传统的废水消毒方法会产生有毒副产物和残留的微生物代谢物，对水质安全构成重大威胁。典型的有害物质包括致癌的亚硝胺（Li等人，2021年；Ma等人，2012年）以及由代谢物衍生的毒素，如生物胺和内毒素（Ceyhan和Celik，2011年；Roje等人，2024年）。此外，饮用水被致病细菌污染仍然是全球公共卫生问题。Moraxellaceae家族的病原体可导致儿童急性中耳炎和成人慢性阻塞性肺疾病，并具有高度的抗生素抗性（Wang等人，2024年）。Legionella pneumophila是军团病的致病菌，对免疫系统较弱的人群具有特别高的死亡风险（Chen等人，2025年）。然而，现有的病原体去除和消毒技术在处理水中存在显著局限性。基于氯的消毒方法虽然有效，但会产生一系列卤化副产物，其中一些可能具有毒性。高级氧化工艺（如臭氧氧化和紫外线（UV）照射）虽然能提高消毒效率，但需要较高的能量投入并导致较高的运营成本（Lai等人，2024年）。膜过滤技术受到通量和成本的限制（Hashmi等人，2025年；Yin等人，2022年），而生物处理过程则常常面临膜污染（MBR工艺）和操作复杂性等问题（Murshid等人，2023年）。因此，迫切需要开发高效、安全且经济可行的新型消毒技术，以有效控制饮用水中的微生物及其代谢物。
在最近关于水消毒的研究中，已经研究了改性或未改性的纳米颗粒的抗菌性能。例如，单宁酸–Fe³⁺复合磁性石墨烯支持的AgNPs在20 mg/L的用量下几乎实现了100%的大肠杆菌灭活（Khan等人，2022年），而ZnO NPs在50–150 mg/L的用量下对霍乱弧菌和肺炎克雷伯菌的去除效率达到75%–88%（Mukherjee等人，2025年）。然而，在富含有机碳（DOC）和胶体颗粒的河口环境中，AgNPs倾向于聚集并被DOC包裹或吸附，这显著降低了它们与微生物的接触反应性。即使将用量增加到1.8 mg/L，消毒效率仍仅为10%–15%（Yi和Cheng，2017年）。相比之下，木质素由于其独特的分子结构和官能团而表现出天然的强抗菌活性（Su等人，2024年）。具体而言，酚羟基和羧基对木质素的杀菌活性至关重要（Li等人，2023年），因为它们可以酸化环境、破坏膜电位、穿透细胞膜、抑制代谢酶并产生活性氧物种，从而损害DNA并抑制微生物生长（Erguden，2021年）。木质素NPs的纳米级特性提供了额外的优势。由于其小的颗粒尺寸和大的比表面积，木质素NPs能够暴露更多的反应性官能团，并可以通过“特洛伊木马”机制穿透生物膜的多孔EPS基质，甚至进入微生物细胞，通过内吞作用被微生物吸收后释放到细胞内，导致ATP耗尽和细胞死亡（Morena和Tzanov，2022年）。值得注意的是，较小的颗粒通常表现出更高的杀菌活性（Yang等人，2018年）。
除了抗菌性能外，木质素还具有生物降解性、环境友好性，并且比传统化学消毒剂更安全（Peng等人，2025年）。其内在的抗氧化和成膜能力进一步增强了抗菌效果，并具有抗炎作用。最近的研究证实了其对革兰氏阴性细菌（如大肠杆菌）和革兰氏阳性细菌（如金黄色葡萄球菌）的强抑制作用（Huet等人，2024年）。此外，木质素还表现出广谱抗病毒活性，通过稳定病毒结构或破坏病毒包膜和复制有效抑制无包膜肠道病毒（如脊髓灰质炎病毒）和有包膜病毒（如SARS-CoV-2）（Okabe等人，2024年）。综上所述，木质素及其纳米结构衍生物是“下一代”绿色抗菌和抗病毒材料的有希望的候选者，具有在消毒产品、智能敷料和抗菌涂层中的潜在应用。
然而，现有关于木质素基抗菌材料的研究存在明显局限性，阻碍了其在实际水处理中的应用。大多数研究集中在实验室控制溶液中的抗菌活性，对其在实际膜系统中对复杂生物膜的调控作用缺乏系统研究。水生生物膜由多种微生物群落和EPS组成，形成了一层保护屏障，降低了抗菌效果，木质素纳米结构与生物膜成分之间的相互作用机制仍不清楚。此外，尽管报道了木质素纳米颗粒（NPs）的抗菌活性，但其在复杂微生物群落中的剂量-效应关系和结构变化尚未得到充分阐明，限制了对其实际潜力的准确评估。
这些研究空白突显了本研究的必要性。在本研究中，木质素NPs被用作抗菌剂，用于调节重力驱动的超滤系统膜表面形成的生物膜，模拟实际的水处理过程。这项工作有三个关键创新：（1）针对膜生物膜控制，以衔接实验室规模的抗菌研究和实际工程应用；（2）通过比较实验系统研究木质素NPs对微生物群落组成和EPS性质的影响，而不仅仅是关注抗菌活性；（3）整合微观、微生物群落和代谢组学分析，全面阐明核心机制（即木质素NPs与生物膜成分的相互作用以及木质素和蛋白质衍生物的结构变化）。因此，本研究评估了木质素NPs在水生环境中控制病原微生物和有毒副产物的有效性，从而提供了一种改善饮用水安全的新技术策略。
