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DE L’IDENTIFICATION DES SALMONELLES APRES INCUBATION DANS LE SOL A. BAKHROUF1*, A. DHIAF1, N, CHNITY1, M. BAHRI1, F. MECHERGUI1 ET A. SAID1. 1 Laboratoire d’Analyse et de Contrôle des Polluants Chimiques et Microbiologiques. Ministère de la Recherche Scientifique et de la Technologie. Faculté de Pharmacie de Monastir 5000 Monastir Tunisie. Laboratoire de Recherche en Microbiologie et Santé. Hôpital de circonscription de Ksour Essef. Ministère de la Santé Publique Tunisie. * Auteur correspondant RESUME ABSTRACT Nous avons essayé au cours de ce travail d'étudier le devenir de Salmonella dans le sol. Les modifications des caractères biochimiques et culturaux des souches atypiques obtenues ont été suivies. Nous nous sommes intéressés notamment aux formes données par les salmonelles stressées ainsi qu’à celles obtenues au cours de la reviviscence des cellules stressées dans du bouillon nutritif. Nous avons pu trouver que la b galactosidase (b gal), négative sur des galeries Api 20E chez la souche initiale, devient positive après deux semaines d'incubation des cellules dans le sol. Les cellules stressées deviennent également capables de produire l’acétoïne à partir du glucose. La lysine décarboxylase, positive chez la souche initiale, devient négative. Ces modifications s'avèrent réversibles et dépendent des conditions de culture des bactéries. En effet, l'incubation dans le bouillon nutritif pendant quatre semaines des cellules modifiées, stressées pendant six mois, leur permet de reverser vers des formes normales. Un travail mené simultanément pour rechercher les salmonelles dans les boues résiduaires en dessèchement dans une station de traitement des eaux domestiques, nous a permis d'isoler des souches de Salmonella atypiques comparables aux souches stressées modifiées trouvées au laboratoire. Par des repiquages successifs dans du bouillon nutritif, nous avons vérifié ces souches de Salmonella typiques après une longue période d'incubation et des repiquages dépassant un mois. Au cours de cette reviviscence, des souches de salmonelles atypiques ont été obtenues. Les modifications de caractères observées au cours de cette étude rendent impossible l’identification des salmonelles stressées. We have tried to study the fate of Salmonella strains in soil. We have looked at their biochemical modifications during their evolution to dormant state and during their reviviscence. The β galactosidase which is negative in the parent strain became positive after two weeks of cells starvation in soil. Stressed cells became able to produce acetoin. Some stressed cells did not produce the lysine décarboxylase, which is positive in parent cells. These modifications are reversible and depend on cultural conditions. Incubation of stressed cells in nutrient broth for more than four weeks helped them to reverse to normal forms. Simultaneous search for atypical Salmonella was done in dissect sludge of a domestical wastewater treatment plant and in soil irrigated with treated water. Atypical strains of Salmonella are found. We have seen that, after incubation in nutrient broth for more than four weeks, atypical strains characters evolved generally to their parental characters. All modifications of Salmonella in soil samples can make their identification very difficult and perhaps impossible. Key words: Salmonella, soil, stress, β galactosidase. Mots clefs : Salmonella, sol, stress, β galactosidase. A r c h s . I n s t . P a s t e u r T u n i s , 2002, 7 9 (1-4) 35 IDENTIFICATION DES SALMONELLES INCUBEES DANS LE SOL INTRODUCTION Les salmonelles sont des entéropathogènes isolées de différents milieux naturels : eaux douces et marines, sol(1) denrées alimentaires et milieux hospitaliers : Plus de 2600 sérovars sont actuellement connus(2). Ce genre bactérien s’adapte aux stress de l’environnement et donne des formes dormantes viables mais non cultivables, au niveau du sol(1) et au niveau de l’eau de mer(3,4,5). Ce