木质纤维素类物质的细胞壁纤维结构的复杂性和组分分布不均匀性构成了天然抗降解屏障,严重阻碍其转化应用。为提高生物质的转化效率,降低转化成本,选择经济、高效、环保的预处理方法至关重要。高效预处理能够打破细胞壁的抗降解屏障,改变生物质微观结构及化学组分,促进生物质糖化及高值化利用。本论文从解译木质纤维素存在的抗降解屏障的科学问题出发,系统深入的研究了微波与碱组合预处理对沙柳化学组分的空间分布、纤维结构、细胞壁内微纤丝排列及酶解效果的影响,进而提出一种微波与碱组合预处理过程中沙柳纤维结构和组分变化的模型。对沙柳细胞壁的区域化学和纤维的超微结构进行分析,发现沙柳纤维结构区域分为:纤维细胞(Xf)、木质部射线细胞(Xrc)、导管(V),其中纤维细胞又分成三个壁层,分别为细胞壁角隅(CCML)、复合胞间层(CML)和次细胞壁(Sw)。通过显微镜技术与拉曼光谱联用分析发现,沙柳纤维细胞中木质素的分布规律为CCML>CML>Sw,而纤维素主要分布在Sw,这对沙柳后续的酶解糖化具有指导意义。与单独预处理相比,经微波与碱组合预处理后的沙柳中半纤维素减少更显著,达到21.2%,纤维素转化率最大值达到85.4%。因此,最优的预处理条件为:微波功率523W、微波时间8min、NaOH浓度8%、静置时间24h,在此条件下,组合预处理极大促进沙柳的酶解效率。通过对微波与碱组合预处理前后沙柳表面木质素的覆盖面积、区域化学组分的空间分布及细胞壁内微纤丝排列分析,发现沙柳细胞壁表面的氧/碳比率由最初的17%上升为25%,说明木质素碳富集区减少,促进木质素的重新排列,降低木质素的表面覆盖面积,从而影响沙柳酶解效率。而微波与碱组合预处理过程中形成的“热点”破坏了沙柳细胞壁,造成微纤丝的暴露,纤维束松散排列,孔隙增多,促进纤维素酶的渗透和酶解效率。本论文在化学与生物学交叉学科开展研究,在研究植物细胞壁复杂生物结构和区域化学的基础上,利用多种显微及显微光谱技术表征了生物质预处理过程中细胞壁主要组分的溶解规律,研究结果可为生物质高效转化为生物燃料、生物基材及化学品等研究领域的关键科学问题提供重要的理论支撑。