Дзякуй за наведванне Nature.com.Вы выкарыстоўваеце версію браўзера з абмежаванай падтрымкай CSS.Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer).Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем візуалізаваць сайт без стыляў і JavaScript.
Адлюстроўвае карусель з трох слайдаў адначасова.Выкарыстоўвайце кнопкі «Папярэдні» і «Наступны», каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова, або выкарыстоўвайце кнопкі паўзунка ў канцы, каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова.
Хуткае развіццё нанатэхналогій і іх інтэграцыя ў паўсядзённыя праграмы могуць пагражаць навакольнаму асяроддзю.У той час як зялёныя метады дэградацыі арганічных забруджванняў добра вядомыя, аднаўленне неарганічных крышталічных забруджванняў выклікае вялікую занепакоенасць з-за іх нізкай адчувальнасці да біятрансфармацыі і недастатковага разумення ўзаемадзеяння паверхні матэрыялу з біялагічнымі.Тут мы выкарыстоўваем неарганічную двухмерную мадэль MXenes на аснове Nb у спалучэнні з простым метадам аналізу параметраў формы, каб прасачыць механізм біяаднаўлення двухмерных керамічных нанаматэрыялаў зялёнымі мікраводарасцямі Raphidocelis subcapitata.Мы выявілі, што мікраводарасцей пагаршаюць MXenes на аснове Nb з-за звязаных з паверхняй фізіка-хімічных узаемадзеянняў.Першапачаткова да паверхні мікраводарасцей прымацоўвалі аднаслаёвыя і шматслойныя нанохлопья MXene, што некалькі зніжала рост багавіння.Аднак пры працяглым узаемадзеянні з паверхняй мікраводарасцей акіслялі нанохлопья MXene і далей раскладалі іх на NbO і Nb2O5.Паколькі гэтыя аксіды не таксічныя для клетак мікраводарасцей, яны спажываюць наначасціцы аксіду Nb з дапамогай механізму паглынання, які дадаткова аднаўляе мікраводарасцей пасля 72 гадзін апрацоўкі вады.Эфекты пажыўных рэчываў, звязаныя з паглынаннем, таксама адлюстроўваюцца ў павелічэнні аб'ёму клетак, іх гладкай форме і змене хуткасці росту.На падставе гэтых высноў мы робім выснову, што кароткатэрміновая і доўгатэрміновая прысутнасць MXenes на аснове Nb у прэснаводных экасістэмах можа выклікаць толькі нязначнае ўздзеянне на навакольнае асяроддзе.Характэрна, што, выкарыстоўваючы двухмерныя нанаматэрыялы ў якасці мадэльных сістэм, мы дэманструем магчымасць адсочвання трансфармацыі формы нават у дробназярністых матэрыялах.У цэлым, гэта даследаванне адказвае на важнае фундаментальнае пытанне аб працэсах, звязаных з узаемадзеяннем паверхні, якія кіруюць механізмам біяаднаўлення 2D нанаматэрыялаў, і стварае аснову для далейшых кароткатэрміновых і доўгатэрміновых даследаванняў уздзеяння неарганічных крышталічных нанаматэрыялаў на навакольнае асяроддзе.
Нанаматэрыялы выклікалі вялікую цікавасць з моманту іх адкрыцця, і розныя нанатэхналогіі нядаўна ўвайшлі ў фазу мадэрнізацыі1.На жаль, інтэграцыя нанаматэрыялаў у паўсядзённае прымяненне можа прывесці да выпадковых выкідаў з-за няправільнай утылізацыі, неасцярожнага абыходжання або недастатковай інфраструктуры бяспекі.Такім чынам, разумна выказаць здагадку, што нанаматэрыялы, у тым ліку двухмерныя (2D) нанаматэрыялы, могуць трапляць у прыроднае асяроддзе, паводзіны і біялагічная актыўнасць якіх яшчэ не да канца вывучаны.Такім чынам, нядзіўна, што праблемы экалагічнасці засяродзіліся на здольнасці двухмерных нанаматэрыялаў прасочвацца ў водныя сістэмы2,3,4,5,6.У гэтых экасістэмах некаторыя двухмерныя нанаматэрыялы могуць узаемадзейнічаць з рознымі арганізмамі на розных трафічных узроўнях, у тым ліку з мікраводарасцямі.
Мікраводарасці - гэта прымітыўныя арганізмы, якія ў прыродзе сустракаюцца ў прэснаводных і марскіх экасістэмах, якія вырабляюць розныя хімічныя прадукты праз фотасінтэз7.Такім чынам, яны маюць вырашальнае значэнне для водных экасістэм8,9,10,11,12, але таксама з'яўляюцца адчувальнымі, недарагімі і шырока выкарыстоўваюцца індыкатарамі экатаксічнасці13,14.Паколькі клеткі мікраводарасцей хутка размнажаюцца і хутка рэагуюць на прысутнасць розных злучэнняў, яны з'яўляюцца перспектыўнымі для распрацоўкі экалагічна чыстых метадаў ачысткі вады, забруджанай арганічнымі рэчывамі15,16.
Клеткі багавіння могуць выдаляць неарганічныя іёны з вады шляхам біясорбцыі і назапашвання17,18.Некаторыя віды водарасцяў, такія як Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue і Synechococcus sp.Было ўстаноўлена, што ён пераносіць і нават сілкуе іёны таксічных металаў, такіх як Fe2+, Cu2+, Zn2+ і Mn2+19.Іншыя даследаванні паказалі, што іёны Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ або Pb2+ абмяжоўваюць рост Scenedesmus, змяняючы марфалогію клетак і разбураючы іх хларапласты20,21.
Зялёныя метады раскладання арганічных забруджвальных рэчываў і выдалення іёнаў цяжкіх металаў прыцягнулі ўвагу навукоўцаў і інжынераў па ўсім свеце.У асноўным гэта звязана з тым, што гэтыя забруджвання лёгка перапрацоўваюцца ў вадкай фазе.Аднак неарганічныя крышталічныя забруджвальнікі характарызуюцца нізкай растваральнасцю ў вадзе і нізкай успрымальнасцю да розных біятрансфармацый, што выклікае вялікія цяжкасці ў ліквідацыі, і ў гэтай галіне дасягнуты невялікі прагрэс22,23,24,25,26.Такім чынам, пошук экалагічна чыстых рашэнняў для рамонту нанаматэрыялаў застаецца складанай і недаследаванай сферай.З-за высокай ступені нявызначанасці ў дачыненні да эфектаў біятрансфармацыі двухмерных нанаматэрыялаў няма простага спосабу высветліць магчымыя шляхі іх дэградацыі падчас аднаўлення.
У гэтым даследаванні мы выкарыстоўвалі зялёныя мікраводарасцей у якасці актыўнага воднага агента для біярэмедыяцыі неарганічных керамічных матэрыялаў у спалучэнні з маніторынгам на месцы працэсу дэградацыі MXene як прадстаўніка неарганічных керамічных матэрыялаў.Тэрмін «MXene» адлюстроўвае стэхіаметрыю матэрыялу Mn+1XnTx, дзе M — ранні пераходны метал, X — вуглярод і/або азот, Tx — тэрмінатар паверхні (напрыклад, -OH, -F, -Cl), а n = 1, 2, 3 або 427,28.З моманту адкрыцця MXenes Нагібам і інш.Сэнсарыка, тэрапія рака і мембранная фільтрацыя 27,29,30.Акрамя таго, MXenes можна разглядаць як мадэль 2D-сістэм з-за іх выдатнай калоіднай стабільнасці і магчымых біялагічных узаемадзеянняў31,32,33,34,35,36.
