Les bactéries méthanotrophes, qui existent dans les recouvrements des sites d'enfouissements, peuvent oxyder le CH[indice]4 émis par ces sites. La capacité de ces recouvrements à atténuer le CH[indice]4 dépend à la fois des propriétés physiques et chimiques du matériau, du débit du biogaz et de sa composition, et des paramètres climatiques. Ces recouvrements, communément appelé Biorecouvrements d'oxydation passive de méthane (BOPM), pourraient venir en complément d'autres systèmes tels que les puits de captage de biogaz ou encore pourraient servir sur les sites ne disposant d'aucun système de récupération des biogaz. Cette possibilité de réduction des émissions de CH[indice]4 a motivé des travaux de construction et de suivi sur le site d'enfouissement de Saint-Nicéphore (Québec, Canada). Vous trouverez d'abord dans ce mémoire l'analyse d'une méthode de calcul de l'efficacité des BOPMs à oxyder le CH[indice]4 et une comparaison des taux d'efficacités entre 2 BOPMs de porosités différentes. Cette méthode de calcul est basée sur les profils de concentration des gaz et le rapport N[indice]2 /O[indice]2 pour déterminer la quantité d'oxygène qui a migré dans le sol avant d'être consommé. Plusieurs questions ont été soulevées lors de cette analyse dont, entre autres, la constance du rapport N[indice]2 /O[indice]2 dans le sol et l'effet de la respiration du compost sur les calculs d'efficacité. Quant à la comparaison entre les 2 BOPMs, les résultats ont montré qu'en augmentant la porosité de mise en place du substrat, la pénétration de l'oxygène était favorisée et, par conséquence, son efficacité à oxyder l'était également. Vous trouverez ensuite une observation de l'effet des changements climatiques sur le comportement des BOPMs de compositions différentes pendant une longue période et une étude de l'effet de l'alternance jour/nuit sur leurs efficacités lors de cycles très courts. Pour de longs cycles, il a pu être constaté qu'après le dégel du sol, les quantités de méthane libérées ont été très importantes et elles ont eu un impact direct sur la performance des BOPMs, que l'augmentation du rapport diffusion/advection a eu pour conséquence une nette amélioration de l'efficacité de la BOPM et que les bactéries méthanotrophes ont été plus influencées par les variations de température que par ces valeurs (températures). Pour les cycles courts, les variations journalières de température à 0,10 mètre de la surface du sol ont été suivies de considérables variations des concentrations de CH[indice]4 . Vous trouverez enfin, une étude complémentaire sur l'importance de la croûte superficielle sur l'efficacité des recouvrements. Les résultats des essais de perméabilité à l'air et les courbes de rétention en eau qui ont servi à caractériser le substrat y sont succinctement présentés.

Le méthane (CH4 ) peut être oxydé en dioxyde de carbone (CO2 ) par les bactéries méthanotrophes présentes dans les recouvrements des sites d'enfouissement, en présence de l'oxygène. Il est possible de développer un recouvrement qui favorise la croissance des bactéries qui oxydent le méthane. On parle alors de biorecouvrement d'oxydation passive du méthane (BOPM). La mise en place d'un BOPM permet de réduire les émissions de CH 4 pendant et après la période de récupération active, où il n'est plus économiquement viable d'extraire le biogaz. Plus spécifiquement, le présent mémoire traite des essais d'oxydation en colonnes simulant un biorecouvrement d'un site d'enfouissement. Les taux d'oxydation ont été obtenus en faisant varier les substrats, les épaisseurs et les degrés de saturation de ceux-ci. Les sols utilisés provenaient des 2 BOPM construits sur le site d'enfouissement de Saint-Nicéphore (Québec, Canada). De plus, un sol contaminé a été testé. Les taux d'oxydation maximaux des essais de colonne ont varié entre 49 et 141 g CH 4 /m2 /j, représentant des efficacités variant entre 81 et 90 %. Les facteurs les plus susceptibles de faire varier le taux d'oxydation sont : le pas d'augmentation de l'alimentation en CH4 , l'épaisseur du substrat et le degré de saturation en eau. Des essais de respiration ont été réalisés et une méthode a été développée pour calculer les efficacités d'oxydation du CH4 en profil en prenant en compte la respiration. Des essais de caractérisation initiaux et finaux sur les substrats ont été faits pour évaluer les changements du pH, de la teneur en matière organique et du degré de saturation. La saturation est le seul paramètre qui a présenté une différence significative entre le début et la fin des essais d'oxydation. Une comparaison a été réalisée entre les taux d'oxydation du laboratoire et le taux au terrain. Pour le substrat du BOPM 3B, les taux au laboratoire ont été plus élevés, par contre, pour le substrat du BOPM 2 les taux au terrain ont été supérieurs grâce à la présence de végétation indigène.

