關於生物的科技論文

　　在全球能源危機不斷加劇的情況下,生物能源作為一種理想的可 再生能源,越來越受到世界各國的關注。下面是小編為大家精心推薦的，希望能夠對您有所幫助。

　　篇一

　　關於發展生物能源化解能源危機的思考

　　摘 要:在全球能源危機不斷加劇的情況下,生物能源作為一種理想的可 再生能源,越來越受到世界各國的關注。通過對自然界不同的演化態下能量守恆定律表現形 式的分析,提出生物演化狀態下生物能量守恆遵循動態能量迴圈守恆,認為能源危機的實質 是在地表狀態下能量迴圈非平衡態。根據生物能源兼具能源與生物的二重性特點,對發展生 物能源化解能源危機進行了多角度深入的思考,在此基礎上,對如何有效解決生物能源的高效 轉化和產業化問題提出了新的理念和相應的對策建議。

　　在全球能源危機和油價不斷上漲的大背景下,各國尋找新能源的腳步也前所未有地加快。在 種類繁多的新能源中,來源廣泛、應用方便、汙染小的生物能源作為一種理想的可再生能源 ,越來越受到世界各國的關注。據有關專家估計,到本世紀中葉,採用新技術生產的生物質能 替代現有燃料的替代率將佔全球總能耗的40%以上。在我國,生物質能也是僅次於煤炭的第二 大 能源,佔全部能源消耗總量的20%。本文將通過對不同的演化態下能量守恆定律表現形式和 生物能源二重性探析,特別是通過對發展生物能源對化解能源危機的探討,多角度對發展生 物能源進行深入思考。

　　一、 不同的演化態下能量守恆定律表現形式

　　當今經濟的飛躍發展引起能源消耗的驚人增長,能源危機籠罩著全球,但對能源危機實質的認 識人們卻不盡一致。能量守恆和轉化定律告訴我們:能量既不會消滅,也不會創生,它只能從 一種形式轉化為其他形式,或者從一個物體轉移到另一個物體,在轉化和轉移過程中能量的總 量保持不變。既然能量守恆和轉化定律告訴我們能量既不會增加,也不會減少,那麼為什麼還 會發生能源危機呢? 為了回答這個問題,必須探討能量守恆定律在宇宙各演化階段的各種表 現,進而揭示能源危機實質。

　　自然界演化大致可分為宇宙的演化、恆星的演化、地球的演化、生物的演化四類[1] ,在不同的演化態下,能量守恆定律有不同表現形式。①宇宙大爆炸階段。宇宙大爆炸學說 認為,宇宙起源於200億年前一個極高溫極高密度的“原始火球”的大爆炸[2]。從 大爆炸到基本粒子的形成,能量主要是以粒子輻射形式存在,這時的能量守恆定律主要表現為 粒能守恆定律。②恆星演化階段。恆星演化狀態主要是氫核聚變為氦核及各種重元素的原子 核聚變過程。根據愛因斯坦相對論,當光的速度為每秒3×10?9米時,質量和能量實現了互換 ,即?E=MC?2,其中E為能量,M為質量,C?為光速。這一公式表明少量的質量能轉換為十分巨 大的能量,它揭示了核能來源的物理基礎,因此恆星演化狀態下的能量守恆定律主要表現為質 能守恆定律。③地球演化階段。地球演化主要包括地圈、大氣圈和水圈的形成。在地球演化 的物理變化中有機械能、熱能、電能、光能等能量的相互轉化和守恆,在地球演化的化學變 化中有質量守恆,因此在這一階段能量守恆定律主要表現為封閉狀態下能量守恆和質量守恆 。④生物演化階段。生命起源於化學演化,在生物演化狀態下,由大氣圈、水圈和岩石圈組成 的生物圈是地球表面上生物生存和活動的範圍。生物圈內的能量主要來源於太陽能,有機物 與無機物利用太陽能實現物質和能量互換。從太陽能的吸收到生物體活動能量的耗散,生物 圈內各種演化都是能量迴圈的表現。由於地球的運動變化導致生物圈內的能、力、熱等能量 不同表現形式始終處於動態中,從整體觀演化的角度來說,進入生物圈中的能量應該與生物利 用後散失的能量大體相等。因此生物演化態下能量守恆主要表現為總體意義上的動態能量循 環守恆。

　　二、 能源危機實質探析

　　能源危機是指由於能源短缺導致能源供應緊張, 能源價格不斷上漲而形成的危機。 據國際 權 威機構估計, 世界已探明的可採石油, 大約只可供應人類41年的需要, 天然氣為60～70年,煤炭約200年, 人類正面臨能源危機對能源安全的威脅。

