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नैनो प्रौद्योगिकी का तेजी से विकास और रोजमर्रा के अनुप्रयोगों में इसका एकीकरण पर्यावरण के लिए खतरा बन सकता है। जबकि कार्बनिक संदूषकों के अपघटन के लिए हरित विधियाँ अच्छी तरह से स्थापित हैं, अकार्बनिक क्रिस्टलीय संदूषकों की पुनर्प्राप्ति जैव-रूपांतरण के प्रति उनकी कम संवेदनशीलता और जैविक लोगों के साथ सामग्री की सतह की अंतःक्रियाओं की समझ की कमी के कारण बड़ी चिंता का विषय है। यहाँ, हम हरे सूक्ष्मशैवाल रेफिडोसेलिस सबकैपिटाटा द्वारा 2D सिरेमिक नैनोमटेरियल के बायोरेमेडिएशन तंत्र का पता लगाने के लिए एक सरल आकार पैरामीटर विश्लेषण विधि के साथ संयुक्त एक Nb-आधारित अकार्बनिक 2D MXenes मॉडल का उपयोग करते हैं। हमने पाया कि सूक्ष्मशैवाल सतह से संबंधित भौतिक-रासायनिक अंतःक्रियाओं के कारण Nb-आधारित MXenes को अपघटित करते हैं। प्रारंभ में, एकल-परत और बहुपरत MXene नैनोफ्लेक्स सूक्ष्मशैवाल की सतह से जुड़े थे, जिसने शैवाल की वृद्धि को कुछ हद तक कम कर दिया। हालांकि, सतह के साथ लंबे समय तक संपर्क में रहने पर, सूक्ष्मशैवाल ने MXene नैनोफ्लेक्स को ऑक्सीकृत कर दिया और उन्हें NbO और Nb2O5 में विघटित कर दिया। क्योंकि ये ऑक्साइड सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं के लिए गैर विषैले होते हैं, वे एक अवशोषण तंत्र द्वारा एनबी ऑक्साइड नैनोकणों का उपभोग करते हैं जो 72 घंटे के जल उपचार के बाद सूक्ष्म शैवाल को पुनर्स्थापित करता है। अवशोषण से जुड़े पोषक तत्वों के प्रभाव कोशिका की मात्रा में वृद्धि, उनके चिकने आकार और विकास दर में परिवर्तन में भी परिलक्षित होते हैं। इन निष्कर्षों के आधार पर, हम निष्कर्ष निकालते हैं कि मीठे पानी के पारिस्थितिक तंत्रों में एनबी-आधारित एमएक्सीन की अल्पकालिक और दीर्घकालिक उपस्थिति केवल मामूली पर्यावरणीय प्रभाव पैदा कर सकती है। यह ध्यान देने योग्य है कि, दो-आयामी नैनोमटेरियल को मॉडल सिस्टम के रूप में उपयोग करते हुए, हम बारीक-दानेदार सामग्रियों में भी आकार परिवर्तन को ट्रैक करने की संभावना का प्रदर्शन करते हैं। कुल मिलाकर, यह अध्ययन 2D नैनोमटेरियल के बायोरेमेडिएशन तंत्र को संचालित करने वाली सतह इंटरैक्शन-संबंधी प्रक्रियाओं के बारे में एक महत्वपूर्ण मौलिक प्रश्न का उत्तर देता
नैनोमटेरियल ने अपनी खोज के बाद से ही बहुत रुचि पैदा की है, और विभिन्न नैनो तकनीकें हाल ही में आधुनिकीकरण के चरण में प्रवेश कर चुकी हैं1। दुर्भाग्य से, नैनोमटेरियल को रोज़मर्रा के अनुप्रयोगों में एकीकृत करने से अनुचित निपटान, लापरवाह हैंडलिंग या अपर्याप्त सुरक्षा बुनियादी ढांचे के कारण आकस्मिक रिलीज़ हो सकती है। इसलिए, यह मान लेना उचित है कि दो-आयामी (2D) नैनोमटेरियल सहित नैनोमटेरियल को प्राकृतिक वातावरण में छोड़ा जा सकता है, जिसका व्यवहार और जैविक गतिविधि अभी तक पूरी तरह से समझ में नहीं आई है। इसलिए, यह आश्चर्य की बात नहीं है कि पारिस्थितिक विषाक्तता संबंधी चिंताओं ने 2D नैनोमटेरियल की जलीय प्रणालियों में घुलने की क्षमता पर ध्यान केंद्रित किया है2,3,4,5,6। इन पारिस्थितिकी प्रणालियों में, कुछ 2D नैनोमटेरियल विभिन्न ट्रॉफिक स्तरों पर विभिन्न जीवों के साथ बातचीत कर सकते हैं, जिनमें सूक्ष्म शैवाल भी शामिल हैं।
सूक्ष्म शैवाल मीठे पानी और समुद्री पारिस्थितिकी तंत्र में प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले आदिम जीव हैं जो प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से विभिन्न प्रकार के रासायनिक उत्पाद बनाते हैं7। इस प्रकार, वे जलीय पारिस्थितिकी तंत्रों के लिए महत्वपूर्ण हैं8,9,10,11,12 लेकिन वे संवेदनशील, सस्ते और व्यापक रूप से इस्तेमाल किए जाने वाले इकोटॉक्सिसिटी के संकेतक भी हैं13,14। चूँकि सूक्ष्म शैवाल कोशिकाएँ तेज़ी से गुणा करती हैं और विभिन्न यौगिकों की उपस्थिति पर तुरंत प्रतिक्रिया करती हैं, इसलिए वे कार्बनिक पदार्थों से दूषित पानी के उपचार के लिए पर्यावरण के अनुकूल तरीकों के विकास के लिए आशाजनक हैं15,16।
शैवाल कोशिकाएँ जैवशोषण और संचयन के माध्यम से पानी से अकार्बनिक आयनों को हटा सकती हैं17,18। क्लोरेला, एनाबेना इनवर, वेस्टिएलोप्सिस प्रोलिफ़िका, स्टिगेओक्लोनियम टेन्यू और सिनेकोकस प्रजाति जैसी कुछ शैवाल प्रजातियाँ। यह पाया गया है कि यह Fe2+, Cu2+, Zn2+ और Mn2+19 जैसे विषैले धातु आयनों को ले जाती हैं और उन्हें पोषित भी करती हैं। अन्य अध्ययनों से पता चला है कि Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ या Pb2+ आयन कोशिका आकृति विज्ञान को बदलकर और उनके क्लोरोप्लास्ट को नष्ट करके स्केनेडेसमस की वृद्धि को सीमित करते हैं20,21।
कार्बनिक प्रदूषकों के अपघटन और भारी धातु आयनों को हटाने के लिए हरित तरीकों ने दुनिया भर के वैज्ञानिकों और इंजीनियरों का ध्यान आकर्षित किया है। यह मुख्य रूप से इस तथ्य के कारण है कि इन प्रदूषकों को तरल चरण में आसानी से संसाधित किया जाता है। हालांकि, अकार्बनिक क्रिस्टलीय प्रदूषकों की विशेषता कम पानी में घुलनशीलता और विभिन्न जैव परिवर्तनों के प्रति कम संवेदनशीलता है, जो उपचार में बड़ी कठिनाइयों का कारण बनता है, और इस क्षेत्र में बहुत कम प्रगति हुई है22,23,24,25,26। इस प्रकार, नैनोमटेरियल की मरम्मत के लिए पर्यावरण के अनुकूल समाधानों की खोज एक जटिल और अस्पष्टीकृत क्षेत्र बनी हुई है। 2D नैनोमटेरियल के जैव परिवर्तन प्रभावों के बारे में अनिश्चितता की उच्च डिग्री के कारण, कमी के दौरान उनके क्षरण के संभावित मार्गों का पता लगाने का कोई आसान तरीका नहीं है।
इस अध्ययन में, हमने अकार्बनिक सिरेमिक सामग्रियों के लिए एक सक्रिय जलीय बायोरेमेडिएशन एजेंट के रूप में हरे सूक्ष्म शैवाल का उपयोग किया, जिसे अकार्बनिक सिरेमिक सामग्रियों के प्रतिनिधि के रूप में MXene की गिरावट प्रक्रिया की इन-सीटू निगरानी के साथ जोड़ा गया। "MXene" शब्द Mn+1XnTx सामग्री की स्टोइकियोमेट्री को दर्शाता है, जहाँ M एक प्रारंभिक संक्रमण धातु है, X कार्बन और/या नाइट्रोजन है, Tx एक सतह टर्मिनेटर है (जैसे, -OH, -F, -Cl), और n = 1, 2, 3 या 427.28। नागुइब एट अल द्वारा MXenes की खोज के बाद से। सेंसरिक्स, कैंसर थेरेपी और झिल्ली निस्पंदन 27,29,30। इसके अलावा, MXenes को उनकी उत्कृष्ट कोलाइडल स्थिरता और संभावित जैविक अंतःक्रियाओं31,32,33,34,35,36 के कारण मॉडल 2D सिस्टम के रूप में माना जा सकता है।
