodribsniai yra orientuoti į mikrodumblių ląsteles, neuždengdami jų paviršiaus. Toks nanodribsnių/mikrodumblių rinkinys negali reikšmingai apriboti mikrodumblių ląstelių sugeriamo šviesos kiekio. Be to, kai kurie tyrimai netgi parodė, kad fotosintetinančių organizmų šviesos absorbcija pagerėja esant dvimatėms nanomedžiagoms63,64,65,66.
Kadangi SEM vaizdai negalėjo tiesiogiai patvirtinti niobio pasisavinimo mikrodumblių ląstelėse, tolesniame tyrime pasitelkėme rentgeno fluorescencijos (XRF) ir rentgeno fotoelektronų spektroskopijos (XPS) analizę, kad išsiaiškintume šį klausimą. Todėl palyginome etaloninių mikrodumblių mėginių, kurie nesąveikavo su MXenais, nuo mikrodumblių ląstelių paviršiaus atsiskyrusių MXeno nanodribsnių ir mikrodumblių ląstelių, pašalinus prijungtus MXenus, Nb smailių intensyvumą. Verta paminėti, kad jei Nb nepasisavinama, pašalinus prijungtas nanodaleles, mikrodumblių ląstelių gauta Nb vertė turėtų būti lygi nuliui. Todėl, jei Nb pasisavinimas vyksta, tiek XRF, tiek XPS rezultatai turėtų parodyti aiškų Nb smailę.
Rentgeno spindulių spektrų atveju mikrodumblių mėginiai parodė Nb pikus SL Nb2CTx ir Nb4C3Tx MXene po sąveikos su SL Nb2CTx ir Nb4C3Tx MXene (žr. 5a pav., taip pat atkreipkite dėmesį, kad MAX ir ML MXene rezultatai pateikti SI, S12–C17 pav.). Įdomu tai, kad Nb piko intensyvumas abiem atvejais yra vienodas (raudoni stulpeliai 5a pav.). Tai rodo, kad dumbliai negalėjo absorbuoti daugiau Nb, o ląstelėse buvo pasiektas maksimalus Nb kaupimo pajėgumas, nors prie mikrodumblių ląstelių buvo prijungta dvigubai daugiau Nb4C3Tx MXene (mėlyni stulpeliai 5a pav.). Pažymėtina, kad mikrodumblių gebėjimas absorbuoti metalus priklauso nuo metalų oksidų koncentracijos aplinkoje67,68. Shamshada ir kt.67 nustatė, kad gėlavandenių dumblių sugerties pajėgumas mažėja didėjant pH. Raize ir kt.68 pažymėjo, kad jūros dumblių gebėjimas sugerti metalus Pb2+ buvo maždaug 25 % didesnis nei Ni2+.
(a) Žaliųjų mikrodumblių ląstelių, inkubuotų esant ekstremaliai SL Nb-MXenų koncentracijai (100 mg L-1) 72 valandas, bazinio Nb pasisavinimo rentgeno spindulių spektrometro (XRF) rezultatai. Rezultatai rodo α buvimą grynose mikrodumblių ląstelėse (kontrolinis mėginys, pilki stulpeliai), 2D nanodribsniuose, išskirtuose iš paviršinių mikrodumblių ląstelių (mėlyni stulpeliai), ir mikrodumblių ląstelėse po 2D nanodribsnių atskyrimo nuo paviršiaus (raudoni stulpeliai). Elementinio Nb kiekis, (b) mikrodumblių organinių komponentų (C=O ir CHx/C–O) ir Nb oksidų, esančių mikrodumblių ląstelėse po inkubacijos su SL Nb-MXenais, cheminės sudėties procentinė dalis, (c–e) XPS SL Nb2CTx spektrų sudėties smailės ir (fh) mikrodumblių ląstelių internalizuoto SL Nb4C3Tx MXeno sudėties smailės aproksimacija.
