Agradecemos al grupo H.O.G. en Arizona State University para el desarrollo de la metodología inicial de estos experimentos hidrotérmicos, y en particular, damos las gracias I. Gould, E. choque, L. Williams, C. Glein, H. Hartnett, Fecteau K., K. Robinson y C. Bockisch, para su orientación y asistencia útil. Z. Yang y X. Fu fueron financiados por fondos de inicio de la Universidad de Oakland de a Z. Yang.

1. preparar la muestra para el experimento hidrotermal
<ol><li>Elegir el tamaño de los tubos de vidrio de cuarzo o sílice, por ejemplo, 2 mm de diámetro interior (ID) x 6 mm de diámetro externo (OD) o 6 m m m m OD ID x 12 y determinar las cantidades de compuestos orgánicos y minerales para uso. En este trabajo, las cantidades de nitrobenceno y magnetita (Fe3O4) que se carga en el tubo de silicona (por ejemplo, 2 mm ID x 6 mm OD) son 3.0 μL y 13,9 mg, respectivamente. Nota: Los tubos de gran diámetro permiten más fácil carga de los materiales pero requieren más esfuerzos del lacre del tubo.</li>
	<li>Corte el tubo de vidrio de sílice limpia en trozos pequeños con ~ 30 cm de longitud con un cortador de tubos. Sellar un extremo del tubo cerrado utilizando un soplete oxhídrico con una cabeza de llama adecuada. PRECAUCIÓN: Seguir los procedimientos de seguridad para usar el soplete oxhídrico.</li>
	<li>Pesar la cantidad predeterminada del compuesto orgánico a partir de un 0.1 mg escala balance (si es sólido) y transferir en el tubo de vidrio de sílice con un papel de peso. Si el compuesto es líquido (e.g., nitrobenceno en este caso), utilizar una jeringa microliter (por ejemplo, 10 μl) para transferir en el tubo de silicona pequeño. Añadir los minerales pesados en el tubo de silicona a través de una pipeta Pasteur y luego añadir agua desionizado y sin oxígeno (por ejemplo, 0.3 mL). Uso 18.2 MΩ·cm agua desionizada y deoxygenate por sonicación.</li>
	<li>Conecte el tubo de silicona a una línea de vacío (ID de ~ 1 cm) con una válvula cerrada. Sumerja el tubo en un frasco Dewar llenado con nitrógeno líquido durante 3 minutos hasta que la materia orgánica y agua son completamente congelados. PRECAUCIÓN: Seguir los procedimientos de seguridad para la transferencia y uso de nitrógeno líquido.</li>
	<li>Cuando el tubo se mantiene sumergido en nitrógeno líquido, abra la válvula de vacío y extraer el aire de los espacios vacíos del tubo. Nota: Este proceso debe durar hasta que la presión cae por debajo de 100 mtorr en el manómetro de la bomba de vacío.</li>
	<li>Apague la válvula, retire el tubo de nitrógeno líquido y dejar que el tubo caliente hasta la temperatura ambiente. Golpee suavemente la parte inferior del tubo para liberar las burbujas de aire restante de la solución a espacios vacíos.</li>
	<li>Repetir el ciclo de congelación-descongelación bomba arriba de dos veces más y mantenga el tubo en nitrógeno líquido antes de sellar el otro extremo del tubo. Cerca de la línea de vacío y la llama oxhídrica para hacer el tubo entero cerrado. Nota: Cuando el tubo somete a experimentos hidrotérmicos, el volumen de espacios vacíos del tubo disminuye debido a la expansión de agua líquida. Por ejemplo, la densidad del agua disminuye alrededor del 30% de la temperatura ambiente a 300 ° C. Calcular y dejar suficiente volumen de espacios vacíos, al sellar el tubo.</li>
</ol>2. Configure la experiencia hidrotermal
<ol><li>Tras los pasos de sellado, poner el tubo de silicona en un pequeño tubo de acero (~ 30 cm de longitud y 1,5 cm de diámetro) con tapones sueltos, para evitar daños de cualquier edificio de presión o tubo interior de la tubería.</li>
	<li>Colocar el tubo en un horno de temperatura bien controlada o en el horno y calentar hasta la temperatura deseada (por ejemplo, 150 ° C en este trabajo). Utilizar un termopar dentro del horno para controlar la temperatura a través de la reacción hidrotermal.</li>
	<li>Tan pronto como se alcance el tiempo de reacción (p. ej., 2 h en este trabajo), apagar el tubo de silicona poniendo rápidamente el tubo en un baño de agua helada. Nota: El proceso de amortiguamiento toma menos de 1 minuto se enfríe a temperatura ambiente, lo que evita posibles reacciones retrógradas.</li>
</ol>3. analizar la muestra después de la experiencia
<ol><li>Abrir el tubo de sílice usando un cortador de tubo y transferir rápidamente todos los productos (por ejemplo, ~0.3 mL en tubos de silicona pequeños) en un frasco de vidrio de 10 mL con una pipeta Pasteur.</li>
	<li>Extracto de los productos orgánicos con 3 mL de diclorometano (DCM) solución que contiene dodecano 8,8 mM como estándar interno para cromatografía de gases (GC). Tapa el frasco y agitar por manos durante 2 minutos y de vortex durante 1 minuto. Nota: Esto ayuda a facilitar la extracción de productos orgánicos en la fase orgánica. También, enjuagar las paredes transferencia de pipeta y dentro del tubo de silicona con DCM para garantizar la recuperación de productos. Para muestras con alto contenido mineral, someter a ultrasonidos les en la solución de DCM para la mejor extracción.</li>
	<li>Permitir que las partículas minerales a establecerse en la solución de extracción (es decir, DCM con dodecano) por 5 min uso una pipeta Pasteur transferir cuidadosamente ~ 1 mL de la muestra de la capa de DCM (es decir, la capa inferior) en un frasco de GC.</li>
	<li>Analizar la distribución de productos orgánicos mediante GC con una columna capilar de poli (p. ej., diphenyl/95% 5% dimethylsiloxane) y un detector de ionización de llama. Configurar el horno del GC con un programa para empezar a 50 ° C durante 8 minutos, aumentar en 10 ° C/min hasta 220 ° C y durante 10 min, aumentar a 20 ° C por minuto hasta 300 ° C y mantenga durante 5 minutos de juego la temperatura del inyector a 300 ° C. Nota: El programa de GC es necesario cambiar basado en el tipo de análisis de compuestos orgánicos.</li>
