Nature.com сайтына кергәнегез өчен рәхмәт. Сез CSS ярдәме чикләнгән браузер версиясен кулланасыз. Иң яхшы тәҗрибә өчен, без сезгә яңартылган браузер кулланырга киңәш итәбез (яки Internet Explorer'да туры килүчәнлек режимын сүндерегез). Шуңа кадәр, ярдәмне дәвам итү өчен, без сайтны стильләрсез һәм JavaScriptсыз күрсәтәчәкбез.
Берьюлы өч слайдтан торган карусель күрсәтә. Берьюлы өч слайд аша күчү өчен "Алдагы" һәм "Киләсе" төймәләрен кулланыгыз, яисә берьюлы өч слайд аша күчү өчен ахырдагы слайдер төймәләрен кулланыгыз.
Нанотехнологияләрнең тиз үсеше һәм көндәлек кулланылышка интеграциясе әйләнә-тирә мохиткә куркыныч тудырырга мөмкин. Органик пычраткычларны таркатуның "яшел" ысуллары яхшы билгеле булса да, органик булмаган кристалл пычраткычларны торгызу, аларның биотрансформациягә түбән сизгерлеге һәм материал өслегенең биологик пычраткычлар белән үзара бәйләнешен аңламау сәбәпле, зур борчылу тудыра. Монда без яшел микросуүсемнәр Raphidocelis subcapitata ярдәмендә 2D керамик наноматериалларның биоремедиация механизмын күзәтү өчен гади форма параметрларын анализлау ысулы белән берләштерелгән Nb нигезендәге органик булмаган 2D MXen моделен кулланабыз. Без микросуүсемнәрнең өслеккә бәйле физик-химик үзара бәйләнешләр аркасында Nb нигезендәге MXenнарны таркатуын ачыкладык. Башта бер катламлы һәм күп катламлы MXen нанокапсулалары микросуүсемнәр өслегенә беркетелгән, бу суүсемнәрнең үсешен бераз киметкән. Ләкин, өслек белән озак вакыт үзара бәйләнештә булганда, микросуүсемнәр MXen нанокапсулаларын оксидлаштырган һәм аларны NbO һәм Nb2O5 га таркаткан. Бу оксидлар микросуүсемнәр күзәнәкләре өчен токсик булмаганлыктан, алар 72 сәгать су белән эшкәртелгәннән соң микросуүсемнәрне торгыза торган абсорбция механизмы ярдәмендә азот оксиды нанокисәкчәләрен кулланалар. Абсорбция белән бәйле туклыклы матдәләрнең йогынтысы күзәнәк күләменең артуында, аларның тигез формасы һәм үсеш тизлегенең үзгәрүендә дә чагыла. Бу ачышларга нигезләнеп, без төче су экосистемаларында азот нигезендәге MXenнарның кыска һәм озак вакытлы булуы әйләнә-тирә мохиткә аз гына йогынты ясарга мөмкин дигән нәтиҗәгә киләбез. Ике үлчәмле наноматериалларны модель системалары буларак кулланып, без хәтта вак бөртекле материалларда да форма трансформациясен күзәтү мөмкинлеген күрсәтәбез. Гомумән алганда, бу тикшеренү 2D наноматериалларның биоремедиация механизмын хәрәкәткә китерүче өслек үзара бәйләнеше белән бәйле процесслар турындагы мөһим фундаменталь сорауга җавап бирә һәм органик булмаган кристалл наноматериалларның әйләнә-тирә мохиткә йогынтысын кыска һәм озак вакытлы өйрәнү өчен нигез бирә.
Наноматериаллар ачылганнан бирле зур кызыксыну уятты, һәм төрле нанотехнологияләр күптән түгел модернизация фазасына керде1. Кызганычка каршы, наноматериалларны көндәлек куллануга интеграцияләү дөрес булмаган юк итү, саксыз куллану яки куркынычсызлык инфраструктурасы җитмәү аркасында очраклы рәвештә чыгарылуга китерергә мөмкин. Шуңа күрә, ике үлчәмле (2D) наноматериалларны да кертеп, наноматериаллар табигый мохиткә чыгарылырга мөмкин дип фаразлау урынлы, аларның үз-үзен тотышы һәм биологик активлыгы әлегә тулысынча аңлашылмаган. Шуңа күрә, экотоксиклык мәсьәләләре 2D наноматериалларның су системаларына үтеп керү сәләтенә юнәлтелүе гаҗәп түгел2,3,4,5,6. Бу экосистемаларда кайбер 2D наноматериаллар төрле трофик дәрәҗәләрдә, шул исәптән микросуүсемнәр белән үзара бәйләнештә була ала.
Микросуүсемнәр - фотосинтез аша төрле химик продуктлар җитештерә торган төче су һәм диңгез экосистемаларында табигый рәвештә очрый торган башлангыч организмнар7. Шуңа күрә алар су экосистемалары өчен бик мөһим8,9,10,11,12, ләкин алар шулай ук ​​сизгер, арзан һәм экотоксиклыкның киң кулланыла торган күрсәткечләре13,14. Микросуүсемнәр күзәнәкләре тиз үрчи һәм төрле кушылмалар булуга тиз җавап бирә, шуңа күрә алар органик матдәләр белән пычранган суны эшкәртү өчен экологик яктан чиста ысуллар эшләү өчен өметле15,16.
Суүсемнәр күзәнәкләре биосорбция һәм туплану аша судан органик булмаган ионнарны чыгара ала17,18. Кайбер суүсем төрләре, мәсәлән, Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolica, Stigeoclonium tenue һәм Synechococcus sp. Аның Fe2+, Cu2+, Zn2+ һәм Mn2+19 кебек агулы металл ионнарын йөртүе һәм хәтта тукландыруы ачыкланган. Башка тикшеренүләр күрсәткәнчә, Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ яки Pb2+ ионнары Scenedesmus үсешен чикли, күзәнәк морфологиясен үзгәртә һәм аларның хлоропластларын юк итә20,21.
Органик пычраткыч матдәләрнең таркалуы һәм авыр металл ионнарын чыгаруның яшел ысуллары бөтен дөнья галимнәре һәм инженерларының игътибарын җәлеп итте. Бу, нигездә, бу пычраткыч матдәләрнең сыек фазада җиңел эшкәртелүе белән бәйле. Ләкин органик булмаган кристалл пычраткычлар суда түбән эрүчәнлек һәм төрле биотрансформацияләргә түбән бирешүчәнлек белән характерлана, бу исә аларны чистартуда зур кыенлыклар тудыра, һәм бу өлкәдә аз гына алга китеш бар22,23,24,25,26. Шулай итеп, наноматериалларны ремонтлау өчен экологик яктан чиста чишелешләр эзләү катлаулы һәм өйрәнелмәгән өлкә булып кала. 2D наноматериалларның биотрансформация йогынтысына карата югары дәрәҗәдәге билгесезлек аркасында, аларның таркалуы вакытында мөмкин булган юлларын ачыклауның җиңел ысулы юк.
Бу тикшеренүдә без органик булмаган керамик материаллар өчен актив сулы биоремедиация агенты буларак яшел микросуүсемнәрне кулландык, шулай ук ​​органик булмаган керамик материаллар вәкиле буларак MXene деградация процессын in situ мониторинглау белән берлектә. "MXene" термины Mn+1XnTx материалының стехиометриясен чагылдыра, монда M - иртә күчеш металлы, X - углерод һәм/яки азот, Tx - өслек терминаторы (мәсәлән, -OH, -F, -Cl), һәм n = 1, 2, 3 яки 427.28. Нагиб һ.б. тарафыннан MXenes ачылганнан бирле. Сенсорика, яман шеш терапиясе һәм мембрана фильтрациясе 27,29,30. Моннан тыш, MXenes, аларның коллоид тотрыклылыгы һәм мөмкин булган биологик үзара бәйләнешләре аркасында, модель 2D системалар дип саналырга мөмкин31,32,33,34,35,36.
