Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz cheklangan CSS qo'llab-quvvatlashiga ega brauzer versiyasidan foydalanmoqdasiz. Eng yaxshi tajriba uchun sizga yangilangan brauzerdan foydalanishingizni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Shu bilan birga, uzluksiz qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublar va JavaScriptsiz renderlaymiz.
Bir vaqtning o'zida uchta slayddan iborat karuselini ko'rsatadi. Bir vaqtning o'zida uchta slayd bo'ylab harakatlanish uchun "Oldingi" va "Keyingi" tugmalaridan foydalaning yoki bir vaqtning o'zida uchta slayd bo'ylab harakatlanish uchun oxiridagi slayder tugmalaridan foydalaning.
Nanotexnologiyaning jadal rivojlanishi va uning kundalik qo'llanmalarga integratsiyalashuvi atrof-muhitga tahdid solishi mumkin. Organik ifloslantiruvchi moddalarni parchalashning yashil usullari yaxshi yo'lga qo'yilgan bo'lsa-da, noorganik kristalli ifloslantiruvchi moddalarni qayta tiklash ularning biotransformatsiyaga past sezgirligi va material yuzasining biologik ifloslantiruvchi moddalar bilan o'zaro ta'sirini tushunmasligi sababli katta tashvish tug'diradi. Bu yerda biz yashil mikrosuv o'tlari Raphidocelis subcapitata tomonidan 2D keramik nanomateriallarning bioremediatsiya mexanizmini kuzatish uchun oddiy shakl parametrlarini tahlil qilish usuli bilan birlashtirilgan Nb asosidagi noorganik 2D MXenlar modelidan foydalanamiz. Biz mikrosuv o'tlari sirt bilan bog'liq fizik-kimyoviy o'zaro ta'sirlar tufayli Nb asosidagi MXenlarni parchalashini aniqladik. Dastlab, bir qavatli va ko'p qavatli MXen nanoflaklari mikrosuv o'tlari yuzasiga biriktirilgan, bu esa suv o'tlarining o'sishini biroz kamaytirdi. Biroq, sirt bilan uzoq vaqt o'zaro ta'sirlashganda, mikrosuv o'tlari MXen nanoflaklarini oksidlab, ularni NbO va Nb2O5 ga parchalagan. Bu oksidlar mikrosuv o'tlari hujayralari uchun toksik bo'lmaganligi sababli, ular 72 soatlik suv bilan ishlov berilgandan so'ng mikrosuv o'tlarini yanada tiklaydigan yutilish mexanizmi orqali Nb oksidi nanopartikullarini iste'mol qiladilar. Yutilish bilan bog'liq ozuqa moddalarining ta'siri hujayra hajmining oshishi, ularning silliq shakli va o'sish tezligining o'zgarishida ham aks etadi. Ushbu topilmalarga asoslanib, biz chuchuk suv ekotizimlarida Nb asosidagi MXenlarning qisqa va uzoq muddatli mavjudligi atrof-muhitga ozgina ta'sir ko'rsatishi mumkin degan xulosaga keldik. Shunisi e'tiborga loyiqki, ikki o'lchovli nanomateriallarni model tizimlari sifatida ishlatib, biz hatto mayda donador materiallarda ham shakl o'zgarishini kuzatish imkoniyatini namoyish etamiz. Umuman olganda, ushbu tadqiqot 2D nanomateriallarning bioremediatsiya mexanizmini boshqaradigan sirt o'zaro ta'siri bilan bog'liq jarayonlar haqidagi muhim fundamental savolga javob beradi va noorganik kristalli nanomateriallarning atrof-muhitga ta'sirini keyingi qisqa va uzoq muddatli tadqiqotlar uchun asos yaratadi.
Nanomateriallar kashf etilganidan beri katta qiziqish uyg'otdi va yaqinda turli nanotexnologiyalar modernizatsiya bosqichiga kirdi1. Afsuski, nanomateriallarning kundalik qo'llanmalarga integratsiyalashuvi noto'g'ri yo'q qilish, ehtiyotsizlik bilan ishlash yoki xavfsizlik infratuzilmasining yetarli emasligi tufayli tasodifiy ajralishlarga olib kelishi mumkin. Shuning uchun, ikki o'lchovli (2D) nanomateriallarni o'z ichiga olgan nanomateriallar tabiiy muhitga chiqarilishi mumkin deb taxmin qilish oqilona, ​​ularning xatti-harakati va biologik faolligi hali to'liq tushunilmagan. Shuning uchun, ekotoksiklik muammolari 2D nanomateriallarning suv tizimlariga singib ketish qobiliyatiga qaratilganligi ajablanarli emas2,3,4,5,6. Ushbu ekotizimlarda ba'zi 2D nanomateriallar turli trofik darajalarda, jumladan, mikrosuv o'tlari bilan o'zaro ta'sir qilishi mumkin.
Mikrosuv o'tlari - bu chuchuk suv va dengiz ekotizimlarida tabiiy ravishda uchraydigan ibtidoiy organizmlar bo'lib, ular fotosintez orqali turli xil kimyoviy mahsulotlar ishlab chiqaradi7. Shunday qilib, ular suv ekotizimlari uchun juda muhim8,9,10,11,12, ammo ayni paytda sezgir, arzon va keng qo'llaniladigan ekotoksiklik ko'rsatkichlari hisoblanadi13,14. Mikrosuv o'tlari hujayralari tez ko'payib, turli birikmalar mavjudligiga tezda javob berganligi sababli, ular organik moddalar bilan ifloslangan suvni tozalashning ekologik toza usullarini ishlab chiqish uchun istiqbolli hisoblanadi15,16.
Suv o'tlari hujayralari biosorbsiya va to'planish orqali suvdan noorganik ionlarni olib tashlashi mumkin17,18. Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolica, Stigeoclonium tenue va Synechococcus sp. kabi ba'zi suv o'tlari turlari. Uning Fe2+, Cu2+, Zn2+ va Mn2+19 kabi zaharli metall ionlarini olib yurishi va hatto oziqlantirishi aniqlangan. Boshqa tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ yoki Pb2+ ionlari hujayra morfologiyasini o'zgartirish va ularning xloroplastlarini yo'q qilish orqali Scenedesmus o'sishini cheklaydi20,21.
Organik ifloslantiruvchi moddalarni parchalash va og'ir metall ionlarini olib tashlashning yashil usullari butun dunyo olimlari va muhandislarining e'tiborini tortdi. Bu asosan bu ifloslantiruvchi moddalar suyuq fazada osonlikcha qayta ishlanishi bilan bog'liq. Biroq, noorganik kristalli ifloslantiruvchi moddalar suvda past eruvchanligi va turli biotransformatsiyalarga past sezuvchanligi bilan ajralib turadi, bu esa remediatsiyada katta qiyinchiliklarga olib keladi va bu sohada kam yutuqlarga erishildi22,23,24,25,26. Shunday qilib, nanomateriallarni ta'mirlash uchun ekologik toza yechimlarni izlash murakkab va o'rganilmagan soha bo'lib qolmoqda. 2D nanomateriallarning biotransformatsiya ta'siriga nisbatan yuqori darajadagi noaniqlik tufayli, ularning reduksiya paytida parchalanishining mumkin bo'lgan yo'llarini aniqlashning oson yo'li yo'q.
Ushbu tadqiqotda biz noorganik keramik materiallar uchun faol suvli bioremediatsiya agenti sifatida yashil mikrosuv o'tlaridan foydalandik, shuningdek, noorganik keramik materiallarning vakili sifatida MXene parchalanish jarayonini joyida monitoring qilish bilan birlashtirdik. "MXene" atamasi Mn+1XnTx materialining stexiometriyasini aks ettiradi, bu yerda M erta o'tish metalli, X uglerod va/yoki azot, Tx sirt terminatori (masalan, -OH, -F, -Cl) va n = 1, 2, 3 yoki 427.28. Naguib va ​​boshqalar tomonidan MXenlar kashf etilganidan beri. Sensorika, saraton terapiyasi va membrana filtratsiyasi 27,29,30. Bundan tashqari, MXenlar ajoyib kolloid barqarorligi va mumkin bo'lgan biologik o'zaro ta'sirlari tufayli model 2D tizimlari sifatida qaralishi mumkin31,32,33,34,35,36.
