L'objectif de ces travaux de thèse était de caractériser la toxicité de l'uranium sur le métabolisme du poisson zèbre, Danio rerio. Puisque les effets de l'uranium se traduisent par des modifications de la performance du métabolisme, la question suivante se pose: que savons-nous du métabolisme du poisson zèbre témoin? Très peu de chose. En effet, nos connaissances à ce sujet sont assez limitées en dépit d'un grand nombre de travaux sur le développement de ce poisson. C'est pourquoi les trois premiers chapitres de ce manuscrit sont dédiés à la caractérisation du métabolisme témoin du Danio. J'ai utilisé la théorie des bilans d'énergie dynamique (DEB) pour procéder à cette caractérisation; à l'heure actuelle c'est la seule théorie qui quantifie l'ingestion, l'assimilation, la croissance, la reproduction, la maturation, la maintenance et le vieillissement pendant le cycle de vie entier d'un organisme. L'effet de l'uranium sur l'organisme implique un effet sur au moins une des processus cités ci-avant. Étant donné que la longévité du poisson zèbre est d'environ quatre ans et demi, et que l'intensité des effets liés à un stress chimique est inversement proportionnel à la taille, nous avons centré nos efforts sur les stades de vie précoces (embryon, juvénile et reproduction adulte). De surcroît, les stades de vies précoces semblent plus sensibles aux effets de l'uranium surtout au niveau des effets sur la croissance. <br /><br /> D'importants progrès ont été réalisés dans le domaine de la quantification du développent, de la croissance et de la reproduction du poisson zèbre. Il s'est avéré que le poisson zèbre accélère son développent après la naissance (c'est-à-dire l'instant où l'individu commence à se nourrir), jusqu'à la métamorphose, où l'accélération cesse. Ce processus a été constaté chez d'autre espèces de poissons, mais pas toutes. Une autre conclusion surprenante était que la maintenance somatique est beaucoup plus élevée que la valeur typique d'un poisson. Nous n'arrivons pas encore à expliquer pourquoi. De plus nous avons découvert que les détails sur la physiologie reproductive sont importants pour caractériser les effets de l'uranium: chez l'adulte les ressources allouées à la reproduction sont stockées dans un compartiment où siègent les processus de préparation de "batch " d'œufs (=buffer de reproduction). Il est donc important de comprendre ce processus pour comprendre comment le poisson zèbre élimine l'uranium via les œufs. <br /><br /> La théorie DEB spécifie que l'individu atteint un stade de développement à un niveau de maturité donné. Selon la température et/ou la nourriture, ce niveau de maturité peut être atteint à des tailles ou des âges différents. Nous avons élargi le concept pour inclure tous les stades de développement (définis sur la base de critères morphologiques) publiés dans les atlas de développement. Ce travail nous a permis d'expliquer par la théorie DEB à présent la variabilité en termes de taille et d'âge. <br/><br /> Dans le but de tester si la théorie DEB peut expliquer des perturbations au niveau de la maturation, nous avons étudié le développement de deux espèces de grenouilles taxonomiquement proches et de taille similaires. Une des espèces possède un développement typique comprenant un stade embryonnaire, un stade têtard qui se nourrit et puis un stade juvénile avec la morphologie typique d'une grenouille. Par contre la deuxième espèce témoigne d'une accélération du développement après l'éclosion mais avant la naissance- qui correspond au stade de développement où l'individu commence à se nourrir. Cette accélération est trahie par une augmentation de la respiration et un retard de la croissance avec au final une diminution de la taille à chaque stade de développement par rapport à la première espèce. Cette accélération s'estompe après la métamorphose (le moment où les jeunes grenouilles quittent l'eau). Toutes les différences entre les deux types de développement ont été expliquées par la théorie DEB en considérant qu'un seul paramètre changeait temporairement de valeur: la fraction de la réserve mobilisée vers la croissance et la maintenance somatique. La conclusion est que les perturbations observées au niveau de la maturation et de la variabilité de l'âge et la taille entre les différents stades de développement soutiennent empiriquement la façon que la théorie DEB incorpore la maturation. <br /><br /> Non seulement notre étude requérait