李飛龍，楊江華，楊雅楠，張效偉

污染控制與資源化研究國家重點實驗室，南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210023

人類活動產(chǎn)生的水體污染、棲息地破壞、資源過度開發(fā)、外來生物入侵等環(huán)境壓力，造成生物多樣性銳減，引發(fā)水生態(tài)功能嚴(yán)重退化并影響人類健康[1]。據(jù)2016年《地球生命力報告》統(tǒng)計，1970—2012年，淡水生物數(shù)量整體下降了81%。而且，在全球氣候變化的大背景下，人類活動對水生態(tài)系統(tǒng)的擾動越來越大，環(huán)境壓力愈加普遍和強烈[2]。面對日益惡化的水生態(tài)狀況，環(huán)境管理者、科學(xué)家及社會環(huán)保組織在進行水環(huán)境保護時面臨巨大挑戰(zhàn)。實際上，水生態(tài)環(huán)境保護措施的有效性在于對生態(tài)系統(tǒng)變化快速可靠的識別。然而，傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)生物監(jiān)測存在費時費力、物種分辨度低、成本高等諸多缺陷[3]，一直以來飽受詬病，無法在流域尺度開展大規(guī)模、高頻率的生態(tài)監(jiān)測。因此，迫切需要更加便捷且準(zhǔn)確的水生態(tài)監(jiān)測技術(shù)，用于生物多樣性及水生態(tài)系統(tǒng)的保護。

從水、土壤、沉積物和冰芯等環(huán)境介質(zhì)中提取DNA(以下簡稱環(huán)境DNA)進行高通量測序，可同時實現(xiàn)對自然生態(tài)系統(tǒng)中多生物群落的監(jiān)測，被認為是一種快速且有效的監(jiān)測技術(shù)，通常被稱為環(huán)境DNA技術(shù)[3]。在水生態(tài)系統(tǒng)中，環(huán)境DNA主要源于生物有機體釋放到水體的粘液、唾液、糞便、尿液、血液、內(nèi)含物、孢子、花粉或脫落的器官等[3-5]。環(huán)境DNA普遍存在，加上該技術(shù)具有的監(jiān)測所有生物的潛能，促使其形成了一個新興的研究領(lǐng)域[4]。在歐美等發(fā)達國家，基于環(huán)境DNA技術(shù)的底棲動物[6]、魚類[7]、兩棲動物[8]、外來入侵物種[9-11]和瀕危稀有物種[12]監(jiān)測已有廣泛研究。此外，環(huán)境DNA技術(shù)與機器學(xué)習(xí)、遙感等技術(shù)結(jié)合來評價水生態(tài)系統(tǒng)健康也已成為生態(tài)學(xué)的研究熱點[13]。但相比于歐美等發(fā)達國家，中國開展的環(huán)境DNA研究相對較少，僅被用于魚類[14-15]和入侵小龍蝦[16]等的監(jiān)測。盡管已有文獻對環(huán)境DNA的研究進行了總結(jié)，但其更偏重于討論該技術(shù)在特定物種的有無或豐富度監(jiān)測和生物多樣性評估等方面的應(yīng)用[17-18]。作為對已有文獻綜述的補充，筆者將從生態(tài)環(huán)境監(jiān)測及跨學(xué)科聯(lián)用的角度思考環(huán)境DNA的應(yīng)用前景，希望為中國開展相關(guān)研究提供一些啟示和思路。

研究重點分析以下幾個方面：①簡要總結(jié)環(huán)境DNA技術(shù)在生物監(jiān)測方面多元化的應(yīng)用；②著重討論環(huán)境DNA技術(shù)與機器學(xué)習(xí)、遙感等技術(shù)跨學(xué)科協(xié)調(diào)合作進行水生態(tài)監(jiān)測的潛在機遇；③探討作為水生態(tài)環(huán)境保護的主體，社會公民(特別是“公民科學(xué)團體”)在未來環(huán)境監(jiān)測中可發(fā)揮的作用及潛力，這將對中國開展基于環(huán)境DNA技術(shù)的流域生態(tài)監(jiān)測提供一定的參考。

