Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans les écosystèmes aquatiques, l'activité anthropique, mais aussi le contexte naturel induisent chez les organismes aquatiques des situations de stress multiples. Parmi les sources potentielles de perturbation, trois d'entre elles, d’origine chimique, ont été étudiées : contamination métallique, une contamination par un herbicide, par un mélange d’alkylphénols polyéthoxylés et enfin une contamination par un produit pétrolier. Cette démarche entre dans le cadre de la directive européenne REACh (Registration Evaluation Autorisation of CHemicals) mais aussi de la directive cadre eau DCE (directive 2000/60/CE) du parlement Européen et du Conseil établissant une politique communautaire dans le domaine de l'eau. Il s’agit en fait d'évaluer la pertinence d’une série d’indicateurs précoces de pollution (ex : biomarqueurs) afin de prédire l'effet des substances chimiques lors de contaminations chroniques ou ponctuelles du milieu aquatique. Une approche intégrée des interactions des substances ou produits sélectionnés sur la réponse génétique, protéique, cellulaire, histologique et individuelle chez la truite arc-en-ciel, Onchorynchus mykiss, a été entreprise en mésocosmes ouverts et dynamiques et en laboratoire. In vivo, une étude multimarqueurs sur des truites juvéniles femelles diploïdes a été menée à chaque exposition, de 21 ou 28 jours, et durant une période de « récupération » afin d'estimer les effets sur la physiologie des truitelles. Le mélange de nonylphénols polyéthoxylés et l’essence utilisés pour les expositions montrent ainsi des effets qui perdurent jusqu’à la fin de cette période de « récupération ». Les mésocosmes, utilisés lors de cette thèse, offrent des conditions favorables au maintien et à la croissance de truites juvéniles. (...) Dans une démarche de recherche de biomarqueurs d’effets chez une espèce modèle, transposer ces travaux chez des poissons (mâles et femelles) à des stades de développement différents pourrait ainsi permettre d’isoler les paramètres les plus pertinents, à chaque stade ou pour l’ensemble du cycle de l’espèce, afin d’apporter de nouveaux outils pour la surveillance des milieux aquatiques. / In the aquatic ecosystems, anthropic activity, but also natural environment induce several kind of stress in aquatic organisms. Among the potential sources of stress, three chemicals were studied here: a metal, a bipyridylium herbicide, a mixture of nonylphenol polyethoxylate and an oil product exposure. This study enters within the framework of the European directive REACh (Registration Evaluation Authorization of CHemicals) but also of the Directive Cadre Eau, DCE (directive 2000/60/CE) of the European Parliament. The aim is to evaluate the relevance of an early pollution indicator pool (biomarkers) in order to predict chemical substance effects during chronic exposure or after specific contaminations of the aquatic compartment. An integrated approach of the substance effects on the genetic, proteinic, cellular, histological and individual answers in the rainbow trout, Onchorynchus mykiss, were undertaken in open and dynamic mesocosms and also laboratory. In vivo, a multibiomarker study on female juvenile trout was done at each exposure, over 21 or 28 days, followed by a period of “recovery». The mixture of nonylphenol polyethoxylate and the gasoline used for the exposures thus show effects which perdurent until the end of this period of “recovery. The mesocosms used in this study offer favorable conditions for juvenile survival and growth. (...) In addition to the assessment of the measurement robustness and the biomarker relevance, we compared the data obtained in this study with the in vivo tests and those obtained using in vitro tests. This approach made possible to highlight coherent answers between in vitro the tests and in vivo markers. But in vitro tests are only one preliminary approach to quickly seek a specific toxic action. The modulation monitoring of key genes in the fish reproduction function, during a gasoline exposure, offers complementary informationabout the pollutant mode of action. We noted that the effects of the contamination on the hormonal rates were differed in time compared to the modulation of the gene transcription. In order to bring new tools for the monitoring, in a model species, of the aquatic environment,transposing this work in male and female fish at different developmental stages would enableisolating still most relevant parameters.

