There is no lack of quality, but there is a lack of rapid degradability … · 2019. 7. 9. ·...

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There is no lack of quality, but there is a lack of rapid degradability

Plastics are used in the manufacture of an astonishing variety of consumer goods. From

phones to computers, to the car, bus or bike we use to get around, to the clothes we wear, to

sporting goods and toys for children, to construction as well as packaging materials, plastics

are ubiquitous in our modern world. We’re making enormous quantities of plastic, and we

excel at manufacturing high quality plastic. But, we are not good at plastic waste management

(recycling, composting, etc.).

It is now widely recognized that plastics are a dire global pollution threat to both terrestrial

and marine ecosystems, because of the ultralong lifetimes of most synthetic plastics in the

environment [Geyer et al. 2017; Worm et al. 2017]. Around 60 % of all plastics ever

synthesized are somewhere on the planet. And non-biodegradable plastics are recycled to a

very limited extent. However, huge quantities are buried in the earth’s soil or floating in the

ocean, where they are contaminating ecosystems and killing animals. This is a worldwide

problem! Sadly, the horrible pictures of dying albatrosses, seals, whales, sea turtles, are all too

familiar.

Nobody escapes the plastic waste pollution. Researchers from the Environment Agency

Austria and the Medical University of Vienna found evidence that microplastics the

ubiquitous, and extremely small pieces of plastic beads, fibres, or fragments do accumulate

in human faeces. This is not very surprising as the occurrence of microplastics in our daily food

had indeed been announced [Catarino et al. 2018]! Now, research data evidence the presence

of plastics in the human gut: a very worrying news. Incidentally, the world health organization

announced only a few months ago that it will investigate the potential effects on public health.

At the same time, it was shown that microplastics also occur in the faeces of vertebrates

[Perez-Venegas et al. 2018; Alvarez et al. 2018].

What is in the digestive tract, was previously taken up with the food. People are rightly

concerned!

On the one hand, the global concern has spurred research and innovation in the design and

technical industries. On the other hand, scientists say that nature might have already provided

an answer by arming itself with a biological defence against the overwhelming plastic plague.

A team of scientists and researchers from the World Agroforestry Centre and the Kunming

2


Institute of Botany, Chinese Academy of Science, have achieved a breakthrough discovery of

fungi1 that can break down plastics within a few weeks [Khan et al. 2017]. The authors wanted

to identify and apply solutions which already existed in nature. They decided to take soil

samples from a rubbish dump in Islamabad, Pakistan, to check whether there are fungal

strains from the soil that can live on plastic in casu on polyurethane (PU) films2 in the

same way as other organisms feed on dead plant or animal matter. Aspergillus tubingensis, a

type of fungus that typically thrives in soil, was found to degrade PU. The research also

uncovered that the fungi can live and grow on the surface of plastics. They break the chemical

bonds of the plastic molecules by releasing enzymes onto the surface of the plastic. It was

noted that the results of the study depend on several environmental conditions: the ability of

the fungi to degrade plastics requires for instance the right temperature and acidity. So, there

is still some optimization of the reaction conditions required. However, the scientists involved

in the study remain positive and hopeful that these new discoveries can be significant game

changers in terms of plastic waste management. Anyway, there is every need for a solution to

both problems, the public health threats and environmental deterioration.

Recent scientific research clearly indicates that different types of micro-organisms and

invertebrates can contribute to the plastic clean-up. Microbes are adapting and evolving

enzymes and catabolic pathways to partially degrade man-made plastics as carbon and energy

sources. By screening natural microbial communities exposed to polyethylene terephthalate

(PET) in the environment, Yoshida et al. [2016] isolated a novel bacterium, Ideonella sakaiensis

201-F6, that is able to use PET as its major energy and carbon source. When grown on PET,

this strain produces two enzymes capable of hydrolysing PET and the reaction intermediate,

mono(2-hydroxyethyl) terephthalic acid. Both enzymes are required to enzymatically convert

PET efficiently into its two environmentally benign monomers, terephthalic acid and ethylene

glycol.

Another new solution for plastic degradation is reported by Bombelli et al. [2017]: the fast

biodegradation of polyethylene (PE) by larvae of the wax moth Galleria mellonella, producing

ethylene glycol. When a PE film was left in direct contact with wax worms, holes started to

appear after 40 minutes.

1 Fungus, plural fungi, any of about 144.000 known species of yeasts, rusts, smuts, mildews, moulds, and mushrooms 2 The polymeric materials known as polyurethanes form a family of polymers synthesized by the exothermic reactions between alcohols with two or more reactive hydroxyl (-OH) groups per molecule and isocyanates that have more than one reactive isocyanate group (-NCO) per molecule

3


Polystyrene (PS) is generally considered to be durable and resistant to biodegradation.

