Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur.Siz cheklangan CSS-ni qo'llab-quvvatlaydigan brauzer versiyasidan foydalanmoqdasiz.Eng yaxshi tajriba uchun yangilangan brauzerdan foydalanishni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da Moslik rejimini o'chirib qo'ying).Shu bilan birga, doimiy qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublarsiz va JavaScript-ni ishlatmasdan taqdim etamiz.
Bir vaqtning o'zida uchta slayddan iborat karuselni ko'rsatadi.Bir vaqtning o'zida uchta slayd bo'ylab harakatlanish uchun "Oldingi" va "Keyingi" tugmalaridan foydalaning yoki bir vaqtning o'zida uchta slayd bo'ylab harakatlanish uchun oxiridagi slayder tugmalaridan foydalaning.
Nanotexnologiyaning jadal rivojlanishi va uning kundalik ilovalarga integratsiyalashuvi atrof-muhitga tahdid solishi mumkin.Organik ifloslantiruvchi moddalarning degradatsiyasining yashil usullari yaxshi yo'lga qo'yilgan bo'lsa-da, noorganik kristalli ifloslantiruvchi moddalarni qayta tiklash ularning biotransformatsiyaga nisbatan past sezgirligi va biologik moddalar bilan material yuzasi o'zaro ta'sirini tushunmasligi sababli katta tashvish tug'diradi.Bu erda biz yashil mikroalg Raphidocelis subcapitata tomonidan 2D keramik nanomateriallarning bioremediatsiya mexanizmini kuzatish uchun oddiy shakl parametrlarini tahlil qilish usuli bilan birlashtirilgan Nb-ga asoslangan noorganik 2D MXenes modelidan foydalanamiz.Biz mikroalglar Nb-ga asoslangan MXenlarni sirt bilan bog'liq fizik-kimyoviy o'zaro ta'sirlar tufayli parchalashini aniqladik.Dastlab mikrosuv o'tlari yuzasiga bir qavatli va ko'p qatlamli MXene nanoflaklari biriktirilgan bo'lib, bu suv o'tlarining o'sishini biroz kamaytiradi.Biroq, sirt bilan uzoq vaqt o'zaro ta'sirlashganda, mikroalglar MXene nanoflaklarini oksidladi va ularni NbO va Nb2O5 ga parchaladi.Ushbu oksidlar mikroalg hujayralari uchun toksik bo'lmaganligi sababli, ular 72 soatlik suvni tozalashdan so'ng mikroalglarni qayta tiklaydigan assimilyatsiya mexanizmi orqali Nb oksidi nanozarrachalarini iste'mol qiladilar.So‘rilishi bilan bog‘liq bo‘lgan oziq moddalarning ta’siri hujayra hajmining ortishi, ularning silliq shakli va o‘sish tezligining o‘zgarishida ham namoyon bo‘ladi.Ushbu topilmalarga asoslanib, biz Nb-ga asoslangan MXenlarning chuchuk suv ekotizimlarida qisqa va uzoq muddatli mavjudligi faqat kichik ekologik ta'sirlarga olib kelishi mumkin degan xulosaga keldik.Shunisi e'tiborga loyiqki, ikki o'lchovli nanomateriallardan namunaviy tizim sifatida foydalangan holda, biz hatto nozik taneli materiallarda ham shakl o'zgarishini kuzatish imkoniyatini namoyish qilamiz.Umuman olganda, ushbu tadqiqot 2D nanomateriallarning bioremediatsiya mexanizmini boshqaradigan sirt o'zaro ta'siri bilan bog'liq jarayonlar haqidagi muhim fundamental savolga javob beradi va noorganik kristalli nanomateriallarning atrof-muhitga ta'sirini keyingi qisqa muddatli va uzoq muddatli tadqiqotlar uchun asos yaratadi.
Nanomateriallar kashf etilganidan beri katta qiziqish uyg'otdi va yaqinda turli nanotexnologiyalar modernizatsiya bosqichiga kirdi1.Afsuski, nanomateriallarning kundalik ilovalarga integratsiyalashuvi noto'g'ri utilizatsiya, ehtiyotsizlik bilan ishlov berish yoki xavfsizlik infratuzilmasi noto'g'ri bo'lganligi sababli tasodifiy relizlarga olib kelishi mumkin.Shu sababli, nanomateriallar, shu jumladan ikki o'lchovli (2D) nanomateriallar, xatti-harakatlari va biologik faolligi hali to'liq tushunilmagan tabiiy muhitga chiqarilishi mumkinligini taxmin qilish oqilona.Shu sababli, ekotoksisite bilan bog'liq muammolar 2D nanomateriallarning suv tizimlariga singib ketish qobiliyatiga qaratilganligi ajablanarli emas2,3,4,5,6.Ushbu ekotizimlarda ba'zi 2D nanomateriallar turli trofik darajadagi turli organizmlar, shu jumladan mikroalglar bilan o'zaro ta'sir qilishi mumkin.
Mikrosuv o'tlari tabiiy ravishda chuchuk suv va dengiz ekotizimlarida uchraydigan ibtidoiy organizmlar bo'lib, fotosintez natijasida turli xil kimyoviy mahsulotlar hosil qiladi7.Shunday qilib, ular suv ekotizimlari uchun juda muhimdir8,9,10,11,12, lekin ayni paytda sezgir, arzon va keng qo'llaniladigan ekotoksisite ko'rsatkichlari13,14.Mikroalg hujayralari tez ko'payganligi va turli xil birikmalar mavjudligiga tez javob berganligi sababli, ular organik moddalar bilan ifloslangan suvni tozalashning ekologik toza usullarini ishlab chiqish uchun istiqbollidir15,16.
Yosun hujayralari suvdan noorganik ionlarni biosorbtsiya va to'planish orqali olib tashlashi mumkin17,18.Ba'zi suv o'tlari turlari, masalan, Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue va Synechococcus sp.Fe2+, Cu2+, Zn2+ va Mn2+19 kabi zaharli metall ionlarini olib yurishi va hatto oziqlantirishi aniqlangan.Boshqa tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ yoki Pb2+ ionlari hujayra morfologiyasini o'zgartirish va ularning xloroplastlarini yo'q qilish orqali Scenedesmusning o'sishini cheklaydi20,21.
Organik ifloslantiruvchi moddalarni parchalash va og'ir metal ionlarini olib tashlashning yashil usullari butun dunyo olimlari va muhandislarining e'tiborini tortdi.Bu, asosan, bu ifloslantiruvchi moddalar suyuq fazada osonlik bilan qayta ishlanishi bilan bog'liq.Biroq noorganik kristall ifloslantiruvchi moddalar suvda eruvchanligi va turli biotransformatsiyalarga nisbatan past sezuvchanligi bilan ajralib turadi, bu esa remediatsiyada katta qiyinchiliklarni keltirib chiqaradi va bu sohada kam muvaffaqiyatga erishildi22,23,24,25,26.Shunday qilib, nanomateriallarni ta'mirlash uchun ekologik toza echimlarni izlash murakkab va o'rganilmagan soha bo'lib qolmoqda.Ikki o'lchovli nanomateriallarning biotransformatsiya ta'siri bo'yicha noaniqlik darajasi yuqori bo'lganligi sababli, ularni pasaytirish jarayonida buzilishning mumkin bo'lgan yo'llarini aniqlashning oson yo'li yo'q.
Ushbu tadqiqotda biz noorganik keramika materiallarining vakili sifatida MXene degradatsiyasi jarayonini in situ monitoringi bilan birgalikda noorganik keramika materiallari uchun faol suvli bioremediatsiya agenti sifatida yashil mikroalglardan foydalandik.“MXene” atamasi Mn+1XnTx materialining stokiyometriyasini aks ettiradi, bu erda M erta o'tish metalli, X uglerod va/yoki azot, Tx sirt terminatori (masalan, -OH, -F, -Cl) va n = 1, 2, 3 yoki 427,28.Naguib va ​​boshqalar tomonidan MXenes kashf etilgandan beri.Sensorlar, saraton terapiyasi va membranani filtrlash 27,29,30.Bundan tashqari, MXenes mukammal kolloid barqarorligi va mumkin bo'lgan biologik o'zaro ta'sirlari tufayli model 2D tizimlari sifatida ko'rib chiqilishi mumkin31,32,33,34,35,36.
