Des chercheurs de l'EPF de Zurich et de l'Eawag montrent maintenant dans une étude interdisciplinaire qu'une solution pourrait être en vue. Ils démontrent en effet que les films composés d'un autre plastique, le PBAT (polybutylène adipate-co-téréphtalate), peuvent être totalement dégradés par la microflore du sol. Leur étude vient de paraître dans la revue scientifique «Science Advances».

Sous l'égide de Michael Sander, Kristopher McNeill et Hans-Peter Kohler, l'ancien doctorant de l'EPFZ Michael Zumstein a pu démontrer que les micro-organismes incorporaient le carbone du polymère dans leur biomasse et l'utilisaient pour leur métabolisme énergétique.

 «Cette étude est la première à montrer directement que les micro-organismes du sol peuvent minéraliser les films de PBAT et incorporer le carbone du polymère dans leur biomasse», explique Michael Sander, Senior Scientist à l'Institut de biogéochimie et de dynamique des polluants de l'EPFZ et coauteur de la publication.

Comme le PE, le PBAT est un polymère d'origine pétrochimique utilisé, notamment, pour la fabrication des films plastiques de paillage agricole. C'est sur ce matériau que les chercheurs de l'EPFZ et de l'Eawag ont porté leur choix car il est considéré comme compostable contrairement au polyéthylène qui n'est biodégradable ni en compostage ni dans le sol.

Marquage au carbone 13

Dans leurs essais, les scientifiques ont utilisé du PBAT spécifiquement fabriqué à leur intention en incorporant une certaine quantité de monomères marqués au 13C, un isotope stable et assez lourd du carbone. Les chercheurs étaient ainsi en mesure de suivre le cheminement du carbone originairement contenu dans le polymère lors de sa biodégradation dans le sol.

Ainsi, si les micro-organismes brisent la structure moléculaire du PBAT, ils accèdent automatiquement à du carbone 13. S'il est intégré, ce dernier peut ensuite être détecté avec des instruments particuliers dans les produits du métabolisme comme le CO2 émis lors de la respiration ou dans les structures cellulaires synthétisées par les organismes.

«Cette stratégie nous a permis d'obtenir, pour la première fois, la preuve scientifique irréfutable d'une réelle biodégradation d'un plastique», commente Hans-Peter Kohler, microbiologiste de l'environnement à l'Eawag. Car tout ce qui est déclaré «biodégradable» ne l'est pas. «On entend par biodégradation l'utilisation par les micro-organismes de la totalité du carbone contenu dans les chaines du polymère pour leur métabolisme et leur approvisionnement énergétique.»

Les plastiques biodégradables se distinguent ainsi fondamentalement de ceux qui se décomposent dans l'environnement, sous l'effet du soleil par exemple, mais ne sont pas minéralisés. «Beaucoup de plastiques ne font que s'effriter et, même s'ils ne sont plus visibles à l'œil nu, les fragments qui en résultent restent dans l'environnement sous forme de microplastiques», souligne Kohler.

Les chercheurs sont cependant encore dans l'incapacité de prévoir la durée de persistance du PBAT dans le sol. Leurs essais ont en effet été réalisés au laboratoire et non sur le terrain. Ils ont placé 100 grammes de sol contenant du PBAT fixé sur un support dans des flacons d'un demi-litre et ont ensuite déterminé la quantité de micro-organismes ayant colonisé le polymère au bout de six semaines. En parallèle, les scientifiques ont mesuré la part de 13C contenue dans le CO₂ émis dans chaque flacon. Ils se sont ensuite associés à des chercheurs de l'université de Vienne pour quantifier l'incorporation du carbone du polymère dans la biomasse microbienne développée à sa surface.

Création d'un nouvel outil

«Ce qui est réellement nouveau dans cette étude, c'est que nous avons utilisé des isotopes stables pour suivre avec précision le devenir du carbone du polymère», explique Sander. L'objectif n'était pas de mettre au point un film plastique biodégradable mais d'apporter la preuve scientifique de la biodégradation du PBAT.

L'étude de la biodégradation du PBAT en conditions naturelles nécessite la mise œuvre d'études de terrain de longue durée dans différents types de sol et dans différents contextes environnementaux. Le degré et la vitesse de dégradation d'un tel matériau dépendent probablement de nombreux facteurs tels que l'humidité, la température, le taux d'oxygénation et la teneur en nutriments du sol.

Il est encore trop tôt pour lever l'alerte

«Il n'y a donc pas encore lieu de chanter victoire : le problème mondial de la pollution par le plastique est loin d'être résolu, commente Sander. Mais nous avons franchi un cap décisif sur la voie de la biodégradation du plastique agricole dans les sols.» Il conseille cependant de ne pas trop espérer des possibilités de biodégradation des plastiques dans l'environnement en général. «Dans le sol, il est légitime de placer certains espoirs dans les polymères biodégradables. C'est ce que nous avons démontré. En milieu marin, en revanche, les processus de biodégradation sont probablement beaucoup plus lents en raison de conditions écologiques et d'une flore microbienne différentes.»

Les chercheurs espèrent que leur étude éveillera l'intérêt de l'industrie. «Nous avons mis au point une approche analytique qui offre de nouvelles perspectives à l'industrie pour l'étude d'impact sur l'environnement de ses produits. Grâce à notre méthode, elle peut se mettre à produire des matériaux biodégradables pour le paillage des sols en remplacement des films de polyéthylène», espère Sander. Jusqu'à présent, seules quelques entreprises de l'industrie chimique misent sur les films de PBAT, plus écologiques mais également plus chers. L'une d'entre elles est le groupe allemand BASF, qui a apporté son soutien financier à l'étude. «Les films de paillage biodégradables ne représentent encore qu'une portion infime du plastique en circulation dans le monde mais c'est un début prometteur qui peut aboutir à une meilleure protection des sols agricoles», commente-t-il.

Les chercheurs considèrent que les films biodégradables en matériaux plastiques bio-sourcés tels que l'acide polylactique ou d'origine pétrochimique comme le PBAT sont une solution pour les usages agricoles. Ils voient également une possibilité de réduction de la pollution des sols par le plastique dans l'utilisation de bâches plus épaisses pour le paillage, comme c'est l'usage dans l'agriculture suisse. Ces bâches peuvent être collectées après utilisation afin d'être réutilisées ou incinérées.

Zumstein MT, Schintlmeister A, Nelson TF, Baumgartner R, Woebken D, Wagner M, Kohler H-P E, McNeill K, Sander M.: Biodegradation of synthetic polymers in soils: Tracking carbon into CO₂ and microbial biomass. Science Advances (2018), published online 25th July. DOI: 10.1126/sciadv.aas9024