Microbiologie des eaux souterraines utilisées comme source d’eau potable

L’eau souterraine a toujours été une source importante d’approvisionnement en eau potable pour les populations. Jusqu’au XX^e siècle, les effets potentiels de la consommation de ces eaux sur la santé étaient peu connus, d’autant plus qu’elles étaient réputées être plus sûres que les eaux de surface. Le risque de contamination associé à la profondeur du puits était toutefois considéré, les puits peu profonds étant reconnus comme une source d’eau moins fiable nécessitant souvent une forme minimale de traitement, telle la désinfection au chlore. De leur côté, les puits plus profonds étaient traditionnellement considérés plus sûrs pour la consommation humaine et ce, sans qu’ils ne requièrent un quelconque traitement. On supposait alors que la filtration s’effectuant de façon naturelle par le sol ainsi que l’imperméabilité de certaines formations géologiques étaient suffisantes pour assurer une eau d’excellente qualité. Or, plusieurs études portant sur des épidémies causées par des infections bactériennes ou virales associées à la consommation d’eau souterraine non traitée ont par la suite suggéré que ce n’était pas toujours le cas. Notons qu'au Canada, environ 30 % de la population (soit 9 millions de Canadiens) est approvisionnée par de l’eau souterraine¹ tandis qu’au Québec, cette proportion est d’environ 18 %².

Le présent article traite des réglementations québécoise et américaine sur les eaux souterraines sur le plan microbiologique, du transport, des sources ainsi que des types de microorganismes. Quelques éclosions de maladies d’origine hydrique associées à la consommation d’eau souterraine contaminée sont également présentées. Finalement, les options existantes pour assurer la protection des sources d’eau souterraine sont abordées.

La réglementation

Au Québec, il n’est pas obligatoire de procéder au traitement des eaux souterraines qui sont utilisées comme source d’eau de consommation³. En ce qui concerne les puits municipaux ou privés déjà en place, il n’existe aucune obligation de procéder à une désinfection si les résultats d’analyses n’indiquent aucune contamination d’origine fécale. Par contre, toute municipalité ou exploitant privé en charge d’un puits présentant une contamination fécale (présence d’Escherichia coli ou de coliformes fécaux) doit effectuer une désinfection en continu de son eau souterraine suffisamment importante pour inactiver 99,99 % des virus.

Le Règlement sur la qualité de l’eau potable (Q-2, r.18.1.1)³ prévoit le nombre et le site des prélèvements à effectuer pour surveiller la qualité de l’eau en fonction de la population et du type d’eau distribuée. Par exemple, pour une municipalité d’une population inférieure à 1 000 personnes, deux prélèvements par mois sont requis dans le réseau de distribution pour l’analyse des coliformes totaux et de E. coli ou des coliformes fécaux (coliformes thermotolérants) et ce, quelle qu'en soit la source. De plus, dans le cas d’une alimentation en eau souterraine, lorsque l’indice de vulnérabilité DRASTIC^(a) dans l’aire de protection bactériologique est supérieur à 100 et que des activités humaines sont susceptibles d’altérer la qualité de l’eau, les responsables du système de distribution doivent prélever, au moins une fois par mois, un échantillon d’eau du puits pour l’analyse de E. coli et des entérocoques. Dans le cas où l’indice de vulnérabilité de l’aire de protection virologique est supérieur à 100 et que des activités humaines à risque ont cours dans ce périmètre (réseau d’égouts, épandage de matières résiduelles, champ d’infiltration d’eaux usées domestiques), le responsable du système de distribution doit prélever de plus, au moins une fois par mois, un échantillon d’eau brute pour l’analyse de coliphages F-spécifiques^(b).

