阐明霉菌定殖引起的酚醛胶粘剂氧化降解过程

《Polymer Degradation and Stability》：Elucidating Oxidative Degradation of Phenol-formaldehyde Adhesive Induced by Mold Colonization

PF胶粘剂受霉菌定殖导致氧化降解机制研究，揭示A. niger、T. virens、P. citrinum三种菌种中P. citrinum漆酶活性最高（26.5±1.81U·mL?1），引发苯酚氧化（66.1%碳损失）及环状结构开环的三阶段降解路径，纳米压痕显示弹性模量下降65.3%，竹材-胶粘剂界面出现分层现象。

　　霉菌的定殖对固化酚醛树脂（PF）胶黏剂的机械性能造成严重影响，成为影响工程竹材产品（EBPs）长期服务性能的关键耐久性问题。本研究旨在探讨常见霉菌种类，如黑曲霉（*Aspergillus niger*）、绿色木霉（*Trichoderma virens*）和黄曲霉（*Penicillium citrinum*）对PF胶黏剂的定殖行为及其引发的氧化降解过程，以揭示其可能的降解机制。研究结果表明，这三种霉菌均能成功定殖在PF胶黏剂表面，其中氧化酶在表面呈扩散分布，其中漆酶（laccase）的含量最高。通过酶活性实验，发现*P. citrinum*的漆酶活性显著高于*Aspergillus niger*和*Trichoderma virens*，其活性为26.5±1.81 U·mL?1，导致PF胶黏剂的逐步氧化降解，其中脂肪族碳的减少达到了66.1%。进一步研究揭示了PF胶黏剂与漆酶之间的强结合相互作用，其结合能为-7.51 kcal·mol?1。同时，漆酶中的过渡金属离子与酚羟基的距离较近（15.2 ?），表明其具备电子转移的能力。由此推测，霉菌定殖引发的PF胶黏剂降解过程可能分为三个阶段：酚的氧化、醌的形成以及随后的环开裂重组。这一推测得到了实验中对酚类碎片和苯基化的环戊烯衍生物的识别所支持。通过纳米压痕技术测量，发现*P. citrinum*定殖20天后，PF胶黏剂的弹性模量减少了65.3%，表现出严重的机械性能下降。此外，竹材与PF胶黏剂之间的界面剥离现象也被观察到。这些发现揭示了酶促反应如何从分子层面推动PF胶黏剂的降解，并最终导致宏观层面的失效。

在绿色建筑领域，钢筋混凝土结构面临高碳排放和难以回收的挑战，限制了其在可持续建筑中的应用。相比之下，工程竹材产品（EBPs）因其优越的强度与重量比以及良好的可持续性而受到青睐。EBPs通常以竹子作为基体材料，并使用合成胶黏剂，如PF胶黏剂，通过工程重组技术制造，例如层压竹材和交叉层压竹材。这些材料被广泛用于轻质建筑承重结构中，有助于构建“碳固存-碳减排-可再生”的闭环生态链，同时降低建筑的碳足迹。然而，尽管EBPs具有广阔的发展前景，其在长期使用中的稳定性问题仍然是主要的担忧。这种不稳定性主要归因于竹材单元和胶黏剂在环境因素作用下的降解。研究表明，湿度波动会导致竹纤维的吸湿膨胀，并引发竹材与胶黏剂界面的脱粘现象。此外，紫外线辐射能够引发木质素的光解作用以及聚合物链的断裂，从而显著降低EBPs的机械性能。冻融循环则加剧了热应力的积累，使竹材与胶黏剂界面变得脆弱，难以承受负载。除了上述环境因素，霉菌引起的生物侵蚀尤其关键，且贯穿EBPs的整个生命周期，难以避免。霉菌不仅会降低EBPs的美观价值，还会导致其性能下降。竹材富含有机物质，如纤维素、淀粉和可溶性糖，这些物质可被霉菌作为营养来源。同时，竹材固有的多孔结构进一步促进了霉菌孢子的附着以及菌丝的生长。已有研究指出，在湿度≥75%和温度在15-35°C之间的情况下，霉菌（如*Aspergillus*、*Penicillium*和*Trichoderma*）更容易在竹材组织中定殖。更重要的是，霉菌对EBPs的破坏不仅局限于竹材单元本身，其对竹材与胶黏剂界面的影响更为显著。例如，一项近期研究发现，在霉菌定殖20天后，竹材与PF胶黏剂的粘结强度下降超过70%，这种显著的破坏主要归因于PF胶黏剂的氧化降解，其程度远高于对竹材细胞壁的降解。

由于PF胶黏剂和竹材-胶黏剂界面在决定EBPs的机械性能中起着关键作用，因此霉菌对其造成的潜在危害不容忽视。然而，目前的研究仍存在一定的局限性，限制了对霉菌定殖引发的PF胶黏剂氧化降解机制的深入理解。例如，关于更广泛种类的霉菌对PF胶黏剂的氧化和降解能力仍需进一步评估，同时，霉菌定殖过程中产生的降解产物也需要更详细的分析。此外，霉菌如何通过定殖作用破坏PF胶黏剂的交联网络，这一机制在现有研究中仍不明确。为回应上述科学问题，本研究采用单菌株培养方法，探讨这三种常见霉菌（*Aspergillus niger*、*Trichoderma virens*和*Penicillium citrinum*）分泌的氧化酶之间的差异与共性。本研究的主要目标是评估不同霉菌种类在降解路径和降解能力上的潜在变化。这些霉菌已被证实是EBPs霉菌定殖的常见种类。通过系统分析，研究了霉菌与PF胶黏剂关键刚性结构之间的空间相互作用模式，并进一步阐明了可能的酶促催化路径和降解产物的演化过程。通过这些努力，我们相信，本研究能够加深对霉菌引发的EBPs界面失效机制的理解，从而为开发提升EBPs在恶劣环境条件下长期耐久性的策略奠定理论基础。

