Aujourd’hui, plus de 250 000 tonnes de déchets plastiques flottent dans les eaux des océans du monde. Le Pacifique est considéré comme la zone maritime la plus polluée de l’hémisphère nord, tandis que, dans l’hémisphère sud, l’océan Indien s’est révélé plus sale que le Pacifique et l’Atlantique réunis. Le Pacifique est ainsi décrit comme l’océan le plus pollué par les déchets plastiques sur Terre. La pollution plastique se déplace dans l’ensemble des océans sous l’effet des vents et des courants dominants. Cela a été montré pour l’hémisphère nord, où le transport de l’eau et donc des déchets pendant plusieurs années entraîne une accumulation de débris plastiques au centre des bassins océaniques. Des tendances similaires ont été observées dans tous les océans de l’hémisphère sud. Étonnamment, la quantité totale de plastique estimée pour les océans de l’hémisphère sud se situe dans le même ordre de grandeur que celle de l’hémisphère nord. Ce résultat est inattendu, car les sources d’apport de plastique sont bien plus nombreuses dans l’hémisphère nord que dans le sud. Cela signifie que les objets en plastique se déplacent et se redistribuent entre les courants océaniques et entre les hémisphères plus facilement qu’on ne le pensait.

Cependant, les microplastiques flottants ne restent pas définitivement à la surface des océans. Le fait qu’on y observe beaucoup moins de microplastiques que prévu indique que certains processus retirent les déchets plastiques de la surface de l’eau. Ces processus comprennent la dégradation par les ultraviolets, la biodégradation, l’ingestion par les organismes, la perte de flottabilité due à la colonisation par des organismes puis la sédimentation, ainsi que l’échouage sur les côtes.

Les déchets plastiques peuvent être décomposés, ou dégradés, soit par des processus physico-chimiques, dits abiotiques, soit par biodégradation, c’est-à-dire par des processus biotiques. La destruction d’un matériau polymère sous l’action de forces physiques de nature mécanique est généralement considérée comme une première étape qui joue un rôle essentiel dans tout processus de dégradation. La dégradation des plastiques dans l’environnement peut se produire par l’un des quatre mécanismes principaux, ou par leur combinaison : photodégradation, hydrolyse, dégradation thermo-oxydative et biodégradation. Dans les conditions naturelles, par exemple en milieu marin, la dégradation des plastiques courants tels que le polyéthylène haute densité, le polyéthylène basse densité et le polypropylène (LDPE, HDPE, PP) commence par la photodégradation, principalement sous l’effet des UV-B, puis se poursuit par l’oxydation thermique et, dans une moindre mesure, par la décomposition par l’eau, c’est-à-dire l’hydrolyse.

Une nouvelle étude publiée par des scientifiques de l’Institut océanographique de Woods Hole montre que le polystyrène (PS), l’un des plastiques les plus répandus au monde, peut se dégrader sous l’action du soleil en quelques décennies ou quelques siècles, plutôt qu’en plusieurs milliers d’années comme on le pensait auparavant. La décomposition partielle du polystyrène ne prend que 10–50 ans selon le type de plastique. Son oxydation photochimique complète est possible en 300–450 ans. La lumière solaire ne provoque pas seulement la fragmentation physique des plastiques, mais aussi leur décomposition chimique en carbone organique dissous et en une petite quantité de dioxyde de carbone libérée dans l’atmosphère.

Les processus de dégradation entraînent la fragmentation des plastiques en morceaux plus petits et la diminution de la masse moléculaire des polymères. Ces substances de faible masse moléculaire peuvent ensuite être métabolisées par les microbes. Quoi qu’il en soit, l’ensemble du processus est généralement si lent que les autres organismes peuvent avoir besoin de plus de 50 ans pour dégrader complètement les polymères plastiques.

De nombreux composés naturels et synthétiques complexes sont biodégradés par des consortiums microbiens plutôt que par des souches isolées, probablement en raison des capacités métaboliques limitées de chaque organisme. On peut donc supposer que les déchets plastiques, l’un des grands problèmes environnementaux de la société actuelle, pourraient être dégradés plus efficacement par l’association de différents groupes d’organismes. La biodégradation des plastiques désigne principalement la transformation des matériaux polymères en biogaz et en biomasse, en l’absence d’air, par des microorganismes anaérobies capables d’utiliser efficacement les polymères comme source de carbone pour leur croissance. Toutefois, la nature même des plastiques ainsi que leurs propriétés physico-chimiques particulières entravent leur biodégradation et en font un substrat peu favorable à la croissance.

