Les échantillons archivés dans les banques d'échantillons de l’environnement (Environmental Specimen Banks en anglais, ESB) sont, parmi les échantillons disponibles pour effectuer des recherches sur l'environnement, les mieux caractérisés géographiquement et issues de longues séries chronologiques. Le mercure (Hg) est un métal lourd hautement toxique et très répandu qui reste l'un des contaminants majeur de l'environnement; les ESB ont joué un rôle de premier plan dans les recherches effectuées sur ce dernier. Ce travail de thèse résume et discute dans un premier temps les modes d’emplois classiques des ESB pour l'étude du mercure dans les écosystèmes aquatiques. Une étude, issue du projet “Seabird Tissue Archival and Monitoring Project” (STAMP), est ainsi présentée pour illustrer comment les œufs d'oiseaux marins peuvent être utilisés pour surveiller les concentrations en Hg environnemental dans les écosystèmes marins subarctique et Arctique. Ce travail présente également un panel d’échantillons archivés dans les ESB du monde entier ; ces échantillons étant estimés comme les plus robustes, fournissent une ressource précieuse pour mener des recherches dans le domaine émergent de la chimie des isotopes stables de mercure. Les signatures isotopiques de fractionnement du mercure sont utilisées pour la répartition des sources et le traçage du cycle biogéochimique du Hg. Ceci est illustré par les résultats de deux études effectuées sur des œufs d'oiseaux marins d’Alaska archivés. Etant donné que les recherches sur les isotopes stables du mercure continuent d'évoluer, les ESB peuvent fournir une source d’échantillons robuste et économique pour élargir et diversifier l'inventaire des mesures des isotopes de Hg, et être utilisées pour développer et tester des hypothèses. Les échantillons archivés dans les ESB sont disponibles à des collaborateurs externes afin d'effectuer des recherches à fort impact, et devraient être pleinement exploités pour répondre aux nouvelles préoccupations environnementales. / The specimens archived in Environmental Specimen Banks (ESBs) are among the longest time-series, most geographically robust, and highest integrity samples available for performing environmental research. Mercury (Hg) is a highly toxic and ubiquitous heavy metal that remains one of the world’s most prominent environmental contaminants, and ESBs have played a prominent role in Hg research. We review and discuss some of the ways in which ESBs have traditionally been used to study Hg in aquatic ecosystems, and show an example of how seabird eggs from the Seabird Tissue Archival and Monitoring Project (STAMP) are used for monitoring environmental Hg concentrations in subarctic and Arctic marine ecosystem. We also highlight some of the most robust sample sets archived in ESBs worldwide, which provide a valuable resource for conducting research in the emerging field of Hg stable isotope chemistry. Signatures of Hg isotope fractionation are used for source apportionment and for tracing biogeochemical cycling of Hg. We present results from two additional studies in Alaska that show how banked seabird eggs can be used for each of these purposes. As the research surrounding Hg stable isotopes continues to mature, ESBs can provide a robust and economical sample archive to expand and diversify the inventory of Hg isotope measurements, and be used to develop and test hypotheses. Samples archived in ESBs are available for request by external collaborators in order to perform high impact research, and should be fully utilized to address emerging environmental concerns.