इसलिए, इस लेख में विकसित कार्यप्रणाली और हमारे शोध परिकल्पना चित्र 1 में दिखाए गए हैं। इस परिकल्पना के अनुसार, सूक्ष्म शैवाल सतह से संबंधित भौतिक-रासायनिक अंतःक्रियाओं के कारण Nb-आधारित MXenes को गैर-विषाक्त यौगिकों में विघटित कर देते हैं, जो शैवाल की आगे की वसूली की अनुमति देता है। इस परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए, प्रारंभिक नियोबियम-आधारित संक्रमण धातु कार्बाइड और/या नाइट्राइड (MXenes) के परिवार के दो सदस्यों, अर्थात् Nb2CTx और Nb4C3TX, का चयन किया गया।
हरे सूक्ष्म शैवाल रेफिडोसेलिस सबकैपिटाटा द्वारा एमएक्सीन की प्राप्ति के लिए शोध पद्धति और साक्ष्य-आधारित परिकल्पनाएँ। कृपया ध्यान दें कि यह साक्ष्य-आधारित मान्यताओं का केवल एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व है। झील का वातावरण उपयोग किए जाने वाले पोषक माध्यम और स्थितियों (जैसे, दैनिक चक्र और उपलब्ध आवश्यक पोषक तत्वों की सीमाएँ) में भिन्न होता है। BioRender.com के साथ बनाया गया।
इसलिए, मॉडल सिस्टम के रूप में MXene का उपयोग करके, हमने विभिन्न जैविक प्रभावों के अध्ययन का द्वार खोल दिया है जिन्हें अन्य पारंपरिक नैनोमटेरियल के साथ नहीं देखा जा सकता है। विशेष रूप से, हम माइक्रोएल्गी रैफिडोसेलिस सबकैपिटाटा द्वारा दो-आयामी नैनोमटेरियल, जैसे कि नियोबियम-आधारित MXenes के बायोरेमेडिएशन की संभावना को प्रदर्शित करते हैं। माइक्रोएल्गी Nb-MXenes को गैर-विषाक्त ऑक्साइड NbO और Nb2O5 में विघटित करने में सक्षम हैं, जो नियोबियम अवशोषण तंत्र के माध्यम से पोषक तत्व भी प्रदान करते हैं। कुल मिलाकर, यह अध्ययन सतही भौतिक-रासायनिक अंतःक्रियाओं से जुड़ी प्रक्रियाओं के बारे में एक महत्वपूर्ण मौलिक प्रश्न का उत्तर देता है जो दो-आयामी नैनोमटेरियल के बायोरेमेडिएशन के तंत्र को नियंत्रित करता है। इसके अलावा, हम 2D नैनोमटेरियल के आकार में सूक्ष्म परिवर्तनों को ट्रैक करने के लिए एक सरल आकार-पैरामीटर-आधारित विधि विकसित कर रहे हैं। यह अकार्बनिक क्रिस्टलीय नैनोमटेरियल के विभिन्न पर्यावरणीय प्रभावों में आगे के अल्पकालिक और दीर्घकालिक शोध को प्रेरित करता है। इस प्रकार, हमारा अध्ययन भौतिक सतह और जैविक सामग्री के बीच परस्पर क्रिया की समझ को बढ़ाता है। हम मीठे पानी के पारिस्थितिकी तंत्र पर उनके संभावित प्रभावों के विस्तारित अल्पकालिक और दीर्घकालिक अध्ययनों के लिए आधार भी प्रदान कर रहे हैं, जिन्हें अब आसानी से सत्यापित किया जा सकता है।
एमएक्सीन एक दिलचस्प वर्ग की सामग्री है जिसमें अद्वितीय और आकर्षक भौतिक और रासायनिक गुण हैं और इसलिए कई संभावित अनुप्रयोग हैं। ये गुण काफी हद तक उनकी स्टोइकियोमेट्री और सतह रसायन विज्ञान पर निर्भर हैं। इसलिए, हमारे अध्ययन में, हमने दो प्रकार के एनबी-आधारित पदानुक्रमित एकल-परत (एसएल) एमएक्सीन की जांच की, एनबी2सीटीएक्स और एनबी4सी3टीएक्स, क्योंकि इन नैनोमटेरियल के विभिन्न जैविक प्रभाव देखे जा सकते हैं। एमएक्सीन को उनके शुरुआती सामग्रियों से परमाणु रूप से पतली मैक्स-चरण ए-परतों की ऊपर से नीचे की चयनात्मक नक्काशी द्वारा उत्पादित किया जाता है। मैक्स चरण एक त्रिगुट सिरेमिक है जो संक्रमण धातु कार्बाइड के "बंधे" ब्लॉकों और एमएनएएक्सएन-1 स्टोइकियोमेट्री के साथ अल, सी और एसएन जैसे "ए" तत्वों की पतली परतों से बना है। प्रारंभिक मैक्स चरण की आकृति विज्ञान को स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) द्वारा देखा गया था और यह पिछले अध्ययनों के अनुरूप था (पूरक जानकारी देखें, एसआई, चित्र एस1)। 48% HF (हाइड्रोफ्लोरिक एसिड) के साथ Al परत को हटाने के बाद मल्टीलेयर (ML) Nb-MXene प्राप्त किया गया। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) (क्रमशः चित्र S1c और S1d) द्वारा ML-Nb2CTx और ML-Nb4C3TX की आकृति विज्ञान की जांच की गई और एक विशिष्ट स्तरित MXene आकृति विज्ञान देखा गया, जो लम्बी छिद्र जैसी झिल्लियों से गुजरने वाले दो-आयामी नैनोफ्लेक्स के समान है। दोनों Nb-MXenes में पहले एसिड एचिंग27,38 द्वारा संश्लेषित MXene चरणों के साथ बहुत कुछ समान है। MXene की संरचना की पुष्टि करने के बाद, हमने इसे टेट्राब्यूटाइलमोनियम हाइड्रॉक्साइड (TBAOH) के अंतःक्षेपण द्वारा स्तरित किया, उसके बाद धुलाई और ध्वनिकरण किया, जिसके बाद हमें एकल-परत या निम्न-परत (SL) 2D Nb-MXene नैनोफ्लेक्स प्राप्त हुए।
हमने नक़्काशी और आगे छीलने की दक्षता का परीक्षण करने के लिए उच्च रिज़ॉल्यूशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (HRTEM) और एक्स-रे विवर्तन (XRD) का उपयोग किया। इनवर्स फास्ट फूरियर ट्रांसफ़ॉर्म (IFFT) और फास्ट फूरियर ट्रांसफ़ॉर्म (FFT) का उपयोग करके संसाधित HRTEM परिणाम चित्र 2 में दिखाए गए हैं। परमाणु परत की संरचना की जाँच करने और अंतर-तलीय दूरी को मापने के लिए Nb-MXene नैनोफ़्लेक्स को किनारे से ऊपर की ओर उन्मुख किया गया था। MXene Nb2CTx और Nb4C3TX नैनोफ़्लेक्स की HRTEM छवियों ने उनकी परमाणु रूप से पतली परत वाली प्रकृति का खुलासा किया (चित्र 2a1, a2 देखें), जैसा कि पहले नागुइब एट अल.27 और जस्त्रज़ेबस्का एट अल.38 द्वारा रिपोर्ट किया गया था। दो आसन्न Nb2CTx और Nb4C3Tx मोनोलेयर्स के लिए, हमने क्रमशः 0.74 और 1.54 एनएम की अंतर-परत दूरी निर्धारित की (चित्र 2b1, b2), जो हमारे पिछले परिणामों38 से भी सहमत है। इसकी पुष्टि व्युत्क्रम तीव्र फूरियर रूपांतरण (चित्र 2c1, c2) और तीव्र फूरियर रूपांतरण (चित्र 2d1, d2) द्वारा की गई, जो Nb2CTx और Nb4C3Tx मोनोलेयर्स के बीच की दूरी को दर्शाता है। छवि नियोबियम और कार्बन परमाणुओं के अनुरूप प्रकाश और अंधेरे बैंडों का एक विकल्प दिखाती है, जो अध्ययन किए गए MXenes की परतदार प्रकृति की पुष्टि करता है। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि Nb2CTx और Nb4C3Tx (चित्र S2a और S2b) के लिए प्राप्त ऊर्जा फैलाव एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDX) स्पेक्ट्रा ने मूल MAX चरण का कोई अवशेष नहीं दिखाया, क्योंकि कोई Al शिखर नहीं पाया गया।
