综述：通过工程化生物系统实现废水再利用：一种整合资源回收、合成生物学和生命周期评估的废水生物精炼设计框架（WBDS）

《Journal of Water Process Engineering》：Wastewater valorization through engineered biological systems: A wastewater biorefinery design space (WBDS) framework integrating resource recovery, synthetic biology, and life cycle assessment

　　• 介绍了废水生物精炼决策空间（WBDS）框架。
• 将微生物资源回收与先进的生物工程策略相结合。
• 提供了一种原创的生命周期评估（LCA），以识别环境热点。

引言
与工业生产过程和家庭活动相关的人为活动产生了大量的废水。这一问题因城市化和人口向大都市区集中趋势的加剧而更加严重[1]。市政和工业废水的处理不足继续对环境构成重大威胁，成为全球关注的问题。据估计，48%的废水未经适当处理就直接排放到生态系统中，未能去除污染物和病原体[2]。根据欧盟2024年的一份报告，预计到2050年全球废水产量将从2015年的3800亿立方米增加到5740亿立方米。其中增长最明显的是亚洲（增长313%，从590亿立方米增加到2450亿立方米），其次是撒哈拉以南非洲（增长212%，从170亿立方米增加到530亿立方米）、欧洲（增长10%，从680亿立方米增加到750亿立方米）、拉丁美洲和加勒比地区（增长36%，从330亿立方米增加到450亿立方米）、大洋洲（增长100%，从20亿立方米增加到40亿立方米）以及中东和北非（增长88%，从340亿立方米增加到640亿立方米）[3]。一项广泛引用的统计数据表明，超过80%的全球废水未经处理就被排放[175]。关于工业废水处理的信息仅涉及14个国家，该报告指出大约只有三分之一的废水接受了处理。对于包括农村和城市在内的生活污水，估计约有50%的污水未经处理或资源回收就被排放到环境中（世界卫生组织，2021年）。这一发现得到了[2]进行分析的支持，该报告指出截至2015年，全球仅有52%的生活污水和城市污水接受了处理。这也间接表明，几乎一半的废水资源回收潜力尚未被开发和利用。

为了对循环经济做出更大贡献，评估这些废水排放物及其产生的污泥的组成至关重要。工业或生活污水排放物和污泥中含有丰富的未开发潜力，包括多种有机化合物、营养物质甚至可回收的金属，如果能够适当处理，这些物质可以转化为高价值的生物产品；然而，资源回收仍然很大程度上没有得到探索。这种差距主要归因于传统废水处理系统的设计和运营限制，这些系统主要侧重于污染物去除而不是资源增值，导致大量可回收能源和材料的损失。此外，这些系统最初设计用于去除大量有机物和营养物质，对于顽固性和新兴污染物效果不佳，同时存在运营不稳定、易受冲击负荷影响、能耗高以及资源回收效率低等问题[4]。

在这些传统方法中，厌氧消化及其相关的生化过程是最广泛采用的能量回收策略之一，主要以甲烷和挥发性脂肪酸（VFAs）等中间产物的形式实现。尽管这些过程已经成熟，但其总体效率仍然有限。多种运营和生物限制因素，如微生物活性不足、停留时间不够以及复杂有机底物降解不完全，阻碍了能量回收，并导致有价值的营养物质和生物产品的损失，削弱了循环经济中的资源回收潜力[5]。因此，传统系统只能回收废水流中大约10%的总嵌入能量[6]。这种有限的回收效率降低了整体能量价值，并阻碍了养分循环的闭合，从而限制了向循环生物经济的过渡。