Les paramètres comportementaux sont de plus en plus considérés comme étant des indicateurs sensibles et précoces de toxicité chez les organismes aquatiques. Cependant, l’utilisation du comportement natatoire comme critère de toxicité pour l’analyse de risque environnemental ou pour le contrôle de la qualité de l’eau reste pour l’heure encore limitée. En effet, il est actuellement difficile de quantifier la sensibilité des paramètres comportementaux et d’établir un lien entre les seuils d’effets comportementaux et les effets aigus et subaigus classiquement mesurés dans les tests en écotoxicologie. Dans le but d’améliorer notre compréhension des effets comportementaux des polluants sur Daphnia magna, nous avons développé un nouveau système de mesure du comportement multi-cuves baptisé «Multi-DaphTrack ». Douze substances toxiques, couvrant une large gamme de modes d’action différents ont été testées dans ce système. Un test standard d’immobilisation ainsi que des analyses de comportement dans le toximètre DaphToxI®, ont également été effectués pour chaque substance afin de comparer les seuilsd’effets comportementaux avec les paramètres classiques d’immobilisation. Les résultats des expositions aux différentes substances ont démontré que notre nouveau système d’exposition multi-cuves permet de détecter des effets comportementaux (i.e.,augmentation de la vitesse de nage) significatifs et précoces pour l’ensemble des substances testées et ce, à des concentrations proches de la CE10(48 h) du test aigu d’immobilisation dès la première heure d’exposition. Des profils comportementaux différents ont été observés selon les substances testées (i.e., intensité, temps de latence et durée de l’effet) mais ceux-ci ne sont pas spécifiques d’un mode d’action particulier. Les résultats obtenus avec le toximètre DaphToxI®ont révélé des profils d’effet similaires (i.e.,augmentation de la vitesse de nage) bien que ce système soit globalement moins sensible par rapport au système «Multi-DaphTrack». Pour conclure, notre nouveau système d’exposition multi-cuves «Multi-DaphTrack» est un outil plus sensible et précoce que letest standard d’immobilisation pour l’évaluation de la toxicité de substances chimiques. L’utilisation du système «Multi-DaphTrack» pourrait donc être envisagée, après quelques améliorations et validation supplémentaires, pour l’évaluation de la qualité des masses d’eauet des effluents. / Swimming behavior is increasingly reported as a sensitive and early indicator of toxicant stress in aquatic organisms. However, it remains unclear how to quantify the sensitivity of swimming behavioral endpoints and how to compare these effect thresholds with standard ecotoxicological endpoints used in risk assessment. To date, the systematic assessment of the sensitivity of swimming behavioral endpoints in daphnia is limited because of the restrained test capacity of existing behavioral analysis systems. Hence, we developed a new behavioral analysis multi-cellsystemnamed “Multi-DaphTrack” with a high throughput testing capacity in order to enhance our understanding of swimming behavioral effects in Daphnia magnaunder chemical exposure. Twelve compounds covering different modes oftoxic action were selected and tested in this new system andin a single-cell commercialized biomonitor (DaphToxI®) and with the acute standard test.Our new multi-cellexposure system detectedsignificant and early swimming behavioral effects (i.e.,increase of the average speed) for most of the tested compounds and this, from the first hour of exposure at concentrations near the EC10(48h). Contrastedbehavioral profiles were observed for average speed (i.e., intensity, time of effect onset, effect duration), but no distinct behavioral profiles could be drawn from the chemical mode of action. Despite less sensitive,the DaphToxI®gave similar trends (i.e.,rapid peak increase) compared to our “Multi-DaphTrack” system. To conclude, behavior analysis using our “Multi-DaphTrack”systemcould be used as an alternative or complement to the current acute standard test for toxicity assessment of chemicals. With some additional improvements and validations, it also could be used forquality assessment of waterbodiesand sewages.

L'objectif de ce travail est d'évaluer le transfert des métaux lourds au sein d'une installation de traitement des eaux de ruissellement routier et de développer un procédé épuratoire qui permettrait de parfaire le traitement de ces eaux. La démarche scientifique déployée a d'abord consisté en la caractérisation des flux métalliques acheminés dans un bassin de rétention recevant des eaux de ruissellement provenant d'une autoroute et en l'évaluation du transfert de cette pollution métallique vers la végétation environnante. Les résultats de cette première étude ont permis de mettre en évidence : (1) un transfert des métaux lourds (Cd, Ni, Zn) des compartiments eau - sol vers les macrophytes aquatiques présent sur le site, (2) la capacité de ces macrophytes à accumuler des polluants métalliques au sein de leurs tissus et (3) le caractère bioindicateur de ces macrophytes pour assurer une surveillance de la pollution métallique présente dans les eaux de ruissellement. Compte tenu de la capacité des plantes à accumuler des métaux, en particulier au niveau de leurs racines, un procédé de phytoremediation appelé marais flottant a été proposé pour affiner le traitement des eaux de ruissellement. Les performances épuratoires de ces systèmes ont été évaluées en microcosmes et la faisabilité technique de pouvoir implanter de tels systèmes directement à la surface d'ouvrages existants a également été appréhendée. Les résultats ont démontré que les marais flottants peuvent tout à fait être mis en œuvre à la surface de bassins de rétention sous réserve que les matériaux choisis pour la construction de ces systèmes soient adaptés aux conditions environnementales. Les résultats ont également mis en évidence la capacité des marais flottants à éliminer les métaux présents en phase aqueuse ainsi que l'importance du réseau racinaire qui se développe dans la colonne d'eau sur la rétention des polluants et la filtration des particules fines en suspension. Enfin, cette étude a démontré que les marais flottants peuvent être considérés comme des systèmes de traitement pérennes et nécessitant très peu de maintenance.

