La zone côtière Atlantique constitue une importante nourricerie pour les juvéniles de sole commune (Solea solea, Linnaeus 1758). Pour évaluer les conséquences sur la biologie des juvéniles de cette espèce exploitant un milieu côtier de plus en plus anthropisé, les effets de l’hypoxie et/ou des Polychlorobiphényles (PCBs) ont été évalués sur leurs performances physiologiques (métabolisme aérobie et performances cardiaques) ainsi que sur leur comportement vis-à-vis des prédateurs. Pour cela, une étude a été réalisée à deux échelles d’organisation biologique, l’organe et l’individu. Des contaminations aux PCBs (670 ng and 2239 ng PCB g-1 de nourriture ont été effectuées expérimentalement par voie trophique pendant 30 et 60 jours. De telles expositions ont engendré des effets peu marqués sur le métabolisme aérobie, se traduisant par une faible augmentation du métabolisme de maintenance associé à une augmentation de la concentration critique en oxygène (O2crit) chez les soles exposées sur le long terme à la plus haute concentration de PCB. De la même façon, la performance cardiaque n’est apparue que très peu affectée par la contamination aux PCBs. Nous avons tout de même noté une diminution de la force de contraction du cœur des soles contaminées lorsqu’il est fortement sollicité comme c’est le cas au cours d’une activité physique soutenue. Par ailleurs, le mécanisme de contraction du cœur se trouve modifié chez les soles contaminées avec une participation plus importante du calcium issu du réticulum sarcoplasmique que chez les soles témoins. Les résultats concernant le comportement anti-prédateur ont montré que l’hypoxie engendrait une réduction du taux de réponse de fuite de la sole, ainsi qu’une limitation de leur capacité cryptique via une augmentation oxy-dépendent de la fréquence de ventilation. D’une façon générale, même si les PCBs semblent avoir peu d’effets sur les performances physiologiques testées, il ne peut être exclu qu’ils puissent compromettre à plus long terme le développement et la survie des juvéniles de soles, qu’ils soient associés ou non à des conditions environnementales limitantes comme l’hypoxie. / The Atlantic coastal zone constitutes an important nursery for the juveniles of the common sole (Solea solea, Linnaeus on 1758). To assess the effect of anthropisation on the survival of the juveniles of common sole, the effects of the hypoxia and\or Polychlorinated Biphenyles (PCBs) on their physiological performances (aerobic metabolism and cardiac performances) were assessed as well as their antipredator behaviour. For that purpose, the study was carried out at two levels of biological organization, the organ and the individual. Sole contamination with PCB (670 ng and 2239 ng PCB g-1 of food), was made experimentally via the trophic pathway, during 30 and 60 days. Our results suggest that PCBs slightly affected the aerobic metabolism. An increase of the standard metabolic rate participate to raise the level of critical oxygen concentration (CritO2) in soles exposed to long term to the highest concentration of PCB was noted. In the same way, the cardiac performances seem to be slightly affected by PCB-contamination. A decrease in the peak tension was noted in PCB-contaminated soles forced to an intense activity. In addition it was noted an increase in the participation of the sarcoplasmic reticulum to the force of contraction in the hearts of soles contaminated compared with hearts of control soles. The results obtained with regard to the simulation of the attack of a predator showed that responsiveness was lower in hypoxia compared with normoxia associated with a decrease of their cryptic capacity. In general, even if the PCB seems to have slight effects on the tested physiological performances, it cannot be excluded that long term exposure to PCBs can compromise the development and the survival of the juveniles of common sole, independently of their association with limiting environmental conditions such as hypoxia.

