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

This research was carried out at the Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, under a contract with the National Aeronautics and Space Administration. We acknowledge the support by the NASA Astrobiology Institute (Icy Worlds). L.M.B. is supported by the NAI through the NASA Postdoctoral Program, administered by Oak Ridge Associated Universities through a contract with NASA. J.E.N. was supported through a US Department of Education PR/Award #: P031C110019 administered through Citrus College. We acknowledge useful discussions with members of the NAI Thermodynamics, Disequilibrium, and Evolution Focus Group and the Blue Marble Space Institute of Science.

1. שיקולי בטיחות <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להשתמש בציוד מגן אישי (מעבדה מעיל, משקפי מגן, כפפות nitrile, נעליים מתאימות) כדי למנוע נגד דליפות כימיות או פציעה. השתמש במזרקים ומחטים, ולדאוג שלא לנקב כפפות. דואג במהלך התקנת ניסוי כדי לבדוק את המנגנון להדלפות על ידי ביצוע הזריקה ראשון עם כפול מזוקק H 2 O (DDH 2 O), וכדי לבדוק את היציבות של בקבוקוני תגובה על הדוכן, לפני הוספת כימיקלים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מתחייב ניסוי זה עם כל מתכון גן כימי, אך אחד מהמגיבים אנו משתמשים כדי לדמות פתחים במעמקי ים הוא כימיקל מסוכן, נתרן גופרתי; לכן לעשות הניסוי כולו בתוך מנדף כדי למנוע חשיפה. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפתוח רק את הבקבוק של נתרן גופרתי במנדף ולמקם את איזון בתוך מנדף לשקילת גופרי. תמיד לשמור על פתרונות המכילים גופרתי בתוך מנדף כפי שהם ישחררו את הגז רעיל S H 2, וגם לשמור על sulfidנוזל דואר, חדים, ומיכלי פסולת מוצק במנדף. מגיב אחר של עניין הוא פה (II) Cl 2 • 4H 2 O, אשר מתחמצן בחשיפה לאוויר, כך דואג לשמור פתרונות anoxic ולגדול גנים כימיים תחת אמיץ anoxic (למשל, N 2 או אר), תמיד ב מנדף או תא הכפפות. </li></ol></li></ol> 2. הגדרה לניסויים בהזרקה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צור &quot;בקבוקוני הזרקה&quot; זכוכית על ידי ניתוק 1 סנטימטר התחתון של זכוכית שקופה 100 מיליליטר crimp בקבוק סרום עליון (crimp סוג סגירת חותם 20 מ&quot;מ) עם חותך זכוכית, כך ש, כאשר הפוך, הכלי פתוח לאוויר. כמו אלה הם לשימוש חוזר, לנקות את צלוחיות באמבטית 1 O חומצת M HCl / N, ולאחר מכן לשטוף היטב עם DDH 2 O לפני ניסוי חדש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן את בקבוקוני הזרקה (איור 1). <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאסוף מחצה 20 מ&quot;מ, 20 מ&quot;מ אלומיניום crimp חותם, וקצה פיפטה פלסטיק 0.5-10 μl. שימוש במזרק ne 16 Gedle, לנקב חור בזהירות דרך המרכז של מחיצת האף, ולאחר מכן להסיר ולהשליך את המחט במכל הפסולת החדים המתאים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס את קצה פיפטה לתוך חור המחט, לצד השני של מחיצת הגומי שיעמוד בפני בתוך הראש מלחץ של הבקבוקון. לדחוף את קצה פיפטה באמצעות המחיצה, כך שהוא דוקר את הצד השני. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחיצה-לאטום את המחיצה עם קצה פיפטה על כלי ההזרקה לעשות חותם אטום למים. כאשר אטום, לדחוף את קצה פיפטה נוסף באמצעות המחיצה, כך שהוא בולט החוצה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להדביק צינורות 1/16 &quot;קוטר הפנימי ברורים גמישים כימיים עמידה לקצה פיפטה (אורך צינור צריך להגיע מבקבוקון ההזרקה למשאבת המזרק); להחליק אותו לחותם אטום למים. שים לב: זה יהיה צינור ההזרקה, האכיל מהקצה השני על ידי מזרק עם מחט 16 G. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדקו דליפות: הכנס מזרק 10 מיליליטר מלא DDH 2 O עם מחט G 16 לקצה השני של הצינור(בצורה חלקה להחליק את הצינור היישר אל המחט ולהיזהר שלא לנקב את הקיר של הצינור). לאט לאט להזריק כך שDDH 2 O נע מעלה והצינורות לתחתית כלי התגובה. חותמות להבטיח כי המזרק / צינור, צינור / טיפ, וcrimp הן אטומים למים. