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。

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。

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。

一碳(C1)气体(如CO、CO₂及其与H₂组成的合成气)的资源化利用，是应对全球气候变化及构建可持续循环经济的关键路径。产乙酸菌作为一类能够通过伍德-永达尔途径(Wood-Ljungdahl pathway, WLP)高效同化C1气体的专性厌氧微生物，为生物固碳提供了一条高碳原子经济性的天然转化通道。本文系统综述了产乙酸菌在C1气体转化领域从基础研究到工业应用的最新进展。首先，本文阐释了产乙酸菌与C1气体之间的代谢耦合关系，深入解析了其利用C1底物的生化基础。在基础研究方面，重点探讨了近年来在能量守恒机制以及代谢流调控方面的突破；同时，总结了以CRISPR-Cas为代表的先进遗传操作系统的开发，以及如何利用其提升乙酸、乙醇等天然代谢产物的产量，推动产乙酸菌向生产丁醇、3-羟基丁酸(3-hydroxybutyric acid, 3-HB)等高附加值化学品的“底盘细胞”转变。最后，本文剖析了产乙酸菌气态发酵在走向工业化规模放大时所面临的气液传质受限、能量供应瓶颈等工程挑战，并对其在助力实现“双碳”目标与下一代绿色生物制造中的广阔应用前景进行了展望。

甲烷作为仅次于二氧化碳的全球第二大温室气体，是缓解气候变暖的减排重点。嗜甲烷菌凭借独特的甲烷代谢能力，在温室气体控制与低碳生物合成领域得到广泛关注，其代谢机制与生态功能探索已成为国内外研究热点。近年来，高通量组学技术的快速发展与多组学整合分析加速推动了嗜甲烷菌的研究变革，实现了从单一基因功能鉴定向系统代谢过程解析的深度演进。本文系统总结了基因组学、转录组学、蛋白质组学及代谢组学在嗜甲烷菌领域的应用进展，重点探讨了组学技术在解析好氧嗜甲烷菌碳同化通量分配、揭示厌氧甲烷氧化新型代谢路径以及破解菌群间跨界互作与电子传递机制中的决定性作用。围绕嗜甲烷菌在工业生物技术应用中面临的环境适应机理复杂、底盘细胞代谢通量失衡及气液传质效率受限等核心瓶颈，本文提出从描述性组学向功能驱动与精准干预转变，通过单细胞多组学及人工智能深度融合，构建高效的人工嗜甲烷菌细胞工厂与合成微生物组，为全球碳中和目标的实现提供创新的生物学解决方案。

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。

在全球气候变化和资源短缺的背景下，利用清洁能源驱动生物固碳技术逐渐兴起并得到广泛关注。H₂作为一种可再生的清洁能源，来源广泛且制备方式简便，可作为微生物固碳的能量和电子来源。本文综述了以氢氧化细菌(hydrogen-oxidizing bacteria, HOB)为代表的氢能驱动固碳底盘细胞的代谢基础，并对其中几种代表性菌株的研究进展进行介绍。探讨了HOB的工程改造方法，包括使能技术开发、代谢通路重构与强化策略、微生物-材料耦合等策略。此外，针对HOB现阶段存在的问题进行了探讨并提出未来发展方向。尽管当前面临一定的技术瓶颈，但随着代谢工程和系统生物学的推进，HOB将在碳循环利用和绿色生物制造中发挥重要作用。

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。

随着“碳中和”目标的提出，利用微生物将二氧化碳(CO₂)转化为高附加值化学品、燃料及生物材料已成为清洁能源与绿色化工领域的重要发展方向。单一菌株的碳转化体系虽具备较好的可控性，但实际应用中仍面临代谢负荷过重、固碳通量受限、能量与还原力供给不足、产物得率偏低及工艺放大困难等多重挑战。相比之下，合成微生物群落可通过理性设计不同功能微生物的组合，实现代谢分工、分担代谢负担、提升固碳效率、增加产物多样性，进而提升产物价值，推动CO₂固定技术的工业化落地。本文综述了当前合成微生物群落在CO₂转化体系中的应用进展，涵盖以固碳模块划分的光能驱动系统、氢能驱动系统，以及具备更高应用安全性的潜在化能系统；总结了基于合成微生物群落构建碳循环体系的核心设计原则，梳理了当前领域面临的关键挑战与未来发展方向，可为构建高效稳定的人工碳循环系统提供理论与实践参考。

