Un plastique modifié (à gauche) se décompose après seulement trois jours dans du compost standard (à droite) et entièrement après deux semaines. (Photo UC Berkeley par T Xu)
Les plastiques biodégradables ont été annoncés comme une solution au problème de pollution plastique qui sévit dans le monde, mais les sacs en plastique, les ustensiles et les couvercles de gobelets « compostables » d’aujourd’hui ne se décomposent pas lors du compostage typique et ne contaminent pas d’autres plastiques recyclables, créant des maux de tête pour les recycleurs. La plupart des plastiques compostables, fabriqués principalement à partir du polyester connu sous le nom d’acide polylactique, ou PLA, finissent dans les décharges et durent aussi longtemps que des plastiques éternels.
Université de Californie à Berkeley, des scientifiques ont maintenant inventé un moyen de décomposer plus facilement ces plastiques compostables, avec juste de la chaleur et de l’eau, en quelques semaines, résolvant un problème qui a ébranlé l’industrie des plastiques et les environnementalistes.
« Les gens sont maintenant prêts à adopter des polymères biodégradables pour les plastiques à usage unique, mais s’il s’avère que cela crée plus de problèmes que cela n’en vaut la peine, la politique pourrait revenir en arrière », a déclaré T Xu, professeur de sciences et d’ingénierie des matériaux et de chimie à l’Université de Berkeley. « Nous disons essentiellement que nous sommes sur la bonne voie. Nous pouvons résoudre ce problème persistant des plastiques à usage unique qui ne sont pas biodégradables. »
Xu est l’auteur principal d’un article décrivant le processus qui paraîtra dans le numéro de cette semaine de la revue Nature.
La nouvelle technologie devrait théoriquement être applicable à d’autres types de plastiques polyester, permettant peut-être la création de récipients en plastique compostables, qui sont actuellement en polyéthylène, un type de polyoléfine qui ne se dégrade pas. Xu pense que les plastiques polyoléfines sont mieux transformés en produits de plus grande valeur, pas en compost, et travaille sur des moyens de transformer les plastiques polyoléfines recyclés pour les réutiliser.
Un filament plastique PCL (polycaprolactone) extrudé à l’état fondu (à gauche) avec des nanoclusters intégrés de l’enzyme lipase enveloppée de RHP se dégrade presque complètement en petites molécules en 36 heures dans de l’eau chaude (104 F). (Photos de Christophe DelRe)
Le nouveau procédé consiste à incorporer des enzymes mangeuses de polyester dans le plastique au fur et à mesure de sa fabrication. Ces enzymes sont protégées par un simple enveloppement polymère qui empêche l’enzyme de se démêler et de devenir inutile. Lorsqu’elle est exposée à la chaleur et à l’eau, l’enzyme enlève son enveloppe de polymère et commence à écraser le polymère plastique dans ses blocs de construction — dans le cas du PLA, le réduisant en acide lactique, qui peut nourrir les microbes du sol dans le compost. L’emballage en polymère se dégrade également.
Le procédé élimine les microplastiques, un sous-produit de nombreux processus de dégradation chimique et un polluant à part entière. Jusqu’à 98% du plastique fabriqué selon la technique de Xu se dégrade en petites molécules.
L’un des co-auteurs de l’étude, Aaron Hall, ancien doctorant de l’Université de Berkeley, a créé une entreprise pour développer davantage ces plastiques biodégradables.
Autodestruction du plastique
Les plastiques sont conçus pour ne pas se décomposer pendant une utilisation normale, mais cela signifie également qu’ils ne se décomposent pas après avoir été jetés. Les plastiques les plus durables ont une structure moléculaire presque cristalline, avec des fibres polymères alignées si étroitement que l’eau ne peut pas y pénétrer, sans parler des microbes qui pourraient mâcher les polymères, qui sont des molécules organiques.
