Devenir des Indicateurs sanitaires (E. coli)

(1)

HAL Id: hal-02609274

https://hal.inrae.fr/hal-02609274

Submitted on 26 May 2021

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Devenir des Indicateurs sanitaires (E. coli)

Anne-Marie Pourcher, Anne-.Laure Vivant, Stéphanie Prost-Boucle, Sandrine Papias, Alain Hartmann, Géraldine Depret, Christine Ziebal, Sophie Le Roux,

Catherine Boutin

To cite this version:

Anne-Marie Pourcher, Anne-.Laure Vivant, Stéphanie Prost-Boucle, Sandrine Papias, Alain Hart- mann, et al.. Devenir des Indicateurs sanitaires (E. coli). Journée de restitution du programme ZRV, Mar 2019, Valence, France. 39 p. �hal-02609274�

(2)

Journée de restitution ZRV – 28 mars 2019

Devenir des Indicateurs sanitaires (E. coli)

Journée de restitution du programme ZRV 28 mars 2019 – Espace HEMERA – Valence TGV

Anne-Marie Pourcher¹, Anne-Laure Vivant¹, Stéphanie Prost-Boucle², Sandrine Papias², Alain Hartmann³, Géraldine Depret³, Christine Ziebal¹, Sophie Le Roux², Catherine Boutin²

1 Irstea, UR OPAALE, Rennes

2 Irstea, UR MAEP, Villeurbanne

3 INRA, UMR1347 Agroécologie, Dijon

(3)

 Capacités d’élimination des STEP sur les bactéries indicatrices de contamination fécale

contexte

Eaux usées

Effluent de sortie

1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12

entrée sortie Oliveira et al. (2016)

10⁶-10⁷E. coli / 100 mL

E. coli/ 100 mL

10⁷ 10⁶ 10⁵ 10⁴ 10³ 10²

(4)

1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12

entrée sortie

10⁶-10⁷E. coli / 100 mL

10³ à 10⁶ E. coli / 100 mL Eaux usées

Effluent de sortie

 Peu de données sur le rôle des ZRV dans la diminution des contaminations bactériennes

Oliveira et al. (2016)

https://www.huffingtonpost.fr/2018/05/14

Oliveira et al. Environ Sci Pollut Res (2016) 23:14671–14675

contexte

10⁷ 10⁶ 10⁵ 10⁴ 10³ 10²

E. coli/ 100 mL

 Très peu d’études sur le devenir des bactéries résistantes aux antibiotiques

 Capacités d’élimination des STEP sur les bactéries indicatrices de contamination fécale

variables

(5)

Les bactéries font de la résistance

« De nouvelles données révèlent l’existence de niveaux élevés de résistance aux antibiotiques dans le monde » E. coli résistantes aux Céphalosporines de 3^ème génération

(6)

Les bactéries font de la résistance

gènes de résistance portés par - chromosome

- éléments génétiques mobiles  plasmides

chromosome

gène de résistance

plasmide

diminution

de la perméabilité

synthèse d’enzymes inactivant l’atb

voie enzymatique alternative

ADN ARNm

modification de la cible pompes à efflux

synthèse d’enzymes inactivant l’atb

« De nouvelles données révèlent l’existence de niveaux élevés de résistance aux antibiotiques dans le monde »

cellule donneuse plasmide cellule receveuse

conjugaison

(7)

Potentiel de communication entre les microbiotes concernés par l'utilisation d’atbs

liens génétiques entre les microbiotes des réservoirs

Résistance : dissémination via l’environnement

antibiotiques médecine humaine

animaux de compagnie

population hôpitaux

antibiotiques médecine vétérinaire

animaux d’élevage

forte pression de sélection des gènes de résistance

contexte

clinique vétérinaire

Une fraction des antibiotiques non assimilée Présence des bactéries résistantes dans les fèces

(8)

Journée de restitution ZRV – 28 mars 2019 7 stations

d’épuration

fumiers lisiers élevages

produits d’origine animale

population

légumes, fruits

milieu récepteur

sol, cultures hôpitaux

boues

liens génétiques entre les microbiotes des réservoirs forte pression de sélection des gènes de résistance

contexte

D’après Cantas et al. 2013 Front. Microbiol.

Potentiel de communication entre les microbiotes concernés par l'utilisation d’atbs Résistance : dissémination via l’environnement

(9)

stations d’épuration

fumiers lisiers élevages

produits d’origine animale

population

légumes, fruits

milieu récepteur

sol, cultures hôpitaux

boues

liens génétiques entre les microbiotes des réservoirs forte pression de sélection des gènes de résistance

contexte

Potentiel de communication entre les microbiotes concernés par l'utilisation d’atbs Résistance : dissémination via l’environnement

Effet des ZRV sur la dissémination des bactéries résistantes aux antibiotiques (atbs) ?

