環(huán)境DNA宏條形碼監(jiān)測(cè)水生態(tài)系統(tǒng)變化與健康狀態(tài)

李飛龍，楊江華，楊雅楠，張效偉

污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210023

人類活動(dòng)產(chǎn)生的水體污染、棲息地破壞、資源過(guò)度開(kāi)發(fā)、外來(lái)生物入侵等環(huán)境壓力，造成生物多樣性銳減，引發(fā)水生態(tài)功能嚴(yán)重退化并影響人類健康[1]。據(jù)2016年《地球生命力報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，1970—2012年，淡水生物數(shù)量整體下降了81%。而且，在全球氣候變化的大背景下，人類活動(dòng)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)越來(lái)越大，環(huán)境壓力愈加普遍和強(qiáng)烈[2]。面對(duì)日益惡化的水生態(tài)狀況，環(huán)境管理者、科學(xué)家及社會(huì)環(huán)保組織在進(jìn)行水環(huán)境保護(hù)時(shí)面臨巨大挑戰(zhàn)。實(shí)際上，水生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施的有效性在于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)變化快速可靠的識(shí)別。然而，傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)生物監(jiān)測(cè)存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、物種分辨度低、成本高等諸多缺陷[3]，一直以來(lái)飽受詬病，無(wú)法在流域尺度開(kāi)展大規(guī)模、高頻率的生態(tài)監(jiān)測(cè)。因此，迫切需要更加便捷且準(zhǔn)確的水生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，用于生物多樣性及水生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)。

從水、土壤、沉積物和冰芯等環(huán)境介質(zhì)中提取DNA(以下簡(jiǎn)稱環(huán)境DNA)進(jìn)行高通量測(cè)序，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)中多生物群落的監(jiān)測(cè)，被認(rèn)為是一種快速且有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)，通常被稱為環(huán)境DNA技術(shù)[3]。在水生態(tài)系統(tǒng)中，環(huán)境DNA主要源于生物有機(jī)體釋放到水體的粘液、唾液、糞便、尿液、血液、內(nèi)含物、孢子、花粉或脫落的器官等[3-5]。環(huán)境DNA普遍存在，加上該技術(shù)具有的監(jiān)測(cè)所有生物的潛能，促使其形成了一個(gè)新興的研究領(lǐng)域[4]。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，基于環(huán)境DNA技術(shù)的底棲動(dòng)物[6]、魚(yú)類[7]、兩棲動(dòng)物[8]、外來(lái)入侵物種[9-11]和瀕危稀有物種[12]監(jiān)測(cè)已有廣泛研究。此外，環(huán)境DNA技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)、遙感等技術(shù)結(jié)合來(lái)評(píng)價(jià)水生態(tài)系統(tǒng)健康也已成為生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)[13]。但相比于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)開(kāi)展的環(huán)境DNA研究相對(duì)較少，僅被用于魚(yú)類[14-15]和入侵小龍蝦[16]等的監(jiān)測(cè)。盡管已有文獻(xiàn)對(duì)環(huán)境DNA的研究進(jìn)行了總結(jié)，但其更偏重于討論該技術(shù)在特定物種的有無(wú)或豐富度監(jiān)測(cè)和生物多樣性評(píng)估等方面的應(yīng)用[17-18]。作為對(duì)已有文獻(xiàn)綜述的補(bǔ)充，筆者將從生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)及跨學(xué)科聯(lián)用的角度思考環(huán)境DNA的應(yīng)用前景，希望為中國(guó)開(kāi)展相關(guān)研究提供一些啟示和思路。

研究重點(diǎn)分析以下幾個(gè)方面：①簡(jiǎn)要總結(jié)環(huán)境DNA技術(shù)在生物監(jiān)測(cè)方面多元化的應(yīng)用；②著重討論環(huán)境DNA技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)、遙感等技術(shù)跨學(xué)科協(xié)調(diào)合作進(jìn)行水生態(tài)監(jiān)測(cè)的潛在機(jī)遇；③探討作為水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的主體，社會(huì)公民(特別是“公民科學(xué)團(tuán)體”)在未來(lái)環(huán)境監(jiān)測(cè)中可發(fā)揮的作用及潛力，這將對(duì)中國(guó)開(kāi)展基于環(huán)境DNA技術(shù)的流域生態(tài)監(jiān)測(cè)提供一定的參考。

