Intérêt du génotypage des phages ARN F-spécifiques pour estimer la pollution fécale et virale des eaux, Interest of F-specific RNA phages genotyping to estimate the faecal and viral pollution in waters

Sous la direction de Christophe Gantzer
Thèse soutenue le 29 avril 2009: Nancy 1
Les bactériophages ARN F-spécifiques sont des virus qui infectent Escherichia coli et possèdent une structure et une taille comparables à celles des principaux virus entériques pathogènes. Ils sont proposés comme indicateurs de pollution fécale du milieu hydrique, comme modèles du comportement des virus pathogènes dans l’environnement et comme outil de discrimination de l’origine de la pollution fécale. En effet, dans les eaux usées, il a été rapporté que les génogroupes II et III avaient principalement une origine humaine alors que les génogroupes I et IV avaient, quant à eux, plutôt une origine animale. Paradoxalement, peu de données existent quant à la répartition des différents génogroupes dans les eaux naturelles. L’objectif de ce travail a, par conséquent, été de préciser les relations existantes entre les différents génogroupes des phages ARN F-spécifiques et la pollution fécale et virale des eaux naturelles. Tout d’abord, nous avons développé les premiers systèmes de RT-PCR en temps réel capables d’identifier les quatre génogroupes dans les eaux environnementales. La sensibilité, la spécificité et la rapidité de détection constituent les avantages majeurs de cette approche. Par rapport aux outils existants, cette méthode permet de s’affranchir de l’étape de culture et donc de minimiser les problèmes engendrés par des taux d’inactivation importants des particules virales infectieuses, en réponse aux stress environnementaux. En effet, les études de persistance, réalisées aussi bien dans l’eau usée que dans l’eau souterraine, démontrent que, selon les conditions expérimentales, le génome phagique est de 3 à 20 fois plus résistant que les phages infectieux. Dans un second temps, l’analyse d’échantillons d’eaux usées urbaines nous a permis de vérifier que, malgré le changement de référentiel de mesure (génome versus particule infectieuse) inhérent à notre méthode de détection, les bactériophages ARN F-spécifiques pouvaient donner des informations intéressantes quant à la caractérisation de la pollution fécale. Dans ce type de milieu, les génogroupes II et III sont majoritairement retrouvés à des concentrations relativement stables au cours du temps. De manière ponctuelle, la présence du génogroupe I a pu, à la fois, être mise en relation avec les précipitations et avec la présence de pathogènes à caractère zoonotique (Cryptosporidium et Giardia), suggérant un apport de pollution animale par des phénomènes de ruissellement. Ceci a conforté l’idée que le génotypage pourrait constituer un outil intéressant de discrimination de l’origine de la pollution fécale. En revanche, la comparaison des résultats de génotypage aux concentrations en virus pathogènes montre que ces phages ne sont pas adaptés à la prédiction de la présence de norovirus et d’entérovirus, en raison d’un caractère saisonnier de ces derniers. Les deux études de cas consacrées aux eaux naturelles constituent l’étape majeure de notre étude. Dans un contexte de pollution principalement anthropique, il est démontré qu’au niveau de l’eau de rivière, le génogroupe II est très majoritairement observé. Les variations de concentration de ce génogroupe ont pu être corrélées positivement avec les indicateurs bactériens (E. coli, entérocoques) et avec les adénovirus humains attestant de son origine fécale humaine. Le génogroupe I est également très souvent représenté mais avec de plus amples variations de concentration. Ce génogroupe n’a été corrélé ni aux indicateurs bactériens, ni au génogroupe II, ni aux adénovirus humains, étayant l’hypothèse d’une autre origine de ce génogroupe. La corrélation positive avec les valeurs de turbidité de l’eau laisse supposer un apport de ces phages suite à des événements de ruissellement. Ainsi, dans l’eau de rivière, les génogroupes I et II semblent apporter des informations intéressantes quant à l’origine de la pollution fécale. Dans ce cadre, nous proposons l’utilisation d’un ratio de concentrations des génogroupes I et II pour caractériser la pollution fécale. A titre d’exemple, pour une concentration en E. coli de 3,6 log10 NPP/100mL, la valeur du log10 (GGII/GGI) peut être aussi bien de 3,8 que de -1,7. Avec la turbidité de l’eau, ce ratio a été le seul paramètre permettant de distinguer une modification dans la nature de la pollution fécale. Le génome des phages ARN F-spécifiques n’a pas été mis en évidence dans les prélèvements d’eaux souterraines protégées de la pollution fécale. Par contre, du génome d’adénovirus humains a été identifié dans 7 échantillons sur 60. Ainsi, des marqueurs plus persistants que le génome des phages ARN F-spécifiques peuvent être détectés. Au cours de l’étude de persistance menée dans ce milieu, aucune dégradation de l’ADN n’a été observée sur les 200 jours de l’expérience, supportant l’idée que l’ADN est un marqueur de pollution fécale extrêmement conservateur. Finalement, les méthodes nouvellement développées au cours de cette thèse ont abouti à une meilleure connaissance de la distribution des différents génogroupes au sein des eaux naturelles. Le génotypage des phages ARN F-spécifiques apporte des informations originales par rapport aux indicateurs bactériens, mais ne constitue pas, à lui seul, l’indicateur universel de pollution fécale ou virale des eaux.
