生物農藥產業奠基人沈寅初院士科學思想和方法的研究

(浙江工業大學政治與公共管理學院，浙江杭州310023)

中國工程院院士沈寅初，是我國當代著名的生物化工專家，也是生物農藥產業化的主要奠基人，被譽為中國“井岡霉素之父”。他所取得的生物農藥“井岡霉素”、“阿維霉素”及生物催化法生產丙烯酰胺這三項重大科研成果，使他榮獲“中國農藥工業杰出成就獎”、“何梁何利獎”、浙江省“重大貢獻獎”等多項榮譽，奠定了他在我國工程技術界的重要地位。沈寅初院士是中國生物農藥領域的先驅，開啟了生物催化在化工領域應用的先河，為我國的經濟建設和科技發展做出了巨大貢獻。與此同時，沈寅初院士倡導科學技術的生態化綠色發展的思想和理念，善于以獨樹一幟、與眾不同的科技創新精神攻堅克難，在艱苦的環境里強調并推出了集多學科匯聚，多技術集成，產學研一體化的研究方法，為科技界的后輩學人留下了極其珍貴的精神財富。

一、開辟生物農藥產業的綠色發展方向

1962年，美國作家蕾切爾·卡遜(Rachel Carson)出版了一部《寂靜的春天》，第一次對化學農藥DDT殺蟲劑的使用提出了質疑，并揭開了現代生態環境保護運動的序幕，盡管一開始受到與之利害攸關的農藥生產與經濟部門的猛烈抨擊，但是，她對從事科學技術研究者提出的生態意識和環保意識開創了一個新的時代。從此，生態環境保護運動成為全球化的時代潮流，可持續發展的理念成為科技工作者的自覺行動。沈寅初院士的研究歷程就是在這樣的歷史背景下展開的。

(一)關注傳統有毒化學農藥給生態和生存環境帶來的重大危害

眾所周知，近現代科學的巨大進步，科技成果不斷涌現，改變著人們的生產方式和生活方式，人們不自覺地把科學推向了神壇，對科學的盲目的崇拜達到頂點，人們為每一項科學新發現、新發明、新創造都感到歡欣鼓舞，其中包括化學農藥。早在1939年，瑞士人繆勒發現有機氯殺蟲劑DDT，其作為多種昆蟲的接觸性毒劑，有很高的毒效，尤其適用于撲滅傳播瘧疾的蚊子，在減少瘧疾、黃熱病、睡眠病和傷寒等病癥以及促進農業的發展上有顯著成效。然而，DDT的使用卻帶來了巨大的副作用，它不但增強了害蟲的抗藥性，也殺死了許多益蟲；DDT的殘留物可在食物鏈中積累而危害生物的健康，最終導致人類慢性中毒。1943年德國人施拉德研制了有機磷殺蟲劑(中文叫“敵敵畏”等)。雖然有機磷農藥的毒性一般比有機氯農藥高，并且易分解，殘留少，對人畜的危害相對較少，但是很多品種的急性毒性極高，嚴重威脅人、畜、水生生物的安全。美國自20世紀60年代率先禁止使用DDT農藥，其他國家也相繼于70年代開始禁止使用，而在中國，則是到1983年才將它列為禁用農藥。

剛解放的中國，經過經年累月的戰爭，生活已趨向平靜，人們逐漸開始關注溫飽問題。溫飽問題首先要解決的就是糧、油、棉，及其病蟲害的防治問題。相對于國際社會對生態問題和環保問題的關注，我國科學技術的發展更傾向于為國民經濟的建設服務。沈寅初院士著手研究抗生素農藥井岡霉素的時候，我國正處于“文化大革命”時期，科學研究幾近中斷。在環保意識薄弱，科研環境惡劣的環境下，沈寅初院士首先意識到的是如何以更加有效而安全的方式解決我國的水稻紋枯病的防治問題。水稻紋枯病是水稻的重要病害，每年發病面積上億畝，成為我國水稻高產穩定的嚴重障礙，而且沒有特效藥。我國50年代末期到60年代初期推廣的有機砷制劑雖然控制了水稻紋枯病，但砷制劑引起的嚴重公害，以及對生產工人的毒害和對作物的藥害，給我國的人畜健康和生態環境帶來了潛在的危害。