Les polluants organiques persistants (POPs) sont des substances toxiques ayant la capacité de se bioaccumuler le long de la chaîne alimentaire. Une fois émis dans l'atmosphère, ils sont dispersés par le vent puis se déposent au sol. Du fait de leur persistance, ils peuvent être réémis depuis le sol vers l'atmosphère et parcourir ainsi de longues distances. Ce processus est couramment appelé « effet saut de sauterelle ». On peut donc retrouver les POPs très loin de leurs sources d'émissions. Pour pouvoir prendre des décisions visant à réduire leur impact environnemental, il est nécessaire de comprendre leur comportement dans l'atmosphère mais également dans les autres milieux, tels que le sol, la végétation ou l'eau. De nombreux modèles numériques de complexité variable ont été développés dans le but de prédire le devenir des POPs dans l'environnement. La plupart d'entre eux considèrent le sol comme un compartiment homogène, pouvant ainsi mener à une sous-estimation des réémissions du sol vers l'atmosphère. Or, du fait de la mise en place de réglementations visant à réduire les émissions anthropiques des POPs, la concentration dans l'atmosphère tend à diminuer et le sol, qui semblait jusqu'alors être seulement un réservoir, devient une source potentielle de POPs pour l'atmosphère. Il apparaît donc nécessaire de coupler les modèles de dispersion atmosphérique à un modèle de sol réaliste. Mes recherches ont permis d'étudier l'impact des interactions entre le sol et l'atmosphère sur la concentration dans les différents milieux. Pour cela, nous avons développé un modèle de sol multi-couches permettant de mieux estimer le profil de concentration dans le sol et les échanges entre ces deux milieux. Une analyse de sensibilité a été effectuée afin d'identifier les paramètres clés dans la détermination des réémissions. Puis ce modèle a été couplé à un modèle 3D de chimie-transport atmosphérique. Une étude de cas à l'échelle européenne a alors été réalisée afin d'évaluer ce modèle et d'estimer l'impact des réémissions sur les concentrations de POPs dans l'environnement / Persitent Organic Pollutants (POPs) are toxic substances that bioaccumulate in the food chain. Once emitted in the atmosphere, they are transported by the wind and deposited on soil. Since they are persistent, they can be reemited from soil to atmosphere by volatilization and travel over very long distances. This process is called grasshopper effect. Thus, POPs may be found at significant levels far from their emission source. It is necessary to understand the transport and fate of these pollutants in order to support the decision making process and reduce human exposure to POPs. Regulations over the last decades lead to a decrease of anthropogenic emissions and subsequent decrease of atmospheric concentration. In this context, the soil is no longer a sink of POPs but can be a source to the atmosphere. Many numeric models aim to study the behavior of POPs in the environment. Most of them consider soil compartment as a homogeneous box, leading to an underestimation of reemissions. Then, it appears of great importance to develop more realistic soil models. The objective of my thesis was to develop such a model, with vertical transport within the soil. This model was evaluated against measured concentration soil profile. We also conducted a sensitivity analysis to identify the key parameters involved in the process of reemissions. Then, the soil model was coupled with an atmospheric transport model. A case study was finally undertaken to estimate the impacts of reemissions on global-mass balance of POPs at European scale

Les estuaires sont des écosystèmes aquatiques particulièrement soumis au changement global et notamment à la pollution par de nombreux xénobiotiques pouvant présenter un risque écotoxicologique et sanitaire. En toxicologie environnementale et en évaluation des risques la bioaccumulation est un processus fondamental car elle contrôle les doses internes de toxiques potentiels. Or les flux de contamination et de décontamination des organismes dépendent de processus internes (e.g. nutrition, croissance) eux-mêmes dépendant des conditions environnementales (e.g. température, nourriture) qui peuvent être affectées par le changement global.Dans ce contexte, cette thèse se propose de décrire, dans un cadre de modélisation mécaniste, les processus de bioaccumulation de deux familles de polluants organiques persistants (POP) halogénés potentiellement toxiques et bioaccumulables, aux propriétés physico-chimiques contrastées : les polychlorobiphényles (PCB, composés historiques fortement lipophiles) et les substances perfluorées (PFAS, composés émergents amphiphiles). Ce travail se focalise sur l’estuaire de la Gironde dont la fonction de nourricerie est fondamentale pour de nombreuses espèces de poissons marins dont la sole commune (Solea solea), souvent utilisée comme indicatrice de la qualité des nourriceries côtières et estuariennes.Pour permettre de tenir compte des fluctuations des conditions environnementales sur la bioaccumulation, dans la première partie de ce travail, j’ai développé un modèle de toxicocinétique(TK) couplé avec un modèle mécaniste bioénergétique basé sur la théorie DEB (Dynamic Energy Budget). Ce modèle DEB a été paramétré pour la sole commune et calibré pour chaque sexe (package DEB tool). Il permet de prédire les principales évolutions des fonctions physiologiques d’intérêt en bioaccumulation (ingestion, croissance, reproduction...), tout