工业发酵的被动性和
人的主观能动作用
江南大学 生物工程学院
新型发酵研究室 张星元
E-mail,biozhang@163.com
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 2
定位：人与微生物都是地球上的居民
人在发酵工业生产中处于被动的地
位 。 微生物的生存利益与人类的经济利
益, 也就是微生物的生命活动规律和人
的主观意志, 既是对立的, 又是统一的；
发酵工程领域的科学家和工程师的工作
就在于努力促使对立向统一的转化 。 为
解决这个难题, 作者提出了, 微生物生
物机器, 的创新思路和发酵工程的生物
学理论的框架 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 3
工业发酵领域的挑战性的问题
在发酵工业生产中, 人的意愿要通
过微生物的生命活动来实现, 在这个意
义上, 人在发酵工业生产中处于被动的
地位 。 在发酵工业生产中如何发挥人的
主观能动作用, 这对于工业微生物学家
和发酵工程师来说, 始终是一个挑战性
的问题 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 4
历史地看待微生物的进化和发展
在微生物进化的历史长河中, 运动
变化中的微生物经受了环境的种种考验,
经过生存斗争, 适者生存下来, 形成现
在的各种微生物物种 。 因此, 它们是经
物竞天择而得到的阶段性进化成果 。 它
们的生命活动规律是在亿万年的物竞天
择的过程中建立和逐步完善的, 是不以
人的主观意志为转移的客观存在 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 5
微生物的进化不可能刻意去照顾人类的利益
天然存在的各种微生物物种的生命活动过
程 —— 不论是造福于人类或危害人类的 —— 都
是它们按它们自己的生命活动规律进行生存竞
争的新陈代谢过程 。 微生物的天然进化不可能
刻意去照顾人类的利益 。
为发酵工业服务的育种是另一种意义上的
进化 。 首先, 它被期望按人选定的造福于人类
的方向进行的；其次, 它的速度远远高于一般
意义上的进化 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 6
辩证地看待人与微生物之间的对立与统一
微生物生命活动有其自己的生存, 发
展的保障机制, 这些机制服务于它们自
身的生存竞争；在工业生产中, 人类谋
求经济效益 。 微生物的生存利益与人类
的经济利益 （ 也就是微生物的生命活动
规律和人的意志 ）, 这两者既是对立的,
又是统一的 。 科学和技术工作的目的就
在于努力促使对立向统一的转化 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 7
微生物独立存在自主生活
微生物在其生存的环境中独立存在
自主生活；微生物进化的总的方向，是
发展其生存竞争的能力，即其生命活动
的经济性和其自身对其所处的环境的适
应性。任何代谢中间产物或细胞组分的
过多生成和排出细胞，都是对微生物细
胞增长的釜底抽薪，都是与微生物生长
和求生存的利益背道而驰的，是不利于
生存竞争的。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 8
从实际出发选好研究的典型
工业发酵的世界太奇妙, 但对它的
研究要从最普通的发酵开始 。 我们从
当今发酵工业实际出发, 把以化能异
养型微生物为生产菌种, 从成熟的发
酵醪液中获取代谢中间产物的工业发
酵作为典型的工业发酵来研究 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 9
为典型的工业发酵建立工作模式
从一个个的发酵生产实例，到工业
发酵的概念的形成，是一个从个别（特
殊）到一般的认识过程；从对工业发酵
的现状的分析和梳理，到典型的工业发
酵的界定，是一个从一般到特殊的认识
过程。我们以典型的工业发酵为研究对
象，并为它建立了微生物生物机器的工
作模式。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 10
生物机器的工作模式
Working pattern of bio-machine in
Industrial Fermentation
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 11
发酵工程的
生物学理论的框架
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 12
发酵工程的生物学理论的框架
我们把现代生物学关于能量转换的电子流
动, 物质流动和信息流动这三个基本观点引入
了发酵工程领域, 提出了关于微生物生命活动
的 三个基本假说 。 用这三个基本假说重新审视
了发酵工程, 于是就有了 四条新思路 。 根据以
上三个观点和四条新思路, 结合发酵工程和环
境生物工程的原有的专业知识进行演绎推理,
做出了关于微生物工业 （ 主要包括发酵工程和