Shuning uchun ushbu maqolada ishlab chiqilgan metodologiya va tadqiqot gipotezalarimiz 1-rasmda ko'rsatilgan. Ushbu gipotezaga ko'ra, mikroalglar Nb asosidagi MXenlarni sirt bilan bog'liq fizik-kimyoviy o'zaro ta'sirlar tufayli toksik bo'lmagan birikmalarga aylantiradi, bu esa suv o'tlarining keyingi tiklanishiga imkon beradi.Ushbu gipotezani sinab ko'rish uchun erta niobiyga asoslangan o'tish metall karbidlari va / yoki nitridlari (MXenes) oilasining ikki a'zosi, ya'ni Nb2CTx va Nb4C3TX tanlangan.
Raphidocelis subcapitata yashil mikroalglari tomonidan MXeneni qayta tiklash bo'yicha tadqiqot metodologiyasi va dalillarga asoslangan farazlar.E'tibor bering, bu dalillarga asoslangan taxminlarning sxematik ko'rinishidir.Ko'l muhiti ishlatiladigan ozuqaviy muhit va sharoitlarda farqlanadi (masalan, kunlik tsikl va mavjud muhim oziq moddalardagi cheklovlar).BioRender.com bilan yaratilgan.
Shuning uchun, MXene-dan namunaviy tizim sifatida foydalanish orqali biz boshqa an'anaviy nanomateriallar bilan kuzatilmaydigan turli xil biologik ta'sirlarni o'rganish uchun eshikni ochdik.Xususan, biz niobiy asosidagi MXenes kabi ikki o'lchovli nanomateriallarni mikroalglar Raphidocelis subcapitata tomonidan bioremediatsiya qilish imkoniyatini ko'rsatamiz.Mikroalglar Nb-MXenlarni toksik bo'lmagan NbO va Nb2O5 oksidlariga parchalashga qodir, bu esa niobiyni qabul qilish mexanizmi orqali ozuqa moddalarini ham ta'minlaydi.Umuman olganda, ushbu tadqiqot ikki o'lchovli nanomateriallarning bioremediatsiyasi mexanizmlarini boshqaradigan sirt fizik-kimyoviy o'zaro ta'sirlari bilan bog'liq jarayonlar haqidagi muhim fundamental savolga javob beradi.Bundan tashqari, biz 2D nanomateriallar shaklidagi nozik o'zgarishlarni kuzatish uchun oddiy shakl parametrlariga asoslangan usulni ishlab chiqmoqdamiz.Bu noorganik kristalli nanomateriallarning atrof-muhitga ta'siri bo'yicha keyingi qisqa muddatli va uzoq muddatli tadqiqotlarni ilhomlantiradi.Shunday qilib, bizning tadqiqotimiz material yuzasi va biologik material o'rtasidagi o'zaro ta'sirni tushunishni oshiradi.Shuningdek, biz ularning chuchuk suv ekotizimlariga mumkin bo'lgan ta'sirini qisqa va uzoq muddatli kengaytirilgan tadqiqotlar uchun asos beramiz, endi ularni osongina tekshirish mumkin.
MXenes noyob va jozibali fizik va kimyoviy xususiyatlarga ega va shuning uchun ko'plab potentsial ilovalarga ega bo'lgan qiziqarli materiallar sinfini ifodalaydi.Bu xususiyatlar ko'p jihatdan ularning stexiometriyasi va sirt kimyosiga bog'liq.Shuning uchun, bizning tadqiqotimizda biz Nb-ga asoslangan ierarxik bir qatlamli (SL) MXenlarning ikki turini, Nb2CTx va Nb4C3TXni tekshirdik, chunki bu nanomateriallarning turli xil biologik ta'siri kuzatilishi mumkin edi.MXenlar o'zlarining boshlang'ich materiallaridan atomik yupqa MAX-faza A-qatlamlarini yuqoridan pastga selektiv surtish orqali ishlab chiqariladi.MAX fazasi o'tish metall karbidlarining "bog'langan" bloklari va MnAXn-1 stokiometriyasi bilan Al, Si va Sn kabi "A" elementlarning yupqa qatlamlaridan tashkil topgan uchlamchi keramikadir.Dastlabki MAX fazasining morfologiyasi skanerlash elektron mikroskopiya (SEM) orqali kuzatildi va oldingi tadqiqotlarga mos keldi (Qo'shimcha ma'lumot, SI, S1-rasmga qarang).Ko'p qatlamli (ML) Nb-MXene Al qatlamini 48% HF (hidroflorik kislota) bilan olib tashlangandan so'ng olingan.ML-Nb2CTx va ML-Nb4C3TX morfologiyasi skanerlash elektron mikroskopiyasi (SEM) (mos ravishda S1c va S1d rasmlari) orqali tekshirildi va cho'zilgan gözenek shaklidagi yoriqlar orqali o'tadigan ikki o'lchovli nanoflaklarga o'xshash odatiy qatlamli MXene morfologiyasi kuzatildi.Ikkala Nb-MXenning ham ilgari kislota bilan ishlov berish yo'li bilan sintez qilingan MXene fazalari bilan umumiy jihatlari bor27,38.MXene tuzilishini tasdiqlaganimizdan so'ng, biz uni tetrabutilammonium gidroksidi (TBAOH) ning interkalatsiyasi, so'ngra yuvish va sonikatsiya orqali qatlamlashtirdik, shundan so'ng biz bir qatlamli yoki past qatlamli (SL) 2D Nb-MXene nanoflaklarini oldik.
Biz yuqori aniqlikdagi transmissiya elektron mikroskopiyadan (HRTEM) va rentgen nurlari diffraktsiyasidan (XRD) foydalanib, o'yma va keyingi peeling samaradorligini sinab ko'rdik.Teskari Furye Transformatsiyasi (IFFT) va Tez Furye Transformatsiyasi (FFT) yordamida qayta ishlangan HRTEM natijalari 2-rasmda ko'rsatilgan. Nb-MXene nanoflakalari atom qatlamining tuzilishini tekshirish va tekisliklararo masofalarni o'lchash uchun chetga yo'naltirilgan.MXene Nb2CTx va Nb4C3TX nanoflaklarining HRTEM tasvirlari ularning atom jihatdan yupqa qatlamli tabiatini ochib berdi (qarang. 2a1, a2-rasm), Naguib va ​​boshq.27 va Jastrzębska va boshq.38.Ikki qo'shni Nb2CTx va Nb4C3Tx monoqatlamlari uchun biz mos ravishda 0,74 va 1,54 nm qatlamlararo masofalarni aniqladik (2b1,b2-rasm), bu ham oldingi natijalarimizga mos keladi38.Bu Nb2CTx va Nb4C3Tx monoqatlamlari orasidagi masofani ko'rsatuvchi teskari tez Furye konvertatsiyasi (2c1, c2-rasm) va tez Furye transformatsiyasi (2d1, d2-rasm) bilan yanada tasdiqlandi.Rasmda niobiy va uglerod atomlariga mos keladigan yorug'lik va qorong'i chiziqlar almashinishi ko'rsatilgan, bu o'rganilayotgan MXenlarning qatlamliligini tasdiqlaydi.Shuni ta'kidlash kerakki, Nb2CTx va Nb4C3Tx uchun olingan energiya dispersli rentgen spektroskopiyasi (EDX) spektrlari (S2a va S2b rasmlari) asl MAX fazasining qoldig'ini ko'rsatmadi, chunki Al cho'qqisi aniqlanmagan.
SL Nb2CTx va Nb4C3Tx MXene nanoplazmalarining xarakteristikasi, jumladan (a) yuqori aniqlikdagi elektron mikroskopiya (HRTEM) yon ko'rinishidagi 2D nanoflake tasviri va mos keladigan, (b) intensivlik rejimi, (c) teskari tez Furye transformatsiyasi (IFFT), (d) tezkor X-ray o'zgarishlari), (d) Xray Fourier o'zgarishi.SL 2D Nb2CTx uchun raqamlar (a1, b1, c1, d1, e1) sifatida ifodalanadi.SL 2D Nb4C3Tx uchun raqamlar (a2, b2, c2, d2, e1) sifatida ifodalanadi.
