Dans le contexte actuel de changement global et particulièrement de réchauffement climatique et de pollution chimique chronique, se pose la question de la vulnérabilité des écosystèmes côtiers et notamment des populations d’invertébrés filtreurs jouant un rôle structurant dans la plupart de ces écosystèmes. Dans ces travaux de thèse, une approche couplée d’écophysiologie et de génomique fonctionnelle a été mise à profit afin de mieux comprendre les processus moléculaire, cellulaire et physiologique de réponse à une contamination chimique chronique modérée et d’évaluer la capacité à faire face à une augmentation de température chez des populations naturelles de moules bleues (Mytilus spp.) de la Rade de Brest. Les résultats obtenus révèlent qu’une contamination chronique modérée induit des réponses adaptatives au niveau subcellulaire chez les moules exposées, prévenant ainsi l’apparition de souffrances physiologiques et permettant aux populations de se maintenir dans un environnement variable. Ces réponses impliquent en particulier, une activation des mécanismes de défense cellulaire (métabolisme énergétique et défenses antioxydantes) et d’élimination des xénobiotiques. Par ailleurs, l’exposition à une augmentation de température en conditions expérimentales ne met pas en évidence de sensibilité particulière au stress thermique chez les moules provenant d’un site exposé à une contamination chronique modérée. En revanche, les résultats indiquent que ces dernières pourraient avoir une plus grande capacité à compenser grâce à des réponses adaptatives, les effets délétères générés par une augmentation de température. Cependant, le fort coût énergétique généré par la contamination chimique ainsi que les effets importants du stress thermique mis en évidence dans ces travaux indiquent que la combinaison de ces deux sources de stress pourrait provoquer des dysfonctionnements métaboliques et représenter à l’avenir, une menace pour les populations naturelles de moules bleues. Ces travaux de thèse ont également contribué au développement de nouvelles méthodologies permettant respectivement, de quantifier des contaminants environnementaux dans des tissus biologiques marins, d’étudier des réponses génomiques précoces de stress et de mesurer des paramètres physico-chimiques in situ. Ces méthodologies pourront contribuer à améliorer les performances du diagnostic de l’état de santé des populations naturelles de moules et au delà, d’espèces-sentinelles de mollusques bivalves dans un contexte de contamination chimique mais également de changements climatiques. / In the current context of chronic chemical pollution and on-going climate change, coastal ecosystems, and in particular keystone filter-feeding bivalve populations inhabiting them, appear vulnerable. In this thesis, an approach coupling ecophysiology and functional genomics was used to study the molecular, cellular and physiological responses of wild blue mussel populations of the Bay of Brest to a moderate chronic chemical contamination, and to assess the ability of these populations to face a heat stress. Results indicate a moderate chronic chemical contamination induces adaptive responses in wild mussel populations from the Brest harbour area, which prevents severe physiological disturbances and sustain long-term population survival. These responses include an activation of cellular stress response [energetic metabolism and antioxidant defences) and xenobiotic elimination mechanisms. Furthermore, experimental heat stress exposure does not highlight a higher sensitivity to a temperature increase in mussels sampled in a moderately contaminated area but suggests that these mussels could have a better ability to offset the adverse effects of heat stress thanks to adaptive responses. However, the high energetic cost of chemical contamination and the strong effects of heat stress presented in this work, suggest combined chemical and heat stress could be a future threat for wild blue mussel populations. This work also contributes to the development of new methodologies to, respectively, quantify environmental contaminants in marine biota, study early warning genomic stress responses and to survey physicochemical parameters in situ. These methodologies contribute to improving the health diagnostics of natural mussel populations and thus, appear as useful tools to assess health of bivalve sentinel species populations in biomonitoring studies, in a context of chemical contamination and climate change.