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

Au Québec, l'enfouissement est la technique la plus répandue pour l'élimination des matières résiduelles. Bien qu'elle soit simple et économique, elle entraîne différentes problématiques, dont la production de lixiviats, des liquides très chargés en contaminants, et de gaz d'enfouissement contribuant à l'émission de gaz à effet de serre. Chez Investissement Québec - CRIQ (IQ-CRIQ), la biofiltration méthanotrophe a été étudiée dans les dernières années pour le traitement combiné de ces deux sources de polluants. Si cette technologie a montré une bonne capacité à traiter le méthane (CH₄) présent dans les gaz d'enfouissement, tout en assimilant de l'azote des lixiviats, la capacité du système biologique à résister aux fluctuations saisonnières de température peut être questionnée. L'objectif principal est donc de vérifier si le caractère exothermique de la réaction d'oxydation du CH₄ par les bactéries méthanotrophes permet de maintenir l'activité biologique au sein du biofiltre et donc la capacité épuratoire du CH₄ et de l'azote nitrate (NO₃-) des lixiviats en période hivernale. Pour ce faire, un montage expérimental comprenant quatre biofiltres avec un garnissage organique a été alimenté avec des lixiviats prétraités provenant d'un site d'enfouissement et un mélange synthétique de gaz composé de gaz naturel et d'air. Des isolants en uréthane et une chambre réfrigérée ont été utilisés afin de reproduire les conditions hivernales sur le terrain d'un biofiltre enfoui, soit une température avoisinant les 4 °C. En ce sens, la température d'alimentation liquide a aussi été diminuée à 4 °C pour deux des quatre biofiltres. L'effet d'une charge en CH₄ plus importante sur le traitement a aussi été exploré. Durant les expérimentations qui se sont étendues sur environ 300 jours, les gaz (CH₄, CO₂, N₂O entre autres) et les liquides (NO₃-, NO₂-, NH₄+, pH entre autres) ont été analysés deux à trois fois par semaine et la température interne des réacteurs a été suivie en continu à l'aide de capteurs. Les expérimentations ont permis de montrer que le maintien du traitement était possible même avec une baisse de la température du liquide d'alimentation : une capacité d'élimination de 98 à 112 gCH₄/m³/j et de 2,6 à 3,2 gN-NO₃-/m³/j a été observée pour le biofiltre à température ambiante (environ 21 °C) alimenté avec un lixiviat à 4 °C alors qu'elle a été de 113 gCH₄/m³/j et de 4,4 gN-NO₃-/m³/j pour le biofiltre témoin (température ambiante et d'alimentation liquide à environ 21 °C). Cependant, le biofiltre alimenté avec des lixiviats à 4 °C et placé dans un environnement avec une température ambiante à 4 °C a vu ses capacités à traiter le CH₄ et le NO₃- devenir nulles lors du changement drastique de température. Finalement, le biofiltre alimenté avec une concentration plus élevée en CH₄ n'a pas été en mesure de traiter davantage de contaminants, ce qui laisse croire qu'il pourrait y avoir un débalancement entre le CH₄, les NO₃- et les autres nutriments essentiels ou encore la présence d'inhibiteurs au sein du biofiltre. Une difficulté des gaz à pénétrer le biofilm a aussi pu limiter la capacité d'oxydation et donc l'enlèvement des NO₃-. Bien que des incertitudes persistent, les résultats obtenus montrent bien un potentiel de maintien des capacités épuratoires par les méthanotrophes en période froide d'opération.

