Transferts de micro-organismes par les eaux de ballast : utilisation de l’ADN environnemental pour identifier leur provenance

 In dossiers de la lettre d'information

Dans une publication en libre accès portant sur l’utilisation des analyses d’ADN environnemental pour tenter d’identifier les provenances des espèces microbiennes transportées dans les eaux de ballast, William A. Gerhard et Claudia K. Gunsch ont analysé les traces d’ADNe dans divers échantillons d’eaux de ballasts, d’eaux de quatre grands ports mondiaux et d’eaux prélevées en haute mer. Ils ont également utilisé des algorithmes mathématiques afin de proposer des biomarqueurs potentiels pour identifier la provenance des eaux (océans, ports, ballast).

Des envahisseurs invisibles et potentiellement dangereux

Au fur et à mesure de la croissance des échanges commerciaux intercontinentaux, dont une part très majoritaire se fait par bateaux, les volumes totaux de rejets d’eaux de ballast dans les ports d’arrivée ont considérablement augmenté, multipliant ainsi les possibilités de transport et d’introduction d’espèces aquatiques envahissantes. De nombreuses recherches sont actuellement menées sur les risques de ces introductions mais celles qui portent spécifiquement sur les organismes microbiens semblent encore insuffisantes. Si les eaux de ballast sont maintenant considérées comme un vecteur de la prolifération mondiale d’agents pathogènes, des travaux ont également montré qu’elles pouvaient servir de vecteur à la dispersion mondiale de gènes de résistance aux antibiotiques, un des plus importants risques planétaire pour la santé humaine selon l’OMS (WHO, 2014). Ainsi depuis quelques années, des recherches ont été mises en œuvre pour permettre d’analyser rapidement les populations microbiennes des eaux de ballast afin de s’assurer de la conformité de la qualité biologique de ces eaux avant leur déchargement et améliorer les techniques de surveillance et de gestion les concernant.

Faire évoluer les techniques de surveillance

Pour ce faire, les chercheurs ont recours à de nouvelles technologies de caractérisation, dont le séquençage génétique à haut débit, ou métabarcodage, utilisé les auteurs de la publication.

Cette technique présente actuellement un développement extrêmement rapide, accompagné d’une très importante réduction des coûts de mise en œuvre, ce qui en fait une possibilité prometteuse dans un cadre de suivi en routine sur un grand nombre de sites.

Les objectifs de l’étude étaient les suivants :

– effectuer des analyses de métabarcodage d’eaux de ballast sur une taille d’échantillon jugée suffisante et sur une échelle géographique assez importante,

– utiliser diverses analyses mathématiques pour arriver à caractériser des matrices explicatives,

– identifier les biomarqueurs pouvant être utilisables pour une évaluation rapide de l’origine des eaux de ballast.

Le port de Singapour est le 2ème port mondial après Shanghai pour son trafic de conteneurs. © DR

Analyses d’ADNe et de leurs résultats

Les auteurs ont analysé 41 échantillons d’eaux de ballast et 20 échantillons d’eaux provenant de 4 grands ports mondiaux (Los Angeles, Californie ; Singapour ; Durban, Afrique du Sud ; Shanghai, Chine) et 6 échantillons d’eau de haute mer prélevés en mer de Chine.

Les analyses de données réalisées sur l’ensemble des informations recueillies (le séquençage a généré environ 22 millions de lectures ADN brutes, réduites selon les auteurs à environ 15 millions après traitement) ne sont pas détaillées dans le présent texte. Elles ont principalement comporté des approches sur la similarité entre les échantillons par comparaisons multiples des ADN et en y incorporant des variables environnementales (température, pH, salinité et temps de séjour du ballast dans le réservoir).

Figure 1 : Projection en réseau des valeurs de dissimilarité entre échantillons

Au regard des résultats, on observe des regroupements des échantillons d’eaux de ballast et d’eaux des ports prélevés dans les mêmes lieux. Les auteurs notent qu’il s’agit d’un résultat surprenant, car les eaux de ballast collectées sur un site d’étude proviennent souvent d’une autre région. Cela pourrait toutefois être lié à les routes similaires empruntée par les navires, qui renouvèlent ou traitent leurs eaux de ballast en cours de route (les bateaux arrivant en Afrique du Sud, en Chine et à Singapour y parviennent après un passage dans la mer de Chine méridionale ou dans l’océan Indien tandis que ceux arrivant en Californie traversent le Pacifique Nord).

La diversité des lieux d’échange des eaux de ballast et des caractéristiques physicochimiques des eaux (turbidité, température, salinité) pourraient expliquer en partie celle des communautés microbiennes des eaux de ballast arrivant sur différents sites.

