微生物氧化及其应用——二元酸与聚羟基烷酸（清华大学学术专著）

　　作者曾经获得国家发明一等奖，为该领域著名专家，主持过国家几大课题，所在研究机构为国内**研究机构。本书是国内**本微生物氧化及其应用方面的学术专著，在国际上也很少有类似专著出版。本书在工业上有广阔的应用前景。

 

 

　　本书专门介绍微生物对烃类的有氧代谢和厌氧代谢，并结合有用产物的发酵生产和应用情况进行详细阐述。前五章介绍了烃类的有氧代谢，涉及石油微生物、正烷烃的摄取、烃的微生物氧化、发酵生产长链二元酸以及石油发酵的重要产物等内容； 第六章介绍了一个新领域——烃的厌氧代谢； 最后一章详细叙述发酵生产生物降解塑料聚羟基烷酸，尤其着重于介绍该领域的一些新亮点。 本书内容新颖，重要资讯引用至书稿完成之时，适合科研人员、教师、工程技术人员及相关专业的学生使用及参考。

第1章　利用烃类的微生物及石油酵母菌的鉴定
　1.1 利用烃类的微生物
　　1.1.1 细菌
　　1.1.2 酵母菌
　　1.1.3 霉菌
　1.2 石油酵母菌的分类鉴定
　　1.2.1 材料与方法
　　1.2.2 鉴定方法
　　1.2.3 鉴定结果
　参考文献
第2章　微生物对烷烃的摄取
　2.1 生长于溶解的烷烃中的微生物
　2.2 乳化的或“增溶的”烷烃的摄取
　2.3 合成的表面活性剂对生长的影响
　2.4 微生物因黏附而摄取烷烃
　2.5 酵母菌摄取烷烃的机制
　2.6 酵母菌产生的胞外烷烃乳化剂和增溶剂
　　2.6.1 解脂耶氏酵母
　　2.6.2 球拟酵母
　　2.6.3 解脂假丝酵母
　2.7 细菌摄取烷烃的机制
　2.8 细菌产生的胞外烷烃乳化剂和增溶剂
　　2.8.1 铜绿假单胞菌
　　2.8.2 乙酸钙不动杆菌RAG-1
　参考文献
第3章　烃的氧化
　3.1 短链烷烃的氧化
　　3.1.1 概况
　　3.1.2 代谢途径
　　3.1.3 甲烷单加氧酶
　　3.1.4 甲醇脱氢酶
　　3.1.5 甲醛的氧化
　　3.1.6 甲酸的氧化
　　3.1.7 其他短链烷烃的氧化
　3.2 长链烷烃的氧化
　　3.2.1 末端氧化
　　3.2.2 次末端氧化
　　3.2.3 两端氧化及代谢过程
　　3.2.4 酵母菌对烷烃的代谢
　3.3 支链烃的氧化
　3.4 烯烃的氧化
　3.5 脂环烃的氧化
　　3.5.1 无取代基的环烷烃的氧化
　　3.5.2 烷基取代的脂环烃的代谢及环烷酸的代谢
　3.6 芳烃的氧化
　　3.6.1 概况
　　3.6.2 微生物降解基因的操作
　　3.6.3 相关生物化学知识
　参考文献
第4章　烃代谢及发酵生产二元酸
　4.1 烃代谢研究
　　4.1.1 代谢产物和代谢途径
　　4.1.2 二元酸形成的机制和代谢过程
　　4.1.3 基质的特异性和烷烃的相互作用
　　4.1.4 不饱和二元酸的形成及代谢
　　4.1.5 烯烃-1的代谢
　　4.1.6 其他
　4.2 烷烃发酵生产二元酸
　　4.2.1 产二元酸菌种的筛选和诱变
　　4.2.2 发酵条件
　　4.2.3 中型发酵试验
　　4.2.4 产二元酸耐高温菌的选育
　　4.2.5 菌种产酸能力的提高
　　4.2.6 其他实验室的工作
　4.3 国外有关研究的新进展
　　4.3.1 烷烃两端氧化机制
　　4.3.2 提高二元酸的生产
　参考文献
第5章　石油发酵
　5.1 引言
