Une nouvelle étude publiée dans le Journal des Matériaux Dangereux par des chercheurs des jardins botaniques royaux de Kew et des partenaires a identifié un microbiome diversifié de champignons et de bactéries dégradant le plastique dans les marais salants côtiers du Jiangsu, en Chine.
L’équipe internationale de scientifiques a dénombré un total de 184 souches fongiques et 55 bactériennes capables de décomposer la polycaprolactone (PCL), un polyester biodégradable couramment utilisé dans la production de divers polyuréthanes. Parmi celles-ci, les souches bactériennes des genres Jonesia et Streptomyces ont le potentiel de dégrader davantage d’autres polymères à base de pétrole – des chaînes naturelles ou synthétiques de molécules liées ensemble.
Les micro-organismes dégradant le plastique ont été échantillonnés en mai 2021 à Dafeng dans l’est de la Chine, un site protégé par l’UNESCO près de la côte de la mer Jaune. L’échantillonnage a confirmé la présence d’une plastisphère terrestre, un terme relativement nouveau en écologie terrestre puisque les études antérieures se sont principalement concentrées sur les milieux marins. Le microbiome de cette « niche écologique artificielle » de débris plastiques côtiers s’est en outre révélé distinct du sol environnant.
Les scientifiques étudient de plus en plus les micro-organismes, tels que les champignons et les bactéries, pour aider à relever certains des défis les plus urgents de l’ère moderne, notamment la marée montante de la pollution plastique. Selon le Programme des Nations Unies pour l’environnement (PNUE), 400 millions de tonnes de déchets plastiques sont produits chaque année, avec une forte augmentation des niveaux de pollution plastique depuis les années 1970. Les chercheurs espèrent cependant que des réponses à ce problème pourront être trouvées dans la plastisphère.
Des recherches antérieures ont déjà reconnu le potentiel des micro-organismes pour lutter contre les déchets plastiques ; une étude menée en 2017 par des chercheurs chinois et pakistanais a identifié une souche du champignon Aspergillus tubingensis qui décomposait le plastique dans une décharge à Islamabad, au Pakistan. À ce jour, 436 espèces de champignons et de bactéries dégradent le plastique et les scientifiques et partenaires de Kew pensent que leurs dernières découvertes pourraient conduire au développement d’enzymes efficaces conçues pour dégrader biologiquement les déchets plastiques.
La recherche arrive avant la Journée mondiale de l’environnement 2023 le 5 juin, dont le thème est de trouver des solutions à la crise des déchets plastiques dans le cadre de la campagne #BeatPlasticPollution.
Le Dr Irina Druzhinina, responsable principale de la recherche sur la diversité fongique et la systématique chez RBG Kew, déclare : « Les microbiologistes à tous les niveaux se sentent responsables de trouver des solutions au traitement écologique des déchets plastiques, car les bactéries et les champignons seront les premiers organismes à apprendre à traiter ce nouveau matériau. Nous ne doutons pas que les microbes trouveront des moyens de dégrader efficacement le plastique, mais cela peut prendre des milliers d’années si nous laissons la nature suivre son cours. C’est pourquoi notre tâche consiste à utiliser les connaissances que nous possédons déjà de la biologie microbienne, pour accélérer et diriger l’évolution des microbes et de leurs gènes individuels pour faire le travail maintenant. »
En raison de leur longévité et de leur surface hydrophobe, les plastiques des écosystèmes aquatiques ont créé une sorte de « récif microbien » auquel les champignons et les bactéries peuvent s’attacher. Et dans le cas de certains plastiques biodégradables, ils peuvent fournir aux microbes une source de carbone à métaboliser, une source de nourriture. À Dafeng, les chercheurs ont collecté 50 échantillons de déchets plastiques provenant de sept types différents de polymères à base de pétrole : polyéthylène téréphtalate (PET), polystyrène expansé (EPS), polyéthylène (PE), polyuréthane (PU), polyamide (PA), polypropylène ( PP) et chlorure de polyvinyle (PVC).
Parmi les échantillons, les chercheurs ont identifié 14 genres de champignons, dont les phytopathogènes Fusarium et Neocosmospora. Les champignons phytopathogènes tirent leurs nutriments des plantes, mais le font d’une manière qui nuit à leur hôte. Les résultats de l’étude indiquent que ces champignons pourraient mieux dégrader les plastiques PCL et autres polymères synthétiques que les champignons saprotrophes, des champignons qui se nourrissent de restes de plantes et d’animaux morts.
Le Dr Druzhinina ajoute : « La niche écologique des marais salants de Dafeng est précisément la raison pour laquelle nous avons choisi d’étudier les communautés microbiennes présentes dans les déchets plastiques là-bas, et jusqu’à présent, nos découvertes se sont avérées à la fois passionnantes et prometteuses.
Dans la nature, les champignons jouent un rôle clé dans la décomposition de la matière organique et son déplacement dans le cycle du carbone. Au cours de millions d’années, la capacité de décomposer de nombreux polymères complexes et naturels, tels que la cellulose, a évolué. En fait, les enzymes sécrétées par les champignons sont extrêmement efficaces pour décomposer les composés organiques complexes, notamment les glucides et les protéines.
Outre les champignons de Dafeng, l’équipe de recherche a reconnu deux genres de bactéries, Streptomyces et le genre Jonesia récemment découvert, comme des candidats prometteurs pour la dégradation du plastique. En particulier, l’espèce Jonesia cf. Quinghaiensis dominait les 55 souches bactériennes échantillonnées.
Xuesong Li, étudiant à la maîtrise à l’Université agricole de Nanjing, en Chine, déclare : « L’opportunité de travailler sur un projet avec des solutions potentiellement percutantes pour lutter contre les niveaux croissants de pollution plastique à travers le monde a été un attrait immédiat, d’autant plus qu’il s’agissait de mon premier projet de recherche. Au début, on craignait que nous ne rassemblions pas suffisamment de données à partir d’un seul échantillon, mais les résultats jusqu’à présent ont été accablants et nous avons dû nous empêcher d’isoler de plus en plus de cultures pour étudier leurs caractéristiques. À cet égard, j’ai personnellement préféré travailler avec des champignons, car ces organismes ont un vaste potentiel d’applications bien au-delà de la dégradation du plastique. »
Malgré les nombreux développements passionnants réalisés dans le domaine, les auteurs de l’étude avertissent que notre compréhension des micro-organismes associés au plastique en est encore à ses balbutiements. De nombreuses questions sur ces niches écologiques restent sans réponse et les auteurs de l’étude se sont heurtés à certaines limites dans l’identification précise des souches analysées jusqu’au niveau de l’espèce.
Le Dr Feng Cai, de l’Université Sun Yat-sen à Shenzhen, en Chine, déclare : « Ce qui me frappe le plus, c’est la puissance de la diversité microbienne, surtout si l’on considère à quel point il est difficile de les détecter ; ils sont de taille microscopique, secrets dans la nature et simple en apparence. Cependant, lorsque nous changeons de perspective et que nous les regardons à travers une lentille biochimique, nous accédons à une abondante complexité qui attend notre exploration. Il est vraiment exaltant de réaliser que nous avons à peine effleuré la surface et que nous avons déjà découvert une multitude de ressources potentiellement prometteuses pour les technologies futures. Cette prise de conscience me remplit d’un incroyable sentiment de satisfaction, sachant qu’il reste de nombreuses découvertes à faire et que nos travaux peuvent potentiellement conduire à des avancées significatives dans le domaine.
RBG Kew abrite l’un des plus anciens et des plus grands champignons du monde avec plus de 1,25 million de spécimens, mais le royaume des champignons reste l’un des grands mystères du monde naturel. Les estimations varient, mais il pourrait y avoir plusieurs millions d’espèces à découvrir en plus des plus de 144 000 espèces décrites à ce jour, et les scientifiques sont convaincus que parmi elles se trouvent de nouvelles sources de nourriture, de médicaments et d’autres composés bénéfiques.
Plus d’information:
Guan Pang et al, Le microbiome distinct de la plastisphère dans l’écotone terrestre-marin est un réservoir pour les dégradeurs putatifs de polymères à base de pétrole, Journal des Matériaux Dangereux (2023). DOI : 10.1016/j.jhazmat.2023.131399