作者：Weiqiang Zhang, Mingfang Zhou, Xinyu Tian, Biqiang Chen*, Kai Wang*, Yanhui Liu*

01 论文信息

论文信息

Weiqiang Zhang, Mingfang Zhou, Xinyu Tian, Biqiang Chen, Kai Wang and Yanhui Liu. Towards a green future: advances in biological carbon fixation strategies[J].Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.10.007

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Towards a Green Future: Advances in Biological Carbon Fixation Strategies

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Green Carbon文章 | 迈向绿色未来——生物固碳策略进展

02 背景简介

2024年，大气中二氧化碳浓度已达到422.45 ppm，较工业化前水平上升了52%。全球碳排放量高达36.3 Gt CO₂，且仍呈持续增长态势。由过量碳排放引发的生态问题，如全球变暖、极端天气频发及生态系统退化，迄今尚未得到有效解决。碳排放的持续攀升进一步凸显了应对气候变化的紧迫性，亟需开发创新的固碳策略。作为一种环境友好且具备经济潜力的途径，生物固碳被视为一项具有前景的解决方案。

来自北京化工大学绿色生物制造全国重点实验室的刘艳辉、王凯等人于Green Carbon发表题为“Towards a green future: advances in biological carbon fixation strategies”综述论文，系统回顾了生物固碳策略的研究进展。文章重点阐述了自然、人工及耦合固碳途径的优化手段，并探讨了人工智能在酶工程优化、代谢途径设计以及工业规模生物反应器系统开发等方面的变革性潜力。

03 文章简介

自然固碳途径

生物固碳技术通过不同途径将CO₂转化为有机化合物，并在减缓气候变化和促进绿色经济方面发挥着至关重要的作用。文章主要论述了三大主要的固碳途径——自然固碳途径、人工固碳途径以及耦合固碳系统。

自然碳固定途径依赖于植物、藻类和细菌等生物体内的酶系统捕获CO₂，并将其转化为有机化合物。尽管这些途径在自然界中发挥着关键作用，但其效率和稳定性在工业规模应用中仍面临诸多挑战。以Calvin–Benson–Bassham（CBB）循环中的关键酶 Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase（RuBisCO）为例，尽管它是CO₂固定的核心催化剂，但由于其对氧气敏感，容易引发光呼吸作用，从而显著降低固碳效率。为应对这些问题，近年来研究重点集中于优化RuBisCO的基因表达、设计更高活性的酶变体，并借助代谢工程手段提升CBB循环的整体性能。除CBB循环外，Wood–Ljungdahl（WL）途径和reverse tricarboxylic acid（rTCA）循环等其他天然固碳路径也在开展类似的酶工程改造，尤其致力于改善其氧敏感性和能量利用效率，以增强其在极端环境中的适用性。

文章系统梳理了不同天然固碳途径的特性，并指出它们在工业应用中普遍存在的瓶颈，如酶催化效率不足和氧敏感性等问题。因此，如何对这些自然系统进行有效优化已成为当前研究的重点方向。通过代谢工程与基因编辑技术的结合，有望进一步提升天然固碳途径的效率和鲁棒性，为其规模化应用奠定基础。

图1. 天然固碳途径(a) Calvin–Benson–Bassham cycle; (b) Wood–Ljungdahl pathway; (c) 3-Hydroxypropionate cycle; (d) reverse–tricarboxylic–acid cycle; (e) Dicarboxylate/4-hydroxybutyrate cycle and the 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle

人工固碳途径

与天然碳固定途径不同，人工碳固定途径借助合成生物学方法，通过设计与优化新型酶或代谢路径以提升CO₂固定效率。这类途径通常融合天然酶与人工合成酶，并通过修饰酶的活性位点或调整其催化机制，增强对CO₂的亲和力。例如，人工开发出的甲醛裂解酶可高效催化甲醛转化为高附加值化学品，为CO₂资源化利用提供了新思路。此外，通过多酶协同策略，可以构建新型碳固定循环，如Crotonyl-CoA/Ethylmalonyl-CoA/Hydroxybutyryl-CoA循环（CETCH循环）。该路径基于还原反应驱动，能够在较低能量输入条件下实现CO₂的高效固定。

人工碳固定途径的优势在于其高效性与高度可控性，使其在高价值产品（如合成燃料和特种化学品）的制备中展现出广阔的应用前景。文章系统总结了当前最新的人工固碳路径，并展望了未来研究方向，主要包括以下方面：结合高通量筛选与机器学习引导的羧化酶工程技术，提升催化速率、稳定性及底物特异性；利用宏基因组学与酶数据库资源，发掘对CO₂具有高亲和力及良好耐氧性的羧化酶；推进宿主细胞的系统性工程化改造，优化辅因子生物合成、电子供体与还原力循环、ATP再生及底物摄取等关键细胞过程；发展经济可行的体外固碳系统，如固定化酶阵列、纳米支架生物膜或人工膜结构，充分利用人工路径在催化速率、低副产物生成、宿主兼容性及过程调控等方面的优势，为实现工业级放大应用奠定基础。

