Repenser les risques et la surveillance des eaux usées à la lumière du COVID

Nature Sustainability volume 3, pages 981–990 (2020)Citer cet article

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La pandémie de COVID-19 a gravement affecté la santé publique et l'économie mondiale. Les preuves convergentes de la pandémie actuelle, des épidémies précédentes et des expériences contrôlées indiquent que les SRAS-CoV sont présents dans les eaux usées pendant plusieurs jours, entraînant des risques potentiels pour la santé via les voies d'eaux usées d'origine hydrique et aérosolisée. Le traitement conventionnel des eaux usées ne fournit qu'une élimination partielle des SRAS-CoV, donc l'élimination ou la réutilisation en toute sécurité dépendra de l'efficacité de la désinfection finale. Cela souligne la nécessité d'un cadre d'évaluation et de gestion des risques adapté à la transmission du SRAS-CoV-2 par les eaux usées, y compris de nouveaux outils de surveillance environnementale, garantissant une désinfection adéquate en tant que composante du confinement global de la pandémie de COVID-19.

La pandémie actuelle de COVID-19 est causée par un nouveau coronavirus humain (SARS-CoV-2). Les infections peuvent entraîner le syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS) ainsi qu'un nombre croissant d'autres conditions médicales graves. Cette pandémie mondiale a déjà fait plus de 600 000 décès dans le monde en sept mois1. Au cours du siècle dernier, les épidémies d'origine virale ont de plus en plus évolué en pandémies mondiales (Fig. 1a, b). Au cours des 20 dernières années, deux coronavirus ont causé des infections avec syndrome respiratoire : le SRAS-CoV-1 en 2003 et le coronavirus du syndrome respiratoire du Moyen-Orient (MERS-CoV) en 2012,3.

a,b, Nombre approximatif de personnes infectées et décédées lors d'épidémies étendues (a) et de la pandémie de COVID-19 au cours des derniers mois (b). c, Aperçu de la dissémination potentielle du SRAS-CoV-2 par les voies hydriques dans les pays industrialisés. Les épidémies incluses ont été causées par des virus enveloppés à ARN simple brin. Les astérisques représentent une dissémination confirmée ou putative via les eaux usées. Les lettres à côté de chaque pandémie indiquent des références spécifiques : a125,126 ; b127; c128; d106,127 ; e126,129 ; f130,131 ; g132; h127; j133,134 ; j1 (sources de données consultées le 28 juillet 2020).

Le SRAS-CoV-2 est très contagieux et se propage un peu comme le SRAS-CoV-1, par contact personnel étroit via des gouttelettes respiratoires ou des interactions mutuelles avec des surfaces, ainsi que par des aérosols3,4,5,6. Actuellement, il n'est pas clair si des voies de transmission supplémentaires sont importantes pour la propagation de cette maladie au niveau local ou mondial7,8. L'enquête sur une éclosion de SRAS-CoV-1 dans un immeuble d'appartements pendant la pandémie de 2003 a indiqué que le virus peut se propager via les systèmes d'assainissement9,10. Il a été suggéré que l'infection par le SRAS-CoV-1 s'est produite par la respiration d'aérosols créés par la chasse d'eau des toilettes ou des systèmes de plomberie défectueux9,10. Semblable au SARS-CoV-1, l'ARN du nouveau SARS-CoV-2 a été détecté dans des échantillons de selles ainsi que dans les eaux usées11,12,13,14. Par conséquent, il a été postulé que les eaux usées, une source durable d'eau douce15,16,17, pourraient être une voie d'infection indirecte lors des épidémies de SRAS-CoV (Fig. 1c)2,13,18,19.

L'entrée du virus dans le système d'égouts entraîne une variété de voies de transport potentielles (Fig. 1c) qui doivent être prises en compte dans le contexte de la transmission fécale-orale2,18. Dans les pays industrialisés, la plupart des eaux usées domestiques collectées et de la charge virale sont traitées dans des stations d'épuration centralisées (WWTP). Cependant, les stations d'épuration conventionnelles n'éliminent généralement pas complètement les virions et des charges virales influentes élevées pendant les pandémies peuvent entraîner une réduction insuffisante des virus avant la sortie20,21,22. De plus, la rareté de l'eau douce entraîne la réutilisation d'un volume croissant d'eaux usées traitées à diverses fins, telles que la recharge des eaux souterraines, les loisirs et l'irrigation des cultures vivrières, créant ainsi d'autres voies potentielles de transmission du SRAS-CoV-2. Un risque supplémentaire et potentiellement grave pour la santé est la transmission féco-orale dans les pays à faible revenu où les communautés disposant d'infrastructures d'assainissement inadéquates (par exemple, des égouts à ciel ouvert et des rejets directs dans l'environnement) pourraient être infectées par des eaux usées non traitées ou des déchets fécaux23,24,25.