(二)研發井岡霉素并推動綠色生物農藥產業化發展

在研究過程中沈寅初院士強調，根據國家關于農藥開發的共識，農藥的開發應該具備高效、安全、經濟和環境相容性好等要求。具體而言，就是農藥必須具備病蟲害防治的高效性，保證人類后代健康的安全性，工業生產及市場競爭中的經濟性，不污染環境和不危害其他生物的環境相容性。這些因素的整體構成就是現代農藥開發的主方向，也是綠色發展理念在農藥開發領域的具體實踐。有機合成農藥防治病蟲害的效果顯著，但是其毒性對環境和人類健康造成了危害。于是，已經悄然興起的在微生物界中尋找新農藥成為世界新農藥開發的熱點，許多國家成功開發并投產了如春日霉素、有效霉素等一批抗生素農藥。生物農藥具備了傳統農藥無法具備的突出優點。生物農藥利用生物之間相克相生的基本原理，控制有害生物的危害，對環境友好［1］。生物農藥具有殺蟲、殺菌或抗菌專一性，對目標外生物無任何不利影響［2］。生物農藥是一種理想綠色農藥，既具備傳統農藥的高效性和經濟性，也符合安全性和環境相容性好等現代綠色發展要求。生物農藥的廣泛應用開辟了新的綠色發展方向。

日本于1972年正式將已發現的防治水稻紋枯病的有效霉素投入生產。沈寅初院士領導的研究組試圖開發水稻紋枯病農用抗生素以取代有機砷農藥。經過不懈努力，1971年在我國井岡山地區發現了能產生對水稻紋枯病有良好效果的井岡霉素，并開發成了我國第一個大規模實現工業化生產的生物農藥，成為目前農藥中使用面積最廣、價格最便宜、對人畜最安全的理想無公害農藥。估計每年可挽回糧食損失數10公斤，為工廠和社會創造了巨大的經濟效益。生物農藥以其綠色無公害、高效價廉的優勢逐漸走進市場。近年來，我國環境問題異常突出，有毒有害的農藥在環境中通過積累、遷移、轉化，嚴重危害了人類健康，給生態環境也造成了不可估量的破壞。沈寅初院士始終認為，發展高效、安全、經濟和環境相容性好的農藥是實現環境友好的重要途徑。

二、實現生物化工領域技術專家到戰略科學家的轉化

當前，日益激烈的國際競爭，歸根結底就是科技和人才的競爭。2010年中國科學院人才工作會議指出，我國人才工作的重點將是培養將帥人才，啟動和完善各項人才計劃。人才工作要從強調實現人才隊伍代際轉移，轉變到培養和造就戰略科學家和科技拔尖人才上來。

(一)“點、線、面”鋪開，孕育生物化工領域戰略人才

戰略型科學家是具有制定一個國家，一個科學領域或者一個學科方向發展戰略能力的科學家。戰略型科學家不但在某個科學領域有很高造詣，有堅實而廣博的知識積累和豐富的科學研究經驗，還要有突出的戰略意識，高遠的戰略眼光，敏銳的洞察力和準確的判斷力，同時還應熟悉制定戰略的原則、方法和步驟［3］。沈寅初院士是生物化工領域的戰略科學家，他在科研過程不斷提高科研成果的深度、廣度和內涵，“點、線、面”全面鋪開，并在綠色發展領域開辟了新的研究方向。

繼井岡霉素之后，沈寅初院士通過自己的堅實的科研基礎和不懈追求，在抗生素農藥領域繼續探索，開發了阿維菌素、瀏陽霉素等抗生素農藥，并成功實現產業化。在開發農用抗生素農藥的基礎上，沈寅初院士又把目光投向了生物催化領域。作為一種重要的化工原料，丙烯酰胺廣泛應用于污水凈化、紙漿加工和石油工業等。丙烯酰胺生產一般采用以銅為主的催化水合法等化學催化法。沈寅初院士研究團隊把理論中的生物催化法推向工業化生產，經過技術攻關和工業化推廣，在我國首次成功地建成了利用生物催化技術生產大宗化工原料的生產裝置。此后，沈寅初院士的研究團隊及其后繼者依然不斷開拓創新領域，如多酶催化、手性化合物的合成、利用生物農藥提供的先導化合物合成新型綠色化學農藥等等，創新成果不斷涌現。通過以上科研實踐，沈寅初院士逐漸展現了一名戰略科學家的戰略意識和眼光，形成了自己的戰略思想和戰略原則和方法，為生物化工領域乃至整個工業領域的科技發展、戰略制定，賦予了重要的指導和借鑒意義。

