Des chercheurs des Instituts de technologie avancée de Shenzhen ont mis au point un plastique contenant des bactéries vivantes. Au contact de ces bactéries, celles-ci s'activent et décomposent le matériau de l'intérieur. Il en résulte une dégradation complète, sans aucun résidu de microplastique.
L'étude, publiée dans ACS Applied Polymer Materials, décrit une matrice de polycaprolactone contenant des spores dormantes de Bacillus subtilis génétiquement modifié. Dans des conditions normales, le matériau se comporte comme un plastique standard. L'application d'un déclencheur active les spores.
Comment fonctionne le système bactérien
Ce procédé repose sur l'action séquentielle de deux souches bactériennes. La première produit une enzyme qui découpe les longues chaînes polymères en fragments plus courts, créant ainsi de nouveaux points d'entrée au sein du matériau. Une seconde enzyme attaque ensuite ces fragments à leurs extrémités. Ensemble, les deux souches accélèrent la dégradation jusqu'à ce qu'il ne reste plus que de petites molécules.
Ce mécanisme en deux étapes résout un problème bien connu de nombreux plastiques biodégradables. Les biodégradables classiques se fragmentent souvent avant de disparaître complètement. Ces fragments persistent dans les sols et les eaux sous forme de microplastiques. Le matériau de Shenzhen, selon l'équipe de recherche, s'est dégradé intégralement sans laisser de tels résidus.
La polycaprolactone est un polyester relativement biodégradable. On la retrouve déjà dans les filaments d'impression 3D et les sutures chirurgicales résorbables. Elle est bien différente du polyéthylène, du polypropylène et du PET qui constituent la majeure partie des déchets plastiques mondiaux. Malgré cela, l'expérience a permis d'obtenir un résultat de référence utile. Le film contenant des spores a conservé des propriétés mécaniques comparables à celles de la polycaprolactone standard. L'ajout de bactéries vivantes n'a pas fragilisé le matériau durant sa durée de vie.
L'activation nécessite toujours des conditions de laboratoire
Les conditions de déclenchement restent strictement contrôlées. Lors de l'expérience, les chercheurs ont placé le plastique dans un bouillon nutritif tiède à environ 50 degrés Celsius. Les spores se sont alors activées et le film s'est entièrement dégradé en six jours.
Ces conditions sont très éloignées de celles rencontrées dans l'environnement naturel. Un morceau de plastique vivant jeté ne se dégraderait ni dans une décharge, ni dans une rivière, ni dans un bac à compost. Son activation nécessite une intervention délibérée. Cette contrainte limite les applications à court terme, mais atténue également un problème : la dégradation prématurée lors de l'utilisation ou du stockage.
L'équipe a également fabriqué une électrode portable à partir de ce polymère biodégradable. Celle-ci a permis de détecter les signaux musculaires d'un bras humain. Une fois activée, l'électrode s'est dégradée en deux semaines environ, tandis que le circuit en cuivre est resté intact. Cette séparation du polymère biodégradable et du métal recyclable ouvre des perspectives pour le traitement des appareils électroniques jetables, dont le recyclage est actuellement complexifié par la présence de matériaux mixtes.
Où cela se situe-t-il dans le champ de recherche plus vaste ?
Les travaux menés à Shenzhen s'appuient sur un corpus croissant de recherches en biologie synthétique. Une étude de 2019 publiée dans Nature Chemical Biology a démontré que les spores de Bacillus subtilis pouvaient survivre à l'intérieur de matériaux imprimés en 3D et réagir aux modifications de surface, telles que les fissures. Des recherches plus récentes, parues dans Nature Chemical Engineering, ont révélé que les plastiques vivants à base de spores pouvaient résister à des températures élevées et aux solvants organiques. Cette découverte est pertinente pour les environnements de transformation industrielle, où les matériaux biodégradables classiques sont souvent inefficaces.
Le prototype de Shenzhen constitue une preuve de concept. Il ne s'applique pas encore aux plastiques qui représentent la plus grande part des déchets mondiaux. L'application de cette approche aux polymères courants et le développement de systèmes d'activation pratiques en dehors du laboratoire nécessiteront d'importants travaux supplémentaires.
Pour les investisseurs et les décideurs politiques qui suivent de près la pollution plastique, la question essentielle est de savoir si la dégradation à la demande peut être intégrée à grande échelle dans la conception des produits. Les produits à courte durée de vie constituent une source majeure de pollution environnementale. Parmi eux figurent les dispositifs médicaux, les capteurs portables, les films agricoles et les emballages à usage unique. Un matériau stable pendant son utilisation, puis se dégradant complètement sur commande, pourrait réduire les coûts d'élimination en fin de vie et les responsabilités réglementaires.
La recherche n'apporte pas encore de réponse à cette question. Elle démontre toutefois que les matériaux vivants peuvent se dégrader complètement, conserver leurs propriétés fonctionnelles pendant leur utilisation et être intégrés à des applications électroniques. Chacun de ces résultats était auparavant incertain.
Les spécialistes du climat et de la biodiversité ont depuis longtemps identifié la contamination par les microplastiques comme un risque environnemental aggravant. Les fragments de polymères s'accumulent dans les écosystèmes marins, les sols agricoles et les tissus humains. La dégradation complète, et non la fragmentation, est la norme de plus en plus exigée par les organismes de réglementation et les chercheurs. L'étude de Shenzhen présente une voie crédible pour y parvenir, même si le chemin vers une application commerciale reste encore long.