图2. 人工固碳途径(a) The CETCH cycle; (b) The pyruvate carboxylase/oxaloacetate acetylhydrolase/acetate-CoA ligase/and pyruvate synthase cycle cycle; (c) The reductive tricarboxylic acid branch/4-hydroxybutyryl-CoA/ethylmalonyl-CoA/acetyl-CoA cycle; (d) The integrated chemoenzymatic CO₂ to amino-acid pathway; (e) The artificial starch anabolic pathway; (f) The malonyl-CoA-oxaloacetate-glyoxylate pathway; (g) A synthetic malyl-CoA-glycerate pathway; (h) The reductive glyoxylate and pyruvate synthesis and the malyl-CoA-glycerate cycle; (i) A synthetic acetyl-CoA pathway

耦合固碳系统

耦合固碳系统通过结合生物催化与外部能源（如光能或电能）来提高碳固定效率。这些系统通常利用光催化或电催化技术为碳固定提供所需的能源，从而克服传统生物催化途径在能量利用和转化效率方面的瓶颈。例如，光催化与酶催化结合的系统，通过光照激发电子，驱动酶催化反应来进行CO₂转化。近年来，研究人员设计了人工类囊体等新型结构，将光催化和酶催化过程分隔开，从而提高了反应的稳定性和效率。此外，电催化与生物催化结合的系统也取得了显著进展。通过选择合适的电极材料等途径，研究人员可以利用电能为生物催化反应提供电子，从而有效提升CO₂的转化效率。这些耦合系统的优势在于能够利用可再生能源（如太阳能或电力）为碳固定提供动力，显著提高了转化效率，尤其是在废气回收和绿色化学品生产中具有巨大的应用潜力。

图3. 光酶耦合固碳体系

总结与展望

生物碳固定技术的大规模工业应用仍面临诸多挑战。扩大应用规模的主要障碍包括高昂的运营成本、与现有工业设施的兼容性问题，以及如何从多样化排放源中高效捕获二氧化碳。应对这些挑战，不仅需要持续的技术创新，还需全面评估不同固碳策略在经济与环境方面的综合效益。将工业过程所产生的废弃CO₂作为原料加以利用，有望显著降低生物固碳系统的运行成本，并推动循环碳经济的发展。

人工智能技术为应对上述挑战提供了变革潜力。AI能够加速高效酶的设计与发现，优化代谢通路，并借助机器学习算法预测工程化系统在复杂环境下的行为表现。此外，AI还在生物反应器的实时监测与自适应控制中发挥关键作用，从而保障大规模固碳过程的性能稳定与成本效益。结合高通量筛选、分子模拟和合成生物学工具，人工智能将推动高效固碳系统的快速构建，加速其商业化进程。

未来，生物碳固定技术将在多个关键方向持续发展，包括：优化酶系统，提升其催化效率与对CO₂的亲和力；开发融合生物、电化学与光化学方法的集成混合系统，以实现更高效的CO₂转化；深化人工智能与机器学习在代谢工程和系统优化中的应用；推进该技术在工业场景中的规模化部署，特别是利用工业废CO₂流作为可持续原料。

总之，生物碳固定技术有望通过高效、可扩展且可持续的碳捕获方式，为缓解全球气候危机作出重要贡献。借助酶工程、混合系统与人工智能等跨学科研究与技术创新的协同推动，该技术将成为实现碳中和与绿色循环经济的关键路径。未来的研究工作应致力于突破现有技术瓶颈，推动生物固碳走向工业化应用，这些进展对于应对气候变化和实现长期环境可持续性目标具有重要意义。

04 作者简介

刘艳辉 副教授

刘艳辉，现任北京化工大学生命科学与技术学院党委副书记，副教授，硕士生导师。2015年毕业于北京化工大学获得工学博士学位。主要研究方向为高附加值化合物的生物制造。以第一作者或通讯作者在Journal of Agricultural and Food Chemistry、Chemical Communications等学术刊物上发表论文十余篇，国家发明专利授权1项。承担国家自然科学基金1项，国家重点研发计划项目2项，国家科技重大专项项目1项。

王凯 博士后

王凯，北京化工大学本硕博，博士后，师从谭天伟教授，瑞典查尔姆斯理工大学访问学者，英国帝国理工学院博士后（合作导师Rodrigo Ledesma Amaro教授），研究领域为微生物代谢工程实现低碳化合物高效转化，在CO₂、甲酸的微生物代谢调控及高附加值产品的生物合成等方面取得了系列研究成果。累计发表论文20余篇，含Nature Catalysis、Green Energy & Environment、Renewable Energy等期刊，申请国家发明专利5项，授权4项。入选北京化工大学“博学”青年，Green Carbon、Exploration青年编委；获北京化工大学优秀博士后、北京市普通高等学校优秀毕业生等荣誉；主持国家重点研发计划1项（子课题负责人），国自然科学基金1项，中国博士后科学基金3项，国家资助博士后研究人员计划1项，并以课题骨干身份参与国家自然科学基金区域创新发展联合基金1项，参与中国工程院咨询研究项目1项，国家重点研发计划3项、国际合作项目1项。

05 Green Carbon

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