Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рахмет.Сіз шектеулі CSS қолдауы бар шолғыш нұсқасын пайдаланып жатырсыз.Ең жақсы тәжірибе үшін жаңартылған шолғышты пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer шолғышында үйлесімділік режимін өшіріңіз).Әзірше, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Бірден үш слайдтан тұратын карусельді көрсетеді.Бір уақытта үш слайд арқылы жылжу үшін «Алдыңғы» және «Келесі» түймелерін пайдаланыңыз немесе бір уақытта үш слайд арқылы жылжу үшін соңында сырғытпа түймелерін пайдаланыңыз.
Нанотехнологияның қарқынды дамуы және оның күнделікті қолданбаларға интеграциялануы қоршаған ортаға қауіп төндіруі мүмкін.Органикалық ластаушы заттардың ыдырауының жасыл әдістері жақсы орнатылғанымен, бейорганикалық кристалды ластаушы заттардың биотрансформацияға сезімталдығының төмендігі және биологиялық заттармен материал бетінің өзара әрекеттесуін түсінбеуіне байланысты оларды қалпына келтіру маңызды мәселе болып табылады.Мұнда біз Raphidocelis subcapitata жасыл микробалдырлары арқылы 2D керамикалық наноматериалдардың биоремедиация механизмін қадағалау үшін қарапайым пішін параметрлерін талдау әдісімен біріктірілген Nb негізіндегі бейорганикалық 2D MXenes моделін қолданамыз.Біз микробалдырлардың Nb негізіндегі MXenes-ті беттік физикалық-химиялық әрекеттесулерге байланысты бұзатынын анықтадық.Бастапқыда микробалдырлардың бетіне бірқабатты және көпқабатты MXene нанотопырақтары бекітілді, бұл балдырлардың өсуін біршама төмендетті.Алайда, беткі қабатпен ұзақ әрекеттесу кезінде микробалдырлар MXene нанотопырақтарын тотықтырды және оларды NbO және Nb2O5-ке дейін ыдыратады.Бұл оксидтер микробалдырлар жасушаларына уытты емес болғандықтан, олар 72 сағаттық су өңдеуден кейін микробалдырларды одан әрі қалпына келтіретін сіңіру механизмі арқылы Nb оксидінің нанобөлшектерін тұтынады.Сіңумен байланысты қоректік заттардың әсерлері жасуша көлемінің ұлғаюынан, олардың тегіс пішінінде және өсу жылдамдығының өзгеруінен де көрінеді.Осы нәтижелерге сүйене отырып, Nb негізіндегі MXenes-тің тұщы су экожүйелерінде қысқа және ұзақ мерзімді болуы қоршаған ортаға аз ғана әсер етуі мүмкін деген қорытындыға келдік.Бір қызығы, модельдік жүйелер ретінде екі өлшемді наноматериалдарды пайдалана отырып, біз тіпті ұсақ түйіршікті материалдарда пішіннің өзгеруін қадағалау мүмкіндігін көрсетеміз.Тұтастай алғанда, бұл зерттеу 2D наноматериалдардың биоремедиация механизмін басқаратын беттік өзара әрекеттесу процестері туралы маңызды іргелі сұраққа жауап береді және бейорганикалық кристалды наноматериалдардың қоршаған ортаға әсерін одан әрі қысқа мерзімді және ұзақ мерзімді зерттеулерге негіз береді.
Наноматериалдар ашылғаннан бері үлкен қызығушылық тудырды және әртүрлі нанотехнологиялар жақында модернизация кезеңіне енді1.Өкінішке орай, наноматериалдарды күнделікті қолданбаларға біріктіру дұрыс емес кәдеге жарату, ұқыпсыз өңдеу немесе қауіпсіздік инфрақұрылымының жеткіліксіздігі салдарынан кездейсоқ шығарылымдарға әкелуі мүмкін.Сондықтан наноматериалдар, оның ішінде екі өлшемді (2D) наноматериалдар, мінез-құлқы мен биологиялық белсенділігі әлі толық зерттелмеген табиғи ортаға шығарылуы мүмкін деп болжауға болады.Сондықтан экоуыттылық мәселелерінің 2D наноматериалдардың су жүйелеріне сіңу қабілетіне назар аударуы таңқаларлық емес2,3,4,5,6.Бұл экожүйелерде кейбір 2D наноматериалдар әртүрлі трофикалық деңгейде әртүрлі организмдермен, соның ішінде микробалдырлармен әрекеттесе алады.
Микробалдырлар – табиғи жағдайда тұщы су мен теңіз экожүйесінде кездесетін, фотосинтез арқылы әртүрлі химиялық өнімдер шығаратын қарабайыр организмдер7.Осылайша, олар су экожүйелері үшін маңызды болып табылады8,9,10,11,12, бірақ сонымен бірге экологиялық уыттылықтың сезімтал, арзан және кеңінен қолданылатын көрсеткіштері болып табылады13,14.Микробалдырлардың жасушалары тез көбейетіндіктен және әртүрлі қосылыстардың болуына тез жауап беретіндіктен, олар органикалық заттармен ластанған суды тазартудың экологиялық таза әдістерін әзірлеуге перспективалы болып табылады15,16.
Балдыр жасушалары биосорбция және жинақтау арқылы судан бейорганикалық иондарды алып тастай алады17,18.Кейбір балдыр түрлері, мысалы, Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue және Synechococcus sp.Оның Fe2+, Cu2+, Zn2+ және Mn2+19 сияқты улы металл иондарын тасымалдайтыны және тіпті қоректендіретіні анықталды.Басқа зерттеулер Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ немесе Pb2+ иондары жасуша морфологиясын өзгерту және олардың хлоропластарын бұзу арқылы Scenedesmus өсуін шектейтінін көрсетті20,21.
Органикалық ластаушы заттардың ыдырауы мен ауыр металл иондарын жоюдың жасыл әдістері бүкіл әлем ғалымдары мен инженерлерінің назарын аударды.Бұл негізінен бұл ластаушы заттардың сұйық фазада оңай өңделуіне байланысты.Дегенмен, бейорганикалық кристалды ластаушылар суда ерігіштігінің төмендігімен және әртүрлі биотрансформацияларға төмен сезімталдығымен сипатталады, бұл ремедиацияда үлкен қиындықтар туғызады және бұл салада аз ғана ілгерілеушілік бар22,23,24,25,26.Осылайша, наноматериалдарды жөндеуге арналған экологиялық таза шешімдерді іздеу күрделі және зерттелмеген сала болып қала береді.2D наноматериалдардың биотрансформациялық әсерлеріне қатысты белгісіздіктің жоғары дәрежесіне байланысты олардың редукция кезінде деградациясының ықтимал жолдарын анықтаудың оңай жолы жоқ.
Бұл зерттеуде біз бейорганикалық керамикалық материалдардың өкілі ретінде MXene деградация процесін in situ мониторингімен үйлестіре отырып, бейорганикалық керамикалық материалдар үшін белсенді сулы биоремедиация агенті ретінде жасыл микробалдырларды қолдандық.«MXene» термині Mn+1XnTx материалының стехиометриясын көрсетеді, мұндағы M – ерте ауысатын металл, X – көміртегі және/немесе азот, Tx – беттік терминатор (мысалы, -OH, -F, -Cl) және n = 1, 2, 3 немесе 427,28.Нагиб және басқалар MXenes ашқаннан бері.Сенсорлар, қатерлі ісік терапиясы және мембраналық фильтрация 27,29,30.Сонымен қатар, MXenes керемет коллоидтық тұрақтылығы мен ықтимал биологиялық әрекеттесуіне байланысты үлгі 2D жүйелері ретінде қарастырылуы мүмкін31,32,33,34,35,36.