No description available.

La candidate a transmis un dossier présentant les grandes étapes de sa carrière incluant ses principales réalisations scientifiques, collaborations et activités de formation d'étudiants à divers niveaux universitaires dont les études doctorales. Ce dossier présente également les perspectives de recherche de F. LUCAS pour les prochaines années dont la description d'activités de recherche menées en partenariat avec diverses équipes de recherche via le projet ANR PULSE, et, de plus, des partenaires industrielles dans les contextes du PIREN-Seine et de la structure fédérative de l'Observatoire des Polluants Urbains (OPUR). Ces grands programmes et partenariats représentent un socle solide permettant d'entreprendre des travaux interdisciplinaires sur des questionnements majeurs en écologie microbienne dont la prédiction de l'évolution des communautés bactériennes en fonction des contraintes du milieu. Les travaux de F. LUCAS vont de l'acquisition de données fondamentales en écologie microbienne (diversité des peuplements) aux problématiques plus finalisées d'évaluation des dangers sanitaires microbiens associés à certaines pratiques de gestion des eaux en milieu urbain.

Le cadre réglementaire défini par la Directive Cadre sur l’Eau impose le développement de méthodologies fiables d’évaluation et/ou de caractérisation de l’état de santé des écosystèmes aquatiques. L’objectif de ce travail de thèse était d’identifier les rôles relatifs des paramètres des milieux aquatiques (température, cycle saisonnier, minéralisation), des caractéristiques des populations et des pressions anthropiques sur les réponses des biomarqueurs chez un organisme aquatique modèle, la moule zébrée (Dreissena polymorpha). Une espèce sœur, Dreissena rostriformis bugensis, arrivée plus récemment dans nos cours d’eau, a été suivie en parallèle et son potentiel en tant que biomoniteur a également été évalué. Pour cela, une batterie d’une douzaine de biomarqueurs sub-cellulaires a été mesurée dans différentes populations des deux espèces vivant dans des milieux contrastés, à différentes périodes de l’année, mais aussi lors de stress standardisés en laboratoire. Les biomarqueurs choisis correspondaient à différentes fonctions physiologiques et/ou antitoxiques, et des réponses à fortes pertinence écologiques, telles que la consommation d’oxygène ou l’activité de filtration, ont ponctuellement été suivies. Ces différents paramètres ont permis d’interroger les notions de sensibilité et de vulnérabilité des populations et de mieux comprendre les facteurs déterminant les réponses des biomarqueurs. Les différences inter-populationnelles montrent que l’accumulation des contaminants par les organismes et leurs réponses biologiques sont bien dépendantes de la qualité du biotope propre à chaque population, mais aussi de la saison, un facteur confondant qui doit donc être pris en compte lors de campagnes de biosurveillance. De fortes différences de réponse des biomarqueurs entre les deux espèces ont aussi été observées, aussi bien in situ que lors des expositions en laboratoire, soulignant la nécessité de bien différencier ces deux espèces, pourtant très proches. La nouvelle arrivée, D. r. bugensis, présente des réponses plus plastiques in situ, mais semble moins capable de gérer des stress aigus lors d’expositions en laboratoire. A l’inverse, D. polymorpha, arrivée il a 200 ans en France, semble mieux adaptée, avec une variabilité de réponse moins marquée et une meilleure tolérance aux contaminants. Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre de la convention BIOMICS, réalisée en collaboration avec l’ONEMA. Ils montrent que ces deux espèces sont aptes à nous renseigner sur l’état de contamination du milieu dans lequel elles vivent, même si les grilles d’interprétation peuvent être différentes de l’une à l’autre. Les variations des réponses des biomarqueurs au niveau sub-cellulaire témoignent de façon précoce de modifications de la qualité du milieu. Certains biomarqueurs semblent toutefois plus informatifs que d’autres, la batterie mesurée pourrait donc être réduite. A l’avenir, ces travaux permettront une meilleure lecture et interprétation des biomarqueurs mesurés dans des populations autochtones ou transplantées, et attestent de l’intérêt des biomarqueurs en tant qu’outils d’évaluation de la qualité des milieux aquatiques / The regulatory framework defined by the Water Framework Directive requires the development of reliable methodologies for assessing and / or characterizing the health status of aquatic ecosystems. The objective of this thesis was to identify the relative roles of