生態(tài)化學(xué)與化學(xué)可持續(xù)性發(fā)展

人類賴以生存的世界乃至人本身，都是由物質(zhì)組成的。而化學(xué)是制造新物質(zhì)，并在原子、分子層次上研究物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、制備、功能、用途，可以說凡涉及物質(zhì)問題，便涉及化學(xué)。人類直接或間接地借助化學(xué)反應(yīng)過程或化學(xué)物質(zhì)，創(chuàng)造了輝煌的物質(zhì)文明。但與此同時(shí)，隨著人類干涉大自然的程度和規(guī)模的不斷加大，必然面臨著日益嚴(yán)峻的資源、能源和環(huán)境危機(jī)的挑戰(zhàn)。人類已意識(shí)到今天所面臨的困境的根源，是發(fā)展模式的問題。無論在傳統(tǒng)的發(fā)展模式中，還是在“可持續(xù)發(fā)展”的模式中，化學(xué)始終扮演著“中心科學(xué)”角色。

生態(tài)化學(xué)是化學(xué)學(xué)科發(fā)展的必然選擇，是適應(yīng)人類需求而逐步形成的，是化學(xué)發(fā)展的高級(jí)階段[1～4]。

1 生態(tài)化學(xué)的發(fā)展

生態(tài)化學(xué)是一門生態(tài)學(xué)和化學(xué)的交叉學(xué)科，是21世紀(jì)發(fā)展中的學(xué)科。從科學(xué)的觀點(diǎn)看，生態(tài)化學(xué)是保護(hù)人體健康、人類環(huán)境的有效途徑；從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)看，生態(tài)化學(xué)是合理利用資源和能源，降低生產(chǎn)成本的有效措施，符合經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要求。只有不斷地研究和總結(jié)其規(guī)律，才有利于實(shí)際應(yīng)用和普及推廣。

從生態(tài)學(xué)角度，化學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了古代原始生態(tài)化學(xué)時(shí)期、非生態(tài)化學(xué)時(shí)期和生態(tài)化學(xué)時(shí)期。

1.1 古代原始生態(tài)化學(xué)時(shí)期

大約在1萬年前，人類度過漫長的原始社會(huì)時(shí)期，開始進(jìn)入農(nóng)業(yè)時(shí)代，社會(huì)人口已有增加，但仍以天然資源、人工養(yǎng)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(zhì)資源，開始主動(dòng)利用自然資源，改善生存條件，提高生活水平，已出現(xiàn)了陶瓷、冶金等工業(yè)雛形。雖然人類已開始有意識(shí)地改造自然，但由于生產(chǎn)規(guī)模不大，生態(tài)系統(tǒng)整體仍能長期維持，對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)基本不造成危害。

1.2 非生態(tài)化學(xué)時(shí)期

18世紀(jì)，人類進(jìn)入工業(yè)文明時(shí)代，人與自然生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系發(fā)生重大歷史性轉(zhuǎn)折。隨著人口激增，工業(yè)迅速發(fā)展，工業(yè)化提高了現(xiàn)代物質(zhì)文明，人類活動(dòng)領(lǐng)域擴(kuò)大到地球每一個(gè)角落。特別是化學(xué)學(xué)科的建立與發(fā)展，化學(xué)工業(yè)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(fèi)各種化學(xué)品、大量排放人類并不熟知的化學(xué)污染物。這個(gè)時(shí)期有明顯的標(biāo)志：人口劇增；燃煤用量從20世紀(jì)初10億t煤當(dāng)量增加到50年代25億t煤當(dāng)量，石油的消耗量增至5億多噸；生態(tài)環(huán)境破壞蔓延到全球，如“溫室效應(yīng)”、臭氧層破壞和酸雨，污染源分布廣，來源復(fù)雜。

事實(shí)上地球所能提供的能源和資源、所能容納的環(huán)境污染物及所能供養(yǎng)的人口是有限的，無限的增長方式將導(dǎo)致自然生態(tài)系統(tǒng)的崩潰。按生態(tài)學(xué)法則，這些因人為而引起的變化都對(duì)“社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)”造成破壞。

1.3 生態(tài)化學(xué)時(shí)期

經(jīng)過工業(yè)化社會(huì)的發(fā)展，人類開始重新認(rèn)識(shí)思考人與自然的關(guān)系。以史為鑒，人類已認(rèn)識(shí)到化學(xué)持續(xù)發(fā)展的出路在于化學(xué)應(yīng)以“社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然生態(tài)效益”的統(tǒng)一為著眼點(diǎn)，人類不能無視客觀的自然規(guī)律隨意處理自然。人類社會(huì)是整個(gè)自然生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，其活動(dòng)應(yīng)當(dāng)參與自然生態(tài)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，不能在破壞大自然中舊平衡的基礎(chǔ)上建立有益于人類的新平衡，而應(yīng)當(dāng)使對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的沖擊和干擾限制在其再生循環(huán)能力和自凈能力的合理限度范圍內(nèi)。盡管化學(xué)物質(zhì)的使用和化學(xué)工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，生態(tài)環(huán)境依然能得到保護(hù)，并追求人類與生態(tài)系統(tǒng)的長遠(yuǎn)效益。

