אנו מודים הקבוצה H.O.G. באוניברסיטת אריזונה לפיתוח מתודולוגיה הראשונית של הניסויים הידרותרמי ולאחר בפרט, אנו מודים גולד א, אי הלם, ויליאמס, Glein ג, ה הארטנט, ק' Fecteau, ק' רובינסון ו ג Bockisch, על שלהם הדרכה וסיוע מועיל. צ ' יאנג ואת X. Fu במימון קרנות הפעלה מאוניברסיטת אוקלנד צ ' יאנג.

1. מכינים את המדגם לניסוי הידרותרמי
<ol><li>לבחור את הגודל של קוורץ או סיליקה זכוכית צינורות, למשל, 2 מ מ הקוטר הפנימי (ID) x 6 מ"מ קוטר חיצוני (OD) או מזהה x 12 כמנת מ"מ, 6 מ"מ, לקבוע את הכמויות של תרכובות אורגניות ומינרלים לשימוש. בעבודה זאת, כמויות nitrobenzene ו מגנטיט (Fe3או4) כדי לטעון לתוך הצינור סיליקה (למשל, 2 מ מ ID x 6 ממ מ) הם 3.0 µL ו 13.9 מ ג, בהתאמה. הערה: הצינורות בקוטר גדול לאפשר טעינת קל יותר של החומרים אך דורשים מאמצים נוספים של שפופרת איטום.</li>
	<li>חותכים לאורך צינור זכוכית נקי סיליקה לחתיכות קטנות עם ~ 30 ס מ אורך באמצעות חותך. חותם קצה אחד של הצינור נסגר באמצעות הלפיד של חמצן-מימן עם הראש להבה המתאים. שים לב: בצע את ההליכים בטיחות לשימוש את הלפיד חמצן-מימן.</li>
	<li>שוקלים את מראש כמות התרכובת האורגנית ההתחלתי 0.1 mg-סולם לאזן (אם הוא מוצק) ולהעביר אותו לתוך מבחנה סיליקה באמצעות נייר במשקל. אם המתחם הוא נוזלי (למשל, nitrobenzene במקרה זה), להשתמש מזרק microliter (למשל, 10 µL) כדי להעביר את זה לתוך הצינור סיליקה קטן. להוסיף את המינרלים שנשקל לתוך הצינור סיליקה באמצעות פיפטה פסטר, ולאחר מכן להוסיף מים יונים דם לא מחומצן (למשל, 0.3 mL). 18.2 MΩ·cm יונים מים על deoxygenate זה על ידי sonication.</li>
	<li>לחבר את הצינור סיליקה קו ואקום (מזהה ~ 1 ס מ) עם שסתום סגור. לטבול את הצינור בבקבוקון דיואר מלא עם חנקן נוזלי ~ 3 דקות עד organics של מים קפואים לחלוטין. שים לב: בצע את ההליכים בטיחות עבור העברת ו בעזרת חנקן נוזלי.</li>
	<li>כאשר הצינור נשאר שקוע בפעילות חנקן נוזלי, לפתוח את השסתום ואקום ולהסיר את האוויר קראוון של הצינור. הערה: תהליך זה אמור להספיק עד הלחץ יורד מתחת mtorr 100 על מד הלחץ של המשאבה ואקום.</li>
	<li>. תכבה את השסתום, להסיר את הצינור החנקן הנוזלי, והנח את הצינור חם תלוי בטמפרטורת החדר. טפח בעדינות את החלק התחתון של צינור כדי לשחרר בועות אוויר הנותרים מהפתרון כדי קראוון.</li>
	<li>חזור על מחזור ההקפאה-משאבות-הפשרה לעיל עבור עוד פעמיים ולשמור את הצינור בחנקן נוזלי לפני נעילת הקצה השני של הצינור. סגירת הקו ואקום ולהשתמש הלהבה חמצן-מימן כדי להפוך כל צינור סגור. הערה: כאשר הצינור עובר הידרותרמי ניסויים, קראוון נפח הצינור יקטן בשל התרחבות מים במצב נוזלי. לדוגמה, הצפיפות של מים מפחיתה כ-30% בטמפרטורת החדר עד 300 ° C. לחשב ולהשאיר מספיק נפח קראוון בעת איטום ברכבת התחתית.</li>
</ol>2. הגדרת הניסוי הידרותרמי
<ol><li>אחרי הצעדים איטום, שמכניסים את נקז סיליקה לתוך צינור מתכת קטן (~ 30 ס"מ באורך ו 1.5 ס מ קוטר) עם כובעים בורג רופף, כדי למנוע נזק מכל הלחץ בניין או כשל צינור בתוך הצינור.</li>
	<li>למקם את רכיב ה-pipe מבוקרי טמפרטורה טוב במזגן או תנור וחום זה עד לטמפרטורה הרצויה (למשל, 150 ° C בעבודה זו). השתמש של צמד תרמי בתוך התנור כדי לפקח על הטמפרטורה באמצעות התגובה הידרותרמי.</li>
	<li>ברגע וזמן התגובה הגיעה (למשל, 2 h בעבודה זו), להרוות את הצינור סיליקה על ידי במהירות לשים את הצינור לתוך אמבט מים קרים. הערה: תהליך quenching לוקח פחות מ 1 דקות להתקרר לטמפרטורת החדר, אשר מונע תגובות רטרוגרדית פוטנציאליים.</li>
</ol>3. לנתח את המדגם לאחר הניסוי
<ol><li>פתח הצינור סיליקה בעזרת חותך ולאחר העבר במהירות את כל המוצרים (למשל, ~0.3 מ ל צינור קטן סיליקה) לתוך בקבוקון זכוכית 10 מ ל באמצעות פיפטה של פסטר.</li>
