La menace croissante de résistance aux antibiotiques dans les milieux aquatiques

L'Organisation mondiale de la Santé a classé la résistance aux antibiotiques comme une urgence sanitaire mondiale, en avertissant que sans intervention urgente, les infections courantes et les blessures mineures pourraient de nouveau devenir mortelles. Bien que la surutilisation clinique des antibiotiques reçoive une attention considérable, il est moins reconnu que les systèmes d'eau jouent un rôle crucial dans la propagation et la persistance des bactéries résistantes et des gènes de résistance. Les eaux usées des hôpitaux, de la fabrication pharmaceutique, de l'agriculture et des ménages transportent des antibiotiques, des bactéries résistantes aux antibiotiques (ARB) et des gènes de résistance aux antibiotiques (ARG) directement dans les rivières, les lacs et les eaux souterraines.

Sources de résistance aux antibiotiques dans l'eau

Les eaux usées municipales sont des sources ponctuelles primaires, car les procédés de traitement conventionnels ne permettent pas souvent d'éliminer complètement les antibiotiques et les ARB. Dans de nombreuses régions en développement, les eaux usées non traitées sont rejetées directement dans les eaux de surface, ce qui exacerbe le problème. Les eaux de ruissellement agricoles provenant des exploitations d'élevage présentent des concentrations élevées d'antibiotiques utilisés comme promoteurs de croissance et comme prophylactiques, ainsi que des bactéries résistantes au fumier.

Impacts sur l'environnement et la santé

La présence d'antibiotiques et de gènes de résistance dans l'eau présente des risques directs et indirects.Sur le plan environnemental, les gènes de résistance peuvent s'intégrer dans les génomes des bactéries indigènes, y compris les pathogènes opportunistes, créant une contamination durable des écosystèmes.Des risques pour la santé surviennent lorsque les gens sont exposés à des bactéries résistantes à l'eau par l'eau non traitée, la natation ou la consommation de cultures irriguées par l'eau contaminée.Un ensemble croissant de preuves épidémiologiques lie la résistance aux antibiotiques environnementaux à des taux accrus d'infections dures à traiter dans les communautés, en particulier pour les agents pathogènes comme Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae[, et Pseudomonas aeruginosa. De plus, la propagation d'éléments génétiques mobiles tels que les intégrons et les plasmides accélère le transfert horizontal de la résistance entre les espèces bactériennes, ce qui rend le problème autoperpétuant.

Comment fonctionnent les zones humides construites : un système de traitement naturel

Contrairement aux systèmes de traitement mécaniques classiques qui reposent sur une aération, une filtration et un dosage chimiques à forte intensité énergétique, les milieux humides construits fonctionnent avec un apport énergétique externe minimal, en utilisant la végétation, les sols et les communautés microbiennes associées pour éliminer les polluants. Ces systèmes sont conçus pour imiter la capacité d'autopurification des milieux humides naturels, mais sont construits avec une hydrologie contrôlée et un substrat pour optimiser le rendement du traitement. Le principe fondamental est que l'eau coule dans un environnement riche en plantes, en microbes et en surfaces réactives, où les contaminants sont éliminés par sédimentation, filtration, adsorption, absorption des plantes et dégradation microbienne.

Types de zones humides construites

Trois types principaux de milieux humides construits sont utilisés pour le traitement des eaux usées, chacun ayant des caractéristiques distinctes qui influent sur leur efficacité contre la résistance aux antibiotiques. Les milieux humides de surface d'eau libre sont constitués de bassins peu profonds plantés avec une végétation émergente, où l'eau coule au-dessus du substrat. Ces systèmes offrent une exposition abondante à la lumière du soleil et des conditions aérobies dans la colonne d'eau, mais peuvent être moins efficaces pour l'élimination des agents pathogènes en raison de court-circuits et d'un contact limité avec des surfaces réactives. Les milieux humides de sous-sol horizontal ont de l'eau qui coule horizontalement à travers un substrat poreux, généralement du gravier ou du sable, où il demeure sous la surface.

