L’objectif de ce travail était d’évaluer le potentiel du chabot (Cottus sp.) comme espèce sentinelle utilisable pour la surveillance des milieux aquatiques à l’aide d’un ensemble de biomarqueurs. Pour y parvenir, la caractérisation des niveaux de réponses mesurés chez le chabot était réalisée en conditions contrôlées et en contexte terrain à l’aide de biomarqueurs reflétant la métabolisation des xénobiotiques (7-ethoxyrésorufine-O-dééthylase, EROD ; cytochrome P4503A, CYP3A ; glutathion-S-transférase, GST), le stress oxydant (glutathion peroxydase, GPx ; lipoperoxydation, TBARS) et la neurotoxicité (acétylcholinestérase, AChE). Les études de laboratoire ont permis de caractériser les réponses des biomarqueurs sélectionnés à l’aide de substances de références telles que la β-naphtoflavone (βNF), le cuivre et le fénitrothion. Les investigations in situ ont servi à évaluer le pouvoir discriminant des biomarqueurs et à caractériser les profils de réponses dans un contexte de contaminations multiples. Les résultats ont mis en évidence que le chabot pourrait être utilisé dans un contexte de biosurveillance pour mesurer une batterie de biomarqueurs sélectionnés. En effet, les profils de réponses observés permettent une bonne discrimination entre les sites de référence et les sites contaminés. Cependant, les réponses de l’AChE musculaire et des TBARS hépatiques sont difficiles à expliquer.Afin de mieux caractériser l’état de santé des poissons, il est apparu important de compléter cette batterie de biomarqueurs en y incorporant des marqueurs immunitaires à savoir l’activité du lysozyme et l’activité de la flambée oxydative phagocytaire. D’une manière générale, les premiers résultats obtenus au laboratoire et in situ ont montré que les marqueurs immunitaires chez cette espèce sont des paramètres sensibles et inductibles qui contribuent à une meilleure caractérisation de la contamination des milieux et de ses effets. L’étude des immunomarqueurs pourrait in fine permettre de prédire des modifications au niveau populationnel, du fait de la corrélation existante entre activité immunitaire et sensibilité aux pathogènes. Dans un contexte d’approche multi-marqueurs sur le terrain, l’étude du potentiel global des organismes en lien avec l’interaction polluants/pathogènes serait donc une perspective intéressante à développer. / The aim of this work was to evaluate the usefulness of bullhead (Cottus sp.) as a sentinel fish species to assess aquatic environment contamination using a set of biomarkers. In order to reach this objective, the characterization of response levels measured in bullhead was realized in laboratory and field context using biomarkers of xenobiotic metabolisation (7-ethoxyresorufin-O-deethylase, EROD; cytochrome P4503A, CYP3A; glutathione-S-transferase), oxidative stress (glutathione peroxidase, GPx; lipoperoxidation, TBARS) and neurotoxicity (acetylcholinesterase, AChE). Laboratory investigations were performed to characterize variations of biomarker responses with reference substances such as β-naphtoflavone (BNF), copper and fenitrothion. Field investigations aimed to evaluate discriminant power of selected biomarkers and to characterize response profiles in a multi-contamination context. The results showed that the European bullhead could be used in environmental monitoring context to measure a set of selected biomarkers. Indeed, observed response profiles allow a good discrimination between unpolluted streams and contaminated area. However, muscular AChE and hepatic TBARS responses are difficult to explain.To better characterize the health status of fish, it became important to complete this set of biomarker adding immune markers namely lysozyme and oxidative burst activities. Globally, the first results, obtained in laboratory and in situ, have shown that immune markers are sensitive and inductible parameters that contribute to a better characterization of environmental contaminations and their effects. These markers allow a better site discrimination and bring complementary informations to those provided by other biomarkers and more particularly to biotransformation enzymes. In fact, immunomarker analysis could allow, in fine, populational prediction due to link between immune activities and susceptibility to pathogens. In a context of field multiparametric approach, study of global health potential in organism, link with pollutants/pathogens interaction, was an attractive prospect for the future.

