Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат.Сиз чектелген CSS колдоосу менен серепчи версиясын колдонуп жатасыз.Мыкты тажрыйба үчүн жаңыртылган браузерди колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerдеги Шайкештик режимин өчүрүү).Ал ортодо, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн биз сайтты стилдерсиз жана JavaScriptсиз көрсөтөбүз.
Бир эле учурда үч слайддан турган каруселди көрсөтөт.Бир убакта үч слайд аркылуу өтүү үчүн Мурунку жана Кийинки баскычтарын колдонуңуз, же бир эле учурда үч слайд аркылуу өтүү үчүн аягындагы сыдырма баскычтарын колдонуңуз.
Нанотехнологиянын тез өнүгүшү жана аны күнүмдүк тиркемелерге интеграциялоо айлана-чөйрөгө коркунуч келтириши мүмкүн.Органикалык булгоочу заттардын деградациясынын жашыл ыкмалары жакшы жолго коюлган, бирок органикалык эмес кристаллдык булгоочу заттардын калыбына келтирилиши алардын биотрансформацияга сезгичтигинин төмөндүгүнөн жана материалдын бетинин биологиялык менен өз ара аракеттенүүсүн түшүнбөгөндүктөн чоң тынчсызданууну жаратат.Бул жерде биз Raphidocelis subcapitata жашыл микробалыры менен 2D керамикалык наноматериалдардын биоремедиация механизмин байкоо үчүн жөнөкөй форма параметрин талдоо ыкмасы менен айкалышкан Nb негизиндеги органикалык эмес 2D MXenes моделин колдонобуз.Биз микробалырлар Nb негизиндеги MXenes жер бетине байланышкан физикалык-химиялык өз ара аракеттешүүлөрдүн натыйжасында бузулат деп таптык.Алгач микробалырлардын бетине бир катмарлуу жана көп катмарлуу MXene нанофлактары жабышып, балырлардын өсүшүн бир аз азайткан.Бирок, жер бети менен узакка созулган өз ара аракеттенүүдө микробалырлар MXene наноталактарын кычкылдандырып, андан ары аларды NbO жана Nb2O5ке айландырышкан.Бул оксиддер микробалдырлардын клеткалары үчүн уулуу эмес болгондуктан, алар 72 саат суу тазалоодон кийин микробалырларды андан ары калыбына келтирүүчү жутуу механизми менен Nb оксидинин нанобөлүкчөлөрүн керектешет.Соруу менен байланышкан азыктардын таасири клетканын көлөмүнүн көбөйүшүнөн, алардын жылмакай формасына жана өсүү темпинин өзгөрүшүнөн да көрүнөт.Бул табылгалардын негизинде, биз тузсуз суу экосистемаларында Nb негизделген MXenes кыска жана узак мөөнөттүү болушу аз гана экологиялык таасирин тийгизиши мүмкүн деген тыянак чыгарабыз.Белгилей кетчү нерсе, эки өлчөмдүү наноматериалдарды моделдик системалар катары колдонуу менен биз майда бүртүкчөлүү материалдарда да форманын өзгөрүшүнө байкоо жүргүзүү мүмкүнчүлүгүн көрсөтүп жатабыз.Жалпысынан алганда, бул изилдөө 2D наноматериалдардын биоремедиация механизмин жетектөөчү беттик өз ара аракеттенүү процесстери жөнүндө маанилүү фундаменталдык суроого жооп берет жана органикалык эмес кристаллдык наноматериалдардын айлана-чөйрөгө тийгизген таасирин мындан ары кыска мөөнөттүү жана узак мөөнөттүү изилдөөлөр үчүн негиз түзөт.
Наноматериалдар ачылгандан бери чоң кызыгуу жаратты жана ар кандай нанотехнологиялар жакында модернизация фазасына кирди1.Тилекке каршы, наноматериалдарды күнүмдүк тиркемелерге интеграциялоо туура эмес утилдештирүү, этиятсыздык менен иштөө же коопсуздук инфраструктурасынын жетишсиздигинен улам кокустан чыгууга алып келиши мүмкүн.Ошондуктан, наноматериалдар, анын ичинде эки өлчөмдүү (2D) наноматериалдар, жүрүм-туруму жана биологиялык активдүүлүгү али толук түшүнүлө элек табигый чөйрөгө чыгышы мүмкүн деп болжолдоо жөндүү.Ошондуктан, экотоксиктүүлүк көйгөйлөрү 2D наноматериалдардын суу системаларына сиңип кетүү жөндөмдүүлүгүнө басым жасаганы таң калыштуу эмес.Бул экосистемаларда кээ бир 2D наноматериалдар ар кандай трофикалык деңгээлдеги ар кандай организмдер, анын ичинде микробалырлар менен өз ара аракеттене алышат.
Микробалырлар – табигый шартта тузсуз суу жана деңиз экосистемаларында кездешүүчү, фотосинтез аркылуу түрдүү химиялык продуктуларды өндүргөн примитивдүү организмдер7.Ошентип, алар суу экосистемалары үчүн маанилүү болуп саналат8,9,10,11,12, бирок ошондой эле сезгич, арзан жана экотоксиктүүлүктүн кеңири колдонулган индикаторлору13,14.Микробалыр клеткалары тез көбөйүп, ар кандай кошулмалардын болушуна тез жооп бергендиктен, алар органикалык заттар менен булганган сууну тазалоонун экологиялык таза ыкмаларын иштеп чыгуу үчүн келечектүү болуп саналат15,16.
Балыр клеткалары биосорбция жана топтоо аркылуу органикалык эмес иондорду суудан чыгара алат17,18.Кээ бир балыр түрлөрү, мисалы, Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue жана Synechococcus sp.Ал Fe2+, Cu2+, Zn2+ жана Mn2+19 сыяктуу уулуу металл иондорун алып жүрөрү жана ал тургай азыктандырары аныкталган.Башка изилдөөлөр Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ же Pb2+ иондору клетканын морфологиясын өзгөртүү жана алардын хлоропласттарын20,21 жок кылуу аркылуу Scenedesmusтун өсүшүн чектей турганын көрсөттү.
Органикалык булгоочу заттарды ажыратуу жана оор металл иондорун жок кылуу үчүн жашыл ыкмалар дүйнө жүзү боюнча окумуштуулардын жана инженерлердин көңүлүн бурду.Бул негизинен бул булгоочу заттардын суюк фазада оңой иштетилгендигине байланыштуу.Бирок, органикалык эмес кристаллдык булгоочу заттар сууда эригичтиги жана ар кандай биотрансформацияларга аз ийкемдүүлүгү менен мүнөздөлөт, бул ремедиацияда чоң кыйынчылыктарды жаратат жана бул тармакта анча деле жылыштар болгон жок22,23,24,25,26.Ошентип, наноматериалдарды оңдоо үчүн экологиялык жактан таза чечимдерди издөө татаал жана изилденбеген аймак бойдон калууда.2D наноматериалдардын биотрансформациялык эффекттерине карата белгисиздиктин жогорку даражасына байланыштуу, кыскартуу учурунда алардын бузулушунун мүмкүн болуучу жолдорун билүүнүн оңой жолу жок.
Бул изилдөөдө биз органикалык эмес керамикалык материалдардын өкүлү катары MXene деградация процессине жеринде мониторинг жүргүзүү менен бирге органикалык эмес керамикалык материалдар үчүн активдүү суулуу биоремедиация агенти катары жашыл микробалдырларды колдондук.“MXene” термини Mn+1XnTx материалынын стехиометриясын чагылдырат, мында M – эрте өтүүчү металл, X – көмүртек жана/же азот, Tx – беттик терминатор (мисалы, -OH, -F, -Cl) жана n = 1, 2, 3 же 427,28.Нагиб жана башкалар тарабынан MXenes ачылгандан бери.Sensorics, рак терапиясы жана мембраналык чыпкалоо 27,29,30.Мындан тышкары, MXenes алардын мыкты коллоиддик туруктуулугуна жана мүмкүн биологиялык өз ара аракеттенүү31,32,33,34,35,36 үчүн үлгү 2D системалары катары каралышы мүмкүн.
