极端高温与水资源短缺，正在成为全球农业面临的双重压力。一方面，升温会直接削弱玉米、小麦、水稻等主要作物产量；另一方面，农业本身又高度依赖淡水灌溉，许多地区需要借助泵站、管道等高能耗设施从自然水源取水。与此同时，大气中其实储存着巨量水蒸气，如果能够在农田现场、无需复杂基础设施地持续捕获这些水分，就有望为干旱和半干旱农业提供一种低能耗、分布式的补充水源。现有大气取水技术包括雾收集、露水冷凝和吸湿材料吸附等，但不少方案仍依赖外部能量、合成吸附剂或额外集水装置，限制了其在农田中的规模化应用。
针对这一挑战，普渡大学李恬教授团队提出了一种由活体菌丝与纤维素支架共同构成的“生物地膜”。这种材料通过引导平菇菌丝在纤维素织物中定向生长，形成上层疏水的空中菌丝网络和下层亲水的纤维素—菌丝复合层。这样的上下结构自带润湿性梯度，能够把空气中冷凝出的水分从表层“导入”土壤，同时依靠多孔纤维网络反射太阳光、释放热辐射，从而降低土壤热负荷。田间番茄种植试验显示，与裸土相比，这种生物地膜可使番茄鲜重产量提高约28%，展现出面向气候韧性农业的潜力。 相关成果以“Living mycelium biomulch for directed atmospheric water capture and soil irrigation”为题发表在《Nature Water》上，Xiaojie Liu, Yanpei Tian为共同第一作者。 故事要从一朵平菇的菌丝开始。自然状态下，菌丝通常在木质纤维素基质中杂乱扩展，条件适宜时再分化形成蘑菇子实体（图1a）。研究团队利用平菇菌丝的极性生长特征，将其接种到预先吸附营养液的棉纤维素支架中，并只让支架上表面暴露在空气中（图1c）。这样一来，浸润环境与空气界面之间形成二氧化碳浓度梯度，菌丝便像“顺着信号爬坡”一样向上生长，逐渐穿出纤维素网络，形成垂直排列的空中菌丝层（图1d）在这个过程中，材料内部出现了清晰分工。下方菌丝深入纤维素支架，与纤维发生缠绕、包覆和融合；上方菌丝则彼此交叉、桥连，形成蓬松多孔的网络（图1e）。更关键的是，当菌丝从湿润环境进入空气时，其表面的疏水蛋白会自组装成疏水层，使空中菌丝变得排水；而留在纤维素支架内的菌丝和纤维素本身仍保持亲水性（图1f）。因此，整个材料从上到下形成“疏水—亲水”的梯度结构：上层利于冷凝水形成和移动，下层负责吸水并将其输送到土壤中（图1g、图1h）。 图1：展示平菇菌丝在纤维素支架中的定向生长过程。 进一步的显微结构表征显示，这种生物地膜不是简单把菌丝铺在布上，而是形成了真正的纤维—纤维一体化复合网络。横截面图中可以看到，上层空中菌丝从下方纤维素—菌丝基体中长出，像一层细密的白色绒毛覆盖在地膜表面（图2a）。俯视图则显示，菌丝由大量长而细的纤维缠结组成，单根菌丝长度可超过2毫米，直径约2微米，长径比超过1000（图2b）。这些菌丝在接触点处局部融合，构成连续网络（图2c）。下层结构则更像一个“天然加固层”。纤维素纤维直径较大，表面带有沿轴向排列的沟槽；菌丝纤维较细，表面更粗糙（图2d—图2f）。生长过程中，菌丝会缠绕在纤维素纤维周围，并通过分泌酶类在纤维素表面产生微小开口，使菌丝更深入地锚定其中（图2g、图2h）。同时，菌丝分泌的多糖和蛋白质还能像天然胶黏剂一样填补界面空隙，增强氢键作用。也就是说，这种地膜的力学稳定性来自两套机制：一是物理缠结，二是界面粘结。 图2：揭示生物地膜的纤维—纤维复合结构。 