环境生物工程等 ） 的八 个应用性推理 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 13
假说一,生物能支撑假说
微生物细胞的生长和维
持需要其自身能量转换机构
从其它形式的能量转化而形
成的生物能来支撑。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 14
假说二,代谢网络假说
微生物细胞是个远离平
衡状态的不平衡的开放体系，
微生物细胞的代谢和生长依
赖于横跨细胞内外的代谢网
络来实现。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 15
假说三,细胞经济假说
在物竞天择的基础上建
立的细胞经济体系是微生物
细胞生存的保障体系。
返回
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 16
“微生物生物机器”
（ 1） 现代发酵工程依靠微生物来完成发酵
工厂生产线上的必不可少的加工 （ 或转化 ）
步骤, 在这个意义上, 微生物细胞就是工
业发酵生产线上特殊机器 ——, 微生物生
物机器, 。 没有微生物就没有发酵工程,
微生物是发酵工程的灵魂 。 微生物菌种是
决定生产成败的内因 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 17
“在线制造”和“生产运行”的双重
任务
（ 2） 生物机器与普通意义上的机器不同, 生
物机器必须由生物能 （ bio-energy） 直接驱
动 。 在发酵工厂的生产线上, 微生物必须完
成, 微生物生物机器, 的, 在线制造, 和
,生产运行, 的双重任务 。 因而, 菌种确定
以后, 仍需对发酵生产的操作条件作相应的
阶段性的变通, 调节, 在线制造, 和, 生产
运行, 的条件, 控制, 机器, 的数量和质量,
维持新陈代谢, 生产目的产物 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 18
“微生物生物机器”工作原理
（ 3）, 微生物生物机器, 按其自身固有
的规律运行, 为了引导微生物为我们服
务, 必须深入研究微生物生物机器的工
作原理 。 建立微生物工作模式, 为, 微
生物生物机器, 实验研究和哲学思辨选
好对象, 为, 微生物生物机器, 工作原
理的研究找到支点 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 19
现代发酵工程的出路在于向生物学靠拢
（ 4） 发酵工程具有鲜明的生物学属性, 现
代发酵工程的出路在于向生物学靠拢 。 发
酵生产向化学工程学习, 实现了工业化的
飞跃；发酵生产与生物学的结合酝酿着发
酵工程的又一次革命性的飞跃 。 发酵工程
将在生物学和工程学的支撑下, 进入了发
酵工程发展的新阶段, 成为生物工程的一
个重要的组成部分 。
返回
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 20
推理一：物质、能量转化的推理
如果假说一, 二成立, 微
生物细胞可以经物质代谢和能
量代谢, 将其从生存环境中获
得的营养物质和能源物质, 转
化成产物 （ 细胞, 可溶性有机
物, 气体 ） 和生物能, 以及其
他形式的能量 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 21
推理二：细胞资产流失的推理
如果推理一和假说一、三
成立，那么，细胞获得的物质
和能量中，有一部分将以 胞外
产物 （包括流出的物质代谢中
间产物和能量代谢副产物）和
热能 的形式从细胞流失。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 22
推理三：原料与产物的推理
如果推理一、二和假说二
成立，那么 代谢网络 中任何一种
中间产物，包括借助生物学、化
学方法可与代谢网络 联网 的任何
一种化合物，都有可能被开发成
为工业发酵的 原料 或 目的产物 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 23
推理四：生物机器的推理（之一）
如果推理一、二和假说一、二、
三成立，那么可以根据要求细胞分泌
的目的产物的种类和数量确定目标，
借助菌种改良和发酵工艺控制，对微
生物细胞的代谢进行 有限的导向,调
整微生物细胞合成并分泌目的产物的
种类和数量，从而成为发酵工厂的 生
物机器 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 24
推理五：新的过程参数的推理
如果假说一成立，那么微生
物生成和分泌主要 能量代谢副产
物 的量的变化, 也将 成为过量合
成目的产物的工业发酵过程的工
艺控制的重要数量依据。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 25
推理六：生物机器的推理（之二）
如果推理二、三、四、五和假说
