Biodégradation

La biodégradation est la décomposition de la matière organique par des micro-organismes , tels que les bactéries et les champignons . On considère généralement qu'il s'agit d'un processus naturel, ce qui le différencie du compostage . Le compostage est un processus d'origine humaine dans lequel la biodégradation se produit dans des circonstances spécifiques.

Le processus de biodégradation est triple : d'abord, un objet subit une biodétérioration, qui est l'affaiblissement mécanique de sa structure ; ensuite, suit une biofragmentation, qui est la décomposition des matériaux par des micro-organismes ; et enfin, une assimilation, qui est l'incorporation de l'ancien matériau dans de nouvelles cellules.

En pratique, presque tous les composés chimiques et matériaux sont sujets à la biodégradation, l'élément clé étant le temps. Des éléments comme les légumes peuvent se dégrader en quelques jours, tandis que le verre et certains plastiques mettent plusieurs millénaires à se décomposer. Une norme de biodégradabilité utilisée par l' Union européenne stipule que plus de 90 % du matériau d'origine doit être converti en CO ₂ , en eau et en minéraux par des processus biologiques dans un délai de 6 mois.

Le processus de biodégradation peut être divisé en trois étapes : la biodétérioration, la biofragmentation et l'assimilation . La biodétérioration est parfois décrite comme une dégradation superficielle qui modifie les propriétés mécaniques, physiques et chimiques du matériau. Cette étape se produit lorsque le matériau est exposé à des facteurs abiotiques dans l'environnement extérieur et permet une dégradation supplémentaire en affaiblissant la structure du matériau. Certains facteurs abiotiques qui influencent ces changements initiaux sont la compression (mécanique), la lumière, la température et les produits chimiques présents dans l'environnement. Bien que la biodétérioration se produise généralement comme première étape de la biodégradation, elle peut dans certains cas être parallèle à la biofragmentation. Hueck, a cependant défini la biodétérioration comme l'action indésirable des organismes vivants sur les matériaux de l'homme, impliquant des choses telles que la dégradation des façades en pierre des bâtiments, la corrosion des métaux par des micro-organismes ou simplement les changements esthétiques induits sur les structures artificielles par la croissance d'organismes vivants.

La biofragmentation d'un polymère est le processus lytique dans lequel les liaisons au sein d'un polymère sont clivées, générant des oligomères et des monomères à sa place. Les étapes prises pour fragmenter ces matériaux diffèrent également en fonction de la présence d'oxygène dans le système. La décomposition des matériaux par des micro-organismes lorsque l'oxygène est présent est la digestion aérobie , et la décomposition des matériaux lorsque l'oxygène n'est pas présent est la digestion anaérobie . La ​​principale différence entre ces processus est que les réactions anaérobies produisent du méthane , tandis que les réactions aérobies n'en produisent pas (cependant, les deux réactions produisent du dioxyde de carbone , de l'eau , un certain type de résidu et une nouvelle biomasse ). De plus, la digestion aérobie se produit généralement plus rapidement que la digestion anaérobie, tandis que la digestion anaérobie fait un meilleur travail en réduisant le volume et la masse du matériau. En raison de la capacité de la digestion anaérobie à réduire le volume et la masse des déchets et à produire un gaz naturel, la technologie de digestion anaérobie est largement utilisée pour les systèmes de gestion des déchets et comme source d'énergie locale renouvelable.

Au stade de l'assimilation, les produits résultant de la biofragmentation sont ensuite intégrés dans les cellules microbiennes . Certains des produits de la fragmentation sont facilement transportés à l'intérieur de la cellule par des transporteurs membranaires . Cependant, d'autres doivent encore subir des réactions de biotransformation pour produire des produits qui peuvent ensuite être transportés à l'intérieur de la cellule. Une fois à l'intérieur de la cellule, les produits entrent dans des voies cataboliques qui conduisent soit à la production d' adénosine triphosphate (ATP) soit à des éléments de la structure cellulaire .

