摘要：河流与海岸区域，向来是人类文明高度集中之地，其水生生态系统正承受着人类活动带来的多方面冲击。土地利用方式的改变、农业集约化的推进，以及农药、塑料和纳米材料等各类物质的大量引入，正使全球水生生态系统面临严峻威胁。那么，人类活动究竟对水生生态系统、生物群落分布产生
本文来源于“海洋与湿地”（OceanWetlands）：
作者：王纯瑶
本文约2400字，阅读约5分钟
河流与海岸区域，向来是人类文明高度集中之地，其水生生态系统正承受着人类活动带来的多方面冲击。土地利用方式的改变、农业集约化的推进，以及农药、塑料和纳米材料等各类物质的大量引入，正使全球水生生态系统面临严峻威胁。那么，人类活动究竟对水生生态系统、生物群落分布产生了什么影响？人类可以通过什么手段去得知这一影响呢？
2025年3月，Martin van der Plas，Martina G. Vijver等来自莱顿大学环境科学研究所的教授们，在《生态指标》（Ecological Indicators）期刊发表了一篇名为《基于环境DNA技术推动生态毒理学的发展：从环境DNA宏条形码分析研究中获得的见解和最佳实践以评估压力诱导下的水生大型无脊椎动物群落组成》（eDNA-based approaches advance ecotoxicology: Insights and best practices from eDNA metabarcoding studies in evaluating stress-induced aquatic (macro-) invertebrate community composition）的新研究。
在研究中，作者对比了传统的基于形态学的采样技术以及环境DNA（eDNA）技术，探究了目前利用eDNA研究压力诱导下的大型无脊椎动物群落组成的报告标准，并提出了最低报告标准和最佳实践指南。“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编将为读者们带来这篇研究的介绍。
该篇论文的研究思路：对比eDNA和形态学的采样技术，并提出最低报告标准和最佳实验。图源：https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2025.113269.（CCBY）
传统技术 vs eDNA，孰优孰劣
在生态学研究领域，评估人为压力对水生系统的影响至关重要。在过去的几十年中，传统的基于形态学的采样技术一直担当着关键角色。研究人员通过分析α多样性（衡量某个区域内的物种数量和分布是否均匀）和β多样性（比较不同区域之间物种组成的差异）这两个核心指标，可以有效地衡量生物多样性，了解不同群落的时空变化，评估水生生态系统的健康状况与恢复力。
然而，传统形态学采样技术存在诸多局限。例如，采样中易出现数据覆盖不完整或数据收集不准确的情况，导致低估物种丰富度。又如，采样与形态学鉴定工作不仅耗时费力，而且成本高昂，极大限制了样本量的增加。
相比之下，基于eDNA的实验方案优势显著。它具备快速、准确、非侵入性的优点，能够经济高效地收集相对丰富的数据，还能确认稀有和隐蔽物种的存在。作者指出，目前生态毒理学的研究大多集中在细菌、真菌等群落，利用eDNA评估压力诱导下的大型无脊椎动物群落组成的相关研究较少。
研究方法及结果
为深入探究eDNA在生态毒理学研究中的应用，研究人员先后开展了文献研究和数据分析。首先，在 Web of Science 和 PubMed 数据库进行文献检索，并采用滚雪球法补充，最终筛选出 24 篇论文用于数据分析。其次，围绕α多样性和β多样性，作者引入多个评价标准，包括形态学鉴定分类以及操作分类单元（OTU，代表单个物种的遗传序列簇，类似于物种的 “基因身份证”）等，以此来对比eDNA和传统方法在评估压力诱导的大型无脊椎动物群落组成方面的表现。
作者研究发现，eDNA不仅能更高效地检测到稀有物种，还能通过基因序列分组快速识别生物种类。当环境压力导致生物群落结构变化时，eDNA技术对群落差异的敏感度显著高于传统方法，尤其在发现隐蔽物种或微小变化上优势突出。
而eDNA衍生的β多样性对压力诱导的群落变化相较基于形态学的β多样性更为敏感。一方面，可能是两种方法样本量存在差异；另一方面，eDNA数据灵敏度更高，能检测到传统方法遗漏的稀有物种。