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הצמד את בקבוקוני ההזרקה בדוכן במנדף, כך שהזריקה תהיה להאכיל מהחלק התחתון של הבקבוקון. הערה: ניתן להגדיר בקבוקונים מרובים בבת אחת והאכילו בו זמנית על ידי מזרקים נפרדים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדרת אלקטרודות למדידת פוטנציאל הממברנה על הקיר של הגנים הכימיים. תמיד להשתמש באותו הכנס שעופרת היא &quot;בתוך&quot; ושהוא &quot;מחוץ&quot; לגנים הכימיים. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותך אורכים של חוט מבודד (למשל, נחושת) שמגיע מבפנים כלי התגובה ליתרון של מודד לוגר או נתונים. השאר קצת רפוי בחוטי החשמל למיצוב. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הרצועה ~ 3 מ&quot;מ שלחוט חשוף בקצוות שיהיה ממוקמים בתוך בקבוקון התגובה. בקצוות האחרים שמחוברים למוביל מודד, רצועה ~ 1 סנטימטר של חוט. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לתקן את החוטים במקום למדוד פוטנציאל קרום על פני הגן הכימי. לחוט שילך בתוך הגן הכימי: הכנס אותו לפתיחה של קצה פיפטה שממנו הנוזל יאכיל לתוך הכלי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לדחוף את החוט בקלות כדי להבטיח מגע עם פתרון ההזרקה, אבל לא כל כך הרבה שזה יהיה לסתום את זרימת ההזרקה. למחוץ התיל: המקום כך שהוא יהיה במגע עם מאגר הפתרון אבל לא עם משקע הגן הכימי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קלטת או אחר לאבטח את החוטים, כך שהם לא יכולים לזוז בתוך בקבוקון ההזרקה במהלך הניסוי (איור 2). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צרף את הקצוות האחרים של החוטים למודד, ולאבטח את החוטים כך שהקצוות אלה גם לא זזו לאורך כל הניסוי. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדרת N 2 </תת&gt; קווי גז שכל להאכיל לאחת מהבקבוקונים להזרקה. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפצל את הזנת הגז ממקור N 2 לכמה צינורות, כך שיש להאכיל אחד N 2 לכל בקבוקון הזרקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים כל צינור N 2, כך שהוא מזין לתוך אמיץ של אחד מהבקבוקונים להזרקה. </li></ol></li></ol> 3. הכנת פתרונות לגן כימית צמיחה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן את פתרון המאגר, עבור כל ניסוי 100 מיליליטר. הערה: בדוגמא זו, השתמש 75 מ&quot;מ Fe 2+ ו -25 מ&quot;מ Fe 3+ כקטיונים המזרזים (טבלת 1). <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ליצור פתרונות anoxic ידי המבעבע הראשון DDH 2 O עם N 2 גז ל~ 15 דקות לכל 100 מיליליטר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשקול את ולהוסיף FeCl 2 • 4H 2 O וFeCl 3 • 6 שעות 2 O, תוך ערבוב בעדינות כדי לפזר (לא בתוקף כדי לא להציג את החמצן). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר ריאגנטים מומסים, מייד resumמבעבע דואר אור Fe 2+ / Fe 3+ פתרון עם N 2 גז בעוד זריקות מוכנות. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר כל שני פתרונות ההזרקה העיקריים מוצגים בטבלה 1, ולהכין 10 מיליליטר של כל אחד. ממלאי מזרק 10 מיליליטר לציון 7 מיליליטר עם כל אחד מהפתרונות (מזרק אחד לכל פתרון). החזר את כמוסות המחט ומניח בצד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן 20 מיליליטר של פתרון ההזרקה המשני (נתרן גופרתי - זהירות). ניתן לראות בטבלה 1 מלא שני מזרקים 10 מיליליטר לציון 7 מיליליטר עם הפתרון הזה, להחליף את כובעי המחט ומניח בצד. תמיד לשמור על פתרונות המכילים גופרתי ומזרקים במנדף. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> למלא את DDH 2 O מזרקים משלב 2.2.5; אלה ישמשו כדי לשטוף את צינור ההזרקה. </li></ol> 4. החל ההזרקה הראשונית <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בנתונים לוגר רצויים למדידות פוטנציאל הממברנה; למדוד את הפוטנציאל של כל ניסוי בseparatערוץ E, ולקבוע את שיעור הסריקה לתת את הכמות הרצויה של נקודות נתונים (לדוגמא, להזרקה 2-שעה, הקלטת פוטנציאל בכל 30 שניות תספיק). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אבטח את המזרקים ההזרקה העיקריים במשאבת מזרק לתכנות במנדף. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בכוס פסולת לתפוס טיפות ולהגדיר את משאבת המזרק כדי להזריק בקצב מהיר עד המזרקים שני מתחילים לטפטף לתוך הכוס. אז להפסיק ההזרקה (על מנת להבטיח ששני המזרקים להתחיל הזרקה בדיוק באותה הרמה). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תכנית מחדש את משאבת המזרק כדי להזריק ב2 מיליליטר לשעה (לכייל לסוג של מזרק בשימוש), אך לא פגע התחלה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס את DDH 2 O המזרקים לשני צינורות פלסטיק בהזרקה, ולהזריק כך שהמים ממלאים את צינורות עד ברור לצמצם שבו נכנס למאגר המרכזי. מניחים את המזרקים על הדוכן, מעל בקבוקוני ההזרקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים של פתרון מאגר Fe 2+ / 3+ פה לEA 100 מיליליטרבקבוקון ch. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את הזרימה של קווי גז N 2 כרצויים לשמור anoxic הניסוי למשך הזריקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לכסות בזהירות את בקבוקוני מאגר עם חותם אטום (למשל, באמצעות Parafilm; לא חוסם את הנוף מבעד לזכוכית) והכנס N 2 להאכיל לתוך בקבוקון אחד (איור 3). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להביא 2 O המזרקים DDH (עדיין הוכנסו בצינורות) למטה ליד המזרקים הזרקה הראשוניים. החלק בזהירות את צינור הפלסטיק בהזרקה את מחט מזרק O DDH 2, ולהעביר אותו באופן מיידי ישירות על גבי אחת ממחטי מזרק ההזרקה הראשונית. (שים לב שלא לנקב את הקיר של הצינור.) </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התחל ההזרקה, ולהתחיל בהקלטה של ​​פוטנציאל הממברנה. </li></ol> 5. החל ההזרקה המשנית: <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכה תחנה על משאבת המזרק לאחר 3 שעות (לאחר 6 מיליליטר כבר הזריק), מבני גן פעם כימיים יצרו (Figuמחדש 4), יצירת פוטנציאל הממברנה ללא הרף (איור 5). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מוציא בזהירות את המזרקים ההזרקה העיקריים ממשאבת המזרק (אבל להשאיר אותם מחובר לצינורות כך המבנים לא מופרעים); להגדיר אותם על הדוכן מעל לרמה של הנוזל בבקבוקונים כך שהנוזל לא יכול לזרום בחזרה לתוך המזרק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אבטח את המזרקים הזרקה גופרתי המשניים למשאבת המזרק, וחזור על שלבי 4.3 ו -4.4. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את המזרקים המשניים אחת בכל פעם ממשאבת המזרק, ותוך כדי לחיצת המזרקים מעל לרמה של הנוזל בבקבוקונים, לחזור על שלב 4.9, העברת צינורות מהמזרקים העיקריים למזרקים המשניים (איור 6). להיות ערני שלחץ הנוזל מהמאגר לתוך המזרק אינו גורם לנוזל לזרום בחזרה לתוך המזרק כמו זה יכול לכווץ את הגן הכימי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כאשר ההעברה תסתיים, לאבטח היטב את המזרקים המשניים המשאבת מזרק דואר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תכנית מחדש את משאבת המזרק כדי להזריק ב2 מיליליטר לשעה, ופגעה להתחיל להמשיך הזרקה עם פתרון ההזרקה החדש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בבטחה להיפטר המזרקים הזרקה הראשוניים. </li></ol> 6. סיום הניסוי <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ראשית להפסיק את משאבת המזרק, אז לעצור את ההקלטה של ​​פוטנציאל הממברנה ולשמור את הנתונים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כבה את זרימת N 2 ולהסיר את השורות וParafilm מכלי ההזרקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אם תרצה, לטעום פתרון המאגר או לזרז לניתוח נוסף. כדי להסיר בזהירות את פתרון המאגר ולא להפריע למשקע, להשתמש פיפטה 25 מיליליטר פיפטה בזהירות את פתרון המאגר בכמה aliquots, וזורקים את הפתרון בכוס פסולת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Unclamp כלי זריקה אחת בכל פעם ויוצקים את הפתרון לתוך מבחנה העברת פסולת במנדף. השתמש DDH 2 O לשטוף את החתיכות של משקע. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את המזרקים הלוך ושובמ &#39;משאבת המזרק, ולחלץ אותם מהצינור, ומאפשר הזרקת נוזל נוסף לברוח לתוך כוס העברת פסולת. רוקן את המזרקים לתוך כוס הפסולת, ולהיפטר מהמזרקים במכל חדים גופרי כל הזמן במנדף. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את צינורות מבקבוקון הניסוי ולהיפטר ממנו בשקית פסולת מוצקה. Uncrimp החותם ולהיפטר של מחיצת האף, חותם, וקצה פיפטה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את בקבוקון זכוכית ניסוי ולספוג אותו באמבטית 1 O חומצת M HCl / N. (זהירות - כלי זכוכית שהיו במגע עם נתרן גופרתי ישחרר גז רעיל S H 2 כאשר הניחו בחומצה שמור אמבטיות חומצה בתוך מנדף..) </li></ol>

