Biodégradation des matières plastiques (2) : le polyuréthane

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En ces temps d’angoisse existentielle coronavirale l’actualité semble réduite à sa plus simple expression si on s’amuse à ignorer tout ce qui est relatif à ce virus dont la gestion a été abordée avec une méthode moyenâgeuse dans certains pays. Mais les préoccupations environnementales restent présentes et ici je ne voudrais pas mentionner la fausse nouvelle d’une relation entre cette épidémie et le changement climatique, non ! Il s’agit de l’immense problème du recyclage des matières plastiques qui envahissent la planète, un recyclage raisonné qui évite l’incinération éventuellement toxique pour les êtres vivants ainsi que l’enfouissement, une solution pas satisfaisante non plus. Pour reprendre la rhétorique des écologistes il faut mettre au point un traitement « renouvelable » des matières plastiques, « sustainable » en anglais, la tarte à la crème des écolos. Le cinquième plus commun des polymères est le polyuréthane dont la production atteint près de 4 millions de tonnes chaque année.

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Le polyuréthane est un polymère cristallin de 4,4′-méthylène diphenyl diisocyanate et de toluène-2,4-diisocyanate avec du 4,4′-diisocyanate et du 2,4-diaminotoluène. Le polymère résultant est presque résistant à toute biodégradation en raison de sa structure cristalline. La dégradation de ce produit n’est alors possible que s’il existe un microorganisme capable d’excréter un enzyme qui va attaquer la structure cristalline mais encore faut-il que ce microorganisme ou un autre lui étant associé disposent de l’équipement enzymatique capable de dégrader dans sa cellule les petits oligomères produits par cette dégradation extracellulaire. Le problème est la toxicité et l’aspect carcinogénique des premiers produits de biodégradation du polyuréthane que sont le 4,4′-diaminophénylméthane et le 2,4-diaminotoluène.

En fouillant dans des décharges de produits en matière plastique proches de la ville de Leipzig en Allemagne des biologistes ont néanmoins découvert un Pseudomonas capable d’utiliser le 2,4-diaminotoluène comme seul substrat carboné et azoté dans un milieu de culture exclusivement minéral. Il s’agit de la souche Pseudomonas putida sp.TDA1. Le séquençage total du génome de cette bactérie a montré qu’il existait une série d’enzymes de la famille des dioxygénases impliqués dans le métabolisme des catécholamines et des

noyaux aromatiques.

On assiste avec ce travail (doi ci-dessous) à une adaptation de l’équipement enzymatique bactérien à des substrats d’origine artificielle. La prochaine étape consistera à sélectionner une souche de Pseudomonas présentant une croissance plus rapide pouvant être associée à un champignon excrétant les premiers enzymes de dégradation de l’édifice cristallin du polymère afin d’atteindre des rendements de dégradation satisfaisants. Mais le chemin à parcourir reste encore très long avant qu’il soit possible de transformer des millions de tonnes de polyuréthanes en biomasse. On peut rêver.

Source:https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00404

Illustrations : éponge de polyuréthane et réaction de polymérisation (Wikipedia).

Vers un contrôle biologique du principal pathogène du riz

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La moitié de la population mondiale dépend du riz (Oryza sativa) pour sa nourriture quotidienne et cette simple constatation explique que de nombreux travaux sur les ravageurs du riz sont sans cesse entrepris dans une multitude de laboratoires et instituts de recherche de par le monde car la culture intensive évoque aussi la présence de ravageurs variés, non pas les oiseaux et les rats que les Chinois ont soigneusement exterminé dans les années 70 pour améliorer substantiellement le rendement des cultures, mais aussi et surtout les champignons phytopathogènes. L’un des plus problématiques ravageurs du riz est en effet un champignon (Magnaporthe oryzae) qui provoque une maladie spécifique du riz appelée la pyriculariose. Il n’existe pas de traitements efficaces contre ce phytopathogène mis à part un fongicide récemment autorisé appelé Carpropamid dont l’efficacité est médiocre. Cette maladie se manifeste surtout pendant les périodes de relative sécheresse durant lesquelles le riz subit un stress hydrique non seulement en raison du manque d’eau mais également parce que les engrais à base de nitrate d’ammonium se transforment alors partiellement en ammoniac rendant dans ces conditions le riz encore plus susceptible aux attaques fongiques. Aucun pays même tropical n’est à l’abri d’une période de sécheresse et la situation peut devenir rapidement alarmante.

