Name: chemical gardens as flow-through reactors simulating natural hydrothermal systems
Uploaded: 2015-11-18T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 55 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems at JoVE.com

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.

1. Considerazioni sulla sicurezza <ol><li> Utilizzare dispositivi di protezione individuale (camice da laboratorio, occhiali di protezione, guanti in nitrile, scarpe adatte) per evitare contro fuoriuscite di sostanze chimiche o infortuni. Utilizzare siringhe e aghi, e fare attenzione a non forare i guanti. Fare attenzione durante l&#39;installazione esperimento per verificare l&#39;apparecchiatura per perdite eseguendo l&#39;iniezione prima con bidistillata H 2 O (DDH 2 O), e per verificare la stabilità delle fiale di reazione sul supporto, prima di aggiungere sostanze chimiche. </li><li> Intraprendere questo esperimento con qualsiasi ricetta giardino chimica, ma uno dei reagenti che usiamo per simulare bocchette d&#39;altura è una sostanza chimica pericolosa, solfuro di sodio; quindi fare l&#39;intero esperimento all&#39;interno di una cappa aspirante per evitare l&#39;esposizione. <ol><li> Aperto solo la bottiglia di solfuro di sodio nella cappa e posizionare un equilibrio all&#39;interno della cappa per la pesatura solforato. Tenere sempre soluzioni solfuro contenente all&#39;interno della cappa in quanto rilasciano tossici H 2 S gas, e anche tenere Sulfide liquido, diesis, e contenitori di rifiuti solidi nella cappa. Un altro reagente di interesse è Fe (II) Cl 2 • 4H 2 O, che si ossida in seguito all&#39;esposizione all&#39;aria, quindi attenzione a mantenere le soluzioni anossica e di crescere giardini chimici sotto un spazio di testa anossico (ad esempio, N 2 o Ar), sempre entro una cappa aspirante o nel vano portaoggetti. </li></ol></li></ol> 2. Impostazione per gli esperimenti iniezione <ol><li> Creare vetro &quot;fiale iniezione&quot; tagliando via il fondo 1 cm di un vetro trasparente da 100 ml piegatura superiore della bottiglia siero (20 mm crimpare guarnizione tipo chiusura) con una fresa vetro in modo che, quando invertito, la nave è aperto all&#39;aria. In quanto questi sono riutilizzabili, pulire i flaconi in un 1 M HCl bagno acido O / N, e poi risciacquare bene con DDH 2 O prima di un nuovo esperimento. </li><li> Preparare le fiale di iniezione (Figura 1). <ol><li> Raccogliere un setto 20 mm, 20 millimetri di alluminio piegatura sigillo, e un 0,5-10 microlitri punta di plastica della pipetta. Usando una siringa da 16 ne Gedle, forare con attenzione un foro attraverso il centro del setto, quindi rimuovere e smaltire l&#39;ago nel contenitore per rifiuti taglienti appropriata. </li><li> Inserire la punta della pipetta nel foro dell&#39;ago, nel lato del setto di gomma che si troveranno ad affrontare all&#39;interno della parte superiore crimpatura del flaconcino. Inserire la punta della pipetta attraverso il setto in modo che sporge fuori l&#39;altro lato. </li><li> Crimp-sigillare il setto con punta della pipetta sulla nave iniezione di fare una tenuta stagna. Quando sigillato, spingere la punta della pipetta ulteriormente attraverso il setto in modo che sporga all&#39;esterno. </li><li> Applicare 1/16 &quot;tubo trasparente resistente agli agenti chimici flessibile diametro interno per la punta della pipetta (lunghezza del tubo dovrebbe raggiungere dal flaconcino per la pompa a siringa); farlo scorrere per una tenuta stagna. Nota: Questo sarà il tubo di iniezione, alimentata dal all&#39;altra estremità, da una siringa con ago 16 G. </li><li> Controllare eventuali perdite: inserire una siringa da 10 ml riempita con DDH 2 O con un ago G 16 nell&#39;altra estremità del tubo(agevolmente far scorrere il tubo direttamente sul ago e fare attenzione a non forare la parete del tubo). Lentamente iniettare in modo che il DDH 2 O si muove lungo la tubazione e sul fondo del recipiente di reazione. Garantire che la siringa / tubo, tubo / punta, e crimpatura guarnizioni sono a tenuta stagna. </li></ol></li><li> Bloccare le fiale di iniezione su un supporto in una cappa aspirante, in modo che l&#39;iniezione caricherà dal fondo della fiala. Nota: Più fiale possono essere impostate in una volta e alimentati contemporaneamente da siringhe diverse. </li><li> Impostare elettrodi per misurare il potenziale di membrana attraverso la parete dei giardini chimici. Usare sempre la stessa convenzione per la quale il piombo è &quot;dentro&quot; e che è &quot;al di fuori&quot; dei giardini chimici. <ol><li> Tagliare lunghezze di filo isolato (ad esempio, rame) che raggiungono all&#39;interno dei vasi di reazione al cavo del multimetro o un data logger. Lascia un po &#39;di gioco nei cavi per il posizionamento. </li><li> Strip ~ 3 mm difilo nudo alle estremità che si trovano all&#39;interno del flaconcino di reazione. Alle altre estremità che saranno collegati ai conduttori multimetro, striscia ~ 1 cm di filo. </li><li> Fissare i fili in posizione per misurare il potenziale di membrana attraverso il giardino chimico. Per il filo che andrà all&#39;interno del giardino chimica: inserirla nell&#39;apertura del puntale da cui alimentare fluido nel recipiente. </li><li> Inserire il filo in leggera per assicurare il contatto con la soluzione iniettabile, ma non così lontano che ostruisce il flusso di iniezione. Per l&#39;esterno del filo: posto in modo che esso sarà in contatto con il serbatoio di soluzione, ma non con il giardino precipitato chimico. </li><li> Nastro o altrimenti fissare i fili in modo che non possano muoversi all&#39;interno della fiala iniezione durante l&#39;esperimento (Figura 2). </li><li> Attaccare le altre estremità dei cavi al multimetro, e fissare i fili in modo che quei fini anche non si muovono tutto l&#39;esperimento. </li></ol></li><li> Imposta N 2 </sub&gt; linee di gas che si ogni feed in una delle fiale di iniezione. <ol><li> Dividere la alimentazione del gas da una sorgente N 2 in diversi tubi, in modo che vi sia un N 2 avanzamento per ogni flaconcino. </li><li> Collocare ogni provetta N 2 in modo che alimenta spazio di testa di una delle fiale di iniezione. </li></ol></li></ol> 3. preparazione di soluzioni per la crescita Chemical Garden <ol><li> Preparare la