文献快讯：Nat. Water 定向生长菌丝体纤维实现大气水捕获与土壤被动灌溉

【成果掠影 & 研究背景】

水资源短缺和极端高温是威胁全球农业可持续性与粮食安全的两大挑战。据估计，全球气温每升高1°C，玉米、小麦和水稻的产量将分别减少7.4%、6.0%和3.2%。农业用水已占全球淡水开采量的40%-90%，而传统灌溉高度依赖能源密集型的基础设施。与此同时，大气中含有约12,900亿立方米的水蒸气，这是一个通过全球水循环不断补充的巨大潜在水源。如何在不依赖额外能源和工程设施的前提下，将大气水有效收集并引导至土壤，是当前被动灌溉领域的前沿难题。

针对这一挑战，来自普渡大学等机构的研究团队开发了一种基于活菌丝体纤维的分层结构生物覆盖物（biomulch）。该材料通过不对称气体暴露引导平菇菌丝体在纤维素支架上定向生长，构建了垂直取向的结构：下方为菌丝体-纤维素融合复合层（保持亲水），上方为多孔气生菌丝体网络（通过疏水蛋白自组装变为疏水）。这种内建的润湿性梯度使冷凝的大气水能够从疏水表面定向传输至下方亲水层，进而进入土壤。同时，多孔气生菌丝体网络可背向散射太阳辐射并发射热辐射，降低表面温度，促进水蒸气冷凝。田间试验表明，与裸土相比，该生物覆盖物使番茄产量（湿重）提高了约28%。具体性能方面，该材料实现了0.90的太阳反射率和0.89的热发射率，在户外测试中捕获了约98 g/m²的大气水，并使土壤在正午时分（8 cm深度）降温2-3.5°C，同时将土壤水分蒸发减少了80%。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

• 气体梯度引导的菌丝体定向极性生长策略：仅将纤维素支架顶部暴露于空气，利用CO2浓度梯度（浸没支架区浓度高，空气界面浓度低）引导菌丝体从浸没区向空气界面垂直生长，形成完全不同于自然界随机生长的垂直取向结构。气生菌丝体相互交织、融合，形成连续网络；浸没菌丝体则通过包裹、缠绕和融合与纤维素纤维紧密结合。

• 内建润湿性梯度实现定向水传输：气生菌丝体在突破空气-液体界面时，其尖端分泌的疏水蛋白（Vmh2和Vmh3）自组装形成疏水层，使气生菌丝体呈现疏水性；而浸没菌丝体和纤维素纤维由于富含羟基基团保持亲水。这种从疏水到亲水的润湿性梯度产生了两种定向水传输模式：沿单根纤维的拉普拉斯压力差驱动传输，以及从疏水层到亲水层的毛细力梯度驱动传输。水滴接触角测量表明，当疏水菌丝体面朝上时（接触角约93°），水滴在32秒内被完全吸收入下方亲水层；而当亲水面朝上时（接触角接近0°），水在0.15秒内即被水平吸收，但无法向下穿透疏水层。

• 光热管理双机制协同降温：基于纤维直径的双峰分布（亚微米菌丝体纤维中心直径约1.4微米，纤维素纤维约13微米），FDTD模拟表明大直径纤维素纤维在宽波长范围内高效背向散射太阳光，而亚微米菌丝体纤维进一步增强短波长（<800 nm）散射。同时，菌丝体细胞壁中的β-葡聚糖和α-葡聚糖在1000-1100 cm-1处具有特征吸收峰，与大气透明窗口重叠，通过基尔霍夫定律实现高效热辐射散热。实测太阳反射率0.90，热发射率0.89，在正午时分比白色塑料覆盖物低13.5°C，比银色塑料覆盖物低约10.6°C。

• 分子动力学模拟揭示疏水蛋白表面的冷凝机制：使用来自粗糙脉孢菌的I类疏水蛋白EAS构建自组装单分子层，模拟水蒸气冷凝行为。结果表明，在疏水为主的表面，突出的极性氨基酸残基作为成核位点促进水蒸气吸附，而疏水区域则形成离散液滴而非连续水膜。这种表面润湿性使冷凝水既能在极性位点成核，又能以离散液滴形式被输送，避免了连续水膜对进一步冷凝的阻碍。

• 完全生物相容与可降解的环保特性：使用人皮肤成纤维细胞进行MTT细胞毒性评估，36小时培养后未观察到显著细胞毒性。与传统塑料覆盖物（白色塑料、银色塑料）不同，该生物覆盖物完全由菌丝体和纤维素纤维组成，可生物降解，不会产生微塑料残留或破坏土壤结构与微生物群落，使用后可通过60°C干燥灭活真菌活性，在生长季结束后自然分解。

• 全面优于传统覆盖物的综合性能：在为期31天的屋顶暴露测试中，生物覆盖物保持了表面润湿性和光学性质，拉伸强度保持率超过88%。在Purdue大学Meigs园艺研究农场的21天开放田间试验中，生物覆盖物在炎热干旱期使根区温度持续低于商业塑料覆盖物，昼夜温度波动最小，有效抑制蒸发保持土壤水分，并在降雨后湿度显著上升。最终番茄产量（湿重）比裸土提高28%，比稻草覆盖物提高127%，比白色塑料覆盖物提高16%，比银色塑料覆盖物提高22%。