Dans l'ensemble, il est essentiel d'évaluer le potentiel des eaux usées en tant que voie de transmission du SRAS-CoV-2. Les informations sur la survie et la dissémination des virus enveloppés en général, et du SRAS-CoV-2 en particulier lors de la collecte, du traitement et de la réutilisation des eaux usées, sont limitées. Ici, nous examinons et synthétisons de manière critique les connaissances existantes sur les risques pour la santé ainsi que sur la propagation potentielle du SRAS-CoV par les voies hydriques, hydriques-aérosolisées et hydriques-alimentaires pendant une pandémie, lorsque la probabilité d'infection virale est considérablement plus élevée que dans les scénarios sans épidémie. Plus précisément, nous nous concentrons sur les systèmes d'assainissement centralisés qui sont couramment mis en œuvre dans les régions à capacité socio-économique modérée à élevée, y compris les régions qui connaissent actuellement le plus grand nombre de cas de COVID-19. Ces conditions indiquent un besoin urgent de programmes de surveillance et d'évaluations des risques adaptés au SRAS-CoV-2 dans les eaux usées, ce qui peut aider à la détection précoce et à l'endiguement des futures épidémies de maladies virales.

Les virus sont des agents infectieux nanométriques omniprésents qui existent sous forme de particules extracellulaires entre les cycles de reproduction intracellulaire et infectent des cellules hôtes spécifiques. Les virus varient en structure (de simples capsides hélicoïdales à des constructions complexes), en taille (20 à 300 nm), ainsi qu'en mécanismes de réplication (c'est-à-dire, bourgeonnement à lytique) et en durées de cycle de vie (minutes à heures). Dans certains virus, la capside est entourée d'une enveloppe constituée d'une membrane lipidique bicouche avec des protéines intégrées qui jouent un rôle crucial pour la fixation à la cellule hôte. Les virus enveloppés sont souvent plus facilement inactivés que les virus non enveloppés car l'enveloppe est moins résistante aux conditions environnementales et aux agents désinfectants26. Le génome viral peut être constitué d'ADN ou d'ARN, les virus à ARN présentant une propension plus élevée aux mutations26.

Les coronavirus (CoV) sont des virus enveloppés à ARN monocaténaire de sens positif, dont la taille varie de 60 à 220 nm. Le nom dérive des glycoprotéines de pointe qui décorent l'enveloppe donnant aux virions une forme de couronne ("couronne" en latin) (Fig. 2a,b)3,27. Les glycoprotéines de pointe assurent la médiation de la reconnaissance des récepteurs et de la fusion membranaire. Des études récentes ont suggéré que la glycoprotéine de pointe du SRAS-CoV-2 se lie aux récepteurs humains avec une affinité plus élevée que le SRAS-CoV-1, conduisant à un virion plus infectieux28. Le SARS-CoV-1 et le SARS-CoV-2 sont membres de la lignée B du genre Betacoronavirus3,27 (Fig. 2c) ; ces virus sont à la fois hautement adaptatifs et capables d'infecter différents tissus humains. Ils se transfèrent facilement entre de nouvelles espèces hôtes et s'adaptent à diverses conditions écologiques par l'accumulation de mutations ponctuelles et la recombinaison homologue29.

a, Micrographie électronique à transmission d'un virus SARS-CoV-2 coloré négativement qui a été légèrement endommagé révélant de l'ARN enfermé, comme indiqué par la flèche blanche. b, Illustration schématique des principales caractéristiques structurelles du SARS-CoV-2. c, analyse phylogénétique basée sur les séquences d'acides aminés de l'ARN polymérase dépendante de l'ARN (RdRP) du SRAS-CoV-2 et des virus enveloppés et non enveloppés représentatifs.

Bien que les SRAS-CoV soient principalement des virus respiratoires, le SRAS-CoV-2 peut infecter et se répliquer dans le tractus gastro-intestinal30,31. De plus, il a été observé que le SRAS-CoV-2 (détecté par réaction en chaîne par polymérase quantitative de transcription inverse (RT-qPCR)) pénètre dans le système d'eaux usées via les excrétions humaines (c'est-à-dire les selles et l'urine)13,14,32. La fréquence des manifestations de maladies gastro-intestinales, y compris la diarrhée et les vomissements, varie entre 2 % et 80 % des patients confirmés12,33,34. Jusqu'à 67 % des échantillons de selles sont positifs pour l'ARN du SRAS-CoV-2, le nombre atteignant presque le maximum dans les expectorations (108 copies ml-1 de selles contre 109 copies ml-1 d'expectoration)35,36. L'excrétion d'ARN du SRAS-CoV-2 dans les selles a également été observée dans les cas sans symptômes gastro-intestinaux mais autres, ainsi que dans les cas pré- et asymptomatiques, et jusqu'à quatre semaines après la fin des symptômes34,35,36,37. Fait intéressant, l'ARN du SRAS-CoV-2 est souvent présent dans les selles après la résolution de l'infection respiratoire et les échantillons respiratoires se sont révélés négatifs35,38.

Bien que seules quelques études aient réussi à isoler le SRAS-CoV-2 infectieux à partir d'échantillons de selles et d'urine32,39,40, de nombreuses études ont détecté l'ARN du SRAS-CoV-2 dans les selles et les eaux usées13,14,20,41,42,43. À ce jour, on ne sait pas si l'ARN du SRAS-CoV-2 dans les selles provient d'expectorations avalées ou d'une réplication active dans le tractus gastro-intestinal ; ce dernier cas influencerait fortement la dissémination des virions infectieux via les eaux usées. Une étude de modélisation bioinformatique et une étude expérimentale ont indiqué l'infection et la réplication des virions dans le tractus gastro-intestinal30,31. De plus, un modèle épidémiologique compartimental basé sur les données de l'épidémie de Wuhan a indiqué que la voie fécale-orale est potentiellement importante pour la transmission du virus44. Ces résultats suggèrent que la réplication du virus dans le tractus intestinal est hautement probable. Ainsi, les eaux usées devraient être supposées contenir un nombre considérable de virions infectieux2,13,35,45. L'isolement infructueux du SRAS-CoV-2 infectieux à partir d'échantillons de selles et d'eaux usées peut être dû à la difficulté d'isoler des virions enveloppés intacts, plutôt qu'à l'absence de virions infectieux.

