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三论臭氧抗疫之一:为地球生态平衡守护者臭氧正名
周牧之
2021年08月05日

文丨周牧之 东京经济大学教授

编者按:自新冠病毒疫情暴发以来,全球累计感染人数逼近2亿,因新冠疫情死亡人数累计接近420万。然而在中国以外的大部分国家,反复的封城和全民性疫苗接种却仍然没有能够阻断新冠疫情的肆虐。在这种情况下,臭氧作为既方便又有效还没有副作用的灭活新冠病毒的“神器”,有必要受到世人更多的关注。周牧之教授早在新冠疫情爆发初期的2020年2月18号,就发表了题为《这个“神器”能绝杀新冠病毒》的论文(以下简称《2月周论文》),提倡利用臭氧应对新冠病毒疫情。该论文瞬间被众多媒体和平台转载,积极地推动了利用臭氧压制新冠病毒的尝试。

比2020年3月11日世界卫生组织将新冠肺炎宣布为“全球性流行病(Pandemic)”还早3个星期的《2月周论文》发表,以及英文版“Ozone: a powerful weapon to combat covid-19 outbreak”和日文版「オゾンパワーで新型コロナウイルス撲滅を」的推出,为全球抗疫提供新的解决方案,在国际上引起重大反响。此后,该论文提出的关于低浓度臭氧可以灭活新冠病毒的假说得到了实验论证,国际上臭氧发生器的研发与应用都取得了迅速的进展。为了进一步推动普及臭氧应用,周牧之教授特再次撰文分三次系列论述臭氧与地球生态平衡之间的迷雾和臭氧灭活新冠病毒的机理。

被广泛地运用在消毒、灭菌、除臭、解毒、保鲜、漂白等领域的臭氧,对大多数人而言,是一个既熟悉又陌生,而且还有几分戒备的存在。推动普及臭氧应用,首先需要正确认识臭氧在维持地球生态平衡上的重要作用,在为臭氧正名平反,消除对在有人空间使用臭氧担忧的同时,理解低浓度臭氧的杀菌灭毒机理和功效。

地球生物的保护神

臭氧由三个氧原子组成。臭氧产生的主要途径是太阳光紫外线打击双原子的氧分子,把它分解为两个原子,然后氧原子再与没有分裂的氧分子合并成臭氧。臭氧和氧气是氧元素的同素异构体,呈淡蓝色,有特殊气味,故名臭氧(OZEIN:希腊文,臭味的意思)。紫外线打击氧分子,将其分解为氧原子,是自然界臭氧生成的最重要途径。

从地面到10km左右高空的大气层叫对流层。在对流层,温度与高度的关系是上冷下热,所以人们在爬高山的时候,会感到越往上爬气候越寒冷。对流层之上离地面10~50km左右的大气层叫平流层。在平流层,温度与高度的关系正好与对流层相反,是上热下冷。

臭氧不仅存在于平流层,也存在于对流层。由于氧分子低空多高空少,而氧原子低空少高空多,导致在既有氧分子又有氧原子的平流层形成高浓度的臭氧层,而地面和更高的高空,臭氧浓度稀薄。也就是说,大气中的臭氧含量从距地面大约10km左右的地方开始逐渐升高,在平流层,臭氧浓度达到了最大值,再往上臭氧含量又急剧减少。

由是,在高空的平流层里形成了一个浓度为10~20ppm的臭氧层。紫外线根据波长分为UV-A(315~400nm)、UV-B(280~315nm)和UV-C(<280nm),臭氧层通过吸收对生物有害的大部分UV-B和所有UV-C,屏蔽了紫外线对生物细胞DNA的破坏,给地球上的生物提供了生存条件。

因为紫外线打击氧分子而形成的臭氧,却屏蔽了太阳光中有害紫外线波段对地球生命的侵袭,保障了地球生物的繁衍。紫外线与臭氧,以及地球生命之间的关系可谓是环环相扣,生息相连。

臭氧层达到接近现今浓度的时间与地球上的生命从海洋登上陆地的时间基本一致。换而言之,在臭氧层还比较稀薄的时候,生命只能潜伏于海洋之中,一直要等到臭氧层浓度升高到一定程度之后,才得以从海洋延展到陆地。

可以说,如果没有臭氧层作为一道天然屏障的保护,地球上甚至连一个微生物都不可能存在,就更没有今天纷繁生命的繁衍和绽放。

然而,由于现代产业活动排放的大量氯氟碳化合物(CFCs:Chlorofluorocarbon,又称氯氟烃)、挥发性有机化合物(VOC:Volatile Organic Compounds)等化学物质对臭氧层造成了大规模破坏,臭氧层不仅被严重消耗,甚至出现了巨大的臭氧空洞。

失去了臭氧层的充分保护,人类免疫系统开始有害遭受紫外线威胁,造成皮肤癌和白内障发病率的增加。1974年,美国加利福尼亚大学的弗兰克·舍伍德·罗兰教授和马里奥·莫利纳博士在《自然》杂志上合作撰文,成功解释了CFCs破坏臭氧层的机理,两人也因此获得了1995年诺贝尔化学奖。

随着对臭氧层保护意识的提高,一系列关于保护臭氧层的全球性公约、议定书相继制定和签署,臭氧层保护成为全球关注的环境问题。

在天是佛,在地是魔?

