蘑菇拯救世界,菌丝体的可持续潜力

发表于: 2023年7月20日
蘑菇拯救世界,菌丝体的可持续潜力-有解塑料观察
近年来,国外越来越多的实验室将目光看向一种生物基材料——菌丝体,这是蘑菇和其他真菌用来生长的分支细丝结构,作为菌菇的主要成分,在地下交织成庞大的网络结构。

这种由真菌物质生成的类似血管状菌丝的集成体是一种易于使用、可持续的环保材料,具有多样的性能,包括隔热保温性能、良好的隔音功能、保水性能与吸水性、阻燃性和完全可生物降解的特性等。它具有超强的粘合力,已被应用于服装设计、建筑设计、家居设计、包装设计等设计领域中。

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自然生长还是人工培养,菌丝体如何而来

菌丝体既不太像植物也不太像动物,它是一种真菌,更具体地说是蘑菇生长的根系。它由许多分支丝状的菌丝组成,而菌丝则由孢子萌发繁殖而成,是个管状细胞组成的丝状物,呈绒毛状,具有横膈的分枝,壁薄,透明,直径2~3μm。由孢子萌发出的初期菌丝,每个细胞中只有1个细胞核,故成为单核菌丝,也叫出生菌丝,其菌丝较为纤细,分枝角度小,生长缓慢,生活力较差,属单性不孕,不会结子实体。单核菌丝生长到一定的阶段,两个单核菌丝相互接触,细胞彼此沟通,原生质融合在一起,产生锁状联合,形成双核菌丝体。

菌丝体具有生物过滤器的能力,它可以以现有农业的废物为食,木屑、糖蜜和植物材料等。菌丝体分泌酶来分解废物,形成丰富的微观纤维网络,蘑菇等便可以从这些纤维中发芽。这些纤维网络不需要很长时间就能成长,一般几个小时内就可以出现,几天后便能形成纤维网络层,一周后即可完全成型。正是在这个生长阶段,菌丝体可以被放入模具中产生瓷砖、砖块和包装等。由于菌丝体是以农业废弃物为食,最终产品是菌丝体和消化的天然物质的复合物,生产的最后一步是加热菌丝体并对其进行处理以使其惰性话,从而消除产品开始生长蘑菇或释放刺激性孢子的可能性。

菌丝体可以通过调节温度、二氧化碳暴露、湿度和气流来生长成特定的形式。菌丝体包装有弹性、绝缘、安全、透气和防水的特点,它可以在没有任何工业条件的情况下进行生物降解。总部位于英国的Magical Mushroom Company公司就是一个利用真菌进行包装的组织,其创始人兼熟悉执行官Paul Gilligan在一次访谈中说到:“当菌丝体处于固态时,我们的包装可能会在合适的环境中保存25年。但是,一旦你开始分解它,并将其暴露在土壤的酶中,降解就会开始,我们有延时视频证明它需要大约45-50天。它也向地球添加了硝酸盐。”

相比之下,分解一块塑料则需要450年。菌丝体要比塑料少消耗90%的能源,产生的二氧化碳当量少90%。

最近,人们也学会了在受控条件下大规模地培养它们。在一些新材料研发企业,正在扩大使用蘑菇的可能性,重点关注菌丝体网络以创造耐用、可持续的生物材料。

培养方法

在适宜培养的条件下,灵芝孢子逐渐成长为线状“菌丝”,而后线状菌丝之间相互缠绕聚集组成密集的菌丝体片状结构。培养方法主要包括液态发酵法(Liquid surface fermentation,LSF)和固态发酵法(Solid-state fermentation,SSF)。

液态发酵法(LSF)可培育出纯菌丝体材料。其特点为生长速度较快、成品厚度较均匀但较薄,易与营养液分离,易受到污染,并仅限于生产类纸膜状及类皮革状材料。此类材料可压印、染色及缝合。相较于传统的纸浆材料,菌丝体材料在抗拉强度、耐火性等方面具有优势。

固态发酵法(SSF)可培育纯菌丝体材料和菌丝体复合材料。前者在外观上有明显生长斑纹,颜色大多呈现分布不均的褐色、黄色等,待水分蒸发后,表面呈现类似树皮或皮革的纹理。甘油可增强其拉伸性,从而达到皮革和橡胶的材质性能。SSF培育的纯菌丝体材料生长速度较快、成品较厚、资金成本较低、污染风险较低、对于技术设施的需求较低,然而根据不同区块菌丝体对营养底物的吸收情况不同,厚度难以均匀,且不易与底物分离。制成品形态为类皮革状、泡沫状类,可印压、染色、缝合、与其余面料结合生长。该方法主要生产动物皮革、合成泡沫、绝缘材料、纺织品和高性能纸样材料等产品的替代品。