Такім чынам, метадалогія, распрацаваная ў гэтым артыкуле, і нашы даследчыя гіпотэзы паказаны на малюнку 1. Згодна з гэтай гіпотэзай, мікраводарасцей расшчапляюць MXenes на аснове Nb да нетоксичных злучэнняў з-за звязаных з паверхняй фізіка-хімічных узаемадзеянняў, што дазваляе далейшае аднаўленне багавіння.Для праверкі гэтай гіпотэзы былі выбраны два прадстаўнікі сямейства ранніх карбідаў і/або нітрыдаў пераходных металаў на аснове ніобію (MXenes), а менавіта Nb2CTx і Nb4C3TX.
Метадалогія даследаванняў і заснаваныя на фактычных дадзеных гіпотэзы для аднаўлення MXene зялёнымі мікраводарасцямі Raphidocelis subcapitata.Звярніце ўвагу, што гэта толькі схематычнае адлюстраванне здагадак, заснаваных на фактах.Навакольнае асяроддзе возера адрозніваецца выкарыстоўваным пажыўным асяроддзем і ўмовамі (напрыклад, сутачны цыкл і абмежаванні ў даступных неабходных пажыўных рэчывах).Створана з BioRender.com.
Такім чынам, выкарыстоўваючы MXene ў якасці мадэльнай сістэмы, мы адкрылі дзверы для вывучэння розных біялагічных эфектаў, якія немагчыма назіраць з іншымі звычайнымі нанаматэрыяламі.У прыватнасці, мы дэманструем магчымасць біярэмедыяцыі двухмерных нанаматэрыялаў, такіх як MXenes на аснове ніобію, мікраводарасцямі Raphidocelis subcapitata.Мікраводарасці здольныя расшчапляць Nb-MXenes да нетоксичных аксідаў NbO і Nb2O5, якія таксама забяспечваюць пажыўныя рэчывы праз механізм паглынання ніобію.У цэлым гэта даследаванне адказвае на важнае фундаментальнае пытанне аб працэсах, звязаных з паверхневымі фізіка-хімічнымі ўзаемадзеяннямі, якія рэгулююць механізмы біяаднаўлення двухмерных нанаматэрыялаў.Акрамя таго, мы распрацоўваем просты метад, заснаваны на параметрах формы, для адсочвання тонкіх змен у форме 2D нанаматэрыялаў.Гэта натхняе на далейшыя кароткатэрміновыя і доўгатэрміновыя даследаванні розных уздзеянняў неарганічных крышталічных нанаматэрыялаў на навакольнае асяроддзе.Такім чынам, наша даследаванне павялічвае разуменне ўзаемадзеяння паміж паверхняй матэрыялу і біялагічным матэрыялам.Мы таксама ствараем аснову для пашыраных кароткатэрміновых і доўгатэрміновых даследаванняў іх магчымага ўздзеяння на прэснаводныя экасістэмы, якія цяпер можна лёгка праверыць.
MXenes прадстаўляюць цікавы клас матэрыялаў з унікальнымі і прывабнымі фізічнымі і хімічнымі ўласцівасцямі і, такім чынам, мноствам патэнцыйных ужыванняў.Гэтыя ўласцівасці ў значнай ступені залежаць ад іх стэхіаметрыі і хімічнага складу паверхні.Такім чынам, у нашым даследаванні мы даследавалі два тыпу іерархічных аднаслаёвых (SL) MXenes на аснове Nb, Nb2CTx і Nb4C3TX, паколькі можна назіраць розныя біялагічныя эфекты гэтых нанаматэрыялаў.MXenes вырабляюцца з іх зыходных матэрыялаў шляхам селектыўнага тручэння зверху ўніз атамарна тонкіх А-слаёў MAX-фазы.Фаза MAX - гэта трохкомпонентная кераміка, якая складаецца з "злучаных" блокаў карбідаў пераходных металаў і тонкіх слаёў элементаў "А", такіх як Al, Si і Sn, са стэхіаметрыяй MnAXn-1.Марфалогія пачатковай фазы MAX назіралася з дапамогай сканавальнай электроннай мікраскапіі (SEM) і адпавядала папярэднім даследаванням (гл. дадатковую інфармацыю, SI, малюнак S1).Шматслаёвы (ML) Nb-MXene быў атрыманы пасля выдалення пласта Al з дапамогай 48% HF (плавікавая кіслата).Марфалогія ML-Nb2CTx і ML-Nb4C3TX была даследавана з дапамогай сканавальнай электроннай мікраскапіі (SEM) (малюнкі S1c і S1d адпаведна), і назіралася тыповая слаістая марфалогія MXene, падобная на двухмерныя нанашматкі, якія праходзяць праз выцягнутыя порістыя шчыліны.Абодва Nb-MXene маюць шмат агульнага з фазамі MXene, раней сінтэзаванымі кіслотным тручэннем27,38.Пасля пацверджання структуры MXene мы наклалі яе на пласты шляхам інтэркаляцыі гідраксіду тэтрабутіламмонія (TBAOH) з наступным прамываннем і апрацоўкай ультрагукам, пасля чаго атрымалі аднаслаёвыя або нізкаслаёвыя (SL) 2D нанашматкі Nb-MXene.
Мы выкарыстоўвалі трансмісійную электронную мікраскапію высокага раздзялення (HRTEM) і рэнтгенаўскую дыфракцыю (XRD), каб праверыць эфектыўнасць тручэння і далейшага адслойвання.Вынікі HRTEM, апрацаваныя з выкарыстаннем адваротнага хуткага пераўтварэння Фур'е (IFFT) і хуткага пераўтварэння Фур'е (FFT), паказаны на мал. 2. Нанашматкі Nb-MXene былі арыентаваны краем уверх, каб праверыць структуру атамнага пласта і вымераць міжплоскасныя адлегласці.Выявы HRTEM нанашматкоў MXene Nb2CTx і Nb4C3TX паказалі іх атамна тонкую слаістую прыроду (гл. мал. 2a1, a2), як паведамлялася раней Naguib et al.27 і Jastrzębska et al.38.Для двух сумежных монослоев Nb2CTx і Nb4C3Tx мы вызначылі міжслойныя адлегласці 0,74 і 1,54 нм адпаведна (мал. 2b1,b2), што таксама ўзгадняецца з нашымі папярэднімі вынікамі38.Гэта было дадаткова пацверджана зваротным хуткім пераўтварэннем Фур'е (мал. 2c1, c2) і хуткім пераўтварэннем Фур'е (мал. 2d1, d2), якія паказваюць адлегласць паміж монаслаямі Nb2CTx і Nb4C3Tx.На малюнку бачна чаргаванне светлых і цёмных палос, адпаведных атамам ніобію і вугляроду, што пацвярджае слаістай прыроду даследаваных MXenes.Важна адзначыць, што спектры энергадысперсійнай рэнтгенаўскай спектраскапіі (EDX), атрыманыя для Nb2CTx і Nb4C3Tx (малюнкі S2a і S2b), не паказалі астаткаў зыходнай фазы MAX, паколькі пік Al не быў выяўлены.
