Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / Ce projet de recherche a été entrepris afin de caractériser la présence spatio-temporelle de plusieurs jV-nitrosamines dans l'eau de sept réseaux de distribution d'eau potable québécois considérés comme vulnérables à la présence de ces sous-produits de la désinfection (SPD) émergents. Il s'agit de la première étude sur la présence de N-nitrosamines dans des réseaux d'eau potable au Québec. Six campagnes d'échantillonnage ont été menées à plusieurs points de prélèvement dans chacun des réseaux pendant une année. Les résultats démontrent que les N-nitrosamines, principalement la N-nitrosodiméthylamine (NDMA), sont peu présentes dans l'eau potable des réseaux étudiés. Les concentrations détectées sont largement inférieures à celles observées dans les études nord-américaines récentes. Aucun des 195 échantillons prélevés n'a excédé la norme ontarienne de 9 ng/L pour la NDMA (valeur maximale observée de 3,3 ng/L). La N-nitrosométhyléthylamine (NMEA) et la N-nitrosopipéridine (NPip) ont été détectées une seule fois, avec des concentrations de 3,7 ng/L et 6 ng/L, respectivement. À notre connaissance, la NMEA n'avait jamais été détectée dans des réseaux d'eau potable jusqu'à maintenant. La chloramination a été identifiée comme le principal facteur de vulnérabilité à la présence de N-nitrosamines, mais la qualité de l'eau et certains paramètres opérationnels semblent également liés à leur présence. Les concentrations de NDMA en fin de réseau sont généralement supérieures à celles observées à la sortie de l'usine. Aucune saison n'a semblé plus propice à la formation de N-nitrosamines. Finalement, une certaine corrélation entre la présence de N-nitrosamines et les niveaux de trihalométhanes (THM) et d'acides haloacétiques (AHA) a été observée dans des réseaux spécifiques.

Les objectifs de cette étude consistaient à dresser un portrait de la qualité de l'eau d'abreuvement et de leurs sources dans les élevages vache-veau, dans plusieurs régions du Québec. Ce portrait a été réalisé par l'examen des propriétés physicochimiques et bactériologiques de l'eau dans plusieurs fermes, à chacune des saisons de l'année et en fonction des divers types de bassins d'abreuvement, de leurs matériaux et de leurs conditions environnementales. Les régions à l'étude étaient la Capitale-Nationale, la Mauricie, la Chaudière-Appalaches et la Côte-Nord. Ce portrait est basé sur une campagne d'échantillonnage intensive réalisée pendant un an. La présence d'Escherichia coli dans l'eau a été analysée en fonction de divers paramètres environnementaux et de la qualité de l'eau. Des modèles multivariés et univariés ont été développés afin d'établir des relations significatives entre les variables mesurées. Les modèles obtenus démontrent qu'il existe bel et bien un problème de contamination à Escherichia coli dans l'eau d'abreuvement des ruminants et ce problème varie en partie en fonction des saisons et de la température de l'eau. Il a aussi été démontré que la contamination de ces eaux ne provient pas des sources d'eau, puisque la majorité des entreprises échantillonnées utilisaient des sources d'eau fiables et réglementées. Il a par ailleurs été établi que certaines conditions environnementales affectent significativement la qualité physicochimique et bactériologique de l'eau, notamment la présence d'algues et l'accumulation de boue près des abreuvoirs, de même que l'utilisation de certains types d'abreuvoirs qui engendrent une dégradation de la qualité d'eau.

