二氧化碳气体为什么有温室效应

2018-10-17 admin 121

为什么二氧化碳气体会成为温室气体?二氧化碳气体的温室效应是怎么形成的?这得从二氧化碳气体分子的运动谈起。

  分子的运动形式却是多样的,可以是平动,可以是转动,分子内各原子还能发生各种类型的振动。分子总是同时进行着平动、转动和振动运动。分子的平动,指分子作为一个整体朝任意方向移动。整个分子中各原子向同一方向以同一幅度移动。分子的转动,即分子作为一个整体旋转。分子的振动,指分子中每个部位各自运动,构成分子的各个原子象被弹簧连接着,可以各自在平衡位置上发生周期性的往复运动。

   分子的运动是量子化的。分子处于某种运动状态时,拥有某些特定的能量。分子具有的能量有一定级别,不同的运动状态处于不同的能级。分子处于基态(接近于静止状态),在最低的能级上,吸收一定频率或具有一定能量的光子后,可以跃迁到较高能级,处于激发态。分子吸收一定波长的光,所能吸收的光子能量必须和改变运动状态所需的能量相匹配的光。

   红外区光子的能量能增强分子的振动。不同的分子吸收不同波长的红外光。任何分子中发生振动所需要的能量取着于振动的特征、原子间化学键的变形性和强度,发生振动的原子的质量。二氧化碳气体分子发生伸缩振动比发生变形振动难,需要吸收能量更大的光子。二氧化碳气体分子吸收15.00μm的红外辐射时,发生上图所示的两种弯曲振动。吸收4.2μm的红外辐射时,发生上图所示的下一种伸缩振动。实验证明大气中的二氧化碳气体可以高效吸收太阳光中15.00μm和4.2μm的红外辐射,发生短暂的振动(此时人们称二氧化碳气体分子处于激发态),然后又可以将吸收的能量以热的形式发射出来,回到非激发态(也称基态)。

海盐气体找我们,海宁气体找我们,海盐气体公司找我们,海宁气体公司找我们,海盐气体运输找我们,海宁气体运输找我们

太阳向地球辐射多种形式的辐射能。总能量的53%是红外辐射,39%是可见光,8%是紫外光。到达地球的太阳辐射,30%被反射,25%被大气层吸收,其余的45%被陆地和海洋吸收,使地球变暖。被反射的太阳辐射的小部分直接返回太空,大部分被大气层中的二氧化碳等温室气体气体吸收。

二氧化碳气体为什么有温室效应

陆地和海洋吸收的部分能量也会辐射到大气层,同样也能被二氧化碳等温室气体吸收。二氧化碳等气体温室气体能高效吸收红外辐射,并向各个方向散射。从地球辐射的能量中,约81%被温室气体捕获,再辐射回到接近地球的较低的大气层,不会返回太空。地球、大气层和太空之间持续辐射发生的动态的热交换,建立起相对稳定的热平衡,使地球的平均温度较好的维持稳定。否则地球可能由于太阳辐射而变得非常炎热,若大气层没有将地球辐射的热量反射回地球,地球接受到的太阳辐射被全部直接返回太空,地球将会变的冰冷。

  然而,如果大气中的二氧化碳等温室气体,太多了,将有大于81%的太阳辐射返回到地球表面,将使地球的平均气温上升。这就不是好事了。19世纪末以来,全球二氧化碳气体的排放量持续增加,使全球气温上升,造成一系列气候问题。倡导节能减排、低碳生活,是人类不可忽视的大事。

  CO2是最重要的温室气体,CO2的大量排放是人类活动引起气候变化的主要原因。

重点掌握

肠道内最常见的气体有5种,氮气、氧气、二氧化碳、氢气和甲烷。氢气和甲烷只来自细菌发酵产生。

每天肠道内气体总量一般小于200毫升。

大肠细菌产生氢气的能力个体差异很大,个人产量主要决定于两个因素,一是需要有难消化的碳水化合物,另一个是酸度不要太强。增加氢气产量可以通过调节饮食,也可吃点硫酸镁碱化肠道。人体细菌产生的氢气不能无限增加,产量多吸收率会下降。

