《Science of The Total Environment》：Passive environmental DNA (eDNA) sampling is effective for monitoring vessel biofouling in the Southern Ocean
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本文推荐了一项关于利用被动环境DNA（eDNA）采样技术监测南极海域船舶生物污损的创新研究。面对船舶生物污损作为海洋入侵物种主要传播途径的严峻挑战，以及在南极和亚南极区域缺乏有效监测手段的困境，研究团队以破冰船MPOV Aiviq为研究对象，在霍巴特港和麦夸里岛开展了系统的eDNA采样与视觉调查对比研究。结果表明，被动eDNA采样能有效检测出与船体相关的生物种类，包括多种高入侵风险物种，其在麦夸里岛的检测结果尤其凸显了外来物种入侵亚南极生态系统的潜在风险。该研究为极端环境下船舶生物污损监测提供了新技术方案，对完善南极地区生物安全实践、防范海洋生物入侵具有重要意义。
在全球海洋生态系统中，入侵物种是导致生物多样性丧失和生态系统功能改变的主要威胁之一。而船舶生物污损，即海洋生物在船体等水下表面的附着生长，被认为是海洋入侵物种在全球范围内传播的主要途径。尽管南极和亚南极地区被认为是少数尚未有已知海洋非本地物种定殖的区域之一，但随着南极地区科研、旅游和渔业活动的日益频繁，以及气候变化的影响，这些脆弱生态系统面临的外来物种入侵风险正不断加剧。船舶，特别是频繁往来于南极与其它港口的破冰船和研究船，其船体及“生态位”区域（如海底阀箱、推进器隧道等）极易积累复杂的生物污损群落，成为潜在的“物种特洛伊木马”。然而，在南极极端环境下，传统的潜水员视觉调查或遥控水下航行器（ROV）监测不仅操作困难、成本高昂，且依赖于专家的分类学知识，难以常规开展。因此，开发一种适用于恶劣环境、高效且易于操作的生物污损监测技术，对于保障南极及其周边海域的生态安全至关重要。
为了应对这一挑战，一个由Frances Perry、Justine D. Shaw等人组成的研究团队在《Science of The Total Environment》上发表了一项研究，评估了被动环境DNA（eDNA）采样作为一种监测工具，用于追踪前往南极的船舶生物污损群落的效果。环境DNA技术通过检测水体环境中生物脱落的遗传物质（如皮肤细胞、排泄物等）来揭示物种的存在，具有灵敏度高、对生态系统干扰小等优点。而被动eDNA采样，即通过将特定吸附材料（如本研究中的海绵采样器）浸入水中一段时间以富集eDNA，相较于需要泵和过滤器的主动过滤法，能简化采样流程、减少处理时间，并能由非专业人员操作，尤其适合在条件艰苦的偏远地区应用。
研究人员选择澳大利亚南极局租用的破冰船MPOV Aiviq作为研究对象。该船在抵达澳大利亚前于美国佛罗里达干船坞进行过清洁，但在霍巴特港停泊越冬期间，其船体积累了显著的生物污损。研究在2022-2023年南极航运季节初，于霍巴特港和亚南极的麦夸里岛进行了采样。在霍巴特港，研究分为船体清洁前、清洁过程中和清洁后三个阶段，利用被动吸附装置（内部填充纤维素海绵的穿孔塑料球）在船体不同位置（左/右舷，船首、中部、船尾）和不同深度（1米、4米、8米）收集eDNA样本，同时辅以专业潜水员的视觉生物污损调查进行对比验证。在麦夸里岛，研究人员同样部署了海绵采样器收集eDNA。所有收集的样本随后在实验室进行了DNA提取，并采用了四种宏条形码标记（针对18S rRNA基因V1-V3区的通用标记、针对线粒体细胞色素c氧化酶亚基I (COI)基因部分的通用标记，以及针对节肢动物和软体动物的特异性16S rRNA基因标记）进行高通量测序，以获得尽可能全面的物种信息。随后，利用生物信息学流程对测序数据进行处理、去噪、分类学注释和人工 curation（筛选），重点关注与船体相关的物种，并分析其在不同采样时期和地点的出现情况。