Shuning uchun, ushbu maqolada ishlab chiqilgan metodologiya va bizning tadqiqot gipotezalarimiz 1-rasmda ko'rsatilgan. Ushbu gipotezaga ko'ra, mikrosuv o'tlari sirt bilan bog'liq fizik-kimyoviy o'zaro ta'sirlar tufayli Nb asosidagi MXenlarni toksik bo'lmagan birikmalarga parchalaydi, bu esa suv o'tlarini yanada tiklash imkonini beradi. Ushbu gipotezani sinab ko'rish uchun erta niobiy asosidagi o'tish metall karbidlari va/yoki nitridlari (MXenlar) oilasining ikkita a'zosi, ya'ni Nb2CTx va Nb4C3TX tanlandi.
Yashil mikrosuv o'tlari Raphidocelis subcapitata tomonidan MXeneni qayta tiklash bo'yicha tadqiqot metodologiyasi va dalillarga asoslangan gipotezalar. Iltimos, bu dalillarga asoslangan taxminlarning sxematik ko'rinishi ekanligini unutmang. Ko'l muhiti ishlatiladigan ozuqaviy muhit va sharoitlarda (masalan, kunlik tsikl va mavjud muhim ozuqa moddalarining cheklovlari) farq qiladi. BioRender.com bilan yaratilgan.
Shuning uchun, MXene dan model tizimi sifatida foydalanish orqali biz boshqa an'anaviy nanomateriallar bilan kuzatilmaydigan turli xil biologik effektlarni o'rganishga yo'l ochdik. Xususan, biz ikki o'lchovli nanomateriallarni, masalan, niobiy asosidagi MXenlarni Raphidocelis subcapitata mikrosuv o'tlari tomonidan bioremediatsiya qilish imkoniyatini namoyish etamiz. Mikrosuv o'tlari Nb-MXenlarni toksik bo'lmagan NbO va Nb2O5 oksidlariga parchalashga qodir, ular ham niobiyni yutish mexanizmi orqali ozuqa moddalarini ta'minlaydi. Umuman olganda, ushbu tadqiqot ikki o'lchovli nanomateriallarning bioremediatsiya mexanizmlarini boshqaradigan sirt fizik-kimyoviy o'zaro ta'sirlar bilan bog'liq jarayonlar haqidagi muhim fundamental savolga javob beradi. Bundan tashqari, biz 2D nanomateriallar shaklidagi nozik o'zgarishlarni kuzatish uchun oddiy shakl-parametrga asoslangan usulni ishlab chiqmoqdamiz. Bu noorganik kristalli nanomateriallarning turli xil atrof-muhitga ta'sirini o'rganish bo'yicha qisqa muddatli va uzoq muddatli tadqiqotlarni ilhomlantiradi. Shunday qilib, bizning tadqiqotimiz material yuzasi va biologik material o'rtasidagi o'zaro ta'sirni tushunishni oshiradi. Shuningdek, biz ularning chuchuk suv ekotizimlariga mumkin bo'lgan ta'sirini kengaytirish bo'yicha qisqa va uzoq muddatli tadqiqotlar uchun asos yaratmoqdamiz, ularni endi osongina tekshirish mumkin.
MXenlar noyob va jozibali fizik va kimyoviy xususiyatlarga ega va shuning uchun ko'plab potentsial qo'llanilishlarga ega bo'lgan qiziqarli materiallar sinfini ifodalaydi. Bu xususiyatlar asosan ularning stexiometriyasi va sirt kimyosiga bog'liq. Shuning uchun, bizning tadqiqotimizda biz Nb asosidagi ierarxik bir qavatli (SL) MXenlarning ikki turini, Nb2CTx va Nb4C3TX ni o'rganib chiqdik, chunki bu nanomateriallarning turli xil biologik ta'sirlarini kuzatish mumkin edi. MXenlar boshlang'ich materiallaridan atomik jihatdan yupqa MAX-fazali A-qatlamlarini yuqoridan pastga selektiv o'yish orqali ishlab chiqariladi. MAX fazasi o'tish metall karbidlarining "bog'langan" bloklari va MnAXn-1 stexiometriyasi bilan Al, Si va Sn kabi "A" elementlarining yupqa qatlamlaridan tashkil topgan uch qavatli keramikadir. Dastlabki MAX fazasining morfologiyasi skanerlash elektron mikroskopiyasi (SEM) yordamida kuzatildi va oldingi tadqiqotlar bilan mos keldi (Qo'shimcha ma'lumotlarga qarang, SI, S1-rasm). Ko'p qatlamli (ML) Nb-MXen Al qatlamini 48% HF (florik kislota) bilan olib tashlaganidan so'ng olindi. ML-Nb2CTx va ML-Nb4C3TX morfologiyasi skanerlovchi elektron mikroskopiyasi (SEM) yordamida tekshirildi (mos ravishda S1c va S1d rasmlari) va cho'zilgan g'ovaksimon yoriqlardan o'tadigan ikki o'lchovli nanoflaklarga o'xshash tipik qatlamli MXene morfologiyasi kuzatildi. Ikkala Nb-MXene ham ilgari kislota bilan ishlov berish orqali sintez qilingan MXene fazalari bilan ko'p o'xshashliklarga ega27,38. MXene tuzilishini tasdiqlaganimizdan so'ng, biz uni tetrabutilamoniy gidroksid (TBAOH) interkalatsiyasi, so'ngra yuvish va sonikatsiya orqali qatlamladik, shundan so'ng biz bir qavatli yoki past qavatli (SL) 2D Nb-MXene nanoflaklarini oldik.
Biz o'yib ishlov berish va keyingi tozalash samaradorligini tekshirish uchun yuqori aniqlikdagi transmissiya elektron mikroskopiyasi (HRTEM) va rentgen difraksiyasi (XRD) dan foydalandik. Teskari Tez Furye Transformatsiyasi (IFFT) va Tez Furye Transformatsiyasi (FFT) yordamida qayta ishlangan HRTEM natijalari 2-rasmda ko'rsatilgan. Atom qatlamining tuzilishini tekshirish va tekisliklararo masofalarni o'lchash uchun Nb-MXene nanoflaklari chekkasi yuqoriga yo'naltirilgan. MXene Nb2CTx va Nb4C3TX nanoflaklarining HRTEM tasvirlari ularning atom jihatidan yupqa qatlamli ekanligini ko'rsatdi (2a1, a2-rasmlarga qarang), bu haqda ilgari Naguib va ​​boshqalar.27 va Jastrzębska va boshqalar.38 xabar bergan edi. Ikki qo'shni Nb2CTx va Nb4C3Tx monoqatlamlari uchun biz qatlamlararo masofalarni mos ravishda 0,74 va 1,54 nm deb aniqladik (2b1, b2-rasmlar), bu ham bizning oldingi natijalarimizga mos keladi38. Bu teskari tez Furye konvertatsiyasi (2c1, c2-rasm) va Nb2CTx va Nb4C3Tx monoqatlamlari orasidagi masofani ko'rsatuvchi tez Furye konvertatsiyasi (2d1, d2-rasm) bilan yanada tasdiqlandi. Rasmda niobiy va uglerod atomlariga mos keladigan yorug'lik va qorong'u polosalarning almashinishi ko'rsatilgan, bu esa o'rganilgan MXenlarning qatlamli tabiatini tasdiqlaydi. Shuni ta'kidlash kerakki, Nb2CTx va Nb4C3Tx uchun olingan energiya dispersiyasi rentgen spektroskopiyasi (EDX) spektrlari (S2a va S2b-rasmlar) asl MAX fazasining qoldig'ini ko'rsatmadi, chunki Al cho'qqisi aniqlanmadi.
SL Nb2CTx va Nb4C3Tx MXene nanoflaklarining tavsifi, jumladan (a) yuqori aniqlikdagi elektron mikroskopiyasi (HRTEM) yonma-yon 2D nanoflak tasviri va unga mos keladigan, (b) intensivlik rejimi, (c) teskari tez Furye konvertatsiyasi (IFFT), (d) tez Furye konvertatsiyasi (FFT), (e) Nb-MXenes rentgen naqshlari. SL 2D Nb2CTx uchun raqamlar (a1, b1, c1, d1, e1) sifatida ifodalanadi. SL 2D Nb4C3Tx uchun raqamlar (a2, b2, c2, d2, e1) sifatida ifodalanadi.