soluzione di riserva, 100 ml per ogni esperimento. Nota: In questo esempio, utilizzare 75 mm Fe 2+ e 25 mm Fe 3+ come i cationi precipitanti (Tabella 1). <ol><li> Creare soluzioni anossiche dal primo gorgogliare il DDH 2 O con N 2 gas per ~ 15 minuti per 100 ml. </li><li> Pesare e aggiungere la FeCl 2 • 4H 2 O e FeCl 3 • 6H 2 O, mescolando delicatamente per dissolvere (non vigorosamente in modo da non introdurre ossigeno). </li><li> Dopo reagenti sono dissolti, risommare subitoe luce di bubbling del Fe 2+ / Fe 3+ soluzione con N 2 gas mentre le iniezioni sono preparati. </li></ol></li><li> Scegliere due qualsiasi delle soluzioni di iniezione primari indicati nella tabella 1, e preparare 10 ml di ciascuna. Riempire una siringa da 10 ml a volume con 7 ml ciascuna delle soluzioni (una siringa per ogni soluzione). Sostituire i tappi degli aghi e mettere da parte. </li><li> Preparare 20 ml di soluzione di iniezione secondario (solfuro di sodio - ATTENZIONE). Indicati nella tabella 1 Riempire due siringhe da 10 ml al marchio 7 ml di questa soluzione, sostituire i tappi degli aghi e mettere da parte. Tenere sempre soluzioni e siringhe-solfuro contenente nella cappa. </li><li> Riempire il DDH 2 O siringhe a partire dal punto 2.2.5; questi saranno utilizzati per irrigare il tubo di iniezione. </li></ol> 4. Avvio del iniezione primario <ol><li> Utilizzare data logger desiderata per i potenziali misure di membrana; misurare il potenziale di ogni esperimento su un separate canali, e impostare la velocità di scansione per ottenere la quantità desiderata di punti di dati (ad esempio, per una iniezione di 2 ore, registrando potenziale ogni 30 sec sarebbe sufficiente). </li><li> Fissare le siringhe di iniezione primari su la pompa a siringa programmabili nella cappa. </li><li> Utilizzare un bicchiere di rifiuti per la cattura di gocciolamenti e impostare la pompa a siringa per iniettare a un ritmo veloce fino a quando le siringhe entrambi cominciano a gocciolare nel bicchiere. Poi interrompere l&#39;iniezione (per assicurare che le due siringhe iniziano iniettare esattamente allo stesso livello). </li><li> Riprogrammare la pompa a siringa per iniettare a 2 ml per ora (calibrazione per il tipo di siringa viene usato), ma non ha colpito inizio. </li><li> Inserire i DDH 2 O siringhe nei due tubi di iniezione plastica e iniettare in modo che l&#39;acqua riempie il tubo trasparente fino all&#39;apertura dove entra nel serbatoio principale. Porre le siringhe sul cavalletto, sopra le fiale di iniezione. </li><li> Versare 100 ml di soluzione serbatoio del Fe 2+ / Fe 3+ in EAfiala ch. </li><li> Regolare il flusso delle linee di gas N 2 come desiderato per mantenere la anossica esperimento per la durata delle iniezioni. </li><li> Coprire con cura le fiale serbatoio con una chiusura ermetica (ad esempio, utilizzando Parafilm, non ostruire la vista attraverso il vetro) e inserire un feed N 2 in ogni fiala (Figura 3). </li><li> Portare i DDH 2 O siringhe (ancora inserite nel tubo) accanto alle siringhe per iniezione primarie. Far scorrere delicatamente il tubo di iniezione plastica fuori dal O siringa DDH 2, e trasferire immediatamente direttamente su uno degli aghi della siringa di iniezione primaria. (Fare attenzione a non forare la parete del tubo.) </li><li> Avviare l&#39;iniezione, e avviare la registrazione del potenziale di membrana. </li></ol> 5. Avvio del iniezione secondario: <ol><li> Hit fermata sulla pompa a siringa dopo 3 ore (dopo 6 ml sono state iniettate), strutture da giardino una volta chimiche si sono formate (Figure 4), continuamente generare un potenziale di membrana (Figura 5). </li><li> Rimuovere con attenzione le siringhe primarie dalla pompa siringa (ma lasciarli collegati al tubo in modo che le strutture non sono disturbati); disporli sul cavalletto di sopra del livello del liquido nelle fiale modo che il liquido non possa fluire nella siringa. </li><li> Fissare le siringhe solfuro di iniezione secondaria per la pompa a siringa, e ripetere i passi 4.3 e 4.4. </li><li> Rimuovere le siringhe secondari uno alla volta dalla pompa a siringa, e, tenendo le siringhe di sopra del livello del fluido in fiale, ripetere il passo 4.9, trasferendo il tubo dalle siringhe primari alle siringhe secondari (Figura 6). Essere vigili che la pressione del fluido dal serbatoio nella siringa non provoca il passaggio del fluido nella siringa poiché questo potrebbe crollare giardino chimica. </li><li> Quando il trasferimento è completo, fissare con cura le siringhe secondari the pompa a siringa. </li><li> Riprogrammare la pompa a siringa per iniettare a 2 ml per ora, e colpito inizia a continuare l&#39;iniezione con la nuova soluzione iniettabile. </li><li> Gettare le siringhe per iniezione primarie. </li></ol> 6. Terminare l&#39;esperimento <ol><li> Fermare prima la pompa a siringa, quindi interrompere la registrazione del potenziale di membrana e salvare i dati. </li><li> Spegnere il flusso N 2 e rimuovere le linee e il Parafilm dai vasi di iniezione. </li><li> Se lo si desidera, la soluzione campione serbatoio o precipitare per ulteriori analisi. Per rimuovere con attenzione la soluzione di riserva e non disturbare il precipitato, utilizzare una pipetta da 25 ml per pipetta con cautela la soluzione serbatoio in diverse aliquote, e scartare la soluzione in un bicchiere di rifiuti. </li><li> Sganciare i vasi iniezione uno alla volta e versare la soluzione in un becher di trasferimento dei rifiuti nella cappa. Utilizzare DDH 2 O per sciacquare pezzi di precipitato. </li><li> Rimuovere le siringhe from la pompa a siringa, ed estrarli dal tubo, che il fluido iniezione supplementare scappare nel bicchiere trasferimento dei rifiuti. Svuotare le siringhe nel bicchiere rifiuti e smaltire le siringhe in un contenitore solfuro taglienti conservata nella cappa. </li><li> Rimuovere il tubo dalla fiala esperimento e smaltire in un sacchetto di rifiuti solidi. Uncrimp il sigillo e smaltire il setto, sigillo, e puntale. </li><li> Sciacquare l&#39;esperimento fiala di vetro e immergerlo in un 1 M HCl bagno acido O / N. (ATTENZIONE - vetreria che è stato in contatto con il solfuro di sodio rilascerà tossici H 2 S gas quando sono immessi in acido Tenere bagni acidi all&#39;interno della cappa..) </li></ol>

