There is no lack of quality, but there is a lack of rapid degradability - IBE-BVI
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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
1Nederlandstalige versie: zie hieronder Version française: voir ci-dessous
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) films 2 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.
1Fungus, plural fungi, any of about 144.000 known species of yeasts, rusts, smuts, mildews, moulds, and mushrooms
2The 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
2Nederlandstalige versie: zie hieronder Version française: voir ci-dessous
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 biology 3, 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.
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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 genomics 6 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]
4Nederlandstalige versie: zie hieronder Version française: voir ci-dessous
References
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Dvořák et al. [2017]. Bioremediation 3.0: Engineering pollutant-removing bacteria in the times of systemic
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Yoshida et al. [2016]. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate), Science 351,
6278, 1196 – 1199
5Nederlandstalige versie: zie hieronder Version française: voir ci-dessous
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!
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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 schimmels 8, 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.
7Nederlandstalige versie: zie hieronder Version française: voir ci-dessous
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.
10De 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.).
8Nederlandstalige versie: zie hieronder Version française: voir ci-dessous
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 hydrolyse 11 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.
9Nederlandstalige versie: zie hieronder Version française: voir ci-dessous
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
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environment, Marine Pollution Bulletin 137, 444 – 448
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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].
10Nederlandstalige versie: zie hieronder Version française: voir ci-dessous
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11Nederlandstalige versie: zie hieronder Version française: voir ci-dessous
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].
12Nederlandstalige versie: zie hieronder Version française: voir ci-dessous
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
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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.
17La 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.).
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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 hydrolyse 18 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.
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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 protéomique 21, ce qui pourrait accélérer la dégradation.
Références
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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
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].
16Nederlandstalige versie: zie hieronder Version française: voir ci-dessous
Catarino et al. [2018], Low levels of microplastics (MP) in wild mussels indicate that MP ingestion by humans
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Devi et al. [2016]. The Role of Microbes in Plastic Degradation, in Chandra (ed.) Environmental Waste
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Geyer et al. [2017]. Production, use, and fate of all plastics ever made, Science Advances 3, e1700782, pp.
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Yoshida et al. [2016]. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate), Science 351,
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