最新刊期
2026年第7卷第3期
一碳合成生物学
特约编辑：谭天伟，李寅，周雍进，费强
序
- 摘要：一碳生物技术正经历从“发现自然”到“重构自然”的范式跃迁，其战略价值正在被重新定义——它不再是生物制造的远期选项，而是重塑碳基工业的底层逻辑、实现碳中和目标的重要路径。中国拥有全球最丰富的一碳生物技术应用场景和最迫切的产业需求，但“根技术”依赖仍是最大短板。本文提出，中国应超越“局部突破”的传统思维，转向创新范式、产业生态、人才生态与话语体系的“系统重构”，以战略定力抓住全球绿色工业革命的历史机遇，在碳基未来新格局中占据主动。关键词：一碳生物技术;范式跃迁;系统重构;碳中和;工业根基417|212|0更新时间：2026-07-03
观点
- 摘要：一碳化合物（C1，包括CO2、CO、甲烷、甲醇及甲酸等）作为重要的含碳资源，凭借其来源广泛、经济及可再生特性，已成为生物制造领域的新型战略原料。近年来，合成生物学与代谢工程技术的突破性进展显著推动了C1化合物的生物转化路径创新，为碳中和目标下的绿色生物制造开辟了新范式。本文聚焦天然C1利用微生物的代谢网络优化、非天然C1利用途径的开发以及人工合成甲基营养菌的理性设计，系统比较评估了不同微生物底盘在C1生物转化中的应用潜力及关键C1同化途径的代谢特征，并综述了2022—2025年间该领域的前沿策略与技术成果。进一步对比分析了甲基营养菌的应用领域，探讨了各类宿主在产物合成中的适配性，探讨了当前存在的生物固碳效率低、人工固碳途径在体内难以高效运行、毒性中间体限制甲醇同化、人工甲基营养菌生长缓慢等难题。在此基础上，进一步讨论了实验室进化、酶工程、人工途径设计等多种手段协同提升C1利用效率的潜力。最后，展望了人工智能在C1生物制造领域发展中的重要驱动作用，主要包括其在基因编辑、底盘细胞优化、酶工程与蛋白质设计以及DBTL循环加速等方面的应用潜力，以期为C1驱动的可持续生物经济体系构建提供理论支撑。关键词：一碳化合物;甲基营养型;合成生物学;代谢工程;绿色生物制造334|225|0更新时间：2026-07-03
- 摘要：微生物电合成（microbial electrosynthesis， MES）是一项具有广阔前景的技术，主要依赖微生物通过阴极提供的电子将二氧化碳转化为增值化学品。然而，目前对MES的机制分析以及不同底物的一碳转化利用尚存在一定的局限性。因此，研究不同类型的MES装置，并根据其特性提供适宜的底物一碳生物转化路径至关重要。此外，各类MES装置及其基本原理也会影响纳米材料的选择与其强化机制。本文通过对不同MES装置及其核心基本原理的分析，探讨了不同生物一碳转化路径的优缺点，同时研究了纳米材料在MES过程中的强化机制，以期提高MES的效率，因为纳米颗粒在电子转移中对功能基因的表达起着重要作用。尽管MES目前仍处于初步开发阶段，其法拉第效率、底物转化路径及产物合成效率相对较低，但依然是未来最具潜力的二氧化碳转化技术，对推动低碳未来的可持续生物技术战略具有重要意义。关键词：微生物电合成;CO2固定;电子传递;纳米生物技术;生物合成212|155|0更新时间：2026-07-03
- 摘要：随着全球气候变化问题的日益加剧，开发高效、可持续的CO2转化技术已成为国际研究的前沿课题。特别是将CO2升级转化为具有高附加值的长链碳氢化合物（C3及以上）不仅有助于缓解温室效应，还为实现碳中和和构建循环经济体系提供了新路径。在众多技术路线中，电催化与生物催化因其温和的反应条件、良好的可控性和可模块化集成特性，展现出广阔的发展前景。然而，两者在独立应用中分别存在产物选择性差、固碳效率低或系统稳定性不足等瓶颈问题。近年来，电催化与微生物催化的协同耦合策略逐渐成为研究热点。该策略利用电能为微生物固碳过程提供能量和还原力，或通过电催化将CO2还原为C1/C2中间产物（如CO、甲酸、乙酸等），进一步作为碳源被特定微生物利用，通过代谢途径高选择性合成丁醇、己酸、烯烃等多碳产物，实现对CO2的深度转化和资源化利用。根据电化学系统与生物系统在时间、空间及能量耦合方式的不同，该类系统可划分为电-菌原位耦合系统与电-菌异位耦合系统两大类。本文系统梳理了当前电-微生物细胞协同固碳转化合成化学品领域的研究进展，重点分析了不同耦合模式在产物分布调控、电子传递机制、界面构建策略及系统稳定性等方面的技术关键与科学挑战。进一步结合合成生物学、材料科学与反应工程的交叉融合趋势，提出了未来该领域在精准调控、高通量筛选与系统集成等方向的发展前景。本综述为推动电-微生物协同固碳转化技术的深入研究与实际应用提供了重要参考与理论支撑。关键词：电催化;微生物;耦合系统;CO2固定;微生物电合成;胞外电子传递300|211|0更新时间：2026-07-03