passage doit se faire à la suite de modifications progressives des caractères culturaux, biochimiques et morphologiques(4,6) des cellules donnant lieu à des formes atypiques telles que les formes naines et rondes, données par Salmonella paratyphi β incubée dans l’environnement(7). On a rarement considéré les conséquences de ces modifications au cours de la recherche des salmonelles dans l’environnement. Notre travail consiste à incuber des salmonelles dans du sol non stérile et de suivre les variations des caractères culturaux, biochimiques et morphologiques de ces bactéries durant une longue période d’incubation. Cette recherche présente un intérêt appliqué dans la mesure où la connaissance et la caractérisation de ces formes intermédiaires aident à les retrouver dans l’environnement, et à éviter les problèmes sanitaires qu’elles engendrent. MATERIEL ET METHODES Milieux de culture utilisés : Les milieux suivants sont utilisés : Bouillon nutritif (BN), bouillon sélénite (BS), gélose nutritive (GN), milieu sélectif des entérobactéries (ENDO), milieu sélectif Salmonella - Shigella : (SS), galeries Api 20E (Api System bio-Mérieux) Sols utilisés : Les sols suivants sont testés : Sol de jardin non stérile, non planté et exposé au soleil ; sol de jardin non stérile planté avec l'orge et exposé au soleil ; sol calcaire non stérile planté de romarin et exposé au soleil. Souches utilisées : - Une souche de Salmonella spp fournie par l’Institut Pasteur de Tunis; une ré-identification sérotypique ainsi que biochimique de la souche fournie a été effectuée. - Deux souches de Salmonella Arizona (S1 et S2) ont été isolées à partir de boues résiduaires, étalées 36 dans des bassins exposés au soleil, provenant d’une station d’épuration des eaux domestiques à boues activées. La souche S1 a été isolée à partir de boues résiduaires exposées pendant trois semaines au soleil, S2 a été isolée à partir de boues résiduaires exposées pendant deux semaines au soleil. Les prélèvements de boues ont été effectués à la surface, à dix heures de matin. La recherche de Salmonella dans les boues résiduaires a été effectuée après un pré-enrichissement de vingt quatre heures en bouillon nutritif suivie d’un enrichissement en bouillon sélénite. L’ensemencement a été fait sur gélose SS, les colonies suspects ont été testées sur Api 20 E. Les caractères biochimiques des souches S1 et S2 ont été suivis en fonction de leur incubation en bouillon nutritif. - Une souche de référence ATCC, Salmonella typhimurium a été utilisée pour l’étude de la stabilité des caractères biochimiques après incubation prolongée en bouillon nutritif. - Une souche de référence ATCC, Salmonella Arizona a été utilisée pour l’étude de la stabilité des caractères biochimiques après incubation prolongée dans différents types de sol. Préparation des souches pour l’étude de leur survie : Les différents types de sol se trouvent à 100 mètres de la route liant Salacta à Ksour-Essef, à trois kilomètres de la mer. Le sol calcaire est composé approximativement de 60% de CaCO 3,5 % argile rouge, 8 % silice et 20 % feuilles et humus de romarin. Le sol de jardin est composé approximativement de 35 % silice, 60 % argile rouge et d’humus d’herbe. Les différents types de sol utilisés n’ont été pas stérilisés mais le contrôle de l’absence des salmonelles a été fait. La contamination a été faite de la manière suivante : chaque type de sol a été étalé dans des réservoirs en plastique d’un m2 de surface et de 20 cm d’épaisseur. Les cellules bactériennes de Salmonella spp ont été préalablement ensemencées sur GN et incubées à 37°C pendant 18 heures puis lavées après centrifugation trois fois de suite. Le dernier culot a été mis en suspension dans de l'eau physiologique stérile jusqu'à une densité A r c h s . I n s t . P a s t e u r T u n i s , 2002 BAKHROUF ET COLL. de10(6) bactéries/ml. Chaque type de sol a été irrigué par la suspension bactérienne d’une façon homogène. Les différents réservoirs ont été exposés