	<li>לחלץ את המוצרים אורגניים עם 3 מ ל דיכלורומתאן (DCM) פתרון זה מכיל dodecane 8.8 מ מ תקן פנימי עבור גז כרומטוגרפיה (GC). וחוץ את המבחנה ו- shake שזה על ידי ידיים במשך 2 דקות ו מערבולת זה עבור 1 דקות. הערה: פעולה זו מסייעת להקל על הפקת מוצרים אורגניים לשלב אורגני. כמו כן, יש לשטוף העברת pipet ובפנים דפנות הצינור סיליקה עם DCM כדי להבטיח התאוששות מוצרים. לקבלת דוגמאות כשהתוכן גבוהה מינרלים, sonicate אותם בפתרון DCM לחילוץ טוב יותר.</li>
	<li>לאפשר החלקיקים מינרלים להתיישב בפתרון החילוץ (קרי, DCM עם dodecane) 5 דק שימוש של פיפטה פסטר להעביר בזהירות את ~ 1 מ"ל של המדגם מהשכבה DCM (קרי, השכבה התחתונה) לתוך בקבוקון GC.</li>
	<li>לנתח את ההתפלגות אורגני המוצר באמצעות GC עם עמודה פולי-נים (למשל, dimethylsiloxane 5% diphenyl/95%) גלאי יינון בלהבה. להגדיר את התנור GC לתוכנית. מתחילים ב- 50 מעלות, להחזיק למשך 8 דקות, להגדיל ב- 10 ° C/דקה עד 220 ° C, להמתין 10 דקות, להגדיל ב- 20 ° C/דקה עד 300 ° C והחזקתו לחוץ למשך 5 דק סט הטמפרטורה מזרק עד 300 ° C. הערה: התוכנית GC צריך להחליף בהתבסס על הסוג של תרכובות אורגניות שעוברים ניתוח.</li>
	<li>לבנות את עקומות כיול GC על ידי התוויית היחס באזור שיא של analyte על תקן פנימי לעומת ריכוז analyte.</li>
	<li>לחשב את ההמרה התגובה מבוסס על ריכוז חומר אורגני המוצא לפני ואחרי את התגובה, קרי, המרה % = ([ראשוני] – [סופי]) ⁄ [ראשוני] × 100%. להשתמש את ההמרות כדי לקבוע אם המינרל מקלה או מאט הידרותרמי העתקות אורגני.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Yang, Z., Gould, I. R., Williams, L. B., Hartnett, H. E., Shock, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+iron-containing+minerals+on+hydrothermal+reactions+of+ketones.">Effects of iron-containing minerals on hydrothermal reactions of ketones.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 223, 107-126 (2018).</li><li>Seewald, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organic-inorganic+interactions+in+petroleum-producing+sedimentary+basins.">Organic-inorganic interactions in petroleum-producing sedimentary basins.</a> Nature. 426 (6964), 327-333 (2003).</li><li>Sogin, M. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microbial+diversity+in+the+deep+sea+and+the+underexplored+"rare+biosphere".">Microbial diversity in the deep sea and the underexplored "rare biosphere".</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (32), 12115 (2006).</li><li>McCollom, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laboratory+Simulations+of+Abiotic+Hydrocarbon+Formation+in+Earth's+Deep+Subsurface.">Laboratory Simulations of Abiotic Hydrocarbon Formation in Earth's Deep Subsurface.</a> Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 75 (1), 467-494 (2013).</li><li>Foustoukos, D. I., Seyfried, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrocarbons+in+Hydrothermal+Vent+Fluids:+The+Role+of+Chromium-Bearing+Catalysts.">Hydrocarbons in Hydrothermal Vent Fluids: The Role of Chromium-Bearing Catalysts.</a> Science. 304 (5673), 1002 (2004).</li><li>Bell, J. L. S., Palmer, D. A., Pittman, E. D., Lewan, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=10.1007/978-3-642-78356-2_9.">10.1007/978-3-642-78356-2_9.</a> Organic Acids in Geological Processes. , 226-269 (1994).</li><li>Palmer, D. A., Drummond, S. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+decarboxylation+of+acetate.