Les communautés microbiennes benthiques participent activement au recyclage de la matière organique et de fait au fonctionnement biogéochimique des écosystèmes lacustres. Ces communautés comportent de nombreux phyla mais leur diversité fonctionnelle est encore incomplètement connue. Ce travail vise à appréhender les modifications de structure et d'abondance des gènes fonctionnels en lien avec la distribution spatiale verticale (liée au gradient d'oxydoréduction), la variabilité spatiale horizontale (zone côtière vs pélagique) et la dynamique saisonnière liée au brassage de la colonne d'eau (ré-oxygénation des interfaces benthiques), de même que l'identification de la diversité des méthanotrophes et des méthanogènes.Pour cette étude, des carottes sédimentaires ont été prélevées sur un transect zone côtière – zone pélagique, à différentes dates au cours d'un cycle annuel. Chaque carotte sédimentaire a été analysée dans la verticalité entre l'interface eau-sédiment et 20 cm. Les communautés microbiennes participant au cycle du méthane ont été ciblées par 2 gènes de fonction et étudiées en termes de structure, de diversité et d'abondance; par ailleurs, des marqueurs phylogénétiques ont été utilisés pour caractériser les communautés bactériennes et archéennes totales.Les résultats de l'étude spatiale montrent que, si à l'échelle locale (station d'échantillonnage) une relative homogénéité des communautés microbiennes (totales et fonctionnelles) est observée, des variabilités fortes sont détectées d'une part à l'échelle des transects horizontaux en lien avec des changements de conditions environnementales et d'autre part dans la verticalité des sédiments sous l'effet des conditions d'oxydoréduction. La communauté bactérienne étant la plus affectée dans la verticalité, avec des changements de structure entre toutes les strates étudiées. Dans cette même étude, une analyse comparative de la structure des communautés (totales et fonctionelles) a démontré que l'analyse d'échantillons individuels permettait d'obtenir un plus grand nombre d'OTU que l'analyse des mêmes échantillons regroupés en pools.Les résultats de l'étude de la dynamique temporelle des communautés méthanogènes et méthanotrophes révèlent des changements de structure et abondance, principalement à l'interface eau - sédiment en lien avec la dynamique d'oxygénation du lac. Quant à l'analyse de la diversité, elle montre une dominance des Methanomicrobiales (Methanoregula principalement) pour les méthanogènes, mais les Methanosarcinales (Methanosarcina) et les Methanobacteriales (Methanobacterium) ont également été identifiés. Pour les méthanotrophes, la diversité est dominée par Methylobacter en zone profonde et par Methylococcus en zone côtière, les méthanotrophes de Type II (Methylosinus et Methylocystis) ont aussi été identifiés.L'ensemble de ces travaux souligne l'importance de prendre en compte, à la fois la variabilité spatiale (horizontale et verticale) et la variabilité temporelle, des communautés méthanogènes et méthanotrophes lors de l'étude de ces communautés. Les changements quant à leurs structures et leurs abondances sont des paramètres non négligeables pour comprendre les processus impliqués dans le cycle du méthane. / Benthic microbial communities are actively involved in organic matter recycling and fact biogeochemical functioning of lake ecosystems. These communities comprise many phyla but their functional diversity is still incompletely known. This study is focused on the benthic microbial communities involved in the methane cycle in lacsutrine suystems. We aimed understanding the structural and abundance changes of functional genes related to the vertical distribution (redox gradient in sediment), the horizontal variability (coastal vs. pelagic benthic zone) and seasonal dynamics related to mixing of the water column (re-oxygenation of benthic interface). The composition of methanotrophic and methanogenic communities was characterized by sequencing analyses.For this study, sedimentary cores were sampled along a transect from coastal to pelagic zone, at different times during an annual cycle. In addition, each sediment core was analyzed in its verticality from the water-sediment interface to 20 cm depth. Microbial communities involved in the cycle of methane (methanogenesis and methanotrophy) were targeted by 2 functional genes (mcrA and