SL Nb2CTx और Nb4C3Tx MXene नैनोफ्लेक्स की विशेषता, जिसमें (a) हाई रेजोल्यूशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (HRTEM) साइड-व्यू 2D नैनोफ्लेक इमेजिंग और संबंधित, (b) इंटेंसिटी मोड, (c) इनवर्स फास्ट फूरियर ट्रांसफॉर्म (IFFT), (d) फास्ट फूरियर ट्रांसफॉर्म (FFT), (e) Nb-MXenes एक्स-रे पैटर्न शामिल हैं। SL 2D Nb2CTx के लिए, संख्याओं को (a1, b1, c1, d1, e1) के रूप में व्यक्त किया जाता है। SL 2D Nb4C3Tx के लिए, संख्याओं को (a2, b2, c2, d2, e1) के रूप में व्यक्त किया जाता है।
SL Nb2CTx और Nb4C3Tx MXenes के एक्स-रे विवर्तन माप क्रमशः चित्र 2e1 और e2 में दिखाए गए हैं। 4.31 और 4.32 पर चोटियाँ (002) क्रमशः पहले वर्णित स्तरित MXenes Nb2CTx और Nb4C3TX38,39,40,41 के अनुरूप हैं। XRD परिणाम कुछ अवशिष्ट ML संरचनाओं और MAX चरणों की उपस्थिति का भी संकेत देते हैं, लेकिन ज़्यादातर SL Nb4C3Tx (चित्र 2e2) से जुड़े XRD पैटर्न हैं। MAX चरण के छोटे कणों की उपस्थिति यादृच्छिक रूप से स्टैक्ड Nb4C3Tx परतों की तुलना में मजबूत MAX शिखर की व्याख्या कर सकती है।
आगे के शोध ने आर. सबकैपिटाटा प्रजाति से संबंधित हरे सूक्ष्म शैवाल पर ध्यान केंद्रित किया है। हमने सूक्ष्म शैवाल को इसलिए चुना क्योंकि वे प्रमुख खाद्य जालों में शामिल महत्वपूर्ण उत्पादक हैं42. वे खाद्य श्रृंखला के उच्च स्तरों पर ले जाए जाने वाले विषाक्त पदार्थों को हटाने की क्षमता के कारण विषाक्तता के सर्वोत्तम संकेतकों में से एक हैं43. इसके अलावा, आर. सबकैपिटाटा पर शोध सामान्य मीठे पानी के सूक्ष्मजीवों के लिए एसएल एनबी-एमएक्सीन की आकस्मिक विषाक्तता पर प्रकाश डाल सकता है। इसे स्पष्ट करने के लिए, शोधकर्ताओं ने परिकल्पना की कि प्रत्येक सूक्ष्म जीव में पर्यावरण में मौजूद विषाक्त यौगिकों के प्रति अलग-अलग संवेदनशीलता होती है। अधिकांश जीवों के लिए, पदार्थों की कम सांद्रता उनके विकास को प्रभावित नहीं करती है, जबकि एक निश्चित सीमा से ऊपर की सांद्रता उन्हें बाधित कर सकती है या यहां तक ​​कि मृत्यु का कारण भी बन सकती है। इसलिए, सूक्ष्म शैवाल और एमएक्सीन के बीच सतही संपर्क और संबंधित पुनर्प्राप्ति के हमारे अध्ययन के लिए, हमने एनबी-एमएक्सीन की हानिरहित और विषाक्त सांद्रता का परीक्षण करने का निर्णय लिया। ऐसा करने के लिए, हमने 0 (संदर्भ के रूप में), 0.01, 0.1 और 10 मिलीग्राम एल-1 एमएक्सईन की सांद्रता का परीक्षण किया और इसके अतिरिक्त माइक्रोएल्गी को एमएक्सईन (100 मिलीग्राम एल-1 एमएक्सईन) की बहुत उच्च सांद्रता से संक्रमित किया, जो किसी भी जैविक वातावरण के लिए अत्यधिक और घातक हो सकता है।
सूक्ष्म शैवाल पर SL Nb-MXenes के प्रभाव चित्र 3 में दिखाए गए हैं, जिन्हें 0 mg l-1 नमूनों के लिए मापी गई वृद्धि प्रोत्साहन (+) या अवरोध (-) के प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया गया है। तुलना के लिए, Nb-MAX चरण और ML Nb-MXenes का भी परीक्षण किया गया और परिणाम SI में दिखाए गए हैं (चित्र S3 देखें)। प्राप्त परिणामों ने पुष्टि की कि SL Nb-MXenes 0.01 से 10 mg/l तक की कम सांद्रता की सीमा में विषाक्तता से लगभग पूरी तरह रहित है, जैसा कि चित्र 3a,b में दिखाया गया है। Nb2CTx के मामले में, हमने निर्दिष्ट सीमा में 5% से अधिक इकोटॉक्सिसिटी नहीं देखी।
एसएल (ए) एनबी2सीटीएक्स और (बी) एनबी4सी3टीएक्स एमएक्सईएन की उपस्थिति में सूक्ष्मशैवाल वृद्धि की उत्तेजना (+) या अवरोध (-)। एमएक्सईएन-सूक्ष्मशैवाल अंतःक्रिया के 24, 48 और 72 घंटों का विश्लेषण किया गया। महत्वपूर्ण डेटा (टी-टेस्ट, पी < 0.05) को तारांकन (*) से चिह्नित किया गया था। महत्वपूर्ण डेटा (टी-टेस्ट, पी < 0.05) को तारांकन (*) से चिह्नित किया गया था। Значимые данные (t-критерий, p <0,05) отмечены звездочкой (*). महत्वपूर्ण डेटा (टी-टेस्ट, पी < 0.05) को तारांकन (*) से चिह्नित किया गया है।त्रुटि दर (*) त्रुटि।त्रुटि दर (*) त्रुटि। Важные данные (टी-टेस्ट, पी <0,05) отмечены звездочкой (*)। महत्वपूर्ण डेटा (टी-टेस्ट, पी < 0.05) को तारांकन (*) से चिह्नित किया गया है।लाल तीर निरोधात्मक उत्तेजना के उन्मूलन का संकेत देते हैं।
दूसरी ओर, Nb4C3TX की कम सांद्रता थोड़ी अधिक विषाक्त निकली, लेकिन 7% से अधिक नहीं। जैसा कि अपेक्षित था, हमने देखा कि 100mg L-1 पर MXenes में अधिक विषाक्तता और सूक्ष्म शैवाल वृद्धि अवरोध था। दिलचस्प बात यह है कि MAX या ML नमूनों की तुलना में किसी भी सामग्री ने अविषाक्त/विषाक्त प्रभावों की समान प्रवृत्ति और समय निर्भरता नहीं दिखाई (विवरण के लिए SI देखें)। जबकि MAX चरण के लिए (चित्र S3 देखें) विषाक्तता लगभग 15-25% तक पहुँच गई और समय के साथ बढ़ती गई, SL Nb2CTx और Nb4C3TX MXene के लिए विपरीत प्रवृत्ति देखी गई। समय के साथ सूक्ष्म शैवाल वृद्धि का अवरोध कम हो गया। यह 24 घंटे के बाद लगभग 17% तक पहुँच गया और 72 घंटे के बाद 5% से कम हो गया (चित्र 3a, b, क्रमशः)।
इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि SL Nb4C3TX के लिए, 24 घंटों के बाद सूक्ष्म शैवाल वृद्धि अवरोध लगभग 27% तक पहुँच गया, लेकिन 72 घंटों के बाद यह घटकर लगभग 1% रह गया। इसलिए, हमने देखे गए प्रभाव को उत्तेजना के व्युत्क्रम अवरोध के रूप में लेबल किया, और यह प्रभाव SL Nb4C3TX MXene के लिए अधिक मजबूत था। SL Nb2CTx MXene की तुलना में Nb4C3TX (24 घंटे के लिए 10 mg L-1 पर अंतःक्रिया) के साथ सूक्ष्म शैवाल वृद्धि की उत्तेजना पहले देखी गई थी। अवरोध-उत्तेजना उलट प्रभाव भी बायोमास दोहरीकरण दर वक्र में अच्छी तरह से दिखाया गया था (विवरण के लिए चित्र S4 देखें)। अब तक, केवल Ti3C2TX MXene की पारिस्थितिक विषाक्तता का विभिन्न तरीकों से अध्ययन किया गया है। यह ज़ेब्राफ़िश भ्रूणों के लिए विषाक्त नहीं है44 लेकिन सूक्ष्म शैवाल डेस्मोडेसमस क्वाड्रिकाडा और सोरघम सैकरेटम पौधों के लिए मध्यम रूप से पारिस्थितिक रूप से विषाक्त है45। विशिष्ट प्रभावों के अन्य उदाहरणों में सामान्य कोशिका रेखाओं की तुलना में कैंसर कोशिका रेखाओं के लिए उच्च विषाक्तता शामिल है46,47। यह माना जा सकता है कि परीक्षण की स्थितियाँ Nb-MXenes की उपस्थिति में देखे गए सूक्ष्म शैवाल विकास में परिवर्तनों को प्रभावित करेंगी। उदाहरण के लिए, क्लोरोप्लास्ट स्ट्रोमा में लगभग 8 का pH RuBisCO एंजाइम के कुशल संचालन के लिए इष्टतम है। इसलिए, pH में परिवर्तन प्रकाश संश्लेषण की दर को नकारात्मक रूप से प्रभावित करते हैं48,49। हालाँकि, हमने प्रयोग के दौरान pH में महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं देखे (विवरण के लिए SI, चित्र S5 देखें)। सामान्य तौर पर, Nb-MXenes के साथ सूक्ष्म शैवाल की संस्कृतियों ने समय के साथ घोल के pH को थोड़ा कम कर दिया। हालाँकि, यह कमी शुद्ध माध्यम के pH में परिवर्तन के समान थी। इसके अलावा, पाए गए बदलावों की सीमा सूक्ष्म शैवाल (नियंत्रण नमूना) की शुद्ध संस्कृति के लिए मापी गई सीमा के समान थी। इस प्रकार, हम निष्कर्ष निकालते हैं कि समय के साथ pH में परिवर्तन से प्रकाश संश्लेषण प्रभावित नहीं होता है।
