（来源：清华大学）
春夏之交，气温升高
一些湖泊、水库的岸边
会被厚厚的绿色藻类覆盖
水面发绿、透明度下降
严重时还伴随异味
这一现象被称为“水华”
其中，蓝藻水华是最常见的一种
它常被视为一个复杂性生态难题
可在自然水体中
它有时也会突然变蓝、发白
甚至迅速消失
看似生命力顽强的蓝藻
为什么会突然集体死亡？
围绕这一未解之谜
清华大学深圳国际研究生院
（以下简称：清华SIGS）
陶益副教授、王潇雄副教授团队
联合清华大学环境学院
胡洪营教授团队
针对蓝藻水华快速消亡的自然现象
在蓝藻细胞中系统解析了
“铁死亡”的调节性细胞死亡机制
揭示了
有害藻华种群快速消亡的自然奥秘
为从源头精准遏制蓝藻水华暴发提供了全新思路
相关成果于北京时间6月26日
以《铁催化活性脂质过氧化产物触发藻华种群快速死亡》“Iron-catalyzed active lipid peroxides drive ultrafast collective cell death in blooming algae”为题
在线发表于《科学》（Science）
“捞不尽”的蓝藻，为什么会突然消失？
过去，学界普遍认为蓝藻细胞会在特定条件下“凋亡”，即蓝藻细胞主动启动细胞程序性死亡，缓慢而有秩序地分解自身结构，逐渐推动蓝藻水华消退。但蓝藻水华有时会在短短几天内突然消退，难以仅用传统的“凋亡”机制解释。
团队观测到蓝藻水华由绿变蓝，正在快速消退
论文第一作者、深圳国际研究生院2021级硕士生（现为2024级博士生）朱寅杰在2021年进行藻类试验时，观测到一个重要现象：当蓝藻细胞内的活性铁水平超过某一临界值后，细胞膜损伤加剧，细胞死亡速度显著快于预期。此时，一个叫“铁死亡”的概念进入了团队的研究视野。
“铁死亡”概念，于2012年从生命科学领域的肿瘤细胞研究中兴起。这是一种铁依赖性的细胞调节性死亡方式，其核心机制是细胞内氧化-抗氧化失衡引发的铁催化脂质过氧化链式反应，最终导致细胞膜破裂。团队在复盘试验数据时发现，部分曾被忽略的指标显示，蓝藻细胞内氧化应激和铁代谢相关通路被同步激活。经过多种分析和验证，团队猜想：蓝藻水华快速消亡会不会存在着类似“铁死亡”的驱动机制？
围绕这一问题，团队在滇池开展野外监测，并在实验室进一步解析微观机制。研究发现，蓝藻细胞内富含铁离子和脂质；在环境压力下，铁离子变得异常活跃，进而“点燃”脂质过氧化链式反应，生成铁催化活性脂质过氧化产物。
团队成员在云南滇池开展采样工作
这些活性脂质过氧化产物，是理解整项研究的一把钥匙。它们可以直接攻击细胞膜，造成细胞膜结构受损，引发细胞死亡。研究将这一过程称为“原发性铁死亡”。
更关键的是，死亡并不止步于单个细胞。相关活性物质还会作为“死亡信号”释放出来，诱发周围细胞发生同样的死亡过程，即“继发性铁死亡”。
换句话说，一个细胞中被点燃的化学“火花”，可能通过信号传播，带动周围细胞一起进入死亡进程。
铜绿微囊藻细胞原发性铁死亡的执行机制
在相关试验条件下，继发性铁死亡造成的细胞膜破裂比例约为45%，膜结构崩解更为严重；相比之下，原发性铁死亡中膜破裂比例约为6%，主要表现为细胞膜形成纳米级孔洞。
这种差异解释了为什么蓝藻水华会出现种群层面的快速崩溃：“死亡信号”一旦扩散，就会以“星火燎原”之势迅速引发整片区域的蓝藻种群崩溃。
铜绿微囊藻细胞种群中的铁死亡及其传递现象
研究团队表示，这项研究拓展了过去认为“凋亡驱动藻华崩溃”的传统认识，为理解藻华快速消亡提供了新的研究思路和范式。
陶益表示，如果能操纵这种信号分子，就可能“师法自然”，在早期抑制藻华暴发。
“最大的破局点，是学科交叉”
在陶益看来，这项研究最大的破局点，是学科交叉。要解开这个科研“谜团”，单一学科的知识显得“捉襟见肘”。
