团队基于高通量功能基因组学及定量生物学分析技术，挖掘影响利用微生物的核心生物元件及代谢节点；研究关键功能因子的作用机制与关键酶催化机理，获得生物转化途径改造与代谢重塑的有效策略；结合固氮系统及相关代谢网络分析，揭示固氮关键酶催化功能，探究碳-氮协同利用特性规律及优化调控机制；采用光生电子供给体系，研究碳-氮代谢定向累积与光驱动能量协同强化方法；围绕微生物关键中心代谢网络，分析代谢节点对物质流、能量流及电子供给的调控作用。通过对相关机制机理的挖掘和解析，最终利用工程菌株制备复合蛋白饲料、萜类天然产物、航空煤油、肠道益生菌等生物基产品，并对相关产品的商业化生产过程进行技术经济可行性分析及全生命周期评价，上述成果已获授权或申请多项国家发明专利，并获得中国国际高新技术成果交流会优秀产品奖，部分研究成果已具备投入中试生产的条件。
近5年来，团队成员主持国家重点研发计划、政府间国际合作项目、国家自然科学基金、陕西省重点研发计划项目、国重室开放课题等20余项国家及省部级科研项目。与国内外世界知名高校、研究机构，如麻省理工学院、美国国家实验室、南佛罗里达大学、东京工业大学、神户大学、清华大学等保持良好的合作交流和师生访学关系。
方向1：一碳气体生物负碳技术与高值化利用
以甲烷/二氧化碳的微生物固定及其高值化利用为目标，利用前沿合成生物技术与代谢工程改造策略构建高效细胞工厂，结合发酵工艺优化，开发高效生物转化一碳气体合成生物基产品的负碳技术和先进的生物制造平台，合成制造低成本、低碳排放和可持续发展的平台化学品、生物材料、生物能源、功能饲料、活性物质、生物制剂等。
方向2：酶工程及绿色生物制造
围绕国家绿色生物战略，聚焦天然可再生资源的高值化利用，通过数据库挖掘和计算机辅助设计获取高效生物催化剂，为以木质素为代表的天然可再生资源的绿色转化提供强大工具。
方向3：生物电催化及转化医学
基于微生物电化学平台可长期稳定将二氧化碳转换为甲烷的优势，结合利用团队开发的甲烷工程菌株，开发原位二氧化碳高值化转换平台，实现从二氧化碳到生物材料、化工原料、蔗糖等大宗化产品的全生物转换。此外，基于微生物电化学技术可对厌氧微生物的代谢以及其菌落造成影响的特性，开发肠道微生物代谢调控平台，以期达到治疗相关疾病的目的。
方向4：技术经济可行性分析(TEA)及全生命周期评价(LCA)
基于利用甲烷、沼气等一碳气体生产高附加值产品工程菌株的开发，课题组通过TEA和LCA等技术对相关产品的商业化潜势和可持续性进行评价。以Aspen Plus工艺流程建模所得质量和能量衡算结果为基础，评估实现商业化所需投入的成本、预期收益等技术经济可行性，以及碳足迹、酸化潜势、富营养化潜势等环境影响。