+Part+I.+The+kinetics+and+mechanism+of+reaction+in+aqueous+solution.">Thermal decarboxylation of acetate. Part I. The kinetics and mechanism of reaction in aqueous solution.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 50 (5), 813-823 (1986).</li><li>Yang, Z., Gould, I. R., Williams, L. B., Hartnett, H. E., Shock, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+central+role+of+ketones+in+reversible+and+irreversible+hydrothermal+organic+functional+group+transformations.">The central role of ketones in reversible and irreversible hydrothermal organic functional group transformations.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 98, 48-65 (2012).</li><li>McCollom, T. M., Ritter, G., Simoneit, B. R. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lipid+Synthesis+Under+Hydrothermal+Conditions+by+Fischer-+Tropsch-Type+Reactions.">Lipid Synthesis Under Hydrothermal Conditions by Fischer- Tropsch-Type Reactions.</a> Origins of life and evolution of the biosphere. 29 (2), 153-166 (1999).</li><li>Bell, J. L. S., Palmer, D. A., Barnes, H. L., Drummond, S. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+decomposition+of+acetate:+III.+Catalysis+by+mineral+surfaces.">Thermal decomposition of acetate: III. Catalysis by mineral surfaces.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 58 (19), 4155-4177 (1994).</li><li>Yang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrothermal+Photochemistry+as+a+Mechanistic+Tool+in+Organic+Geochemistry:+The+Chemistry+of+Dibenzyl+Ketone.">Hydrothermal Photochemistry as a Mechanistic Tool in Organic Geochemistry: The Chemistry of Dibenzyl Ketone.</a> The Journal of Organic Chemistry. 79 (17), 7861-7871 (2014).</li><li>Yang, Z., Hartnett, H. E., Shock, E. L., Gould, I. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organic+Oxidations+Using+Geomimicry.">Organic Oxidations Using Geomimicry.</a> The Journal of Organic Chemistry. 80 (24), 12159-12165 (2015).</li><li>Venturi, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mineral-assisted+production+of+benzene+under+hydrothermal+conditions:+Insights+from+experimental+studies+on+C6+cyclic+hydrocarbons.">Mineral-assisted production of benzene under hydrothermal conditions: Insights from experimental studies on C6 cyclic hydrocarbons.</a> Journal of Volcanology and Geothermal Research. 346, 21-27 (2017).</li><li>Lemke, K. H., Rosenbauer, R. J., Bird, D. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Peptide+Synthesis+in+Early+Earth+Hydrothermal+Systems.">Peptide Synthesis in Early Earth Hydrothermal Systems.</a> Astrobiology. 9 (2), 141-146 (2009).</li><li>Byrappa, K., Yoshimura, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Handbook of Hydrothermal Technology. , (2001).</li><li>Johnson, J. W., Oelkers, E. H., Helgeson, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=SUPCRT92:+A+software+package+for+calculating+the+standard+molal+thermodynamic+properties+of+minerals,+gases,+aqueous+species,+and+reactions+from+1+to+5000+bar+and+0+to+1000&#176;C.">SUPCRT92: A software package for calculating the standard molal thermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000 bar and 0 to 1000&#176;C.</a> Computers &amp; Geosciences. 18 (7), 899-947 (1992).</li></ol>

