Peut-on trouver dans la nature des bactéries qui dégradent le plastique ?

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Le plas­tique est pré­sent par­tout dans nos socié­tés indus­tria­li­sées ain­si que dans l’en­vi­ron­ne­ment. Son uti­li­sa­tion conduit à des rejets dans l’en­vi­ron­ne­ment et notam­ment à son accu­mu­la­tion dans les mers et océans. Un exemple mar­quant de ces rejets consiste en la for­ma­tion d’un “sep­tième conti­nent” com­po­sé de débris de plas­tique, dans l’o­céan Pacifique. Ces débris de plas­tique sont retrou­vés sous forme d’ob­jets mais aus­si de micro-par­ti­cules de plas­tique issues de la dégra­da­tion de ces objets. Ces micro-par­ti­cules d’une taille de moins 5 mm sont une niche éco­lo­gique poten­tielle pour des microbes. Des recherches scien­ti­fiques visent à iden­ti­fier quels sont les micro-orga­nismes qui se déve­loppent sur le plas­tique ?

Petit rappel, c’est quoi le plastique ?

D’un point de vue chi­mique, le plas­tique est com­po­sé d’une struc­ture chi­mique de base (mono­mère) se répé­tant. On parle de poly­mère pour dési­gner cette répé­ti­tion. En fonc­tion du poly­mère uti­li­sé, plu­sieurs types de plas­tiques (avec des pro­prié­tés dif­fé­rentes) peuvent être obte­nus. Par exemple le poly­éthy­lène à basse den­si­té est basé sur une répé­ti­tion de la struc­ture chi­mique (-CH2-CH2-) for­mant des chaines. Le plas­tique est com­po­sés prin­ci­pa­le­ment de car­bone qui est un élé­ment de base pour la chi­mie des orga­nismes vivants.

Structure chi­mique du poly­éthy­lène à basse den­si­té. L’unité de base du poly­mère est entou­ré par des cro­chets verts sur la figure. Les chaines du poly­éthy­lène peuvent être linéaires ou rami­fiées. De nom­breux addi­tifs peuvent être ajou­tés à cette molé­cule de base pour chan­ger ses pro­prié­tés phy­si­co-chi­miques.

Les débris flottants de plastique, un nouvel écosystème

Des éco­sys­tèmes se mettent en place sur ces mor­ceaux de plas­tique flot­tant dans les océans. Le terme de plas­ti­sphère a été pro­po­sé, en 2013, pour dési­gner ce nou­vel éco­sys­tème. De nom­breux micro-orga­nismes sont retrou­vés à a sur­face de ces micro-par­ti­cules de plas­tique : bac­té­ries, micro-algues, moi­sis­sures, …

Schéma micro­sco­pique d’une micro-par­ti­cule et des micro-orga­nismes pré­sents à sa sur­face. Les micro-par­ti­cules issues de la dégra­da­tion d’ob­jets en plas­tique sont une niche éco­lo­gique pour un grand nombre de micro-orga­nismes. Certains vont se nour­rir direc­te­ment du plas­tique. D’autres vont pro­fi­ter de la lumière du soleil pour se nour­rir via la pho­to­syn­thèse. Des pré­da­teurs peuvent éga­le­ment se nour­rir des orga­nismes pré­sents sur ces par­ti­cules.

Des bac­té­ries capables de se nour­rir de plas­tique et de l’u­ti­li­ser comme source de car­bone sont retrou­vées sur ces frag­ments de plas­tique. Ces bac­té­ries per­mettent donc la bio­dé­gra­da­tion du plas­tique. Néanmoins, le rythme de bio­dé­gra­da­tion est très long. Par exemple, une équipe de recherche indienne avait immer­gé des mor­ceaux de plas­tique (entre 20 et 35 g) dans le golfe du Bengale (océan Indien) pour étu­dier leur bio­dé­gra­da­tion. Ces mor­ceaux de plas­tique ont per­du au maxi­mum 1,9 % de leur masse en 12 mois. Souvent les bac­té­ries, trou­vées asso­ciées à ces débris, se déve­loppent sur le plas­tique en for­mant des bio­films.

Les atomes de car­bone pré­sents dans le plas­tique peuvent être uti­li­sés par les bac­té­ries pour pro­duire diverses molé­cules (sucres, lipides, pro­téines, ADN, …). Pour récu­pé­rer ce nutri­ment, les bac­té­ries pro­duisent des enzymes pour “frag­men­ter” les chaines de plas­tique en petits frag­ments qu’elles peuvent ensuite assi­mi­ler. Après avoir uti­li­sés ces molé­cules, des “déchets” cel­lu­laires sont libé­rés dans l’en­vi­ron­ne­ment par les bac­té­ries. Ces “déchets” pour­ront ensuite être uti­li­sés comme nutri­ments par d’autres micro-orga­nismes for­mant ain­si une chaine ali­men­taire.

Les objets en plas­tique peuvent subir une étape de frag­men­ta­tion ne fai­sant pas inter­ve­nir d’or­ga­nismes vivants. On parle d’é­tape abio­tique pour dési­gner ces pro­ces­sus phy­si­co-chi­miques. Cela peut-être due à la force méca­nique des vagues ou aux rayons solaires. À par­tir de ces frag­ments, des micro-orga­nismes sont capables de dégra­der les poly­mères de plas­tique via des enzymes. Elles peuvent ensuite uti­li­ser comme nutri­ments les molé­cules obte­nues.

Des micro-orga­nismes n’in­ter­ve­nant pas dans la bio­dé­gra­da­tion du plas­tique sont aus­si pré­sents dans cet éco­sys­tème. On retrouve, par exemple, sur ces débris de plas­tique, des micro-algues et des bac­té­ries pho­to­trophes (ex : cya­no­bac­té­ries) capables d’u­ti­li­ser la lumière du soleil dans le cadre de la pho­to­syn­thèse. Des micro-orga­nismes uni ou plu­ri-cel­lu­laires se nour­ris­sant de bac­té­ries sont aus­si pré­sents dans cet éco­sys­tème. Ceux-ci jouent un rôle de pré­da­teur vis-à-vis des bac­té­ries.

La plastisphère : une source de danger ?

Les micro-orga­nismes pré­sents dans cet éco­sys­tème peuvent éga­le­ment être néfastes pour la san­té ou pour des acti­vi­tés humaines. Des bac­té­ries du genre Vibrio ont été retrou­vées sur ces mor­ceaux de plas­tique. Parmi ce genre bac­té­rien, on retrouve notam­ment Vibrio cho­le­rae, une bac­té­rie patho­gène, res­pon­sable du cho­lé­ra ain­si que d’autres souches res­pon­sables de mala­dies chez les pois­sons. Des espèces de micro-algues toxiques ou impli­quées dans des efflo­res­cences algales (bloom en anglais) peuvent éga­le­ment être retrou­vées dans ces éco­sys­tèmes. Ces micro-orga­nismes peuvent impac­ter les cultures pis­ci­coles ain­si que les acti­vi­tés tou­ris­tiques au niveau des côtes. En plus de four­nir un “habi­tat” pour ces micro-orga­nismes, ces frag­ments de plas­tiques trans­por­tés par les flots pour­raient aus­si jouer un rôle dans la dis­sé­mi­na­tion de ces microbes.

Identification des bactéries présentes sur le plastique

Pour mieux com­prendre ce nou­vel éco­sys­tèmes, des scien­ti­fiques Belges ont étu­dié les bac­té­ries pré­sentes sur ces frag­ments de plas­tique. Pour cela, des pré­lè­ve­ments ont été réa­li­sés en mer Méditerranée près de la Corse. En effet, la mer Méditerranée est l’une des mers avec la plus forte den­si­té de plas­tique. Des débris de plas­tiques flot­tant à la sur­face de l’eau ont été pré­le­vés. Des frag­ments de plas­tique ayant sédi­men­té dans le sable ont éga­le­ment été pré­le­vés.

Les bac­té­ries pré­sentes sur les débris plas­tique, flot­tants à la sur­face ou ayant sédi­men­té, sont com­pa­rées. L’ADN des bac­té­ries pré­sentes dans ces échan­tillons est extrait puis puri­fié. Les ADN obte­nus sont ensuite séquen­cés. La com­pa­rai­son de ces séquences avec celles pré­sentes dans des bases de don­nées per­met d’i­den­ti­fier les bac­té­ries pré­sentes.

Les bac­té­ries, pré­sentes sur ces débris, ont été iden­ti­fiées en uti­li­sant une séquence de leur ADN : l’ADNr 16S. Cette séquence d’ADN est consi­dé­rée comme un bio­mar­queur car elle serait spé­ci­fique à chaque espèce bac­té­rienne. Elle peut être consi­dé­rée comme un “code barre”. En com­pa­rant ces séquences à celles pré­sentes dans des bases de don­nées, il est pos­sible d’i­den­ti­fier les bac­té­ries pré­sentes dans la plas­ti­sphère.

Ce recen­se­ment a per­mis de mettre en évi­dence la pré­sence de cer­taines bac­té­ries uni­que­ment au niveau des débris de plas­tique et leur absence dans les sédi­ments aux alen­tours. Certaines bac­té­ries iden­ti­fiées sont spé­ci­fiques aux débris de plas­tiques flot­tants ou ayant sédi­men­té. Cette étude a per­mis pour la pre­mière fois de mon­trer des dif­fé­rences de com­mu­nau­té bac­té­rienne entre des débris de plas­tique pro­ve­nant de la même zone géo­gra­phique mais de pro­fon­deurs dif­fé­rentes.

Recherche de bactéries dégradant le plastique

En plus de réa­li­ser un “recen­se­ment” des bac­té­ries pré­sentes, les scien­ti­fiques belges ont aus­si cher­ché la pré­sence de bac­té­ries capables de dégra­der les frag­ments de plas­tique. Pour cela des cultures bac­té­riennes sont réa­li­sées dans un milieu avec une com­po­si­tion se rap­pro­chant de celle de l’eau de mer. Les bac­té­ries issues des pré­lè­ve­ments en Méditerranée sont ajou­tées dans ce milieu ain­si que des frag­ments de plas­tique. Au bout de deux mois, l’é­tat des frag­ments de plas­tique est obser­vé à l’œil nu.

Schéma du pro­to­cole visant à étu­dier la bio­dé­gra­da­tion du plas­tique. Le milieu de culture est pauvre en car­bone. La source de prin­ci­pale de car­bone cor­res­pond donc au frag­ment de plas­tique ajou­té dans le milieu. Les cultures sont réa­li­sées pen­dant deux mois à 30 °C et avec une agi­ta­tion.

Après deux mois de culture, la for­ma­tion d’un bio­film et une bio­dé­gra­da­tion du plas­tique sont obser­vées. Les frag­ments de plas­tiques sont éga­le­ment pesés pour pou­voir quan­ti­fier leur dégra­da­tion. Les mor­ceaux de plas­tique sont aus­si étu­diés par micro­sco­pie élec­tro­nique et montrent des signes de fis­sures et de dégra­da­tion après la culture en pré­sence des bac­té­ries issues des débris plas­tiques de la Méditerranée. La liste des bac­té­ries pré­sentes ini­tia­le­ment est com­pa­rée à celle des bac­té­ries pré­sentes en fin de culture.

La bac­té­rie Alcanivorax bor­ku­men­sis (A. bor­ku­men­sis) est retrou­vée de façon impor­tante après la culture avec du plas­tique poly­éthy­lène basse den­si­té. En fin de culture, elle repré­sente 60 % des bac­té­ries pré­sentes dans le milieu alors qu’elle était ini­tia­le­ment pré­sente à juste 0,2 %. Ce fort enri­chis­se­ment peut être expli­qué par le fait que cette bac­té­rie soit “spé­cia­li­sée” dans la bio­dé­gra­da­tion de ce plas­tique contrai­re­ment aux autres bac­té­ries pré­sentes ini­tia­le­ment. Le plas­tique étant la prin­ci­pale source de car­bone de ce milieu, cette espèce bac­té­rienne peut donc se déve­lop­per for­te­ment contrai­re­ment aux autres bac­té­ries inca­pables d’u­ti­li­ser cette source de nutri­ments.

Alcanivorax borkumensis une bactérie qui dégrade le plastique

La souche bac­té­rienne A. bor­ku­men­sis iden­ti­fiée dans cette étude était déjà connue pour sa capa­ci­té à se nour­rir de com­po­sés hydro­car­bo­nés issus du pétrole. Elle est d’ailleurs capable de se nour­rir uni­que­ment avec ces com­po­sés. A. bor­ku­men­sis, a été retrou­vée en faible quan­ti­té dans tous les océans du monde. Par contre, lors de pol­lu­tion mari­time par des hydro­car­bures, elle est retrou­vée en forte quan­ti­té.

Alcanivorax bor­ku­men­sis est une bac­té­rie capable de se nour­rir à par­tir d’hy­dro­car­bures et aus­si de plas­tique. Elle est retrou­vée en forte abon­dance dans les zones mari­times pol­luées par du pétrole. Le nom de l’es­pèce Alcanivorax pro­vient des mots latins alca­num (hydro­car­bone) et de vorax (glou­ton). Le nom de souche bor­ku­men­sis pro­vient lui de l’île de Borkum, dans la mer du Nord, près de laquelle cette bac­té­rie a été iso­lée.

A. bor­ku­men­sis est une souche modèle pour l’é­tude de la bio­dé­gra­da­tion du pétrole. Cette étude révèle pour la pre­mière fois sa capa­ci­té à se dégra­der le poly­éthy­lène basse den­si­té un plas­tique issu du pétrole.

Perspectives de l’étude

Cette étude per­met de mieux com­prendre cet éco­sys­tème créé par les acti­vi­tés humaines. Les bac­té­ries se nour­ris­sant de plas­tique ne vont pas régler à elles seules cette pol­lu­tion des océans. Cependant, l’i­den­ti­fi­ca­tion de nou­velles bac­té­ries capables de dégra­der le plas­tique ouvre des pers­pec­tives. Ces bac­té­ries pour­ront faire par­tie des acteurs pour lut­ter contre cette pol­lu­tion. Il fau­dra néan­moins pas­ser par des étapes d’optimisations pour trou­ver les bonnes condi­tions pour la culture de ces bac­té­ries.

Référence de l’étude

Delacuvellerie, A., Valentine, C., Gobert, S., Benali, S., & Wattiez, R., (2019). The plas­tis­phere in marine eco­sys­tem hosts poten­tial spe­ci­fic micro­bial degra­ders inclu­ding Alcanivorax bor­ku­men­sis as a key player for the low-den­si­ty poly­ethy­lene degra­da­tion. Journal of Hazardous Materials. Volume 380, 120899 doi​.org/​10​.​1016​/​j​.​j​h​a​z​m​a​t​.​2019​.​120899 (lien)


Bibliographie com­plé­men­taire

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