Trace quantities of pharmaceuticals (including carbamazepine and sertraline) are continuously discharged into the environment, which causes concern among scientists and regulators regarding their potential long-term impacts on aquatic ecosystems. These compounds and their metabolites are continuously interacting with the orgranisms in various life stages, and may differentially influence development of embryo, larvae, juvenile, and adult stages. To fully understand the potential ecological risks of two candidate pharmaceutical chemicals (carbamazepine (CBZ) and sertraline (SERT)) exposure on survival, growth and reproduction of Ceriodaphnia dubia in three sucessive generations under static renewal toxicity test, a multigenerational approach was taken. Results indicate that SERT exposure showed higher sensitivity to chronic exposure to C. dubia growth and reproduction than CBZ exposure. The lowest concentration to affect fecundity and growth was at 50 µg L-1 SERT in the first two generations. These parameters become more sensitive during the third generation where the LOEC was 4.8 µg L-1. The effective concentrations (EC50) for the number of offspring per female, offspring body size, and dry weight were 17.2, 21.2, and 26.2 µg SERT L-1, respectively. Endpoints measured in this study demonstrate that chronic exposure of C. dubia to SERT leads to effects that occur at concentrations an order of magnitude higher than predicted environmental concentrations indicating potential transgenerationals effects. Additionally, a process-based dynamic energy budget (DEB) model is implemented to predict the simulated effects of chronic toxicity of SERT and CBZ to C. dubia individual behavior at laboratory condition. The model‘s output indicates the ecotoxicological mode of action of SERT exposure, which acts on feeding or assimilation with an effect that rapidly saturates at higher concentrations. Offspring size decreases with the toxic effects on feeding, and offspring number is thus less affected than total investment in reproduction. Consequently, CBZ affects direclty in reproduction which are captured by DEBtox model as increased embryonic hazard and reproduction cost as well as growth and maintenance costs. Furthermore, stress factor linearly increased not only with increasing chemical concentrations but also with exposure time. The DEBtox model establishes a cumulative life history consequence of multigenerational exposure to CBZ and SERT. This approach provides a tool to which to understand the effect of chemical to the individual organism and predict the population level effects in ecological risk assessment of the emerging contaminants.

Ce travail avait pour objectif d’étudier les effets de l’uranium sur le budget énergétique et la dynamique de population d’un micro-crustacé représentatif des écosystèmes aquatiques d’eau douce, Daphnia magna. L’étude expérimentale de la toxicité de l’uranium sur la physiologie (nutrition, respiration) et l’histoire de vie (survie, croissance, reproduction) deD. magna a été réalisée au travers d’expositions sur une, deux ou trois générations successives(F0, F1, F2), commencées avec des néonates issus de 1ère ou 5ème ponte, à des concentrations de0, 10, 25 et 75 μgU.L-1. Les résultats ont mis en évidence l’aggravation des effets au travers des générations (en partie liée à l’exposition des daphnies pendant l’embryogénèse) et la sensibilité plus forte des individus issus de 1ère ponte. Des réductions significatives des taux d’assimilation mesurés par méthode de marquage-traçage au 14C de la nourriture nous ont permis d’identifier un effet sur l’assimilation comme mode d’action de l’uranium, en accord avec les altérations importantes de la structure de la paroi du tube digestif révélées par microscopie optique.L’intégration des résultats dans un modèle de budget énergétique (DEBtox) a abouti à l’estimation de concentrations seuil sans effet (NEC) de 9.37, 8.21 et 2.31 μgU.L-1 au-delà desquelles le fonctionnement de l’organisme est altéré dans les générations F0, F1 et F2,respectivement. La combinaison du DEBtox avec des modèles matriciels a permis d’extrapoler les conséquences sur le taux de croissance asymptotique de la population (λ), critère plus pertinent dans un contexte écologique. Les simulations ont prédit une augmentation de l’impact de l’uranium au travers des générations avec une réduction de λ dans F0 et une extinction des populations pour des concentrations de 51-59 μgU.L-1 dans F1 et de 39-41 μgU.L-1 dans F2. Les simulations ont souligné l’importance de prendre en considération les individus les plus sensibles dans la détermination de la réponse des populations. / This work aimed to study effects of uranium on energy budget and population dynamicsin Daphnia magna a