De plus en plus d’études montrent l’importance de considérer les parasites dans les études de biosurveillance environnementale car ils peuvent représenter des facteurs confondants en modifiant la physiologie de leurs hôtes et des bioindicateurs de la qualité des milieux. Dans ce contexte, le bivalve dulçaquicole Dreissena polymorpha a été choisi comme un modèle hôte, organisme couramment utilisé dans les études écotoxicologiques. Le potentiel effet confondant de différents parasites (i.e. bactéries intracellulaires, ciliés, trématodes a été, in situ sur plusieurs populations hôtes échantillonnées sur des sites présentant un gradient de contamination, et en conditions contrôlées, en exposant les dreissènes à différentes concentrations de nickel. Plusieurs réponses physiologiques ont alors été testées aux niveaux cellulaires et individuels. Les résultats montrent que l’infection parasitaire influence les réponses biologiques de la dreissène mais le sens et l’intensité de réponse dépendant de l’origine des populations, du sexe de l’hôte et de l’espèce parasite considérée. Par ailleurs, la modélisation descriptive, nous a permis de confirmer à large échelle spatiale les relations entre le niveau de contamination et la prévalence parasitaire, particulièrement celles des microparasites. Les études ont mis en évidence le cas particulier des co-infections qui ont généralement induit des effets biologiques plus marqués que ceux des infections simples. Les résultats obtenus au cours de cette thèse confirment la complexité des interactions hôte-parasites mais soulignent néanmoins l’importance de prendre en compte les parasites dans l’évaluation de la qualité des milieux / Several studies showed the importance to take parasites into account in risk assessment studies since they represent potential confounding factors modifying the host physiology and bioindicators of water quality. In this context, we chose the freshwater bivalve Dreissena polymorpha as test host, organism commonly used in ecotoxicological studies. The potential confounding factor of different parasite species (i.e. intracellular bacteria, ciliates, trematodes) was studied, in situ on several host populations sampled on sites with a contamination gradient, and under controlled laboratory conditions where mussels were exposed to different nickel concentrations. Several physiological responses of zebra mussels were then tested at cellular and individual levels. It turns out that parasite infection can influence the biological responses of D. polymorpha, but the direction and intensity of responses depend on the host population history, the host gender and the parasite species considered. Moreover, we confirmed by descriptive modeling with data collected in France and the United States the relationship between environmental pollution (metallic contamination) and the occurrence of parasites, especially microparasites. Studies highlighted the specific case of co-infections that generally induced greater effects on host physiology than single infections. The results obtained during this PhD confirm the complexity of interactions between a host and its parasites, but emphasize the importance of taking into account parasitism in the assessment of environmental quality

La disponibilité et la persistance à l'échelle locale des métaux lourds pourraient être critiques notamment pour l'usage futur des zones agricoles ou urbaines, au droit desquelles de nombreux sites industriels se sont installés dans le passé. La gestion de ces situations environnementales complexes nécessitent le développement de nouvelles méthodes d'analyse peu invasives (capteurs environnementaux), comme celles utilisant des biosenseurs bactériens, afin d'identifier et d'évaluer directement l'effet biologique et la disponibilité chimique des métaux. Ainsi dans ce travail de thèse, nous avons cherché à identifier, à l'aide d'outils mathématiques de l'algèbre multilinéaire, les réponses de senseurs bactériens fluorescents dans des conditions environnementales variées, qu'il s'agisse d'un stress engendré par la présence à forte dose d'un métal ou d'une carence nutritive engendrée par son absence. Cette identification est fondée sur l'analyse quantitative à l'échelle d'une population bactérienne de signaux multidimensionnels. Elle repose en particulier sur (i) l'acquisition de données spectrales (fluorescence) multi-variées sur des suspensions de biosenseurs multicolores interagissant avec des métaux et sur (ii) le développement