Les eaux grises (c'est-à-dire les eaux rejetées par les éviers, les douches et les canalisations ; Fig. 1c) ne devraient pas être un vecteur de transmission majeur du SRAS-CoV-2, bien qu'elles contiennent des fluides corporels tels que la salive et les expectorations avec des concentrations virales potentiellement élevées35,39. Une faible concentration de virus est attendue car les eaux grises contiennent souvent des détergents, des savons et d'autres désinfectants, auxquels le SRAS-CoV-2 est sensible5,46.

La détection et la surveillance actuelles du SRAS-CoV dans les eaux usées peuvent être divisées en trois catégories : (1) approches moléculaires qualitatives et (2) quantitatives ainsi que (3) comptages in vitro par unités formant plaque (PFU). Les approches moléculaires ciblent l'ARN du SRAS-CoV et peuvent fournir des estimations de la présence et de l'abondance de copies (ou fragments) d'ARN dans un échantillon d'eau, mais ne mesurent pas l'infectiosité virale18. La PFU peut fournir une estimation quantitative des virions infectieux, mais cette méthode est lente et difficile car la culture in vitro nécessite un hôte approprié18,26. Il convient de noter que la sensibilité des tests de plaque pour la détection virale peut être davantage limitée par la cytotoxicité des toxines souvent trouvées dans les échantillons d'eaux usées47,48,49. De plus, les concentrations de virus doivent être encore plus élevées pour isoler les virions infectieux par rapport à la détection d'ARN (>106 copies ml–1)35. Par conséquent, il n'est pas surprenant que les eaux usées des hôpitaux aient été testées positives pour l'ARN du SRAS-CoV, mais pas pour les virions infectieux13,35. Cependant, il est également possible que la concentration de virions infectieux dans les eaux usées hospitalières ait été inférieure à la limite de détection en raison de l'utilisation intensive de désinfectants et de divers surfactants46,50.

Quelles que soient les méthodes utilisées, la détection et le dénombrement des SARS-CoV dans les eaux usées sont extrêmement difficiles en raison de leur faible abondance après dilution (101 à 106 copies l–1) par rapport aux dosages directs sur les excrétions humaines11,14,20,45. Ainsi, il est nécessaire de concentrer l'échantillon avec des taux de récupération élevés51 et des méthodes prometteuses ont récemment été examinées19,52. Les virions intacts peuvent être concentrés sur un substrat acellulaire revêtu des récepteurs correspondants après traitement enzymatique pour éliminer les virions brisés53. Ensuite, les virions liés peuvent être quantifiés par RT-qPCR53. Récemment, il a été démontré que cette méthode détecte et quantifie le SARS-CoV-2 dans les eaux usées après des méthodes d'extraction dédiées13,45,54. Une analyse du transcriptome (ARN) des boues activées a mis au jour un large éventail de virus bactériens non cultivés qui n'ont pas pu être découverts par d'autres techniques moléculaires55. Bien que de faibles concentrations virales nécessiteront diverses approches de concentration, cette technique, en plus des études métagénomiques sur les viromes56, peut fournir un nouveau modèle pour la détection de virus à ARN simple brin tels que le SRAS-CoV-2 dans les eaux usées.

L'abondance et l'infectiosité virale sont des facteurs critiques pour la transmission de la maladie. Cependant, les protocoles d'extraction conduisent souvent à de faibles taux de récupération pour les virus intacts (de l'ordre de quelques pour cent), car la membrane bicouche lipidique entourant la capside est facilement perturbée18,57. Ainsi, d'autres approches doivent être développées pour déterminer l'infectiosité dans les eaux usées. Actuellement, la dose infectieuse minimale (MID) de SARS-CoV-2 (c'est-à-dire le nombre de particules virales qui provoque une infection) pour l'homme est inconnue19. Pourtant, la propagation rapide de la maladie suggère que le MID est faible et similaire à d'autres virus enveloppés (tableau 1)27,58,59.

Les distributions de temps de survie des virus sont souvent exponentielles et rapportées sous forme de demi-vie, de nombre d'éliminations logarithmiques ou de temps nécessaire pour atteindre 90 % d'inactivation (T90 ; Fig. 3). Dans de nombreuses conditions environnementales, les virions du SRAS-CoV et d'autres virus enveloppés restent infectieux pendant plusieurs jours (Fig. 3). Les facteurs qui se sont avérés affecter l'infectivité du SRAS-CoV dans l'eau et les eaux usées comprennent la température, la teneur en matières organiques et le pH de la solution46,60,61. Cependant, la façon dont cela se traduit par un risque d'infection est encore inconnue, d'autant plus que les activités humaines et l'exposition à l'eau diffèrent selon les saisons et les régions.

