生态化学与化学可持续性发展

人类赖以生存的世界乃至人本身，都是由物质组成的。而化学是制造新物质，并在原子、分子层次上研究物质的转化、制备、功能、用途，可以说凡涉及物质问题，便涉及化学。人类直接或间接地借助化学反应过程或化学物质，创造了辉煌的物质文明。但与此同时，随着人类干涉大自然的程度和规模的不断加大，必然面临着日益严峻的资源、能源和环境危机的挑战。人类已意识到今天所面临的困境的根源，是发展模式的问题。无论在传统的发展模式中，还是在“可持续发展”的模式中，化学始终扮演着“中心科学”角色。

生态化学是化学学科发展的必然选择，是适应人类需求而逐步形成的，是化学发展的高级阶段[1～4]。

1 生态化学的发展

生态化学是一门生态学和化学的交叉学科，是21世纪发展中的学科。从科学的观点看，生态化学是保护人体健康、人类环境的有效途径；从经济的观点看，生态化学是合理利用资源和能源，降低生产成本的有效措施，符合经济可持续发展的要求。只有不断地研究和总结其规律，才有利于实际应用和普及推广。

从生态学角度，化学的发展经历了古代原始生态化学时期、非生态化学时期和生态化学时期。

1.1 古代原始生态化学时期

大约在1万年前，人类度过漫长的原始社会时期，开始进入农业时代，社会人口已有增加，但仍以天然资源、人工养殖的生物为主要生活来源。人们已从原始、简单地利用自然界的物质资源，开始主动利用自然资源，改善生存条件，提高生活水平，已出现了陶瓷、冶金等工业雏形。虽然人类已开始有意识地改造自然，但由于生产规模不大，生态系统整体仍能长期维持，对自然生态系统基本不造成危害。

1.2 非生态化学时期

18世纪，人类进入工业文明时代，人与自然生态系统关系发生重大历史性转折。随着人口激增，工业迅速发展，工业化提高了现代物质文明，人类活动领域扩大到地球每一个角落。特别是化学学科的建立与发展，化学工业的兴起与壮大，使人们大量开采地球上的各种资源、大量使用和浪费各种化学品、大量排放人类并不熟知的化学污染物。这个时期有明显的标志：人口剧增；燃煤用量从20世纪初10亿t煤当量增加到50年代25亿t煤当量，石油的消耗量增至5亿多吨；生态环境破坏蔓延到全球，如“温室效应”、臭氧层破坏和酸雨，污染源分布广，来源复杂。

事实上地球所能提供的能源和资源、所能容纳的环境污染物及所能供养的人口是有限的，无限的增长方式将导致自然生态系统的崩溃。按生态学法则，这些因人为而引起的变化都对“社会—经济—自然复合生态系统”造成破坏。

1.3 生态化学时期

经过工业化社会的发展，人类开始重新认识思考人与自然的关系。以史为鉴，人类已认识到化学持续发展的出路在于化学应以“社会经济与自然生态效益”的统一为着眼点，人类不能无视客观的自然规律随意处理自然。人类社会是整个自然生态系统中的一个子系统，其活动应当参与自然生态的动态运动，不能在破坏大自然中旧平衡的基础上建立有益于人类的新平衡，而应当使对生态系统的冲击和干扰限制在其再生循环能力和自净能力的合理限度范围内。尽管化学物质的使用和化学工业规模不断扩大，生态环境依然能得到保护，并追求人类与生态系统的长远效益。

2 生态化学与化工

2.1 生态化学与传统化学的区别

传统化学是以化学热力学和动力学作为其物质转化的理论基础，研究一种物质向另一种物质转化的科学，它将环境视为无尽的源和无底的汇，因此，引起了资源短缺和污染严重的生态危机。传统化学的反应体系多数是线性的非循环结构，其系统的生命期各阶段排放物绝大部分不再进行循环，直接或间接地排入环境，致使环境系统的无序度增大、环境的熵增加。化学反应体系的产物都是从环境资源中提取转换而成，这是一个从无序到有序的过程，但以牺牲环境的更大无序为代价，而产物的线性生产过程越长，进入环境的废物就越多，环境的熵增就越大。传统化学与环境系统的物流关系如图1所示。

图1 传统化学与环境系统的物流关系

生态化学是以生态环境为介质，将物质转化反应体系扩展到环境范围(局部、地区和全球)，研究物质的化学变化与环境的物质循环转化的相适应性，使物质的化学转化对环境系统的冲击和干扰限制在净化功能和循环能力的合理限度内，实现化学体系与环境系统的相互协调发展，减少其熵增。生态化学针对传统化学的资源利用率低、环境污染严重的缺点，提出：应排放废物最小量化和无害化，使原料利用率最大化；应提高化学反应体系的可逆循环程度，以实现物质的循环再生利用；同时最大限度利用可再生资源作反应原料，产品利用后容易降解为环境无害物。

