Name: Chemische Gardens als doorstroomreactoren simuleren Natural Hydrothermal Systems (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-11-18T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 55 s
Description: Ontdek hoe chemische gardens natuurlijke hydrothermale schoorstenen simuleren door vloeistofinjectie onder anoxische omstandigheden. Deze methode meet membraanpotentialen en genereert zelfassemblerende structuren voor onderzoek naar de oorsprong van leven.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dit onderzoek werd uitgevoerd bij het Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, in het kader van een contract met de National Aeronautics and Space Administration. We danken de ondersteuning van het NASA Astrobiology Institute (Icy Worlds). L.M.B. wordt ondersteund door de NAI via het NASA Postdoctoral Program, beheerd door Oak Ridge Associated Universities via een contract met NASA. J.E.N. werd ondersteund via een US Department of Education PR/Award #: P031C110019, beheerd via Citrus College. We danken de nuttige discussies met leden van de NAI Thermodynamics, Disequilibrium, and Evolution Focus Group en het Blue Marble Space Institute of Science.

1. Veiligheidsoverwegingen <ol><li> Gebruik persoonlijke beschermingsmiddelen (laboratoriumjas, veiligheidsbril, nitril, goede schoenen) om te voorkomen dat tegen chemische morsen of letsel. Gebruik spuiten en naalden, en zorg om geen handschoenen doorboren. Pas tijdens experiment opgezet om de inrichting op lekkage controleren door het uitvoeren van de eerste injectie met dubbel gedestilleerd H2 O (DDH 2 O), en de stabiliteit van de reactieflesjes op de stand controleren vóór toevoeging van chemicaliën. </li><li> Verbinden dit experiment met alle chemicaliën tuin recept, maar een van de reactanten die we gebruiken simuleren diepzee openingen een gevaarlijk chemisch, natrium sulfide; Daarom doet het hele experiment in een zuurkast om blootstelling te voorkomen. <ol><li> Open alleen de fles van natrium in de zuurkast en plaats een balans in de zuurkast voor het wegen van sulfide. Altijd-sulfide bevattende oplossingen in de zuurkast als ze vrijkomen giftige H2S gas, en ook Sulfid houdene vloeistof, slijpsel, en vast afval containers in de zuurkast. Een andere reactant van belang Fe (II) Cl2 • 4H 2 O, die oxideert bij blootstelling aan lucht, dus zorg oplossingen anoxische houden en chemische tuinen (bijvoorbeeld N2 of Ar), altijd binnen groeien onder anoxische headspace een zuurkast of handschoenenkastje. </li></ol></li></ol> 2. Setup voor injectie Experimenten <ol><li> Maak glas &quot;injectieflacons&quot; door het afsnijden van de onderste 1 cm van een 100 ml heldere glazen golfplaat boven serum fles (20 mm krimpzegel sluiting type) met een glassnijder zodat wanneer omgekeerd, het schip is open aan de lucht. Aangezien deze zijn herbruikbaar, het reinigen van de flesjes in een 1 M HCl zuurbad O / N, en dan goed afspoelen met DDH 2 O voor een nieuw experiment. </li><li> Bereid de injectieflacons (figuur 1). <ol><li> Verzamel een 20 mm septum, 20 mm aluminium krimp afdichting en een 0,5-10 pl plastic pipet tip. Met behulp van een 16 G injectiespuit needle zorgvuldig doorboren een gat door het midden van het septum, verwijder dan de naald in de daarvoor bestemde afvalbak weggooien. </li><li> Plaats de pipet in de naald gat in de zijkant van de rubber septum dat zal worden geconfronteerd in de krimp bovenkant van de flacon. Duw de pipetpunt door het septum, zodat het steekt er aan de andere kant. </li><li> Krimp-verzegelen het septum met een pipet tip op de injectie vaartuig naar een waterdichte afdichting te maken. Wanneer verzegeld, duw de pipet tip verder door het septum, zodat het uitsteekt buiten. </li><li> Bevestig 1/16 &quot;binnendiameter duidelijke flexibele chemisch bestendige slang aan op de pipetpunt (slang lengte moet bereiken van de injectieflacon om de spuit pomp); schuift het voor een waterdichte afsluiting. Opmerking: Dit zal de injectiebuis, gevoed vanuit het andere uiteinde met een spuit met 16 G naald. </li><li> Controleer op lekkage: Plaats een 10 ml injectiespuit gevuld met DDH 2 O met een 16 G naald in het andere uiteinde van de buis(soepel schuif de slang recht op de naald en wees voorzichtig de wand van de buis niet te doorboren). Injecteer langzaam zodat de DDH 2 O beweegt de slang en in de bodem van het reactievat. Zorg ervoor dat de spuit / buis, buis / tip en krimp afdichtingen zijn waterdicht. </li></ol></li><li> Klem de injectieflacons op een stand in een zuurkast, zodat de injectie wordt ingevoerd vanaf de bodem van de flacon. Opmerking: Meerdere flacons kan worden opgezet in een keer en tegelijk gevoed door afzonderlijke spuiten. </li><li> Opgericht elektroden voor het meten van de membraanpotentiaal over de wand van de chemische tuinen. Gebruik altijd dezelfde conventie voor de voorsprong is &quot;binnen&quot; en die &quot;buiten&quot; van de chemische tuinen. <ol><li> Snijd een lengte van geïsoleerde draad (bijvoorbeeld koper) dat te bereiken vanuit de reactievaten om de leiding van de multimeter of data logger. Een klein beetje speling in de draden voor positionering. </li><li> Strip ~ 3 mm van deblote draad aan de uiteinden die zich bevinden in de reactieflacon. Aan de andere uiteinden die wordt aangesloten op de multimeter leads, strook ~ 1 cm draad. </li><li> Bevestig de draden in plaats membraanpotentiaal over de chemische tuin te meten. Voor de draad die zal gaan in de chemische tuin: steek hem in de opening van de pipet tip van die vloeistof zal worden meegenomen in het vat. </li><li> Duw de draad lichtjes contact met de injectieoplossing te verzekeren, maar niet zo ver dat het injectiedebiet verstoppen. Voor de buitenkant draad: plaats is zodat het in contact met de oplossing reservoir, maar niet de chemische neerslag tuin. </li><li> Tape of anderszins vastzetten van de draden zodat ze niet kunnen bewegen binnen de injectieflacon tijdens het experiment (figuur 2). </li><li> Bevestig de andere uiteinden van de draden met de multimeter en zet de draden zodat die uiteinden ook niet bewegen gedurende het experiment. </li></ol></li><li> Het opzetten van N 2 </sub&gt; gasleidingen