[Truncated abstract] In Australia, there is pressure to reduce the amount of methane produced by ruminant livestock because they are the single largest source of methane emitted from anthropogenic sources, accounting for 70.7% of agricultural methane emissions. In addition, methane production represents a loss of gross energy intake to the animal. The organisms that are responsible for methane production in the animal gut are a distinct group of Archaea called methanogens. Methanogens occupy three different niches within the rumen. Some live freely in the rumen digesta (planktonic), others are attached to the outer surface of the rumen ciliates (ectosymbiotic), and some reside within the ciliates (endosymbiotic). The types and number of methanogens, as well as rumen ciliates and their symbiotic interactions, influence the amount of methane produced from the rumen. These factors in turn are affected by many factors, including diet and ruminal retention time. In this thesis, I tested the general hypothesis that increasing the amount of grain in the diet and reducing the retention time would affect the abundance and diversity of methanogens in their different niches, including their association with ruminal ciliates. Twenty-four fistulated sheep were used in a complete factorial design with the sheep randomly divided into four groups. ... The change in DGGE banding patterns and Shannon indices when sheep were fed grain indicated that the types of methanogens changed when sheep were fed low and high grain diets, but their diversity did not. In contrast, the diversity of rumen ciliates decreased when sheep were fed a high grain diet. A total of 18 bands from the DGGE analysis of the ciliates were sequenced. All except one, which was 98% similar to Cycloposthium sp. not found previously in the rumen, matched the sequences for previously identified rumen ciliates. Some of the rumen ciliates identified were not present in sheep fed the high grain diet. On a high grain diet, methanogens associate endosymbiotically with rumen ciliates to get better access to hydrogen. It appears that the association between methanogens and rumen ciliates is dictated by the availability of hydrogen in the rumen and not the generic composition of the ciliate population. Furthermore, endosymbiotic methanogens appear to produce less methane than methanogens in other niches. The pot scrubbers did not change ruminal retention time but they did reduce the acetate/propionate measurements observed in sheep on the high grain treatment. The reason why pot scrubbers had this effect remains unknown, but it is interesting to consider that some physical interaction has occurred between the pot scrubbers, the grain and the sheep that has improved the fermentation parameters in sheep fed a high grain diet. The results from this study have advanced our understanding of the interaction between methanogens and ruminal ciliates, and methanogenesis in the rumen in response to dietary changes and mechanical challenges. Extending this work to look more specifically at the species of methanogens that are most closely linked to high methane production and how they interact with the ruminal ciliates will be critical for manipulating enteric greenhouse gas emissions.

Au cours des dernières décennies, l’intérêt pour la gazéification de biomasses a considérablement augmenté, notamment en raison de la grande efficacité de recouvrement énergétique de ce procédé par rapport aux autres procédés de génération de bioénergies. Les composants majoritaires du gaz de synthèse, le monoxyde de carbone (CO) et l’hydrogène (H2) peuvent entre autres servir de substrats à divers microorganismes qui peuvent produire une variété de molécules chimiques d’intérêts, ou encore produire des biocarburants, particulièrement le méthane. Il est donc important d'étudier les consortiums méthanogènes naturels qui, en syntrophie, serait en mesure de convertir le gaz de synthèse en carburants utiles. Cette étude évalue principalement le potentiel de méthanisation du CO par un consortium microbien issu d’un réacteur de type UASB, ainsi que les voies métaboliques impliquées dans cette conversion en conditions mésophiles. Des tests d’activité ont donc été réalisés avec la boue anaérobie du réacteur sous différentes pressions partielles de CO variant de 0.1 à 1,65 atm (0.09 à 1.31 mmol CO/L), en présence ou absence de certains inhibiteurs métaboliques spécifiques. Dès le départ, la boue non acclimatée au CO présente une activité carboxidotrophique relativement intéressante et permet une croissance sur le CO. Les tests effectués avec de l’acide 2- bromoethanesulfonique (BES) ou avec de la vancomycine démontrent que le CO est majoritairement consommé par les bactéries acétogènes avant d’être converti en méthane par les méthanogènes acétotrophes. De plus, un plus grand potentiel de méthanisation a pu être atteint sous une atmosphère constituée uniquement de CO en acclimatant auparavant la boue. Cette adaptation est caractérisée par un changement dans la population microbienne désormais dominée par les méthanogènes hydrogénotrophes. Ceci suggère un potentiel de production à large échelle de biométhane à partir du gaz de synthèse avec l’aide de biofilms