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这篇综述聚焦微生物固碳，介绍了自然与人工 CO?2固碳途径，探讨提高固碳效率的策略，如优化吸收运输、关键酶定向进化、引入外部能量供应。还阐述微生物利用 CO?2生成化合物的情况，对推动碳减排及生物制造意义重大。
1. 引言
随着全球工业化加速，化石燃料广泛使用，CO?2排放大幅增加，2015 年大气 CO?2浓度超 400mg/L ，加剧温室效应，引发全球变暖等环境问题，有效减排 CO?2成为全球挑战。传统 CO?2捕获技术存在成本高、效率低、易造成二次污染等问题，而生物固定技术，如利用蓝藻和藻类的固碳途径，具有环保优势，能避免传统方法的弊端，还可促进循环生物经济。
CO?2是碳循环核心，目前已发现 7 种自然碳固定途径，但它们在某些环境下固碳能力有限。微生物碳固定适应性强，可通过工程方法提高效率。研究人员通过修饰优化固碳酶（如 RuBisCO）和代谢途径，提升固碳效率，为绿色化学品生产提供新途径，微生物碳固定成为研究热点。
2. CO?2固定途径
2.1 自然碳固定途径
自然界存在 7 种自然 CO?2固定途径，包括 Calvin–Benson–Bassham（CBB）循环、Wood–Ljungdahl（WL）途径、还原甘氨酸途径（rGlyP）、还原三羧酸（rTCA）循环、3 - 羟基丙酸（3-HPA）循环、二羧酸 / 4 - 羟基丁酸（DC/HB）循环和 3 - 羟基丙酸 / 4 - 羟基丁酸（3-HP/4-HB）循环。
CBB 循环是生物圈最重要的自然碳固定途径，广泛存在于植物和藻类中，关键酶是 RuBisCO 和磷酸核酮糖激酶（PRK），已成功导入酿酒酵母、毕赤酵母和大肠杆菌等，使其能以 CO?2为唯一碳源生长。WL 途径主要由厌氧细菌利用，分两个分支，能量效率高。rTCA 循环是 TCA 循环的逆向过程，存在于某些自养细菌和古菌中，关键酶是 2 - 酮戊二酸合酶和 ATP - 柠檬酸裂解酶。rGlyP 是线性代谢途径，可将甲酸和 CO?2纳入中心代谢，已在酿酒酵母和大肠杆菌中构建出自养菌株。DC/HB 循环主要存在于厌氧和兼性好氧细菌中，循环过程涉及多个反应，最终固定 2 个 CO?2分子。3-HPA 循环首次在嗜热光合自养细菌中发现，由乙酰辅酶 A 羧化酶和丙酰辅酶 A 羧化酶催化，两个循环可固定 3 个 CO?2分子。3-HP/4-HB 循环是在嗜热好氧细菌中发现的环状固碳途径，可分为两个阶段，部分途径可导入大肠杆菌用于合成有价值的化学品。
2.2 人工碳固定途径
自然固碳途径存在局限性，合成生物学发展促使人工碳固定途径的研究。人工碳固定途径具有灵活性高、效率高、适用环境广等优势，目前已开发出 30 多种。
修饰丝氨酸循环在大肠杆菌中构建，可同化不同 C1 化合物，相比自然丝氨酸循环，简化了甲醇氧化步骤，提高了途径效率。Crotonyl-CoA/ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA（CETCH）循环由 17 种酶组成，能连续细胞外固定 CO?2，相比自然途径效率更高，策略更多样。以乙酰辅酶 A 为中心的人工碳固定途径，如合成乙酰辅酶 A（SACA）途径和 THETA 循环，前者通过修饰酶提高催化活性，后者整合了高效自然固碳酶，具有生产高价值化学品的潜力。POAP 循环是精简的合成 CO?2固定途径，仅包含 4 个反应，提高了碳固定效率和能量效率。体外无细胞酶系统的 CO?2固定途径，如利用多酶级联反应将 CO?2转化为甲醇，还开发出氧不敏感、光传感、自补充的系统，以及无需 ATP 和 NAD (P) H 的化学酶系统。此外，还有人工淀粉合成代谢途径（ASAP）、甲酸酶途径等其他人工 CO?2固定途径，通过优化酶提高了淀粉生产效率，或具有独特的碳固定方式。