一、二、三成立，对于微生物细胞的
增殖（生物机器制造）和目的产物合
成（生物机器运转）阶段分明，而且
不相互覆盖的发酵生产，两个阶段应
区别对待；有了分别与增殖阶段和合
成阶段配套的工艺和设备条件，以及
生长过渡技术，细胞高密度发酵可望
成功。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 26
推理七：生物机器的推理（之三）
对于 生长过程中合成的产物（能
量代谢副产物和初级代谢产物）和生
长停止后的合成的产物（次级代谢产
物）而言，它们的合成代谢动力学是
不同的。如果推理六成立，连续发酵
有利于前者的生产，经过优化的分批
发酵有利后者的生产。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 27
推理八：扩大能量流失的推理
如果推理一、二和假说一、三
成立,那么，就有可能借助于菌种
改良和培养条件的控制，对细胞的
代谢进行有限的导向，扩大代谢过
程中能量的流失,实现生物降解与
细胞增长的分离,从而限制有机废
水净化的过程中微生物细胞的增殖。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 28
既要有实验研究，又要有哲学的思辨
以上假说、思路和推理用作研究
,微生物生物机器, 的工作原理的框
架，从客观事物演化的历程和机理入手，
用根据实验数据做出定性判断与定量计
算相结合的方式对工业发酵进行的系统
的研究。在研究思路上，正反两方面并
重。对理论框架既要有正面的实验证明，
又要有批判性的实验反证；既要有生物
科学的实验研究，又要有哲学的思辨。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 29
发酵工业生产中
人的主观能动作用的发挥
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 30
发酵工程的基本矛盾
在发酵工业中人类只有依靠微生物才
能间接地达到目的，这就是所谓发酵工业
的被动性。为了在工业发酵中争取主动，
必须发挥人的主观能动作用。发酵工程的
基本矛盾在于：人出于经济利益对微生物
代谢的导向与微生物细胞的生存保障体系
对这种导向的响应。人的主观能动作用的
发挥具体表现在促进矛盾双方从对立走向
统一。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 31
复杂系统中的代谢流
微生物及其所处环境构成特殊的复
杂系统，在这个复杂系统中参与代谢的
物质在代谢途径中按一定规律流动，形
成微生物的代谢流。涉及活细胞生命活
动的生化途径可称为代谢途径，代谢途
径首尾相接形成代谢网络，碳架物质在
代谢网络里流动时碳架物质流过的代谢
途径（包括膜中的载体蛋白和代谢途径
中的酶）叫载流途径。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 32
生物机器生产运行时的载流途径
当微生物细胞以微生物生物机器
的“身份”投入生产运行时，碳架物
质流从工业原料（细胞外）开始，贯
穿细胞，直到目的产物（细胞外）。
这时，碳架物质流过的代谢途径叫做
所研究的这种微生物细胞生产这个目
的产物的主要载流途径。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 33
进入准
备及跨
膜步骤
注
入
途
径
中心代谢途径 发
散
途
径
跨膜步
骤和胞
外修饰
理 想 载 流 途 径 的 五 段 式
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 34
人贵有自知之明
要靠大自然的恩赐来解决菌种问题显然是
不现实的, 因为自然突变率极低, 而且不能定
向, 大自然推动的筛选 (经自然竞争而实现的
筛选 )与人的主观愿望并无相关性 。 为了加快
微生物向满足人类需求的方向定向, 进化,,
就必须主动地去改造微生物 。 根据我们的生产
意图和出发菌种固有的代谢规律及调节机制制
订育种方案, 然后努力去实现 。 要加快微生物
向人类利益的方向定向, 进化,, 人类不但必
须认识微生物生命活动的规律, 还必须有自知
之明 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 35
育种和发酵控制的统筹策略
“进、通、节、堵、出”五字策略。
①进：促进细胞对营养物质的吸收；②通：
使来自各个分支的代谢物流能够畅通地流
向目的产物；③节：阻塞与目的产物的形
成无关或关系不大的代谢支流，使代谢物
流相对集中地流向目的产物；④堵：消除
或削弱目的产物进一步代谢；⑤出：促进
目的产物向细胞外空间分泌。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 36
用于菌种选育和工艺控制的“五字策略”
N PP
进 出通 节 堵
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 37
一厢情愿行吗?
