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

Une étude inter-annuelle (2000-2003) de la distribution de l’abondance, la biomasse et la composition des espèces phyto-planctoniques couplée aux facteurs environnementaux et le méta zooplancton a été réalisée dans cinq bassins de la saline de Sfax avec un gradient de salinité croissant. Les résultats indiquent une similarité inter-annuelle concernant les caractéristiques physiques de l'eau à savoir la température et la salinité. Les concentrations des éléments nutritifs diminuent avec l'augmentation de la salinité. Nous avons enregistré une nette variation spatiale de la communauté phytoplanctonique. Ainsi, les diatomées dominent dans les premiers bassins A1, A16 et C2-1, suivies par les dino flagellés. Les chlorophycées dominent dans les bassins hypersalésM2 et TS. Les cyanobactéries ont été relativement abondantes dans les bassins M2 et TS. Les abondances et les biomasses phytoplanctoniques les plus élevées ont été enregistrées dans les bassins hyper salés dues à la prolifération de la chlorophycée Dunaliella salina. En raison de la stabilité des facteurs environnementaux,l'étude inter-annuelle de la succession du phytoplancton dans la saline de Sfax a montré des différences légères.Compte tenu du stress salin important, la communauté phytoplanctonique demeure au stade pionnier juvénile.Afin de mieux comprendre les interactions entre les paramètres abiotiques et biotiques, plusieurs analyses statistiques (Test de corrélation Pearson, ANOVA, ACP, Co- inerties….) ont été réalisées. Les relations entre les différents paramètres physiques, chimiques et biologiques au niveau du premier bassin à tendance marine A1 (de salinité 45 p.s.u) semblent être utile pour une modélisation écologique développée pour la saline de Sfax. Ce modèle mis au point a été développé en se basant sur la biomasse de la communauté phytoplanctonique en interaction avec les éléments nutritifs particulièrement l’azote et le phosphore. Une comparaison entre les résultats des simulations et les observations a montré que le modèle écologique a pure produire d’une manière satisfaisante la dynamique saisonnière et inter-annuelle du phytoplancton. Ainsi, les résultats du modèle écologique sont en concordance avec les observations. D’après les simulations, la diminution des concentrations des nutriments, ainsi que l’augmentation du débit d’entrée d’eau dans le bassin A1, entraînent une diminution de la biomasse phytoplanctonique. Cependant, et suite à un réchauffement climatique, une perturbation de la dynamique de la biomasse phytoplanctonique pourrait être observée. De plus, les simulations montrent qu’une année de faible pluviométrie accélère les efflorescences du phytoplancton. Le modèle établi dans la présente étude donne de nouvelles perspectives pour simuler des combinaisons entre les scénarii qui peuvent être dépendants. / The distribution of phytoplankton abundance, biomass and species composition coupled withenvironmental factors and metazooplankton was studied relatively intensively and over a period of fourconsecutive years in five ponds featuring a gradient of increasing salinity from near to that of sea water to a ninefoldconcentration from 2000 to 2003. The results indicate that the physical characteristics of the water(temperature and salinity) were quite similar over the years. The concentrations of nutrients decreasewith increasing salinity. The diversity of the phytoplankton community revealed a spatial variation. Thusdiatoms dominated in the first ponds A1, A16 and C2-1, followed by dinoflagellates. The Chlorophyceaedominated the hypersaline ponds M2 and TS. Cyanobacteria were relatively abundant in ponds M2 and TS. Thehighest phytoplankton abundances and biomasses were recorded in the hypersaline ponds, resulting from theproliferation of the Chlorophyceae Dunaliella salina. As a result of the stability of the environmental factors, theinter-annual study of the phytoplankton succession in the solar saltern of Sfax, revealed slight differences. Giventhe importance of salt stress the phytoplankton community remains in juvenile stage.To better understand the interaction between abiotic and biotic parameters, many statistical analyses(Pearson correlation test, ANOVA, PCA, Co-intertia….) were performed. The determination of the relationshipbetween physical, chemical and biological parameters in the first marine pond A1 (salinity: 45 p.s.u) appears tobe useful for the development of an ecological model of the solar saltern of Sfax. This model has been developedon the basis of the biomass of the phytoplankton community in relation with nitrogen and phosphorous nutrients.A comparison between simulation results and observations indicated that the ecological model was able toproduce a satisfactory seasonal and inter-annual phytoplankton dynamics. Thus, the results of the ecologicalmodel were in accordance with the observations. According to the simulations, the decrease of nutrientconcentrations and the increase of the water inflow into the pond A1, cause a decrease in phytoplankton biomass.Due to climate change, the disturbance of the dynamics of phytoplankton biomass was observed. Especially, thesimulations predict acceleration of phytoplankton blooms due to dry year. Finally, the model developed in thisstudy gives new insights in order to simulate a combination of independent scenarii.