environmental parameters (temperature, seasonal cycle, mineralization), population characteristics and anthropic pressures on biomarker responses in a model aquatic organism, the zebra mussel (Dreissena polymorpha). A sister species, Dreissena rostriformis bugensis, which invaded more recently our waterways, has been used in parallel and its potential as a biomonitor has also been evaluated. For this purpose, a battery of a dozen sub-cellular biomarkers was measured in different populations of the two species living in contrasting environments, at different times of the year, but also under laboratory stresses. The selected biomarkers corresponded to different physiological and / or antitoxic functions, and responses with high ecological relevance, such as oxygen consumption or filtration activity, were occasionally followed. These various parameters allowed to question the concepts of sensitivity and vulnerability of the populations and to understand the factors determining biomarker responses. Inter-population differences showed that the accumulation of contaminants by organisms and their biomarker responses depend on environmental quality at the originating site of each population, but also on the season, a confounding factor which must therefore be taken into account during biomonitoring programs. Strong differences in biomarker responses between the two species were also observed, both in situ and during laboratory experiments, emphasizing the need to differentiate the two species, so close they are. The recent invader, D. r. bugensis, presents more plastic responses in situ, but appears less able to manage acute stress in laboratory. Conversely, D. polymorpha, which is about 200 years old in France, appears to be better adapted, with less response variability and a better tolerance to contaminants. This thesis work is part of the BIOMICS convention, carried out in collaboration with ONEMA. It shows that these two species are able to inform about the contamination status of their environment. Variations in biomarker responses at the sub-cellular level indicate early changes in environmental quality. Some biomarkers, however, seem more informative than others do, so the measured battery could be reduced. In the future, this work will allow a better reading and interpretation of biomarkers measured in autochthonous or transplanted populations, and attest the value of biomarkers as tools for assessing aquatic environment quality

Les épisodes de mortalité massive de l’huître creuse Crassostreae gigas observés sur les côtes françaises depuis 2008 ont été associés à certaines espèces appartenant au genre bactérien Vibrio. Ces mortalités, particulièrement intenses et rapides au cœur des lagunes méditerranéennes, atteignent 80 à 100% de la production ostréicole remettant ainsi en cause la pérennité de cette activité. Une surveillance environnementale de ces bactéries apparait donc essentielle et nécessite la mise au point de méthodes d’analyse innovantes, alternatives aux techniques couramment employées, afin de permettre un suivi rapide et en temps réel des Vibrio dans les milieux aquatiques côtiers.Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse a été de concevoir des outils analytiques de type génocapteurs pour la détection et la quantification des Vibrio dans les écosystèmes aquatiques. Dans un premier temps, un système basé sur un format d’hybridation « sandwich » reposant sur l’intercalation des acides nucléiques cibles entre une sonde capture immobilisée et une sonde signal marquée, couplé à une détection optique, a été élaboré. Après optimisation des conditions expérimentales, le test développé s’est avéré très sensible avec une limite de détection de 5 ng.µL-1 d’acides nucléiques, ainsi qu’hautement spécifique du genre Vibrio. La méthode a ensuite été appliquée avec succès à la détection des Vibrio dans des échantillons environnementaux, collectés dans la lagune de Salses-Leucate. Un second format d’hybridation, basé sur la compétition entre les acides nucléiques cibles et la sonde capture pour la sonde signal, a ensuite été envisagé en utilisant aussi bien une transduction optique qu’électrochimique. En parallèle, des méthodes de PCR quantitative en temps réel ont été mises au point afin de servir de références pour la validation des génocapteurs. / Mass mortality events affecting the Pacific oyster Crassostreae gigas on French coasts since 2008 have been associated to some Vibrio species. These mortalities, particularly severe and sudden in the mediterranean lagoons, can reach 80 to 100% of the oyster production threatening the sustainability of this activity. An