环境DNA开辟生态毒理学研究新时代

环境DNA（eDNA）技术是20 世纪以来生态环境领域最重要的革命性技术之一，可以高通量地检测和量化生物多样性及其变化。这也为评估环境污染对生态系统构成的风险提供了更有效的方法。当前，环境DNA 技术与机器学习、遥感等技术结合来评价水生态系统健康已成为生态学的研究热点之一。同时，环境DNA 技术的标准化研究在国内外也不断推进。

▋生态毒理学面临的主要挑战

新化学物质的加速生产及其在全球范围内的环境释放引起了对其长期危害效应和自然生态系统可持续性的关注。环境污染物（如内分泌干扰化学物质，EDCs）可对野生动物个体、种群和生物多样性产生不利影响，进而影响生态系统所提供的服务。同时，全球水生生态系统也受到来自非化学压力因素的胁迫，例如栖息地退化、流量改变、富营养化、入侵物种、新型病原体和气候变化等。生态毒理学的一个主要挑战是如何区分导致生态系统退化的化学和非化学压力因素。这主要是由于缺乏有效和高效的工具来评估化学污染物对野外动植物个体、种群、群落以及生态系统功能的影响（Zhang, 2019）。

首先，对野生动植物监测的忽视一直被认为是当前生态毒理学研究的关键弱点。

传统毒理学研究的重点是少数物种甚至是亚个体水平的响应，然后用于预测生态系统层面的反应。例如，为了保护当地的鱼类，各国鼓励使用当地的鱼类，如美国黑头呆鱼（Pimephales promelas）、日本青鳉（Oryzias latipes）和中国稀有鲫（Gobiocypris rarus），进行生态毒理学试验。鲜有研究通过监测野外鱼类群落的个体和种群来评估化学物质的影响。虽然加拿大和许多欧洲国家已经开始将硅藻和大型底栖无脊椎动物（包括节肢动物、环节动物和软体动物等）的野外监测纳入常规应用，但在许多国家，特别是在发展中国家，通过传统的基于形态学的方法监测野外水生生物群落仍然是昂贵和不切实际的。

其次，化学物质对生物多样性和群落结构的影响也是目前生态风险评估所缺失的关键信息。

污染物暴露会导致生物多样性的减少和群落结构的变化，进而导致生态系统服务与功能的退化。在过去的半个世纪中，基于经验选择藻类（初级生产者）、甲壳类动物（初级消费者）和鱼类（初级或次级消费者）作为化学物质毒性试验的关键目标（受体），已成功应用于保护水生生物群落中。部分模式生物已广泛用于毒性测试、生态风险评估和环境标准推导的工作中。然而，这种简化方法忽视了本土生物多样性和物种间敏感性差异。此外，已有研究证明化学污染物存在“间接”影响机制，如物种间相互作用、物种入侵和行为干扰等，可能会改变化学物质对生态系统的有害结局。因此，如果没有充分考虑环境污染物对生态系统生物多样性和群落结构的影响，很难从区域尺度评估单个化学物质对复杂生态系统的影响。

最后，化学物质对控制生态功能的基本生态过程的影响在之前的生态风险评估中被忽略。

科学家和监管机构越来越一致地认为，化学物质的生态风险评估应基于对生态系统服务的影响程度，但是仍存在重大挑战。生态系统服务指支撑人类生活的生态特征和过程，而生态系统功能则特指基本的生态过程，如初级和次级生产力、生物地球化学循环和有机质分解。大多数生态系统功能评估方法是基于物理、化学和生物属性的一次性测量，仅提供生态系统状态的快照。迄今为止，寻找能够衡量实际功能或服务的有效方法仍然是生态风险评估的难点之一。

污染物对生态系统功能的不利影响可以通过模拟的实验系统来评估，例如沉积物和溪流微宇宙或中宇宙。该方法除了可以评估化学物质对个体的直接毒性作用外，还可以评估其对种群、群落结构和功能（如生物量）的间接影响。另外，群落生态模型（如食物网建模）也已被证明在评估水生生态系统中显著的生态不利影响方面发挥了重要作用，但该方法在当前化学物质的生态风险评估中并不常见。生态毒理学面临的一个主要挑战仍然是我们对暴露的动植物知之甚少时，如何定义最大无效应浓度（NOEC）来保护所有的生物多样性免受有毒化学物质的侵害。

▋评估化学物质生态安全的环境DNA 技术策略

利用环境DNA 监测和量化生物多样性是近年来生态学中最重要的技术进步之一。环境DNA 指环境介质（水、土壤、沉积物、生物膜、空气等）或混合生物组织中存在的生物遗传物质（DNA），现在通常被用作监测物种和群落的非侵入性手段。环境DNA技术为评估环境压力因素对生态系统中不同生物组织水平的不利影响提供了全方位的信息（图1-1）。物种特异性的环境DNA 方法通过使用聚合酶链反应（PCR）检测特定DNA片段来鉴定特定物种。虽然目前仍然存在PCR 引物偏好性和受环境条件影响的DNA 降解等一些技术问题，但是正在进行的有关环境DNA 时空建模的研究和方法标准化的结果，无疑会减少这些问题的影响。

