木质素是自然界中最丰富的可再生芳香族生物聚合物，其独特的芳香骨架、丰富的含氧官能团及可调控的化学反应活性，使其在污染物吸附、絮凝、膜分离及催化降解等废水处理领域展现出应用潜力。近年来，随着生物质资源高值化利用与绿色水处理技术的发展，研究者通过引入活性官能团、调节表面电荷、构筑多孔结构及耦合功能组分等策略开发了一系列木质素基水处理材料。尽管相关研究取得了显著进展，但材料设计仍在较大程度上依赖经验筛选与反复试验，其背后的大分子结构—功能关系尚缺乏系统性的认识。

  与结构相对明确的合成聚合物不同，木质素具有高度异质性的芳香网络，其单体组成、连接键分布、分子量、分子量分散性及官能团可及性受到植物来源与提取工艺的共同影响。结构复杂性不仅决定木质素的化学反应活性，还会进一步影响分子链构象、分子间相互作用、多尺度组织及界面行为。因此，即使采用相似的改性方法，不同木质素前驱体也可能表现出显著不同的加工特征与污染物去除性能。现有综述多从材料类型或污染物类别出发，对初始结构如何影响后续设计路径及最终功能的解释仍较分散。如何建立木质素大分子结构、材料设计与废水处理性能之间的内在联系，成为实现理性设计的重要科学问题。

  近日，中南林业科技大学吴义强院士、万才超教授团队，联合新加坡国立大学、瑞典斯德哥尔摩大学、爱尔兰科克大学、中国药科大学，在高分子领域顶级综述类期刊《Progress in Polymer Science》（IF=32.8）发表题为“Bridging structure and function: Polymer-science-guided macromolecular design of lignin for wastewater remediation”的综述论文。该综述以高分子物理化学基本原理为基础，系统梳理了木质素天然结构、提取方法、大分子改性、多尺度结构构筑及废水处理性能之间的内在联系，构建了贯穿“结构—提取—设计—功能”的系统性分析框架，为理解木质素基功能材料的结构—功能关系及其理性设计提供了新的研究视角。

  这一框架强调，木质素基材料设计应从前驱体的大分子特征出发，而不能仅关注引入何种官能团或获得何种材料形貌。不同来源及提取工艺塑造了木质素的反应位点、分子量和结构稳定性；磺化、胺化、接枝共聚、超分子自组装、静电纺丝、碳化及复合设计进一步调节了化学功能、链构象、层级组织和界面结构，最终影响放射性碘、染料、油类及有机溶剂、重金属等污染物的去除行为（图1）。由此，原料提取、材料设计与环境应用被纳入同一设计逻辑：根据目标污染物及去除机制，选择具有合适结构特征的木质素前驱体，并匹配相应的大分子设计路径。论文第一作者为中南林业科技大学林业工程学科2025级博士研究生马俊丞。

图1 木质素“结构—提取—设计—功能”一体化框架及其废水处理应用

  木质素基水处理材料的发展也反映了研究理念的逐步转变（图2）。早期工作主要将木质素视为可利用的工业副产物，借助其芳香结构和含氧官能团实现污染物结合；随后，磺化、接枝共聚等分子功能化方法不断拓展其反应活性和水相加工性能。随着超分子组装、静电纺丝及热化学转化技术的发展，木质素逐渐成为纳米颗粒、纤维膜和多孔碳等层级结构的构筑原料。近年来，多组分复合与界面调控进一步推动吸附、催化、分离和刺激响应等功能的整合。随着体系日趋复杂，材料性能已难以仅用官能团含量或单一指标解释，从高分子科学角度建立结构与功能之间的联系愈发重要。

图2 木质素基材料从资源化利用到多尺度功能设计的发展历程

  要理解木质素的结构—功能关系，首先需要认识其天然大分子结构。木质素主要由对羟基苯基（H）、愈创木基（G）和紫丁香基（S）单元构成，不同单元的甲氧基取代程度及其比例影响芳香环反应活性、连接键分布和缩合倾向。其中，β-O-4′芳基醚键较为丰富且相对容易断裂，其保留程度会影响分子量、官能团分布及后续化学转化；5–5′和β-5′等缩合型C–C连接键则有助于提高结构稳定性，但可能限制部分反应位点的可及性。此外，木质素在植物细胞壁中与纤维素、半纤维素形成复杂的多组分网络（图3），使其分离过程伴随连接键断裂、缩合和结构重组。因此，原料的化学组成和结构环境均是后续功能设计的重要基础。

图3 木质素的基本结构单元、典型连接键及木质素—多糖网络

  基于这些结构特征，综述强调，木质素提取不仅是原料分离，也是大分子设计的起点。不同提取工艺会改变连接键分布、官能团密度、分子量及缩合程度，进而影响后续反应与加工行为。例如，碱法提取通常伴随β-O-4′断裂和去甲基化，有利于增加酚羟基等反应位点，但也可能引起缩合和分子量分布变宽；酸性处理所得木质素往往具有较高缩合程度和热稳定性，更适合部分多孔碳材料的制备；有机溶剂提取则有利于获得分子量相对较低、分布较窄且保留较多β-O-4′连接键的木质素。深共熔溶剂、离子液体和超临界流体等路线也拓展了结构调控选择。因此，提取方法的评价不应止于得率，还应考虑其与目标改性策略和最终功能的匹配程度。

