La simulation devient un outil incontournable pour concevoir ou optimiser les procédés en biotechnologies. Elle est particulièrement pertinente pour permettre le changement d'échelle de l'échelle laboratoire à la mise en œuvre de cultures biologiques industrielles. Cette thèse se concentre sur le développement d'une structure de modèle pour les fermenteurs, qui ne néglige ni les problématiques de mélange, ni la complexité biologique, tout en permettant des simulations rapides. Pour intégrer l'ensemble des phénomènes couplés et dynamiques interagissant dans les bioréacteurs, l'approche proposée couple (i) un modèle métabolique dynamique pour décrire le comportement des cellules, (ii) un modèle de bilan de population pour suivre la diversité biologique et (iii) un modèle de compartiments pour décrire l'hydrodynamique du fermenteur. Une structure de modèle métabolique, générique et numériquement peu couteuse a été appliquée à E. coli et S. cerevisiae et été confrontée avec succès à de nombreuses données expérimentales. Parmi plusieurs méthodes numériques permettant de traiter les équations de bilan de population, la méthode EQMOM a été sélectionnée pour sa stabilité et sa précision et son coût a été réduit d'un facteur 10. L'hydrodynamique gaz-liquide d'un fermenteur industriel a été obtenue par simulations CFD et des outils ont été développés pour en extraire des modèles de compartiments. Le couplage de ces différents aspects a finalement été illustré par la simulation d'une culture industrielle. Ce travail ouvre la voie à la création d'outil de simulation rapide, ce qui permettra des études d'ingénierie de design et d'optimisation de procédés industriels. / Simulations are becoming an essential tool to design and improve processes in the field of biotechnologies. They are especially relevant to facilitate the scale-up of biological cultures from laboratory to industrial scales which is a key difficulty as of now. This thesis focuses on developping a model structure for fermenters, which does not neglect either mixing issues known to occur in industrial bioreactor, nor biological complexity inherent to micro-organisms, while enabling fast and low-cost simulations. To account for all coupled and dynamic phenomena that occur in bioreactors, the developed approach couples (i) a dynamic metabolic model to describe cells behaviour, (ii) a population balance model tracking biological cell-to-cell diversity and (iii) a compartment model to account for fermenter hydrodynamics. A structure for low-cost dynamic metabolic model has been developed, applied to E. coli and S. cerevisiae and successfully challenged against experimental data. Among multiple numerical methods tackling population balance equations, the EQMOM method has been selected for its stability and precision, and its algorithm has been improved by reducing its cost by a factor 10. The gas-liquid hydrodynamics of an industrial fermenter has been obtained through CFD simulations, and tools have been developed to extract compartment model from these simulation results. Finally, the coupling between all these modeling blocks has been demonstrated by simulating an actual industrial culture. This work paves the way to the emergence of fast bioreactor simulation tools, which will then enable new enginnering studies for designing and optimising industrial bio-processes.