Сондықтан, осы мақалада әзірленген әдістеме және біздің зерттеу гипотезалары 1-суретте көрсетілген. Бұл гипотеза бойынша микробалдырлар Nb негізіндегі MXenes-ті беттік физикалық-химиялық әрекеттесулердің нәтижесінде улы емес қосылыстарға ыдыратады, бұл балдырларды одан әрі қалпына келтіруге мүмкіндік береді.Бұл гипотезаны тексеру үшін ерте ниобий негізіндегі өтпелі металл карбидтері және/немесе нитридтері (MXenes) отбасының екі мүшесі, атап айтқанда Nb2CTx және Nb4C3TX таңдалды.
Raphidocelis subcapitata жасыл микробалдырлары арқылы MXene қалпына келтіру үшін зерттеу әдістемесі және дәлелді гипотезалар.Бұл дәлелге негізделген болжамдардың схемалық көрінісі ғана екенін ескеріңіз.Көлдің ортасы пайдаланылатын қоректік орта мен жағдайларға байланысты (мысалы, тәуліктік цикл және қолда бар маңызды қоректік заттардың шектеулері) ерекшеленеді.BioRender.com сайтында жасалған.
Сондықтан MXene жүйесін үлгілік жүйе ретінде пайдалану арқылы біз басқа кәдімгі наноматериалдармен байқауға болмайтын әртүрлі биологиялық әсерлерді зерттеуге жол аштық.Атап айтқанда, біз Raphidocelis subcapitata микробалдырлары арқылы ниобий негізіндегі MXenes сияқты екі өлшемді наноматериалдарды биоремедиациялау мүмкіндігін көрсетеміз.Микробалдырлар Nb-MXenes улы емес NbO және Nb2O5 оксидтеріне ыдыратуға қабілетті, олар сонымен қатар ниобийді қабылдау механизмі арқылы қоректік заттармен қамтамасыз етеді.Жалпы, бұл зерттеу екі өлшемді наноматериалдарды биоремедиациялау механизмдерін басқаратын беттік физика-химиялық өзара әрекеттесулермен байланысты процестер туралы маңызды іргелі сұраққа жауап береді.Сонымен қатар, біз 2D наноматериалдардың пішініндегі нәзік өзгерістерді бақылау үшін қарапайым пішін параметріне негізделген әдісті әзірлеп жатырмыз.Бұл бейорганикалық кристалды наноматериалдардың қоршаған ортаға әртүрлі әсерлері бойынша одан әрі қысқа мерзімді және ұзақ мерзімді зерттеулерге шабыттандырады.Осылайша, біздің зерттеу материал беті мен биологиялық материал арасындағы өзара әрекеттесу туралы түсінікті арттырады.Біз сондай-ақ олардың тұщы су экожүйелеріне ықтимал әсерлерін қысқа мерзімді және ұзақ мерзімді кеңейтілген зерттеулерге негіз береміз, енді оны оңай тексеруге болады.
MXenes бірегей және тартымды физикалық және химиялық қасиеттері бар қызықты материалдар класын білдіреді, сондықтан көптеген әлеуетті қолданбалар.Бұл қасиеттер көбінесе олардың стехиометриясына және беттік химиясына байланысты.Сондықтан, біздің зерттеуімізде біз Nb негізіндегі иерархиялық бір қабатты (SL) MXenes, Nb2CTx және Nb4C3TX екі түрін зерттедік, өйткені бұл наноматериалдардың әртүрлі биологиялық әсерлерін байқауға болады.MXenes олардың бастапқы материалдарынан атомдық жұқа MAX фазалық А қабаттарын жоғарыдан төмен қарай таңдамалы ою арқылы шығарады.MAX фазасы өтпелі металл карбидтерінің «байланысқан» блоктарынан және MnAXn-1 стехиометриясы бар Al, Si және Sn сияқты «А» элементтерінің жұқа қабаттарынан тұратын үштік керамика болып табылады.Бастапқы MAX фазасының морфологиясы сканерлеуші ​​электрондық микроскопия (SEM) арқылы байқалды және алдыңғы зерттеулерге сәйкес болды (Қосымша ақпаратты, SI, S1 суретін қараңыз).Көпқабатты (ML) Nb-MXene 48% HF (фтор қышқылы) бар Al қабатын алып тастағаннан кейін алынды.ML-Nb2CTx және ML-Nb4C3TX морфологиясы сканерлеуші ​​электрондық микроскопия (SEM) арқылы зерттелді (сәйкесінше S1c және S1d суреттері) және ұзартылған кеуек тәрізді саңылаулардан өтетін екі өлшемді нанотолтырғыштарға ұқсас типтік қабатты MXene морфологиясы байқалды.Nb-MXenes екеуінің де бұрын қышқылды қышқылмен өңдеу арқылы синтезделген MXene фазаларымен ортақ ұқсастықтары бар27,38.MXene құрылымын растағаннан кейін біз оны тетрабутиламмоний гидроксидінің (TBAOH) интеркаляциясы арқылы қабаттастырдық, содан кейін жуу және ультрадыбыстық әсер етті, содан кейін біз бір қабатты немесе төмен қабатты (SL) 2D Nb-MXene нанотопырақтарын алдық.
Біз жоғары ажыратымдылықтағы трансмиссиялық электронды микроскопияны (HRTEM) және рентген сәулелерінің дифракциясын (XRD) ою және одан әрі пиллинг тиімділігін тексеру үшін қолдандық.Кері жылдам Фурье түрлендіруі (IFFT) және жылдам Фурье түрлендіруі (FFT) көмегімен өңделген HRTEM нәтижелері 2-суретте көрсетілген. Nb-MXene нанобөлшектері атом қабатының құрылымын тексеру және жазықаралық қашықтықты өлшеу үшін шетіне қарай бағытталған.MXene Nb2CTx және Nb4C3TX нан түйіршіктерінің HRTEM кескіндері олардың атомдық жұқа қабатты табиғатын ашты (2a1, a2-суретті қараңыз), бұрын Naguib et al.27 және Jastrzębska et al.38 хабарлағандай.Көршілес екі Nb2CTx және Nb4C3Tx моноқабаттары үшін біз сәйкесінше 0,74 және 1,54 нм қабат аралық қашықтықты анықтадық (2b1,b2-суреттер), бұл да біздің алдыңғы нәтижелермен келіседі38.Бұл Nb2CTx және Nb4C3Tx моноқабаттары арасындағы қашықтықты көрсететін кері жылдам Фурье түрлендіруімен (2c1, c2-сурет) және жылдам Фурье түрлендіруімен (2d1, d2-сурет) қосымша расталды.Суретте ниобий мен көміртегі атомдарына сәйкес келетін ашық және күңгірт жолақтардың кезектесуі көрсетілген, бұл зерттелетін MXenes қабаттық сипатын растайды.Nb2CTx және Nb4C3Tx (S2a және S2b суреттері) үшін алынған энергетикалық дисперсиялық рентгендік спектроскопия (EDX) спектрлері бастапқы MAX фазасының қалдығын көрсетпегенін атап өту маңызды, өйткені Al шыңы анықталмаған.
