碳固定或碳同化是無機碳（特別是二氧化碳形式）被生物體轉化為有機化合物的過程。 然后這些化合物被用來儲存能量和作為其他生物分子的結構。 碳主要通過光合作用固定，但有些生物在沒有陽光的情況下使用稱為化學合成的過程。

通過固定碳而生長的生物稱為自養生物，其中包括光合自養生物（利用陽光）和無機自養生物（利用無機氧化）。 異養生物本身不能固定碳，但能夠通過消耗自養生物或其他異養生物固定的碳來生長。 固定碳、還原碳和有機碳都可以互換使用，以指代各種有機化合物。 化學合成是由化學能而非陽光驅動的碳固定。 硫氧化和氫氧化細菌通常使用卡爾文循環或還原檸檬酸循環。

固定的無機碳的主要形式是二氧化碳 (CO2)。 據估計，每年約有 2580 億噸二氧化碳通過光合作用轉化。 大多數固定發生在陸地環境中，尤其是熱帶地區。 固定的二氧化碳總量要大得多，因為大約 40% 被光合作用后的呼吸作用消耗掉了。

已知有七種自養碳固定途徑。 卡爾文循環將碳固定在植物和藻類的葉綠體以及藍細菌中。 它還在一種稱為紫色細菌的假單胞菌和一些非光養假單胞菌的無氧光合作用中固定碳。

在其他五種自養途徑中，有兩種僅在細菌中已知（還原性檸檬酸循環和 3-羥基丙酸循環），兩種僅在古細菌中存在（3-羥基丙酸循環的兩種變體），一種同時存在于細菌和古細菌中（ 還原性乙酰輔酶 A 途徑）。

卡爾文循環占生物碳固定的 90%。 消耗 ATP 和 NADPH，植物中的卡爾文循環占陸地碳固定的優勢。 在藻類和藍藻中，它占海洋中碳固定的優勢。 卡爾文循環將二氧化碳轉化為糖，如磷酸丙糖 (TP)，即甘油醛 3-磷酸 (GAP) 和磷酸二羥基丙酮 (DHAP)：

3 CO2 + 12 e? + 12 H+ + Pi → TP + 4 H2O

另一種觀點解釋了 NADPH（e? 的來源）和 ATP：

3 CO2 + 6 NADPH + 6 H+ + 9 ATP + 5 H2O → TP + 6 NADP+ + 9 ADP + 8 Pi

無機磷酸鹽 (Pi) 的分子式為 HOPO32? + 2H+。 丙糖和 TP 的分子式為 C2H3O2-CH2OH 和 C2H3O2-CH2OPO32? + 2H+

反向克雷布斯循環，也稱為反向三羧酸循環 (rTCA) 或還原檸檬酸循環，是用于碳固定的標準卡爾文-本森循環的替代方法。 它已在嚴格厭氧或微需氧細菌（如 Aquificales）和厭氧古細菌中發現。 它是 Evans、Buchanan 和 Arnon 于 1966 年在研究光合綠色硫磺細菌 Chlorobium limicola 時發現的。 特別是，它是彎曲桿菌門在熱液噴口中使用最多的途徑之一。 此功能在海洋中非常重要。 沒有它，在無光環境中就沒有初級生產，這將導致沒有生命的棲息地。 所以這種初級生產稱為暗初級生產。

該循環涉及從兩個 CO2 分子生物合成乙酰輔酶 A。 逆克雷布斯循環的關鍵步驟是：

• 草酰乙酸轉化為蘋果酸，使用 NADH + H+

草酰乙酸 + NADH / H + ? 蘋果酸 + NAD + {\displaystyle {\ce {草酰乙酸 + NADH/H+ -> 蘋果酸 + NAD+}}}

• 富馬酸轉化為琥珀酸，由氧化還原酶富馬酸還原酶催化

富馬酸鹽 + FADH 2 ? ? ? ? 琥珀酸鹽 + FAD {\displaystyle {\ce {富馬酸鹽 + FADH2 <=>; 琥珀酸鹽 + FAD}}}

• 琥珀酸轉化為琥珀酰輔酶 A，ATP 依賴步驟

琥珀酸 + ATP + CoA ? 琥珀酰基 ? CoA + ADP + Pi {\displaystyle {\ce {琥珀酸 + ATP + CoA -> 琥珀酰輔酶 A + ADP + Pi}}}

• 使用一分子 CO2 將琥珀酰輔酶 A 轉化為 α-酮戊二酸

琥珀酰 ? CoA + CO 2 + Fd ( red ) ? alpha ? 酮戊二酸 + Fd ( ox ) {\displaystyle {\ce {琥珀酰-CoA + CO2 + Fd{(red)}-> α-酮戊二酸 + Fd{(ox)}}}}

• α-酮戊二酸轉化為異檸檬酸，使用 NADPH + H+ 和另一分子 CO2

Alpha ? 酮戊二酸 + CO 2 + NAD ( P ) H / H + ? 異檸檬酸 + NAD ( P ) + {\displaystyle {\ce {Alpha-酮戊二酸 + CO2 + NAD(P)H/H+ -> 異檸檬酸鹽 + NAD(P)+}}}

• 檸檬酸轉化為草酰乙酸和乙酰輔酶 A，這是一個依賴 ATP 的步驟，關鍵酶是 ATP citra。