Cette étude présente les travaux réalisés pour comprendre l'effet de l'aération sur le milieu biologique et sur la filtration dans les bioréacteurs à membranes immergées pour une gamme de paramètres opératoires proche de celles utilisées sur stations réelles. Notre démarche fait le lien entre paramètres opératoires (débit d'aération), hydrodynamique à l'échelle macroscopique (tailles et vitesses de bulles), hydrodynamique à l'échelle locale (contraintes de cisaillement) et propriétés du milieu biologique (taille de flocs et substances polymériques extracellulaires solubles). De moins bonnes performances de filtration à plus forte aération pourraient être expliquées par une plus grande déstructuration des boues sur le court terme. Par ailleurs tout effet d'évolution des boues sur le long terme en fonction des conditions d'aération a été écarté. / This work contributes to the knowledge on aeration for fouling prevention in submerged membrane bioreactors, which represents a great part of energy consumption of the process. More precisely it aims at estimating the impact of aeration on mixed liquor properties for operational parameters range close to those used in full scale plants. Our study links operational parameters (airflow rate), hydrodynamics at macroscopic scale (bubble sizeand velocity), hydrodynamics at local scale (shear stresses), biological media properties (floc size and soluble extracellular polymeric substances), and filtration performance (transmembrane pressure variations). Hydrodynamics characterisation of two phase flow in membrane module enabled to highlight differences between air/water and air/sludge hydrodynamics with 15-25 % lower bubble velocities in sludge but one order of magnitude higher shear stress (maximal values of 10 Pa). Controlled breakdown of biological media was performed by imposing constant shear stress (range 0,1-10 Pa) to mixed liquor samples. Increase of shear induced a decrease of floc size, and soluble extracellular polymeric substances release. The comparison with shear value obtained by simulation showed that stresses induced by aeration were in the range of mixed liquor destructuration. A pilot campaign showed that wastewater had a stronger impact on the long term on mixed liquor properties, and thus filtration performances, than aeration. However higher transmembrane pressure increase rate observed on pilot for higher airflow at similar wastewater quality could be explained by stronger breakage of biological agregates on short term

Cette thèse porte sur une étude de l'évolution bio-mécanique de déchets non dangereux selon différentes conditions de prétraitement et d'opération à différentes échelles. Après une introduction aux enjeux et aux données majeures concernant la gestion des déchets, leur stockage et les évolutions en cours (Chapitre I), la caractérisation du milieu déchet est abordée (Chapitre II). Ce milieu, triphasique et donc généralement non saturé en eau, nécessite une étude et des moyens d'investigation particuliers. De nombreuses études antérieures ont démontré la nécessité d'études couplées dédiées aux déchets. Pour ce faire, il est également nécessaire d'adapter un certain nombre de méthodes métrologiques aux déchets (Chapitre III). Ainsi, des méthodes de métrologie spécifique (humidité, masse volumique...) sont étudiées et validées pour leur application à ce milieu, de l'échelle du laboratoire jusqu'à celle du site. Une plateforme d'essai constituée de quatre pilotes semi-industriels conçus avec Veolia Environnement Recherche & Innovation a été utilisé au LTHE pour une étude bio-mécanique à une échelle suffisante et en conditions très proches de celles rencontrées sur site (compression, température, humidité...) (Chapitre IV). Les résultats obtenus permettent de caractériser la biodégradation en terme de suivis et de bilans, ainsi que d'en identifier les leviers principaux en fonction des conditions de prétraitement et d'opération. Enfin, une exploitation de ces résultats ainsi que d'autres résultats à l'échelle du laboratoire et du site ont permis de démontrer le couplage biomécanique et de proposer un modèle du tassement des déchets (Chapitre V).

La recherche de sources d’énergie fiables ayant un faible coût environnemental est en plein essor. L’hydrogène, étant un transporteur d’énergie propre et simple, pourrait servir comme moyen de transport de l’énergie de l’avenir. Une solution idéale pour les besoins énergétiques implique une production renouvelable de l’hydrogène. Parmi les possibilités pour un tel processus, la production biologique de l’hydrogène, aussi appelée biohydrogène, est une excellente alternative. L’hydrogène est le produit de plusieurs voies métaboliques bactériennes mais le rendement de la conversion de substrat en hydrogène est généralement faible, empêchant ainsi le développement d’un processus pratique de production d’hydrogène. Par exemple, lorsque