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
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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. Sicherheitshinweise <ol><li> Persönliche Schutzausrüstung (Kittel, Schutzbrille, Handschuhe aus Nitril, richtigen Schuhe) gegen Chemieunfällen oder Verletzungen zu vermeiden. Verwenden Sie Spritzen und Nadeln, und achten Sie darauf, keine Handschuhe stechen. Achten Sie darauf, während der Versuchsaufbau, um das Gerät auf Dichtheit durch die Durchführung der Injektion zunächst mit Check doppelt destilliertem H 2 O (ddH 2 O), und um die Stabilität der Reaktionsgefäße auf dem Messestand zu überprüfen, bevor Sie Chemikalien. </li><li> Verpflichten, dieses Experiment mit jedem chemischen Garten Rezept, aber einer der Reaktionspartner nutzen wir, um Tiefseeentlüftungsöffnungen simulieren, ist eine gefährliche Chemikalie, Natriumsulfid; daher tun das gesamte Experiment in einem Abzug zur Vermeidung der Exposition. <ol><li> Nur öffnen Sie die Flasche Natriumsulfid in der Abzugshaube und legen ein Gleichgewicht innerhalb der Abzug für das Wiegen Sulfid. Halten Sie immer sulfidhaltigen Lösungen in den Laborabzug, da sie giftige H 2 S-Gas freizusetzen, und halten Sie auch Sulfide flüssige, scharfe, und Abfallbehälter in der Abzugshaube. Ein weiterer Reaktionspartner von Interesse ist Fe (II) Cl 2 • 4H 2 O, die an der Luft oxidiert, so kümmern sich um Lösungen anoxischen zu halten und chemische Gärten unter anoxischen Headspace (zB N 2 oder Ar), immer innerhalb wachsen einer Abzugshaube oder Handschuhfach. </li></ol></li></ol> 2. Richten Sie für die Injektion Versuche <ol><li> Erstellen Glas &quot;Injektionsflaschen&quot; durch Abschneiden der unteren 1 cm von einer 100 ml Klarglas-Rollrandserumflasche (20 mm Crimp Dichtung Verschlusstyp) mit einem Glasschneider, so dass, wenn umgekehrt ist, ist das Gefäß an der Luft. Da diese wiederverwendbar sind, reinigen Sie die Fläschchen in einem 1 M HCl Säurebad O / N, und dann gut mit ddH 2 O spülen, bevor ein neuer Versuch. </li><li> Bereiten Sie die Injektionsfläschchen (Abbildung 1). <ol><li> Sammeln Sie eine 20 mm Septum, 20 mm Aluminium-Crimp-Dichtung und eine 0,5 bis 10 &amp; mgr; l Kunststoffpipettenspitze. Unter Verwendung einer 16 G Spritze needle, sorgfältig durchbohren ein Loch durch die Mitte der Scheidewand, dann entfernen und entsorgen Sie die Nadel in die dafür vorgesehenen Entsorgungsabfallbehälter. </li><li> Setzen Sie die Pipettenspitze in das Nadelloch, in die Seite des Gummimembran, die im Inneren des Rollrand des Fläschchens konfrontiert sein wird. Schieben Sie die Pipettenspitze durch die Scheidewand, so dass er stößt auf der anderen Seite. </li><li> Crimp-Siegel der Scheidewand mit Pipettenspitze auf die Injektionsbehälter, um eine wasserdichte Abdichtung zu machen. Wenn versiegelt, drücken Sie die Pipettenspitze weiter durch die Scheidewand, so dass es außerhalb ragt. </li><li> Bringen 1/16 &quot;Innendurchmesser klare flexible chemikalienbeständigen Schlauch an der Pipettenspitze (Schlauchlänge sollte von der Injektionsflasche mit dem Spritzenpumpe zu erreichen); schieben Sie es sich für einen wasserdichten Verschluss. Anmerkung: Dies ist das Einspritzrohr, von dem anderen Ende durch eine Spritze mit 16 Gauge Nadel zugeführt werden. </li><li> Dichtheit prüfen: Legen Sie eine 10 ml Spritze mit ddH 2 O mit einer 16 G-Nadel gefüllt in das andere Ende des Schlauchs(glatt den Schlauch schieben Sie direkt auf die Nadel und achten Sie darauf, um die Wand des Rohres durchstechen). Langsam zu injizieren, so daß der ddH 2 O bewegt sich die Rohrleitung und in den Boden des Reaktionsgefäßes. Stellen Sie sicher, dass die Spritze / Rohr, Rohr / tip, und Crimp-Dichtungen sind wasserdicht. </li></ol></li><li> Klemmen Sie die Injektionsflaschen auf einem Gestell in einem Abzug, so dass die Einspritzung von der Unterseite der Flasche füttern in. Hinweis: Mehrere Fläschchen kann bis auf einmal setzen und gleichzeitig von getrennten Spritzen zugeführt werden. </li><li> Einrichten Elektroden zum Messen Membranpotential über die Wand der chemischen Gärten. Verwenden Sie immer die gleiche Konvention, für die Führung ist &quot;innen&quot; und die &quot;Außenseite&quot; der chemischen Gärten ist. <ol><li> Schnittlängen von isolierten Draht (zB Kupfer), die aus dem Inneren der Reaktionsbehälter mit der Leitung des Multimeters oder Datenlogger erreichen. Lassen Sie ein wenig Spiel in den Leitungen für die Positionierung. </li><li> Streifen ca. 3 mm von derverdrahten nackten an den Enden, die in die Reaktionsflasche angesiedelt werden soll. An den anderen Enden, die den Multimeter führt Streifen ~ 1 cm Draht verbunden wird. </li><li> Befestigen Sie die Drähte an Ort und Stelle, um Membranpotential über die chemische Garten zu messen. Für den Draht, der in der chemischen Garten gehen wird: legen Sie sie in die Öffnung der Pipettenspitze von dem Fluid in den Behälter zu ernähren. </li><li> Man schiebt das Seil in leicht, den Kontakt mit der Injektionslösung zu gewährleisten, aber nicht so weit, dass sie die Einspritzströmung zu verstopfen. Für die Außendraht: Ort, es ist so, dass es in Kontakt mit dem Lösungsreservoir, aber nicht mit der chemischen Garten Niederschlag sein. </li><li> Band oder auf andere Weise sichern Sie die Drähte, so dass sie nicht in das Injektionsglas während des Experiments (Abbildung 2) zu bewegen. </li><li> Befestigen Sie die anderen Enden der Drähte an das Multimeter, und sichern Sie die Kabel so, dass diese Ziele auch nicht während des Experiments zu bewegen. </li></ol></li><li> Bis N 2 Stellen </sub&gt; Gasleitungen, die jeweils füttern wird in eine der Injektionsflaschen. <ol><li> Teilen Sie die Gaszufuhr aus einem N 2 Quelle in mehrere Röhren, so dass es ein N 2-Feeds Jedes Injektionsglas. </li><li> Platzieren Sie jede N 2 Rohr, so dass es in den Kopfraum eines der Injektionsflaschen-Feeds. </li></ol></li></ol> 3. Herstellung von Lösungen für die Chemische Garden Wachstum <ol><li> Bereiten Sie die Reservoirlösung, 100 ml für jedes Experiment. Hinweis: In diesem Beispiel verwenden 75 mM Fe 2+ und 25 mM Fe 3+ als Fällungs Kationen (Tabelle 1). <ol><li> Erstellen anoxischen Lösungen, indem