D. LE PASSAGE DES MACROPLASTIQUES AUX MICROPLASTIQUES ET NANOPLASTIQUES : DES PROCESSUS COMPLEXES
1. Des plastiques qui se fragmentent
La formulation des plastiques utilise des additifs pour leur conférer des propriétés de durabilité en les protégeant contre la corrosion (cf. supra ). À ce titre les plastiques peuvent apparaître comme particulièrement résistants, voire inaltérables. Cette idée des plastiques qui ne seraient pas dégradables est fausse. Abandonnés dans l'environnement, les plastiques se dégradent, selon des cinétiques qui dépendent de facteurs abiotiques (paramètres physiques et chimiques) et biotiques (microorganismes) . La dégradation des plastiques se traduit par leur fragmentation en particules de dimensions de plus en plus petites.
C'est uniquement lorsque le plastique arrive au stade final de la minéralisation que l'on peut parler de biodégradation complète. Dans toutes les étapes intermédiaires de dégradation (fragmentation, érosion, biodétérioration), il pourra persister dans l'environnement.
2. L'influence des facteurs abiotiques
Une fois dans l'environnement, les plastiques vont subir une dégradation abiotique sous l'effet du rayonnement ultra-violet, de l'oxygène et de l'eau. L'effet conjugué des ultra-violets et de l'oxygène de l'air produit une photo-oxydation 62 ( * ) qui prend naissance en surface du plastique avant de pénétrer dans la profondeur du polymère. La présence d'eau favorise l'hydrolyse 63 ( * ) des plastiques. Le couplage des rayons ultra-violets et de l'eau accélère la dégradation des plastiques par un effet de synergie : l'eau ramollit le plastique qui devient plus fragile à la photo-oxydation.
Différentes actions mécaniques favorisent l'action des rayons ultra-violets, de l'oxygène et de l'eau : les vagues, le vent, l'érosion sableuse, l'alternance de périodes de gel et de dégel, etc.
Les agressions chimiques et physiques auxquelles sont soumis les plastiques dans l'environnement finissent par réduire la matière en fragments de plus petite taille (phénomène de fragmentation).
3. L'influence des facteurs biotiques
Au cours de sa fragmentation, le matériau peut également être progressivement colonisé par des micro-organismes opportunistes (essentiellement des bactéries) qui finissent par coloniser sa surface pour former un biofilm. La capacité d'adhésion et de multiplication par les micro-organismes dépend des propriétés de surface des polymères.
La biodégradation des plastiques est évoquée plus en avant dans le rapport, il s'agit ici d'en détailler les mécanismes.
Pour attaquer le plastique les micro-organismes doivent y trouver un bénéfice énergétique et métabolique. En synthétisant et libérant des exo-enzymes, ils dépolymérisent le plastique, produisant des oligomères qu'ils utilisent comme source de carbone de leur métabolisme. Ce phénomène peut prendre la forme de cométabolisme : un micro-organisme dispose de l'enzyme, l'autre métabolise les oligomères libérés. Les communautés de micro-organismes qui constituent les biofilms évoluent avec l'état de dégradation de la surface du polymère.
Source : Boris Eyheraguibel, Institut de chimie de Clermont-Ferrand.
La dégradation biologique des plastiques en mer : théorie et réalité
La dégradation biologique est en majeure partie réalisée par les micro-organismes, essentiellement des bactéries. Organismes les plus abondant dans les océans (dans chaque litre d'eau de mer, on compte plus de 100 millions de bactéries et plus de 100 espèces différentes), ces micro-organismes ont des capacités métaboliques extrêmement variées et pourraient contribuer à la biodégradation des plastiques à travers quatre étapes successives :
1. La bio-détérioration est engendrée par l'action mécanique du biofilm bactérien qui se forme à la surface du plastique et qui va contribuer à agrandir les fissures déjà présentes. Ce biofilm peut contribuer également à une dégradation chimique via la production de composés acides par certaines bactéries.
2. La bio-fragmentation est l'action d'enzymes libérées à l'extérieur des cellules bactériennes pour cliver les polymères du plastique en séquences plus courtes, oligomères et monomères.
3. L'assimilation consiste au transfert des molécules plastiques de taille inférieure à 600 Da (daltons) dans les cellules bactériennes et à leur transformation en composés cellulaires et en biomasse.
4. La minéralisation correspond à la dégradation complète du plastique en molécules oxydées (CO 2 , N 2 , CH 4 , H 2 O).
Dans les faits, des études ont démontré qu'une souche particulière de bactéries incubée 30 jours sur du polyéthylène photo-oxydé conduisait à la formation d'un biofilm et contribuait à la perte de 8 % du poids sec de plastique. Si d'autres exemples de ce type ont été rapportés dans la littérature scientifique, ces observations reposent néanmoins sur des études en conditions de laboratoire sur une seule espèce bactérienne. Or, le processus en milieu naturel est beaucoup plus complexe puisqu'il fait intervenir de nombreuses espèces bactériennes. Les cinétiques de biodégradation des plastiques en milieu naturel restent encore peu connues et leur étude est rendue complexe par la grande diversité des types de plastiques retrouvés dans l'environnement.
