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环境DNA生物监测理论与方法 版权信息
- ISBN：9787030747327
- 条形码：9787030747327 ; 978-7-03-074732-7
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
环境DNA生物监测理论与方法 本书特色
适读人群 ：环境科学、资源与环境等专业高年级本科生及研究生，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、工程技术人员环境DNA（eDNA）技术是20 世纪以来生态环境领域*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。
环境DNA生物监测理论与方法 内容简介
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*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。
环境DNA生物监测理论与方法 目录
目录
丛书序
前言
第1章 绪论 1
1.1 生态环境变化与生物多样性危机 1
1.2 生物监测的需求与现有技术瓶颈 1
1.3 环境基因组学的发展 3
1.4 环境DNA开辟生态毒理学研究新时代 4
1.4.1 评估化学物质生态安全的环境DNA技术策略 5
1.4.2 环境DNA技术在生态毒理学研究和风险评估中的应用前景 6
1.4.3 挑战与机遇 8
1.5 环境DNA监测水生态系统变化与健康状况 9
1.5.1 环境DNA生物监测技术的原理及应用 10
1.5.2 跨学科合作潜在机遇 14
1.6 环境DNA揭示流域空间网络中完全的生物多样性结构 16
1.6.1 为什么要改进生物多样性数据？ 16
1.6.2 河流网络 18
1.6.3 完全生物多样性 19
1.6.4 环境DNA评估生物多样性 21
1.6.5 河流独*的空间网络结构需要特定的工具 23
1.6.6 未来的挑战和路线图 23
参考文献 25
第2章 水生态系统生物监测基础理论 27
2.1 水生态系统与生物多样性 27
2.1.1 水生态系统 27
2.1.2 水生生物多样性 27
2.1.3 水生态系统服务与功能 28
2.1.4 环境压力和生物多样性丢失 29
2.2 生物多样性形成的理论 31
2.2.1 生态位理论 31
2.2.2 中性理论 32
2.2.3 复合群落理论 32
2.2.4 复合生态系统理论 33
2.3 生物多样性与生态系统功能 34
2.3.1 生物多样性与生态系统功能关系 34
2.3.2 生物多样性影响生态系统功能 36
2.3.3 生物多样性影响生态系统稳定性 37
2.4 生物多样性测度 37
2.4.1 目标物种监测 37
2.4.2 物种丰富度 38
2.4.3 多样性指数 39
2.4.4 系统发育与功能多样性 40
2.4.5 生态相互作用网络 40
2.5 水生生物监测方法 42
2.5.1 水生生物类群 42
2.5.2 生物监测技术 44
2.6 水生生物评价 45
2.6.1 国内外水环境质量监测发展历程 45
2.6.2 生物监测与生态环境质量评价 47
2.6.3 传统的生物评价指数 48
2.6.4 新型的环境DNA生物指数 50
参考文献 57
第3章 环境DNA技术 61
3.1 环境DNA技术原理 61
3.1.1 环境DNA来源 61
3.1.2 DNA条形码 61
3.1.3 非个体DNA的全生命过程 63
3.2 基于环境DNA的生物监测 64
3.2.1 实验设计 64
3.2.2 环境DNA的采集 69
3.2.3 环境DNA的提取 72
3.2.4 靶向监测 73
3.2.5 群落监测 77
3.2.6 环境DNA技术的质量控制 84
参考文献 90
第4章 浮游动物群落监测 92
4.1 引物选择对浮游动物多样性监测的影响 92
4.1.1 不同宏条形码引物对OTUs多样性的影响 93
