Jardins chimiques accréditives Réacteurs simulation des systèmes hydrothermaux naturels

Résumé

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

Résumé

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

«Jardins chimiques" sont précipités inorganiques auto-assemblage développés où les deux fluides de chimies contrastées interagissent ^1,2. Ces structures inorganiques auto-assemblage ont fait l'objet d'un intérêt scientifique depuis plus d'un siècle, en partie en raison de leur apparence biomimétique, et de nombreuses études expérimentales et théoriques ont été menées pour comprendre les divers aspects complexes et les fonctions possibles des systèmes de jardin chimiques ^3. Exemples des jardins naturels et chimiques comprennent minérales "cheminée" précipités qui poussent autour de sources hydrothermales et des suintements, et il a été soutenu que ceux-ci pourraient fournir des environnements plausibles pour la vie d'émerger ^4. Pour pousser un jardin chimique simulant un évent cheminée hydrothermale naturel, une solution de réservoir devrait représenter une composition de l'océan simulé et une solution d'injection devrait représenter le fluide hydrothermal qui se jette dans l'océan. La polyvalence de ce type of expérience pour les systèmes de réaction différentes permet à la simulation de presque toute la chimie de l'océan fluide / hydrothermale proposé, y compris les environnements sur la Terre primitive ou sur d'autres mondes. Sur la Terre primitive, les océans auraient été anoxique, acide (pH 5-6), et aurait contenu dissous _CO 2 atmosphérique et ^Fe 2+, ainsi que Fe ^{III, Ni} 2+, ^Mn 2+, NO ^3- et NO ^2. Les réactions chimiques entre l'eau de mer et ce la croûte océanique ultramafique auraient produit un fluide hydrothermique alcaline contenant de l'hydrogène et du méthane, et dans certains cas, le sulfure de (HS ^{-) 8.4.} Les cheminées formé au début de la Terre environnements alcaline de ventilation auraient donc pu contenue oxyhydroxydes ferriques / ferreux et des sulfures de fer / nickel, et il a été proposé que ces minéraux auraient pu servir certaines fonctions catalytiques et proto-enzymatique vers exploiter géochimiques redox / gradients de pH de conduire l'émergence de Metabolism ^5. De même, sur d'autres mondes comme celle peuvent accueillir (ou peut-être hébergées) / interfaces rocheuses d'eau - tels que début Mars, la lune de Jupiter Europa ou la lune de Saturne Enceladus - il est possible que la chimie de l'eau / rock pourrait générer des environnements alcalins de ventilation capable de conduite chimie prébiotique ou même fournir des niches habitables de la vie existant ^5,9-11.

L'expérience de jardin chimique classique implique un germe cristallin d'un sel de métal, par exemple de tétrahydrate de chlorure ferreux FeCl ₂ • 4H ₂ O, immergé dans une solution contenant des anions réactifs, par exemple des silicates de sodium ou de "verre soluble". Les dissout de sels métalliques, en créant une solution acide contenant ^Fe 2+ qui assure l'interface avec la solution plus alcaline (contenant des anions silicates et OH ^-) et une membrane inorganique précipité est formé. Les houles de membrane sous pression osmotique, des éclats, puis re-précipite unet la nouvelle interface fluide. Ce processus se répète jusqu'à ce que les cristaux sont dissous, résultant en une orientation verticale, la structure de précipité auto-organisée avec la morphologie complexe aux échelles macro et micro. Ce processus de précipitation des résultats dans la séparation continue de solutions chimiquement contrastés à travers la membrane de jardin chimique inorganique, et la différence des espèces chargées à travers la membrane produit une membrane ^{de 12 à 14} potentiel. Les structures de jardin chimique sont complexes, présentant des gradients de composition de l'intérieur vers l'extérieur ^13,15-19, et les murs de la structure de maintenir la séparation entre les solutions contrastées pendant de longues périodes tout en restant quelque peu perméable aux ions. En plus d'être une expérience idéale à des fins éducatives (comme ils sont simples à réaliser pour des démonstrations en salle de classe, et peuvent éduquer les élèves sur les réactions chimiques et auto-organisation), les jardins chimiques ont une signification scientifique comme des représentations de l'auto-assembLy dans les systèmes dynamiques, loin-de-équilibre, impliquant des méthodes qui peuvent conduire à la production de matériaux intéressants et utiles ^20,21.