Source : Jean-François Ghiglione, directeur de recherche CNRS au Laboratoire d'Océanographie Microbienne de Banyuls et cofondateur de la start-up Plastic@Sea et Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques.
4. La durée de vie des plastiques dans l'environnement
La cinétique de dégradation dépend de la nature chimique du polymère et des facteurs externes liés au milieu dans lequel il se trouve. Ainsi, le même polyéthylène se dégradera beaucoup plus rapidement en surface de l'océan ou sur une berge avec l'action des ultra-violets qu'au fond de la mer, privé de lumière et d'oxygène. Toutefois, il ne se biodégradera pas.
Ainsi, des études de vieillissement accéléré montrent qu'en immersion, la perte de 10 % de la masse pour le polyamide varie de 6 ans avec oxygène à 25°C à 65 000 ans sans oxygène 64 ( * ) ! En outre, l'état de la recherche ne permet pas de savoir si cette perte de masse est attribuable à un phénomène de fragmentation ou à une bio-assimilation puisque cette dernière ne peut pas être démontrée en milieu naturel ouvert.
La valeur de 400 ans régulièrement citée pour évoquer la cinétique lente de dégradation des plastiques est erronée. En premier lieu, parce qu'elle dépend du type de polymère et oublie l'influence cruciale des conditions du milieu sur le temps de dégradation. En second lieu, parce que cette dégradation se traduit par une fragmentation avec formation de fragments de plus en plus petits dont il est difficile de suivre la trace en-dessous d'une certaine dimension.
La structure du polymère et son procédé de fabrication influencent également sa cinétique de dégradation. Ainsi, les proportions relatives entre les phases cristallines et amorphes qui constituent le polymère déterminent sa sensibilité à la fragmentation. La connaissance de ces devenirs ouvre la possibilité de jouer sur la structure semi-cristalline des plastiques pour modifier leur résistance aux agressions et au vieillissement. Soulignons toutefois qu'il s'agit d'un dilemme avec l'objectif de produire des plastiques résistants et durables.
Actuellement, il n'est pas possible de prédire exactement le devenir des polymères à long terme dans l'environnement, que ce soit dans le sol ou dans l'eau (douce ou marine). Par ailleurs, il n'y a pas forcément consensus sur la définition de la durée de vie des polymères ni sur l'interprétation du terme « dégradation » : s'agit-il de la dégradation ultime en molécules oxydées ou d'une fragmentation suffisamment petite pour ne plus être vue à l'oeil nu ?
Une méta-analyse 65 ( * ) à partir de 255 estimations issues de 57 documents réalisés dans 13 pays différents montre une grande dispersion dans l'estimation des durées de vie des plastiques. Ainsi, à 65 kilomètres de distance, la durée de vie d'un sac de caisse est évaluée à 20 ans par The Woods Hole NOAA Sea Grant office et à 500 ans par le gouvernement local de Nantucket.
Par ailleurs, la méta-analyse conclut qu'aucun document n'a fait l'objet d'une revue par les pairs et que pour 40 % des cas, les sources ne sont pas citées. Il semblerait que les chiffres soient souvent repris d'une étude à l'autre, sans que leur pertinence soit interrogée et vérifiée 66 ( * ) .
Des études récentes ont commencé à mettre en évidence des phénomènes de solubilisation partielle de certains polymères soumis aux UV en phase aqueuse. Ainsi, alors que certains auteurs et les médias annoncent des durées de vie de plusieurs centaines d'années, ces résultats suggèrent que dans certaines conditions d'exposition aux UV, la disparition partielle de ces matériaux pourrait être plus rapide qu'annoncée, ce qui montre la nécessité de poursuivre les recherches sur le devenir ultime des plastiques dans l'environnement.
Pour autant, même si les données sur la durée de vie des déchets plastiques restent lacunaires, de nombreuses études sur les comportements des plastiques à long terme concluent à la persistance des polymères dans l'environnement, notamment dans le milieu marin (milieu très carencé en azote et phosphore, deux éléments essentiels pour le développement des micro-organismes).
* 62 L'oxydation est une réaction chimique par laquelle la matière oxydée perd des électrons, un atome ou une molécule.
* 63 L'hydrolyse est une réaction chimique au cours de laquelle il y a rupture de liaisons atomiques d'une molécule provoquée par la présence d'eau.
* 64 Maelenn Le Gall, Ifremer.
* 65 Collin Ward, Assistant Scientist, Department of Marine Chemistry & Geochemistry, Woods Hole Oceanographic Institution.
* 66 Vos rapporteurs ont constaté qu'il ne s'agissait pas d'un phénomène isolé. En l'absence de données suffisante, il arrive souvent qu'un chiffre soit lancé sans véritable base scientifique, puis qu'il soit repris par l'ensemble des parties prenantes (la communauté scientifique, les associations, les pouvoirs publics). Il en est ainsi pour les parts respectives des activités terrestres et maritimes comme sources de la pollution plastique des mers et des océans. Cette proportion est habituellement fixée à 80 % et 20 % (respectivement pour la part terrestre et maritime) sans qu'aucune démonstration scientifique vienne démontrer cette assertion. Il en est de même pour la quantité de 5 grammes de plastiques qui serait ingérée chaque semaine par tout individu.