Характарыстыка наначашкоў SL Nb2CTx і Nb4C3Tx MXene, у тым ліку (а) двухмерная візуалізацыя наначасцінак з дапамогай электроннай мікраскапіі высокага раздзялення (HRTEM) і адпаведны, (б) рэжым інтэнсіўнасці, (с) адваротнае хуткае пераўтварэнне Фур'е (IFFT), (d) хуткае пераўтварэнне Фур'е (FFT), (e) рэнтгенаўскія карціны Nb-MXenes.Для SL 2D Nb2CTx лічбы выражаюцца як (a1, b1, c1, d1, e1).Для SL 2D Nb4C3Tx лічбы выражаюцца як (a2, b2, c2, d2, e1).
Вымярэнні рэнтгенаўскай дыфракцыі SL Nb2CTx і Nb4C3Tx MXenes паказаны на мал.2e1 і e2 адпаведна.Пікі (002) пры 4,31 і 4,32 адпавядаюць раней апісаным слаістай MXenes Nb2CTx і Nb4C3TX38,39,40,41 адпаведна.Вынікі XRD таксама паказваюць на наяўнасць некаторых рэшткавых структур ML і фаз MAX, але ў асноўным карціны XRD, звязаныя з SL Nb4C3Tx (мал. 2e2).Наяўнасць больш дробных часціц фазы MAX можа растлумачыць больш моцны пік MAX у параўнанні з выпадкова складзенымі пластамі Nb4C3Tx.
Далейшыя даследаванні былі сканцэнтраваны на зялёных мікраводарасцях, якія належаць да віду R. subcapitata.Мы абралі мікраводарасцей, таму што яны з'яўляюцца важнымі вытворцамі, якія ўдзельнічаюць у асноўных харчовых сетках42.Яны таксама з'яўляюцца адным з лепшых паказчыкаў таксічнасці дзякуючы здольнасці выдаляць таксічныя рэчывы, якія пераносяцца на больш высокія ўзроўні харчовага ланцуга43.Акрамя таго, даследаванне R. subcapitata можа праліць святло на выпадковую таксічнасць SL Nb-MXenes для звычайных прэснаводных мікраарганізмаў.Каб праілюстраваць гэта, даследчыкі выказалі здагадку, што кожны мікроб мае розную адчувальнасць да таксічных злучэнняў, якія прысутнічаюць у навакольным асяроддзі.Для большасці арганізмаў нізкія канцэнтрацыі рэчываў не ўплываюць на іх рост, у той час як канцэнтрацыі вышэй пэўнай мяжы могуць затармазіць іх ці нават выклікаць смерць.Такім чынам, для нашых даследаванняў павярхоўнага ўзаемадзеяння паміж мікраводарасцямі і MXenes і звязанага з імі аднаўлення мы вырашылі праверыць бясшкодныя і таксічныя канцэнтрацыі Nb-MXenes.Для гэтага мы пратэставалі канцэнтрацыі 0 (у якасці эталона), 0,01, 0,1 і 10 мг л-1 MXene і дадаткова заражаныя мікраводарасцей з вельмі высокімі канцэнтрацыямі MXene (100 мг л-1 MXene), якія могуць быць экстрэмальнымі і смяротнымі..для любой біялагічнай асяроддзя.
Уплыў SL Nb-MXenes на мікраводарасцей паказаны на малюнку 3, выражаны ў працэнтах стымулявання росту (+) або інгібіравання (-), вымераных для 0 мг л-1 узораў.Для параўнання таксама былі пратэставаны фаза Nb-MAX і ML Nb-MXenes, і вынікі паказаны ў SI (гл. мал. S3).Атрыманыя вынікі пацвердзілі, што SL Nb-MXenes практычна цалкам пазбаўлены таксічнасці ў дыяпазоне нізкіх канцэнтрацый ад 0,01 да 10 мг/л, як паказана на мал. 3a,b.У выпадку Nb2CTx мы назіралі не больш за 5% экатаксічнасці ў паказаным дыяпазоне.
Стымуляцыя (+) або інгібіраванне (-) росту мікраводарасцей у прысутнасці SL (a) Nb2CTx і (b) Nb4C3TX MXene.Былі прааналізаваны 24, 48 і 72 гадзіны ўзаемадзеяння MXene-мікраводарасцей. Значныя дадзеныя (t-крытэрый, р <0,05) былі адзначаны зорачкай (*). Значныя дадзеныя (t-крытэрый, р <0,05) былі адзначаны зорачкай (*). Значныя дадзеныя (t-крытэрый, p < 0,05) адзначаны зорачкай (*). Значныя дадзеныя (t-крытэрый, р <0,05) пазначаны зорачкай (*).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。 Важныя дадзеныя (t-test, p <0,05) адзначаны зорачкай (*). Важныя дадзеныя (t-крытэрый, р <0,05) пазначаны зорачкай (*).Чырвоныя стрэлкі паказваюць на адмену тармазной стымуляцыі.
З іншага боку, нізкія канцэнтрацыі Nb4C3TX апынуліся крыху больш таксічнымі, але не вышэй за 7%.Як і чакалася, мы заўважылі, што MXenes мае больш высокую таксічнасць і інгібіраванне росту мікраводарасцей пры 100 мг L-1.Цікава, што ні адзін з матэрыялаў не паказаў аднолькавай тэндэнцыі і залежнасці ад часу атаксічных/таксічных эфектаў у параўнанні з узорамі MAX або ML (падрабязнасці гл. SI).У той час як для фазы MAX (гл. мал. S3) таксічнасць дасягнула прыкладна 15-25% і павялічылася з часам, зваротная тэндэнцыя назіралася для SL Nb2CTx і Nb4C3TX MXene.Інгібіраванне росту мікраводарасцей з часам паменшылася.Ён дасягнуў прыкладна 17% праз 24 гадзіны і знізіўся да менш чым 5% праз 72 гадзіны (мал. 3а, б адпаведна).
Што яшчэ больш важна, для SL Nb4C3TX інгібіраванне росту мікраводарасцей дасягнула прыкладна 27% праз 24 гадзіны, але праз 72 гадзіны яно знізілася прыкладна да 1%.Такім чынам, мы пазначылі назіраны эфект як зваротнае інгібіраванне стымуляцыі, і эфект быў мацнейшым для SL Nb4C3TX MXene.Стымуляцыя росту мікраводарасцей была адзначана раней з Nb4C3TX (узаемадзеянне пры 10 мг L-1 на працягу 24 гадзін) у параўнанні з SL Nb2CTx MXene.Эфект развароту інгібіравання-стымуляцыі таксама быў добра паказаны на крывой хуткасці падваення біямасы (падрабязнасці гл. на мал. S4).Да гэтага часу па-рознаму даследавалася толькі экалагічнасць Ti3C2TX MXene.Ён не таксічны для эмбрыёнаў даніо44, але ўмерана экатаксічны для мікраводарасцей Desmodesmus quadricauda і раслін Sorghum saccharatum45.Іншыя прыклады спецыфічных эфектаў ўключаюць больш высокую таксічнасць для ліній ракавых клетак, чым для нармальных клеткавых ліній46,47.Можна меркаваць, што ўмовы выпрабаванняў паўплываюць на змены ў росце мікраводарасцей, якія назіраюцца ў прысутнасці Nb-MXenes.Напрыклад, рн каля 8 у стромой хларапласта з'яўляецца аптымальным для эфектыўнай працы фермента RuBisCO.Такім чынам, змены pH негатыўна ўплываюць на хуткасць фотасінтэзу48,49.Тым не менш, мы не назіралі значных змен рн падчас эксперыменту (гл. SI, мал. S5 для дэталяў).Увогуле, культуры мікраводарасцей з Nb-MXenes нязначна зніжалі pH раствора з цягам часу.Аднак гэта зніжэнне было падобна на змяненне рн чыстай асяроддзя.Акрамя таго, дыяпазон знойдзеных варыяцый быў аналагічны таму, што вымераны для чыстай культуры мікраводарасцей (кантрольны ўзор).Такім чынам, мы робім выснову, што на фотасінтэз не ўплываюць змены pH з цягам часу.
