Influencia de las tasas de crecimiento, propiedades microestructurales y composición bioquímica en la estabilidad térmica de hongos miceliares

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 15105 (2022) Citar este artículo

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Las especies de hongos de micelio exhiben características ignífugas. La influencia de los medios de crecimiento sobre las tasas de crecimiento de los hongos, la composición bioquímica y las características microestructurales y su relación con las propiedades térmicas es poco conocida. En este artículo, demostramos que la melaza puede apoyar el crecimiento de especies de hongos Basidiomycota phylum no patógenas que producen materiales bioderivados con características potenciales de retardo del fuego. Se utilizaron microscopía electrónica de barrido y espectrometría infrarroja transformada de Fourier (FTIR) para interrogar las propiedades microestructurales y bioquímicas de las especies de micelio cultivadas en melaza. La descomposición térmica de los micelios alimentados con melaza se evaluó mediante un análisis termogravimétrico interconectado con FTIR para el análisis de gases evolucionados en tiempo real. También se evaluaron las características morfológicas y microestructurales de la exposición postérmica del carbón residual. La caracterización del material permitió establecer una relación entre las propiedades microestructurales, bioquímicas y térmicas de los micelios alimentados con melaza. Este artículo presenta una exploración exhaustiva de los mecanismos que gobiernan la degradación térmica de tres especies de micelio cultivadas en melaza. Los hallazgos de esta investigación avanzan en el conocimiento de los parámetros críticos que controlan las tasas de crecimiento de hongos y los rendimientos, así como también cómo las propiedades microestructurales y bioquímicas influyen en la respuesta térmica de los micelios.

El uso de compuestos poliméricos estructuralmente eficientes en vehículos de transporte de pasajeros y viviendas está restringido por estrictos códigos contra incendios (p. ej., propiedades de combustibilidad e inflamabilidad del material)1. Los compuestos poliméricos se encienden y se queman con una combustión con llama sostenida cuando se exponen a altas temperaturas y ambientes oxidativos2. Los compuestos poliméricos quemados generan calor que puede comprometer la integridad de las estructuras de ingeniería a través del ablandamiento de la matriz, la descomposición de la matriz, el agrietamiento por delaminación y el daño de la fibra3. Además, la combustión de polímeros produce gases y humos tóxicos, como monóxido de carbono e hidrocarburos parcialmente descompuestos (es decir, hollín de carbono), que son responsables de la mayoría de las muertes relacionadas con incendios4. El incendio de la Torre Grenfell de 2017, atribuido al uso de paneles de revestimiento compuestos de aluminio incorporados en polietileno que no cumplían con los estándares de seguridad contra incendios, resultó en 72 muertes, en su mayoría causadas por la inhalación de humo5. Del mismo modo, el humo denso, tóxico e irritante de los materiales de la cabina en llamas causó 48 de las 55 muertes en el desastre del aeropuerto de Manchester en 1985 en el que el avión del vuelo 28 M de British Airtours se incendió debido a una falla del motor durante el despegue6. El incendio de la Torre Grenfell y el desastre del aeropuerto de Manchester son solo dos ejemplos de muchas tragedias de incendios que destacan la importancia de comprender las propiedades de reacción al fuego de los polímeros.

La integración de retardadores de fuego (FR) en los compuestos poliméricos mitiga eficazmente las reacciones de combustión con llamas y reduce el volumen de gases y humos tóxicos7,8. Existen varios métodos para integrar los FR en los compuestos poliméricos, incluida la modificación de la matriz polimérica utilizando nanopartículas y micropartículas de FR9, la aplicación de recubrimientos superficiales protectores térmicos10 y el uso de polímeros intrínsecamente ignífugos, como las resinas fenólicas11. Durante muchos años, los compuestos halogenados fueron los FR de elección para la mayoría de los sistemas de polímeros debido a sus mecanismos de retardo del fuego en fase gaseosa altamente eficientes8,12. Desafortunadamente, los retardadores de fuego halogenados liberan gases corrosivos y que agotan la capa de ozono, lo que limita su uso o resulta en su eliminación en algunas jurisdicciones12,13. La carrera para reemplazar los FR halogenados hasta ahora ha estado dominada por compuestos orgánicos e inorgánicos que contienen fósforo y nitrógeno, incluidos el polifosfato de amonio14, el fosfato de melamina15, el pentaeritritol16, los compuestos intumescentes17, los nanomateriales a base de carbono (es decir, los CNT, el grafeno)18, las sales metálicas19 y los hidróxidos20. Si bien los FR libres de halógenos son efectivos, su adopción generalizada se ve desafiada por los procesos de fabricación no amigables con el medio ambiente, la salud y seguridad ocupacional relacionadas con el procesamiento y manejo de materiales peligrosos (es decir, nanomateriales a base de carbono) y el posible daño ambiental debido a la lixiviación de metales pesados. Por el contrario, los FR bioderivados, como el micelio, muestran potencial para los FR benignos para el medio ambiente que cumplen con los requisitos de retardo del fuego y de fabricación sostenible. Sin embargo, la eficacia retardante del fuego del micelio y los mecanismos de retardo del fuego correspondientes aún no se comprenden completamente para informar con confianza la aplicación a gran escala. Al cultivar micelio, es fundamental que se mantenga un ambiente estéril para evitar la contaminación por otras especies patógenas. Mantener un entorno de crecimiento estéril a escala industrial puede ser un desafío. Además, el aseguramiento de la calidad del producto se verá desafiado por la variabilidad de los lotes debido a los diferentes patrones de crecimiento.

