securite microbiologique eaux potables

1

La scurit microbiologique des eaux potables :

un des enjeux majeurs du XXIme sicle

Henry-Michel Cauchie

Aquaple22 fvrier 2007

2

1. Prsentation du Centre de Recherche Public Gabriel Lippmann

2. Le risque microbiologique li aux eaux potables

1. Dfinitions: risque microbiologique, scurit,

2. Caractristiques des agents pathognes

3. Situation actuelle dans le monde

3. Moyens mettre en uvre pour assurer la scurit microbiologique

des eaux potables

4. Recherche et dveloppement au CRP-GL dans ce domaine

5. Conclusions

Structure de lexpos

3

1. Prsentation du Centre de Recherche Public Gabriel Lippmann

4

Mission du Centre de Recherche Public Gabriel Lippmann

Recherche applique

Recherche fondamentale

Transfert technologique

Partenaires publics et privs

Recherche oriente

5

Dpartement EVA Environnement et Agro-BiotechnologiesResponsable Dr L. Hoffmann

Cr en 2000, actuellement 17 chercheurs et techniciens

Deux axes de recherche principaux :

Analyse et gestion de la biodiversit et des services cologiques des cosystmes

Microbiologie environnementale

Taxonomie et cologie microbienne Microbiologie applique (puration, biomthanisation,) Analyse quantitative du risque microbiologique dans les eaux

Unit de recherche Ecosystmes aquatiques et terrestres Responsable Dr H.M. Cauchie

6

Analyse quantitative du risque microbiologique dans les eaux

Dynamique des pathognes lis leau dans les bassins versants ou zones contributives

(protection des ressources, sant publique, interactions cologiques)

Indicateurs : E. coli, intestinalenterococci, bacteriophages,

Pathognes:Salmonella, Legionella, Giardia, Cryptosporidium, Hpatite A, norovirus, poliovirus, cyanobactries,

7

2. Le risque microbiologique li aux eaux potables

8

Dfinitions

Danger : Source de dommage pour lhomme ou les biens exposs

Risque : Probabilit de dommage dans des conditions donnes

dexposition au danger

Scurit (safety) : mise en place de barrire de protection

(traitements de leau, pratiques,) entre le danger (agent pathogne)

et les personnes

9

Brve histoire de la connaissance des maladies lies leau

Du moyen ge la moiti du XVIIIme sicle:

Les maladies (la Peste, le Cholra,) se propagent par les miasmes

disperss dans lair.

10

John Snow, pidmiologiste anglais (1813 1858)

Brve histoire de la connaissance des maladies lies leau

Il analyse la dynamique spatiale et temporelle

de lpidmie de cholra qui svit dans le

quartier de Soho Londres en 1854.

Il en dduit que le cholra

atteint les personnes ayant bu

de leau de la pompe deau

publique de Broad Street.

11

Un certain nombre de maladies sont dues des germes prsents dans leau

Cholra : bactrie Vibrio cholerae

7 pandmies entre 1817 et 1961

Fivre typhode : bactrie Salmonella typhi

Epidmie en Rpublique dmocratique

du Congo (27 Septembre 2004 - 11

Janvier 2005):

- 42 564 cas

- 214 mort (taux de mortalit: 0.5%)

12

Traitements des eaux et sant

A partir du XIXme sicle, mise en place de systmes

de collecte et traitement des eaux uses

(assainissement)

de traitement de leau destine la consommation

humaine : filtration de leau, chloration

Paris 1820

13

Le traitement de leau rduit la mortalit due la fivre typhode

Salmonella typhi

14

Endmisme, pisodes pidmiques (outbreak)

15

1920 1930 : ~ 17 pisodes pidmiques par an

1991 2002 : ~ 15 pisodes pidmiques par an

pisodes pidmiques aux tats-Unis (1920 2002)

16

pisodes pidmiques aux tats-Unis (1920 2002)

Vaccinations

Traitements thrapeutiques

17

Dans les pays industrialiss, la mise en place de mesures

dassainissement des eaux uses et de traitement de potabilisation des

eaux ont rduit loccurrence endmique des maladies lies leau.