	<li>Construir las curvas de calibración de GC mediante la representación de la proporción del área pico del analito a la norma interna frente a la concentración del analito.</li>
	<li>Calcular la conversión de reacción basada en las concentraciones de material orgánico de partida antes y después de la reacción, es decir, % de conversión = ([inicial] – [final]) ⁄ [inicial] × 100%. Utilizar las conversiones para determinar si el mineral facilita o frena las transformaciones orgánicas hidrotermales.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Yang, Z., Gould, I. R., Williams, L. B., Hartnett, H. E., Shock, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+iron-containing+minerals+on+hydrothermal+reactions+of+ketones.">Effects of iron-containing minerals on hydrothermal reactions of ketones.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 223, 107-126 (2018).</li><li>Seewald, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organic-inorganic+interactions+in+petroleum-producing+sedimentary+basins.">Organic-inorganic interactions in petroleum-producing sedimentary basins.</a> Nature. 426 (6964), 327-333 (2003).</li><li>Sogin, M. L., 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=Microbial+diversity+in+the+deep+sea+and+the+underexplored+"rare+biosphere".">Microbial diversity in the deep sea and the underexplored "rare biosphere".</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (32), 12115 (2006).</li><li>McCollom, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laboratory+Simulations+of+Abiotic+Hydrocarbon+Formation+in+Earth's+Deep+Subsurface.">Laboratory Simulations of Abiotic Hydrocarbon Formation in Earth's Deep Subsurface.</a> Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 75 (1), 467-494 (2013).</li><li>Foustoukos, D. I., Seyfried, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrocarbons+in+Hydrothermal+Vent+Fluids:+The+Role+of+Chromium-Bearing+Catalysts.">Hydrocarbons in Hydrothermal Vent Fluids: The Role of Chromium-Bearing Catalysts.</a> Science. 304 (5673), 1002 (2004).</li><li>Bell, J. L. S., Palmer, D. A., Pittman, E. D., Lewan, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=10.1007/978-3-642-78356-2_9.">10.1007/978-3-642-78356-2_9.</a> Organic Acids in Geological Processes. , 226-269 (1994).</li><li>Palmer, D. A., Drummond, S. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+decarboxylation+of+acetate.+Part+I.+The+kinetics+and+mechanism+of+reaction+in+aqueous+solution.">Thermal decarboxylation of acetate. Part I. The kinetics and mechanism of reaction in aqueous solution.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 50 (5), 813-823 (1986).</li><li>Yang, Z., Gould, I. R., Williams, L. B., Hartnett, H. E., Shock, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+central+role+of+ketones+in+reversible+and+irreversible+hydrothermal+organic+functional+group+transformations.">The central role of ketones in reversible and irreversible hydrothermal organic functional group transformations.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 98, 48-65 (2012).</li><li>McCollom, T. M., Ritter, G., Simoneit, B. R. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lipid+Synthesis+Under+Hydrothermal+Conditions+by+Fischer-+Tropsch-Type+Reactions.">Lipid Synthesis Under Hydrothermal Conditions by Fischer- Tropsch-Type Reactions.</a> Origins of life and evolution of the biosphere. 29 (2), 153-166 (1999).</li><li>Bell, J. L. S., Palmer, D. A., Barnes, H. L., Drummond, S. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+decomposition+of+acetate:+III.+Catalysis+by+mineral+surfaces.">Thermal decomposition of acetate: III. Catalysis by mineral surfaces.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 58 (19), 4155-4177 (1994).</li><li>Yang, Z., 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=Hydrothermal+Photochemistry+as+a+Mechanistic+Tool+in+Organic+Geochemistry:+The+Chemistry+of+Dibenzyl+Ketone.">Hydrothermal Photochemistry as a Mechanistic Tool in Organic Geochemistry: The Chemistry of Dibenzyl Ketone.</a> The Journal of Organic Chemistry. 79 (17), 7861-7871 (2014).</li><li>Yang, Z., Hartnett, H. E., Shock, E. L., Gould, I. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organic+Oxidations+Using+Geomimicry.">Organic Oxidations Using Geomimicry.</a> The Journal of Organic Chemistry. 80 (24), 12159-12165 (2015).</li><li>Venturi, S., 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=Mineral-assisted+production+of+benzene+under+hydrothermal+conditions:+Insights+from+experimental+studies+on+C6+cyclic+hydrocarbons.">Mineral-assisted production of benzene under hydrothermal conditions: Insights from experimental studies on C6 cyclic hydrocarbons.</a> Journal of Volcanology and Geothermal Research. 346, 21-27 (2017).</li><li>Lemke, K. H., Rosenbauer, R. J., Bird, D. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Peptide+Synthesis+in+Early+Earth+Hydrothermal+Systems.">Peptide Synthesis in Early Earth Hydrothermal Systems.</a> Astrobiology. 9 (2), 141-146 (2009).</li><li>Byrappa, K., Yoshimura, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Handbook of Hydrothermal Technology. , (2001).</li><li>Johnson, J. W., Oelkers, E. H., Helgeson, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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&#176;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&#176;C.</a> Computers &amp; Geosciences. 18 (7), 899-947 (1992).</li></ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