El micelio es la parte vegetativa de los hongos caracterizada por hifas filiformes. Puede transformarse a partir de desechos orgánicos de manera ambientalmente sostenible (p. ej., producidos en condiciones ambientales sin necesidad de calor) para crear biomateriales biodegradables y naturalmente resistentes al fuego. Debido a la presencia de quitina, proteína y glucano en sus paredes celulares, el micelio es intrínsecamente resistente al fuego y tiene una excelente estabilidad térmica. Las cadenas de polímero de quitina contienen N-acetil glucosamina, una fuente de nitrógeno esencial para generar gas NH3 que actúa como un diluyente en fase gaseosa que puede suprimir las reacciones de combustión con llamas21. La quitina y el glucano tienen esqueletos estructurales bioquímicos primarios de polisacáridos, lo que proporciona carbono que es esencial para la generación de carbón superficial térmicamente protector. Los componentes proteicos ricos en cisteína del micelio (p. ej., hidrofobinas) contienen enlaces disulfuro que se descomponen a altas temperaturas para generar moléculas de disulfuro de hidrógeno (H2S) que promueven la carbonización22,23. Cuando se utiliza como película protectora térmica en compuestos poliméricos inflamables, el carbón residual formado por la degradación térmica del micelio actúa como un aislante térmico que protege el sustrato compuesto subyacente.

Los investigadores han utilizado con éxito hongos de micelio para reciclar desechos agrícolas sólidos como granos de trigo24, cáscaras de arroz25 y aserrín26 en materiales biocompuestos resistentes al fuego. Sin embargo, parte del material de alimentación sólido permanece sin digerir por el micelio. Las partículas de alimentación sólidas residuales parcialmente digeridas pueden comprometer la resistencia al fuego y las propiedades mecánicas del biocompuesto de micelio. Estudios limitados han explorado las propiedades materiales de los medios líquidos (p. ej., melaza) alimentados con hongos de micelio27. A diferencia de las partículas de alimentación sólidas que se integran de forma inextricable en el biocompuesto, el material de alimentación líquido se puede enjuagar. Además, después de la recuperación del micelio completamente desarrollado, la solución de alimentación líquida recuperada se puede reutilizar para apoyar el cultivo de hongos frescos, aunque a tasas de crecimiento más lentas debido al agotamiento de los nutrientes. La melaza Blackstrap, un producto de desecho de la refinación de azúcar, es un posible material de alimentación líquida que tiene un uso limitado. La melaza tiene una gran biomasa y nutrientes esenciales y puede superar al extracto de malta de uso común para apoyar el crecimiento del micelio27. Además, la melaza contiene oxalato de calcio que se descompone en CaCO3 y CO a altas temperaturas28. CaCO3 se degrada aún más en CaO y CO2. Tanto el CO como el CO2 son gases no combustibles que actúan como diluyentes apagando las reacciones de combustión con llamas durante un incendio. Además, el CaO mejora la eficacia del aislamiento térmico del material carbonizado superficial residual, por lo que protege térmicamente el sustrato compuesto de polímero subyacente. Sin embargo, a pesar de los numerosos beneficios potenciales de la melaza como alimento para el micelio, no hay investigaciones sobre su influencia en las tasas de crecimiento de hongos, la composición bioquímica y la microestructura y, de manera crítica, las propiedades térmicas y de reacción al fuego del micelio. Además, antes de que los micelios puedan integrarse en compuestos de ingeniería como una capa ignífuga o térmicamente protectora, es fundamental realizar un análisis comparativo con las matrices poliméricas comunes.

Este proyecto investigó los efectos de la melaza en las tasas de crecimiento, los rendimientos de masa y las propiedades térmicas de tres especies de micelio seleccionadas del filo Basidiomycota no patógeno. La microscopía electrónica de barrido (SEM) y la espectrometría infrarroja transformada de Fourier (FTIR) se utilizaron para la caracterización morfológica, bioquímica y microestructural del carbón residual prístino (hongos desnaturalizados) y de exposición postérmica. La descomposición térmica de los micelios alimentados con melaza se evaluó mediante análisis termogravimétrico (TGA) interconectado con FTIR para el análisis de gases evolucionados en tiempo real. La estabilidad térmica del micelio cultivado con melaza se comparó con hongos alimentados con granos de trigo para evaluar el efecto del tipo de alimento y los materiales de alimentación residuales no digeridos en la estabilidad térmica. Además, la estabilidad térmica del micelio alimentado con melaza se comparó con una matriz de polímero comercial (epoxi) para evaluar su idoneidad como matriz en compuestos biodegradables. Los resultados de la investigación de este trabajo avanzan en la comprensión de los parámetros críticos que controlan las tasas de crecimiento de los hongos y los rendimientos en masa y permiten establecer una correlación empírica entre la microestructura fúngica, sus propiedades bioquímicas y la estabilidad térmica.

Tres cultivos de hongos Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor que crecen en agar de extracto de malta se obtuvieron de la colección de cultivos de hongos de la Universidad RMIT (Australia) y se usaron como inóculo. La melaza se compró de E&A Salce (Australia). Gougeon Brothers Incorporated (EE. UU.) suministró una resina epoxi (bisfenol A y F) (West System 105) y el endurecedor correspondiente (West System 206).