In spite of the remarkable development of modern medical treatment and technology, the threat of pandemic diseases such as anthrax, cholera, and SARS has not disappeared. As a part of emerging healthcare decision problems, many researchers have studied how to detect and contain disease outbreaks, and our research is aligned with this trend. This thesis mainly consists of two parts: epidemic simulation modeling for effective intervention strategies and spatiotemporal monitoring for outbreak detection. We developed a stochastic epidemic simulation model of a pandemic influenza virus (H1N1) to test possible interventions within a structured population. The possible interventions — such as vaccination, antiviral treatment, household prophylaxis, school closure and social distancing — are investigated in a large number of scenarios, including delays in vaccine delivery and low and moderate efficacy of the vaccine. Since timely and accurate detection of a disease outbreak is crucial in terms of preparation for emergencies in healthcare and biosurveillance, we suggest two spatiotemporal monitoring charts, namely, the SMCUSUM and RMCUSUM charts, to detect increases in the rate or count of disease incidents. Our research includes convenient methods to approximate the control limits of the charts. An analytical control limit approximation method for the SMCUSUM chart performs well under certain conditions on the data distribution and monitoring range. Another control limit approximation method for the RMCUSUM chart provides robust performance to various monitoring range, spatial correlation structures, and data distributions without intensive modeling of the underlying process.

Le cadre réglementaire défini par la Directive Cadre sur l’Eau impose le développement de méthodologies fiables d’évaluation et/ou de caractérisation de l’état de santé des écosystèmes aquatiques. L’objectif de ce travail de thèse était d’identifier les rôles relatifs des paramètres des milieux aquatiques (température, cycle saisonnier, minéralisation), des caractéristiques des populations et des pressions anthropiques sur les réponses des biomarqueurs chez un organisme aquatique modèle, la moule zébrée (Dreissena polymorpha). Une espèce sœur, Dreissena rostriformis bugensis, arrivée plus récemment dans nos cours d’eau, a été suivie en parallèle et son potentiel en tant que biomoniteur a également été évalué. Pour cela, une batterie d’une douzaine de biomarqueurs sub-cellulaires a été mesurée dans différentes populations des deux espèces vivant dans des milieux contrastés, à différentes périodes de l’année, mais aussi lors de stress standardisés en laboratoire. Les biomarqueurs choisis correspondaient à différentes fonctions physiologiques et/ou antitoxiques, et des réponses à fortes pertinence écologiques, telles que la consommation d’oxygène ou l’activité de filtration, ont ponctuellement été suivies. Ces différents paramètres ont permis d’interroger les notions de sensibilité et de vulnérabilité des populations et de mieux comprendre les facteurs déterminant les réponses des biomarqueurs. Les différences inter-populationnelles montrent que l’accumulation des contaminants par les organismes et leurs réponses biologiques sont bien dépendantes de la qualité du biotope propre à chaque population, mais aussi de la saison, un facteur confondant qui doit donc être pris en compte lors de campagnes de biosurveillance. De fortes différences de réponse des biomarqueurs entre les deux espèces ont aussi été observées, aussi bien in situ que lors des expositions en laboratoire, soulignant la nécessité de bien différencier ces deux espèces, pourtant très proches. La nouvelle arrivée, D. r. bugensis, présente des réponses plus plastiques in situ, mais semble moins capable de gérer des stress aigus lors d’expositions en laboratoire. A l’inverse, D. polymorpha, arrivée il a 200 ans en France, semble mieux adaptée, avec une variabilité de réponse moins marquée et une meilleure tolérance aux contaminants. Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre de la convention BIOMICS, réalisée en collaboration avec l’ONEMA. Ils montrent que ces deux espèces sont aptes à nous renseigner sur l’état de contamination du milieu dans lequel elles vivent, même si les grilles d’interprétation peuvent être différentes de l’une à l’autre. Les variations des réponses des biomarqueurs au niveau sub-cellulaire témoignent de façon précoce de modifications de la qualité du milieu. Certains biomarqueurs semblent toutefois plus informatifs que d’autres, la batterie mesurée pourrait donc être réduite. A l’avenir, ces travaux permettront une meilleure lecture et interprétation des biomarqueurs mesurés dans des populations autochtones ou transplantées, et attestent de l’intérêt des biomarqueurs en tant qu’outils d’évaluation de la qualité des milieux aquatiques / The regulatory framework defined by the Water Framework Directive requires the development of reliable methodologies for assessing and / or characterizing the health status of aquatic ecosystems. The objective of this thesis was to identify the relative roles of environmental parameters (temperature, seasonal cycle, mineralization), population characteristics and anthropic pressures on biomarker responses