Les plastiques biodégradables ont été présentés comme une solution au problème de pollution plastique qui afflige le monde, mais les sacs plastiques "compostables" d'aujourd'hui, les ustensiles et les couvercles de tasse ne se décomposent pas pendant le compostage typique et ne contaminent pas d'autres plastiques recyclables, créant des maux de tête pour les recycleurs. La plupart des plastiques compostables, fait principalement du polyester connu sous le nom d'acide polylactique, ou PLA, finissent dans les décharges et durent aussi longtemps que les plastiques pour toujours.

Université de Californie, Berkeley, les 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, résoudre un problème qui a déconcerté l'industrie du plastique et les écologistes.

« Les gens sont maintenant prêts à passer aux 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, alors la politique pourrait revenir en arrière, " dit Ting Xu, UC Berkeley professeur de science et d'ingénierie des matériaux et de chimie. "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 du 21 avril de la revue La nature .

La nouvelle technologie devrait théoriquement être applicable à d'autres types de plastiques polyester, permettant peut-être la création de contenants en plastique compostables, qui sont actuellement en polyéthylène, un type de polyoléfine qui ne se dégrade pas. Xu pense que les plastiques polyoléfiniques sont mieux transformés en produits de plus grande valeur, pas de compost, et travaille sur des moyens de transformer les plastiques polyoléfines recyclés pour les réutiliser.

Le nouveau processus consiste à incorporer des enzymes mangeuses de polyester dans le plastique au fur et à mesure de sa fabrication. Ces enzymes sont protégées par une simple enveloppe de polymère qui empêche l'enzyme de se démêler et de devenir inutile. Lorsqu'il est exposé à la chaleur et à l'eau, l'enzyme se débarrasse de son enveloppe en polymère et commence à broyer le polymère plastique dans ses blocs de construction - dans le cas du PLA, le réduire en acide lactique, qui peut nourrir les microbes du sol en 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 à l'aide de la technique de Xu se dégrade en petites molécules.

L'un des co-auteurs de l'étude, Aaron Hall, ancien doctorant de l'UC Berkeley, a créé une entreprise pour développer davantage ces plastiques biodégradables.

Faire du plastique s'autodétruire

Les plastiques sont conçus pour ne pas se décomposer lors d'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 de polymère alignées si étroitement que l'eau ne peut pas les pénétrer, sans parler des microbes qui pourraient mâcher les polymères, qui sont des molécules organiques.

L'idée de Xu était d'intégrer des enzymes nanométriques mangeuses de polymères 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'UC 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 chimique. Lorsque le tapis a été immergé dans le produit chimique, l'enzyme incorporée a décomposé l'organophosphate.

Son innovation clé était un moyen de protéger l'enzyme de la désagrégation, 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 enveloppent l'enzyme et la maintiennent doucement ensemble sans restreindre sa flexibilité naturelle. Les RHP sont composés de quatre types de sous-unités monomères, chacun avec 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 le La nature papier, Xu et son équipe ont utilisé une technique similaire, enveloppant l'enzyme dans les RHP 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 procédé 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 pourrait être fondu et extrudé en fibres comme du plastique polyester normal à des températures d'environ 170 degrés Celsius, ou 338 degrés Fahrenheit.

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 sont entièrement dégradées 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, PCL (polycaprolactone), 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 PCL, elle a utilisé de la lipase. Les deux sont des enzymes peu coûteuses et facilement disponibles.

"Si vous n'avez l'enzyme qu'à la surface du plastique, ça se graverait très lentement, " dit Xu. " Vous voulez qu'il soit distribué de manière nanoscopique partout pour que, essentiellement, chacun d'eux a juste besoin de ronger ses voisins polymères, et puis tout le matériau se désintègre."

La dégradation rapide fonctionne bien avec le compostage municipal, ce qui prend généralement 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.

Xu soupçonne que des températures plus élevées font bouger davantage l'enzyme enveloppée, lui permettant de trouver plus rapidement la fin d'une chaîne de 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 polymères, maintenir les enzymes près de leurs cibles.

Les polyesters modifiés ne se dégradent pas à basse température ou pendant de brèves périodes d'humidité, elle a dit. Une chemise en polyester fabriquée avec ce procédé résisterait à la sueur et au lavage à température modérée, par exemple. Le trempage dans l'eau pendant trois mois à température ambiante n'a pas causé la 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, " dit-elle. " Alors, c'est ce que nous avons essayé de voir. Nous avons utilisé de l'eau chaude du robinet. Il suffit de le réchauffer à la bonne température, puis le mettre dedans, et on voit 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 les RHP 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 un 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 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 échelles de temps relativement courtes, ce qui pourrait apporter des avantages significatifs pour la logistique de l'Armée liée à la gestion des déchets, " a déclaré Stéphanie McElhinny, Doctorat., gestionnaire de programme au Bureau de recherche de l'Armée. "Plus généralement, 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 une variété de capacités futures de l'armée, y compris la détection, matériaux de décontamination et d'auto-guérison."

Xu a déclaré que la dégradation programmée pourrait être la clé du recyclage de nombreux objets. Imaginer, elle a dit, utiliser de la colle biodégradable pour assembler des circuits informatiques ou même des téléphones ou des appareils électroniques entiers, alors, quand tu en as fini avec eux, dissoudre la colle pour que les appareils se désagrègent et que toutes les pièces puissent être réutilisées.

"C'est bien pour les millennials d'y réfléchir et d'entamer une conversation qui changera notre façon d'interagir avec la Terre, " dit Xu. " Regardez tous les trucs gaspillés que nous jetons :vêtements, des chaussures, électroniques comme les téléphones portables et les ordinateurs. Nous prenons des choses de la terre à un rythme plus rapide que nous ne pouvons les rendre. Ne retournez pas sur Terre pour extraire ces matériaux, mais à moi tout ce que tu as, puis convertissez-le en quelque chose d'autre."