Aux États-Unis, l’Agence américaine de protection de l’environnement (USEPA) a promulgué la Groundwater Rule (GWR) en novembre 2006. Pour élaborer cette loi, plusieurs études d’occurrence de microorganismes ont été utilisées afin de déterminer les actions à entreprendre. Globalement, les analyses ont indiqué que 26  % des puits présentaient une contamination d’origine fécale intermittente (E. coli) et qu’approximativement 27 % étaient affectés par une contamination virale intermittente⁴. Ainsi, la détection de E. coli ou de virus ne devient possible qu’une fraction du temps.

La Groundwater Rule est en grande partie basée sur l’analyse des risques pour la santé humaine de consommer une eau souterraine contaminée par des virus entériques humains. La USEPA a considéré plusieurs données telles que 1) les effets à la santé de plusieurs microorganismes pathogènes, 2) les éclosions de maladies d’origine hydrique et 3) l’occurrence des microorganismes pathogènes dans les eaux souterraines⁴. Rappelons que les risques pour les consommateurs varient suivant plusieurs facteurs, incluant la fréquence, la durée et le niveau de contamination d’un puits de même que le degré d’infectiosité des microorganismes pathogènes présents. Afin de développer son modèle de risque pour établir la Groundwater Rule, la USEPA a choisi d’utiliser deux groupes de virus modèles: ceux ayant une forte infectiosité mais dont les effets sur la santé sont peu importants (virus de type A, représentés par les données sur les rotavirus) et ceux présentant une infectiosité de faible à modérée mais dont les répercussions pour la santé humaine sont sévères (virus de type B, représentés par les données sur les entérovirus ou les échovirus). Il est à noter qu’en lien avec la morbidité et la mortalité, la USEPA utilise l’infectiosité pour prédire le fardeau des maladies associées à une contamination virale. En combinant les données d’occurrence et d’exposition aux virus, il devient donc possible de prédire le taux d’infection suivant les données dose-réponse. En mettant en application la Groundwater Rule, la USEPA évalue que 42 000 maladies d’origine virale et qu’un décès pourraient être annuellement évités aux États-Unis.

Dans cette réglementation, l’emphase a été mise sur les virus entériques humains puisqu’ils représentent un risque important pour la santé publique (microorganisme de faible taille, dose infectieuse très faible, absence de surveillance spécifique, impacts sur la santé potentiellement importants). La réglementation oblige les municipalités à entreprendre les actions suivantes:

• Enquête sanitaire périodique; évaluation de huit éléments clés (source, traitement, réseau de distribution, réservoir d’entreposage d’eau traitée, pompage, programme de surveillance, gestion et respect des exigences de l’État) et identification des défaillances;
• Surveillance de la source d’eau;
• Mesures correctives (pour les systèmes présentant des défaillances ou lors d’une contamination fécale de la source d’eau);
• Respect des exigences (pour s’assurer que le traitement atteint au moins 99,99 % (4 log) d’inactivation ou d’enlèvement des virus).

Au niveau de l’échantillonnage, les réseaux doivent se soumettre aux exigences de la Total Coliform Rule qui prévoit la prise d’échantillons dans le réseau. En cas d’échantillon positif, les exploitants d’un réseau alimenté en eau souterraine qui n’effectuent pas de traitement permettant l’inactivation ou l’enlèvement de 99,9 % de virus doivent prélever dans les 24 heures un échantillon d’eau brute pour déterminer l'existence de pollution fécale (E. coli ou entérocoques ou coliphages).

Avec cette réglementation, on tente d’assurer l’identification des puits vulnérables à la contamination et de prendre ainsi les mesures appropriées (traitements) pour fournir une eau de qualité à la population. De plus, elle permet aux municipalités ayant accès à une source d’eau d’excellente qualité d’éviter la désinfection. Des études sanitaires périodiques sont également exigées, permettant d’identifier les nouvelles sources de pollution à proximité des puits.