1 環(huán)境DNA技術(shù)的原理及應(yīng)用

1.1 環(huán)境DNA技術(shù)的原理及發(fā)展

環(huán)境DNA技術(shù)是指通過從環(huán)境介質(zhì)(水、土壤、沉積物等)中提取DNA，對基因組的特定DNA片段進行PCR擴增和高通量測序，從而實現(xiàn)對環(huán)境樣品中多生物群落監(jiān)測的技術(shù)[3-5]。該技術(shù)基本操作流程主要包括環(huán)境樣品采集、DNA提取、PCR擴增、DNA文庫構(gòu)建、DNA高通量測序、生物信息學(xué)分析和生物多樣性分析等環(huán)節(jié)(圖1)。

圖1 環(huán)境DNA技術(shù)基本操作流程圖Fig.1 The basic operational flowchart of environmental DNA approaches

早在20世紀(jì)80年代，環(huán)境DNA技術(shù)就已被提出用于微生物研究[19]，通過獲取DNA序列推斷微生物的分類及其賦有的生化意義[20]，從而實現(xiàn)對不可培養(yǎng)微生物的認識。自2003年DNA條形碼概念[21]提出以來，環(huán)境DNA技術(shù)在短短的10多年間發(fā)展迅速。生命條形碼聯(lián)盟(CBOL)將DNA條形碼定義為生物基因組中普遍存在的一段能夠高效鑒定物種的 DNA 標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域。其建立在2個前提之上：①每個物種應(yīng)有唯一的 DNA 條碼序列；②物種間的基因遺傳變異應(yīng)大于物種內(nèi)的基因遺傳變異。DNA條形碼最初目的是進行生物種分類鑒定及數(shù)據(jù)的儲存，以期快速準(zhǔn)確地鑒定物種，并發(fā)掘新種及隱匿種，現(xiàn)已在動植物和微生物等各類生物中得到廣泛的應(yīng)用[21-25]。受益于DNA條形碼的研究，2008年FICETOLA等[10]提出利用特異性的DNA片段檢測水域內(nèi)美國牛蛙的入侵，自此開啟了環(huán)境DNA技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中研究與應(yīng)用的先河。近年來，對環(huán)境DNA的研究在不斷發(fā)展和深化，已從單一化的靶向物種(外來物種入侵、珍稀及瀕危物種)監(jiān)測到非靶向多元化生物群落調(diào)查，再到作為新型的高通量分子指紋用于環(huán)境污染物的診斷、水環(huán)境健康評價及污染物生態(tài)閾值推導(dǎo)等(表1)。

表1 環(huán)境DNA技術(shù)在生態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域主要研究Table 1 Main research of environmental DNA approaches in the field of ecological monitoring

此外，環(huán)境DNA技術(shù)較高的成本效益也是促進其發(fā)展與應(yīng)用的重要因素之一。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)[50]，相比于傳統(tǒng)生物監(jiān)測技術(shù)，僅單個監(jiān)測位點環(huán)境DNA技術(shù)就可以節(jié)省超過40%的成本投入。而且，隨著監(jiān)測位點數(shù)量的增加，成本效益的優(yōu)勢會更加凸顯。隨著大數(shù)據(jù)、云服務(wù)和人工智能領(lǐng)域的快速發(fā)展，環(huán)境DNA技術(shù)在多學(xué)科、跨領(lǐng)域間的交流與合作也值得期待。

1.2 物種豐富度和相對豐度評估

對物種豐富度和相對豐度評估是探索、認識物種和保護生物多樣性的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)基于物理、聲學(xué)和視覺觀察的生物監(jiān)測是當(dāng)前評估物種多樣性的主要方式[51]，但它們存在很大的局限性。即使是高水平的物種鑒定專家，對某些生物類群的錯誤識別也很常見。而且，傳統(tǒng)監(jiān)測方法對環(huán)境和生物群落會造成破壞性的影響[3]。對于許多兩棲動物和爬行動物，傳統(tǒng)方法可能需要專門的設(shè)備或特定的觀察時間，從而使物種多樣性評估難以進行[52]。由于環(huán)境DNA技術(shù)可同時監(jiān)測多生物群落且具有較高的物種辨識度等，很好地彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測方法的不足。已有研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境DNA對兩棲動物的監(jiān)測要優(yōu)于傳統(tǒng)方法[53]。此外，通過對食血水蛭體內(nèi)宿主血液的收集，可實現(xiàn)對瀕危和隱匿的脊椎動物的有效監(jiān)測[54]。對植物的研究也發(fā)現(xiàn)，相比于視覺方法，分離空氣中的DNA可以提高對花粉的分類辨識度[55]。

