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There is a widespread distribution of possibly toxic heavy metals, such as zinc, in aquatic ecosystems. Simultaneously aquatic food webs are changing due to declining predatory fish stocks. In this study, I examine how such an alteration of the food chain, the disappearance of a top trophic level, can affect the uptake and transfer of pollutants in lower trophic levels. I investigate a tri-trophic food chain containing resources (zooplankton), consumer fish, and predatory fish and use zinc as an example pollutant. This is done by constructing and adding a pollutant module to a stage-structured biomass model. The combined model is based on a system of eight ordinary differential equations to study the zinc concentrations in the consumer fish population in two scenarios: in the presence or absence of predatory fish, i.e., the food chain consists of either three or two trophic levels. The results show that the removal of the predator affects the concentration of the pollutant in the consumer population. In the absence of predators, the uptake of zinc from food is smaller and the zinc concentration is lower in the consumer fish population. The results remain the same for different values of the pollutant-specific parameters, i.e., uptake rate from water, assimilation efficiency, and efflux rate. This could indicate that food chain dynamics have a strong influence on the uptake and transfer of pollutants. Furthermore, this means that even if the model is parametrized to zinc in this study, the modeling tool can also be used for other pollutants with similar biokinetics as zinc. The results from this study highlight the importance to include food chain structure and dynamics when studying the uptake and transfer of pollutants. The novel knowledge and the developed tool from this study could advantageously be included to a higher degree when discussing the impact of pollution on aquatic ecosystems and mitigation measures. / Det finns en utbredd spridning av potentiellt giftiga tungmetaller, som t.ex. zink, i akvatiska ekosystem. Samtidigt förändras akvatiska födovävar på grund av minskande rovfiskbestånd. I denna studie undersöker jag hur en sådan förändring av födoväven, ett försvinnande av en trofisk toppnivå, kan påverka upptaget och överföringen av föroreningari lägre trofinivåer. Jag undersöker en tritrofisk födokedja som innehåller resurser (zooplankton), konsumentfisk och rovfisk och använder zink som ett exempel på förorening. Detta görs genom att konstruera och addera en föroreningsmodul till en stegstrukturerad biomassamodell. Den kombinerade modellen bygger på ett system med åtta ordinära differentialekvationer för att studera zinkhalterna i konsumentfiskpopulationen i två scenarier: i närvaro eller frånvaro av predatorer, dvs. födokedjan innehåller antingen tre eller två trofiska nivåer. Resultaten visar att koncentrationen av föroreningen i konsumentpopulationen förändras när födokedjan ändras. När rovfiskar saknas i systemet är upptaget av zink från föda mindre och zinkkoncentrationen lägre i konsumentfiskpopulationen. Resultaten förblir detsamma för olika värden på de föroreningsspecifika parametrarna, d.v.s. upptagshastighet från vatten, assimileringseffektivitet och utflödeshastighet, vilket skulle kunna indikera att födokedjans dynamik har ett starkt inflytande på upptag och överföring av föroreningar. Vidare innebär detta att även om modellen har parametriserats till zink i denna studie, så kan modelleringsverktyget även användas för andra föroreningar som har en liknande biokinetik som zink. Resultaten från denna studie understryker vikten av att inkludera födokedjans struktur och dynamik när man studerar upptag och överföring av föroreningar. Den nya kunskapen och det utvecklade verktyget från denna studie skulle med fördel i högre grad inkluderas när man diskuterar föroreningars påverkan på akvatiska ekosystem och vilka åtgärder som bör sättas in för att minska problemen.

