Ташаккур барои боздид аз Nature.com. Шумо аз версияи браузер бо дастгирии маҳдуди CSS истифода мебаред. Барои беҳтарин таҷриба, мо тавсия медиҳем, ки шумо аз браузери навшуда истифода баред (ё Ҳолати Мутобиқатро дар Internet Explorer ғайрифаъол кунед). Дар айни замон, барои таъмини дастгирии доимӣ, мо сайтро бе услубҳо ва JavaScript намоиш медиҳем.
Карусели се слайдро якбора нишон медиҳад. Барои гузаштан аз се слайд дар як вақт тугмаҳои "Пешина" ва "Баъдӣ"-ро истифода баред, ё барои гузаштан аз се слайд дар як вақт тугмаҳои лағжандаро дар охир истифода баред.
Рушди босуръати нанотехнология ва ҳамгироии он ба барномаҳои ҳаррӯза метавонад ба муҳити зист таҳдид кунад. Дар ҳоле ки усулҳои сабз барои таҷзияи ифлоскунандаҳои органикӣ хуб муқаррар шудаанд, барқароркунии ифлоскунандаҳои кристаллии ғайриорганикӣ аз сабаби ҳассосияти пасти онҳо ба биотрансформация ва нафаҳмидани таъсири мутақобилаи сатҳи мавод бо маводи биологӣ нигаронии ҷиддӣ дорад. Дар ин ҷо, мо модели MXenes-и ғайриорганикии 2D-и дар асоси Nb бударо дар якҷоягӣ бо усули оддии таҳлили параметрҳои шакл барои пайгирии механизми биоремедиатсияи наноматериалҳои сафолии 2D аз ҷониби микроалгияҳои сабзи Raphidocelis subcapitata истифода мебарем. Мо муайян кардем, ки микроалгияҳо MXenes-и дар асоси Nb бударо аз сабаби таъсири мутақобилаи физикӣ-химиявии марбут ба сатҳ вайрон мекунанд. Дар аввал, нанопардаҳои якқабата ва бисёрқабата MXen ба сатҳи микроалгияҳо пайваст карда шуданд, ки афзоиши алгияҳоро то андозае коҳиш доданд. Аммо, ҳангоми таъсири тӯлонӣ бо сатҳ, микроалгияҳо нанопардаҳои MXen-ро оксид карда, онҳоро ба NbO ва Nb2O5 минбаъд таҷзия карданд. Азбаски ин оксидҳо барои ҳуҷайраҳои микроалгҳо заҳрнок нестанд, онҳо нанозарраҳои оксиди Nb-ро тавассути механизми ҷаббида истеъмол мекунанд, ки микроалгҳоро пас аз 72 соати коркарди об барқарор мекунад. Таъсири моддаҳои ғизоӣ, ки бо ҷаббида алоқаманданд, инчунин дар афзоиши ҳаҷми ҳуҷайраҳо, шакли ҳамвори онҳо ва тағирёбии суръати афзоиш инъикос меёбанд. Бар асоси ин натиҷаҳо, мо ба хулосае омадем, ки ҳузури кӯтоҳмуддат ва дарозмуддати MXen-ҳои дар асоси Nb дар экосистемаҳои оби ширин метавонад танҳо таъсири ночизи экологӣ ба вуҷуд орад. Қобили зикр аст, ки бо истифода аз наноматериалҳои дученака ҳамчун системаҳои моделӣ, мо имконияти пайгирии табдили шаклро ҳатто дар маводҳои майдадона нишон медиҳем. Умуман, ин таҳқиқот ба як саволи муҳими бунёдӣ дар бораи равандҳои марбут ба таъсири мутақобилаи сатҳӣ, ки механизми биоремедиатсияи наноматериалҳои дученака-ро ба вуҷуд меоранд, ҷавоб медиҳад ва барои таҳқиқоти минбаъдаи кӯтоҳмуддат ва дарозмуддати таъсири экологӣ аз наноматериалҳои кристаллии ғайриорганикӣ замина фароҳам меорад.
Наноматериалҳо аз замони кашфи худ таваҷҷуҳи зиёдро ба вуҷуд овардаанд ва нанотехнологияҳои гуногун ба наздикӣ ба марҳилаи навсозӣ ворид шудаанд1. Мутаассифона, ҳамгироии наноматериалҳо ба барномаҳои ҳаррӯза метавонад боиси раҳоӣ аз тасодуфан аз сабаби партовҳои нодуруст, коркарди беэҳтиётӣ ё инфрасохтори нокифояи бехатарӣ гардад. Аз ин рӯ, мантиқӣ аст, ки наноматериалҳо, аз ҷумла наноматериалҳои дученакаи (2D), метавонанд ба муҳити табиӣ раҳо шаванд, ки рафтор ва фаъолияти биологии онҳо ҳанӯз пурра фаҳмида нашудааст. Аз ин рӯ, тааҷҷубовар нест, ки нигарониҳои экотоксикӣ ба қобилияти наноматериалҳои дученакаи шомил шудан ба системаҳои обӣ нигаронида шудаанд2,3,4,5,6. Дар ин экосистемаҳо, баъзе наноматериалҳои дученакаи 2D метавонанд бо организмҳои гуногун дар сатҳҳои гуногуни трофикӣ, аз ҷумла микроалгҳо, ҳамкорӣ кунанд.
Микроалгҳо организмҳои ибтидоӣ мебошанд, ки табиатан дар экосистемаҳои оби ширин ва баҳрӣ мавҷуданд ва тавассути фотосинтез маҳсулоти гуногуни кимиёвӣ истеҳсол мекунанд7. Аз ин рӯ, онҳо барои экосистемаҳои обӣ муҳиманд8,9,10,11,12, аммо инчунин нишондиҳандаҳои ҳассос, арзон ва васеъ истифодашавандаи экотоксикӣ мебошанд13,14. Азбаски ҳуҷайраҳои микроалгҳо зуд афзоиш меёбанд ва ба мавҷудияти пайвастагиҳои гуногун зуд вокуниш нишон медиҳанд, онҳо барои таҳияи усулҳои экологӣ тоза барои тоза кардани оби олуда бо моддаҳои органикӣ умедбахшанд15,16.
Ҳуҷайраҳои обсабз метавонанд ионҳои ғайриорганикиро аз об тавассути биосорбсия ва ҷамъшавӣ хориҷ кунанд17,18. Баъзе намудҳои обсабзҳо, ба монанди Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolica, Stigeoclonium tenue ва Synechococcus sp. Муайян карда шудааст, ки он ионҳои металлии заҳролудро ба монанди Fe2+, Cu2+, Zn2+ ва Mn2+19 интиқол медиҳад ва ҳатто ғизо медиҳад. Тадқиқотҳои дигар нишон доданд, ки ионҳои Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ ё Pb2+ афзоиши Scenedesmus-ро бо тағир додани морфологияи ҳуҷайра ва нобуд кардани хлоропластҳои онҳо маҳдуд мекунанд20,21.
Усулҳои сабз барои таҷзияи ифлоскунандаҳои органикӣ ва хориҷ кардани ионҳои металлҳои вазнин таваҷҷӯҳи олимон ва муҳандисонро дар саросари ҷаҳон ҷалб кардаанд. Ин асосан аз он сабаб аст, ки ин ифлоскунандаҳо дар марҳилаи моеъ ба осонӣ коркард мешаванд. Аммо, ифлоскунандаҳои кристаллии ғайриорганикӣ бо ҳалшавии пасти об ва ҳассосияти паст ба биотрансформацияҳои гуногун тавсиф мешаванд, ки дар барқарорсозӣ мушкилоти зиёдеро ба бор меорад ва дар ин самт пешрафти кам ба даст омадааст22,23,24,25,26. Ҳамин тариқ, ҷустуҷӯи роҳҳои ҳалли экологӣ барои таъмири наноматериалҳо як соҳаи мураккаб ва ноомӯхта боқӣ мемонад. Аз сабаби дараҷаи баланди номуайянӣ дар бораи таъсири биотрансформацияи наноматериалҳои дученака, роҳи осони пайдо кардани роҳҳои эҳтимолии таҷзияи онҳо ҳангоми коҳиш вуҷуд надорад.
Дар ин таҳқиқот, мо микроалгияҳои сабзро ҳамчун агенти фаъоли биоремедиатсияи обӣ барои маводҳои сафолии ғайриорганикӣ истифода бурдем, ки дар якҷоягӣ бо мониторинги in situ раванди таҷзияи MXene ҳамчун намояндаи маводҳои сафолии ғайриорганикӣ истифода шуд. Истилоҳи "MXene" стехиометрияи маводи Mn+1XnTx-ро инъикос мекунад, ки дар он M металли гузариши барвақт, X карбон ва/ё нитроген, Tx терминатори сатҳӣ (масалан, -OH, -F, -Cl) ва n = 1, 2, 3 ё 427.28 мебошад. Аз замони кашфи MXenes аз ҷониби Нагиб ва дигарон. Сенсорика, терапияи саратон ва филтратсияи мембрана 27,29,30. Илова бар ин, MXenes-ро метавон ҳамчун системаҳои модели 2D ҳисобид, ки ба туфайли устувории аълои коллоидӣ ва таъсири мутақобилаи биологии онҳо имконпазир аст31,32,33,34,35,36.