En este estudio, utilizamos Nitrobencina con magnetita mineral como un ejemplo para demostrar cómo evaluar efectos minerales hidrotermales reacciones orgánicas. Aunque los experimentos se llevan a cabo en tubos de vidrio de sílice pequeño, se observan resultados altamente reproducibles en los experimentos de magnetita, es decir, 30.3 ± 1,4% en la conversión de nitrobenceno, que sugiere la eficacia y la fiabilidad de este Protocolo hidrotermal. En los experimentos no mineral, la conversión de nitrobenceno es ± 5,2 2,1%, que muestra una menor reproducibilidad que el experimento de minerales. La incertidumbre relativamente alta en el experimento no mineral podría ser debido a la baja conversión del material de partida, teniendo en cuenta el μl (o mg) de muestras utilizadas en el tubo pequeño. Para mejorar la reproducibilidad para reacciones de baja conversión, se sugieren tubos de silicona con un volumen interno más grande. Este protocolo podría ser particularmente útil para los experimentos en pequeña escala cuando la cantidad de muestra es limitada, o el costo del producto es alto. Minerales y no minerales hidrotermales experimentos pueden realizarse por este protocolo.
Como se describió anteriormente, este protocolo hidrotermal tiene ciertas ventajas sobre otros métodos tradicionales, como el bajo costo de los tubos de reacción, fácil operación y bajo o insignificante efecto catalítico11,14. Sin embargo, debido a la limitada fuerza mineral y estabilidad, tubos de cuarzo pueden causar que el fracaso en temperaturas superiores a 450 ° C y presiones arriba de 400 bar15, que puede no ser conveniente para los experimentos de larga duración hidrotermales cerca o por encima del punto crítico de agua. Otra limitación de este método es que, a alta temperatura (por ejemplo, > 400 º C), cuarzo también puede ser sujetos a disolución, que podría producir especies de sílice disuelto que interferir las reacciones orgánicas hidrotermales. Desde la disolución de la sílice también puede estar influenciada por el pH de la solución, la presencia de sales, ácidos o bases, la temperatura de la supervivencia de tubo podría ser más baja que en el sistema de agua puro, y también se deben considerar estos factores en alta temperatura experimentos. Además, en comparación con materiales flexibles de reactor como el oro, tubos de silicona se asocian generalmente a un volumen de espacio que no puede ser reducido mediante la aplicación de presión externa, que podría permitir que algunas de las reacciones en fase gaseosa ocurrir.
Además, el volumen de líquido dentro del tubo de silicona podría ser crítico en determinar el éxito del experimento. Basa en el cálculo de la termodinámica con SUPCRT9216, por ejemplo, la presión de saturación del agua (Psat) puede alcanzar más de 85 bar a 300 ° C, y el volumen de agua líquida dentro del tubo de silicona puede ampliar en un 30%. Para sobrevivir a altas temperaturas y presiones, tubos de vidrio de sílice más grueso (es decir, relación de ID/OD < 0.3) con grandes espacios vacíos se debe utilizar. Incluso con el mismo diámetro, tubos de silicona de diferentes fabricantes pueden causar insuficiencia a diferentes temperaturas. Por lo tanto, la temperatura y la presión de restringir para cada tipo de la silicona en tubos deben analizarse cuidadosamente antes de usar. Tenga en cuenta que vidrio de borosilicato es excluido de este protocolo hidrotermal porque es reactiva y por lo general no pueden manejar temperaturas superiores a 300 ° C. Además, los compuestos orgánicos que son de carga "pegajosa" o viscoso en tubos de sílice estrecho puede ser desafiadora, en cuyo caso sería recomendados tubos de gran diámetro (por ejemplo, ID de 6 mm x 12 mm OD).