aux conditions environnementales du village Salacta. L’irrigation des réservoirs a été faite seulement à la tombée de pluie. Le suivie des caractères biochimiques de Salmonella, incubée dans différents types de sol, a été réalisé chaque jour au cours de la première semaine puis chaque semaine et par la suite chaque mois. Les prélèvements ont été faits à la surface par raclage de sol à l’aide de couvercle de boite à Pétrie stérile. A chaque expérience, cinq échantillons de sol ont été analysés. La masse moyenne de sol prélevé est de l’ordre de 30. Chaque prélèvement de sol de surface est mis en suspension dans 100 ml d’eau physiologique stérile en présence de quelques gouttes de Tween 80; ce produit facilite le détachement des cellules bactériennes des particules de sol. Le mélange a été homogénéisé à l’aide d’un mortier stérile pendant cinq minutes; le surnageant a été dilué plusieurs fois ensuite étalé sur milieu SS. Apres 24 heures d’incubation à 37°C, 10 colonies isolées ont été ensemencées sur des galeries Api 20 E. La lecture directe des caractères se fait toutes les 24 heures durant une semaine mais les réactions complémentaires ne se font qu’après une semaine. Etude de l’évolution des caractères biochimiques des souches (S1 et S2) de Salmonella Arizona : Les deux souches de Salmonella Arizona (S1 et S2), isolées à partir de boues résiduaires, ont été incubées en bouillon nutritif à température ambiante. Le renouvellement du milieu d’incubation a été effectué chaque semaine. Toutes les deux semaines, on fait ensemencer sur milieu SS à partir du milieu d’incubation. 20 colonies bien isolées poussant sur ce milieu ont été utilisées pour l’étude des caractères biochimiques sur des galeries Api 20 E. RESULTATS Evolution des caractères biochimiques de salmonella Spp en fonction de son séjour dans le sol : L'évolution des caractères biochimiques de la souche de Salmonella spp a été suivie sur des galeries Api 20E en fonction de son séjour dans différents types de sol (Tableau I). Tableau I- Evolution des caractères biochimiques sur Api 20 de Salmonella Spp en fonction de son séjour dans différents types de sol. Souche initiale Après un séjour de cinq mois dans un sol calcaire planté de romarin et exposé au soleil Après un séjour de six mois dans un sol de jardin plantéd’orge et exposé au soleil Après un séjour de deux mois dans un sol de jardin exposé au soleil Après un séjour de cinq mois dans un sol de jardin exposé au soleil Sej Api ON 24 à 1sem 24h (+) 48h (+) 3j (+) 1 sem (+) 24h (+) 48h (+) 3j (+) 4j (+) 1sem (+) 24h 48h 3j 4j 1sem 24h 48h 3j - AD + + ++ + (-) + + + + (-) (-) + + + (-) + + LD + (-) (-) (-) + + + + + + + + + + + (-) + + CIT + + + + + (-) + + + + + + + + + + + + HS + (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) + + + + + + + + UR (+) (+) (+) (+) (+) VP nd nd nd (+) nd nd nd nd (-) nd nd nd nd (+) nd nd nd GE (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) - GL + + + (-) (-) + + + + + + + + + + + + + MA + + + (-) (-) + + + + + + + + + + + + + IN + (-) (-) (-) (-) + + (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) + + + SO + + + + + + + + (-) (-) + + + + + + + + RH + + + + + + + + + + + + + + + + + + SA (+) (+) (+) - Abréviations du tableau I et du tableau II: ON: ortho-nitrophényl-B-D-galacto-pyranoside, AD: arginine dihydrolase, LD: Lysine décarboxylase, CIT: Utilisation du citrate, HS: production d’hydrogène sulfuré ; UR: urate, VP: production d’acétoine, GE: gélatine, GL: Glucose, MAN: mannitol, INO: inositol, SOR: sorbitol, RHA: rhamnose, SAC: saccharose, ME: mellifique. Séj Api: Séjour dans les galeries Api 20 E, Séj BN: séjour dans le bouillon nutritif, h: heure, J: jour, sem: semaine, M: mois, nd: non déterminé, (): caractères modifiés, S1 et S2: souches de Salmonella arizona isolées à partir des boues activitées, S11 et S12: souches données par S1 après un séjour d’un mois et demi dans le bouillon nutritif, S21 et S22: Souches données par S2 après un séjour d’un mois et demi