Biodegradability of poly(3-hydroxyalkanoate) and poly(epsilon-caprolactone) via biological carbon cycles in marine environments

Abstract

Approximately 4.8-12.7 million tons of plastic waste has been estimated to be discharged into marine environments annually by wind and river currents. The Ellen MacArthur Foundation warns that the total weight of plastic waste in the oceans will exceed the total weight of fish in 2050 if the environmental runoff of plastic continues at the current rate. Hence, biodegradable plastics are attracting attention as a solution to the problems caused by plastic waste. Among biodegradable plastics, polyhydroxyalkanoates (PHAs) and poly(epsilon-caprolactone) (PCL) are particularly noteworthy because of their excellent marine biodegradability. In this review, the biosynthesis of PHA and cutin, a natural analog of PCL, and the biodegradation of PHA and PCL in carbon cycles in marine ecosystems are discussed. PHA is biosynthesized and biodegraded by various marine microbes in a wide range of marine environments, including coastal, shallow-water, and deep-sea environments. Marine cutin is biosynthesized by marine plants or obtained from terrestrial environments, and PCL and cutin are biodegraded by cutin hydrolytic enzyme-producing microbes in broad marine environments. Thus, biological carbon cycles for PHA and PCL exist in the marine environment, which would allow materials made of PHA and PCL to be quickly mineralized in marine environments.

TSC Opinion

Les polyhydroxyalkanoates (PHA) sont produits par des bactéries. Ils sont donc considérés comme des polymères biosourcés. De plus, leur niveau de biodégradabillité dans l’environnement est élevé, y compris en milieu marin, ce qui est assez rare. Ce sont quasiment les seuls à présenter cette caractéristique dans la famille des biosourcés. Les polycaprolactones (PCL) sont d’origine pétrochimique. Dans cette catégorie, ce sont les plus biodégradables, c’est pourquoi ils sont souvent ajoutés en additifs dans des polymères non dégradables comme les PE, les PET… afin d’améliorer leur niveau de dégradation. Cette étude compare les voies métaboliques dans lesquelles la dégradation des PHA et PCL s’intègre. Etant constitués essentiellement de carbone, ils entrent dans la synthèse de biomasse et, en particulier, dans la constitution des lipides. Les enzymes nécessaires sont présentes dans les cellules des micro-organismes responsables de la biodegradation. Les auteurs ont montré que ces enzymes sont aussi présentes dans les bactéries marines. Ceci explique la bonne dégradation en milieu marin des PHA et PCL. Toutefois, une attention particulière doit être portée sur le fait que les mers et les océans sont beaucoup moins riches en populations bactériennes que les milieux terrestres. Il en résulte des cinétiques de dégradation plus lentes. Ceci fait que le niveau d’exigence sur la facilité de dégradation doit être supérieur lorsque les objets en plastique risquent de se retrouver en mer.