陶益持续攻坚藻类水华防控以及藻菌协同减污降碳的原理与技术，擅长从自然现象中凝练生态学问题；王潇雄主要从事电过滤分散式水处理技术研究，更多从催化过程和工艺角度给出应用设想和规划。两人的学术合作已经超过十年。
研究过程中，清华大学环境学院教授胡洪营在概念设计和思路拓展上给予重要指导，昆山杜克大学助理教授曹焕生在生物信息学方面的分析，也进一步丰富了研究的维度。
学科交叉，不仅体现在人员协同，更在于科研平台与思维方式的深度交融。团队依托清华SIGS开放共享的科研平台，综合运用流式细胞仪、无标记活细胞显微镜、电子显微镜等多种设备，有效打通了生态、环境、生物、物理等多个领域的技术壁垒。
团队讨论试验数据
跨界“拓荒”的难点，还是学科交叉
交叉融合在带来创新突破口的同时，也意味着团队必须闯入“无人区”，直面重重瓶颈与挑战。
该研究需要参考哺乳动物细胞铁死亡领域的文献报道，在原核生物蓝藻上构建整套研究方法，这在环境工程领域几乎没有现成方法可供借鉴。为此，研究团队在方法论上跨界“拓荒”，大量阅读跨学科文献，从头学习构建算法、摸索试验药剂。
2023年底，团队积累了一定的研究成果，开始尝试向一些环境类期刊投稿。经历了半年的等待，他们的论文却由于研究领域交叉性较强导致无人审稿而被退回。
团队没有因此停下，而是在野外监测与实验室验证之间持续补强证据，不断积累新数据。最终，将更扎实的研究成果投向《科学》（Science）。
陶益（一排左三）与学生在污染河道治理现场
《科学》（Science）的三位审稿人均对该成果给出较高评价，认为该发现对藻类领域意义重大，研究方法和思路具有创新性，鼓励团队进一步探索这一重大发现启示的藻类水华防控方法，持续深化这一领域的研究。
做研究的出发点，是解决真问题
对朱寅杰来说，这次科研经历更像是一段不断补课、不断试错的过程。面对专业领域内几乎没有现成案例可参考的方向，团队在野外监测与实验室验证之间反复往返，逐步把一个“异常现象”变成一条可以被同行审视的证据链。
“不要担心成果产出‘慢’，要敢于挑战‘从0到1’的原创性研究。”“我们做研究的出发点，是解决真问题。”陶益、王潇雄的教导，朱寅杰始终牢记在心。
从左到右：朱寅杰 陶益 王潇雄
值得一提的是，长期水环境治理实践，为研究团队理解复杂水体生态打下了基础。近年来，该研究团队一直致力于解决实际的生态环境问题，在水库蓝藻水华问题、河道底泥黑臭问题等方面积极开展生态监测和环境修复工作，并在监测预警体系构建、地方标准制定和产品产业化方面均取得一定成果。
此外，清华SIGS团队先后参与水源和饮用水安全保障、污水净化与再生利用、茅洲河大沙河深圳河等河道治理修复、红树林保护与生态保育、赤潮灾害防治、深圳湾治理修复战略制定等多项工作，持续面向真实环境治理中的“硬骨头”开展研究。
目前，研究团队正致力于拓展研究成果的工程化应用潜力，努力实现在蓝藻水华发展的初期就进行早期控制，让蓝藻水华治理从实验室走向现实应用，为守护良好的水生态贡献中国智慧与清华力量。
论文共同通讯作者为清华大学深圳国际研究生院副教授陶益、王潇雄，第一作者为清华大学深圳国际研究生院2024级环境科学与工程专业博士生朱寅杰。其他作者包括清华大学环境学院教授胡洪营，清华大学深圳国际研究生院2021级环境科学与工程专业博士生童一帆、2025届环境工程专业硕士毕业生贾成真，以及昆山杜克大学助理教授曹焕生。该研究得到国家自然科学基金、深圳市科技计划、广东省普通高校城市水循环生态安全保障创新团队计划支持。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed3823
来源｜深圳国际研究生院
文｜吴鸿瑶
图｜受访团队
封面｜郭晔萱
排版｜范雨禾
编辑｜叶思佳 陈韩梅 范雨禾
责编｜苑洁