  围绕木质素初始结构与后续功能之间的联系，文章将七种典型设计策略归纳为三个相互关联的层次（图4）。分子功能化包括磺化、胺化和接枝共聚，主要调节官能团组成、电荷状态与大分子链构象；结构设计包括超分子自组装、静电纺丝和碳化，利用分子间相互作用、链缠结及热转化构筑纳米颗粒、纤维网络与多孔碳骨架；复合集成则发挥木质素的化学反应性、两亲性与结构支撑作用，协调不同组分间的界面效应。三类策略并非独立的技术清单，其共同目标是将分子水平的结构特征转化为可调节的界面作用、活性位点可及性和污染物传质能力，从而形成具有特定水处理功能的材料。

图4 木质素分子功能化、结构设计与复合集成的大分子设计框架

  不同功能化策略的效果，并不会随官能团含量增加而必然提高。磺化引入的磺酸基可增强水合作用、改善水相分散性，并赋予木质素阴离子聚电解质特征；胺化通过Mannich反应、环氧开环或聚胺接枝引入含氮基团，使材料具有pH响应的电荷调节及金属配位能力。其中，Mannich反应和环氧开环主要将氨基引入芳香骨架附近，而聚胺接枝可形成向溶液伸展的柔性多胺结合域，不同空间构型进一步影响位点可及性与结合行为。接枝共聚则通过控制侧链长度与接枝密度改变整体大分子构型：适当的链段伸展有利于功能基团暴露和颗粒桥联，过高的接枝密度却可能因空间拥挤限制链段运动。因此，反应位点数量、官能团可及性和链构象需要协同优化。

  在多尺度结构构筑过程中，同样存在由前驱体结构决定的适用性差异。木质素纳米颗粒既可通过机械破碎等自上而下的方法获得，也可利用溶剂交换诱导疏水相互作用、π–π堆积和氢键协同，实现自下而上的超分子自组装；两者的成粒机制及对分子量、分散性和两亲性的要求并不相同。静电纺丝依赖适当的链缠结和溶液流变行为，碳化则更关注芳香骨架、缩合程度及热稳定性，并可借助活化与杂原子掺杂调节孔隙和表面化学。复合体系中的木质素还可同时作为反应性功能组分、大分子相容剂和结构骨架，促进污染物结合、界面稳定与催化组分固定的协同（图5）。

图5 木质素大分子功能化的典型反应路径与多尺度结构构筑机制

  上述机制揭示了木质素材料设计中的关键权衡：较高的反应位点可及性通常有利于化学功能化，适当的两亲性及分子量分布有助于自组装，而较高的碳含量、缩合程度和热稳定性可能更适用于碳化。某种结构特征在一条设计路径中具有优势，在另一条路径中却可能成为限制因素。例如，缩合结构能提高热稳定性，却可能降低部分化学修饰位点的可及性；增加接枝密度可以改变链段伸展，但过度拥挤又可能削弱桥联。因此，木质素不存在适用于所有改性方法和应用场景的统一最优结构。研究重点应转向识别关键结构参数，并使前驱体特征、设计策略与目标功能相互匹配。

  这一结构—功能逻辑最终体现在不同污染物的去除机制中（图6）。对于放射性碘，富电子芳香骨架能够通过电子供体—受体相互作用参与捕获，孔隙限域及表面化学进一步影响结合与传质；对于染料，表面电荷、π–π相互作用、聚合物链桥联及催化活性影响吸附、絮凝、膜分离与降解；对于油类及有机溶剂，表面润湿性、微纳米粗糙结构和多级孔道决定选择性分离与吸收行为；对于重金属，静电吸引、配位络合、氧化还原及离子交换等作用与官能团类型和位点可及性密切相关。因此，评价材料时不能仅关注最大去除率，还应结合污染物性质综合考察选择性、传质效率、稳定性和再生能力。

图6 木质素大分子设计与典型污染物去除机制的结构—功能关联

  总体而言，该综述将原料提取、化学改性、层级结构构筑及污染物去除机制纳入统一的大分子结构—功能分析框架，强调材料性能不是由某一官能团或单一形貌直接决定，而是分子链构象、活性位点可及性、界面组织与传质过程共同作用的结果。木质素自身异质性虽然增加了反应控制和性能预测的难度，却也提供了丰富的设计空间。通过比较不同前驱体及其适用的改性路径，可以更有针对性地调控材料结构，减少依赖经验筛选的重复试验。这一视角也使木质素从传统的可再生芳香原料，进一步成为能够依据结构特征开展功能设计的天然大分子平台。

  面向未来，文章提出四个相互关联的发展方向：一是发展更具选择性的提取与解离技术，实现木质素前驱体关键结构参数的可编程调控；二是结合密度泛函理论、分子动力学、机器学习及标准化数据，逐步建立具有稳健性和可迁移性的过程—结构—功能预测模型；三是加强分子功能化、层级结构与界面调控的协同，实现吸附、催化、分离和刺激响应等多功能整合；四是面向真实废水处理条件，综合评价复杂组分干扰、长期稳定性、抗污染性能、再生效果及规模化制备，并引入全生命周期评价。通过将高分子科学基础与环境应用需求相结合，有望推动木质素基水处理材料由经验改性走向结构驱动、功能导向的理性设计。

  原文信息：

  Juncheng Ma, Bo Pang, Sijin Zuo, Baile Wu, Yiqiang Wu, Jiayin Yuan, Caichao Wan^?. Bridging structure and function: Polymer-science-guided macromolecular design of lignin for wastewater remediation. Progress in Polymer Science, 2026, 102194.

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2026.102194