從生物質到火炸藥：含能材料的生物合成

咸 漠，曹玉錦

（中國科學院青島生物能源與過程研究所生物基材料重點實驗室，山東青島266101）

引 言

含能材料是一類能獨立進行化學反應并輸出能量的化合物或混合物，它們在武器裝備中完成毀傷、推進、拋射等軍事目的，決定著武器裝備的威力、安全性、可靠性和實用性等技術指標，是提升武器裝備作戰(zhàn)能力的關鍵。傳統(tǒng)的含能材料制備技術通常是以石油及其衍生產品為原料采用化學法進行合成，在世界特別是我國石油資源短缺的情況下，原料供給及穩(wěn)定性方面存在安全性問題；化學法制備含能材料過程中普遍使用酸、堿、貴金屬、重金屬催化劑，對環(huán)境污染嚴重；化學催化存在選擇性差的問題，產生大量的副產品，是含能材料工業(yè)污染嚴重及終產品性能不佳的重要原因；化學合成過程反應往往比較劇烈，不易控制，過程安全性差；這些都制約著含能材料化學合成技術的應用。

綠色生物合成作為顛覆性技術，是含能材料制備領域技術變革的共性迫切需求。它使用葡萄糖、木糖等碳水化合物作為原料，是生物質可再生資源，地球上每年制造量巨大，對解決我國資源短缺的問題具有戰(zhàn)略意義；生物催化劑產生自生命體，對環(huán)境污染低；生物催化過程選擇性高，產生的副產物少，減少了分離成本，同時也減少了雜質帶入含能材料終產品的可能性，對武器裝備的可靠性提升有重要意義；生物反應過程條件溫和，易于控制，多在常溫常壓下進行，對人和設備造成損失的可能性小。因此，生物合成是含能材料制備領域的重要研究方向。本文綜述了近年來生物合成技術用于含能材料及其前驅體制備的研究進展，重點介紹了多元醇類和芳香族類含能材料前體的生物合成路線及目前的技術水平，初步探討了生物硝化技術的現狀，并對未來生物法制備含能材料的發(fā)展方向進行了展望。

1 多元醇類

多元醇的多硝酸酯是火炸藥和推進劑的重要成分，它們在不同的領域具有不同的用途。這些硝酸酯的制備通常以相應的多元醇為底物，通過硝化完成。目前的生物法雖然不能直接合成這些多元醇硝酸酯，但是已經形成了較為成熟的生物法合成多元醇的技術。在常見的甘油三硝酸酯（硝化甘油，NG）和季戊四醇四硝酸酯（PETN）之外，采用生物法合成的可用作含能材料前驅體的多元醇包括乙二醇、1，2－丙二醇，1，2，4－丁三醇、赤蘚醇、木糖醇、甘露醇等。

1．1 乙二醇

乙二醇二硝酸酯（EGDN）作為一種常用的膠質炸藥，爆炸性能與NG 相似，可以部分或全部替代NG，其感度和黏度優(yōu)于NG，同時凝固點較低，可在較為寒冷的地區(qū)使用，但揮發(fā)性更強，毒性更大［1］。為了提高EGDN 的化學安定性并降低其毒性，開展了多聚乙二醇硝酸酯如二乙二醇二硝酸酯（DEGDN）、三乙二醇二硝酸酯（TEGDN）已在混合硝酸酯發(fā)射藥的應用研究。生物法合成乙二醇以自然界中廣泛存在的木糖為原料，經氧化得到木糖酸，經脫水得到3－脫氧－D－甘油－戊酮糖酸，經裂解得到乙醇醛，再經還原最終得到乙二醇（圖1）。在補料分批發(fā)酵的條件下，乙二醇的產量可以達到11．7g／L［2］。然而，考慮到化學技術生產乙二醇成熟的工藝以及相對低廉的成本，生物基乙二醇目前并不具備明顯的競爭力。

