基于環境DNA 宏條形碼的太湖流域底棲動物監測與生態健康評價

金 珂,張麗娟,張 偉,張 翔,陳 橋,楊江華,張 詠,張效偉,3

1.南京大學環境學院,江蘇 南京 210023

2.江蘇省環境監測中心,江蘇 南京 210023

3.江蘇省環境保護化學品安全與健康風險研究重點實驗室,江蘇 南京 210023

對生態環境中物種多樣性的精準監測是科學開展生態環境保護與管理的前提。 底棲動物占據淡水生態系統的核心位置,其種類與數量的分布情況對淡水生態系統的健康狀況具有一定的指示作用,因此,常被用于淡水生態系統監測與健康評估[1]。 傳統底棲動物監測主要通過采集生物樣本,依據形態學方法進行鑒定。 然而,樣品挑揀和鑒定的難度大、周期長,需要消耗大量的人力和時間,且部分近緣種的形態特征非常相似,難以區分,對鑒定人員的專業要求較高[2-3]。 這些問題使得以形態學鑒定為主的底棲動物監測方法在我國生態環境監測工作中難以得到大規模應用。

環境DNA 宏條形碼(eDNA Metabarcoding)技術是一種用于檢測生物多樣性的新方法[4],其基礎來自DNA 條形碼(DNA Barcoding)技術[5-8],在生物監測中具有巨大的應用潛力。 生物在環境中活動時,其DNA 會不斷釋放到周圍的環境介質中。 從環境介質中提取的包含了物種多樣性信息的DNA 物質被稱為環境DNA[9-12]。 環境DNA 宏條形碼技術使用通用引物對環境DNA 樣品進行聚合酶鏈式反應(Polymerase Chain Reaction,PCR)擴增,結合高通量測序技術,可產生上百萬條反映物種多樣性的序列。 通過對序列進行分析,可以識別環境中的物種組成、群落結構等多樣性信息。 與傳統形態學監測方法相比,環境DNA宏條形碼技術能夠更快速、更精確、更經濟[13-15]地識別水生態系統中生物群落的細微變化[14,16-17]。

環境DNA 宏條形碼技術在底棲動物監測和生物評價上尚存在一些不確定的問題[18]。 目前常用的底棲動物環境DNA 提取方法包括水樣提取、研磨提取、酒精浸提3 種方法。 其中,通過水樣提取的環境DNA 在物種識別方面與形態學識別結果的一致性較低[19]。 盡管研磨破碎經挑揀的底棲動物并提取其DNA 可以獲得更高的物種識別率,但該方法的操作相對煩瑣。 酒精浸提法則是從用于保存標本的“清潔”乙醇固定劑中獲得底棲動物群落的環境DNA[11,20-23]。 最近,有少數研究者開始使用保存環境樣品的“臟”乙醇作為底棲動物環境DNA 的提取來源[24-25],表明其具有用于底棲動物生物監測的潛力。 但受時間、人力、經濟等因素的限制,早期的方法研究與示范僅限于少數樣品或監測位點,鮮有在流域尺度上的實際應用與驗證研究。

太湖流域水環境治理和生態恢復工作受到廣泛關注。 通過監測太湖流域底棲動物多樣性,可以有效揭示太湖流域水環境受脅迫水平和水生態健康修復狀況。 對于太湖流域底棲動物監測而言,既要對流域內各點位的底棲動物物種進行識別,也要在此基礎上進行流域生態健康評價。 然而,我國尚未在流域尺度上開展過基于環境DNA的底棲動物多樣性監測。 對此,本研究同步采用環境DNA 宏條形碼技術和形態學鑒定方法,在太湖流域布點開展底棲動物群落監測,詳細比較了兩種方法在物種識別、生態評價方面的一致性,并系統地分析了將環境DNA 宏條形碼技術應用于底棲動物監測的可行性與有效性。