pmoA). Furthermore, phylogenetic markers were used to characterize the total bacterial and archaeal communities. These communities are studied in terms of structure (genotyping), diversity (sequencing) and abundance (qPCR, DNA) of their functional genes.The results of the study showed that, on a spatial scale, a low heterogeneity was detected for a given sampling station in terms of structure of microbial communities (total and functional), however, a high variability was detected both at an horizontal scale along a transect (costal vs. pelagic zone), due to contrasted environmental conditions, and at a vertical scale (upper to deeper layers in the core) under the effect of redox conditions. The bacterial community being the most affected in the verticality, with structural changes among all strata studied. In the same study, a comparative analysis of the structure (for all of the communities), between pooled samples and individual samples, demonstrated that the analysis of individual samples provided a greater number of OTU for the majority of microbial communities.Moreover the study of the temporal dynamic of methanogen and methanotroph communities revealed changes in the structure and abundance, mainly at the water - sediment interface, according to the oxygenation levels that varied through time. The analysis of diversity showed a dominance of Methanomicrobiales (Methanoregula mainly) for methanogens, but Methanosarcinales (Methanosarcina) and Methanobacteriales (Methanobacterium) were also identified. The methanotrophs' community was dominated by Methylobacter on deeper stations and by Methylococcus in coastal station. Type II methanotrophs (Methylosinus and Methylocystis) were also identified.This work highlights the importance of taking into account both the spatial variability (horizontal and vertical) and the temporal variability of methanogen and methanotroph communities. Changes on their structures and abundances are significant parameters for understanding the processes involved in the methane cycle.

Le méthane, un des principaux gaz à effet de serre, est majoritairement produit et consommé par l'activité métabolique de microorganismes affiliés aux domaines des Archaea et des Bacteria. Afin d'appréhender le cycle biogéochimique du méthane, il est essentiel d'identifier l'ensemble des acteurs impliqués dans ce dernier ainsi que les facteurs environnementaux modulant leurs activités. Les lacs d'eau douce constituent une source importante de méthane, car, dans ces écosystèmes, les conditions environnementales favorisent la méthanogenèse au détriment d'autres processus terminaux de la dégradation anaérobie de la matière organique. Au cours de cette thèse, les études sur les communautés impliquées dans le cycle biogéochimique du méthane ont été conduites dans la colonne d'eau et les sédiments anoxiques du Lac Pavin (Auvergne), unique lac méromictique de France. Cet écosystème a été choisi comme site d'étude en raison des fortes concentrations en méthane présentes dans sa couche d'eau profonde qui contrastent avec les faibles émissions de ce gaz vers l'atmosphère. Ces observations géochimiques suggèrent une intense activité de production et de consommation du méthane, offrant un cadre pertinent pour l'étude des communautés ciblées. Les approches moléculaires visant à caractériser la structure spatiale, la composition, les zones d'activité et les facteurs (ascendants et descendants) potentiellement impliqués dans la régulation des communautés de méthanogènes et de méthanotrophes ont été, au cours de ce travail, systématiquement associées à des approches culturales et microcalorimétriques afin d'acquérir des données sur la physiologie des microorganismes impliqués dans le cycle du méthane. Les résultats obtenus mettent en évidence que les communautés de méthanogènes sont distribuées sur l'ensemble de la colonne d'eau anoxique et dans la strate superficielle des sédiments profonds. Ce groupe métabolique, essentiellement représenté par des espèces affiliées aux Methanosaetaceae et aux Methanoregulaceae, est particulièrement actif dans la zone benthique qui constituerait la source principale de méthane dans cet écosystème. Une nouvelle espèce méthanogène, Methanobacterium lacus, a été isolée de ces sédiments et décrite, et vient enrichir le faible nombre d'espèces méthanogènes isolées à ce jour à partir des lacs