zunächst die sprudelnden ddH 2 O mit N 2 -Gas für ~ 15 min pro 100 ml. </li><li> Abwiegen und fügen Sie die FeCl 2 • 4H 2 O und FeCl 3 • 6 H 2 O, unter leichtem Rühren zu lösen (nicht kräftig, so dass Sauerstoff nicht vorstellen). </li><li> Nach Reagenzien gelöst sind, sofort Resume Lichtblasenbildung des Fe 2+ / Fe 3+ Lösung mit N 2 -Gas, während Injektionen hergestellt. </li></ol></li><li> Wählen Sie einen beliebigen zwei der in Tabelle 1 dargestellten Primärinjektionslösungen und Herstellung von 10 ml von jedem. Füllen einer 10 ml Spritze mit dem 7 ml Marke mit jeder der Lösungen (eine Spritze für jede Lösung). Ersetzen Sie die Nadel Kappen und beiseite stellen. </li><li> Es werden 20 ml der sekundären Injektionslösung (Natriumsulfid - ACHTUNG). In Tabelle 1 gezeigt Füllen Sie zwei 10 ml Spritzen mit dem 7-ml-Marke mit dieser Lösung, ersetzen Sie die Nadel Kappen und beiseite stellen. Halten Sie immer sulfidhaltigen Lösungen und Spritzen in der Abzugshaube. </li><li> Füllen Sie den ddH2O Spritzen aus Schritt 2.2.5; diese werden verwendet, um das Einspritzrohr zu spülen. </li></ol> 4. Starten des Primary Injection <ol><li> Verwenden gewünschten Datenlogger für Membranpotentialmessungen; messen Potenzial jedes Experiment auf einem separatE-Kanal, und stellen Sie die Scanrate, um die gewünschte Menge an Datenpunkten zu geben (zB für einen 2-Stunden-Einspritzung, die Aufnahme potenziellen alle 30 sec ausreichen würde). </li><li> Sichern Sie sich die primäre Injektionsspritzen auf der programmierbaren Spritzenpumpe im Abzug. </li><li> Verwenden Sie einen Abfallbecher um Tropfen aufzufangen und den Spritzenpumpe, um mit einer schnellen Rate zu injizieren, bis die Spritzen beide beginnen, in das Becherglas tropfen. Dann stoppen Sie die Injektion (um sicherzustellen, dass die zwei Spritzen beginnen Injektion an genau der gleichen Ebene). </li><li> Re-Programm die Spritzenpumpe auf 2 ml pro Stunde zu injizieren (Kalibrierung für die Art der Spritze verwendet werden), aber nicht getroffen Start. </li><li> Legen Sie die ddH2O Spritzen in die beiden Kunststoffspritzrohre, und injizieren, so dass das Wasser füllt die klare Schlauch bis zu der Öffnung, wo sie die Hauptreservoir eintritt. Legen Sie die Spritze auf dem Stand, über den Injektionsflaschen. </li><li> Gießen Sie 100 ml des Fe 2+ / Fe 3+ Reservoirlösung in each Fläschchen. </li><li> Einstellen der Strömung von der N 2 Gasleitungen, wie gewünscht, um das Experiment anoxischen für die Dauer der Injektion zu halten. </li><li> Sorgfältig abdecken das Reservoir Fläschchen mit luftdicht (zB mit Parafilm, nicht zu behindern die Sicht durch das Glas) und legen Sie eine N 2 Einspeisung in jeder Flasche (Abbildung 3). </li><li> Bringen Sie die ddH2O Spritzen (noch in der Rohrleitung eingeführt) sich neben der primären Injektionsspritzen. Ziehen Sie die Kunststoff-Spritzguss-Schlauch von der ddH2O Spritzennadel und unmittelbar übertragen sie direkt auf einer der Haupteinspritzung Spritzennadeln. (Achten Sie darauf, um die Wand des Schlauchs nicht durchstechen.) </li><li> Starten Sie die Injektion, und starten Sie die Aufnahme des Membranpotentials. </li></ol> 5. Starten der Sekundäreinspritzung: <ol><li> Hit Station auf dem Spritzenpumpe nach 3 h (nach 6 ml injiziert wurden), einst chemischen Gartenstrukturen gebildet haben (FiguZu 4), die sich fort Erzeugen eines Membranpotential (Abbildung 5). </li><li> Die primären Injektionsspritzen aus der Spritzenpumpe vorsichtig entfernen (aber lassen Sie sie verbunden mit dem Schlauch, so dass die Strukturen nicht gestört werden); stellte sie auf dem Ständer über dem Niveau der Flüssigkeit in den Durchstechflaschen, so daß das Fluid nicht zurück in die Spritze zu fließen. </li><li> Sichern Sie sich die Sekundäreinspritzung Sulfid Spritzen in die Spritzenpumpe, und wiederholen Sie die Schritte 4.3 und 4.4. </li><li> Entfernen Sie die sekundäre Spritzen ein zu einer Zeit von der Spritzenpumpe und, während der Spritzen über dem Niveau der Flüssigkeit in den Fläschchen halten, wiederholen Sie Schritt 4.9, die Übertragung der Schlauch von den primären Spritzen zu den sekundären Spritzen (Abbildung 6). Wachsam sein, daß der Fluiddruck aus dem Vorratsbehälter in die Spritze nicht dazu führt Fluid in die Spritze zurückfließen, da dies die chemische Garten kollabieren. </li><li> Wenn die Übertragung abgeschlossen ist, sorgfältig befestigen Sie die sekundäre Spritzen zu the Spritzenpumpe. </li><li> Re-Programm die Spritzenpumpe auf 2 ml pro Stunde zu injizieren, und drücken Sie Start, um die Injektion mit der neuen Injektionslösung fortsetzen. </li><li> Entsorgen Sie den primären Injektionsspritzen. </li></ol> 6. Beenden der Experiment <ol><li> Erste Station der Spritzenpumpe, dann beenden Sie die Aufnahme des Membranpotentials und speichern Sie die Daten. </li><li> Schalten Sie das N 2 Fluss und entfernen Sie die Zeilen und die Parafilm von den Einspritzgefäße. </li><li> Falls gewünscht, probieren Sie die Reservoirlösung oder Niederschlag für die weitere Analyse. Um vorsichtig die Reservoirlösung und der Niederschlag nicht stören, verwenden Sie eine 25 ml Pipette vorsichtig pipettieren Sie die Reservoirlösung in mehreren Teilmengen, und entsorgen Sie die Lösung in einen Abfallbecher. </li><li> Ausspannen Injektionsgefäße ein zu einer Zeit und gießen Sie die Lösung in eine Abfallumschlagbecher im Abzug. Verwenden ddH2O ausspülen Stücke von Niederschlag. </li><li> Entferne die Spritzen herm die Spritzenpumpe und extrahieren Sie sie aus dem Schlauch und ließ zusätzliche Injektionsflüssigkeit weg in den Müllumschlag Becher laufen. Leeren Sie die Spritzen in den Abfallbecher, und entsorgen Sie die Spritzen in einer Sulfid Behälter für spitze Gegenstände im Abzug gehalten wird. </li><li> Entfernen Sie den Schlauch aus dem Experiment Phiole und entsorgen Sie sie in einem Abfallsack. Uncrimp das Siegel und entsorgen Sie das Septum, Dichtung und Pipettenspitze. </li><li> Spülen Sie das Glas Experiment Phiole und legen Sie ihn in einer 1 M HCl Säurebad O / N. (ACHTUNG - Glaswaren, die in Kontakt mit Natriumsulfid wird toxische H 2 S-Gas freizugeben, wenn in Säure gelegt wurde Halten Säurebädern im Inneren der Abzugshaube..) </li></ol>