Plusieurs approches réglementaires ont été développées pour assurer la protection des sources d’eau potable. Au Québec, le Règlement sur le prélèvement des eaux et leur protection (RPEP) exige la délimitation d’aires de protection spécifiques à l’intérieur de l’aire d’alimentation des prises d’eau potable. Cette délimitation est basée sur des distances fixes. Certaines activités, qui posent un risque pour la qualité de l’eau, sont restreintes dans ces zones protégées. Cependant, pour les eaux de surface, l’utilisation d’unités de distance n’est pas nécessairement représentative du temps disponible pour réagir face à une contamination puisqu’elle ne considère pas des facteurs tels que le contexte hydrologique, l’occupation du territoire et les cheminements préférentiels de l’eau qui influencent le temps de parcours des polluants. Le temps disponible pour l’intervention correspond à la somme du temps de cheminement (entre le point d’émission et l’arrivée du contaminant dans un cours d’eau à débit permanent) et du temps de parcours en cours d’eau à débit permanent (le transport du contaminant dans un cours d’eau à débit permanent jusqu’à la prise d’eau). L’objectif de ce projet est d’évaluer l’influence du temps de cheminement sur le temps disponible pour réagir. Le cas d’étude est bassin versant de la principale prise d’eau potable de la Ville de Québec. Cinq méthodes d’évaluation du temps de cheminement ont été évaluées, à savoir celle proposée par le RPEP, une évaluation de la longueur de cheminement à vol d’oiseau et selon le réseau de drainage ainsi que l’estimation du temps de cheminement selon la méthode du TR-55 et selon le réseau de drainage. Pour appliquer et comparer ces méthodes, 144 propriétés situées dans l’aire d’alimentation de la prise d’eau à l’étude ont été considérées. Pour ces propriétés, 30 cheminements de l’eau distincts ont été identifiés. Il a été constaté que la méthode d’évaluation des longueurs à vol d’oiseau n’est pas représentative du cheminement potentiel des contaminants. Les méthodes basées sur l’estimation des temps de cheminement présentent des résultats comparables bien qu’il serait pertinent d’appliquer ces méthodes à d’autres bassins versants pour valider les résultats. Les temps de cheminements estimés sont majoritairement situés dans un intervalle entre 0 et 15 min pour les deux méthodes appliquées sur le cas d’étude. Pour la méthode du TR-55 et selon le réseau de drainage, cet intervalle de temps représente le cheminement de 58 % et 64 % des propriétés analysées, respectivement. À partir des résultats obtenus, ce mémoire de recherche conclut que les temps de cheminement, bien qu’ils doivent être considérés dans la protection des sources d’eau potable, représentent une faible proportion du temps disponible comparativement aux temps de parcours en cours d’eau à débit permanent, qui eux sont beaucoup plus importants, de l’ordre de plus de 14,5 h dans le cas d’étude.

Titre de l'écran-titre (visionné le 12 janvier 2024) / Cryptosporidium sp. et Giardia sp., deux protozoaires parasites de l'homme et/ou de l'animal, sont des ennemis tenaces des usines de production d'eau potable partout à travers le monde. En effet, leur forme de dissémination les rend plus aisément dispersibles dans les étendues d'eau et plus robustes faces aux stress environnementaux en attendant leur ingestion par leur prochain hôte. Par ailleurs, cette forme les rend tous deux résistants au chlore, le composé le plus couramment utilisé dans la désinfection chimique de l'eau. D'autres moyens sont disponibles pour les éliminer, mais la performance de ceux-ci dépend de la concentration de parasites dans l'eau brute. Il est donc important de connaître la concentration de ces deux organismes dans les sources d'eau alimentant les usines de production d'eau potable et de cibler les conditions et/ou les moments de l'année durant laquelle chaque source est vulnérable à la contamination par ces agents pathogènes. Les objectifs du présent projet consistaient à 1) développer un outil biomoléculaire de détection spécifique à ces deux micro-organismes, 2) à optimiser le protocole de récupération de ceux-ci à partir d'eau brute, 3) à évaluer leur présence dans trois eaux de source du Québec d'un point de vue temporel ainsi que géographique et finalement, 4) à rechercher des corrélations entre le nombre de parasites et d'autres paramètres environnementaux. En cours de projet, il a été constaté que les méthodes de détection biomoléculaire actuellement disponibles manquent soit de sensibilité, soit de spécificité ou soit de reproductibilité pour être appliquées à la surveillance de Cryptosporidium sp. et de Giardia sp. dans l'eau environnementale. Les techniques de PCR et de LAMP ont été tentées avec plusieurs cibles génétiques différentes ainsi qu'avec différentes amorces sans permettre de