L’évaluation du risque liée à l’utilisation des pesticides pour les invertébrés du sol est aujourd’hui réalisée à l’aide de l’espèce modèle E. fetida via l’utilisation de tests ecotoxicologiques standardisés (ISO et OCDE) sur la mortalité ou la reproduction. Ces deux points mériteraient d’être révisés puisque (i) l’espèce modèle est rarement présente dans les agroécosystèmes où les pesticides sont majoritairement utilisés, (ii) les tests réalisés sont peu réalistes et leur analyse statistique de type ad hoc ne permet aucune extrapolation dans le temps ou à des niveaux d’organisation supérieurs. Ainsi, une nouvelle espèce modèle a été proposée: Aporrectodea caliginosa. De plus, dans l’objectif d’analyser les effets ecotoxicologiques des pesticides sur cette espèce, un modèle bioénergétique a été proposé et calibré. Ensuite, les effets écotoxicologiques de deux formulations commerciales de pesticide, couramment utilisées en Europe, ont été évalués sur l’ensemble du cycle de vie (mortalité, comportement, reproduction, croissance). Les données de croissance ont été analysées à l’aide du modèle bioénergétique couplé à un modèle toxicocinétique. Ces analyses ont apporté une compréhension mécanistique des effets et ont permis l’estimation de valeurs seuils (les concentrations sans effet, CSE), indépendantes du temps d’exposition. Enfin, dans un objectif d’évaluation intégrée de l’usage des pesticides, il a été mis en évidence que la présence des vers de terre atténuait les effets des pesticides sur les communautés microbiennes des sols, responsables de la dégradation de la matière organique. L’ensemble des résultats pourra être utilisé, au-delà de la thèse, pour calibrer un modèle de dynamique des populations spatialisé de type individu centré (IBM). Ce type de modèle pourra être utilisé en évaluation du risque, pratiquée par les industriels et les agences d’évaluation. / Pesticide risk assessment for soil invertebrates is currently performed using the earthworm model species Eisenia fetida through the use of standardized ecotoxicological tests (ISO and OECD) on mortality or reproduction. These two points should be revised since (i) the model species is rarely found in agroecosystems where pesticides are used, (ii) the tests performed are unrealistic and their statistical analysis does not allow any extrapolation in time or at higher organizational levels (population). Thus, after a thorough reading of the literature, a new model species has been proposed: Aporrectodea caliginosa. In addition, in order to analyze the ecotoxicological effects of pesticides on this species, an energy-based model has been calibrated. Then, the ecotoxicological impacts of two commercial pesticide formulations, commonly used in Europe, were assessed on the entire life cycle (mortality, behavior, reproduction, growth). The growth data were analyzed with the energy-based model coupled with a toxicokinetic model. These analyzes provided a mechanistic understanding of the effects and the estimation of non-time-dependent threshold values (The no effect concentrations, NEC). Finally, for the purpose of an integrated pesticide risk assessment, it has been demonstrated that earthworms mitigate pesticide effects on soil microbial activity, involved in the soil organic matter degradation. All of the results are intended to be used, beyond the thesis, for the calibration of a spatialized population dynamics model with an Individual-based model approach (IBM). This model could be use in risk assessment, as performed by industrials and risk-assessment agencies.

Dans un contexte de changements globaux, la fonction de "puits" de carbone (C) des tourbières est susceptible de basculer vers une fonction "source", en libérant dans l'atmosphère de grandes quantités de C initialement stockées dans la tourbe. Cette thèse vise à caractériser et quantifier, à différents niveaux d'organisation, i) l'impact d'un réchauffement climatique sur le fonctionnement biogéochimique (C-N-S) d'une tourbière à Sphaignes et ii) l'impact de la restauration d'une tourbière abandonnée après exploitation sur les interactions entre les plantes recolonisatrices (Eriophorum angustifolium), la macrofaune (Lumbricus rubellus) et les microorganismes potentiellement impliqués dans la régénération du processus de tourbification. Le fonctionnement de la tourbière et les interactions biotiques ont été étudiées par couplage des cycles C-N-S et traçage isotopique 13C-15N-34S. Une augmentation modérée de + 1°C simulée par "Open Top Chambers" (OTCs) diminue significativement les flux de C à l'échelle de l'écosystème, la production primaire des Sphaignes et le compartiment microbien étant les plus affectés. A l'échelle des communautés, l'activité des bactéries anaérobies, des champignons et des protozoaires (estimée par SIP 13C-PLFAs) est significativement ralentie. Nous avons montré qu'un organisme ingénieur comme le ver de terre L. rubellus jouait un rôle positif dans le recyclage de la matière organique en fournissant indirectement des éléments (C > N > S) à la plante. Ces transferts seraient dépendants des traits fonctionnels de l'organisme. A l'échelle de l'individu, nous avons caractérisé par approche NanoSIMS, les transferts "anticorrélés" N-S ver de terre --> tourbe.

