La méthanisation des composés lignocellulosiques présente un fort intérêt en raison de leur haut potentiel énergétique et de leur abondance, notamment dans les ordures ménagères résiduelles. Toutefois, leur complexité de structure et de composition rend ces matériaux difficilement dégradables en conditions anaérobies et l’utilisation de prétraitements est généralement requise afin d’améliorer leurs rendements de biodégradation. Outre l’effet de ces prétraitements sur la biodégradation de ces composés, la colonisation des lignocelluloses par les micro-organismes cellulolytiques est une étape clé pour l’efficacité de sa dégradation. Dans ce cadre, le travail de thèse a pour objectifs de mieux comprendre le déterminisme de la colonisation de déchets, d’établir le lien entre la colonisation des déchets lignocellulosiques et l'efficacité de leur dégradation et enfin de caractériser plus finement les mécanismes et interactions mises en jeu au sein de la biomasse. Afin de répondre à ces questions, une approche transversale a été développée, combinant des modèles de cultures de souches pures et des systèmes de méthanisation en laboratoire par des communautés complexes. Des approches intégratives ont été appliquées à l’étude de ces systèmes, couplant des analyses haut-débit (métagénomique/(méta)protéomique), un suivi physico-chimique de la biodégradation et des caractérisations physico-chimiques des composés lignocellulosiques étudiés. L’ensemble des résultats met en évidence le rôle des propriétés chimiques, micro-et macro¬structurales des composés lignocellulosiques dans leur récalcitrance, leur performances de dégradation et la réponse du compartiment microbien. La réalisation de la première étude de protéomique totale et quantitative sur la souche pure cellulolytique Clostridium cellulolyticum, modèle des Clostridia cellulolytiques mésophiles, a permis de mettre en évidence que la vitesse maximale de biodégradation du mouchoir en papier est supérieure à celle du coton et que cette dégradation est associée à un profil métabolique particulier, à une colonisation plus rapide et plus étendue et à une modulation quantitative du système cellulasique. D’autre part, une étude sur un système plus réaliste pour l’étude de la méthanisation des déchets lignocellulosiques a confirmé la bonne concordance entre ce système et le système modèle utilisé et a également permis de mettre en évidence les effets substrats sur la structure des communautés microbienne avec la dominance de la classe Bacteroidia en présence de mouchoir en papier et la forte proportion de la classe Spirochaetes en présence de coton. Enfin l’étude des effets de broyages très fins de la paille de blé et du carton plat ont mis en évidence les limites de ces prétraitements sur les performances de leur dégradation, avec l’effet positif modéré du broyage fin de la paille. Ils ont également montré la sensibilité des communautés microbiennes aux changements de surface du substrat, qui se manifeste par l'émergence de communautés parfois différentes en fonction du prétraitement mécanique appliqué. En conclusion, ce travail a permis de traiter sous un angle nouveau les questions liées à la récalcitrance des déchets lignocellulosiques en abordant à la fois les aspects structuraux, écologiques et fonctionnels. Ces résultats alimentent le corps de connaissances fondamentales sur les bioprocédés. Ils confirment que les matériaux lignocellulosiques sont particuliers parmi les déchets non-dangereux et qu’une exploitation plus large de leur potentiel énergétique nécessiterait la mise en œuvre de procédés spécifiquement adaptés.