L’utilisation des plantes aquatiques comme indicateurs de la qualité des eaux de rivière a débuté dès le XXème siècle. Parmi les macrophytes utilisés, le myriophylle à fleurs alternes, Myriophyllum alterniflorum a démontré dans plusieurs études sa capacité bioaccumulatrice des métaux et son intérêt en tant que bioindicatrice de qualité de l’eau. L’objectif de cette étude est d’identifier chez cette espèce des biomarqueurs sensibles pour la détection précoce de pollution d’une rivière par un métal, le cuivre et un métalloïde, l’arsenic. Pour atteindre cet objectif, un milieu synthétique dont la composition est représentative de la qualité des eaux de la rivière Vienne, a été préparé (milieu Vienne). Une fois les conditions opératoires maîtrisées, le développement du macrophyte est suivi dans trois milieux : un milieu témoin, un milieu contaminé en cuivre et un autre en arsenic avec des concentrations d’exposition au polluant de 100 µg/L pendant 21 jours. Durant cette période, des biomarqueurs physiologiques (activités respiratoires et photosynthétiques, potentiel osmotique), biochimiques (les concentrations en chlorophylle a, b et en caroténoïdes, les teneurs en malondialdéhyde, les phytochélatines) ont été analysés. Ces suivis ont été réalisés en système fermé dans des boites de culture de 400mL in vitro en tenant compte de la trophie du milieu (condition eutrophe et oligotrophe), puis en système recirculé dans des aquariums de 150 L, toujours dans le milieu Vienne, mais cette fois en se plaçant dans différentes conditions hydrodynamiques (zones turbulente, laminaire à une vitesse de 3 cm/s et calme). / Alternate watermilfoil, Myriophyllum alterniflorum is an aquatic macrophyte presented in the rivers of the Limousin region in France whose potential for bioindication of metal pollution has been demonstrated. The objective of this study is to identify in this species sensitive biomarkers for the early detection of pollution in a river by a metal copper, and a metalloid, arsenic. To achieve this goal, a synthetic medium whose composition is representative of the water quality of the river Vienne, was prepared (Vienne medium). The composition of the medium studied is verified by ICP-MS and ion chromatography (IC). The development of the macrophyte was followed in a control medium, a copper contaminated medium and another contaminated with arsenic at a concentration of 100 µg/L for 21 days. During this period, the respiratory and photosynthetic activities of Myriophyllum alterniflorum, the concentrations of chlorophyll a, b and carotenoids, levels of malondialdehyde, osmotic potential, and phytochelatins were recorded. This monitoring has been made in a closed system (400mL culture boxes) taking into account the trophy of the medium (eutrophic and oligotrophic conditions), and then in a recirculating system (aquariums of 150 L) taking into account the hydrodynamic conditions (turbulent, laminar and quiet areas).