Se disolvió melaza (15 g) en agua (135 g) haciendo una solución de alimentación de melaza/agua al 10% en peso. Para evitar la contaminación, la solución de melaza/agua se esterilizó a 121 °C durante 30 min y luego se enfrió a temperatura ambiente. Se transfirió una solución de melaza/agua (15 mL) a 20 °C a una placa petri estéril de 9 cm de diámetro. Se cortó un disco circular de 6 mm de diámetro del cultivo fúngico de la placa de agar utilizando la base de una pipeta estéril. El inóculo se colocó en el centro del petri que contenía 15 mL de la solución melaza/agua antes de sellar con Parafilm. Se cultivaron al menos tres especímenes repetidos de cada especie de hongo. La placa de Petri sellada se incubó en un ambiente controlado (temperatura 25 °C; ciclo de luz blanca de 8 h) durante 10 días. Se tomaron imágenes fotográficas de la hifa del micelio en crecimiento al mismo tiempo los días 4, 7 y 10. El crecimiento radial de la hifa (cm2) se estimó utilizando el software ImageJ 1.46r (https://imagej.nih.gov/ij/).

La melaza residual y una película gelatinosa pardusca que se formó durante el crecimiento de las hifas se lavaron enjuagando la película de micelio cosechada con agua corriente durante 30 min y luego sumergiéndola en agua tibia (50 °C) durante 24 h. La película de micelio se enjuagó repetidamente en agua para eliminar los cristales de azúcar residuales de la solución de alimentación de melaza. La película de micelio de color blanquecino se desactivó mediante secado bajo la presión de una bolsa de vacío (-1 atm) en un horno a 120 °C durante 2 h. La película seca de micelio se almacenó en una bolsa de plástico hermética para evitar la absorción de humedad atmosférica. La resina epoxi y el endurecedor se mezclaron de acuerdo con la relación estequiométrica recomendada por el fabricante y se dejaron curar a temperatura ambiente durante 24 h. La matriz de epoxi curada a temperatura ambiente se poscuró a 60 °C durante 8 h y se usó para comparar la estabilidad térmica de los micelios.

Las películas de micelio se caracterizaron a temperatura ambiente utilizando un espectrómetro infrarrojo de transformada de Fourier Perkin Elmer (Spectra 100) equipado con una lente de reflexión total atenuada (ATR). El FTIR-ATR se utilizó para identificar grupos funcionales en el micelio prístino y en el carbón residual sólido después de la degradación térmica. Para cada experimento FTIR-ATR, se adquirieron 32 escaneos a una resolución de 4 cm−1 entre 650 y 4000 cm−1 con el espectro promedio registrado. El espectro FTIR se corrigió en la línea base y los picos de absorción se asignaron utilizando el software Perkin Elmer Spectrum 10.5.2 incorporado de FTIR-ATR. Se registraron un mínimo de tres espectros FTIR para cada especie de hongo.

La pérdida de masa inducida térmicamente y los análisis FTIR en tiempo real de los gases emitidos se llevaron a cabo utilizando TGA (Perkin Elmer STA 6000) interconectado con el espectrómetro infrarrojo por transformada de Fourier (Perkin Elmer Frontier). Las películas de micelio se acondicionaron a 60 °C durante 3 h justo antes del experimento TGA para eliminar la humedad físicamente adsorbida. La temperatura de acondicionamiento de 60 °C se seleccionó para evitar la degradación térmica no deseada de los restos de bajo peso molecular. En un experimento típico de TGA, se colocaron micropartículas de micelio o epoxi poscurado y triturado (~ 12 mg) en un crisol de alúmina. La temperatura del horno TGA se incrementó a una velocidad de 30 °C/min entre 25 y 850 °C bajo un flujo de gas N2 (20 mL/min). La línea de transferencia de gas evolucionado que conecta el TGA con el FTIR se mantuvo a 300 °C y se lavó continuamente con gas N2 (velocidad de flujo de 50 ml/min) para evitar la condensación de volátiles. El FTIR analizó continuamente los gases emitidos en el rango de número de onda de 4000 a 400 cm−1 con una resolución de 4 cm−1. La curva de referencia obtenida al realizar el experimento TGA con un portamuestras vacío se sustrajo de todos los conjuntos de datos experimentales para compensar la flotabilidad. El rendimiento de carbón residual se recogió a 600 °C. Se realizaron un mínimo de tres experimentos para cada especie de hongo.

La microestructura y morfología del micelio (antes y post-degradación térmica) se caracterizó mediante microscopía electrónica de barrido (FEI Qanta 200) equipada con un espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (SEM-EDS) operado por el software Aztec. Las imágenes SEM se recogieron a un voltaje de aceleración de 15 kV, un tamaño de punto de 5 y un aumento de 3000. Muestras de carbón residual de TGA y micelio prístino (recolectadas a 600 °C) se recubrieron con iridio usando el recubridor de sputter Leica ACE600 operado a 8 × 10−3 mbar logrando un espesor de recubrimiento de aproximadamente 5 nm. El diámetro radial del filamento hifal se estimó analizando imágenes SEM utilizando el software ImageJ 1.46r.

Las imágenes fotográficas de las especies de micelio vivas y desnaturalizadas revelaron una topografía superficial distinta, como se muestra en la Fig. 1. Ganoderma australe se caracterizó por una topografía plana y esponjosa, mientras que Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor tenían superficies onduladas definidas por crestas y valles radiales (Fig. 1a) . En las películas de micelio se observaron pequeñas hebras similares a cabellos, posiblemente proteínas activas en la superficie y ricas en cisteína (hidrofobinas) típicamente producidas por hongos filamentosos (Fig. 2). La capa de hidrofobinas permite que las hifas rompan la interfaz aire-medio al reducir la tensión superficial o prevenir el anegamiento mientras retienen la permeabilidad que permite el intercambio gaseoso22,23. La imagen de Ganoderma australe tomada el día 10 cubrió toda el área de la superficie de la placa de Petri como se muestra en la Fig. 1a. Por el contrario, la sección opaca de hifas de las especies Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor, de crecimiento relativamente lento, cubría respectivamente el 43 % y el 7 % de la superficie de la placa de Petri.

