生物农药产业奠基人沈寅初院士科学思想和方法的研究

(浙江工业大学政治与公共管理学院，浙江杭州310023)

中国工程院院士沈寅初，是我国当代著名的生物化工专家，也是生物农药产业化的主要奠基人，被誉为中国“井冈霉素之父”。他所取得的生物农药“井冈霉素”、“阿维霉素”及生物催化法生产丙烯酰胺这三项重大科研成果，使他荣获“中国农药工业杰出成就奖”、“何梁何利奖”、浙江省“重大贡献奖”等多项荣誉，奠定了他在我国工程技术界的重要地位。沈寅初院士是中国生物农药领域的先驱，开启了生物催化在化工领域应用的先河，为我国的经济建设和科技发展做出了巨大贡献。与此同时，沈寅初院士倡导科学技术的生态化绿色发展的思想和理念，善于以独树一帜、与众不同的科技创新精神攻坚克难，在艰苦的环境里强调并推出了集多学科汇聚，多技术集成，产学研一体化的研究方法，为科技界的后辈学人留下了极其珍贵的精神财富。

一、开辟生物农药产业的绿色发展方向

1962年，美国作家蕾切尔·卡逊(Rachel Carson)出版了一部《寂静的春天》，第一次对化学农药DDT杀虫剂的使用提出了质疑，并揭开了现代生态环境保护运动的序幕，尽管一开始受到与之利害攸关的农药生产与经济部门的猛烈抨击，但是，她对从事科学技术研究者提出的生态意识和环保意识开创了一个新的时代。从此，生态环境保护运动成为全球化的时代潮流，可持续发展的理念成为科技工作者的自觉行动。沈寅初院士的研究历程就是在这样的历史背景下展开的。

(一)关注传统有毒化学农药给生态和生存环境带来的重大危害

众所周知，近现代科学的巨大进步，科技成果不断涌现，改变着人们的生产方式和生活方式，人们不自觉地把科学推向了神坛，对科学的盲目的崇拜达到顶点，人们为每一项科学新发现、新发明、新创造都感到欢欣鼓舞，其中包括化学农药。早在1939年，瑞士人缪勒发现有机氯杀虫剂DDT，其作为多种昆虫的接触性毒剂，有很高的毒效，尤其适用于扑灭传播疟疾的蚊子，在减少疟疾、黄热病、睡眠病和伤寒等病症以及促进农业的发展上有显著成效。然而，DDT的使用却带来了巨大的副作用，它不但增强了害虫的抗药性，也杀死了许多益虫；DDT的残留物可在食物链中积累而危害生物的健康，最终导致人类慢性中毒。1943年德国人施拉德研制了有机磷杀虫剂(中文叫“敌敌畏”等)。虽然有机磷农药的毒性一般比有机氯农药高，并且易分解，残留少，对人畜的危害相对较少，但是很多品种的急性毒性极高，严重威胁人、畜、水生生物的安全。美国自20世纪60年代率先禁止使用DDT农药，其他国家也相继于70年代开始禁止使用，而在中国，则是到1983年才将它列为禁用农药。

刚解放的中国，经过经年累月的战争，生活已趋向平静，人们逐渐开始关注温饱问题。温饱问题首先要解决的就是粮、油、棉，及其病虫害的防治问题。相对于国际社会对生态问题和环保问题的关注，我国科学技术的发展更倾向于为国民经济的建设服务。沈寅初院士着手研究抗生素农药井冈霉素的时候，我国正处于“文化大革命”时期，科学研究几近中断。在环保意识薄弱，科研环境恶劣的环境下，沈寅初院士首先意识到的是如何以更加有效而安全的方式解决我国的水稻纹枯病的防治问题。水稻纹枯病是水稻的重要病害，每年发病面积上亿亩，成为我国水稻高产稳定的严重障碍，而且没有特效药。我国50年代末期到60年代初期推广的有机砷制剂虽然控制了水稻纹枯病，但砷制剂引起的严重公害，以及对生产工人的毒害和对作物的药害，给我国的人畜健康和生态环境带来了潜在的危害。