Le sol représente un puits de carbone important, dont les entrées et les sorties sont gouvernées par de nombreux facteurs biotiques et abiotiques. Nous nous intéressons à deux facteurs biotiques essentiels : la qualité de la litière, principale source des MOS; et les vers de terre, ingénieurs clés des sols tempérés. Nous étudions le devenir de parties racinaires et aériennes, marquées au carbone 13, dans le sol et des turricules de Lumbricus terrestris, au cours d'une expérimentation en mésocosmes d'une année. Nous utilisons une approche pluridisciplinaire à différentes échelles spatio-temporelles pour quantifier, localiser et caractériser le carbone organique incorporé dans le sol et les turricules, pendant les 54 semaines d'expérimentation. La composition chimique des parties racinaires et aériennes a un impact significatif sur le devenir du carbone dans le sol et semble influencer la palatabilité de la litière pour les vers de terre. Après une année d'expérience, la contribution des racines, par rapport aux parties aériennes est plus importante dans le sol et les turricules. Les interactions physiques semblent également jouer un rôle important dans la formation et l'évolution des turricules. Les vers de terre minimisent l'effet contrasté des parties racinaires et aériennes sur le carbone du sol et des turricules. Les invertébrés du sol doivent être pris en compte lors de l'étude des processus d'incorporation, de décomposition et de stabilisation du carbone dans le sol. Les microorganismes jouent un rôle essentiel dans la décomposition de la litière et semblent contribuer au carbone stable du sol, et ce particulièrement dans les turricules. / Soil represents an important carbon sink, which inputs and outputs are governed by numerous biotic and abiotic factors. We focused on two essential biotic factors: litter inputs, the main source of SOM; and earthworms, key soil engineers in temperate regions. We investigated the fate of 13C-labelled Ryegrass root and shoot litter, in soil and epi-anecic earthworm casts (Lumbricus terrestris), based on a one year mesocosm experiment. Soil samples were collected at two depths, as well as surface casts, regularly during the 54 weeks of experiment. SOM complexity and heterogeneous composition was considered, using a multidisciplinary approach at different spatio-temporal scales to quantify, localize and characterize the organic carbon incorporated in soil and earthworm casts. The chemical composition of roots and shoots had a significant impact on the fate of carbon in soil, with an increased contribution from root-derived carbon in soil and casts after one year. The chemical composition tended to influence the litter palatability for earthworms. As organo-mineral associations tended to increase during drying and ageing of casts, physical interactions might have also played an important role in cast formation and evolution. Earthworms tended to minimize the diverging fate of root and shoot residues on both soil and cast carbon, after the year of experiment. Thus, while studying soil carbon incorporation, decomposition and stabilization, the role of soil invertebrates should be particularly considered. We also observed the crucial role of microorganisms in decomposing litter and their potentially high participation to stable carbon pool in soil and particularly in casts.

