Journée de synthèse scientifique Transferts Persistance et transfert des micro-organismes pathogènes issus des déjections animales Anne-Marie Pourcher IRSTEA Contexte Micro-organismes pathogènes Eaux de baignade 2012 - 97,3 % des baignades en eaux de mer conformes aux exigences de qualité - 15 plages non conformes pour cause de pollution momentanée 27 sites estuaires 59 % : qualité bactériologique passable Source : Dreal Bretagne bilan annuel 2012. L’eau en Bretagne Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 2 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 2 Contexte Micro-organismes pathogènes Zones de production de coquillages 2012 Qualité microbiologique acceptable Mais proportion de zones classées en mauvaise qualité augmente Évolution de 1991 à 2012 du nombre de zones conchylicoles bretonnes par classe de qualité (source : Ifremer) Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 3 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 3 Contexte Micro-organismes pathogènes Sources de pollution des eaux de surface Source : Ifremer Origine humaine ? Origine animale - épandage - pâturage Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 4 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 4 Contexte Micro-organismes pathogènes Voies de contamination pâturage Transport vertical des germes pathogènes épandage pâturage puits épandage transport horizontal des germes pathogènes eau de surface infiltration Écoulement Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 5 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 5 Fréquence de détection dans les déjections et effluents d’animaux d’élevage Fréquences de détection minimales et maximales (%) Micro-organisme bactéries Salmonella virus 0-56 3-100 Listeria monocytogenes 18-27 Campylobacter jejuni 12 -85 81-97 20,6 0-9 22-78 0-2 3-100 14-63 Giardia 7-84 93-100 Virus de l’hépatite E 3-71 E. coli O157 : H7 ou VTEC parasites 1,6 - 89 Cryptosporidium 26,5 Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 6 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 6 Fréquence de détection dans les déjections et effluents d’animaux d’élevage Forte variabilité des fréquences de détection Facteurs liés à l’élevage : Méthodologie employée : âge et état de santé des animaux nombre d'élevages analysés respect des règles d'hygiène stratégie d'échantillonnage localisation géographique techniques de détection des micro-organismes mode de gestion des effluents présence de pathogènes Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 7 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 7 Impact des traitements Abattements estimés pour différents traitement des lisiers (d’après Sobsey et Hill, 2008) Traitement appliqué Abattement estimé (log10) Facteurs influençant la performance du traitement* Physique thermophile (> 50°C) séchage, dessiccation Chimique Chaulage pH élevé (>11) et température élevée Biologique Aérobie, mésophile >4 température, temps de contact, pH <1 si humidité >5% temps de contact >4 si humidité <1% >3-4 1-2 temps de contact temps de séjour, température température, durée du compostage, aération, structurants compostage >4 Digestion anaérobie mésophile 1-2 temps de séjour Digestion anaérobie thermophile >4 temps de séjour *autre que le type de pathogène Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 8 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 8 Impact des traitements Abattements estimés pour différents traitement des lisiers (d’après Sobsey et Hill, 2008) Traitement appliqué Abattement estimé (log10) Facteurs influençant la performance du traitement* Physique thermophile (> 50°C) séchage, dessiccation Chimique Chaulage pH élevé (>11) et température élevée Biologique Aérobie, mésophile >4 température, temps de contact, pH <1 si humidité >5% temps de contact >4 si humidité <1% >3-4 1-2 temps de contact temps de séjour, température température, durée du compostage, aération, structurants compostage >4 Digestion anaérobie mésophile 1-2 temps de séjour Digestion anaérobie thermophile >4 temps de séjour *autre que le type de pathogène Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 9 Température et temps de séjour : facteurs les plus importants 3 février 2012 - Ploërmel organisée par les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 9 Impact des traitements Abattements estimés pour différents