Todėl tikėjomės, kad dumblių ląstelės gali absorbuoti Nb oksidų pavidalu. Norėdami tai patikrinti, atlikome XPS tyrimus su MXenais Nb2CTx ir Nb4C3TX bei dumblių ląstelėmis. Mikrodumblių sąveikos su Nb-MXenais ir iš dumblių ląstelių išskirtiems MXenams rezultatai parodyti 5b paveiksle. Kaip ir tikėtasi, pašalinus MXeną nuo mikrodumblių paviršiaus, mikrodumblių mėginiuose aptikome Nb 3d pikus. Kiekybinis C=O, CHx/CO ir Nb oksidų nustatymas buvo apskaičiuotas remiantis Nb 3d, O 1s ir C 1s spektrais, gautais su Nb2CTx SL (5c–e pav.) ir Nb4C3Tx SL (5c–e pav.). ), gautais iš inkubuotų mikrodumblių. 5f–h pav.) MXenai. S1-3 lentelėje pateikiami smailių parametrų ir bendros chemijos, gautos atlikus pritaikymą, duomenys. Pažymėtina, kad Nb2CTx SL ir Nb4C3Tx SL Nb 3d sritys (5c, f pav.) atitinka vieną Nb2O5 komponentą. Čia spektruose neradome su MXene susijusių smailių, o tai rodo, kad mikrodumblių ląstelės sugeria tik Nb oksido formą. Be to, C 1 s spektrą aproksimavome su C–C, CHx/C–O, C=O ir –COOH komponentais. CHx/C–O ir C=O smailes priskyrėme mikrodumblių ląstelių organiniam indėliui. Šie organiniai komponentai sudaro atitinkamai 36 % ir 41 % C 1 smailių Nb2CTx SL ir Nb4C3TX SL. Tada SL Nb2CTx ir SL Nb4C3TX O 1 s spektrus pritaikėme Nb2O5, mikrodumblių organiniams komponentams (CHx/CO) ir paviršiuje adsorbuotam vandeniui.
Galiausiai, XPS rezultatai aiškiai parodė Nb formą, o ne tik jo buvimą. Atsižvelgdami į Nb 3d signalo padėtį ir dekonvoliucijos rezultatus, patvirtiname, kad Nb absorbuojamas tik oksidų pavidalu, o ne jonų ar paties MXene. Be to, XPS rezultatai parodė, kad mikrodumblių ląstelės turi didesnį gebėjimą pasisavinti Nb oksidus iš SL Nb2CTx, palyginti su SL Nb4C3TX MXene.
Nors mūsų Nb įsisavinimo rezultatai yra įspūdingi ir leidžia mums nustatyti MXene skaidymą, nėra metodo, kaip sekti susijusius morfologinius pokyčius 2D nanodribsniuose. Todėl taip pat nusprendėme sukurti tinkamą metodą, kuris galėtų tiesiogiai reaguoti į bet kokius pokyčius, vykstančius 2D Nb-MXene nanodribsniuose ir mikrodumblių ląstelėse. Svarbu pažymėti, kad mes darome prielaidą, jog jei sąveikaujančios rūšys patiria bet kokią transformaciją, skaidymąsi ar defragmentaciją, tai turėtų greitai pasireikšti kaip formos parametrų, tokių kaip ekvivalentinio apskritimo ploto skersmuo, apvalumas, Fereto plotis arba Fereto ilgis, pokyčiai. Kadangi šie parametrai tinka pailgoms dalelėms arba dvimatėms nanodribsniams apibūdinti, jų sekimas dinaminės dalelių formos analize suteiks mums vertingos informacijos apie SL Nb-MXene nanodribsnių morfologinę transformaciją redukcijos metu.
Gauti rezultatai pateikti 6 paveiksle. Palyginimui, taip pat išbandėme pradinę MAX fazę ir ML-MXene (žr. SI S18 ir S19 paveikslus). Dinaminė dalelių formos analizė parodė, kad visi dviejų Nb-MXene SL formos parametrai reikšmingai pasikeitė po sąveikos su mikrodumbliais. Kaip parodyta ekvivalentiškame apskritimo ploto skersmens parametre (6a, b pav.), sumažėjęs didelių nanodribsnių frakcijos smailės intensyvumas rodo, kad jos linkusios skilti į mažesnius fragmentus. 6c ir d paveiksluose parodytas smailių sumažėjimas, susijęs su dribsnių skersiniu dydžiu (nanodibsnių pailgėjimas), rodantis 2D nanodribsnių transformaciją į labiau į daleles panašią formą. 6e-h paveiksluose atitinkamai parodytas Feret plotis ir ilgis. Feret 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 pasikeitė, o 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 raukšlėti ir skyla į fragmentus bei sferines oksido daleles 69, 70.
MXeno transformacijos po sąveikos su žaliaisiais mikrodumbliais analizė. Dinaminė dalelių formos analizė atsižvelgia 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 MXenais, SL Nb2CTx ir SL Nb4C3Tx MXenais, suskaidytais mikrodumbliais ir apdorotais mikrodumbliais SL Nb2CTx ir SL Nb4C3Tx MXenais. Raudonos rodyklės rodo tirtų dvimatčių nanodribsnių formos parametrų perėjimus.
