شكرًا لزيارتكم موقع Nature.com. أنتم تستخدمون إصدار متصفح يدعم CSS بشكل محدود. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح مُحدّث (أو تعطيل وضع التوافق في متصفح Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، سنُقدّم الموقع بدون أنماط أو جافا سكريبت.
يعرض عرضًا دائريًا لثلاث شرائح دفعةً واحدة. استخدم زري "السابق" و"التالي" للتنقل بين ثلاث شرائح في آنٍ واحد، أو استخدم أزرار التمرير في النهاية للتنقل بين ثلاث شرائح في آنٍ واحد.
إن التطور السريع لتكنولوجيا النانو ودمجها في التطبيقات اليومية قد يهدد البيئة. في حين أن الطرق الخضراء لتحلل الملوثات العضوية راسخة، فإن استعادة الملوثات البلورية غير العضوية تشكل مصدر قلق كبير نظرًا لانخفاض حساسيتها للتحول الحيوي وعدم فهم تفاعلات سطح المادة مع الملوثات البيولوجية. في هذا البحث، نستخدم نموذجًا ثنائي الأبعاد من MXenes غير عضوي قائم على النيوبيوم، مقترنًا بطريقة تحليل بسيطة لمعلمات الشكل، لتتبع آلية المعالجة الحيوية للمواد النانوية الخزفية ثنائية الأبعاد بواسطة الطحالب الخضراء الدقيقة Raphidocelis subcapitata. وجدنا أن الطحالب الدقيقة تحلل MXenes القائمة على النيوبيوم بسبب التفاعلات الفيزيائية والكيميائية المتعلقة بالسطح. في البداية، التصقت رقائق نانوية من MXene أحادية الطبقة ومتعددة الطبقات بسطح الطحالب الدقيقة، مما قلل إلى حد ما من نمو الطحالب. ومع ذلك، عند التفاعل المطول مع السطح، أكسدت الطحالب الدقيقة رقائق نانوية من MXene وحللتها إلى NbO وNb2O5. لأن هذه الأكاسيد غير سامة لخلايا الطحالب الدقيقة، فإنها تستهلك جسيمات أكسيد النيوبيوم النانوية من خلال آلية امتصاص تُعيد الطحالب الدقيقة إلى حالتها الأصلية بعد 72 ساعة من معالجة المياه. كما تنعكس آثار العناصر الغذائية المرتبطة بالامتصاص في زيادة حجم الخلايا، وشكلها الأملس، وتغير معدل نموها. بناءً على هذه النتائج، نستنتج أن وجود MXenes القائمة على النيوبيوم على المدى القصير والطويل في النظم البيئية للمياه العذبة قد لا يُسبب سوى آثار بيئية طفيفة. تجدر الإشارة إلى أنه باستخدام المواد النانوية ثنائية الأبعاد كأنظمة نموذجية، نُظهر إمكانية تتبع تحول الشكل حتى في المواد دقيقة الحبيبات. بشكل عام، تُجيب هذه الدراسة على سؤال أساسي مهم حول العمليات المتعلقة بالتفاعل السطحي التي تُحرك آلية المعالجة الحيوية للمواد النانوية ثنائية الأبعاد، وتُوفر أساسًا لمزيد من الدراسات قصيرة وطويلة الأجل حول التأثير البيئي للمواد النانوية البلورية غير العضوية.
لقد أثارت المواد النانوية اهتمامًا كبيرًا منذ اكتشافها، ودخلت تقنيات النانو المختلفة مؤخرًا مرحلة تحديث1. ولسوء الحظ، قد يؤدي دمج المواد النانوية في التطبيقات اليومية إلى انبعاثات عرضية بسبب التخلص غير السليم، أو التعامل غير الدقيق، أو عدم كفاية البنية التحتية للسلامة. لذلك، من المنطقي افتراض أن المواد النانوية، بما في ذلك المواد النانوية ثنائية الأبعاد (2D)، يمكن أن تتسرب إلى البيئة الطبيعية، والتي لم يُفهم سلوكها ونشاطها البيولوجي بشكل كامل بعد. لذلك، ليس من المستغرب أن تركز مخاوف السمية البيئية على قدرة المواد النانوية ثنائية الأبعاد على التسرب إلى الأنظمة المائية2،3،4،5،6. في هذه النظم البيئية، يمكن لبعض المواد النانوية ثنائية الأبعاد التفاعل مع كائنات حية مختلفة على مستويات غذائية مختلفة، بما في ذلك الطحالب الدقيقة.
الطحالب الدقيقة كائنات بدائية توجد طبيعيًا في النظم البيئية للمياه العذبة والبحرية، وتُنتج مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية من خلال عملية التمثيل الضوئي7. ولذلك، فهي بالغة الأهمية للنظم البيئية المائية8،9،10،11،12، كما أنها تُعدّ مؤشرات حساسة وغير مكلفة وواسعة الاستخدام للسمية البيئية13،14. ونظرًا لتكاثر خلايا الطحالب الدقيقة بسرعة واستجابتها السريعة لوجود مركبات مختلفة، فإنها تُعدّ واعدة لتطوير أساليب صديقة للبيئة لمعالجة المياه الملوثة بالمواد العضوية15،16.
تستطيع خلايا الطحالب إزالة الأيونات غير العضوية من الماء من خلال الامتصاص الحيوي والتراكم17،18. بعض أنواع الطحالب، مثل الكلوريلا، والأنابينا إنفار، والويستيلوبسيس بروليفيكا، وستيجيوكلونيوم تينوي، وسينيكوكوكوس إس بي، تحمل، بل وتغذي، أيونات معدنية سامة مثل Fe2+، وCu2+، وZn2+، وMn2+19. أظهرت دراسات أخرى أن أيونات Cu2+، وCd2+، وNi2+، وZn2+، وPb2+ تحد من نمو فطر سينديسموس عن طريق تغيير مورفولوجيا الخلية وتدمير البلاستيدات الخضراء فيها20،21.
استقطبت الطرق الخضراء لتحلل الملوثات العضوية وإزالة أيونات المعادن الثقيلة اهتمام العلماء والمهندسين حول العالم. ويعود ذلك أساسًا إلى سهولة معالجة هذه الملوثات في حالتها السائلة. ومع ذلك، تتميز الملوثات البلورية غير العضوية بانخفاض قابليتها للذوبان في الماء وضعف قابليتها للتحولات الحيوية المختلفة، مما يُسبب صعوبات كبيرة في معالجتها، ولم يُحرز سوى تقدم ضئيل في هذا المجال.22،23،24،25،26 وبالتالي، لا يزال البحث عن حلول صديقة للبيئة لإصلاح المواد النانوية مجالًا معقدًا وغير مستكشف. ونظرًا للغموض الكبير بشأن تأثيرات التحول الحيوي للمواد النانوية ثنائية الأبعاد، لا توجد طريقة سهلة لمعرفة المسارات المحتملة لتحللها أثناء الاختزال.
في هذه الدراسة، استخدمنا الطحالب الدقيقة الخضراء كعامل معالجة حيوية مائية نشط للمواد الخزفية غير العضوية، مع مراقبة عملية تحلل مادة MXene في الموقع كممثل للمواد الخزفية غير العضوية. يعكس مصطلح "MXene" النسبة الكيميائية لمادة Mn+1XnTx، حيث M معدن انتقالي مبكر، وX كربون و/أو نيتروجين، وTx مُنهي سطح (مثل -OH، -F، -Cl)، وn = 1، 2، 3 أو 427.28. منذ اكتشاف MXenes بواسطة نجيب وآخرون، نُشرت دراسة في مجال الاستشعار، وعلاج السرطان، والترشيح الغشائي 27، 29، 30. بالإضافة إلى ذلك، يمكن اعتبار MXenes أنظمة نموذجية ثنائية الأبعاد نظرًا لاستقرارها الغرواني الممتاز وتفاعلاتها البيولوجية المحتملة 31، 32، 33، 34، 35، 36.
