碳固定是生物将无机碳（主要是二氧化碳或碳酸氢根）转化并纳入有机化合物的过程。它为生物生长提供碳源，并将代谢与全球碳循环联系起来。碳固定最为人熟知的是它在光合作用中的作用，但从化学反应而非阳光中获取能量的微生物也会进行碳固定。多种不同的生化途径都能完成这种转化。所谓“固定”描述的是一种化学转化，并不一定意味着碳被永久储存。(academic.oup.com)
碳源与能量
碳固定涉及生物生长的两项不同需求：获取碳和获取能量。自养生物主要利用无机碳构建细胞物质。光能自养生物包括植物、藻类和蓝细菌，以阳光为能量来源。细菌和古菌中的化能无机自养生物则通过氧化氢气、还原态硫化合物或氨等物质获取能量。它们的碳同化途径不一定与光合生物相同。(openstax.org)
生成还原态有机碳需要能量供应和还原力。三磷酸腺苷（ATP）驱动耗能反应，而 NADPH 等载体则提供还原当量。单个羧化反应可以将无机碳纳入有机分子，但持续的自养生长需要一套完整的途径，既能生成生物合成所需的前体，又能再生接受碳的中间体。因此，不同途径的能量成本、酶需求及对氧的敏感程度各不相同。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
卡尔文–本森–巴沙姆循环
卡尔文循环的全称为卡尔文–本森–巴沙姆循环，是光合碳同化的主要途径。在植物和藻类中，这一循环发生于叶绿体的基质中。其反应通常分为固定、还原和再生三个阶段。该循环使用光依赖反应提供的 ATP 和 NADPH，但其中将碳纳入有机分子的反应并不直接吸收光。因此，旧称“暗反应”容易引起误解：它并不意味着该循环通常只在夜间进行。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
在固定阶段，酶核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）将 CO₂ 加到五碳受体核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）上。生成的不稳定六碳产物随即分裂为两个 3-磷酸甘油酸分子。随后，在 ATP 和 NADPH 的参与下，这些化合物被转化为甘油醛-3-磷酸，即一种三碳糖磷酸。其中大部分用于再生 RuBP，使碳固定得以继续；较少的一部分则离开循环，用于生物合成。(openstax.org)
每同化三个 CO₂ 分子，该循环净生成一个甘油醛-3-磷酸分子，同时消耗九个 ATP 和六个 NADPH 分子。这一产物可用于合成包括葡萄糖在内的碳水化合物，而葡萄糖并非 Rubisco 所催化反应的直接产物。上述收支仅针对循环本身，不包括碳浓缩机制或光呼吸带来的额外成本。(openstax.org)
C3、C4 与 CAM 光合作用
在C3光合作用中，Rubisco 催化碳固定产生的第一个稳定产物是三碳化合物 3-磷酸甘油酸。Rubisco 也能与氧反应，从而启动光呼吸。这一竞争性过程会消耗资源，并释放一部分先前同化的碳。碳浓缩机制通过提高 Rubisco 周围的 CO₂ 可用量，可以减弱这种竞争。(assets.openstax.org)
在C4光合作用中，无机碳最初被纳入四碳化合物。在通常情况下，这些化合物在叶肉细胞中形成，随后转移至维管束鞘细胞，在那里通过脱羧为卡尔文循环供应 CO₂。该机制将最初的碳捕获与 Rubisco 的作用在空间上分隔开来。在景天酸代谢（CAM）中，这种分隔主要体现在时间上：植物通常在夜间打开气孔，将捕获的碳储存在有机酸中，并在白天于体内释放 CO₂。这种方式能够减少白天的水分流失。C4 和 CAM 都不会取代卡尔文循环，而是为其提供浓缩的 CO₂。(assets.openstax.org)
微生物的其他碳固定途径
微生物还采用若干其他自养途径。这些途径并非简单的卡尔文循环变体，可能使用完全不同的固碳酶和中间体。已得到确认的其他途径包括：
- 还原性三羧酸循环：利用许多与柠檬酸循环相关的反应，以总体相反的方向运行，生成有机物前体。
- 还原性乙酰辅酶 A 途径，又称伍德–永达尔途径：将经不同分支处理的碳结合起来，生成乙酰辅酶 A。
- 3-羟基丙酸双循环：通过羧化反应和相互连接的反应序列同化无机碳。
- 3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环和二羧酸/4-羟基丁酸循环：通过涉及 4-羟基丁酸的反应，再生接受碳的中间体。(academic.oup.com)
还原性甘氨酸途径提供了另一条途径。2020 年发表的一项研究证实，该途径能够支持脱硫弧菌（Desulfovibrio desulfuricans）的自养生长。这一发现说明，随着生化功能得到实验确认，已知碳固定途径的清单也可能发生变化。检测到某条途径的基因表明生物具有相应的代谢潜力，而证实其能够生长，并追踪无机碳进入生物量的过程，则能提供更有力的功能证据。(nature.com)
生态意义与实验研究
碳固定是很大一部分初级生产的基础，为食物网提供有机物。在海洋中，光合浮游生物将溶解态无机碳纳入生物量。部分物质沉降到表层水体以下，将碳输送至更深处的储库。在陆地上，固定的碳进入植被和土壤。然而，细胞呼吸、分解作用和燃烧会将大量碳重新转变为无机形态。因此，仅凭较高的碳固定速率，并不能证明实现了长期的净碳移除。(science.nasa.gov)
研究人员使用标记碳源追踪碳的掺入，并分析由此产生的代谢物。追踪同位素碳-13 的掺入，可以揭示代谢途径的活性和碳的流向。研究人员也通过人工构建的酶网络研究碳固定：2016 年，研究人员在活细胞之外验证了合成的 CETCH 循环，将 17 种酶组装成一个能把 CO₂ 转化为有机产物的系统。该系统的运行需要外源供应的辅因子及其再生，因此，在实验中具备功能的碳固定网络，不等同于能够自我维持的生物体，也不等同于生态系统尺度的碳汇。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)