《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Production and Characterization of
Rhizopus delemar Mycelium from Agroindustrial Wastewaters: Influence of Substrate Composition and Concentration
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本研究以德氏根霉（Rhizopus delemar）为对象，系统考察了以大豆糖蜜（soybean molasses, SM）和木薯废水（cassava wastewater, CW）作为替代性农业工业废水基质培养菌丝体膜的可行性，并与传统马铃薯葡萄糖肉汤（po
本研究以德氏根霉（Rhizopus delemar）为对象，系统考察了以大豆糖蜜（soybean molasses, SM）和木薯废水（cassava wastewater, CW）作为替代性农业工业废水基质培养菌丝体膜的可行性，并与传统马铃薯葡萄糖肉汤（potato dextrose broth, PDB）培养基进行对比。研究发现，PDB的缓冲能力而非化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）浓度单独决定根霉培养成败；德氏根霉在农业工业废水上的菌丝体产率可达18.4–23 g-菌丝体/m2/d。本研究首次完成了德氏根霉膜的微观结构与拉伸性能表征，其弹性模量为60–205 MPa，拉伸强度为1.20–2.05 MPa，表现出类弹性体（elastomer-like）的力学行为特征。
农业工业废水培养德氏根霉菌丝体膜：基质组成与浓度对材料性能的影响
一、研究背景与问题提出
制造业，尤其是家具、建筑和包装行业，正面临原材料成本上升和环境负担加剧的双重挑战。这些影响与大量使用不可再生资源和高能耗工业过程密切相关。在此背景下，菌丝体基材料（mycelium-based materials, MBMs）作为可生物降解的可持续替代材料受到广泛关注。菌丝体由真菌菌丝（hyphae）密集交织形成网络结构，可分为菌丝体复合材料和纯菌丝体材料两大类。
然而，现有MBM研究高度集中于担子菌门（Basidiomycota）物种，如变色栓菌、灵芝和糙皮侧耳，占据了约96%和91%的复合材料和纯菌丝体研究，而子囊菌门（Ascomycota）和毛霉门（Mucoromycota）明显研究不足。在未被充分开发的毛霉门中，根霉属（Rhizopus）真菌生长迅速、菌丝网络密集且代谢多样，且多个物种在传统发酵（如天贝）中已被确立为食品安全级生物。其中德氏根霉（R. delemar）已被证实能定殖多种农业工业残渣，并已开发出皮革样薄片、菌丝纸和湿纺纱线等功能材料。
在基质选择方面，农业工业废水因高可用性和高有机质含量而成为有吸引力的低成本基质。大豆糖蜜（soybean molasses, SM）是大豆浓缩蛋白生产的副产物，富含糖类、蛋白质、脂质和微量元素，有机负荷高达1310 g-COD/L；木薯废水（cassava wastewater, CW）在淀粉提取过程中产生，有机负荷为3.4至30.0 g-COD/L，但可能含有天然氰苷类毒性化合物。尽管这些废水流具有巨大潜力，但利用它们与未充分研究的真菌如德氏根霉进行菌丝体生产的研究仍然稀少，且现有德氏根霉材料研究主要依赖浸没培养后机械加工。迄今，德氏根霉在农业工业废水气液界面形成的纯菌丝体膜尚未进行微观结构和力学表征，这为将丰富且具问题性的废水增值利用与真菌物种多样化相结合留下了研究空白。
二、研究内容与主要技术方法
本研究旨在系统考察德氏根霉在农业工业废水上的菌丝体膜生产与表征。研究设置了七个实验条件：条件1–4采用KASVI品牌PDB分别按1×、2×、3×、4×浓度配制，COD浓度依次为33、57、87、114 g-COD/L；条件5采用DIFCO品牌PDB按4×配制（121 g-COD/L）；条件6和7分别采用大豆糖蜜（38.5 g-COD/L）和木薯废水（35.3 g-COD/L）。每个条件设置十个独立重复。菌株为德氏根霉ATCC 10260，孢子接种浓度为(7 ± 2) × 10?孢子/mL，在25°C静态培养7天。菌丝体膜经甘油溶液浸泡、小烛树蜡涂覆和热压后处理。主要技术方法包括：COD和总碳水化合物消耗效率测定、总碱度和总挥发性酸分析、气相色谱检测代谢中间产物、数字显微镜三维重建微观结构表征、扫描电子显微镜（SEM）观察截面形态、以及依据ASTM D6693/D6693M-20标准进行拉伸力学测试。统计分析采用Levene检验、单因素ANOVA或Welch ANOVA及相应事后检验。
三、研究结果
3.1 PDB（KASVI）条件下的菌丝体生产（条件1–4）
