Suivi précis de la biodégradation du plastique

L'agriculture moderne utilise beaucoup de plastique, notamment sous forme de film de paillage que les agricultrices et agriculteurs utilisent pour couvrir les sols des champs. Cela permet de garder les sols humides pour les cultures, de supprimer les mauvaises herbes et de favoriser la croissance des cultures.

Cependant, il est généralement très long et coûteux pour les agricultrices et agriculteurs de collecter et d'éliminer le film de polyéthylène (PE) conventionnel après utilisation. En outre, il n'est pas possible de collecter à nouveau tous les films PE fins, car ils se déchirent facilement. Cela signifie que les morceaux de PE restent sur et dans le sol et s'y accumulent, car le PE ne se dégrade pas.

Le film de paillage biodégradable e st une alternative prometteuse car, contrairement au film PE, il ne laisse idéalement aucun composant polymère dans l'environnement du sol. Les polymères biodégradables qu'il contient sont délibérément conçus pour que les micro-organismes puissent les utiliser pour générer de l'énergie et construire une biomasse cellulaire. Les polymères biodégradables ont des «points de rupture» chimiques prévus dans la structure de leur squelette. Les micro-organismes naturels, comme ceux du sol, peuvent libérer dans leur environnement des enzymes qui attaquent ces points dans les polymères et les décomposent. Les petits produits de dégradation libérés sont ensuite absorbés par les microbes et finalement respirés pour former le produit final, le CO₂.

C'est pourquoi prouver la formation de CO₂ à partir du carbone du polymère est crucial pour la biodégradation. En outre, outre les plastiques réellement biodégradables, il existe des films faussement étiquetés à base de PE contenant des additifs spécifiques. Ces films ne se décomposent qu'en de très petits microplastiques qui ne sont plus visibles à l'œil nu. Et comme ils ne sont pas dégradés par les micro-organismes, ils s'accumulent dans l'environnement.

Une nouvelle approche permet de saisir tous les aspects de la biodégradation

Jusqu'à présent, les méthodes existantes ne permettaient pas de suivre le processus de biodégradation des polymères dans son intégralité. Mais au cours des dernières années, le groupe de chimie environnementale de l'ETH Zurich a mis au point une nouvelle approche pour suivre et mesurer si et dans quelle mesure un polymère se biodégrade dans un sol. Leurs résultats viennent d'être publiés dans Nature Communications.

Ces résultats pourraient changer la façon dont la biodégradation des polymères est étudiée à l'avenir. Le projet a également impliqué des chercheurs et chercheuses du département des sciences de la terre de l'ETH Zurich et de l'Eawag, ainsi que des collaboratrices et collaborateurs de l'entreprise chimique BASF.

Cette nouvelle approche est basée sur l'utilisation de polymères marqués par des isotopes stables du carbone⁽¹³C). Ce marquage permet aux chercheurs et chercheuses de suivre sélectivement le ¹³C du polymère pendant sa biodégradation dans le sol, ce qui leur permet de démontrer sans ambiguïté que la biodégradation a bien lieu. Jusqu'à présent, la biodégradabilité des plastiques n'avait été testée qu'avec des polymères non marqués isotopiquement. Un polymère (ou une matière plastique constituée d'un ou de plusieurs polymères) est certifié biodégradable si la fraction du carbone polymère ajouté convertie en CO₂ dépasse un niveau prédéfini au cours d'une période d'incubation spécifique. La norme relative au film de paillage biodégradable, par exemple, exige des incubations de sol de deux ans au cours desquelles au moins 90% du carbone du film de paillage est «minéralisé» en CO₂.

Ces méthodes d'essai sont bien établies comme moyen approprié pour détecter la minéralisation des polymères. Toutefois, elles ne permettent pas de saisir toute l'étendue de la biodégradation, car elles ne mesurent que la formation de CO₂. Par conséquent, les chercheuses et chercheurs utilisant les méthodes standard actuelles ont été incapables de détecter la quantité de carbone polymère restant dans le sol à la fin d'une période d'incubation. En outre, il n'était pas clair si ce carbone restant était encore présent sous la forme du polymère ajouté ou si les micro-organismes l'avaient déjà incorporé dans leur biomasse.

Bilans massiques fermés du carbone

L'approche développée par les chercheurs et chercheuses de l'ETH Zurich et leurs collègues élimine ces ambiguïtés. Dans leurs tests, elles et ils ont utilisé du polybutylène succinate marqué au ¹³C, ou PBS - un polyester biodégradable commercialement important qui est également utilisé dans les films de paillage.

Les chercheurs et chercheuses ont pu suivre sélectivement le ¹³C du PBS pendant sa biodégradation: outre la détermination de la minéralisation en ¹³CO₂, les autrices et auteurs ont établi un bilan massique complet du carbone du PBS en quantifiant la quantité résiduelle de ¹³C dérivé du PBS qui restait dans le sol après incubation.

«Il était gratifiant pour nous de voir des bilans massiques de carbone fermés sur les 425 jours d'incubation du sol. Cela a montré que nous pouvons déterminer avec précision où le carbone polymère finit - environ deux tiers en CO₂ et un tiers dans le sol - sur ces très longues périodes d'incubation», explique l'auteur principal de l'étude, Taylor Nelson, qui a obtenu son doctorat dans le groupe de chimie environnementale.

Les checheuses et chercheurs ont également voulu savoir sous quelle forme le carbone ajouté sous forme de PBS restait dans le sol. Quelle proportion était incorporée dans la biomasse microbienne et quelle proportion était encore présente sous forme de PBS résiduel?

Pour répondre à cette question, les auteurs et autrices ont extrait et quantifié le PBS résiduel du sol à la fin des incubations. Ils et elles ont pu montrer que si la plupart du carbone était encore présent sous forme de PBS, une quantité significative - 7% - du carbone ajouté au PBS avait été incorporée dans la biomasse microbienne.

La possibilité de déterminer exactement la quantité de polymère restant et la quantité de carbone polymère incorporé dans la biomasse est essentielle pour les études futures et pour le développement de nouveaux polymères biodégradables. «Nous pouvons maintenant tester systématiquement les conditions du sol et les propriétés des polymères qui permettent une biodégradation complète des polymères en CO₂ et en biomasse microbienne - et nous pouvons évaluer les facteurs qui peuvent ralentir la biodégradation des polymères au fil du temps», explique Michael Sander, professeur dans le groupe de chimie environnementale de l'ETH Zurich.

Ces travaux sont déjà en cours: grâce à cette nouvelle approche, le groupe étudie actuellement la biodégradation d'autres polymères dans divers sols agricoles, y compris sur le terrain. «Nous voulons ainsi nous assurer que les polymères biodégradables portent bien leur nom et ne restent pas dans l'environnement», explique Kristopher McNeill, professeur de chimie environnementale à l'ETH Zurich et responsable d'un sous-groupe de recherche éponyme.

«Le remplacement des polymères conventionnels par des polymères biodégradables peut contribuer à réduire la pollution par les plastiques, en particulier pour les applications dans lesquelles les polymères sont utilisés directement dans l'environnement de sorte qu'il y a une forte probabilité que les polymères y restent après utilisation», souligne Michael Sander.