Шуңа күрә, бу мәкаләдә эшләнгән методология һәм безнең тикшеренү гипотезалары 1 нче рәсемдә күрсәтелгән. Бу гипотеза буенча, микросуүсемнәр өслек белән бәйле физик-химик үзара бәйләнешләр аркасында Nb нигезендәге MXenнарны токсик булмаган кушылмаларга таркаталар, бу исә суүсемнәрне алга таба торгызуга мөмкинлек бирә. Бу гипотезаны тикшерү өчен, ниобий нигезендәге башлангыч күчеш металлы карбидлары һәм/яки нитридлары (MXenes) гаиләсенең ике әгъзасы, атап әйткәндә, Nb2CTx һәм Nb4C3TX сайланды.
Яшел микросуүсемнәр Raphidocelis subcapitata тарафыннан MXene алу өчен тикшеренү методологиясе һәм дәлилләргә нигезләнгән гипотезалар. Зинһар, игътибар итегез, бу дәлилләргә нигезләнгән фаразларның схематик чагылышы гына. Күл мохите кулланылган туклыклы мохит һәм шартлар буенча аерылып тора (мәсәлән, тәүлек циклы һәм кулланылыштагы мөһим туклыклы матдәләрнең чикләүләре). BioRender.com белән төзелгән.
Шуңа күрә, MXene-ны модель системасы буларак кулланып, без башка гадәти наноматериаллар белән күзәтеп булмый торган төрле биологик эффектларны өйрәнүгә юл ачтык. Аерым алганда, без ике үлчәмле наноматериалларның, мәсәлән, ниобий нигезендәге MXen-нарның, Raphidocelis subcapitata микросуүсемнәре ярдәмендә биоремедиация мөмкинлеген күрсәтәбез. Микросуүсемнәр Nb-MXen-нарны токсик булмаган NbO һәм Nb2O5 оксидларына таркатырга сәләтле, алар шулай ук ​​ниобийны үзләштерү механизмы аша туклыклы матдәләр белән тәэмин итәләр. Гомумән алганда, бу тикшеренү ике үлчәмле наноматериалларның биоремедиация механизмнарын көйләүче өслек физик-химик үзара бәйләнешләр белән бәйле процесслар турындагы мөһим фундаменталь сорауга җавап бирә. Моннан тыш, без 2D наноматериаллар формасындагы нечкә үзгәрешләрне күзәтү өчен гади форма-параметрларга нигезләнгән ысул эшлибез. Бу органик булмаган кристалл наноматериалларның төрле әйләнә-тирә мохиткә йогынтысын өйрәнү буенча кыска һәм озак вакытлы тикшеренүләргә илһамландыра. Шулай итеп, безнең тикшеренү материал өслеге һәм биологик материал арасындагы үзара бәйләнешне аңлауны арттыра. Шулай ук, без аларның төче су экосистемаларына мөмкин булган йогынтысын киңәйтелгән кыска һәм озак вакытлы тикшеренүләр өчен нигез бирәбез, хәзер аларны җиңел тикшереп була.
MXenнар уникаль һәм җәлеп итүчән физик һәм химик үзлекләргә ия булган кызыклы материаллар классын тәкъдим итә, шуңа күрә аларның күп төрле кулланылышлары бар. Бу үзлекләр күбесенчә аларның стехиометриясенә һәм өслек химиясенә бәйле. Шуңа күрә, безнең тикшеренүдә без ике төр Nb нигезендәге иерархик бер катламлы (SL) MXenнарны тикшердек, Nb2CTx һәм Nb4C3TX, чөнки бу наноматериалларның төрле биологик йогынтысын күзәтергә мөмкин. MXenнар башлангыч материалларыннан атом ягыннан нечкә MAX-фазалы A-катламнарын өстән аска сайлап эшкәртү юлы белән җитештерелә. MAX фазасы - күчеш металл карбидларының "бәйләнгән" блокларыннан һәм MnAXn-1 стехиометриясе белән Al, Si һәм Sn кебек "А" элементларының нечкә катламнарыннан торган өч катламлы керамика. Башлангыч MAX фазасының морфологиясе сканерлаучы электрон микроскопиясе (SEM) ярдәмендә күзәтелде һәм алдагы тикшеренүләр белән туры килде (Өстәмә мәгълүматны карагыз, SI, S1 рәсем). Күп катламлы (ML) Nb-MXen Al катламын 48% HF (фторлы водород кислотасы) белән алганнан соң алынды. ML-Nb2CTx һәм ML-Nb4C3TX морфологиясе сканерлаучы электрон микроскопиясе (SEM) ярдәмендә тикшерелде (S1c һәм S1d рәсемнәре) һәм озынча тишекләр сыман ярыклар аша үтүче ике үлчәмле нанокапсулаларга охшаган типик катламлы MXene морфологиясе күзәтелде. Ике Nb-MXene да элек кислота белән эшкәртү юлы белән синтезланган MXene фазалары белән күп уртак якларга ия27,38. MXene структурасын раслаганнан соң, без аны тетрабутиламмоний гидроксидын (TBAOH) интеркаляцияләү, аннары юу һәм ультратавыш белән эшкәртү юлы белән катламлаштырдык, аннан соң без бер катламлы яки түбән катламлы (SL) 2D Nb-MXene нанокапсулаларын алдык.
Без югары ачыклыклы трансмиссия электрон микроскопиясен (HRTEM) һәм рентген дифракциясен (XRD) кулланып, гравюралау һәм алга таба кабыклау нәтиҗәлелеген тикшердек. Кире тиз Фурье трансформациясе (IFFT) һәм тиз Фурье трансформациясе (FFT) ярдәмендә эшкәртелгән HRTEM нәтиҗәләре 2 нче рәсемдә күрсәтелгән. Атом катламының структурасын тикшерү һәм яссылыклар арасындагы ераклыкны үлчәү өчен Nb-MXene нанокапсулалары кырыйлары өскә юнәлтелгән. MXene Nb2CTx һәм Nb4C3TX нанокапсулаларының HRTEM рәсемнәре аларның атом ягыннан нечкә катламлы булуын күрсәтте (2a1, a2 рәсемнәрен карагыз), бу хакта Нагиб һ.б.27 һәм Ястржебска һ.б.38 хәбәр иттеләр. Ике күрше Nb2CTx һәм Nb4C3Tx монокатламнары өчен без катламнар арасындагы ераклыкны 0,74 һәм 1,54 нм дип билгеләдек (2b1, b2 рәсемнәре), бу безнең алдагы нәтиҗәләр белән дә туры килә38. Моны кире тиз Фурье үзгәртүе (2c1, c2 рәсем) һәм Nb2CTx һәм Nb4C3Tx монокатламнары арасындагы араны күрсәтүче тиз Фурье үзгәртүе (2d1, d2 рәсем) тагын да раслады. Рәсемдә ниобий һәм углерод атомнарына туры килә торган яктылык һәм караңгы полосаларның чиратлашуы күрсәтелгән, бу өйрәнелгән MXenнарның катламлы табигатен раслый. Nb2CTx һәм Nb4C3Tx өчен алынган энергия таратучы рентген спектроскопиясе (EDX) спектрларында (S2a һәм S2b рәсемнәре) башлангыч MAX фазасының калдыгы күрсәтелмәгән, чөнки Al пигы ачыкланмаган.
SL Nb2CTx һәм Nb4C3Tx MXene нанобөлшекләренең характеристикасы, шул исәптән (а) югары ачыклыклы электрон микроскопиясе (HRTEM) яннан күренешле 2D нанобөлшек сурәтләү һәм аңа туры килә торган, (б) интенсивлык режимы, (в) кире тиз Фурье үзгәртүе (IFFT), (г) тиз Фурье үзгәртүе (FFT), (д) ​​Nb-MXenes рентген үрнәкләре. SL 2D Nb2CTx өчен саннар (a1, b1, c1, d1, e1) рәвешендә күрсәтелә. SL 2D Nb4C3Tx өчен саннар (a2, b2, c2, d2, e1) рәвешендә күрсәтелә.