Les eaux traitées rejetées par les stations de traitement des eaux usées (STEU) et les effluents d’élevages sont à l’origine de contaminations des milieux aquatiques et des sols agricoles par des micro-organismes fécaux d’origines humaine et animale. Les eaux contaminées, et en particulier les eaux de baignade, peuvent présenter un risque sanitaire pour les humains si les concentrations en micro-organismes fécaux sont élevées, indiquant la présence potentielle de souches pathogènes et/ou résistantes aux antibiotiques. Les sols et les productions végétales peuvent également être contaminés par ces micro-organismes fécaux lors de l’épandage d’eaux traitées de STEU recyclées pour l’irrigation des cultures. Il est donc obligatoire de contrôler la qualité microbiologique des eaux de baignade et des eaux traitées de STEU pour limiter les risques sanitaires.D’un point de vue réglementaire, les contrôles de la qualité microbiologique des eaux traitées et des eaux de baignade sont basés sur la quantification de deux indicateurs bactériens de contamination fécale que sont les Escherichia coli (E. coli) et les entérocoques intestinaux (EI). Cependant, les méthodes disponibles actuellement présentent un voire plusieurs des inconvénients suivants : temps de réponse élevé, coût important, complexité de mise en œuvre, utilisation ex-situ, analyse d’un seul indicateur.Pour pallier ces inconvénients, le premier objectif de la thèse a été la mise au point d’une méthode de détection ampérométrique des E. coli et des EI, via la mesure d’activités enzymatiques spécifiques à l’aide de capteurs sérigraphiés à usage unique. Le travail réalisé a mis en évidence que la méthode ampérométrique permet d’obtenir des dénombrements en E. coli et en EI comparables à ceux obtenus avec les méthodes normalisées ISO 9308-3 et 7899-1 lors de l’analyse d’échantillons d’eaux traitées de STEU tout en offrant un temps d’analyse beaucoup plus court (en 4 à 6 h contre 36 à 72 h). De plus, l’application de la méthode à l’analyse d’échantillons d’eaux de baignade a permis de montrer que, contrairement aux 36 h minimum nécessaires avec les méthodes normalisées, la détection ampérométrique permet de déterminer en seulement 7 h si les échantillons respectent les normes de qualité sanitaires pour les eaux de baignade.Dans un second temps, une méthode de quantification ampérométrique des souches d’E. coli producteurs de β-lactamase à spectre étendu (BLSE) a été mise au point et appliquée à l’analyse d’échantillons d’eaux de STEU. Les résultats ont montré que les dénombrements ampérométriques obtenus en seulement 4 - 5 h étaient très proches de ceux fournis par une méthode de dénombrement sur milieux de culture sélectifs après un délai de 24 h. De plus, ce travail a permis de confirmer le rejet de souches productrices de BLSE par la majorité des STEU et ce, qu’elles reçoivent ou non des effluents hospitaliers.En conclusion, la méthode de détection ampérométrique des E. coli et des EI proposée autorise une détermination plus rapide de la qualité sanitaire des eaux traitées de STEU et des eaux de baignade que les méthodes normalisées qui servent actuellement de références. De plus, la détection et le dénombrement de souches d’E. coli producteurs de BLSE dans les eaux de STEU permet d’évaluer leur impact dans la dissémination environnementale de souches résistantes aux antibiotiques. L’avenir des outils électrochimiques étant prometteur, la poursuite de ce travail consistera à développer un dispositif d’analyse portable pour des applications sur le terrain. / Treated wastewaters discharged from wastewater treatment plants (WWTP) and livestock effluents are the main sources of contamination of aquatic environments and of agricultural soils by human and animal fecal micro-organisms. Contaminated waters, especially bathing waters, may present a sanitary risk for humans if the concentrations of fecal micro-organisms are high, thus indicating the potential presence of pathogenic and/or antibiotic resistant strains. Soils and crops also can be contaminated by these micro-organisms when treated wastewaters are used to irrigate cultivated soils. Consequently, microbiological quality controls are mandatory for bathing waters and treated wastewaters to manage and limit sanitary risks.According to the regulation, the microbiological controls of treated wastewaters and bathing waters rely on the quantification of two fecal indicator