Name: Chemische Gardens als Durchflussreaktoren Simulation natürlicher Hydrothermale Systeme (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-11-18T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 55 s
Description: Erfahren Sie, wie chemische Gärten als Durchflussreaktoren natürliche hydrothermale Schornsteine simulieren. Diese Methode untersucht die Entstehung selbstorganisierender Strukturen und deren Bedeutung für die Ursprünge des Lebens.

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Diese Forschung wurde am Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, im Rahmen eines Vertrags mit der National Aeronautics and Space Administration durchgeführt. Wir danken dem NASA Astrobiology Institute (Icy Worlds) für die Unterstützung. L.M.B. wird von der NAI im Rahmen des NASA Postdoctoral Program unterstützt, das von den Oak Ridge Associated Universities im Rahmen eines Vertrags mit der NASA verwaltet wird. J.E.N. wurde durch einen PR/Award #: Award # des US-Bildungsministeriums unterstützt, der P031C110019 vom Citrus College verwaltet wurde. Wir danken für nützliche Diskussionen mit Mitgliedern der NAI Thermodynamics, Disequilibrium, and Evolution Focus Group und des Blue Marble Space Institute of Science.

1. Sicherheitshinweise <ol><li> Persönliche Schutzausrüstung (Kittel, Schutzbrille, Handschuhe aus Nitril, richtigen Schuhe) gegen Chemieunfällen oder Verletzungen zu vermeiden. Verwenden Sie Spritzen und Nadeln, und achten Sie darauf, keine Handschuhe stechen. Achten Sie darauf, während der Versuchsaufbau, um das Gerät auf Dichtheit durch die Durchführung der Injektion zunächst mit Check doppelt destilliertem H 2 O (ddH 2 O), und um die Stabilität der Reaktionsgefäße auf dem Messestand zu überprüfen, bevor Sie Chemikalien. </li><li> Verpflichten, dieses Experiment mit jedem chemischen Garten Rezept, aber einer der Reaktionspartner nutzen wir, um Tiefseeentlüftungsöffnungen simulieren, ist eine gefährliche Chemikalie, Natriumsulfid; daher tun das gesamte Experiment in einem Abzug zur Vermeidung der Exposition. <ol><li> Nur öffnen Sie die Flasche Natriumsulfid in der Abzugshaube und legen ein Gleichgewicht innerhalb der Abzug für das Wiegen Sulfid. Halten Sie immer sulfidhaltigen Lösungen in den Laborabzug, da sie giftige H 2 S-Gas freizusetzen, und halten Sie auch Sulfide flüssige, scharfe, und Abfallbehälter in der Abzugshaube. Ein weiterer Reaktionspartner von Interesse ist Fe (II) Cl 2 • 4H 2 O, die an der Luft oxidiert, so kümmern sich um Lösungen anoxischen zu halten und chemische Gärten unter anoxischen Headspace (zB N 2 oder Ar), immer innerhalb wachsen einer Abzugshaube oder Handschuhfach. </li></ol></li></ol> 2. Richten Sie für die Injektion Versuche <ol><li> Erstellen Glas &quot;Injektionsflaschen&quot; durch Abschneiden der unteren 1 cm von einer 100 ml Klarglas-Rollrandserumflasche (20 mm Crimp Dichtung Verschlusstyp) mit einem Glasschneider, so dass, wenn umgekehrt ist, ist das Gefäß an der Luft. Da diese wiederverwendbar sind, reinigen Sie die Fläschchen in einem 1 M HCl Säurebad O / N, und dann gut mit ddH 2 O spülen, bevor ein neuer Versuch. </li><li> Bereiten Sie die Injektionsfläschchen (Abbildung 1). <ol><li> Sammeln Sie eine 20 mm Septum, 20 mm Aluminium-Crimp-Dichtung und eine 0,5 bis 10 &amp; mgr; l Kunststoffpipettenspitze. Unter Verwendung einer 16 G Spritze needle, sorgfältig durchbohren ein Loch durch die Mitte der Scheidewand, dann entfernen und entsorgen Sie die Nadel in die dafür vorgesehenen Entsorgungsabfallbehälter. </li><li> Setzen Sie die Pipettenspitze in das Nadelloch, in die Seite des Gummimembran, die im Inneren des Rollrand des Fläschchens konfrontiert sein wird. Schieben Sie die Pipettenspitze durch die Scheidewand, so dass er stößt auf der anderen Seite. </li><li> Crimp-Siegel der Scheidewand mit Pipettenspitze auf die Injektionsbehälter, um eine wasserdichte Abdichtung zu machen. Wenn versiegelt, drücken Sie die Pipettenspitze weiter durch die Scheidewand, so dass es außerhalb ragt. </li><li> Bringen 1/16 &quot;Innendurchmesser klare flexible chemikalienbeständigen Schlauch an der Pipettenspitze (Schlauchlänge sollte von der Injektionsflasche mit dem Spritzenpumpe zu erreichen); schieben Sie es sich für einen wasserdichten Verschluss. Anmerkung: Dies ist das Einspritzrohr, von dem anderen Ende durch eine Spritze mit 16 Gauge Nadel zugeführt werden. </li><li> Dichtheit prüfen: Legen Sie eine 10 ml Spritze mit ddH 2 O mit einer 16 G-Nadel gefüllt in das andere