有了结构基础，接下来要回答的是：它为什么能降温、取水并把水导向土壤？研究团队首先分析了其光热特性。模拟结果表明，较粗的纤维素纤维可以有效反向散射太阳光，而较细的菌丝纤维则更擅长散射短波长光，两者共同提高太阳反射能力（图3a）。同时，扁平化的菌丝截面比圆形截面具有更强散射效率，这进一步增强了材料对白天太阳辐射的“拒热”能力（图3b）。除了反射太阳光，菌丝中的葡聚糖等成分还在中红外区域具有特征吸收峰，与大气透明窗口相匹配（图3c）。实测结果显示，生物地膜太阳反射率达到0.90，热发射率达到0.89（图3d）。白天，它能少吸热；夜间，它能更快向外散热。分子动力学模拟显示，菌丝表面的疏水蛋白并非完全排斥水，而是具有化学和拓扑上的不均一性：局部极性氨基酸残基能够作为水分子成核点，促使水汽凝结；周围疏水区域则让水滴保持离散状态，避免铺展成难以移动的水膜（图3e）。随后，水滴可以沿单根菌丝移动，也可以在多根菌丝交汇处被吸入纤维网络（图3f、图3g）。宏观实验进一步证明，当疏水菌丝面朝上时，水滴会在32秒内逐步穿过上层，被下方亲水纤维素—菌丝层吸收；反过来，如果亲水面朝上，水会快速在上层铺展，却难以继续穿透疏水菌丝层（图3h、图3i）。户外测试中，该材料在夜间可捕获约98 g m⁻²的大气水分，说明这种“冷凝—收集—定向输送”的过程在真实环境中可以发生（图3j）。 图3：说明生物地膜的光热调控与定向输水机制。 最后，研究团队把材料放到更接近农业应用的场景中验证。作为土壤表面的被覆层，生物地膜同时承担四个功能：反射太阳光、热辐射散热、捕获空气水分和定向输水（图4a）。在与白色塑料地膜、银色塑料地膜和秸秆覆盖物的对比中，生物地膜表现出更强的温度调节能力。生物地膜在中午表面温度比白色塑料膜低约13.5 °C，并能在夜间保持低于环境温度约3 °C，有利于露水形成（图4b）。土壤温度测试同样显示，生物地膜覆盖下的土壤在白天最能降温。在8厘米深度处，其可使土壤温度比裸土和商业地膜降低约2—3.5 °C（图4c）。在模拟太阳照射条件下，裸土6小时失水量达到2.74 kg m⁻²，而生物地膜覆盖土壤仅失水0.55 kg m⁻²，蒸发量降低约80%（图4d）。与此同时，菌丝深入纤维素支架后还能提升材料强度和韧性，模拟结果显示，适度重叠结构可使强度较无穿透结构提高117%，韧性提高55%（图4e、图4f）。细胞实验也未观察到明显细胞毒性，说明其生物相容性良好（图4g）。番茄生长试验表明，与裸土相比，生物地膜组番茄平均鲜重提高28%；与秸秆、白色塑料膜和银色塑料膜相比，鲜重分别提高127%、16%和22%（图4j）。此外，31天户外暴露后，生物地膜仍保持表面润湿性、光学性能和超过88%的初始拉伸强度，说明其具备覆盖一个生长季的耐久性，并可在生命周期结束后自然降解。 图4：验证生物地膜在农业场景中的综合表现。 总体来看，这项研究展示了一种将微生物生长过程转化为材料制造过程的新思路。通过引导菌丝在纤维素支架中定向生长，研究团队获得了一种兼具大气取水、被动降温、保湿和增产功能的可降解土壤包覆材料。相比传统塑料地膜，它不依赖石油基材料，也减少了微塑料残留风险；相比常规大气取水装置，它无需额外集水和输水基础设施。未来，随着制备规模、作物类型、不同气候区适应性和长期土壤生态影响进一步验证，这类“长出来的功能材料”有望为节水农业、城市种植和气候韧性农业提供新的材料解决方案。
