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二氧化碳生物转化是指利用生物过程或者生物方法将二氧化碳通过代谢途径转化成有机物等其他碳储存形式。以二氧化碳为原料的生物制造，可以形成高效“碳中性”的新型物质合成路线，为促进工业经济可持续增长提供新途径。迄今为止，科学家已经利用二氧化碳生物转化技术生产出了几十种化学品。二氧化碳生物转化技术可以利用多种能量直接高效将二氧化碳转化为燃料，将补充完善以生物质为基础的生物制造体系。利用二氧化碳合成聚合材料单体将颠覆传统化工材料的原料生产路线。二氧化碳生物转化产物的丰富性和可持续性必将推进二氧化碳生物转化技术走向更加广阔的发展空间。随着光合作用系统工作机理研究逐步深入，人工设计操纵生物体的能力进一步增强，生物催化与生物转化利用能力持续提升，工业生物过程工艺与系统集成手段进步，生物、化学、信息、物理交叉研究发展迅速，持续研发突破为二氧化碳创新生物转化提供新的可能。

主要国家政策布局

美国重视生物制造和生物技术在解决气候问题的重要作用，并加强相关部署。为推动实现碳中和，美国能源部、农业部、国防部、环保署、科学基金会等纷纷加强对生物相关技术部署，如生物燃料、生物质利用与生物基产品精炼等。2023年3月，美国白宫科技政策办公室（OSTP）发布报告《美国生物技术和生物制造的宏大目标（Bold Goals for U.S. Biotechnology and Biomanufacturing）》，强调生物技术和生物制造能够在减少温室气体排放、增加碳封存能力方面发挥卓越贡献，提出生物技术与生物制造研发要扩大可再生原料的可用性、生产更具可持续性的航空燃料和开发其他战略燃料；开发低碳密度的产品路径和促进原料的循环经济，寻求化学品和材料生产的可替代工艺；通过景观规模的碳封存和管理技术来提升大气中的整体二氧化碳去除率。

欧盟强调生物固碳生产高值化学品，促进循环生物经济增长。早在2015年欧盟发布的《欧洲工业生物技术繁荣发展路线图》就将二氧化碳生物转化利用列为前景技术；欧洲生物燃料技术平台与零排放平台合作发展Bio-CCU；第七框架和地平线2020计划部署二氧化碳生物循环利用技术；2021年欧盟投4400万欧元启动PYROCO2创新项目，侧重利用生物技术方法将工业二氧化碳转化为化学构建块，建设设施每年捕获10000吨工业二氧化碳；2022年欧盟在“创新基金”框架下启动1.5亿欧元大型气候转型创新项目开发，建设首个大型商用生物质能结合碳捕集与封存（BECCS）设施建设。

英国将二氧化碳生物转化视为重点关注的前沿发展领域。2021年，英国明确制定净零研究与创新框架，强调发展生物能源和BECCS技术；2023年8月，《2023年生物质战略》提出扩大农林生产，满足生物能源需求，加强生物质的可持续性。英国工程与自然科学研究理事会将二氧化碳生物转化利用确定为影响未来发展的重大科学问题，专门制定计划与路线图。英国生物技术与生物科学研究理事会将合成生物学研究作为长期重点资助方向。英国商业、能源与产业战略部（BEIS）重点关注开发生物质能等绿色技术，通过“直接空气捕获和温室气体去除技术竞赛”等项目积极推动二氧化碳生物转化技术研发及其产业化进程。

日本以生物技术为抓手迈向未来100年的去碳化社会。《2020生物战略》强调促进生物技术产业发展和国际竞争力提升。2023年3月，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）在“绿色创新基金”（Green Innovation Fund Project）框架下，投入1767亿日元启动“通过生物制造技术促进以二氧化碳为直接原料的碳循环”（Carbon Recycling Using CO2 as Direct Raw Material through Biomanufacturing Technology）项目，支持二氧化碳固定微生物利用平台的构建；以二氧化碳为原料的微生物制造技术开发和实证；以二氧化碳为原料生产高价值化学品的生物制造技术开发；利用氢细菌开发以CO和H2为原料的创新制造技术；利用二氧化碳直接合成聚合物的微生物技术开发；基于光合作用的二氧化碳直接利用技术。

研发取得重要突破

不断挖掘和优化菌株，提高固碳效能，扩展产品种类。2022年美国西北大学和LanzaTech研究者成功通过工程改造乙醇梭菌利用工业废气生产丙酮和异丙醇，达到工业中试规模[1]；2022年奥地利工业生物技术中心研究者将乳酸和衣康酸的合成途径整合到工业酵母，改造底盘菌株以CO2作为唯一的碳源可生产高达2 g L−1的衣康酸[2]；2023年上海交通大学研究者设计蓝细菌将碳封存模块和休止细胞催化模块连接，实现二氧化碳到十余种高附加值产品的高效合成[3]。