Ende des Schlauchs(glatt den Schlauch schieben Sie direkt auf die Nadel und achten Sie darauf, um die Wand des Rohres durchstechen). Langsam zu injizieren, so daß der ddH 2 O bewegt sich die Rohrleitung und in den Boden des Reaktionsgefäßes. Stellen Sie sicher, dass die Spritze / Rohr, Rohr / tip, und Crimp-Dichtungen sind wasserdicht. </li></ol></li><li> Klemmen Sie die Injektionsflaschen auf einem Gestell in einem Abzug, so dass die Einspritzung von der Unterseite der Flasche füttern in. Hinweis: Mehrere Fläschchen kann bis auf einmal setzen und gleichzeitig von getrennten Spritzen zugeführt werden. </li><li> Einrichten Elektroden zum Messen Membranpotential über die Wand der chemischen Gärten. Verwenden Sie immer die gleiche Konvention, für die Führung ist &quot;innen&quot; und die &quot;Außenseite&quot; der chemischen Gärten ist. <ol><li> Schnittlängen von isolierten Draht (zB Kupfer), die aus dem Inneren der Reaktionsbehälter mit der Leitung des Multimeters oder Datenlogger erreichen. Lassen Sie ein wenig Spiel in den Leitungen für die Positionierung. </li><li> Streifen ca. 3 mm von derverdrahten nackten an den Enden, die in die Reaktionsflasche angesiedelt werden soll. An den anderen Enden, die den Multimeter führt Streifen ~ 1 cm Draht verbunden wird. </li><li> Befestigen Sie die Drähte an Ort und Stelle, um Membranpotential über die chemische Garten zu messen. Für den Draht, der in der chemischen Garten gehen wird: legen Sie sie in die Öffnung der Pipettenspitze von dem Fluid in den Behälter zu ernähren. </li><li> Man schiebt das Seil in leicht, den Kontakt mit der Injektionslösung zu gewährleisten, aber nicht so weit, dass sie die Einspritzströmung zu verstopfen. Für die Außendraht: Ort, es ist so, dass es in Kontakt mit dem Lösungsreservoir, aber nicht mit der chemischen Garten Niederschlag sein. </li><li> Band oder auf andere Weise sichern Sie die Drähte, so dass sie nicht in das Injektionsglas während des Experiments (Abbildung 2) zu bewegen. </li><li> Befestigen Sie die anderen Enden der Drähte an das Multimeter, und sichern Sie die Kabel so, dass diese Ziele auch nicht während des Experiments zu bewegen. </li></ol></li><li> Bis N 2 Stellen </sub&gt; Gasleitungen, die jeweils füttern wird in eine der Injektionsflaschen. <ol><li> Teilen Sie die Gaszufuhr aus einem N 2 Quelle in mehrere Röhren, so dass es ein N 2-Feeds Jedes Injektionsglas. </li><li> Platzieren Sie jede N 2 Rohr, so dass es in den Kopfraum eines der Injektionsflaschen-Feeds. </li></ol></li></ol> 3. Herstellung von Lösungen für die Chemische Garden Wachstum <ol><li> Bereiten Sie die Reservoirlösung, 100 ml für jedes Experiment. Hinweis: In diesem Beispiel verwenden 75 mM Fe 2+ und 25 mM Fe 3+ als Fällungs Kationen (Tabelle 1). <ol><li> Erstellen anoxischen Lösungen, indem zunächst die sprudelnden ddH 2 O mit N 2 -Gas für ~ 15 min pro 100 ml. </li><li> Abwiegen und fügen Sie die FeCl 2 • 4H 2 O und FeCl 3 • 6 H 2 O, unter leichtem Rühren zu lösen (nicht kräftig, so dass Sauerstoff nicht vorstellen). </li><li> Nach Reagenzien gelöst sind, sofort Resume Lichtblasenbildung des Fe 2+ / Fe 3+ Lösung mit N 2 -Gas, während Injektionen hergestellt. </li></ol></li><li> Wählen Sie einen beliebigen zwei der in Tabelle 1 dargestellten Primärinjektionslösungen und Herstellung von 10 ml von jedem. Füllen einer 10 ml Spritze mit dem 7 ml Marke mit jeder der Lösungen (eine Spritze für jede Lösung). Ersetzen Sie die Nadel Kappen und beiseite stellen. </li><li> Es werden 20 ml der sekundären Injektionslösung (Natriumsulfid - ACHTUNG). In Tabelle 1 gezeigt Füllen Sie zwei 10 ml Spritzen mit dem 7-ml-Marke mit dieser Lösung, ersetzen Sie die Nadel Kappen und beiseite stellen. Halten Sie immer sulfidhaltigen Lösungen und Spritzen in der Abzugshaube. </li><li> Füllen Sie den ddH2O Spritzen aus Schritt 2.2.5; diese werden verwendet, um das Einspritzrohr zu spülen. </li></ol> 4. Starten des Primary Injection <ol><li> Verwenden gewünschten Datenlogger für Membranpotentialmessungen; messen Potenzial jedes Experiment auf einem separatE-Kanal, und stellen Sie die Scanrate, um die gewünschte Menge an Datenpunkten zu geben (zB für einen 2-Stunden-Einspritzung, die Aufnahme potenziellen alle 30 sec ausreichen würde). </li><li> Sichern Sie sich die primäre Injektionsspritzen auf der programmierbaren Spritzenpumpe im Abzug. </li><li> Verwenden Sie einen Abfallbecher um Tropfen aufzufangen und den Spritzenpumpe, um mit einer schnellen Rate zu injizieren, bis die Spritzen beide