इसके अलावा, संश्लेषित MXenes में सतह के सिरे होते हैं (जिन्हें Tx के रूप में दर्शाया जाता है)। ये मुख्य रूप से कार्यात्मक समूह -O, -F और -OH हैं। हालाँकि, सतह रसायन विज्ञान सीधे संश्लेषण की विधि से संबंधित है। इन समूहों को सतह पर बेतरतीब ढंग से वितरित किया जाता है, जिससे MXene50 के गुणों पर उनके प्रभाव की भविष्यवाणी करना मुश्किल हो जाता है। यह तर्क दिया जा सकता है कि Tx प्रकाश द्वारा नियोबियम के ऑक्सीकरण के लिए उत्प्रेरक बल हो सकता है। सतह कार्यात्मक समूह वास्तव में अपने अंतर्निहित फोटोकैटेलिस्ट्स को हेटेरोजंक्शन51 बनाने के लिए कई एंकरिंग साइट प्रदान करते हैं। हालाँकि, वृद्धि माध्यम संरचना ने एक प्रभावी फोटोकैटेलिस्ट प्रदान नहीं किया (विस्तृत माध्यम संरचना SI तालिका S6 में पाई जा सकती है)। इसके अलावा, कोई भी सतह संशोधन भी बहुत महत्वपूर्ण है, क्योंकि MXenes की जैविक गतिविधि परत पोस्ट-प्रोसेसिंग, ऑक्सीकरण, कार्बनिक और अकार्बनिक यौगिकों के रासायनिक सतह संशोधन52,53,54,55,56 या सतह चार्ज इंजीनियरिंग38 के कारण बदल सकती है। इसलिए, यह जांचने के लिए कि क्या नियोबियम ऑक्साइड का माध्यम में सामग्री अस्थिरता से कोई संबंध है, हमने सूक्ष्म शैवाल विकास माध्यम और विआयनीकृत जल (तुलना के लिए) में ज़ीटा (ζ) क्षमता का अध्ययन किया। हमारे परिणाम दर्शाते हैं कि SL Nb-MXenes काफी स्थिर हैं (MAX और ML परिणामों के लिए SI चित्र S6 देखें)। SL MXenes की ज़ीटा क्षमता लगभग -10 mV है। SR Nb2CTx के मामले में, ζ का मान Nb4C3Tx की तुलना में कुछ अधिक ऋणात्मक है। ζ मान में ऐसा परिवर्तन यह संकेत दे सकता है कि ऋणात्मक रूप से आवेशित MXene नैनोफ्लेक्स की सतह संवर्धन माध्यम से धनात्मक रूप से आवेशित आयनों को अवशोषित करती है। संवर्धन माध्यम में Nb-MXenes की ज़ीटा क्षमता और चालकता के अस्थायी माप (अधिक विवरण के लिए SI में चित्र S7 और S8 देखें) हमारी परिकल्पना का समर्थन करते प्रतीत होते हैं।
हालांकि, दोनों Nb-MXene SLs ने शून्य से न्यूनतम परिवर्तन दिखाए। यह स्पष्ट रूप से सूक्ष्म शैवाल विकास माध्यम में उनकी स्थिरता को दर्शाता है। इसके अलावा, हमने मूल्यांकन किया कि क्या हमारे हरे सूक्ष्म शैवाल की उपस्थिति माध्यम में Nb-MXenes की स्थिरता को प्रभावित करेगी। पोषक माध्यम और संस्कृति में समय के साथ सूक्ष्म शैवाल के साथ बातचीत के बाद MXenes की ज़ीटा क्षमता और चालकता के परिणाम SI (आंकड़े S9 और S10) में पाए जा सकते हैं। दिलचस्प बात यह है कि हमने देखा कि सूक्ष्म शैवाल की उपस्थिति दोनों MXenes के फैलाव को स्थिर करती है। Nb2CTx SL के मामले में, ज़ीटा क्षमता समय के साथ थोड़ी कम होकर अधिक नकारात्मक मानों (-15.8 बनाम -19.1 mV ऊष्मायन के 72 घंटे बाद) तक पहुँच गई। एसएल एनबी4सी3टीएक्स की ज़ीटा क्षमता थोड़ी बढ़ गई, लेकिन 72 घंटे के बाद भी इसने माइक्रोशैवाल की उपस्थिति के बिना नैनोफ्लेक्स की तुलना में उच्च स्थिरता दिखाई (-18.1 बनाम -9.1 एमवी)।
हमने माइक्रोएल्गी की मौजूदगी में इनक्यूबेट किए गए एनबी-एमएक्सीन घोल की कम चालकता भी पाई, जो पोषक माध्यम में आयनों की कम मात्रा को दर्शाता है। उल्लेखनीय रूप से, पानी में एमएक्सीन की अस्थिरता मुख्य रूप से सतह ऑक्सीकरण57 के कारण होती है। इसलिए, हमें संदेह है कि हरे माइक्रोएल्गी ने किसी तरह एनबी-एमएक्सीन की सतह पर बने ऑक्साइड को साफ किया और यहां तक ​​कि उनकी घटना (एमएक्सीन का ऑक्सीकरण) को भी रोका। माइक्रोएल्गी द्वारा अवशोषित पदार्थों के प्रकारों का अध्ययन करके इसे देखा जा सकता है।
जबकि हमारे पारिस्थितिकीय विष विज्ञान संबंधी अध्ययनों ने संकेत दिया कि सूक्ष्म शैवाल समय के साथ Nb-MXenes की विषाक्तता और उत्तेजित वृद्धि के असामान्य अवरोध को दूर करने में सक्षम थे, हमारे अध्ययन का उद्देश्य कार्रवाई के संभावित तंत्रों की जांच करना था। जब शैवाल जैसे जीव अपने पारिस्थितिकी तंत्र से अपरिचित यौगिकों या सामग्रियों के संपर्क में आते हैं, तो वे कई तरह से प्रतिक्रिया कर सकते हैं58,59। विषाक्त धातु ऑक्साइड की अनुपस्थिति में, सूक्ष्म शैवाल खुद को खिला सकते हैं, जिससे वे लगातार बढ़ सकते हैं60। विषाक्त पदार्थों के अंतर्ग्रहण के बाद, रक्षा तंत्र सक्रिय हो सकते हैं, जैसे आकार या रूप बदलना। अवशोषण की संभावना पर भी विचार किया जाना चाहिए58,59। विशेष रूप से, रक्षा तंत्र का कोई भी संकेत परीक्षण यौगिक की विषाक्तता का स्पष्ट संकेतक है। इसलिए, हमारे आगे के काम में, हमने SEM द्वारा SL Nb-MXene नैनोफ्लेक्स और सूक्ष्म शैवाल के बीच संभावित सतही संपर्क और एक्स-रे प्रतिदीप्ति स्पेक्ट्रोस्कोपी (XRF) द्वारा Nb-आधारित MXene के संभावित अवशोषण की जांच की। ध्यान दें कि गतिविधि विषाक्तता के मुद्दों को संबोधित करने के लिए SEM और XRF विश्लेषण केवल MXene की उच्चतम सांद्रता पर किए गए थे।
SEM परिणाम चित्र 4 में दिखाए गए हैं। अनुपचारित सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं (चित्र 4a देखें, संदर्भ नमूना) में स्पष्ट रूप से विशिष्ट आर. सबकैपिटाटा आकृति विज्ञान और क्रोइसैन्ट जैसी कोशिका आकृति दिखाई दी। कोशिकाएँ चपटी और कुछ हद तक अव्यवस्थित दिखाई देती हैं। कुछ सूक्ष्म शैवाल कोशिकाएँ एक दूसरे के साथ ओवरलैप और उलझी हुई थीं, लेकिन यह संभवतः नमूना तैयार करने की प्रक्रिया के कारण हुआ था। सामान्य तौर पर, शुद्ध सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं की सतह चिकनी होती थी और उनमें कोई रूपात्मक परिवर्तन नहीं दिखता था।
72 घंटे की अत्यधिक सांद्रता (100 मिलीग्राम एल-1) पर परस्पर क्रिया के बाद हरे सूक्ष्म शैवाल और एमएक्सीन नैनोशीट के बीच सतह पर परस्पर क्रिया को दर्शाने वाली एसईएम छवियाँ। (ए) एसएल (बी) एनबी2सीटीएक्स और (सी) एनबी4सी3टीएक्स एमएक्सीन के साथ परस्पर क्रिया के बाद अनुपचारित हरे सूक्ष्म शैवाल। ध्यान दें कि एनबी-एमएक्सीन नैनोफ्लेक्स को लाल तीर से चिह्नित किया गया है। तुलना के लिए, ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप से ली गई तस्वीरें भी जोड़ी गई हैं।
