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Jusqu’à présent, la biodégradabilité du plastique n’avait été testée que sur des polymères non marqués par des isotopes. Un polymère (ou une matière plastique composée d’un ou plusieurs polymères) est certifié biodégradable si, pendant une période d’incubation définie, une quantité minimale de carbone du polymère est convertie en CO2. La norme pour les films de paillage biodégradables, par exemple, exige des incubations de sol de deux ans au cours desquelles au moins 90 pour cent du carbone du film sont «minéralisés» en CO2.
Ces procédures de test sont entre-temps établies et appropriées pour démontrer la minéralisation des polymères. Mais elles ne couvrent pas l’ensemble de la biodégradation, car elles mesurent uniquement la formation de CO2. Avec les procédures standard actuelles, les chercheurs n’ont pas pu enregistrer la quantité de carbone du polymère qui reste dans le sol à l’issue des périodes d’incubation. Il n’a pas non plus été possible de savoir si ce carbone résiduel était toujours présent sous forme de polymère ou si les micro-organismes l’avaient déjà intégré dans leur biomasse.
Des bilans de masse fermés ont été établis
L’approche développée par les chercheurs de l’EPF et de l’Eawag élimine ces incertitudes. Ils ont utilisé pour leurs tests le succinate de polybutylène marqué au 13C (PBS). Le PBS est un polyester biodégradable commercialement important, utilisé aussi dans les films de paillage.
Les chercheurs étaient désormais en mesure de suivre de manière sélective l'isotope de carbone dans le PBS pendant la biodégradation: en plus de déterminer la minéralisation du 13CO2, les auteurs ont pu établir des bilans de masse complets pour le carbone du PBS en quantifiant la quantité résiduelle de carbone dérivé du PBS 13C restée dans le sol après incubation.
«Nous étions heureux de voir des bilans de masse fermés pour le carbone sur les 425 jours d’incubation dans le sol. Cela a montré que nous pouvons déterminer précisément où finit le carbone du polymère – pour environ deux tiers dans le CO2 et un tiers dans le sol – et ce sur de très longues périodes d’incubation», explique l’auteur principal de l’étude, Taylor Nelson, qui a préparé sa thèse dans le groupe chimie de l’environnement de l’EPF.
Les chercheurs ont également voulu savoir sous quelle forme le carbone ajouté sous forme de PBS restait dans le sol, c’est-à-dire quelle quantité a été incorporée dans la biomasse microbienne et quelle quantité était encore présente sous forme de PBS résiduel.
Pour répondre à cette question, les auteurs ont extrait et quantifié le PBS résiduel du sol. Ils ont pu montrer que si la majeure partie du carbone était encore présente sous forme de PBS, une quantité importante, 7 pour cent du carbone PBS, avait été incorporée dans la biomasse microbienne.
La capacité de déterminer exactement la quantité de polymère restante et la quantité de carbone polymère incorporée dans la biomasse est essentielle pour les futures études et le développement de nouveaux polymères biodégradables: «Nous pouvons désormais analyser systématiquement quelles conditions du sol et quelles propriétés des polymères permettent la biodégradation intégrale des polymères en CO2 et en biomasse microbienne - et nous pouvons évaluer les facteurs susceptibles de ralentir la biodégradation des polymères au fil du temps», explique Michael Sander, professeur à l’EPF dans le groupe chimie de l’environnement.
Réduire la pollution par le plastique
Ce travail est déjà en cours: avec cette nouvelle approche, le groupe étudie actuellement la biodégradation d’autres polymères dans divers sols agricoles, y compris dans les champs. «Nous voulons nous assurer que les polymères biodégradables portent bien leur nom et ne restent pas dans l’environnement», déclare Kristopher McNeill, professeur de chimie de l’environnement à l’EPF Zurich et chef du groupe de recherche du même nom.
«Remplacer les polymères conventionnels par des polymères biodégradables peut aider à réduire la pollution par le plastique, en particulier pour les applications dans lesquelles les polymères sont directement utilisés dans l’environnement et présentent une forte probabilité d’y rester après leur utilisation», insiste Sander.