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Page de résumé pour ULgetd-11262012-231907

Auteur : Burnet, Jean-Baptiste
E-mail de l'auteur : jbburnet@student.ulg.ac.be
URN : ULgetd-11262012-231907
Langue : Français/French
Titre : Dynamique spatio-temporelle de Cryptosporidium et de Giardia dans un réservoir d'eau potable et son bassin versant: cas des lacs de barrage de la Haute-Sûre (Luxembourg)
Intitulé du diplôme : Doctorat en sciences
Département : FS - Département des sciences et gestion de l'environnement
Jury :
Nom : Titre :
Bertrand, Isabelle Membre du jury/Committee Member
Cauchie, Henry-Michel Membre du jury/Committee Member
Claerebout, Edwin Membre du jury/Committee Member
Ogorzaly, Leslie Membre du jury/Committee Member
Boreux, Jean-Jacques Président du jury/Committee Chair
Nicolas, Jacques Promoteur/Director
Mots-clés :
  • sampling/échantillonnage
  • microscopy/microscopie
  • real time PCR/PCR en temps réel
  • spatial distribution/distribution spatiale
  • temporal dynamics/dynamiques temporelles
  • microbial risk/risque microbiologique
  • drinking water/eau potable
  • Cryptosporidium and Giardia/Cryptosporidium et Giardia
Date de soutenance : 2012-10-16
Type d'accès : Restreint/Intranet
Résumé :

Summary

Cryptosporidium and Giardia are waterborne protozoan pathogens affecting humans and animals by causing diarrheal diseases throughout the world. Both parasites are regularly reported in waterborne outbreaks, even in industrialized countries. Being released in the environment through the faeces of infected hosts, they can retain their infectivity for prolonged periods and are highly resistant to conventional water treatment. The occurrence of Cryptosporidium and Giardia in drinking water resources therefore represents a potential threat to the drinking water production. Monitoring frameworks have consequently been implemented in many countries in order to prevent contamination of drinking water by Cryptosporidium oocysts and Giardia cysts. However, only little attention has been drawn to the sampling strategy performed within those monitoring schemes in view of an accurate and representative assessment of the underlying public health risk. Yet, appropriate sampling designs require sound knowledge of the spatial dynamics of both parasites in the environment.

The present study examines the spatial and temporal scales of Cryptosporidium and Giardia distribution dynamics within the Upper-Sûre watershed, Luxembourg. The latter harbours a riverine reservoir, which is the main drinking water supply of the country and concerns 80% of the population. In order to appraise the distribution dynamics of both waterborne pathogens, a first effort was dedicated to the review, validation and development of diagnostic techniques to be used on the field. As such, a literature review identified the critical analytical steps of the commonly used immunofluorescence assay. The latter was then validated in the lab for various surface water matrices of the watershed by incorporating quality control procedures. In a second step, complementary molecular-based assays were developed, resulting in the design of novel real-time PCR protocols for specific and quantitative detection of human and livestock-infecting Cryptosporidium species likely to be encountered in the rural Upper-Sûre watershed.

Using the aforementioned detection tools, parasite distribution dynamics were investigated within the watershed after having conceptually broken down the latter into three interlinked compartments: (i) sub-catchments, (ii) the Sûre River and (iii) the Upper-Sûre drinking water reservoir. Field results highlight an extended variability in both spatial and temporal distribution patterns (ranging from metres to kilometres and from days to months) for both Cryptosporidium and Giardia in water. Intermittent peaks of contamination with both parasites are triggered out during rainfall-induced runoff events. Parasite loads ranging between 108 and 1011 (oo)cysts.day-1 are carried by the Sûre River and discharged into the Upper-Sûre reservoir. Despite a 2 to 3 log10 removal in the reservoir, daily fluxes are still high at the inlet of the drinking water treatment plant, reaching 106 to 107 (oo)cysts.day-1. The observed spatial and temporal heterogeneity in Cryptosporidium and Giardia distribution within the watershed as well as the inconsistent link with common surrogate parameters have important implications for the monitoring of the underlying microbial risk. Recommendations are thus provided for establishment of monitoring schemes that aim at assessing this risk in drinking water resources.