- 摘要：一碳化合物（CO₂、甲烷、甲醇等）的生物转化是实现绿色生物制造的重要途径，但其效率受限于气相底物捕获困难、生物催化剂稳定性不足及辅因子再生成本高、操作复杂等问题。功能框架材料［金属有机框架（MOF）、共价有机框架（COF）和氢键有机框架（HOF）等］凭借其高比表面积、可调孔道结构和多功能特性，为解决上述挑战提供了新思路。本文系统综述了功能框架材料在一碳生物转化中的最新研究进展：①作为酶固定化载体，显著提升催化稳定性与效率；②构建级联催化体系；③开发框架材料基人工酶；④协同微生物催化。然而，功能框架材料在一碳生物转化中应用面临固定化酶种类受限及传质阻力、天然微生物和酶效率低、规模化成本高及工业化适配性亟待突破等挑战。未来需重点优化定向固定化策略以减少传质限制；利用合成生物学改造微生物和酶；开发低成本、可大量制备的框架材料，突破规模化生产与工业适配性瓶颈，并评估全生命周期环境影响。功能框架材料与生物催化的深度融合将为一碳资源的高值化利用提供变革性技术支撑。关键词：一碳转化;生物催化;金属有机框架;共价有机框架;氢键有机框架129|136|0更新时间：2026-07-03
- 摘要：为推进绿色低碳生物经济发展，基于生物体（工业菌种或工业酶）的低碳生物合成技术由于在温室气体等低碳原料转化和利用中展现出的巨大应用潜力而广受关注。目前，低碳原料的生物转化过程仍面临能量利用效率低、转化速率慢等问题，这已成为制约其广泛应用的主要瓶颈之一。生物体与材料的杂化体系能够通过利用光能或电能等可再生能源驱动微生物细胞或工业酶将低碳原料转化为目标产物，这为低碳生物制造领域的发展提供了新的路径。本文基于可再生能源驱动生物体转化低碳原料的新兴技术，探讨了通过光催化材料或电极材料从可再生能源中捕获能量的相关技术进展。然后结合光/电驱动的生物体-材料杂化体系在转化温室气体原料合成各类化学品中的应用实例，深入分析了在不同材料和电子传递机制下，杂化体系对能量供给、底物转化和耗能产物合成等效率的影响作用和最新研究进展。最后，针对杂化体系在化学品低碳合成过程中遇到的挑战，提出了具有可行性的进一步解决方案及应用前景，为“双碳”目标的实现提供了技术支撑。关键词：生物体-材料杂化体系;生物催化;低碳合成;可再生能源;还原力供给107|65|0更新时间：2026-07-03
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合成气发酵装备、工艺及商业化进展研究 封面论文
摘要：在全球气候变暖日益加剧的背景下，探索并实施有效的碳减排策略，已成为应对这一全球性挑战的当务之急。合成气发酵技术作为一种减少温室气体排放、回收工业尾气并生产可再生燃料和化学品的绿色低碳技术，在全球气候缓解和循环经济转型中发挥着重要作用。工业菌种被认为是生物发酵的“芯片”，而在合成气发酵技术转化落地过程中，新装备、新工艺的开发同样重要。本文综述了在合成气发酵领域菌种端和工业应用端重要装备的研究进展，总结了包括原料气净化处理、气体发酵、产物分离提取等工艺在内的全流程合成气发酵集成技术的发展和面临的挑战，系统梳理了合成气发酵商业化项目的发展脉络，指出技术的工程转化与推广不仅要求技术上的革新突破，更需要前瞻的商业布局以及政策的支持，为合成气发酵技术的发展和商业化项目复制推广提供重要参考。关键词：合成气发酵;高通量技术;反应器;工艺集成;商业化148|106|0更新时间：2026-07-03 - 摘要：在生物制造与绿色化工领域，利用微生物细胞工厂将富含CO2等一碳组分的工业尾气转化为高附加值生物产品，已成为实现“碳减排”与“资源循环”双重目标的前沿技术方向。