應用環境DNA技術監測水體生態的研究進展

中圖分類號：X835 文獻標志碼：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

水體生態系統是地球生物圈的關鍵組成，具有調節氣候、凈化水質等功能，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、生態結構失衡等威脅。水生生物監測是保護水生態系統健康的重要基礎性工作。傳統監測方法主要依靠形態學特征來鑒定物種，評價指標較單一，監測效率低，在獲取生物多樣性上，面臨生物群落結構復雜導致的鑒定困難，生物豐度較低、水體深淺變化等導致的采樣困難[]等挑戰。

環境DNA（EnvironmentalDNA，eDNA）技術是指從環境介質（如水體、沉積物等）中直接收集微生物、動植物的DNA混合物，經過樣品保存、DNA分離提取等操作，確定目標生物的種類和豐度[2]。該技術具有采樣簡單、靈敏度高、主觀依賴性低、準確度高、物種覆蓋度廣等優勢[3]。本文通過梳理該技術在水體生態監測中的應用進展，分析其在魚類、浮游生物等調查中的優勢與不足，旨在構建完善監測技術體系，更好地保護水體生態。

1eDNA技術的原理與操作流程

1.1 eDNA技術的原理

eDNA技術通過檢測環境樣品（如皮膚細胞、黏液、糞便或分泌物）中的生物遺傳物質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胞、排泄物、黏液、生殖細胞或死亡分解等方式向環境中釋放DNA4]，這些DNA混合物包含了生物群的遺傳信息。

1.2 eDNA技術的操作流程

eDNA技術的操作流程可概括為“采樣一過濾一保存—提取一擴增—測序一生物信息學分析一結果驗證”八個環節。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行PCR擴增；加入特異性標簽以區分不同樣本，構建測序文庫[5]，擴增產物經純化、質檢后進行高通量測序，獲得數百萬條短序列；進行生物信息學分析；通過現場復采、傳統形態學復核或qPCR絕對定量對結果進行驗證，評估eDNA一宏條形碼技術I型/Ⅱ型（假陽性/假陰性）錯誤率，確保數據可靠性[6]

2eDNA技術的應用進展和面臨的挑戰

2.1eDNA技術的應用進展

2.1.1魚類資源調查

eDNA技術應用于對流域或湖泊內魚類資源的調查，可以達成高效率、高精度的要求，在監測效率方面優于傳統監測方法。eDNA技術在魚類資源調查方面的應用實例如表1所示。

表1eDNA技術在魚類資源調查的應用實例

2.1.2浮游動植物多樣性調查

浮游植物是水體重要的初級生產者，其種群數量及群落結構的組成，在水生態監測與評價中具有重要的指示作用，對浮游植物進行群落監測常用的方法為傳統形態學觀察計數法，該方法耗費高、不客觀。

eDNA高通量測序技術在浮游動植物研究領域展現出獨特價值：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、采樣流程中缺乏統一標準[10]；在遼東灣海域檢出 41% 的未見報道的真核微藻，但缺乏新種類生態信息[11]；在膠州灣，高通量測序技術高效分析、鑒定出到172種浮游植物（包括54種有害藻類），但由于環境條件和物種相互作用的復雜性，該技術應用于群落生態學仍然不夠全面[12]。

2.2 eDNA技術面臨的挑戰

將eDNA技術與現行河流水生態國標評價體系關聯，形成更為完善、高效的水體生態監測技術，更能滿足當前對于水體生態保護工作的需要[13]。但eDNA技術在實際監測過程中，會出現假陽性/假陰性錯誤，而eDNA技術嚴重依賴參考數據庫，不完備的數據庫會導致大量數據不能得到正確注釋，大大降低目標物種的檢出率[14]。目前，eDNA監測的研究及應用主要集中于湖泊、海洋和河口區域，對地形相對崎嶇多變的河流流域的生態監測，相關文獻較少。

3 未來展望

水體生態監測中應用eDNA技術顯著拓展了監測的時空范圍與信息深度。未來，eDNA技術將圍繞“統一標準、完善數據庫、擴大場景”三條主線持續攻關：一是盡快編制覆蓋采樣體積、濾膜孔徑、PCR循環到數據閾值的強制性國家標準，降低假陽性/假陰性率；二是加速建設覆蓋全國河流、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技術由湖泊、河口向地形復雜的河流流域拓展，形成跨流域、全天候的生態健康評估網絡，為生物多樣性的精準保護提供決策支持。

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