Mealworms (the larvae of Tenebrio molitor Linnaeus) from different sources chew and eat

Styrofoam, a common PS product. The Styrofoam was efficiently degraded in the larval gut

within a retention time of less than 24 h [Yang et al. 2015a & 2015b].

The last decade has witnessed the onset of the systemic biology3, which merges different

approaches of systems biology, metabolic engineering, and synthetic biology. Systemic

biology has the potential to remove the unknowns and difficulties previously encountered;

and more specifically, it can pave the way towards a new era of bioremediation. The joint

power of the different systemic biology disciplines can ensure that biodegradation and

bioremediation using genetically modified microorganisms will remain a vital concept

deserving the full attention of future generations of bioengineers. Dvořák et al. [2017] review

the applications of novel engineering strategies and propose an optimal workflow for pathway

design, construction and optimization. More particularly, the systemic biology can help

engineering whole microbes as well as their biodegradation pathways, and the corresponding

enzymes required for in situ mineralization of target pollutants.

Back to basics. Depending upon the nature of the reagents, polymer degradation has been

classified as photo-oxidative degradation, thermal degradation, ozone-induced degradation,

mechano-chemical degradation, catalytic degradation, and biodegradation [Devi et al. 2016].

Biodegradation appears to be a most realistic and satisfactory solution for the excessive

increase in plastic waste.

Biodegradation is defined as the process in which organic substances are broken down by

living micro-organisms. It is known to be the major loss mechanism for most chemicals

released into the environment. To use such materials as a carbon and energy source, the

organisms have developed a special strategy. Moreover, the bacteria and fungi that are

responsible for biodegradation differ from each other and have their own optimal growth

conditions.

Biodegradation is generally considered as consisting of both enzyme-catalysed as well as

nonenzymatic hydrolysis4. During degradation, exoenzymes5 from micro-organisms break

down complex polymer structures, yielding short chains and/or smaller molecules.

3 The aim of systemic biology is to study and understand the fundamental rules that govern the global and dynamic functioning of a cell. It focuses on groups of elements in interaction with each other (DNA, proteins, molecular complexes, supramolecular architectures, small molecules, etc.). 4 Hydrolysis is a reaction involving the breaking of a bond in a molecule using water. 5 An exoenzyme is an enzyme that is secreted by a cell and functions outside of that cell.

4


The latter are small enough to pass the semi-permeable outer bacterial membranes, after

which they are utilized as carbon and energy sources [Gu 2003]. This initial process of

polymers breaking down is called depolymerization. A complete polymer decomposition

produces organic acids, carbon dioxide, methane, and water.

Biodegradation is governed by different factors, including the polymer type and

characteristics, the micro-organisms themselves, and the conditions in which the reaction

occurs. Polymer characteristics such as, crystallinity, molecular weight, functional group types,

structure, and additives added to the polymer blend play an important role in the degradation

process. Moreover, the kinetics of polymer degradation depend on whether the environment

is dry air, humid air, soil, a landfill, a composting environment, sewage, freshwater, or a marine

environment.

Despite the recent increase in knowledge and the progress made, we should recognize that

biodegradation is a very complex and difficult process. The road ahead is still long, but the

successes achieved must be an encouragement to continue the investigation of possibilities

as well as the optimization pathways. Today, plastic biodegradation is essential.

Plastics are very useful in our day-to-day life to meet our desired needs. They became

indispensable. Due to their good quality, their use is increasing every day. Their degradation,

on the other hand, is becoming a real threat [Devi et al. 2016]. In the natural environment,

different kinds of micro-organisms play an important role in the various steps involved in

plastics’ degradation. Studying the synergism between those micro-organisms will give an

insight for future efforts toward the biodegradation of these materials.

The screening of soil micro-organisms, and isolating micro-organisms from marine

environment and plastic waste dump sites could lead to new explored strains, with superior

performance. Various plastic-degrading methods are available but the cheapest, eco-friendly

acceptable method is degradation using microbes, since the microbes release the extracellular

enzymes to degrade the plastic. Yet, the detailed characterization of these enzymes is still

needed. Utilization of molecular techniques to detect specific groups of micro-organisms

involved in the degradation process will allow a better understanding of the organization of

the microbial community involved in the attack of materials. The characterization of efficient

plastic-degrading microbes at molecular level is still not available, so research should be

focused in the field of genomics6 and proteomics7, which could speed up the degradation.