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C., Cruz, P., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+Hydrodynamic+Plumes+to+Chemical+Gardens:+The+Concentration-Dependent+Onset+of+Tube+Formation.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+origin-of-life+reactor+to+simulate+alkaline+hydrothermal+vents.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+CO2+Reduction+by+Ni-containing+Iron+Sulfides:+How+Is+CO2+Electrochemically+Reduced+at+Bisulfide-Bearing+Deep-sea+Hydrothermal+Precipitates?.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinetics+of+nitrate+reduction+by+green+rusts&#8212;effects+of+interlayer+anion+and+Fe+(II):+Fe+(III)+ratio.">Kinetics of nitrate reduction by green rusts&#8212;effects of interlayer anion and Fe (II): Fe (III) ratio.</a> Appl. Clay Sci. 18 (1), 81-91 (2001).</li><li>Trolard, F., Bourri&#233;, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fougerite+a+natural+layered+double+hydroxide+in+gley+soil:+habitus,+structure,+and+some+properties.">Fougerite a natural layered double hydroxide in gley soil: habitus, structure, and some properties.</a> Clay Minerals in Nature - Their Characterization, Modification and Application. , (2012).</li><li>van Oss, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Specifically+Impermeable+Precipitate+Membranes.">Specifically Impermeable Precipitate Membranes.</a> Surface and Colloid Science. , 115-144 (1984).</li><li>Baaske, P., 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=Extreme+accumulation+of+nucleotides+in+simulated+hydrothermal+pore+systems.">Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems.</a> P. Natl. Acad. Sci. USA. 104, 9346-9351 (2007).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

La formazione di una struttura chimica giardino tramite metodo di iniezione può essere realizzato interfacciamento qualsiasi due soluzioni contenenti ioni reattivi che producono un precipitato. Ci sono molti sistemi di reazione possibili che produrranno strutture precipitato e trovare la giusta ricetta di ioni reattivi e concentrazioni di coltivare un struttura desiderata è una questione di tentativi ed errori. La portata della soluzione di iniezione è controllata da una pompa a siringa programmabili e questo può an...