המחברים אין לחשוף.

במחקר זה, השתמשנו nitrobenzene עם מגנטיט המינרל כדוגמה כדי להדגים כיצד להעריך השפעות המינרלים על הידרותרמי תגובות אורגני. למרות הניסויים מתבצעים צינורות זכוכית קטנים סיליקה, התוצאות מאוד לשחזור שנצפו בניסויים מגנטיט, קרי, 30.3 ± 1.4% nitrobenzene גיור, שמצביע על היעילות והאמינות של זה פרוטוקול הידר?...

סביבות הידרותרמי (כלומר, התקשורת מימית טמפרטורה גבוהות ולחץ) הם בכל מקום על פני כדור הארץ. הכימיה הידרותרמי של תרכובות אורגניות ממלא תפקיד חיוני מגוון רחב של הגדרות גיאוכימיים, כגון אגנים משקע אורגני, מאגרי נפט2,1,3הביוספרה עמוק. קרבון טבעי המרות במערכות הידרותרמי מתרחשים לא רק בינוני מימית טהור אלא גם עם חומרים אנאורגניים מומסים או מוצק, כגון כדור הארץ-שפע מינרלים. מינרלים נמצאו להשפיע באופן דרמטי, באופן סלקטיבי את תגובתיות הידרותרמי תרכובות אורגניות שונות,4,1,5 , אבל כיצד לזהות את ההשפעות מינרלים במערכות מורכבות הידרותרמי עדיין נותר כאתגר. מטרתו של מחקר זה היא לספק פרוטוקול נסיוני יחסית פשוטה ללמוד השפעות המינרלים על הידרותרמי תגובות אורגני.
המחקרים במעבדה של תגובות הידרותרמי להשתמש באופן מסורתי כורים חזקים עשויות זהב, טיטניום או נירוסטה6,7,8,9. לדוגמה, שקיות זהב או כמוסות בחיוב שימשו, בגלל גולד הוא גמיש, היא מאפשרת את הלחץ הדגימה להיות נשלט על ידי מתאים לחץ מים חיצונית, אשר מונע יצירת שלב אדים בתוך המדגם. עם זאת, הכורים האלה יקרים, יכולה להיות קשורה אפקטים קטליטי מתכת פוטנציאליים10. לכן, זה הכרחי כדי למצוא שיטה חלופית עם עלות נמוכה אבל גבוהה אמינות עבור ניסויים הידרותרמי אלו.
בשנים האחרונות, התגובה צינורות זכוכית קוורץ או סיליקה fused הוחלו בתדירות גבוהה יותר על ניסויים הידרותרמי11,12,13. לעומת זהב יקר או טיטניום, זכוכית קוורץ או סיליקה הוא זול אבל גם החומר חזק. וחשוב מכך, קוורץ צינורות הראו אפקטים קטליטי קטן, יכול להיות גם אינרטי כמו זהב עבור תגובות הידרותרמי11,14. ב פרוטוקול זה, אנו מתארים שיטה כללית עבור ניסויים בקנה מידה קטן הידרותרמי אורגני-מינרליים צינורות בעובי דופן סיליקה. אנו מציגים את הניסוי דוגמה באמצעות תרכובת מודל (קרי: nitrobenzene), בהעדר הנוכחות/מינרל תחמוצת ברזל (קרי, מגנטיט) בפתרון הידרותרמי 150 ° C, כדי להראות את אפקט מינרליים, כמו גם כדי להדגים יעילותה של שיטה זו.

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;Chemicals:&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dichloromethane</td><td>VWR</td><td>BDH23373.400</td><td></td></tr><tr><td>Dodecane</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>297879</td><td></td></tr><tr><td>Nitrobenzene</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>252379</td><td></td></tr><tr><td>Fe&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>310050</td><td></td></tr><tr><td>Fe&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;O&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>637106</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Supplies:&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Silica tube</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vacuum pump</td><td>WELCH</td><td>2546B-01</td><td></td></tr><tr><td>Vacuum line</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Oven</td><td>Hewlett Packard</td><td>5890</td><td></td></tr><tr><td>Thermocouple</td><td>BENETECH</td><td>GM1312</td><td></td></tr><tr><td>Gas chromatography</td><td>Agilent</td><td>7820A</td><td></td></tr></tbody></table>

an experimental protocol for studying mineral effects on organic hydrothermal transformations

אורגנית-מינרליים אינטראקציות נרחב מתרחשים בסביבות הידרותרמי, כגון מעיינות חמים, גייזרים ביבשה, וגם האוורור הידרותרמי באוקיינוס העמוק. תפקידים של מינרלים חיוניים רבים הידרותרמי תהליכים גיאוכימיים אורגני. מתודולוגיה הידרותרמי מסורתית, הכוללת באמצעות כורים עשוי זהב, טיטניום, פלטינה או מפלדת, מזוהה בדרך כלל עם עלות גבוהה או תופעות קטליטי מתכת. לאחרונה, יש נטייה גוברת לשימוש חסכוני ואדישה קוורץ או סיליקה fused זכוכית צינורות בניסויים הידרותרמי. כאן, אנו מספקים פרוטוקול אורגני-מינרליים לניסיונות הידרותרמי צינורות סיליקה, נתאר את הצעדים החיוניים הכנת הדוגמא, הגדרת הניסוי, מוצרים ההפרדה, ולאחר ניתוח כמותי. אנחנו גם להדגים ניסוי בעזרת תרכובת אורגנית מודל, nitrobenzene, להראות את ההשפעה של מינרל המכיל ברזל, מגנטיט, על והשפלות שלו תחת תנאי הידרותרמי ספציפי. טכניקה זו ניתן להחיל ללמוד לאינטרקציות מורכבות אורגני-מינרליים הידרותרמי במערכת מעבדה פשוטות יחסית.

כדי להדגים כיצד להשתמש בשיטה זו כדי ללמוד הידרותרמי האינטראקציות אורגניות-מינרליים, בניסוי פשוט באמצעות מודל של המתחם, nitrobenzene, שנערך עם מינרלים מגנטיט (Fe3או4)-מצב הידרותרמי של 150 ° C ו- 5 ברים כבר שעתיים. כדי להציג את אפקט מינרלי, ניסוי של nitrobenzene ללא מינרל בוצעה גם...