6 Genomics is an interdisciplinary field of science focusing on the structure, function, evolution, mapping, and editing of genomes. A genome is an organism's complete set of DNA, including all of its genes [Wikipedia] 7 Proteomics involve the large-scale study of proteins, their structure and physiological role or functions [Shah & Misra 2011]

5


References

Alvarez et al. [2018]. The use of European shag pellets as indicators of microplastic fibers in the marine

environment, Marine Pollution Bulletin 137, 444 – 448

Bombelli et al. [2017]. Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella,

Current Biology 27, R283 - R293

Catarino et al. [2018], Low levels of microplastics (MP) in wild mussels indicate that MP ingestion by humans

is minimal compared to exposure via household fibres fallout during a meal, Environmental Pollution 237,

675 – 684

Devi et al. [2016]. The Role of Microbes in Plastic Degradation, in Chandra (ed.) Environmental Waste

Management, CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, 341 – 370

Dvořák et al. [2017]. Bioremediation 3.0: Engineering pollutant-removing bacteria in the times of systemic

biology, Biotechnology Advances 35, 7, 845 - 866

Geyer et al. [2017]. Production, use, and fate of all plastics ever made, Science Advances 3, e1700782, pp.

5

Gu [2003]. Microbiological deterioration and degradation of synthetic polymeric materials: Recent research

advances, International Biodeterioration and Biodegradation 52, 69 – 91

Khan et al. [2017]. Biodegradation of polyester polyurethane by Aspergillus tubingensis, Environmental

Pollution 225, 469 – 480

Perez-Venegas et al. [2018]. First detection of plastic microfibers in a wild population of South American fur

seals (Arctocephalus australis) in the Chilean Northern Patagonia, Marine Pollution Bulletin 136, 50 – 54

Shah & Misra [2011]. Challenges in Delivery of Therapeutic Genomics and Proteomics, Pharmacy

Department, TIFAC – Centre of Relevance and Excellence, in New Drug Delivery Systems, The Maharaja

Sayajirao University of Baroda, Vadodara, India, pp. 686

Worm et al. [2017]. Plastic as a Persistent Marine Pollutant, Annual Review of Environment and Resources

42,

Yang et al. [2015a]. Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms: Part 1.

Chemical and Physical Characterization and Isotopic Tests, Environmental Science & Technology 49, 12080

− 12086

Yang et al. [2015b]. Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms: Part 2.

Role of Gut Micro-organisms, Environmental Science & Technology 49, 12087 − 12093

Yoshida et al. [2016]. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate), Science 351,

6278, 1196 – 1199

6


Geen gebrek aan kwaliteit, maar wel aan snelle degradeerbaarheid

Men gebruikt kunststoffen voor een verbazingwekkend groot aantal verbruiksgoederen.

Van telefoons tot computers, tot de wagen, de bus of de fiets waarmee we ons verplaatsen,

tot sportartikelen en speelgoed voor de kinderen, tot constructie- en verpakkingsmaterialen,

kunstsoffen vindt men overal in de moderne wereld. We produceren er enorm veel van, en

daar zijn we ook heel goed in. Maar we zijn niet goed in het beheren (recyclage, composteren,

enz.) van plastic afval.

Het wordt nu algemeen erkend dat plastics een ernstige en wereldwijde vervuiling van zowel

terrestrische als mariene ecosystemen zijn geworden, en dit vanwege de ultralange

levensduur van de meeste synthetische kunststoffen [Geyer et al. 2017; Worm et al. 2017].

Zo’n 60 % van al het plastic dat ooit werd gesynthetiseerd zwerft ergens rond op de planeet.

Niet-biodegradeerbare kunststof wordt maar in zeer beperkte mate gerecycleerd. Maar

massa’s ervan worden gestort in de aardbodem en zwalpen rond in de oceaan, waar ze

ecosystemen verontreinigen en dieren doden. Dit is een wereldwijd probleem.

Helaas zijn de vreselijke foto's van stervende albatrossen, zeehonden, walvissen,

zeeschildpadden maar al te zeer bekend.

Niemand kan aan de vervuiling door plastic afval ontsnappen. Onderzoekers van het

Oostenrijks Agentschap voor Milieu van de Medische Universiteit van Wenen bewezen dat

microplastics de overal aanwezige, uitzonderlijk kleine stukjes van plastic kralen, vezels en

brokstukken ook accumuleren in menselijke stoelgang. Dit is niet eens verwonderlijk! De

aanwezigheid van microplastics in onze dagelijkse voeding was aangekondigd [Catarino et al.

2018]. Nu tonen de onderzoeksgegevens aan dat plastic ook voorkomt in het menselijk

spijsverteringskanaal; dat is verontrustend nieuws. Overigens heeft de wereldgezond-

heidsorganisatie slechts enkele maanden geleden aankondigd dat het de potentiële effecten

voor de volksgezondheid gaat onderzoeken. En tegelijkertijd werd ook bewezen dat er

microplastics zitten in de faeces van gewervelde dieren [Perez-Venegas et al. 2018; Alvarez et

al. 2018].

Wat in het spijsverteringskanaal zit, werd voordien opgenomen met de voeding. De mensen

zijn terecht ongerust!