1 環(huán)境DNA技術(shù)的原理及應(yīng)用

1.1 環(huán)境DNA技術(shù)的原理及發(fā)展

環(huán)境DNA技術(shù)是指通過(guò)從環(huán)境介質(zhì)(水、土壤、沉積物等)中提取DNA，對(duì)基因組的特定DNA片段進(jìn)行PCR擴(kuò)增和高通量測(cè)序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境樣品中多生物群落監(jiān)測(cè)的技術(shù)[3-5]。該技術(shù)基本操作流程主要包括環(huán)境樣品采集、DNA提取、PCR擴(kuò)增、DNA文庫(kù)構(gòu)建、DNA高通量測(cè)序、生物信息學(xué)分析和生物多樣性分析等環(huán)節(jié)(圖1)。

圖1 環(huán)境DNA技術(shù)基本操作流程圖Fig.1 The basic operational flowchart of environmental DNA approaches

早在20世紀(jì)80年代，環(huán)境DNA技術(shù)就已被提出用于微生物研究[19]，通過(guò)獲取DNA序列推斷微生物的分類及其賦有的生化意義[20]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不可培養(yǎng)微生物的認(rèn)識(shí)。自2003年DNA條形碼概念[21]提出以來(lái)，環(huán)境DNA技術(shù)在短短的10多年間發(fā)展迅速。生命條形碼聯(lián)盟(CBOL)將DNA條形碼定義為生物基因組中普遍存在的一段能夠高效鑒定物種的 DNA 標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域。其建立在2個(gè)前提之上：①每個(gè)物種應(yīng)有唯一的 DNA 條碼序列；②物種間的基因遺傳變異應(yīng)大于物種內(nèi)的基因遺傳變異。DNA條形碼最初目的是進(jìn)行生物種分類鑒定及數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，以期快速準(zhǔn)確地鑒定物種，并發(fā)掘新種及隱匿種，現(xiàn)已在動(dòng)植物和微生物等各類生物中得到廣泛的應(yīng)用[21-25]。受益于DNA條形碼的研究，2008年FICETOLA等[10]提出利用特異性的DNA片段檢測(cè)水域內(nèi)美國(guó)牛蛙的入侵，自此開(kāi)啟了環(huán)境DNA技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中研究與應(yīng)用的先河。近年來(lái)，對(duì)環(huán)境DNA的研究在不斷發(fā)展和深化，已從單一化的靶向物種(外來(lái)物種入侵、珍稀及瀕危物種)監(jiān)測(cè)到非靶向多元化生物群落調(diào)查，再到作為新型的高通量分子指紋用于環(huán)境污染物的診斷、水環(huán)境健康評(píng)價(jià)及污染物生態(tài)閾值推導(dǎo)等(表1)。

表1 環(huán)境DNA技術(shù)在生態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域主要研究Table 1 Main research of environmental DNA approaches in the field of ecological monitoring

此外，環(huán)境DNA技術(shù)較高的成本效益也是促進(jìn)其發(fā)展與應(yīng)用的重要因素之一。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)[50]，相比于傳統(tǒng)生物監(jiān)測(cè)技術(shù)，僅單個(gè)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)環(huán)境DNA技術(shù)就可以節(jié)省超過(guò)40%的成本投入。而且，隨著監(jiān)測(cè)位點(diǎn)數(shù)量的增加，成本效益的優(yōu)勢(shì)會(huì)更加凸顯。隨著大數(shù)據(jù)、云服務(wù)和人工智能領(lǐng)域的快速發(fā)展，環(huán)境DNA技術(shù)在多學(xué)科、跨領(lǐng)域間的交流與合作也值得期待。