इसके विपरीत, SL Nb-MXene नैनोफ्लेक्स द्वारा अवशोषित सूक्ष्म शैवाल कोशिकाएं क्षतिग्रस्त हो गईं (चित्र 4b, c, लाल तीर देखें)। Nb2CTx MXene (चित्र 4b) के मामले में, सूक्ष्म शैवाल दो-आयामी नैनोस्केल के साथ बढ़ने की प्रवृत्ति रखते हैं, जो उनकी आकृति विज्ञान को बदल सकते हैं। उल्लेखनीय रूप से, हमने प्रकाश माइक्रोस्कोपी के तहत भी इन परिवर्तनों को देखा (विवरण के लिए SI चित्र S11 देखें)। इस रूपात्मक संक्रमण का सूक्ष्म शैवाल के शरीर विज्ञान और कोशिका की मात्रा में वृद्धि जैसे कोशिका आकृति विज्ञान को बदलकर खुद का बचाव करने की उनकी क्षमता में एक प्रशंसनीय आधार है61। इसलिए, उन सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं की संख्या की जाँच करना महत्वपूर्ण है जो वास्तव में Nb-MXenes के संपर्क में हैं। SEM अध्ययनों से पता चला है कि लगभग 52% सूक्ष्म शैवाल कोशिकाएँ Nb-MXenes के संपर्क में थीं, जबकि इनमें से 48% सूक्ष्म शैवाल कोशिकाएँ संपर्क से बचती थीं। SL Nb4C3Tx MXene के लिए, सूक्ष्म शैवाल MXene के संपर्क से बचने की कोशिश करते हैं, जिससे वे दो-आयामी नैनोस्केल से स्थानीयकृत और विकसित होते हैं (चित्र 4c)। हालाँकि, हमने सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं में नैनोस्केल के प्रवेश और उनके नुकसान को नहीं देखा।
स्व-संरक्षण भी कोशिका की सतह पर कणों के सोखने और तथाकथित छायांकन (छाया) प्रभाव62 के कारण प्रकाश संश्लेषण की रुकावट के लिए एक समय-निर्भर प्रतिक्रिया व्यवहार है। यह स्पष्ट है कि प्रत्येक वस्तु (उदाहरण के लिए, एनबी-एमएक्सीन नैनोफ्लेक्स) जो सूक्ष्म शैवाल और प्रकाश स्रोत के बीच है, क्लोरोप्लास्ट द्वारा अवशोषित प्रकाश की मात्रा को सीमित करता है। हालांकि, हमें इसमें कोई संदेह नहीं है कि इससे प्राप्त परिणामों पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। जैसा कि हमारे सूक्ष्म अवलोकनों से पता चला है, 2D नैनोफ्लेक्स सूक्ष्म शैवाल की सतह पर पूरी तरह से लिपटे या चिपके नहीं थे, तब भी जब सूक्ष्म शैवाल कोशिकाएं एनबी-एमएक्सीन के संपर्क में थीं। इसके बजाय, नैनोफ्लेक्स सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं की सतह को कवर किए बिना उनकी ओर उन्मुख हो गए। नैनोफ्लेक्स/सूक्ष्म शैवाल का ऐसा सेट सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं द्वारा अवशोषित प्रकाश की मात्रा को महत्वपूर्ण रूप से सीमित नहीं कर सकता है। इसके अलावा, कुछ अध्ययनों ने द्वि-आयामी नैनोमटेरियल63,64,65,66 की उपस्थिति में प्रकाश संश्लेषक जीवों द्वारा प्रकाश अवशोषण में सुधार भी प्रदर्शित किया है।
चूँकि SEM छवियाँ सीधे सूक्ष्मशैवाल कोशिकाओं द्वारा नियोबियम के अवशोषण की पुष्टि नहीं कर सकती थीं, इसलिए हमारे आगे के अध्ययन ने इस मुद्दे को स्पष्ट करने के लिए एक्स-रे प्रतिदीप्ति (XRF) और एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) विश्लेषण की ओर रुख किया। इसलिए, हमने संदर्भ सूक्ष्मशैवाल नमूनों के Nb शिखरों की तीव्रता की तुलना की, जो MXenes, सूक्ष्मशैवाल कोशिकाओं की सतह से अलग किए गए MXene नैनोफ्लेक्स और संलग्न MXenes को हटाने के बाद सूक्ष्मशैवाल कोशिकाओं के साथ परस्पर क्रिया नहीं करते थे। यह ध्यान देने योग्य है कि यदि कोई Nb अवशोषण नहीं है, तो संलग्न नैनोस्केल को हटाने के बाद सूक्ष्मशैवाल कोशिकाओं द्वारा प्राप्त Nb मान शून्य होना चाहिए। इसलिए, यदि Nb अवशोषण होता है, तो XRF और XPS दोनों परिणामों को एक स्पष्ट Nb शिखर दिखाना चाहिए।
एक्सआरएफ स्पेक्ट्रा के मामले में, सूक्ष्म शैवाल के नमूनों ने एसएल एनबी2सीटीएक्स और एनबी4सी3टीएक्स एमएक्सीन के साथ अंतःक्रिया के बाद एसएल एनबी2सीटीएक्स और एनबी4सी3टीएक्स एमएक्सीन के लिए एनबी चोटियों को दिखाया (चित्र 5 ए देखें, यह भी ध्यान दें कि मैक्स और एमएल एमएक्सीन के परिणाम एसआई, चित्र एस12-सी17 में दिखाए गए हैं)। दिलचस्प बात यह है कि एनबी चोटी की तीव्रता दोनों मामलों में समान है (चित्र 5 ए में लाल पट्टियां)। इससे संकेत मिलता है कि शैवाल अधिक एनबी अवशोषित नहीं कर सका, और कोशिकाओं में एनबी संचय की अधिकतम क्षमता हासिल की गई, हालांकि सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं से दो गुना अधिक एनबी4सी3टीएक्स एमएक्सीन जुड़ा था (चित्र 5 ए में नीली पट्टियां)। उल्लेखनीय रूप से, धातुओं को अवशोषित करने की सूक्ष्म शैवाल की क्षमता राईजे एट अल.68 ने पाया कि समुद्री शैवालों में धातुओं को अवशोषित करने की क्षमता Pb2+ के लिए Ni2+ की तुलना में लगभग 25% अधिक थी।
(ए) 72 घंटों के लिए एसएल एनबी-एमएक्सीन (100 मिलीग्राम एल-1) की अत्यधिक सांद्रता पर इनक्यूबेट किए गए हरे सूक्ष्मशैवाल कोशिकाओं द्वारा बेसल एनबी अपटेक के एक्सआरएफ परिणाम। परिणाम शुद्ध सूक्ष्मशैवाल कोशिकाओं (नियंत्रण नमूना, ग्रे कॉलम), सतह सूक्ष्मशैवाल कोशिकाओं (नीले कॉलम) से अलग किए गए 2डी नैनोफ्लेक्स और सतह (लाल कॉलम) से 2डी नैनोफ्लेक्स को अलग करने के बाद सूक्ष्मशैवाल कोशिकाओं में α की उपस्थिति दिखाते हैं। मौलिक एनबी की मात्रा, (बी) एसएल एनबी-एमएक्सीन के साथ इनक्यूबेशन के बाद सूक्ष्मशैवाल कोशिकाओं में मौजूद सूक्ष्मशैवाल कार्बनिक घटकों (सी=ओ और सीएचएक्स/सी–ओ) और एनबी ऑक्साइड की रासायनिक संरचना का प्रतिशत, (सी–ई) एक्सपीएस एसएल एनबी2सीटीएक्स स्पेक्ट्रा
इसलिए, हमने उम्मीद की थी कि एनबी को ऑक्साइड के रूप में शैवाल कोशिकाओं द्वारा अवशोषित किया जा सकता है। इसे परखने के लिए, हमने MXenes Nb2CTx और Nb4C3TX और शैवाल कोशिकाओं पर XPS अध्ययन किया। सूक्ष्म शैवाल की Nb-MXenes और शैवाल कोशिकाओं से पृथक MXenes के साथ परस्पर क्रिया के परिणाम चित्र 5b में दिखाए गए हैं। जैसी कि उम्मीद थी, हमने सूक्ष्म शैवाल की सतह से MXene को हटाने के बाद सूक्ष्म शैवाल के नमूनों में Nb 3d चोटियों का पता लगाया। C=O, CHx/CO, और Nb ऑक्साइड के मात्रात्मक निर्धारण की गणना Nb2CTx SL (चित्र 5c–e) और Nb4C3Tx SL (चित्र 5c–e) के साथ प्राप्त Nb 3d, O 1s, और C 1s स्पेक्ट्रा के आधार पर की गई तालिका S1-3 में फिट से उत्पन्न शिखर मापदंडों और समग्र रसायन विज्ञान का विवरण दिखाया गया है। यह ध्यान देने योग्य है कि Nb2CTx SL और Nb4C3Tx SL (चित्र 5c, f) के Nb 3d क्षेत्र एक Nb2O5 घटक के अनुरूप हैं। यहाँ, हमें स्पेक्ट्रा में कोई MXene-संबंधित शिखर नहीं मिला, जो दर्शाता है कि सूक्ष्म शैवाल कोशिकाएँ केवल Nb के ऑक्साइड रूप को अवशोषित करती हैं। इसके अलावा, हमने C 1 s स्पेक्ट्रम को C–C, CHx/C–O, C=O, और –COOH घटकों के साथ सन्निकट किया। हमने CHx/C–O और C=O शिखरों को सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं के कार्बनिक योगदान के लिए निर्दिष्ट किया। ये कार्बनिक घटक क्रमशः Nb2CTx SL और Nb4C3TX SL में C 1s शिखरों का 36% और 41% हिस्सा बनाते हैं। इसके बाद हमने SL Nb2CTx और SL Nb4C3TX के O 1s स्पेक्ट्रा को Nb2O5, सूक्ष्मशैवाल के कार्बनिक घटकों (CHx/CO) और सतह पर अवशोषित जल के साथ समायोजित किया।