La bécasse des bois (Scolopax rusticola L.) est une espèce d'oiseau migrateur au statut de conservation incertain, dont l'écologie et le comportement sont largement méconnus en hivernage. La bécasse, connue pour être sensible au gel, est menacée par la perte de ses habitats et une forte pression de chasse en hiver, période de vulnérabilité accrue du fait de la concentration des populations. Cette étude a pour but de mieux comprendre les stratégies comportementales d'hivernage, en combinant des approches d'éco-physiologie et d'écologie comportementale, afin de proposer des mesures de gestion et de conservation adéquates. Selon leurs besoins énergétiques, les oiseaux doivent résoudre un compromis entre s'alimenter efficacement et éviter la prédation. Ce compromis peut avoir des répercutions sur la sélection de l'habitat. Une étude des dépenses énergétiques en laboratoire (métabolisme de base et thermorégulation) et sur le terrain a montré que la bécasse était bien isolée thermiquement et avait une dépense énergétique relativement faible. La bécasse fréquente deux types d'habitat (remises) en hiver : des milieux boisés en journée (bois et haies) et des milieux agricoles la nuit. La sélection et l'utilisation de l'habitat, la survie et le budget-temps ont été étudiés sur une centaine de bécasses équipées de radio-émetteurs, pendant trois hivers en Bretagne. La sélection de l'habitat diurne s'effectue selon la richesse en vers de terre (proie favorite) et en couvert arbustif (pour la protection). La nuit, les prairies pâturées sont préférées aux cultures pour leur richesse en vers de terre. La mortalité naturelle par prédation a lieu principalement de nuit en prairie et les taux de survie suggèrent une mortalité additive due à la chasse. Le compromis entre alimentation et risque de prédation amène les individus à choisir entre différentes stratégies comportementales d'utilisation de l'espace et de gestion du budget-temps. Certains individus ne fréquentent qu'une seule remise alors que d'autres en utilisent plusieurs, de manière successive ou alternative. Le choix de la stratégie semble dépendre de l'efficacité des individus à rechercher leur nourriture et à échapper à la prédation. La fréquentation des prairies la nuit, variable selon les individus, constitue une autre réponse au compromis entre alimentation et prédation. En fonction de leurs besoins énergétiques (résultant de la température de l'air) et de leur efficacité de recherche alimentaire, les individus peuvent décider de rester en forêt la nuit pour minimiser le risque de prédation, en augmentant leur effort d'alimentation diurne. Ces résultats sont discutés en termes de perspectives scientifiques et de conservation. Des aménagements d'habitats sont proposés pour une gestion durable des populations de bécasses.

Les plantes se développent et évoluent en interaction avec les organismes du sol. L'impact des vers de terre sur la croissance des plantes, généralement positif, a été attribué à des modifications physiques, chimiques ou biochimiques du sol, souvent sans démonstration rigoureuse. Dans ce travail, les techniques développées en sciences du végétal (culture in vitro, utilisation de mutants et transcriptomique) ont été utilisées afin de comprendre les mécanismes à l'origine de l'effet des vers de terre sur les plantes. Nos résultats apportent de nouvelles connaissances fondamentales: (1) la production de molécules-signal à l'intérieur des déjections de vers de terre a un impact significatif sur la croissance d'Oryza sativa et Lolium perenne. (2) Ces molécules agissent sur la voie de signalisation fortement liée à l'auxine, comme suggéré par l'effet significatif du ver de terre sur la croissance du double mutant d'A. thaliana aux1-7;axr4-2. (3) L'abondance de ces molécules-signal en présence de vers de terre pourrait être liée à la stimulation de certaines populations bactériennes capables de synthétiser de l'auxine. (4) Le ver de terre induit une accumulation de transcrits pour des gènes sous contrôle de l'acide jasmonique et de l'éthylène. Ces hormones sont notamment impliquées dans un mécanisme de résistance systémique induite (ISR), connu pour être induit par certaines rhizobactéries promotrices de la croissance des plantes. Enfin, (5) le piétin échaudage, maladie due à un champignon pathogène, déclenche chez le blé (Triticum aestivum) une réaction d'hypersensibilité et une modification de la signalisation hormonale, qui sont considérées comme des mécanismes de contrôle du métabolisme de la plante qui facilitent l'infection du pathogène. La sévérité de cette maladie est réduite en présence de vers de terre. La synthèse