生態化學與化學可持續性發展

人類賴以生存的世界乃至人本身，都是由物質組成的。而化學是制造新物質，并在原子、分子層次上研究物質的轉化、制備、功能、用途，可以說凡涉及物質問題，便涉及化學。人類直接或間接地借助化學反應過程或化學物質，創造了輝煌的物質文明。但與此同時，隨著人類干涉大自然的程度和規模的不斷加大，必然面臨著日益嚴峻的資源、能源和環境危機的挑戰。人類已意識到今天所面臨的困境的根源，是發展模式的問題。無論在傳統的發展模式中，還是在“可持續發展”的模式中，化學始終扮演著“中心科學”角色。

生態化學是化學學科發展的必然選擇，是適應人類需求而逐步形成的，是化學發展的高級階段[1～4]。

1 生態化學的發展

生態化學是一門生態學和化學的交叉學科，是21世紀發展中的學科。從科學的觀點看，生態化學是保護人體健康、人類環境的有效途徑；從經濟的觀點看，生態化學是合理利用資源和能源，降低生產成本的有效措施，符合經濟可持續發展的要求。只有不斷地研究和總結其規律，才有利于實際應用和普及推廣。

從生態學角度，化學的發展經歷了古代原始生態化學時期、非生態化學時期和生態化學時期。

1.1 古代原始生態化學時期

大約在1萬年前，人類度過漫長的原始社會時期，開始進入農業時代，社會人口已有增加，但仍以天然資源、人工養殖的生物為主要生活來源。人們已從原始、簡單地利用自然界的物質資源，開始主動利用自然資源，改善生存條件，提高生活水平，已出現了陶瓷、冶金等工業雛形。雖然人類已開始有意識地改造自然，但由于生產規模不大，生態系統整體仍能長期維持，對自然生態系統基本不造成危害。

1.2 非生態化學時期

18世紀，人類進入工業文明時代，人與自然生態系統關系發生重大歷史性轉折。隨著人口激增，工業迅速發展，工業化提高了現代物質文明，人類活動領域擴大到地球每一個角落。特別是化學學科的建立與發展，化學工業的興起與壯大，使人們大量開采地球上的各種資源、大量使用和浪費各種化學品、大量排放人類并不熟知的化學污染物。這個時期有明顯的標志：人口劇增；燃煤用量從20世紀初10億t煤當量增加到50年代25億t煤當量，石油的消耗量增至5億多噸；生態環境破壞蔓延到全球，如“溫室效應”、臭氧層破壞和酸雨，污染源分布廣，來源復雜。

事實上地球所能提供的能源和資源、所能容納的環境污染物及所能供養的人口是有限的，無限的增長方式將導致自然生態系統的崩潰。按生態學法則，這些因人為而引起的變化都對“社會—經濟—自然復合生態系統”造成破壞。

1.3 生態化學時期

經過工業化社會的發展，人類開始重新認識思考人與自然的關系。以史為鑒，人類已認識到化學持續發展的出路在于化學應以“社會經濟與自然生態效益”的統一為著眼點，人類不能無視客觀的自然規律隨意處理自然。人類社會是整個自然生態系統中的一個子系統，其活動應當參與自然生態的動態運動，不能在破壞大自然中舊平衡的基礎上建立有益于人類的新平衡，而應當使對生態系統的沖擊和干擾限制在其再生循環能力和自凈能力的合理限度范圍內。盡管化學物質的使用和化學工業規模不斷擴大，生態環境依然能得到保護，并追求人類與生態系統的長遠效益。

2 生態化學與化工

2.1 生態化學與傳統化學的區別

傳統化學是以化學熱力學和動力學作為其物質轉化的理論基礎，研究一種物質向另一種物質轉化的科學，它將環境視為無盡的源和無底的匯，因此，引起了資源短缺和污染嚴重的生態危機。傳統化學的反應體系多數是線性的非循環結構，其系統的生命期各階段排放物絕大部分不再進行循環，直接或間接地排入環境，致使環境系統的無序度增大、環境的熵增加?；瘜W反應體系的產物都是從環境資源中提取轉換而成，這是一個從無序到有序的過程，但以犧牲環境的更大無序為代價，而產物的線性生產過程越長，進入環境的廢物就越多，環境的熵增就越大。傳統化學與環境系統的物流關系如圖1所示。

圖1 傳統化學與環境系統的物流關系

生態化學是以生態環境為介質，將物質轉化反應體系擴展到環境范圍(局部、地區和全球)，研究物質的化學變化與環境的物質循環轉化的相適應性，使物質的化學轉化對環境系統的沖擊和干擾限制在凈化功能和循環能力的合理限度內，實現化學體系與環境系統的相互協調發展，減少其熵增。生態化學針對傳統化學的資源利用率低、環境污染嚴重的缺點，提出：應排放廢物最小量化和無害化，使原料利用率最大化；應提高化學反應體系的可逆循環程度，以實現物質的循環再生利用；同時最大限度利用可再生資源作反應原料，產品利用后容易降解為環境無害物。

