Contaminants microbiens des milieux aquatiques - BVS

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Agents biologiques
Contaminants microbiens
des milieux aquatiques anthropisés :
bactéries pathogènes et indicateurs
de pollution fécale
Période : février 2010 à août 2010
Stéphanie PETIT* et Benoit COURNOYER**
** Université Claude Bernard Lyon1 – UMR CNRS 5557 Écologie Microbienne – Eq Bactéries Pathogènes Opportunistes
et Environnement – Villeurbanne
** CNRS – UMR CNRS 5557 Écologie Microbienne – Eq Bactéries Pathogènes Opportunistes et Environnement
– Villeurbanne
Mots clés : Bactéries pathogènes, Bacteroides, Baignade, Eaux récréatives, Eaux usées, Indicateurs fécaux,
Infection hydrique, Qualité, Risque sanitaire, Traceur microbien Par ses activités (agriculture, assainissement…) l’Homme induit des contaminations directes et indirectes des milieux aquatiques. Ces
milieux contaminés peuvent exposer les populations à divers dangers sanitaires. Ils peuvent être, entre autre, à l’origine d’épidémies
de gastro-entérite, dermatite, otite et maladies respiratoires suite à une utilisation des eaux de surface à des fins récréatives, ou
d’irrigation (Yoder et al., 2008).
Les exigences croissantes en matière de qualité écologique des milieux aquatiques, l’aggravation de certains phénomènes anthropiques,
ainsi que les changements climatiques globaux, viennent complexifier le schéma. Afin de préserver la qualité des milieux et de limiter
les risques sanitaires, des normes de qualité et des programmes de surveillance des milieux aquatiques ont été développés.
Des indicateurs de qualité microbiologique ont été définis pour évaluer la qualité des eaux. S’il a été suggéré que les bactéries de
la microflore normale du tube digestif comme Escherichia coli, Enterococcus sp et les coliformes fécaux étaient de bons indicateurs
(Prüss et al., 1998, Zmirou, 1990), ces derniers sont aujourd’hui contestés (Tortorello, 2003 ; Stewart et al., 2008). Il s’avère en effet que
la présence ou l’absence de ces indicateurs n’est pas un critère adéquat pour l’appréciation du risque sanitaire puisque ces bactéries
semblent persister dans certains milieux et n’ont pas toujours une distribution similaire à celle des agents pathogènes d’origine hydrique
(Ishii et al., 2006). Les publications sélectionnées abordent ce problème sous l’angle de la contamination fécale.
La caractérisation des peuplements
bactériens de bassins-versants côtiers
conduit à la déduction d’indicateurs alternatifs
de la contamination fécale
Wu CH, Sercu B, Van de Werfhorst LC, Wong J, DeSantis TZ, Brodie EL,
Hazen TC, Holden PA, Andersen GL. Characterization of coastal urban
watershed bacterial communities leads to alternative communitybased indicators. PLoS One. 2010 ; 5 : e11285.
Analyse
Les auteurs présentent une étude sur la qualité microbiologique
du bassin-versant de Santa Barbara (Californie) dont l’exutoire est
une zone de baignade. Cette étude est la suite d’un article (Sercu
et al., 2009) où des niveaux élevés du traceur (1) Bacteroides (3),
utilisé pour suivre les contaminations fécales humaines, furent
observés dans ce bassin-versant. Des fuites du collecteur d’égout
ont été suspectées à l’origine de cette contamination. Wu et al.
ont ré-analysé la qualité des eaux de surface de ce bassin-versant
en utilisant la technologie des puces à ADN de type PhyloChip™
(500 000 sondes, Affymetrix Corporation®) (3), basée sur l’étude
des variations de grands groupes bactériens dans les eaux de
surface via une analyse du gène codant l’ARN ribosomique 16S (4).
Cette étude a reposé sur un échantillonnage restreint d’eaux de
surface et d’échantillons d’origine fécale.
En comparant les données d’hybridation des ADNr 16S sur la
Phylochip, plus de 503 groupes bactériens ont pu être associés
à une origine fécale. Les plus grandes variations entre matrice
fécale et eaux ont été observées pour les Bacteroidetes, Bacilli,
Clostridiales (regroupés sous l’appellation BBC), et les alphaprotéobactéries (nommé « A »). En comparant la richesse relative
des BBC sur A, les auteurs ont déduit un indicateur du niveau
de contamination fécale ; un ratio élevé indiquant une forte
contamination.
Ce ratio a été utilisé pour identifier les zones les plus contaminées
du bassin-versant et étudier les corrélations avec les mesures
d’autres indicateurs. Les résultats ont été trouvés en adéquation
avec les données précédentes si l’on se réfère à l’indicateur E. coli.
