真迈生物便携式eDNA富集仪助力水生态研究和物种保护

来源：真迈生物

近日，真迈生物联合深圳市环境科学研究院在Frontiers in Environmental Science上发表题为“Water filter: A rapid water environmental DNA collector in the field”的科研成果，系统描述了一款新型便携式eDNA富集仪——GM dual-channel water filter（以下简称为GM eDNA富集仪）的基本组成及工作流程，并提供了一系列基准测试的比较。

该eDNA富集仪可用于野外大体积水样的快速过滤（使用0.22 μm过滤膜，实现10分钟内完成10升水的过滤），并配备一套适用于大型滤膜(ø100 mm)的DNA提取试剂盒（GM Water Filter DNA Extraction Kit，以下简称为GM提取试剂盒），在野外水样采集和生物多样性监测领域具有显著优势：

1有效减少过滤时间，显著提升采样效率，为快速响应野外作业需求提供了保障；

2减少了对大体积水样运输的依赖，避免了长途运输可能对样本造成的污染和降解风险；

3保护eDNA完整性，快速过滤最大限度地减缓了eDNA的降解，确保了eDNA分子的完整性，为后续的物种注释和生物监测提供了可靠的基础。

这项创新简化了大体积水样eDNA收集的流程，为生物多样性监测和物种保护工作提供了有力的技术支持。

背景介绍

环境DNA（Environmental DNA，eDNA）是生物与环境相互作用时留下的微量DNA，可以从各种环境样品(土壤、沉积物和水体等)中获取。水生生态系统是人类赖以生存和发展的重要自然资源之一。通过直接提取水环境中的DNA片段，然后利用高通量测序技术进行生物物种的定性或定量分析，已经成为一种新的水生生物调查方法，在生物入侵的防治、濒危物种的保护、生物多样性的调查以及生物量的评估等方面具有广泛应用。

水环境eDNA分析通常需要将水样过滤，使eDNA被截留在滤膜上，并通过保存滤膜实现eDNA的采集。采样体积通常在15 ml至10 L之间，1-2 L的采样量最常见。对于稀有物种，需要增加采样体积以提升eDNA的浓度。因此，能够在野外迅速完成大体积水样的过滤对于后续eDNA提取和测序工作都至关重要，有助于确保eDNA的完整性和测序的质量。已报道的背负式eDNA采样设备Smith-Root ANDe™ system，流速阈值为1.0 L/min，虽提高了采样速度，并将eDNA的污染风险降至最低。然而，该系统适配的滤膜孔径为1 µm和5 µm，不是通常eDNA研究中使用的小孔径滤膜(0.22或0.45 µm)。另外一款已报道的便携式水生eDNA过滤系统包含一个便携式泵，可适配0.22 µm或0.45 µm Sterivex过滤器，无阻碍过滤速率分别为150.05±7.01 mL/min和151.70±6.72 mL/min。显而易见，对于大体积水样的野外过滤来说，这个速率仍然很慢。

GM eDNA富集仪是一款创新的eDNA采样设备，设计小巧便携，适合野外作业。配备9000 mA的高容量锂电池，可支持双通道同时运行5小时，适配0.22 µm或0.45 µm孔径的滤膜，并提供高达1 L/min的过滤速率，实现10分钟之内完成10 L水体的过滤，满足野外eDNA的高效富集需求。

*以下为该研究成果解读

结果概要

01产品结构及主要技术参数

本设备由电池、开关、蠕动泵、过滤装置、连接管路、计时器、压力监控装置、进水口、出水口、滤板等组成（图1）。主要技术参数如下：

此外，进水管配备了一个桶状滤网（120目）和一个蝶形过滤器（孔径10 µm），可用于浑浊水体的预过滤。

图1 GM eDNA富集仪

02操作流程

本设备用户界面直观，操作步骤简单，有些实验人员甚至无需阅读说明书即可使用。基本流程如下：安装前置预过滤器→连接管路→润洗/消毒→放置滤膜，启动过滤→收集/保存滤膜→清洗管路。在获得含eDNA的滤膜（直径100 mm）后，使用真迈生物团队配套研发的磁珠法DNA提取试剂盒（GM提取试剂盒），完成eDNA提取，用于后续的文库构建和高通量测序。

03GM eDNA富集仪浊度测试

为深入理解浊度对过滤效率的影响，研究人员利用GM eDNA富集仪对10 L不同浊度的水体进行了系统性检测（表1），旨在揭示浊度与过滤时间之间的相关性，并评估在何种浊度条件下GM eDNA富集仪过滤性能最优。结果表明：针对浊度低于8 NTU的静止水体，GM eDNA富集仪能在10分钟内完成10 L水体的过滤工作。然而，进一步的分析发现，浊度与过滤时间之间的关系并非简单的线性关系，一些其他因素，如颗粒物的大小、形状和化学性质，都可能对过滤效率产生影响。