SL Nb2CTx және Nb4C3Tx MXene нан түйіршіктерінің сипаттамасы, соның ішінде (a) жоғары ажыратымдылықтағы электронды микроскопия (HRTEM) бүйірлік көріністі 2D нанофлейк кескіні және сәйкес, (b) қарқындылық режимі, (c) кері жылдам Фурье түрлендіруі (IFFT), (d) жылдам X-ray Fourier түрлендіруі, (d) жылдам X-Fourier түрлендірулері), (d) X-ray түрлендірулері.SL 2D Nb2CTx үшін сандар (a1, b1, c1, d1, e1) ретінде көрсетіледі.SL 2D Nb4C3Tx үшін сандар (a2, b2, c2, d2, e1) ретінде көрсетіледі.
SL Nb2CTx және Nb4C3Tx MXenes рентгендік дифракция өлшемдері күріште көрсетілген.тиісінше 2e1 және e2.4.31 және 4.32 шыңдары (002) тиісінше бұрын сипатталған MXenes Nb2CTx және Nb4C3TX38,39,40,41 деңгейлеріне сәйкес келеді.XRD нәтижелері сонымен қатар кейбір қалдық ML құрылымдарының және MAX фазаларының болуын көрсетеді, бірақ көбінесе SL Nb4C3Tx байланысты XRD үлгілері (2e2-сурет).MAX фазасының кішірек бөлшектерінің болуы кездейсоқ жинақталған Nb4C3Tx қабаттарымен салыстырғанда күшті MAX шыңын түсіндіруі мүмкін.
Кейінгі зерттеулер R. subcapitata түріне жататын жасыл микробалдырларға бағытталған.Біз микробалдырларды таңдадық, өйткені олар негізгі азық-түлік желілеріне қатысатын маңызды өндірушілер болып табылады42.Олар сондай-ақ қоректік тізбектің жоғары деңгейіне тасымалданатын улы заттарды жою қабілетіне байланысты уыттылықтың ең жақсы көрсеткіштерінің бірі болып табылады43.Сонымен қатар, R. subcapitata бойынша зерттеулер жалпы тұщы су микроорганизмдеріне SL Nb-MXenes кездейсоқ уыттылығына жарық түсіруі мүмкін.Мұны көрсету үшін зерттеушілер әр микробтың қоршаған ортадағы улы қосылыстарға әр түрлі сезімталдығы бар деген болжам жасады.Көптеген организмдер үшін заттардың төмен концентрациясы олардың өсуіне әсер етпейді, ал белгілі бір шектен жоғары концентрациялар оларды тежейді немесе тіпті өлімге әкелуі мүмкін.Сондықтан, микробалдырлар мен MXenes арасындағы беттік өзара әрекеттесуді және онымен байланысты қалпына келтіруді зерттеу үшін біз Nb-MXenes зиянсыз және улы концентрациясын сынауды шештік.Мұны істеу үшін біз 0 (анықтама ретінде), 0,01, 0,1 және 10 мг l-1 MXene концентрацияларын және MXene (100 мг l-1 MXene) өте жоғары концентрациясы бар қосымша жұқтырған микробалдырларды сынадық, олар төтенше және өлімге әкелуі мүмкін..кез келген биологиялық орта үшін.
SL Nb-MXenes микробалдырларға әсері 0 мг l-1 үлгілері үшін өлшенген өсуді ынталандыру (+) немесе тежелу (-) пайызы ретінде көрсетілген 3-суретте көрсетілген.Салыстыру үшін Nb-MAX фазасы және ML Nb-MXenes де сыналған және нәтижелер SI-де көрсетілген (S3-суретті қараңыз).Алынған нәтижелер SL Nb-MXenes 3a,b-суретте көрсетілгендей 0,01-ден 10 мг/л-ге дейінгі төмен концентрациялар диапазонында уыттылықтан толық дерлік айырылғанын растады.Nb2CTx жағдайында біз көрсетілген диапазонда 5%-дан аспайтын экоуыттылықты байқадық.
SL (a) Nb2CTx және (b) Nb4C3TX MXene қатысуымен микробалдырлардың өсуін ынталандыру (+) немесе тежеу ​​(-).MXene-микробалдырлардың 24, 48 және 72 сағаттық өзара әрекеттесуіне талдау жасалды. Маңызды деректер (t-тест, p <0,05) жұлдызшамен (*) белгіленді. Маңызды деректер (t-тест, p <0,05) жұлдызшамен (*) белгіленді. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Маңызды деректер (t-тест, p <0,05) жұлдызшамен (*) белгіленген.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 (*). Маңызды деректер (t-тест, p < 0,05) жұлдызшамен (*) белгіленген.Қызыл көрсеткілер ингибиторлық ынталандырудың жойылғанын көрсетеді.
Екінші жағынан, Nb4C3TX төмен концентрациясы аздап улы болып шықты, бірақ 7% жоғары емес.Күтілгендей, біз MXenes 100 мг L-1 кезінде жоғары уыттылық пен микробалдырлардың өсуін тежейтінін байқадық.Бір қызығы, материалдардың ешқайсысы MAX немесе ML үлгілерімен салыстырғанда атоксикалық/уытты әсерлердің бірдей үрдісі мен уақытқа тәуелділігін көрсетпеді (толығырақ ақпаратты SI қараңыз).MAX фазасы үшін (S3-суретті қараңыз) уыттылық шамамен 15–25%-ға жетіп, уақыт өте келе өссе, SL Nb2CTx және Nb4C3TX MXene үшін кері тенденция байқалды.Уақыт өте келе микробалдырлардың өсуін тежеу ​​төмендеді.Ол 24 сағаттан кейін шамамен 17%-ға жетті және 72 сағаттан кейін 5%-дан азға дейін төмендеді (сәйкесінше 3a, b-сурет).
Ең бастысы, SL Nb4C3TX үшін микробалдырлардың өсуін тежеу ​​24 сағаттан кейін шамамен 27%-ға жетті, бірақ 72 сағаттан кейін ол шамамен 1%-ға дейін төмендеді.Сондықтан біз байқалған әсерді ынталандырудың кері тежелуі деп белгіледік және SL Nb4C3TX MXene үшін әсер күштірек болды.Микробалдырлардың өсуін ынталандыру SL Nb2CTx MXene-мен салыстырғанда Nb4C3TX (10 мг L-1 24 сағат бойы әрекеттесу) бұрынырақ байқалды.Ингибирлеу-стимуляциялаудың кері әсері биомассаның екі еселену жылдамдығының қисығында жақсы көрсетілді (толығырақ ақпарат алу үшін S4 суретін қараңыз).Осы уақытқа дейін Ti3C2TX MXene тек экоуыттылығы әртүрлі тәсілдермен зерттелген.Зебрабалық эмбриондары үшін улы емес44, бірақ Desmodesmus quadricauda және Sorghum saccharatum өсімдіктеріне45 орташа экоуытты.Арнайы әсерлердің басқа мысалдары қалыпты жасуша линияларына қарағанда рак клеткаларының жоғары уыттылығын қамтиды46,47.Сынақ жағдайлары Nb-MXenes қатысуымен байқалатын микробалдырлардың өсуінің өзгерістеріне әсер етеді деп болжауға болады.Мысалы, хлоропласт стромасындағы рН шамамен 8 RuBisCO ферментінің тиімді жұмыс істеуі үшін оңтайлы болып табылады.Сондықтан рН өзгерістері фотосинтез жылдамдығына теріс әсер етеді48,49.Дегенмен, біз эксперимент барысында рН айтарлықтай өзгерістерін байқамадық (толығырақ SI, S5 суретін қараңыз).Жалпы, Nb-MXenes бар микробалдырлардың дақылдары уақыт өте ерітіндінің рН-ын аздап төмендетті.Бірақ бұл төмендеу таза ортаның рН өзгеруіне ұқсас болды.Сонымен қатар, табылған вариациялар ауқымы микробалдырлардың таза дақылы үшін өлшенгенге ұқсас болды (бақылау үлгісі).Осылайша, фотосинтезге уақыт өте келе рН өзгеруі әсер етпейді деген қорытындыға келдік.