Par contre, la frquence des pisodes pidmiques na par contre pas diminu au cours du XXme sicle.

Les causes en sont notamment les changements doccupation des sols

(intensification de lagriculture, urbanisation), la croissance

dmographique et la centralisation des systmes de distribution deau.

Constats

18

Diversit et caractristiques majeures des pathognes

Bactries:

Campylobacter jejuni Gastroentrite grave

Escherichia coli O157:H7 Enterohmorragique

Entroinvasive (dysenterie - fivre),

Salmonella spp Diarrhe sanglante, arthrite

Shigella spp. Dysenterie, fivre

Vibrio cholera Diarrhe, vomissements,

- Dose minimale infectieuse: 102 (Shigella) 108 (E.coli) cellules.

- Peuvent entrer en dormance dans le milieu ou se multiplier.

- Fort abattement avec les systmes de dsinfection classique (filtration,

chloration,)

- Traitements thrapeutiques gnralement efficaces

19


Virus entriques:

Astrovirus Gastroentrite svre

Norovirus Gastroentrite svre, nause, vomissement

Entrovirus (poliovirus) Diarrhe, mnigites, encphalite,

Hpatite A Fivre, anorexie, douleur abdominale

Dose minimale infectieuse: 1 10 (100)

- Persistance importante ou inconnue

- Abattement significatif avec chloration, ultrafiltration efficace

20


Protozoaires parasites:

Cryptosporidium parvum Diarrhe svre

Entamoeba histolytica Douleur abdominale, diarrhe sanglante

Giardia lamblia Douleur abdominale

Dose minimale infectieuse: 1 20 (100)

- Persistance trs importante

-Relativement rsistant la chloration

- ultrafiltration efficace

21


Cyanobacteries:

- Certaine souches sont toxiques, relarguant leur toxine aprs la mort

cellulaire

- Dermatites, hpatotoxicit, neurotoxicit

Anabaena

22

1920-1940 1941-1960

1961-1970

1971-1990 1991-2002

Source : Craun et al., 2006 J Water Health

23

Situation mondiale actuelle

24

Distribution du Cholra ltat endmique aujourdhui

25

Situation globale quelques chiffres

1,1 milliards de personnes nont pas

accs au volume minimum deau propre

ncessaire journellement (5 litres)

2,6 milliards de personnes (la moiti

de la population des pays en

dveloppement) nont pas accs un

assainissement

1,8 millions denfants meurent chaque anne de diarrhe induite par des

pathognes vhiculs par leau

443 millions de jours dcole manqus chaque annes

Des millions de femmes passant plusieurs heures aller chercher de

leau chaque jour

26

Donnes 1995-2004

Lassainissement et lamlioration de lapprovisionnement en eausont la priorit des pays en dveloppement pour rduire lendmisme des maladies vhicules par leau

27

2 dfis majeurs au XXIme sicle: laccroissement de la population mondiale et le changement climatique

28

3. Moyens mettre en uvre pour assurer la scurit microbiologique des eaux potables au XXIme sicle

29

Origines des pollutions tats-Unis (1971 2002)

30

Constats

La qualit de leau peut tre altre diffrents endroits de la

chane dapprovisionnement

Une surveillance au niveau de la source deau et/ou du

consommateur (End-of-pipe control) uniquement savre inefficace

prvenir le risque de contamination.

Le risque de contamination doit tre caractris chaque tape

de la production deau potable suivant un principe similaire au

principe HACCP ( hazard analysis critical control point ) utilis

dans lindustrie alimentaire.

