Trouver des micro-organismes capables de digérer les plastiques à basse température

Crédit : Photo de Nick Fewings sur Unsplash

Certains micro-organismes produisent des enzymes capables de digérer le plastique, mais la mise en œuvre de ces enzymes à l'échelle industrielle nécessite généralement des températures supérieures à 30°C, ce qui est coûteux. Des scientifiques de l'Institut fédéral suisse WSL ont découvert un certain nombre de souches bactériennes et fongiques capables de décomposer certains plastiques biodégradables à des températures beaucoup plus basses. Collectés à partir de sols à haute altitude dans les Alpes suisses et dans les régions polaires, ces types de micro-organismes adaptés au froid pourraient rendre rentables les processus enzymatiques à l'échelle industrielle pour le recyclage du plastique.

"Nous montrons ici que de nouveaux taxons microbiens obtenus à partir de la" plastisphère "des sols alpins et arctiques étaient capables de décomposer les plastiques biodégradables à 15 ° C", a déclaré Joel Rüthi, PhD, actuellement chercheur invité au WSL. "Ces organismes pourraient aider à réduire les coûts et la charge environnementale d'un processus de recyclage enzymatique du plastique." Rüthi est le premier auteur de l'article publié par l'équipe dans Frontiers in Microbiology, intitulé "Découverte de souches microbiennes dégradant le plastique isolées de la plastisphère terrestre alpine et arctique". Dans leur article, l'équipe a conclu : "Nos résultats suggèrent que les micro-organismes des hautes régions alpines et polaires sont des producteurs efficaces d'enzymes dégradant le plastique et peuvent ainsi contribuer aux efforts futurs pour une économie circulaire du plastique respectueuse de l'environnement."

La production mondiale annuelle de plastique continue d'augmenter rapidement, ayant atteint 367 mégatonnes en 2020, ont écrit les auteurs. "La persistance des plastiques conventionnels dans l'environnement, l'utilisation excessive de plastiques à usage unique et la mauvaise gestion des déchets causent un problème environnemental important." Les approches mécaniques et chimiques conventionnelles de réutilisation et de recyclage présentent "des inconvénients considérables", ont poursuivi les chercheurs. Des approches alternatives pour une économie du plastique plus durable incluent l'utilisation de plastiques biosourcés et biodégradables, ainsi que de "nouvelles stratégies de recyclage utilisant des enzymes microbiennes dégradant le plastique", ont-ils suggéré.

La recherche, la culture et la bio-ingénierie d'organismes capables de digérer les plastiques et d'aider à lutter contre la pollution sont désormais également une activité importante. Mais alors que plusieurs micro-organismes capables de faire cela ont déjà été trouvés, le chauffage nécessaire au fonctionnement de leurs enzymes signifie que les applications industrielles restent coûteuses et ne sont pas neutres en carbone.

Une solution potentielle consiste à identifier des microbes spécialisés adaptés au froid dont les enzymes fonctionnent à des températures plus basses. "Cependant, le potentiel de dégradation du plastique des micro-organismes adaptés au froid a rarement été étudié jusqu'à présent", ont déclaré les scientifiques. Pour leur travail rapporté, Rüthi et ses collègues ont échantillonné 19 souches de bactéries et 15 souches fongiques poussant sur du plastique libre ou intentionnellement enterré (conservé dans le sol pendant un an) au Groenland, au Svalbard et en Suisse. La plupart des déchets plastiques du Svalbard avaient été collectés lors du Swiss Arctic Project 2018, où des étudiants ont effectué un travail de terrain pour constater de visu les effets du changement climatique. La terre de Suisse avait été récoltée au sommet du Muot da Barba Peider (2979 m) et dans la vallée du Val Lavirun, tous deux dans le canton des Grisons.

Les scientifiques ont laissé les micro-organismes isolés se développer sous forme de cultures monosouches en laboratoire dans l'obscurité et à 15°C, et les ont identifiés à l'aide de techniques moléculaires. Les résultats ont montré que les souches bactériennes appartenaient à 13 genres dans les phyla Actinobacteria et Proteobacteria, et les souches fongiques à 10 genres dans les phyla Ascomycota et Mucoromycota.

Les chercheurs ont ensuite utilisé une suite d'essais pour cribler chaque souche pour sa capacité à digérer des échantillons stériles de polyéthylène non biodégradable (PE) et de polyester-polyuréthane biodégradable (PUR) ainsi que deux mélanges biodégradables disponibles dans le commerce de téréphtalate d'adipate de polybutylène (PBAT ) et de l'acide polylactique (PLA).