7


Enerzijds gaf de wereldwijde bezorgdheid aanleiding tot onderzoek en innovatie in de design-

en technische industrie. Aan de andere kant zeggen wetenschappers dat de natuur zelf

misschien al een antwoord heeft geboden door zich tegen de overweldigende plasticpest te

wapenen met een biologische afweer.

Een team van wetenschappelijke onderzoekers van het World Agroforestry Centre en het

Kunming Instituut voor Plantkunde van de Chinese Academie voor Wetenschappen,

verwezenlijkten een doorbraak met de ontdekking van schimmels8, die plastics op enkele

weken tijd kunnen afbreken [Khan et al. 2017]. Deze auteurs wilden de oplossingen, die reeds

in de natuur bestonden, identificeren en ook toepassen. Ze beslisten bodemstalen te nemen

van een vuilnisbelt in Islamabad, Pakistan, om na te gaan of er schimmelstammen uit de

bodem op kunststof in casu op polyurethaan (PU)9 filmen kunnen leven zoals andere

organismen zich voeden met dood plantaardig en dierlijk materiaal. Aspergillus tubingensis,

een schimmelsoort die gedijt in bodems, bleek PU te degraderen. Zij verbreken de chemische

bindingen van de kunststofmoleculen door enzymes te verspreiden op het

kunststofoppervlak. Hierbij werd evenwel vastgesteld dat de resultaten afhankelijk zijn van de

omgevingscondities: de geschiktheid van de schimmels om plastic af te breken vereist onder

andere een gepaste temperatuur en zuurtegraad. Er is dus nog behoefte aan optimalisatie,

maar de betrokken wetenschappers hebben er goede hoop op dat de nieuwe ontdekkingen

van betekenis zijn voor het beleid betreffende plastic afval. Hoe dan ook is er grote behoefte

aan een oplossing voor beide problemen, de bedreigingen voor de volksgezondheid evenals

de aftakeling van het milieu.

Recent wetenschappelijk onderzoek toont trouwens aan dat meerdere soorten micro-

organismen en ongewervelden kunnen bijdragen aan de opkuis van het plastic. Microben

passen zich aan en ontwikkelen enzymen evenals katabolische reacties om de kunststoffen

die de mens heeft aangemaakt gedeeltelijk af te breken voor koolstof- en energiebronnen.

Door de natuurlijke microben, die blootgesteld zijn aan polyethyleen tereftalaat (PET), in het

milieu te bestuderen hebben Yoshida et al. [2016] een nieuwe bacterie, Ideonella sakaiensis

201-F6, afgezonderd die PET kan gebruiken als belangrijkste koolstof- en energiebron.

8 Schimmels of zwammen bestaan uit ongeveer 144.000 bekende soorten gisten, roesten (Uredinales), brandschimmels, meeldauw, schimmels en paddenstoelen. 9 De polymeren, bekend als polyurethanen, vormen een familie van polymeren gesynthetiseerd door de exotherme reacties tussen alcoholen met twee of meer reactieve hydroxyl (-OH) groepen per molecuul en isocyanaten die meer dan één reactieve isocyanaatgroep (-NCO) per molecuul hebben.

8


Op PET gekweekt, produceert deze stam twee enzymen die in staat zijn om PET evenals het

tussenproduct van de reactie, het mono (2-hydroxyethyl) tereftaalzuur te hydrolyseren. Beide

enzymen zijn nodig om PET op efficiënte wijze om te zetten in zijn twee milieuvriendelijke

monomeren, tereftaalzuur en ethyleenglycol.

Bombelli et al. [2017] rapporteren over een andere oplossing voor de degradatie van

kunststof: de snelle biodegradatie van polyethyleen (PE) door de larven van de wasmot

Galleria mellonella, die resulteert in de productie van ethyleenglycol. Wanneer een PE-film

werd achtergelaten in contact met wasmotten ontstonden er na 40 minuten reeds gaten. De

moleculaire details van de biodegradatie door wasmotten vergt uiteraard bijkomend

onderzoek, maar het is best mogelijk dat de koolstof-koolstof bindingen van de alifatische

stoffen een doelwit zijn van de vertering.

Polystyreen (PS) wordt meestal beschouwd als duurzaam en bestendig tegen biodegradatie.

Meelwormen (de larven van Tenebrio molitor Linnaeus) van verschillende bronnen knabbelen

aan polystyreenschuim en eten het. Het werd effectief afgebroken in het spijsverteringskanaal

van de larven in minder dan 24 uur [Yang et al. 2015a & 2015b].