&quot;Giardini chimiche&quot; sono precipitati inorganici autoassemblanti sviluppati dove due fluidi chimiche contrastanti interagiscono 1,2. Queste strutture inorganiche autoassemblanti sono stati oggetto di interesse scientifico per oltre un secolo in parte a causa del loro aspetto biomimetica, e sono stati perseguiti numerosi studi sperimentali e teorici per comprendere i vari aspetti complessi e possibili funzioni dei sistemi giardino chimici 3. Esempi naturali di giardini chimiche includono minerali &quot;camino&quot; precipitati che crescono intorno sorgenti idrotermali e filtra, e si è sostenuto che queste potrebbero fornire ambienti plausibili per la vita di emergere 4. Per crescere un giardino chimica simulando un naturale sfogo idrotermale camino, una soluzione di riserva dovrebbe rappresentare una composizione oceano simulato e una soluzione per l&#39;iniezione dovrebbe rappresentare il fluido idrotermale che alimenta nell&#39;oceano. La versatilità di questo tipo oesperimento f per sistemi di reazione diversi permette la simulazione di quasi tutti oceano / idrotermale chimica dei fluidi proposti, compresi gli ambienti sulla Terra primordiale o su altri mondi. Sulla Terra primordiale, gli oceani sarebbero stati anossica, acido (pH 5-6), e avrebbe contenuto sciolto CO 2 atmosferica e Fe 2+, così come Fe III, Ni 2+, Mn 2+, NO 3- e NO 2-. Reazioni chimiche tra questa acqua di mare e l&#39;oceano ultramafiche crosta avrebbero prodotto un fluido idrotermale alcalina contenente idrogeno e metano, e in alcuni casi solfuro (HS -) 4-8. I camini formatisi in ambienti di sfogo alcalino primi della Terra potrebbero così potuto contenere ossidrossidi di ferro / ferrosi e solfuri di ferro / nichel, ed è stato proposto che questi minerali potrebbero aver servito particolari funzioni catalitiche e proto-enzimatica verso sfruttando geochimici redox / gradienti di pH a guidare l&#39;emergere di Metabolism 5. Allo stesso modo, su altri mondi come quello può ospitare (o possono aver ospitato) acqua / interfacce di roccia - come presto Marte, la luna di Giove, Europa, o della luna di Saturno Encelado - è possibile che la chimica dell&#39;acqua / roccia potrebbe generare ambienti di sfiato alcaline in grado di guida chimica prebiotica o anche fornendo nicchie abitabili per la vita esistente 5,9-11. L&#39;esperimento giardino chimica classica comporta un cristallo seme di un sale di metallo, ad esempio cloruro tetraidrato ferrosi FeCl 2 • 4H 2 O, immersi in una soluzione contenente anioni reattivi, ad esempio silicato di sodio o &quot;acqua di vetro&quot;. Le sale si sciolga metallo, creando una soluzione acida contenente Fe 2+ che si interfaccia con la soluzione più alcalino (contenente anioni silicato e OH -) e una membrana inorganica precipitato si forma. Le onde membrana sotto pressione osmotica, scoppia, poi ri-precipitati unt la nuova interfaccia fluida. Questo processo si ripete fino a quando i cristalli si dissolvono, con un conseguente orientato verticalmente, struttura precipitato auto-organizzato con morfologia complessa in entrambe le scale macro e micro. Questo processo comporta la precipitazione continua separazione delle soluzioni chimicamente contrastanti attraverso la membrana giardino chimico inorganico, e la differenza di specie cariche attraverso la membrana produce un potenziale di membrana 12-14. Strutture giardino Chemical sono complesse, esibendo gradienti compositivi dall&#39;interno all&#39;esterno 13,15-19, e le pareti della struttura mantengono separazione tra soluzioni contrastanti per lunghi periodi, pur rimanendo alquanto permeabili agli ioni. Oltre ad essere un esperimento ideale per scopi educativi (in quanto sono semplici da fare per le dimostrazioni in classe, e possono educare gli studenti circa le reazioni chimiche e di auto-organizzazione), i giardini chimici hanno un significato scientifico come rappresentazioni di auto-assembly in, lontano dall&#39;equilibrio sistemi dinamici, che coinvolge i metodi che possono portare alla produzione di materiali interessanti ed utili 20,21. Giardini chimici in laboratorio possono essere coltivate con metodi di iniezione, in cui la soluzione contenente uno ione precipitante viene iniettata lentamente nella seconda soluzione contenente lo ione co-precipitante (o ioni). Ciò provoca la formazione di strutture da giardino chimiche simili a quelle di esperimenti di crescita dei cristalli, tranne che le proprietà del sistema e il precipitato può essere meglio controllati. Il metodo di iniezione ha diversi vantaggi significativi. Essa permette di formare un giardino chimica utilizzando qualsiasi combinazione di precipitanti o costituite specie, cioè, più ioni precipitanti possono essere incorporati in una soluzione, e / o altri componenti non-precipitante può essere incluso in entrambe le soluzioni di adsorbimento / reagiscono con il precipitato . Il potenziale di membrana generato in un prodotto chimicogiardino sistema può essere misurata in un esperimento di iniezione se un elettrodo è incorporato all&#39;interno della struttura, permettendo così lo studio elettrochimico del sistema. Esperimenti iniezione offrono la possibilità di alimentare la soluzione iniettabile nell&#39;interno del giardino chimica per tempi controllati variando la velocità di iniezione o volume totale iniettato; è quindi possibile alimentare attraverso diverse soluzioni sequenza e utilizzare la struttura precipitato come una trappola o reattore. Queste tecniche combinate, consentono simulazioni di laboratorio dei processi complessi che potrebbero si sono verificati in un sistema di giardino sostanza chimica naturale in uno sfogo sottomarino idrotermale, tra cui un camino formata da molte reazioni di precipitazione simultanee tra oceano e sfiato fluido (ad esempio, la produzione di solfuri metallici, idrossidi e / o carbonati e silicati) 5,22. Queste tecniche possono anche essere applicati a qualsiasi sistema di reazione chimica giardino per consentire la formazione di nuovi tipidi materiali, ad esempio, tubi stratificati o tubi con adsorbite specie reattive 20,23. Abbiamo dettaglio qui un esperimento esempio che include la crescita simultanea di due giardini, Fe 2+ chimici -contenenti strutture in un ambiente anossico. In questo esperimento abbiamo incorporato tracce di polifosfati e / o amminoacidi nella soluzione iniezione iniziale per osservare il loro effetto sulla struttura. Dopo la formazione iniziale del giardino chimico abbiamo poi cambiato la soluzione per l&#39;iniezione di introdurre solfuro come precipitante anione secondario. Misure di potenziali di membrana sono stati effettuati automaticamente durante l&#39;esperimento. Questo protocollo descrive come eseguire due esperimenti in una sola volta con una pompa a doppia siringa; I dati riportati necessari più esecuzioni di questa procedura. Le relativamente elevate portate, basso pH delle concentrazioni serbatoio e reagenti impiegati nei nostri esperimenti sono progettati per formare precipitati grande camino in tempo scbirre adatte per esperimenti di laboratorio di un giorno. Tuttavia, le portate di fluido a sorgenti idrotermali naturali possono essere molto più diffuse e le concentrazioni di reagenti precipitante (ad esempio, Fe e S in un sistema di terra in anticipo) potrebbe essere un ordine di grandezza inferiore 4; quindi, precipitati strutturati formerebbero su scale temporali più lunghi e la bocca potrebbe essere attivo per decine di migliaia di anni 24,25.

