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二氧化碳轉化利用技術是實現碳中和目標的重要技術。近年來，隨著全球氣候變化問題日益嚴峻，主要國家通過政策引導、資金投入和技術創新，推動二氧化碳生物轉化技術從實驗室逐步邁向產業化應用。2025年10月，中國科學院啟動二氧化碳生物轉化國際科學計劃（CO?FIX），聯合全球科研力量，通過多學科交叉解析二氧化碳固定轉化機制，構建高效人工生物系統，為應對氣候變化、保障糧食安全等全球挑戰開辟新路徑。本文將從全球戰略規劃、科技突破和產業化現狀三個維度，系統梳理了該領域的最新發展態勢。

一、主要國家戰略規劃

01 | 美國將生物制造視為應對氣候變化的重要策略

2023年3月，美國白宮科技政策辦公室發布《美國生物技術和生物制造的宏大目標》報告，明確五大研發方向：擴大可再生原料用于航空燃料、開發低碳產品、構建氣候友好型農業系統、利用生物質/廢棄物/CO?生產食品蛋白，以及通過碳封存提升CO?去除率。報告提出具體行動任務與實施路徑，計劃在9年內將轉化成本降至100美元/噸，實現10億噸級二氧化碳去除目標。美國多部門協同推進該技術發展：能源部重點支持生物煉制脫碳技術（見表1），農業部促進生物質轉化利用，國防部布局生物能源碳捕獲與封存，環保署監管生物技術環境影響，國家科學基金會資助一碳生物轉化基礎研究。

表 1  美國能源部近兩年二氧化碳生物轉化相關投資

02 | 歐盟推動生物固碳生產高值化學品，發展循環生物經濟

早在2015年發布的《歐洲工業生物技術繁榮發展路線圖》中，CO?生物轉化利用已被列為重點前景技術。歐盟通過“地平線歐洲”計劃持續加大投資，依托CO2SMOS項目推動CO?生物轉化生產化學品、材料和燃料的研發與產業化。2023年12月，CBE JU提供1500萬歐元資助氣態碳轉化研究；2024年3月發布《在自然中建造未來》戰略，聚焦生物材料、人工智能、標準統一與研發資助；同年7月批準30億歐元瑞典碳捕集計劃以減少生物源CO?排放，12月通過現代化基金批準27億歐元清潔能源項目。此外，歐盟氣候執行機構在2021-2027年期間將提供54億歐元資助環境和氣候行動計劃。

03 | 我國將生物技術作為實現“雙碳”目標的關鍵手段

我國提出“2030年前碳達峰、2060年前碳中和”目標，為相關產業政策提供總體指導。2024年5月，國務院發布《2024-2025年節能降碳行動方案》，為鋼鐵、石化、化工等重點行業制定具體節能降碳要求，為CO?捕集利用技術創造明確市場需求。國家發改委等多部門聯合發布《綠色低碳轉型產業指導目錄（2024年版）》，將“二氧化碳捕集利用與封存”納入重點產業，為投資方向提供指引。《“十四五”可再生能源發展規劃》強調發展生物質能等可再生能源，為生物轉化技術提供上游能源支持與技術協同基礎。2024年1月，工業和信息化部等七部門聯合印發《關于推動未來產業創新發展的實施意見》，促進合成生物、生物制造、生物育種、生物質能等前瞻賽道發展。同年，工業尾氣制乙醇技術被納入綠色低碳技術示范項目及推薦目錄，凸顯其在推動低碳經濟與可持續發展中的戰略價值。

二、重要科技突破

2025年以來，全球學術界和科研機構在二氧化碳生物轉化利用領域取得一系列重大科技突破。

生物催化元件認知深入，設計持續升級。2025年1月，美國加州大學伯克利分校構建迄今最全面的Rubisco序列-功能圖譜，系統揭示CO?固定關鍵酶的設計改造潛能。2025年8月，丹麥科技大學聯合柏林工業大學捕獲CO脫氫酶催化CO?還原的動態全周期結構，明晰電子傳遞路徑，為設計高效CO?還原催化劑提供原子級藍圖。

人工新途徑不斷拓展，轉化效率顯著提升。2025年2月，德國馬普陸地微生物所構建的還原性甘氨酸合成代謝途徑（rGlyP），比傳統卡爾文循環效率高17%。2025年3月，美國勞倫斯伯克利國家實驗室等機構利用金屬依賴性甲酸脫氫酶重構一碳代謝并優化還原甘氨酸途徑，成功將甲酸營養性大腸桿菌的倍增時間縮短至4.5小時，效率提升超50%。