Аз ин рӯ, методологияи таҳияшуда дар ин мақола ва фарзияҳои тадқиқотии мо дар расми 1 нишон дода шудаанд. Мувофиқи ин фарзия, микроалгҳо MXen-ҳои дар асоси Nb бударо аз сабаби таъсири мутақобилаи физикӣ-химиявии вобаста ба сатҳ ба пайвастагиҳои ғайритоксикӣ таҷзия мекунанд, ки имкон медиҳад, ки алгҳо минбаъд барқарор шаванд. Барои санҷидани ин фарзия, ду узви оилаи карбидҳо ва/ё нитридҳои металлҳои гузариши ибтидоӣ дар асоси ниобий (MXenes), яъне Nb2CTx ва Nb4C3TX, интихоб карда шуданд.
Методологияи тадқиқот ва фарзияҳои асоснок барои барқарор кардани MXene аз ҷониби микроалгҳои сабзи Raphidocelis subcapitata. Лутфан таваҷҷӯҳ намоед, ки ин танҳо як намояндагии схематикии фарзияҳои асоснокшуда аст. Муҳити кӯл аз рӯи муҳити ғизоии истифодашуда ва шароит (масалан, давраи рӯзона ва маҳдудиятҳо дар маводи ғизоии муҳими мавҷуда) фарқ мекунад. Бо BioRender.com сохта шудааст.
Аз ин рӯ, бо истифода аз MXene ҳамчун системаи моделӣ, мо дарро барои омӯзиши таъсири гуногуни биологӣ боз кардем, ки бо дигар наноматериалҳои анъанавӣ мушоҳида кардан мумкин нест. Аз ҷумла, мо имконияти биоремедиатсияи наноматериалҳои дученака, ба монанди MXenҳои дар асоси ниобий, аз ҷониби микроалгҳои Raphidocelis subcapitata, нишон медиҳем. Микроалгҳо қодиранд Nb-MXenҳоро ба оксидҳои ғайритоксикии NbO ва Nb2O5 таҷзия кунанд, ки инчунин тавассути механизми ҷабби ниобий моддаҳои ғизоӣ таъмин мекунанд. Умуман, ин таҳқиқот ба як саволи муҳими бунёдӣ дар бораи равандҳои марбут ба таъсири мутақобилаи физикию химиявии сатҳӣ, ки механизмҳои биоремедиатсияи наноматериалҳои дученакаро идора мекунанд, ҷавоб медиҳад. Илова бар ин, мо усули оддии шакл-параметрро барои пайгирии тағйироти нозук дар шакли наноматериалҳои дученака таҳия мекунем. Ин ба таҳқиқоти минбаъдаи кӯтоҳмуддат ва дарозмуддат дар бораи таъсири гуногуни экологӣ аз наноматериалҳои кристаллии ғайриорганикӣ илҳом мебахшад. Ҳамин тариқ, таҳқиқоти мо фаҳмиши таъсири мутақобилаи байни сатҳи мавод ва маводи биологиро афзоиш медиҳад. Мо инчунин заминаро барои таҳқиқоти кӯтоҳмуддат ва дарозмуддати васеъ оид ба таъсири эҳтимолии онҳо ба экосистемаҳои оби ширин фароҳам меорем, ки ҳоло онҳоро ба осонӣ тасдиқ кардан мумкин аст.
MXenҳо як синфи ҷолиби маводҳоро бо хосиятҳои беназир ва ҷолиби физикӣ ва химиявӣ ва аз ин рӯ, бисёр татбиқҳои эҳтимолӣ нишон медиҳанд. Ин хосиятҳо асосан аз стехиометрия ва химияи сатҳии онҳо вобастаанд. Аз ин рӯ, дар таҳқиқоти худ, мо ду намуди MXenҳои якқабата иерархии (SL) дар асоси Nb, Nb2CTx ва Nb4C3TX-ро таҳқиқ кардем, зеро таъсири гуногуни биологии ин наномаводҳоро мушоҳида кардан мумкин буд. MXenҳо аз маводи ибтидоии худ тавассути кандакории интихобии аз боло ба поён қабатҳои тунуки фазаи MAX A-и атомӣ истеҳсол карда мешаванд. Фазаи MAX як сафолии сегона аст, ки аз блокҳои "пайвандшуда"-и карбидҳои металлҳои гузариш ва қабатҳои тунуки унсурҳои "A", ба монанди Al, Si ва Sn бо стехиометрияи MnAXn-1 иборат аст. Морфологияи фазаи ибтидоии MAX тавассути микроскопияи электронии сканкунӣ (SEM) мушоҳида карда шуд ва бо таҳқиқоти қаблӣ мувофиқ буд (нигаред ба Маълумоти иловагӣ, SI, Расми S1). Nb-MXenи бисёрқабата (ML) пас аз хориҷ кардани қабати Al бо 48% HF (кислотаи гидрофторӣ) ба даст оварда шуд. Морфологияи ML-Nb2CTx ва ML-Nb4C3TX бо истифода аз микроскопияи электронии сканкунӣ (SEM) (расмҳои S1c ва S1d мутаносибан) таҳқиқ карда шуд ва морфологияи қабатии маъмулии MXene мушоҳида карда шуд, ки ба нанопардаҳои дученака монанд аст, ки аз сӯрохиҳои дарозрӯяи сӯрохмонанд мегузаранд. Ҳарду Nb-MXene бо фазаҳои MXene, ки қаблан бо роҳи кандакории кислотаӣ синтез карда шуда буданд, бисёр чизҳои умумӣ доранд27,38. Пас аз тасдиқи сохтори MXene, мо онро бо роҳи интеркалятсияи тетрабутиламмоний гидроксид (TBAOH) ва сипас шустан ва ултрасадо қабат кардем, ки пас аз он мо нанопардаҳои 2D Nb-MXene-и якқабата ё қабати паст (SL)-ро ба даст овардем.
Мо барои санҷидани самаранокии кандакорӣ ва пӯсткании минбаъда аз микроскопияи электронии интиқоли баландсифат (HRTEM) ва дифраксияи рентгенӣ (XRD) истифода кардем. Натиҷаҳои HRTEM, ки бо истифода аз Табдилдиҳии Фурьеи зуди баръакс (IFFT) ва Табдилдиҳии Фурьеи зуд (FFT) коркард шудаанд, дар расми 2 нишон дода шудаанд. Нанопардаҳои Nb-MXene барои санҷидани сохтори қабати атомӣ ва чен кардани масофаҳои байниҳамворӣ ба боло нигаронида шуда буданд. Тасвирҳои HRTEM-и нанопардаҳои MXene Nb2CTx ва Nb4C3TX табиати тунуки қабатҳои атомии онҳоро нишон доданд (нигаред ба расми 2a1, a2), чунон ки қаблан аз ҷониби Нагиб ва дигарон27 ва Ястржебска ва дигарон38 гузориш дода шуда буд. Барои ду қабати моноқабатҳои ҳамшафати Nb2CTx ва Nb4C3Tx, мо масофаҳои байниқабатҳоро мутаносибан 0,74 ва 1,54 нм муайян кардем (расмҳои 2b1,b2), ки бо натиҷаҳои қаблии мо низ мувофиқат мекунанд38. Ин бо табдили Фурьеи баръакси босуръат (Расми 2c1, c2) ва табдили Фурьеи босуръат (Расми 2d1, d2), ки масофаи байни қабатҳои моноқабатҳои Nb2CTx ва Nb4C3Tx-ро нишон медиҳад, боз ҳам тасдиқ карда шуд. Дар тасвир ивазшавии бандҳои рӯшноӣ ва торик, ки ба атомҳои ниобий ва карбон мувофиқанд, нишон дода шудааст, ки хусусияти қабатии MXen-ҳои омӯхташударо тасдиқ мекунад. Қайд кардан муҳим аст, ки спектрҳои спектроскопияи рентгении парокандакунандаи энергия (EDX), ки барои Nb2CTx ва Nb4C3Tx ба даст оварда шудаанд (Расми S2a ва S2b) ҳеҷ боқимондаи фазаи аслии MAX-ро нишон надоданд, зеро ягон қуллаи Al ошкор карда нашуд.
Тавсифи нанопардаҳои SL Nb2CTx ва Nb4C3Tx MXene, аз ҷумла (а) тасвири паҳлӯии нанофпардаҳои SL Nb2CTx ва Nb4C3Tx, аз ҷумла (а) тасвири паҳлӯии нанофпардаҳои 2D бо қарори баланд (HRTEM) ва мувофиқ, (б) ҳолати шиддат, (в) табдили Фурьеи баръакси зуд (IFFT), (г) табдили Фурьеи зуд (FFT), (д) ​​намунаҳои рентгении Nb-MXenes. Барои SL 2D Nb2CTx, рақамҳо ҳамчун (a1, b1, c1, d1, e1) ифода карда мешаванд. Барои SL 2D Nb4C3Tx, рақамҳо ҳамчун (a2, b2, c2, d2, e1) ифода карда мешаванд.