       全面了解肠道内气体产生、转化和释放的生理机制,不仅是充分掌握消化功能和疾病病理生理学的重要前提,也是氢气生物医学领域需要重点掌握的知识。

未被小肠吸收的能量物质一旦进入大肠,会被肠道细菌作为营养利用,其中产氢菌能迅速产生氢气,氢气可以被另外一些细菌如产甲烷菌、乙酸菌等利用变成其他成分。氢气在肠道发酵中具有能量枢纽的地位,是大部分细菌之间能量转化的重要物质载体。因此,氢气是肠道菌群实现功能的重要分子基础。

肠道气体代谢受到多种因素影响,目前对这些机制仍然缺乏充分理解。研究表明,人类肠道内气体体积小于200毫升。肠道内气体成分也随着部位变化而不同。肠道气体99%是由5种主要成分组成,分别是氮气、氧气、二氧化碳、氢气和甲烷,其他成分总量不足1%。肠道气体有4个来源,吞咽空气、肠道内细菌代谢、肠道内化学反应和血液内气体扩散。细菌代谢不仅会产生气体,也会消耗气体。血液内气体扩散也是双向作用,一方面吸收肠道内气体,另一方面会向肠道内释放气体。气体代谢受肠道蠕动的影响巨大,肠道内气体可以通过打嗝、放屁、细菌消耗、黏膜吸收等途径消耗。

一、肠道气体成分和含量

肠道气体代谢涉及多种过程,如气体产生、利用、排泄等。为理解肠道气体功能,很有必要梳理肠道内气体生理学特征,尤其是气体产生量、消耗量和肠道气体稳态调节机制。

人体肠道气体产量的测定有不同方法。1956 年,Bedell等采用经典的测定肺体积的方法对人体胃肠道气体进行测试,发现正常人平均胃肠道气体为115毫升。Greenwald等利用低压气体膨胀原理计算出胃肠道气体为111毫升。Levitt则使用空肠注入氩气的肠冲洗技术研究上述研究结果,这种方法用肛门内气体成分中氩气比例来反推肠道内气体含量。结果发现,胃肠道平均气体体积为100毫升,个体差异比较大,31到200毫升不等。胃肠道内气体体积存在很大个体差异,气体成分在胃肠道不同部位和个体之间也有非常大区别。胃内气体和空气最接近,而屁的成分就个体差异很大,往往和整个消化道代谢过程有关。

99%的肠道气体成分是5种气体,分别为氮气、氧气、二氧化碳、氢气和甲烷。氮气从11-92%,氧气从0-11%,二氧化碳3-54%,氢气0-86%,甲烷0-56%。氮气和氧气是空气的成分,二氧化碳是人体内最多的气体,氢气和甲烷则是肠道内细菌代谢产生的气体。其他不足1%气体成分包括氨、硫化氢、吲哚、3-甲基吲哚(粪臭素)、挥发性胺和短链脂肪酸。人们曾经长期认为肠胃胀气的主要芳香族氨基酸分解的恶臭味产物如吲哚、粪臭素。其实这是一种错误看法,许多含硫化合物如硫化氢、二甲基硫化物和甲硫醇才是屁臭的主要原因。在78%的样品中,硫化氢是含硫气体的最常见成分,一般也是强烈臭味的原因。一般在呼吸气中检测不到含硫化合物。目前也缺少含硫化合物在胃肠道病理生理学过程中的作用。

二、肠道气体来源

胃肠道气体有三个来源,分别是口腔吞咽的空气、肠道内产生和肠道黏膜血管内弥散。肠道内产生有化学反应和细菌代谢两个方式。

进入胃内的空气,有的直接被吞咽,也有来自包裹在食物内空气。吞咽到胃内大部分空气通过打嗝排出,小部分随着食物进入小肠,人体处于仰卧位时打嗝相对困难,胃内气体更容易进入小肠。(所以,喝完氢水为避免打嗝漏气,最好平卧一会儿,你懂的)。

