Funcionamiento de las baterías en la biosfera: de cómo investigamos los materiales de baterías en la nanoescala al interactuar con bacterias

Blog original en inglés por Mimi Hang
Traducido por Jeremy Miller

Junto con ocho colegas (la mayoría del Centro de Nanotecnología Sostenible), yo recientemente escribí en coautoría un artículo en la revista Chemistry of Materials (La química de los materiales) de la American Chemical Society (La Sociedad Estadounidense de Química) titulado “El impacto del óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto en la nanoescala en la bacteria Shewanella oneidensis MR-1″ [Este óxido se conoce por el acrónimo “NMC”].1 Como el título sugiere, analizamos cómo el NMC en la nanoescala, un material importante en algunas baterías de iones de litio, afectó el crecimiento y la supervivencia de una bacteria importante vive en el suelo. Desde su publicación, ha recibido algo de atención de los medios de comunicación por ser el primer estudio científico que caracteriza la influencia directa de los materiales de baterías en un organismo. Se puede leer más acerca de la cobertura de prensa aquí y aquí (en inglés).

el material de la batería del NMC

Láminas en la nanoescala del material de la batería del NMC de nuestro artículo.1

Aunque una entrevista de televisión es maravillosa para hacer correr la voz sobre nuestro proyecto, había mucho más que estudiar que lo que podíamos explicar con el tiempo que nos quedaba en esos segmentos. El objetivo de este blog es contestar algunas preguntas más detalladas sobre el artículo.

¿Por qué estudiamos el óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto en la nanoescala?

En primer lugar, el NMC es parte de una clase de materiales de cátodos de baterías que proporcionan un alto rendimiento y mucha energía, por lo cual es muy adecuado para su uso en las baterías de vehículos eléctricos. Por ejemplo, la batería de 30 kWh del Nissan Leaf de 2015, que sustituye a la batería de 24 kWh del modelo previo, fue posible gracias a la sustitución de la vieja batería basada en el óxido de manganeso y litio con una batería basada en el NMC.2 Sabemos de un comunicado de prensa que LG Chem, la compañía que fabrica las baterías para el Nissan Leaf y el Chevrolet Volt, ha obtenido licencia para usar la tecnología del NMC de 3M. Aún más importante para nuestra investigación, los materiales como el NMC se están implementando cada vez más en la forma de nanopartículas para mejorar el rendimiento de las baterías y se encuentran en el umbral de la comercialización a gran escala.

El Nissan Leaf

El Nissan Leaf es un ejemplo de un carro eléctrico que emplea el NMC en sus baterías (imagen de Tennen-Gas)

Queríamos examinar el impacto biológico del NMC en la nanoescala ya que, no solamente se usará nanopartículas en las futuras generaciones del NMC comercial, sino que el NMC actualmente fabricado que se usa en las baterías de los vehículos eléctricos ya produce nanopartículas pequeñas al experimentar la fractura inducida por esfuerzo durante su uso.

¿Por qué estudiamos tal tipo tan específico de bacteria? 

Elegimos estudiar una bacteria conocida como Shewanella oneidensis MR-1, una bacteria gramnegativa que vive en los sedimentos y el suelo. (Para más información sobre las bacterias grampositivas y gramnegativas, consulte esta entrada de blog.) El género Shewanella está distribuido a nivel mundial y desempeña un papel en el ciclo de los metales en el medio ambiente. Las bacterias son esenciales para el funcionamiento de los ecosistemas florecientes y pueden ser algunos de los primeros organismos en encontrarse con un material como el NMC en un vertedero. Eso significa que probar cómo las bacterias responden a las nanopartículas del NMC en el laboratorio nos puede dar un mejor entendimiento de lo que puede suceder en el mundo real.

Shewanella

Un ejemplo diferente de bacterias del género Shewanella de un estudio de nanopartículas de oro de Feng et al.3

¿Cómo se analiza el impacto biológico del NMC?

Primero hicimos nanoláminas del NMC desde cero para poder controlar su tamaño y composición. Después, examinamos su interacción con la bacteria Shewanella oneidensis por medio de dos técnicas: respirometría y mediciones de la densidad óptica. Estas dos se complementan, proporcionando información un poco diferente en cuanto a la manera en que las bacterias crecen y se reproducen.

La respirometría nos permitió ver la cantidad de oxígeno que el cultivo bacteriano consumía a medida que crecía. Las bacterias saludables se reproducirán y muy rápidamente forman una población aún más grande: ¡su crecimiento es exponencial! A medida que la población crece, las bacterias consumen más oxígeno. Podemos medir directamente la cantidad de oxígeno absorbido por las células bacterianas y correlacionarla al tamaño de la población bacteriana. Nos dimos cuenta de que las células bacterianas expuestas al NMC a una concentración de 5 mg/L inicialmente consumieron menos oxígeno y no crecieron tan rápidamente como las células no expuestas al NMC. Cuando nos incrementamos la concentración NMC a 50 mg/L, las bacterias no consumieron el oxígeno en absoluto – estaban muertas.