1.2 物種豐富度和相對(duì)豐度評(píng)估

對(duì)物種豐富度和相對(duì)豐度評(píng)估是探索、認(rèn)識(shí)物種和保護(hù)生物多樣性的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)基于物理、聲學(xué)和視覺(jué)觀察的生物監(jiān)測(cè)是當(dāng)前評(píng)估物種多樣性的主要方式[51]，但它們存在很大的局限性。即使是高水平的物種鑒定專家，對(duì)某些生物類群的錯(cuò)誤識(shí)別也很常見(jiàn)。而且，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法對(duì)環(huán)境和生物群落會(huì)造成破壞性的影響[3]。對(duì)于許多兩棲動(dòng)物和爬行動(dòng)物，傳統(tǒng)方法可能需要專門(mén)的設(shè)備或特定的觀察時(shí)間，從而使物種多樣性評(píng)估難以進(jìn)行[52]。由于環(huán)境DNA技術(shù)可同時(shí)監(jiān)測(cè)多生物群落且具有較高的物種辨識(shí)度等，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的不足。已有研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境DNA對(duì)兩棲動(dòng)物的監(jiān)測(cè)要優(yōu)于傳統(tǒng)方法[53]。此外，通過(guò)對(duì)食血水蛭體內(nèi)宿主血液的收集，可實(shí)現(xiàn)對(duì)瀕危和隱匿的脊椎動(dòng)物的有效監(jiān)測(cè)[54]。對(duì)植物的研究也發(fā)現(xiàn)，相比于視覺(jué)方法，分離空氣中的DNA可以提高對(duì)花粉的分類辨識(shí)度[55]。

環(huán)境DNA技術(shù)還可以用于物種的相對(duì)豐度評(píng)估。大量的研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用特異性引物或定量PCR(qPCR)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)單物種相對(duì)豐度的測(cè)量[7,43]。雖然這些研究都需要進(jìn)行大量的控制實(shí)驗(yàn)，以確定在qPCR中所觀察到的物種相對(duì)豐度與基因拷貝數(shù)之間的關(guān)系，但至少可以證明環(huán)境DNA包含了物種相對(duì)豐度的信息。目前，雖然利用環(huán)境DNA度量生物群落豐度仍缺乏結(jié)論性證據(jù)，但已有研究認(rèn)為，DNA序列的相對(duì)豐度與傳統(tǒng)方法評(píng)估的物種豐度存在明顯正相關(guān)。如在中宇宙模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，魚(yú)類和兩棲動(dòng)物的個(gè)體數(shù)與相對(duì)豐度均與DNA序列數(shù)存在相關(guān)性[56]。類似結(jié)果也出現(xiàn)在自然湖泊中，傳統(tǒng)刺網(wǎng)的漁獲量與同時(shí)開(kāi)展的環(huán)境DNA監(jiān)測(cè)結(jié)果存在正相關(guān)[57]。對(duì)海洋的研究也指出，將DNA序列在科級(jí)水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)與傳統(tǒng)拖網(wǎng)捕獲的魚(yú)類相對(duì)豐度及生物量有相關(guān)性[58]。

1.3 靶向與非靶向的生物監(jiān)測(cè)

環(huán)境DNA技術(shù)最初被用于法國(guó)池塘中北美牛蛙的監(jiān)測(cè)[10]，隨即引起了研究人員和環(huán)境監(jiān)管部門(mén)的極大興趣，目前已被成功用于亞洲鯉魚(yú)[37]、克氏原螯蝦[11]、娃娃魚(yú)[12]等入侵生物的監(jiān)測(cè)。以上這些研究均以物種特異性引物為基礎(chǔ)，目的是為入侵生物監(jiān)測(cè)提供新證據(jù)。這種靶向的方法在入侵生物學(xué)領(lǐng)域被稱為“主動(dòng)”監(jiān)視[59]。尤其在自然資源管理中，為避免未來(lái)引進(jìn)及減少現(xiàn)有外來(lái)入侵生物的傳播時(shí)，這種“主動(dòng)”監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。但是，環(huán)境DNA技術(shù)還存在一個(gè)重要挑戰(zhàn)，即入侵物種檢測(cè)的假陽(yáng)性和假陰性，這2種情況都會(huì)引起生物監(jiān)測(cè)結(jié)果的不確定性，為入侵生物的根除和控制帶來(lái)巨大負(fù)擔(dān)。因此，仍需要繼續(xù)開(kāi)展研究，減少或了解產(chǎn)生假陽(yáng)性和假陰性的原因，提高環(huán)境DNA對(duì)外來(lái)入侵生物監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

