Les céréales et les produits issus de leur transformation sont susceptibles d’être contaminés par des espèces fongiques capables de produire des mycotoxines. L’Homme est ainsi exposé tout au long de sa vie à travers son alimentation à ces contaminants naturels, généralement à de faibles doses et en mélange. Cependant, l’incidence de la présence simultanée de ces toxines sur notre santé, à court terme comme à plus long terme, ainsi que les mécanismes responsables de leur toxicité sont encore peu ou mal caractérisés. L’utilisation de modèles cellulaires humains pertinents et adaptés est particulièrement importante pour de telles études. L’épithélium intestinal et le système immunitaire, qui constituent la première barrière de défense de l’hôte suite à l’ingestion de contaminants alimentaires, ainsi que le foie, de par son rôle majeur dans la biotransformation des xénobiotiques, représentent des modèles d’étude pertinents en toxicologie. Dans le cadre de cette étude, des modèles cellulaires humains d’origine intestinale (Caco-2), immunitaire (THP-1) et hépatique (HepaRG) ont été employés pour évaluer le risque associé à la co-exposition aux mycotoxines de Fusarium (appelées fusariotoxines) qui sont parmi les plus problématiques dans nos régions. Différents types d’interactions, tels que de l’antagonisme et du synergisme, ont pu être observés sur la viabilité cellulaire en fonction de la nature du mélange, des doses testées, de la lignée cellulaire étudiée et du modèle mathématique utilisé pour prédire les effets combinés. Des interactions ont également été observées à l’échelle moléculaire, les effets des mélanges étant très différents de ceux induits par les toxines individuellement sur le protéome des cellules. D’autres résultats obtenus interrogent sur la façon dont les mycotoxines déclenchent réellement la réponse cellulaire. De plus, les interactions entre cellules cocultivées semblent capables de modifier la réponse cellulaire suite à l’exposition à ces toxines. Ces résultats soulignent l’importance de développer des modèles in vitro de plus en plus sophistiqués et s’approchant des conditions in vivo pour permettre une meilleure caractérisation du risque « mycotoxine ». / Cereals and cereal-based products are susceptible to be contaminated by mycotoxin-producing fungi.Thus, through their diet, humans are exposed throughout their life to these natural food contaminants, mostly at low doses and in mixture. However, the health impact of the simultaneous exposure to these toxins, in acute and chronic conditions, as well as the mechanism related to their toxicity, are still poorly characterized. The use of relevant and suitable human cell models is therefore of particular importance for such studies. The intestinal epithelium and immune system, which constitute the first host defense barrier following the food contaminant uptake, as well as the liver, due to its major function in xenobiotic biotransformation, are relevant for toxicity studies. In the framework of study, the intestinal (Caco-2), immune (THP-1) and hepatic (HepaRG) human cell models were used for risk assessment associated with co-exposure to Fusarium mycotoxins (called fusariotoxins) which are the most problematic in our regions. Different type of interactions, such as antagonism and synergism, were observed on cell viability depending on the nature of the mixture, tested concentration, studied cell line and used mathematical model to predict the combined effects. Interactions were also highlighted at the molecular level, the effects of mixtures being very different from those induced by the toxins alone on the cell proteome. Other results raised the question about how mycotoxins actually trigger the cellular response. In addition, cell-cell interactions in co-cultured systems appeared to modify the cellular response following exposures to these toxins. Overall, the obtained results highlighted the relevance of developing in vitro models increasingly sophisticated and closer to in vivo conditions to allow for a better characterization of the "mycotoxin" risk.

Existing ecotoxicity data for chemicals vary to a high extent between the environmental compartments water and sediment, since the evaluation of contaminants has historically focused on water exposition. Many anthropogenic chemicals and waste materials, including toxic organic and inorganic chemicals, adsorb to particulate matter and accumulate in sediments, and may thus be a threat to organisms living in the sediment. The invertebrates Chironomus riparius and Lumbriculus variegatus were selected as representatives of endobenthic living organisms. Acute toxicity tests, via water-only exposure, and sediment toxicity tests were conducted with the two endobenthic invertebrates. In sediment toxicity tests, organisms are mainly exposed to sediment- and particle-bound chemicals and dissolved chemical in the pore water. Toxicity data for algae, daphnids, and fish (via water-only exposure) are available for many substances, whereas the existing sediment toxicity data are rather rare. Thus, the interest arises to predict sediment toxicity for sediment-dwelling invertebrates from existing acute toxicity data of tests with water-only exposure. The main emphasis of this work was placed on one metal compound and seven organic chemicals. The objective of this study was fivefold: (1) develop methods and improve existing procedures on acute and sediment toxicity testing of the two invertebrates; (2) conduct both acute toxicity tests via water exposure and long-term sediment toxicity tests for the selected model substances to generate data for comparative discussion; (3) assess correlations among acute toxicity data of the organisms exposed via water-only and correlations among sediment toxicity data of the two endobenthic invertebrates for the eight tested chemicals; (4) assess possible forecasting for sediment toxicity from acute toxicity (via water-only exposure) and (5) assess exposure effects to determine the main exposure route. Acute toxicity data of the eight tested chemicals of D. magna significantly