die elk zullen worden verwerkt in een van de injectie flacons. <ol><li> Splits de gastoevoer vanuit een N2 bron in meerdere buizen, zodat er een N2 voer per injectieflacon. </li><li> Plaats elke N2 buis zodanig dat het voedt in de bovenruimte van één van de injectieflesjes. </li></ol></li></ol> 3. Voorbereiding van oplossingen voor Chemische Tuin Growth <ol><li> Bereid de reservoiroplossing, 100 ml voor elk experiment. Opmerking: In dit voorbeeld gebruikt 75 mM Fe2 + en 25 mM Fe3 + als kationen precipiterend (tabel 1). <ol><li> Maak anoxisch oplossingen door eerst borrelen de DDH 2 O met N 2 gas voor ~ 15 min per 100 ml. </li><li> Weeg en voeg de FeCl2 • 4H 2 O en FeCl3 • 6H 2 O en roer voorzichtig om op te lossen (niet krachtig, zodat zuurstof niet te introduceren). </li><li> Na reagentia worden opgelost, onmiddellijk resume licht borrelen van het Fe 2+ / Fe 3+ oplossing met N 2 gas terwijl injecties worden voorbereid. </li></ol></li><li> Kies twee van de primaire injectieoplossingen getoond in Tabel 1, en ​​bereid 10 ml elk. Vul een 10 ml spuit om de 7 ml markering met elk van de oplossingen (een spuit voor elke oplossing). Vervang de naald caps en zet apart. </li><li> Bereid 20 ml van de secundaire injectie-oplossing (sodium sulfide - LET). Weergegeven in tabel 1 Vul twee 10 ml spuiten om de 7 ml markering met deze oplossing, vervang de naald caps en zet apart. Altijd-sulfide bevattende oplossingen en spuiten in de zuurkast. </li><li> Vul de DDH 2 O spuiten van Stap 2.2.5; deze worden gebruikt om de injectiebuis spoelen. </li></ol> 4. Starten van de Primary Injection <ol><li> Gebruik de gewenste data logger voor membraanpotentiaal metingen; meten potentieel elk experiment op een separate kanaal en stel de scansnelheid tot het gewenste aantal datapunten geven (bijvoorbeeld een 2-uur injectie, opname mogelijkheden elke 30 seconden zou voldoende zijn). </li><li> Zet de primaire injectiespuiten op de programmeerbare spuit pomp in de zuurkast. </li><li> Gebruik een verspilling beker om druppels op te vangen en zet de spuit pomp te injecteren in een snel tempo tot spuiten zowel beginnen te druppelen in de beker. Stop dan de injectie (om te waarborgen dat de twee spuiten beginnen te injecteren op exact hetzelfde niveau). </li><li> Re-programma van de injectiepomp te injecteren 2 ml per uur (kalibreren voor het type van de spuit wordt gebruikt), maar niet geraakt start. </li><li> Plaats de DDH 2 O spuiten in de twee plastic injectiebuizen, en injecteer zodat het water vult de transparante slang tot aan de opening wanneer het hoofdreservoir binnenkomt. Plaats het spuiten op de stand, boven de injectieflesjes. </li><li> Giet 100 ml van de Fe2 + / Fe3 + reservoiroplossing in each flesje. </li><li> Stel de flow van de N 2 gasleidingen wens om het experiment anoxische voor de duur van de injectie houden. </li><li> Bestrijken voorzichtig het reservoir flesjes met een luchtdichte afdichting (bijvoorbeeld met behulp Parafilm, niet belemmeren het zicht door het glas) en breng een N2 voeding in elk flesje (figuur 3). </li><li> Breng de DDH 2 O spuiten (in de slang nog steeds geplaatst) omlaag naast de primaire injectiespuiten. Schuif de plastic injectie buis van de DDH 2 O injectienaald, en onmiddellijk overbrengen direct op één van de primaire injectiespuit naalden. (Zorg ervoor dat de wand van de slang niet doorboren.) </li><li> Start de injectie en registratie van membraanpotentiaal starten. </li></ol> 5. Het starten van de secundaire injectie: <ol><li> Hit stop op de injectiepomp na 3 uur (na 6 ml werden geïnjecteerd), eenmaal chemische tuin structuren hebben gevormd (Figure 4) voortdurend genereren van een membraanpotentiaal (figuur 5). </li><li> Haal de primaire injectiespuiten van de injectiepomp (maar laat ze aangesloten op de buis zodat de structuren zijn niet gestoord); zet ze op de stand boven het niveau van de vloeistof in de flacons zodat de vloeistof niet terug in de injectiespuit kan stromen. </li><li> Zet de secundaire injectie sulfide spuiten aan de spuit pomp, en herhaal de stappen 4.3 en 4.4. </li><li> Verwijder de secundaire spuiten een voor een van de spuitpomp, en, terwijl de spuiten boven het niveau van de vloeistof in de injectieflacons, herhaal stap 4,9, het overbrengen van de slang van de primaire naar de secundaire spuiten spuiten (Figuur 6). Waakzaam dat de vloeistofdruk uit het reservoir in de injectiespuit veroorzaakt geen vloeistof terugstromen in de spuit als het chemische tuin kan instorten. </li><li> Wanneer de overdracht is voltooid, zorgvuldig zet de secundaire spuiten aan The injectiepomp. </li><li> Herprogrammeer de injectiepomp te injecteren 2 ml per uur, en druk begint de injectie met het nieuwe injectieoplossing blijven. </li><li> Veilig verwijderen van de primaire injectiespuiten. </li></ol> 6. Het beëindigen van de Experiment <ol><li> Eerste stop de spuit pomp, dan stoppen met de opname van het membraan potentieel en opslaan van de gegevens. </li><li> Zet de N2-stroom en verwijder leidingen en Parafilm de injectie vaten. </li><li> Desgewenst proeven van de reservoiroplossing of bespoedigen voor verdere analyse. Het reservoir oplossing voorzichtig te verwijderen en de neerslag niet storen, gebruik dan een pipet 25 ml zorgvuldig pipet uit het reservoir oplossing in verschillende porties, en de oplossing in een beker afval weggooien. </li><li> De injectie schepen een voor een ontspanschakelaars en giet de oplossing in een overheveling van afval beker in de zuurkast. Gebruik DDH 2 O te spoelen stukken neerslag. </li><li> Verwijder het spuiten froben de spuit pomp, en haal ze van de buis, zodat extra injectievloeistof vandoor in de overheveling van afval beker. Leeg de spuiten in de afval beker, en gooi de spuiten in een sulfide slijpsel container in de zuurkast gehouden. </li><li> Verwijder de slang van het experiment flacon en gooi het in een stevige vuilniszak. Uncrimp het zegel en gooi het septum, seal, en pipet tip. </li><li> Spoel de glazen experiment flesje en laat deze in een 1 M HCl zuurbad O / N. (LET OP - glaswerk dat in contact is geweest met natrium sulfide zal giftige H2S gas los wanneer geplaatst in zuur Houd zuurbaden in de zuurkast..) </li></ol>