anaérobies. / Syngas produced through the thermal gasification of biomass for energy recovery has received increased attention in the past decades due to its higher efficiency compared to other bioenergy processes. The gas components of syngas, CO and H2, can serve as substrates for the conversion of desirable chemicals and fuels, namely methane, by a wide range of microorganisms. Meanwhile, anaerobic wastewater-treating sludges have been reported as good sources of carboxidotrophic microorganisms which can be exploited for methane production. Thus it is important to investigate existing methanogenic consortiums which, in syntrophy, are able to convert syngas into useful fuels. This study is mainly focused on the assessment of the carboxidotrophic methanogenic potential present in a natural consortium of microorganisms from a UASB reactor and the identification of CO conversion routes to methane under mesophilic temperatures. To achieve this, a series of kinetic-activity tests with the anaerobic sludge were performed under CO partial pressures varying from 0.1 to 1.65 atm (0.09-1.31 mmol/L) in both the presence and absence of specific metabolic inhibitors. The non-adapted sludge presented an interesting carboxidotrophic activity potential for growing conditions on CO alone. Inhibition experiments with 2- bromoethanesulfonic acid (BES) and vancomycin showed that CO was converted mainly to acetate by acetogenic bacteria, which was further transformed to methane by acetoclastic methanogens. Moreover, it was possible to achieve higher methanogenic potential under 100% CO by acclimation of the sludge. This adaptation led to a shift in the microbial population predominated by hydrogenophilic methanogens. This suggests a possible enrichment potential with anaerobic biofilms for large scale methane production from CO-rich syngas, and further advances the knowledge base for anaerobic reactor development.

Les méthanogènes sont des Archaea anaérobies stricts, connus pour être les seuls êtres vivants capables de produire du méthane comme sous-produit de leur métabolisme. Notre revue de littérature a montré qu’outre les espèces environnementales, l’ordre des Methanomassiliicoccales ne comptait à ce jour qu’une seule espèce Methanomassiliicoccus luminyensis isolée et cultivée dans notre laboratoire. Aucours de notre thèse, nous avons développé une nouvelle méthode permettant la culture et l’isolement des méthanogènes en absence de source externe de dihydrogène (H2) d’une part et d’autre part une méthode de génotypage Multispacer Sequence Typing (MST) basée sur le séquençage d’espaces intergéniques pour typer Methanobrevibacter smithii et M. oralis. Par la suite, nous avons mis en évidence la présence de méthanogènes en situation pathologique chez l’homme. Nous avons détecté et isolé pour la première fois au sein de flores anaérobies, M. oralis à partir d’échantillons d’abcès cérébraux, et de sinusite d’une part, et d’autre part M. smithii à partir d’un échantillon de patient souffrant d’abcès para-vertébral. Enfin, dans la cinquième partie de notre thèse, nous avons testé in vitro la sensibilité de cinq méthanogènes associés aux flores humaines à la lovastatine qui est une pro-drogue utilisée pour abaisser la concentration de cholestérol chez l’homme dans le cadre de certaines pathologies. Les cinq méthanogènes se sont avérées sensibles à une concentration minimale inhibitrice de 1µg/mL, après activation par hydrolyse de la lovastatine par des bactéries anaérobies du microbiote digestif, via une l’inhibition de la croissance et de la production du méthane. / Methanogens are strict anaerobic Archaea, known to the only being able to producing methane gas as a byproduct. Methanogens which are not detected in clinical microbiology laboratories were present in oral, digestive, vaginal and cutaneous microbiota of human. Only five species on the thirteen known in human have been cultivated before the beginning of our thesis. In our thesis, we initially reviewed the state of knowledge about methanogens in human microbiota, particularly the new order Methanomassiliicoccales of methylotrophic methanogens, the as member of human microbiota. In the second part of this work, we performing new method for methanogens culture and isolation without any dihydrogen atmosphere, by co-cultured in tubes methanogens with Bacteroides thetaiotaomicron, which produces hydrogen. We also developed Multispacer Sequence Typing (MST), a genotyping method based on intergenic spacers sequencing, to genotype M. oralis and Methanobrevibacter. Smithii. We demonstrated that methanogens could be part of polymicrobial infection in the case of brain and sinusal abscesses, and also in skeletal muscle abscess, by isolating for the first time M. oralis and M. smithii in these pathologies, using culture-based and molecular-based approaches, and suggested that methanogens could be considered as human opportunistic or emerging pathogens. Finally, we tested the in vitro susceptibility of lovastatin which is a prodrug used as a powerful serum cholesterol-lowering drug in some human diseases and showed that it’s inhibits growth and methane production in human-associated methanogens without affecting intestinal bacteria.