Демек, бул макалада иштелип чыккан методология жана биздин изилдөө гипотезалары 1-сүрөттө көрсөтүлгөн. Бул гипотезага ылайык, микробалырлар Nb негизиндеги MXenesди беттик физикалык-химиялык өз ара аракеттенүүлөрдүн натыйжасында уулуу эмес кошулмаларга айландырышат, бул балырларды андан ары калыбына келтирүүгө мүмкүндүк берет.Бул гипотезаны текшерүү үчүн, эрте ниобийге негизделген өткөөл металл карбиддердин жана/же нитриддердин (MXenes) үй-бүлө мүчөлөрүнүн эки мүчөсү, атап айтканда, Nb2CTx жана Nb4C3TX тандалган.
Raphidocelis subcapitata жашыл микробалырлары менен MXene калыбына келтирүү үчүн изилдөө методологиясы жана далилдүү гипотезалар.Бул жөн гана далилдерге негизделген божомолдордун схемалык көрүнүшү экенин эске алыңыз.Көлдүн чөйрөсү колдонулган азык чөйрөсү жана шарттар (мисалы, суткалык цикл жана жеткиликтүү негизги азыктардын чектөөлөрү) боюнча айырмаланат.BioRender.com менен түзүлгөн.
Ошондуктан, моделдик система катары MXene колдонуу менен, биз башка кадимки наноматериалдар менен байкоо мүмкүн эмес ар кандай биологиялык таасирлерин изилдөө үчүн эшик ачтык.Атап айтканда, биз микробалырлар Raphidocelis subcapitata менен ниобийге негизделген MXenes сыяктуу эки өлчөмдүү наноматериалдарды биоремедиациялоо мүмкүнчүлүгүн көрсөтөбүз.Микробалырлар Nb-MXenes уулуу эмес оксиддер NbO жана Nb2O5 салып, ошондой эле ниобийди алуу механизми аркылуу азыктандыруучу заттар менен камсыз кыла алат.Жалпысынан, бул изилдөө эки өлчөмдүү наноматериалдардын биоремедиация механизмдерин жөнгө салуучу жер үстүндөгү физикалык-химиялык өз ара аракеттенүү процесстери жөнүндө маанилүү фундаменталдык суроого жооп берет.Мындан тышкары, биз 2D наноматериалдардын формасындагы тымызын өзгөрүүлөргө көз салуу үчүн форма-параметрге негизделген жөнөкөй ыкманы иштеп чыгуудабыз.Бул органикалык эмес кристаллдык наноматериалдардын айлана-чөйрөгө тийгизген ар кандай таасирлери боюнча мындан аркы кыска мөөнөттүү жана узак мөөнөттүү изилдөөлөргө дем берет.Ошентип, биздин изилдөө материалдын бети менен биологиялык материалдын ортосундагы өз ара түшүнүүнү жогорулатат.Биз ошондой эле алардын тузсуз суу экосистемаларына мүмкүн болуучу таасирин кыска мөөнөттүү жана узак мөөнөттүү изилдөөлөр үчүн негиз түзүп жатабыз, аларды эми оңой эле текшерүүгө болот.
MXenes уникалдуу жана жагымдуу физикалык жана химиялык касиеттери бар материалдардын кызыктуу классын билдирет, ошондуктан көптөгөн потенциалдуу колдонмолор.Бул касиеттер негизинен алардын стехиометриясына жана беттик химиясына көз каранды.Ошондуктан, биздин изилдөөдө, биз бул наноматериалдардын ар кандай биологиялык таасирлери байкалышы мүмкүн болгондуктан, Nb негизинде иерархиялык бир катмар (SL) MXenes, Nb2CTx жана Nb4C3TX эки түрүн изилдеп.MXenes алардын баштапкы материалдарынан атомдук жука MAX фазалык A катмарларынын жогорудан ылдый тандалып алынган ою менен өндүрүлөт.MAX фазасы өткөөл металл карбиддердин “байланышкан” блокторунан жана MnAXn-1 стехиометриясы менен Al, Si жана Sn сыяктуу “А” элементтеринин жука катмарларынан турган үчтүк керамика.Алгачкы MAX фазасынын морфологиясы сканерлөөчү электрондук микроскопия (SEM) аркылуу байкалган жана мурунку изилдөөлөргө шайкеш келген (Кошумча маалыматты караңыз, SI, S1 сүрөт).Көп катмарлуу (ML) Nb-MXene 48% HF (гидрофтор кислотасы) менен Al катмарын алып салгандан кийин алынган.ML-Nb2CTx жана ML-Nb4C3TX морфологиясы сканерлөөчү электрондук микроскопия (SEM) (тиешелүү түрдө S1c жана S1d фигуралары) менен каралып, узун көзөнөк сымал тешиктерден өткөн эки өлчөмдүү нанотолоктарга окшош типтүү катмарлуу MXene морфологиясы байкалды.Nb-MXenes экөөнүн тең мурда кислота менен иштетүү менен синтезделген MXene фазалары менен көп окшоштуктары бар27,38.MXene түзүмүн ырастагандан кийин, биз тетрабутиламмоний гидроксидинин (TBAOH) интеркалациялоо жолу менен, андан кийин жууп жана ultradisation аркылуу катмарладык, андан кийин биз бир катмарлуу же аз катмарлуу (SL) 2D Nb-MXene nanoflakes алдык.
Этингдин жана андан ары пилингдин эффективдүүлүгүн текшерүү үчүн биз жогорку резолюциядагы электрондук микроскопияны (HRTEM) жана рентген нурларынын дифракциясын (XRD) колдондук.Тескери тез Фурье трансформациясы (IFFT) жана Fast Furier Transform (FFT) аркылуу иштетилген HRTEM натыйжалары 2-сүрөттө көрсөтүлгөн. Nb-MXene нанофилактары атомдук катмардын түзүлүшүн текшерүү жана пландар аралык аралыктарды өлчөө үчүн четине чейин багытталган.MXene Nb2CTx жана Nb4C3TX нанофилактарынын HRTEM сүрөттөрү алардын атомдук жука катмарлуу табиятын ачып берди (2а1, а2-сүрөттү караңыз), мурда Naguib et al.27 жана Jastrzębska et al.38 тарабынан билдирилгендей.Эки чектеш Nb2CTx жана Nb4C3Tx моно катмарлары үчүн биз 0,74 жана 1,54 нм аралык аралыктарды аныктадык (сүрөт. 2b1,b2), бул дагы биздин мурунку жыйынтыктарыбызга38 дал келет.Муну Nb2CTx жана Nb4C3Tx моно катмарларынын ортосундагы аралыкты көрсөткөн тескери тез Фурье трансформациясы (2c1, c2-сүрөт) жана тез Фурье трансформациясы (2d1, d2-сүрөт) дагы тастыктады.Сүрөттө ниобий жана көмүртек атомдоруна туура келген жарык жана караңгы тилкелердин кезектешүүсү көрсөтүлгөн, бул изилденген MXenes катмарлуулугун тастыктайт.Nb2CTx жана Nb4C3Tx үчүн алынган энергетикалык дисперсиялык рентген спектроскопиясынын (EDX) спектрлери (S2a жана S2b фигуралары) эч кандай Al чокусу табылган жок болгондуктан, баштапкы MAX фазасынын калдыктарын көрсөткөнүн белгилей кетүү маанилүү.
SLM Nb2CTx жана Nb4C3Tx MXene нанофилактикасынын мүнөздөмөсү, анын ичинде (а) жогорку резолюциядагы электрондук микроскопия (HRTEM) капталдан көрүнүшү 2D nanoflake сүрөттөө жана тиешелүү, (б) интенсивдүүлүк режими, (c) тескери тез Фурье трансформациясы (IFFT), (г) тез XFFT), (г) Fourier Fourier transformes.SL 2D Nb2CTx үчүн сандар (a1, b1, c1, d1, e1) катары көрсөтүлөт.SL 2D Nb4C3Tx үчүн сандар (a2, b2, c2, d2, e1) катары көрсөтүлөт.