dans le bouillon nutritif. Tome 7 9 (1-4) 37 IDENTIFICATION DES SALMONELLES INCUBEES DANS LE SOL Evolution des caractères biochimiques de salmonella Arizona en fonction de son séjour dans le bouillon nutritif : Après un séjour de deux semaines dans les différents types de sol, la souche mère se dissocie en colonies β gal (+) et colonies β gal (-). La fréquence de cellules modifiées augmente en fonction du temps d’incubation des bactéries dans le sol. Après un séjour de cinq mois dans un sol calcaire planté de romarin et exposé au soleil, 40 % des cellules testées de Salmonella spp ont présenté les caractères biochimiques donnés par le tableau I; 60 % des cellules ont gardé les caractères biochimiques de la souche initiale avant son incubation dans le sol. Après une incubation de six mois dans un sol de jardin planté d’orge et exposé au soleil, 58 % des cellules testées ont présenté les caractères biochimiques donnés par le tableau I; le reste des cellules ont gardé les caractères biochimiques de la souche initiale. Après un séjour de deux mois dans un sol de jardin exposé au soleil, 85 % des cellules testées ont présenté les caractères biochimiques donnés par le tableau I; le reste des cellules ont présenté une activité β galactosidase positive. Après un séjour de cinq mois dans un sol de jardin exposé au soleil, 64 % des cellules testées ont présenté les caractères biochimiques représentés par le tableau I; le reste des cellules ont présenté une activité β galactosidase positive avec dégradation de la gélatine. Deux souches de Salmonella (S1 et S2), dont l'activité β gal est positive, ont été isolées à partir de boue résiduaire en dessèchement ; elles sont ensuite mises dans du bouillon nutritif à 37° C pendant 48 heures puis à température ambiante. Le suivi des modifications biochimiques des souches au cours de cette incubation, a été fait durant quatre mois. Les résultats sont donnés par les Tableaux IIA et IIB. Tableau IIA- Variation quantitative de colonies β Gal (+) de Salmonella Arizona (S1 et S2) en fonction de leur incubation en bouillon nutritif. Période d’incubation en BN (S1) 0 jour (S1) 2 semaines (S1) 1.5 mois (S1) 4.5 mois (S2) 0 jour (S2) 1.5 mois (S2) 3 mois % de colonies β Gal (+) 100 100 70 9 100 100 46 % de colonies β Gal (-). 0 0 30 91 0 0 64 Tableau IIB- Evolution des carastères biochimiques sur Api 20E de deux souches de Salmonellesa Arizona isolées à partir des boues en dessèchement en fonction de la durée d’incubation dans un bouillon nutritif. Sej BN Sej Api ON AD LD OD CI H2 VP GL MA SO RH SA ME AM 24h 48h 3 j . 1 sem + + + (-) + + (-) (-) + (-) (-) + (-) (-) + + + + nd nd (+) (-) (-) + (-) (-) nd (-) (-) nd (-) (-) nd nd (+) (+) nd nd 1,5 M---SI1 24h 48h 3 j . 1 sem (-) (-) + + (-) + + (-) (-) + (-) (-) + (-) (-) + + + (+) nd nd + (-) (-) + (-) (-) + (-) (-) + (-) (-) - + + - 1,5 M---SI2 24h 48h 3 j . 1 sem + + + + (-) + + (-) + + (-) + + (-) + + (-) (-) + nd nd + + + (-) + + (-) + + (-) + + (+) (+) - - 24h 48h 3j + + + + (-) + + (-) (-) + (-) (-) + (-) (-) + (-) (-) (-) nd nd + + + + + + + + + + + + (+) (+) (+) - (+) - 3 M---S21 24h 48h 3 j . 1 sem + + + + (-) + + (-) (-) + (-) (-) + (-) (-) + (-) (-) nd nd + + + + + + + + + + + + (+) (+) (+) - (+) - 3 M----S22 24h + + + + + + (-) + + + + (+) - (+) 0j--S1 0j---S2 38 A r c h s . I n s t . P a s t e u r T u n i s , 2002 BAKHROUF ET COLL. Nous avons observé que la souche S1 a donné, au bout d'un mois et demi, des cellules β gal (-) tandis que la souche S2 n'a donné des cellules β gal (-) qu'après trois mois de séjour dans le bouillon nutritif. Pour S1, le pourcentage de cellules β gal (-) atteint 30 % au bout d'un mois et demi et 91% au bout de quatre mois et demi d’incubation dans le bouillon nutritif. Pour S2, il est de 0% au bout d'un mois et demi et il atteint 64 % au bout de trois mois (Tableau II A). Au cours de son séjour dans du sol stérile pendant cinq mois, S2 garde ses caractères initiaux et n’évoluent pas vers des cellules β gal (-). Stabilité