<ol>
	<li>Leduc, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Mechanism of Life. , (1911).</li><li>Coatman, R. D., Thomas, N. L., Double, D. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studies+of+the+growth+of+&#8216;&#8216;silicate+gardens&#8217;&#8217;+and+related+phenomena.">Studies of the growth of &#8216;&#8216;silicate gardens&#8217;&#8217; and related phenomena.</a> J. Mater. Sci. 15, 2017-2026 (1980).</li><li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+Chemical+Gardens+to+Chemobrionics.">From Chemical Gardens to Chemobrionics.</a> Chem. Rev. 115 (16), 8652-8703 (2015).</li><li>Russell, M. J., Hall, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+onset+and+early+evolution+of+life.">The onset and early evolution of life.</a> GSA Memoir. 198, 1-32 (2006).</li><li>Russell, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Drive+to+Life+on+Rocky+and+Icy+Worlds.">The Drive to Life on Rocky and Icy Worlds.</a> Astrobiology. 14 (4), 308-343 (2014).</li><li>Macleod, G., Mckeown, C., Hall, A. J., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrothermal+and+oceanic+pH+conditions+at+4Ga+relevant+to+the+origin+of+life.">Hydrothermal and oceanic pH conditions at 4Ga relevant to the origin of life.</a> Origins Life Evol. B. 24, 19-41 (1994).</li><li>Mielke, R. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+and+Test+of+a+Hydrothermal+Reactor+for+Origin&#8208;Of&#8208;Life+Experiments.">Fabrication and Test of a Hydrothermal Reactor for Origin&#8208;Of&#8208;Life Experiments.</a> Astrobiology. 10, 799-810 (2010).</li><li>Russell, M. J., Hall, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+emergence+of+life+from+iron+monosulphide+bubbles+at+a+submarine+hydrothermal+redox+and+pH+front.">The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front.</a> J. Geol. Soc. Lond. 154, 377-402 (1997).</li><li>Vance, S., Harnmeijer, J., Kimura, J., Hussmann, H., Demartin, B., Brown, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrothermal+systems+in+small+ocean+planets.">Hydrothermal systems in small ocean planets.</a> Astrobiology. 7, 987-1005 (2007).</li><li>Ehlmann, B. L., Mustard, J. F., Murchie, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Geologic+setting+of+serpentine+deposits+on+Mars.">Geologic setting of serpentine deposits on Mars.</a> Geophys. Res. Lett. 37, L06201 (2010).</li><li>Hsu, H. -. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ongoing+hydrothermal+activities+within+Enceladus.">Ongoing hydrothermal activities within Enceladus.</a> Nature. 519, 207-210 (2015).</li><li>Cartwright, J. H. E., Garc&#237;a-Ruiz, J. M., Novella, M. L., Ot&#225;lora, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+Chemical+Gardens.">Formation of Chemical Gardens.</a> J. Colloid Interf. Sci. 256, 351-359 (2002).</li><li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+Iron-Phosphate-Silicate+Chemical+Garden+Structures.">Characterization of Iron-Phosphate-Silicate Chemical Garden Structures.</a> Langmuir. 28, 3714-3721 (2012).</li><li>Glaab, F., Kellermeier, M., Kunz, W., Morallon, E., Garc&#237;a-Ruiz, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+and+Evolution+of+Chemical+Gradients+and+Potential+Differences+Across+Self-Assembling+Inorganic+Membranes.">Formation and Evolution of Chemical Gradients and Potential Differences Across Self-Assembling Inorganic Membranes.</a> Angew. Chem. Int. Edit. 124, 4393-4397 (2012).</li><li>Pagano, J. J., Thouvenel-Romans, S. T., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Compositional+analysis+of+copper&#8211;silica+precipitation+tubes.">Compositional analysis of copper&#8211;silica precipitation tubes.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 110-116 (2006).</li><li>Parmar, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+cobalt+precipitation+tube+synthesized+through+&#8220;silica+garden&#8221;+route.">Characterization of cobalt precipitation tube synthesized through &#8220;silica garden&#8221; route.</a> Mater. Charact. 60, 863-868 (2009).</li><li>Parmar, K., Pramanik, A. K., Bandyopadhya, N. R., Bhattacharjee, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+and+characterization+of+Fe(III)-silicate+precipitation+tubes.">Synthesis and characterization of Fe(III)-silicate precipitation tubes.</a> Mater. Res. Bull. 45, 1283-1287 (2010).</li><li>Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-D&#237;az, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemical-Garden+Formation,+Morphology,+and+Composition.+I.+Effect+of+the+Nature+of+the+Cations.">Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. I. Effect of the Nature of the Cations.</a> Langmuir. 27, 3286-3293 (2011).</li><li>Stone, D. A., Goldstein, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tubular+precipitation+and+redox+gradients+on+a+bubbling+template.">Tubular precipitation and redox gradients on a bubbling template.</a> P. Natl. Acad. Sci. USA. 101 (32), 11537-11541 (2004).</li><li>Makki, R., Ji, X., Mattoussi, H., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-Organized+Tubular+Structures+as+Platforms+for+Quantum+Dots.">Self-Organized Tubular Structures as Platforms for Quantum Dots.</a> J. Am. Chem. Soc. 136, 6463-6469 (2014).</li><li>Long, D. -. L., Tsunashima, R., Cronin, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polyoxometalates:+Building+Blocks+for+Functional+Nanoscale+Systems.">Polyoxometalates: Building Blocks for Functional Nanoscale Systems.