與“主動(dòng)”監(jiān)視相對(duì)應(yīng)的，環(huán)境DNA技術(shù)還能同時(shí)利用不同引物進(jìn)行多生物群落的監(jiān)測(cè)，從而快速了解環(huán)境中生物群落組成，這種被廣泛應(yīng)用的非靶向方法被稱為“被動(dòng)”監(jiān)視[59]。在分析環(huán)境變化對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響時(shí)，除了進(jìn)行靶向的生物監(jiān)測(cè)，仍然需要在多生物群落和不同營(yíng)養(yǎng)水平上進(jìn)行生物多樣性的研究，分析并預(yù)測(cè)生物多樣性改變對(duì)生態(tài)功能的影響。環(huán)境DNA具有促進(jìn)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能研究的潛力[42]，提高研究人員對(duì)捕食者和被捕食者關(guān)系的認(rèn)識(shí)(如植物與傳粉者的相互作用)[60]，以及在高度多樣化的系統(tǒng)中了解小型隱匿物種組成的食物網(wǎng)[61]。這些研究可以揭示物種共生作用和相互作用，將進(jìn)一步促進(jìn)研究人員對(duì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的理解，并提供用于指導(dǎo)大生態(tài)系統(tǒng)尺度的管理決策。環(huán)境DNA 技術(shù)還可以為評(píng)估人為污染的影響提供一個(gè)強(qiáng)有力的工具，如在“河北精神”號(hào)溢油事件發(fā)生后7年，環(huán)境DNA被用于表征表層沉積物微觀和宏觀生物群落結(jié)構(gòu)的變化。該研究結(jié)果表明原油泄漏污染對(duì)微生物群落和后生動(dòng)物群落產(chǎn)生了長(zhǎng)期的影響，這些影響體現(xiàn)在生物多樣性、優(yōu)勢(shì)物種的相對(duì)豐度和結(jié)構(gòu)變化上[32]。

1.4 古生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

研究生態(tài)系統(tǒng)演替規(guī)律和污染物的生態(tài)群落效應(yīng)時(shí)，傳統(tǒng)毒性實(shí)驗(yàn)、微/中宇宙模擬和全流域的生態(tài)調(diào)查都存在監(jiān)測(cè)周期短的缺陷[62]。雖然依據(jù)考古或古湖沼學(xué)知識(shí)可以克服上述問(wèn)題[63]，但仍然存在效率低和缺乏歷史資料等因素限制。近年來(lái)，從湖泊沉積柱或冰芯中獲得的DNA(常被視為“古DNA”)可記錄幾十年至上萬(wàn)年的生物信息[64]。對(duì)湖泊沉積柱中動(dòng)植物研究發(fā)現(xiàn)，早在1.26萬(wàn)年前的陸地生物和水生生物可以被監(jiān)測(cè)[65]，而從冰芯中獲取的DNA已經(jīng)成功用于對(duì)2000年前生物群落的重建[66]。此外，從冰川徑流中提取的環(huán)境DNA，也可用來(lái)監(jiān)測(cè)生活在冰川和冰下棲息的動(dòng)物和植物的多樣性[67]。由于氣候變暖，這些棲息地正經(jīng)歷著巨大的變化。與之類似，垂直運(yùn)輸?shù)胶Ｑ笾械某练e物也會(huì)保存大量的DNA，因?yàn)檫@些DNA被直接吸附到泥沙顆粒上，使其可以避免核苷酸被氧化和水解等過(guò)程降解，有助于在大時(shí)空尺度上保存遺傳信號(hào)。該研究還發(fā)現(xiàn)，海洋沉積物DNA的濃度是海水中DNA的3個(gè)數(shù)量級(jí)[68]，海洋沉積柱也積累著大量的近海和遠(yuǎn)洋生物群落遺傳信息。因此，沉積柱中的DNA是研究長(zhǎng)時(shí)期動(dòng)植物群落演替的有力工具，同時(shí)也提供了重建過(guò)去營(yíng)養(yǎng)級(jí)關(guān)系的機(jī)會(huì)。如在食草動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的小顆粒的環(huán)境DNA已經(jīng)被用于古動(dòng)物和古植物的鑒定[69]，利用糞便化石中的微生物和植物DNA痕跡可重建稀有和已滅絕的古鳥(niǎo)類飲食關(guān)系[70]。

