综述：蘑菇基质：一种基于工程化菌丝体的生物炭平台，用于先进的生物技术应用

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：The mushroom matrix: an engineered mycelium-derived biochar platform for advanced biotechnological applications

　　蘑菇生物炭作为新型生物材料，其独特的几丁质框架和富氮特性赋予其高效吸附、催化降解及促进微生物群落演化的功能。通过调控热解温度（300-800℃）、化学活化（如磷酸活化）及共热解工艺，可优化其比表面积（>1200m2/g）、孔隙结构及表面官能团，使其在重金属/有机污染物修复（如吸附镉、铀、抗生素）、农业土壤改良（提升养分、促进作物生长）、能源存储（作为锂硫电池电极材料）及生物传感等领域展现突破性应用。当前挑战包括原料标准化、经济规模化及长期生态安全性评估，未来需结合真菌代谢工程和模块化生产技术推动其产业化。

　　蘑菇栽培过程中会产生大量废弃培养基，而通过控制菌丝体的生长，可以为先进材料提供专门的原料。本文综述了蘑菇衍生生物炭的科学原理，这是一种从这种未充分利用的生物质中提取的特殊生物材料。研究表明，真菌物质的固有生物结构，特别是其几丁质骨架和富含氮的特性，在炭化过程中得以保留，从而创造出具有卓越功能性的生物炭。这些材料不仅超越了传统作为土壤改良剂的角色，还成为生物技术中的可编程平台。本文探讨了炭化参数以及先进的合成方法，如化学活化和共炭化，如何被精确调控以工程化定制材料特性，包括超高的比表面积（>1200 m2/g）和增强的污染物亲和性。文章重点强调了蘑菇生物炭作为前生物支架的独特能力，可以直接调节微生物群落，驱动生物地球化学循环，并推动突破性应用。通过从菌丝体到先进真菌材料的转化路径，这项研究为有意识地设计定制化的真菌材料提供了方向，旨在应对环境修复、可持续农业、能源存储和传感技术等全球性挑战。

蘑菇生物炭代表了一种精英且专门化的生物材料群。这些材料的功能性直接源于其固有的生物起源。真菌细胞壁的几丁质结构，一种在植物原料中不常见的含氮多聚体，在炭化过程中得以保留，形成富含反应性官能团的表面。这与菌丝网络复杂的多孔结构相结合，使蘑菇生物炭在阳离子交换能力（CEC）、表面反应性和天然生物相容性方面表现出色。正是这种独特的组成，使这些生物炭从被动的改良剂转变为能够调节微生物群落、提高土壤肥力并高效吸附环境污染物的活性前生物平台。蘑菇生物炭的独特之处在于其生物相容性，这使其在土壤修复和环境治理中具有显著优势。

尽管之前的综述已经详细记录了基于废弃蘑菇培养基的生物炭在农业中的应用，但本文则主张将研究范围扩展到更广泛的领域。本文引入了“蘑菇基质”这一概念，这是一种多功能的生物支架，可以从中开发出多种类型的生物炭。我们系统地总结了从原料到功能的转化路径，描述了原料（如废弃培养基或纯菌丝体）如何决定最终材料的特性，并说明了如何通过调控炭化条件来实现针对特定应用的定制化特性。我们的研究范围涵盖了生物炭与微生物相互作用的基本科学原理，以及其在生物技术中的新兴应用，包括微生物载体用于生物增强、设计生态系统用于生物修复等。通过绘制这一广泛的设计空间，本文旨在为有意识地开发真菌材料奠定基础，将蘑菇生物炭定位为应对环境可持续性和绿色技术全球挑战的关键技术。此外，本文还引入了“真菌材料”这一术语，用于描述从真菌生物质中提取的功能性材料，包括废弃培养基、纯菌丝体和处理后的真菌多聚体，这些材料表现出为先进生物技术应用量身定制的特性。

蘑菇生物炭的最终性能直接取决于其生物来源。认识到从废物到精心考虑的生物质这一谱系是实现有意识设计的第一步。废弃蘑菇培养基（SMS）是一种复杂的混合物，包含分解的木质纤维素、菌丝体和代谢残留物。这种复杂性导致SMS生物炭具有较高的矿物质含量、适中的孔隙率和显著高于植物衍生生物炭的氮含量。典型的植物残留物生物炭（如木材或秸秆）通常具有较低的氮含量（<0.5%），而SMS生物炭的氮含量则显著提高（0.44%–2.71%）。这种氮富集在由专门种植的纯菌丝体生物质（称为“真菌炭”或“Myco-char”）制成的生物炭中进一步增强，可以达到5%–10%的氮含量，归因于真菌细胞壁的高几丁质含量。这种升高的氮含量，结合分层孔隙结构，使真菌衍生生物炭成为一种坚固的材料，对于大规模土壤改良和环境修复计划极为有效。