in a model aquatic organism, the zebra mussel (Dreissena polymorpha). A sister species, Dreissena rostriformis bugensis, which invaded more recently our waterways, has been used in parallel and its potential as a biomonitor has also been evaluated. For this purpose, a battery of a dozen sub-cellular biomarkers was measured in different populations of the two species living in contrasting environments, at different times of the year, but also under laboratory stresses. The selected biomarkers corresponded to different physiological and / or antitoxic functions, and responses with high ecological relevance, such as oxygen consumption or filtration activity, were occasionally followed. These various parameters allowed to question the concepts of sensitivity and vulnerability of the populations and to understand the factors determining biomarker responses. Inter-population differences showed that the accumulation of contaminants by organisms and their biomarker responses depend on environmental quality at the originating site of each population, but also on the season, a confounding factor which must therefore be taken into account during biomonitoring programs. Strong differences in biomarker responses between the two species were also observed, both in situ and during laboratory experiments, emphasizing the need to differentiate the two species, so close they are. The recent invader, D. r. bugensis, presents more plastic responses in situ, but appears less able to manage acute stress in laboratory. Conversely, D. polymorpha, which is about 200 years old in France, appears to be better adapted, with less response variability and a better tolerance to contaminants. This thesis work is part of the BIOMICS convention, carried out in collaboration with ONEMA. It shows that these two species are able to inform about the contamination status of their environment. Variations in biomarker responses at the sub-cellular level indicate early changes in environmental quality. Some biomarkers, however, seem more informative than others do, so the measured battery could be reduced. In the future, this work will allow a better reading and interpretation of biomarkers measured in autochthonous or transplanted populations, and attest the value of biomarkers as tools for assessing aquatic environment quality

Contexte : L’acide perfluorooctanoïque (PFOA) est présent dans le sang de presque tous les participants dans les études de biosurveillance. L’appréciation des risques pour la santé qui sont associés aux concentrations sanguines de PFOA est difficile, car les valeurs guides d'exposition (VGE) sont généralement exprimées en termes de dose externe. Des équivalents de biosurveillance (ÉB) compatibles avec les VGE pourraient faciliter l'interprétation des concentrations de PFOA dans le contexte du risque pour la santé. Objectifs : i) Dériver des ÉB pour le PFOA sérique ou plasmatique correspondant aux VGE de la Environmental Protection Agency des États-Unis (U.S. EPA), de la Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR) et de Santé Canada, et ii) comparer les ÉB avec les concentrations de PFOA mesurées dans des enquêtes nationales de biosurveillance. Méthodes : En partant des points de départ à partir desquels les VGE ont été estimées, nous avons dérivé des ÉB à l'aide de données ou modèles pharmacocinétiques et de facteurs d'incertitude. À l'aide d'un modèle pharmacocinétique animal de gestation et de lactation, nous avons converti les points de départ chez les souris gestantes (U.S. EPA 2016, ATSDR) en concentrations sériques chez l’organisme en développement pour quatre mesures de dose (concentrations moyenne prénatale, moyenne postnatale, moyenne totale, et maximale). Les concentrations équivalentes chez le fœtus humain et l’enfant ont ensuite été converties en ÉB correspondants dans le sérum maternel humain au moment de la conception à l'aide d’une modèle pharmacocinétique humain de grossesse et d’allaitement. Le point de départ chez les rongeurs adultes (Santé Canada) a été converti en un ÉB dans le sérum humain adulte à l'aide de données expérimentales. Pour le point de départ basé sur l'épidémiologie (valeur provisoire de 2022 de l’U.S.EPA), un BE a été dérivé à l'aide d'un modèle pharmacocinétique humain de grossesse et d’allaitement. Les BE dérivés ont été comparés à des données de biosurveillance canadiennes et américaines. Résultats : Les ÉB étaient de 684 ng/mL pour Santé Canada, de 0.012 ng/mL pour l’U.S. EPA (valeur provisoire de 2022), et variaient de 15 à 29 ng/mL pour l’U.S. EPA (valeur de 2016) et de 6 à 10 ng/mL pour l’ATSDR. Les 95ème centiles des concentrations sériques dans l'Enquête canadienne sur les mesures de la santé (ECMS) de 2018-2019 et dans la National Health and Nutrition Examination Survey (NHANES) de 2017-2018 étaient légèrement inférieures à l’ÉB de l’ATSDR et deux ordres de grandeur plus élevées que l'ÉB pour la valeur provisoire de 2022 de l’U.S. EPA. Conclusion : Les ÉB couvraient quatre ordres de grandeur. Les concentrations de PFOA mesurés dans des enquêtes nationales de biosurveillance canadiennes et américaines étaient supérieures ou similaires à certains de ces ÉB. / Background: Perfluorooctanoic acid (PFOA) is detected in the blood of virtually everyone