SL Nb2CTx һәм Nb4C3Tx MXen-нарының рентген дифракция үлчәүләре 2e1 һәм e2 рәсемнәрендә күрсәтелгән. 4.31 һәм 4.32 пиклары (002) алдан тасвирланган катламлы MXen-нары Nb2CTx һәм Nb4C3TX38,39,40,41-гә туры килә. Рентген нурланышы нәтиҗәләре шулай ук ​​кайбер калдык ML структуралары һәм MAX фазалары булуын күрсәтә, ләкин күбесенчә SL Nb4C3Tx белән бәйле XRD үрнәкләре (2e2 рәсем). MAX фазасының кечерәк кисәкчәләренең булуы очраклы рәвештә өелгән Nb4C3Tx катламнары белән чагыштырганда көчлерәк MAX пигын аңлатырга мөмкин.
Алга таба тикшеренүләр R. subcapitata төренә караган яшел микросуүсемнәргә юнәлтелгән. Без микросуүсемнәргә сайладык, чөнки алар төп азык челтәрләрендә катнашучы мөһим җитештерүчеләр42. Алар шулай ук ​​азык чылбырының югарырак дәрәҗәләренә күтәрелгән агулы матдәләрне бетерү сәләте аркасында токсиклыкның иң яхшы күрсәткечләренең берсе43. Моннан тыш, R. subcapitata буенча тикшеренүләр SL Nb-MXenes-ның гадәти төче су микроорганизмнарына очраклы токсиклыгын ачыкларга мөмкин. Моны күрсәтү өчен, тикшеренүчеләр һәр микробның әйләнә-тирә мохиттә булган агулы кушылмаларга төрле сизгерлеге бар дип фаразладылар. Күпчелек организмнар өчен матдәләрнең түбән концентрациясе аларның үсешенә тәэсир итми, ә билгеле бер чиктән югары концентрация аларны тоткарларга яки хәтта үлемгә китерергә мөмкин. Шуңа күрә, микросуүсемнәр һәм MXenes арасындагы өслек үзара бәйләнешен һәм алар белән бәйле торгызуны өйрәнү өчен без Nb-MXenes-ның зарарсыз һәм агулы концентрацияләрен сынап карарга булдык. Моның өчен без 0 (эталон буларак), 0,01, 0,1 һәм 10 мг л-1 MXene концентрацияләрен һәм өстәмә рәвештә зарарланган микросуүсемнәрне бик югары концентрацияле MXene (100 мг л-1 MXene) белән тикшердек, бу теләсә нинди биологик мохит өчен экстремаль һәм үлемгә китерергә мөмкин.
SL Nb-MXenes микросуүсемнәргә йогынтысы 3 нче рәсемдә күрсәтелгән, ул 0 мг л-1 үрнәкләр өчен үлчәнгән үсешне стимуллаштыру (+) яки ингибирлау (-) проценты буларак күрсәтелә. Чагыштыру өчен, Nb-MAX фазасы һәм ML Nb-MXenes та тикшерелде, һәм нәтиҗәләр SIда күрсәтелгән (S3 нче рәсемне карагыз). Алынган нәтиҗәләр SL Nb-MXenesның 0,01 дән 10 мг/л га кадәр түбән концентрацияләр диапазонында, 3a,b рәсемнәрендә күрсәтелгәнчә, тулысынча диярлек токсик булмаганлыгын раслады. Nb2CTx очрагында без билгеләнгән диапазонда 5% тан артык экотоксиклык күзәтмәдек.
SL (а) Nb2CTx һәм (б) Nb4C3TX MXene катнашында микросуүсемнәр үсешен стимуллаштыру (+) яки тоткарлау (-). MXene-микросуүсемнәрнең 24, 48 һәм 72 сәгатьлек үзара тәэсире анализланды. Мөһим мәгълүматлар (t-тест, p < 0,05) йолдызча (*) белән билгеләнгән. Мөһим мәгълүматлар (t-тест, p < 0,05) йолдызча (*) белән билгеләнгән. Значимые заныйе (т-критерий, б <0,05) отмечены звезооой (*). Мөһим мәгълүматлар (t-тест, p < 0,05) йолдызча (*) белән билгеләнгән.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 чәннее (т-тест, б <0,05) отмечены звезочойой (*). Мөһим мәгълүматлар (t-тест, p < 0,05) йолдызча (*) белән билгеләнгән.Кызыл уклар ингибитор стимуляциясенең юкка чыгуын күрсәтә.
Икенче яктан, Nb4C3TX түбән концентрацияләре бераз агулырак булып чыкты, ләкин 7% тан югары түгел. Көтелгәнчә, без MXenes-ның 100 мг L-1 дозасында югарырак токсиклыгы һәм микросуүсемнәрнең үсешен тоткарлавы күзәттек. Кызыклысы шунда ки, бер генә материал да MAX яки ML үрнәкләре белән чагыштырганда атоксик/токсик йогынтының шул ук тенденциясен һәм вакытка бәйлелеген күрсәтмәде (тулырак мәгълүмат өчен SI карагыз). MAX фазасы өчен (S3 рәсемен карагыз) токсиклык якынча 15–25% ка җитте һәм вакыт белән артты, ә SL Nb2CTx һәм Nb4C3TX MXene өчен кире тенденция күзәтелде. Микросуүсемнәрнең үсешен тоткарлау вакыт узу белән кимеде. Ул 24 сәгатьтән соң якынча 17% ка җитте һәм 72 сәгатьтән соң 5% тан кимрәккә төште (3a, b рәсемнәр, тиешенчә).
Иң мөһиме, SL Nb4C3TX өчен микросуүсемнәр үсешен тоткарлау 24 сәгатьтән соң якынча 27% ка җитте, ләкин 72 сәгатьтән соң ул якынча 1% ка кадәр кимеде. Шуңа күрә без күзәтелгән эффектны стимуляциянең кире тоткарлануы дип атадык, һәм SL Nb4C3TX MXene өчен эффект көчлерәк булды. Микросуүсемнәр үсешен стимуляцияләү SL Nb2CTx MXene белән чагыштырганда Nb4C3TX белән алданрак күзәтелде (24 сәгать дәвамында 10 мг L-1 белән үзара бәйләнеш). Тикшерү-стимуляцияләүнең кире йогынтысы биомассаның икеләтә арту тизлеге кәкресендә дә яхшы күрсәтелде (тулырак мәгълүмат өчен S4 рәсемен карагыз). Әлегә кадәр Ti3C2TX MXeneның экотоксиклыгы гына төрле ысуллар белән өйрәнелде. Ул зебра балыгы эмбрионнары өчен токсик түгел44, ләкин Desmodesmus quadricauda һәм Sorghum saccharatum микросуүсемнәре үсемлекләре өчен уртача экотоксик45. Башка конкрет эффектларга мисаллар арасында гадәти күзәнәк линияләренә караганда яман шеш күзәнәк линияләренә югарырак токсиклык бар46,47. Сынау шартлары Nb-MXenнар булганда күзәтелгән микросуүсемнәр үсешендәге үзгәрешләргә тәэсир итәр дип фаразларга мөмкин. Мәсәлән, хлоропласт стромасында якынча 8 pH RuBisCO ферментының нәтиҗәле эшләве өчен оптималь. Шуңа күрә pH үзгәрешләре фотосинтез тизлегенә тискәре йогынты ясый48,49. Ләкин без эксперимент вакытында pH-та сизелерлек үзгәрешләр күзәтмәдек (тулырак мәгълүмат өчен SI, S5 рәсемен карагыз). Гомумән алганда, Nb-MXenнар белән микросуүсемнәр культуралары вакыт узу белән эремәнең pH-ын бераз киметте. Ләкин бу кимү чиста мохитнең pH үзгәрүенә охшаш иде. Моннан тыш, табылган вариацияләр диапазоны чиста микросуүсемнәр культурасы өчен үлчәнгән вариацияләргә охшаш иде (контроль үрнәге). Шулай итеп, без фотосинтезга вакыт узу белән pH үзгәрешләре тәэсир итми дигән нәтиҗәгә киләбез.