bacteria: Escherichia coli (E. coli) and intestinal enterococci (IE). However, the methods currently available have one or more of the following disadvantages, i. e. long response time, high cost, complexity of implementation, ex-situ use, analysis of a single indicator.To overcome these disadvantages, the first objective of the thesis was the development of an amperometric method for the detection of E. coli and IE, via the measurement of specific enzymatic activities using single-use screen-printed sensors. It was demonstrated that the amperometric method allowed to enumerate E. coli and IE in treated wastewaters samples and that the results were comparable to those obtained with the ISO 9308-3 and 7899-1 standardized methods, while offering a much shorter analysis time (in 4 to 6 h against 36 to 72 h). Moreover, the application of the amperometric method to the analysis of bathing water samples showed that contrary to the minimum 36 hours required with standardized methods, the amperometric detection provided answers regarding the sanitary quality standards for bathing waters within only 7 hours.Then in a second time, we developed an amperometric method to quantify extended-spectrum β-lactamase (ESBL)-producing E. coli in wastewaters samples. The results showed that amperometric counting obtained in only 4 - 5 h were very close to those provided by the enumeration on selective culture medium obtained after a delay of 24 h. In addition, this work confirmed the release of ESBL-producing strains by most of WWTP, whether or not they received hospital effluents.In conclusion, the proposed amperometric method to detect E. coli and IE provided more rapidly results regarding the sanitary quality of treated wastewaters of WWTP and bathing waters than the standardized methods currently used as references. Moreover, the amperometric detection and enumeration of ESBL-producing E. coli in the wastewaters of WWTP allowed to monitor their role in the environmental dissemination of antibiotic-resistant strains. Owing to the advantages of the developed electrochemical tools, further work will consist in developing a portable analysis device for field applications.

Parmi les substances polluantes, les perturbateurs endocriniens (PE) sont au coeur des préoccupations scientifiques en raison du risque de ces composés pour l'environnement, et en particulier les écosystèmes aquatiques. L'étude de la disponibilité et de l'impact des PE sur les vertébrés aquatiques, en particulier les poissons, a fait l'objet de nombreux projets et publications. Ces travaux ont conduit au développement d'outils de diagnostic pouvant être utilisés in situ, comme par exemple l'induction de la vitellogénine (Vg) chez les mâles, l'inhibition de la croissance ovarienne et testiculaire, le retard dans la maturité sexuelle, la présence d'individus intersexués et les concentrations anormales en hormones stéroïdiennes. En revanche, peu d'attention a été portée aux invertébrés qui représentent pourtant plus de 95 % des espèces animales et jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement et la santé des écosystèmes aquatiques. Par conséquent, il en résulte un manque d'outils spécifiques de la perturbation endocrinienne chez ces espèces. Dans ce contexte, le travail proposé se focalise tout d'abord sur l'intérêt et la pertinence de la spectrométrie de masse (LC-MS/MS) pour développer ou transférer entre espèces une méthode de mesure de la Vg chez les invertébrés, incluant les crustacés, les mollusques et les insectes. Ensuite, ce travail s'est intéressé à un crustacé amphipode modèle (Gammarus fossarum) et avait pour objectifs (1) de développer le biomarqueur Vg, via la validation de son rôle fonctionnel dans la reproduction (vitellogenèse, embryogenèse et différences inter-sexe), de sa sensibilité à des composés modèles et jusqu'à son utilisation dans le cadre d'études de terrain à l'aide d'organismes encagés et (2) de développer l'utilisation d'une approche chez la femelle permettant de caractériser le potentiel PE de composés et des systèmes aquatiques, à partir de l'étude de marqueurs individuels / Among pollutants, endocrine disruptors (ED) are in central scientific preoccupation because of the risks of these compounds to the environment, in particular for aquatic ecosystems. The availability and impact study of ED on aquatic vertebrates, in particular fishes, was the subject of many projects and papers. These