Les nouvelles approches moléculaires de dernière génération, les « omiques », ont révolutionné la biologie cellulaire des organismes modèles, et désormais deviennent incontournables en écotoxicologie fondamentale ou appliquée. Toutefois, leur application à des organismes sentinelles qui permettent de sonder les effets toxiques sur le Vivant liés à une contamination environnementale n’est pas triviale. Nos travaux portant sur le développement de biomarqueurs moléculaires chez des invertébrés aquatiques d’intérêt en écotoxicologie permettent d’illustrer les apports de la protéogénomique, l’alliance de la protéomique nouvelle génération, de la transcriptomique, et de la génomique. Désormais, il est possible de réaliser rapidement des analyses très détaillées du protéome global d’organismes dont le génome n’est toujours pas annoté. Les dernières technologies disponibles en matière de séquençage et de spectrométrie de masse en tandem permettent de mesurer les abondances de plusieurs milliers de protéoformes d’animaux, analysés individuellement, et de les comparer. Des signatures robustes reposant sur l’abondance de plusieurs dizaines de biomarqueurs peuvent être proposées permettant d’entrevoir des applications pour des études toxicologiques en routine, par exemple des tests de l’effet de pollutions environnementales sur plusieurs types d’animaux sentinelles. Nous décrirons les défis liés à ces méthodologies et leurs applications pour définir des biomarqueurs espèce-spécifique renseignant sur l’état de santé des organismes. Une fois définis, ces multiples biomarqueurs peuvent être dosés rapidement à l’aide de spectromètres de masse en tandem. Le processus de découverte et de validation de biomarqueurs faisant appel à deux types d’analyses protéomiques (protéomique de découverte et protéomique ciblée) sera illustré pour une espèce non-modèle commune dans nos rivières, le crustacé Gammarus fossarum. La capacité de cette approche comme outil de diagnostic de la qualité des écosystèmes aquatiques a été testée à large échelle en analysant des centaines de prélèvements de terrain réalisés sur les réseaux de surveillance opérationnels. Ce concept novateur couplant la biosurveillance active et l’analyse multibiomarqueur par spectrométrie de masse à haute résolution peut être appliqué à tout type d’organismes sentinelles.