Le temps de survie des SRAS-CoV (carrés) et des autres virus enveloppés (cercles) est approximé par le temps nécessaire pour une inactivation à 90 % (T90). Les échantillons d'eau comprennent : l'eau du robinet déionisée et stérilisée (robinet RO + UV) ; eau du robinet après élimination du chlore (robinet déchlor.); solution saline tamponnée au phosphate (PBS); l'eau du lac et les excrétions humaines (urine et selles); eaux usées pasteurisées (Past.) (WW) après décantation ; passé. WW brut; effluent primaire ou secondaire (Pri., sec. eff); et brut WW46,57,61,62,64,66,135,136.

La température est une variable importante pour la survie des virions en général et des SRAS-CoV en particulier46,60,61. Une rétention plus longue de l'infectivité du SRAS-CoV a été observée à des températures plus basses (par exemple, 14 jours à 4 °C contre deux jours à 25 °C dans les eaux usées)61. Cela implique que pendant les saisons froides et les zones climatiques tempérées, la survie environnementale du SARS-CoV-2 peut être augmentée. Les températures supérieures à 56 °C inactivent de manière fiable le SARS-CoV-1 et le SARS-CoV-2 après 90 minutes et 30 minutes, respectivement, très probablement en raison de la dénaturation des protéines et des bicouches lipidiques46,62,63.

Il a été rapporté que la matière organique à concentration croissante réduisait le temps de survie des CoV enrichis dans divers échantillons d'eau (Fig. 3 ; par exemple, dix jours dans l'eau du lac contre deux jours dans les eaux usées brutes). Cela peut être dû à la présence de bactéries antagonistes qui peuvent inactiver les virus via une activité enzymatique extracellulaire57,64,65. Autrement, la matière organique dans le cadre du traitement des eaux usées peut s'adsorber de manière non spécifique à l'enveloppe des virions du SRAS-CoV, les protégeant des dommages oxydatifs, de la chloration, des rayons ultraviolets (UV) et de la prédation par les protozoaires ou les métazoaires57,65. De plus, les virus excrétés par les patients infectés sont souvent déjà associés à des matières organiques (par exemple, des matières fécales et des crachats) et sont donc protégés de certains mécanismes d'inactivation57,60.

Le pH des fèces a eu un impact considérable sur la survie au SARS-CoV-1 allant de trois heures dans les fèces légèrement acides d'un nouveau-né à quatre jours dans les fèces diarrhéiques d'un adulte avec un pH allant jusqu'à 966. En revanche, le SARS-CoV-2 en suspension ne montre pas de réduction substantielle du titre infectieux après 60 minutes sur une large gamme de pH (3–10)46.

Les eaux usées dans les régions à capacité socio-économique modérée à élevée, sur lesquelles porte le présent examen, sont principalement collectées dans les grandes zones municipales. La taille de la population raccordée au réseau d'égouts a un impact direct sur la concentration du SRAS-CoV dans les eaux usées et donc sur le potentiel de dissémination. Les réseaux d'égouts étendus dans les grandes villes mélangent efficacement les eaux usées provenant de vastes zones, ce qui entraîne une dispersion virale plutôt homogène, et donc une concentration plus faible67. Cependant, les populations plus importantes ont intrinsèquement une plus grande probabilité d'importation de virus, et les épidémies de COVID-19 dans les grands centres de population produisent naturellement des concentrations élevées de virus qui augmentent le risque de transmission68,69. La durée de survie des SRAS-CoV dans les eaux usées est suffisamment longue pour que les virus infectieux atteignent les stations d'épuration et soient ensuite disséminés par plusieurs voies de transmission18,57,61. Le SRAS-CoV, comme d'autres agents pathogènes microbiens, peut atteindre les plans d'eau naturels utilisés à des fins récréatives tels que les étangs, les rivières et les lacs par des fuites ou des débordements d'égouts unitaires lors d'orages18,57. L'infectiosité élevée du SRAS-CoV-2 pourrait entraîner la transmission du COVID-19 dans de tels environnements. Un modèle épidémiologique compartimental suggère que les masses d'eau naturelles contaminées pourraient devenir des réservoirs environnementaux de SRAS-CoV, ce qui nécessiterait l'application de mesures post-épidémiques strictes pour prévenir la réinfection44.

La surveillance du SRAS-CoV-2 via la surveillance des eaux usées a récemment été mise en évidence comme un outil puissant pour l'épidémiologie basée sur les eaux usées et les interventions de santé publique complémentaires aux tests individuels11,19,41,45,54,70. La collecte de données à partir des systèmes d'égouts centraux en plus des tests individuels peut fournir des informations en temps réel sur la distribution du SRAS-CoV-2 dans les communautés apparentées19,20,70 à des coûts réduits par rapport aux tests personnels71. De plus, ces informations peuvent être utilisées comme signal d'alerte précoce pour les épidémies de COVID-19 dans des communautés spécifiques avec des personnes infectées pré- et asymptomatiques14,19,54,72. Ces premiers signes d'épidémie peuvent être détectés lorsque le développement de la concentration de SARS-CoV-2 dans les eaux usées précède les changements dans les cas confirmés de COVID-19 d'au moins plusieurs jours20,54. La surveillance des eaux usées est particulièrement utile pour fournir une indication précoce de la réémergence du SRAS-CoV-2 dans les communautés qui ont contenu une épidémie initiale et qui ont par la suite assoupli les mesures de confinement. Ces informations permettent de rétablir les mesures de confinement et d'allouer des ressources de soins de santé avant que les infections au COVID-19 ne deviennent très répandues dans des communautés spécifiques. L'approche consistant à assouplir les mesures de confinement et à rouvrir les économies avec une surveillance communautaire continue pourrait être un moyen rentable de contenir la pandémie.

