Dans le contexte d'un environnement soumis à des pressions humaines de plus en plus importantes, l'évaluation de la qualité écologique des milieux naturels est devenue un enjeu scientifique, politique et sociétal majeur. Au début des années 2000, les méthodes de bio-évaluation existantes se sont révélées insuffisantes au regard des exigences affichées par la Directive Européenne Cadre sur l'Eau de maintenir ou recouvrer le bon état écologique pour les masses d'eau continentales. En parallèle de cette prise de conscience politique de la nécessité d'une amélioration des méthodes de bio-évaluation, un certain nombre d'auteurs ont plaidé pour une prise en compte explicite des caractéristiques biologiques et écologiques des espèces (i.e. leurs « traits ») de façon à mieux comprendre les processus de mise-en-place et d'organisation des communautés en relation avec les caractéristiques de leur habitat. Le but principal de ce travail de thèse a été d'étudier comment les approches « traits », à plusieurs échelles d'organisation biologique, peuvent permettre d'améliorer la bio-évaluation des cours d'eau Français. Pour cela, nous avons étudié dans un premier temps l'application sur les communautés benthiques de l'approche « traits bio-écologiques potentiels » pour l'évaluation (i) de la qualité écologique, (ii) des risques d'altération et (iii) du degré d'homogénéisation fonctionnelle des cours d'eaux. Ensuite, nous avons exploré le potentiel de nouveaux traits (i.e. isotopiques, stoechiométriques et protéomiques) pour la caractérisation des réponses biologiques des invertébrés benthiques soumis à des pressions anthropiques 'simples' (i.e. acidification et contamination organique). Nos résultats ont démontré que les traits bio-écologiques potentiels permettaient d'améliorer de manière significative l'évaluation du statut écologique des cours d'eaux et des pressions anthropiques qu'ils subissent, à large échelle spatiale (e.g. sur les réseaux nationaux de suivi de la qualité de l'eau). Les analyses isotopique et stoechiométrique ont permis également, sur des problématiques plus locales, de relier des informations sur des traits biologiques (régime alimentaire et développement) aux transferts de nutriments et de matière organique réalisés par les communautés benthiques au sein des systèmes lotiques. Enfin, l'analyse protéomique réalisée le long d'un gradient d'acidification ouvre des perspectives intéressantes pour la mise en place d'un « système expert » précoce des effets d'une détérioration de la qualité de l'eau sur les invertébrés benthiques / In a global change context, ecosystems are subjected to more and more severe human pressures. In this context, optimizing the biomonitoring of natural ecosystems has become a major scientific, political and societal issue. In the early 2000th, most of the freshwater bioassessment methods did not succeed in fulfilling the requirements of the European Water Framework Directive, for efficiently evaluating the ecological status of rivers with the main objective to maintain or to reach the good ecological status for all the water bodies. In the same time, a major advance in community ecology was the explicit consideration of the biological and ecological attributes of species (i.e. their ?traits?) to better explain the role of habitat characteristics in community assembly. The main goal of this PhD work was to establish how trait-based approaches, at different biological scales, could enhance the bioassessment of French streams. We have first focused on the utilization of potential bio-ecological traits of macrobenthic communities for (i) evaluating the ecological quality of rivers, (ii) assessing the risk of significant alteration of benthic assemblages by specific pressure categories and (iii) appraising the human pressure-drived functional homogenization process in benthic communities. We examined the potential of new traits (derived from stable isotopy, stoichiometry and proteomics) for depicting the benthic invertebrate responses to 'simple' anthropogenic pressures (i.e. acidification and organic contamination). We have demonstrated that using potential bio-ecological traits efficiently enhances the ecological monitoring of wadeable rivers, at large spatial scale (e.g. on National survey networks). The stable isotope and stoichiometry analyses, when applied at reach scale, have allowed to link biological traits (i.e. diet and development) to ecological functions provided by macrobenthic communities, such as nutriment and organic matter flows in rivers. Finally, the proteomic analysis, performed along an acidification gradient, has brought out very interesting perspectives for the development of an integrative ?expert system? that early detects the biological effects of water quality alteration on benthic invertebrate assemblages

L'évaluation des conséquences de l'érosion de la biodiversité sur le fonctionnement de divers écosystèmes est récemment devenue une problématique centrale de l'écologie. Par le biais de 4 expériences réalisées dans des cours d'eau de tête de bassin, nous avons montré que la diversité de la ressource, des organismes décomposeurs, et de leurs prédateurs peuvent altérer le processus de décomposition par le biais de différents mécanismes. Notamment, il est montré que des altérations concomitantes de la biodiversité à plusieurs niveaux trophiques peuvent avoir des conséquences synergiques sur le fonctionnement de ces écosystèmes et l'efficacité de la décomposition des litières. Ces résultats suggèrent que l'évaluation formelle des conséquences de l'érosion de la biodiversité nécessite une prise en compte plus systématique de l'influence de la complexité trophique sur la structuration des communautés et sur le fonctionnement des écosystèmes.