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The authors declare that they have no competing financial interests.

Die Bildung einer chemischen Gartenstruktur über Injektionsverfahren kann durch Kopplung zweier keine Lösungen mit reaktiven Ionen, die einen Niederschlag durchgeführt werden. Es gibt viele mögliche Reaktionssystemen, die Niederschlag-Strukturen erzeugen wird und das Finden der richtigen Rezeptur von reaktiven Ionen und Konzentrationen zu wachsen eine gewünschte Struktur ist eine Sache von Versuch und Irrtum. Die Strömungsrate der Injektionslösung wird durch eine programmierbare Spritzenpumpe gesteuert, und dies kann auch zwischen den Experimenten variiert, um unterschiedliche Raten der Fluidströmung in einem natürlichen System zu simulieren. Die Struktur der chemischen Gärten ist von vielen Faktoren abhängig, einschließlich der Zusammensetzung und der Strömungsgeschwindigkeit, und es ist möglich, Strukturen in weniger als ein paar Stunden und über längere Zeiträume von Tagen bis Wochen wachsen. Man kann auch andere Spurenkomponenten von Interesse in das Einspritzen oder Reservoirlösung hinzuzufügen, wie organische Moleküle oder andere Komponenten gedacht, die geologisch oder biologisch relevant sein &lt;sup&gt; 27,28. In Abhängigkeit von der Chemie können diese Komponenten in dem Niederschlag eingebaut werden und / oder Reaktionen eingehen. Es gibt verschiedene Methoden, die in früheren Arbeiten für den Anbau von chemischen Garten Ausscheidungen, einschließlich direkte Wachstum aus Auflösung von Kristallen oder &quot;Pellets&quot; 18,29 und Injektionsexperimente wie die hier vorgestellten 30,31 genutzt wurden. Um eine chemische Garten Experiment, bei dem es möglich ist, zuverlässig zu messen das Membranpotential zu gestalten, muss man einen Weg vollständig umhüllt die &quot;innere&quot; Draht innerhalb des Präzipitats Membran während des gesamten Experiments zu erstellen. Dies ist schwierig (wenn nicht unmöglich, 14) in der Kristallwachstumsexperimente durchzuführen. In früheren Injektionsexperimente 13 haben wir in der Regel fest, dass der Draht muss direkt in der Einspritzstelle angebracht werden, da sonst die chemische Garten oft &quot;vermeidet&quot; der Draht, wie es wächst, so leaving die beiden Adern in der Reservoirlösung und keine Membranpotential gemessen werden kann. Chemische Gärten über Injektion gewachsen variieren in der strukturellen Stabilität in Abhängigkeit von der chemischen Reaktionsmittel-System (e) verwendet werden - zB Eisen-Silikat oder Eisenhydroxid Systeme geben robustere Strukturen, die stehen, wenn das Reservoir Flüssigkeit wird dekantiert bleiben, während reines Eisen-Sulfid-Systemen neigen dazu, eine viel mehr gallertartige, feine Niederschlag, die leicht bricht, wenn die Lösung gestört zu geben. Ein Zusammenbruch der chemischen Garten oder einem signifikanten Bruch der Membran unmittelbaren Wirkungen des Membranpotentials zu bewirken, da die ungleiche Verteilung von geladenen Spezies durch die Membran ausbluten. Somit wird in dieser Art von Experiment, ist es sehr wichtig, daß die Drähte sorgfältig vor der Injektion befestigt ist, so dass sie sich nicht bewegen, wenn die chemische Garten wächst, und dass die Versuchs / Injektion Setup stabil ist und während des Wachstums nicht gestoßen. Weilnach dem Einspritzen des in den Behälter strömendes Fluid ist lehrreich, flexibel ist transparent Tygon Schlauch über andere Möglichkeiten, wie etwa Edelstahl empfohlen. Die durchsichtigen Schlauch ermöglicht Beobachtung der Niederschlag bildenden Teilchen in dem Rohr, ermöglicht es, Verstopfungen zu entfernen, und erlaubt den Nachweis / Entfernen von Luftblasen. Der Nachteil dieser Rohrleitung ist, dass es leicht von der Spritzennadel (6) durchstoßen werden. Wir haben mit Schalt Spritzen durch Einführen der zweiten Nadel direkt in die Rohrleitung von der Seite vor der ersten Injektion, anstatt tatsächlich Bewegen des Schlauchs von einer Spritze zur anderen, aber diese Technik sehr schwierig war, ohne Punktieren durchzuführen. Ein weiterer Vorteil der Tygon-Schlauch ist, dass, während in eine Nadel im Unglücksfall Punktion, kann man einfach schneiden Sie den punktierten Teil der Röhre aus, und setzen Sie die Nadel. Das Wachstum der Membran wird durch die b gerichtetuoyancy und, in geringerem Maße, der Druck der Injektion. Eine drastische Veränderung der Einspritzdruck kann einen Zusammenbruch des chemischen Garten führen, vor allem in Systemen, die robust Niederschläge nicht produzieren. Beim Umschalten Spritzen, ist es wichtig, halten Sie die Spritze an entfernt oder knapp oberhalb der Flüssigkeitsstand zu verhindern, zurückfließen und die wahrscheinlich Disaggregation. Ein solches Ereignis könnte auch durch die Einrichtung des Experiments, so dass der Spritzenpumpe ist in der ungefähren Höhe der Vorratsbehälter vermieden werden können. Es macht wenig Unterschied für das Membranpotential-Daten, wenn das Experiment &quot;Pausen&quot; für eine Zeitdauer, während der Schalt Spritzen, so lange die chemische Garten ungestört bleibt. Daher wird empfohlen, es Spritzen sorgfältig zu wechseln, ein zu einer Zeit, und sichern Sie die Spritze, die hält den Innendruck der chemischen Garten, so dass es nicht &quot;zurückfließen&quot; ist, bevor Sie mit dem nächsten. Die Einspritzgeschwindigkeit sollte ziemlich const gehalten werdenant zwischen den ersten und zweiten Injektionen, und in der Regel nicht zu schnell (Mindestversuchszeit ~ mehrere Stunden), da überschüssige Einspritzdruck wird die Membran reißen. Dieses Experiment ist vielseitig, da er die für die Untersuchung von selbstorganisierenden Präzipitat Wachstum in einer Vielzahl von Reaktionssystemen, einschließlich solcher, in denen ein oder mehrere Reaktanten in der gleichen Lösung vorhanden sind. Der Austausch von Spritzen erlaubt die Möglichkeit der wachsenden eine stabile chemische Garten mit einer Reaktionschemie, mit dann diese Struktur als &quot;chemischer Reaktor&quot; für eine zweite Komponente der Durchreise. Zum Beispiel, zu untersuchen, ob organische Moleküle absorbiert werden und / oder in einem hydrothermalen Schornstein des Eisenmineralien 26 zusammengesetzt reagieren, man eine chemische Garten von relevanten anorganischen Komponenten wachsen konnten und dann füttern durch eine zweite Spritze einer Lösung, die für wollte, wenn man B. Nucleotide, Aminosäuren, Peptide,oder RNA-28. Dies hätte den Effekt, Adsorption und Absorption der organischen Komponenten in dem Niederschlag statt sie Ableiten in den Behälter aufweisen. In unseren Experimenten haben wir beobachtet, dass die Sekundäreinspritzung verursachten Eisensulfid Schornsteine ​​auf der Oberseite der vorhandenen Eisenhydroxid Schornsteine ​​in die ursprüngliche Membran aufgrund von Fluiddruck zu halten, vermutlich durch Brüche. Somit könnte die Innenräume der verschiedenen Schornsteine ​​zumindest etwas verbunden sein und die Abschnitte von verschiedenen Mineralien in der Membran können verschiedene Funktionen in einem Ursprung-of-Life-Szenario zu dienen, zum Beispiel Metallsulfide oxidierenden hydrothermalen H 2 / Reduzierung ozeanischen CO 2 32,33 und Eisenoxihydroxiden Fahrphosphat Reaktionen und die Verringerung der Nitrat zu Ammonium vor Ort 5,34,35. Materialwissenschaften Untersuchungen können mit dieser Art von Experiment, als auch durchgeführt werden; zum Beispiel absichtlich Bildung chemischer Gärten der katalytischen Komponenten (zB aluminosilicates) und dann füttern anderen Komponenten (zB organische Moleküle oder Phosphate) durch sie zu reagieren. Man könnte auch zu erforschen bildet Schichtmaterialien durch abwechselnde Spritzen, verschiedene anorganische Niederschläge zu produzieren (wie in Roszol und Steinbock 2011 23). Es ist eine einfache Sache, um die einzelnen Reaktionsgefäße unter anaeroben Bedingungen oder jeder gewünschten Gasraum während der chemischen Gartenbildung zu halten. Die Grenzen dieser Art von Experiment sind vor allem aufgrund der Tatsache, dass chemische Gartenstrukturen in Systemen durch die Inflation, Auftrieb und Konvektion angetrieben sind sehr schwer zu kontrollieren. Der Niederschlag Strukturen zerbrechlich und schwierig zu entfernen und nach dem Versuch zu analysieren. Zusätzlich wird, da das Wachstum der chemischen Garten ist immer unvorhersehbar, um die Messung des Membranpotentials sicherzustellen, die &quot;äußeren&quot; Draht in dem Behälter muss aus der Injektionsstelle entfernt sein, um das zu verhindern chemical Garten umhüllt die beiden Adern. Unter dieser Vorsichtsmaßnahme bedeutet jedoch, dass die Drähte in der Regel nicht ideal in der Nähe der Membran. Stattdessen kann eine präzise anorganischen Membranpotentialmessungen durch Züchten der Membran auf einem Pergamentpapier Vorlage zwischen den beiden Lösungen 36 erreicht werden. In chemischen Garten Experimenten ist es normalerweise nicht möglich, Probe und / oder auf andere Weise zu messen (zB pH-Wert) des Innen Lösung; detaillierte Echtzeit-Analyse kann nur auf der Reservoirlösung erfolgen. Natürliche Öffnungen auch Wärmegradienten zwischen dem erwärmten fluiden Phase (~ 70-100 ° C) und das Meer 4 Host usw. Hydrothermalsystemen simulieren kann es wünschenswert sein, um die chemische Garten bei einer höheren Temperatur und der Druck 37, der darstellt wachsen Herausforderungen im Zusammenhang mit dem hier beschriebenen Setup. Es wäre möglich, die Vorratsflasche in einer Heizspule, um die Temperatur zu regeln, bevor wickeln; jedoch eine unterschiedlichent Pumpentyp könnte, um in ähnlicher Weise zu erhitzen der Injektionslösung notwendig sein. Um ein natürliches System zu simulieren, kann es notwendig sein, um gelöste Gase beinhalten (zB CO 2) entweder in Lösung; Während dies einfacher sein, innerhalb des Reservoirs (Ozean Simulanzlösemittel) zu erreichen, würde es erfordern sorgfältige Vorbereitung für die Injektion (hydrothermale Simulanzlösemittel). In Tiefsee Systemen könnte die Hochdruck Schornstein Wachstum und Chemie beeinflussen, und, je nach Experiment, zunehmendem Gasdruck in den beiden Flüssigkeiten könnten eine signifikante Wirkung haben (beispielsweise gelöste CO 2 könnten in Eisen-Ausfällung in der chemischen Garten führen , auch abhängig von hydrostatischen Druck 6). Einbeziehung erhöhten Temperatur und Druck in der chemischen Garten Experimente dieses Typs würde zu vielen interessanten Möglichkeiten führen, da Temperatur und Druck beeinflusst die Löslichkeit, Fällung, und die spezifischen Eigenschaften viele Mineralien.