Kadangi formos parametrų analizė yra labai patikima, ji taip pat gali atskleisti mikrodumblių ląstelių morfologinius pokyčius. Todėl analizavome grynų mikrodumblių ląstelių ir ląstelių po sąveikos su 2D Nb nanodribsniais ekvivalentinį apskritimo plotą, skersmenį, apvalumą ir Fereto plotį/ilgį. 6a–6h paveiksluose parodyti dumblių ląstelių formos parametrų pokyčiai, kuriuos rodo smailės intensyvumo sumažėjimas ir maksimumų poslinkis link didesnių verčių. Visų pirma, ląstelių apvalumo parametrai parodė pailgų ląstelių sumažėjimą ir sferinių ląstelių padidėjimą (6a, b pav.). Be to, Fereto ląstelių 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 pasisavinimo mikrodumblių, sąveikaujant su Nb2CTx SR. Mažiau standus Nb dribsnių prisitvirtinimas prie jų paviršiaus gali lemti ląstelių augimą su minimaliu šešėliavimo efektu.
Mūsų stebėjimai apie mikrodumblių formos ir dydžio parametrų pokyčius papildo kitus tyrimus. Žalieji mikrodumbliai gali keisti savo morfologiją, reaguodami į aplinkos stresą, keisdami ląstelės dydį, formą ar metabolizmą61. Pavyzdžiui, ląstelių dydžio keitimas palengvina maistinių medžiagų įsisavinimą71. Mažesnės dumblių ląstelės pasižymi mažesniu maistinių medžiagų įsisavinimu ir sulėtėjusiu augimo greičiu. Priešingai, didesnės ląstelės linkusios sunaudoti daugiau maistinių medžiagų, kurios vėliau nusėda ląstelės viduje72,73. Machado ir Soares nustatė, kad fungicidas triklozanas gali padidinti ląstelės dydį. Jie taip pat nustatė didelius dumblių formos pokyčius74. Be to, Yin ir kt.9 taip pat atskleidė dumblių morfologinius pokyčius po sąlyčio su redukuotais grafeno oksido nanokompozitais. Todėl akivaizdu, kad pakitusius mikrodumblių dydžio / formos parametrus sukelia MXene buvimas. Kadangi šis dydžio ir formos pokytis rodo maistinių medžiagų įsisavinimo pokyčius, manome, kad dydžio ir formos parametrų analizė laikui bėgant gali parodyti, kad mikrodumbliai, esant Nb-MXenams, įsisavina niobio oksidą.
Be to, MXenai gali būti oksiduojami dumblių akivaizdoje. Dalai ir kt.75 pastebėjo, kad žaliųjų dumblių, veikiamų nano-TiO2 ir Al2O376, morfologija nebuvo vienoda. Nors mūsų stebėjimai yra panašūs į šio tyrimo, jie svarbūs tik bioremediacijos poveikio MXenų skaidymo produktams tyrimui, esant 2D nanodribsniams, o ne nanodalelėms. Kadangi MXenai gali skaidytis į metalų oksidus,31,32,77,78, pagrįstai galima manyti, kad mūsų Nb nanodribsniai taip pat gali sudaryti Nb oksidus po sąveikos su mikrodumblių ląstelėmis.
Siekdami paaiškinti 2D-Nb nanodribsnių redukciją per skaidymo mechanizmą, pagrįstą oksidacijos procesu, atlikome tyrimus, naudodami didelės skiriamosios gebos transmisinę elektroninę mikroskopiją (HRTEM) (7a, b pav.) ir rentgeno spindulių fotoelektronų spektroskopiją (XPS) (7 pav.). 7c-i ir S4-5 lentelės). Abu metodai tinka 2D medžiagų oksidacijai tirti ir vienas kitą papildo. HRTEM gali analizuoti dvimatių sluoksniuotų struktūrų degradaciją ir vėlesnį metalo oksido nanodalelių atsiradimą, o XPS yra jautrus paviršiaus jungtims. Šiuo tikslu išbandėme 2D Nb-MXene nanodribsnius, išskirtus iš mikrodumblių ląstelių dispersijų, t. y. jų formą po sąveikos su mikrodumblių ląstelėmis (žr. 7 pav.).
HRTEM vaizdai, rodantys oksiduotų (a) SL Nb2CTx ir (b) SL Nb4C3Tx MXenų morfologiją, XPS analizės rezultatai, rodantys (c) oksido produktų sudėtį po redukcijos, (d–f) SL Nb2CTx ir (g–i) Nb4C3Tx SL XPS spektrų komponentų smailių atitikimą, pataisytą žaliaisiais mikrodumbliais.