La moule zébrée Dreissena polymorpha constitue une espèce sentinelle intéressantes en raison de traits bioécologiques (e.g. régime filtreur, mode de vie sessile, large aire de répartition) autorisant une utilisation pratique de cet organisme dans la surveillance de différents types d'hydrosystèmes (de Lafontaine et al., 2000). Les nombreuses études menées sur la dreissène ont d'ailleurs permis de développer depuis une dizaine d'années un ensemble de marqueurs biologiques destinés à évaluer l'impact des diverses activités anthropiques (activités agricoles, domestiques et industrielles) sur la qualité des milieux aquatiques. Ces biomarqueurs constituent des paramètres biologiques individuels (ou infra-individuels) dont la modulation par rapport à une valeur de référence est révélatrice d'une exposition, présente ou passée, à un ou plusieurs contaminants de l'environnement (e.g. pesticides, métaux lourds) (Lagadic et al., 1997a). Souvent associés à des mécanismes de défense de l'organisme (e.g. système de défense antioxydant, système de détoxication des métaux), les marqueurs usuels ne permettent toutefois pas d'évaluer concrètement les effets d'un stress toxique sur la " fitness " d'un individu (i.e. fécondité, survie) et au-delà sur le maintien de sa population (Forbes et al., 2006). La caractérisation de marqueurs génétiques associés au métabolisme énergétique pourrait constituer une solution potentielle à cet écueil dans la mesure où les fonctions d'entretien et de reproduction d'un individu sont sous l'étroite dépendance de sa capacité à exploiter les ressources alimentaires disponibles dans son milieu. L'étude de biomarqueurs énergétiques potentiels tels que les réponses enzymatiques digestives pourrait dès lors constituer une approche intéressante à développer dans le cadre de stratégies de biosurveillance multimarqueurs (Lagadic et al., 1994 ; De Coen et al., 1998b). Le prrésent travail de thèse a eu ainsi pour principal objectif d'analyser l'intérêt informatif potentiel des réponses enzymatiques digestives de la dreissène dans l'évaluation des risques associés à la présence de contaminants dans les milieux aquatiques. / The zebra mussel Dreissena polymorpha is a useful sentinel species because of bio-ecological traits (e.g. filtering activity, sessile lifestyle, range-wide distribution) allowing practical use of this organism for monitoring of various types of water systems (de Lafontaine et al., 2000). The numerous studies led on the zebra mussel allowed to develop, over the last ten years, a set of biomarkers to assess the impact of various human activities (agricultural, domestic and industrial ones) on the quality of aquatic environments. These biomarkers are individual (or infra-individual) biological parameters whose variation from a reference value is indicative of an exposure, past or present, to one or several environmental contaminants (e.g. pesticides, heavy metals) (Lagadic et al., 1997a). Often associated with individual defense systems (e.g. antioxydant defense system, metal detoxication system) 'core' biomarkers do not allow, however, to effectively assess the impacts of toxicants on individual " fitness " (i.e. fecundity, survival) and beyond, on the maintenance of population (Forbes et al., 2006). Characterization of generic markers associated with energy metabolism could be a potential solution to this problem since the maintenance and reproduction functions of an individual are closely related to its ability to exploit food resources. The study of potential energy biomarkers such as digestive enzyme responses could therefore be an interesting approach to develop as part of multimarker biomonitoring studies (Lagadic et al., 1994 ; De Coen et al., 1998b). The main objective of the present PhD thesis was to analyze the potential informative interest of zebra mussel's digestive enzyme responses in evaluating the potential risks associated with the presence of contaminants in aquatic environnments.

Emerging sequencing approaches have revolutionized the way we can collect DNA sequence data for applications in bioforensics and biosurveillance. In this research, we present an approach to construct a database of known biological agents and use this database to develop a statistical framework to analyze raw reads from next-generation sequence data for species identification and strain attribution. Our method capitalizes on a Bayesian statistical framework that accommodates information on sequence quality, mapping quality and provides posterior probabilities of matches to a known database of target genomes. Importantly, our approach also incorporates the possibility that multiple species can be present in the sample or that the target strain is not even contained within the reference database. Furthermore, our approach can accurately discriminate between very closely related strains of the same species with very little coverage of the genome and without the need for genome assembly - a time consuming and labor intensive step. We demonstrate our approach using genomic data from a variety of known bacterial agents of bioterrorism and agents impacting human health.