深入解析二氧化碳代谢路径，融合电学、化学和物理学技术优化生物固碳循环。2022年德国菲利普斯大学研究者解析依赖氢的二氧化碳还原酶（HDCR）结构，设计高效捕获二氧化碳的纳米结构[4]；2023年西湖大学研究者整合化学和生物催化固碳路线（ICE-CAP），从甲醇和二氧化碳高效合成甘氨酸、丝氨酸和丙酮酸，创史上最高固碳速率（67.8 nmol/min/mg）[5]；2023年韩国科学技术高等研究院研究者结合二氧化碳电解与微生物发酵从气态二氧化碳生产聚-3-羟基丁酸酯（PHB），生产率较之前提高两个数量级[6]。

利用合成生物学重新设计构建二氧化碳转化路径。2020年德国马普学会陆地微生物研究所和法国波尔多大学研究者开发Cetch循环固碳生产有机分子，耦合叶绿体膜构建自动化组装平台，根据需求添加酶来制备不同物质[7]；2022年和2023年中国科学院天津工业生物技术研究所研究者将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成C1，设计C1聚合新酶将C1聚合成C3，优化生物途径将C3聚合成C6，以高于自然效率在国际上率先合成淀粉[8]和己糖[9]；2022年台湾中央研究院生物化学研究所研究者开发无细胞二氧化碳固定系统，利用还原乙醛酸和丙酮酸合成（reductive glyoxylate and pyruvate synthesis，rGPS）循环和苹果酰-COA-甘油酸（malyl-COA-glycerate，MCG）途径，从二氧化碳生产乙酰辅酶A（acetyl-COenzyme A，COA）、丙酮酸和苹果酸[10]。

产业化进程加速

虽然二氧化碳生物转化研究已经取得诸多突破，但产业化还处于起步阶段，不断有新创企业加入赛道，目前开展二氧化碳生物转化的公司主要包括三类：老牌生物科技公司、藻类生物制造公司和专注于微生物/酶转化的新创企业。生物制药公司诺和诺德成立跨学科的二氧化碳研究中心，重点关注微生物和电化学将二氧化碳转化为燃料和塑料；生物质能发电公司Drax投资约4000万英镑启动生物能源与BECCS项目。藻类生长速度快，吸收二氧化碳合成有机物，是生物制造的优质宿主，Algenol Biofuels、TerraVia、Sapphire Energy、Blue Marble和Euglena等藻类生物制造公司已经能够生产包括燃料、化学品、材料、食品、药品在内的各种生物产品，产能扩大和提高能效是藻类生物制造的发展方向。

目前全球专门从事微生物/酶转化的公司有十余家（表1），实现量产的有LanzaTech、首钢朗泽、巨鹏生物、Arkeon Bio以及Solar Foods等。新西兰LanzaTech是二氧化碳生物转化行业领先者，采用来自兔肠道的Clostridium autoethanogenum（产乙醇梭菌）菌种生产乙醇和微生物蛋白等。通过技术授权和合作开发的模式，2018年LanzaTech与首钢集团京唐钢铁厂合作，在中国河北省曹妃甸建立了世界上第一座商业废气乙醇工厂，随后又在中国建立了两大商业废气乙醇工厂，总共年产燃料乙醇超过4700万加仑，相当于抵消了超过24万吨的二氧化碳排放到大气中。此外LanzaTech在全球还有14个在建工厂，其中12个是商业生产工厂，2个是示范工厂。

表1 二氧化碳生物转化代表性企业

总结与展望

二氧化碳作为下一代生物制造原料，其高效转化和利用对于推动全球低碳、绿色、可持续的发展具有重要意义，也是实现碳中和目标的重要途径之一。美国、欧盟、英国、日本等主要国家和地区都陆续出台了负碳生物制造相关战略政策，以构建绿色低碳循环的工业新体系。

近年来，全球生物科技研究者在二氧化碳生物转化科研研究和技术开发上面都取得了丰硕的成果，进行了天然菌种及代谢路径探究、微生物代谢工程改造及创新产品研发、遗传操作工具和重组系统构建、模式生物异源表达和发酵设备工艺改进等，为实现碳中和目标提供技术支撑。未来研究需要继续深入开展生物固碳能量转换基本规律研究以提升能量转化能力，通过设计合成固碳元件、耦合利用化能/光能/电能等非生物能、优化细胞代谢网络，构建光-酶与电-酶协同催化、细菌/酶和无机/有机材料等复合二氧化碳转化系统，开发配套固、液、气三相混合生物发酵工艺，打通二氧化碳原料到淀粉、蛋白质、化工醇、有机酸等的高效人工合成路线，实现二氧化碳规模化生物化工利用，助力完成全球碳中和目标。

二氧化碳生物转化技术产业化还处于起步阶段。利用藻类生产燃料和食品的生物技术商业化程度高，藻类培养的可扩展性、操作稳定性和成本控制是其商业化挑战。气体发酵技术产品相对较少，菌种生产效率和生产成本是产业化瓶颈。政府和产业界需要进一步增加激励措施，鼓励生物科技企业继续探索更多品类的高价值化学品商业化，优化生产发酵工艺降低产品成本，实现更多石油基产品部分和完全替代；构建生物制造基础设施，并为其配备必要的资源和设施，支持新型生物产品从原型生产走向中试生产。同时要建立更加清晰透明的审查和批准流程，解决新型交叉生物产品面临的监管不确定性。