Transport et sources

Alors que le sol absorbe et filtre bon nombre de contaminants, les particules de plus petites tailles telles que les microorganismes, et tout spécialement les virus, peuvent être véhiculés au travers des fissures de la roche ou des sols perméables, pour ensuite atteindre l’aquifère. C’est pourquoi les minces couches de sol et les hautes nappes phréatiques contribuent à la vulnérabilité d’une eau souterraine. Les sols fracturés (roc, grès) favorisent également le déplacement rapide de l’eau à travers le sol et conséquemment, la contamination de l’eau souterraine. Dans ces cas, il peut être difficile d’identifier la source de pollution de façon précise puisqu’elle peut être située à des kilomètres du puits contaminé.

D’autres facteurs peuvent contribuer au mouvement des microorganismes pathogènes jusqu’aux eaux souterraines. Des puits mal construits (mauvaise conception, absence de tubage, fissures dans la structure, etc.) permettront une intrusion directe des contaminants. Des fosses septiques mal installées, mal situées ou mal entretenues peuvent aussi contribuer à la migration de microorganismes pathogènes, incluant des virus entériques humains, vers les eaux souterraines environnantes⁵.

Les eaux souterraines peuvent théoriquement contenir tous les groupes de microorganismes pathogènes, bien qu’elles soient le plus souvent vulnérables aux bactéries et aux virus en raison de leur taille plus petite. Les bactéries comme les parasites pathogènes ont pour source les matières fécales animales et humaines tandis que les virus entériques pathogènes pour l’humain ont pour unique source les matières fécales humaines. Ces dernières peuvent provenir, par exemple, des fosses septiques, des eaux usées municipales ou encore des eaux de surface recevant des eaux usées. Malgré les traitements visant à diminuer les concentrations de microorganismes pathogènes, l’utilisation de boues ou d’effluents provenant de stations de traitement des eaux usées à titre de fertilisant ou pour irriguer des champs de culture peut favoriser l’introduction de microorganismes pathogènes dans le sol⁶. Lors du transport de l’eau dans le sol, ceux-ci peuvent rejoindre les aquifères et contaminer l’eau potable, tel que tragiquement illustré lors de l’épidémie de E. coli et de Campylobacter jejuni survenue en 2000 à Walkerton⁷.

L’eau souterraine puisée à même un aquifère en contact avec l’eau de surface est décrite comme une eau souterraine sous l’influence directe de cette dernière (GUDI: groundwater under the direct influence of surface water). Cela implique que l’apport en eau de surface peut favoriser l’introduction dans la nappe d’eau souterraine de débris de toutes sortes (ex. algues et insectes) de même que de microorganismes, incluant des parasites tels que Giardia sp. ou Cryptosporidium sp⁸.

Au Québec, toute eau souterraine identifiée comme étant sous l’influence directe d’une eau de surface doit être considérée comme une eau de surface pour les exigences de traitement³. Les exploitants doivent dans ce cas s’assurer d’avoir en place un traitement qui permet, en plus de l’inactivation ou l’enlèvement de 99,99 % (4 log) des virus, une élimination de 99 % (2 log) des oocystes de Cryptosporidium et de 99,9 % (3 log) des kystes de Giardia.

Microorganismes retrouvés dans l’eau souterraine

Ainsi, contrairement à ce que l’on croyait auparavant, les nappes d’eau souterraines pourraient être plus souvent contaminées par des microorganismes pathogènes, notamment par des virus entériques humains (VEH). Ces derniers peuvent être des entérovirus (poliovirus, coxsackievirus, échovirus), des adénovirus, des réovirus, des rotavirus, des calicivirus (norovirus, tel le Norwalk), des astrovirus ou autres virus, tel celui de l’hépatite A⁹.

De récentes études menées aux États-Unis ont suggéré qu’un fort pourcentage des eaux utilisées par des municipalités pouvait contenir des VEH et ce, même lorsqu’elles rencontraient les normes actuelles de qualité bactériologique. Cette observation était en général plus fréquente lorsque les eaux étudiées provenaient de nappes d’eau dont la qualité microbiologique indiquait une pollution fécale.

