Thèse de la Microstructure des Matériaux à Base de Polyhydroxyalcanoates à la Dynamique des Communautés Microbiennes une Approche Intégrée de la Biodégradation H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier
École doctorale : GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
Laboratoire de recherche : IATE - Ingénierie des Agropolymères et Technologies Emergentes
Direction de la thèse : Hélène ANGELLIER-COUSSY ORCID 0000000154827095
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-07T23:59:59

Les polyhydroxyalcanoates (PHAs), biopolyesters produits par des micro-organismes et capables de réintégrer naturellement les cycles biogéochimiques, présentent un fort potentiel pour réduire l'empreinte plastique. Cependant, leur mise en oeuvre en formulations complexes - mélanges de biopolymères, composites, architectures multicouches - bien qu'indispensable pour ajuster leurs propriétés fonctionnelles, peut modifier eur comportement en fin de vie. Par ailleurs, les premières étapes de la biodégradation, en particulier la biodétérioration et la biofragmentation, ainsi que les dynamiques microbiennes associées, restent insuffisamment comprises.

Dans ce contexte, cette thèse vise à élucider le rôle de la formulation et de la microstructure des matériaux à base de PHAs dans les mécanismes physico-chimiques et biologiques de leur biodégradation. La thèse sera structurée autour de deux questions fondamentales : (1) comment la microstructure et l'architecture des matériaux gouvernent-elles les processus de biodétérioration et de biofragmentation ? (2) en quoi les propriétés des matériaux déterminent-elles la structuration, la succession et l'activité des communautés microbiennes impliquées ?

Pour y répondre, le projet s'appuie sur trois volets méthodologiques complémentaires. Le premier consiste à élaborer des matériaux modèles à base de polyhydroxybutyrate-co-hydroxyvalérate (PHBV), incluant des mélanges de biopolymères, des composites et multicouches combinant PHBV et fibres de cellulose. Ces matériaux seront caractérisés à différentes échelles afin d'identifier les descripteurs pertinents de la structure des matériaux et de leur sensibilité à la dégradation physico-chimique. Le second volet porte sur l'étude expérimentale de leur biodégradation en compost modèle. Les cinétiques de biodétérioration et de minéralisation seront suivies en parallèle de l'analyse de la structure des microbiomes. Une attention particulière sera portée à la formation éventuelle de microplastiques. Le troisième volet vise à intégrer l'ensemble de ces données dans un cadre d'analyse reliant les caractéristiques structurales des matériaux, les dynamiques microbiennes et les cinétiques de biodégradation, afin d'identifier des descripteurs prédictifs de biodégradabilité.

Les résultats attendus incluent : (i) l'identification des paramètres structuraux gouvernant la biodégradabilité des matériaux à base de PHBV ; (ii) une meilleure compréhension des premières étapes de la biodégradation ; (iii) la formalisation de relations structure/biodégradation/microbiome pouvant servir de règles de conception pour des matériaux performants, sûrs et compatibles avec les cycles biogéochimiques. Cette approche intégrée, à l'interface entre science des polymères et écologie microbienne, contribuera à la conception de matériaux biosourcés réellement adaptés à un modèle d'économie circulaire.

La réduction de l'empreinte plastique représente un enjeu majeur, tant pour la santé publique que pour la durabilité environnementale. Les plastiques conventionnels ne s'intègrent pas dans les cycles biogéochimiques naturels, et leur fragmentation en micro- et nanoparticules persistantes entraîne une accumulation dans les écosystèmes, compromettant leur équilibre à long terme et posant un risque global pour la santé humaine (Agence européenne pour l'environnement, 2025 ; Luo, 2025). La problématique est particulièrement aigüe dans le secteur des emballages alimentaires, puisqu'il représente près de 40 % de la consommation mondiale de plastique, et dans le secteur de l'agriculture, faisant d'eux les principaux vecteurs de pollution plastique (Geyer, 2017).

Dans ces deux secteurs, la substitution des emballages plastiques d'origine fossile et non biodégradables par des matériaux issus de la biomasse, sans compétition avec des usages alimentaires, et capables de retourner au sol par biodégradation ou compostage, sans compromettre leur recyclabilité, est actuellement le seul moyen valable pour remédier aux impacts négatifs de nos déchets plastiques tout en entrant dans un système vertueux de régénération en boucle fermée (Guillard, 2018). Dans cette perspective, les polyhydroxyalcanoates (PHAs), polyesters produits par des micro-organismes, représentent une alternative particulièrement prometteuse : ils répondent aux principes de la circularité en pouvant être réintégrés naturellement dans les cycles biogéochimiques (Derkenne, 2025). Les PHAs sont souvent utilisés en formulation complexe (mélanges avec d'autres biopolymères, composites), ce qui permet d'ajuster leurs propriétés d'usage, mais complexifie leur comportement en fin de vie (Kumar, 2021).