(二)研发井冈霉素并推动绿色生物农药产业化发展

在研究过程中沈寅初院士强调，根据国家关于农药开发的共识，农药的开发应该具备高效、安全、经济和环境相容性好等要求。具体而言，就是农药必须具备病虫害防治的高效性，保证人类后代健康的安全性，工业生产及市场竞争中的经济性，不污染环境和不危害其他生物的环境相容性。这些因素的整体构成就是现代农药开发的主方向，也是绿色发展理念在农药开发领域的具体实践。有机合成农药防治病虫害的效果显著，但是其毒性对环境和人类健康造成了危害。于是，已经悄然兴起的在微生物界中寻找新农药成为世界新农药开发的热点，许多国家成功开发并投产了如春日霉素、有效霉素等一批抗生素农药。生物农药具备了传统农药无法具备的突出优点。生物农药利用生物之间相克相生的基本原理，控制有害生物的危害，对环境友好［1］。生物农药具有杀虫、杀菌或抗菌专一性，对目标外生物无任何不利影响［2］。生物农药是一种理想绿色农药，既具备传统农药的高效性和经济性，也符合安全性和环境相容性好等现代绿色发展要求。生物农药的广泛应用开辟了新的绿色发展方向。

日本于1972年正式将已发现的防治水稻纹枯病的有效霉素投入生产。沈寅初院士领导的研究组试图开发水稻纹枯病农用抗生素以取代有机砷农药。经过不懈努力，1971年在我国井冈山地区发现了能产生对水稻纹枯病有良好效果的井冈霉素，并开发成了我国第一个大规模实现工业化生产的生物农药，成为目前农药中使用面积最广、价格最便宜、对人畜最安全的理想无公害农药。估计每年可挽回粮食损失数10公斤，为工厂和社会创造了巨大的经济效益。生物农药以其绿色无公害、高效价廉的优势逐渐走进市场。近年来，我国环境问题异常突出，有毒有害的农药在环境中通过积累、迁移、转化，严重危害了人类健康，给生态环境也造成了不可估量的破坏。沈寅初院士始终认为，发展高效、安全、经济和环境相容性好的农药是实现环境友好的重要途径。

二、实现生物化工领域技术专家到战略科学家的转化

当前，日益激烈的国际竞争，归根结底就是科技和人才的竞争。2010年中国科学院人才工作会议指出，我国人才工作的重点将是培养将帅人才，启动和完善各项人才计划。人才工作要从强调实现人才队伍代际转移，转变到培养和造就战略科学家和科技拔尖人才上来。

(一)“点、线、面”铺开，孕育生物化工领域战略人才

战略型科学家是具有制定一个国家，一个科学领域或者一个学科方向发展战略能力的科学家。战略型科学家不但在某个科学领域有很高造诣，有坚实而广博的知识积累和丰富的科学研究经验，还要有突出的战略意识，高远的战略眼光，敏锐的洞察力和准确的判断力，同时还应熟悉制定战略的原则、方法和步骤［3］。沈寅初院士是生物化工领域的战略科学家，他在科研过程不断提高科研成果的深度、广度和内涵，“点、线、面”全面铺开，并在绿色发展领域开辟了新的研究方向。

继井冈霉素之后，沈寅初院士通过自己的坚实的科研基础和不懈追求，在抗生素农药领域继续探索，开发了阿维菌素、浏阳霉素等抗生素农药，并成功实现产业化。在开发农用抗生素农药的基础上，沈寅初院士又把目光投向了生物催化领域。作为一种重要的化工原料，丙烯酰胺广泛应用于污水净化、纸浆加工和石油工业等。丙烯酰胺生产一般采用以铜为主的催化水合法等化学催化法。沈寅初院士研究团队把理论中的生物催化法推向工业化生产，经过技术攻关和工业化推广，在我国首次成功地建成了利用生物催化技术生产大宗化工原料的生产装置。此后，沈寅初院士的研究团队及其后继者依然不断开拓创新领域，如多酶催化、手性化合物的合成、利用生物农药提供的先导化合物合成新型绿色化学农药等等，创新成果不断涌现。通过以上科研实践，沈寅初院士逐渐展现了一名战略科学家的战略意识和眼光，形成了自己的战略思想和战略原则和方法，为生物化工领域乃至整个工业领域的科技发展、战略制定，赋予了重要的指导和借鉴意义。