studies led to the development of diagnostic tools, such as vitellogenin (Vg) induction in male organisms, inhibition of ovarian and testicular growth, delayed sexual maturity, presence of intersex individuals and abnormal concentrations of steroid hormones. However, little attention was paid to invertebrates which account for more than 95% of animal species and play an essential role in functioning and health of aquatic ecosystems. Therefore, the result is a lack of specific tools for endocrine disruption assessment in these species. In this context, the proposed work focuses first on the interest and relevance of mass spectrometry (LC-MS/MS) to develop and to transfer among species a method for measuring Vg in invertebrates species, including crustaceans, molluscs and insects. Then, this work has focused on a model amphipod crustacean (Gammarus fossarum) and aims were (1) to develop the Vg biomarker, through the validation of its functional role in reproduction (vitellogenesis, embryogenesis and inter-sex differences), its sensitivity towards model compounds and to its use in field monitoring, using caged organisms and (2) develop a biotest in the female to assess the ED risk of chemical compounds and aquatic systems, by studying and measuring individual markers

Les zones humides (ZH) alluviales constituent des secteurs à forte valeur écologique etpatrimoniale. Pour comprendre et prédire l’évolution à long terme de ces zones, en particulierface aux changements globaux, il apparaît primordial de traduire les perturbationshydrologiques attendues en termes de perturbations biologiques, afin d'estimer lesconséquences potentielles de ces changements pour la biodiversité et le fonctionnement globalde ces écosystèmes. Cette thèse s’articule donc autour de deux objectifs: proposer un modèleconceptuel de fonctionnement écologique des ZH soumises à des assèchements saisonniers etestimer la vulnérabilité écologique de communautés faunistiques vivant dans ces ZH, enconsidérant conjointement les peuplements benthiques et interstitiels (principalementCrustacés).Nos résultats démontrent que la morphologie des ZH (eau relativement courante, eaustagnante, apports phréatique) et leurs modes d’assèchement (formation de mouilles isoléesou assec complet) sont essentiels dans la structuration des communautés microbiennes etd’invertébrés et dans la réponse saisonnière de la biodiversité et des processus écologiques.L’intensification probable des étiages et des assèchements augmentera l’hétérogénéité spatialeet temporelle des habitats et leur richesse spécifique mais réduira la biodiversité globale desplaines alluviales (disparition des espèces rares). Ces étiages plus sévères modifieront lesprocessus écologiques, diminuant le recyclage de la matière organique et la qualité des eauxsuperficielles. Les recherches futures devraient s’orientées vers des stratégies et des moyensefficaces pour garantir la durabilité écologique des ZH. / Alluvial wetlands offer many ecological goods and services. In order to evaluate thelong term impact of global changes, it appeared essential to translate the hydrological changesin term of biological perturbation, so as to estimate the consequences on biodiversity andecosystem functioning. This PhD thesis focuses on two points: to propose a conceptual modelof ecological functioning of the wetlands that are subjected to seasonal drying and to estimatethe ecological vulnerability of aquatic invertebrate communities of the wetlands facing theincreasing drought risk, by considering both the benthic and interstitial assemblages (with aparticular interest on Crustaceans).Our main results demonstrate that wetlands’ morphology (running water, groundwaterupwelling, stagnant water) and their drying modalities (formation of isolated pools orcomplete drying) influence both the microbial and invertebrate community structures andcontrol the seasonal responses of biodiversity and ecological processes. The potential increasein the low flow period and drying intensity may increase the spatial and temporalheterogeneity of habitats and their specific richness but may decrease the global biodiversityof floodplain (rarefaction of sensible species). Severe low flow periods may also disturb theirecological functioning, reducing the organic matter recycling and the surface waters quality.Future studies should develop efficient strategies to support the ecological durability ofwetlands.