La digestion anaérobie en voie sèche représente une opportunité de développement de la méthanisation sur le territoire français au vu des gisements agricoles disponibles sur le territoire. Toutefois, l’importance des verrous scientifiques et technologiques de par leur nombre et leur complexité rend cette technologie non mature et peu développée sur le territoire français. Dans ces travaux de thèse, il a été étudié dans un premier axe la mise au point de la détermination de la demande chimique en oxygène (DCO) pour des substrats solides avec un kit commercial rendant celle-ci utilisable sans dilution des déchets et utilisant une faible quantité de réactifs. Cette méthode est un outil de suivi des installations. Un deuxième axe d’étude qui s’est attaché à l’étude de la phase d’acidification, verrou majeur de la méthanisation phase sèche, a démontré l’impact de la conservation et de l’origine des inocula sur leur capacité à gérer une phase d’acidification en présence de déchets facilement hydrolysables. L’inoculum est un paramètre majeur de la méthanisation voie sèche et est pourtant peu étudié. Un troisième axe de cette thèse concerne l’étude des transferts hydriques sur des substrats d’origine agricole par une méthodologie de traçage et de modélisation via le modèle à deux régions d’eau mobile et immobile. L’évolution des transferts hydriques a été étudiée au cours de la digestion anaérobie de fumier bovin en digesteur 60 L montrant une diminution de la perméabilité du massif après le deuxième pic de production de méthane. Par conséquent, tout l’inoculum recirculé passe par les côtés et non au sein du massif solide. Deux fréquences de recirculation ont été testées permettant d’obtenir une amélioration de la production de méthane d’environ 20 %. La caractérisation des transferts hydriques obtenus pour ces deux modalités sont identiques après 32 jours de dégradation anaérobie. Le gain de méthane obtenu se fait donc jusqu’au deuxième pic de production de biogaz par la recirculation. Les bilans hydriques et massiques effectués sur ces digesteurs 60 L démontrent que 36 % de la matière organique sont retrouvés dans le digestat montrant un procédé non optimisé. Le quatrième axe d’étude a été de comprendre et d’étudier la dynamique des populations méthanogènes au sein de digesteurs de méthanisation voie sèche de 60 L selon deux configurations. Des expérimentations modulant l’immersion du massif solide ont conduit à obtenir une amélioration de 13 % de production de méthane pour la condition favorisant l’immersion. Cette augmentation de production de méthane est induite par une plus forte quantité de Methanosarcinaceae. La dynamique des populations méthanogènes a été étudiée dans la phase solide et liquide au cours de la digestion anaérobie montrant un transfert microbien de la phase liquide à solide pour un ordre des bactéries hydrogénotrophes, une hiérarchie de ces « hydrogénotrophes » dans le milieu et un fort développement des « acétotrophes » dans le milieu solide servant de support. Dans un cinquième axe, la mise en oeuvre de la tomographie électrique sur un digesteur de 30 m3 a permis de valider son utilisation pour localiser la phase liquide, les zones de potentiels méthane et les zones dégradées dans un container en fonction des protocoles de remplissage et de vidange du digesteur. Cette méthode est disponible pour localiser les zones mortes et donc pour optimiser le procédé de méthanisation en voie sèche type batch. A travers ces expérimentations menées à différentes échelles et avec différentes problématiques, des méthodologies ont été adaptées pour la compréhension des mécanismes et le suivi du procédé de méthanisation par voie sèche. / The dry anaerobic digestion (AD) process is an opportunity to develop the methanization in France. Agricultural waste is abundant in France. However, many scientific and technical locks are complex and must be solved to develop the dry anaerobic digestion process in France. In this work, the chemical oxygen demand (COD) method was adapted for solid waste no implying waste dilution or a high quantity of reagent. This COD method was available to monitor and manage the dry AD process. The study of acidification phase, a major lock of the dry AD process, showed that the storage condition and the origin of inoculum influence the capacity to manage this phase. The inoculum is a major parameter of the dry AD process. But, the inoculum is few studied.On another part of experiments concerned the water transfers studied on agricultural waste with a tracing