　　能量守恆定律告訴我們能量既不能被創造又不能被消滅,可以從一種形式轉化為另一種形式 [3]。 在生物演化狀態下,為進一步認識能量守恆定律,需要了解“熵”。 熵是體 系混亂的程度的量度,在封閉系統中從一個平衡態經絕熱過程到達另一個平衡狀態,如果過程 是可逆的,則熵值不變; 如果過程是不可逆的,則熵值增加,這就是“熵”增原理[4] 。有“序”是開放系統從環境裡吸取了“負熵”或是減少“正熵”的結果。 作為地下的石 油、煤等能量形式的資源, 如任其自然燃燒, 將全部被耗散在無規則的分子熱運動過程中,使 環境的熵增加很多。 就太陽輻射能而言,如果地表沒有任何生物體,太陽能流***普遍理解為一 種負熵流***幾乎全部轉化為紊亂無序的分子熱運動,更會使地面的熵增加很多。 熵的增加是 能量減少的量度。 比如我們燃燒一塊煤,它的能量雖然並沒有消失,但卻經過轉化隨著二氧 化碳和其他氣體一起散發到空間去了,發生了熵增過程,再也不能把同一塊煤重新燒一次來做 同樣的功了。 如果只考慮能量守恆定律的普遍性,那地球上的能源就萬世不竭了。 然而能 量守恆定律在不同的演化狀態下有不同的表現形式:在宇宙的演化狀態下,能量守恆定律主要 表現為粒能守恆定律,在這種狀態下能否保持能量總量守恆依賴於能量轉化為粒子和粒子轉 化為能量的成功,否則會發生能源危機。 在恆星的演化狀態下能量守恆定律主要表現為質能 守恆定律,在這種狀態下能否保持能量總量守恆依賴於能量轉化為質量和質量轉化為能量的 成功,否則會發生能源危機。 在地球的演化狀態下能量守恆定律主要表現為封閉狀態下能量 守恆定律和質量守恆定律, 在這種狀態下能否保持能量總量守恆依賴於封閉狀態下能量轉化 和質量轉化的成功, 否則會發生能源危機。 在生物的演化狀態下的能量守恆定律主要表現 為 動態能量迴圈守恆定律, 在這種狀態下能否保持能量總量守恆依賴於動態能量迴圈的平衡, 否則會發生能源危機。

　　現在人類居住和活動的地球表層狀態主要是生物演化狀態,在生物演化狀態下,能量守恆定 律告訴我們:每當能量從一種狀態轉化到另一狀態時,會損失能在將來用做某種功的一定“ 有效的”能量。這就是熵的增加。熵的增加即表明系統處於從非平衡態到平衡態的自發的、 不可逆的演化過程中,用於做功的“有效的”能量做功後導致能量耗散,這必然會導致該演化 狀態能量總量的減少。為了逆轉這個過程,需要一個熵減過程[5],即一種形態的能 源消耗以後,通過一定過程重新獲得原有能源形態的存在形態,也就是使能量具有類似生物一 樣恢復自身形態的能力,也就是發現一種能為人類持續提供能量的某種形式的物質資源。如 果能夠發現和利用這種物質資源,在地球表層狀態下實現動態能量迴圈的平衡,則能量守恆和 轉化定律的實現就有了現實條件,能源危機就不會發生;如果不能夠發現和利用這種物質資源 ,在地球表層狀態下就不會實現動態能量迴圈的平衡,則能量守恆和轉化定律的實現就缺乏現 實條件,能源危機就必然會發生。這就是當前能源危機的實質。

　　三、 生物能源二重性及對能源危機的化解

　　生物能源是蘊藏在生物質中的能量,是指直接或間接地通過綠色植物的光合作用能轉化 為化學能後固定和貯藏在生物體內的能量,包括生物質能、液體燃料及利用生物質生產的能 源,如燃料乙醇、生物柴油、生物質汽化及液體燃料、生物制氫等[6]。生物能源之 所以被認為是21世紀最有希望在解決能源危機方面有所作為的能源,是因為生物能源具有能 源性和生物性的二重性特點,它既可以轉化為人們所常用的能源,同時又可以持續不斷地供應 ,能夠滿足動態能量迴圈守恆定律,保持能量守恆,化解能源危機。

　　篇二

　　水體的生物修復

　　摘要：當前，對受汙染的江河湖庫水體進行修復，已是 社會 經濟 發展 及生態 環境建設的迫切需要。 目前 ，對水體修復的 方法 主要有化學方法，物理方法和生物方法。

