水华蓝藻细胞种群内的细胞死亡传递现象。 清华 SIGS 供图

■本报记者 刁雯蕙

蓝藻水华是水体富营养化的重要特征，多发于春夏季节。蓝藻水华的暴发不仅会导致水体缺氧、水质恶化，还会污染水源，给生态环境、渔业生产和人体健康带来严重威胁。

然而奇怪的是，这个“水体杀手”有时会在短短数天内突然消退，且消失得“无影无踪”。这是自然界中长期被忽略的一个现象，其原因尚不明确。

针对蓝藻水华突然消退这一反常现象，清华大学深圳国际研究生院（以下简称清华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，通过对蓝藻细胞的系统解析，揭示了蓝藻水华快速消退背后“铁死亡”的调节性细胞死亡机制，揭开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。

6月25日，相关研究成果发表于《科学》。审稿人认为，该发现对藻类领域意义重大，其研究方法和思路具有创新性，并鼓励团队进一步探索藻类水华防控方法，持续深化相关研究。

一种反常现象

蓝藻具有顽强的生命力，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。

当前，藻华的治理缺乏更高效、可持续的治理路径。大多为“事后应对”，即藻华暴发后进行物理打捞、化学杀灭、生物调控。这种手段投入巨大且难以快速见效。

2024年，陶益、王潇雄团队在对云南滇池的长期观测中发现，藻华有时会堆积到岸边，原本绿色的水面在一天内变蓝，两天内变白，3天后藻华就消失了。“这种反常的消亡速度，仅用传统的‘凋亡’等机制难以解释。”陶益介绍。

在揭开藻华快速消失秘密的过程中，论文第一作者、清华SIGS博士生朱寅杰在2021年进行藻类试验时，发现了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后，细胞膜损伤加剧，细胞死亡速度显著快于预期。这种反常的试验现象，让研究团队开始重新审视试验数据。他们推测，藻华快速消亡的背后，可能隐藏着某种被忽略的内在机制。

“此前，科学家在肿瘤研究中提到一种‘铁死亡’的概念。”朱寅杰说。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。

那么，蓝藻的快速消亡会不会也存在类似“铁死亡”的驱动机制呢？

颠覆传统认知

为验证上述猜想，研究团队在滇池开展了为期13天的野外监测。

通过实时追踪和系统分析，他们发现，蓝藻水华在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。

研究团队通过进一步微观机制解析发现，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”了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的变化，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。综合转录组学和流式细胞术分析结果显示，细胞在经历继发性铁死亡时，细胞膜的失稳程度更高。这种“死亡信号”一旦传播，就会以“星火燎原”之势迅速引发种群崩溃。

研究团队表示，这项研究拓展了“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，或许有可能为早期抑制藻华暴发带来新思路。”陶益表示，这将为全球藻华治理提供新方向。

抢占科技无人区

“研究历时4年，印象深刻的挑战之一是几乎没有现成的方法论可以参考。”陶益回忆，以往关于铁死亡的研究大多聚焦于哺乳动物，想要在蓝藻这种原核生物上构建完整的研究方法，在环境工程领域几乎没有现成方法可供借鉴。

为此，研究人员在方法论上跨界“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，在科研攻关过程中组建了一支跨学科的团队。

“为解开蓝藻铁死亡‘谜团’，单一学科的知识显得捉襟见肘，学科交叉才是这项研究的破局点。”陶益说。研究团队打通了生态、环境、生物、物理、材料等多个学科壁垒，清华SIGS提供的共享实验平台也为研究提供了重要支撑。

陶益回忆，除了科研攻关的挑战之外，投稿过程也令人印象深刻。“到2023年底，我们尝试向一些环境类期刊投稿，因为研究领域交叉性极强，等了半年却因为无人审稿而被退回。”在等待期刊回复的同时，团队对试验数据和研究方法不断优化，将微观的生物学机制研究拓展到宏观生态学现象的解释，最终获得了《科学》的肯定。

过去20多年来，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，以及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。他们瞄准环境治理的“硬骨头”，将在深圳探索的经验用于滇池、太湖等水体治理工作中，推动生态环境可持续发展。

目前，陶益、王潇雄团队正致力于将研究成果转化为工程化应用，让“源头清藻”从实验室走向广阔的自然水体，进一步为守护绿水青山贡献智慧与力量。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.aed3823