2024年12月10日，北京大学生态研究中心和生命科学学院姚蒙课题组在Environment International发表题为“Angling and trolling for eDNA: A novel and effective approach for passive eDNA capture in natural waters”的研究论文。该研究使用课题组自主研发的被动采样装置（PEDS），设计了一种“sampling-on-the-go”即移动式被动eDNA采样法（移动式PEDS），并与常用的主动过滤法（Filtration）进行比较，评估了两种方法在云南九大高原湖泊中检测鱼类多样性的效果。研究发现，相比于主动过滤法，移动式PEDS在每个湖泊以及每个样品中通常能够检测到更高的鱼类多样性，其对鱼类物种的检测概率更高，同时这种采样方法所需的人力物力、时间和经济成本更低。因此，相较于常规主动过滤法，移动式PEDS能够更高效且低成本地获得生物多样性信息，更有利于对大型水系统进行精细时空尺度上的eDNA生物多样性监测。

移动式PEDS示意图及两种采样方法比较

全球生物多样性的快速下降危及自然生态系统稳定和人类社会可持续发展。标准化、高效、低成本的生物多样性监测方法对于评估物种和群落的变化并及时制定合适的保护策略非常关键。生物多样性监测的传统方法是以生物体直接捕获鉴定为主，这种方法对生物具有损伤性，样品采集和物种鉴定需要大量时间和专业知识，具有一定的局限性。环境DNA（Environmental DNA，eDNA）技术是指利用高通量测序技术对来自水、冰川、土壤、沉积物或空气等环境样品中的DNA进行多物种检测，进而获得自然群落中生物多样性的分布信息，这种方法具有无损伤性、高效率和低成本等优点。

主动过滤法是从水体中富集eDNA最常用的方法，但这种方法存在诸多局限：（1）样品和过滤设备不方便携带，尤其是在样点数较多的情况下；（2）需要花费大量时间对水样进行过滤，浑浊度较高的水体容易导致滤孔堵塞，使过滤时间成倍增加，同时导致eDNA富集量减少；（3）过滤设备以及为了避免样品间交叉污染而大量使用的一次性耗材，均产生了较高的经济成本。因此，主动过滤法对于大规模生物调查来说具有很大的局限性。目前，通过PEDS进行eDNA采样已经被作为主动水过滤的替代方法，PEDS是通过将能够吸附DNA的材料放置于某一载体上并将其浸没于水中来富集DNA。这种采样方法具有以下优势：（1）不需要采集和过滤水样，节省了样品和过滤设备的运输成本；（2）过滤步骤的省略极大降低了水样处理的时间成本；（3）避免了因过滤堵塞导致eDNA富集量降低的情况；（4）避免了样品间的交叉污染；（5）一次性耗材的使用需求也大幅降低。因此，相比于常规的主动过滤法，PEDS能够更高效、低成本地富集eDNA。

基于eDNA技术的主动过滤法与被动采样法比较

在已有研究中，PEDS多被固定在单个采样点上收集eDNA（即将PEDS固定在某个样点并浸没水中一段时间后进行回收）。这种方式需要两次前往采样点或在采样点等待收样，导致采样工作量和时间成本增加；在大型水体的生物调查中需要放置的PEDS数量会大大增加，使得后续实验处理的工作量加大。

本研究创新性地设计了移动式PEDS采样方法，并在云南湖泊中进行检验。研究者于2022年8-9月对云南九大高原湖泊进行eDNA采样，每个湖泊设置了21–33个采样点，样点间隔为2–3公里，使用主动过滤法和移动式PEDS同时进行eDNA采集（图1）。九个湖泊中除洱海外的八个湖泊均乘快艇进行采样，由于行驶速度快，为了防止PEDS损坏，研究者仅在采样点停船采集水样的同时将PEDS浸没在水下2分钟左右，PEDS在同一湖泊的各采样点重复使用，总浸没时间为42–66分钟；在洱海乘慢船采样，PEDS全程浸没于水中拖曳，浸没总时长为10小时。