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。

实现碳达峰碳中和是我国的重要目标。以甲醇、二氧化碳、甲酸等碳一(C1)化合物为原料的第三代生物制造逐渐受到关注。甲醇具有储存运输方便、还原力高、可通过CO₂氢化大规模制备等优势，被认为是理想的生物制造原料。本文聚焦天然及非天然甲醇同化路径，系统比较不同路径的优势；进一步总结天然甲醇利用微生物的甲醇代谢路径及非天然甲醇利用微生物的路径设计策略，并探讨甲醇利用过程中面临的问题。在此基础上，总结利用甲醇合成各类高附加值化学品的研究进展，进一步归纳甲醇生物转化中的关键限速点及工程改造策略。本文将为甲醇驱动的绿色生物制造提供理论支撑。

甲醇因产量大、价格低等诸多优势被视为生物制造的理想非粮原料。扭托甲基红杆菌(Methylorubrum extorquens) AM1凭借其天然的甲醇利用特性而成为该领域重要的模式底盘菌株。本文对基于M. extorquens细胞工厂的甲醇生物制造研究进展进行了综述。首先，探讨了M. extorquens AM1的甲醇代谢途径和适配的合成生物学工具。在此基础上，总结了近年来针对菌株进行代谢工程改造以实现甲醇转化为重组蛋白、可降解材料、有机酸和萜类化合物等产物的研究成果，并梳理了提升工程菌株产物合成能力的代谢工程策略。最后，阐述了M. extorquens AM1细胞工厂的构建与应用局限并提出了未来研究方向。本综述将为M. extorquens细胞工厂的开发以及基于甲醇的工业产品生产提供重要参考。

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。

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。

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。

L-苏糖醇(L-threitol)是一种重要的药物合成中间体。本课题组前期开发了以甲醛为原料的一锅两步多酶级联合成路线，该路线由甲醛裂合酶(benzoylformate decarboxylase, BFD)、D-果糖-6-磷酸醛缩酶(fructose-6-phosphate aldolase, FSA)催化甲醛生成L-赤藓酮糖(L-erythrulose)，在L-苏糖醇脱氢酶(L-threitol dehydrogenase, TDH)和甲醇脱氢酶(methanol dehydrogenase, MDH)/异丙醇辅酶循环体系的驱动下，将L-赤藓酮糖还原为L-苏糖醇。该路线具有原子经济性高、副产物少的优势，但亟需优化各酶的适配性及最佳浓度。【目的】系统优化甲醛转化为L-苏糖醇的多酶级联反应体系中各酶的用量及适配性，提升反应速率与转化率。【方法】通过对反应途径中的BFD、FSA、TDH和MDH 4个关键酶进行酶活评估，进而对酶用量、辅酶循环体系、反应时间及反应温度等进行逐步优化，有效提升了反应体系中各因素的适配性。【结果】最佳反应条件：BFD、FSA、TDH及MDH的酶用量分别为10、1、1、8 mg/mL，其中FSA、TDH用量较优化前分别降低87%和67%；辅酶NAD⁺用量为2 mmol/L，反应温度30 ℃，反应时长仅需8 h，较原体系大幅缩短了60%。在此最优条件下，L-苏糖醇产量最高达166.76 mmol/L，产率为89%。放大实验中L-苏糖醇产率仍保持在80%，较优化前提升了43%。【结论】本研究通过对多酶体系中酶的适配性及反应条件的系统优化，显著降低了甲醛转化为L-苏糖醇的关键酶用量并缩短了反应时间，同时大幅提高了L-苏糖醇的生成效率与产率，为酶法催化甲醛合成L-苏糖醇的工业化应用奠定了重要基础。

