El objetivo de este estudio fue desarrollar un enfoque integrador en ecotoxicología (desde biomarcadores hasta genética de poblaciones) para evaluar el estado ecológico de las poblaciones de peces. Los lenguados recolectados después de la temporada de desove en el contaminado estuario del Sena se compararon con los de la moderadamente contaminada bahía de Douarnenez. Las reservas energéticas musculares estaban altamente depletadas en los peces del Sena en comparación con los de Douarnenez. Los peces del Sena mostraban una capacidad reducida para manejar el estrés oxidativo y un metabolismo energético más alto. Se detectó un aumento en el contenido de fosfolípidos de membrana muscular (esfingomielina, fosfatidilserina, esteroles libres) en los peces del Sena en comparación con los de Douarnenez. La integración de datos permitió hipotetizar relaciones entre los fosfolípidos de membrana, el metabolismo de xenobióticos, la bioenergética y la defensa antioxidante. La diversidad genética considerando marcadores neutrales se mantuvo en la población del Sena, altamente contaminada, en comparación con la población de Douarnenez. Finalmente, sugerimos que el alto costo fisiológico de la tolerancia a los tóxicos en la población de lenguados del Sena podría comprometer su capacidad para responder en el futuro a un estresor adicional como el calentamiento de aguas en poca profundidad. Así, esta población podría estar sometida a un riesgo ecológico.