Dans le cadre de la bioévaluation de matrices polluées, les objectifs de cette thèse ont d’abord été de mettre au point deux tests de génotoxicité sur les racines secondaires de la fève Vicia faba. D’abord, le test des micronoyaux, dont les résultats prometteurs ont permis l’initiation d’un processus de normalisation internationale par l’ISO. Ensuite, l’essai des comètes, avec des résultats moins encourageants en termes de faisabilité et de précision. Nous avons également tenté d’éclaircir les conséquences de la formation de micronoyaux sur le cycle de vie de la plante. Les résultats obtenus avec le cadmium, le cuivre et l’hydrazide maléique suggèrent un lien entre la présence de micronoyaux à court terme et une modification à long terme des traits d’histoire de vie de la plante. Le test des micronoyaux a aussi été appliqué parmi d’autres biomarqueurs pour évaluer l’écotoxicité de matrices contaminées, liquides ou solides. Dans le cadre du Groupement d’Intérêt Scientifique pour les Friches Industrielles (GISFI), nous avons évalué la génotoxicité de sols pollués par d’anciennes activités de cokerie. Nous avons également participé au projet « Ecotoxicité des sous-produits d’altération de Nanomatériaux » (Nanoalter), dans le cadre duquel nous avons évalué les dangers potentiels posés par la dégradation dans l’environnement de crèmes solaires comprenant des nanoparticules de dioxyde de titane. Enfin, les mécanismes de tolérance des plantes aux toxiques ont été étudiés par le dosage des phytochélatines et des enzymes du stress oxydant. / In the context of optimizing plant tests for polluted soil materials bioassessment, the objectives of this thesis were firstly the development of two genotoxicity tests on the secondary roots of a plant model, the broad bean Vicia faba. The first test was the micronucleus assay and gave promising results that lead to an international ISO standardizing process. The second test named comet assay and brought us less encouraging results because of problems with feasibility and precision. .To improve our knowledge about the consequences of micronuclei formation on plant life cycle, we studied life-history traits of beans developing from germination in a soil containing a sufficient quantity of genotoxic (cadmium, copper and maleic hydrazide) to induce micronuclei without provoking short-term (48h) growth retardation. The obtained results evoked a link between micronuclei presence after 48h and plant life cycle change or impairments.Besides, the micronucleus assay was applied among other assays or biomarkers to evaluate ecotoxicity of liquid or solid contaminated matrix. As part of the French Scientific Interest Group on Industrial Wasteland (GISFI), we evaluated the genotoxicity of soils polluted by a former coke-factory. Furthermore, we took part to the project “Ecotoxicity of nanomaterial alteration byproducts”, also called Nanoalter. Our goal was to assess the potential hazards attached to the environmental degradation of titanium dioxide-containing sunscreen nanocomposites. Then, the tolerance mechanisms of plants towards chemicals were studied by phytochelatins and oxidative stress enzymes measurements.

L’objectif du travail de recherche était de mettre en relation dans des sols de cokeries anciennement contaminés, la biodisponibilité de polluants (HAP et/ou métaux lourds), leur génotoxicité et leurs effets populationnels chez le ver de terre Eisenia fetida. Cette étude a montré que les sols étudiés, malgré une contamination similaire, présentaient une toxicité vis-à-vis des vers de terre et d’autres organismes terrestres (plantes, collemboles) totalement différente. Ces différences d’écotoxicité seraient imputables à la biodisponibilité des polluants, différente entre les sols. Cette étude a également montré que le traitement de thermodésorption, appliqué à l’un des sols contaminés, augmentait la biodisponibilité des métaux lourds. Le traitement de thermodésorption modifierait à la fois 1) la nature et la composition de la matière organique du sol, 2) la spéciation des métaux lourds, 3) les liens entre la matière organique et les métaux, les rendant plus biodisponibles et génotoxiques vis-à-vis des vers de terre. L’approche biologique-écotoxicologique, qui prend en considération la biodisponibilité des polluants, se révèle donc essentielle en complément de l’approche physico-chimique dans l’évaluation 1) des risques et 2) de l’efficacité de remédiation des sols contaminés. Cette étude a également montré que la mesure des dommages à l’ADN des coelomocytes de vers de terre est un biomarqueur pertinent dans l’évaluation de la génotoxicité des polluants des sols. Ce biomarqueur de génotoxicité peut être utilisé en tant qu’indicateur de biodisponibilité des polluants. Il s’est révélé plus sensible que la survie et au moins aussi sensible que la reproduction, qui sont deux paramètres étudiés classiquement chez les vers de terre. Ce biomarqueur de génotoxicité pourrait être utilisé en tant qu’indicateur précoce de perturbations