上图为作者总结的24篇论文中的实验方法和设置，这些论文都是利用eDNA来评估压力诱导的大型无脊椎动物群落组成。（图中的）数字表示每个类别所涉及的研究数量。图源：https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2025.113269.（CCBY）
eDNA技术的展望
但eDNA技术并非完美无缺，有时eDNA技术也无法检测到某些种群。可能的原因是不同物种的DNA脱落率存在差异，样本本身质量有问题，用来检测DNA 的引物出现偏差，或者参考数据库不准确等等。
同时，eDNA的高灵敏度也带来了假阳性的风险，即误报有某种生物存在，这在基于形态学的采样中较少出现。传统评估水质靠的是基于形态学数据设计的生物指数，eDNA技术灵敏度太高，可能会让得到的数据和传统数据对不上。所以在把eDNA技术当作标准调查方法之前，得进行校准，如增加同时收集eDNA和形态学数据的研究数量。
目前，用eDNA技术研究人为压力如何影响大型无脊椎动物群落组成时，在研究报告和实际操作方法上，存在很多不统一的地方。比如说，在采集和储存样本的时候，对污染控制情况和储存条件的记录不完整；提取DNA的过程中，报告极少提及诸如提取物净化和储存条件等关键信息。这些问题让研究结果很难重复验证，严重影响了报告的可靠性。
为解决这些问题，作者提出了最低报告标准和最佳实践指南。最低报告标准把整个研究过程分成实验设置、样本采集、DNA 提取、文库制备、生物信息学和数据分析这六个主要步骤，每个步骤又细分成很多小项，明确规定了研究报告里必须包含哪些基本信息。最佳实践指南则针对样本采集、DNA 提取、文库制备、生物信息学和数据分析这五个重要环节，并附以一些有关如何提高样本产量、减少样本变质、控制污染的具体建议。
作者最后指出，总体而言，本研究表明eDNA在生态毒理学中评估大型无脊椎动物群落组成时，具有潜力和适用性。通过eDNA技术得到的 β 多样性数据，更为稳定与灵敏，优于通过传统方法得到的数据，有望在未来应用于水质评估，但还需要进一步研究来证实。
尽管eDNA存在检测一些局限性，但其仍是评估压力诱导下群落组成的可靠数据来源。不过，从基于形态学的监测向eDNA监测转变时，需适当修改现有标准以适应eDNA的新需求。在未来，提高研究报告质量，采取更标准化的方法，对于推动eDNA技术在生态毒理学研究中的广泛应用将非常重要。
思考题·拓展思维
Q1: eDNA技术与传统的形态学方法相比有哪些优势和局限性？使用eDNA前的校准环节是否降低了采集效率？如何在应用校准确保数据可靠性的同时，维持eDNA高效的技术特点？
Q2:推广eDNA技术标准化的意义是什么？要求标准化是否会阻碍eDNA商业化的发展趋势？
（注：本文仅代表资讯，不代表平台观点。欢迎留言、讨论。）
编译 | 王纯瑶（北京外国语大学）
审核 | Richard Li
排版 | 绿叶
关于作者
王纯瑶，目前就读于北京外国语大学法学院大三，辅修法语，关注海洋生态保护以及海洋法动态前沿发展，并希望将其作为今后的研究方向。中国生物多样性保护与绿色发展基金会国际部、“海洋与湿地”（OceanWetlands）志愿者。
引
用
本
文
王纯瑶（编译）.eDNA技术vs形态学采样：生态监测技术的革新与局限.海洋与湿地. 2025-03-24
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斑海豹©摄影：王敏幹（John MK Wong） | 绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands
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【参考资料】
Martin van der Plas, Krijn B. Trimbos, Thijs Bosker, Martina G. Vijver, eDNA-based approaches advance ecotoxicology: Insights and best practices from eDNA metabarcoding studies in evaluating stress-induced aquatic (macro-) invertebrate community composition, Ecological Indicators, Volume 172, 2025. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2025.113269.
来源：中国绿发会