Акрамя таго, сінтэзаваныя MXenes маюць канчаткі на паверхні (пазначаюцца як Tx).У асноўным гэта функцыянальныя групы -O, -F і -OH.Аднак хімія паверхні непасрэдна звязана з метадам сінтэзу.Вядома, што гэтыя групы выпадковым чынам размеркаваны па паверхні, што робіць цяжкім прадказанне іх уплыву на ўласцівасці MXene50.Можна сцвярджаць, што Tx можа быць каталітычнай сілай для акіслення ніобію святлом.Паверхневыя функцыянальныя групы сапраўды забяспечваюць некалькі месцаў мацавання для іх асноўных фотакаталізатараў для фарміравання гетеропереходов51.Аднак склад асяроддзя росту не забяспечваў эфектыўнага фотакаталізатара (падрабязны склад асяроддзя можна знайсці ў табліцы S6 SI).Акрамя таго, любая мадыфікацыя паверхні таксама вельмі важная, паколькі біялагічная актыўнасць MXenes можа быць зменена з-за пост-апрацоўкі пласта, акіслення, хімічнай мадыфікацыі паверхні арганічных і неарганічных злучэнняў52,53,54,55,56 або інжынерыі павярхоўнага зарада38.Такім чынам, каб праверыць, ці мае аксід ніёбія нейкае дачыненне да нестабільнасці матэрыялу ў асяроддзі, мы правялі даследаванні дзета-патэнцыялу (ζ) у асяроддзі росту мікраводарасцей і дэіянізаванай вадзе (для параўнання).Нашы вынікі паказваюць, што SL Nb-MXenes даволі стабільныя (гл. SI Мал. S6 для вынікаў MAX і ML).Дзета-патэнцыял SL MXenes складае каля -10 мВ.У выпадку SR Nb2CTx значэнне ζ некалькі больш адмоўнае, чым у Nb4C3Tx.Такое змяненне значэння ζ можа сведчыць аб тым, што паверхня адмоўна зараджаных нанохлопьев MXene паглынае станоўча зараджаныя іёны з культуральнай асяроддзя.Часовыя вымярэнні дзета-патэнцыялу і праводнасці Nb-MXenes у культуральным асяроддзі (падрабязней гл. малюнкі S7 і S8 у SI), здаецца, пацвярджаюць нашу гіпотэзу.
Аднак абодва Nb-MXene SL паказалі мінімальныя змены з нуля.Гэта наглядна дэманструе іх стабільнасць у асяроддзі росту мікраводарасцей.Акрамя таго, мы ацанілі, ці паўплывае прысутнасць нашых зялёных мікраводарасцей на стабільнасць Nb-MXenes ў асяроддзі.Вынікі дзета-патэнцыялу і праводнасці MXenes пасля ўзаемадзеяння з мікраводарасцямі ў пажыўных асяроддзях і культуры з цягам часу можна знайсці ў SI (рысункі S9 і S10).Цікава, што мы заўважылі, што прысутнасць мікраводарасцей, здавалася, стабілізавала дысперсію абодвух MXenes.У выпадку Nb2CTx SL дзета-патэнцыял з часам нават нязначна знізіўся да больш адмоўных значэнняў (-15,8 супраць -19,1 мВ пасля 72 гадзін інкубацыі).Дзета-патэнцыял SL Nb4C3TX крыху павялічыўся, але праз 72 гадзіны ён па-ранейшаму дэманстраваў больш высокую стабільнасць, чым нанашматкі без прысутнасці мікраводарасцей (-18,1 супраць -9,1 мВ).
Мы таксама выявілі больш нізкую праводнасць раствораў Nb-MXene, інкубаваных у прысутнасці мікраводарасцей, што паказвае на меншую колькасць іёнаў у пажыўным асяроддзі.Характэрна, што нестабільнасць MXenes ў вадзе ў асноўным з-за павярхоўнага акіслення57.Такім чынам, мы падазраем, што зялёныя мікраводарасцей нейкім чынам ачышчалі аксіды, якія ўтварыліся на паверхні Nb-MXene, і нават прадухілялі іх узнікненне (акісленне MXene).У гэтым можна пераканацца, вывучыўшы тыпы рэчываў, якія паглынаюць мікраводарасцей.
У той час як нашы экотоксикологические даследаванні паказалі, што мікраводарасцей з часам змаглі пераадолець таксічнасць Nb-MXenes і незвычайнае інгібіраванне стымуляванага росту, мэтай нашага даследавання было вывучыць магчымыя механізмы дзеяння.Калі такія арганізмы, як водарасці, падвяргаюцца ўздзеянню злучэнняў або матэрыялаў, незнаёмых іх экасістэмам, яны могуць рэагаваць па-рознаму58,59.Пры адсутнасці таксічных аксідаў металаў мікраводарасцей могуць харчавацца, што дазваляе ім бесперапынна расці60.Пасля праглынання таксічных рэчываў могуць актывавацца ахоўныя механізмы, напрыклад, змена формы або формы.Варта таксама ўлічваць магчымасць паглынання58,59.Характэрна, што любы прыкмета ахоўнага механізму з'яўляецца відавочным паказчыкам таксічнасці доследнага злучэння.Такім чынам, у нашай далейшай працы мы даследавалі патэнцыяльнае павярхоўнае ўзаемадзеянне паміж нанашматкамі SL Nb-MXene і мікраводарасцямі з дапамогай SEM і магчымае паглынанне MXene на аснове Nb з дапамогай рэнтгенаўскай флуарэсцэнтнай спектраскапіі (XRF).Звярніце ўвагу, што аналізы SEM і XRF праводзіліся толькі пры самай высокай канцэнтрацыі MXene для вырашэння праблем таксічнасці актыўнасці.
Вынікі SEM паказаны на мал.4.Неапрацаваныя клеткі мікраводарасцей (гл. мал. 4а, эталонны ўзор) выразна дэманстравалі тыповую марфалогію R. subcapitata і круасанападобную форму клетак.Клеткі выглядаюць уплощенными і некалькі дэзарганізаванымі.Некаторыя клеткі мікраводарасцей перакрываліся і заблытваліся адна з адной, але гэта, верагодна, было выклікана працэсам падрыхтоўкі ўзору.У цэлым чыстыя клеткі мікраводарасцей мелі гладкую паверхню і не дэманстравалі ніякіх марфалагічных змен.
СЭМ выявы, якія паказваюць узаемадзеянне паверхні паміж зялёнымі мікраводарасцямі і нанапластамі MXene пасля 72 гадзін узаемадзеяння пры экстрэмальнай канцэнтрацыі (100 мг L-1).(А) Неапрацаваныя зялёныя мікраводарасцей пасля ўзаемадзеяння з SL (б) Nb2CTx і (с) Nb4C3TX MXenes.Звярніце ўвагу, што нанохлопья Nb-MXene пазначаны чырвонымі стрэлкамі.Для параўнання таксама дададзены фотаздымкі з аптычнага мікраскопа.