physiologiques, même si le lien mécanistique entre les dommages à l’ADN et les répercussions sur la reproduction des vers de terre nécessite des recherches ultérieures / The aim of this work research was to show in formerly-contaminated coking plant soils a relationship between the bioavailability of soil pollutants (PAH and/or heavy metals), their genotoxicity and their populational effects in the Eisenia fetida earthworm. This study showed that despite a similar contamination studied soils exhibited a great difference in ecotoxicity to earthworms and other terrestrial organisms (plants, springtails). Differences in ecotoxicity of soils would be attributable to bioavailability of soil pollutants which is different between soils. This study also showed that thermal desorption applied on one of the contaminated soils increased bioavailability of heavy metals. Thermal desorption would modify 1) the nature and composition of soil organic matter, 2) the speciation of heavy metals, 3) links between soil organic matter and heavy metals, rendering them more bioavailable and genotoxic to earthworms. The biological-ecotoxicological approach, which takes into consideration the bioavailability of soil pollutants, reveals to be necessary in addition of the physico-chemical approach in the evaluation of 1) risks and 2) remediation efficiency of contaminated soils. This study also showed that the measure of DNA damage in coelomocytes of earthworms is a relevant biomarker in the evaluation of genotoxicity of soil pollutants. This biomarker of genotoxicity can be used as indicator of bioavailability of soil pollutants. It revealed more sensitive than survival and as sensitive as reproduction, which are classical endpoints measured in earthworms. This biomarker of genotoxicity could be used as early indicator of physiological disturbances, even if the mechanistic link between DNA damage and effects on reproduction require further studies

The effect of the soil organic status (SOS) on the dynamics and impact of a copper contamination was investigated in a coupled field and mesocosm study with a loamy vineyard soil that had been amended with conifer compost (CC) or not amended (NA) during a previous long-term field experiment. Soil mesocosms were contaminated at 240 mg Cu kg-1 and incubated for 24 months. Cu distribution and dynamics were assessed in the solid matrix at the microscale by size fractionation of soils and in the soil solution by measuring total and free exchangeable copper concentrations (Cu2+). Copper bioavailability, CuBio, was also measured with a whole-cell biosensor. The impact of copper on soil bacterial community was evaluated through the monitoring of the amount of copper-resistant bacteria and through the variations in bacterial community structure using ARISA (Automated-Ribosomal-Intergenic-Spacer-Analysis). Results showed that copper distribution, speciation and bioavailability are strongly different in the NA and CC soils, demonstrating that the organic status of soils largely controls the solid and liquid speciation of copper as well as its availability to microorganisms. Cu was shown to be dominantly distributed in the smallest size fractions (<20µm) of both control and amended soils and also in the coarser fraction (>250µm) of the CC soil. The coarser and finest size fractions of the soil are also the ones that release more Cu2+ and CuBio, explaining thus the important amount of Cu-resistant bacteria inhabiting these fractions and the differentiated temporal impact on the structure of soil bacterial community. The distribution of cultivable bacteria varied strongly between the two soils and was found to be well correlated with the distribution of added OM that controls thus bacterial community structure. The preferential impacts of copper observed in the smallest size fractions of the non amended soil demonstrate that copper toxicity and impact is also controlled by the reactivity of the soil fractions. This reactivity controls especially the release and the liquid speciation of Cu and thus bacteria-metal contact. A clear relationship between copper speciation, bioavailability, distribution and impact was established in the present study and will permit better predicting the fate and impact of metals in soils, by accounting for microscale control of metal impact / The effect of the soil organic status (SOS) on the dynamics and impact of a copper contamination was investigated in a coupled field and mesocosm study with a loamy vineyard soil that had been amended with conifer compost (CC) or not amended (NA) during a previous long-term field experiment. Soil mesocosms were contaminated at 240 mg Cu kg-1 and incubated for 24 months. Cu distribution and dynamics were assessed in the solid matrix at the microscale by size fractionation of soils and in the soil solution by measuring total and free exchangeable copper concentrations (Cu2+). Copper bioavailability, CuBio, was also measured with a whole-cell biosensor. The impact of copper on