Des bactéries tolérantes au sel avec un appétit pour les boues d'épuration produisent des bioplastiques biodégradables

Les bactéries Zobellella denitrificans ZD1 se nourrissent de boues (toutes deux présentes dans le tube à essai) pour fabriquer des bioplastiques biodégradables. Crédit Dr. Kung-Hui (Bella) Chu

« Des bactéries tolérantes au sel avec un appétit pour les boues d'épuration produisent des plastiques biodégradables », source Texas A&M University.

En utilisant une souche bactérienne trouvée dans la mangrove, des chercheurs du Texas A&M ont découvert une méthode durable et peu coûteuse pour produire des bioplastiques à partir de boues d'épuration et d'eaux usées.

Les États-Unis produisent annuellement sept millions de tonnes de boues d'épuration, suffisamment pour remplir 2 500 piscines olympiques. Bien qu'une partie de ces déchets soit réutilisée pour le fumier et d'autres applications terrestres, une quantité substantielle est toujours éliminée dans les décharges. Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'Université Texas A&M ont découvert un moyen efficace d'utiliser les restes de boues pour fabriquer des plastiques biodégradables.

Dans le numéro de septembre de la revue Omega de l'American Chemical Society (ACS), les chercheurs rapportent que la bactérie Zobellella denitrificans ZD1, retrouvée dans une mangroves peut consommer des boues et des eaux usées pour produire du polyhydroxybutyrate, un type de biopolymère qui peut être utilisé à la place de plastiques à base de pétrole. En plus de réduire le fardeau sur les décharges et l'environnement, les chercheurs ont dit que Zobellella denitrificans ZD1 offre un moyen de réduire les coûts en amont de la fabrication des bioplastiques, une étape vers des prix plus compétitifs par rapport aux plastiques ordinaires.

«Le prix des matières premières pour cultiver des bactéries productrices de biopolymères représente 25 à 45% du coût de production total de la fabrication de bioplastiques. Certes, ce coût peut être considérablement réduit si nous pouvons exploiter une ressource alternative moins chère et facilement accessible», a déclaré Kung-Hui (Bella) Chu, professeur au Zachry Department of Civil and Environmental Engineering. «Nous avons démontré un moyen potentiel d'utiliser des boues activées par les eaux usées municipales et les eaux usées industrielles de l'agriculture et de l'aquaculture pour fabriquer des plastiques biodégradables. De plus, la souche bactérienne ne nécessite pas de processus de stérilisation élaborés pour éviter la contamination par d'autres microbes, réduisant encore davantage l'exploitation. et les coûts de production des bioplastiques.»

Le polyhydroxybutyrate, une classe émergente de bioplastiques, est produit par plusieurs espèces bactériennes lorsqu'elles subissent un déséquilibre des nutriments dans leur environnement. Ce polymère agit comme des réserves énergétiques supplémentaires de la bactérie, comme les amas graisseux chez les animaux. En particulier, une abondance de sources de carbone et un épuisement de l'azote, du phosphore ou de l'oxygène poussent les bactéries à consommer de manière erratique leurs sources de carbone et à produire du polyhydroxybutyrate en réponse au stress.

Un tel milieu qui peut forcer les bactéries à fabriquer du polyhydroxybutyrate est le glycérol brut, un sous-produit de la fabrication de biodiesel. Le glycérol brut est riche en carbone et ne contient pas d'azote, ce qui en fait une matière première appropriée pour la fabrication de bioplastiques. Cependant, le glycérol brut contient des impuretés telles que des acides gras, des sels et du méthanol, qui peuvent empêcher la croissance bactérienne. Comme le glycérol brut, les boues d'eaux usées contiennent également plusieurs des mêmes acides gras et sels. Chu a dit que les effets de ces acides gras sur la croissance bactérienne et, par conséquent, sur la production de polyhydroxybutyrate n'avaient pas encore été examinés.

«Il existe une multitude d'espèces bactériennes qui produisent du polyhydroxybutyrate, mais seules quelques-unes qui peuvent survivre dans des environnements à forte teneur en sel et encore moins parmi ces souches peuvent produire du polyhydroxybutyrate à partir de glycérol pur», a dit Chu. «Nous avons examiné la possibilité de savoir si ces souches tolérantes au sel peuvent également se développer sur du glycérol brut et des eaux usées.»

Pour leur étude, Chu et son équipe ont choisi Zobellella denitrificans ZD1, dont l'habitat naturel est les eaux salées des mangroves. Ils ont ensuite testé la croissance et la capacité de cette bactérie à produire du polyhydroxybutyrate dans du glycérol pur. Les chercheurs ont également répété les mêmes expériences avec d'autres souches bactériennes qui sont des producteurs connus de polyhydroxybutyrate. Ils ont découvert que Zobellella denitrificans DZ1 était capable de prospérer dans du glycérol pur et produisait la quantité maximale de polyhydroxybutyrate proportionnellement à son poids sans eau.

Ensuite, l'équipe a testé la croissance et la capacité de Zobellella denitrificans ZD1 à produire du polyhydroxybutyrate dans du glycérol contenant du sel et des acides gras. Ils ont constaté que même dans ces conditions, les bactéries produisaient du polyhydroxybutyrate efficacement, même dans des conditions nutritives équilibrées. Lorsqu'ils ont répété les expériences sur des échantillons d'eaux usées synthétiques à haute résistance et de boues activées par les eaux usées, ils ont découvert que les bactéries étaient toujours capables de fabriquer du polyhydroxybutyrate, bien qu'à des quantités inférieures à celles du glycérol brut.

Chu a noté qu'en tirant parti de la tolérance de Zobellella denitrificans ZD1 pour les environnements salés, les processus de stérilisation coûteux qui sont normalement nécessaires lorsque l'on travaille avec d'autres souches de bactéries pourraient être évités.

«La préférence naturelle de Zobellella denitrificans ZD1 pour la salinité est fantastique car nous pouvons, si nécessaire, modifier la composition chimique des déchets en ajoutant simplement des sels communs. Cet environnement serait toxique pour d'autres souches de bactéries», a-t-elle dit. «Donc, nous offrons un faible coût, une méthode durable pour fabriquer des bioplastiques et une autre façon de réutiliser les biodéchets dont l'élimination est coûteuse.»