l’hydrogène est produit par la nitrogénase sous des conditions de photofermentation, chaque molécule d’hydrogène constituée requiert 4 ATP, ce qui rend le processus inefficace. Les bactéries photosynthétiques non sulfureuses ont la capacité de croître sous différentes conditions. Selon des études génomiques, Rhodospirillum rubrum et Rhodopseudomonas palustris possèdent une hydrogénase FeFe qui leur permettrait de produire de l’hydrogène par fermentation anaérobie de manière très efficace. Il existe cependant très peu d’information sur la régulation de la synthèse de cette hydrogénase ainsi que sur les voies de fermentation dont elle fait partie. Une surexpression de cette enzyme permettrait potentiellement d’améliorer le rendement de production d’hydrogène. Cette étude vise à en apprendre davantage sur cette enzyme en tentant la surexpression de cette dernière dans les conditions favorisant la production d’hydrogène. L’utilisation de résidus organiques comme substrat pour la production d’hydrogène sera aussi étudiée. / The search for alternative energy sources with low environmental impact is in great expansion. Hydrogen, an elegant and simple energy transporter, could serve as means of transporting energy in the future. An ideal solution to the increasing energy needs would imply a renewable production of hydrogen. Out of all the existing possibilities for such a process, the biological production of hydrogen, also called biohydrogen, is an excellent alternative. Hydrogen is the end result or co-product of many pathways in bacterial metabolism. However, such pathways usually show low yields of substrate to hydrogen conversion, which prevents the development of efficient production processes. For example, when hydrogen is produced via nitrogenase under photofermentation conditions, each hydrogen molecule produced requires 4 molecules of ATP, rendering the process very energetically inefficient. Purple non-sulfur bacteria are highly adaptive organisms that can grow under various conditions. According to recent genomic analyses, Rhodospirillum rubrum and Rhodopseudomonas palustris possess, within their genome, an FeFe hydrogenase that would allow them to produce hydrogen via dark fermentation quite efficiently. Unfortunately, very little information is known on the regulation of the synthesis of this enzyme or the various pathways that require it. An overexpression of this hydrogenase could potentially increase the yields of substrate to hydrogen conversion. This study aims to increase our knowledge about this FeFe hydrogenase by overexpressing it in conditions that facilitate the production of hydrogen. The use of organic waste as substrate for hydrogen production will also be studied.

La culture cellulaire traditionnelle en deux dimensions (2D) ne peut pas reproduire les propriétés des tissus observées dans des organes en trois dimensions (3D). Ces tissus, en particulier les tissus de soutien comme l'os, sont soumis à des contraintes mécaniques, facteurs majeurs de régulation des interactions cellulaires et cellules/matrices. Il y a donc un intérêt croissant pour les modèles 3D, afin de mieux comprendre les différents aspects du fonctionnement cellulaire et du remodelage osseux, dans des systèmes de moindre complexité que les modèles in vivo. Nous nous sommes intéressés ici aux cellules ostéoblastiques et à une de leur protéine matricielle, la sialoprotéine osseuse (BSP). La BSP appartient à la famille des "small integrin-binding ligand N-linked glycoproteins" (SIBLING), impliquées dans le développement, le remodelage et la minéralisation de l'os, et répondant rapidement à la contrainte mécanique. Notre objectif était d'analyser l'impact de cette protéine sur la différenciation ostéoblastique et l'ostéogénèse in vitro à partir de cellules de calvaria de souris présentant une extinction génique de la BSP (BSP-/-) cultivées en 2D et en 3D. Nous avons montré que les cellules BSP-/- présentaient un défaut de formation osseuse et de minéralisation qui est dépendant de la densité cellulaire. Puis nous avons développé et validé un bioréacteur perfusé et stimulable mécaniquement via le système ZetOsTM. Les premiers résultats obtenus avec cet outil contrôlé montrent que l'environnement 3D améliore la différenciation des cellules BSP-/-. Ces travaux restent à développer, notamment pour analyser l'effet des contraintes mécaniques sur ces cellules