Au Canada, la qualité des eaux souterraines utilisées comme source d’eau potable est peu connue, aucune étude sur la qualité virologique n’ayant été menée jusqu’à tout récemment. La première étude sur le sujet, menée au Québec en 2004, a mis en évidence la présence de VEH dans des eaux souterraines en absence d’indicateurs bactériens de pollution fécale¹⁰.

D'ailleurs à ce jour, aucun indicateur considéré individuellement ne s’est avéré efficace pour prédire la présence de VEH dans les eaux souterraines. Les coliphages F-spécifiques ont toutefois été proposés en raison de leur structure et de leur taille similaire.

Toutefois, dans le cas des eaux souterraines, leur faible concentration limite leur pouvoir de prédire la présence de tels virus¹¹. Cette faible concentration s’explique, entre autres, par le fait qu’ils nécessitent une concentration minimale de 10⁴/ml de cellules hôtes dans le milieu pour se répliquer¹². De plus, des VEH ont été trouvés dans l’eau en absence de coliphages^13-16. D’ailleurs, Abbaszadegan et al.¹⁷ ont fait une étude sur les eaux souterraines et n’ont trouvé aucune corrélation entre les coliphages F-spécifiques et les VEH. Puisque l’occurrence des VEH et des coliphages dans l’eau souterraine dépend de plusieurs facteurs et que l’écologie des coliphages n’est pas connue, il devient hasardeux de se prononcer sur la vulnérabilité à une contamination virale uniquement sur la base de la présence (ou de l’absence) de coliphages dans l’eau analysée^10,16.

Bactéries indicatrices

Puisqu’il est impossible de mesurer tous les microorganismes pathogènes dans les eaux souterraines (coûts, faisabilité, volume requis, etc.), la majorité des études sur la qualité microbiologique des eaux souterraines se sont attardées à la détection des bactéries indicatrices de pollution d’origine fécale (E. coli ou coliformes thermotolérants). Quelques études concernant des paramètres bactériologiques ont été menées au Canada. Celles réalisées par Rudolph et al.¹⁸ et par Conboy et Goss^19,20 en 1991-92 sur la qualité de l’eau souterraine de fermes en Ontario, montrent une occurrence de contamination des puits d’échantillonnage plus élevée lorsqu’il y avait épandage de fumier dans les champs adjacents.

Au Québec, quelques études sur la qualité de l’eau souterraine de puits privés (domestiques) ont été menées par différentes directions de la santé publique dans les années 1990. La plupart de ces études ont fait état d’une contamination bactériologique des puits dans des pourcentages variant de 10 à 84 % (pourcentage de puits hors normes)^21-27.

Maladies d’origine hydrique

Alors que quelques études épidémiologiques ont été menées afin de déterminer les effets de la consommation d’eau de surface^28,29, aucune étude n’a encore été réalisée sur les effets sur la santé de la consommation d’eau souterraine en absence de contamination bactérienne. L’association entre une eau souterraine de mauvaise qualité provenant de puits peu profonds et certaines maladies gastro-intestinales a été rapportée dans l’étude de Raina et al.³⁰. Une telle relation est biologiquement plausible et prévisible. Des épidémies associées aux eaux souterraines ont été documentées mais pourraient s’avérer n’être qu’un pâle reflet du niveau endémique réel des maladies d’origine hydrique survenant dans les populations utilisant des eaux souterraines comme source d'eau potable.