沉積柱或冰芯不僅可以反映長(zhǎng)時(shí)期生物群落演替動(dòng)向，還能通過(guò)追蹤污染物的沉積歷史[71]，提供長(zhǎng)期暴露于污染物下的群落生態(tài)效應(yīng)信息[62]。因此，將環(huán)境DNA和古生態(tài)學(xué)/湖沼學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，對(duì)理解長(zhǎng)期人類活動(dòng)及其產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)影響具有重要價(jià)值。

1.5 存在問(wèn)題及解決建議

雖然環(huán)境DNA技術(shù)在生物監(jiān)測(cè)中應(yīng)用越來(lái)越多，但該技術(shù)仍存在一些不足。如在分析河流生物群落的空間分布時(shí)，盡管環(huán)境DNA技術(shù)可以檢出更高的物種豐富度，但DNA會(huì)沿著水流向下游遷移，導(dǎo)致識(shí)別的物種并非全部來(lái)自本地[72]。還有研究指出，環(huán)境中物種基因拷貝數(shù)受DNA來(lái)源、狀態(tài)和傳輸速率等影響[73]，使環(huán)境DNA反映的物種豐度與真實(shí)的物種豐度存在差異。此外，引物偏好性已經(jīng)被證明會(huì)錯(cuò)誤評(píng)估樣品中DNA序列的相對(duì)豐度[74]，而且在樣品處理過(guò)程中，過(guò)多的子樣本數(shù)量可以導(dǎo)致稀有的DNA序列丟失[75]。這些因素的結(jié)合可能會(huì)進(jìn)一步放大任何已知物種DNA序列的偏差，并將完全抑制稀有物種的監(jiān)測(cè)。

實(shí)際上，當(dāng)一個(gè)物種的監(jiān)測(cè)結(jié)果被懷疑時(shí)，可以使用qPCR來(lái)驗(yàn)證結(jié)果的真實(shí)性，因?yàn)閱挝锓N特異性的qPCR不會(huì)存在引物偏好性的問(wèn)題。此外，增加重復(fù)樣品數(shù)量和去除低豐度數(shù)據(jù)可以在一定程度上克服假陽(yáng)性問(wèn)題[76]。為確保樣品的完整性，實(shí)驗(yàn)室陰陽(yáng)對(duì)照樣本的設(shè)置極為重要。使用陽(yáng)性對(duì)照樣本可以幫助評(píng)估環(huán)境DNA的測(cè)序效率和錯(cuò)誤率[77],而在實(shí)驗(yàn)室操作過(guò)程每個(gè)階段(如樣品過(guò)濾、DNA提取、PCR和測(cè)序)設(shè)置的陰性對(duì)照可通過(guò)統(tǒng)計(jì)模型等方法檢測(cè)高通量多通道測(cè)序過(guò)程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤，以排除假陽(yáng)性檢測(cè)。最后，由于數(shù)據(jù)處理過(guò)程也會(huì)影響研究的結(jié)果和結(jié)論，生物信息學(xué)工具的選擇和參數(shù)設(shè)置也必須要慎重。

2 環(huán)境DNA技術(shù)跨學(xué)科合作潛在機(jī)遇

2.1 機(jī)器學(xué)習(xí)——智能化的生態(tài)監(jiān)測(cè)