Équation de biodégradation aérobie

C _polymère + O ₂ → C _résidu + C _biomasse + CO ₂ + H ₂ O

Équation de biodégradation anaérobie

C _polymère → C _résidu + C _biomasse + CO ₂ + CH ₄ + H ₂ O

En pratique, presque tous les composés chimiques et matériaux sont soumis à des processus de biodégradation. L'importance réside cependant dans les vitesses relatives de ces processus, telles que les jours, les semaines, les années ou les siècles. Un certain nombre de facteurs déterminent la vitesse à laquelle cette dégradation des composés organiques se produit. Ces facteurs comprennent la lumière , l'eau , l'oxygène et la température. La vitesse de dégradation de nombreux composés organiques est limitée par leur biodisponibilité , qui est la vitesse à laquelle une substance est absorbée dans un système ou rendue disponible sur le site d'activité physiologique, car les composés doivent être libérés dans la solution avant que les organismes ne puissent les dégrader. La vitesse de biodégradation peut être mesurée de plusieurs manières. Des tests de respirométrie peuvent être utilisés pour les microbes aérobies . On place d'abord un échantillon de déchets solides dans un récipient avec des micro-organismes et de la terre, puis on aère le mélange. Au cours de plusieurs jours, les micro-organismes digèrent l'échantillon petit à petit et produisent du dioxyde de carbone - la quantité de CO ₂ résultante sert d'indicateur de dégradation. La biodégradabilité peut également être mesurée par les microbes anaérobies et la quantité de méthane ou d'alliage qu'ils sont capables de produire.

Il est important de noter les facteurs qui affectent les taux de biodégradation lors des tests de produits afin de garantir que les résultats produits sont précis et fiables. Plusieurs matériaux seront testés comme étant biodégradables dans des conditions optimales en laboratoire pour approbation, mais ces résultats peuvent ne pas refléter les résultats du monde réel où les facteurs sont plus variables. Par exemple, un matériau peut avoir été testé comme étant biodégradable à un taux élevé en laboratoire peut ne pas se dégrader à un taux élevé dans une décharge, car les décharges manquent souvent de lumière, d'eau et d'activité microbienne qui sont nécessaires à la dégradation. Ainsi, il est très important qu'il existe des normes pour les produits biodégradables en plastique, qui ont un impact important sur l'environnement. Le développement et l'utilisation de méthodes de test standard précises peuvent aider à garantir que tous les plastiques produits et commercialisés se biodégraderont réellement dans les environnements naturels. Un test qui a été développé à cette fin est DINV 54900.

Le terme « plastiques biodégradables » désigne les matériaux qui conservent leur résistance mécanique pendant l'utilisation pratique, mais se décomposent en composés de faible poids et en sous-produits non toxiques après leur utilisation. Cette décomposition est rendue possible par une attaque de micro-organismes sur le matériau, qui est généralement un polymère non soluble dans l'eau. De tels matériaux peuvent être obtenus par synthèse chimique, fermentation par des micro-organismes et à partir de produits naturels chimiquement modifiés.

Les plastiques se biodégradent à des rythmes très variables. Les canalisations à base de PVC sont choisies pour le traitement des eaux usées car le PVC résiste à la biodégradation. Certains matériaux d'emballage, en revanche, sont en cours de développement et se dégraderaient facilement lors d'une exposition à l'environnement. Parmi les exemples de polymères synthétiques qui se biodégradent rapidement, on peut citer le polycaprolactone , d'autres polyesters et des esters aromatiques-aliphatiques, en raison de la sensibilité de leurs liaisons esters à l'attaque de l'eau. Un exemple frappant est le poly-3-hydroxybutyrate , l' acide polylactique dérivé de sources renouvelables . D'autres sont l'acétate de cellulose à base de cellulose et le celluloïd (nitrate de cellulose).

Dans des conditions de faible teneur en oxygène, les plastiques se décomposent plus lentement. Le processus de décomposition peut être accéléré dans un tas de compost spécialement conçu . Les plastiques à base d'amidon se dégradent en deux à quatre mois dans un bac à compost domestique, tandis que l'acide polylactique est en grande partie non décomposé, ce qui nécessite des températures plus élevées. Le polycaprolactone et les composites polycaprolactone-amidon se décomposent plus lentement, mais la teneur en amidon accélère la décomposition en laissant derrière elle un polycaprolactone poreux à grande surface spécifique. Néanmoins, cela prend plusieurs mois.