(二)全局性、長遠性戰略選擇，推動可持續創新發展

戰略科學家必須在時間上具有全局性、長遠性的意識，能夠制定短期和長期的目標，并為了達到這些目標能夠科學選擇相應的戰略原則和方法。在這些方面，沈寅初憑借堅實而廣博的科研經驗，激情求解，探索未知，為我們展示了他獨特的戰略選擇的原則和方法。

1.科學選題，應對國家重大戰略需求。科學理論及技術并不是人腦的獨立抽象產物，而是在特定歷史條件下的人的理性的具體產物。某項科技成果只有在具體的鮮活的歷史條件下，才能體現其價值和意義。所以科學的選題就必須適應具體的歷史條件的需要，在技術應用領域尤其如此。科學的選題并不是個人隨心所欲的行為，而應建立在個人對社會戰略需求的敏銳覺知力和高遠戰略眼光基礎上。沈寅初院士特別重視選題的科學性，強調必須應對國家的重大戰略需求，并爭取得到最大的社會效益和社會影響力。比如，井岡霉素的選題，是適應當時一窮二白的中國糧油棉發展及其病蟲害防治的需要；生物催化法制丙烯酰胺則是適應石油三次采油和環境保護中廢水處理等領域的需要，即石油開采、環保等領域對大宗化工原料的重大需求成為當今綠色生物催化產品發展的內驅動力。

2.接軌國際，分散科技創新風險。沈寅初院士強調，當今科技人才必須具有世界的意識，擁有國際的水平。世界是開放的，在有限的地域里成為某領域權威依舊狹隘，并不符合現代人才標準。要促進我國科技創新發展，就必須與國際接軌，進行國際合作。當代某些前沿科技發展的顯著特征之一，就是創新成本越來越高，難度越來越大，國際空間站建設、尋找暗物質、人類基因組計劃等前沿科技項目的發展就需要進行國際合作，從而分散科技創新風險。現如今，開發新農藥的創新風險也越來越高。沈寅初院士的創新團隊早在改革開放之初，就積極開展國際合作，既分散創新風險，又保證創新成果。1980年沈寅初院士在日本進修期間與日本同行發現了一種新的抗真菌抗生素——磷氮霉素，此后簽訂了長期的合作研究協議，發現了多項新的抗生素。

3.注重方法，創新和仿制兼舉并重。科學的戰略選擇也表現為科學家在一定的戰略高度對科研全局的把握能力，在確保科研成果的基礎上，持續推進科技創新。這不僅需要科學家嚴密的邏輯思維能力，也需要科學家科學辯證的方法論思想，以保證科技創新的可持續性。沈寅初院士注重科研深入和延伸相結合。深入即是針對已經取得的科技成果，深入挖掘；延伸即是開拓新領域。沈寅初院士成功開發井岡霉素之后，仍然繼續對其進行深入研究，使用各種技術手段進行結構改造和優化提高，使之生產能力提高了近百倍，并擁有一個穩定的市場和長久的生命期。這是縱向不斷深入研究的結果。沈寅初院士亦將井岡霉素與生物催化相結合，利用生物催化法分解井岡霉素形成單體，進而合成新的化合物，使之在新的領域實現其價值。這是橫向的延伸，開拓新領域。深入和延伸只有緊密聯系，才能推動持續創新。沈寅初院士在科研實踐中，也特別注重長期目標和短期目標的結合，對科研內容在時間上做出明確規劃，防止科研的盲目性和隨意性。

