Alors que le développement des nanotechnologies s'accélère, les rejets de nanoparticules dans l'environnement aquatique sont appelés à augmenter. Or, on ignore encore les risques potentiels que font peser ces nanoparticules sur les organismes aquatiques. Dans le cadre du programme ANR P2N MESONNET (2011-2015), cette thèse avait pour objectif de répondre à une partie de ces interrogations en évaluant dans des conditions environnementalement réalistes les effets des nanoparticules manufacturées (nAg et nCeO2) sur le bivalve d'eau douce Dreissena polymorpha, qui du fait de son activité fonctionnelle de filtration pourrait être particulièrement impactée par les nanoparticules. Pour atteindre cet objectif, les moules ont été exposées à de faibles concentrations en nanoparticules lors d'essais complémentaires menés en microcosmes et en mésocosmes. Le devenir et la bioaccumulation des nanoparticules ont été suivis et les effets biologiques mesurés à l'aide d'une importante batterie de biomarqueurs balayant les principaux systèmes biologiques à différentes échelles d'organisation biologique. Les résultats de ces biomarqueurs ont été intégrés grâce au développement d'un outil statistique, l'analyse discriminante, qui a permis de mettre en évidence les impacts et les mécanismes d'action des nanoparticules étudiées. L'exposition au nCeO2 via l'eau en microcosmes a conduit à la bioaccumulation de Ce par la moule et l'amphipode d'eau douce Gammarus roeseli, une espèce également étudiée lors de cette première expérience. Cette bioaccumulation a conduit à des effets sur les systèmes lysosomaux et antioxydants chez la moule, alors que chez le gammare, aucun effet n'a pu être observé, probablement en lien avec les différences d'activités fonctionnelles des deux espèces. Lors de l'expérience en mésocosmes, une bioaccumulation de Ce moins importante que lors de l'exposition en microcosmes a été observée chez la moule. Le Ce bioaccumulé a subi une bio-réduction de CeIV en CeIII dans la glande digestive, et des effets sur le métabolisme énergétique et le système antioxydant ont pu être mis en évidence grâce à l'analyse discriminante des résultats des biomarqueurs, des effets cohérents avec les propriétés auto-catalytiques du nCeO2. Les expositions au nAg ont conduit à une bioaccumulation d'Ag par la moule zébrée, plus importante en microcosmes par une contamination via l'eau que par voie trophique, et que lors des expériences en mésocosmes. Cette bioaccumulation d'Ag via l'eau en microcosmes s'est traduite par une baisse de l'immuno-compétence des hémocytes, alors que les expositions par voie trophique et en mésocosmes n'ont pas provoqué ces effets marqués. L'analyse discriminante des résultats de l'exposition en mésocosmes a montré que l'ensemble des systèmes biologiques étaient impactés par l'exposition au nAg, probablement en lien avec la dissolution du nAg et l'interaction non-spécifique de l'Ag+ libéré avec l'ensemble des composants cellulaires. Ces travaux de thèse n'ont pas permis de mettre en évidence des mécanismes d'action communs aux nanoparticules métalliques de composition différentes, suggérant que cette composition serait le déterminant majeur de leur toxicité. Ils ont en revanche confirmé l'intérêt des études en mésocosmes dans l'amélioration du réalisme environnemental des conditions d'exposition. De plus, si les biomarqueurs ont permis l'identification des effets des nanoparticules et de leurs mécanismes d'actions, des questions se posent sur la significativité biologique des variations observées et sur le lien entre les effets mesurés aux niveaux sub-individuels et les conséquences hypothétiques aux échelles supérieures d'organisation biologique. Enfin, l'analyse discriminante s'est révélée être un outil statistique très intéressant pour intégrer les résultats des biomarqueurs et mettre en évidence les effets et les mécanismes d'action des polluants.