以食气梭菌为代表的化能自养型微生物，凭借其独特的一碳气体同化代谢能力在这一领域展现出显著的技术优势与产业化应用潜力。自产醇梭菌（Clostridium autoethanogenum）、永达尔梭菌（Clostridium ljungdahlii）等典型食气梭菌，因具备固碳效率高、代谢可塑性强、底物适应性广等特点，已成为当前气体发酵研究与工业应用中的核心底盘菌株。基于此类菌株构建的气体发酵平台技术，为钢铁、化工等行业排放的CO、CO2等一碳废气提供了高效、绿色、可持续的资源化转化路径，对我国实现“双碳”战略目标具有重要的推动作用与可观的商业前景。本文围绕工业气体转化的实际应用需求，对一碳气体生物转化相关的化能自养底盘菌进行了系统比较，并重点聚焦于最适合工业尾气利用的食气梭菌类群，对其发现与发展历程、种类特征及生理代谢进行了系统综述。在此基础上，总结了近年来食气梭菌在代谢设计与工程改造方面的研究进展，以及人工智能技术在这类细菌中的发展与应用，概述了食气梭菌及其他部分化能自养菌的气体发酵产业化发展现状。最后，围绕食气梭菌的改造策略与工业应用需求，从菌株性能提升、工艺强化、成本控制及政策环境等方面，对其工业化应用所面临的挑战与未来发展方向进行了展望，旨在为此类固碳微生物的理性设计、工艺优化以及一碳气体生物转化技术的工程化推广提供参考。关键词：食气梭菌;一碳气体;生理和代谢;菌株改造;工业应用244|52|0更新时间：2026-07-03
- 摘要：全球气候变化与能源危机推动了对可持续生物制造技术的迫切需求。随着“双碳”目标的提出，利用微生物将二碳化合物（如乙酸、乙醇）转化为高附加值化学品已成为生物炼制领域的研究热点。相较于传统粮食基原料，乙酸、乙醇等二碳底物来源广泛，可通过一碳气体（CO₂、CO）或生物质转化获得，具备绿色可持续性优势。本文聚焦乙酸与乙醇的微生物代谢途径及代谢工程改造策略，结合合成生物学与系统生物学手段，探讨其在多种生物基化学品生产中的应用潜力。基于二碳底物利用的微生物细胞工厂，能够整合固碳技术和工业微生物产品多元化等优势，是当前实现碳一生物炼制助力“碳中和”的可行路径之一。然而，微生物利用二碳化合物仍面临代谢效率低、耐受性差等问题。未来的研究需聚焦于通过系统代谢工程与适应性实验室进化，重塑菌株的代谢网络，以优化碳流分配与能量效率；同时，结合酶工程与动态调控策略，优化限速步骤并减轻毒性中间产物积累，以系统性地提升二碳底物的转化效率与经济可行性。此外，进一步发展微生物转化与化学催化的级联路径，耦合一碳气体固定与二碳高效转化技术，赋能负碳生物制造体系，助力“碳中和”目标的实现。关键词：乙酸;乙醇;合成气来源;代谢工程;高附加值化学品;合成生物学594|61|0更新时间：2026-07-03
特约评述
- 摘要：生物合成技术因其绿色可持续特性，成为替代传统石化工艺的重要方向。本研究通过电催化还原CO₂与代谢工程改造解脂耶氏酵母相结合的策略，实现了高效异戊二烯的生物合成。在解脂耶氏酵母中异源表达不同来源的异戊二烯合酶，筛选出葛根来源的异戊二烯合酶，异戊二烯产量为560 μg/L。通过强化甲羟戊酸途径关键基因erg10、erg12、erg13、erg8、erg19、thmgr、idi及下调竞争基因erg20，构建工程菌株Misps13，摇瓶发酵异戊二烯滴度提高至12.23 mg/L。进一步整合电催化-微生物耦合系统，利用自组装纳米材料L-Bi-sh-H₂O和L-Cu-sh-3将CO₂高效转化为甲酸和乙酸，其法拉第效率分别为88.67%和50.14%。在Misps13中引入ACS与FDH模块，使工程菌Misps1315能够利用电催化合成的甲酸和乙酸，增强胞内乙酰辅酶A和NAD（P）H供应。通过响应曲面法优化外源甲酸和乙酸添加量，其中甲酸2.8 g/L、乙酸6.5 g/L，最终实现异戊二烯滴度32.14 mg/L，较基础菌株提升1.5倍。本研究为生物-电化学协同制造高值化合物提供了新范式。关键词：异戊二烯;解脂耶氏酵母;甲羟戊酸途径;弱化竞争途径;CO2电还原反应129|64|0更新时间：2026-07-03
研究论文
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