<ol><li>Leduc, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLeduc%2C+S+%22The+Mechanism+of+Life%22">The Mechanism of Life</a>. , Rebman. London. (1911).</li>
<li>Coatman, R. D., Thomas, N. L., Double, D. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Studies+of+the+growth+of+%E2%80%98%E2%80%98silicate+gardens%E2%80%99%E2%80%99+and+related+phenomena%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mater.+Sci%22%5BJournal%5D)">Studies of the growth of ‘‘silicate gardens’’ and related phenomena.</a> J. Mater. Sci. 15, 2017-2026 (1980).</li>
<li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+Chemical+Gardens+to+Chemobrionics%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">From Chemical Gardens to Chemobrionics.</a> Chem. Rev. 115 (16), 8652-8703 (2015).</li>
<li>Russell, M. J., Hall, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+onset+and+early+evolution+of+life%5BTitle%5D)+AND+%22GSA+Memoir%22%5BJournal%5D)">The onset and early evolution of life.</a> GSA Memoir. 198, 1-32 (2006).</li>
<li>Russell, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Drive+to+Life+on+Rocky+and+Icy+Worlds%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">The Drive to Life on Rocky and Icy Worlds.</a> Astrobiology. 14 (4), 308-343 (2014).</li>
<li>Macleod, G., Mckeown, C., Hall, A. J., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+and+oceanic+pH+conditions+at+4Ga+relevant+to+the+origin+of+life%5BTitle%5D)+AND+%22Origins+Life+Evol.+B%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal and oceanic pH conditions at 4Ga relevant to the origin of life.</a> Origins Life Evol. B. 24, 19-41 (1994).</li>
<li>Mielke, R. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+and+Test+of+a+Hydrothermal+Reactor+for+Origin%E2%80%90Of%E2%80%90Life+Experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">Fabrication and Test of a Hydrothermal Reactor for Origin‐Of‐Life Experiments.</a> Astrobiology. 10, 799-810 (2010).</li>
<li>Russell, M. J., Hall, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+emergence+of+life+from+iron+monosulphide+bubbles+at+a+submarine+hydrothermal+redox+and+pH+front%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Geol.+Soc.+Lond%22%5BJournal%5D)">The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front.</a> J. Geol. Soc. Lond. 154, 377-402 (1997).</li>
<li>Vance, S., Harnmeijer, J., Kimura, J., Hussmann, H., Demartin, B., Brown, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+systems+in+small+ocean+planets%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal systems in small ocean planets.</a> Astrobiology. 7, 987-1005 (2007).</li>
<li>Ehlmann, B. L., Mustard, J. F., Murchie, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Geologic+setting+of+serpentine+deposits+on+Mars%5BTitle%5D)+AND+%22Geophys.+Res.+Lett%22%5BJournal%5D)">Geologic setting of serpentine deposits on Mars.</a> Geophys. Res. Lett. 37, L06201(2010).</li>
<li>Hsu, H. -W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ongoing+hydrothermal+activities+within+Enceladus%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Ongoing hydrothermal activities within Enceladus.</a> Nature. 519, 207-210 (2015).</li>
<li>Cartwright, J. H. E., García-Ruiz, J. M., Novella, M. L., Otálora, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+Chemical+Gardens%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Colloid+Interf.+Sci%22%5BJournal%5D)">Formation of Chemical Gardens.</a> J. Colloid Interf. Sci. 256, 351-359 (2002).</li>
<li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+Iron-Phosphate-Silicate+Chemical+Garden+Structures%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Characterization of Iron-Phosphate-Silicate Chemical Garden Structures.</a> Langmuir. 28, 3714-3721 (2012).</li>
<li>Glaab, F., Kellermeier, M., Kunz, W., Morallon, E., García-Ruiz, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+and+Evolution+of+Chemical+Gradients+and+Potential+Differences+Across+Self-Assembling+Inorganic+Membranes%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Edit%22%5BJournal%5D)">Formation and Evolution of Chemical Gradients and Potential Differences Across Self-Assembling Inorganic Membranes.</a> Angew. Chem. Int. Edit. 124, 4393-4397 (2012).</li>
<li>Pagano, J. J., Thouvenel-Romans, S. T., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Compositional+analysis+of+copper%E2%80%93silica+precipitation+tubes%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Compositional analysis of copper–silica precipitation tubes.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 110-116 (2006).</li>
<li>Parmar, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+cobalt+precipitation+tube+synthesized+through+%E2%80%9Csilica+garden%E2%80%9D+route%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Charact%22%5BJournal%5D)">Characterization of cobalt precipitation tube synthesized through “silica garden” route.</a> Mater. Charact. 60, 863-868 (2009).</li>
<li>Parmar, K., Pramanik, A. K., Bandyopadhya, N. R., Bhattacharjee, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+and+characterization+of+Fe%28III%29-silicate+precipitation+tubes%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Res.+Bull%22%5BJournal%5D)">Synthesis and characterization of Fe(III)-silicate precipitation tubes.</a> Mater. Res. Bull. 45, 1283-1287 (2010).</li>
<li>Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemical-Garden+Formation%2C+Morphology%2C+and+Composition.+I.+Effect+of+the+Nature+of+the+Cations%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. I. Effect of the Nature of the Cations.</a> Langmuir. 27, 3286-3293 (2011).</li>
<li>Stone, D. A., Goldstein, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tubular+precipitation+and+redox+gradients+on+a+bubbling+template%5BTitle%5D)+AND+%22P.+Natl.+Acad.+Sci.+USA%22%5BJournal%5D)">Tubular precipitation and redox gradients on a bubbling template.</a> P. Natl. Acad. Sci. USA. 101 (32), 11537-11541 (2004).</li>
<li>Makki, R., Ji, X., Mattoussi, H., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-Organized+Tubular+Structures+as+Platforms+for+Quantum+Dots%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Self-Organized Tubular Structures as Platforms for Quantum Dots.</a> J. Am. Chem. Soc. 136, 6463-6469 (2014).</li>
<li>Long, D. -L., Tsunashima, R., Cronin, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polyoxometalates%3A+Building+Blocks+for+Functional+Nanoscale+Systems%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Edit%22%5BJournal%5D)">Polyoxometalates: Building Blocks for Functional Nanoscale Systems.</a> Angew. Chem. Int. Edit. 49, 1736-1758 (2010).</li>
<li>Mielke, R. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Iron-Sulfide-Bearing+Chimneys+as+Potential+Catalytic+Energy+Traps+at+Life%E2%80%99s+Emergence%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">Iron-Sulfide-Bearing Chimneys as Potential Catalytic Energy Traps at Life’s Emergence.</a> Astrobiology. 11, 933-950 (2011).</li>
<li>Roszol, L., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlling+the+Wall+Thickness+and+Composition+of+Hollow+Precipitation+Tubes%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Controlling the Wall Thickness and Composition of Hollow Precipitation Tubes.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 20100(2011).</li>
<li>Ludwig, K. A., Kelley, D. S., Butterfield, D. A., Nelson, B. K., Früh-Green, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+and+evolution+of+carbonate+chimneys+at+the+Lost+City+Hydrothermal+Field%5BTitle%5D)+AND+%22Geochim.+Cosmochim.+Ac%22%5BJournal%5D)">Formation and evolution of carbonate chimneys at the Lost City Hydrothermal Field.</a> Geochim. Cosmochim. Ac. 70, 3625-3645 (2006).</li>
<li>Russell, M. J., Hall, A. J., Turner, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vitro+growth+of+iron+sulphide+chimneys%3A+possible+culture+chambers+for+origin-of-life+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Terra+Nova%22%5BJournal%5D)">In vitro growth of iron sulphide chimneys: possible culture chambers for origin-of-life experiments.</a> Terra Nova. 1, 238-241 (1989).</li>
<li>Russell, M. J., Daniel, R. M., Hall, A. J., Sherringham, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+hydrothermally+precipitated+catalytic+iron+sulphide+membrane+as+a+first+step+toward+life%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mol.+Evol%22%5BJournal%5D)">A hydrothermally precipitated catalytic iron sulphide membrane as a first step toward life.</a> J. Mol. Evol. 39 (3), 231-243 (1994).</li>
<li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pyrophosphate+Synthesis+in+Iron+Mineral+Films+and+Membranes+Simulating+Prebiotic+Submarine+Hydrothermal+Systems%5BTitle%5D)+AND+%22Geochim.+Cosmochim.+Ac%22%5BJournal%5D)">Pyrophosphate Synthesis in Iron Mineral Films and Membranes Simulating Prebiotic Submarine Hydrothermal Systems.</a> Geochim. Cosmochim. Ac. 128, 1-12 (2014).</li>
<li>McGlynn, S. E., Kanik, I., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Peptide+and+RNA+contributions+to+iron-sulphur+chemical+gardens+as+life%27s+first+inorganic+compartments%2C+catalysts%2C+capacitors+and+condensors%5BTitle%5D)+AND+%22Philos.+T.+R.+Soc.+S-A%22%5BJournal%5D)">Peptide and RNA contributions to iron-sulphur chemical gardens as life's first inorganic compartments, catalysts, capacitors and condensors.</a> Philos. T. R. Soc. S-A. 370, 3007-3022 (2012).</li>
<li>Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, C. I., Stocieck, L. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemical-Garden+Formation%2C+Morphology%2C+and+Composition.+II.+Chemical+Gardens+in+Microgravity%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. II. Chemical Gardens in Microgravity.</a> Langmuir. 27, 3294-3300 (2011).</li>
<li>Thouvenel-Romans, S., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Oscillatory+Growth+of+Silica+Tubes+in+Chemical+Gardens%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Oscillatory Growth of Silica Tubes in Chemical Gardens.</a> J. Am. Chem. Soc. 125, 4338-4341 (2003).</li>
<li>Batista, B. C., Cruz, P., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+Hydrodynamic+Plumes+to+Chemical+Gardens%3A+The+Concentration-Dependent+Onset+of+Tube+Formation%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">From Hydrodynamic Plumes to Chemical Gardens: The Concentration-Dependent Onset of Tube Formation.</a> Langmuir. 30, 9123-9129 (2014).</li>
<li>Herschy, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+origin-of-life+reactor+to+simulate+alkaline+hydrothermal+vents%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mol.+Evol%22%5BJournal%5D)">An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents.</a> J. Mol. Evol. 79, 213-227 (2014).</li>
<li>Yamaguchi, A., Yamamoto, M., Takai, K., Ishii, T., Hashimoto, K., Nakamura, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+CO2+Reduction+by+Ni-containing+Iron+Sulfides%3A+How+Is+CO2+Electrochemically+Reduced+at+Bisulfide-Bearing+Deep-sea+Hydrothermal+Precipitates%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Electrochemical CO2 Reduction by Ni-containing Iron Sulfides: How Is CO2 Electrochemically Reduced at Bisulfide-Bearing Deep-sea Hydrothermal Precipitates?</a> Electrochim. Acta. 141, 311-318 (2014).</li>
<li>Hansen, H. C. B., Guldberg, S., Erbs, M., Koch, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kinetics+of+nitrate+reduction+by+green+rusts%E2%80%94effects+of+interlayer+anion+and+Fe+%28II%29%3A+Fe+%28III%29+ratio%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Clay+Sci%22%5BJournal%5D)">Kinetics of nitrate reduction by green rusts—effects of interlayer anion and Fe (II): Fe (III) ratio.</a> Appl. Clay Sci. 18 (1), 81-91 (2001).</li>
<li>Trolard, F., Bourrié, G. Fougerite a natural layered double hydroxide in gley soil: habitus, structure, and some properties. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTrolard%2C+F+%22Clay+Minerals+in+Nature+-+Their+Characterization%2C+Modification+and+Application%22">Clay Minerals in Nature - Their Characterization, Modification and Application</a>. , InTech. (2012).</li>
<li>van Oss, C. J. Specifically Impermeable Precipitate Membranes. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3avan+Oss%2C+CJ+%22Surface+and+Colloid+Science%22">Surface and Colloid Science</a>. , Springer. US. 115-144 (1984).</li>
<li>Baaske, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extreme+accumulation+of+nucleotides+in+simulated+hydrothermal+pore+systems%5BTitle%5D)+AND+%22P.+Natl.+Acad.+Sci.+USA%22%5BJournal%5D)">Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems.</a> P. Natl. Acad. Sci. USA. 104, 9346-9351 (2007).</li>
</ol>