لذلك، يوضح الشكل 1 المنهجية التي طُوّرت في هذه المقالة وفرضيات بحثنا. ووفقًا لهذه الفرضية، تُحلّل الطحالب الدقيقة مركبات MXenes القائمة على النيوبيوم إلى مركبات غير سامة نتيجةً للتفاعلات الفيزيائية والكيميائية السطحية، مما يسمح باستعادة الطحالب بشكل أكبر. لاختبار هذه الفرضية، تم اختيار نوعين من عائلة كربيدات و/أو نتريدات الفلزات الانتقالية (MXenes) القائمة على النيوبيوم المبكر، وهما Nb2CTx وNb4C3TX.
منهجية بحث وفرضيات مبنية على أدلة علمية لاستعادة مادة MXene بواسطة الطحالب الخضراء الدقيقة Raphidocelis subcapitata. يُرجى ملاحظة أن هذا مجرد تمثيل تخطيطي للافتراضات المبنية على الأدلة. تختلف بيئة البحيرة في الوسط الغذائي المستخدم والظروف البيئية (مثل الدورة اليومية ونقص العناصر الغذائية الأساسية المتاحة). تم إنشاؤه باستخدام BioRender.com.
لذلك، باستخدام MXene كنظام نموذجي، فتحنا الباب أمام دراسة تأثيرات بيولوجية مختلفة لا يمكن ملاحظتها باستخدام مواد نانوية تقليدية أخرى. على وجه الخصوص، نوضح إمكانية المعالجة الحيوية للمواد النانوية ثنائية الأبعاد، مثل MXenes القائمة على النيوبيوم، بواسطة الطحالب الدقيقة Raphidocelis subcapitata. تستطيع الطحالب الدقيقة تحلل Nb-MXenes إلى أكاسيد غير سامة NbO و Nb2O5، والتي توفر أيضًا العناصر الغذائية من خلال آلية امتصاص النيوبيوم. بشكل عام، تجيب هذه الدراسة على سؤال أساسي مهم حول العمليات المرتبطة بالتفاعلات الفيزيائية والكيميائية السطحية التي تحكم آليات المعالجة الحيوية للمواد النانوية ثنائية الأبعاد. بالإضافة إلى ذلك، نقوم بتطوير طريقة بسيطة قائمة على معلمات الشكل لتتبع التغيرات الطفيفة في شكل المواد النانوية ثنائية الأبعاد. وهذا يلهم المزيد من الأبحاث قصيرة وطويلة الأجل في التأثيرات البيئية المختلفة للمواد النانوية البلورية غير العضوية. وبالتالي، تُعزز دراستنا فهم التفاعل بين سطح المادة والمادة البيولوجية. كما نُرسي الأساس لدراسات موسعة قصيرة وطويلة الأمد حول تأثيراتها المحتملة على النظم البيئية للمياه العذبة، والتي يُمكن الآن التحقق منها بسهولة.
تمثل MXenes فئة مثيرة للاهتمام من المواد ذات خصائص فيزيائية وكيميائية فريدة وجذابة، وبالتالي العديد من التطبيقات المحتملة. تعتمد هذه الخصائص إلى حد كبير على كيمياء سطوحها ونسبها. لذلك، في دراستنا، قمنا بفحص نوعين من MXenes الهرمية أحادية الطبقة (SL) القائمة على النيوبيوم، وهما Nb2CTx وNb4C3TX، حيث يمكن ملاحظة تأثيرات بيولوجية مختلفة لهذه المواد النانوية. يتم إنتاج MXenes من موادها الأولية عن طريق الحفر الانتقائي من أعلى إلى أسفل لطبقات A-طور MAX الرقيقة ذريًا. طور MAX هو سيراميك ثلاثي يتكون من كتل "مرتبطة" من كربيدات المعادن الانتقالية وطبقات رقيقة من عناصر "A" مثل Al وSi وSn بنسب كيمياء MnAXn-1. تمت ملاحظة مورفولوجيا طور MAX الأولي بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وكان متسقًا مع الدراسات السابقة (انظر المعلومات التكميلية، SI، الشكل S1). تم الحصول على Nb-MXene متعدد الطبقات (ML) بعد إزالة طبقة الألومنيوم باستخدام 48% HF (حمض الهيدروفلوريك). فُحص مورفولوجيا ML-Nb2CTx وML-Nb4C3TX باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) (الشكلان S1c وS1d على التوالي)، ولوحظ مورفولوجيا MXene طبقية نموذجية، تشبه رقائق نانوية ثنائية الأبعاد تمر عبر شقوق مسامّية مستطيلة. يتشابه كلا Nb-MXenes في الكثير من الخصائص مع أطوار MXene المُصنّعة سابقًا بواسطة النقش الحمضي27،38. بعد التأكد من بنية MXene، قمنا بتقسيمه إلى طبقات عن طريق تداخل هيدروكسيد رباعي بوتيل الأمونيوم (TBAOH) متبوعًا بالغسل والموجات فوق الصوتية، وبعد ذلك حصلنا على رقائق نانوية ثنائية الأبعاد من Nb-MXene أحادية الطبقة أو منخفضة الطبقة (SL).
استخدمنا مجهرًا إلكترونيًا نافذًا عالي الدقة (HRTEM) وحيود الأشعة السينية (XRD) لاختبار كفاءة الحفر والتقشير الإضافي. تظهر نتائج HRTEM التي عولجت باستخدام تحويل فورييه السريع العكسي (IFFT) وتحويل فورييه السريع (FFT) في الشكل 2. وُجِّهت رقائق نانوية من Nb-MXene باتجاه الحافة لأعلى للتحقق من بنية الطبقة الذرية وقياس المسافات بين المستويات. كشفت صور HRTEM لرقائق نانوية من Nb2CTx وNb4C3TX من MXene عن طبيعتها الطبقية الرقيقة ذريًا (انظر الشكلين 2a1 وa2)، كما ذكر سابقًا نجيب وآخرون27 وجاسترزيبسكا وآخرون38. بالنسبة لطبقتين أحاديتين متجاورتين من Nb2CTx وNb4C3Tx، حددنا مسافات بين الطبقات قدرها 0.74 و1.54 نانومتر، على التوالي (الشكلان 2b1 وb2)، وهو ما يتفق أيضًا مع نتائجنا السابقة38. تم تأكيد ذلك أيضًا من خلال تحويل فورييه السريع العكسي (الشكل 2c1، c2) وتحويل فورييه السريع (الشكل 2d1، d2) اللذين يُظهران المسافة بين الطبقتين الأحاديتين Nb2CTx وNb4C3Tx. تُظهر الصورة تناوبًا بين النطاقات الفاتحة والداكنة المقابلة لذرات النيوبيوم والكربون، مما يؤكد الطبيعة الطبقية لمركبات MXenes المدروسة. من المهم ملاحظة أن أطياف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) المُحصل عليها لـ Nb2CTx وNb4C3Tx (الشكلان S2a وS2b) لم تُظهر أي بقايا من طور MAX الأصلي، حيث لم يتم رصد أي ذروة Al.
توصيف رقائق نانوية من نوع SL Nb2CTx وNb4C3Tx MXene، بما في ذلك (أ) تصوير رقائق نانوية ثنائية الأبعاد بمنظار جانبي عالي الدقة (HRTEM) وما يقابله، (ب) نمط الشدة، (ج) تحويل فورييه السريع العكسي (IFFT)، (د) تحويل فورييه السريع (FFT)، (هـ) أنماط الأشعة السينية لـ Nb-MXenes. بالنسبة لـ SL 2D Nb2CTx، تُعبّر الأرقام عن (a1، b1، c1، d1، e1). بالنسبة لـ SL 2D Nb4C3Tx، تُعبّر الأرقام عن (a2، b2، c2، d2، e1).
