Worldlex Wiki La biodégradation est la décomposition de la matière organique par des micro-organismes , tels que les bactéries et les champignons . Contrairement à la biodégradation, la phytodégradation , qui a peu d'applications, repose sur les plantes vertes pour effectuer la dégradation. En pratique, presque tous les composés chimiques et matériaux sont biodégradables, le facteur limitant étant le temps. Les légumes peuvent se dégrader en quelques jours, tandis que certains plastiques peuvent mettre beaucoup plus de temps à se dégrader. Selon la norme de biodégradabilité de l' Union européenne , plus de 90 % de la matière initiale doit être transformée en l’assimilation . La biodétérioration est parfois décrite comme une dégradation superficielle qui modifie les propriétés mécaniques, physiques et chimiques du matériau. Cette étape survient lorsque le matériau est exposé à des facteurs abiotiques dans l’environnement extérieur et permet une dégradation plus poussée en affaiblissant sa structure. Parmi les facteurs abiotiques qui influencent ces modifications initiales, on peut citer la compression (mécanique), la lumière, la température et les substances chimiques présentes dans l’environnement. Bien que la biodétérioration constitue généralement la première étape de la biodégradation, elle peut, dans certains cas, être concomitante à la biofragmentation. Hueck, définit cependant la biodétérioration comme l’action indésirable des organismes vivants sur les matériaux fabriqués par l’homme, impliquant des phénomènes tels que la dégradation des façades en pierre des bâtiments, la corrosion des métaux par les micro-organismes ou encore les simples modifications esthétiques induites sur les structures artificielles par la croissance d’organismes vivants. La biofragmentation d'un polymère est le processus lytique au cours duquel les liaisons au sein d'un polymère sont clivées, générant ainsi des oligomères et des monomères . Les étapes de fragmentation de ces matériaux varient également selon la présence d'oxygène dans le système. La dégradation des matériaux par les micro-organismes en présence d'oxygène est appelée digestion aérobie , tandis que leur dégradation en l'absence d'oxygène est appelée digestion anaérobie . La principale différence entre ces processus réside dans le fait que les réactions anaérobies produisent du méthane , contrairement aux réactions aérobies (cependant, les deux réactions produisent du dioxyde de carbone , de l'eau , des résidus et une nouvelle biomasse ). De plus, la digestion aérobie est généralement plus rapide que la digestion anaérobie, tandis que cette dernière est plus efficace pour réduire le volume et la masse du matériau. Grâce à sa capacité à réduire le volume et la masse des déchets et à produire du gaz naturel, la digestion anaérobie est largement utilisée dans les systèmes de gestion des déchets et comme source d'énergie locale et renouvelable. Lors de la phase d'assimilation, les produits issus de la biofragmentation sont intégrés aux cellules microbiennes . Certains de ces produits sont facilement transportés à l'intérieur de la cellule par des transporteurs membranaires . D'autres, en revanche, doivent subir des réactions de biotransformation pour donner des produits pouvant ensuite être transportés à l'intérieur de la cellule. Une fois à l'intérieur, ces produits empruntent des voies cataboliques qui conduisent soit à la production d' adénosine triphosphate (ATP), soit à la synthèse d'éléments constitutifs de la structure cellulaire . En pratique, presque tous les composés chimiques et matériaux sont sujets à la biodégradation. L'importance réside cependant dans la vitesse relative de ces processus, qui peut s'étendre sur des périodes de quelques jours, semaines, années ou siècles. Plusieurs facteurs déterminent la vitesse de dégradation des composés organiques, notamment la lumière , l'eau , l'oxygène et la température . La vitesse de dégradation de nombreux composés organiques est limitée par leur biodisponibilité , c'est-à-dire la vitesse à laquelle une substance est absorbée par un organisme ou rendue disponible sur le site d'activité physiologique , car les composés doivent être libérés en solution avant que les organismes puissent les dégrader. La vitesse de biodégradation peut être mesurée de différentes manières. Les tests de respirométrie peuvent être utilisés pour les micro-organismes aérobies . On place d'abord un échantillon de déchet solide dans un récipient contenant des micro-organismes et de la terre, puis on aère le mélange. Pendant plusieurs jours, les micro-organismes digèrent progressivement l'échantillon et produisent du dioxyde de carbone ; la quantité de CO₂ ainsi produite 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 prendre en compte les facteurs influençant les taux de biodégradation lors des tests de produits afin de garantir l'exactitude et la fiabilité des résultats obtenus. Plusieurs matériaux sont testés comme