前言

人們對20世紀60年代中國因糧食危機引發的生存悲劇還記憶猶新。當時石油價格很低，從經濟角度看，有用石油制品替代糧食作為碳源生產各種發酵產品的可能性，該研究領域吸引了眾多科技工作者，因此，從基礎研究到實際應用都取得了長足的進步，形成了石油發酵研究熱潮，其中以烴類，尤其是烷烴及其衍生物為原料的發酵研究備受關注。烴類及其衍生物的發酵大致可分為兩類： 一類是代替糖類作碳源生產傳統的發酵制品，如單細胞蛋白、各種氨基酸、有機酸、維生素等； 另一類則是根據烴類自身的結構特點生產相應的代謝產物，其中有與烴類碳架相同的產物，如以脂肪族烴為原料生產的脂肪醇、酸、酯、不飽和脂肪酸等，也有烴類碳架斷裂後的產物，像用芳香烴作原料開環產生的代謝產物，如己二烯二酸、酮基己二酸等，這些產物用糖類作碳源是很難或根本無法生產的。

要有效地生產烴類氧化的產物，研究微生物氧化烴類的機制和代謝途徑是十分重要的。與糖類代謝不同，烴代謝有其特殊性。烴與水介質不相溶，微生物采取什麼方式纔能使它進入體內？烴分子中不含氧，如何將氧引入分子的初始氧化，是理論研究不可回避的問題。在實際應用上，與糖類發酵相比，烴發酵過程中需氧量大大增多，這也是工程上必須解決的問題。在正常的代謝過程中，微生物氧化烴類的終產物是二氧化碳，不會明顯積累中間產物，因而要使某種代謝產物得以積累，就要設法阻斷某些代謝途徑，使之定向地朝我們所要積累的代謝物方向進行。在理論研究上，本書作者對微生物的烴代謝，尤其是正烷烴的兩端氧化過程進行了深入研究並有新的發現，即用生物工程手段改變微生物的代謝途徑並獲得了產一酸的高產菌株，該研究成果得到國際同行的普遍贊賞。此外，本書在國際上首次報道了烯烴1兩端氧化途徑的研究結果。在實際應用方面，本書作者帶領的團隊用研究出的高產菌株完成了用微生物發酵混合烷烴生產酸以及發酵單一烷烴生產相應鏈長酸的任務，並實現了工業化生產，為國家創造了豐厚的經濟效益。本團隊在國際上首創了酸發酵生產法，該成果以其創新性、先進性獲得1979年國家發明獎，酸發酵生產法也於20世紀80年代獲得中國科學院重大科技成果獎。產品已出口美國、英國、德國、日本、印度等國。1981年，德國Münster大學H.Rehm教授及漢高公司Y.Yang研究員，1983年，美國G.Sato院士及佐治亞大學W.Finnety教授，2000年，法國貢比涅大學周勤誠教授及Simon主任，2005年，日本株式會社能源公司生物技術開發課課長橫田忠植等，曾邀請筆者去上述國家進行合作研究、講學，進行菌種與技術轉讓，並提議在中國召開該領域的國際學術交流會，日本東京大學由馬啟教授來筆者實驗室訪問時也說過，“該課題的成功應得到國家獎勵”，我們也真的如願以償，這說明該成果獲得了經濟效益與社會效益的雙豐收。

石油的大量開采和利用引發了嚴重的環境污染問題，環境的生物修復研究工作開始受到重視。作為生物修復研究的一項基礎性工作，微生物對烴類的厭氧代謝已成為近二十年來一個新的研究領域。為此，筆者專闢一章予以詳細介紹。盡管與烴的有氧代謝機制不同，筆者研究烷烴兩端氧化時曾采用“代謝過程”的研究方法，即以代謝過程中檢測到的各種可能的中間產物為基質研究其後續代謝物的消長，以證實所設計代謝途徑的正確性，已在烴的厭氧代謝研究中廣泛使用。

近數十年來，除燃料外，人類大量消耗石油資源的另一種產業是蓬勃發展的石油化工業。各式各樣的石油化工產品給人們的日常生活帶來諸多方便的同時，也帶來了嚴重的環境問題，大量廢棄的塑料用品造成的“白色污染”令人觸目驚心。限塑隻不過是緩解問題的一個方面，使用生物降解塑料作替代品不失為從根本上解決問題的一項戰略舉措。聚羥基烷酸是一類由微生物產生的新型生物降解塑料，人們對它的開發寄予厚望。與上述烴類氧化產物不同，它們多在胞外積累，而聚羥基烷酸則是微生物胞內積累的代謝產物。其碳源既可以是糖類，也可以是烴類或其衍生物，隻是由不同碳源生成的聚酯組分會不同，因而其性能也各具特色。與生產胞外產物不同，要有效生產胞內產物： 一是必須實施細胞的高密度培養； 二是產物要能在體內選擇性積累。前者的精髓在於物質不滅原理的靈活運用，而後者則涉及代謝的合理調控。在完成國家“九五”攻關項目後，筆者從事的此項研究已實現工業化生產。

當前，*強調今後研究生的培養要密切聯繫生產實踐，強調要培養能創造性解決實際生產問題的應用型人纔。筆者將基礎理論研究如何聯繫和指導生產實踐，如何創造經濟效益的心得和見解概述於本書，並綜合了該領域他人的許多工作，以期讀者能略窺全豹。如有偏頗之處，敬請批評指正，若能引起深入的交流和討論，就更是一件幸事了。

劉祖同易祖華2014年9月