Des décharges débordantes aux îles à ordures flottantes dans les océans aux microplastiques dans les régions sauvages reculées, des milliards de tonnes de plastique jeté ont créé une crise mondiale de la pollution.

Bien que les plastiques soient essentiels à notre vie quotidienne, ce sont des matériaux durables qui ne se biodégradent pas naturellement, mettre des décennies voire des siècles à se décomposer dans les décharges ou dans l'environnement naturel. Plus de 82 millions de tonnes métriques de polyéthylène téréphtalate (PET) sont produites dans le monde chaque année pour fabriquer des bouteilles de boissons à usage unique, emballage, Vêtements, et tapis, et c'est l'une des plus grandes sources de déchets plastiques.

Des scientifiques du National Renewable Energy Laboratory (NREL) du département américain de l'Énergie (DOE) progressent sur une solution possible aux déchets de PET. Une équipe de recherche collaborative combine la chimie et la biologie pour transformer le PET en un matériau en nylon doté de meilleures propriétés pouvant être utilisé pour créer une gamme plus polyvalente de nouveaux produits.

En collaboration avec le Consortium Bio-Optimized Technologies pour garder les thermoplastiques hors des décharges et de l'environnement (BOTTLE), Les chercheurs du NREL et les partenaires du Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ont conçu une bactérie pour convertir le PET déconstruit en blocs de construction pour un produit en nylon supérieur. Comme décrit dans « Déconstruction chimique en tandem et recyclage biologique du poly(téréphtalate d'éthylène) en acide β-cétoadipique par Pseudomonas putida KT2440, " récemment publié dans Metabolic Engineering, ces monomères hautes performances peuvent ensuite être recyclés en matériaux et produits plastiques à plus forte valeur ajoutée, un processus appelé upcycling.

« Cette étape de conversion biologique est une partie importante de l'équation qui rend possible l'upcycling du PET, créer l'opportunité de transformer des bouteilles en plastique polluantes en matériaux de fabrication prisés, nous rapprochant finalement d'une économie circulaire à grande échelle, ", a déclaré Allison Werner, scientifique du NREL et première auteure de l'article de revue.

Une économie circulaire peut prolonger la durée de vie fonctionnelle des molécules pour fabriquer des plastiques vierges, tout en réduisant les déchets, conservation des ressources, et augmenter l'efficacité. Cela peut aider à livrer des fournitures qui sont fabriquées en utilisant moins de matières premières et d'énergie et à rester en dehors des décharges.

Les chercheurs de BOTTLE explorent comment une gamme de processus chimiques et biologiques peuvent être utilisés pour déconstruire les déchets plastiques et les recycler en une valeur plus élevée, matériaux recyclables. Le récent projet BOTTLE a déconstruit le PET à l'aide d'un processus chimio-catalytique et a conçu la bactérie Pseudomonas putida KT2440 pour convertir le PET en acide chimique β-cétoadipique (βKA), un bloc de construction pour le nylon performant.

Le NREL et l'ORNL ont collaboré à l'ingénierie des bactéries. ORNL a conçu les bactéries pour utiliser un intermédiaire clé dans la dégradation du PET, qui a permis à l'équipe du NREL de construire une plateforme complète de bioconversion.

Traiter le problème PET

Chaque type de plastique a ses propres propriétés moléculaires qui nécessitent potentiellement différentes méthodes de déconstruction. Le PET peut être déconstruit en monomères en utilisant plusieurs procédés chimiques différents. Cependant, les méthodes mécaniques utilisées pour la majorité du recyclage du PET aujourd'hui peuvent aboutir à des produits de mauvaise qualité et moins rentables, conduisant à de faibles taux de recyclage. Diverses sources montrent qu'actuellement, seulement 15 à 35 % de toutes les bouteilles en PET trouvent une seconde vie.

Les transformations biologiques conçues par les scientifiques du NREL et de l'ORNL en P. putida, couplé à un procédé de glycolyse chimio-catalytique, peut créer un produit plus précieux à partir du PET et, en fin de compte, inciter à des taux de récupération plus élevés, se traduisant finalement par moins de bouteilles en plastique jetées qui polluent les eaux océaniques et les zones sauvages des montagnes.

Le matériau extrait par cette technique de déconstruction catalytique et de conversion biologique en tandem offre de meilleures propriétés que les types courants de nylon qu'il est destiné à remplacer, y compris une perméabilité à l'eau plus faible, température de fusion plus élevée, et une température de transition vitreuse plus élevée. Ces avantages en termes de performances élargissent les possibilités d'utilisation du matériau, y compris pour les pièces automobiles qui doivent résister à des températures élevées. La valeur accrue du matériau recyclé pourrait inciter l'industrie à recycler plus de plastique, conduisant à une récupération du plastique à plus grande échelle.

Refuser de se retourner sur la pollution plastique

Alors que cette première percée promet déjà d'élargir les opportunités de recyclage du PET, les chercheurs continuent d'affiner l'approche. En plus d'optimiser l'interface chimie-biologie, l'équipe évalue un large éventail d'autres facteurs.

Les flux de déchets de PET post-consommation peuvent contenir des additifs que P. putida peut être incapable de cataboliser. Characterization of these streams to identify the chemicals present and engineering metabolic pathways to enable consumption of these compounds as well will be needed to maximize efficiency of the bioconversion process, increase yields, and comprehensively deal with the plastic waste.

The future success of any tandem deconstruction and upcycling approach for PET will ultimately be determined by its combined technical feasibility, economic viability, and environmental impact. The NREL team plans to perform techno-economic analysis and life cycle assessment to build a better understanding of the process energy requirements and greenhouse gas emissions.

"Plastics have revolutionized modern life, mais, jusque récemment, plastic manufacturing has followed a strictly linear economy and is carbon-intensive, " said NREL Senior Research Fellow, BOTTLE Consortium Lead, and journal article senior author Gregg Beckham. "Circular approaches to this problem can reduce our reliance on fossil-based carbon and thus reduce greenhouse gas emissions. With annual plastic production expected at nearly 600 million tons by 2050, the time to act is now."

The efforts of NREL and the BOTTLE Consortium, including these new chemical deconstruction and biological upcycling techniques, will be vital tactics in combatting the plastic pollution crisis and the environmental and energy challenges associated with climate change.