En 2016, une bactérie appelée Ideonella sakaiensis a été découverte capable de biodégrader le PET . En 2020, l'enzyme de dégradation du PET de la bactérie, la PETase , a été génétiquement modifiée et combinée à la MHETase pour décomposer le PET plus rapidement et également dégrader le PEF . En 2021, des chercheurs ont signalé qu'un mélange de micro-organismes provenant d' estomacs de vaches pouvait décomposer trois types de plastiques.

De nombreux producteurs de plastique sont allés jusqu'à affirmer que leurs plastiques étaient compostables, en mentionnant généralement l'amidon de maïs comme ingrédient. Cependant, ces affirmations sont discutables car l' industrie du plastique fonctionne selon sa propre définition du compostable :

« ce qui est capable de subir une décomposition biologique dans un site de compostage de telle sorte que le matériau ne soit pas visuellement distinguable et se décompose en dioxyde de carbone, eau, composés inorganiques et biomasse à un rythme compatible avec les matériaux compostables connus. » (Réf. : ASTM D 6002)

Le terme « compostage » est souvent utilisé de manière informelle pour décrire la biodégradation des matériaux d'emballage. Il existe des définitions légales de la compostabilité, le processus qui conduit au compost. Quatre critères sont proposés par l'Union européenne :

1. Composition chimique : les matières volatiles et les métaux lourds ainsi que le fluor doivent être limités.
2. Biodégradabilité : conversion de >90 % de la matière d'origine en CO2 _, eau et minéraux par des processus biologiques en 6 mois.
3. Désintégrabilité : au moins 90 % de la masse d'origine doit être décomposée en particules capables de passer à travers un tamis de 2x2 mm.
4. Qualité : absence de substances toxiques et autres substances empêchant le compostage.

La technologie biodégradable est une technologie établie avec quelques applications dans l'emballage de produits , la production et la médecine. Le principal obstacle à une mise en œuvre généralisée est le compromis entre biodégradabilité et performance. Par exemple, les plastiques à base de lactide ont des propriétés d'emballage inférieures à celles des matériaux traditionnels.

L'oxo-biodégradation est définie par le CEN (l'organisation européenne de normalisation) comme « une dégradation résultant de phénomènes oxydatifs et à médiation cellulaire, soit simultanément, soit successivement ». Bien que parfois décrits comme « oxo-fragmentables » et « oxo-dégradables », ces termes ne décrivent que la première phase ou phase oxydative et ne doivent pas être utilisés pour les matériaux qui se dégradent par le processus d'oxo-biodégradation défini par le CEN : la description correcte est « oxo-biodégradable ». Les formulations oxo-biodégradables accélèrent le processus de biodégradation, mais il faut une compétence et une expérience considérables pour équilibrer les ingrédients dans les formulations de manière à fournir au produit une durée de vie utile pendant une période définie, suivie d'une dégradation et d'une biodégradation.

La technologie biodégradable est particulièrement utilisée par la communauté biomédicale . Les polymères biodégradables sont classés en trois groupes : médicaux, écologiques et à double application, tandis qu'en termes d'origine, ils sont divisés en deux groupes : naturel et synthétique. Le Clean Technology Group exploite l'utilisation du dioxyde de carbone supercritique , qui, sous haute pression à température ambiante, est un solvant qui peut utiliser des plastiques biodégradables pour fabriquer des revêtements de médicaments polymères. Le polymère (c'est-à-dire un matériau composé de molécules avec des unités structurelles répétitives qui forment une longue chaîne) est utilisé pour encapsuler un médicament avant l'injection dans le corps et est basé sur l'acide lactique , un composé normalement produit dans le corps, et peut donc être excrété naturellement. Le revêtement est conçu pour une libération contrôlée sur une période de temps, réduisant le nombre d'injections nécessaires et maximisant le bénéfice thérapeutique. Le professeur Steve Howdle affirme que les polymères biodégradables sont particulièrement intéressants pour l' administration de médicaments , car une fois introduits dans l'organisme, ils ne nécessitent aucune récupération ni manipulation supplémentaire et sont dégradés en sous-produits solubles et non toxiques. Différents polymères se dégradent à des vitesses différentes dans l'organisme et, par conséquent, la sélection des polymères peut être adaptée pour atteindre les taux de libération souhaités.

