近年來，人類活動影響導致水生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，水生生物多樣性銳減，水生態(tài)功能嚴重退化并影響人類健康。而生物多樣性是維持生態(tài)平衡的基礎(chǔ)，因此，對水生生物進行監(jiān)測是開展水生態(tài)環(huán)境管理和保護的前提。目前，傳統(tǒng)的水生態(tài)研究主要依賴形態(tài)學生物監(jiān)測，以及通過直接觀察、顯微鏡和生物聲學收集數(shù)據(jù)。然而傳統(tǒng)形態(tài)學生物監(jiān)測存在費時費力、成本高、物種分辨度低等諸多缺陷，無法在流域開展大規(guī)模、高頻率的水生態(tài)監(jiān)測。因此，迫切需要更加便捷且準確可靠的水生態(tài)監(jiān)測技術(shù)，對保護水生態(tài)環(huán)境生物多樣性具有重要意義。環(huán)境 DNA（eDNA）技術(shù)是近年來國際生態(tài)學領(lǐng)域最重要的革命性技術(shù)，是一種基于分子的生物多樣性高效監(jiān)測手段，在生態(tài)環(huán)境修復和自然資源保護方面具有極大的應用潛力，已逐漸在歐美等發(fā)達國家快速推廣。

1 eDNA 技術(shù)簡介及優(yōu)勢

eDNA 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（聚合酶鏈式反應技術(shù)）擴增和高通量測序，從而對環(huán)境樣品中多生物群落進行監(jiān)測的技術(shù)。該技術(shù)基本操作流程主要包括環(huán)境樣品采集、DNA 提取、DNA 高通量測序、生物信息學和多樣性分析等環(huán)節(jié)，基本操作流程圖如圖1 所示。與傳統(tǒng)形態(tài)學生物監(jiān)測方法相比，eDNA 生物監(jiān)測具有采樣簡單、效率高、對生物和環(huán)境破壞性小、樣本檢測靈敏度高、成本低等核心優(yōu)勢，已廣泛用于河流、湖泊、河口、濕地、海洋等各類生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性調(diào)查中。

圖1 eDNA 技術(shù)基本操作流程圖

2 eDNA 在生態(tài)與保護中的應用研究

在基于 eDNA 技術(shù)的研究中，最受關(guān)注的技術(shù)是條形碼和宏條形碼技術(shù)，兩者最大的區(qū)別在于條形碼技術(shù)采用物種特異性檢測環(huán)境樣本中單個物種的 DNA 片段，而宏條形碼技術(shù)是對 eDNA 特定區(qū)域進行擴增，并通過高通量測序同時實現(xiàn)對自然生態(tài)系統(tǒng)中數(shù)以萬計的生物群落 DNA 序列的識別。對于eDNA 條形碼技術(shù)，PCR 技術(shù)用于檢測物種的存在，而定量 PCR（qPCR）技術(shù)通過檢測物種 DNA 濃度反映物種相對豐度或提高物種檢測的靈敏度。eDNA條形碼技術(shù)對檢測入侵和珍稀物種尤其有效，即使是難以進入的棲息地，采用該方法也能繪制物種資源分布情況，從而制定有效的管理策略。eDNA 宏條形碼技術(shù)已成功用于過去與現(xiàn)在生物多樣性識別、水生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測等方面。

2.1 外來物種入侵、珍稀及瀕危物種監(jiān)測

采用傳統(tǒng)的技術(shù)方法檢測和監(jiān)測珍稀、入侵或瀕危物種是一項艱巨的任務，常常需要花費大量的時間和精力，而且，使用傳統(tǒng)調(diào)查方法進行重復采樣是昂貴的，還可能對目標生物物種或棲息地造成無法彌補的傷害。eDNA 分析技術(shù)為這類物種提供了一種經(jīng)濟有效的非侵入性監(jiān)測方式，多用于水生生物的監(jiān)測。在確定入侵物種分布及危害程度方面，使用 eDNA 技術(shù)的監(jiān)測效率往往很高，近年來已用于農(nóng)業(yè)外來有害昆蟲的入侵監(jiān)測。還有一些研究評估了eDNA 技術(shù)方法和傳統(tǒng)調(diào)查方法在監(jiān)測珍稀、入侵和瀕危物種方面的效率，并證明 eDNA 技術(shù)方法在監(jiān)測目標物種的準確性和可靠性方面相對優(yōu)于或與傳統(tǒng)調(diào)查方法相當。然而，大多數(shù)基于 eDNA 技術(shù)的研究都集中在水生分類群，尤其是魚類和兩棲動物，而對陸地環(huán)境中其他類群的研究較少。