au long du cycle de vie d’un individu, en fonction de conditions environnementales dynamiques. Le modèle TK développé a été complexifié par l’ajout d’un flux d’élimination de contaminants, non considéré dans les précédents modèles DEB-TK.La calibration des paramètres toxicocinétiques (TK) du modèle, pour 4 congénères de PCB, est basée sur une méthode innovante de prise en compte de la variabilité individuelle d’ingestion, appliquée à une expérimentation de contamination de juvéniles de sole via leur nourriture. Ce travail a montré que même en tenant compte de l’ingestion de chaque poisson, l’assimilation efficace de contaminant était très variable et corrélée aux taux de lipides des individus. Dans une seconde partie, ce modèle a été appliqué aux conditions in situ de l’estuaire de la Gironde. Il a permis de mettre en évidence la forte influence de la composition du régime alimentaire sur la variabilité de l’âge à la maturité sexuelle et de la contamination des soles pour les deux familles de contaminant étudiées. La confrontation des prédictions du modèle aux mesures de contaminants dans les juvéniles de sole de l’estuaire a permis de calibrer les paramètres TK du composé majeur de chaque famille dans l’environnement (CB153 et PFOS). Cette calibration a conduit à deux constats dans le cadre de l’évaluation du risque : (1) un manque de connaissances pour extrapoler les calibrations de paramètres TK en conditions contrôlées vers les conditions naturelles ; (2) la différence d’erreur d’évaluation du risque liée à l’utilisation des mêmes paramètres TK «les plus pessimistes » quels que soient les composés. Enfin, des scenarios prospectifs simples ont été développés pour illustrer ces résultats et les possibles applications du modèle développé.In fine, ces prédictions de la contamination, de la croissance et du développement des soles pourront être reliées, lors de travaux ultérieurs, à des effets potentiels sur les fonctions physiologiques de la sole (modèles DEBtox), et aux conséquences sur la dynamique des populations de soles (e.g.modèles matriciels de population). / Estuarine ecosystems are particularly impacted by global change and, specifically, bychemical pollution from numerous xenobiotics that may be associated to ecotoxicological and health risks. In environmental toxicology and risk assessment, bioaccumulation is a fundamental process as it controls the internal doses of potential toxicants in organisms. However, the contamination and decontamination flows depend on internal processes thatare themselves dependent on environmental conditions (e.g. temperature, food) and thus on the other variables of global change.In this context, this manuscript aims at describing, within a mechanistic modelling framework, the bioaccumulation processes of two families of potentially toxic and bioaccumulable halogenated persistent organic pollutants (POPs) with contrasting physicochemical properties: the polychlorinated biphenyls (PCBs, highly lipophilic historical compounds) and the perfluorinated substances (PFAS, amphiphilic emerging compounds).This work focuses on the Gironde estuary whose nursery function is fundamental for many species of marine fish including the common sole (Solea solea), often used as an indicator of the quality of coastal and estuarine bursary grounds. In order to account for the influence of environmental conditions on bioaccumulation, the first part of this work consisted in developing a toxicokinetic model (TK) coupled with a mechanistic bioenergetic model based on the theory DEB (Dynamic Energy Budget). This DEBmodel has been parameterized for common sole and calibrated for each sex (packageDEBtool). It allows predicting the main evolution of the physiological functions of interest forbioaccumulation (ingestion, growth, reproduction...) throughout the life cycle of an individualaccounting for dynamic environmental conditions. The developed TK model was first calibrated for some PCBs, under controlled conditions, using an innovative method to take into account individual ingestion variability. This work showed that even if the individual ingestion of each fish is accounted for, the effective assimilation of contaminant is very variable and correlated with the lipid levels of the individuals. The application of the model tothe in situ conditions of the Gironde estuary led to identify that, whatever the contaminant family, the composition of the soles diet had a strong influence on the variability of soles contamination and age at sexual maturity. The comparison of model predictions with measurements made in juveniles of the estuary allowed calibrating the TK parameters values for the major compound of each family in the environment (CB153 and PFOS). This calibration led to two observations in the context of a risk assessment: (1) a lack of knowledge to extrapolate calibrations of TK parameters under controlled conditions to natural conditions;(2) the difference in risk assessment error related to the use of the same "worst case" TK parameters regardless of the compounds. Lastly, simple prospective scenarios have beendeveloped to illustrate these results and the possible applications of the model developed.Ultimately, these predictions of soles contamination, growth and development may be related in future work to potential effects on the physiological functions of sole (DEBtox models), and to consequences on soles population dynamics (e.g. matrix population models).