D’autres applications biomédicales incluent l’utilisation de polymères à mémoire de forme biodégradables et élastiques. Les matériaux d’implant biodégradables peuvent désormais être utilisés pour des interventions chirurgicales mini-invasives grâce à des polymères thermoplastiques dégradables. Ces polymères sont désormais capables de changer de forme avec l’augmentation de la température, ce qui entraîne des capacités de mémoire de forme ainsi que des sutures facilement dégradables. En conséquence, les implants peuvent désormais passer à travers de petites incisions, les médecins peuvent facilement effectuer des déformations complexes et les sutures et autres aides matérielles peuvent se biodégrader naturellement après une intervention chirurgicale terminée.

Il n’existe pas de définition universelle de la biodégradation et il existe plusieurs définitions du compostage , ce qui a entraîné une grande confusion entre les termes. Ils sont souvent regroupés, mais ils n’ont pas la même signification. La biodégradation est la décomposition naturelle de matières par des micro-organismes tels que des bactéries et des champignons ou par d’autres activités biologiques. Le compostage est un processus d’origine humaine dans lequel la biodégradation se produit dans un ensemble de circonstances spécifiques. La principale différence entre les deux est que l’un des processus est naturel et l’autre est d’origine humaine.

Les matières biodégradables sont capables de se décomposer sans source d’oxygène (de manière anaérobie) en dioxyde de carbone, eau et biomasse, mais le calendrier n’est pas très précisément défini. De même, les matières compostables se décomposent en dioxyde de carbone, eau et biomasse ; cependant, les matières compostables se décomposent également en composés inorganiques. Le processus de compostage est défini plus précisément, car il est contrôlé par l’homme. Essentiellement, le compostage est un processus de biodégradation accéléré en raison de circonstances optimisées. De plus, le produit final du compostage non seulement revient à son état précédent, mais génère et ajoute également des micro-organismes bénéfiques au sol appelés humus . Cette matière organique peut être utilisée dans les jardins et dans les fermes pour aider à faire pousser des plantes plus saines à l’avenir. Le compostage se produit plus régulièrement dans un délai plus court car il s’agit d’un processus plus défini et accéléré par l’intervention humaine. La biodégradation peut se produire dans des délais différents dans des circonstances différentes, mais est censée se produire naturellement sans intervention humaine.

Même dans le cadre du compostage, il existe différentes circonstances dans lesquelles cela peut se produire. Les deux principaux types de compostage sont le compostage domestique et le compostage commercial. Les deux produisent un sol sain qui peut être réutilisé - la principale différence réside dans les matériaux qui peuvent être utilisés dans le processus. Le compostage domestique est principalement utilisé pour les restes de nourriture et les excédents de matériaux de jardin, comme les mauvaises herbes. Le compostage commercial est capable de décomposer des produits végétaux plus complexes, tels que les plastiques à base de maïs et des morceaux de matériaux plus gros, comme les branches d'arbres. Le compostage commercial commence par une décomposition manuelle des matériaux à l'aide d'un broyeur ou d'une autre machine pour lancer le processus. Étant donné que le compostage domestique se produit généralement à une plus petite échelle et n'implique pas de grosses machines, ces matériaux ne se décomposeraient pas complètement dans le compostage domestique. En outre, une étude a comparé et contrasté le compostage domestique et industriel, concluant qu'il y avait des avantages et des inconvénients pour les deux.

Les études suivantes fournissent des exemples dans lesquels le compostage a été défini comme un sous-ensemble de la biodégradation dans un contexte scientifique. La première étude, « Évaluation de la biodégradabilité des plastiques dans des conditions de compostage simulées dans un cadre de test en laboratoire », examine clairement le compostage comme un ensemble de circonstances qui relève de la catégorie de la dégradation. De plus, cette étude suivante a examiné les effets de biodégradation et de compostage de l'acide polylactique réticulé chimiquement et physiquement. Elle discute notamment du compostage et de la biodégradation comme deux termes distincts. La troisième et dernière étude examine la normalisation européenne des matériaux biodégradables et compostables dans l'industrie de l'emballage, en utilisant à nouveau les termes séparément.