表1 GM eDNA富集仪完成不同浊度的10 L水体过滤所需要时间

04GM提取试剂盒性能测试

研究人员首先对GM提取试剂盒在eDNA的完整性、浓度和总量方面的表现进行了评估，并将其与市面上广泛使用的进口提取试剂盒——Qiagen和MP试剂盒进行了对比分析。结果表明：GM提取试剂盒提取的eDNA在完整性方面与MP和Qiagen试剂盒相比并无显著差异(表2)，同时在eDNA浓度和总量上也展现出与Qiagen试剂盒相媲美的水平，显著优于MP试剂盒(图2)。具体而言，从相同直径的滤膜中提取eDNA的实验中，GM、MP和Qiagen试剂盒分别得到的总eDNA产量为9.56 µg、7.66 µg和19.48 µg（表2）。

表2 三种试剂盒提取的eDNA质量的比较

注：GM组的四个样本分别来自于四张直径100 mm的滤膜；MP组的四个样本均源自同一张直径100 mm的滤膜（每个样本对应滤膜的一个四分之一扇形区域）；Qiagen组与MP组类似。

图2 三种试剂盒提取的12例eDNA样本的琼脂糖凝胶电泳

在对eDNA样本的完整性、浓度及总量进行初步评估之后，研究人员进一步对GM、MP和Qiagen三种试剂盒提取的12例eDNA样本进行了深入的宏基因组学分析。使用真迈生物FASTASeq 300平台进行高通量测序，并使用Kraken 2数据库进行物种注释（图3）。结果显示，在门（Phylum）分类水平上，三个试剂盒所得的物种注释结果具有高度的一致性。在属（Genus）分类水平上，各试剂盒的注释结果表现出一些细微的差异。这些差异可能源于试剂盒在DNA提取效率、纯度或物种覆盖度方面的微小差别，但总体在可接受范围内。

图3 三种试剂盒提取的12例eDNA样本

05GM eDNA富集仪与真空抽滤的比较分析

真空抽滤是eDNA采集中的一项常用技术。研究人员对GM eDNA富集仪（GM组）和传统真空抽滤技术（VF组）进行了比较研究，以评估它们在过滤效率和所得eDNA样本的生物多样性方面的性能。在eDNA采集效率的对比研究中，研究人员对GM eDNA富集仪和真空抽滤技术在过滤2 L水样所需时间进行了测量，分别是27.61±2.67 min和644.02±39.74 min, GM eDNA富集仪优势显著。

随后，研究人员对两种过滤方法所得的eDNA样本进行了宏基因组测序（metagenome），以获得物种注释信息的差异。同时，使用12S宏条形码测序（metabarcoding）对样本的OTU数量、α多样性和β多样性进行了比较分析。通过Kraken 2数据库对测序结果进行物种注释，以评估两种方法在物种调查和生物多样性评估方面的潜在影响。研究结果显示，VF组和GM组获得的物种注释信息及相对丰度具有高度的一致性（图4）。此外，通过12S测序得到的OTU数量在两组间也基本相同，α多样性和β多样性指标差异均不显著（图5）。

图4 两种过滤方法所得eDNA样本的宏基因组物种注释结果

图5 两种过滤方法所得eDNA样本的12S宏条形码测序结果

结论

1.GM eDNA富集仪小巧便携，操作简单，电池续航持久，且适配eDNA研究常用的小孔径滤膜，可以在10分钟内完成高达10 L水样的快速过滤，显著提升了eDNA采集的效率；

2.在eDNA的完整性、浓度和总量方面，GM提取试剂盒可以媲美市面常见的进口eDNA提取试剂盒，且获得高度一致的宏基因组物种注释结果；

3.与传统的真空抽滤相比，GM eDNA富集仪的过滤时间大幅缩短，并且获得与真空抽滤样本高度一致的宏基因组物种注释及12S 宏条形码测序结果，证实了GM eDNA富集仪在eDNA采集效率和样本质量上的优势。

致谢

衷心感谢深圳市环境科学研究院、鄱阳湖水文水资源监测中心以及湖南省洞庭湖生态环境监测中心的研究团队。他们对GM eDNA富集仪的研发提供了宝贵建议和专业指导，对项目的顺利推进和技术创新发挥了重要作用。

参考文献

Liu Y, Wu P, Feng J, et al. Water filter: A rapid water environmental DNA collector in the field[J]. Frontiers in Environmental Science, 12: 1415338.