(二)全局性、长远性战略选择，推动可持续创新发展

战略科学家必须在时间上具有全局性、长远性的意识，能够制定短期和长期的目标，并为了达到这些目标能够科学选择相应的战略原则和方法。在这些方面，沈寅初凭借坚实而广博的科研经验，激情求解，探索未知，为我们展示了他独特的战略选择的原则和方法。

1.科学选题，应对国家重大战略需求。科学理论及技术并不是人脑的独立抽象产物，而是在特定历史条件下的人的理性的具体产物。某项科技成果只有在具体的鲜活的历史条件下，才能体现其价值和意义。所以科学的选题就必须适应具体的历史条件的需要，在技术应用领域尤其如此。科学的选题并不是个人随心所欲的行为，而应建立在个人对社会战略需求的敏锐觉知力和高远战略眼光基础上。沈寅初院士特别重视选题的科学性，强调必须应对国家的重大战略需求，并争取得到最大的社会效益和社会影响力。比如，井冈霉素的选题，是适应当时一穷二白的中国粮油棉发展及其病虫害防治的需要；生物催化法制丙烯酰胺则是适应石油三次采油和环境保护中废水处理等领域的需要，即石油开采、环保等领域对大宗化工原料的重大需求成为当今绿色生物催化产品发展的内驱动力。

2.接轨国际，分散科技创新风险。沈寅初院士强调，当今科技人才必须具有世界的意识，拥有国际的水平。世界是开放的，在有限的地域里成为某领域权威依旧狭隘，并不符合现代人才标准。要促进我国科技创新发展，就必须与国际接轨，进行国际合作。当代某些前沿科技发展的显著特征之一，就是创新成本越来越高，难度越来越大，国际空间站建设、寻找暗物质、人类基因组计划等前沿科技项目的发展就需要进行国际合作，从而分散科技创新风险。现如今，开发新农药的创新风险也越来越高。沈寅初院士的创新团队早在改革开放之初，就积极开展国际合作，既分散创新风险，又保证创新成果。1980年沈寅初院士在日本进修期间与日本同行发现了一种新的抗真菌抗生素——磷氮霉素，此后签订了长期的合作研究协议，发现了多项新的抗生素。

3.注重方法，创新和仿制兼举并重。科学的战略选择也表现为科学家在一定的战略高度对科研全局的把握能力，在确保科研成果的基础上，持续推进科技创新。这不仅需要科学家严密的逻辑思维能力，也需要科学家科学辩证的方法论思想，以保证科技创新的可持续性。沈寅初院士注重科研深入和延伸相结合。深入即是针对已经取得的科技成果，深入挖掘；延伸即是开拓新领域。沈寅初院士成功开发井冈霉素之后，仍然继续对其进行深入研究，使用各种技术手段进行结构改造和优化提高，使之生产能力提高了近百倍，并拥有一个稳定的市场和长久的生命期。这是纵向不断深入研究的结果。沈寅初院士亦将井冈霉素与生物催化相结合，利用生物催化法分解井冈霉素形成单体，进而合成新的化合物，使之在新的领域实现其价值。这是横向的延伸，开拓新领域。深入和延伸只有紧密联系，才能推动持续创新。沈寅初院士在科研实践中，也特别注重长期目标和短期目标的结合，对科研内容在时间上做出明确规划，防止科研的盲目性和随意性。