“五字策略”强调了代谢物流，
淡化了能量支撑和还原力的平衡问题，
完全是从人的良好愿望出发提出的策
略，微生物能不能接受呢？
微生物为什么能在一定程度上接
受人的安排，又不能完全接受人的安
排呢？
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 38
微生物的适应性、经济性和代谢刚性
微生物对环境有一定的适应能力, 对
遗传改造有一定的承受能力, 这是由微生
物代谢的变动性决定的 ;另一方面, 它的
这种承受能力和适应能力是有限的, 一旦
改造或改变涉及到其代谢的刚性时, 它就
以死相拒了 。 在这个问题上细胞经济假说
的双重含义 —— 细胞的经济性和接受改造
的极限性 —— 得到了体现 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 39
人与微生物的对立与统一
微生物在求生存的方向上始终是主动的。
在微生物生命活动中，微生物细胞生存的保
障体系有利于它们自身的生存竞争；在发酵
工业生产中，人类要利用微生物的生命活动
谋求经济效益。人出于经济利益对微生物代
谢的导向受到微生物的细胞的生存保障体系
的制约（微生物代谢网络的刚性），同时，
人的经济利益的获得同样需要微生物的细胞
的生存保障体系的支持（细胞的适应性和经
济性）。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 40
人与微生物合作的基础
我们研究典型的工业发酵中微生物
的生命活动规律，建立工业发酵的生物
学理论就是为了能充分发挥人在发酵工
业中的主观能动作用，掌握好对微生物
的代谢进行导向的程度，恰如其分地引
导微生物进行异常代谢，使微生物的生
存保障本能与人的经济利益的对立，在
维持微生物细胞的生存这一点上得到统
一，让用于发酵生产的微生物细胞在人
为的特定条件下进行新陈代谢的同时，
为人类生产指定的代谢产物。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 41
知识给你力量，理论提升效率
在对立和统一的矛盾斗争和相互转
化中，人的作用是关键的。正确理论的
指导和应顺自然规律的积极实践，能促
进对立向统一的转化。人对微生物的生
命活动规律理解得愈深，对微生物的代
谢的引导就愈有效，在发酵工业生产中
的主动权就愈大。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 42
为人类造福
为世界消灾
人的主观能动作用
江南大学 生物工程学院
新型发酵研究室 张星元
E-mail,biozhang@163.com
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 2
定位：人与微生物都是地球上的居民
人在发酵工业生产中处于被动的地
位 。 微生物的生存利益与人类的经济利
益, 也就是微生物的生命活动规律和人
的主观意志, 既是对立的, 又是统一的；
发酵工程领域的科学家和工程师的工作
就在于努力促使对立向统一的转化 。 为
解决这个难题, 作者提出了, 微生物生
物机器, 的创新思路和发酵工程的生物
学理论的框架 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 3
工业发酵领域的挑战性的问题
在发酵工业生产中, 人的意愿要通
过微生物的生命活动来实现, 在这个意
义上, 人在发酵工业生产中处于被动的
地位 。 在发酵工业生产中如何发挥人的
主观能动作用, 这对于工业微生物学家
和发酵工程师来说, 始终是一个挑战性
的问题 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 4
历史地看待微生物的进化和发展
在微生物进化的历史长河中, 运动
变化中的微生物经受了环境的种种考验,
经过生存斗争, 适者生存下来, 形成现
在的各种微生物物种 。 因此, 它们是经
物竞天择而得到的阶段性进化成果 。 它
们的生命活动规律是在亿万年的物竞天
择的过程中建立和逐步完善的, 是不以
人的主观意志为转移的客观存在 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 5
微生物的进化不可能刻意去照顾人类的利益
天然存在的各种微生物物种的生命活动过
程 —— 不论是造福于人类或危害人类的 —— 都
是它们按它们自己的生命活动规律进行生存竞
争的新陈代谢过程 。 微生物的天然进化不可能
刻意去照顾人类的利益 。
为发酵工业服务的育种是另一种意义上的
进化 。 首先, 它被期望按人选定的造福于人类
的方向进行的；其次, 它的速度远远高于一般
意义上的进化 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 6
辩证地看待人与微生物之间的对立与统一
微生物生命活动有其自己的生存, 发
展的保障机制, 这些机制服务于它们自
身的生存竞争；在工业生产中, 人类谋
求经济效益 。 微生物的生存利益与人类