Un protocole d'échantillonnage des macroinvertébrés benthiques indicateurs de la qualité des cours d'eau a été mis en place sur le site atelier Allier et un linéaire de la Loire amont. Celui-ci a permis de désigner les unités géomorphologiques seuil comme meilleur lieu d'échantillonnage. Comparativement aux méthodes existant dans divers pays, le protocole MMS-GUR (Macroinvertebrates living in the Mineral Substrates of the Geomorphological Unit Rifle) présente les avantages suivants : 1) Facilité de repérage des seuils et meilleure accessibilité que les autres géoformes. 2) Aire d'échantillonnage réduite. 3) Echantillonnage de surfaces identiques grâce à l'utilisation du filet Surber. 4) Protocole applicable de la source à la disparition des seuils. 5) Gain de temps répercuté sur le coût tant sur le terrain qu'en laboratoire (détermination au genre, mais réduction possible aux EPT) . 6) Possibilité de comparer un ensemble de rivières dans des conditions analogues.

De novembre 2002 à décembre 2005, l'habitat préférentiel de l'écrevisse indigène à pattes blanches (Austropotamobius pallipes) a été défini dans le « pays de Gâtine » (Deux-Sèvres, France). Pour cette étude, huit cours d'eau, répartis dans quatre bassins hydrographiques différents, ont été sélectionnés. Sur chaque ruisseau, deux points de prélèvement ont été choisis : le premier, le plus en amont, était situé au niveau de la population d'A. pallipes et le second, 2 à 3 km en aval, était dépourvu d'écrevisse à pattes blanches. Vingt-trois paramètres physico-chimiques, concernant les composantes minérale et organique de l'eau, ont été très régulièrement mesurés et quatre prélèvements de la faune de macroinvertébrés benthiques ont été réalisés. Ce suivi a permis d'acquérir une importante base de données pour caractériser les tolérances d'A. pallipes vis-à-vis de certains paramètres ce qui nous a conduit à discuter son statut de bioindicateur de la qualité des eaux. L'utilisation d'analyses multivariées (Analyse en Composantes Principales majoritairement) a montré (i) que la matière organique serait un des facteurs discriminants dans la présence/absence d'A. pallipes et (ii) que, précisément, la présence d'A. pallipes est associée à celle de familles de macroinvertébrés les plus sensibles aux pollutions organiques. L'ACP a aussi permis de réduire considérablement le nombre de paramètres abiotiques et biotiques informatifs. De plus, l'utilisation de ces paramètres sélectionnés pour modéliser par Réseaux de Neurones Artificiels (RNA) la présence/absence d'A. pallipes a fourni des résultats satisfaisants et prometteurs en terme de gestion et de conservation de cette espèce menacée.

Les zones de dépôts des ruisseaux de tête de bassin abritent des communautés macrobenthiques diversifiées. Les caractéristiques physiques de ces habitats permettent l'établissement d'un réseau trophique complexe. De fortes variations saisonnières de ces communautés ont été observées dans les ruisseaux de la Montagne Noire. Le fonctionnement écologique de ces habitats a été étudié via la décomposition des litières et la bioturbation. L'intensité de ces deux processus est régulée par les assemblages d'invertébrés spécialisés : les déchiqueteurs et les remanieurs. Une méthode de quantification du remaniement sédimentaire de surface a été développée permettant l'étude de ce processus dans les ruisseaux. Il existe de fortes différences interspécifiques dans la capacité et le mode de bioturbation chez les remanieurs des ruisseaux. Ce travail contribue à améliorer les connaissances relatives au contrôle biotique sur le fonctionnement écologiques des ruisseaux.