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

De vorming van een chemische structuur tuin via injectiemethode kan worden bewerkstelligd door interfacing twee oplossingen met reactieve ionen die een neerslag produceren. Er zijn vele mogelijke reactiesystemen die neerslag structuren produceren en het vinden van de juiste recept van reactieve ionen en concentraties groeien een gewenste structuur is een kwestie van trial and error. Het debiet van de injectievloeistof wordt geregeld door een programmeerbare spuitpomp en dit kan ook worden gevarieerd tussen experimenten ...

&quot;Chemische tuinen&quot; zijn zelfassemblerende anorganische neerslagen ontwikkeld waar twee vloeistoffen van contrasterende chemische interactie 1,2. Deze zelfassemblerende anorganische structuren zijn het onderwerp van wetenschappelijke belangstelling voor meer dan een eeuw deels te wijten aan hun biomimetische uiterlijk geweest, en vele experimentele en theoretische studies zijn gevolgd om de diverse complexe aspecten en mogelijke functies van chemische tuin systemen 3 begrijpen. Natuurlijke voorbeelden van chemische tuinen omvatten minerale &quot;schoorsteen&quot; neerslagen die groeien rond hydrothermale bronnen en sijpelt, en het is betoogd dat deze plausibele omgevingen voor het leven te voorschijn 4 zou kunnen bieden. Om een ​​chemische tuin een natuurlijke hydrothermale vent schoorsteen simuleren groeien, moet een reservoir oplossing een gesimuleerde oceaan samenstelling en een injectie-oplossing moet de hydrothermale vloeistof die zich voedt in de oceaan te vertegenwoordigen. De veelzijdigheid van dit soort of experiment om andere reactie systemen maakt voor de simulatie van bijna elke voorgestelde oceaan / hydrothermale vloeistof chemie, met inbegrip van omgevingen op de vroege Aarde of op andere werelden. Op de vroege aarde, zou de oceanen anoxische, zuur (pH 5-6) zijn, en zou bevatte opgelost atmosferische CO 2 en Fe 2+, Fe en III, Ni2 +, Mn2 +, NO 3- en NO 2. Chemische reacties tussen het zeewater en de ultramafic oceaan aardkorst zou hebben een alkalische hydrothermale vloeistof met waterstof en methaan, en in sommige gevallen sulfide (HS -) 4-8. De schoorstenen gevormd vroege aarde alkalische vent omgevingen kan dus ferro- / ferri oxyhydroxides en ijzer / nikkel sulfiden hebben bevat, en het is voorgesteld dat deze mineralen kunnen hebben gediend specifieke katalytische en proto-enzymatische functies richting benutten geochemische redox / pH gradiënten rijden de opkomst van Metabolism 5. Ook op andere werelden, zoals die kunnen hosten (of kan hebben hosted) water / rock interfaces - zoals begin van Mars, Jupiter&#39;s maan Europa, of de Saturnusmaan Enceladus - het is mogelijk dat het water / rock chemie alkaline vent omgevingen in staat zou kunnen genereren rijden prebiotische scheikunde of zelfs het verstrekken van bewoonbaar niches voor bestaande leven 5,9-11. De klassieke chemische tuin experiment omvat een entkristal van een metaalzout, zoals ferrochloride tetrahydraat FeCl 2 • 4H 2 O, ondergedompeld in een oplossing die reactieve anionen, zoals natriumsilicaat of &quot;waterglas&quot;. Het metaalzout lost, tot een zure oplossing die Fe2 + die interfaces met de meer basische oplossing (bevattende silicaat anionen en OH -) en een anorganisch membraan neerslag gevormd. Het membraan zwelt onder osmotische druk, uitbarstingen, vervolgens opnieuw neerslaat at de nieuwe vloeistof interface. Dit proces wordt herhaald totdat de kristallen worden opgelost, resulterend in een verticaal georiënteerde, zelf georganiseerde precipitaat structuur met complexe morfologie zowel macro- als microniveau. Deze precipitatie leidt tot de voortdurende scheiding van chemisch contrasterende oplossingen in de anorganische chemische tuin membraan en het verschil van geladen deeltjes door het membraan levert een membraanpotentiaal 12-14. Chemische tuinconstructies zijn complex, vertonen compositionele gradiënten van interieur tot exterieur 13,15-19 en de wanden van de structuur te handhaven scheiding tussen contrasterende oplossingen langdurig terwijl de resterende ietwat permeabel voor ionen. Naast het feit dat een ideale experiment voor educatieve doeleinden (zoals ze zijn eenvoudig te maken voor klassikale demonstraties en kunnen leerlingen over chemische reacties en zelforganisatie te voeden), chemische tuinen hebben wetenschappelijke betekenis als representaties van zelf-assembly in dynamische, ver uit-evenwichtssystemen, waarbij werkwijzen die kunnen leiden tot de productie van interessante en bruikbare materialen 20,21. Chemische tuinen in het laboratorium kan worden gekweekt via injectie werkwijzen, waarbij de oplossing die een precipiterend ion wordt langzaam geïnjecteerd in de tweede oplossing die het co-precipiteren ion (of ionen). Dit resulteert in de vorming van chemische tuin structuren vergelijkbaar met die van de kristalgroei experimenten, behalve dat de eigenschappen van het systeem en het neerslag beter kunnen worden beheerst. De injectiemethode biedt een aantal belangrijke voordelen. Het maakt het mogelijk om een chemische tuin vormen waarbij men elke precipiteren of opgenomen species, bijvoorbeeld, kunnen meerdere precipiterend ionen in een oplossing opgenomen en / of andere niet precipiterende bestanddelen kunnen in ofwel oplossing adsorberen / reageren met het neerslag . De membraanpotentiaal gegenereerd in een chemischtuin kan worden gemeten in een injectie experiment als een elektrode wordt opgenomen in het inwendige van de structuur, waardoor elektrochemische studie van het systeem. Injectie experimenten bieden de mogelijkheid om de injectievloeistof te voeren in het inwendige van de chemische tuin voor tijdframes gecontroleerd door variatie van de injectiesnelheid of totale geïnjecteerde volume; Het is daarom mogelijk om doorwerken verschillende oplossingen opeenvolgend en gebruik het neergeslagen structuur als val of reactor. Gecombineerd, deze technieken zorgen voor laboratorium simulaties van de complexe processen die zou kunnen hebben voorgedaan in een natuurlijke chemische tuin systeem op een onderzeese hydrothermale vent, met inbegrip van een schoorsteen gevormd uit vele gelijktijdige neerslagreacties tussen oceaan en ontluchten vloeistof (bijvoorbeeld de productie van metaalsulfiden, hydroxiden en / of carbonaten en silicaten) 5,22. Deze technieken kunnen ook worden toegepast op elke chemische tuin reactiesysteem om voor vorming van nieuwe typesmaterialen, bijvoorbeeld gelaagde buizen of buizen met geadsorbeerde reactieve species 20,23. We detail hier een voorbeeld experiment dat de gelijktijdige groei van twee chemische tuinen Fe 2+ bevattende structuren in een zuurstofloze omgeving omvat. In dit experiment opgenomen we sporen van polyfosfaten en / of aminozuren in de oorspronkelijke injectieoplossing hun effect op de acht. Na de initiële vorming van de chemische tuin toen overgestapt we de injectie oplossing voor sulfide te introduceren als een secundaire precipiterende anion. Metingen van membraanpotentialen werden automatisch gedurende het hele experiment. Dit protocol beschrijft hoe twee experimenten tegelijk met een dual injectiepomp draaien; de gegevens weergegeven die nodig meerdere runs van deze procedure. De relatief hoge stroomsnelheden, lage pH van het reservoir en reactant concentraties in onze experimenten zijn ontworpen om grote schoorsteen vormen neerslaat op tijd scaal geschikt voor eendaagse laboratoriumexperimenten. Echter, fluïdumstroomsnelheden aan natuurlijke bronnen hydrothermische meer diffuus zijn en de concentratie van de precipitatie reactanten (bijvoorbeeld Fe en S in een vroeg aardsysteem) kan een orde van grootte lager 4 zijn; aldus zouden gestructureerd neerslagen vormen over langere tijdschalen en de aars kan actief tienduizenden jaren 24,25.

<table><tbody><tr><td>Spuitpomp</td><td>Fisher</td><td>14-831-3</td><td>Dubbel of meerdere kanalen, afhankelijk van het gewenste aantal gelijktijdige experimenten</td></tr><tr><td>Ferrochloride tetrahydraat</td><td>Fisher</td><td>I90500</td><td>Ferrochloride tetrahydraat (Kristallijn/Gecertificeerd)</td></tr><tr><td>Ferrichloride hexahydraat</td><td>Fisher</td><td>I88-100</td><td>Ferrichloride Hexahydraat (Brokken/Gecertificeerd ACS)</td></tr><tr><td>Natriumhydroxide</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5881</td><td>reagenskwaliteit, &ge;98%, pellets (watervrij)</td></tr><tr><td>Natriumsulfide nonahydraat</td><td>Fisher</td><td>S425212</td><td>Natriumsulfide nonahydraat (Kristallijn/Gecertificeerd ACS). Bewaren bij -20&nbsp;&#176;C. Alleen openen in een handschoenenkast of afzuigkap. Geeft giftig H2S gas vrij; alle sulfidehoudende oplossingen moeten in een handschoenenkast of afzuigkap worden bewaard.</td></tr><tr><td>Kaliumpyrofosfaat</td><td>Sigma-Aldrich</td><td><a href="http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/322431?lang=en&amp;region=US">322431</a></td><td>97%</td></tr><tr><td>L-Alanine</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>Spuiten (10&nbsp;cc)</td><td>Fisher</td><td>14-823-16E</td><td>BD&trade; Spuit met Luer-Lok-tip (Zonder naald)</td></tr><tr><td>Spuitnaalden (16&nbsp;gauge)</td><td>Fisher</td><td>14-826-18B</td><td>BD&trade; Naalden voor algemeen gebruik en PrecisionGlide hypodermische naalden, 16&nbsp;G x 1.5 in. (38&nbsp;mm)</td></tr><tr><td>Slangen</td><td>Cole Parmer</td><td>EW-06407-71</td><td>Tygon Lab-slang, DEHP-vrij, 1/16" ID x 1/8" OD</td></tr><tr><td>Aluminium afdichtingen</td><td>Fisher</td><td>0337523C</td><td>Thermo Scientific&trade; National&trade; Headspace 20&nbsp;mm Krimpverbindingsverbindingen</td></tr><tr><td>Grijze butylkurken</td><td>Fisher</td><td>0337522AA</td><td>Thermo Scientific&trade; National&trade; 20&nbsp;mm Septa voor Headspace-flesjes</td></tr><tr><td>Serumflessen</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>33110-U</td><td>Flesjes, krimptop, serumfles, maat 100 ml, helder glas, O.D. &times; H 51,7 mm &times; 94,5 mm. Voor deze experimenten moet de bodem van de serumfles worden afgesneden.</td></tr><tr><td>Pipettipjes</td><td>VWR</td><td>53511-682</td><td>pipettipjes 0,5-10 &#956;l</td></tr><tr><td>Draad</td><td>McMaster-Carr</td><td>8073K661</td><td>Solid Single-Conductor Wire, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC</td></tr></tbody></table>