تظهر قياسات حيود الأشعة السينية لطبقات MXenes SL Nb2CTx وNb4C3Tx في الشكلين 2e1 وe2 على التوالي. تتوافق القمم (002) عند 4.31 و4.32 مع طبقات MXenes الموصوفة سابقًا Nb2CTx وNb4C3TX38،39،40،41 على التوالي. تشير نتائج حيود الأشعة السينية أيضًا إلى وجود بعض هياكل ML المتبقية وأطوار MAX، ولكن معظمها أنماط XRD مرتبطة بـ SL Nb4C3Tx (الشكل 2e2). قد يفسر وجود جسيمات أصغر في طور MAX قوة ذروة MAX مقارنةً بطبقات Nb4C3Tx المتراصة عشوائيًا.
ركزت الأبحاث الإضافية على الطحالب الخضراء الدقيقة التي تنتمي إلى نوع R. subcapitata. وقد اخترنا الطحالب الدقيقة لأنها منتجة مهمة تشارك في شبكات الغذاء الرئيسية42. كما أنها من أفضل مؤشرات السمية نظرًا لقدرتها على إزالة المواد السامة التي تنتقل إلى مستويات أعلى من السلسلة الغذائية43. بالإضافة إلى ذلك، قد يلقي البحث على R. subcapitata الضوء على السمية العرضية لـ SL Nb-MXenes للكائنات الدقيقة الشائعة في المياه العذبة. ولتوضيح ذلك، افترض الباحثون أن لكل ميكروب حساسية مختلفة للمركبات السامة الموجودة في البيئة. بالنسبة لمعظم الكائنات الحية، لا تؤثر التركيزات المنخفضة من المواد على نموها، بينما يمكن أن تمنعها التركيزات التي تزيد عن حد معين أو حتى تسبب موتها. لذلك، ولدراستنا للتفاعل السطحي بين الطحالب الدقيقة وMXenes والتعافي المرتبط به، قررنا اختبار التركيزات غير الضارة والسامة لـ Nb-MXenes. وللقيام بذلك، قمنا باختبار تركيزات 0 (كمرجع)، و0.01، و0.1، و10 ملغ/لتر من MXene، بالإضافة إلى الطحالب الدقيقة المصابة بتركيزات عالية جدًا من MXene (100 ملغ/لتر من MXene)، والتي يمكن أن تكون شديدة وقاتلة. . لأي بيئة بيولوجية.
يوضح الشكل 3 تأثيرات SL Nb-MXenes على الطحالب الدقيقة، مُعبَّرًا عنها كنسبة مئوية لتعزيز النمو (+) أو تثبيطه (-) مُقاسة لعينات تركيزها 0 ملغ/لتر. وللمقارنة، تم أيضًا اختبار طور Nb-MAX وML Nb-MXenes، وتُعرض النتائج في نظام الوحدات الدولي (SI) (انظر الشكل S3). أكدت النتائج أن SL Nb-MXenes خالٍ تقريبًا من السمية في نطاق التركيزات المنخفضة من 0.01 إلى 10 ملغ/لتر، كما هو موضح في الشكلين 3أ، ب. في حالة Nb2CTx، لم نلاحظ أكثر من 5% سمية بيئية ضمن النطاق المحدد.
تحفيز (+) أو تثبيط (-) نمو الطحالب الدقيقة في وجود SL (أ) Nb2CTx و (ب) Nb4C3TX MXene. تم تحليل تفاعل MXene مع الطحالب الدقيقة لمدة 24 و 48 و 72 ساعة. تمت الإشارة إلى البيانات المهمة (اختبار t، p < 0.05) بعلامة النجمة (*). تمت الإشارة إلى البيانات المهمة (اختبار t، p < 0.05) بعلامة النجمة (*). Значимые данные (t-criterий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). يتم وضع علامة النجمة (*) على البيانات المهمة (اختبار t، p < 0.05).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. анные данные (اختبار t، p < 0,05) отмечены звездочкой (*). البيانات المهمة (اختبار t، p < 0.05) تم وضع علامة النجمة (*).تشير الأسهم الحمراء إلى إلغاء التحفيز المثبط.
من ناحية أخرى، تبيّن أن التركيزات المنخفضة من Nb4C3TX أكثر سمية بقليل، ولكن ليس أعلى من 7%. وكما هو متوقع، لاحظنا أن مركبات MXenes أظهرت سمية أعلى وتثبيطًا لنمو الطحالب الدقيقة عند 100 ملغ/لتر. ومن المثير للاهتمام، لم تُظهر أي من المواد نفس الاتجاه والاعتماد الزمني للتأثيرات غير السامة/السامة مقارنةً بعينات MAX أو ML (انظر SI لمزيد من التفاصيل). بينما وصلت السمية في مرحلة MAX (انظر الشكل S3) إلى ما يقرب من 15-25% وزادت مع مرور الوقت، لوحظ الاتجاه المعاكس لـ SL Nb2CTx وNb4C3TX MXene. انخفض تثبيط نمو الطحالب الدقيقة بمرور الوقت. وصل إلى حوالي 17% بعد 24 ساعة وانخفض إلى أقل من 5% بعد 72 ساعة (الشكل 3أ، ب، على التوالي).
الأهم من ذلك، بالنسبة لـ SL Nb4C3TX، وصل تثبيط نمو الطحالب الدقيقة إلى حوالي 27% بعد 24 ساعة، ولكنه انخفض إلى حوالي 1% بعد 72 ساعة. لذلك، وصفنا التأثير الملاحظ بأنه تثبيط عكسي للتحفيز، وكان التأثير أقوى بالنسبة لـ SL Nb4C3TX MXene. لوحظ تحفيز نمو الطحالب الدقيقة سابقًا مع Nb4C3TX (تفاعل عند 10 ملغ/لتر لمدة 24 ساعة) مقارنةً بـ SL Nb2CTx MXene. كما ظهر تأثير عكس التثبيط والتحفيز بوضوح في منحنى معدل مضاعفة الكتلة الحيوية (انظر الشكل S4 لمزيد من التفاصيل). حتى الآن، دُرست السمية البيئية لـ Ti3C2TX MXene بطرق مختلفة فقط. فهو ليس سامًا لأجنة سمك الزرد44، ولكنه سام بيئيًا بشكل معتدل لنباتات الطحالب الدقيقة Desmodesmus quadricauda وSorghum saccharatum45. من الأمثلة الأخرى على التأثيرات المحددة ارتفاع السمية لسلالات الخلايا السرطانية مقارنةً بسلالات الخلايا الطبيعية46،47. يمكن افتراض أن ظروف الاختبار ستؤثر على التغيرات في نمو الطحالب الدقيقة الملاحظة بوجود Nb-MXenes. على سبيل المثال، يُعد الرقم الهيدروجيني (pH) البالغ حوالي 8 في سدى البلاستيدات الخضراء مثاليًا للعمل الفعال لإنزيم RuBisCO. لذلك، تؤثر تغيرات الرقم الهيدروجيني سلبًا على معدل التمثيل الضوئي48،49. ومع ذلك، لم نلاحظ تغيرات كبيرة في الرقم الهيدروجيني أثناء التجربة (انظر SI، الشكل S5 لمزيد من التفاصيل). بشكل عام، أدت مزارع الطحالب الدقيقة مع Nb-MXenes إلى انخفاض طفيف في الرقم الهيدروجيني للمحلول بمرور الوقت. ومع ذلك، كان هذا الانخفاض مشابهًا لتغير في الرقم الهيدروجيني لوسط نقي. بالإضافة إلى ذلك، كان نطاق الاختلافات التي تم العثور عليها مشابهًا لذلك المقاس لمزارع نقية من الطحالب الدقيقة (عينة ضابطة). وبالتالي، نستنتج أن التمثيل الضوئي لا يتأثر بتغيرات الرقم الهيدروجيني بمرور الوقت.
