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我国作物秸秆资源庞大,其中因露天焚烧和堆腐产生的温室气体,每年高达0.56亿吨当量CO2左右,甚至引发了区域性大气污染、土地退化和农村环境治理难等突出问题。大力推动秸秆资源转化技术的高质量发展,是我国力争按期实现“双碳”战略目标的重要举措,也是潜力所在。现代生物炼制技术,具有典型“碳中和”特征,研发与推广以木质纤维素等非粮生物质为原料的丁醇生物炼制技术,对于破解生态环境压力、积极应对气候变化、推动新常态下经济发展等具有重要战略意义。本文针对木质纤维素丁醇生物炼制技术存在的生物催化转化效率低和酶制剂使用量大等共性瓶颈问题,基于羧酸平台概念与电发酵原理,系统开展了以电化学催化强化秸秆丁酸-丁醇分步发酵系统的构建与效能定向调控研究,以期为研发无须大量酶制剂使用的高效木质纤维素丁醇生物炼制技术提供理论指导与技术参考。以前期选育的秸秆丁酸发酵混合菌群DCB的培养为基础,构建并对比研究了阴极电发酵（CEF）和阳极电发酵（AEF）系统的水稻秸秆丁酸发酵效能。研究发现,在施加电势为-0.80 V（vs Ag/Ag Cl）的条件下,CEF可显著提高DCB菌群中的丁酸发酵细菌丰度和水稻秸秆丁酸转化效率,丁酸产量、产率及选择性分别较无电势施加的开路系统（OC）提高了17.37%、28.13%和17.93%,而AEF系统和电子介体中性红（NR）,并不能DCB菌群的丁酸发酵效能。对DCB菌群CEF系统的优化调控结果表明,适宜的阴极电势（-1.00 V）可显著促进丁酸发酵功能菌群（Clostridium IV和Clostridium Xl Va）的生长代谢,而间歇补料发酵模式更有利于丁酸产量的提高,在施加电势-1.00 V、p H 7.0和水稻秸秆初始加载量为30 g/L的条件下,CEF系统中的丁酸积累高达20.35 g/L,但丁酸的选择性仅有47.46%。以高效丁酸发酵细菌C.tyrobutyricum对DCB菌群进行优化,可使混合菌群微生物组中的多种基因水平上调,并提高菌群对高浓度VFAs的耐受性,使CEF系统的丁酸产量和选择性分别高达28.02 g/L和53.58%,丁酸的产率和生成速率也分别从0.31 g/g和0.97 g/（L·d）提高到了0.41 g/g和1.33g/（L·d）。以C.beijerinckii NCIMB 8052的培养为基础构建的CEF系统,在20 g/L葡萄糖和-0.75 V的条件下,加载0.50 mmol/L的电子介体NR,可使系统的丁醇产量和产率分别达到5.49 g/L和0.30 g/g（0.41 mol-C/mol-C）,较无NR加载的OC系统分别提高了569.51%和172.73%。适宜的阴极电势（-0.60 V）,能够有效地刺激胞内NADH的合成,提高NADH/NAD+水平,并快速启动产溶剂相反应,削减VFAs的积累,强化丁醇合成效率。对C.beijerinckii的CEF系统的优化调控结果表明,在-0.60 V条件下,0.50 mmol/L甲基紫精（MV）的加载,可有效抑制氢酶活性,减少H2合成,使电子流和碳流更多地分配于丁醇合成路径,将丁醇的产量、产率和选择性分别提高到6.71 g/L、0.30 g/g和74.75%。以秸秆酶解液主要成分（葡萄糖、木糖和纤维二糖,质量百分比约为6.23:2.97:1.00）为底物的丁醇CEF结果表明,C.beijerinckii不仅可以高效吸收转化葡萄糖和纤维二糖,也可有效吸收和转化木糖。以秸秆酶解液稀释液（30 g/L葡萄糖为基准）为底物的丁醇CEF系统,其丁醇的产量、产率和选择性分别可达8.53 g/L、0.33 g/g-糖和78.55%。为实现丁酸CEF系统和丁醇CEF系统在物质转化上的耦合,研究了DCB菌群秸秆丁酸发酵液组分（丁酸、乙酸、丙酸）对C.beijerinckii NCIMB 8052丁醇电发酵效能的影响。比较而言,外源性丁酸对于丁醇CEF系统的效能强化,显著优于乙酸和丙酸,且以4 g/L的剂量最佳。在-0.60 V和0.50 mmol/L MV的条件下,以30 g/L葡萄糖和4 g/L丁酸为共底物时,CEF系统的丁醇产量、产率和选择性分别为13.66 g/L、0.64 mol-C/mol-C和90.93%;以秸秆丁酸发酵液（30 g/L葡萄糖为基准）和秸秆酶解液（4 g/L丁酸为基准）的稀释液为共底物时,CEF系统的丁醇产量、产率和选择性分别达到了13.89 g/L、0.60 mol-C/mol-C和89.97%;采用发酵过程中一次性追加秸秆丁酸发酵液（使系统中的丁酸浓度恢复到4 g/L）的措施,虽然丁醇产率和选择性未见有明显变化,但丁醇产量可大幅提高至16.28 g/L,丁酸-丁醇分步电发酵系统的秸秆丁醇转化率达到了121.30 g-丁醇/kg-秸秆,而糖化酶消耗量仅为93.87 FPU/g-丁醇,较无电化学催化强化的丁酸-丁醇分步发酵系统分别提高和降低了12.36%和4.31%。本研究以电发酵技术为工具,构建出基于物质转化耦合的水稻秸秆丁酸-丁醇分步电发酵系统,显著提高了秸秆的丁醇转化效率并降低了酶制剂的使用量,进一步降低了木质纤维素丁醇生物炼制成本。