Summary

Kjemiske Gardens som Gjennomstrømning Reaktorer simulere Natur Hydrotermale Systems

Published: November 18, 2015
doi:

Summary

We describe chemical garden formation via injection experiments that allow for laboratory simulations of natural chemical garden systems that form at submarine hydrothermal vents.

Abstract

Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment allows for testing of various proposed ocean / hydrothermal fluid chemistries that could have driven reactions toward the origin of life in environments on the early Earth, early Mars, or even other worlds such as the icy moons of the outer planets. We show experiments that include growth of chemical garden structures under anoxic conditions simulating the early Earth, inclusion of trace components of phosphates / organics in the injection solution to incorporate them into the structure, a switch of the injection solution to introduce a secondary precipitating anion, and the measurement of membrane potentials generated by chemical gardens. Using this method, self-assembling chemical garden structures were formed that mimic the natural chimneys precipitated at submarine hydrothermal springs, and these precipitates can be used successfully as flow-through reactors by feeding through multiple successive “hydrothermal” injections.

Introduction

"Kjemiske hager" er selv montering uorganiske utfellinger utviklet der to væsker av kontraster chemistries samhandle 1,2. Disse selv montering uorganiske strukturer har vært gjenstand for vitenskapelig interesse i over et århundre delvis på grunn av deres biomimetisk utseende, og mange eksperimentelle og teoretiske studier har blitt gjennomført for å forstå de ulike komplekse aspekter og mulige funksjoner av kjemiske hage systemer 3. Naturlige eksempler på kjemiske hager inkluderer mineral "skorstein" utfellinger som vokser rundt hydrotermale kilder og seeps, og det har blitt hevdet at disse kunne gi troverdige miljøer for livet å dukke opp fire. For å dyrke en kjemisk hage simulerer en naturlig hydrotermisk ventil skorstein, bør et reservoar løsning representerer en simulert hav sammensetning og en injeksjonsløsning bør representere den hydrotermiske fluid som strømmer ut i havet. Allsidigheten av denne typen of eksperimentet til forskjellige reaksjonssystemer gir mulighet for simulering av nesten alle foreslåtte havet / hydrotermale væske kjemi, inkludert miljøer på tidlig Earth eller på andre verdener. På tidlig jorden, ville havene vært anoksisk, sur (pH 5-6), og ville ha inneholdt oppløst atmosfærisk CO 2 og Fe 2+, så vel som Fe III, Ni2 +, Mn2 +, NO 3- og NO 2. Kjemiske reaksjoner mellom dette sjøvann og ultramafic hav skorpen ville ha produsert en alkalisk hydrotermisk fluid inneholdende hydrogen og metan, og i noen tilfeller sulfid (HS -) 4-8. Skorsteiner dannet tidlig Earth alkalisk ventilasjons miljøer kunne dermed ha inneholdt jern / treverdig oxyhydroxides og jern / nikkel sulfider, og det har blitt foreslått at disse mineralene kan ha tjent spesielle katalytiske og proto-enzymatisk funksjoner mot å utnytte geokjemiske redox / pH-gradienter å kjøre fremveksten av metabolism 5. På samme måte på andre verdener som som kan være vert for (eller kanskje har vert) vann / fjell grensesnitt – som tidlig Mars, Jupiters måne Europa, eller Saturns måne Enceladus – det er mulig at vann / rock kjemi kunne generere alkaliske ventilasjons miljøer i stand av kjøring prebiotisk kjemi eller selv gi beboelige nisjer for bevart livet 5,9-11.

Den klassiske kjemiske hagen eksperiment innebærer en kimkrystall av et metallsalt, for eksempel jern-II-kloridtetrahydrat FeCl ^ 2 • 4 H 2 O, nedsenket i en oppløsning inneholdende reaktive anioner, for eksempel natriumsilikat eller "vann glass". Metallsaltet oppløses, noe som skaper en sur oppløsning inneholdende Fe 2+ som grensesnitt med den mer alkaliske oppløsning (inneholdende silika anioner og OH -) og en uorganisk membran bunnfall dannes. Membran sveller henhold osmotisk trykk, støt, deretter re-utfellinger ent den nye væske-grensesnittet. Denne prosessen gjentas inntil krystallene oppløses, noe som resulterer i en vertikalt orientert, selvorganisert presipitat struktur med kompleks morfologi ved både makro- og mikroskala. Denne utfelling prosessen resulterer i en fortsatt separering av kjemisk kontrasterende løsninger på tvers av uorganiske kjemiske hagen membran, og forskjellen av ladede arter over membranen gir en membranpotensialet 12-14. Kjemisk hage strukturer er komplekse, viser kompositoriske gradienter fra indre til ytre 13,15-19, og veggene i strukturen opprettholde skillet mellom kontrasterende løsninger i lange perioder mens rester noe gjennomtrengelig for ioner. I tillegg til å være en ideell eksperiment for pedagogiske formål (som de er enkle å lage for klasserom demonstrasjoner, og kan opplyse elevene om kjemiske reaksjoner og selvorganisering), kjemiske hager har vitenskapelig betydning som representasjoner av selv-assembly i dynamiske, langt-fra-likevekt systemer, som involverer metoder som kan føre til produksjon av interessante og nyttige materialer 20,21.