Mécanismes clés pour éliminer les antibiotiques et les gènes de résistance

Les bactéries spécialisées, souvent en relation synergique avec les plantes, peuvent décomposer les molécules d'antibiotiques en métabolites moins nocifs ou les minéraliser complètement en dioxyde de carbone et en eau. La filtration physique [[ élimine les solides en suspension, y compris les bactéries attachées aux particules, réduisant ainsi efficacement la charge totale de l'ARB entrant dans les milieux aval. Le substrat poreux agit comme filtre de profondeur, piégeant les particules et les microorganismes associés. L'adsorption[ joue un rôle majeur dans l'élimination des antibiotiques eux-mêmes. De nombreux antibiotiques sont des composés organiques avec des structures chimiques qui se lient aux matières organiques du sol, aux minéraux argileux et aux biofilms sur les racines et les substrats.

Preuves scientifiques : efficacité des zones humides construites contre la résistance aux antibiotiques

Une méta-analyse de 56 études réalisée en 2021 a révélé que les milieux humides construits bien conçus pouvaient réduire de façon significative les concentrations d'antibiotiques, d'ARB et d'ARG dans les eaux usées. Les systèmes les plus efficaces ont permis d'obtenir des taux d'élimination supérieurs à 99 % pour certains composés, en particulier ceux susceptibles de subir une biodégradation aérobie comme l'ibuprofène et le sulfaméthoxazole. Pour les bactéries résistantes aux antibiotiques, des valeurs de réduction logarithmique de 2 à 4 ont été rapportées, ce qui signifie une réduction de 99 % à 99,9% des bactéries résistantes aux cultivables.

Étude de cas : Traitement des eaux usées municipales

Une étude notable menée dans une zone humide construite à grande échelle et traitant les eaux usées municipales en Espagne a permis de mesurer l'élimination de 15 antibiotiques différents sur une période d'un an. Le système, hybride de zones humides à débit horizontal et vertical plantées avec Phragmites australis (récidaire commun), a obtenu une efficacité d'élimination moyenne supérieure à 90 % pour la plupart des antibiotiques, y compris l'érythromycine, la ciprofloxacine et le triméthoprime. Fait important, les concentrations de gènes de résistance tetW, sul1 et blaCTX-M[] ont été réduites de 2-3 ordres de grandeur dans l'effluent par rapport à l'influent.

Déchets de l'agriculture et de l'élevage

Une étude à long terme d'un ruissellement de terres humides à débit de surface dans les fermes laitières des États-Unis a révélé des réductions de 85 à 95 % des antibiotiques tétracyclines et sulfamides, avec des diminutions correspondantes des gènes de résistance à la tétracycline tetOet tetW[. La végétation des zones humides, principalement des queues de chat (Typhaspp.) et des bulrushes (Schoenoplectusspp.), a été trouvée pour accumuler des antibiotiques dans les tissus racinaires, et la communauté microbienne de la rhizosphère a présenté des taux élevés de dégradation des antibiotiques.

Conception et considérations opérationnelles pour maximiser la réduction de la résistance

Bien que toutes les terres humides construites offrent un certain niveau d'atténuation de la résistance aux antibiotiques, l'optimisation de la conception et de l'exploitation peut améliorer considérablement les performances. Les facteurs clés comprennent le temps de rétention hydraulique (HRT), la composition du substrat, la sélection de la végétation et les taux de chargement. Les HRT plus longs, généralement de 5 à 10 jours pour un traitement avancé, permettent de consacrer plus de temps aux processus de biodégradation et d'adsorption.

Temps de rétention hydraulique et taux de chargement

Les recherches indiquent qu'un TRH d'au moins 7 jours est nécessaire pour obtenir une réduction significative de la plupart des ARG, avec des temps plus longs donnant une plus grande élimination. Cependant, des TRH trop longs peuvent entraîner des conditions anaérobies qui peuvent ralentir les voies de dégradation aérobie. La charge intermittente, particulièrement dans les milieux humides à débit vertical, améliore le transfert d'oxygène et favorise la croissance des bactéries aérobies capables de dégrader les antibiotiques plus rapidement.