trouver un protocole permettant de répondre à ces trois critères. Il a donc été décidé de se tourner vers le seul protocole standardisé actuellement disponible, soit la méthode 1623.1 de l'USEPA. Toutefois, compte tenu de ses pourcentages de récupération globalement faibles, des essais ont été entrepris pour tenter de modifier cette technique dans l'optique d'améliorer sa performance et/ou de diminuer les coûts requis pour son utilisation. Parmi les quatre approches mises à l'épreuve, le protocole original de la méthode 1623.1 a permis d'obtenir la meilleure récupération en ce qui concerne Giardia. Cependant, pour Cryptosporidium, les quatre protocoles testés ne produisaient pas de récupération statistiquement différente les uns des autres. Ultimement, il a été décidé d'utiliser le protocole original de la 1623.1 pour la suite du projet. Ensuite, une campagne d'échantillonnage d'un an a été menée entre mars 2022 et février 2023 au niveau de l'eau brute de trois usines de production d'eau potable du Québec (Québec, Charny et Lévis). Des prélèvements ont été faits de manière mensuelle avec des dates supplémentaires lors des périodes de transition saisonnière. Chaque échantillon était analysé avec la 1623.1 pour déterminer la concentration de parasites dans chacun des échantillons. Au final, un patron annuel a pu être dessiné pour Giardia avec de fortes concentrations durant les périodes froides et de transition saisonnière ainsi que des concentrations statistiquement plus faibles en période chaude. Pour sa part, la concentration de Cryptosporidium était davantage variable selon la saison et la source d'eau. Avec les données de la campagne d'échantillonnage de 2022-2023, des corrélations statistiques ont pu être établies entre la variation de la concentration d'(oo)cystes et celle de plusieurs paramètres environnementaux. Il a été rapidement constaté qu'aucun des paramètres environnementaux testés ne peut servir de proxy universel aux trois sites ni aux trois saisons pour la même source, pas même les micro-organismes indicateurs de pollution fécale conventionnels. Cependant, des corrélations fortes ont pu être trouvées pour chaque parasite à chaque site pour au moins une saison de l'année. Des modèles de régressions linéaires multiples ont également pu être établis pour chaque site et pour chaque parasite. Grâce aux travaux effectués durant ce projet, on peut conclure que chaque source d'eau possède ses caractéristiques et influences propres qui la rendent unique. Ainsi, les tendances observées à une source ne peuvent pas nécessairement être extrapolées aux autres sources, malgré leur proximité géographique. Par ailleurs, chaque année est unique en soi. Il est donc important d'effectuer une surveillance régulière au niveau de chaque source pour rester à l'affût de variations impromptues dans leur concentration. / Cryptosporidium sp. and Giardia sp., two protozoan parasites of humans and/or animals, are tenacious enemies of water treatment plants around the world. They adopt a dissemination conformation making them easily spread through watercourses and tougher against environmental stresses they undergo while waiting to be ingested by their next host. This conformation also makes them more resistant face to chlore-based treatments used as chemical disinfection in water treatment plants. Other means are available to get rid of them in raw water, but the use of these alternative treatments is concentration-dependent. It is therefore necessary to monitor the concentration of these parasites in water sources supplying treatment plants and to determine the conditions and/or the moments of the year where each water source is vulnerable to contamination by these pathogenic agents. The objectives of this project were to 1) develop a biomolecular tool for the detection of Cryptosporidium and Giardia, 2) optimize the protocol for recovery of these parasites from raw water, 3) evaluate the presence of these microorganisms in three water sources of Québec from a geographical and from a temporal angle, 4) seek statistical correlations between the parasite's concentration and other environmental parameters. Throughout the project, it was found that biomolecular methods available lack either sensitivity, specificity, or reproducibility to be applied for the monitoring of Cryptosporidium sp. and Giardia sp. in environmental water samples. PCR and LAMP experiments were performed targeting different genes and using different primers without being able to fulfill these three criteria. It was then decided to use the only standardized protocol available up to today, the USEPA Method 1623.1. However, knowing the low recovery percentages of this technique, tests were performed to try to improve this protocol and/or decrease the costs associated with it for a similar performance. Among the four approaches