能源需求的迅速增长、化石燃料储量的减少以及化石燃料对环境的影响使人们开始对可再生能源产生兴趣。木质纤维素是世界上最丰富的可再生资源,将其高效转化为燃料乙醇一直是可再生能源领域的研究热点。木质纤维素转化成燃料乙醇一般涉及3个主要步骤:预处理、酶解和发酵,其中,通过预处理破坏木质纤维素的顽固结构、降低多糖的聚合度以及增大纤维素的暴露面积,可以大幅度提高后续的酶解和发酵效率。高效的预处理是木质纤维素转化的关键步骤,也是纤维素燃料商业化应用的瓶颈所在。目前常用的酸、碱、蒸汽爆破等预处理方法,普遍存在环境污染、设备要求高、能量消耗高等缺点。针对以上不足,本文将离子液体与木质素生物降解技术相结合,充分利用离子液体对木质纤维素的破坏作用和微生物高效去木质素的特点,研发了一种绿色溶剂联合生物处理的新型木质纤维素预处理技术。将此技术应用于水稻秸秆的预处理,对其联合处理效果及作用机制展开了研究,主要取得了以下的研究成果及结论:(1)利用离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐(EMIMAC)对水稻秸秆进行预处理,考察了预处理固液比、处理温度和处理时间对水稻秸秆组成成分和酶解糖化效果的影响,优化了纤维素酶用量、酶解温度、酶解时间和缓冲液pH的酶解条件。发现离子液体预处理能降低酶解过程纤维素酶浓度和酶解时间,在酶解条件为纤维素浓度12 FPU/g生物质,酶解48 h,酶解温度50°C,缓冲液pH 4.8下进行酶解能取得较好的酶解效果。离子液体预处理后水稻秸秆酶解糖产量随固液比降低而升高,随温度升高而升高,时间对糖产量影响较小。(2)利用木质素固体培养基和水稻秸秆液体培养基对两株细菌进行筛选,其中Cupriavidus basilensis B-8单独处理水稻秸秆3天,水稻秸秆的木质素含量从13.7%降低到7.1%,酶解糖化后还原糖和葡萄糖产量从189 mg/g生物质和155.3 mg/g生物质提升到254.6 mg/g生物质和200.6 mg/g生物质。Cupriavidus basilensis B-8对木质素的去除效率明显,适宜作为预处理菌种。(3)利用离子液体EMIMAC在高固液比条件(1:3)下先对水稻秸秆进行预处理,再联合细菌Cupriavidus basilensis B-8对水稻秸秆进行去木质素过程。结果表明联合预处理后水稻秸秆木质素含量明显下降,大部分纤维素与半纤维素保留下来,前一步的离子液体预处理使木质素发生重新分布,加强了后一步细菌对木质素的降解,相对离子液体预处理,联合预处理使水稻秸秆木质素含量降低5.5%~7.2%。联合预处理对水稻秸秆酶解糖化提升效果明显,在110°C,4 h单独EMIMAC预处理条件下,还原糖和葡萄糖产量分别为510.3 mg/g生物质和324.5 mg/g生物质,而在此条件下,联合预处理后水稻秸秆酶解还原糖和葡萄糖产量分别达到713.2 mg/g生物质和444.8 mg/g生物质,分别是单独离子液体预处理的1.40倍和1.37倍。(4)分析了离子液体/细菌联合预处理的作用机制。扫描电子显微镜(SEM)表明离子液体对水稻秸秆表面微观结构破坏严重,其比表面积大大增加,水稻秸秆对纤维素酶的吸附率从18.8%上升至52.5%;热重(TG)分析表明离子液体处理使高分子纤维素发生部分水解,水稻秸秆热稳定性降低;傅里叶红外光谱(FTIR)表明离子液体通过断裂聚木糖内乙酰基和酯键,破坏水稻秸秆的化学结构;X射线衍射(XRD)则表明离子液体预处理能够降低水稻秸秆中纤维素的结晶结构,可使结晶度由0.58降低到0.44。进一步利用Cupriavidus basilensis B-8联合预生物处理过后,水稻秸秆微观结构破坏更加严重,木质素苯环骨架中C=C键、C=O键发生断裂,木质素去除明显,水稻秸秆对纤维素酶的吸附率上升至58.6%。以上结果表明,离子液体处理可有效破坏水稻秸秆中木质纤维素之间的稳定结构,并显著降低纤维素的结晶度,但对木质素的去除效率较低,而细菌处理则能更有效地去除水稻秸秆中的木质素,两种处理技术联合之后产生了良好的协同作用。本论文研究表明采用离子液体联合生物预处理技术能有效破坏水稻秸秆结构,降低纤维素结晶度,有效去除木质素组分,可实现木质纤维素酶解糖化效果的显著提升,且该技术绿色环保、操作简单,是一种具有潜力的木质纤维素预处理方法。