Sélection de la végétation et synergie plante-microbe

Les plantes des zones humides ne sont pas seulement des échafaudages passifs, mais des participants actifs à la réduction de la résistance aux antibiotiques.Les espèces à systèmes racinaires fibreux profonds fournissent une vaste surface de développement de biofilms et libèrent de l'oxygène dans la rhizosphère, soutenant la dégradation aérobie. Les phragmites australis[ ( roseaux communs) sont largement utilisées en raison de leur biomasse élevée, de leurs racines profondes et de leur tolérance aux conditions riches en nutriments. Les typhas espèces (peau de chat) sont également efficaces, en particulier pour les zones humides à débit de surface.

Matériaux de substrat et capacité d'adsorption

Pour y remédier, les chercheurs ont testé des substrats améliorés. Le biochar, un matériau riche en carbone produit par pyrolyse de la biomasse, a une grande surface et une capacité d'échange de cations, ce qui le rend excellent pour sorber les contaminants organiques, y compris les antibiotiques. Des études ont montré que l'incorporation du biochar dans les milieux humides construits peut augmenter l'élimination des antibiotiques de 20 à 40 % par rapport au gravier conventionnel. De même, les sables recouverts d'oxyde de fer peuvent sorber le phosphore et les métaux, mais lier certains antibiotiques par la complexation. L'utilisation d'un substrat stratifié avec différents matériaux peut capturer une plus grande gamme de polluants.

Défis et limites

La sensibilité climatique affecte la performance, en particulier dans les climats froids où l'activité biologique ralentit et les plantes se sénèsent pendant l'hiver. Bien que certaines études montrent que les terres humides peuvent encore enlever les antibiotiques à des températures aussi basses que 5°C, les efficacités d'élimination pour les ARG peuvent diminuer de façon significative. La performance incohérente en raison des tempêtes, des concentrations influantes fluctuantes et des changements saisonniers posent des défis pour respecter les limites des permis de rejet. De plus, les propriétés de l'élimination des ERG peuvent être réduites de façon significative. Les bactéries résistantes dans les terres humides ou les effluents sont préoccupants; si les conditions deviennent favorables (e.g., les antibiotiques résiduels doivent être éliminés dans les conditions de rejet des effluents.

Orientations futures et intégration avec d'autres technologies

Pour surmonter ces limites, les recherches et développements futurs devraient être axés sur l'optimisation des plans de zones humides construits et leur intégration à d'autres technologies de traitement. Les procédés d'oxydation avancés (PAO), tels que l'ozonation, la photolyse UV et les réactions de Fenton, peuvent être appliqués comme étape de post-traitement pour polir les effluents des zones humides, détruire les antibiotiques résiduels et inactiver les ARB. La combinaison permet d'optimiser les performances de faible coût et en basse énergie des zones humides pour l'élimination en vrac tout en utilisant les PAO pour le polissage ciblé. ]Les techniques de biorestauration électrique, telles que les cellules à combustible microbien intégrées dans les substrats des zones humides, peuvent améliorer la biodégradation en fournissant des électrons pour stimuler le métabolisme microbien. La phytorestauration avec des plantes artificielles] qui surexpressent les enzymes pour la dégradation des antibiotiques ou qui séquest intégrée dans

Conclusion

Les milieux humides construits représentent une solution puissante et fondée sur la nature pour réduire la charge de résistance aux antibiotiques dans les systèmes d'eau. Par des processus physiques, chimiques et biologiques intégrés, ces écosystèmes peuvent efficacement éliminer les antibiotiques, les bactéries résistantes aux antibiotiques et les gènes de résistance des eaux usées, des eaux de ruissellement agricoles et d'autres sources d'eau contaminées. Bien que des défis liés à l'utilisation des terres, au climat et à la cohérence des performances demeurent, des recherches en cours sur l'optimisation de la conception, l'amélioration des substrats et des trains de traitement synergique continuent d'étendre l'applicabilité pratique des milieux humides construits.