3. 提高 CO?2固定效率的策略
3.1 CO?2的吸收和运输
提高生物对 CO?2的吸收和运输效率对固碳至关重要。蓝藻和微藻具有高效的 CO?2固定能力，其高表面积和特殊的细胞表面化学性质有利于 CO?2吸附，且拥有 CO?2浓缩机制（CCMs）。CCMs 通过转运无机碳、脱水生成 CO?2，在 RuBisCO 附近形成高浓度 CO?2微环境，提高羧化效率，减少氧化反应。其他宿主细菌也可利用 CCM 系统，如大肠杆菌引入碳酸酐酶可增加琥珀酸产量，酿酒酵母优化内源性碳酸氢盐转运蛋白可提高 3 - HP 产量。
3.2 关键酶的定向进化
合成生物学发展使在异养微生物中构建 CO?2固定循环成为可能，但微生物对 CO?2亲和力低导致固碳效率低、菌株生长差。定向进化可提高菌株生长速率，实现高效 CO?2捕获和高价值产品生产。例如，将 CBB 循环导入大肠杆菌、毕赤酵母，以及将 rGlyP 导入大肠杆菌、酿酒酵母后，通过定向进化或适应性实验室进化，菌株生长速率提高，生物量增加。
3.3 能量供应系统
固定 CO?2是耗能过程，仅依靠细胞内能量不足，需引入外部能量供应系统。已开发多种外源能量供应系统，如电化学能量供应，利用工程化自养大肠杆菌将 CO?2转化为甲酸用于化学品合成；基于细菌视紫红质的光伏系统，开发出可切换的光合细胞器，能刺激 ATP 合酶活性；半导体纳米光子系统，如利用硫化镉（CdS）纳米晶体为微生物提供能量，用于光合作用、产氢和产品合成。
4. 微生物利用 CO?2作为碳源生成化合物
基于 CO?2固定途径，研究人员开发了体外无细胞系统用于化学品生产，但目前细胞外碳固定仍处于早期阶段，产品滴度低。微生物利用 CO?2生产化学品主要通过合成生物学技术表达相关途径基因。目前生物固碳生产的化学品多为低碳链化合物，反应途径简单。例如，利用不同途径可生产二羟基丙酮磷酸（DHAP）、草酸盐、淀粉、甘油酸、聚酮化合物 6 - 脱氧赤霉内酯 B、乙酰辅酶 A、甲酸、琥珀酸、衣康酸、乳酸、3 - 羟基丙酸、乙醇、异丙醇、异戊二烯等。部分研究通过优化途径或解决底物限制等问题，提高了产品产量。
5. 结论
大气 CO?2浓度持续上升备受关注，利用微生物将 CO?2转化为高价值化学品是实现碳中和与减排的绿色可持续方案。本文系统综述了自然和人工 CO?2固定途径，以及提高固碳效率的方法和在工程菌株中的应用。但目前工程菌株的 CO?2固定效率和目标化学品产量仍较低，且多为短链化合物，需进一步开发高效固碳技术用于工业应用。
6. 展望
工程菌株在 CO?2固定和化学品生产方面前景广阔，但面临诸多挑战。提高 CO?2固定效率是关键，需优化固碳途径关键酶，提升其性能，同时改进能量供应技术，增强菌株对 CO?2的吸收和运输能力，生物无机杂交平台的应用是趋势。创新跨学科技术，如光、电驱动的碳固定技术有望取得突破，光催化酶可为异养微生物提供能量或化学中间体，无细胞催化系统与其他技术结合也为 CO?2利用提供新途径。此外，还需拓展目标产品范围，开发生产长链化学品的途径和菌株，并推动工业规模应用，优化遗传工具和发酵过程，构建高效培养系统。综合多学科进展，CO?2的固定和资源利用有望取得重大突破，为缓解气候变化和高价值化学品生产提供支持。