अंत में, XPS परिणामों ने Nb के रूप को स्पष्ट रूप से इंगित किया, न कि केवल इसकी उपस्थिति को। Nb 3d सिग्नल की स्थिति और विघटन के परिणामों के अनुसार, हम पुष्टि करते हैं कि Nb केवल ऑक्साइड के रूप में अवशोषित होता है, न कि आयनों या MXene के रूप में। इसके अलावा, XPS परिणामों से पता चला कि माइक्रोएल्गी कोशिकाओं में SL Nb4C3TX MXene की तुलना में SL Nb2CTx से Nb ऑक्साइड को अवशोषित करने की अधिक क्षमता है।
जबकि हमारे एनबी अपटेक परिणाम प्रभावशाली हैं और हमें एमएक्सीन गिरावट की पहचान करने की अनुमति देते हैं, 2 डी नैनोफ्लेक्स में संबंधित रूपात्मक परिवर्तनों को ट्रैक करने के लिए कोई विधि उपलब्ध नहीं है। इसलिए, हमने एक उपयुक्त विधि विकसित करने का भी निर्णय लिया जो 2 डी एनबी-एमएक्सीन नैनोफ्लेक्स और माइक्रोएल्गी कोशिकाओं में होने वाले किसी भी परिवर्तन का सीधे जवाब दे सके। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि हम मानते हैं कि यदि परस्पर क्रिया करने वाली प्रजातियाँ किसी भी परिवर्तन, अपघटन या विखंडन से गुजरती हैं, तो यह जल्दी से आकार मापदंडों में परिवर्तन के रूप में प्रकट होना चाहिए, जैसे कि समतुल्य गोलाकार क्षेत्र का व्यास, गोलाई, फेरेट की चौड़ाई या फेरेट की लंबाई। चूंकि ये पैरामीटर लम्बी कणों या दो-आयामी नैनोफ्लेक्स का वर्णन करने के लिए उपयुक्त हैं, इसलिए गतिशील कण आकार विश्लेषण द्वारा उनकी ट्रैकिंग हमें कमी के दौरान एसएल एनबी-एमएक्सीन नैनोफ्लेक्स के रूपात्मक परिवर्तन के बारे में मूल्यवान जानकारी देगी।
प्राप्त परिणाम चित्र 6 में दिखाए गए हैं। तुलना के लिए, हमने मूल MAX चरण और ML-MXenes का भी परीक्षण किया (SI चित्र S18 और S19 देखें)। कण आकार के गतिशील विश्लेषण से पता चला कि दो Nb-MXene SLs के सभी आकार पैरामीटर सूक्ष्म शैवाल के साथ बातचीत के बाद काफी बदल गए। जैसा कि समतुल्य वृत्ताकार क्षेत्र व्यास पैरामीटर (चित्र 6a, b) द्वारा दिखाया गया है, बड़े नैनोफ्लेक्स के अंश की कम हुई चोटी की तीव्रता यह दर्शाती है कि वे छोटे टुकड़ों में क्षय होने लगते हैं। चित्र 6c पर, d फ्लेक्स के अनुप्रस्थ आकार (नैनोफ्लेक्स का विस्तार) से जुड़े चोटियों में कमी दिखाता है, जो 2D नैनोफ्लेक्स के अधिक कण जैसी आकृति में परिवर्तन को दर्शाता है। चित्र 6e-h क्रमशः फेरेट की चौड़ाई और लंबाई दिखा रहा है। फेरेट की चौड़ाई और लंबाई पूरक पैरामीटर हैं और इसलिए उन्हें एक साथ माना जाना चाहिए। सूक्ष्म शैवाल की उपस्थिति में 2D Nb-MXene नैनोफ्लेक्स के ऊष्मायन के बाद, उनके फेरेट सहसंबंध शिखर स्थानांतरित हो गए और उनकी तीव्रता कम हो गई। आकृति विज्ञान, एक्सआरएफ और एक्सपीएस के संयोजन में इन परिणामों के आधार पर, हमने निष्कर्ष निकाला कि देखे गए परिवर्तन ऑक्सीकरण से दृढ़ता से संबंधित हैं क्योंकि ऑक्सीकृत एमएक्सीन अधिक झुर्रीदार हो जाते हैं और टुकड़ों और गोलाकार ऑक्साइड कणों में टूट जाते हैं69,70।
हरे सूक्ष्मशैवाल के साथ अंतःक्रिया के बाद एमएक्सीन रूपांतरण का विश्लेषण। गतिशील कण आकार विश्लेषण ऐसे मापदंडों को ध्यान में रखता है जैसे (ए, बी) समतुल्य गोलाकार क्षेत्र का व्यास, (सी, डी) गोलाई, (ई, एफ) फेरेट चौड़ाई और (जी, एच) फेरेट लंबाई। इस उद्देश्य के लिए, दो संदर्भ सूक्ष्मशैवाल नमूनों का विश्लेषण प्राथमिक SL Nb2CTx और SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx और SL Nb4C3Tx MXenes, अपघटित सूक्ष्मशैवाल और उपचारित सूक्ष्मशैवाल SL Nb2CTx और SL Nb4C3Tx MXenes के साथ किया गया। लाल तीर अध्ययन किए गए दो-आयामी नैनोफ्लेक्स के आकार मापदंडों के संक्रमण को दर्शाते हैं।
चूंकि आकार पैरामीटर विश्लेषण बहुत विश्वसनीय है, इसलिए यह सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं में रूपात्मक परिवर्तनों को भी प्रकट कर सकता है। इसलिए, हमने शुद्ध सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं और 2D Nb नैनोफ्लेक्स के साथ बातचीत के बाद कोशिकाओं के समतुल्य गोलाकार क्षेत्र व्यास, गोलाई और फेरेट चौड़ाई/लंबाई का विश्लेषण किया। चित्र 6a-h में शैवाल कोशिकाओं के आकार मापदंडों में परिवर्तन दिखाए गए हैं, जैसा कि चरम तीव्रता में कमी और उच्च मूल्यों की ओर अधिकतम के बदलाव से स्पष्ट है। विशेष रूप से, कोशिका गोलाई मापदंडों ने लम्बी कोशिकाओं में कमी और गोलाकार कोशिकाओं में वृद्धि दिखाई (चित्र 6a, b)। इसके अलावा, SL Nb2CTx MXene (चित्र 6e) के साथ बातचीत के बाद फेरेट सेल की चौड़ाई SL Nb4C3TX MXene (चित्र 6f) की तुलना में कई माइक्रोमीटर बढ़ गई। हमें संदेह है कि यह Nb2CTx SR के साथ बातचीत पर सूक्ष्म शैवाल द्वारा Nb ऑक्साइड के मजबूत अवशोषण के कारण हो सकता है। Nb फ्लेक्स की उनकी सतह पर कम कठोर संलग्नता के परिणामस्वरूप न्यूनतम छायांकन प्रभाव के साथ कोशिका वृद्धि हो सकती है।
सूक्ष्म शैवाल के आकार और आकृति के मापदंडों में परिवर्तन के हमारे अवलोकन अन्य अध्ययनों के पूरक हैं। हरे सूक्ष्म शैवाल पर्यावरण तनाव के जवाब में कोशिका के आकार, आकृति या चयापचय को बदलकर अपनी आकृति विज्ञान को बदल सकते हैं61। उदाहरण के लिए, कोशिकाओं के आकार को बदलने से पोषक तत्वों का अवशोषण आसान हो जाता है71। छोटी शैवाल कोशिकाएँ पोषक तत्वों को कम ग्रहण करती हैं और उनकी वृद्धि दर कम होती है। इसके विपरीत, बड़ी कोशिकाएँ अधिक पोषक तत्वों का उपभोग करती हैं, जिन्हें फिर कोशिकाओं के अंदर जमा किया जाता है72,73। मचाडो और सोरेस ने पाया कि कवकनाशी ट्राइक्लोसन कोशिका के आकार को बढ़ा सकता है। उन्होंने शैवाल के आकार में भी गहरा परिवर्तन पाया74। इसके अलावा, यिन एट अल.9 ने कम ग्रेफीन ऑक्साइड नैनोकंपोजिट के संपर्क में आने के बाद शैवाल में रूपात्मक परिवर्तनों का भी खुलासा किया। इसलिए, यह स्पष्ट है कि सूक्ष्म शैवाल के बदले हुए आकार/आकृति पैरामीटर MXene की उपस्थिति के कारण हैं। चूंकि आकार और आकृति में यह परिवर्तन पोषक तत्वों के अवशोषण में परिवर्तन का संकेत है, इसलिए हमारा मानना ​​है कि समय के साथ आकार और आकृति मापदंडों के विश्लेषण से एनबी-एमएक्सीन की उपस्थिति में सूक्ष्म शैवाल द्वारा नियोबियम ऑक्साइड के अवशोषण को प्रदर्शित किया जा सकता है।