participating in biomonitoring studies. Assessing the health risks associated with blood PFOA levels is challenging because exposure guidance values (EGVs) are typically expressed in terms of external dose. Biomonitoring equivalents (BEs) consistent with EGVs could facilitate interpreting biomarker levels in a health risk context. Objective: To i) derive BEs for serum/plasma PFOA corresponding to the EGVs of the U.S. Environmental Protection Agency (U.S. EPA), the Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR) and Health Canada, and ii) compare with PFOA levels measured in national biomonitoring surveys. Methods: Starting from the points of departure from which EGVs were estimated, we derived BEs using pharmacokinetic data/models and uncertainty factors. Using an animal gestational/lactational pharmacokinetic model, we converted points of departure in pregnant dams (U.S. EPA 2016, ATSDR) into serum concentrations in the developing organism for four dose metrics: average prenatal, average postnatal, average overall, and maximum concentrations. Equivalent human fetus and child concentrations were then converted into corresponding BEs in maternal serum at time of conception using a pharmacokinetic model of human gestation/lactation. The point of departure in adult rodents (Health Canada) was converted into a BE in adult serum using experimental data. For the epidemiology-based point of departure (U.S.EPA 2022, draft), a BE was derived using a human pharmacokinetic model of gestation/lactation. BEs were compared with Canadian and U.S. biomonitoring data. Results: BEs (ng/mL) were 684 for Health Canada, 0.012 for the U.S. EPA (2022 draft), and ranged from 15-29 for the U.S. EPA (2016) and from 6-10 for ATSDR. Ninety-fifth percentiles of serum levels from the 2018-2019 Canadian Health Measures Survey (CHMS) and the 2017-2018 National Health and Nutrition Examination Survey (NHANES) were slightly below the BE for the ATSDR, and two orders of magnitude above the BE for the U.S. EPA (2022 draft). Conclusion: BEs varied over four orders of magnitude. Levels measured in Canadian and U.S. national surveys were higher than or close to some of these BEs.

The evaluation of discrete processes are performed for industrial and healthcare processes. Count data may be used to measure the number of defective items in industrial applications or the incidence of a certain disease at a health facility. Another classification of a discrete random variable is for binary data, where information on an item can be classified as conforming or nonconforming in a manufacturing context, or a patient's status of having a disease in health-related applications. The first phase of this research uses discrete count data modeled from the Poisson and negative binomial distributions in a healthcare setting. Syndromic counts are currently monitored by the BioSense program within the Centers for Disease Control and Prevention (CDC) to provide real-time biosurveillance. The Early Aberration Reporting System (EARS) uses recent baseline information comparatively with a current day's syndromic count to determine if outbreaks may be present. An adaptive threshold method is proposed based on fitting baseline data to a parametric distribution, then calculating an upper-tailed p-value. These statistics are then converted to an approximately standard normal random variable. Monitoring is examined for independent and identically distributed data as well as data following several seasonal patterns. An exponentially weighted moving average (EWMA) chart is also used for these methods. The effectiveness of these methods in detecting simulated outbreaks in several sensitivity analyses is evaluated. The second phase of research explored in this dissertation considers information that can be classified as a binary event. In industry, it is desirable to have the probability of a nonconforming item, p, be extremely small. Traditional Shewhart charts such as the p-chart, are not reliable for monitoring this type of process. A comprehensive literature review of control chart procedures for this type of process is given. The equivalence between two cumulative sum (CUSUM) charts, based on geometric and Bernoulli random variables is explored. An evaluation of the unit and group--runs (UGR) chart is performed, where it is shown that the in--control behavior of this chart is quite misleading and should not be recommended for practitioners. / Ph. D.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants organiques persistants (POP) émis par les activités humaines suite à la combustion incomplète de la matière organique (industrie, chauffage, trafic routier...). En raison de leur faible taux de dégradation, de leur toxicité, de leur capacité à être transportés sur de longues distances et de leur bioaccumulation dans la matière organique, les HAP font l'objet d'une surveillance atmosphérique (directive cadre européenne 96/62/CE du 27 septembre 1996). Les bryophytes, plus communément appelées mousses, sont utilisées depuis une trentaine d'années pour la biosurveillance de la qualité de l'air. Leurs caractéristiques biologiques font de ces plantes terrestres d'excellents bioaccumulateurs des dépôts de polluants atmosphériques. Cependant, elles ont été peu