说到臭氧,可能不少人不熟悉也不关心这种物质。听到臭氧这个名称,不少人还会很自然地讨厌它,希望离它越远越好。不过如果你真的这样想,那就大错特错了。就像我们不能以貌取人一样,我们也不能因为臭氧有个不雅的名称就讨厌它。

臭氧因其难闻的味道等,固然有可恨的一面,但其实它更可爱。岂止是可爱,可以毫不夸张地说,它是人类和万物的挚友,是人类和陆地生物生存繁衍的保障。如果真的没有了臭氧,人类将不复存在。我相信读完本文的内容,你一定会确信,这一结论一点也不过分。你也一定会由衷地关心与臭氧有关的各种问题,并以自己的实际行动保护我们赖以生存的与臭氧密切相关的地球家园。  

一、“同胞兄弟”,命运迥异

臭氧与氧气都是仅由氧原子构成的单质,可谓同根同源,真可称为“同胞兄弟”。

氧气实际上是在1771~1775年间由瑞典人舍勒、英国人普里斯特里和法国人拉瓦锡共同发现的。但是,1775年拉瓦锡最早向法国科学院提出了发现报告,并在1777年将这一新物质定名为氧气。氧气的发现被认为是现代化学研究的开始。人们常把氧气的发现归功于拉瓦锡一人,故有人称拉瓦锡为现代“化学之父”。可见氧气从发现的开始,就是何等为人们所重视。

差不多与发现氧气的同时,1785年德国人在使用电机时闻到了一股难闻的臭味,但是当时并不知道这种异味的来源与原因,也未引起人们的重视。1840年,德国科学家先贝因在进行硫酸电解实验时又闻到了类似的臭味,这与火花放电及大气中发生闪电时出现的气味类似,这时先贝因将产生此种异味的物质命名为臭氧。臭氧的名称来源于希腊文,意为气味难闻。可见臭氧从被人类认知的开始,就不受重视,并因其特有的臭味还惹人憎恶。

与“胞弟”氧气不同,臭氧在浓度较大时是淡蓝色的气体,密度是氧气的1.5倍,在水中的溶解度是是氧气的10倍。顾名思义,它一定很难闻,实际上它还真有难闻的鱼腥臭味,人们难免一提起它的名字就会感到讨厌与恶心。因此,长期以来臭氧是一种不为人们喜欢与重视的物质。只是在臭氧被发现几十年以后的近代,人们才逐渐认识到臭氧原来也像它的“胞弟”氧气一样,也是人类不可没有的好朋友。我们可以毫不夸张地说,没有臭氧,人类与万物同样无法生存与繁衍;没有臭氧,就不会有今日如此美好的地球家园。

不少人可能会认为这是危言耸听。很多人会说,我们一年到头谁也没吃喝或接触臭氧,不是都活得好好的吗?从表面上看,确实是这样,不接触难闻的臭氧,我们的日常生活可能会更愉快、更健康。可是,当你真正懂得了臭氧与人类及万物的密切关系,你就一定不会这样说与这样想了,就一定会十分关心臭氧及与臭氧有关的各种问题了。  

二、人类与万物伴随臭氧生存发展

在46亿年前地球刚刚诞生的早期,地球的大气中既没有氧气,更没有臭氧,那时地球上也没有任何生命。在地球诞生5亿年后,地球上开始出现了最简单的生物——细菌。此后,生物不断繁衍发展,但长期只能存活于深海与湖泊中,不能走上陆地。这是为什么呢?

我们知道万物生长都离不开阳光照射提供的能量。太阳以其巨大无比的能量,每日每时不停地照射到地球的大气和地球的表面,为生物的生存发展提供必不可少的能量。阳光到达地球大气的能量平均为1.39kW/m2,这包括长波的可见光与短波的紫外光。在没有今日大气层更没有臭氧存在的地球诞生的早期,这些可见光、特别是紫外光都直达地球表面。

强烈高能的阳光具有伤害生物机体的副作用,可见光一般不会对机体组织造成明显的伤害,对机体产生严重影响的主要是紫外光。波长越短的紫外光对生物组织的损伤越大,波长在180~280nm的短波紫外光UV-C对生物组织的损伤最大。                   

