Jardins químicos como Fluxo através Reatores simulando Naturais sistemas hidrotérmicos

Resumo

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

Resumo

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.

Introdução

"Jardins Químicas" são precipitados inorgânicos auto-montagem desenvolvidos, onde dois fluidos de químicas contrastantes interagem ^1,2. Estas estruturas inorgânicas de auto-montagem têm sido objeto de interesse científico por mais de um século, em parte devido à sua aparência biomimético, e muitos estudos experimentais e teóricos têm sido buscadas para entender os vários aspectos complexos e as possíveis funções dos sistemas de jardim químicos ^3. Exemplos naturais de jardins químicos incluem minerais "chaminé" precipitados que crescem em torno fontes hidrotermais e afloramentos, e tem-se argumentado que estes poderiam fornecer ambientes plausíveis para a vida surgir ^4. Para crescer um jardim química simulando um respiradouro chaminé hidrotermal natural, uma solução reservatório deve representar uma composição oceano simulado e uma solução para injecção deve representar o fluido hidrotermal que alimenta no oceano. A versatilidade deste tipo of experimento para diferentes sistemas de reação permite a simulação de quase qualquer química proposto fluido oceano / hidrotermal, incluindo ambientes da Terra primitiva ou em outros mundos. No início de terra, os oceanos teria sido anóxica, ácida (pH 5-6), e teria contido dissolvido _CO2 atmosférico e Fe ^2+, bem como Fe ^III, Ni ^2+, Mn ^2+, NO ^3- e NO ^2. Reações químicas entre esta água do mar e da crosta ultramafic oceano teria produzido um fluido hidrotermal alcalina contendo hidrogênio e metano, e em alguns casos, sulfeto (HS ^{-) 4-8.} As chaminés formadas em ambientes de ventilação alcalina Terra primitiva poderia, assim, ter contido oxihidróxidos férricos / ferrosos e sulfetos de ferro / níquel, e tem sido proposto que estes minerais pode ter servido particulares funções catalíticas e proto-enzimática para aproveitamento redox / gradientes de pH geoquímicas de conduzir o aparecimento de Metabolism ^5. Da mesma forma, em outros mundos, como a que pode hospedar (ou pode ter hospedado) de água / interfaces de rock - como início de Marte, lua de Júpiter Europa, ou lua de Saturno Enceladus - é possível que a química da água / rock poderia gerar ambientes de ventilação alcalinas capaz de condução química prebiótica ou mesmo fornecendo nichos habitáveis ​​para a vida existente ^5,9-11.

O experimento clássico jardim química envolve um cristal semente de um sal de metal, por exemplo, tetra-hidrato de cloreto ferroso _FeCl2 • 4H ₂ O, submersas numa solução contendo aniões reactivos, por exemplo, silicato de sódio ou de "vidro de água". O sal se dissolve de metal, criando uma solução ácida contendo Fe ²⁺ que faz interface com a solução mais alcalina (contendo aniões silicato e OH ^-) e uma membrana precipitado inorgânico é formado. As ondas de membrana sob pressão osmótica, explosões, em seguida, re-precipita umat da nova interface fluido. Este processo repete-se até que os cristais são dissolvidos, resultando numa orientada verticalmente, a estrutura auto-organizada precipitado com morfologia complexa em ambas as escalas macro e micro. Este processo de precipitação resulta na separação de soluções de continuidade contrastantes quimicamente através da membrana jardim química inorgânica, e a diferença de espécies carregadas através da membrana produz um potencial de membrana ^12-14. Estruturas do jardim Chemical são complexos, exibindo gradientes de composição do interior para o exterior ^13,15-19, e as paredes da estrutura manter a separação entre as soluções contrastantes por longos períodos, permanecendo um pouco permeável aos íons. Além de ser uma experiência ideal para fins educacionais (como eles são simples de fazer para demonstrações de sala de aula, e pode educar os alunos sobre reações químicas e auto-organização), jardins químicos têm significado científico como representações de auto-assembly em dinâmicos, far-de-equilíbrio sistemas, envolvendo métodos que podem levar à produção de materiais interessantes e úteis ^20,21.