图1. 研究区域及各湖泊采样点示意图（蓝点：湖泊地理位置，黄点：采样点位置）。

两种采样方法在九个湖泊中一共检测到65种鱼类，隶属于8目18科39属；分别检测到60种和53种鱼类，其中48种鱼类两种方法均有检出。比较结果显示，虽然每个湖泊过滤法的样品量要远大于PEDS，但在大部分湖泊中PEDS检测到的鱼类物种总数多于过滤法（图2A）；稀疏曲线也显示（图2B），PEDS检测到的鱼类物种数随样品数增加升高得更快，在九个湖泊中其采样效率均显著高于过滤法（EcoTests，P < 0.05）。

图2. (A) 九个湖泊中两种采样方法检测到的鱼类物种总数（即柱上方数字，柱下方数字表示样品量N，蓝色表示Filtration，黄色表示PEDS）；(B) 两种方法检测到的鱼类物种数随样品量变化的稀疏曲线。

此外，对两种方法的采样效率即单个样品检出的鱼类物种数进行了比较，统计检验结果显示（图3），PEDS单个样品检测到的鱼类物种数要显著高于过滤法（Wilcoxon rank-sum tests，P < 0.05），说明PEDS的采样效率更高。

图3. 比较两种方法单个样品检测到的鱼类物种数。

基于定性数据的PCOA分析和PERMANOVA检验结果表明，两种方法获得的鱼类群落定性组成在九个湖泊中均具有显著差异（P < 0.05）。这两种方法检测到的鱼类相对序列丰度（即RRA）在各湖泊中的分布结果显示（图4），滇池、抚仙湖、程海以及洱海中过滤法和PEDS检测到的鱼类物种组成较为一致，而在其他五个湖泊中则存在明显差异，说明两种方法获得的定量群落组成并不一定吻合。

图4. 两种方法检测到的鱼类物种RRA组成的比较（F表示过滤法，P表示PEDS，仅展示每种方法检出物种中RRA最高的五种鱼类）。

最后，使用占域模型分别估计了两种方法的物种检测概率（图5），在九个湖泊中均有检出的鱼类总共有21种，PEDS对其中19种鱼类的检测概率均高于过滤法（paired t-test，P < 0.001）。

图5. 两种方法对不同鱼类物种的检测概率。

该研究研发的移动式PEDS在水中浸没时间较短、使用的样品数量较少，但能够检测到与主动过滤法相当或更高的鱼类多样性，其采样效率（即单个样品检测到的鱼类物种数）更高，物种检测概率也显著高于主动过滤法。此外，PEDS易于携带，能够节省大量过滤时间，单个样品所需耗材费用只有过滤法的1/5（表1）。因此，移动式PEDS相比主动过滤法能够更快速、有效、低成本地富集eDNA，有利于在更精细的时间和空间分辨率下对大型水体进行生物多样性监测。

表1. 两种方法收集eDNA所需的人力物力、时间和经济成本比较

	PEDS	主动过滤法
人力成本 （便携性）	低 （轻便耗材：小型铅坠、茶包、滤膜）	高 （沉重过滤设备、采样瓶、水样）
时间成本 （快捷性）	低 （无需过滤）	高 （过滤时间：20–50分钟/样品）
经济成本 （可负担性）	低 （无需设备，US $2.0/样品）	高 （真空泵/蠕动泵、滤膜管，US $10/样品）

北京大学城市与环境学院博士生闫姿伶为本论文的第一作者，北京大学生态研究中心和生命科学学院研究员姚蒙为论文的通讯作者。该研究得到了云南社会发展专项、国家自然科学基金、青藏二次科考项目和启东创新基金等的资金支持。感谢所有参与本研究野外样品采集的人员和实验室工作的同学。

论文作者在云南高原湖泊采集eDNA样品

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016041202400761X