1 實驗方法

1.1 采樣點布設與環境樣品采集

2019 年8—11 月,在太湖流域共布設65 個采樣點位,同時采用環境DNA 宏條形碼技術與傳統形態學方法開展底棲動物監測(圖1)。 采集環境樣品時,使用1/16 m2Peterson 采泥器采集水體底部沉積物樣品,每個點位采集8 夾。 在沒有沉積物的點位,使用D 網(寬0.3 m,孔徑425 μm)采集足量樣品。 在溪流點位,使用踢網(1 m×1 m,425 μm)采集足量樣品。 將采集到的樣品置于孔徑為425 μm 的篩網內淘洗,挑去大塊石頭、植物枝干后,保留剩余的環境基質,于4 ℃冷藏帶回實驗室保存。 連續采樣時,應清洗器材以避免交叉污染。 將樣品均勻混合后,分成兩等份,一份用于形態學鑒定,另一份用于環境DNA 監測中的酒精浸提處理。 研究路線及技術路線見圖2。

圖1 太湖流域底棲動物采樣點Fig.1 Sampling sites of macroinvertebrate in Taihu Lake Basin

圖2 底棲動物監測研究路線與技術路線Fig.2 Research flowchart and technical approaches of macroinvertebrate monitoring

1.2 形態學鑒定

返回實驗室后,將用于形態學鑒定的樣品4 ℃冷藏,并于24 h 內挑揀出其中的底棲動物個體。 在解剖鏡和顯微鏡下對底棲動物個體進行鑒定,同時通過比對參考資料,將其鑒定至種或屬,并計數、稱重,計算生物量和生物密度[26-28]。

1.3 環境樣品前處理

用于環境DNA 監測的樣品可于-20 ℃儲存。解凍后,參考MARTINS 等[25]的方法進行前處理。將包含底棲動物的環境基質樣品置于2 L 玻璃缸中,根據環境基質樣品的總重加入無水乙醇。 1 g樣品換算為1 mL,加入3.5 倍環境基質樣品體積的無水乙醇。 輕輕搖晃混勻后,蓋上蓋子,在室溫下靜置14 d,隨后抽取2 mL 浸提液,保存在無菌離心管中。 在50 ℃的真空環境中蒸干離心管內的乙醇,得到干燥的組織樣品。 為保證組織樣品留在離心管底部,可在真空離心機中蒸干。

1.4 環境DNA 提取與PCR 擴增

1.4.1 DNA 提取

對于干燥后的組織樣品,用DNeasy 試劑盒(德國Qiagen,69504)提取組織DNA。 首先向干燥的組織樣品中加入裂解緩沖液和蛋白酶K,渦旋均勻后,56 ℃水浴裂解3～4 h。 后續操作主要包括DNA 吸附上柱、洗滌雜質、洗脫DNA,參照試劑盒說明書進行。 使用熒光計( 美國Invitrogen,Qubit 2.0)測定DNA 濃度。

1.4.2 PCR 擴增

PCR 擴增體系為50 μL,包含25 μL 的2×PrimeStar Max DNA 聚合酶(日本 TAKARA,R045A),5 μL DNA 模板(總量約20 ng),上下游引物各1.25 μL,無酶水17.5 μL。 上游引物為mlCOⅠintF,下游引物為dgHCO2198,其中,下游引物帶有一段唯一的短核苷酸序列,用于標記不同樣品。 PCR 程序:98 ℃預變性3 min;98 ℃變性15 s,46 ℃復性30 s,72 ℃延伸45 s,35 個擴增循環;72 ℃延伸5 min;4 ℃保存。 PCR 產物通過2%瓊脂糖凝膠電泳的檢測后,進一步純化。