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Les conséquences sanitaires et environnementales de la pollution atmosphérique sont devenues au cours des dernières décennies un des problèmes majeurs de notre société. Sensibilisée à cette problématique, la région Nord Pas-de-Calais a été l'une des premières régions à soutenir et à valoriser la biosurveillance végétale de la qualité de l'air. Les travaux scientifiques réalisés dans le cadre de cette thèse ont pour objectif d'étudier les phénomènes d'accumulation et les impacts des composés organiques volatils (COV) chez les bryophytes. Articulées autour de deux axes, les recherches menées visaient à étudier, d'une part, l'accumulation des benzène, toluène, ethylbenzène et xylènes (BTEX), d'autre part, des effets au niveau cellulaire, du benzène chez Tortula ruralis, par l'analyse des variations de l'expression de biomarqueurs de stress oxydant. Des expérimentations complémentaires in situ , sur le littoral dunkerquois, et en conditions contrôlées ont permis d'établir des phénomènes d'équilibre des concentrations en BTEX entre notre modèle végétal et l'air. In situ, les teneurs en BTEX chez les mousses sont fortement conditionnées par les paramètres météorologiques, et principalement la force des vents. De plus, les concentrations atmosphériques en particules PM10 favoriseraient l'accumulation des BTEX chez la mousse. Mais d'une manière générale, les mousses n'accumulent pas les BTEX de façon corrélée aux teneurs dans l'atmosphère. Concernant l'expression des biomarqueurs de stress oxydant, des variations naturelles des paramètres biologiques mesurés sont observées chez la mousse. Ces variations seraient liées à la nature poïkilohydrique des mousses, leur capacité de reviviscence et aux aptitudes qu'elles ont développées pour résister aux variations de leur état d'hydratation. Ainsi, les biomarqueurs de stress oxydant souvent recherchés dans les études d'écotoxicologie, ne seraient pas adaptés pour l'étude des effets chez les bryophytes terrestres.

L’analyse des données de biosurveillance (RNO/ROCCH, IFREMER, 2003-2014) des concentrations en argent (Ag) et cuivre (Cu) dans les huîtres sauvages de 13 sites de la côte atlantique française a montré des variations spatio-temporelles reflétant les pressions locales. De fortes relations entre Ag et Cu semblent en partie dues à des facteurs physiologiques impliqués dans leur bioaccumulation chez les huîtres. Le rapport élémentaire Cu/Ag a montré un potentiel intéressant pour détecter des sources de Ag et Cu, invisibles à travers les concentrations absolues qui sont caractérisées par une très forte variabilité inter-individuelle. Les mesures chimiques et les observations histologiques dans les huîtres sauvages de la Gironde, ont montré une accumulation préférentielle de Ag et Cu dans la glande digestive, accompagnée d’importantes dégradations cellulaires. La méthode innovante du dopage isotopique est très sensible et précise pour observer les cinétiques rapides d’accumulation in vivo de Ag et Cu par voie directe à des niveaux d’exposition réalistes. Les signaux isotopiques ont permis de quantifier l’accumulation rapide des ETM dans les différents organes et d’observer des phénomènes de co-régulation entre Ag et Cu. De plus, elle représente une réelle avancée pour des expérimentations écotoxicologiques permettant d’analyser l’état de contamination initial et après exposition dans le même individu. L’étude de la voie trophique suggère une accumulation de Ag supérieure à celle de Cu chez les algues. La fraction de Ag et Cu particulaire potentiellement biodisponible des particules estuariennes a été estimée à 60% et 82%, respectivement. Les résultats ont montré que cette estimation dépend du temps d’exposition et de la concentration en sédiment, pouvant entraîner d’importantes sous-estimations. / The data-base analyses of the French biomonitoring program (RNO/ROCCH, IFREMER, 2003-2014) in terms of silver (Ag) and copper (Cu) concentrations accumulation in oysters from 13 sites along the French Atlantic Coast showed spatial and time-dependent variations reflecting local pressures. The high Ag and Cu relations seems to be partly due to physiological processes involved in their bioaccumulation by oysters. The Cu/Ag elementary ratios showed an interesting potential for Ag and Cu sources detection, which were invisible through the use of only absolute concentrations characterized by a high individual variability. Chemical measurements and histological observations performed in wild oysters from Gironde Estuary showed a preferential Ag and Cu accumulation in the digestive gland with important cellular damages. The innovative isotope spiking method is highly sensitive and precise to observe rapid in vivo Ag and Cu accumulation kinetics through direct pathway using close-to-real exposure concentrations. The isotopic signals allowed to quantify the rapid MTE accumulation in the different organs and to observe the Ag and Cu co-regulation. Furthermore, it represents a real step forward in ecotoxicological experiments allowing to obtain the initial and final contamination state inside the same organism. The study of the trophic pathway suggested a higher Ag accumulation in algae than for Cu. The Ag and Cu potentially bioavailable fraction in estuarine particles was estimated respectively at 60% and 82%. The results showed that this estimation depends on the exposure time and sediment concentration, which can lead to important under-estimations.

