《Cleaner Materials》：Biofabrication of mycelium-fabric biocomposites from textile residues
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本研究针对日益严重的纺织品废弃物问题，创新性地利用平菇菌丝体作为粘合剂，将棉、聚酯及混合纺织废料转化为具有良好机械性能和阻燃性的生物复合材料。结果表明，棉基复合材料展现出最佳的结构完整性（弯曲强度达82.5 kPa）和阻燃性（30秒自熄），生命周期评估显示其商业化生产的气候变化潜能值可低至0.05 kg-CO2-equiv/kg，为纺织废料的高值化利用和低碳材料开发提供了新途径。
每年有数百万吨的纺织品被丢弃，它们堆积在垃圾填埋场或进行焚烧，不仅占用大量土地，还会产生有害物质污染环境。面对这一严峻挑战，科学家们一直在寻找一种能够“变废为宝”的绿色解决方案。有没有一种方法，既能有效处理这些混合复杂的纺织废料，又能将其转化为有价值的新材料呢？自然界中的真菌或许掌握着答案。真菌菌丝，这种构成蘑菇地下网络的纤细结构，以其强大的缠绕和分解能力而闻名，被誉为大自然的“互联网”和“回收专家”。近年来，利用菌丝体将农业废弃物转化为包装材料或皮革替代品的研究已取得初步进展。然而，对于成分更为复杂、处理难度更大的消费后纺织品废料，菌丝体是否同样能大显身手，将其转化为性能优良的生物复合材料，仍是一个有待探索的科学前沿。
发表在《Cleaner Materials》上的一项最新研究，为这一难题提供了充满希望的答案。由哈里发科学技术大学的研究团队领衔的研究，成功利用平菇（Pleurotus ostreatus）的菌丝体，将棉、聚酯以及混合粉碎纺织纤维等不同类型的纺织废料，粘合成了具有特定形状和功能的“生物砖块”。这项研究不仅证明了菌丝体作为高效生物粘合剂的潜力，还系统评估了所制备复合材料的力学性能、阻燃特性及其对环境的影响，为纺织废料的升级循环开辟了一条崭新的、可持续的道路。
为了验证这一设想，研究人员开展了一系列严谨的实验。他们首先在琼脂平板上培养平菇菌丝体，然后将其与经过灭菌处理的纺织材料（包括纯棉、纯聚酯布料以及混合粉碎纺织纤维）按不同比例（如50:50, 60:40, 70:30的布料与菌种比例）在特定模具中层叠共培养。经过21天的培养后，对得到的菌丝体-纺织品生物复合材料进行全面的性能表征。关键技术方法包括：通过光学显微镜和扫描电子显微镜观察菌丝在纺织品基质上的生长形态和界面相互作用；利用三点弯曲试验和压缩试验评估复合材料的机械性能（如弯曲强度、韧性、弹性模量）；通过水平燃烧测试和热重分析研究其阻燃性能和热稳定性；采用傅里叶变换红外光谱和X射线衍射分析材料的化学结构和结晶度变化；并通过生命周期评估方法，量化从原材料获取到产品出厂（“摇篮到大门”）整个过程的潜在环境影响，特别关注了气候变化、水资源消耗、材料临界性等多个指标。
生长模式与物理特性
研究结果显示，菌丝体在不同纺织品上的生长模式存在显著差异。在棉基复合材料中，菌丝体呈现出密集的“方阵”式生长，特别是在5050CO（棉与菌种比例50:50）样品中实现了近乎完全的定殖，形成了致密的表面菌丝层，这与棉纤维提供的丰富纤维素营养源密切相关。相反，在聚酯基复合材料中，菌丝体则表现为更松散、更倾向于快速延伸的“觅食”模式，以寻找可利用的养分，尽管整体定殖面积较大，但表面生长不如棉基样品密集。这种生长差异直接影响了复合材料的物理性质：棉基样品表现出更高的吸水率，而聚酯基样品则相对疏水。此外，与纯纺织品或未结合的混合粉碎纤维相比，所有菌丝体复合材料都获得了显著的结构完整性，能够自立成型。
形态结构与化学分析