بالإضافة إلى ذلك، تحتوي مركبات MXenes المُصنّعة على نهايات سطحية (يُشار إليها بـ Tx). تتكون هذه النهايات بشكل رئيسي من المجموعات الوظيفية -O و-F و-OH. ومع ذلك، ترتبط كيمياء السطح ارتباطًا مباشرًا بطريقة التركيب. من المعروف أن هذه المجموعات موزعة عشوائيًا على السطح، مما يُصعّب التنبؤ بتأثيرها على خصائص MXene50. يمكن القول إن Tx قد تكون القوة التحفيزية لأكسدة النيوبيوم بالضوء. تُوفر المجموعات الوظيفية السطحية بالفعل مواقع تثبيت متعددة للمحفزات الضوئية الأساسية لتكوين وصلات غير متجانسة51. مع ذلك، لم يُوفر تركيب وسط النمو محفزًا ضوئيًا فعالًا (يمكن الاطلاع على تركيب الوسط المُفصّل في جدول SI S6). بالإضافة إلى ذلك، يُعد أي تعديل للسطح بالغ الأهمية، حيث يمكن تغيير النشاط البيولوجي لمركبات MXenes نتيجةً لمعالجة الطبقات اللاحقة، والأكسدة، والتعديل الكيميائي للسطح للمركبات العضوية وغير العضوية52،53،54،55،56، أو هندسة الشحنة السطحية38. لذلك، لاختبار ما إذا كان لأكسيد النيوبيوم أي علاقة بعدم استقرار المادة في الوسط، أجرينا دراسات على جهد زيتا (ζ) في وسط نمو الطحالب الدقيقة والماء منزوع الأيونات (للمقارنة). تُظهر نتائجنا أن مركبات SL Nb-MXenes مستقرة إلى حد ما (انظر الشكل S6 في نظام SI لنتائج MAX وML). يبلغ جهد زيتا لمركبات SL MXenes حوالي -10 مللي فولت. في حالة SR Nb2CTx، تكون قيمة ζ أكثر سلبية إلى حد ما من قيمة Nb4C3Tx. قد يشير هذا التغيير في قيمة ζ إلى أن سطح رقائق MXene النانوية المشحونة سلبًا يمتص الأيونات المشحونة إيجابًا من وسط الزراعة. يبدو أن القياسات الزمنية لجهد زيتا وموصلية Nb-MXenes في وسط الزراعة (انظر الشكلين S7 وS8 في نظام SI لمزيد من التفاصيل) تدعم فرضيتنا.
ومع ذلك، أظهر كلا مركبي Nb-MXene SL تغيرات طفيفة من الصفر. وهذا يُظهر بوضوح استقرارهما في وسط نمو الطحالب الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك، قمنا بتقييم ما إذا كان وجود الطحالب الدقيقة الخضراء سيؤثر على استقرار Nb-MXenes في الوسط. يمكن الاطلاع على نتائج جهد زيتا وتوصيلية MXenes بعد تفاعلها مع الطحالب الدقيقة في بيئات المغذيات والمزرعة بمرور الوقت في SI (الشكلان S9 وS10). ومن المثير للاهتمام أننا لاحظنا أن وجود الطحالب الدقيقة يبدو أنه يُثبت تشتت كلا المركبين. في حالة Nb2CTx SL، انخفض جهد زيتا بشكل طفيف بمرور الوقت إلى قيم أكثر سلبية (-15.8 مقابل -19.1 مللي فولت بعد 72 ساعة من الحضانة). زادت إمكانية زيتا لـ SL Nb4C3TX قليلاً، ولكن بعد 72 ساعة أظهرت استقرارًا أعلى من النانو فليكس بدون وجود الطحالب الدقيقة (-18.1 مقابل -9.1 مللي فولت).
وجدنا أيضًا انخفاضًا في موصلية محاليل Nb-MXene المُحضّنة في وجود الطحالب الدقيقة، مما يشير إلى انخفاض كمية الأيونات في الوسط المغذي. والجدير بالذكر أن عدم استقرار MXenes في الماء يُعزى بشكل رئيسي إلى أكسدة السطح57. لذلك، نشتبه في أن الطحالب الدقيقة الخضراء قد أزالت بطريقة ما الأكاسيد المتكونة على سطح Nb-MXene، بل ومنعت ظهورها (أكسدة MXene). ويمكن ملاحظة ذلك من خلال دراسة أنواع المواد التي تمتصها الطحالب الدقيقة.
في حين أشارت دراساتنا السمية البيئية إلى قدرة الطحالب الدقيقة على التغلب على سمية Nb-MXenes بمرور الوقت والتثبيط غير المعتاد للنمو المحفز، كان هدف دراستنا هو استكشاف آليات العمل المحتملة. عندما تتعرض الكائنات الحية، مثل الطحالب، لمركبات أو مواد غير مألوفة في أنظمتها البيئية، فقد تتفاعل بطرق متنوعة58،59. في غياب أكاسيد المعادن السامة، تستطيع الطحالب الدقيقة تغذية نفسها، مما يسمح لها بالنمو المستمر60. بعد تناول المواد السامة، قد تُفعّل آليات الدفاع، مثل تغيير الشكل أو الهيئة. يجب أيضًا مراعاة إمكانية الامتصاص58،59. والجدير بالذكر أن أي علامة على وجود آلية دفاعية تُعدّ مؤشرًا واضحًا على سمية المركب المختبر. لذلك، في عملنا الإضافي، بحثنا في التفاعل السطحي المحتمل بين رقائق نانوية Nb-MXene SL والطحالب الدقيقة بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح، وامتصاص Nb-MXene بواسطة مطيافية الأشعة السينية الفلورية (XRF). لاحظ أن تحليلات SEM وXRF تم إجراؤها فقط عند أعلى تركيز من MXene لمعالجة مشكلات سمية النشاط.
تظهر نتائج المجهر الإلكتروني الماسح في الشكل 4. أظهرت خلايا الطحالب الدقيقة غير المعالجة (انظر الشكل 4أ، العينة المرجعية) بوضوح مورفولوجيا نموذجية لـ R. subcapitata وشكلًا خلويًا يشبه الكرواسون. بدت الخلايا مسطحة وغير منظمة نوعًا ما. تداخلت بعض خلايا الطحالب الدقيقة وتشابكت مع بعضها البعض، ولكن يُحتمل أن يكون ذلك ناتجًا عن عملية تحضير العينة. بشكل عام، كانت خلايا الطحالب الدقيقة النقية ذات سطح أملس ولم تُظهر أي تغيرات مورفولوجية.
صور المجهر الإلكتروني الماسح تُظهر التفاعل السطحي بين الطحالب الدقيقة الخضراء ورقائق MXene النانوية بعد 72 ساعة من التفاعل بتركيز عالٍ (100 ملغ/لتر). (أ) طحالب دقيقة خضراء غير معالجة بعد التفاعل مع SL، (ب) Nb2CTx و(ج) Nb4C3TX MXenes. يُرجى ملاحظة أن رقائق Nb-MXene النانوية مُعلّمة بأسهم حمراء. وللمقارنة، أُضيفت أيضًا صور من مجهر ضوئي.
