Structure and activity of the rumen methanogenic Archaea community in relation to methane production by ruminants | Structure et activité de la communauté des Archaea méthanogènes du rumen en relation avec la production de méthane par les ruminants

English. Methane (CH4) is a major greenhouse gas. Livestock contributes to one third of CH4 produced by human activity in Europe. Methanogenesis is the result of the activity of a specific group of microorganisms, the methanogenic Archaea. This natural process prevents hydrogen accumulation in the rumen, which may affect the optimal feed degradation, but it represents a loss of 2% to 12% of energy consumed by the animal. Reduction of CH4 emissions from ruminants presents therefore economic and environmental benefits and inevitably involves a change in rumen microbial ecosystem. However microbial mechanisms of CH4 production in the rumen are still poorly understood. The objective of this thesis was to relate the production of CH4 with the structure and/or the activity of the methanogenic rumen community. Different models of manipulation of the rumen microbiota such as defaunation (removal of protozoa) and the use of feed known to affect methanogenesis were used. Interactions between methanogenic Archaea and other microorganisms (bacteria and protozoa) were also studied in the complex rumen ecosystem. In this context, tools of molecular biology, to identify key microbial communities, were optimized. Our work allows to conclude that there is no clear relationship between the number of methanogenic Archaea and methanogenesis rate in the rumen. However, reduction in CH4 emissions could be attributed to changes in the diversity of the methanogenic community and the availability of hydrogen. This thesis has shown that changes in the composition and / or metabolic activity of methanogenic Archaea community were associated to the reductions in CH4 emissions observed in our animal trials. A better understanding of microbial mechanisms involved in the production of methane will consider new ways to reduce emissions in ruminants.

French. Le méthane (CH4) est un des principaux gaz à effet de serre. L’élevage est à l’origine d’un tiers du CH4 produit par l’activité humaine en Europe. En plus, la production de CH4 représente une perte de 2% à 12 % de l’énergie consommée par l’animal. La méthanogenèse est le résultat de l’activité d’un groupe de microorganismes particuliers - les Archaea méthanogènes. La production de CH4 permet de d’éliminer du milieu ruminal l’hydrogène produit au cours de la fermentation des aliments par les autres microorganismes (bactéries, protozoaires, champignons). En effet, l’accumulation d’hydrogène affecte le fonctionnement optimal du rumen. La réduction des émissions de CH4 par les ruminants présente donc un intérêt économique et environnemental non négligeable et passe inévitablement par une modification de l’écosystème microbien du rumen. L’objectif de ce travail de thèse était de relier la production de CH4 avec la structure et l’activité de la communauté méthanogène du rumen. Différents modèles de manipulation de l’écosystème microbien ruminal comme la défaunation (élimination des protozoaires) et l’utilisation d’aliments connus pour modifier la méthanogenèse ont été utilisés. Le rumen étant un écosystème complexe, les interactions fonctionnelles entre les Archaea méthanogènes et les autres microorganismes présents (bactéries et protozoaires) ont également été étudiées. Dans cette optique, des outils de biologie moléculaire, permettant de cibler les principales communautés microbiennes, ont été optimisés. Nos travaux permettent de conclure sur l’absence de relation claire entre le nombre (et/ou la concentration) des Archaea méthanogènes et la méthanogenèse dans le rumen. Cependant les réductions des émissions de CH4 ont été attribuées aux changements dans la diversité de la communauté méthanogène et la disponibilité en hydrogène. Ce travail de thèse a mis en évidence que les modifications de la composition et/ou de l’activité métabolique de la communauté des Archaea méthanogènes seraient à l’origine des réductions des émissions de CH4 par les ruminants. Une meilleure connaissance des mécanismes microbiens impliqués dans la production de méthane permettra d’envisager de nouvelles pistes pour diminuer les émissions chez les ruminants.