南京工业大学生命工程与技术概论限选课-资源与环境

第十章资源环境与生物技术本章要点一、资源1、资源的分类2、全球资源的现状二、环境环境问题的现状三、资源利用与环境保护的原则1、产生资源与环境问题的根源2、保护与利用的原则四、生物技术对人类生产方式的改造1、生物技术是可持续发展的关键2、生物能源一、资源资源：资源是指存在于自然界并能为人类所利用以满足其生活和生产需要的物质和能量。资源按是否受人类利用的显著影响可分为：非枯竭性自然资源（如太阳能、风能）可枯竭性自然资源（如矿物、生物、土地资源）非枯竭性自然资源（如大气和水资源）也会受到人类影响。（一）资源问题的现状1.土地资源：我国损失耕地2000平方公里/年，固体废弃物9.5亿吨/年，危险品1000万吨/年污染土壤。水土流失，土地的沙漠化，土地退化。2.水资源我国七大水系，符合Ⅲ类以上水质的仅有46.7%，28.4%以上严重污染。人均淡水贫乏、水资源分布不均、水污染日益严重。3.能源能源是工农业生产和人们生活的重要物质基础。包括阳光、风、流水、地热、潮汐、木材和各种矿物燃料。石油、煤炭、天然气占世界总能源消费的90%。中国：煤炭68.7%，石油21.2%，天然气2.8%，水电7.3%。生物利用太阳能，固定二氧化碳，产生生物质，生物质被埋藏后变为化石资源，能量高度集中，利用效率高，极大促进了人类社会的物质生产。化石资源日益匮乏成为最突出的全球性资源问题。石油：50~100年天然气：75~120年煤炭：200~300年美国，全球5％人口消耗全球1/4石油，11L/人·天，20年后增长50%。我国2003年成世界第二石油消费国，2005年3.17亿吨/年，43%需要进口，现在520万桶/天，预计到2025年将达到1000万桶/天。据预测，世界大部分国家石油将在20年内采完，中东可采100年。近5年来能源价格已经暴涨。高油价促使人们加大对化石燃料的开发如果没有前瞻性的能源政策？石油、天然气煤油页岩焦油砂易开采，清洁难开采，破坏大然而传统清洁能源发展存在困难①水电：清洁，发电量大，技术成熟但投资大、明显影响环境，埃及的阿斯旺水库处境尴尬②核能：法国达70%，但投资大、有一定危险性，大部分民众担忧核电发展③风能：丹麦达20%，清洁但噪音大、占地，影响观瞻，还存在能量存储的问题④太阳能：西班牙规定新建筑物必须安装太阳能设施但目前的发电成本高，5~10美元/瓦，能量存储难必须要寻找廉价且更容易实施的替代能源！4.生物资源生物资源是一种可再生的自然资源，在一定条件下可以自我更新。尤其是植物利用太阳能，固定二氧化碳，可产生能量。但生物资源并非取之不尽，用之不竭!森林资源自1950年以来已损失了50%，草地资源面临退化和荒漠化的严重威胁，野生生物资源自18世纪以来已经损失15~33%。（二）全球性资源危机产生的根源在人类中心主义的价值观指导下的人类活动导致人与自然界的关系不和谐，人类向自然无节制地索取和不合理的开发利用是资源出现枯竭危机的直接原因。人们并没有珍惜资源，资源的价格并没有真正反映其价值。以汽油为例，如果考虑到其不可再生和使用后对环境及人类的影响，其价格将是现在的2.6倍。二、环境（一）环境问题的现状1.温室效应与全球变暖大气中二氧化碳、甲烷和氮氧化合物含量越高，热外流越受阻，从而地表温度也升得越高，称为温室效应。人类大量使用各种化石资源，温室气体排放迅速增加在过去100年内全球平均气温升高了0.6℃，预计21世纪末全球平均气温将升高3℃，冰川融化，到2100年世界海平面将升高0.6~2米。气温升高导致全球出现各种灾害性气候，飓风、洪水、干旱等灾害频发。2.臭氧层破坏臭氧层是存在于地球上空16~48千米平流层内薄薄的一层气体。它可以吸收太阳光中杀伤力很强的光线，特别是紫外线，从而使生命有可能存在。观测证明，在南极上空臭氧层处出现日渐增大的“空洞”。如果到达地球的有害辐射增多，这对动植物的影响将是灾难性的。造成的后果之一是人类皮肤癌病例将会增加。