de ces résultats indique que les vers de terre, comme d'autres organismes du sol, modifient l'équilibre hormonal de la plante. L'homéostasie hormonale apparaît comme un élément incontournable pour prédire l'issue des interactions multiples que les plantes entretiennent avec les organismes du sol / Plants develop and evolve in interaction with soil organisms. The impact of earthworms, likely positive, has been attributed to modifications of physical, chemical or biochemical soil properties, without rigorous demonstration. In this work, techniques developed in plant science (in vitro culture, use of mutant plants and trancriptomic analysis) were used to understand the mechanism involved in the effect of earthworms on plants. Our results bring new fundamental knowledge: (1) production of signal-molecules within earthworm dejections has a positive impact on the growth of Oryza sativa and Lolium perenne. (2) These molecules act on auxin signaling, as suggested by the positive impact of the earthworm on the growth of A. thaliana double mutant aux1-7;axr4-2. (3) The abundance of these signal-molecules in presence of the earthworms could be related to the stimulation of bacterial communities able to produce auxin. (4) Earthworms induce an accumulation of gene transcripts known to be under control of jasmonic acid and ethylene. These two hormones are most notably involved in the defense mechanism called induced systemic resistance (ISR), known to be induced by plant growth promoting rhizobacteria. Finally, (5) Take-all disease, due to a pathogenic fungus, induced in wheat (Triticum aestivum) a hypersensitive response and a modification on hormone signaling, which are known as manipulations of plant metabolism in a way that facilitates pathogen infection. The severity of take-all disease was alleviated in the presence of earthworms. Synthesis of these results showed that earthworms, like other soil organisms, modify the hormone balance in the plant. Hormone homeostasis appeared to be an important element to predict the issue of the multiple interactions that plants established with soil organisms

Des pollutions des sols (péri)urbains et urbaines fortement peuplées en métaux et metalloïdes persistants (éco)toxiques sont couramment observées à l’échelle globale. Certains éléments (Se, Cu…) ont des rôles biologiques et par contre d’autres (Pb, Cd…) ont uniquement un impact (éco)toxique qui peut être influencé par leur spéciation et compartimentation qui modifient leurs transferts et biodisponibilité. Dans une optique de gestion des sols et d’alimentation durables, des questions scientifiques pluridisciplinaires sont à creuser concernant : (i) les mécanismes en jeu dans la biodisponibilité et l’impact sur les organismes vivants des éléments inorganiques en lien avec leur spéciation ; (ii) la co-gestion des risques environnement-santé induits par des installations industrielles classées : ICPE en France (ex. usine de recyclage de batteries) avec les riverains qui cultivent des potagers ou les employés. Dans ce contexte, ont été étudiés : (i) le transfert des métaux entre phase solide et solution du sol sous l’influence des vers de terre sur un site ICPE; (ii) le transfert et la bioaccessibilité du Se en conditions contrôlées pour 2 formes chimiques; (iii) le risque sanitaire pour les riverains d’un site ICPE qui jardinent, et les facteurs influant les plombémies des professionnels (étude statistique des données). Une review bibliographique de la qualité du manioc en lien avec les pratiques culturales et culinaires et les caractéristiques de l’environnement a finalement été réalisée pour compléter la démarche « Sciences et Société » de la thèse. L’analyse des différents isotopes du plomb dans les sols aux alentours de l’usine de recyclage a permis de conclure que 84 à 100% du plomb des sols de surface est d’origine anthropique. Un comportement d’évitement des zones les plus polluées en plomb a été observé pour l’espèce de vers de terre A. caliginosa. Le transfert racinaire, la translocation du sélénium vers le maïs et sa bioaccessibilité dans le grain sont plus élevés dans le cas du séléniate (facteur de translocation de 1.1, et bioaccessibilité humaine de 89,3%) par rapport au sélénite (0.13, et bioaccessibilité de 82,7%). L’étude de la qualité des cultures des jardins proches de l’usine (à Bazoches), en relation avec la qualité du sol (faible contamination, pH basique et teneur élevée en matières organiques qui réduisent les transferts) et de l’atmosphère a mis en évidence un transfert atmosphère-plante qui dépend du métal (le Cd est le plus biodisponible) et du végétal. Les concentrations en