SL Nb2CTx va Nb4C3Tx MXenlarning rentgen nurlari diffraktsiyasi o'lchovlari shaklda ko'rsatilgan.mos ravishda 2e1 va e2.4.31 va 4.32 cho'qqilari (002) yuqorida tavsiflangan qatlamli MXenes Nb2CTx va Nb4C3TX38,39,40,41 mos ravishda mos keladi.XRD natijalari, shuningdek, ba'zi qoldiq ML tuzilmalari va MAX fazalari mavjudligini ko'rsatadi, lekin asosan SL Nb4C3Tx bilan bog'liq XRD naqshlari (2e2-rasm).MAX fazasining kichikroq zarralari mavjudligi tasodifiy yig'ilgan Nb4C3Tx qatlamlariga nisbatan kuchliroq MAX cho'qqisini tushuntirishi mumkin.
Keyingi tadqiqotlar R. subcapitata turiga mansub yashil mikroalglarga qaratilgan.Biz mikroalglarni tanladik, chunki ular asosiy oziq-ovqat tarmoqlarida ishtirok etadigan muhim ishlab chiqaruvchilardir42.Ular, shuningdek, oziq-ovqat zanjirining yuqori darajalariga olib boradigan zaharli moddalarni olib tashlash qobiliyati tufayli toksiklikning eng yaxshi ko'rsatkichlaridan biri hisoblanadi43.Bundan tashqari, R. subcapitata bo'yicha tadqiqotlar SL Nb-MXenesning oddiy chuchuk suv mikroorganizmlariga tasodifiy toksikligini yoritishi mumkin.Buni ko'rsatish uchun tadqiqotchilar har bir mikrobning atrof-muhitda mavjud bo'lgan zaharli birikmalarga har xil sezgirligi borligini taxmin qilishdi.Ko'pgina organizmlar uchun moddalarning past konsentratsiyasi ularning o'sishiga ta'sir qilmaydi, ma'lum chegaradan yuqori konsentratsiyalar esa ularni inhibe qilishi yoki hatto o'limga olib kelishi mumkin.Shuning uchun, mikroalglar va MXenes o'rtasidagi sirt o'zaro ta'siri va ular bilan bog'liq tiklanishni o'rganish uchun biz Nb-MXenesning zararsiz va toksik konsentratsiyasini sinab ko'rishga qaror qildik.Buning uchun biz 0 (ma'lumotnoma sifatida), 0,01, 0,1 va 10 mg l-1 MXene konsentratsiyasini va qo'shimcha ravishda MXene (100 mg l-1 MXene) ning juda yuqori konsentratsiyasiga ega bo'lgan infektsiyalangan mikroalglarni sinovdan o'tkazdik, bu ekstremal va o'limga olib kelishi mumkin..har qanday biologik muhit uchun.
SL Nb-MXenesning mikroalglarga ta'siri 0 mg l-1 namunalari uchun o'lchangan o'sishni rag'batlantirish (+) yoki inhibisyon (-) ulushi sifatida ifodalangan 3-rasmda ko'rsatilgan.Taqqoslash uchun Nb-MAX bosqichi va ML Nb-MXenes ham sinovdan o'tkazildi va natijalar SIda ko'rsatilgan (S3-rasmga qarang).Olingan natijalar SL Nb-MXenes 3a,b-rasmda ko'rsatilganidek, 0,01 dan 10 mg/l gacha bo'lgan past konsentratsiyalar oralig'ida deyarli toksiklikdan deyarli mahrum ekanligini tasdiqladi.Nb2CTx holatida biz belgilangan diapazonda 5% dan ko'p bo'lmagan ekotoksisiteni kuzatdik.
SL (a) Nb2CTx va (b) Nb4C3TX MXene ishtirokida mikroalglarning o'sishini rag'batlantirish (+) yoki inhibe qilish (-).24, 48 va 72 soatlik MXene-mikroalglarning o'zaro ta'siri tahlil qilindi. Muhim ma'lumotlar (t-test, p <0,05) yulduzcha (*) bilan belgilangan. Muhim ma'lumotlar (t-test, p <0,05) yulduzcha (*) bilan belgilangan. Znachimye dannye (t-kriteriy, p < 0,05) otmecheny zvezdochkoy (*). Muhim ma'lumotlar (t-test, p <0,05) yulduzcha (*) bilan belgilanadi.lēngčiči（t hīīī，p < 0.05） līngčiči(*) língínlēngčiči（t hīīī，p < 0.05） līngčiči(*) língín Vajnye dannye (t-test, p < 0,05) otmecheny zvezdochkoy (*). Muhim ma'lumotlar (t-test, p <0,05) yulduzcha (*) bilan belgilanadi.Qizil o'qlar inhibitiv stimulyatsiyani bekor qilishni ko'rsatadi.
Boshqa tomondan, Nb4C3TX ning past konsentratsiyasi biroz zaharliroq bo'lib chiqdi, lekin 7% dan yuqori emas.Kutilganidek, biz MXenesning 100 mg L-1 da yuqori toksikligi va mikroalglarning o'sishini inhibe qilishini kuzatdik.Qizig'i shundaki, materiallarning hech biri MAX yoki ML namunalari bilan solishtirganda toksik/toksik ta'sirlarning bir xil tendentsiya va vaqtga bog'liqligini ko'rsatmadi (batafsil ma'lumot uchun SIga qarang).MAX bosqichida (S3-rasmga qarang) toksiklik taxminan 15-25% ga yetgan va vaqt o'tishi bilan ortib borayotgan bo'lsa, SL Nb2CTx va Nb4C3TX MXene uchun teskari tendentsiya kuzatildi.Mikroalglarning o'sishini inhibe qilish vaqt o'tishi bilan kamaydi.24 soatdan keyin u taxminan 17% ga yetdi va 72 soatdan keyin 5% dan kamroqqa tushdi (mos ravishda 3a, b-rasm).
Eng muhimi, SL Nb4C3TX uchun mikroalglarning o'sishini inhibe qilish 24 soatdan keyin taxminan 27% ga etdi, ammo 72 soatdan keyin u taxminan 1% ga kamaydi.Shuning uchun biz kuzatilgan ta'sirni stimulyatsiyaning teskari inhibisyoni deb belgiladik va ta'sir SL Nb4C3TX MXene uchun kuchliroq edi.Mikroalglarning o'sishini rag'batlantirish avvalroq Nb4C3TX (10 mg L-1 da 24 soat davomida o'zaro ta'sir qilish) SL Nb2CTx MXene bilan solishtirganda qayd etilgan.Inhibisyon-stimulyatsiyani teskari ta'sir biomassaning ikki baravar ko'payishi egri chizig'ida ham yaxshi ko'rsatildi (batafsil ma'lumot uchun S4-rasmga qarang).Hozirgacha faqat Ti3C2TX MXene ning ekotoksikligi turli yo'llar bilan o'rganilgan.Bu zebrafish embrionlari uchun zaharli emas44, lekin Desmodesmus quadricauda va Sorghum saccharatum o'simliklari mikroalglari uchun o'rtacha ekotoksikdir45.O'ziga xos ta'sirlarning boshqa misollari orasida oddiy hujayra liniyalariga qaraganda saraton hujayralarining yuqori toksikligi kiradi46,47.Taxmin qilish mumkinki, sinov sharoitlari Nb-MXenlar mavjudligida kuzatilgan mikroalglarning o'sishidagi o'zgarishlarga ta'sir qiladi.Masalan, xloroplast stromasida taxminan 8 pH darajasi RuBisCO fermentining samarali ishlashi uchun optimal hisoblanadi.Shuning uchun pH o'zgarishlari fotosintez tezligiga salbiy ta'sir qiladi48,49.Biroq, biz tajriba davomida pHda sezilarli o'zgarishlarni kuzatmadik (batafsil ma'lumot uchun SI, S5-rasmga qarang).Umuman olganda, Nb-MXenes bilan mikroalglar madaniyati vaqt o'tishi bilan eritmaning pH qiymatini biroz pasaytirdi.Biroq, bu pasayish sof muhitning pH o'zgarishiga o'xshardi.Bundan tashqari, topilgan o'zgarishlar diapazoni mikroalglarning sof madaniyati (nazorat namunasi) uchun o'lchanganiga o'xshash edi.Shunday qilib, biz fotosintezga vaqt o'tishi bilan pH o'zgarishi ta'sir qilmaydi degan xulosaga keldik.