Het laatste decennium was getuige van het ontstaan van de systemische biologie10, die de

aanpak van de systeembiologie, de metabolische engineering en de synthetische biologie met

elkaar combineert. Systemische biologie kan mogelijk de onbekenden en moeilijkheden, die

eerder voorkwamen, verwijderen; en meer specifiek, het kan de weg effenen voor een nieuw

tijdperk van bioremediatie. De bundeling van de verschillende disciplines van de systemische

biologie kan ervoor zorgen dat biologische afbraak en bioremediatie met genetisch

gemodificeerde micro-organismen een vitaal concept blijven, dat de volledige aandacht van

nieuwe generaties bio-ingenieurs zal hebben. Dvořák et al. [2017] bespreken de toepassingen

van nieuwe engineeringstrategieën en stellen een optimale workflow voor voor het

ontwerpen, opbouwen en optimaliseren van methodes. Meer in het bijzonder kan de

systemische biologie helpen om ganse microben te manipuleren, evenals hun biologische

afbraakmechanismen, en de overeenkomstige enzymen die nodig zijn voor in situ

mineralisatie van de doelcontaminanten.

10 De systemische biologie wil de fundamentele regels, die het functioneren van een cel bepalen, bestuderen en begrijpen; ze richt zich op elementen die interageren met elkaar (DNA, eiwitten, moleculaire complexen, supramoleculaire structuren, kleine moleculen, enz.).

9


Terug naar de basis. Afhankelijk van de aard van de reagentia wordt polymeerdegradatie

gedefinieerd als foto-oxidatieve oxidatie, thermische degradatie, ozon-gestuurde degradatie,

mechanisch-chemische degradatie, katalytische degradatie en biodegradatie [Devi et al.

2016]. Biodegradatie lijkt hierbij de meest realistische en bevredigende oplossing voor de

buitensporige toename in plastic afval.

Biodegradatie wordt gedefinieerd als het proces waarbij organische verbindingen worden

afgebroken door levende organismen. We weten trouwens dat dit het meest voorkomende

afbraakmechanisme is voor chemicaliën die in het milieu terechtkomen. Om dergelijke stoffen

als koolstof- en energiebron te kunnen gebruiken, hebben de organismen een speciale

strategie ontwikkeld. Maar de bacteriën en schimmels die verantwoordelijk zijn voor de

biodegradatie verschillen allemaal van elkaar en hebben hun eigen optimale groeicondities

ontwikkeld.

Biodegradatie wordt meestal beschouwd als een hydrolyse11 met of zonder een

enzymekatalysator. Tijdens de afbraak zorgen exoenzymes12 van de micro-organismen voor

de afbraak van de complexe polymeerstructuren; dat aanleiding geeft tot kortere ketens en/of

kleinere moleculen. Die laatste zijn klein genoeg om doorheen de half-doorlaatbare bacteriële

menbranen te dringen, waarna ze gebruikt worden als koolstof- en energiebronnen [Gu 2003].

Dit initieel process van polymeerafbraak noemt men depolymerisatie. Een volledige

polymeerafbraak geeft organische zuren, koolstofdioxide, methaan en water.

De biodegradatie wordt gestuurd door meerdere factoren, met inbegrip van het type en de

kenmerken van het polymeer, de micro-organismen zelf en de omstandigheden waarbij de

reactie verloopt. Polymeerkarakteristieken zoals kristalliniteit, moleculaire massa, structuur

en de toevoeging van additieven aan het mengsel spelen een belangrijke rol in het

degradatieproces. En bovendien hangt de kinetiek van het degradatieproces ook af van de

omgevingscondities: droge of vochtige lucht; bodem-, stortplaats- of compostomgeving;

rioolwater, zoet- of zoutwater.

Ondanks de recente toename in kennis en de gemaakte vooruitgang, moeten we toch

toegeven dat biodegradatie een complex en moeilijk proces is. De weg ernaartoe is nog lang,

maar de behaalde successen moeten een aanmoediging betekenen om de mogelijkheden

verder te onderzoeken en te optimaliseren. Want vandaag is biodegradatie van kunststof een

absolute noodzaak.

11 Een hydrolyse is gedefinieerd als het verbreken van een chemische verbinding door middel van een reactie met water. 12 Exoenzymes zijn enzymes die door een cel worden uitgescheiden en die reageren buiten de cel.

10


Kunststoffen zijn zeer bruikbaar om onze alledaagse verlangens te kunnen verwezenlijken.

Ze zijn onontbeerlijk geworden. Omwille van hun goede kwaliteit neemt het gebruik ervan

elke dag toe. Maar anderzijds werd de degradatie ervan een echte bedreiging [Devi et al.

2016].

In de natuur spelen heel wat micro-organismen een rol bij de afbraak van kunststoffen. De

synergie tussen deze organismen bestuderen zal ons meer leren over de stappen, die we in

de toekomst zullen moeten nemen voor de biodegradatie van dergelijke materialen.