图1-1 有毒化学物质的生态效应过程与研究策略

基于群落（或半定向）的环境DNA 方法在评估生态系统的分类学特征和功能方面发挥重要的作用（图1-2）。目前DNA 宏条形码技术已经成为识别环境中从微生物到大型生物的全生物群落的一种分子工具。DNA 宏条形码技术利用高通量扩增子测序获取环境DNA 的特定序列片段，根据物种间DNA 序列差异识别物种，并获取群落的物种组成信息。尽管将这种方法开发为定量方法仍需要大量工作，但全球研究人员正致力于开发一套可靠的生物监测流程，用于群落特别是生态状况的评估。

图1-2 从不同生物组织水平评估化学物质对生态系统影响的环境DNA 技术策略

PCR, polymerase chain reaction；NGS, next generation sequencing

自然生物群落中物种的功能和代谢多样性可以通过来自环境DNA（或环境RNA）的宏基因组学或宏转录组学来描述。微生物群落的功能可以通过测定多个标记基因的子集或通过测定宏转录组来预测。通过使用从参考基因组数据库中筛选的标记基因来预测宏基因组的功能组成的计算方法也已被开发。此外，宏转录组可以更直接地评估生态系统功能，通常定义为在水生生态系统中发生的基本生态过程（例如氮循环）。

▋环境DNA 技术在生态毒理学研究和风险评估中的应用前景

1. 污染物暴露下野生动物个体和种群的环境DNA 监测

环境DNA 技术在快速有效地检测野生动物种群的有无方面已展现出巨大的作用与价值。目前环境DNA 已被证明可以高效检测自然生态系统中的哺乳动物、鱼类、两栖动物、大型底栖无脊椎动物和浮游动物等。然而，环境DNA 在水生生态系统中的持久性受到生物和非生物条件的影响。环境DNA 在环境中的衰变速率可以使用简单的一级衰变模型来模拟，并且可以通过经降解率和运输量校正的环境DNA 含量来估计河网中目标物种的分布和丰度。

现在，传统生态毒性测试中的受试物种可通过环境DNA 技术进行监测（图1-3）。目前用于生态风险评估的毒性数据都是基于实验室模拟的结果，但此类数据是否能代表真实环境中野外物种的响应是值得怀疑的。定量有害结局通路（qAOP）框架的最新发展预期通过结合体外测试和计算模型提供对野生动物种群的定量预测。除了物种特定的计量统计学分析，时空变化（如季节变化的河流流量和温度、捕捞压力和种间竞争）也可以纳入生态毒理学模型，以预测河网中受化学污染物影响的种群。通过与环境DNA 生物监测相结合，这些前瞻性风险评估模型可以显著提高对污染物暴露的有害生态后果的认知。

图1-3 在生态毒理学研究中建立环境DNA 方法实验室试验与野外生物监测的联系

2. 评估污染物对生物多样性和群落结构的影响

环境DNA 技术可以在实验室条件和基于野外的中宇宙实验中为有毒物质在群落水平的效应提供直接证据（图1-3）。通过使用环境DNA 技术来描述化学胁迫源群落效应，包括系统发育多样性、群落结构和功能的概念框架已经形成（图1-4）。首先，可以通过环境DNA 技术来分析污染物暴露下生物多样性和群落组成的状况和趋势，包括细菌、原生动物、藻类、真菌和后生动物等。通过剂量依赖性对每个分类群的相对丰度进行建模不仅可以在众多生物中筛选更敏感的分类群，还可以计算半数效应浓度EC50（相对丰度变化）。通过物种敏感性分布（SSD）模型可以得出保护生物多样性（例如HC50）免受污染物影响的生态阈值（图1-4）。最后，使用宏条形码方法监测到的新型指示生物可用于研究改变生态系统功能（例如，藻类生物量、初级生产力）的生态毒理学机制。

图1-4 用环境DNA 方法描述化学胁迫源群落效应（系统发育多样性、群落结构和功能）的概念框架

污染物造成的有害生态结局不仅取决于对单物种的毒性效应，还取决于生态系统的环境特征，包括生物多样性、群落组成和功能多样性。整合理论和实地调查研究，可以更加全面剖析污染物暴露下影响生态系统脆弱性的关键因素。环境DNA 的物种敏感性分布（SSD）方法基于运算分类单元（OTUs）来推导氨氮等化学污染物的水质标准（WQC），比传统毒理学方法更加灵敏，这证明了基于野外生物群落进行分析的优势。