Андозагириҳои дифракцияи рентгении MXenes SL Nb2CTx ва Nb4C3Tx мутаносибан дар расмҳои 2e1 ва e2 нишон дода шудаанд. Қуллаҳо (002) дар 4.31 ва 4.32 ба MXenes қабатбандии қаблан тавсифшуда Nb2CTx ва Nb4C3TX38,39,40,41 мутаносибан мувофиқат мекунанд. Натиҷаҳои XRD инчунин мавҷудияти баъзе сохторҳои боқимондаи ML ва фазаҳои MAX-ро нишон медиҳанд, аммо асосан намунаҳои XRD, ки бо SL Nb4C3Tx алоқаманданд (Расми 2e2). Мавҷудияти зарраҳои хурдтари фазаи MAX метавонад қуллаи қавитари MAX-ро дар муқоиса бо қабатҳои тасодуфан ҷамъшудаи Nb4C3Tx шарҳ диҳад.
Таҳқиқоти минбаъда ба микроалгияҳои сабз, ки ба намудҳои R. subcapitata тааллуқ доранд, нигаронида шудаанд. Мо микроалгияҳоро интихоб кардем, зеро онҳо истеҳсолкунандагони муҳиме мебошанд, ки дар шабакаҳои асосии ғизоӣ иштирок мекунанд42. Онҳо инчунин яке аз беҳтарин нишондиҳандаҳои заҳролудшавӣ мебошанд, зеро қобилияти хориҷ кардани моддаҳои заҳролуде мебошанд, ки ба сатҳҳои баланди занҷири ғизоӣ интиқол дода мешаванд43. Илова бар ин, таҳқиқот дар бораи R. subcapitata метавонад ба заҳролудшавии тасодуфии SL Nb-MXenes ба микроорганизмҳои маъмулии оби тоза равшанӣ андозад. Барои нишон додани ин, муҳаққиқон фарзия карданд, ки ҳар як микроб ба пайвастагиҳои заҳролуде, ки дар муҳити зист мавҷуданд, ҳассосияти гуногун дорад. Барои аксари организмҳо, консентратсияи пасти моддаҳо ба афзоиши онҳо таъсир намерасонад, дар ҳоле ки консентратсия аз ҳадди муайян болотар метавонад онҳоро боздорад ё ҳатто боиси марг гардад. Аз ин рӯ, барои таҳқиқоти мо дар бораи таъсири мутақобилаи сатҳӣ байни микроалгияҳо ва MXenes ва барқароршавии марбут ба он, мо тасмим гирифтем, ки консентратсияҳои безарар ва заҳролуди Nb-MXenes-ро санҷем. Барои ин, мо консентратсияҳои 0 (ҳамчун истинод), 0.01, 0.1 ва 10 мг л-1 MXene ва инчунин микроалгияҳои сироятёфтаро бо консентратсияҳои хеле баланди MXene (100 мг л-1 MXene), ки метавонанд барои ҳама гуна муҳити биологӣ шадид ва марговар бошанд, санҷидаем.
Таъсири SL Nb-MXenes ба микроалгҳо дар расми 3 нишон дода шудааст, ки ҳамчун фоизи пешбурди афзоиш (+) ё боздоштани он (-) барои намунаҳои 0 мг л-1 чен карда шудааст. Барои муқоиса, фазаи Nb-MAX ва ML Nb-MXenes низ санҷида шуданд ва натиҷаҳо дар SI нишон дода шудаанд (нигаред ба расми S3). Натиҷаҳои бадастомада тасдиқ карданд, ки SL Nb-MXenes қариб пурра аз заҳролудшавӣ дар диапазони консентратсияҳои паст аз 0,01 то 10 мг/л холӣ аст, чунон ки дар расми 3a,b нишон дода шудааст. Дар мавриди Nb2CTx, мо дар диапазони муайяншуда на бештар аз 5% экотоксикӣ мушоҳида кардем.
Ҳавасмандгардонӣ (+) ё боздоштани (-) афзоиши микроалгҳо дар ҳузури SL (а) Nb2CTx ва (б) Nb4C3TX MXene. 24, 48 ва 72 соати таъсири мутақобилаи MXene-микроалгҳо таҳлил карда шуданд. Маълумоти муҳим (тест, p <0.05) бо ситорача (*) қайд карда шуданд. Маълумоти муҳим (тест, p <0.05) бо ситорача (*) қайд карда шуданд. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Маълумоти муҳим (тест, p < 0.05) бо ситорача (*) қайд карда шудаанд.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 (*). Маълумоти муҳим (тест, p < 0.05) бо ситорача (*) қайд карда шудаанд.Тирҳои сурх бекор кардани ҳавасмандкунии ингибиторӣро нишон медиҳанд.
Аз тарафи дигар, консентратсияи пасти Nb4C3TX каме заҳролудтар, вале на бештар аз 7% буд. Тавре ки интизор мерафт, мо мушоҳида кардем, ки MXenes дар 100 мг L-1 заҳролудшавии баландтар ва боздории афзоиши микроалгияҳоро доштанд. Ҷолиб он аст, ки ҳеҷ яке аз маводҳо дар муқоиса бо намунаҳои MAX ё ML тамоюли якхела ва вобастагии вақтро аз таъсири атоксикӣ/заҳролуд нишон надоданд (барои тафсилот ба SI нигаред). Дар ҳоле ки барои марҳилаи MAX (нигаред ба расми S3) заҳролудшавӣ тақрибан ба 15-25% расид ва бо мурури замон афзоиш ёфт, тамоюли баръакс барои SL Nb2CTx ва Nb4C3TX MXene мушоҳида шуд. Боздории афзоиши микроалгияҳо бо мурури замон коҳиш ёфт. Он пас аз 24 соат тақрибан ба 17% расид ва пас аз 72 соат ба камтар аз 5% коҳиш ёфт (мутаносибан расми 3a, b).
Муҳимтар аз ҳама, барои SL Nb4C3TX, боздории афзоиши микроалгҳо пас аз 24 соат тақрибан 27% расид, аммо пас аз 72 соат он то тақрибан 1% коҳиш ёфт. Аз ин рӯ, мо таъсири мушоҳидашударо ҳамчун боздории баръакси ҳавасмандкунӣ номгузорӣ кардем ва ин таъсир барои SL Nb4C3TX MXene қавитар буд. Ҳавасмандкунии афзоиши микроалгҳо қаблан бо Nb4C3TX (ҳамкорӣ бо 10 мг L-1 барои 24 соат) дар муқоиса бо SL Nb2CTx MXene қайд карда шуда буд. Таъсири баръакси боздории ҳавасмандкунӣ низ дар каҷи суръати дучандшавии биомасса хуб нишон дода шудааст (барои тафсилот ба расми S4 нигаред). То ҳол, танҳо экотоксикии Ti3C2TX MXene бо роҳҳои гуногун омӯхта шудааст. Он барои эмбрионҳои зебра44 заҳролуд нест, балки барои растаниҳои микроалгҳо Desmodesmus quadricauda ва Sorghum saccharatum45 мӯътадил экотоксик аст. Мисолҳои дигари таъсири мушаххас заҳролудии бештар ба хатҳои ҳуҷайраҳои саратонро нисбат ба хатҳои ҳуҷайраҳои муқаррарӣ46,47 дар бар мегиранд. Метавон тахмин кард, ки шароити санҷиш ба тағйирот дар афзоиши микроалгияҳо, ки дар ҳузури Nb-MXenes мушоҳида мешаванд, таъсир мерасонад. Масалан, pH тақрибан 8 дар стромаи хлоропласт барои кори самараноки ферменти RuBisCO оптималӣ аст. Аз ин рӯ, тағйироти pH ба суръати фотосинтез таъсири манфӣ мерасонанд48,49. Аммо, мо дар давоми таҷриба тағйироти назаррасро дар pH мушоҳида накардем (барои тафсилот ба SI, расми S5 нигаред). Умуман, фарҳангҳои микроалгияҳо бо Nb-MXenes pH-и маҳлулро бо мурури замон каме коҳиш доданд. Аммо, ин коҳиш ба тағирёбии pH-и муҳити холис монанд буд. Илова бар ин, диапазони тағиротҳои ёфтшуда ба он чизе монанд буд, ки барои фарҳанги холиси микроалгияҳо чен карда шудааст (намунаи назоратӣ). Ҳамин тариқ, мо ба хулосае омадем, ки фотосинтез аз тағйирот дар pH бо мурури замон таъсир намерасонад.