correlated with data of L. variegatus and C. riparius (p<0.05). However, a prediction of toxicity based on D. magna data bears high uncertainty, due to the small data set and high variation in sensitivity of the organisms. Existing sediment toxicity test methods were improved to meet the demand for artificial sediments containing organic matter that serves sufficiently as internal food source for the test organisms, and thus representing natural exposure conditions. However, the sediments that were used for the two organisms to test the selected model substances differed in sediment composition. Therefore, a sediment with the same sediment composition and the same water-to-sediment ratio for both invertebrates was developed, to have similar exposure conditions. In sediment toxicity tests, C. riparius was observed to be more sensitive than L. variegatus and no correlation was observed among data of the invertebrates. For the selected substances, lowest effect concentrations were observed for 3,4-dichloroaniline, whereas effect concentrations were the highest for benzo[a]pyrene. No correlations were found between the acute toxicity data of exposure via the water phase and sediment toxicity data, thus making a prediction of sediment toxicity data impossible. From analytical measurements of chemicals concentration in the compartments overlying, pore water, and bulk sediment, partition coefficients on sediment water partitioning were calculated. The highest partition coefficient ratios for sediment water partitioning were found for the high lipophilic organic substances 4,4-dichlorodiphenyltrichloroethan (DDT) and benzo[a]pyrene. Further, it was found that the main exposure routes in the 28-day sediment toxicity tests were not only chemical but species-dependent. As a result of very differing exposure routes for the tested chemicals and the absence of correlations from the acute to sediment toxicity data, sediment toxicity tests are necessary to assess the toxicity of chemicals on sediment inhabiting organisms. / In den meisten standardisierten ökotoxikologischen Untersuchungen zur Abschätzung des Gefährdungspotentials von Chemikalien für Gewässer erfolgt die Exposition der Organismen über die Wasserphase. Viele Schadstoffe, die in die aquatische Umwelt gelangen, adsorbieren aufgrund ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften an die Oberflächen von Schwebstoffen, sedimentieren und erreichen Sedimentkonzentrationen, die möglicherweise eine Gefahr für sedimentbewohnende Organismen darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden für benthische Invertebraten Testverfahren etabliert, bei denen eine Exposition der Organismen über das Sediment, hier hauptsächlich über die an ingestierte Sedimentbestandteile gebundene oder über die im Porenwasser gelöste Chemikalie (28-Tage Sedimenttoxizitätstest), und über dieWasserphase (Akuttoxizitätstest) erfolgte. Die Invertebraten Chironomus riparius und Lumbriculus variegatus wurden als typische Vertreter endobenthischer Organismen ausgewählt. Für viele Chemikalien liegen Daten zur akuten Toxizität für Algen, Daphnien und Fische für die Wasserexposition vor. Demgegenüber sind nur wenige Daten zur Toxizität für benthische Organismen weder mit einer Wasser- noch mit einer Sedimentexposition vorhanden. Als Modellsubstanzen wurden eine anorganische und sieben organische Substanzen für die Untersuchungen ausgewählt. Ziele dieser Arbeit waren: (1) die Entwicklung und Verbesserung von bestehenden Methoden zur Bestimmung der akuten Toxizität mitWasserexposition und der Sedimenttoxizität für die beiden Invertebraten; (2) die Durchführung der Tests mit den acht ausgewählten Modellsubstanzen zur vergleichenden Betrachtung; (3) die Beurteilung einer Korrelation der Daten zur Akuttoxizität innerhalb der verschiedenen Organismen mit Wasserexposition und einer Korrelation der Daten zwischen den beiden benthischen Organismen bei Sedimentexposition; (4) die Beurteilung einer Korrelation zwischen Daten der benthischen Invertebraten zur Akuttoxizität mit Wasserexposition und Sedimenttoxizität und (5) die Ermittlung und Bewertung der Expositionspfade. Die Akuttoxizitätsdaten von D. magna korrelieren significant (p<0.05) mit den Daten der beiden Invertebraten. Jedoch ist eine Vorhersage aufgrund des kleinen Datensatzes und der großen Unterschiede in der Empfindlichkeit der Arten abzulehnen. Um einer möglichst natürlichen Expositionssituation in Sedimenten zu entsprechen, wurden künstliche Sedimente mit interner Futterquelle, die auch mit der zu testenden Chemikalie kontaminiert wurde, entwickelt und für die Tests mit den Modellsubstanzen verwendet. Ein Nachteil war die unterschiedliche Sedimentzusammensetzung für die beiden Organismen. Um gleiche Expositionsbedingungen für beide Testorganismen zu gewährleisten, wurde ein artifizielles Sediment mit gleicher Zusammensetzung und gleichem Volumenverhältnis zwischen Sediment und Überstandswasser entwickelt. In den Sedimenttoxizitätstests reagierte C. riparius empfindlicher als L. variegatus. Die Effektkonzentrationen waren am niedrigsten für 3,4-Dichloraniline und am höchsten für Benzo[a]pyren. Die Korrelationen zwischen den Ergebnissen aus Akut- und Sedimenttoxizitstests waren nicht signifikant (p>0.05). Folglich läßt sich die Sedimenttoxizität nicht aus Daten zur akuten Toxizität mit Wasserexposition abschätzen. Aus den analytischen Messungen von Sediment-, Porenwasser- und Überstandswasserproben wurden die Koeffizienten für die Verteilung zwischen Sediment und Wasser berechnet. Für die stark lipophilen Stoffe, 4-Dichlorodiphenyltrichloroethan (DDT) und Benzo[a]pyren wurden die höchsten Koeffizienten errechnet. Weiterhin wurde festgestellt, daß die Hauptexpositionspfade in Sedimenttoxizitätstests einerseits von der Chemikalie und andererseits von der verwendeten Spezies abhängen. Aufgrund der Ergebnisse dieser Arbeit und der Tatsache, daß Sedimente “Senken” für viele Schadstoffe sind, müssen zur Erfassung und Bewertung des Gefährdungspotentials von Chemikalien gegenüber Sedimentbewohnern weiterhin Sedimenttoxizitätstests durchgeführt werden.