Bundan tashqari, sintezlangan MXenlar sirt uchlariga ega (Tx sifatida belgilanadi).Bular asosan -O, -F va -OH funktsional guruhlari.Biroq, sirt kimyosi bevosita sintez usuli bilan bog'liq.Bu guruhlar sirt ustida tasodifiy taqsimlanganligi ma'lum, bu ularning MXene50 xususiyatlariga ta'sirini oldindan aytishni qiyinlashtiradi.Tx niobiyning yorug'lik ta'sirida oksidlanishi uchun katalitik kuch bo'lishi mumkinligini ta'kidlash mumkin.Yuzaki funktsional guruhlar, albatta, ularning asosiy fotokatalizatorlari uchun hetero birlashmalarni hosil qilish uchun bir nechta ankraj joylarini ta'minlaydi51.Biroq, o'sish muhitining tarkibi samarali fotokatalizatorni ta'minlamadi (batafsil vosita tarkibini SI jadvali S6da topish mumkin).Bundan tashqari, har qanday sirt modifikatsiyasi ham juda muhimdir, chunki MXenlarning biologik faolligi qatlamdan keyingi ishlov berish, oksidlanish, organik va noorganik birikmalarning kimyoviy sirtini o'zgartirish52,53,54,55,56 yoki sirt zaryadi muhandisligi38 tufayli o'zgarishi mumkin.Shuning uchun, niobiy oksidning muhitdagi moddiy beqarorlikka aloqasi bor-yo'qligini tekshirish uchun biz mikroalglar o'sishi muhitida va deionizatsiyalangan suvda (taqqoslash uchun) zeta (z) potentsialini tadqiq qildik.Natijalarimiz shuni ko'rsatadiki, SL Nb-MXenes ancha barqaror (MAX va ML natijalari uchun SI-rasm S6 ga qarang).SL MXenes ning zeta potentsiali -10 mV atrofida.SR Nb2CTx holatida z qiymati Nb4C3Tx qiymatidan biroz salbiyroqdir.z qiymatining bunday o'zgarishi manfiy zaryadlangan MXene nanoflakkalarining yuzasi madaniy muhitdan musbat zaryadlangan ionlarni o'zlashtirishini ko'rsatishi mumkin.Madaniyat muhitida Nb-MXenlarning zeta potentsialini va o'tkazuvchanligini vaqtinchalik o'lchash (batafsilroq ma'lumot uchun SIda S7 va S8 rasmlarga qarang) bizning farazimizni qo'llab-quvvatlaydi.
Biroq, ikkala Nb-MXene SL noldan minimal o'zgarishlarni ko'rsatdi.Bu ularning mikroalglar o'sish muhitida barqarorligini aniq ko'rsatadi.Bundan tashqari, biz yashil mikroalglarimiz mavjudligi muhitda Nb-MXenes barqarorligiga ta'sir qiladimi yoki yo'qligini baholadik.Vaqt o'tishi bilan ozuqa muhitida va madaniyatda mikroalglar bilan o'zaro ta'siridan keyin MXenlarning zeta potentsiali va o'tkazuvchanligi natijalarini SIda topish mumkin (S9 va S10-rasmlar).Qizig'i shundaki, biz mikroalglarning mavjudligi ikkala MXenning tarqalishini barqarorlashtirgandek tuyulganini payqadik.Nb2CTx SL holatida, zeta potentsiali vaqt o'tishi bilan biroz pasayib, ko'proq salbiy qiymatlarga etdi (72 soatlik inkubatsiyadan keyin -19,1 mVga nisbatan -15,8).SL Nb4C3TX ning zeta potentsiali biroz oshdi, ammo 72 soatdan keyin u hali ham mikroalglar mavjud bo'lmagan nanoflakkalarga qaraganda yuqori barqarorlikni ko'rsatdi (-18,1 va -9,1 mV).
Bundan tashqari, mikroalglar ishtirokida inkubatsiya qilingan Nb-MXene eritmalarining past o'tkazuvchanligini topdik, bu ozuqaviy muhitda ionlarning kamroq miqdorini ko'rsatadi.Shunisi e'tiborga loyiqki, MXenlarning suvdagi beqarorligi asosan sirt oksidlanishiga bog'liq57.Shuning uchun biz yashil mikroalglar Nb-MXene yuzasida hosil bo'lgan oksidlarni qandaydir tarzda tozalagan va hatto ularning paydo bo'lishining oldini olgan (MXene oksidlanishi) deb taxmin qilamiz.Buni mikroalglar tomonidan so'rilgan moddalar turlarini o'rganish orqali ko'rish mumkin.
Bizning ekotoksikologik tadqiqotlarimiz shuni ko'rsatdiki, mikroalglar vaqt o'tishi bilan Nb-MXenlarning toksikligini va rag'batlantirilgan o'sishning g'ayrioddiy inhibisyonini engib o'tishga qodir edi, bizning tadqiqotimizning maqsadi mumkin bo'lgan ta'sir mexanizmlarini o'rganish edi.Suv o'tlari kabi organizmlar o'zlarining ekotizimlariga notanish birikmalar yoki materiallarga duchor bo'lganda, ular turli yo'llar bilan reaksiyaga kirishishi mumkin58,59.Zaharli metall oksidlari bo'lmaganda, mikroalglar o'zlarini oziqlantirishi mumkin, bu ularning doimiy o'sishiga imkon beradi60.Zaharli moddalarni iste'mol qilgandan so'ng, mudofaa mexanizmlari faollashishi mumkin, masalan, shakli yoki shakli o'zgarishi.Yutish imkoniyatini ham hisobga olish kerak58,59.Ta'kidlash joizki, himoya mexanizmining har qanday belgisi sinov birikmasining toksikligining aniq ko'rsatkichidir.Shu sababli, keyingi ishimizda biz SEM orqali SL Nb-MXene nanoflaklari va mikroalglar o'rtasidagi potentsial sirt o'zaro ta'sirini va Nb-asosidagi MXene ning rentgen-fluoresan spektroskopiyasi (XRF) tomonidan mumkin bo'lgan yutilishini tekshirdik.E'tibor bering, SEM va XRF tahlillari faqat faollik toksikligi bilan bog'liq muammolarni hal qilish uchun MXene ning eng yuqori konsentratsiyasida amalga oshirildi.
SEM natijalari 4-rasmda ko'rsatilgan.Tozalanmagan mikroalg hujayralari (4a-rasmga qarang, mos yozuvlar namunasi) R. subcapitata tipik morfologiyasi va kruvasanga o'xshash hujayra shaklini aniq ko'rsatdi.Hujayralar tekislangan va biroz tartibsiz ko'rinadi.Ba'zi mikroalg hujayralari bir-birining ustiga o'ralgan va bir-biri bilan chigallashgan, ammo bunga namuna tayyorlash jarayoni sabab bo'lgan bo'lishi mumkin.Umuman olganda, sof mikroalg hujayralari silliq sirtga ega bo'lib, hech qanday morfologik o'zgarishlarni ko'rsatmaydi.
Ekstremal konsentratsiyada (100 mg L-1) 72 soatlik o'zaro ta'sirdan so'ng yashil mikroalglar va MXene nanosheets o'rtasidagi sirt o'zaro ta'sirini ko'rsatadigan SEM tasvirlari.(a) SL (b) Nb2CTx va (c) Nb4C3TX MXenes bilan o'zaro ta'siridan so'ng ishlov berilmagan yashil mikroalglar.E'tibor bering, Nb-MXene nanoflakes qizil o'qlar bilan belgilangan.Taqqoslash uchun optik mikroskopdan olingan fotosuratlar ham qo'shiladi.