環(huán)境DNA技術(shù)還可以用于物種的相對豐度評估。大量的研究發(fā)現(xiàn)，通過使用特異性引物或定量PCR(qPCR)技術(shù)，可以實現(xiàn)單物種相對豐度的測量[7,43]。雖然這些研究都需要進行大量的控制實驗，以確定在qPCR中所觀察到的物種相對豐度與基因拷貝數(shù)之間的關(guān)系，但至少可以證明環(huán)境DNA包含了物種相對豐度的信息。目前，雖然利用環(huán)境DNA度量生物群落豐度仍缺乏結(jié)論性證據(jù)，但已有研究認為，DNA序列的相對豐度與傳統(tǒng)方法評估的物種豐度存在明顯正相關(guān)。如在中宇宙模擬實驗中發(fā)現(xiàn)，魚類和兩棲動物的個體數(shù)與相對豐度均與DNA序列數(shù)存在相關(guān)性[56]。類似結(jié)果也出現(xiàn)在自然湖泊中，傳統(tǒng)刺網(wǎng)的漁獲量與同時開展的環(huán)境DNA監(jiān)測結(jié)果存在正相關(guān)[57]。對海洋的研究也指出，將DNA序列在科級水平進行統(tǒng)計時與傳統(tǒng)拖網(wǎng)捕獲的魚類相對豐度及生物量有相關(guān)性[58]。

1.3 靶向與非靶向的生物監(jiān)測

環(huán)境DNA技術(shù)最初被用于法國池塘中北美牛蛙的監(jiān)測[10]，隨即引起了研究人員和環(huán)境監(jiān)管部門的極大興趣，目前已被成功用于亞洲鯉魚[37]、克氏原螯蝦[11]、娃娃魚[12]等入侵生物的監(jiān)測。以上這些研究均以物種特異性引物為基礎(chǔ)，目的是為入侵生物監(jiān)測提供新證據(jù)。這種靶向的方法在入侵生物學(xué)領(lǐng)域被稱為“主動”監(jiān)視[59]。尤其在自然資源管理中，為避免未來引進及減少現(xiàn)有外來入侵生物的傳播時，這種“主動”監(jiān)測至關(guān)重要。但是，環(huán)境DNA技術(shù)還存在一個重要挑戰(zhàn)，即入侵物種檢測的假陽性和假陰性，這2種情況都會引起生物監(jiān)測結(jié)果的不確定性，為入侵生物的根除和控制帶來巨大負擔(dān)。因此，仍需要繼續(xù)開展研究，減少或了解產(chǎn)生假陽性和假陰性的原因，提高環(huán)境DNA對外來入侵生物監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

與“主動”監(jiān)視相對應(yīng)的，環(huán)境DNA技術(shù)還能同時利用不同引物進行多生物群落的監(jiān)測，從而快速了解環(huán)境中生物群落組成，這種被廣泛應(yīng)用的非靶向方法被稱為“被動”監(jiān)視[59]。在分析環(huán)境變化對水生態(tài)系統(tǒng)的影響時，除了進行靶向的生物監(jiān)測，仍然需要在多生物群落和不同營養(yǎng)水平上進行生物多樣性的研究，分析并預(yù)測生物多樣性改變對生態(tài)功能的影響。環(huán)境DNA具有促進生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能研究的潛力[42]，提高研究人員對捕食者和被捕食者關(guān)系的認識(如植物與傳粉者的相互作用)[60]，以及在高度多樣化的系統(tǒng)中了解小型隱匿物種組成的食物網(wǎng)[61]。這些研究可以揭示物種共生作用和相互作用，將進一步促進研究人員對復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的理解，并提供用于指導(dǎo)大生態(tài)系統(tǒng)尺度的管理決策。環(huán)境DNA 技術(shù)還可以為評估人為污染的影響提供一個強有力的工具，如在“河北精神”號溢油事件發(fā)生后7年，環(huán)境DNA被用于表征表層沉積物微觀和宏觀生物群落結(jié)構(gòu)的變化。該研究結(jié)果表明原油泄漏污染對微生物群落和后生動物群落產(chǎn)生了長期的影響，這些影響體現(xiàn)在生物多樣性、優(yōu)勢物種的相對豐度和結(jié)構(gòu)變化上[32]。