beginnen, in das Becherglas tropfen. Dann stoppen Sie die Injektion (um sicherzustellen, dass die zwei Spritzen beginnen Injektion an genau der gleichen Ebene). </li><li> Re-Programm die Spritzenpumpe auf 2 ml pro Stunde zu injizieren (Kalibrierung für die Art der Spritze verwendet werden), aber nicht getroffen Start. </li><li> Legen Sie die ddH2O Spritzen in die beiden Kunststoffspritzrohre, und injizieren, so dass das Wasser füllt die klare Schlauch bis zu der Öffnung, wo sie die Hauptreservoir eintritt. Legen Sie die Spritze auf dem Stand, über den Injektionsflaschen. </li><li> Gießen Sie 100 ml des Fe 2+ / Fe 3+ Reservoirlösung in each Fläschchen. </li><li> Einstellen der Strömung von der N 2 Gasleitungen, wie gewünscht, um das Experiment anoxischen für die Dauer der Injektion zu halten. </li><li> Sorgfältig abdecken das Reservoir Fläschchen mit luftdicht (zB mit Parafilm, nicht zu behindern die Sicht durch das Glas) und legen Sie eine N 2 Einspeisung in jeder Flasche (Abbildung 3). </li><li> Bringen Sie die ddH2O Spritzen (noch in der Rohrleitung eingeführt) sich neben der primären Injektionsspritzen. Ziehen Sie die Kunststoff-Spritzguss-Schlauch von der ddH2O Spritzennadel und unmittelbar übertragen sie direkt auf einer der Haupteinspritzung Spritzennadeln. (Achten Sie darauf, um die Wand des Schlauchs nicht durchstechen.) </li><li> Starten Sie die Injektion, und starten Sie die Aufnahme des Membranpotentials. </li></ol> 5. Starten der Sekundäreinspritzung: <ol><li> Hit Station auf dem Spritzenpumpe nach 3 h (nach 6 ml injiziert wurden), einst chemischen Gartenstrukturen gebildet haben (FiguZu 4), die sich fort Erzeugen eines Membranpotential (Abbildung 5). </li><li> Die primären Injektionsspritzen aus der Spritzenpumpe vorsichtig entfernen (aber lassen Sie sie verbunden mit dem Schlauch, so dass die Strukturen nicht gestört werden); stellte sie auf dem Ständer über dem Niveau der Flüssigkeit in den Durchstechflaschen, so daß das Fluid nicht zurück in die Spritze zu fließen. </li><li> Sichern Sie sich die Sekundäreinspritzung Sulfid Spritzen in die Spritzenpumpe, und wiederholen Sie die Schritte 4.3 und 4.4. </li><li> Entfernen Sie die sekundäre Spritzen ein zu einer Zeit von der Spritzenpumpe und, während der Spritzen über dem Niveau der Flüssigkeit in den Fläschchen halten, wiederholen Sie Schritt 4.9, die Übertragung der Schlauch von den primären Spritzen zu den sekundären Spritzen (Abbildung 6). Wachsam sein, daß der Fluiddruck aus dem Vorratsbehälter in die Spritze nicht dazu führt Fluid in die Spritze zurückfließen, da dies die chemische Garten kollabieren. </li><li> Wenn die Übertragung abgeschlossen ist, sorgfältig befestigen Sie die sekundäre Spritzen zu the Spritzenpumpe. </li><li> Re-Programm die Spritzenpumpe auf 2 ml pro Stunde zu injizieren, und drücken Sie Start, um die Injektion mit der neuen Injektionslösung fortsetzen. </li><li> Entsorgen Sie den primären Injektionsspritzen. </li></ol> 6. Beenden der Experiment <ol><li> Erste Station der Spritzenpumpe, dann beenden Sie die Aufnahme des Membranpotentials und speichern Sie die Daten. </li><li> Schalten Sie das N 2 Fluss und entfernen Sie die Zeilen und die Parafilm von den Einspritzgefäße. </li><li> Falls gewünscht, probieren Sie die Reservoirlösung oder Niederschlag für die weitere Analyse. Um vorsichtig die Reservoirlösung und der Niederschlag nicht stören, verwenden Sie eine 25 ml Pipette vorsichtig pipettieren Sie die Reservoirlösung in mehreren Teilmengen, und entsorgen Sie die Lösung in einen Abfallbecher. </li><li> Ausspannen Injektionsgefäße ein zu einer Zeit und gießen Sie die Lösung in eine Abfallumschlagbecher im Abzug. Verwenden ddH2O ausspülen Stücke von Niederschlag. </li><li> Entferne die Spritzen herm die Spritzenpumpe und extrahieren Sie sie aus dem Schlauch und ließ zusätzliche Injektionsflüssigkeit weg in den Müllumschlag Becher laufen. Leeren Sie die Spritzen in den Abfallbecher, und entsorgen Sie die Spritzen in einer Sulfid Behälter für spitze Gegenstände im Abzug gehalten wird. </li><li> Entfernen Sie den Schlauch aus dem Experiment Phiole und entsorgen Sie sie in einem Abfallsack. Uncrimp das Siegel und entsorgen Sie das Septum, Dichtung und Pipettenspitze. </li><li> Spülen Sie das Glas Experiment Phiole und legen Sie ihn in einer 1 M HCl Säurebad O / N. (ACHTUNG - Glaswaren, die in Kontakt mit Natriumsulfid wird toxische H 2 S-Gas freizugeben, wenn in Säure gelegt wurde Halten Säurebädern im Inneren der Abzugshaube..) </li></ol>