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Les proliférations nuisibles de la cyanobactérie filamenteuse benthique Lyngbya wollei qui forme des tapis déposés sur les sédiments ont augmenté en fréquence au cours des 30 dernières années dans les rivières, lacs et sources de l'Amérique du Nord. Lyngbya wollei produit des neurotoxines et des composés organiques volatils (géosmin, 2-méthylisobornéol) qui ont des répercussions sur la santé publique de même que des impacts d'ordre socioéconomiques. Cette cyanobactérie est considérée comme un habitat et une source de nourriture de piètre qualité pour les invertébrés en raison de sa gaine robuste et de sa production de toxines. Les proliférations de L. wollei ont été observées pour la première fois en 2005 dans le fleuve Saint-Laurent (SLR; Québec, Canada). Nous avons jugé important de déterminer sa distribution sur un tronçon de 250 km afin d'élaborer des modèles prédictifs de sa présence et biomasse en se basant sur les caractéristiques chimiques et physiques de l'eau. Lyngbya wollei était généralement observé en aval de la confluence de petits tributaires qui irriguent des terres agricoles. L’écoulement d’eaux enrichies à travers la végétation submergée se traduisait par une diminution de la concentration d’azote inorganique dissous (DIN), alors que les concentrations de carbone organique dissous (DOC) et de phosphore total dissous (TDP) demeuraient élevées, produisant un faible rapport DIN :TDP. Selon nos modèles, DOC (effet positif), TP (effet négatif) et DIN :TDP (effet négatif) sont les variables les plus importantes pour expliquer la répartition de cette cyanobactérie. La probabilité que L. wollei soit présent dans le SLR a été prédite avec exactitude dans 72 % à 92 % des cas pour un ensemble de données indépendantes. Nous avons ensuite examiné si les conditions hydrodynamiques, c'est-à-dire le courant généré par les vagues et l'écoulement du fleuve, contrôlent les variations spatiales et temporelles de biomasse de L. wollei dans un grand système fluvial. Nous avons mesuré la biomasse de L. wollei ainsi que les variables chimiques, physiques et météorologiques durant trois ans à 10 sites le long d'un gradient d'exposition au courant et au vent dans un grand (148 km2) lac fluvial du SLR. L'exposition aux vagues et la vitesse du courant contrôlaient les variations de biomasses spatiales et temporelles. La biomasse augmentait de mai à novembre et persistait durant l'hiver. Les variations interannuelles étaient contrôlées par l'écoulement de la rivière (niveau d'eau) avec la crue printanière qui délogeait les tapis de l'année précédente. Les baisses du niveau d'eau et l'augmentation de l'intensité des tempêtes anticipées par les scénarios de changements climatiques pourraient accroître la superficie colonisée par L. wollei de même que son accumulation sur les berges. Par la suite, nous avons évalué l'importance relative de L. wollei par rapport aux macrophytes et aux épiphytes. Nous avons examiné l'influence structurante de l'échelle spatiale sur les variables environnementales et la biomasse de ces producteurs primaires (PP) benthiques. Nous avons testé si leur biomasse reflétait la nature des agrégats d'habitat basées sur l'écogéomorphologie ou plutôt le continuum fluvial. Pour répondre à ces deux questions, nous avons utilisé un design à 3 échelles spatiales dans le SLR: 1) le long d'un tronçon de 250 km, 2) entre les lacs fluviaux localisés dans ce tronçon, 3) à l'intérieur de chaque lac fluvial. Les facteurs environnementaux (conductivité et TP) et la structure spatiale expliquent 59% de la variation de biomasse des trois PP benthiques. Spécifiquement, les variations de biomasses étaient le mieux expliquées par la conductivité (+) pour les macrophytes, par le ratio DIN:TDP (+) et le coefficient d'extinction lumineuse (+) pour les épiphytes et par le DOC (+) et le NH4+ (-) pour L. wollei. La structure spatiale à l'intérieur des lacs fluviaux était la plus importante composante spatiale pour tous les PP benthiques, suggérant que les effets locaux tels que l'enrichissement par les tributaire plutôt que les gradients amont-aval déterminent la biomasse de PP benthiques. Donc, la dynamique des agrégats d'habitat représente un cadre général adéquat pour expliquer les variations spatiales et la grande variété de conditions environnementales supportant des organismes aquatiques dans les grands fleuves. Enfin, nous avons étudié le rôle écologique des tapis de L. wollei dans les écosystèmes aquatiques, en particulier comme source de nourriture et refuge pour l'amphipode Gammarus fasciatus. Nous avons offert aux amphipodes un choix entre des tapis de L. wollei et soit des chlorophytes filamenteuses ou un tapis artificiel de laine acrylique lors d'expériences en laboratoire. Nous avons aussi reconstitué la diète in situ des amphipodes à l'aide du mixing model (d13C et δ15N). Gammarus fasciatus choisissait le substrat offrant le meilleur refuge face à la lumière (Acrylique>Lyngbya=Rhizoclonium>Spirogyra). La présence de saxitoxines, la composition élémentaire des tissus et l'abondance des épiphytes n'ont eu aucun effet sur le choix