En revanche, cette concordance des résultats est moins évidente
si l’on se réfère à l’indicateur entérocoques où des variations plus
marquées ont été observées. Le ratio BBC sur A semble donner
une indication plus robuste du niveau de contamination fécale.
Ce type d’analyse nécessitera une confirmation de l’évolution des
Anses • Bulletin de veille scientifique n o  13 • Santé / Environnement / Travail • Mars 2011
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Contaminants microbiens des milieux aquatiques anthropisés : bactéries pathogènes
et indicateurs de pollution fécale – Stéphanie PETIT et Benoit COURNOYER
grands groupes en fonction des zones géographiques, du climat,
et des facteurs pouvant affecter le contenu de la flore intestinale
humaine.
Commentaire
Les auteurs proposent dans cet article une méthode alternative
aux indicateurs classiques pour évaluer la qualité microbiologique
des eaux. Une originalité du travail est la proposition d’une grille
basée sur le ratio des BBC/A (voir ci-dessus) permettant d’obtenir
une image du niveau de contamination fécale du cours d’eau en
fonction des zones de prélèvement. Ce ratio peut permettre
de déduire la position des sources majeures de contaminants
fécaux. Dans le cadre de ce travail, il serait intéressant d’obtenir
des données sur les agents pathogènes. La technologie proposée
dans cet article pourrait être améliorée en augmentant la densité
de la puce PhyloChipTM avec des gènes marqueurs spécifiques
du genre ou de l’espèce bactérienne.
Les sources de Campylobacter spp., Salmonella
enterica and Escherichia coli O157 :H7 de la rivière
Salmon, Colombie Britannique, Canada
Jokinen CC, Schreier H, Mauro W, Taboada E, Isaac-Renton JL, Topp
E, Edge T, Thomas JE, Gannon VP. The occurrence and sources of
Campylobacter spp., Salmonella enterica and Escherichia coli O157 :H7
in the Salmon River, British Columbia, Canada. J Water Health. 2010 ;
82 : 374-86.
Analyse
Cet article concerne également la problématique de la
qualité microbiologique des eaux et les risques d’exposition
des populations humaines aux agents pathogènes d’origine
hydrique. Il concerne un secteur géographique particulier du
Canada où de nombreuses sources, tant animales qu’humaines,
peuvent être à l’origine de la contamination d’un bassin-versant.
L’originalité de cette contribution concerne l’analyse croisée
d’espèces pathogènes, Campylobacter spp. (6), Salmonella spp. (7)
et Escherichia coli O157 :H7 (8), et d’indicateurs de contamination
fécale, incluant des traceurs (Bacteroides) de l’origine de cette
contamination, sur des échantillons d’eau de surface, d’eaux
usées et de fèces d’animaux. Les échantillons ont été récoltés
sur plusieurs saisons. Les analyses microbiologiques ont été
effectuées en utilisant des approches de culture et d’identification
classiques. L’étude des traceurs de contamination fécale a été
réalisée par PCR spécifique du genre bactérien Bacteroides,
ciblant le gène codant pour l’ARNr 16S permettant de déduire
l’espèce animale à l’origine d’une contamination.
Les résultats obtenus ont permis d’observer des répartitions
spatiales espèces-spécifiques et certaines corrélations avec
les indicateurs de contamination fécale. Campylobacter spp.
et E. coli O157 :H7 ont été retrouvées à des concentrations
élevées au sein de zones communes mais les concentrations
les plus élevées de salmonelles ont été observées pour d’autres
secteurs. Des variations saisonnières marquées de la répartition
de ces espèces bactériennes et indicateurs fécaux ont été
Agents biologiques
observées. Une prévalence plus faible de ces espèces ainsi que
de plusieurs traceurs (Homme, ruminant, chien) a été observée
l’été. Les niveaux de pluie seraient une cause probable de ces
variations ; les niveaux de précipitation étant plus faibles l’été
dans ce secteur géographique. Le lessivage des sols agricoles ou
forestiers serait à l’origine des contaminations animales, et les
contaminations humaines proviendraient des fosses septiques
localisées à proximité du cours d’eau. Pour préciser ces aspects,
les auteurs ont étudié les corrélations entre concentrations
en espèces pathogènes, coliformes fécaux et traceurs de
contamination fécale. Ces analyses ont permis d’observer une
corrélation positive entre les concentrations de Salmonella spp,
E. coli 0157 :H7 et des coliformes fécaux. La corrélation entre les
coliformes fécaux et le traceur Bacteriodes générique est quant
à elle moins forte, et l’estimation d’une relation entre ce traceur
et les agents pathogènes est difficile du fait que les analyses ont
été réalisées sur des périodes de temps différentes. La corrélation
négative observée entre les concentrations en Campylobacter
et en indicateurs/traceurs fécaux indique l’influence d’une
source non-identifiée ou des différences majeures dans le
comportement de ces bactéries. Notons que certains résultats
sont à considérer avec prudence étant donné que les taux de
détection sont parfois faibles et donc statistiquement moins
robustes.