utilisées pour la biosurveillance des HAP et pour des échelles spatiales et temporelles très limitées. Dans ce contexte, la thèse a pour objectif de valider l'utilisation de bryophytes comme outils pour la biosurveillance des retombées atmosphériques de HAP à différentes échelles spatio-temporelles. La première phase de ce travail a consisté en un développement analytique afin de valider l'analyse des HAP par chromatographie liquide associée à une détection par fluorescence (CLHP-FLD), l'extraction liquide-liquide des HAP contenus dans les dépôts totaux et l'extraction par liquide pressurisé (PLE) des HAP contenus dans les mousses. Cette dernière a été optimisée, grâce à la réalisation d'un plan d'expériences, et a été complétée par des tests de purification par extraction sur phase solide (SPE). Des études de terrain ont ensuite été réalisées afin d'évaluer les tendances temporelles à l'échelle saisonnière, annuelle et historique, ainsi que les tendances spatiales à l'échelle locale et régionale, des teneurs en HAP dans les mousses. Une étude menée sur des mousses d'herbier prélevées dans le Parc Naturel de Bertiz (Navarre, Espagne) entre 1879 et 2007 a permis d'identifier les sources historiques d'émission des HAP. Les bryophytes apparaissent comme de bons « témoins » de la contamination atmosphérique du passé. Une étude annuelle (2010-2011) de biosurveillance active menée à Bertiz a permis ensuite d'observer des tendances saisonnières des teneurs en HAP dans les mousses Hylocomium splendens (Hedw.) Schimp., liées aux variations des émissions atmosphériques et des conditions météorologiques, en particulier des précipitations. De plus, l'étude annuelle a révélé un fractionnement lors de l'accumulation par les mousses des HAP contenus dans les dépôts totaux, qui résulte d'une affinité des HAP pour les dépôts liée à leur solubilité et d'une affinité des HAP pour le végétal liée à leur propriété lipophile (KOW). Ainsi, le suivi des flux atmosphériques de HAP dans les dépôts totaux ne permet pas de prévoir a priori les teneurs de HAP dans les écosystèmes. Enfin, une analyse multivariée de la distribution spatiale des teneurs en HAP dans l'espèce Hypnum cupressiforme Hedw. prélevée en Espagne (Navarre), France (Île-de-France) et Suisse (Plateau Suisse et région de Bâle) a permis de caractériser les sources de contamination atmosphériques des régions étudiées et l'influence de paramètres environnementaux tels que l'altitude et la pluviométrie. / Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are persistent organic pollutants (POPs) emitted by human activities during incomplete combustion of organic matter (industry, domestic heating, road traffic…). Due to their low degradation rates, toxicity, long-range transport and bioaccumulation in organic matter, PAHs are monitored in the atmosphere (Council Directive 96/62/EC of 27 September 1996). Bryophytes, more commonly called mosses, have been used during the past three decades for biomonitoring air quality. Because of their biological characteristics, these terrestrial plants are excellent bioaccumulators of airborne pollutants. However, few studies concern PAH biomonitoring and they are usually restricted to studies limited in time and space. In this context, the thesis aims to validate bryophytes as tools for biomonitoring atmospheric deposition of PAHs on various space-time scales. The first step of this work consisted in developing the analytical procedures in order to validate PAH analysis by liquid chromatography associated with fluorescence detection (HPLC-FLD), liquid-liquid extraction of PAHs from bulk deposition and pressurized liquid extraction (PLE) of PAHs from mosses. The latter was optimized with a factorial design and was completed by purification tests with solid phase extraction (SPE). Field studies were then carried out to evaluate temporal trends of PAH levels in mosses at seasonal, annual and historical scales, as well as spatial trends, at local and regional scales. A study undertaken on herbarium mosses sampled in Bertiz Natural Park (Navarra, Spain) between 1879 and 2007 leaded to the identification of PAH historical emission sources. Bryophytes appear as excellent “witnesses” of the past atmospheric contamination. An annual biomonitoring study (2010-2011) at Bertiz showed seasonal trends of PAH content in mosses Hylocomium splendens (Hedw.) Schimp., which are related to variations of PAH emissions and weather conditions, particularly precipitations. Moreover, the annual study revealed a fractionation of PAHs while they are transferred from total deposition to the mosses, as the affinity of PAHs for deposition samples was related with their solubility and their affinity for the plant was related to their lipophilic property (KOW). Thus, monitoring PAH fluxes in total deposition does not give an a priori estimation of PAH contents in the ecosystems. Finally, multivariate analysis of the spatial distribution of PAHs in the species Hypnum cupressiforme Hedw. sampled in Spain (Navarra), France (Île-de-France) and Switzerland (Swiss Plateau and Basel area) leaded to the characterization of the atmospheric contamination sources in the different areas and the influence of environmental parameters such as elevation and pluviometry.