tests, the original protocol of the 1623.1 gave the highest recoveries of Giardia. On the other hand, the four protocols did not give statistically different recoveries when compared with each other for Cryptosporidium. Therefore, the original protocol of the 1623.1 was selected for the subsequent steps of this project.Afterwards, a sampling campaign of one year was performed between March 2022 and February 2023. Sample sites were three major water treatment plants of Québec (Québec, Charny and Lévis). Samples of raw water from each site were taken on a monthly basis with supplementary dates during transition periods (spring and fall). Each sample was analyzed with the 1623.1 protocol to determine the parasite concentration in each. Throughout this campaign, an annual pattern was found for Giardia with high concentrations during cold and transition months while concentrations were statistically lower during the warm season. Cryptosporidium's concentration had a much more variable behavior depending on the season and on the water source. With the data collected during the sampling campaign of 2022-2023, statistical correlations could be established between the variation in concentration of parasites and the variation of several environmental parameters. No proxy common to all sites and to all seasons could be found for either protozoan, not even the common fecal pollution indicator microorganisms. However, strong statistical correlations were found for each parasite in at least one season of the year. Multiple linear regression models could be made for each site and each parasite. With the work performed during this project, we can reach the conclusion that each water source has its own characteristics and influences which makes it unique. Therefore, patterns observed for a given source cannot necessarily be extrapolated to other sources, despite their geographical proximity. Moreover, each year has its own particularities, So, it is important to monitor regularly each water source and to stay alert face to unexpected variations in the concentration of these two protozoa.

Outre les trihalométhanes (THM) et les acides haloacétiques (AHA), d'autres sous-produits de la désinfection, dits émergents (SPDE), sont présents à de plus faibles concentrations dans l'eau potable. Certains d'entre eux présentent un risque potentiel pour la santé humaine supérieur à celui des THM et des AHA. Sept de ces SPDE méritent une attention particulière : quatre haloacétonitriles, un halonitrométhane et deux halocétones. Au cours de cette étude, la variabilité spatio-temporelle des concentrations de ces SPDE a été évaluée dans un réseau de distribution d'eau potable par le biais de campagnes de prélèvements mensuelles effectuées pendant une année à dix endroits répartis le long du principal réseau de la Ville de Québec. Les SPDE visés ont été observés à des concentrations d'au plus 6 ug/L. Les résultats montrent que les concentrations des SPDE étudiés varient de manière significative selon les saisons et selon le temps de séjour de l'eau dans le réseau.

La présente thèse porte sur une étude des petits systèmes municipaux du Québec (en l’occurrence, ceux desservant 10 000 personnes ou moins) et comporte trois volets. Le premier volet se focalise sur un portrait historique de la qualité de l’eau distribuée et sur les stratégies de gestion. Parallèlement, il met l'historique de la qualité et les stratégies de gestion en relation avec certains paramètres importants de la qualité de l’eau. Les résultats de ce volet montrent que pour les systèmes s’approvisionnant en eau de surface et pratiquant uniquement une chloration, la différence entre le nombre annuel moyen de rinçages des systèmes ayant connu des problèmes de qualité et ceux n’ayant pas connu de tels problèmes s’est avérée statistiquement significative. En plus, certains indicateurs de la pression agricole sur le territoire des municipalités concernées apparurent significativement corrélés avec les épisodes de coliformes. Le deuxième volet porte sur une étude de la variation spatio-temporelle de la qualité de l’eau dans dix petits systèmes. Ces systèmes furent répartis en deux groupes : quatre systèmes qui n’ont jamais ou ont rarement distribué de l’eau dérogeant aux normes microbiologiques provinciales relatives à l’eau potable et six systèmes qui ont très souvent dérogé auxdites normes. Les résultats montrent que les différences entre les deux groupes de systèmes sont essentiellement imputables aux teneurs en chlore résiduel libre et au nombre de colonies de bactéries hétérotrophes aérobies et anaérobies facultatives (BHAA) dans les réseaux de distribution correspondants et, dans une moindre mesure, aux doses de chlore appliquées. Le troisième volet inclut trois parties : la première est un portait des caractéristiques d’opération, de l’infrastructure