Microbial ecology associated to plastic biodegradability in marine environment
Écologie microbienne associée à la biodégradabilité des plastiques en milieu marin
Résumé
Limiting plastic pollution has become a priority to limit already existing impacts on natural ecosystems. Manufacturing of so-called biodegradable plastics is part of the solutions willing to limit this pollution. However, standard methods (ISO, AFNOR, ASTM…) validating plastics biodegradability in aquatic environments have been highly criticized in the scientific literature, especially for their lack of relevance towards the natural environment. This thesis aims at strengthening the knowledge on plastic biodegradability in aquatic environments and proposing new insights for improving the current standard methods, while focusing on bacterial communities associated to these plastic debris in natural environment, referred to as the “plastisphere”. The first part of this work focuses on the microbial communities associated to floating plastic debris on the river-sea continuum, thanks to an 8-month campaign on 9 European rivers (the Tara Microplastic mission, supported by the Tara Oceans foundation). Indeed, it is estimated that 80% of plastic debris found at sea are land-based, arriving at sea through the rivers. The taxonomic study of plastic-associated communities showed a clear distinction between plastisphere from sea and riverine samples (included pathogens). The second part of this work focuses on protocols for the evaluation of plastic biodegradability at sea. A miniaturized experimental design allowed to generate numerous experimental conditions and replicates to test the influence of test medium (natural or synthetic sea water), but also the bacterial inoculum diversity (sea water or natural bacterial biofilm) and its concentration (104, 105 and 106 cells per mL) on different polymer types (polyethylene-PE, polyhydroxyalkanoates-PHA and cellulose). Bacterial activities (respirometry, heterotrophic bacterial production), biodegradation products (oligomers) and nutrients concentration were monitored during 90 days of incubation. These experiments highlighted the relevance of using a preselected inoculum (1-month mature biofilm grown on the tested polymer) and to follow the possible nutrients limitations (nitrogen and phosphorus) for biodegradability testing in conditions close to the natural conditions. The third part of this work is an application of the testing method for the study of the marine biodegradability of 7 formulas of PHA exhibiting various chemical compositions and physical properties. Our tests indicate that PHA biodegradability is tightly related to the presence of hydroxybutyric acid monomers, which is the most widespread PHA monomer and also the most targeted by microbial enzymes responsible of their biodegradation. This PhD work contributes to a better understanding of microbial ecology related to plastic biodegradability at sea and paves the way for improving the standard methods for testing of marine plastic biodegradability.
La lutte contre la pollution plastique est devenue une priorité afin de limiter les impacts déjà visibles sur les écosystèmes naturels. La production de plastiques dits biodégradables est aujourd’hui une composante de la stratégie globale envisagée par les états pour lutter contre cette pollution. Cependant, les tests normatifs (ISO, AFNOR, ASTM…) qui valident la biodégradabilité des plastiques en milieu aquatique ont été largement critiqués dans la littérature scientifique, notamment pour leur manque de représentativité du milieu naturel. L’objectif de cette thèse est de renforcer les connaissances sur la biodégradabilité des plastiques en milieu aquatique et de proposer des pistes d’amélioration des normes actuelles. Une attention particulière s’est portée sur les communautés microbiennes qui colonisent les plastiques en milieu naturel, la « plastisphère ». La première partie de cette thèse porte sur l’analyse des communautés bactériennes associées aux débris plastiques flottant le long du continuum fleuve-mer, grâce à une campagne d’échantillonnage de 8 mois réalisée le long de 9 grands fleuves européens (mission Tara Microplastiques, soutenue par la fondation Tara Océans). On estime en effet que 80% des déchets trouvés en mer proviennent du continent en transitant par les fleuves. Cependant, les études sur la plastisphère en eau douce sont encore peu nombreuses. L’étude taxonomique des communautés associées à ces débris flottants a permis de mettre en évidence des distinctions claires entre les plastisphères en eau douce et en mer, suggérant un faible transfert des communautés du fleuve vers la mer (y compris pathogènes). La deuxième partie de ce travail concerne les méthodes d’évaluation de la biodégradabilité des plastiques en milieu marin. La miniaturisation des tests nous a permis d’augmenter le nombre de conditions et de réplicas analysés pour tenir compte de l’effet du milieu utilisé (eau de mer naturelle ou artificielle), mais également de la diversité de l’inoculum bactérien (eau de mer naturelle ou biofilm bactérien naturel) et de sa concentration (104, 105, 106 cellules par mL) sur différents types de polymères (polyethylène-PE, polyhydroxyalcanoate-PHA et cellulose). L’évolution des activités bactériennes (respirométrie, production hétérotrophe bactérienne), des produits de biodégradation (oligomères) et des concentrations en sels nutritifs ont été analysés pendant 90 jours d’incubation. Ces expériences ont permis de mettre en évidence l’importance d’utiliser un inoculum présélectionné (biofilm mature qui se développe sur le polymère testé pendant au moins un mois) et de suivre les limitations possibles en éléments nutritifs (azote et phosphore) pour réaliser ces tests dans des conditions les plus proches possible du milieu naturel. La troisième partie de cette thèse est une application de la méthode miniaturisée à l’étude de la biodégradabilité de sept formes de PHA ayant des compositions chimiques et des propriétés physiques différentes. Nos tests indiquent que la biodégradabilité des PHA est étroitement liée à la présence de monomère d’acide hydroxybutyrate (HB), qui est à la fois le monomère le plus produit par les organismes qui synthétisent des PHA, mais aussi le plus ciblé par les enzymes des microorganismes responsables de leur dégradation. Ces travaux de thèse contribuent à une meilleure compréhension l’écologie microbienne associée à la biodégradabilité des plastiques en mer et ouvrent de nouvelles perspectives pour l’amélioration des méthodes utilisées dans les normes de biodégradation des plastiques dans l’environnement.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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