Résumé

Cryptosporidium et Giardia sont deux protozoaires entériques infectieux pour l’homme ainsi que pour une multitude d’animaux. Ils contribuent de manière importante au fardeau mondial des maladies diarrhéiques et causent régulièrement des épidémies d’origine hydrique, y compris dans les pays industrialisés. Une fois introduits dans l’environnement via les excréments de leurs hôtes, les deux parasites contaminent les ressources hydriques, au sein desquelles ils peuvent maintenir leur caractère infectieux et potentiellement passer au travers de la chaîne de traitement de l’eau. Leur présence dans les ressources hydriques représente par conséquent une menace potentielle pour la production d’eau potable. Ainsi, de nombreux pays ont mis en place des plans de surveillance de la qualité de l’eau afin de garantir l’absence d’oocystes de Cryptosporidium et de kystes de Giardia et de contrôler le risque microbiologique. Jusqu’à présent, la stratégie d’échantillonnage n’a été que peu abordée dans le cadre de tels plans. Pourtant, dans le cadre de l’évaluation du risque microbiologique, le prélèvement d’une ressource hydrique est une étape cruciale, car elle peut en affecter la représentativité. Une stratégie d’échantillonnage adéquate requiert cependant une connaissance préliminaire de la dynamique de distribution spatio-temporelle des deux parasites dans l’environnement.

Le travail de thèse s’est consacré à l’étude de cette dynamique à l’échelle du bassin versant de la Haute-Sûre (Luxembourg). Ce dernier abrite le lac de la Haute-Sûre qui constitue une réserve majeure en eau potable pour le pays et concerne 80% de la population. Avant d’explorer la dynamique de distribution spatio-temporelle des parasites, une série de validations et d’optimisations méthodologiques ont été réalisées. Dans un premier temps, les étapes analytiques les plus critiques de la méthode de détection par immunofluorescence ont été identifiées par le biais d’une revue de la littérature. La technique a ensuite été validée pour les matrices d’eau de surface du bassin versant et un contrôle qualité incorporé au processus analytique. Dans un second temps, des outils analytiques complémentaires ont été développés, résultant en la mise au point d’une boîte à outils moléculaire pour la quantification spécifique d’espèces de Cryptosporidium infectant l’homme et le bétail et susceptibles de contaminer le bassin versant de la Haute-Sûre.

À l’aide de ces techniques de détection, la dynamique de distribution spatio-temporelle de Cryptosporidium et Giardia a ensuite été examinée à l’échelle du bassin versant après avoir subdivisé ce dernier en trois compartiments interconnectés : (i) les sous-bassins, (ii) la Sûre et (iii) le complexe de lacs de la Haute-Sûre. L’étude de ces compartiments fait ressortir l’étendue de la variation de distribution spatio-temporelle des deux pathogènes hydriques (du mètre au kilomètre et du jour au mois). La contamination de base du bassin versant est entrecoupée de pics intermittents en parasites, surtout après des épisodes de fortes pluies. Ainsi, la Sûre véhicule des charges élevées en Giardia et en Cryptosporidium (108 à 1011 kystes et oocystes par jour) avant de les déverser dans le complexe de lacs de barrage. Malgré un abattement de 2 à 3 log10 de cette charge dans le complexe de lacs, les flux journaliers qui entrent dans la station de potabilisation restent conséquents (106 à 107 oocystes et kystes par jour). L’importante hétérogénéité spatio-temporelle observée dans le bassin versant de la Haute-Sûre, ainsi que l’absence d’indicateurs fiables permettant de rendre compte de la présence des deux parasites, ont des implications non-négligeables sur l’évaluation du risque microbiologique lié à Cryptosporidium et Giardia. Ce travail a permis d’émettre des recommandations en termes d’échantillonnage en vue d’une analyse représentative du risque microbiologique pour une ressource en eau potable.

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