Unveiling Microbial Nitrogen Metabolism in Rivers using a Machine Learning Approach

氮气循环 反硝化细菌 环境科学 氮气 硝化作用 微生物代谢 环境化学 生态学 微生物种群生物学 反硝化 化学 生物 细菌 有机化学 遗传学
作者
Yuying Jia,Xiangang Hu,Weilu Kang,Xu Dong
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (15): 6605-6615 被引量:79
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c09653
摘要

Microbial nitrogen metabolism is a complicated and key process in mediating environmental pollution and greenhouse gas emissions in rivers. However, the interactive drivers of microbial nitrogen metabolism in rivers have not been identified. Here, we analyze the microbial nitrogen metabolism patterns in 105 rivers in China driven by 26 environmental and socioeconomic factors using an interpretable causal machine learning (ICML) framework. ICML better recognizes the complex relationships between factors and microbial nitrogen metabolism than traditional linear regression models. Furthermore, tipping points and concentration windows were proposed to precisely regulate microbial nitrogen metabolism. For example, concentrations of dissolved organic carbon (DOC) below tipping points of 6.2 and 4.2 mg/L easily reduce bacterial denitrification and nitrification, respectively. The concentration windows for NO3--N (15.9-18.0 mg/L) and DOC (9.1-10.8 mg/L) enabled the highest abundance of denitrifying bacteria on a national scale. The integration of ICML models and field data clarifies the important drivers of microbial nitrogen metabolism, supporting the precise regulation of nitrogen pollution and river ecological management.
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