其固有的孔隙率，直接固化了菌丝网络，对于在生长基质中保留水分和养分非常有效，为微生物定殖和污染物吸附提供了充足的空间。图2展示了蘑菇衍生生物炭去除污染物的主要机制，包括离子交换、表面配位、沉淀和还原用于重金属，以及π–π相互作用、静电吸引、氢键和孔隙填充用于有机污染物。通过对比不同来源的生物炭特性，可以更好地理解蘑菇生物炭在不同应用中的表现。例如，使用特定的真菌种类或培养基的处理方式可以显著影响生物炭的性能，而这种性能的差异也决定了蘑菇生物炭在特定场景中的优势。

在生物炭的制造过程中，采用专门种植的纯菌丝体是一个重要的进步。这一过程带来了许多好处。纯几丁质的组成使氮富集更加均匀和稳定，从而产生丰富的反应性官能团，如吡啶氮和吡咯氮。在炭化之前，可以调控物理菌丝体结构。例如，液体发酵会产生颗粒状产物，而固态发酵则会形成复杂的网络结构，这会直接影响生物炭的孔隙率和比表面积。研究表明，使用物理结构经过调控的菌丝体可以显著提高生物炭的性能，甚至在活化后达到超过1200 m2/g的超高比表面积。这揭示了这种定制化原料的巨大潜力。最复杂的方法是使用经过纯化的真菌材料，如几丁质和壳聚糖，作为原料。这种定向工具策略可以产生具有非常特定和均匀表面化学特性的生物炭，这些生物炭在需要高度均匀性的高端应用中最为有用，如生物医学或精准催化。

在对29种废物衍生生物炭的大型比较研究中，来自Auricularia auricula（黑木耳）废弃培养基的生物炭在吸附性能方面表现优异。它具有紧密排列的微米级通道结构、高比表面积（341.1 m2/g）和巨大的总孔体积（0.149 cm3/g）。其卓越的物理化学特性使得它能够高效地吸附甲基蓝，并且在连续流动测试中表现出超过80%的去除率。该研究强调了原料选择在确定生物炭性能中的关键作用，并明确指出废弃蘑菇培养基是开发高效吸附剂的良好前体。为了全面理解真菌衍生原料的独特价值，必须将其特性与传统的植物衍生生物炭进行直接对比。这些材料不同的生物起源导致了其生物炭特性的根本差异，如图1所示。这些差异决定了蘑菇生物炭在特定应用场景和功能上的优越性或独特性。

炭化作为设计工具，其参数是设计最终材料特性的强大杠杆。炭化温度是调节生物炭特性的主要因素。低温炭化（300°C–500°C）最大限度地保留了真菌几丁质和蛋白质中的易分解、富含氮和氧的官能团。这些官能团在阳离子交换和养分保留方面发挥着重要作用，因此低温生物炭非常适合农业中用于提高土壤肥力和养分循环。然而，碳结构不够稳定，这可能限制其长期封存能力。高温炭化（>600°C）则会引发广泛的芳香化，并形成稳定的石墨碳结构。这会导致比表面积、微孔率和热稳定性显著增加。通过对三种来自Hypsizygus marmoreus、Pleurotus geesteranus和Lentinula edodes的SMS生物炭进行系统研究，发现高温和长时间炭化促进了芳香化（C-C基团的扩展）并降解了易分解的氧和氮官能团（如C=O、C-O-C、C-N）。在700°C炭化3小时的情况下，获得了最稳定的结构。值得注意的是，研究还表明生物炭的特性受原始原料的影响，例如在相同的炭化条件下，Hypsizygus marmoreus生物炭保留了最高的氧官能团，表明其对重金属或有机污染物具有良好的吸附能力，而Pleurotus geesteranus生物炭则表现出最高的芳香结构，适合碳封存。这项研究强调了在选择最佳原料和精确炭化条件方面设计原则的重要性。