SL Nb2CTx va Nb4C3Tx MXenlarining rentgen difraksiya o'lchovlari mos ravishda 2e1 va e2-rasmlarda ko'rsatilgan. 4.31 va 4.32 da cho'qqilar (002) avval tasvirlangan qatlamli MXenlar Nb2CTx va Nb4C3TX38,39,40,41 ga mos keladi. XRD natijalari shuningdek, ba'zi qoldiq ML tuzilmalari va MAX fazalarining mavjudligini ko'rsatadi, lekin asosan SL Nb4C3Tx bilan bog'liq XRD naqshlari (2e2-rasm). MAX fazasining kichikroq zarrachalarining mavjudligi tasodifiy ravishda joylashtirilgan Nb4C3Tx qatlamlariga nisbatan kuchliroq MAX cho'qqisini tushuntirishi mumkin.
Keyingi tadqiqotlar R. subcapitata turiga mansub yashil mikrosuv o'tlariga qaratilgan. Biz mikrosuv o'tlarini tanladik, chunki ular asosiy oziq-ovqat to'rlarida ishtirok etadigan muhim ishlab chiqaruvchilardir42. Ular, shuningdek, oziq-ovqat zanjirining yuqori darajalariga olib boriladigan zaharli moddalarni olib tashlash qobiliyati tufayli toksiklikning eng yaxshi ko'rsatkichlaridan biridir43. Bundan tashqari, R. subcapitata bo'yicha tadqiqotlar SL Nb-MXenlarning keng tarqalgan chuchuk suv mikroorganizmlariga tasodifiy toksikligini yoritishi mumkin. Buni ko'rsatish uchun tadqiqotchilar har bir mikrob atrof-muhitda mavjud bo'lgan zaharli birikmalarga turlicha sezgirlikka ega degan gipotezani ilgari surdilar. Ko'pgina organizmlar uchun moddalarning past konsentratsiyasi ularning o'sishiga ta'sir qilmaydi, ma'lum bir chegaradan yuqori konsentratsiyalar esa ularni inhibe qilishi yoki hatto o'limga olib kelishi mumkin. Shuning uchun, mikrosuv o'tlari va MXenlar o'rtasidagi sirt o'zaro ta'sirini va ular bilan bog'liq tiklanishni o'rganish uchun biz Nb-MXenlarning zararsiz va toksik konsentratsiyalarini sinab ko'rishga qaror qildik. Buning uchun biz 0 (ma'lumotnoma sifatida), 0,01, 0,1 va 10 mg l-1 MXene konsentratsiyalarini va qo'shimcha ravishda infektsiyalangan mikrosuv o'tlarini juda yuqori konsentratsiyali MXene (100 mg l-1 MXene) bilan sinovdan o'tkazdik, bu har qanday biologik muhit uchun o'ta xavfli va halokatli bo'lishi mumkin.
SL Nb-MXenlarning mikrosuv o'tlariga ta'siri 3-rasmda ko'rsatilgan bo'lib, 0 mg l-1 namunalar uchun o'lchangan o'sish sur'atlarining (+) yoki inhibisyonning (-) foizi sifatida ifodalanadi. Taqqoslash uchun, Nb-MAX fazasi va ML Nb-MXenlari ham sinovdan o'tkazildi va natijalar SI da ko'rsatilgan (S3-rasmga qarang). Olingan natijalar SL Nb-MXenlarning 3a,b-rasmlarda ko'rsatilganidek, 0,01 dan 10 mg/l gacha bo'lgan past konsentratsiyalar oralig'ida deyarli toksiklikdan xoli ekanligini tasdiqladi. Nb2CTx holatida biz belgilangan diapazonda 5% dan ko'p bo'lmagan ekotoksiklikni kuzatdik.
SL (a) Nb2CTx va (b) Nb4C3TX MXene ishtirokida mikrosuv o'simliklarining o'sishini stimulyatsiya qilish (+) yoki inhibe qilish (-). MXene-mikrosuv o'zaro ta'sirining 24, 48 va 72 soatlik tahlili o'tkazildi. Muhim ma'lumotlar (t-test, p <0.05) yulduzcha (*) bilan belgilangan. Muhim ma'lumotlar (t-test, p <0.05) yulduzcha (*) bilan belgilangan. Znachimye dannye (t-kriteriy, p < 0,05) otmecheny zvezdochkoy (*). Muhim ma'lumotlar (t-test, p < 0,05) yulduzcha (*) bilan belgilangan.lēngčiči（t hīīī，p < 0.05） līngčiči(*) língínlēngčiči（t hīīī，p < 0.05） līngčiči(*) língín Vajnye dannye (t-test, p < 0,05) otmecheny zvezdochkoy (*). Muhim ma'lumotlar (t-test, p < 0.05) yulduzcha (*) bilan belgilangan.Qizil o'qlar inhibitiv stimulyatsiyaning bekor qilinishini ko'rsatadi.
Boshqa tomondan, Nb4C3TX ning past konsentratsiyalari biroz ko'proq zaharli bo'lib chiqdi, ammo 7% dan yuqori emas. Kutilganidek, biz MXenlarning 100 mg L-1 da yuqori toksiklik va mikrosuv o'tlari o'sishini inhibe qilishini kuzatdik. Qizig'i shundaki, hech bir material MAX yoki ML namunalariga nisbatan atoksik/toksik ta'sirlarning bir xil tendentsiyasi va vaqtga bog'liqligini ko'rsatmadi (batafsil ma'lumot uchun SI ga qarang). MAX fazasi uchun (S3-rasmga qarang) toksiklik taxminan 15-25% ga yetgan va vaqt o'tishi bilan oshgan bo'lsa, SL Nb2CTx va Nb4C3TX MXene uchun teskari tendentsiya kuzatildi. Mikrosuv o'tlari o'sishini inhibe qilish vaqt o'tishi bilan kamaydi. 24 soatdan keyin u taxminan 17% ga yetdi va 72 soatdan keyin 5% dan kamroqqa tushdi (mos ravishda 3a, b-rasm).
Eng muhimi, SL Nb4C3TX uchun mikrosuv o'simliklarining o'sishini inhibe qilish 24 soatdan keyin taxminan 27% ga yetdi, ammo 72 soatdan keyin u taxminan 1% gacha kamaydi. Shuning uchun biz kuzatilgan effektni stimulyatsiyaning teskari inhibisyonu deb belgiladik va SL Nb4C3TX MXene uchun ta'sir kuchliroq edi. Mikrosuv o'simliklarining o'sishini stimulyatsiya qilish SL Nb2CTx MXene bilan solishtirganda Nb4C3TX bilan ilgari qayd etilgan (24 soat davomida 10 mg L-1 da o'zaro ta'sir). Inhibisyon-stimulyatsiyani teskari ta'siri biomassaning ikki baravar ko'payish tezligi egri chizig'ida ham yaxshi ko'rsatilgan (batafsil ma'lumot uchun S4-rasmga qarang). Hozircha faqat Ti3C2TX MXene ning ekotoksikligi turli usullar bilan o'rganilgan. U zebrafish embrionlari uchun zaharli emas44, lekin Desmodesmus quadricauda va Sorghum saccharatum mikrosuv o'simliklari uchun o'rtacha darajada ekotoksikdir45. Muayyan ta'sirlarning boshqa misollari orasida oddiy hujayra liniyalariga qaraganda saraton hujayra liniyalariga yuqori toksiklik bor46,47. Sinov sharoitlari Nb-MXenlar ishtirokida kuzatilgan mikrosuv o'simliklarining o'sishidagi o'zgarishlarga ta'sir qiladi deb taxmin qilish mumkin. Masalan, xloroplast stromasida taxminan 8 pH RuBisCO fermentining samarali ishlashi uchun maqbuldir. Shuning uchun pH o'zgarishlari fotosintez tezligiga salbiy ta'sir qiladi48,49. Biroq, biz tajriba davomida pH dagi sezilarli o'zgarishlarni kuzatmadik (batafsil ma'lumot uchun SI, S5-rasmga qarang). Umuman olganda, Nb-MXenlar bilan mikrosuv o'simliklarining kulturalari vaqt o'tishi bilan eritmaning pH qiymatini biroz pasaytirdi. Biroq, bu pasayish sof muhitning pH qiymatidagi o'zgarishga o'xshash edi. Bundan tashqari, topilgan o'zgarishlar diapazoni sof mikrosuv o'simliklari kulturasi uchun o'lchangan o'zgarishlarga o'xshash edi (nazorat namunasi). Shunday qilib, biz fotosintezga vaqt o'tishi bilan pH o'zgarishi ta'sir qilmaydi degan xulosaga keldik.