Commentaire
Des corrélations positives dans la répartition d’espèces
pathogènes et des indicateurs/traceurs fécaux peuvent être
observées, mais trouver la source à l’origine de la contamination
demeure un défi. Ces sources peuvent être nombreuses et
de multiples paramètres peuvent influencer les vitesses de
transfert des micro-organismes vers un cours d’eau récepteur.
Les coliformes fécaux indiquent une contamination fécale des
eaux mais dans le contexte de sources multiples, ce paramètre
ne peut permettre une hiérarchisation des sources. D’autres
indicateurs sont alors essentiels. Les auteurs de cet article ont
testé les traceurs de type Bacteroides mais se sont heurtés à
des contaminations fécales de plusieurs espèces animales, ne
permettant pas d’identifier clairement les sources. Finalement,
seules les données de génotypage infra-spécifique ou de
sérotypage des formes pathogènes ont permis de déduire
les sources à l’origine des contaminations observées comme
celles concernant les Salmonella spp. Sérovars (9) Mbandaka et
Typhimurium Copenhague. Ces sérovars ont pu être reliés à des
zones d’élevage de porcs mais ces résultats mériteraient d‘être
affinés en utilisant les outils de la génétique des populations.
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Agents biologiques
Contaminants microbiens des milieux aquatiques anthropisés : bactéries pathogènes
et indicateurs de pollution fécale – Stéphanie PETIT et Benoit COURNOYER
Conclusion générale
Les contaminants microbiologiques, dont les agents
pathogènes, introduits en système complexe comme
les cours d’eau peuvent être à l’origine de pathologies
infectieuses humaines mais peuvent également dégrader
la qualité écologique des écosystèmes impactés. Ces
conséquences ont suscité le développement de nombreux
outils pour permettre une meilleure appréciation des
risques sanitaires engendrés et une identification des
sources à l’origine des contaminations et épidémies
observées. Les articles présentés s’inscrivent dans ce
contexte. Le premier article présente une des premières
applications des Phylochip au domaine de la surveillance
de la qualité microbiologique des eaux. Les résultats
obtenus confirment les grandes tendances observées ces
dernières années, avec des indicateurs plus « classiques »
de la contamination fécale, et démontrent qu’une
Phylochip peut permettre l’identification de zones de
rejets de tels contaminants. Ces nouvelles technologies
devraient donc poursuivre leur développement et
s’améliorer dans les prochaines années. Elles demeurent
toutefois très spécialisées et encore peu applicables
au suivi de routine. Le deuxième article montre qu’en
raison de la complexité des interactions entre agents
pathogènes et milieux naturels, les dépistages ciblant
les formes pathogènes demeurent les plus informatifs.
Les nouvelles technologies devront évoluer vers leur
détection et suivi spatio-temporel mais également
vers l’analyse de leur diversité infra-spécifique dont
leurs potentiels de virulence et de résistance aux
antibiotiques.
Lexique
(1)Traceurs microbiens : micro-organisme ou gène particulier
permettant d’indiquer un type de pollution (fécale
notamment), et pour certains de déterminer son origine.
(2)Bacteroides : bacille gram négatif anaérobie constituant la
flore intestinale de l’Homme et d’espèces animales. Utilisé
comme indicateur et traceur de contamination fécale.
Bacteroides fragilis peut être pathogène.
(3)Phylochip : puce à ADN phylogénétique basée sur l’étude des
grands groupes bactériens par les variations de séquences de
gènes codant pour la sous-unité 16S de l’ARN ribosomique.
(4)ARN ribosomique 16S : ARN de la petite sous-unité du
ribosome impliqué dans la lecture de l’ARN messager. Le
gène codant l’ARNr 16S, bien que très conservé, montre des
variations de séquences en adéquation avec la phylogénie
bactérienne.
(5)PCR (Polymerase chaîne reaction) : réaction d’amplification
de l’ADN par Taq polymérase. Cette méthode de biologie
moléculaire permet de copier en grand nombre un segment
d’ADN (amplification génique in vitro).
(6)E. coli O157 :H7 : Escherichia coli O157 :H7 est un sérotype
d’Escherichia coli responsable de nombreuses intoxications
alimentaires associées à des pathologies telles que la colite
hémorragique ou le syndrome hémolytique ou urémique.
(7)Salmonella enterica : enterobactéries, bacille gram négatif,
responsables d’intoxications alimentaires, de gastroentérites, de toxi-infections alimentaires et des fièvres
typhoïde et paratyphoïde.