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</ol>

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Die Bildung einer chemischen Gartenstruktur über Injektionsverfahren kann durch Kopplung zweier keine Lösungen mit reaktiven Ionen, die einen Niederschlag durchgeführt werden. Es gibt viele mögliche Reaktionssystemen, die Niederschlag-Strukturen erzeugen wird und das Finden der richtigen Rezeptur von reaktiven Ionen und Konzentrationen zu wachsen eine gewünschte Struktur ist eine Sache von Versuch und Irrtum. Die Strömungsrate der Injektionslösung wird durch eine programmierbare Spritzenpumpe gesteuert, und dies kann au...

&quot;Chemical Gärten&quot; sind selbstorganisierende entwickelte anorganische Ausscheidungen in dem zwei Flüssigkeiten von kontrastierenden Chemikalien interagieren 1,2. Diese selbstorganisierenden anorganischen Strukturen sind Gegenstand von wissenschaftlichem Interesse seit über einem Jahrhundert Teil aufgrund ihrer biomimetischen Aussehen, und viele experimentelle und theoretische Untersuchungen verfolgt worden, um die verschiedenen komplexen Aspekte und mögliche Funktionen chemischer Gartensysteme 3 zu verstehen. Natürliche Beispiele für chemische Gärten umfassen Mineral &quot;Schornstein&quot; Niederschläge, die sich um hydrothermale Quellen und sickert zu wachsen, und es wurde argumentiert, dass diese könnten plausible Umgebungen für das Leben entstehen 4 bereitzustellen. Um eine chemische Garten Simulation eines natürlichen Hydrothermal Schornstein wachsen sollte ein Reservoirlösung einen simulierten Ozean Zusammensetzung und eine Injektionslösung sollte die hydrothermale Flüssigkeit, die in den Ozean-Feeds repräsentieren. Die Vielseitigkeit dieses Typs of Experiment, um verschiedene Reaktionssysteme ermöglicht die Simulation von fast allen Vorschlägen für Ozean / hydrothermale Fluidchemie, einschließlich Umgebungen auf der frühen Erde oder auf anderen Welten. Auf der frühen Erde würden die Ozeane gewesen anoxischen, sauer (pH 5-6) und würde enthielt aufgelöst atmosphärischen CO 2 und Fe 2+ sowie Fe III, Ni 2+, Mn 2+, NO 3- und NO 2. Chemische Reaktionen zwischen diesem und dem Seewasser ultramafic Ozeankruste würde eine alkalische hydrothermale Fluid Wasserstoff und Methan enthält, hergestellt wurden, und in einigen Fällen Sulfid (HS -) 4-8. Die in der frühen Erde alkalische Lüftungsumgebungen gebildet Schornsteine ​​könnte somit haben Eisen / Eisen Oxyhydroxiden und Eisen / Nickel-Sulfide enthalten, und es wurde vorgeschlagen, dass diese Mineralien könnte insbesondere katalytischen und proto-enzymatischen Funktionen zur Nutzung geochemischen Redox / pH-Gradienten zu fahren gedient haben die Entstehung von Metabolism 5. Ebenso auf anderen Welten, wie sie können Host (oder gehostet haben) Wasser / rock-Schnittstellen - wie frühe Mars, Jupiter Mond Europa oder dem Saturnmond Enceladus - es ist möglich, dass Wasser / Rock Chemie konnte alkalische Lüftungsumgebungen in der Lage zu erzeugen Fahr präbiotischen Chemie oder sogar die Bereitstellung bewohnbaren Nischen für noch vorhandene Lebens 5,9-11. Die klassische chemische Garten Experiment beinhaltet einen Impfkristall aus einem Metallsalz, beispielsweise Eisenchlorid-tetrahydrat FeCl 2 • 4H 2 O, in einer Lösung, die reaktive Anionen, beispielsweise Natriumsilikat oder &quot;Wasserglas&quot; eingetaucht. Die Metallsalz-Überblendungen, die Schaffung eines sauren Lösung, die Fe 2+, die mit dem mehr alkalischen Lösung Schnittstellen (haltige Silikat-Anionen und OH -) und einer anorganischen Membranniederschlag gebildet. Die Membran quillt unter osmotischen Drucks, platzt, dann wieder fällt eint die neue Fluid-Grenzfläche. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis die Kristalle gelöst sind, was zu einem vertikal ausgerichteten, selbstorganisierte Präzipitat Struktur mit komplexer Morphologie bei Makro- und Mikrowaagen. Dieses Fällungsverfahren führt zu der weiter Trennung von chemisch kontras Lösungen über den anorganischen chemischen Garten Membran und der Differenz der geladenen Spezies durch die Membran führt zu einer Membranpotential 12-14. Chemische Gartenstrukturen sind komplex, zeigt Zusammensetzungsgradienten von innen nach außen 13,15-19, und die Wände der Struktur aufrechtzuerhalten Trennung zwischen kontrastierenden Lösungen für längere Zeit aber dennoch etwas für Ionen durchlässig. Zusätzlich dazu, dass ein idealer Experiment für Bildungszwecke (wie sie sind einfach, für den Unterricht Demonstrationen zu machen, und können die Schüler zu chemischen Reaktionen und Selbstorganisation zu erziehen) haben chemische Gärten wissenschaftliche Bedeutung als Darstellungen der Selbst assembly in dynamischen, weit entfernt vom Gleichgewicht Systemen mit Methoden, die auf die Herstellung von interessanten und nützlichen Materialien 20,21 führen kann. Chemische Gärten im Labor können auch durch Spritzverfahren gezüchtet werden, wobei die Lösung, die ein Fällungsionen langsam in die zweite Lösung, die das Co-Präzipitieren Ion (oder Ionen) injiziert. Dies resultiert in der Bildung von chemischen Strukturen Garten ähnlich denen Kristallwachstumsexperimente mit Ausnahme, dass die Eigenschaften des Systems und der Niederschlag besser gesteuert werden kann. Das Injektionsverfahren hat mehrere wesentliche Vorteile. Er erlaubt es, eine chemische Garten bilden mit einer beliebigen Kombination von Ausfällen oder eingebaut Spezies, dh mehrere Fällungsionen in eine Lösung eingebracht werden, und / oder andere nicht kondensierender Bestandteile können entweder in Lösung enthalten sein, um zu adsorbieren / reagieren mit dem Niederschlag . Das Membranpotential in einer chemischen erzeugtenGarten System kann in einem Einspritz Experiment gemessen werden, wenn eine Elektrode in das Innere der Struktur eingebaut, wodurch elektrochemische Untersuchung des Systems. Injektionsexperimente bieten die Möglichkeit, die Injektionslösung in das Innere der chemischen Garten kontrollierter Zeitrahmen füttern durch Variation der Einspritzgeschwindigkeit oder insgesamt eingespritzte Volumen; es ist daher möglich, durch verschiedene Lösungen sequentiell einspeisen und das ausgefällte Struktur als Falle oder Reaktors. In Kombination ermöglichen diese Techniken für die Laborsimulationen der komplexen Prozesse, die in einer natürlichen chemischen Gartenanlage an einem U-Boot-Hydrothermalstattgefunden haben könnte, einschließlich einem Kamin aus vielen gleichzeitigen Fällungsreaktionen zwischen Ozean gebildet und Belüftungsfluid (zB Herstellung von Metallsulfiden, Hydroxiden und / oder Carbonate, Silikate) 5,22. Diese Techniken können auch auf jede chemische Gartenreaktionssystem aufgebracht werden, um die Bildung neuer Arten ermöglichenvon Materialien, beispielsweise Schichtrohre oder Rohre mit adsorbierten reaktiven Spezies 20,23. Wir Detail ein Beispiel Experiment, das den gleichzeitigen Wachstum der zwei chemischen Gärten, Fe 2+ enthaltenden Strukturen in einer anoxischen Umgebung umfasst. In diesem Experiment, das wir in der anfänglichen Injektionslösung eingeSpurenMengen von Polyphosphaten und / oder Aminosäuren, ihre Wirkung auf die Struktur zu beobachten. Nach der anfänglichen Bildung der chemischen Garten wir dann eingeschaltet, um die Injektionslösung Sulfid als Sekundärfällungs Anion einzuführen. Messungen der Membranpotentiale wurden automatisch während des Experiments hergestellt. Dieses Protokoll beschreibt, wie zwei Experimente auf einmal mit einem Doppelspritzenpumpe laufen; die Daten dargestellt benötigt mehrere Läufe dieses Verfahrens. Die relativ hohe Durchflussraten, niedrigen pH-Wert der in unseren Experimenten verwendeten Behälter und Reaktantenkonzentrationen sind entworfen, um große Schornstein bilden fällt pünktlich scales geeignet für eintägige Laborexperimenten. Allerdings kann Flüssigkeitsdurchflussraten bei natürlichen hydrothermalen Quellen viel diffuser und die Konzentrationen von Ausfällen Reaktanden (zB Fe und S in einer frühen Erdsystem) könnte eine Größenordnung niedriger 4 sein; Somit würde strukturiert Präzipitate mehr Zeitrahmen zu bilden und über die Entlüftung könnte für zehntausende von Jahren 24,25 aktiv sein.