Het screenen van bodem micro-organismen, het isoleren van micro-organismen uit mariene

ecosystemen en uit plastic stortplaatsen kan leiden tot de ontdekking van nieuwe soorten met

superieure mogelijkheden. Er zijn heel wat methoden voor degradatie van plastic beschikbaar,

maar de goedkoopste, milieuvriendelijke methode is degradatie door microben omwille van

het feit dat microben extracellulaire enzymes afgeven waarmee plastic degradeert. Nochtans

blijft de karakterisatie van deze enzymes nog steeds noodzakelijk. Het gebruik van moleculaire

technieken om die soorten micro-organismen, die de degradatie verzekeren, te ontdekken zal

ons de organisatie van de microbengemeenschap die de afbraak van materialen verzekert

beter doen begrijpen. We beschikken nog niet over een karakterisatie van de microben op

moleculair niveau, met andere woorden het onderzoek zal zich moeten toespitsen op

genomica13 en proteomica14; dat de degradatie zal bespoedigen.

Referenties







675 – 684




5

13 Genomica is een interdisciplinair wetenschapsgebied dat zich richt op de structuur, functie, evolutie, het in kaart brengen en bewerken van genomen. Een genoom is de complete DNA-set van een organisme, inclusief al zijn genen [Wikipedia]. 14 Proteomica omvat de grootschalige studie van eiwitten, hun structuur en fysiologische rol of functies [Shah & Misra 2011].

11





Pollution 225, 469 – 480









42,



− 12086




6278, 1196 – 1199

12


Ce n’est pas la qualité qui nous manque, mais la biodégradabilité rapide

Les plastiques sont utilisés dans la fabrication d'une variété étonnante de produits de

consommation. Qu'il s'agisse de téléphones ; d'ordinateurs ; de voitures, d'autobus ou de

vélos pour nous déplacer ; de vêtements ; d'articles de sport et de jouets pour enfants ; de

matériaux de construction ou d'emballage ; le plastique est omniprésent dans notre monde

moderne. Nous produisons d’énormes quantités de plastique et nous excellons dans la

fabrication de plastique de haute qualité. Mais nous ne sommes pas bons dans la gestion des

déchets plastiques (recyclage, compostage, etc.).

Il est maintenant largement reconnu que les plastiques constituent une grave menace de

pollution mondiale pour les écosystèmes terrestres et marins, en raison de la durée de vie

extrêmement longue de la plupart des plastiques synthétiques dans l’environnement [Geyer

et al. 2017 ; Worm et al. 2017]. Environ 60 % de tous les plastiques jamais synthétisés se

trouvent quelque part sur la planète. Et les plastiques non biodégradables sont recyclés dans

une mesure très limitée. Cependant, d’énormes quantités sont enfouies dans le sol de la Terre

ou flottent dans l’océan, où elles contaminent les écosystèmes et tuent les animaux. C'est un

problème mondial !

Malheureusement, les images horribles d'albatros, de phoques, de baleines, de tortues de

mer en train de mourir ne sont que trop familières !

Personne n'échappe à la pollution par les déchets plastiques. Des chercheurs de l’Agence

Autrichienne pour l’Environnement et de l’Université de médecine de Vienne ont trouvé des

preuves que les microplastiques des morceaux de billes, des fibres ou des fragments de

plastique très nombreux et omniprésents s’accumulent dans les selles humaines. Cela n’est

pas très surprenant puisque la présence de microplastiques dans notre alimentation

quotidienne avait bien été annoncée [Catarino et al. 2018] ! À présent, des données de

recherche mettent en évidence la présence de plastiques dans l’intestin : une nouvelle très

inquiétante. Et d’ailleurs, l’organisation mondiale de la santé a annoncé il y a quelques mois à

peine qu’elle étudierait les effets potentiels sur la santé humaine. En même temps, il a été

démontré que des microplastiques sont également présents dans les matières fécales des

vertébrés [Perez-Venegas et al. 2018 ; Alvarez et al. 2018].

13


Ce qui est présent dans le tube digestif a auparavant été absorbé par la nourriture. Les gens

sont à juste titre inquiets !

D'une part, la préoccupation mondiale a stimulé la recherche et l'innovation dans l’industrie

du design ainsi que dans l’industrie technique. D'autre part, les scientifiques prétendent que

la nature pourrait avoir fourni une réponse en se dotant d'une défense biologique contre la

terrible peste plastique.

