环境DNA与底栖动物传统采样在污染影响评估中的比较研究

本研究针对海洋污染监测中传统底栖动物采样（macrobenthos sampling）效率低、分辨率不足的问题，通过比较环境DNA（eDNA）的16S rRNA、18S rRNA和COI三种标记基因与van Veen抓斗采样的敏感性，发现eDNA对重金属（heavy metals）更敏感，而传统方法对有机污染物（dichloroethane/nitrogen/δ15N）响应更强，为构建多维度污染监测体系提供了关键技术支撑。

　　

海洋生态系统正面临日益严重的污染威胁，从重金属到有机污染物，这些人为压力正在改变底栖生物群落的结构和功能。传统上，科学家依赖van Veen抓斗采样和显微镜鉴定来评估污染影响，但这种方法耗时费力且仅能捕获>1 mm的宏底栖动物。与此同时，新兴的环境DNA（eDNA）技术通过分析环境样本中的遗传物质，提供了高通量、高分辨率的监测方案，但其在污染监测中的有效性仍需系统验证。

在这项发表于《Marine Pollution Bulletin》的研究中，Lara Denis-Roy团队在澳大利亚东南部20个站点（塔斯马尼亚9个，新南威尔士11个）同步采集了eDNA沉积物样本和传统底栖动物样本。研究采用三种标记基因——针对细菌的16S rRNA、真核生物的18S rRNA和后生动物COI基因进行高通量测序，并与传统采样数据对比。通过DISTLM模型和主坐标分析（PCO），量化了七种污染物参数（重金属、二氯乙烷、溴氟苯、总氮、总有机碳TOC、δ¹⁵N和人口指数）对生物群落的影响。

3.1 测序与采样数据特征

研究获得460万条测序reads，鉴定出16S的46,156个ASV（扩增子序列变异）、18S的16,387个ASV和COI的4,508个OTU（操作分类单元）。传统采样记录258个分类单元，积累曲线显示18S和底栖动物采样尚未达到平台期，表明需要更大采样力度。

3.3 区域污染特征分异

PCO分析揭示新南威尔士站点群落变异主要与人口密度相关，而塔斯马尼亚站点受重金属和TOC驱动。值得注意的是，悉尼港SYD37站点的eDNA特征更接近偏远站点，但传统采样未显示此模式，提示eDNA对城市扩散污染的早期预警价值。

3.4 污染敏感性差异

关键发现显示：16S对重金属（解释31.2%变异，p=0.009）和人口压力（36.1%，p=0.003）最敏感；传统方法对二氯乙烷（26.7%，p=0.003）和氮（27.8%，p=0.003）响应更强；COI在检测TOC影响（24.6%，p=0.009）方面表现突出。

3.5 类群特异性响应

对甲壳类、软体动物和多毛类的细分研究发现：COI与传统采样对多毛类的污染物响应检测相当；18S因保守性在类群水平分辨率不足；传统采样在检测软体动物对二氯乙烷（21.4%，p=0.048）和氮响应时独具优势。

讨论部分强调，eDNA通过捕获微生物和 meiofauna（<1 mm的小型底栖生物）弥补了传统采样的尺寸局限，尤其是细菌群落对重金属的敏感性使其成为早期预警指标。而传统采样提供的丰度数据仍是评估有机污染的关键。研究创新性地提出整合方案：16S监测重金属和城市压力，COI追踪TOC影响，传统方法专注氮和有机污染物，形成多尺度监测网络。

该研究为《海洋生物多样性观察网络》（OBIS）等国际监测计划提供了方法论参考，特别是在参考数据库不足区域，eDNA的OTU/ASV水平分析可直接用于污染评估。随着定量eDNA技术的发展（如Yates等2025年提出的框架），这种整合策略有望成为成本效益优化的新一代海洋监测标准。