清华新闻网6月26日电 有害藻华是威胁水生态和饮用水安全的全球性生态灾害之一。自然界中蓝藻细胞密度达到峰值后在极短时间内大面积消亡，该现象至今缺乏完整机理解释。这背后可能隐藏着特殊机制：单个藻细胞死亡时释放“死亡信号”，以“星火燎原”之势在种群中迅速传播并引发种群死亡。

清华大学深圳国际研究生院陶益副教授、王潇雄副教授团队与清华大学环境学院胡洪营教授团队基于野外天然藻华样本开展检测，结合室内诱导试验并整合多维度证据，提出全新假说：蓝藻细胞内铁稳态失衡致使活性铁催化脂质过氧化链式反应，进而触发细胞死亡，并在种群内扩散，最终造成藻华种群迅速崩溃。这一发现揭示了有害藻华快速消亡背后，从单细胞死亡到种群崩溃的级联过程，为定向诱导藻华种群崩溃、在数天内快速控制藻华暴发提供了突破口。

图1.微囊藻水华快速消亡过程中的细胞脂质过氧化现象

依托清华大学-昆明滇池高原湖泊联合研究中心和“云南-清华”生态环境科技合作平台，研究团队在长期遭受有害蓝藻水华困扰的云南滇池开展了系统性野外监测，发现在蓝藻生物量快速下降前，藻细胞内首先出现谷胱甘肽耗竭、活性铁水平和脂氧合酶活性升高及氧化应激的现象。伴随蓝藻细胞膜损伤和裂解，脂质过氧化产物大量积累。团队对蓝藻细胞种群中死亡细胞的空间分布进行建模分析，发现死亡细胞并非随机出现，而是倾向于聚集在已死亡细胞周围。这一非随机的空间分布模式，指示细胞死亡可以在种群中传播。

图2. 铜绿微囊藻细胞种群中的铁死亡及其传递现象

为了探索野外监测结果的因果关系，研究团队使用模式产毒水华蓝藻铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa FACHB-905）进行试验。通过添加细胞胞内常见过氧化物过氧化氢诱发胞内氧化胁迫状态，采用调节性细胞死亡特异性抑制剂证明微囊藻细胞能够执行铁死亡（简称“原发性铁死亡”）。重要的是，研究团队收集原发性铁死亡组上清液处理健康藻细胞，发现上清液处理组与原发性铁死亡组细胞损伤效应一致，这表明死亡能够在细胞种群内传播（简称“继发性铁死亡”）。通过电子显微镜观察，研究团队清晰地揭示并区分了蓝藻细胞在执行原发性和继发性铁死亡时的形态学特征。

图3.铜绿微囊藻细胞原发性铁死亡的执行机制

研究团队进一步解析微囊藻细胞原发性铁死亡的发生机制，发现细胞内铁代谢失稳、亚铁离子浓度升高是早期阶段关键现象。过氧化氢与细胞内源活性铁发生芬顿反应，产生羟基自由基，其攻击细胞膜，启动脂质过氧化链式反应，最终造成单细胞水平的铁死亡现象。结合转录组分析等结果进一步发现，细胞内源活性铁水平的增加主要来自细胞铁结合能力的下降，细胞内活性铁水平升高是驱动膜损伤和细胞铁死亡的核心因素。

图4.铜绿微囊藻细胞继发性铁死亡胁迫下强化的细胞膜不稳定性

团队进一步探究细胞对死亡传播的响应，发现接收“死亡信号”的细胞响应细胞膜张力变化的钾离子通道和机械敏感蛋白的基因表达水平显著上调，经历继发性铁死亡的藻细胞膜破裂比例（~45%）显著高于经历原发性铁死亡的藻细胞（~6%）。流式细胞术分析结果显示，原发性铁死亡组上清液使细胞膜去极化更为严重。上述证据共同表明，相较于触发原发性铁死亡的过氧化氢，原发性铁死亡组上清液使藻细胞经历更为剧烈的膜失稳。

图5.截短磷脂介导蓝藻细胞种群规模的死亡

研究团队采用形态学观察和脂质组分析，鉴定并验证了在蓝藻细胞种群内传播死亡的信号分子，即一类含烷基末端的截短磷脂（TrPLs-alkyl）。这类磷脂分子通过铁催化的脂质过氧自由基β-断裂系列反应产生，造成细胞膜曲率升高并在膜表面形成纳米孔洞，引发细胞铁死亡。除此之外，这类磷脂分子能够自发组装成直径约22纳米的胶束结构，并从细胞膜脱落进入上清液，连同游离分子态将脂质过氧化链式反应传递至临近细胞，并造成细胞死亡。

本研究在蓝藻细胞中发现了铁失稳-脂质氧化损伤-铁死亡的现象，并揭示了从个体细胞死亡执行到种群死亡调控的分子路径。这一发现拓展了微囊藻水华消亡的传统认知，为理解有害蓝藻水华快速消亡这一生态过程提供了新的见解和研究范式。目前，研究团队正围绕细胞铁死亡的种群传播特性开发定向诱导技术，有望成为高效又环保的“靶向清藻术”，为藻华治理带来一种创新解决思路。

研究成果以“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 peroxidesdrive ultrafastcollectivecell death in blooming algae）为题，于6月25日发表于《科学》（Science）。

陶益、王潇雄为论文共同通讯作者，清华大学深圳国际研究生院2024级博士生朱寅杰为论文第一作者。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级博士生童一帆、2025届硕士毕业生贾成真，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的支持。

论文链接：

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

供稿：深圳国际研究生院

封面设计：郭晔萱

编辑：李华山

审核：郭玲