Моннан тыш, синтезланган MXenнарның өслек очлары бар (Tx дип билгеләнә). Алар, нигездә, -O, -F һәм -OH функциональ төркемнәре. Ләкин, өслек химиясе синтез ысулы белән турыдан-туры бәйле. Бу төркемнәрнең өслек буенча очраклы рәвештә таралганлыгы билгеле, шуңа күрә аларның MXene50 үзлекләренә йогынтысын фаразлау кыен. Tx яктылык белән ниобийның оксидлашуының каталитик көче булырга мөмкин дип әйтергә мөмкин. Өслек функциональ төркемнәре, чыннан да, үзләренең астындагы фотокатализаторлар өчен гетероузышлар барлыкка китерү өчен күп санлы якорь урыннары бирә51. Ләкин, үсеш мохите составы нәтиҗәле фотокатализатор бирмәде (тирәлек составының җентекле мәгълүматларын SI S6 таблицасында табарга мөмкин). Моннан тыш, теләсә нинди өслек модификациясе дә бик мөһим, чөнки MXenнарның биологик активлыгы катлам эшкәртү, оксидлашу, органик һәм органик булмаган кушылмаларның химик өслек модификациясе52,53,54,55,56 яки өслек заряды инженериясе38 аркасында үзгәрергә мөмкин. Шуңа күрә, ниобий оксидының мохиттәге материал тотрыксызлыгы белән бәйләнеше бармы-юкмы икәнен тикшерү өчен, без микросуүсемнәр үстерү мохитендә һәм деионизацияләнгән суда дзета (ζ) потенциалын тикшеренүләр үткәрдек (чагыштыру өчен). Нәтиҗәләребез SL Nb-MXenларның шактый тотрыклы булуын күрсәтә (MAX һәм ML нәтиҗәләре өчен SI S6 рәсемен карагыз). SL MXenларның дзета потенциалы якынча -10 мВ тәшкил итә. SR Nb2CTx очрагында, ζ кыйммәте Nb4C3Tx кыйммәтенә караганда бераз тискәрерәк. ζ кыйммәтенең мондый үзгәреше тискәре зарядлы MXen нанобөлшекләренең өслеге культура мохитеннән уңай зарядлы ионнарны сеңдерүен күрсәтергә мөмкин. Культура мохитендә Nb-MXenларның дзета потенциалын һәм үткәрүчәнлеген вакытлыча үлчәүләр (тулырак мәгълүмат өчен SIдагы S7 һәм S8 рәсемнәрен карагыз) безнең гипотезаны раслый кебек.
Шулай да, ике Nb-MXene SL да нульдән минималь үзгәрешләр күрсәтте. Бу аларның микросуүсемнәр үсеш мохитендәге тотрыклылыгын ачык күрсәтә. Моннан тыш, без яшел микросуүсемнәребезнең булуы мохиттәге Nb-MXenнарның тотрыклылыгына тәэсир итәрме-юкмы икәнен бәяләдек. Туклыклы мохиттә һәм культурада микросуүсемнәр белән үзара бәйләнештән соң MXenнарның дзета потенциалы һәм үткәрүчәнлеге нәтиҗәләрен SIда табарга мөмкин (S9 һәм S10 рәсемнәре). Кызыклысы шунда ки, без микросуүсемнәрнең булуы ике MXenнарның да дисперсиясен тотрыклыландырган кебек тоелды. Nb2CTx SL очрагында, дзета потенциалы вакыт узу белән бераз гына тискәрерәк кыйммәтләргә кадәр кимеде (72 сәгать инкубациядән соң -15,8 vs -19,1 мВ). SL Nb4C3TX дзета потенциалы бераз артты, ләкин 72 сәгатьтән соң ул микросуүсемнәр булмаганда нанобөлшекләргә караганда югарырак тотрыклылык күрсәтте (-18,1 vs -9,1 мВ).
Шулай ук ​​микросуүсемнәр катнашында инкубацияләнгән Nb-MXene эремәләренең түбәнрәк үткәрүчәнлеген ачыкладык, бу туклыклы мохиттә ионнар күләменең кимрәк булуын күрсәтә. Шунысы игътибарга лаек, судагы MXenнарның тотрыксызлыгы, нигездә, өслек оксидлашуы белән бәйле57. Шуңа күрә, без яшел микросуүсемнәрнең Nb-MXen өслегендә барлыкка килгән оксидларны ничектер чистартканына һәм хәтта аларның барлыкка килүенә (MXen оксидлашуына) комачаулаганына шикләнәбез. Моны микросуүсемнәр тарафыннан сеңдерелгән матдәләр төрләрен өйрәнү аша күрергә мөмкин.
Безнең экотоксикологик тикшеренүләр микросуүсемнәрнең вакыт узу белән Nb-MXen токсиклыгын һәм стимуллаштырылган үсешнең гадәти булмаган тоткарлануын җиңә алуын күрсәтсә дә, безнең тикшеренүнең максаты мөмкин булган тәэсир механизмнарын тикшерү иде. Суүсемнәр кебек организмнар экосистемаларына таныш булмаган кушылмалар яки материаллар белән очрашканда, алар төрле юллар белән реакциягә керә алалар58,59. Агулы металл оксидлары булмаганда, микросуүсемнәр үзләрен тукландыра ала, бу аларга өзлексез үсәргә мөмкинлек бирә60. Агулы матдәләрне йотканнан соң, саклану механизмнары активлашырга мөмкин, мәсәлән, форма яки форма үзгәрү. Абсорбция мөмкинлеген дә исәпкә алырга кирәк58,59. Игътибар итегез, саклану механизмының теләсә нинди билгесе сынау кушылмасының токсиклыгының ачык күрсәткече булып тора. Шуңа күрә, алга табагы эшебездә без SL Nb-MXen нанобөлшекләре һәм микросуүсемнәр арасындагы SEM ярдәмендә потенциаль өслек үзара бәйләнешен һәм рентген флуоресценция спектроскопиясе (XRF) ярдәмендә Nb нигезендәге MXenның мөмкин булган абсорбциясен тикшердек. SEM һәм XRF анализлары активлык токсиклыгы мәсьәләләрен хәл итү өчен MXenның иң югары концентрациясендә генә башкарылганлыгын билгеләп үтик.
SEM нәтиҗәләре 4 нче рәсемдә күрсәтелгән. Эшкәртелмәгән микросуүсемнәр күзәнәкләре (4а рәсемен карагыз, белешмә үрнәге) R. subcapitata морфологиясен һәм круассанга охшаган күзәнәк формасын ачык күрсәтте. Күзәнәкләр яссы һәм бераз тәртипсез күренә. Кайбер микросуүсемнәр күзәнәкләре бер-берсе белән капланган һәм бер-берсе белән эләккән, ләкин бу, мөгаен, үрнәк әзерләү процессы аркасында килеп чыккандыр. Гомумән алганда, саф микросуүсемнәр күзәнәкләре шома өслеккә ия булган һәм бернинди морфологик үзгәрешләр дә күрсәтмәгәннәр.
Экстремаль концентрациядә (100 мг L-1) 72 сәгатьлек үзара бәйләнештән соң яшел микросуүсемнәр һәм MXene нанобиткалары арасындагы өслек үзара бәйләнешне күрсәтүче SEM рәсемнәре. (а) SL (b) Nb2CTx һәм (c) Nb4C3TX MXenes белән үзара бәйләнештән соң эшкәртелмәгән яшел микросуүсемнәр. Nb-MXene нанобиткалары кызыл уклар белән билгеләнгәнен истә тотыгыз. Чагыштыру өчен, оптик микроскоптан алынган фоторәсемнәр дә өстәлгән.