SL Nb2CTx жана Nb4C3Tx MXenes рентгендик дифракциялык өлчөөлөр сүрөттө көрсөтүлгөн.2e1 жана e2, тиешелүүлүгүнө жараша.4.31 жана 4.32 чокулары (002) тиешелүүлүгүнө жараша мурда сүрөттөлгөн катмардуу MXenes Nb2CTx жана Nb4C3TX38,39,40,41 туура келет.XRD натыйжалары ошондой эле кээ бир калдык ML структураларынын жана MAX фазаларынын бар экендигин көрсөтүп турат, бирок көбүнчө SL Nb4C3Tx менен байланышкан XRD үлгүлөрү (сүрөт 2e2).MAX фазасынын кичинекей бөлүкчөлөрүнүн болушу кокустук тизилген Nb4C3Tx катмарларына салыштырмалуу күчтүү MAX чокусун түшүндүрүшү мүмкүн.
Андан аркы изилдөөлөр R. subcapitata түрүнө таандык жашыл микробалырларга багытталган.Биз микробалырларды тандап алдык, анткени алар негизги азык-түлүк тармактарына катышкан маанилүү өндүрүүчүлөр болуп саналат42.Алар ошондой эле тамак-аш чынжырынын жогорку деңгээлине жеткирилген уулуу заттарды алып салуу жөндөмдүүлүгүнөн улам уулуулуктун эң жакшы көрсөткүчтөрүнүн бири болуп саналат43.Мындан тышкары, R. subcapitata боюнча изилдөө SL Nb-MXenes жалпы тузсуз микроорганизмдер үчүн кокус уулуулугун жарык чачышы мүмкүн.Муну далилдөө үчүн изилдөөчүлөр ар бир микробдун айлана-чөйрөдөгү уулуу кошулмаларга ар кандай сезгичтиги бар деп гипотеза жасашкан.Көпчүлүк организмдер үчүн заттардын аз концентрациясы алардын өсүшүнө таасир этпейт, ал эми белгилүү бир чектен жогору концентрациялар аларды токтотууга же өлүмгө алып келиши мүмкүн.Ошондуктан, микробалырлардын жана MXenes ортосундагы беттик өз ара аракеттенүү жана аны менен байланышкан калыбына келтирүү биздин изилдөөлөр үчүн, биз Nb-MXenes зыянсыз жана уулуу концентрациясын сынап көрүүнү чечтик.Бул үчүн биз 0 (маалымат катары), 0,01, 0,1 жана 10 мг l-1 MXene концентрациясын жана кошумча MXene (100 мг l-1 MXene) өтө жогорку концентрациясы бар микробалдырларды сынап көрдүк, алар экстремалдык жана өлүмгө алып келиши мүмкүн..ар кандай биологиялык чөйрө үчүн.
SL Nb-MXenes микробалырларга тийгизген таасири 0 мг l-1 үлгүлөрү үчүн өлчөнгөн өсүүнү илгерилетүү (+) же бөгөт коюу (-) пайызында көрсөтүлгөн 3-сүрөттө көрсөтүлгөн.Салыштыруу үчүн, Nb-MAX фазасы жана ML Nb-MXenes да сыналган жана натыйжалары SIде көрсөтүлгөн (сүрөт S3 караңыз).Алынган натыйжалар SL Nb-MXenes 3a,b-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, 0,01ден 10 мг/лге чейинки төмөнкү концентрациялар диапазонунда дээрлик толугу менен уулуулугунан ажырагандыгын тастыктады.Nb2CTx учурда, биз көрсөтүлгөн диапазондо 5% дан ашык эмес экотоксиктикти байкадык.
SL (а) Nb2CTx жана (б) Nb4C3TX MXene катышуусунда микробалырлардын өсүшүн стимулдаштыруу (+) же бөгөт коюу (-).24, 48 жана 72 сааттык MXene-микробалырлардын өз ара аракеттешүүсү талданды. Маанилүү маалыматтар (t-тест, б <0.05) жылдызча (*) менен белгиленген. Маанилүү маалыматтар (t-тест, б <0.05) жылдызча (*) менен белгиленген. Значимые данные (t-критерий, б < 0,05) отмечены звездочкой (*). Маанилүү маалыматтар (t-тест, p <0,05) жылдызча (*) менен белгиленет.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 (*). Маанилүү маалыматтар (t-тест, p <0,05) жылдызча (*) менен белгиленет.Кызыл жебелер ингибитордук стимулдаштырууну жокко чыгарат.
Башка жагынан алганда, Nb4C3TX төмөн концентрациясы бир аз уулуу болуп чыкты, бирок 7% дан жогору эмес.Күтүлгөндөй эле, биз MXenes 100mg L-1 боюнча жогорку уулуулугун жана микробалырлардын өсүшүнө бөгөт коюу бар экенин байкадык.Кызыктуусу, материалдардын бири да MAX же ML үлгүлөрүнө салыштырмалуу атоксиктүү/уулуу эффекттердин бирдей тенденциясын жана убакытка көз карандылыгын көрсөткөн эмес (чоо-жайы үчүн SI караңыз).MAX фазасы үчүн (S3-сүрөттү караңыз) уулуулугу болжол менен 15–25% га жетип, убакыттын өтүшү менен көбөйсө, SL Nb2CTx жана Nb4C3TX MXene үчүн тескери тенденция байкалган.Микробалырлардын өсүшүнө бөгөт коюу убакыттын өтүшү менен азайган.Ал 24 сааттан кийин болжол менен 17% га жетти жана 72 сааттан кийин 5% дан азыраак төмөндөдү (тиешелүү түрдө 3а, б-сүрөт).
Андан да маанилүүсү, SL Nb4C3TX үчүн микробалырлардын өсүшүнө бөгөт коюу 24 сааттан кийин болжол менен 27% га жеткен, бирок 72 сааттан кийин ал болжол менен 1% га чейин төмөндөгөн.Ошондуктан, биз байкалган таасирди стимулдаштыруунун тескери бөгөт коюусу деп атадык жана эффект SL Nb4C3TX MXene үчүн күчтүүрөөк болду.Микробалырлардын өсүшүнө дем берүү Nb4C3TX (10 мг L-1 24 саат бою өз ара аракеттенүү) SL Nb2CTx MXene менен салыштырганда мурда белгиленген.Тоскоолдук-стимулдаштыруу тескери таасири ошондой эле биомассанын эки эсеге өсүү ылдамдыгы ийри сызыгында жакшы көрсөтүлгөн (маалымат үчүн S4-сүрөттү караңыз).Буга чейин Ti3C2TX MXeneнин экотоксиктиги гана ар кандай жолдор менен изилденген.Бул зебра балыктарынын эмбриондору үчүн уулуу эмес44, бирок Desmodesmus quadricauda жана Sorghum saccharatum өсүмдүктөрү үчүн орточо экологиялык уулуу.Конкреттүү эффекттердин башка мисалдары кадимки клетка линияларына караганда рак клеткаларынын линияларына жогорку уулуулукту камтыйт46,47.Бул сыноо шарттары Nb-MXenes катышуусу менен байкалган микробалырлардын өсүшүнүн өзгөрүүлөргө таасир этет деп божомолдоого болот.Мисалы, хлоропласт стромасындагы рН 8ге жакын RuBisCO ферментинин эффективдүү иштеши үчүн оптималдуу болуп саналат.Демек, рН өзгөрүүлөр фотосинтездин ылдамдыгына терс таасирин тийгизет48,49.Бирок, эксперимент учурунда рНнын олуттуу өзгөрүүлөрүн байкаган жокпуз (чоо-жайы үчүн SI, S5 сүрөтүн караңыз).Жалпысынан алганда, Nb-MXenes менен микробалырлардын культуралары убакыттын өтүшү менен эритменин рНын бир аз төмөндөткөн.Бирок, бул төмөндөө таза чөйрөнүн рН өзгөрүшүнө окшош болгон.Мындан тышкары, табылган вариациялардын диапазону микробалырлардын таза маданияты үчүн өлчөнгөнгө окшош болгон (башкаруу үлгүсү).Ошентип, биз фотосинтезге убакыттын өтүшү менен рН өзгөрүшү таасир этпейт деген тыянакка келебиз.