Bundan tashqari, sintezlangan MXenlarning sirt uchlari mavjud (Tx deb belgilanadi). Bular asosan -O, -F va -OH funktsional guruhlari. Biroq, sirt kimyosi sintez usuli bilan bevosita bog'liq. Bu guruhlar sirt bo'ylab tasodifiy taqsimlanganligi ma'lum, bu ularning MXene50 xususiyatlariga ta'sirini oldindan aytib berishni qiyinlashtiradi. Tx niobiyning yorug'lik ta'sirida oksidlanishining katalitik kuchi bo'lishi mumkin, deb bahslashish mumkin. Sirt funktsional guruhlari, albatta, ularning ostidagi fotokatalizatorlar uchun heterojunctionlarni hosil qilish uchun bir nechta langar joylarini ta'minlaydi51. Biroq, o'sish muhitining tarkibi samarali fotokatalizatorni ta'minlamadi (batafsil muhit tarkibini SI S6 jadvalida topish mumkin). Bundan tashqari, har qanday sirt modifikatsiyasi ham juda muhimdir, chunki MXenlarning biologik faolligi qatlamni qayta ishlash, oksidlanish, organik va noorganik birikmalarning kimyoviy sirt modifikatsiyasi52,53,54,55,56 yoki sirt zaryad muhandisligi38 tufayli o'zgarishi mumkin. Shuning uchun, niobiy oksidining muhitdagi material beqarorligi bilan bog'liqligini tekshirish uchun biz mikrosuv o'simliklari o'sish muhitida va deionlangan suvda zeta (ζ) potensialini o'rganish bo'yicha tadqiqotlar o'tkazdik (taqqoslash uchun). Bizning natijalarimiz shuni ko'rsatadiki, SL Nb-MXenlar ancha barqaror (MAX va ML natijalari uchun SI S6-rasmga qarang). SL MXenlarning zeta potensiali taxminan -10 mV ni tashkil qiladi. SR Nb2CTx holatida, ζ qiymati Nb4C3Tx qiymatiga qaraganda biroz manfiyroq. ζ qiymatining bunday o'zgarishi manfiy zaryadlangan MXen nanoflaklari yuzasi kultura muhitidan musbat zaryadlangan ionlarni yutishini ko'rsatishi mumkin. Madaniy muhitda Nb-MXenlarning zeta potensiali va o'tkazuvchanligining vaqtinchalik o'lchovlari (batafsil ma'lumot uchun SI dagi S7 va S8-rasmlarga qarang) bizning gipotezamizni qo'llab-quvvatlaydiganga o'xshaydi.
Biroq, ikkala Nb-MXene SL ham noldan minimal o'zgarishlarni ko'rsatdi. Bu ularning mikrosuv o'simliklari o'sish muhitidagi barqarorligini aniq ko'rsatadi. Bundan tashqari, biz yashil mikrosuv o'simliklarimizning mavjudligi muhitdagi Nb-MXenlarning barqarorligiga ta'sir qiladimi yoki yo'qligini baholadik. Vaqt o'tishi bilan ozuqaviy muhitda va madaniyatda mikrosuv o'simliklari bilan o'zaro ta'sirlashgandan keyin MXenlarning zeta potensiali va o'tkazuvchanligi natijalarini SI da topish mumkin (S9 va S10-rasmlar). Qizig'i shundaki, biz mikrosuv o'simliklarining mavjudligi ikkala MXenlarning dispersiyasini barqarorlashtirganga o'xshaydi. Nb2CTx SL holatida, zeta potensiali vaqt o'tishi bilan biroz pasayib, salbiyroq qiymatlarga yetdi (72 soatlik inkubatsiyadan keyin -15,8 va -19,1 mV). SL Nb4C3TX ning zeta potensiali biroz oshdi, ammo 72 soatdan keyin u mikrosuv o'simliklari bo'lmagan nanoflaklarga qaraganda yuqori barqarorlikni ko'rsatdi (-18,1 va -9,1 mV).
Shuningdek, biz mikrosuv o'tlari ishtirokida inkubatsiya qilingan Nb-MXen eritmalarining past o'tkazuvchanligini aniqladik, bu ozuqaviy muhitda ionlar miqdorining pastligidan dalolat beradi. Shunisi e'tiborga loyiqki, suvdagi MXenlarning beqarorligi asosan sirt oksidlanishiga bog'liq57. Shuning uchun biz yashil mikrosuv o'tlari qandaydir tarzda Nb-MXen yuzasida hosil bo'lgan oksidlarni tozalagan va hatto ularning paydo bo'lishining oldini olgan deb taxmin qilamiz (MXenning oksidlanishi). Buni mikrosuv o'tlari tomonidan so'rilgan moddalar turlarini o'rganish orqali ko'rish mumkin.
Ekotoksikologik tadqiqotlarimiz mikrosuv o'tlari vaqt o'tishi bilan Nb-MXenlarning toksikligini va stimulyatsiya qilingan o'sishning g'ayrioddiy inhibisyonini yengib o'tishga qodirligini ko'rsatgan bo'lsa-da, tadqiqotimizning maqsadi mumkin bo'lgan ta'sir mexanizmlarini o'rganish edi. Suv o'tlari kabi organizmlar o'z ekotizimlariga notanish birikmalar yoki materiallarga duchor bo'lganda, ular turli yo'llar bilan reaksiyaga kirishishi mumkin58,59. Zaharli metall oksidlari bo'lmagan taqdirda, mikrosuv o'tlari o'zlarini oziqlantirishi mumkin, bu esa ularning doimiy ravishda o'sishiga imkon beradi60. Zaharli moddalarni iste'mol qilgandan so'ng, shakli yoki shaklini o'zgartirish kabi himoya mexanizmlari faollashishi mumkin. Yutilish ehtimolini ham hisobga olish kerak58,59. Shunisi e'tiborga loyiqki, himoya mexanizmining har qanday belgisi sinov birikmasining toksikligining aniq ko'rsatkichidir. Shuning uchun, keyingi ishimizda biz SL Nb-MXen nanoflaklari va mikrosuv o'tlari o'rtasidagi SEM orqali potentsial sirt o'zaro ta'sirini va Nb asosidagi MXenning rentgen-fluoresans spektroskopiyasi (XRF) orqali mumkin bo'lgan yutilishini o'rganib chiqdik. E'tibor bering, SEM va XRF tahlillari faollik toksikligi muammolarini hal qilish uchun faqat MXenning eng yuqori konsentratsiyasida o'tkazildi.
SEM natijalari 4-rasmda ko'rsatilgan. Davolanmagan mikrosuv o'tlari hujayralari (4a-rasmga qarang, namunaviy namuna) odatiy R. subcapitata morfologiyasini va kruassanga o'xshash hujayra shaklini aniq ko'rsatdi. Hujayralar yassilangan va biroz tartibsiz ko'rinadi. Ba'zi mikrosuv o'tlari hujayralari bir-birining ustiga chiqib, chalkashib ketgan, ammo bu, ehtimol, namunani tayyorlash jarayoni tufayli yuzaga kelgan. Umuman olganda, sof mikrosuv o'tlari hujayralari silliq yuzaga ega edi va hech qanday morfologik o'zgarishlarni ko'rsatmadi.
SEM tasvirlari, ekstremal konsentratsiyada (100 mg L-1) 72 soatlik o'zaro ta'sirdan so'ng yashil mikrosuv o'tlari va MXene nanoshujayralari orasidagi sirt o'zaro ta'sirini ko'rsatadi. (a) SL (b) Nb2CTx va (c) Nb4C3TX MXenlar bilan o'zaro ta'sirdan so'ng ishlov berilmagan yashil mikrosuv o'tlari. E'tibor bering, Nb-MXene nanoshujayralari qizil o'qlar bilan belgilangan. Taqqoslash uchun optik mikroskopdan olingan fotosuratlar ham qo'shilgan.