【目的】1,3-丙二醇(1,3-propanediol, PDO)是一种重要的化工单体，其生物合成主要依赖甘油或葡萄糖等碳源，存在碳原子经济性差、依赖粮食资源等问题。甲醇作为非粮可再生碳源，具有还原度高、价格低廉的优势，但现有甲醇生物转化合成PDO的效率较低，面临甲醇利用效率差、细胞毒性等瓶颈。【方法】本研究设计了一条酶-菌协同转化甲醇合成PDO的新路线：首先，采用体外多酶级联体系将甲醇转化为甘油，催化体系包含醇氧化酶(alcohol oxidase, AOX)、过氧化氢酶(catalase, CAT)、甲醛裂合酶(formaldehyde lyase, FLS)、甘油脱氢酶(glycerol dehydrogenase, GldA)及甲酸脱氢酶(formate dehydrogenase, FDH)，反应4 h后甘油浓度达63.3 mmol/L，甲醇至甘油的碳转化率为95.0%；其次，在谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)中引入甘油转运蛋白GlpF、甘油脱水酶DhaB123及其激活因子GdrAB、NADPH依赖型醇脱氢酶YqhD，构建重组菌株并建立全细胞反应体系，将生成的甘油转化为PDO。在优化条件下，甘油至PDO的碳转化率达到96.0%。【结果】为实现甲醇直接合成PDO，将上述2个过程偶联，最终PDO产量达30.4 mmol/L，甲醇至PDO的碳转化率为90.2%。【结论】本研究实现了甲醇高效转化合成PDO，为甲醇基高值化学品的绿色生物制造提供了新策略。

【目的】为突破化学合成工艺高度依赖化石资源的发展瓶颈，化解传统生物炼制“与人争粮”的矛盾，助力“碳中和”目标落地实施。本研究旨在通过代谢工程手段，开发一株能直接利用一碳气体并实现高值化合物合成的低碳制造工程菌株，实现乙酸乙酯的高效生物合成。【方法】以具有天然固碳能力的自养微生物永达尔氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)为底盘，异源表达了具有酯化活性的南极假丝酵母脂肪酶基因，打通了胞内短链前体(乙酸与乙醇)定向转化合成乙酸乙酯的酯化代谢通路。为攻克自养固碳过程中生物量低下及前体分配失衡等瓶颈，系统解析并重构了不同的营养供给发酵模式，分别在传统的异养(果糖)模式、自养(CO/CO₂)固碳模式以及“气-糖” (果糖+CO/CO₂)混养发酵体系下运行，追踪了重组菌株的生物量、代谢流分配以及目标产物合成水平。【结果】外源脂肪酶在永达尔氏梭菌中成功实现了功能性表达，有效拉动了前体向酯类产物的转化。异养发酵条件下乙酸乙酯产量为16.49 mg/L，纯自养固碳发酵条件下为9.18 mg/L，通过双碳源协同的混养发酵模式不仅能绕过碳分解代谢物阻遏效应，还实现了细胞生长与前体供给的全面强化，使乙酸乙酯的最终发酵终产量提升至36.25 mg/L，展现出较高的催化效能与靶向酯化效率。【结论】经系统性代谢改造与发酵模式重塑的工程化永达尔氏梭菌能够将工业尾气定向转化为高附加值的酯类产物，可作为未来生产高附加值产物的底盘生物之一，为合成生物学驱动的低碳生物制造拓展全新的技术边界。

【目的】针对乙醇酸生物法合成产量和转化率较低的问题，开发以乙二醇为底物的全细胞催化体系，获得乙醇酸高产菌株和高效的生物合成工艺。【方法】以乙二醇为底物，针对野生型菌株开展乙醇酸合成性能筛选；系统优化最优菌株的催化条件，提升乙醇酸的全细胞催化效率；采用紫外诱变结合乙醇酸生物传感器的高通量筛选方法选育高产菌株，并在5-L发酵罐中完成放大验证。【结果】成功筛选获得一株可利用葡萄糖生长、以乙二醇为底物通过全细胞催化合成乙醇酸的库德里亚维茨毕赤酵母；经单因素试验优化确定其全细胞催化最优条件：催化温度30 ℃，反应6 h后添加0.50 g MgCO₃调节体系pH，250 mL体系中装液量为50 mL，初始糖浓度为25 g/L，乙二醇初始浓度为20 g/L。在此条件下摇瓶催化96 h后乙醇酸产量达19.30 g/L，且该菌株对乙醇酸具有良好耐受性；通过紫外诱变结合高通量筛选获得正突变菌株GSUV-7，其乙醇酸生产强度较原始菌株提高2.90倍，在5-L发酵罐中催化106 h后，菌株GSUV-7的乙醇酸产量为117.60 g/L，转化率达100%。【结论】本研究成功获得高产乙醇酸的库德里亚维茨毕赤酵母突变株，为乙醇酸生物合成研究提供了菌株资源与新思路。