Recyclage des plastiques : l’avenir est-il dans le froid ?

Des chercheurs de l’Institut fédéral suisse WSL ont découvert des micro-organismes capables de digérer certains types de plastiques à basse température, ouvrant ainsi la voie à des procédés de recyclage plus écologiques et moins coûteux. Leurs résultats ont été publiés dans Frontiers in Microbiology.

La découverte, la culture et la bio-ingénierie d’organismes capables de digérer le plastique ne contribuent pas seulement à l’élimination de la pollution, mais constituent également une activité commerciale importante. Plusieurs micro-organismes capables de le faire ont déjà été découverts, mais lorsque les enzymes qui rendent cela possible sont appliquées à l’échelle industrielle, elles ne fonctionnent généralement qu’à des températures supérieures à 30°C. Le chauffage nécessaire signifie que les applications industrielles restent coûteuses à ce jour et ne sont pas neutres en carbone. Mais il existe une solution possible à ce problème : trouver des microbes spécialisés adaptés au froid dont les enzymes fonctionnent à des températures plus basses.

« Nous avons montré que de nouveaux taxons microbiens provenant de la ‘plastosphère’ des sols alpins et arctiques étaient capables de décomposer les plastiques biodégradables à 15°C« , a déclaré le premier auteur, Dr. Joel Rüthi, actuellement chercheur invité à l’WSL. « Ces organismes pourraient contribuer à réduire les coûts et l’impact environnemental du processus de recyclage enzymatique des plastiques.« 

Rüthi et ses collègues ont échantillonné 19 souches de bactéries et 15 souches de champignons se développant sur du plastique libre ou intentionnellement enterré (conservé dans le sol pendant un an) au Groenland, au Svalbard et en Suisse. La plupart des déchets plastiques du Svalbard ont été collectés dans le cadre du Swiss Arctic Project 2018, au cours duquel des étudiants ont effectué des travaux sur le terrain pour constater de visu les effets du changement climatique. Le sol suisse a été collecté au sommet du Muot da Barba Peider (2 979 m) et dans la vallée de Val Lavirun, tous deux situés dans le canton des Grisons.

Les chercheurs ont cultivé les micro-organismes isolés dans des conditions de laboratoire à 15°C et dans l’obscurité, puis ont utilisé des techniques moléculaires pour les identifier. Les résultats ont montré que les souches bactériennes appartenaient à 13 genres des phyla Actinobacteria et Proteobacteria, tandis que les champignons appartenaient à 10 genres des phyla Ascomycota et Mucoromycota.

Résultats surprenants

Les scientifiques ont ensuite évalué la capacité de chaque souche à dégrader des échantillons stériles de polyéthylène (PE) non biodégradable et de polyester-polyuréthane (PUR) biodégradable, ainsi que deux mélanges biodégradables commerciaux de polybutylène adipate téréphtalate (PBAT) et d’acide polylactique (PLA).

Aucune des souches n’a réussi à dégrader le PE, même après 126 jours d’incubation. Cependant, 19 souches (56%), dont 11 champignons et huit bactéries, ont dégradé le PUR à 15°C, tandis que 14 champignons et trois bactéries ont dégradé les mélanges de plastique PBAT et PLA. La résonance magnétique nucléaire (RMN) et un test de fluorescence ont confirmé que ces souches étaient capables de décomposer les polymères PBAT et PLA en molécules plus petites.

« Nous avons été très surpris de constater qu’une grande partie des souches testées était capable de dégrader au moins l’un des plastiques testés« , a déclaré Rüthi.

Les meilleurs résultats ont été obtenus avec deux espèces fongiques non caractérisées des genres Neodevriesia et Lachnellula, capables de dégrader tous les plastiques testés, à l’exception du PE. Les résultats ont également montré que la capacité à dégrader le plastique dépendait du milieu de culture pour la plupart des souches, chaque souche réagissant différemment aux quatre milieux testés.

Effet secondaire de la capacité à digérer les polymères végétaux

Comment la capacité à dégrader le plastique a-t-elle évolué ? Étant donné que les plastiques n’existent que depuis les années 1950, il est fort probable que la capacité à dégrader les plastiques n’était pas un trait initialement ciblé par la sélection naturelle.

« Les microbes ont été montrés pour produire une grande variété d’enzymes dégradant les polymères, impliquées dans la dégradation des parois cellulaires des plantes. En particulier, les champignons pathogènes des plantes sont souvent signalés pour dégrader les polyesters, en raison de leur capacité à produire des cutinases qui ciblent les polymères plastiques en raison de leur ressemblance avec le polymère végétal cutine », a expliqué l’auteur principal, Dr Beat Frey, chercheur principal et chef de groupe à l’WSL.

Défis à relever

Comme Rüthi et ses collègues n’ont testé la digestion qu’à 15°C, ils ne connaissent pas encore la température optimale à laquelle les enzymes des souches performantes fonctionnent.

« Mais nous savons que la plupart des souches testées peuvent bien se développer entre 4°C et 20°C, avec un optimum d’environ 15°C« , a déclaré Frey.

Le prochain grand défi consistera à identifier les enzymes dégradant les plastiques produites par les souches microbiennes et à optimiser le processus pour obtenir de grandes quantités de protéines. De plus, des modifications supplémentaires des enzymes pourraient être nécessaires pour optimiser des propriétés telles que la stabilité des protéines.« 

Ces découvertes pourraient constituer une avancée majeure dans la lutte contre la pollution plastique et offrir une solution plus écologique et économique pour le recyclage des plastiques à l’échelle industrielle.

Crédit image: Beat Stierli