Crecimiento y morfología de Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor (a) hongos vivos el día 10 y (b) películas de micelio desactivadas térmicamente.

Morfología de las hifas que revela hebras similares a cabellos en (a) el borde de ataque y (b) la superficie expuesta al aire de Pleurotus ostreatus.

Las películas de micelio se desactivaron térmicamente mediante exposición a temperatura elevada como se describe en la sección experimental. Las imágenes de las películas de micelio desnaturalizadas se muestran en la Fig. 1b. La textura de la superficie de las películas desactivadas térmicamente varió entre las especies de hongos. Ganoderma australe era en gran parte opaco y se caracterizaba por una textura superficial rugosa. En contraste, las películas de Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor revelaron dos regiones concéntricas distintas; una sección opaca y rugosa en la vecindad del sitio de inoculación en el centro geométrico de la película, así como una sección periférica más grande, translúcida y relativamente más suave, como se indica en la Fig. 1b para Trametes versicolor. Al igual que Trametes versicolor, Pleurotus ostreatus tenía una gran sección translúcida. Los rendimientos de masa seca de los desactivados térmicamente fueron más altos para Ganoderma australe, seguido de Pleurotus ostreatus y luego Trametes versicolor con un peso de 168 ± 2, 77 ± 2 y 32 ± 3 mg, respectivamente. Los rendimientos de masa normalizados de Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor en relación con los de Ganoderma australe fueron del 46 % y el 19 %, respectivamente. Cabe señalar que la contribución de las secciones translúcidas al rendimiento de masa total de hongos secos fue insignificante.

Las tres especies de hongos revelaron una red filamentosa de hifas tubulares porosas (espuma similar a una célula abierta) cubierta por capas superficiales continuas como se muestra en la Fig. 3. La textura suave de la capa superficial puede haber resultado de la consolidación de la capa de hidrofobinas durante el proceso de desactivación térmica. El análisis elemental de las tres especies de micelio reveló variaciones elementales entre la red de hifas fibrosas y la capa superficial, con una mayor concentración de calcio en la primera. La melaza normalmente contiene cantidades sustanciales de calcio en forma de oxalato de calcio. Durante el crecimiento de los hongos, el calcio se incorpora al micelio. La conversión de oxalato de calcio en CaCO3, CO2 y CO tiene el potencial de mejorar la estabilidad térmica de los micelios28. La microestructura de la red de hifas fibrosas varió entre especies de micelio como se muestra en la Fig. 4. Las hebras de hifas en Ganoderma australe (Fig. 4a) estaban fusionadas, más delgadas pero densamente empaquetadas en comparación con las de Pleurotus ostreatus (Fig. 4b) y Trametes versicolor (Fig. 4c). Jones et al.24 informaron que la fusión de fibrillas de hifas de Trametes versicolor requirió aproximadamente 18 días de crecimiento. En este estudio, Trametes versicolor y Pleurotus ostreatus se recolectaron el día 10, antes de la fusión fibrilar de las hifas. Ganoderma australe tenía finas hifas fibrosas que crecían en una dirección específica. La caracterización SEM reveló diferencias microestructurales notables entre las secciones opacas y translúcidas en Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor. Pleurotus ostreatus tenía hifas espesas y densas con un patrón de crecimiento aleatorio, mientras que Trametes versicolor tenía fragmentos cristalinos y crecimiento aleatorio.

Morfología (izquierda) y análisis elemental (derecha) de micelio prístino: Ganoderma australe (a, b), Pleurotus ostreatus (c, d) y Trametes versicolor (e, f). Los colores violeta y verde representan respectivamente calcio y carbono.

Morfología de las hifas del micelio prístino (arriba) y carbón residual (abajo) para Ganoderma australe (a, d), Pleurotus ostreatus (b, e) y Trametes versicolor (c, f).

Las películas de micelio desactivadas térmicamente se analizaron mediante FTIR para establecer la relación entre las características microestructurales de las hifas y la estructura bioquímica respectiva. Hubo poca variación en el análisis espectral FTIR de las secciones opacas de las tres especies de hongos (Fig. 5). Dado que las tres especies se derivan del mismo filo Basidiomycota, están compuestas de quitina, proteínas y carbohidratos en forma de glucano y polisacáridos29. La especie exhibió una amplia banda de absorción centrada en aproximadamente 3330 cm−1 correspondiente a la vibración de estiramiento O–H en los polisacáridos y/o la vibración de estiramiento N–H del grupo funcional amida en las proteínas30. Las bandas de absorción anchas y relativamente débiles centradas en aproximadamente 2850 cm-1 y 2900 cm-1 se atribuyeron al estiramiento C-H en quitina, proteínas y carbohidratos. El pico de absorción alrededor de 1630 cm−1 se asignó al estiramiento C=O (amida I o aminoácidos)31,32,33, estiramiento C=C (aminoácidos)31,34 y/o flexión N–H (flavonoides)34 . La banda de absorción de aproximadamente 1545 cm-1, que era prominente en Ganoderma australe y Pleurotus ostreatus, se asignó a la flexión N-H (amida II) o al estiramiento C-N (amida II)30,35. Se registraron bandas de absorción relativamente débiles para las tres especies a aproximadamente 1317 cm-1 (estiramiento C-N de amida III32; estiramiento O-H fenólico33), 1150 cm-1 (estiramiento C-O)30,35,36 y 1030 cm- 1 (flexión R–CH2–OH del alcohol; flexión C–O)36. Una débil banda activa en el IR de alrededor de 760 cm−1 para la especie Trametes versicolor se atribuyó a las vibraciones esqueléticas asociadas con la estructura anomérica del polisacárido en el glucano37.