<table><tbody><tr><td>Spritzenpumpe</td><td>Fisher</td><td>14-831-3</td><td>Zwei- oder Mehrkanal, je nach gewünschter Anzahl gleichzeitiger Experimente</td></tr><tr><td>Eisenchlorid-Tetrahydrat</td><td>Fisher</td><td>I90500</td><td>Eisenchlorid-Tetrahydrat (kristallin/zertifiziert)</td></tr><tr><td>Eisenchlorid-Hexahydrat</td><td>Fisher</td><td>I88-100</td><td>Eisen Chlorid&nbsp; Hexahydrat&nbsp; (Klumpen/zertifiziertes ACS)</td></tr><tr><td>Natriumhydroxid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5881</td><td>Reagenzqualität, &ge; 98%, Pellets (wasserfrei)</td></tr><tr><td>Natriumsulfid-Nonahydrat</td><td>Fisher</td><td>S425212</td><td>Natriumsulfid-Nonahydrat (kristallin/ACS-zertifiziert). Lagern bei -20&nbsp; &#176;C. Nur in einem Handschuhfach oder Abzug öffnen. Setzt giftiges H2S-Gas frei; Alle sulfidhaltigen Lösungen müssen in einem Handschuhfach oder Abzug aufbewahrt werden.</td></tr><tr><td>Kaliumpyrophosphat</td><td>Sigma-Aldrich</td><td><a href="http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/322431?lang=en&amp; region=US">322431</a>97</td><td>%</td></tr><tr><td>L-Alanin</td><td>Sigma-Aldrich</td><td><a href="http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/a7627?lang=en&amp; region=US">A7627</a></td><td></td></tr><tr><td>Spritzen (10&nbsp; cc)</td><td>Fisher</td><td>14-823-16E</td><td>BD&Handel; Spritze mit Luer-Lok-Spitzen (ohne Nadel)</td></tr><tr><td>Spritzennadeln (16&nbsp; gauge)</td><td>Fisher</td><td>14-826-18B</td><td>BD&trade; Allgemeine Verwendung und PrecisionGlide Injektionsnadeln, 16&nbsp; G x 1,5 Zoll (38&nbsp; mm)</td></tr><tr><td>Schlauch</td><td>Cole Parmer</td><td>EW-06407-71</td><td>Tygon Lab Schlauch, Nicht-DEHP, 1/16" ID x 1/8" OD</td></tr><tr><td>Aluminiumdichtungen</td><td>Fisher</td><td>0337523C</td><td>Thermo Scientific & Trade; National&Handel; Kopfraum 20&nbsp; mm Crimpdichtungen</td></tr><tr><td>Graue Butylstopfen</td><td>Fisher</td><td>0337522AA</td><td>Thermo Scientific & Trade; National&Handel; 20&nbsp; mm Septen für Headspace-Fläschchen</td></tr><tr><td>Serumflaschen</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>33110-U</td><td>Fläschchen, Bördeldeckel, Serumflasche, Größe 100 ml, Klarglas, Außendurchmesser & mal; H 51,7 mm & mal; 94,5 mm. Für diese Experimente sollte der Boden der Serumflasche abgeschnitten werden.</td></tr><tr><td>Pipettenspitzen</td><td>VWR</td><td>53511-682</td><td>Pipettenspitzen 0,5-10 &#956; l</td></tr><tr><td>Draht</td><td>McMaster-Carr</td><td>8073K661</td><td>Massiver Einleiterdraht, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC</td></tr></tbody></table>

chemische gardens als durchflussreaktoren simulation natürlicher hydrothermale systeme

Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems

Hier berichten wir über experimentelle Simulationen des hydrothermalen Schornsteinwachstums mit Hilfe von Injektionsmethoden für chemische Gärten. Die Vielseitigkeit dieser Art von Experimenten ermöglicht die Erprobung verschiedener vorgeschlagener Ozean- / hydrothermaler Fluidchemien, die Reaktionen auf die Entstehung von Leben in Umgebungen auf der frühen Erde, dem frühen Mars oder sogar anderen Welten wie den Eismonden der äußeren Planeten ausgelöst haben könnten. Wir zeigen Experimente, die das Wachstum chemischer Gartenstrukturen unter anoxischen Bedingungen beinhalten, die die frühe Erde simulieren, die Aufnahme von Spurenkomponenten von Phosphaten / organischen Stoffen in die Injektionslösung, um sie in die Struktur einzubauen, einen Schalter der Injektionslösung zur Einführung eines sekundären fällenden Anions und die Messung von Membranpotentialen, die von chemischen Gärten erzeugt werden. Mit dieser Methode wurden selbstorganisierende chemische Gartenstrukturen gebildet, die die natürlichen Schornsteine nachahmen, die an submarinen hydrothermalen Quellen ausgefällt werden, und diese Ausfällungen können erfolgreich als Durchflussreaktoren genutzt werden, indem sie durch mehrere aufeinanderfolgende "hydrothermale" Injektionen gespeist werden.

Sobald die Injektionslösung begonnen, in der Reservoirlösung zuzuführen, begann eine chemische Gartenniederschlag an der Fluid-Grenzfläche zu bilden, und diese Struktur weiter im Verlauf der Einspritz (Figuren 4-7) wachsen. In den hier beschriebenen Experimenten berichtet, die erste Injektion wurde Natriumhydroxid (die modifiziert werden können, um L-Alanin und / oder Pyrophosphat enthalten sein), und der Vorratslösung war eine 1: 3-Mischung von Fe 3+ / Fe 2+, wodurch man ein Misch -redox sta...

Wir beschreiben die Bildung chemischer Gärten durch Injektionsexperimente, die Laborsimulationen von natürlichen chemischen Gartensystemen ermöglichen, die sich an submarinen hydrothermalen Quellen bilden.