圖1 乙二醇和1，2，4－丁三醇的生物合成途徑Fig．1 Biosynthetic pathways of ethylene glycol and 1，2，4－butanetriol

1．2 1，2－丙二醇

1，2－丙二醇二硝酸酯（PGDN）是奧托燃料Ⅱ（Otto fuelⅡ）的主要成分（質量分數占76%），被用作美國海軍Mk46和Mk48型魚雷的推進劑［3－4］，其前驅體1，2－丙二醇可通過生物法合成。自然界中存在廣泛的微生物能夠將糖類轉化為1，2－丙二醇，它們多屬于嗜熱厭氧桿菌和梭狀芽孢桿菌。此外，大腸桿菌、釀酒酵母、畢赤酵母等模式生物也通過基因工程改造用于合成1，2－丙二醇［5］。以糖類為原料合成1，2－丙二醇，首先通過糖酵解生成磷酸二羥丙酮，磷酸二羥丙酮進一步代謝得到關鍵中間代謝物丙酮醛，丙酮醛經兩步還原得到丙酮醇或甲基乙二醛，然后被還原生成1，2－丙二醇（見圖2）。葡萄糖作為底物，經基因工程大腸桿菌轉化，1，2－丙二醇的最高發(fā)酵濃度可達4．5g／L，從葡萄糖到1，2－丙二醇的產率達0．19g／L［6］。甘油作為生產生物柴油的副產物，也是一種合成1，2－丙二醇的廉價底物。與以糖類為原料合成1，2－丙二醇的途徑類似，甘油也首先轉化成磷酸二羥丙酮，再進一步代謝得到1，2－丙二醇（圖2）。以甘油為原料合成1，2－丙二醇的工程菌株，其產量可達5．6g／L，質量轉化率為21．3%［7］。

1．3 1，2，4－丁三醇

丁三醇三硝酸酯（BTTN）是一種性能良好的含能增塑劑，與NG 相比，其凝固點、揮發(fā)性、熱安定性和感度等指標均有一定優(yōu)勢，能夠改善推進劑的低溫力學性能［8］，并提高使用安全性，已被用于高能硝酸酯增塑聚醚（NEPE）推進劑中［9－10］。盡管目前已具備多條1，2，4－丁三醇的化學合成路線，包括蘋果酸二甲酯加氫法、3－丁烯－1－醇氧化水合法、2－丁烯－1，4－二醇酸催化法等［11］，但這些生產工藝普遍存在污染嚴重、反應條件苛刻、產品分離困難、過程安全性差的問題。近年來，研究者正在開展1，2，4－丁三醇生物合成技術研究，目前已建立兩條不同的合成路線（見圖1）。路線一以木糖或阿拉伯糖作為起始原料，經生物轉化首先得到木糖酸［12］或阿拉伯糖酸，這兩種糖醛酸再進一步通過脫水、脫羧和還原三步生物催化反應最終得到1，2，4－丁三醇。最初的研究以木糖作為起始原料，1，2，4－丁三醇的產量達到1．6g／L，而以阿拉伯糖作為起始原料，1，2，4－丁三醇的產量可以達到2．4g／L［13］。進一步整合實現了一步法由木糖到1，2，4－丁三醇的直接轉化，1，2，4－丁三醇的產量達到0．88g／L，摩爾轉化率為12．82%［14］。將該代謝途徑導入模式生物擬南芥中，實現了植物中1，2，4－丁三醇的合成，盡管1，2，4－丁三醇的產量僅達到20μg／g，但該研究代表了一個新的含能材料制備技術的研究方向［15］。路線二以蘋果酸為起始原料，經活化得到蘋果酰CoA，經兩步還原得到2，4－二羥基丁酸，再活化生成2，4－二羥基丁酰CoA，最終再經兩步還原生成1，2，4－丁三醇。該途徑可進一步與葡萄糖到蘋果酸的途徑整合，1，2，4－丁三醇的最大理論得率可達0．65g／g葡萄糖，但目前的產量僅達到180ng／L［16］?？紤]到葡萄糖相對于木糖和阿拉伯糖更為廉價易得，該途徑同樣具備很好的發(fā)展前景。