沈寅初院士注重创新和仿制相结合。现阶段，我国自主创新能力不足，许多发达国家依旧限制对我国高科技产品和技术的出口，在改革开放前则是完全封锁。在这种特殊国情背景下，沈寅初院士研究团队最初的战略选择便是创仿结合。仿制是着力研究开发国外已经有的，而我国还未有的科学技术。如在沈寅初院士开发井冈霉素前，日本已经开发并投产了一些抗生素农药，其中包括与井冈霉素相类似的有效霉素。借鉴他国在这方面已有的研究成果，加以开发仿制，转化为我国的科技生产力，这是一种投入少，目标明确，并且能较大程度上确保科研成果的方式。创新是研究开发全世界都还未有的科学技术。沈寅初院士也不断尝试发现新菌种，开发新农药。但鉴于创新的成本和风险，通常进行国际合作。创新和仿制也并不是截然不同的方式，正如沈寅初院士所说，紧紧抓住两条线，仿中有创，创中有仿，创仿结合，最终实现完全的自主创新。

(三)坚持技术生态化转向，走向未来新目标

21世纪的绿色工业革命被誉为第四次工业革命，即通过循环经济、低碳经济等绿色发展方式，以取代以往高污染、高耗能的工业发展模式。绿色发展也是一次多领域、全球性的科学技术变革，其中就包括技术的生态化转向。技术生态化包含两方面的含义：一是技术应用要遵循生态学规律，不能超过自然生态系统的承受力，不能破坏生态平衡。这是自然生态系统给人类变革自然的活动设定的最低限度。二是技术系统本身应按生态学原理组织起来，即模仿自然生态系统，优化技术系统的内部结构，实现资源的循环利用，拓展和深化人工自然［4］。沈寅初院士在研究中把农药和化学工业的发展与生态学紧密联系起来，遵循生态学规律，优化技术，实现技术与人，技术与社会，技术与自然界的和谐，促进可持续发展。

沈寅初院士在他的著作和论文里并没有直接提到技术生态化的概念，但其科研实践为我们展现了这种技术生态化的战略转向。沈寅初院士主要在两个方面实践技术生态化战略。一方面，在可持续发展理念的指导下，广泛利用物理或是化学等技术手段，降低产品污染性或毒性，使之环境友好。例如，某些天然抗生素农药的毒性很高，但通过掌握其化学结构，进行结构改造，其毒性可大大降低。另一方面，不断吸收发展新的生态化技术。仅仅依靠原有的技术手段要达到技术的生态化是远远不够的，还需要不断发展新的生态化技术。现代生物学及其相关学科是一些相对比较绿色、生态、可持续的理论，特别是近年来在分子水平上对生物基因和生物化学变化本质的深入理解，生物技术在基因工程、酶工程等领域有了广泛应用。沈寅初院士研究团队研究领域的不断延伸，正是对这些生态技术的不断探索和尝试。

(四)倡导结合实践，建立可持续发展的绿色化学工业新体系

传统的工业体系不顾环境的承受能力，将生产废料直接投入环境，造成环境和生态系统的极大破坏，限制污染物排放、废物净化等调整措施也不能根本上解决问题。经过了三次工业革命，人类正面临着资源短缺和环境生态危机。新世纪的绿色工业革命正在进行，这是利用新的绿色科技在源头上彻底解决资源来源和污染物排放问题，实现可持续发展。沈寅初院士响应时代要求，结合自己的研究实践，倡导建立可持续发展的绿色化学工业新体系。

针对当代绿色发展，沈寅初院士响应并倡导，未来工业能源结构和化工原料正面临着由碳氢化合物向碳水化合物的战略转向。这是利用生物化学的基础理论概念对绿色发展内涵在微观分子层面的理论诠释。现代化学工业的来源大都为煤化工和石油化工资源。这两种资源形成的产业链为碳氢化合物经济。这些煤化和石化资源的显著特征是非可再生性，储量有限，且对环境和气候变化危害大。生物质资源，即碳水化合物资源，拥有合适的碳氢氧元素比，低碳环保，且可再生。生物技术在化学工业中的应用正被越来越多的人士所重视和认可。