&quot;Chemical Gärten&quot; sind selbstorganisierende entwickelte anorganische Ausscheidungen in dem zwei Flüssigkeiten von kontrastierenden Chemikalien interagieren 1,2. Diese selbstorganisierenden anorganischen Strukturen sind Gegenstand von wissenschaftlichem Interesse seit über einem Jahrhundert Teil aufgrund ihrer biomimetischen Aussehen, und viele experimentelle und theoretische Untersuchungen verfolgt worden, um die verschiedenen komplexen Aspekte und mögliche Funktionen chemischer Gartensysteme 3 zu verstehen. Natürliche Beispiele für chemische Gärten umfassen Mineral &quot;Schornstein&quot; Niederschläge, die sich um hydrothermale Quellen und sickert zu wachsen, und es wurde argumentiert, dass diese könnten plausible Umgebungen für das Leben entstehen 4 bereitzustellen. Um eine chemische Garten Simulation eines natürlichen Hydrothermal Schornstein wachsen sollte ein Reservoirlösung einen simulierten Ozean Zusammensetzung und eine Injektionslösung sollte die hydrothermale Flüssigkeit, die in den Ozean-Feeds repräsentieren. Die Vielseitigkeit dieses Typs of Experiment, um verschiedene Reaktionssysteme ermöglicht die Simulation von fast allen Vorschlägen für Ozean / hydrothermale Fluidchemie, einschließlich Umgebungen auf der frühen Erde oder auf anderen Welten. Auf der frühen Erde würden die Ozeane gewesen anoxischen, sauer (pH 5-6) und würde enthielt aufgelöst atmosphärischen CO 2 und Fe 2+ sowie Fe III, Ni 2+, Mn 2+, NO 3- und NO 2. Chemische Reaktionen zwischen diesem und dem Seewasser ultramafic Ozeankruste würde eine alkalische hydrothermale Fluid Wasserstoff und Methan enthält, hergestellt wurden, und in einigen Fällen Sulfid (HS -) 4-8. Die in der frühen Erde alkalische Lüftungsumgebungen gebildet Schornsteine ​​könnte somit haben Eisen / Eisen Oxyhydroxiden und Eisen / Nickel-Sulfide enthalten, und es wurde vorgeschlagen, dass diese Mineralien könnte insbesondere katalytischen und proto-enzymatischen Funktionen zur Nutzung geochemischen Redox / pH-Gradienten zu fahren gedient haben die Entstehung von Metabolism 5. Ebenso auf anderen Welten, wie sie können Host (oder gehostet haben) Wasser / rock-Schnittstellen - wie frühe Mars, Jupiter Mond Europa oder dem Saturnmond Enceladus - es ist möglich, dass Wasser / Rock Chemie konnte alkalische Lüftungsumgebungen in der Lage zu erzeugen Fahr präbiotischen Chemie oder sogar die Bereitstellung bewohnbaren Nischen für noch vorhandene Lebens 5,9-11. Die klassische chemische Garten Experiment beinhaltet einen Impfkristall aus einem Metallsalz, beispielsweise Eisenchlorid-tetrahydrat FeCl 2 • 4H 2 O, in einer Lösung, die reaktive Anionen, beispielsweise Natriumsilikat oder &quot;Wasserglas&quot; eingetaucht. Die Metallsalz-Überblendungen, die Schaffung eines sauren Lösung, die Fe 2+, die mit dem mehr alkalischen Lösung Schnittstellen (haltige Silikat-Anionen und OH -) und einer anorganischen Membranniederschlag gebildet. Die Membran quillt unter osmotischen Drucks, platzt, dann wieder fällt eint die neue Fluid-Grenzfläche. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis die Kristalle gelöst sind, was zu einem vertikal ausgerichteten, selbstorganisierte Präzipitat Struktur mit komplexer Morphologie bei Makro- und Mikrowaagen. Dieses Fällungsverfahren führt zu der weiter Trennung von chemisch kontras Lösungen über den anorganischen chemischen Garten Membran und der Differenz der geladenen Spezies durch die Membran führt zu einer Membranpotential 12-14. Chemische Gartenstrukturen sind komplex, zeigt Zusammensetzungsgradienten von innen nach außen 13,15-19, und die Wände der Struktur aufrechtzuerhalten Trennung zwischen kontrastierenden Lösungen für längere Zeit aber dennoch etwas für Ionen durchlässig. Zusätzlich dazu, dass ein idealer Experiment für Bildungszwecke (wie sie sind einfach, für den Unterricht Demonstrationen zu machen, und können die Schüler zu chemischen Reaktionen und Selbstorganisation zu erziehen) haben chemische Gärten wissenschaftliche Bedeutung als Darstellungen der Selbst assembly in dynamischen, weit entfernt vom Gleichgewicht Systemen mit Methoden, die auf die Herstellung von interessanten und nützlichen Materialien 20,21 führen kann. Chemische Gärten im Labor können auch durch Spritzverfahren gezüchtet werden, wobei die Lösung, die ein Fällungsionen langsam in die zweite Lösung, die das Co-Präzipitieren Ion (oder Ionen) injiziert. Dies resultiert in der Bildung von chemischen Strukturen Garten ähnlich denen Kristallwachstumsexperimente mit Ausnahme, dass die Eigenschaften des Systems und der Niederschlag besser gesteuert werden kann. Das Injektionsverfahren hat mehrere wesentliche Vorteile. Er erlaubt es, eine chemische Garten bilden mit einer beliebigen Kombination von Ausfällen oder eingebaut Spezies, dh mehrere Fällungsionen in eine Lösung eingebracht werden, und / oder andere nicht kondensierender Bestandteile können entweder in Lösung enthalten sein, um zu adsorbieren / reagieren mit dem Niederschlag . Das Membranpotential in einer chemischen erzeugtenGarten System kann in einem Einspritz Experiment gemessen werden, wenn eine Elektrode in das Innere der Struktur eingebaut, wodurch elektrochemische Untersuchung des Systems. Injektionsexperimente bieten die Möglichkeit, die Injektionslösung in das Innere der chemischen Garten kontrollierter Zeitrahmen füttern durch Variation der Einspritzgeschwindigkeit oder insgesamt eingespritzte Volumen; es ist daher möglich, durch verschiedene Lösungen sequentiell einspeisen und das ausgefällte Struktur als Falle oder Reaktors. In Kombination ermöglichen diese Techniken für die Laborsimulationen der komplexen Prozesse, die in einer natürlichen chemischen Gartenanlage an einem U-Boot-Hydrothermalstattgefunden haben könnte, einschließlich einem Kamin aus vielen gleichzeitigen Fällungsreaktionen zwischen Ozean gebildet und Belüftungsfluid (zB Herstellung von Metallsulfiden, Hydroxiden und / oder Carbonate, Silikate) 5,22. Diese Techniken können auch auf jede chemische Gartenreaktionssystem aufgebracht werden, um die Bildung neuer Arten ermöglichenvon Materialien, beispielsweise Schichtrohre oder Rohre mit adsorbierten reaktiven Spezies 20,23. Wir Detail ein Beispiel Experiment, das den gleichzeitigen Wachstum der zwei chemischen Gärten, Fe 2+ enthaltenden Strukturen in einer anoxischen Umgebung umfasst. In diesem Experiment, das wir in der anfänglichen Injektionslösung eingeSpurenMengen von Polyphosphaten und / oder Aminosäuren, ihre Wirkung auf die Struktur zu beobachten. Nach der anfänglichen Bildung der chemischen Garten wir dann eingeschaltet, um die Injektionslösung Sulfid als Sekundärfällungs Anion einzuführen. Messungen der Membranpotentiale wurden automatisch während des Experiments hergestellt. Dieses Protokoll beschreibt, wie zwei Experimente auf einmal mit einem Doppelspritzenpumpe laufen; die Daten dargestellt benötigt mehrere Läufe dieses Verfahrens. Die relativ hohe Durchflussraten, niedrigen pH-Wert der in unseren Experimenten verwendeten Behälter und Reaktantenkonzentrationen sind entworfen, um große Schornstein bilden fällt pünktlich scales geeignet für eintägige Laborexperimenten. Allerdings kann Flüssigkeitsdurchflussraten bei natürlichen hydrothermalen Quellen viel diffuser und die Konzentrationen von Ausfällen Reaktanden (zB Fe und S in einer frühen Erdsystem) könnte eine Größenordnung niedriger 4 sein; Somit würde strukturiert Präzipitate mehr Zeitrahmen zu bilden und über die Entlüftung könnte für zehntausende von Jahren 24,25 aktiv sein.