的经济利益 （ 也就是微生物的生命活动
规律和人的意志 ）, 这两者既是对立的,
又是统一的 。 科学和技术工作的目的就
在于努力促使对立向统一的转化 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 7
微生物独立存在自主生活
微生物在其生存的环境中独立存在
自主生活；微生物进化的总的方向，是
发展其生存竞争的能力，即其生命活动
的经济性和其自身对其所处的环境的适
应性。任何代谢中间产物或细胞组分的
过多生成和排出细胞，都是对微生物细
胞增长的釜底抽薪，都是与微生物生长
和求生存的利益背道而驰的，是不利于
生存竞争的。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 8
从实际出发选好研究的典型
工业发酵的世界太奇妙, 但对它的
研究要从最普通的发酵开始 。 我们从
当今发酵工业实际出发, 把以化能异
养型微生物为生产菌种, 从成熟的发
酵醪液中获取代谢中间产物的工业发
酵作为典型的工业发酵来研究 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 9
为典型的工业发酵建立工作模式
从一个个的发酵生产实例，到工业
发酵的概念的形成，是一个从个别（特
殊）到一般的认识过程；从对工业发酵
的现状的分析和梳理，到典型的工业发
酵的界定，是一个从一般到特殊的认识
过程。我们以典型的工业发酵为研究对
象，并为它建立了微生物生物机器的工
作模式。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 10
生物机器的工作模式
Working pattern of bio-machine in
Industrial Fermentation
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 11
发酵工程的
生物学理论的框架
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 12
发酵工程的生物学理论的框架
我们把现代生物学关于能量转换的电子流
动, 物质流动和信息流动这三个基本观点引入
了发酵工程领域, 提出了关于微生物生命活动
的 三个基本假说 。 用这三个基本假说重新审视
了发酵工程, 于是就有了 四条新思路 。 根据以
上三个观点和四条新思路, 结合发酵工程和环
境生物工程的原有的专业知识进行演绎推理,
做出了关于微生物工业 （ 主要包括发酵工程和
环境生物工程等 ） 的八 个应用性推理 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 13
假说一,生物能支撑假说
微生物细胞的生长和维
持需要其自身能量转换机构
从其它形式的能量转化而形
成的生物能来支撑。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 14
假说二,代谢网络假说
微生物细胞是个远离平
衡状态的不平衡的开放体系，
微生物细胞的代谢和生长依
赖于横跨细胞内外的代谢网
络来实现。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 15
假说三,细胞经济假说
在物竞天择的基础上建
立的细胞经济体系是微生物
细胞生存的保障体系。
返回
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 16
“微生物生物机器”
（ 1） 现代发酵工程依靠微生物来完成发酵
工厂生产线上的必不可少的加工 （ 或转化 ）
步骤, 在这个意义上, 微生物细胞就是工
业发酵生产线上特殊机器 ——, 微生物生
物机器, 。 没有微生物就没有发酵工程,
微生物是发酵工程的灵魂 。 微生物菌种是
决定生产成败的内因 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 17
“在线制造”和“生产运行”的双重
任务
（ 2） 生物机器与普通意义上的机器不同, 生
物机器必须由生物能 （ bio-energy） 直接驱
动 。 在发酵工厂的生产线上, 微生物必须完
成, 微生物生物机器, 的, 在线制造, 和
,生产运行, 的双重任务 。 因而, 菌种确定
以后, 仍需对发酵生产的操作条件作相应的
阶段性的变通, 调节, 在线制造, 和, 生产
运行, 的条件, 控制, 机器, 的数量和质量,
维持新陈代谢, 生产目的产物 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 18
“微生物生物机器”工作原理
（ 3）, 微生物生物机器, 按其自身固有
的规律运行, 为了引导微生物为我们服
务, 必须深入研究微生物生物机器的工
作原理 。 建立微生物工作模式, 为, 微
生物生物机器, 实验研究和哲学思辨选
好对象, 为, 微生物生物机器, 工作原