Des enzymes telles que la lipase (boules vertes) peuvent dégrader les polymères plastiques de la surface (en haut à gauche), mais elles découpent le polymère de manière aléatoire, laissant derrière elles des microplastiques (en haut à droite). Un groupe UC Berkeley a intégré des nanoclusters d’enzymes dans tout le plastique (en bas à gauche), protégés par des hétéropolymères aléatoires (chaînes de boules colorées). Les enzymes incorporées sont immobilisées près de l’extrémité des chaînes de polymères et, dans les bonnes conditions de chaleur et d’humidité, dégradent les molécules de polymères principalement à partir de l’extrémité de la chaîne. Cette technique conserve l’intégrité du plastique pendant l’utilisation mais, lorsque l’utilisateur déclenche la dépolymérisation, le plastique descend jusqu’à des sous-produits recyclables à petites molécules. (Graphique de Christopher DelRe)
L’idée de Xu était d’intégrer des enzymes mangeuses de polymères à l’échelle nanométrique directement dans un plastique ou un autre matériau de manière à les séquestrer et à les protéger jusqu’à ce que les bonnes conditions les libèrent. En 2018, elle a montré comment cela fonctionne dans la pratique. Elle et son équipe de l’Université de Berkeley ont intégré dans un tapis de fibres une enzyme qui dégrade les produits chimiques organophosphorés toxiques, comme ceux des insecticides et des agents de guerre chimiques. Lorsque le tapis a été immergé dans le produit chimique, l’enzyme intégrée a décomposé l’organophosphate.
Son innovation clé était un moyen de protéger l’enzyme contre la désintégration, ce que les protéines font généralement en dehors de leur environnement normal, comme une cellule vivante. Elle a conçu des molécules qu’elle a appelées hétéropolymères aléatoires, ou RHP, qui s’enroulent autour de l’enzyme et la maintiennent doucement ensemble sans restreindre sa flexibilité naturelle. Les RHP sont composés de quatre types de sous-unités monomères, chacune ayant des propriétés chimiques conçues pour interagir avec des groupes chimiques à la surface de l’enzyme spécifique. Ils se dégradent sous la lumière ultraviolette et sont présents à une concentration inférieure à 1% du poids du plastique — suffisamment faible pour ne pas poser de problème.
Pour les recherches rapportées dans l’article sur la nature, Xu et son équipe ont utilisé une technique similaire, enveloppant l’enzyme dans le RHPs et incorporant des milliards de ces nanoparticules dans des billes de résine plastique qui sont le point de départ de toute fabrication de plastique. Elle compare ce processus à l’incorporation de pigments dans du plastique pour les colorer. Les chercheurs ont montré que les enzymes enveloppées de RHP ne modifiaient pas le caractère du plastique, qui pouvait être fondu et extrudé en fibres comme le plastique polyester normal à des températures d’environ 170 degrés Celsius, ou 338 degrés Fahrenheit.
Un film de plastique PLA (acide polylactique) immédiatement après avoir été placé dans le compost (à gauche) et après une semaine dans le compost (à droite). Intégré à une enzyme, le plastique PLA peut se biodégrader en molécules simples, ce qui le rend prometteur comme alternative future à un plastique non dégradable. (Photo UC Berkeley par Adam Lau / Berkeley Engineering)
Pour déclencher la dégradation, il suffisait d’ajouter de l’eau et un peu de chaleur. À température ambiante, 80% des fibres de PLA modifiées se dégradent entièrement en une semaine environ. La dégradation était plus rapide à des températures plus élevées. Dans des conditions de compostage industriel, le PLA modifié s’est dégradé en six jours à 50 degrés Celsius (122 F). Un autre plastique polyester, le PCL (polycaprolactone), s’est dégradé en deux jours dans des conditions de compostage industriel à 40 degrés Celsius (104 F). Pour le PLA, elle a incorporé une enzyme appelée protéinase K qui mâche le PLA en molécules d’acide lactique; pour le PCL, elle a utilisé la lipase. Les deux sont des enzymes peu coûteuses et facilement disponibles.
« Si vous avez l’enzyme uniquement à la surface du plastique, elle se graverait très lentement », a déclaré Xu. « Vous voulez qu’il soit distribué nanoscopiquement partout de sorte que, essentiellement, chacun d’eux ait juste besoin de ronger ses voisins polymères, puis que tout le matériau se désintègre. »
Compostage
La dégradation rapide fonctionne bien avec le compostage municipal, qui prend généralement de 60 à 90 jours pour transformer les déchets alimentaires et végétaux en compost utilisable. Le compostage industriel à haute température prend moins de temps, mais les polyesters modifiés se décomposent également plus rapidement à ces températures.