与此同时，由于微藻和细菌具有吸收营养物质、利用多种碳源以及将废物流转化为一系列高附加值生物产品（包括脂质、生物聚合物、色素、生物表面活性剂和其他生物活性化合物）的固有能力，它们作为废水增值的多功能平台受到了越来越多的探索。尽管具有这种潜力，但这些系统的实际应用仍受到生产力限制、工艺稳定性和经济可行性的制约。例如，[7]的研究报告指出，基于微藻的系统的生产成本显著较高，并指出低生物量产量和较长的运营时间是经济可行性的主要障碍。这些限制反映了生物废水增值系统面临的更广泛挑战，其中生产力不足、底物转化效率低、代谢失衡和处理时间延长直接影响了整个工艺的可行性和可扩展性。因此，克服这些限制需要整合先进的生物工程策略，以改善微生物系统的代谢性能、提高资源转化效率，并稳定地从废水原料中生产高附加值生物产品。其中，代谢工程已成为一种关键策略，用于系统性地重新设计细胞内途径，以增强微生物的生物合成效率和产品形成。特别是，靶向基因编辑、途径放大、启动子和核糖体结合位点（RBS）工程、辅因子优化、转录调控以及CRISPR/Cas介导的基因组编辑等方法已被证明能有效缓解代谢瓶颈并提高产品合成[8]。除了细胞内途径工程外，还探索了形态工程等补充策略，以调节细胞结构、菌丝形态、颗粒形成、培养基流变学和质量传递特性，从而改善工业微生物中的营养物质扩散、氧气传递和代谢产物产量[9]。超越单菌株优化，共培养工程方法也受到了相当大的关注，因为它们能够建立协同代谢相互作用和劳动分工机制，提高底物利用效率和整体工艺效率[10]。同时，进化和适应性工程策略也被越来越多地用于提高微生物对有毒中间体、盐度波动、氧化应激和大规模生物过程中常见变化废水成分的耐受性[11],[12]。总体而言，这些综合工程方法代表了从传统废水处理向能够实现可持续、可扩展和经济可行的高附加值生物产品生产的工程资源回收平台的转变。

大多数现有的废水生物产品综述主要集中在生物体本身及其相关产品上，对工艺整合、运营可行性及以决策为导向的实施策略关注较少。因此，实验室规模的生物资源回收研究与实际选择适合大规模废水生物精炼的微生物平台之间存在重要差距。为解决这一问题，本文介绍了废水生物精炼设计空间（WBDS）的概念，这是一个基于证据的支持决策框架，通过对废水特性、培养条件、处理和资源回收性能、产品特性、运营限制以及与细菌和微藻系统相关的下游处理要求的跨研究评估来开发。与传统比较综述不同，WBDS将跨研究的证据转化为八个标准化的工程标准，通过证据驱动的层次分析法（AHP）进行优先排序，并与特定平台的适用性评分结合在加权决策矩阵中。这种定量结构使得可以根据废水特性、工艺要求和目标产品目标系统地比较不同生物平台。在这个框架中，细菌系统主要被视为在高浓度废水条件下集成处理的强大资源回收平台，而微藻系统则因其适用于富含营养物质且浊度相对较低的废水流以及应力诱导的高价值代谢物合成而受到重视。通过连接跨研究证据、标准权重、平台评分和结构化的决策路径，WBDS为废水生物精炼中的生物平台选择和工艺整合提供了透明且可复制的依据。

在该框架指导下，本文系统地探讨了以下关键领域：(i) 通过提取和合成高附加值生物产品将废水挑战转化为资源回收机会；(ii) 基于废水兼容性、运营限制和产品特定增值潜力对细菌和微藻系统的比较评估，由证据驱动的AHP和加权WBDS决策矩阵进行定量平台评估；(iii) 高级生物工程方法的全面评估，包括代谢工程、合成生物学、形态工程、共培养工程和进化工程策略，旨在提高微生物生产力、工艺稳定性和资源转化效率；(iv) 对下游处理限制的评估，包括生物质收获、细胞破裂、产品提取和纯化及其对工艺可行性的影响；(v) 使用来自已发表实验数据的过程清单对四种PHB提取路线进行全面的生命周期评估（LCA），并在共同的功能基础上进行评估，以识别环境热点和替代下游回收策略之间的权衡；(vi) 深入讨论阻碍废水再利用和资源回收技术大规模应用的持续障碍和技术限制。

参考文献
使用Web of Science和Google Scholar数据库对2012年至2024年的文献进行了全面系统的搜索。搜索中纳入了一系列相关关键词，如废水增值、循环经济和生物工程方法，以提高附加值产品的生产效率，并通过网络分析识别出相关术语，如“生物燃料”、“微藻”、“生物炭”、“营养物质回收”和“废物转化为能源”。