في المقابل، تضررت خلايا الطحالب الدقيقة الممتصة بواسطة رقائق نانوية من SL Nb-MXene (انظر الشكل 4ب، ج، الأسهم الحمراء). في حالة Nb2CTx MXene (الشكل 4ب)، تميل الطحالب الدقيقة إلى النمو مع مقاييس نانوية ثنائية الأبعاد متصلة، مما قد يغير مورفولوجيتها. والجدير بالذكر أننا لاحظنا أيضًا هذه التغييرات تحت المجهر الضوئي (انظر الشكل S11 في SI لمزيد من التفاصيل). لهذا التحول المورفولوجي أساس معقول في فسيولوجيا الطحالب الدقيقة وقدرتها على الدفاع عن نفسها عن طريق تغيير مورفولوجيا الخلية، مثل زيادة حجم الخلية61. لذلك، من المهم التحقق من عدد خلايا الطحالب الدقيقة التي تكون على اتصال فعلي بـ Nb-MXenes. أظهرت دراسات المجهر الإلكتروني الماسح أن حوالي 52% من خلايا الطحالب الدقيقة تعرضت لـ Nb-MXenes، بينما تجنبت 48% من خلايا الطحالب الدقيقة هذه الاتصال. بالنسبة لـ SL Nb4C3Tx MXene، تحاول الطحالب الدقيقة تجنب ملامسة MXene، مما يسمح لها بالتواجد والنمو انطلاقًا من مقاييس نانوية ثنائية الأبعاد (الشكل 4ج). مع ذلك، لم نلاحظ اختراق المقاييس النانوية لخلايا الطحالب الدقيقة وتلفها.
الحفاظ على الذات هو أيضًا سلوك استجابة يعتمد على الوقت لانسداد عملية التمثيل الضوئي بسبب امتزاز الجسيمات على سطح الخلية وما يسمى بتأثير التظليل (التظليل) 62. من الواضح أن كل جسم (على سبيل المثال، رقائق نانوية من Nb-MXene) يقع بين الطحالب الدقيقة ومصدر الضوء يحد من كمية الضوء التي تمتصها البلاستيدات الخضراء. ومع ذلك، ليس لدينا شك في أن لهذا تأثيرًا كبيرًا على النتائج التي تم الحصول عليها. وكما هو موضح من خلال ملاحظاتنا المجهرية، لم تكن رقائق النانو ثنائية الأبعاد ملفوفة تمامًا أو ملتصقة بسطح الطحالب الدقيقة، حتى عندما كانت خلايا الطحالب الدقيقة على اتصال مع Nb-MXenes. بدلاً من ذلك، اتضح أن رقائق النانو كانت موجهة نحو خلايا الطحالب الدقيقة دون تغطية سطحها. لا يمكن لهذه المجموعة من رقائق النانو/الطحالب الدقيقة أن تحد بشكل كبير من كمية الضوء التي تمتصها خلايا الطحالب الدقيقة. علاوة على ذلك، أظهرت بعض الدراسات تحسنًا في امتصاص الضوء بواسطة الكائنات الحية الضوئية في وجود مواد نانوية ثنائية الأبعاد63،64،65،66.
نظرًا لأن صور المجهر الإلكتروني الماسح لم تتمكن من تأكيد امتصاص خلايا الطحالب الدقيقة للنيوبيوم بشكل مباشر، فقد لجأت دراستنا اللاحقة إلى تحليل فلورسنت الأشعة السينية (XRF) ومطيافية الأشعة السينية الضوئية الإلكترونية (XPS) لتوضيح هذه المسألة. لذلك، قارنا شدة قمم النيوبيوم في عينات الطحالب الدقيقة المرجعية التي لم تتفاعل مع جزيئات MXenes، ورقائق MXene النانوية المنفصلة عن سطح خلايا الطحالب الدقيقة، وخلايا الطحالب الدقيقة بعد إزالة جزيئات MXenes الملتصقة بها. تجدر الإشارة إلى أنه في حال عدم وجود امتصاص للنيوبيوم، يجب أن تكون قيمة النيوبيوم التي تحصل عليها خلايا الطحالب الدقيقة صفرًا بعد إزالة المقاييس النانوية الملتصقة. لذلك، في حال حدوث امتصاص للنيوبيوم، يجب أن تُظهر نتائج كل من XRF وXPS قمة Nb واضحة.
في حالة أطياف XRF، أظهرت عينات الطحالب الدقيقة قمم Nb لـ SL Nb2CTx و Nb4C3Tx MXene بعد التفاعل مع SL Nb2CTx و Nb4C3Tx MXene (انظر الشكل 5أ، ولاحظ أيضًا أن نتائج MAX و ML MXenes موضحة في SI، الأشكال S12-C17). ومن المثير للاهتمام أن شدة قمة Nb هي نفسها في كلتا الحالتين (الأشرطة الحمراء في الشكل 5أ). يشير هذا إلى أن الطحالب لا يمكنها امتصاص المزيد من Nb، وقد تم تحقيق الحد الأقصى لسعة تراكم Nb في الخلايا، على الرغم من ارتباط Nb4C3Tx MXene بخلايا الطحالب الدقيقة بمقدار ضعفين (الأشرطة الزرقاء في الشكل 5أ). والجدير بالذكر أن قدرة الطحالب الدقيقة على امتصاص المعادن تعتمد على تركيز أكاسيد المعادن في البيئة67،68. وجد شامشادا وآخرون67 أن قدرة الامتصاص لطحالب المياه العذبة تتناقص مع زيادة الرقم الهيدروجيني. ولاحظ رايز وآخرون68 أن قدرة الأعشاب البحرية على امتصاص المعادن كانت أعلى بنحو 25% في حالة الرصاص (Pb2+) مقارنةً بالنيكل (Ni2+).
(أ) نتائج XRF لامتصاص Nb القاعدي بواسطة خلايا الطحالب الخضراء المُحضّنة بتركيز عالٍ من SL Nb-MXenes (100 ملغ/لتر) لمدة 72 ساعة. تُظهر النتائج وجود α في خلايا الطحالب النقية (عينة التحكم، أعمدة رمادية)، والرقائق النانوية ثنائية الأبعاد المعزولة من خلايا الطحالب السطحية (أعمدة زرقاء)، وخلايا الطحالب بعد فصلها عن السطح (أعمدة حمراء). كمية Nb العنصري، (ب) النسبة المئوية للتركيب الكيميائي للمكونات العضوية للطحالب الدقيقة (C=O وCHx/C–O) وأكاسيد Nb الموجودة في خلايا الطحالب الدقيقة بعد الحضانة مع SL Nb-MXenes، (ج-هـ) تركيب ذروة التركيب لأطياف XPS SL Nb2CTx و(fh) SL Nb4C3Tx MXene المُستَقْبَضَة بواسطة خلايا الطحالب الدقيقة.
لذلك، توقعنا أن تمتص خلايا الطحالب Nb في صورة أكاسيد. لاختبار ذلك، أجرينا دراسات XPS على MXenes Nb2CTx و Nb4C3TX وخلايا الطحالب. تظهر نتائج تفاعل الطحالب الدقيقة مع Nb-MXenes و MXenes المعزولة من خلايا الطحالب في الشكل 5ب. وكما هو متوقع، اكتشفنا قمم Nb 3d في عينات الطحالب الدقيقة بعد إزالة MXene من سطح الطحالب الدقيقة. تم حساب التحديد الكمي لـ C = O و CHx / CO وأكاسيد Nb بناءً على أطياف Nb 3d و O 1s و C 1s التي تم الحصول عليها باستخدام Nb2CTx SL (الشكل 5ج-هـ) و Nb4C3Tx SL (الشكل 5ج-هـ). ) تم الحصول عليها من الطحالب الدقيقة المحتضنة. الشكل 5و-ح) MXenes. يوضح الجدول S1-3 تفاصيل معلمات الذروة والكيمياء العامة الناتجة عن الملاءمة. تجدر الإشارة إلى أن مناطق Nb 3d في Nb2CTx SL و Nb4C3Tx SL (الشكل 5ج، و) تتوافق مع مكون واحد من Nb2O5. هنا، لم نجد أي قمم مرتبطة بـ MXene في الأطياف، مما يشير إلى أن خلايا الطحالب الدقيقة تمتص فقط شكل أكسيد Nb. بالإضافة إلى ذلك، قمنا بتقريب طيف C1s باستخدام مكونات C–C و CHx/C–O و C=O و–COOH. قمنا بتعيين قمم CHx/C–O و C=O للمساهمة العضوية لخلايا الطحالب الدقيقة. تمثل هذه المكونات العضوية 36% و 41% من قمم C1s في Nb2CTx SL و Nb4C3TX SL، على التوالي. ثم قمنا بتجهيز أطياف O 1s لـ SL Nb2CTx و SL Nb4C3TX مع Nb2O5، والمكونات العضوية للطحالب الدقيقة (CHx/CO)، والمياه الممتصة على السطح.