d'algorithme de décomposition tensoriels. Les méthodes proposées, développées et utilisées dans ce travail s'efforcent d'identifier « sans a priori» a minima, la réponse fonctionnelle de biosenseurs sous différentes conditions environnementales, par des méthodes de décomposition de tenseurs sous contraintes des signaux spectraux observables. Elles tirent parti de la variabilité des réponses systémiques et permettent de déterminer les sources élémentaires identifiant le système et leur comportement en fonction des paramètres extérieurs. Elles sont inspirées des méthodes CP et PARALIND . L'avantage de ce type d'approche, par rapport aux approches classiques, est l'identification unique des réponses des biosenseurs sous de faibles contraintes. Le travail a consisté à développer des algorithmes efficaces de séparations de sources pour les signaux fluorescents émis par des senseurs bactériens, garantissant la séparabilité des sources fluorescentes et l'unicité de la décomposition. Le point original de la thèse est la prise en compte des contraintes liées à la physique des phénomènes analysés telles que (i) la parcimonie des coefficients de mélange ou la positivité des signaux source, afin de réduire au maximum l'usage d'a priori ou (ii) la détermination non empirique de l'ordre de la décomposition (nombre de sources). Cette posture a permis aussi d'améliorer l'identification en optimisant les mesures physiques par l'utilisation de spectres synchrones ou en apportant une diversité suffisante aux plans d'expériences. L'usage des spectres synchrones s'est avéré déterminant à la fois pour améliorer la séparation des sources de fluorescence, mais aussi pour augmenter le rapport signal sur bruit des biosenseurs les plus faibles. Cette méthode d'analyse spectrale originale permet d'élargir fortement la gamme chromatique des biosenseurs fluorescents multicolores utilisables simultanément. Enfin, une nouvelle méthode d'estimation de la concentration de polluants métalliques présents dans un échantillon à partir de la réponse spectrale d'un mélange de biosenseurs non-spécifiques a été développée / Availability and persistence of heavy metals could be critical for future use of agricultural or urban areas, on which many industrial sites have installed in the past. The management of these complex environmental situations requiring the development of new analytical methods minimally invasive, such as bacterial biosensors, to identify and directly assess the biological effects and the chemical availability of metals. The aims of this thesis was to identify the responses of fluorescent bacterial sensors various environmental conditions, using mathematical tools of algebra multi-linear, whether stress caused by the presence of high dose of a metal or a nutrient deficiency caused by his absence. This identification is based on quantitative analysis of multidimensional signals at the bacterial population-scale. It is based in particular on (i) the acquisition of multivariate spectral data on suspensions of multicolored biosensors interacting with metals and (ii) the development of algorithms for tensor decomposition. The proposed methods, developed and used in this study attempt to identify functional response of biosensors without \textsl{a priori} by decomposition of tensor containing the spectral signals. These methods take advantage of the variability of systemic responses and allow to determine the basic sources identifying the system and their behavior to external factors. They are inspired by the CP and PARALIND methods. The advantage of this approach, compared to conventional approaches, is the unique identification of the responses of biosensors at low constraints. The work was to develop efficient algorithms for the source separation of fluorescent signals emitted by bacterial sensors, ensuring the sources separability and the uniqueness of the decomposition. The original point of this thesis is the consideration of the physical constraints of analyzed phenomena such as (i) the sparsity of mixing coefficients or positivity of sources signals in order to minimize the use of a priori or (ii) the non-empirical determination of the order of decomposition (number of sources).This posture has also improved the identification optimizing physical measurements by the use of synchronous spectra or providing sufficient diversity in design of experiments. The use of synchronous spectra proved crucial both to improve the separation of fluorescent sources, but also to increase the signal to noise ratio of the lowest biosensors. This original method of spectral analysis can greatly expand the color range of multicolored fluorescent biosensors used simultaneously. Finally, a new method of estimating the concentration of metal pollutants present in a sample from the spectral response of a mixture of non-specific biosensor was developed