理的研究找到支点 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 19
现代发酵工程的出路在于向生物学靠拢
（ 4） 发酵工程具有鲜明的生物学属性, 现
代发酵工程的出路在于向生物学靠拢 。 发
酵生产向化学工程学习, 实现了工业化的
飞跃；发酵生产与生物学的结合酝酿着发
酵工程的又一次革命性的飞跃 。 发酵工程
将在生物学和工程学的支撑下, 进入了发
酵工程发展的新阶段, 成为生物工程的一
个重要的组成部分 。
返回
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 20
推理一：物质、能量转化的推理
如果假说一, 二成立, 微
生物细胞可以经物质代谢和能
量代谢, 将其从生存环境中获
得的营养物质和能源物质, 转
化成产物 （ 细胞, 可溶性有机
物, 气体 ） 和生物能, 以及其
他形式的能量 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 21
推理二：细胞资产流失的推理
如果推理一和假说一、三
成立，那么，细胞获得的物质
和能量中，有一部分将以 胞外
产物 （包括流出的物质代谢中
间产物和能量代谢副产物）和
热能 的形式从细胞流失。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 22
推理三：原料与产物的推理
如果推理一、二和假说二
成立，那么 代谢网络 中任何一种
中间产物，包括借助生物学、化
学方法可与代谢网络 联网 的任何
一种化合物，都有可能被开发成
为工业发酵的 原料 或 目的产物 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 23
推理四：生物机器的推理（之一）
如果推理一、二和假说一、二、
三成立，那么可以根据要求细胞分泌
的目的产物的种类和数量确定目标，
借助菌种改良和发酵工艺控制，对微
生物细胞的代谢进行 有限的导向,调
整微生物细胞合成并分泌目的产物的
种类和数量，从而成为发酵工厂的 生
物机器 。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 24
推理五：新的过程参数的推理
如果假说一成立，那么微生
物生成和分泌主要 能量代谢副产
物 的量的变化, 也将 成为过量合
成目的产物的工业发酵过程的工
艺控制的重要数量依据。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 25
推理六：生物机器的推理（之二）
如果推理二、三、四、五和假说
一、二、三成立，对于微生物细胞的
增殖（生物机器制造）和目的产物合
成（生物机器运转）阶段分明，而且
不相互覆盖的发酵生产，两个阶段应
区别对待；有了分别与增殖阶段和合
成阶段配套的工艺和设备条件，以及
生长过渡技术，细胞高密度发酵可望
成功。
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推理七：生物机器的推理（之三）
对于 生长过程中合成的产物（能
量代谢副产物和初级代谢产物）和生
长停止后的合成的产物（次级代谢产
物）而言，它们的合成代谢动力学是
不同的。如果推理六成立，连续发酵
有利于前者的生产，经过优化的分批
发酵有利后者的生产。
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推理八：扩大能量流失的推理
如果推理一、二和假说一、三
成立,那么，就有可能借助于菌种
改良和培养条件的控制，对细胞的
代谢进行有限的导向，扩大代谢过
程中能量的流失,实现生物降解与
细胞增长的分离,从而限制有机废
水净化的过程中微生物细胞的增殖。
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既要有实验研究，又要有哲学的思辨
以上假说、思路和推理用作研究
,微生物生物机器, 的工作原理的框
架，从客观事物演化的历程和机理入手，
用根据实验数据做出定性判断与定量计
算相结合的方式对工业发酵进行的系统
的研究。在研究思路上，正反两方面并
重。对理论框架既要有正面的实验证明，
又要有批判性的实验反证；既要有生物
科学的实验研究，又要有哲学的思辨。
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发酵工业生产中
人的主观能动作用的发挥
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发酵工程的基本矛盾
在发酵工业中人类只有依靠微生物才
能间接地达到目的，这就是所谓发酵工业
的被动性。为了在工业发酵中争取主动，
必须发挥人的主观能动作用。发酵工程的
基本矛盾在于：人出于经济利益对微生物
代谢的导向与微生物细胞的生存保障体系
对这种导向的响应。人的主观能动作用的
发挥具体表现在促进矛盾双方从对立走向
统一。
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复杂系统中的代谢流