Watch this Scientific Journal Video about An Experimental Protocol for Studying Mineral Effects on Organic Hydrothermal Transformations at JoVE.com

An Experimental Protocol for Studying Mineral Effects on Organic Hydrothermal Transformations

הארץ-שפע מינרלים לשחק תפקידים חשובים הידרותרמי המערכות הטבעיות. כאן, אנו מתארים שיטה אמינה וחסכונית עבור חקירה ניסויית של האינטראקציות אורגניות-מינרליים בתנאים הידרותרמי.

טיפול נסיוני לומד השפעות המינרלים על העתקות הידרותרמי אורגני

Organic-mineral interactions are widely occurring in hydrothermal environments, such as hot springs, geysers on land, and the hydrothermal vents in the ...

an-experimental-protocol-for-studying-mineral-effects-on-organic

Research

JoVE Journal

Environment

5.6K Views.  Oakland University. הארץ-שפע מינרלים לשחק תפקידים חשובים הידרותרמי המערכות הטבעיות. כאן, אנו מתארים שיטה אמינה וחסכונית עבור חקירה ניסויית של האינטראקציות אורגניות-מינרליים בתנאים הידרותרמי.

Video: An Experimental Protocol for Studying Mineral Effects on Organic Hydrothermal Transformations

Experimental Protocol for Manipulating Plant-induced Soil Heterogeneity

Coexistence theory has often treated environmental heterogeneity as being independent of the community composition; however biotic feedbacks such as plant-soil feedbacks (PSF) have large effects on plant performance, and create environmental heterogeneity that depends on the community composition. Understanding the importance of PSF for plant community assembly necessitates understanding of the role of heterogeneity in PSF, in addition to mean PSF effects. Here, we describe a protocol for manipulating plant-induced soil heterogeneity. Two example experiments are presented: (1) a field experiment with a 6-patch grid of soils to measure plant population responses and (2) a greenhouse experiment with 2-patch soils to measure individual plant responses. Soils can be collected from the zone of root influence (soils from the rhizosphere and directly adjacent to the rhizosphere) of plants in the field from conspecific and heterospecific plant species. Replicate collections are used to avoid pseudoreplicating soil samples. These soils are then placed into separate patches for heterogeneous treatments or mixed for a homogenized treatment. Care should be taken to ensure that heterogeneous and homogenized treatments experience the same degree of soil disturbance. Plants can then be placed in these soil treatments to determine the effect of plant-induced soil heterogeneity on plant performance. We demonstrate that plant-induced heterogeneity results in different outcomes than predicted by traditional coexistence models, perhaps because of the dynamic nature of these feedbacks. Theory that incorporates environmental heterogeneity influenced by the assembling community and additional empirical work is needed to determine when heterogeneity intrinsic to the assembling community will result in different assembly outcomes compared with heterogeneity extrinsic to the community composition.

Understanding the role of environmental heterogeneity in species coexistence has typically focused on types of heterogeneity that are extrinsic to the community&#8217;s species composition. We provide novel detailed methods for creating soil heterogeneity treatments using soils subject to plant-soil feedback conditioning, or heterogeneity intrinsic to the community composition.

פרוטוקול ניסוי להטרוגניות קרקע מושרה צמח מניפולציה

Coexistence theory has often treated environmental heterogeneity as being independent of the community composition; however biotic feedbacks such as ...

Laboratory Simulation of an Iron(II)-rich Precambrian Marine Upwelling System to Explore the Growth of Photosynthetic Bacteria

A conventional concept for the deposition of some Precambrian Banded Iron Formations (BIF) proceeds on the assumption that ferrous iron [Fe(II)] upwelling from hydrothermal sources in the Precambrian ocean was oxidized by molecular oxygen [O2] produced by cyanobacteria. The oldest BIFs, deposited prior to the Great Oxidation Event (GOE) at about 2.4 billion years (Gy) ago, could have formed by direct oxidation of Fe(II) by anoxygenic photoferrotrophs under anoxic conditions. As a method for testing the geochemical and mineralogical patterns that develop under different biological scenarios, we designed a 40 cm long vertical flow-through column to simulate an anoxic Fe(II)-rich marine upwelling system representative of an ancient ocean on a lab scale. The cylinder was packed with a porous glass bead matrix to stabilize the geochemical gradients, and liquid samples for iron quantification could be taken throughout the water column. Dissolved oxygen was detected non-invasively via optodes from the outside. Results from biotic experiments that involved upwelling fluxes of Fe(II) from the bottom, a distinct light gradient from top, and cyanobacteria present in the water column, show clear evidence for the formation of Fe(III) mineral precipitates and development of a chemocline between Fe(II) and O2. This column allows us to test hypotheses for the formation of the BIFs by culturing cyanobacteria (and in the future photoferrotrophs) under simulated marine Precambrian conditions. Furthermore we hypothesize that our column concept allows for the simulation of various chemical and physical environments &#8212; including shallow marine or lacustrine sediments.