Илова бар ин, MXen-ҳои синтезшуда дорои нуқтаҳои сатҳӣ мебошанд (ки бо Tx ишора карда мешаванд). Инҳо асосан гурӯҳҳои функсионалии -O, -F ва -OH мебошанд. Аммо, химияи сатҳӣ мустақиман бо усули синтез алоқаманд аст. Маълум аст, ки ин гурӯҳҳо дар сатҳ ба таври тасодуфӣ тақсим шудаанд, ки пешгӯии таъсири онҳоро ба хосиятҳои MXene50 душвор мегардонад. Метавон гуфт, ки Tx метавонад қувваи каталитикии оксидшавии ниобий аз ҷониби рӯшноӣ бошад. Гурӯҳҳои функсионалии сатҳӣ воқеан ҷойҳои сершумори лангарро барои фотокатализаторҳои асосии худ барои ташкили гетерогузаришҳо фароҳам меоранд51. Аммо, таркиби муҳити афзоиш фотокатализатори муассирро таъмин накард (таркиби муфассали муҳити атрофро дар ҷадвали SI S6 пайдо кардан мумкин аст). Илова бар ин, ҳама гуна тағирёбии сатҳ низ хеле муҳим аст, зеро фаъолияти биологии MXen-ҳо метавонад аз ҳисоби коркарди пас аз қабат, оксидшавӣ, тағирёбии сатҳи кимиёвии пайвастагиҳои органикӣ ва ғайриорганикӣ52,53,54,55,56 ё муҳандисии заряди сатҳӣ52,53,54,55,56 ё муҳандисии заряди сатҳӣ38 тағйир дода шавад. Аз ин рӯ, барои санҷидани он, ки оё оксиди ниобий бо ноустувории мавод дар муҳит ягон иртибот дорад, мо таҳқиқоти потенсиали зета (ζ)-ро дар муҳити парвариши микроалгҳо ва оби деионизатсияшуда (барои муқоиса) анҷом додем. Натиҷаҳои мо нишон медиҳанд, ки SL Nb-MXenes нисбатан устуворанд (барои натиҷаҳои MAX ва ML ба расми SI S6 нигаред). Потенсиали зетаи SL MXenes тақрибан -10 мВ аст. Дар мавриди SR Nb2CTx, арзиши ζ нисбат ба Nb4C3Tx каме манфӣтар аст. Чунин тағирёбии арзиши ζ метавонад нишон диҳад, ки сатҳи нанопардаҳои зарядноки манфӣ MXen ионҳои зарядноки мусбатро аз муҳити парвариш ҷаббида мегирад. Андозагирии муваққатии потенсиали зета ва гузаронандагии Nb-MXenes дар муҳити парвариш (барои тафсилоти бештар ба расмҳои S7 ва S8 дар SI нигаред) ба назар чунин мерасад, ки фарзияи моро дастгирӣ мекунанд.
Аммо, ҳарду SL-ҳои Nb-MXene тағйироти ночизро аз сифр нишон доданд. Ин ба таври возеҳ устувории онҳоро дар муҳити афзоиши микроалгҳо нишон медиҳад. Илова бар ин, мо арзёбӣ кардем, ки оё мавҷудияти микроалгҳои сабзи мо ба устувории Nb-MXenҳо дар муҳити зист таъсир мерасонад. Натиҷаҳои потенсиали зета ва гузаронандагии MXenҳоро пас аз таъсири мутақобила бо микроалгҳо дар муҳити ғизоӣ ва парвариш дар тӯли вақт дар SI пайдо кардан мумкин аст (Расми S9 ва S10). Ҷолиб он аст, ки мо мушоҳида кардем, ки мавҷудияти микроалгҳо парокандагии ҳарду MXenро устувор мекунад. Дар мавриди Nb2CTx SL, потенсиали зета ҳатто бо мурури замон каме коҳиш ёфт ва ба арзишҳои манфӣ бештар расид (-15.8 бар зидди -19.1 мВ пас аз 72 соати инкубатсия). Потенсиали зетаи SL Nb4C3TX каме афзоиш ёфт, аммо пас аз 72 соат он нисбат ба нанопардаҳо бе мавҷудияти микроалгҳо устувории баландтар нишон дод (-18.1 бар зидди -9.1 мВ).
Мо инчунин ноқилияти пасти маҳлулҳои Nb-MXene-ро, ки дар ҳузури микроалгҳо инкубатсия шудаанд, мушоҳида кардем, ки аз миқдори камтари ионҳо дар муҳити ғизоӣ шаҳодат медиҳад. Қобили зикр аст, ки ноустувории MXenҳо дар об асосан аз оксидшавии сатҳӣ вобаста аст57. Аз ин рӯ, мо гумон мекунем, ки микроалгҳои сабз ба таври номаълум оксидҳоеро, ки дар сатҳи Nb-MXen ба вуҷуд омадаанд, тоза кардаанд ва ҳатто аз пайдоиши онҳо (оксидшавии MXen) пешгирӣ кардаанд. Инро тавассути омӯзиши намудҳои моддаҳое, ки аз ҷониби микроалгҳо ҷаббида мешаванд, дидан мумкин аст.
Гарчанде ки таҳқиқоти экотоксикологии мо нишон доданд, ки микроалгҳо тавонистанд бо мурури замон заҳролудии Nb-MXen-ҳоро бартараф кунанд ва монеаи ғайриоддии афзоиши ҳавасмандшударо бартараф кунанд, ҳадафи таҳқиқоти мо таҳқиқи механизмҳои имконпазири амал буд. Вақте ки организмҳо ба монанди обсабзҳо ба пайвастагиҳо ё маводҳое, ки барои экосистемаҳои онҳо ношиносанд, дучор мешаванд, онҳо метавонанд бо роҳҳои гуногун вокуниш нишон диҳанд58,59. Дар сурати набудани оксидҳои металлии заҳролуд, микроалгҳо метавонанд худро ғизо диҳанд ва ба онҳо имкон диҳанд, ки пайваста афзоиш ёбанд60. Пас аз фурӯ бурдани моддаҳои заҳролуд, механизмҳои дифоъӣ, ба монанди тағир додани шакл ё шакл, фаъол шуда метавонанд. Имконияти ҷаббида низ бояд ба назар гирифта шавад58,59. Қобили зикр аст, ки ҳама гуна аломати механизми дифоъӣ нишондиҳандаи равшани заҳролудии пайвастагии озмоишӣ мебошад. Аз ин рӯ, дар кори минбаъдаи худ, мо таъсири эҳтимолии сатҳи байни нанопардаҳои SL Nb-MXene ва микроалгҳо тавассути SEM ва ҷабби эҳтимолии MXene-и асоси Nb-ро тавассути спектроскопияи флуоресцентии рентгенӣ (XRF) таҳқиқ кардем. Дар хотир доред, ки таҳлилҳои SEM ва XRF танҳо дар консентратсияи баландтарини MXene барои ҳалли масъалаҳои заҳролудшавии фаъолият анҷом дода шуданд.
Натиҷаҳои SEM дар расми 4 нишон дода шудаанд. Ҳуҷайраҳои микроалгияҳои коркарднашуда (нигаред ба расми 4a, намунаи истинодӣ) морфологияи маъмулии R. subcapitata ва шакли ҳуҷайраҳои круассанмонандро ба таври возеҳ нишон доданд. Ҳуҷайраҳо ҳамвор ва то андозае номуташаккил ба назар мерасанд. Баъзе ҳуҷайраҳои микроалгияҳо бо ҳамдигар печида ва печидаанд, аммо ин эҳтимолан аз раванди тайёр кардани намуна ба вуҷуд омадааст. Умуман, ҳуҷайраҳои микроалгияҳои холис сатҳи ҳамвор доштанд ва ягон тағйироти морфологӣ нишон надоданд.
Тасвирҳои SEM, ки таъсири мутақобилаи сатҳӣ байни микроалгияҳои сабз ва нановарақаҳои MXene-ро пас аз 72 соати таъсири мутақобила дар консентратсияи аз ҳад зиёд (100 мг L-1) нишон медиҳанд. (а) Микроалгияҳои сабзи коркарднашуда пас аз таъсири мутақобила бо SL (б) Nb2CTx ва (в) Nb4C3TX MXenes. Дар хотир доред, ки нанопардаҳои Nb-MXene бо тирҳои сурх ишора шудаанд. Барои муқоиса, аксҳо аз микроскопи оптикӣ низ илова карда шудаанд.
