A suite of biomarkers was developed using the crab Carcinus maenas and the mussel Mytilus edulis as test organisms. The ability of the biomarkers to differentiate amongst the major toxic components and to indicate the concentration of chemical mixtures was evaluated in the laboratory. Biomarkers were also applied in a field trial and their potential to monitor environmental water quality in a chemically contaminated estuary investigated. The results from the biomarker assays were compared with and validated against two commonly used toxicity tests (Tisbe battagliai LC-50, and Microtox®). Novel methods for recognising patterns of biomarker responses were developed and assessed. The most sensitive and reliable biomarker assays investigated were neutral red retention time in crabs and mussels and heart rate and glutathione-S-transferase activity in crabs. Effects were observed at environmentally realistic concentrations; for example lysosomal enlargement was observed in mussels exposed to a complex mixture containing chemicals at environmental quality standard concentrations. Exposure concentrations required to illicit biomarker responses were similar to toxicity test EC-50 values. The ease of interpretation and clarity of the results was enhanced when data from suites of biomarkers were pooled and analysed using multivariate statistical techniques (multidimensional scaling and cluster analysis). Multivariate analysis differentiated amongst mixtures containing solely organic chemicals, metals and metal and organic chemical mixtures. Exposure response relationships to complex mixtures were established for some of the individual biomarkers tested (crab heart rate and gill metallothionein) and also for suites of biomarkers when multivariate analysis was carried out. In the field biomarkers, in both transplanted and indigenous animals, were able to differentiate between clean and contaminated sites and indicate a pollution gradient along the Tees Estuary. This was not achieved using toxicity tests. The results were displayed clearly using multivariate analysis, enhancing the power of biomarkers as monitoring tools.

Les pesticides utilisés pour protéger les plantes des insectes nuisibles constituent une menace pour les organismes non cibles tels que les vers de terre. En raison de leur activité de bioturbation de sol, les vers de terre sont en contact direct avec les particules et les micro-organismes du sol, ainsi qu'avec les polluants, notamment les pesticides. L‘objectif de ce travail est d‘étudier (1) l‘effet d‘un organophosphoré (OP) «éthyl-parathion» sur la sensibilité de deux espèces de vers de terre endogés, Aporrectodea caliginosa et Allolobophora chlorotica; et (2) le rôle du microbiote intestinal, en synergie avec les voies de détoxification du ver de terre, dans la tolérance ou la détoxification des pesticides. Dans la première partie, les réponses biochimiques et comportementales ont montré que A. caliginosa est plus sensible à l'exposition à «l‘éthyl-parathion» que A. Chlorotica. Les résultats portent sur l‘analyse de biomarqueurs physiologiques (poids), biochimiques (AChE, CbEs, GST) et comportementaux (production de turricules et activité de creusement). Nous avons montré que la sensibilité de A. caliginosa semble liée à la sensibilité intrinsèque de l‘AChE à «l‘éthyl-parathion». De plus, le rôle des carboxylestérases, capables de piéger les insecticides OP, ainsi que le rôle de détoxification des GST notamment, ne semblaient pas être des mécanismes efficaces impliqués dans la tolérance de A. chlorotica. Dans la deuxième partie, nous avons caractérisé, en présence ou non d‘insecticide, le microbiote dans le sol ingéré, les turricules et les intestins des 2 vers de terre. Nos résultats ont montré des différences dans la composition microbienne de ces compartiments. A cet égard, nous avons suggéré que chacune de ces espèces hébergent un microbiote spécifique de l‘espèce dans leur intestin. Nos résultats ont notamment montré que l‘intestin du ver de terre agit comme un «filtre biologique» pour les communautés microbiennes ingérées lors du passage dans l‘intestin. A ce niveau, nous avons identifié, au niveau bactérien, quatre genres dominants dans l'intestin de A. caliginosa et deux genres dominants dans l'intestin de A. chlorotica. Nous avons notamment identifié une souche de Rhodococcus, très abondante dans l'intestin de A. chlorotica. Des études ont montré que des souches de Rhodococcus peuvent dégrader certains groupes de pesticides. Nous suggérons que la présence de cette souche pourrait contribuer à la tolérance de A. chlorotica. Enfin, nous avons montré que l‘effet de l‘éthyl-parathion sur les activités enzymatiques du sol dépend principalement de la texture du sol et non pas de la présence et/ou de l‘espèce de ver de terre.Selon nos conclusions, il est extrêmement important d'inclure plus d'une espèce pour évaluer la toxicité des insecticides organophosphorés, en raison des différences interspécifiques pouvant se produire au sein d'une même catégorie écologique. De plus, l'identification et l'analyse fonctionnelle des micro-organismes présents au niveau de l‘intestin et susceptibles d'intervenir dans la détoxication des pesticides permettraient d‘améliorer nos connaissances sur le devenir du pesticide dans l'organisme et pourraient constituer un outil important dans les programmes de bioremédiation. / Pesticides used to protect plants from pests, threat grievously non-target organisms such as earthworms. Due to their feeding and burrowing activities, earthworms are in direct contact with soil particles and microorganisms, as well as pollutants including pesticides. This work investigated (1) the effect of an organophosphate “ethyl-parathion” on the sensitivity of two endogeic earthworms’ species, Aporrectodea caliginosa and Allolobophora chlorotica; and (2) the role of the gut-microbiota, in synergy with the earthworm’s detoxification pathways, in pesticide tolerance or detoxification. In the first part, biochemical and behavioral responses showed that A. caliginosa is more sensitive to “ethyl-parathion” exposure than A. chlorotica. The endpoints measured ranged from physiological (weight), biochemical (AChE, CbEs, GST) to behavioral biomarkers (cast production and burrowing activity). Our findings showed that the sensitivity of A. caliginosa could be mainly due to the intrinsic sensitivity of its AChE to “ethyl-parathion”. The role of the carboxylesterases, acting as bioscavenger of OP, and the role of the detoxifying enzymes GST did not appear to be efficient mechanisms involved in A. chlorotica tolerance. In the second part, we aimed to characterize the microbiome within the ingested soil, the cast and the gut tissue of A. caliginosa and A. chlorotica in control or polluted soils. Our results showed differences in the microbial composition between these compartments. In this line, we suggested that these two earthworms’ species harbor a species-specific microbiome in their gut. In particular, our findings showed that the earthworm’s gut acts as a “biological filter” for ingested microbial communities during the gut passage. At the level of the gut, we identified four dominated genus within the gut of A. caliginosa versus two dominated genus in the gut of A. chlorotica. Notably, we identified a Rhodococcus strain, which is highly abundant in the gut of A. chlorotica. Previous studies reported Rhodococcus strains for their ability to degrade some group of pesticides. We suggest that the presence of this strain could contribute to the tolerance of A. chlorotica. Finally, we showed that the effect of ethyl-parathion on soil enzyme activities mainly depend on soil texture rather than the presence and/or the species of earthworms. According to our findings, it is of considerable importance to include more than one species to assess toxicity from organophosphorus insecticides, due to the interspecific differences that can occur within the same ecological category. Moreover, the identification and the functional analysis of the microorganisms found in the earthworm’s gut and able to intervene in pesticide detoxification could enhance our knowledge about the fate of the pesticide inside the organism, and could be an important tool for bioremediation program.