Jardins chimiques dans le laboratoire peuvent aussi être cultivées par des méthodes d'injection, dans lequel la solution contenant un ion précipitant est lentement injecté dans la seconde solution contenant l'ion de coprécipitation (ou ions). Cela se traduit par la formation de structures chimiques de jardin semblables à celles des expériences de croissance cristalline, à l'exception que les propriétés du système et le précipité peuvent être mieux contrôlées. Le procédé d'injection présente plusieurs avantages significatifs. Elle permet de former un jardin chimique en utilisant une combinaison quelconque des espèces de précipitation ou intégrés, à savoir, des ions précipitants multiples peuvent être incorporés dans une solution, et / ou d'autres composants non-précipitation peut être inclus dans une ou l'autre solution pour adsorber et / ou réagissent avec le précipité . Le potentiel de la membrane produite dans un produit chimiqueSystème de jardin peut être mesurée dans un essai d'injection si une électrode est incorporée à l'intérieur de la structure, permettant ainsi l'étude du système électrochimique. Des expériences d'injection offrent la possibilité d'alimenter la solution d'injection à l'intérieur du jardin d'chimique pour des délais contrôlées en faisant varier la vitesse d'injection ou le volume total injecté; il est donc possible d'alimenter grâce à des solutions différentes séquentiellement et utiliser la structure précipité comme un piège ou un réacteur. Ensemble, ces techniques permettent des simulations en laboratoire des processus complexes qui ont pu se produire dans un système de jardin chimique naturel à un évent sous-marin hydrothermale, y compris une cheminée formée à partir de nombreuses réactions de précipitation simultanée entre l'océan et les conduits de fluide (par exemple, la production de sulfures métalliques, des hydroxydes et / ou des carbonates et des silicates) ^5,22. Ces techniques peuvent également être appliquées à n'importe quel système de réaction chimique de jardin pour permettre la formation de nouveaux typesdes matériaux, par exemple, des tubes ou des tubes en couches avec des espèces réactives adsorbées ^20,23.

Nous détaillons ici un exemple de l'expérience de ce que comprend la croissance simultanée de deux jardins chimiques, ^contenant Fe 2+ structures dans un environnement anoxique. Dans cette expérience, nous avons incorporé des traces de polyphosphates et / ou des acides aminés dans la solution d'injection initiale d'observer leur effet sur la structure. Après la formation initiale du jardin chimique puis nous sommes passés de la solution injectable de sulfure d'introduire comme un anion précipitant secondaire. Les mesures des potentiels de membrane ont été faites automatiquement tout au long de l'expérience. Ce protocole décrit comment exécuter deux expériences à la fois en utilisant une pompe à double seringue; Les données présentées tenus plusieurs exécutions de cette procédure. Les débits relativement élevés, une faible pH des concentrations de réservoir et réactifs utilisés dans les expériences sont conçues pour former des précipités grande cheminée sur sc tempsAles appropriés pour des expériences de laboratoire d'une journée. Toutefois, les taux d'écoulement du fluide à sources hydrothermales naturelles peuvent être beaucoup plus diffus et les concentrations de réactifs de précipitation (par exemple, Fe et S dans un système de la Terre au début) pourrait être un ordre de grandeur ^inférieur 4; Ainsi, précipités structurés seraient forment sur ​​de longues échelles de temps et de l'évent pourraient être actif pour des dizaines de milliers d'années ^24,25.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocole

1. Considérations de sécurité

1. Utiliser un équipement de protection individuelle (blouse de laboratoire, des lunettes, des gants en nitrile, des chaussures appropriées) pour prévenir contre les déversements de produits chimiques ou des blessures. Utiliser des seringues et des aiguilles, et de prendre soin de ne pas percer les gants. Prenez soin lors de l'installation de l'expérience pour vérifier l'appareil pour des fuites en effectuant la première injection à double distillée H _{2 O} (ddH _{2 O),} et de vérifier la stabilité des flacons de réaction sur le stand, avant d'ajouter des produits chimiques.
2. Entreprendre cette expérience avec toute recette chimique de jardin, mais l'un des réactifs que nous utilisons pour simuler les évents en haute mer est un produit chimique dangereux, le sulfure de sodium; donc faire l'ensemble de l'expérience à l'intérieur d'une hotte pour éviter l'exposition.
   1. Seulement ouvrir la bouteille de sulfure de sodium dans la hotte et placez un équilibre à l'intérieur de la hotte pour le pesage de sulfure. Toujours garder solutions contenant du sulfure intérieur de la hotte car elles libèrent toxiques _gaz H 2 S, et aussi garder sulfide liquide, objets tranchants, et les conteneurs de déchets solides dans la hotte. Un autre réactif d'intérêt est Fe (II) Cl ₂ • 4H _{2 O,} qui oxyde lors de l'exposition à l'air, afin de prendre soin de garder solutions anoxique et à grandir jardins chimiques en vertu d'un espace libre anoxique (par exemple, N _{2 ou} Ar), toujours à l'intérieur une hotte ou boîte à gants.