L’objectif de cette thèse est le diagnostic de l’état de santé de la lagune de Bizerte par une approche multi-marqueurs (chimique, biochimique et morphométrique) et multi-compartiments (sédiment et biote). Pour atteindre cet objectif, les modèles biologiques choisis sont la moule Mytilus galloprovincialis et le poisson gobie Zosterisessor ophiocephalus. Ces deux espèces sont largement répandues dans la lagune de Bizerte et la mer Méditerranée. Dans une première partie et afin d’estimer les niveaux de contamination de la lagune de Bizerte par les polluants organiques persistants (POPs), des analyses chimiques, granulométriques et minéralogiques (COT) de sédiments superficiels ont été réalisées. Par la suite la toxicité potentielle des sédiments a été évaluée par une batterie de bioessais. Dans une troisième partie la biodisponibilité et l’impact écotoxicologique des POPs étudiés ont été évalués par l’accumulation de ces contaminants au niveau des deux organismes indicateurs choisis et l’étude des réponses biologiques associées à travers quelques biomarqueurs tels que la catalase (CAT), l’acide thiobarbiturique (TBARS); l’Ethoxyrésorufine O-dééthylase (EROD); la glutathion-S-transférase (GST) et l'acétylcholinestérase (AChE). Les principaux résultats des analyses chimiques révèlent une contamination générale des sédiments et organismes étudiés par les POPs. Les niveaux de contamination sont fonction de l’espèce et de la station étudiée. La comparaison de nos valeurs avec les données de la littérature a montré que les niveaux de contamination de la lagune sont similaires ou légèrement inférieurs à ceux enregistrés dans des écosystèmes équivalents dans d’autres pays du monde. L’estimation de la toxicité des sédiments au moyen des valeurs guides sédimentaires (ERL, ERM, TEL et PEL) et trois tests biologiques (Microtox®, SOS-Chromotest® et test MELA) ont montré que les sédiments des stations du canal de Bizerte S1 et S3 représentent un danger accru pour les organismes aquatiques. Nos résultats ont montré que les biomarqueurs mesurés chez les deux espèces choisies sont des paramètres sensibles et inductibles permettant de qualifier l’état de santé des organismes et la qualité globale du milieu étudié. Les marqueurs morphométriques contrairement aux marqueurs biochimiques n’ont pas permis de discriminer les différents sites étudiés. Contrairement aux poissons, il a été démontré chez les moules que les facteurs abiotiques ont une influence sur les concentrations en POPs et les réponses des biomarqueurs.Au vu de l’ensemble de ces résultats, il apparaît que cette approche intégrative associant des mesures chimiques et écotoxicologiques représente un bon moyen pour évaluer la qualité de l’environnement notamment dans le cadre de programmes de biosurveillance. / The objective of this thesis was the diagnosis of the health status of the Bizerte lagoon using a multi-marker (chemical, biochemical and morphometric) and multi-compartment approach (sediment and biota). To achieve this objective, the selected biological models were the mussel Mytilus galloprovincialis and the goby fish Zosterisessor ophiocephalus. Both species are widespread in the Bizerte lagoon and the Mediterranean Sea. In a first part and in order to estimate the levels of contamination of the Bizerte lagoon, persistent organic pollutant (POPs), granulometric and mineralogical (TOC) analyses of surficial sediments were carried out. Afterwards, the potential toxicity of sediments was assessed by a battery of bioassays. In a the third part, bioavailability and ecotoxicological impact of POPs studied were assessed by bioaccumulation measurement in these two indicators species, and the study of biological responses associated through a battery of biomarkers such as catalase (CAT), thiobarbituric acid (TBARS); Ethoxyresorufin O-deethylase (EROD); glutathione-S-transferase (GST) and acetylcholinesterase (AChE). The main results of the chemical analyses show a general contamination of sediments and organisms studied by POPs. Contamination levels are dependent on the studied species and stations. Comparing our values with literature data, showed that the levels of contamination of the lagoon are similar or slightly lower than equivalent ecosystems in other parts of the world. Besides, the estimation of sediment toxicity, using sediment guideline values (ERL, ERM, TEL et PEL), as well as bioassays (Microtox®, SOS-Chromotest® and MELA test) showed that stations of canal of Bizerte S1 and S3 were associated with an increased hazard to aquatic organisms. Our results showed that biomarkers measured in both selected species are sensitive and inducible parameters, which allowed to characterize the health status of organisms and global quality of the studied environment. Biochemical but not morphometric markers allowed to discriminate the different studied sites according to chemical risk. Unlike fish, it has been demonstrated in mussels that abiotic factors influence the concentrations of POPs and biomarker responses.Obtained data suggest that integrative approach, combining chemical and ecotoxicological measurements, may represent a good way to asses the quality of the environment, particularly, in the context of biomonitoring programs.

