Fate in soil of murine Norovirus : used as a surrogate for human norovirus present in wastewater reused in agricultural irrigation

Abstract

Les eaux usées traitées d'origine domestique présentent généralement une charge non négligeable en virus entériques pathogènes de l'Homme, malgré leur traitement. Afin de pouvoir à terme comparer les risques sanitaires associés à différents modes de gestion de ces eaux usées, nous avons entrepris un travail sur (i) la prévision des quantités de virus entériques excrétés à partir des données épidémiologiques relatives aux gastroentérites aiguës, (ii) le devenir environnemental de ces virus lorsque les eaux usées sont rejetées en rivière, et (iii) le devenir de ces virus lorsqu'ils sont apportées au sol par irrigation. L'étude a porté sur un bassin de collecte des eaux usées de 240 000 habitants à proximité de Clermont-Ferrand, sur les rivières Artière et Allier et la nappe alluviale de l'Allier potentiellement contaminées par les rejets d'eau usée, et sur un sol du périmètre d'irrigation réutilisant ces eaux. Les concentrations en divers virus ont été suivies sur la même période dans les eaux usées brutes et traitées, dans les eaux douces de surface et souterraine. Nous avons proposé une méthode d'estimation du nombre journalier de nouveaux cas de gastroentérites aiguës d'étiologie virale en 2015-2016 à partir de données épidémiologiques et avons combiné ces estimations à un modèle d'excrétion virale pour évaluer les quantités de virus entériques arrivant à la station d'épuration. Le devenir des virus a été modélisé en tenant compte d'un abattement en station d'épuration et de dilutions-mélanges en rivières. Le devenir des virus apportés au sol par les eaux usées traitées réutilisées en irrigation agricole a été étudié sur un sol bien représenté dans le périmètre en utilisant un virus modèle. Ce devenir a été décrit par un modèle combinant transfert, immobilisation réversible et élimination, et en distinguant eau mobile et eau immobile comme virus libres et virus adsorbés sur des colloïdes en suspension. La méthode permettant de passer de l'épidémiologie à une excrétion de virus nous a permis de bien simuler les arrivées de virus à la station d'épuration avec un pic hivernal et l'impact prépondérant des norovirus GII sur les cas de gastroentérites virales. La simulation de l'abattement en station d'épuration et des phénomènes de dilutions-mélanges en rivière permet de simuler correctement la charge virale en aval du rejet d'eaux usées, mais leur devenir ultérieur reste mal caractérisé. Apporté au sol, le virus modèle était progressivement éliminé ou immobilisé de façon irréversible avec un abattement journalier de 0.38 log10. La fraction réversiblement immobilisée pouvait être estimée par une isotherme de Freundlich. L'ajout de Mg2+ a favorisé l'immobilisation du virus comme son adsorption sur des colloïdes dispersés dans l'eau mobile. Alors que les eaux usées stérilisées n'avaient pas d'effet majeur sur l'immobilisation du virus par rapport à une solution artificielle de sol en raison d'effets antagonistes des composés organiques et des cations minéraux, l'eau souterraine riche en Mg2+ favorisait l'immobilisation des virus. Un volet plante réalisé en marge de ce travail a montré l'impact d'irrigations sur les contaminations de surface et après internalisation via les racines. Complétée et améliorée, notre étude pourrait être couplée à une évaluation quantitative des risques viraux.Urban treated wastewaters may be heavily contaminated by human pathogenic enteric viruses that cause acute gastroenteritis, despite their treatment. In order to compare health risks of different wastewater management scenarios, we investigated (i) how to predict virus shedding from epidemiological data on acute gastroenteritis, (ii) the environmental fate of these viruses when wastewaters are discharged into rivers, and (iii) the fate of these viruses when they are brought to the soil by irrigation. Our study focused on a wastewater collection basin of 240,000 inhabitants near Clermont-Ferrand, on the Artière and Allier Rivers and the Allier alluvial groundwater potentially contaminated by wastewater discharges, and on a soil in the irrigation perimeter reusing these wastewaters. Concentrations of various viruses were monitored over the same period in raw and treated wastewaters, as well as in surface and underground freshwaters. We proposed a method based on epidemiological data to estimate the daily number of new cases of acute gastroenteritis of viral etiology in 2015-2016; and we combined these estimates with a viral shedding model to estimate the quantities of enteric viruses arriving at the treatment plant. The fate of viruses has been simulated by taking into account the removal of viruses in the treatment plant and dilution-mixing in rivers. The fate of viruses brought to the soil by treated wastewater reused in agricultural irrigation was studied on a well-represented soil in the perimeter using a surrogate virus. Its fate has been described by a model combining transfer, reversible immobilization and removal; the model distinguished between mobile and immobile waters, as well as between free viruses and viruses adsorbed on colloids in suspension. The method for switching from epidemiology to virus shedding allowed us to accurately simulate virus inflows to the treatment plant, including a winter peak and the prominent role of norovirus GII in viral gastroenteritis cases. The simulation of virus removal in the treatment plant and subsequent dilution-mixing phenomena in rivers allow correctly simulating the viral load in the river downstream of the wastewater discharge, but their subsequent fate remains poorly characterized. When brought to the soil, the surrogate virus was progressively removed or irreversibly immobilized, according to a 0.38 log10 daily removal. The reversibly immobilized fraction could be estimated by a Freundlich isotherm. The addition of Mg2+ favored the immobilization of viruses, as well as their adsorption on colloids dispersed in mobile water. While sterilized wastewater had no major effect on virus immobilization compared to artificial soil solution due to the antagonistic effects of their organic compounds and mineral cations, groundwater rich in Mg2+ favored immobilization of viruses. An additional work, complementary to this PhD, showed the impact of irrigations on vegetable surface and internalized contaminations. After improvement, our study could be coupled with a quantitative viral risks assessment.Key words: enteric virus, sewage, discharge, reuse, irrigation, environmental fate, scenarios, assessment