Les polluants organiques persistants (POP) constituent un large ensemble de composés aux propriétés physico-chimiques et de toxicité variables. Parmi ceux-ci, les polychlorobiphényles (PCB) et les polybromodiphényléthers (PBDE) sont deux familles de composés hydrophobes partageant certaines propriétés physico-chimiques similaires, leur conférant des propriétés environnementales proches : persistance, bioaccumulation et toxicité. Des travaux antérieurs ont montré que ces composés pouvaient affecter les traits d’histoire de vie des poissons tels que la survie, la croissance et la reproduction. Il s’avère cependant que les études approchant des situations environnementales sont rares du fait de l'utilisation soit d’un congénère unique, soit d’une famille unique de molécules parmi les POP, soit de concentrations élevées. Les résultats sont alors difficilement transposables aux populations naturelles. Cette thèse porte sur l’évaluation des réponses individuelles et populationnelles des poissons à une exposition chronique par la voie alimentaire à un mélange de PCB et de PBDE représentatif du milieu marin. Elle se divise en trois parties.

La première partie s’est attachée à évaluer les effets d’une exposition expérimentale au mélange de PCB et de PBDE représentatif de l’estuaire de la Seine sur les traits d’histoire de vie du poisson-zèbre pris comme espèce modèle. Des individus ont été exposés par voie alimentaire au mélange de polluants à partir du premier repas et tout au long de leur cycle de vie. Leurs traits d’histoire de vie ont été suivis et comparés à ceux de poissons contrôles et ce pour plusieurs réplicas. Les résultats ont montré un ralentissement de la croissance mais une taille asymptotique plus élevée et une probabilité de ponte retardée chez les individus exposés. De plus, les descendants issus des premiers évènements de ponte des individus exposés avaient une survie larvaire plus faible en situation de jeûne. Ces résultats suggèrent une augmentation de l’allocation d’énergie vers la croissance au détriment de la maturation, la maintenance et la reproduction chez les individus exposés qui correspondrait à un déplacement du compromis énergétique entre ces deux compartiments. La seconde partie a cherché à identifier, sur la base d’un modèle bioénergétique, les modes d’action physiologique (PMoA) du mélange de PCB et PBDE pouvant expliquer les résultats expérimentaux. Un modèle de Budget Energétique Dynamique (Dynamic Energy Budget ; DEB) a été calibré pour chaque traitement sur la base des données expérimentales et les paramètres estimés ont été ensuite comparés entre individus exposés et contrôles. Le modèle DEB a permis de révéler deux PMoAs probables : le premier est lié à l’augmentation de la fraction d’énergie allouée à la maintenance et la croissance somatique au détriment de la maturation, sa maintenance et la reproduction et le deuxième est lié à l’augmentation des coûts de production d’un oeuf. Ces deux PMoAs concourent à une croissance vers des tailles plus élevées et une fécondité plus faible chez les poissons exposés. La troisième partie de la thèse s’est intéressée à évaluer les conséquences des réponses individuelles à l’exposition au mélange de PCB et de PBDE, via les deux PMoAs identifiés, sur la dynamique de population de poissons et la productivité des pêcheries commerciales. Un modèle de population structurée physiologiquement (PSP) a été couplé (i) au modèle DEB pour décrire la trajectoire ontogénique des traits d’histoire de vie des individus et (ii) à un modèle de ressource dynamique pour inclure la boucle de rétroaction environnementale entre les individus et leur ressource. Le modèle DEB-PSP a prédit une réduction de l’abondance numérique de la population exposée en même temps qu’une augmentation de sa biomasse. L’abondance numérique réduite chez la population exposée est probablement due à la diminution de la fécondité alors que la biomasse plus élevée est liée à l’augmentation de la croissance qui surcompense le déficit numérique. L’étude par bifurcation des effets indépendants des deux PMoAs a montré qu’ils participent conjointement à la diminution de l’abondance et l’augmentation de la biomasse chez la population exposée. Le modèle prédit également que la population exposée s’éteint pour des taux de mortalité plus faibles que pour la population contrôle lorsque la mortalité est indépendante de la taille des individus et plus forts lorsque la mortalité décroit avec la taille, comme pour la mortalité par prédation. Lorsqu’une mortalité par pêche est ajoutée à la mortalité par prédation et que celle-ci augmente avec la taille comme c’est le cas classiquement dans les pêcheries au chalut, la population exposée supporte des taux d’exploitation moindre que la population contrôle. Enfin, la population exposée permettrait un rendement maximum durable plus élevé que la population contrôle mais à un taux d’exploitation moindre, exposant la population contaminée à un plus grand risque de surexploitation.