</a> Angew. Chem. Int. Edit. 49, 1736-1758 (2010).</li><li>Mielke, R. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Iron-Sulfide-Bearing+Chimneys+as+Potential+Catalytic+Energy+Traps+at+Life&#8217;s+Emergence.">Iron-Sulfide-Bearing Chimneys as Potential Catalytic Energy Traps at Life&#8217;s Emergence.</a> Astrobiology. 11, 933-950 (2011).</li><li>Roszol, L., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+the+Wall+Thickness+and+Composition+of+Hollow+Precipitation+Tubes.">Controlling the Wall Thickness and Composition of Hollow Precipitation Tubes.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 20100 (2011).</li><li>Ludwig, K. A., Kelley, D. S., Butterfield, D. A., Nelson, B. K., Fr&#252;h-Green, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+and+evolution+of+carbonate+chimneys+at+the+Lost+City+Hydrothermal+Field.">Formation and evolution of carbonate chimneys at the Lost City Hydrothermal Field.</a> Geochim. Cosmochim. Ac. 70, 3625-3645 (2006).</li><li>Russell, M. J., Hall, A. J., Turner, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+growth+of+iron+sulphide+chimneys:+possible+culture+chambers+for+origin-of-life+experiments.">In vitro growth of iron sulphide chimneys: possible culture chambers for origin-of-life experiments.</a> Terra Nova. 1, 238-241 (1989).</li><li>Russell, M. J., Daniel, R. M., Hall, A. J., Sherringham, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+hydrothermally+precipitated+catalytic+iron+sulphide+membrane+as+a+first+step+toward+life.">A hydrothermally precipitated catalytic iron sulphide membrane as a first step toward life.</a> J. Mol. Evol. 39 (3), 231-243 (1994).</li><li>Barge, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pyrophosphate+Synthesis+in+Iron+Mineral+Films+and+Membranes+Simulating+Prebiotic+Submarine+Hydrothermal+Systems.">Pyrophosphate Synthesis in Iron Mineral Films and Membranes Simulating Prebiotic Submarine Hydrothermal Systems.</a> Geochim. Cosmochim. Ac. 128, 1-12 (2014).</li><li>McGlynn, S. E., Kanik, I., Russell, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Peptide+and+RNA+contributions+to+iron-sulphur+chemical+gardens+as+life's+first+inorganic+compartments,+catalysts,+capacitors+and+condensors.">Peptide and RNA contributions to iron-sulphur chemical gardens as life's first inorganic compartments, catalysts, capacitors and condensors.</a> Philos. T. R. Soc. S-A. 370, 3007-3022 (2012).</li><li>Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-D&#237;az, C. I., Stocieck, L. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemical-Garden+Formation,+Morphology,+and+Composition.+II.+Chemical+Gardens+in+Microgravity.">Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. II. Chemical Gardens in Microgravity.</a> Langmuir. 27, 3294-3300 (2011).</li><li>Thouvenel-Romans, S., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oscillatory+Growth+of+Silica+Tubes+in+Chemical+Gardens.">Oscillatory Growth of Silica Tubes in Chemical Gardens.</a> J. Am. Chem. Soc. 125, 4338-4341 (2003).</li><li>Batista, B. C., Cruz, P., Steinbock, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+Hydrodynamic+Plumes+to+Chemical+Gardens:+The+Concentration-Dependent+Onset+of+Tube+Formation.">From Hydrodynamic Plumes to Chemical Gardens: The Concentration-Dependent Onset of Tube Formation.</a> Langmuir. 30, 9123-9129 (2014).</li><li>Herschy, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+origin-of-life+reactor+to+simulate+alkaline+hydrothermal+vents.">An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents.</a> J. Mol. Evol. 79, 213-227 (2014).</li><li>Yamaguchi, A., Yamamoto, M., Takai, K., Ishii, T., Hashimoto, K., Nakamura, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+CO2+Reduction+by+Ni-containing+Iron+Sulfides:+How+Is+CO2+Electrochemically+Reduced+at+Bisulfide-Bearing+Deep-sea+Hydrothermal+Precipitates?.">Electrochemical CO2 Reduction by Ni-containing Iron Sulfides: How Is CO2 Electrochemically Reduced at Bisulfide-Bearing Deep-sea Hydrothermal Precipitates?.</a> Electrochim. Acta. 141, 311-318 (2014).</li><li>Hansen, H. C. B., Guldberg, S., Erbs, M., Koch, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinetics+of+nitrate+reduction+by+green+rusts&#8212;effects+of+interlayer+anion+and+Fe+(II):+Fe+(III)+ratio.">Kinetics of nitrate reduction by green rusts&#8212;effects of interlayer anion and Fe (II): Fe (III) ratio.</a> Appl. Clay Sci. 18 (1), 81-91 (2001).</li><li>Trolard, F., Bourri&#233;, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fougerite+a+natural+layered+double+hydroxide+in+gley+soil:+habitus,+structure,+and+some+properties.">Fougerite a natural layered double hydroxide in gley soil: habitus, structure, and some properties.</a> Clay Minerals in Nature - Their Characterization, Modification and Application. , (2012).</li><li>van Oss, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Specifically+Impermeable+Precipitate+Membranes.">Specifically Impermeable Precipitate Membranes.</a> Surface and Colloid Science. , 115-144 (1984).</li><li>Baaske, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extreme+accumulation+of+nucleotides+in+simulated+hydrothermal+pore+systems.">Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems.</a> P. Natl. Acad. Sci. USA. 104, 9346-9351 (2007).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