人体组织中最容易受到紫外光伤害的是人类生存与发展的基础物质——脱氧核糖核酸(DNA)与核糖核酸(RNA)。DNA和RNA是UV-C的主要吸收剂,它们的最大吸收波段在波长260~265nm。DNA和RNA吸收了高能量的紫外光就会受到伤害而变性。DNA是生物基因信息表达、存贮和传递的载体,对它的任何伤害都将对生物造成严重的后果。因此如果长年累月地经受短波紫外光的照射,生物就无法存活与繁衍了。

早期的地球没有含氧的大气层,更没有臭氧,含有高能紫外线的阳光直达地球表面。所有生物都经受不住紫外线的杀伤,只能依靠水层的保护,深藏于海湖水面之下。在地球大气没有臭氧的恐怖时期,低等植物都很难走向陆地,何谈人类的出现与发展呢?

幸运的是,在地球诞生40亿年以后,由于大气中氧含量的逐渐增加及复杂的光化学反应的不断发生,使得大气中臭氧浓度达到了现今的10%左右。这时大气中的臭氧层吸收了阳光的大量紫外线,生物才开始能够大规模地向陆地发展。  

亿万年来,臭氧浓度不断增加,依靠臭氧对紫外线吸收的不断增强,高等生物乃至人类才得以出现和发展。  

三、地球的保护伞

在地球形成的初期,围绕地球的大气是还原性的。主要由氮、氢、甲烷、氨、硫化氢等还原性气体和少量水蒸气构成。在亿万年的演变过程中,主要是由于水的不断光解和植物的光合作用,氧的浓度逐渐增高。在紫外光的作用下,一部分氧气可以转变为臭氧。在多种光化学反应的综合作用下,大气中维持着氧和臭氧之间的平衡,形成了今天人类和万物生存所必需的相对稳定的臭氧层。

我们这里所说的臭氧层,是指大气平流层中20~26km(也有说是20~30Km)高度的大气中所包含的臭氧。该层大气中臭氧的浓度在10-6(体积比)左右。如果将这层臭氧单独分离,在绝对温度273K和1个大气压下,可构成一个0.29cm厚度的纯臭氧气层。

臭氧对紫外光的最大吸收在波长255nm,它强烈吸收阳光中波长295nm以下、对人类和生物危害最大的短波紫外光,并能吸收大部分对生物有一定危害的波长λ=280~320nm的中波紫外光(UV-B)。波长大于320nm的长波紫外光(UV-A)可通过臭氧层到达地球表面。短波紫外光因其能量强等原因,对生物有极大的杀伤和破坏作用。

研究表明,随着光波波长的变短,紫外光对生物的损伤成指数地增加。例如当波长从320nm降到280nm时,紫外光对脱氧核酸的损伤增加4个数量级。正是由于这个原因,在大气中臭氧含量很低时,生物无法在陆地上生存,只能存在于海洋和湖泊中。植物化石的研究已证实了大气中臭氧对古生物的这种保护作用。所以我们称臭氧层是地球的保护伞一点也不过分,正是因为地球在4亿年前形成了臭氧层保护伞才有了今天的人类及今天世界上的万物,才有了人类与地球陆地上的万紫千红的今天。           

四、臭氧层被破坏的可怕后果

人类在诞生之前,就早已有了大气臭氧层的保护,所以谁也没有感受到臭氧层一旦被破坏的可怕后果。实际上,如果臭氧层一旦遭到破坏,将会对人类、生物、生态及环境等造成极为严重的灾难性影响。

我们已经知道,臭氧浓度的降低,就意味着地面短波紫外线的增加,这将给人类带来可怕的后果,因为短波紫外线可杀死细胞、破坏遗传物质等。臭氧每减少1%,紫外线会增加2%,皮肤癌就可增加5%~7%,白内障将增加0.2%~0.6%。紫外线还可导致人的发育停滞、免疫系统功能降低、发育缺陷、引发水痘、麻疹、白内障、真菌病、结核病、疟疾、麻风病、淋巴癌等多种疾病。

臭氧层的破坏也将对生物造成严重的影响。研究发现,短波紫外照射的加强会导致蔬菜、水果品质下降;使多种植物的形态发生改变;破坏森林;造成多种农作物与渔业减产;造成浮游生物死亡和灭绝,还可能造成动物眼睛的近视与失明等。