Espectros FTIR de especies de micelio prístino Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor. Los espectros FTIR se desplazaron a lo largo de los ejes Y pero no se escalaron.

En general, los espectros FTIR de las tres especies de hongos se caracterizaron por cinco regiones de absorción distintas que son el estiramiento N-H y O-H (3700-3000 cm-1), el estiramiento C-H (3000-2800 cm-1), amidas de proteína (1750–1500 cm−1), polisacárido (azúcar) (1200–950 cm−1) y carbono anomérico (900–750 cm−1). El análisis espectral FTIR confirmó la presencia de quitina, proteínas y carbohidratos (es decir, glucano y polisacáridos), todos los cuales poseen características inherentes de retardo del fuego21,38,39. Los picos de absorción en 1750–1500 cm−1 (proteína) y 1200–950 cm−1 (carbohidrato) se pueden utilizar para calcular la relación proteína/carbohidrato en el micelio. La relación proteína/carbohidrato puede influir fuertemente en la degradación térmica del micelio, considerando que el carbono y el nitrógeno tienen distintos mecanismos de retardo del fuego. Las cadenas moleculares de N-acetil-D-glucosamina en la quitina generan gases diluyentes como el NH3 que suprimen las reacciones de combustión en llamas40,41. Por el contrario, los polisacáridos ricos en carbono (es decir, quitina y glucano) promueven la formación de un carbón carbonáceo térmicamente protector42. Los enlaces disulfuro de cisteína intramoleculares e intermoleculares en la capa de hidrofobinas pueden romperse a altas temperaturas generando moléculas de disulfuro de hidrógeno (H2S) que promueven la carbonización22.

A pesar de la contribución de rendimiento de masa general relativamente baja de las secciones translúcidas, fue fundamental explorar las diferencias estructurales bioquímicas entre el material de hifas translúcidas y opacas. Las variaciones en las estructuras bioquímicas entre los materiales opacos y translúcidos pueden influir significativamente en su estabilidad térmica. En la Fig. 6 solo se presentan los espectros FTIR de los extractos de material opaco y translúcido de Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor, ya que Ganoderma australe no tenía material translúcido. Las proporciones calculadas relativamente más bajas del área integrada bajo el pico de proteína (1750–1500 cm−1) y el pico de carbohidrato primario (1200–950 cm−1) sugieren un contenido reducido de N-acetil-D-glucosamina (es decir, quitina) dentro de las secciones translúcidas. El contenido reducido de polisacáridos de quitina ricos en carbono puede tener un impacto adverso en la generación de carbón carbonáceo, lo que conduce a rendimientos de carbón residual relativamente más bajos para el material translúcido.

Espectros FTIR de los extractos de material opaco (sólido) y translúcido (punto-raya) de especies de micelio prístino de Pleurotus ostreatus (a) y Trametes versicolor (b).

Se realizó un análisis termogravimétrico para establecer la relación entre las tasas de crecimiento de las especies de hongos, la composición bioquímica y las propiedades térmicas. Los perfiles de pérdida de masa termogravimétrica (TG) y la tasa de pérdida de masa termogravimétrica derivada (DTG) medidos simultáneamente para las especies de micelio se muestran en la Fig. 7. En el caso de Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor, las muestras de prueba se extrajeron tanto del opaco como del translúcido. secciones para investigar la influencia de la composición del material en la estabilidad térmica. Las muestras extraídas de las secciones opacas y translúcidas de las especies Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor tenían distintos perfiles de degradación térmica. La estabilidad térmica del material opaco fue superior a la de la sección translúcida. El mayor contenido de quitina rica en carbono en el material opaco, como lo revelan los espectros FTIR (Fig. 6), es posiblemente responsable de la estabilidad térmica superior.

( a ) Pérdida de masa termogravimétrica y ( b ) perfiles de tasa de pérdida de masa de especies de micelio Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor.

Dado que el material opaco estaba presente en todas las especies de hongos, la discusión sobre la estabilidad térmica se centró en este material. Los perfiles de TG y DTG de las tres especies de hongos revelaron pérdidas de masa en varios pasos (8-15 %) entre 25 y 225 °C antes del inicio de la etapa principal de degradación térmica. Dado que todas las muestras de micelio se acondicionaron a 60 °C durante 3 h inmediatamente antes del experimento TGA, la pérdida de masa temprana atípica no se pudo atribuir a la desorción del agua adsorbida físicamente. En cambio, la pérdida de masa a baja temperatura se atribuyó a la degradación térmica y la volatilización de la capa de hidrofobinas de bajo peso molecular (< 20 kDa)22. La etapa inicial de degradación térmica (25–225 °C) fue seguida por la etapa principal de descomposición térmica (225–450 °C), sobre la cual todas las especies de micelios registraron pérdidas de masa entre 35 y 45%. La pérdida de masa entre 225 y 450 °C se atribuyó a la descomposición térmica de la pared celular fúngica que consiste en quitina, aminoácidos, carbohidratos, incluidos polisacáridos y glucano. En comparación con Ganoderma australe, las especies Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor tenían una mayor estabilidad térmica, posiblemente debido a su mayor contenido de quitina, evidente a partir de la fuerte banda de absorción FTIR inducida por N-acetil-d-glucosamina a 1750–1500 cm−1. La quitina es una rica fuente de carbono elemental necesario para la formación de carbón. Se registraron pérdidas de masa sustanciales (6–14 %) entre 400 y 650 °C para las tres especies de micelio y se atribuyeron a la formación de un carbón carbonáceo primario. El carbón primario fue estable hasta justo por debajo de los 800 °C. Más allá de los 800 °C, la exposición térmica continua provocó más pérdidas de masa (p. ej., 7–14 %) generando carbón carbonáceo secundario. El carbón carbónico secundario es un producto de la reticulación en el carbón primario para formar una red tridimensional consolidada a altas temperaturas. Pleurotus ostreatus tuvo el rendimiento de carbón residual secundario más alto a 850 °C (30 %), seguido de Trametes versicolor (22 %), y Ganoderma australe tuvo el rendimiento más bajo (20 %) (Fig. 7a). Cabe señalar que la especie de Ganoderma australe de más rápido crecimiento fue la especie de hongo menos térmicamente estable. Por otro lado, las especies de Trametes versicolor más estables térmicamente crecieron más lentamente. Estas observaciones sugieren una relación inversamente proporcional entre los rendimientos másicos y la estabilidad térmica. Las tasas de crecimiento de hongos retrasadas posiblemente dan tiempo para el establecimiento de quitina que a su vez promueve la formación de carbonilla. Tanto las tasas de crecimiento como las propiedades térmicas son fundamentales en la selección de especies de hongos para la producción de alto rendimiento de retardadores de fuego de base biológica.

