农业废弃物基菌丝体复合声学绝缘材料的声学性能与生命周期评估：一项推动绿色建筑材料的集成研究

《Buildings》：Acoustic Performance and Life Cycle Assessment of a Mycelium-Based Insulation Composite Produced from Agricultural Waste Mantas Garnevi?ius, Dovydas Rutkauskas and Raimondas Grubliauskas

为解决建筑行业对非可再生材料依赖、噪声污染及传统声学绝缘材料（如石棉/岩棉）环境与健康风险等问题，研究人员开展了基于农业废弃物（燕麦、黑麦、小麦壳/秸秆）和食用菌（平菇，Pleurotus ostreatus）菌丝体的生物复合声学绝缘材料的声学性能与生命周期评估（LCA）研究。结果显示，该生物复合材料在中高频（1000–1650 Hz）具有中等吸声系数（0.33–0.49），且在全生命周期（摇篮到坟墓）的全球变暖潜能（GWP）、水资源消耗和化石资源消耗方面显著优于商用岩棉板，仅在淡水富营养化潜能上较高。该研究为开发兼具良好声学性能和环境可持续性的绿色建筑声学材料提供了科学依据，支持循环经济原则。

　　

想象一下，未来我们居住的房屋，其墙壁不仅能有效隔绝外界恼人的交通噪音，保护我们的健康与安宁，而且其制造材料本身来自农业废弃物，在使用寿命结束后可自然降解，对环境几乎零负担。这并非遥不可及的科幻场景，而正是当前可持续建筑材料研究前沿所致力实现的目标。在欧盟立法推动和全球应对气候变化的背景下，建筑行业因其巨大的能源消耗（占全球40%）和温室气体排放（占全球37%）而备受关注。传统建材如水泥、金属、聚合物，不仅生产过程能耗高、污染重，且回收困难。与此同时，城市化带来的噪声污染已成为严重的公共健康问题，而主流的玻璃纤维或矿物棉声学材料虽性能良好，却存在回收难、生产能耗高以及对人体健康的潜在风险（如吸入纤维粉尘）。因此，开发环境友好、可生物降解且性能优异的替代性声学绝缘材料迫在眉睫。

在此背景下，由Mantas Garnevi?ius, Dovydas Rutkauskas 和 Raimondas Grubliauskas共同完成，发表在《Buildings》期刊上的研究论文《Acoustic Performance and Life Cycle Assessment of a Mycelium-Based Insulation Composite Produced from Agricultural Waste》，为我们展示了一种颇具前景的解决方案：利用农业废弃物和真菌菌丝体制备生物复合声学材料。这项研究不仅系统评估了其声学性能，还通过全面的生命周期评估（LCA）量化了其环境足迹，并与商用产品进行了对比，为绿色建筑材料的开发与应用提供了重要的数据支撑和决策依据。

为开展此项研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：首先，材料制备与培养：选取立陶宛本地丰富的农业废弃物（燕麦、黑麦、小麦的壳/秸秆）作为基质，以平菇（Pleurotus ostreatus）菌丝体作为粘合剂，经过灭菌、接种后，在受控环境（22°C，约32%湿度）下培养4周，再经加热处理使菌丝体失活并致密化复合材料。其次，声学性能测试：使用符合ISO 10534-2标准的阻抗管（Impedance Tube）和“两麦克风法”测量切割成规定尺寸的样品在160 Hz至6600 Hz频率范围内的吸声系数。最后，生命周期评估：采用SimaPro软件和Ecoinvent数据库，依据ReCiPe方法，对生产的菌丝体基复合材料（MBC）声学绝缘板进行了“摇篮到坟墓”的LCA，设定功能单位为1平方米，系统边界涵盖原材料获取、生产、运输、使用和处置全过程，重点对比了全球变暖潜能（GWP）、淡水富营养化潜能、水资源消耗潜能和化石资源消耗潜能等关键环境指标，并与一款商用岩棉声学板的环境产品声明（EPD）数据进行对比。此外，还单独评估了不同基质（燕麦、小麦、黑麦壳）生产阶段的环境影响。