大數(shù)據(jù)和云服務(wù)時(shí)代的到來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)的探索、分析和預(yù)測(cè)提出了更高的要求。作為探索和分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)理論和工具，機(jī)器學(xué)習(xí)及數(shù)據(jù)挖掘成為當(dāng)前熱門(mén)的技術(shù)。機(jī)器學(xué)習(xí)的核心是通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和邏輯推理讓計(jì)算機(jī)將海量信息轉(zhuǎn)化為可行的情報(bào)并做出正確反應(yīng)的科學(xué)。這種方法在社會(huì)科學(xué)和分子/遺傳學(xué)科已得到了廣泛的應(yīng)用，但直到最近才被應(yīng)用到生態(tài)學(xué)領(lǐng)域[34,78]。對(duì)于生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究人員通常使用統(tǒng)計(jì)模型(如回歸模型)來(lái)研究生物群落繁殖、遷移和捕食等作用關(guān)系。但是，機(jī)器學(xué)習(xí)可以根據(jù)數(shù)據(jù)運(yùn)算和邏輯推理完成數(shù)據(jù)集中相互作用的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系重建。只要方法合適，機(jī)器學(xué)習(xí)能快速地從生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中重建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，顯著提高建立生態(tài)作用網(wǎng)絡(luò)的效率。

當(dāng)前，高通量測(cè)序一次可完成10～100 G的測(cè)序數(shù)據(jù)。這一優(yōu)勢(shì)使得環(huán)境DNA生態(tài)監(jiān)測(cè)成為名副其實(shí)的大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法顯然無(wú)法適應(yīng)高通量數(shù)據(jù)分析。如果將環(huán)境DNA技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)、云服務(wù)進(jìn)行耦合，可以構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)性、全球化、網(wǎng)絡(luò)化的快速生態(tài)監(jiān)測(cè)體系。但是這種基于邏輯推理從高通量測(cè)序數(shù)據(jù)中重新構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究仍需進(jìn)一步完善。有研究指出，對(duì)高通量測(cè)序數(shù)據(jù)使用統(tǒng)計(jì)推理方法構(gòu)建的微生物網(wǎng)絡(luò)在精確度和靈敏度上存在很大的差異[79]，而且這種生態(tài)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的知識(shí)存在矛盾。但是在一項(xiàng)關(guān)于浮游生物的研究中發(fā)現(xiàn)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)可以很好地從高通量測(cè)序數(shù)據(jù)中重構(gòu)生物網(wǎng)絡(luò)關(guān)系[80]。因此，這些研究結(jié)果的差異也說(shuō)明基于機(jī)器學(xué)習(xí)的高通量測(cè)序數(shù)據(jù)分析還存在很大的提升空間。

環(huán)境DNA生物監(jiān)測(cè)也是一把“雙刃劍”，雖然可以獲得傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)監(jiān)測(cè)無(wú)法獲取的群落大數(shù)據(jù)信息，但同樣面臨如何理解這些數(shù)據(jù)的困境。由于全球范圍內(nèi)DNA參考數(shù)據(jù)庫(kù)并不完善，測(cè)序產(chǎn)生的大量DNA操作分類單元(OTUs)無(wú)法完成序列注釋，特別是宏基因組的測(cè)序，有時(shí)85%以上的序列是未知的[26]。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)如果丟棄這些未知的OTUs，將會(huì)造成海量信息的遺失。機(jī)器學(xué)習(xí)正成為克服這一困難的有效工具。最近有研究提出，使用監(jiān)督式機(jī)器學(xué)習(xí)可以完成非注釋性O(shè)TUs的生物指數(shù)計(jì)算，而且這些新型的分子生物指數(shù)具有很好的水生態(tài)健康評(píng)價(jià)潛力[34]。在細(xì)菌和硅藻研究中，這種方法也被用于污染水平的預(yù)測(cè)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[34-35]。