(10)

9

65 % de la consommation d’atbs en ville et 59 % à l’hôpital

65%

contexte

Répartition en % de la consommation d’atbs en ville mesurée en nombre de Doses Définies Journalières pour 1000 habitants par jour. Données 2016

béta-lactamines, pénicillines :

E. coli procuctrices de béta-lactamase à spectre étendu (E. coli BLSE)

Céphalosporine Pénicilline

(11)

Objectifs de l’étude

• Evaluer l’impact d’une ZRV sur la qualité bactériologique d’un effluent de station d’épuration

• Localiser les zones de la ZRV conduisant à un abattement significatif des teneurs en bactéries d’origine fécale

• Focus : Escherichia coli

 E. coli productrices de béta-lactamases à spectre étendu (E. coli BLSE)

objectif

(12)

Journée de restitution ZRV – 28 mars 2019 11

Points de prélèvements

méthode

ZRV de Marguerittes

eau racines

dépôts D

E

R

6370 m²

15 000 EH 3 575 m²

©Irstea

(13)

Racines végétaux

Décrochage des bactéries par voxtex + poudre de verre

Etalement de la solution sur milieu TBX

Milieu TBX

Dénombrement de E. coli et des E. coli BLSE

méthode

sédiment dilué ou non étalé sur

milieu TBX

Dépôts

avec 4 mg/L cefotaxime

Milieu TBX

E. coli E. coli BLSE Eaux

Filtration sur membrane

Membrane placée sur milieu TBX

©Irstea

(14)

Incubation à 44°C, 24h

Racines végétaux

Décrochage des bactéries par voxtex + poudre de verre

Eaux

Filtration sur membrane

Membrane placée sur milieu TBX

Milieu TBX

Dénombrement de E. coli et des E. coli BLSE

Résultats exprimés en UFC / 100 mL ou

UFC / g méthode

sédiment dilué ou non étalé sur

milieu TBX

Dépôts

avec 4 mg/L cefotaxime

Milieu TBX

E. coli E. coli BLSE

Etalement de la solution sur milieu TBX

©Irstea

(15)

Prélèvements d’eau

méthode

Microphytes Microphytes

Macrophytes Végétaux plantés

Bassin 1 Bassin 2

amont

aval

Effluent STEP

D : 0.9m

D : 0.2m

E1

E2

E3 E4b

E6

E9

E12

E13

E14 Roseaux

9 points de prélèvements

- 1  effluent de sortie de la STEP - 6  ZRV

- 2  milieu récepteur

(16)

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

W1 W2 W3 W4 W6 W9 W12 W13 W14

UFC /100mL

10⁶ 10⁵ 10⁴ 10³ 10² 10 1

a a

cd bc

b

cd

d

cd

saison froide

E1 E2 E3 E4b E6 E9 E12 E13 E14 STEP Bassin 1 Bassin 2 Rivière

Microphytes

amont

aval

Effluent de station d’épuration

E1

E2

E3 E4b

E6

E9

E12

E13

E14 Roseaux

Efficacité de la ZRV

de janvier à avril 2015 et décembre 2015 résultats

ZRV  diminution progressive des teneurs en E. coli

Abattement entrée (E2) vs sortie (E12) : 2,8 Log₁₀

En sortie de la ZRV  10² E. coli /100mL

(17)

Microphytes

amont

aval

E1

E2

E3 E4b

E6

E9

E12

E13

E14 Roseaux

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

W1 W2 W3 W4 W6 W9 W12 W13 W14

UFC /100mL

10⁶ 10⁵ 10⁴ 10³ 10² 10 1

saison froide

STEP Bassin 1 Bassin 2 Rivière

0,5 Log

E1 E2 E3 E4b E6 E9 E12 E13 E14

2 zones influencent les teneurs en E. coli

Bassin 1 : 0,5 Log₁₀ de réduction entre E2 et E3 résultats

de janvier à avril 2015 et décembre 2015

Transfert des bactéries vers les dépôts + action des UV

(18)

Microphytes

amont

aval

E1

E2

E3 E4b

E6

E9

E12

E13

E14 Roseaux

17

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

W1 W2 W3 W4 W6 W9 W12 W13 W14

UFC /100mL

10⁶ 10⁵ 10⁴ 10³ 10² 10 1

saison froide

0,5 Log

E1 E2 E3 E4b E6 E9 E12 E13 E14

résultats

présence d’une digue de terre (L = 2 m)

 obstacle physique : créée une lame d’eau de 30 cm

peut accentuer l’accumulation des MES et des bactéries associées à ces matières

intensifie l’impact des UV dans cette zone peu profonde 2 zones influencent les teneurs en E. coli