soil bacterial community was evaluated through the monitoring of the amount of copper-resistant bacteria and through the variations in bacterial community structure using ARISA (Automated-Ribosomal-Intergenic-Spacer-Analysis). Results showed that copper distribution, speciation and bioavailability are strongly different in the NA and CC soils, demonstrating that the organic status of soils largely controls the solid and liquid speciation of copper as well as its availability to microorganisms. Cu was shown to be dominantly distributed in the smallest size fractions (<20µm) of both control and amended soils and also in the coarser fraction (>250µm) of the CC soil. The coarser and finest size fractions of the soil are also the ones that release more Cu2+ and CuBio, explaining thus the important amount of Cu-resistant bacteria inhabiting these fractions and the differentiated temporal impact on the structure of soil bacterial community. The distribution of cultivable bacteria varied strongly between the two soils and was found to be well correlated with the distribution of added OM that controls thus bacterial community structure. The preferential impacts of copper observed in the smallest size fractions of the non amended soil demonstrate that copper toxicity and impact is also controlled by the reactivity of the soil fractions. This reactivity controls especially the release and the liquid speciation of Cu and thus bacteria-metal contact. A clear relationship between copper speciation, bioavailability, distribution and impact was established in the present study and will permit better predicting the fate and impact of metals in soils, by accounting for microscale control of metal impact

La présence de micropolluants organiques dans l’environnement et notamment le milieu aquatique, est devenue une préoccupation grandissante au cours des années. En effet, les micropolluants sont éliminés de façon variable par les différents systèmes de traitement des eaux. Ainsi, les stations d’épuration constituent une voie majeure de dissémination de ces composés dans l’environnement. Ces substances chimiques doivent être suivis et traités car elles peuvent avoir des effets indésirables sur les organismes une fois rejetées dans l’environnement. La biodégradation étant un des mécanismes de transformation dominant pour les micropolluants, les procédés biologiques, et notamment les procédés hybrides (biomasse libre et fixée), semblent pertinents pour les éliminer efficacement. Dans ce travail, nous nous sommes focalisés sur la biodégradation de la carbamazépine (CBZ), du diclofénac (DCF) et du diuron (DIU) par des microorganismes sélectionnés en utilisant un bioréacteur hybride. La méthodologie proposée a reposé sur la mise en place de tests de biodégradation en batch afin de sélectionner des microorganismes pertinents pour la dégradation des molécules cibles, avant de travailler avec un bioréacteur hybride. Les souches sélectionnées ont permis de dégrader complètement le DCF en moins de 24 heures et ont montré des résultats encourageants en 72 heures pour les autres composés. L’efficacité des souches a ensuite été évaluée sur des bioréacteurs hybrides prototypes sous différentes conditions. Bien que l’élimination du DCF ait été importante en conditions stériles, la cinétique observée était plus faible. La CBZ et le DIU ont quant à eux été faiblement éliminés. / The occurrence of organic micropollutants in the environment and notably in the aquatic bodies has become a growing concern over the years. Indeed, micropollutants are variably eliminated with different wastewater treatment systems. Thus, wastewater treatment plants represent the main transfer pathways for micropollutants to enter the environment. Among these chemical substances present in the environment at very low concentrations, pharmaceutical compounds and pesticides are of a great concern because of their potential adverse effects to ecosystems. Since biodegradation is one of the predominant transformation pathway for micropollutants, biological processes and notably hybrid processes (combining free and supported biomasses), seem relevant to remove them efficiently. In this work, our interest focuses on the biodegradation of carbamazepine, diclofenac, and diuron by selected microorganisms using a hybrid bioreactor. The methodology developed in this work consisted in the implementation of batch degradation experiments in order to select efficient microorganisms able to break down target molecules, before evaluating their efficiency using a hybrid bioreactor. The selected strains allowed degrading completely diclofenac by a co-metabolism process in less than 24 hours, and showed encouraging results in 72 hours for the other compounds. Then, the efficiency of selected strains has been evaluated using hybrid bioreactors prototypes under different conditions. Even though the removal of diclofenac was very high under sterile conditions, the observed kinetic was lower. Carbamazepine and diuron showed low removal.

