Comment les plastiques sont réellement biodégradables
Des chercheurs de l'ETH ont mis au point une méthode leur permettant d'enregistrer avec précision la biodégradation des plastiques dans les sols et d'en assurer le suivi complet.
L'agriculture moderne utilise beaucoup de plastique, notamment dans les films de paillage avec lesquels les agriculteurs et agricultrices recouvrent la terre arable. Cela protège les cultures du dessèchement, supprime la croissance des mauvaises herbes et favorise celle des plantes utiles.
Cependant, pour les agriculteurs, la collecte et l'élimination des films conventionnels en polyéthylène (PE) sont généralement très compliquées et co?teuses. De plus, il n'est pas possible de collecter entièrement les films PE fins, car ils se déchirent facilement : Il reste donc du PE sur et dans les sols et s'y accumule, car le PE ne se dégrade pas.
Les films de paillage biodégradables constituent donc une alternative intéressante car, contrairement aux films PE, ils ne laissent aucun composant polymère dans l'environnement. Les polymères biodégradables sont délibérément con?us de manière à ce que les micro-organismes puissent les utiliser pour produire de l'énergie et de la masse cellulaire. Ces polymères ont des "points de rupture" chimiques dans leur structure. Les micro-organismes présents naturellement, par exemple dans le sol, peuvent libérer des enzymes dans leur environnement et ainsi attaquer ces points de rupture dans les polymères et les décomposer. Les fragments libérés sont alors absorbés par les microbes et finalement transformés en produit final, le CO2 a respiré.
La preuve que le CO2 est donc très important, car il existe, outre des plastiques réellement biodégradables, des plastiques à base de PE qui, en raison de certains additifs, ne se décomposent qu'en microplastiques de très petite taille, invisibles à l'?il nu. Ceux-ci ne sont pas dégradés par les micro-organismes et s'accumulent dans l'environnement.
Une nouvelle approche appréhende la biodégradation dans son intégralité
Jusqu'à présent, les méthodes existantes ne permettaient pas de détecter et de saisir la biodégradation des polymères dans son intégralité. Au cours des dernières années, le groupe Chimie de l'environnement de l'ETH Zurich a développé une nouvelle approche permettant de suivre et de mesurer si un polymère est biodégradé dans le sol et dans quelle mesure. Les résultats de ce travail viennent d'être publiés dans la revue spécialisée Nature Communications.
Les résultats pourraient changer la manière d'étudier la biodégradation des polymères à l'avenir. Des chercheurs des Sciences de la Terre de l'ETH, de l'Eawag ainsi que des collaborateurs du groupe chimique BASF ont participé à l'étude.
L'approche repose sur le fait que les polymères contenant des isotopes stables du carbone (13C-) peuvent être marqués. Cela permet aux chercheurs de 13carbone C du polymère pendant la biodégradation dans le sol de manière ciblée et sélective et de démontrer ainsi sans équivoque que la biodégradation a bien lieu.
Jusqu'à présent, seuls les polymères qui n'ont pas été marqués par des isotopes ont été utilisés pour tester la biodégradabilité des plastiques. Un polymère (ou un matériau plastique composé d'un ou de plusieurs polymères) est certifié biodégradable si, pendant une période d'incubation définie, une quantité minimale du carbone du polymère est transformée en CO2 est transformé en engrais. La norme pour les films de paillage biodégradables, par exemple, exige des incubations du sol au cours desquelles au moins 90 % du carbone du film de paillage est transformé en CO2 est 'minéralisé'.
Ces méthodes d'essai sont désormais bien établies et appropriées pour détecter la minéralisation des polymères. Cependant, elles ne détectent pas la totalité de la biodégradation, car seules les émissions de CO2-La formation de carbone est mesurée. Les chercheurs n'ont pas pu mesurer la quantité de carbone polymère restant dans le sol à la fin des périodes d'incubation avec les méthodes standard utilisées jusqu'à présent. De plus, il n'était pas clair si ce carbone restant était toujours présent sous forme de polymère ou si les micro-organismes l'avaient déjà absorbé dans leur biomasse.
Bilans de masse fermés établis
L'approche développée par les chercheurs de l'ETH et leurs collègues lève ces ambigu?tés. Dans leurs tests, ils ont utilisé 13C polybutylène succinate (PBS) marqué. Le PBS est un polyester biodégradable commercialement important, qui est également utilisé dans les films de paillage.
Les chercheurs ont maintenant pu suivre de manière sélective l'isotope du carbone dans le PBS pendant la biodégradation : Outre la détermination de la minéralisation en 13CO2 les auteurs ont pu établir des bilans de masse complets pour le carbone du PBS en calculant la quantité résiduelle de carbone issu du PBS restant dans le sol après les incubations. 13C certains.
"? propos, nous avons été ravis de voir des bilans de masse de carbone fermés sur les 425 jours d'incubation du sol. Cela a montré que nous pouvons déterminer avec précision où le carbone du polymère se termine - à environ deux tiers dans le CO2 et pour un tiers dans le sol - et ce pendant ces très longues périodes d'incubation", explique le premier auteur de l'étude, Taylor Nelson, qui a obtenu son doctorat dans le groupe de chimie environnementale.
"Nous pouvons désormais vérifier systématiquement quelles sont les conditions du sol et les propriétés des polymères qui permettent une biodégradation complète des polymères en CO2 et à la biomasse microbienne".Michael Sander
Les chercheurs voulaient également savoir sous quelle forme le carbone ajouté par le PBS restait dans le sol, c'est-à-dire quelle quantité avait été incorporée dans la biomasse microbienne et quelle quantité était encore présente sous forme de PBS résiduel.
Pour répondre à cette question, les auteurs ont extrait et déterminé le PBS résiduel du sol. Il s'est avéré que la plupart du carbone était certes encore présent sous forme de PBS, mais qu'une part considérable, à savoir sept pour cent du carbone PBS ajouté, avait également été intégrée dans la biomasse microbienne.
La possibilité de déterminer avec précision la quantité de polymère restant et la quantité de carbone polymère incorporé dans la biomasse est essentielle pour les études futures et le développement de nouveaux polymères biodégradables : "Nous pouvons maintenant vérifier systématiquement quelles conditions du sol et quelles propriétés du polymère permettent une biodégradation complète des polymères en CO2 et en biomasse microbienne - et nous pouvons évaluer les facteurs qui ralentissent éventuellement la biodégradation des polymères au fil du temps", explique Michael Sander, professeur de l'ETH au sein du groupe de chimie environnementale.
Réduire la pollution plastique
Ce travail est déjà en cours : avec cette nouvelle approche, le groupe étudie actuellement la biodégradation d'autres polymères dans différents sols agricoles, y compris en plein champ. "Nous voulons ainsi nous assurer que les polymères biodégradables méritent leur nom et ne restent pas dans l'environnement", explique Kristopher McNeill, professeur de chimie environnementale à l'ETH Zurich et directeur du groupe de recherche du même nom.
"Le remplacement des polymères traditionnels par des polymères biodégradables peut contribuer à réduire la pollution plastique, en particulier pour les applications dans lesquelles les polymères sont utilisés directement dans l'environnement et où il y a une forte probabilité que les polymères y restent après l'application", souligne Sander.
Référence bibliographique
Nelson TF, Baumgartner R, Jaggi M et al. Biodegradation of poly(butylene succinate) in soil laboratory incubations assessed by stable carbon isotope labelling. Nat Commun 13, 5691 (2022). site externedoi : 10.1038/s41467-022-33064-8