1.4 古生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

研究生態(tài)系統(tǒng)演替規(guī)律和污染物的生態(tài)群落效應(yīng)時，傳統(tǒng)毒性實驗、微/中宇宙模擬和全流域的生態(tài)調(diào)查都存在監(jiān)測周期短的缺陷[62]。雖然依據(jù)考古或古湖沼學(xué)知識可以克服上述問題[63]，但仍然存在效率低和缺乏歷史資料等因素限制。近年來，從湖泊沉積柱或冰芯中獲得的DNA(常被視為“古DNA”)可記錄幾十年至上萬年的生物信息[64]。對湖泊沉積柱中動植物研究發(fā)現(xiàn)，早在1.26萬年前的陸地生物和水生生物可以被監(jiān)測[65]，而從冰芯中獲取的DNA已經(jīng)成功用于對2000年前生物群落的重建[66]。此外，從冰川徑流中提取的環(huán)境DNA，也可用來監(jiān)測生活在冰川和冰下棲息的動物和植物的多樣性[67]。由于氣候變暖，這些棲息地正經(jīng)歷著巨大的變化。與之類似，垂直運輸?shù)胶Ｑ笾械某练e物也會保存大量的DNA，因為這些DNA被直接吸附到泥沙顆粒上，使其可以避免核苷酸被氧化和水解等過程降解，有助于在大時空尺度上保存遺傳信號。該研究還發(fā)現(xiàn)，海洋沉積物DNA的濃度是海水中DNA的3個數(shù)量級[68]，海洋沉積柱也積累著大量的近海和遠洋生物群落遺傳信息。因此，沉積柱中的DNA是研究長時期動植物群落演替的有力工具，同時也提供了重建過去營養(yǎng)級關(guān)系的機會。如在食草動物中發(fā)現(xiàn)的小顆粒的環(huán)境DNA已經(jīng)被用于古動物和古植物的鑒定[69]，利用糞便化石中的微生物和植物DNA痕跡可重建稀有和已滅絕的古鳥類飲食關(guān)系[70]。

沉積柱或冰芯不僅可以反映長時期生物群落演替動向，還能通過追蹤污染物的沉積歷史[71]，提供長期暴露于污染物下的群落生態(tài)效應(yīng)信息[62]。因此，將環(huán)境DNA和古生態(tài)學(xué)/湖沼學(xué)有機結(jié)合起來，對理解長期人類活動及其產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)影響具有重要價值。

1.5 存在問題及解決建議

雖然環(huán)境DNA技術(shù)在生物監(jiān)測中應(yīng)用越來越多，但該技術(shù)仍存在一些不足。如在分析河流生物群落的空間分布時，盡管環(huán)境DNA技術(shù)可以檢出更高的物種豐富度，但DNA會沿著水流向下游遷移，導(dǎo)致識別的物種并非全部來自本地[72]。還有研究指出，環(huán)境中物種基因拷貝數(shù)受DNA來源、狀態(tài)和傳輸速率等影響[73]，使環(huán)境DNA反映的物種豐度與真實的物種豐度存在差異。此外，引物偏好性已經(jīng)被證明會錯誤評估樣品中DNA序列的相對豐度[74]，而且在樣品處理過程中，過多的子樣本數(shù)量可以導(dǎo)致稀有的DNA序列丟失[75]。這些因素的結(jié)合可能會進一步放大任何已知物種DNA序列的偏差，并將完全抑制稀有物種的監(jiān)測。