Ambientes hidrotermales (es decir, medios acuosos a temperaturas elevadas y presiones) son ubicuos en la tierra. La química hidrotérmica de los compuestos orgánicos juega un papel esencial en una amplia gama de ambientes geoquímicos, como cuencas sedimentarias orgánicas, depósitos de petróleo y la profunda Biosfera1,2,3. Transformaciones del carbono orgánico en sistemas hidrotermales ocurren no solamente en medio acuoso puro sino con disueltos o sólidos materiales inorgánicos, como minerales abundantes de la tierra. Se han encontrado minerales dramáticamente y selectivamente influenciar la hidrotermal reactividad de compuestos orgánicos diferentes,1,4,5 pero, cómo identificar los minerales efectos en complejos sistemas hidrotermales sigue siendo un desafío. El objetivo de este estudio es proporcionar un protocolo experimental relativamente simple para el estudio de efectos minerales hidrotermales reacciones orgánicas.
Los estudios de laboratorio de las reacciones hidrotérmicas tradicionalmente utilizan reactores robustos que están hechos de oro, titanio o acero inoxidable6,7,8,9. Por ejemplo, bolsas de oro o cápsulas han favorable utilizadas, porque el oro es flexible, y permite que la presión de la muestra a ser controlada por presurización de agua externamente, que evita generar una fase vapor dentro de la muestra. Sin embargo, estos reactores son caros y podrían ser asociados con potenciales efectos catalíticos metal10. Por lo tanto, es imperativo encontrar un método alternativo de bajo costo pero alta fiabilidad para estos experimentos hidrotérmicos.
En los últimos años, tubos de reacción de vidrio de cuarzo o sílice fundido se han aplicado con mayor frecuencia a experimentos hidrotérmicos11,12,13. Comparado con el preciado oro o titanio, cristal de cuarzo o sílice es considerablemente más barato pero también el material fuerte. Más importante aún, tubos de cuarzo han mostrado efectos catalíticos poco y puede ser tan inertes como el oro para las reacciones hidrotermales11,14. En este protocolo, se describe un método general para la realización de pequeños experimentos de minerales hidrotermales en tubos de silicona de paredes gruesas. Presentamos un experimento de ejemplo usando un modelo compuesto (es decir, nitrobenceno) en la presencia o ausencia de un mineral de óxido de hierro (es decir, magnetita) en una solución hidrotermal de 150 ° C, con el fin de mostrar el efecto de minerales, así como para demostrar la efectividad de este método.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Chemicals:</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dichloromethane</td>
			<td>VWR</td>
			<td>BDH23373.400</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dodecane</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>297879</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitrobenzene</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>252379</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fe2O3</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>310050</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fe3O4</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>637106</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Supplies:</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silica tube</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum pump</td>
			<td>WELCH</td>
			<td>2546B-01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum line</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oven</td>
			<td>Hewlett Packard</td>
			<td>5890</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermocouple</td>
			<td>BENETECH</td>
			<td>GM1312</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gas chromatography</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>7820A</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an experimental protocol for studying mineral effects on organic hydrothermal transformations

Interacciones minerales orgánicos producen ampliamente en ambientes hidrotermales, como aguas termales, géiseres en la tierra y los respiraderos hidrotérmicos en el océano profundo. Funciones de los minerales son fundamentales en muchos procesos hidrotermales de geoquímicos orgánicos. Tradicional metodología hidrotermal, que incluye el uso de reactores de oro, titanio, platino o acero inoxidable, está asociada con el alto costo o efectos catalíticos metálicos no deseados. Recientemente, hay una tendencia creciente para usar los rentables e inertes cuarzo o sílice fundido tubos de vidrio en experimentos hidrotérmicos. Aquí proporcionamos un protocolo para llevar a cabo experimentos hidrotermales de minerales en tubos de silicona, y se describen los pasos esenciales en la preparación de muestras, montaje experimental, separación de productos y análisis cuantitativo. También demostramos un experimento usando un compuesto orgánico modelo, Nitrobencina, para mostrar el efecto de un mineral que contiene hierro, magnetita, en su degradación bajo una condición específica que hidrotermal. Esta técnica puede aplicarse para estudiar las complejas interacciones hidrotermales de minerales en un sistema de laboratorio relativamente sencillos.