d'eau douce. L'étude écophysiologique de cette souche suggère que la température pourrait en partie expliquer la faible représentativité des Methanobacteriales dans cet écosystème. Une partie du méthane semble être directement consommée dans la zone anoxique (pélagique et benthique). L'existence de ce processus d'oxydation anaérobie, soutenu par les approches microcalorimétriques, pourrait être, dans les sédiments profonds, sous la dépendance de lignées candidates archéennes dont la physiologie reste encore énigmatique. Le remplacement progressif des méthanogènes par 2 lignées candidates d'archaea (MBG-D et MCG) le long du profil sédimentaire suggère qu'elle se développe dans des niche contrastées. La régulation putative des communautés archéennes par les virus a été analysée. Cette étude est la première à rapporter la présence de particules virales de type "archaeovirus" dans un environnement non-extrême (en termes de température, pH et salinité) ainsi que des particules virales pouvant représentées de nouvelles familles de virus. Une activité virale intense est suggérée dans ces sédiments par le nombre important de cellules infectées, comparativement à d'autres sédiments, et par le changement concomitant de la structure de la communauté virale et procaryotique avec la profondeur. Bien qu'une partie du méthane soit probablement oxydée en anaérobiose, la consommation de ce métabolite est principalement dépendante de l'activité de méthanotrophes aérobies dominées par des espèces affiliées au genre Methylobacter, un des principaux genres de méthanotrophes rencontré en milieu d'eau douce. (...)

L'éventail sous-marin profond du Congo, situé sur la marge continentale Congo-Angolaise (côte Ouest Africaine, Océan Atlantique Equatorial Sud) représente un écosystème sédimentaire marin profond unique.Celui-ci est caractérisé par de forts apports en matière organique provenant du fleuve Congo, qui se déversent le long du canyon et au travers de systèmes chenal Jevées actuels jusque dans les zones les plus profondes (5 000 m) où se développe le système des lobes.L'objectif de cette thèse est d'étudier la distribution spatiale et la diversité phylogénétique et fonctionnelle des communautés archéennes et bactériennes en relation avec les caractéristiques et les contraintes de I'environnement.Cette étude a permis de mettre en évidence une distribution géographique régionale et locale des communautés microbiennes contraintes par la distance des différents lobes par rapport à l'embouchure du chenal. La distribution des communautés microbiennes est liée à la disponibilité en accepteurs et donneurs d'électrons issus de la diagénèse précoce de la matière organique. La composition et l'identité taxonomique de ces communautés microbiennes sont comparables aux communautés rencontrées dans des sédiments marins et des zones d'émission de fluides froids riches en méthane.Cette étude révèle également des densités cellulaires relativement élevées de bactéries méthanotrophes aérobies associées à différents habitats sédimentaires particuliers, colonisés par des bivalves Vesicomyidae, des tapis microbiens et des sédiments réduits caractéristiques des environnements d'émissions de fluides froids riches en méthane et hydrogène sulfuré. Ces communautés sont non seulement apparentées à celles rencontrées dans des habitats d'émissions de fluides froids, mais également à celles des habitats terrestres, malgré la distance ~ 1000 km des côtes Africaines.Les travaux menés au cours de cette thèse montrent l'intérêt des études pluridisciplinaires pour comprendre la diversité et le fonctionnement des écosystèmes dans les lobes terminaux du système turbiditique du Congo et apportent de nouvelles informations sur la diversité des microorganismes peu explorée dans les éventails sous-marins profonds. / The Congo deep sea fan, located in the Congo-Angola continental margin (West African coast, Equatorial South Atlantic Ocean) represents a unique deep-sea sedimentary ecosystem. It is characterized by high organic matter inputs from the Congo River, that flow along a canyon and through presently active channel system-lifted into the deeper areas (5 000 m) where the lobes system develops.The aim of this thesis is to study the spatial distribution as well as the phylogenetic and functional diversity of archaeal and bacterial communities in relation with environmental