Баръакс, ҳуҷайраҳои микроалгияҳое, ки аз ҷониби нанопардаҳои SL Nb-MXene адсорбсия шудаанд, осеб дидаанд (нигаред ба расми 4b, c, тирҳои сурх). Дар мавриди Nb2CTx MXene (расми 4b), микроалгияҳо майл доранд, ки бо нанопардаҳои дученакаи пайвастшуда афзоиш ёбанд, ки метавонанд морфологияи онҳоро тағйир диҳанд. Қобили зикр аст, ки мо ин тағйиротро дар зери микроскопияи рӯшноӣ низ мушоҳида кардем (барои тафсилот ба расми SI S11 нигаред). Ин гузариши морфологӣ дар физиологияи микроалгияҳо ва қобилияти онҳо барои муҳофизати худ тавассути тағир додани морфологияи ҳуҷайра, ба монанди афзоиши ҳаҷми ҳуҷайраҳо, асоси эҳтимолӣ дорад61. Аз ин рӯ, санҷидани шумораи ҳуҷайраҳои микроалгияҳое, ки воқеан бо Nb-MXenҳо дар тамос ҳастанд, муҳим аст. Тадқиқотҳои SEM нишон доданд, ки тақрибан 52% ҳуҷайраҳои микроалгияҳо ба Nb-MXenҳо дучор шудаанд, дар ҳоле ки 48% ин ҳуҷайраҳои микроалгияҳо аз тамос канорагирӣ кардаанд. Барои SL Nb4C3Tx MXene, микроалгҳо кӯшиш мекунанд, ки аз тамос бо MXene канорагирӣ кунанд ва бо ин васила аз нанопулаҳои дученака ҷойгир шуда, афзоиш ёбанд (Расми 4c). Аммо, мо воридшавии нанопулаҳо ба ҳуҷайраҳои микроалгҳо ва осеби онҳоро мушоҳида накардем.
Худнигоҳдорӣ инчунин рафтори вокуниши вобаста ба вақт ба басташавии фотосинтез аст, ки аз сабаби адсорбсияи зарраҳо дар сатҳи ҳуҷайра ва таъсири ба истилоҳ соякунӣ (соякунӣ) ба вуҷуд меояд62. Равшан аст, ки ҳар як объект (масалан, нанопардаҳои Nb-MXene), ки байни микроалгҳо ва манбаи рӯшноӣ ҷойгир аст, миқдори рӯшноиро, ки хлоропластҳо ҷаббидаанд, маҳдуд мекунад. Аммо, мо шубҳа надорем, ки ин ба натиҷаҳои бадастомада таъсири назаррас мерасонад. Тавре ки мушоҳидаҳои микроскопии мо нишон доданд, нанопардаҳои 2D пурра печонида нашудаанд ё ба сатҳи микроалгҳо часпида нашудаанд, ҳатто вақте ки ҳуҷайраҳои микроалгҳо бо Nb-MXenҳо дар тамос буданд. Ба ҷои ин, маълум шуд, ки нанопардаҳо ба ҳуҷайраҳои микроалгҳо бе пӯшонидани сатҳи онҳо нигаронида шудаанд. Чунин маҷмӯи нанопардаҳо/микроалгҳо наметавонанд миқдори рӯшноиро, ки ҳуҷайраҳои микроалгҳо ҷаббидаанд, ба таври назаррас маҳдуд кунанд. Ғайр аз ин, баъзе таҳқиқот ҳатто беҳтар шудани ҷабби рӯшноиро аз ҷониби организмҳои фотосинтетикӣ дар ҳузури наноматериалҳои дученака нишон доданд63,64,65,66.
Азбаски тасвирҳои SEM наметавонанд ҷабби ниобийро аз ҷониби ҳуҷайраҳои микроалгҳо мустақиман тасдиқ кунанд, таҳқиқоти минбаъдаи мо барои равшан кардани ин масъала ба таҳлили флуоресценсияи рентгенӣ (XRF) ва спектроскопияи фотоэлектронии рентгенӣ (XPS) муроҷиат кард. Аз ин рӯ, мо шиддати қуллаҳои Nb-и намунаҳои микроалгҳои истинодиро, ки бо MXenҳо, нанопардаҳои MXen, ки аз сатҳи ҳуҷайраҳои микроалгҳо ҷудо шудаанд, ва ҳуҷайраҳои микроалгҳоро пас аз хориҷ кардани MXenҳои пайвастшуда муқоиса кардем. Қобили зикр аст, ки агар ҷабби Nb набошад, арзиши Nb, ки аз ҷониби ҳуҷайраҳои микроалгҳо ба даст оварда мешавад, пас аз хориҷ кардани наномасштабҳои пайвастшуда бояд сифр бошад. Аз ин рӯ, агар ҷабби Nb ба амал ояд, ҳам натиҷаҳои XRF ва ҳам XPS бояд қуллаи равшани Nb-ро нишон диҳанд.
Дар мавриди спектрҳои XRF, намунаҳои микроалгҳо пас аз таъсири мутақобила бо SL Nb2CTx ва Nb4C3Tx MXene қуллаҳои Nb-ро барои SL Nb2CTx ва Nb4C3Tx MXene нишон доданд (нигаред ба расми 5a, инчунин қайд кунед, ки натиҷаҳои MAX ва ML MXenҳо дар SI, расмҳои S12–C17 нишон дода шудаанд). Ҷолиб он аст, ки шиддати қуллаи Nb дар ҳарду ҳолат якхела аст (сутунҳои сурх дар расми 5a). Ин нишон дод, ки алгҳо наметавонанд Nb-и бештарро ҷаббида гиранд ва иқтидори ҳадди аксар барои ҷамъшавии Nb дар ҳуҷайраҳо ба даст оварда шудааст, гарчанде ки ду маротиба бештар Nb4C3Tx MXene ба ҳуҷайраҳои микроалгҳо пайваст карда шудааст (сутунҳои кабуд дар расми 5a). Қобили зикр аст, ки қобилияти микроалгҳо барои ҷабби металлҳо аз консентратсияи оксидҳои металл дар муҳити зист вобаста аст67,68. Шамшада ва ҳамкорон67 муайян карданд, ки иқтидори ҷабби алгҳои оби ширин бо афзоиши рН коҳиш меёбад. Райз ва ҳамкоронаш.68 қайд карданд, ки қобилияти алафҳои баҳрӣ барои ҷабби металлҳо барои Pb2+ нисбат ба Ni2+ тақрибан 25% баландтар аст.
(a) Натиҷаҳои XRF-и азхудкунии базалии Nb аз ҷониби ҳуҷайраҳои сабзи микроалгҳо, ки дар консентратсияи шадиди SL Nb-MXenes (100 мг L-1) барои 72 соат инкубатсия шудаанд. Натиҷаҳо мавҷудияти α-ро дар ҳуҷайраҳои холиси микроалгҳо (намунаи назоратӣ, сутунҳои хокистарӣ), нанопардаҳои 2D, ки аз ҳуҷайраҳои микроалгҳои рӯизаминӣ ҷудо карда шудаанд (сутунҳои кабуд) ва ҳуҷайраҳои микроалгҳо пас аз ҷудо кардани нанопардаҳои 2D аз сатҳ (сутунҳои сурх) нишон медиҳанд. Миқдори Nb-и элементӣ, (b) фоизи таркиби кимиёвии ҷузъҳои органикии микроалгҳо (C=O ва CHx/C–O) ва оксидҳои Nb, ки дар ҳуҷайраҳои микроалгҳо пас аз инкубатсия бо SL Nb-MXenes мавҷуданд, (c–e) Мутобиқ кардани қуллаи таркибии спектрҳои XPS SL Nb2CTx ва (fh) SL Nb4C3Tx MXen, ки аз ҷониби ҳуҷайраҳои микроалгҳо дохил карда шудааст.
Аз ин рӯ, мо интизор доштем, ки Nb метавонад аз ҷониби ҳуҷайраҳои алгҳо дар шакли оксидҳо ҷаббида шавад. Барои санҷидани ин, мо таҳқиқоти XPS-ро дар бораи ҳуҷайраҳои алгҳои MXen Nb2CTx ва Nb4C3TX ва алгҳо анҷом додем. Натиҷаҳои таъсири мутақобилаи микроалгҳо бо Nb-MXen ва MXenҳое, ки аз ҳуҷайраҳои алгҳо ҷудо карда шудаанд, дар расми 5b нишон дода шудаанд. Тавре ки интизор мерафт, мо қуллаҳои Nb3d-ро дар намунаҳои микроалгҳо пас аз хориҷ кардани MXen аз сатҳи микроалгҳо муайян кардем. Муайянкунии миқдории оксидҳои C=O, CHx/CO ва Nb дар асоси спектрҳои Nb3d, O1s ва C1s, ки бо Nb2CTx SL (Расми 5c-e) ва Nb4C3Tx SL (Расми 5c-e) ба даст оварда шудаанд, ҳисоб карда шуд. Расми 5f-h) MXenҳо. Ҷадвали S1-3 тафсилоти параметрҳои қулла ва химияи умумиро, ки дар натиҷаи мувофиқат ба даст омадаанд, нишон медиҳад. Қобили зикр аст, ки минтақаҳои Nb3d-и Nb2CTx SL ва Nb4C3Tx SL (Расми 5c, f) ба як ҷузъи Nb2O5 мувофиқат мекунанд. Дар ин ҷо, мо дар спектрҳо қуллаҳои марбут ба MXene-ро пайдо накардем, ки нишон медиҳад, ки ҳуҷайраҳои микроалгҳо танҳо шакли оксидии Nb-ро ҷаббида мегиранд. Илова бар ин, мо спектри C1s-ро бо ҷузъҳои C–C, CHx/C–O, C=O ва –COOH наздик кардем. Мо қуллаҳои CHx/C–O ва C=O-ро ба саҳми органикии ҳуҷайраҳои микроалгҳо мансуб кардем. Ин ҷузъҳои органикӣ мутаносибан 36% ва 41% қуллаҳои C1s-ро дар Nb2CTx SL ва Nb4C3TX SL ташкил медиҳанд. Сипас, мо спектрҳои O1s-и SL Nb2CTx ва SL Nb4C3TX-ро бо Nb2O5, ҷузъҳои органикии микроалгҳо (CHx/CO) ва оби рӯизаминии адсорбсияшуда мувофиқ кардем.