HRTEM tyrimai patvirtino dviejų tipų Nb-MXene nanodribsnių oksidaciją. Nors nanodribsniai tam tikru mastu išlaikė savo dvimatę morfologiją, oksidacijos metu atsirado daug nanodalelių, dengiančių MXene nanodribsnių paviršių (žr. 7a, b pav.). XPS c Nb 3d ir O 1s signalų 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.
7g–i paveiksluose pateikti Nb 3d, C 1s ir O 1s SL Nb2CTx (žr. 7d–f pav.) ir SL Nb4C3TX MXene, išskirto iš mikrodumblių ląstelių, XPS spektrai. Išsami Nb-MXene smailių parametrų informacija pateikta atitinkamai S4–5 lentelėse. Pirmiausia išanalizavome Nb 3d sudėtį. Skirtingai nuo mikrodumblių ląstelių absorbuoto Nb, iš mikrodumblių ląstelių išskirtame MXene, be Nb2O5, buvo rasti ir kiti komponentai. Nb2CTx SL mėginyje pastebėjome 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, kaip ir internalizuotuose mėginiuose, C 1s spektrus susiejame su keturiais skirtingais komponentais. Kaip ir tikėtasi, C 1s spektre vyrauja grafitinė anglis, po jos seka organinių dalelių (CHx/CO ir C=O) iš mikrodumblių ląstelių indėlis. Be to, O 1s spektre stebėjome organinių mikrodumblių ląstelių formų, niobio oksido ir adsorbuoto vandens indėlį.
Be to, tyrėme, ar Nb-MXenų skilimas yra susijęs su reaktyviųjų deguonies formų (ROS) buvimu mitybinėje terpėje ir (arba) mikrodumblių ląstelėse. Šiuo tikslu įvertinome singletinio deguonies (1O2) kiekį kultūros terpėje ir viduląstelinio glutationo, tiolio, kuris mikrodumbliuose veikia kaip antioksidantas, kiekį. Rezultatai pateikti SI (S20 ir S21 paveikslai). Kultūroms su SL Nb2CTx ir Nb4C3TX MXenais buvo būdingas sumažėjęs 1O2 kiekis (žr. S20 paveikslą). 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 tą pačią tendenciją, kaip ir anksčiau stebėtas slopinantis-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.). Ląstelės viduje esančių ROS lygių atveju taip pat pastebėjome tą pačią mažėjimo tendenciją (žr. S21 pav.). Iš pradžių ROS lygis mikrodumblių ląstelėse, kultivuojamose esant Nb2CTx ir Nb4C3Tx SL, viršijo lygį, nustatytą grynose mikrodumblių kultūrose. Tačiau galiausiai paaiškėjo, kad mikrodumbliai prisitaikė prie abiejų Nb-MXenų buvimo, nes ROS lygis sumažėjo atitinkamai iki 85 % ir 91 % lygio, išmatuoto grynose mikrodumblių kultūrose, inokuliuotose SL Nb2CTx ir Nb4C3TX. Tai gali reikšti, kad mikrodumbliai laikui bėgant jaučiasi patogiau esant Nb-MXene nei vien tik maistinėje terpėje.
Mikrodumbliai yra įvairi fotosintetinančių organizmų grupė. Fotosintezės metu jie atmosferos anglies dioksidą (CO2) paverčia organine anglimi. Fotosintezės produktai yra gliukozė ir deguonis79. Įtariame, kad susidaręs deguonis vaidina svarbų vaidmenį Nb-MXenų oksidacijoje. Vienas iš galimų to paaiškinimų yra tas, kad esant žemam ir aukštam deguonies daliniam slėgiui Nb-MXene nanodribsnių išorėje ir viduje susidaro diferencinės aeracijos parametras. Tai reiškia, kad visur, kur yra skirtingo deguonies dalinio slėgio sritys, sritis su žemiausiu lygiu sudarys anodą 80, 81, 82. Čia mikrodumbliai prisideda prie skirtingai aeruotų ląstelių susidarymo MXene dribsnių paviršiuje, kurios dėl savo fotosintezės savybių gamina deguonį. Dėl to susidaro biokorozijos produktai (šiuo atveju niobio oksidai). Kitas aspektas yra tas, kad mikrodumbliai gali gaminti organines rūgštis, kurios išsiskiria į vandenį83,84. Todėl susidaro agresyvi aplinka, kuri keičia Nb-MXenus. 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 naudotas tamsos/šviesos fotoperiodas yra labai svarbus norint suprasti gautus rezultatus. Šis aspektas išsamiai aprašytas Djemai-Zoghlachė ir kt. darbe. 85 Jie sąmoningai naudojo 12/12 valandų fotoperiodą, norėdami parodyti biokoroziją, susijusią su raudonųjų mikrodumblių Porphyridium purpureum bioužterštumu. Jie parodo, kad fotoperiodas yra susijęs su potencialo evoliucija be biokorozijos, pasireiškiančia pseudoperiodiniais svyravimais apie 24:00 val. Šiuos stebėjimus patvirtino Dowling ir kt. 86 Jie pademonstravo fotosintetines melsvabakterų Anabaena bioplėveles. Ištirpęs deguonis susidaro veikiant šviesai, o tai yra susiję su laisvojo biokorozijos potencialo pokyčiu ar svyravimais. Fotoperiodo svarbą pabrėžia tai, kad laisvasis biokorozijos potencialas didėja šviesiojoje fazėje ir mažėja tamsiojoje fazėje. Taip yra dėl fotosintetinių mikrodumblių gaminamo deguonies, kuris veikia katodinę reakciją per šalia elektrodų susidarantį dalinį slėgį 87.