Сонымен қатар, синтезделген MXenes беттік ұштары бар (Tx ретінде белгіленеді).Бұл негізінен -O, -F және -OH функционалды топтары.Дегенмен, беттік химия синтез әдісімен тікелей байланысты.Бұл топтардың MXene50 қасиеттеріне әсерін болжауды қиындата отырып, беткі қабатта кездейсоқ таратылатыны белгілі.Жарық әсерінен ниобийдің тотығуы үшін Tx каталитикалық күш болуы мүмкін деп айтуға болады.Беткі функционалдық топтар шын мәнінде гетеройысуларды құру үшін олардың негізгі фотокатализаторлары үшін бірнеше бекіту орындарын қамтамасыз етеді51.Алайда өсу ортасының құрамы тиімді фотокатализаторды қамтамасыз ете алмады (толық орта құрамын SI S6 кестесінен табуға болады).Сонымен қатар, кез келген беттік модификация да өте маңызды, өйткені MXenes биологиялық белсенділігі қабаттан кейінгі өңдеу, тотығу, органикалық және бейорганикалық қосылыстардың химиялық бетінің модификациясы52,53,54,55,56 немесе беттік зарядты инженерия38 есебінен өзгеруі мүмкін.Сондықтан, ниобий оксидінің ортадағы материалдық тұрақсыздыққа қатысы бар-жоғын тексеру үшін біз микробалдырлардың өсу ортасындағы және ионсыздандырылған судағы zeta (ζ) потенциалына зерттеулер жүргіздік (салыстыру үшін).Біздің нәтижелеріміз SL Nb-MXenes жеткілікті тұрақты екенін көрсетеді (MAX және ML нәтижелері үшін SI S6 суретін қараңыз).SL MXenes дзета потенциалы шамамен -10 мВ құрайды.SR Nb2CTx жағдайында ζ мәні Nb4C3Tx мәніне қарағанда біршама теріс.ζ шамасының мұндай өзгерісі теріс зарядталған MXene нанобөлшектерінің беті қоректік ортадан оң зарядталған иондарды сіңіретінін көрсетуі мүмкін.Қоректік ортадағы Nb-MXenes дзета потенциалы мен өткізгіштігінің уақытша өлшемдері (толығырақ ақпарат алу үшін SI-дағы S7 және S8 суреттерін қараңыз) біздің гипотезаны растайтын сияқты.
Дегенмен, Nb-MXene SL екеуі де нөлден бастап ең аз өзгерістерді көрсетті.Бұл олардың микробалдырлардың өсу ортасындағы тұрақтылығын айқын көрсетеді.Сонымен қатар, біз жасыл микробалдырлардың болуы ортадағы Nb-MXenes тұрақтылығына әсер ететінін бағаладық.Уақыт өте қоректік ортадағы және культурадағы микробалдырлармен әрекеттесуден кейінгі MXenes zeta потенциалы мен өткізгіштігінің нәтижелерін SI-да табуға болады (S9 және S10 суреттер).Бір қызығы, біз микробалдырлардың болуы екі MXenes дисперсиясын тұрақтандыруға ұқсайтынын байқадық.Nb2CTx SL жағдайында дзета потенциалы уақыт өте келе теріс мәндерге дейін аздап төмендеді (72 сағат инкубациядан кейін -19,1 мВ қарсы -15,8).SL Nb4C3TX-ның зета потенциалы аздап өсті, бірақ 72 сағаттан кейін ол микробалдырлардың қатысуынсыз (-18,1 қарсы -9,1 мВ) нан түйіршіктеріне қарағанда жоғары тұрақтылық көрсетті.
Біз сондай-ақ микробалдырлардың қатысуымен инкубацияланған Nb-MXene ерітінділерінің төмен өткізгіштігін таптық, бұл қоректік ортадағы иондардың аз мөлшерін көрсетеді.Атап айтқанда, MXenes судағы тұрақсыздығы негізінен беттік тотығуға байланысты57.Сондықтан жасыл микробалдырлар Nb-MXene бетінде пайда болған оксидтерді қандай да бір жолмен тазартып, тіпті олардың пайда болуына жол бермеді (MXene тотығуы) деп күдіктенеміз.Мұны микробалдырлар сіңіретін заттардың түрлерін зерттеу арқылы көруге болады.
Біздің экотоксикологиялық зерттеулеріміз микробалдырлардың уақыт өте келе Nb-MXenes уыттылығын және ынталандырылған өсудің әдеттен тыс тежелуін жеңе алатынын көрсеткенімен, біздің зерттеуіміздің мақсаты ықтимал әсер ету механизмдерін зерттеу болды.Балдырлар сияқты организмдер олардың экожүйелеріне бейтаныс қосылыстарға немесе материалдарға ұшыраған кезде, олар әртүрлі тәсілдермен әрекет етуі мүмкін58,59.Уытты металл оксидтері болмаған жағдайда микробалдырлар өздерін қоректендіре алады, бұл олардың үздіксіз өсуіне мүмкіндік береді60.Уытты заттарды қабылдағаннан кейін пішінді немесе пішінді өзгерту сияқты қорғаныс механизмдері іске қосылуы мүмкін.Сіңу мүмкіндігін де ескеру қажет58,59.Атап айтқанда, қорғаныс механизмінің кез келген белгісі сынақ қосылысының уыттылығының айқын көрсеткіші болып табылады.Сондықтан, біз одан әрі жұмысымызда SEM арқылы SL Nb-MXene нан түйіршіктері мен микробалдырлар арасындағы әлеуетті беттік әрекеттесуді және рентгендік флуоресцентті спектроскопия (XRF) арқылы Nb негізіндегі MXene жұтылу мүмкіндігін зерттедік.SEM және XRF талдаулары тек белсенділік уыттылығы мәселелерін шешу үшін MXene ең жоғары концентрациясында орындалғанын ескеріңіз.
SEM нәтижелері 4-суретте көрсетілген.Өңделмеген микробалдыр жасушалары (4а-суретті қараңыз, анықтама үлгісі) типтік R. subcapitata морфологиясын және круассан тәрізді жасуша пішінін анық көрсетті.Жасушалар тегістелген және біршама ретсіз болып көрінеді.Кейбір микробалдырлардың жасушалары бір-бірімен қабаттасып, шатасып кетті, бірақ бұл үлгіні дайындау процесіне байланысты болуы мүмкін.Жалпы алғанда таза микробалдыр жасушаларының беті тегіс болды және морфологиялық өзгерістер байқалмайды.
Экстремалды концентрацияда (100 мг L-1) 72 сағаттық өзара әрекеттесуден кейін жасыл микробалдырлар мен MXene нанопарақтары арасындағы беттік әрекеттесуді көрсететін SEM кескіндері.(a) SL (b) Nb2CTx және (c) Nb4C3TX MXenes өзара әрекеттесуінен кейін өңделмеген жасыл микробалдырлар.Nb-MXene нанотопырақтары қызыл көрсеткілермен белгіленгенін ескеріңіз.Салыстыру үшін оптикалық микроскоптан алынған фотосуреттер де қосылады.
