《Water Research》：Hydrocarbon subsidy-stress and divergent reduced iron–manganese thresholds shape microbial resilience in anoxic aquifers
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多閾值疊加模型揭示地下水微生物群落對(duì)烴類與Fe/Mn金屬的協(xié)同響應(yīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)Fe(II)具有抗氧化緩沖作用而Mn(II)作為毒性增強(qiáng)因子，通過可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)框架解析其非線性互作規(guī)律，提出基于Fe/Mn stoichiometry的精準(zhǔn)分區(qū)干預(yù)策略。
Jili Wang|Yuling Zhang|Yang Ding|Dong Li|Yi Zhang
教育部地下水資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林大學(xué)，長(zhǎng)春130021，中華人民共和國(guó)
摘要
地質(zhì)金屬遷移與人為烴類污染的共存構(gòu)成了一個(gè)普遍存在的水-生物地球化學(xué)挑戰(zhàn)，然而在這些多壓力因素影響下的含水層中，調(diào)控微生物恢復(fù)力的非線性機(jī)制仍知之甚少。本文通過將高分辨率微生物組分析與可解釋的機(jī)器學(xué)習(xí)框架（XGBoost-SHAP）相結(jié)合，來解析這些復(fù)雜的相互作用。我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)針對(duì)總石油烴（TPHs）的“多閾值疊加”模型，該模型描繪了一個(gè)三階段的生態(tài)轉(zhuǎn)變：從碳限制到代謝輔助，最終在超過一個(gè)基于機(jī)制的臨界點(diǎn)（3.485 mg/L）時(shí)發(fā)生由毒性驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)變。重要的是，我們揭示了“Fe(II)–Mn(II)悖論”，即化學(xué)性質(zhì)相似的金屬表現(xiàn)出不同的生態(tài)調(diào)控作用。與加性毒性模型不同，高濃度的Fe(II)（>9.22 mg/L）作為一種氧化還原介導(dǎo)的緩沖劑，對(duì)抗烴類壓力；相比之下，Mn(II)則作為一種毒理學(xué)協(xié)同因素，加劇了代謝和結(jié)構(gòu)損傷，超出了預(yù)期的加性效應(yīng)。從機(jī)制上講，這種恢復(fù)力依賴于稀有菌類作為功能種子庫(kù)，使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸母?jìng)爭(zhēng)排斥轉(zhuǎn)變?yōu)楹献鞴采＿@些發(fā)現(xiàn)確立了Fe(II)/Mn(II)的化學(xué)計(jì)量比（閾值：1.935）作為含水層的主要調(diào)控因子，為“精準(zhǔn)分區(qū)干預(yù)”策略提供了定量基礎(chǔ)——即在鐵緩沖區(qū)倡導(dǎo)自然衰減，在錳加劇的熱點(diǎn)區(qū)域采取主動(dòng)工程措施。
引言
地質(zhì)金屬遷移與人為烴類污染的普遍存在構(gòu)成了一個(gè)全球性的、但尚未得到充分理解的生物地球化學(xué)危機(jī)。在從沖積平原到古代湖泊含水層等多種水文地質(zhì)環(huán)境中，含F(xiàn)e-/Mn礦物的還原性溶解不僅是一個(gè)背景地質(zhì)過程，還是驅(qū)動(dòng)污染物命運(yùn)的動(dòng)態(tài)引擎（Jia等人，2018年；Xia等人，2022a年；Xu和Li，2024年）。雖然遷移的Fe(III)和Mn(IV)作為關(guān)鍵的最終電子受體（TEAs）促進(jìn)了TPHs的厭氧生物降解，但它們的還原形式Fe(II)和Mn(II)的積累卻導(dǎo)致了危險(xiǎn)的代謝悖論（Elikem等人，2025年；Lovley，2003年；Zhang等人，2025年）。