Pb et Cd suivent respectivement les séquences : [laitue>poireau>céleri>carotte] et [laitue>céleri>carotte>poireau]. Pour réduire l’exposition des populations, un lavage soigneux des productions avant la consommation est préconisé. / Pollution of (peri)urban soils by (eco)toxic metal(loid)s is commonly observed on a global scale. Some elements (Se, Cu ...) have biological roles and other (Pb, Cd ...) only have an (eco)toxic impact influenced by their speciation and compartmentalization that can change their transfers and bioavailability. With the perspective of sustainable management of soil and food, multidisciplinary scientific questions are digging for: (i) the mechanisms involved in the bioavailability and impact on living organisms of inorganic elements related to speciation; (ii) the co-management of environmental-health risks from industrial regulated plants (ICPE in France, such as former battery recycling plant) with residents who grow vegetable gardens or employees. In this context, were studied: (1) the transfer of metals between solid phase and soil solution under the influence of earthworms on a ICPE site; (2) the transfer and bioavailability of Se in controlled conditions for two chemical forms; (3) the health risk for the residents with gardening activities near ICPE plant and factors influencing blood lead of professionals (statistical analysis of data). A literature review of the quality of cassava in connection with the cultivation and culinary practices and characteristics of the environment was finally performed to complete the "Science and Society" process of the thesis. From the analysis of different isotopes of lead in the soil around the recycling plant it was concluded that 84 to 100% of lead in surface soils has anthropogenic origin. Avoidance behavior in the most lead polluted areas was observed for A. caliginosa earthworm species. The selenium root transfer, translocation to corn and its bioavailability in the grain are higher in the case of selenate (translocation factor of 1.1, and human bioavailability of 89.3%) compared to selenite (0.13 and bioaccessibility 82.7%). The study of crops quality in the gardens near the ICPE plant (in Bazoches), in relation to atmosphere and soil quality (low Pb contamination, alkaline pH and high organic content that reduce pollutants transfers) highlighted an atmosphere-plant transfer which depends on the metal (Cd is the most bioavailable) and plant species. Pb and Cd concentrations follow respectively the sequences: [lettuce> Leek> celery> carrot] and [lettuce> celery> carrot> leek]. To reduce population exposure, thorough washing of productions before consumption is recommended.

Les plantes se développent et évoluent en interaction avec les organismes du sol. L'impact des vers de terre sur la croissance des plantes, généralement positif, a été attribué à des modifications physiques, chimiques ou biochimiques du sol, souvent sans démonstration rigoureuse. Dans ce travail, les techniques développées en sciences du végétal (culture in vitro, utilisation de mutants et transcriptomique) ont été utilisées afin de comprendre les mécanismes à l'origine de l'effet des vers de terre sur les plantes. Nos résultats apportent de nouvelles connaissances fondamentales: (1) la production de molécules-signal à l'intérieur des déjections de vers de terre a un impact significatif sur la croissance d'Oryza sativa et Lolium perenne. (2) Ces molécules agissent sur la voie de signalisation fortement liée à l'auxine, comme suggéré par l'effet significatif du ver de terre sur la croissance du double mutant d'A. thaliana aux1-7;axr4-2. (3) L'abondance de ces molécules-signal en présence de vers de terre pourrait être liée à la stimulation de certaines populations bactériennes capables de synthétiser de l'auxine. (4) Le ver de terre induit une accumulation de transcrits pour des gènes sous contrôle de l'acide jasmonique et de l'éthylène. Ces hormones sont notamment impliquées dans un mécanisme de résistance systémique induite (ISR), connu pour être induit par certaines rhizobactéries promotrices de la croissance des plantes. Enfin, (5) le piétin échaudage, maladie due à un champignon pathogène, déclenche chez le blé (Triticum aestivum) une réaction d'hypersensibilité et une modification de la signalisation hormonale, qui sont considérées comme des mécanismes de contrôle du métabolisme de la plante qui facilitent l'infection du pathogène. La sévérité de cette maladie est réduite en présence de vers de terre. La synthèse de ces résultats indique que les vers de terre, comme d'autres organismes du sol, modifient l'équilibre hormonal de la plante. L'homéostasie hormonale apparaît comme un élément incontournable pour prédire l'issue des interactions multiples que les plantes entretiennent avec les organismes du sol

