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Le dépistage des sources de pollution microbienne dans les écosystèmes aquatiques: état de la science et évaluation des besoins

Aperçu du dépistage des sources de pollution microbienne

Le dépistage des sources de pollution microbienne (DSPM) est un nouveau domaine qui vise à retracer les sources de contamination microbienne dans l'environnement. Ce domaine s'est développé rapidement pour répondre aux besoins croissants de repérage des sources de pollution fécale contaminant les eaux potables, coquillères et récréatives. La démarche générale est fondée sur l'établissement du degré de similitude entre les microorganismes recueillis dans les écosystèmes aquatiques et les microorganismes provenant de sources connues de pollution fécale pour en arriver à déduire la source probable de la contamination fécale.

Diverses méthodes ont été élaborées pour le dépistage des sources de pollution microbienne (Simpson   et al., 2002; Scott   et al., 2002; U.S. EPA, 2005). Comme le domaine évolue rapidement, de nombreuses nouvelles méthodes sont également à l'étude. L'ensemble des méthodes de DSPM est souvent vu comme une « boîte à outils », certaines méthodes s'avérant davantage pertinentes que d'autres selon les circonstances. La présente section brosse un tableau de certaines des méthodes de DSPM les plus communément utilisées.

Les méthodes de DSPM peuvent être divisées en deux grands groupes, soit les méthodes qui reposent sur une banque de matériel microbien de référence et les méthodes qui ne reposent pas sur une telle banque de matériel. À ce jour, les méthodes avec banque de matériel de référence ont été les plus largement utilisées dans les études de DSPM, bien que l'élaboration de la banque de matériel puisse demander beaucoup de travail et de temps. On se penche de plus en plus sur les méthodes sans banque de matériel de référence.

Méthodes de DSPM avec banque de matériel microbien de référence

Les méthodes avec banque de matériel de référence consistent à choisir un microorganisme fécal indicateur (p. ex. Escherichia coli) puis à établir une banque de caractéristiques de référence des isolats individuels du microorganisme choisi qui proviennent de sources connues de pollution fécale. Par exemple, on pourrait avoir comme banque de matériel de référence une base de données d'empreintes génétiques d'isolats d' E. coli provenant de sources de pollution fécale comme des fèces animales, des fosses septiques ou des effluents d'eaux usées municipales. Les empreintes génétiques des isolats d' E. coli provenant d'écosystèmes aquatiques (c.-à-d'origine inconnue) peuvent alors être comparées aux empreintes génétiques figurant dans la banque (origine connue) pour déduire la source des isolats d' E. coli tirés du milieu aquatique. L'identification taxinomique des isolats fécaux et aquatiques doit être exacte pour assurer la validité de l'établissement des similitudes. La taille minimale des banques de matériel de référence n'a pas encore été établie, mais elles doivent être suffisamment importantes pour refléter la diversité des isolats tirés de l'environnement. Il pourrait être utile de procéder à un échantillonnage ciblé pour mieux orienter les efforts de DSPM (Kuntz et al., 2003).

Réservoirs de clarification secondaires pour le traitement des eaux usées | Photo : Quintin RochfortLes microorganismes fécaux indicateurs les plus communément utilisés à ce jour dans les méthodes avec matériel de référence sont les Escherichia coli et des Enterococcus. Ces bactéries sont communément présentes dans le tube digestif des homéothermes et sont relativement faciles à isoler et à cultiver en laboratoire, de sorte qu'elles sont largement utilisées dans les programmes de surveillance de la qualité des eaux. On peut mesurer la similitude entre isolats d'un microorganisme fécal indicateur au moyen de méthodes fondées sur la détermination des profils des phénotypes ou de méthodes fondées sur la détermination des empreintes des génotypes.

Les méthodes fondées sur les phénotypes utilisent des comparaisons cellulaires ou physiologiques entre les isolats, reposant sur des caractéristiques comme la résistance aux antibiotiques (Wiggins, 1996; Hagedorn   et al., 1999; Harwood   et al., 2000) ou l'utilisation du carbone (Hagedorn et al., 2003). Le profilage fondé sur la résistance aux antibiotiques est à ce jour la méthode phénotypique la plus communément employée. Dans cette méthode, les isolats bactériens peuvent être inoculés sur de nombreuses plaques de gélose, chaque plaque renfermant un antibiotique différent mélangé à la gélose. Les isolats sont incubés sur les plaques de gélose durant une nuit et leur croissance est comparée à leur croissance sur une plaque témoin (renfermant la même gélose mais sans antibiotique). Le degré de croissance de chaque isolat sur les différentes plaques de gélose est utilisé pour établir son profil de résistance aux antibiotiques. La méthode de DSPM fondée sur la résistance aux antibiotiques repose sur l'idée que les bactéries du tube digestif des humains et des animaux domestiques sont exposées à différents antibiotiques par la voie de traitements médicaux et vétérinaires et que ces bactéries entériques acquièrent différents profils de résistance. Comme les espèces sauvages ne sont pas directement exposées à des antibiotiques, leurs bactéries entériques sont habituellement moins résistantes aux antibiotiques.