ההיווצרות של מבנה גן כימי באמצעות שיטת הזרקה יכולה להתבצע על ידי ממשק כל שני פתרונות המכילים יונים תגובתי המייצרים משקע. ישנן מערכות תגובה אפשריות רבות שיפיקו מבני משקע ולמצוא את המתכון הנכון של יונים וריכוזי תגובה לגדול מבנה רצוי הוא עניין של ניסוי וטעייה. קצב הזרי?...

&quot;גנים כימיים&quot; הם משקעים אורגניים הרכבה עצמית המפותחים שבו שני נוזלים של chemistries מנוגד האינטראקציה 1,2. מבנים אורגניים הרכבה העצמית אלה היו הנושא של עניין מדעי במשך יותר ממאה בחלקו בשל המראה שלהם biomimetic, ורבים מחקרים ניסיוניים ותיאורטי כבר רדפו להבין את ההיבטים השונים מורכבים ופונקציות אפשריות של מערכות גן כימיות 3. דוגמאות טבעיות של גנים כימיים כוללות משקעים &quot;ארובה&quot; מינרלים שגדלים סביב מעיינות הידרותרמיות ומחלחל, וזה כבר טען כי אלה יכולים לספק סביבות מתקבלות על הדעת לחיים לצאת 4. לגדול גן כימי מדמה ארובת אוורור הידרותרמיות טבעי, פתרון מאגר צריך לייצג הרכב אוקיינוס ​​מדומה ופתרון הזרקה צריך לייצג את הנוזל הידרותרמיות שמזין לתוך האוקיינוס. הרבגוניות של o סוג זהניסוי F למערכות תגובה שונות מאפשר סימולציה של כמעט כל כימיה מוצעת אוקיינוס ​​/ הידרותרמיות נוזל, כוללים סביבות על כדור הארץ הקדום או בעולמות אחרים. על כדור הארץ הקדום, האוקיינוסים היו anoxic, חומצי (pH 5-6), והיה הכילו מומסים CO 2 באטמוספרה ופה 2 +, כמו גם פה III, Ni 2 +, Mn 2 +, NO 3 , ולא 2. תגובות כימיות בין מי ים ואת קרום אוקיינוס ​​ultramafic היו מיוצרות נוזל הידרותרמיות בסיסי המכיל מימן ומתאן, ובחלק ממקרים גופרתי (HS -) 4-8. הארובות נוצרו בסביבות פורקן בסיסי מוקדמות כדור הארץ ובכך יכולות היו כלולים oxyhydroxides ברזל / ברזל וסולפידים הברזל / ניקל, וזה כבר הציע שמינרלים אלה שאולי שימשו פונקציות קטליטי ופרוטו-האנזימטית מסוימות כלפי רתימת חיזור / הדרגתיים pH גיאוכימיים לנהוג הופעתה של metaboliמ&quot;ר 5. מים / ממשקים כמו כן, על עולמות אחרים, כגון שעלולים לארח (או אולי אירחו) רוק - כגון תחילת מארס, אירופה הירח של צדק, או הירח של שבתאי אנסלדוס - זה אפשרי, כי כימיה מים / רוק יכולה ליצור סביבות פורקן בסיסיות מסוגלים נהיגה כימיה prebiotic או אפילו מתן נישות למגורים לכל חיים קיימים 5,9-11. ניסוי הגן כימי הקלאסי כרוך גביש זרע של מלח מתכת, למשל tetrahydrate כלוריד ברזל FeCl 2 • 4H 2 O, שקוע בתמיסה המכילה אניוני תגובה, למשל סיליקט נתרן או &quot;כוס מים&quot;. המסת מלח מתכת, יצירת תמיסה חומצית מכילה פה 2 + ממשקים עם הפתרון בסיסי יותר (המכילה אניוני סיליקט וOH -) ומשקע קרום אורגני נוצר. מתנפח הקרום תחת לחץ האוסמוטי, התפרצויות, אז מחדש משקעיםt ממשק הנוזל החדש. תהליך זה חוזר עד הגבישים מתמוססים, וכתוצאה מכך בכיוון אנכי, מבנה משקע עצמי מאורגן עם מורפולוגיה מורכבת בשני סולמות מאקרו ומיקרו. תוצאות תהליך זה ממטרים בהפרדה המשיכה פתרונות כימיים מנוגדים על פני קרום הגן כימי אורגני, וההבדל של מין טעון על פני הקרום מניבה קרום פוטנציאל 12-14. מבני גן כימי מורכבים, מציגים הדרגתיים הלחנה מפנים לחיצוני 