Aksincha, SL Nb-MXene nanoflaklari tomonidan adsorbsiyalangan mikroalg hujayralari zararlangan (qarang. 4b-rasm, c, qizil o'qlar).Nb2CTx MXene holatida (4b-rasm), mikroalglar biriktirilgan ikki o'lchovli nanoshkalalar bilan o'sishga moyil bo'lib, ularning morfologiyasini o'zgartirishi mumkin.Shunisi e'tiborga loyiqki, biz bu o'zgarishlarni yorug'lik mikroskopi ostida ham kuzatdik (batafsil ma'lumot uchun SI S11-rasmga qarang).Bu morfologik o'tish mikroalglarning fiziologiyasida va ularning hujayra morfologiyasini o'zgartirish orqali o'zini himoya qilish qobiliyatida, masalan, hujayra hajmini oshirishda ishonchli asosga ega61.Shuning uchun, aslida Nb-MXenes bilan aloqada bo'lgan mikroalg hujayralari sonini tekshirish muhimdir.SEM tadqiqotlari shuni ko'rsatdiki, mikroalg hujayralarining taxminan 52% Nb-MXenes ta'siriga duchor bo'lgan, bu mikroalg hujayralarining 48 foizi aloqa qilishdan qochgan.SL Nb4C3Tx MXene uchun mikroalglar MXene bilan aloqa qilishdan qochishga harakat qiladi va shu bilan ikki o'lchovli nanoshkalalardan mahalliylashadi va o'sadi (4c-rasm).Biroq, biz nanoshkalalarning mikroalg hujayralariga kirib borishini va ularning zararlanishini kuzatmadik.
O'z-o'zini saqlash, shuningdek, hujayra yuzasida zarrachalarning adsorbsiyasi va soyalash (soyalash) effekti deb ataladigan fotosintezning bloklanishiga vaqtga bog'liq javob harakatidir62.Mikroalglar va yorug'lik manbai o'rtasida joylashgan har bir ob'ekt (masalan, Nb-MXene nanoflaklari) xloroplastlar tomonidan so'rilgan yorug'lik miqdorini cheklashi aniq.Biroq, bu erishilgan natijalarga sezilarli ta'sir ko'rsatishiga shubha qilmaymiz.Mikroskopik kuzatuvlarimizdan ko'rinib turibdiki, 2D nanoflaklar to'liq o'ralmagan yoki mikroalgalar yuzasiga yopishmagan, hatto mikroalga hujayralari Nb-MXenes bilan aloqa qilganda ham.Buning o'rniga, nanoplaklar sirtini qoplamasdan mikroalg hujayralariga yo'naltirilgan bo'lib chiqdi.Bunday nanoflakes/mikroalglar to'plami mikroalg hujayralari tomonidan so'rilgan yorug'lik miqdorini sezilarli darajada cheklay olmaydi.Bundan tashqari, ba'zi tadqiqotlar ikki o'lchovli nanomateriallar mavjudligida fotosintetik organizmlar tomonidan yorug'likni singdirishning yaxshilanishini ko'rsatdi63,64,65,66.
SEM tasvirlari niobiyning mikroalg hujayralari tomonidan o'zlashtirilishini to'g'ridan-to'g'ri tasdiqlay olmaganligi sababli, bizning keyingi tadqiqotimiz bu masalani aniqlashtirish uchun rentgen-fluoresans (XRF) va rentgen-fotoelektron spektroskopiya (XPS) tahliliga murojaat qildi.Shuning uchun biz MXenes, mikroalg hujayralari yuzasidan ajratilgan MXene nanoflakes va biriktirilgan MXenlarni olib tashlangandan so'ng mikroalg hujayralari bilan o'zaro ta'sir qilmagan mos yozuvlar mikroalglar namunalarining Nb cho'qqilarining intensivligini solishtirdik.Shunisi e'tiborga loyiqki, agar Nb qabul qilinmasa, mikroalg hujayralari tomonidan olingan Nb qiymati biriktirilgan nanoshkalalar olib tashlanganidan keyin nolga teng bo'lishi kerak.Shuning uchun, agar Nb qabul qilish sodir bo'lsa, XRF va XPS natijalari aniq Nb cho'qqisini ko'rsatishi kerak.
XRF spektrlari holatida mikroalglar namunalari SL Nb2CTx va Nb4C3Tx MXene bilan o'zaro ta'sirlashgandan so'ng SL Nb2CTx va Nb4C3Tx MXene uchun Nb cho'qqilarini ko'rsatdi (5a-rasmga qarang, shuningdek, MAX va ML MXenes natijalari S12, Fig'da ko'rsatilganiga e'tibor bering).Qizig'i shundaki, Nb cho'qqisining intensivligi ikkala holatda ham bir xil (5a-rasmdagi qizil chiziqlar).Bu shuni ko'rsatdiki, suv o'tlari ko'proq Nb ni o'zlashtira olmaydi va hujayralarda Nb to'planishi uchun maksimal quvvatga erishildi, garchi mikroalg hujayralariga Nb4C3Tx MXene ikki baravar ko'p biriktirilgan (5a-rasmdagi ko'k chiziqlar).Ta'kidlash joizki, mikroalglarning metallarni o'zlashtirish qobiliyati atrof-muhitdagi metall oksidlarining konsentratsiyasiga bog'liq67,68.Shamshada va boshq.67 chuchuk suv o'tlarining singdirish qobiliyati pH ortishi bilan kamayishini aniqladi.Raize va boshq.68 dengiz o'tlarining metallarni o'zlashtirish qobiliyati Ni2 + ga qaraganda Pb2 + uchun taxminan 25% yuqori ekanligini ta'kidladilar.
(a) SL Nb-MXenes (100 mg L-1) ning ekstremal konsentratsiyasida 72 soat davomida inkubatsiya qilingan yashil mikroalg hujayralari tomonidan bazal Nb o'zlashtirilishining XRF natijalari.Natijalar sof mikroalg hujayralarida (nazorat namunasi, kulrang ustunlar), sirt mikroalg hujayralaridan (ko'k ustunlar) ajratilgan 2D nanoflaklar va sirtdan 2D nanoflakslar (qizil ustunlar) ajratilgandan so'ng mikroalg hujayralarida a mavjudligini ko'rsatadi.Elemental Nb miqdori, (b) SL Nb-MXenes bilan inkubatsiyadan so'ng mikroalg hujayralarida mavjud bo'lgan mikroyosunlarning organik komponentlari (C=O va CHx/C-O) va Nb oksidlarining kimyoviy tarkibining foizi, (c-e) XPS SL Nb2CTx kompozitsion cho'qqisini moslashtirish va (fh4) ichki SLXT mikroenli hujayralar tomonidan.
Shuning uchun biz Nb oksidlar shaklida alg hujayralari tomonidan so'rilishi mumkinligini kutgan edik.Buni sinab ko'rish uchun biz MXenes Nb2CTx va Nb4C3TX va suv o'tlari hujayralarida XPS tadqiqotlarini o'tkazdik.Mikroalglarning Nb-MXenes va suv o'tlari hujayralaridan ajratilgan MXenes bilan o'zaro ta'sirining natijalari 2-rasmda ko'rsatilgan.5b.Kutilganidek, biz mikroalglar yuzasidan MXeneni olib tashlaganimizdan so'ng mikroalga namunalarida Nb 3d cho'qqilarini aniqladik.C=O, CHx/CO va Nb oksidlarini miqdoriy aniqlash Nb2CTx SL (5c-e-rasm) va Nb4C3Tx SL (5c-e-rasm) bilan olingan Nb 3d, O 1s va C 1s spektrlari asosida hisoblab chiqilgan.) inkubatsiya qilingan mikrosuvlardan olingan.5f–h-rasm) MXenes.S1-3-jadvalda cho'qqilik parametrlari va moslashish natijasida kelib chiqadigan umumiy kimyo tafsilotlari ko'rsatilgan.Shunisi e'tiborga loyiqki, Nb2CTx SL va Nb4C3Tx SL ning Nb 3d hududlari (5c, f-rasm) bitta Nb2O5 komponentiga mos keladi.Bu erda biz spektrlarda MXene bilan bog'liq cho'qqilarni topmadik, bu mikroalg hujayralari faqat Nb oksidi shaklini o'zlashtirishini ko'rsatadi.Bundan tashqari, biz C 1 s spektrini C–C, CHx/C–O, C=O va –COOH komponentlari bilan yaqinlashtirdik.Biz CHx/C–O va C=O cho'qqilarini mikroalg hujayralarining organik hissasiga tayinladik.Ushbu organik komponentlar Nb2CTx SL va Nb4C3TX SLda mos ravishda C 1s cho'qqilarining 36% va 41% ni tashkil qiladi.Keyin biz SL Nb2CTx va SL Nb4C3TX ning O 1s spektrlarini Nb2O5, mikroalglarning organik komponentlari (CHx/CO) va sirt adsorbsiyalangan suv bilan jihozladik.