Para demostrar cómo utilizar este enfoque para estudiar las interacciones de minerales hidrotermales, un experimento simple usando un modelo compuesto, nitrobenceno, se llevó a cabo con mineral Magnetita (Fe3O4) en una condición hidrotermal de 150 ° C y 5 barras de 2 h. Para mostrar el efecto de minerales, también se realizó un experimento de nitrobenceno sin mineral bajo las mismas condiciones hidrotermales. Como se muestra en la Figura 1a, dos tubos de silicona se hicieron siguiendo los protocolos antes del experimento hidrotermal. El tubo sellado con ningún mineral estaba claro, y el tubo con magnetita exhibió un mineral color negro dentro. Las concentraciones a partir de nitrobenceno eran ambos 0,1 M (en mL 0,3 desionizada y desoxigenada agua) y la magnetita agregada fue de 13,9 mg. Después el proceso hidrotérmico, el tubo con ningún mineral no mostraron ningún cambio de color, mientras que el tubo con magnetita se convirtió en un color marrón (Figura 1b), que implica una reacción de oxidación de magnetita a hematita (Fe2O3). Basado en análisis de cromatografía de gases, el efecto de la magnetita fue revelado por las conversiones de nitrobenceno entre los experimentos (figura 2). En el experimento no mineral, la conversión calculada para nitrobenceno fue 5,2%; sin embargo, en presencia de magnetita, la conversión de nitrobenceno fue 30.3%, que aumentó en un factor de 6. Además, duplicar sino que se realizaron experimentos independientes, en los que una desviación estándar se calculó en 2,1% y 1,4% para los experimentos no mineral y magnetita, respectivamente (figura 2). Estos resultados sugieren eso magnetita, probablemente a través de reacciones redox, puede promover significativamente la reacción de nitrobenceno en condiciones hidrotermales. Este protocolo fue encontrado para tener éxito con relativamente alta reproducibilidad en la cuantificación de la degradación orgánica hidrotermal bajo la influencia de los minerales.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58230/58230fig1.jpg"> Figura 1: experimento de ejemplo con nitrobenceno en la presencia o ausencia de magnetita. (un) sílice tubos de vidrio antes del experimento hidrotermal; tubos de vidrio de sílice (b) después de la experiencia hidrotermal. Tenga en cuenta que hay un cambio de color en el tubo de silicona con magnetita. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/58230/58230fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58230/58230fig2.jpg"> Figura 2: resultados experimentales de conversión de nitrobenceno después de 2 h bajo condiciones hidrotermales a 150 ° C y 5 bar Las conversiones de la reacción se calculan por la cantidad de nitrobenceno reaccionó después de la reacción. Barras de error son una desviación de estándar de la media de los experimentos duplicados. La diferencia entre los experimentos no mineral y magnetita muestra claramente el efecto mineral sobre la degradación hidrotérmica de nitrobenceno. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/58230/58230fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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An Experimental Protocol for Studying Mineral Effects on Organic Hydrothermal Transformations

Minerales abundantes de la tierra desempeñan papeles importantes en los sistemas hidrotermales naturales. Aquí, describimos un método fiable y rentable para la investigación experimental de las interacciones de los minerales en condiciones hidrotermales.

Un protocolo Experimental para el estudio de efectos minerales orgánicos transformaciones hidrotermales

Organic-mineral interactions are widely occurring in hydrothermal environments, such as hot springs, geysers on land, and the hydrothermal vents in the ...

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Environment

5.6K vistas.  Oakland University. Minerales abundantes de la tierra desempeñan papeles importantes en los sistemas hidrotermales naturales. Aquí, describimos un método fiable y rentable para la investigación experimental de las interacciones de los minerales en condiciones hidrotermales.

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Experimental Protocol for Manipulating Plant-induced Soil Heterogeneity

Coexistence theory has often treated environmental heterogeneity as being independent of the community composition; however biotic feedbacks such as plant-soil feedbacks (PSF) have large effects on plant performance, and create environmental heterogeneity that depends on the community composition. Understanding the importance of PSF for plant community assembly necessitates understanding of the role of heterogeneity in PSF, in addition to mean PSF effects. Here, we describe a protocol for manipulating plant-induced soil heterogeneity. Two example experiments are presented: (1) a field experiment with a 6-patch grid of soils to measure plant population responses and (2) a greenhouse experiment with 2-patch soils to measure individual plant responses. Soils can be collected from the zone of root influence (soils from the rhizosphere and directly adjacent to the rhizosphere) of plants in the field from conspecific and heterospecific plant species. Replicate collections are used to avoid pseudoreplicating soil samples. These soils are then placed into separate patches for heterogeneous treatments or mixed for a homogenized treatment. Care should be taken to ensure that heterogeneous and homogenized treatments experience the same degree of soil disturbance. Plants can then be placed in these soil treatments to determine the effect of plant-induced soil heterogeneity on plant performance. We demonstrate that plant-induced heterogeneity results in different outcomes than predicted by traditional coexistence models, perhaps because of the dynamic nature of these feedbacks. Theory that incorporates environmental heterogeneity influenced by the assembling community and additional empirical work is needed to determine when heterogeneity intrinsic to the assembling community will result in different assembly outcomes compared with heterogeneity extrinsic to the community composition.

Understanding the role of environmental heterogeneity in species coexistence has typically focused on types of heterogeneity that are extrinsic to the community&#8217;s species composition. We provide novel detailed methods for creating soil heterogeneity treatments using soils subject to plant-soil feedback conditioning, or heterogeneity intrinsic to the community composition.

Protocolo Experimental para la inducida por la planta Manipulación de la heterogeneidad del suelo

Coexistence theory has often treated environmental heterogeneity as being independent of the community composition; however biotic feedbacks such as ...

Investigación

Medio ambiente

Evaluation of Integrated Anaerobic Digestion and Hydrothermal Carbonization for Bioenergy Production

Lignocellulosic biomass is one of the most abundant yet underutilized renewable energy resources. Both anaerobic digestion (AD) and hydrothermal carbonization (HTC) are promising technologies for bioenergy production from biomass in terms of biogas and HTC biochar, respectively. In this study, the combination of AD and HTC is proposed to increase overall bioenergy production. Wheat straw was anaerobically digested in a novel upflow anaerobic solid state reactor (UASS) in both mesophilic (37 &#176;C) and thermophilic (55 &#176;C) conditions. Wet digested from thermophilic AD was hydrothermally carbonized at 230 &#176;C for 6 hr for HTC biochar production. At thermophilic temperature, the UASS system yields an average of 165 LCH4/kgVS&#160;(VS: volatile solids) and 121 L CH4/kgVS&#160;at mesophilic AD over the continuous operation of 200 days. Meanwhile, 43.4 g of HTC biochar with 29.6 MJ/kgdry_biochar was obtained from HTC of 1 kg digestate (dry basis) from mesophilic AD. The combination of AD and HTC, in this particular set of experiment yield 13.2 MJ of energy per 1 kg of dry wheat straw, which is at least 20% higher than HTC alone and 60.2% higher than AD only.