Aksincha, SL Nb-MXen nanoflaklari tomonidan adsorbsiyalangan mikrosuv o'tlari hujayralari shikastlangan (4b, c-rasmlarga, qizil strelkalarga qarang). Nb2CTx MXene holatida (4b-rasm), mikrosuv o'tlari biriktirilgan ikki o'lchovli nanoskalalar bilan o'sishga moyil bo'lib, bu ularning morfologiyasini o'zgartirishi mumkin. Shunisi e'tiborga loyiqki, biz bu o'zgarishlarni yorug'lik mikroskopiyasi ostida ham kuzatdik (batafsil ma'lumot uchun SI S11-rasmga qarang). Ushbu morfologik o'tish mikrosuv o'tlari fiziologiyasida va ularning hujayra morfologiyasini o'zgartirish orqali o'zlarini himoya qilish qobiliyatida, masalan, hujayra hajmini oshirishda ishonchli asosga ega61. Shuning uchun, aslida Nb-MXenlar bilan aloqada bo'lgan mikrosuv o'tlari hujayralari sonini tekshirish muhimdir. SEM tadqiqotlari shuni ko'rsatdiki, mikrosuv o'tlari hujayralarining taxminan 52% Nb-MXenlarga duchor bo'lgan, bu mikrosuv o'tlari hujayralarining 48% esa aloqadan qochgan. SL Nb4C3Tx MXene uchun mikrosuv o'tlari MXene bilan aloqa qilishdan qochishga harakat qiladi, shu bilan ikki o'lchovli nano-o'lchamlardan lokalizatsiya qilinadi va o'sadi (4c-rasm). Biroq, biz nano-o'lchamlarning mikrosuv o'tlari hujayralariga kirib borishini va ularning shikastlanishini kuzatmadik.
O'zini saqlash, shuningdek, hujayra yuzasida zarrachalarning adsorbsiyasi va soyalash (soyalash) effekti deb ataladigan fotosintezning bloklanishiga vaqtga bog'liq javob xatti-harakatidir62. Mikrosuv o'tlari va yorug'lik manbai orasidagi har bir obyekt (masalan, Nb-MXen nanoflaklari) xloroplastlar tomonidan yutilgan yorug'lik miqdorini cheklashi aniq. Biroq, biz bu olingan natijalarga sezilarli ta'sir ko'rsatishiga shubha qilmaymiz. Bizning mikroskopik kuzatishlarimiz shuni ko'rsatadiki, 2D nanoflaklar, hatto mikrosuv o'tlari hujayralari Nb-MXenlar bilan aloqada bo'lganida ham, mikrosuv o'tlari yuzasiga to'liq o'ralmagan yoki yopishmagan. Buning o'rniga, nanoflaklar yuzasini qoplamasdan mikrosuv o'tlari hujayralariga yo'naltirilgan bo'lib chiqdi. Bunday nanoflaklar/mikrosuv o'tlari to'plami mikrosuv o'tlari hujayralari tomonidan yutilgan yorug'lik miqdorini sezilarli darajada cheklay olmaydi. Bundan tashqari, ba'zi tadqiqotlar hatto ikki o'lchovli nanomateriallar ishtirokida fotosintetik organizmlar tomonidan yorug'lik yutilishini yaxshilaganligini ko'rsatdi63,64,65,66.
SEM tasvirlari mikrosuv o'tlari hujayralari tomonidan niobiyning yutilishini to'g'ridan-to'g'ri tasdiqlay olmaganligi sababli, bizning keyingi tadqiqotimiz bu masalani aniqlashtirish uchun rentgen-fluoresans (XRF) va rentgen fotoelektron spektroskopiyasi (XPS) tahliliga murojaat qildi. Shuning uchun biz MXenlar bilan o'zaro ta'sir qilmagan mos yozuvlar mikrosuv o'tlari namunalarining Nb cho'qqilarining intensivligini, mikrosuv o'tlari hujayralari yuzasidan ajralgan MXen nanoflaklarini va biriktirilgan MXenlarni olib tashlaganidan keyin mikrosuv o'tlari hujayralarini taqqosladik. Shuni ta'kidlash kerakki, agar Nb yutilishi bo'lmasa, biriktirilgan nanoskalalar olib tashlangandan keyin mikrosuv o'tlari hujayralari tomonidan olingan Nb qiymati nolga teng bo'lishi kerak. Shuning uchun, agar Nb yutilishi sodir bo'lsa, XRF va XPS natijalari aniq Nb cho'qqisini ko'rsatishi kerak.
XRF spektrlari holatida, mikrosuv o'tlari namunalari SL Nb2CTx va Nb4C3Tx MXene bilan o'zaro ta'sirlashgandan so'ng SL Nb2CTx va Nb4C3Tx MXene uchun Nb cho'qqilarini ko'rsatdi (5a-rasmga qarang, shuningdek, MAX va ML MXenlari uchun natijalar SI, S12–C17-rasmlarda ko'rsatilganligiga e'tibor bering). Qizig'i shundaki, Nb cho'qqisining intensivligi ikkala holatda ham bir xil (5a-rasmdagi qizil chiziqlar). Bu suv o'tlari ko'proq Nb ni yuta olmasligini va hujayralarda Nb to'planishi uchun maksimal sig'imga erishilganligini ko'rsatdi, garchi mikrosuv o'tlari hujayralariga ikki baravar ko'proq Nb4C3Tx MXene biriktirilgan bo'lsa ham (5a-rasmdagi ko'k chiziqlar). Shunisi e'tiborga loyiqki, mikrosuv o'tlarining metallarni yutish qobiliyati atrof-muhitdagi metall oksidlari konsentratsiyasiga bog'liq67,68. Shamshada va boshqalar67 chuchuk suv o'tlarining yutish qobiliyati pH qiymatining oshishi bilan kamayishini aniqladilar. Raize va boshqalar.68 dengiz o'tlarining metallarni yutish qobiliyati Pb2+ uchun Ni2+ ga qaraganda taxminan 25% yuqori ekanligini ta'kidladilar.
(a) SL Nb-MXenlarning (100 mg L-1) ekstremal konsentratsiyasida 72 soat davomida inkubatsiya qilingan yashil mikrosuv o'tlari hujayralari tomonidan bazal Nb ni yutishning XRF natijalari. Natijalar sof mikrosuv o'tlari hujayralarida (nazorat namunasi, kulrang ustunlar), sirt mikrosuv o'tlari hujayralaridan ajratilgan 2D nanoflaklar (ko'k ustunlar) va sirtdan 2D nanoflaklar ajratilgandan keyin mikrosuv o'tlari hujayralarida (qizil ustunlar) α ning mavjudligini ko'rsatadi. Elementar Nb miqdori, (b) SL Nb-MXenlar bilan inkubatsiya qilingandan so'ng mikrosuv o'tlari hujayralarida mavjud bo'lgan mikrosuv o'tlari organik komponentlarining (C=O va CHx/C–O) va Nb oksidlarining kimyoviy tarkibining foizi, (c–e) XPS SL Nb2CTx spektrlarining va (fh) mikrosuv o'tlari hujayralari tomonidan ichkilashtirilgan SL Nb4C3Tx MXenining tarkibiy cho'qqisini moslashtirish.
Shuning uchun biz Nb ni suv o'tlari hujayralari oksidlar shaklida yutishi mumkinligini kutgan edik. Buni sinab ko'rish uchun biz MXenlar Nb2CTx va Nb4C3TX va suv o'tlari hujayralarida XPS tadqiqotlarini o'tkazdik. Mikrosuv o'tlarining Nb-MXenlar va suv o'tlari hujayralaridan ajratilgan MXenlar bilan o'zaro ta'siri natijalari 5b-rasmda ko'rsatilgan. Kutilganidek, biz mikrosuv o'tlari yuzasidan MXenni olib tashlaganimizdan so'ng mikrosuv o'tlari namunalarida Nb 3d cho'qqilarini aniqladik. C=O, CHx/CO va Nb oksidlarining miqdoriy aniqlash inkubatsiya qilingan mikrosuv o'tlaridan olingan Nb2CTx SL (5c–e-rasm) va Nb4C3Tx SL (5c–e-rasm) bilan olingan Nb 3d, O 1s va C 1s spektrlari asosida hisoblab chiqildi. 5f–h-rasm) MXenlar. S1-3-jadvalda moslashtirish natijasida hosil bo'lgan cho'qqi parametrlari va umumiy kimyo tafsilotlari ko'rsatilgan. Shunisi e'tiborga loyiqki, Nb2CTx SL va Nb4C3Tx SL ning Nb 3d mintaqalari (5c-rasm, f) bitta Nb2O5 komponentiga mos keladi. Bu yerda biz spektrlarda MXene bilan bog'liq cho'qqilarni topmadik, bu mikrosuv o'tlari hujayralari faqat Nb ning oksid shaklini yutishini ko'rsatadi. Bundan tashqari, biz C 1s spektrini C–C, CHx/C–O, C=O va –COOH komponentlari bilan yaqinlashtirdik. Biz CHx/C–O va C=O cho'qqilarini mikrosuv o'tlari hujayralarining organik hissasiga bog'ladik. Ushbu organik komponentlar Nb2CTx SL va Nb4C3TX SL dagi C 1s cho'qqilarining mos ravishda 36% va 41% ni tashkil qiladi. Keyin biz SL Nb2CTx va SL Nb4C3TX ning O 1s spektrlarini Nb2O5, mikrosuv o'tlarining organik komponentlari (CHx/CO) va sirt adsorblangan suv bilan moslashtirdik.