實際上，當(dāng)一個物種的監(jiān)測結(jié)果被懷疑時，可以使用qPCR來驗證結(jié)果的真實性，因為單物種特異性的qPCR不會存在引物偏好性的問題。此外，增加重復(fù)樣品數(shù)量和去除低豐度數(shù)據(jù)可以在一定程度上克服假陽性問題[76]。為確保樣品的完整性，實驗室陰陽對照樣本的設(shè)置極為重要。使用陽性對照樣本可以幫助評估環(huán)境DNA的測序效率和錯誤率[77],而在實驗室操作過程每個階段(如樣品過濾、DNA提取、PCR和測序)設(shè)置的陰性對照可通過統(tǒng)計模型等方法檢測高通量多通道測序過程中產(chǎn)生的錯誤，以排除假陽性檢測。最后，由于數(shù)據(jù)處理過程也會影響研究的結(jié)果和結(jié)論，生物信息學(xué)工具的選擇和參數(shù)設(shè)置也必須要慎重。

2 環(huán)境DNA技術(shù)跨學(xué)科合作潛在機遇

2.1 機器學(xué)習(xí)——智能化的生態(tài)監(jiān)測

大數(shù)據(jù)和云服務(wù)時代的到來對數(shù)據(jù)的探索、分析和預(yù)測提出了更高的要求。作為探索和分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)理論和工具，機器學(xué)習(xí)及數(shù)據(jù)挖掘成為當(dāng)前熱門的技術(shù)。機器學(xué)習(xí)的核心是通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計和邏輯推理讓計算機將海量信息轉(zhuǎn)化為可行的情報并做出正確反應(yīng)的科學(xué)。這種方法在社會科學(xué)和分子/遺傳學(xué)科已得到了廣泛的應(yīng)用，但直到最近才被應(yīng)用到生態(tài)學(xué)領(lǐng)域[34,78]。對于生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究人員通常使用統(tǒng)計模型(如回歸模型)來研究生物群落繁殖、遷移和捕食等作用關(guān)系。但是，機器學(xué)習(xí)可以根據(jù)數(shù)據(jù)運算和邏輯推理完成數(shù)據(jù)集中相互作用的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系重建。只要方法合適，機器學(xué)習(xí)能快速地從生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)中重建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，顯著提高建立生態(tài)作用網(wǎng)絡(luò)的效率。

當(dāng)前，高通量測序一次可完成10～100 G的測序數(shù)據(jù)。這一優(yōu)勢使得環(huán)境DNA生態(tài)監(jiān)測成為名副其實的大數(shù)據(jù)監(jiān)測，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法顯然無法適應(yīng)高通量數(shù)據(jù)分析。如果將環(huán)境DNA技術(shù)與機器學(xué)習(xí)、云服務(wù)進行耦合，可以構(gòu)建一個系統(tǒng)性、全球化、網(wǎng)絡(luò)化的快速生態(tài)監(jiān)測體系。但是這種基于邏輯推理從高通量測序數(shù)據(jù)中重新構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究仍需進一步完善。有研究指出，對高通量測序數(shù)據(jù)使用統(tǒng)計推理方法構(gòu)建的微生物網(wǎng)絡(luò)在精確度和靈敏度上存在很大的差異[79]，而且這種生態(tài)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的知識存在矛盾。但是在一項關(guān)于浮游生物的研究中發(fā)現(xiàn)，利用機器學(xué)習(xí)可以很好地從高通量測序數(shù)據(jù)中重構(gòu)生物網(wǎng)絡(luò)關(guān)系[80]。因此，這些研究結(jié)果的差異也說明基于機器學(xué)習(xí)的高通量測序數(shù)據(jù)分析還存在很大的提升空間。

環(huán)境DNA生物監(jiān)測也是一把“雙刃劍”，雖然可以獲得傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)監(jiān)測無法獲取的群落大數(shù)據(jù)信息，但同樣面臨如何理解這些數(shù)據(jù)的困境。由于全球范圍內(nèi)DNA參考數(shù)據(jù)庫并不完善，測序產(chǎn)生的大量DNA操作分類單元(OTUs)無法完成序列注釋，特別是宏基因組的測序，有時85%以上的序列是未知的[26]。在進行數(shù)據(jù)分析時如果丟棄這些未知的OTUs，將會造成海量信息的遺失。機器學(xué)習(xí)正成為克服這一困難的有效工具。最近有研究提出，使用監(jiān)督式機器學(xué)習(xí)可以完成非注釋性O(shè)TUs的生物指數(shù)計算，而且這些新型的分子生物指數(shù)具有很好的水生態(tài)健康評價潛力[34]。在細菌和硅藻研究中，這種方法也被用于污染水平的預(yù)測和生態(tài)風(fēng)險評價[34-35]。