Si bien existen algunas variaciones en los perfiles de pérdida de masa y temperatura de las especies de micelio (Fig. 7a), en general, la pérdida de masa y las tasas de pérdida de masa sugieren mecanismos de degradación térmica y estabilidad térmica comparables. Para determinar los mecanismos que gobiernan la degradación térmica, se utilizó un espectrómetro infrarrojo de transformada de Fourier con interfaz TGA para analizar los gases emitidos en tiempo real. Dado que los espectros de FTIR de gas evolucionado entre las tres especies de hongos fueron similares, solo se analizan los datos de TGA-FTIR recopilados para Ganoderma australe. Los espectros FTIR de los gases evolucionados a partir de Ganoderma australe a temperaturas de descomposición seleccionadas de 150, 300, 350, 400 y 600 °C se muestran en la Fig. 8a. El espectro FTIR recogido a 150 °C reveló la liberación de CO2 que puede atribuirse a la oxidación térmica de hidrofobinas de bajo peso molecular. El espectro FTIR de gases evolucionado al comienzo de la etapa de descomposición principal, a aproximadamente 300 °C, reveló la presencia de H2O, posiblemente hidrocarburos de bajo peso molecular como CH4, cantidades diminutas de CO2 y NH3. Las intensidades de las bandas IR correspondientes a CO2, H2O, NH3 y los hidrocarburos de bajo peso molecular alcanzaron su punto máximo a la temperatura de descomposición de 350 °C (p. ej., el final de la etapa significativa de descomposición térmica). Por encima de los 350 °C, las intensidades de FTIR disminuyeron con el aumento de las temperaturas, como se desprende de un espectro casi plano para los gases que evolucionan a 600 °C. Los espectros FTIR de gases evolucionados a la temperatura de descomposición térmica de 350 °C para las tres especies se presentan en la Fig. 8B. Hubo variaciones en la intensidad pero ninguna diferencia en la composición del gas desprendido entre las tres especies de hongos. Los gases diluyentes (es decir, CO2, H2O y NH3) identificados en los espectros FTIR de las tres especies de micelio son fundamentales para amortiguar las reacciones de combustión con llamas. Pueden promover la extinción de incendios cuando el micelio se integra con materiales altamente inflamables como los polímeros olefínicos.

Espectros FTIR de (a) gases evolucionados a diferentes temperaturas de descomposición térmica (150, 300, 350, 400 y 600 °C) para Ganoderma australe y (b) gases evolucionados de las tres especies de hongos a 350 °C. Los espectros FTIR se desplazaron a lo largo de los ejes Y pero no se escalaron.

El carbón residual recogido a 600 °C se caracterizó mediante SEM y FTIR para dilucidar los mecanismos de degradación térmica. Las imágenes SEM de exposición postérmica para Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor que se muestran en la Fig. 4 revelaron variaciones perceptibles en la microestructura de los especímenes prístinos. Ganoderma australe retuvo su microestructura de hifas fusionadas e interconectadas a pesar de la reducción en el área transversal de las hebras de hifas (Fig. 4d). En el caso de Pleurotus ostreatus (Fig. 4e) y Trametes versicolor (Fig. 4f), las especies de hongos retuvieron la red de hifas 3D, aunque la sección transversal de las hifas se redujo significativamente debido a la pérdida de material inducida por el calor. La quitina altamente estable térmicamente en las paredes celulares del micelio continuó apoyando la red fibrosa 3D a pesar de la reducción en el diámetro del filamento de las hifas24. Estos resultados concuerdan con los hallazgos informados por Jones et al.24 para Trametes versicolor alimentados con trigo y sometidos a condiciones similares de degradación térmica. A pesar de algunas variaciones en la microestructura de la exposición post-térmica, los rendimientos de carbón residual en las tres especies distintas de hongos fueron similares. Esto sugiere que las características microestructurales del micelio prístino tienen un impacto limitado en sus mecanismos de descomposición térmica. Esto está respaldado por los hallazgos informados por Jones et al.24 en los que demostraron que las variaciones de la microestructura dependientes del tiempo de crecimiento en el Trametes versicolor alimentado con trigo no alteraron las propiedades de reacción al fuego evaluadas a través del calorímetro de cono.

