Een experimenteel Protocol voor het bestuderen van minerale effecten op biologische hydrothermale transformaties
Summary
Aarde-overvloedig mineralen een belangrijke rol spelen in de natuurlijke hydrothermale systemen. Hier beschrijven we een betrouwbare en kosteneffectieve methode voor het experimentele onderzoek van organische-minerale interacties hydrothermale voorwaarden.
Abstract
Organische-minerale interacties zijn algemeen voorkomende in hydrothermale omgevingen, zoals warmwaterbronnen, geisers op het land, en de hydrothermale bronnen in de diepe oceaan. Rollen van mineralen zijn kritisch in veel hydrothermische organische geochemische processen. Traditionele hydrothermale methodologie, waaronder het gebruik van reactoren gemaakt van goud, titanium, platina of roestvrij staal, wordt meestal geassocieerd met de hoge kosten of ongewenste metalen katalytische effecten. Onlangs, is er een groeiende tendens voor het gebruik van de voordelige en inert kwarts of gesmolten siliciumdioxide glazen buizen in hydrothermale experimenten. Hier bieden wij een protocol voor het uitvoeren van organische-minerale hydrothermale experimenten in silica buizen, en we beschrijven de essentiële stappen in de bereiding van de monsters, experimentele opzet producten scheiding en kwantitatieve analyse. We tonen ook een experiment met behulp van een model organische verbinding, nitrobenzeen, om te laten zien van het effect van een ijzer-bevattende minerale, magnetiet, op haar afbraak onder een specifieke hydrothermale voorwaarde. Deze techniek kan worden toegepast om te bestuderen van complexe organische-minerale hydrothermale interacties in een relatief eenvoudige laboratorium-systeem.
Introduction
Hydrothermale omgevingen (d.w.z., waterige media bij verhoogde temperatuur en druk) zijn alomtegenwoordig op aarde. De hydrothermale chemie van organische stoffen speelt een essentiële rol in een breed scala van geochemische instellingen, zoals biologische sedimentaire bekkens, aardolie reservoirs, en de diepe biosfeer1,2,3. Organische koolstof transformaties in hydrothermale systemen optreden niet alleen in zuiver waterig medium maar ook met opgeloste of vaste anorganische materialen, zoals aarde-overvloedig mineralen. Mineralen zijn bevonden om te dramatisch en selectief beïnvloeden de hydrothermale reactiviteit van diverse organische verbindingen,1,4,5 maar hoe effecten te kunnen identificeren de minerale in complexe hydrothermale systemen nog steeds als een uitdaging. Het doel van deze studie is bedoeld als een relatief eenvoudige experimenteel protocol voor het bestuderen van minerale effecten op hydrothermale organische reacties.
Het laboratoriumonderzoek van hydrothermale reacties gebruiken traditioneel robuuste reactoren die zijn gemaakt van goud, titanium of roestvrij staal6,,7,,8,9. Bijvoorbeeld, gouden zakken of capsules zijn gunstig gebruikt, omdat goud flexibel is, en het laat de druk van de steekproef te worden gecontroleerd door Drukbehandeling water extern, die vermijdt het genereren van een fase van de damp in het monster. Echter, deze reactoren zijn duur en kunnen gepaard gaan met potentiële metalen katalytische effecten10. Vandaar, is het noodzakelijk om te vinden van een alternatieve methode met goedkope maar hoge betrouwbaarheid voor deze hydrothermale experimenten.
In de afgelopen jaren zijn reactie buizen gemaakt van kwarts of gesmolten siliciumdioxide glas vaker toegepast op hydrothermale experimenten11,12,13. Vergeleken met kostbare goud of titanium, is kwarts of silica glas aanzienlijk goedkoper, maar ook het sterke materiaal. Nog belangrijker, kwarts buizen hebben aangetoond dat kleine katalytische effecten en kunnen zo inert als goud voor de hydrothermale reacties11,14. In dit protocol beschrijven we een algemene methode voor het uitvoeren van kleinschalige hydrothermale organische-minerale experimenten in silica Dikwandige buizen. Presenteren we een voorbeeld-experiment met behulp van een model-compound (dat wil zeggen, nitrobenzeen) in de aanwezigheid/afwezigheid van een mineraal ijzer-oxide (dat wil zeggen, magnesiet) een hydrothermale oplossing van 150 ° C, om aan te tonen het minerale effect, ook wat betreft tonen de effectiviteit van deze methode.
