福建农林大学副校长以第一作者和通讯作者身份发表最新论文|微生物|机械能|材料|福建农林大学|论文

近日，福建农林大学周顺桂教授团队在《国家科学进展》（National Science Open, NSO）发表题为“Piezoelectrotrophy: A New Paradigm for Microbial Energy Acquisition”的综述论文。福建农林大学为本论文唯一通讯单位，福建农林大学周顺桂教授为论文第一作者兼通讯作者。合作作者包括福建农林大学资源与环境学院汤湘副教授、任国平副教授、以及福建农林大学蜂学与生物医药学院高江涛教授。

图1. 微生物从环境中获取能量的基本范式

压电现象由皮埃尔·居里与雅克·居里于1880年发现，指某些材料在机械应力作用下产生电荷的能力，该现象发生于缺乏对称中心的晶体或材料中，机械形变导致正负电荷中心分离，从而产生电极化。近年来，材料科学领域的进展揭示，压电特性广泛存在于合成材料与天然材料中。压电材料科学与微生物学的交叉，为探索机械能如何被生物系统直接利用开辟了新的路径。

机械能在几乎所有微生物栖息地中都广泛存在（例如受潮汐作用的沉积物、承受构造应力的深层岩石）。如果微生物能够通过压电营养型（piezoelectrotrophy）——即利用压电效应——获取能量，则意味着只需存在机械力即可驱动代谢，从而有可能在传统上认为能量贫瘠、难以维持生命活动的环境中支持微生物的存活与活动（图2）。目前的机械微生物学研究主要聚焦于机械感应（mechanosensing）与机械转导（mechanotransduction），即机械力仅作为调控信号而非能量来源。

图2. 压电营养型中假定的能量流动模式

基于此，我们提出将压电营养型作为微生物能量获取的第四种范式，并将其定义为：微生物通过压电效应将环境机械能转化为电能，并用于驱动细胞代谢及生长存活的过程（图1D）。已有研究表明，机械能可通过压电材料转化产生电能，进而支持多种微生物代谢活动（图3）。压电营养型这一概念框架有助于弥补现有能量范式的若干不足：在光能营养型无法进行的黑暗环境、化能营养型受底物限制或电能营养型缺乏合适电子源的条件下，只要存在机械力，压电营养型便可能发挥作用。鉴于机械力的普遍存在，压电营养型策略或可使微生物在深海沉积物、地下岩石圈等极端环境中获得补充能量，从而拓展其生存边界。作为第四种能量获取范式，压电营养型不仅拓宽了对微生物能量来源的认识，将微生物能量利用从传统的光能化能，拓展到机械能（将机械运动与微生物联系起来），也为解释地球元素循环与生命起源提供了新见解。提供了新的视角（图4A–D）。