按现行减少速度，到2075年，臭氧将比1985年减少40%，全球皮肤癌患者将达1.5亿人。3.酸雨酸雨是指pH值小于5.6的酸性降水大气中的SO2和NO在强光照射下发生光化学氧化作用，并与水汽结合而形成硫酸和硝酸导致雨水呈酸性。产生酸雨的物质主要来源于人类生产生活中矿物燃料的燃烧，尤其是煤炭和石油。4.环境污染环境污染包括：大气污染、水体污染、土壤污染和噪音污染等。世界十大污染城市中有太原、北京、兰州、重庆等8个中国城市。大气、水体、土壤三者的污染不是孤立的，它们能互相影响。我国1/3城市大气属于重污染，2020年仅燃煤污染导致的疾病就要支付3900亿美元的费用，约占GDP的13%。（二）全球性环境问题产生的根源环境问题的根源是由于人类缺乏正确的环境资源观和价值观，伴随着经济-社会的全球性进程，人类对环境资源采取了不恰当的开发利用和不合理的生产活动，使环境产生了对人类不利的变化。如何解决资源及环境问题？——必须改变我们的传统生产方式！工业生物技术化学工业发酵工业轻工业医药食品工业能源生物新材料生物安全环境促进传统产业升级饲料工业采矿冶金采油降低能耗，降低资源消耗，减少环境污染，提高经济效益工业生物技术将在我国开创新的加工模式和调整产品结构方面发挥重大作用。预计工业生物技术在我国国民经济GDP中的贡献达到2.2万亿元/年（2020年）。◆实现节约资源消耗30％◆节约能源消耗30％◆减少环境污染30％1.走可持续发展的道路1987年联合国提出了可持续发展的科学观点：“在不危及后代人满足其环境资源需求的前提下，寻找满足当代人需要的发展途径。”2.保护生物多样性1992年联合国通过《生物多样性公约》。生物多样性是指一定空间范围内生物及其组成的系统的总体多样性和变异性，是生物资源的一个标志，支撑着人类的生存和发展，实质是保护人类自己，保护人类文明的延续。三、资源利用与环境保护的原则3.必须发展生态工艺和绿色技术以往的局限性：社会物质生产过程按“原料-产品-废料”的模式进行，它以排放大量废料为特征。生物圈的物质生产是一种无废料的生产，生态系统的技术原则和组织原则是非线性和循环的。饲料—鸡—猪—鱼—肥料生态工艺：设计物质和能量分级多层次利用产业技术和系统。输入生产系统的物质被逐级或循环使用，最后的剩余物经过处理以对生命和环境无害的形式排放。其生产过程可用“原料-产品-剩余物-产品”模式表示四、生物技术对人类生产方式的改造生物技术有助于融入地球大体系的物质循环之中，重建和谐的生态环境化石经济的发展释放大量CO2，破坏了自然，使环境不适合于人类社会活动修复美丽的大自然生物为主体，转化太阳能为生物质，固定CO2（一）生物技术是可持续发展的关键化石经济时代后化石经济时代无化石经济时代人类社会目前不可回避的问题“后化石经济时代”即将到来！布什06年1月31日发表的国情咨文提到:Wehaveaseriousproblem:Americaisaddictedtooil,whichisoftenimportedfromunstablepartsoftheworld.Thebestwaytobreakthisaddictionisthroughtechnology.Breakthroughsonnewtechnologieswillhelpusreachagreatgoal:toreplacemorethan75percentofouroilimportsfromtheMiddleEastby2025.ByapplyingthetalentandtechnologyofAmerica,thiscountrycandramaticallyimproveourenvironment,movebeyondapetroleum-basedeconomy.•瑞典——欧洲重要的石油消费国TheenvironmentallyprogressiveScandinaviannationhasannouncedoneofitsmostambitiousgoalsyet:tocompletelyenditsdependencyonfossilfuels--anddoitinthenext15years.