Ниҳоят, натиҷаҳои XPS шакли Nb-ро ба таври возеҳ нишон доданд, на танҳо мавҷудияти онро. Мувофиқи мавқеи сигнали 3d Nb ва натиҷаҳои деконволюсия, мо тасдиқ мекунем, ки Nb танҳо дар шакли оксидҳо ҷаббида мешавад ва на ионҳо ё худи MXene. Илова бар ин, натиҷаҳои XPS нишон доданд, ки ҳуҷайраҳои микроалгҳо дар муқоиса бо SL Nb4C3TX MXene қобилияти бештари ҷабби оксидҳои Nb-ро аз SL Nb2CTx доранд.
Гарчанде ки натиҷаҳои азхудкунии Nb-и мо таъсирбахшанд ва ба мо имкон медиҳанд, ки таназзули MXene-ро муайян кунем, ягон усуле барои пайгирии тағйироти морфологии марбут ба нанопардаҳои 2D мавҷуд нест. Аз ин рӯ, мо инчунин тасмим гирифтем, ки усули мувофиқеро таҳия кунем, ки метавонад мустақиман ба ҳама гуна тағйироте, ки дар нанопардаҳои Nb-MXene-и 2D ва ҳуҷайраҳои микроалгия рух медиҳанд, вокуниш нишон диҳад. Қайд кардан муҳим аст, ки мо фикр мекунем, ки агар намудҳои мутақобила ягон табдилёбӣ, таҷзия ё дефрагментацияро аз сар гузаронанд, ин бояд зуд ҳамчун тағирот дар параметрҳои шакл, ба монанди диаметри майдони даврии эквивалентӣ, мудавварӣ, паҳнои Ферет ё дарозии Ферет зоҳир шавад. Азбаски ин параметрҳо барои тавсифи зарраҳои дароз ё нанопардаҳои дученака мувофиқанд, пайгирии онҳо тавассути таҳлили шакли динамикии зарраҳо ба мо маълумоти арзишманд дар бораи табдилёбии морфологии нанопардаҳои SL Nb-MXene ҳангоми коҳиш медиҳад.
Натиҷаҳои бадастомада дар расми 6 нишон дода шудаанд. Барои муқоиса, мо инчунин фазаи аслии MAX ва ML-MXen-ҳоро санҷидем (нигаред ба расмҳои SI S18 ва S19). Таҳлили динамикии шакли зарраҳо нишон дод, ки ҳамаи параметрҳои шакли ду SL-и Nb-MXene пас аз таъсири мутақобила бо микроалгияҳо ба таври назаррас тағйир ёфтанд. Тавре ки бо параметри эквиваленти диаметри майдони даврашакл (расми 6a, b) нишон дода шудааст, шиддати пасти қуллаи фраксияи нанопардаҳои калон нишон медиҳад, ки онҳо майл ба таҷзия ба пораҳои хурдтар доранд. Дар расми 6c, d коҳиши қуллаҳоро нишон медиҳад, ки бо андозаи кундаланги пардаҳо (дарозшавии нанопардаҳо) алоқаманд аст, ки аз табдили нанопардаҳои 2D ба шакли бештар ба зарра монанд шаҳодат медиҳад. Расми 6e-h мутаносибан паҳно ва дарозии Feret-ро нишон медиҳад. Паҳно ва дарозии Feret параметрҳои мукаммал мебошанд ва аз ин рӯ, бояд якҷоя баррасӣ карда шаванд. Пас аз инкубатсияи нанопардаҳои 2D Nb-MXene дар ҳузури микроалгияҳо, қуллаҳои коррелятсияи Feret-и онҳо тағйир ёфтанд ва шиддати онҳо коҳиш ёфт. Бар асоси ин натиҷаҳо дар якҷоягӣ бо морфология, XRF ва XPS, мо ба хулосае омадем, ки тағйироти мушоҳидашуда бо оксидшавӣ сахт алоқаманданд, зеро MXen-ҳои оксидшуда чиндортар мешаванд ва ба пораҳо ва зарраҳои оксидии курашакл таҷзия мешаванд69,70.
Таҳлили табдилёбии MXen пас аз таъсири мутақобила бо микроалгияҳои сабз. Таҳлили шакли динамикии зарраҳо параметрҳоеро ба монанди (a, b) диаметри масоҳати даврии эквивалентӣ, (c, d) мудавварӣ, (e, f) паҳнои Ферет ва (g, h) дарозии Ферет ба назар мегирад. Барои ин, ду намунаи истинодии микроалгия якҷоя бо SL Nb2CTx ва SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx ва SL Nb4C3Tx MXenes, микроалгияҳои вайроншуда ва микроалгияҳои коркардшуда SL Nb2CTx ва SL Nb4C3Tx MXenes таҳлил карда шуданд. Тирҳои сурх гузаришҳои параметрҳои шакли нанопардаҳои дученакаеро, ки омӯхта шудаанд, нишон медиҳанд.
Азбаски таҳлили параметрҳои шакл хеле боэътимод аст, он инчунин метавонад тағйироти морфологиро дар ҳуҷайраҳои микроалгҳо ошкор кунад. Аз ин рӯ, мо диаметри эквиваленти майдони даврашакл, мудавварӣ ва паҳно/дарозии ҳуҷайраҳои микроалгҳои холис ва ҳуҷайраҳоро пас аз ҳамкорӣ бо нанопардаҳои 2D Nb таҳлил кардем. Дар расми 6a–h тағйирот дар параметрҳои шакли ҳуҷайраҳои алгҳо нишон дода шудааст, ки инро коҳиши шиддати қулла ва тағйири максимум ба сӯи арзишҳои баландтар нишон медиҳанд. Аз ҷумла, параметрҳои мудаввари ҳуҷайра коҳиши ҳуҷайраҳои дароз ва афзоиши ҳуҷайраҳои курашаклро нишон доданд (Расми 6a, b). Илова бар ин, паҳнои ҳуҷайраҳои Ферет пас аз ҳамкорӣ бо SL Nb2CTx MXene (Расми 6e) дар муқоиса бо SL Nb4C3TX MXene (Расми 6f) чанд микрометр афзоиш ёфт. Мо гумон мекунем, ки ин метавонад аз сабаби азхудкунии қавии оксидҳои Nb аз ҷониби микроалгҳо ҳангоми ҳамкорӣ бо Nb2CTx SR бошад. Пайвастани камтар сахти пардаҳои Nb ба сатҳи онҳо метавонад боиси афзоиши ҳуҷайра бо таъсири сояафкании ҳадди ақал гардад.
Мушоҳидаҳои мо дар бораи тағирёбии параметрҳои шакл ва андозаи микроалгҳо таҳқиқоти дигарро пурра мекунанд. Микроалгҳои сабз метавонанд морфологияи худро дар посух ба стресси муҳити зист тавассути тағир додани андоза, шакл ё мубодилаи моддаҳо тағйир диҳанд61. Масалан, тағир додани андозаи ҳуҷайраҳо ҷабби моддаҳои ғизоиро осон мекунад71. Ҳуҷайраҳои хурдтари алгҳо ҷабби камтари моддаҳои ғизоӣ ва суст шудани суръати афзоишро нишон медиҳанд. Баръакс, ҳуҷайраҳои калонтар майл доранд, ки моддаҳои ғизоии бештарро истеъмол кунанд, ки баъдан дар дохили ҳуҷайра ҷойгир мешаванд72,73. Мачадо ва Соарес муайян карданд, ки триклозани фунгисид метавонад андозаи ҳуҷайраҳоро зиёд кунад. Онҳо инчунин тағйироти амиқро дар шакли алгҳо муайян карданд74. Илова бар ин, Йин ва дигарон9 инчунин тағйироти морфологиро дар алгҳо пас аз дучор шудан бо нанокомпозитҳои камшудаи оксиди графен ошкор карданд. Аз ин рӯ, маълум аст, ки параметрҳои тағирёфтаи андоза/шакли микроалгҳо аз сабаби мавҷудияти MXene ба вуҷуд омадаанд. Азбаски ин тағирёбии андоза ва шакл нишондиҳандаи тағирёбии ҷабби маводи ғизоӣ аст, мо боварӣ дорем, ки таҳлили параметрҳои андоза ва шакл бо мурури замон метавонад ҷабби оксиди ниобийро аз ҷониби микроалгҳо дар ҳузури Nb-MXene нишон диҳад.