2.2 遙感——實現(xiàn)全球化的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

遙感技術(shù)是指從遠距離感知目標(biāo)反射或自身輻射的電磁波、可見光、紅外線等，完成對目標(biāo)探測和識別的技術(shù)。該技術(shù)具有獲取全球性數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，而且遙感數(shù)據(jù)具備在時空尺度上標(biāo)準(zhǔn)化和可重復(fù)性。盡管遙感最初的開發(fā)和部署成本很高，但穩(wěn)定的衛(wèi)星傳感器將持續(xù)提供最具成本效益的長期監(jiān)測能力。最近，傳感器技術(shù)的發(fā)展為水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測開辟了新思路。通過地球觀測平臺可獲得越來越高的空間和光譜分辨率數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用來度量生物指標(biāo)的變化(如水生植被覆蓋面積和葉綠素a濃度)[51,81]。目前，衛(wèi)星遙感技術(shù)已被應(yīng)用于湖泊中生物多樣性的監(jiān)測，如Diversity II(www.diversity2.info)和Globolakes(www.globolakes.ac.uk)等監(jiān)測項目已經(jīng)分別覆蓋了全球340、971個湖泊。此外，新型的高光譜技術(shù)，通過分析數(shù)百個狹窄的光譜帶可提供水體中藻青素、葉綠素a、懸浮物、浮游植物功能類型和底棲生物組成等更多的信息[82]。還有，在無人機等小型機載設(shè)備上搭載輕型高光譜相機，可彌補衛(wèi)星無法監(jiān)測的河流源頭信息[83]。利用歷史航空圖像和地圖的存儲庫，遙感也可用來評估過去的環(huán)境壓力(如歷史航拍照片被用來量化大壩建設(shè)和人類用水對河道的影響)。

遙感技術(shù)與環(huán)境DNA的結(jié)合將為未來環(huán)境監(jiān)測提供更多可能性(如將歷史衛(wèi)星圖像與古環(huán)境DNA結(jié)合，可以重建過去生物群落對環(huán)境壓力的響應(yīng)，評估生物多樣性隨時間的變化趨勢[84])。此外，利用衛(wèi)星光譜圖像解譯的水生植被覆蓋面積、葉綠素a濃度等信息，與環(huán)境DNA的高通量監(jiān)測信息結(jié)合，可用于預(yù)測富營養(yǎng)型湖泊藻華的暴發(fā),該領(lǐng)域的研究將會有很好的發(fā)展前景[81,85]。特別是在當(dāng)前人類活動產(chǎn)生的多元化環(huán)境壓力下，監(jiān)測數(shù)據(jù)的豐富性和連續(xù)性是分析生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)變化的一個關(guān)鍵因素，這主要是因為對生物多樣性造成威脅的環(huán)境壓力范圍廣泛，而且往往會跨越很長一段時間。