La chirurgie informatisée est une science nouvelle dont le but est de croiser la chirurgie avec les sciences de l’informatique afin d’aboutir à des améliorations significatives dans les deux domaines. Avec l’évolution des nouvelles techniques chirurgicales, une collaboration étroite entre chirurgiens et chercheurs est devenue à la fois inévitable et essentielle à l’optimisation des soins chirurgicaux. L’utilisation de modèles mathématiques est la pierre angulaire de ce nouveau domaine. Cette thèse démontre comment une approche systématique d’un problème clinique nous a amenés à répondre à des questions ouvertes dans le domaine chirurgical en utilisant des modèles mathématiques à grande échelle. De manière générale, notre approche inclut (i) une vision générale du problème, (ii) le ciblage du/des système(s) physiologique(s) à étudier pour y répondre, et (iii) un effort de modélisation mathématique, qui a toujours été poussé par la recherche d’un compromis entre complexité du système étudié et réalité physiologique. Nous avons consacré la première partie de cette thèse à l’optimisation des conditions limites à appliquer à un bio-réacteur utilisé pour démultiplier le tissu pulmonaire provenant d’un donneur. Un modèle géométrique de l’arbre trachéo-bronchique couplé à un modèle de dépôt de soluté nous a permis de déterminer l’ensemble des pressions à appliquer aux pompes servant le bio-réacteur afin d’obtenir une distribution optimale des nutriments à travers les cultures de tissus. Nous avons consacré la seconde partie de cette thèse au problème de resténose des greffes de veines utilisées pour contourner une occlusion artérielle. Nous avons reproduit l’apparition de resténose grâce à plusieurs modèles mathématiques qui permettent d’étudier les preuves cliniques et de tester des hypothèses cliniques avec un niveau croissant de complexité et de précision. Pour finir, nous avons développé un cadre de travail robuste pour tester les effets des thérapies géniques afin de limiter la resténose. Une découverte intéressante a été de constater qu’en contrôlant un groupe de gènes spécifique, la perméabilité à la lumière double après un mois de suivi. Grace aux résultats obtenus, nous avons démontré que la modélisation mathématique peut servir de puissant outil pour l’innovation chirurgicale. / Computational surgery is a new science that aims to intersect surgery and computational sciences in order to bring significant improvements in both fields. With the evolution of new surgical techniques, a close collaboration between surgeons and computational scientists became unavoidable and also essential to optimize surgical care. A large usage of mathematical models is the cornerstone in this new field. The present thesis shows how a systematic approach to a clinical problem brought us to answer open questions in the field of surgery by using mathematical models on a large scale. In general, our approach includes (i) an overview of the problem, (ii) the individuation of which physiological system/s is/are to be studied to address the question, and (iii) a mathematical modeling effort, which has been always driven by the pursue of a compromise between system complexity and closeness to the physiological reality. In the first part, we focused on the optimization of the boundary conditions to be applied to a bioreactor used to re-populate lung tissue from donor. A geometrical model of tracheobronchial tree combined with a solute deposition model allowed us to retrieve the set of pressures to be applied to the pumps serving the bioreactor in order to reach an optimal distribution of nourishment across the lung scaffold. In the second part, we focused on the issue of post-surgical restenosis of vein grafts used to bypass arterial occlusions. We replicated the event of restenosis with several mathematical models that allow us to study the clinical evidences and to test hypothesis with an escalating level of complexity and accuracy. Finally, we developed a solid framework to test the effect of gene therapies aimed to limit the restenosis. Interestingly, we found that by controlling a specific group of genes, the lumen patency is double after a month of follow-up. With the results achieved, we proved how mathematical modeling can be used as a powerful tool for surgical innovation.

Combler une perte osseuse est une nécessité fréquente en chirurgie. L’usage d’implants biocéramiques est limité, conduisant au delà de quelques cm3, inaccessibles à l’ostéogénèse, à une hétérogénéité intrinsèquement fragile et une vascularisation interrompue. Les biomatériaux hybrides sont une solution. Ensemencée, la céramique est mise en culture en bioréacteur, un fluide y circulant afin d'alimenter les cellules et d’évacuer leurs déchets.L’étude porte sur une céramique en phosphate de calcium dont l’architecture interne consiste en pores sphériques interconnectés de quelques centaines de microns de diamètre. Le choix du débit et de l'écoulement à travers ce matériau reste jusqu’ici empirique. Pour optimiser la culture, il s'avère cependant nécessaire de savoir les déterminer en tout point afin de pouvoir les optimiser et les reproduire et, à terme, d'optimiser le choix de la biocéramique.L'étude numérique s'impose car les grandeurs physiques finales recherchées (vitesses et pressions locales) ne sont pas mesurables sur la structure microscopique. Or, ces grandeurs optimisées permettent de définir les grandeurs