The effect of the soil organic status (SOS) on the dynamics and impact of a copper contamination was investigated in a coupled field and mesocosm study with a loamy vineyard soil that had been amended with conifer compost (CC) or not amended (NA) during a previous long-term field experiment. Soil mesocosms were contaminated at 240 mg Cu kg-1 and incubated for 24 months. Cu distribution and dynamics were assessed in the solid matrix at the microscale by size fractionation of soils and in the soil solution by measuring total and free exchangeable copper concentrations (Cu2+). Copper bioavailability, CuBio, was also measured with a whole-cell biosensor. The impact of copper on soil bacterial community was evaluated through the monitoring of the amount of copper-resistant bacteria and through the variations in bacterial community structure using ARISA (Automated-Ribosomal-Intergenic-Spacer-Analysis). Results showed that copper distribution, speciation and bioavailability are strongly different in the NA and CC soils, demonstrating that the organic status of soils largely controls the solid and liquid speciation of copper as well as its availability to microorganisms. Cu was shown to be dominantly distributed in the smallest size fractions (<20µm) of both control and amended soils and also in the coarser fraction (>250µm) of the CC soil. The coarser and finest size fractions of the soil are also the ones that release more Cu2+ and CuBio, explaining thus the important amount of Cu-resistant bacteria inhabiting these fractions and the differentiated temporal impact on the structure of soil bacterial community. The distribution of cultivable bacteria varied strongly between the two soils and was found to be well correlated with the distribution of added OM that controls thus bacterial community structure. The preferential impacts of copper observed in the smallest size fractions of the non amended soil demonstrate that copper toxicity and impact is also controlled by the reactivity of the soil fractions. This reactivity controls especially the release and the liquid speciation of Cu and thus bacteria-metal contact. A clear relationship between copper speciation, bioavailability, distribution and impact was established in the present study and will permit better predicting the fate and impact of metals in soils, by accounting for microscale control of metal impact

L'analyse du cycle de vie (ACV) est une méthode très utilisée pour l'évaluation environnementale d'un système anthropique. Les spécialistes ont souligné l'absence de dimension temporelle comme une limitation. Les procédés de la technosphère sont dynamiques, ce qui conduirait à un inventaire de cycle de vie (ICV) dépendant du temps. Les mécanismes environnementaux impliqués dans la génération des impacts ont des caractéristiques dynamiques variées déterminant une manifestation temporelle spécifiques des impacts. Cependant, l’impact du cycle de vie (EICV) actuelles considère des modèles en conditions stationnaires et des horizons de temps arbitrairement fixés. L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement d'une méthodologie opérationnelle et des outils adaptés pour la prise en compte du temps dans l'ACV, en accordant une importance au développement d'une approche de modélisation intégrée pour l’ICV et l’EICV. La première contribution de cette thèse concerne le développement d'une base de données temporelle, en s'appuyant sur la base de données ecoinvent, dans laquelle les paramètres temporels ont été attribués aux sets de données. Des indicateurs dynamiques pour le changement climatique et la toxicité ont été développés en adaptant les modèles disponibles et ils ont été mis en place dans un outil de calcul propre. L'approche de modélisation tient compte de la nature fluctuante des émissions des substances en fonction du temps calculées par le modèle d’ICV temporel DyPLCA. / Life Cycle Assessment (LCA) is a widely used method for the environmental evaluation of an anthropogenic system. However, LCA scholars pointed out the lack of a temporal dimension as a limitation. The processes of technosphere are dynamic which leads to a time dependent life cycle inventory (LCI). Environmental mechanisms involved in impact developments have distinct dynamic behaviors determining specific temporal occurrence. However, the current life cycle impact assessment (LCIA) methods consider arbitrarily fixed time horizons and/or steady state conditions. The objective of this thesis is to contribute to the development of an operational methodology and adapted tools for the consideration of time dependency in LCA, with emphasis on the development of an integrated modelling solution for both the life cycle inventory and the life cycle impact assessment phases. The first contribution of this thesis concerns the development of a temporal data base, leaning against ecoinvent data base, in which temporal parameters have been attributed to the data sets. Dynamic climate change and toxicity impacts were developed by adapting available models and were implemented in a homemade computational tool. The modelling approach takes into account the noisy nature of substance emissions in function of time as calculated by DyPLCA temporal LCI model.