(8)Campylobacter : les Campylobacters sont des bactéries
spiralées du tube digestif à l’origine d’infections, le plus
souvent, intestinales (diarrhée, douleurs abdominales,
fièvre, etc.). Campylobacter jejuni est la première cause des
infections intestinales bactériennes.
(9)Sérovars/Sérotype : propriété antigénique permettant
d’identifier une bactérie.
Publications de référence
Ishii S, Ksoll WB, Hicks RE et al. Presence and growth of naturalized
Escherichia coli in temperate soils from Lake Superior watersheds.
Appl Environ Microbiol. 2006 ; 72 : 612-621.
Prüss A. Review of epidemiological studies on health effects from
exposure to recreational water. Int J Epidemiol. 1998 ; 27 : 1-9.
Sercu B, Van De Werfhorst LC, Murray J et al. Storm drains are
sources of human fecal pollution during dry weather in three
urban southern California watersheds. Environ Sci Technol. 2009 ;
43 : 293-298.
Stewart JR, Gast RJ, Fujioka RS et al. The coastal environment
and human health : microbial indicators, pathogens, sentinels
and reservoirs. Environ Health. 2008 ; 7(S2) :S3.
Tortorello ML. Indicator organisms for safety and quality - uses
and methods for detection : minireview. J AOAC Int. 2003 ; 86 :
1208-1217.
Zmirou D, Ferley JP, Balducci F et al. Evaluation of microbial
indicators of health risk related to river swimming places. Rev
Epidemiol Sante Publique. 1990 ; 38 : 101-110.
Revue de la littérature
Yoder JS, Hlavsa MC, Craun GF et al. Surveillance for waterborne
disease and outbreaks associated with recreational water use
and other aquatic facility-associated health events--United
States, 2005-2006. MMWR Surveill Summ. 2008 ; 57 : 1-29.
Autres publications identifiées
Brennan FP, O’Flaherty V, Kramers G et al. Long-term persistence
and leaching of Escherichia coli in temperate maritime soils. Appl
Environ Microbiol. 2010 ; 76 : 1449-1455.
La persistance et le transport des E. coli du sol vers les eaux
souterraines sont étudiés.
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Contaminants microbiens des milieux aquatiques anthropisés : bactéries pathogènes
et indicateurs de pollution fécale – Stéphanie PETIT et Benoit COURNOYER
Agents biologiques
Girones R, Ferrús MA, Alonso JL et al. Molecular detection of
pathogens in water--the pros and cons of molecular techniques.
Water Res. 2010 ; 44 : 4325-4339.
Cet article présente les méthodes moléculaires basées sur la
PCR qui ont été développées ces dernières années comme outil
de détection mais aussi de quantification des bactéries, virus et
parasites pathogènes de l’Homme présents dans les aliments, l’eau
et plus largement dans l’environnement. Les auteurs présentent
ici les avantages mais aussi les améliorations à apporter à ces
technologies pour qu’elles puissent être utilisées en routine.
Graczyk TK, Sunderland D, Awantang GN et al. Relationships
among bather density, levels of human waterborne pathogens,
and fecal coliform counts in marine recreational beach water.
Parasitol Res. 2010 ; 106 : 1103-1108.
La présence de parasites pathogènes de l’Homme dans des eaux
récréatives est ici corrélée à la concentration en entérocoques et
à la densité de baigneurs. Des recommandations sanitaires sont
proposées par les auteurs.
Jjemba PK, Weinrich LA, Cheng W et al. Regrowth of potential
opportunistic pathogens and algae in reclaimed-water
distribution systems. Appl Environ Microbiol. 2010 ; 76 : 41694178.
Cette étude met l’accent sur la présence de bactéries pathogènes
telles que Aeromonas, Pseudomonas, Mycobacterium dans les
systèmes de distribution d’eau de récupération. Si cet article semble
important en termes de santé publique, il ne traite néanmoins pas
du comportement des agents pathogènes dans le milieu étudié.
Krometis LA, Characklis GW, Drummey PN et al. Comparison of
the presence and partitioning behavior of indicator organisms
and Salmonella spp. in an urban watershed. J Water Health. 2010 ;
8 : 44-59.
Une étude sur l’incidence et la répartition de Salmonella spp est
menée sur un bassin de rétention d’eaux pluviales, et sur des eaux de
surface. La répartition en Salmonella spp varie spatialement dans
différentes fractions particulaires. Si les bassins de rétention étudiés
ici sont considérés comme des systèmes de traitement des eaux,
ils s’avèrent que les conditions sont propices au développement
bactérien et à la libération de particules microbiennes dans les
effluents. Les auteurs ont également comparé le comportement
de plusieurs indicateurs tels que les bactéries indicatrices de
contaminations fécales (E. coli, coliformes fécaux) et Clostridium
perfringens à celui de Salmonella spp.
Mots clés utilisés
pour la recherche bibliographique
Bacteria, Water.
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