沈寅初院士注重創新和仿制相結合。現階段，我國自主創新能力不足，許多發達國家依舊限制對我國高科技產品和技術的出口，在改革開放前則是完全封鎖。在這種特殊國情背景下，沈寅初院士研究團隊最初的戰略選擇便是創仿結合。仿制是著力研究開發國外已經有的，而我國還未有的科學技術。如在沈寅初院士開發井岡霉素前，日本已經開發并投產了一些抗生素農藥，其中包括與井岡霉素相類似的有效霉素。借鑒他國在這方面已有的研究成果，加以開發仿制，轉化為我國的科技生產力，這是一種投入少，目標明確，并且能較大程度上確保科研成果的方式。創新是研究開發全世界都還未有的科學技術。沈寅初院士也不斷嘗試發現新菌種，開發新農藥。但鑒于創新的成本和風險，通常進行國際合作。創新和仿制也并不是截然不同的方式，正如沈寅初院士所說，緊緊抓住兩條線，仿中有創，創中有仿，創仿結合，最終實現完全的自主創新。

(三)堅持技術生態化轉向，走向未來新目標

21世紀的綠色工業革命被譽為第四次工業革命，即通過循環經濟、低碳經濟等綠色發展方式，以取代以往高污染、高耗能的工業發展模式。綠色發展也是一次多領域、全球性的科學技術變革，其中就包括技術的生態化轉向。技術生態化包含兩方面的含義：一是技術應用要遵循生態學規律，不能超過自然生態系統的承受力，不能破壞生態平衡。這是自然生態系統給人類變革自然的活動設定的最低限度。二是技術系統本身應按生態學原理組織起來，即模仿自然生態系統，優化技術系統的內部結構，實現資源的循環利用，拓展和深化人工自然［4］。沈寅初院士在研究中把農藥和化學工業的發展與生態學緊密聯系起來，遵循生態學規律，優化技術，實現技術與人，技術與社會，技術與自然界的和諧，促進可持續發展。

沈寅初院士在他的著作和論文里并沒有直接提到技術生態化的概念，但其科研實踐為我們展現了這種技術生態化的戰略轉向。沈寅初院士主要在兩個方面實踐技術生態化戰略。一方面，在可持續發展理念的指導下，廣泛利用物理或是化學等技術手段，降低產品污染性或毒性，使之環境友好。例如，某些天然抗生素農藥的毒性很高，但通過掌握其化學結構，進行結構改造，其毒性可大大降低。另一方面，不斷吸收發展新的生態化技術。僅僅依靠原有的技術手段要達到技術的生態化是遠遠不夠的，還需要不斷發展新的生態化技術。現代生物學及其相關學科是一些相對比較綠色、生態、可持續的理論，特別是近年來在分子水平上對生物基因和生物化學變化本質的深入理解，生物技術在基因工程、酶工程等領域有了廣泛應用。沈寅初院士研究團隊研究領域的不斷延伸，正是對這些生態技術的不斷探索和嘗試。

(四)倡導結合實踐，建立可持續發展的綠色化學工業新體系

傳統的工業體系不顧環境的承受能力，將生產廢料直接投入環境，造成環境和生態系統的極大破壞，限制污染物排放、廢物凈化等調整措施也不能根本上解決問題。經過了三次工業革命，人類正面臨著資源短缺和環境生態危機。新世紀的綠色工業革命正在進行，這是利用新的綠色科技在源頭上徹底解決資源來源和污染物排放問題，實現可持續發展。沈寅初院士響應時代要求，結合自己的研究實踐，倡導建立可持續發展的綠色化學工業新體系。

針對當代綠色發展，沈寅初院士響應并倡導，未來工業能源結構和化工原料正面臨著由碳氫化合物向碳水化合物的戰略轉向。這是利用生物化學的基礎理論概念對綠色發展內涵在微觀分子層面的理論詮釋。現代化學工業的來源大都為煤化工和石油化工資源。這兩種資源形成的產業鏈為碳氫化合物經濟。這些煤化和石化資源的顯著特征是非可再生性，儲量有限，且對環境和氣候變化危害大。生物質資源，即碳水化合物資源，擁有合適的碳氫氧元素比，低碳環保，且可再生。生物技術在化學工業中的應用正被越來越多的人士所重視和認可。