Киресенчә, SL Nb-MXene нанокапсулалары белән адсорбцияләнгән микросуүсемнәр күзәнәкләре зыян күргән (4b, c рәсемнәрен, кызыл укларны карагыз). Nb2CTx MXene очрагында (4b рәсем), микросуүсемнәр ике үлчәмле нанокамералар белән үсәргә омтыла, бу аларның морфологиясен үзгәртә ала. Шунысы игътибарга лаек, без бу үзгәрешләрне яктылык микроскопиясе астында да күзәттек (тулырак мәгълүмат өчен SI S11 рәсемен карагыз). Бу морфологик күчеш микросуүсемнәр физиологиясендә һәм аларның күзәнәк морфологиясен үзгәртү, мәсәлән, күзәнәк күләмен арттыру аша үзләрен яклау сәләтендә ышанычлы нигезгә ия61. Шуңа күрә, Nb-MXenнар белән чыннан да бәйләнештә булган микросуүсемнәр күзәнәкләре санын тикшерү мөһим. SEM тикшеренүләре күрсәткәнчә, микросуүсемнәр күзәнәкләренең якынча 52% ы Nb-MXenнарга дучар булган, ә бу микросуүсемнәр күзәнәкләренең 48% ы бәйләнештән качкан. SL Nb4C3Tx MXene өчен микросуүсемнәр MXene белән контакттан качарга тырышалар, шуның белән ике үлчәмле наномасштаблардан локализацияләнәләр һәм үсәләр (4в рәсем). Ләкин без наномасштабларның микросуүсемнәр күзәнәкләренә үтеп керүен һәм аларның зарарлануын күзәтмәдек.
Үз-үзеңне саклау шулай ук ​​күзәнәк өслегендәге кисәкчәләрнең адсорбциясе һәм күләгәләү (күләгәләү) эффекты аркасында фотосинтезның тоткарлануына вакытка бәйле җавап бирү тәртибе62. Микросуүсемнәр һәм яктылык чыганагы арасындагы һәр объект (мәсәлән, Nb-MXene нанокапсулалары) хлоропластлар тарафыннан сеңдерелгән яктылык күләмен чикли икәне ачык. Ләкин, моның алынган нәтиҗәләргә зур йогынты ясавына шикләнмибез. Микроскопик күзәтүләребез күрсәткәнчә, 2D нанокапсулалары, хәтта микросуүсемнәр күзәнәкләре Nb-MXenнар белән бәйләнештә булганда да, микросуүсемнәр өслегенә тулысынча уралмаган яки ябышмаган. Киресенчә, нанокапсулаларның өслеген капламыйча, микросуүсемнәр күзәнәкләренә юнәлтелгән булып чыкты. Мондый нанобластлар/микросуүсемнәр җыелмасы микросуүсемнәр күзәнәкләре тарафыннан сеңдерелгән яктылык күләмен сизелерлек чикли алмый. Моннан тыш, кайбер тикшеренүләр хәтта ике үлчәмле наноматериаллар булганда фотосинтетик организмнарның яктылык сеңдерүен яхшыртуын күрсәтте63,64,65,66.
SEM рәсемнәре микросуүсемнәр күзәнәкләре тарафыннан ниобийның үзләштерелүен турыдан-туры раслый алмаганлыктан, безнең алга таба тикшеренүләр бу мәсьәләне ачыклау өчен рентген флуоресценциясенә (XRF) һәм рентген фотоэлектрон спектроскопиясенә (XPS) юнәлтелде. Шуңа күрә без MXen белән үзара бәйләнештә булмаган эталон микросуүсемнәр үрнәкләренең Nb пикларының интенсивлыгын, микросуүсемнәр күзәнәкләре өслегеннән аерылган MXen нанокапчыкларын һәм беркетелгән MXenнарны алганнан соң микросуүсемнәр күзәнәкләрен чагыштырдык. Шунысын да билгеләп үтәргә кирәк, әгәр Nb үзләштерелмәсә, беркетелгән нанокамералар алынганнан соң микросуүсемнәр күзәнәкләре тарафыннан алынган Nb кыйммәте нульгә тигез булырга тиеш. Шуңа күрә, әгәр Nb үзләштерелсә, XRF һәм XPS нәтиҗәләре ачык Nb пигын күрсәтергә тиеш.
XRF спектрлары очрагында, микросуүсемнәр үрнәкләрендә SL Nb2CTx һәм Nb4C3Tx MXene белән үзара бәйләнештән соң SL Nb2CTx һәм Nb4C3Tx MXene өчен Nb пиклары күрсәтелгән (5a рәсемен карагыз, шулай ук ​​MAX һәм ML MXen өчен нәтиҗәләр SIда, S12–C17 рәсемнәрендә күрсәтелгәнен дә истә тотыгыз). Кызыклысы шунда ки, Nb пикының интенсивлыгы ике очракта да бер үк (5a рәсемдә кызыл полосалар). Бу суүсемнәрнең күбрәк Nb сеңдерә алмавын күрсәтте, һәм күзәнәкләрдә Nb туплану өчен максималь сыйдырышлыкка ирешелде, гәрчә микросуүсемнәр күзәнәкләренә ике тапкыр күбрәк Nb4C3Tx MXene беркетелгән булса да (5a рәсемдә зәңгәр полосалар). Шунысы игътибарга лаек, микросуүсемнәрнең металларны сеңдерү сәләте әйләнә-тирә мохиттәге металл оксидлары концентрациясенә бәйле67,68. Шамшада һ.б.67 төче сусуүсемнәрнең сеңдерү сәләте pH арту белән кими икәнен ачыкладылар. Райз һ.б.68 диңгез үләннәренең металларны сеңдерү сәләте Pb2+ өчен Ni2+ белән чагыштырганда якынча 25% ка югарырак булуын билгеләп үттеләр.
(a) SL Nb-MXenes (100 мг L-1) экстремаль концентрациясендә 72 сәгать инкубацияләнгән яшел микросуүсемнәр күзәнәкләре тарафыннан базаль Nb үзләштерүнең XRF нәтиҗәләре. Нәтиҗәләр саф микросуүсемнәр күзәнәкләрендә (контроль үрнәге, соры колонкалар), өслек микросуүсемнәр күзәнәкләреннән аерылган 2D нанокапсулаларда (зәңгәр колонкалар) һәм 2D нанокапсулаларны өслектән аерганнан соң микросуүсемнәр күзәнәкләрендә (кызыл колонкалар) α булуын күрсәтә. Элемент Nb күләме, (b) SL Nb-MXenes белән инкубацияләгәннән соң микросуүсемнәр күзәнәкләрендә булган микросуүсемнәрнең органик компонентларының (C=O һәм CHx/C–O) һәм Nb оксидларының химик составының проценты, (c–e) XPS SL Nb2CTx спектрларының һәм (fh) микросуүсемнәр күзәнәкләре тарафыннан эчкеләштерелгән SL Nb4C3Tx MXenның состав пигын урнаштыру.
Шуңа күрә без Nb суүсемнәр күзәнәкләре тарафыннан оксидлар рәвешендә сеңдерелә ала дип көттек. Моны тикшерү өчен без MXenes Nb2CTx һәм Nb4C3TX һәм суүсемнәр күзәнәкләрендә XPS тикшеренүләре үткәрдек. Микросуүсемнәрнең суүсемнәр күзәнәкләреннән аерылган Nb-MXenes һәм MXenes белән үзара бәйләнеше нәтиҗәләре 5b рәсемнәрендә күрсәтелгән. Көтелгәнчә, без микросуүсемнәр өслегеннән MXen алынганнан соң микросуүсемнәр үрнәкләрендә Nb 3d пикларын ачыкладык. C=O, CHx/CO һәм Nb оксидларының санлы билгеләнүе инкубацияләнгән микросуүсемнәрдән алынган Nb2CTx SL (5c–e рәсем) һәм Nb4C3Tx SL (5c–e рәсем) белән алынган Nb 3d, O 1s һәм C 1s спектрларына нигезләнеп исәпләнде. 5f–h рәсем) MXenes. S1-3 таблицасында пик параметрлары һәм туры килү нәтиҗәсендә килеп чыккан гомуми химия турында мәгълүмат күрсәтелгән. Шунысы игътибарга лаек, Nb2CTx SL һәм Nb4C3Tx SL (5c, f рәсем) Nb3d өлкәләре бер Nb2O5 компонентына туры килә. Монда без спектрларда MXene белән бәйле пиклар тапмадык, бу микросуүсемнәр күзәнәкләре Nb оксид формасын гына сеңдерә дигәнне аңлата. Моннан тыш, без C1s спектрын C–C, CHx/C–O, C=O һәм –COOH компонентлары белән якынлаштырдык. Без CHx/C–O һәм C=O пикларын микросуүсемнәр күзәнәкләренең органик өлешенә бәйләдек. Бу органик компонентлар Nb2CTx SL һәм Nb4C3TX SLдагы C1s пикларының 36% һәм 41% тәшкил итә. Аннары без SL Nb2CTx һәм SL Nb4C3TX O1s спектрларын Nb2O5, микросуүсемнәрнең органик компонентлары (CHx/CO) һәм өслек адсорбцияләнгән су белән туры китердек.