Aucune des souches microbiennes n'a été capable de digérer le PE, même après 126 jours d'incubation sur ces plastiques. Mais 19 (56%) des souches, dont 11 champignons et huit bactéries, ont pu digérer le PUR à 15°C, tandis que 14 champignons et trois bactéries ont pu digérer les mélanges plastiques de PBAT et PLA. La résonance magnétique nucléaire (RMN) et des tests basés sur la fluorescence ont confirmé que ces souches étaient capables de découper les polymères PBAT et PLA en molécules plus petites.

"Nous avons été très surpris de constater qu'une grande partie des souches testées était capable de dégrader au moins un des plastiques testés", a déclaré Rüthi. "Plusieurs taxons (par exemple, les genres Collimonas, Kribbella, Lachnellula et Thelebolus) se sont avérés, pour la première fois, dégrader les plastiques", ont déclaré les scientifiques. "Plus particulièrement, les souches testées ont dégradé le PUR dispersé et les films de polyester ecovio® et BI-OPL à des températures plus basses (15°C) que les souches microbiennes précédemment signalées."

Les plus performants étaient deux espèces fongiques non caractérisées des genres Neodevriesia et Lachnellula. Ces micro-organismes ont été capables de digérer tous les plastiques testés à l'exception du PE. "Les souches fongiques 800 (Neodevriesia sp.) et 943 (Lachnellula sp.) sont des candidats prometteurs pour d'autres études, car elles dégradent tous les produits biodégradables testés, se sont avérées réduire les masses des composants PBAT et PLA dans les films plastiques, et hydrolysé efficacement le polymère PBAT pur », a noté l'équipe.

Les résultats ont également montré que la capacité à digérer le plastique dépendait du milieu de culture pour la plupart des souches, chaque souche réagissant différemment à chacun des quatre milieux testés. "… nous avons démontré que les conditions de culture ont une forte influence sur la dégradation du plastique. Cette découverte pourrait aider à optimiser les taux de dégradation atteints par les souches microbiennes et peut également avoir des conséquences sur la dégradation du plastique dans les environnements naturels où les teneurs en carbone et en nutriments sont limitées, en particulier dans les sols oligotrophes de l'Arctique et des hautes montagnes." L'équipe a en outre souligné qu'il est probable que les tests de dépistage des micro-organismes dégradant le plastique ne détectent qu'un sous-ensemble des souches potentielles dégradant le plastique, car seules quelques conditions sont testées, "alors que certaines souches peuvent nécessiter des conditions très spécifiques pour exprimer la dégradation du plastique". enzymes."

Étant donné que les plastiques n'existent que depuis les années 1950, la capacité de dégrader le plastique n'était presque certainement pas un trait ciblé à l'origine par la sélection naturelle. Alors, comment la capacité à digérer le plastique a-t-elle évolué ? "Il a été démontré que les microbes produisent une grande variété d'enzymes dégradant les polymères impliquées dans la dégradation des parois cellulaires des plantes", a déclaré le co-auteur Beat Frey, PhD, scientifique principal et chef de groupe au WSL. - les champignons pathogènes sont souvent signalés comme biodégradant les polyesters, en raison de leur capacité à produire des cutinases qui ciblent les polymères plastiques en raison de leur ressemblance avec la cutine du polymère végétal.

Rüthi et ses collègues n'ont testé la digestion du plastique qu'à 15°C, ils ne connaissent donc pas encore la température optimale à laquelle fonctionnent les enzymes de ces souches performantes. "Mais nous savons que la plupart des souches testées peuvent bien pousser entre 4°C et 20°C avec un optimum autour de 15°C", a déclaré Frey. Et comme les auteurs l'ont conclu dans leur article, "Cette étude élargit nos connaissances sur la dégradation microbienne du plastique et fournit une base pour la découverte future d'enzymes de dégradation du plastique actives à froid. Les souches microbiennes identifiées pourraient constituer une ressource précieuse pour le développement d'enzymes efficaces. et le recyclage durable des déchets plastiques à des températures plus basses."

Frey a ajouté : « Le prochain grand défi sera d'identifier les enzymes dégradant le plastique produites par les souches microbiennes et d'optimiser le processus pour obtenir de grandes quantités de protéines. De plus, une modification supplémentaire des enzymes pourrait être nécessaire pour optimiser des propriétés telles que stabilité des protéines." Les auteurs ont en outre commenté "Une méthode prometteuse pour optimiser la dégradation du plastique pourrait impliquer l'identification des gènes codant pour les enzymes responsables et l'expression hétérologue de ces gènes dans un hôte approprié."

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