上游引物mlCOⅠintF 序列:5’-GGWACWGG WTGAACWGTWTAYCCYCC-3’。

下游引物dgHCO2198 序列:5’-TAAACYTC AGGRTGACCRAARAAYCA-3’。

DNA 提取和PCR 擴增中使用的器材和試劑均為無菌狀態或做滅菌處理,操作過程中避免交叉污染。

1.5 文庫構建與高通量測序

將各個點位樣品的PCR 產物按照相等的DNA 量混合。 混合后的DNA 樣品用DNA 純化與分選磁珠(南京諾唯贊,VAHTS N411)再次純化,利用DNA 文庫構建試劑盒(南京諾唯贊,VAHTS ND702)構建測序文庫。 利用Ion Torrent測序平臺(美國Life Technologies,S5)進行測序。使用的所有器材和試劑均為無菌狀態或做滅菌處理,操作過程中避免交叉污染。

1.6 數據分析

1.6.1 生物信息學分析

測序完成后,使用Python 中的SeqIO 將FASTQ 文件轉化為FASTA 格式,使用QIIME(v1.8.0)剔除低質量序列(Q<20)、錯配序列和長度<250 bp 的序列。 以上操作均在Bio-Linux 8系統下完成。 利用USEARCH7 進行可操作分類單元(Operational Taxonomic Units,OTU)聚類,相似度閾值為97%。 利用QIIME 將OTU 的代表性序列與本土物種數據庫進行比對,相似性閾值設定為85%,采用相似性最高的序列對應的物種信息對OTU 進行注釋。

1.6.2 環境DNA 與形態學監測數據的比較分析

為評估環境DNA 方法在底棲動物物種識別上的有效性和可靠性,本研究從分類單元檢出數、優勢物種識別結果、物種檢出頻次等方面,對兩種方法的監測結果進行了比較,以探究兩種方法的一致性。 其中,對于檢出頻次上的相關性,分別采用了檢出頻次和檢出種次兩個指標進行比較。 檢出頻次表示某分類單元在多少個點位被檢出。 檢出種次進一步考慮了所隸屬的分類單元的數目,將隸屬于某一類群的所有物種在所有點位出現的次數進行加和,作為一項指標進行比較。 例如,環棱螺屬有銅銹環棱螺和梨形環棱螺2 個物種被檢出,其中,銅銹環棱螺在26 個點位被檢出,梨形環棱螺在25 個點位被檢出,則可以說環棱螺屬共計檢出51種次。

1.6.3 生物指數計算

參考已有的太湖流域生物指數研究成果[29],利用物種鑒別結果計算底棲動物完整性指數(Benthic-Index of Biotic Integrity,B-IBI),并評 價每個點位的底棲動物生態健康狀況。 單項指數包括:

B1:軟體動物分類單元數。 B1(監測值)= 樣品中的軟體動物種類數。

B2:第一優勢種優勢度得分。 形態學方法中,B2(監測值)= 第一優勢種生物密度/點位總生物密度;環境DNA 方法中,B2(監測值)= 第一優勢OTU 序列數/點位總底棲動物序列數。

B3:大型底棲動物生物監測工作組(Biological Monitoring Working Party,BMWP)打分值。 B3(監測值)= BMWP=∑ti,ti為物種i所屬科的科級敏感值。

基于環境DNA 方法和形態學方法監測結果,分別計算單項指數和B-IBI,計算方法見表1 及公式(1)。 結合計算結果,對點位進行生態質量等級劃分,并進行比較。

表1 淡水大型底棲無脊椎動物完整性單項指數計算方法Table 1 Index calculation method for the integrity of freshwater macroinvertebrates

式中:Bi為第i個生物指數的值。

2 結果分析

2.1 底棲動物多樣性監測

2.1.1 物種識別

使用環境DNA 方法在65 個點位檢測出107種底棲動物,隸屬3 門6 綱14 目35 科73 屬。 底棲動物共計出現1 308 種次,平均每個點位發現底棲動物20.5 種。 通過環境DNA 方法在65 個點位的樣品中獲得了共計1 643 777 條高質量序列,其中828 415 條序列(50%)可注釋到370 個OTU。 共有243 個OTU 被注釋到了107 種底棲動物,代表了760 331 條序列,包括環節動物、軟體動物、節肢動物等主要底棲動物類群(圖3)。