研究结果部分如下：

3.1. 菌丝体基复合声学样品的吸声结果

研究测量了四种不同基质MBC样品的物理性质（密度、厚度、体积）和吸声系数。结果表明，样品密度、厚度和基质颗粒尺寸直接影响吸声性能。较粗的燕麦壳样品密度最高（0.77 g/cm³）、最薄（1.1 cm），其吸声系数最低（在中高频约0.33-0.34）。而黑麦壳、小麦壳和细燕麦壳样品密度较低（约0.47 g/cm³）、更厚（1.26-1.3 cm）、体积更大，表现出更好的吸声性能。其中，小麦壳和细燕麦壳基MBC在中高频（1250 Hz和1600 Hz）表现出最佳的吸声性能，吸声系数达到0.48-0.49。所有样品在低频（160-800 Hz）均未表现出显著的吸声效果，这与其较薄的厚度有关。

3.2. 菌丝体基样品与商用声学板吸声系数的比较

将MBC样品的吸声结果与商用“Mono”岩棉优雅渲染（彩色）模型声学板进行比较。在250-4000 Hz频率范围内，商用板在500 Hz以上频率表现出优异吸声（0.85-1.00），而MBC样品的最佳吸声系数（0.49）仍远低于商用板。这主要是由于商用板更厚（2.5 cm），且经过优化设计。然而，MBC作为原型材料，在中高频已显示出有潜力的吸声能力。

3.3. 菌丝体基生物复合材料的生命周期评估结果

对MBC声学板进行的全生命周期评估产生了涵盖18个中点类别的详细环境影响数据。在与商用岩棉板可比的四个关键类别中，MBC板表现出显著优势：全球变暖潜能（GWP）低49.9%（3.27 kg CO₂eq. vs 6.53 kg CO₂eq.）；化石资源消耗潜能低52.2%（48.236 MJ vs 100.973 MJ）；水资源消耗潜能低超过13倍（0.0901 m³vs 1.204 m³）。然而，MBC板的淡水富营养化潜能是岩棉板的3倍以上（0.000203 kg P eq. vs 0.0000631 kg P eq.），这主要归因于农业基质生产过程中化肥的使用导致营养盐径流风险增加。

为进一步探究如何降低环境影响，特别是淡水富营养化，研究额外评估了不同基质（燕麦、小麦、黑麦壳）仅在生产阶段的环境表现（功能单位：1 kg基质）。结果表明，小麦壳在各项指标上均表现最佳：全球变暖潜能最低（0.174 kg CO₂eq.），水资源消耗最低（0.000284 m³），淡水富营养化潜能也最低（0.0000809 kg P eq.）。相比之下，燕麦壳的环境影响最高。

在结论与讨论部分，研究强调了MBC作为建筑材料的潜力，有助于降低建筑行业的环境影响。尽管当前MBC原型在吸声性能上（尤其是低频）尚未达到商用岩棉板的水平，但其在全球变暖、水资源和化石资源消耗方面已展现出显著的环境优势。性能上的差距可通过优化材料的物理特性（如增加厚度、降低密度、提高孔隙率）以及改进制备工艺来弥补。

研究最终得出结论，在测试的四种农业废弃物基质中，小麦壳基MBC是综合性能最优的选择。它既具备了与细燕麦壳基MBC媲美的良好声学性能（中高频吸声系数达0.48-0.49），又在所有评估的环境影响类别（全球变暖潜能、水资源消耗潜能、淡水富营养化潜能）中影响最低。相比之下，细燕麦壳基MBC虽有良好声学性能，但环境代价最高；粗燕麦壳和黑麦壳基MBC则声学性能或环境表现相对平庸。

因此，这项研究不仅验证了利用农业废弃物和菌丝体开发环境友好型声学绝缘材料的可行性，还通过集成声学测试和生命周期评估的方法，为筛选最优基质组合提供了科学框架。它指明，通过选择合适基质（如小麦壳）并持续优化材料设计，菌丝体基复合材料有望成为未来可持续建筑中，替代传统矿物基声学材料、实现循环经济目标的 promising candidate（有前景的候选材料）。未来的研究可聚焦于进一步提高其低频吸声性能，并探索减少其生产过程中能源消耗（已知是MBC主要环境影响来源）和与农业施肥相关富营养化风险的策略。