氢能作为一种理想的能量载体，具有清洁、高效和可再生的特点。在诸多的制氢途径中，发酵法制氢可以利用包括工农业废弃物在内的多种有机物作为基质产生氢气，具有耗能少，生产成本低的特点。微生物电解池（MEC）作为新兴的电化学辅助生物制氢技术，可以利用不同有机废水（特别是乙酸）高效产氢。在纤维素类生物质发酵制氢过程中，纤维素由于晶体结构致密，且被木质素和半纤维素紧密包裹，因此很难被微生物直接利用，同时，在发酵产氢过程中也存在着底物利用率低以及氢发酵废水带来的环境污染问题。基于此，本研究建立了嗜温条件下降解纤维素的产氢菌群的富集驯化方法，在此基础上分离筛选出具有纤维素降解能力和直接降解生玉米秸秆的产氢菌株；进一步通过将氢发酵与MEC技术耦合，进行两阶段梯级强化产氢。本研究主要内容包括：　　⑴降解纤维素产氢菌群的富集驯化。以微晶纤维素为唯一碳源，牛粪堆肥为天然菌源，在中温条件下进行厌氧富集培养，获得了具有较强纤维素降解能力的中温产氢菌群。驯化得到的产氢菌群的碳谱极为广泛，具有较强的纤维素降解产氢能力。在单因素实验的基础上，采用响应面法对影响菌群产氢的培养基的组成进行了优化。结果显示NH4HCO3浓度、KH2PO4浓度和营养液添加量对菌群产氢影响显著。在NH4HCO3浓度为2.5 g/L、KH2PO4浓度为1.8 g/L、营养液添加量为8.2 ml/L的最优发酵条件下，菌群最大累计产氢量可达264.1 ml/g-微晶纤维素。采用变性梯度凝胶电泳（DGGE）技术分析产氢菌群在富集驯化过程中的演替规律。实验结果显示，在富集驯化过程中，微生物的数量和多样性呈明显的演替过程，以微晶纤维素为碳源生长的种群活性明显增强，成为优势物种；不能够利用微晶纤维素的种群数量明显减少甚至消失。将优势条带进行切胶回收、克隆和测序，结果表明菌群中的绝大多数微生物都与梭菌属（Clostridium）的产氢细菌相似度最大，说明经富集驯化得到的菌群具有较强的纤维素降解产氢能力。　　⑵直接降解纤维素产氢的优势菌株的分离筛选鉴定及其产氢特性研究。从富集驯化的菌群中分离筛选出5株具有纤维素降解功能的中温产氢细菌，经产氢能力和纤维素降解能力测试，确认一株高效纤维素降解产氢菌。对该菌株进行生理生化考察和菌种鉴定，并对菌株产氢特性进行研究：菌株C. populeti FZ10能有效利用各种碳源生长产氢。以微晶纤维素为碳源时，菌株C. populeti FZ10最佳生长产氢条件为：微晶纤维素5 g/L，酵母粉5 g/L，蛋白胨2 g/L，初始pH6.98，磷酸缓冲液浓度0.15M，发酵温度35℃。在此优化条件下，菌株最大累积产氢量和产氢速率分别为177.5 mL/g和7.7 ml/g·h-1，菌体生物量为231 mg/L，纤维素降解率达到86％。　　⑶不需底物预处理，能够直接降解生秸秆产氢菌株的筛选鉴定及其发酵产氢特性研究。以生秸秆为唯一碳源，对分离得到的5株产氢菌进行秸秆产氢能力和降解能力测试，并确认一株具有高效生秸秆降解能力的产氢菌，结合菌株形态和生理生化特性，对该菌株进行种属鉴定，并对其秸秆发酵产氢特性进行研究：菌株C. sartagoforme FZ11能利用多种碳源产氢，特别是能直接利用天然纤维素物质（如：生玉米秸秆）发酵产氢，且不需底物预处理。表明菌株 C. sartagoforme FZ11具有较强的纤维素降解产氢能力。在单因素实验的基础上，采用Plackett-Burman设计、最陡爬坡和Box-Behnken响应面分析法对以生玉米秸秆为唯一碳源的发酵产氢过程参数进行优化，结果表明，尿素添加量、磷酸缓冲液浓度和营养液量与累积氢气产量存在显著的相关性。在尿素添加量为6.2 g/L、PBS浓度为0.19 M、营养液量为8.7 ml/L的最优发酵条件下，实际测得最大累积产氢量达到96.20 ml/g-秸秆。　　⑷MEC利用秸秆氢发酵废水梯级产氢的研究。针对秸秆氢发酵废水中的丁酸在 MEC中难以降解的问题，我们通过采用不同底物（丁酸、乙酸和氢发酵废水）对MEC生物阳极进行驯化，考察了不同阳极富集方式、底物浓度和外加电压对MEC产氢的影响，结果表明，在0.6V外加电压下，采用丁酸驯化的MEC利用秸秆发酵废水获得的最大氢气产率为943 ml/g-COD，产氢速率为3.62 m3/m3/d，氢回收率为67％，在此条件下基于输入电能的能量效率为203％。将MEC与氢发酵偶联后，总产氢量达到454.6 ml H2/g-秸秆，与秸秆暗发酵产氢相比，氢产量提高了近5倍。采用Illumina MiSeq高通量测序技术考察MEC阳极生物群落结构对底物的响应，结果表明，与乙酸和发酵废水驯化的生物阳极相比，采用丁酸驯化的生物阳极具有较高的物种丰富度和群落多样性。值得注意的是，丁酸氧化菌Syntrophomonas在采用丁酸驯化的MEC阳极群落中丰度高达8.7％，因此我们推断，丁酸首先被丁酸氧化菌 Syntrophomonas降解为乙酸，然后乙酸再被产电菌所利用，其中丁酸的氧化是MEC利用丁酸产氢的控速步骤。