圖3 環境DNA 監測注釋結果Fig.3 Annotated results of eDNA monitoring

基于形態學方法在65 個點位共檢出69 種底棲動物,隸屬3 門8 綱21 目33 科55 屬。 底棲動物共計出現515 種次,平均每個點位發現7.7 種。環境DNA 方法平均檢出物種數是形態學方法的近3 倍,在科、屬、種分類水平上均比形態學方法檢出了更多的分類單元數,分別是形態學方法的106%、132%、155%(圖4)。 采用環境DNA 方法檢出物種數較多的點位及其物種數:陽澄湖心,39種;大港橋,35 種;釣渚大橋,33 種;觀山橋,32種;東西氿,30 種。

圖4 兩種方法在不同分類階元的檢出數目比較Fig.4 Comparison of the number of taxadetected by the two methods

2.1.2 分類單元交叉情況

在科級水平,環境DNA 方法共檢出35 個科,形態學方法共檢出33 個科,其中有13 個科為兩種方法共同檢出,占形態學方法檢出總科數的近40%。 共有44 個形態學物種隸屬于交叉的13 個科,占據了形態學方法檢出總物種數的64.7%、所有個體數的94.9%和所有生物量的99.2%(表2,圖5)。 同時,共同檢出的科所代表的物種占據了環境DNA 方法檢出的所有底棲動物類群中66.3%的OTU 和76.4%的序列數,說明環境DNA 方法產生的信息大部分都來源于形態學方法鑒定出的主要底棲動物類群。

圖5 科級別的交叉率Fig.5 Overlaps at family level

表2 各項指標在科級別的交叉情況Table 2 Overlaps of indexes in family level

在屬水平上,環境DNA 方法共檢出73 個屬,形態學方法共檢出55 個屬,其中有25 個屬為共同檢出,占形態學檢出總屬數的45.5%。 共同檢出的25 個屬包括30 個形態學物種,占據了形態學檢出總物種數的48.4%、所有個體數的94.2%及所有生物量的80.1%(圖6,表3)。 同時,共同檢出的屬所代表的物種也占據了環境DNA 方法檢出的大部分OTU(58.7%)和序列數(90.6%)。

圖6 屬級別的交叉率Fig.6 Overlaps at genus level

表3 各項指標在屬級別的交叉情況Table 3 Overlaps of indexes in genus level

2.1.3 優勢物種與檢出頻次比較

在環境DNA 方法和形態學方法監測結果中,檢出頻次和第一優勢物種次數的前五名非常一致(表4)。 與形態學方法相比,環境DNA 方法物種檢出頻次、第一優勢物種次數、科檢出種次、屬檢出種次的前五名,分別有80%、60%、80%、60%是一致的。 總體而言,環境DNA 方法監測結果表明,顫蚓科水絲蚓屬和尾鰓蚓屬、田螺科環棱螺屬、蜆科蜆屬是太湖流域廣泛分布的底棲動物類群。

表4 優勢物種對照Table 4 Comparison of dominant species 次

在底棲動物屬水平的檢出頻次和檢出種次上,環境DNA 方法與形態學方法呈顯著線性相關(P<0.000 1,圖7)。 底棲動物流域分布特征存在較高的一致性,1 625 個點位-物種單元格中,共有1 175 個在兩種方法中獲得了一致的檢出結果,一致率達到了72.3%(圖8)。 同時,熱點圖也直觀地表明,水絲蚓屬、尾鰓蚓屬、環棱螺屬、蜆屬、前突搖蚊屬、長足搖蚊屬等類群是太湖流域較為普遍存在的類群,均被兩種方法高頻率地檢出。

圖7 兩種方法對各屬檢出率的比較Fig.7 Comparison of the detection rate of each genus by two methods