Nihoyat, XPS natijalari nafaqat uning mavjudligini emas, balki Nb shaklini aniq ko'rsatdi.Nb 3d signalining pozitsiyasiga va dekonvolyutsiya natijalariga ko'ra, biz Nb ning ionlar yoki MXenening o'zi emas, balki faqat oksidlar shaklida so'rilishini tasdiqlaymiz.Bundan tashqari, XPS natijalari mikroalg hujayralari SL Nb4C3TX MXene bilan solishtirganda SL Nb2CTx dan Nb oksidlarini olish qobiliyatiga ega ekanligini ko'rsatdi.
Bizning Nb qabul qilish natijalari ta'sirli bo'lsa-da va MXene degradatsiyasini aniqlashga imkon beradi, ammo 2D nanoflaklarda bog'liq morfologik o'zgarishlarni kuzatish uchun hech qanday usul mavjud emas.Shuning uchun biz 2D Nb-MXene nanoflakes va mikroalg hujayralarida yuzaga keladigan har qanday o'zgarishlarga bevosita javob beradigan mos usulni ishlab chiqishga qaror qildik.Shuni ta'kidlash kerakki, agar o'zaro ta'sir qiluvchi turlar har qanday transformatsiya, parchalanish yoki defragmentatsiyaga uchrasa, bu tezda shakl parametrlarining o'zgarishi sifatida namoyon bo'lishi kerak, masalan, ekvivalent aylana maydonining diametri, dumaloqlik, Feret kengligi yoki Feret uzunligi.Ushbu parametrlar cho'zilgan zarrachalarni yoki ikki o'lchovli nanoflakkalarni tavsiflash uchun mos bo'lganligi sababli, ularni dinamik zarracha shakli tahlili orqali kuzatish bizga SL Nb-MXene nanoflakkalarining reduksiya paytida morfologik o'zgarishi haqida qimmatli ma'lumotlarni beradi.
Olingan natijalar 6-rasmda ko'rsatilgan. Taqqoslash uchun biz original MAX bosqichi va ML-MXenlarni ham sinab ko'rdik (SI S18 va S19 raqamlariga qarang).Zarrachalar shaklining dinamik tahlili shuni ko'rsatdiki, ikkita Nb-MXene SL ning barcha shakl parametrlari mikroalglar bilan o'zaro ta'sirlashgandan keyin sezilarli darajada o'zgargan.Ekvivalent dumaloq maydon diametri parametri (6a, b-rasm) bilan ko'rsatilganidek, katta nanoflaklar fraktsiyasining eng yuqori intensivligi pasayganligi ularning kichikroq bo'laklarga parchalanish tendentsiyasini ko'rsatadi.Shaklda.6c, d yoriqlarning ko'ndalang o'lchami bilan bog'liq cho'qqilarning pasayishini ko'rsatadi (nanoplazmalarning cho'zilishi), bu 2D nanoflakkalarning zarrachaga o'xshash shaklga aylanishini ko'rsatadi.Shakl 6e-h mos ravishda Feretning kengligi va uzunligini ko'rsatadi.Feret kengligi va uzunligi bir-birini to'ldiruvchi parametrlardir va shuning uchun birgalikda ko'rib chiqilishi kerak.2D Nb-MXene nanoflaklarini mikroalglar ishtirokida inkubatsiya qilgandan so'ng, ularning Feret korrelyatsiya cho'qqilari siljidi va ularning intensivligi pasaydi.Morfologiya, XRF va XPS bilan birgalikda ushbu natijalarga asoslanib, biz kuzatilgan o'zgarishlar oksidlanish bilan kuchli bog'liq degan xulosaga keldik, chunki oksidlangan MXenlar ko'proq ajinlanadi va bo'laklarga va sferik oksid zarralariga ajraladi69,70.
Yashil mikroalglar bilan o'zaro ta'sirdan keyin MXene transformatsiyasini tahlil qilish.Dinamik zarrachalar shaklini tahlil qilish (a, b) ekvivalent aylana maydonining diametri, (c, d) yumaloqlik, (e, f) Feret kengligi va (g, h) Feret uzunligi kabi parametrlarni hisobga oladi.Shu maqsadda birlamchi SL Nb2CTx va SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx va SL Nb4C3Tx MXenes, degradatsiyaga uchragan mikroyosunlar va SL Nb2CTx va SL Nb4C3Tx MXenes bilan ishlov berilgan mikroalglar bilan birgalikda ikkita mos yozuvlar mikroalg namunalari tahlil qilindi.Qizil o'qlar o'rganilayotgan ikki o'lchovli nanoflakkalarning shakl parametrlarining o'tishlarini ko'rsatadi.
Shakl parametrlarini tahlil qilish juda ishonchli bo'lgani uchun u mikroalg hujayralarida morfologik o'zgarishlarni ham aniqlashi mumkin.Shu sababli, biz 2D Nb nanoflakes bilan o'zaro ta'sirlashgandan so'ng, sof mikroalg hujayralari va hujayralarining ekvivalent dumaloq maydoni diametri, dumaloqligi va Feret kengligi / uzunligini tahlil qildik.Shaklda.6a-h suv o'tlari hujayralarining shakl parametrlarining o'zgarishini ko'rsatadi, bu eng yuqori intensivlikning pasayishi va maksimal qiymatlarning yuqori qiymatlarga siljishi bilan tasdiqlanadi.Xususan, hujayraning yumaloqligi parametrlari cho'zilgan hujayralardagi pasayish va sferik hujayralarning ko'payishini ko'rsatdi (6a, b-rasm).Bundan tashqari, Feret hujayra kengligi SL Nb2CTx MXene (6e-rasm) bilan SL Nb4C3TX MXene bilan solishtirganda (6f-rasm) o'zaro ta'siridan keyin bir necha mikrometrga oshdi.Bu Nb2CTx SR bilan o'zaro ta'sirlashganda mikroalglar tomonidan Nb oksidlarining kuchli o'zlashtirilishi bilan bog'liq bo'lishi mumkin deb taxmin qilamiz.Nb parchalarining ularning yuzasiga kamroq qattiq biriktirilishi hujayralarning minimal soyali effekt bilan o'sishiga olib kelishi mumkin.