et de la maintenance ; la deuxième est consacrée au développement d’indicateurs de performance pour les petits systèmes ; alors que la troisième traite des facteurs humains et organisationnels. Le portrait a révélé des tendances intéressantes qui ont presque toutes été confirmées par les indicateurs de performance des systèmes de distribution. Les facteurs humains et organisationnels dégagèrent des aspects tels que les antécédents scolaires, la formation complémentaire, l’expérience, la bonne conscience des nouveaux défis, le niveau de préparation pour y faire face, et l’appui des autorités locales. Dans son ensemble, cette recherche aura permis de procéder à une étude exhaustive des stratégies de gestion de la qualité de l’eau potable généralement mises de l’avant par les gestionnaires de petits systèmes et de développer des outils explicatifs pouvant guider utilement leur action, de même que celle des gestionnaires relevant des divers paliers gouvernementaux. / This thesis presents a study of small Quebec municipal utilities (i.e., serving 10,000 people or fewer) and includes three chapters. The first chapter focuses on a portrait of historical quality of distributed water and on management strategies. Concurrently, it puts historical quality and management strategies in relation to certain important water quality parameters. Results show that for surface water utilities using chlorination alone, the mean difference of annual system flushings between utilities that have experienced difficulties with historical quality and those not having experienced such difficulties proved statistically significant. In addition, some agricultural land-use indicators within the municipal territory appeared significantly correlated with coliform occurrences. The second chapter studies the spatial and temporal variation of drinking water quality in ten small utilities. These utilities were divided into two groups: four utilities that had never or rarely served water violating the provincial drinking water microbiological standards and six utilities that very often infringed upon said standards. Results show that the differences between the two groups of utilities are associated essentially with maintained chlorine residuals and heterotrophic plate count bacteria populations in corresponding distribution systems and, to a lesser extent, to the applied chlorine doses. The study includes three distinctive parts: the first one is a portrait of studied utilities’ operational, infrastructure, and maintenance characteristics; the second part is devoted to development of indicators of performance for the same utilities, whereas the last part deals with human and organisational factors. The portrait revealed interesting trends, most of which had been confirmed by utility performance indicators. As for human and organizational factors, they allowed highlighting such issues like educational background, supplementary training, experience, awareness of and preparedness to take up new challenges, and support from local authorities. Overall, this research enabled a thorough investigation of management strategies the most popular with small drinking water utilities and the development of explanatory tools that may usefully guide action from local managers and government bodies.

D’une part, ce mémoire de maîtrise présente les résultats d’une étude visant à documenter saisonnièrement l’état de la contamination intrinsèque par le bromate, le chlorite, le chlorate et le perchlorate de solutions d’hypochlorite de sodium (SHS) utilisées pour la production d’eau potable et la présence de ces mêmes substances dans l’eau traitée et distribuée de neuf installations d’eau potable (IEP) municipales de petite taille du Québec. D’autre part, ce mémoire dresse le portrait des pratiques de gestion et d’opération avec les SHS implantées dans les IEP à l’étude. Cette étude présente un grand intérêt puisqu’il s’agit de la première fois au Québec où ces thèmes sont étudiés d’autant plus que les SHS sont des produits dont l’utilisation est très répandue. Cette étude, à caractère exploratoire, se distingue de celles s’étant déjà intéressées à ces thèmes par le fait qu’elle vise les IEP de petite taille où l’application des bonnes pratiques relatives à la gestion et aux opérations avec les SHS est susceptible d’être limitée par le manque de ressources. Les résultats montrent, entre autres : qu’au cours d’une même année, il y a d’importantes différences dans l’état de la contamination des SHS utilisées entre les IEP à l’étude; que des concentrations non négligeables de bromate et de chlorate peuvent être retrouvées dans l’eau distribuée par les IEP utilisant les SHS pour le traitement de l’eau; que les pratiques de gestion et d’opérations avec les SHS diffèrent entre les IEP; et qu’il existe des lacunes dans l’application des