representative microcrustacean of freshwater ecosystems. An experimentalstudy of uranium toxicity on physiology (nutrition, respiration) and life history (survival, growthand reproduction) of D. magna was carried out, based on exposures over one, two or threesuccessive generations (F0, F1 and F2) started with neonates from 1st or 5th brood, at 0, 10, 25and 75 μgU.L-1. Results showed that toxic effects increased across generations (partially due todaphnid exposure during embryogenesis) and that individuals from 1st brood were moresensitive than individuals from 5th brood. Significant reductions in assimilation rates, measuredusing a radiotracing method with 14C-labelled food, allowed us to identify an effect onassimilation as the mode of action for uranium, in agreement with important damages in theintegrity of intestinal epithelium observed by optic microscopy. Integrating results in a dynamicenergy budget model (DEBtox) yielded estimated no effect concentrations (NEC) of 9.37, 8.21and 2.31 μgU.L-1 above which organism functions were altered in generations F0, F1 and F2,respectively. Combining DEBtox with matrix models allowed us to extrapolate consequences onasymptotic population growth rate (λ), a relevant endpoint in an ecological context. Simulationspredicted an increase in uranium impact across generations with reduction of λ in F0 andpopulation extinctions at 51-59 μgU.L-1 in F1 and 39-41 μgU.L-1 in F2. Simulations emphasizedthe importance of considering the most sensitive individuals while determining populationresponse

Ce travail a pour objectif d’explorer les altérations de l’ADN et leurs conséquences potentielles pour les traits d’histoire de vie (survie, croissance et reproduction) d’un invertébré aquatique, Daphnia magna exposé à l’uranium appauvri. La démarche expérimentale vise à évaluer l’accumulation et la transmission des altérations de l’ADN suite à une exposition sur deux générations successives (F0 et F1). Différents scénarios d’exposition mis en place pour tester la sensibilité spécifique de divers stades de vie. Lors d’expositions continue et post-éclosion, les résultats mettent en évidence une accumulation et une transmission des dommages à l’ADN au fil des générations en parallèle de la sévérité des effets. Les altérations de l’ADN sont reportées dès l’éclosion de F1 dès 2 µg.L 1. Les effets sur la croissance et la reproduction sont plus sévères lorsque le stade embryonnaire est exposé et restent visibles dès 9,9 µg.L-1 malgré un retour en milieu non contaminé à l’éclosion. Les résultats suggèrent que les dommages à l’ADN pourraient être des indicateurs précoces de futurs effets sur les traits d’histoire de vie. Une analyse mécanistique des résultats expérimentaux est conduite à l’aide du modèle DEBtox afin de mieux cerner les causes de l’aggravation des effets au cours des générations. Un modèle à deux facteurs de stress (l’un corrélé à la concentration d’exposition et l’autre à un niveau de dommages) est développé. Les ajustements suggèrent l’implication d’un second mode d’action (une augmentation des coûts de croissance et de maturation) pour expliquer les effets immédiats de l’uranium sur la nutrition et les conséquences des dommages accumulés au fil des générations. / This PhD work explored how depleted uranium alters DNA and affects life history traits (survival, growth and reproduction) of an aquatic invertebrate, Daphnia magna. An experimental study is performed to evaluate DNA accumulation and transmission during an uranium exposure over two successive generations (F0 and F1). Different exposures scenarios are achieved to test the specific sensitivity of several life stages to uranium. Genotoxic effects are estimated using random amplified DNA technique combined with PCR. In continuous and post-hatching exposure scenarios, results highlighted an accumulation and a transmission of DNA damage across generations with an increase in effect severity. DNA alterations are reported at hatching of F1 at 2 µg L-1. Effects on growth and reproduction are stronger when the embryo stage is exposed and remain visible at 9.9 µg L-1 despite a return in a clean medium at hatching. Results suggest that DNA damage could be used as early indicators of future effects on life history traits. A mechanistic analysis of experimental results is conducted using a DEBtox model to better understand the causes of the increase in effect severity across generations. A model with two stress factors (one correlated to external concentration and another correlated to a damage level) is developed. Results of fits suggest the involvement of one second mode of action (increase in costs for growth and maturation) to explain immediate effects of uranium on nutrition and consequences of cumulated damage across generations.