इसके अलावा, MXenes को शैवाल की उपस्थिति में ऑक्सीकृत किया जा सकता है। दलाई एट अल.75 ने पाया कि नैनो-TiO2 और Al2O376 के संपर्क में आने वाले हरे शैवाल की आकृति विज्ञान एक समान नहीं थी। हालाँकि हमारे अवलोकन वर्तमान अध्ययन के समान हैं, लेकिन यह केवल 2D नैनोफ्लेक्स की उपस्थिति में MXene गिरावट उत्पादों के संदर्भ में बायोरेमेडिएशन के प्रभावों के अध्ययन के लिए प्रासंगिक है, न कि नैनोकणों के लिए। चूँकि MXenes धातु ऑक्साइड में विघटित हो सकते हैं,31,32,77,78 इसलिए यह मानना ​​उचित है कि हमारे Nb नैनोफ्लेक्स भी सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं के साथ बातचीत करने के बाद Nb ऑक्साइड बना सकते हैं।
ऑक्सीकरण प्रक्रिया पर आधारित अपघटन तंत्र के माध्यम से 2D-Nb नैनोफ्लेक्स के अपचयन को समझाने के लिए, हमने उच्च-रिज़ॉल्यूशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (HRTEM) (चित्र 7a,b) और एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) (चित्र 7) का उपयोग करके अध्ययन किए। 7c-i और तालिका S4-5)। दोनों दृष्टिकोण 2D सामग्रियों के ऑक्सीकरण का अध्ययन करने के लिए उपयुक्त हैं और एक दूसरे के पूरक हैं। HRTEM द्वि-आयामी स्तरित संरचनाओं के क्षरण और उसके बाद धातु ऑक्साइड नैनोकणों की उपस्थिति का विश्लेषण करने में सक्षम है, जबकि XPS सतही बंधों के प्रति संवेदनशील है। इस उद्देश्य के लिए, हमने सूक्ष्म शैवाल कोशिका फैलाव से निकाले गए 2D Nb-MXene नैनोफ्लेक्स का परीक्षण किया,
ऑक्सीकृत (ए) एसएल एनबी2सीटीएक्स और (बी) एसएल एनबी4सी3टीएक्स एमएक्सीन की आकृति विज्ञान को दर्शाने वाली एचआरटीईएम छवियां, (सी) कमी के बाद ऑक्साइड उत्पादों की संरचना, (डी-एफ) एसएल एनबी2सीटीएक्स और (जी-आई) एनबी4सी3टीएक्स एसएल के एक्सपीएस स्पेक्ट्रा के घटकों के शिखर मिलान को हरे सूक्ष्म शैवाल के साथ मरम्मत किया गया।
HRTEM अध्ययनों ने दो प्रकार के Nb-MXene नैनोफ्लेक्स के ऑक्सीकरण की पुष्टि की। हालाँकि नैनोफ्लेक्स ने कुछ हद तक अपनी दो-आयामी आकृति को बनाए रखा, ऑक्सीकरण के परिणामस्वरूप MXene नैनोफ्लेक्स की सतह को कवर करने वाले कई नैनोकण दिखाई दिए (चित्र 7a,b देखें)। c Nb 3d और O 1s संकेतों के XPS विश्लेषण ने संकेत दिया कि दोनों मामलों में Nb ऑक्साइड बने थे। जैसा कि चित्र 7c में दिखाया गया है, 2D MXene Nb2CTx और Nb4C3TX में Nb 3d संकेत हैं जो NbO और Nb2O5 ऑक्साइड की उपस्थिति का संकेत देते हैं, जबकि O 1s संकेत 2D नैनोफ्लेक सतह के कार्यात्मककरण से जुड़े O-Nb बॉन्ड की संख्या को इंगित करते हैं। हमने देखा कि Nb-C और Nb3+-O की तुलना में Nb ऑक्साइड का योगदान प्रमुख है।
चित्र 7g-i में Nb 3d, C 1s और O 1s SL Nb2CTx (चित्र 7d-f देखें) और SL Nb4C3TX MXene के XPS स्पेक्ट्रा को सूक्ष्मशैवाल कोशिकाओं से अलग किया गया है। Nb-MXenes के शिखर मापदंडों का विवरण क्रमशः तालिका S4–5 में दिया गया है। हमने सबसे पहले Nb 3d की संरचना का विश्लेषण किया। सूक्ष्मशैवाल कोशिकाओं द्वारा अवशोषित Nb के विपरीत, सूक्ष्मशैवाल कोशिकाओं से अलग किए गए MXene में, Nb2O5 के अलावा, अन्य घटक पाए गए। Nb2CTx SL में, हमने 15% की मात्रा में Nb3+-O का योगदान देखा, जबकि Nb 3d स्पेक्ट्रम के बाकी हिस्से में Nb2O5 (85%) का प्रभुत्व था। इसके अलावा, SL Nb4C3TX नमूने में Nb-C (9%) और Nb2O5 (91%) घटक होते हैं। यहाँ Nb-C, Nb4C3Tx SR में धातु कार्बाइड की दो आंतरिक परमाणु परतों से आता है। फिर हम C 1s स्पेक्ट्रा को चार अलग-अलग घटकों में मैप करते हैं, जैसा कि हमने आंतरिक नमूनों में किया था। जैसा कि अपेक्षित था, C 1s स्पेक्ट्रम में ग्रेफाइटिक कार्बन का प्रभुत्व है, इसके बाद सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं से कार्बनिक कणों (CHx/CO और C=O) का योगदान है। इसके अलावा, O 1s स्पेक्ट्रम में, हमने सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं, नियोबियम ऑक्साइड और अधिशोषित जल के कार्बनिक रूपों का योगदान देखा।
इसके अलावा, हमने जांच की कि क्या एनबी-एमएक्सईनेस क्लीवेज पोषक माध्यम और/या सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं में प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (आरओएस) की उपस्थिति से जुड़ा हुआ है। इस उद्देश्य के लिए, हमने संवर्धन माध्यम और इंट्रासेल्युलर ग्लूटाथियोन में सिंगलेट ऑक्सीजन (1O2) के स्तर का आकलन किया, एक थिओल जो सूक्ष्म शैवाल में एंटीऑक्सीडेंट के रूप में कार्य करता है। परिणाम SI (चित्र S20 और S21) में दिखाए गए हैं। SL Nb2CTx और Nb4C3TX MXenes के साथ संवर्धन 1O2 की कम मात्रा की विशेषता थी (चित्र S20 देखें)। SL Nb2CTx के मामले में, MXene 1O2 लगभग 83% तक कम हो जाता है। SL का उपयोग करने वाले सूक्ष्म शैवाल संवर्धन के लिए, Nb4C3TX 1O2 और भी कम होकर 73% हो गया। दिलचस्प बात यह है कि 1O2 में परिवर्तन ने पहले देखे गए निरोधात्मक-उत्तेजक प्रभाव (चित्र 3 देखें) के समान प्रवृत्ति दिखाई। यह तर्क दिया जा सकता है कि उज्ज्वल प्रकाश में ऊष्मायन फोटोऑक्सीकरण को बदल सकता है। हालांकि, नियंत्रण विश्लेषण के परिणामों ने प्रयोग के दौरान 1O2 के लगभग स्थिर स्तर दिखाए (चित्र S22)। इंट्रासेल्युलर ROS स्तरों के मामले में, हमने उसी नीचे की प्रवृत्ति को भी देखा (चित्र S21 देखें)। प्रारंभ में, Nb2CTx और Nb4C3Tx SLs की उपस्थिति में संवर्धित सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं में ROS के स्तर सूक्ष्म शैवाल की शुद्ध संस्कृतियों में पाए जाने वाले स्तरों से अधिक थे। अंततः, हालांकि, ऐसा प्रतीत हुआ कि सूक्ष्म शैवाल ने दोनों Nb-MXenes की उपस्थिति के लिए खुद को अनुकूलित कर लिया, क्योंकि ROS का स्तर क्रमशः SL Nb2CTx और Nb4C3TX के साथ टीका लगाए गए सूक्ष्म शैवाल की शुद्ध संस्कृतियों में मापे गए स्तरों के 85% और 91% तक कम हो गया। यह संकेत दे सकता है कि सूक्ष्म शैवाल अकेले पोषक माध्यम की तुलना में Nb-MXene की उपस्थिति में समय के साथ अधिक सहज महसूस करते हैं।
