Շնորհակալություն Nature.com կայք այցելելու համար: Դուք օգտագործում եք սահմանափակ CSS աջակցությամբ դիտարկիչի տարբերակ: Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում): Մինչ այդ, շարունակական աջակցությունն ապահովելու համար, մենք կայքը կցուցադրենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Միաժամանակ ցուցադրում է երեք սլայդից բաղկացած կարուսել: Օգտագործեք «Նախորդ» և «Հաջորդ» կոճակները՝ միաժամանակ երեք սլայդով անցնելու համար, կամ օգտագործեք վերջում գտնվող սահող կոճակները՝ միաժամանակ երեք սլայդով անցնելու համար:
Նանոտեխնոլոգիայի արագ զարգացումը և դրա ինտեգրումը առօրյա կիրառություններում կարող են սպառնալ շրջակա միջավայրին: Մինչդեռ օրգանական աղտոտիչների քայքայման կանաչ մեթոդները լավ հաստատված են, անօրգանական բյուրեղային աղտոտիչների վերականգնումը մեծ մտահոգության առարկա է՝ կենսատրանսֆորմացիայի նկատմամբ դրանց ցածր զգայունության և կենսաբանական նյութերի մակերեսային փոխազդեցությունների անբավարար ըմբռնման պատճառով: Այստեղ մենք օգտագործում ենք Nb-ի վրա հիմնված անօրգանական 2D MXenes մոդելը՝ զուգորդված պարզ ձևի պարամետրերի վերլուծության մեթոդի հետ՝ կանաչ միկրոջրիմուռ Raphidocelis subcapitata-ի կողմից 2D կերամիկական նանոմատերիալների կենսավերականգնման մեխանիզմը հետևելու համար: Մենք պարզեցինք, որ միկրոջրիմուռները քայքայում են Nb-ի վրա հիմնված MXenes-ները մակերեսին առնչվող ֆիզիկաքիմիական փոխազդեցությունների պատճառով: Սկզբում միկրոջրիմուռների մակերեսին կպած էին միաշերտ և բազմաշերտ MXene նանոթաթաթիկներ, ինչը որոշ չափով նվազեցրեց ջրիմուռների աճը: Այնուամենայնիվ, մակերեսի հետ երկարատև փոխազդեցության դեպքում միկրոջրիմուռները օքսիդացնում էին MXene նանոթաթաթիկները և հետագայում քայքայում դրանք NbO-ի և Nb2O5-ի: Քանի որ այս օքսիդները ոչ թունավոր են միկրոջրիմուռների բջիջների համար, դրանք սպառում են Nb օքսիդի նանոմասնիկներ կլանման մեխանիզմով, որը հետագայում վերականգնում է միկրոջրիմուռները 72 ժամ ջրի մշակումից հետո: Կլանման հետ կապված սննդանյութերի ազդեցությունը նաև արտացոլվում է բջիջների ծավալի ավելացման, դրանց հարթ ձևի և աճի տեմպի փոփոխության մեջ: Այս արդյունքների հիման վրա մենք եզրակացնում ենք, որ Nb-ի վրա հիմնված MXenes-ների կարճաժամկետ և երկարաժամկետ ներկայությունը քաղցրահամ ջրերի էկոհամակարգերում կարող է առաջացնել միայն աննշան շրջակա միջավայրի վրա ազդեցություն: Հատկանշական է, որ երկչափ նանոմատերիալները որպես մոդելային համակարգեր օգտագործելով՝ մենք ցույց ենք տալիս ձևի փոխակերպմանը հետևելու հնարավորությունը նույնիսկ մանրահատիկ նյութերում: Ընդհանուր առմամբ, այս ուսումնասիրությունը պատասխանում է 2D նանոմատերիալների կենսավերականգնման մեխանիզմը խթանող մակերեսային փոխազդեցության հետ կապված գործընթացների վերաբերյալ կարևոր հիմնարար հարցին և հիմք է հանդիսանում անօրգանական բյուրեղային նանոմատերիալների շրջակա միջավայրի վրա ազդեցության հետագա կարճաժամկետ և երկարաժամկետ ուսումնասիրությունների համար:
Նանոնյութերը մեծ հետաքրքրություն են առաջացրել իրենց հայտնագործումից ի վեր, և տարբեր նանոտեխնոլոգիաներ վերջերս մտել են արդիականացման փուլ1: Ցավոք, նանոմատերիալների ինտեգրումը առօրյա կիրառություններում կարող է հանգեցնել պատահական արտանետումների՝ ոչ պատշաճ հեռացման, անզգույշ վարման կամ անբավարար անվտանգության ենթակառուցվածքների պատճառով: Հետևաբար, ողջամիտ է ենթադրել, որ նանոմատերիալները, այդ թվում՝ երկչափ (2D) նանոմատերիալները, կարող են արտանետվել բնական միջավայր, որոնց վարքագիծը և կենսաբանական ակտիվությունը դեռևս լիովին հասկանալի չեն: Հետևաբար, զարմանալի չէ, որ էկոտոքսիկության վերաբերյալ մտահոգությունները կենտրոնացել են 2D նանոմատերիալների ջրային համակարգեր ներթափանցելու ունակության վրա2,3,4,5,6: Այս էկոհամակարգերում որոշ 2D նանոմատերիալներ կարող են փոխազդել տարբեր օրգանիզմների հետ՝ տարբեր տրոֆիկ մակարդակներում, այդ թվում՝ միկրոջրիմուռների:
Միկրոջրիմուռները պարզունակ օրգանիզմներ են, որոնք բնականաբար հանդիպում են քաղցրահամ և ծովային էկոհամակարգերում և ֆոտոսինթեզի միջոցով արտադրում են բազմազան քիմիական նյութեր7: Որպես այդպիսին, դրանք կարևոր են ջրային էկոհամակարգերի համար8,9,10,11,12, բայց նաև զգայուն, էկոտոքսիկության զգայուն, մատչելի և լայնորեն օգտագործվող ցուցանիշներ են13,14: Քանի որ միկրոջրիմուռների բջիջները արագ բազմանում են և արագ արձագանքում են տարբեր միացությունների առկայությանը, դրանք խոստումնալից են օրգանական նյութերով աղտոտված ջրի մաքրման էկոլոգիապես մաքուր մեթոդների մշակման համար15,16:
Ջրիմուռների բջիջները կարող են ջրից հեռացնել անօրգանական իոնները կենսասորբցիայի և կուտակման միջոցով17,18: Որոշ ջրիմուռների տեսակներ, ինչպիսիք են Chlorella-ն, Anabaena invar-ը, Westiellopsis prolifica-ն, Stigeoclonium tenue-ն և Synechococcus sp.-ն, պարզվել է, որ այն կրում և նույնիսկ սնուցում է թունավոր մետաղական իոններ, ինչպիսիք են Fe2+, Cu2+, Zn2+ և Mn2+19: Այլ ուսումնասիրություններ ցույց են տվել, որ Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ կամ Pb2+ իոնները սահմանափակում են Scenedesmus-ի աճը՝ փոխելով բջջային ձևաբանությունը և ոչնչացնելով դրանց քլորոպլաստները20,21:
Օրգանական աղտոտիչների քայքայման և ծանր մետաղների իոնների հեռացման կանաչ մեթոդները գրավել են աշխարհի գիտնականների և ինժեներների ուշադրությունը: Սա հիմնականում պայմանավորված է նրանով, որ այս աղտոտիչները հեշտությամբ մշակվում են հեղուկ փուլում: Այնուամենայնիվ, անօրգանական բյուրեղային աղտոտիչները բնութագրվում են ջրում ցածր լուծելիությամբ և տարբեր կենսափոխակերպումների նկատմամբ ցածր զգայունությամբ, ինչը մեծ դժվարություններ է առաջացնում վերականգնման գործընթացում, և այս ոլորտում քիչ առաջընթաց է գրանցվել22,23,24,25,26: Այսպիսով, նանոմատերիալների վերականգնման համար էկոլոգիապես մաքուր լուծումների որոնումը մնում է բարդ և չուսումնասիրված ոլորտ: 2D նանոմատերիալների կենսափոխակերպման հետևանքների վերաբերյալ բարձր անորոշության պատճառով վերականգնման ընթացքում դրանց քայքայման հնարավոր ուղիները պարզելու հեշտ միջոց չկա:
