應(yīng)用環(huán)境DNA技術(shù)監(jiān)測水體生態(tài)的研究進(jìn)展

中圖分類號：X835 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1004—6755（2025）10—0045—0

Abstract：To systematically review the development status，application value，and existing challenges of environmental DNA（eDNA） technology in the field of aquatic ecological monitoring，this paper outlines its technical principles and standardized workflows. It focuses on the advances in applying this technology to monitor aquatic biodiversity，analyzing its strengths and limitations in fish population surveys and plankton diversity sudies. The study also highlights persistent challenges，such as the incompleteness of reference databases，the lack of standardized protocols，and limited applicability in complex habitats. Future eforts should prioritize establishing standardized methodologies，improving genetic databases，and expanding the use of eDNA technology in diverse and dynamic environments to enhance the accuracy and comprehensiveness of aquatic ecosystem assessments.

Key words：environmental DNA technology;aquatic ecology;biological monitoring；biodiversity

水體生態(tài)系統(tǒng)是地球生物圈的關(guān)鍵組成，具有調(diào)節(jié)氣候、凈化水質(zhì)等功能，卻因氣候變化和污染、過度捕撈等人類活動，面臨生物多樣性下降、生態(tài)結(jié)構(gòu)失衡等威脅。水生生物監(jiān)測是保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)健康的重要基礎(chǔ)性工作。傳統(tǒng)監(jiān)測方法主要依靠形態(tài)學(xué)特征來鑒定物種，評價指標(biāo)較單一，監(jiān)測效率低，在獲取生物多樣性上，面臨生物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致的鑒定困難，生物豐度較低、水體深淺變化等導(dǎo)致的采樣困難[]等挑戰(zhàn)。

環(huán)境DNA（EnvironmentalDNA，eDNA）技術(shù)是指從環(huán)境介質(zhì)（如水體、沉積物等）中直接收集微生物、動植物的DNA混合物，經(jīng)過樣品保存、DNA分離提取等操作，確定目標(biāo)生物的種類和豐度[2]。該技術(shù)具有采樣簡單、靈敏度高、主觀依賴性低、準(zhǔn)確度高、物種覆蓋度廣等優(yōu)勢[3]。本文通過梳理該技術(shù)在水體生態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)展，分析其在魚類、浮游生物等調(diào)查中的優(yōu)勢與不足，旨在構(gòu)建完善監(jiān)測技術(shù)體系，更好地保護(hù)水體生態(tài)。

1eDNA技術(shù)的原理與操作流程

1.1 eDNA技術(shù)的原理

eDNA技術(shù)通過檢測環(huán)境樣品（如皮膚細(xì)胞、黏液、糞便或分泌物）中的生物遺傳物質(zhì)來識別物種存在及多樣性[3，其核心原理是生物會通過脫落皮膚細(xì)胞、排泄物、黏液、生殖細(xì)胞或死亡分解等方式向環(huán)境中釋放DNA4]，這些DNA混合物包含了生物群的遺傳信息。

1.2 eDNA技術(shù)的操作流程

eDNA技術(shù)的操作流程可概括為“采樣一過濾一保存—提取一擴(kuò)增—測序一生物信息學(xué)分析一結(jié)果驗證”八個環(huán)節(jié)。具體操作流程如下：

確定采樣位點，使用無菌器具采集水樣；真空抽濾，捕獲其中游離的DNA顆粒；將濾膜置于-20^°C 或 95% 乙醇中保存，以抑制核酸酶活性4；采用商用或改良CTAB/SDS一酚氯仿法提取總DNA，并通過qPCR定量[5；利用通用或物種特異性引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增；加入特異性標(biāo)簽以區(qū)分不同樣本，構(gòu)建測序文庫[5]，擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)純化、質(zhì)檢后進(jìn)行高通量測序，獲得數(shù)百萬條短序列；進(jìn)行生物信息學(xué)分析；通過現(xiàn)場復(fù)采、傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)復(fù)核或qPCR絕對定量對結(jié)果進(jìn)行驗證，評估eDNA一宏條形碼技術(shù)I型/Ⅱ型（假陽性/假陰性）錯誤率，確保數(shù)據(jù)可靠性[6]

2eDNA技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展和面臨的挑戰(zhàn)

2.1eDNA技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

2.1.1魚類資源調(diào)查

eDNA技術(shù)應(yīng)用于對流域或湖泊內(nèi)魚類資源的調(diào)查，可以達(dá)成高效率、高精度的要求，在監(jiān)測效率方面優(yōu)于傳統(tǒng)監(jiān)測方法。eDNA技術(shù)在魚類資源調(diào)查方面的應(yīng)用實例如表1所示。

表1eDNA技術(shù)在魚類資源調(diào)查的應(yīng)用實例

2.1.2浮游動植物多樣性調(diào)查

浮游植物是水體重要的初級生產(chǎn)者，其種群數(shù)量及群落結(jié)構(gòu)的組成，在水生態(tài)監(jiān)測與評價中具有重要的指示作用，對浮游植物進(jìn)行群落監(jiān)測常用的方法為傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)觀察計數(shù)法，該方法耗費(fèi)高、不客觀。

eDNA高通量測序技術(shù)在浮游動植物研究領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特價值：可快速檢測出鄱陽湖浮游植物生物多樣性及其空間分布，但低豐度的物種在過濾、采樣流程中缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[10]；在遼東灣海域檢出 41% 的未見報道的真核微藻，但缺乏新種類生態(tài)信息[11]；在膠州灣，高通量測序技術(shù)高效分析、鑒定出到172種浮游植物（包括54種有害藻類），但由于環(huán)境條件和物種相互作用的復(fù)雜性，該技術(shù)應(yīng)用于群落生態(tài)學(xué)仍然不夠全面[12]。

2.2 eDNA技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

將eDNA技術(shù)與現(xiàn)行河流水生態(tài)國標(biāo)評價體系關(guān)聯(lián)，形成更為完善、高效的水體生態(tài)監(jiān)測技術(shù)，更能滿足當(dāng)前對于水體生態(tài)保護(hù)工作的需要[13]。但eDNA技術(shù)在實際監(jiān)測過程中，會出現(xiàn)假陽性/假陰性錯誤，而eDNA技術(shù)嚴(yán)重依賴參考數(shù)據(jù)庫，不完備的數(shù)據(jù)庫會導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)不能得到正確注釋，大大降低目標(biāo)物種的檢出率[14]。目前，eDNA監(jiān)測的研究及應(yīng)用主要集中于湖泊、海洋和河口區(qū)域，對地形相對崎嶇多變的河流流域的生態(tài)監(jiān)測，相關(guān)文獻(xiàn)較少。

3 未來展望

水體生態(tài)監(jiān)測中應(yīng)用eDNA技術(shù)顯著拓展了監(jiān)測的時空范圍與信息深度。未來，eDNA技術(shù)將圍繞“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、完善數(shù)據(jù)庫、擴(kuò)大場景”三條主線持續(xù)攻關(guān)：一是盡快編制覆蓋采樣體積、濾膜孔徑、PCR循環(huán)到數(shù)據(jù)閾值的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)，降低假陽性/假陰性率；二是加速建設(shè)覆蓋全國河流、湖泊、河口的多類型、高分辨率的參照序列庫，補(bǔ)齊魚類、浮游動植物及底棲無脊椎動物的遺傳信息缺口；三是推動eDNA技術(shù)由湖泊、河口向地形復(fù)雜的河流流域拓展，形成跨流域、全天候的生態(tài)健康評估網(wǎng)絡(luò)，為生物多樣性的精準(zhǔn)保護(hù)提供決策支持。

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