2025年11月27日，新葡的京集团350vip8888官网周顺桂教授团队在《国家科学进展》（National Science Open, NSO）在线发表了题为“Piezoelectrotrophy: A New Paradigm for Microbial Energy Acquisition”（《压电营养型：微生物能量获取的新范式》）的综述论文。该文率先提出将压电营养型视为继光能营养型、化能营养型和电能营养型之后的微生物能量获取新范式。文章首先构建了压电营养型的基本概念框架；进而探讨了该新范式对于理解细胞代谢及生态演化的重要意义；同时展望了压电营养型的潜在应用前景；最后，总结了该领域当前面临的研究挑战及未来的发展方向。
自1888年俄国微生物学家维诺格拉茨基（Sergei Winogradsky）发现化能自养型微生物以来，对于生命活动的能量来源（即微生物从环境中获取能量）这一根本问题的探索，持续推动着微生物学的发展。迄今，光能营养型（phototrophy）、化能营养型（chemotrophy）是现代微生物教科书认可的微生物能量获取范式，深刻塑造了微生物生态学与代谢研究的格局。而电能营养型（electrotrophy）经过20年多发展，已被逐渐认可（图1A–C）。尽管对于上述三种能量类型的研究已经非常深入，它们仍可能未能涵盖微生物能量利用的全部策略。这一推测主要源于现有范式均存在特定的局限：光能营养型受光照可及性的制约，化能营养型依赖于有机物或还原性无机物的丰度，电能营养型则局限于人工电子源（如通有直流电的电极等）。
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。
值得注意的是，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。机械应力诱导压电材料产生表面极化电荷并建立电场，在含水环境中进一步驱动局部氧化还原反应，从而表现为负极区提供电子、正极区消耗电子并产生质子。电活性微生物捕获电荷，并通过导电纳米线、外膜细胞色素或可溶介质穿越微生物膜，建立膜电位和质子梯度。膜电位和质子梯度驱动ATP的合成和还原载体的生成，从而与细胞代谢整合以实现维持和生长。
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）。此外，基于压电营养型原理的生物系统，未来也有望在生物电子器件、环境传感与监测、生物修复、能量收集以及植入式医疗设备等领域展现其应用潜力（图4E–H）。
图3. 代表性压电营养型研究中的材料类型和代谢类别。
图4. 压电营养型的生态意义与潜在应用。
当前，推动压电营养型微生物学的发展仍面临多方面挑战，主要包括：（1）检测与表征压电营养型过程的方法学局限；（2）压电营养型的能量转换效率及其生态重要性等核心问题尚未明确；（3）需设计严谨的实验以区分压电效应与其他电化学效应的贡献。应对这些挑战，无疑需要跨学科合作与新技术的融合。
论文链接：https://www.sciengine.com/NSO/doi/10.1360/nso/20250043
新葡的京集团350vip8888官网为本论文唯一通讯单位，新葡京官网周顺桂教授为论文第一作者兼通讯作者。合作作者包括新葡的京集团350vip8888官网资源与环境学院汤湘副教授、任国平副教授、以及新葡的京集团350vip8888官网蜂学与生物医药学院高江涛教授。该工作得到了国家自然科学基金杰青延续项目（42525702）和国家自然科学基金（42307466, 42577284, 42307176）的资助。
《National Science Open, NSO》期刊简介：
《国家科学进展》（National Science Open, NSO）是《国家科学评论》（National Science Review, NSR）的姊妹刊，由中国科学院主管、中国科技出版传媒股份有限公司主办，创刊于2022年。该刊涵盖自然科学与工程领域，设置学术论文、评论、专题等栏目，旨在推动学科交叉融合，发表具有原创性与关键突破的研究成果。