La distinction entre ces termes est cruciale, car la confusion dans la gestion des déchets conduit à une mauvaise élimination des matériaux par les gens au quotidien. La technologie de biodégradation a conduit à des améliorations massives dans la façon dont nous éliminons les déchets ; il existe désormais des poubelles, des bacs de recyclage et des bacs à compost afin d'optimiser le processus d'élimination. Cependant, si ces flux de déchets sont couramment et fréquemment confondus, le processus d'élimination n'est pas du tout optimisé. Des matériaux biodégradables et compostables ont été développés pour garantir qu'une plus grande partie des déchets humains puissent se décomposer et revenir à leur état antérieur, ou dans le cas du compostage, même ajouter des nutriments au sol. Lorsqu'un produit compostable est jeté au lieu d'être composté et envoyé dans une décharge, ces inventions et ces efforts sont vains. Par conséquent, il est important que les citoyens comprennent la différence entre ces termes afin que les matériaux puissent être éliminés correctement et efficacement.

La pollution plastique issue des décharges illégales présente des risques pour la santé de la faune sauvage. Les animaux confondent souvent le plastique avec de la nourriture, ce qui entraîne un enchevêtrement intestinal. Des produits chimiques à dégradation lente, comme les biphényles polychlorés (PCB), le nonylphénol (NP) et les pesticides également présents dans les plastiques, peuvent être libérés dans l'environnement et être ensuite ingérés par la faune sauvage.

Ces produits chimiques jouent également un rôle dans la santé humaine, car la consommation d’aliments contaminés (par des processus appelés bioamplification et bioaccumulation) a été associée à des problèmes tels que le cancer, des dysfonctionnements neurologiques, et des changements hormonaux. Un exemple bien connu de l’impact de la bioamplification sur la santé ces derniers temps est l’exposition accrue à des niveaux dangereusement élevés de mercure dans les poissons , qui peuvent affecter les hormones sexuelles chez l’homme.

Les efforts visant à remédier aux dommages causés par les plastiques, détergents, métaux et autres polluants à dégradation lente créés par l’homme sont devenus une préoccupation économique. Les déchets marins en particulier sont particulièrement difficiles à quantifier et à analyser. Les chercheurs du World Trade Institute estiment que le coût des initiatives de nettoyage (en particulier dans les écosystèmes océaniques) atteint près de treize milliards de dollars par an. La principale préoccupation vient des environnements marins, les plus gros efforts de nettoyage se concentrant autour des plaques de déchets dans l’océan. Le Great Pacific Garbage Patch , une plaque de déchets de la taille du Mexique, est située dans l’océan Pacifique. On estime qu’elle s’étend sur plus d’un million de kilomètres carrés. Bien que la plaque contienne des exemples plus évidents de déchets (bouteilles, canettes et sacs en plastique), les minuscules microplastiques sont presque impossibles à nettoyer. National Geographic rapporte qu’encore plus de matériaux non biodégradables se retrouvent dans des environnements vulnérables – près de trente-huit millions de pièces par an.

Les matériaux qui ne se sont pas dégradés peuvent également servir d’abri aux espèces invasives, comme les vers tubicoles et les balanes. Lorsque l’écosystème change en réponse aux espèces invasives, les espèces résidentes et l’équilibre naturel des ressources, la diversité génétique et la richesse des espèces sont altérés. Ces facteurs peuvent soutenir les économies locales en matière de chasse et d’aquaculture, qui souffrent en réponse au changement. De même, les communautés côtières qui dépendent fortement de l’écotourisme perdent des revenus en raison de l’accumulation de la pollution, car leurs plages ou leurs rivages ne sont plus attrayants pour les voyageurs. Le World Trade Institute note également que les communautés qui ressentent souvent la plupart des effets d’une mauvaise biodégradation sont les pays les plus pauvres qui n’ont pas les moyens de financer leur nettoyage. Dans un effet de boucle de rétroaction positive, ils ont à leur tour du mal à contrôler leurs propres sources de pollution.

La première utilisation connue du terme biodégradable dans un contexte biologique remonte à 1959, lorsqu'il a été utilisé pour décrire la décomposition de matériaux en composants inoffensifs par des micro-organismes . Aujourd'hui, le terme biodégradable est généralement associé à des produits respectueux de l'environnement qui font partie des cycles innés de la Terre, comme le cycle du carbone , et qui sont capables de se décomposer en éléments naturels.