除了传统的炭化，新技术还可以进一步提高生物炭的特性。化学活化是一种在炭化前对原料进行化学处理的方法，这会显著改变最终结果。例如，磷酸（H?PO?）活化可以产生具有极高比表面积（>1200 m2/g）和极高介孔率（>82%）的活化生物炭，适用于特定的吸附应用。共炭化，即混合原料的热转化，可能利用协同效应。创新研究显示，SMS与海藻（Saccharina japonica）共炭化产生的生物炭对染料的吸附能力是纯SMS生物炭的2.2倍，归因于海藻中的灰分成分增加了生物炭的官能团和表面特性。这种协同效应为开发高性能生物炭提供了新的思路。

蘑菇生物炭的真正潜力在于其与生物过程的动态互动，而不仅仅是作为惰性吸附剂。几丁质衍生的微纤维和氮官能团为植物生长促进根际细菌（PGPR）和丛枝菌根真菌（AMF）的定殖提供了丰富的营养和基质。这种特定的接种方式能够刺激微生物的多样性和活性，这对养分循环、有机物分解和生态系统的平衡至关重要。生物炭的多孔结构为微生物提供了微环境，这些微环境可以保护微生物免受捕食和环境压力的影响，从而成为健康微生物群落的庇护所。生物膜在生物炭表面的形成能够调节微生物的社会性，例如抑制致病细菌的群体感应，降低其毒性，同时促进污染物降解微生物群落的协同作用。这种对微生物生态的调控是其生物修复潜力中最关键的机制之一。例如，研究表明，在堆肥过程中添加SMS生物炭可以有效降低镉、铬和铅的生物可利用性，提高作物的生长和产量。

蘑菇生物炭在环境修复、农业生物技术和新型材料技术中的先进应用展示了其突破性的潜力。在环境修复方面，蘑菇生物炭因其卓越的表面反应性和结合能力，成为水和土壤修复的高效材料。其在重金属和类金属污染物的去除方面表现出色，这种去除能力依赖于原料、炭化温度和化学或纳米修饰。通过化学或纳米修饰，蘑菇生物炭可以实现多种功能，包括离子交换、表面配位、沉淀和氧化还原过程。这种多功能性使得蘑菇生物炭不仅在绿色废物资源化方面具有重要意义，还在环境清洁方面展现出巨大的潜力。例如，研究表明，使用蘑菇培养基制作的生物炭能够高效去除有机污染物，如染料、抗生素和内分泌干扰物，同时还能处理营养物质和除草剂。

在农业生物技术领域，蘑菇生物炭的角色正在从简单的土壤改良剂演变为多功能的生物技术工具，以增强可持续性和资源循环。通过调节炭化条件和原料特性，蘑菇生物炭可以提高土壤肥力和作物产量。例如，从Pleurotus ostreatus培养基制备的生物炭在450°C–600°C的炭化条件下，能够显著提高土壤中的有机质、总碳和氮含量、可交换钾、阳离子交换容量和孔隙率，同时降低土壤的容重，促进中国大白菜和西洋芹的生长。此外，蘑菇生物炭在重金属污染土壤中的修复潜力也得到了验证。在高氮含量的污染土壤中，复合添加剂结合废弃蘑菇培养基和其衍生的生物炭能够减少可交换镉的含量，同时改善土壤的pH值、有机质含量和微生物生物量。这表明蘑菇生物炭不仅能够缓解污染物，还能提高作物的产量。

蘑菇生物炭在农业中的应用还包括促进微生物共生关系。它作为菌根真菌的辅助者，帮助其定殖和养分交换。研究表明，蘑菇生物炭与植物生长促进根际细菌（PGPR）的结合能够持续提高作物的生长、产量和生化过程，证明其作为微生物接种剂和生物促进剂的双重作用。在环境层面，蘑菇生物炭的应用可以显著减少温室气体排放。例如，Lentinula edodes生物炭在竹林土壤中对CO?和N?O的排放有显著影响，450°C的生物炭倾向于减少氮的转化过程，而高温生物炭则通过调节溶解的C/N比、pH值和微生物群落结构，在废物管理和温室气体调控方面表现出色。此外，蘑菇生物炭在改善营养物质循环和保留方面也具有重要意义。研究表明，通过将SMS生物炭与鸡粪混合，可以显著提高最终堆肥的质量，同时减少抗生素耐药基因和病原菌的含量。这表明蘑菇生物炭在农业中的应用不仅有助于提高作物产量，还能增强堆肥的生物安全性。

