Biodegradability of Polyethylene Plastics by Individual and Co-cultured Bacterial Isolates

Le plastique est devenu une caractéristique permanente du monde moderne, mais sa durabilité est aussi son plus grand défaut environnemental. Parmi les nombreux types de plastique, le polyéthylène est le plus courant, utilisé dans tout, des sacs d'épicerie aux films d'emballage. Il est composé de longues chaînes d'atomes de carbone et d'hydrogène étroitement liées entre elles, ce qui rend le matériau incroyablement résistant à la décomposition naturelle. Comme ces chaînes sont si stables et repoussent l'eau, les bactéries et les champignons du sol peinent à les reconnaître comme de la nourriture. En conséquence, le polyéthylène s'accumule dans les décharges et l'environnement, persistant pendant des décennies, voire des siècles. Bien que le brûlage ou l'enfouissement de ces déchets crée d'autres problèmes, tels que des fumées toxiques ou des sols contaminés, les scientifiques se tournent depuis longtemps vers la nature pour trouver une solution. L'espoir est que certains micro-organismes puissent évoluer ou être trouvés pour pouvoir briser ces liaisons chimiques robustes, transformant ainsi le plastique en sous-produits inoffensifs. Ce processus, connu sous le nom de biodégradation, repose sur des enzymes — des protéines spécialisées produites par les êtres vivants — pour découper le plastique en morceaux plus petits que les microbes peuvent consommer.

Dans une étude récente menée au Ghana, des chercheurs ont cherché à voir s'ils pouvaient trouver des bactéries dans le sol local capables de manger du polyéthylène, et si le mélange de différents types de bactéries permettait d'accélérer le processus. Ils ont collecté des échantillons de sol provenant de trois décharges actives de la ville de Kumasi, des zones où les déchets plastiques s'accumulent depuis longtemps. L'équipe pensait que les bactéries vivant dans ces endroits spécifiques auraient déjà pu s'adapter pour survivre grâce au plastique. Ils ont ramené le sol au laboratoire et l'ont placé dans des récipients avec des morceaux broyés de polyéthylène basse densité, le même matériau utilisé pour les sacs en plastique courants. Pendant plusieurs semaines, ils ont laissé les bactéries se développer, sélectionnant uniquement celles qui semblaient utiliser le plastique comme source de nourriture. Une fois ces bactéries isolées, ils les ont identifiées à l'aide d'une méthode de haute technologie qui analyse les signatures protéiques uniques de chaque microbe. Ils ont découvert que les bactéries les plus communes étaient un type appelé Bacillus cereus, bien qu'ils aient également découvert quelques autres espèces, notamment Achromobacter insolitus et Alcaligenes faecalis.

Les chercheurs ont ensuite testé l'efficacité de ces bactéries pour décomposer le plastique sous différentes conditions. Ils voulaient savoir si les bactéries fonctionnaient mieux à certaines températures, à différents niveaux d'acidité ou d'alcalinité, ou si elles avaient besoin de plus de temps pour accomplir la tâche. En utilisant une approche statistique pour cartographier ces variables, ils ont déterminé que les bactéries croissaient mieux et dégradaient le plastique le plus efficacement à une température modérée de 25 degrés Celsius, dans un environnement légèrement alcalin avec un pH de 9, et après environ 21 jours d'incubation. Ces conditions sont relativement douces, ce qui suggère que les bactéries n'ont pas besoin de chaleur extrême ou de produits chimiques agressifs pour fonctionner.

Pour voir si le travail d'équipe aidait, l'équipe a mis en place des expériences où elle faisait croître les bactéries seules ou en groupes. Ils ont comparé des souches bactériennes uniques à des paires et même des triplets de différentes espèces vivant dans le même récipient. Les résultats ont montré une tendance numérique claire où la paire BC-AI a atteint la perte de poids moyenne la plus élevée (8,04 %), suivie par d'autres groupes, bien que l'analyse statistique n'ait révélé aucune différence significative entre les traitements dans l'ensemble. Bien que la quantité réelle de plastique perdue soit faible — moins de 10 % du poids total sur 28 jours — le schéma suggère que les différentes bactéries pourraient s'entraider. Une espèce pourrait briser le plastique en morceaux plus petits et plus maniables, tandis qu'une autre consommerait ces morceaux, créant un cycle de coopération qu'un seul type de bactérie ne pourrait accomplir seul. Notamment, la performance variait selon les groupes ; par exemple, la culture triple (BC-AI-AF) présentait une perte de poids moindre que la paire BC-AI, indiquant que plus de bactéries ne garantissent pas toujours de meilleurs résultats.

Les scientifiques ont également cherché les outils chimiques que les bactéries utilisaient pour accomplir ce travail. Ils ont mesuré l'activité d'une enzyme appelée laccase, connue pour sa capacité à oxyder et à décomposer des matériaux résistants. Le groupe ayant présenté la plus forte perte de poids de plastique a également produit la plus grande quantité de cette enzyme. Cette connexion suggère que les bactéries attaquaient effectivement le plastique chimiquement, utilisant leurs enzymes pour affaiblir les liaisons fortes qui maintiennent les chaînes polymères ensemble. Pour confirmer que le plastique lui-même avait été modifié, les chercheurs ont utilisé une technique de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Cette méthode projette de la lumière infrarouge sur le plastique pour observer comment sa structure moléculaire réagit. Ils ont constaté que le plastique traité présentait des signes de modification chimique, tels que l'apparition de groupes contenant de l'oxygène à sa surface. Cela indique que les bactéries avaient réussi à altérer la structure du plastique, le rendant plus susceptible d'être décomposé davantage.

Malgré ces signes prometteurs, l'étude a également souligné la difficulté de la tâche. L'analyse statistique a montré que les différences de perte de poids entre les groupes n'étaient pas assez importantes pour être considérées comme définitivement prouvées dans le délai de 28 jours. Le plastique est simplement très difficile à décomposer, et les changements observés étaient subtils. Cependant, la combinaison de la perte de poids physique, de la forte activité enzymatique et des changements chimiques dans la structure du plastique pointe vers un véritable processus biologique. Les chercheurs ont conclu que, si un seul type de bactérie peut avoir du mal à faire une différence sur le polyéthylène, une communauté de différentes bactéries travaillant ensemble montre un potentiel bien plus grand. Ils ont constaté que ces groupes mixtes ne s'attaquaient pas au plastique de manière aléatoire ; ils semblaient coordonner leurs efforts, ciblant différentes parties de la structure du matériau d'une manière qu'une souche unique ne pourrait pas réaliser.

Ce travail n'offre pas de solution immédiate à la crise mondiale du plastique, et ne prétend pas non plus avoir résolu le problème des déchets de polyéthylène. Au lieu de cela, il offre une image plus claire de la manière dont la nature pourrait éventuellement aider. Il suggère que la clé de la biodégradation du plastique ne réside peut-être pas dans la recherche d'une "super-bactérie", mais dans la compréhension de la manière dont différents microbes peuvent coopérer. L'étude confirme que les bactéries trouvées dans les décharges ghanéennes ont la capacité d'interagir avec le polyéthylène et de le modifier, surtout lorsqu'elles sont autorisées à travailler en équipe. Bien que le processus soit lent et que les résultats en laboratoire soient modestes, la preuve de la coopération métabolique offre une direction porteuse pour les recherches futures. Si les scientifiques parviennent à exploiter ces partenariats naturels, ils pourront un jour développer des méthodes pour gérer les déchets plastiques qui soient bien plus efficaces que le simple fait de les enterrer ou de les brûler.