Afin de protéger durablement les écosystèmes face aux rejets planifiés ou accidentels de radionucléides dans l’environnement, il est essentiel d’évaluer l’impact de l’exposition des organismes aux radiations ionisantes sur le long terme, à l’échelle de plusieurs générations. Dans ce contexte, ce travail de doctorat vise à améliorer la caractérisation des processus moléculaires et la prédiction des effets transgénérationnels lors d’une exposition aux radiations gamma. Une approche expérimentale concerne l’étude des modifications épigénétiques radio-induites, c’est-à-dire des modifications des mécanismes régulant l’activité des gènes sans modification de la séquence d’ADN elle-même et de leur transmission au fil des générations. Cette étude a permis de mettre en évidence que certaines modifications de la méthylation de l’ADN, l’un des mécanismes épigénétiques les plus étudiés, peuvent être transmises par la lignée germinale aux les générations non-exposées (génération F3) suite à une exposition parentale (génération F0) externe aux radiations gamma (6,5 µGy.h-1 et 41,3 mGy.h-1) pendant 25 jours. Dans une seconde approche, un modèle mécaniste DEBtox (Budget Energétique Dynamique appliqué à la toxicologie) est modifié pour permettre l’analyse des effets des radiations gamma sur la croissance et la reproduction de D. magna à l’échelle de plusieurs générations. Pour ce faire, on utilise des compartiments de dommage, dont le niveau peut être hérité d’une génération à la suivante. Le modèle est ajusté aux données avec des méthodes d’inférence bayésienne afin d’estimer les paramètres tout en tenant compte des incertitudes qui leur sont associées. / In order to durably protect ecosystems facing planned or accidental releases of radionuclides, the long-term impact of organism exposure to ionizing radiation must be studied on a multigenerational scale. The aim of this PhD is to improve the characterization of molecular processes and the prediction of transgenerational effects during a gamma irradiation. First, an experimental approach investigated on radio-induced modifications of epigenetic processes, i.e. changes in mechanisms that regulate gene expression without changing DNA sequence itself and on the transmission of these modifications to subsequent generations. Significant changes in DNA methylation, a well-studied epigenetic mechanism, detected in generation F3 clearly showed that epigenetic modifications could be transmitted to unexposed generations, in response to the exposure of a parental generation (F0) to external gamma radiation (6.5 µGy.h-1 et 41.3 mGy.h-1) for 25 days. Second, a mechanistic modelling approach used a modified version of the DEBtox model (Dynamic Energy Budget model applied to toxicology) in order to analyze effects of gamma radiation on D. magna growth and reproduction over several generations. To that end, damage compartments, with damage levels that were transmitted from one generation to the next, were included. The model was fitted to data using Bayesian inference methods, in order to estimate the parameters while considering their associated uncertainty.

L'uranium est un radioélément naturel, généralement retrouvé à l'état de traces, mais dont la concentration peut être significativement augmentée à proximité de certaines installations du cycle du combustible nucléaire ou de zones d'agriculture intensive. En raison de son association dans les minerais avec différents éléments traces métalliques tels que le cadmium, l'U est la plupart du temps présent en mélange avec d'autres contaminants dans l'environnement. L'étude de leurs effets combinés est indispensable afin de mieux appréhender le risque engendré par les contaminations métalliques multiples pour les écosystèmes. L'évaluation de la toxicité des mélanges et l'identification des interactions synergiques ou antagonistes sont généralement réalisées sur la base de modèles d'additivité de référence intégrés à des approches descriptives, purement statistiques et sans réelles considérations biologiques. Plus récemment, des modèles mécanistes ont été proposés en alternative afin de mieux rendre compte de la dynamique des processus biologiques et des mécanismes de toxicité des contaminants. Ceux-ci n'ont cependant été mis en pratique que dans un nombre limité de cas d'étude de la toxicité des mélanges. L'objectif de ce projet de thèse a été d'étudier les effets combinés chroniques de l'U et du Cd sur les traits de vie du nématode Caenorhabditis elegans, en utilisant en parallèle une approche descriptive (MixTox) et une approche mécaniste (DEBtox). Pour cela, une exposition des nématodes à différentes concentrations d'U et de Cd, seuls ou en mélange, a été réalisée durant onze jours. Une interaction antagoniste importante entre l'U et le Cd a été identifiée pour les critères d'effet de croissance et de reproduction, à partir des deux approches. L'étude du transfert de l'U et du Cd du milieu vers la nourriture ainsi que de leur bioaccumulation par C. elegans nous a permis de montrer que la coprésence d'U diminuait la fraction de Cd disponible pour l'exposition des nématodes. Afin de déceler la présence d'une éventuelle interaction au niveau des organismes, durant les phases toxicocinétique ou toxicodynamique, les données d'effet ont été réanalysées à partir des concentrations d'U et de Cd dans la nourriture, supposées plus proches des concentrations disponibles pour C. elegans. Des effets