Nihoyat, XPS natijalari Nb ning nafaqat mavjudligini, balki uning shaklini ham aniq ko'rsatdi. Nb 3d signalining joylashuvi va dekonvolyutsiya natijalariga ko'ra, biz Nb faqat oksidlar shaklida so'rilishini va ionlar yoki MXenning o'zi emasligini tasdiqlaymiz. Bundan tashqari, XPS natijalari shuni ko'rsatdiki, mikrosuv o'tlari hujayralari SL Nb4C3TX MXene bilan solishtirganda SL Nb2CTx dan Nb oksidlarini yutish qobiliyatiga ega.
Bizning Nb yutilish natijalarimiz ta'sirchan bo'lib, MXene degradatsiyasini aniqlash imkonini beradi, ammo 2D nanoflaklardagi bog'liq morfologik o'zgarishlarni kuzatish uchun hech qanday usul mavjud emas. Shuning uchun, biz 2D Nb-MXene nanoflaklari va mikrosuv o'tlari hujayralarida sodir bo'ladigan har qanday o'zgarishlarga bevosita javob bera oladigan mos usulni ishlab chiqishga qaror qildik. Shuni ta'kidlash kerakki, agar o'zaro ta'sir qiluvchi turlar biron bir transformatsiya, parchalanish yoki defragmentatsiyaga uchrasa, bu tezda shakl parametrlarining o'zgarishi, masalan, ekvivalent dumaloq maydonning diametri, yumaloqlik, Feret kengligi yoki Feret uzunligi kabi o'zgarishi sifatida namoyon bo'lishi kerak deb taxmin qilamiz. Ushbu parametrlar cho'zilgan zarrachalarni yoki ikki o'lchovli nanoflaklarni tavsiflash uchun mos bo'lganligi sababli, ularni dinamik zarracha shakli tahlili orqali kuzatish bizga SL Nb-MXene nanoflaklarining reduksiya paytida morfologik transformatsiyasi haqida qimmatli ma'lumotlarni beradi.
Olingan natijalar 6-rasmda ko'rsatilgan. Taqqoslash uchun biz asl MAX fazasi va ML-MXenlarni ham sinab ko'rdik (SI S18 va S19 rasmlariga qarang). Zarrachalar shaklining dinamik tahlili shuni ko'rsatdiki, ikkita Nb-MXene SL ning barcha shakl parametrlari mikrosuv o'tlari bilan o'zaro ta'sirlashgandan so'ng sezilarli darajada o'zgargan. Ekvivalent dumaloq maydon diametri parametri (6a, b-rasm) bilan ko'rsatilgandek, katta nanoparchalar fraksiyasining cho'qqi intensivligining pasayishi ularning kichikroq bo'laklarga parchalanishga moyilligini ko'rsatadi. 6c-rasmda, d-rasmda parchalarning ko'ndalang o'lchami (nanofarchalarning cho'zilishi) bilan bog'liq cho'qqilarning pasayishi ko'rsatilgan, bu 2D nanofarchalarning zarrachaga o'xshash shaklga aylanishini ko'rsatadi. 6e-h-rasmda mos ravishda Feretning kengligi va uzunligi ko'rsatilgan. Feretning kengligi va uzunligi bir-birini to'ldiruvchi parametrlar bo'lib, shuning uchun ularni birgalikda ko'rib chiqish kerak. 2D Nb-MXene nanofarchalarini mikrosuv o'tlari ishtirokida inkubatsiya qilgandan so'ng, ularning Feret korrelyatsiya cho'qqilari siljidi va ularning intensivligi pasaydi. Ushbu natijalarga morfologiya, XRF va XPS bilan birgalikda asoslanib, biz kuzatilgan o'zgarishlar oksidlanish bilan chambarchas bog'liq degan xulosaga keldik, chunki oksidlangan MXenlar yanada ajinlanib, bo'laklarga va sharsimon oksid zarralariga parchalanadi69,70.
Yashil mikrosuv o'tlari bilan o'zaro ta'sirdan keyin MXen transformatsiyasini tahlil qilish. Dinamik zarrachalar shaklini tahlil qilishda (a, b) ekvivalent dumaloq maydonning diametri, (c, d) yumaloqlik, (e, f) Feret kengligi va (g, h) Feret uzunligi kabi parametrlar hisobga olinadi. Shu maqsadda ikkita mos yozuvlar mikrosuv o'tlari namunalari birlamchi SL Nb2CTx va SL Nb4C3Tx MXenlar, SL Nb2CTx va SL Nb4C3Tx MXenlar, parchalangan mikrosuv o'tlari va ishlov berilgan mikrosuv o'tlari SL Nb2CTx va SL Nb4C3Tx MXenlar bilan birgalikda tahlil qilindi. Qizil strelkalar o'rganilayotgan ikki o'lchovli nanoflaklarning shakl parametrlarining o'tishlarini ko'rsatadi.
Shakl parametrlarini tahlil qilish juda ishonchli bo'lgani uchun, u mikrosuv o'tlari hujayralaridagi morfologik o'zgarishlarni ham aniqlashi mumkin. Shuning uchun, biz 2D Nb nanoflaklari bilan o'zaro ta'sirdan keyin sof mikrosuv o'tlari hujayralari va hujayralarining ekvivalent dumaloq maydon diametri, yumaloqligi va Feret kengligi/uzunligini tahlil qildik. 6a–h-rasmda suv o'tlari hujayralarining shakl parametrlaridagi o'zgarishlar ko'rsatilgan, bu cho'qqi intensivligining pasayishi va maksimal qiymatlarning yuqori qiymatlarga siljishi bilan tasdiqlanadi. Xususan, hujayra yumaloqligi parametrlari cho'zilgan hujayralarning kamayishi va sharsimon hujayralarning ko'payishini ko'rsatdi (6a, b-rasm). Bundan tashqari, Feret hujayra kengligi SL Nb2CTx MXene bilan o'zaro ta'sirdan keyin bir necha mikrometrga oshdi (6e-rasm), SL Nb4C3TX MXene bilan solishtirganda (6f-rasm). Biz buning Nb2CTx SR bilan o'zaro ta'sirlashganda mikrosuv o'tlari tomonidan Nb oksidlarining kuchli so'rilishi bilan bog'liq bo'lishi mumkin deb taxmin qilamiz. Nb fraklarining ularning yuzasiga kamroq qattiq birikishi minimal soya effekti bilan hujayra o'sishiga olib kelishi mumkin.
Mikrosuv o'tlari shakli va o'lchami parametrlarining o'zgarishini kuzatishlarimiz boshqa tadqiqotlarni to'ldiradi. Yashil mikrosuv o'tlari atrof-muhit stressiga javoban hujayra hajmini, shaklini yoki metabolizmini o'zgartirish orqali o'z morfologiyasini o'zgartirishi mumkin61. Masalan, hujayralar hajmini o'zgartirish ozuqa moddalarining so'rilishini osonlashtiradi71. Kichikroq suv o'tlari hujayralari ozuqa moddalarining kamroq so'rilishini va o'sish sur'atining pasayishini ko'rsatadi. Aksincha, kattaroq hujayralar ko'proq ozuqa moddalarini iste'mol qilishga moyil bo'ladi, keyin ular hujayra ichida to'planadi72,73. Machado va Soares fungitsid triklosan hujayra hajmini oshirishi mumkinligini aniqladilar. Ular shuningdek, suv o'tlari shaklida chuqur o'zgarishlarni aniqladilar74. Bundan tashqari, Yin va boshqalar9 shuningdek, grafen oksidi nanokompozitlarining kamayishiga duchor bo'lgandan keyin suv o'tlarida morfologik o'zgarishlarni aniqladilar. Shuning uchun, mikrosuv o'tlarining o'zgargan o'lcham/shakl parametrlari MXen mavjudligidan kelib chiqishi aniq. Hajm va shakldagi bu o'zgarish ozuqa moddalarining so'rilishidagi o'zgarishlarni ko'rsatganligi sababli, biz vaqt o'tishi bilan o'lcham va shakl parametrlarini tahlil qilish Nb-MXenlar ishtirokida mikrosuv o'tlari tomonidan niobiy oksidining so'rilishini ko'rsatishi mumkin deb hisoblaymiz.