une quantification détaillée de la maturation, mais elle requérait aussi la prise en compte de périodes (prolongées) de jeune, et ce plus particulièrement pour les stades précoces. Selon la théorie DEB la maintenance est alimentée avec l'énergie mobilisée de la réserve. Dès lors que la nourriture devient rare ou disparait cette dernière ne suffit plus pour alimenter la maintenance somatique. Nous avons détaillé ce cas de figure en modélisant le lien entre les processus de rajeunissement et d'amaigrissement extrême et la probabilité de survie. Les prédictions du modèle sont en accord avec les trajectoires de survie de larves obtenues en conditions de laboratoire. Certaines poissons libèrent plus d'un million d'œufs par événement de ponte et pourtant, si la dynamique de la population est stable, à chaque génération chaque poisson n'est remplacé que par un seul individu. Le processus de survie des larves représente une grande énigme irrésolue dans le domaine de la dynamique de populations de poisson. <br /><br /> Par le biais de ces travaux de doctorat, nous disposons à présent d'un outil permettant de comprendre, et de prédire, la manière dont la performance physiologique du poisson zèbre dépend de son niveau de nutrition. Le modèle a été utilisé pour détecter les modifications induites par l'uranium sur la performance physiologique d'un individu exposé par rapport à celle du témoin. A cette fin, nous avons développé un modèle dynamique qui spécifie la manière dont l'uranium s'accumule et s'élimine chez un individu qui se nourrit, grandit et se reproduit. Nous avions imaginé que l'uranium pourrait affecter le système immunitaire ainsi que d'autres mécanismes de défense cellulaire (e.g. système antioxydant). Selon la théorie DEB, l'allocation des ressources à la maturation comprend une fraction fixe de la réserve mobilisée auquel est soustrait le coût de maintenance de la maturité. Notre idée est que les coûts du système immunitaire et de défense cellulaire contribuent à la maintenance de la maturité. Si l'uranium augmentait les coûts de ce dernier alors la maturation ralentira, ainsi j'ai porté une attention soutenu aux taux de maturation. <br /><br /> Nous avons montré que l'uranium altère l'histologie de la paroi intestinale (acteur majeure dans l'assimilation des nutriments) et pourrait potentiellement modifier l'homéostasie des interactions hôte-bactérienne (acteur majeur dans l'assimilation et l'immunité inné). De plus nos travaux suggèrent que l'uranium augmenterait les coûts de synthèse de la structure et diminuerait l'assimilation et/ou augmenterait le coût de la maintenance somatique. Chose étonnante, malgré ce que nous pensions, nous n'avons pas pu détecter d'effets notables sur la maturation à ces faibles concentrations. Puisque la maturation interagit avec la croissance, la reproduction et la maintenance, je considère néanmoins que les travaux que j'ai pu mener sur la maturation sont pertinents. La toxicité de l'uranium est telle que les effets sur le coût de la synthèse de la structure et de la maintenance somatique sont estimés proches de 0 nM d'uranium dans l'eau. <br /><br /> Un résultat très important se dégageant de ces travaux est que la condition des poissons (structure, maturité, réserve, buffer de reproduction, stade de préparation des "batch") au début de l'expérience dépend de l'individu et conditionne la réponse de celui-ci au stress pendant (toute) l'expérience. Ce problème s'aggrave lorsque nous travaillons avec des poissons zèbres adultes car la contribution de la masse du buffer de reproduction par rapport à la masse totale diffère de manière important entre chaque individu. Ceci affecte alors non seulement les trajectoires de masse dans le temps, mais aussi la concentration interne, car la reproduction représente une voie importante d'élimination de l'uranium. La quantité totale de réserve (à savoir : réserve + buffer de reproduction) conditionne la sévérité de l'effet toxique contribuant ainsi à la variabilité dans les données. En prenant en compte les différences entre les conditions initiales de chaque individu, j'ai pu expliquer les résultats contradictoires publiés dans la littérature ainsi qu'expliquer mes propres résultats sur les effets de l'uranium. La leçon à retenir est que des données acquises sur des individus ne devraient pas être moyennées sur des groupes d'individus. <br /><br />

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