在人類活動和氣候變化加劇的背景下，河流水生態(tài)系統(tǒng)面臨退化風(fēng)險，傳統(tǒng)的水環(huán)境修復(fù)措施往往難以取得預(yù)期成效。多穩(wěn)態(tài)理論不僅可以從機理上解釋生態(tài)系統(tǒng)的突變行為，還可以應(yīng)用于河湖水生態(tài)系統(tǒng)以指導(dǎo)實施有效的生態(tài)修復(fù)措施。然而，目前國內(nèi)外對河流水生態(tài)系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)特征及內(nèi)部穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換過程知之甚少。針對該科學(xué)問題，河海大學(xué)環(huán)境微生物研究所長期圍繞重點流域開展相關(guān)研究，在河流水生態(tài)系統(tǒng)的多穩(wěn)態(tài)理論上取得了系列研究進展。

（1）揭示了長江流域典型區(qū)域的細菌群落分布特征及穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換過程。

針對大壩建設(shè)與運行可能帶來的生態(tài)環(huán)境影響，以長江干流為研究區(qū)域，探究了長江干流細菌群落多穩(wěn)態(tài)特征及其對環(huán)境擾動的響應(yīng)機制，發(fā)現(xiàn)筑壩引起的流量降低會使細菌群落向藍藻優(yōu)勢度增加的“不理想”狀態(tài)轉(zhuǎn)變（圖1a），研究結(jié)果可為長江流域的水庫調(diào)節(jié)提供科學(xué)依據(jù)。

同時，研究團隊將目光聚焦于長江下游城市群區(qū)域，探究了城市發(fā)展對長江流域水生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響，發(fā)現(xiàn)城市化發(fā)展帶來的營養(yǎng)鹽濃度增加會驅(qū)動細菌群落發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換，使其多樣性顯著降低（圖1b），研究結(jié)果可為長江下游高度城市化區(qū)域的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善提供理論支撐。

圖1（a）長江干流水文條件對細菌群落狀態(tài)的影響路徑；（b）長江下游環(huán)境壓力對細菌群落穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換過程的影響機制

（2）解析了典型城市河流微生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換過程。

針對城市河流高營養(yǎng)負荷帶來的潛在生態(tài)環(huán)境問題，探究了多營養(yǎng)級微生物群落對營養(yǎng)負荷的響應(yīng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)負荷的增加可能導(dǎo)致微食物網(wǎng)發(fā)生重組（圖2a），且多營養(yǎng)級微生物群落對營養(yǎng)負荷的響應(yīng)具有異步性，研究結(jié)果可為富營養(yǎng)化程度較高的城市河流中的生物群落恢復(fù)提供理論支撐。

同時，考慮到微生物群落是氮循環(huán)過程的重要參與者，研究團隊進一步探究了氮轉(zhuǎn)化功能對營養(yǎng)負荷的響應(yīng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)負荷的增加會削弱氨化作用和硝化作用的強度，而改善微生物群落狀態(tài)可以促進理想氮轉(zhuǎn)化功能的恢復(fù)（圖2b），研究結(jié)果可為城市河流沉積物中的氮去除提供科學(xué)依據(jù)。

圖2（a）營養(yǎng)負荷對多營養(yǎng)級微生物群落結(jié)構(gòu)的影響路徑；（b）營養(yǎng)負荷對氮轉(zhuǎn)化功能的影響機制

（3）提出了多穩(wěn)態(tài)河流水生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)測框架。

生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境壓力的響應(yīng)規(guī)律往往是復(fù)雜非線性的，這為預(yù)測模型的開發(fā)帶來了挑戰(zhàn)。針對這一問題，研究團隊將機器學(xué)習(xí)方法與多穩(wěn)態(tài)理論相結(jié)合，在探究了河流浮游生物群落生態(tài)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，采用監(jiān)督機器學(xué)習(xí)模型對浮游生物群落的生態(tài)狀態(tài)進行了預(yù)測，并進一步提出了用于多穩(wěn)態(tài)河流水生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測的基本框架（圖3），研究結(jié)果可為城市河流的水生態(tài)監(jiān)測與評估提供參考。

圖3 多穩(wěn)態(tài)河流水生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)測框架

上述研究得到了國家自然科學(xué)基金項目（51879079）、國家重點研發(fā)計劃課題（20192019YFC0408301，2023YFC3207001）等的資助。系列成果均發(fā)表于環(huán)境領(lǐng)域頂尖期刊《Water Research》上，環(huán)境學(xué)院李軼教授和張文龍教授為系列論文的通訊作者。

相關(guān)論文信息：

[1]. Supervised machine learning for understanding and predicting the status of bistable eukaryotic plankton community in urbanized rivers. Water Research 2024, 266, 122419. https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122419.

[2]. Hysteretic and asynchronous regime shifts of bacterial and micro-eukaryotic communities driven by nutrient loading. Water Research 2024, 261, 122045. https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122045.

[3]. Dam-induced flow alternations drive the regime shift towards a cyanobacteria-dominated microbiota state in the Yangtze River. Water Research 2023, 244, 120527. https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120527.

[4]. How nutrient loading leads to alternative stable states in microbially mediated N-cycle pathways: A new insight into bioavailable nitrogen removal in urban rivers. Water Research 2023, 236, 119938. https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.119938.

[5]. How environmental stress leads to alternative microbiota states in a river ecosystem: A new insight into river restoration. Water Research 2021, 203, 117538. https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117538.