d'entrée optimales. Le protocole débute par une modélisation de la microstructure et le calcul de la taille du VER afin d'identifier la perméabilité intrinsèque du milieu. Une analyse statistique de la répartition des contraintes tangentielles en fonction des grandeurs moyennes homogénéisées permet ensuite d'identifier les paramètres d'entrée optimaux dans le VER. Finalement, une optimisation globale de la résolution des équations de Navier-Stokes sur la structure homogénéisée permet de définir le paramètre final, à savoir le débit de contrôle du bioréacteur. / Repairing a bone loss is a frequent need in orthopaedic surgery. Though now much developed the use of bioceramic implants is limited: a bulk greater than a few cm3 does not allow a complete osteogenesis. So an intrinsic brittle heterogeneity remains with an interrupted vascularization. Hybrid biomaterials are a solution. Seeded ceramics are cultured in a bioreactor, a fluid flowing through the material to feed the cells and to clear their waste out.This study focuses on a calcium phosphate ceramic whose internal architecture consists of spherical interconnected pores of a few hundred microns in diameter. The choice of the flow rate or other flow parameters through the material remains far empiric. To optimize the cell culture, it is however necessary to know how to determine them at any point in order to optimize and reproduce them and eventually to optimize the choice of the bioceramic.A numerical study is necessary because the final desired physical parameters (local velocities and pressures) are not measurable on a microscopic structure. However, these quantities are used to define the optimal input values. The protocol begins in modelling the microstructure and determining the size of the representative elementary volume (REV) in order to identify intrinsic permeability of the material. A statistical analysis of the distribution of shear stresses based on homogenized average values then leads to identify optimal input parameters in the REV. Finally, a global optimization of solving of the Navier-Stokes equations on the homogenized structure leads to define the final parameter, namely the flow of control of the bioreactor.

Plus de 300 alcaloïdes d’Amaryllidaceae doués d’activités biologiques ont été isolés à partir des plantes appartenant à cette famille. De nos jours, seule la galanthamine, utilisée pour le traitement palliatif de la maladie d’Alzheimer, est commercialisée. L’accumulation de ces alcaloïdes dans les plantes est limitée. La culture in vitro est une méthode alternative intéressante pour l’obtention plus aisée de ces alcaloïdes à haute valeur ajoutée. Le premier objectif de ce travail vise à développer une méthode de purification efficace, simple et rapide des extraits de plantes préalablement à leur analyse en LCMS et GCMS. Le second objectif est d’étudier l’effet de plusieurs facteurs exogènes, ajoutés au milieu de culture de bulbilles de Leucojum aestivum et de sa variété Gravety Giant en bioréacteurs RITA®, sur les voies de biosynthèse de la galanthamine et de la lycorine. La variation des paramètres exogènes a permis une accumulation accrue en galanthamine et en lycorine (0,814 mg/g et 1,54 mg/g de matière sèche respectivement) dans les bulbilles. Le troisième objectif porte sur l’isolement et l’identification d’endophytes à partir de bulbes in vivo et in vitro de trois espèces d’Amaryllidaceae (L. aestivum, Narcissus pseudonarcissus et Galanthus elwesii). Des bactéries endophytes du genre Bacillus ont été identifiées. Un nouvel alcaloïde a été isolé à partir des cultures bactériennes / Over 300 Amaryllidaceae alkaloids possessing a wide range of biological activities have been isolated from plants belonging to this family. Galanthamine, used for the palliative treatment of Alzheimer’s disease, is the only one commercialized. The biodisponiblity of these alkaloids is low. In vitro culture offers an alternative yet interesting approach for the biotechnological production of these valuable alkaloids. The aim of this work was, first, to develop a fast, efficient and easy purification method of plant extracts prior to their phytochemical analysis both in LCMS and GCMS. Second, the combined effects of bioreactor RITA® culture and feeding with different exogenous factors on the biosynthetic pathway of both galanthamine and lycorine were studied. The experiments were conducted both with Leucojum aestivum and L. aestivum ‘Gravety Giant’ bulblets. The variation of several exogenous parameters resulted in a better accumulation of galanthamine and lycorine (0.814 mg/g and 1.54 mg/g dry weight respectively) in the bulblets. The third aim was to isolate and identify alkaloid producing endophytes from in vivo and in vitro bulbs of three Amaryllidaceae species (L. aestivum, Narcissus pseudonarcissus and Galanthus elwesii). Bacterial endophtes belonging to the Bacillus genus were identified. A new alkaloid was isolated from bacterial liquid cultures

