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La digestion anaérobie est une stratégie attractive pour traiter et valoriser les déchets organiques, par la co-production de biogaz, fertilisants, chaleur et électricité. Ces bioprocédés utilisent les capacités des microorganismes à convertir la matière organique complexe en composés plus simples. Les biomasses représentent le "moteur microbien" des réacteurs, et influencent leurs performances. Un suivi microbiologique est important, or pour des communautés complexes, les techniques classiques de biologie sont chronophages et limitées. La récente démocratisation du séquençage d’ADN de nouvelle génération et de la bioinformatique a levé de nombreux verrous.
Ce doctorat concerne le développement et l’implémentation d’outils moléculaires culture-indépendants, basés sur le séquençage d’[...]

La digestion anaérobie est une stratégie attractive pour traiter et valoriser les déchets organiques, par la co-production de biogaz, fertilisants, chaleur et électricité. Ces bioprocédés utilisent les capacités des microorganismes à convertir la matière organique complexe en composés plus simples. Les biomasses représentent le "moteur microbien" des réacteurs, et influencent leurs performances. Un suivi microbiologique est important, or pour des communautés complexes, les techniques classiques de biologie sont chronophages et limitées. La récente démocratisation du séquençage d’ADN de nouvelle génération et de la bioinformatique a levé de nombreux verrous.
Ce doctorat concerne le développement et l’implémentation d’outils moléculaires culture-indépendants, basés sur le séquençage d’ARN de communautés complexes de microorganismes, aussi appelés métatranscriptomiques. Ces approches ont permis de caractériser les consortia procaryotiques fonctionnels de digesteurs anaérobie. Six types de réacteurs, traitant différent substrats (ordures ménagères, boues activées et effluent papetier), ont été analysés. Une méta-analyse de 33 jeux de données métatranscriptomiques a mis en évidence des taxons communs et spécifiques aux différents bioréacteurs, ainsi que de nombreuses fonctions génétiques, associées à des métabolismes d’intérêt (Carbone, Azote et Soufre).
Les résultats obtenus montrent le potentiel des outils métatranscriptomiques pour l’analyse d’échantillons environnementaux complexes. Ces outils de nouvelle génération, semblent être incontournables pour l’ingénierie microbiologique. Ils permettent d’interroger le "savoir universel" (bases de données biologiques), offrant ainsi une vision holistique de la composition et de la fonction de communautés complexes de microorganismes. Les principales limites concernent l’incomplétude des bases de données, les problématiques techniques et bioinformatiques, ainsi que l’intégration globale de ce nouveau savoir.

Anaerobic digestion bioreactors appear nowadays environmentally attractive because they allow treating and valorizing organic waste, by production of added value biogas, fertilizers, heat and electricity. Such bioprocesses employ natural abilities of complex microbial communities to convert complex organic matter into simpler molecules. Anaerobic digestion microbiomes represent the "microbial engine" of reactors, which ultimately sustain its performance. Solving dysfunctions or start phase issues is difficult especially without a microbiological monitoring. Classical microbiological and molecular tools show limitations dealing with complex communities, but recently the arrival of next-generation DNA sequencers and bioinformatics open locks.
New culture-independent molecular tools, based on RNA sequencing of complex microbial communities, also called metatranscriptomic approaches, were developed and implemented, in order to monitor the microbial consortia of anaerobic digesters. Six types of reactors were analyzed. They treated different substrates (solid waste, activated sludge and paper mill effluent), which spanned from lab to industrial scale. A meta-analysis of thirty-three metatranscriptomic datasets permitted to highlight specific and core groups of taxa present in bioreactors, as well as numerous genetic functions related to Carbon, Nitrogen and Sulfur metabolisms.
The results obtained from this work show the power of metatranscriptomics, to analyze complex environmental samples. Metatranscriptomics appears as an unavoidable tool for microbial community engineering, interestingly enabling an interrogation of the "universal knowledge" (biological databases), and giving a holistic picture about the structure and function of complex microbial communities. Some limits however still remain in relation to the incompleteness of databases, technical and bioinformatics issues, biological interpretations, as well as in the integration of this new knowledge in an inclusive picture.