A novel Upflow Anaerobic Solid State (UASS) reactor was used for biogas production from fibrous feedstock. Digestate from UASS reactor was hydrothermally carbonized into HTC biochar in a pressurized batch reactor. The integration of the two bioenergy concepts was applied in this study to increase overall bioenergy production.

Evaluación de la gestión integrada de Digestión Anaerobia y carbonización hidrotermal para la producción de bioenergía

Lignocellulosic biomass is one of the most abundant yet underutilized renewable energy resources. Both anaerobic digestion (AD) and hydrothermal ...

Exploring the Effects of Atmospheric Forcings on Evaporation: Experimental Integration of the Atmospheric Boundary Layer and Shallow Subsurface

Evaporation is directly influenced by the interactions between the atmosphere, land surface and soil subsurface. This work aims to experimentally study evaporation under various surface boundary conditions to improve our current understanding and characterization of this multiphase phenomenon as well as to validate numerical heat and mass transfer theories that couple Navier-Stokes flow in the atmosphere and Darcian flow in the porous media. Experimental data were collected using a unique soil tank apparatus interfaced with a small climate controlled wind tunnel. The experimental apparatus was instrumented with a suite of state of the art sensor technologies for the continuous and autonomous collection of soil moisture, soil thermal properties, soil and air temperature, relative humidity, and wind speed. This experimental apparatus can be used to generate data under well controlled boundary conditions, allowing for better control and gathering of accurate data at scales of interest not feasible in the field. Induced airflow at several distinct wind speeds over the soil surface resulted in unique behavior of heat and mass transfer during the different evaporative stages.

A protocol for the design and construction of a soil tank interfaced to a small climate controlled wind tunnel to study the effects of atmospheric forcings on evaporation is presented. Both the soil tank and wind tunnel are instrumented with sensor technologies for the continuous in situ measurement of environmental conditions.

La exploración de los efectos de los forzamientos atmosféricos de evaporación: Integración experimental de la capa límite atmosférica y superficial del subsuelo

Evaporation is directly influenced by the interactions between the atmosphere, land surface and soil subsurface. This work aims to experimentally study ...

Experimental Protocol for Detecting Cyanobacteria in Liquid and Solid Samples with an Antibody Microarray Chip

Global warming and eutrophication make some aquatic ecosystems behave as true bioreactors that trigger rapid and massive cyanobacterial growth; this has relevant health and economic consequences. Many cyanobacterial strains are toxin producers, and only a few cells are necessary to induce irreparable damage to the environment. Therefore, water-body authorities and administrations require rapid and efficient early-warning systems providing reliable data to support their preventive or curative decisions. This manuscript reports an experimental protocol for the in-field detection of toxin-producing cyanobacterial strains by using an antibody microarray chip with 17 antibodies (Abs) with taxonomic resolution (CYANOCHIP). Here, a multiplex fluorescent sandwich microarray immunoassay (FSMI) for the simultaneous monitoring of 17 cyanobacterial strains frequently found blooming in freshwater ecosystems, some of them toxin producers, is described. A microarray with multiple identical replicates (up to 24) of the CYANOCHIP was printed onto a single microscope slide to simultaneously test a similar number of samples. Liquid samples can be tested either by direct incubation with the antibodies (Abs) or after cell concentration by filtration through a 1- to 3-&#956;m filter. Solid samples, such as sediments and ground rocks, are first homogenized and dispersed by a hand-held ultrasonicator in an incubation buffer. They are then filtered (5 - 20 &#956;m) to remove the coarse material, and the filtrate is incubated with Abs. Immunoreactions are revealed by a final incubation with a mixture of the 17 fluorescence-labeled Abs and are read by a portable fluorescence detector. The whole process takes around 3 h, most of it corresponding to two 1-h periods of incubation. The output is an image, where bright spots correspond to the positive detection of cyanobacterial markers.

Experimental Protocol for Detecting Cyanobacteria in Liquid and Solid Samples with an Antibody Microarray Chip

The presence of cyanobacterial toxins in fresh water reservoirs for human consumption is a major concern for water management authorities. To evaluate the risk of water contamination, this article describes an protocol for the in-field detection of cyanobacterial strains in liquid and solid samples by using an antibody microarray chip.

Protocolo Experimental para la detección de<em&gt; Las cianobacterias</em&gt; En muestras líquidas y sólidas con un chip de microarray de anticuerpos

Global warming and eutrophication make some aquatic ecosystems behave as true bioreactors that trigger rapid and massive cyanobacterial growth; this has ...