We examine some of the methodologies implemented by the Centers for Disease Control and Prevention's (CDC) BioSense program. The program uses data from hospitals and public health departments to detect outbreaks using the Early Aberration Reporting System (EARS). The EARS method W2 allows one to monitor syndrome counts (W2count) from each source and the proportion of counts of a particular syndrome relative to the total number of visits (W2rate). We investigate the performance of the W2r method designed using an empiric recurrence interval (RI) in this dissertation research. An adaptive threshold monitoring method is introduced based on fitting sample data to the underlying distributions, then converting the current value to a Z-score through a p-value. We compare the upper thresholds on the Z-scores required to obtain given values of the recurrence interval for different sets of parameter values. We then simulate one-week outbreaks in our data and calculate the proportion of times these methods correctly signal an outbreak using Shewhart and exponentially weighted moving average (EWMA) charts. Our results indicate the adaptive threshold method gives more consistent statistical performance across different parameter sets and amounts of baseline historical data used for computing the statistics. For the power analysis, the EWMA chart is superior to its Shewhart counterpart in nearly all cases, and the adaptive threshold method tends to outperform the W2 rate method. Two modified W2r methods proposed in the dissertation also tend to outperform the W2r method in terms of the RI threshold functions and in the power analysis. / Ph. D.

This study examines three applications of control charts used for monitoring syndromic data with different characteristics. The first part develops a seasonal autoregressive integrated moving average (SARIMA) based surveillance chart, and compares it with the CDC Early Aberration Reporting System (EARS) W2c method using both authentic and simulated data. After successfully removing the long-term trend and the seasonality involved in syndromic data, the performance of the SARIMA approach is shown to be better than the performance of the EARS method in terms of two key surveillance characteristics, the false alarm rate and the average time to detect the outbreaks. In the second part, we propose a generalized likelihood ratio (GLR) control chart to detect a wide range of shifts in the mean of Poisson distributed biosurveillance data. The application of a sign function on the original GLR chart statistics leads to downward-sided, upward-sided, and two-sided GLR chart statistics in an unified framework. To facilitate the use of such charts in practice, we provide detailed guidance on developing and implementing the GLR chart. Under the steady-state framework, this study indicates that the overall GLR chart performance in detecting a range of shifts of interest is superior to the performance of traditional control charts including the EARS method, Shewhart charts, EWMA charts, and CUSUM charts. There is often an excessive number of zeros involved in health care related data. Zero-inflated Poisson (ZIP) models are more appropriate than Poisson models to describe such data. The last part of the dissertation considers the GLR chart for ZIP data under a research framework similar to the second part. Because small sample sizes may influence the estimation of ZIP parameters, the efficiency of MLEs is investigated in depth, followed by suggestions for improvement. Numerical approaches to solving for the MLEs are discussed as well. Statistics for a set of GLR charts are derived, followed by modifications changing them from two-sided statistics to one-sided statistics. Although not a complete study of GLR charts for ZIP processes, due to limited time and resources, suggestions for future work are proposed at the end of this dissertation. / Ph. D.

L'atmosphère terrestre est le siège d'un transport de matière, en particulier d'éléments d'origines diverses, dont une proportion importante résulte des activités humaines. Ce phénomène induit des conséquences parfois graves, pour la santé humaine et pour la fonctionnalité des écosystèmes. Les éléments ainsi transférés sont redéposés, de manière complexe, à la surface de la terre, avec une cartographie de distribution très inégale, des possibilités d'accumulation, ou au contraire de dilution, variables, conduisant à des altérations diversifiées de la composition des eaux et des sols et de la fonctionnalité des êtres vivants. La redéposition atmosphérique est étudiée depuis une cinquantaine d'année sur les troncs des arbres, qui constituent une matrice verticale commune, très enrichie par l'apport atmosphérique, et pouvant mener soit à une analyse de composition, soit à des études de bioindication. Il en a découlé des tests de routine largement utilisés. Cependant, pour définir avec précision les apports d'origine anthropique et mieux maîtriser, en vue de les réduire, les apports anormaux ou dangereux, une étude en profondeur de cette déposition corticale devait être entreprise. C'est l'objet de ce mémoire. Au regard de la complexité du problème abordé, nous nous sommes essentiellement limité à l'étude d'une seule espèce d'arbre : Fraxinus excelsior L., très commun dans notre zone d'étude et couvrant une vaste échelle d'altitude. Notre