13,15-19, והקירות של המבנה לשמור על הפרדה בין פתרונות המנוגדים לתקופות ארוכות בזמן שנותרו מעט חדיר ליונים. בנוסף להיותו ניסוי אידיאלי למטרות חינוכיות (כפי שהם פשוט להפוך להפגנות בכיתה, והוא יכול לחנך את התלמידים על תגובות כימיות וארגון עצמי), יש לי גנים כימיים כייצוגים של assemb עצמי משמעות מדעיתly במערכות דינמיות, רחוק משיווי המשקל, הכולל שיטות שיכולים להוביל לייצור של חומרים מעניינים ושימושיים 20,21. גנים כימיים במעבדה גם ניתן לגדל באמצעות שיטות הזרקה, שבו התמיסה המכילה יונים מזרזים אחד מוזרקת באיטיות לתוך הפתרון השני המכיל את היון מזרז-שיתוף (או יונים). התוצאה היא ההיווצרות של מבני גן כימיים דומים לאלה של ניסויי צמיחת גביש, פרט לכך שהמאפיינים של המערכת והמשקע יכולים להיות נשלטו טובים יותר. יש שיטת ההזרקה כמה יתרונות משמעותיים. היא מאפשרת אחד כדי ליצור גן כימי באמצעות כל שילוב של מינים מזרזים או התאגדו; כלומר, יכולים להיות משולבים יונים מזרזים מרובים לתוך פתרון אחד, ו / או ניתן לכלול רכיבי מזרז לא-באו פתרון ללספוג / להגיב עם המשקע . פוטנציאל הקרום שנוצר בחומר כימימערכת גן ניתן למדוד בניסוי הזרקה אם האלקטרודה משולבת לתוך הפנים של המבנה, ובכך לאפשר מחקר אלקטרוכימי של המערכת. ניסויי הזרקה מציעים את היכולת להאכיל את פתרון ההזרקה לתוך הפנים של הגן הכימי למסגרות זמן שונים הנשלטות על ידי קצב ההזרקה או נפח מוזרק כולל; לכן ניתן להאכיל ברצף פתרונות שונים ולהשתמש במבנה זירז כמלכודת או כור. בשילוב, טכניקות אלו מאפשרים לסימולציות במעבדה של התהליכים המורכבים שיכולים היה להתרחש במערכת גן כימית טבעית בפורקן הידרותרמיות צוללת, כולל ארובה שנוצרה מהרבה תגובות משקעים בו זמנית בין האוקיינוס ​​ולפרוק נוזל (למשל, סולפידים מתכת ייצור, hydroxides , ו / או פחמתי וסיליקטים) 5,22. יכולות להיות מיושמות גם בטכניקות אלה לכל מערכת תגובת גן כימית כדי לאפשר היווצרות של סוגים חדשיםשל חומרים, למשל, צינורות או צינורות שכבתיים עם מינים תגובתי adsorbed 20,23. אנחנו נפרט כאן ניסוי דוגמא הכולל צמיחה בו זמנית של שני גנים כימיים, Fe 2 + המכילים מבנים בסביבת anoxic. בניסוי זה אנו משולבים כמויות זעירות של polyphosphates ו / או חומצות אמינו לפתרון ההזרקה הראשונית להתבונן השפיעו על המבנה. לאחר היווצרות ראשונית של הגן הכימי שלאחר מכן החליפו את פתרון ההזרקה להציג גופרתי כאניון מזרז משנית. מדידות של פוטנציאל קרום נעשו באופן אוטומטי בכל הניסוי. פרוטוקול זה מתאר כיצד להפעיל שני ניסויים בשימוש במשאבת מזרק כפול פעם אחת; הנתונים שמוצגים נדרשו ריצות מרובות של הליך זה. ספיקות גבוהות יחסית, pH הנמוך של ריכוזי המאגר ומגיב מועסקים בניסויים שלנו נועדו ליצור ארובה גדולה משקעים בsc הזמןAles המתאים לניסויי מעבדה של יום אחד. עם זאת, שיעורי זרימת נוזל במעיינות הידרותרמיות טבעיות יכולים להיות הרבה יותר מפוזר והריכוזים של מגיבים מזרזים (למשל, פה ו- S במערכת כדור הארץ מוקדמת) יכולים להיות בסדר גודל נמוך 4; כך, משקעים מובנים יהוו על לוחות זמנים ארוכים יותר והאוורור יכול להיות פעיל במשך עשרות אלפי שנים 24,25.