أخيرًا، أشارت نتائج XPS بوضوح إلى شكل Nb، وليس فقط وجوده. ووفقًا لموقع إشارة Nb 3d ونتائج فك الالتواء، نؤكد أن Nb يُمتص فقط على شكل أكاسيد، وليس أيونات أو MXene نفسه. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت نتائج XPS أن خلايا الطحالب الدقيقة تتمتع بقدرة أكبر على امتصاص أكاسيد Nb من SL Nb2CTx مقارنةً بـ SL Nb4C3TX MXene.
في حين أن نتائج امتصاص النيوبيوم لدينا مثيرة للإعجاب وتسمح لنا بتحديد تحلل MXene، إلا أنه لا توجد طريقة متاحة لتتبع التغيرات المورفولوجية المرتبطة في رقائق النانو ثنائية الأبعاد. لذلك، قررنا أيضًا تطوير طريقة مناسبة يمكنها الاستجابة مباشرة لأي تغيرات تحدث في رقائق النانو ثنائية الأبعاد Nb-MXene وخلايا الطحالب الدقيقة. من المهم ملاحظة أننا نفترض أنه إذا تعرضت الأنواع المتفاعلة لأي تحول أو تحلل أو تجزئة، فيجب أن يتجلى ذلك بسرعة في شكل تغيرات في معلمات الشكل، مثل قطر المنطقة الدائرية المكافئة، والاستدارة، وعرض Feret، أو طول Feret. نظرًا لأن هذه المعلمات مناسبة لوصف الجسيمات المطولة أو رقائق النانو ثنائية الأبعاد، فإن تتبعها من خلال التحليل الديناميكي لشكل الجسيمات سيوفر لنا معلومات قيّمة حول التحول المورفولوجي لرقائق النانو Nb-MXene SL أثناء الاختزال.
النتائج التي تم الحصول عليها موضحة في الشكل 6. وللمقارنة، اختبرنا أيضًا طور MAX الأصلي وML-MXenes (انظر الشكلين S18 وS19 في نظام المعلومات الدولي). أظهر التحليل الديناميكي لشكل الجسيمات أن جميع معلمات الشكل لاثنين من SLs Nb-MXene تغيرت بشكل كبير بعد التفاعل مع الطحالب الدقيقة. وكما هو موضح من خلال معامل قطر المنطقة الدائرية المكافئة (الشكل 6أ، ب)، فإن انخفاض شدة الذروة لجزء من الرقائق النانوية الكبيرة يشير إلى أنها تميل إلى التحلل إلى شظايا أصغر. في الشكل 6ج، يظهر د انخفاضًا في القمم المرتبطة بالحجم العرضي للرقائق (استطالة الرقائق النانوية)، مما يشير إلى تحول الرقائق النانوية ثنائية الأبعاد إلى شكل أشبه بالجسيمات. يوضح الشكل 6هـ-ح عرض وطول فيريت على التوالي. عرض وطول فيريت معلمتان متكاملتان، وبالتالي يجب النظر إليهما معًا. بعد حضانة رقائق نانوية Nb-MXene ثنائية الأبعاد في وجود الطحالب الدقيقة، انزاحت قمم ارتباط فيريت وانخفضت شدتها. وبناءً على هذه النتائج بالاقتران مع علم التشكل، وXRF وXPS، استنتجنا أن التغييرات الملحوظة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالأكسدة حيث تصبح MXenes المؤكسدة أكثر تجعدًا وتتحلل إلى شظايا وجزيئات أكسيد كروية69،70.
تحليل تحول MXene بعد التفاعل مع الطحالب الدقيقة الخضراء. يأخذ تحليل شكل الجسيمات الديناميكي في الاعتبار معلمات مثل (أ، ب) قطر المنطقة الدائرية المكافئة، (ج، د) الاستدارة، (هـ، و) عرض فيريت، و(ز، ح) طول فيريت. ولتحقيق هذا الهدف، تم تحليل عينتين مرجعيتين من الطحالب الدقيقة، مع مركبات MXenes الأولية من نوع SL Nb2CTx وSL Nb4C3Tx، ومركبات MXenes من نوع SL Nb2CTx وSL Nb4C3Tx، والطحالب الدقيقة المتحللة، والطحالب الدقيقة المعالجة من نوع SL Nb2CTx وSL Nb4C3Tx. تُظهر الأسهم الحمراء تحولات معلمات شكل الرقائق النانوية ثنائية الأبعاد المدروسة.
نظرًا لأن تحليل معلمات الشكل موثوق للغاية، فإنه يمكن أن يكشف أيضًا عن التغيرات المورفولوجية في خلايا الطحالب الدقيقة. لذلك، قمنا بتحليل قطر المنطقة الدائرية المكافئة، والاستدارة، وعرض/طول فيريت لخلايا الطحالب الدقيقة النقية والخلايا بعد التفاعل مع رقائق نانوية ثنائية الأبعاد من النيوبيوم. يوضح الشكل 6أ-ح تغيرات في معلمات شكل خلايا الطحالب، كما يتضح من انخفاض في شدة الذروة وتحول القيم القصوى نحو قيم أعلى. وعلى وجه الخصوص، أظهرت معلمات استدارة الخلية انخفاضًا في الخلايا المستطيلة وزيادة في الخلايا الكروية (الشكل 6أ، ب). بالإضافة إلى ذلك، زاد عرض خلية فيريت بعدة ميكرومترات بعد التفاعل مع SL Nb2CTx MXene (الشكل 6هـ) مقارنةً بـ SL Nb4C3TX MXene (الشكل 6و). ونعتقد أن هذا قد يكون بسبب الامتصاص القوي لأكاسيد النيوبيوم بواسطة الطحالب الدقيقة عند التفاعل مع Nb2CTx SR. يمكن أن يؤدي الارتباط الأقل صلابة لرقائق النيوبيوم على سطحها إلى نمو الخلايا مع الحد الأدنى من تأثير التظليل.
تُكمّل ملاحظاتنا للتغيرات في معايير شكل وحجم الطحالب الدقيقة دراسات أخرى. يمكن للطحالب الدقيقة الخضراء تغيير شكلها استجابةً للإجهاد البيئي عن طريق تغيير حجم الخلية أو شكلها أو أيضها61. على سبيل المثال، يُسهّل تغيير حجم الخلايا امتصاص العناصر الغذائية71. تُظهر خلايا الطحالب الأصغر امتصاصًا أقل للعناصر الغذائية ومعدل نمو مُعوّق. على العكس من ذلك، تميل الخلايا الأكبر إلى استهلاك المزيد من العناصر الغذائية، والتي تُترسب بعد ذلك داخل الخلايا72،73. وجد ماشادو وسواريس أن مبيد الفطريات التريكلوسان يمكن أن يزيد من حجم الخلية. كما وجدوا تغيرات عميقة في شكل الطحالب74. بالإضافة إلى ذلك، كشف ين وآخرون9 أيضًا عن تغيرات مورفولوجية في الطحالب بعد التعرض لمواد نانوية مُركّبة من أكسيد الجرافين المُخفّض. لذلك، من الواضح أن معايير الحجم/الشكل المُتغيّرة للطحالب الدقيقة ناتجة عن وجود MXene. نظرًا لأن هذا التغيير في الحجم والشكل يشير إلى تغييرات في امتصاص العناصر الغذائية، فإننا نعتقد أن تحليل معلمات الحجم والشكل بمرور الوقت يمكن أن يوضح امتصاص أكسيد النيوبيوم بواسطة الطحالب الدقيقة في وجود Nb-MXenes.