在能源领域，蘑菇生物炭的结构设计和掺杂技术使其在能源存储方面表现出色。例如，通过化学活化和纳米修饰，蘑菇生物炭可以作为高性能电极材料，用于锌离子混合电容器，表现出高比电容（317.9 F/g）、高能量密度（122.8 Wh/kg）和出色的长期循环稳定性。此外，蘑菇生物炭在碳封存和生物能源生产方面也展现出重要潜力。例如，通过在厌氧消化过程中添加SMS生物炭，可以显著提高生物气体的产量。研究表明，结合堆肥预处理（CP）和Ce3?的补充，能够提高厌氧消化的性能，缩短滞后期，增强细菌多样性，并增加甲烷产量。这一方法实现了69.69 L/kg VS的总甲烷产量，比未经处理的SMS提高了22.3%。这种集成策略展示了将废弃蘑菇培养基转化为高效生物能源的可行性。

在生物医学和传感技术领域，蘑菇生物炭因其可调的孔隙率、高比表面积和丰富的官能团而受到重视。这些特性使其成为药物输送平台的理想选择，能够实现受控释放以进行治疗应用。此外，蘑菇生物炭还被用作固定酶的载体，用于开发敏感的生物传感器。通过在生物炭表面原位生长金属有机框架（MOFs），可以产生具有高度活性的氮和金属掺杂生物炭，这些材料在锌-空气电池和微生物燃料电池中表现出卓越的氧还原反应（ORR）性能。它们的分层孔隙率和丰富的活性位点使其在可持续技术中具有广泛的应用前景。

然而，尽管蘑菇生物炭展现出诸多优势，仍然存在一些挑战和局限性。首先，原料的多样性和标准化是一个主要问题。SMS生物炭的化学和物理特性高度依赖于蘑菇种类、原始培养基组成和培养方式。虽然纯菌丝体生物炭更为均匀，但将其作为专门原料（而非废物流）进行大规模生产会引入经济复杂性。这种固有的变异性成为工业应用中实现可重复性能的主要障碍。其次，蘑菇生物炭的经济可行性和可扩展性仍需进一步验证。虽然使用SMS作为原料是有机废物资源化的强大策略，但其通常体积大、含水量高，如果没有本地化和集成的设施，其收集、运输和处理成本可能过高。对于需要化学活化或纳米修饰的高绩效应用，额外的处理成本必须通过显著优于低成本植物衍生替代品的性能来证明。因此，迫切需要进行全面的生命周期和技术经济分析，以识别最具经济可行性的路径。

此外，蘑菇生物炭的长期环境命运和可能的生态毒性尚未完全了解。虽然生物炭本身通常被认为是稳定的，但蘑菇生物炭的高氮含量和特殊的表面官能团可能会对其降解速率和与生物体的相互作用产生影响。对于经过修饰的生物炭，如纳米金属复合物，存在金属溶解或活性氧物种生成的风险，这可能对土壤或水生微生物产生不利影响。此外，蘑菇生物炭对土壤微生物群落的影响虽然通常是积极的，但其复杂性可能导致非农业或原始环境中的生态平衡受到干扰。

因此，必须认识到蘑菇生物炭在不同应用场景中的性能权衡和限制。使蘑菇生物炭在某一环境中表现出色的特性可能在另一环境中产生负面影响。例如，某些SMS生物炭的高灰分和矿物质含量对土壤肥力是有利的，但会降低相对稳定的碳含量，使其不太适合专门的碳封存。同样，优化用于污染物吸附的微孔结构可能并不适合微生物的定殖，如果孔径过小。因此，需要从“一刀切”的方法转向针对每个应用案例的精确材料设计。

为了克服这些限制，标准化的原料协议、详细的经济建模、长期的环境监测和以应用为导向的设计将成为该领域发展的下一步。通过直接解决这些挑战，如“未来展望”部分所述，可以实现蘑菇生物炭技术的负责任和有效部署。蘑菇生物炭不仅在环境修复、农业、能源和传感技术中具有广泛应用，还展示了其作为循环经济策略、环境保护和可持续生物技术创新关键材料的潜力。未来，蘑菇生物炭的研究应更加注重对菌丝体种类的选择，不仅考虑其食品产量，还应关注其生物炭特性，如高几丁质含量或内在的矿物封存能力。通过代谢工程，可以设计能够超积累目标金属或产生特定聚合物的真菌，从而创造用于催化、污染物特异性吸附或能量存储的定制化生物炭。另一个新兴机会是设计混合生物材料，利用生物炭作为微生物群落的海绵状结构，以进行持续的水净化或土壤修复过程。小型、去中心化的炭化装置可能使农村社区和蘑菇农场能够现场回收废物，为各种应用提供生物炭，包括现场农业使用、环境效益和能源生产，从而真正实现循环经济。