L’identification automatique des marqueurs potentiels a été réalisée en utilisant des validations croisées successives et des tests de trois méthodes différentes. Huit marqueurs ont été identifiés dans la première phase d’analyse. La poursuite de l’analyse a montré qu’ils présentaient une robustesse suffisante comme biomarqueurs utilisables dans la différenciation des types d’eau, entre eaux de ballast, de port ou de pleine mer. Des recherches appliquant cette méthode à un plus grand nombre d’échantillons pour en préciser les performances restent à développer.

Evaluation des risques sanitaires

Des “Normes applicables à la gestion des eaux de ballast” figurent dans la Convention internationale pour le contrôle et la gestion des eaux de ballast et sédiments des navires (voir encart). La règle D-2 est une norme de qualité des eaux de ballast qui fixe les concentrations maximales acceptables en organismes viables, selon leur taille, et en agents microbiens pathogènes spécifiques (Vibrio cholerae toxigène, Escherichia coli, Entérocoque intestinal).

Afin de vérifier les teneurs de ces agents dans les échantillons prélevés, des cultures ont été réalisées sur tous les échantillons d’eau de port et de ballast.

Les taxons bactériens dominants dans les eaux de ballast appartenaient à plusieurs classes de bactéries (“alphaprotéobactéries”, “gammaprotéobactéries”, “bactéroïdes”). Cinq des 41 navires ne respectaient pas les normes pour au moins un organisme indicateur : E. coli (dans un cas), Enterococcus (dans trois cas) ou les deux (dans un cas).

Les concentrations mesurées ne sont pas nécessairement supérieures aux limites fixées par la règle D 2. Toutefois, une des difficultés d’évaluation des risques sanitaires liés à des concentrations élevées de ces indicateurs dans les eaux de ballast réside dans le fait que les concentrations dans les eaux des ports d’arrivée peuvent, elles aussi, être très élevées à certains moments. Certains ports peuvent donc être des points chauds pour l’activité microbienne et servir de centres d’alimentation à l’échelle mondiale de ces populations. Les auteurs notent que des recherches supplémentaires devraient être menées pour comprendre le rôle individuel des ports dans la prolifération mondiale de micro-organismes transportés dans les eaux de ballast.

Ainsi, les abondances relatives significativement différentes de certains taxons bactériens dans les eaux de ballast par rapport à l’eau du port et de l’océan peuvent permettre l’utilisation de biomarqueurs pour évaluer rapidement l’origine de ces eaux de ballast. Le recours au séquençage génétique à haut débit dans les suivis à l’échelle mondiale des risques liés au transport dans les eaux de ballast de ces populations invisibles à l’œil pourrait donc permettre d’améliorer l’efficacité de ces suivis et d’accroître la rapidité d’interventions destinées à réduire les impacts sanitaires potentiels de ces transports mondialisés.

Convention internationale pour le contrôle et la gestion des eaux de ballast et sédiments des navires (adoptée le 13 février 2004, entrée en vigueur le 8 septembre 2017)

La section D de cette convention porte sur les “Normes applicables à la gestion des eaux de ballast”  et la règle D-2 est une norme de qualité de ces eaux :

Les navires qui procèdent à la gestion des eaux de ballast doivent rejeter moins de 10 organismes viables par mètre cube d’une taille minimale égale ou supérieure à 50 microns et moins de 10 organismes viables par millilitre d’une taille minimale inférieure à 50 microns et supérieure à 10 microns ; en outre, le rejet des agents microbiens indicateurs ne doit pas dépasser les concentrations spécifiées.

À titre de norme pour la santé humaine, les agents microbiens indicateurs comprennent, notamment, les agents suivants :

  1. Vibrio cholerae toxigène (O1 et O139), moins de 1 unité formant colonie (ufc) par 100 millilitres ou moins de 1 ufc pour 1 gramme (masse humide) d’échantillons de zooplancton;
  2. Escherichia coli, moins de 250 ufc par 100 millilitres;
  3. Entérocoque intestinal, moins de 100 ufc par 100 millilitres.

Les systèmes de gestion des eaux de ballast doivent être approuvés par l’Administration conformément aux directives de l’OMI (règle D-3 Prescriptions relatives à l’approbation des systèmes de gestion des eaux de ballast). Ils comprennent les systèmes qui utilisent des produits chimiques ou biocides, ou des organismes ou mécanismes biologiques, ou qui modifient les caractéristiques chimiques ou physiques de l’eau de ballast.”

Une courte vidéo de 3 minutes (en anglais) présente cette règlementation : https://www.youtube.com/watch?v=aVqzYB5LqYk

Rédaction : Alain Dutartre, expert indépendant,
Relectures : Emmanuelle Sarat et Doriane Blottière, Comité français de l’UICN

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