2.2 環境DNA 方法預測生物量

搖蚊科和顫蚓科是太湖流域最為常見的底棲動物類群,也是重要的水生態指示類群[30]。 本研究發現,對于搖蚊科和顫蚓科底棲動物,在各點位測得的該類群序列數與形態學方法記錄的個體數及生物量之間,具有顯著的相關性(P<0.05,圖9)。 其中,搖蚊科的相關性較強,無論是序列數與個體數(R2=0.737,P<0.001),還是序列數與生物量(R2=0.545,P<0.001),都存在非常顯著的相關性。 而顫蚓科序列數與個體數、生物量之間的相關性較弱,但仍然顯著(P<0.05)。 上述結果表明,基于環境DNA 獲得的序列數可以用于定量預測搖蚊科和顫蚓科的個體數和生物量。

圖9 序列數與個體數、生物量的相關關系Fig.9 Correlation between reads and individuals or biomass

2.3 生態評價

2.3.1 生物指數

基于環境DNA 方法與形態學方法監測結果計算得到的軟體動物分類單元數(R2=0.381)、BMWP 打 分 值(R2= 0.287)、 B-IBI 值(R2=0.235)顯著線性相關(P<0.000 1,圖10)。 軟體動物分類單元數和BMWP 打分值是底棲動物生態評價中的常用指標,也是太湖流域B-IBI 值的組成部分。 由圖10 中的箱型圖可知,采用環境DNA 方法得到的B-IBI 值能夠較好地區分基于形態學方法監測結果劃分的不同生態健康等級的點位,對于參考點(良)、受損點(差)能夠很好地進行區分,箱體無重疊。

圖10 兩種方法計算生物指數的相關性Fig.10 Correlation of biological indices by two methods

2.3.2 流域尺度生態健康評價

在對點位進行生態健康等級劃分方面,根據環境DNA 方法監測數據計算得出的B-IBI 結果與基于形態學方法得出的結果基本一致。 40%的點位取得了與形態學方法一致的B-IBI 等級,絕大多數點位(94%)的B-IBI 等級和形態學方法評價結果的偏差在1 級以內。 利用插值法繪制B-IBI 值的地理分布圖,反映出整個太湖流域江蘇片區的底棲動物完整性狀況(圖11)。 環境DNA方法監測結果顯示,在流域尺度上,太湖東西兩岸、太湖東北(釣渚大橋周邊)、太湖流域西側(大溪水庫周邊)的底棲動物完整性狀況較好。 形態學方法監測結果呈現出類似的格局,兩種方法的高值區分布高度一致。

圖11 太湖流域底棲動物完整性Fig.11 The integrity of macroinvertebrate in Taihu Lake Basin

3 討論

3.1 物種鑒別的一致性

本研究采用的酒精浸提法是一種適用于底棲動物監測的環境DNA 樣品前處理方法,相較于組織研磨或者標本浸提等前處理方式,酒精浸提無需對其中的底棲動物個體進行挑揀和初步分類,大大降低了前處理的時間和人力成本,也減小了交叉污染的風險。 相較于水樣提取,利用底棲基質更能反映采樣點原位的群落組成,樣品中的底棲動物密度也更大。 本研究環境DNA 方法注釋結果中,有54%的序列和90%的OTU 來自非靶向物種(非底棲動物),這是環境DNA 宏條形碼監測中普遍存在的現象。 這些信號可能來源于浮游動植物或其他后生動物,也可能是由于物種條形碼數據庫中底棲動物數據的缺失[20,31]。