2. Configuration pour expériences d'injection

1. Créer verre "flacons d'injection" en coupant le fond 1 cm d'un 100 ml en verre clair sertie bouteille de sérum (20 mm joint serti de type de fermeture) avec un coupe-verre de sorte que, lorsqu'il est renversé, le navire est à l'air libre. Comme ceux-ci sont réutilisables, nettoyer les flacons dans un 1 M HCl bain d'acide O / N, puis rincez bien avec ddH _{2 O} avant une nouvelle expérience.
2. Préparer les flacons d'injection (Figure 1).
   1. Recueillir un septum de 20 mm, 20 mm en aluminium joint serti, et une pointe de pipette en plastique 0,5-10 ul. Utilisation d'un G ne 16 de la seringueedle, percer soigneusement un trou à travers le centre de la cloison, puis retirez et jetez l'aiguille dans le conteneur de déchets tranchants approprié.
   2. Insérer la pointe de la pipette dans le trou de l'aiguille, dans le côté de la membrane de caoutchouc qui fera face à l'intérieur de la partie supérieure de sertissage du flacon. Poussez la pointe de la pipette à travers le septum de sorte qu'il est expulsée hors de l'autre côté.
   3. Crimp-sceller le septum avec pointe de la pipette sur le navire d'injection pour faire un joint étanche. Lorsque scellé, pousser la pointe de la pipette en outre à travers la cloison de sorte qu'il saillie à l'extérieur.
   4. Apposer 1/16 tube résistant aux produits chimiques "de diamètre intérieur clair flexible à la pointe de la pipette (longueur de tube devrait atteindre à partir du flacon d'injection à la pompe seringue); glisser vers le haut pour un joint étanche à l'eau.
      Remarque: Ce sera le tube d'injection, alimenté à partir de l'autre extrémité par une seringue avec aiguille 16 G.
   5. Vérifier les fuites: Insérez une seringue de 10 ml remplie de ddH _{2 O} avec une aiguille G 16 dans l'autre extrémité de la tubulure(glisser doucement le tube directement sur l'aiguille et faire attention à ne pas percer la paroi du tube). Injecter lentement de sorte que la ddH ₂ O déplace vers le haut dans le tube et le fond du récipient de réaction. Assurez-vous que la seringue /, tube / tuyau, et à sertir les joints sont étanches.
3. Fixer les flacons d'injection sur un support dans une hotte de laboratoire, de sorte que l'injection se nourrir à partir du fond de la fiole.
   Remarque: les flacons multiples peuvent être mis en place à la fois et simultanément alimentés par des seringues distinctes.
4. Mettre en place des électrodes pour mesurer le potentiel de membrane à travers la paroi des jardins chimiques. Toujours utiliser la même convention pour laquelle le plomb est «l'intérieur» et qui est «en dehors» des jardins chimiques.
   1. Couper des longueurs de fil isolé (par exemple, le cuivre) qui atteignent à l'intérieur des cuves de réaction à la tête du multimètre ou un enregistreur de données. Laissez un peu de mou dans les câbles pour le positionnement.
   2. Strip ~ 3 mm de lafil dénudé aux extrémités qui seront situés à l'intérieur du flacon de réaction. À l'autre extrémité qui seront connectés aux fils de multimètre, bande ~ 1 cm de fil.
   3. Fixer les fils en place pour mesurer le potentiel de membrane à travers le jardin chimique. Pour le fil qui va aller à l'intérieur du jardin chimique: l'insérer dans l'ouverture de la pointe de la pipette à partir de laquelle le fluide se nourrir dans le récipient.
   4. Pousser le fil dans légèrement pour assurer un contact avec la solution d'injection, mais pas si loin qu'il obstruer le débit d'injection. Pour le fil à l'extérieur: place qu'elle sorte qu'il sera en contact avec le réservoir de solution, mais pas avec le précipité de jardin chimique.
   5. Ruban ou autrement fixer les fils de sorte qu'ils ne peuvent pas se déplacer à l'intérieur du flacon d'injection au cours de l'expérience (Figure 2).
   6. Attachez les autres extrémités des fils au multimètre, et fixer les fils de telle sorte que ces extrémités aussi ne bougent pas pendant toute l'expérience.
5. Mettre en place _de N 2 conduites de gaz qui va alimenter chacun l'un des flacons d'injection.
   1. Fractionner l'alimentation en gaz provenant d'une source _de N 2 en plusieurs tubes, de sorte qu'il y a une alimentation _de N2 pour chaque flacon d'injection.
   2. Placer chaque tube de N ₂ de façon à alimenter dans l'espace libre de l'un des flacons d'injection.