de substrat. Lyngbya wollei et ses épiphytes constituaient 36 et 24 % de l'alimentation in situ de G. fasciatus alors que les chlorophytes, les macrophytes et les épiphytes associées représentaient une fraction moins importante de son alimentation. Les tapis de cyanobactéries benthiques devraient être considérés comme un bon refuge et une source de nourriture pour les petits invertébrés omnivores tels que les amphipodes. / Harmful proliferations of the filamentous cyanobacterium L. wollei forming conspicuous benthic mats on the bottom sediment have been reported with increasing frequency in the last 30 years in rivers, lakes, and springs in North America. It is a known producer of neurotoxins and volatile organic compounds (geosmin, 2-methylisoborneol) thus exerting socioeconomic and public health impacts. Lyngbya wollei is also considered a poor nutritional source for invertebrates because of its robust sheath and toxin production. Proliferation of L. wollei in St. Lawrence River (SLR; Quebec, Canada) was first noticed in 2005. We deemed important to determine its distribution over a 250 km stretch of the SLR to elaborate predictive models of its presence and biomass based on chemical and physical characteristics. Lyngbya wollei was generally found downstream of the inflow tributaries draining farmlands. As enriched waters flowed slowly through submerged vegetation, dissolved inorganic nitrogen (DIN) concentration dropped but dissolved organic carbon (DOC) and total dissolved phosphorus (TDP) remained high, leading to a low DIN:TDP ratio. Models identified DOC (positive effect), TP (negative effect), and DIN:TDP (negative effect) as the most important variables explaining L. wollei distribution. The risk of L. wollei occurrence in the SLR was correctly forecasted in 72%-92% of all cases with an independent data set. We then examined if hydrodynamic conditions, namely currents generated by waves and river flow, control spatial and temporal variations of L. wollei biomass in a large river system. We measured L. wollei biomass together with meteorological, physical, and chemical variables over three years at 10 sites along a gradient of exposure to current and wind in a large (148 km2) fluvial lake of SLR. Wave exposure and current velocity controlled spatial and temporal biomass variations. Biomass increased from May to November and persisted during winter. Interannual variations were primarily controlled by river flow (water level) with spring discharge dislodging mats from the previous year. As anticipated under climate change scenarios, drops in water level and rising storm intensity may lead to an increase in the areas colonized by L. wollei, together with more frequent episodes of mat disruption and beach fouling. Additionally, we evaluated the relative importance of L. wollei with respect to macrophytes and epiphytes. We assessed the influence of the spatial scale in structuring environmental variables and biomass of these benthic primary producers (PP). We also test to which extent their biomass reflected the nature of patches based on ecogeomorphology or the river continuum. To address these two questions, we used a nested design at 3 spatial scales within the SLR: 1) along a 250-km-long upstream-downstream river stretch, 2) among three fluvial lakes located within that river stretch and 3) within each fluvial lake. Environmental factors (conductivity and TP) and spatial structure together explained 59% of the variability in biomass of all three benthic PP. Spatial variability of biomass was best explained by conductivity (+) for macrophytes, DIN:TDP ratio (+) and water extinction coefficient (+) for epiphytes and DOC (+) and NH4+ (-) for L. wollei mats. Within-lake structure was the most important spatial component for all benthic PP, suggesting that local effects, such as enrichment by the inflow of tributaries, rather than upstream-downstream gradients, determined the biomass and composition of benthic PP. Therefore patch dynamics represents a general framework which adequately covers the spatial variability and wide variety of environmental conditions experienced by aquatic organisms found in large rivers. Finally, we investigated the ecological role of L. wollei mats in aquatic ecosystems, especially as a food source and shelter for the amphipod Gammarus fasciatus. We offered amphipods a choice between mats of L. wollei and either chlorophytes or an artificial mat made of acrylic wool in laboratory experiment. Moreover, we reconstructed in situ amphipod diet using mixing model (δ13C and δ15N). Gammarus fasciatus selected the substratum offering the best light refuge (Acrylic > Lyngbya = Rhizoclonium > Spirogyra). Presence of saxitoxins, tissue elemental composition and epiphyte abundance had no significant effect on substratum choice. Lyngbya wollei and its epiphytes constituted 36 and 24% of the in situ diet of G. fasciatus whereas chlorophytes, macrophytes and associated epiphytes represented a less important fraction of its diet. Benthic cyanobacterial mats should be considered a good shelter and food source for small omnivorous invertebrates such as amphipods.