传统化学工业几乎依靠煤和石油等非可再生能源和原料，且污染大。生物技术生产的化学产品和其原料都是生物质资源，其优点可以概括为可再生、低耗能(低碳)、专一性、低污染，并可进行高难度的化学反应。生物技术应用领域广阔，利用生物体直接生产的化学产品有医药品、农药、氨基酸、维生素、有机酸、化工原料和能源等。生物酶几乎可以催化所有类型有机化学反应，利用生物酶可以合成化学产品，也可以合成手性化合物和大宗化工原料，而且随着基因技术的发展和生物体内化学变化本质及其调控规律的深入揭示，生物技术的应用领域将不断扩大，化学产品的生产也将更加高效和具有可控性。生物技术对传统化学工艺的替代和改进，使传统化学工业，不管在工业原料和能源来源上，还是在生产过程中，或是最终的废料产生和处理上，都趋向绿色发展道路。到那时，将建立起一个利用可再生资源、可持续发展的化学工业新体系［5］。

三、形成独树一帜的科学思想和研究方法

科学的生命在于创新，创新的保证是科学的思维和方法，而创新的源泉则是鲜活的科研实践过程。沈寅初院士在科研实践中积累并展现了独树一帜的科学思维和研究方法，特别是在生物化工及其相关领域，值得我们借鉴、研究和探讨。在沈寅初院士的战略思想中我们已经提到了科学选题等方法，此处着重阐述沈寅初院士的其他科学思维和方法。

(一)坚持原始创新：正确把握思路，突破思维定势

沈寅初院士重大科研成就的取得，凸显了其极强的创造力。这种创造力的产生则在于他正确把握思路，不断突破思维定势。思维定势是指人们解决问题时具有的心理倾向［6］。每一个时期，科学家都会形成对某一研究领域的习惯研究方式。这种习惯方式是对实践经验的总结，在一定意义上也是有利的，但也在一定程度上，导致思维走向形而上学，阻碍了科学研究的创新发展。沈寅初院士避免受先入为主的观念的干扰，正确把握思路，具体问题具体分析，深入实际问题的本质，最终得以突破思维定势，取得科技创新。沈寅初院士在研究开发抗生素农药之初，充分了解抗生素农药研究的最新进展，也了解到抗生素农药开发的制约因素就在于没有解决生产中的问题，以及缺少抗生素作为一种化学物质的研究。分析清楚之后，就有解决问题的方向，也就是思维突破了原有的习惯思维形式，在解决问题过程中取得了思维突破。

现代科学主义的发展为我们制定了科学严密的方法理论，其中无一例外地都拒斥形而上学的僵化思维，并强调经验在科技发展中的重要性。没有经验，我们就不会增加知识，就不会加深对这个客观世界的了解。经验来源于生活实践，是鲜活而丰富的。善于运用科学方法把握和思维这些客观经验，有利于突破思维定势，也是科技创新的不竭源泉。沈寅初院士强调实践经验在科研过程中的重要性，以及从实际生活中提取科学灵感的必要性。科研过程中会碰到各种实际问题，如何将理论与具体实践相结合，如何解决这些实际问题，这也就是我们科技创新的一个重要来源。

(二)适应时代要求：多学科汇聚，多技术集成

沈寅初院士注重多学科的汇聚。伴随着牛顿经典力学科学思维范式的确立，科学研究日渐精密，学科日益分化，形成了目前较为完备和边界明确的学科范畴体系。不同学科的研究对象与研究方法不同，形成学科壁垒，即学科之间拥有各自的技术边界［7］。而学科融合就是要打破这种学科壁垒，使不同的学科相互渗透，相互影响，进而形成新的学科和理论。沈寅初院士提出，学科间的渗透和结合创造出更优异的成果，通过和生物的结合及化学农药研究开发本身的进展，化学农药已不再是高毒、低效、不安全、污染环境的代名词了［8］。生物、物理、化学等学科的发展，为农药发展带来了深刻的变化。抗生素农药并不是一种单纯的生物农药，准确地讲应该是一种生物源农药，其本身也是一种化学物质。通过学科间的融合，化学农药和生物农药之间的界限也越来越模糊。现代农药的开发是多学科汇聚的结果。

