Enquêtes sur matières fécales pour retracer les sources de contamination de l'eau

Escherichia coli ou E. coli, comme on le nomme communément, est le marqueur microbien par excellence pour les essais visant à évaluer si l'eau est bonne à boire et sans danger pour la baignade. En tant que souche bactérienne répandue dans l'intestin des humains et de tous les animaux à sang chaud, E. coli est un outil pratique pour détecter une contamination fécale de nos eaux. L'essai est facile à réaliser et relativement rapide, et n'exige ni formation poussée ni équipement coûteux. Il consiste à prélever un échantillon d'eau, à le filtrer et à mettre en culture E. coli afin de déterminer le nombre de cellules présentes. Toute détection d'E. coli dans l'eau à boire déclenche un avis d'ébullition de l'eau, tandis qu'une lecture de 100 ou plus d'E. coli par 100 millilitres d'eau entraîne la fermeture d'une plage.

Cependant, il ne s'agit pas d'un outil parfait. Comme l'explique Tom Edge, Ph. D., chercheur à Environnement et Changement climatique Canada spécialisé dans les agents pathogènes d'origine hydrique, il existe des situations où les essais menés pour déceler ou mesurer E. coli ont peu ou pas de valeur pour ce qui est d'indiquer un risque pour la santé.

Ookystes de Cryptosporidium parvum et Giardia lamblia vuent sous un microscope

Ookystes de Cryptosporidium parvum et Giardia lamblia (intestinalis). Échelle = 10 microns. Photo : Lindquist, Environmental Protection Agency des États-Unis. http://www.epa.gov/microbes/images.html

À titre d'exemple, il souligne le cas de Milwaukee. En avril 1993, quelque 400 000 personnes – la moitié de la population de la ville – ont souffert de troubles gastro-intestinaux causés par Cryptosporidium, un parasite d'origine hydrique. Plus de 50 personnes en sont mortes, et les coûts des soins de santé ont explosé et atteint plus de 50 millions de dollars. On avait surveillé de près l'approvisionnement en eau pour y déceler la présence de bactéries sensibles au chlore comme E. coli ce qui, malheureusement, ne permet pas d'indiquer la présence d'un agent pathogène résistant au chlore comme Cryptosporidium.

Les essais menés pour déceler ou pour mesurer E. coli ne permettent pas non plus de déterminer la source de la contamination fécale, nécessaire pour trouver des solutions à la contamination. Monsieur Edge est d'avis que le nouveau domaine de recherche que constitue le dépistage des sources microbiennes fournira de nouveaux outils d'enquête qui permettront de remonter jusqu'à la source de la pollution.

Ses premières recherches portaient sur l'empreinte génétique et le profil de résistance aux antibiotiques d'E. coli, établis à partir d'échantillons de matières fécales. Le travail n'était pas de tout repos. Il reposait sur la collecte, à Hamilton, Ottawa et Toronto, de milliers d'isolats d'E. coli provenant d'usines de traitement des eaux usées ainsi que d'excréments de chiens, de chats et d'oiseaux. Tom Edge a découvert que les E. coli dans des échantillons d'eau prélevés sur des plages correspondaient souvent mieux à l'empreinte génétique et au profil de résistance aux antibiotiques des E. coli provenant de goélands et de bernaches du Canada que de ceux provenant d'humains, de chiens ou de chats.

C'est alors que, de dire monsieur Edge, ils ont commencé à réaliser que ces oiseaux sont responsables, pour une part importante, des fermetures de plages dans la région des Grands Lacs. Et si cela se confirme, cette information devient essentielle pour les fonctionnaires municipaux qui doivent retracer les sources de la contamination à E. coli de afin de régler le problème. S'il s'agit d'une source humaine, le problème concerne le réseau d'égouts et exige habituellement une solution technique coûteuse. S'il s'agit d'une source animale, des mesures d'atténuation moins coûteuses peuvent être mises en œuvre.

Les progrès de la génomique offrent un moyen de poursuivre ces recherches sans recourir à une collecte chronophage et coûteuse de milliers d'E. coli à partir d'échantillons de matières fécales. Au lieu de cela, tous les microorganismes présents dans les échantillons d'eau pourraient être piégés dans un filtre et récupérés, puis leur ADN serait extrait pour faire l'analyse des séquences d'ADN des microorganismes ne pouvant provenir que du tube digestif d'une espèce animale en particulier.

Le problème est que peu de travaux de cette nature ont été menés sur des oiseaux au Canada. Grâce au financement de l'Initiative de recherche et de développement en génomique (IRDG), Tom Edge a pu faire équipe avec des chercheurs de l'Environmental Protection Agency des États-Unis qui étudiaient aussi les séquences d'ADN de microorganismes provenant d'échantillons de matières fécales dans l'espoir de découvrir un marqueur propre aux goélands, distinct de ceux d'autres oiseaux ou d'espèces de mammifères.