combinés globalement additifs, sans interaction notable, ont été mis en évidence pour l'U et le Cd même si des conclusions légèrement contrastées ont été obtenues à partir des approches descriptives et mécanistes. La présente étude permet d'illustrer la complexité de l'étude des effets des mélanges et de l'identification des interactions entre les substances. Malgré quelques difficultés d'application, l'approche mécaniste DEBtox semble particulièrement prometteuse pour décrire la toxicité de mélanges au cours du temps et tester d'éventuels mécanismes d'interaction. À terme, le perfectionnement des outils d'analyse des effets combinés des contaminants devrait permettre une meilleure prise en compte de la problématique des mélanges dans les démarches d'évaluation des risques. / Uranium is a natural radioactive trace element for which elevated concentrations can be found in the vicinity of some nuclear fuel cycle facilities or of intensive farming areas. Due its co-occurrence with different trace metals, such as cadmium, in geological ores, U is generally found associated with other contaminants in the environment. The study of their combined effects on ecosystems is of interest to better characterize such multi-metallic polluted sites. The mixture toxicity assessment and the identification of synergistic or antagonistic interaction are generally performed on the basis of additive reference models integrated to descriptive and purely statistical approaches with no real biological basis. Recently, mechanistic models were proposed to better account for the dynamics of biological and toxicological processes. However, such models have only been put into practice in a few number of mixture toxicity case studies. The aim of this PhD project was to assess the chronic U/Cd combined toxicity on the life history traits of the nematode Caenorhabditis elegans using both a descriptive (MixTox) and a mechanistic (DEBtox) approach. To do so, nematodes were exposed during eleven days to different U and Cd concentrations, alone or in mixture. A strong antagonistic interaction between U and Cd was identified for length increase and brood size endpoints on the basis of both approaches. From the study of the U and Cd media-to-food transfer and of the U and Cd bioaccumulation by C. elegans, we showed that the co-presence of U reduced the available Cd fraction for nematodes. To identify a possible interaction at organism level, occurring during the toxicokinetic or toxicodynamic steps, data were re-analyzed on the basis of U/Cd concentrations in food, assumed to be more closely related to available concentrations for C. elegans. Overall additive effects, without interaction, were identified between U and Cd, even if slightly contrasted conclusions were obtained on the basis of the descriptive and mechanistic approaches. The present study underlines the complexity of studying mixture toxicity and identifying chemical interactions. Despite some application problems, the mechanistic approach DEBtox is particularly promising to describe the toxicity of chemical mixtures over time and to test hypothetical interaction mechanisms. In the future, the improvement of tools to analyze the combined toxicity of contaminants would allow to better address the issue of mixtures in ecotoxicological risk assessment processes.

Les activités anthropiques liées à l'industrie nucléaire contribuent à des rejets continus de radionucléides dans les écosystèmes terrestres et aquatiques. Les travaux réalisés au cours de ce doctorat visent à apporter de nouvelles connaissances relatives aux effets des radiations ionisantes au cours d’une exposition multigénérationnelle de l’invertébré aquatique, Daphnia magna. Une irradiation gamma externe à des débits de doses pertinents du point de vue environnemental a été réalisée sur D. magna pendant trois générations successives. Les résultats mettent en évidence une accumulation et une transmission d’altérations de l’ADN au fil des générations, en parallèle d’une augmentation de la sensibilité des daphnies. Les données d’irradiation gamma et celles d’une étude antérieure de contamination alpha ont été analysées à l’aide du modèle mathématique DEBtox. Le modèle montre que les deux types de rayonnements agissent différemment sur les daphnies au cours des générations. Ce projet de recherche indique clairement qu’à l’avenir il est important d’étudier et de comprendre les effets transgénérationnels des radiations ionisantes à faibles doses. / Anthropogenic activities related to the nuclear industry contribute to continuous discharges of radionuclides into terrestrial and aquatic ecosystems. The aim of this PhD was to bring new knowledge on the effects of ionizing radiation during a multigenerational expose of the aquatic invertebrate, Daphnia magna. An external gamma radiation at environmentally relevant dose rates was performed on D. magna over three successive generations. Results show an accumulation and a transmission of DNA alterations over generations, in parallel of an increase in sensitivity of organisms. Gamma radiation data and those of a previous study of alpha contamination were analyzed using the mathematical model DEBtox. The model shows that the two types of radiation act differently on daphnia over generations. This research clearly indicates the importance of further studying and understanding transgenerational effects induced by low doses radiation in the future.