Les procédés de réutilisation des eaux usées doivent être robustes, fiables et rentables pour que leur utilisation se démocratise et devienne complémentaire des traitements des eaux de surface. Le couplage d’un procédé biologique et de procédés membranaires représente une solution prometteuse pour répondre à ces challenges. Cette étude se focalise sur l’impact des conditions de fonctionnement du procédé secondaire (en particulier par bioréacteur à membrane BAM) sur le colmatage du procédé tertiaire de nanofiltration (NF) ou d’osmose inverse (OI) ainsi que sur le devenir des micropolluants et microorganismes tout au long de la chaine de traitement. Dans un premier temps, des expériences à court terme de filtration avec différentes membrane NF et d’OI ont été réalisées afin de caractériser les interactions entre effluents secondaires et membranes. Il a ainsi été observé de très fortes rétentions de tous les micropolluants ciblés par la Directive Cadre Européenne. En termes de colmatage, la chute de flux de l’OI, essentiellement liée pour ces essais de courte durée à une augmentation de pression osmotique puis à un dépôt de cristaux minéraux, peut être maîtrisée en contrôlant le pH et la concentration en carbonate et phosphate de l’effluent secondaire. Par ailleurs, des chutes de flux plus importantes sont observées lors des filtrations réalisées avec les membranes de NF qui sont plus sensibles au colmatage irréversible. Dans un second temps, l’optimisation de la filière de traitement des eaux usées urbaines couplant un bioréacteur à membranes à un procédé d’OI a été réalisée à partir d’une unité pilote fonctionnant en continu. La sélection de conditions opératoires adéquates a permis de faire fonctionner le procédé d’OI pendant plus de quatre mois sans qu’aucune maintenance ne soit réalisée. Une faible chute de flux de l’OI, linéaire sur toute la période de filtration, essentiellement dû à l’adsorption de molécules organiques à la surface de la membrane, a été observée. Sur l’ensemble de la période d’essais, la filière BAM/OI permet d’obtenir un abattement optimal en micropolluants présents. Lorsque des micropolluants sont injectés à des concentrations plus élevées (simulation d’une brusque dégradation de la qualité des eaux en entrée de filière) dans le bioréacteur, une chute de l’activité de la biomasse couplée à un relargage de produits microbiens solubles peut être observée. Néanmoins, ces pics de pollution n’ont eu aucun impact sur le colmatage de la membrane du BAM ni sur celle de l’OI. La filière BAM-OI permet donc de garantir un taux de rejet élevé et une productivité d’environ 15 L.h-1.m2 quelles que soient les fluctuations de la composition de l’eau usée urbaine à traiter. / In order to be competitive compare to surface water treatments, wastewater reuse needs robust, reliable and profitable combination of technologies. The combination of bioreactors and membrane processes seems to be a promising solution to these challenges. This study focus on the impact of the operating conditions of the secondary treatment (particularly the membrane bioreactor (MBR)) on the nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO) tertiary treatments as well as the fate of micropollutants and microorganisms along the treatment line. Firstly, short term filtration experiments with various NF and RO membranes were performed in order to characterize the interactions between secondary treatment effluents (STE) and membranes. High retentions of micropollutants listed by the European water framework directive were observed. During these short term experiments, RO flux decline is mainly due to an increase of osmotic pressure and then a precipitation of salts that can be solved by controlling the pH and thus the carbonate and phosphate concentration of the STE. In addition, higher flux declines are observed with NF because of a higher irreversible fouling behavior. Secondly, continuous long term tests were performed on a pilot unit combining a MBR and a RO processes. The appropriate selection of operating conditions allowed treating wastewater during more than four months without any maintenance. A linear low flux decline, mainly due to adsorption of organic molecules at the membrane surface was observed. During this filtration period, the MBR/RO process presented very high micropollutant retentions. When micropollutants are injected at higher concentration (simulation of sudden fluctuation of feed composition) into the MBR, a drop of biomass activity combined with soluble microbial products release can be observed. Nevertheless, these peaks of pollution did not cause any additional fouling of MBR as well as RO membranes. MBR/RO process is then a reliable technology that can guaranty high retention and productivity (around 15 L.h-1.m-2) whatever the fluctuations of the feed composition.