On estime que dans certains pays relativement tempérés producteurs de riz la pyriculariose affecte en volume plus du tiers des récoltes. Le champignon qui en est la cause est considéré comme le premier ravageur du riz dans le monde et la recherche en agro-biologie pour tenter de juguler ce problème est extrêmement active. C’est pourquoi quand des résultats nouveaux apparaissent ils font évidemment la une des journaux d’information scientifique. Quelques scoops récents relatifs à des variétés hybrides résistantes à la pyriculariose ont fait long feu car le champignon semble s’adapter très rapidement aux nouvelles conditions de son environnement ainsi qu’aux nouveaux fongicides qui ont peu d’effet sur son cycle de développement. Comme la croissance du riz est favorisée par la présence d’eau une direction de recherche a été de se pencher sur l’environnement bactérien dans lequel pousse cette graminée. Les agriculteurs n’ignorent pas que les plantes interagissent avec le sol non seulement pour y puiser des nutriments mais également avec les bactéries qui s’y trouvent et c’est dans cette direction qu’une équipe de biologistes de l’Université du Delaware a orienté ses travaux en identifiant dans un premier temps la communauté bactérienne d’échantillons de sol prélevés dans des champs de riz californien où est cultivée la variété de riz M-104 adaptée aux périodes de relative sécheresse mais qui est également très sensible à la pyriculariose (« blast disease » en anglais) pour les raisons évoquées plus haut. Le « microbiome » de l’environnement du riz a été identifié par séquençage des ARNs ribosomiques 16S (mes lecteurs savent de quoi il s’agit) combiné à une analyse des acides gras d’origine microbienne. La démarche expérimentale adoptée par ces biologistes ressemble un peu aux travaux réalisés sur la population bactérienne intestinale qui est bénéfique pour la santé humaine mais la comparaison est naturellement éloignée.

On sait que parfois des bactéries sont directement impliquées dans certains mécanismes de défense des plantes contre les champignons. Un des exemples les plus connus est la résistance de l’oeillet bien connu des fleuristes à la flétrissure causée par le champignon pathogène Fusarium qui est induite par la bactérie du sol très commune Pseudomonas fluorescens. Et justement, par un hasard qui n’en est en fait pas un, ces biologistes du Delaware ont identifié un Pseudomonas intéressant parmi 1284 bactéries différentes identifiées dans le sol californien sur lequel poussait le riz. Cette souche cataloguée EA105 possède la propriété de vivre non seulement autour des racines du riz mais également d’envahir la plante sans pour autant perturber sa croissance normale tout en produisant des composés volatils du genre cyanure, ce n’est pas très bon pour la plante mais pas bon non plus pour le champignon, ou encore des produits soufrés qui après examen n’ont pas vraiment interféré avec l’agressivité du champignon réglée comme du papier à musique. En réalité l’effet de cette bactérie est indirect car elle induit chez le riz la production de deux composés qui inhibent fortement la pénétration du champignon dans les cellules végétales. Il s’agit de l’acide jasmonique et de l’éthylène que beaucoup de plantes sont capables de synthétiser de par leur équipement métabolique beaucoup plus sophistiqué que celui des humains.

L’acide jasmonique est justement impliqué dans de nombreux mécanismes de défense de la plante dans des situations de stress. Quant à l’éthylène il s’agit presque d’une hormone végétale qui intervient dans de nombreux schémas métaboliques végétaux y compris dans les mécanismes de défense de la plante contre les stress. Pour mémoire l’éthylène est l’agent qui déclenche le murissement des bananes, un processus déjà connu des anciens Egyptiens ! Enfin, la même bactérie induit une production d’acide salicylique mais son intervention dans la défense du riz aux attaques du champignon est moins significative que l’acide jasmonique ou l’éthylène. Pour ce qui est du cyanure produit simultanément avec l’éthylène par la même voie métabolique (voir l’illustration) les bénéfices que peut en tirer le riz pour sa défense sont naturellement mitigés car le cyanure est peut-être létal pour le champignon mais il l’est aussi pour le riz, naturellement à hautes doses.

Yang-cycle

La perspective entrevue par ces travaux est assez claire. Enrichir les sols en Pseudomonas chlororaphis EA105, c’est l’identité complète de la bestiole identifiée comme bénéfique pour le riz à l’issue de ces travaux, constituerait une avancée prometteuse pour combattre efficacement la pyriculariose qui sévit et fait des ravages dans 85 pays répartis dans le monde entier. L’incidence d’une inoculation des sols préparés pour recevoir du riz en culture par cette bactérie représente un potentiel considérable pour sécuriser l’alimentation de centaines de millions de personnes dans le monde.

Source open data : http://www.biomedcentral.com/1471-2229/14/130#