Les effets du changement climatique sur la biodiversité à l'échelle du globe sont maintenant sans équivoque. Parmi les écosystèmes affectés, les cours d'eau sont particulièrement vulnérables aux fluctuations du climat. Les modifications de structure et de composition des communautés aquatiques constituent alors un signal intégrateur des réponses écologiques à ces changements climatiques. Dans certaines circonstances, ce signal peut également être exacerbé, modéré ou potentiellement masqué par d'autres variations abiotiques.L'objectif de ce travail de thèse était donc d'évaluer l'effet relatif de différents facteurs de forçage sur les tendances d'évolution à long-terme des communautés de macroinvertébrés benthiques de grands cours d'eau, dans un contexte de changement climatique global. Nos investigations ont ciblé plus spécifiquement la Loire moyenne car, en tant que grande rivière de plaine, elle est particulièrement concernée par les problèmes liés aux stress multiples. En ce qui concerne le choix du compartiment biologique, la faune benthique a été sélectionnée pour son intérêt reconnu en bioévaluation des cours d'eau, notamment grâce à une grande diversité de réponses potentielles aux perturbations environnementales et à un certain nombre d'avantages méthodologiques.Dans un premier temps, nous nous sommes appliqués à caractériser les modifications temporelles de dix paramètres abiotiques majeurs sur trois décennies (1977-2008). Nous avons notamment mis en évidence le réchauffement graduel de la Loire (c. +1,2°C en moyenne annuelle sur les trois décades), couplé à une réduction significative du débit moyen (c. -25%), les deux tendances étant exacerbées en période chaude (mai-août). Dans le même temps, alors que ces modifications étaient susceptibles de provoquer une augmentation du niveau trophique du fleuve, nous avons souligné l'existence d'un effet confondant de l'amélioration des traitements d'épuration (i.e. réduction des apports en phosphore), se traduisant principalement par la baisse des concentrations en phosphates et la limitation des organismes phytoplanctoniques.Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux réponses structurelles et fonctionnelles long-terme (i.e. 30 ans) des invertébrés de la Loire à ces deux évolutions concomitantes majeures. En premier lieu, nous avons constaté que le réchauffement et, dans une moindre mesure, la réduction du débit sont impliqués dans la disparition ou le déclin progressif de taxons rhéophiles et psychrophiles (e.g. Chloroperlidae). En parallèle, ces modifications hydroclimatiques expliquent une majeure partie de l'apparition et de la colonisation de taxons limnophiles et thermophiles, comprenant certaines espèces invasives (e.g. Corbicula sp.). En termes de réponses fonctionnelles, ces changements s'illustrent par une évolution adaptative des profils de traits biologiques cohérente avec les prédictions a priori qu'il est possible de faire dans un cadre théorique. Toutefois, cette dérive progressive vers un assemblage généraliste et polluotolérant est partiellement confondue par l'amélioration de la qualité d'eau, qui explique l'apparition de nouveaux taxons polluo-sensibles lors des dernières années (e.g. Philopotamidae). Bien qu'aucune résilience taxonomique ou fonctionnelle ne soit constatée, cette tendance se manifeste, via les traits biologiques, par un transfert probable des ressources trophiques depuis les organismes phytoplanctoniques vers des biofilms épibenthiques et des macrophytes.Pour finir, nous avons exploré la variabilité spatiale multi-sites de ces tendances biotiques et abiotiques et montré que l'ensemble de ces résultats, qui corrobore déjà un certain nombre d'observations en Europe, constitue également un patron homogène le long de la Loire moyenne (sur près de 300 km) et entre différents hydrosystèmes (e.g. Loire, Seine, Meuse).

Les effets du changement climatique sur la biodiversité à l’échelle du globe sont maintenant sans équivoque. Parmi les écosystèmes affectés, les cours d’eau sont particulièrement vulnérables aux fluctuations du climat. Les modifications de structure et de composition des communautés aquatiques constituent alors un signal intégrateur des réponses écologiques à ces changements climatiques. Dans certaines circonstances, ce signal peut également être exacerbé, modéré ou potentiellement masqué par d’autres variations abiotiques.L’objectif de ce travail de thèse était donc d’évaluer l’effet relatif de différents facteurs de forçage sur les tendances d’évolution à long-terme des communautés de macroinvertébrés benthiques de grands cours d’eau, dans un contexte de changement climatique global. Nos investigations ont ciblé plus spécifiquement la Loire moyenne car, en tant que grande rivière de plaine, elle est particulièrement concernée par les problèmes liés aux stress multiples. En ce qui concerne le choix du compartiment biologique, la faune benthique a été sélectionnée pour son intérêt reconnu en bioévaluation des cours d’eau, notamment grâce à une grande diversité de réponses potentielles aux perturbations environnementales et à un certain nombre d’avantages méthodologiques.Dans un premier temps, nous nous sommes appliqués à caractériser les modifications temporelles de dix paramètres abiotiques majeurs sur trois décennies (1977-2008). Nous avons notamment mis en évidence le réchauffement graduel de la Loire (c. +1,2°C en moyenne annuelle sur les trois décades), couplé à une réduction significative du débit moyen (c. -25%), les deux tendances étant exacerbées en période chaude (mai-août). Dans le même temps, alors que ces modifications étaient susceptibles de provoquer une augmentation du niveau trophique du fleuve, nous avons souligné l’existence d’un effet confondant de l’amélioration des traitements d’épuration (i.e. réduction des apports en phosphore), se traduisant principalement par la baisse des concentrations en phosphates et la limitation des organismes phytoplanctoniques.Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux réponses structurelles et fonctionnelles long-terme (i.e. 30 ans) des invertébrés de la Loire à ces deux évolutions concomitantes majeures. En premier lieu, nous avons constaté que le réchauffement et, dans une moindre mesure, la réduction du débit sont impliqués dans la disparition ou le déclin progressif de taxons rhéophiles et psychrophiles (e.g. Chloroperlidae). En parallèle, ces modifications hydroclimatiques expliquent une majeure partie de l’apparition et de la colonisation de taxons limnophiles et thermophiles, comprenant certaines espèces invasives (e.g. Corbicula sp.). En termes de réponses fonctionnelles, ces changements s’illustrent par une évolution adaptative des profils de traits biologiques cohérente avec les prédictions a priori qu’il est possible de faire dans un cadre théorique. Toutefois, cette dérive progressive vers un assemblage généraliste et polluotolérant est partiellement confondue par l’amélioration de la qualité d’eau, qui explique l’apparition de nouveaux taxons polluo-sensibles lors des dernières années (e.g. Philopotamidae). Bien qu’aucune résilience taxonomique ou fonctionnelle ne soit constatée, cette tendance se manifeste, via les traits biologiques, par un transfert probable des ressources trophiques depuis les organismes phytoplanctoniques vers des biofilms épibenthiques et des macrophytes.Pour finir, nous avons exploré la variabilité spatiale multi-sites de ces tendances biotiques et abiotiques et montré que l’ensemble de ces résultats, qui corrobore déjà un certain nombre d’observations en Europe, constitue également un patron homogène le long de la Loire moyenne (sur près de 300 km) et entre différents hydrosystèmes (e.g. Loire, Seine, Meuse). / Evidence for climate change effects on biodiversity at global scale is now unequivocal. Among impaired ecosystems, running waters are particularly vulnerable to climate fluctuations. Changes in aquatic community structure and composition are then considered as integrative signals of the ecological responses to these climate changes. Under certain circumstances, these signals can be also exacerbated, confounded or potentially obscured by other abiotic variations.Therefore, the aim of this PhD was to assess the relative effect of different drivers on longterm trends in benthic macroinvertebrate communities, in the context of global climate change. Our investigations were focused more precisely on the Middle Loire River since, as lowland large river, it is particularly concerned by the potential impact of multiple stressors. Regarding the choice of the biological model, benthic fauna has been selected according to its acknowledged interest in bioassessment of running waters, especially thanks to a great diversity of potential responses to environmental disturbances and a number of methodological advantages.First, we investigated the temporal changes of ten major abiotic parameters over three decades (1977-2008). We highlighted the gradual warming of the Loire River (c. +1.2°C in the mean annual temperature over the three decades), coupled with a significant drop in mean discharge (c. -25%), both trends being exacerbated during the warm period (May-August). In the same time, although these changes were expected to induce a rise in the trophic level of the river, we emphasized a confounding effect of the wastewater treatment improvement (i.e. phosphorus input reduction), leading mainly to a drop in phosphate concentrations and a phytoplankton limitation.Second, we assessed the long-term structural and functional responses (i.e. over a 30-year period) of invertebrates of the Loire River to both major concomitant trends. On the one hand, we highlighted that water warming and to a lesser extent discharge reduction were significantly involved in the disappearance or decrease in rheophilic and psychrophilic taxa (e.g. Chloroperlidae). On the other hand, they explained also a major part of the appearance and increase of limnophilic and thermophilic taxa, including invasive species (e.g. Corbicula sp.). In terms of functional responses, these changes were illustrated by an adaptive evolution of the biological trait profiles in agreement with a priori predictions that is possible to make in a theoretical framework. However, this shift towards a generalist and pollution tolerant assemblage was partially confounded by improvement in water quality, explaining the settlement of new pollution-sensitive taxa during the last years (e.g. Philopotamidae). Although no taxonomic or functional resilience was observed, this trend was translated, via biological traits, into a probable transfer of trophic resources from phytoplankton to periphytic biofilms and macrophytes.Finally, we explored the multi-site spatial variability of these biotic and abiotic trends and we showed that our results as a whole, which supported already a number of observations in Europe, exhibited also a strong homogeneous pattern along the Middle Loire River (on nearly 300 km) and among different hydrosystems (e.g. Loire, Seine, Meuse).