Наадварот, клеткі мікраводарасцей, адсарбаваныя нанашматкамі SL Nb-MXene, былі пашкоджаныя (гл. мал. 4b, c, чырвоныя стрэлкі).У выпадку Nb2CTx MXene (мал. 4b), мікраводарасцей, як правіла, растуць з прымацаванымі двухмернымі наномасштабами, якія могуць змяніць іх марфалогію.Характэрна, што мы таксама назіралі гэтыя змены пад светлавой мікраскапіяй (падрабязнасці глядзіце на малюнку SI S11).Гэты марфалагічны пераход мае верагодную аснову ў фізіялогіі мікраводарасцей і іх здольнасці абараняцца шляхам змены марфалогіі клетак, такіх як павелічэнне аб'ёму клетак61.Такім чынам, важна праверыць колькасць клетак мікраводарасцей, якія фактычна знаходзяцца ў кантакце з Nb-MXenes.Даследаванні SEM паказалі, што прыкладна 52% клетак мікраводарасцей падвяргаліся ўздзеянню Nb-MXenes, у той час як 48% гэтых клетак мікраводарасцей пазбягалі кантакту.Для SL Nb4C3Tx MXene мікраводарасцей спрабуюць пазбягаць кантакту з MXene, тым самым лакалізуючы і вырастаючы з двухмерных наномасштабов (мал. 4c).Аднак пранікнення наноразмеров ў клеткі мікраводарасцей і іх пашкоджання мы не назіралі.
Самазахаванне таксама з'яўляецца залежным ад часу паводзінамі рэакцыі на блакаванне фотасінтэзу з-за адсорбцыі часціц на паверхні клеткі і так званага эфекту зацянення (зацянення)62.Відавочна, што кожны аб'ект (напрыклад, нанашматкі Nb-MXene), які знаходзіцца паміж мікраводарасцей і крыніцай святла, абмяжоўвае колькасць святла, якое паглынаецца хларапластамі.Аднак мы не сумняваемся, што гэта істотна ўплывае на атрыманыя вынікі.Як паказалі нашы мікраскапічныя назіранні, 2D нанашматкі не былі цалкам загорнутыя або прыліплі да паверхні мікраводарасцей, нават калі клеткі мікраводарасцей былі ў кантакце з Nb-MXenes.Замест гэтага нанохлопья апынуліся арыентаванымі на клеткі мікраводарасцей, не пакрываючы іх паверхню.Такі набор нанашматкоў/мікраводарасцей не можа значна абмежаваць колькасць святла, якое паглынаецца клеткамі мікраводарасцей.Больш за тое, некаторыя даследаванні нават прадэманстравалі паляпшэнне паглынання святла фотасінтэзіруючымі арганізмамі ў прысутнасці двухмерных нанаматэрыялаў63,64,65,66.
Паколькі SEM выявы не могуць непасрэдна пацвердзіць паглынанне ніобію клеткамі мікраводарасцей, наша далейшае даследаванне звярнулася да аналізу рэнтгенаўскай флуарэсцэнцыі (XRF) і рэнтгенаўскай фотаэлектроннай спектраскапіі (XPS), каб высветліць гэтае пытанне.Такім чынам, мы параўналі інтэнсіўнасць пікаў Nb эталонных узораў мікраводарасцей, якія не ўзаемадзейнічалі з MXenes, нанашматкі MXene, якія адлучаюцца ад паверхні клетак мікраводарасцей, і клетак мікраводарасцей пасля выдалення прымацаваных MXenes.Варта адзначыць, што калі няма паглынання Nb, значэнне Nb, атрыманае клеткамі мікраводарасцей, павінна быць роўным нулю пасля выдалення прымацаваных наналускавін.Такім чынам, калі адбываецца паглынанне Nb, вынікі як XRF, так і XPS павінны паказаць выразны пік Nb.
У выпадку спектраў XRF ўзоры мікраводарасцей паказалі пікі Nb для SL Nb2CTx і Nb4C3Tx MXene пасля ўзаемадзеяння з SL Nb2CTx і Nb4C3Tx MXene (гл. мал. 5a, таксама звярніце ўвагу, што вынікі для MAX і ML MXene паказаны ў SI, мал. S12–C17).Цікава, што інтэнсіўнасць піка Nb аднолькавая ў абодвух выпадках (чырвоныя палоскі на мал. 5а).Гэта азначала, што багавінне не магло паглынаць больш Nb, і максімальная здольнасць да назапашвання Nb была дасягнута ў клетках, хоць у два разы больш Nb4C3Tx MXene было прымацавана да клетак мікраводарасцей (сінія палоскі на мал. 5а).Характэрна, што здольнасць мікраводарасцей паглынаць металы залежыць ад канцэнтрацыі аксідаў металаў у навакольным асяроддзі67,68.Shamshada et al.67 выявілі, што паглынальная здольнасць прэснаводных багавіння памяншаецца з павелічэннем pH.Raize et al.68 адзначылі, што здольнасць марскіх водарасцяў паглынаць металы была прыкладна на 25% вышэй для Pb2+, чым для Ni2+.
(а) Вынікі XRF базальнага паглынання Nb клеткамі зялёных мікраводарасцей, інкубаваных пры экстрэмальнай канцэнтрацыі SL Nb-MXenes (100 мг L-1) на працягу 72 гадзін.Вынікі паказваюць прысутнасць α ў чыстых клетках мікраводарасцей (кантрольны ўзор, шэрыя слупкі), 2D-нанашматкі, выдзеленыя з паверхневых клетак мікраводарасцей (сінія слупкі), і клеткі мікраводарасцей пасля аддзялення 2D-нанашматкоў ад паверхні (чырвоныя слупкі).Колькасць элементарнага Nb, (b) працэнт хімічнага складу арганічных кампанентаў мікраводарасцей (C=O і CHx/C–O) і аксідаў Nb, якія прысутнічаюць у клетках мікраводарасцей пасля інкубацыі з SL Nb-MXenes, (c–e) Падгонка кампазіцыйнага піка спектраў XPS SL Nb2CTx і (fh) SL Nb4C3Tx MXene, інтэрналізаванага клеткамі мікраводарасцей.
Такім чынам, мы чакалі, што Nb можа паглынацца клеткамі багавіння ў выглядзе аксідаў.Каб праверыць гэта, мы правялі даследаванні XPS на MXenes Nb2CTx і Nb4C3TX і клетках багавіння.Вынікі ўзаемадзеяння мікраводарасцей з Nb-MXenes і MXenes, вылучанымі з клетак багавіння, паказаны на мал.5б.Як і чакалася, мы выявілі пікі Nb 3d ва ўзорах мікраводарасцей пасля выдалення MXene з паверхні мікраводарасцей.Колькаснае вызначэнне аксідаў C=O, CHx/CO і Nb было разлічана на аснове спектраў Nb 3d, O 1s і C 1s, атрыманых з Nb2CTx SL (мал. 5c–e) і Nb4C3Tx SL (мал. 5c–e).), атрыманы з інкубаваных мікраводарасцей.Малюнак 5f–h) MXenes.Табліца S1-3 паказвае падрабязную інфармацыю аб параметрах пікаў і агульнай хіміі ў выніку падганяння.Характэрна, што вобласці Nb 3d Nb2CTx SL і Nb4C3Tx SL (мал. 5c, f) адпавядаюць аднаму кампаненту Nb2O5.Тут мы не выявілі пікаў, звязаных з MXene, у спектрах, што паказвае на тое, што клеткі мікраводарасцей паглынаюць толькі аксідную форму Nb.Акрамя таго, мы апраксімавалі спектр C 1 з кампанентамі C–C, CHx/C–O, C=O і –COOH.Мы аднеслі пікі CHx/C–O і C=O да арганічнага ўкладу клетак мікраводарасцей.Гэтыя арганічныя кампаненты складаюць 36% і 41% пікаў C 1s у Nb2CTx SL і Nb4C3TX SL адпаведна.Затым мы падагналі O 1s-спектры SL Nb2CTx і SL Nb4C3TX з Nb2O5, арганічнымі кампанентамі мікраводарасцей (CHx/CO) і адсарбаванай на паверхні вадой.