Dans notre étude, la biosurveillance de la lagune de Tunis a été réalisée durant une année enemployant une approche combinant les analyses chimiques et biologiques et en utilisant lapalourde Ruditapes decussatus comme espèce bioindicatrice. Cette approche a permis demettre en évidence la forte contamination de la lagune de Tunis par les métaux traces et leshydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs). La variation saisonnière des niveaux debioaccumulation de ces contaminant par la palourde s’avère être fortement associée auxchangements des paramètres physico-chimiques du milieu et aux processus physiologiques del’animal. L’étude de la réponse biologique basée sur l’utilisation d’une batterie debiomarqueurs d’exposition et d’effet situés à différents niveaux de l’organisation biologique :moléculaire (l’expression de cinq gènes d’intérêt), biochimique (les activités benzo(a)pyrènehydroxylase, glutathion S-transférase, acétylcholinestérase, catalase et taux demalondialdéhyde) et tissulaire (altérations histopathologiques), a permis de mettre enévidence une modulation des processus de défense contre les perturbations induites par lapollution et l’identification des altérations histopathologiques (structurales) au niveau desbranchies et de la glande digestive impliquant un impact sévère des contaminants sur l’état desanté de la palourde. L’étude des interactions spatio-temporelles entre les facteurs abiotiqueset biotiques a permis d’identifier la température et la reproduction comme paramètresprincipaux affectant la réponse biochimique de défense et d’effet. L’analyse en composanteprincipale (ACP), regroupant tous les paramètres analysés pendant le printemps, nous apermis d’identifié le site Z2 comme le site le plus affecté par la pollution. Dans un secondtemps, le benzo(a)pyrène (BaP), déjà identifié dans la lagune de Tunis, a été employé dansdes conditions contrôlées au laboratoire afin de caractériser les réponses moléculaires etbiochimiques chez les bivalves (Ruditapes philippinarum et Crassostrea gigas) face à desexpositions subaiguës et aiguës à ce contaminant. Cette étude nous a permis d’identifier unemodulation des biomarqueurs biochimiques de métabolisation, de stress oxydant et deneurotoxicité et de l’expression des gènes impliqués dans les processus de métabolisation, derespiration mitochondriale, de défense antioxydante, de reproduction et de défenseimmunitaire. L’analyse de l’altération de l’ADN a révélé un pouvoir génotoxique précoce etélevé du BaP chez les deux bivalves. / Firstly, biomonitoring of Tunis lagoon was conducted during one year using an approach combining chemicals and biological analyses and the bioindicator species Ruditapesdecussatus. This approach high lighted the high contamination of the Tunis lagoon by tracemetals and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Seasonal variation of contaminant bioaccumulation levels in clam was found to be strongly associated with physico chemical changes in surrounding environment and physiological processes in organism. Biological responses investigated through a battery of exposure and effect biomarkers located at differentlevels of biological organisation: molecular (expression of five genes), biochemical(benzo(a)pyrene hydroxylase, glutathione S-transferase, acetylcholinesterase and catalase activities and malondialdehyde concentration) and tissular (histopathological damages),demonstrated a defense process modulation by pollution and showed histopathological alterations in gills and digestive gland involving severe impact of contaminants on health stateof clam. The study of spatio temporal interactions between abiotic and biotic factors identified temperature and reproduction as main parameters affecting defense and effect biochemical response. The principal component analysis (PCA), using all analyzed parameters during thespring, allowed to identify site Z2 as the most affected by pollution. Secondly,benzo(a)pyrene (BaP), already identified in Tunis lagoon, was used in controlled conditions at the laboratory in order to characterize the molecular and biochemical responses in bivalves(Ruditapes philippinarum and Crassostrea gigas) facing a subacute and acute exposures tothis contaminant. This study showed a modulation of biochemical biomarkers of metabolism,oxidative stress and neurotoxicity and expression of genes involved in process of metabolisation, mitochondrial respiration, antioxidant defense, reproduction and immune defense. The analysis of DNA damages revealed a high and early genotoxicity effect of BaPin both bivalves.