علاوة على ذلك، يمكن أكسدة MXenes بوجود الطحالب. لاحظ دالاي وآخرون75 أن مورفولوجيا الطحالب الخضراء المعرضة لثاني أكسيد التيتانيوم النانوي وأكسيد الألومنيوم376 لم تكن متجانسة. على الرغم من تشابه ملاحظاتنا مع الدراسة الحالية، إلا أنها ذات صلة فقط بدراسة آثار المعالجة الحيوية من حيث نواتج تحلل MXene بوجود رقائق نانوية ثنائية الأبعاد، وليس الجسيمات النانوية. بما أن MXenes يمكن أن تتحلل إلى أكاسيد معدنية،31،32،77،78، فمن المنطقي افتراض أن رقائق النيوبيوم النانوية التي استخدمناها يمكنها أيضًا تكوين أكاسيد النيوبيوم بعد تفاعلها مع خلايا الطحالب الدقيقة.
لتفسير اختزال رقائق نانوية ثنائية الأبعاد من النيوبيوم-الميثان من خلال آلية تحلل قائمة على عملية الأكسدة، أجرينا دراسات باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة (HRTEM) (الشكل 7أ، ب) ومطيافية الأشعة السينية الضوئية الإلكترونية (XPS) (الشكل 7). 7ج-ط والجداول S4-5. كلا النهجين مناسب لدراسة أكسدة المواد ثنائية الأبعاد ويتكاملان. يستطيع المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة تحليل تحلل البنى الطبقية ثنائية الأبعاد والظهور اللاحق لجسيمات أكسيد المعدن النانوية، بينما يتميز XPS بحساسية الروابط السطحية. لهذا الغرض، اختبرنا رقائق نانوية ثنائية الأبعاد من النيوبيوم-الميثانيوم-الميثانيوم-الميثانيوم المستخرجة من مستحلبات خلايا الطحالب الدقيقة، أي شكلها بعد تفاعلها مع خلايا الطحالب الدقيقة (انظر الشكل 7).
صور HRTEM تظهر مورفولوجيا (أ) SL Nb2CTx و (ب) SL Nb4C3Tx MXenes المؤكسدة، نتائج تحليل XPS تظهر (ج) تركيب منتجات الأكسيد بعد الاختزال، (د-و) مطابقة الذروة لمكونات أطياف XPS لـ SL Nb2CTx و (ز-ط) Nb4C3Tx SL التي تم إصلاحها باستخدام الطحالب الدقيقة الخضراء.
أكدت دراسات HRTEM أكسدة نوعين من رقائق النانو Nb-MXene. وعلى الرغم من أن رقائق النانو احتفظت بشكلها ثنائي الأبعاد إلى حد ما، إلا أن الأكسدة أدت إلى ظهور العديد من الجسيمات النانوية التي تغطي سطح رقائق النانو MXene (انظر الشكل 7أ، ب). أشار تحليل XPS لإشارات c Nb 3d وO 1s إلى تكوين أكاسيد Nb في كلتا الحالتين. وكما هو موضح في الشكل 7ج، فإن MXene Nb2CTx وNb4C3TX ثنائي الأبعاد لديهما إشارات Nb 3d تشير إلى وجود أكاسيد NbO وNb2O5، بينما تشير إشارات O 1s إلى عدد روابط O–Nb المرتبطة بوظيفة سطح رقاقة النانو ثنائية الأبعاد. وقد لاحظنا أن مساهمة أكسيد Nb هي الغالبة مقارنةً بـ Nb-C وNb3+-O.
في الشكل 7g-i، تُظهر الأشكال 7g-i أطياف XPS لـ Nb 3d وC 1s وO 1s SL Nb2CTx (انظر الأشكال 7d-f) وSL Nb4C3TX MXene المعزول من خلايا الطحالب الدقيقة. تُقدم تفاصيل معلمات ذروة Nb-MXenes في الجداول S4-5 على التوالي. قمنا أولاً بتحليل تركيب Nb 3d. على عكس Nb الذي تمتصه خلايا الطحالب الدقيقة، وُجدت مكونات أخرى في MXene المعزول من خلايا الطحالب الدقيقة، بالإضافة إلى Nb2O5. في Nb2CTx SL، لاحظنا مساهمة Nb3+-O بنسبة 15%، بينما هيمن Nb2O5 (85%) على بقية طيف Nb 3d. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي عينة SL Nb4C3TX على مكونات Nb-C (9%) وNb2O5 (91%). هنا، يأتي Nb-C من طبقتين ذريتين داخليتين من كربيد المعدن في Nb4C3Tx SR. ثم قمنا بربط أطياف C1s بأربعة مكونات مختلفة، كما فعلنا في العينات الداخلية. وكما هو متوقع، يهيمن الكربون الجرافيتي على طيف C1s، تليها مساهمات من الجسيمات العضوية (CHx/CO وC=O) من خلايا الطحالب الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك، لاحظنا في طيف O1s مساهمة الأشكال العضوية لخلايا الطحالب الدقيقة، وأكسيد النيوبيوم، والماء الممتز.
بالإضافة إلى ذلك، بحثنا فيما إذا كان انقسام Nb-MXenes مرتبطًا بوجود أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) في وسط المغذيات و/أو خلايا الطحالب الدقيقة. ولتحقيق ذلك، قمنا بتقييم مستويات الأكسجين الأحادي (1O2) في وسط الزراعة والجلوتاثيون داخل الخلايا، وهو ثيول يعمل كمضاد للأكسدة في الطحالب الدقيقة. تظهر النتائج في SI (الشكلان S20 وS21). تميزت المزارع التي تحتوي على SL Nb2CTx وNb4C3TX MXenes بكمية منخفضة من 1O2 (انظر الشكل S20). في حالة SL Nb2CTx، انخفض MXene 1O2 إلى حوالي 83٪. بالنسبة لمزارع الطحالب الدقيقة التي تستخدم SL، انخفض Nb4C3TX 1O2 بشكل أكبر، إلى 73٪. ومن المثير للاهتمام، أن التغيرات في 1O2 أظهرت نفس اتجاه التأثير المثبط-التحفيزي الملحوظ سابقًا (انظر الشكل 3). يمكن القول بأن الحضانة في ضوء ساطع يمكن أن تغير الأكسدة الضوئية. ومع ذلك، أظهرت نتائج تحليل التحكم مستويات ثابتة تقريبًا من 1O2 أثناء التجربة (الشكل S22). وفي حالة مستويات ROS داخل الخلايا، لاحظنا أيضًا نفس الاتجاه النزولي (انظر الشكل S21). في البداية، تجاوزت مستويات ROS في خلايا الطحالب الدقيقة المزروعة في وجود Nb2CTx و Nb4C3Tx SLs المستويات الموجودة في مزارع الطحالب الدقيقة النقية. ومع ذلك، في النهاية، بدا أن الطحالب الدقيقة تكيفت مع وجود كل من Nb-MXenes، حيث انخفضت مستويات ROS إلى 85٪ و 91٪ من المستويات المقاسة في مزارع الطحالب الدقيقة النقية الملقحة بـ SL Nb2CTx و Nb4C3TX، على التوالي. قد يشير هذا إلى أن الطحالب الدقيقة تشعر براحة أكبر بمرور الوقت في وجود Nb-MXene مقارنة بالوسط المغذي وحده.