In der vorliegenden Arbeit wurden die Einflüsse der landwirtschaftlichen Nutzung auf die Struktur und Biomasse von Nematoden entlang eines Tiefengradientens und innerhalb zweier Vegetationsperioden an einem Ackerstandort untersucht. Die Freilandanalyse der Nematodengemeinschaft wies auf ein mit Nährstoffen angereichertes und gestörtes Ökosystem, mit einer geringen Diversität, hin. Entlang des Tiefengradienten bildeten die Nematoden Metacommunities, welche Umweltgegebenheiten wie Nahrungsquellen und abiotischen Faktoren widerspiegeln. Signifikant höhere Biomassen wurden unter Weizen im Vergleich zu Mais als Ackerfrucht beobachtet. Die Streuapplikation induzierte einen „bottom-up“ Effekt mit größeren Biomassen in den niedrigen als in den höheren trophischen Stufen. Die Nematoden Biomassen sowie die faunistischen Indizes (Channel Index, Enrichment Index) zeigten, dass der Kohlenstofffluss im Bakterienkanal des Bodens dominierte. Allerdings deckte das 13C Pulse-Labelling Experiment im Feld auf, dass der Kohlenstofffluss durch die Pilzgemeinschaft sowie die pilzfressenden Nematoden wesentlich höhere Umsatzraten aufweist. In einem 14C-Laborexperiment wurde ein vollständiges Budget des Flusses von wurzelbürtigem Kohlenstoff in das Nahrungsnetz der Nematoden bestimmt. Hierbei wiesen die pflanzenparasitären Nematoden die höchsten 14C-Gehalte innerhalb weniger Tage auf, da sie direkt an den Wurzeln fressen und über die Herbivorenkette den Nährstoffzyklus im Boden eröffnen. / The present research considered the effects of agricultural management practice on the nematode community structure and biomass in three different depths and two successive vegetation periods at an arable field site. The resource quality was manipulated by crop plant and organic amendment, to investigate the major soil carbon pathways based on roots, bacteria and fungi. The nematode community analysis pointed to a highly enriched and disturbed ecosystem with low biodiversity. Along the depth gradient the nematodes formed distinct metacommunities, reflecting resource availability and abiotic environmental factors. Wheat supported significantly greater nematode biomass than maize. The litter amendment induced bottom-up effects, with greater biomass allocation at lower than at higher trophic levels. The biomass of nematode families as well as faunal indices (Channel Index, Enrichment Index) revealed a predominance of the bacterial carbon channel in the arable soil. A 13C pulse-labelling experiment investigating the flux of root- derived C into the soil food web revealed high turnover rates in the fungal carbon pathway. This was evident for soil fungi as well as for fungal-feeding nematodes and contradicts general assumptions of a more active bacterial pathway in arable soils. A laboratory experiment with 14C isotope was used to compile a complete budget for the root-derived carbon in the nematode food web. Here plant-feeding nematodes, which feed on living plant roots, thereby opening the root C cycling into the food web, showed highest amounts of 14C allocation within a few days.