臭氧层破坏对生态的影响更是可怕。紫外光增加会导致浮游生物的死亡与灭绝,这将使大气二氧化碳浓度增加,从而加重温室效应,改变大气循环与气候,必将严重影响动植物的生存与发展。

大气循环与地球的生态系统息息相关,必将因生态平衡的改变而遭到破坏。大气循环的改变又将影响地球的气候,会对人类与动植物造成更大的长远影响。

臭氧层破坏导致的紫外照射的增强也会使建筑、喷涂、包装、电缆、高分子等材料加速老化与破坏,从而对人类的生产与生活造成严重的伤害。

臭氧层破坏导致的紫外辐射的增加还使地球对流层(平流层下面的低层大气)大气的化学反应更加活跃,从而产生更多的有害物质。这些有害物质的增加也将对人类的健康与动植物的生长造成极大的伤害。

实际上臭氧层除了具有上述的保护作用外还具有加热作用与温室气体作用,这对于地球也是十分重要的。臭氧层吸收紫外光,加热大气,因此使大气温度在50km左右有一峰值,并使地球上空15~50km有一升温层,这使地球有别于其他星球,具有大气平流层。这种温度结构对于地球大气循环有着重要的影响。在对流层上部与平流层底部这一大气的低温区,臭氧也有着非常重要的作用。如果这一高度的臭氧含量减少,将会产生地面气温下降的动力。因此,平流层臭氧的含量与分布都会对地球大气循环、气候变化和生态平衡有非常重要的影响。

即使有了今天的臭氧层的保护,紫外光对人类健康的影响也是明显的。紫外光可危及胶原及皮肤纤维,导致皮肤老化和色素沉积,严重者可导致皮肤病。紫外光也可抑制人的免疫功能和损伤人的眼睛。

综上所述,我们可以毫不夸张地说,是臭氧层使生物从海洋发展到陆地成为可能,是臭氧层使人类得以出现和能够继续生存。  

五、人类的好朋友

与它的“胞弟”氧气相比,臭氧具有更强的灭菌、氧化、脱色和除味功能。正是因为这些基本性质,使臭氧在人类的生产与生活中有了日益广泛的应用,臭氧已经广泛走进人类的生产与生活。

1856年在法国巴黎第一次有人应用臭氧进行医院房间消毒,在1905年已有人将臭氧用于水的净化处理,1909年法国又率先开始将臭氧用于肉类冷冻厂的杀菌保鲜。1995~1997年间,日、法、澳、美等发达国家都已通过立法,正式确认臭氧可以用于食品行业。

臭氧的消毒杀菌功能具有广谱性(几乎可杀灭所有病菌、病毒、霉菌及原虫、卵囊等)、高效性(扩散均匀,不留死角,速度快)、高洁净性(分解后只生成氧气,无有害残留)、方便(可实时方便地制备)、经济、环保等诸多优点,已被广泛用于车间、仓库和公共场所灭菌消毒;果蔬、食品保鲜;鱼、肉、蛋、菜、果等食品残留毒物的分解祛除;生活用水的杀菌保质;厕所、垃圾场的除臭除味;化工三废处理等诸多领域。臭氧的消毒杀菌功能较氯制剂强数百倍,也更安全;其消毒杀菌耗时,只有使用紫外线消毒耗时的六分之一。在水果贮藏期间,使用浓度为(2~3)x10-6的臭氧处置,可使霉菌的生长受到抑制,使贮藏期延长一倍。

臭氧的应用在我国也已进入普通家庭,家用臭氧解毒机可方便地用于日常生活的诸多方面。将瓜、果、菜、蛋、肉、鱼等置于水中,通入臭氧数十分钟,就可以祛除残存的毒物与细菌,也可用于饮用水及房间空气的净化、餐具及衣物等的消毒灭菌、洗浴(具保健、排毒、美容、消炎治病等功效)、养鱼(可改善水质)、浇花(除虫杀菌)和厕所除臭等。向水果、蔬菜包装袋内通入臭氧2分钟,还可将蔬果的保鲜期延长7天。