environmental monitoring of these bacteria appears essential and, for this purpose, innovative analytical methods have to be developed as alternative to classical techniques, in order to allow the rapid and in real time monitoring of Vibrio in the coastal aquatic environments. In this context, the objective of the thesis was to design genosensors as analytical tools for Vibrio detection and quantification in aquatic ecosystems. In a first step, a system based on a « sandwich » hybridization format, in which nucleic acid targets were bound between an immobilized capture probe and a labeled signal probe, coupled with an optical detection method, was developed. After experimental condition optimization, the test showed high sensitivity with a limit of detection of 5 ng.µL-1 of nucleic acids and was highly specific to Vibrio spp. The method was then successfully applied to Vibrio detection in environmental samples collected in Salses-Leucate lagoon. A second hybridization format, based on a competition between the targeted nucleic acids and the capture probe for the signal probe has been considered using both optical and electrochemical transductions. Concurrently with the development of genosensors, quantitative real-time PCR have been designed as reference methods.

Les tensioactifs poly- et perfluoroalkylés (PFAS) sont des composés d’origine anthropique produits à partir des années 1950 et qui sont désormais considérés comme des polluants ubiquistes. La première partie de ce travail a consisté à optimiser et valider des procédures pour l’analyse ultra-trace des PFAS. Ces méthodes ont ensuite été utilisées afin d’apporter de nouveaux éléments de réponse sur l’occurrence et la dynamique des PFAS dans les environnements aquatiques. Une attention particulière a été accordée aux valeurs censurées (<LD). Dans les eaux de surface et les sédiments, à l’échelle nationale, le perfluorooctane sulfonate (PFOS) s’est avéré prédominant parmi les acides perfluoroalkylés (PFAA) considérés ; la fraction organique du sédiment est apparue un facteur de contrôle clé des teneurs sédimentaires. L’utilisation des cartes auto-organisatrices de Kohonen a facilité la synthèse des résultats et les comparaisons entre sites. A une échelle plus locale, ces travaux ont permis de cartographier la contamination sédimentaire d’un estuaire macrotidal et d’étudier les facteurs de contrôle de leur distribution. La dynamique spatio-temporelle des PFAS et leur transfert aux premiers maillons trophiques ont été évalués en milieu fluvial urbain (la Seine) et en milieu estuarien (la Gironde). La détermination des facteurs d’amplification trophique en estuaire de Gironde confirme le caractère bioamplifiable du PFOS et de certains PFAA à longue chaîne. Le dernier axe de ces travaux concernait la recherche de PFAS d’intérêt émergent zwittérioniques et cationiques ; des résultats préliminaires semblent dissiper les inquiétudes concernant leur potentiel de bioaccumulation. / Poly- and perfluoroalkyl surfactants (PFAS) are anthropogenic compounds that have been used sincethe 1950s in a variety of applications and that have emerged as ubiquitously distributed contaminants.The first aim of this work was to optimize and validate analytical procedures for the trace-leveldetermination of PFAS. These methods were then applied to various sets of environmental samples,providing new elements to document the occurrence and environmental fate of PFAS in aquaticecosystems. In terms of statistical analyses, a special care has been devoted to incorporate nondetects(data <LOD). In French surface waters and sediments, perfluorooctane sulfonate (PFOS) wasthe prevailing perfluoroalkylated acid (PFAA); sediment organic carbon fraction was a key controllingfactor of PFAS sedimentary levels. Kohonen self-organizing maps were used to highlight similaritiesand differences between sites, providing evidence for distinctive features, sometimes at watershedscale. A mapping of PFAS in sediments was established in a macrotidal estuary, along with theirpartitioning behavior in the water column. The spatio-temporal dynamics of PFAS and transfer to thefirst trophic levels were investigated in an urban freshwater hydrosystem (the Seine River) and in anestuarine environment (Gironde estuary). In the Gironde estuary, trophic magnification factors (TMF)were significantly >1 for PFOS and several long-chain PFAA, providing new evidence for theirbiomagnification. The last theme addressed in this work was the analysis of newly-identified cationicand zwitterionic PFAS ; preliminary evidence seem to dispel concerns about the bioaccumulationpotential of the latter.