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A travers le monde, les zones côtières abritent une grande diversité d’ingénieurs de l’écosystème accomplissant des fonctions clés comme le recyclage de la matière organique et des nutriments. Les habitats résultants de l’activité biologique de ces espèces sont exposés à de nombreuses perturbations comme la surpêche, le piétinement ou via l’aménagement des côtes. Dans ce contexte, il est urgent de comprendre le fonctionnement de ces habitats ingénieurés et comment ils sont affectés par des perturbations croissantes. Pendant ma thèse, j’ai utilisé l’habitat récifal construit par le polychète grégaire tubicole Sabellaria alveolata comme cas d’étude. Tout d’abord, les changements environnementaux et biotiques associés à la mise en place d’un récif à S. alveolata et à sa perturbation croissante ont été évalué, se concentrant sur les paramètres du sédiment (e.g. granulométrie, contenu en matière organique) ainsi que la diversité taxonomique et les assemblages d’espèces. De manière similaire, le troisième article se penche sur le fonctionnement trophique de la communauté récifale et d’une communauté contrôle afin de comprendre les effets de la mise en place de l’espèce ingénieur sur les transferts de carbone, s’intéressant successivement à l’ensemble de la communauté des consommateurs, aux consommateurs primaires et à l’importance des sources de nourriture autochtones (microphytobenthos et Ulva sp.) vs allochtone (phytoplancton). Dans cette partie, j’ai utilisé les isotopes stables du carbone et de l’azote ainsi que différentes approches analytiques telles que des mesures de la niche isotopique et des modèles de mélange. L’article 2 a pour but de comprendre les interactions entre complexité de l’habitat récifal, hétérogénéité des sources de nourriture autochtones et échelles spatiales dans l’explication des variations du rapport isotopique du carbone de S. alveolata et d’un suspensivore associée. Dans les deux derniers chapitres, j’ai traité la question du fonctionnement de l’habitat ingénieuré de manière directe, en utilisant des incubations de carottes benthiques pour mesurer des flux biogéochimiques (e.g. demande en oxygène), ou indirecte, en utilisant des indices de diversité fonctionnelle et isotopique intégratifs. Cette dernière partie révèle l’existence d’un optimum de densité de S. alveolata, utilisée comme proxy des perturbations, où la niche trophique et le fonctionnement biogéochimique du récif sont tous les deux maximaux. / Coastal zones worldwide are home to a large diversity of ecosystem engineers that perform key functions such as the recycling of organic matter and nutrients. The habitats resulting from the biological activity of these species are exposed to numerous disturbances such as over harvesting and trampling or via coastal modification. In this context, it is becoming key to understand the functioning of these engineered habitats and how they are affected by increasing disturbances. During my PhD, I used the reef habitat built by the gregarious tubiculous polychaete Sabellaria alveolata as a study case. First, the environmental and biotic changes associated with the establishment of a S. alveolata reef and its increasing disturbance were assessed, focusing on sediment characteristics (e.g. grain-size distribution, organic matter content) along with taxonomic diversity and species assemblage. In the same vain, the third article looks into the trophic functioning of the reef community and a control community to understand the effects of the establishment of the engineer species on carbon transfers, successively looking at the whole consumer community, the primary consumers and the importance of autochthonous (microphytobenthos and Ulva sp.) vs allochthone (phytoplankton) food sources. In this part, I used carbon and nitrogen stable isotopes and different analytical approaches such as isotopic niche metrics and mixing models. Article 2 aims towards understanding the interactions between reef habitat complexity, autochthonous food source heterogeneity and spatial scales in explaining the carbon isotopic ratio variations of S. alveolata and an associated suspension-feeder. In the last two chapters, I address the functioning of the engineered habitat either directly, using benthic core incubations to measure biogeochemical fluxes (e.g. oxygen demand) or indirectly, through the use of integrative functional and isotopic diversity indices. This last part reveals the existence of an optimum value of S. alveolata density, used as a disturbance proxy, where the trophic niche and the biogeochemical functioning of the reef are both maximal.