L'oxydation anaérobie du méthane (AOM) couplé à la réduction du sulfate (AOM-SR) est un processus biologique médié par méthanotrophes anaérobie (ANME) et de bactéries sulfato-réductrices. La communauté scientifique s'inquiète de AOM, en raison de sa pertinence dans la régulation du cycle global du carbone et de la potentielle application biotechnologique pour le traitement de sulfate riches eaux usées.Pour améliorer les connaissances récentes sur les conditions de distribution et d'enrichissement ANME, cette recherche a étudié AOM-SR avec les objectifs suivants: (i) caractériser les communautés microbiennes responsables de AOM dans les sédiments marins, (ii) de les enrichir dans les bioréacteurs avec différentes configurations, à savoir bioréacteur à membrane (MBR), filtre biotrickling (BTF) et bioréacteur à haute pression (HPB), et (iii) d'évaluer l'activité de l'ANME et le processus AOM dans différentes conditions de pression et de température.Les microbes habitant peu profonde dans les sédiments de Marine lac Grevelingen (Pays-Bas) ont été caractérisés et leur capacité de faire AOM-SR a été évaluée. Un test d'activité a été réalisée en discontinu pour 250 jours, AOM-SR est mise en évidence par la production de sulfure et de la prise concomitante de sulfate et de méthane dans des rapports équimolaires et il a été atteint 5 µmoles par gramme de poids par jour de taux de réduction du sulfate. L'analyse des séquences de gènes 16SrRNA a montré la présence de méthanotrophes anaérobie ANME-3 dans les sédiments marins du lac Grevelingen.Deux configurations de bioréacteurs, à savoir MBR et BTF ont été opérés dans des conditions ambiantes pendant 726 jours et 380 jours, respectivement, pour enrichir les micro-organismes de Ginsburg Mud Volcano performantes AOM. Les réacteurs sont exploités en mode fed-batch pour la phase liquide avec un apport continu de méthane. Dans le MBR, une membrane d'ultrafiltration externe a été utilisée pour retenir la biomasse, alors que, dans la BTF, la rétention de biomasse a été accomplie par la fixation de la biomasse sur le matériau d'emballage. AOM-SR a été enregistrée seulement après ~ 200 jours dans les deux configurations de bioréacteurs. L'opération du BTF a montré l'enrichissement de l'ANME dans le biofilm par la méthode Illumina Miseq, en particulier ANME-1 (40%) et ANME-2 (10%). Dans le MBR, les agrégats d'ANME-2 et Desulfosarcina ont été visualisées par CARD-FISH. La production d'acétate a été observée dans le MBR, ce qui indique que l'acétate était un possible intermédiaire d'AOM. Bien que les deux configurations de bioréacteurs ont montré de bonnes performances, le taux de réduction du sulfate était légèrement plus élevée et plus rapide dans la BTF (1,3 mM par jour âpres 280 jours) que le MBR (0,5 mM par jour jour âpres 380 jours).Afin de simuler les conditions de suintement froid et de différencier l'impact des conditions environnementales sur AOM, les sédiments fortement enrichi avec le clade ANME-2a ont été incubées dans HPB à différentes températures (4, 15 et 25 °C à 100 bars) et pressions (20, 100, 200 et 300 bar à 15 °C). L'incubation à une pression de 100 bar et 15 ° C a été observé comme la condition la plus appropriée pour la phylotype ANME-2a, qui est similaire aux conditions in situ (Capitaine Aryutinov Mud Volcano, Golfe de Cadix). L'incubation de ce sédiment aux conditions in situ pourrait être une option privilégiée pour obtenir une activité AOM-SR plus élevée.Dans cette thèse, il a été démontré expérimentalement que la rétention de la biomasse et l'approvisionnement continu de méthane peuvent favoriser la croissance de la lente communauté microbienne qui oxyde le méthane en anaérobiose dans des bioréacteurs, même dans des conditions ambiantes. Par conséquent, la localisation des habitats de ANME dans des environnements peu profonds et l'enrichissant dans des conditions ambiantes peut être avantageuse pour les futures applications de la biotechnologie