Cette thèse s'intéresse aux modalités selon lesquelles les discours des politiques de l'eau influencent (ou non) les pratiques sociales, dans le contexte de la mise en œuvre d'un développement durable. À propos de la gestion des ressources en eau, elle interroge le statut de référentiel, souvent postulé, de cette notion. L'approche relationnelle définie par Claude Raffestin est mobilisée afin d'appréhender les enjeux de l'articulation entre les domaines de la connaissance et de la pratique. Il s'agit en effet de confronter les changements des discours internationaux à leurs traductions dans les politiques et les plans de gestion locaux, mais aussi dans les pratiques sociales des usagers de l'eau. Pour cela elle montre comment les relations fonctionnalistes liées à la mise en œuvre d'une gestion intégrale des ressources, dans le cadre d'un référentiel productiviste, semblent remises en cause. Puis elle caractérise les relations qui s'inscriraient dans un référentiel durable, c'est-à-dire des relations symétriques au sein d'hydro-socio-systèmes. Enfin elle confronte les discours à leurs mises en pratiques, à la fois dans les politiques de gestion des ressources en eau appliquées en France et en Espagne, et dans les pratiques quotidiennes des usagers des ressources en eau, tout particulièrement en agriculture, dans les bassins d'Adour-Garonne et du Segura. Les relations dominantes étudiées dans ces bassins amènent à conclure à la résilience du référentiel productiviste. Et la notion de développement durable s'avère trop équivoque pour correspondre à un changement de référentiel global associé à de nouvelles relations entre sociétés et ressources en eau.

Il est de plus en plus clair que nos écosystèmes sont liés les uns aux autres de façons multiples et parfois complexes. De plus en plus nous identifions de nouvelles façons dont deux systèmes échangent des ressources et de l’énergie. Le rôle de ces échanges et transferts est encore difficile à quantifier. Nous en savons relativement peu sur les interactions de ceux-ci avec des processus locaux et spatiaux, ainsi que sur leur importance relativement à ces processus locaux et régionaux plus connus. À travers ce projet, nous cherchons à éclaircir l’importance relative des subsides particulaires de feuilles (et particulièrement de leur stoechiométrie) sur les communautés littorales d’invertébrés benthiques. Nous avons récolté des invertébrés et des feuilles mortes sur 23 sites à travers 7 lacs relativement isolés de l’influence humaine et avons comparé l’influence de la stoechiométrie de ces subsides à l’influence de facteurs locaux de qualité de l’eau et de facteurs spatiaux. Les résultats suggèrent que l’importance de la qualité nutritive (i.e. stoechiométrie) est secondaire aux facteurs locaux de qualité de l’eau dans des milieux naturels. L’importance des subsides particulaires de feuilles semble être grandement dépendante du contexte et pourrait gagner en importance dans des contextes de fortes perturbations. Les résultats indiquent que la qualité nutritive des subsides de feuilles, leur contenu relatif en azote et phosphore, est associée avec de plus grande abondance de plusieurs taxons. La richesse spécifique n’étant pas affecté, c’est à travers l’équitabilité (i.e. une distribution des abondances plus stable) que la qualité nutritive des feuilles pourrait promouvoir une plus grande biodiversité d’invertébrés benthiques. / It is clear now, more than ever before, that our ecosystems are linked to one another in multiples and sometimes complex ways. The role of these exchanges and transfers is still hard to quantify. We know little of the interactions of these fluxes with local and spatial processes happening in ecosystems, as well as their relative importance compared to local and regional drivers of ecosystem functions and community structure. With this project, we aim to untangle the relative importance of particulate subsidies of leaves (and specifically their stoichiometry) on littoral communities of benthic invertebrates in lakes. We collected invertebrates and leaf litter on 23 sites across 7 lakes somewhat isolated from human influence and compared the influence of leaf litter stoichiometry to the influence of local water quality and spatial variables. Results suggest that nutritive quality of leaf litter (i.e. stoichiometry) is secondary to water quality. Importance of leaf subsidies appears to be context dependant and could gain in importance in systems with higher degrees of disturbances. Results that nitrogen and phosphorus content of leaf subsidies is associated with higher abundances of several taxonomic groups. Species richness being unaffected, it is through higher evenness (i.e. even distribution of abundances) that higher quality of leaves may promote higher biodiversity of benthic invertebrates.