chemische gardens als doorstroomreactoren simuleren natural hydrothermal systems

Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems

Hier rapporteren we experimentele simulaties van de groei van hydrothermale schoorstenen met behulp van injectiemethoden voor chemische tuinen. De veelzijdigheid van dit type experiment maakt het mogelijk om verschillende voorgestelde oceaan-/hydrothermale vloeistofchemieën te testen die reacties naar de oorsprong van het leven in omgevingen op de vroege Aarde, vroege Mars of zelfs andere werelden zoals de ijzige manen van de buitenplaneten kunnen hebben aangedreven. We tonen experimenten die de groei van chemische tuinstructuren onder anaërobe omstandigheden simuleren die de vroege Aarde nabootsen, de opname van sporencomponenten van fosfaten/organische stoffen in de injectieoplossing om ze in de structuur op te nemen, een wisseling van de injectieoplossing om een secundair precipiterend anion te introduceren, en de meting van membraanpotentialen gegenereerd door chemische tuinen. Met behulp van deze methode werden zelfassemblante chemische tuinstructuren gevormd die de natuurlijke schoorstenen nadoen die worden geprecipiteerd bij onderwater hydrothermale bronnen, en deze precipitaat kunnen met succes worden gebruikt als doorstromingsreactoren door meerdere opeenvolgende “hydrothermale” injecties toe te dienen.

Zodra de injectieoplossing begon te voeden in de reservoiroplossing, een chemische tuin precipitaat begon te vormen in de vloeistof interface en deze structuur blijven groeien tijdens de injectie (Figuren 4-7). In de hier gerapporteerde experimenten, de eerste injectie werd natriumhydroxide (die kan worden aangepast om L-alanine en / of pyrofosfaat bevatten), en de voorraadoplossing werd een 1: 3 mengsel van Fe 3+ / Fe 2+, waardoor een gemengde -redox-state ijzeroxyhydroxide neersl...

We beschrijven de vorming van chemische tuinen via injectie-experimenten die laboratoriumsimulaties mogelijk maken van natuurlijke chemische tuinsystemen die zich vormen bij onderwater hydrothermale bronnen.

