机械能驱动的生物压电催化系统：利用ZnO纳米片增强CO2和有机碳的生物塑料合成

为解决CO2生物转化效率低下的问题，研究人员开发了ZnO-C. necator混合系统，通过压电催化将机械能转化为电能，显著提升了自养和异养条件下聚羟基丁酸酯（PHB）的产量（自养增产3倍，异养增产2倍），为利用工业振动和自然波浪等广泛机械能源提供了新范式。

　　

在全球气候危机和塑料污染的背景下，如何将CO₂高效转化为可降解材料成为科学界的重要命题。尽管化能自养微生物如Cupriavidus necator H16能通过卡尔文循环固定CO₂并合成生物塑料聚羟基丁酸酯（PHB），但其生产效率始终受限于能量获取瓶颈。传统光合催化系统虽能利用太阳能，却无法开发无处不在的机械能——这正是Tian Zhang团队在《Nature Communications》发表的研究突破所在。

研究团队创新性地将压电材料ZnO纳米片与C. necator耦合，构建了首个能捕获机械能的生物压电催化系统。通过超声振动（96W）或波浪运动（200rpm）激发ZnO产生压电势，电荷通过两种途径转移至细菌：一是生成H₂被氢酶氧化，二是经由细菌分泌的黄素和c型细胞色素（如H16_A121和H16_A3570）直接传递电子。这种双重机制使细胞内NADPH/NADP⁺比值提升30%，为CO₂还原和PHB合成提供了关键还原力。

关键技术包括：ZnO纳米片水热合成与表征、超声/波浪机械刺激系统、PHB气相色谱定量、NADPH/NADP⁺比值检测、活死细胞染色、电化学阻抗谱（EIS）分析、转录组测序及¹³C标记实验验证CO₂固定效率。

研究结果

ZnO-C. necator生物压电催化系统及电荷转移验证

扫描电镜显示ZnO与细菌形成紧密聚集体（图1c），压电力显微镜证实其压电响应（图1f）。电化学测试表明，机械刺激下ZnO向细菌转移电荷的效率提升，电荷转移电阻（R_ct）降低40%，光致发光猝灭现象证实电子-空穴复合减少（图1h,i）。

CO₂为原料的生物塑料生产

36小时自养培养中，超声刺激使PHB产量从282mg/L提升至896mg/L（图2a,b），波浪刺激达912mg/L，且分子量（1.2MDa）符合工业标准。¹³C标记实验证实CO₂固定效率提升2.8倍，同时单细胞蛋白产量增加80%（附图10）。

果糖为底物的异养PHB合成

96小时异养培养中，机械刺激使PHB产量从4g/L增至8.2g/L（图3a,b），对果糖转化率（Y_PHB/fructose）从22%提升至51%。关键在於NADPH/NADP⁺比值升高促进乙酰-CoA向PHB转化（图3i）。

电荷转移机制解析

ZnO导带电位（-0.53V）可驱动H₂生成（79μmol/g）或被细菌氧化（图5a）。但主要途径依赖细菌分泌的黄素（荧光峰525nm）和10kDa c型细胞色素（图5d-f），二者形成可逆氧化还原对（CV峰-0.14V和0.23V）。

这项研究开创了机械能驱动生物制造的新范式，其意义在于：1）突破自养生物过程能量限制，使PHB生产效率媲美异养系统；2）首次证实压电材料可通过非H₂途径直接调控微生物代谢；3）为利用海洋波浪、工业振动等分布式能源提供技术蓝图。正如作者指出，该策略可扩展至其他压电材料（如BaTiO₃）和微生物体系，推动碳中和目标的实现。