Une équipe de scientifiques et de chercheurs du Centre mondial d'agroforesterie et de

l'Institut de botanique de Kunming, de l'Académie chinoise des sciences, a réalisé la

découverte révolutionnaire d'un champignon15 capable de dégrader les plastiques en

quelques semaines [Khan et al. 2017]. Les auteurs ont voulu identifier et appliquer des

solutions qui existaient déjà dans la nature. Ils ont décidé de prélever des échantillons de sol

dans une décharge à Islamabad, au Pakistan, pour vérifier si des souches fongiques du sol

peuvent vivre sur du plastique (des films de polyuréthane (PU)16 en l’occurrence) de la même

manière que d'autres organismes se nourrissent de matières végétales ou de matières

animales mortes. Aspergillus tubingensis, un type de champignon qui se développe

généralement dans le sol, s'est avéré dégrader le PU. La recherche a également révélé que les

champignons peuvent vivre et se développer à la surface des plastiques. Ils cassent les liaisons

chimiques des molécules de plastique en y libérant des enzymes. Il a été noté que les résultats

de l'étude dépendent de plusieurs conditions environnementales : la capacité des

champignons à dégrader les plastiques nécessite entre autres le maintien de la température

et une acidité appropriée. Il reste donc toujours nécessaire d’optimiser les conditions de

réaction. Cependant, les scientifiques participant à l’étude restent positifs et espèrent que ces

nouvelles découvertes pourront changer la donne en termes de gestion des déchets

plastiques. Quoi qu'il en soit, il est absolument nécessaire de trouver une solution à ces 2

problèmes, les menaces pour la santé publique et la détérioration de l'environnement.

Des recherches scientifiques récentes indiquent clairement que différents types de micro-

organismes et d’invertébrés peuvent contribuer au nettoyage du plastique. Les microbes

adaptent et développent des enzymes ainsi que des voies cataboliques pour dégrader

partiellement les plastiques synthétiques en carbone et en énergie.

15 Le règne des fungi comporte plus ou moins 144 000 espèces connues de levures, pucciniales, charbons, mildiou, moisissures et champignons 16 Les polymères connus sous le nom de polyuréthanes forment une famille de polymères synthétisés par les réactions exothermiques entre des alcools avec au moins deux groupes hydroxyle réactifs (-OH) par molécule et des isocyanates comportant plus d'un groupe isocyanate réactif (-NCO) par molécule

14


En analysant les communautés microbiennes naturelles exposées au polyéthylène

téréphtalate (PET) dans l’environnement, Yoshida et al. [2016] ont isolé une nouvelle bactérie,

Ideonella sakaiensis 201-F6, capable d'utiliser le PET comme principale source d'énergie et de

carbone. Cultivée sur du PET, cette souche produit deux enzymes capables d'hydrolyser le PET

et son intermédiaire de réaction, l'acide mono (2-hydroxyéthyl) téréphtalique. Les deux

enzymes doivent efficacement convertir le PET en ses deux monomères inoffensifs pour

l'environnement, l'acide téréphtalique et l'éthylène glycol.

Bombelli et al. [2017] ont signalé une autre et nouvelle solution à la dégradation du plastique:

la biodégradation rapide du polyéthylène (PE) par les larves de la petite teigne, Galleria

mellonella, produisant de l'éthylène glycol. Lorsqu'un film de PE était en contact direct avec

ces teignes, des trous ont commencé à apparaître après 40 minutes. Bien que les détails

moléculaires de la biodégradation nécessitent des recherches plus approfondies, il semble

probable que la simple liaison carbone-carbone des composés aliphatiques soit l’une des

cibles de la digestion.

Le polystyrène (PS) est généralement considéré comme durable et résistant à la

biodégradation. Les vers de farine (les larves de Tenebrio molitor Linnaeus) de différentes

sources mâchent et mangent le Styrofoam, un produit courant du PS. La mousse Styrofoam

était efficacement dégradée dans l’intestin des larves en moins de 24 h [Yang et al. 2015a &

2015b].

La biologie systémique17, qui associe différentes approches de la biologie des systèmes, du

génie métabolique et de la biologie synthétique, a vu le jour au cours de la dernière décennie.

Elle a le potentiel de lever les inconnues et les difficultés rencontrées précédemment ; et plus

spécifiquement, elle peut ouvrir la voie à une nouvelle ère de bioremédiation. La puissance

commune des différentes disciplines de la biologie systémique peut faire en sorte que la

biodégradation et la biorestauration à l'aide de microorganismes génétiquement modifiés

demeurent un concept essentiel, qui méritera toute l'attention des générations futures de

bioingénieurs. Dvořák et al. [2017] passent en revue les applications de nouvelles stratégies

d'ingénierie et proposent un flux de travail optimal pour la conception, la construction et

l'optimisation des méthodes. Plus particulièrement, la biologie systémique peut aider à

concevoir des microbes entiers, ainsi que leurs voies de biodégradation et les enzymes

correspondantes nécessaires à la minéralisation in situ des polluants cibles.

17 La biologie systémique a pour objectif d'étudier et de comprendre les règles fondamentales qui régissent le fonctionnement global et dynamique d'une cellule, elle se concentre sur des groupes d'éléments en interaction l'un avec l'autre (ADN, protéines, complexes moléculaires, architectures supramoléculaires, petites molécules, etc.).

