💡这项突破是什么?
近日，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，在National Science Review（中国科学院一区Top，IF=18.102）在线发表题为“Biological growth self-assembly of mycelia enables eco-friendly full-color room-temperature phosphorescence materials via internalized confinement”的研究论文。该研究利用真菌活体生长组装实现了室温磷光（RTP）材料的环保制备，系统阐明了菌丝体对发光分子的内化限域与氢键锚定机制，获得了兼具全色可调、长余辉寿命、可规模化加工、自然可降解特性的菌丝体室温磷光材料，为环境友好型生物基发光材料的发展奠定了理论基础并提供了新策略。
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原料制备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“摄取营养”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，磺酸基发色团还能充当“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（图2）；加入发色团后，菌丝球的宏观、微观形貌均未发生明显改变。
图2 菌丝生长状况
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200–910 ms，其中NLS–MTP的绿色余辉可持续超过8 s（图3）。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3 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（图4）。
图4 菌丝体RTP材料的发光机制
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5）。
图5 菌丝体RTP材料的潜在应用
环境友好是本体系最突出的创新亮点。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（图6）。
图6 菌丝体RTP材料的环保特性
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；生态与自然保护学院博士生李欣为论文第一作者。本研究还得到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。
该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。
论文链接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwag586/8788024