近年来在我国还开始了在温室大棚内用臭氧祛除病虫害的试验。初步试验表明,除害效果好,无毒物残留,方便、高效、成本低。不仅可同时消灭多种病虫害,还可改善瓜果品质,提高产量。植物种子经含有臭氧的水溶液浸泡15~20分钟,可杀死种子表面的病毒、细菌、虫卵等有害物质,有利植物的健康成长。试验证明,臭氧对番茄灰霉病、叶霉病、黄瓜霜霉病、疫病等以及温室白粉虱、潜叶蝇、蚜虫等病虫防治效果都较好。

就在2011年11月,美国科学家还撰文指出,检测地层深处岩石断裂产生的臭氧对地面臭氧浓度的影响,还有望用于监测地震。     

六、污水治理的生力军

随着经济的发展,工业生产中产生的废水逐年增多,废水的直接排放将造成环境污染,这已对我国很多地区构成了严重的生态与生命威胁。

目前简便易行的废水处理方法主要是物理法(沉淀、过滤、吸附等)和生物法(利用细菌分解污染物)。但是经过这两种方法处理的废水一般不能达到排放标准。特别是物理法,只是将污染物从水中转移出来,并未能将有害物质分解,隐患并未消除;只有将有害物质彻底分解才是治本之道。

臭氧在天然物质中是最强的氧化剂之一,氧化能力仅次于强腐蚀性的氟。它可将农药、染料等多种有机物氧化降解为无毒的二氧化碳与水,彻底消除废水中的有害物质,且不产生新的二次污染物。臭氧在分解污染物的同时,还具有脱色、除臭、杀菌的功能,真是一举数得。目前,臭氧氧化法已在造纸废水、印染废水、炼油废水、焦化废水处理中得到应用。

臭氧氧化处理废水存在的问题是制备臭氧需消耗大量的能源,这也使处理成本增加,如何提高臭氧的氧化效率是需要进一步研究解决的重要问题。近年来科学家已提出了臭氧-紫外线联合氧化法及臭氧-过氧化氢(H2O2)联合氧化法,这都可明显提高臭氧的氧化效率。

臭氧-紫外线-过氧化氢联合氧化法的实验也取得了良好的结果,可以将氯苯、氯代苯酚、多氯联苯、四氯化碳等难降解的物质氧化分解。在联合氧化降解中加入锰、铁、二氧化钛等催化剂还可进一步提高氧化效率。当然,最佳氧化条件的选择,也还需进一步研究与改进。

总之,臭氧在各种工业废水的治理应用中前景是光明的,但也还需要科学家继续为此做出不懈的努力。  

七、人类健康的保护神

臭氧除可用于环境的消毒杀菌外,还可直接用于医治人类的多种疾病。在国际上,臭氧的临床应用已有上百年的历史,1902年法国人胡日昂在巴黎医学院通过了吸入臭氧治疗百日咳的论文答辩,成为第一个研究应用臭氧治病获得博士学位的人。1936年,法国医生奥博格最早提出向直肠内吹入臭氧治疗慢性结肠炎。此后,臭氧用于医疗的领域在发达国家不断扩展,已在多种疾病的治疗上取得了良好的效果。

臭氧的临床应用始于欧洲,如今在欧洲,臭氧的临床应用已非常普遍,主要应用于创伤及难治性溃疡(如糖尿病)的治疗、癌症的辅助治疗、腰椎间盘及骨关节疾病的治疗、抗自由基防衰老及中风等疾病的治疗。

臭氧也被广泛用于各种疼痛疾病的治疗,如风湿、类风湿、滑膜炎、肩周炎、强直性脊柱炎、股骨头坏死、颈椎病、急性腰扭伤、腰肌劳损等。臭氧临床应用的疗效已得到充分肯定。

我国将臭氧用于医疗主要开始于本世纪。2008年我国成立了臭氧治疗专业委员会。自2009年起,我国每年都举行一次全国臭氧临床应用研讨会,这表明臭氧治疗在我国也已成为医疗研究与应用的新热点,已发展成为一种有效的新型治疗技术。现在全国已有一大批臭氧治疗规范化医疗单位,正式挂牌从事臭氧规范化治疗,并取得了良好的疗效。