<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.

Sobald die Injektionslösung begonnen, in der Reservoirlösung zuzuführen, begann eine chemische Gartenniederschlag an der Fluid-Grenzfläche zu bilden, und diese Struktur weiter im Verlauf der Einspritz (Figuren 4-7) wachsen. In den hier beschriebenen Experimenten berichtet, die erste Injektion wurde Natriumhydroxid (die modifiziert werden können, um L-Alanin und / oder Pyrophosphat enthalten sein), und der Vorratslösung war eine 1: 3-Mischung von Fe 3+ / Fe 2+, wodurch man ein Misch -redox staatliche Eisenoxyhydroxid Niederschlag. Die chemischen Gärten zeigten typischerweise ein farbiges Doppelmorphologie - einige Stücke des Niederschlags waren dunkelgrün (wahrscheinlich, die eine gemischte Oxyhydroxid) und andere Stücke waren orange (wahrscheinlich anzeigt, vor allem ein Fe 3+ -oxyhydroxide / Oxid). Eisenoxyhydroxids chemischen Gärten waren ziemlich robust Strukturen und wurden oft in der Lage aufrecht zu bleiben, wenn das Reservoir-Lösung wurde aus dem Gefäß entfernt wird nach der Injektion (FiAbbildung 8). In Niederschlägen nur Fe-Oxyhydroxid enthält, die chemischen Gärten typischerweise gebildet mehrere Zweige; wenn jedoch die hydrophobe Aminosäure Alanin in der Injektionslösung enthalten ist, neigten die chemische Gärten weniger Verzweigungen oder auch nur eine einzige Spalte von Niederschlag zu bilden. Diese Hemmung der platzt und Verzweigung vermutlich gibt an, dass der Zusatz von Alanin erzeugt ein haltbarer chemischer Gartenmauer 26. Unter Umgebungs Rasterelektronenmikroskop (ESEM), die in Gegenwart von Alanin gebildeten Niederschläge erschienen runder und amorph, wohingegen reine Fe-Oxyhydroxid Präzipitate (ebenso wie die mit Pyrophosphat) erschienen mehrere kristalline (Abbildung 9). Wenn Pyrophosphat wurde in der Injektionslösung enthalten ist, gebildet ein verzweigtes Fe-Oxyhydroxid chemischen Garten und zusätzliche Grün bewölkt Niederschlag (wahrscheinlich Eisenpyrophosphat) gebildet und von den Rändern der Struktur (Abbildung 10) erweitert. Tseine grünen plume Niederschlag war nicht Teil der chemischen Garten und wenn das Reservoir-Lösung entfernt wurde, werden die Federn zusammenbrach und sich nicht gut an der Hauptstruktur aggregieren. Das Membranpotential in der chemischen Garten Versuchen wurde, sobald die chemische Garten sichtbar wurde erzeugt (es gab eine Zeitverzögerung, da die Injektionslösung durch die Rohrleitung Paar). In Experimenten, bei denen die Injektionslösung war NaOH, NaOH mit Alanin oder NaOH mit Pyrophosphat, neigte das Potential, sich unmittelbar um 0,45 von Spitze zu 0,55 V und dann für etwa eine Stunde verringert, bevor die Stabilisierung in der Umgebung von 0,1 bis 0,2 V für den Rest des primären Injektions . (In Experimenten, bei denen die primäre Injektion war NaOH + Pyrophosphat + Alanin, die Spannung nicht bei dem höheren Wert von ~ 0,45-0,55 Peak, sondern es blieb um ~ 0,2 für die gesamte Primäreinspritzung). Es gab Unterschiede in der Membranpotential in Wiederholungen desselben Experiments (Abbildung 11) &lt;strong&gt;, aber die beobachteten Muster wurden mehr oder mehr als vier Wiederholungen von jeder Injektion Chemie weniger konsequent. Wenn die primären Spritzen wurden an die Sekundär Spritzen mit Natriumsulfid eingeschaltet, der chemischen Garten weiter zu wachsen, mit der Ausnahme, dass sichtbare Neubildungen waren jetzt schwarz Eisensulfid. Anstatt einen Beitrag zu den bestehenden Wänden, die schwarzen Sulfid Teile der chemischen Garten schien abzweigen und getrennt zu wachsen. Sobald das Sulfid Injektionslösung erreicht die chemische Garten, sprang das Membranpotential sofort auf ~ 0,9 V. Der Wert des Potentials während der Sekundäreinspritzung erreicht war dieselbe für alle Experimente, unabhängig von der primären Injektionslösung (10). Dies, weil das Potential im chemischen Garten Experimente ist vor allem aufgrund der Chemie zwischen den beiden Schnittstellenlösungen und seit der sekundären Injektionslösungen waren 50 mM Na 2 S • 9H <sub&gt; 2 O und die Reservoirlösung änderte sich nicht, waren die erzeugten Spannungen ähnlich. Wir typischerweise auf einmal durchgeführt, vier chemische Garten Experimenten unter Verwendung von vier Vorratsflaschen, die von vier getrennten Spritzen gefüttert wurden und alle mit der gleichen Geschwindigkeit durch die Spritzenpumpe angetrieben. Mit der gleichen Chemie in allen vier Duplikate, die wir oft beobachtet, große Schwankungen in der chemischen Gartenstruktur (Gesamtgröße, Zahl der Filialen) sowie Veränderungen der Membranpotential in einem Bereich von 0,1 bis 0,2 V. Dieser Mangel an Reproduzierbarkeit ist zu erwarten, in weit vom Gleichgewicht Experimenten wenn so viel, hängt von den Feinheiten der Anfangsbedingungen. Es ist wahrscheinlich, dass die Zufallsstrukturbildung in der chemischen Gärten führt manchmal zu Membranen mit unterschiedlicher Durchlässigkeit für Ionen auszufällen; in einigen Fällen sind die Injektions- und Vorratslösungen wahrscheinlich besser getrennt und somit das Membranpotential in der Lage ist, für einen längeren Zeitraum aufrechterhalten wird. <pclass = &quot;jove_content&quot;&gt; Wir konnten die Injektionen bei 2-3 ml / h fortgesetzt, und das Experiment wurde nach 2 Stunden für die Primärinjektion und weitere 3 h bei der Sekundäreinspritzung beendet. Während dieser Zeit blieb das Membranpotential an ihrem charakteristischen Wert für, welche Injektionslösung verwendet wurde. Wenn Injektionen wurden gestoppt, so wird das Potential zerfallen langsam zurück auf Null, wie die Innen- und Außenlösungen ins Gleichgewicht gebracht. (In Eisenhydroxid-Systemen, wenn die Injektion beendet wurde, die Schornsteine ​​manchmal über mehrere Tage zu lösen, wegen des sehr niedrigen pH-Wert (~ 2) des Vorratslösung). <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/53015/53015fig1.jpg" /> Abbildung 1. Vorbereiten der Reaktionsgefäße. Reaktionsgefäße für die Einspritzchemikalie Garten Experimente wurden durch Abschneiden der Boden eines 100 ml Serumflasche, Einführen einer Pipettenspitze durch ein Septum w gemacht<html> hich wurde dann auf die Flasche verschlossen Crimp, und Anbringen einer Röhre, durch die die Injektionslösung zu ernähren. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53015/53015fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/53015/53015fig2.jpg" /> Abbildung 2. Platzierung der Drähte in der chemischen Garten Reaktionsgefäß. (A) Blick von oben, die die Anordnung der &quot;inneren&quot; Elektrode in die Einspritzöffnung. Dieser Draht wurde durch die chemische Garten umgeben, wenn es begann zu wachsen. Die &quot;äußeren&quot; Elektroden musste weiter von der Injektionsstelle bleiben, damit sie nicht durch die zunehmende chemische Garten berührt. (B) Befestigen Sie die Kabel mit Klebeband, so dass sie nicht während des Experiments zu bewegen.