L'adoption des PHAs repose sur une compréhension complète de leur cycle de vie, en particulier de leur dégradation dans divers environnements naturels ou contrôlés (sols, composts, milieux marins). La biodégradation des polyesters comme les PHAs repose sur quatre étapes clés généralement décrites : (i) la biodétérioration (modifications physicochimiques du matériau, adsorption microbienne, fissuration), (ii), la biofragmentation (hydrolyse enzymatique produisant des oligomères et monomères), (iii) l'assimilation des produits de biodégradation par les micro-organismes, et (iv) la minéralisation (CO, HO et nouvelle biomasse microbienne). Cependant, les deux premières étapes, cruciales pour contrôler la biodégradabilité ultime, restent mal comprises pour les formulations complexes (Koller, 2025). Un second verrou scientifique majeur concerne la dynamique des communautés microbiennes : leur structuration, leur succession et leur activité enzymatique en réponse aux propriétés du matériau restent insuffisamment décrites. Comprendre comment les micro-organismes s'organisent, collaborent ou se transmettent la capacité de dégrader les PHAs est essentiel pour prédire - et concevoir - la biodégradabilité en conditions réelles (Koller, 2025).

Dans ce contexte, une question centrale émerge : Comment la formulation et la structure des matériaux à base de PHAs contrôle-t-elle les mécanismes de biodétérioration et de biofragmentation, et la structuration des communautés microbiennes qui y participent ?

Cette problématique relie étroitement la science des polymères (mise en oeuvre de matériaux, caractérisation de la microstructure et des propriétés d'usage) et l'écologie microbienne (cinétique de biodégradation et dynamique des écosystèmes microbiens impliqués), dans une approche intégrée, multi-échelles et interdisciplinaire.

L'objectif de ce projet de thèse est de mieux comprendre l'impact de la formulation et la structure de matériaux à base de PHAs sur les mécanismes physico-chimiques et biologiques impliqués dans la biodégradation.elles les mécanismes de

Les deux questions scientifiques majeures de la thèse sont :
1. Comment la formulation et la microstructure des matériaux à base de PHAs influencent-elles les mécanismes de biodétérioration et de biofragmentation ?
2. En quoi la structure des matériaux à base de PHAs conditionne-t-elle la dynamique des communautés microbiennes impliquées dans leur biodégradation ?

Pour répondre à ces questions, le projet s'articule en trois volets complémentaires : (i) l'élaboration de matériaux modèles aux architectures contrôlées et leur caractérisation multi-échelle, (ii) l'étude expérimentale des cinétiques de biodégradation et du changement de structure des microbiomes en compost modèle, et (iii) l'intégration des données en un cadre mécanistique permettant d'identifier des descripteurs prédictifs de biodégradabilité.

Tâche 1. Production et caractérisation de matériaux modèles à base de PHAs
Cette première tâche vise à produire un ensemble de matériaux modèles permettant d'explorer de manière contrôlée les effets de la formulation et de la microstructure sur la biodégradation. En partant d'une composition monomérique fixée (PHBV), plusieurs matériaux seront développés via l'utilisation de procédés thermomécaniques : (i) mélanges de polymères (PHBV + autres biopolymères) ; (ii) composites isotropes, obtenus par dispersion de fibres de cellulose dans la matrice PHBV ; (iii) composites multicouches, obtenus par enduction de PHBV sur un substrat cellulosique. Des descripteurs pertinents de la structure des matériaux (volume, surface et interfaces) et de leur sensibilité à la dégradation physico-chimique (propriétés mécaniques, sensibilité à l'eau) seront identifiés. Des pré-vieillissements contrôlés (photo, hydro- et thermo-vieillissement) pourront être mobilisés pour amorcer la biodétérioration physique.

Tâche 2. Cinétiques de biodégradation et dynamique des communautés microbiennes en compost modèle
Les échantillons issus de la Tâche 1 seront soumis à des essais en compost contrôlé. Les protocoles seront adaptés des cadres normatifs en vigueur (ISO 13432, ISO 14855-1). La biodétérioration sera suivie par des mesures de perte de masse et de tenue mécanique, par l'analyse de l'évolution de la surface (rugosité / énergie de surface (AFM, angles de contact), fissuration (MEB), oxydation/hydrolyse par FTIR), ainsi que par le suivi de la distribution de masse molaire (SEC). L'éventuelle formation de microplastiques lors de la biodégradation des matériaux sera évaluée. Les cinétiques de minéralisation des matériaux (respirométrie) et les structures des communautés microbiennes (séquençage) impliquées dans la biodégradation seront suivies en parallèle.

Tâche 3. Formalisation des relations structure/biodégradation/microbiome
La structure et les propriétés mécaniques des matériaux seront caractérisés in situ, au cours de la biodégradation (avec des points d'arrêt synchronisés), et mis en lien avec la structure des communautés microbiennes identifiées. Des outils statistiques seront utilisés pour identifier des relations structure matériaux/communautés microbiennes/cinétiques de biodégradation, afin de formuler des règles de prédiction de biodégradation des polymères.