Нарэшце, вынікі XPS дакладна паказалі форму Nb, а не толькі яго прысутнасць.Згодна з становішчам сігналу Nb 3d і вынікамі дэканвалюцыі, мы пацвярджаем, што Nb паглынаецца толькі ў выглядзе аксідаў, а не іёнаў або самога MXene.Акрамя таго, вынікі XPS паказалі, што клеткі мікраводарасцей валодаюць большай здольнасцю паглынаць аксід Nb з SL Nb2CTx у параўнанні з SL Nb4C3TX MXene.
У той час як нашы вынікі паглынання Nb уражваюць і дазваляюць вызначыць дэградацыю MXene, не існуе метаду для адсочвання звязаных з імі марфалагічных змен у 2D нанашматках.Такім чынам, мы таксама вырашылі распрацаваць прыдатны метад, які можа непасрэдна рэагаваць на любыя змены, якія адбываюцца ў двухмерных нанашматках Nb-MXene і клетках мікраводарасцей.Важна адзначыць, што мы мяркуем, што калі ўзаемадзейнічаючыя віды падвяргаюцца якой-небудзь трансфармацыі, раскладанню або дэфрагментацыі, гэта павінна хутка выяўляцца ў выглядзе змяненняў у параметрах формы, такіх як дыяметр эквівалентнай круглай вобласці, акругласць, шырыня Ферэ або даўжыня Ферэ.Паколькі гэтыя параметры прыдатныя для апісання падоўжаных часціц або двухмерных нанашматкоў, іх адсочванне з дапамогай дынамічнага аналізу формы часціц дасць нам каштоўную інфармацыю аб марфалагічнай трансфармацыі нанашматкоў SL Nb-MXene падчас аднаўлення.
Атрыманыя вынікі паказаны на малюнку 6. Для параўнання мы таксама пратэставалі арыгінальную фазу MAX і ML-MXenes (гл. малюнкі SI S18 і S19).Дынамічны аналіз формы часціц паказаў, што ўсе параметры формы двух Nb-MXene SL значна змяніліся пасля ўзаемадзеяння з мікраводарасцямі.Як паказвае параметр дыяметра эквівалентнай круглай вобласці (мал. 6а, б), паменшаная пікавая інтэнсіўнасць фракцыі буйных нанашматкоў паказвае на тое, што яны імкнуцца распадацца на больш дробныя фрагменты.На мал.6c, d паказвае памяншэнне пікаў, звязаных з папярочным памерам шматкоў (падаўжэнне нанашматкоў), што паказвае на пераўтварэнне 2D нанашматкоў у больш падобную да часціц форму.Малюнак 6e-h паказвае шырыню і даўжыню Feret адпаведна.Шырыня і даўжыня тхара з'яўляюцца дадатковымі параметрамі, і таму іх трэба разглядаць разам.Пасля інкубацыі двухмерных нанашматкоў Nb-MXene ў прысутнасці мікраводарасцей іх пікі карэляцыі Ферэ зрушыліся, а іх інтэнсіўнасць знізілася.Грунтуючыся на гэтых выніках у спалучэнні з марфалогіяй, XRF і XPS, мы прыйшлі да высновы, што назіраныя змены моцна звязаны з акісленнем, паколькі акісленыя MXenes становяцца больш маршчыністымі і распадаюцца на фрагменты і сферычныя часціцы аксіду69,70.
Аналіз трансфармацыі MXene пасля ўзаемадзеяння з зялёнымі мікраводарасцямі.Дынамічны аналіз формы часціц улічвае такія параметры, як (a, b) дыяметр эквівалентнай круглай вобласці, (c, d) акругласць, (e, f) шырыня Feret і (g, h) даўжыня Feret.З гэтай мэтай былі прааналізаваны два эталонныя ўзоры мікраводарасцей разам з першаснымі SL Nb2CTx і SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx і SL Nb4C3Tx MXenes, дэградаванымі мікраводарасцямі і апрацаванымі мікраводарасцямі SL Nb2CTx і SL Nb4C3Tx MXenes.Чырвонымі стрэлкамі паказаны пераходы параметраў формы вывучаных двухмерных наночешуек.
Паколькі аналіз параметраў формы вельмі надзейны, ён таксама можа выявіць марфалагічныя змены ў клетках мікраводарасцей.Такім чынам, мы прааналізавалі эквівалентны дыяметр кругавой вобласці, акругласць і шырыню/даўжыню Феры чыстых клетак мікраводарасцей і клетак пасля ўзаемадзеяння з 2D нанашматкамі Nb.На мал.6a-h паказваюць змены параметраў формы клетак багавіння, пра што сведчыць памяншэнне пікавай інтэнсіўнасці і зрушэнне максімумаў у бок больш высокіх значэнняў.У прыватнасці, параметры круглявасці клетак паказалі памяншэнне выцягнутых клетак і павелічэнне сферычных клетак (мал. 6а, б).Акрамя таго, шырыня клетак Ферэ павялічылася на некалькі мікраметраў пасля ўзаемадзеяння з SL Nb2CTx MXene (мал. 6e) у параўнанні з SL Nb4C3TX MXene (мал. 6f).Мы падазраем, што гэта можа быць звязана з моцным паглынаннем аксідаў Nb мікраводарасцей пры ўзаемадзеянні з Nb2CTx SR.Менш жорсткае прымацаванне шматкоў Nb да іх паверхні можа прывесці да росту клетак з мінімальным эфектам зацянення.
Нашы назіранні за зменамі параметраў формы і памеру мікраводарасцей дапаўняюць іншыя даследаванні.Зялёныя мікраводарасцей могуць змяняць сваю марфалогію ў адказ на нагрузку навакольнага асяроддзя, змяняючы памер клеткі, форму або метабалізм61.Напрыклад, змяненне памеру клетак палягчае засваенне пажыўных рэчываў71.Меншыя клеткі багавіння дэманструюць меншае паглынанне пажыўных рэчываў і пагаршаюць хуткасць росту.І наадварот, больш буйныя клеткі, як правіла, спажываюць больш пажыўных рэчываў, якія затым адкладаюцца ўнутры клетак72,73.Мачадо і Соарес выявілі, што фунгіцыд трыклазан можа павялічыць памер клетак.Яны таксама выявілі глыбокія змены ў форме багавіння74.Акрамя таго, Yin et al.9 таксама выявілі марфалагічныя змены ў водарасцях пасля ўздзеяння адноўленых нанакампазітаў аксіду графена.Такім чынам, відавочна, што змененыя параметры памеру/формы мікраводарасцей выкліканы прысутнасцю MXene.Паколькі гэта змяненне памеру і формы сведчыць аб зменах у паглынанні пажыўных рэчываў, мы лічым, што аналіз параметраў памеру і формы з цягам часу можа прадэманстраваць паглынанне аксіду ніёбія мікраводарасцямі ў прысутнасці Nb-MXenes.