2.3 公民科學(xué)團體的參與

環(huán)境DNA技術(shù)的便捷和可操作性，使其為推廣全民參與的生態(tài)環(huán)境保護監(jiān)測項目創(chuàng)造了新途徑。特別是環(huán)境DNA分析試劑盒商業(yè)化(如NatureMetrics，Spygen，QIAGEN等)更推動了公民科學(xué)項目的發(fā)展。公民科學(xué)團體是收集或處理數(shù)據(jù)的志愿者，通常是在科學(xué)項目的支持下進行的。涉及公民科學(xué)的研究項目正隨著公眾對生態(tài)環(huán)境的保護興趣日益增加而增長。因此，公民科學(xué)團體正越來越多地擴大對不同時空范圍的水環(huán)境監(jiān)測。如基于公民科學(xué)的全球湖泊生態(tài)觀測網(wǎng)(GLEON，http://gleon.org/)已建立了一個全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，收集不同湖泊的數(shù)據(jù)以記錄對不同的環(huán)境壓力的響應(yīng)，包括水溫、溶解氧和浮游植物葉綠素?zé)晒獾?。與此類似的，國際河流組織(www.internationalrivers.org/worldsrivers)開展了全球范圍內(nèi)50個主要河流的健康狀況評價。盡管大部分指標(biāo)都與環(huán)境驅(qū)動因素有關(guān)(如水壩數(shù)量和入侵魚類的百分比)，但也存在一些生物指標(biāo)(如關(guān)注哺乳動物和鳥類)。在英國，由公民科學(xué)家組成的Riverfly Partnership(http://www.riverflies.org/)，其成員都接受了簡單的無脊椎動物監(jiān)測技術(shù)培訓(xùn)，開展英國河流的健康評價。在南非，miniSASS(http://www.minisass.org/)采用了類似的方法進行水環(huán)境保護。重要的是，這些團體組織和他們的在線數(shù)據(jù)存儲庫都在不斷擴大。如果這樣的項目(計劃)擴展到其他國家，并將這些數(shù)據(jù)在全球數(shù)據(jù)庫中分享，將會使整個河流健康狀況得到改善。

在中國，人們對水環(huán)境質(zhì)量的理解正在不斷深入。單純的水化學(xué)污染控制顯然不能滿足新時期水生態(tài)環(huán)境保護的需求。對應(yīng)于中國尚不完善的生物監(jiān)測體系，基于公民科學(xué)的全民水環(huán)境保護計劃也處于發(fā)展的新階段。為了吸引更多的公民參與其中，環(huán)境管理者和科研人員相繼做出了很多的努力。如由生態(tài)環(huán)境部與住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部共同發(fā)起的城市黑臭水體整治環(huán)境保護專項行動(http://www.hcstzz.com/)，每周會定期發(fā)布《全國城市黑臭水體整治公眾監(jiān)督及回復(fù)情況周報》，目的是加強社會公眾對水污染治理的監(jiān)督和參與度。此外，以鼓勵公眾參與為目的的河流生態(tài)地圖項目(http://nju.erivermap.com/water/)日益得到社會群眾的關(guān)注，該項目旨在利用環(huán)境DNA技術(shù)對全國各地的水體進行生態(tài)監(jiān)測，提供河流、水庫、湖泊等生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性分布地圖，建立水生態(tài)健康評估報告，完成全國水環(huán)境健康狀況的評價。這些項目的實施將會逐步增加公眾的水環(huán)境保護興趣和熱情，進而推進公民科學(xué)在中國的發(fā)展。

3 結(jié)論

水生態(tài)系統(tǒng)變化的早期識別和對人類活動壓力的診斷可有效保護水生態(tài)環(huán)境。同樣，對水生態(tài)環(huán)境治理與修復(fù)措施的評估也需要精確監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化。對生態(tài)系統(tǒng)中物種多樣性、結(jié)構(gòu)及組成的觀測，可以用于研究這些物種如何塑造生態(tài)系統(tǒng)。迄今為止，大多數(shù)研究都集中在較小時空尺度上，而許多與大尺度和長時間跨度有關(guān)的問題都沒有得到解答，但是這種在時空尺度上的研究限制正在被改變。基于高通量測序的環(huán)境DNA技術(shù)與遙感、機器學(xué)習(xí)、云服務(wù)等技術(shù)耦合，產(chǎn)生的監(jiān)測大數(shù)據(jù)將會為未來幾十年生態(tài)學(xué)研究帶來巨大的機遇。這些新技術(shù)除了提供新穎的數(shù)據(jù)獲取方法外，還可以提供從局部到全球范圍以及多層次(如單一群落到生態(tài)作用網(wǎng)絡(luò)等)的生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)信息，進而改變?nèi)藗儗ι鷳B(tài)系統(tǒng)變化的理解，還可以更準(zhǔn)確地預(yù)測環(huán)境變化造成的生態(tài)后果。此外，作為水生態(tài)環(huán)境保護的主體，社會公民應(yīng)該被鼓勵加入進來。這一便捷和可標(biāo)準(zhǔn)化操作的環(huán)境DNA技術(shù)，將會為推廣全民參與水環(huán)境保護行動創(chuàng)造新途徑。