Topic description
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 œuvre 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 : comment la microstructure et l'architecture des matériaux gouvernent-elles les processus de biodétérioration et de biofragmentation ? 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.
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Polyhydroxyalkanoates (PHAs), biopolyesters produced by microorganisms and capable of naturally re‑entering biogeochemical cycles, show strong potential to reduce plastic footprints. However, implementing them in complex formulations—polymer blends, composites, and multilayer architectures—although essential for tuning their functional properties, can alter their end‑of‑life behavior. Moreover, the early stages of biodegradation, particularly biodeterioration and biofragmentation, as well as the associated microbial dynamics, remain insufficiently understood.
In this context, this PhD project aims to elucidate the role of formulation and microstructure in governing the physicochemical and biological mechanisms of PHA‑based material biodegradation. The thesis will be structured around two fundamental questions: how do the microstructure and architecture of materials govern biodeterioration and biofragmentation processes? in what ways do material properties determine the structuring, succession, and activity of the microbial communities involved?
To address these questions, the project relies on three complementary methodological components. The first consists in designing model materials based on poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) (PHBV), including polymer blends, composites, and multilayer structures combining PHBV with cellulose fibers. These materials will be characterized at multiple scales to identify relevant descriptors of their structure and their sensitivity to physicochemical degradation. The second component focuses on the experimental study of their biodegradation in a model compost. Biodeterioration and mineralization kinetics will be monitored alongside analyses of microbiome structure. Special attention will be paid to the potential formation of microplastics. The third component aims to integrate all these data within an analytical framework linking material structural features, microbial dynamics, and biodegradation kinetics, with the objective of identifying predictive descriptors of biodegradability.
The expected outcomes include: (i) identifying structural parameters governing the biodegradability of PHBV‑based materials; (ii) improved understanding of the early stages of biodegradation; (iii) formulation of structure/biodegradation/microbiome relationships that may serve as design guidelines for materials that are high‑performing, safe, and compatible with biogeochemical cycles. This integrated approach, at the interface between polymer science and microbial ecology, will contribute to the development of bio‑based materials truly suited to a circular‑economy model.
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Début de la thèse : 01/10/
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