 

 

图 站位和仰卧位时胃的状态。

站着气体容易从食管出,卧位则容易下去到肠道内。

 

胃肠道产生的气体主要包括二氧化碳、氢气和甲烷。在小肠内,二氧化碳主要来自氢离子和碳酸氢根反应,这个过程受碳酸酐酶催化。在上消化道,二氧化碳可被肠黏膜快速吸收,且二氧化碳的在水中溶解度很高,所以对肠道内气体贡献比较小。尽管如此,在屁的成分中高水平二氧化碳经常出现,且往往同时伴有高浓度氢气。可能的原因是,与氢气和甲烷类似,胃肠道内部分二氧化碳也来自细菌发酵。在无菌大鼠和刚出生12小时内的新生儿都没有氢气和甲烷,说明哺乳动物细胞不能产生氢气和甲烷,只有细菌发酵产生。正常人在禁食过程氢气产量下降,摄取发酵或不易消化食物,主要是碳水化合物,肠道细菌会产生更多氢气。健康人吃某些水果和豆类蔬菜,或含有低聚糖的小麦、燕麦、土豆和玉米面粉,这些食物中含有小肠难以消化的营养成分,进入大肠内可以被细菌发酵产生气体。当小肠出现疾病时,碳水化合物吸收障碍会造成额外营养成分进入大肠导致肠道发酵。肠道细菌发酵会产生二氧化碳、氢气和甲烷,也能产生有机酸如乳酸和短链脂肪酸。如果这些气体没有被细菌再利用,可被肠黏膜吸收进入血液循环,或通过肛门伴随粪便或单独排出,进入血液的气体大部分经过呼吸道释放到体外,也有部分被身体代谢消耗。

三、肠道气体的去向

肠道内氢气可被快速吸收进入血液,通过肺释放到体外。检测呼吸气体中氢气含量能作为碳水化合物消化吸收不良的判定指标。过去认为,氢气几乎全部都会被肺清除,因此呼吸氢气释放速率和肠道内氢气吸收速度几乎等价。最近研究认为,氢气可以被动物细胞代谢利用,氢气也可以通过皮肤释放,所以不应该简单认为呼吸气体释放的氢气完全等同于肠道吸收的氢气。大约14-20%的肠道氢气经过肺排除,因此可以用呼吸气氢浓度作为肠道细菌产氢气的指标。

蛋白质吸收不良也能作为细菌发酵的底物,不过气体产生量小于碳水化合物。健康个体高热量饮食,十二指肠负载氨基酸和脂肪能导致肠道产气增加。不过葡萄糖不会造成气体增加,可能是额外高血糖会加速气体清除。Harder等发现,低能量饮食不会导致肠道气体增加,高能量饮食可导致肠道内气体增加,但是并不会出现腹部和直肠不同感觉,这可能是胃肠道能对肠道内气体等局部刺激不敏感造成。

四、影响肠道气体代谢的因素

影响肠道氢气产生的因素很多。酸碱度是肠道内氢气产生的重要影响因素,当结肠pH越低或酸性越大,氢气产生越少。口服乳果糖可以使大多数人呼吸气氢气浓度增加,但大约5%的个体口服乳果糖不产生氢气,研究发现这部分人是因为结肠内酸性过度,同时服用硫酸镁可以碱化结肠,能恢复这部分人结肠产氢能力。大肠内氢气消耗的途径有两条,一是产甲烷菌合成甲烷,另一个是硫酸盐还原菌合成硫化氢。也有一些次要路径,如乙酸菌还原二氧化碳产生乙酸。大约30%的成年人体内定居大量产甲烷菌属于产甲烷者,产甲烷菌主要分布在左侧结肠,可以消耗大量氢气产生甲烷。制造1分子甲烷需要4分子氢气和1分子二氧化碳,这样可以把肠道内气体总量降低80%,是削减肠道气体总量的理想代谢方式。1992年,Strocchi等发现,人类大便内消耗氢气最多的微生物是产甲烷菌。一般情况下硫酸盐还原菌分布在整个大肠,但产甲烷者肠道内该类菌只局限于右侧。同年,Christl发现,如果存在硫酸盐还原菌,肠道甲烷产生可受食物中硫酸盐调节。摄取硫酸盐能让硫酸盐还原菌生长,抑制产甲烷菌生长。当两种菌共存时,食物内含硫化合物如面包内二氧化硫,酒类如啤酒、葡萄酒、苹果酒内往往含有丰富的硫酸盐。