本研究所用的材料为五年的毛竹（*Phyllostachys edulis*）竹竿，来源于大森竹业科技有限公司（杭州，中国）。选择无缺陷的节间部分，制备出尺寸为80 mm（纵向）× 20 mm（切向）× 5 mm（径向）的竹材块，随后去除表皮和内皮。在处理前，将样品的含水率调整至7.9%。商业PF胶黏剂来源于大瑞木业有限公司（镇江，中国）。在霉菌定殖和酶活性实验中，如图2a-c所示，这三种霉菌在PF胶黏剂表面均表现出较强的定殖能力，表明PF胶黏剂的存在并未抑制霉菌的生长。通过扫描电子显微镜（SEM）观察（图2d-g），进一步确认了*Aspergillus niger*、*Trichoderma virens*和*Penicillium citrinum*在PF胶黏剂表面形成的菌丝网络和孢子沉积现象。形态学分析（图S2-S3）展示了霉菌定殖过程中的初始菌丝附着以及孢子积累现象。这些实验结果不仅揭示了霉菌与PF胶黏剂之间的相互作用，也为后续研究提供了重要的基础数据。

本研究还对霉菌定殖过程中产生的氧化酶活性进行了系统评估。结果表明，这三种霉菌均能分泌漆酶（laccase）、锰过氧化物酶（MnP）、过氧化物酶（LiP）以及苯醌还原酶（benzoquinone reductase），并且这些氧化酶在PF胶黏剂表面呈扩散分布。其中，*P. citrinum*表现出整体酶活性的优势，这可能与其对PF胶黏剂的降解能力有关。通过实验分析，研究者还发现霉菌定殖过程中可能产生的降解产物，这些产物在一定程度上影响了PF胶黏剂的结构稳定性。进一步研究揭示了霉菌如何通过酶促反应逐步破坏PF胶黏剂的交联网络，导致其机械性能的显著下降。这些发现不仅为理解霉菌对PF胶黏剂的降解机制提供了新的视角，也为开发有效的防护措施和材料改进方案提供了科学依据。

此外，本研究还关注了霉菌定殖对竹材-胶黏剂界面的影响。通过实验观察，发现霉菌的定殖不仅影响了PF胶黏剂本身的降解过程，还显著削弱了竹材与PF胶黏剂之间的界面结合能力。这种界面结合能力的下降可能与霉菌分泌的氧化酶引起的化学反应有关，例如酚类物质的氧化和醌类物质的形成。这些反应可能导致竹材-胶黏剂界面的结构破坏，进而影响整个EBPs的机械性能。因此，研究霉菌对PF胶黏剂的降解机制，不仅有助于理解材料在环境因素作用下的失效过程，还能够为提升EBPs的耐久性和稳定性提供理论支持。

本研究的实验设计涵盖了从材料制备到霉菌定殖、酶活性测定以及界面性能评估等多个环节。通过系统的研究方法，确保了实验结果的准确性和可靠性。同时，研究团队还结合了多种分析手段，如扫描电子显微镜、纳米压痕技术以及化学分析等，以全面评估霉菌对PF胶黏剂的影响。这些综合手段不仅提高了研究的深度，也为后续研究提供了重要的参考价值。此外，研究团队还特别关注了霉菌定殖过程中可能产生的降解产物及其对材料性能的影响，为深入理解霉菌对EBPs的破坏机制提供了更全面的视角。

在实验过程中，研究者还发现霉菌定殖对PF胶黏剂的破坏不仅局限于表面，还可能深入到材料内部，影响其整体结构稳定性。这种深入的破坏可能与霉菌分泌的氧化酶在材料内部的扩散和反应有关。通过实验分析，研究者能够更清晰地观察到霉菌在PF胶黏剂表面和内部的定殖行为，以及其引发的化学反应过程。这些发现不仅揭示了霉菌对PF胶黏剂的破坏机制，也为开发有效的防护措施提供了科学依据。此外，研究团队还特别关注了不同霉菌种类在降解路径上的差异，这有助于理解霉菌对不同材料的破坏能力，并为材料的优化设计提供参考。

综上所述，本研究通过系统的实验设计和多学科的分析方法，揭示了霉菌对PF胶黏剂的降解机制及其对EBPs性能的影响。研究结果不仅为理解霉菌引起的材料失效提供了新的视角，也为开发提升EBPs长期耐久性的策略奠定了理论基础。同时，本研究还强调了霉菌定殖对竹材-胶黏剂界面的影响，这一影响在现有研究中尚未得到充分重视。通过进一步研究，可以更全面地评估霉菌对不同材料的破坏能力，并为材料的防护和优化提供科学支持。这些研究不仅有助于推动绿色建筑领域的发展，也为可持续材料的开发和应用提供了重要的参考价值。