Las mediciones de la densidad óptica nos permitieron medir cuán turbia era el cultivo bacteriano. Más turbidez significa que hay más bacterias que dispersan la luz entrante. Lo menos turbia y más clara la solución indica las menos bacterias presentes para dispersar la luz. Vimos que cuando Shewanella oneidensis MR-1 fue expuesto al NMC, las células dispersaron menos luz que cuando no había el NMC. Esta fue otra confirmación de que el NMC inhibe el crecimiento de bacterias.

turbidez

El jugo de manzana a la izquierda es más turbio que el agua a la derecha – hay muchas más partículas flotando en él, las cuales dispersan la luz que le viene a fin de que no podemos ver claramente a través del liquido. (Imagen a la izquierda de Metoc; imagen a la derecha de CDC/Amanda Mills)

¿Qué impacto tiene el NMC en el crecimiento y la supervivencia de Shewanella oneidensis? 

Al principio, pensábamos que podía que las nanoláminas del NMC en realidad cortaran en la membrana bacteriana, ¡así como un corte con un papel! Para probar esta teoría, examinamos el NMC y las células bacterianas con un microscopio electrónico de alta resolución. Sin embargo, vimos que las células y las nanoláminas no estaban pegadas, resultando poco probable nuestra teoría parecida al corte con papel.

las nanopartículas del NMC

Otra imagen de nuestro artículo, ésta que demuestra que las nanopartículas del NMC no cortan en las membranas celulares de los Shewanella.1

Para averiguar qué otro aspecto del NMC podría ser responsable de inhibir el crecimiento de bacterias, después medimos la composición de la solución en que se colocó el NMC. En otras palabras, probamos el líquido donde tanto el NMC y las bacterias estaban flotando, y vimos que, con el tiempo, el NMC parcialmente disolvió, liberando sus especies componentes como el níquel y el cobalto en la solución. Medimos la cantidad de metales liberados del NMC y luego hicimos un experimento en el cual expusimos células bacterianas solamente a estos metales exclusivamente, sin lo más mínimo de NMC. Descubrimos que el cobalto y el níquel liberado por NMC eran los principales culpables que afectaban el crecimiento de las bacterias!

¿Qué esperábamos lograr con nuestro artículo? 

Nuestro estudio provee nuevos conocimientos sobre la manera en que el NMC y los materiales de cátodos de baterías de iones de litio relacionados podrían interactuar con los organismos en el medio ambiente. Nuestro objetivo final es utilizar los resultados de nuestro estudio para ayudar a diseñar nuevos materiales del NMC que sean más favorables al medio ambiente y se puedan utilizar de forma sostenible en aplicaciones importantes tales como el almacenamiento de energía en baterías.

Nuestro estudio también sugiere que los consumidores y las empresas deberían considerar el reciclaje de materiales hechos con el NMC para evitar que terminen en los vertederos y que los metales lixivien en el medio ambiente. Actualmente hay poco incentivo económico y ningún sistema de mandato federal para el reciclaje de estos materiales, pero (como hemos comentado en un post anterior) a medida que utilizamos más y más estos materiales en productos de consumo, será cada vez más importante tener disponible la infraestructura para reciclarlos.

el reciclaje de baterías de iones de litio

Algunos lugares ya han empezado bien con el reciclaje de baterías de iones de litio. Este símbolo se usa ampliamente en Japón (imagen de Wikimedia)

Esta entrada es parte de nuestra serie en curso de resúmenes accesibles para el público que describen los artículos de investigación que han sido publicados por miembros del Centro de Nanotecnología Sostenible. Este estudio de colaboración se llevó a cabo por investigadores de La Universidad de Wisconsin-Madison y La Universidad de Minnesota – Twin Cities. Mimi Hang y Ian Gunsolus, estudiantes de doctorado en esas dos universidades, fueron los primeros coautores del artículo (¡Ian ya se ha graduado!). El artículo fue publicado por primera vez en línea en enero de 2016 en Chemistry of Materials.1


RECURSOS INFORMATIVOS (en inglés):


REFERENCIAS

  1. Hang, M. Gunsolus, I., Wayland, H., Melby, E., Mensch, A., Hurley, K., Pedersen, J., Haynes, C., & Hamers, R. Impact of Nanoscale Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC) on the Bacterium Shewanella oneidensisMR-1. Chemistry of Materials. 2016, 28, 1092-1100. doi:10.1021/acs.chemmater.5b04505
  2. Frost, L. “Exclusive – Nissan faces battery plant cuts as electric car hopes fade.” Reuters Sep 15, 2014. Retrieved fromhttp://uk.reuters.com/article/uk-renault-sa-nissan-batteries-idUKKBN0HA0CC20140915
  3. Feng, V.Z.*, Gunsolus, I.L., Qiu, T.A., Hurley, K.R., Nyberg, L.H., Frew, H. Johnson, K.P., Vartanian, A.M., Jacob, L.M., Lohse, S.E., Torelli, M.D., Hamers, R.J., Murphy, C.J. & Haynes, C.L.*  Impacts of gold nanoparticle charge and ligand type on surface binding and toxicity to Gram-negative and Gram-positive bacteria, Chemical Science, 2015, 6, 5186-5196. doi: 10.1039/C5SC00792E

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s