Այս ուսումնասիրության մեջ մենք օգտագործել ենք կանաչ միկրոջրիմուռներ որպես անօրգանական կերամիկական նյութերի ակտիվ ջրային կենսավերականգնման միջոց, զուգորդված MXene-ի քայքայման գործընթացի տեղում մոնիթորինգի հետ՝ որպես անօրգանական կերամիկական նյութերի ներկայացուցիչ: «MXene» տերմինը արտացոլում է Mn+1XnTx նյութի ստոխիոմետրիան, որտեղ M-ը վաղ անցումային մետաղ է, X-ը՝ ածխածին և/կամ ազոտ, Tx-ը՝ մակերեսային տերմինատոր (օրինակ՝ -OH, -F, -Cl), իսկ n = 1, 2, 3 կամ 427.28: Նագիբի և այլոց կողմից MXenes-ների հայտնաբերումից ի վեր: Սենսորիկա, քաղցկեղի թերապիա և թաղանթային ֆիլտրացիա 27,29,30: Բացի այդ, MXenes-ները կարող են դիտարկվել որպես մոդելային 2D համակարգեր՝ իրենց գերազանց կոլոիդային կայունության և հնարավոր կենսաբանական փոխազդեցությունների շնորհիվ 31,32,33,34,35,36:
Հետևաբար, այս հոդվածում մշակված մեթոդաբանությունը և մեր հետազոտական ​​​​վարկածները ներկայացված են նկար 1-ում: Այս վարկածի համաձայն, միկրոջրիմուռները Nb-ի վրա հիմնված MXenes-ները քայքայում են ոչ թունավոր միացությունների՝ մակերեսային ֆիզիկաքիմիական փոխազդեցությունների պատճառով, ինչը թույլ է տալիս ջրիմուռների հետագա վերականգնում: Այս վարկածը ստուգելու համար ընտրվել են վաղ նիոբիումի վրա հիմնված անցումային մետաղների կարբիդների և/կամ նիտրիդների (MXenes) ընտանիքի երկու անդամ՝ Nb2CTx և Nb4C3TX:
Հետազոտության մեթոդաբանություն և ապացույցների վրա հիմնված վարկածներ կանաչ միկրոջրիմուռների՝ Raphidocelis subcapitata-ի կողմից MXene-ի վերականգնման համար: Խնդրում ենք նկատի ունենալ, որ սա ապացույցների վրա հիմնված ենթադրությունների միայն սխեմատիկ ներկայացումն է: Լճի միջավայրը տարբերվում է օգտագործվող սննդարար միջավայրով և պայմաններով (օրինակ՝ օրական ցիկլ և հասանելի էական սննդանյութերի սահմանափակումներ): Ստեղծվել է BioRender.com-ի միջոցով:
Հետևաբար, MXene-ը որպես մոդելային համակարգ օգտագործելով՝ մենք բացել ենք դռներ տարբեր կենսաբանական ազդեցությունների ուսումնասիրության համար, որոնք չեն կարող դիտարկվել այլ ավանդական նանոմատերիալների դեպքում: Մասնավորապես, մենք ցույց ենք տալիս երկչափ նանոնյութերի, ինչպիսիք են նիոբիումի վրա հիմնված MXenes-ները, կենսավերականգնման հնարավորությունը միկրոջրիմուռների՝ Raphidocelis subcapitata-ի կողմից: Միկրոջրիմուռները կարող են Nb-MXenes-ները քայքայել ոչ թունավոր օքսիդների՝ NbO և Nb2O5, որոնք նաև սննդանյութեր են ապահովում նիոբիումի կլանման մեխանիզմի միջոցով: Ընդհանուր առմամբ, այս ուսումնասիրությունը պատասխանում է երկչափ նանոնյութերի կենսավերականգնման մեխանիզմները կարգավորող մակերեսային ֆիզիկաքիմիական փոխազդեցությունների հետ կապված գործընթացների վերաբերյալ կարևոր հիմնարար հարցին: Բացի այդ, մենք մշակում ենք պարզ ձևի պարամետրերի վրա հիմնված մեթոդ՝ երկչափ նանոնյութերի ձևի նուրբ փոփոխությունները հետևելու համար: Սա ոգեշնչում է անօրգանական բյուրեղային նանոնյութերի շրջակա միջավայրի վրա տարբեր ազդեցությունների վերաբերյալ կարճաժամկետ և երկարաժամկետ հետագա հետազոտություններ: Այսպիսով, մեր ուսումնասիրությունը մեծացնում է նյութի մակերեսի և կենսաբանական նյութի փոխազդեցության ըմբռնումը: Մենք նաև հիմք ենք հանդիսանում քաղցրահամ ջրերի էկոհամակարգերի վրա դրանց հնարավոր ազդեցության ընդլայնված կարճաժամկետ և երկարաժամկետ ուսումնասիրությունների համար, որոնք այժմ կարող են հեշտությամբ ստուգվել։
MXenes-ները ներկայացնում են նյութերի հետաքրքիր դաս՝ եզակի և գրավիչ ֆիզիկական և քիմիական հատկություններով, և, հետևաբար, բազմաթիվ պոտենցիալ կիրառություններով: Այս հատկությունները մեծապես կախված են դրանց ստեխիոմետրիայից և մակերևութային քիմիայից: Հետևաբար, մեր ուսումնասիրության մեջ մենք ուսումնասիրեցինք Nb-ի վրա հիմնված հիերարխիկ միաշերտ (SL) MXenes-ների երկու տեսակ՝ Nb2CTx և Nb4C3TX, քանի որ կարելի էր դիտարկել այս նանոմատերիալների տարբեր կենսաբանական ազդեցություններ: MXenes-ները ստացվում են իրենց սկզբնական նյութերից՝ ատոմապես բարակ MAX-փուլի A-շերտերի վերևից ներքև ընտրողական փորագրման միջոցով: MAX փուլը եռակի կերամիկա է, որը կազմված է անցումային մետաղի կարբիդների «կապված» բլոկներից և «A» տարրերի, ինչպիսիք են Al-ը, Si-ը և Sn-ը, բարակ շերտերից՝ MnAXn-1 ստեխիոմետրիայով: Սկզբնական MAX փուլի ձևաբանությունը դիտարկվել է սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակով (SEM) և համապատասխանում էր նախորդ ուսումնասիրություններին (տե՛ս լրացուցիչ տեղեկատվություն, SI, նկար S1): Բազմաշերտ (ML) Nb-MXene-ը ստացվել է Al շերտը 48% HF (ֆտորաջրածնային թթու) հեռացնելուց հետո: ML-Nb2CTx-ի և ML-Nb4C3TX-ի ձևաբանությունը ուսումնասիրվել է սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի (SEM) միջոցով (համապատասխանաբար՝ S1c և S1d նկարներ) և դիտվել է MXene-ի տիպիկ շերտավոր ձևաբանություն, որը նման է երկչափ նանոթափաթիլներին, որոնք անցնում են երկարավուն ծակոտիների նման ճեղքերով: Երկու Nb-MXene-ներն էլ շատ ընդհանրություններ ունեն նախկինում թթվային փորագրմամբ սինթեզված MXene փուլերի հետ27,38: MXene-ի կառուցվածքը հաստատելուց հետո մենք այն շերտավորել ենք տետրաբուտիլամոնիումի հիդրօքսիդի (TBAOH) ինտերկալացիայի միջոցով, որին հաջորդել է լվացումը և ուլտրաձայնային մշակումը, որից հետո ստացել ենք միաշերտ կամ ցածրաշերտ (SL) 2D Nb-MXene նանոթափաթիլներ:
Մենք օգտագործել ենք բարձր թույլտվությամբ փոխանցող էլեկտրոնային մանրադիտակ (HRTEM) և ռենտգենյան դիֆրակցիա (XRD)՝ փորագրման և հետագա շերտազատման արդյունավետությունը ստուգելու համար: Հակադարձ արագ Ֆուրիեի ձևափոխության (IFFT) և արագ Ֆուրիեի ձևափոխության (FFT) միջոցով մշակված HRTEM արդյունքները ներկայացված են Նկար 2-ում: Nb-MXene նանոտեղիկները կողմնորոշվել են եզրով վերև՝ ատոմային շերտի կառուցվածքը ստուգելու և միջհարթ հեռավորությունները չափելու համար: MXene Nb2CTx և Nb4C3TX նանոտեղիկների HRTEM պատկերները բացահայտել են դրանց ատոմապես բարակ շերտավորված բնույթը (տե՛ս Նկար 2a1, a2), ինչպես նախկինում հաղորդել են Նագիբը և այլք27 և Յաստրժեբսկան և այլք38: Երկու հարակից Nb2CTx և Nb4C3Tx մոնոշերտերի համար մենք որոշել ենք համապատասխանաբար 0.74 և 1.54 նմ միջշերտային հեռավորություններ (Նկար 2b1, b2), որը նույնպես համընկնում է մեր նախորդ արդյունքների հետ38: Սա հետագայում հաստատվեց հակադարձ արագ Ֆուրիեի ձևափոխությամբ (Նկ. 2c1, c2) և արագ Ֆուրիեի ձևափոխությամբ (Նկ. 2d1, d2), որոնք ցույց են տալիս Nb2CTx և Nb4C3Tx մոնաշերտերի միջև հեռավորությունը: Պատկերը ցույց է տալիս նիոբիումի և ածխածնի ատոմներին համապատասխանող բաց և մուգ գոտիների հերթագայություն, որը հաստատում է ուսումնասիրված MXenes-ների շերտավոր բնույթը: Կարևոր է նշել, որ Nb2CTx-ի և Nb4C3Tx-ի համար ստացված էներգիայի դիսպերսիոն ռենտգենյան սպեկտրոսկոպիայի (EDX) սպեկտրները (Նկարներ S2a և S2b) ցույց չեն տվել սկզբնական MAX փուլի մնացորդ, քանի որ Al գագաթ չի հայտնաբերվել:
SL Nb2CTx և Nb4C3Tx MXene նանոտափաթիլների բնութագրումը, ներառյալ (ա) բարձր լուծաչափով էլեկտրոնային մանրադիտակի (HRTEM) կողային տեսքի 2D նանոտափաթիլների պատկերումը և համապատասխան (բ) ինտենսիվության ռեժիմը, (գ) հակադարձ արագ Ֆուրիեի ձևափոխությունը (IFFT), (դ) արագ Ֆուրիեի ձևափոխությունը (FFT), (ե) Nb-MXenes ռենտգենյան պատկերները: SL 2D Nb2CTx-ի համար թվերը արտահայտվում են որպես (a1, b1, c1, d1, e1): SL 2D Nb4C3Tx-ի համար թվերը արտահայտվում են որպես (a2, b2, c2, d2, e1):
SL Nb2CTx և Nb4C3Tx MXenes-ների ռենտգենյան դիֆրակցիոն չափումները ներկայացված են համապատասխանաբար 2e1 և e2 նկարներում: 4.31 և 4.32 կետերում գագաթները (002) համապատասխանում են նախկինում նկարագրված շերտավորված MXenes Nb2CTx և Nb4C3TX38,39,40,41 համապատասխանաբար: XRD արդյունքները նաև ցույց են տալիս որոշ մնացորդային ML կառուցվածքների և MAX փուլերի առկայությունը, բայց հիմնականում SL Nb4C3Tx-ի հետ կապված XRD պատկերները (Նկար 2e2): MAX փուլի ավելի փոքր մասնիկների առկայությունը կարող է բացատրել MAX գագաթնակետի ավելի ուժեղ լինելը՝ համեմատած պատահականորեն դասավորված Nb4C3Tx շերտերի հետ:
Հետագա հետազոտությունները կենտրոնացել են R. subcapitata տեսակին պատկանող կանաչ միկրոջրիմուռների վրա: Մենք ընտրել ենք միկրոջրիմուռները, քանի որ դրանք կարևոր արտադրողներ են, որոնք մասնակցում են հիմնական սննդային ցանցերին42: Դրանք նաև թունավորության լավագույն ցուցանիշներից մեկն են՝ սննդային շղթայի ավելի բարձր մակարդակներ տեղափոխվող թունավոր նյութերը հեռացնելու ունակության շնորհիվ43: Բացի այդ, R. subcapitata-ի վերաբերյալ հետազոտությունները կարող են լույս սփռել SL Nb-MXenes-ի պատահական թունավորության վրա սովորական քաղցրահամ ջրային միկրոօրգանիզմների համար: Սա պատկերացնելու համար հետազոտողները ենթադրել են, որ յուրաքանչյուր միկրոբ ունի տարբեր զգայունություն շրջակա միջավայրում առկա թունավոր միացությունների նկատմամբ: Օրգանիզմների մեծ մասի համար նյութերի ցածր կոնցենտրացիաները չեն ազդում նրանց աճի վրա, մինչդեռ որոշակի սահմանից բարձր կոնցենտրացիաները կարող են կասեցնել դրանք կամ նույնիսկ մահվան պատճառ դառնալ: Հետևաբար, միկրոջրիմուռների և MXenes-ների միջև մակերեսային փոխազդեցության և դրանց հետ կապված վերականգնման մեր ուսումնասիրությունների համար մենք որոշեցինք ստուգել Nb-MXenes-ի անվնաս և թունավոր կոնցենտրացիաները: Դա անելու համար մենք փորձարկել ենք 0 (որպես հղման չափանիշ), 0.01, 0.1 և 10 մգ/լ MXene կոնցենտրացիաները, ինչպես նաև վարակված միկրոջրիմուռներ MXene-ի շատ բարձր կոնցենտրացիաներով (100 մգ/լ MXene), որոնք կարող են ծայրահեղ և մահացու լինել ցանկացած կենսաբանական միջավայրի համար։
SL Nb-MXenes-ի միկրոջրիմուռների վրա ազդեցությունը ներկայացված է նկար 3-ում, որը արտահայտվում է որպես 0 մգ l-1 նմուշների համար չափված աճի խթանման (+) կամ արգելակման (-) տոկոս: Համեմատության համար, Nb-MAX փուլը և ML Nb-MXenes-ը նույնպես փորձարկվել են, և արդյունքները ներկայացված են SI-ով (տե՛ս նկար S3): Ստացված արդյունքները հաստատեցին, որ SL Nb-MXenes-ը գրեթե ամբողջությամբ զուրկ է թունավորությունից 0.01-ից մինչև 10 մգ/լ ցածր կոնցենտրացիաների միջակայքում, ինչպես ցույց է տրված նկար 3ա,բ-ում: Nb2CTx-ի դեպքում մենք դիտարկել ենք ոչ ավելի, քան 5% էկոտոքսիկություն նշված միջակայքում:
Միկրոջրիմուռների աճի խթանում (+) կամ արգելակում (-) SL-ի առկայությամբ (ա) Nb2CTx և (բ) Nb4C3TX MXene: Վերլուծվել են MXene-միկրոջրիմուռների փոխազդեցության 24, 48 և 72 ժամվա արդյունքները: Նշանակալի տվյալները (t-փորձարկում, p < 0.05) նշվել են աստղանիշով (*): Նշանակալի տվյալները (t-փորձարկում, p < 0.05) նշվել են աստղանիշով (*): Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*): Նշանակալի տվյալները (t-փորձարկում, p < 0.05) նշված են աստղանիշով (*):重要数据（t 检验，p < 0,05）用星号(*) 标记。重要数据（t 检验，p < 0,05）用星号(*) 标记。 Важные данные (t-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*): Կարևոր տվյալները (t-փորձարկում, p < 0.05) նշված են աստղանիշով (*):Կարմիր նետերը ցույց են տալիս արգելակող խթանման վերացումը։
Մյուս կողմից, Nb4C3TX-ի ցածր կոնցենտրացիաները մի փոքր ավելի թունավոր էին, բայց ոչ ավելի, քան 7%: Ինչպես և սպասվում էր, մենք նկատեցինք, որ MXenes-ները 100 մգ L-1-ի դեպքում ունեին ավելի բարձր թունավորություն և միկրոջրիմուռների աճի արգելակում: Հետաքրքիր է, որ նյութերից ոչ մեկը չի ցուցաբերել նույն միտումը և ժամանակային կախվածությունը ատոքսիկ/թունավոր ազդեցությունների նկատմամբ՝ համեմատած MAX կամ ML նմուշների հետ (տե՛ս մանրամասները SI-ում): Մինչդեռ MAX փուլի համար (տե՛ս Նկար S3) թունավորությունը հասել է մոտավորապես 15-25%-ի և աճել է ժամանակի ընթացքում, հակառակ միտումը նկատվել է SL Nb2CTx-ի և Nb4C3TX MXene-ի համար: Միկրոջրիմուռների աճի արգելակումը ժամանակի ընթացքում նվազել է: Այն հասել է մոտավորապես 17%-ի 24 ժամ անց և նվազել է մինչև 5%-ից պակաս 72 ժամ անց (համապատասխանաբար Նկար 3ա, բ):
Ավելի կարևոր է, որ SL Nb4C3TX-ի դեպքում միկրոջրիմուռների աճի արգելակումը 24 ժամ անց հասել է մոտ 27%-ի, սակայն 72 ժամ անց այն նվազել է մինչև մոտ 1%: Հետևաբար, մենք դիտարկված ազդեցությունը անվանել ենք խթանման հակադարձ արգելակում, և ազդեցությունն ավելի ուժեղ էր SL Nb4C3TX MXene-ի դեպքում: Միկրոջրիմուռների աճի խթանումը նկատվել է ավելի վաղ Nb4C3TX-ի դեպքում (փոխազդեցություն 10 մգ L-1-ում 24 ժամվա ընթացքում)՝ համեմատած SL Nb2CTx MXene-ի հետ: Արգելակման-խթանման հակադարձ ազդեցությունը լավ երևում էր նաև կենսազանգվածի կրկնապատկման արագության կորում (մանրամասների համար տե՛ս Նկար S4-ը): Մինչ այժմ տարբեր ձևերով ուսումնասիրվել է միայն Ti3C2TX MXene-ի էկոտոքսիկությունը: Այն թունավոր չէ զեբրաձկան սաղմերի համար44, բայց չափավոր էկոտոքսիկ է միկրոջրիմուռների՝ Desmodesmus quadricauda և Sorghum saccharatum բույսերի համար45: Հատուկ ազդեցությունների այլ օրինակներից են քաղցկեղի բջջային գծերի նկատմամբ ավելի բարձր թունավորությունը, քան նորմալ բջջային գծերի նկատմամբ46,47: Կարելի է ենթադրել, որ փորձարկման պայմանները կազդեն Nb-MXenes-ի առկայության դեպքում միկրոջրիմուռների աճի փոփոխությունների վրա: Օրինակ, քլորոպլաստի ստրոմայում մոտ 8 pH-ը օպտիմալ է RuBisCO ֆերմենտի արդյունավետ գործունեության համար: Հետևաբար, pH-ի փոփոխությունները բացասաբար են անդրադառնում ֆոտոսինթեզի արագության վրա48,49: Այնուամենայնիվ, փորձի ընթացքում մենք pH-ի էական փոփոխություններ չենք նկատել (մանրամասների համար տե՛ս SI, նկար S5): Ընդհանուր առմամբ, Nb-MXenes պարունակող միկրոջրիմուռների կուլտուրաները ժամանակի ընթացքում փոքր-ինչ նվազեցրել են լուծույթի pH-ը: Այնուամենայնիվ, այս նվազումը նման էր մաքուր միջավայրի pH-ի փոփոխությանը: Բացի այդ, հայտնաբերված տատանումների միջակայքը նման էր միկրոջրիմուռների մաքուր կուլտուրայի համար չափվածին (վերահսկիչ նմուշ): Այսպիսով, մենք եզրակացնում ենք, որ ֆոտոսինթեզի վրա ժամանակի ընթացքում pH-ի փոփոխությունները չեն ազդում:
Բացի այդ, սինթեզված MXenes-ները ունեն մակերեսային վերջավորություններ (նշանակվում են որպես Tx): Սրանք հիմնականում -O, -F և -OH ֆունկցիոնալ խմբեր են: Այնուամենայնիվ, մակերեսային քիմիան ուղղակիորեն կապված է սինթեզի մեթոդի հետ: Այս խմբերը հայտնի են նրանով, որ պատահականորեն բաշխված են մակերեսին, ինչը դժվարացնում է կանխատեսել դրանց ազդեցությունը MXene-ի հատկությունների վրա50: Կարելի է պնդել, որ Tx-ը կարող է լինել նիոբիումի լույսով օքսիդացման կատալիտիկ ուժը: Մակերեսային ֆունկցիոնալ խմբերը իսկապես ապահովում են բազմաթիվ խարիսխային վայրեր իրենց հիմքում ընկած ֆոտոկատալիզատորների համար՝ հետերոհանգույցներ ձևավորելու համար51: Այնուամենայնիվ, աճի միջավայրի կազմը չի ապահովել արդյունավետ ֆոտոկատալիզատոր (միջավայրի մանրամասն կազմը կարելի է գտնել SI աղյուսակ S6-ում): Բացի այդ, մակերեսային ցանկացած փոփոխություն նույնպես շատ կարևոր է, քանի որ MXenes-ների կենսաբանական ակտիվությունը կարող է փոփոխվել շերտերի հետմշակման, օքսիդացման, օրգանական և անօրգանական միացությունների քիմիական մակերեսային մոդիֆիկացիայի52,53,54,55,56 կամ մակերեսային լիցքի ճարտարագիտության38 պատճառով: Հետևաբար, որպեսզի ստուգենք, թե արդյոք նիոբիումի օքսիդը որևէ կապ ունի՞ միջավայրի նյութի անկայունության հետ, մենք ուսումնասիրություններ ենք անցկացրել միկրոջրիմուռների աճի միջավայրում և ապաիոնացված ջրում զետա (ζ) պոտենցիալի վերաբերյալ (համեմատության համար): Մեր արդյունքները ցույց են տալիս, որ SL Nb-MXenes-ները բավականին կայուն են (MAX և ML արդյունքների համար տե՛ս SI նկար S6-ը): SL MXenes-ների զետա պոտենցիալը մոտ -10 մՎ է: SR Nb2CTx-ի դեպքում ζ-ի արժեքը մի փոքր ավելի բացասական է, քան Nb4C3Tx-ինը: Ζ արժեքի նման փոփոխությունը կարող է ցույց տալ, որ բացասական լիցքավորված MXene նանոտափաթիլների մակերեսը կլանում է դրական լիցքավորված իոններ կուլտուրայի միջավայրից: Nb-MXenes-ի զետա պոտենցիալի և կուլտուրայի միջավայրում հաղորդականության ժամանակային չափումները (ավելի մանրամասն տե՛ս SI նկար S7-ը և S8-ը) կարծես թե հաստատում են մեր վարկածը:
Այնուամենայնիվ, երկու Nb-MXene SL-ներն էլ զրոյից նվազագույն փոփոխություններ ցուցաբերեցին։ Սա հստակ ցույց է տալիս դրանց կայունությունը միկրոջրիմուռների աճի միջավայրում։ Բացի այդ, մենք գնահատեցինք, թե արդյոք մեր կանաչ միկրոջրիմուռների առկայությունը կազդի միջավայրում Nb-MXenes-ների կայունության վրա։ MXenes-ների զետա պոտենցիալի և հաղորդականության արդյունքները սննդարար միջավայրում և կուլտուրայում միկրոջրիմուռների հետ փոխազդեցությունից հետո ժամանակի ընթացքում կարելի է գտնել SI-ում (Նկարներ S9 և S10): Հետաքրքիր է, որ մենք նկատեցինք, որ միկրոջրիմուռների առկայությունը, կարծես, կայունացնում էր երկու MXenes-ների ցրումը։ Nb2CTx SL-ի դեպքում զետա պոտենցիալը նույնիսկ փոքր-ինչ նվազեց ժամանակի ընթացքում՝ հասնելով ավելի բացասական արժեքների (-15.8 ընդդեմ -19.1 մՎ՝ 72 ժամ ինկուբացիայից հետո)։ SL Nb4C3TX-ի զետա պոտենցիալը փոքր-ինչ աճեց, բայց 72 ժամ անց այն դեռևս ավելի բարձր կայունություն ցուցաբերեց, քան նանոֆլեքսները՝ առանց միկրոջրիմուռների առկայության (-18.1 ընդդեմ -9.1 մՎ):
Մենք նաև հայտնաբերեցինք Nb-MXene լուծույթների ավելի ցածր հաղորդականություն, որոնք ինկուբացվել են միկրոջրիմուռների առկայությամբ, ինչը վկայում է սննդարար միջավայրում իոնների ավելի ցածր քանակի մասին: Հատկանշական է, որ MXenes-ների անկայունությունը ջրում հիմնականում պայմանավորված է մակերեսային օքսիդացմամբ57: Հետևաբար, մենք կասկածում ենք, որ կանաչ միկրոջրիմուռները ինչ-որ կերպ մաքրել են Nb-MXene-ի մակերեսին առաջացած օքսիդները և նույնիսկ կանխել դրանց առաջացումը (MXene-ի օքսիդացումը): Սա կարելի է տեսնել՝ ուսումնասիրելով միկրոջրիմուռների կողմից կլանվող նյութերի տեսակները:
Մինչ մեր էկոտոքսիկոլոգիական ուսումնասիրությունները ցույց տվեցին, որ միկրոջրիմուռները ժամանակի ընթացքում կարողանում են հաղթահարել Nb-MXenes-ի թունավորությունը և խթանված աճի անսովոր արգելակումը, մեր ուսումնասիրության նպատակն էր ուսումնասիրել գործողության հնարավոր մեխանիզմները: Երբ օրգանիզմները, ինչպիսիք են ջրիմուռները, ենթարկվում են իրենց էկոհամակարգերին անծանոթ միացությունների կամ նյութերի, նրանք կարող են արձագանքել տարբեր ձևերով58,59: Թունավոր մետաղական օքսիդների բացակայության դեպքում միկրոջրիմուռները կարող են սնվել ինքնուրույն, ինչը թույլ է տալիս նրանց անընդհատ աճել60: Թունավոր նյութերի ընդունումից հետո կարող են ակտիվանալ պաշտպանական մեխանիզմներ, ինչպիսիք են ձևի կամ ձևի փոփոխությունը: Պետք է նաև հաշվի առնել կլանման հնարավորությունը58,59: Նշենք, որ պաշտպանական մեխանիզմի ցանկացած նշան փորձարկվող միացության թունավորության հստակ ցուցիչ է: Հետևաբար, մեր հետագա աշխատանքում մենք ուսումնասիրեցինք SL Nb-MXene նանոփաթիլների և միկրոջրիմուռների միջև հնարավոր մակերեսային փոխազդեցությունը՝ օգտագործելով SEM-ը, և Nb-ի վրա հիմնված MXene-ի հնարավոր կլանումը ռենտգենյան ֆլուորեսցենտային սպեկտրոսկոպիան (XRF): Նշենք, որ SEM և XRF վերլուծությունները կատարվել են միայն MXene-ի ամենաբարձր կոնցենտրացիայով՝ ակտիվության թունավորության հարցերը լուծելու համար:
ՍԷՄ արդյունքները ներկայացված են Նկար 4-ում: Չմշակված միկրոջրիմուռային բջիջները (տե՛ս Նկար 4ա, հղման նմուշ) հստակ ցույց են տվել R. subcapitata-ի բնորոշ ձևաբանություն և կրուասանման բջջի ձև: Բջիջները տափակեցված են և որոշ չափով անկազմակերպ: Որոշ միկրոջրիմուռային բջիջներ համընկնում և խճճվում էին միմյանց հետ, բայց դա, հավանաբար, պայմանավորված էր նմուշի պատրաստման գործընթացով: Ընդհանուր առմամբ, մաքուր միկրոջրիմուռային բջիջներն ունեին հարթ մակերես և որևէ ձևաբանական փոփոխություն չէին ցուցաբերում:
Սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի (ՍԷՄ) պատկերներ, որոնք ցույց են տալիս կանաչ միկրոջրիմուռների և MXene նանոշերտերի միջև մակերևութային փոխազդեցությունը ծայրահեղ կոնցենտրացիայով (100 մգ L-1) 72 ժամ փոխազդեցությունից հետո։ (ա) Չմշակված կանաչ միկրոջրիմուռներ SL-ի հետ փոխազդեցությունից հետո։ (բ) Nb2CTx և (գ) Nb4C3TX MXenes։ Նշենք, որ Nb-MXene նանոշերտերը նշված են կարմիր նետերով։ Համեմատության համար ավելացվել են նաև օպտիկական մանրադիտակից վերցված լուսանկարներ։