總體而言,環境DNA 方法在流域物種豐富度計算、常見種識別上,與形態學方法具有較高的一致性。 無論是在科還是屬的分類水平上,環境DNA 方法與形態學方法的共同檢出結果涵蓋了形態學方法檢出的大部分物種、絕大部分個體和生物量,代表了太湖流域底棲動物中分布較為廣泛、檢出頻次較高、物種優勢度較高的類群。 在本研究中,采用環境DNA 方法檢出了形態學方法監測結果中40%的科和45.5%的屬,共同檢出的科和屬分別涵蓋了形態學方法檢出物種數的64.7%和48.4%。 這一比例與DEINER 等[32](科水平73%交叉)、MACHER 等[31](EPTs 類群64%交叉)、M?CHLER 等[33](屬水平62%交叉)的研究結果相近。 而GLEASON 等[19]的研究表明,在利用水樣環境DNA 進行底棲動物監測時,其結果與組織研磨樣品環境DNA 分析結果的一致性較低。 此外,本研究中,在形態學監測中檢出頻率較高的分類單元,在環境DNA 方法中同樣被高頻檢出,即環境DNA 方法在對流域常見種的識別上與形態學方法具有較高的一致性,兩種方法對于判斷某物種在流域范圍內是否廣泛存在具有相近的效果。 AYLAGAS 等[34]發現,利用形態學方法檢出的優勢物種同樣也是利用環境DNA 方法識別出的優勢物種。 HAJIBABAEI 等[35]的研究則表明,對于個體數不少于2 的物種,通過對標本進行酒精浸提,可以達到100%的檢出率,這也印證了上述結論。 因此,使用酒精浸提法直接處理環境樣品,并結合環境DNA 宏條形碼技術進行底棲物種識別,在結果上與形態學方法具有較高的一致性。

環境DNA 方法比形態學方法識別出了更多的物種,既體現在總分類單元數目上,也體現在點位平均值上。 環境DNA 方法能夠識別出在形態學挑揀中因肉眼識別困難而容易遺漏的物種,例如仙女蟲科的某些種類。 盡管在數量上,兩種方法共同檢出的科較少,但共同檢出的科都是具有很高代表性的類群,如搖蚊科、顫蚓科、田螺科、蚌科等,這些科的檢出頻次和種次都處于所有科的前列。 與科級水平的情況類似,共同檢出的屬也都是具有很高代表性、檢出頻次和種次較高的類群,如環棱螺屬、蜆屬、水絲蚓屬、尾鰓蚓屬、長足搖蚊屬、小搖蚊屬等。 而環境DNA 方法檢出次數較少的物種主要為沙蠶、蛭等動物。 此類動物在接觸高濃度乙醇后會迅速固縮,其組織釋放較慢,可能導致浸提效率較低。 另外,一些毛翅目、蜻蜓目的物種在環境DNA 方法中的檢出次數較少,可能是由于個體數少且出現率低,降低了環境DNA方法的檢出率。 在MACHER 等[31]的研究中,環境DNA 宏條形碼方法對EPT 類群(蜉蝣目/衤責翅目/毛翅目)的識別率僅有8%(4/51),說明現有方法對該類群的檢出能力可能較弱。

在流域尺度的空間分布格局上,環境DNA 方法監測結果與形態學方法監測結果呈現多方面的一致性。 兩種方法在檢出頻次和檢出種次上均呈現顯著正相關(R2>0.7,P<0.000 1)。 在形態學鑒定中頻繁檢出的分類單元,在環境DNA 方法中同樣頻繁檢出;在形態學鑒定結果中較為罕見的分類單元,在環境DNA 方法中同樣較少檢出。 在太湖流域,采用環境DNA 方法和形態學方法獲得了相似的物種分布圖譜,兩種方法的總體檢出一致率達到了72.3%。 因此,環境DNA 方法在物種包括優勢種的識別上是有效的,與形態學方法具有較高的一致性,能夠用于太湖流域尺度的底棲動物多樣性監測。