Ғайр аз ин, MXen-ҳо метавонанд дар ҳузури обсабзҳо оксид шаванд. Далай ва ҳамкоронаш75 мушоҳида карданд, ки морфологияи обсабзҳои сабз, ки ба нано-TiO2 ва Al2O376 дучор шудаанд, яксон набуд. Гарчанде ки мушоҳидаҳои мо ба таҳқиқоти ҳозира монанданд, он танҳо барои омӯзиши таъсири биоремедиатсия аз нигоҳи маҳсулоти таҷзияи MXen дар ҳузури нанопардаҳои 2D ва на нанопардаҳо муҳим аст. Азбаски MXen-ҳо метавонанд ба оксидҳои металлӣ таҷзия шаванд,31,32,77,78 мантиқӣ аст, ки фарз кунем, ки нанопардаҳои Nb-и мо низ метавонанд пас аз таъсири мутақобила бо ҳуҷайраҳои микроавтобусҳо оксидҳои Nb-ро ташкил диҳанд.
Барои шарҳ додани коҳиши нанопардаҳои 2D-Nb тавассути механизми таҷзия, ки ба раванди оксидшавӣ асос ёфтааст, мо таҳқиқотро бо истифода аз микроскопияи электронии интиқоли баландсифат (HRTEM) (Расми 7a,b) ва спектроскопияи фотоэлектронии рентгенӣ (XPS) (Расми 7) анҷом додем. 7c-i ва ҷадвалҳои S4-5). Ҳарду равиш барои омӯзиши оксидшавии маводҳои 2D мувофиқанд ва якдигарро пурра мекунанд. HRTEM қодир аст, ки таҷзияи сохторҳои қабатии дученака ва пайдоиши минбаъдаи нанозарраҳои оксиди металлро таҳлил кунад, дар ҳоле ки XPS ба пайвандҳои сатҳӣ ҳассос аст. Барои ин мақсад, мо нанопардаҳои 2D Nb-MXene-ро, ки аз дисперсияҳои ҳуҷайраҳои микроалгҳо истихроҷ шудаанд, яъне шакли онҳоро пас аз таъсири мутақобила бо ҳуҷайраҳои микроалгҳо озмоиш кардем (нигаред ба Расми 7).
Тасвирҳои HRTEM, ки морфологияи оксидшудаи (a) SL Nb2CTx ва (b) SL Nb4C3Tx MXen-ро нишон медиҳанд, натиҷаҳои таҳлили XPS (в) таркиби маҳсулоти оксидро пас аз барқарорсозӣ, (d–f) мувофиқати қуллаҳои ҷузъҳои спектрҳои XPS-и SL Nb2CTx ва (g–i) Nb4C3Tx SL-ро, ки бо микроалгияҳои сабз барқарор карда шудаанд, нишон медиҳанд.
Таҳқиқоти HRTEM оксидшавии ду намуди нанопардаҳои Nb-MXene-ро тасдиқ карданд. Гарчанде ки нанопардаҳо морфологияи дученакаи худро то андозае нигоҳ доштанд, оксидшавӣ боиси пайдоиши нанозарраҳои зиёде гардид, ки сатҳи нанопардаҳои MXene-ро пӯшонидаанд (нигаред ба расми 7a,b). Таҳлили XPS-и сигналҳои c Nb 3d ва O 1s нишон дод, ки дар ҳарду ҳолат оксидҳои Nb ташаккул ёфтаанд. Тавре ки дар расми 7c нишон дода шудааст, 2D MXene Nb2CTx ва Nb4C3TX сигналҳои Nb 3d доранд, ки мавҷудияти оксидҳои NbO ва Nb2O5-ро нишон медиҳанд, дар ҳоле ки сигналҳои O 1s шумораи пайвандҳои O-Nb-ро, ки бо функсионализатсияи сатҳи нанопардаҳои 2D алоқаманданд, нишон медиҳанд. Мо мушоҳида кардем, ки саҳми оксиди Nb дар муқоиса бо Nb-C ва Nb3+-O бартарӣ дорад.
Дар расми 7g-i спектрҳои XPS-и Nb 3d, C 1s ва O 1s SL Nb2CTx (нигаред ба расмҳои 7d-f) ва SL Nb4C3TX MXene, ки аз ҳуҷайраҳои микроалгҳо ҷудо карда шудаанд, нишон дода шудаанд. Тафсилоти параметрҳои қуллаи Nb-MXenes мутаносибан дар ҷадвалҳои S4-5 оварда шудаанд. Мо аввал таркиби Nb 3d-ро таҳлил кардем. Бар хилофи Nb, ки аз ҷониби ҳуҷайраҳои микроалгҳо ҷаббида шудааст, дар MXene, ки аз ҳуҷайраҳои микроалгҳо ҷудо карда шудааст, ба ғайр аз Nb2O5, ҷузъҳои дигар низ ёфт шуданд. Дар Nb2CTx SL, мо саҳми Nb3+-O-ро дар ҳаҷми 15% мушоҳида кардем, дар ҳоле ки боқимондаи спектри Nb 3d аз ҷониби Nb2O5 (85%) бартарӣ дошт. Илова бар ин, намунаи SL Nb4C3TX дорои ҷузъҳои Nb-C (9%) ва Nb2O5 (91%) мебошад. Дар ин ҷо Nb-C аз ду қабати атомии дарунии карбиди металлӣ дар Nb4C3Tx SR пайдо мешавад. Сипас, мо спектрҳои C 1s-ро ба чор ҷузъи гуногун харита мекунем, чунон ки мо дар намунаҳои дохилӣ кардем. Тавре ки интизор мерафт, спектри C 1s аз карбони графитӣ бартарӣ дорад ва баъд аз он саҳми зарраҳои органикӣ (CHx/CO ва C=O) аз ҳуҷайраҳои микроалгияҳо меояд. Илова бар ин, дар спектри O 1s, мо саҳми шаклҳои органикии ҳуҷайраҳои микроалгияҳо, оксиди ниобий ва оби адсорбсияшударо мушоҳида кардем.
Илова бар ин, мо таҳқиқ кардем, ки оё порашавии Nb-MXenes бо мавҷудияти намудҳои реактивии оксиген (ROS) дар муҳити ғизоӣ ва/ё ҳуҷайраҳои микроалгия алоқаманд аст. Барои ин мақсад, мо сатҳи оксигени синглетӣ (1O2)-ро дар муҳити парвариш ва глутатиони дохилиҳуҷайравӣ, тиоле, ки ҳамчун антиоксидант дар микроалгияҳо амал мекунад, арзёбӣ кардем. Натиҷаҳо дар SI нишон дода шудаанд (Расми S20 ва S21). Культураҳо бо SL Nb2CTx ва Nb4C3TX MXenes бо миқдори ками 1O2 тавсиф карда шуданд (нигаред ба расми S20). Дар мавриди SL Nb2CTx, MXene 1O2 то тақрибан 83% кам мешавад. Барои микроалгияҳое, ки SL-ро истифода мебаранд, Nb4C3TX 1O2 боз ҳам бештар, то 73% коҳиш ёфт. Ҷолиб он аст, ки тағйирот дар 1O2 ҳамон тамоюлро бо таъсири ингибиторӣ-ҳавасмандкунандаи қаблан мушоҳидашуда нишон доданд (нигаред ба расми 3). Метавон гуфт, ки инкубатсия дар нури дурахшон метавонад фотооксидшавиро тағйир диҳад. Аммо, натиҷаҳои таҳлили назоратӣ сатҳи қариб доимии 1O2-ро дар давоми таҷриба нишон доданд (Расми S22). Дар мавриди сатҳи ROS-и дохилиҳуҷайравӣ, мо низ ҳамон тамоюли пастравиро мушоҳида кардем (нигаред ба Расми S21). Дар аввал, сатҳи ROS дар ҳуҷайраҳои микроалгҳо, ки дар ҳузури Nb2CTx ва Nb4C3Tx SLs парвариш карда шудаанд, аз сатҳҳое, ки дар фарҳангҳои холиси микроалгҳо мавҷуданд, зиёдтар буд. Аммо, дар ниҳоят, маълум шуд, ки микроалгҳо ба ҳузури ҳарду Nb-MXen мутобиқ шудаанд, зеро сатҳи ROS мутаносибан то 85% ва 91% сатҳҳое, ки дар фарҳангҳои холиси микроалгҳо, ки бо SL Nb2CTx ва Nb4C3TX шинонида шудаанд, чен карда шудаанд, коҳиш ёфт. Ин метавонад нишон диҳад, ки микроалгҳо бо мурури замон дар ҳузури Nb-MXene нисбат ба танҳо дар муҳити ғизоӣ худро бароҳаттар ҳис мекунанд.