Керісінше, SL Nb-MXene нан түйіршіктерімен адсорбцияланған микробалдыр жасушалары зақымдалған (4b, c, қызыл көрсеткілерді қараңыз).Nb2CTx MXene жағдайында (4б-сурет), микробалдырлар олардың морфологиясын өзгерте алатын қос өлшемді наношкалалармен өседі.Атап айтқанда, біз бұл өзгерістерді жарық микроскопиясы арқылы да байқадық (толығырақ SI S11 суретін қараңыз).Бұл морфологиялық ауысу микробалдырлардың физиологиясында және олардың жасушалық морфологиясын өзгерту арқылы, мысалы, жасуша көлемін ұлғайту61 арқылы өзін-өзі қорғау қабілетінде негізделген негізге ие.Сондықтан, Nb-MXenes-пен нақты байланыста болатын микробалдыр жасушаларының санын тексеру маңызды.SEM зерттеулері микробалдыр жасушаларының шамамен 52% Nb-MXenes әсеріне ұшырағанын көрсетті, ал бұл микробалдыр жасушаларының 48% байланыстан аулақ болды.SL Nb4C3Tx MXene үшін микробалдырлар MXene-мен жанасудан аулақ болуға тырысады, осылайша екі өлшемді наношкалалардан локализацияланады және өседі (Cурет 4c).Дегенмен, біз наноөлшемдердің микробалдырлар жасушаларына енуін және олардың зақымдалуын байқамадық.
Өзін-өзі сақтау сонымен қатар жасуша бетіндегі бөлшектердің адсорбциясы және көлеңкелеу (көлеңкелеу) эффектісі деп аталатын фотосинтездің бітелуіне байланысты уақытқа байланысты жауап әрекеті болып табылады62.Микробалдырлар мен жарық көзі арасындағы әрбір объект (мысалы, Nb-MXene нан түйіршіктері) хлоропластар жұтқан жарық мөлшерін шектейтіні анық.Дегенмен, бұл алынған нәтижелерге айтарлықтай әсер ететініне күмәніміз жоқ.Біздің микроскопиялық бақылауларымыз көрсеткендей, микробалдыр жасушалары Nb-MXenes-пен байланыста болған кезде де, 2D нанотопырақтары толығымен оралмаған немесе микробалдырлардың бетіне жабыспаған.Оның орнына, нан түйіршіктері олардың бетін жаппастан микробалдырлар жасушаларына бағытталған болып шықты.Нанотолтырғыштардың/микробалдырлардың мұндай жиынтығы микробалдырлар жасушалары жұтқан жарық мөлшерін айтарлықтай шектей алмайды.Сонымен қатар, кейбір зерттеулер тіпті екі өлшемді наноматериалдардың қатысуымен фотосинтетикалық организмдердің жарықты сіңіруінің жақсарғанын көрсетті63,64,65,66.
SEM суреттері микробалдырлар жасушаларының ниобийді қабылдауын тікелей растай алмағандықтан, біздің әрі қарай зерттеуіміз бұл мәселені түсіндіру үшін рентгендік флуоресценция (XRF) және рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия (XPS) талдауына айналды.Сондықтан, біз MXenes-мен әрекеттеспеген анықтамалық микробалдыр үлгілерінің Nb шыңдарының қарқындылығын салыстырдық, микробалдыр жасушаларының бетінен бөлінген MXene нанотопырақтары және бекітілген MXenes жойылғаннан кейін микробалдыр жасушалары.Айта кету керек, егер Nb сіңірілмесе, микробалдырлар жасушаларымен алынған Nb мәні бекітілген наношкалаларды алып тастағаннан кейін нөлге тең болуы керек.Сондықтан, егер Nb қабылдау орын алса, XRF және XPS нәтижелері де анық Nb шыңын көрсетуі керек.
XRF спектрлері жағдайында микробалдырлар үлгілері SL Nb2CTx және Nb4C3Tx MXene-мен өзара әрекеттесуден кейін SL Nb2CTx және Nb4C3Tx MXene үшін Nb шыңдарын көрсетті (5а-суретті қараңыз, сонымен қатар MAX және ML MXenes нәтижелері SI2, Fig.-де көрсетілгенін ескеріңіз).Бір қызығы, Nb шыңының қарқындылығы екі жағдайда да бірдей (5а-суреттегі қызыл жолақтар).Бұл балдырлардың көбірек Nb сіңіре алмайтынын көрсетті және Nb жинақтаудың максималды сыйымдылығына жасушаларда қол жеткізілді, дегенмен микробалдыр жасушаларына Nb4C3Tx MXene екі есе көп бекітілген (5а-суреттегі көк жолақтар).Атап айтқанда, микробалдырлардың металдарды сіңіру қабілеті қоршаған ортадағы металл оксидтерінің концентрациясына байланысты67,68.Shamshada et al.67 рН жоғарылаған сайын тұщы су балдырларының сіңіру қабілеті төмендейтінін анықтады.Raize et al.68 теңіз балдырларының металдарды сіңіру қабілеті Ni2+ қарағанда Pb2+ үшін шамамен 25% жоғары екенін атап өтті.
(a) SL Nb-MXenes (100 мг L-1) экстремалды концентрациясында 72 сағат бойы инкубацияланған жасыл микробалдыр жасушаларының базальды Nb қабылдауының XRF нәтижелері.Нәтижелер таза микробалдырлардың жасушаларында (бақылау үлгісі, сұр бағаналар), беткі микробалдырлардың жасушаларынан (көк бағандар) оқшауланған 2D нан түйіршіктерінде және 2D нанотопырақтарының бетінен (қызыл бағандар) бөлінгеннен кейін микробалдырлар жасушаларында α болуын көрсетеді.SL Nb-MXenes-пен инкубациялаудан кейін микробалдырлар жасушаларында болатын микробалдырлардың органикалық компоненттерінің (C=O және CHx/C–O) және Nb оксидтерінің элементтік Nb мөлшері, (b) химиялық құрамының пайызы, (c–e) XPS SL Nb2CTx композициялық шыңын сәйкестендіру және (fh) микробалдырлардың ішкі жасушалары MSLx3e.