有感于臭氧层对地球生命的保护作用,臭氧层被舆论称之为“地球卫士”,但是臭氧本身却非但没有这么好的声誉,还长期为世人所误解。

臭氧之所以称之为臭氧是因为它具有臭味。虽然在自然界浓度下,大多数人感觉不到臭氧的异味。但是随着浓度提高,臭氧的异味可能引起人的不适。

对流层的臭氧浓度一般在0.02~0.1ppm,这个浓度的臭氧对包括人类在内的大型生物无害。但是高浓度的臭氧可能给人带来不适感觉,还可能刺激和损害眼睛、呼吸系统等黏膜组织。因此,各国对室内臭氧浓度大都推出了限制性的环境标准。例如,美国食品药品监督管理局(FDA)规定的室内环境标准中臭氧最大浓度为0.05ppm,日本产业卫生学会规定的工作环境中臭氧的允许浓度为0.1ppm,中国卫生部也将臭氧安全浓度规定为0.1ppm。

虽然对高浓度臭氧的戒备一直存在,但真正败坏臭氧名声的是光化学烟雾污染。光化学烟雾是指工厂和机动车排放的氮氧化物(NOx)和挥发性有机化合物(VOC)等一次污染物,以及其受紫外线照射后产生的臭氧等二次污染物,两者混为一体造成的大气污染。NOx和VOC虽然是导致光化学烟雾的主要生成物质,但是光化学烟雾中的臭氧成分却可以高达80 90%。因此人们往往把光化学烟雾污染直接等同为臭氧污染。

光化学烟雾不仅刺激眼睛、呼吸系统等黏膜组织,可能引发眼睛疼痛、头痛、咳嗽和气喘等健康危害,还抑止植物生长导致农作物减产,更有形成酸雨,降低大气能见度等严重危害。

工业革命以来,随着NOx等光化学烟雾生成物质的排放量急剧增大,对流层的臭氧不断增加,过去一百年全球对流层的臭氧量已经增加至4倍。

对流层的臭氧含量虽然只有平流层的十分之一,但臭氧却是继二氧化碳(CO )、甲烷(CH )之后的第三大导致地球温暖化的温室气体。登上温室气体榜单,臭氧的形象又进一步恶化。

凡此种种,造成世人普遍存在“对流层臭氧是对生物有害污染物”的成见,遂有臭氧“在天是佛,在地是魔”之说。在日本等国家,如何观察和防范对流层臭氧地球规模的越境污染已经成为重要的国家课题。 

因此,推动臭氧抗疫情,首先必须为其正名。笔者首先要替臭氧澄清的是,光化学烟雾的臭氧并不是对流层自然界正常存在的浓度,而是人为污染排放造成的一种超自然的高浓度。而且,光化学烟雾更是混杂大量的NOx和VOC等有害物质,与自然界纯净的臭氧有着本质区别。

自然界的臭氧浓度虽然根据季节和地域时有差异,但却不会对人体造成伤害。例如,雷电的高压放电,电离空气中的氧气是自然界产生臭氧另外一个重要途径。得益于臭氧对空气的净化之功,人们在雷电过后往往能够呼吸到更加鲜美的空气。又比如,晴天时的海岸和森林,因为臭氧浓度偏高,空气会更加清新。

自然界臭氧对人类这样的大型生物是没有危害的。应该说,自然界的臭氧并非光化学烟雾的臭氧,但臭氧却因为替人类的污染排放“背锅”而蒙冤。

守护地球生态平衡的微生物杀手

对人类而言,自然界的臭氧不仅无害,反而有益。

《2月周论文》可以分解成三个假说,其中第一个假说(简称假说1)是:“自然界的臭氧浓度虽然对包括人类在内的大型生物无害,但对微生物而言却是超级杀手。具有强氧化能力的臭氧,一直在自然界抑制细菌、病毒、真菌等微生物的过度繁殖,守护地球的生态平衡”。

遗憾的是,臭氧在地球生命体中抑制微生物的作用一直没有得到充分的重视。臭氧抑制自然界微生物的作用被忽视的一个原因是,一般认为自然界的低浓度臭氧没有杀菌灭毒的作用。

探求臭氧在地球生命庞大复杂系统中的作用,需要有侦探般的敏锐和缜密的逻辑推理。笔者在海量的查证过程中发现,日本有实验证明,只要暴露时间够长,即便是0.025ppm这样超低浓度的臭氧也具有足够的杀菌灭毒能力。

由是可以推论:一般比这个浓度更高的自然界臭氧一定对地球上微生物的繁殖和扩散起着重要的平衡和抑制作用。进而可以推论,随着季节和地域变化而浓度变化的臭氧在微生物的繁衍盛衰周期中起着主宰性的作用。甚至可以推论,臭氧与微生物的这种关系使其成为昭告季节变化,控制地球生命体活动周期的重要信息素。

综上所述,不仅平流层的臭氧层是保护地球生物的屏障,对流层的臭氧也是平衡地球生态的重要存在。臭氧在天是佛,在地亦是佛。

人类只有进一步的认识臭氧与地球生命之间的关系,才能探索臭氧可能带来的更大恩惠。

【责任编辑:许聃】
日本东京经济大学教授
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