Persistent organic pollutants (POPs) are a broad group of compounds with varying physicochemical and toxic properties. Among POP, polychlorinated biphenyls (PCBs) and polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) are two families of hydrophobic compounds sharing some similar environmental properties such as hydrophobicity, persistence, bioaccumulation and toxicity. Previous studies have demonstrated that these compounds could affect fish life-history traits such as survival, growth and reproductive success. However, few studies have focused on environmental situations as most previous works investigated the effect of either single congeners, or single families of molecules among POP, or high concentrations, so that results can hardly be transposed to natural populations. The present thesis focuses on the evaluation of individual and population responses of fish to a chronic dietary exposure to an environmentally realistic marine mixture of PCBs and PBDEs. It is divided into three parts.

The first part aimed to evaluate the effects of an experimental exposure to a mixture of PCBs and PBDEs that is representative of the Seine estuary on the life-history traits of zebrafish taken as a model species. Exposure was conducted through diet from the first meal and throughout the life cycle of the fish. Life-history traits of exposed fish were compared to those of control individuals using several replicate populations in each treatment. The results showed a slower growth, but to a larger asymptotic length, and delayed spawning probability in exposed fish. In addition, offspring issued from early spawning events of exposed fish exhibited a lower larval survival under starvation condition. These results suggest an increase in energy allocation towards growth at the expense of maturation, maintenance and reproduction in exposed individuals, which could correspond to a shift in the energy trade-off between these two compartments. The second part aimed to identify, on the basis of a bioenergetic model, the physiological modes of action (PMoA) of PCBs and PBDEs that can explain the experimental results. A Dynamic Energy Budget (DEB) model was calibrated for each treatment using experimental data and the estimated model parameters were compared between control and exposed fish. The DEB model revealed two potential PMoAs: the first one was through an increase of the fraction of energy allocated to somatic maintenance and growth at the expense of maturation, its maintenance and reproduction and the second one was through an increase of the cost of production of an egg. The third part focused on the population dynamical consequences of the individual life-history effects of the two identified PMoAs of PCBs and PBDEs. A Physiologically Structured Population Model (PSP) was coupled with (i) the DEB model to describe the ontogenetic trajectory of individuals’ life-history traits, and (ii) a dynamic resource model to include the feedback loop between individuals and their resource. The DEB-PSP model predicted a lower abundance and a higher biomass in exposed population compared to control population. These results could be explained by a weaker fecundity that leads to a lower abundance of individuals and an increased growth, which results into a larger biomass by overcompensating the numerical deficit for populations. The bifurcation analysis of the independent effects of the two PMoAs showed that they participate jointly in the decrease of the abundance and the increase of the biomass of the exposed population. The model also predicted that lower intensities of size-independent natural mortality are necessary to drive exposed population to extinction relative to control population, whereas higher intensities are necessary when mortality decreases with size as for predation mortality. When fishing mortality is added to predation mortality and increases with size, as in trawl fisheries, the control population seems to persist at higher exploitation rates than the exposed one. Finally, the exposed population may allow for a larger maximum sustainable yield but at a lower exploitation rate, thus exposing the contaminated population to a higher risk of overexploitation.