Сондықтан біз Nb балдырлардың жасушалары оксидтер түрінде жұтылуы мүмкін деп күттік.Мұны тексеру үшін біз MXenes Nb2CTx және Nb4C3TX және балдырлар жасушаларында XPS зерттеулерін жасадық.Микробалдырлардың балдыр жасушаларынан бөлінген Nb-MXenes және MXenes-пен әрекеттесу нәтижелері күріш.5б.Күтілгендей, микробалдырлардың бетінен MXene жойылғаннан кейін микробалдыр үлгілерінде Nb 3d шыңдарын анықтадық.C=O, CHx/CO және Nb оксидтерін сандық анықтау Nb2CTx SL (5c–e сурет) және Nb4C3Tx SL (5c–e сурет) көмегімен алынған Nb 3d, O 1s және C 1s спектрлері негізінде есептелді.) инкубацияланған микробалдырлардан алынған.Сурет 5f–h) MXenes.S1-3-кестеде ең жоғары параметрлердің мәліметтері және сәйкестік нәтижесіндегі жалпы химия көрсетілген.Бір қызығы, Nb2CTx SL және Nb4C3Tx SL Nb 3d аймақтары (5c, f-сурет) бір Nb2O5 компонентіне сәйкес келеді.Мұнда біз спектрлерде MXene-мен байланысты шыңдарды таппадық, бұл микробалдырлардың жасушалары тек Nb оксидтік түрін ғана сіңіретінін көрсетеді.Сонымен қатар, біз C–C, CHx/C–O, C=O және –COOH компоненттерімен C 1 s спектрін жақындаттық.Микробалдыр жасушаларының органикалық үлесіне CHx/C–O және C=O шыңдарын белгіледік.Бұл органикалық компоненттер Nb2CTx SL және Nb4C3TX SL-дегі C 1s шыңдарының сәйкесінше 36% және 41% құрайды.Содан кейін біз SL Nb2CTx және SL Nb4C3TX O 1s спектрлерін Nb2O5, микробалдырлардың органикалық компоненттері (CHx/CO) және беткі адсорбцияланған сумен жабдықтадық.
Соңында, XPS нәтижелері оның болуын ғана емес, Nb формасын анық көрсетті.Nb 3d сигналының орналасуына және деконволюция нәтижелеріне сәйкес біз Nb иондар немесе MXene емес, тек оксидтер түрінде жұтылатынын растаймыз.Сонымен қатар, XPS нәтижелері микробалдыр жасушаларының SL Nb4C3TX MXene-мен салыстырғанда SL Nb2CTx-тен Nb оксидтерін қабылдау қабілетінің жоғары екенін көрсетті.
Біздің Nb қабылдау нәтижелері әсерлі және MXene деградациясын анықтауға мүмкіндік бергенімен, 2D нан түйіршіктеріндегі байланысты морфологиялық өзгерістерді бақылаудың ешқандай әдісі жоқ.Сондықтан, біз сондай-ақ 2D Nb-MXene нан түйіршіктері мен микробалдыр жасушаларында болатын кез келген өзгерістерге тікелей жауап бере алатын қолайлы әдісті әзірлеуді шештік.Егер өзара әрекеттесетін түрлер қандай да бір трансформацияға, ыдырауға немесе дефрагментацияға ұшыраса, бұл эквивалентті дөңгелек аймақтың диаметрі, дөңгелектік, Ферет ені немесе Ферет ұзындығы сияқты пішін параметрлерінің өзгеруі ретінде тез көрінуі керек деп есептейтінін ескеру маңызды.Бұл параметрлер ұзартылған бөлшектерді немесе екі өлшемді нанотолтырғыштарды сипаттау үшін қолайлы болғандықтан, бөлшектердің динамикалық пішінін талдау арқылы оларды бақылау бізге SL Nb-MXene нанотүтіктерінің қалпына келтіру кезінде морфологиялық түрленуі туралы құнды ақпарат береді.
Алынған нәтижелер 6-суретте көрсетілген. Салыстыру үшін біз бастапқы MAX фазасын және ML-MXenes-ді де сынадық (SI S18 және S19 суреттерін қараңыз).Бөлшек пішінінің динамикалық талдауы екі Nb-MXene SL-дің барлық пішін параметрлері микробалдырлармен әрекеттесуден кейін айтарлықтай өзгергенін көрсетті.Эквивалентті дөңгелек аумақтың диаметрі параметрі (6а, б-сурет) көрсеткендей, үлкен нанобөлшектердің фракциясының қысқартылған шыңы қарқындылығы олардың кішірек фрагменттерге ыдырауға бейім екенін көрсетеді.Суретте.6c, d үлпектердің көлденең өлшемімен байланысты шыңдардың азаюын көрсетеді (наноүлшектердің ұзаруы), бұл 2D наноүлшектердің бөлшектерге ұқсас пішінге айналуын көрсетеді.Сәйкесінше Фереттің ені мен ұзындығын көрсететін 6e-h суреті.Ферет ені мен ұзындығы қосымша параметрлер болып табылады, сондықтан бірге қарастырылуы керек.2D Nb-MXene нан түйіршіктерін микробалдырлардың қатысуымен инкубациялаудан кейін олардың Feret корреляция шыңдары ығысып, қарқындылығы төмендеді.Осы нәтижелерге морфология, XRF және XPS ұштастыра отырып, біз байқаған өзгерістер тотығумен қатты байланысты деген қорытындыға келдік, өйткені тотыққан MXenes мыжылған және фрагменттерге және сфералық оксид бөлшектеріне ыдырайды69,70.
Жасыл микробалдырлармен әрекеттесуден кейінгі MXene трансформациясын талдау.Бөлшектердің пішінін динамикалық талдау (a, b) эквивалентті дөңгелек ауданның диаметрі, (c, d) дөңгелектік, (e, f) ферет ені және (g, h) ферет ұзындығы сияқты параметрлерді ескереді.Осы мақсатта бастапқы SL Nb2CTx және SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx және SL Nb4C3Tx MXenes, бұзылған микробалдырлар және өңделген SL Nb2CTx және SL Nb4C3Tx MXenes микробалдырларымен бірге екі анықтамалық микробалдыр үлгілері талданды.Қызыл көрсеткілер зерттелетін екі өлшемді нанотолтырғыштардың пішін параметрлерінің ауысуын көрсетеді.
Пішін параметрлерін талдау өте сенімді болғандықтан, ол микробалдырлар жасушаларындағы морфологиялық өзгерістерді де анықтай алады.Сондықтан, біз 2D Nb нанобөлшектерімен әрекеттескеннен кейін таза микробалдыр жасушалары мен жасушаларының балама дөңгелек алаңының диаметрін, дөңгелектігін және Ферет ені/ұзындығын талдадық.Суретте.6a–h балдырлар жасушаларының пішін параметрлеріндегі өзгерістерді көрсетеді, бұл шың қарқындылығының төмендеуімен және максимумдардың жоғары мәндерге ығысуымен дәлелденеді.Атап айтқанда, жасушалардың дөңгелектік параметрлері ұзартылған жасушалардың азаюын және сфералық жасушалардың ұлғаюын көрсетті (6а, б-сурет).Сонымен қатар, Feret ұяшық ені SL Nb2CTx MXene (сурет 6e) SL Nb4C3TX MXene (сурет 6f) салыстырғанда өзара әрекеттесуден кейін бірнеше микрометрге артты.Бұл Nb2CTx SR-мен әрекеттесу кезінде микробалдырлардың Nb оксидтерін күшті сіңіруіне байланысты болуы мүмкін деп күдіктенеміз.Nb қабыршақтарының олардың бетіне азырақ қатты бекінуі аз көлеңкелеу әсерімен жасушаның өсуіне әкелуі мүмкін.