Микроалгҳо як гурӯҳи гуногуни организмҳои фотосинтезӣ мебошанд. Ҳангоми фотосинтез, онҳо гази карбони атмосфера (CO2)-ро ба карбони органикӣ табдил медиҳанд. Маҳсулоти фотосинтез глюкоза ва оксиген мебошанд79. Мо гумон мекунем, ки оксигени бо ин роҳ ҳосилшуда дар оксидшавии Nb-MXenҳо нақши муҳим дорад. Як тавзеҳи имконпазири ин дар он аст, ки параметри аэратсияи дифференсиалӣ дар фишори паст ва баланди қисман оксиген дар берун ва даруни нанопардаҳои Nb-MXen ташаккул меёбад. Ин маънои онро дорад, ки дар ҳар ҷое, ки минтақаҳои фишори қисман оксиген гуногунанд, минтақае, ки сатҳи пасттарин дорад, анод 80, 81, 82-ро ташкил медиҳад. Дар ин ҷо, микроалгҳо ба эҷоди ҳуҷайраҳои гуногуни аэратсияшуда дар сатҳи пардаҳои MXen мусоидат мекунанд, ки аз сабаби хосиятҳои фотосинтезии худ оксиген истеҳсол мекунанд. Дар натиҷа, маҳсулоти биокоррозия (дар ин ҳолат, оксидҳои ниобий) ба вуҷуд меоянд. Ҷанбаи дигар ин аст, ки микроалгҳо метавонанд кислотаҳои органикиро истеҳсол кунанд, ки ба об партофта мешаванд83,84. Аз ин рӯ, муҳити хашмгин ба вуҷуд меояд ва бо ин васила Nb-MXenҳоро тағйир медиҳад. Илова бар ин, микроалгҳо метавонанд рН-и муҳити зистро аз сабаби азхудкунии гази карбон ба ишқорӣ табдил диҳанд, ки ин низ метавонад боиси зангзанӣ гардад79.
Муҳимтар аз ҳама, фотопериоди торик/рӯшан, ки дар таҳқиқоти мо истифода шудааст, барои фаҳмидани натиҷаҳои бадастомада муҳим аст. Ин ҷанба дар Djemai-Zoghlache et al. 85 муфассал тавсиф шудааст. Онҳо қасдан фотопериоди 12/12-соатаро барои нишон додани биокоррозия, ки бо биологӣ ифлосшавӣ аз ҷониби микроалгияи сурхи Porphyridium purpureum алоқаманд аст, истифода бурданд. Онҳо нишон медиҳанд, ки фотопериод бо эволютсияи потенсиал бидуни биокоррозия алоқаманд аст ва худро ҳамчун лаппишҳои псевдопериодӣ тақрибан соати 24:00 нишон медиҳад. Ин мушоҳидаҳо аз ҷониби Dowling et al. 86 тасдиқ карда шуданд. Онҳо биофилмҳои фотосинтетикии сианобактерияҳои Anabaena-ро нишон доданд. Оксигени ҳалшуда таҳти таъсири рӯшноӣ ба вуҷуд меояд, ки бо тағир ё ноустувории потенсиали биокоррозияи озод алоқаманд аст. Аҳамияти фотопериод бо он далел таъкид мешавад, ки потенсиали озоди биокоррозия дар марҳилаи рӯшноӣ меафзояд ва дар марҳилаи торик коҳиш меёбад. Ин аз сабаби оксигени аз ҷониби микроалгҳои фотосинтетикӣ истеҳсолшуда ба амал меояд, ки тавассути фишори қисман дар наздикии электродҳо ба вуҷуд омада ба реаксияи катодӣ таъсир мерасонад87.
Илова бар ин, спектроскопияи инфрасурхи табдили Фурйе (FTIR) барои муайян кардани он, ки оё пас аз таъсири мутақобила бо Nb-MXenҳо дар таркиби кимиёвии ҳуҷайраҳои микроалгҳо ягон тағйирот ба амал омадааст ё не, анҷом дода шуд. Ин натиҷаҳои бадастомада мураккабанд ва мо онҳоро дар SI пешниҳод мекунем (Расмҳои S23-S25, аз ҷумла натиҷаҳои марҳилаи MAX ва ML MXenҳо). Хулоса, спектрҳои истинодии бадастомадашудаи микроалгҳо ба мо маълумоти муҳимро дар бораи хусусиятҳои кимиёвии ин организмҳо медиҳанд. Ин ларзишҳои эҳтимолӣ дар басомадҳои 1060 см-1 (CO), 1540 см-1, 1640 см-1 (C=C), 1730 см-1 (C=O), 2850 см-1, 2920 см-1 ҷойгиранд. 1.1 1 (C–H) ва 3280 см-1 (O–H). Барои SL Nb-MXenҳо, мо имзои кашиши пайванди CH-ро пайдо кардем, ки бо таҳқиқоти қаблии мо мувофиқ аст38. Аммо, мо мушоҳида кардем, ки баъзе қуллаҳои иловагии марбут ба пайвандҳои C=C ва CH нопадид шуданд. Ин нишон медиҳад, ки таркиби кимиёвии микроалгҳо метавонад аз сабаби таъсири мутақобила бо SL Nb-MXenҳо тағйироти ночизро аз сар гузаронад.
Ҳангоми баррасии тағйироти эҳтимолӣ дар биохимияи микроалгҳо, ҷамъшавии оксидҳои ғайриорганикӣ, ба монанди оксиди ниобий, бояд аз нав дида баромада шавад59. Он дар ҷабби металлҳо аз ҷониби сатҳи ҳуҷайра, интиқоли онҳо ба ситоплазма, пайвастагии онҳо бо гурӯҳҳои карбоксилии дохилиҳуҷайравӣ ва ҷамъшавии онҳо дар полифосфосомаҳои микроалгҳо иштирок мекунад20,88,89,90. Илова бар ин, робитаи байни микроалгҳо ва металлҳо аз ҷониби гурӯҳҳои функсионалии ҳуҷайраҳо нигоҳ дошта мешавад. Аз ин сабаб, ҷаббида инчунин аз химияи сатҳи микроалгҳо вобаста аст, ки хеле мураккаб аст9,91. Умуман, тавре ки интизор мерафт, таркиби химиявии микроалгҳои сабз аз сабаби ҷаббидашавии оксиди Nb каме тағйир ёфт.
Ҷолиб он аст, ки боздории ибтидоии мушоҳидашудаи микроалгҳо бо мурури замон баръакс буд. Тавре ки мо мушоҳида кардем, микроалгҳо тағйироти ибтидоии муҳити зистро паси сар карда, дар ниҳоят ба суръати муқаррарии афзоиш баргаштанд ва ҳатто афзоиш ёфтанд. Таҳқиқоти потенсиали зета ҳангоми ворид шудан ба муҳити ғизоӣ устувории баландро нишон медиҳанд. Ҳамин тариқ, таъсири мутақобилаи сатҳӣ байни ҳуҷайраҳои микроалгҳо ва нанопардаҳои Nb-MXene дар тӯли таҷрибаҳои коҳиш нигоҳ дошта шуд. Дар таҳлили минбаъдаи худ, мо механизмҳои асосии амалеро, ки асоси ин рафтори аҷиби микроалгҳоро ташкил медиҳанд, ҷамъбаст мекунем.
Мушоҳидаҳои SEM нишон доданд, ки микроалгҳо майл ба пайвастшавӣ ба Nb-MXen доранд. Бо истифода аз таҳлили тасвирҳои динамикӣ, мо тасдиқ мекунем, ки ин таъсир ба табдили нанопардаҳои дученакаи Nb-MXene ба зарраҳои курашаклтар оварда мерасонад ва бо ин нишон медиҳад, ки таҷзияи нанопардаҳо бо оксидшавии онҳо алоқаманд аст. Барои санҷидани фарзияи худ, мо як қатор таҳқиқоти моддӣ ва биохимиявӣ гузаронидем. Пас аз санҷиш, нанопардаҳо тадриҷан оксид шуда, ба маҳсулоти NbO ва Nb2O5 таҷзия шуданд, ки барои микроалгҳои сабз таҳдиде эҷод накарданд. Бо истифода аз мушоҳидаи FTIR, мо дар таркиби кимиёвии микроалгҳое, ки дар ҳузури нанопардаҳои 2D Nb-MXene инкубатсия шудаанд, ягон тағйироти назаррасро мушоҳида накардем. Бо назардошти имконияти ҷабби оксиди ниобий аз ҷониби микроалгҳо, мо таҳлили флуоресценсияи рентгенӣ анҷом додем. Ин натиҷаҳо ба таври возеҳ нишон медиҳанд, ки микроалгҳои омӯхташуда аз оксидҳои ниобий (NbO ва Nb2O5) ғизо мегиранд, ки барои микроалгҳои омӯхташуда заҳролуд нестанд.