traitement des lisiers (d’après Sobsey et Hill, 2008) Traitement appliqué Abattement estimé (log10) Facteurs influençant la performance du traitement* Physique thermophile (> 50°C) séchage, dessiccation Chimique Chaulage pH élevé (>11) et température élevée Biologique Aérobie, mésophile >4 température, temps de contact, pH <1 si humidité >5% temps de contact >4 si humidité <1% >3-4 1-2 temps de contact temps de séjour, température température, durée du compostage, aération, structurants compostage >4 Digestion anaérobie mésophile 1-2 temps de séjour Digestion anaérobie thermophile >4 temps de séjour *autre que le type de pathogène Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 10 Température et temps de séjour : facteurs les plus importants 3 février 2012 - Ploërmel organisée par les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 10 Devenir des micro-organismes dépend de : 1) leur survie 2) leur transport (Source: document IRDA-Quebec, Majdoub et al., 2003) Facteurs influençant la survie et le transport des micro-organismes dans le sol Survie - Transport interaction des ≠ mécanismes physiques activité métabolique (propriétés intrinsèques) responsables de la mobilité des microconditions environnementales organismes (écoulements, dispersion…) et des climat capacités de rétention des particules propriétés chimiques et physiques du sol (adsorption des bactéries sur la matrice accès aux nutriments organo-minérale du sol) prédation propriétés physico-chimiques du sol (texture, compétition Journée de synthèse scientifique Azote Journée de synthèse scientifique Transferts structure…) - 7 février 2014 – Rennes 11 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 11 climat survie Impact du type de déjection et du type de sol sol argileux Survie (jour) > > > > Listeria E. coli O157 Salmonella Campylobacter Effet "micro-organisme" Campylobacter plus fragile Listeria plus résistante Incorporation à 15 cm de profondeur Nicholson et al. (2005) Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 12 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 12 survie Impact du type de déjection et du type de sol Survie (jour) sol argileux > > sol sableux > > Listeria E. coli O157 Salmonella Campylobacter Effet "sol" survie plus longue dans sol argileux Interaction sol/déjection Différence de survie plus marquée dans le sol sableux que dans le sol argileux Nicholson et al. (2005) Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 13 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 13 survie Impact du taux de matière organique E. coli/ g sol 6– 6– 4 % matière organique 85,9 % sable 8,3 % limon 5,87 % argile 5– 4– 5– 4– 3– 3– 2– 2– 37°C 1– sol1 0 0,7 % matière organique 87,5 % sable 5,8 % limon 7 % argile 37°C 1– sol 2 5 10 15 jours 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 jours Survie de E. coli dans deux sols stockés à 37°C (d’après Ishii et al, 2006) Croissance de E. coli et survie plus longue en présence de matière organique Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 14 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 14 survie Impact de la température E. coli/ g sol 4 % matière organique 6– 6– 5– 5– 4– 4– 4°C 3– 4°C 3– 2– 2– 37°C 1– sol1 0 0,7 % matière organique 5 10 15 20 25 1– 30 0 37°C sol 2 5 10 15 20 25 30 Survie de E. coli dans deux sols stockés à 37°C et 4°C (d’après Ishii et al, 2006) Vitesse de disparition des germes avec la température Compétition avec flore autochtone plus faible à basse température Favorise les bactéries intestinales Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 15 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 15 survie Impact des UV Survie de E. coli dans des bouses de vaches protégées ou non des rayons solaires (Meays et al., 2005) Ombre : facteur déterminant de la survie de E. coli du 17ème au 45ème jour Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 16 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 16 survie Impact du mode d'épandage et de la saison Survie de E. coli dans un sol limoneux argileux ayant reçu une dose de 45 m3/ha de lisier de vaches (d’après Hodgson et al., 2008) 2 techniques d'épandage application en surface et injection à 5-6 cm de profondeur Survie plus importante en profondeur qu’à la surface du sol Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 17 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 