<table><tbody><tr><td>Syringe Pump</td><td>Fisher</td><td>14-831-3</td><td>Dual or multiple channel, depending on desired number of simultaneous experiments</td></tr><tr><td>Ferrous chloride tetrahydrate</td><td>Fisher</td><td>I90500</td><td>Ferrous Chloride Tetrahydrate (Crystalline/Certified)</td></tr><tr><td>Ferric chloride hexahydrate</td><td>Fisher</td><td>I88-100</td><td>Ferric&amp;nbsp;Chloride&amp;nbsp;Hexahydrate&amp;nbsp;(Lumps/Certified ACS)</td></tr><tr><td>Sodium hydroxide</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5881</td><td>reagent grade, &amp;ge;98%, pellets (anhydrous)</td></tr><tr><td>Sodium sulfide nonahydrate</td><td>Fisher</td><td>S425212</td><td>Sodium Sulfide Nonahydrate (Crystalline/Certified ACS). Store at -20&amp;nbsp;&amp;#176;C. Only open in a glove box or fume hood. Releases toxic H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;S gas; all sulfide-containing solutions must be kept in a glove box or fume hood.</td></tr><tr><td>Potassium pyrophosphate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/322431?lang=en&amp;amp;region=US&quot;&gt;322431&lt;/a&gt;</td><td>97%</td></tr><tr><td>L-Alanine</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/a7627?lang=en&amp;amp;region=US&quot;&gt;A7627&lt;/a&gt;</td><td></td></tr><tr><td>Syringes (10&amp;nbsp;cc)</td><td>Fisher</td><td>14-823-16E</td><td>BD&amp;trade; Syringe with Luer-Lok Tips (Without Needle)</td></tr><tr><td>Syringe needles (16&amp;nbsp;gauge)</td><td>Fisher</td><td>14-826-18B</td><td>BD&amp;trade; General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 16&amp;nbsp;G x 1.5 in. (38&amp;nbsp;mm)</td></tr><tr><td>Tubing</td><td>Cole Parmer</td><td>EW-06407-71</td><td>Tygon Lab Tubing, Non-DEHP, 1/16&quot; ID x 1/8&quot; OD</td></tr><tr><td>Aluminum seals</td><td>Fisher</td><td>0337523C</td><td>Thermo Scientific&amp;trade; National&amp;trade; Headspace 20&amp;nbsp;mm Crimp Seals</td></tr><tr><td>Gray butyl stoppers</td><td>Fisher</td><td>0337522AA</td><td>Thermo Scientific&amp;trade; National&amp;trade; 20&amp;nbsp;mm Septa for Headspace Vials</td></tr><tr><td>Serum bottles</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>33110-U</td><td>Vials, crimp top, serum bottle, size 100 ml, clear glass, O.D. &amp;times; H 51.7 mm &amp;times; 94.5 mm. For these experiments, the bottom of the serum bottle should be cut off.</td></tr><tr><td>Pipette tips</td><td>VWR</td><td>53511-682</td><td>pipette tips 0.5-10 &amp;#956;l</td></tr><tr><td>Wire</td><td>McMaster-Carr</td><td>8073K661</td><td>Solid Single-Conductor Wire, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC</td></tr></tbody></table>

