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有机固体废弃物的资源化和能源化利用对于缓解能源和环境危机以及废弃物的合理处置具有重要意义。通过厌氧发酵制氢技术对有机废弃物进行生物转化具有运行工艺简单以及环境友好等优势从而受到广泛关注,然而其工业化规模的发展依然受限于目标产物得率和底物转化率低下等问题。本研究以甘蔗渣（Sugarcane bagasse,SCB）作为模式木质纤维素底物,以改善其厌氧生物转化效率为目标,开展高效纤维素降解及产氢功能细菌的选育和生物炭强化发酵性能的研究。建立过硫酸氢钾（Potassium peroxymonosulfate,PMS）联合脱乙酰化预处理甘蔗渣工艺,预处理甘蔗渣（Pretreated SCB,PSCB）综纤维素含量高达83.5%,组分中的酶解和发酵抑制剂均被有效去除。同步糖化共发酵（Simultaneous saccharification and cofermentation,SSCF）评价结果表明:在底物量高达330 g/L的条件下,乙醇和琥珀酸最高产量分别达到120.8 g/L和34.8 g/L,说明使用所构建的预处理工艺能够获得具有卓越降解性能的甘蔗渣底物。基于纤维素降解产氢菌的集成生物加工（Consolidated bioprocessing,CBP）能够最大程度简化生物制氢工艺,嗜热菌具备相对更旺盛的生长代谢活力以及更高效的纤维素降解产氢能力。以造纸污泥为目标功能菌种来源,通过不断传代富集得到稳定的嗜热纤维素降解产氢菌群MC1。MC1含有高丰度的具有纤维素水解功能的Ruminiclostridium和具有高效产氢功能的Thermoanaerobacterium,以纤维素为碳源分离得到具有纤维素降解产氢和糖化能力的Clostridium thermocellum MJC1,其利用5 g/L的纤维素和纤维二糖的氢气产量分别为45.1和47.7 m M。以葡萄糖为碳源分离得到一株能够高效利用可发酵性糖产氢的Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum MJ2,其利用10 g/L的葡萄糖、木糖、纤维二糖的氢气产量分别为146.8、156.7和183.7 m M。MJ2的产氢得率在葡萄糖提高至15 g/L时显著降低。分离获得的功能菌株为构建高效的CPB降解产氢工艺奠定了良好基础。通过添加生物炭解决了MJ2在高浓度葡萄糖条件下的氢发酵性能较差的问题。生物炭的添加显著降低了MJ2发酵的延滞期,同时能够提高2.9倍的最高产氢速率和2.8倍的产氢潜力。生理生化分析结果表明不同生物炭均有效改善了生物量和生物膜的合成,然而对胞内代谢活力没有促进作用。转录组分析结果表明:生物炭的添加没有提高碳代谢相关基因表达水平,而显著上调了涉及生物膜形成以及细胞固定化的鞭毛基因、涉及产氢的固氮酶和膜上Ech氢酶基因,同时下调了耗氢Hnd氢酶基因,并且同处生物炭添加体系中的固定化细胞相对于游离细胞体现出更显著的差异表达。此外,添加生物炭显著改善了MJC1利用PSCB降解产氢性能。添加生物炭显著提高MJC1产氢潜力和最大产氢速率,分别提高了101.8%和113.1%。其强化产氢的途径包括提高了MJC1细胞量,降低了发酵体系的氧化还原电位（Oxidation-reduction potential,ORP）,提高了纤维素酶酶活,并且调节了碳平衡。建立了MJC1和MJ2的共培养产氢体系,当二者初始接种比为2:1时,氢气终产量达到最大值,在10 g/L的底物量条件下氢气产量达到177.5 m M。进一步探究了生物炭对共培养产氢发酵的影响,结果表明生物炭显著提高了乙酸和丁酸等产物产量,同时提高33.1%的氢气终产量。进一步在嗜中温菌群利用PSCB降解产氢的暗发酵体系探究生物炭的强化机理。理化特性分析结果表明三种生物炭在元素组成、比表面积以及电导性能等方面呈现显著差异。结果表明生物炭能够显著提高胞内外还原力水平、提高生物量、改善关键酶活力、刺激胞外聚合物（Extracellular polymeric substance,EPS）的合成、改善发酵体系电子传递效率和功能菌的丰度,并且显著提高最大产氢速率和产氢潜力,分别提高5.8倍和3.0倍,所形成的微生物空间群落结构可能有助于优势种之间的协同降解产氢作用。研究产氢上清液进行厌氧发酵产甲烷,添加生物炭可以显著提高底物降解速率,增加41.2%的甲烷终产量。生物炭的添加显著降低了胞外电子介体合成,促进了腐殖酸的合成。生物炭的添加有助于在发酵初始迅速富集甲烷发酵微生物,且通过紧密吸附建立和维持稳定的微生态互营群落。此外,生物炭显著提高甲烷古菌和特定功能细菌的丰度,并且导致体系中特定优势微生物形成明显的空间分布偏好性。本研究构建的高效的甘蔗渣预处理方法为木质纤维素预处理提供了参考,分离获得的嗜热产氢菌T.thermosaccharolyticum MJ2为生物制氢的研究提供了优质的候选菌株,基于共培养和生物炭强化的产氢发酵策略为高效的木质纤维素降解产氢提供了技术方案,结合多角度的生理生化、电化学以及转录组分析为生物炭强化厌氧发酵性能的机理探究提供了有力的理论依据和新的见解。