圖2 1，2－丙二醇的生物合成途徑Fig．2 Biosynthetic pathway of 1，2－propanediol

1．4 赤蘚醇

赤蘚醇四硝酸酯（ETN）是一種典型的固態(tài)結晶炸藥，其性質與PETN 接近，但摩擦感度和撞擊感度較低。ETN 合成技術簡單，添加到其他含能材料中可以顯著改善混合炸藥的性能。隨著生物技術的發(fā)展，ETN 的前驅體赤蘚醇已經較易獲得，因此，ETN 重新引起了人們的重視［17］。赤蘚醇的生物合成途徑主要有兩條（見圖3）：在酵母等真核生物中，通過磷酸戊糖首先合成赤蘚糖4－磷酸，再進一步被還原成赤蘚醇；在原核生物中，直接裂解糖酵解的中間產物果糖6－磷酸得到赤蘚糖4－磷酸，再進一步轉化成赤蘚醇［18］。

圖3 赤蘚醇的生物合成途徑Fig．3 Biosynthetic pathway of erythritol

目前，赤蘚醇的生物合成已經形成了成熟的工業(yè)化生產體系，多種酵母和真菌菌株被用于赤蘚醇的合成。以葡萄糖為原料，采用酵母菌Pseudozyma tsukubaensis發(fā)酵生產赤蘚醇，其產量高達245g／L，生 產 強 度 達 到2．86g·L－1·h－1，產 率 達 到61%［19］。以類絲孢酵母作為工程菌株生產赤蘚醇，產量達到200g／L 以上［20］。相信隨著生物基赤蘚醇成本的逐步降低，ETN 將更有希望應用于武器裝備系統(tǒng)中。

1．5 木糖醇

木糖醇五硝酸酯（XPN）是一種黏度高、穩(wěn)定性好的含能材料，其最大優(yōu)勢是生產過程產生的有毒產物少，對操作工人健康影響較小。XPN 的前驅體木糖醇是一種廣泛使用的食品添加劑，可通過水解玉米芯、棉籽殼、甘蔗渣等制備木糖，再經化學催化加氫獲得。利用微生物轉化半纖維素中的木糖制備木糖醇也已經具備比較成熟的技術，其中，重組谷氨酸棒桿菌和熱帶假絲酵母合成木糖醇的最高產量 分 別 達 到 了166g／L 和275g／L［21－22］，國 外Thomson Biotech、zuChem 等公司已開始相關產業(yè)化生產的工作［23］。由于木糖醇在食品添加劑中應用廣泛，用于制備含能材料并不是其主要用途。

1．6 甘露醇

甘露醇六硝酸酯（MHN）是一種安全性能較好的炸藥，在常溫下為固體粉末，比NG 更穩(wěn)定，常被用于雷管中［24］。MHN 可以通過硝化甘露醇制得，而甘露醇又可以通過果糖化學加氫制備，但是其產物通常為山梨醇和甘露醇的混合物，給產物分離造成困難。目前，研究者已發(fā)現多種細菌、酵母和真菌可以發(fā)酵果糖或果糖與葡萄糖的混合物合成甘露醇。如中間型乳桿菌可以轉化果糖生產甘露醇、乳酸和乙酸，在補料分批發(fā)酵的條件下，以300g／L的果糖作為底物，甘露醇的產量可以達到202．5g／L［25］。木蘭假絲酵母也是一株能夠高效合成甘露醇的菌株，其生產甘露醇的最高濃度達到209g／L，對應的產率達到83%，生產強度達到1．03g·L－1·h－1［26］。隨著生物法制備甘露醇技術的日趨成熟，將會有力推進其在含能材料中的應用。