Protocol for Microplastics Sampling on the Sea Surface and Sample Analysis

Microplastic pollution in the marine environment is a scientific topic that has received increasing attention over the last decade. The majority of scientific publications address microplastic pollution of the sea surface. The protocol below describes the methodology for sampling, sample preparation, separation and chemical identification of microplastic particles. A manta net fixed on an &#187;A frame&#171; attached to the side of the vessel was used for sampling. Microplastic particles caught in the cod end of the net were separated from samples by visual identification and use of stereomicroscopes. Particles were analyzed for their size using an image analysis program and for their chemical structure using ATR-FTIR and micro FTIR spectroscopy. The described protocol is in line with recommendations for microplastics monitoring published by the Marine Strategy Framework Directive (MSFD) Technical Subgroup on Marine Litter. This written protocol with video guide will support the work of researchers that deal with microplastics monitoring all over the world.

The protocol below describes the methodology for: microplastics sampling on the sea surface, separation of microplastic and chemical identification of particles. This protocol is in line with the recommendations for microplastics monitoring published by the MSFD Technical Subgroup on Marine Litter.

Protocolo para microplásticos muestreo en la superficie del mar y Análisis de las muestras

Microplastic pollution in the marine environment is a scientific topic that has received increasing attention over the last decade. The majority of ...

Protocol for Assessing the Relative Effects of Environment and Genetics on Antler and Body Growth for a Long-lived Cervid

Cervid phenotype can be placed into one of two categories: efficiency, which promotes survival over extravagant morphometric growth, and luxury, which promotes growth of large weaponry and body size. Populations of the same species display each phenotype depending on environmental conditions. Although antler and body size of male white-tailed deer (Odocoileus virginianus) varies by physiographic region in Mississippi, USA and is strongly correlated with regional variation in nutritional quality, the effects of population-level genetics from native stocks and previous re-stocking efforts cannot be disregarded. This protocol describes how we designed a controlled study, where other factors that influence phenotype, such as age and nutrition, are controlled. We brought wild-caught pregnant females and six-month-old fawns from three distinct physiographic regions in Mississippi, USA to the Mississippi State University Rusty Dawkins Memorial Deer Unit. Deer from the same region were bred to produce a second generation of offspring, allowing us to assess generational responses and maternal effects. All deer ate the same high-quality (20% crude protein deer pellet) diet ad libitum. We uniquely marked each neonate and recorded body mass, hind foot, and total body length. Each subsequent fall, we sedated individuals via remote injection and sampled the same morphometrics plus antlers of adults. We found that all morphometrics increased in size from first to second generation, with full compensation of antler size (regional variation no longer present) and partial compensation of body mass (some evidence of regional variation) evident in the second generation. Second generation males that originated from our poorest quality soil region displayed about a 40% increase in antler size and about a 25% increase in body mass when compared to their wild harvested counterparts. Our results suggest phenotypic variation of wild male white-tailed deer in Mississippi are more related to differences in nutritional quality than population-level genetics.

Phenotypic differences among cervid populations may be related to population-level genetics or nutrition; discerning which is difficult in the wild. This protocol describes how we designed a controlled study where nutritional variation was eliminated. We found that phenotypic variation of male white-tailed deer was more limited by nutrition than genetics.

Protocolo para la evaluación de los efectos relativos de medio ambiente y la genética en el asta y el crecimiento del cuerpo para una larga vida cérvidos

Cervid phenotype can be placed into one of two categories: efficiency, which promotes survival over extravagant morphometric growth, and luxury, which ...

Experimental Column Setup for Studying Anaerobic Biogeochemical Interactions Between Iron (Oxy)Hydroxides, Trace Elements, and Bacteria

Fate and speciation of trace elements (TEs), such as arsenic (As) and mercury (Hg), in aquifers are closely related to physio-chemical conditions, such as redox potential (Eh) and pH, but also to microbial activities that can play a direct or indirect role on speciation and/or mobility. Indeed, some bacteria can directly oxidize As(III) to As(V) or reduce As(V) to As(III). Likewise, bacteria are strongly involved in Hg cycling, either through its methylation, forming the neurotoxin monomethyl mercury, or through its reduction to elemental Hg&#176;. The fates of both As and Hg are also strongly linked to soil or aquifer composition; indeed, As and Hg can bind to organic compounds or (oxy)hydroxides, which will influence their mobility. In turn, bacterial activities such as iron (oxy)hydroxide reduction or organic matter mineralization can indirectly influence As and Hg sequestration. The presence of sulfate/sulfide can also strongly impact these particular elements through the formation of complexes such as thio-arsenates with As or metacinnabar with Hg.
Consequently, many important questions have been raised on the fate and speciation of As and Hg in the environment and how to limit their toxicity. However, due to their reactivity towards aquifer components, it is difficult to clearly dissociate the biogeochemical processes that occur and their different impacts on the fate of these TE.
To do so, we developed an original, experimental, column setup that mimics an aquifer with As- or Hg-iron-oxide rich areas versus iron depleted areas, enabling a better understanding of TE biogeochemistry in anoxic conditions. The following protocol gives step by step instructions for the column set-up either for As or Hg, as well as an example with As under iron and sulfate reducing conditions.