environnementale / Anaerobic oxidation of methane (AOM) coupled to sulfate reduction (AOM-SR) is a biological process mediated by anaerobic methanotrophs (ANME) and sulfate reducing bacteria. Due to its relevance in regulating the global carbon cycle and potential biotechnological application for treating sulfate-rich wastewater, AOM-SR has drawn attention from the scientific community. However, the detailed knowledge on ANME community, its physiology and metabolic pathway are scarcely available, presumably due to the lack of either pure cultures or the difficulty to enrich the biomass. To enhance the recent knowledge on ANME distribution and enrichment conditions, this research investigated AOM-SR with the following objectives: (i) characterize the microbial communities responsible for AOM in marine sediment, (ii) enrich ANME in different bioreactor configurations, i.e. membrane bioreactor (MBR), biotrickling filter (BTF) and high pressure bioreactor (HPB), and (iii) assess the AOM-SR activity under different pressure and temperature conditions.The microbes inhabiting coastal sediments from Marine Lake Grevelingen (the Netherlands) was characterized and the ability of the microorganisms to carry out AOM-SR was assessed. By performing batch activity tests for over 250 days, AOM-SR was evidenced by sulfide production and the concomitant consumption of sulfate and methane at approximately equimolar ratios and a sulfate reduction rate of 5 µmol sulfate per gram dry weight per day was attained. Sequence analysis of 16S rRNA genes showed the presence of ANME-3 in the Marine Lake Grevelingen sediment.Two bioreactor configurations, i.e. MBR and BTF were operated under ambient conditions for 726 days and 380 days, respectively, to enrich the microorganisms from Ginsburg Mud Volcano performing AOM. The reactors were operated in fed-batch mode for the liquid phase with a continuous supply of gaseous methane. In the MBR, an external ultra-filtration membrane was used to retain the biomass, whereas, in the BTF, biomass retention was achieved via biomass attachment to the packing material. AOM-SR was recorded only after ~ 200 days in both bioreactor configurations. The BTF operation showed the enrichment of ANME in the biofilm by Illumina Miseq method, especially ANME-1 (40%) and ANME-2 (10%). Interestingly, in the MBR, aggregates of ANME-2 and Desulfosarcina were visualized by CARD-FISH. Acetate production was observed in the MBR, indicating that acetate was a possible intermediate of AOM. Although both bioreactor configurations showed good performance and resilience capacities for AOM enrichment, the sulfate reduction rate was slightly higher and faster in the BTF (1.3 mM day-1 at day 280) than the MBR (0.5 mM day-1 at day 380).In order to simulate cold seep conditions and differentiate the impact of environmental conditions on AOM activities, sediment highly enriched with the ANME-2a clade was incubated in HPB at different temperature (4, 15 and 25 oC at 100 bar) and pressure (20, 100, 200 and 300 bar at 15 oC) conditions. The incubation at 100 bar pressure and 15 oC was observed to be the most suitable condition for the ANME-2a phylotype, which is similar to in-situ conditions where the biomass was sampled, i.e. Captain Aryutinov Mud Volcano, Gulf of Cadiz. The incubations at 200 and 300 bar pressures showed the depletion in activities after 30 days of incubation. Incubation of AOM hosting sediment at in-situ condition could be a preferred option for achieving high AOM activities and sulfate reduction rates.In this thesis, it has been experimentally demonstrated that biomass retention and the continuous supply of methane can favor the growth of the slow growing anaerobic methane oxidizing community in bioreactors even under ambient conditions. Therefore, locating ANME habitats in shallow environments and enriching them at ambient conditions can be advantageous for future environmental biotechnology applications