Ivan Jayapurna, étudiant diplômé, avec un échantillon de film de PCL (polycaprolactone), un nouveau plastique polyester biodégradable. Le PCL avec enzymes intégrées possède des propriétés mécaniques très similaires à celles du polyéthylène basse densité, ce qui en fait une alternative prometteuse aux plastiques non biodégradables. (Photo UC Berkeley par Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu soupçonne que des températures plus élevées font que l’enzyme enveloppée se déplace davantage, ce qui lui permet de trouver plus rapidement l’extrémité d’une chaîne polymère et de la mâcher, puis de passer à la chaîne suivante. Les enzymes enveloppées de RHP ont également tendance à se lier près des extrémités des chaînes de polymères, maintenant les enzymes près de leurs cibles.
Les polyesters modifiés ne se dégradent pas à des températures plus basses ou pendant de brèves périodes d’humidité, a-t-elle précisé. Une chemise en polyester fabriquée avec ce procédé résisterait à la sueur et au lavage à des températures modérées, par exemple. Le trempage dans l’eau pendant trois mois à température ambiante n’a pas entraîné de dégradation du plastique.
Le trempage dans de l’eau tiède entraîne une dégradation, comme elle et son équipe l’ont démontré.
« Il s’avère que le compostage ne suffit pas — les gens veulent composter chez eux sans se salir les mains, ils veulent composter dans l’eau », a-t-elle déclaré. « Donc, c’est ce que nous avons essayé de voir. Nous avons utilisé de l’eau du robinet chaude. Il suffit de le réchauffer à la bonne température, puis de le mettre dedans, et nous voyons dans quelques jours qu’il disparaît. »
Xu développe des enzymes enveloppées de RHP qui peuvent dégrader d’autres types de plastique polyester, mais elle modifie également le RHPs afin que la dégradation puisse être programmée pour s’arrêter à un point spécifié et ne pas détruire complètement le matériau. Cela pourrait être utile si le plastique devait être refondu et transformé en nouveau plastique.
Le projet est en partie soutenu par le Bureau de recherche de l’Armée du Ministère de la Défense, un élément du Laboratoire de recherche de l’Armée de terre du Commandement du Développement des Capacités de combat de l’Armée américaine.
« Ces résultats fournissent une base pour la conception rationnelle de matériaux polymères qui pourraient se dégrader sur des délais relativement courts, ce qui pourrait offrir des avantages significatifs pour la logistique de l’armée liée à la gestion des déchets », a déclaré Stephanie McElhinny, Ph.D., gestionnaire de programme au Bureau de recherche de l’armée. « Plus largement, ces résultats donnent un aperçu des stratégies d’incorporation de biomolécules actives dans des matériaux à l’état solide, ce qui pourrait avoir des implications pour diverses capacités futures de l’armée, y compris les matériaux de détection, de décontamination et d’auto-guérison. »
Un film de plastique PLA (acide polylactique) incrusté d’une enzyme pour le biodégrader rapidement dans un compost ordinaire. (Photo UC Berkeley par Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu a déclaré que la dégradation programmée pourrait être la clé du recyclage de nombreux objets. Imaginez, dit-elle, utiliser de la colle biodégradable pour assembler des circuits informatiques ou même des téléphones entiers ou des appareils électroniques, puis, lorsque vous en avez terminé, dissoudre la colle pour que les appareils se désagrègent et que toutes les pièces puissent être réutilisées.
« Il est bon pour les milléniaux d’y penser et d’entamer une conversation qui changera la façon dont nous interagissons avec la Terre », a déclaré Xu. « Regardez toutes les choses gaspillées que nous jetons: vêtements, chaussures, appareils électroniques comme les téléphones portables et les ordinateurs. Nous prenons les choses de la terre à un rythme plus rapide que nous ne pouvons les retourner. Ne retournez pas sur Terre pour extraire ces matériaux, mais minez tout ce que vous avez, puis convertissez-le en autre chose. »
Parmi les coauteurs de l’article figurent Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li et Robert Ritchie de l’UC Berkeley; Corinne Scown du Laboratoire de Berkeley; et Thomas Russell de l’Université du Massachusetts à Amherst. Le travail a été financé principalement par le Département américain de l’Énergie (DE-AC02-05-CH11231), avec l’aide du Bureau de recherche de l’Armée et du programme de bourses Bakar de l’UC Berkeley.