在全球碳减排与“碳中和”目标背景下，微生物固碳酶因其高效、低能耗、可产高值化学品的独特优势成为生物固碳技术的核心研究前沿。本文系统综述了天然与人工固碳酶的分类、结构特征、催化机制及调控网络，重点分析了核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase, RuBisCO)、碳酸酐酶(carbonic anhydrase, CA)、甲醛缩合酶(formolase, FLS)、一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合成酶复合体(carbon monoxide dehydrogenase/acetyl-CoA synthase, CODH/ACS)等固碳酶在固碳过程中的作用与动力学调控。从结构生物学视角出发，探讨了静态结构与动态构象变化对催化效率的决定性作用。在此基础上，综述了理性设计、定向进化、高通量筛选及人工智能(artificial intelligence, AI)辅助预测等蛋白质工程策略在固碳酶改造中的应用进展，并介绍了Greenase等专用数据库在酶挖掘与路径重构中的支撑作用。通过RuBisCO、CA、FLS及多酶级联系统等典型案例，展示了从单酶优化到体系集成的工程化路径。最后，展望了动态催化机制模拟、体内适配性工程、从头酶设计与电/光-酶耦合系统等未来发展方向，为构建高效、稳定、工业适配的新型生物固碳技术提供理论参考。

微生物碳捕集与利用技术作为碳捕集利用与封存技术的重要分支，正成为连接“碳中和”与“可持续生物经济”的关键桥梁。本文系统梳理了CO₂合成淀粉、蛋白、微藻生物质、乙醇4条技术路径的研究进展，并以乙醇为典型案例开展碳足迹和经济评估分析。研究发现：微生物碳捕集与利用技术的减碳潜力取决于能量供给方式与产品价值定位；合成生物学与电催化技术的深度融合正在重塑碳利用的经济性边界。研究可为技术路线选择、研发投入决策与政策制定提供参考依据。

单细胞蛋白(single-cell protein, SCP)作为一种高效、可持续的蛋白质来源，在缓解传统农业资源约束和降低食品制造碳足迹方面展现出重要潜力。二氧化碳、甲醇、乙酸等低碳C1/C2底物具有来源广泛、成本低廉、碳足迹小等优势，但其同化效率与蛋白高效积累仍受限于底盘细胞适配性不足、代谢通量分配失衡以及能量供给效率低下等关键瓶颈。近年来，围绕C1/C2底物的高效生物转化，研究者已在微生物底盘的挖掘、评价与理性改造方面取得显著进展，并通过代谢工程、合成生物学及实验室适应进化等手段，持续提升菌株对C1/C2底物的耐受性、同化效率及胞内蛋白质积累能力。在此基础上，多种基于C1/C2底物的SCP生产工艺正逐步向中试及规模化应用推进。本文系统综述了C1/C2底物高效利用底盘细胞的构建策略、代谢工程驱动SCP高效生产的关键技术，以及不同C1/C2底物生产SCP的技术发展与产业化现状，并进一步探讨了能量效率、营养品质、安全性及规模化放大等方面面临的挑战，以期为C1/C2底物生产SCP的可持续发展与工业应用提供理论依据与技术参考。

在“碳中和”目标指引下，提升微生物细胞工厂的碳原子利用经济性已成为新时期绿色生物制造领域的核心科学问题与关键技术需求。传统发酵工艺虽具备成熟的工业应用基础，但受限于中心碳代谢途径中氧化脱羧反应导致的碳损失，原料碳利用效率难以实现根本性突破，制约了生物制造产业的绿色化与高质量发展。多碳源耦合发酵通过理性整合糖类有机底物与甲酸、甲醇、合成气等C1碳源及乙酸等C2碳源，构建碳架互补、能量协同、还原力平衡的混合营养代谢体系，为突破传统生物发酵的碳得率理论瓶颈提供技术路径。本文系统综述了合成生物学技术驱动下多碳源耦合发酵领域的研究进展，重点阐释有机底物与C1/C2化合物及工业尾气等典型耦合体系的代谢途径重构与调控机制，梳理了该技术在合成燃料、生物基材料和高附加值天然产物合成中的应用实例与研究现状，并讨论了其在碳捕获利用与生物制造高值化融合发展中的工业化前景，以期为面向碳中和的高效生物制造技术创新提供理论参考与思路借鉴。