Mikroalglarning shakli va o'lchamlari parametrlarining o'zgarishini kuzatishlarimiz boshqa tadqiqotlarni to'ldiradi.Yashil mikroalglar hujayra hajmini, shaklini yoki metabolizmini o'zgartirib, atrof-muhit ta'siriga javoban morfologiyasini o'zgartirishi mumkin61.Masalan, hujayralar hajmini o'zgartirish ozuqa moddalarining so'rilishini osonlashtiradi71.Kichikroq suv o'tlari hujayralari ozuqa moddalarini kamroq iste'mol qiladi va o'sish tezligini buzadi.Aksincha, kattaroq hujayralar ko'proq ozuqa moddalarini iste'mol qilishga moyil bo'lib, keyinchalik ular hujayra ichiga yotqiziladi72,73.Machado va Soares fungitsid triklosan hujayra hajmini oshirishi mumkinligini aniqladilar.Shuningdek, ular suv o'tlari shaklida chuqur o'zgarishlarni aniqladilar74.Bundan tashqari, Yin va boshq.9 ham grafen oksidi kamaytirilgan nanokompozitlarga ta'sir qilgandan keyin yosunlardagi morfologik o'zgarishlarni aniqladi.Shu sababli, mikroalglarning o'zgartirilgan o'lchami / shakli parametrlari MXene mavjudligidan kelib chiqqanligi aniq.Hajmi va shaklidagi bu o'zgarish ozuqa moddalarining o'zlashtirilishidagi o'zgarishlarni ko'rsatganligi sababli, biz o'ylaymizki, vaqt o'tishi bilan o'lcham va shakl parametrlarini tahlil qilish Nb-MXenlar ishtirokida niobiy oksidini mikroalglar tomonidan o'zlashtirilishini ko'rsatishi mumkin.
Bundan tashqari, MXenes suv o'tlari ishtirokida oksidlanishi mumkin.Dalai va boshq.75 nano-TiO2 va Al2O376 ta'sirida yashil yosunlarning morfologiyasi bir xil emasligini kuzatdilar.Bizning kuzatishlarimiz ushbu tadqiqotga o'xshash bo'lsa-da, u faqat nanopartikullar emas, balki 2D nanoflaklar ishtirokida MXene degradatsiyasi mahsulotlari nuqtai nazaridan bioremediatsiya ta'sirini o'rganish uchun tegishli.MXenlar metall oksidlariga parchalanishi mumkinligi sababli, 31,32,77,78 bizning Nb nanoflaklari mikroalg hujayralari bilan o'zaro ta'sirlashgandan so'ng Nb oksidlarini ham hosil qilishi mumkin deb taxmin qilish o'rinli.
Oksidlanish jarayoniga asoslangan parchalanish mexanizmi orqali 2D-Nb nanoflakkalarining qisqarishini tushuntirish uchun biz yuqori aniqlikdagi transmissiya elektron mikroskopi (HRTEM) (7a,b-rasm) va rentgen fotoelektron spektroskopiyasi (XPS) yordamida tadqiqotlar o'tkazdik (7-rasm).7c-i va S4-5 jadvallari).Ikkala yondashuv ham 2D ​​materiallarning oksidlanishini o'rganish uchun mos keladi va bir-birini to'ldiradi.HRTEM ikki o'lchovli qatlamli tuzilmalarning degradatsiyasini va metall oksidi nanozarrachalarining keyingi ko'rinishini tahlil qilishga qodir, XPS esa sirt bog'lanishlariga sezgir.Shu maqsadda biz mikroalg hujayralari dispersiyasidan olingan 2D Nb-MXene nanoflaklarini, ya'ni ularning mikroalg hujayralari bilan o'zaro ta'siridan keyingi shaklini sinab ko'rdik (7-rasmga qarang).
Oksidlangan (a) SL Nb2CTx va (b) SL Nb4C3Tx MXenes morfologiyasini ko'rsatadigan HRTEM tasvirlari, (c) pasaytirilgandan keyin oksidli mahsulotlarning tarkibini ko'rsatadigan XPS tahlil natijalari, (d-f) SL Nb2CTx XPS spektrlari komponentlarining eng yuqori moslashuvi va (g-SLCxi) bilan ta'mirlangan micro.
HRTEM tadqiqotlari ikki turdagi Nb-MXene nanoflakslarining oksidlanishini tasdiqladi.Garchi nanoflaklar ma'lum darajada ikki o'lchovli morfologiyasini saqlab qolgan bo'lsa-da, oksidlanish natijasida MXene nanoflaklari yuzasini qoplagan ko'plab nanozarrachalar paydo bo'ldi (7a, b-rasmga qarang).c Nb 3d va O 1s signallarining XPS tahlili ikkala holatda ham Nb oksidlari hosil bo'lganligini ko'rsatdi.7c-rasmda ko'rsatilganidek, 2D MXene Nb2CTx va Nb4C3TX NbO va Nb2O5 oksidlari mavjudligini ko'rsatadigan Nb 3d signallariga ega, O 1s signallari esa 2D nanoflake yuzasining funksionallashuvi bilan bog'liq O-Nb aloqalari sonini ko'rsatadi.Biz Nb oksidi hissasi Nb-C va Nb3+-O ga nisbatan dominant ekanligini payqadik.
Shaklda.7g–i rasmlari Nb 3d, C 1s va O 1s SL Nb2CTx (7d-f-rasmga qarang) va mikroalg hujayralaridan ajratilgan SL Nb4C3TX MXene XPS spektrlarini ko'rsatadi.Nb-MXenes tepalik parametrlari haqida batafsil ma'lumotlar mos ravishda S4-5-jadvallarda keltirilgan.Biz birinchi navbatda Nb 3d tarkibini tahlil qildik.Mikroalg hujayralari tomonidan so'rilgan Nb dan farqli o'laroq, mikroalg hujayralaridan ajratilgan MXene tarkibida Nb2O5 dan tashqari, boshqa komponentlar topilgan.Nb2CTx SLda biz Nb3+-O ning 15% miqdoridagi hissasini kuzatdik, qolgan Nb 3d spektrida esa Nb2O5 (85%) ustunlik qildi.Bundan tashqari, SL Nb4C3TX namunasi Nb-C (9%) va Nb2O5 (91%) komponentlarini o'z ichiga oladi.Bu erda Nb-C Nb4C3Tx SRdagi metall karbidning ikkita ichki atom qatlamidan keladi.Keyin biz C 1s spektrlarini ichki namunalarda bo'lgani kabi to'rt xil komponentga xaritalashtiramiz.Kutilganidek, C 1s spektrida grafit uglerod ustunlik qiladi, undan keyin mikroalg hujayralaridan organik zarralar (CHx/CO va C=O) hissasi.Bundan tashqari, O 1s spektrida biz mikroalg hujayralarining organik shakllari, niobiy oksidi va adsorbsiyalangan suvning hissasini kuzatdik.
Bundan tashqari, biz Nb-MXenes parchalanishi ozuqa muhitida va / yoki mikroalg hujayralarida reaktiv kislorod turlarining (ROS) mavjudligi bilan bog'liqligini tekshirdik.Shu maqsadda biz madaniy muhitdagi yagona kislorod (1O2) va hujayra ichidagi glutation, mikroalglarda antioksidant bo'lib ishlaydigan tiol darajasini baholadik.Natijalar SIda ko'rsatilgan (S20 va S21-rasmlar).SL Nb2CTx va Nb4C3TX MXenesli kulturalar 1O2 miqdorining kamayishi bilan tavsiflanadi (S20-rasmga qarang).SL Nb2CTx holatida MXene 1O2 taxminan 83% gacha kamayadi.SL dan foydalanadigan mikroalglar madaniyati uchun Nb4C3TX 1O2 73% gacha kamaydi.Qizig'i shundaki, 1O2 dagi o'zgarishlar ilgari kuzatilgan inhibitiv-rag'batlantiruvchi ta'sir bilan bir xil tendentsiyani ko'rsatdi (3-rasmga qarang).Yorqin nurda inkubatsiya fotooksidlanishni o'zgartirishi mumkinligi haqida bahslashish mumkin.Shu bilan birga, nazorat tahlili natijalari tajriba davomida 1O2 ning deyarli doimiy darajasini ko'rsatdi (S22-rasm).Hujayra ichidagi ROS darajasida biz ham xuddi shunday pasayish tendentsiyasini kuzatdik (S21-rasmga qarang).Dastlab, Nb2CTx va Nb4C3Tx SLs ishtirokida o'stirilgan mikroalg hujayralaridagi ROS darajasi mikroalglarning sof madaniyatida topilgan darajadan oshib ketdi.Biroq, oxir-oqibat, mikroalglar ikkala Nb-MXenning mavjudligiga moslashgani ko'rinib turibdi, chunki ROS darajalari mos ravishda SL Nb2CTx va Nb4C3TX bilan emlangan mikroalglarning sof kulturalarida o'lchangan darajalarning 85% va 91% gacha kamaydi.Bu shuni ko'rsatishi mumkinki, mikroalglar vaqt o'tishi bilan Nb-MXene borligida faqat ozuqaviy muhitga qaraganda qulayroq bo'ladi.