Dans un contexte où les inquiétudes environnementales dues à la pollution sont grandissantes à l’échelle globale, la surveillance de la pollution environnementale constitue un enjeu majeur de recherche afin de préserver au mieux un environnement sain et durable. En effet, la surveillance responsable et continue de l’environnement accompagnée par le développement d’alternatives de lutte « verte » contre les nuisibles, pourrait certainement ralentir voir inhiber la propagation de polluants néfastes pour l’ensemble de la biosphère. Dans ce contexte, les objectifs principaux de cette thèse visent d’une part à caractériser la qualité de l’air par une approche basée sur le biomonitoring, et d’autre part à développer un biopesticide d’origine algale permettant la protection des agrumes en post-récolte comme un exemple d’alternative à l’usage des traitements chimiques classiques. Pour répondre au premier objectif, des méthodes d’extraction multi résidus ont dû être développées. Ces méthodes ont été soit spécifiques d’une famille de pesticides tel que les dithiocarbamates, soit plus large et plus générale en considérant de nombreux polluants comme des pesticides, des HAPs et des PCBs. Ces dernières ont été basées soit sur l’ASE-SPE-SPME, soit sur le QuEChERS-SPME, et ont formé le socle des études de biosurveillance environnementale entreprises. Ces études de surveillance ont permis l’évaluation des modifications spatio-temporelles de la qualité de l’air grâce à des espèces naturelles ayant un rôle de capteurs biologique de la pollution environnementale et permettant par la suite l’estimation de la pollution dans des zones bien définies. Pour répondre au second objectif, des extraits aqueux d’algues vertes, Ulva linza et Ulva lactuca, ont été préparés et testés comme antifongiques in vivo et in vitro afin d’étudier leur aptitude à inhiber le développement de Penicillium digitatum sur des agrumes en post récolte. Un potentiel de protection des agrumes en poste-récolte contre ce champignon a été mis en évidence, donnant effectivement l’espoir à la fiabilité de cette approche comme alternative biologique pour le remplacement des pesticides chimiques potentiellement toxiques. / In a context where environmental concerns due to pollution are growing on a global scale, monitoring of environmental pollution is a major research challenge in order to preserve as much as possible a healthy and sustainable environment. Indeed, the responsible and continuous monitoring of the environment escorted by the development of "green" pest control alternatives could certainly decelerate or even inhibit the spread of harmful pollutants into the entire biosphere. In this context, the main objectives of this thesis are intended firstly to characterize air quality by a biomonitoring-based approach and, secondly, to develop a biopesticide of algal origin, that allows the protection of post-harvested citrus fruit, as an alternative to the use of conventional chemical treatments. In order to answer the first objective, multi-residues extraction methods were developed. These methods were either specific to a family of pesticides such as dithiocarbamates or wider and more general regarding numerous pollutants such as pesticides, PAHs and PCBs. The latter were based either on the ASE-SPE-SPME, or on the QuEChERS-SPME, and formed the base of environmental biomonitoring studies undertaken. These monitoring studies allowed the assessment of spatial and temporal changes in air quality through natural species acting as biological sensors of environmental pollution and subsequently allowing the estimation of pollution in well-defined areas. To answer the second objective aqueous extracts of green algae, Ulva linza and Ulva lactuca, were prepared and tested as in vivo and in vitro antifungal agents, in order to study their ability to inhibit the development of Penicillium digitatum on post-harvested citrus fruits. A potential of post-harvested citrus fruits’ protection against this fungus was proved, giving hope to the reliability of this approach as a biological alternative for the replacement of potentially toxic chemical pesticides.