= &quot;_ blank&quot;&gt; Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/53015/53015fig3.jpg" /> Abbildung 3. Erstellen der N 2 Kopfraum. Nachdem die Reservoirlösung zugegeben wurde, wurde eine luftdichte Abdichtung über dem oberen Ende des Behälters mit Parafilm gebildet (für die Elektroden als auch), und dann wurde ein leichter N 2 Feed eingesetzt, um anoxischen Bedingungen in der gesamten chemischen Garten Wachstum aufrecht zu erhalten. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53015/53015fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 4" src="/files/ftp_upload/53015/53015fig4.jpg" /> Abbildung 4. Zeitraffer-Wachstum von einer chemischen Garten. Dieses Experiment enthielt 75 mM FeCl 2 • 4H 2 O und 25 mM FeCl 3 • 6 H 2 O in der Reservoirlösung. Die erste Injektion betrug 0,1 M NaOH + 10 mM K 2 P 4 O 7, und nach 180 min die Injektion wurde auf 50 mM Na 2 S • 9H 2 O. schaltet <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53015/53015fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 5" src="/files/ftp_upload/53015/53015fig5.jpg" /> Abbildung 5. Membranpotentialen. Membranpotential wurde erzeugt, wie eine chemische Garten wuchs um die Innenelektrode. Nach der primären Injektion von Hydroxid, der zur Ausfällung Struktur zuerst gebildet wurde die Spritze mit einem Spritzennatriumsulfid-Lösung geschaltet. In diesem Experiment war die Reservoirlösung 75 mM FeCl 2 • 4H 2 O + 25 mM FeCl <sub&gt; 3 • 6 H 2 O, das primäre Injektion betrug 0,1 M NaOH, und die sekundäre Injektion betrug 50 mM Na 2 S • 9H 2 O. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53015/53015fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/53015/53015fig6.jpg" /> Abbildung 6. Spritze. (A) ein korrektes Einsetzen der Spritzennadel in den flexiblen Kunststoffschlauch. Darauf zu achten, um den Schlauch zu durchstechen werden. - Beispiel für ein falsches Einstecken ist in (B) gezeigt, <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53015/53015fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 7" src="/files/ftp_upload/53015/53015fig7.jpg" /> <strong&gt; Figure 7. Chemische Gärten nach Primär- und Sekundäreinspritzung. Chemical Gärten in Reservoir Lösungen von 75 mM FeCl 2 • 4H 2 O + 25 mM gewachsen FeCl 3 • 6 H 2 O, nach der ersten Injektion von 0,1 M NaOH dargestellt (plus Zusätze von Alanin und / oder K 2 P 4 O 7 in Tabelle 1 aufgelistet sind), und nach der zweiten Injektion von 50 mM Na 2 S • 9H 2 O. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53015/53015fig7large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 8" src="/files/ftp_upload/53015/53015fig8.jpg" /> Abbildung 8. Precipitate Stabilität. Fe (II / III) -hydroxid chemisch Gärten manchmal kann die strukturelle Stabilität aufrechtzuerhalten, nachdem der Vorratslösung wird vorsichtig entfernt. Der Niederschlag kann dann zur weiteren Analyse, wenn abgetastet werden<html> gewünscht. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53015/53015fig8large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 9" src="/files/ftp_upload/53015/53015fig9.jpg" /> Abbildung 9. Environmental Scanning Electron Microscopy Bildgebung. (A) Fe (II / III) -hydroxid chemische Gärten, (B) Fe (II / III) -hydroxid chemische Gärten, die K 2 P 4 O 7, und (C) Fe ( II / III) -hydroxid chemisch Gärten Alanin enthält. Alle Bilder unterliegen dem chemischen Gärten nach nur der Primäreinspritzung. Die Niederschläge, die Alanin eingebaut erschien abgerundet und weniger kristallin als die Präzipitate nur Fe (II / III) -hydroxid und Eisen (II / III) -hydroxid, die K 2 P 4 O 7..jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="Figur 10" src="/files/ftp_upload/53015/53015fig10.jpg" /> Abbildung 10. Chemische Gärten in einem Reservoir Lösung von 75 mM FeCl 2 • 4H 2 O + 25 mM FeCl 3 • 6H 2 O (A) Injektionslösung gewachsen enthielt 0,1 M NaOH + 10 mM K 2 P 4 O 7. (B) Injektionslösung enthielt 0,1 M NaOH + 10 mM K 2 P 4 O 7 + 10 mM Alanin. In chemischen Gärten, wo die Injektionslösung enthalten K 2 P 4 O 7, grüner Niederschlag Federn (Pfeile) in der Nähe des Fest pr gebildetecipitate Filialen, aber diese Federn nicht in vollem Umfang an der Hauptstruktur aggregiert und zusammengebrochen, wenn die Reservoirlösung wurde entfernt. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53015/53015fig10large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="11" src="/files/ftp_upload/53015/53015fig11.jpg" /> Fig. 11 das Membranpotential durch chemische Gärten erzeugt im Behälter Lösungen von 75 mM FeCl 2 • 4H 2 O + 25 mM FeCl 3 • 6 H 2 O aufgewachsen. Vier Wiederholungen jedes Experiments sind dargestellt. Das Potential wurde erzeugt, sobald die Injektionslösung gereist das Rohr und kontaktiert dieReservoirlösung, um einen Niederschlag Struktur zu erzeugen Umhüllen der inneren Elektrode. Die Struktur weiter zu wachsen als der primäre Injektion fort. Wenn die Spritze wurde auf Natriumsulfid-Lösung ausgetauscht und die Sekundäreinspritzung begonnen (Pfeile), erhöht das Potenzial, 0,9 bis 1,0 V. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53015/53015fig11large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td> Reservoir-Lösung (100 ml) </td><td> Primäreinspritzung (6 ml) </td><td> Primäre Injection Rate </td><td> V 1max (avg) </td><td> Sekundäreinspritzung (6 ml) </td><td> Sekundäre Injection Rate </td><td> V 2max (avg) </td></tr><tr><td rowspan="4"> 75 mM FeCl 2 • 4H 2 O + 25 mM FeCl 3 • 6 H 2 O </td><td> 0,1 M NaOH </td><td> 3 ml / h </td><td> 0,431 V, σ = 0,002 </td><td rowspan=&quot;4&quot;&gt; 50 mM Na 2 S • 9H 2 O </td><td> 2 ml / hr </td><td> 0,881 V, σ = 0,047 </td></tr><tr><td> 0,1 M NaOH + 10 mM K 4 P 2 O 7 </td><td> 3 ml / h </td><td> 0,473 V, σ = 0,016 </td><td> 2 ml / hr </td><td> 0.914 V, σ = 0,040 </td></tr><tr><td> 0,1 M NaOH + 10 mM Alanin </td><td> 3 ml / h </td><td> 0,485 V, σ = 0,044 </td><td> 2 ml / hr </td><td> 0,929 V, σ = 0,015 </td></tr><tr><td> 0,1 M NaOH + 10 mM K 4 P 2 O 7 + 10 mM Alanin </td><td> 3 ml / h </td><td> 0,239 V, σ = 0,061 </td><td> 2 ml / hr </td><td> 0,923 V, σ = 0,033 </td></tr></tbody></table> Tabelle 1 Spannungen durch chemische Gärten durch langsames Einspritzen zunächst eine primäre, dann eine sekundäre, Lösung in einen Vorratsbehälter erzeugt wird. V 1max (avg) und V 2max (avg) sind die Mittelwerte der höchsten Spannungen während des primären erzeugtenund sekundären Einspritzungen sind; σ ist die Standardabweichung.