　　關鍵詞：汙染物 生物修復 生態塘 人工溼地

　　1.概述

　　對受汙染的江河湖庫水體進行修復，已是社會經濟發展及生態環境建設的迫切需要，特別是南水北調東線沿線的治汙工程，量大面廣，尋找先進實用、造價低廉的技術迫在眉睫。我國的江河湖庫水體汙染主要包括氮磷等營養物和有機物汙染兩方面。另外，湖泊水庫藍藻及赤潮給水域生態、人體健康也造成了嚴重的危害。對於富營養化的控制，發達國家以控制營養鹽為主，大多采取“高強度治汙， 自然 生態恢復”的技術路線，即控制外源磷汙染負荷並配合生態恢復措施。

　　去除藻類與控制其生長是湖泊水庫水體恢復與保護的難題。目前國際上採用的技術主要有三類：***1***化學方法，如加入化學藥劑殺藻、加入鐵鹽促進磷的沉澱、加入石灰脫氮等，但是易造成二次汙染;***2***物理方法，疏挖底泥、 機械除藻、引水衝淤等，但往往治標不治本;***3***生物方法，如放養控藻型生物、構建人工溼地和水生植被，開發水體生物修復技術，是當前水環境技術的 研究 開發 熱點。

　　生物修復，可以解釋為：生物特別是微生物催化降解有機汙染物，從而去處或消除環境汙染的一個受控的過程，即利用培育的植物或培養、接種的微生物的生命活動，對水中汙染物進行轉移、轉化及降解，從而使水體得到淨化的技術。

　　與傳統的化學、物理處理方法相比，生物修復技術有以下優點：①汙染物在原地被降解;②修復時間較短;③就地處理操作簡便，對周圍環境干擾少;④較少的修復金費，僅為傳統化學、物理修復金費的30%—50%;⑤人類直接暴露在這些汙染物下的機會減少;⑥不產生二次汙染，遺留 問題 少。

　　2.生物修復的原理

　　2.1 生物修復的分類

　　目前，生物修復技術被劃分原位微生物修復和異位生物修復兩種。所謂元微生物修復是指對受汙染的介質***土壤、水體***不作搬運或輸送而在原位汙染地進行的生物修復處理，其修復過程主要依賴於被汙染地自身微生物的自然降解能力和人為創造的合適降解條件。異位生物修復是植被汙染介質***土壤、水體***搬動或輸送到它處進行測生物修復處理。但這裡的搬動和輸送是低限底的，而且更強調人為控制和創造更加優化的降解環境。在處理位置上，前者強調汙染物存在的初始空間分佈，後者則稍作遷移;處理過程中，後者有更多的人為調控和優化處理。現在所說的生物修復主要是原位修復。

　　2.2 水體生物修復過程中生物的作用

　　挺水植物通過對水流的阻尼和減小風浪擾動使懸移質沉降，並通過與其共生的生物群落有淨化水質的作用。但它主要吸取深部底泥中的營養鹽，通常不或很少直接吸收水中的營養鹽，而其部分殘體又往往滯留湖底，礦化分解後又會汙染水體。所以挺水植物的功能中，有把下層底泥中的營養轉移到表層的一面，不利於直接淨化水質。加上收割、水位變化對其生長的 影響 等問題，限制了它們在淨化水質中的作用。必須注意 管理、收割利用和防止種群退化。

　　浮葉植物在一般淺水湖泊中有良好的淨化水質效果，種植和收穫較容易，有經濟效益，和觀賞效益，在一定季節可以作為重要的支撐系統。需要及時收穫。

　　大型飄浮植物在光照和營養鹽競爭上比浮游植物有優勢，有些種群的耐汙性很強***如鳳眼蓮，喜旱蓮子草等***，已經發展了在大水面大風浪條件下種植的技術，是良好的淨化水質選擇。浮萍生長快，許多種群能在空氣中固氮，覆蓋水面後與沉水植物在光照等方面有競爭，一般不宜採用。有些飄浮植物和浮體陸生植物***加上浮力支撐後可水培的植物***是很好的觀賞和食用植物，可在一定條件下組合 應用 ，既有淨化水質作用，又有經濟效益、環境效益和觀賞效益。

　　著生藻類和浮游藻類生長過程中都有淨化水質作用。著生藻類的收集也不難，浮游藻類的收集也已發展了捕獲技術，在一定條件下也可因勢利導予以利用，一方面淨化水質，另一方面作為資源取出。