Bundan tashqari, MXenlar suv o'tlari ishtirokida oksidlanishi mumkin. Dalay va boshqalar.75 nano-TiO2 va Al2O376 ta'siriga uchragan yashil suv o'tlarining morfologiyasi bir xil emasligini kuzatdilar. Bizning kuzatishlarimiz ushbu tadqiqotga o'xshash bo'lsa-da, u faqat 2D nanopartikullar ishtirokida MXen parchalanish mahsulotlari nuqtai nazaridan bioremediatsiya ta'sirini o'rganish uchun tegishli, nanopartikullar emas. MXenlar metall oksidlariga parchalanishi mumkinligi sababli,31,32,77,78 bizning Nb nanopartikullarimiz mikrosuv o'tlari hujayralari bilan o'zaro ta'sirlashgandan so'ng Nb oksidlarini ham hosil qilishi mumkin deb taxmin qilish oqilona.
Oksidlanish jarayoniga asoslangan parchalanish mexanizmi orqali 2D-Nb nanoflaklarining kamayishini tushuntirish uchun biz yuqori aniqlikdagi transmissiya elektron mikroskopiyasi (HRTEM) (7a,b-rasm) va rentgen fotoelektron spektroskopiyasi (XPS) (7-rasm) yordamida tadqiqotlar o'tkazdik. 7c-i va S4-5 jadvallari). Ikkala yondashuv ham 2D ​​materiallarning oksidlanishini o'rganish uchun mos keladi va bir-birini to'ldiradi. HRTEM ikki o'lchovli qatlamli tuzilmalarning degradatsiyasini va keyinchalik metall oksidi nanopartikullarining paydo bo'lishini tahlil qila oladi, XPS esa sirt bog'lanishlariga sezgir. Shu maqsadda biz mikrosuv o'tlari hujayralari dispersiyalaridan ajratib olingan 2D Nb-MXene nanoflaklarini, ya'ni ularning mikrosuv o'tlari hujayralari bilan o'zaro ta'sirdan keyingi shaklini sinovdan o'tkazdik (7-rasmga qarang).
Oksidlangan (a) SL Nb2CTx va (b) SL Nb4C3Tx MXenlarning morfologiyasini ko'rsatuvchi HRTEM tasvirlari, XPS tahlil natijalari (c) oksid mahsulotlarining qaytarilishdan keyingi tarkibini, (d–f) yashil mikrosuv o'tlari bilan tiklangan SL Nb2CTx va (g–i) Nb4C3Tx SL ning XPS spektrlari komponentlarining cho'qqilarini moslashtirishni ko'rsatadi.
HRTEM tadqiqotlari ikki turdagi Nb-MXene nanoflaklarining oksidlanishini tasdiqladi. Nanoflaklar ma'lum darajada ikki o'lchovli morfologiyasini saqlab qolgan bo'lsa-da, oksidlanish natijasida MXene nanoflaklari yuzasini qoplagan ko'plab nanopartikullar paydo bo'ldi (7a, b-rasmlarga qarang). c Nb 3d va O 1s signallarining XPS tahlili ikkala holatda ham Nb oksidlari hosil bo'lganligini ko'rsatdi. 7c-rasmda ko'rsatilganidek, 2D MXene Nb2CTx va Nb4C3TX NbO va Nb2O5 oksidlarining mavjudligini ko'rsatuvchi Nb 3d signallariga ega, O 1s signallari esa 2D nanoflak yuzasining funksionalizatsiyasi bilan bog'liq O-Nb bog'lanishlari sonini ko'rsatadi. Biz Nb oksidining hissasi Nb-C va Nb3+-O ga nisbatan dominant ekanligini payqadik.
7g–i-rasmlarda mikrosuv o'tlari hujayralaridan ajratilgan Nb 3d, C 1s va O 1s SL Nb2CTx (7d–f-rasmlarga qarang) va SL Nb4C3TX MXenlarining XPS spektrlari ko'rsatilgan. Nb-MXenlarning cho'qqi parametrlari tafsilotlari mos ravishda S4–5-jadvallarda keltirilgan. Avval biz Nb 3d tarkibini tahlil qildik. Mikrosuv o'tlari hujayralari tomonidan so'rilgan Nb dan farqli o'laroq, mikrosuv o'tlari hujayralaridan ajratilgan MXenda Nb2O5 dan tashqari boshqa komponentlar topildi. Nb2CTx SL da biz Nb3+-O ning 15% miqdorida hissasini kuzatdik, Nb 3d spektrining qolgan qismida esa Nb2O5 (85%) ustunlik qildi. Bundan tashqari, SL Nb4C3TX namunasida Nb-C (9%) va Nb2O5 (91%) komponentlari mavjud. Bu yerda Nb-C Nb4C3Tx SR dagi metall karbidning ikkita ichki atom qatlamidan kelib chiqadi. Keyin biz ichkilashtirilgan namunalarda bo'lgani kabi C 1s spektrlarini to'rt xil komponentga xaritalaymiz. Kutilganidek, C 1s spektrida grafit uglerod ustunlik qiladi, undan keyin mikrosuv o'tlari hujayralaridan organik zarrachalar (CHx/CO va C=O) hissasi keladi. Bundan tashqari, O 1s spektrida biz mikrosuv o'tlari hujayralarining organik shakllari, niobiy oksidi va adsorblangan suvning hissasini kuzatdik.
Bundan tashqari, biz Nb-MXenlarning parchalanishi ozuqaviy muhitda va/yoki mikrosuv o'tlari hujayralarida reaktiv kislorod turlarining (ROS) mavjudligi bilan bog'liqligini tekshirdik. Shu maqsadda biz madaniyat muhitidagi singlet kislorod (1O2) va mikrosuv o'tlarida antioksidant vazifasini bajaruvchi tiol bo'lgan hujayra ichidagi glutation darajasini baholadik. Natijalar SI da ko'rsatilgan (S20 va S21-rasmlar). SL Nb2CTx va Nb4C3TX MXenlari bo'lgan madaniyatlar 1O2 ning kamaygan miqdori bilan tavsiflangan (S20-rasmga qarang). SL Nb2CTx holatida MXene 1O2 taxminan 83% gacha kamayadi. SL dan foydalanadigan mikrosuv o'tlari madaniyatlari uchun Nb4C3TX 1O2 yanada kamayib, 73% gacha yetdi. Qizig'i shundaki, 1O2 dagi o'zgarishlar ilgari kuzatilgan inhibitiv-stimulyatsion ta'sir bilan bir xil tendentsiyani ko'rsatdi (3-rasmga qarang). Yorqin nurda inkubatsiya fotooksidlanishni o'zgartirishi mumkinligi haqida bahslashish mumkin. Biroq, nazorat tahlili natijalari tajriba davomida 1O2 ning deyarli doimiy darajasini ko'rsatdi (S22-rasm). Hujayra ichidagi ROS darajalari holatida biz ham xuddi shunday pasayish tendentsiyasini kuzatdik (S21-rasmga qarang). Dastlab, Nb2CTx va Nb4C3Tx SL ishtirokida o'stirilgan mikrosuv o'tlari hujayralaridagi ROS darajalari mikrosuv o'tlarining sof kulturalaridagi darajadan oshib ketdi. Biroq, oxir-oqibat, mikrosuv o'tlari ikkala Nb-MXenlarning mavjudligiga moslashgani ma'lum bo'ldi, chunki ROS darajalari SL Nb2CTx va Nb4C3TX bilan emlangan mikrosuv o'tlarining sof kulturalarida o'lchangan darajalarning mos ravishda 85% va 91% gacha pasaydi. Bu mikrosuv o'tlari vaqt o'tishi bilan faqat ozuqaviy muhitga qaraganda Nb-MXen ishtirokida o'zlarini qulayroq his qilishlarini ko'rsatishi mumkin.