Chemische Gardens als doorstroomreactoren simuleren Natural Hydrothermal Systems

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

Het algemene doel van het volgende experiment is om natuurlijke schoorstenen die zijn neergeslagen bij submarine hydrothermale bronnen van de vroege aarde te simuleren, waarbij chemische tuinexperimenten worden gebruikt om deze zelfassemblerende structuren op kleine schaal te genereren. Dit wordt bereikt door eerst twee oplossingen voor te bereiden. De ene oplossing simuleert de samenstelling van het zeewater op de vroege aarde, en de andere oplossing simuleert een alkalische hydrothermale vloeistof die is ontstaan door water-gesteente-reacties.Vervolgens wordt een apparaat opgesteld zodat de hydrothermale vloeistof in een reservoir van de gesimuleerde oceaan kan worden geïnjecteerd onder een anoxische atmosfeer. Als derde stap worden elektroden geplaatst om de spanning tussen de hydrothermale en oceanische oplossingen tijdens de injectie te meten. Ten slotte wordt de hydrothermale oplossing langzaam in de bodem van een vial geïnjecteerd die de gesimuleerde oceaanoplossing bevat, waarbij de natuurlijke sijpeling van ventvloeistof uit de oceaankorst en in het omringende zeewater wordt nagebootst.De resultaten tonen aan dat er een mineraalprecipitaat wordt gevormd op de interface van de oceaan en hydrothermale oplossingen, en dat dit zich ontwikkelt tot een zelf-assemblerende chemische tuinstructuur die lijkt op een natuurlijke hydrothermale schoorsteen onder water. Hydrothermale schoorstenen zijn net als natuurlijke chemische tuinen. Men denkt dat ze op aarde ongeveer 4,4 miljard jaar geleden zijn ontstaan en ze bestaan grotendeels uit ijzersulfiden en ijzerhydroxiden, met een kleine hoeveelheid silica.En ze gedragen zich als een huid; ze ontstaan op plaatsen waar alkalische oplossingen in de oceaan terechtkomen, die enigszins zuur is. Op de interface tussen deze twee slaan deze mineralen neer, waardoor het, zoals ik al zei, lijkt op een huid. In feite zou men ze kunnen vergelijken met het leven zoals we dat vandaag de dag kennen.En dat is dat het leven, net als wij bijvoorbeeld, de neiging heeft om een alkalisch interieur te hebben. En het heeft eerder de neiging om van zure exterieurs te houden. Ik bedoel, ik kan wellicht lichtzinnig zeggen dat we houden van een shampoo met een pH van 5,5.We houden bijvoorbeeld van zure frisdranken. Maar we drinken ook graag alkalische dranken om gezond te blijven, want uiteindelijk zijn onze interne systemen gezond, net als natuurlijke chemische tuinen. En wat we vandaag in het laboratorium hebben gezien, is het feit dat het binnenste van deze chemische tuinen alkalisch is.De buitenkant is zuur. Het is enigszins geoxideerd, en wat er gebeurt is dat deze chemische tuinen een chemische gradiënt over de twee heen opleggen, chemische gradiënten van pH en redox, en deze telden op tot ongeveer een halve volt, wat ongeveer de hoeveelheid elektrochemische energie is die nodig is om het leven aan te drijven. We zijn van mening dat dit precies goed was om het leven in eerste instantie te laten ontstaan in een van deze chemische tuinen op de oceaanbodem 4 miljard jaar geleden.Dit experiment stelt ons in staat om verschillende planetaire condities te simuleren, zoals oceanen, hydrothermale vloeistoffen en atmosferen, maar laat ons ook de effecten simuleren van het wijzigen van specifieke experimentele parameters en welk effect dat op het systeem zal hebben. Oorspronkelijk bestudeerden we chemische tuinen die direct groeiden vanuit kristallen in reageerbuizen, maar we waren niet in staat om het membraanpotentiaal te meten omdat we geen draad direct in het membraan zelf konden plaatsen. Om dit te kunnen doen, hebben we een nieuwe methode ontwikkeld.Het betreft een injectiemethode waarbij we hydrothermale simulant in oceaanvloeistof in een reservoir hebben geïnjecteerd. Dit stelde ons in staat om een geautomatiseerde datalogger te gebruiken om de membraanpotentiaal te meten tijdens de groei van het membraan. Degenen die nieuw zijn met deze methode kunnen moeite hebben met het kweken van mooi gestructureerde chemische tuinen en het positioneren van de virus in de chi voor de spanningsmeting.Door middel van probleemoplossing kunnen deze problemen echter allemaal worden verholpen. Begin met het gebruik van een glasnijper om de bodem van een doorzichtig glazen serumflesje van 100 milliliter met crimp-top af te snijden voor gebruik als injectieflacon. Verzamel daarnaast een septum van 20 millimeter, een aluminium crimp-afdichting van 20 millimeter en een plastic pipetpunt van 0,5 tot 10 microliter.Prik met een naald van 16 gauge voorzichtig een gaatje door het midden van het septum, verwijder de naald vervolgens en gooi deze weg in de juiste container voor scherpe voorwerpen. Plaats daarna de pipetpunt in het gaatje van de naald en duw de pipetpunt door het septum zodat deze aan de andere kant uitsteekt. Krimpstempel het septum met de pipetpunt op het injectievat.Om een waterdichte afsluiting winddicht te maken, duwt u de pipetpunt verder door het septum zodat deze naar buiten steekt. Bevestig vervolgens een transparante, flexibele en chemisch bestendige slang met een binnendiameter van 1/16 inch aan de pipetpunt. Schuif de slang over de pipetpunt. Zorg ervoor dat de slang lang genoeg is om van het injectieflacon naar de spuitenpomp te reiken, om zo een waterdichte afsluiting te creëren.Klem vervolgens de injectieflacon op een statief in een zuurkast, zodat de injectie vanuit de bodem van de flacon kan worden toegevoerd. Knip twee stukken geïsoleerde draden af die lang genoeg zijn om van binnen de reactievaten naar de datalogger te reiken. Laat de draden iets slap hangen voor het positioneren.Strip vervolgens ongeveer drie millimeter isolatie van het uiteinde van elke draad die zich in het reactiebuisje zal bevinden; de andere uiteinden worden aangesloten op de meetdraden van de multimeter. Strip ongeveer één centimeter van de draad en voeg de draad die zich in de chemische tuin zal bevinden in, dicht bij de opening van de pipetpunt, om contact met de injectieoplossing te garanderen, maar niet zo ver dat de injectiestroom wordt geblokkeerd.Zet vervolgens beide uiteinden van de draden vast met tape. Plaats daarna de buitenste draad zodanig dat deze contact maakt met het oplossingreservoir, maar niet met het neerslag van de chemische tuin. Bevestig vervolgens de vrije uiteinden