全球废水管理及其在资源回收领域的潜力概述
图3展示了各国如何管理水资源和解决环境问题的关键见解。这些国家层面的数据包括几个关键指标：(A) 每人每年产生的生活污水和工业污水量（以立方米计），反映了个人和工业产生的废水量；(B) 收集率（%），表明了国家废水收集系统的有效性。

从废水中提取资源
利用这些嵌入的资源符合日益重视可持续性和循环经济实践的趋势。通过应用资源回收、再制造和重新评估原则，废水可以作为生成高附加值产品的原料。这种方法不仅有助于减少废水排放带来的环境负担，还通过将废物转化为市场化的生物产品创造了经济机会[14]。

废水生物精炼设计空间（WBDS）
WBDS被提出作为一个基于证据的支持决策框架，它将本综述的集体发现转化为一种结构化的生物平台选择方法。WBDS不是寻找一种普遍优越的微生物，而是根据废水成分、工程限制和目标生物产品来评估微藻和细菌系统的兼容性，从而为废水生物精炼设计和工艺规划提供了可复制的依据。

生物工程方法以提高生产效率和附加值产品的产量
将废水增值从实验室规模培养转化为全规模操作需要考虑生物工程策略以及废水和反应器工程。代谢工程、CRISPR/Cas介导的基因组编辑、合成生物学、进化工程和形态工程以及共培养策略可以改善底物利用、产品形成和微生物的稳健性；然而，大多数报道的改进都是在废水生物精炼的下游处理限制条件下实现的。

下游处理是废水增值中的关键考虑因素，因为生物产品的回收可能涉及多个操作，包括生物质分离、细胞破裂、提取、浓缩和纯化。处理的程度很大程度上取决于产品是细胞内、细胞外还是与整个生物质相关，以及其最终应用所需的纯度。这种区分在……

基于生命周期评估的下游回收及其对WBDS的影响
生命周期评估（LCA）越来越多地应用于废水生物精炼，以评估培养、营养物质回收、生物质增值和燃料转化路径。先前的研究表明，环境性能受到工艺配置的强烈影响。例如，[161]进行了全面的生命周期评估，以评估四种营养物质回收系统（微生物燃料电池、化学沉淀、离子交换和微藻培养）的环境影响。

全规模实施中的挑战：废水再利用和资源回收中的持续障碍和问题
虽然许多技术存在资源回收选项，但它们在全规模实施中的商业可行性尚未得到证明[159]。例如，(a) 从黑水中厌氧处理生产磷酸钙颗粒是一种有前途的磷回收技术，尽管其潜力巨大，但其大规模商业可行性仍未得到验证；(b) 磷酸钙沉淀因其在回收磷方面的有效性而受到认可。

结论
本综述表明，从废水中回收高附加值产品对于满足未来对清洁水、能源、营养物质和可再生生物产品的需求至关重要，同时减少对有限资源的依赖。废水富含氮、磷和有机物等营养物质，可用于多种应用，如生物燃料、生物活性化合物和肥料，从而显著促进循环经济的发展。该论文的作者贡献声明如下：

Akhil Gupta：参与写作（包括审核与编辑、撰写初稿、数据可视化、结果验证、软件开发、资源整合、研究方法设计、调查分析、数据分析以及概念框架的构建）。

Meghali Saha：参与写作（包括审核与编辑、撰写初稿、数据可视化、结果验证、研究方法设计、调查分析、数据分析以及概念框架的构建）。

Rao Surampalli：参与写作（包括审核与编辑、数据可视化、结果验证）；同时负责监督项目的整体进展和行政管理。

Pratik Kumar：参与写作（包括审核与编辑）；并声明本人没有可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。

作者声明：我们确认自己不存在任何可能对本文研究内容产生影响的财务利益冲突或个人关系。

致谢：作者衷心感谢印度查谟理工学院为这项研究提供必要的基础设施和机构支持。同时，也非常感谢研究团队的技术专长和坚定不移的支持。本文中的图6和图7是使用BioRender.com工具制作的，作者特此对此资源表示感谢。

作者名单：Akhil Gupta | Meghali Saha | Rao Surampalli | Pratik Kumar