Skip to main content

2 Mai, 2024

Du « plastique vivant » biodégradable abrite des spores bactériennes qui l’aident à se décomposer

Du « plastique vivant » biodégradable abrite des spores bactériennes qui l’aident à se décomposer

Un « plastique vivant » biodégradable est fabriqué en combinant des granulés de polyuréthane thermoplastique (à gauche) et des spores de Bacillus subtilis (à droite) qui ont été conçues pour survivre aux températures élevées utilisées pour produire le plastique. Photos de David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering

Un nouveau type de bioplastique pourrait contribuer à réduire l’empreinte écologique de l’industrie du plastique. Des chercheurs dirigés par l’université de Californie à San Diego ont mis au point une forme biodégradable de polyuréthane thermoplastique (TPU), un plastique commercial souple mais durable utilisé dans les chaussures, les tapis de sol, les coussins et la mousse à mémoire de forme. Il est rempli de spores bactériennes qui, lorsqu’elles sont exposées aux nutriments présents dans le compost, germent et décomposent le matériau à la fin de son cycle de vie.

Ces travaux sont détaillés dans un article publié le 30 avril dans Nature Communications.

Le TPU biodégradable a été fabriqué à partir de spores bactériennes provenant d’une souche de Bacillus subtilis qui a la capacité de décomposer les matériaux polymères plastiques.

« Il s’agit d’une propriété inhérente à ces bactéries », explique Jon Pokorski, coauteur principal de l’étude, professeur de nano-ingénierie à l’école d’ingénierie Jacobs de l’université de San Diego et codirecteur du Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) de l’université. « Nous avons pris quelques souches et évalué leur capacité à utiliser les TPU comme seule source de carbone, puis nous avons choisi celle qui se développait le mieux. »

Les chercheurs ont utilisé des spores bactériennes, une forme dormante de bactéries, en raison de leur résistance aux conditions environnementales difficiles. Contrairement aux spores fongiques, qui ont un rôle reproductif, les spores bactériennes sont dotées d’un bouclier protéique protecteur qui permet aux bactéries de survivre à l’état végétatif.

Pour fabriquer le plastique biodégradable, les chercheurs ont introduit des spores de Bacillus subtilis et des granulés de TPU dans une extrudeuse de plastique. Les ingrédients ont été mélangés et fondus à 135 degrés Celsius, puis extrudés sous forme de fines bandes de plastique.

Pour évaluer la biodégradabilité du matériau, les bandes ont été placées dans des environnements de compostage microbiologiquement actifs et stériles. Les installations de compostage ont été maintenues à 37 ° C avec une humidité relative allant de 44 à 55%. L’eau et les autres nutriments présents dans le compost ont déclenché la germination des spores à l’intérieur des bandes de plastique, qui se sont dégradées à 90 % en l’espace de cinq mois.

Bandes de TPU ordinaire (en haut) et de TPU « vivant » (en bas) à différents stades de décomposition sur cinq mois de compostage.

« Ce qui est remarquable, c’est que notre matériau se décompose même sans la présence de microbes supplémentaires », assure Jon Pokorski. « Il y a de fortes chances que la plupart de ces plastiques ne finissent pas dans des installations de compostage riches en microbes. Cette capacité d’autodégradation dans un environnement dépourvu de microbes rend donc notre technologie plus polyvalente. »

Bien que les chercheurs doivent encore étudier ce qui reste après la dégradation du matériau, ils notent que les spores bactériennes persistantes sont probablement inoffensives. Bacillus subtilis est une souche utilisée dans les probiotiques et est généralement considérée comme sans danger pour les humains et les animaux – elle peut même être bénéfique pour la santé des plantes.

Dans cette étude, les spores bactériennes ont été modifiées pour survivre aux températures élevées nécessaires à la production de TPU. Les chercheurs ont utilisé une technique appelée évolution adaptative en laboratoire pour créer une souche résistante aux températures d’extrusion. Le processus consiste à cultiver les spores, à les soumettre à des températures extrêmes pendant des périodes de temps de plus en plus longues et à les laisser muter naturellement. Les souches qui survivent à ce processus sont ensuite isolées et soumises à un nouveau cycle.

« Nous avons fait évoluer les cellules encore et encore jusqu’à ce que nous arrivions à une souche optimisée pour tolérer la chaleur », explique Adam Feist, coauteur principal de l’étude et chercheur en bio-ingénierie à l’école d’ingénieurs Jacobs de l’université de San Diego. « Il est étonnant de voir à quel point ce processus d’évolution et de sélection bactérienne a fonctionné à cette fin. »

Lors de tests en laboratoire, le plastique s’est décomposé à 90 % après cinq mois enfoui dans le compost.
Han Sol Kim

Les spores servent également de charge de renforcement, de la même manière que les barres d’armature renforcent le béton. Il en résulte une variante de TPU aux propriétés mécaniques améliorées, nécessitant plus de force pour se rompre et présentant une plus grande extensibilité.

« Ces deux propriétés sont grandement améliorées par le simple ajout de spores », explique Jon Pokorski. « C’est une excellente chose car l’ajout de spores pousse les propriétés mécaniques au-delà des limites connues où il y avait auparavant un compromis entre la résistance à la traction et l’extensibilité.

Alors que l’étude actuelle s’est concentrée sur la production de petites quantités à l’échelle du laboratoire pour comprendre la faisabilité, les chercheurs travaillent à l’optimisation de l’approche en vue d’une utilisation à l’échelle industrielle. Les efforts en cours comprennent l’augmentation de la production à des quantités de l’ordre du kilogramme, l’évolution des bactéries pour qu’elles décomposent les matières plastiques plus rapidement, et l’exploration d’autres types de plastiques que le TPU.

« Il existe de nombreux types de plastiques commerciaux qui finissent dans l’environnement, et le PPU n’est que l’un d’entre eux », précise Adam Feist. « L’une de nos prochaines étapes consistera à élargir le champ des matériaux biodégradables que nous pourrons fabriquer avec cette technologie. »

https://doi.org/10.1038/s41467-024-47132-8

https://today.ucsd.edu/story/biodegradable-living-plastic-houses-bacterial-spores-that-help-it-break-down

https://www.scimex.org/newsfeed/self-digesting-plastic-could-be-better-faster-stonger

https://mrsec.ucsd.edu