L’éclosion de E. coli et de Campylobacter jejuni ayant eu lieu à Walkerton restera un événement marquant ayant pour origine l’eau souterraine³². Malgré tout, peu d’éclosions d’origine hydrique sont rapportées au Canada. Il n’existe d’ailleurs aucun registre central équivalant aux Centers for Disease Control (CDC) américains. Il est toutefois possible de trouver plusieurs rapports de cas. Au Québec, par exemple, l’analyse des éclosions rapportées par les directions de la santé publique a permis de recenser 65 éclosions de maladies d’origine hydrique de 1989 à 1993. Parmi ces épidémies, six étaient dues au virus de Norwalk, deux au virus de l’hépatite A et quatre à Giardia sp³³. Les eaux souterraines ont été impliquées dans 42 % des épidémies. Lainesse³⁴ mentionne que les cas rapportés au Québec pour les années 1989-90 ne représenteraient qu’environ 0,03 à 1,2 % des cas réels. De même, en Ontario, une étude a estimé à 313 le nombre de cas de maladies gastro-instestinales dans la population pour chaque cas rapporté aux autorités provinciales³⁵. Au Québec, l'eau souterraine s'est avérée être la cause de 5 des 26 épidémies rapportées en 1994-95, de 5 des 28 épidémies de 1996-97 et de 11 des 33 épisodes survenus en 1998-99^36,37.

Une des épidémies d’origine hydrique les plus documentées au Québec est probablement celle survenue à l’Île d’Orléans en 1995. Cet épisode, causé par le virus d’hépatite A, a été relié à la consommation d’eau d'un puits contaminé. Des échantillons de selles provenant des patients concernés par le puits impliqué et le puisard suspecté être la source de contamination ont tous montré la présence du virus de l’hépatite A. Tous les isolats étaient identiques, confirmant le cheminement de la contamination. D’autres puits situés à plus de 60 mètres du puisard contenaient aussi de l’ARN du virus de l’hépatite A. Fait intéressant, l’ARN a été détecté dans le puits incriminé jusqu’à six mois après la contamination initiale alors que les indicateurs usuels (les bactéries coliformes fécales) n’étaient plus présents³⁸.

L’Amérique du Nord a connu plusieurs épidémies d’origine hydrique liées à l’eau souterraine au cours des dernières années (voir tableau). L’étude de ces éclosions et d’autres survenues ailleurs dans le monde ont par ailleurs mis en évidence le fait que la majorité d’entre elles auraient pu être évitées, notamment par une meilleure connaissance de la source et du système ou encore par un traitement adéquat.

Tableau. Éclosions de maladies d’origine hydrique liées à l’eau souterraine en Amérique du Nord (adapté de Hrudey et Hrudey⁸)

Protection des sources

Les seules options envisageables pour protéger les eaux souterraines de la contamination sont l’évaluation de leur vulnérabilité et la protection efficace de leur source. Puisque l’eau souterraine provient en grande partie de la surface, les activités humaines présentes peuvent en influencer la qualité. La sélection de la source (localisation, géologie, sources de pollution à proximité, etc.) est primordiale pour assurer une eau de bonne qualité. Certaines formations géologiques (roc fracturé, karst, calcaire) permettent un mouvement rapide de l’eau de surface vers l’eau souterraine. Les puits situés dans ces formations peuvent donc être considérés vulnérables à la contamination.

Le suivi systématique de la qualité de la source d’eau (à l’aide de microorganismes indicateurs) permet de détecter rapidement une dégradation et ainsi la nécessité de procéder à d’un ajustement du traitement. Les indicateurs bactériens de pollution fécale fournissent une première évaluation de la qualité de l’eau souterraine. Par la suite, l’absence de virus coliphages, spécialement de F-spécifiques, fournit une meilleure indication de la qualité de cette eau. Des analyses répétées sont toutefois nécessaires afin de pouvoir détecter une possible contamination intermittente.

Il est possible de protéger la source d’eau souterraine de façon partielle, principalement en établissant des zones de protection autour du puits. Il devient donc important pour les municipalités desservant de l’eau souterraine d’adopter des programmes de protection des sources (tels des programmes de protection des bassins versants) et d’évaluer périodiquement la vulnérabilité de leur source (nouveaux développements urbains, variation du taux de pompage, nouvelles installations septiques, etc.). Dans les faits, très peu de bassins versants sont exempts d’activités humaine ou animale. Il serait donc illusoire de penser qu’un seul programme de protection du bassin suffise à empêcher toute contamination de l’eau souterraine et à diminuer tout risque pour la santé humaine.