Les plages de sable sont des écosystèmes dynamiques couvrant 70% des côtes mondiales. Ces systèmes abritent un cortège spécifique unique et assurent des fonctions essentielles de nourricerie, de nurserie et d’épuration des eaux. Or à proximité des côtes, la population humaine est en développement constant ce qui accroît les multiples pressions d’origine anthropique sur les écosystèmes côtiers. L’apport en excès de nutriments constitue une menace majeure qui peut se traduire par le développement d’importantes biomasses de macroalgues opportunistes (eutrophisation). La fréquence et l’intensité de ces blooms, communément formés de chlorophycées à court cycle de vie (ulves) et appelés marées vertes (MV), s'amplifient sur les côtes françaises et dans le Monde menaçant le fonctionnement de systèmes prépondérants et uniques.La plupart des études visant à déterminer les effets des MV sur la structure et le fonctionnement d’écosystèmes sédimentaires ont été conduites dans des environnements abrités, micro- ou atidaux. Cette problématique est restée presqu’inexplorée dans des écosystèmes plus dynamiques (systèmes ouverts et macrotidaux) en raison des difficultés de mise en place d’échantillonnage et de détection des effets de stress d’origine anthropique, inhérentes à la variabilité de ces systèmes. Cette thèse a donc eu pour objectif principal de combler ce manque et produire des connaissances en étudiant les réponses in situ des communautés benthiques de plages de sable fin macrotidales en présence ou non de MV. Quatre études ont été menées à différentes échelles spatio-temporelles et en considérant différents compartiments biologiques pour répondre à cette question générale.Ce travail de thèse montre qu’à l’échelle de la région Bretagne (variabilité intégrée sur 2700km de côtes et 7 ans) les communautés benthiques d’écosystèmes dynamiques sont modifiées significativement et de manière conservative par la présence de MV. Ce travail démontre aussi que les marées vertes impactent différemment la faune benthique en fonction du type d’habitat (plages semi-exposées vs. exposées), de la profondeur (mediolittoral vs. infralittoral), et du compartiment biologique (macrofaune benthique vs. juvéniles de poissons plats). Ces comparaisons ont permis d’identifier la faune benthique de médiolittoral inférieur des plages exposées comme étant le système le plus affecté par les MV. L’étude des variations à fine échelle spatio-temporelle de ce dernier montre que les caractéristiques faunistiques (uni- et multi-variées) sont modifiées le long d’un gradient de couverture d’algues vertes. Par exemple, la β-diversité décroît significativement le long de ce gradient. Afin d’explorer les processus pouvant expliquer ces modifications, et déterminer si ces changements ont des répercussions sur le fonctionnement de l’écosystème « plage de sable », les effets de l’accumulation d’ulves sur le réseau trophique à différent(e)s niveaux/échelles ont été mesurés. Les résultats de cette étude montrent qu’une importante biomasse d’ulves induit un changement de la structure entière du réseau trophique et une modification importante du fonctionnement trophique des plages. Les expérimentations menées au cours de cette thèse montrent que les changements observés sont induits par des effets directs (consommation de débris d’ulves) et indirects (modifications d’autres sources de nourriture) de la présence des MV.Cette thèse propose un cadre de travail visant à mieux détecter les effets de stress anthropiques sur la structure et le fonctionnement d’écosystèmes dynamiques. Dans un contexte de changement global forçant les écosystèmes à faire face à de multiples stress, cette approche pourrait se révéler particulièrement utile pour démêler, comprendre et prédire les effets de perturbations induites par les activités humaines sur le fonctionnement des écosystèmes et constituer une aide à la gestion de ces environnements particuliers. / Highly dynamic systems, often considered as resilient systems, are characterised by abiotic and biotic processes under continuous and strong changes in space and time. Because of this variability, the detection of overlapping anthropogenic stress is challenging. Coastal areas harbour dynamic ecosystems in the for of open sandy beaches, which cover the vast majority of the world’s ice-free coastline. These ecosystems are currently threatened by increasing human-induced pressure, among which mass-development of opportunistic macroalgae (mainly composed of Chlorophyta, so called green tides), resulting from the eutrophication of coastal waters. The ecological impact of opportunistic macroalgal blooms (green tides, and blooms formed by other opportunistic taxa), has long been evaluated within sheltered and non-tidal ecosystems. Little is known, however, on how more dynamic ecosystems, such as open macrotidal sandy beaches, respond to such stress. This thesis assesses the effects of anthropogenic stress on the structure and the functioning of highly dynamic ecosystems using sandy beaches impacted by green tides as a study case. The thesis is based on four field studies, which analyse natural sandy sediment benthic community dynamics over several temporal (from month to multi-year) and spatial (from local to regional) scales. In this thesis, I report long-lasting responses of sandy