Experimental Column Setup for Studying Anaerobic Biogeochemical Interactions Between Iron OxyHydroxides, Trace Elements, and Bacteria

Fate and speciation of arsenic and mercury in aquifers are closely related to physio-chemical conditions and microbial activity. Here, we present an original experimental column setup that mimics an aquifer and enables a better understanding of trace element biogeochemistry in anoxic conditions. Two examples are presented, combining geochemical and microbiological approaches.

Configuración de columna experimental para el estudio de anaerobias biogeoquímicas interacciones entre bacterias, elementos traza e hidróxidos del hierro (Oxy)

Fate and speciation of trace elements (TEs), such as arsenic (As) and mercury (Hg), in aquifers are closely related to physio-chemical conditions, such as ...

Collection and Extraction of Occupational Air Samples for Analysis of Fungal DNA

Traditional methods of identifying fungal exposures in occupational environments, such as culture and microscopy-based approaches, have several limitations that have resulted in the exclusion of many species. Advances in the field over the last two decades have led occupational health researchers to turn to molecular-based approaches for identifying fungal hazards. These methods have resulted in the detection of many species within indoor and occupational environments that have not been detected using traditional methods. This protocol details an approach for determining fungal diversity within air samples through genomic DNA extraction, amplification, sequencing, and taxonomic identification of fungal internal transcribed spacer (ITS) regions. ITS sequencing results in the detection of many fungal species that are either not detected or difficult to identify to species level using culture or microscopy. While these methods do not provide quantitative measures of fungal burden, they offer a new approach to hazard identification and can be used to determine overall species richness and diversity within an occupational environment.

Determining the fungal diversity within an environment is a method utilized in occupational health studies to identify health hazards. This protocol describes DNA extraction from occupational air samples for amplification and sequencing of fungal ITS regions. This approach detects many fungal species that can be overlooked by traditional assessment methods.

Colección y extracción de muestras de aire profesional para análisis de ADN fúngico

Traditional methods of identifying fungal exposures in occupational environments, such as culture and microscopy-based approaches, have several ...

Experimental Protocol for Detecting Mitochondrial Function in Hepatocytes Exposed to Organochlorine Pesticides

This paper presents detailed methods on detecting hepatic mitochondrial function for a better understanding the cause of metabolic disorders caused by environmental organochlorine pesticides (OCPs) in hepatocytes. HepG2 cells were exposed to &#946;-hexachlorocyclohexane (&#946;-HCH) for 24 h at an equivalent dose of internal exposure in general population. Ultrastructure in hepatocytes was examined by transmission electron microscopy (TEM) to show the damage of mitochondria. Mitochondrial function was further evaluated by mitochondrial fluorescence intensity, adenosine 5'-triphosphate (ATP) levels, oxygen consumption rate (OCR) and mitochondrial membrane potential (MMP) in HepG2 cells incubated with &#946;-HCH. The mitochondria fluorescence intensity after stained by mitochondrial green fluorescent probe was observed with a fluorescence microscopy. The luciferin-luciferase reaction was used to determine ATP levels. The MMP was detected by the cationic dye JC-1 and analyzed under flow cytometry. OCR was measured with an extracellular flux analyzer. In summary, these protocols were used in detecting mitochondrial function in hepatocytes with to investigate mitochondria damages.

Understanding the influence of environmental organochlorine pesticides (OCPs) on mitochondrial function in hepatocytes is important in exploring the mechanism of OCPs causing metabolic disorders. This paper presents detailed methods on detecting hepatic mitochondrial function.

Protocolo experimental para detectar la función mitocondrial en hepatocitos expuestos a plaguicidas organoclorados

This paper presents detailed methods on detecting hepatic mitochondrial function for a better understanding the cause of metabolic disorders caused by ...

The Hawaii Protocol for Scientific Monitoring of Coffee Berry Borer: a Model for Coffee Agroecosystems Worldwide

Coffee berry borer (CBB) is the most devastating insect pest for coffee crops worldwide. We developed a scientific monitoring protocol that is aimed at capturing and quantifying the dynamics and impact of this invasive insect pest as well as the development of its host plant across a heterogeneous landscape. The cornerstone of this comprehensive monitoring system is timely georeferenced data collection on CBB movement, coffee berry infestation, mortality by the fungus Beauveria bassiana, and coffee plant phenology via a mobile electronic data recording application. This electronic data collection system allows field records to be georeferenced through built-in global positioning systems, and is backed by a network of weather stations and records of farm management practices. Comprehensive monitoring of CBB and host plant dynamics is an essential part of an area-wide project in Hawaii to aggregate landscape-level data for research to improve management practices. Coffee agroecosystems in other parts of the world that experience highly variable environmental and socioeconomic factors will also benefit from implementing this protocol, in that it will drive the development of customized integrated pest management (IPM) to manage CBB populations.

Comprehensive monitoring of coffee berry borer and host plant dynamics is essential for aggregating landscape-level data to improve management of this invasive pest. Here, we present a protocol for scientific monitoring of coffee berry borer movement, infestation, mortality, coffee plant phenology, weather, and farm management via a mobile electronic data recording application.

El protocolo de Hawaii para el seguimiento científico de la broca del café: un modelo para los agroecosistemas de café en todo el mundo

Coffee berry borer (CBB) is the most devastating insect pest for coffee crops worldwide. We developed a scientific monitoring protocol that is aimed at ...