Cette thèse de doctorat comporte trois volets d'études interreliés portant sur l'évaluation microbiologique de l'eau potable. Dans le premier volet, des analyses comparatives des méthodes classiques ont montré que les tests de détection uniquement basés sur la reconnaissance d'un seul paramètre phénotypique ne permettaient pas de détecter la totalité de la population microbienne recherchée. Une identification des microorganismes cibles par le biais de séquences spécifiques d'ADN a permis de pallier à ce problème. Toutefois, l'application de tests moléculaires rapides pour évaluer la qualité microbiologique de l'eau potable n'en est qu'à ses premiers balbutiements particulièrement parce qu'il n'existe pas de solution technologique simple permettant de concentrer et de récupérer efficacement la petite quantité de microorganismes présente dans un volume relativement grand d'eau potable. Ainsi, dans le second volet de cet ouvrage, une procédure de récupération et de concentration des microorganismes comprenant une dissolution de membrane, suivie d'un confinement gravitationnel sur support solide, a été inventée. Combinée à une procédure d'extraction et d'amplification aléatoire du génome entier, ainsi qu'à une amplification PCR spécifique, cette méthode a permis la détection sensible & Escherichia coli, d'entérocoques, d'oocystes de Cryptosporidium, de kystes de Giardia, ainsi que de spores de Clostridium perfringens dans l'eau potable en 5 heures. Dans le troisième volet, nous avons testé la procédure complète de détection moléculaire avec des échantillons d'eau naturelle. Les études préliminaires ont montré que la procédure développée était équivalente aux méthodes basées sur la culture en termes de spécificité, de sensibilité et de limite de détection. À la lumière des résultats obtenus, cette nouvelle méthode de récupération, de concentration et de détection moléculaire pourrait être utilisée pour évaluer la qualité microbiologique de l'eau potable. Nous recommandons donc une étude de comparaison plus poussée auprès des laboratoires d'analyses environnementales et des autorités gouvernementales, pour la validation de cette nouvelle méthode moléculaire.

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.

L'eau est un vecteur important pour la transmission de maladies infectieuses. Les méthodes classiques utilisées pour évaluer la qualité microbiologique de l'eau sont cependant inaptes à garantir l'absence de tous les microorganismes pathogènes. Le développement de nouvelles méthodes moléculaires permettant la détection rapide, sensible, spécifique et abordable de ces microorganismes pourrait diminuer le nombre de cas d'infections reliées à la consommation d'eau potable. Ce mémoire décrit la démarche empruntée pour adapter, utiliser et comparer des méthodes microbiologiques classiques à bord du laboratoire mobile Atlantis (LMA) lors d'une campagne de surveillance de la qualité l'eau en région éloignée. Nous élaborons ensuite sur le processus permettant le transfert technologique de deux méthodes moléculaires ciblant deux indicateurs de contamination fécale, Escherichia coli et les entérocoques. Les résultats de ces recherches permettent de conclure que le LMA pourra jouer un rôle prometteur pour la surveillance des maladies infectieuses d'origine hydrique.

Ce mémoire décrit l'utilisation d'un laboratoire mobile (Atlantis) permettant d'évaluer directement sur le terrain la qualité microbiologique de l'eau consommée par les populations locales. Des procédures de préparation et de validation de milieux de culture ont été adaptées afin de permettre l'utilisation autonome du module de microbiologie Atlantis. La qualité microbiologique de l'eau de sources naturelles consommée par les communautés Cries de la Baie James a été évaluée en comparant deux méthodes basées sur la culture pour la détection des indicateurs de contamination fécale et environnementale. Atlantis a également été conçu pour favoriser le transfert technologique, entre autres le transfert de tests diagnostiques basés sur la détection de l'ADN des parasites pathogènes transmis par l'eau. Le séquençage de gènes conservés chez les Eucaryen a été effectué dans le but de dresser le portrait phylogénétique des protozoaires fréquemment retrouvés dans l'eau de consommation.

Les objectifs de cette étude consistent à dresser un portrait de la présence de coliformes totaux et fécaux dans une source d'eau potable et à développer des modèles décrivant la variabilité temporelle de ces indicateurs. Le cas à l'étude est la principale source d'eau potable de la Ville de Québec, à savoir la rivière Saint-Charles. Le portrait temporel comprend une description de la présence saisonnière, journalière et intra-journalière des coliformes totaux et fécaux dans la source d'eau. Ce portrait est basé sur des données historiques acquises par la Ville et des données issues d'une campagne d'échantillonnage intensive réalisée dans le cadre de ce projet. La présence des coliformes totaux et fécaux dans l'eau a été analysée en fonction de divers paramètres environnementaux et de la qualité de l'eau. Des modèles multivariés basés sur des séries temporelles ont été développés afin d'expliquer et de prédire la présence des coliformes totaux et fécaux dans l'eau. Les modèles obtenus décrivent de manière très satisfaisante la variabilité temporelle des coliformes dans la source d'eau à l'étude. Selon les résultats de cette étude, les paramètres expliquant la présence des coliformes dans l'eau diffèrent selon la saison de l'année. L'analyse des modèles démontre que la pluviométrie, la hauteur d'eau au barrage, les heures d'ensoleillement, la turbidité, l'alcalinité et la température extérieure sont les meilleurs prédicteurs des variations temporelles des coliformes dans la source d'eau potable.

Cette thèse est consacrée à l'amélioration de la surveillance de la qualité de l'eau potable en réseau de distribution (RD) et à son. Le principal RD de la ville de Québec (Canada) est étudié. La thèse comporte quatre chapitres. Le premier porte sur la qualité microbiologique de l'eau. Il introduit de nouvelles approches statistiques pour modéliser les comptes de bactéries hétérotrophes anaérobies et aérobies facultatives (BHAA) utilisées comme indicateur de la variabilité de la qualité de l'eau. Les résultats obtenus permettent de définir des stratégies saisonnières afin de réduire les comptes de BHAA en réseau. Le second chapitre traite également de la qualité microbiologique de l'eau. En utilisant les paramètres significatifs des modèles du premier chapitre, il modélisé le compte des BHAA en utilisant des techniques de logique floue. Les résultats permettent d'utiliser les modèles construits comme des ± classificateurs ¿ facilitant l'identification des endroits du RD vulnérables à la contamination microbienne, aidant ainsi dans le processus de décision. Le troisième chapitre est centré sur la création d'un protocole formel pour sélectionner et prioriser les secteurs d'échantillonnage de l'eau en intégrant des paramètres de qualité d'eau, d'intégrité structurale du réseau et d'exposition de la population. Le protocole utilise le concept de risque et applique des techniques de logique floue pour créer un indice permettant d'ordonner les secteurs d'échantillonnage du RD. Le dernier chapitre traite de la réconciliation du 'risque réel' de l'eau distribuée et du ± risque perçu ¿ par les consommateurs. Il applique le concept de ± déploiement de fonctions de qualité ¿ pour prioriser les besoins des consommateurs et les caractéristiques de l'eau et du RD pour satisfaire les besoins priorisés.

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.