Laboratory Simulation of an IronII-rich Precambrian Marine Upwelling System to Explore the Growth of Photosynthetic Bacteria

We simulated a Precambrian ferruginous marine upwelling system in a lab-scale vertical flow-through column. The goal was to understand how geochemical profiles of O2 and Fe(II) evolve as cyanobacteria produce O2. The results show the establishment of a chemocline due to Fe(II) oxidation by photosynthetically produced O2.

סימולצית מעבדה של הברזל (II) -rich Precambrian ימי גאות מערכת לחקור את הצמיחה של חיידקים פוטוסינתטיים

A conventional concept for the deposition of some Precambrian Banded Iron Formations (BIF) proceeds on the assumption that ferrous iron [Fe(II)] upwelling ...

Soil Lysimeter Excavation for Coupled Hydrological, Geochemical, and Microbiological Investigations

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled Earth-system processes. Such knowledge is imperative in improving predictions of hydro-biogeochemical cycles, especially under climate change scenarios. We present an experimental method, designed to capture sub-surface heterogeneity of an initially homogeneous soil system. This method is based on destructive sampling of a soil lysimeter designed to simulate a small-scale hillslope. A weighing lysimeter of one cubic meter capacity was divided into sections (voxels) and was excavated layer-by-layer, with sub samples being collected from each voxel. The excavation procedure was aimed at detecting the incipient heterogeneity of the system by focusing on the spatial assessment of hydrological, geochemical, and microbiological properties of the soil. Representative results of a few physicochemical variables tested show the development of heterogeneity. Additional work to test interactions between hydrological, geochemical, and microbiological signatures is planned to interpret the observed patterns. Our study also demonstrates the possibility of carrying out similar excavations in order to observe and quantify different aspects of soil-development under varying environmental conditions and scale.

This study presents an excavation method for investigating subsurface hydrological, geochemical, and microbiological heterogeneity of a soil lysimeter. The lysimeter simulates an artificial hillslope which was initially under homogeneous condition and had been subjected to approximately 5,000 mm of water over eight cycles of irrigation in an 18-month period.

חפירה באדמה Lysimeter עבור ההידרולוגי מצמידים, גיאוכימיות, וחקירות מיקרוביולוגיות

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled ...

Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems

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 &#8220;hydrothermal&#8221; injections.

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

כימית גנים כזרימה דרך מערכות הידרותרמיות טבעיות כורי מדמה

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

Chemistry

Experimental Column Setup for Studying Anaerobic Biogeochemical Interactions Between Iron (Oxy)Hydroxides, Trace Elements, and Bacteria

Fate and speciation of trace elements (TEs), such as arsenic (As) and mercury (Hg), in aquifers are closely related to physio-chemical conditions, such as redox potential (Eh) and pH, but also to microbial activities that can play a direct or indirect role on speciation and/or mobility. Indeed, some bacteria can directly oxidize As(III) to As(V) or reduce As(V) to As(III). Likewise, bacteria are strongly involved in Hg cycling, either through its methylation, forming the neurotoxin monomethyl mercury, or through its reduction to elemental Hg&#176;. The fates of both As and Hg are also strongly linked to soil or aquifer composition; indeed, As and Hg can bind to organic compounds or (oxy)hydroxides, which will influence their mobility. In turn, bacterial activities such as iron (oxy)hydroxide reduction or organic matter mineralization can indirectly influence As and Hg sequestration. The presence of sulfate/sulfide can also strongly impact these particular elements through the formation of complexes such as thio-arsenates with As or metacinnabar with Hg.
Consequently, many important questions have been raised on the fate and speciation of As and Hg in the environment and how to limit their toxicity. However, due to their reactivity towards aquifer components, it is difficult to clearly dissociate the biogeochemical processes that occur and their different impacts on the fate of these TE.
To do so, we developed an original, experimental, column setup that mimics an aquifer with As- or Hg-iron-oxide rich areas versus iron depleted areas, enabling a better understanding of TE biogeochemistry in anoxic conditions. The following protocol gives step by step instructions for the column set-up either for As or Hg, as well as an example with As under iron and sulfate reducing conditions.

Experimental Column Setup for Studying Anaerobic Biogeochemical Interactions Between Iron OxyHydroxides, Trace Elements, and Bacteria

Fate and speciation of arsenic and mercury in aquifers are closely related to physio-chemical conditions and microbial activity. Here, we present an original experimental column setup that mimics an aquifer and enables a better understanding of trace element biogeochemistry in anoxic conditions. Two examples are presented, combining geochemical and microbiological approaches.