La biodégradation des déchets plastiques commence par la coupure enzymatique de la chaîne polymère en composés de faible masse moléculaire, tels que les oligomères, les dimères et les monomères. L’enzyme se lie au polymère et catalyse, c’est-à-dire accélère, sa coupure hydrolytique par l’eau. Le processus se termine par la transformation de ces composés de faible masse moléculaire en dioxyde de carbone et en eau. Les bactéries, les champignons et les algues sont décrits comme des organismes efficaces capables de dégrader les polymères plastiques.

Les champignons jouent un rôle clé dans la dégradation des matériaux polymères. Le mycélium du champignon peut traverser efficacement leur surface et pénétrer dans leur masse pour dégrader la plus grande quantité possible de ce substrat. Il peut aussi sécréter des enzymes extracellulaires, par exemple des dépolymérases, et décomposer le substrat polymère en oligomères, dimères et monomères, c’est-à-dire en fragments de faible masse moléculaire. Ces monomères sont ensuite absorbés par les champignons, puis assimilés ou transformés en dioxyde de carbone et en eau par leur système enzymatique intracellulaire. De ce point de vue, les champignons de pourriture blanche et brune sont souvent cités comme des agents efficaces de dégradation des matières plastiques polymères.

De même, des souches bactériennes peuvent dégrader les polymères plastiques dans les eaux ou les sols contaminés. Plusieurs études ont indiqué que la biodégradation du plastique par des bactéries spécialisées pourrait constituer une stratégie prometteuse de bioremédiation des écosystèmes contaminés. Des souches bactériennes telles que Pseudomonas spp., Bacillus spp. et Streptomyces spp. présentent une grande efficacité de dégradation de divers polymères plastiques. Dans tous les cas, la vitesse de dégradation des plastiques par les champignons dépasse celle obtenue avec les souches bactériennes. D’un autre côté, certains auteurs indiquent qu’il est plus facile de cultiver les bactéries et de les utiliser pour dégrader les matériaux polymères que les champignons, qui demandent des conditions plus stables.

À ce jour, seules quelques études ont décrit la capacité d’espèces d’algues à atténuer la pollution par les déchets plastiques. Cette observation concernait la capacité des algues filamenteuses à coloniser la surface des déchets grâce à la présence de facteurs environnementaux essentiels à leur croissance, comme la lumière solaire, les nutriments et l’eau. Il a été établi que plusieurs espèces d’algues non dangereuses et non toxiques appartenant aux Bacillariophyceae, Chlorophyceae et Cyanophyceae peuvent recouvrir les surfaces de polyéthylène et former des biofilms algaux dans différents milieux aquatiques pollués, tels que des étangs, des lacs et des eaux usées. À ce sujet, les auteurs rapportent que Phormidium lucidum et Oscillatoria subbrevis, des cyanobactéries d’eau douce non toxiques, faciles à isoler et à croissance rapide, peuvent former des colonies à la surface du PE et dégrader efficacement le HDPE sans prétraitement.

De plus, certaines espèces de bactéries et de champignons, telles qu’Ideonella sakaiensis et Pestalotiopsis microspore, utilisées pour produire l’enzyme PETase, s’adaptent mal au milieu marin, où s’accumule la majorité des déchets plastiques. L’utilisation de la diatomée Phaeodactylum tricornutum comme usine microbienne pour produire une PETase améliorée, active sur le PET et le copolymère PETG, le polyéthylène téréphtalate modifié au glycol, a été démontrée avec succès.

La biodégradation des polymères par plusieurs invertébrés a également été confirmée, notamment les supervers Zophobas atratus, la pyrale indienne de la farine Plodia interpunctella, la grande fausse teigne de la cire Galleria mellonella, les larves du ténébrion meunier Tenebrio molitor, la petite fausse teigne de la cire Achroia grisella, les escargots terrestres (Achatina fulica), les termites et d’autres invertébrés. Cette activité remarquable de décomposition des polymères plastiques est généralement attribuée à leurs symbiotes microbiens intestinaux, car c’est précisément grâce à leur intervention que certaines espèces d’invertébrés peuvent se nourrir de bois ou d’autres composés polymères.

Les plastiques se sont largement imposés grâce à leurs propriétés uniques et sont donc considérés comme l’un des matériaux les plus indispensables dans notre vie. Cependant, les effets nocifs des déchets plastiques sont proportionnels à leur utilisation et à leur accumulation dans l’environnement. Les caractéristiques des matériaux plastiques constituent ainsi un véritable défi pour leur dégradation par les microbes, voire pour la simple colonisation de leur surface. De nombreux chercheurs ont observé la participation de divers microorganismes et invertébrés à la biodégradation du plastique, ce qui témoigne de leur rôle fondamental dans ce processus.