Мындан тышкары, синтезделген MXenes беттик учтары бар (Tx катары белгиленген).Булар негизинен -O, -F жана -OH функционалдык топтор.Бирок, беттик химия түздөн-түз синтез ыкмасы менен байланыштуу.Бул топтор MXene50 касиеттерине алардын таасирин алдын ала айтууну кыйындатып, бетине туш келди бөлүштүрүлгөнү белгилүү.Tx жарык менен ниобийдин кычкылдануусу үчүн каталитикалык күч болушу мүмкүн деп айтууга болот.Беттик функционалдык топтор, чынында эле, гетерокомплекстерди түзүү үчүн алардын фотокатализаторлору үчүн бир нече анкердик сайттарды камсыз кылат51.Бирок, өсүү чөйрөсүнүн курамы эффективдүү фотокатализаторду камсыз кыла алган эмес (деталдуу чөйрөнүн курамын SI таблицасынан тапса болот S6).Мындан тышкары, ар кандай беттик модификациясы да абдан маанилүү, анткени MXenes биологиялык активдүүлүгү катмардан кийинки кайра иштетүү, кычкылдануу, органикалык жана органикалык эмес кошулмалардын химиялык бетинин модификациясы52,53,54,55,56 же беттик заряд инженериясынын38 эсебинен өзгөрүшү мүмкүн.Ошондуктан, ниобий кычкылынын чөйрөдөгү материалдык туруксуздук менен эч кандай байланышы бар-жогун текшерүү үчүн микробалырлардын өсүү чөйрөсүндө жана деионизацияланган сууда zeta (ζ) потенциалын изилдөө жүргүздүк (салыштыруу үчүн).Биздин натыйжалар SL Nb-MXenes кыйла туруктуу экенин көрсөтүп турат (MAX жана ML натыйжалары үчүн SI Fig. S6 карагыла).SL MXenesтин zeta потенциалы болжол менен -10 мВ.SR Nb2CTx учурда, ζ мааниси Nb4C3Txке караганда бир аз терс.ζ маанисинин мындай өзгөрүшү терс заряддуу MXene нанофилактарынын бети маданий чөйрөдөн оң заряддалган иондорду сиңирип алгандыгын көрсөтүшү мүмкүн.Маданият чөйрөсүндөгү Nb-MXenes zeta потенциалын жана өткөргүчтүгүн убактылуу өлчөө (көбүрөөк маалымат алуу үчүн SIдеги S7 жана S8 сүрөттөрүн караңыз) биздин гипотезаны колдойт окшойт.
Бирок, эки Nb-MXene SL нөлдөн минималдуу өзгөрүүлөрдү көрсөттү.Бул алардын микробалырлардын өсүү чөйрөсүндө туруктуулугун ачык көрсөтүп турат.Мындан тышкары, биз жашыл микробалырлардын болушу чөйрөдө Nb-MXenes туруктуулугуна таасир этеби же жокпу, баалады.Убакыттын өтүшү менен азыктандыруучу чөйрөдө жана маданиятта микробалырлар менен өз ара аракеттенгенден кийин MXenes zeta потенциалынын жана өткөргүчтүгүнүн натыйжаларын SIден тапса болот (S9 жана S10 сүрөттөрү).Кызыктуусу, биз микробалырлардын болушу эки MXenes дисперсиясын турукташтыргандай сезилгенин байкадык.Nb2CTx SL учурда, zeta потенциалы убакыттын өтүшү менен бир аз азайып, терс маанилерге чейин төмөндөгөн (72 саат инкубациядан кийин -15,8ге каршы -19,1 мВ).SL Nb4C3TXтин zeta потенциалы бир аз жогорулады, бирок 72 сааттан кийин ал дагы эле микробалырлар жок наноплактарга караганда туруктуулукту көрсөттү (-18,1 vs. -9,1 мВ).
Ошондой эле, микробалырлардын катышуусунда инкубацияланган Nb-MXene эритмелеринин төмөнкү өткөргүчтүгүн таптык, бул аш болумдуу чөйрөдө иондордун азыраак санын көрсөтөт.Белгилей кетчү нерсе, суудагы MXenes туруксуздугу, негизинен, беттик кычкылдануу менен шартталган57.Ошондуктан, биз жашыл микробалырлар кандайдыр бир жол менен Nb-MXene бетинде пайда болгон оксиддерди тазалап, ал тургай алардын пайда болушуна (MXene кычкылдануусу) бөгөт койгон деп шектенебиз.Муну микробалырлар сиңирүүчү заттардын түрлөрүн изилдөө аркылуу көрүүгө болот.
Биздин экотоксикологиялык изилдөөлөрүбүз микробалырлар убакыттын өтүшү менен Nb-MXenes уулуулугун жана стимулдаштырылган өсүштүн адаттан тыш тоскоолдугун жеңе аларын көрсөтсө да, биздин изилдөөбүздүн максаты иш-аракеттин мүмкүн болгон механизмдерин изилдөө болгон.Балырлар сыяктуу организмдер алардын экосистемасына бейтааныш кошулмаларга же материалдарга дуушар болгондо, алар ар кандай жолдор менен реакция кылышы мүмкүн58,59.Уулуу металл оксиддери жок болгон учурда микробалырлар өз алдынча азыктанып, алардын тынымсыз өсүшүнө шарт түзөт60.Уулуу заттарды жуткандан кийин, формасын же формасын өзгөртүү сыяктуу коргонуу механизмдери ишке кириши мүмкүн.Соруу мүмкүнчүлүгү да каралышы керек58,59.Белгилеп кетсек, коргонуу механизминин ар кандай белгиси сыноо кошулмасынын уулуулугунун айкын көрсөткүчү болуп саналат.Ошондуктан, биздин мындан аркы ишибизде, биз SEM тарабынан SL Nb-MXene нанофилактары менен микробалырлардын ортосундагы потенциалдуу беттик өз ара аракеттенүүнү жана Nb негизиндеги MXeneнин рентгендик флуоресценттик спектроскопия (XRF) менен мүмкүн сиңирүүсүн изилдедик.SEM жана XRF анализдери MXeneнин эң жогорку концентрациясында гана активдүүлүктүн уулуулугунун маселелерин чечүү үчүн жасалганын эске алыңыз.
SEM натыйжалары Fig.4 көрсөтүлгөн.Тазаланбаган микробалыр клеткалары (4а-сүрөттү караңыз, маалымдама үлгүсү) типтүү R. subcapitata морфологиясын жана круассан сымал клетка формасын ачык көрсөттү.Клеткалар жалпак жана бир аз тартипсиз болуп көрүнөт.Кээ бир микробалыр клеткалары бири-бири менен бири-бири менен чырмалышып, бирок бул, кыязы, үлгү даярдоо процессинен улам келип чыккан.Негизинен таза микробалыр клеткаларынын бети жылмакай болуп, эч кандай морфологиялык өзгөрүүлөр болгон эмес.
Экстремалдуу концентрацияда (100 мг L-1) өз ара 72 сааттан кийин жашыл микробалырлар менен MXene нанобаракчаларынын ортосундагы беттик өз ара аракеттенүүнү көрсөткөн SEM сүрөттөрү.(а) SL (б) Nb2CTx жана (с) Nb4C3TX MXenes менен өз ара аракеттенгенден кийин тазаланбаган жашыл микробалдырлар.Белгилей кетсек, Nb-MXene нанофилактары кызыл жебелер менен белгиленген.Салыштыруу үчүн оптикалык микроскоптун сүрөттөрү да кошулган.