图1 | 菌丝体的定向极性生长。a，平菇从下方菌丝体网络中生长出来的照片。b，显微镜图像显示菌丝体通过尖端延伸生长。c，将活菌丝体接种到预浸泡营养液的纤维素纤维支架中（仅顶部暴露于空气以引导定向生长），以及随时间推移的延时照片。d，由CO2浓度梯度驱动的向上菌丝体生长示意图。e，菌丝体与纤维素纤维在气生区和浸没区的纤维-纤维相互作用示意图。f，从浸没菌丝体到气生菌丝体的转变，疏水蛋白在界面自组装形成疏水层。g，水合生物覆盖物的冷冻SEM截面，显示浸没菌丝体嵌入水合基质中，气生菌丝体延伸至空气中。h，水合纤维素基质的放大图像，显示浸没菌丝体及其向气生菌丝体网络的过渡。

图2 | 生物覆盖物中纤维-纤维结构的表征。a，生物覆盖物的截面SEM图像，显示从下方纤维素-菌丝体基质中生长出的气生菌丝体网络。b，多孔气生菌丝体网络的俯视SEM图像。c，菌丝体纤维之间局部融合和互连的放大SEM图像。d，菌丝体网络与纤维素支架集成的分层结构。e-f，具有表面凹槽的纤维素微原纤维（e）和具有粗糙表面形态的菌丝体纤维（f）的放大SEM图像。g-h，菌丝体纤维缠绕纤维素纤维（g）以及纤维素纤维与菌丝体纤维之间的融合接头（h）。

图3 | 生物覆盖物的光热和润湿性。a，纤维素纤维和扁平菌丝体纤维的模拟散射效率。b，扁平与圆形菌丝体纤维的模拟散射效率。c，棉花纤维素、菌丝体和生物覆盖物的ATR-FTIR光谱（特征吸收峰）。d，生物覆盖物在太阳波段的反射光谱和中红外波段的热发射光谱（与AM1.5太阳光谱和大气窗口对比）。e，水蒸气在疏水蛋白单分子层上冷凝的分子动力学模拟（极性残基为成核位点）。f-g，水滴在菌丝体表面冷凝及随后吸收的延时显微镜图像（沿单根纤维传输和多个纤维交接点处传输）。h，菌丝体面朝上（上排）和纤维素-菌丝体面朝上（下排）时的水滴铺展延时图像。i，绿色染液从菌丝体侧到纤维素-菌丝体侧（上排）及反方向（下排）的传输测试。j，不同日期户外条件下生物覆盖物的大气水捕获量。

图4 | 利用生物覆盖物提高番茄产量的示范。a，生物覆盖物多功能性示意图（太阳光背向散射与热辐射、大气水冷凝、定向水传输）。b，不同覆盖物在太阳照射下的温度曲线。c，8 cm深度处不同覆盖物下的土壤温度变化。d，裸土和生物覆盖物覆盖土壤在1 kW/m²太阳照射下360分钟内的质量变化。e，不同结构膜（纯气生菌丝体、纤维素支架、无重叠厚度的纤维素-菌丝体复合膜、重叠深度230微米的复合膜）的模拟应力-应变曲线。f，重叠深度110微米的纤维素-菌丝体复合膜在不同拉伸应变下的变形过程。g，生物覆盖物与人皮肤成纤维细胞的相容性显微镜图像和MTT检测结果。h，番茄生长田间测试装置（裸土、生物覆盖物、稻草覆盖物、白色塑料覆盖物、银色塑料覆盖物）。i，不同覆盖物组收获番茄的侧视图。j，不同覆盖物组番茄的平均湿重和干重。

【总结 & 原文链接】

本研究提出了一种基于活菌丝体定向生长的生物覆盖物，通过将平菇菌丝体接种于纤维素支架并利用不对称气体暴露引导其垂直极性生长，构建了具有内建润湿性梯度的分层结构材料。该生物覆盖物集多重功能于一体：气生菌丝体网络通过疏水蛋白自组装实现疏水性，与下方亲水的菌丝体-纤维素复合层形成润湿梯度，驱动冷凝的大气水从表面定向传输至土壤；多孔菌丝体网络通过高太阳反射率（0.90）和高热发射率（0.89）被动降低土壤温度（8 cm深度降温2-3.5°C），促进夜间水蒸气冷凝，并将土壤水分蒸发减少80%。分子动力学模拟揭示了疏水蛋白表面极性残基促进水蒸气成核而疏水区域形成离散液滴的冷凝机制。在为期52天的田间番茄种植试验中，生物覆盖物使番茄湿重产量较裸土提高28%，较稻草覆盖物提高127%，较白色和银色塑料覆盖物分别提高16%和22%。该材料还展现了良好的耐久性（31天户外测试后拉伸强度保持率>88%）、无细胞毒性以及完全生物降解性。这项工作展示了如何利用定向生物制造策略创造功能化、可扩展和可持续的活体材料，为气候适应性农业提供了一种无需额外能源的被动灌溉与热管理新范式。

原文链接: https://doi.org/10.1038/s44221-026-00664-3

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