2 芳香族類

芳香族化合物苯環(huán)上的氫原子被硝基取代后生成的衍生物通常是性能優(yōu)異的含能材料，它們安定性好，感度較低，能量適中，廣泛用于軍事及民用爆破工程。同時，這類化合物原料來源廣泛，制造方便，成本低廉，是目前用量最大、用途最廣的一類單質炸藥。常見的芳香族炸藥包括2，4，6－三硝基甲苯（TNT）、2，4，6－三硝基苯酚（苦味酸）、2，4，6－三硝苯基－甲基－硝基胺（特屈兒）等。目前，生物法合成芳香族含能材料前驅體的研究主要集中于苯酚、間苯三酚和苔黑酚上。

2．1 苯酚

苯酚是合成多種芳香族含能材料的重要前驅體，但它對微生物生長具有較強的抑制作用，因此，必須選擇相應的抗性菌株用于生物合成。通過在具有良好溶劑耐受性的惡臭假單胞菌中表達來自海洋細菌成團泛菌的酪氨酸苯酚裂解酶，首次實現了生物基苯酚的合成，在補料分批發(fā)酵水平下，產量為0．47g／L，從葡萄糖到苯酚的產率為2．8%［27］。以正辛醇作萃取劑對惡臭假單胞菌進行原位萃取發(fā)酵，顯著降低了水相中苯酚的濃度，苯酚的總產量提高了132%［28－29］。此外，大腸桿菌也通過sRNA 技術改造后用來合成苯酚，在以甘油三丁酯作為萃取劑的兩相發(fā)酵體系中，苯酚的最高產量達到3．79g／L［30］。然而，目前生物基苯酚的合成效率尚不足以與傳統(tǒng)的工藝競爭。

2．2 間苯三酚

間苯三酚是合成鈍感單質炸藥三氨基三硝基苯（TATB）的前驅體，TATB 是目前發(fā)現的感度最低的含能材料［31］。生物法合成間苯三酚的報道最早見于2004年，Zha等［32］通過對I型脂肪酸合成酶的理性改造，實現了以葡萄糖為原料合成三乙酸內酯，而三乙酸內酯可進一步通過化學催化制得間苯三酚。進一步的研究直接以葡萄糖為原料合成了間苯三酚（見圖4），該技術在大腸桿菌中表達了來自熒光假單胞菌的聚酮合酶基因phlD，所構建的工程菌株間苯三酚的產量達到了780mg／L［33］。在此基礎上，研究者采用不同的技術對間苯三酚生物合成體系進行了改進：通過對聚酮合酶PhlD 的底物特異性研究以及定向進化改造，大幅度提高其催化性能和發(fā)酵液中間苯三酚的濃度［34－35］；通過對間苯三酚合成途徑的理性設計并增強宿主菌對間苯三酚的耐受性，進一步提高了間苯三酚的產量和產率［36－37］；通過對聚酮合酶表達系統(tǒng)中的啟動子、質?？截悢?、宿主體系的選擇，有效降低了生物基間苯三酚的生產成本［38］。間苯三酚生物合成技術是目前研究最為系統(tǒng)的生物基含能材料前驅體制備技術，考慮到間苯三酚化學合成工藝所存在的成本過高、原料來源不穩(wěn)定、反應步驟多、污染嚴重的缺陷，生物基間苯三酚取代石化基間苯三酚已經顯示了良好的前景。