Ал эми, SL Nb-MXene nanoflakes менен adsorbed microbalgae клеткалары бузулган (сүрөт карагыла. 4b, с, кызыл жебелер).Nb2CTx MXene (сүрөт. 4b) учурда, микробалырлар алардын морфологиясын өзгөртө алат тиркелген эки өлчөмдүү наношкалалар менен өсөт.Белгилей кетчү нерсе, биз бул өзгөрүүлөрдү жарык микроскопиясы астында да байкадык (чоо-жайын билүү үчүн SI S11 сүрөтүн караңыз).Бул морфологиялык өтүү микробалдырлардын физиологиясында жана алардын клетканын морфологиясын өзгөртүү аркылуу коргонуу жөндөмдүүлүгүндө, мисалы, клетка көлөмүн көбөйтүүдө негиздүү негиз бар61.Ошондуктан, ал Nb-MXenes менен чындыгында байланышта болгон микробалыр клеткаларынын санын текшерүү үчүн маанилүү болуп саналат.SEM изилдөөлөр микробалыр клеткаларынын болжол менен 52% Nb-MXenes дуушар болгон, ал эми бул микробалырлар клеткаларынын 48% контакт алыс экенин көрсөттү.SL Nb4C3Tx MXene үчүн микробалырлар MXene менен байланышуудан качууга аракет кылышат, ошону менен локализациялоо жана эки өлчөмдүү nanoscales (сүрөт. 4c).Бирок, биз микробалдырлардын клеткаларына наношкалалардын киришин жана алардын зыянын байкаган жокпуз.
Өзүн-өзү сактоо да клетканын бетиндеги бөлүкчөлөрдүн адсорбцияланышынан улам фотосинтездин тоскоол болушуна жана көлөкө (көлөкө салуу) эффектиси деп аталган убакытка көз каранды жооп жүрүм-туруму62.Микробалырлар менен жарык булагынын ортосунда жайгашкан ар бир объект (мисалы, Nb-MXene нанофилактары) хлоропласттар сиңирүүчү жарыктын көлөмүн чектей турганы түшүнүктүү.Бирок, бул алынган натыйжаларга олуттуу таасирин тийгизе тургандыгына шек санабайбыз.Биздин микроскопиялык байкоолор көрсөткөндөй, 2D нанофилактары микробалырлардын клеткалары Nb-MXenes менен байланышта болгон учурда да, микробалырлардын бетине толук оролуп же жабышкан эмес.Анын ордуна, нанофилактика беттерин жаап туруп, микробалыр клеткаларына багытталган болуп чыкты.Нанотолоктун/микробалырлардын мындай топтому микробалыр клеткалары тарабынан сиңирилген жарыктын көлөмүн олуттуу чектей албайт.Андан тышкары, кээ бир изилдөөлөр эки өлчөмдүү наноматериалдардын катышуусунда фотосинтездик организмдер тарабынан жарыкты сиңирүү жакшырганын көрсөтүштү63,64,65,66.
SEM сүрөттөрү түздөн-түз микробалыр клеткалары тарабынан ниобийдин кабыл алынышын ырастай албагандыктан, биздин андан аркы изилдөөбүз бул маселени тактоо үчүн рентгендик флуоресценция (XRF) жана рентген фотоэлектрон спектроскопиясы (XPS) анализине кайрылдык.Ошондуктан, биз MXenes менен өз ара аракеттенбеген шилтеме микробалыр үлгүлөрүнүн Nb чокуларынын интенсивдүүлүгүн салыштырдык, микробалыр клеткаларынын бетинен ажыратылган MXene нанофлактары жана тиркелген MXenes алынып салынгандан кийин микроалгал клеткалары.Белгилей кетсек, эгерде Nb кабыл алынбаса, микробалдырлардын клеткалары тарабынан алынган Nb мааниси тиркелген наношкалаларды алып салгандан кийин нөлгө барабар болушу керек.Ошондуктан, эгерде Nb кабыл алынса, XRF жана XPS натыйжалары да ачык Nb чокусун көрсөтүшү керек.
XRF спектрлеринин учурда, микробалырлардын үлгүлөрү SL Nb2CTx жана Nb4C3Tx MXene менен өз ара аракеттенгенден кийин SL Nb2CTx жана Nb4C3Tx MXene үчүн Nb чокуларын көрсөттү (5а-сүрөттү караңыз, ошондой эле MAX жана ML MXenes үчүн натыйжалар S12-C1s көрсөтүлгөнүн белгилеңиз).Кызыктуусу, Nb чокусунун интенсивдүүлүгү эки учурда тең бирдей (5а-сүрөттөгү кызыл тилкелер).Бул балырлар Nb көбүрөөк сиңире албай турганын көрсөттү жана Nb топтоо үчүн максималдуу кубаттуулук клеткаларда жетишилди, бирок микробалыр клеткаларына эки эсе көп Nb4C3Tx MXene тиркелген (сүрөт 5адагы көк тилкелер).Белгилеп кетсек, микробалырлардын металлдарды сиңирүү жөндөмдүүлүгү чөйрөдөгү металл оксиддеринин концентрациясына көз каранды67,68.Shamshada et al.67 тузсуз суу балырларынын сиңирүү жөндөмдүүлүгү рН жогорулаган сайын төмөндөй турганын аныкташкан.Raize et al.68 балырлардын металлдарды сиңирүү жөндөмдүүлүгү Ni2+ караганда Pb2+ үчүн болжол менен 25% жогору экенин белгилешти.
(а) SL Nb-MXenes (100 мг L-1) экстремалдык концентрациясында 72 саат бою инкубацияланган жашыл микробалыр клеткалары тарабынан базалдык Nb алуусунун XRF натыйжалары.Натыйжалар таза микробалыр клеткаларында (башкаруу үлгүсү, боз мамычалар), жер үстүндөгү микробалыр клеткаларынан (көк мамычалар) бөлүнүп алынган 2D нанотолочкаларында жана 2D нанофилактарды жер бетинен бөлгөндөн кийин (кызыл мамычалар) микробалдырлардын клеткаларында α бар экендигин көрсөтөт.SL Nb-MXenes менен инкубациялоодон кийин микробалырлардын клеткаларында болгон элементардык Nb, (b) микробалырлардын органикалык компоненттеринин (C=O жана CHx/C–O) жана Nb оксиддеринин химиялык курамынын пайызы, (c–e) XPS SL Nb2CTx курамынын чокусуна туура келүү жана (fh) microenez.
Ошондуктан, биз Nb оксиддер түрүндө балыр клеткалары тарабынан сиңирилиши мүмкүн деп күткөнбүз.Муну текшерүү үчүн биз MXenes Nb2CTx жана Nb4C3TX жана балыр клеткаларында XPS изилдөөлөрүн жүргүздүк.Микробалдырлардын балыр клеткаларынан бөлүнүп алынган Nb-MXenes жана MXenes менен өз ара аракеттенүүсүнүн натыйжалары 1-сүрөттө көрсөтүлгөн.5б.Күтүлгөндөй, биз микробалырлардын бетинен MXeneди алып салгандан кийин микробалырлардын үлгүлөрүндө Nb 3d чокуларын таптык.C=O, CHx/CO жана Nb оксиддерин сандык аныктоо Nb2CTx SL (сүр. 5c–e) жана Nb4C3Tx SL (сүр. 5c–e) менен алынган Nb 3d, O 1s жана C 1s спектрлеринин негизинде эсептелген.) инкубацияланган микробалырлардан алынат.Сүрөт 5f–h) MXenes.Таблица S1-3 тууралоонун натыйжасында келип чыккан чоку параметрлеринин жана жалпы химиянын чоо-жайын көрсөтөт.Белгилей кетчү нерсе, Nb2CTx SL жана Nb4C3Tx SL (сүр. 5c, f) Nb 3d аймактары бир Nb2O5 компонентине туура келет.Бул жерде биз спектрлерде MXene менен байланышкан чокуларды тапкан жокпуз, бул микробалдырлардын клеткалары Nb дын оксид түрүн гана сиңире тургандыгын көрсөтүп турат.Мындан тышкары, биз C 1 s спектрин C–C, CHx/C–O, C=O жана –COOH компоненттери менен жакындаттык.Биз CHx/C–O жана C=O чокуларын микробалыр клеткаларынын органикалык салымына ыйгардык.Бул органикалык компоненттер тиешелүүлүгүнө жараша Nb2CTx SL жана Nb4C3TX SLдеги C 1s чокуларынын 36% жана 41% түзөт.Андан кийин SL Nb2CTx жана SL Nb4C3TX O 1s спектрлерин Nb2O5, микробалырлардын органикалык компоненттери (CHx/CO) жана жер үстүндөгү адсорбцияланган суу менен жабдык.