生物化學耦合系統功能拓展與性能躍升。2025年3月，中國科學院天津工業生物技術研究所馬延和團隊通過重構淀粉生物合成與糖異生途徑，調節細胞形態，將產油酵母Yarrowia lipolytica改造為高效淀粉生物合成工廠，實現二氧化碳電解產生的乙酸鹽向淀粉的轉化。2025年2月，加州大學伯克利分校將鹵化鉛鈣鈦礦光吸收劑與銅納米花電催化劑結合，開發新型人工葉片，光合性能提升200倍，可高效生產乙烷和乙烯。

三、產業化現狀

二氧化碳生物轉化技術的產業化應用雖處于初級階段，但全球已取得實質性進展，產品種類持續豐富，應用前景廣闊。

生物能源領域，二氧化碳轉化技術逐步走向商業化。2025年3月，瑞典斯德哥爾摩能源公司啟動全球首個大規模生物能源碳捕集與封存（BECCS）項目，標志著該技術從概念驗證進入工業應用階段。2024年9月，美國Air Company完成6900萬美元B輪融資，專項用于開發CO?轉化為可持續航空燃料的工藝。2024年3月，德國COLIPI公司獲180萬歐元種子基金，研發二氧化碳中性氣候油生產技術。2024年12月，Technip Energies與LanzaTech戰略合作，推進CO?與可再生能源制備乙烯的示范項目。2024年7月，巨鵬生物技術公司授權鵬泰生物建設年產能10萬噸的工業廢氣轉化生物乙醇項目，成為國內該領域最大規模產業化示范工程之一。

化學品與材料領域，多家領先企業積極推進技術研發與產業化。2024年10月，LanzaTech宣布大力開發CO?轉化為異丙醇的生產技術；2024年11月，巴斯夫與Acies Bio合作開發CO?轉化為甲醇技術，并計劃將甲醇進一步轉化為各類化學原料，構建完整碳循環產業鏈。2024年1月，萬華化學集團利用基因工程改造微生物菌株，實現CO?高效合成聚羥基脂肪酸酯（PHA）等生物可降解材料，開辟綠色材料生產新路徑。

蛋白質和營養品領域，多項突破性進展推動CO?生物轉化技術商業化。2025年7月，吉態來博利用CO?作為主要碳源生產的解脂耶氏酵母蛋白獲批為飼料原料新產品，標志著該技術在監管層面取得重要突破。2024年12月，LanzaTech開發CO?直接轉化為營養蛋白的生物精煉平臺，為食品工業提供可持續蛋白質來源。2024年5月，新西蘭Jooules獲100萬元種子前融資，專注CO?轉化為食品蛋白技術研發；2024年5月，美國Circe Bioscience完成800萬美元B輪融資，致力于微生物發酵CO?生產脂肪的創新技術開發。

四、發展趨勢與未來展望

二氧化碳生物轉化技術呈現顯著多學科交叉融合趨勢，合成生物學、人工智能與材料科學等前沿領域深度滲透。技術路線多元化發展，光合生物轉化、化能自養微生物轉化、人工代謝途徑設計等路徑并行推進。工藝集成創新成為重要方向，二氧化碳捕集-轉化-利用一體化系統的設計與優化是技術突破的關鍵。

盡管二氧化碳生物轉化技術展現出巨大潛力，但其產業化發展仍面臨諸多挑戰，其中最為核心的三個挑戰包括：成本競爭力不足，相比成熟傳統化石能源路線，生物轉化技術經濟性仍存差距，需通過技術創新與規模化生產降本；工程放大困難，從實驗室研究向工業化生產轉化時，反應器設計、過程控制、產物分離純化等環節存在復雜工程技術挑戰；原料供應受限，穩定、充足且低成本的CO?原料獲取仍是產業化發展的關鍵瓶頸。

二氧化碳生物轉化技術正處于從實驗室研發向大規模產業化應用過渡的關鍵階段，市場前景廣闊。行業預測顯示，二氧化碳轉化利用領域預計2030年前形成千億級規模產業體系。展望未來，各國政府政策支持力度有望持續加強，碳定價機制的建立與完善將提升CO?生物轉化技術的經濟性。大型化工企業與創新型初創公司的緊密合作將加速技術商業化進程，推動成果轉化應用。CO?生物轉化技術將成為實現全球碳中和戰略目標的重要路徑，為應對全球氣候變化作出關鍵貢獻。