Mikroalglar fotosintez qiluvchi organizmlarning xilma-xil guruhidir.Fotosintez jarayonida ular atmosferadagi karbonat angidridni (CO2) organik uglerodga aylantiradilar.Fotosintez mahsuloti glyukoza va kisloroddir79.Biz shu tarzda hosil bo'lgan kislorod Nb-MXenlarning oksidlanishida hal qiluvchi rol o'ynashiga shubha qilamiz.Buning mumkin bo'lgan tushuntirishlaridan biri shundaki, differentsial aeratsiya parametri Nb-MXene nanoflaklari tashqarisida va ichida kislorodning past va yuqori qisman bosimida hosil bo'ladi.Bu shuni anglatadiki, kislorodning parsial bosimi har xil bo'lgan hududlar mavjud bo'lganda, eng past darajaga ega bo'lgan maydon 80, 81, 82 anodini hosil qiladi. Bu erda mikroalglar MXene parchalari yuzasida fotosintetik xossalari tufayli kislorod hosil qiluvchi differensial gazlangan hujayralar hosil bo'lishiga hissa qo'shadi.Natijada biokorroziya mahsulotlari (bu holda niobiy oksidlari) hosil bo'ladi.Yana bir jihati shundaki, mikroalglar suvga chiqadigan organik kislotalarni hosil qilishi mumkin83,84.Shu sababli, tajovuzkor muhit shakllanadi va shu bilan Nb-MXenlarni o'zgartiradi.Bundan tashqari, mikroalglar karbonat angidridning singishi tufayli muhitning pH darajasini ishqoriyga o'zgartirishi mumkin, bu ham korroziyaga olib kelishi mumkin79.
Eng muhimi, bizning tadqiqotimizda ishlatiladigan qorong'u / yorug'lik fotoperidi olingan natijalarni tushunish uchun juda muhimdir.Bu jihat Djemai-Zoghlache va boshqalarda batafsil tasvirlangan.85 Ular Porphyridium purpureum qizil mikrosu o'tlari tomonidan biofouling bilan bog'liq biokorroziyani ko'rsatish uchun ataylab 12/12 soatlik fotoperioddan foydalanganlar.Ular fotoperiodning 24:00 atrofida psevdoperiodik tebranishlar sifatida namoyon bo'ladigan biokorroziyasiz potentsial evolyutsiyasi bilan bog'liqligini ko'rsatadi.Bu kuzatishlar Dowling va boshqalar tomonidan tasdiqlangan.86 Ular Anabaena siyanobakteriyalarining fotosintetik bioplyonkalarini namoyish qildilar.Erigan kislorod yorug'lik ta'sirida hosil bo'ladi, bu erkin biokorroziya potentsialining o'zgarishi yoki o'zgarishi bilan bog'liq.Fotoperiodning ahamiyati shundaki, biokorroziyaning erkin potentsiali yorug'lik fazasida kuchayadi va qorong'i fazada kamayadi.Bu elektrodlar yaqinida hosil bo'ladigan qisman bosim orqali katod reaktsiyasiga ta'sir qiluvchi fotosintetik mikroalglar tomonidan ishlab chiqarilgan kislorod bilan bog'liq87.
Bundan tashqari, Fourier transform infraqizil spektroskopiyasi (FTIR) Nb-MXenes bilan o'zaro ta'sirlashgandan so'ng mikroalg hujayralarining kimyoviy tarkibida o'zgarishlar sodir bo'lganligini aniqlash uchun amalga oshirildi.Ushbu olingan natijalar murakkab va biz ularni SIda taqdim etamiz (S23-S25-rasmlar, shu jumladan MAX bosqichi va ML MXenes natijalari).Muxtasar qilib aytganda, mikroalglarning olingan mos yozuvlar spektrlari bizga ushbu organizmlarning kimyoviy xususiyatlari haqida muhim ma'lumotlarni beradi.Bu eng ehtimolli tebranishlar 1060 sm-1 (CO), 1540 sm-1, 1640 sm-1 (C=C), 1730 sm-1 (C=O), 2850 sm-1, 2920 sm-1 chastotalarda joylashgan.bitta.1 1 (C–H) va 3280 sm–1 (O–H).SL Nb-MXenes uchun biz avvalgi tadqiqotimizga mos keladigan CH-bog'larini cho'zish imzosini topdik38.Biroq, biz C = C va CH aloqalari bilan bog'liq bo'lgan ba'zi qo'shimcha tepaliklar yo'qolganini kuzatdik.Bu mikroalglarning kimyoviy tarkibi SL Nb-MXenes bilan o'zaro ta'siri tufayli kichik o'zgarishlarga duch kelishi mumkinligini ko'rsatadi.
Mikroalglarning biokimyosida mumkin bo'lgan o'zgarishlarni ko'rib chiqishda niobiy oksidi kabi noorganik oksidlarning to'planishini qayta ko'rib chiqish kerak59.Metalllarning hujayra yuzasi tomonidan so'rilishi, sitoplazmaga o'tishi, hujayra ichidagi karboksil guruhlari bilan bog'lanishi va mikrosuv o'tlari polifosfosomalarida to'planishida ishtirok etadi20,88,89,90.Bundan tashqari, mikroalglar va metallar o'rtasidagi munosabatlar hujayralarning funktsional guruhlari tomonidan saqlanadi.Shu sababli, so'rilish mikroalglarning sirt kimyosiga ham bog'liq bo'lib, u ancha murakkab9,91.Umuman olganda, kutilganidek, yashil mikroalglarning kimyoviy tarkibi Nb oksidi singishi tufayli biroz o'zgardi.
Qizig'i shundaki, mikroalglarning kuzatilgan dastlabki inhibisyoni vaqt o'tishi bilan qaytarilmas edi.Biz kuzatganimizdek, mikroalglar dastlabki atrof-muhit o'zgarishini engib, oxir-oqibat normal o'sish sur'atlariga qaytdi va hatto ko'paydi.Zeta potentsialini o'rganish ozuqaviy muhitga kiritilganda yuqori barqarorlikni ko'rsatadi.Shunday qilib, mikroalg hujayralari va Nb-MXene nanoflakes o'rtasidagi sirt o'zaro ta'siri butun kamaytirish tajribalari davomida saqlanib qoldi.Keyingi tahlillarimizda biz mikroalglarning ushbu ajoyib xatti-harakati asosidagi asosiy ta'sir mexanizmlarini umumlashtiramiz.
SEM kuzatuvlari shuni ko'rsatdiki, mikroalglar Nb-MXenesga yopishadi.Dinamik tasvir tahlilidan foydalanib, biz bu ta'sir ikki o'lchovli Nb-MXene nanoflakkalarining ko'proq sferik zarrachalarga aylanishiga olib kelishini tasdiqlaymiz va shu bilan nanoflakkalarning parchalanishi ularning oksidlanishi bilan bog'liqligini ko'rsatamiz.Gipotezamizni tekshirish uchun biz bir qator moddiy va biokimyoviy tadqiqotlar o'tkazdik.Sinovdan so'ng, nanoflaklar asta-sekin oksidlanib, NbO va Nb2O5 mahsulotlariga parchalanib ketdi, bu esa yashil mikroalglar uchun xavf tug'dirmadi.FTIR kuzatuvidan foydalanib, biz 2D Nb-MXene nanoflakalari ishtirokida inkubatsiya qilingan mikroalglarning kimyoviy tarkibida sezilarli o'zgarishlarni topmadik.Mikroalglar tomonidan niobiy oksidini singdirish imkoniyatini hisobga olgan holda, biz rentgen floresan tahlilini o'tkazdik.Bu natijalar aniq ko'rsatib turibdiki, o'rganilayotgan mikrosu o'tlar o'rganilayotgan mikrosuv o'tlari uchun toksik bo'lmagan niobiy oksidlari (NbO va Nb2O5) bilan oziqlanadi.