31

Mise en place de systmes de contrle multi-barrires

Approche catchment to consumer propose par lOMS

Connatre

son bassin

versant

Connatre la qualit de

leausource

Matrise des

traitements

de leau

Protection

de la

distribution

Eau potable

sre

32

Evaluation du

systme

Surveillance oprationnelle

Gestion

&

Communication

Description de la ressource

Identification & prioritisation des dangers

Identification des mesures de contrle

Dfinir les limites oprationnelles

Etablir une surveillance

Actions correctives, rponses aux incidents

Enregistrement des actions

Validation et vrification

Rvision, approbation et

audit

Plan de scurit

pourleau

tapes des plans de scurit pour leau (OMS) Water Safety Plans

33

Analyse quantitative du risque microbiologique

34

Bioterrorisme : le cas particulier dune contamination intentionnelle

Aux Etats-Unis, le Center for Disease Control and Prevention

(CDC) a class certains pathognes vhiculs par leau dans la

catgorie dagents biologique 2 (dissmination moyennement ais

raliser, faible mortalit):

Vibrio cholerae

Cryptosporidium parvum

Aucune attaque de cette nature ce jour

Stimulation des recherches sur les moyens de dtection en temps-rel des pisodes pidmiques volontaires ou non

Rflexion sur la protection des infrastructures

35

Rglementation actuelle et future

Actuellement, la Directive europenne 98/83/CE (eaux destines

la consommation humaine) est dapplication.

Cette Directive ninclus pas les principes des Plans pour le

Scurit pour lEau.

Par ailleurs, la Directive-cadre 200/60/CE fait rfrence explicite

la gestion des eaux de surface et des eaux souterraines en

vue de leur usage comme source deau potable.

La Directive europenne 98/83/CE est en rvision et devrait

inclure plus explicitement une rfrence aux Plans de Scurit

pour lEau. Un groupe de travail OMS/UE a t cr.

36

3. Recherches dans le domaine de lanalyse du risque microbiologique

37

Dmarche classique pour dterminer la prsence dun risque pathognes

Les pathognes sont souvent prsents des concentrations

relativement basses;

La dose minimal infectante de certains pathognes est relativement

basse, voire trs basse (virus, parasites).

Une dtection dindicateurs de contamination fcale plutt quune

dtection des pathognes eux-mme est gnralement utilise. Les

critres de qualit de la Directive 98/83/CE sont dailleurs fixs vis-vis

dindicateurs.

38

Les indicateurs sont prsents en beaucoup plus grande abondance que les pathognes

39

Mais leur survie nest pas toujours en rapport avec la survie de certains pathognes

40

Beaucoup de

donnes

disponibles

Non-bacterial pathogens(e.g. viruses, parasites)

Water

Biofilm

Inactivation

Inactivation

Inactivation

Attachm

entD

etachment

Sloughingor erosion Manque de

donnes

Surface

Importance des biofilms dans la dynamique des pathognes ?

41

Lanalyse quantitative du risque microbiologique ncessite

des techniques dvaluation:

de labondance des pathognes;

de la viabilit de ces pathognes;

de leur caractre infectieux.

des techniques de concentrations

des pathognes partir de grands

volumes deau ou partir de biofilms.

Dfinition des questions de recherche

42

1) Objectifs mthodologiques:

Dvelopper et appliquer des techniques de concentration de pathognes et de dtermination de leur abondance et de leur viabilit (bactries, parasites), de leur virulence (virus) ou de leur toxicit (cyanobactries).

2) Objectifs exprimentaux:

Comprendre les interactions pathognes - biofilms

3) Objectifs appliqus:

Identifier et localiser les danger microbiologique non bactriens dans les parties majeures du systmes de production deau potable au Grand-duch de Luxembourg

Objectifs des recherche en cours

43

VirusDure

moyenne d'excrtion

fcale

Concentration virale par

gramme de selles

Dose minimale infectante

(DMI)Symptmes

Norovirus

3 jours(entre 12 h

et >15 jours)

> 106 10-100 Gastro-entrite

Entrovirus 1 mois 103 - 106 10-15

Gastro-entrite, mningite, affection

respiratoire

Pathognes-cibles

Parasite Transmission DMI Incubation Symptmes Giardia Fcale-Orale 1 10 kystes 6-16 jours Diarrhes profuses, nauses

Cryptosporidium Fcale-Orale 10 100 oocytses 4-9 jours Diarrhes profuses, vomissements

