En forsøgsplan for at studere Mineral effekter på økologisk hydrotermiske transformationer
Summary
Jorden-rigelige mineraler spiller en vigtig rolle i de naturlige hydrotermiske systemer. Her, beskriver vi en pålidelig og omkostningseffektiv metode til eksperimentel undersøgelse af økologisk-mineral interaktioner hydrotermiske betingelser.
Abstract
Organisk-mineral interaktioner forekommer almindeligt i hydrotermiske miljøer, såsom varme kilder, gejsere på land, og de hydrotermiske væld i det dybe hav. Roller af mineraler er kritisk i mange hydrotermiske økologisk geokemiske processer. Traditionelle hydrotermiske metode, som omfatter brug af reaktorer lavet af guld, titanium, platin eller rustfrit stål, er normalt forbundet med store omkostninger eller uønskede metal katalytiske effekter. For nylig, er der en stigende tendens til ved hjælp af de omkostningseffektive og inert kvarts eller smeltet silica glasrør i hydrotermiske eksperimenter. Her, vi leverer en protokol for at udføre økologisk-mineral hydrotermiske eksperimenter i kvarts rør, og vi beskriver de væsentlige skridt i prøveforberedelse, eksperimentel opsætning, produkter adskillelse og kvantitativ analyse. Vi viser også et eksperiment ved hjælp af en model organisk forbindelse, nitrobenzen, for at vise effekten af en jern-holdige mineral, magnetit, på dets nedbrydning under en bestemt hydrotermiske tilstand. Denne teknik kan anvendes til at studere komplekse organiske mineralsk hydrotermiske interaktion i et relativt simpelt laboratorium system.
Introduction
Hydrotermiske miljøer (dvs., vandige medier ved forhøjede temperaturer og tryk) er allestedsnærværende på jorden. Hydrotermiske kemien af organiske forbindelser spiller en væsentlig rolle i en bred vifte af geokemiske indstillinger, såsom økologisk sedimentære bassiner, olie reservoirer og dyb biosfæren1,2,3. Organisk kulstof transformationer i hydrotermiske systemer forekommer ikke kun i ren vandigt medium men også med opløst eller fast uorganiske materialer, såsom jorden-rigelige mineraler. Mineraler er blevet fundet at dramatisk og selektivt påvirke hydrotermiske reaktiviteten af forskellige organiske forbindelser,1,4,5 , men hvor hen til identificere de mineralske effekter i komplekse hydrotermiske systemer stadig som en udfordring. Målet med denne undersøgelse er at give en relativt simpel forsøgsplan for at studere mineral effekter på hydrotermiske organiske reaktioner.
Laboratorieundersøgelser af hydrotermiske reaktioner bruger traditionelt robust reaktorer, der er lavet af guld, titanium eller rustfrit stål6,7,8,9. For eksempel, har guld poser eller kapsler været positivt brugt, fordi guld er fleksibel, og det giver prøve pres at være kontrolleret af presse vand eksternt, som undgår at generere en vapor fase inden prøven. Men disse reaktorer er dyre og kan være forbundet med potentielle metal katalytiske effekter10. Derfor er det bydende nødvendigt at finde en alternativ metode med lave omkostninger, men høj pålidelighed for disse hydrotermiske eksperimenter.
I de seneste år, er reaktion rør lavet af kvarts eller smeltet silica glas blevet hyppigere anvendt til hydrotermiske eksperimenter11,12,13. Sammenlignet med dyrebare guld eller titanium, er kvarts eller silica glas betydeligt billigere, men også den stærkt materiale. Endnu vigtigere, kvarts rør har vist lidt katalytiske effekter og kan være så inaktiv som guld for hydrotermiske reaktioner11,14. I denne protokol beskriver vi en generel metode til at foretage små hydrotermiske økologisk-mineral eksperimenter i tykvæggede silica rør. Vi præsenterer et eksempel eksperiment ved hjælp af en model sammensatte (dvs., nitrobenzen) i tilstedeværelse eller mangler et jernoxid mineral (dvs. magnetit) i en 150 ° C hydrotermiske løsning, for at vise den mineralske effekt, samt for at påvise de effektiviteten af denne metode.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne undersøgelse brugte vi nitrobenzen med mineral magnetit som et eksempel for at demonstrere, hvordan evaluere mineral effekter på hydrotermiske organiske reaktioner. Selvom forsøgene er udført i små silica glasrør, er højt reproducerbare resultater observeret i magnetit eksperimenter, dvs 30.3 ± 1,4% i nitrobenzen konvertering, som tyder på effektiviteten og pålideligheden af dette hydrotermiske protokol. I no-mineral eksperimenter er konverteringen af nitrobenzen 5,2 ± 2,1%, som viser en laver…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker gruppen hog ved Arizona State University for at udvikle den første metode af disse hydrotermiske eksperimenter, og navnlig, vi takker I. Gould, E. chok, L. Williams, C. Glein, H. Hartnett, K. Fecteau, K. Robinson og C. Bockisch, for deres vejledning og nyttig bistand. Z. Yang og X. Fu blev finansieret af startup midler fra Oakland Universitet til 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).