Chemische Gardens als Durchflussreaktoren Simulation natürlicher Hydrothermale Systeme

Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, natürliche Schornsteine, die an submarinen hydrothermalen Schlünden der frühen Erde entstanden sind, mithilfe von Chemiegarten-Experimenten zu simulieren, um die selbstorganisierenden Strukturen im kleinen Maßstab zu erzeugen. Dies wird erreicht, indem zunächst zwei Lösungen hergestellt werden. Eine Lösung simuliert die Zusammensetzung des Meerwassers der frühen Erde, und eine andere Lösung simuliert ein alkalisch-hydrothermales Fluid, das durch Wasser-Gesteins-Reaktionen entsteht.Anschließend wird eine Apparatur eingerichtet, sodass die hydrothermale Flüssigkeit in ein Reservoir mit simuliertem Ozean unter einer anoxischen Atmosphäre injiziert werden kann. Als dritter Schritt werden Elektroden angebracht, um die Spannung zwischen der hydrothermalen Flüssigkeit und der Ozeanlösung während der Injektion zu messen. Schließlich wird die hydrothermale Lösung langsam in den Boden eines Gefäßes injiziert, das die simulierte Ozeanlösung enthält, wodurch das natürliche Austreten von Ventilationsflüssigkeit aus der Ozeankruste in das umgebende Meerwasser nachgeahmt wird.Die Ergebnisse zeigen, dass ein mineralischer Niederschlag an der Grenzfläche zwischen Meerwasser und hydrothermalen Lösungen entsteht und sich zu einer selbstorganisierenden chemischen Gartenstruktur entwickelt, die einem natürlichen submarinen hydrothermalen Schornstein ähnelt. Hydrothermale Schornsteine sind vergleichbar mit natürlichen chemischen Gärten. Sie entstanden, wie wir annehmen, vor etwa 4,4 Milliarden Jahren auf der Erde und bestehen größtenteils aus Eisensulfiden und Eisenhydroxiden mit geringen Mengen an Kieselsäure.Und sie verhalten sich wie eine Haut; sie bilden sich dort, wo alkalische Lösungen in den ansonsten leicht sauren Ozean aufsteigen. An der Grenzfläche zwischen beiden entstehen durch Ausfällung diese Minerale, die, wie gesagt, einer Haut ähneln. Tatsächlich könnte man sie mit dem Leben vergleichen, wie wir es heute kennen.Und das Leben neigt dazu, wie bei uns beispielsweise, einen alkalischen Inneren zu haben. Und es bevorzugt eher saure Außenbereiche. Ich könnte vielleicht scherzhaft bemerken, dass wir einen pH-Wert von 5,5 in unserem Shampoo mögen.Wir mögen beispielsweise saure Limonaden. Doch wir bevorzugen auch alkalische Getränke, um gesund zu bleiben, denn schließlich sind unsere inneren Bereiche gesund, genau wie natürliche chemische Gärten. Und was wir heute im Labor gesehen haben, ist die Tatsache, dass das Innere dieser chemischen Gärten alkalisch ist.Das Äußere ist sauer. Es ist etwas oxidiert, und wir haben, was passiert, dass diese chemischen Gärten einen chemischen Gradienten über die beiden aufbauen, chemische Gradienten des pH-Werts und des Redoxzustands, und sie addierten sich auf etwa eine halbe Volt, was ungefähr der Menge an elektrochemischer Energie entspricht, die erforderlich ist, um das Leben anzutreiben. Und wir sind der Ansicht, dass dies genau richtig war, um das Leben vor 4 Milliarden Jahren erstmals in einem dieser chemischen Gärten auf dem Meeresboden entstehen zu lassen.Mit diesem Experiment können wir verschiedene planetare Bedingungen wie Ozeane, hydrothermale Fluide und Atmosphären simulieren, aber auch die Auswirkungen von Änderungen spezifischer experimenteller Parameter und deren Effekte auf das System untersuchen. Ursprünglich untersuchten wir chemische Gärten, die direkt aus Kristallen in Reagenzgläsern hervorgingen, doch konnten wir das Membranpotential nicht messen, da wir keinen Draht direkt in die Membran selbst einführen konnten. Um dies zu ermöglichen, entwickelten wir daher eine neue Methode.Es handelt sich um eine Injektionsmethode, bei der wir ein hydrothermales Simulat in eine im Reservoir befindliche Meeresflüssigkeit injizierten. Dies ermöglichte uns, mithilfe eines automatischen Datenloggers das Membranpotenzial während des Wachstums der Membran zu messen. Personen, die mit dieser Methode neu sind, könnten Schwierigkeiten haben, gut strukturierte chemische Gärten anzuzüchten und Viren für die Spannungsmessung korrekt in das Gefäß zu positionieren.Jedoch können sie alle diese Probleme durch systematische Fehlersuche beheben. Beginnen Sie damit, mit einem Glasrohrscherer den Boden eines klaren 100-Milliliter-Glaskolben mit Krimpverschluss abzuschneiden, der als Injektionsfläschchen verwendet wird. Sammeln Sie außerdem einen 20-Millimeter-Schraubverschluss mit Septum, ein 20-Millimeter-Aluminiumkrimpverschlusssiegel und eine 0,5- bis 10-Mikroliter-Kunststoffpipettenspitze.Stechen Sie mit einer 16-Gauge-Spritzennadel vorsichtig ein Loch durch die Mitte des Septums und entsorgen Sie die Nadel danach im geeigneten Behälter für scharfe Abfälle. Führen Sie anschließend die Pipettenspitze in das Nadelloch ein und schieben Sie sie durch das Septum, sodass sie auf der anderen Seite herausragt. Verpressen Sie das Septum mit der Pipettenspitze luftdicht auf dem Injektionsgefäß.Um eine wasserdichte Abdichtung zu erzielen, schieben Sie die Pipettenspitze weiter durch die Septum, sodass sie nach außen hin herausragt. Befestigen Sie anschließend einen durchsichtigen, flexiblen und chemikalienbeständigen Schlauch mit einem Innendurchmesser von einem 16-tel Zoll an der Pipettenspitze. Schieben Sie den Schlauch auf die Pipettenspitze, sodass er ausreichend lang ist, um vom Injektionsfläschchen bis zur Spritzenpumpe zu reichen, um eine wasserdichte Verbindung sicherzustellen.Als Nächstes befestigen Sie die Injektionsfläschchen an einem Stativ innerhalb eines Abzugs, sodass die Injektion von unten in das Fläschchen erfolgt. Schneiden Sie zwei Stücke isolierter Drähte so zurecht, dass sie von innen in den Reaktionsgefäßen bis zum Datenlogger reichen. Lassen Sie etwas Spiel in den Drähten, um sie leicht positionieren zu können.Als Nächstes entfernen Sie etwa drei Millimeter Isolierung vom Ende jedes Drahtes, der an den anderen Enden im Reaktionsfläschchen liegen wird. Dieser wird mit den Messleitungen des Multimeters verbunden. Entfernen Sie etwa einen Zentimeter Isolierung vom Draht, und führen Sie einen Draht – den, der im chemischen Garten innerhalb des Pipettenspitzenöffnungs näher liegt – ein, um den Kontakt mit der Injektionslösung sicherzustellen, jedoch nicht so weit, dass der Injektionsstrom verstopft wird.Befestigen Sie dann beide Enden der Drähte mit Klebeband. Bringen Sie anschließend den äußeren Draht so an, dass er mit dem Lösungsreservoir, jedoch nicht mit dem Niederschlag des chemischen Gartens in Kontakt kommt. Schließen Sie danach die freien Enden der Drähte an das Datenlogger-Gerät an, um den Kopfraum über dem Lösungsreservoir zu überwachen.Und IC richtete Stickstoffgasleitungen