Les modifications environnementales qui affectent aujourd'hui les milieux marins recouvrent des problématiques scientifiques et sociétales majeures, d'autant que ces changements devraient s'accélérer au cours du 21ème siècle. Comprendre et anticiper la réponse de la biodiversité marine à ces changements représente un enjeu scientifique d'actualité. Les approches biogéographiques et macroécologiques constituent un cadre scientifique dans lequel il est possible d'étudier, de décrire, et de comprendre les motifs de distribution des espèces à large échelle et d'estimer leur évolution possible face aux changements environnementaux. C'est notamment le cas dans l'océan Austral où les effets du changement climatique se font déjà sentir et où les modifications environnementales associées pourraient avoir des effets profonds sur la structure et le fonctionnement des écosystèmes. Malgré de récents efforts d'échantillonnage, nos connaissances sur la distribution des espèces dans l’océan Austral comptent encore de nombreuses lacunes attribuables au caractère récent des découvertes, à l'isolement et à l'éloignement de cet océan d'accès difficiles. Dans ce contexte, les objectifs de cette thèse consistaient à mieux comprendre les motifs de distribution d'espèces à l’échelle de l’océan Austral, à mettre en évidence les facteurs qui en sont à l’origine et enfin, à évaluer l’impact du changement climatique sur leur distribution. Pour cela, différents types de modèles de niche écologique (MNE) ont été employés. Les échinides (oursins), organismes communs des communautés benthiques de l’océan Austral ont servi de modèle d'étude pour ce travail. / Current environmental changes, which impact marine environments, cover major scientific and societal issues, especially as these environmental changes are expected to accelerate along the 21st century. Understanding and forecasting the response of marine biodiversity to these changes is a pregnant scientific issue. Biogeographic and macroecological approaches provide a scientific framework for that purpose. They allow describing and understanding species distribution patterns at large spatial scale as well as estimating their potential shift with regards to environmental change. This is particularly true in the Southern Ocean, where the effects of climate change are already occurring and where environmental changes could have a deep and manifold impact on the structure and functioning of marine ecosystems. Despite recent sampling efforts, our knowledge of the Southern Ocean species distributions still faces many shortcomings due to the rather recent discovery of this ocean, its isolation and remoteness along with difficult access conditions. In this context, the aims of this thesis are to better understand the factors that drive species distribution patterns at the Southern Ocean scale, and to assess the impact of climate change on their distribution. For this purpose, different types of Species Distribution Models (SDM) have been used. Echinoids (sea urchins), which are common organisms of benthic communities in the Southern Ocean, have been used as a biological model for this work.

L'exploration des bases de données temporelles à l'aide de méthodes de fouille de données adaptées a fait l'objet de nombreux travaux de recherche. Cependant le volume d'informations extraites est souvent important et la tâche d'analyse reste alors difficile. Dans cette thèse, nous présentons des méthodes pour synthétiser et filtrer l'information extraite. L'objectif est de restituer des résultats qui soient interprétables. Pour cela, nous avons exploité la notion de séquence partiellement ordonnée et nous proposons (1) un algorithme qui extrait l'ensemble des motifs partiellement ordonnés clos; (2) un post-traitement pour filtrer un ensemble de motifs d'intérêt et(3) une approche qui extrait un consensus comme alternative à l'extraction de motifs. Les méthodes proposées ont été testées sur des données hydrobiologiques issues du projet ANR Fresqueau et elles ont été implantées dans un logiciel de visualisation destiné aux hydrobiologistes pour l'analyse de la qualité des cours d'eau. / Exploring temporal databases with suitable data mining methods have been the subject of several studies. However, it often leads to an excessive volume of extracted information and the analysis is difficult for the user. We addressed this issue and we specically focused on methods that synthesize and filter extracted information. The objective is to provide interpretable results for humans. Thus, we relied on the notion of partially ordered sequence and we proposed (1) an algorithm that extracts the set of closed partially ordered patterns ; (2) a post-processing to filter some interesting patterns for the user and (3) an approach that extracts a partially ordered consensus as an alternative to pattern extraction. The proposed methods were applied for validation on hydrobiological data from the Fresqueau ANR project. In addition, they have been implemented in a visualization tool designed for hydrobiologists for water course quality analysis.