2 生態(tài)化學(xué)與化工

2.1 生態(tài)化學(xué)與傳統(tǒng)化學(xué)的區(qū)別

傳統(tǒng)化學(xué)是以化學(xué)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)作為其物質(zhì)轉(zhuǎn)化的理論基礎(chǔ)，研究一種物質(zhì)向另一種物質(zhì)轉(zhuǎn)化的科學(xué)，它將環(huán)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(yán)重的生態(tài)危機(jī)。傳統(tǒng)化學(xué)的反應(yīng)體系多數(shù)是線性的非循環(huán)結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)的生命期各階段排放物絕大部分不再進(jìn)行循環(huán)，直接或間接地排入環(huán)境，致使環(huán)境系統(tǒng)的無序度增大、環(huán)境的熵增加?；瘜W(xué)反應(yīng)體系的產(chǎn)物都是從環(huán)境資源中提取轉(zhuǎn)換而成，這是一個(gè)從無序到有序的過程，但以犧牲環(huán)境的更大無序?yàn)榇鷥r(jià)，而產(chǎn)物的線性生產(chǎn)過程越長，進(jìn)入環(huán)境的廢物就越多，環(huán)境的熵增就越大。傳統(tǒng)化學(xué)與環(huán)境系統(tǒng)的物流關(guān)系如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)化學(xué)與環(huán)境系統(tǒng)的物流關(guān)系

生態(tài)化學(xué)是以生態(tài)環(huán)境為介質(zhì)，將物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)體系擴(kuò)展到環(huán)境范圍(局部、地區(qū)和全球)，研究物質(zhì)的化學(xué)變化與環(huán)境的物質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化的相適應(yīng)性，使物質(zhì)的化學(xué)轉(zhuǎn)化對(duì)環(huán)境系統(tǒng)的沖擊和干擾限制在凈化功能和循環(huán)能力的合理限度內(nèi)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)體系與環(huán)境系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)發(fā)展，減少其熵增。生態(tài)化學(xué)針對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)的資源利用率低、環(huán)境污染嚴(yán)重的缺點(diǎn)，提出：應(yīng)排放廢物最小量化和無害化，使原料利用率最大化；應(yīng)提高化學(xué)反應(yīng)體系的可逆循環(huán)程度，以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的循環(huán)再生利用；同時(shí)最大限度利用可再生資源作反應(yīng)原料，產(chǎn)品利用后容易降解為環(huán)境無害物。

2.2 生態(tài)化學(xué)化工與綠色化學(xué)的區(qū)別

綠色化學(xué)是在為21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展制定發(fā)展戰(zhàn)略背景下提出的。20世紀(jì)90年代，化學(xué)界就已經(jīng)開始積極思考，如何從過去的末端被動(dòng)治污，發(fā)展到從源頭主動(dòng)不生成或盡可能減少生成污染物的主動(dòng)治污，并提出整個(gè)反應(yīng)和生產(chǎn)過程發(fā)展廢棄物最低化技術(shù)及實(shí)現(xiàn)零排放的目標(biāo)。這時(shí)人們認(rèn)識(shí)到的是化學(xué)化工的綠色化，即綠色原料、綠色反應(yīng)和綠色產(chǎn)品(圖2)。

圖2 綠色化學(xué)反應(yīng)過程

由于綠色化學(xué)的理論基點(diǎn)在于事先主動(dòng)控制，即通過改善化學(xué)原料來解決環(huán)境受化學(xué)污染物損害的問題，因而，在此基礎(chǔ)上，人們更多地關(guān)注環(huán)境污染的起源，著力于從源頭上減輕危害，但這對(duì)于化學(xué)化工的應(yīng)用及其發(fā)展無疑產(chǎn)生了極大的局限性。雖說其研究內(nèi)容已涉及目前化學(xué)的更多領(lǐng)域，但仍很難區(qū)分其與環(huán)境化學(xué)中的末端治理方法在本質(zhì)上的差別，甚至認(rèn)為綠色化學(xué)的“從源頭開始預(yù)防污染”仍帶有“過程末端治理”的觀念，因而使得綠色化學(xué)只能長期隸屬于環(huán)境保護(hù)原理的范疇。

生態(tài)化工是以生態(tài)學(xué)原理為指導(dǎo)，以生物技術(shù)為手段，為促進(jìn)生態(tài)化工系統(tǒng)良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)化工與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展而建立起來的一種新型的化工生產(chǎn)模式，它從系統(tǒng)工程和生態(tài)學(xué)的角度，注重新化學(xué)反應(yīng)的高效、高選擇性，綜合了與化學(xué)化工相關(guān)的基礎(chǔ)研究，發(fā)展了對(duì)化學(xué)學(xué)科內(nèi)不同領(lǐng)域中共性規(guī)律的認(rèn)識(shí)的新的理論。生態(tài)化學(xué)是在高效和高選擇性的基礎(chǔ)上，達(dá)到與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)，更加注重化學(xué)的循環(huán)利用與環(huán)境的生態(tài)循環(huán)(圖3)。