Goélands sur une plage de Toronto, Canada

La présence de grandes colonies de goélands est une constante de la vie urbaine au Canada. Étant donné que chaque goéland produit jusqu'à 64 fientes par jour, on ne doute pas qu'ils soient une cause majeure de la fermeture de nos plages. Photo : Tom Edge

Ensemble, les chercheurs ont poursuivi le clonage et le séquençage de l'ADN des souches de bactéries que l'on trouve communément dans les viscères de goélands provenant de la région de Toronto, et ont fini par trouver le bon filon. Après avoir mis à l'essai leurs résultats en regard des nombreux échantillons de matières fécales prélevés par monsieur Edge et par d'autres chercheurs partout aux États-Unis, ils ont été en mesure de confirmer leur découverte. Ils avaient bien découvert un marqueur bactérien nouveau et unique qui permettait de distinguer la contamination fécale causée par les goélands de celle causée par toutes les autres espèces d'oiseaux et de mammifères.

Pour Tom Edge, la grosse surprise est venue du fait que le marqueur trouvé chez les goélands est extrêmement répandu dans plusieurs villes de l'Ontario. Dans les centres urbains, où sont établies de grandes colonies de goélands, le marqueur se trouvait partout dans les échantillons d'eau – depuis les plages jusqu'aux eaux de ruissellement provenant des parcs de stationnement. Compte tenu du fait que plus de 100 000 goélands nichent chaque année sur la seule pointe de terre de Leslie Spit (à Toronto), et que ces oiseaux se déplacent partout dans la ville, l'on se retrouve avec une source sérieuse de contamination potentielle.

Les résultats de cette recherche génomique changent la manière dont les municipalités gèrent leurs plages. Les gestionnaires de plages urbaines ne recherchent plus de façon systématique l'existence d'un problème dans le réseau d'égouts. Plutôt, ils considèrent maintenant la contamination attribuable aux goélands et prennent des mesures pour contrôler l'accès de ces oiseaux aux plages. À Ottawa, des fils aériens ont été installés aux plages Britannia et de la baie Mooney pour empêcher les goélands et les bernaches du Canada d'y accéder. À la plage Britannia, on utilise aussi des chiens pour chasser les oiseaux, tandis qu'à la plage de l'île Petrie, on utilise avec succès un engrais naturel fait de compost de poisson et de sciure de bois pour empêcher les Bernaches du Canada de s'installer.

Le marqueur décelé chez les goélands est maintenant utilisé partout à travers le monde, sur la base des résultats publiés. Il s'agit d'une phase importante du cycle de recherche, qui permettra de valider, ou non, le caractère universel du marqueur décelé chez les goélands comme outil de dépistage de la contamination causée par ces oiseaux. Jusqu'à présent, cela semble être le cas. Seul un petit nombre de populations de goélands présentent des concentrations plus faibles de la bactérie dans leurs viscères, et le marqueur n'apparaît que très rarement chez d'autres espèces d'oiseaux. Si l'on considère la diversité des goélands et des bactéries dans le monde, ce nouveau marqueur d'ADN unique est vraiment une nouveauté.

Innovation primée

En 2010, L'Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis a décerné son Scientific and Technical Achivement Award à Jorge Santo Domingo (Environmental Protection Agency) et à Tom Edge et Stephen Hill, d'Environnement et Changement climatique Canada, pour leur percée scientifique concernant le marqueur chez les goélands. L'EPA des États-Unis a également décerné son Scientific and Technical Achievement Award à cette équipe en 2014, pour de nouveaux essais moléculaires permettant de détecter la contamination fécale par la sauvagine dans l'eau.

L'étude menée par ces chercheurs reposait sur des techniques de génomique et visait à découvrir de nouveaux marqueurs d'ADN de bactéries présentes dans les viscères des goélands et d'autres oiseaux d'eau. Il résulte de ces recherches la création d'un nouvel outil pour déceler et mesurer la contamination d'échantillons d'eau par les matières fécales d'oiseaux, lequel fournit une solution plus ciblée et rentable pour nettoyer  les sources de pollution et, en dernier ressort, réduire les quantités de contaminants pénétrant dans l'environnement.

La recherche de Tom Edge se poursuit à travers le nouveau projet interministériel Écobiomique de l'IRDG du gouvernement du Canada, qui aura recours à des techniques de séquençage de l'ADN de prochaine génération pour caractériser la vaste diversité microbienne présente dans les échantillons d'eau. Ces techniques permettent aux scientifiques de voir pour la première fois au‑delà de l'ADN d'E. coli et des bactéries présentes dans les viscères des goélands, pour voir l'ADN de plusieurs millions de microorganismes. Une meilleure caractérisation des microbiomes aquatiques (tous les microorganismes et leur diversité génétique) donnera de l'information plus complète sur la composition des échantillons d'eau, ce qui permettra de déterminer les risques de pollution et d'orienter les décisions sur la protection de la qualité de l'eau.

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