Акыр-аягы, XPS натыйжалары Nb формасын гана эмес, анын болушун даана көрсөттү.Nb 3d сигналынын абалына жана деконволюциянын натыйжаларына ылайык, биз Nb иондор же MXene эмес, оксиддер түрүндө гана сиңирин тастыктайбыз.Мындан тышкары, XPS натыйжалары микробалыр клеткалары SL Nb4C3TX MXene салыштырмалуу SL Nb2CTx тартып Nb оксиддерин алуу үчүн көбүрөөк жөндөмдүү экенин көрсөттү.
Биздин Nb алуу натыйжалары таасирдүү жана MXene деградациясын аныктоого мүмкүндүк бергени менен, 2D нанофилактикасындагы морфологиялык өзгөрүүлөргө көз салуу үчүн эч кандай ыкма жок.Ошондуктан, биз ошондой эле 2D Nb-MXene наноталактары жана микробалыр клеткаларында болуп жаткан өзгөрүүлөргө түздөн-түз жооп бере турган ылайыктуу ыкманы иштеп чыгууну чечтик.Белгилей кетчү нерсе, эгерде өз ара аракеттенген түрлөр кандайдыр бир трансформацияга, ажыроого же дефрагментацияга дуушар болсо, анда бул тез эле форманын параметрлеринин өзгөрүшү катары көрүнүшү керек, мисалы, эквиваленттүү тегерек аянттын диаметри, тегеректиги, Фереттин туурасы же Фереттин узундугу.Бул параметрлер узун бөлүкчөлөрдү же эки өлчөмдүү нанофилактарды сүрөттөө үчүн ылайыктуу болгондуктан, бөлүкчөлөрдүн динамикалык формасынын анализи аркылуу аларды көзөмөлдөө кыскартуу учурунда SL Nb-MXene нанофилактарынын морфологиялык трансформациясы жөнүндө баалуу маалыматтарды берет.
Алынган натыйжалар 6-сүрөттө көрсөтүлгөн. Салыштыруу үчүн биз баштапкы MAX фазасын жана ML-MXenes сынап көрдүк (SI фигуралары S18 жана S19 караңыз).Бөлүкчөлөрдүн формасынын динамикалык анализи эки Nb-MXene SLнин бардык форма параметрлери микробалырлар менен өз ара аракеттенүүдөн кийин олуттуу өзгөргөнүн көрсөттү.Эквиваленттүү тегерек аянттын диаметри параметри (6а, б-сүрөт) көрсөткөндөй, чоң нанофилактикалык фракциянын кыскартылган эң жогорку интенсивдүүлүгү алардын майда фрагменттерге ажыроо тенденциясын көрсөтөт.fig боюнча.6c, d кабыкчалардын туурасынан кеткен чоңдугу менен байланышкан чокулардын азайышын көрсөтөт (нанотолоктордун узартылышы), бул 2D нанофилактарынын көбүрөөк бөлүкчө сымал формага айланышын көрсөтөт.Тиешелүүлүгүнө жараша Feret туурасы жана узундугун көрсөткөн 6e-h сүрөт.Feret туурасы жана узундугу кошумча параметрлер болуп саналат, ошондуктан бирге каралышы керек.Микробалырлардын катышуусунда 2D Nb-MXene нанофлактарын инкубациялагандан кийин, алардын Feret корреляция чокулары жылып, интенсивдүүлүгү төмөндөгөн.Бул жыйынтыктардын негизинде морфология, XRF жана XPS менен айкалышта, биз байкалган өзгөрүүлөр кычкылдануу менен катуу байланыштуу деген тыянакка келдик, анткени кычкылданган MXenes дагы бырыштуу болуп, фрагменттерге жана тоголок кычкыл бөлүкчөлөрүнө ажырайт69,70.
Жашыл микробалырлар менен өз ара аракеттенүүдөн кийин MXene трансформациясынын анализи.Динамикалык бөлүкчөлөрдүн формасын талдоо (a, b) эквиваленттүү тегерек аянттын диаметри, (c, d) тегеректиги, (e, f) Feret туурасы жана (g, h) Feret узундугу сыяктуу параметрлерди эске алат.Бул максатта, эки эталондук микробалыр үлгүлөрү негизги SL Nb2CTx жана SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx жана SL Nb4C3Tx MXenes, бузулган микробалырлар жана SL Nb2CTx жана SL Nb4C3Tx MXenes микробалырлары менен бирге талдоого алынды.Кызыл жебелер изилденип жаткан эки өлчөмдүү нанотолоктордун формалык параметрлеринин өтүшүн көрсөтөт.
Форма параметрин талдоо абдан ишенимдүү болгондуктан, микробалыр клеткаларындагы морфологиялык өзгөрүүлөрдү да ачып бере алат.Ошондуктан, биз 2D Nb nanoflakes менен өз ара аракеттенгенден кийин таза микробалыр клеткаларынын жана клеткалардын барабар тегерек аянты диаметри, тегеректиги жана Feret туурасы / узундугун талдоо.fig боюнча.6a–h балыр клеткаларынын форма параметрлеринин өзгөрүшүн көрсөтөт, мунун туу чокусу интенсивдүүлүктүн төмөндөшү жана максимумдардын жогорку маанилерге карай жылышы менен тастыкталат.Атап айтканда, клетканын тегеректигинин параметрлери узун клеткалардын азайгандыгын жана шар формасындагы клеткалардын көбөйүшүн көрсөттү (6а, б-сүрөт).Мындан тышкары, Feret клетка туурасы SL Nb2CTx MXene (сүрөт. 6e) SL Nb4C3TX MXene салыштырганда (сүрөт. 6f) менен өз ара кийин бир нече микрометрге көбөйгөн.Биз бул Nb2CTx SR менен өз ара аракеттенүү боюнча микробалырлар тарабынан Nb оксиддерин күчтүү алуу менен байланыштуу болушу мүмкүн деп шектенебиз.Алардын бетине Nb кабыктарынын азыраак катуу тиркөөлөрү минималдуу көлөкө таасири менен клетканын өсүшүнө алып келиши мүмкүн.
Микробалырлардын формасынын жана өлчөмүнүн параметрлеринин өзгөрүшүнө биздин байкоолорубуз башка изилдөөлөрдү толуктайт.Жашыл микробалырлар клетканын өлчөмүн, формасын же метаболизмин61 өзгөртүү менен экологиялык стресске жооп кылып, морфологиясын өзгөртө алат.Мисалы, клеткалардын өлчөмүн өзгөртүү азык заттардын сиңирүүсүн жеңилдетет71.Кичинекей балыр клеткалары азыраак азык алуу жана өсүү темпи начарлайт.Тескерисинче, чоңураак клеткалар көбүрөөк аш болумдуу заттарды керектешет, алар клетка ичинде сакталат72,73.Мачадо менен Соарес фунгицид триклозан клетканын көлөмүн көбөйтө аларын аныкташкан.Ошондой эле алар балырлардын формасында терең өзгөрүүлөрдү байкашкан74.Мындан тышкары, Yin et al.9 да кыскарган graphene кычкылы nanocomposites таасири кийин балырлар морфологиялык өзгөрүүлөрдү ачып берген.Демек, микробалырлардын өзгөргөн өлчөмү/формасынын параметрлери MXene болушу менен шартталганы түшүнүктүү.Өлчөмү жана формасынын бул өзгөрүшү аш болумдуу заттардын кабыл алынышынын өзгөрүшүн көрсөтүп тургандыктан, биз убакыттын өтүшү менен өлчөмү жана формасынын параметрлерин талдоо Nb-MXenes катышуусунда микробалырлар тарабынан ниобий кычкылынын кабыл алынышын көрсөтө алат деп ишенебиз.