圖3 生態(tài)化學(xué)中的循環(huán)利用

生態(tài)化學(xué)要求優(yōu)化物質(zhì)與能量流，使所有的技術(shù)目標(biāo)及過程都傾向于“清潔的、綠色的”，是從生態(tài)角度來解決生態(tài)環(huán)境危機(jī)。目前，生態(tài)化工的理論基礎(chǔ)就是發(fā)展了更為關(guān)注生態(tài)的綠色化學(xué)，即生態(tài)化學(xué)。生態(tài)化學(xué)是采用綠色化學(xué)的技術(shù)，利用生態(tài)平衡與物質(zhì)循環(huán)再生原理，結(jié)合系統(tǒng)工程來開展研究的。這使生態(tài)化工有著更為具體的研究內(nèi)涵，涵蓋了化學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。

生態(tài)化學(xué)緣于綠色化學(xué)，高于綠色化學(xué)，是融被動(dòng)處理污染的環(huán)境化學(xué)及主動(dòng)出擊的綠色化學(xué)為一體，更關(guān)注生態(tài)的先進(jìn)理論。與綠色化學(xué)一樣，具有學(xué)科發(fā)展的連續(xù)性(指基于傳統(tǒng)化學(xué)的理論知識(shí)體系)、科學(xué)發(fā)展的創(chuàng)新性(指新體系下的新化學(xué)、新體系)、技術(shù)發(fā)展的革命性(指源頭、過程、末端產(chǎn)品都不排放)和推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的可持續(xù)性(指生態(tài)化工中物質(zhì)能量循環(huán)過程)，如圖4所示。

圖4 不同發(fā)展觀下的各個(gè)化學(xué)發(fā)展階段

生態(tài)化學(xué)是化學(xué)學(xué)科發(fā)展的必然選擇，是適應(yīng)人類需求而逐步形成的，是化學(xué)發(fā)展的高級(jí)階段?？梢哉f，生態(tài)化學(xué)將是21世紀(jì)化學(xué)發(fā)展的趨勢和新的生長點(diǎn)，是化學(xué)學(xué)科自身發(fā)展及社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要，也是人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境的深情呼喚。

3 發(fā)展生態(tài)化學(xué)是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然

生態(tài)化學(xué)是站在對(duì)環(huán)境友好的高度，使環(huán)境資源的化學(xué)變換體系成為一種更有效的運(yùn)行模式，對(duì)環(huán)境系統(tǒng)的破壞作用更小，進(jìn)而改善環(huán)境質(zhì)量。

目前，人類社會(huì)已無法離開化學(xué)產(chǎn)品和化學(xué)工業(yè)，化學(xué)工業(yè)在整個(gè)工業(yè)體系中占有越來越大的比例。在歷史上，英國興旺的基礎(chǔ)是以制堿法為核心的化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展。德國依靠以煤化工和煉鋼為主的化學(xué)工業(yè)的技術(shù)革命，使世界科學(xué)技術(shù)中心由英國轉(zhuǎn)移到了德國。美國工業(yè)發(fā)展與德國類似，二戰(zhàn)后，依靠以石油化工技術(shù)為代表的技術(shù)創(chuàng)新取得了化學(xué)工業(yè)的領(lǐng)先地位，使世界科學(xué)技術(shù)中心由德國轉(zhuǎn)移到了美國。化學(xué)工業(yè)是美國目前最大的工業(yè)部門之一。

目前，世界各大化學(xué)工業(yè)公司，一方面要降低化學(xué)品的生產(chǎn)成本，提高效益；另一方面受到國家法律法規(guī)以及公眾的監(jiān)督，要求減少環(huán)境污染，而治理污染物就會(huì)提高成本。因此，要發(fā)展化學(xué)工業(yè)從而發(fā)展經(jīng)濟(jì)，就必須尋求更新的原理和方法，發(fā)展新的技術(shù)，以降低化學(xué)品生產(chǎn)的顯性成本和隱性成本。生態(tài)化學(xué)正好順應(yīng)這種趨勢。因此必須大力發(fā)展生態(tài)化學(xué)[5]。

可以認(rèn)為，在漫長的化學(xué)發(fā)展過程中，人們不斷認(rèn)識(shí)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(xué)、現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展；人們不斷親近自然、愛護(hù)自然，才有了環(huán)境化學(xué)理論的建立，這是人類的覺醒，但這都是傳統(tǒng)發(fā)展觀下的化學(xué)及其作為。在新世紀(jì)，可持續(xù)發(fā)展觀下倡導(dǎo)的尊重自然、人與自然的和諧，是生態(tài)化學(xué)的最高目標(biāo)。

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