圖4 間苯三酚的生物合成途徑Fig．4 Biosynthetic pathway of phloroglucinol

2．3 苔黑酚

TNT 的二氨化產物3，5－二氨基－2，4，6－三硝基甲苯（DATNT）是一種性能更加優(yōu)異的高能鈍感炸藥，其密度比TNT 高，理論爆速比TNT 高約800m／s。苔黑酚（3，5－二羥基甲苯）是合成DATNT 的前驅體，以苔黑酚為原料，經硝化、烷基化和氨解三步反應可以得到高純度的DATNT［39］。苔黑酚作為一種細胞代謝產物，其生物合成途徑首先在禾谷鐮刀菌中得到鑒定，該途徑通過聚酮合酶首先合成苔色酸（4，6－二羥－2－甲苯甲酸），苔色酸進一步脫羧得到苔黑酚［40］。此外，在多種植物中也先后監(jiān)測到苔黑酚作為細胞中間代謝產物，包括苔蘚植物［41］、杜鵑花科植物［42］、薔薇科植物［43］等，但苔黑酚在這些植物中無法積累。目前對于苔黑酚生物合成的研究還處于代謝途徑與關鍵酶的鑒定階段，尚未有其生物合成的產量報道。

3 生物硝化技術

目前生物技術所能合成的產物主要是各種含能材料的前驅體，需要進一步通過化學催化衍生得到最終產品，尚未有直接通過生物轉化制備高能化合物的報道，這是由于含能材料通常含有硝基、疊氮、偶氮等基團，生物催化很難在相應的化合物中引入上述基團。然而，利用微生物降解NG［44］、TNT［45］等含能材料的研究已有報道，其生物降解途徑通常是首先脫掉硝基生成相應的多元醇或芳香族化合物，再進一步被細胞代謝掉。對這些含能材料降解過程的分析，解析其生物降解的酶催化機理，將有助于篩選到能夠催化合成相應硝酸酯的微生物菌株。此外，文獻報道了利用酶催化直接對芳香族化合物進行硝化。例如，微過氧化物酶可以以硝酸根作為硝基供體對苯酚進行硝化，產物中可檢測到2－硝基苯酚和4－硝基苯酚［46］；大豆過氧化物酶、辣根過氧化酶等在雙氧水和亞硝酸鈉存在的條件下可以催化4－羥基－3－甲基苯乙酮的硝化生成4－羥基－3－甲基－5－硝基－苯乙酮［47］；過氧化氫酶也可以催化亞硝酸介導的4－羥基苯乙酸的硝化［48］。但是，目前生物硝化的效率均比較低，且只能實現底物的單硝化，離實際應用尚有較大差距。

4 展 望

含能材料生物合成技術是近十年來國際上研究的熱點，美國等發(fā)達國家高度重視含能材料生物合成技術的發(fā)展，早在2006年，美國就部署了“工程微生物利用可再生原料制備含能材料”的項目。隨著1，2，4－丁三醇、間苯三酚等優(yōu)異含能材料前驅體生物合成技術的建立，生物技術正逐漸展示出其在含能材料制備領域的優(yōu)勢。未來，生物基含能材料的發(fā)展方向集中在高能量密度富氮含能材料（如四嗪類、四唑類、呋咱類等）的合成。與傳統(tǒng)的含能材料相比，富氮含能材料具有高的熱穩(wěn)定性和正生成焓，在多種領域具有潛在的應用前景［49］。盡管目前的生物體系尚無法直接合成這些高氮雜環(huán)，但嘧啶、吡啶、咪唑類化合物的生物成環(huán)機制已經得到了解析，從而為這些富氮含能材料的合成提供了可以借鑒的方案。以四嗪類含能材料3，3′－偶氮雙（6－氨基－1，2，4，5－四嗪）（DAAT）為例，生物法不能直接合成DAAT，但國際上已有生物合成DAAT 前驅體的報道，這些技術與原有的化學合成路線相結合，可以使整個工藝路線更環(huán)保，同時也為DAAT完整生物合成路線的建立奠定了基礎。

含能材料的生物合成是一個全新的技術領域，相關基礎研究尚處于起步階段，但近年來發(fā)展迅猛。因此，開展以可再生生物質資源為原料、利用先進生物合成技術制備系列含能材料新工藝的研究，將有助于填補我國在該領域的空白，相信在未來幾年內，將會設計出更多品種含能材料的生物合成路線并逐漸取代傳統(tǒng)的含能材料化學制備工藝。

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