Мындан тышкары, MXenes балырлардын катышуусунда кычкылданышы мүмкүн.Dalai et al.75 nano-TiO2 жана Al2O376 дуушар болгон жашыл балырлардын морфологиясы бирдей эмес экенин байкашкан.Биздин байкоолорубуз ушул изилдөөгө окшош болсо да, ал нанобөлүкчөлөрдүн эмес, 2D нанофилактарынын катышуусунда MXene деградациясынын продуктулары боюнча биоремедиациянын таасирин изилдөөгө гана тиешелүү.MXenes металл оксиддерине бузулушу мүмкүн болгондуктан, 31,32,77,78 биздин Nb нанотолочкалары микробалыр клеткалары менен өз ара аракеттенгенден кийин Nb оксиддерин пайда кылышы мүмкүн деп болжолдоо жөндүү.
Кычкылдануу процессине негизделген ажыратуу механизми аркылуу 2D-Nb нанофилактарынын кыскарышын түшүндүрүү үчүн биз жогорку резолюциядагы өткөргүч электрондук микроскопияны (HRTEM) (7а,б-сүрөт) жана рентген фотоэлектрондук спектроскопиясын (XPS) колдонуу менен изилдөөлөрдү жүргүздүк (7-сүрөт).7c-i жана S4-5 таблицалары).Эки ыкма тең 2D материалдардын кычкылдануусун изилдөө үчүн ылайыктуу жана бири-бирин толуктап турат.HRTEM эки өлчөмдүү катмарлуу структуралардын бузулушун жана металл оксидинин нанобөлүкчөлөрүнүн кийинки көрүнүшүн талдай алат, ал эми XPS беттик байланыштарга сезгич.Бул максатта, биз микробалыр клеткалары дисперсиясынан алынган 2D Nb-MXene нанофлактарын, башкача айтканда, микробалыр клеткалары менен өз ара аракеттенгенден кийинки формасын сынап көрдүк (7-сүрөттү карагыла).
кычкылданган (а) SL Nb2CTx жана (б) SL Nb4C3Tx MXenes морфологиясын көрсөткөн HRTEM сүрөттөрү, XPS анализинин натыйжалары (с) кыскаргандан кийин оксид азыктарынын курамын, (d-f) SL Nb2CTx жана (g-SLCxe) менен XPS спектрлеринин компоненттеринин эң жогорку дал келүүсүн жана (g–4C3Tx жашыл ремонттолгон).
HRTEM изилдөөлөрү Nb-MXene нанофилактарынын эки түрүнүн кычкылданышын тастыктады.Наноталактар ​​кандайдыр бир деңгээлде эки өлчөмдүү морфологиясын сактап калганы менен, кычкылдануу MXene нанофилактарынын бетин каптаган көптөгөн нанобөлүкчөлөрдүн пайда болушуна алып келди (7а,б-сүрөттү караңыз).c Nb 3d жана O 1s сигналдарынын XPS анализи эки учурда тең Nb оксиддери пайда болгонун көрсөттү.7c-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, 2D MXene Nb2CTx жана Nb4C3TX NbO жана Nb2O5 оксиддеринин бар экенин көрсөткөн Nb 3d сигналдарына ээ, ал эми O 1s сигналдары 2D нанофилактикалык бетинин функционализациясы менен байланышкан O-Nb байланыштарынын санын көрсөтөт.Биз Nb оксидинин салымы Nb-C жана Nb3+-O менен салыштырганда үстөмдүк экенин байкадык.
fig боюнча.7g–i сүрөттөрү микробалыр клеткаларынан бөлүнүп алынган Nb 3d, C 1s жана O 1s SL Nb2CTx (7d–f-сүрөттөрдү караңыз) жана SL Nb4C3TX MXeneнин XPS спектрлерин көрсөтөт.Nb-MXenes чокусу параметрлеринин чоо-жайы тиешелүүлүгүнө жараша S4–5 таблицаларында берилген.Биз алгач Nb 3d курамын талдап чыктык.Микробалыр клеткалары тарабынан сиңирилген Nbден айырмаланып, микробалыр клеткаларынан бөлүнүп алынган MXeneде Nb2O5тен башка компоненттер табылган.Nb2CTx SLде биз Nb3+-Oнун 15% өлчөмүндөгү салымын байкадык, ал эми Nb 3d спектринин калган бөлүгүндө Nb2O5 (85%) басымдуулук кылган.Мындан тышкары, SL Nb4C3TX үлгүсү Nb-C (9%) жана Nb2O5 (91%) компоненттерин камтыйт.Бул жерде Nb-C Nb4C3Tx SRдеги металл карбидинин эки ички атомдук катмарынан келет.Андан кийин биз C 1s спектрлерин ички үлгүлөрдөгүдөй төрт башка компонентке түшүрөбүз.Күтүлгөндөй, C 1s спектринде графиттик көмүртек басымдуулук кылат, андан кийин микробалыр клеткаларынан органикалык бөлүкчөлөрдүн (CHx/CO жана C=O) салымдары.Мындан тышкары, O 1s спектринде микробалыр клеткаларынын органикалык формаларынын, ниобий кычкылынын жана адсорбцияланган суунун салымын байкадык.
Мындан тышкары, биз Nb-MXenes бөлүнүшү аш болумдуу чөйрөдө жана/же микробалыр клеткаларында реактивдүү кычкылтек түрлөрүнүн (ROS) болушу менен байланышкан жокпу, изилдеп көрдүк.Ушул максатта, биз маданий чөйрөдөгү синглет кычкылтектин (1O2) жана микробалырларда антиоксидант катары кызмат кылган тиолдун клетка ичиндеги глутатионунун деңгээлин бааладык.Натыйжалар SIде көрсөтүлгөн (S20 жана S21 фигуралары).SL Nb2CTx жана Nb4C3TX MXenes менен культуралар 1O2 көлөмүнүн азайышы менен мүнөздөлгөн (S20-сүрөттү караңыз).SL Nb2CTx учурда, MXene 1O2 болжол менен 83% га чейин төмөндөйт.SL колдонгон микробалырлар үчүн, Nb4C3TX 1O2 73% га чейин азайган.Кызыктуусу, 1O2 өзгөрүшү мурда байкалган ингибитордук-стимулдаштыруучу таасири сыяктуу эле тенденцияны көрсөттү (3-сүрөттү караңыз).Жарык жарыкта инкубациялоо фотооксидацияны өзгөртө алат деп айтууга болот.Бирок, контролдук анализдин натыйжалары эксперимент учурунда 1O2 дээрлик туруктуу деңгээлин көрсөттү (сүрөт S22).Клетка ичиндеги ROS деңгээли болгон учурда, биз да ошол эле төмөндөө тенденциясын байкадык (S21-сүрөттү караңыз).Башында, Nb2CTx жана Nb4C3Tx SLs катышуусунда өстүрүлгөн микробалыр клеткаларындагы ROS деңгээли микробалырлардын таза культураларында табылган деңгээлден ашып кеткен.Акыр-аягы, бирок, микробалырлар Nb-MXenes экөөнүн тең болушуна ыңгайлаштырылганы көрүндү, анткени ROS деңгээли тиешелүүлүгүнө жараша SL Nb2CTx жана Nb4C3TX менен эмделген микробалырлардын таза культураларында өлчөнгөн деңгээлдердин 85% жана 91% га чейин төмөндөгөн.Бул микробалырлар Nb-MXeneнин катышуусунда убакыттын өтүшү менен бир гана аш болумдуу чөйрөгө караганда өзүн ыңгайлуу сезе тургандыгын көрсөтүшү мүмкүн.