biodégradables dans des conditions optimales en laboratoire pour obtenir leur homologation, mais ces résultats peuvent ne pas refléter les conditions réelles où les facteurs sont plus variables. Par exemple, un matériau testé comme biodégradable à un taux élevé en laboratoire peut ne pas se dégrader aussi rapidement dans une décharge, car ces dernières manquent souvent de lumière, d'eau et d'activité microbienne, éléments nécessaires à la dégradation. Il est donc essentiel d'établir des normes pour les produits plastiques biodégradables, qui ont un impact considérable sur l'environnement. Le développement et l'utilisation de méthodes d'essai normalisées et précises peuvent contribuer à garantir que tous les plastiques produits et commercialisés se biodégradent effectivement dans les milieux naturels. La norme DINV 54900 est un exemple de test développé à cet effet. Les progrès récents ont permis la surveillance en temps réel de la biodégradation des polymères à l'aide de biocapteurs combinés à l'apprentissage automatique, améliorant ainsi la précision des évaluations de dégradation dans des conditions environnementales variables. Produit Il est temps de se biodégrader Essuie-tout 2 à 4 semaines Journal 6 semaines Noyau de pomme 2 mois Boîte en carton 2 mois brique de lait cirée 3 mois Gants en coton 1 à 5 mois Gants en laine 1 an Contre-plaqué 1 à 3 ans bâtonnets de bois peints 13 ans sacs en plastique 10 à 20 ans Boîtes de conserve 50 ans couches jetables 50 à 100 ans bouteille en plastique 100 ans canettes en aluminium 200 ans Bouteilles en verre Indéterminé Légumes 5 jours – 1 mois Papier 2 à 5 mois T-shirt en coton 6 mois écorces d'orange 6 mois feuilles d'arbre 1 an chaussettes en laine 1 à 5 ans Briques de lait en papier plastifié 5 ans chaussures en cuir 25 à 40 ans Tissu en nylon 30 à 40 ans Boîtes de conserve 50 à 100 ans canettes en aluminium 80 à 100 ans Bouteilles en verre 1 million d'années gobelet en polystyrène 500 ans pour toujours sacs en plastique 500 ans pour toujours
classes de matériaux individuelles
aromatiques polycycliques
La biodégradation des plastiques est très variable. La tuyauterie en PVC est privilégiée pour le traitement des eaux usées car le PVC résiste à la biodégradation. En revanche, certains matériaux d'emballage, conçus pour se dégrader rapidement au contact de l'environnement, sont en cours de développement. Parmi les polymères synthétiques à biodégradation rapide, on peut citer la polycaprolactone , d'autres polyesters et les esters aromatiques-aliphatiques, dont les liaisons ester sont sensibles à l'eau. Le poly(3-hydroxybutyrate) , dérivé de l'acide polylactique ( PLA), en est un exemple notable . On peut également mentionner l'acétate de cellulose et le celluloïd (nitrate de cellulose), dérivés de la cellulose.
En conditions de faible teneur en oxygène, les plastiques se décomposent plus lentement. Ce processus peut être accéléré dans un composteur spécialement conçu à cet effet. Les plastiques à base d'amidon se dégradent en deux à quatre mois dans un composteur domestique, tandis que l'acide polylactique reste en grande partie intact, nécessitant des températures plus élevées. La polycaprolactone et les composites polycaprolactone-amidon se décomposent plus lentement, mais la présence d'amidon accélère la décomposition en laissant derrière elle une polycaprolactone poreuse à grande surface spécifique. Néanmoins, ce processus prend plusieurs mois.
En 2016, une bactérie nommée Ideonella sakaiensis a été découverte capable de biodégrader le PET . En 2020, l'enzyme de dégradation du PET de cette bactérie, la PETase , a été génétiquement modifiée et combinée à la MHETase afin d'accélérer la dégradation du PET et d'y inclure également celle du PEF . En 2021, des chercheurs ont rapporté qu'un mélange de micro-organismes provenant d' estomacs de vaches pouvait dégrader trois types de plastiques.
De nombreux fabricants de plastique vont jusqu'à affirmer que leurs produits sont compostables, citant généralement l'amidon de maïs parmi leurs ingrédients. Cependant, ces affirmations sont discutables car l' industrie du plastique a sa propre définition du compostabilité :
- « Ce qui est capable de subir une décomposition biologique dans un site de compostage de telle sorte que le matériau ne soit pas visuellement discernable 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. Des définitions juridiques existent pour la compostabilité, le processus qui conduit au compost. L’Union européenne propose quatre critères :
- Composition chimique : les matières volatiles, les métaux lourds et le fluor doivent être limités.
- Biodégradabilité : conversion de plus de 90 % de la matière d'origine en CO2 emballage , la production et la médecine. Le principal obstacle à sa généralisation réside dans le compromis entre biodégradabilité et performance. Par exemple, les plastiques à base de lactide présentent des propriétés d'emballage inférieures à celles des matériaux traditionnels.
L’oxo-biodégradation est définie par le CEN (Organisation européenne de normalisation) comme « une dégradation résultant de phénomènes oxydatifs et cellulaires, simultanés ou successifs ». Bien que parfois qualifiés d’« oxo-fragmentables » et d’« oxo-dégradables », ces termes ne décrivent que la première phase, ou phase oxydative, et ne doivent pas être utilisés pour un matériau se dégradant 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 leur formulation requiert un savoir-faire et une expérience considérables pour équilibrer les ingrédients et conférer au produit une durée de vie utile déterminée, 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 usage, et selon leur origine, en deux : naturels et synthétiques. Le Clean Technology Group exploite le dioxyde de carbone supercritique qui, sous haute pression à température ambiante, agit comme solvant pour enrober les médicaments à l’aide de plastiques biodégradables. Le polymère (un matériau composé de molécules à unités structurales répétitives formant une longue chaîne) sert à encapsuler un médicament avant son injection. À base d’ acide lactique , un composé naturellement produit par l’organisme, il est ainsi éliminé naturellement. L’enrobage est conçu pour une libération contrôlée du médicament dans le temps, réduisant le nombre d’injections nécessaires et optimisant l’efficacité 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 ultérieure et se dégradent en sous-produits solubles et non toxiques. Différents polymères se dégradent à des vitesses différentes dans l'organisme ; le choix du polymère peut donc être adapté pour obtenir les vitesses de libération souhaitées.
Parmi les autres applications biomédicales, on peut citer l'utilisation de polymères biodégradables à mémoire de forme. Grâce aux polymères thermoplastiques dégradables, les matériaux implantables biodégradables peuvent désormais être utilisés pour des interventions chirurgicales mini-invasives. Ces polymères sont capables de modifier leur forme en fonction de la température, ce qui leur confère des propriétés de mémoire de forme et permet la réalisation de sutures facilement résorbables. De ce fait, les implants peuvent être insérés par de petites incisions, les chirurgiens peuvent réaliser aisément des déformations complexes et les sutures, ainsi que d'autres dispositifs médicaux, peuvent se biodégrader naturellement après l'intervention.
Biodégradation vs compostage
Il n'existe pas de définition universelle de la biodégradation et les définitions du compostage sont diverses , ce qui engendre une grande confusion entre ces termes. Bien qu'ils soient souvent confondus, ils n'ont pas la même signification. La biodégradation est la décomposition naturelle de matières par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, ou par d'autres activités biologiques . Le compostage est un processus anthropique dans lequel la biodégradation se produit dans des conditions spécifiques . La principale différence entre les deux réside dans le fait que l'un est un processus naturel et l'autre un processus anthropique.
Les matières biodégradables sont capables de se décomposer en l'absence d'oxygène (en anaérobiose) en dioxyde de carbone, eau et biomasse, mais la durée de cette décomposition est mal définie. De même, les matières compostables se décomposent en dioxyde de carbone, eau et biomasse ; cependant, elles se décomposent également en composés inorganiques. Le processus de compostage est plus précisément défini, car il est contrôlé par l'homme. Essentiellement, le compostage est un processus de biodégradation accéléré grâce à des conditions optimales. De plus, le compostage permet non seulement de retrouver son état initial, mais aussi de générer et d'enrichir le sol en micro-organismes bénéfiques appelés humus . Cette matière organique peut être utilisée dans les jardins et les exploitations agricoles pour favoriser la croissance de plantes plus saines. Le compostage se déroule de manière plus régulière et plus rapide, car il s'agit d'un processus mieux défini et accéléré par l'intervention humaine. La biodégradation peut se produire dans des délais variables selon les circonstances, mais elle est censée se produire naturellement, sans intervention humaine.
Même dans le cadre du compostage, les circonstances varient. On distingue deux principaux types de compostage : le compostage domestique et le compostage industriel. Les deux produisent un terreau fertile réutilisable ; la principale différence réside dans les matériaux pouvant être compostés. Le compostage domestique est principalement utilisé pour les déchets alimentaires et les résidus de jardin, comme les mauvaises herbes. Le compostage industriel permet de décomposer des produits végétaux plus complexes, tels que les plastiques à base de maïs et des matériaux plus volumineux, comme les branches d’arbres. Il débute par un broyage manuel des matériaux à l’aide d’un broyeur ou d’une autre machine. Le compostage domestique étant généralement pratiqué à plus petite échelle et sans gros équipements, ces matériaux ne se décomposent pas complètement. Par ailleurs, une étude comparative du compostage domestique et du compostage industriel a conclu que chacun présente des avantages et des inconvénients.
Les études suivantes fournissent des exemples où le compostage est défini comme un sous-ensemble de la biodégradation dans un contexte scientifique. La première étude, intitulée « Évaluation de la biodégradabilité des plastiques dans des conditions de compostage simulées en laboratoire », examine clairement le compostage comme un ensemble de circonstances relevant de la catégorie de la dégradation. Par ailleurs, l’étude suivante s’est penchée sur les effets de la biodégradation et du compostage de l’acide polylactique réticulé chimiquement et physiquement. Elle aborde notamment le compostage et 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 également ces termes séparément.
La distinction entre ces termes est cruciale car la confusion en matière de gestion des déchets entraîne quotidiennement une élimination inappropriée des matériaux. La technologie de biodégradation a permis des améliorations considérables dans la manière dont nous éliminons les déchets ; il existe désormais des poubelles, des bacs de recyclage et des composteurs afin d'optimiser le processus d'élimination. Cependant, si ces flux de déchets sont fréquemment confondus, le processus d'élimination est loin d'être optimal. Des matériaux biodégradables et compostables ont été développés pour permettre à une plus grande quantité de déchets humains de se décomposer et de retourner à leur état initial, ou, dans le cas du compostage, même d'enrichir le sol en nutriments. Lorsqu'un produit compostable est jeté à la poubelle au lieu d'être composté et envoyé en décharge, ces innovations et ces efforts sont vains. Il est donc important que les citoyens comprennent la différence entre ces termes afin que les matériaux puissent être éliminés correctement et efficacement.
effets environnementaux et sociaux
La pollution plastique due aux déversements illégaux présente des risques sanitaires pour la faune sauvage. Les animaux confondent souvent les plastiques avec de la nourriture, ce qui entraîne des engorgements intestinaux. Des substances chimiques à dégradation lente, comme les polychlorobiphényles (PCB), le nonylphénol (NP) et les pesticides également présents dans les plastiques, peuvent se libérer dans l'environnement et être ensuite ingérées par la faune sauvage.
Ces substances chimiques ont également un impact sur la santé humaine, car la consommation d'aliments contaminés (par des processus appelés bioamplification et bioaccumulation) a été associée à des problèmes tels que des cancers , des dysfonctionnements neurologiques et des modifications hormonales. Un exemple bien connu d'impact de la bioamplification sur la santé ces dernières années est l'exposition accrue à des niveaux dangereusement élevés de mercure dans le poisson , ce qui peut affecter les hormones sexuelles chez l'humain
Face aux dégâts causés par les plastiques à dégradation lente, les détergents, les métaux et autres polluants d'origine humaine, les coûts économiques sont devenus une préoccupation majeure. La pollution marine, en particulier, est particulièrement difficile à quantifier et à évaluer. Selon les estimations du World Trade Institute , le coût des initiatives de nettoyage (notamment dans les écosystèmes océaniques) avoisine les treize milliards de dollars par an. La principale préoccupation concerne les milieux marins, les plus importants efforts de nettoyage se concentrant sur les zones d'accumulation de déchets dans l'océan. La Grande Zone d'Accumulation de Déchets du Pacifique , une zone de déchets de la taille du Mexique, est située dans l'océan Pacifique. Sa superficie est estimée à plus d'un million de kilomètres carrés. Si cette zone contient des exemples de déchets plus évidents (bouteilles, canettes et sacs en plastique), les microplastiques sont quasiment impossibles à éliminer. National Geographic rapporte que des quantités encore plus importantes de matériaux non biodégradables se retrouvent dans les environnements vulnérables : près de trente-huit millions de morceaux par an.
Les matières non dégradées peuvent également servir d'abri à des espèces envahissantes, comme les vers tubicoles et les balanes. Lorsque l'écosystème se modifie en réaction à ces espèces envahissantes, les espèces résidentes et l'équilibre naturel des ressources, la diversité génétique et la richesse spécifique sont perturbés . Ces facteurs peuvent soutenir les économies locales, notamment la chasse et l'aquaculture, qui souffrent de ces changements . De même, les communautés côtières qui dépendent fortement de l'écotourisme subissent des pertes de revenus dues à l'accumulation de pollution, leurs plages ou leurs rivages devenant moins attrayants pour les touristes. Le World Trade Institute note également que les communautés qui subissent le plus les effets d'une mauvaise biodégradation sont souvent les pays les plus pauvres, qui n'ont pas les moyens de financer leur dépollution .
Étymologie du mot « biodégradable »
La première utilisation connue du terme « biodégradable » dans un contexte biologique remonte à 1959, lorsqu'il a été employé pour décrire la décomposition de la matière en composants inoffensifs par des micro-organismes . Aujourd'hui, le terme « biodégradable » est couramment associé à des produits respectueux de l'environnement qui font partie des cycles naturels de la Terre, comme le cycle du carbone , et qui sont capables de se décomposer en éléments naturels.