Les hydrocarbures aromatiques polycyliques (HAPs) figurent parmi les polluants organiques persistants majeurs des sols pollués et présentent une toxicité avérée vis-à-vis de l'homme et des écosystèmes. Parmi les méthodes de remédiation des sols pollués par les HAPs, la phytoremédiation assistée par les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA), pourrait représenter une alternative innovante, écologique et économique. L'utilisation des mycorhizes comme outil de phytoremédiation des sols pollués présente plusieurs avantages dont une meilleure tolérance à la toxicité des HAPs, une meilleure nutrition hydrique et minérale ainsi qu'une meilleure dissipation des HAPs. De rares études ont décrit l'impact des HAPs sur le développement des CMA en lien avec une péroxydation lipidique et une perturbation des teneurs en lipides du CMA, mais ni les cibles d'action de ces polluants au niveau du métabolisme lipidique, ni le rôle de ces modifications dans sa tolérance aux HAPs et dans leur dissipation n'ont été étudiés. C'est pourquoi, le premier objectif de ce travail vise tout d'abord à comprendre l'impact des HAPs sur le métabolisme lipidique. Le radiomarquage par l'acétate [1-¹⁴C] a permis de montrer une perturbation de la biosynthèse des lipides membranaires du CMA extra-racinaire. D'autre part, nos résultats montrent que les HAPs affectent la nutrition phosphatée. Par ailleurs, la capacité des mycorhizes à dégrader et à bioaccumuler le benzo[a]pyrène est démontrée. Enfin, l'implication du métabolisme des lipides de réserve (les triacylglycérols) du mycélium extra-racinaire dans la régénération des membranes altérées, la lutte contre le stress oxydant induit par les HAPs et dans leur métabolisation/bioaccumulation est discutée. / Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are among the major persistent organic pollutant frequently found in the polluted soils and are harmful for human health and its environment. To clean-up the PAHs polluted soils, phytoremediation assisted by arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) could represent an innovative, ecological and cost-effective alternative. The use of mycorrhizas, as phytoremediation tool, has several advantages including increased tolerance to the pollutant toxicity, improved water and mineral nutrition as well as a better pollutant dissipation. Few studies have described the impact of PAHs on the AMF development related with lipid peroxidation and total lipid content disturbance. However, so far neither the target action of these pollutants on the metabolism, nor the role of these lipid changes in PAH tolerance and in their dissipation have been studied. Therefore, the present work aims firstly to improve our understanding of the PAHs impact on the CMA lipid metabolism. Thanks to radiolabeling experiments with [1-¹⁴C] acetate, our results showed a disruption of the membrane lipid biosynthesis pathways in the AMF extraradical mycelium, grown in the presence of PAHs. Secondly, it was highlighted that the PAHs affectef the phosphate nutrition. Finally, the mycorrhizas abilities to degrade and to bioaccumulate the benzo[a]pyrene, were pointed out. The involvement of extraradical mycelium storage lipid (triacyglycerols) metabolism in the membrane regeneration, the fight against the PAH induced-oxidative stress and the PAH metabolism/bioaccumulation is discussed.

Les abeilles et les parasitoïdes de pucerons courent le risque d'exposition à des insecticides qui ne leur sont pas destinés. Nos objectifs consistent à évaluer ce risque sur le terrain et à contribuer à mettre au point des tests de toxicité létale et sublétale en laboratoire pour les deux types d'insectes. <br />A Madagascar, nous avons mené une enquête pour déterminer l'impact de pratiques paysannes en matière de protection de cultures d'agrumes sur les abeilles, et une expérimentation en parcelle de choux pour évaluer les effets de traitements insecticides sur les Hyménoptères parasites de pucerons. En France, nous avons déterminé en laboratoire les toxicités aiguës de la deltaméthrine, de la lambda cyhalothrine, du chlorpyriphos éthyle et du pyrimicarbe, pour les abeilles et le parasitoïde de pucerons, Aphidius ervi. Nous avons analysé, chez l'abeille, certaines causes de variabilité des doses létales à 50%. Nous avons également déterminé les effets d'insecticides sur le comportement d'orientation olfactive en olfactomètre chez l'abeille et A. ervi. <br />A Madagascar, le traitement pendant la floraison existe et les apiculteurs constatent des effets négatifs sur leurs ruches. L'expérimentation en parcelle de chou montre que le traitement insecticide contribue à retarder l'action des Hyménoptères parasites de pucerons. <br />En laboratoire, la toxicité varie en fonction du mode de pénétration et de la nature des matières actives. Chez l'abeille, les toxicités par ingestion collective et individuelle ne sont pas toujours comparables. L'importance du phénomène de trophallaxie dans cette différence a été précisée. Ainsi, la valeur de DL50 exprimée en ng/abeille dépend des conditions expérimentales. Les abeilles et A. ervi ayant survécu aux traitements insecticides et testés en olfactomètre, ne montrent pas ou peu de changement de comportement d'orientation vis-à-vis de l'odeur utilisée. Par contre, les abeilles recevant des DL20 et DL50 de deltaméthrine ont une capacité locomotrice réduite. Cette perturbation pourrait avoir des effets non négligeables sur les insectes auxiliaires dans un environnement pollué par les insecticides