Les caractéristiques des écosystèmes microbiens en font des modèles d'étude pertinents pour aborder des questions importantes de l'écologie générale par une approche expérimentale et théorique. Leur utilisation reste néanmoins marginale du fait de la difficulté à extraire certaines informations clés. Dans cette thèse, nous avons travaillé à dépasser ces difficultés pour étudier le lien biodiversité-fonctionnement des écosystèmes par le couplage d'outils de la biologie moléculaire et de l'automatique lors du suivi de chémostats nitrifiants. D’abord, nous avons élaboré une procédure générique permettant d'assigner une des fonctions étudiée de l'écosystème considéré à chacun des phylotypes (i.e. espèces moléculaires) détectés via des empreintes moléculaires. Cette méthode constitue une étape essentielle pour effectuer une modélisation structurée de type "bilan de matière" des interactions inter- et intra-spécifiques pouvant s’établir entre les différentes espèces assemblées. Ensuite, nous avons procédé à une modélisation de ce type en considérant la dynamique de quatre bactéries nitrifiantes : deux nitritantes (i.e. oxydant l’azote ammoniacal en nitrite) et deux nitratantes (i.e. oxydant les nitrites en nitrates). La confrontation des données expérimentales de ces quatre phylotypes avec les sorties du modèle montre que la prise en compte des différents types d’interactions permet d’expliquer la coexistence de plusieurs espèces en compétition pour une même ressource ainsi que la dynamique des fonctions exprimées au niveau de l’écosystème considéré. Enfin, nous avons étudié l’influence de différentes perturbations biotiques sur la résilience des systèmes nitrifiants et confirmons plusieurs études tendant à montrer que le fonctionnement macroscopique stable d'un écosystème peut s'accompagner de variations importantes au niveau populationnel.