L’océan Austral est soumis à la redistribution globale des contaminants par les voies atmosphérique et océanique. Cependant, la contamination des écosystèmes austraux est très peu connue, en particulier dans le secteur Indien. De par leur toxicité, leur mobilité et leur capacité à se bioaccumuler dans les tissus des organismes et à se bioamplifier dans les réseaux trophiques, le mercure (Hg) et les polluants organiques persistants (POPs) comptent parmi les contaminants les plus préoccupants. Du fait de leur position élevée dans les réseaux trophiques, les oiseaux marins sont exposés à de grande quantités de contaminants par la voie alimentaire. En conséquence, ils sont souvent utilisés comme bioindicateurs de l’état de contamination des écosystèmes, par le biais des plumes et du sang, qui peuvent être échantillonnés de façon non destructive. Ma thèse s’est intéressée aux nombreuses espèces d’oiseaux marins (plus de 40) qui nichent au sein des Terres Australes et Antarctiques Françaises, au sud de l’Océan Indien, afin de décrire et expliquer les niveaux de contaminants le long d’un large gradient latitudinal, de l’Antarctique à la Zone Subtropicale, et d’identifier les meilleures espèces bioindicatrices pour un suivi à long terme de la contamination de ces écosystèmes. Au cours d’une première étape méthodologique, les manchots et les poussins de toutes les espèces ont été identifiés comme de bons bioindicateurs de contamination puisque, à la différence de la plupart des oiseaux adultes, ils présentent une faible variabilité des niveaux de contaminants dans les plumes. Au cours d’une seconde étape explicative, l’effet de facteurs intrinsèques (traits individuels) et extrinsèques (écologie alimentaire déduite grâce à la méthode des isotopes stables) sur les niveaux de contaminants a été évalué dans les plumes des oiseaux de la communauté de Kerguelen (27 espèces) et dans le sang du grand albatros de Crozet (180 individus dont les traits de vie sont connus). L’écologie alimentaire s’est avérée être le principal facteur explicatif des niveaux de contaminants, tandis que l’âge, le sexe, la phylogénie et le statut reproducteur jouent un rôle mineur. La classe d’âge est néanmoins un facteur à prendre en compte, puisque les poussins montrent souvent des concentrations inférieures aux adultes. Au cours d’une troisième étape, les variations spatio-temporelles de la contamination ont été étudiées en utilisant une sélection d’espèces bioindicatrices et en tenant compte de leur écologie alimentaire. Plusieurs résultats portant sur différentes espèces (oiseaux océaniques) et populations (poussins de skua) ont montré que, contrairement aux prédictions, l’exposition des oiseaux au Hg augmente graduellement des eaux antarctiques aux eaux subantarctiques puis aux subtropicales, alors que l’exposition aux POPs, en accord avec la théorie de la distillation globale, montre la tendance inverse. D’autre part, la comparaison des concentrations en Hg dans les plumes de manchot, effectuée entre des spécimens de musée et des échantillons actuels, indique que leur exposition au Hg n’a pas changée depuis les années 1950-1970. Toutefois, des espèces subantarctiques montrent une tendance à la hausse. De futures études devraient viser à l’utilisation des plumes comme tissu de référence pour l’évaluation et le suivi de la contamination des écosystèmes, en particulier en ce qui concerne les POPs. Parmi les nombreuses espèces étudiées au cours de ces travaux de thèse, les bioindicateurs les plus pertinents se révèlent être le manchot empereur et le pétrel des neiges (Antarctique), le manchot royal, le pétrel bleu et l’albatros à sourcil noirs (subantarctique), le gorfou sauteur subtropical et l’albatros à bec jaune (subtropical). Le suivi à long terme de ces espèces permettra d’évaluer l’évolution temporelle de l’état de contamination de l’océan Austral. / Antarctic and subantarctic marine environments are reached by inorganic and organic contaminants through ocean circulation and atmospheric transport. Yet, environmental contamination is poorly known in the Southern Ocean, in particular in the Indian sector. Among environmental contaminants, mercury (Hg) and persistent organic pollutants (POPs) are primarily of concern, because they are toxic, highly mobile, and they bioaccumulate in the tissues of living organisms and biomagnify up the food web. Seabirds, as upper predators, are exposed to large quantities of contaminants via food intake and have widely served as biomonitors of marine contamination, notably through the non-destructive sampling of their feathers and blood. My doctoral work has focussed on the abundant and diverse seabird species (more than 40) breeding in the French Southern and Antarctic Lands, southern Indian Ocean, in order to describe and explain contaminant concentrations over a large latitudinal gradient, from Antarctica to the subtropics, and to identify the best bioindicator species for contaminant biomonitoring. In a first methodological step, seabirds with synchronous moult of body feathers (adult penguins and chicks of all species) were recognised as good candidates as bioindicators, because, unlike most adult birds, they present low within-individual variation in feather contaminant concentrations. In a second explanatory step, the influence of intrinsic (individual traits) and extrinsic factors (feeding ecology inferred from the stable isotope method) driving variation in contaminant concentrations was evaluated in feathers of the large avian community of the Kerguelen Islands (27 species) and in blood of wandering albatrosses from the Crozet Islands (180 birds of known individual traits). Feeding ecology was the main factor driving variation in contaminant concentrations of blood and feathers, both at the community, population and individual levels, whereas age, sex, phylogeny and breeding status played a minor role. Age-class was however an important intrinsic factor to consider, with chicks usually having lower concentrations than adults. In a third step, spatio-temporal patterns of contamination were studied through selected bioindicator species and by taking into account their feeding habits. Results from different species (oceanic seabirds) and populations (skua chicks) showed that, contrary to predictions, Hg exposure gradually increases from Antarctic to subantarctic and subtropical waters, whereas, in accordance with the global distillation theory, POPs exposure has the opposite pattern. Comparisons between penguin feathers from museum collections and contemporary samples showed that bird exposure to Hg is overall not different today when compared to 50-70 years ago, but subantarctic species are possibly experiencing an increasing trend. Future research efforts should be focussed on the use of feathers as biomonitoring tools, in particular for POPs determination. The best recommended bioindicator species include the emperor penguin and snow petrel (Antarctic), king penguin, blue petrel and black-browed albatross (subantarctic), and northern rockhopper penguin and Indian yellow-nosed albatross (subtropical). Future biomonitoring studies on these species will give invaluable insights into the poorly-known temporal trends of environmental contamination in the Southern Ocean.