2.2 遙感——實(shí)現(xiàn)全球化的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

遙感技術(shù)是指從遠(yuǎn)距離感知目標(biāo)反射或自身輻射的電磁波、可見(jiàn)光、紅外線等，完成對(duì)目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別的技術(shù)。該技術(shù)具有獲取全球性數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，而且遙感數(shù)據(jù)具備在時(shí)空尺度上標(biāo)準(zhǔn)化和可重復(fù)性。盡管遙感最初的開(kāi)發(fā)和部署成本很高，但穩(wěn)定的衛(wèi)星傳感器將持續(xù)提供最具成本效益的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)能力。最近，傳感器技術(shù)的發(fā)展為水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)開(kāi)辟了新思路。通過(guò)地球觀測(cè)平臺(tái)可獲得越來(lái)越高的空間和光譜分辨率數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用來(lái)度量生物指標(biāo)的變化(如水生植被覆蓋面積和葉綠素a濃度)[51,81]。目前，衛(wèi)星遙感技術(shù)已被應(yīng)用于湖泊中生物多樣性的監(jiān)測(cè)，如Diversity II(www.diversity2.info)和Globolakes(www.globolakes.ac.uk)等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目已經(jīng)分別覆蓋了全球340、971個(gè)湖泊。此外，新型的高光譜技術(shù)，通過(guò)分析數(shù)百個(gè)狹窄的光譜帶可提供水體中藻青素、葉綠素a、懸浮物、浮游植物功能類型和底棲生物組成等更多的信息[82]。還有，在無(wú)人機(jī)等小型機(jī)載設(shè)備上搭載輕型高光譜相機(jī)，可彌補(bǔ)衛(wèi)星無(wú)法監(jiān)測(cè)的河流源頭信息[83]。利用歷史航空?qǐng)D像和地圖的存儲(chǔ)庫(kù)，遙感也可用來(lái)評(píng)估過(guò)去的環(huán)境壓力(如歷史航拍照片被用來(lái)量化大壩建設(shè)和人類用水對(duì)河道的影響)。

遙感技術(shù)與環(huán)境DNA的結(jié)合將為未來(lái)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供更多可能性(如將歷史衛(wèi)星圖像與古環(huán)境DNA結(jié)合，可以重建過(guò)去生物群落對(duì)環(huán)境壓力的響應(yīng)，評(píng)估生物多樣性隨時(shí)間的變化趨勢(shì)[84])。此外，利用衛(wèi)星光譜圖像解譯的水生植被覆蓋面積、葉綠素a濃度等信息，與環(huán)境DNA的高通量監(jiān)測(cè)信息結(jié)合，可用于預(yù)測(cè)富營(yíng)養(yǎng)型湖泊藻華的暴發(fā),該領(lǐng)域的研究將會(huì)有很好的發(fā)展前景[81,85]。特別是在當(dāng)前人類活動(dòng)產(chǎn)生的多元化環(huán)境壓力下，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的豐富性和連續(xù)性是分析生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)變化的一個(gè)關(guān)鍵因素，這主要是因?yàn)閷?duì)生物多樣性造成威脅的環(huán)境壓力范圍廣泛，而且往往會(huì)跨越很長(zhǎng)一段時(shí)間。

2.3 公民科學(xué)團(tuán)體的參與

環(huán)境DNA技術(shù)的便捷和可操作性，使其為推廣全民參與的生態(tài)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目創(chuàng)造了新途徑。特別是環(huán)境DNA分析試劑盒商業(yè)化(如NatureMetrics，Spygen，QIAGEN等)更推動(dòng)了公民科學(xué)項(xiàng)目的發(fā)展。公民科學(xué)團(tuán)體是收集或處理數(shù)據(jù)的志愿者，通常是在科學(xué)項(xiàng)目的支持下進(jìn)行的。涉及公民科學(xué)的研究項(xiàng)目正隨著公眾對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)興趣日益增加而增長(zhǎng)。因此，公民科學(xué)團(tuán)體正越來(lái)越多地?cái)U(kuò)大對(duì)不同時(shí)空范圍的水環(huán)境監(jiān)測(cè)。如基于公民科學(xué)的全球湖泊生態(tài)觀測(cè)網(wǎng)(GLEON，http://gleon.org/)已建立了一個(gè)全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，收集不同湖泊的數(shù)據(jù)以記錄對(duì)不同的環(huán)境壓力的響應(yīng)，包括水溫、溶解氧和浮游植物葉綠素?zé)晒獾?。與此類似的，國(guó)際河流組織(www.internationalrivers.org/worldsrivers)開(kāi)展了全球范圍內(nèi)50個(gè)主要河流的健康狀況評(píng)價(jià)。盡管大部分指標(biāo)都與環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素有關(guān)(如水壩數(shù)量和入侵魚(yú)類的百分比)，但也存在一些生物指標(biāo)(如關(guān)注哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)類)。在英國(guó)，由公民科學(xué)家組成的Riverfly Partnership(http://www.riverflies.org/)，其成員都接受了簡(jiǎn)單的無(wú)脊椎動(dòng)物監(jiān)測(cè)技術(shù)培訓(xùn)，開(kāi)展英國(guó)河流的健康評(píng)價(jià)。在南非，miniSASS(http://www.minisass.org/)采用了類似的方法進(jìn)行水環(huán)境保護(hù)。重要的是，這些團(tuán)體組織和他們的在線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)都在不斷擴(kuò)大。如果這樣的項(xiàng)目(計(jì)劃)擴(kuò)展到其他國(guó)家，并將這些數(shù)據(jù)在全球數(shù)據(jù)庫(kù)中分享，將會(huì)使整個(gè)河流健康狀況得到改善。