Bassin 1 : 0,5 Log₁₀ de réduction entre E2 et E3

(19)

Microphytes

amont

aval

E1

E2

E3 E4b

E6

E9

E12

E13

E14 Roseaux

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

W1 W2 W3 W4 W6 W9 W12 W13 W14

UFC /100mL

10⁶ 10⁵ 10⁴ 10³ 10² 10 1

saison froide

0,5 Log

E1 E2 E3 E4b E6 E9 E12 E13 E14

résultats

présence d’une digue de terre (L = 2 m)

 obstacle physique : créée une lame d’eau de 30 cm

peut accentuer l’accumulation des MES et des bactéries associées à ces matières

Bassin 1 : 0,5 Log₁₀ de réduction entre E2 et E3

(20)

19

2 m

30 cm

Entrée bassin 1 Sortie bassin 1

15-24 cm

10-15 cm

10-15 cm

2 10⁴ UFC/100mL 7 10²

UFC/100mL

L’amont de la digue de terre est 30 fois plus contaminé que l’aval

Bassin 2

Bassin 1

roseaux

amont

aval D : 1m

D : 0.2m

D : 0.9m

D : 0.7m D : 0.3m

D : 0.2m

D : profondeur (en m)

Sens du courant eau

dépôts

E2

E3 E4b

E6

E9

E12

D1 D4 D3

D6

D8 D9

D E

résultats

©Irstea

(21)

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

W1 W2 W3 W4 W6 W9 W12 W13 W14

UFC /100mL

10⁶ 10⁵ 10⁴ 10³ 10² 10 1

saison froide

1 Log

E1 E2 E3 E4b E6 E9 E12 E13 E14

résultats

Microphytes

amont

aval

E1

E2

E3 E4b

E6

E9

E12

E13

E14 Roseaux

0,5 Log

Bassin 2 ^{: 2 Log}₁₀ d’abattement 1 Log₁₀ dès le passage au travers

des roseaux (E4b)

©Irstea

(22)

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

W1 W2 W3 W4 W6 W9 W12 W13 W14

UFC /100mL

10⁶ 10⁵ 10⁴ 10³ 10² 10 1

saison froide

1 Log

E1 E2 E3 E4b E6 E9 E12 E13 E14

résultats

Microphytes

amont

aval

E1

E2

E3 E4b

E6

E9

E12

E13

E14 Roseaux

0,5 Log

Obstacle au déplacement dans la masse d’eau des bactéries ? Formation de biofilm sur les parties immergées des plantes ?

Bassin 2 ^{: 2 Log}₁₀ d’abattement 1 Log₁₀ dès le passage au travers

des roseaux (E4b)

©Irstea

(23)

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

W1 W2 W3 W4 W6 W9 W12 W13 W14

UFC /100mL

b cd

b

a a

b b

b

b 10⁶

10⁵ 10⁴ 10³ 10² 10 1

E1 E2 E3 E4b E6 E9 E12 E13 E14 STEP Bassin 1 Bassin 2 Rivière

saison chaude

1,5 Log

résultats

de mai à novembre 2015

Microphytes

amont

aval

E1

E2

E3 E4b

E6

E9

E12

E13

E14 Roseaux

ZRV  diminution des teneurs en E. coli mais non progressive

Abattement entrée (E2) vs sortie (E12) : ≈ 1,5 Log₁₀ En sortie de la ZRV :  4 10² E. coli /100mL

(24)

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

W1 W2 W3 W4 W6 W9 W12 W13 W14

UFC /100mL

b cd

b

a a

b b

b

b 10⁶

10⁵ 10⁴ 10³ 10² 10 1

saison chaude

1,5 Log

résultats

1 zone influence les teneurs en E. coli

Bassin 1 : 1,5 Log de réduction entre E2 et E3 Abattement plus élevé qu’en saison froide

Microphytes

amont

aval

E1

E2

E3 E4b

E6

E9

E12

E13

E14 Roseaux

Absence de végétalisation du bassin 1

 eau exposée aux UV dont l’intensité est plus importante en période chaude

©Irstea

(25)

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

W1 W2 W3 W4 W6 W9 W12 W13 W14

UFC /100mL

b

b 10⁶

10⁵ 10⁴ 10³ 10² 10 1

1,5 Log

résultats

Bassin 2 : pas de diminution progressive des teneurs en E. coli

Teneurs en E. coli plus élevées dans les espaces végétalisés (roselière au point E4b et macrophytes au point E12).