L’objectif de ce travail est d’évaluer le transfert des métaux lourds au sein d’une installation de traitement des eaux de ruissellement routier et de développer un procédé épuratoire qui permettrait de parfaire le traitement de ces eaux. La démarche scientifique déployée a d’abord consisté en la caractérisation des flux métalliques acheminés dans un bassin de rétention recevant des eaux de ruissellement provenant d’une autoroute et en l’évaluation du transfert de cette pollution métallique vers la végétation environnante. Les résultats de cette première étude ont permis de mettre en évidence : (1) un transfert des métaux lourds (Cd, Ni, Zn) des compartiments eau – sol vers les macrophytes aquatiques présent sur le site, (2) la capacité de ces macrophytes à accumuler des polluants métalliques au sein de leurs tissus et (3) le caractère bioindicateur de ces macrophytes pour assurer une surveillance de la pollution métallique présente dans les eaux de ruissellement. Compte tenu de la capacité des plantes à accumuler des métaux, en particulier au niveau de leurs racines, un procédé de phytoremediation appelé marais flottant a été proposé pour affiner le traitement des eaux de ruissellement. Les performances épuratoires de ces systèmes ont été évaluées en microcosmes et la faisabilité technique de pouvoir implanter de tels systèmes directement à la surface d’ouvrages existants a également été appréhendée. Les résultats ont démontré que les marais flottants peuvent tout à fait être mis en œuvre à la surface de bassins de rétention sous réserve que les matériaux choisis pour la construction de ces systèmes soient adaptés aux conditions environnementales. Les résultats ont également mis en évidence la capacité des marais flottants à éliminer les métaux présents en phase aqueuse ainsi que l’importance du réseau racinaire qui se développe dans la colonne d’eau sur la rétention des polluants et la filtration des particules fines en suspension. Enfin, cette étude a démontré que les marais flottants peuvent être considérés comme des systèmes de traitement pérennes et nécessitant très peu de maintenance. / The objective of this work is to evaluate the heavy metal transfer into an urban stormwater treatment device and to develop a treatment process which would allow improving the treatment of these waters. The scientific approach consisted first to characterize the metal loads forwarded into a retention pond receiving stormwater runoff coming from a highway and to evaluate the transfer of this metal pollution to the surrounding vegetation. The results of this preliminary study demonstrated: (1) a heavy metal transfer (Cd, Ni and Zn) from the water and soil compartments to the aquatic macrophytes present on the studied site, (2) the capacity of these macrophytes to accumulate metal pollutants into their tissues and (3) the bioindicator value of these macrophytes for biomonitoring of stormwater metal pollution. Regarding the capacity of plants to accumulate metals, especially in their roots, a phytoremediation process called floating treatment wetlands was proposed to improve urban stormwater quality. The treatment performances of these systems were evaluated through a microcosm experiment and the technical feasibility for implanting such floating systems directly on the surface of existing ponds was also evaluated. The results showed that floating treatment wetlands can be operated on the surface of retention pond provided that the material chosen for the construction of these systems are well adapted to environmental conditions. The results also brought to light the efficiency of floating treatment wetlands for metal uptake from water as well as the importance of the root system on pollutant retention and the filtration of fine suspended particles. Finally, this study showed that floating treatment wetlands can be considered as sustainable treatment systems that need low maintenance.