Les microbes du sol dégradent les films plastiques

Notre monde se noie dans une marée de plastique. Huit millions de tonnes de plastique finissent chaque année dans les océans du monde. Même les sols agricoles ne sont pas épargnés. A grande échelle, les agriculteurs du monde entier recouvrent les sols de films de paillage en polyéthylène (PE) afin de limiter les mauvaises herbes, d'augmenter la température du sol et de maintenir l'humidité du sol. De cette manière, ils peuvent augmenter le rendement des cultures.

Cependant, après la récolte, les agriculteurs ne peuvent souvent pas collecter l'intégralité de ces films, en particulier lorsqu'ils n'ont que quelques microns d'épaisseur. Ainsi, les résidus de films PE se retrouvent dans le sol et s'y accumulent, car ils n'y sont pas dégradés. Cependant, les résidus de films réduisent la fertilité du sol, perturbent le régime hydrique et limitent la croissance des cultures.

Des bactéries minéralisent un polymère alternatif

Des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Eawag démontrent aujourd'hui dans une étude multidisciplinaire qu'il y a tout lieu d'espérer. Dans leur dernière étude, ils démontrent que les microbes du sol peuvent dégrader des films alternatifs fabriqués à partir du plastique polybutylène adipate téréphtalate (PBAT). Leur travail vient d'être publié dans la revue spécialisée page externeScience Advances.

Sous l'égide de Michael Sander, Kristopher McNeill et Hans-Peter Kohler, l'ancien doctorant de l'ETH Michael Zumstein a pu démontrer que les micro-organismes utilisent le carbone du polymère à la fois pour leur métabolisme énergétique et pour la constitution de leur biomasse.

"Ce travail montre pour la première fois directement que les micro-organismes du sol minéralisent les films PBAT dans le sol et transfèrent le carbone du polymère dans leur biomasse", explique Michael Sander, Senior Scientist dans le domaine de la chimie organique de l'environnement au Département des sciences des systèmes de l'environnement de l'ETH Zurich.

Le PBAT est, comme le PE, un polymère à base de pétrole. Le premier étant considéré comme biodégradable dans le compost, les chercheurs de l'ETH et de l'Eawag ont désormais étudié la biodégradation de ce type de plastique dans les sols. Le polyéthylène, en revanche, n'est dégradable ni dans le compost ni dans le sol.

Polymère avec carbone ¹³C marquer

Dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé du matériau PBAT spécialement fabriqué à cet effet, dont la production a nécessité une certaine quantité de monomères associés à l'isotope stable du carbone, un peu plus lourd. ¹³C étaient marqués. Cet isotope a permis aux scientifiques de suivre le parcours du carbone du polymère pendant la biodégradation dans le sol.

Si les microbes du sol dégradent le PBAT, ils déposent inévitablement aussi le ¹³carbone C libéré. Des instruments de mesure appropriés permettent finalement de le détecter aussi bien dans les métabolites comme le dioxyde de carbone (CO₂) provenant de la respiration cellulaire des microbes que dans les structures cellulaires générées par les organismes.

Véritable biodégradation

"Ce qui est élégant dans cette étude, c'est que nous avons utilisé des isotopes stables du carbone pour pouvoir suivre avec précision le devenir du carbone du polymère dans le sol", explique Michael Zumstein, premier auteur de l'étude.

De cette manière, les chercheurs ont réussi pour la première fois à apporter une preuve scientifique rigoureuse qu'un plastique peut être efficacement biodégradé dans le sol. En effet, tous les matériaux qualifiés de "biodégradables" par le passé ne le sont pas réellement. "Par biodégradation, nous entendons que les microbes utilisent tout le carbone des cha?nes de polymères pour la production d'énergie et la constitution d'une nouvelle biomasse - comme nous avons pu le montrer pour le PBAT", explique Hans-Peter Kohler, microbiologiste environnemental à l'Eawag.

Les plastiques biodégradables se distinguent fondamentalement de ceux qui se décomposent en petites particules de plastique dans l'environnement, par exemple après une exposition au soleil, mais qui ne se minéralisent pas. "De nombreux matériaux plastiques ne font que s'effriter, et des fragments restent dans l'environnement sous forme de microplastiques, même si nous ne les voyons plus à l'?il nu", souligne Kohler.

Pour leur expérience, les scientifiques ont rempli des bouteilles d'un décilitre de 60 grammes de terre chacune et ont placé des PBAT sur des supports dans le matériau du sol.

Après six semaines, les chercheurs ont examiné si des micro-organismes s'étaient installés sur le polymère. Ils ont analysé le dioxyde de carbone qui s'échappait de la bouteille pour déterminer la proportion de l'isotope de carbone ¹³C. Ils ont déterminé l'intégration du carbone du polymère dans la biomasse des micro-organismes à la surface du polymère en collaboration avec des chercheurs de l'université de Vienne.
Trop t?t pour lever l'alerte

Les chercheurs ne peuvent pas encore prédire combien de temps le PBAT restera dans les sols agricoles. Pour étudier la dégradation du film PBAT dans des conditions environnementales, des études à long terme sur différents sols et dans différentes conditions en plein champ sont nécessaires.

"Il n'y a malheureusement pas encore de quoi se réjouir : nous n'avons pas résolu le problème environnemental global de la pollution plastique", déclare Sander. "Mais nous avons fait un premier pas très important vers la dégradabilité du plastique dans les sols".

Il met toutefois en garde contre des attentes exagérées concernant la biodégradation des plastiques dans l'environnement : "Les résultats ne peuvent pas être directement appliqués à d'autres systèmes environnementaux. Par exemple, la biodégradation des polymères dans l'eau de mer peut être beaucoup plus lente, car les conditions y sont différentes et les microbes y vivent différemment."

Créer un nouvel outil

Les chercheurs s'attendent à ce que leur étude attire également l'attention de l'industrie. "Nous avons développé une analytique qui ouvre la porte à l'industrie pour les études d'impact environnemental de ses produits. Gr?ce à notre méthode, elle peut passer à la fabrication de matériaux biodégradables pour les films de paillage et remplacer les films PE minces", explique Kristopher McNeill, professeur à l'ETH et coauteur.

Jusqu'à présent, il n'y a que quelques entreprises chimiques qui misent sur les films PBAT, plus respectueux de l'environnement mais un peu plus chers. L'entreprise chimique allemande BASF, qui a soutenu cette étude, en fait partie. "Par rapport à la quantité totale de plastique en circulation, les films de paillage biodégradables jouent jusqu'à présent un r?le mineur. Mais ces produits sont un début important, car ils peuvent soulager les sols agricoles et les protéger à long terme contre l'enrichissement en plastique", explique Sander.

Une autre possibilité de réduire l'apport de plastique dans les sols est également d'utiliser des films de paillage plus épais, comme ceux utilisés dans l'agriculture suisse. Ceux-ci peuvent être collectés après utilisation, réutilisés ou éliminés dans l'incinération des déchets.