van de draden aan de datalogger om de bovenruimte boven het oplossingreservoir vrij te houden.Spoor de stikstofgasleidingen op. Splits de gastoevoer van een stikstofbronreservoir in verschillende buizen, zodat er voor elk injectieflacon één toevoer is. Bereid 200 milliliter van de reservoirvloeistof voor, ook bekend als de oceaansimulator, voor elke reactieflacon door eerst gedemineraliseerd water ongeveer 15 minuten per 100 milliliter te beluchten met stikstofgas.Dit zorgt ervoor dat het experiment anoxisch blijft tijdens de injectie. Weeg vervolgens 25 millimol ijzer(II)chloride tetrahydraat en 75 millimol ijzer(III)chloride hexahydraat af en voeg deze toe aan het water.Roer het mengsel voorzichtig om de ionen op te lossen zonder zuurstof in het mengsel te brengen. Zodra de ionen zijn opgelost, moet het licht laten borrelen van de oplossing met stikstofgas onmiddellijk worden hervat. Terwijl de injecties worden voorbereid, kiest u twee van de primaire injectie-oplossingen uit de hier getoonde tabel en bereidt u 10 milliliter van elke oplossing.Vul vervolgens een spuit van 10 milliliter tot de markering van zeven milliliter met elk van de oplossingen, sluit ze af met een dop en zet ze apart. Bereid daarna in de zuurkast 20 milliliter 50 millimolair natriumsulfide voor als secundaire injectie. Vul twee spuiten van 10 milliliter tot de markering van zeven milliliter met de oplossing, plaats de naaldkapjes terug en zet ze apart.Bevestig de primaire injectiespuiten op een programmeerbare spuitpomp die zich in de zuurkast bevindt. Stel de injectiesnelheid in op één milliliter per minuut en zet de pomp aan totdat beide spuiten in het afvalbeker beginnen te druppelen. Stop vervolgens de injectie.Plaats vervolgens de spuiten met gedeïoniseerd water in de twee plastic injectiebuisjes en injecteer zodanig dat het water de transparante slang vult tot aan de opening waar deze het hoofdreservoir binnengaat. Plaats daarna de spuiten op het statief boven de injectieflacons. Giet vervolgens voorzichtig 100 milliliters van de ijzerhoudende reservoiroplossing in elke flacon.Creëer zorgvuldig een luchtdichte afsluiting over de vials met behulp van Parafilm en voer een stikstoflijn in elk vial in. Stel de stroom van de stikstofgaslijnen naar wens af om het experiment anoxisch te houden gedurende de injecties. Breng vervolgens de met water gevulde spuiten één voor één naar beneden, naast de primaire injectiespuiten.Schuif de plastic injectieslang voorzichtig af en plaats deze onmiddellijk rechtstreeks op een van de naalden van de primaire injectiespuit. Let erop dat u de wand van de slang niet doorprikt. Stel vervolgens de spuitpomp in op een snelheid van 2 mL per uur voor een periode van drie uur en start de injectie gelijktijdig.Start de registratie van de membraanpotentiaal. Stop de spuitpomp na drie uur. Zodra de chemische tuinstructuren zijn gevormd, verwijdert u voorzichtig de primaire injectiespuiten uit de spuitpomp, maar laat ze verbonden blijven met de slang zodat de structuren niet worden verstoord.Plaats ze op het statief boven het vloeistofniveau in de vials, zodat de vloeistof niet terugstroomt in de spuit. Bevestig vervolgens de secundaire injectiespuiten, die in dit geval natriumsulfide bevatten, aan de spuitpomp en ontlucht de naald tot beide beginnen te druppelen; gooi de sulfide-oplossing in een speciale container voor gevaarlijk afval. Verwijder daarna de spuiten één voor één van de spuitpomp en sluit de slang van de primaire injectiespuit aan op de spuit met natriumsulfide.Stel de spuitpomp opnieuw in om de oplossing te injecteren met twee milliliters per uur en druk op start om de natriumsulfide-oplossing gedurende drie uur met deze snelheid te injecteren. Zodra de primaire injectie-oplossing in de reservoir-oplossing is gevoerd, begint er een chemische tuin-precipitaat te vormen op de vloeistofinterface, en deze structuur blijft groeien gedurende de injectie onder een omgevings-scanning elektronenmicroscoop; de primaire precipitaat die gevormd werd in aanwezigheid van alanine leken ronder en amorf, terwijl pure ijzeroxyhydroxide-precipitaten en die met pyrofosfaat meer kristallijn verschenen na de primaire injectie. Het potentiaal vertoonde de neiging om onmiddellijk te pieken rond 0,45 tot 0,55 volt, en nam vervolgens gedurende ongeveer een uur af voordat het stabiliseerde rond 0,1 tot 0,2 volt voor de rest van de primaire injectie.Toen de primaire spuiten werden vervangen door de secundaire spuiten die natriumsulfide bevatten, bleef de chemische tuin groeien, behalve dat de zichtbare nieuwe uitgroei nu bestond uit zwart ijzersulfide. In plaats van bij te dragen aan de bestaande wanden, leken de zwarte sulfide-gedeelten van de chemische tuin af te takken en afzonderlijk te groeien. Zodra de sulfide-injectie-oplossing de chemische tuin bereikte, sprong het membraanpotentiaal onmiddellijk naar ongeveer 0,9 volt.Er zijn veel mogelijke combinaties van oplossingen die u kunt gebruiken om uw chemische tuinen te kweken. Het is ook mogelijk om de injectiesnelheid op elk gewenst moment tijdens het experiment te veranderen van een snellere naar een langzamere snelheid, en om de primaire injectie te vervangen door een secundaire, zolang de structuur van uw chemische tuin volledig is gevormd. Natriumsulfide-oplossingen laten waterstofsulfidegas vrij, wat extreem gevaarlijk is.Open containers met natriumsulfide en sulfidehoudende oplossingen moeten in een zuurkast worden gebruikt en worden behandeld volgens de richtlijnen van het veiligheidsinformatieblad; zowel gebruikte als ongebruikte oplossingen moeten als gevaarlijk afval worden afgevoerd. Hydrothermale schoorstenen, die we zojuist in het laboratorium hebben zien groeien, bestaan uit poreuze mineralen, voornamelijk ijzersulfiden en ijzerhydroxiden. We denken dat zij als katalysatoren hebben gefunctioneerd voor het vroege leven, en ze vertonen een zeer vergelijkbare structuur met de katalysatoren en enzymen die we tot op de dag van vandaag zelfs in onze eigen huid hebben.Dit experiment kan worden gebruikt om verschillende geologische omgevingen te simuleren, maar is ook toepasbaar binnen de materiaalkunde omdat er veel belang is bij het leren beheersen van de groei van deze zelforganiserende structuren door de parameters van het experiment te manipuleren, en mogelijk ook voor het creëren van structuren en materialen die als katalysatoren voor verschillende reacties kunnen dienen.