在中國(guó)，人們對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的理解正在不斷深入。單純的水化學(xué)污染控制顯然不能滿足新時(shí)期水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需求。對(duì)應(yīng)于中國(guó)尚不完善的生物監(jiān)測(cè)體系，基于公民科學(xué)的全民水環(huán)境保護(hù)計(jì)劃也處于發(fā)展的新階段。為了吸引更多的公民參與其中，環(huán)境管理者和科研人員相繼做出了很多的努力。如由生態(tài)環(huán)境部與住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部共同發(fā)起的城市黑臭水體整治環(huán)境保護(hù)專項(xiàng)行動(dòng)(http://www.hcstzz.com/)，每周會(huì)定期發(fā)布《全國(guó)城市黑臭水體整治公眾監(jiān)督及回復(fù)情況周報(bào)》，目的是加強(qiáng)社會(huì)公眾對(duì)水污染治理的監(jiān)督和參與度。此外，以鼓勵(lì)公眾參與為目的的河流生態(tài)地圖項(xiàng)目(http://nju.erivermap.com/water/)日益得到社會(huì)群眾的關(guān)注，該項(xiàng)目旨在利用環(huán)境DNA技術(shù)對(duì)全國(guó)各地的水體進(jìn)行生態(tài)監(jiān)測(cè)，提供河流、水庫(kù)、湖泊等生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性分布地圖，建立水生態(tài)健康評(píng)估報(bào)告，完成全國(guó)水環(huán)境健康狀況的評(píng)價(jià)。這些項(xiàng)目的實(shí)施將會(huì)逐步增加公眾的水環(huán)境保護(hù)興趣和熱情，進(jìn)而推進(jìn)公民科學(xué)在中國(guó)的發(fā)展。

3 結(jié)論

水生態(tài)系統(tǒng)變化的早期識(shí)別和對(duì)人類活動(dòng)壓力的診斷可有效保護(hù)水生態(tài)環(huán)境。同樣，對(duì)水生態(tài)環(huán)境治理與修復(fù)措施的評(píng)估也需要精確監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中物種多樣性、結(jié)構(gòu)及組成的觀測(cè)，可以用于研究這些物種如何塑造生態(tài)系統(tǒng)。迄今為止，大多數(shù)研究都集中在較小時(shí)空尺度上，而許多與大尺度和長(zhǎng)時(shí)間跨度有關(guān)的問(wèn)題都沒(méi)有得到解答，但是這種在時(shí)空尺度上的研究限制正在被改變。基于高通量測(cè)序的環(huán)境DNA技術(shù)與遙感、機(jī)器學(xué)習(xí)、云服務(wù)等技術(shù)耦合，產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)將會(huì)為未來(lái)幾十年生態(tài)學(xué)研究帶來(lái)巨大的機(jī)遇。這些新技術(shù)除了提供新穎的數(shù)據(jù)獲取方法外，還可以提供從局部到全球范圍以及多層次(如單一群落到生態(tài)作用網(wǎng)絡(luò)等)的生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)信息，進(jìn)而改變?nèi)藗儗?duì)生態(tài)系統(tǒng)變化的理解，還可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)環(huán)境變化造成的生態(tài)后果。此外，作為水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的主體，社會(huì)公民應(yīng)該被鼓勵(lì)加入進(jìn)來(lái)。這一便捷和可標(biāo)準(zhǔn)化操作的環(huán)境DNA技術(shù)，將會(huì)為推廣全民參與水環(huán)境保護(hù)行動(dòng)創(chuàng)造新途徑。