-PCR en temps réel
F-specific RNA phages, which are non pathogenic viruses with similar size and structure to human enteric viruses, have been proposed like faecal pollution indicators, like models for pathogenic viruses in environment and like tools for microbial source tracking. The key trait on which the F-specific RNA phage approach of source tracking is based is that genogroups I and IV are predominantly isolated from non human faeces, while genogroups II and III are predominantly isolated from human faeces and sewage. Paradoxically, few data are available as for the genogroups distribution in environmental waters. So, the topic of this study was to provide additional information about the relationships between the genogroups of F-specific RNA phages and the level of faecal and viral pollution to environmental waters. First, the methodological work undertaken at the beginning of this project made it possible to develop the first real-time RT-PCR assays able to typing the F-specific RNA phages. The major advantages of this approach are a good sensitivity, a quick detection and a great specificity. Compared with the current tools, this method allows to avoid the phage cultivation and thus to play down the biases associated with the survival characteristics of infectious F-specific RNA phages in the environmental waters. Indeed, survival studies, realized in urban wastewater and also in ground water, have shown that the inactivation rates of infectious particles are always more important that this of viral RNA, whatever the experimental design was. Secondly, the analysis of urban wastewater samples enabled to check that F-specific RNA phages could give interesting information as for the characterization of faecal pollution in spite of the change of reference frame of measurement inherent in our detection method (genome versus infectious particle). In these kinds of samples, the majority of phages isolated belonged to the genogroups II and III, and they exhibited steady concentrations. In several particular samples, the high concentration of genogroup I phages has been associated with rainfall events and with the presence of zoonotic pathogens (Cryptosporidium and Giardia). This observation suggests the presence of an animal pollution after streaming phenomena. All the results obtained with urban wastewaters strengthen the use of F-specific RNA phages like reliable source identification tool. On the other hand, the comparison between the pathogenic virus concentrations and the results of genotyping has shown that phage genogroups are not relevant indicators for the presence of enteric viruses. For instance, norovirus and enterovirus concentrations in wastewater displayed a seasonal distribution while human genogroups exhibited steady concentrations over the time. Thirdly, two particular case studies devoted to natural waters constitute the major aspect of our work. In river water principally influenced by human wastes, genotyping results show that genogroup II is very largely isolated. For the first time, positive correlations between the concentrations of genogroup II phages, bacterial indicators (E. coli, enterococci) and human adenoviruses was observed, which attests the human faecal origin of this genogroup. Genogroup I was also often isolated but it appeared irregularly distributed. The correlation analysis has shown that genogroup I was linked neither with the concentration of genogroup II nor with that of bacterial or viral faecal indicators. The absence of a link between the concentrations of these two genogroups supports the assumption of another faecal origin. Conversely, a relationship was shown between genogroup I and the water turbidity observed at the sampling. This suggests that the origin of this genogroup could be related to streaming phenomena following precipitations. Thus, in river water the genogroup I and II would be the two most interesting genogroups in order to characterize faecal pollution. As a consequence, genogroup II/genogroup I ratio may be an interesting tool for faecal source tracking. Indeed, depending on the sign of the ratio, it seems possible to determine the main source of pollution at a given point. For example, for an E. coli concentration of 3.6log10 MPN/100mL, log-ratio values could as well be 3.8 as -1.7. With the water turbidity, this log-ratio was the only parameter enabled to highlight a change of faecal pollution nature. In ground waters protected from faecal pollution, genome of F-specific RNA phages was not observed while genome of adenoviruses was isolated in 7 samples on the 60 analyzed. This observation suggests that more persistent markers than RNA of phages could be detected in ground waters. More over, in persistence study, no degradation of adenoviral DNA was observed during all the time (200 days) of the experiment. Finally, the typing method newly developed during this study led to a better knowledge of the distribution of different the genogroups within environmental waters. F-specific RNA phage typing provides original information compared to the bacterial indicators, but does not constitute alone the universal indicator of faecal or viral pollution of waters.
Source: http://www.theses.fr/2009NAN10025/document