Dans un contexte où les préoccupations environnement-santé sont croissantes à l’échelle globale. Améliorer la compréhension des mécanismes de biodisponibilité et d’(éco)toxicité des polluants métalliques persistants est un enjeu prioritaire, notamment en raison de leur omniprésence observée dans les écosystèmes en relation avec leur compartimentation et spéciation . Le ver de terre est utilisé pour évaluer la qualité des sols ; de plus cet organisme du sol de par ses activités de bioturbation a une influence sur les cycles biogéochimiques. Des tests d’écotoxicité en conditions contrôlées sur vers de terre ont donc été réalisés avec différents sols et espèces de vers. Puis une étude d’impact sur les communautés de vers a été effectuée sur un site pollué présentant un gradient de concentration. L’influence de la bioturbation du ver sur la phytodisponibilité des polluants a été étudiée grâce à des expériences en mésocosmes. Finalement, des mesures de bioaccessibilité des polluants ont été réalisées in vitro sur des sols et végétaux pollués dans différents contextes : friches industrielles, jardins potagers, terrain de sport. L’objectif étant d’étudier le lien entre biodisponibilité pour l’homme, caractéristiques des sols et contexte de pollution. Deux approches complémentaires ont été développées : recherche scientifique liés aux mécanismes et développement d’outils, de procédures pratiques utilisables par les gestionnaires et évaluateurs de risques. L’écotoxicité des métaux et métalloïdes (notés ETM) sur les vers de terre n’est pas simplement régie par leurs concentrations totales, mais dépend fortement des caractéristiques physico-chimiques des sols. Par ailleurs, l’analyse des communautés de ver de terre présentes sur un site contaminé permet d’évaluer la qualité des sols puisqu’on constate un impact sur les l’abondance, la diversité et le taux de juvénile des vers. De plus, la bioturbation du ver de terre augmente significativement la biodisponibilité des ETM pour les plantes potagères telles que la laitue. Finalement, la bioaccessibilité humaine des ETM est régi par de nombreux facteurs liés en particulier au contexte de pollution. Cette fraction bioaccessible des ETM est directement responsable de leur cytotoxicité sur les cellules intestinales. Ces différents résultats ont été complétés par des études mécanistiques (IR, EXAFS, XANES, µ-XRF). / In a context where environmental health concerns are globally increasing. Improve understanding of the mechanisms and bioavailability (eco) toxicity of persistent metals pollutants is a priority, especially because of their observed omnipresence in ecosystems in relation to their compartmentation and speciation. The earthworm is used to assess soil quality; moreover this soil organism through its bioturbation activities affects biogeochemical cycles. Ecotoxicity tests under controlled circumstances on earthworms have been conducted with different soils and worms’ species. Then an impact study on earthworms’ communities was conducted on a polluted site showing a concentration gradient. The influence of earthworms’ bioturbation on phytoavailability of pollutants was studied through experiments in mesocosms and Rhizotest. Finally, in vitro measures of pollutants bioavailability were performed on polluted soils and plants in different contexts: brownfields, gardens, sports field. The objective is to study the link between bioavailability for humans, soil characteristics, context of pollution and toxicity. Two complementary approaches have been developed: scientific research related to the mechanisms and development of tools, practical procedures which could be used by managers and risk assessors. Ecotoxicity of metals and metalloid (denoted ETM) on earthworms is not simply governed by their total concentrations, but strongly depends on the physico-chemical characteristics of soils. Furthermore, analysis of earthworm communities from a contaminated site can evaluate the quality of soil since seen an impact on the abundance, diversity and rate of juvenile worms. In addition, earthworms’ bioturbation significantly increases the bioavailability of ETM for vegetable plants such as lettuce. Finally, the human bioaccessibility of ETM is governed by many factors, in particular the context of pollution. The bioaccessible fraction of ETM is directly responsible for their cytotoxicity on intestinal cells. These results were complemented by mechanistic studies (IR, EXAFS, XANES, μ-XRF).