Ի տարբերություն դրա, SL Nb-MXene նանափաթիլների կողմից ադսորբված միկրոջրիմուռային բջիջները վնասվել են (տե՛ս Նկ. 4բ, գ, կարմիր նետեր): Nb2CTx MXene-ի դեպքում (Նկ. 4բ) միկրոջրիմուռները հակված են աճել կցված երկչափ նանոշեղանակների հետ, որոնք կարող են փոխել դրանց ձևաբանությունը: Հատկանշական է, որ մենք նաև դիտարկել ենք այս փոփոխությունները լուսային մանրադիտակի տակ (մանրամասների համար տե՛ս SI նկար S11-ը): Այս ձևաբանական անցումը հավանական հիմք ունի միկրոջրիմուռների ֆիզիոլոգիայի և բջջային ձևաբանությունը փոխելու, օրինակ՝ բջջային ծավալը մեծացնելու միջոցով իրենց պաշտպանելու նրանց ունակության մեջ61: Հետևաբար, կարևոր է ստուգել միկրոջրիմուռային բջիջների քանակը, որոնք իրականում շփվում են Nb-MXenes-ների հետ: Սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի (SEM) ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ միկրոջրիմուռային բջիջների մոտավորապես 52%-ը ենթարկվել է Nb-MXenes-ների ազդեցությանը, մինչդեռ այս միկրոջրիմուռային բջիջների 48%-ը խուսափել է շփումից: SL Nb4C3Tx MXene-ի դեպքում միկրոջրիմուռները փորձում են խուսափել MXene-ի հետ շփումից, այդպիսով տեղայնանալով և աճելով երկչափ նանոմասշտաբներից (Նկ. 4c): Այնուամենայնիվ, մենք չենք դիտարկել նանոմասշտաբների ներթափանցումը միկրոջրիմուռների բջիջների մեջ և դրանց վնասումը:
Ինքնապահպանումը նաև ժամանակից կախված արձագանքման վարքագիծ է ֆոտոսինթեզի խափանման նկատմամբ՝ բջջի մակերեսին մասնիկների ադսորբցիայի և այսպես կոչված ստվերման (ստվերացման) էֆեկտի պատճառով62: Ակնհայտ է, որ միկրոջրիմուռների և լույսի աղբյուրի միջև գտնվող յուրաքանչյուր առարկա (օրինակ՝ Nb-MXene նանոտափաթիլներ) սահմանափակում է քլորոպլաստների կողմից կլանված լույսի քանակը: Այնուամենայնիվ, մենք կասկած չունենք, որ սա էական ազդեցություն ունի ստացված արդյունքների վրա: Ինչպես ցույց են տվել մեր մանրադիտակային դիտարկումները, երկչափ նանոտափաթիլները լիովին չեն փաթաթվել կամ կպչել միկրոջրիմուռների մակերեսին, նույնիսկ երբ միկրոջրիմուռների բջիջները շփվել են Nb-MXenes-ի հետ: Փոխարենը, պարզվել է, որ նանոտափաթիլները կողմնորոշված ​​են եղել միկրոջրիմուռների բջիջների վրա՝ առանց դրանց մակերեսը ծածկելու: Նանոտափաթիլների/միկրոջրիմուռների նման հավաքածուն չի կարող էականորեն սահմանափակել միկրոջրիմուռների բջիջների կողմից կլանված լույսի քանակը: Ավելին, որոշ ուսումնասիրություններ նույնիսկ ցույց են տվել ֆոտոսինթետիկ օրգանիզմների կողմից լույսի կլանման բարելավում երկչափ նանոմատերիալների առկայության դեպքում63,64,65,66:
Քանի որ ՍԷՄ պատկերները չէին կարող ուղղակիորեն հաստատել միկրոջրիմուռային բջիջների կողմից նիոբիումի կլանումը, մեր հետագա ուսումնասիրությունը դիմեց ռենտգենյան ֆլուորեսցենտային (XRF) և ռենտգենյան ֆոտոէլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիայի (XPS) վերլուծությանը՝ այս հարցը պարզաբանելու համար: Հետևաբար, մենք համեմատեցինք MXenes-ների հետ չփոխազդող միկրոջրիմուռային նմուշների Nb գագաթների ինտենսիվությունը, միկրոջրիմուռային բջիջների մակերեսից անջատված MXene նանոփաթիլները և կցված MXenes-ները հեռացնելուց հետո միկրոջրիմուռային բջիջները: Հարկ է նշել, որ եթե Nb կլանում չկա, միկրոջրիմուռային բջիջների կողմից ստացված Nb արժեքը կցված նանոշալցումների հեռացումից հետո պետք է զրո լինի: Հետևաբար, եթե տեղի է ունենում Nb կլանում, և՛ XRF, և՛ XPS արդյունքները պետք է ցույց տան Nb գագաթնակետի հստակ պատկեր:
Ռենտգենյան ռադիոհաճախականության սպեկտրների դեպքում, միկրոջրիմուռների նմուշները ցույց տվեցին SL Nb2CTx և Nb4C3Tx MXene-ի Nb գագաթներ SL Nb2CTx-ի և Nb4C3Tx MXene-ի հետ փոխազդեցությունից հետո (տե՛ս Նկար 5ա-ն, նկատի ունեցեք նաև, որ MAX և ML MXenes-ի արդյունքները ներկայացված են SI-ում, Նկար S12–C17-ում): Հետաքրքիր է, որ Nb գագաթի ինտենսիվությունը երկու դեպքում էլ նույնն է (կարմիր սյուները Նկար 5ա-ում): Սա ցույց է տալիս, որ ջրիմուռները չէին կարող ավելի շատ Nb կլանել, և բջիջներում Nb կուտակման առավելագույն հզորությունը ձեռք է բերվել, չնայած միկրոջրիմուռների բջիջներին կպած էր երկու անգամ ավելի շատ Nb4C3Tx MXene (կապույտ սյուները Նկար 5ա-ում): Հատկանշական է, որ միկրոջրիմուռների մետաղները կլանելու ունակությունը կախված է շրջակա միջավայրում մետաղական օքսիդների կոնցենտրացիայից67,68: Շամշադան և այլք67 պարզել են, որ քաղցրահամ ջրի ջրիմուռների կլանման հզորությունը նվազում է pH-ի բարձրացման հետ մեկտեղ: Ռեյզը և այլք68 նշել են, որ ջրիմուռների մետաղները կլանելու ունակությունը Pb2+-ի դեպքում մոտ 25%-ով ավելի բարձր է, քան Ni2+-ինը։
(ա) SL Nb-MXenes-ի ծայրահեղ կոնցենտրացիայով (100 մգ L-1) 72 ժամ ինկուբացված կանաչ միկրոջրիմուռային բջիջների կողմից Nb-ի բազալ կլանման XRF արդյունքները: Արդյունքները ցույց են տալիս α-ի առկայությունը մաքուր միկրոջրիմուռային բջիջներում (վերահսկիչ նմուշ, մոխրագույն սյուներ), մակերեսային միկրոջրիմուռային բջիջներից մեկուսացված 2D նանոտափաթիլներում (կապույտ սյուներ) և միկրոջրիմուռային բջիջներում 2D նանոտափաթիլները մակերեսից անջատելուց հետո (կարմիր սյուներ): Տարրական Nb-ի քանակը, (բ) միկրոջրիմուռային օրգանական բաղադրիչների (C=O և CHx/C–O) քիմիական կազմի տոկոսը և Nb օքսիդները, որոնք առկա են միկրոջրիմուռային բջիջներում SL Nb-MXenes-ով ինկուբացիայից հետո, (գ–ե) XPS SL Nb2CTx սպեկտրների կազմային գագաթնակետի համապատասխանեցումը և (զհ) միկրոջրիմուռային բջիջների կողմից ներծծված SL Nb4C3Tx MXene-ը:
Հետևաբար, մենք ակնկալում էինք, որ Nb-ն կարող է կլանվել ջրիմուռների բջիջների կողմից օքսիդների տեսքով: Սա ստուգելու համար մենք կատարեցինք XPS ուսումնասիրություններ MXenes Nb2CTx և Nb4C3TX, ինչպես նաև ջրիմուռների բջիջների վրա: Միկրոջրիմուռների Nb-MXenes-ի և ջրիմուռների բջիջներից մեկուսացված MXenes-ի հետ փոխազդեցության արդյունքները ներկայացված են Նկար 5բ-ում: Ինչպես և սպասվում էր, մենք հայտնաբերեցինք Nb 3d գագաթներ միկրոջրիմուռների նմուշներում MXene-ը միկրոջրիմուռների մակերեսից հեռացնելուց հետո: C=O, CHx/CO և Nb օքսիդների քանակական որոշումը հաշվարկվել է Nb 3d, O 1s և C 1s սպեկտրների հիման վրա, որոնք ստացվել են Nb2CTx SL (Նկար 5c–e) և Nb4C3Tx SL (Նկար 5c–e) ) ինկուբացված միկրոջրիմուռներից: Նկար 5f–h) MXenes: S1-3 աղյուսակը ցույց է տալիս գագաթների պարամետրերի և համապատասխանեցման արդյունքում ստացված ընդհանուր քիմիայի մանրամասները: Հատկանշական է, որ Nb2CTx SL-ի և Nb4C3Tx SL-ի Nb 3d շրջանները (Նկ. 5c, f) համապատասխանում են մեկ Nb2O5 բաղադրիչի: Այստեղ մենք սպեկտրներում չենք հայտնաբերել MXene-ի հետ կապված գագաթներ, ինչը ցույց է տալիս, որ միկրոջրիմուռների բջիջները կլանում են միայն Nb-ի օքսիդային ձևը: Բացի այդ, մենք C 1 s սպեկտրը մոտավորապես համապատասխանեցրել ենք C–C, CHx/C–O, C=O և –COOH բաղադրիչներին: Մենք CHx/C–O և C=O գագաթները վերագրել ենք միկրոջրիմուռների բջիջների օրգանական ներդրմանը: Այս օրգանական բաղադրիչները կազմում են համապատասխանաբար Nb2CTx SL-ի և Nb4C3TX SL-ի C 1s գագաթների 36%-ը և 41%-ը: Այնուհետև մենք SL Nb2CTx-ի և SL Nb4C3TX-ի O 1s սպեկտրները համապատասխանեցրել ենք Nb2O5-ին, միկրոջրիմուռների օրգանական բաղադրիչներին (CHx/CO) և մակերեսային ադսորբված ջրին:
Վերջապես, XPS արդյունքները հստակ ցույց տվեցին Nb-ի ձևը, այլ ոչ թե միայն դրա առկայությունը: Nb 3d ազդանշանի դիրքի և դեկոնվոլյուցիայի արդյունքների համաձայն՝ մենք հաստատում ենք, որ Nb-ն կլանվում է միայն օքսիդների տեսքով, այլ ոչ թե իոնների կամ MXene-ի տեսքով: Բացի այդ, XPS արդյունքները ցույց տվեցին, որ միկրոջրիմուռային բջիջները ավելի մեծ ունակություն ունեն SL Nb2CTx-ից Nb օքսիդներ կլանելու՝ համեմատած SL Nb4C3TX MXene-ի հետ:
Թեև մեր Nb կլանման արդյունքները տպավորիչ են և թույլ են տալիս մեզ նույնականացնել MXene-ի քայքայումը, երկչափ նանոտափաթիլներում դրանց հետ կապված ձևաբանական փոփոխությունները հետևելու մեթոդ չկա: Հետևաբար, մենք նաև որոշեցինք մշակել համապատասխան մեթոդ, որը կարող է անմիջականորեն արձագանքել երկչափ Nb-MXene նանոտափաթիլներում և միկրոջրիմուռների բջիջներում տեղի ունեցող ցանկացած փոփոխության: Կարևոր է նշել, որ մենք ենթադրում ենք, որ եթե փոխազդող տեսակները ենթարկվեն որևէ ձևափոխության, քայքայման կամ դեֆրագմենտացիայի, դա պետք է արագորեն դրսևորվի ձևի պարամետրերի փոփոխություններով, ինչպիսիք են համարժեք շրջանաձև մակերեսի տրամագիծը, կլորությունը, Ֆերետի լայնությունը կամ Ֆերետի երկարությունը: Քանի որ այս պարամետրերը հարմար են երկարացված մասնիկները կամ երկչափ նանոտափաթիլները նկարագրելու համար, դրանց դինամիկ մասնիկի ձևի վերլուծությամբ հետևումը մեզ արժեքավոր տեղեկատվություն կտա SL Nb-MXene նանոտափաթիլների ձևաբանական ձևափոխության մասին վերականգնման ընթացքում:
Ստացված արդյունքները ներկայացված են նկար 6-ում: Համեմատության համար մենք նաև փորձարկել ենք սկզբնական MAX փուլը և ML-MXenes-ները (տե՛ս SI նկարները S18 և S19): Մասնիկների ձևի դինամիկ վերլուծությունը ցույց տվեց, որ երկու Nb-MXene SL-ների բոլոր ձևի պարամետրերը զգալիորեն փոխվել են միկրոջրիմուռների հետ փոխազդեցությունից հետո: Ինչպես ցույց է տրված համարժեք շրջանաձև մակերեսի տրամագծի պարամետրով (Նկար 6ա, բ), մեծ նանոտափաթիլների ֆրակցիայի գագաթնակետային ինտենսիվության նվազումը ցույց է տալիս, որ դրանք հակված են քայքայվելու ավելի փոքր բեկորների: Նկար 6գ, դ-ում ցույց է տրված փաթիլների լայնակի չափի հետ կապված գագաթների նվազումը (նանոտափաթիլների երկարացումը), ինչը ցույց է տալիս 2D նանոտափաթիլների ավելի մասնիկանման ձևի վերափոխումը: Նկար 6ե-ժ-ն ցույց է տալիս համապատասխանաբար Ֆերետի լայնությունը և երկարությունը: Ֆերետի լայնությունը և երկարությունը լրացնող պարամետրեր են և, հետևաբար, պետք է դիտարկել միասին: 2D Nb-MXene նանոտափաթիլների միկրոջրիմուռների առկայությամբ ինկուբացիայից հետո դրանց Ֆերետի կոռելյացիոն գագաթները տեղաշարժվել են, և դրանց ինտենսիվությունը նվազել է: Այս արդյունքների՝ ձևաբանության, XRF-ի և XPS-ի հետ համատեղ, հիման վրա մենք եզրակացրեցինք, որ դիտարկված փոփոխությունները սերտորեն կապված են օքսիդացման հետ, քանի որ օքսիդացված MXenes-ները դառնում են ավելի կնճռոտ և քայքայվում են բեկորների և գնդաձև օքսիդային մասնիկների69,70:
Կանաչ միկրոջրիմուռների հետ փոխազդեցությունից հետո MXene-ի փոխակերպման վերլուծություն: Դինամիկ մասնիկի ձևի վերլուծությունը հաշվի է առնում այնպիսի պարամետրեր, ինչպիսիք են (ա, բ) համարժեք շրջանաձև մակերեսի տրամագիծը, (գ, դ) կլորությունը, (ե, զ) ֆերետի լայնությունը և (գ, ժ) ֆերետի երկարությունը: Այս նպատակով վերլուծվել են երկու հղման միկրոջրիմուռների նմուշներ՝ առաջնային SL Nb2CTx և SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx և SL Nb4C3Tx MXenes, քայքայված միկրոջրիմուռների և մշակված SL Nb2CTx և SL Nb4C3Tx MXenes միկրոջրիմուռների հետ միասին: Կարմիր նետերը ցույց են տալիս ուսումնասիրված երկչափ նանոտեղուկների ձևի պարամետրերի անցումները:
Քանի որ ձևի պարամետրերի վերլուծությունը շատ հուսալի է, այն կարող է նաև բացահայտել միկրոջրիմուռների բջիջների ձևաբանական փոփոխությունները: Հետևաբար, մենք վերլուծել ենք մաքուր միկրոջրիմուռների բջիջների և բջիջների համարժեք շրջանաձև մակերեսի տրամագիծը, կլորությունը և Ֆերետի լայնությունը/երկարությունը 2D Nb նանոտափաթիլների հետ փոխազդեցությունից հետո: Նկար 6a-h-ում ցույց են տրված ջրիմուռների բջիջների ձևի պարամետրերի փոփոխությունները, ինչը վկայում է գագաթնակետային ինտենսիվության նվազման և մաքսիմալների ավելի բարձր արժեքների տեղաշարժի մասին: Մասնավորապես, բջիջների կլորության պարամետրերը ցույց են տվել երկարացված բջիջների նվազում և գնդաձև բջիջների աճ (Նկար 6a, b): Բացի այդ, Ֆերետի բջջի լայնությունը մի քանի միկրոմետրով մեծացել է SL Nb2CTx MXene-ի հետ փոխազդեցությունից հետո (Նկար 6e)՝ համեմատած SL Nb4C3TX MXene-ի հետ (Նկար 6f): Մենք կասկածում ենք, որ դա կարող է պայմանավորված լինել միկրոջրիմուռների կողմից Nb օքսիդների ուժեղ կլանմամբ Nb2CTx SR-ի հետ փոխազդեցության ժամանակ: Nb տոփաթիլների մակերեսին ավելի քիչ կոշտ կպչելը կարող է հանգեցնել բջիջների աճի՝ նվազագույն ստվերային էֆեկտով:
Մեր դիտարկումները միկրոջրիմուռների ձևի և չափի պարամետրերի փոփոխությունների վերաբերյալ լրացնում են այլ ուսումնասիրություններ: Կանաչ միկրոջրիմուռները կարող են փոխել իրենց ձևաբանությունը՝ ի պատասխան շրջակա միջավայրի սթրեսի՝ փոխելով բջիջների չափը, ձևը կամ նյութափոխանակությունը61: Օրինակ, բջիջների չափի փոփոխությունը հեշտացնում է սննդանյութերի կլանումը71: Փոքր ջրիմուռների բջիջները ցույց են տալիս սննդանյութերի ավելի ցածր կլանում և աճի տեմպի խանգարում: Հակառակը, ավելի մեծ բջիջները հակված են սպառել ավելի շատ սննդանյութեր, որոնք այնուհետև նստեցվում են բջջի ներսում72,73: Մաչադոն և Սոարեսը պարզել են, որ տրիկլոզան ֆունգիցիդը կարող է մեծացնել բջիջների չափը: Նրանք նաև հայտնաբերել են ջրիմուռների ձևի խորը փոփոխություններ74: Բացի այդ, Յինը և այլք9 նույնպես բացահայտել են ջրիմուռների ձևաբանական փոփոխություններ՝ վերականգնված գրաֆենի օքսիդի նանոկոմպոզիտների ազդեցությունից հետո: Հետևաբար, պարզ է, որ միկրոջրիմուռների չափի/ձևի փոփոխված պարամետրերը պայմանավորված են MXene-ի առկայությամբ: Քանի որ չափի և ձևի այս փոփոխությունը վկայում է սննդանյութերի կլանման փոփոխությունների մասին, մենք կարծում ենք, որ չափի և ձևի պարամետրերի ժամանակի ընթացքում վերլուծությունը կարող է ցույց տալ նիոբիումի օքսիդի կլանումը միկրոջրիմուռների կողմից Nb-MXenes-ի առկայության դեպքում:
Ավելին, MXenes-ները կարող են օքսիդացվել ջրիմուռների առկայությամբ: Դալայը և այլք75 նկատել են, որ նանո-TiO2-ի և Al2O376-ի ազդեցության տակ գտնվող կանաչ ջրիմուռների ձևաբանությունը միատարր չէր: Չնայած մեր դիտարկումները նման են ներկայիս ուսումնասիրությանը, դրանք վերաբերում են միայն MXene-ի քայքայման արգասիքների առումով կենսավերականգնման ազդեցությունների ուսումնասիրությանը՝ 2D նանոտափաթիլների, այլ ոչ թե նանոմասնիկների առկայությամբ: Քանի որ MXenes-ները կարող են քայքայվել մետաղական օքսիդների31,32,77,78, ողջամիտ է ենթադրել, որ մեր Nb նանոտափաթիլները նույնպես կարող են Nb օքսիդներ առաջացնել միկրոջրիմուռների բջիջների հետ փոխազդելուց հետո:
Օքսիդացման գործընթացի վրա հիմնված քայքայման մեխանիզմով 2D-Nb նանոտափաթիլների վերականգնումը բացատրելու համար մենք ուսումնասիրություններ ենք անցկացրել բարձր թույլտվությամբ փոխանցող էլեկտրոնային մանրադիտակի (HRTEM) (Նկար 7ա,բ) և ռենտգենյան ֆոտոէլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիայի (XPS) (Նկար 7): 7c-i և աղյուսակներ S4-5): Երկու մոտեցումներն էլ հարմար են 2D նյութերի օքսիդացումը ուսումնասիրելու համար և լրացնում են միմյանց: HRTEM-ը կարող է վերլուծել երկչափ շերտավոր կառուցվածքների քայքայումը և մետաղական օքսիդային նանոմասնիկների հետագա առաջացումը, մինչդեռ XPS-ը զգայուն է մակերևութային կապերի նկատմամբ: Այս նպատակով մենք փորձարկել ենք միկրոջրիմուռների բջջային դիսպերսիաներից արդյունահանված 2D Nb-MXene նանոտափաթիլները, այսինքն՝ դրանց ձևը միկրոջրիմուռների բջիջների հետ փոխազդեցությունից հետո (տե՛ս Նկար 7):
HRTEM պատկերներ, որոնք ցույց են տալիս օքսիդացված (ա) SL Nb2CTx-ի և (բ) SL Nb4C3Tx MXenes-ի ձևաբանությունը, XPS վերլուծության արդյունքները, որոնք ցույց են տալիս (գ) վերականգնումից հետո օքսիդային արգասիքների կազմը, (դ–զ) SL Nb2CTx-ի և (գ–ի) կանաչ միկրոջրիմուռներով վերականգնված Nb4C3Tx SL-ի XPS սպեկտրների բաղադրիչների գագաթնակետային համապատասխանությունը։
HRTEM ուսումնասիրությունները հաստատեցին Nb-MXene նանոտափաթիլների երկու տեսակի օքսիդացումը։ Չնայած նանոտափաթիլները որոշ չափով պահպանել են իրենց երկչափ ձևաբանությունը, օքսիդացման արդյունքում MXene նանոտափաթիլների մակերեսը ծածկող բազմաթիվ նանոմասնիկների առաջացում է տեղի ունեցել (տե՛ս Նկար 7ա,բ)։ Nb 3d և O 1s c ազդանշանների XPS վերլուծությունը ցույց է տվել, որ երկու դեպքում էլ Nb օքսիդներ են առաջացել։ Ինչպես ցույց է տրված Նկար 7գ-ում, 2D MXene Nb2CTx-ը և Nb4C3TX-ը ունեն Nb 3d ազդանշաններ, որոնք ցույց են տալիս NbO և Nb2O5 օքսիդների առկայությունը, մինչդեռ O 1s ազդանշանները ցույց են տալիս 2D նանոտափաթիլների մակերեսի ֆունկցիոնալիզացիայի հետ կապված O-Nb կապերի քանակը։ Մենք նկատեցինք, որ Nb օքսիդի ներդրումը գերիշխող է Nb-C-ի և Nb3+-O-ի համեմատ։
Նկ. 7g-i նկարներում ներկայացված են միկրոջրիմուռային բջիջներից մեկուսացված Nb 3d, C 1s և O 1s SL Nb2CTx (տե՛ս Նկ. 7d-f) և SL Nb4C3TX MXene-ի XPS սպեկտրները: Nb-MXenes գագաթնակետային պարամետրերի մանրամասները ներկայացված են համապատասխանաբար S4-5 աղյուսակներում: Մենք նախ վերլուծել ենք Nb 3d-ի կազմը: Ի տարբերություն միկրոջրիմուռային բջիջների կողմից կլանված Nb-ի, միկրոջրիմուռային բջիջներից մեկուսացված MXene-ում, Nb2O5-ից բացի, հայտնաբերվել են նաև այլ բաղադրիչներ: Nb2CTx SL-ում մենք դիտարկել ենք Nb3+-O-ի ներդրումը 15% չափով, մինչդեռ Nb 3d սպեկտրի մնացած մասում գերակշռում էր Nb2O5-ը (85%): Բացի այդ, SL Nb4C3TX նմուշը պարունակում է Nb-C (9%) և Nb2O5 (91%) բաղադրիչներ: Այստեղ Nb-C-ն ստացվում է Nb4C3Tx SR-ում մետաղական կարբիդի երկու ներքին ատոմային շերտերից: Այնուհետև մենք C 1s սպեկտրները քարտեզագրում ենք չորս տարբեր բաղադրիչների, ինչպես արեցինք ներքինացված նմուշներում: Ինչպես և սպասվում էր, C 1s սպեկտրում գերակշռում է գրաֆիտային ածխածինը, որին հաջորդում են միկրոջրիմուռային բջիջներից օրգանական մասնիկների (CHx/CO և C=O) ներդրումը: Բացի այդ, O 1s սպեկտրում մենք դիտարկեցինք միկրոջրիմուռային բջիջների օրգանական ձևերի, նիոբիումի օքսիդի և ադսորբված ջրի ներդրումը:
Բացի այդ, մենք ուսումնասիրեցինք, թե արդյոք Nb-MXenes-ի կտրումը կապված է սննդարար միջավայրում և/կամ միկրոջրիմուռների բջիջներում ռեակտիվ թթվածնային տեսակների (ROS) առկայության հետ: Այդ նպատակով մենք գնահատեցինք սինգլետային թթվածնի (1O2) մակարդակը կուլտուրայի միջավայրում և ներբջջային գլուտատիոնի՝ թիոլի, որը միկրոջրիմուռներում գործում է որպես հակաօքսիդանտ: Արդյունքները ներկայացված են SI-ում (Նկարներ S20 և S21): SL Nb2CTx և Nb4C3TX MXenes-ներով կուլտուրաները բնութագրվել են 1O2-ի նվազեցված քանակությամբ (տե՛ս Նկար S20): SL Nb2CTx-ի դեպքում MXene 1O2-ը նվազեցվել է մինչև մոտ 83%: SL օգտագործող միկրոջրիմուռների կուլտուրաների համար Nb4C3TX 1O2-ը նվազել է նույնիսկ ավելի՝ մինչև 73%: Հետաքրքիր է, որ 1O2-ի փոփոխությունները ցույց են տվել նույն միտումը, ինչ նախկինում դիտարկված արգելակող-խթանող ազդեցությունը (տե՛ս Նկար 3): Կարելի է պնդել, որ պայծառ լույսի ներքո ինկուբացիան կարող է փոխել լուսօքսիդացումը: Սակայն, վերահսկիչ վերլուծության արդյունքները ցույց տվեցին 1O2-ի գրեթե անփոփոխ մակարդակներ փորձի ընթացքում (Նկ. S22): Բջջային ROS մակարդակների դեպքում մենք նույնպես դիտարկեցինք նույն նվազման միտումը (տե՛ս նկար S21): Սկզբում Nb2CTx և Nb4C3Tx SL-ների առկայությամբ կուլտիվացված միկրոջրիմուռների բջիջներում ROS-ի մակարդակները գերազանցում էին միկրոջրիմուռների մաքուր կուլտուրաներում հայտնաբերված մակարդակները: Սակայն, ի վերջո, պարզվեց, որ միկրոջրիմուռները հարմարվել են երկու Nb-MXenes-ների առկայությանը, քանի որ ROS մակարդակները նվազել են համապատասխանաբար մինչև SL Nb2CTx և Nb4C3TX-ով պատվաստված միկրոջրիմուռների մաքուր կուլտուրաներում չափված մակարդակների 85% և 91%: Սա կարող է ցույց տալ, որ միկրոջրիմուռները ժամանակի ընթացքում ավելի հարմարավետ են զգում Nb-MXene-ի առկայությամբ, քան միայն սննդային միջավայրում:
