Caractériser les particules d’usure et leur dégradation dans la nature pour concevoir des pneumatiques à faible impact environnemental. Voici la démarche expérimentale du laboratoire commun « BioDLab » présentée en janvier par Michelin, le CNRS et l’Université Clermont Auvergne. Doté d’une enveloppe de 6,5 millions d’euros, ce programme vise à analyser le cycle de vie des particules et à développer in fine des solution de biodégradation pour assurer à terme une meilleure gestion des déchets pneumatiques. Un travail qui s’effectue en plusieurs étapes à l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (ICCF) de l’Université Clermont Auvergne.
« À ce jour, nous sommes conscients que les pneus se détériorent et génèrent des particules qui s’échappent dans l’environnement. Mais la longévité de ces résidus et leur incidence sur la faune et la flore restent des zones d'ombre, pointe Pascale Besse-Hoggan, co-responsable de BioDLab et membre de l’équipe biocatalyse et métabolisme (BIOMETA) à l’ICCF. L’un des objectifs de BioDLab est d’abord de mieux comprendre le devenir de ces particules et le processus de dégradation qu’elles subissent dans la nature, sous l’action du soleil, des variations de température, et leur interaction avec les micro-organismes. »
Un premier partenariat en 2020
Une première étude a été lancée en 2020 par les trois partenaires, durant laquelle ils ont cherché à identifier des micro-organismes capables de dégrader des échantillons de particules d’usure prélevés sur des véhicules parcourant les circuits Michelin. Toutefois, ils se sont rapidement confrontés à la complexité de leur composition.
« À l'intérieur d'un pneumatique, cohabitent divers composants, incluant l'élastomère, des antioxydants pour prévenir sa dégradation sous l'effet du soleil, des additifs destinés au maintien de ses propriétés, ainsi que diverses charges favorisant son adhérence à la chaussée. De plus, lors des frottements, ces éléments de base se mêlent à d'autres comme des minéraux et poussière, engendrant ainsi des agrégats hétérogènes. Cet ensemble a rendu leur analyse plus ardue », rappelle la co-responsable du laboratoire commun.
Cette étude a permis néanmoins aux parties prenantes de formuler des hypothèses préliminaires. « Nous avons constaté que la dégradation abiotique, catalysée par la photodégradation, pouvait contribuer à l’étape de biodégradation par les micro-organismes », ajoute-t-elle. Ce postulat a ouvert de nouvelles perspectives sur le couplage entre la dégradation non biologique (abiotique) et la biodégradation par les micro-organismes, donnant ainsi naissance à ce nouveau laboratoire commun.
Une étude progressive
À l’interface entre l’étude des matériaux, de la chimie et la microbiologie, 27 chercheurs venant de Michelin, du CNRS et de l’Université Clermont Auvergne (UCA), se pencheront ainsi sur l'association entre la dégradation abiotique des élastomères diéniques, via des processus photochimiques et thermochimiques, et leur biodégradation par des micro-organismes isolés ou en consortium, ainsi que par des enzymes issues du Genoscope du CEA-Jacob.
Jusqu'en 2027, la recherche se fera de façon progressive, commençant par l'élastomère simple, puis incorporant les divers additifs et des charges utilisés par l’industrie. « Nous examinerons les modalités de photovieillissement, de thermovieillissement, et de biodégradation de chaque élément de façon distincte, avant de complexifier les mélanges. Cela nous permettra d'identifier les composants des caoutchoucs les plus réfractaires à la dégradation, les facteurs influençant leur décomposition, ainsi que les micro-organismes ou enzymes les plus propices à la biodégradation », précise-t-elle.
Enzymes et micro-organismes à l’œuvre
Pour éprouver la biodégradabilité des matériaux fournis par Michelin, les chercheurs de l'ICCF envisagent de puiser dans leur banque de souches microbiennes, provenant d'une diversité d'écosystèmes, tout en effectuant des prélèvements de micro-organismes sur des sites exposés aux particules d'usure, tels que les abords d'autoroutes et les bassins d'orage. « Ces milieux ont potentiellement abrité des micro-organismes qui se sont plus ou moins adaptés à leur environnement en raison de leur exposition prolongée à ces résidus sur plusieurs décennies », souligne la co-responsable de BioDLab.
En collaboration avec le Genoscope du CEA-Jacob, l'ICCF va chercher au cœur des micro-organismes, des enzymes qui agissent comme catalyseurs dans les réactions chimiques. « Notre objectif est d'étudier directement ces acteurs de la biodégradation présents dans les organismes vivants, y compris les micro-organismes, afin de comprendre quelles enzymes accomplissent quelles tâches et comment elles le font », ajoute-t-elle.
Par ailleurs, si les chercheurs de l'ICCF détiennent un savoir-faire avéré sur la compréhension des processus de biodégradation par des micro-organismes, ils vont devoir adapter leur méthode d’analyse face à la complexité de l’élastomère. « Nous sommes en phase de découverte, car notre expertise s'est concentrée pendant longtemps sur des substrats solubles aisément analysables. Avec les élastomères, nous abordons des substrats solides, ce qui implique une adaptation de la méthodologie pour une meilleure caractérisation des particules d'usure et de leurs interactions avec les micro-organismes », indique Pascale Besse-Hoggan.
Appréhender le devenir des matières en dégradation
Une fois que les processus de biodégradation sont clairement identifiés, il demeure impératif de caractériser l'état de décomposition de la matière résultante. « Dans certains cas, nous observons des micro-organismes qui mènent à une transformation intégrale de la substance, engendrant ainsi une disparition totale du produit initial. En revanche, dans d'autres cas, il se peut qu'un micro-organisme spécifique génère des produits modifiés présentant, par exemple, une toxicité particulière ou des propriétés chimiques différentes de la molécule d'origine, pouvant éventuellement poser des défis plus significatifs que le produit initial », souligne Pascale Besse-Hoggan.
Par conséquent, l'objectif est de saisir ces résultats afin de comprendre l'ensemble du processus de biodégradation, depuis les premières phases de dégradation abiotique jusqu'à la transformation finale par les micro-organismes. C'est dans cette optique que la modélisation interviendra ultérieurement pour une analyse approfondie des mécanismes impliqués.
L'ensemble de ces recherches devrait contribuer à la découverte de solutions visant à influer sur la composition initiale des pneumatiques, avec pour objectif de réduire leur impact environnemental et de favoriser l'assimilation biologique des particules d'usure. « Cette démarche dépasse le cadre des pneumatiques et s'appliquera également à l'étude d'autres polymères et de leur biodégradabilité », conclut-elle.
