Détection ampérométrique d'Escherichia coli (totaux et producteurs de beta-lactamase à spectre étendu (BLSE) et d'Enterococcus spp. dans les systèmes de traitement des eaux usées et les eaux de baignade
Résumé
Treated wastewaters discharged from wastewater treatment plants (WWTP) and livestock effluents are the main sources of contamination of aquatic environments and of agricultural soils by human and animal fecal micro-organisms. Contaminated waters, especially bathing waters, may present a sanitary risk for humans if the concentrations of fecal micro-organisms are high, thus indicating the potential presence of pathogenic and/or antibiotic resistant strains. Soils and crops also can be contaminated by these micro-organisms when treated wastewaters are used to irrigate cultivated soils. Consequently, microbiological quality controls are mandatory for bathing waters and treated wastewaters to manage and limit sanitary risks. According to the regulation, the microbiological controls of treated wastewaters and bathing waters rely on the quantification of two fecal indicator bacteria : Escherichia coli (E. coli) and intestinal enterococci (IE). However, the methods currently available have one or more of the following disadvantages, i. e. long response time, high cost, complexity of implementation, ex-situ use, analysis of a single indicator. To overcome these disadvantages, the first objective of the thesis was the development of an amperometric method for the detection of E. coli and IE, via the measurement of specific enzymatic activities using single-use screen-printed sensors. It was demonstrated that the amperometric method allowed to enumerate E. coli and IE in treated wastewaters samples and that the results were comparable to those obtained with the ISO 9308-3 and 7899-1 standardized methods, while offering a much shorter analysis time (in 4 to 6 h against 36 to 72 h). Moreover, the application of the amperometric method to the analysis of bathing water samples showed that contrary to the minimum 36 hours required with standardized methods, the amperometric detection provided answers regarding the sanitary quality standards for bathing waters within only 7 hours. Then in a second time, we developed an amperometric method to quantify extended-spectrum β-lactamase (ESBL)-producing E. coli in wastewaters samples. The results showed that amperometric counting obtained in only 4 - 5 h were very close to those provided by the enumeration on selective culture medium obtained after a delay of 24 h. In addition, this work confirmed the release of ESBL-producing strains by most of WWTP, whether or not they received hospital effluents. In conclusion, the proposed amperometric method to detect E. coli and IE provided more rapidly results regarding the sanitary quality of treated wastewaters of WWTP and bathing waters than the standardized methods currently used as references. Moreover, the amperometric detection and enumeration of ESBL-producing E. coli in the wastewaters of WWTP allowed to monitor their role in the environmental dissemination of antibiotic-resistant strains. Owing to the advantages of the developed electrochemical tools, further work will consist in developing a portable analysis device for field applications.
Les eaux traitées rejetées par les stations de traitement des eaux usées (STEU) et les effluents d’élevages sont à l’origine de contaminations des milieux aquatiques et des sols agricoles par des micro-organismes fécaux d’origines humaine et animale. Les eaux contaminées, et en particulier les eaux de baignade, peuvent présenter un risque sanitaire pour les humains si les concentrations en micro-organismes fécaux sont élevées, indiquant la présence potentielle de souches pathogènes et/ou résistantes aux antibiotiques. Les sols et les productions végétales peuvent également être contaminés par ces micro-organismes fécaux lors de l’épandage d’eaux traitées de STEU recyclées pour l’irrigation des cultures. Il est donc obligatoire de contrôler la qualité microbiologique des eaux de baignade et des eaux traitées de STEU pour limiter les risques sanitaires. D’un point de vue réglementaire, les contrôles de la qualité microbiologique des eaux traitées et des eaux de baignade sont basés sur la quantification de deux indicateurs bactériens de contamination fécale que sont les Escherichia coli (E. coli) et les entérocoques intestinaux (EI). Cependant, les méthodes disponibles actuellement présentent plusieurs des inconvénients suivants : temps de réponse élevé, coût important, complexité de mise en œuvre, utilisation ex-situ, analyse d’un seul indicateur. Pour pallier ces inconvénients, le premier objectif de la thèse a été la mise au point d’une méthode de détection ampérométrique des E. coli et des EI, via la mesure d’activités enzymatiques spécifiques à l’aide de capteurs sérigraphiés à usage unique. Le travail réalisé a mis en évidence que la méthode ampérométrique permet d’obtenir des dénombrements en E. coli et en EI comparables à ceux obtenus avec les méthodes normalisées ISO 9308-3 et 7899-1 lors de l’analyse d’échantillons d’eaux traitées de STEU tout en offrant un temps d’analyse beaucoup plus court (en 4 à 6 h contre 36 à 72 h). De plus, l’application de la méthode à l’analyse d’échantillons d’eaux de baignade a permis de montrer que, contrairement aux 36 h minimum nécessaires avec les méthodes normalisées, la détection ampérométrique permet de déterminer en seulement 7 h si les échantillons respectent les normes de qualité sanitaires pour les eaux de baignade. Dans un second temps, une méthode de quantification ampérométrique des souches d’E. coli producteurs de β-lactamase à spectre étendu (BLSE) a été mise au point et appliquée à l’analyse d’échantillons d’eaux de STEU. Les résultats ont montré que les dénombrements ampérométriques obtenus en seulement 4 - 5 h étaient très proches de ceux fournis par une méthode de dénombrement sur milieux de culture sélectifs après un délai de 24 h. De plus, ce travail a permis de confirmer le rejet de souches productrices de BLSE par la majorité des STEU et ce, qu’elles reçoivent ou non des effluents hospitaliers. En conclusion, la méthode de détection ampérométrique des E. coli et des EI proposée autorise une détermination plus rapide de la qualité sanitaire des eaux traitées de STEU et des eaux de baignade que les méthodes normalisées qui servent actuellement de références. De plus, la détection et le dénombrement de souches d’E. coli producteurs de BLSE dans les eaux de STEU permet d’évaluer leur impact dans la dissémination environnementale de souches résistantes aux antibiotiques. L’avenir des outils électrochimiques étant prometteur, la poursuite de ce travail consistera à développer un dispositif d’analyse portable pour des applications sur le terrain.