沈寅初院士也注重多技术的集成。在这个科学发展日新月异，技术手段层出不穷的时代，技术也与学科一样，日益分化和精密，只有注重多技术的集成，才可以实现技术和科学理论的创新发展。沈寅初院士在农用抗生素农药开发及产业化过程中所涉及到的技术手段是非常繁多的：分离提纯就需要紫外光谱分析、核磁共振等技术；发酵工艺则涉及了具体的工程技术手段；为了提高菌种的生产水平，则需集合各种技术手段，对农药化学结构进行改造，对菌种进行改良和诱变。以上各种技术手段的集成，最终形成了一项新的生物农药开发技术。近年来，沈寅初院士也凭借研究成果申报了多项技术专利。技术的发展离不开科学的进步，工业的发展离不开技术水平的提升，新技术的产生也离不开多技术的集成。

(三)倡导产学研一体化：促进科研成果产业化

生物农药具有环境友好的优势，但也存在明显的弱点。多数生物农药专一性强，稳定性差，防治谱窄，药效慢，部分生物农药使用技术复杂，使用时机难以把握，影响防治效果。以上这些缺点造成了生物农药防治效果差，使用成本提高，大面积推广受到限制。生物农药的这些弱点严重制约了它的市场竞争力。沈寅初院士曾经精辟地指出：传统的生物技术把希望寄托在发现一株高性能的微生物，或是发现一种高活性的酶和高效率的生产工艺。而现代生物技术的研究是从本质上解决生物技术在化学品生产中的问题［8］。我国在20世纪50年代已经筛选出了一些菌种，但是由于没有解决生产中的问题，没有一株投产。沈寅初院士在井冈山发现治疗水稻纹枯病的有效菌株之后，便深入车间和试验田进行探索，攻克种种技术难题，经7年时间，使生产水平提高上百倍，创造了抗生素行业中单位时间生产量的最高纪录，使井冈霉素成为我国首次实现工业化生产的微生物农药，并成功替代治疗水稻纹枯病的有毒化学农药，成为无毒无害的新型绿色农药的代表。沈寅初院士研究团队开发的井冈霉素、阿维菌素和生物法制丙烯酰胺等绿色工业产品的产量目前为全球第一。

国家“十二五”规划提出加快建立以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的技术创新体系。过去产学研的办学方式多用在高职院校，如今，国家越来越重视高等院校、科研单位与企业间相互联系的教学模式。沈寅初院士之所以能够成功将生物农药产业化，是因为他倡导产学研一体化的结果。科研成果的产业化是理论应用于实践的过程。沈寅初院士重视与企业建立良好关系，并争取得到政策支持，建立广泛的合作平台，推动学校产学研一体化发展。浙江许多医化企业如海正医药、钱江生化、浙江医药、汇丰生化等公司都与沈寅初院士有着广泛的合作关系。当代科学研究，特别是在技术应用领域，应当实施产学研一体化模式，高校、社会、政府、企业和科研院所等应该建立广泛的合作，推进科技成果的工业化、市场化，以提高我国产品的科技含量，提升产品的全球竞争力。

［1］巨修练.化学农药与生物农药的内涵与外延［J］.农药，2011，(2)：153-154.

［2］崔云龙.我国生物农药的现状及实现产业化之路［J］.农药科学与管理，1995，(1)：32-34.

［3］高筱梅，杨显万.战略型科学家及其培养途径［J］.唐都学刊，2004，(5)：87-90.

［4］罗天强.技术生态化及其社会系统控制［J］.系统科学学报，2006，(1)：58-62.

［5］沈寅初.生物技术在化学工业中的应用［J］.上海化工，1998，(12)：35-38.

［6］张晋斌.突破思维定势是创造性思维的一种方法［J］.科学、技术与辩证法，1988，(2)：43-46.

［7］卢虎胜.学科融合及其对高校学科建设的启示［J］.当代教育论坛(校长教育研究)，2008，(3)：48-49.

［8］沈寅初.农用抗生素研究开发新进展［J］.植保技术与推广，1997，(6)：35-37.