Los espectros FTIR del residuo de carbón recuperado de las muestras de micelio opaco a 600 °C (es decir, carbón primario) se muestran en la Fig. 9. Todas las especies de micelio exhibieron las siguientes bandas de absorción; picos fuertes y agudos centrados en ~ 1400 cm−1 (flexión C–H)43 y ~ 870 cm−1 (anillo de furanosa de flexión C–H)44, un pico ancho débil centrado en ~ 1030 cm−1 (C–O– estiramiento C)33, 950–750 cm−1 (enlaces de glucósido en glucano)33,43 y un pico débil pero agudo en ~ 710 cm−1 (flexión C–H)43. El anillo de furanosa puede atribuirse al tautomerismo de la cadena de anillos de la piranosa debido a la exposición a altas temperaturas. No hubo diferencias claras en los espectros FTIR medidos a temperatura ambiente del carbón recuperado de las tres especies; reforzando aún más el hallazgo de que las variaciones microestructurales tienen muy poca influencia en las vías de degradación térmica y los productos de descomposición, incluido el carbón residual.

Espectros FTIR de carbón residual recolectado de las especies de micelio Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor a 600 °C. Los espectros FTIR se desplazan a lo largo de los ejes Y pero no se escalan.

Antes de que los micelios puedan integrarse en los compuestos de ingeniería como retardadores de fuego, es fundamental comprender cómo se compara este nuevo biomaterial con las matrices de compuestos comunes, como las resinas epoxi. En este trabajo, la especie de micelio más productiva, Ganoderma australe, se comparó con un polímero epoxi. Los perfiles de pérdida de masa y diferencia de masa de Ganoderma australe y el polímero epoxi se representan frente a la temperatura en la Fig. 10. El polímero epoxi siguió una ruta de degradación térmica de dos pasos; una pérdida de masa del 10 % entre 100 y 250 °C seguida de una pérdida de masa de aproximadamente el 80 % entre 300 y 500 °C (Fig. 10a). La primera etapa de pérdida de masa térmica se atribuyó a la desorción de la humedad adsorbida físicamente y restos de polímeros entrecruzados. El segundo paso más destacado se atribuyó a la descomposición térmica de las cadenas de polímeros epoxi. A 250 °C, Ganoderma australe había perdido entre un 4 % y un 5 % más de material en comparación con el polímero epoxi. A temperaturas inferiores a 405 °C, la estabilidad térmica del polímero epoxi fue superior a la de Ganoderma australe. Lo mismo ocurrió con Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor, los cuales tenían perfiles de degradación térmica similares a los de Ganoderma australe. A temperaturas superiores a 405 °C, Ganoderma australe y, por extensión, Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor fueron térmicamente más estables que el polímero epoxi. Las especies fúngicas generaron rendimientos de carbón residual primario significativamente más altos (> 30 %) a 600 °C en comparación con aproximadamente el 10 % para el polímero epoxi.

(a) Pérdida de masa termogravimétrica para Ganoderma australe y epoxi y (b) perfiles de diferencia de masa (Garnoderma australe menos epoxi) representados frente a la temperatura (pérdida en rojo y ganancia en verde).

La diferencia en la estabilidad térmica entre Ganoderma australe y el polímero epoxi es más evidente en los datos de diferencia de masa (massGanoderma australe − massepoxy) que se representan frente a la temperatura en la Fig. 10b. Para temperaturas por debajo de 405 °C, el polímero epoxi fue térmicamente más estable que Ganoderma australe, como se desprende de las diferencias de masa negativas. Por encima de 405 °C, Ganoderma australe fue superior al polímero epoxi, como lo revelan las diferencias de masa calculadas positivas. El área integrada bajo el perfil de temperatura de diferencia de masa para temperaturas entre 405 y 785 °C (sombra verde) fue más del doble que el valor correspondiente calculado para temperaturas entre 25 y 405 °C (sombra roja). En particular, el rango de temperatura integrado a la izquierda y a la derecha del cruce (405 °C) fue el mismo, lo que sugiere una estabilidad térmica general superior para Ganoderma australe en comparación con el polímero epoxi. La estabilidad térmica mejorada de las especies de hongos del micelio a temperaturas relativamente altas, posiblemente debido a la presencia de quitina y derivados del calcio que promueven el carbón, abre una vía para el diseño de materiales de superficie de protección térmica bioderivados para compuestos poliméricos amenazados por el fuego. Cuando se expone a altos flujos de calor radiante, la temperatura en la superficie expuesta de un compuesto de polímero puede aumentar más de 400 °C en cuestión de segundos. La degradación térmica de la capa protectora de micelio comenzará a temperaturas inferiores a 100 °C. A medida que la película protectora de la superficie del micelio se descompone, generará un carbón de superficie consolidado que sirve para aislar térmicamente el compuesto de polímero virgen pero combustible subyacente.