method. The modeling of the elution curves to determine the diffusion and the convective transfers was made with a model with two Mobile-Immobile regions. The evolution of water transfers was studied during the AD cycle showing a decrease about the permeability of solid phase after the second peak of methane production. Thus, the inoculum passes on the board of solid phase. Two recirculations were tested allowing to obtain an improvement the methane production about 20 % after the AD cycle. The water transfers of these two recirculations modalities were identical after the AD cycle. The improvement of methane production occurred after the second peak of the methane production. Water and mass balances made showing that 36 % of organic matter was find in the digestat. Consequently, the process was not optimized. Others experiments modulating the immerged part of solid phase showed an improvement of the methane production about 13 % with the increasing of immerged part. This methane improvement was induced by the development of Methanosarcinaceae. The methanogens dynamics were studied in the liquid and solid phases during the AD process showing (i) a population transfer between the liquid phase to the solid phase, (ii) a hierarchy of hydrogenotrophs methanogens in the media, and (iii) a strong development of acetotrophs methanogens in the solid phase. In the final part, the electrical tomography was implemented in a dry AD batch at full scale (30 m3). This method was adapted to localize the liquid phase, the zones of methane potential and the degraded zones according to filling and the emptying protocols. This method can detect the “dead” zones of process in dry AD process.Though, experiments carried out at different scales and with different problematic and several methodologies were adapted to understand the dry AD process. Moreover, the optimization of dry AD process was finding to increase the methane production.

Au niveau des marges continentales, et plus particulièrement dans des zones dites d'émissions de fluides froids, des communautés microbiennes et animales complexes se développent localement à la surface des sédiments. Ces communautés utilisent pour leur croissance des composés chimiques réduits (H2S, Méthane, CO2 ...), contenus dans un fluide à basse température, percolant à travers les sédiments et issus de phénomènes géologiques et de divers processus microbiens. Afin d'étudier la diversité des communautés microbiennes associées à ces écosystèmes ainsi que leur rôle dans l'environnement, et d'appréhender les paramètres environnementaux influençant la distribution et l'écophysiologie de ces communautés, des sédiments de surface (0-20 cm) mais également plus profonds (<9 mbsf) ont été prélevés au niveau de la Marge de Sonora. Les communautés microbiennes présentes ont été étudiées par diverses approches de biologie moléculaire, de mise en culture et de microscopie. Ce travail de recherche a permis : i) de déterminer la structure et la diversité des communautés microbiennes métaboliquement actives dans ces sédiments, ii) de mettre en évidence des écophysiologies différentes entre les acteurs du cycle du méthane (méthanogènes, ANMEs, SRB), prépondérant dans cet écosystème et iii) de découvrir la présence de nouvelles lignées et fonctions microbiennes dans les sédiments de zones d'émission de fluides froids des marges continentales. / At continental margins, and more particularly in cold seep areas, microbial and animal communities were locally detected at the surface of the sediments. These communities grow using reduced chemical compounds (H2S, Methane, COZ ...) contained in the percolated cold fluids and produced by both geological and microbial processes. ln order to study microbial community diversity in these ecosystems and their role in the environment as well as to understand the environmental factors influencing the distribution and ecophysiology of these communities, surface (0-20 cmbsf) but also deeper (<9 mbsf) sediments were collected at the Sonora Margin. Microbial communities have been studied using various molecular, cultural and microscopy approaches. This research allowed: i) to determine the structure and diversity of metabolically active microbial communities in sediments, ii) to highlight different ecophysiologies for methane cycling microorganisms (methanogens, ANME, SRB) and iii) to discover the presence of new microbial lineages and functions in the cold seeps sediments of the continental margins.

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. (...)