秸秆是农业生产活动中产生的一种固体废弃物,一般采用露天焚烧处理。然而,秸秆焚烧会破坏土壤结构,导致农田质量下降。因此推进固体废弃物处理的研究可以使木质纤维素生物质生成水解液,通过微生物的利用将其转换为高附加值的产品,如生物丁醇。而在水解液转换为生物丁醇的发酵过程中,菌株性能是重要的因素,菌株对水解液中五碳糖和六碳糖摄取能力低的特点阻碍了生物丁醇发酵工业的发展。本论文对木质纤维素生物质的预处理过程及酶解过程进行了优化,并通过重离子束诱变筛选高品质的丙酮丁醇梭菌,而后对突变株代谢水解液中五碳糖与六碳糖的能力进行了研究。论文取得主要成果如下:第一部分:木质纤维素秸秆具有顽固的自然结构,不利于糖的释放。因此为了增加木质纤维素秸秆的利用率,对其进行有效的预处理是必要的。本研究采用响应面法对酸处理及碱处理木质纤维素生物质的工艺进行了优化。结果表明:酸处理的最佳工艺是:氢离子浓度3.7%,颗粒尺寸50目,预处理时间1.3 h,预处理温度53℃,在此条件下固体损失率为42.14%;碱处理的最佳工艺是:OH-离子浓度5%,颗粒尺寸80目,预处理时间1.2 h,预处理温度53℃,在此条件下固体损失率为51.24%。第二部分:研究了酶比例对总糖释放的影响,用高效液相色谱仪测定了酶解液中单糖的组成及含量,并用气质联谱仪对预处理液进行了分析。结果表明:当纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的添加量分别为20 U/g,30 U/g时,即当酶比例为0.67时,对总糖的释放最有利,且总糖含量为2.88±0.04 mg/m L;在酶解液中测到了10种单糖,分别是鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、木糖、葡萄糖、甘露糖、核糖、岩藻糖、葡萄糖醛酸,半乳糖醛酸;通过对预处理液的分析,检测到了几中未知化合物,如9-oxabicyclo[6.1.0]nonane,cis-;4-(trifluoromethyl)benzoic acid,3-chloroprop-2-enyl ester等。第三部分:采用马尔可夫链蒙特卡罗通过Logistic的模型与Logistic的回归模型,量化了丙酮丁醇梭菌的致死与突变概率,并导出了Logistic回归模型参数的贝叶斯框架下的50%,90%,95%和99%的置信区间,确定了最佳的辐照剂量区间。当辐照能量为135 AMe V,剂量为45 Gy时,该菌的存活率在10%左右,意味着在该区间内容易产生突变株,而得到这一结果的概率为99%。第四部分:在水解液向生物丁醇的转化过程中,微生物的性能是至关重要的。本研究,在血清瓶中考察原始菌株与突变株在代谢葡萄糖的过程中p H值、耐毒性、产溶剂等动力学参数随时间的变化关系。结果表明:原始菌株和突变株均表现出了双代谢模式,原始菌株在36 h后进入产溶剂期,而突变株在45 h后进入产溶剂期;原始菌株在丁酸添加量高于11 g/L时,细胞生长逐渐受到抑制,而对于辐照菌株在丁酸添加量高于13.2 g/L时,细胞生长受到抑制;突变株的产溶剂能力高于原始菌株,在60 h后,丁醇产量为8.12 g/L。以水解液为底物,利用突变株与原始菌株进行发酵。结果表明:重离子辐照后,菌株活性升高,代谢加快,可以同时利用五碳糖和六碳糖,增加了溶剂产量。在补料发酵90 h后,丁醇、丙酮、乙醇的浓度分别为10.13 g/L、6.74 g/L、9.21g/L。