Les herbicides sont des polluants suscitant de grandes inquiétudes en raison de leur ubiquité environnementale résultant de leur usage intensif dans l’agriculture moderne et de leur persistance dans les sols et les eaux. Les herbicides peuvent être dégradés par des microorganismes, des plantes ou d’autres processus naturels, produisant alors une vaste gamme de métabolites dont l’impact sur les écosystèmes reste méconnu. Dans un contexte d’évaluation des risques environnementaux, l’étude de la réponse des plantes à des mélanges complexes de xénobiotiques est importante pour estimer les effets des contaminations, notamment dans le cas de pollution résiduelle. Afin d’étudier l’impact de cette diversité de polluants, les mécanismes de réponse et les cibles impliquées, la plante modèle Arabidopsis thaliana a été confrontée à des doses variables de molécules de la famille des triazines constituant une série chimique cohérente : atrazine, herbicide encore largement utilisé au niveau mondial, déséthylatrazine, métabolite chloré de l’atrazine, et hydroxyatrazine, métabolite de déchloration de l’atrazine. Ce travail montre que l’exposition de courte durée à des doses variables d’atrazine, de déséthylatrazine et d’hydroxyatrazine, au niveau racinaire, affecte de manière spécifique et dose-dépendante la croissance précoce et le développement de la plante. La caractérisation d’effets directs et multiples sur la respiration et la croissance racinaire a permis de révéler des mécanismes d’action non-canoniques, distincts de l’action classiquement décrite des triazines sur le photosystème II. Afin d’identifier ces mécanismes, activés en absence de dommages cellulaires, une analyse transcriptomique au niveau du génome entier a été effectuée. Les trois triazines induisent des changements coordonnés et spécifiques dans l’expression des gènes. L’analyse fonctionnelle des gènes différentiellement exprimés et de leur promoteur révèle que les voies de signalisation liées à la fois aux hormones végétales, à la perception de faibles niveaux d’énergie, aux stress environnementaux ainsi qu’aux interactions biotiques sont impliquées dans la réponse aux faibles doses de triazines. Les triazines affectent, en particulier, l’expression de gènes connus pour être régulés par les cytokinines. De manière intéressante, cette famille d’hormones végétales montre des caractéristiques chimiques similaires à celles des triazines. Des études développementales utilisant différentes modalités d’exposition aux triazines et aux cytokinines ont alors été effectuées sur des génotypes sauvages et sur des mutants de la voie de signalisation des cytokinines. L’identification d’interactions spécifiques entre les triazines et les composants de la signalisation des cytokinines a alors mis en évidence des mécanismes potentiels de compétition et/ou d’antagonisme. La caractérisation de ces perturbations au niveau de la transduction du signal pourra permettre à terme d’évaluer l’efficacité des herbicides sur les cultures ainsi que l’impact des contaminations xénobiotiques sur les communautés végétales naturelles. Enfin, l’identification des interactions entre stress xénobiotique, biotique et abiotique approfondira les connaissances sur les effets croisés de la pollution chimique et des stress liés au changement climatique. / Herbicides are pollutants of high concern due to their environmental ubiquity resulting from extensive use in modern agriculture and persistence in soil and water. Degradation events on active molecules mediated by microorganisms, by plants and by natural processes give rise to a plethora of herbicide metabolites of unknown impact on ecosystems. Study of plant behavior toward such complex mixtures of xenobiotic structures is important to evaluate the effects of contaminations, especially in the context of residual pollution. In order to understand the mechanisms underlying the action of this diversity of compounds, the model plant Arabidopsis thaliana was confronted to variable doses of the widely-used triazine herbicide atrazine, and of two of its metabolites, desethylatrazine and hydroxyatrazine. Short exposure to varying concentrations of atrazine, desethylatrazine and hydroxyatrazine was found to affect early growth and development in various dose-dependent and distinct manners. These differential effects pointed out to the multiple involvement of non-canonical mechanisms, directly affecting respiration and root development. In order to identify these mechanisms, which are activated in the absence of major adverse physiological effects, a genome-wide transcriptomic analysis was carried out. All of the triazines under study induced coordinated and specific changes in gene expression. Functional analysis of differentially expressed genes and of their promoters revealed that signaling pathways related to plant hormones, low energy sensing, environmental stresses and biotic interactions were involved in low-dose triazine responses. In particular, triazines affected the expression of genes known to be regulated by cytokinins. Interestingly, this family of plant hormones shares similar chemical features with triazine compounds. Developmental studies on plants bearing mutations in cytokinin sensing and signaling pathways were then carried out under variable triazine exposures. The identification of specific interactions between triazine compounds and cytokinin-signaling components highlighted potential mechanisms of competition and/or antagonism. The characterization of such signal transduction modifications and perturbations will be useful to assess herbicide efficiency in crop systems and xenobiotic contamination impact on natural plant communities. Finally, the identification of crosstalk processes between xenobiotic, abiotic and biotic stress signaling gives novel insights into the interplay between chemical pollution and climate change stressors.