Ниһаять, XPS нәтиҗәләре Nb формасын ачык күрсәтте, аның булуын гына түгел. Nb 3d сигналының урнашуына һәм деконволюция нәтиҗәләренә нигезләнеп, без Nb оксидлар рәвешендә генә сеңүен, ионнар яки MXene үзе түгеллеген раслыйбыз. Моннан тыш, XPS нәтиҗәләре микросуүсемнәр күзәнәкләренең SL Nb4C3TX MXene белән чагыштырганда SL Nb2CTx'тан Nb оксидларын үзләштерү сәләтенә ия булуын күрсәтте.
Безнең Nb үзләштерү нәтиҗәләре гаҗәеп булса да һәм MXene деградациясен ачыкларга мөмкинлек бирсә дә, 2D нанокапсулаларында бәйле морфологик үзгәрешләрне күзәтү өчен бернинди ысул да юк. Шуңа күрә без шулай ук ​​2D Nb-MXene нанокапсулаларында һәм микросуүсемнәр күзәнәкләрендә булган теләсә нинди үзгәрешләргә турыдан-туры җавап бирә алырлык яраклы ысул эшләргә булдык. Шунысын да билгеләп үтәргә кирәк, әгәр үзара бәйләнештә булган төрләр ниндидер трансформациягә, таркалуга яки дефрагментациягә дучар булса, бу тиз арада форма параметрларында, мәсәлән, эквивалент түгәрәк мәйданның диаметры, түгәрәклек, Ферет киңлеге яки Ферет озынлыгы кебек үзгәрешләр буларак күренергә тиеш дип фаразлыйбыз. Бу параметрлар озынча кисәкчәләрне яки ике үлчәмле нанокапсулаларны тасвирлау өчен яраклы булганлыктан, аларны динамик кисәкчә формасын анализлау ярдәмендә күзәтү безгә SL Nb-MXene нанокапсулаларының редукция вакытында морфологик трансформациясе турында кыйммәтле мәгълүмат бирәчәк.
Алынган нәтиҗәләр 6 нчы рәсемдә күрсәтелгән. Чагыштыру өчен, без шулай ук ​​башлангыч MAX фазасын һәм ML-MXenнарны сынап карадык (SI S18 һәм S19 рәсемнәрен карагыз). Кисәкчәләр формасының динамик анализы күрсәткәнчә, ике Nb-MXene SL-ның барлык форма параметрлары микросуүсемнәр белән үзара бәйләнештән соң сизелерлек үзгәрде. Тиңдәш түгәрәк мәйдан диаметры параметры белән күрсәтелгәнчә (6a, b рәсемнәр), зур нанокапсулалар өлешенең пик интенсивлыгы кимүе аларның кечерәк кисәкләргә таркалуга омтылуын күрсәтә. 6c, d рәсемнәрендә кабырчыкларның аркылы зурлыгы белән бәйле пикларның кимүен күрсәтә (нанобөлшекләрнең озынайуы), бу 2D нанокапсулаларның кисәкчәгә охшаганрак формага әверелүен күрсәтә. 6e-h рәсемендә Feret киңлеге һәм озынлыгы күрсәтелгән. Feret киңлеге һәм озынлыгы өстәмә параметрлар булып тора һәм шуңа күрә аларны бергә карарга кирәк. Микросуүсемнәр катнашында 2D Nb-MXene нанокапсулаларын инкубацияләгәннән соң, аларның Feret корреляция пиклары күчте һәм аларның интенсивлыгы кимеде. Бу нәтиҗәләргә морфология, XRF һәм XPS белән берлектә нигезләнеп, без күзәтелгән үзгәрешләрнең оксидлашу белән нык бәйле дигән нәтиҗәгә килдек, чөнки оксидлашкан MXenнар җыерчыклана һәм кисәкләргә һәм сферик оксид кисәкчәләренә таркала69,70.
Яшел микросуүсемнәр белән үзара бәйләнештән соң MXen трансформациясен анализлау. Динамик кисәкчәләр формасын анализлау (a, b) эквивалент түгәрәк мәйданның диаметры, (c, d) түгәрәклек, (e, f) Ферет киңлеге һәм (g, h) Ферет озынлыгы кебек параметрларны исәпкә ала. Моның өчен ике эталон микросуүсем үрнәге беренчел SL Nb2CTx һәм SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx һәм SL Nb4C3Tx MXenes, таркалган микросуүсемнәр һәм эшкәртелгән микросуүсемнәр SL Nb2CTx һәм SL Nb4C3Tx MXenes белән бергә анализланды. Кызыл уклар өйрәнелгән ике үлчәмле нанобөлшекләрнең форма параметрларының күчүләрен күрсәтә.
Форма параметрларын анализлау бик ышанычлы булганлыктан, ул микросуүсемнәр күзәнәкләрендәге морфологик үзгәрешләрне дә ачыклый ала. Шуңа күрә без 2D Nb нанобөлшекләре белән үзара бәйләнештән соң саф микросуүсемнәр күзәнәкләренең һәм күзәнәкләренең эквивалент түгәрәк мәйдан диаметрын, түгәрәклеген һәм Ферет киңлеген/озынлыгын анализладык. 6a–h рәсемнәрендә суүсемнәр күзәнәкләренең форма параметрларындагы үзгәрешләр күрсәтелгән, бу пик интенсивлыгы кимүе һәм максимумнарның югарырак кыйммәтләргә күчүе белән раслана. Аерым алганда, күзәнәк түгәрәклеге параметрлары озынча күзәнәкләрнең кимүен һәм сферик күзәнәкләрнең артуын күрсәтте (6a, b рәсем). Моннан тыш, Ферет күзәнәкләренең киңлеге SL Nb2CTx MXene белән үзара бәйләнештән соң берничә микрометрга арткан (6e рәсем), SL Nb4C3TX MXene белән чагыштырганда (6f рәсем). Без моның Nb2CTx SR белән үзара бәйләнештә булганда микросуүсемнәр тарафыннан Nb оксидларының көчле үзләштерелүе белән бәйле булырга мөмкин дип фаразлыйбыз. Nb бөртекләренең өслегенә азрак каты беркетелү минималь күләгә эффекты белән күзәнәк үсешенә китерергә мөмкин.