Микробалырлар - фотосинтетикалык организмдердин ар түрдүү тобу.Фотосинтез учурунда алар атмосферадагы көмүр кычкыл газын (СО2) органикалык көмүртекке айландырышат.Фотосинтездин продуктылары глюкоза жана кычкылтек79.Биз ушинтип пайда болгон кычкылтек Nb-MXenes кычкылдануусунда маанилүү ролду ойнойт деп шектенебиз.Мунун мүмкүн болгон түшүндүрмөлөрүнүн бири, дифференциалдык аэрация параметри Nb-MXene нанофилактарынын сыртында жана ичинде кычкылтектин төмөнкү жана жогорку жарым-жартылай басымында түзүлөт.Бул кычкылтектин ар кандай парциалдык басымынын аймактары бар жерде эң төмөнкү деңгээлге ээ болгон аймак анод 80, 81, 82 түзүлөт дегенди билдирет. Бул жерде микробалырлар MXene үлүштөрүнүн бетинде дифференциалдуу газдалган клеткаларды түзүүгө көмөктөшөт, алар фотосинтездик касиеттеринен улам кычкылтек чыгарышат.Натыйжада биокоррозия продуктылары (бул учурда ниобий оксиддери) пайда болот.Дагы бир жагы, микробалырлар сууга бөлүнүп чыккан органикалык кислоталарды чыгара алат83,84.Ошондуктан, агрессивдүү чөйрө түзүлүп, ошону менен Nb-MXenes өзгөрөт.Мындан тышкары, микробалырлар көмүр кычкыл газын сиңирүүдөн улам чөйрөнүн рНын щелочтукка өзгөртүшү мүмкүн, бул да коррозияга алып келиши мүмкүн79.
Андан да маанилүүсү, биздин изилдөөдө колдонулган караңгы / жарык photoperiod алынган натыйжаларды түшүнүү үчүн абдан маанилүү болуп саналат.Бул аспекти Джемай-Зоглаче жана башкаларда кеңири баяндалган.85 Алар Porphyridium purpureum кызыл микробалыры менен биологиялык булгануу менен байланышкан биокоррозияны көрсөтүү үчүн 12/12 сааттык фотопериодду атайылап колдонушкан.Алар фотопериод 24:00гө жакын псевдопериоддук термелүүлөр катары өзүн көрсөткөн биокоррозиясыз потенциалдын эволюциясы менен байланышкандыгын көрсөтөт.Бул байкоолорду Dowling et al.86 Алар Anabaena цианобактерияларынын фотосинтездик биопленкаларын көрсөтүштү.Эриген кычкылтек жарыктын таасири астында пайда болот, ал эркин биокоррозия потенциалынын өзгөрүшү же термелүүсү менен байланышкан.Фотопериоддун мааниси жарык фазада биокоррозиянын бош потенциалы көбөйүп, караңгы фазада азайышы менен баса белгиленет.Бул электроддордун жанында пайда болгон парциалдык басым аркылуу катоддук реакцияга таасир этүүчү фотосинтетикалык микробалырлар чыгарган кычкылтек менен шартталган87.
Мындан тышкары, Nb-MXenes менен өз ара аракеттенгенден кийин микробалыр клеткаларынын химиялык курамында кандайдыр бир өзгөрүүлөр болгондугун билүү үчүн Фурье трансформациялык инфракызыл спектроскопия (FTIR) жүргүзүлгөн.Бул алынган натыйжалар татаал жана биз аларды SIде сунуштайбыз (S23-S25 фигуралары, анын ичинде MAX баскычынын жана ML MXenes натыйжалары).Кыскасы, микробалырлардын алынган эталондук спектрлери бизге бул организмдердин химиялык мүнөздөмөлөрү жөнүндө маанилүү маалыматтарды берет.Бул эң ыктымалдуу термелүүлөр 1060 см-1 (СО), 1540 см-1, 1640 см-1 (С=С), 1730 см-1 (С=О), 2850 см-1, 2920 см-1 жыштыктарында жайгашкан.бир.1 1 (C–H) жана 3280 см–1 (O–H).SL Nb-MXenes үчүн биз мурунку изилдөөбүзгө38 дал келген CH-байланыштын созулган кол тамгасын таптык.Бирок, биз C = C жана CH байланыштары менен байланышкан кээ бир кошумча чокулары жок болгонун байкадык.Бул микробалырлардын химиялык курамы SL Nb-MXenes менен өз ара аракеттешүүсүнөн улам кичине өзгөрүүлөргө дуушар болушу мүмкүн экенин көрсөтүп турат.
Микробалырлардын биохимиясындагы мүмкүн болгон өзгөрүүлөрдү кароодо, ниобий оксиди сыяктуу органикалык эмес оксиддердин топтолушун кайра карап чыгуу керек59.Клетка бетинин металлдарды сиңирүүсүнө, цитоплазмага ташылышына, клетка ичиндеги карбоксил топторуна биригишине жана микробалырлардын полифосфосомдорунда топтолушуна катышат20,88,89,90.Мындан тышкары, микробалырлар менен металлдардын ортосундагы байланыш клеткалардын функционалдык топтору тарабынан сакталат.Ушул себептен улам, сиңирүү микробалырлардын беттик химиясына да көз каранды, ал абдан татаал9,91.Жалпысынан алганда, күтүлгөндөй Nb оксидинин сиңирүүсүнөн жашыл микробалырлардын химиялык курамы бир аз өзгөргөн.
Кызыктуусу, микробалырлардын байкалган алгачкы ингибициясы убакыттын өтүшү менен кайра кайтарылган.Биз байкагандай, микробалырлар алгачкы экологиялык өзгөрүүлөрдү жеңип, акыры кадимки өсүү темптерине кайтып, ал тургай көбөйгөн.Зета потенциалын изилдөө азыктандыруучу чөйрөгө киргизилгенде жогорку туруктуулукту көрсөтөт.Ошентип, микробалырлар клеткалары менен Nb-MXene нанофилактарынын ортосундагы беттик өз ара аракеттенүү кыскартуу эксперименттеринде сакталды.Андан аркы талдообузда микробалырлардын бул кереметтүү жүрүм-турумунун негизинде иш-аракеттин негизги механизмдерин жалпылайбыз.
SEM байкоолору көрсөткөндөй, микробалырлар Nb-MXenesге жабышат.Динамикалык сүрөт анализин колдонуу менен, биз бул эффект эки өлчөмдүү Nb-MXene нанофилактарынын көбүрөөк сфералык бөлүкчөлөргө айланышына алып келерин тастыктайбыз, муну менен нанофилактардын ыдырашы алардын кычкылданышы менен байланыштуу экендигин көрсөтөбүз.Биздин гипотезаны текшерүү үчүн, биз материалдык жана биохимиялык изилдөөлөрдүн бир катар жүргүзгөн.Сыноодон өткөндөн кийин нанофилактарды акырындык менен кычкылдандырып, NbO жана Nb2O5 продуктуларына чирип, жашыл микробалырларга коркунуч туудурган эмес.FTIR байкоону колдонуу менен биз 2D Nb-MXene нанофилактарынын катышуусунда инкубацияланган микробалырлардын химиялык курамында олуттуу өзгөрүүлөрдү тапкан жокпуз.Ниобий кычкылынын микробалырлардын сиңирүү мүмкүнчүлүгүн эске алып, рентген-флуоресценттик анализ жүргүздүк.Бул натыйжалар изилденген микробалырлар ниобий оксиддери (NbO жана Nb2O5) менен азыктанарын ачык көрсөтүп турат, алар изилденген микробалырлар үчүн уулуу эмес.