démarche analytique a consisté à combiner une analyse élémentaire très complète et sensible, l'ICP-MS avec une observation en microscopie à balayage couplée à la détermination de l'émission de rayons X spécifique des éléments présents. Cet ensemble de deux méthodes a permis de combiner identification - dosage précis - localisation - distinction entre états particulaire et dispersé. La déposition atmosphérique a été considérée sur une échelle de temps allant de 3 mois à 40 ans, en séparant les pousses successives des arbres. Nous avons séparé le dépôt superficiel sur les surfaces végétales d'une fraction solidement intégrée dans les tissus des tiges, spécialement le suber. Ces deux entités ne correspondent pas à la même chronologie. Nous avons montré que le dépôt de surface était, de fait, un écosystème construit sur un biotope alimenté conjointement par l'atmosphère et par l'arbre lui-même et qu'il comportait une phase vivante reviviscente et pour partie photosynthétique. Ce dépôt superficiel est déplacé en grande partie par la pluie. Le suber, couche apoplastique imperméable, a une bonne capacité de rétention des éléments à long terme et constitue, comparativement aux autres tissus des tiges, une matrice très intéressante pour percevoir l'apport atmosphérique sur plusieurs décennies. Pour déterminer valablement les apports atmosphériques d'origine anthropique qui s'accumulaient dans ces deux types de matrices, nous avons conçu un système de calcul (AAEF) permettant de les séparer des apports géogéniques et biologiques. Par ailleurs, constatant que l'apport atmosphérique comportait deux types de constituants, soit dispersés, soit particulaires, nous avons conçu et mis en oeuvre un protocole de fractionnement basé 1) sur l'incinération, 2) sur les traitements successifs à l'eau et à l'acide nitrique concentré (2N) qui nous a permis d'étudier isolément une phase particulaire dans laquelle la masse des matériaux géogéniques se trouve rassemblée avec l'essentiel du plomb et du manganèse, la phase HNO3 concentrant les éléments comme le cuivre et le zinc et une phase H2O contenant l'essentiel du potassium. Les profils de distribution entre les différentes fractions semblent constituer une information intéressante sur la spéciation de plusieurs types d'éléments. L'ensemble du corpus méthodologique ainsi édifié permet d'accéder à des études assez réalistes d'historique et de distribution géographique des polluants élémentaires à des échelles de distances variées.

L'évaluation de la contamination des cours d'eau par les agents parasites protozoaires est fondamentale puisqu'on estime qu'une personne sur deux dans le monde est ou a été infectée par une zoonose d'origine parasitaire. Les trois principaux parasites responsables d'épidémies hydriques sont Cryptosporidium parvum, Giardia duodenalis et Toxoplasma gondii. Actuellement, seule la matrice eau est utilisée pour analyser la présence de ces parasites dans l'environnement aquatique. Peu reproductible et chronophage, cette méthode ne permet pas de mettre en place une surveillance de routine. Le projet de thèse propose l'utilisation de la moule zébrée, Dreissena polymorpha, comme un nouvel outil complémentaire pour évaluer la qualité biologique des milieux d'eau douce. Au travers d'expérimentations combinant différentes approches in vivo, ex vivo et in situ, le potentiel de la dreissène à accumuler les parasites protozoaires ainsi que leurs cinétiques d'accumulation dans les tissus ont été déterminés. Utilisée comme espèce sentinelle des contaminations chimiques, l'effet d'un stress biologique dû aux protozoaires a été évalué au laboratoire sur les cellules clefs de l'immunité des bivalves, les hémocytes. Ainsi, le projet permet de placer l'organisme Dreissena polymorpha dans une double stratégie de biosurveillance : une biosurveillance sanitaire liée à l'utilisation de la dreissène en tant que vecteur de parasites considérés comme enjeux de santé publique et une biosurveillance environnementale liée à la compréhension des facteurs de confusion avec les réponses biologiques utilisées comme biomarqueurs. / Assessment of the water biological contamination by protozoa is crucial since one in two person of the world population is or has been infected by a parasitic zoonosis. The main protozoa responsible of waterborne outbreaks are Cryptosporidium parvum, Giardia duodenalis and Toxoplasma gondii. Currently, protozoa detection is only based on water analysis. Irrelevant and time consuming, water analysis do not permit accurate biomonitoring. These project aims to use the freshwater mussel, Dreissena polymorpha, as a new complementary tool for biological quality analysis of freshwater. Through in vivo, ex vivo and in situ experiments, we determine the utility of zebra mussel for protozoa accumulation and their accumulation pattern within mussel tissues. Already use as a sentinel specie for chemical contamination, biological stress caused by protozoa has been determined in laboratory experiments on key cells of bivalve immunity, the hemocytes. Hence, Dreissena polymorpha could be involved in a twofold biomonitoring tactics: sanitary biomonitoring related to the use of zebra mussel as vector to protozoa with public health issue and environmental biomonitoring on understanding of the confounding factors in biological responses used as biomarkers.