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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.

Chemische Gardens als Durchflussreaktoren Simulation natürlicher Hydrothermale Systeme

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

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Chemistry

14.4K Aufrufe.  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.

Serie: 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 für Chemische Synthese und Zeitaufgelöste mechanistische Studien

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

Forschung

Biotechnik

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.

Kontinuierlicher Fluss Chemie: Reaktion des Diphenyldiazomethane mit p- Nitrobenzoic Säure

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

Chemie

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.

Nutzung des Stop-Flow Micro-Schlauch-Reaktoren für die Entwicklung der organischen Veränderungen

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.

Mikroalgen-Anbau und Biomasse-Quantifizierung in einem Bench-Scale Photobioreaktor mit ätzenden Rauchgasen

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

Umwelt

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.

Kopplung der Kohlenstoffabscheidung aus einem Kraftwerk mit halbautomatischen offenen Laufsteichen für die Mikroalgenzucht

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.

Simulation von hydrothermalen Schornsteinen der frühen Erde in einer Umgebung mit thermischem Gradienten

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.

A Novel Bioreaktor für High Density Anbau von Diverse mikrobiellen Gemeinschaften

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.

Verwendung flexibler Gold-Titan-Reaktionszellen zur Simulation druckabhängiger mikrobieller Aktivität im Kontext des Subsurface Biominings

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

Ingenieurwesen

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.

Mesokosmenskalige Planung von Pflanzenkläranlagen für die Abwasserbehandlung

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.

Fenster an einem Microworld: Einfache mikrofluidische Systeme für Studium Mikrobielle Transport in porösen Medien

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