“Ourdependencyonoilshouldbebrokenby2020”，saidMonaSahlin,theministerofSustainableDevelopment.“Wewanttobebothmentallyandtechnicallypreparedforaworldwithoutoil”,saidMartinLarsson.“后化石经济时代”即将到来！化石资源的替代能源资源环境社会经济可持续发展寻求化石资源的替代已经成为社会经济可持续发展的重大战略方向地球上所有的生命依赖于植物，植物可以固定太阳能。地球本来充满大量有害气体，但在生物的光合作用下，逐渐演变为今天的大自然。后化石经济时代的解决思路？人类的发展一直在依靠经生物转化的资源未来仍然要依靠生物转化的资源自然生物质资源转化阳光原始文明食物工业文明化石原料农耕文明衣食住行1万年3千年2百年文明演化方向新文明未来提供可持续发展的物质基础光合作用产生的生物质循环目前世界化石资源消耗仅需使用小于10%生物质循环，即可替代化石资源950亿吨C／年65亿吨C／年利用生物技术转变经济发展的可行性生物经济的发展模式•并不是简单地回归到古代的农耕时代•必须与现有的科学技术、生产方式充分接轨，充分利用现有的科学文明与技术•在此基础上探索新的发展模式植物固定能量生物技术转化与提取提供能源与基础产品粮食生物炼制转化反应化学品燃料化学原料H2・CH4气化新材料溶解草半纤维素纤维素木质素寡糖葡萄糖工业生物技术原料水解（二）生物能源生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源,包括生物质能生物液体燃料及利用生物质生产的能源。如燃料乙醇、生物柴油、生物质气化及液化燃料、生物制氢等。我国属于太阳能资源丰富的国家，面积每年接受的太阳能相当于2.4×104亿吨标准煤。我国生物质的生产总量，近60亿吨，可期望的数量约为30-35亿吨标煤。这是我国发展生物技术产业永不匮缺的资源。1、燃料乙醇燃料乙醇是在汽油中填加乙醇（5~22%），其排放污染仅为汽油的1/3，采用专用发动机，几乎无污染。巴西是发展燃料乙醇的成功典范自70年代开始发展生物乙醇替代汽油计划。生物乙醇793万吨/2000年，1550万辆汽车和350万辆摩托车全部使用燃料乙醇。巴西已成为世界上唯一不供应纯汽油的国家。该计划30年来共耗资65亿美元，获利89亿美元，节省石油进口外汇465.5亿美元。1979-1995年间,仅使用燃料乙醇就减少二氧化碳排放量达6500万吨。乙醇生产提供了约100万个直接就业位置和50万个间接就业机会。目前美国、欧洲、拉美、日本、中国均开始大规模生产生物乙醇用于燃料乙醇。2003年美国燃料乙醇的总装置能力达到约840万吨/年。日本在巴西投资生产燃料乙醇。欧盟提出,到2020年,运输燃料的20%将用燃料乙醇替代。•中国燃料乙醇生产规模139万吨/年公司名称燃料酒精批复规模目前生产能力黑龙江华润酒精10万吨15万吨吉林燃料乙醇公司60万吨（一期30万）40万吨河南天冠企业集团公司30万吨40万吨安徽丰原集团32万吨44万吨总计132万吨139万吨2005年，国内生物乙醇产量达到287万吨/年，到2020年，燃料乙醇达到1000万吨（可能会提前实现）。东北、河南等5省正在使用燃料乙醇，5年内推广到全国。目前生物乙醇的生产方法根据原料区分有:（1）糖类：如糖蜜生产乙醇是工艺最为简单、南美洲如巴西、阿根廷。（2）谷物淀粉类：北美和欧洲、中国广泛使用。我国2005年玉米酒精占总产量的50％，消耗玉米600万吨。2005年不同原料酒精产量比例50%4%35%11%玉米小麦木薯糖蜜（3）纤维素类：以植物秸秆等纤维素为原料生产乙醇是最具挑战性的课题。植物秸秆等纤维素不涉及粮食安全，我国每年产生大量植物秸秆，大部分被烧毁浪费，污染