Микробалдырлардың пішіні мен өлшемдерінің параметрлерінің өзгеруін бақылауларымыз басқа зерттеулерді толықтырады.Жасыл микробалдырлар сыртқы ортаның күйзелісіне жауап ретінде жасуша өлшемін, пішінін немесе метаболизмін өзгерту арқылы морфологиясын өзгерте алады61.Мысалы, жасушалардың өлшемін өзгерту қоректік заттардың сіңуін жеңілдетеді71.Кішкентай балдыр жасушалары қоректік заттардың аз сіңуін және өсу жылдамдығын төмендетеді.Керісінше, үлкенірек жасушалар қоректік заттарды көбірек тұтынады, содан кейін олар жасуша ішінде сақталады72,73.Мачадо мен Соарес фунгицид триклозан жасуша өлшемін үлкейте алатынын анықтады.Олар сондай-ақ балдырлардың пішініндегі терең өзгерістерді анықтады74.Сонымен қатар, Yin et al.9 сонымен қатар төмендетілген графен оксиді нанокомпозиттерінің әсерінен кейін балдырлардағы морфологиялық өзгерістерді анықтады.Сондықтан микробалдырлардың өзгерген өлшем/пішіні параметрлері MXene болуымен туындағаны анық.Өлшемі мен пішінінің бұл өзгеруі қоректік заттардың сіңуінің өзгеруін көрсететіндіктен, уақыт өте келе өлшем мен пішін параметрлерін талдау Nb-MXenes қатысуымен ниобий оксидінің микробалдырлармен сіңірілуін көрсете алады деп есептейміз.
Сонымен қатар, MXenes балдырлардың қатысуымен тотыға алады.Dalai және т.б.75 nano-TiO2 және Al2O376 әсеріне ұшыраған жасыл балдырлардың морфологиясы біркелкі емес екенін байқады.Біздің бақылауларымыз осы зерттеуге ұқсас болғанымен, ол нанобөлшектердің емес, 2D нанобөлшектерінің қатысуымен MXene деградация өнімдері тұрғысынан биоремедиацияның әсерін зерттеуге ғана қатысты.MXenes металл оксидтеріне ыдырай алатындықтан, 31,32,77,78 біздің Nb нан түйіршіктері микробалдыр жасушаларымен әрекеттескеннен кейін Nb оксидтерін де құра алады деп болжауға болады.
Тотығу процесіне негізделген ыдырау механизмі арқылы 2D-Nb нан түйіршіктерінің тотықсыздануын түсіндіру үшін жоғары ажыратымдылықтағы трансмиссиялық электронды микроскопия (HRTEM) (7а,б-сурет) және рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия (XPS) (7-сурет) арқылы зерттеулер жүргіздік.7c-i және S4-5 кестелері).Екі тәсіл де 2D материалдарының тотығуын зерттеуге қолайлы және бірін-бірі толықтырады.HRTEM екі өлшемді қабатты құрылымдардың деградациясын және металл оксиді нанобөлшектерінің кейінгі пайда болуын талдауға қабілетті, ал XPS беттік байланыстарға сезімтал.Осы мақсатта біз микробалдыр жасушаларының дисперсиясынан алынған 2D Nb-MXene нан түйіршіктерін, яғни олардың микробалдыр жасушаларымен әрекеттесуден кейінгі пішінін сынадық (7-суретті қараңыз).
Тотықтырылған (a) SL Nb2CTx және (b) SL Nb4C3Tx MXenes морфологиясын көрсететін HRTEM кескіндері, (c) тотықсызданудан кейінгі оксид өнімдерінің құрамын, (d–f) SL Nb2CTx және (g–SLCxi) жөндеуден өткен (g–SLCxi) жасыл XPS спектрлерінің құрамдастарының ең жоғары сәйкестігін көрсететін XPS талдау нәтижелері.
HRTEM зерттеулері Nb-MXene нанотопырақтарының екі түрінің тотығуын растады.Нанотолқындар белгілі бір дәрежеде екі өлшемді морфологиясын сақтағанымен, тотығу MXene нанобөлшектерінің бетін жабатын көптеген нанобөлшектердің пайда болуына әкелді (7а,б-суретті қараңыз).c Nb 3d және O 1s сигналдарының XPS талдауы екі жағдайда да Nb оксидтері пайда болғанын көрсетті.7c-суретте көрсетілгендей, 2D MXene Nb2CTx және Nb4C3TX NbO және Nb2O5 оксидтерінің болуын көрсететін Nb 3d сигналдарына ие, ал O 1s сигналдары 2D нанотолтырғыш бетінің функционалдық байланысымен байланысты O–Nb байланыстарының санын көрсетеді.Біз Nb оксидінің үлесі Nb-C және Nb3+-O-мен салыстырғанда басым екенін байқадық.
Суретте.7g–i суреттерінде микробалдырлар жасушаларынан оқшауланған Nb 3d, C 1s және O 1s SL Nb2CTx (7d–f-суреттерді қараңыз) және SL Nb4C3TX MXene XPS спектрлері көрсетілген.Nb-MXenes шыңының параметрлері туралы мәліметтер сәйкесінше S4–5 кестелерінде берілген.Біз алдымен Nb 3d құрамын талдадық.Микробалдыр жасушалары сіңіретін Nb-ден айырмашылығы, микробалдыр жасушаларынан бөлінген MXene-де Nb2O5-тен басқа басқа компоненттер табылды.Nb2CTx SL-де біз Nb3+-O үлесін 15% мөлшерінде байқадық, ал Nb 3d спектрінің қалған бөлігінде Nb2O5 (85%) басым болды.Бұған қоса, SL Nb4C3TX үлгісінде Nb-C (9%) және Nb2O5 (91%) компоненттері бар.Мұнда Nb-C Nb4C3Tx SR металл карбидінің екі ішкі атомдық қабатынан келеді.Содан кейін біз C 1s спектрлерін ішкі үлгілердегідей төрт түрлі құрамдасқа саламыз.Күтілгендей, C 1s спектрінде графиттік көміртегі басым, содан кейін микробалдырлар жасушаларынан органикалық бөлшектердің (CHx/CO және C=O) үлестері.Сонымен қатар, O 1s спектрінде микробалдыр жасушаларының органикалық формаларының, ниобий оксидінің және адсорбцияланған судың үлесін байқадық.
Сонымен қатар, біз Nb-MXenes бөлінуінің қоректік ортада және/немесе микробалдыр жасушаларында реактивті оттегі түрлерінің (ROS) болуымен байланысты екенін зерттедік.Осы мақсатта біз қоректік ортадағы синглет оттегінің (1O2) және микробалдырларда антиоксидант ретінде әрекет ететін тиол - жасушаішілік глутатион деңгейін бағаладық.Нәтижелер SI жүйесінде көрсетілген (S20 және S21 суреттер).SL Nb2CTx және Nb4C3TX MXenes бар дақылдар 1O2 азайған мөлшерімен сипатталды (S20 суретті қараңыз).SL Nb2CTx жағдайында MXene 1O2 шамамен 83%-ға дейін азаяды.SL қолданатын микробалдырлар дақылдары үшін Nb4C3TX 1O2 одан да азайып, 73%-ға дейін төмендеді.Бір қызығы, 1O2 өзгерістері бұрын байқалған ингибиторлық-стимуляциялық әсермен бірдей үрдісті көрсетті (3-суретті қараңыз).Жарқын жарықта инкубация фотототығуды өзгерте алады деп айтуға болады.Дегенмен, бақылау талдауының нәтижелері эксперимент кезінде 1O2 тұрақты дерлік деңгейін көрсетті (S22-сурет).Жасуша ішілік ROS деңгейлері жағдайында біз де төмендеу үрдісін байқадық (S21 суретті қараңыз).Бастапқыда Nb2CTx және Nb4C3Tx SLs қатысуымен өсірілген микробалдырлар жасушаларындағы ROS деңгейлері микробалдырлардың таза дақылдарында табылған деңгейден асып түсті.Алайда, сайып келгенде, микробалдырлардың Nb-MXenes екеуінің де болуына бейімделгені анықталды, өйткені ROS деңгейлері сәйкесінше SL Nb2CTx және Nb4C3TX егілген микробалдырлардың таза дақылдарында өлшенген деңгейлердің 85% және 91% дейін төмендеді.Бұл тек қоректік ортаға қарағанда микробалдырлардың Nb-MXene бар болған кезде өзін жайлы сезінетінін көрсетуі мүмкін.