Dans un tel contexte et tel que mentionné précédemment, la surveillance de la source d’eau et un traitement adéquat permettront de s’assurer d’une eau potable de qualité.

Conclusion

Les eaux souterraines sont généralement de meilleure qualité que les eaux de surface et sont donc à privilégier lorsqu’une nouvelle source d’eau est recherchée. Toutefois, il faut se rappeler que ces eaux ne sont pas à l’abri d'une contamination et qu’un suivi étroit doit être effectué afin de s’assurer de la qualité de la source (coliformes totaux et E. coli, minimalement). Les virus entériques humains, susceptibles de se retrouver dans certaines eaux souterraines, sont des microorganismes pathogènes présentant des risques importants pour la santé humaine. La Groundwater Rule mise récemment en place aux États-Unis a pour but de limiter les maladies d’origine hydrique causées par la consommation d’eau souterraine contaminée en assurant par des enquêtes sanitaires périodiques un suivi plus serré des sources d’eau. Un tel suivi, que ce soit par la présence de E. coli (contamination d’origine fécale) ou de coliformes totaux (dégradation de la qualité de l’eau) devrait être effectué périodiquement étant donné la nature intermittente des événements de la contamination. Au Québec, un suivi minimal bi-mensuel des eaux souterraines utilisées à des fins de consommation devrait être instauré afin de détecter toute contamination microbiologique pouvant mettre en danger la santé de la population.

Références

1. Environnement Canada, 2005. La nature de l’eau. Les eaux souterraines. www.ec.gc.ca/water/fr/nature/grdwtr/f_sixmil.htm (dernière consultation: janvier 2007).
2. Ministère du Développement durable, de l’Environnement et des Parcs (MDDEP), 2006. Bilan de mise en œuvre du Règlement sur la qualité de l’eau potable Juin 2001 à juin 2005. www.mddep.gouv.qc.ca/eau/potable etudes.htm.
3. Ministère du Développement durable, de l’Environnement et des Parcs (MDDEP), 2005. Règlement sur la qualité de l’eau potable (RQEP). www2.publicationsduquebec.gouv.qc.ca.
4. US Environmental Protection Agency (USEPA), 2006. Part II, Environmental Protection Agency 40 CFR Parts 9, 141 and 142. National Primary Drinking Water Regulations: Ground Water Rule: Final Rule. Federal Register, Vol. 71, No. 216.
5. US Environmental Protection Agency (USEPA), 2002. Drinking water from household wells EPA 816-K-02-003, 19 p. epa.gov/safewater/privatewells/booklet.
6. Schwartzbrod, L. 1991. Virologie des milieux hydriques. Paris: TEC & DOC - Lavoisier. 304 p.
7. Hrudey, S. E., E. J. Hrudey. 2004. Safe drinking water : Lessons from recent outbreaks in affluent nations. UK: IWA Publishing. 486 p.
8. US Environmental Protection Agency (USEPA), 1992. Consensus method for deter­mining groundwaters under the direct influence of surface water using microscopic particulate analysis (MPA). EPA 910/9-92-029.
9. AWWA, 1999. Waterborne pathogens. AWWA Manual of water practices, M48. American Water Works Association, Denver, Colorado.
10. Payment, P. and Locas, A., 2005. Évaluation et contrôle de la qualité virologique des eaux souterraines. sdis.inrs.uquebec.ca/documents/2005_PARDE_groundwater_rpt.pdf

^(a) DRASTIC est une méthode d’évaluation de la vulnérabilité des eaux souterraines à la pollution. C’est un système de cotation numérique développée par l’Agence américaine de protection de l’environnement (www.mddep.gouv.qc.ca/eau/potable/guide/vol2_chap8.pdf).

^(b) Les coliphages F-spécifiques sont des virus qui s'attaquent spécifiquement aux bactéries appartenant au groupe des coliformes. Ils sont utilisés comme indicateur de contamination d’origine fécale.