characteristics and constraints of the terminal lobes of the Congo deep see fan, one of the largest submarine fan systems in the world.This study highlights geographical distribution of microbial communities constrained by the distal and proximal distance of the different lobes from the Congo river's channel mouth as well as linked to the electron donor and acceptor availability from organic matter diagenesis. This study revealed quite high abundance of aerobic methane oxidizing bacteria cells at peculiar sedimentary habitats dominated by Vesicomyid bivalves, microbial mats and reduced sediments typical of cold-seep environments. These communities are not only related to the ones encountered in cold seeps, but also to the ones in terrestrial habitats despite an approximately distance of 1000 km offshore the African coast.This thesis underlines the interest of pluridisciplinary studies to understand the ecosystem diversity and functioning in the terminal lobes of the Congo turbiditic system and provides further insights into the underexplored microbial diversity from deep-sea fans.

Le méthane, un des principaux gaz à effet de serre, est majoritairement produit et consommé par l'activité métabolique de microorganismes affiliés aux domaines des Archaea et des Bacteria. Afin d’appréhender le cycle biogéochimique du méthane, il est essentiel d’identifier l’ensemble des acteurs impliqués dans ce dernier ainsi que les facteurs environnementaux modulant leurs activités. Les lacs d’eau douce constituent une source importante de méthane, car, dans ces écosystèmes, les conditions environnementales favorisent la méthanogenèse au détriment d’autres processus terminaux de la dégradation anaérobie de la matière organique. Au cours de cette thèse, les études sur les communautés impliquées dans le cycle biogéochimique du méthane ont été conduites dans la colonne d’eau et les sédiments anoxiques du Lac Pavin (Auvergne), unique lac méromictique de France. Cet écosystème a été choisi comme site d'étude en raison des fortes concentrations en méthane présentes dans sa couche d'eau profonde qui contrastent avec les faibles émissions de ce gaz vers l'atmosphère. Ces observations géochimiques suggèrent une intense activité de production et de consommation du méthane, offrant un cadre pertinent pour l’étude des communautés ciblées. Les approches moléculaires visant à caractériser la structure spatiale, la composition, les zones d'activité et les facteurs (ascendants et descendants) potentiellement impliqués dans la régulation des communautés de méthanogènes et de méthanotrophes ont été, au cours de ce travail, systématiquement associées à des approches culturales et microcalorimétriques afin d’acquérir des données sur la physiologie des microorganismes impliqués dans le cycle du méthane. Les résultats obtenus mettent en évidence que les communautés de méthanogènes sont distribuées sur l’ensemble de la colonne d’eau anoxique et dans la strate superficielle des sédiments profonds. Ce groupe métabolique, essentiellement représenté par des espèces affiliées aux Methanosaetaceae et aux Methanoregulaceae, est particulièrement actif dans la zone benthique qui constituerait la source principale de méthane dans cet écosystème. Une nouvelle espèce méthanogène, Methanobacterium lacus, a été isolée de ces sédiments et décrite, et vient enrichir le faible nombre d'espèces méthanogènes isolées à ce jour à partir des lacs d'eau douce. L'étude écophysiologique de cette souche suggère que la température pourrait en partie expliquer la faible représentativité des Methanobacteriales dans cet écosystème. Une partie du méthane semble être directement consommée dans la zone anoxique (pélagique et benthique). L’existence de ce processus d’oxydation anaérobie, soutenu par les approches microcalorimétriques, pourrait être, dans les sédiments profonds, sous la dépendance de lignées candidates archéennes dont la physiologie reste encore énigmatique. Le remplacement progressif des méthanogènes par 2 lignées candidates d'archaea (MBG-D et MCG) le long du profil sédimentaire suggère qu'elle se développe dans des niche contrastées. La régulation putative des communautés archéennes par les virus a été analysée. Cette étude est la première à rapporter la présence de particules virales de type "archaeovirus" dans un environnement non-extrême (en termes de température, pH