Développement et évaluation d'une méthode fondée sur la PCR temps réel pour la caractérisation des bioaérosols : application au groupe des actinomycètes

par Laetitia Betelli

Thèse de doctorat en Sciences de la vie

Sous la direction de Alain Hartmann, Evelyne Gehin et de Philippe Duquenne.

Soutenue le 31-01-2013

à Dijon , dans le cadre de École doctorale Environnements, Santé (Dijon) , en partenariat avec Agroécologie (Dijon) (laboratoire) .

Le président du jury était Loïc Bollache.

Le jury était composé de Philippe Duquenne, Nathalie Wéry.

Les rapporteurs étaient Edward Topp, Jean-Jacques Godon, Françoise Lucas.


  • Résumé

    Les actinomycètes sont des bactéries ubiquitaires et certains sont reconnus comme potentiellement pathogènes pour l’Homme, dans l’air de certains lieux de travail. C’est notamment le cas dans l’air des plates-formes de compostage où les concentrations peuvent atteindre des valeurs relativement élevées. L’exposition des salariés à ce type de bioaérosols peut être la cause de pathologies diverses (notamment des pneumopathies d’hypersensibilité). Bien que le problème soit reconnu, la bibliographie démontre un manque de connaissances à propos de l’évaluation du risque : aucune méthode globale de prélèvement et d’analyse n’est, à l’heure actuelle, standardisée pour l’étude de ces bioaérosols, si bien qu’il n’existe aucune relation dose-effets pour la plupart de ces agents ni même de valeur limite d’exposition professionnelle. Les méthodes traditionnellement utilisées ne sont pas sans inconvénient (sous-estimation de la concentration réelle notamment) et le plus souvent non-spécificiques. C’est pourquoi l’objectif de la thèse, ici décrite, est le développement et l’évaluation de la technique de biologie moléculaire qu’est la PCR temps réel pour la quantification de bactéries dans ces bioaérosols. La méthode a tout d’abord été développée et optimisée notamment par le dessin d’oligonucléotides, par la comparaison de protocoles d’extraction d’ADN et par la réalisation de gammes étalons. Elle a ensuite été comparée aux techniques plus traditionnelles, encore largement utilisées, que sont le dénombrement du bacteries cultivable par mise en culture et l’épifluorescence, à la fois sur des cultures de cellules et sur des bioaérosols expérimentaux. Ce n’est qu’après l’avoir caractérisé qu’elle a été appliquée sur des bioaérosols prélevés en conditions réelles d’exposition, sur des plates-formes de compostage.La méthode développée, basée sur une extraction d’ADN et une PCR temps réel, permet la quantification de l’ADN de Thermoactinomyces vulgaris (basée sur l’amplification du gène GyrB), de Thermobifida fusca et T. alba (gène ecf) et des streptomycètes mésophiles (ARNr 23S). La PCR permet l’obtention de résultats fortement corrélés à ceux issus du dénombrement sur milieux gélosés mais offre de réels avantages par rapport à la culture. Comme ces quantifications prennent en compte n’importe quelle forme de la bactérie (cellules végétatives et spores), la PCR dépasse les inconvénients de sous-estimation liés aux méthodes traditionnelles. La technique a un réel avantage de spécificité, elle est répétable et sensible. Les campagnes de prélèvements effectuées sur 5 plates-formes de compostage en France ont permis de mesurer les concentrations en bactéries mésophiles et thermophiles par culture et d’établir celles en Thermoactinomyces vulgaris, Thermobifida sp. et Streptomyces sp. par PCR. L’étude confirme que les activités de compostage sont génératrices de bioaérosols avec parfois des valeurs relativement élevées selon les points échantillonnés. Elle met également en exergue des informations comme la distribution granulométrique du bioaérosol ou l’adéquation entre le type de prélèvement effectué et l’analyse par PCR. Les travaux menés, du développement de la méthode qPCR appliquée au groupe des actinomycètes à son application sur des échantillons environnementaux, apportent de nombreuses données pour la quantification des actinomycètes aéroportés. Ils ont permis d’acquérir des éléments de validation concernant la méthode mise en place et ont livré les seules mesures de concentrations disponibles à l’heure actuelle, pour T. vulgaris, Thermobifida sp., et les streptomycètes mésophiles dans l’air des plates-formes de compostage

  • Titre traduit

    Development and evaluation of a method based on real time PCR for bioaerosols characterization : application to actinomycetes group


  • Résumé

    Actinomycetes are ubiquitous bacteria and some can be potentially pathogen for Humans in the air of some working areas. It’s notably the case in composting plants where bacteria concentrations can reach high values. Workers exposure to these inhalable bioaerosols can be source of various diseases (hypersensitivity pneumonitis notably). Although this problem is admitted, bibliography reveals a lack of knowledge about risk assessment: currently, none global method for bioaerosols sampling and analysis is standardized. So much that neither dose-effects relationship for most of these bacteria, nor Threshold Limit Value exists. Traditional methods, that are used, have some drawbacks (concentrations underestimation notably) and most often, aren’t specific.It’s the reason why the aim of the thesis, here described, is the development and the evaluation of the biomolecular technique of real time PCR for the quantification of bacteria in these bioaerosols. First, this method was developed and improved by oligonucleotides design, by comparison of many DNA extraction protocols and by the construction of standard ranges. Then, the method was compared to traditional widely used methods such as cultivable bacteria counting by cultures and epifluorescence microscopy, both on cells culture samples and experimental bioaerosols. After this characterization, the analytic method was applied on environmental bioaerosols sampled on real exposure conditions (composting plants).The method that we have developed, based on DNA extraction and real-time PCR, allows the quantification of Thermoactinomyces vulgaris DNA (based on gyrB gene amplification), of Thermobifida fusca and T. alba (ecf gene) and of mesophilic streptomycetes (rDNA 23S). The results obtained by PCR are strongly correlated with those obtained by counting on agar but PCR method offers more advantages than cultures. As PCR quantifies any form of the bacteria (vegetative cells and spores), the method goes over the drawbacks of traditional methods, like underestimation. The method has a real advantage of specificity, it’s also repeatable and sensitive. Sampling campaigns realized on 5 composting plants implanted in France have permitted measuring mesophilic and thermophilic bacteria concentrations by culture and establishing Thermoactinomyces vulgaris, Thermobifida sp. and Streptomyces sp. ones by PCR. The study confirms that composting activities release bioaerosols. And according to the localization of the sampling, the values could be rather high. It also underlines some informations as particles size distribution of the bioaerosol or the adequacy between sampling apparatus and PCR analysis. The works carried out, from qPCR method development for actinomycetes group to its application on environmental samples, give a lot of datas concerning airborne actinomycetes quantification. It permit to validate the developed method and give the only currently available measures for T. vulgaris, Thermobifida sp., and mesophilic streptomycetes in the air of composting plants


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