Les enfants sont exposés au p,p’-dichlorodiphényltrichloroéthane (p,p’-DDT) et au p,p’-dichlorodiphényldichloroéthylène (p,p’-DDE) par transfert placentaire et par le lait maternel. Plusieurs études laissent croire que cette exposition pourrait avoir un impact sur l’indice de masse corporelle (IMC) pendant l’enfance. Le but de notre étude était d’évaluer l’association entre l’exposition par le lait maternel et l’IMC des enfants japonais âgés de 42 mois. Nous avons utilisé les données d’une étude pilote (n=290) de la Japan Environment and Children Study (JECS). Le p,p’-DDT et le p,p’-DDE ont été mesurés dans le lait maternel, et les concentrations chez l’enfant ont été estimées pour trois périodes (0-6 mois, 6-12 mois, 12-24 mois) à l’aide d’un modèle de toxicocinétique. Les associations avec l’IMC à 42 mois ont été évaluées à l’aide de modèles de régression linéaire multivariée. Aucune association n’a été observée avec les concentrations de p,p’-DDT mesurées dans le lait maternel, ni avec les concentrations estimées chez les enfants. Des associations positives avec les concentrations de p,p’-DDE estimées ont été observées chez les filles. Chaque augmentation d’un logarithme naturel dans les concentrations estimées était associée avec une augmentation du score z de l’IMC de 0.23 (I.C. 95% : 0.01, 0.45) pour la période d’exposition 0-6 mois, de 0.26 (I.C. 95% : 0.06, 0.47) pour la période 6-12 mois, et de 0.24 (I.C. 95% : 0.05, 0.43) pour la période de 12-24 mois. Ces associations étaient dans le même ordre de grandeur que l’association observée dans une méta-analyse publiée récemment (augmentation du score z de l’IMC de 0.13 par augmentation d’un logarithme naturel dans l’exposition prénatale), ce qui supporte l’hypothèse que l’exposition développementale au p,p’-DDE est associée avec une augmentation de l’IMC durant l’enfance. / Children are exposed to p,p’-dichlorodiphenyltrichloroethane (p,p’-DDT) and p,p’-dichlorodiphenyldichloroethylene (p,p’-DDE) through placental and lactational transfer. Studies have revealed that these exposures could lead to increased body mass index (BMI) during childhood. Our aim was to assess whether exposure through breast milk is associated with BMI in Japanese children at 42 months of age. We used data from a pilot study (n=290) of the Japanese Environment and Children Study (JECS). p,p’-DDT and p,p’-DDE levels were measured in breast milk, and levels in children were estimated using a toxicokinetic model for three exposure periods (0-6 months, 6-12 months, 12-24 months). Associations with BMI at 42 months of age were assessed using multivariate linear regression models. Our study revealed no significant association with levels of p,p’-DDT measured in breast milk or estimated in children. Positive associations with p,p’-DDE were found in girls during all exposure periods. For each log increase in the estimated p,p’-DDE levels, BMI z-score increased by 0.23 (C.I. 95%: 0.01, 0.45) for the 0-6 months exposure period, 0.26 (C.I. 95%: 0.06, 0.47) for the 6-12 months exposure period and 0.24 (C.I. 95%: 0.05, 0.43) for the 12-24 months exposure period. Our results in girls were similar to those found in a previous meta-analysis that included boys and girls (BMI z-score increase of 0.13 by log increase in prenatal p,p’-DDE levels), supporting that early-life exposure to p,p’-DDE may be associated with increased BMI during childhood.