Больш за тое, MXenes могуць акісляцца ў прысутнасці багавіння.Dalai et al.75 заўважыў, што марфалогія зялёных водарасцяў, якія падвергліся ўздзеянню нана-TiO2 і Al2O376, не была аднастайнай.Хоць нашы назіранні падобныя на дадзенае даследаванне, яно мае дачыненне толькі да вывучэння эфектаў біярэмедыяцыі з пункту гледжання прадуктаў дэградацыі MXene ў прысутнасці 2D нанашматкоў, а не наначасціц.Паколькі MXenes могуць раскладацца да аксідаў металаў31,32,77,78, разумна выказаць здагадку, што нашы нанашматкі Nb могуць таксама ўтвараць аксіды Nb пасля ўзаемадзеяння з клеткамі мікраводарасцей.
Каб растлумачыць аднаўленне 2D-Nb нанашматкоў з дапамогай механізму раскладання, заснаванага на працэсе акіслення, мы правялі даследаванні з выкарыстаннем трансмісійнай электроннай мікраскапіі высокага раздзялення (HRTEM) (мал. 7a,b) і рэнтгенаўскай фотаэлектроннай спектраскапіі (XPS) (мал. 7).7c-i і табліцы S4-5).Абодва падыходу падыходзяць для вывучэння акіслення двухмерных матэрыялаў і дапаўняюць адзін аднаго.HRTEM здольны аналізаваць дэградацыю двухмерных слаістай структуры і наступнае з'яўленне наначасціц аксіду металу, у той час як XPS адчувальны да павярхоўных сувязяў.Для гэтай мэты мы пратэставалі 2D Nb-MXene nanoflakes, вынятыя з дысперсій клетак мікраводарасцей, гэта значыць іх форму пасля ўзаемадзеяння з клеткамі мікраводарасцей (гл. мал. 7).
Выявы HRTEM, якія паказваюць марфалогію акісленых (a) SL Nb2CTx і (b) SL Nb4C3Tx MXenes, вынікі аналізу XPS, якія паказваюць (c) склад аксідных прадуктаў пасля аднаўлення, (d–f) супадзенне пікаў кампанентаў спектраў XPS SL Nb2CTx і (g–i) Nb4C3Tx SL, адрамантаваных зялёнымі мікраводарасцямі.
Даследаванні HRTEM пацвердзілі акісленне двух тыпаў нанохлопьев Nb-MXene.Хоць наначасціцы ў некаторай ступені захавалі сваю двухмерную марфалогію, акісленне прывяло да з'яўлення мноства наначасціц, якія пакрываюць паверхню наначасцінак MXene (гл. мал. 7a,b).XPS-аналіз сігналаў c Nb 3d і O 1s паказаў, што ў абодвух выпадках утварыліся аксіды Nb.Як паказана на малюнку 7c, 2D MXene Nb2CTx і Nb4C3TX маюць сігналы Nb 3d, якія паказваюць на прысутнасць аксідаў NbO і Nb2O5, у той час як сігналы O 1s паказваюць колькасць сувязяў O–Nb, звязаных з функцыяналізацыяй паверхні 2D наналускавін.Мы заўважылі, што ўклад аксіду Nb дамінуе ў параўнанні з Nb-C і Nb3+-O.
На мал.На малюнках 7g–i паказаны спектры XPS Nb 3d, C 1s і O 1s SL Nb2CTx (гл. мал. 7d–f) і SL Nb4C3TX MXene, вылучаных з клетак мікраводарасцей.Падрабязная інфармацыя аб параметрах піка Nb-MXenes прыведзена ў табліцах S4–5 адпаведна.Спачатку мы прааналізавалі склад Nb 3d.У адрозненне ад Nb, які паглынаецца клеткамі мікраводарасцей, у MXene, вылучаным з клетак мікраводарасцей, акрамя Nb2O5 выяўлены і іншыя кампаненты.У Nb2CTx SL мы назіралі ўклад Nb3+-O у памеры 15%, у той час як у астатнім спектры Nb 3d дамінаваў Nb2O5 (85%).Акрамя таго, узор SL Nb4C3TX змяшчае кампаненты Nb-C (9%) і Nb2O5 (91%).Тут Nb-C паходзіць з двух унутраных атамных слаёў карбіду металу ў Nb4C3Tx SR.Затым мы супастаўляем спектры C 1s з чатырма рознымі кампанентамі, як мы рабілі ў інтэрналізаваных узорах.Як і чакалася, у спектры C 1s дамінуе графітавы вуглярод, за якім ідуць арганічныя часціцы (CHx/CO і C=O) з клетак мікраводарасцей.Акрамя таго, у спектры O 1s мы назіралі ўклад арганічных формаў клетак мікраводарасцей, аксіду ніёбія і адсарбаванай вады.
Акрамя таго, мы даследавалі, ці звязана расшчапленне Nb-MXenes з прысутнасцю актыўных формаў кіслароду (АФК) у пажыўным асяроддзі і/або клетках мікраводарасцей.З гэтай мэтай мы ацанілі ўзровень сінглетнага кіслароду (1O2) у культуральным асяроддзі і ўнутрыклеткавага глутатиона, тиола, які дзейнічае як антыаксідант у мікраводарасцях.Вынікі паказаны ў SI (малюнкі S20 і S21).Культуры з SL Nb2CTx і Nb4C3TX MXenes характарызаваліся паніжанай колькасцю 1O2 (гл. малюнак S20).У выпадку SL Nb2CTx, MXene 1O2 зніжаецца прыкладна да 83%.Для культур мікраводарасцей з выкарыстаннем SL Nb4C3TX 1O2 знізіўся яшчэ больш, да 73%.Цікава, што змены ў 1O2 паказалі тую ж тэндэнцыю, што і назіраны раней тармазна-стымулюючы эфект (гл. мал. 3).Можна сцвярджаць, што інкубацыя пры яркім святле можа змяніць фотаакісленне.Аднак вынікі кантрольнага аналізу паказалі амаль пастаянныя ўзроўні 1O2 падчас эксперыменту (мал. S22).У выпадку ўнутрыклеткавых узроўняў АФК мы таксама назіралі такую ​​ж тэндэнцыю да зніжэння (гл. малюнак S21).Першапачаткова ўзроўні АФК у клетках мікраводарасцей, культывуемых у прысутнасці Nb2CTx і Nb4C3Tx SL, перавышалі ўзроўні, выяўленыя ў чыстых культурах мікраводарасцей.У рэшце рэшт, аднак, аказалася, што мікраводарасцей адаптаваліся да прысутнасці абодвух Nb-MXenes, так як узровень АФК знізіўся да 85% і 91% ад узроўняў, вымераных у чыстых культурах мікраводарасцей, прышчэпленых SL Nb2CTx і Nb4C3TX адпаведна.Гэта можа сведчыць аб тым, што мікраводарасцей з часам адчуваюць сябе больш камфортна ў прысутнасці Nb-MXene, чым у адной толькі пажыўнай асяроддзі.
