木质纤维素类生物质的储量巨大，以其为原料的生物基产品及其生产技术对于化工产业的持续发展、能源安全保障和环境保护均具有重要意义，发展前景广阔。在木质纤维素的生物转化过程中，其水解糖化是关键技术之一，目前最为有效的方法是酶解。然而，高昂的酶制剂极大地限制了以木质纤维素为原料的生物基产品生产技术的发展。而基于混合菌群的发酵，无需使用昂贵的纤维素酶就能将木质纤维素原料转化为各种化学品。丁酸被广泛应用于化工、食品饮料和制药等行业，还可进一步转化为生物燃料丁醇，是一种高附加值的生物基产品，但其生物转化的商品化进程受到酶解糖化成本高、发酵副产物多及产率低等问题的严重制约。本文以开发避免使用纤维素酶试剂的基于混合菌群的木质纤维素生物质丁酸发酵技术为目标，进行了水稻秸秆的预处理、丁酸发酵混合菌群的选育、丁酸发酵系统的构建及效能调控等研究，并从微生物学、生理生态学和代谢调控等方面探讨了混合菌群发酵秸秆产丁酸的机理。研究采用碱对水稻秸秆进行预处理，在50℃条件下，经1%氢氧化钠溶液浸泡72h，木质素去除率可达66%左右，而84%的纤维素和71%的半纤维素得到保留。同时，以牛粪、猪粪堆肥、玉米地土壤和腐木等为出发菌群，经过8个月的传代富集与筛选，获得一个具有稳定的纤维素、半纤维素利用能力和高丁酸产率的混合菌群，其微生物组成以纤维素降解菌、木聚糖降解菌、丁酸发酵菌以及其他产酸发酵菌为主。该菌群以氢氧化钠预处理水稻秸秆为底物，获得了6g/L的丁酸产量，占总挥发性脂肪酸的76%，与理论上丁酸梭菌（Clostridium butyricum）和酪丁酸梭菌（Clostridium tyrobutyricum）发酵葡萄糖的丁酸比例相当，表明该菌群在发酵水稻秸秆产丁酸方面具有很好的潜力。为了提高所选育的混合菌群发酵水稻秸秆的产丁酸能力，对pH值与缓冲剂、产甲烷抑制剂以及发酵模式进行了研究。结果表明，采用CaCO3与NaHCO3组合作为缓冲剂将发酵系统pH值控制于6.0～6.5之间对于丁酸发酵最为适宜，可获得7.3g/L的丁酸产量。在发酵系统中加入0.08g/L的氯仿可完全避免产甲烷的发生，且不会对系统丁酸发酵能力产生不利影响。在各种发酵模式中，重复分批发酵模式会使系统中的副产物增加，而目标产物丁酸的产率逐批下降，不适于混合菌群的丁酸发酵。相对于分批发酵，补料分批发酵在提高发酵液丁酸浓度方面更具优势。通过排发酵液再补料的发酵方式，可以缓解产物和钠离子的抑制作用以及发酵菌种的老化。补料分批发酵模式下，在有效容积为20L的搅拌槽式反应系统中，混合菌群表现出了较强的发酵秸秆产酸能力。控制发酵系统pH于6.0～6.5，每天排料3L后补料3L（90g/L的预处理秸秆），总挥发酸和丁酸产量可分别达到28.5和16.1g/L，甚至高于许多已报道的纯菌种发酵葡萄糖或蔗糖时的产量。其中，秸秆的丁酸转化率可达理论值的35%，总挥发酸实际产率（以乙酸当量计）更是高达理论值的64%。PCR-DGGE分析表明，混合菌群在补料分批发酵过程中保持了群落构成的相对稳定，纤维素和半纤维素降解菌、氨基酸降解菌、丁酸发酵菌及其他产酸发酵菌的共同作用和相互制约机制，为秸秆发酵产丁酸的高效性奠定了微生物基础。分析认为，所选育混合菌群可通过以下两个机制获得较高的丁酸转化率和产量：（1）混合菌群在秸秆发酵过程中，可通过丁酸发酵与乙酸发酵的平衡调节机制提高丁酸的产率。在发酵初期，混合菌群主要产生乙酸以获得更多的ATP用于微生物生长。随着乙酸生成的增加，NADH+H+过剩，发酵系统的pH下降，发酵液中的乙酸被细胞重新吸收并转化成丁酸。同时，乙酸发酵受到限制，而丁酸发酵则得到加强，从而减少了酸性末端和NADH+H+的形成。如此，通过乙酸发酵和丁酸发酵的平衡调节，使得发酵系统能够达到生理生态上的平衡，并保证了较高的丁酸产率。（2）在混合菌群产酸发酵系统中，混合菌群可通过初级发酵途径和次级发酵途径产生丁酸，是混合菌群高效发酵秸秆产丁酸的另一个机制。在初级发酵中，细菌转化单糖或纤维素生成丁酸；在次级发酵中，细菌利用乙酸或乙醇通过加链反应生成丁酸，也可通过乳酸的氧化生成丁酸。