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

chemical gardens as flow-through reactors simulating natural hydrothermal systems

Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment allows for testing of various proposed ocean / hydrothermal fluid chemistries that could have driven reactions toward the origin of life in environments on the early Earth, early Mars, or even other worlds such as the icy moons of the outer planets. We show experiments that include growth of chemical garden structures under anoxic conditions simulating the early Earth, inclusion of trace components of phosphates / organics in the injection solution to incorporate them into the structure, a switch of the injection solution to introduce a secondary precipitating anion, and the measurement of membrane potentials generated by chemical gardens. Using this method, self-assembling chemical garden structures were formed that mimic the natural chimneys precipitated at submarine hydrothermal springs, and these precipitates can be used successfully as flow-through reactors by feeding through multiple successive &#8220;hydrothermal&#8221; injections.

לאחר פתרון ההזרקה התחיל להאכיל לתוך תמיסת המאגר, משקע גן כימי החל להיווצר בממשק הנוזל ומבנה זה המשיך לגדול במהלך ההזרקה (האיורים 4-7). בניסויים שדווחו כאן, הזריקה הראשונה הייתה נתרן הידרוקסידי (אשר יכול להיות שונה כדי לכלול L-אלנין ו / או pyrophosphate), ופתרון המאגר ה?...

Watch this Scientific Journal Video about Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems at JoVE.com

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.

כימית גנים כזרימה דרך מערכות הידרותרמיות טבעיות כורי מדמה

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

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

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

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

Millifluidics for Chemical Synthesis and Time-resolved Mechanistic Studies

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

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

Millifluidics לסינתזה כימית וזמן נפתר מכניסטית לימודים

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

Bioengineering

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.

זרימה רציפה כימיה: התגובה של Diphenyldiazomethane עם חומצה - Nitrobenzoic p

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

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.

ניצול של עצור זרימת מיקרו-אבובים כורים לפיתוח של המרות אורגני

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.

מיקרואצות וטיפוח ביומסה ביופיקציה בפוטובילקטור הספסל עם גזים בארובה מאכל

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

Environment

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.

צימוד לכידת פחמן מתחנת כוח עם בריכות מסלול מרוץ פתוחות אוטומטיות למחצה לגידול מיקרו-אצות

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.

סימולציה של ארובות הידרותרמיות מוקדמות בכדור הארץ בסביבה שיפועית תרמית

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

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.

Bioreactor רומן לטיפוח צפיפות גבוה של קהילות חיידקים מגוונות

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.

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

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

Engineering

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.

תכנון ביצות בנוי בקנה מידה מזוקוסמוס לטיפול בשפכים

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.

חלון על המיקרו: מערכות Microfluidic פשוט לחקר התחבורה מיקרוביאלית בתווך נקבובי

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