L’immense diversité métabolique du monde des micro-organismes est la clé pour la dépollution biologique des eaux, des sols, des nappes phréatiques et de l’air. Les bioprocédés appliqués se classent principalement parmi les technologies « end-of-pipe » qui ont le but de minimiser l’impact néfaste sur notre environnement des effluents pollués de notre société. Dans le futur, les développements devraient se concentrer sur les bioprocédés qui nous amènent vers une valorisation des ressources présentes dans les effluents à traiter, c’est-à-dire favoriser les technologies de recyclage. Un exemple déjà bien établi parmi celles-ci est la digestion anaérobie avec production de biogaz à partir d‘effluents riches en matière organique. La fiabilité des bioprocédés pour l’environnement est plus importante que leur efficacité. Pour cette raison, l’utilisation de cultures microbiennes en mélange est plus appropriée, car elles montrent une meilleure résistance aux chocs de charge, une tolérance plus élevée aux variations de pH et une bonne activité dans une large gamme de températures. Ces communautés microbiennes étaient par le passé traitées comme des boîtes noires, car il manquait d’outils appropriés pour caractériser leur composition. Différents développements des techniques utilisées en biologie moléculaire ont permis d’avoir un autre regard sur ces communautés et d’analyser ce qui s’y passe à l’intérieur. Ces analyses ont par exemple montré que les bactéries que l’on croyait responsables de la nitrification ou de la déphosphatation biologique dans les systèmes de traitement des eaux usées étaient pratiquement absentes dans les communautés microbiennes présentes dans les boues activées. Ces techniques moléculaires ont également permis d’identifier les bactéries responsables de ces activités microbiennes, certaines d’entre elles n’étant même pas encore isolées en culture pure telles que Candidatus Accumulibacter phosphatis et Candidatus Competibacter phosphatis. Les outils d'écologie microbienne moléculaire peuvent être appliqués pour (i) détecter la présence et l'activité des micro-organismes et enzymes-clés et (ii) pour analyser la composition et la dynamique des communautés microbiennes lors d'un biotraitement. Nous avons appliqué la première option pour étudier et caractériser la guilde des bactéries déhalorespirantes impliquées dans la bioremédiation de solvants chlorés tels que le perchloro- et le trichloroéthène présents dans des aquifères contaminés. La détection des genres bactériens spécifiques tenus responsables de la déchloration réductrice des contaminants en question a montré parmi des échantillons de différents aquifères que les genres Desulfitobacterium et Dehalococcoides sont très répandus dans l'environnement. L'enrichissement de l'activité déhalorespirante a par contre indiqué que la présence du genre Dehalococcoides ne garantit pas une déchloration complète des chloroéthènes. Le même phénomène a été observé concernant les enzymes-clés, les déhalogénases réductrices. La deuxième possible application des techniques d'écologie microbienne moléculaire a été utilisée pour caractériser les communautés microbiennes impliquées dans la déchloration réductrice au sein des nappes phréatiques, les communautés responsables de la digestion anaérobie sous des conditions spécifiques, celles impliquées dans la biofiltration des chlorobenzènes et celles présentes dans des boues granulaires aérobies. Ces études nous ont montré que la structure des communautés microbiennes déchlorantes n'est pas fortement influencée par la guilde des bactéries déhalorespirantes, mais plutôt par des variables environnementales comme la taille des particules de sol ou le pH. Les expériences de digestion anaérobie ont mis en évidence que certaines perturbations causées par un changement abrupt de composition du substrat peuvent induire des modifications au niveau des communautés microbiennes qui semblent être irréversibles et qui se manifestent bien avant la variation importante des paramètres considérés comme des indicateurs d'un mauvais fonctionnement de la digestion anaérobie. L'étude du système de biofiltration des chlorobenzènes avec la production en bioréacteur d'un inoculum a montré qu’il est plus favorable de produire un inoculum bien adapté aux conditions opératoires spécifiques plutôt que d'obtenir un maximum de biomasse. Pour terminer, l'investigation des boues granulaires aérobies nous permet de déterminer quelles sont les conditions opératoires favorisant la prédominance des bactéries accumulatrices de phosphates sur les bactéries accumulatrices de glycogène. Pour conclure, les possibilités d'analyse moléculaire de la biomasse, jusqu’alors considérée comme une boîte noire, nous permettent de développer des procédés intégrés et innovateurs pour le traitement des eaux polluées.