　　各種沉水植物是健康水生態系統的重要組成，其耐汙程度和對水溫、水位、水流、水質、底質等條件各有差異，要根據當地具體自然條件因地制宜、因時制宜在時間空間上予以鑲嵌優化組合，使各種種群在整體上互補共生適應季節變化和環境災變。沉水植物和湖底水生植被的存在可吸附儲存生物碎屑於植物根部，增加底泥表層溶氧，遏制磷的釋放，阻止上層水體動力擾動向湖底的傳輸，減少湖底水動力交換系數，從而有效地遏制底泥營養鹽向水體的釋放。

　　螺、蚌等底棲動物可過濾懸移質，攝食生物碎屑，其分泌物有絮凝作用，螺有刮食著生藻類功能，蝦和若干種類魚類可攝食藻類、碎屑、浮游動物等。這些動物，作為健康水生態系統的補充組成，也有重要作用。

　　微生物，特別是氮迴圈細菌在水體自淨能力中具有不可忽視的作用。有機物的礦化分解，氮素的氣化，磷鹽的沉降和固定在湖底等都與細菌的作用分不開。自然界的水生植物附近共生有多種遠比自由水體中豐富的細菌群落。飄浮植物容易種植，採用耐汙性強，生長快的飄浮植物作為先鋒植物，不僅有植物直接吸收營養鹽的作用，而且更重要的是有與其共生的細菌的作用。可以很快增加水的透明度，改善水質。飄浮植物作為細菌的載體極為重要。但飄浮植物受氣候條件影響，在有些季節難以發揮作用。因此研製人工載體和優選高效細菌種群極為重要。利用優化的人工載體培養優化的氮迴圈細菌，釋放到自然水體，以自然生物載體、其它人工載體和底泥為二級載體，水中懸浮物為三級載體，將原來荒漠化水域中以水土介面為主的好氧-厭氧，硝化-反硝化條件擴大到水面和水體並加強細菌濃度，從而增加系統淨化能力。　3.水體修復的主要處理 方法

　　水體修復技術包括以微生物為處理功能核心的生物處理技術、具有複合生態系統的生態塘處理技術、以植物和微生物為主要處理功能體的溼地處理技術、土壤處理技術和河湖等 自然 淨化能力的處理等。

　　3.1生物處理技術

　　生物處理技術包括好氧處理、厭氧處理、厭氧—好氧組合處理。其主要原理是人工馴化、培養適合於降解某種汙染物的微生物，通過控制室和微生物生長的 環境以穩定和加速汙染物的降解。

　　由於生物處理技術起步較早，現在已有很多成熟的工藝，比如SBR、UASB、氧化溝等。這些工藝一般要輔助結合其他一些處理方法，例如物理處理法***如吸附法、重力法、離心法和引力法等***、化學處理法***如凝絮法、提取法、氧化法、離子交換法和沉澱法等***。

　　3.2 生態塘處理法

　　生態塘是以太陽能為初始能源，通過在塘中種植水生作物，進行水產和水禽養殖，形成人工生態系統。在太陽能***日光輻射提供能量***的推動下，通過生態塘中多條食物鏈的物質遷移、轉化和能量的逐級傳遞、轉化，將進入塘中汙水中的有機汙染物進行降解和轉化，最後不僅去除了汙染物，而且以水生作物、水產的形式作為資源回收，淨化的汙水也作為再生水資源予以回收再用，使汙水處理與利用結合起來，實現了汙水處理資源化。

　　人工生態系統利用種植水生植物、養魚、養鴨、養鵝等形成多條食物鏈。其中不僅有分解者生物、生產者生物,還有消費者生物，三者分工協作，對汙水中的汙染物進行更有效的處理與利用，並由此可形成許多條食物鏈，構成縱橫交錯的食物網生態系統。如果在各營養級之間保持適宜的數量比和能量比，就可建立良好的生態平衡系統。汙水進入這種生態塘中，其中的有機汙染物不僅被細菌和真菌降解淨化，而其降解的最終產物，一些無機化合物作為碳源、氮源和磷源，以太陽能為初始能源，參與食物網中的新陳代謝過程，並從低營養級到高營養級逐級遷移轉化，最後轉變成水生作物、魚、蝦、蚌、鵝、鴨等產物,從而獲得可觀的 經濟 效益。

　　3.3 人工溼地處理技術

　　人工溼地是近年來迅速 發展 的水體生物—生態修復技術，可處理多種 工業 廢水，包括化工、石油化工、紙漿、紡織印染、重金屬冶煉等各類廢水，後又推廣 應用 為雨水處理。這種技術已經成為提高大型水體水質的有效方法。人工溼地的原理是利用自然生態系統中物理、化學和生物的三重共同作用來實現對汙水的淨化。這種溼地系統是在一定長寬比及底面有坡度的窪地中，由土壤和填料***如卵石等***混合組成填料床，汙染水可以在床體的填料縫隙中曲折地流動，或在床體表面流動。在床體的表面種植具有處理效能好、成活率高的水生植物***如蘆葦等***，形成一個獨特的動植物生態環境，對汙染水進行處理!