随着PDB-KASVI浓度从33增至114 g-COD/L，菌丝体干重从1243 ± 569 mg增至5280 ± 276 mg，实现四倍增长；生产率（Pr）从20 ± 6 g/m2/d增至73 ± 4 g/m2/d。COD和碳水化合物消耗效率在各条件下保持相对稳定（47%–54%和76%–87%），表明在所评估浓度范围内无底物抑制现象。COD基产率介于283–335 g-菌丝体/kg-COD，碳水化合物基产率介于254–283 g-菌丝体/kg-Carb，说明高浓度下的生物量增加主要源于更高的底物可利用性而非代谢转化效率提升。所有条件下初始pH 5.20–5.45降至残余2.74–3.70，总碱度完全耗尽，总挥发性酸大量积累至3878–5793 mg-HAc/L。
3.2 PDB（DIFCO）条件下的菌丝体生产（条件5）
尽管条件5的COD浓度与条件4相当（121 g-COD/L），但德氏根霉仅形成极薄且脆弱的菌丝体膜，在取出时即碎裂，无法进行材料表征。研究将这一失败归因于DIFCO培养基的缓冲能力显著较低（仅为条件4的63%），加之根霉固有的强产酸代谢，导致严重酸化。条件5的总挥发性酸浓度高达8079 mg-HAc/L，为所有条件中最高。这一结果证明COD浓度单独不能可靠预测生产率，培养基配方（特别是缓冲能力）对维持稳定的根霉生长至关重要。
3.3 大豆糖蜜条件下的菌丝体生产（条件6）
大豆糖蜜经灭菌后发生明显沉淀，可溶性COD降至38.5 g-COD/L。该条件支持了1339 ± 13 mg菌丝体形成，生产率为18.4 ± 0.3 g/m2/d，与条件1相当。显著特征是培养基酸化程度温和，最终pH为4.54 ± 0.03，远高于PDB条件的2.7–3.7。这归因于大豆糖蜜中棉子糖族寡糖（raffinose-family oligosaccharides, RFOs）需要特定α-半乳糖苷酶活性才能被利用，水解速度较慢，从而限制糖酵解通量和产酸。总挥发性酸从3319降至2626 mg-HAc/L，表明根霉可同化短链有机酸作为补充碳源。COD和碳水化合物消耗效率分别为39%和48%，低于条件1，但碳水化合物基产率高达451 ± 7 g/kg-Carb。
3.4 木薯废水条件下的菌丝体生产（条件7）
木薯废水灭菌后COD为35 ± 1 g-COD/L。该条件支持1655 ± 89 mg菌丝体形成，生产率为23 ± 1 g/m2/d，与条件1和6相当。木薯废水展现出所有条件中最高的消耗效率：COD消耗达79 ± 5%，碳水化合物消耗达88 ± 7%。与所有其他条件不同，培养后pH从5.33升至6.10 ± 0.30，同时总挥发性酸从2184降至1142 mg-HAc/L，提示德氏根霉消耗了废水中预先存在的有机酸作为额外碳源。但产率系数较低（YCOD = 198 ± 12 g/kg-COD），推测木薯废水中可能存在的氰苷类化合物对生物量形成产生部分抑制作用，但该推测因未直接测量氰化物相关毒性指标而保持为假说。
3.5 菌丝体生产：综合比较
统计检验（Welch ANOVA，p < 0.001）确认各条件间存在显著差异。Games-Howell事后比较显示：条件1–4间COD消耗效率无显著差异；条件5与条件4显著不同，证实PDB品牌影响；条件7与条件1和6均显著不同，木薯废水COD消耗效率最高。碳水化合物消耗效率方面，条件1与条件2–4显著不同，条件6与条件1和7显著不同。生产率方面，条件1–4间所有配对比较均显著，显示浓度依赖性递增；条件1与条件6、7无显著差异，但条件6与7间显著不同。COD基产率方面，条件1–4间及条件4与5间均无显著差异；条件6与7显著不同，大豆糖蜜产率显著高于木薯废水。
与文献比较，本研究的COD基产率（0.198–0.299 g/g-COD）与Van Leeuwen等报道的玉米加工废水（0.31 g/g-COD）相当；大豆糖蜜的碳水化合物基产率（0.451 g/g-Carb）接近Ibarruri和Hernández报道的橙糖蜜和乳清范围（0.51–0.59 g/g-葡萄糖）。静态培养策略相比传统浸没培养具有直接回收完整膜、无需过滤或离心、无需机械搅拌和强制通气、可在室温进行等潜在操作优势。
四、讨论与结论
讨论部分指出，菌丝体生产受培养基浓度和组成强烈影响。PDB-KASVI系列显示增加底物浓度可近乎成比例地增强生物量形成和生产率。条件5的失败证明了培养基配方（缓冲能力）的决定性作用。两种农业工业废水均支持了与最稀释合成培养基相当水平的菌丝体生产。静态培养虽有利于形成完整表面膜，但限制了气液界面氧传递。PDB中高葡萄糖可利用性驱动了强烈的溢流代谢（overflow metabolism），表现为乙醇积累和pH快速下降；大豆糖蜜因碳水化合物结构复杂而代谢更温和；木薯废水则实现了最高底物消耗效率，但碳更多流向分解代谢而非合成代谢。
研究结论为：德氏根霉可在大豆糖蜜和木薯废水上形成具有自支撑能力的完整菌丝体膜，生产率达18.4–23 g/m2/d；PDB缓冲能力而非COD浓度单独决定培养成败；膜材料弹性模量60–205 MPa、拉伸强度1.20–2.05 MPa，呈类弹性体行为；本研究首次完成了德氏根霉膜的微观结构和拉伸表征，将问题性农业工业废水的增值利用与真菌物种多样化相结合，为可持续生物材料生产提供了新路径。