Les régions à faible revenu manquent souvent d'assainissement des eaux usées, avec des systèmes d'égouts partiels ou inexistants. Plus de 0,5 milliard de personnes pratiquent encore la défécation à l'air libre, tandis que 3,5 milliards de personnes supplémentaires utilisent des installations sanitaires insalubres73,74. Ces circonstances peuvent faciliter la transmission de maladies virales telles que le SRAS-CoV-2 par la voie fécale-orale accidentelle, car les personnes sont susceptibles d'entrer en contact avec des déchets ou des eaux usées infectés75,76. Un assainissement insalubre est souvent associé à une infrastructure d'eau potable inadéquate (par exemple, des systèmes d'égouts exposés qui contaminent les sources d'eau douce) et à un manque de services d'hygiène de base tels que de l'eau potable et du savon pour se laver les mains73. La propagation de la pandémie dans les pays à faible revenu est susceptible d'être encore accélérée par la forte densité de population dans les villes ainsi que par la mise en œuvre limitée des mesures de contrôle de la COVID-1923,77,78. De plus, le climat tropical et/ou de mousson avec de grands volumes d'eau de pluie dans les rues augmente encore la contamination virale des plans d'eau. Nous soulignons que la pandémie de COVID-19 est susceptible d'être particulièrement précaire pour les 4 milliards de personnes qui n'ont pas accès à un assainissement sûr, entrent fréquemment en contact direct avec de l'eau contaminée par des matières fécales et consomment des cultures irriguées avec des eaux usées contaminées23,77. Bien que ces voies d'infection aient été confirmées pour d'autres maladies virales75,76, aucune étude de ce type n'a été rapportée à ce jour pour la COVID-19. Ainsi, l'étude de la voie fécale-orale du SRAS-CoV-2 dans les régions à faible revenu est d'une importance primordiale.

Des preuves récentes de l'ARN du SRAS-CoV-2 dans les eaux usées traitées20 indiquent des risques possibles associés à la réutilisation des eaux usées pour l'agriculture. L'irrigation des fruits et légumes avec des effluents d'eaux usées contaminés peut servir de voie de transmission indirecte du SRAS-CoV par la manipulation ou la consommation d'aliments contaminés79,80. Cela peut être particulièrement pertinent pour les technologies qui n'appliquent pas l'eau directement à la zone racinaire (par exemple, l'irrigation goutte à goutte), comme l'irrigation de surface ou par aspersion. Bien que la transmission alimentaire du SRAS-CoV-2 n'ait pas été documentée, des virus similaires sont connus pour être transmis par les voies alimentaires après l'irrigation avec des eaux usées traitées81,82. Le CoV bovin, qui est très similaire au SRAS-CoV, reste infectieux sur les feuilles de laitue pendant toute la durée de conservation de la laitue (au moins 14 jours)81 et le CoV 229E humain sur la laitue n'a diminué que de 0,2 log après deux jours de stockage à 4 °C82. De plus, le lavage des produits n'élimine pas complètement les virions81. Ainsi, en particulier lors d'une grande épidémie de SRAS-CoV dans des zones sans assainissement adéquat, la connexion de la transmission fécale-hydrique-alimentaire par l'irrigation avec les eaux usées peut être une voie de diffusion importante. De plus, l'irrigation par aspersion avec des eaux usées et la fertilisation avec des solides d'eaux usées génèrent des aérosols considérables. Ces aérosols sont souvent dispersés à l'échelle régionale79,80, ce qui est particulièrement important pour les travailleurs agricoles et potentiellement pertinent lorsque les zones agricoles et peuplées sont relativement proches. La transmission du SRAS-CoV-2 par les voies hydrique-alimentaire ou hydrique-aérosol pendant une épidémie peut être minimisée par la désinfection avant la réutilisation des eaux usées, soulignant l'importance des normes pour une réutilisation sûre des eaux usées.

Les virus en aérosol peuvent être générés et transportés localement dans les bâtiments ainsi qu'à plus grande échelle par les vents lors du traitement des eaux usées, à partir des plans d'eau récréatifs (par exemple, les rivières et les étangs urbains) alimentés par les eaux usées traitées, ou lors de l'irrigation et de la fertilisation80,83,84,85. La formation d'aérosols et de gouttelettes d'eaux usées a été confirmée comme un mécanisme clé de la transmission fécale-gouttelettes-respiration pendant l'épidémie de SRAS-CoV-1, et est suspectée dans l'épidémie actuelle de SRAS-CoV-210,83,86. Le CoV humain en aérosol (HCoV 229E) s'est avéré infectieux jusqu'à six jours à 25 °C dans 50 % d'humidité, et est suspecté d'être infectieux pendant des périodes encore plus longues à 6 °C87. Le SRAS-CoV-2 reste viable dans les aérosols jusqu'à 16 heures avec une demi-vie médiane d'environ une heure88,89. Bien que la dispersion des gouttelettes plus grosses soit limitée, car elles se déposent près de la source, les gouttelettes plus grosses provoquent une contamination locale des surfaces en raison de leur capacité accrue à transporter des agents pathogènes, et sont un vecteur majeur de transmission d'agents pathogènes, y compris le SRAS-CoV-286,90.

Les opérateurs de stations d'épuration doivent suivre les pratiques standard pour limiter l'exposition aux eaux usées et aux surfaces contaminées, réduisant ainsi le risque d'exposition à des agents pathogènes, tels que le SRAS-CoV-219,91. Bien qu'aucune analyse du SRAS-CoV-2 en aérosol dans les stations d'épuration n'ait été rapportée, la formation d'aérosols pendant le processus de traitement pourrait présenter un risque pour les opérateurs de stations d'épuration et faciliter la dissémination, en particulier pour les stations d'épuration situées dans des zones densément peuplées84,92. Cette voie a été observée pour plusieurs virus et bactéries entériques84,92. La réutilisation non potable des eaux usées traitées ou des systèmes d'eaux grises qui génèrent des aérosols (par exemple, les tours de refroidissement et les gicleurs) ainsi que les structures décoratives telles que les fontaines doivent assurer un traitement suffisant pour éviter les voies d'infection au-delà des stations d'épuration.

Les SRAS-CoV peuvent être disséminés dans les écosystèmes aquatiques lors d'une épidémie en raison de fuites dans les égouts ou d'une élimination insuffisante après le traitement des eaux usées. Les fuites d'eaux usées des fosses septiques, la défaillance des conduites ou le manque d'infrastructures appropriées peuvent entraîner le rejet direct du SRAS-CoV dans les plans d'eau récepteurs (par exemple, les ruisseaux, les rivières, les étangs, les estuaires, les lacs et les eaux souterraines). De plus, les eaux usées traitées telles que les effluents secondaires rejetés peuvent également transporter des virus dans l'environnement20,22. À l'exception de deux études qui ont rapporté l'ARN du SRAS-CoV-2 dans une rivière italienne et une rivière japonaise, mais qui n'ont pas réussi à isoler les virions infectieux93,94, il n'y a pas eu de détection directe du SRAS-CoV dans les milieux aquatiques52. Cependant, plusieurs études antérieures ont montré que les virus enveloppés parcourent des distances considérables et survivent pendant une période prolongée dans les environnements aquatiques95,96. De plus, les événements de pluie peuvent augmenter les concentrations de virus dans les systèmes d'eau naturels via des débordements d'égouts unitaires ou une défaillance de l'infrastructure des eaux usées95,97, ce qui augmente la probabilité de dissémination du SRAS-CoV.

Dans le sous-sol, les virus peuvent être très mobiles en raison de l'interaction stérique de leurs glycoprotéines de pointe externes avec le milieu poreux98,99, en particulier par des voies d'écoulement préférentielles et des fractures100. Sur la base de la taille du SARS-CoV-2 (~100 nm) ainsi que du temps de survie relativement long dans l'eau (Fig. 3) et sur les surfaces5,88, le SARS-CoV-2 pourrait potentiellement parcourir des distances considérables dans le sous-sol, entraînant la contamination des aquifères utilisés comme sources d'eau douce à usage potable. Cependant, une étude récente a indiqué que de nombreux virus entériques sont complètement éliminés de l'effluent secondaire lors de l'infiltration à travers une zone vadose de 30 à 40 m d'épaisseur, ce qui entraîne une numération nulle des virus dans les puits d'eau souterraine surveillés101. Cela indique que de longs temps d'infiltration réduisent considérablement le risque de contamination des eaux souterraines par des virus, dont le SRAS-CoV-2101.

Dans les stations d'épuration, les virions peuvent potentiellement être éliminés par des processus physiques, biologiques et chimiques (Fig. 4). Les eaux usées subissent d'abord un traitement primaire où l'élimination des virus par sédimentation seule est faible102,103. Le traitement secondaire (biologique) combine des bassins d'aération avec une décantation secondaire pour retenir les boues activées. On pense que la sorption des virus sur les particules organiques et leur élimination par décantation jouent un rôle essentiel dans ces étapes de traitement secondaires103,104. Les approches de traitement qui maximisent la rétention et l'élimination des solides (par exemple, les bioréacteurs à membrane) ont été suggérées comme un moyen particulièrement efficace d'éliminer les charges virales des eaux usées104,105. Bien qu'aucune donnée spécifique pour le SRAS-CoV-2 ne soit encore disponible, les virus enveloppés sont plus susceptibles d'être éliminés avec les particules que les virus non enveloppés57,65. De plus, les enzymes extracellulaires telles que les hydrolases et les protéases présentes dans les consortiums bactériens concentrés caractéristiques des bioréacteurs secondaires sont également susceptibles d'inactiver les SRAS-CoV, de la même manière que d'autres virus57,104,105.