beach benthic invertebrate communities to green tides, across thousands of kilometres and over seven years; and highlight more pronounced responses of zoobenthos living in exposed sandy beaches compared to semi-exposed sands. Within exposed sandy sediments, and across a vertical scale (from inshore to nearshore sandy habitats), I also demonstrate that the effects of the presence of algal mats on intertidal benthic invertebrate communities is more pronounced than that on subtidal benthic invertebrate assemblages, but also than on flatfish communities. Focussing on small-scale variations in the most affected faunal group (i.e. benthic invertebrates living at low shore), this thesis reveals a decrease in overall beta-diversity along a eutrophication-gradient manifested in the form of green tides, as well as the increasing importance of biological variables in explaining ecological variability of sandy beach macrobenthic assemblages along the same gradient. To illustrate the processes associated with the structural shifts observed where green tides occurred, I investigated the effects of high biomasses of opportunistic macroalgae (Ulva spp.) on the trophic structure and functioning of sandy beaches. This work reveals a progressive simplification of sandy beach food web structure and a modification of energy pathways over time, through direct and indirect effects of Ulva mats on several trophic levels. Through this thesis I demonstrate that highly dynamic systems respond differently (e.g. shift in δ13C, not in δ15N) and more subtly (e.g. no mass-mortality in benthos was found) to anthropogenic stress compared to what has been previously shown within more sheltered and non-tidal systems. Obtaining these results would not have been possible without the approach used through this work; I thus present a framework coupling field investigations with analytical approaches to describe shifts in highly variable ecosystems under human-induced stress.

L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension du fonctionnement et de la structure trophique du golfe de Gabès en Tunisie. Afin de concilier exigences écologiques et exploitation des ressources marines, différents modèles écosystémiques ont été développés pour étudier sa dynamique trophique et contribuer à la réflexion sur la mise en place de plans de gestion. Un modèle trophique d’équilibre de masse « Ecospace » a été construit afin d’évaluer les conséquences écosystémiques de différentes mesures de gestion. Les résultats des simulations ont permis d’explorer les interactions entre la pêche côtière et la pêche au chalut benthique et d’identifier des zones où les mesures de gestion sont effectives. Un modèle end-to-end a également été appliqué pour expliciter la dynamique des espèces considérées, depuis le forçage climatique jusqu'à la pêche. Cette approche de modélisation consiste à forcer le modèle individu-centré « OSMOSE » par un modèle biogéochimique « Eco3MMed ». Ce modèle a permis d’établir une représentation cohérente du réseau trophique et de simuler des scénarios de gestion théoriques de mise en réserve. Le modèle end-to-end a également été utilisé pour étudier la sensibilité d’un ensemble d’indicateurs écologiques à la pression de pêche. Les résultats ont révélé que les indicateurs de taille sont les plus adaptés pour faire le suivi de l’impact de la pêche dans le golfe de Gabès. Au final, une approche comparative entre plusieurs écosystèmes méditerranéens a été mise en place avec le modèle EcoTroph pour comparer leurs structures trophiques et explorer les effets de plusieurs niveaux d’exploitation par l’analyse de leurs spectres trophiques. / The objective of this thesis is to improve the understanding of trophic structure and functioning of the gulf of Gabes in Tunisia. In order to reconcile environmental concerns and exploitation of marine resources, different ecosystem models have been developed to study the ecosystem dynamics and contribute to the discussion on the implementation of management plans. A spatial and temporal dynamic model “Ecospace” was built to evaluate the ecosystem consequences of different management measures based on scenarios derived from the current regulation. The results of simulations allowed to investigate the interactions between coastal and benthic trawl fishing and to identify areas where management measures are effective. An end-to-end model has been applied to the gulf of Gabes ecosystem to represent the dynamics of 11 high trophic level species, from climate forcing to fishing.This modelling approach consists in forcing the individual-based model "OSMOSE" by a biogeochemical model "ECO3M-Med". This model allowed to establish a coherent representation of the food web and simulate theoretical management scenarios of spatial fishing closure. The end-to-end model has also been used to study the sensitivity of a set of ecological indicators to fishing pressure. The simulation of different levels of fishing mortality showed that size indicators were the most relevant to monitor the impact of fishing in the gulf of Gabes. Finally, a comparative approach between several Mediterranean ecosystems was applied using the EcoTroph model to compare their trophic structures and explore the effects of different levels of fishing pressure through the analysis of their trophic spectra.