Protocol
Representative Results
Discussion
In deze studie, we gebruikten nitrobenzeen met minerale magnetiet als een voorbeeld om aan te tonen hoe te te evalueren van minerale effecten op hydrothermale organische reacties. Hoewel de experimenten zijn uitgevoerd in kleine silica glazen buizen, worden zeer reproduceerbare resultaten waargenomen in de magnetiet experimenten, dat wil zeggen, 30.3 ± 1,4% in nitrobenzeen conversie, waarin wordt voorgesteld de doeltreffendheid en de betrouwbaarheid van dit hydrothermale protocol. In de neen-mineraal-experiment…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken de H.O.G. groep aan de Arizona State University voor de ontwikkeling van de eerste methode van deze hydrothermale experimenten, en in het bijzonder, wij I. Gould, E. Shock, L. Williams, C. Glein, H. Hartnett, K. Fecteau, K. Robinson en C. Bockisch, danken voor hun begeleiding en nuttige hulp. Z. Yang en X. Fu werden gefinancierd door opstarten middelen van Oakland universiteit naar Z. Yang.
Materials
| Chemicals: | |||
| Dichloromethane | VWR | BDH23373.400 | |
| Dodecane | Sigma-Aldrich | 297879 | |
| Nitrobenzene | Sigma-Aldrich | 252379 | |
| Fe2O3 | Sigma-Aldrich | 310050 | |
| Fe3O4 | Sigma-Aldrich | 637106 | |
| Supplies: | |||
| Silica tube | |||
| Vacuum pump | WELCH | 2546B-01 | |
| Vacuum line | |||
| Oven | Hewlett Packard | 5890 | |
| Thermocouple | BENETECH | GM1312 | |
| Gas chromatography | Agilent | 7820A |
References
- Yang, Z., Gould, I. R., Williams, L. B., Hartnett, H. E., Shock, E. L. Effects of iron-containing minerals on hydrothermal reactions of ketones. Geochimica et Cosmochimica Acta. 223, 107-126 (2018).
- Seewald, J. S. Organic-inorganic interactions in petroleum-producing sedimentary basins. Nature. 426 (6964), 327-333 (2003).
- Sogin, M. L., et al. Microbial diversity in the deep sea and the underexplored “rare biosphere”. Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (32), 12115 (2006).
- McCollom, T. M. Laboratory Simulations of Abiotic Hydrocarbon Formation in Earth’s Deep Subsurface. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 75 (1), 467-494 (2013).
- Foustoukos, D. I., Seyfried, W. E. Hydrocarbons in Hydrothermal Vent Fluids: The Role of Chromium-Bearing Catalysts. Science. 304 (5673), 1002 (2004).
- Bell, J. L. S., Palmer, D. A., Pittman, E. D., Lewan, M. D. 10.1007/978-3-642-78356-2_9. Organic Acids in Geological Processes. , 226-269 (1994).
- Palmer, D. A., Drummond, S. E. Thermal decarboxylation of acetate. Part I. The kinetics and mechanism of reaction in aqueous solution. Geochimica et Cosmochimica Acta. 50 (5), 813-823 (1986).
- Yang, Z., Gould, I. R., Williams, L. B., Hartnett, H. E., Shock, E. L. The central role of ketones in reversible and irreversible hydrothermal organic functional group transformations. Geochimica et Cosmochimica Acta. 98, 48-65 (2012).
- McCollom, T. M., Ritter, G., Simoneit, B. R. T. Lipid Synthesis Under Hydrothermal Conditions by Fischer- Tropsch-Type Reactions. Origins of life and evolution of the biosphere. 29 (2), 153-166 (1999).
- Bell, J. L. S., Palmer, D. A., Barnes, H. L., Drummond, S. E. Thermal decomposition of acetate: III. Catalysis by mineral surfaces. Geochimica et Cosmochimica Acta. 58 (19), 4155-4177 (1994).
- Yang, Z., et al. Hydrothermal Photochemistry as a Mechanistic Tool in Organic Geochemistry: The Chemistry of Dibenzyl Ketone. The Journal of Organic Chemistry. 79 (17), 7861-7871 (2014).
- Yang, Z., Hartnett, H. E., Shock, E. L., Gould, I. R. Organic Oxidations Using Geomimicry. The Journal of Organic Chemistry. 80 (24), 12159-12165 (2015).
- Venturi, S., et al. Mineral-assisted production of benzene under hydrothermal conditions: Insights from experimental studies on C6 cyclic hydrocarbons. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 346, 21-27 (2017).
- Lemke, K. H., Rosenbauer, R. J., Bird, D. K. Peptide Synthesis in Early Earth Hydrothermal Systems. Astrobiology. 9 (2), 141-146 (2009).
- Byrappa, K., Yoshimura, M. . Handbook of Hydrothermal Technology. , (2001).
- Johnson, J. W., Oelkers, E. H., Helgeson, H. C. SUPCRT92: A software package for calculating the standard molal thermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000 bar and 0 to 1000°C. Computers & Geosciences. 18 (7), 899-947 (1992).
