化石能源的日益紧缺以及利用过程中引起的一系列环境污染问题,使得生物质能源受到越来越多的关注。农业废物中的玉米秸秆由于其不仅容易获得而且年产量大成为生产生物质能源的主要原料。玉米秸秆的主要组分是纤维素、半纤维素、木质素,三者之间的复杂结构严重限制了玉米秸秆的利用。因此,提高对玉米秸秆的降解对于生产生物质能源具有重要意义。反刍动物由于其瘤胃中丰富的瘤胃微生物存在能够高效降解木质纤维素生物质。本研究将瘤胃液发酵应用于玉米秸秆发酵过程中,探讨不同底物浓度的玉米秸秆在瘤胃液发酵过程中的效果与作用机制,研究多级瘤胃液发酵对玉米秸秆降解的提高。同时,对体外多次循环利用过程中瘤胃液发酵的效果以及微生物群落的变化进行研究,利用发酵液相与发酵固相分别作为接种物对玉米秸秆进行发酵,以期能够使得瘤胃微生物长期保持活性,提高玉米秸秆的发酵效果。选用不同底物浓度的玉米秸秆进行瘤胃液发酵,研究玉米秸秆的瘤胃液发酵效果和作用机制,实验结果表明瘤胃液发酵可应用于高浓度玉米秸秆的高效发酵,10%(w/v)固含量玉米秸秆72 h发酵产生的VFA浓度达到13271 mg/L。通过发酵过程中纤维素酶活性的变化发现,纤维素酶在水解过程中首先吸附在底物上,促进底物的水解,但是底物浓度较高时,发酵系统p H的降低和VFA积累会对酶活性造成抑制作用。瘤胃液发酵后玉米秸秆的结构发生较大变化,结晶度下降、比表面积增加,FTIR图谱结果显示主要是半纤维素得到降解。模拟反刍过程,采用瘤胃液发酵对玉米秸秆进行多级处理,结果表明虽然在第一级发酵(Stage 1)发酵效果最好,但是多级发酵能够显著提高玉米秸秆的降解程度,尤其是能够促进高固含量(10%(w/v))玉米秸秆的降解。经过Stage 2和Stage 3的瘤胃液发酵,Stage 4的发酵效果得到了明显提高。在Stage 4发酵中,10%(w/v)固含量玉米秸秆产生的VFA从Stage 3中不足1000 mg/L上升到5710.5 mg/L。与单级发酵相比,多级瘤胃液发酵对玉米秸秆的降解提高了82%。通过对多级瘤胃液发酵过程中纤维素酶在液相与固相中的分布研究发现,在Stage 1中,固相中吸附的纤维素酶活比液相中高,但在其他三个发酵阶段固相与液相中酶活相差不多,进一步表明纤维素酶对玉米秸秆的高效水解与其在底物上的吸附有密切联系。玉米秸秆结构在多级发酵中发生较大变化,Stage 1中主要为半纤维素的降解,而后续的多级发酵过程中主要为纤维素的降解。以发酵物作为接种物循环对玉米秸秆进行瘤胃液发酵,同时研究体外瘤胃液发酵过程中瘤胃微生物的群落演替。结果表明,以发酵物作为接种物,微生物的发酵能力逐渐下降,其丰度与多样性也都降低。瘤胃细菌中,Prevotella(普雷沃氏菌属)在瘤胃液循环发酵过程中,从发酵物第二次循环使用(Fermentation 2,F2)开始其相对丰度增加,成为主要优势菌。Ruminococcus(瘤胃球菌属)随着发酵物循环使用的进行,其丰度显著降低或消失。通过聚类分析发现,从发酵物第四次循环使用(F4)起,系统中微生物多样性与原始瘤胃液相比开始出现显著差异;从发酵物第五次循环使用(F5)起,系统中的微生物群落结构逐渐趋于稳定。对玉米秸秆瘤胃液发酵后发酵液相与固相中的微生物分布进行研究发现,瘤胃液发酵后发酵液相中的微生物群落丰度与多样性比发酵固相稍高。将发酵液相分别经过p H调节、瘤胃微生物分离、与新鲜瘤胃液混合等处理后作为厌氧发酵的接种物,发酵固相按照10%、20%、30%比例分别作为厌氧发酵的接种物对玉米秸秆进行发酵,研究发酵液相与发酵固相发酵玉米秸秆的效果。结果表明,经过p H调节至中性的发酵液相和30%发酵固相作为接种物具有较好的发酵效果,玉米秸秆发酵产生VFA浓度分别为4790.25 mg/L与5503.49 mg/L,与新鲜瘤胃液的发酵能力相当。发酵液相与发酵固相分别作为接种物进行玉米秸秆发酵后,以经p H调节发酵液相为接种物的系统中Bacillus(芽孢杆菌属)所占比例比较高,而以30%发酵固相为接种物的系统中Prevotella(普雷沃氏菌属)所占比例较高。发酵液相与固相都能够作为发酵物进行再次利用,但是对微生物群落组成的影响较大。