SSF培育菌丝体符合材料的方法是将菌丝体接种到营养底物上,并对其降解转化并吸收,底物为菌丝提供营养物质使其生长。菌丝相互交融形成密集的网络直至完全渗透并包裹整个营养底物。营养底物一般为木屑、稻谷壳、玉米芯、废纸浆、亚麻等,除此以外也可以加入废弃塑料或废弃植物纤维等,最终菌丝体复合材料的形状与放置营养底物的模具形状一致。营养底物的种类、比例、模具等因素均会对生长过程产生影响,调节上述因素可控制材料性能和形态。使用此方法培育的菌丝体材料生长速度快、可自主塑形,制成品形态为复合砖块状,表面有颗粒感,质地坚硬,颜色为白色或黄褐色。此材料具有可塑性、可冷压缩、热压缩、可与其余材料结合生长等特性,多应用于缓冲包装、建筑家具等。

国内对菌丝体的理论研究大多数仍然停留在食品、医药与农业方面的研究,将其视作新型可降解生物材料来研究的相关文献在近年才逐渐涌现,目前大多数研究成果也主要集中在对菌丝体复合材料性能的研究上。一些学者对菌丝体复合材料的保温性能进行了研究,发现菌丝体复合材料具有良好的建筑保温性能,可应用于建筑设计领域;一些学者利用实验探究了菌丝体复合材料缓冲包装的制作过程与性能研究,发现菌丝体复合材料具有良好的静态缓冲作用,可替代传统聚苯乙烯泡沫包装(EPS),且相较于EPS,菌丝体复合材料制成的缓冲包装只需要6-9个月便可以被天然降解,在耗能和环保方面更具有优势;还有一些学者对菌丝体复合材料进行了吸声的实验,结果显示该材料对中高频的吸声系数很高,具有良好的降噪性能。

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从微观到宏观,为可持续寻找解决方案

虽然菌丝体材料目前还没有大规模的商业化,但事实上,已经有不少公司和设计师开始致力于研究菌丝体材料的实际应用案例,国际各个领域都在逐步发掘菌丝的优质特性和多渠道的应用方式,菌丝的可降解更是赋予它“环境友好者”的殊荣。

作为一种建筑材料,菌丝体在隔音和隔热方面都有极好的表现。但它不像传统的建筑材料那么经久耐用,无法承受很大的压力。混凝土可以承受高达10000磅/平方英寸的压力,而菌丝体只能承受30磅/平方英寸的压力,因此它更多的是用于墙体的修饰部分。

蘑菇拯救世界,菌丝体的可持续潜力-有解塑料观察
Arup与意大利生物设计公司Mogu合作开发了Foresta菌丝体吸音板,为室内声音的舒适度提供了一个真正可持续的方案。(图源|网络)

在包装领域,宜家家居就有计划将所有聚苯乙烯泡沫包装转移到菌丝体泡沫。尽管目前大多数的菌丝体产品的生产成本要比塑料高,但菌丝体泡沫已经比普通泡沫聚苯乙烯更具有成本竞争力,未来的规模和投资者的支持也可能会大大降低菌丝体的价格。

在家居领域,伦敦设计师Nir Meiri与初创公司Biohm合作,用菌丝体生产了一系列台灯以替代合成材料。每个灯罩都由菌丝体制成,每盏灯都有一个单独的光源投射到菌丝体的阴影上,以产生柔和、自然的光芒。

在生产的过程中,会先在模具中放入废纸,使其在受控的温度和湿度条件下生长。两周后,废纸会被消耗掉,只留下菌丝体的基部。最终材料将从模具中被取出来并干燥,去除多余的部分,压成扁平物质,从而用于灯罩。

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图源|网络

在服装领域,一种名为Mylo的新型材料可替代动物皮革,以减少自然资源的消耗以及避免造成环境污染。这种材料的核心成分就是菌丝体,这些菌丝体细胞以木屑和其他有机物质为食,并被放置在方形生长垫上。

在湿度和温度可控的环境中,这些菌丝体会长成泡沫状。经过进一步的处理,这种菌丝体网会变成一种类似于软木的材料,由制革厂对其进行鞣制和染色。Mylo可以复制真实皮革的外观和感觉,使用各种颜色和纹理,可以制成鞋子、箱包、夹克等各种产品。

该公司称,与动物皮革相比,生产这种材料排放的温室气体更少,同时消耗的水和自然资源也更少。并且,与合成皮革替代品不同,Mylo不使用任何石油基塑料。

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图源|网络

此外,菌丝体复合材料还在其他领域进行研究和试验,如汽车零部件、医疗器械等。尽管目前没有看到大规模商业化的范例,但随着科学技术的进步和可持续发展认识的增加,菌丝体复合材料在这些领域中的应用前景也非常积极。在医用器械领域,菌丝体具有创可贴、骨折修复支架、缝合线和骨刺植入物、药物传递系统等潜在应用;在汽车零部件领域,菌丝体也有可以用作保险杠和缓冲材料、空气过滤器和座椅通风、汽车内外饰、能量储存材料等潜能。

尽管菌丝体材料在许多领域中已经得到越来越多的关注和探索,但其应用和维护的方法仍然在不断研究和发展之中,大规模的商业化应用依然处于相对早起的阶段。不同菌种和处理方法会影响其性能和应用范围,在其生产、性能和应用方面仍然会面临一些挑战和限制。例如,生产成本、规模化生产、材料稳定性和标准化等问题还需要进一步解决;同时,相关的法规、认证和市场的推广也需要逐步的完善。

消息来自:低碳材料创新

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