春夏之交，伴随着逐渐升高的气温，一些湖泊中的蓝藻开始复苏生长，使得水面逐渐呈现浓绿色，散发出难闻的气味，是蓝藻水华（以下简称“藻华”）。这种自然现象，会对水生态造成一定的负面影响。但，藻华有时竟会在数天内突然迅速消亡。清华大学深圳国际研究生院（下称“清华SIGS”）副教授陶益、王潇雄团队联合清华大学环境学院教授胡洪营团队，敏锐抓住这一反常的消亡现象并进行观测，最终在蓝藻细胞中系统解析了“铁死亡”的调节性细胞死亡机制，揭示了藻华快速消亡的自然奥秘，为从源头精准遏制藻华暴发提供了全新思路。

当地时间6月25日（北京时间26日），相关成果以“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，发表于《科学》（Science）期刊。

拨开迷雾，揭示藻华种群“快速消亡”之谜

蓝藻作为地球上最古老的生物之一，生命力极为顽强，在适宜的营养条件下，其大规模暴发不仅会导致水下生物大量窒息死亡，还会释放藻毒素和嗅味物质等有害物质，严重威胁饮用水安全和人体健康。例如2007年太湖蓝藻水华污染事件，让附近居民一度陷入用水危机。

当前治理藻华的手段多为“事后应对”，比如物理打捞、化学杀灭、生物调控，投入巨大却难以快速见效，亟需探索更高效、可持续的治理路径。

然而，自然界有一个长期被忽视的现象：藻华有时会在短短几天内突然消退，水面上的大片“绿毯”仿佛消失得无影无踪。

陶益、王潇雄团队通过对云南滇池的长期监测发现，“有时水华堆积到岸边，一天变蓝，两天变白，三天消失”。陶益介绍道，这种反常的消亡速度，难以仅用传统的“凋亡”等机制解释。

为了揭示藻华快速消失的秘密，论文第一作者、深圳国际研究生院2021级硕士生（后为2024级博士生）朱寅杰在2021年进行藻类试验时，发现一个令人困惑的现象：当藻细胞内的活性铁水平超过某一临界值之后，细胞膜损伤加剧，细胞死亡速度显著快于预期。

这一反常的试验现象，让团队开始重新审视试验数据，他们推测，在这快速消亡的背后，可能隐藏着某种被忽略的内在机制。此时，一个叫“铁死亡”的概念进入了研究视野。

“铁死亡”的概念，于2012年从生命科学领域的肿瘤细胞研究中兴起。“铁死亡”，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？

为了验证这个假设，团队在滇池开展了系统的野外监测。通过实时追踪，团队发现在蓝藻水华快速消亡的全过程中，蓝藻细胞内出现铁稳态失衡、氧化应激、脂质过氧化和细胞死亡裂解的时序变化，呈现出细胞铁死亡的迹象。随后，团队在实验室里进一步探索了这一过程的微观机制。

团队发现，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”脂质的过氧化链式反应，生成铁催化活性脂质过氧化产物。这类物质的分子构象发生变化，既可以通过改变细胞膜的生物物理特性造成细胞膜结构缺陷，最终导致细胞死亡，即“原发性铁死亡”；又会作为“死亡信号”从细胞膜上脱落，被周围细胞接触后进一步诱发这些细胞执行同样的死亡，即“继发性铁死亡”。

试验结果表明，经历继发性铁死亡的细胞群中，细胞膜结构明显崩解的细胞占比约为45%，显著高于经历原发性铁死亡的细胞群（6%，以形成细胞膜纳米级孔洞为主）。综合转录组学和流式细胞术分析结果，表明细胞在经历继发性铁死亡时，其细胞膜的失稳程度更高。综上，信号一旦传播，就会以“星火燎原”之势迅速引发种群崩溃，即产生“旁观者效应”。

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。“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。”陶益表示，这将为全球藻华治理带来新思路。

交叉融合，构筑科研创新“底座”

“这项研究最大的破局点，是学科交叉。”陶益的这句感慨，道出了这项成果诞生的深层原因。

这项发现，不仅源于团队对“异常”现象的敏锐捕捉与持续深挖，更离不开交叉融合带来的创新灵感与突破口。

在清华SIGS，打破边界、合作共赢是师生们的科研常态，为科研“破局”提供了坚实的底座。陶益来自清华SIGS环境与生态研究院，他长期聚焦美丽中国建设中协同减污降碳关键问题，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。王潇雄则来自海洋工程研究院，主要从事电过滤分散式水处理技术研究。两人的学术合作已经超过十年。

要解开这个科研“谜团”，单一学科的知识显得捉襟见肘。在此项研究中，陶益擅长对藻华自然现象的理解、概念设计、现象背后机制的挖掘、以及生态学意义的阐释，王潇雄更多从催化过程和工艺角度给出应用设想和规划。此外，清华大学教授胡洪营在概念设计和思路拓展上给予了重要指导，昆山杜克大学助理教授曹焕生在生物信息学方面的分析，进一步丰富了研究的维度。

学科交叉，不仅体现在人员的协同，更在于科研平台与思维方式的深度交融。要破解蓝藻水华快速消亡背后的“铁死亡”机制，需要打通生态、环境、生物、物理、材料等多个领域。依托清华SIGS开放共享的科研平台及各研究院之间的设备共享机制，团队采用了流式细胞仪、无标记活细胞显微镜、电子显微镜等设备。

“我们的研究受益于其他学科的滋养和支持，否则很难顺利完成。”陶益说。他常叮嘱学生，要走出舒适区，主动交朋友，提升交流合作能力，不断丰富新知识。通过与不同领域师生的交流，朱寅杰不仅掌握了设备操作方法，更增进了对跨学科知识的理解，逐步建立起自己的学术网络。

四年磨剑，从被退稿到抢占“无人区”

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，也就导致了研究开展到特定节点时，容易缺乏对开展下一步研究计划的精确把握。为此，团队在方法论上跨界“拓荒”，大量阅读生物、物理、材料、细胞生物学等多学科文献，从头学习构建算法、摸索试验药剂。

积累一定成果后，2023年底，团队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，无人审稿而被退回。

然而，团队没有气馁。学科交叉极大拓展了他们的学术视野，也让他们愈发坚信这项研究的价值。陶益和王潇雄不断鼓励朱寅杰，不要担心成果产出“慢”，要敢于挑战“从0到1”的原创性研究。王潇雄说：“做研究难免会遇到挫折和打击，要甘坐‘冷板凳’。有时只要再坚持一下，往往就能有所突破。”团队的试验从未间断，也不断有新数据产生。最终，团队将微观的生物学机制研究拓展到宏观生态学现象的解释，把他们更为扎实的研究成果投向了《科学》期刊。

这一次，他们收获了认可。《科学》期刊的三位审稿人都对该成果给出了很高的评价，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，并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。