Devenir dans l’atmosphère des virus entériques pathogènes de l’homme présents dans les eaux usées

par Guillaume Girardin

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Dominique Courault.

Soutenue le 15-06-2015

à Avignon , dans le cadre de École doctorale 536 « Sciences et agrosciences » (Avignon) , en partenariat avec UMR 1114 INRA-UAPV EMMAH (laboratoire) .

Le président du jury était Catherine Duport.

Le jury était composé de Catherine Duport, Christophe Gantzer, Laurent Huber, Olivier Schlosser, Anne Oppliger, Alexandre Armengault, Pierre Renault.

Les rapporteurs étaient Christophe Gantzer, Laurent Huber.


  • Résumé

    Réutiliser les eaux usées en irrigation agricole aide à répondre aux besoins croissants en eau, réduit leur décharge dans les eaux conventionnelles et participe à la fertilisation des sols. Les eaux usées d'origine domestique contiennent des virus entériques de l'homme responsables d'épidémies transmises par voies hydrique et alimentaire. Leur transmission aérienne avec maladie à la clé a été mise en évidence dans d'autres contextes, mais il existe peu d’études sur le devenir de virus déposés à la surface du sol ou de végétaux. Aussi cette thèse de Doctorat avait-elle pour objectifs d'évaluer et décrire (i) l'aérosolisation des virus préalablement apportés au sol par irrigation avec des eaux usées et (ii) leur inactivation dans l'atmosphère.Pour répondre à ces objectifs, des suivis expérimentaux ont été réalisés en conditions semi-contrôlées pour l'aérosolisation (virus déposés in situ sur des placettes de sol couvertes par des tunnels) et en conditions contrôlées pour l'inactivation (virus en réacteur atmosphérique de laboratoire). La souche MC0 du mengovirus murin a été utilisée pour l'ensemble des expérimentations. Elle a été multipliée sur des cellules BGM. La teneur en ARN viral a été suivie par RT-qPCR et, pour l'étude de l'inactivation, les virus infectieux ont été simultanément dénombrés par comptage de plages de lyse sur cellules BGM. Ces suivis ont été couplés au suivi des conditions environnementales (rayonnement global, température, humidité relative de l'air, teneur en O3, auxquels s'ajoutent l'humidité et la température de surface du sol pour l'étude de l'aérosolisation). Ces travaux ont nécessité de concevoir un nouveau réacteur atmosphérique, d'évaluer les performances de biocollecteurs (Impingers et filtres), et d’améliorer le dénombrement des virus infectieux.Un modèle a été proposé pour décrire l'aérosolisation d'un ou plusieurs pools de virus aérosolisables, chacun étant caractérisé par sa taille et un coefficient cinétique d'aérosolisation. Nous l'avons utilisé pour générer des expériences numériques reproduisant la variabilité des mesures réelles, et pour ajuster à ces expériences numériques des simulations portant soit sur l'aérosolisation cumulée soit sur l'aérosolisation « instantanée ». Les ajustements sur l'aérosolisation instantanée donnent des estimations plus précises du coefficient cinétique d'aérosolisation ; il n'en va pas forcément de même pour l'estimation de la quantité de virus aérosolisables. Un modèle de dépendance du coefficient d'inactivation à l'humidité relative de l'air a été proposé.Eu égard à l'aérosolisation des virus à partir du sol, les Impingers donnent des aérosolisations estimées plus élevées que les membranes en raison de différences de piégeage et/ou d'extraction. Toutefois, ils ne piègeraient qu'environ 77 % des virus et relargueraient des virus piégés avec un coefficient de réaérosolisation de 0.11. Ces imperfections aboutissent à des estimations des quantités de virus aérosolisés environ 2 fois moins élevées qu'en réalité ; à l'inverse, elles n'affectent pas les estimations des coefficients cinétiques d'aérosolisation. Sans tenir compte de ce biais, entre 1 et 10% des virus apportés ont été aérosolisés. À notre connaissance, c'est la première mise en évidence d'un tel phénomène. On distingue un pool de virus aérosolisés quasi-instantanément (environ 1/3 des virus aérosolisés) d'un pool de virus aérosolisés de manière cinétique. Pour ce dernier pool, la constante cinétique d'aérosolisation varie entre 0.007 et 0.21 h-1 : 90 % des virus du pool cinétique sont aérosolisés au bout de respectivement 13 j et 11 h dans nos conditions. La taille du pool cinétique est bien prédite à partir de la vitesse du vent, de la température de surface du sol et de la nature de l'eau d'irrigation.

  • Titre traduit

    Atmospheric fate of human enteric viruses that contaminate wastewaters


  • Résumé

    Wastewater reuse for agricultural irrigation allows coping increasing water requirements, reduces wastewater discharge in conventional water bodies, and contributes to soil fertilization. Wastewaters of domestic origin are contaminated with human enteric viruses responsible for waterborne and foodborne outbreaks. Air transmission of viruses that leads to diseases has been noted in other contexts, but nothing is known about the fate of viruses brought at the surface of the soil. The aims of this PhD thesis were to assess and describe the aerosolization of viruses previously brought to the soil surface by wastewater irrigation, and their inactivation in the atmosphere.To fulfil these objectives, experiences were performed in semi-controlled conditions for aerosolization (viruses brought in situ on soil small plots covered by wind tunnels) and in controlled conditions for inactivation (viruses in laboratory atmospheric reactor). The MC0 murine mengovirus strain was used for all these experiences. It was propagated on BGM cells. The viral RNA content was monitored by RT-qPCR; for inactivation studies, infectious viruses were simultaneously enumerated by plaque assay on BGM cells. Variations in the total or infectious virus numbers were analyzed with regard to variations in global radiation, air temperature and relative humidity, O3 concentration, as well as soil surface moisture and temperature. This work required to design a new laboratory atmospheric reactor, to assess the performance of air biocollectors (impingers and membranes), and to optimize method for infectious virus enumeration.A model has been proposed to describe the aerosolization of one or some pools of viruses, each of these pools being characterized by its size and a kinetic coefficient of aerosolization. We used it to generate numerical experiences having the same variability as actual measurements, and to fit simulations of either cumulative or "instantaneous" aerosolized virus quantities to these numerical experiences. Fitting simulations to "instantaneous" aerosolized virus quantities leads to more precise estimates of the kinetic coefficient of aerosolization; it didn't lead to better estimates of the total amount of viruses that could be aerosolized. A relationship between the kinetic coefficient of virus inactivation and air relative moisture has also been proposed.Dealing with virus aerosolization from the soil, the amount of aerosolized viruses estimated from impinger data were higher than those estimated from membrane data, because of differences in trapping and/or latter extraction. Impingers would have trapped about 77% of air virus and virus re-aerosolization from Impingers would have concerned about 11% of the trapped viruses every hour. These limits would have resulted in estimates of the total amount of viruses that could be aerosolized about 2 times lower than in reality; conversely, they do not affect the estimates of the kinetic coefficient of aerosolization. Regardless of this bias, between 1 and 10% of viruses supplied to the soil were aerosolized. To our knowledge, this is the first evidence of such a phenomenon. We distinguish a pool of viruses that could be aerosolized nearly instantaneously (about 1/3 of aerosolized viruses) from a pool of viruses that would be aerosolized kinetically. For this last pool, the kinetic aerosolization coefficient varied between 0.007 and 0.21 h-1: 90% of the viruses belonging to the kinetic pool would be aerosolized after 13 days or 11 hours, respectively. The total amount of viruses belonging to the kinetic pool is correctly predicted by a model accounting simultaneously for the wind, the soil surface temperature and the type of irrigation water.


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