et salinité) ainsi que des particules virales pouvant représentées de nouvelles familles de virus. Une activité virale intense est suggérée dans ces sédiments par le nombre important de cellules infectées, comparativement à d'autres sédiments, et par le changement concomitant de la structure de la communauté virale et procaryotique avec la profondeur. Bien qu’une partie du méthane soit probablement oxydée en anaérobiose, la consommation de ce métabolite est principalement dépendante de l’activité de méthanotrophes aérobies dominées par des espèces affiliées au genre Methylobacter, un des principaux genres de méthanotrophes rencontré en milieu d’eau douce. (...) / Methane, a major greenhouse gas, is produced and consumed mainly by the metabolic activity of microorganisms affiliated to the domains Archaea and Bacteria. In order to understand the biogeochemical cycling of methane, it is essential to identify all the biological actors involved, as well as environmental factors modulating their activity. Freshwater lakes are a major source of methane because environmental conditions occurring in these ecosystems favor methanogenesis over other terminal processes of anaerobic degradation of organic matter. In this thesis, studies of communities involved in the biogeochemical cycling of methane were carried out in the water column and anoxic sediment of Lake Pavin (Auvergne), the unique French meromictic lake. This ecosystem has been selected as study site due to the high concentrations of methane in its deep water layer which contrast with the very low emission of this gas in the atmosphere. These geochemical observations suggest an intense activity of production and consumption of methane, providing an appropriate framework for studying the communities involved. Molecular approaches to characterize the spatial structure, composition, activity areas and factors (bottom-up and top-down) potentially involved in the regulation of methanogens and methanotrophs were, in this work, systematically associated to cultural and microcalorimetric approaches to acquire data on the physiology of microorganisms involved in the methane cycle. The results show that methanogens are distributed throughout the permanent anoxic water column (monimolimnion) and mainly in the superficial layer of the sediment situated under the monimolimnion. This metabolic group, mainly represented by species affiliated to Methanosaetaceae and Methanoregulaceae, is particularly active in the benthic zone which would be the main source of methane in this ecosystem. A new species of methanogen, Methanobacterium lacus, was isolated from these sediments and described. It enhances to the small number of methanogenic species isolated to date from freshwater lakes. The ecophysiological study of this strain suggests that the temperature could partly explain the low representation of Methanobacteriales in this ecosystem. A part of the methane appears to be directly consumed in the anoxic zone (pelagic and benthic). The existence of this process of anaerobic oxidation, supported by microcalorimetric approaches, could be in deep sediments, dependent on archaeal candidate lineages whose physiology remains enigmatic. The gradual replacement of methanogens by two archaeal candidate lineages (MBG-D and MCG) along the sedimentary profile suggests that they live in contrasted niche. The putative regulation of the archaeal communities by virus was analyzed. This study has reported the first observations of archaeovirus-like particles in a non-extreme environment (in term of temperature, pH and salinity) and virus-like particles which might represent new viral families. An intense viral activity in these sediments is suggested by i) the important number of visibly infected cells and ii) the concomitant change of the viral and prokaryotic communities with depth. While a fraction of methane is probably oxidized anaerobically, the consumption of this metabolite is mainly dependent on the activity of aerobic methanotrophs dominated by species affiliated to the genus Methylobacter, one of the main types of methanotrophs found in freshwater environments.These methanotrophs have a large area of activity, extending around both sides of the red/ox interface in the water column. This wide distribution may partly explain the low quantity of methane released by the Lake Pavin. (...)