微生物及其所处环境构成特殊的复
杂系统，在这个复杂系统中参与代谢的
物质在代谢途径中按一定规律流动，形
成微生物的代谢流。涉及活细胞生命活
动的生化途径可称为代谢途径，代谢途
径首尾相接形成代谢网络，碳架物质在
代谢网络里流动时碳架物质流过的代谢
途径（包括膜中的载体蛋白和代谢途径
中的酶）叫载流途径。
02-11-8 张星元：工业发酵与唯物辩证法 32
生物机器生产运行时的载流途径
当微生物细胞以微生物生物机器
的“身份”投入生产运行时，碳架物
质流从工业原料（细胞外）开始，贯
穿细胞，直到目的产物（细胞外）。
这时，碳架物质流过的代谢途径叫做
所研究的这种微生物细胞生产这个目
的产物的主要载流途径。
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进入准
备及跨
膜步骤
注
入
途
径
中心代谢途径 发
散
途
径
跨膜步
骤和胞
外修饰
理 想 载 流 途 径 的 五 段 式
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人贵有自知之明
要靠大自然的恩赐来解决菌种问题显然是
不现实的, 因为自然突变率极低, 而且不能定
向, 大自然推动的筛选 (经自然竞争而实现的
筛选 )与人的主观愿望并无相关性 。 为了加快
微生物向满足人类需求的方向定向, 进化,,
就必须主动地去改造微生物 。 根据我们的生产
意图和出发菌种固有的代谢规律及调节机制制
订育种方案, 然后努力去实现 。 要加快微生物
向人类利益的方向定向, 进化,, 人类不但必
须认识微生物生命活动的规律, 还必须有自知
之明 。
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育种和发酵控制的统筹策略
“进、通、节、堵、出”五字策略。
①进：促进细胞对营养物质的吸收；②通：
使来自各个分支的代谢物流能够畅通地流
向目的产物；③节：阻塞与目的产物的形
成无关或关系不大的代谢支流，使代谢物
流相对集中地流向目的产物；④堵：消除
或削弱目的产物进一步代谢；⑤出：促进
目的产物向细胞外空间分泌。
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用于菌种选育和工艺控制的“五字策略”
N PP
进 出通 节 堵
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一厢情愿行吗?
“五字策略”强调了代谢物流，
淡化了能量支撑和还原力的平衡问题，
完全是从人的良好愿望出发提出的策
略，微生物能不能接受呢？
微生物为什么能在一定程度上接
受人的安排，又不能完全接受人的安
排呢？
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微生物的适应性、经济性和代谢刚性
微生物对环境有一定的适应能力, 对
遗传改造有一定的承受能力, 这是由微生
物代谢的变动性决定的 ;另一方面, 它的
这种承受能力和适应能力是有限的, 一旦
改造或改变涉及到其代谢的刚性时, 它就
以死相拒了 。 在这个问题上细胞经济假说
的双重含义 —— 细胞的经济性和接受改造
的极限性 —— 得到了体现 。
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人与微生物的对立与统一
微生物在求生存的方向上始终是主动的。
在微生物生命活动中，微生物细胞生存的保
障体系有利于它们自身的生存竞争；在发酵
工业生产中，人类要利用微生物的生命活动
谋求经济效益。人出于经济利益对微生物代
谢的导向受到微生物的细胞的生存保障体系
的制约（微生物代谢网络的刚性），同时，
人的经济利益的获得同样需要微生物的细胞
的生存保障体系的支持（细胞的适应性和经
济性）。
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人与微生物合作的基础
我们研究典型的工业发酵中微生物
的生命活动规律，建立工业发酵的生物
学理论就是为了能充分发挥人在发酵工
业中的主观能动作用，掌握好对微生物
的代谢进行导向的程度，恰如其分地引
导微生物进行异常代谢，使微生物的生
存保障本能与人的经济利益的对立，在
维持微生物细胞的生存这一点上得到统
一，让用于发酵生产的微生物细胞在人
为的特定条件下进行新陈代谢的同时，
为人类生产指定的代谢产物。
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知识给你力量，理论提升效率
在对立和统一的矛盾斗争和相互转
化中，人的作用是关键的。正确理论的
指导和应顺自然规律的积极实践，能促
进对立向统一的转化。人对微生物的生
命活动规律理解得愈深，对微生物的代
谢的引导就愈有效，在发酵工业生产中
的主动权就愈大。
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为人类造福
为世界消灾
