能量的供给与利用是地球上一切生命形式的基本科学问题。目前公认的微生物能量来源有光能和化学能两种：即太阳能（太阳光子）和化学能（元素价电子）。太阳光子和元素价电子也是微生物生长的两种能量来源，被分别称为光能微生物和化能微生物。2004年，美国微生物科学院院士Lovley RD教授报道了一则里程碑式的发现：某些微生物可直接利用电能生长增殖，暗示自然界可能存在一类全新能量代谢类型的微生物——电能微生物。与光能或化能微生物的电子摄取方式不同，电能微生物所利用的电子来自细胞胞外。水蒸发是全球水循环中普遍存在的自然物理过程，每年水蒸发量约为520亿立方米，是全球人类可利用水资源量的57倍。传统观点认为：水能到电能的转化只能通过“水势能→机械能→电能”的过程。最新研究发现，水蒸发过程中水分子与材料亲水基团的相互作用，可以实现直接将环境热能转化为可持续的水伏能。该团队前期证实，活体微生物生物膜中水蒸发也可以产生水伏电能。然而，水蒸发诱导的水伏胞外电子能否被微生物作为一种新能源来维持生长和代谢，仍有待探索。
近日，乐鱼(中国)资源与环境学院周顺桂教授团队在《Nature Communications》（《自然-通讯》）期刊发表了题为“Growth of electroautotrophic microorganisms using hydrovoltaic energy through natural water evaporation”（利用天然水蒸发的水伏能促进电自养微生物生长）的研究论文。该研究首次证实了水蒸发可以驱动微生物生长，即水蒸发产生的水伏电子可以为微生物提供能量并维持其代谢生长。机理分析显示，生物膜是直接依赖于水蒸发过程来产生电能。水伏电子的产生可能始于水分子在生物膜中的毛细管传输，即水分子的自发蒸发导致生物膜内形成自下而上的水分梯度，从而致使水分子的向上毛细管传输。此外，本研究也探索了其他微生物通过胞外电子摄取途径利用水伏能的潜力，发现其他电能微生物也能够利用水伏电子进行生长或代谢，为证实该新型能量利用途径的普遍性提供了证据。该研究揭示了自然界中潜在但尚未被发现的微生物能量利用新途径，为深入认识微生物能量来源形式提供了新视角，为理解地表水循环新功能提供了新认识。
图1 水伏能驱动的微生物生长示意图
乐鱼(中国)环境生物电化学中心任国平副研究员为论文第一作者，乐鱼(中国)环境生物电化学中心周顺桂教授和广东工业大学袁勇教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家杰出青年科学基金（41925028）、国家自然科学基金（42307176）和广东省基础与应用基础研究基金项目（2023B1515040022）的资助。
论文DOI：10.1038/s41467-024-49429-0
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49429-0