L’eutrophisation et le réchauffement climatique sont reconnus comme des forçages majeurs du fonctionnement des lacs. Toutefois les connaissances concernant la réponse des communautés microbiennes eucaryotes à ces forçages sont encore très lacunaires, alors même que les microbes eucaryotes, porteurs d’une vaste diversité taxonomique et fonctionnelle, sont des acteurs clés des réseaux trophiques lacustres. La pertinence des approches paléolimnologiques pour comprendre les impacts de ces forçages sur les communautés lacustres n’est plus à démontrer, mais aujourd’hui l’intégration des outils moléculaires pour analyser l’ADN archivé dans les sédiments offre des opportunités nouvelles pour reconstituer la dynamique passée de la biodiversité lacustre. Dans ce cadre, en s’appuyant sur le couplage entre paléolimnologie et outils de séquençage massif appliqués à l’ADN sédimentaire, ces travaux ont pour but (i) d’apporter des connaissances concernant la préservation de l’ADN des microbes eucaryotes dans les sédiments lacustres (ii) d’appliquer l’approche de paléogénétique sur des carottes sédimentaires issues de 3 lacs pour révéler la dynamique à long terme (de la décennie au millénaire) des microbes eucaryotes en lien avec l’évolution des conditions climatiques et anthropiques. Les résultats acquis sur le lac du Bourget ont permis de mettre en évidence l’efficacité d’archivage de l’ADN planctonique dans les sédiments récents pour la plupart des groupes eucaryotes (notamment chrysophycées, chytrides, chlorophytes, cercozoaires, ciliés, dinophycées). A partir d’une collection de carottes (issues du lac suédois Nylandssjön), l’effet de la diagénèse s’opérant au cours des premières années d’enfouissement a été évalué, permettant de démontrer que si la richesse taxonomique n’est pas impactée, des variations peuvent être détectées dans la structure de la communauté au cours des 10 premières années d’archivage avec une stabilisation du signal au-delà de cette période. L’approche paléogénétique a, en parallèle, été déployée d’une part à l’échelle du siècle sur deux lacs de même typologie mais ayant subi des niveaux d’eutrophisation contrastés, et d’autre part à une échelle temporelle plus longue (2200 ans) pour deux lacs de typologie contrastée (lac du Bourget, France et Igaliku, Groenland). Les résultats acquis démontrent que des réarrangements des communautés s’opèrent de manière concomitante aux périodes climatiques (réchauffement médiéval, petit âge glaciaire, réchauffement récent), et que le réchauffement climatique au cours des 30 dernières années a plus particulièrement favorisé certains groupes, notamment la richesse et l’abondance des dinophycées (en condition non eutrophe ; lac d’Annecy et du Bourget). Toutefois l’effet de l’eutrophisation est identifié comme le facteur le plus structurant, notamment dans le lac du Bourget (cas d’eutrophisation marquée, ~120 µgP.L-1). La forte influence du niveau d’eutrophisation est détectée sur la communauté eucaryote totale et plus particulièrement sur des groupes spécifiques tels que les chlorophytes et les ciliés. Les réarrangements majeurs de la communauté sont par ailleurs marqués par la mobilisation de taxons rares dans l’assemblage microbien eucaryote suggérant le rôle de la biosphère rare dans la capacité tampon des écosystèmes. Ces travaux pluridisciplinaires comptent parmi les premières études paléogénétiques appliquées aux microbes eucaryotes lacustres, contribuant de manière inédite aux connaissances de leur dynamique temporelle à long terme. Ces études tendent à confirmer le potentiel de ces approches pour reconstituer une vaste diversité de communautés lacustres. Les perspectives qui se dessinent dans la continuité de ces travaux concernent à la fois des aspects méthodologiques autour de la calibration du signal ADN archivé et la nécessité de déployer cette approche pour des lacs (sélectionnés) de typologies et histoires écologiques variées. / Eutrophication and climate warming are key factors governing lake functioning. However, there is a lack of knowledge about the response of microbial eukaryotic communities to these forcing factors even though microbial eukaryotes represent a huge taxonomic and functional diversity within lacustrine trophic networks. Paleolimnology has a well-established reputation for providing valuable insights into the drivers of biological assemblages over long time scales. The emergence of DNA analyses of lake sediments opens up many new opportunities for the reconstruction of past lacustrine biodiversity, including taxa that do not leave distinct morphological fossils. The present work aimed (i) to gain knowledge about the preservation