Kjemiske hager i laboratoriet kan også dyrkes via injeksjonsmetoder, karakterisert ved at oppløsningen inneholdende en utfelling ion injiseres langsomt inn i den andre oppløsningen inneholdende ko-utfelling ion (eller ioner). Dette resulterer i dannelsen av kjemiske hage strukturer som ligner de som krystallvekst-eksperimenter, med unntak av at egenskapene av systemet og utfellingen kan bedre kontrolleres. Injeksjonen metoden har flere betydelige fordeler. Det gjør det mulig å danne en kjemisk hage ved hjelp av en hvilken som helst kombinasjon av utfelles eller inkorporeres art, dvs., kan flere utløsende ioner inkorporeres i en løsning, og / eller andre ikke-utfellende komponenter kan inkluderes i enten løsning til å adsorbere / reagere med utfellingen . Den membranpotensialet som genereres i en kjemiskhage system kan måles i en sprøyte eksperiment hvis en elektrode er innlemmet i det indre av konstruksjonen, og dermed muliggjør elektrokjemisk undersøkelse av systemet. Injeksjons eksperimenter har evnen til å mate injeksjonsoppløsningen inn i det indre av den kjemiske hagen i kontrollerte tidsperioder ved å variere injeksjonshastighet eller total injisert mengde; Det er derfor mulig å mate gjennom ulike løsninger i rekkefølge og bruke det utfelte struktur som en felle eller reaktor. Kombinert, disse teknikkene tillater for laboratorium simuleringer av de komplekse prosessene som kunne ha skjedd i en naturlig kjemisk hage system på en ubåt hydrotermale vent, inkludert en skorstein dannet fra mange samtidige utfellingsreaksjoner mellom hav og luft væske (f.eks produserer metall sulfider, hydroksider og / eller karbonater og silikater) 5,22. Disse teknikkene kan også anvendes på en hvilken som helst kjemisk hage reaksjonssystemet for å muliggjøre dannelse av nye typerav materialer, for eksempel, lagdelte rør eller rør med adsorberte reaktive arter 20,23.

Vi detalj her et eksempel eksperiment som omfatter den samtidige veksten av to kjemiske hager, Fe 2 + holdige strukturer i et anoksisk miljø. I dette eksperimentet ble innlemmet vi spormengder av polyfosfater og / eller aminosyrer i den første oppløsning for injeksjon som observere deres effekt på strukturen. Etter første dannelse av det kjemiske hagen vi skulle bytte injeksjons løsning å innføre sulfid som en sekundær utfellende anion. Måling av membranpotensialer ble gjort automatisk gjennom hele eksperimentet. Denne protokollen beskriver hvordan du kjører to eksperimenter på en gang ved hjelp av en dobbel sprøytepumpe; dataene vist kreves flere kjøringer av denne prosedyren. De relativt høye strømningshastigheter og lave pH-verdi av reservoaret og reaktantkonsentrasjoner anvendt i våre eksperimenter er utformet for å danne store skorstein utfelles på tid scales egnet for en-dags laboratorieforsøk. Imidlertid kan fluidstrømningshastigheter ved hydrotermale naturlige kilder være mye mer diffus og konsentrasjonene av utfelling av reaktanter (for eksempel Fe og S på et tidlig Earth system) kan være en størrelsesorden lavere 4; Dermed vil strukturerte utfellinger form over lengre tidsskalaer og ventilen kan være aktiv for titusener av år 24,25.