des caractères biochimiques de Salmonella typhimurium ATCC au cours de son séjour en bouillon nutritif : Après une incubation de quatre mois en bouillon nutritif, les caractères biochimiques de Salmonella typhimurium ont été conservés sur des galeries Api 20 E. Stabilité de la β galactosidase de Salmonella Arizona après incubation dans les différents types de sol : La β galactosidase de Salmonella Arizona ATCC a été conservée après une incubation de trois mois dans le sol calcaire ainsi que dans le sol de jardin. DISCUSSION La détermination de Salmonella se fait généralement en se basant sur des caractères clefs qui permettent de la différencier des autres entérobactéries. Il s’agit de la β galactosidase qui doit être négative chez toutes les salmonelles sauf chez Salmonella du groupe III ou Arizona. Celle-ci ne présente pas un grand risque sanitaire. Ce travail montre que Salmonella β gal (-) donnent, après incubation dans le sol, des bactéries β gal (+) qui sont toujours prises pour Salmonella Arizona. Par ailleurs, nous avons pu voir que ces salmonelles deviennent Vp (+), c'est à dire qu’elles n’utilisent plus le glucose par voie acide mixte mais par voie butanediol ce qui les éliminent du genre Salmonella. Ces résultats concordent bien avec ceux trouvés par Denden et al. (2000)(8) ; ils ont bien trouvé que Salmonella typhimurium stressée acquiert une activité β gal , produit l'acétoïne à partir du glucose et devient également capable de dégrader le saccharoTome 7 9 (1-4) se. Salmonella, incubée en eau de mer, acquiert également une activité β gal et produit l'acétoïne(9). Les salmonelles du groupe I ainsi que celles du groupe II sont caractérisées par une activité β galactosidase négative. Cependant, des cas de Salmonella typhi à β gal positive, ont été signalés au Japon(10). Ils ont décrit un cas de Salmonella typhi à activité β gal positive isolée chez un malades souffrant de fièvre typhoïde. On a décrit une épidémie au Brésil, au cours de laquelle deux salmonelles β gal(+) ont été isolées : Salmonella typhimurium et Salmonella oriemburg, on a expliqué cette activité par un déterminisme plasmidique(11). Par ailleurs, plusieurs caractères biochimiques telle que la lysine décarboxylase qui apparaît après 24 heures chez la souche mère inoculée sur des galeries Api 20 E, n’apparaissent chez les souches stressées qu’après des périodes plus longues (Tableaux I et II). Ceci nous conduit à des résultats faussement négatifs car la lecture des caractères biochimiques, sur ces galeries, se fait selon la recommandation des fabricants, après 24 à 48 heures d’incubation à 37°C. On a rarement considéré les conséquences de ces modifications sur le plan appliqué, par exemple sur l'identification des bactéries pathogènes provenant du sol, de l'eau ou des denrées alimentaires et sur leur pouvoir pathogène. La dérive progressive des caractères culturaux et métaboliques de salmonelles dans le sol concerne ici certaines propriétés phénotypiques qui jouent un rôle clef pour la recherche et l'identification des salmonelles dans le sol. C'est le cas de la production de la β galactosidase et à moindre titre la production d'acétoïne qui sont considérés absentes chez Salmonella du groupe I et II(12). Sur les galeries Api 20 E, les codes correspondants aux souches de Salmonella stressées dans le sol les éliminent du genre Salmonella du groupe I et II sur la base du seul caractère production d'acétoïne positive. Cette production d'acétoïne pourrait être liée à la modification transitoire de certains mécanismes qui permettent la synthèse ou le catabolisme de l'acétoïne ou du 2-3 butane-diol conduisant à l'accumulation de l'acétoïne jusqu'à un niveau décelable par la réaction de Voges-Proskauer (Juni et Heym , 1956). L'apparition de l'activité β galactosidase permet de classer les souches de Salmonella du groupe I et II 39 IDENTIFICATION DES SALMONELLES INCUBEES DANS LE SOL étudiées dans le groupe III des Salmonella Arizona connues pour leur origine