C’est pourquoi les scientifiques spécialistes du domaine soulignent le rôle et l’importance du prétraitement physique et/ou chimique des déchets plastiques comme une première étape essentielle, souvent nécessaire à la dégradation microbienne des polymères plastiques. Les microorganismes, les algues, les insectes qui se nourrissent de plastique et d’autres invertébrés pourraient jouer un rôle important dans la biodégradation du plastique à l’avenir. Les recherches proposent de créer une technologie écologique, efficace et peu coûteuse de traitement et de décomposition des déchets plastiques, afin de lutter contre leur accumulation dans l’environnement.

Sources :

1. Eriksen M. et al. Plastic pollution in the world's oceans: more than 5 trillion plastic pieces weighing over 250,000 tons afloat at sea //PloS one. – 2014. – Т. 9. – №. 12. – С. e111913.
2. Law K. L. et al. Plastic accumulation in the North Atlantic subtropical gyre //Science. – 2010. – Т. 329. – №. 5996. – С. 1185-1188.
3. Eriksen M. et al. Plastic pollution in the South Pacific subtropical gyre //Marine pollution bulletin. – 2013. – Т. 68. – №. 1-2. – С. 71-76.
4. Lebreton L. C. M., Greer S. D., Borrero J. C. Numerical modelling of floating debris in the world’s oceans //Marine pollution bulletin. – 2012. – Т. 64. – №. 3. – С. 653-661.
5. Barnes D. K. A. et al. Accumulation and fragmentation of plastic debris in global environments //Philosophical transactions of the royal society B: biological sciences. – 2009. – Т. 364. – №. 1526. – С. 1985-1998.
6. Ali S. S. et al. Degradation of conventional plastic wastes in the environment: A review on current status of knowledge and future perspectives of disposal //Science of The Total Environment. – 2021. – Т. 771. – С. 144719.
7. Cole M. et al. Microplastics as contaminants in the marine environment: a review //Marine pollution bulletin. – 2011. – Т. 62. – №. 12. – С. 2588-2597.
8. Ward C. P. et al. Sunlight converts polystyrene to carbon dioxide and dissolved organic carbon //Environmental science & technology letters. – 2019. – Т. 6. – №. 11. – С. 669-674.
9. Webb H. K. et al. Plastic degradation and its environmental implications with special reference to poly (ethylene terephthalate) //Polymers. – 2012. – Т. 5. – №. 1. – С. 1-18.
10. Ali S. S. et al. Enhanced digestion of bio-pretreated sawdust using a novel bacterial consortium: microbial community structure and methane-producing pathways //Fuel. – 2019. – Т. 254. – С. 115604.
11. Ali S. S. et al. The effects of water hyacinth pretreated digestate on Lupinus termis L. seedlings under salinity stress: A complementary study //Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2019. – Т. 7. – №. 3. – С. 103159.
12. Ali S. S., Sun J. Effective thermal pretreatment of water hyacinth (Eichhornia crassipes) for the enhancement of biomethanation: VIT® gene probe technology for microbial community analysis with special reference to methanogenic Archaea //Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2019. – Т. 7. – №. 1. – С. 102853.
13. Magnin A. et al. Evaluation of biological degradation of polyurethanes //Biotechnology Advances. – 2020. – Т. 39. – С. 107457.
14. Biffinger J. C. et al. A direct quantitative agar-plate based assay for analysis of Pseudomonas protegens Pf-5 degradation of polyurethane films //International Biodeterioration & Biodegradation. – 2014. – Т. 95. – С. 311-319.
15. Ali S. S. et al. Degradation of conventional plastic wastes in the environment: A review on current status of knowledge and future perspectives of disposal //Science of The Total Environment. – 2021. – Т. 771. – С. 144719.
16. Sánchez C. Fungal potential for the degradation of petroleum-based polymers: An overview of macro-and microplastics biodegradation //Biotechnology advances. – 2020. – Т. 40. – С. 107501.
17. Ameen F. et al. Biodegradation of Low Density Polyethylene (LDPE) by Mangrove fungi from the red sea coast //Progress in Rubber Plastics and Recycling Technology. – 2015. – Т. 31. – №. 2. – С. 125-143.
18. Ali S. S. et al. Construction of a novel cold-adapted oleaginous yeast consortium valued for textile azo dye wastewater processing and biorefinery //Fuel. – 2021. – Т. 285. – С. 119050.
19. Yoshida, S., Hiraga, K., Takehana, T., Taniguchi, I., Yamaji, H., Maeda, Y., Toyohara, K., Miyamoto, K., Kimura, Y., Oda, K., 2016. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethyleneterephthalate). Science 351, 1196–1199.
