Zach Winn
Les plastiques biodégradables pourraient aider à atténuer la crise des déchets plastiques qui pollue l’environnement et nuit à notre santé. Mais la durée de dégradation des plastiques et la manière dont les bactéries environnementales collaborent pour les décomposer restent largement inconnues.
Comprendre comment les plastiques sont décomposés par les microbes pourrait aider les scientifiques à créer des matériaux plus durables et même de nouveaux systèmes de recyclage microbien qui convertissent les déchets plastiques en matériaux utiles.
Des chercheurs du MIT ont franchi une première étape importante vers la compréhension de la collaboration bactérienne pour dégrader le plastique. Dans un nouvel article, les chercheurs ont révélé le rôle de bactéries océaniques individuelles dans la décomposition d’un plastique biodégradable largement utilisé. Ils ont également montré les processus complémentaires que les microbes utilisent pour consommer entièrement le plastique, avec un microbe qui scinde le plastique en ses composants chimiques et d’autres qui consomment chaque produit chimique.
Les chercheurs affirment qu’il s’agit d’une des premières études à éclairer le rôle d’espèces bactériennes spécifiques dans la décomposition du plastique et indiquent que la vitesse de dégradation du plastique peut varier considérablement en fonction de quelques facteurs clés.
« Il existe beaucoup d’ambiguïté sur la durée réelle de présence de ces matériaux dans l’environnement », explique l’auteur principal Marc Foster, étudiant en doctorat du programme conjoint MIT-WHOI. « Cela montre que la biodégradation du plastique dépend fortement de la communauté microbienne où le plastique finit. Cela dépend aussi des plastiques — la chimie du polymère et la façon dont ils sont fabriqués en tant que produit. Il est important de comprendre ces processus parce que nous essayons de limiter la durée de vie environnementale de ces matériaux ».
Découvrir la collaboration
Les scientifiques espèrent que le plastique biodégradable pourra être utilisé pour résoudre les montagnes de déchets plastiques qui s’accumulent dans nos océans et décharges.
« Plus de la moitié du plastique produit est soit envoyé en décharge, soit directement rejeté dans l’environnement », affirme Foster. « Mais sans connaître les spécificités des différents processus de dégradation, nous ne pourrons pas prédire avec précision la durée de vie de ces matériaux et mieux contrôler cette dégradation ».
À ce jour, de nombreuses études sur la biodégradation des plastiques se sont concentrées sur des organismes microbiens uniques, mais Foster souligne que cela ne représente pas la façon dont la plupart des plastiques sont décomposés dans l’environnement.
« Il est très rare qu’une seule bactérie réalise le processus de dégradation complet car cela nécessite une charge métabolique importante pour porter toutes les fonctions enzymatiques afin de dépolymériser le polymère et ensuite utiliser ces sous-unités chimiques comme source de carbone et d’énergie », explique Foster.
D’autres études ont cherché à capturer les empreintes moléculaires de groupes de bactéries lors de la dégradation du plastique, ce qui donne un instantané des espèces impliquées sans révéler les mécanismes d’action.
Pour cette étude, les chercheurs ont voulu découvrir les rôles d’espèces bactériennes spécifiques lors de la dégradation complète du plastique. Ils ont commencé avec un type de plastique biodégradable connu sous le nom de copolyester aromatique aliphatique. Ce plastique est utilisé dans les sacs de courses et les emballages alimentaires. Il est aussi souvent étalé sur les sols agricoles pour empêcher les mauvaises herbes et retenir l’humidité.
Pour commencer l’étude, les chercheurs de BASF, qui produit ce type de plastique, ont d’abord placé des échantillons du produit à différentes profondeurs de la mer Méditerranée pour laisser les bactéries se développer en un mince biofilm autour du plastique. L’entreprise a ensuite expédié les échantillons aux chercheurs du MIT, qui ont isolé autant d’espèces bactériennes que possible à partir des échantillons. Les chercheurs ont mélangé ces isolats et identifié 30 espèces bactériennes qui ont continué à se développer en abondance sur le plastique.
En utilisant le dioxyde de carbone comme mesure de la dégradation du plastique, les chercheurs ont isolé chaque bactérie et en ont trouvé une, Pseudomonas pachastrellae, capable de dépolymériser les composés plastiques, les décomposant en les trois composants chimiques du plastique : l’acide téréphtalique, l’acide sébacique et le butanediol.
Mais cette bactérie ne pouvait pas consommer les trois composants seule. Un par un, les chercheurs ont exposé chaque bactérie à chaque produit chimique, ne trouvant aucune bactérie capable de consommer les trois, bien qu’ils aient trouvé certaines espèces pouvant consommer un ou deux produits chimiques seules.
Finalement, les chercheurs ont sélectionné cinq espèces bactériennes basées sur leurs capacités de décomposition complémentaires et ont montré que le petit groupe présentait la même capacité à dégrader complètement le plastique que la communauté bactérienne de 30 membres.
« J’ai pu réduire le processus de dégradation à cet ensemble simpliste de fonctions métaboliques spécifiques », révèle Foster. « Et puis quand j’ai retiré une bactérie, la minéralisation a chuté, ce qui indiquait que l’organisme contrôlait la dégradation du polymère. Ensuite, quand j’ai eu chacune des bactéries seule dans une culture, aucune n’a pu atteindre la même dégradation que les cinq ensemble, indiquant qu’il y avait cette fonction complémentaire nécessaire. Cela a fonctionné bien mieux que je ne le pensais ».
Les chercheurs ont également constaté que la communauté bactérienne de cinq membres ne pouvait pas minéraliser un autre plastique, montrant que les groupes de bactéries pourraient ne pouvoir minéraliser que des plastiques spécifiques.
« Cela souligne que les microbes vivant là où le plastique finit vont dicter la durée de vie du plastique », conclut Foster.
Dégradation plus rapide du plastique
Foster note que les bactéries de son étude sont probablement spécifiques à la mer Méditerranée. L’étude n’a également impliqué que des bactéries pouvant survivre dans son environnement de laboratoire. Néanmoins, Foster affirme qu’il s’agit d’un des premiers articles identifiant les rôles des bactéries dans la consommation du plastique.
« La plupart des études ne pourraient pas identifier la bactérie spécifique qui contrôle chaque processus de minéralisation complémentaire », explique Foster. « Ici, nous pouvons dire que cette bactérie contrôle la dégradation, ces bactéries gèrent la minéralisation, et ensuite nous montrons la fonction de chaque bactérie et montrons qu’ensemble, elles peuvent éliminer l’ensemble du polymère ».
Foster déclare que ce travail est une première étape importante vers la création de systèmes microbiens plus efficaces pour décomposer le plastique ou le convertir en quelque chose d’utile. Dans le cadre de son doctorat, il explore ce qui fait la réussite des paires bactériennes pour une consommation plus rapide du plastique et comment les enzymes s’amarrent aux particules plastiques pour initier et poursuivre la dégradation.
Article : “Complementary Bacterial Functions Enhance Mineralization of Aromatic Aliphatic Copolyesters within a Marine Microbial Consortium” – Journal : Environmental Science & Technology – DOI : Lien vers l’étude
Source : MIT