Les méthodes fondées sur les génotypes comparent des séquences d'ADN des isolats à l'aide de méthodes comme la détermination des empreintes génétiques à l'aide de la rep-PCR (Dombeck et al., 2000; Johnson et al., 2004), du ribotypage (Carson et al., 2001) et du polymorphisme de longueur de fragments amplifiés (AFLP) (Guan et al., 2002; Leung et al., 2004). Dans ces méthodes de détermination des empreintes génétiques, l'ADN est extrait des cellules d'un isolat, puis différentes techniques de coupure et d'amplification de l'ADN peuvent être utilisées pour obtenir des fragments d'ADN de tailles diverses. Ces fragments peuvent ensuite être séparés sur gel d'électrophorèse, ce qui produit un spectre de bandes pouvant être visualisé et caractérisé statistiquement comme empreinte génétique unique. Le ribotypage et la rep-PCR sont les techniques de détermination des empreintes génétiques les plus communément utilisées à ce jour.

Méthodes de DSPM sans banque de matériel microbien de référence

Les méthodes sans banque de matériel microbien de référence sont fondées sur la détection de marqueurs spécifiques aux hôtes indiquant que la contamination fécale de l'eau provient d'un hôte humain ou animal spécifique. La plupart de ces méthodes utilisent la réaction en chaîne de la polymérase (PCR) pour détecter les marqueurs spécifiques. La culture microbienne n'est généralement pas nécessaire, mais elle peut l'être dans certains cas pour accroître le nombre de microorganismes porteurs d'un gène marqueur spécifique à l'hôte. Par exemple, on a proposé des méthodes avec culture pour des marqueurs spécifiques à l'homme trouvés chez des bactéries du genre Enterococcus (Scott et al., 2005) et pour des marqueurs spécifiques aux bovins et au porc trouvés chez les E. coli (Khatib et al., 2002, 2003).

Certains des résultats les plus prometteurs à ce jour pour l'obtention de marqueurs spécifiques aux hôtes en vue du dépistage des sources de pollution fécale ont trait à des marqueurs ADNr 16S dans la famille des Bacteroidetes. Ces bactéries anaérobies représentent une très forte proportion de la flore fécale des homéothermes. Bernhard et Field (2000a) ont trouvé des séquences d'ADNr 16S spécifiques aux hôtes chez des Bacteroides sp. dans des échantillons de fèces humaines et bovines et ont utilisé une méthode pour dépister ces séquences dans les eaux côtières. Les mêmes auteurs (2000b) ont ensuite élaboré des essais de PCR pour l'ADNr 16S des Bacteroides spécifiques aux ruminants et à l'humain offrant des méthodes de DSPM ne requérant pas de culture. Un effort de recherche important est en cours pour valider et trouver de nouveaux marqueurs spécifiques aux hôtes chez les Bacteroides sp. (Field, 2004). On a proposé d'autres marqueurs spécifiques aux hôtes chez des bactériophages (Payan et al., 2005) et des microorganismes pathogènes, tels des virus entériques (Fong et al., 2005) et des protozoaires, comme des cryptosporidies (Jiang et al., 2005).

Autres méthodes de dépistage des sources

Bien que les méthodes de dépistage des sources de pollution microbienne décrites ci-dessus évoluent rapidement, on doit souligner que d'autres méthodes peuvent être utilisées pour dépister la contamination fécale dans les écosystèmes aquatiques. Par exemple, des traceurs chimiques ont été utilisés, le plus souvent pour détecter des substances chimiques associées aux déchets humains. Comme les plus fortes concentrations de ces substances chimiques se trouvent habituellement dans les stations d'épuration des eaux usées, ce type de méthodes est proposé pour le dépistage de la pollution fécale d'origine humaine. Par exemple, les stérols et stanols fécaux, la caféine, des détergents, des agents de blanchiment pour la lessive, des parfums et des produits pharmaceutiques ont été proposés comme marqueurs de la pollution fécale (Elhmmali et al., 2002; Roser et al., 2003; Glassmeyer et al., 2005). Des marqueurs ADNm d'eucaryotes ont aussi été utilisés pour discriminer des sources de pollution fécale pour les eaux de surface (Martellini et al., 2005), sujet traité plus bas dans le présent rapport.