2.2 生態化學化工與綠色化學的區別

綠色化學是在為21世紀經濟與社會的持續協調發展制定發展戰略背景下提出的。20世紀90年代，化學界就已經開始積極思考，如何從過去的末端被動治污，發展到從源頭主動不生成或盡可能減少生成污染物的主動治污，并提出整個反應和生產過程發展廢棄物最低化技術及實現零排放的目標。這時人們認識到的是化學化工的綠色化，即綠色原料、綠色反應和綠色產品(圖2)。

圖2 綠色化學反應過程

由于綠色化學的理論基點在于事先主動控制，即通過改善化學原料來解決環境受化學污染物損害的問題，因而，在此基礎上，人們更多地關注環境污染的起源，著力于從源頭上減輕危害，但這對于化學化工的應用及其發展無疑產生了極大的局限性。雖說其研究內容已涉及目前化學的更多領域，但仍很難區分其與環境化學中的末端治理方法在本質上的差別，甚至認為綠色化學的“從源頭開始預防污染”仍帶有“過程末端治理”的觀念，因而使得綠色化學只能長期隸屬于環境保護原理的范疇。

生態化工是以生態學原理為指導，以生物技術為手段，為促進生態化工系統良性循環，實現化工與生態環境協調發展而建立起來的一種新型的化工生產模式，它從系統工程和生態學的角度，注重新化學反應的高效、高選擇性，綜合了與化學化工相關的基礎研究，發展了對化學學科內不同領域中共性規律的認識的新的理論。生態化學是在高效和高選擇性的基礎上，達到與生態環境協調，更加注重化學的循環利用與環境的生態循環(圖3)。

圖3 生態化學中的循環利用

生態化學要求優化物質與能量流，使所有的技術目標及過程都傾向于“清潔的、綠色的”，是從生態角度來解決生態環境危機。目前，生態化工的理論基礎就是發展了更為關注生態的綠色化學，即生態化學。生態化學是采用綠色化學的技術，利用生態平衡與物質循環再生原理，結合系統工程來開展研究的。這使生態化工有著更為具體的研究內涵，涵蓋了化學的各個領域。

生態化學緣于綠色化學，高于綠色化學，是融被動處理污染的環境化學及主動出擊的綠色化學為一體，更關注生態的先進理論。與綠色化學一樣，具有學科發展的連續性(指基于傳統化學的理論知識體系)、科學發展的創新性(指新體系下的新化學、新體系)、技術發展的革命性(指源頭、過程、末端產品都不排放)和推動社會發展的可持續性(指生態化工中物質能量循環過程)，如圖4所示。

圖4 不同發展觀下的各個化學發展階段

生態化學是化學學科發展的必然選擇，是適應人類需求而逐步形成的，是化學發展的高級階段?？梢哉f，生態化學將是21世紀化學發展的趨勢和新的生長點，是化學學科自身發展及社會和經濟可持續發展的需要，也是人類賴以生存的生態環境的深情呼喚。

3 發展生態化學是人類社會可持續發展的必然

生態化學是站在對環境友好的高度，使環境資源的化學變換體系成為一種更有效的運行模式，對環境系統的破壞作用更小，進而改善環境質量。

目前，人類社會已無法離開化學產品和化學工業，化學工業在整個工業體系中占有越來越大的比例。在歷史上，英國興旺的基礎是以制堿法為核心的化學工業的大發展。德國依靠以煤化工和煉鋼為主的化學工業的技術革命，使世界科學技術中心由英國轉移到了德國。美國工業發展與德國類似，二戰后，依靠以石油化工技術為代表的技術創新取得了化學工業的領先地位，使世界科學技術中心由德國轉移到了美國?；瘜W工業是美國目前最大的工業部門之一。

目前，世界各大化學工業公司，一方面要降低化學品的生產成本，提高效益；另一方面受到國家法律法規以及公眾的監督，要求減少環境污染，而治理污染物就會提高成本。因此，要發展化學工業從而發展經濟，就必須尋求更新的原理和方法，發展新的技術，以降低化學品生產的顯性成本和隱性成本。生態化學正好順應這種趨勢。因此必須大力發展生態化學[5]。

可以認為，在漫長的化學發展過程中，人們不斷認識自然，不斷通過改造自然而努力改善生活水平，才有了近代化學、現代化學的發展；人們不斷親近自然、愛護自然，才有了環境化學理論的建立，這是人類的覺醒，但這都是傳統發展觀下的化學及其作為。在新世紀，可持續發展觀下倡導的尊重自然、人與自然的和諧，是生態化學的最高目標。

參考文獻：

[1] 馮輝霞,王毅.生態化學與人類文明[M].北京:化學工業出版社，2005:1-27.

[2] 鄺生魯.樹立科學發展觀 實施零排放戰略[J].現代化工,2005,25(1)：2-8.

[3] 張義學.循環經濟漸熱西部[J].新西部,2005,(1)：20-21.

[4] 王靜康,陳建新.可持續發展與現代化工科學[J].化工進展，2004,23(1):1-8.

[5] 馮輝霞,張婷,王毅,等.可持續發展觀的化學發展目標:生態化學[J].生態環境,2007,16(5)：1578-1582.