להגדרת הטור ניסיוני ללמוד אנאירובית Biogeochemical אינטראקציות בין והידרוקסידים ברזל (אוקסי), יסודות קורט, חיידקים

Fate and speciation of trace elements (TEs), such as arsenic (As) and mercury (Hg), in aquifers are closely related to physio-chemical conditions, such as ...

Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the emergence of life. The growth of hydrothermal chimneys in a thermal gradient environment within an early Earth vent system was successfully simulated by using different hydrothermal simulants, such as sodium sulfide, which were injected into an early Earth ocean simulant containing dissolved ferrous iron. Moreover, an apparatus was developed to sufficiently cool the ocean simulant to near 0 &#176;C in a condenser vessel immersed in a cold water bath while injecting a sulfide solution at hot to room temperatures, effectively creating an artificial chimney structure in a temperature gradient environment over a period of a few hours. Such experiments with different chemistries and variable temperature&#160;gradients resulted in a variety of morphologies in the chimney structure. The use of ocean and hydrothermal fluid simulants at room temperature resulted in vertical chimneys, whereas the combination of a hot hydrothermal fluid and cold ocean simulant inhibited the formation of robust chimney structures. The customizable 3D printed condenser created for this study acts as a jacketed reaction vessel that can be easily modified and used by different researchers. It will allow the careful control of injection rate and chemical composition of vent and ocean simulants, which should help accurately simulate prebiotic reactions in chimney systems with thermal gradients similar to those of natural systems.

The goal of this protocol is to form simulated hydrothermal chimneys via chemical garden injection experiments and introduce a thermal gradient across the inorganic precipitate membrane, using a 3D printable condenser that can be reproduced for educational purposes.

סימולציה של ארובות הידרותרמיות מוקדמות בכדור הארץ בסביבה שיפועית תרמית

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the ...

Bioprospecting of Extremophilic Microorganisms to Address Environmental Pollution

Geothermal springs are rich in various metal ions due to the interaction between rock and water that takes place in the deep aquifer. Moreover, due to seasonality variation in pH and temperature, fluctuation in element composition is periodically observed within these extreme environments, influencing the environmental microbial communities. Extremophilic microorganisms that thrive in volcanic thermal vents have developed resistance mechanisms to handle several metal ions present in the environment, thus taking part to complex metal biogeochemical cycles. Moreover, extremophiles and their products have found an extensive foothold in the market, and this holds true especially for their enzymes. In this context, their characterization is functional to the development of biosystems and bioprocesses for environmental monitoring and bioremediation. To date, the isolation and cultivation under laboratory conditions of extremophilic microorganisms still represent a bottleneck for fully exploiting their biotechnological potential. This work describes a streamlined protocol for the isolation of thermophilic microorganisms from hot springs as well as their genotypical and phenotypical identification through the following steps: (1) Sampling of microorganisms from geothermal sites ("Pisciarelli", a volcanic area of Campi Flegrei in Naples, Italy); (2) Isolation of heavy metal resistant microorganisms; (3) Identification of microbial isolates; (4) Phenotypical characterization of the isolates. The methodologies described in this work might be generally applied also for the isolation of microorganisms from other extreme environments.

The isolation of heavy metal-resistant microbes from geothermal springs is a hot topic for the development of bioremediation and environmental monitoring biosystems. This study provides a methodological approach for isolating and identifying heavy metal tolerant bacteria from hot springs.

ביו-פרוספקציה של מיקרואורגניזמים אקסטרמופיליים לטיפול בזיהום סביבתי

Geothermal springs are rich in various metal ions due to the interaction between rock and water that takes place in the deep aquifer. Moreover, due to ...

Transformation of Organic Household Leftovers into a Peat Substitute

A two-step procedure is described for the synthesis of a carbon material with a similar composition and properties as peat. The produced hydrochar is made suitable for agricultural applications by removing plant growing inhibitory substances. Wet household waste such as fruit peel, coffee grounds, inedible vegetable parts, or wet lignocellulosic material in general, are treated in presence of water at 215 &#x00B0;C and 21 bar in an autoclave, i.e., by hydrothermal carbonization. All these leftovers have a considerable water content of up to 90 weight % (wt%). Adding water extends the procedure to drier materials such as nutshells or even garden prunings and compostable polymers, i.e., the plastic bag for collection of the leftovers.
Usually, the resulting carbon material, called hydrochar, produces a negative effect on plant growth when added to soil. It is supposed that this effect is caused by adsorbed phytotoxic compounds. A simple post-treatment under inert atmosphere (absence of oxygen) at 275 &#x00B0;C removes these substances. Therefore, the raw hydrochar is placed on a glass frit of a vertical tubular quartz reactor. A nitrogen gas flow is applied in down-flow direction. The tube is heated to the desired temperature by means of a heating mantle for up to one hour.
The success of the thermal treatment is easily quantified by thermogravimetry (TG), carried out in air. A weight loss is determined when the temperature of 275 &#x00B0;C is reached, since volatile content is desorbed. Its amount is reduced in the final material, in comparison to the untreated hydrochar.
The two-step treatment converts household leftovers, including compostable bags employed for their collection, into a carbon material that may serve as plant growth promoter and, at the same time, as a carbon sink for climate change mitigation.