　5.2 单细胞蛋白
　　5.2.1 单细胞蛋白生产菌的种类
　　5.2.2 作为原料的烃的比较
　　5.2.3 利用烃类生产菌体的某些问题
　　5.2.4 工艺
　5.3 氨基酸
　　5.3.1 谷氨酸
　　5.3.2 其他氨基酸
　5.4 有机酸
　　5.4.1 α-酮戊二酸
　　5.4.2 柠檬酸和异柠檬酸
　　5.4.3 C7-酸
　　5.4.4 富马酸、苹果酸和琥珀酸
　　5.4.5 长链二元酸
　　5.4.6 黏康酸与β-酮基己二酸
　　5.4.7 水杨酸
　　5.4.8 利用协同氧化作用生产有机酸
　5.5 维生素、辅酶及有关的化合物
　　5.5.1 维生素B2
　　5.5.2 维生素B6
　　5.5.3 维生素B12
　　5.5.4 生物素——同效维生素
　　5.5.5 辅酶A
　　5.5.6 细胞色素C和卟啉
　　5.5.7 麦角甾醇
　　5.5.8 类胡萝卜素
　　5.5.9 辅酶Q
　5.6 生物表面活性剂
　　5.6.1 细菌的表面活性剂
　　5.6.2 酵母菌的表面活性剂
　　5.6.3 其他真菌的表面活性剂
　参考文献
第6章　烃类的厌氧代谢
　6.1 正烷烃的厌氧代谢
　　6.1.1 正烷烃的羧化
　　6.1.2 富马酸加成
　6.2 正烯烃的厌氧代谢
　　6.2.1 D.aliphaticivorans转化1-烯烃成脂肪酸
　　6.2.2 1-D2-1-十五烯衍生的脂肪酸
　　6.2.3 全氘化十六烯衍生的脂肪酸
　　6.2.4 存在［13C］碳酸氢钠时形成的脂肪酸
　　6.2.5 （全）氘化的脂肪醇的鉴定
　6.3 脂环烃的厌氧代谢
　　6.3.1 菌群对基质的反应
　　6.3.2 乙基环戊烷降解的代谢物
　6.4 单环芳烃的厌氧代谢
　　6.4.1 甲苯生物降解
　　6.4.2 苯的生物降解
　　6.4.3 乙苯的生物降解
　　6.4.4 二甲苯的生物降解
　　6.4.5 厌氧中心分解代谢途径
　6.5 多环芳烃的厌氧代谢
　　6.5.1 厌氧代谢萘和菲的一种初始反应——羧化
　　6.5.2 厌氧降解萘的纯培养及其他
　　6.5.3 2-甲基萘的厌氧降解
　　6.5.4 萘、2-甲基萘和四氢萘厌氧降解中的环裂解
　　6.5.5 硫酸还原富集培养N47厌氧2-甲基萘降解中的基因簇
　参考文献
第7章　生物降解塑料——聚羟基烷酸
　7.1 产PHA的微生物及PHA的多样性
　　7.1.1 微生物及所产PHA的种类
　　7.1.2 短碳链聚羟基烷酸PHASCL
　　7.1.3 中碳链聚羟基烷酸P（3HA）MCL
　　7.1.4 含SCL-及MCL-HA重复单位的PHA
　7.2 PHA的生物合成及生化基础
　　7.2.1 合成途径
　　7.2.2 PHA合酶
　　7.2.3 重组菌
　7.3 PHA的生产
　　7.3.1 发酵过程
　　7.3.2 PHA的回收
　7.4 近年来开发PHA的一些亮点和新进展
　　7.4.1 胞外高产聚羟基烷酸
　　7.4.2 同时产聚羟基烷酸和鼠李糖脂
　　7.4.3 利用工农业加工废料及廉价原料
　　7.4.4 非相关碳源产PHA
　　7.4.5 提高性价比
　　7.4.6 后提取
　　7.4.7 手性单体
　参考文献

 

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