Regulatory Mechanisms for the Stability of K/R Strategy Microbial Communities in Urban Groundwater Sources: Machine Learning Unveils the Driving Mechanism of the Bistable Structure

双稳态 理论(学习稳定性) 地下水 互补性(分子生物学) 环境科学 生化工程 生态学 机制(生物学) 水质 功能(生物学) 微生物种群生物学 计算机科学 环境工程 稳定性条件 生态稳定性 营养物 环境经济学 路径(计算) 气候变化 生态系统 意外后果 地下水污染 自然资源经济学 环境资源管理 生物圈
作者
Kun Shi,Jiafeng Zhang,Rui Huo,Wanying Li,Y. J. Zhao,Shilei Zhou
出处
期刊:ACS ES&T water [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsestwater.6c00131
摘要

Microbial communities in urban groundwater play a key role in metabolic networks and water quality dynamics, yet the ecological strategies and stability evolution of bacterial systems remain poorly understood. This study combines rrn operon copy number, machine learning, and potential landscape analysis to reveal multistable structures and stability regulation in bacterial communities under K- and r-strategies. Groundwater communities are predominantly K-strategists, with r-strategists enriched where external nutrients enter. Both strategies show distinct bistable states (A/B), shaped by different environmental drivers. NH4+–N (0.17–1.42 mg·L–1) and COD (1.58–2.78 mg·L–1) were identified as transition thresholds for K- and r-strategies, respectively, indicating alternative stable states. K-state A is more stable under low nitrogen, while K-state B loses stability under high nitrogen. In contrast, r-state A maintains diversity and function under low carbon, whereas r-state B becomes unstable with increased carbon input. Path analysis reveals that α-diversity negatively regulates K-strategy stability (−0.77, p < 0.001), while β-diversity positively supports r-strategy stability (0.77, p < 0.001). K-strategists rely on environmental filtering and competition for stability; r-strategists use metabolic complementarity and rapid responses for adaptability. These findings offer a quantitative framework for understanding microbial stability in groundwater under nutrient and pollution stress.
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