傳統化學工業幾乎依靠煤和石油等非可再生能源和原料，且污染大。生物技術生產的化學產品和其原料都是生物質資源，其優點可以概括為可再生、低耗能(低碳)、專一性、低污染，并可進行高難度的化學反應。生物技術應用領域廣闊，利用生物體直接生產的化學產品有醫藥品、農藥、氨基酸、維生素、有機酸、化工原料和能源等。生物酶幾乎可以催化所有類型有機化學反應，利用生物酶可以合成化學產品，也可以合成手性化合物和大宗化工原料，而且隨著基因技術的發展和生物體內化學變化本質及其調控規律的深入揭示，生物技術的應用領域將不斷擴大，化學產品的生產也將更加高效和具有可控性。生物技術對傳統化學工藝的替代和改進，使傳統化學工業，不管在工業原料和能源來源上，還是在生產過程中，或是最終的廢料產生和處理上，都趨向綠色發展道路。到那時，將建立起一個利用可再生資源、可持續發展的化學工業新體系［5］。

三、形成獨樹一幟的科學思想和研究方法

科學的生命在于創新，創新的保證是科學的思維和方法，而創新的源泉則是鮮活的科研實踐過程。沈寅初院士在科研實踐中積累并展現了獨樹一幟的科學思維和研究方法，特別是在生物化工及其相關領域，值得我們借鑒、研究和探討。在沈寅初院士的戰略思想中我們已經提到了科學選題等方法，此處著重闡述沈寅初院士的其他科學思維和方法。

(一)堅持原始創新：正確把握思路，突破思維定勢

沈寅初院士重大科研成就的取得，凸顯了其極強的創造力。這種創造力的產生則在于他正確把握思路，不斷突破思維定勢。思維定勢是指人們解決問題時具有的心理傾向［6］。每一個時期，科學家都會形成對某一研究領域的習慣研究方式。這種習慣方式是對實踐經驗的總結，在一定意義上也是有利的，但也在一定程度上，導致思維走向形而上學，阻礙了科學研究的創新發展。沈寅初院士避免受先入為主的觀念的干擾，正確把握思路，具體問題具體分析，深入實際問題的本質，最終得以突破思維定勢，取得科技創新。沈寅初院士在研究開發抗生素農藥之初，充分了解抗生素農藥研究的最新進展，也了解到抗生素農藥開發的制約因素就在于沒有解決生產中的問題，以及缺少抗生素作為一種化學物質的研究。分析清楚之后，就有解決問題的方向，也就是思維突破了原有的習慣思維形式，在解決問題過程中取得了思維突破。

現代科學主義的發展為我們制定了科學嚴密的方法理論，其中無一例外地都拒斥形而上學的僵化思維，并強調經驗在科技發展中的重要性。沒有經驗，我們就不會增加知識，就不會加深對這個客觀世界的了解。經驗來源于生活實踐，是鮮活而豐富的。善于運用科學方法把握和思維這些客觀經驗，有利于突破思維定勢，也是科技創新的不竭源泉。沈寅初院士強調實踐經驗在科研過程中的重要性，以及從實際生活中提取科學靈感的必要性。科研過程中會碰到各種實際問題，如何將理論與具體實踐相結合，如何解決這些實際問題，這也就是我們科技創新的一個重要來源。

(二)適應時代要求：多學科匯聚，多技術集成

沈寅初院士注重多學科的匯聚。伴隨著牛頓經典力學科學思維范式的確立，科學研究日漸精密，學科日益分化，形成了目前較為完備和邊界明確的學科范疇體系。不同學科的研究對象與研究方法不同，形成學科壁壘，即學科之間擁有各自的技術邊界［7］。而學科融合就是要打破這種學科壁壘，使不同的學科相互滲透，相互影響，進而形成新的學科和理論。沈寅初院士提出，學科間的滲透和結合創造出更優異的成果，通過和生物的結合及化學農藥研究開發本身的進展，化學農藥已不再是高毒、低效、不安全、污染環境的代名詞了［8］。生物、物理、化學等學科的發展，為農藥發展帶來了深刻的變化。抗生素農藥并不是一種單純的生物農藥，準確地講應該是一種生物源農藥，其本身也是一種化學物質。通過學科間的融合，化學農藥和生物農藥之間的界限也越來越模糊。現代農藥的開發是多學科匯聚的結果。