Микробалдырлар - фотосинтездеуші организмдердің алуан түрлі тобы.Фотосинтез кезінде олар атмосфералық көмірқышқыл газын (СО2) органикалық көміртекке айналдырады.Фотосинтез өнімдері глюкоза мен оттегі79.Біз осылайша түзілген оттегі Nb-MXenes тотығуында маңызды рөл атқарады деп күдіктенеміз.Мұның бір ықтимал түсіндірмесі: дифференциалды аэрация параметрі Nb-MXene наноүлшектерінің сыртында және ішіндегі оттегінің төмен және жоғары парциалды қысымында қалыптасады.Бұл дегеніміз, қай жерде оттегінің парциалды қысымы әртүрлі аймақтар болса, ең төменгі деңгейге ие аймақ анодты 80, 81, 82 құрайды. Мұнда микробалдырлар MXene қабыршақтарының бетінде фотосинтетикалық қасиеттерінің арқасында оттегін түзетін дифференциалды газдалған жасушалардың пайда болуына ықпал етеді.Нәтижесінде биокоррозия өнімдері (бұл жағдайда ниобий оксидтері) түзіледі.Тағы бір аспект микробалдырлар суға бөлінетін органикалық қышқылдарды шығара алады83,84.Сондықтан агрессивті орта қалыптасады, осылайша Nb-MXenes өзгереді.Сонымен қатар, микробалдырлар көмірқышқыл газын сіңіру есебінен қоршаған ортаның рН-ын сілтіліге өзгерте алады, бұл да коррозияға әкелуі мүмкін79.
Ең бастысы, біздің зерттеуімізде қолданылған қараңғы/жарық фотопериод алынған нәтижелерді түсіну үшін өте маңызды.Бұл аспект Джемай-Зоглаче және т.б.85 Олар Porphyridium purpureum қызыл микробалдырларының биологиялық ластануымен байланысты биокоррозияны көрсету үшін 12/12 сағаттық фотопериодты әдейі пайдаланды.Олар фотопериодтың 24:00 шамасында псевдопериодтық тербелістер ретінде көрінетін биокоррозиясыз потенциалдың эволюциясымен байланысты екенін көрсетеді.Бұл бақылауларды Доулинг және басқалары растады.86 Олар Anabaena цианобактерияларының фотосинтездік биоқабықшаларын көрсетті.Ерітілген оттегі жарықтың әсерінен түзіледі, ол бос биокоррозия потенциалының өзгеруімен немесе ауытқуымен байланысты.Фотопериодтың маңыздылығы биокоррозияның бос потенциалының жарық фазасында артып, қараңғы фазада азаюымен ерекшеленеді.Бұл электродтардың жанында түзілетін парциалды қысым арқылы катодтық реакцияға әсер ететін фотосинтетикалық микробалдырлар шығаратын оттегімен байланысты87.
Сонымен қатар, Nb-MXenes-пен әрекеттескеннен кейін микробалдыр жасушаларының химиялық құрамында қандай да бір өзгерістер болғанын анықтау үшін Фурье трансформациясының инфрақызыл спектроскопиясы (FTIR) жүргізілді.Бұл алынған нәтижелер күрделі және біз оларды SI жүйесінде ұсынамыз (S23-S25 суреттері, MAX кезеңінің нәтижелерін және ML MXenes).Қысқасы, микробалдырлардың алынған анықтамалық спектрлері бізге осы организмдердің химиялық сипаттамалары туралы маңызды ақпарат береді.Бұл ең ықтимал тербелістер 1060 см-1 (СО), 1540 см-1, 1640 см-1 (С=С), 1730 см-1 (С=О), 2850 см-1, 2920 см-1 жиіліктерінде орналасқан.бір.1 1 (C–H) және 3280 см–1 (O–H).SL Nb-MXenes үшін біз алдыңғы зерттеуімізге38 сәйкес келетін CH-байланыстың созылу қолтаңбасын таптық.Дегенмен, біз C=C және CH байланыстарымен байланысты кейбір қосымша шыңдардың жоғалып кеткенін байқадық.Бұл SL Nb-MXenes-пен әрекеттесу салдарынан микробалдырлардың химиялық құрамы шамалы өзгерістерге ұшырауы мүмкін екенін көрсетеді.
Микробалдырлардың биохимиясындағы мүмкін болатын өзгерістерді қарастырғанда, ниобий оксиді сияқты бейорганикалық оксидтердің жинақталуын қайта қарау қажет59.Металдардың жасуша бетімен сіңуіне, цитоплазмаға тасымалдануына, жасушаішілік карбоксил топтарымен байланысуына, микробалдырлардың полифосфосомдарында жиналуына қатысады20,88,89,90.Сонымен қатар, микробалдырлар мен металдар арасындағы байланыс жасушалардың функционалдық топтарымен сақталады.Осы себепті сіңіру микробалдырлардың беткі химиясына да байланысты, ол өте күрделі9,91.Жалпы, күткендей жасыл микробалдырлардың химиялық құрамы Nb оксидінің сіңірілуіне байланысты аздап өзгерді.
Бір қызығы, микробалдырлардың байқалған бастапқы тежелуі уақыт өте келе қайтымды болды.Біз байқағанымыздай, микробалдырлар бастапқы қоршаған ортаның өзгеруін жеңіп, ақырында қалыпты өсу қарқынына оралды және тіпті өсті.Зета потенциалын зерттеу қоректік орталарға енгізілгенде жоғары тұрақтылықты көрсетеді.Осылайша, микробалдырлар жасушалары мен Nb-MXene нан түйіршіктері арасындағы беттік әрекеттесу барлық редукция эксперименттері кезінде сақталды.Әрі қарайғы талдауымызда біз микробалдырлардың осы тамаша мінез-құлқының негізінде жатқан әрекеттің негізгі механизмдерін қорытындылаймыз.
SEM бақылаулары микробалдырлардың Nb-MXenes-ге қосылуға бейім екенін көрсетті.Динамикалық кескінді талдауды пайдалана отырып, біз бұл әсердің екі өлшемді Nb-MXene нанобөлшектерінің сфералық бөлшектерге айналуына әкелетінін растаймыз, осылайша нанобөлшектердің ыдырауы олардың тотығуымен байланысты екенін көрсетеміз.Гипотезаны тексеру үшін біз бірқатар материалдық және биохимиялық зерттеулер жүргіздік.Тестілеуден кейін нанотолқындар біртіндеп тотықты және NbO және Nb2O5 өнімдеріне ыдырайды, бұл жасыл микробалдырларға қауіп төндірмеді.FTIR бақылауын пайдалана отырып, біз 2D Nb-MXene нанобөлшектерінің қатысуымен инкубацияланған микробалдырлардың химиялық құрамында айтарлықтай өзгерістер таппадық.Микробалдырлардың ниобий оксидін сіңіру мүмкіндігін ескере отырып, рентгендік флуоресценттік талдау жасадық.Бұл нәтижелер зерттелген микробалдырлардың зерттелетін микробалдырларға улы емес ниобий оксидтерімен (NbO және Nb2O5) қоректенетінін анық көрсетеді.