Jardins químicas em laboratório também pode ser cultivada por métodos de injecção, no qual a solução contendo um ião de precipitação é injectada lentamente para a segunda solução contendo o ião de co-precipitante (ou iões). Isto resulta na formação de estruturas do jardim químicas semelhantes às experiências de crescimento de cristal, a não ser que as propriedades do sistema e o precipitado pode ser melhor controlada. O processo de injecção tem várias vantagens significativas. Ele permite um para formar um jardim química usando qualquer combinação de precipitantes ou incorporados espécies, isto é, vários iões precipitantes podem ser incorporados em uma solução, e / ou outros componentes não-precipitante pode ser incluído em qualquer solução para adsorver / reagem com o precipitado . O potencial de membrana gerado em um produto químicosistema de jardim pode ser medido numa experiência de injecção se um eléctrodo é incorporada no interior da estrutura, permitindo assim estudo electroquímica do sistema. Experiências de injecção oferecem a capacidade para alimentar a solução de injecção para o interior do jardim química para intervalos de tempo controlada pela variação da velocidade de injecção ou volume total injectado; Por conseguinte, é possível alimentar as soluções através de diferentes sequencialmente e usar a estrutura precipitada como uma armadilha ou reactor. Combinadas, estas técnicas permitem simulações laboratoriais dos processos complexos que poderiam ter ocorrido em um sistema de jardim química natural em um respiradouro submarino hidrotermal, incluindo uma chaminé formado a partir de muitas reacções de precipitação simultâneas entre oceano e ventilação de líquidos (por exemplo, produtores de sulfetos metálicos, hidróxidos , e / ou carbonatos e silicatos) ^5,22. Estas técnicas podem também ser aplicados a qualquer sistema de reacção jardim química para permitir a formação de novos tiposde materiais, como por exemplo, tubos ou tubos em camadas com espécies reactivas adsorvidas ^20,23.

Nós detalhes aqui um experimento exemplo que inclui o crescimento simultâneo de dois jardins químicos, Fe ²⁺ molecular contendo estruturas em um ambiente anóxico. Nesta experiência foram incorporadas pequenas quantidades de polifosfatos e / ou aminoácidos na solução de injecção inicial para observar o seu efeito sobre a estrutura. Após a formação inicial do jardim químico que depois passou a solução de injecção para introduzir sulfeto como um ânion de precipitação secundária. As medições de potenciais de membrana foram feitas automaticamente durante todo o experimento. Este protocolo descreve como executar dois experimentos de uma só vez utilizando uma bomba de seringa dupla; Os dados mostrados necessários vários ensaios deste procedimento. As taxas relativamente elevadas de fluxo, baixo pH das concentrações dos reservatórios e dos reagentes utilizados em nossos experimentos são projetados para formar grande chaminé precipita em tempo scales adequados para experimentos de laboratório de um dia. No entanto, as taxas de fluxo do fluido em fontes hidrotermais naturais pode ser muito mais difusa e as concentrações de reagentes de precipitação (por exemplo, Fe e S num sistema cedo terra) poderia ser de uma ordem de magnitude mais baixa ^4; assim, precipitados estruturados formaria em escalas de tempo mais longos e a ventilação poderia ser ativo para dezenas de milhares de anos ^24,25.

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Protocolo

1. Considerações de segurança

1. Use equipamento de protecção pessoal (bata de laboratório, óculos de proteção, luvas de borracha nitrílica, sapatos adequados) para prevenir contra vazamentos químicos ou ferimentos. Usar seringas e agulhas, e tomar cuidado para não perfurar luvas. Tome cuidado durante a instalação do experimento para verificar o aparelho para vazamentos realizando a primeira injeção com duas vezes destilada H _{2 O (DDH} 2 O), e verificar a estabilidade dos tubos de ensaio sobre o suporte, antes de adicionar produtos químicos.
2. Realizar esta experiência com qualquer receita jardim química, mas um dos reagentes que usamos para simular aberturas de profundidade é um produto químico perigoso, sulfeto de sódio; portanto, fazer todo o experimento dentro de um exaustor para evitar a exposição.
   1. Apenas abrir a garrafa de sulfureto de sódio no exaustor de fumos e colocar um equilíbrio no interior do exaustor de fumos para a pesagem de sulfureto. Mantenha sempre soluções contendo sulfureto dentro da coifa como eles liberam tóxico _H2S gás, e também manter sulfide líquido, farelos, e contentores de resíduos sólidos na coifa. Outro reagente de interesse é Fe (II) _Cl 2 • 4H _{2 O,} que oxidam quando expostas ao ar, por isso tome cuidado para manter as soluções anóxica e crescer jardins químicas no âmbito de um espaço superior anóxica (por exemplo, N _{2 ou} Ar), sempre dentro um exaustor ou caixa de luvas.