Le traitement biologique secondaire favorise la dégradation enzymatique (Enz. deg.) de la matière organique (MO), y compris les virus. Les SRAS-CoV qui n'ont pas été éliminés par décantation s'agrègeront probablement aux matières organiques en suspension et seront transportés dans les effluents primaires et secondaires. a,b, L'effluent secondaire peut être directement rejeté dans les eaux de surface (a) ou désinfecté avant le rejet (b). c, d, Alternativement, l'effluent secondaire peut être traité davantage avec des procédés d'oxydation avancés (AOP) (c) et/ou une filtration via différents systèmes membranaires tels que l'ultrafiltration (par exemple, dans un bioréacteur à membrane, MBR) (d) pour des applications de réutilisation.

La concentration du SRAS-CoV dans les boues peut poser le problème ultérieur du traitement et de l'élimination des boues102. Dans une étude métagénomique sur les boues issues des procédés de traitement des eaux usées, une grande diversité de virus, y compris ceux associés aux maladies respiratoires, a été détectée106. Des gènes CoV ont été trouvés dans 80 % des échantillons de boues d'épuration non traitées, et le deuxième virus à ARN le plus courant était le CoV HKU1106. Les données sur la survie des virus enveloppés lors du traitement des boues sont rares et inexistantes pour le SARS-CoVs18. Sur la base du devenir des virus non enveloppés, le traitement des boues par digestion thermophile, addition de chaux, séchage et compostage est le plus prometteur pour l'inactivation du SRAS-CoV102,107. Cependant, le contrôle des aérosols doit toujours être appliqué lors de la fertilisation avec des boues en milieu agricole102,108.

L'inactivation ou l'élimination des SRAS-CoV pendant le traitement primaire et secondaire n'a pas été étudiée en détail. L'ARN du SARS-CoV-2 a été détecté dans les eaux usées traitées avec seulement 2 log d'élimination des virus par rapport aux eaux usées brutes20, mais une élimination complète après traitement secondaire a été observée dans une autre étude14. Ces résultats mitigés indiquent que, comme pour d'autres virus, une inactivation suffisante du SRAS-CoV-2 n'est pas assurée21,22. Dans certains pays (par exemple, Israël), les effluents secondaires sont encore désinfectés avant d'être réutilisés ou avant d'être rejetés dans l'environnement afin de minimiser la dissémination virale (Fig. 4). Pourtant, les mesures de désinfection ne sont pas obligatoires dans de nombreux pays (par exemple, aux États-Unis, la réutilisation sans désinfection est autorisée pour l'irrigation des vignobles et des zones humides, ainsi que l'augmentation des cours d'eau), augmentant le potentiel de dissémination du SARS-CoV-2. La désinfection des eaux usées traitées peut actuellement être l'étape la plus importante pour assurer une inactivation fiable du SRAS-CoV-22,18. Bien que les mécanismes ne soient pas clairs, les virus enveloppés comme le SRAS-CoV ont tendance à être plus sensibles aux désinfectants à base de chlore que les virus non enveloppés60,109. Bien qu'ils n'aient pas été testés dans de vraies eaux usées, les virus enveloppés tels que le SRAS-CoV-2 se retrouvent souvent recouverts de matière organique qui fournit une barrière physique contre la désinfection57,60. Ainsi, il est probable que dans un milieu complexe riche en matière organique tel qu'un effluent secondaire, le SARS-CoV-2 serait moins sensible aux désinfectants. De plus, les désinfectants chimiques sont récupérés par les matières organiques et les composés azotés dans les effluents secondaires110, ce qui entraîne une concentration plus faible de chlore actif. Par conséquent, des virus entériques infectieux ont été détectés même dans les effluents secondaires désinfectés21,22,111. Lors d'une épidémie pandémique, lorsque les charges virales dans les eaux usées brutes seraient supérieures à la normale, une élimination virale insuffisante (en particulier si les doses de désinfectant ne sont pas augmentées) peut entraîner une transmission virale par réutilisation.

De nombreux pays industrialisés appliquent un traitement tertiaire (c'est-à-dire une élimination avancée des particules et une désinfection) avant la réutilisation des eaux usées. Le traitement tertiaire peut inclure la filtration sur sable, la recharge gérée de l'aquifère, le rayonnement UV, les procédés d'oxydation avancés (AOP) et/ou les technologies membranaires pour assurer une meilleure élimination des agents pathogènes microbiens (Fig. 4). L'irradiation UV à 254 nm est connue pour être efficace contre le SRAS-CoV-162,112 grâce à des réactions avec le génome viral109. Cependant, la dose requise (une fonction de l'éclairement et du temps) dépend fortement de nombreux facteurs liés aux virus et aux milieux (c'est-à-dire la concentration de matière organique) et varie largement112. Le traitement à base d'ozone des effluents secondaires inactive efficacement les virus par attaque de l'ADN ou de l'ARN par l'ozone113 ou par la formation de radicaux libres114. Comme pour la chloration, une élimination considérable de la capacité d'oxydation par les constituants de fond et la formation de sous-produits de désinfection nocifs sont possibles. À ce jour, l'efficacité de ces processus de désinfection pour l'inactivation du SRAS-CoV-2 est inconnue et des recherches sont nécessaires de toute urgence.

