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资源、人口和环境压力是全人类面临的共同问题,开展科技创新、推动可持续发展,成为世界各国的共同目标。本研究提出生态修复和生物能源产出相结合的战略思路,研究从重金属、氮磷污染土地和水体中的植物生长,到能源作物和水生植物营养体生物能源产出的全过程,分析污染胁迫对植物生产力的影响,评价能源作物的生态修复能力、生物能源潜力、重金属耐受阈值及应用前景,探索重金属对厌氧发酵产甲烷过程的作用机制、影响因素,为进一步开展生态修复过程管理、提高木质纤维素材料利用率和生物能源产出效率等提供依据。主要结论如下:（1）生态修复过程中,植物对环境污染有一定的耐受性,生产力水平改变,影响后续生物质再利用。1)镉（Cd）对植物生长整体上表现出低促高抑的作用。低浓度Cd促进株高和生物量的生产,高浓度Cd在整个生长期内表现出抑制作用;玉米、甜高粱、油菜、小麦和燕麦对Cd耐受阈值分别为30、10、50、10和10 mg/kg;Cd主要富集在植物根部,较高的地上生物量保证了能源作物较高的Cd提取效率。2)水生植物对氮磷污染表现出形态学响应,吸收能力因物种而不同。香蒲叶片吸收水体中氮元素,降低水体中氮含量,具有较高的叶片氮积累量、较大的叶宽和茎粗;芦苇茎叶生长对氮磷含量的变化不敏感,叶片氮磷积累量超过茎的氮磷积累量;荷叶对氮磷污染敏感,个体生长指标随总氮含量增加而减小。3)植物对外界压力引起的光抑制表现出一定的适应性,不同生长期的植物适应能力差异明显。植物通过调整叶片生长、叶绿体结构等方法适应光抑制,提前或延后生长阶段,改变淀粉含量和生物量;Cd对植物光合作用的抑制在苗期最明显,净光合速率NPR与初始Cd浓度基本呈线性关系（R2=0.8511,p<0.05）,苗期之后,植物对Cd污染逐渐适应;芦苇NPR大于香蒲,且夏秋季节差异不明显,荷叶夏秋NPR差异明显,与水体氮磷存在对应关系;Cd污染提高了花期之前拟南芥植株挥发性固体（VS,6.33%TS）、纤维素（1.12%TS）和半纤维素（0.99%TS）含量,降低木质素（0.65%TS）的含量,有利于后续厌氧发酵的利用;新鲜秸秆比干秸秆具有更好的发酵过程稳定性、更高的产气量（130%）和更短的发酵时间,即比后者更适合用于厌氧发酵产气。（2）生态修复后能源作物营养体具有较大的生物能源潜力,厌氧发酵产气过程受到重金属、预处理和温度的影响。1)能源植物体内一定浓度的Cd可以提高其厌氧发酵产气效率。经折算厌氧发酵罐内的Cd浓度并分析其与累积产气量之间的关系,高温（55.0±1.0°C）条件下,秸秆和牛粪混合厌氧发酵体系对Cd的耐受阈值约为1 mg/L。2)弱酸预处理提高了原料中VS、纤维素和半纤维素的含量,同时增加发酵过程中纤维素和半纤维素的降解量,提高发酵过程的稳定性,最终提高总产气量。3)Cd添加提高产气高峰期的日产气量（245%）,延长产气高峰时间;促进二氧化碳（CO2）转化为甲烷（CH4）的过程;降低了发酵体系中的ORP值,提高了p H值,增加系统的缓冲能力;提高纤维素酶的活性和纤维素的降解,产生更多易于被微生物利用的VFA,提高了形成短链脂肪酸尤其是乙酸的效率,使得乙酸（占总VFA的50%以上）>丁酸>丙酸>戊酸,保障了产CH4前体物的供给;提高了脱氢酶和辅酶的含量,进而提高了产气量（405%）和CH4含量（6%）。4)温度主要影响发酵过程中的酸化和乙酸化过程,高温条件有利于提高厌氧发酵初期的原料水解,促进水解产物的酸化和乙酸化过程,维持较好的发酵平衡和过程稳定性,从而提高产气量。（3）生态修复水生植物营养体具有较大的生物能源潜力,酸预处理、添加Fe2+和Ni2+有利于提高原料利用率和能源产量。1)磷酸预处理可以有效减少芦苇秸秆中木质素的含量（9.54%）,破坏木质纤维素结构,促进发酵过程中纤维素和半纤维素的降解,提高发酵过程稳定性,提高产气量（610%）;2)添加Fe2+可以提高发酵过程的累积产气量,提前产气高峰,延长产气高峰时间,提高产气中CH4的含量;提高发酵启动期脱氢酶的活性,加快启动发酵过程,提高发酵前期纤维素酶的活性,从而提高发酵过程中可用有机物的量,同时提高了有机物的降解,减少化学需氧量（COD）的积累,提高产气效率。3)添加Ni2+可以提高产气高峰期间和产气高峰之后的产气量,导致总累积产气量增加;发酵初期,纤维素酶的活性足够保证水解过程,提供足够乙酸化和产甲烷过程的有机物,此时的产气量主要取决于Ni2+添加对脱氢酶的影响,之后随着发酵的进行,Ni2+添加对发酵过程的影响主要体现在对纤维素酶活性的影响。本研究采用全过程控制的思想,将生物能源生产与环境污染控制结合起来,考察了重金属污染土地和氮磷污染水体中生产生物能源的可能性,并为生物质原料的收割时间以及重金属浓度调节提供参考,从厌氧发酵的不同阶段、不同因素研究了重金属对发酵过程的影响机制,为生物能源领域的进一步研究奠定基础,为提高生物能源产出、解决能源问题提供新的思路和指导。