3. Préparation des solutions pour Chemical Garden croissance

1. Préparer la solution de réservoir, à 100 ml pour chaque expérience. Remarque: Dans cet exemple, utiliser 75 mM ^Fe 2+ et Fe ³⁺ 25 mM comme les cations précipitants (tableau 1).
   1. Créer des solutions anoxiques d'abord barboter le ddH _{2 O} avec N ₂ gaz pour ~ 15 min par 100 ml.
   2. Peser et ajouter le FeCl ₂ • 4H _{2 O et FeCl} 3 • 6H _{2 O,} en remuant doucement pour dissoudre (pas vigoureusement afin de ne pas introduire de l'oxygène).
   3. Après réactifs sont dissous, RESUM immédiatemente lumière bouillonnement du ^Fe 2+ / Fe ³⁺ solution avec _du gaz N 2 tandis que les injections sont préparés.
2. Choisir deux des solutions d'injection primaires indiqués dans le Tableau 1, et de préparer 10 ml de chaque. Remplir une seringue de 10 ml jusqu'au repère avec 7 ml de chacune des solutions (une seringue pour chaque solution). Remettez les bouchons d'aiguille et mettre de côté.
3. Préparer 20 ml de la solution d'injection secondaire (de sulfure de sodium - Attention). Indiqués dans le Tableau 1 Remplir deux seringues de 10 ml à la marque 7 ml avec cette solution, remplacer les bouchons d'aiguille et mettre de côté. Toujours garder des solutions et des seringues contenant des sulfures dans la hotte.
4. Remplissez le trou DDH ₂ O seringues de l'étape 2.2.5; ceux-ci seront utilisés pour rincer le tube d'injection.

4. Démarrage de l'injection primaire

1. Utilisez enregistreur de données souhaitée pour mesures de potentiel de membrane; mesurer le potentiel de chaque expérience sur un separate canal et régler la vitesse de balayage de donner la quantité désirée de points de données (par exemple, pour une injection à 2 h, l'enregistrement potentiel toutes les 30 secondes serait suffisant).
2. Fixer les seringues d'injection primaire de la pompe à seringue programmable dans la hotte.
3. Utilisez un bécher de déchets pour attraper les gouttes et régler la pompe à seringue pour injecter à un rythme rapide jusqu'à ce que les deux seringues commencent à couler dans le bécher. Puis, arrêtez l'injection (afin d'assurer que les deux seringues commencent à injecter exactement au même niveau).
4. Re-programme de la pompe seringue pour injecter à 2 ml par heure (calibrer pour le type de seringue utilisé), mais ne commencent pas frapper.
5. Insérez les ddH _{2 O} seringues dans les deux tubes d'injection plastique, et injecter de telle sorte que l'eau remplit le tuyau transparent jusqu'à l'ouverture où il pénètre dans le réservoir principal. Placer les seringues sur le support, au-dessus des flacons pour injection.
6. Versez 100 ml de la solution de réservoir ^{de la Fe} 2+ / Fe dans eaflacon ch.
7. Régler le débit de N ₂ les conduites de gaz si besoin pour maintenir la anoxique d'expérience pour la durée de l'injection.
8. Couvrir délicatement les flacons de réservoir avec un joint étanche à l'air (par exemple, en utilisant Parafilm; pas obstruer la vue à travers la vitre) et insérer un N ₂ alimentation dans chaque flacon (Figure 3).
9. Apportez les DDH ₂ O seringues (encore insérées dans le tube) à côté de seringues d'injection primaires. Faites glisser délicatement le tube d'injection plastique à l'O aiguille ddH ₂ de la seringue, et transférer immédiatement directement sur ​​l'une des aiguilles de seringues d'injection primaire. (Prenez soin de ne pas percer la paroi du tube.)
10. Commencez l'injection, et commencer l'enregistrement du potentiel de membrane.