2.2 生物量估算

盡管野生物種數(shù)量的減少已經(jīng)引起全球日益關(guān)注，但某些物種種群動態(tài)監(jiān)測仍然是一個挑戰(zhàn)，部分原因是它們的地理分布存在很大的不確定性，還存在對它們的生活方式了解有限，它們生命歷史的復雜性及研究方法的局限性等方面的原因。eDNA 分析技術(shù)采用高效、靈敏和標準化方法在大尺度和長時間跨度上提高了野生物種分布和豐富度監(jiān)測。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測

生物入侵、害蟲和疾病是全球生物多樣性面臨的最嚴重威脅之一，并對環(huán)境、經(jīng)濟和公共衛(wèi)生造成不利影響，因此，迫切需要制定有效的監(jiān)測和管理措施，以遏制有害生物的傳播和建立。然而，這些努力受限于有效識別檢測生物威脅的能力，尤其是當這些有害生物種群處于低密度時。eDNA 技術(shù)已被證明是一種非常有效和靈敏的采樣方法，能夠通過早期檢測、傳播模式分析、種群動態(tài)評估監(jiān)測有害生物的傳播和建立。

2.4 生物多樣性監(jiān)測

由于缺乏關(guān)于過去與現(xiàn)在物種發(fā)生、分布、豐度、棲息地要求和威脅的基本信息，面對日益增長的人類壓力，保護生物多樣性是件棘手的事。獲得這些信息需要高效靈敏的采樣方法，能夠檢測識別和量化真實的生物多樣性，尤其在有很多隱蔽和未描述物種存在的超級多元化地區(qū)。eDNA 技術(shù)克服了傳統(tǒng)生物檢測識別方法的局限性，提高了監(jiān)測過去與現(xiàn)在生物多樣性的能力，且鑒定結(jié)果中的物種豐度較傳統(tǒng)形態(tài)學監(jiān)測更高?，F(xiàn)在，評估不同群落的生物多樣性并同時推斷廣泛分類群的多樣性和組合模式是可能的且是經(jīng)濟合算的。

3 eDNA 的挑戰(zhàn)性和局限性

盡管 eDNA 技術(shù)已經(jīng)在外來物種入侵、珍稀及瀕危物種監(jiān)測、生物多樣性保護、生態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域/流域生態(tài)健康狀況評估及流域內(nèi)生物群落的季節(jié)性變化（水華、赤潮等監(jiān)測與預警）等方面發(fā)揮了重要的作用，但也擔心此項技術(shù)并不完全受益于作為生態(tài)和保護倡議獨立技術(shù)來宣傳的做法。因此，要特別強調(diào)，如果不能完全認識到 eDNA 技術(shù)存在的問題和不足，采用 eDNA 技術(shù)區(qū)分 eDNA 檢測和物種檢測或者量化生物豐度和生物量仍具有挑戰(zhàn)性。eDNA 技術(shù)相對于傳統(tǒng)方法也存在一些問題，如不能直接獲得物種的發(fā)育時期、性別比例等信息，且不能區(qū)分物種的死亡個體。而且由于 eDNA 的靈敏性，取樣時容易受到外界環(huán)境污染或者樣本間交叉污染。此外，eDNA 的樣本采集、提取和檢測容易存在人為誤差，因此應明確和細化樣品采集和 DNA 提取等技術(shù)規(guī)范，制定通用的 eDNA 技術(shù)標準化操作流程對 eDNA 的應用研究也是十分必要的。

4 建議

eDNA 技術(shù)和傳統(tǒng)生物監(jiān)測方法通常不應被視為是評估和監(jiān)測生物多樣性的替代方法，因為他們能提供不同的信息。來自 eDNA 技術(shù)的分析結(jié)論通常需要借助傳統(tǒng)生物監(jiān)測方法進行驗證，而 eDNA技術(shù)的監(jiān)測結(jié)果也可以引導傳統(tǒng)生物監(jiān)測朝著正確的方向發(fā)展。因此，建議今后研究中將 eDNA 技術(shù)和傳統(tǒng)生物監(jiān)測方法結(jié)合應用，相輔相成，取長補短，為水生態(tài)物種監(jiān)測提供更加可靠的技術(shù)支持。另外，隨著遙感解譯、機器學習、云服務等新技術(shù)的發(fā)展，基于高通量測序的 eDNA 技術(shù)與這些跨學科新技術(shù)耦合，可實現(xiàn)智能化監(jiān)測。我們相信，在未來，eDNA 技術(shù)一定會成為生態(tài)領(lǐng)域最主要的監(jiān)測方法之一。