北京林业大学科研团队利用真菌菌丝体制备发光材料，实现生物基室温磷光材料新突破
提到发光材料，人们首先想到的，往往是实验室高温烧结得到的稀土荧光粉，或是石油基合成高分子材料。北京林业大学研究团队另辟蹊径，利用真菌活体的“自行组装”实现了发光材料的环保制备。近日，该校生态与自然保护学院崔宝凯教授、司静教授团队联合材料科学与技术学院彭锋教授、吕保中副教授团队，提出“生物生长自组装”策略：以白腐真菌绒毛栓孔菌（Trametes pubescens）的菌丝体（MTP）为基质，通过一步培养，制备出具备室温磷光（RTP）特性的全色发光菌丝体材料。
RTP材料凭借长寿命、大斯托克斯位移、高激子利用率等优异特性，在信息加密、防伪、生物成像等领域展现了巨大应用潜力。但现有材料体系仍存在明显短板：传统无机RTP材料高度依赖稀土或重金属资源，面临资源稀缺、制备成本高、合成条件苛刻、存在潜在环境毒性等问题；有机RTP材料虽可规避上述短板，却大多需要石油衍生原料，制备工艺繁琐，可持续性差。利用纤维素、木质素等天然生物质基质制备RTP材料已成为当前可持续材料领域的重要研究方向。然而，为提升RTP性能，仍需对生物质原料开展化学修饰、拆解重组等复杂处理。如何开发真正绿色、经济、可规模化的制备技术，一直是该领域亟待破解的难题。
受自然界生物发光现象启发，研究团队创新提出了生物生长自组装策略：在液体培养基中加入水溶性磺酸基发色团，真菌菌丝在生长过程中将发色团如同“摄入营养”一般吸收进菌丝球内部（图1）。菌丝体自身富含多糖、蛋白质等天然高分子，为发色团构筑刚性三维限域环境，同时形成致密的氢键网络，有效抑制发色团非辐射跃迁过程，稳定三线态激子，最终实现高效RTP发射。
图1 生物生长自组装策略示意图
生物生长自组装过程条件温和简单：在28°C避光摇瓶共培养7天，发色团即可被活体菌丝原位复合，吸收率可达53%–97%。值得关注的是，磺酸类发色团还能充当“营养剂”，促进菌丝生长、胞外多糖分泌，二者呈现协同生长效应；加入发色团后，菌丝球的宏观、微观形貌均未发生明显改变。
通过调控发色团的π共轭程度，团队成功实现了从蓝色到红色的全色余辉可调：选取2-氨基-1,4-苯二磺酸（BZS）、4,4′-联苯二磺酸（BPS）、1,5-萘二磺酸（NLS）、1,8-萘二甲酸酐-4-磺酸（NAS）、1-芘磺酸（PYS）五种发色团，制备得到系列菌丝体RTP材料，余辉颜色依次呈现蓝、青、绿、黄、红，磷光寿命范围为200–910ms，其中NLS–MTP的绿色余辉可持续超过8s（图2）。该材料还表现出激发波长依赖的变色磷光特性，为多维信息防伪提供了新的技术途径。
图2 菌丝体RTP材料的光物理特性
机制解析表明，菌丝体内的蛋白质是发色团的关键“锚定位点”。分子动力学模拟结果显示，磺酸基发色团与蛋白质（以聚丙氨酸分子为模型）之间平均可形成9.45个稳定氢键；多糖（以葡聚糖分子为模型）则通过大量弱氢键进一步增强基质环境刚性，二者协同作用，抑制发色团分子振动。系列对照实验证明，只有在菌丝生长过程中动态形成的完整三维活体网络，才能够实现高效分子限域；若将发色团简单吸附到已成型的菌丝球表面，或是高压灭菌破坏菌丝结构后再负载发色团，材料磷光性能均会大幅衰减甚至消失。
这种“长”出来的发光材料兼具可加工、可循环、可降解多重优势。菌丝球匀浆后，可通过规模化浇铸工艺制成“蘑菇纸”；材料废弃后剪碎，加入热水重新分散，即可回收再加工。浆料本身黏附性能优异，既可以浇铸成花、猫、蘑菇等多种造型发光装饰物；也可以制备全色“彩纸”，以水作为发光淬灭墨水，通过热恢复特性可实现重复使用的防伪书写。在环境条件下放置35天，该材料磷光强度几乎无衰减，稳定性良好（图3）。
图3 菌丝体RTP材料的潜在应用
环境友好是本体系最突出的亮点。土壤埋藏实验表明，菌丝体RTP材料约35天即可被土壤微生物完全降解，降解效率远高于聚氯乙烯塑料。更具吸引力的是，降解产物不仅环保无毒，还能够显著提高土壤pH、有机质、氮、磷、钾等肥力指标；种植小白菜的对照实验显示，实验组小白菜株高、叶宽等生长指标显著优于对照组，真正实现了“用后归土、沃土促生”。生命周期评估结果进一步证实，该材料各类环境影响指标均显著优于代表性有机、无机磷光对照材料。
该研究为开发绿色、可再生、可降解的RTP材料提供了全新策略，也为拓展真菌在功能光学领域的应用开辟了新路径。相关成果以“Biological growth self-assembly of mycelia enables eco-friendly full-color room-temperature phosphorescence materials via internalized confinement”为题，发表在综合性期刊国家科学评论National Science Review（一区Top，IF=18.102）。
北京林业大学生态与自然保护学院司静教授、崔宝凯教授，材料科学与技术学院吕保中副教授为本文共同通讯作者；北京林业大学生态与自然保护学院博士生李欣为论文第一作者。研究还得到北京林业大学材料科学与技术学院彭锋教授、中国石化（北京）化工研究院李鹏宇老师、北京大学分析测试中心陈明星老师的支持与帮助。研究得到了国家自然科学基金（32470002、32270016、32325001、22308028）、北京市科技新星计划（20230484322、20250484946）、中央高校优秀青年团队项目（QNTD202509）资助。
来源：易菇网