2. Instalação para Experimentos Injeção

1. Crie vidro "frascos para injectáveis", cortando a parte inferior 1 cm de um 100 ml de vidro transparente friso parte superior do frasco de soro (20 mm friso selo tipo de fechamento) com um cortador de vidro, de modo que, quando invertido, o navio está aberto para o ar. Como estes são reutilizáveis, limpe os frascos em um 1 M HCl banho de ácido O / N, e depois enxaguar bem com _ddH2O antes de uma nova experiência.
2. Prepare os frascos de injecção (Figura 1).
   1. Recolha um septo 20 mm, 20 milímetros de alumínio friso de vedação, e uma 0,5-10 ul pipeta de plástico ponta. Utilizando uma seringa 16 G NEedle, perfure cuidadosamente um buraco no centro do septo, em seguida, remover e eliminar a agulha no recipiente de resíduos perfurocortantes apropriado.
   2. Insira a ponta da pipeta para o buraco da agulha, para o lado do septo de borracha que vai enfrentar dentro do top friso do frasco. Empurre a ponta da pipeta através do septo para que ele pica para fora do outro lado.
   3. Crimp-selar o septo com ponteira na embarcação injeção para fazer uma vedação estanque. Quando selado, empurrar a ponta da pipeta ainda mais através do septo, de modo que se projecta do lado de fora.
   4. Apor 1/16 "tubulação quimicamente resistentes clara flexível de diâmetro interno para a ponta da pipeta (comprimento da tubulação deve chegar a partir do frasco para injectáveis ​​para a bomba de seringa); deslize-o para uma vedação estanque.
      Nota: Este será o tubo de injecção, alimentado a partir da outra extremidade por uma seringa com agulha G 16.
   5. Verifique se há vazamentos: Inserir uma seringa de 10 ml cheio com _ddH2O com uma agulha G 16 na outra extremidade do tubo(suavemente deslize a tubulação reta na agulha e ter cuidado para não perfurar a parede do tubo). Injecte lentamente de modo que o _ddH2O se move para cima do tubo e para dentro do fundo do vaso de reacção. Garantir que a seringa / tubo, tubo / ponta, e cravar os selos são à prova d'água.
3. Braçadeira os frascos de injecção sobre um suporte em um exaustor, de modo que a injecção será alimentado a partir do fundo do frasco.
   Nota: Vários frascos podem ser criados de uma só vez e alimentada simultaneamente por seringas separadas.
4. Configure eletrodos para medir o potencial de membrana através da parede dos jardins químicos. Sempre use a mesma convenção para que o chumbo é "dentro" e que é "fora" dos jardins químicos.
   1. Cortar comprimentos de fio isolado (por exemplo, cobre) que chegam do interior dos vasos de reacção para a liderança do multímetro ou data logger. Deixe um pouco de folga nos cabos de posicionamento.
   2. Tira ~ 3 mm dofio desencapado nas extremidades que serão localizados dentro do tubo de reação. Nos outros fins que serão conectados aos fios multímetro, tira ~ 1 cm de fio.
   3. Fixe os fios no lugar para medir o potencial de membrana em todo o jardim química. Para o fio que vai dentro do jardim química: insira-o na abertura da ponta da pipeta a partir do qual o fluido irá alimentar dentro do recipiente.
   4. Empurrar o fio em levemente para assegurar o contacto com a solução de injecção, mas não tão longe que vai obstruir o fluxo de injecção. Para o exterior fio: Coloque-o para que ele estará em contato com o reservatório de solução, mas não com o precipitado jardim química.
   5. Fita ou de outra forma fixar os fios, de modo que eles não podem mover-se dentro do frasco de injecção durante a experiência (Figura 2).
   6. Prenda as outras extremidades dos fios para o multímetro, e prenda os fios para que esses fins também não se movem ao longo da experiência.
5. Configure N ₂ linhas de gás que alimentam cada um dos frascos para injectáveis.
   1. Dividir a alimentação de gás a partir de uma fonte de N ₂ em vários tubos, de modo que não é um N ₂ para a alimentação de cada frasco para injecção.
   2. Colocar cada tubo de N ₂ de modo a que se alimenta no espaço livre de um dos frascos de injecção.

