前言 人们对20世纪60年代中国因粮食危机引发的生存悲剧还记忆犹新。当时石油价格很低，从经济角度看，有用石油制品替代粮食作为碳源生产各种发酵产品的可能性，该研究领域吸引了众多科技工作者，因此，从基础研究到实际应用都取得了长足的进步，形成了石油发酵研究热潮，其中以烃类，尤其是烷烃及其衍生物为原料的发酵研究备受关注。烃类及其衍生物的发酵大致可分为两类： 一类是代替糖类作碳源生产传统的发酵制品，如单细胞蛋白、各种氨基酸、有机酸、维生素等； 另一类则是根据烃类自身的结构特点生产相应的代谢产物，其中有与烃类碳架相同的产物，如以脂肪族烃为原料生产的脂肪醇、酸、酯、不饱和脂肪酸、二元酸等，也有烃类碳架断裂后的产物，像用芳香烃作原料开环产生的代谢产物，如己二烯二酸、酮基己二酸等，这些产物用糖类作碳源是很难或根本无法生产的。 要有效地生产烃类氧化的产物，研究微生物氧化烃类的机制和代谢途径是十分重要的。与糖类代谢不同，烃代谢有其特殊性。烃与水介质不相溶，微生物采取什么方式才能使它进入体内？烃分子中不含氧，如何将氧引入分子的初始氧化，是理论研究不可回避的问题。在实际应用上，与糖类发酵相比，烃发酵过程中需氧量大大增多，这也是工程上必须解决的问题。在正常的代谢过程中，微生物氧化烃类的终产物是二氧化碳，不会明显积累中间产物，因而要使某种代谢产物得以积累，就要设法阻断某些代谢途径，使之定向地朝我们所要积累的代谢物方向进行。在理论研究上，本书作者对微生物的烃代谢，尤其是正烷烃的两端氧化过程进行了深入研究并有新的发现，即用生物工程手段改变微生物的代谢途径并获得了产一系列二元酸的高产菌株，该研究成果得到国际同行的普遍赞赏。此外，本书在国际上首次报道了烯烃1两端氧化途径的研究结果。在实际应用方面，本书作者带领的团队用研究出的高产菌株完成了用微生物发酵混合烷烃生产混合二元酸以及发酵单一烷烃生产相应链长单一二元酸的任务，并实现了工业化生产，为国家创造了丰厚的经济效益。本团队在国际上首创了混合二元酸发酵生产法，该成果以其创新性、先进性获得1979年国家发明奖，单一二元酸发酵生产法也于20世纪80年代获得中国科学院重大科技成果奖。产品已出口美国、英国、德国、日本、印度等国。1981年，德国Münster大学H.Rehm教授及汉高公司Y.Yang研究员，1983年，美国G.Sato院士及佐治亚大学W.Finnety教授，2000年，法国贡比涅大学周勤诚教授及Simon主任，2005年，日本株式会社能源公司生物技术开发课课长横田忠植等，曾邀请笔者去上述国家进行合作研究、讲学，进行菌种与技术转让，并提议在中国召开该领域的国际学术交流会，日本东京大学由马启教授来笔者实验室访问时也说过，“该课题的成功应得到国家奖励”，我们也真的如愿以偿，这说明该成果获得了经济效益与社会效益的双丰收。 石油的大量开采和利用引发了严重的环境污染问题，环境的生物修复研究工作开始受到重视。作为生物修复研究的一项基础性工作，微生物对烃类的厌氧代谢已成为近二十年来一个新的研究领域。为此，笔者专辟一章予以详细介绍。尽管与烃的有氧代谢机制不同，笔者研究烷烃两端氧化时曾采用“代谢过程”的研究方法，即以代谢过程中检测到的各种可能的中间产物为基质研究其后续代谢物的消长，以证实所设计代谢途径的正确性，已在烃的厌氧代谢研究中广泛使用。 近数十年来，除燃料外，人类大量消耗石油资源的另一种产业是蓬勃发展的石油化工业。各式各样的石油化工产品给人们的日常生活带来诸多方便的同时，也带来了严重的环境问题，大量废弃的塑料用品造成的“白色污染”令人触目惊心。限塑只不过是缓解问题的一个方面，使用生物降解塑料作替代品不失为从根本上解决问题的一项战略举措。聚羟基烷酸是一类由微生物产生的新型生物降解塑料，人们对它的开发寄予厚望。与上述烃类氧化产物不同，它们多在胞外积累，而聚羟基烷酸则是微生物胞内积累的代谢产物。其碳源既可以是糖类，也可以是烃类或其衍生物，只是由不同碳源生成的聚酯组分会不同，因而其性能也各具特色。与生产胞外产物不同，要有效生产胞内产物： 一是必须实施细胞的高密度培养； 二是产物要能在体内选择性积累。前者的精髓在于物质不灭原理的灵活运用，而后者则涉及代谢的合理调控。在完成国家“九五”攻关项目后，笔者从事的此项研究已实现工业化生产。 当前，教育部强调今后研究生的培养要密切联系生产实践，强调要培养能创造性解决实际生产问题的应用型人才。笔者将基础理论研究如何联系和指导生产实践，如何创造经济效益的心得和见解概述于本书，并综合了该领域他人的许多工作，以期读者能略窥全豹。如有偏颇之处，敬请批评指正，若能引起深入的交流和讨论，就更是一件幸事了。 刘祖同易祖华2014年9月

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