De grandes quantités de méthane sont générées dans les sédiments marins, mais l'émission dans l'atmosphère de ce gaz à effet de serre important est en partie contrôlé par oxydation anaérobie de méthane couplé à la réduction de sulfate (SR AOM). AOM-SR est médiée par des méthanotrophes anaérobies (ANME) et bactéries sulfato-réductrices (SRB). AOM-SR est non seulement la régulation du cycle du méthane, mais il peut être utile appliquée pour la désulfuration des eaux usées industrielles au détriment du méthane comme source de carbone. Cependant, il a une bouilloire jambe pour contrôler et comprendre pleinement ce processus, principalement en raison de la lenteur croissante de l'ANME. Cette recherche a étudié de nouvelles approches pour contrôler et enrichiront ANME AOM SR et SRB dans le but final de la conception d'un bioréacteur approprié pour AOM SR à la pression ambiante et la température. Ceci a été réalisé en étudiant l'effet de (i) la pression et (ii) l'utilisation de différents composés du soufre comme accepteurs d'électrons sur AOM, (iii) la caractérisation de la communauté microbienne et (iv) L'identification des facteurs contrôlant la croissance des ANME et SRB .Théoriquement, le méthane des pressions partielles élevées favorisent AOM-SR, en plus de méthane sera dissoute et biodisponible. La première approche impliquait l'incubation d'un sédiments marins peu profonds (lac marin Gravelines) sous des gradients de pression. De manière surprenante, la plus haute AOM-SR activité a été obtenue à basse pression (MPa 00:45), montrant l'actif ANME méthane préféré faible disponibilité sur haute pression (10, 20, 40 MPa). Fait intéressant, ook l'abondance et la structure des différents types de ANME et CVN Piloté par pression.En outre, les micro-organismes présents dans les sédiments d'oxydation anaérobie de méthane ont été enrichies avec du méthane en tant que substrat dans le filtre de percolateur (BTF) aux conditions ambiantes. Autres composés de soufre (sulfate, thiosulfate et en soufre élémentaire) ont été utilisés comme accepteurs d'électrons. Quand a été utilisé comme thiosulfate accepteur d'électrons, son dismutation en sulfate et de sulfure a été la conversion de soufre dominant, mais les taux les plus élevés UTILE AOM-SR ont été enregistrés dans ce BTF. Par conséquent, AOM peut être directement couplé à la réduction ou thiosulfate, ou à la réduction du sulfate produit par le thiosulfate de dismutation. De plus, l'utilisation de thiosulfate a déclenché l'enrichissement ou SRB. D'autres termes, on a obtenu le plus haut ou l'enrichissement ANME Lorsque seul le sulfate a été utilisé comme accepteur d'électrons.Dans un BTF avec du sulfate en tant qu'accepteur d'électrons, tous deux ANME et SRB ont été enrichies à partir de sédiments marins et les flux de carbone à l'intérieur des micro-organismes enrichis ont été étudiés par fluorescence in situ échelle hybridation nanomètres spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS Nano-FISH). Les résultats préliminaires montrent l'absorption du méthane par un groupe spécifique de SRB.ANME et SRB adaptée aux conditions de sédiments profonds ont été enrichis dans un BTF à la pression ambiante et de la température. Le BTF est une combinaison bioréacteur de démarrage pour l'enrichissement ou lente des micro-organismes en croissance. De plus, peut être utilisé thiosulfate pour activer les sédiments et enrichir la communauté SRB plus d'enrichir la population stratégie ANME pour obtenir une haute AOM SR et plus rapide taux de croissance ANME et SRB pour les applications futures / Large amounts of methane are generated in marine sediments, but the emission to the atmosphere of this important greenhouse gas is partly controlled by anaerobic oxidation of methane coupled to sulfate reduction (AOM-SR). AOM-SR is mediated by anaerobic methanotrophs (ANME) and sulfate reducing bacteria (SRB). AOM-SR is not only regulating the methane cycle but it can also be applied for the desulfurization of industrial wastewater at the expense of methane as carbon source. However, it has been difficult to control and fully understand this process, mainly due to the slow growing nature of ANME. This research investigated new approaches to control AOM-SR and enrich ANME and SRB with the final purpose of designing a suitable bioreactor for AOM-SR at ambient pressure and temperature. This was achieved by studying the effect of (i) pressure and of (ii) the use of different sulfur compounds as electron acceptors on AOM, (iii) characterizing the microbial community and (iv) identifying the factors controlling the growth of ANME and SRB.Theoretically, elevated methane partial pressures favor AOM-SR, as more methane will be dissolved and bioavailable. The first approach involved the incubation of a shallow marine sediment (marine Lake Grevelingen) under pressure gradients. Surprisingly, the highest AOM-SR activity was obtained at low pressure (0.45 MPa), showing that the active ANME preferred scarce methane availability over high pressure (10, 20, 40 Mpa). Interestingly, also the abundance and structure of the different type of ANME and SRB were steered by pressure.Further, microorganisms from anaerobic methane oxidizing sediments were enriched with methane gas as the substrate in biotrickling filters (BTF) at ambient conditions. Alternative sulfur compounds (sulfate, thiosulfate and elemental sulfur) were used as electron acceptors. When thiosulfate was used as electron acceptor, its disproportionation to sulfate and sulfide was the dominating sulfur conversion, but also the highest AOM-SR rates were registered in this BTF. Therefore, AOM can be directly coupled to the reduction of thiosulfate, or to the reduction of sulfate produced by thiosulfate disproportionation. Moreover, the use of thiosulfate triggered the enrichment of SRB. Differently, the highest enrichment of ANME was obtained when only sulfate was used as electron acceptor.In a BTF with sulfate as electron acceptor, both ANME and SRB were enriched from marine sediment and the carbon fluxes within the enriched microorganisms were studied through fluorescence in-situ hybridization-nanometer scale secondary ion mass spectrometry (FISH-NanoSIMS). Preliminary results showed the uptake of methane by a specific group of SRB.ANME and SRB adapted to deep sediment conditions were enriched in a BTF at ambient pressure and temperature. The BTF is a suitable bioreactor for the enrichment of slow growing microorganisms. Moreover, thiosulfate can be used to activate the sediment and enrich the SRB community to further enrich the ANME population as strategy to obtain high AOM-SR and faster ANME and SRB growth rates for future applications

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