Микросуүсемнәрнең формасы һәм зурлыгы параметрларындагы үзгәрешләрне күзәтүебез башка тикшеренүләрне тулыландыра. Яшел микросуүсемнәр әйләнә-тирә мохит стрессына җавап итеп, күзәнәк зурлыгын, формасын яки метаболизмын үзгәртеп, үзләренең морфологиясен үзгәртә ала61. Мәсәлән, күзәнәкләрнең зурлыгын үзгәртү туклыклы матдәләрнең сеңүен җиңеләйтә71. Кечерәк суүсем күзәнәкләре туклыклы матдәләрнең түбәнрәк сеңүен һәм үсеш тизлегенең начарлануын күрсәтә. Киресенчә, зуррак күзәнәкләр күбрәк туклыклы матдәләрне кулланалар, аннары алар күзәнәк эчендә җыела72,73. Мачадо һәм Соарес фунгицид триклозанның күзәнәк зурлыгын арттыра алуын ачыкладылар. Алар шулай ук ​​суүсемнәрнең формасында тирән үзгәрешләрне ачыкладылар74. Моннан тыш, Йин һ.б.9 шулай ук ​​графен оксиды нанокомпозитлары кимегәнгә дучар булганнан соң суүсемнәрдә морфологик үзгәрешләрне ачыкладылар. Шуңа күрә микросуүсемнәрнең үзгәргән зурлыгы/формасы параметрлары MXen булу сәбәпле барлыкка килүе ачык. Зурлык һәм форма үзгәреше туклыклы матдәләрнең сеңүен күрсәтә торганлыктан, без вакыт узу белән зурлык һәм форма параметрларын анализлау Nb-MXen булуда микросуүсемнәр тарафыннан ниобий оксидының сеңүен күрсәтә ала дип саныйбыз.
Моннан тыш, MXenнар суүсемнәр катнашында оксидлашырга мөмкин. Dalai һ.б.75 нано-TiO2 һәм Al2O376 тәэсиренә дучар ителгән яшел суүсемнәрнең морфологиясе бер төрле булмаганлыгын күзәттеләр. Безнең күзәтүләр хәзерге тикшеренүгә охшаш булса да, ул биоремедиациянең 2D нанобөлшекләр катнашында MXen деградация продуктлары ягыннан йогынтысын өйрәнү өчен генә мөһим, нанобөлшекләр түгел. MXenнар металл оксидларына таркала алганлыктан,31,32,77,78, безнең Nb нанобөлшекләре дә микросуүсемнәр күзәнәкләре белән үзара бәйләнештән соң Nb оксидлары барлыкка китерә ала дип фаразлау урынлы.
2D-Nb нанобөлшекләренең оксидлашу процессына нигезләнгән таркалу механизмы аша редукциясен аңлату өчен, без югары ачыклыклы трансмиссия электрон микроскопиясен (HRTEM) (7a,b рәсем) һәм рентген фотоэлектрон спектроскопиясен (XPS) (7 рәсем) кулланып тикшеренүләр үткәрдек. 7c-i һәм S4-5 таблицалары). Ике ысул да 2D материалларның оксидлашуын өйрәнү өчен яраклы һәм бер-берсен тулыландыра. HRTEM ике үлчәмле катламлы структураларның деградациясен һәм аннан соң металл оксиды нанокисәкчәләренең барлыкка килүен анализлый ала, ә XPS өслек бәйләнешләренә сизгер. Моның өчен без микросуүсемнәр күзәнәк дисперсияләреннән алынган 2D Nb-MXene нанобөлшекләрен, ягъни аларның микросуүсемнәр күзәнәкләре белән үзара бәйләнештән соңгы формасын сынап карадык (7 нче рәсемне карагыз).
Оксидлаштырылган (a) SL Nb2CTx һәм (b) SL Nb4C3Tx MXen морфологиясен күрсәтүче HRTEM рәсемнәре, XPS анализ нәтиҗәләре (c) редукциядән соң оксид продуктларының составын, (d–f) яшел микросуүсемнәр белән торгызылган SL Nb2CTx һәм (g–i) Nb4C3Tx SL XPS спектрлары компонентларының пик туры килүен күрсәтә.
HRTEM тикшеренүләре ике төр Nb-MXene нанокапсулаларының оксидлашуын раслады. Нанокапсулалары билгеле бер дәрәҗәдә ике үлчәмле морфологиясен саклап калсалар да, оксидлашу MXene нанокапсулалары өслеген каплаган күп нанокисәкчәләр барлыкка килүенә китерде (7a,b рәсемнәрен карагыз). c Nb 3d һәм O 1s сигналларының XPS анализы ике очракта да Nb оксидлары барлыкка килүен күрсәтте. 7c рәсемдә күрсәтелгәнчә, 2D MXene Nb2CTx һәм Nb4C3TX NbO һәм Nb2O5 оксидлары булуын күрсәтүче Nb 3d сигналларына ия, ә O 1s сигналлары 2D нанокапсула өслегенең функциональләшүе белән бәйле O–Nb бәйләнешләре санын күрсәтә. Без Nb оксиды өлеше Nb-C һәм Nb3+-O белән чагыштырганда өстенлекле булуын күрдек.
7g–i рәсемнәрендә микросуүсемнәр күзәнәкләреннән аерылган Nb 3d, C 1s һәм O 1s SL Nb2CTx (7d–f рәсемнәрен карагыз) һәм SL Nb4C3TX MXenның XPS спектрлары күрсәтелгән. Nb-MXen пик параметрлары турында тулырак мәгълүмат S4–5 таблицаларында бирелгән. Башта без Nb 3d составын анализладык. Микросуүсемнәр күзәнәкләреннән сеңгән Nbдан аермалы буларак, микросуүсемнәр күзәнәкләреннән аерылган MXenда, Nb2O5тан тыш, башка компонентлар да табылган. Nb2CTx SLда без Nb3+-O өлешенең 15% күләмендә булуын күзәттек, ә Nb 3d спектрының калган өлешендә Nb2O5 өстенлек итте (85%). Моннан тыш, SL Nb4C3TX үрнәгендә Nb-C (9%) һәм Nb2O5 (91%) компонентлары бар. Монда Nb-C Nb4C3Tx SR металл карбидының ике эчке атом катламыннан килә. Аннары без C 1s спектрларын дүрт төрле компонентка күчерәбез, без эчкеләштерелгән үрнәкләрдәге кебек. Көтелгәнчә, C 1s спектрында графитлы углерод өстенлек итә, аннан соң микросуүсемнәр күзәнәкләреннән органик кисәкчәләр (CHx/CO һәм C=O) өлеше килә. Моннан тыш, O 1s спектрында без микросуүсемнәр күзәнәкләренең органик формаларының, ниобий оксидының һәм адсорбцияләнгән суның өлешен күзәттек.
Моннан тыш, без Nb-MXenes бүленешенең туклыклы мохиттә һәм/яки микросуүсемнәр күзәнәкләрендә реактив кислород төрләре (ROS) булу-булмавын тикшердек. Моның өчен без культура мохитендәге синглет кислород (1O2) һәм микросуүсемнәрдә антиоксидант булып эшләүче тиол булган күзәнәк эчендәге глутатион дәрәҗәсен бәяләдек. Нәтиҗәләр SIда күрсәтелгән (S20 һәм S21 рәсемнәре). SL Nb2CTx һәм Nb4C3TX MXenes булган культуралар 1O2 күләменең кимүе белән характерланды (S20 рәсемен карагыз). SL Nb2CTx очрагында MXene 1O2 якынча 83% ка кадәр кими. SL кулланган микросуүсемнәр культуралары өчен Nb4C3TX 1O2 тагын да ныграк, 73% ка кадәр кими. Кызыклысы шунда ки, 1O2 үзгәрешләре элек күзәтелгән ингибитор-стимуллаштыручы эффект белән бер үк тенденцияне күрсәтте (3 нче рәсемне карагыз). Якты яктылыкта инкубация фотооксидлашуны үзгәртә ала дип әйтергә мөмкин. Шулай да, контроль анализ нәтиҗәләре эксперимент вакытында 1O2 дәрәҗәсенең даими диярлек булуын күрсәтте (S22 нче рәсем). Күзәнәк эчендәге ROS дәрәҗәләре очрагында без дә шул ук түбәнәю тенденциясен күзәттек (S21 нче рәсемне карагыз). Башта Nb2CTx һәм Nb4C3Tx SL катнашлыгында үстерелгән микросуүсемнәр күзәнәкләрендәге ROS дәрәҗәләре микросуүсемнәрнең саф культураларындагы дәрәҗәләрдән артып китте. Ләкин, ахыр чиктә, микросуүсемнәр ике Nb-MXen катнашлыгына да яраклашкан булып чыкты, чөнки ROS дәрәҗәләре SL Nb2CTx һәм Nb4C3TX белән чәчелгән микросуүсемнәрнең саф культураларында үлчәнгән дәрәҗәләрнең 85% һәм 91% кадәр кимеде. Бу микросуүсемнәрнең вакыт узу белән Nb-MXen катнашлыгында туклыклы мохиткә генә караганда үзләрен уңайлырак хис итүләрен күрсәтергә мөмкин.
