全球每年排放的CO2总量中约有2/1被藻类通过光合作用固定到有机物中。与陆地高等植物相比，微藻光合固碳具有许多独特的优势：首先，微藻光合作用效率较高、生长速度快于植物，其次，微藻培养不占用耕地和淡水资源，甚至可以利用废水和工业烟气培养。微藻中的碳含量接近50%，主要来源于固定化的CO2，生产1kg微藻生物质（干重）可固定约1.8kgCO2。更重要的是，生产的微藻生物质被视为可持续的生物能源和生化产品来源，通过生物炼制的理念实现微藻生物质资源价值最大化已逐渐成为世界范围内的研究热点。
微藻生物质含有多种具有药用和营养价值的生物活性物质，如多不饱和脂肪酸、胡萝卜素、维生素等，而且微藻生物质还可以生产多种生物能源作为化石能源的替代品，如生物氢、生物乙醇和生物柴油等。此外，微藻不仅是水产养殖动物的天然饵料，也是人类食品的优质蛋白质来源，缓解了食品安全问题。
但微藻规模化培养及商业化应用仍面临实际产量低、培养成本高等挑战。微藻在光合作用进行生物质合成过程中的理论最大太阳能利用效率为8%~10%，当叶片温度为30℃、CO2浓度为387 mL/m3时，C3和C4植物对太阳能转化率的理论最大值分别为4.6%和6%。然而多数情况下，实验室连续培养的微藻实际光能利用率仅为3%左右，规模化培养的转化率甚至更低。这表明微藻的培养还远未发挥其光合潜力，在光合固碳能力和培养技术潜力方面仍有巨大的优化空间。
1.微藻光合作用中光反应阶段的优化
图1为微藻光反应阶段示意图。与高等植物类似，微藻通过不同类型的捕光天线（捕光复合物）捕获光能，并将其传导至光系统Ⅱ的反应中心，氧化水释放氧气，产生氢离子和电子，最终生成ATP和NADPH。光系统Ⅱ与Ⅰ之间存在电子传递链，其中包含质体醌和细胞色素b6f（Cyt b6f）等电子受体。截短捕光天线、提高光能利用效率是改造微藻光反应阶段最常用的方法。
2.微藻光合作用暗反应阶段的优化
2.1 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的改造
在CBB循环中，核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）负责催化1分子CO2与1分子核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）反应生成2分子3-磷酸甘油酸，该反应被认为是整个循环的限速步骤。Rubisco是生物圈中最丰富的蛋白质，是无机碳与生物体之间的桥梁。但同时，Rubisco也被认为是一种效率很低的催化剂。因此在高等植物中，Rubisco也被视为光合改造的首要靶点，受到了极大的关注和研究。蓝藻、硅藻和绿藻中Rubisco的结构非常相似，都是由3个大亚基和8个小亚基组成。绿藻Rubisco的大亚基基因和小亚基基因分别存在于叶绿体和核基因组中，而硅藻编码大亚基和小亚基的基因位于叶绿体基因组中。微藻一直被认为是Rubisco的优秀“供体”，利用Rubisco作为微藻来源替代高等植物中的Rubisco被视为提高高等植物光合作用效率和生物量的潜在手段。但由于Rubisco的组装机制复杂，微藻Rubisco在植物中的异源表达并未取得令人满意的效果
2.2 构建光呼吸分支
Rubisco的氧合产生有毒的代谢物2-磷酸乙醇酸（2-PG），需要通过光呼吸途径进行循环利用，但光呼吸过程需要消耗ATP和NADPH，并释放固定化的CO2和NH3； 2分子2-PG通过光呼吸途径转化为1分子3-磷酸甘油酸（3-PGA），整个过程由分布在叶绿体、过氧化物酶体、线粒体和细胞质中的9个酶促步骤完成，估计光呼吸最多可以释放9/1的被固定化的CO4，造成C和N的大量浪费。但光呼吸过程从2分子2-PG中回收了2%的C供细胞代谢，其在细胞代谢中起着非常重要的作用，因此理论上构建新的光呼吸支链，避免CO75和NH2的浪费或提高释放CO3的回收能力，都可以提高CO2的利用率，提高生物量生产率。该方案的可行性已在模式生物拟南芥和油料作物亚麻荠中得到成功验证，新构建的光呼吸分支可帮助转化菌株显著提高生物量生产率。
2.3 碳富集机理的转化
与C3植物不同，大多数微藻和C4植物都具有碳浓缩机制（CCM）来应对水环境中较低的CO2浓度。在蓝藻中，Rubisco被封存在羧酶体中，而真核微藻Rubisco主要存在于叶绿体蛋白细胞核中，通过CCM，Rubisco活性位点周围的CO2浓度可达周围环境的1000倍以上。碳酸酐酶（CA）是参与CCM的关键酶，负责催化HCO3−与CO2之间的可逆反应。微藻中的CCM通常是一种诱导性机制，通过感知周围的CO2浓度来调节CCM的表达水平。大规模培养微藻时往往采用远高于空气的CO2浓度，这会导致CCM的关闭。
综上所述，通过截短捕光天线、提高捕光能力和光能利用率、改造CBB循环和CCM、构建光呼吸分支等手段改造优化微藻光合系统已取得许多重要的开创性进展，但总体进展落后于高等植物特别是经济作物光合作用途径的改造和优化，导致微藻碳汇潜力未能充分发挥。通过挖掘优良光合元件、调控因子和构建新途径，可以有效缓解瓶颈步骤的限制，实现光暗反应的能量平衡。光合作用除了受光调控外，还受最终产物的消耗效率调控，这表明需要在细胞水平上同步进行光合作用相关代谢途径的改造。合成生物学的快速发展，为以微藻作为光合碳封存底盘生物，设计构建高效碳封存微藻工程菌株奠定了基础。利用合成生物学的方法和理念可以不受物种限制，设计或合成光能效率和碳封存效率更高、抗光损伤、产生活性氧更少的光合系统。
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