Mikrosuv o'tlari fotosintetik organizmlarning xilma-xil guruhidir. Fotosintez jarayonida ular atmosfera karbonat angidridini (CO2) organik uglerodga aylantiradi. Fotosintez mahsulotlari glyukoza va kisloroddir79. Biz shu tarzda hosil bo'lgan kislorod Nb-MXenlarning oksidlanishida muhim rol o'ynashiga shubha qilamiz. Buning mumkin bo'lgan izohlaridan biri shundaki, differentsial aeratsiya parametri Nb-MXen nanoflaklarining tashqarisida va ichida kislorodning past va yuqori qisman bosimida hosil bo'ladi. Bu shuni anglatadiki, kislorodning turli qisman bosimi bo'lgan joylar mavjud bo'lgan joyda eng past darajaga ega maydon anod 80, 81, 82 ni hosil qiladi. Bu yerda mikrosuv o'tlari fotosintetik xususiyatlari tufayli kislorod ishlab chiqaradigan MXen parchalari yuzasida differentsial aeratsiyalangan hujayralarni yaratishga hissa qo'shadi. Natijada, biokorroziya mahsulotlari (bu holda, niobiy oksidlari) hosil bo'ladi. Yana bir jihati shundaki, mikrosuv o'tlari suvga chiqariladigan organik kislotalarni ishlab chiqarishi mumkin83,84. Shuning uchun agressiv muhit hosil bo'ladi va shu bilan Nb-MXenlarni o'zgartiradi. Bundan tashqari, mikrosuv o'tlari karbonat angidridning yutilishiga bog'liq holda muhitning pH qiymatini ishqoriy holatga o'zgartirishi mumkin, bu esa korroziyaga ham olib kelishi mumkin79.
Eng muhimi, bizning tadqiqotimizda qo'llanilgan qorong'u/yorug'lik fotoperiodi olingan natijalarni tushunish uchun juda muhimdir. Bu jihat Djemai-Zoghlache va boshqalarda batafsil tasvirlangan. 85 Ular qizil mikrosuv o'tlari Porphyridium purpureum tomonidan biofouling bilan bog'liq biokorroziyani namoyish qilish uchun ataylab 12/12 soatlik fotoperiodidan foydalanganlar. Ular fotoperiodi biokorroziyasiz potensialning evolyutsiyasi bilan bog'liqligini va soat 24:00 atrofida psevdoperiodik tebranishlar sifatida namoyon bo'lishini ko'rsatadilar. Bu kuzatuvlar Dowling va boshqalar tomonidan tasdiqlangan. 86 Ular Anabaena siyanobakteriyalarining fotosintetik biofilmlarini namoyish etdilar. Erigan kislorod yorug'lik ta'sirida hosil bo'ladi, bu esa erkin biokorroziya potensialining o'zgarishi yoki tebranishlari bilan bog'liq. Fotoperiodiodning ahamiyati biokorroziya uchun erkin potensial yorug'lik fazasida ortishi va qorong'u fazada kamayishi bilan ta'kidlanadi. Bu fotosintetik mikrosuv o'tlari tomonidan ishlab chiqariladigan kislorod bilan bog'liq bo'lib, u elektrodlar yaqinida hosil bo'ladigan qisman bosim orqali katodik reaksiyaga ta'sir qiladi87.
Bundan tashqari, Nb-MXenlar bilan o'zaro ta'sirlashgandan so'ng mikrosuv o'tlari hujayralarining kimyoviy tarkibida biron bir o'zgarish yuz berganligini aniqlash uchun Furye konvertatsiyali infraqizil spektroskopiyasi (FTIR) o'tkazildi. Olingan natijalar murakkab va biz ularni SI formatida taqdim etamiz (S23-S25-rasmlar, jumladan, MAX bosqichi va ML MXenlar natijalari). Xulosa qilib aytganda, mikrosuv o'tlarining olingan mos yozuvlar spektrlari bizga ushbu organizmlarning kimyoviy xususiyatlari haqida muhim ma'lumotlarni beradi. Bu eng ehtimoliy tebranishlar 1060 sm-1 (CO), 1540 sm-1, 1640 sm-1 (C=C), 1730 sm-1 (C=O), 2850 sm-1, 2920 sm-1 chastotalarida joylashgan. 1.1 1 (C–H) va 3280 sm–1 (O–H). SL Nb-MXenlar uchun biz avvalgi tadqiqotimizga mos keladigan CH-bog'lanish cho'zilish imzosini topdik38. Biroq, biz C=C va CH bog'lanishlari bilan bog'liq ba'zi qo'shimcha cho'qqilarning yo'qolganini kuzatdik. Bu shuni ko'rsatadiki, mikrosuv o'tlarining kimyoviy tarkibi SL Nb-MXenlar bilan o'zaro ta'sir tufayli kichik o'zgarishlarga duch kelishi mumkin.
Mikrosuv o'tlari biokimyosidagi mumkin bo'lgan o'zgarishlarni ko'rib chiqishda, niobiy oksidi kabi noorganik oksidlarning to'planishini qayta ko'rib chiqish kerak59. U hujayra yuzasi tomonidan metallarning so'rilishida, ularning sitoplazmaga tashilishini, hujayra ichidagi karboksil guruhlari bilan bog'lanishini va mikrosuv o'tlari polifosfosomalarida to'planishida ishtirok etadi20,88,89,90. Bundan tashqari, mikrosuv o'tlari va metallar o'rtasidagi bog'liqlik hujayralarning funktsional guruhlari tomonidan saqlanadi. Shu sababli, so'rilish mikrosuv o'tlari sirt kimyosiga ham bog'liq, bu juda murakkab9,91. Umuman olganda, kutilganidek, yashil mikrosuv o'tlarining kimyoviy tarkibi Nb oksidining so'rilishi tufayli biroz o'zgardi.
Qizig'i shundaki, mikrosuv o'tlarining kuzatilgan dastlabki inhibatsiyasi vaqt o'tishi bilan qaytar edi. Biz kuzatganimizdek, mikrosuv o'tlari dastlabki atrof-muhit o'zgarishini yengib o'tdi va oxir-oqibat normal o'sish sur'atlariga qaytdi va hatto oshdi. Zeta potensialini o'rganish ozuqaviy muhitga kiritilganda yuqori barqarorlikni ko'rsatadi. Shunday qilib, mikrosuv o'tlari hujayralari va Nb-MXene nanoflaklari orasidagi sirt o'zaro ta'siri reduksiya tajribalari davomida saqlanib qoldi. Keyingi tahlilimizda biz mikrosuv o'tlarining bu ajoyib xatti-harakatlarining asosiy ta'sir mexanizmlarini umumlashtiramiz.
SEM kuzatuvlari shuni ko'rsatdiki, mikrosuv o'tlari Nb-MXenlarga birikishga moyil. Dinamik tasvir tahlilidan foydalanib, biz bu ta'sir ikki o'lchovli Nb-MXen nanoflaklarining ko'proq sharsimon zarrachalarga aylanishiga olib kelishini tasdiqlaymiz va shu bilan nanoflaklarning parchalanishi ularning oksidlanishi bilan bog'liqligini ko'rsatamiz. Gipotezamizni sinab ko'rish uchun biz bir qator material va biokimyoviy tadqiqotlar o'tkazdik. Sinovdan so'ng, nanoflaklar asta-sekin oksidlanib, NbO va Nb2O5 mahsulotlariga parchalandi, bu esa yashil mikrosuv o'tlari uchun xavf tug'dirmadi. FTIR kuzatuvidan foydalanib, biz 2D Nb-MXen nanoflaklari ishtirokida inkubatsiya qilingan mikrosuv o'tlarining kimyoviy tarkibida sezilarli o'zgarishlarni topmadik. Mikrosuv o'tlari tomonidan niobiy oksidining so'rilish ehtimolini hisobga olgan holda, biz rentgen floresans tahlilini o'tkazdik. Ushbu natijalar o'rganilgan mikrosuv o'tlari o'rganilayotgan mikrosuv o'tlari uchun toksik bo'lmagan niobiy oksidlari (NbO va Nb2O5) bilan oziqlanishini aniq ko'rsatib turibdi.