《Ecology and Evolution》：Environmental DNA (eDNA) Technology in Biodiversity and Ecosystem Health Research: Advances and Prospects
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本综述系统阐述了环境DNA（eDNA）技术作为一种微创/无创监测方法，在生物多样性调查与生态系统健康评估中的应用进展。文章重点评估了水、土、气多环境介质中eDNA的优化工作流程（如0.22–0.45 μm过滤、PCI/DNeasy方法），并探讨了其在珍稀/入侵物种监测、微生物群落结构功能解析等方面的优势。同时，综述也指出了当前面临的参考数据库缺口、全流程质控风险、定量化挑战等关键问题，并对未来eDNA技术与测序、生物信息学及跨学科（机器学习、遥感）融合，以应对气候变化、污染追踪等全球性议题的发展前景进行了展望。
环境DNA（eDNA）技术：解码环境中的生命密码
在当今全球生物多样性危机日益严峻的背景下，如何高效、准确地评估生态系统健康状况成为生态学研究的核心议题。传统生物监测方法常受限于耗时费力、时空分辨率低等瓶颈。而环境DNA（environmental DNA, eDNA）技术，作为一种通过检测环境样本（水、土壤、空气）中生物脱落的遗传物质来识别物种、评估生物多样性的新兴工具，凭借其微创、高灵敏度、高效率等优势，正迅速成为生态监测领域的革命性力量。
eDNA技术的方法学进展
eDNA分析通常包含三个关键步骤：样本采集与保存、DNA提取、以及扩增与分析。
在水体样本分析中，采样设备需严格灭菌，样本体积从15 mL到10 L不等，深层水采样常使用尼斯科瓶或玫瑰采水器。过滤多采用0.22或0.45 μm孔径的滤膜，滤膜随后在-80°C下保存。DNA提取广泛使用商业化试剂盒，如DNeasy Blood and Tissue Kit、PowerWater DNA Isolation Kit，它们能保证较高的DNA纯度和提取效率。在扩增阶段，针对不同类群需选用特异性引物，例如后生动物常用细胞色素c氧化酶I亚基（COI）基因，植物常用核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶大亚基（rbcL）或内转录间隔区（ITS），真核微生物常用18S rRNA基因V9区，原核生物则用16S rRNA基因。
对于土壤样本，常使用土壤钻或抓斗采集，样本量可小至0.2-0.5 g，并在-80°C下长期保存。DNA提取方面，DNeasy PowerSoil DNA Isolation Kit被广泛应用，而酚-氯仿-异戊醇（PCI）方法则适用于更大样本量。空气eDNA的采集则主要依赖主动采样法，如使用蠕动泵或专门的空气采样器（如MD8 Airport、AirDNA sampler），并需严格防止交叉污染。
eDNA分析的关键挑战与优化路径
尽管eDNA技术优势明显，但其应用仍面临几大挑战。首先，物种鉴定能力高度依赖于参考数据库的覆盖度和准确性。虽然国际核苷酸序列数据库协作组织（INSDC）下的NCBI等公共数据库被广泛使用，但对于某些稀有类群或特定地理区域（如热带淡水鱼类）仍存在数据缺口。因此，结合研究者自建的专业数据库（如“AeDNA”水生eDNA数据库）与公共数据库，是提升分析准确性的重要方向。
其次，从定性检测到精确定量是eDNA技术发展的核心挑战。为提升定量能力，研究者开始采用占据模型（Occupancy models）来校正不完美检测率，使用微滴数字PCR（ddPCR）这种不依赖标准曲线即可实现绝对定量的高灵敏度技术，并尝试结合水动力传输或衰减模型来反推生物量分布。
最后，全流程质量控制至关重要，需严防假阴性（目标物种存在但未检出）和假阳性（目标物种不存在但误检）结果。这需要通过优化采样设计、低温保存、使用高灵敏度检测技术（如qPCR/ddPCR）来减少假阴性；通过建立严格的防污染规程、设置多种空白对照（现场空白、提取空白、PCR空白）以及在生物信息学分析中设定序列相似性和最低测序深度阈值来消除假阳性。
eDA技术在生物多样性监测与生态系统健康评估中的应用
在生物多样性监测方面，eDNA技术已广泛应用于常见物种、珍稀濒危物种和入侵物种的监测。研究表明，eDNA方法检测到的鱼类物种数量可达传统拖网法的两倍。该技术对水生、半水生和陆生物种均具有探测能力，例如，通过水样eDNA分析成功检测到了极度濒危的长江江豚，以及入侵物种如克氏原螯虾和红鼓鱼。
在生态系统健康评估领域，eDNA技术展现出巨大潜力。通过分析物种丰富度、识别指示物种、计算生态系统多样性指数以及土壤微生物功能基因，可以综合评估生态系统状态。例如，基于eDNA的宏条形码完整性指数（Mt-IBI）方法在河流生态系统健康评估中具有广泛应用潜力；基于浮游动物eDNA的季节性完整性指数（IZI）能及时反映水生态系统的健康状况。在陆地生态系统中，eDNA技术能有效监测对环境变化敏感的指示物种（如线虫），为生态系统早期预警提供依据。
未来展望
展望未来，eDNA技术有望在多个方向取得突破。它将更深入地应用于气候变化影响评估，例如通过COI扩增子预测模型精确评估变暖和酸化效应。在环境污染物监测方面，eDNA技术可用于检测海洋污染物以及通过污染敏感生物指示剂和功能基因标记追踪陆地污染物。更重要的是，eDNA技术与机器学习、遥感、生物信息学等先进技术的交叉融合将开辟新的研究范式，例如结合无人机（UAV）采样冠层eDNA、机器人水体采样器等进行实时生态系统监测，从而为全球生态保护和可持续发展提供更强大、精准的技术支撑。