सूक्ष्म शैवाल प्रकाश संश्लेषक जीवों का एक विविध समूह है। प्रकाश संश्लेषण के दौरान, वे वायुमंडलीय कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) को कार्बनिक कार्बन में परिवर्तित करते हैं। प्रकाश संश्लेषण के उत्पाद ग्लूकोज और ऑक्सीजन79 हैं। हमें संदेह है कि इस प्रकार बनने वाली ऑक्सीजन Nb-MXenes के ऑक्सीकरण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। इसके लिए एक संभावित व्याख्या यह है कि विभेदक वातन पैरामीटर Nb-MXene नैनोफ्लेक्स के बाहर और अंदर ऑक्सीजन के कम और उच्च आंशिक दबाव पर बनता है। इसका मतलब यह है कि जहाँ भी ऑक्सीजन के अलग-अलग आंशिक दबाव वाले क्षेत्र हैं, सबसे कम स्तर वाला क्षेत्र एनोड 80, 81, 82 बनाएगा। यहाँ, सूक्ष्म शैवाल MXene फ्लेक्स की सतह पर विभेदक रूप से वातित कोशिकाओं के निर्माण में योगदान करते हैं, जो अपने प्रकाश संश्लेषक गुणों के कारण ऑक्सीजन का उत्पादन करते हैं। परिणामस्वरूप, बायोकोरोशन उत्पाद (इस मामले में, नियोबियम ऑक्साइड) बनते हैं। एक अन्य पहलू यह है कि सूक्ष्म शैवाल कार्बनिक अम्लों का उत्पादन कर सकते हैं जिन्हें पानी में छोड़ा जाता है83,84। इसलिए, एक आक्रामक वातावरण बनता है, जिससे एनबी-एमएक्सईन में बदलाव होता है। इसके अलावा, माइक्रोएल्गी कार्बन डाइऑक्साइड के अवशोषण के कारण वातावरण के पीएच को क्षारीय में बदल सकता है, जिससे जंग भी लग सकती है79।
इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि हमारे अध्ययन में उपयोग किया गया अंधेरा/उजाला फोटोपीरियड प्राप्त परिणामों को समझने के लिए महत्वपूर्ण है। इस पहलू का विस्तार से वर्णन Djemai-Zoghlache et al. 85 में किया गया है। उन्होंने लाल सूक्ष्म शैवाल Porphyridium purpureum द्वारा जैवदूषण से जुड़े जैवसंक्षारण को प्रदर्शित करने के लिए जानबूझकर 12/12 घंटे के फोटोपीरियड का उपयोग किया। वे दिखाते हैं कि फोटोपीरियड जैवसंक्षारण के बिना क्षमता के विकास के साथ जुड़ा हुआ है, जो खुद को 24:00 के आसपास छद्म आवधिक दोलनों के रूप में प्रकट करता है। इन अवलोकनों की पुष्टि Dowling et al. 86 ने की, उन्होंने साइनोबैक्टीरिया एनाबीना की प्रकाश संश्लेषक बायोफिल्म्स का प्रदर्शन किया। प्रकाश की क्रिया के तहत घुलित ऑक्सीजन का निर्माण होता है ऐसा प्रकाश संश्लेषक सूक्ष्म शैवाल द्वारा उत्पादित ऑक्सीजन के कारण होता है, जो इलेक्ट्रोड के पास उत्पन्न आंशिक दबाव के माध्यम से कैथोडिक प्रतिक्रिया को प्रभावित करता है87।
इसके अलावा, फूरियर ट्रांसफॉर्म इंफ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (एफटीआईआर) का उपयोग यह पता लगाने के लिए किया गया था कि क्या एनबी-एमएक्सईन्स के साथ अंतःक्रिया के बाद सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं की रासायनिक संरचना में कोई परिवर्तन हुआ है। ये प्राप्त परिणाम जटिल हैं और हम उन्हें एसआई (आंकड़े एस23-एस25, मैक्स चरण और एमएल एमएक्सईन्स के परिणामों सहित) में प्रस्तुत करते हैं। संक्षेप में, सूक्ष्म शैवाल के प्राप्त संदर्भ स्पेक्ट्रा हमें इन जीवों की रासायनिक विशेषताओं के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करते हैं। ये सबसे संभावित कंपन 1060 सेमी-1 (सीओ), 1540 सेमी-1, 1640 सेमी-1 (सी=सी), 1730 सेमी-1 (सी=ओ), 2850 सेमी-1, 2920 सेमी-1.1 (सी–एच) और 3280 सेमी–1 (ओ–एच) की आवृत्तियों पर स्थित हैं। हालाँकि, हमने देखा कि C=C और CH बॉन्ड से जुड़ी कुछ अतिरिक्त चोटियाँ गायब हो गईं। यह दर्शाता है कि SL Nb-MXenes के साथ बातचीत के कारण सूक्ष्म शैवाल की रासायनिक संरचना में मामूली बदलाव हो सकते हैं।
सूक्ष्मशैवाल के जैव रसायन में संभावित परिवर्तनों पर विचार करते समय, नियोबियम ऑक्साइड जैसे अकार्बनिक ऑक्साइड के संचय पर पुनर्विचार करने की आवश्यकता है59। यह कोशिका की सतह द्वारा धातुओं के अवशोषण, कोशिका द्रव्य में उनके परिवहन, अंतःकोशिकीय कार्बोक्सिल समूहों के साथ उनके जुड़ाव और सूक्ष्मशैवाल पॉलीफॉस्फोसोम में उनके संचय में शामिल है20,88,89,90। इसके अलावा, सूक्ष्मशैवाल और धातुओं के बीच संबंध कोशिकाओं के कार्यात्मक समूहों द्वारा बनाए रखा जाता है। इस कारण से, अवशोषण भी सूक्ष्मशैवाल की सतह के रसायन विज्ञान पर निर्भर करता है, जो काफी जटिल है9,91। सामान्य तौर पर, जैसा कि अपेक्षित था, एनबी ऑक्साइड के अवशोषण के कारण हरे सूक्ष्मशैवाल की रासायनिक संरचना में थोड़ा बदलाव आया।
दिलचस्प बात यह है कि सूक्ष्म शैवाल का देखा गया आरंभिक अवरोध समय के साथ प्रतिवर्ती था। जैसा कि हमने देखा, सूक्ष्म शैवाल ने आरंभिक पर्यावरणीय परिवर्तन पर काबू पा लिया और अंततः सामान्य वृद्धि दर पर लौट आए और यहां तक ​​कि वृद्धि भी हुई। ज़ीटा क्षमता के अध्ययन पोषक माध्यम में पेश किए जाने पर उच्च स्थिरता दिखाते हैं। इस प्रकार, सूक्ष्म शैवाल कोशिकाओं और एनबी-एमएक्सईन नैनोफ्लेक्स के बीच सतही संपर्क पूरे कमी प्रयोगों के दौरान बनाए रखा गया था। हमारे आगे के विश्लेषण में, हम सूक्ष्म शैवाल के इस उल्लेखनीय व्यवहार के अंतर्गत क्रिया के मुख्य तंत्रों का सारांश देते हैं।
SEM अवलोकनों से पता चला है कि सूक्ष्म शैवाल Nb-MXenes से जुड़ने की प्रवृत्ति रखते हैं। गतिशील छवि विश्लेषण का उपयोग करते हुए, हम पुष्टि करते हैं कि यह प्रभाव दो-आयामी Nb-MXene नैनोफ्लेक्स को अधिक गोलाकार कणों में परिवर्तित करता है, जिससे यह प्रदर्शित होता है कि नैनोफ्लेक्स का अपघटन उनके ऑक्सीकरण से जुड़ा हुआ है। अपनी परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए, हमने सामग्री और जैव रासायनिक अध्ययनों की एक श्रृंखला आयोजित की। परीक्षण के बाद, नैनोफ्लेक्स धीरे-धीरे ऑक्सीकृत हो गए और NbO और Nb2O5 उत्पादों में विघटित हो गए, जिससे हरे सूक्ष्म शैवाल को कोई खतरा नहीं हुआ। FTIR अवलोकन का उपयोग करते हुए, हमने 2D Nb-MXene नैनोफ्लेक्स की उपस्थिति में इनक्यूबेट किए गए सूक्ष्म शैवाल की रासायनिक संरचना में कोई महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं पाया। सूक्ष्म शैवाल द्वारा नियोबियम ऑक्साइड के अवशोषण की संभावना को ध्यान में रखते हुए, हमने एक एक्स-रे प्रतिदीप्ति विश्लेषण किया। इन परिणामों से स्पष्ट रूप से पता चलता है कि अध्ययन किए गए सूक्ष्म शैवाल नियोबियम ऑक्साइड (NbO और Nb2O5) पर निर्भर हैं, जो अध्ययन किए गए सूक्ष्म शैवाल के लिए गैर विषैले हैं।