Le but principal de cette thèse était d'étudier les caractéristiques de la matière organique dissoute (MOD) dans le bassin versant de la Seine. Ce travail a été réalisé dans le cadre du programme de recherche PIREN-Seine. Les travaux présentés ici visaient plus particulièrement à identifier les sources de MOD et à suivre son évolution dans les zones d’étude. L’analyse des propriétés optiques (UV-Visible, fluorescence) de la MOD, couplée aux traitements PARAFAC et ACP, a permis de discriminer différentes sources de MOD et de mettre en évidence des variations spatio-temporelles de ses propriétés. L’axe Seine, en aval de Paris, a notamment été caractérisé par l'activité biologique la plus forte. La MOD du bassin de l’Oise a montré des caractéristiques plus "humiques", tandis que le bassin de la Marne a été caractérisé par un troisième type spécifique de MOD. Il a d’autre part été mis en évidence la présence de MODs spécifiques dans chaque zone pour les échantillons prélevés en périodes d’étiage, alors qu’une distribution homogène des composants a été obtenue pour l’ensemble des échantillons prélevés en période de crue.Le rôle environnemental des colloïdes naturels étant étroitement lié à leur taille, il a d’autre part été développé une technique analytique/séparative originale pour l’étude de ce matériel complexe, un fractionnement par couplage flux/force avec flux asymétrique (AF4). Le fractionnement par AF4 des échantillons a confirmé la variabilité spatio-temporelle en composition et en taille de la MOD d'un site de prélèvement à un autre et a permis de distinguer différentes sources de MOD colloïdale confirmant les résultats de l’étude de ses propriétés optiques. / The main goal of this thesis was to investigate the characteristics of dissolvedorganic matter (DOM) within the Seine River catchment in the Northern part of France. ThisPhD thesis was performed within the framework of the PIREN-Seine research program. Theapplication of UV/visible absorbance and EEM fluorescence spectroscopy combined toPARAFAC and PCA analyses allowed us to identify different sources of DOM andhighlighted spatial and temporal variations of DOM properties. The Seine River wascharacterized by the strongest biological activity. DOM from the Oise basin seemed to havemore "humic" characteristics, while the Marne basin was characterized by a third specifictype of DOM. For samples collected during low-water periods, the distributions of the 7components determined by PARAFAC treatment varied between the studied sub-basins,highlighting different organic materials in each zone. A homogeneous distribution of thecomponents was obtained for the samples collected in period of flood.Then, a semi-quantitative asymmetrical flow field-flow fractionation (AF4) methodology wasdeveloped to fractionate DOM. The following optimized parameters were determined: across-flow rate of 2 ml min-1 during the focus step with a focusing time of 2 min and anexponential gradient of cross-flow from 3.5 to 0.2 ml min-1 during the elution step. Thefluorescence properties of various size-based fractions of DOM were evaluated by applyingthe optimized AF4 methodology to fractionate 13 samples, selected from the three sub-basins.The fluorescence properties of these fractions were analysed, allowing us to discriminatebetween the terrestrial or autochthonous origin of DOM.