3.2 定量關系

環境DNA 方法在優勢物種的定量分析上與形態學方法具有一致性。 其中,搖蚊科和顫蚓科物種在環境樣品中的生物密度和生物量,與環境DNA 方法檢出的序列數顯著正相關(P<0.05),尤其是搖蚊科的相關性較強,R2分別為0.737 和0.545。 搖蚊科和顫蚓科的生物密度往往非常大,采用人工計數的方法較為煩瑣。 此時,環境DNA數據提供的幫助就不容忽視。 對物種生物密度和生物量的估算是環境DNA 研究中的一項重要挑戰。 目前,已有一些研究表明,環境DNA 可以定量表征浮游動物和魚類等類群的生物多樣性[36-37],但是對于底棲動物的定量研究還較少且不深入。 CAREW 等[38]和LINARD 等[20]研究發現,在標本浸提液樣品中,部分底棲動物的生物量與序列數具有相關性。 AYLAGAS 等[34]還發現了個體數與序列數之間的顯著相關性。 但在大塊環境樣品的浸提液中,將環境DNA 測序數據用于物種定量的可行性尚不明確,亦有研究認為難以發掘其定量關系[39]。 盡管底棲動物定量監測不是本研究的主要目標,但本研究的結果表明,在復雜的環境樣品中,存在DNA 序列數與底棲動物生物密度、生物量之間的相關性。

3.3 生態評價的一致性

在流域尺度上開展的生態評價表明,由環境DNA 監測數據推導出的B-IBI 值具有顯著的辨識度。 環境DNA 監測結果在軟體動物分類單元數、BMWP 打分值和B-IBI 值上,與形態學監測結果具有一致性,可用于評估水生態健康狀況。 在流域生態健康空間格局的描繪上,兩種方法的高值區高度重合,具有一致性。 已有部分研究表明,將環境DNA 宏條形碼技術用于生態評價,可以獲得與形態學方法類似的結果。 例如,CLARKE 等[40]和MARTINS 等[41]分別在針對浮游動物和底棲動物群落的研究中發現,通過環境DNA 方法和形態學方法可以得到相似的β 多樣性,盡管兩種方法得到的α 多樣性之間差距較大。 這與本研究結果類似,即兩種方法在物種識別上的結果并不完全一致,但在生態評價上的結果較為相近。EMILSON 等[42]和SERRANA 等[43]的研究表明,基于DNA 方法和形態學方法檢出的底棲動物群落,對理化因子的環境梯度有著相似的響應。 而ERDOZAIN 等[44]研究發現,相比形態學方法,環境DNA 方法檢出的底棲動物群落對環境變量的響應較弱。 MARSHALL 等[45]發現,基于兩種方法對底棲動物的監測結果,可以對棲息地類型進行類似的區分。 此外,有證據表明,使用多引物組合可以更加全面地解釋群落結構,使生物評價的結果更加準確[41,46]。 綜上所述,盡管在物種識別層面有時略有出入,但這并未成為將環境DNA 宏條形碼技術應用于水體生態健康評價的障礙。 將環境DNA 監測結果用于太湖流域底棲動物完整性評價是可行的,并且在很大程度上與形態學方法的評價結果是一致的。

4 結論與展望

將環境DNA 宏條形碼技術與形態學方法同步用于針對太湖全流域的底棲動物監測,監測結果表明,兩者在物種識別和生態評價方面均具有較高的一致性。 環境DNA 方法可以識別出太湖流域底棲動物中分布較為廣泛、檢出頻次較高、優勢度較高的類群,且能比形態學方法識別出更多的物種。 兩種方法在各物種的檢出頻次上具有較強的相關性(P<0.000 1)。 基于環境DNA 方法得到的B-IBI 值與形態學監測結果顯著相關,且在底棲動物完整性的流域空間格局描繪上高度一致。 此外,兩種方法還在生物量、序列數等方面呈現出一定的定量關系。

未來,需進一步完善本土物種DNA 條形碼數據庫,以提高測序數據的物種注釋率和注釋結果的可靠性。 此外,生物密度和生物量是生物監測和評估中的重要信息,因此,建立基于環境DNA的定量生物監測技術具有重要意義。 綜上,環境DNA 宏條形碼技術在大規模、多點位底棲動物多樣性快速監測及相關評價工作中具備較高的可靠性,具有廣泛的應用前景,未來有望顯著提高我國水生態系統生物監測和生態健康評估的技術水平。