3.1. eDNA方法的有效性
研究结果显示，四种分子标记共获得数百万条序列读数。经过严格的数据质控（包括去除单例序列、嵌合体和设置读数阈值），从eDNA样本中成功鉴定出属于8个门、25个科、40个属的已知船体相关物种。阴性对照（如MilliQ水对照）中未检测到目标物种的交叉污染，表明实验流程可靠。稀疏曲线表明测序深度足够覆盖样本中的多样性。在霍巴特港，eDNA检测结果与潜水员视觉调查有较好的重叠，16种视觉鉴定的物种也被eDNA方法检测到。同时，eDNA还额外检测到25种视觉调查未发现的船体相关物种，这可能是由于eDNA技术更高的灵敏度或能检测到视觉难以观察到的（如微小或隐藏的）生物。值得注意的是，eDNA检测到一种此前在霍巴特港未有记录的环节动物Pseudopolydora paucibranchiata，这是一种已知的入侵物种。
3.2. 视觉调查与eDNA调查的比较
对比分析发现，视觉调查鉴定的24个分类单元中，有8个未被eDNA检测到。原因可能包括：某些物种在公共数据库中缺乏相应的DNA参考序列；所使用的分子标记对某些类群扩增效率不高；或者这些物种在船体上的丰度较低，释放的DNA量低于检测限。相反，eDNA技术展现了其互补性和更高的探测潜力，发现了更多潜在存在的物种。
3.3. 船体清洁对eDNA检测的影响
通过非度量多维标度法（nMDS）和相似性百分比分析（SIMPER）等多元统计分析发现，清洁前和清洁后的eDNA样本其群落组成相似度较高，而清洁过程中收集的样本（直接来自清洁设备出水口）则显示出独特的群落特征，富含苔藓虫、贻贝、海鞘等类群，这表明清洁过程集中去除了船体上的主要污损生物。在麦夸里岛采集的样本与其他时期的样本差异显著。置换多因素方差分析（PERMANOVA）表明，清洁前后以及不同深度对eDNA检测到的群落组成有显著但较小的影响，而船侧和采样位置的影响不显著。
3.4. 麦夸里岛的发现
在麦夸里岛，eDNA样本中检测到27个已知的船体相关分类单元（鉴定到种或属水平），其中包括具有高度入侵性、其适宜温度范围涵盖亚南极地区的物种，例如北太平洋海星（Asterias amurensis）。这些检测结果有些来自紧靠船体的样本，有些甚至出现在距离船只约200米的现场对照样本中。虽然eDNA检测无法区分生物体的死活，但这些发现强烈暗示了船舶可能将外来物种携带至这片脆弱生态系统的高风险。研究还整合了2018年在麦夸里岛利用主动过滤法采集的eDNA样本数据，发现了另外两种船体相关物种。
该研究的结论明确指出，被动eDNA采样是一种有效的船舶生物污损监测工具。它成功验证了在港口环境中eDNA检测与视觉调查结果的一致性，并证明该方法能够区分不同时期（如清洁前后）和不同环境（港口 vs. 亚南极）下的生物污损群落。更重要的是，研究在麦夸里岛检测到多种船体相关物种，其中不乏入侵性强、对本地生物多样性和生态系统功能可能产生重大影响的物种，这为南极地区的生物安全敲响了警钟。
讨论部分强调，尽管船舶在前往南极前会进行生物污损管理（如船体清洁），但本研究结果表明风险依然存在，特别是在难以彻底清洁的船体生态位区域。被动eDNA监测技术为评估这些管理措施的有效性、以及在偏远和恶劣环境下早期预警外来物种提供了强大而实用的手段。研究人员建议，应将eDNA监测纳入南极生物安全政策或国际海事组织（IMO）的生物污损管理指南中。同时，亟需在麦夸里岛等亚南极和南极地区开展海洋生物多样性本底调查，以便准确识别未来可能出现的非本地物种。
总之，这项研究开创性地将被动eDNA采样技术应用于南极海域船舶生物污损监测，证明了其作为传统调查方法有力补充的可行性和价值。该技术方案操作相对简便，有望成为南极生物安全体系中的重要一环，为保护这片地球上最后的纯净海洋生态系统免受外来物种入侵提供关键的技术支持。随着南极人类活动的增加和气候变化的加剧，此类高效、灵敏的监测工具的重要性将日益凸显。