　　人工溼地的顯著特點之一是其對有機汙染物有較強的降解能力。廢水中的不溶性有機物通過溼地的沉澱、過濾作用，可以很快地被截留進而被微生物利用;廢水中可溶性有機物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程而被分解去除。隨著處理過程的不斷進行，溼地床中的微生物也繁殖生長，通過對溼地床填料的定期更換及對溼地植物的收割而將新生的有機體從系統中去除。溼地對氮、磷的去除是將廢水中的無機氮和磷作為植物生長過程中不可缺少的營養元素，可以直接被溼地中的植物吸收，用於植物蛋白質等有機體的合成，同樣通過對植物的收割而將它們從廢水和溼地中去除。

　　由於這種處理系統的出水質量好，適合於處理飲用水源，或結合景觀設計，種植觀賞植物改善風景區的水質狀況。其造價及執行費遠低於常規處理技術。英、美、日、韓等國都已建成一批規模不等的人工溼地。

　　3.4 土地處理技術

　　土地處理技術是一種古老、但行之有效的水處理技術。它是以土地為處理設施，利用土壤—植物系統的吸附、過濾及淨化作用和自我調控功能，達到某種程度對水的淨化的目的。土地處理系統可分為快速滲濾、慢速滲濾、地表漫流、溼地處理和地下滲濾生態處理等幾種形式。國外的 實踐 經驗表明，土地處理系統對於有機化合物尤其是有機氯和氨氮等有較好的去除效果。德、法、荷等國均有成功的經驗。

　　4.具體工藝的應用

　　在具體運用這些工藝是通常要做一些組合。例如採用：汙水→沉澱→人工溼低→生態塘。

　　目前 國內外有很多水體修復的成功工程。例如日本渡良瀨蓄水池的人工溼地，這是一座設有人工設施的蘆葦蕩，將蓄水池的水引到蘆葦蕩，通過吸附、沉澱及吸收作用，去除水中的氮、磷及浮游植物，達到對水體進行自然淨化的目的。這種淨化過程迴圈進行，確保蓄水池水質潔淨。渡良瀨人工溼地的人工植被從陸地到水面依次為：杞柳***水邊林***—蘆葦、荻、蓑衣草***溼地植物***—茭白、寬葉香蒲***吸水植物***—荇菜、菱***浮葉植物***，形成了一體的生態空間。渡良瀨人工溼地已經成為日本最大的蘆葦蕩，也成為對居民、兒童進行環保及愛水 教育 的場所， 組織學生進行自然觀察。

　　在我國也有很多水體生態修復的 研究 和工程例項。例如李正魁研究了固定化氮迴圈細菌技術***INCB***在貴陽紅楓湖物理生態工程***PEEN***實驗區的除氮、抑菌效果，結果表明，應用PEEN—INCB技術使紅楓湖試驗區總氮、非離子氨和亞硝酸鹽氮分別平均降低0.568mg/L,0.015mg/L和0.019mg/L。工程後排入紅楓湖的非離子氨均<0.02mg/L,NO2-N≤0.1mg/L，16個月內無一次超標，而工程前的超標率達39%。與其他湖區相比，PEEN-INCB治理工程區域各主要指標下降4%～40%。

　　5. 總結

　　傳統的生物處理工藝控制相對複雜，而且投資較大。而生態修復技術投資少，執行方便，能耗低。因此，生態處理技術在以後會得到更大的應用。

　　此外，生態修復工程可以結合其他技術，使其處理效果更加好。例如：利用基因工程和生物技術篩選超積累、高耐性修復植物和具有特異降解功能的微生物進入處理系統，能更有效的達到處理效果。

　　參考 文獻 :

　　[1] 張甲耀等. 生物修復技術研究進展. 應用與環境生物學報. 1996，2***2***：193—196.

　　[2] 濮培民. 健康水生態系統的退化及其修復—— 理論 、技術及應用. 湖泊 科學 . 2001年9月

　　[3] 王寶貞. 生態塘——簡易高效的汙水處理技術設計應用. 城市環境與城市生態. 1998年6月

　　[4] 孫鐵珩、周啟星. 汙水生態處理技術體系與展望. 院士論壇 24卷4期

　　[5] 董哲仁等. 受汙染水體的生物\"生態修復技術. 水利水電技術. 2002年2期

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