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环境DNA宏条形码技术指示长江与太湖流域河流水质与生态健康

       人类活动产生的水体污染造成水生生物多样性的锐减,引发生态功能严重退化并影响人类健康。据2016年《地球生命力报告》统计,1970至2012年间,淡水生物数量整体下降了81%。而且,在全球气候变化的大背景下,人类活动对水生态系统的扰动越来越大,环境压力愈加普遍和强烈。虽然对污染物的监测可以直接地了解水体的污染状况,但其忽略了污染物潜在的生物毒性及长期的生态群落效应。而对栖息在水中的生物群落进行监测,可以更为全面地衡量水体水质与生态健康状况。然而,传统形态学生物监测存在费时费力、物种分辨度低、成本高等诸多缺陷,一直以来饱受诟病,无法在流域尺度开展大规模、高频率的监测。因此,迫切需要更加便捷且准确的生物监测技术,用于生物多样性及水生态系统的保护。
       南京大学环境学院张效伟教授课题组近年来汇集力量、重点研究基于环境DNA与基因组学的河流健康监测与诊断方法。建立了一套基于环境DNA宏条形码的高通量生物监测技术。该技术通过从环境介质(水、土壤、沉积物等)中提取DNA,对基因组的特定DNA片段进行PCR扩增和高通量测序,从而实现对生物群落的监测。其基本操作流程主要包括:环境样品采集、DNA提取、PCR扩增、DNA文库构建、DNA高通量测序、生物信息学分析和生物多样性分析等环节(图1)。
图1. 环境DNA宏条形码技术基本操作流程图

       在此基础上,该团队近期获得了新的研究进展,提出了基于环境DNA分子指标的河流污染监测新方法(图2)。在对长江入江与太湖入湖河流的生态调查中发现,1)利用环境DNA宏条形码技术识别出广泛的物种多样性信息,共计51门、188纲、347目、714科、623属等;2)相比于PPCPs、杀虫剂和工业添加剂等有机污染物和重金属,营养盐显著地改变了水体中细菌、原生生物和后生动物群落组成、多样性和生态网络结构。由于这些生物群落在水生态系统的物质转换与能量传递中发挥着重要作用,因此群落的改变将会进一步的影响水生态功能与健康。研究同时还识别出对不同营养盐水平有明确指示性的分子指标(图3),而且利用这些新型的分子指标实现了对水环境中营养盐污染状况的准确预测。
图2. 环境DNA宏条形码技术指示河流污染示意图

       研究结果明确了水质对于长江和太湖流域水生生物多样性和生态健康至关重要,指明了基于环境DNA分子指标对河流生态系统监测、污染诊断和修复后评估有重要研究意义和应用价值。未来,研究团队会进一步将该套技术与方法用于长江生态承载力及生态修复关键技术研究。
图3. 不同营养盐水平下指示性分子指标的物种组成及其分布特征。

       上述研究成果近日在线发表于环境学科国际知名期刊Environmental Science & Technology(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.8b03869),论文第一作者为博士研究生李飞龙,通讯作者为张效伟教授,共同作者包括南京大学的彭颖助理研究员、博士研究生方文迪、杨江华助理研究员、博士毕业生谢玉伟以及苏黎世大学的Florian Altermatt教授。研究得到了水体污染控制与治理科技重大专项和江苏省自然科学基金等科研项目的资助。

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