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.

Una volta che la soluzione iniettabile iniziato ad alimentare il serbatoio soluzione, un giardino precipitato chimico iniziato a formarsi l&#39;interfaccia fluida e questa struttura ha continuato a crescere nel corso dell&#39;iniezione (figure 4-7). Negli esperimenti riportati qui, la prima iniezione è idrossido di sodio (che può essere modificato per includere L-alanina e / o pirofosfato), e la soluzione era un serbatoio 1: 3 miscela di Fe 3+ / Fe 2+, ottenendo un misto -redox-S...

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Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems

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

Giardini chimici come flusso attraverso Reattori simulando naturali idrotermali Sistemi

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

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

14.4K Views.  California Institute of Technology. We describe chemical garden formation via injection experiments that allow for laboratory simulations of natural chemical garden systems that form at submarine hydrothermal vents.

Video: Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems

Millifluidics for Chemical Synthesis and Time-resolved Mechanistic Studies

Procedures utilizing millifluidic devices for chemical synthesis and time-resolved mechanistic studies are described by taking three examples. In the first, synthesis of ultra-small copper nanoclusters is described. The second example provides their utility for investigating time resolved kinetics of chemical reactions by analyzing gold nanoparticle formation using in situ X-ray absorption spectroscopy. The final example demonstrates continuous flow catalysis of reactions inside millifluidic channel coated with nanostructured catalyst.

Millifluidic devices are utilized for controlled synthesis of nanomaterials, time-resolved analysis of reaction mechanisms and continuous flow catalysis.

Millifluidics per sintesi chimica e risolte nel tempo meccanicistici Studies

Procedures utilizing millifluidic devices for chemical synthesis and time-resolved mechanistic studies are described by taking three examples. In the ...

Ricerca

Bioingegneria

Continuous Flow Chemistry: Reaction of Diphenyldiazomethane with p-Nitrobenzoic Acid

Continuous flow technology has been identified as instrumental for its environmental and economic advantages leveraging superior mixing, heat transfer and cost savings through the &#34;scaling out&#34; strategy as opposed to the traditional &#34;scaling up&#34;. Herein, we report the reaction of diphenyldiazomethane with p-nitrobenzoic acid in both batch and flow modes. To effectively transfer the reaction from batch to flow mode, it is essential to first conduct the reaction in batch. As a consequence, the reaction of diphenyldiazomethane was first studied in batch as a function of temperature, reaction time, and concentration to obtain kinetic information and process parameters. The glass flow reactor set-up is described and combines two types of reaction modules with &#34;mixing&#34; and &#34;linear&#34; microstructures. Finally, the reaction of diphenyldiazomethane with p-nitrobenzoic acid was successfully conducted in the flow reactor, with up to 95% conversion of the diphenyldiazomethane in 11 min. This proof of concept reaction aims to provide insight for scientists to consider flow technology&#39;s competitiveness, sustainability, and versatility in their research.

Continuous Flow Chemistry: Reaction of Diphenyldiazomethane with p-Nitrobenzoic Acid

Flow chemistry carries environmental and economic advantages by leveraging superior mixing, heat transfer and cost benefits. Herein, we provide a blueprint to transfer chemical processes from batch to flow mode. The reaction of diphenyldiazomethane (DDM) with p-nitrobenzoic acid, conducted in batch and flow, was chosen for proof of concept.

Chimica di flusso continuo: Reazione di Diphenyldiazomethane con l'acido p- nitrobenzoico

Continuous flow technology has been identified as instrumental for its environmental and economic advantages leveraging superior mixing, heat transfer and ...

Chimica

Utilization of Stop-flow Micro-tubing Reactors for the Development of Organic Transformations

A new reaction screening technology for organic synthesis was recently demonstrated by combining elements from both continuous micro-flow and conventional batch reactors, coined stop-flow micro-tubing (SFMT) reactors. In SFMT, chemical reactions that require high pressure can be screened in parallel through a safer and convenient way. Cross-contamination, which is a common problem in reaction screening for continuous flow reactors, is avoided in SFMT. Moreover, the commercially available light-permeable micro-tubing can be incorporated into SFMT, serving as an excellent choice for light-mediated reactions due to a more effective uniform light exposure, compared to batch reactors. Overall, the SFMT reactor system is similar to continuous flow reactors and more superior than batch reactors for reactions that incorporate gas reagents and/or require light-illumination, which enables a simple but highly efficient reaction screening system. Furthermore, any successfully developed reaction in the SFMT reactor system can be conveniently translated to continuous-flow synthesis for large scale production.

