近日，福建農(nóng)林大學(xué)周順桂教授團(tuán)隊在《國家科學(xué)進(jìn)展》（National Science Open, NSO）發(fā)表題為“Piezoelectrotrophy: A New Paradigm for Microbial Energy Acquisition”的綜述論文。福建農(nóng)林大學(xué)為本論文唯一通訊單位，福建農(nóng)林大學(xué)周順桂教授為論文第一作者兼通訊作者。合作作者包括福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院湯湘副教授、任國平副教授、以及福建農(nóng)林大學(xué)蜂學(xué)與生物醫(yī)藥學(xué)院高江濤教授。

圖1. 微生物從環(huán)境中獲取能量的基本范式

壓電現(xiàn)象由皮埃爾·居里與雅克·居里于1880年發(fā)現(xiàn)，指某些材料在機(jī)械應(yīng)力作用下產(chǎn)生電荷的能力，該現(xiàn)象發(fā)生于缺乏對稱中心的晶體或材料中，機(jī)械形變導(dǎo)致正負(fù)電荷中心分離，從而產(chǎn)生電極化。近年來，材料科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展揭示，壓電特性廣泛存在于合成材料與天然材料中。壓電材料科學(xué)與微生物學(xué)的交叉，為探索機(jī)械能如何被生物系統(tǒng)直接利用開辟了新的路徑。

機(jī)械能在幾乎所有微生物棲息地中都廣泛存在（例如受潮汐作用的沉積物、承受構(gòu)造應(yīng)力的深層巖石）。如果微生物能夠通過壓電營養(yǎng)型（piezoelectrotrophy）——即利用壓電效應(yīng)——獲取能量，則意味著只需存在機(jī)械力即可驅(qū)動代謝，從而有可能在傳統(tǒng)上認(rèn)為能量貧瘠、難以維持生命活動的環(huán)境中支持微生物的存活與活動（圖2）。目前的機(jī)械微生物學(xué)研究主要聚焦于機(jī)械感應(yīng)（mechanosensing）與機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)（mechanotransduction），即機(jī)械力僅作為調(diào)控信號而非能量來源。

圖2. 壓電營養(yǎng)型中假定的能量流動模式

基于此，我們提出將壓電營養(yǎng)型作為微生物能量獲取的第四種范式，并將其定義為：微生物通過壓電效應(yīng)將環(huán)境機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并用于驅(qū)動細(xì)胞代謝及生長存活的過程（圖1D）。已有研究表明，機(jī)械能可通過壓電材料轉(zhuǎn)化產(chǎn)生電能，進(jìn)而支持多種微生物代謝活動（圖3）。壓電營養(yǎng)型這一概念框架有助于彌補(bǔ)現(xiàn)有能量范式的若干不足：在光能營養(yǎng)型無法進(jìn)行的黑暗環(huán)境、化能營養(yǎng)型受底物限制或電能營養(yǎng)型缺乏合適電子源的條件下，只要存在機(jī)械力，壓電營養(yǎng)型便可能發(fā)揮作用。鑒于機(jī)械力的普遍存在，壓電營養(yǎng)型策略或可使微生物在深海沉積物、地下巖石圈等極端環(huán)境中獲得補(bǔ)充能量，從而拓展其生存邊界。作為第四種能量獲取范式，壓電營養(yǎng)型不僅拓寬了對微生物能量來源的認(rèn)識，將微生物能量利用從傳統(tǒng)的光能化能，拓展到機(jī)械能（將機(jī)械運動與微生物聯(lián)系起來），也為解釋地球元素循環(huán)與生命起源提供了新見解。提供了新的視角（圖4A–D）。

圖3. 代表性壓電營養(yǎng)型研究中的材料類型和代謝類別

圖4. 壓電營養(yǎng)型的生態(tài)意義與潛在應(yīng)用