A protocol for hydrothermal carbonization of vegetable food waste in an autoclave is presented, with subsequent dry thermal treatment at 275 &#x00B0;C in a continuous flow reactor desorbing volatile organic substances. The aim is to produce a carbon material suitable as soil amendment product or substrate component.

טרנספורמציה של שאריות משק בית אורגניים לתחליף כבול

A two-step procedure is described for the synthesis of a carbon material with a similar composition and properties as peat. The produced hydrochar is made ...

Using Flexible Gold-Titanium Reaction Cells to Simulate Pressure-Dependent Microbial Activity in the Context of Subsurface Biomining

Laboratory studies investigating subsurface microbial processes, such as metal leaching in deep ore deposits (biomining), share common and challenging obstacles, including the special environmental conditions that need to be replicated, e.g., high pressure and in some cases acidic solutions. The former requires an experimental setup suitable for pressurization up to 100 bar, while the latter demands a fluid container with high chemical resistance against corrosion and unwanted chemical reactions with the container wall. To meet these conditions for an application in the field of in situ biomining, a special flexible gold-titanium reaction cell inside a rocking high-pressure reactor was used in this study. The described system allowed simulation of in situ biomining through sulfur-driven microbial iron reduction in an anoxic, pressure-controlled, highly chemically inert experimental environment. The flexible gold-titanium reaction cell can accommodate up to 100 mL of sample solution, which can be sampled at any given time point while the system maintains the desired pressure. Experiments can be performed on timescales ranging from hours to months. Assembling the high-pressure reactor system is fairly time consuming. Nevertheless, when complex and challenging (microbiological) processes occurring in the earth&#39;s deep subsurface in chemically aggressive fluids have to be investigated in the laboratory, the advantages of this system outweigh the disadvantages. The results found that even at high pressure the microbial consortium is active, but at significantly lower metabolic rates.

This protocol describes microbial experiments under elevated pressures to study in situ biomining processes. The experimental approach employs a rocking high-pressure reactor equipped with a gold-titanium reaction cell containing a microbial culture in an acidic, iron-rich medium.

שימוש גמיש זהב-טיטניום תגובת התאים כדי לדמות פעילות מיקרוביאלית תלויי לחץ בהקשר של ביוניג תת משטח

Laboratory studies investigating subsurface microbial processes, such as metal leaching in deep ore deposits (biomining), share common and challenging ...

Engineering

סינתזה וגילוי של MOFs מבוססי פוספונטים: גישה Solvothermal

Discovery and Synthesis Optimization of Isoreticular Al(III) Phosphonate-Based Metal-Organic Framework Compounds Using High-Throughput Methods

High-throughput (HT) methods are an important tool for the fast and efficient screening of synthesis parameters and the discovery of new materials. This manuscript describes the synthesis of metal-organic frameworks (MOFs) from solution using an HT reactor system, resulting in the discovery of various phosphonate-based MOFs of the composition [Al2H12-x(PMP)3]Clx&#8729;6H2O (H4PMP = N,N &#39;-piperazine bis(methylenephosphonic acid)) for x = 4, 6, denoted as Al-CAU-60-xHCl, containing trivalent aluminum ions. This was accomplished under solvothermal reaction conditions by systematically screening the impact of the molar ratio of the linker to the metal and the pH of the reaction mixture on the product formation. The protocol for the HT investigation includes six steps: a) synthesis planning (DOE = design of&#160;experiment) within the HT methodology, b) dosing and working with in-house developed HT reactors, c) solvothermal synthesis, d) synthesis workup using in-house developed filtration blocks, e) characterization by HT powder X-ray diffraction, and f) evaluation of the data. The HT methodology was first used to study the influence of acidity on the product formation, leading to the discovery of Al-CAU-60&#8729;xHCl (x = 4 or 6).

מחבר זרקור: האצת גילוי בכימיה של חומרים מיקרו-נקבוביים 

The targeted synthesis of new metal-organic frameworks (MOFs) is difficult, and their discovery depends on the knowledge and creativity of the chemist. High-throughput methods allow complex synthetic parameter fields to be explored quickly and efficiently, accelerating the process of finding crystalline compounds and identifying synthetic and structural trends.

גילוי וסינתזה אופטימיזציה של תרכובות מסגרת מתכת-אורגניות מבוססות פוספונטים Isoreticular Al(III) באמצעות שיטות תפוקה גבוהה

High-throughput (HT) methods are an important tool for the fast and efficient screening of synthesis parameters and the discovery of new materials. This ...