A protocol for organic reaction screening using stop-flow micro-tubing (SFMT) reactors employing gaseous reactants and/or visible-light mediated reactions is presented.

Utilizzo di reattori di Micro-tubo di fermata-flusso per lo sviluppo di trasformazioni organiche

A new reaction screening technology for organic synthesis was recently demonstrated by combining elements from both continuous micro-flow and conventional ...

Microalgae Cultivation and Biomass Quantification in a Bench-Scale Photobioreactor with Corrosive Flue Gases

Photobioreactors are illuminated cultivation systems for experiments on phototrophic microorganisms. These systems provide a sterile environment for microalgal cultivation with temperature, pH, and gas composition and flow rate control. At bench-scale, photobioreactors are advantageous to researchers studying microalgal properties, productivity, and growth optimization. At industrial scales, photobioreactors can maintain product purity and improve production efficiency. The video describes the preparation and use of a bench-scale photobioreactor for microalgal cultivation, including the safe use of corrosive gas inputs, and details relevant biomass measurements and biomass productivity calculations. Specifically, the video illustrates microalgal culture storage and preparation for inoculation, photobioreactor assembly and sterilization, biomass concentration measurements, and a logistic model for microalgal biomass productivity with rate calculations including maximum and overall biomass productivities. Additionally, since there is growing interest in experiments to cultivate microalgae using simulated or real waste gas emissions, the video will cover the photobioreactor equipment adaptations necessary to work with corrosive gases and discuss safe sampling in such scenarios.

Bench-scale, axenic cultivation facilitates microalgal characterization and productivity optimization before subsequent process scale-up. Photobioreactors provide the necessary control for reliable and reproducible microalgal experiments and can be adapted to safely cultivate microalgae with the corrosive gases (CO2, SO2, NO2) from municipal or industrial combustion emissions.

Coltivazione di microalghe e quantificazione della biomassa in un fotoreattore in scala di panca con gas di scarico corrosivo

Photobioreactors are illuminated cultivation systems for experiments on phototrophic microorganisms. These systems provide a sterile environment for ...

Ambiente

Coupling Carbon Capture from a Power Plant with Semi-automated Open Raceway Ponds for Microalgae Cultivation

In the United States, 35% of the total carbon dioxide (CO2) emissions come from the electrical power industry, of which 30% represent natural gas electricity generation. Microalgae can biofix CO2 10 to 15 times faster than plants and convert algal biomass to products of interest, such as biofuels. Thus, this study presents a protocol that demonstrates the potential synergies of microalgae cultivation with a natural gas power plant situated in the southwestern United States in a hot semi-arid climate. State-of-the-art technologies are used to enhance carbon capture and utilization via the green algal species Chlorella sorokiniana, which can be further processed into biofuel. We describe a protocol involving a semi-automated open raceway pond and discuss the results of its performance when it was tested at the Tucson Electric Power plant, in Tucson, Arizona. Flue gas was used as the main carbon source to control pH, and Chlorella sorokiniana was cultivated. An optimized medium was used to grow the algae. The amount of CO2 added to the system as a function of time was closely monitored. Additionally, other physicochemical factors affecting algal growth rate, biomass productivity, and carbon fixation were monitored, including optical density, dissolved oxygen (DO), electroconductivity (EC), and air and pond temperatures. The results indicate that a microalgae yield of up to 0.385 g/L ash-free dry weight is attainable, with a lipid content of 24%. Leveraging synergistic opportunities between CO2 emitters and algal farmers can provide the resources required to increase carbon capture while supporting the sustainable production of algal biofuels and bioproducts.

A protocol is described to utilize the carbon dioxide in natural gas power plant flue gas to cultivate microalgae in open raceway ponds. Flue gas injection is controlled with a pH sensor, and microalgae growth is monitored with real time measurements of optical density.

Accoppiamento della cattura del carbonio da una centrale elettrica con stagni semi-automatizzati Open Raceway per la coltivazione di microalghe

In the United States, 35% of the total carbon dioxide (CO2) emissions come from the electrical power industry, of which 30% represent natural gas ...

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.