Միկրոջրիմուռները ֆոտոսինթետիկ օրգանիզմների բազմազան խումբ են: Ֆոտոսինթեզի ընթացքում դրանք մթնոլորտային ածխաթթու գազը (CO2) վերածում են օրգանական ածխածնի: Ֆոտոսինթեզի արգասիքներն են գլյուկոզը և թթվածինը79: Մենք կասկածում ենք, որ այսպիսով առաջացած թթվածինը կարևոր դեր է խաղում Nb-MXenes-ների օքսիդացման գործում: Դրա հնարավոր բացատրություններից մեկն այն է, որ դիֆերենցիալ աերացիայի պարամետրը ձևավորվում է թթվածնի ցածր և բարձր մասնակի ճնշումների դեպքում Nb-MXene նանոփաթիլներից դուրս և ներսում: Սա նշանակում է, որ որտեղ կան թթվածնի տարբեր մասնակի ճնշումների տարածքներ, ամենացածր մակարդակ ունեցող տարածքը կձևավորի անոդը 80, 81, 82: Այստեղ միկրոջրիմուռները նպաստում են MXene փաթիլների մակերեսին տարբեր կերպ աերացված բջիջների ստեղծմանը, որոնք իրենց ֆոտոսինթետիկ հատկությունների շնորհիվ արտադրում են թթվածին: Արդյունքում ձևավորվում են կենսակոռոզիոն արգասիքներ (այս դեպքում՝ նիոբիումի օքսիդներ): Մեկ այլ ասպեկտ այն է, որ միկրոջրիմուռները կարող են արտադրել օրգանական թթուներ, որոնք արտանետվում են ջրի մեջ83,84: Հետևաբար, ձևավորվում է ագրեսիվ միջավայր, որի արդյունքում փոխվում են Nb-MXenes-ները: Բացի այդ, միկրոջրիմուռները կարող են միջավայրի pH-ը փոխել ալկալայինի՝ ածխաթթու գազի կլանման պատճառով, ինչը նույնպես կարող է կոռոզիա առաջացնել79:
Ավելի կարևոր է, որ մեր ուսումնասիրության մեջ օգտագործված մութ/լույս ֆոտոպերիոդը կարևոր է ստացված արդյունքները հասկանալու համար: Այս ասպեկտը մանրամասն նկարագրված է Ջեմայ-Զոգլաչեի և այլոց աշխատանքում:85 Նրանք միտումնավոր օգտագործել են 12/12 ժամյա ֆոտոպերիոդ՝ կարմիր միկրոջրիմուռ Porphyridium purpureum-ի կողմից բիոբոսկոպիկացման հետ կապված կենսակոռոզիան ցույց տալու համար: Նրանք ցույց են տալիս, որ ֆոտոպերիոդը կապված է կենսակոռոզիայից զուրկ պոտենցիալի էվոլյուցիայի հետ, որը դրսևորվում է որպես կեղծ-պերիոդիկ տատանումներ ժամը 24:00-ի շուրջ: Այս դիտարկումները հաստատվել են Դաուլինգի և այլոց կողմից:86 Նրանք ցույց են տվել Anabaena ցիանոբակտերիայի ֆոտոսինթետիկ կենսաթաղանթներ: Լույսի ազդեցության տակ առաջանում է լուծված թթվածին, որը կապված է ազատ կենսակոռոզիայի պոտենցիալի փոփոխության կամ տատանումների հետ: Ֆոտոպերոդիալի կարևորությունն ընդգծվում է նրանով, որ կենսակոռոզիայի ազատ պոտենցիալը մեծանում է լույսի փուլում և նվազում մութ փուլում: Սա պայմանավորված է ֆոտոսինթետիկ միկրոջրիմուռների կողմից արտադրվող թթվածնով, որը ազդում է կաթոդային ռեակցիայի վրա էլեկտրոդների մոտ առաջացող մասնակի ճնշման միջոցով:87
Բացի այդ, իրականացվել է Ֆուրիեի ձևափոխության ինֆրակարմիր սպեկտրոսկոպիա (FTIR)՝ պարզելու համար, թե արդյոք Nb-MXenes-ի հետ փոխազդեցությունից հետո միկրոջրիմուռների բջիջների քիմիական կազմի մեջ տեղի են ունեցել որևէ փոփոխություններ: Ստացված արդյունքները բարդ են, և մենք դրանք ներկայացնում ենք SI-ով (նկարներ S23-S25, ներառյալ MAX փուլի և ML MXenes-ի արդյունքները): Ամփոփելով՝ միկրոջրիմուռների ստացված հղման սպեկտրները մեզ կարևոր տեղեկատվություն են տրամադրում այս օրգանիզմների քիմիական բնութագրերի մասին: Այս ամենահավանական տատանումները տեղակայված են 1060 սմ-1 (CO), 1540 սմ-1, 1640 սմ-1 (C=C), 1730 սմ-1 (C=O), 2850 սմ-1, 2920 սմ-1. մեկ. 1 (C–H) և 3280 սմ-1 (O–H) հաճախականություններում: SL Nb-MXenes-ի համար մենք հայտնաբերել ենք CH-կապի ձգման ստորագրություն, որը համապատասխանում է մեր նախորդ ուսումնասիրությանը38: Այնուամենայնիվ, մենք նկատեցինք, որ C=C և CH կապերի հետ կապված որոշ լրացուցիչ գագաթներ անհետացել են։ Սա ցույց է տալիս, որ միկրոջրիմուռների քիմիական կազմը կարող է աննշան փոփոխությունների ենթարկվել SL Nb-MXenes-ի հետ փոխազդեցության պատճառով։
Միկրոջրիմուռների կենսաքիմիայի հնարավոր փոփոխությունները դիտարկելիս անհրաժեշտ է վերանայել անօրգանական օքսիդների, ինչպիսին է նիոբիումի օքսիդը, կուտակումը59: Այն մասնակցում է բջջի մակերեսի կողմից մետաղների կլանմանը, դրանց ցիտոպլազմա տեղափոխմանը, դրանց ներբջջային կարբօքսիլային խմբերի հետ կապին և միկրոջրիմուռների պոլիֆոսֆոսոմներում դրանց կուտակմանը20,88,89,90: Բացի այդ, միկրոջրիմուռների և մետաղների միջև կապը պահպանվում է բջիջների ֆունկցիոնալ խմբերի կողմից: Այս պատճառով կլանումը կախված է նաև միկրոջրիմուռների մակերեսային քիմիայից, որը բավականին բարդ է9,91: Ընդհանուր առմամբ, ինչպես և սպասվում էր, կանաչ միկրոջրիմուռների քիմիական կազմը փոքր-ինչ փոխվել է Nb օքսիդի կլանման պատճառով:
Հետաքրքիր է, որ միկրոջրիմուռների դիտարկված սկզբնական արգելակումը ժամանակի ընթացքում շրջելի էր։ Ինչպես մենք դիտարկեցինք, միկրոջրիմուռները հաղթահարեցին սկզբնական շրջակա միջավայրի փոփոխությունը և ի վերջո վերադարձան նորմալ աճի տեմպերի և նույնիսկ աճեցին։ Զետա պոտենցիալի ուսումնասիրությունները ցույց են տալիս բարձր կայունություն, երբ ներմուծվում են սննդարար միջավայր։ Այսպիսով, միկրոջրիմուռների բջիջների և Nb-MXene նանոփաթիլների միջև մակերեսային փոխազդեցությունը պահպանվել է վերականգնման փորձերի ողջ ընթացքում։ Մեր հետագա վերլուծության մեջ մենք ամփոփում ենք միկրոջրիմուռների այս ուշագրավ վարքագծի հիմքում ընկած գործողության հիմնական մեխանիզմները։
Սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի (ՍԷՄ) դիտարկումները ցույց են տվել, որ միկրոջրիմուռները հակված են կպչել Nb-MXenes-ին: Դինամիկ պատկերային վերլուծության միջոցով մենք հաստատում ենք, որ այս էֆեկտը հանգեցնում է երկչափ Nb-MXene նանոտափաթիլների ավելի գնդաձև մասնիկների վերածմանը, այդպիսով ցույց տալով, որ նանոտափաթիլների քայքայումը կապված է դրանց օքսիդացման հետ: Մեր վարկածը ստուգելու համար մենք անցկացրել ենք մի շարք նյութական և կենսաքիմիական ուսումնասիրություններ: Փորձարկումից հետո նանոտափաթիլները աստիճանաբար օքսիդացել և քայքայվել են NbO և Nb2O5 արգասիքների, որոնք սպառնալիք չեն ներկայացրել կանաչ միկրոջրիմուռների համար: FTIR դիտարկումն օգտագործելով՝ մենք որևէ էական փոփոխություն չենք հայտնաբերել երկչափ Nb-MXene նանոտափաթիլների առկայությամբ ինկուբացված միկրոջրիմուռների քիմիական կազմի մեջ: Հաշվի առնելով միկրոջրիմուռների կողմից նիոբիումի օքսիդի կլանման հնարավորությունը, մենք իրականացրել ենք ռենտգենյան ֆլուորեսցենտային վերլուծություն: Այս արդյունքները հստակ ցույց են տալիս, որ ուսումնասիրված միկրոջրիմուռները սնվում են նիոբիումի օքսիդներով (NbO և Nb2O5), որոնք ոչ թունավոր են ուսումնասիրված միկրոջրիմուռների համար: