Développement d’une méthode télé-épidémiologique et macroécologique pour la prédiction de pathogènes potentiels dans les lacs canadiens à l’aide de données géospatiales et bio-optiques

Abstract

Les maladies infectieuses font partie des causes de mortalité et de morbidité les plus importantes au monde avec en moyenne chaque année 9.6 millions de décès humains. Il existe une très grande diversité de pathogènes responsables de ces maladies qui peuvent être naturellement présents dans l’environnement ou être issus de sources de contaminations spécifiques ponctuelles (PS ou Point Sources; p. ex.: contamination fécale directe d’excréments d’animaux ou d’humains, fuites d’eau usée) ou diffuses (NPS ou Non-Point Sources; p. ex.: épandage agricole, eaux résiduelles urbaines). Les pathogènes peuvent aussi circuler entre les différents hôtes (c.à.d.: humains, animaux, végétaux) et vecteurs (p. ex.: rongeurs, moustiques, tiques) qu’ils contaminent. Ainsi jusqu’à 60.3% des maladies infectieuses émergeantes chez l’Humain seraient d’origine animale. Pour limiter l’impact des maladies sur les populations, des connaissances sur la distribution géographique des pathogènes et leurs niches écologiques sont nécessaires. En effet, endiguer de futures éclosions de maladies est un des défis de la science actuelle pour soutenir la santé publique, la sécurité alimentaire et la conservation des espèces. Actuellement, seulement 4% des 355 pathogènes infectieux les plus importants pour l’Humain ont été cartographiés à l’échelle mondiale. Par ailleurs, les changements environnementaux et climatiques ont des conséquences sur l’occurrence des maladies en altérant les niches écologiques des pathogènes, de leurs hôtes et de leurs vecteurs. En ce sens, les connaissances déjà établies pourraient, à l’avenir, devenir obsolètes sans le développement de modèles prédictifs fiables. Dans ce projet, une approche télé-épidémiologique et macroécologique a été utilisée pour développer des modèles prédictifs sur différents types de pathogènes potentiels échantillonnés dans des lacs canadiens. Cette approche se base sur l’idée que les lacs sont des sentinelles des changements environnementaux qui se produisent dans leurs bassins versants. Ils pourraient ainsi capturer à la fois des micro-organismes naturellement présents dans l’environnement, mais aussi des micro-organismes issus de sources localisées dans les bassins versants. La méthode pluridisciplinaire développée dans ce projet, implique l’utilisation de données de micro-organismes issues de séquences ADN et de propriétés bio-optiques de constituants collectés dans environ 660 lacs canadiens ainsi que des données géospatiales et de télédétection publique. L’ensemble des données ont ensuite été utilisé dans un modèle d’arbre de régression boosté avec ensachage. De manière générale, les résultats montrent des liens entre des microchampignons, parasites et bactéries potentiellement pathogéniques retrouvés dans les lacs et des facteurs environnementaux de contamination. Pour les microchampignons et les parasites, les résultats ont montré que les facteurs les plus importants sont les constituants bio-optiques de l’eau qui pourraient agir comme bouclier face aux ultraviolets ou fournir une source de nutriments pour les pathogènes. Pour les bactéries, les espèces les plus abondantes et les plus présentes trouvées dans les lacs, ont formé un groupe distinct de micro-organismes reliés au facteur climatique de la température de l’air. A l’inverse les bactéries les moins abondantes et les moins présentes ont été davantage reliées à des NPS issus d’activités agricoles et/ou d’élevage. En utilisant un multi-indicateur bactérien de contamination anthropique et fécale (c.à.d.: formé à partir de plusieurs pathogènes), des prédictions ont été établies sur 200 212 lacs à travers les écozones du Sud du Canada et ont montré une abondance plus élevée dans l’écozone des Prairies que dans le reste du Canada. De manière générale, ce travail montre qu’une approche télé-épidémiologique peut offrir des connaissances et des ressources cartographiques intéressantes pour la santé publique, la sécurité alimentaire et la conservation des espèces.

Abstract: Infectious diseases are among the most important causes of mortality and morbidity in the world with an average of 9.6 million human deaths per year. There is a wide variety of pathogens responsible for these diseases, which may be naturally present in the environment or may originate from specific point (PS; e.g., direct fecal contamination from animal or human feces, wastewater leaks) or non-point sources (NPS; e.g., agricultural land application, urban wastewater) of contamination. Pathogens can also circulate between the different hosts (i.e., humans, animals, plants) and vectors (e.g., rodents, mosquitoes, ticks) that they contaminate. Thus, up to 60.3% of emerging infectious diseases in humans are of animal origin. To limit the impact of diseases on populations, knowledge of the geographical distribution of pathogens and their ecological niches is necessary. Indeed, containing future disease outbreaks is one of the challenges of current science to support public health, food security and species conservation. Currently, only 4% of the 355 most important pathogens for humans have been mapped on a global scale. In addition, environmental and climatic changes have consequences on the occurrence of diseases by altering the ecological niches of pathogens, their hosts, and vectors. In this sense, the knowledge already established could become obsolete in the future without the development of reliable predictive models. In this project, a tele-epidemiological and macroecological One Health approach was used to develop predictive models on different types of potential pathogens sampled in Canadian lakes. This approach is based on the idea that lakes are sentinels of environmental changes occurring in their watersheds. They could capture both naturally occurring microbes and microbes from localized sources in the watersheds. The multidisciplinary method developed in this project involves the use of microbial data from DNA sequences and bio-optical properties of constituents collected from approximately 660 Canadian lakes as well as geospatial and public remote sensing data. The dataset was then used in a boosted regression tree model with bagging. In general, the results show links between potential pathogens including microfungi, parasites and bacteria found in lakes and environmental contamination factors. For fungi and parasites, the results showed that the most important factors are the bio-optical constituents of the water that could act as a shield against ultraviolet light or provide a source of nutrients for the pathogens. For bacteria, the most abundant and most frequent species found in lakes formed a distinct group of microbes related to the climatic factor of air temperature. Conversely, the less abundant and less frequent bacteria were more related to NPS from agricultural and/or livestock activities. Using a multi-indicator bacterial indicator of anthropogenic and fecal contamination (i.e., formed from several potential pathogens), predictions were made on 200 212 lakes across the southern Canadian ecozones and showed a higher abundance in the Prairie ecozone than in the rest of Canada. Overall, this work demonstrates that a tele-epidemiological approach can provide valuable knowledge and mapping resources for public health, food safety and species conservation.