3. 评估污染物对生态功能的影响

宏基因组学可以直接评估由微生物介导的基本生态过程。通过计算污染物影响下群落中功能基因和代谢途径的相对丰度，宏基因组提供了一种直接分析中宇宙或野外生态系统功能的方法。目前，宏基因组学多用于微生物群落，很少有研究使用这种方法来描述大型生物的功能。大型生物群落功能数据的缺失使得对其进行功能量化的任务十分艰巨。然而，宏观生物物种特征数据库与宏条形码技术的分类学鉴定相结合将使半自动化的功能分析成为可能。

通过生态学理论建模，可以利用生物多样性和群落组成的变化来预测生态系统功能。生物多样性-生态系统功能（BEF）关系框架可以模拟生物多样性介导的生态系统功能变化。除物种丰富度外，群落营养结构、物种内和物种间响应特征的差异也是预测生态系统功能变化的关键。根据最近开发的“群落组成和生态系统功能（CAFE）”方法，可以使用Price 方程通过物种丰富度和群落组成预测生态系统功能的变化。这些理论模型为通过环境DNA 技术（如宏条形码技术）获取群落特征来预测有毒物质对生态系统功能的影响提供了有前景的工具。

▋ 挑战与机遇

环境DNA 技术在污染物生态风险评估的应用中仍存在挑战。

首先，应建立环境DNA生物监测技术标准。许多政府机构赞助的环境DNA 研究计划目前正在优化实验条件（如采样力度、过滤器类型和孔径等），以达到目标物种或群落组成的理想检测概率。其次，现有生物多样性遗传数据库的完整性和可靠性是决定环境DNA 生物监测可靠性的关键因素。本土物种条形码数据库的开发可以显著提高宏条形码技术对野外采集物种的识别。最后，生物多样性分布受到生态系统结构（如河网）的影响，如何使用环境DNA 捕捉具有不同形态的生态系统的生物多样性仍有待研究。未来的研究将进一步利用环境DNA技术解析生物多样性及其生态功能，这可能彻底改变我们对人为污染导致的生态有害结局的理解。

通过使用环境DNA 对群落进行可靠的监测，无论是对特定物种进行条形码监测还是对多个分类单元进行宏条形码监测，生物多样性-生态系统功能模型-生态有害结局通路（ecological adverse outcome pathway, eAOP）的概念框架，都可以将当前的化学AOP概念扩展到群落和生态系统（图1-5）。这个框架还可以指导有关解析毒性作用机制以及辅助因子和非化学应激物的评估。对有害结局的eAOP 的理解可以从化学监管终点（如死亡率、发育和繁殖）扩展到对土地和水的生物多样性和生态系统功能管理至关重要的作用终点。在未来，生物多样性和基于物种特征的监测与基于效应的方法和化学分析相结合，可以促进野外环境影响的评估和诊断。此外，未来的生态毒理学研究将促进基于野外的微宇宙体系和环境DNA 方法的结合，这些方法可以评估在实验室中无法培养或测试的本地物种的响应，并使在群落和生态系统水平的有害结局的评估更具环境意义。

图1-5 生态有害结局通路（eAOP）将当前的化学AOP 概念扩展到其他环境压力源以及群落和生态系统

相比于欧美等发达国家，中国开展环境DNA 研究相对较晚，但通过近10 年来环境科学和生态学领域科研工作者的共同努力，取得了显著的发展。当前，我国正逐渐成为全球环境DNA 生物监测技术研发的主力军。南京大学污染控制与资源化研究国家重点实验室生态毒理与健康风险研究团队作为国内最早进行环境DNA 研究的团队之一，积累了丰富的研究经验和论文成果。（张效伟等著. 北京：科学出版社，2023.3）系统地介绍了近年来南京大学生态毒理与健康风险研究团队在环境DNA 生物监测与水生态健康评估方面的研究成果。全书共12 章，分别从生物监测基础理论、环境DNA 生物监测技术、环境DNA 生物评价等方面进行系统介绍。

本文摘编自《环境DNA生物监测理论与方法》（张效伟等著. 北京：科学出版社，2023.3）一书“第1 章 绪论”，有修改，标题为编者所加。

（水生态环境保护与绿色发展国家智库丛书）

ISBN 978-7-03-074732-7

责任编辑：黄 梅

如何应对工业化活动带来的环境污染和生态退化问题，是21 世纪人类社会可持续发展共同面临的挑战。建立科学的水生生物多样性监测和生态健康评价方法体系，对保护水生态系统的生物完整性和生态服务功能有重要意义和价值。没有监测，一切无从谈起。利用环境DNA（eDNA）监测生物多样性及其活动是21 世纪生态环境领域中最重要的技术进步之一。本书系统地介绍了近年来南京大学生态毒理与健康风险研究团队在环境DNA 生物监测与水生态健康评估方面的研究成果。本书共12 章，分别从生物监测基础理论、环境DNA 生物监测技术、环境DNA 生物评价等方面进行系统介绍。本书可作为环境科学、资源与环境等专业高年级本科生及研究生的教学参考书，也可供从事生态环境监测与风险管理的专业人士以及从事相关领域研究的科研人员、工程技术人员参考。

（本文编辑：刘四旦）

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