中国一碳生物技术发展路线图

本书由中国生物工程学会一碳生物技术专业委员会组织编写，国内一碳生物技术领域资深科研与产业开发人员共同编撰，得到高校、科研院所，以及国投集团、国家能源集团、中煤集团、中国石油、中国石化等企业相关专家的大力支持。全书共六章，立足全球“碳中和”战略目标与我国生物经济发展总体布局，系统剖析一碳生物技术现阶段发展格局与未来演进趋势，厘清领域内核心科学问题与产业化发展关键命题。
本书内容涵盖一碳生物技术现状与发展趋势、二氧化碳生物转化、还原性一碳气体/液体及混合原料生物转化、人工智能赋能低碳生物制造，以及工程工艺与装备开发等关键领域。兼顾前沿基础研究与产业化应用实践，旨在为政策制定部门、科研工作者、产业从业者及投资机构提供专业参考，为我国一碳生物技术创新发展与低碳生物制造产业建设提供战略指引。

面对全球气候变化的严峻挑战，“碳中和”已成为国际社会的共同目标。随着《“十四五”生物经济发展规划》的实施，我国生物制造业正迅速步入产业成长的关键时期，并在健康、农业、能源和化工等多个领域发挥重要作用。为了支撑生物制造业的迅猛发展，推进原料来源的多样化和加速非粮原料的创新应用，确保产业可持续发展和增强产品竞争力已成为核心策略之一。
在这一大背景下，一碳生物技术作为促进碳循环经济和可持续发展的关键技术和新质生产力之一，其重要性日益凸显。中国作为世界上最大的发展中国家，肩负着引领绿色低碳转型、实现可持续发展的重大责任。为此，我们汇聚了国内一碳生物技术领域的资深研究人员和产业开发人员，共同编撰了《中国一碳生物技术发展路线图》，以期为我国一碳生物技术的科研与产业发展提供战略指导和行动指南。
本路线图的编撰初衷，旨在明确解答中国一碳生物技术在研究和产业开发方面的三个核心问题：当前所处方位、未来发展目标、如何达成目标。本路线图立足于对一碳生物技术背景与现状的深入分析，广泛涵盖了国内外政策梳理、技术进步的量化分析，并对二氧化碳、甲烷、一氧化碳、甲醇、甲酸等一碳化合物的生物转化与利用技术进行了详细探讨。本路线图不仅聚焦于科技前沿的探索，更着重于技术产业化的实践路径与工程应用。每一章均致力于向政策制定者、科研工作者、产业界人士和投资者提供明晰的技术发展蓝图和实施策略。
在本路线图的编制过程中，我们特别关注了以下几个关键方面。
1．政策与市场环境的整合：本路线图分析了国内外的相关政策及市场需求，为相关技术发展提供政策指引方向和市场导向。
2．技术创新与产业化的双轮驱动：本路线图强调基础研究与应用研究的结合，致力于推动科研成果向产业转化，以实现技术的经济效益和社会效益最大化。
3．跨学科融合与协同创新的促进：鉴于一碳生物技术横跨生物学、化学、工程学等多个学科领域，本路线图倡导跨学科合作，以激发技术创新的协同效应。
4．可持续发展与环境保护并重：本路线图秉承绿色发展理念，确保技术发展与环境保护和谐统一，为达成“碳中和”目标作出贡献。
本路线图出版工作得到了中国工程院科技战略咨询项目（2025-XZ-25）支持。我们期望本路线图能够成为加速我国一碳生物技术进步的强大引擎，为实现国家的绿色低碳转型和可持续发展目标贡献积极力量。当今科技发展日新月异，囿于编者学识水平、研究阅历及撰写能力，本路线图或有疏漏、欠妥之处，诚望读者不吝赐教，后续我们将不断完善优化。

谭天伟、曾安平、李寅
2026年1月

1 绪论 001-028
1.1 一碳生物技术	003
1.1.1 背景与意义	003
1.1.2 技术发展	005
1.2 国内外政策	007
1.2.1 国外政策	008
1.2.2 国内政策	012
1.3 国内外发展现状	014
1.3.1 论文计量分析	014
1.3.2 专利计量分析	017
1.4 一碳原料生物制造产业化的现状	019
1.4.1 全球产业	019
1.4.2 我国产业	025
参考文献	027

2 CO2的生物转化和利用技术 029-076
2.1 生物转化技术	031
2.1.1 天然生物系统	032
2.1.2 非天然生物系统	039
2.2 化学-生物耦合转化技术	057
2.2.1 光/电化学催化转化CO2	059
2.2.2 化学-生物级联转化CO2	064
2.2.3 化学赋能生物转化CO2	068
参考文献	073

3 还原性一碳气体原料的生物转化和利用技术 077-100
3.1 CH4生物转化技术	079
3.1.1 CH4生物转化体系构建	081
3.1.2 CH4生物转化的潜在产物	085
3.2 CO生物转化技术	091
3.2.1 化能自养微生物使能技术	093
3.2.2 CO微生物细胞工厂创建	094
3.2.3 耦合生物体系转化CO	096
参考文献	098

4 一碳液体原料的生物转化和利用技术 101-134
4.1 甲醇生物转化技术	103
4.1.1 甲醇多酶催化转化技术	105
4.1.2 甲醇细胞工厂使能技术	109
4.1.3 甲醇细胞工厂强化及产物工艺开发	115
4.2 甲酸生物转化技术	119
4.2.1 甲酸生物转化机制研究及甲酸高效转化途径设计构建	121
4.2.2 甲酸生物转化能量驱动模式及供能模块开发	125
4.2.3 甲酸基产品细胞工厂和新型工艺模式开发	128
参考文献	130

5 混合碳源利用技术与智能低碳生物制造 135-158
5.1 混合一碳原料生物转化技术	137
5.1.1 高能与低能一碳化合物协同利用	139
5.1.2 一碳化合物与多碳化合物共利用	142
5.1.3 碳链逐级延长的路径设计与调控规律	144
5.2 AI赋能低碳生物制造	146
5.2.1 AI赋能关键酶元件设计	149
5.2.2 AI驱动代谢通路系统优化	151
5.2.3 AI与自动化实验系统融合的闭环优化与应用	153
5.2.4 AI赋能的细胞建模和工程细胞创制	155
参考文献	157

6 一碳利用产业发展与工艺装备研究 159-174
6.1 工程工艺	161
6.1.1 光能自养微生物利用CO2生物合成工艺	162
6.1.2 一碳气体发酵工艺	164
6.1.3 一碳液体发酵工艺	166
6.2 装备开发	167
6.2.1 光生物反应器	169
6.2.2 还原性一碳气体发酵装备	171
6.2.3 在线监测装备	172
参考文献	174