面对碳预算收紧与地缘资源博弈的双重压力，传统制造业的发展遭遇多重瓶颈，亟需向可持续发展模式转型。微生物气体发酵技术利用工业尾气、气化合成气以及天然气等原料，生产绿色生物燃料、精细化学品以及微生物蛋白等多元化产品，兼具碳利用率高、反应条件温和、环境友好等优势，是实现温室气体资源化利用与减排的关键技术。本文系统综述微生物气体发酵技术的研究与产业化进展，首先分析比较3代生物质发酵原料的应用特性与局限性，阐明微生物气体发酵的技术优势；其次总结不同气体发酵微生物的核心代谢途径、生长偏好与产物合成特征；从商业化规模的角度全面梳理原料气预处理、气液传质、多级连续发酵、原位产物回收等核心工艺的技术要点、关键限制因素及其对发酵过程的影响；同时聚焦国内外产业化案例，详细剖析不同企业的核心菌种特性、代表性技术路线和产品结构。最后，针对当前工业化气体发酵产业存在的技术短板和发展需求，展望未来发展方向，主要包括菌种性能改良、发酵设备升级、过程控制智能化和经济效益提升等方面，旨在为微生物气体发酵技术的规模化、产业化落地提供理论参考与技术支撑。

将CO₂高效转化为燃料与化学品是实现可持续生物制造的重要路径，微生物细胞工厂在其中具有广阔应用前景。然而，尽管固碳途径设计与碳流重构不断进展，体系性能仍主要受限于能量供给与利用效率，其根本在于能量代谢与碳固定之间在能量载体形式[ATP、NAD(P)H及低电势电子]、供给比例及氧化还原电势上的系统性失配，从而限制碳通量与能量利用效率。本文从能量-碳流耦合视角出发，提出能量转化链条框架，将固碳过程统一为能量输入、电子传递与碳同化过程的级联网络，并建立涵盖能量输入效率(energy input efficiency, EE)、电子利用效率(redox/electron utilization efficiency, RE)及能量-碳转化效率(energy-to-carbon conversion efficiency, ECE)的定量评价体系。结合实验测量与代谢建模，系统解析能量载体分布与电子流动特征，识别出关键瓶颈，包括能量输入通量、电子传递损耗、辅因子失配及反应网络效率等。在工程层面，进一步总结底盘宿主选择、外源供能模块构建及内源能量网络重构等策略，并提出多尺度能量-碳流协同设计框架，实现能量供给与固碳需求的精准匹配。总体而言，本综述从系统层面重塑能量在固碳工程中的核心地位，为构建高效、稳定的CO₂生物转化体系提供了理论基础与工程路径。

在全球气候变化与能源安全背景下，发展高效二氧化碳利用技术已成为实现“双碳”目标的核心。光合生物制造以光合自养生物为底盘，直接将太阳能和二氧化碳转化为生物燃料和生物基化学品，能够同步实现固碳减排和绿色合成，是面向碳中和的关键性技术之一。蓝细菌因其高效的光合能力、清晰的遗传背景与成熟的操作体系成为极具潜力的光合细胞底盘。为推进其规模化应用，亟需开发高效蓝细菌光驱固碳细胞工厂。本文从光合固碳效率提升与碳流向目标产物精准定向2个维度系统综述相关研究进展。在光合固碳方面重点探讨内源途径优化、外部材料赋能及底盘挖掘重塑等策略，以构建高效、稳定的光合固碳系统。在碳流定向与产物合成方面围绕单菌株代谢工程和多菌株模块化协同分析碳资源精准导向及复杂产物高效合成的实现路径。最后，本文展望该领域未来发展方向，为蓝细菌光驱固碳细胞工厂的系统构建提供理论参考与技术路径，助力碳中和目标的实现。

一碳化合物(CO₂、甲醇和甲酸等)被认为是未来可持续生物制造的重要原料。多样的天然固碳途径(如卡尔文循环、还原性三羧酸循环及伍德-永达尔途径等)已被系统研究，但其在能量效率、固碳速率等方面的局限性凸显，阻碍了高效一碳生物制造体系的构建与应用，推动了人工一碳同化途径的快速发展。近年来，研究者针对CO₂、甲醇和甲酸等一碳化合物设计了多种人工同化途径，并在体外和体内开展了功能验证，为构建高效的一碳生物制造体系提供了新的技术路径。本文系统综述了以CO₂、甲醇和甲酸为底物的人工一碳同化途径的研究进展，重点介绍了一碳同化途径的设计、关键酶元件的创制改造，以及人工途径在微生物底盘中的构建与应用。此外，本文还展望了人工固碳领域的发展方向，为构建高效、可持续的一碳生物制造体系提供参考与启示。

微生物固碳是实现“双碳”目标的重要负排放技术，也是下一代生物制造的主要原料来源。然而，目前发现的天然固碳途径普遍存在固碳速率慢、反应条件苛刻、异源重构困难等问题。近年来，科学家设计构建了多条人工固碳途径，为创建高效微生物固碳体系奠定了基础。本文系统回顾了自然界发现的天然固碳途径，重点阐述了合成生物学在天然途径改造与人工途径创建方面的研究进展。此外，本文总结了能量供给强化策略在微生物固碳中的最新实践，最后讨论了效率瓶颈与优化策略，为创制高效微生物固碳体系、实现人工生物固碳技术的实际应用提供科学依据和新的思路。