沈寅初院士也注重多技術的集成。在這個科學發展日新月異，技術手段層出不窮的時代，技術也與學科一樣，日益分化和精密，只有注重多技術的集成，才可以實現技術和科學理論的創新發展。沈寅初院士在農用抗生素農藥開發及產業化過程中所涉及到的技術手段是非常繁多的：分離提純就需要紫外光譜分析、核磁共振等技術；發酵工藝則涉及了具體的工程技術手段；為了提高菌種的生產水平，則需集合各種技術手段，對農藥化學結構進行改造，對菌種進行改良和誘變。以上各種技術手段的集成，最終形成了一項新的生物農藥開發技術。近年來，沈寅初院士也憑借研究成果申報了多項技術專利。技術的發展離不開科學的進步，工業的發展離不開技術水平的提升，新技術的產生也離不開多技術的集成。

(三)倡導產學研一體化：促進科研成果產業化

生物農藥具有環境友好的優勢，但也存在明顯的弱點。多數生物農藥專一性強，穩定性差，防治譜窄，藥效慢，部分生物農藥使用技術復雜，使用時機難以把握，影響防治效果。以上這些缺點造成了生物農藥防治效果差，使用成本提高，大面積推廣受到限制。生物農藥的這些弱點嚴重制約了它的市場競爭力。沈寅初院士曾經精辟地指出：傳統的生物技術把希望寄托在發現一株高性能的微生物，或是發現一種高活性的酶和高效率的生產工藝。而現代生物技術的研究是從本質上解決生物技術在化學品生產中的問題［8］。我國在20世紀50年代已經篩選出了一些菌種，但是由于沒有解決生產中的問題，沒有一株投產。沈寅初院士在井岡山發現治療水稻紋枯病的有效菌株之后，便深入車間和試驗田進行探索，攻克種種技術難題，經7年時間，使生產水平提高上百倍，創造了抗生素行業中單位時間生產量的最高紀錄，使井岡霉素成為我國首次實現工業化生產的微生物農藥，并成功替代治療水稻紋枯病的有毒化學農藥，成為無毒無害的新型綠色農藥的代表。沈寅初院士研究團隊開發的井岡霉素、阿維菌素和生物法制丙烯酰胺等綠色工業產品的產量目前為全球第一。

國家“十二五”規劃提出加快建立以企業為主體、市場為導向、產學研相結合的技術創新體系。過去產學研的辦學方式多用在高職院校，如今，國家越來越重視高等院校、科研單位與企業間相互聯系的教學模式。沈寅初院士之所以能夠成功將生物農藥產業化，是因為他倡導產學研一體化的結果。科研成果的產業化是理論應用于實踐的過程。沈寅初院士重視與企業建立良好關系，并爭取得到政策支持，建立廣泛的合作平臺，推動學校產學研一體化發展。浙江許多醫化企業如海正醫藥、錢江生化、浙江醫藥、匯豐生化等公司都與沈寅初院士有著廣泛的合作關系。當代科學研究，特別是在技術應用領域，應當實施產學研一體化模式，高校、社會、政府、企業和科研院所等應該建立廣泛的合作，推進科技成果的工業化、市場化，以提高我國產品的科技含量，提升產品的全球競爭力。

［1］巨修練.化學農藥與生物農藥的內涵與外延［J］.農藥，2011，(2)：153-154.

［2］崔云龍.我國生物農藥的現狀及實現產業化之路［J］.農藥科學與管理，1995，(1)：32-34.

［3］高筱梅，楊顯萬.戰略型科學家及其培養途徑［J］.唐都學刊，2004，(5)：87-90.

［4］羅天強.技術生態化及其社會系統控制［J］.系統科學學報，2006，(1)：58-62.

［5］沈寅初.生物技術在化學工業中的應用［J］.上海化工，1998，(12)：35-38.

［6］張晉斌.突破思維定勢是創造性思維的一種方法［J］.科學、技術與辯證法，1988，(2)：43-46.

［7］盧虎勝.學科融合及其對高校學科建設的啟示［J］.當代教育論壇(校長教育研究)，2008，(3)：48-49.

［8］沈寅初.農用抗生素研究開發新進展［J］.植保技術與推廣，1997，(6)：35-37.