Virus : norovirus, entrovirus

Protozoaires parasites : Giardia, Cryptosporidium

Cyanobactries toxiques

44

Cyanobactries

Vsiculesgazeuses

100 x

Microcystis

Anabaena

Aphanizomenon

Planktothrix Cylindrospermopsis

5 genres principaux

45

Cyanotoxines

1. Neurotoxines :

2. Dermatotoxines :

Lipopolysaccharides endotoxines (LPS)

Alcalodes

Paralytic Shellfish Poisons (PSPs) :

Saxitoxine (carbamate),

Toxicit : Venin du Cobra

3. Hpatotoxines : polypeptides

Microcystine plus de 60 variantes Inhibiteurs de phosphatases Dsorganisation ducytosquelette

46

Concentration de virus et de parasites partir de grands volumes deau (> 1000 litres)

Filtration sur membrane ultrafiltration : essai de rcupration

simultane des pathognes

47

Rendement des systmes de concentration

Dopage de 50

litres deau

avec virus et

protozoaires

Concentration primaire

200 ml

Concentration secondaire

quelques ml

Rendement total : < 20% 60%

48

Dtection et dtermination de la virulence des virus

Eau

Biofilms

Concentration

Elution

virus

Virulence :

culture cellulaire

Occurrence :

qPCR

49

La PCR (Polymerase chain reaction), un nouvel outil

PCR

50

Dtection des produits de PCR

Visualisation sur gel : prsence dune bande

= prsence du pathogne

PCR en temps rel PCR quantitative

51

Signification de la prsence de produits de PCR

On dtecte la prsence de gnome viral ou parasitaire.

Aucune information sur la viabilit ou la virulence des pathognes

52

Culture cellulaire : estimation de la virulence des virus

Dilutions 101 102 103

53

Vinj, 2006QIAampViral RNA

NF XPT90-451Norovirus(GGI et II)

NF XPT90-451Fuhrman etal., 2005

QIAampViral RNA

NF XPT90-451Enterovirus

Pathogenicviruses

ISO/FDIS10705-1 (1997)

Ogorzaly &Gantzer, 2006

QIAampViral RNA

NF XPT90-451F-specificBacteriophages

(GenogroupI to IV)

ISO/FDIS10705-2 (1999)

QIAampViral RNA

NF XPT90-451Somatic

Coliphages

Viral indicators

Virulence(Cell culture)

Occurrence(PCR)

ExtractionConcentration

DetectionSample preparation

Virus

NEW!

Bote outil disponible au CRP-GL

54

Eau

Biofilms

Concentration

Elution

parasites

Viabilit : RT-qPCR

Occurrence : qPCR

Occurrence : microscopieUSEPA Method 1623

IFA DAPI DICIFA DAPI DICIFA DAPI DIC

mRNA giardin, HSP70

Dtection et dtermination de la viabilit des parasites

Sparation

Immuno-

magntique

55

0

10

20

30

20/01/06 27/01/06 03/02/06 10/02/06 17/02/06 24/02/06 03/03/06 10/03/06 17/03/06 24/03/06

Kys

tes

ou

oo

cyst

es/ 5

0 L

0

2

4

6

8

10

12

14

Pr

cip

itat

ion

s (m

m)

Provar Provar

Bavigne Bavigne

Misre Misre

Prcipitations (mm)

La dynamique des pathognes est lie lhydrologie des eaux considres

SEBES : 60000 m3/jour = 5.106 Giardia et Cryptosporidium /jour

56

Post-doc 2006-2007:

Recherche exploratoire de nouveaux indicators de viabilit de

Giardia lamblia

kystes dsenkystement trophozotes

Comparison

Marqueurs gnomiques et protomiques de viabilit chez Giardia lamblia

57

Cyanobactries

Eau de surface

Echantillonnage au filet plancton

Microscopie culture in vitro

Echantillons deau

Eau traite

Dosage des hpatotoxines &

neurotoxines

Abondance

Toxicit

PCR(toxin-producing

Genes)

58

Microcystines:

Screening: Test ELISA

Analyse: LC-MS

(MC-LR, -RR, -YR, -LW, -LF)

Anatoxin-a:

Saxitoxine:

Analyse: LC-MS

Screening: PSP Kit detection

Analyse: LC-MS

1. Hpatotoxine:

2. Neurotoxine:

Cyanobactries

59

Schma

opron mcy

Toxicit non lie la

morphologie !Toxique ? Toxique ?