椎间盘突出症是一种常见病与多发病。传统的治疗方法为保守治疗,虽然有一定的疗效,但不容易巩固,症状容易反复发作。外科开刀虽然是一种根治手段,但手术要破坏人体组织,且术后恢复慢,患者还要承担手术的巨大痛苦与风险。

20世纪90年代以来,首先在意大利开展了臭氧椎间盘及椎旁间隙注射术,有效率可达70~80%,目前已在欧洲各国得到普遍应用。现在我国也已有很多医院开展了臭氧微创注射术,这些医院使用进口或国产设备,都做了几千例臭氧注射溶解术,取得了很好的疗效。该治疗方法较传统方法具有安全、操作方便、创伤轻微或无创伤,有效率高、恢复快、并发症少等优点,深受患者欢迎。

臭氧的这种无创治疗技术在治疗多种妇科炎症方面也已取得良好疗效,具有无创伤、疗效好、不伤肌体等诸多优点。

现在国内外还都有了臭氧妇科治疗仪,主要适用于多种滴虫性、霉菌性、非特异性阴道嗜血杆菌、阿米巴型、老年性引起的阴道炎和由病菌感染所致的外阴炎、宫颈炎等。臭氧治疗仪治疗阴道炎有效率高,治疗时间短;标本兼治,疗效巩固;无创伤、无痛苦、无毒副作用。

臭氧自血疗法也是臭氧治疗近年来的重要发展领域。这一方法是由医护人员,将病人自己的静脉血液,抽出一定数量,经臭氧气体处理后,回输病人体内,达到治疗某些疾病的目的。病人被抽出的少量血液(几毫升至上百毫升)经臭氧处理后进行肌肉注射,一般注射到臀大肌里面。通过自血疗法,可以激活病人体内的多种酶系统,改善机体代谢,调整免疫机能,还具有杀灭病原微生物的作用。临床上可用于脑中风、高血脂、糖尿病、肝炎等疾病的治疗。医用臭氧在病毒性肝炎治疗方面也取得了可喜的突破。在急性肝炎的治疗研究中显示医用臭氧有很好的退黄疸、降低转氨酶作用。初步临床应用显示,臭氧具有免疫激活、抑制细胞和病毒复制作用,同时可改善微循环,这些都有利于肝炎治疗。临床应用研究表明,臭氧疗法是安全、经济和较高效的全新的肝炎治疗方法。

2003年广泛传播的SARS病毒曾经引起了全国的恐慌,至今尚无有效的治疗方法。我国科学家的初步试验表明,使用臭氧进行灭活SARS病毒的多次实验,对绿猴肾细胞接种的SARS病毒综合灭活率达99%以上,这使我们看到了臭氧用于这一新型传染疾病的美好前景。

臭氧正在越来越广泛地用于医疗卫生领域,应用范围还正在拓宽。

现代医学研究表明,体内自由基的产生是导致人类衰老的重要原因之一。我们完全可以相信,臭氧的抗自由基与防衰老的功能将可望在不久的将来为人类的健康长寿做出新的贡献。  

八、别忘记臭氧的可恨

当然在我们赞扬臭氧的同时,也不能忘记它危害人类与生物的可恨的另一面。

在大气低空对流层中,也含有臭氧,但其浓度要比平流层的臭氧层低得多。在未被污染的空气中,低层大气中臭氧的浓度一般为(0.005~0.05)x10-6。在这种浓度下,臭氧是无害的。与高空平流层有益的臭氧相反,低空臭氧是一种有刺激性气味并对生物有杀伤作用的有害气体。     

臭氧对人体的伤害主要有以下几个方面:

1.当低空大气中臭氧浓度达到(0.1~0.5)x 10-6时就会刺激呼吸道,引起咽喉肿痛、胸闷咳嗽、哮喘发作,并可刺激气管、引起支气管炎。臭氧浓度更高时,可能导致胸骨疼痛、肺的通透性降低和肺气肿、肺水肿,使呼吸系统疾病恶化。

2.引起神经中毒,导致头晕、头痛、视力下降和记忆力衰退等疾病。接触高浓臭氧时间过长,还会损害中枢神经,导致思维紊乱。

3.破坏人体免疫功能,降低人的抗病能力。臭氧还可能诱发淋巴细胞染色体畸变,损害酶的活性,影响甲状腺功能和使骨骼早期钙化等。长期过量吸入臭氧则会影响体内细胞的新陈代谢,降低肺对细菌的抵抗力,加速人的衰老。