15


Retour aux sources. En fonction de la nature des réactifs, la dégradation du polymère a été

classée comme dégradation photo-oxydative, dégradation thermique, dégradation induite

par l'ozone, dégradation mécano-chimique, dégradation catalytique et biodégradation [Devi

et al. 2016]. La biodégradation semble être une solution très réaliste et satisfaisante pour

l’augmentation excessive des déchets plastiques.

La biodégradation est définie comme le processus dans lequel les substances organiques sont

décomposées par des micro-organismes vivants. On sait que c'est le principal mécanisme de

perte pour la plupart des produits chimiques rejetés dans l'environnement. Afin de pouvoir

utiliser ces matériaux comme source de carbone et d’énergie, les organismes ont mis au point

une stratégie spéciale. De plus, les bactéries et les champignons responsables de la

biodégradation diffèrent les uns des autres et ont leurs propres conditions de croissance

optimales.

La biodégradation est généralement considérée comme une hydrolyse18 catalysée par une

enzyme ou comme une hydrolyse non enzymatique. Au cours de la dégradation, les

exoenzymes19 de micro-organismes décomposent les structures complexes des polymères,

produisant des chaînes courtes et/ou des molécules plus petites. Ces dernières sont

suffisamment petites pour passer les membranes bactériennes externes semi-perméables,

après quoi elles sont utilisées comme sources de carbone et d’énergie [Gu 2003]. Ce processus

initial de dégradation des polymères est appelé la dépolymérisation. Une décomposition

complète du polymère produit des acides organiques, du dioxyde de carbone, du méthane et

de l'eau.

La biodégradation est régie par différents facteurs, notamment le type et les caractéristiques

du polymère, les micro-organismes eux-mêmes et les conditions dans lesquelles la réaction se

produit. Les caractéristiques du polymère, telles que la cristallinité, le poids moléculaire, les

types de groupes fonctionnels, la structure et les additifs ajoutés au mélange de polymères

jouent un rôle important dans le processus de dégradation. De plus, la cinétique de

dégradation du polymère dépend de l’environnement : air sec ou humide, sol, site

d'enfouissement, environnement de compostage, eaux usées, eau douce ou environnement

marin.

18 L'hydrolyse est une réaction impliquant la rupture d'une liaison dans une molécule en utilisant de l'eau. 19 Une exoenzyme est une enzyme sécrétée par une cellule et fonctionnant en dehors de cette cellule.

16


Malgré l’augmentation récente de nos connaissances et des progrès réalisés, il convient de

reconnaître que la biodégradation est un processus très complexe et difficile. Le chemin à

parcourir est encore long, mais les succès obtenus doivent être un encouragement à

poursuivre l’étude des possibilités ainsi que des voies d’optimisation. Aujourd'hui, la

biodégradation du plastique est absolument essentielle.

Les plastiques sont très utiles pour répondre aux besoins de notre vie quotidienne. Ils sont

devenus indispensables. En raison de leur bonne qualité, leur utilisation augmente chaque

jour. Leur dégradation, en revanche, devient une menace réelle [Devi et al. 2016]. Dans

l’environnement naturel, différents types de micro-organismes jouent un rôle important dans

les différentes étapes de la dégradation des plastiques. L’étude de la synergie entre ces micro-

organismes donnera un aperçu des efforts futurs pour la biodégradation de ces matériaux.

Le screening des micro-organismes du sol et l'isolement des micro-organismes du milieu marin

et des décharges de déchets plastiques pourraient conduire à de nouvelles souches explorées,

avec des performances supérieures. Différentes méthodes de dégradation du plastique sont

disponibles, mais la méthode la moins chère et la plus respectueuse de l'environnement est

la dégradation à l'aide de microbes, car les microbes libèrent les enzymes extracellulaires pour

dégrader le plastique. Cependant, la caractérisation détaillée de ces enzymes reste nécessaire.

L'utilisation de techniques moléculaires pour détecter des groupes spécifiques de micro-

organismes impliqués dans le processus de dégradation permettra de mieux comprendre

l'organisation de la communauté microbienne impliquée dans l'attaque de matériaux. La

caractérisation au niveau moléculaire des microbes qui dégradent le plastique efficacement

n’est pas encore disponible. La recherche doit donc être axée sur les domaines de la

génomique20 et de la protéomique21, ce qui pourrait accélérer la dégradation.

Références





20 La génomique est un domaine scientifique interdisciplinaire, axé sur la structure, la fonction, l'évolution, la cartographie et l'édition des génomes. Un génome est l'ensemble complet de l'ADN d'un organisme, y compris tous ses gènes [Wikipedia]. 21 La protéomique implique l'étude à grande échelle des protéines, de leur structure et de leur rôle ou fonctions physiologiques [Shah & Misra 2011].

17




675 – 684






5




Pollution 225, 469 – 480







42,



− 12086




6278, 1196 – 1199

There is no lack of quality, but there is a lack of rapid degradability … · 2019. 7. 9. ·...

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