1. Souches monoclonales

2. Echantillons ESS

Cyanotoxines-opron mcy (microcystine)

60

Des efflorescences abondantes en 2005

61

Recommendations OMS :

0

25

50

75

100

125

150

Apr-0

5Ma

y-05

Jun-

05Ju

l-05

Aug-

05Se

p-05

Oct-0

5No

v-05

Dec-

05Ja

n-06

Feb-

06Ma

r-06

g/l

Niveau dalerte 2 (OMS)Niveau dalerte 2 (OMS)

LultzhausenMain reservoir

Cyanobactries en 2005

1)

2) Moins de 1 g microcystine par litre :> 1 g.l-1

62

Cyanotoxines (mcy) - souches monoclonales

Conditions

contrles11 souches

PCR Souche Lieu Date Espce

mcyA mcyE 05BA40S1 05 / 10 / 05 Microcyst is sp. + +

05BA41S1 12 / 10 / 05 Microcyst is sp. + +

05BA43S1 26 / 10 / 05 Planktothr ix agardhii + +

05BA45S1

Bavigne

09 / 11 / 05 Planktothr ix agardhii + +

05ES37S1 15 / 09 / 05 Planktothr ix agardhii

05ES40S1 03 / 10 / 05 Planktothr ix agardhii + +



05ES43S1

Lulthauzen

26 / 10 / 05 Planktothr ix agardhii

05MI39S1 28 / 09 / 05 Microcyst is sp.

05MI43S1

M isre

26 / 10 / 05 Aphanizomenon gracile - -

3 genres diffrents

7/8 potentiellement hpatotoxiques

63

Travail exprimental sur les relations entre pathognes et biofilms

Racteur annulaire pour la production de biofilms

Temperature: 4C

dop avec 106 :

- 1 and 10-m billes fluorescentes

- Cryptosporidium parvum oocysts

- Giardia lamblia kystes

- Poliovirus (enterovirus)

- PhiX174 (somatic coliphage)

64


65

Les biofilms apparaissent comme tant des environnement protecteur pour les virus et les parasites Lors de flux turbulent, les dtachements de biofilms peuvent tre important, remettant en circulation des pathognes toujours actifs

Biofilms deau uses Exprimentation avec des conduites frachement excaves


66

Conclusions

Les problmes se situent des niveaux diffrents dans les pays

industrialiss et les pays en dveloppement

Laccroissement dmographique va augmenter de manire trs

importante la pression sur les eaux de telle manire que leau potable

sera un des enjeux stratgiques majeurs des annes venir

La mise en place des Plans de scurit pour leau constitue une

rponse adquate la gestion du risque biologique

mais ce risque volue (pathognes mergents) et des besoins

scientifiques et techniques spcifiques apparaissent

La R&D en gestion du risque microbiologique sera ds lors de plus en

plus sollicite.

67

CRP-GL : Centre de connaissance et dexpertise

Veille documentaire

Expertise

Analyses

68

http://swap2007.lippmann.lu/ !!! avant 1er mars !!!

69

Personnel impliqu dans lanalyse des risques microbiologiques

Cyanobactriologie Dr Raphal WILLAME

Virologie Dr Sylvain SKRABER

Dr Christophe GANTZER (LCPME, Nancy)

Parasitologie Mr Karim HELMI

Dr Isabelle BERTRAND (LCPME, Nancy)

Bactriologie Mlle Laurence LEBLANC

Ecologie Dr Isabelle THYS

Epidmiologie Dr Jol MOSSONG (Laboratoire National de Sant)

Rgulation lgale Dr Jean-Paul LICKES (Ministre de lIntrieur)

Assistance technique Mr Nicolas BONJEAN

Mme Delphine COLLARD

Mlle Julie MATHU

securite microbiologique eaux potables

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