3. Preparação de Soluções para o Crescimento Chemical Garden

1. Preparar a solução de reservatório, 100 ml para cada experimento. Nota: Neste exemplo, utilizam 75 mM de ^Fe2 + e ^Fe3 + 25 mM como os catiões de precipitação (Tabela 1).
   1. Criar soluções anóxicas pela primeira borbulhando o _ddH2O com _N2 gasoso durante ~ 15 min por 100 ml.
   2. Pesar e adicionar o FeCl ₂ • 4H _{2 O e FeCl3} • 6H _{2 O,} com agitação suave para dissolver (não vigorosamente de modo a não introduzir oxigénio).
   3. Depois de os reagentes são dissolvidos, resum imediatamentee luz borbulhante do Fe ²⁺ / Fe ³⁺ solução com _gás N2 enquanto injecções são preparadas.
2. Escolha qualquer uma das duas soluções de injecção primários mostrados na Tabela 1, e preparar-se 10 ml de cada. Encha uma seringa de 10 ml até à marca de 7 mL com cada uma das soluções (uma seringa para cada solução). Substituir as tampas de agulhas e reserve.
3. Prepare 20 ml da solução de injeção secundário (sulfeto de sódio - CUIDADO). Apresentados na Tabela 1 Encha duas seringas de 10 ml para a marca de 7 ml com esta solução, recoloque as tampas de agulhas e reserve. Mantenha sempre soluções e seringas contendo sulfureto na coifa.
4. Encha novamente o DDH ₂ O seringas de Passo 2.2.5; estes serão utilizados para lavar o tubo de injecção.

4. A partir da injeção primária

1. Use registrador de dados desejado para membrana medições potenciais; medir o potencial de cada experimento em um separate canal, e definir a taxa de varredura para dar a quantidade desejada de pontos de dados (por exemplo, para uma injecção de 2 horas, a gravação potencial a cada 30 seg seria suficiente).
2. Fixar as seringas de injecção primária sobre a bomba de seringa programável no exaustor de fumos.
3. Use um copo de resíduos para pegar pinga e definir a bomba de seringa para injetar em um ritmo rápido até que as seringas ambos começam a escorrer para o copo. Em seguida, parar a injecção (de modo a garantir que as duas seringas começam a injectar-se exactamente o mesmo nível).
4. Re-programa a bomba de seringa para injectar a 2 ml por hora (para calibrar o tipo de seringa a ser utilizado), mas não atingiu início.
5. Inserir as _ddH2O seringas nos dois tubos de injecção de plástico, e injectar de modo a que a água enche o tubo transparente até a abertura onde entra no reservatório principal. Coloque as seringas no stand, acima dos frascos para injectáveis.
6. Despeje 100 ml de solução reservatório do Fe ²⁺ / Fe ³⁺ em eACH frasco.
7. Ajustar o fluxo das linhas de gás N ₂ como desejado para manter o experimento anóxica para a duração das injecções.
8. Cobrir cuidadosamente os frascos de reservatório com uma vedação hermética (por exemplo, usando Parafilm; não obstruir a vista através do vidro) e inserir um N ₂ alimentação em cada frasco (Figura 3).
9. Traga os _DDH 2 O (ainda seringas inseridos na tubulação) para baixo próximo à seringas de injeção primários. Deslize cuidadosamente o tubo de injecção de plástico fora do _DDH 2 O seringa de agulha, e transferi-lo imediatamente diretamente em uma das agulhas de seringa de injeção primária. (Tome cuidado para não perfurar a parede do tubo.)
10. Comece a injecção, e inicia a gravação do potencial de membrana.