氢气消耗过程受到肠道环境因素影响,例如一些还原性物质如胱氨酸或酸碱度,如硫酸盐还原菌最佳pH是7.5,甲烷菌是7.0,乙酸菌是6.5。

一些个体被成为少氢者(low hydrogen excretors),这些人服用不消化吸收的糖也不会增加氢气水平。有学者认为是氢气被消耗过多,而不是氢气产生不足。Strocchi等的研究发现,少氢者肠道产甲烷菌的数量和活性都高,粪便内氢气张力高可能是氢气消耗增加的原因。出生早期环境因素可能是影响肠道菌种类的重要原因,但后期生活习惯的适应性影响也十分重要。Gibson等发现,服用两种难消化碳水化合物低聚果糖和菊粉可以使肠道内双歧杆菌成为优势细菌。服用阿卡波糖能显著增加呼吸气中氢气水平、大便湿重、大便排氮和脂肪。

氢气的消耗率依赖于肠道内氢气的张力,张力越高消耗速度越快,(难道肠黏膜吸收的速度不是随着张力增加而增加?)。当肠道运动受损搅拌效率下降,可使氢气从溶解状态变成气体状态,这可增加氢气张力。氢气张力提高,氢气消耗增加。抗生素能影响肠道菌,泻药也能造成肠道酸化和发酵受抑制,这也能导致氢气产生下降,使正常人变成低氢者。正常情况下,氢气只由结肠内细菌产生,如果存在小肠细菌过度生长,小肠内细菌也能产生氢气。

考虑到扩散因素,肠道内气体会沿着气体分压梯度,从肠黏膜到血液扩散,扩散量也受到气体扩散性和肠血液屏障的影响。氢气和甲烷只从肠道向血液扩散,因为肠道内两种气体分压高于血液。因此,肠道内氢气总体积是氢气产量、氢气消耗量和氢气扩散入血液三种因素的总体结果。

二氧化碳、氮气和氧气的直接运动变化非常大。尤其是氧气,来自吞咽的空气,可以被胃黏膜吸收进入血液,因为空气氧分压比血液高许多,但大肠内氧分压低于血液,血液内氧气可扩散进入大肠内。空气中二氧化碳很少,但是在十二指肠二氧化碳会迅速增加,主要来自碳酸氢根和氢离子的反应。二氧化碳的扩散能力强,可以快速扩散到血液。氮气的扩散能力比较低,相对难以被胃黏膜吸收。(其实不是氮气吸收难,是因为身体内氮气的分压比较高,接近空气内的分压,扩散需要的浓度梯度比较小)。

在大肠内,随着二氧化碳、氢气和甲烷的增加,氮气分压相对下降,血液内氮气可扩散到肠道内。肠道内气体的输送方向似乎不是被动的,而是主动从上推到下。刺激和抑制反射能影响肠道气体的运输。例如仰卧位或营养物质能延迟气体运输,对胃肠道的机械刺激能加快气体运输。

肠道内气体的排除包括打嗝、吸收、细菌消耗和肛门排泄。Tomlin等研究发现,健康人普通饮食24小时肠道排出气体总体积胃476-1491毫升,但存在明显个体差异。气体总体积贡献最主要的是细菌发酵产生的氢气和二氧化碳。有意思的是,无纤维素无多糖饮食剥夺细菌营养物质来源可以显著降低发酵产生的肠道气体。

总之,肠道气体代谢是一个复杂而有趣的问题。进一步研究和分析这一现象对理解肠道生理十分必要,也有利于准确解释某些和肠道气体相关的疾病表现。