Microphytes

amont

aval

E1

E2

E3 E4b

E6

E9

E12

E13

E14 Roseaux

saison chaude

Effet protecteur des végétaux vis-à-vis des UV ?

Remise en suspension des dépôts par la faune sauvage ?

(26)

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

W1 W2 W3 W4 W6 W9 W12 W13 W14

UFC /100mL

10⁶ 10⁵ 10⁴ 10³ 10² 10 1

E. coli dans l’effluent de la ZRV et le milieu récepteur

amont

aval

E1

E2

E3 E4b

E6

E9

E12

E13

E14 Roseaux

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

W1 W2 W3 W4 W6 W9 W12 W13 W14

UFC /100mL

10⁶ 10⁵ 10⁴ 10³ 10² 10 1

STEP Bassin 1 Bassin 2 Rivière E1 E2 E3 E4b E6 E9 E12 E13 E14

saison froide

Teneur en E. coli dans le cours d’eau récepteur :

plus élevée en amont (E13) qu’en aval du rejet de la ZRV (E14) résultats

saison chaude

©Irstea

(27)

Dépôts : contamination stable

 10⁴ et 10⁵ UFC/g MS

résultats

E. coli dans les dépôts et les racines des végétaux

1,0E+00 1,0E+01 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06

D1 D3 D4 D6 D8 D9

UFC/g de MS

Points de prélèvement

UFC/g MS

10⁶ 10⁵ 10⁴ 10³ 10² 10 1

Points de prélèvementsPoints de prélèvements

D1 D3 D4 D6 D8 D9

(28)

E. coli BLSE

27

1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

E. coli ESBL E. coli

1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

UFC /100mL

10⁶ 10⁵ 10⁴ 10³ 10² 10 1

STEP Bassin 1 Bassin 2 Rivière E1 E2 E3 E4b E6 E9 E12 E13 E14

10⁶ 10⁵ 10⁴ 10³ 10² 10 1

saison froide

hachures : détectées mais non quantifiées

E. coli BLSE : détectées dans tous les échantillons

1 - 10³ UFC/100mL

 0,1 à 1 % de la population des E. coli

résultats

saison chaude

E. coli BLSE

(29)

Caractérisation de 369 souches de E. coli BLSE isolées

• Gènes bla portés par les E. coli BLSE

• Localisation des gènes ?

• Antibiorésistance

• 16 antibiotiques testés

• Déterminer si le profil de résistance des bactéries évolue dans la ZRV

• Diversité génotypique

• Circulation des bactéries

chromosome plasmides

résultats

(30)

• Gènes bla portés par les E. coli BLSE Caractérisation des E. coli BLSE isolées

résultats

369 E. coli BLSE isolées des eaux

55% ont un portage plasmidique des gènes bla

Transfert des gènes de résistance via les plasmides dans la ZRV ?

chromosome plasmides

gène bla

©Irstea

(31)

• Spectre de résistance :

16 antibiotiques testés par la méthode de diffusion en milieu gélosé

0%

5%

10%

15%

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

isolats

Nombre d’atbs pour lequels une résistance est observée

Sensibilité à l’atb

Résistance à l’atb résultats

Tapis bactérien Caractérisation des E. coli BLSE isolées

(32)

Distribution des profils de résistance des E. coli BLSE

31

 le passage des E. coli au travers de la ZRV ne modifie pas leur résistance

E2 E3 E4b E6 E9 E12

amont

aval

E1

E2

E3 E4b

E6

E9

E12

E13

E14 Roseaux

Antibiotiques

% d’isolats

Résistant Sensible Amikacin

Cefotaxime Ceftazidime Chloramphenicol Ciprofloxacin Colistin Doxycycline Gentamicin Imipenem Kanamycin Netilmicin Ofloxacin Penicillin Streptomycin Tobramycin Cotrimoxazol

E2

0 50 100

Entrée Bassin B1

0 50 100

E3 Sortie Bassin B1

100

0 50

E6 Eau libre

0 50 100

E9 Zone à herbier

0 50 100

E12 Sortie ZRV

0 50 100

E4bis Roselière

Antibiotiques

% d’isolats

Résistant Sensible Amikacin

Cefotaxime Ceftazidime Chloramphenicol Ciprofloxacin Colistin Doxycycline Gentamicin Imipenem Kanamycin Netilmicin Ofloxacin Penicillin Streptomycin Tobramycin Cotrimoxazol