environnementale et pour leur pouvoir pathogène très limité pour l'homme. Il semble, cependant, que ces deux modifications (production d'acétoïne et de la β galactosidase) soient provisoires et les souches reversent facilement vers leur état initial par simple incubation en bouillon nutritif pendant des périodes plus ou moins longues (Tableau II). Sur le plan pratique, ces modifications mêmes transitoires pourraient donc générer des résultats faussement négatifs lors de la recherche et de l'identification des Salmonella dans le sol. On a montré que le sérotypage des souches de Salmonella Arizona du groupe III donne souvent des réactions croisées avec des salmonelles du groupe I(12). Ceci peut confirmer nos travaux et nous pouvons penser que Salmonella Arizona correspond à des salmonelles du groupe I modifiées, puisque la différence essentielle entre les deux groupes est l'activité de la β galactosidase. Nous avons observé (Tableaux I et II) que cette activité n'est pas stable et dépend des conditions de culture externes. White et Kauffman ont proposé une classification basée sur les caractères antigéniques, somatiques et flagellaires, qui aboutit à la caractérisation de variants sérologiques ou sérovars. Les expériences que nous avons faites ont montré qu’au cours de la reviviscence des salmonelles stressées, une même espèce de Salmonella donnent les profils biochimiques de nombreuses espèces (Tableau II). Ceci est en partie confirmé par l’étude des génomes de différentes espèces de Salmonella qui à conduit à réduire ce nombre d’espèces du genre Salmonella en deux espèces avec des biovars qui correspondraient aux anciennes espèces(14). Les techniques classiques pour la recherche des bactéries pathogènes se basent généralement sur la culture en milieux sélectifs, suivie d’une identification phénotypique (biochimique et sérologique). Cependant, ces méthodes traditionnelles ne sont pas très efficaces pour l’identification des germes d’origine environnementale. Les techniques se basant sur l’identification génétique et moléculaire sont des instruments rapides et efficaces pour la détection et l’identification des germes d’origine environnementaux(15,16,17). 40 CONCLUSION Sur le plan pratique, les résultats obtenus montrent que les techniques classiques peuvent conduire à une sous-estimation des espèces du groupe I et du groupe II dans les prélèvements d’échantillons de sol et de légumes contaminées et ce au cours de la surveillance et du contrôle sanitaire par des techniques classiques. Les salmonelles peuvent également évoluer vers des formes atypiques et dans ce cas, elles ne peuvent pas être détectées par les méthodes classiques. Ces formes atypiques peuvent redevenir typiques au bout d'un mois d'incubation dans le bouillon nutritif à température ambiante ; par suite, elles ne restaurent leurs activités biochimiques perdues qu'après des périodes plus ou moins longues d'incubation dans des milieux de culture artificiels. REMERCIEMENTS Nous tenons à remercier Monsieur Tligèni Salah, Directeur de l’Hôpital de Circonscription de Ksour Essef, pour son aide et ses encouragements. REFERENCES 1- P. E Turpin, K. A. May Croft, C. L Rowlands and E. M. H. Wellington (1993). Viable but non-culturable Salmonella in soil. Journal of applied Bacteriology, 73, 421-427. Microbioloy, 57, 17771782. 2- T. Ezaki, Y. Kawmura and E. Yabouchi (2000). Recognition of nomenclatural standing of Salmonella typhi (Approved list 1980), Salmonella enteritidis (Approved list 1980) and Salmonella typhimurium. Request for an opinion, 2000: Department of microbiology, Gofu university school of Medicine, 40 Tsukasa tsukaomachi, Gifu 500-8705, Japon. International Journal of systematic and Evolutionary Microbiology, 50, 945-947. 3- K. Turner, J. Porter, R. Pickup C. and Edwards (2000). Changes in viability and macromolecular content of long-term batch cultures of Salmonella typhimurium measured by flow cytometry. J. Appl. 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