2.2 生态化学化工与绿色化学的区别

绿色化学是在为21世纪经济与社会的持续协调发展制定发展战略背景下提出的。20世纪90年代，化学界就已经开始积极思考，如何从过去的末端被动治污，发展到从源头主动不生成或尽可能减少生成污染物的主动治污，并提出整个反应和生产过程发展废弃物最低化技术及实现零排放的目标。这时人们认识到的是化学化工的绿色化，即绿色原料、绿色反应和绿色产品(图2)。

图2 绿色化学反应过程

由于绿色化学的理论基点在于事先主动控制，即通过改善化学原料来解决环境受化学污染物损害的问题，因而，在此基础上，人们更多地关注环境污染的起源，着力于从源头上减轻危害，但这对于化学化工的应用及其发展无疑产生了极大的局限性。虽说其研究内容已涉及目前化学的更多领域，但仍很难区分其与环境化学中的末端治理方法在本质上的差别，甚至认为绿色化学的“从源头开始预防污染”仍带有“过程末端治理”的观念，因而使得绿色化学只能长期隶属于环境保护原理的范畴。

生态化工是以生态学原理为指导，以生物技术为手段，为促进生态化工系统良性循环，实现化工与生态环境协调发展而建立起来的一种新型的化工生产模式，它从系统工程和生态学的角度，注重新化学反应的高效、高选择性，综合了与化学化工相关的基础研究，发展了对化学学科内不同领域中共性规律的认识的新的理论。生态化学是在高效和高选择性的基础上，达到与生态环境协调，更加注重化学的循环利用与环境的生态循环(图3)。

图3 生态化学中的循环利用

生态化学要求优化物质与能量流，使所有的技术目标及过程都倾向于“清洁的、绿色的”，是从生态角度来解决生态环境危机。目前，生态化工的理论基础就是发展了更为关注生态的绿色化学，即生态化学。生态化学是采用绿色化学的技术，利用生态平衡与物质循环再生原理，结合系统工程来开展研究的。这使生态化工有着更为具体的研究内涵，涵盖了化学的各个领域。

生态化学缘于绿色化学，高于绿色化学，是融被动处理污染的环境化学及主动出击的绿色化学为一体，更关注生态的先进理论。与绿色化学一样，具有学科发展的连续性(指基于传统化学的理论知识体系)、科学发展的创新性(指新体系下的新化学、新体系)、技术发展的革命性(指源头、过程、末端产品都不排放)和推动社会发展的可持续性(指生态化工中物质能量循环过程)，如图4所示。

图4 不同发展观下的各个化学发展阶段

生态化学是化学学科发展的必然选择，是适应人类需求而逐步形成的，是化学发展的高级阶段。可以说，生态化学将是21世纪化学发展的趋势和新的生长点，是化学学科自身发展及社会和经济可持续发展的需要，也是人类赖以生存的生态环境的深情呼唤。

3 发展生态化学是人类社会可持续发展的必然

生态化学是站在对环境友好的高度，使环境资源的化学变换体系成为一种更有效的运行模式，对环境系统的破坏作用更小，进而改善环境质量。

目前，人类社会已无法离开化学产品和化学工业，化学工业在整个工业体系中占有越来越大的比例。在历史上，英国兴旺的基础是以制碱法为核心的化学工业的大发展。德国依靠以煤化工和炼钢为主的化学工业的技术革命，使世界科学技术中心由英国转移到了德国。美国工业发展与德国类似，二战后，依靠以石油化工技术为代表的技术创新取得了化学工业的领先地位，使世界科学技术中心由德国转移到了美国。化学工业是美国目前最大的工业部门之一。

目前，世界各大化学工业公司，一方面要降低化学品的生产成本，提高效益；另一方面受到国家法律法规以及公众的监督，要求减少环境污染，而治理污染物就会提高成本。因此，要发展化学工业从而发展经济，就必须寻求更新的原理和方法，发展新的技术，以降低化学品生产的显性成本和隐性成本。生态化学正好顺应这种趋势。因此必须大力发展生态化学[5]。

可以认为，在漫长的化学发展过程中，人们不断认识自然，不断通过改造自然而努力改善生活水平，才有了近代化学、现代化学的发展；人们不断亲近自然、爱护自然，才有了环境化学理论的建立，这是人类的觉醒，但这都是传统发展观下的化学及其作为。在新世纪，可持续发展观下倡导的尊重自然、人与自然的和谐，是生态化学的最高目标。

参考文献：

[1] 冯辉霞,王毅.生态化学与人类文明[M].北京:化学工业出版社，2005:1-27.

[2] 邝生鲁.树立科学发展观 实施零排放战略[J].现代化工,2005,25(1)：2-8.

[3] 张义学.循环经济渐热西部[J].新西部,2005,(1)：20-21.

[4] 王静康,陈建新.可持续发展与现代化工科学[J].化工进展，2004,23(1):1-8.

[5] 冯辉霞,张婷,王毅,等.可持续发展观的化学发展目标:生态化学[J].生态环境,2007,16(5)：1578-1582.