of microbial eukaryotes DNA in lacustrine sediments (ii) to apply DNA-based methods to dated sediments in order to reveal the long-term dynamics (centennial to millennial) of microbial eukaryotes related to climatic and anthropogenic changes. The results obtained for Lake Bourget demonstrated the good efficiency of planktonic DNA archiving in recent sediments for most of microbial groups (chrysophyceae, chytrids, chlorophytes, cercozoa, ciliates, dinophyceae …). In complement, the use of a unique collection of freeze cores of varved sediment (Lake Nylandssjön, Sweden) allowed to assess the effects of diagenetic processes on microbial eukaryotes DNA occurring during the first years of burying. While the richness of the microbial eukaryotic community was not impacted, modifications were detected on the community structure during the first 15 years after deposition, then the DNA signal became stable. The paleoecological approach was applied to quantify centennial to millennial-scale dynamics on two deep peri-alpine lakes selected for their contrasted trophic history (lakes Bourget and Annecy, France) and two lakes with contrasted typologies (Lake Bourget, France and Lake Igaliku, Greenland). The results showed that some community rearrangements were concomitant with climate events (i.e. medieval warming, little ice age, recent warming) and that the recent climatic warming (over the last 30 years) favored more particularly some microbial groups including the dinophyceae (in terms of richness and relative abundance, in lakes Annecy and Bourget). However, the eutrophication seemed to prevail as a driver of these biological assemblages, in particular for Lake Bourget submitted to a marked eutrophication (up to 120 µg P. L-1 in the 1970s). The strong impact of the eutrophication was detected both at the whole community level and for specific groups such as chlorophytes and ciliates. Major rearrangements within eukaryotes community were also marked by the mobilization of rare taxa suggesting an important role of the rare biosphere as a reservoir of diversity to buffer the impacts of environmental stress. This multidisciplinary work thus provide new insights into the long-term dynamics of microbial eukaryotes communities. Our results confirm the potential of the application of high-throughput sequencing to sedimentary DNA for the lacustrine biodiversity reconstruction. Although these approaches are promising for further revolutionizing our understanding of long-term ecological dynamics, careful calibration studies are still to be conducted, as with any paleolimnological proxy. The generalization of our results is also to be tested using a sufficient number of lakes selected for their specific typologies and ecological histories (multi-lakes approach).

Durant les 20 dernières années d'anciens bras latéraux du Rhin ont été restaurés par reconnexion au cours principal. L'objectif de cette thèse est d'évaluer l'efficacité de la restauration et de vérifier si l'écosystème aquatique a retrouvé sa fonctionnalité. Les communautés végétales aquatiques sont utilisées ici comme indicateurs de ces changements. De nombreux facteurs ont été mesurés : les communautés végétales, leurs traits biologiques, les flux et stocks de diaspores, la chimie de l'eau, du sédiment et des plantes, l'hydro-géomorphologie. Cette étude a été menée dans 9 sites restaurés et 3 sites de référence. Trois communautés végétales ont été identifiées : une "eutrophe", une "mésotrophe", et une "rhéophile". La composition de ces communautés est liée aux conditions physiques et trophiques, et aux flux de diaspores. Les reconnexions ont permis aux sites restaurés de retrouver des communautés et une fonctionnalité écologique semblables à celles des sites de référence. / During the last 20 years, side channels of the Rhine have been reconnected to the main course. The objective of this thesis is to assess the efficiency of restoration and the recovery of the ecosystems functionality. The aquatic plant communities were used as indicators of changes. Many factors were monitored: plant communities, their biological characteristics, flux and bank of propagules, the chemistry of water, sediment and plants, hydro-geomorphology. This study was conducted in 9 restored sites and 3 reference sites. Three aquatic plant communities were identified: eutrophic, mesotrophic and rheophilic. The composition of these communities is first linked to physical conditions and second to trophic level, together with flux of propagules. Reconnections allowed the restored sites to exhibit communities and ecological functioning similar to reference sites, in a relatively short time.