bonnes pratiques relatives à la gestion et aux opérations avec les SHS dans les IEP à l’étude. / This master’s thesis presents the results of a study that aims to document the state of the intrinsic contamination by inorganic contaminants (bromate, chlorite, chlorate and perchlorate) of sodium hypochlorite solutions (SHS) used for drinking water disinfection and to evaluate the presence of such contaminants in the water of nine small municipal drinking water systems (DWS) of Quebec. The thesis also paints a picture of the management and operational practices with the SHS implemented in the DWS under study. The study is of great interest because this is the first time this topic has been studied in Quebec, given that SHS are products which are widely used in water treatment. The study is distinct from previous studies which have addressed this topic, because it focuses on small DWS where the application of guidelines for management and operation with SHS is likely to be limited by a lack of human and technical resources. The main results were the following: There are significant differences in the state of SHS contamination between the DWS under study; non-negligible concentrations of bromate and chlorate can be found in water distributed by DWS which use SHS for water disinfection; management and operations practices with SHS are different from one DWS to another; and, there are gaps in the application of the guidelines for management and operations with SHS in small DWS.

L'intensification, la spécialisation et la concentration des pratiques agricoles causent des problèmes de surplus de fumier qui peuvent dégrader la qualité microbiologique des eaux de surface et souterraines. L'objectif de cette recherche est de développer une méthodologie pour évaluer la vulnérabilité des systèmes d'approvisionnement en eau potable à la contamination microbiologique, en particulier dans les régions d'agriculture intensive. Pour ce faire, des indicateurs ont été développés sur la base de l'approche multi-barrière « de la source au robinet ». Ces indicateurs sont représentés initialement par quatre barrières : la susceptibilité de la source à une contamination microbiologique ; l'efficacité du traitement ; la gestion du système de distribution ; et les pratiques de gestion. La classification, le regroupement et la pondération des indicateurs ont été effectués à l'aide d'une analyse multicritère résultant en une moyenne pondérée qui varie entre 0 et 100, ce qui représente la valeur de l'indicateur de risque microbiologique (VIRM). Plus la valeur est élevée, plus le risque est élevé. Les cas à l'élude sont 39 systèmes d'approvisionnement en eau potable de la région de Chaudière-Appalaches, dans la province du Québec, Canada. La méthodologie et les résultats ont été validés en comparant les VMR1 avec les événements de contamination microbiologique dans les systèmes à l'étude. Également, une analyse de sensibilité et une analyse de faisabilité ont été effectuées afin de vérifier la pertinence des indicateurs dans le modèle. Le modèle développé peut être utilisé pour prioriser les systèmes d'approvisionnement en eau potable qui ont des besoins d'amélioration et pour évaluer l'ensemble de la population à des contaminations microbiologiques dans des études épidémiologiques future. / Increasing agricultural practices cause manure surplus problems potentially resulting in the degradation of the quality of surface and groundwater sources. The objective of this project was to develop a methodology to evaluate the vulnerability of drinking water utilities to microbiological contamination, in particular in regions with intensive agricultural land use. To do so, various indicators were developed to represent the source to tap multi-barrier approach for drinking water quality. These indicators correspond to four barriers: source susceptibility to microbiological contamination; treatment efficiency; distribution System management and overall management of water quality. The indicators were classified, regrouped and weighted within a model based on a multi-criteria analysis resulting in a weighted mean varying between 0 and 100 which represents the value of the microbiological risk indicator (VMRl). The model was developed and applied to 39 drinking water utilities located in the Chaudière-Appalaches region in the Province of Québec, Canada. The methodology and results were validated by comparing VMRl values and past events of microbiological contamination in the utilities under study. Sensitivity and feasibility analysis were also carried out to evaluate the relevance of indicators according to their accuracy and acquisition cost. The model obtained can be used to prioritize utilities requiring improvement and to assess exposure of the population to microbiological contaminants in future epidemiological studies.