Be to, buvo atlikta Furjė transformacijos infraraudonųjų spindulių spektroskopija (FTIR), siekiant išsiaiškinti, ar po sąveikos su Nb-MXenais pasikeitė mikrodumblių ląstelių cheminė sudėtis. Gauti rezultatai yra sudėtingi ir pateikiame juos SI formatu (S23–S25 paveikslai, įskaitant MAX stadijos ir ML MXenų rezultatus). Trumpai tariant, gauti mikrodumblių etaloniniai spektrai suteikia mums svarbios informacijos apie šių organizmų chemines savybes. Šios labiausiai tikėtinos vibracijos yra esant 1060 cm⁻¹ (CO), 1540 cm⁻¹, 1640 cm⁻¹ (C=C), 1730 cm⁻¹ (C=O), 2850 cm⁻¹, 2920 cm⁻¹, 1,1 (C–H) ir 3280 cm⁻¹ (O–H) dažniams. SL Nb-MXenams nustatėme CH₃ jungties tempimo parašą, kuris atitinka mūsų ankstesnį tyrimą38. Tačiau pastebėjome, kad kai kurie papildomi pikai, susiję su C=C ir CH₃ jungtimis, išnyko. Tai rodo, kad mikroalgių cheminė sudėtis gali šiek tiek pasikeisti dėl sąveikos su SL Nb-MXenais.
Svarstant galimus mikrodumblių biochemijos pokyčius, reikia iš naujo apsvarstyti neorganinių oksidų, tokių kaip niobio oksidas, kaupimąsi59. Jis dalyvauja metalų pasisavinime ląstelės paviršiuje, jų pernašoje į citoplazmą, jų sąsajoje su ląstelės viduje esančiomis karboksilo grupėmis ir kaupime mikrodumblių polifosfosomose20,88,89,90. Be to, ryšį tarp mikrodumblių ir metalų palaiko ląstelių funkcinės 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 prie normalaus augimo greičio ir netgi padidėjo. Dzeta potencialo tyrimai rodo didelį stabilumą, kai įterpiamas į maistinę terpę. Taigi, paviršiaus sąveika tarp mikrodumblių ląstelių ir Nb-MXene nanodribsnių buvo išlaikyta visų redukcijos eksperimentų metu. Tolesnėje analizėje apibendriname pagrindinius veikimo mechanizmus, lemiančius šį nepaprastą mikrodumblių elgesį.
SEM stebėjimai parodė, kad mikrodumbliai linkę prisijungti prie Nb-MXenų. Naudodami dinaminę vaizdų analizę, patvirtiname, kad šis efektas lemia dvimatčių Nb-MXene nanodribsnių transformaciją į sferiškesnes daleles, taip parodydami, kad nanodribsnių skaidymas yra susijęs su jų oksidacija. Norėdami patikrinti savo hipotezę, atlikome medžiagų ir biocheminių tyrimų seriją. Po bandymo nanodribsniai palaipsniui oksidavosi ir suskilo į NbO ir Nb2O5 produktus, kurie nekėlė grėsmės žaliesiems mikrodumbliams. Naudodami FTIR stebėjimą, neradome reikšmingų pokyčių mikrodumblių, inkubuotų su 2D Nb-MXene nanodribsniais, cheminėje sudėtyje. Atsižvelgdami į tai, kad mikrodumbliai gali absorbuoti niobio oksidą, atlikome rentgeno fluorescencinę analizę. Šie rezultatai aiškiai rodo, kad tirti mikrodumbliai minta niobio oksidais (NbO ir Nb2O5), kurie nėra toksiški tirtiems mikrodumbliams.