5. Começando a injeção secundária:

1. Hit parada da bomba de seringa após 3 horas (depois de 6 ml foram injetados), estruturas do jardim uma vez químicos formaram (FiguRe 4), continuamente gerando um potencial de membrana (Figura 5).
2. Remova cuidadosamente as seringas de injeção primários da bomba de seringa (mas deixe-os conectados à tubulação de modo que as estruturas não são perturbados); colocá-las na posição acima do nível do líquido nos tubos de ensaio de modo a que o fluido não pode fluir para trás para dentro da seringa.
3. Prenda as seringas de injeção de sulfeto secundário para a bomba de seringa, e repita os passos 4.3 e 4.4.
4. Retirar as seringas secundárias um de cada vez a partir da bomba de seringa, e, ao mesmo tempo que prende as seringas acima do nível do líquido nos tubos de ensaio, repita a etapa 4.9, transferindo o tubo a partir das seringas primárias para as seringas secundários (Figura 6). Seja vigilante que a pressão do fluido a partir do reservatório para dentro da seringa não obrigar o fluido a fluir para dentro da seringa como este pode entrar em colapso o jardim química.
5. Quando a transferência estiver completa, segura com cuidado as seringas secundárias ao thbomba e seringa.
6. Re-programa a bomba de seringa para injectar a 2 ml por hora, e bateu começo para continuar a injecção com a nova solução de injecção.
7. Com segurança descartar as seringas de injeção primários.

6. Fim do Experimento

1. Primeira parada da bomba de seringa, em seguida, parar a gravação do potencial de membrana e salvar os dados.
2. Desligue o fluxo de N _{2 e remova} as linhas eo Parafilm a partir dos vasos de injeção.
3. Se desejado, a amostra de solução reservatório ou precipitar para análise posterior. Para remover cuidadosamente a solução de reservatório e para não perturbar o precipitado, utilizar uma pipeta de 25 ml de uma pipetagem cuidadosa fora a solução reservatório em várias alíquotas e descartar a solução em um copo de resíduos.
4. Soltar os vasos de injecção um de cada vez e deitar a solução para uma proveta de transferência de resíduos no exaustor de fumos. Use _ddH2O para lavar peças de precipitado.
5. Retire as seringas frosou a bomba de seringa, e extraí-los da tubulação, deixando fluido de injeção extra de correr para o copo de transferência de resíduos. Esvazie as seringas para o copo de resíduos e descarte das seringas em um recipiente de sulfeto de farelos mantido na capela.
6. Remova o tubo do frasco experimento e descartá-la em um saco de resíduos sólidos. Uncrimp o selo e dispor do septo, selo, e ponteira.
7. Enxaguar o experimento frasco de vidro e mergulhe-o em um 1 M HCl banho de ácido O / N. (ATENÇÃO - vidro que tem estado em contacto com sulfeto de sódio vai lançar tóxico _H 2 S de gás quando colocado em ácido Mantenha banhos de ácido no interior do exaustor..)

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Resultados

Uma vez que a solução de injecção começou a ser alimentada para dentro da solução de reservatório, um jardim química precipitado começou a formar-se na interface fluido e esta estrutura continuaram a crescer ao longo do curso da injecção (Figuras 4-7). Nas experiências relatadas aqui, a primeira injecção foi de hidróxido de sódio (que pode ser modificada para incluir L-alanina e / ou pirofosfato), e a solução reservatório era uma mistura 1: 3 de ^Fe3 + / ^Fe2 +, d...

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Discussão

A formação de uma estrutura de jardim química através do método de injecção pode ser conseguida por qualquer interface duas soluções contendo iões reactivos que produzem um precipitado. Existem muitos sistemas reaccionais possíveis que irão produzir estruturas precipitado e encontrar a receita certa de iões reactivos e concentrações para crescer uma estrutura desejada é uma questão de tentativa e erro. A taxa de fluxo da solução de injecção é controlada por uma bomba programável de seringa e isto ...

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Materiais

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