环境DNA及其在水生生态系统保护中的应用研究

2018-02-02巴日斯

资源节约与环保 2018年3期

巴日斯

（呼伦贝尔市环境监测中心站内蒙古呼伦贝尔市 021008）

引言

对于生态系统来说，由于其系统具有一定的复杂性，尤其是部分物种还具有隐蔽性强、数量少、体型小等特点，有效观察的难度相对比较大，甚至还有部分生物在一定的生长发育阶段中进行种属鉴定的难度比较大，这些现象的存在都大大增加了生物多样性的调查难度。随着科学技术的发展，改进和优化了传统的生物检测手段，其中对于环境DNA技术来说，不会对所调查的物种造成损伤，同时效率和灵敏度都比较高，逐渐得到广泛应用。

1　环境DNA概述

环境DNA指的是可以直接从冰芯、空气、土壤、水等环境样品中直接提取到的DNA片段总和，是来自不同植物、动物、微生物等物种DNA思维混合物，一方面包括生物通过粘液、粪便、尿液、皮肤等是放到环境当中的，属于表皮细胞中的胞内DNA；另一方面保护死亡后细胞裂解到环境当中的胞外DNA[1]。环境DNA的基础是确定调查种群或物种的特异性基因识别片段，从环境介质中借助相应的分子手段提取环境DNA的识别片段情况，通过综合分析后就能够得到取样环境当中生物的具体分布情况。在近几年环境DNA技术已经逐渐广泛的应用到水生生物入侵的水体生物多样性、早期检测等调查当中。

2　在水生生态系统保护中对环境DNA的应用

2.1　检测是否存在目标物种

通过对水体中是都存在目标物种所释放的DNA，就能够有效判断出在这一水体中目标物种是否存在，目前在濒危物种、入侵物种、稀有物种等检测中就广泛的应用了环境DNA技术。比如就生物入侵来说，会造成生态系统功能损伤、生态系统退化、生物多样性丧失等全球问题出现的一大原因，尽可能早的发现并采取相应的措施有效遏制，是应对生物入侵的重要环节[2]。但是在入侵早期，入侵生物的数量还比较少，如果用传统检测方法的话不仅仅工作量大，同时还容易对生物入侵程度产生低估。而采用环境DNA技术，即使在入侵生物数量比较少的阶段中，也能够有效检测出目标物种，进而具有较大的应用意义。到目前为止，环境DNA技术已经在泥螺、亚洲鲤鱼、缅甸蟒蛇、美国牛蛙等物种入侵中得到良好应用。

2.2　生物量估测

相关调查研究结果显示，水体中环境DNA的量与生物量之间呈正比例关系，研究人员已经在水体中生物种群密度检测中有效应用这一技术。比如在2012年，Takahara等就应用环境DNA技术对日本Iba--naiko湖中的的鲤鱼进行生物量评估。首先在半野外或实验室条件下对野外环境进行模拟，对环境DNA与鲤鱼数量之间存在的相关性进行深入研究，研究结果显示环境DNA的浓度和鲤鱼的数量之间呈正比例关系，并能够组成线性方程。其次在Iba--naiko湖当中取样，通过样品中环境DNA的量对湖中鲤鱼实际分布情况及数量进行有效评估。但其中需要注意的是，无论是半野外条件还是实验室条件，与实际的野外条件之间都存在较大差异，如微生物种类、光照、湍流度、pH、温度变化等，而这些因素都会对环境DNA降解和产生速度产生严重影响，因此这种方法还有待进一步改进和优化，全面提高其测试结果的准确性[3]。

2.3　生物多样性评估

随着第二代测序工具的诞生，环境DNA从检测一个样品转变成同时检测多个样品成为可能，目前在水生生态系统生物多样性检测中已经得到有效应用。在二代测序中所使用的策略主要是“边合成边测序”，通过对延伸的DNA链合成末端多发出的荧光进行捕捉，然后转化成一个测序峰值获得互补链序列信息。在测序中通过使用芯片，就能够同时测序多个DNA链，完成大规模平行测序。一般情况下，某种DNA在样品中被测序的次数就能够代表其序列在样品中的丰度，这表示在环境DNA技术中还具有定量功能，这都为在生物多样性调查中应用环境DNA技术提供依据[4]。在单次反应中应用大规模平行测序，就能够对多种生物的DNA序列检测出来，然后比较GenBank当中的基因序列就能够很好的明确这一区域内生存的物种，同时借助定量功能也能够对在采样水域中该物种的相对丰度进行间接分析。