Hay muy pocos estudios que hayan investigado la influencia de la melaza o un alimento en fase líquida similar en la tasa de crecimiento, los rendimientos y la estabilidad térmica de los micelios resultantes. Cuando se utiliza materia prima sólida para hacer crecer el micelio, la materia prima residual parcialmente digerida no se puede separar del biocompuesto final. El material de alimentación sólido residual puede afectar negativamente a las propiedades mecánicas y al fuego del biocompuesto de micelio. Por lo tanto, era importante investigar las variaciones en la estabilidad térmica entre las especies de micelio cultivadas independientemente en grano de trigo sólido y melaza. Jones et al.24 compararon las propiedades térmicas de los Trametes versicolor alimentados con melaza con las de la misma especie cultivada en grano de trigo sólido, como se muestra en la Fig. 11. A temperaturas inferiores a 250 °C, los hongos alimentados con melaza fueron inferiores. al espécimen cultivado en trigo. Sin embargo, a temperaturas superiores a 250 °C, la muestra de hongos alimentados con melaza fue más estable térmicamente. Al igual que el grano de trigo, la melaza puede apoyar el crecimiento de hongos micelios que producen biomateriales de estabilidad térmica comparable, si no superior, particularmente en el régimen de alta temperatura (> 250 °C). Además, mientras que las partículas de grano de trigo se integran inextricablemente con las hifas del micelio, el exceso de melaza se puede lavar. Jones et al.24 demostraron que la estabilidad térmica del grano de trigo es inferior a la de Trametes versicolor. Por lo tanto, la presencia de partículas de grano de trigo menos estables térmicamente24 tiene el potencial de reducir la eficacia de la protección contra incendios, así como las propiedades mecánicas del material compuesto de micelio resultante. Además, este estudio confirmó que la solución de melaza recuperada podría respaldar el crecimiento del inóculo fresco, aunque a tasas de crecimiento ligeramente menores. Por el contrario, no es posible recuperar materia prima sólida residual para sustentar el futuro cultivo de micelio.

Perfiles de temperatura de pérdida de masa de Trametes versicolor alimentados con melaza [este trabajo] y grano de trigo24.

Para aplicaciones a escala industrial, las películas de micelio grandes cultivadas en bandejas poco profundas llenas de melaza se pueden integrar como capas superficiales de protección térmica en materiales y compuestos inflamables amenazados por incendios. Las películas de micelio pueden actuar como material de sacrificio, descomponiéndose térmicamente para producir carbón carbonáceo secundario en la superficie expuesta al fuego. El carbón superficial generado puede ralentizar la transferencia de calor hacia el sustrato inflamable subyacente mientras evita que los volátiles combustibles se escapen hacia la zona de combustión en llamas. Alternativamente, la biomasa de micelio se puede pulverizar en micropartículas que luego se mezclan en la matriz polimérica. Si bien la integración de FR de tamaño micro en polímeros está bien establecida, es digna de mención; que la adición de polvo o microfibras de micelio en el polímero puede aumentar la viscosidad, lo que genera problemas en el procesamiento del material. Sin embargo, hemos demostrado en este artículo que la melaza es un alimento viable para cultivar películas finas de micelio con una estabilidad térmica prometedora y posiblemente características ignífugas. Además, la investigación debe centrarse en el desarrollo de metodologías para integrar películas de micelio en procesos de fabricación a escala industrial para productos ignífugos.

Se informa sobre un método ambientalmente benigno para reciclar subproductos de procesamiento de azúcar de bajo valor (melaza) en micelios ignífugos. Esta investigación demostró que la melaza líquida favorece el crecimiento de especies no patógenas de micelios de Basidiomycota phylum (Ganoderma australe, Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor). Ganoderma australe creció más rápido produciendo una película de micelio opaco y tuvo el mayor rendimiento en masa. Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor tuvieron rendimientos más bajos y produjeron películas de micelio con secciones opacas y translúcidas. A pesar de las diferencias en la morfología y las características microestructurales, las composiciones bioquímicas de las especies de hongos investigadas fueron comparables. Este estudio estableció la relación entre las tasas de crecimiento del micelio, las microestructuras, las composiciones bioquímicas y las propiedades térmicas.

La especie de hongo con mayor tasa de crecimiento, Ganoderma australe, fue la menos térmicamente estable de las tres especies. Las variadas tasas de crecimiento y las diferentes características microestructurales influyeron en los perfiles de degradación térmica (pérdida de masa versus temperatura) de las tres especies hasta cierto punto. Espectros FTIR similares de los gases emitidos y el carbón primario residual sugirieron mecanismos de degradación térmica comparables para las tres especies de hongos. La estabilidad térmica de los micelios posiblemente esté controlada por el contenido de quitina, cuyo rendimiento puede estar dictado por la tasa de crecimiento del hongo. El micelio alimentado con melaza generó más carbón superficial que el polímero epoxi a base de petróleo, lo que sugiere un uso potencial del biocompuesto derivado de hongos como película protectora térmica. La estabilidad térmica de la especie Trametes versicolor cultivada en melaza fue superior a la de la contraparte alimentada con trigo. Este estudio demostró la viabilidad de producir biomateriales fúngicos con capacidades superiores de formación de carbón en comparación con los polímeros comerciales como el epoxi. Los hallazgos informados en este documento allanarán el camino para el desarrollo de nuevos biomateriales sostenibles e ignífugos.

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Este trabajo fue apoyado por fondos de investigación del ARC Training Center in Fire Retardant Materials and Safety Technologies (IC170100032).

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Chaitali Dekiwadia

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EK y NC concibió el concepto de investigación. NC llevó a cabo todas las actividades de investigación, incluido el cultivo y acondicionamiento de hongos, la preparación de polímeros epoxi, análisis FTIR y TGA-FTIR y microscopía electrónica de barrido (morfología y análisis elemental). CD adquirió algunas de las imágenes de microscopía electrónica de barrido. EK y TH proporcionó orientación técnica para todas las actividades de investigación. EK y CN escribieron el borrador original del manuscrito y todos los demás autores revisaron y editaron el manuscrito. AM y EK obtuvieron financiación. AK, AM, EK y TH supervisó el proyecto de investigación.

Correspondencia a Everson Kandare.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Chulikavit, N., Huynh, T., Dekiwadia, C. et al. Influencia de las tasas de crecimiento, propiedades microestructurales y composición bioquímica en la estabilidad térmica de hongos miceliares. Informe científico 12, 15105 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19458-0

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Recibido: 24 diciembre 2021

Aceptado: 30 de agosto de 2022

Publicado: 06 septiembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19458-0

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