Simulazione di camini idrotermali della Terra primordiale in un ambiente a gradiente termico

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

A Novel Bioreactor for High Density Cultivation of Diverse Microbial Communities

A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Past studies have evaluated the performance of the reactor for the removal of COD1 and nitrogen species2-4 by heterotrophic and chemoautotrophic bacteria, respectively. The HDBR design eliminates the requirement for external flocculation/sedimentation processes while still yielding effluent containing low suspended solids. In this study, the HDBR is applied as a photobioreactor (PBR) in order to characterize the nitrogen removal characteristics of an algae-based photosynthetic microbial community. As previously reported for this HDBR design, a stable biomass zone was established with a clear delineation between the biologically active portion of the reactor and the recycling reactor fluid, which resulted in a low suspended solid effluent. The algal community in the HDBR was observed to remove 18.4% of total nitrogen species in the influent. Varying NH4+ and NO3- concentrations in the feed did not have an effect on NH4+ removal (n=44, p=0.993 and n=44, p=0.610 respectively) while NH4+ feed concentration was found to be negatively related with NO3- removal (n=44, p=0.000) and NO3- feed concentration was found to be positively correlated with NO3- removal (n=44, p=0.000). Consistent removal of NH4+, combined with the accumulation of oxidized nitrogen species at high NH4+ fluxes indicates the presence of ammonia- and nitrite-oxidizing bacteria within the microbial community.

A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Here, the HDBR is successfully applied in a photobioreactor (PBR) configuration for the study of nitrogen metabolism by a mixed high density algal community.

Un bioreattore Novel per l&#39;alta densità di coltivazione diverse comunità microbiche

A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Past ...

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.

Utilizzo di celle di reazione oro-titanio flessibili per simulare l'attività microbica dipendente dalla pressione nel contesto del biomining del sottosuolo

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

Ingegneria

Mesocosm-Scale Constructed Wetland Design for Wastewater Treatment

Oil sands process-affected water (OSPW), a by-product of bitumen extraction through surface mining in Alberta, Canada, contains various constituents of concern, including naphthenic acid fraction compounds (NAFCs). These organic compounds are particularly worrisome due to their toxicity and persistence in the environment. Constructed wetland treatment systems (CWTS) use plants and their associated microbes to attenuate contaminants in wastewater. Field-scale CWTS have been presented as a potential large-scale treatment option for OSPW, specifically for degrading NAFCs. To optimize the use of CWTS for large-scale treatment of NAFCs in OSPW, it is essential to deepen our understanding of various design parameters and explore ways to enhance efficacy.
Mesocosm-scale experiments serve as a valuable intermediary, bridging the gap between complex field trials and controlled laboratory settings. Mesocosms provide a controlled, replicable environment to study the effects of various parameters such as substrate, plant species, temperature, and retention time while incorporating ecological complexities in their design. Published and previous work has shown that this method is successful in evaluating the impacts of different parameters on the efficacy of CWTS to attenuate NAFCs in OSPW. This protocol outlines the design and setup of a surface flow wetland mesocosm, along with the experimental approach for treating NAFCs in OSPW. This method can be adapted to treat other wastewaters across diverse geographical locations.

Constructed wetland treatment systems have been used for decades to treat wastewater, but their application to treat oil sands process-affected waters is relatively new. To explore this potential, a surface flow mesocosm design and experimental methods are outlined. This approach aims to enhance our understanding of key design parameters and improve treatment efficacy.

Progettazione di zone umide costruite su scala mesocosmica per il trattamento delle acque reflue

Oil sands process-affected water (OSPW), a by-product of bitumen extraction through surface mining in Alberta, Canada, contains various constituents of ...

Window on a Microworld: Simple Microfluidic Systems for Studying Microbial Transport in Porous Media

Microbial growth and transport in porous media have important implications for the quality of groundwater and surface water, the recycling of nutrients in the environment, as well as directly for the transmission of pathogens to drinking water supplies. Natural porous media is composed of an intricate physical topology, varied surface chemistries, dynamic gradients of nutrients and electron acceptors, and a patchy distribution of microbes. These features vary substantially over a length scale of microns, making the results of macro-scale investigations of microbial transport difficult to interpret, and the validation of mechanistic models challenging. Here we demonstrate how simple microfluidic devices can be used to visualize microbial interactions with micro-structured habitats, to identify key processes influencing the observed phenomena, and to systematically validate predictive models. Simple, easy-to-use flow cells were constructed out of the transparent, biocompatible and oxygen-permeable material poly(dimethyl siloxane). Standard methods of photolithography were used to make micro-structured masters, and replica molding was used to cast micro-structured flow cells from the masters. The physical design of the flow cell chamber is adaptable to the experimental requirements: microchannels can vary from simple linear connections to complex topologies with feature sizes as small as 2 &mu;m. Our modular EcoChip flow cell array features dozens of identical chambers and flow control by a gravity-driven flow module. We demonstrate that through use of EcoChip devices, physical structures and pressure heads can be held constant or varied systematically while the influence of surface chemistry, fluid properties, or the characteristics of the microbial population is investigated. Through transport experiments using a non-pathogenic, green fluorescent protein-expressing Vibrio bacterial strain, we illustrate the importance of habitat structure, flow conditions, and inoculums size on fundamental transport phenomena, and with real-time particle-scale observations, demonstrate that microfluidics offer a compelling view of a hidden world.

Microfluidic devices can be used to visualize complex natural processes in real time and at the appropriate physical scales. We have developed a simple microfluidic device that mimics key features of natural porous media for studying growth and transport of bacteria in the subsurface.

Finestra su un micromondo: Sistemi Microfluidic semplice per studiare il trasporto microbica in mezzi porosi

Microbial growth and transport in porous media have important implications for the quality of groundwater and surface water, the recycling of nutrients in ...