近海风电场环境DNA宏基因组分析揭示海洋生物多样性及种群遗传动态

为解决近海风电场对海洋生态的潜在影响，研究人员采用环境DNA（eDNA）宏基因组技术，对丹麦Horns Rev 1风电场及周边海域进行生物多样性评估。研究发现风电场内外物种组成高度相似，未显示显著生态干扰，同时通过种群基因组分析揭示了欧洲鳀鱼（Engraulis encrasicolus）的基因流动及入侵物种海胡桃（Mnemiopsis leidyi50）的起源。该研究为可再生能源开发与生态保护提供了非侵入性监测框架。

　　

论文解读

研究背景与意义

随着全球对可再生能源需求的增长，近海风电场（offshore wind farms）的扩张已成为趋势。尽管风能被视为清洁能源，但其对海洋生态的潜在影响仍存在争议：一方面，风电场可能通过形成人工礁促进局部生物多样性；另一方面，水下噪音、电磁场及栖息地改变可能干扰物种迁移与生态平衡。如何科学评估这些影响？传统监测方法依赖物理采样，成本高且具有侵入性。环境DNA（environmental DNA, eDNA）技术的兴起为这一问题提供了新思路——通过分析水体中脱落的遗传物质（如皮肤细胞、排泄物），可非侵入性地监测生物多样性。然而，传统eDNA代谢条形码（metabarcoding）依赖预设基因标记，难以覆盖全物种或解析种群遗传差异。为此，PhanuTheodore Serivichyaswat等研究者提出采用宏基因组（metagenomics）方法，直接随机测序环境DNA，以全面捕捉物种与遗传信息。

研究方法

研究团队在丹麦Horns Rev 1风电场（全球最早运营的近海风电场之一）及周边500-5000米对照点采集34份海水样本，经超滤浓缩后提取总DNA，使用NovaSeq X平台进行鸟枪法测序（shotgun sequencing）。数据分析结合k-mer多样性评估、Kraken2和Bowtie2分类算法，构建涵盖细菌、古菌、藻类、脊椎动物等的参考基因组数据库，并通过ANGSD和PCAngsd分析种群遗传结构。

研究结果

1. 风电场内外生物多样性高度相似

• k-mer分析：风电场西侧样本的序列多样性略高（+10.5%），但东、南侧与风电场内无显著差异。
• 物种组成：共鉴定4967种（风电场内）和6250种（对照点），92%物种为共有，前200种高丰度物种完全一致。优势菌群包括参与碳循环的Pelagibacter和Luminiphilus^31,32。

2. 关键生物指示物种与生态功能

• 检测到硅藻Thalassiosira（碳封存）、Phaeocystis（产二甲基硫醚DMS⁴⁶）等生物标志物，反映水域生态健康。
• 脊椎动物如欧洲鳀鱼、大沙鳗（Hyperoplus lanceolatus）的eDNA信号表明风电场未阻碍鱼类迁移。

3. 种群基因组学发现

• 欧洲鳀鱼：遗传分析显示其与北大西洋种群亲缘最近，暗示地中海基因渗入。
• 入侵物种海胡桃：基因组比对证实其源自美国马萨诸塞州沿岸，与地中海种群遗传分化显著⁵³。
• 硅藻Rhizosolenia setigera：11种线粒体单倍型无地理分化，支持风电场周边遗传连通性。

结论与意义

该研究首次将宏基因组eDNA技术应用于近海风电场生态评估，证明风电场对整体生物多样性影响有限，但需关注局部物种（如Fibrocapsa藻类）的丰度变化。通过种群遗传分析，揭示了环境DNA在追踪入侵物种起源和监测气候变化响应（如欧洲鳀鱼北迁³⁹）中的潜力。研究为可再生能源项目的生态风险评估提供了可扩展、高分辨率的监测框架，未来需结合水文模型以区分eDNA的自然扩散与人为影响。论文发表于《Scientific Reports》，为海洋生态学与可持续发展政策提供了重要数据支持。