5. Démarrage de l'injection secondaire:

1. Hit arrêt de la pompe de seringue après 3 h (après 6 ml ont été injectés), les structures de jardin une fois chimiques ont formé (Figure 4), en générant continuellement un potentiel de membrane (figure 5).
2. Retirez délicatement les primaires seringues d'injection de la pompe de la seringue (mais laissez-les connectés à la tubulure de sorte que les structures ne sont pas perturbés); les mettre sur le support au-dessus du niveau du liquide dans les flacons de sorte que le fluide ne peut pas refluer dans la seringue.
3. Fixez les seringues secondaires de sulfure d'injection à la pompe seringue, et répétez les étapes 4.3 et 4.4.
4. Retirer les seringues secondaires un à la fois à partir de la pompe à seringue, et, tout en maintenant les seringues au-dessus du niveau du liquide dans les flacons, répéter l'étape 4.9, en transférant le tube de la seringue primaires pour les seringues secondaire (figure 6). Être vigilant ce que la pression du fluide du réservoir dans la seringue ne provoque pas de fluide de refluer dans la seringue, car cela pourrait réduire le jardin chimique.
5. Lorsque le transfert est terminé, fixez soigneusement les seringues secondaires THe pompe à seringue.
6. Re-programme de la pompe seringue pour injecter à 2 ml par heure, et cliquez sur Start pour continuer l'injection avec la nouvelle solution d'injection.
7. Éliminer de façon sûre les seringues d'injection primaires.

6. Mettre fin à l'expérience

1. Premier arrêt de la pompe seringue, puis arrêter l'enregistrement du potentiel de membrane et sauvegarder les données.
2. Éteignez le flux _de N 2 et de supprimer les lignes et le Parafilm des dispositifs d'injection.
3. Si l'on désire échantillonner la solution de réservoir ou précipiter pour une analyse ultérieure. Retirez délicatement la solution de réservoir et ne pas perturber le précipité, utiliser une pipette de 25 ml au pipetage soigneux au large de la solution de réservoir dans plusieurs aliquotes, et jeter la solution dans un bécher de déchets.
4. Desserrer les navires d'injection une à la fois et versez la solution dans un bécher de transfert des déchets dans la hotte. Utilisez ddH _{2 O} pour rincer morceaux de précipité.
5. Retirez les seringues from de la pompe seringue, et les extraire du tube, laissant supplémentaire fluide d'injection de ruissellement dans le bécher de transfert des déchets. Vider les seringues dans le bécher des déchets, et de disposer des seringues dans un récipient sulfure d'objets tranchants gardé dans la hotte.
6. Retirer le tube du flacon de l'expérience et de la jeter dans un sac de déchets solides. Uncrimp le sceau et de disposer de la cloison, étanchéité, et la pointe de la pipette.
7. Rincer le verre expérience flacon et le faire tremper dans un 1 M HCl bain d'acide O / N. (ATTENTION - verrerie qui a été en contact avec du sulfure de sodium va libérer toxiques _gaz H 2 S lorsqu'il est placé dans de l'acide Gardez bains d'acide à l'intérieur de la hotte..)

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Résultats

Une fois que la solution d'injection a commencé à alimenter le réservoir de solution, un précipité de jardin chimique commence à se former à l'interface fluide et cette structure a continué de croître au cours de l'injection (figures 4-7). Dans les expériences rapportées ici, la première injection est l'hydroxyde de sodium (qui peut être modifié pour inclure la L-alanine et / ou de pyrophosphate), et la solution de réservoir était un mélange 1: 3 de Fe ^{3+ / Fe}...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

La formation d'une structure chimique de jardin par procédé d'injection peut être réalisée par l'interface des deux solutions contenant des ions réactifs qui produisent un précipité. Il existe de nombreux systèmes de réaction possibles qui produiront des structures de précipité et de trouver la bonne recette et les concentrations d'ions réactifs pour faire croître une structure désirée est une question d'essais et d'erreurs. Le débit de la solution d'injection de flux est con...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
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 -20 °C. 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%
L-Alanine	Sigma-Aldrich	A7627
Syringes (10 cc)	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. (38 mm)
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 20 mm Crimp Seals
Gray butyl stoppers	Fisher	0337522AA	Thermo Scientific™ National™ 20 mm 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 μl
Wire	McMaster-Carr	8073K661	Solid Single-Conductor Wire, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC