Alternatives écologiques aux plastiques : clé des efforts de durabilité – Les plastiques biodégradables sont-ils une solution ?

La présence et l’accumulation de microplastiques dans notre écosystème sont bien documentées, et des preuves récentes suggèrent qu’ils ont des effets néfastes sur divers processus biologiques. Alors que nous continuons à découvrir des microplastiques dans nos poumons, nos artères et même les placentas, nous apprenons encore leur impact sur l’environnement et la santé humaine. 

C’est l’omniprésence de l’utilisation du plastique par les humains qui a engendré les microplastiques, qui ont tendance à persister dans l’environnement. Les microplastiques sont de minuscules fragments, généralement mesurant entre 5 millimètres (mm) et 500 micromètres (µm), libérés par les produits plastiques du quotidien. 

Ces particules proviennent de bouteilles, sacs, emballages et autres sources plastiques, ainsi que de l’usure des pneus, des textiles synthétiques et des microbilles provenant des produits de soins personnels. Les microplastiques se forment généralement à travers divers processus physiques et chimiques, notamment l’abrasion, la dégradation UV, les procédés de fabrication et la fragmentation induite physiquement ou chimiquement.

L’accumulation de microplastiques dans l’environnement naturel, y compris les océans, les précipitations et le sol, est due à la nature chimique des polymères plastiques à base de pétrole. Ces polymères sont de grandes molécules composées de nombreuses plus petites appelées monomères. Ces plastiques largement utilisés sont généralement inaccessibles au traitement biologique. 

Étant presque indestructibles, nécessitant de quelques décennies à plusieurs siècles pour se décomposer, il y a un besoin croissant d’une alternative aux plastiques traditionnels à base de pétrole et aux microplastiques. Une réponse à ce problème consiste à développer des plastiques qui ne génèrent pas de microplastiques persistants au cours de leur cycle de vie normal. 

Même si le plastique est correctement collecté et recyclé, il génère toujours des microplastiques à cause de l’usure normale liée à l’utilisation quotidienne ou à la suite des processus de recyclage ou de lavage. Ainsi, pour prévenir cela, nous devons développer de nouveaux matériaux plastiques entièrement biodégradables, ce qui signifie qu’ils se décomposent rapidement sous l’action d’organismes vivants dans l’environnement.

Ainsi, pour aider à cela, une nouvelle étude menée par Algenesis Corporation et des scientifiques et professeurs de l’Université de Californie à San Diego a créé un polymère d’origine végétale qui se biodégrade au niveau des microplastiques en sept mois.

La biodégradation est le processus par lequel les polymères sont décomposés en molécules plus simples par les microbes. Ces molécules peuvent ensuite être utilisées comme source de carbone pour produire de la biomasse. Cependant, pour que cela se produise, le polymère doit posséder des liaisons chimiques, principalement dans sa structure de chaîne principale.

Cela s’explique par le fait qu’ils deviennent alors physiquement accessibles aux enzymes qui reconnaissent naturellement ces liaisons comme substrats. Les molécules de monomères sous-jacentes libérées par cette clivage enzymatique peuvent ensuite être consommées par les micro-organismes.

Dans notre environnement naturel, ce processus complet est généralement réalisé par un groupe de microbes tels que les bactéries et les champignons. Ces microbes sécrètent des enzymes hydrolytiques, qui décomposent le polymère pour libérer différents oligomères et monomères qui sont ensuite utilisés par les microbes comme source de nutriments carbonés. 

Le catabolisme des monomères et oligomères dérivés du polymère suit, impliquant la dégradation de molécules complexes. Ce processus aboutit à la production de biomasse d’organismes et de CO₂ via la respiration.  

Le fait est que, bien que les matériaux d’origine biologique puissent être dérivés de sources naturelles renouvelables, leur capacité de biodégradabilité limitée les fait persister dans l’environnement. De plus, cette persistance peut être due à des traitements chimiques qui les rendent inaccessibles à la clivage biologique.

Les matériaux biodégradables peuvent en effet être produits à partir de pétrole et d’autres ressources fossiles, car la biodégradabilité dépend des propriétés du matériau plutôt que de sa source.

Réaliser l’impossible

L’étude, qui a reçu un financement du Department of Energy (DOE), vise à trouver des remplacements biodégradables pour des matériaux déjà existants. Cependant, trouver des matériaux qui ne s’accumulent pas dans l’environnement n’est « pas facile », a déclaré le co‑auteur Michael Burkart, également co‑fondateur d’Algenesis. 

La technologie brevetée Soleic™ de l’entreprise de science des matériaux est le premier plastique mondial renouvelable, entièrement biodégradable et haute performance fabriqué à partir de plantes. Algenesis utilise cette technologie pour produire des chaussures, des planches de surf et des articles de chaussure. Selon Burkart, professeur de chimie et de biochimie à UC San Diego:

« Nous commençons à peine à comprendre les implications des microplastiques. Nous n’avons fait qu’effleurer la surface des impacts environnementaux et sanitaires. »

En parlant de leur travail, le co‑auteur et co‑fondateur d’Algenesis Robert Pomeroy, qui, comme Burkart, détient une participation au capital de l’entreprise et est professeur de chimie et de biochimie, a indiqué qu’ils avaient créé les premiers polymères à base d’algues il y a plus d’une demi‑décennie. Ils comprenaient que ce polymère serait entièrement biodégradable, capable de « disparaître dans le compost ». 

Pour la première fois, cependant, l’équipe a eu l’opportunité de le mesurer au niveau des microparticules. Pour cela, ils ont broyé le matériau en fines microparticules, et afin de confirmer qu’il était digéré par les microbes, l’équipe a utilisé trois outils de mesure différents.

Un respiromètre a été le premier outil, utilisé pour mesurer le dioxyde de carbone (CO₂) libéré lorsque le matériau est décomposé par les microbes. En comparant la dégradation de la cellulose avec la norme industrielle de biodégradabilité à cent pour cent, les résultats ont montré que le polymère d’origine végétale correspond à la cellulose à près de 100 %.

Le deuxième outil utilisé était la flottation dans l’eau, une méthode tirant parti du fait que les plastiques sont insolubles et flottent à la surface, ce qui les rend faciles à retirer. Les tests effectués à des intervalles de 90 et 200 jours ont montré que presque tous les microplastiques à base de pétrole étaient récupérés. En revanche, pour les microplastiques à base d’algues, seulement 32 % ont été récupérés après neuf jours et à peine 3 % après 200 jours, démontrant qu’ils sont hautement biodégradables.

Dans l’analyse chimique par chromatographie en phase gazeuse/spectrométrie de masse (GCMS), la présence de monomères a été détectée, indiquant que le polymère était décomposé en ses matériaux végétaux initiaux. 

« Ce matériau est le premier plastique démontré à ne pas créer de microplastics lors de son utilisation. »

– Co‑auteur Stephen Mayfield, co‑fondateur d’Algenesis

Il a ajouté :

« C’est plus qu’une simple solution durable pour la fin du cycle de vie du produit et nos décharges surchargées. C’est réellement un plastique qui ne nous rendra pas malades. »

Bien que des progrès significatifs aient été réalisés, ce n’est que le début. L’étape suivante consiste à adapter le nouveau matériau pour une utilisation avec les équipements de fabrication existants conçus pour le plastique traditionnel. À cette fin, Algenesis a conclu des partenariats avec plusieurs entreprises pour fabriquer des produits utilisant des polymères d’origine végétale. Ces collaborations incluent l’utilisation par Trelleborg de polymères à base d’algues dans des tissus enduits et la production d’étuis pour téléphones mobiles avec RhinoShield.

Selon Burkart:

« Lorsque nous avons commencé ce travail, on nous a dit que c’était impossible. Maintenant, nous voyons une réalité différente. Il reste beaucoup à faire, mais nous voulons donner de l’espoir aux gens. C’est possible. »

Les plastiques biodégradables sont-ils l’avenir ?

Comme nous pouvons le constater, le secteur du plastique subit une transformation. C’est important car le plastique représente environ 14 % de nos déchets, et la grande majorité finit dans la mer. Statistiquement, nous produisons actuellement plus de 350 millions de tonnes métriques de déchets plastiques par an, chiffre qui devrait atteindre un milliard de tonnes métriques d’ici 2060 si aucune modification des politiques actuelles n’est apportée.

L’examen du cycle de vie de la plupart des matériaux plastiques révèle que 79 % de tout le plastique produit est déversé dans des sites d’enfouissement ou se retrouve dans l’environnement, tandis que seulement 12 % est incinéré et 9 % est recyclé. Malgré une augmentation considérable du recyclage au cours des quatre dernières décennies, le recyclage du plastique non fibre reste bloqué à 18 %, avec presque aucun fil textile recyclé. Cette stagnation est largement due aux limites de la forme dominante de recyclage, qui consiste à transformer les déchets plastiques en nouvelles formes par la chaleur et la force mécanique, où la qualité d’entrée est importante.

Dans ce contexte, de plus en plus d’entreprises à travers le monde prennent des mesures pour réduire l’utilisation du plastique conventionnel et le remplacer par des alternatives plus durables et respectueuses de l’environnement.

Les plastiques biodégradables comprennent les bioplastiques dont les composants sont dérivés de matières premières renouvelables et les plastiques contenant des additifs biodégradables pour améliorer leur biodégradation.

Les bioplastiques sont généralement fabriqués à partir de polymères d’origine biologique et peuvent contribuer à des cycles de vie plastiques commerciaux plus durables. Ici, les polymères sont issus de matières premières renouvelables ou recyclées. Les plastiques d’origine biologique ont tendance à présenter une empreinte carbone plus faible comparée aux plastiques d’origine fossile. Ils démontrent également des propriétés matérielles avantageuses et peuvent être compatibles avec les filières de recyclage existantes.

Tout cela, combiné à une prise de conscience croissante, à la recherche et aux investissements dans l’industrie du plastique, a conduit à une présence accrue des plastiques biodégradables dans notre quotidien.

Bien que nous soyons loin de pouvoir éliminer de manière significative le plastique conventionnel de nos vies, de nombreuses initiatives encourageantes sont en cours. Cela inclut la recherche de matériaux biodégradables pour fabriquer des produits. Bien sûr, il est difficile de remplacer le plastique dans de nombreuses applications, mais dans un avenir proche, de nombreux produits seront fabriqués de manière plus écologique.

Les produits respectueux de l’environnement ont gagné en popularité dans le secteur de l’emballage alimentaire, qui représente environ 39 % du total des plastiques produits. Cela souligne clairement le vaste potentiel des plastiques biodégradables dans l’industrie. Par exemple, selon le produit, les bouteilles en plastique pourraient être remplacées par des matériaux biodégradables, trouvant des applications non seulement dans l’emballage alimentaire mais aussi dans les nutraceutiques.

Les plateaux alimentaires constituent un autre bon exemple (en plus des cuillères, cuillères à café, fourchettes et tasses) où l’utilisation de matériaux biodégradables pourrait permettre de jeter à la fois le contenant et son contenu dans une même poubelle. D’autres produits adoptant des matériaux biodégradables comprennent les capsules de café, les sacs pour les fruits et légumes, et les sacs poubelle.

Les plastiques biodégradables offrent un large éventail de possibilités pour fabriquer une diversité d’emballages tout en répondant mieux aux besoins de nombreuses applications d’emballage, telles que la flexibilité, l’imprimabilité et les améliorations de barrière.

Données récentes indiquent que le marché mondial de l’emballage biodégradable possède un potentiel de croissance énorme ; en 2022, il était évalué à environ 87 milliards de dollars, et d’ici 2029, il devrait croître à un TCAC de 6,96 %. Parmi tous les sous‑segments, le plastique est le plus lucratif et devrait se développer plus rapidement que tout autre type de matériau.

En particulier, le bioplastique, une alternative prometteuse aux polymères à base de pétrole, a le potentiel de réduire à la fois notre dépendance aux combustibles fossiles et les émissions qui contribuent au changement climatique.

Les plastiques biodégradables les plus courants actuellement disponibles sont dérivés de l’amidon ou de la cellulose, incluant l’acide polylactique (PLA), le poly‑3‑hydroxybutyrate (PHB) et les polyhydroxyalkanoates (PHA). Ces matériaux sont souvent utilisés dans les industries des boissons, pharmaceutiques, de soins personnels et ménagers, car ils sont recyclables et biodégradables.

Au‑delà de l’emballage, les plastiques biodégradables peuvent être appliqués dans l’agriculture, où ils peuvent être utilisés comme paillis, qui est assez coûteux à recycler. Un paillis compostable éliminerait le besoin de collecter les déchets, car il disparaîtrait en quelques mois sans laisser de microplastiques qui persisteraient pendant des décennies.

Bien qu’il existe de nombreux avantages et applications, les plastiques biodégradables présentent des compromis en termes de coûts plus élevés et d’impacts agricoles négatifs. Cependant, les méthodes biologiques et chimiques émergentes, les avancées technologiques, les incitations financières et des réglementations claires peuvent aider à l’application à grande échelle des bioplastiques et générer un impact durable.

Ainsi, les chercheurs investiguent activement de meilleurs matériaux et des méthodes de production plus propres pour des propriétés améliorées et des applications de nouvelle génération. Avec 43,5 %, l’Europe mène actuellement la fabrication commerciale de bioplastiques, qui devrait atteindre 7,6 millions de tonnes d’ici 2026. 

Conclusion

Après des années d’études, il est désormais bien établi que les microplastiques s’accumulent dans tous les environnements physiques, tels que les masses d’eau, le sol et les précipitations, et sont même dispersés dans l’air. En raison de leur omniprésence, les microplastiques font désormais partie de la chaîne alimentaire, et les preuves suggèrent qu’ils peuvent causer des dommages importants aux humains, aux animaux et aux écosystèmes.

Cela a stimulé la recherche sur les matériaux biodégradables, qui offrent une alternative plus respectueuse de l’environnement aux plastiques traditionnels. En plus du développement de nouveaux matériaux, des efforts sont en cours pour mettre en place des normes universelles. De plus, il est nécessaire de changer les comportements afin d’utiliser moins de plastique et d’augmenter l’usage de produits fabriqués à partir de bioplastiques.  

Ensemble, ils ont certainement le potentiel d’avoir un impact positif en atténuant la crise des déchets plastiques et les émissions de carbone. Cependant, il est important de noter que même le plastique biodégradable nécessite des conditions de compostage appropriées pour tenir ses promesses. Dans l’ensemble, nous faisons des pas progressifs vers un avenir plus vert.

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