17 survie Impact du mode d'épandage et de la saison Survie de E. coli dans un sol limoneux argileux ayant reçu une dose de 45 m3/ha de lisier de vaches (d’après Hodgson et al., 2008) 2 techniques d'épandage application en surface et injection à 5-6 cm de profondeur Survie plus importante en profondeur qu’à la surface du sol Interaction saison/technique d’épandage différence plus marquée en mai Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 18 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 18 survie Facteurs influençant la survie des bactéries entériques dans le sol Facteurs environnementaux favorables à la survie taux d’humidité capacité de rétention en eau Température basse pH neutres peu de lumière matière organique microflore du sol peu active (limitation de la compétition, prédation par les protozoaires) Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 19 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 19 transfert Impact des épandages Impact des épandages : plus important pour les eaux de surface que pour les eaux souterraines Risque de contamination fécale des eaux : essentiellement dû au ruissellement de surface qui entraîne les bactéries libres ou fixées aux particules Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 20 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 20 transfert Impact du type de sol 106 105 sableux E. coli 104 103 Limono-argilo-sableux 102 argile 10 argile 0 0 0,6 1 2 3 4 5 10 15 Profondeur du sol en cm Effet des textures de sol sur la migration verticale de E. coli (adapté de Moore et al (1998). Source : Rosen, 2000) Le transfert vertical dépend de la nature du sol Forte migration verticale des bactéries dans les sols sableux Rétention des bactéries dans les sols de porosité fine Adsorption sur particules argileuses Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 21 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 21 transfert Impact du mode d’épandage Lisier bovin épandu à 59 m3/ha sur un sol limoneux-grossier destiné à la culture de maïs (d’après Meals et Braun (2006)) Teneurs en E. coli dans les eaux de ruissellement issues de sols épandus avec du lisier Teneur moyenne en E. coli /100 mL Stockage du lisier (jours) Mode d’épandage Délai de 1 jour entre épandage et pluie Délai de 3 jours entre épandage et pluie 0 (frais) surface 2,3 106 1,9 105 Incorporation 5,8 105 2,4 105 Surface 4,2 104 9 103 Incorporation 1,4 104 1,6 104 Surface 1,6 103 1,8 103 incorporation 1,3 103 2,1 103 30 90 Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 22 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 22 transfert Impact du mode d’épandage Lisier bovin épandu à 59 m3/ha sur un sol limoneux-grossier destiné à la culture de maïs (d’après Meals et Braun (2006)) Teneurs en E. coli dans les eaux de ruissellement issues de sols épandus avec du lisier Teneur moyenne en E. coli /100 mL Stockage du lisier (jours) Mode d’épandage Délai de 1 jour entre épandage et pluie Délai de 3 jours entre épandage et pluie 0 (frais) surface 2,3 106 1,9 105 Incorporation 5,8 105 2,4 105 Surface 4,2 104 9 103 Incorporation 1,4 104 1,6 104 Surface 1,6 103 1,8 103 incorporation 1,3 103 2,1 103 30 90 facteur prédominant : durée de stockage du lisier réduit teneurs en E. coli dans eaux de ruissellement Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 23 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 23 transfert Impact du mode d’épandage Lisier bovin épandu à 59 m3/ha sur un sol limoneux-grossier destiné à la culture de maïs (d’après Meals et Braun (2006)) Teneurs en E. coli dans les eaux de ruissellement issues de sols épandus avec du lisier Teneur moyenne en E. coli /100 mL Stockage du lisier (jours) Mode d’épandage Délai de 1 jour entre épandage et pluie Délai de 3 jours entre épandage et pluie 0 (frais) surface 2,3 106 1,9 105 Incorporation 5,8 105 2,4 105 Surface 4,2 104 9 103 Incorporation 1,4 104 1,6 104 Surface 1,6 103 1,8 103 incorporation 1,3 103 2,1 103 30 90 facteur prédominant : durée de stockage du lisier réduit teneurs en E. coli dans eaux de ruissellement pluie 1 jour après épandage : teneurs en E. coli ≈ 60% plus faibles si incorporation Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 24 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 24 transfert Impact du mode d’épandage Lisier bovin épandu à 59 m3/ha sur un sol