20. Li J. et al. Rapid biodegradation of polyphenylene sulfide plastic beads by Pseudomonas sp //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 720. – С. 137616.
21. Matjašič T. et al. Critical evaluation of biodegradation studies on synthetic plastics through a systematic literature review //Science of the Total Environment. – 2021. – Т. 752. – С. 141959.
22. Muhonja C. N. et al. Biodegradability of polyethylene by bacteria and fungi from Dandora dumpsite Nairobi-Kenya //PloS one. – 2018. – Т. 13. – №. 7. – С. e0198446.
23. Amobonye A. et al. Plastic biodegradation: Frontline microbes and their enzymes //Science of the Total Environment. – 2021. – Т. 759. – С. 143536.
24. Moog D. et al. Using a marine microalga as a chassis for polyethylene terephthalate (PET) degradation //Microbial cell factories. – 2019. – Т. 18. – №. 1. – С. 1-15.
25. Ali S. S. et al. Degradation of conventional plastic wastes in the environment: A review on current status of knowledge and future perspectives of disposal //Science of The Total Environment. – 2021. – Т. 771. – С. 144719.
26. Sarmah P., Rout J. Efficient biodegradation of low-density polyethylene by cyanobacteria isolated from submerged polyethylene surface in domestic sewage water //Environmental Science and Pollution Research. – 2018. – Т. 25. – С. 33508-33520.
27. Moog D. et al. Using a marine microalga as a chassis for polyethylene terephthalate (PET) degradation //Microbial cell factories. – 2019. – Т. 18. – №. 1. – С. 1-15.
28. Yang Y., Wang J., Xia M. Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating superworms Zophobas atratus //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 708. – С. 135233.
29. Yang J. et al. Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms //Environmental science & technology. – 2014. – Т. 48. – №. 23. – С. 13776-13784.
30. Bombelli P., Howe C. J., Bertocchini F. Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella //Current biology. – 2017. – Т. 27. – №. 8. – С. R292-R293.
31. Brandon A. M. et al. Biodegradation of polyethylene and plastic mixtures in mealworms (larvae of Tenebrio molitor) and effects on the gut microbiome //Environmental science & technology. – 2018. – Т. 52. – №. 11. – С. 6526-6533.
32. Kundungal H. et al. Efficient biodegradation of polyethylene (HDPE) waste by the plastic-eating lesser waxworm (Achroia grisella) //Environmental Science and Pollution Research. – 2019. – Т. 26. – С. 18509-18519.
33. Song Y. et al. Biodegradation and disintegration of expanded polystyrene by land snails Achatina fulica //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 746. – С. 141289.
34. Engel P., Moran N. A. The gut microbiota of insects–diversity in structure and function //FEMS microbiology reviews. – 2013. – Т. 37. – №. 5. – С. 699-735.
35. Yang J. et al. Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms //Environmental science & technology. – 2014. – Т. 48. – №. 23. – С. 13776-13784.
36. Yang J. et al. Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms //Environmental science & technology. – 2014. – Т. 48. – №. 23. – С. 13776-13784.
37. Ali S. S., Sun J. Physico-chemical pretreatment and fungal biotreatment for park wastes and cattle dung for biogas production //SpringerPlus. – 2015. – Т. 4. – С. 1-14.
38. Ali S. S., Abomohra A. E. F., Sun J. Effective bio-pretreatment of sawdust waste with a novel microbial consortium for enhanced biomethanation //Bioresource technology. – 2017. – Т. 238. – С. 425-432.
39. Ali S. S. et al. Screening and characterizing of xylanolytic and xylose-fermenting yeasts isolated from the wood-feeding termite, Reticulitermes chinensis //PLoS One. – 2017. – Т. 12. – №. 7. – С. e0181141.
40. Ali S. S. et al. The role of gut symbionts from termites: a unique hidden player from yeasts //Acta Microbiol Sin. – 2018. – Т. 58. – №. 6. – С. 1004-1015.
41. Selonen S. et al. Exploring the impacts of plastics in soil–The effects of polyester textile fibers on soil invertebrates //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 700. – С. 134451.
42. Yang Y., Wang J., Xia M. Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating superworms Zophobas atratus //Science of the Total Environment. – 2020. – Т. 708. – С. 135233.

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