Микросуүсемнәр - фотосинтетик организмнарның төрле төркеме. Фотосинтез вакытында алар атмосфера углерод диоксидын (CO2) органик углеродка әйләндерәләр. Фотосинтез продуктлары - глюкоза һәм кислород79. Без шулай барлыкка килгән кислород Nb-MXenнарның оксидлашуында мөһим роль уйный дип фаразлыйбыз. Моның бер мөмкин аңлатмасы - дифференциаль аэрация параметры Nb-MXen нанокапсулалары эчендә һәм тышында кислородның түбән һәм югары парциаль басымында барлыкка килә. Бу кислородның төрле парциаль басым өлкәләре булган җирдә иң түбән дәрәҗәгә ия өлкә анод 80, 81, 82 барлыкка китерәчәген аңлата. Монда микросуүсемнәр MXen кабырчыклары өслегендә төрле һаваландырылган күзәнәкләр барлыкка килүгә өлеш кертә, алар фотосинтетик үзлекләре аркасында кислород җитештерәләр. Нәтиҗәдә, биокоррозия продуктлары (бу очракта ниобий оксидлары) барлыкка килә. Тагын бер аспект - микросуүсемнәр суга чыгарыла торган органик кислоталар җитештерә ала83,84. Шуңа күрә агрессив мохит барлыкка килә, шуның белән Nb-MXenнар үзгәрә. Моннан тыш, микросуүсемнәр углерод диоксидын сеңдерү аркасында мохитнең pH дәрәҗәсен селтегә үзгәртә ала, бу да коррозиягә китерергә мөмкин79.
Иң мөһиме, безнең тикшеренүдә кулланылган караңгы/якты фотопериод алынган нәтиҗәләрне аңлау өчен бик мөһим. Бу аспект Джемай-Зоглаче һ.б. 85 әсәрендә җентекләп тасвирланган. Алар кызыл микросуүсемнәр Porphyridium purpureum белән биологик пычрану белән бәйле биокоррозияне күрсәтү өчен махсус рәвештә 12/12 сәгатьлек фотопериод кулланганнар. Алар фотопериодның биокоррозиясез потенциал эволюциясе белән бәйле булуын күрсәтәләр, ул үзен 24:00 тирәсендә псевдопериодик тирбәнешләр рәвешендә күрсәтә. Бу күзәтүләрне Доулинг һ.б. расладылар. 86 Алар цианобактерияләр Anabaena фотосинтетик биофильмнарын күрсәттеләр. Эрегән кислород яктылык тәэсирендә барлыкка килә, бу ирекле биокоррозия потенциалының үзгәрүе яки тирбәнешләре белән бәйле. Фотопериодның әһәмияте биокоррозия өчен ирекле потенциалның яктылык фазасында артуы һәм караңгы фазада кимүе белән ассызыклана. Бу фотосинтетик микросуүсемнәр тарафыннан җитештерелгән кислород белән бәйле, ул электродлар янында барлыкка килгән парциаль басым аша катод реакциясенә йогынты ясый87.
Моннан тыш, Nb-MXen белән үзара бәйләнештән соң микросуүсемнәр күзәнәкләренең химик составында үзгәрешләр булганмы-юкмы икәнен ачыклау өчен Фурье-трансформация инфракызыл спектроскопиясе (FTIR) үткәрелде. Бу алынган нәтиҗәләр катлаулы һәм без аларны SI форматында күрсәтәбез (S23-S25 рәсемнәре, шул исәптән MAX стадиясе һәм ML MXen нәтиҗәләре). Кыскасы, микросуүсемнәрнең алынган эталон спектрлары безгә бу организмнарның химик үзенчәлекләре турында мөһим мәгълүмат бирә. Бу иң ихтимал тибрәнүләр 1060 см-1 (CO), 1540 см-1, 1640 см-1 (C=C), 1730 см-1 (C=O), 2850 см-1, 2920 см-1 ешлыкларында урнашкан. 111 (C–H) һәм 3280 см-1 (O–H). SL Nb-MXen өчен без алдагы тикшеренүебез белән туры килә торган CH-бәйләнеш сузылу имзасын таптык38. Шулай да, без C=C һәм CH бәйләнешләре белән бәйле кайбер өстәмә пикларның юкка чыгуын күзәттек. Бу микросуүсемнәрнең химик составы SL Nb-MXen белән үзара бәйләнеш аркасында кечкенә үзгәрешләргә дучар булырга мөмкин икәнен күрсәтә.
Микросуүсемнәрнең биохимиясендәге мөмкин булган үзгәрешләрне караганда, органик булмаган оксидларның, мәсәлән, ниобий оксидының туплануын яңадан карарга кирәк59. Ул күзәнәк өслеге тарафыннан металларны үзләштерүдә, цитоплазмага ташылуда, күзәнәк эчендәге карбоксил төркемнәре белән бәйләнештә һәм микросуүсемнәр полифосфосомаларында туплануда катнаша20,88,89,90. Моннан тыш, микросуүсемнәр һәм металлар арасындагы мөнәсәбәт күзәнәкләрнең функциональ төркемнәре белән саклана. Шуңа күрә, сеңү шулай ук ​​микросуүсемнәрнең өслек химиясенә бәйле, ул шактый катлаулы9,91. Гомумән алганда, көтелгәнчә, яшел микросуүсемнәрнең химик составы Nb оксидын үзләштерү аркасында бераз үзгәрде.
Кызыклысы шунда ки, микросуүсемнәрнең күзәтелгән башлангыч ингибирлавы вакыт узу белән кире кайтарыла иде. Без күзәткәнчә, микросуүсемнәр башлангыч мохит үзгәрешен җиңеп, ахыр чиктә нормаль үсеш темпларына кайттылар һәм хәтта арттылар. Дзета потенциалын өйрәнү туклыклы мохиткә кертелгәндә югары тотрыклылык күрсәтә. Шулай итеп, микросуүсемнәр күзәнәкләре һәм Nb-MXene нанокапсулалары арасындагы өслек үзара бәйләнеше редукция экспериментлары дәвамында сакланды. Алга таба анализлауда без микросуүсемнәрнең бу гаҗәеп үз-үзен тотышы нигезендәге төп эш механизмнарын кыскача күрсәтәбез.
SEM күзәтүләре микросуүсемнәрнең Nb-MXenнарга беркетелүчән булуын күрсәтте. Динамик рәсем анализын кулланып, без бу эффектның ике үлчәмле Nb-MXen нанокапсулаларын күбрәк сферик кисәкчәләргә әйләндерүенә китерүен раслыйбыз, шуның белән нанокапсулаларның таркалуы аларның оксидлашуы белән бәйле икәнен күрсәтәбез. Гипотезабызны тикшерү өчен без берничә материал һәм биохимик тикшеренү үткәрдек. Сынаудан соң, нанокапсулалары әкренләп оксидлашты һәм NbO һәм Nb2O5 продуктларына таркалды, бу яшел микросуүсемнәр өчен куркыныч тудырмады. FTIR күзәтүен кулланып, без 2D Nb-MXen нанокапсулалары катнашында инкубацияләнгән микросуүсемнәрнең химик составында әһәмиятле үзгәрешләр тапмадык. Микросуүсемнәр тарафыннан ниобий оксидын сеңдерү мөмкинлеген исәпкә алып, без рентген флуоресценция анализын үткәрдек. Бу нәтиҗәләр ачык күрсәтә ки, өйрәнелгән микросуүсемнәр өйрәнелгән микросуүсемнәр өчен токсик булмаган ниобий оксидлары (NbO һәм Nb2O5) белән туклана.