ein. Teilen Sie den Gaszulauf aus einem Stickstoffvorratsbehälter in mehrere Schläuche auf, sodass jeder Injektionskolben einen eigenen Zulauf erhält. Bereiten Sie 200 Milliliter der Reservoirlösung, auch bekannt als Ozeansimulans, für jeden Reaktionskolben vor, indem Sie zunächst pro 100 Milliliter deionisiertes Wasser etwa 15 Minuten lang mit Stickstoffgas durchblubbern lassen.Dadurch wird sichergestellt, dass das Experiment während der Injektion anoxisch bleibt. Danach 25 Millimolar Eisen(II)-chlorid-tetrahydrat und 75 Millimolar Eisen(III)-chlorid-hexahydrat abwiegen und dem Wasser hinzufügen.Rühren Sie die Mischung vorsichtig um, um die Ionen aufzulösen, ohne Sauerstoff in die Mischung einzubringen. Sobald die Ionen gelöst sind, blasen Sie sofort wieder leicht Stickstoffgas in die Lösung. Während die Injektionen vorbereitet werden, wählen Sie zwei beliebige der hier gezeigten primären Injektionslösungen aus und bereiten jeweils 10 Milliliter jeder Lösung vor.Füllen Sie dann eine 10-Milliliter-Spritze für jede der Lösungen bis zur 7-Milliliter-Marke, verschließen Sie sie und stellen Sie sie beiseite. Bereiten Sie anschließend 20 Milliliter einer 50 Millimolar-Natriumsulfidlösung in der Abzugshaube als sekundäre Injektion vor. Füllen Sie zwei 10-Milliliter-Spritzen jeweils bis zur 7-Milliliter-Marke mit der Lösung, setzen Sie die Nadelkappen wieder auf und stellen Sie sie beiseite.Befestigen Sie die primären Injektionsspritzen an einer programmierbaren Spritzenpumpe, die sich in der Abzugshaube befindet. Stellen Sie die Injektionsgeschwindigkeit auf einen Milliliter pro Minute ein und schalten Sie die Pumpe ein, bis beide Spritzen in den Abfallbecher tropfen. Stoppen Sie dann die Injektion.Als Nächstes setzen Sie die Spritzen, die deionisiertes Wasser enthalten, in die beiden Kunststoff-Injektionsrohre ein und injizieren so viel Wasser, dass die durchsichtigen Schläuche bis zur Öffnung, an der sie in das Hauptreservoir eintreten, gefüllt werden. Danach stellen Sie die Spritzen auf den Halter über den Injektionsfläschchen ab. Gießen Sie dann vorsichtig je 100 Milliliter der eisenhaltigen Reservoirlösung in jedes Fläschchen.Erstellen Sie sorgfältig eine luftdichte Versiegelung über den Vials mit Perfil und führen Sie eine Stickstoffzufuhr in jedes Vial ein. Stellen Sie den Durchfluss der Stickstoffgasleitungen nach Bedarf so ein, dass die Versuchsanordnung während der Injektionen unter anoxischen Bedingungen bleibt. Bringen Sie anschließend die mit Wasser gefüllten Spritzen nacheinander neben die primären Injektionsspritzen. Heben Sie vorsichtig das Kunststoff-Injektionsrohr ab und übertragen Sie es unmittelbar auf eine der primären Injektionsnadeln. Achten Sie dabei darauf, die Wand des Rohrs nicht zu durchstechen. Stellen Sie dann die Spritzenpumpe so ein, dass sie drei Stunden lang mit zwei Millilitern pro Stunde läuft, und beginnen Sie die Injektion gleichzeitig. Beginnen Sie die Aufzeichnung des Membranpotenzials. Drücken Sie nach drei Stunden die Stopp-Taste an der Spritzenpumpe. Sobald die chemischen Gartengebilde entstanden sind, entfernen Sie vorsichtig die primären Injektionsspritzen von der Spritzenpumpe, lassen Sie sie jedoch mit dem Schlauch verbunden, damit die Gebilde nicht gestört werden.Stellen Sie sie auf den Halter über dem Flüssigkeitsniveau in den Vials, damit die Flüssigkeit nicht in die Spritze zurückfließt. Befestigen Sie anschließend die sekundären Injektionsspritzen, die in diesem Fall Natriumsulfid enthalten, an der Spritzenpumpe und befüllen Sie die Nadel, bis ein Tropfen beginnt, auszutreten; entsorgen Sie die Sulfidlösung in einem speziellen Behälter für gefährliche Abfälle. Entfernen Sie danach nacheinander die Spritzen von der Spritzenpumpe und wechseln Sie den Schlauch von der primären Injektionsspritze zur Sulfid enthaltenden Spritze.Stellen Sie die Spritzenpumpe so um, dass sie die Lösung mit zwei Millilitern pro Stunde injiziert, und drücken Sie auf Start, um die Natriumsulfidlösung drei Stunden lang mit dieser Geschwindigkeit zuzuführen. Sobald die primäre Injektionslösung in die Reservoirlösung eingeleitet wird, beginnt sich am Flüssigkeitsinterface ein chemischer Gartenniederschlag zu bilden, und diese Struktur wächst während der Injektion weiter an. Unter umgebungsadaptierter Rasterelektronenmikroskopie erschienen die primären Niederschläge in Gegenwart von Alanin runder und amorpher, während reine Eisenoxihydroxid-Niederschläge sowie solche, die Pyrophosphat enthielten, nach der primären Injektion kristalliner wirkten. Das Potential stieg tendenziell sofort auf etwa 0,45 bis 0,55 Volt an, nahm dann etwa eine Stunde lang ab und stabilisierte sich anschließend für den Rest der primären Injektion bei etwa 0,1 bis 0,2 Volt.Wenn die primären Spritzen auf die sekundären Spritzen mit Natriumsulfid umgestellt wurden, wuchs der chemische Garten weiter, wobei die sichtbaren neuen Wucherungen nun aus schwarzem Eisensulfid bestanden. Anstatt zu den bestehenden Wänden beizutragen, verzweigten sich die schwarzen Sulfidanteile des chemischen Gartens und wuchsen separat weiter. Sobald die Sulfid-Injektionslösung den chemischen Garten erreichte, stieg das Membranpotential unmittelbar auf etwa 0,9 Volt an.Es gibt viele mögliche Kombinationen von Lösungen, die Sie zum Züchten Ihrer chemischen Gärten verwenden können. Es ist außerdem möglich, die Injektionsgeschwindigkeit von einer höheren auf eine niedrigere zu ändern und die primäre Injektion jederzeit während des Experiments in eine sekundäre umzuwandeln, solange Ihre Struktur des chemischen Gartens vollständig ausgebildet ist. Natriumsulfidlösungen setzen Schwefelwasserstoffgas frei, das äußerst gefährlich ist.Natriumsulfid-Behälter und Lösungen, die Sulfid enthalten, müssen stets im Abzug geöffnet und gemäß den Anweisungen des Sicherheitsdatenblatts gehandhabt werden; sowohl verwendete als auch unbenutzte Lösungen müssen als gefährlicher Abfall entsorgt werden. Hydrothermale Schornsteine, wie wir sie gerade im Labor wachsen sahen, bestehen aus porösen Mineralien, im Wesentlichen Eisen-Sulfiden und Eisen-Hydroxiden. Und wir vermuten, dass sie als Katalysatoren für das frühe Leben wirken, und sie ähneln strukturell stark den Katalysatoren und Enzymen, die bis heute sogar in unserer eigenen Haut vorkommen.Dieses Experiment kann verwendet werden, um verschiedene geologische Umgebungen zu simulieren, ist aber auch aus materialwissenschaftlicher Sicht anwendbar, da großes Interesse daran besteht, zu erforschen, wie das Wachstum dieser selbstorganisierenden Strukturen durch die gezielte Variation der experimentellen Parameter gesteuert werden kann, und um möglicherweise Strukturen und Materialien zu erzeugen, die als Katalysatoren für verschiedene Reaktionen fungieren könnten.