這種積累引發(fā)了氧化應(yīng)激，擾亂了微生物群落的組裝，導(dǎo)致地質(zhì)金屬?gòu)闹匾拇x驅(qū)動(dòng)因素轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)烈的細(xì)胞壓力源（Borch等人，2010年；Liu等人，2024a年；Zheng等人，2023年）。因此，在原位微生物組中，微生物群落在多壓力因素的相互作用下運(yùn)作，其中代謝輔助與毒性之間的界限由非線性動(dòng)態(tài)決定。這種動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為不同的穩(wěn)定狀態(tài)或突然的轉(zhuǎn)變，已在從受廢水影響的潛水層到水庫(kù)沉積物的多穩(wěn)態(tài)等多種水生環(huán)境中觀察到（Bao等人，2023年；Gao等人，2024年；Liu等人，2024b年；Wang等人，2025年）。這些轉(zhuǎn)變通常由環(huán)境壓力觸發(fā)，導(dǎo)致多樣性和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的突然崩潰（Blake等人，2024年；Cordero等人，2023年；Li等人，2023年）。從機(jī)制上講，這些轉(zhuǎn)變是基于社區(qū)組裝過程的基本再平衡，其中隨機(jī)優(yōu)勢(shì)通常在壓力增加時(shí)減弱，確定性選擇增強(qiáng)（Ning等人，2024年）。此外，微生物群落的穩(wěn)定性越來越多地與稀有菌類相關(guān)，當(dāng)豐富菌類衰退時(shí)，稀有菌類作為功能儲(chǔ)備庫(kù)維持了網(wǎng)絡(luò)凝聚力（Li等人，2023年）。然而，這些非線性范式在缺氧含水層中對(duì)于地質(zhì)-人為壓力耦合的適用性仍被傳統(tǒng)生態(tài)模型所忽視。
解碼共存壓力因素對(duì)微生物恢復(fù)力的集體調(diào)控仍是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。以往的研究主要將Fe(II)和Mn(II)視為獨(dú)立變量，未能考慮到它們的地球化學(xué)差異；盡管它們具有共同的地質(zhì)起源，但這些金屬表現(xiàn)出不同的生物可利用性和氧化還原潛力，這是由于Fe(II)的優(yōu)先氧化和Mn(II)的優(yōu)越吸附親和力（Jensen等人，2002年；Liu等人，2022年；Zhang等人，2024b年；Zhang等人，2020年）。方法上，傳統(tǒng)的生態(tài)框架（如典型對(duì)應(yīng)分析（CCA）和線性回歸）依賴于線性劑量-反應(yīng)假設(shè)，這些假設(shè)本質(zhì)上無法捕捉復(fù)雜水生環(huán)境中的突然轉(zhuǎn)變和非單調(diào)的“輔助-壓力”（興奮劑）反應(yīng)（Chatterjee和Roy，2022年）。此外，傳統(tǒng)范式通常使用加性毒性模型，未能解釋地質(zhì)金屬與人為碳之間的隱秘拮抗或協(xié)同作用（Sigurnjak Bure?等人，2021年）。因此，目前尚不清楚地質(zhì)Fe(II)和Mn(II)是共同作用以放大生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，還是其中一個(gè)作為地質(zhì)緩沖劑調(diào)節(jié)另一個(gè)的毒性。
解決這些非線性依賴性需要超越“黑箱”統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，采用可解釋的機(jī)器學(xué)習(xí)（XAI）框架。雖然傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以對(duì)特征重要性進(jìn)行排名，但它們往往難以解析復(fù)雜的多因素相互作用，并缺乏闡明特定預(yù)測(cè)機(jī)制的透明度，從而限制了對(duì)污染物-微生物組關(guān)系的深入機(jī)制理解（Jia等人，2024年；Zhi等人，2023年）。相反，SHapley Additive exPlanations（SHAP）方法，特別是TreeExplainer，通過量化每個(gè)特征的平均邊際貢獻(xiàn)來分解預(yù)測(cè)過程。這使得同時(shí)識(shí)別主要驅(qū)動(dòng)因素和闡明非線性交互效應(yīng)成為可能——這種方法在氣候和水質(zhì)建模中已經(jīng)得到驗(yàn)證（Chen等人，2024年；Chen等人，2025年；Li等人，2022年）。通過將高分辨率微生物組分析與水文地球化學(xué)元數(shù)據(jù)相結(jié)合，我們開發(fā)了一個(gè)基于XAI的框架，以解碼缺氧、富Fe-Mn的沖積含水層中TPHs和地質(zhì)Fe(II)/Mn(II)的耦合壓力。我們的具體目標(biāo)是：（1）沿著共污染梯度描繪非線性響應(yīng)模式和關(guān)鍵生態(tài)閾值；（2）量化Fe(II)、Mn(II)和TPHs對(duì)指示物種的主要和交互效應(yīng)，以揭示協(xié)同或拮抗調(diào)控的核心機(jī)制。