الطحالب الدقيقة هي مجموعة متنوعة من الكائنات الحية التي تقوم بعملية البناء الضوئي. أثناء عملية البناء الضوئي، تُحوّل ثاني أكسيد الكربون الجوي (CO2) إلى كربون عضوي. نواتج عملية البناء الضوئي هي الجلوكوز والأكسجين79. نعتقد أن الأكسجين المُكوّن يلعب دورًا حاسمًا في أكسدة Nb-MXenes. أحد التفسيرات المحتملة لذلك هو أن مُعامل التهوية التفاضلية يتشكل عند ضغوط جزئية منخفضة وعالية من الأكسجين خارج وداخل رقائق Nb-MXene النانوية. هذا يعني أنه حيثما توجد مناطق ذات ضغوط جزئية مختلفة من الأكسجين، فإن المنطقة ذات المستوى الأدنى ستشكل القطب الموجب 80، 81، 82. هنا، تُساهم الطحالب الدقيقة في تكوين خلايا مُهواة تفاضليًا على سطح رقائق MXene، والتي تُنتج الأكسجين بفضل خصائصها الضوئية. ونتيجةً لذلك، تتشكل نواتج التآكل الحيوي (في هذه الحالة، أكاسيد النيوبيوم). جانب آخر هو أن الطحالب الدقيقة قادرة على إنتاج أحماض عضوية تُطلق في الماء83،84. وبالتالي، تتشكل بيئة عدوانية، مما يؤدي إلى تغيير مركبات Nb-MXenes. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للطحالب الدقيقة تغيير درجة حموضة البيئة إلى قلوية بسبب امتصاص ثاني أكسيد الكربون، مما قد يُسبب التآكل79.
الأهم من ذلك، أن الفترة الضوئية المظلمة/الخفيفة المستخدمة في دراستنا ضرورية لفهم النتائج التي تم الحصول عليها. وقد تم وصف هذا الجانب بالتفصيل في Djemai-Zoghlache et al. 85 لقد استخدموا عمدًا فترة ضوئية مدتها 12/12 ساعة لإثبات التآكل الحيوي المرتبط بالتلوث الحيوي بواسطة الطحالب الدقيقة الحمراء Porphyridium purpureum. لقد أظهروا أن الفترة الضوئية مرتبطة بتطور الإمكانات بدون تآكل حيوي، والتي تتجلى في شكل تذبذبات شبه دورية حول الساعة 24:00. وقد أكد Dowling et al. 86 هذه الملاحظات. لقد أظهروا أغشية حيوية ضوئية للبكتيريا الزرقاء Anabaena. يتكون الأكسجين المذاب تحت تأثير الضوء، والذي يرتبط بتغيير أو تقلبات في إمكانية التآكل الحيوي الحر. يتم التأكيد على أهمية الفترة الضوئية من خلال حقيقة أن الإمكانات الحرة للتآكل الحيوي تزداد في الطور الضوئي وتنخفض في الطور المظلم. ويرجع ذلك إلى الأكسجين الذي تنتجه الطحالب الضوئية الدقيقة، والذي يؤثر على التفاعل الكاثودي من خلال الضغط الجزئي المتولد بالقرب من الأقطاب الكهربائية87.
بالإضافة إلى ذلك، أُجريت تقنية التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء بتقنية تحويل فورييه (FTIR) لمعرفة ما إذا كانت هناك أي تغيرات قد حدثت في التركيب الكيميائي لخلايا الطحالب الدقيقة بعد تفاعلها مع Nb-MXenes. هذه النتائج المُحصل عليها مُعقدة، ونُقدمها في النظام الدولي للوحدات (الأشكال S23-S25، بما في ذلك نتائج مرحلة MAX وML MXenes). باختصار، تُوفر لنا الأطياف المرجعية المُحصل عليها للطحالب الدقيقة معلومات مهمة حول الخصائص الكيميائية لهذه الكائنات. تقع هذه الاهتزازات الأكثر احتمالاً عند ترددات 1060 سم-1 (CO)، و1540 سم-1، و1640 سم-1 (C=C)، و1730 سم-1 (C=O)، و2850 سم-1، و2920 سم-1. 1 1 (C–H) و3280 سم-1 (O–H). بالنسبة لـ SL Nb-MXenes، وجدنا بصمة تمدد لرابطة CH تتوافق مع دراستنا السابقة38. مع ذلك، لاحظنا اختفاء بعض القمم الإضافية المرتبطة بروابط C=C وCH. يشير هذا إلى أن التركيب الكيميائي للطحالب الدقيقة قد يخضع لتغييرات طفيفة نتيجة تفاعلها مع SL Nb-MXenes.
عند دراسة التغيرات المحتملة في الكيمياء الحيوية للطحالب الدقيقة، يجب إعادة النظر في تراكم الأكاسيد غير العضوية، مثل أكسيد النيوبيوم،59. فهو يشارك في امتصاص المعادن من سطح الخلية، ونقلها إلى السيتوبلازم، وارتباطها بمجموعات الكربوكسيل داخل الخلايا، وتراكمها في بوليفوسفوسومات الطحالب الدقيقة20،88،89،90. بالإضافة إلى ذلك، تُحافظ المجموعات الوظيفية للخلايا على العلاقة بين الطحالب الدقيقة والمعادن. ولهذا السبب، يعتمد الامتصاص أيضًا على كيمياء سطح الطحالب الدقيقة، وهي معقدة للغاية9،91. وبشكل عام، وكما هو متوقع، تغير التركيب الكيميائي للطحالب الدقيقة الخضراء بشكل طفيف نتيجة امتصاص أكسيد النيوبيوم.
من المثير للاهتمام أن التثبيط الأولي الملحوظ للطحالب الدقيقة كان قابلاً للعكس بمرور الوقت. وكما لاحظنا، تغلبت الطحالب الدقيقة على التغير البيئي الأولي، وعادت في النهاية إلى معدلات نموها الطبيعية، بل وازدادت. تُظهر دراسات جهد زيتا ثباتًا عاليًا عند إدخالها في بيئات مغذية. وبالتالي، استمر التفاعل السطحي بين خلايا الطحالب الدقيقة ورقائق Nb-MXene النانوية طوال تجارب الاختزال. في تحليلنا الإضافي، نلخص آليات العمل الرئيسية الكامنة وراء هذا السلوك الملحوظ للطحالب الدقيقة.
أظهرت ملاحظات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن الطحالب الدقيقة تميل إلى الالتصاق بجزيئات Nb-MXene. وباستخدام تحليل الصور الديناميكي، نؤكد أن هذا التأثير يؤدي إلى تحويل رقائق نانوية ثنائية الأبعاد من Nb-MXene إلى جزيئات أكثر كروية، مما يدل على أن تحلل رقائق النانو يرتبط بأكسدتها. لاختبار فرضيتنا، أجرينا سلسلة من الدراسات المادية والكيميائية الحيوية. بعد الاختبار، تأكسدت رقائق النانو تدريجيًا وتحللت إلى منتجات NbO وNb2O5، والتي لم تشكل تهديدًا للطحالب الدقيقة الخضراء. وباستخدام ملاحظة FTIR، لم نجد أي تغييرات كبيرة في التركيب الكيميائي للطحالب الدقيقة المحتضنة في وجود رقائق نانوية ثنائية الأبعاد من Nb-MXene. مع الأخذ في الاعتبار إمكانية امتصاص الطحالب الدقيقة لأكسيد النيوبيوم، أجرينا تحليلًا فلوريًا بالأشعة السينية. وتظهر هذه النتائج بوضوح أن الطحالب الدقيقة المدروسة تتغذى على أكاسيد النيوبيوم (NbO و Nb2O5)، وهي غير سامة للطحالب الدقيقة المدروسة.