Мікраводарасці - гэта разнастайная група фотасінтэзуючых арганізмаў.Падчас фотасінтэзу яны ператвараюць атмасферны вуглякіслы газ (CO2) у арганічны вуглярод.Прадуктамі фотасінтэзу з’яўляюцца глюкоза і кісларод79.Мы падазраем, што ўтвараецца такім чынам кісларод гуляе важную ролю ў акісленні Nb-MXenes.Адным з магчымых тлумачэнняў гэтага з'яўляецца тое, што дыферэнцыяльны параметр аэрацыі фармуецца пры нізкім і высокім парцыяльных цісках кіслароду звонку і ўнутры нанашматкоў Nb-MXene.Гэта азначае, што ўсюды, дзе ёсць вобласці з розным парцыяльным ціскам кіслароду, вобласць з самым нізкім узроўнем будзе ўтвараць анод 80, 81, 82. Тут мікраводарасці спрыяюць стварэнню дыферэнцыяльна аэраваных клетак на паверхні шматкоў MXene, якія выпрацоўваюць кісларод дзякуючы сваім фотасінтэтычным уласцівасцям.У выніку ўтвараюцца прадукты биокоррозии (у дадзеным выпадку аксіды ніёбія).Іншы аспект заключаецца ў тым, што мікраводарасцей могуць вырабляць арганічныя кіслоты, якія вылучаюцца ў ваду83,84.Такім чынам, утвараецца агрэсіўнае асяроддзе, тым самым змяняючы Nb-MXenes.Акрамя таго, мікраводарасцей могуць змяняць pH асяроддзя да шчолачнага з-за паглынання вуглякіслага газу, што таксама можа выклікаць карозію79.
Што яшчэ больш важна, цёмны/светлы фотаперыяд, які выкарыстоўваецца ў нашым даследаванні, мае вырашальнае значэнне для разумення атрыманых вынікаў.Гэты аспект падрабязна апісаны ў працы Djemai-Zoghlache et al.85 Яны наўмысна выкарыстоўвалі 12/12-гадзінны фотаперыяд, каб прадэманстраваць біякарозію, звязаную з біяабрастаннем чырвонымі мікраводарасцямі Porphyridium purpureum.Яны паказваюць, што фотаперыяд звязаны з эвалюцыяй патэнцыялу без біякарозіі, якая выяўляецца ў выглядзе псеўдаперыядычных ваганняў каля 24:00.Гэтыя назіранні былі пацверджаны Даўлінгам і соавт.86 Яны прадэманстравалі фотасінтэтычныя біяплёнкі цыянабактэрый Anabaena.Пад дзеяннем святла ўтвараецца раствораны кісларод, што звязана са зменай або ваганнямі свабоднага біякаразійнага патэнцыялу.Важнасць фотаперыяду падкрэсліваецца тым фактам, што свабодны патэнцыял біякарозіі павялічваецца ў светлавой фазе і зніжаецца ў цёмнай фазе.Гэта звязана з кіслародам, які выпрацоўваецца фотасінтэтычнымі мікраводарасцямі, які ўплывае на катодную рэакцыю праз парцыяльны ціск, які ствараецца каля электродаў87.
Акрамя таго, была праведзена інфрачырвоная спектраскапія з пераўтварэннем Фур'е (FTIR), каб высветліць, ці адбыліся якія-небудзь змены ў хімічным складзе клетак мікраводарасцей пасля ўзаемадзеяння з Nb-MXenes.Гэтыя атрыманыя вынікі з'яўляюцца складанымі, і мы прадстаўляем іх у SI (малюнкі S23-S25, у тым ліку вынікі этапу MAX і ML MXenes).Карацей кажучы, атрыманыя эталонныя спектры мікраводарасцей даюць нам важную інфармацыю аб хімічных характарыстыках гэтых арганізмаў.Гэтыя найбольш верагодныя ваганні знаходзяцца на частатах 1060 см-1 (CO), 1540 см-1, 1640 см-1 (C=C), 1730 см-1 (C=O), 2850 см-1, 2920 см-1.адзін.1 1 (C–H) і 3280 см–1 (O–H).Для SL Nb-MXenes мы знайшлі прыкметы расцяжэння CH-сувязі, што адпавядае нашым папярэднім даследаванням38.Аднак мы заўважылі, што некаторыя дадатковыя пікі, звязаныя са сувязямі C=C і CH, зніклі.Гэта паказвае на тое, што хімічны склад мікраводарасцей можа зведаць нязначныя змены з-за ўзаемадзеяння з SL Nb-MXenes.
Пры разглядзе магчымых змяненняў у біяхіміі мікраводарасцей, назапашванне неарганічных аксідаў, такіх як аксід ніёбія, неабходна перагледзець59.Ён удзельнічае ў паглынанні металаў клеткавай паверхняй, іх транспарціроўцы ў цытаплазму, злучэнні з унутрыклеткавымі карбаксільнымі групамі і назапашванні ў поліфасфасомах мікраводарасцей20,88,89,90.Акрамя таго, сувязь паміж мікраводарасцей і металамі падтрымліваецца функцыянальнымі групамі клетак.Па гэтай прычыне паглынанне таксама залежыць ад хімічнага складу паверхні мікраводарасцей, які даволі складаны9,91.У цэлым, як і чакалася, хімічны склад зялёных мікраводарасцей змяніўся нязначна з-за паглынання аксіду Nb.
Цікава, што назіранае пачатковае тармажэнне мікраводарасцей было зварачальным з часам.Як мы заўважылі, мікраводарасцей пераадолелі першапачатковыя змены навакольнага асяроддзя і ў рэшце рэшт вярнуліся да нармальных тэмпаў росту і нават павялічыліся.Даследаванні дзета-патэнцыялу паказваюць высокую стабільнасць пры ўвядзенні ў пажыўныя асяроддзя.Такім чынам, павярхоўнае ўзаемадзеянне паміж клеткамі мікраводарасцей і нанашматкамі Nb-MXene падтрымлівалася на працягу эксперыментаў па аднаўленні.У нашым далейшым аналізе мы абагульнім асноўныя механізмы дзеяння, якія ляжаць у аснове гэтага выдатнага паводзін мікраводарасцей.
Назіранні SEM паказалі, што мікраводарасцей, як правіла, прымацоўваюцца да Nb-MXenes.Выкарыстоўваючы дынамічны аналіз малюнкаў, мы пацвярджаем, што гэты эфект прыводзіць да пераўтварэння двухмерных нанашматкоў Nb-MXene ў больш сферычныя часціцы, дэманструючы тым самым, што раскладанне нанаштук злучана з іх акісленнем.Каб праверыць нашу гіпотэзу, мы правялі шэраг матэрыяльных і біяхімічных даследаванняў.Пасля тэставання нанохлопья паступова акісляюцца і раскладаюцца на прадукты NbO і Nb2O5, якія не ўяўляюць пагрозы для зялёных мікраводарасцей.Выкарыстоўваючы назіранне FTIR, мы не выявілі істотных змен у хімічным складзе мікраводарасцей, інкубаваных у прысутнасці 2D нанаштучак Nb-MXene.Улічваючы магчымасць паглынання аксіду ніёбія мікраводарасцямі, мы правялі рэнтгена-флуарэсцэнтны аналіз.Гэтыя вынікі ясна паказваюць, што даследаваныя мікраводарасцей сілкуюцца аксідамі ніёбія (NbO і Nb2O5), якія не таксічныя для даследаваных мікраводарасцей.