Protocol

1. Sikkerhets Betraktninger Bruk personlig verneutstyr (laboratoriefrakk, vernebriller, nitrilhansker, riktige sko) for å forebygge mot kjemikalieutslipp eller skade. Bruk sprøyter og nåler, og passe på å ikke punktere hansker. Ta vare på eksperimentoppsettet for å kontrollere apparatet for lekkasjer ved å utføre injeksjon først med dobbelt destillert H 2 O (DDH 2 O), og for å sjekke stabiliteten av reaksjonshetteglass på standen, før tilsetning av kjemikalier. Gjennomføre d…

Representative Results

Når injeksjonsoppløsningen i gang for å mate inn i reservoaret løsningen begynte en kjemisk hage bunnfall for å danne fluidgrensesnitt og denne strukturen fortsatte å vokse i løpet av injeksjons (figurene 4-7). I forsøkene som er rapportert her, den første injeksjonen ble natriumhydroksid (som kan bli modifisert til å inkludere L-alanin og / eller pyrofosfat), og reservoaret løsningen var en 1: 3 blanding av Fe 3+ / Fe 2+, noe som ga en blandet -redox-state jernoksyhydro…

Discussion

Dannelsen av en kjemisk struktur hage via injeksjon metode kan utføres ved tilkopling hvilke som helst to løsninger inneholdende reaktive ioner som produserer et bunnfall. Det er mange mulige reaksjonssystemer som vil produsere bunnfall strukturer, og å finne den rette oppskriften av reaktive ioner og konsentrasjoner til å vokse en ønsket struktur er et spørsmål om prøving og feiling. Strømningshastigheten av injeksjonsløsningen blir styrt av en programmerbar sprøytepumpe, og dette kan også varieres mellom e…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This research was carried out at the Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, under a contract with the National Aeronautics and Space Administration. We acknowledge the support by the NASA Astrobiology Institute (Icy Worlds). L.M.B. is supported by the NAI through the NASA Postdoctoral Program, administered by Oak Ridge Associated Universities through a contract with NASA. J.E.N. was supported through a US Department of Education PR/Award #: P031C110019 administered through Citrus College. We acknowledge useful discussions with members of the NAI Thermodynamics, Disequilibrium, and Evolution Focus Group and the Blue Marble Space Institute of Science.

Materials

Syringe Pump Fisher 14-831-3 Dual or multiple channel, depending on desired number of simultaneous experiments
Ferrous chloride tetrahydrate Fisher I90500 Ferrous Chloride Tetrahydrate (Crystalline/Certified)
Ferric chloride hexahydrate Fisher I88-100  Ferric Chloride Hexahydrate (Lumps/Certified ACS)
Sodium hydroxide Sigma-Aldrich S5881 reagent grade, ≥98%, pellets (anhydrous)
Sodium sulfide nonahydrate Fisher S425212 Sodium Sulfide Nonahydrate (Crystalline/Certified ACS).  Store at -20C. Only open in a glove box or fume hood. Releases toxic H2S gas; all sulfide-containing solutions must be kept in a glove box or fume hood.
Potassium pyrophosphate Sigma-Aldrich 322431 97%, http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/322431?lang=en&region=US
L-Alanine Sigma-Aldrich A7627 http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/a7627?lang=en&region=US
Syringes (10cc) Fisher 14-823-16E BD™ Syringe with Luer-Lok Tips (Without Needle)
Syringe needles (16 gauge) Fisher 14-826-18B BD™ General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 16 G x 1.5 in. (38mm)
Tubing Cole Parmer EW-06407-71 Tygon Lab Tubing, Non-DEHP, 1/16"ID X 1/8"OD
Aluminum seals Fisher 0337523C Thermo Scientific™ National™ Headspace 20mm Crimp Seals
Gray butyl stoppers Fisher 0337522AA Thermo Scientific™ National™ 20mm Septa for Headspace Vials
Serum bottles Sigma-Aldrich 33110-U Vials, crimp top, serum bottle, size 100 mL, clear glass, O.D. × H 51.7 mm × 94.5 mm. For these experiments, the bottom of the serum bottle should be cut off.
Pipette tips VWR 53511-682 pipette tips 0.5-10 microliters
Wire McMaster-Carr 8073K661 Solid Single-Conductor Wire, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC

References

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

Play Video

Cite This Article
Barge, L. M., Abedian, Y., Doloboff, I. J., Nuñez, J. E., Russell, M. J., Kidd, R. D., Kanik, I. Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems. J. Vis. Exp. (105), e53015, doi:10.3791/53015 (2015).

View Video