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

Scheikunde

Millifluidic apparaten worden gebruikt voor gecontroleerde synthese van nanomaterialen tijdsopgeloste analyse van reactiemechanismen als continu katalyse.

Millifluidics voor chemische synthese en Tijdopgeloste mechanistische studies

Een nieuw reactorontwerp, een zogenaamde bioreactor met hoge dichtheid (HDBR), wordt gepresenteerd voor het kweken en bestuderen van microbiële gemeenschappen met hoge dichtheid. Hier wordt de HDBR met succes toegepast in een fotobioreactor (PBR) configuratie voor de studie van stikstofmetabolisme door een gemengde algengemeenschap met hoge dichtheid.

A Novel Bioreactor voor High Density Teelt van Diverse microbiële gemeenschappen

Stroom chemie draagt milieu en economische voordelen door leveraging superieure mengen, warmteoverdracht en kosten voordelen. Hierin bieden we een blauwdruk voor het overbrengen van chemische processen van batch naar stroom modus. De reactie van diphenyldiazomethane (DDM) met p- nitrobenzoic zuur, uitgevoerd in batch en stroom, werd gekozen voor bewijs van concept.

Continue stroom chemie: Reactie van Diphenyldiazomethane met p- Nitrobenzoic Acid

Een protocol voor organische reactie screening met behulp van stop-flow micro-buizen (SFMT) reactoren met gasvormige reactanten en/of zichtbaar-licht gemedieerde reacties wordt gepresenteerd.

Gebruik van de Stop-flow Micro-buis reactoren voor de ontwikkeling van biologische transformaties

Dit protocol beschrijft microbiële experimenten onder verhoogde druk om in situ biomining processen te bestuderen. De experimentele aanpak maakt gebruik van een schommelende hogedruk reactor uitgerust met een goud-Titanium reactiecel met een microbiële cultuur in een zuur, ijzerrijk medium.

Met behulp van flexibele goud-Titanium reactie cellen om druk afhankelijke microbiële activiteit te simuleren in de context van suboppervlakte Biomining

Bench-Scale, Axenische teelt vergemakkelijkt microalgal karakterisering en productiviteit optimalisatie voor verdere proces scale-up. Photobioreactoren zorgen voor de nodige controle voor betrouwbare en reproduceerbaar microalgal experimenten en kunnen worden aangepast om microalgen veilig te cultiveren met de corrosieve gassen (CO2, dus2, No2) van gemeentelijke of industriële verbrandingsemissies.

Microalgen teelt en biomassa kwantificering in een Fotobioreactor met een tafel schaal met corrosieve rookgas

Er wordt een protocol beschreven om de koolstofdioxide in het rookgas van aardgascentrales te gebruiken om microalgen te cultiveren in open raceway-vijvers. Rookgasinjectie wordt geregeld met een pH-sensor en de groei van microalgen wordt gemonitord met realtime metingen van de optische dichtheid.

Koppeling van koolstofafvang uit een energiecentrale met semi-geautomatiseerde open racewayvijvers voor de teelt van microalgen

Het doel van dit protocol is om gesimuleerde hydrothermale schoorstenen te vormen via chemische tuininjectie-experimenten en een thermische gradiënt over het anorganische neerslagmembraan te introduceren, met behulp van een 3D-printbare condensor die kan worden gereproduceerd voor educatieve doeleinden.

Simulatie van vroege hydrothermale schoorstenen in een thermische gradiëntomgeving

Een gedetailleerd schaalbaar continustroomprotocol wordt gepresenteerd om een arylfluoride te synthetiseren uit een arylamine via de Balz-Schiemann-reactie.

Een schaalbaar Balz-Schiemann-reactieprotocol in een continue-stroomreactor

Dit protocol beschrijft de assemblage van mini-bioreactorarrays die moeten worden gebruikt voor continue stroomcultuur van complexe fecale gemeenschappen onder anaërobe omstandigheden. We bespreken ook de methoden voor assemblage, inoculatie en bemonstering van de reactoren voor verdere analyse.

Bioreactorassemblage voor continue cultuur van complexe fecale gemeenschappen

Aangelegde wetlandbehandelingssystemen worden al tientallen jaren gebruikt om afvalwater te behandelen, maar hun toepassing om door het proces aangetast water van teerzanden te behandelen is relatief nieuw. Om dit potentieel te verkennen, worden een mesokosmosme-ontwerp en experimentele methoden voor oppervlaktestromen geschetst. Deze aanpak is bedoeld om ons begrip van de belangrijkste ontwerpparameters te vergroten en de werkzaamheid van de behandeling te verbeteren.

Aangelegde wetlands op mesokosmosschaal voor afvalwaterzuivering

Ontdek hoe chemische gardens natuurlijke hydrothermale schoorstenen simuleren door vloeistofinjectie onder anoxische omstandigheden. Deze methode meet membraanpotentialen en genereert zelfassemblerende structuren voor onderzoek naar de oorsprong van leven.

Chemische Gardens als doorstroomreactoren simuleren Natural Hydrothermal Systems

Meer video's verkennen