limoneux-grossier destiné à la culture de maïs (d’après Meals et Braun (2006)) Teneurs en E. coli dans les eaux de ruissellement issues de sols épandus avec du lisier Teneur moyenne en E. coli /100 mL Stockage du lisier (jours) Mode d’épandage Délai de 1 jour entre épandage et pluie Délai de 3 jours entre épandage et pluie 0 (frais) surface 2,3 106 1,9 105 Incorporation 5,8 105 2,4 105 Surface 4,2 104 9 103 Incorporation 1,4 104 1,6 104 Surface 1,6 103 1,8 103 incorporation 1,3 103 2,1 103 30 90 facteur prédominant : durée de stockage du lisier réduit teneurs en E. coli dans eaux de ruissellement pluie 3 jours après épandage : Pas de différences entre les parcelles Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 25 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 25 transfert Impact du type d'effluent Parcelle de la station de Kerguéhennec (d’après Jaffrezic et al. 2011) Apport de lisier de porc (24 T/ha) ou de fumier de bovin (32 T/ha) en surface (sol : 16 % argile, 42 % limon, 41 % sable) et incorporés sur 15 cm de profondeur bactéries (/100 mL) pluie : intensité moyenne de 67 mm.h-1. 106 1,E+06 105 1,E+05 104 1,E+04 lisier 103 E. coli entérocoques 102 E. coli entérocoques fumier 1,E+03 1,E+02 10 1,E+01 1 1,E+00 0 0 12 22 4 4 6 6 8 8 10 Ruissellement cumulé (L m-2) 10 12 0 0 12 22 4 4 6 6 8 8 10 10 12 Ruissellement cumulé (L m-2) Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 26 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 26 transfert Impact du type d'effluent Parcelle de la station de Kerguéhennec (d’après Jaffrezic et al. 2011) Apport de lisier de porc (24 T/ha) ou de fumier de bovin (32 T/ha) en surface (sol : 16 % argile, 42 % limon, 41 % sable) et incorporés sur 15 cm de profondeur bactéries (/100 mL) pluie : intensité moyenne de 67 mm.h-1. 106 1,E+06 105 1,E+05 104 1,E+04 lisier 103 E. coli entérocoques 102 E. coli entérocoques fumier 1,E+03 1,E+02 10 1,E+01 1 1,E+00 00 22 4 4 66 8 8 10 10 Ruissellement cumulé (L m-2) 12 12 00 22 4 4 66 8 8 10 10 12 12 Ruissellement cumulé (L m-2) Transfert des bactéries issues des déjections dans les eaux de ruissellement 2 à 6 % pour le lisier 1-28 % pour le fumier Effet matrice Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 27 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 27 survie Facteurs influençant le transfert des bactéries entériques Facteurs favorables au transfert Épandage en surface Épandage sur sol nu Épandage en période de pluie Épandage de matières solides Sol saturé en eau Forte concentrations en bactéries dans l’effluent Taux d’application par hectare élevé Risques moindres de transfert : Sols couverts d'une prairie courte ou avec un taux de croissance faible (Trévisan et al, 2001) Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 28 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 28 conclusion Possibilités de maîtrise des risques (d’après Trévisan et Dorioz ; 2001) Survie Augmentation durée de stockage chaulage, compostage, traitement thermique Transfert horizontal effluent Épandage suivi rapidement par une incorporation Épandage en saison sèche, période ensoleillée Epandage en conditions sèches Épandage sur végétation à repousse lente sur sols à taux de matière organique < 25 % à forte compétition biologique Végétation ruissellement Sol Eaux de surface Épandage dans des conditions d’humidité inférieures à la capacité au champ Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 29 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 29 conclusion Le risque de contamination des eaux à partir des épandages dépend de nombreux paramètres état sanitaire des animaux mode de gestion des effluents composition du sol conditions climatiques bonnes pratiques d’épandage Part des épandages dans la contamination fécale avérée des eaux de surface ? Utilisation d’outils analytiques permettant de différencier l’origine humaine ou animale des contaminations fécales Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 30 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 30 Merci de votre attention Journée synthèse scientifique Azote Journée dede synthèse scientifique Transferts - 7 février 2014 – Rennes 31 3 février par 2012 - Ploërmel organisée les Chambres d’agriculture de Bretagne, INRA - Agrocampus Ouest, Arvalis - Institut du Végétal, IRSTEA, OSUR, CRESEB 31
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