章節(jié)摘錄
水文地質(zhì)環(huán)境和時(shí)空采樣策略
實(shí)地調(diào)查在中國(guó)東北部的兩個(gè)代表性石油污染場(chǎng)地（站點(diǎn)A和站點(diǎn)B）進(jìn)行（圖1a），這些場(chǎng)地被選為研究富有機(jī)質(zhì)的淺層含水層中地質(zhì)Fe(II)–Mn(II)遷移的水文地質(zhì)原型。兩個(gè)場(chǎng)地都具有未固結(jié)的微限制性沖積結(jié)構(gòu)，但表現(xiàn)出不同的水化學(xué)相（表S1）：站點(diǎn)A的特征是在16–18米厚的含水層中存在HCO3·Cl–Na·Ca相，顯示出垂直
水文地球化學(xué)結(jié)構(gòu)和氧化還原驅(qū)動(dòng)的衰減模式
地下水環(huán)境主要處于亞氧到缺氧的生物地球化學(xué)狀態(tài)，其特征是低氧到接近缺氧的條件（DO：0.57–1.03 mg/L）、弱堿性pH（7.32–7.45）以及持續(xù)的還原電位（ORP：–153.11至–49.23 mV；圖1b）。這種氧化還原特征表明了活躍的金屬還原區(qū)，形成了一個(gè)有效的選擇性過濾器，有效地排除了嚴(yán)格的需氧菌，同時(shí)有利于能夠利用
“輔助-壓力”連續(xù)體：TPH調(diào)控的多閾值疊加模型
本研究提供了一個(gè)新的定量框架，通過超越線性毒性范式來理解污染物-微生物相互作用，闡明控制缺氧含水層微生物組的復(fù)雜、非單調(diào)的調(diào)控機(jī)制。我們證明了特定污染物的化學(xué)活性在嚴(yán)格的“輔助-壓力”（興奮劑）框架內(nèi)塑造了微生物群落的軌跡。盡管以往的研究在單污染物系統(tǒng)中提到了興奮劑效應(yīng)（Lagarde等人，2015年；
結(jié)論
本研究為解碼缺氧含水層在地質(zhì)-人為壓力耦合下的微生物恢復(fù)力提供了機(jī)制藍(lán)圖。通過超越傳統(tǒng)的線性毒性假設(shè)，我們證明了地下水微生物組的“輔助-壓力”響應(yīng)受多閾值疊加模型的調(diào)控，其中從代謝促進(jìn)到毒性驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)變由特定的烴類和金屬化學(xué)計(jì)量比決定。
數(shù)據(jù)和材料的可用性
本研究生成或分析的所有數(shù)據(jù)都包含在本文及其補(bǔ)充信息文件中。
資助
本工作得到了中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)2020YFC1808804）下“典型有機(jī)污染場(chǎng)地低中等濃度生物修復(fù)的關(guān)鍵材料和技術(shù)”項(xiàng)目以及吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（項(xiàng)目編號(hào)2024CX097）的財(cái)政支持。
作者貢獻(xiàn)
Jili Wang：概念化、數(shù)據(jù)管理、寫作—審稿與編輯、調(diào)查。Yuling Zhang：概念化、數(shù)據(jù)管理、資金獲取、項(xiàng)目管理。Yang Ding：概念化、方法論。Dong Li：調(diào)查、正式分析。Yi Zhang：調(diào)查、方法論。
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Jili Wang：寫作——審稿與編輯、調(diào)查、數(shù)據(jù)管理、概念化。Yuling Zhang：項(xiàng)目管理、資金獲取、數(shù)據(jù)管理、概念化。Yang Ding：方法論、概念化。Dong Li：調(diào)查、正式分析。Yi Zhang：方法論、調(diào)查。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的競(jìng)爭(zhēng)性財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
