Science刊发！清华SIGS团队揭示藻华种群“快速消亡”之谜

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

这就是蓝藻水华（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

水华蓝藻细胞种群内的死亡传递现象

（▲点击图片查看科研成果新闻报道）

但，你知道吗

藻华有时竟会在数天内突然迅速消亡

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

《科学》网站文章截图

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

论文第一作者朱寅杰，通讯作者陶益、王潇雄（从左至右）

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。

团队成员在云南滇池开展采样工作

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。

团队观测到藻华由绿变蓝

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。

铜绿微囊藻细胞原发性铁死亡的执行机制

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”。

铜绿微囊藻细胞种群中的铁死亡及其传递现象

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。

团队讨论试验数据

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。

朱寅杰在试验中

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。

碧水安澜

携“中国良方”走向世界

“我们做研究的出发点，是解决真问题。”陶益的教导，让朱寅杰记忆犹新。“解决真问题”的科研态度，是一代代清华人薪火相传的精神底色，将论文写在祖国大地，是清华SIGS科研团队不变的追求。

陶益（第一排左三）与学生在污染河道治理现场

长期在深圳的水环境治理实践，为陶益团队深刻理解复杂水体生态、推动理论向工程转化打下了坚实的基础。二十多年来，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、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，瞄准环境治理的“硬骨头”，守护深圳的绿水青山，并立足湾区，放眼全球，持续把“深圳经验”带到滇池、太湖等水体治理工作中，深度服务国际大科学计划，以绿色行动影响全球。

在这样求真务实的团队氛围中，带着“蓝藻水华如何治理”这一核心问题，朱寅杰开启了科研之路。他的研究建立在课题组多年野外监测和试验的积累之上，课题组的“传帮带”让他很快掌握了做研究的方法和节奏。但陶益同时告诫他：“传承的过程中要敢于创新、敢于直面新问题，以新思路解决新问题。”朱寅杰因此找到了这项研究的“入口”，并持续深耕奋斗，以此作为自己的事业。

深圳市“十五五”规划纲要提出，加快全面绿色转型，打造可持续发展先锋。清华SIGS团队正是这一目标的“先锋队”。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，为守护绿水青山贡献清华智慧与力量。

在清华SIGS这片鼓励交叉、鼓励创新、鼓励解决真问题的土壤上，这样的探索正在持续发生。

1

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和王潇雄，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。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：

清华SIGS团队最新Nature：用“分子积木”搭出高比能锂硫电池

减污和降碳有啥关联？清华SIGS团队发现……

清华SIGS 2025年度第5篇Nature：为稀土穿上“能量转换外衣”

文|吴鸿瑶

图|黄尹思 科研团队

编辑|叶思佳

题图设计|郭晔萱

审核|聂晓梅 林洲璐

排版|陆倩芸