E2

0 50 100

100

0 50

E6 Eau libre

0 50 100

sensible résistant

Antibiotiques

% d’isolats

Résistant Sensible

Amikacin Cefotaxime Ceftazidime Chloramphenicol Ciprofloxacin Colistin Doxycycline Gentamicin Imipenem Kanamycin Netilmicin Ofloxacin Penicillin Streptomycin Tobramycin Cotrimoxazol

E2

0 50 100

100

0 50

E6 Eau libre

0 50 100

0 50 100 0 50 100 0 50 100 0 50 100 0 50 100 0 50 100

% d’isolats

Antibiotiques

Amikacine Cefotaxime Ceftazidime Chloramphenicol Ciprofloxacine Colistine Doxycycline Gentamicine Imipenem Kanamycine Netilmicine Ofloxacine Penicilline Streptomycine Tobramycine Cotrimoxazol

résultats

(33)

Répartition des souches dans la ZRV

• Génotypage de 78 E. coli BLSE

• 44 : eau

• 16 : dépôts

• 8 : racines de végétaux

• 10 : fèces de ragondins

E. coli BLSE, génotype A

E. coli BLSE, génotype B Typage MLST (multilocus sequence typing)

résultats

(34)

Journée de restitution ZRV – 28 mars 2019 O,1 33

0,1

Répartition dans les compartiments de la ZRV (eaux, dépôts, végétaux, fèces de ragondins)

eau

végétaux dépôts ragondins

résultats

(35)

eau eau

eau,ragondins eau,ragondins eau,dépôt

végétaux,dépôt eau, végétaux végétaux, dépôt eau,végétaux, dépôt

eau dépôt

origine des isolats

0,1

12 profils génotypiques

Répartition dans les compartiments de la ZRV (eaux, dépôts, végétaux, fèces de ragondins)

isolats présents dans l’eau des 2 bassins

 circulation des E. coli BLSE le long de la ZRV

eau, dépôt, ragondins eau

végétaux

résultats

amont

aval

E1

E2

E3 E4b

E6

E9

E12

E13

E14 Roseaux

(36)

eau, dépôt, ragondins eau,végétaux, dépôt eau,dépôt

O,1 35

0,1

Profils d’isolats communs eau / dépôts  transfert vers les dépôts Profils d’isolats communs végétaux / dépôts

7 sont communs à 2 ou 3 compartiments Répartition dans les compartiments de la ZRV (eaux, dépôts, végétaux, fèces de ragondins)

eau

végétaux dépôts ragondins

résultats

eau eau

eau,ragondins eau,ragondins

végétaux,dépôt eau, végétaux végétaux, dépôt

eau dépôt

origine des isolats

©Irstea

(37)

eau,ragondins eau,dépôt

eau, végétaux

0,1

Profils communs d’isolats issus de l’eau et des fèces de ragondin

 circulation via les animaux

eau

végétaux

7 sont communs à 2 ou 3 compartiments Répartition dans les compartiments de la ZRV (eaux, dépôts, végétaux, fèces de ragondins)

résultats

eau,végétaux, dépôt eau

eau

eau,ragondins

végétaux,dépôt végétaux, dépôt

eau dépôt

eau, dépôt, ragondins origine des isolats

©Irstea

(38)

Conclusion (1)

• ZRV de Marguerittes  abattement d’un facteur 100 à 1 000 des teneurs en E. coli

• Effet saison  élimination de E. coli plus importante en hiver qu’en été

• Bassin B1 et roselière du bassin 2  principaux éléments impactant le devenir des E. coli

• Le rejet contribue à améliorer la qualité sanitaire du milieu récepteur

• Transfert d’une partie des bactéries dans les dépôts

• Digue surélevée du bassin 1 joue un rôle dans la diminution des teneurs en E. coli

90 % des bilans 24h montrent une réduction de 1 à 3 Log₁₀ des E. coli après passage en ZRV

• Transfert d’une partie des bactéries vers la rhizosphère

• Végétation impacte le devenir des bactéries mais l’impact diffère selon la saison

©Irstea

(39)

 La persistance de bactéries résistantes aux antibiotiques dans les dépôts pourrait favoriser l’antibiorésistance des bactéries environnementales.

Conclusion (2)

 ZRV : élimine une partie des E. coli BLSE

Antibiorésistance des isolats n'augmente pas le long de la ZRV

Génotypage  circulation des E. coli BLSE entre les différents compartiments de la ZRV (eau, dépôt, végétation) et la faune sauvage (ragondin)

E. coli BLSE de la ZRV : multirésistantes aux antibiotiques

(40)

Merci à l’équipe de Lyon et à Anne-Laure Vivant