Dissemination of fecal indicator bacteria in tropical hydrosystems : transport and fate of Escherichia coli in the Mekong watershed in Lao PDR
Dissémination des bactéries indicatrices de contamination fécale dans les hydrosystèmes tropicaux : transport et devenir d'Escherichia coli dans le bassin versant du Mékong au Laos
Résumé
Fecal contamination of surface water remains a major threat to public health especially in the rural areas of developing countries. Diarrheal diseases are a leading cause of death especially among children under age five, due to inadequate sanitation infrastructure, low access to safe water resources, and poor medical care in developing countries. Over 70 million people depend on unimproved water resources in the lower Mekong basin stretching from southern Chinese border to the delta in southern Vietnam. Despite the significant advances made towards a better understanding of the fecal contamination dynamics in temperate regions, yet many knowledge gaps exist in tropical conditions. Reducing the disease burden, requires a better understanding of fecal pathogens dynamics in the context of rapid global changes, e.g. population growth, land use changes, hydropower dam constructions, and climate change. Therefore, the use of a multi-disciplinary approach is essential to adress existing and potential risks of fecal contamination at the animal-human-ecosystems interface. The main objective here was to identify key factors controlling the fate and transport of the fecal indicator bacteria (FIB), Escherichia coli (E. coli), at different spatial scales of major Mekong tributaries in Lao PDR. This research work presents the results from (i) in-situ data collected from major Mekong tributaries from northern to southern Lao PDR aiming to identify main factors (hydrology and land use) controlling the in-stream E. coli concentrations at watershed-scale; (ii) experimental approach to assess two key factors (solar radiation exposition and suspended particles deposition) controlling E. coli decay/survival in a mountainous tropical headwater wetland; and (iii) statistical and modeling approaches to assess the impact of hydropower dam on hydro-sedimentary and E. coli dynamics in a major Mekong tributary, the Nam Khan in northern Lao PDR. Our spatial and temporal monitoring results reported seasonal variabilities of in-stream E. coli concentrations, significantly higher during the wet season, and strongly correlated to total suspended sediment (TSS) concentration, and unstocked forests percentage areas at watershed-scale. These results point out the role of TSS as an important vector for bacterial transport, as well as the importance of land use management as one of major factors affecting E. coli dissemination at watershed-scale in a tropical context prone to soil erosion. The majority of sampled tributaries had E. coli concentrations during the rainy season, exceeding 500 colonies per 100 mL, the threshold above which the WHO considers a 10% risk of gastrointestinal illness after one single exposure. The role of TSS in E. coli dynamics was further highlighted in the experimental approach, where particle-attached E. coli were predominant (91%) and showed lower decay rates as opposed to those of free-living E. coli. While deposition process was the main factor for E. coli stock reduction in the water column as opposed to solar radiation, we found that temporary resuspension of deposited sediments suggested a potential E. coli survival or even a regrowth in the sediment under tropical conditions. At last, given the importance of the hydro-sedimentary dynamics on bacterial dissemination, we assessed the dam impact reflected by abrupt decreases in terms of discharge (by an average of 42%), as well as TSS and E. coli concentrations (by an average of 89% for both) measured downstream of the dam. These statistical and modeling approaches provide new evidence of the attenuation of the bacterial contamination by the dam reservoir. Overall, this thesis work provides new insights on FIB dynamics in a tropical context that could be helpful in establishing effective strategies for water resource management.
La contamination fécale des eaux de surface demeure une menace majeure pour la santé publique, en particulier dans les zones rurales des pays en développement. Les maladies diarrhéiques sont l'une des principales causes de décès notamment chez les enfants de moins de cinq ans, en raison de manque d'infrastructures sanitaires, et du faible accès aux ressources en eau salubre et aux soins médicaux. Plus de 70 millions de personnes dépendent de ressources en eau non améliorées dans le bassin inférieur du Mékong. Les progrès significatifs réalisés pour mieux comprendre la dynamique de la contamination fécale en milieu tempéré, de nombreuses lacunes subsistent en milieu tropical. Pour réduire la morbidité, il est nécessaire de mieux comprendre la dynamique des pathogènes fécaux surtout dans le contexte de changements globaux (croissance démographique, changements d'usage des terres, barrages hydroélectriques, et changement climatique). L'utilisation d'une approche multidisciplinaire est essentielle pour évaluer les risques contamination fécale à l'interface animal-homme-écosystème. L'objectif principal de la thèse est d'identifier les facteurs clés contrôlant le devenir et transport de la bactérie fécale indicatrice (FBI), Escherichia coli (E. coli), à différentes échelles spatiales des tributaires du Mekong au Laos. Cette thèse présente les résultats basés sur (i) les données in situ collectées dans les principaux tributaires du Mékong au Laos, afin d'identifier les facteurs (hydrologie et utilisation des terres) contrôlant les concentrations d'E. coli à l'échelle du bassin versant ; (ii) une approche expérimentale pour évaluer deux facteurs clés (rayonnement solaire et dépôt de particules en suspension) contrôlant la mortalié/survie d'E. coli dans une zone humide tropicale montagneuse; et (iii) des approches statistiques et de modélisation pour évaluer l'impact d'un barrage hydroélectrique sur la dynamique hydro-sédimentaire et d'E. coli dans un tributaire majeur du Mékong, la Nam Khan, au Laos. Les résultats des campagnes de mesures in situ ont révélé des variabilités saisonnières des concentrations d'E. coli dans les cours d'eau, plus élevées pendant la saison humide, et fortement corrélées aux concentrations en matières en suspension (MES) et aux pourcentages de forêts exploitées à l'échelle du bassin versant. Ces résultats soulignent le rôle des MES en tant que vecteurs pour le transport bactérien, ainsi que l'importance de des usages des terres comme l'un des facteurs clés ayant un impact sur la dissémination d'E. coli à l'échelle du bassin versant dans un contexte tropical érosif. La majorité des tributaires échantillonnés présentaient des concentrations d'E. coli pendant la saison des pluies, dépassant 500 colonies par 100 ml, seuil au-delà duquel l'OMS considère que le risque de maladie gastro-intestinale après une seule exposition est de 10 %. Le rôle des MES a été mis en évidence dans l'approche expérimentale, où les bactéries attachées à des particules étaient prédominantes (91%) et présentaient des taux de mortalité plus faibles que ceux des bactéries sous forme libre. Alors que le processus de dépôt était le principal facteur de réduction du stock d'E. coli dans la colonne d'eau, comparé aux radiations solaires, nous avons constaté que la remise en suspension temporaire des sédiments déposés suggérait un potentiel de survie ou même de croissance d'E. coli dans les sédiments en milieu tropical. [...]
Mots clés
Fecal indicator bacteria
E. coli
Lao PDR
Mekong basin
Tropical context
Suspended sediments
Land use
Hydroelectric dams
Hydrological modelling
Survival/mortality rates
Tropical headwater wetland
Solar radiation
Particle deposition/resuspension
Water purification
Bactéries indicatrices de contamination fécale
E. coli
RDP Lao
Bassin du Mékong
Contexte tropical
Sédiments en suspension
Utilisation des terres
Barrages hydroélectriques
Modélisation hydrologique
Taux de survie/mortalité
Zone humide tropical
Rayonnement solaire
Dépôt/resuspension de particules
Purification de l'eau
Domaines
Hydrologie
Origine : Version validée par le jury (STAR)