4.臭氧还能够破坏人体皮肤中的维生素E,从而引起皮肤起皱,出现黑斑等皮肤疾病。

更令人意想不到的是,近年美国科学家的研究还指出,臭氧会影响男子的精液数量与质量,从而影响生育能力。还有研究指出,孕妇长期过度吸入臭氧,则有可能导致婴儿畸形。

更应值得注意的是不仅仅工业废气带来了地面高浓度的臭氧,生活中的一些设备,特别是办公室的一些设备也给我们的生活空间增添了不应出现的臭氧。我们经常使用的打印机、复印机等大都是利用静电原理工作的,也可能产生臭氧和一些有机废气,长期接触则可能引起心血管疾病,甚至癌症。

臭氧具有很强的氧化性,除了金和铂外,臭氧化空气几乎对所有的金属都有腐蚀作用。铝、锌、铅与臭氧接触都会被强烈氧化。臭氧对非金属材料也有强烈的腐蚀破坏作用。

当空气中臭氧浓度达到(0.05~0.15)x 10-6时,对许多植物会有不同的伤害作用。烟草、菠菜、燕麦等都是对臭氧敏感的植物,在这样的空气中0.5~8小时就会出现损伤。马铃薯、大麦、菜豆、洋葱、小麦、番茄等对臭氧也十分敏感。在不出现症状的情况下,也会使植物的生长明显受阻。臭氧还能破坏植物吸收二氧化碳的能力,加剧温室效应。高浓度臭氧还会降低植物的生长力,导致农作物产量下降。   

九、光化学烟雾的元凶

1943年,美国第二大城市洛杉矶发生了世界上最早的光化学烟雾事件。当时该市上百万辆汽车每天燃烧掉上千吨汽油,汽油燃烧后产生的碳氢化合物等在太阳紫外光线照射下引起光化学反应,形成污染烟雾,使该市大多市民患了眼红、头疼等疾病。1955年洛杉矶再次产生光化学烟雾,致使400多人因五官中毒、呼吸衰竭而死。1970年的光化学烟雾使洛杉矶全市近四分之三的人不同程度的患病。

在日本、英国、加拿大、澳大利亚、德国、荷兰、智利和我国也都曾先后出现过光化学烟雾。

那么,什么是光化学烟雾呢?光化学烟雾的宏观表现就是大气中烟雾弥漫,能见度显著降低。光化学烟雾的实质是由汽车、工厂等污染源排入大气的氮氧化物和碳氢化合物等一次污染物,在太阳紫外线的照射下发生光化学反应,生成臭氧、过氧乙酰硝酸酯(PAN)等二次污染物,参与光化学反应过程的一次污染物和新形成的二次污染物的混合物共同导致大气出现一种具有刺激性的蓝色或棕色烟雾。二次污染物的起始反应是氮氧化物经光照产生原子氧,原子氧又与空气中的氧气生成臭氧,进而引发一系列复杂的氧化反应与自由基链式反应,从而导致生成臭氧、甲醛、丙烯醛、过氧乙酰硝酸酯等多种二次污染物。因为这是光化学反应引起的烟雾状污染,所以被称为光化学烟雾。

近年来不仅是大城市及其周围地区,一些乡村地区也出现了光化学烟雾现象。

光化学烟雾中的二次污染物主要是臭氧、甲醛、丙烯醛、过氧乙酰硝酸酯等,这些都是对健康十分有害的物质。这些污染物可从城市污染区扩散到百千米以外,甚至可以扩散到几百千米以外,对人类和生物造成大范围的污染和危害。

光化学烟雾使人和动物受到的主要伤害是眼睛和黏膜受刺激、头痛、呼吸障碍、慢性呼吸道疾病恶化、儿童肺功能异常等。长期吸入污染物会引起咳嗽和气喘,污染物浓度达50 x 10-6时,人甚至有死亡危险。

光化学烟雾也将影响植物生长,这与臭氧对植物的伤害类似,只是更为严重。

光化学烟雾还会促成酸雨(pH

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