微观结构观察清晰地揭示了菌丝体与纺织品纤维之间的亲密相互作用。在棉纤维上，菌丝体不仅覆盖了纤维间的孔隙，还似乎部分嵌入或破坏了纤维表面，暗示着可能的降解和利用过程。傅里叶变换红外光谱在复合材料中检测到了酰胺带（约1640和1540 cm-1），这是菌丝体细胞壁成分（如几丁质和糖蛋白）的特征峰，证实了菌丝体的成功生长和生物粘合。X射线衍射分析表明，菌丝体的生长并未引入新的结晶相，但导致了衍射峰的轻微宽化，说明菌丝体引入了无定形区域。生物降解性测试初步表明，菌丝体的存在可能促进了纺织品在土壤环境中的降解。
机械性能
力学性能测试是评估这些“生物砖块”实用性的关键。三点弯曲试验表明，菌丝体的加入使原本柔软的纺织品获得了抵抗弯曲的能力。棉基复合材料的表现尤为突出，5050CO样品的弯曲强度达到了82.5 kPa，韧性高达3298 kJ/m3，显著高于聚酯基复合材料（弯曲强度80.5 kPa，韧性1414 kJ/m3）。这种优异的性能归因于棉纤维与菌丝体之间更强的相互作用，可能包括氢键和物理缠绕。压缩测试进一步揭示了不同复合材料的内部结构差异，棉和聚酯复合材料表现出中等程度的抗压能力，而混合粉碎纤维复合材料则因其多孔蓬松的结构而更容易被压缩。总体而言，其机械强度与低密度聚苯乙烯泡沫或微孔硅酸盐绝缘材料相当，显示出在非承重建筑构件、内部装饰和隔热材料等领域的应用潜力。
阻燃性能
引人注目的是，菌丝体的定殖显著提升了复合材料的防火安全性能。纯棉布料极易燃烧，火焰迅速蔓延并在60秒内将样品烧尽。然而，经过菌丝体生长的5050CO棉基复合材料在点燃30秒后便自动熄灭，仅有40%的面积被烧毁，表现出良好的自熄性。这被认为是菌丝体在燃烧时形成炭层，起到了隔热和阻隔可燃气体的作用。聚酯布料本身在离开火源后因熔滴效应而较快熄灭，菌丝体的生长进一步降低了其火焰传播速率达76%。热重分析结果与燃烧行为相互印证，菌丝体的存在使棉基材料的热降解峰略有降低，残炭量略有增加，提示了早期成炭倾向。对完整“生物砖块”的点燃测试也表明，火焰仅局限在点火区域，不会蔓延，证明了其整体的阻火能力。
环境影响评估
生命周期评估为这项技术的环境可持续性提供了量化依据。评估结果高度依赖于生产规模和能源结构。在实验室尺度下，使用阿联酋当前的电网电力，生产1公斤生物砖会产生高达2064.64 kg-CO2-equiv的碳排放。然而，若转向商业化生产并采用可再生能源，其碳足迹可大幅降低至0.05 kg-CO2-equiv/kg，远低于传统的聚苯乙烯泡沫（4.54 kg-CO2-equiv/kg）和MDI基聚氨酯泡沫（6.81 kg-CO2-equiv/kg）。分析指出，电力消耗和菌种制备（如高粱谷物）是主要的环境影响贡献环节。此外，在材料临界性指标上，菌丝体复合材料的值（3.11×10-9至 9.04×10-9）远低于MDI基聚氨酯泡沫（1.51×10-7），表明其对关键原材料供应链的依赖度低，具有更好的资源安全性。需要注意的是，该生物制造过程的水足迹相对较高，主要源于电力和谷物生产，这为未来的工艺优化指明了方向，例如采用闭路水循环系统或选择耗水量更低的菌种基质（如燕麦）。
综上所述，这项研究有力地证明了利用菌丝体对混合纺织废料进行生物制造，并将其转化为具有实用价值生物复合材料的可行性。研究不仅揭示了菌丝体在不同类型纺织品上的差异化生长机制和粘合效果，还证实了所得材料在机械强度和阻燃性方面的优势。尤为重要的是，通过全面的生命周期评估，研究从环境可持续性角度论证了该技术在未来规模化应用中的巨大潜力，特别是在采用清洁能源的情况下，其碳足迹极低。这项工作为解决日益严峻的纺织品废弃物问题提供了一种创新、环保的“升级循环”策略，将废弃的布料转化为具有复杂形状和功能的新材料，为建筑、包装等行业开发低碳、可持续材料开辟了新的可能。未来的研究可以进一步探索不同菌种与纺织品的组合，优化生长工艺以提高材料性能，并致力于降低生产过程中的水资源消耗，推动这一绿色技术走向实际应用。