La filtration membranaire basse pression, qui comprend la microfiltration (MF) et l'ultrafiltration (UF), est une technologie de pointe utilisée dans le traitement des eaux usées avec le potentiel de fournir une barrière complète à la dissémination du SRAS-CoV-2. De plus, la structure modulaire des systèmes membranaires pourrait faciliter la mise à niveau des stations d'épuration existantes afin de réduire les concentrations d'effluents de SARS-CoV-2. L'élimination des virions par ces membranes poreuses (c'est-à-dire MF > 50 nm et UF 2–50 nm) est faisable, bien que fortement dépendante de la distribution de la taille des pores par rapport à la taille du virus cible110,115. Ainsi, le SARS-CoV-2 d'un diamètre d'environ 100 nm doit être éliminé de manière fiable par UF. L'élimination des virions peut être encore améliorée, en fonction des caractéristiques de surface des membranes et des SRAS-CoV (c'est-à-dire des régions hydrophobes et chargées sur l'enveloppe), ce qui peut conduire à une élimination au-delà de l'exclusion de taille en raison d'interactions électrostatiques et hydrophobes104,115. L'application d'UF dans les bioréacteurs à membrane (MBR) augmente encore l'élimination virale (non spécifique aux SRAS-CoV) via une combinaison de trois mécanismes : élimination stérique, adsorption et inactivation pendant le traitement biologique104,105,115. Par conséquent, les MBR ont montré une élimination accrue des virus entériques (jusqu'à 6,8 log d'élimination) par rapport aux stations d'épuration conventionnelles (jusqu'à 3,6 log d'élimination)115. Bien que moins courants dans le traitement des eaux usées, les systèmes de membranes à haute pression utilisant des membranes plus denses et plus serrées (taille des pores <2 nm), telles que les membranes de nanofiltration (NF), d'osmose inverse (RO) et d'osmose directe (FO) devraient permettre l'élimination complète du SRAS-CoV110,116.

Les risques pour la santé du COVID-19 par transmission par voie hydrique peuvent être plus importants qu'initialement supposé, et les eaux usées devraient être étudiées plus avant en tant que voie potentielle de transmission du COVID-19. Les preuves de la présence d'ARN du SRAS-CoV-2 dans les systèmes d'assainissement s'accumulent dans le monde entier. Le grand nombre d'individus infectés dans la pandémie actuelle ainsi que la forte infectiosité du SRAS-CoV-2 pourraient présenter un nouveau défi pour le traitement des eaux usées et appelle à une évaluation future du risque de transmission via la réutilisation des eaux usées. On peut s'attendre à ce que ces risques soient les plus élevés dans les zones à forte densité de population, exposées directement aux eaux usées en aérosol ainsi que dans les régions qui manquent de collecte, de traitement et de désinfection adéquats des eaux usées.

Des recherches approfondies sur la fréquence de détection du SRAS-CoV-2 infectieux dans les eaux usées sont nécessaires de toute urgence pour obtenir : (1) des informations essentielles sur l'abondance des virus dans les eaux usées brutes, les eaux usées traitées et l'environnement récepteur, qui peuvent être utilisées pour générer une évaluation quantitative des risques ; (2) des informations sur l'efficacité de l'élimination par le train de traitement des eaux usées ; (3) les exigences de désinfection en fonction de la charge virale et de la transmission via les stations d'épuration pour assurer l'élimination complète du SRAS-CoV-2 pour la réutilisation des eaux usées ; et (4) surveillance épidémique pour les décideurs sur l'épidémie, l'étendue et la prévalence de la pandémie de COVID-19 au sein de la communauté.

La caractérisation et l'atténuation de tout risque identifié de transmission du SRAS-CoV-2 par les voies hydriques nécessiteront de combler les lacunes de connaissances suivantes : (1) les concentrations de SRAS-CoV-2 dans les eaux usées sont actuellement estimées par des approches moléculaires qui quantifient l'ARN viral plutôt que les virions infectieux. Il reste à déterminer si ces approches quantifient principalement les virions entièrement fonctionnels plutôt que les fragments d'ARN viral. (2) La dose infectieuse minimale de SRAS-CoV-2 provenant de l'eau et des aérosols est actuellement inconnue. (3) L'étendue de la dissémination du SARS-CoV-2 par les voies hydriques n'est pas claire, pas plus que la charge de SARS-CoV-2 associée des environnements d'eau douce et des systèmes de réutilisation de l'eau (par exemple, pour les loisirs, le refroidissement et l'agriculture).

Dans l'ensemble, cet examen souligne le besoin urgent d'améliorer la surveillance, l'évaluation des risques et de nouvelles stratégies de gestion des risques pour le COVID-19 dans les eaux usées. Le développement d'outils innovants pour la surveillance de l'environnement fournira les preuves scientifiques nécessaires aux décideurs politiques, tandis que des stratégies de désinfection optimisées atténueront la transmission du COVID-19 associée à la réutilisation des eaux usées. Au-delà du COVID-19, ces approches amélioreront également la détection, la réponse et le confinement des futures épidémies de maladies virales.

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Correspondance avec Anne Bogler ou Edo Bar-Zeev.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Réimpressions et autorisations

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Reçu : 30 avril 2020

Accepté : 05 août 2020

Publié: 19 août 2020

Date d'émission : décembre 2020

DOI : https://doi.org/10.1038/s41893-020-00605-2

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