chemical-gardens-as-flow-through-reactors-simulating-natural

Research

Forschung

JoVE Journal

Chemistry

Chemie

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Es wird ein Protokoll beschrieben, um das Kohlendioxid im Rauchgas von Erdgaskraftwerken zu nutzen, um Mikroalgen in offenen Laufsteichen zu kultivieren. Die Rauchgasinjektion wird mit einem pH-Sensor gesteuert, und das Wachstum von Mikroalgen wird mit Echtzeitmessungen der optischen Dichte überwacht.

Kopplung der Kohlenstoffabscheidung aus einem Kraftwerk mit halbautomatischen offenen Laufsteichen für die Mikroalgenzucht

Das Ziel dieses Protokolls ist es, simulierte hydrothermale Schornsteine durch chemische Garteninjektionsexperimente zu bilden und einen thermischen Gradienten über die anorganische Niederschlagsmembran einzuführen, wobei ein 3D-druckbarer Kondensator verwendet wird, der für Bildungszwecke reproduziert werden kann.

Simulation von hydrothermalen Schornsteinen der frühen Erde in einer Umgebung mit thermischem Gradienten

Ein detailliertes, skalierbares kontinuierliches Durchflussprotokoll wird vorgestellt, um ein Arylfluorid aus einem Arylamin durch die Balz-Schiemann-Reaktion zu synthetisieren.

Ein skalierbares Balz-Schiemann-Reaktionsprotokoll in einem kontinuierlichen Durchflussreaktor

Dieses Protokoll beschreibt den Zusammenbau von Mini-Bioreaktor-Arrays, die für die kontinuierliche Durchflusskultur komplexer Stuhlgemeinschaften unter anaeroben Bedingungen verwendet werden sollen. Wir besprechen auch die Methoden für den Zusammenbau, die Inokulation und die Probenahme der Reaktoren für die weitere Analyse.

Bioreaktor-Assemblierung für die kontinuierliche Kultivierung komplexer Stuhlgemeinschaften

Aufbereitungsanlagen für Pflanzenkläranlagen werden seit Jahrzehnten zur Abwasseraufbereitung eingesetzt, aber ihre Anwendung zur Behandlung von Ölsanden, die vom Prozess betroffen sind, ist relativ neu. Um dieses Potenzial zu erforschen, werden ein Oberflächenströmungs-Mesokosmen-Design und experimentelle Methoden skizziert. Dieser Ansatz zielt darauf ab, unser Verständnis der wichtigsten Designparameter zu verbessern und die Wirksamkeit der Behandlung zu verbessern.

Mesokosmenskalige Planung von Pflanzenkläranlagen für die Abwasserbehandlung

Erfahren Sie, wie chemische Gärten als Durchflussreaktoren natürliche hydrothermale Schornsteine simulieren. Diese Methode untersucht die Entstehung selbstorganisierender Strukturen und deren Bedeutung für die Ursprünge des Lebens.

Chemische Gardens als Durchflussreaktoren Simulation natürlicher Hydrothermale Systeme

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