4.1.2 不同引物检出浮游动物种类差异 94
4.1.3 不同引物对浮游动物多样性的影响 95
4.1.4 不同引物表征浮游动物的季节差异 98
4.2 枝角类浮游动物生物量监测 98
4.2.1 环境DNA宏条形码通用引物和qPCR物种特异性引物设计和选择 98
4.2.2 qPCR物种定量标准方法构建 101
4.2.3 验证环境DNA宏条形码方法定量物种相对丰度 102
4.2.4 环境DNA宏条形码与qPCR物种定量结果的比较 102
参考文献 103
第5章 浮游植物群落 105
5.1 环境DNA宏条形码监测浮游植物的技术规范和精准性 105
5.1.1 环境DNA宏条形码监测浮游植物方法的规范 105
5.1.2 环境DNA宏条形码监测浮游植物的精准性 107
5.2 环境DNA宏条形码监测高原湖泊真核浮游植物多样性 109
5.2.1 环境DNA宏条形码监测滇池和抚仙湖真核浮游植物组成 109
5.2.2 环境DNA宏条形码和传统形态学监测结果的一致性 109
5.2.3 环境DNA宏条形码揭示生物多样性的空间差异 111
5.3 环境DNA宏条形码揭示长江、太湖等水体连通生态环境效应 113
5.3.1 河湖连通对浮游植物群落空间分布格局的影响 114
5.3.2 环境DNA宏条形码技术特点 117
5.4 小结 120
参考文献 121
第6章 底栖动物群落 123
6.1 太湖本土底栖动物DNA条形码数据库构建 123
6.1.1 公共数据库比对 123
6.1.2 遗传距离分析 125
6.1.3 系统发育树构建 126
6.2 环境DNA宏条形码监测太湖底栖动物多样性 128
6.2.1 底栖动物多样性监测结果 129
6.2.2 底栖动物多样性监测结果与形态学方法的比对 131
6.3 环境DNA宏条形码评价太湖底栖动物完整性状态 134
6.3.1 底栖动物完整性指数计算 134
6.3.2 底栖动物完整性空间格局 137
参考文献 141
第7章 鱼类群落环境DNA监测 142
7.1 淡水鱼类环境DNA调查 143
7.1.1 研究背景 143
7.1.2 滤膜和采水深度对鱼类环境DNA监测的影响 144
7.1.3 不同引物对鱼类环境DNA监测的影响 144
7.1.4 环境DNA和传统调查检出鱼类种类异同 146
7.1.5 环境DNA和传统监测的鱼类多样性指数比较 148
7.1.6 环境DNA和传统监测的效率和成本对比 148
7.2 河口与海洋鱼类环境DNA监测 150
7.2.1 研究背景 150
7.2.2 河口与海洋鱼类环境DNA监测结果与人类活动影响评价 152
7.3 环境DNA鱼类监测发展趋势 157
参考文献 159
第8章 两栖动物群落 161
8.1 两栖动物宏条形码监测引物设计与评估 161
8.1.1 用于筛选的引物信息 162
8.1.2 不同引物扩增效果的计算分析 163
8.1.3 不同引物扩增效果的实验验证 166
8.1.4 不同引物扩增效果评估 170
8.1.5 实际应用中的引物选择 171
8.2 环境DNA宏条形码监测两栖动物的准确性 171
8.2.1 各个物种的相对丰度变化 172
8.2.2 物种相对丰度与生物量的相关关系 173
8.3 小结 175
参考文献 176
第9章 海洋多营养级水生生物群落 177
9.1 从细菌到海洋哺乳动物的生物多样性监测 177
9.2 多营养级生物群落分布格局 179
9.3 多营养级生物群落的生物相互作用网络 180
9.4 解析造成生物群落分布格局的生态过程 181
参考文献 183
第10章 微宇宙试验评估毒害污染物生态群落效应 185
10.1 Cu2+对生物膜群落效应的微宇宙试验 185
10.2 生物膜中藻类群落的分类和丰度信息 186
10.3 Cu2+对海水生物膜中藻类群落的效应 189
10.3.1 敏感型与耐受型藻类类群在Cu2+的作用下发生显著改变 189
10.3.2 铜改变生物膜藻类群落的组成、功能和稳定性 189
10.3.3 藻类OTUs数据比传统单物种毒性测试数据更加敏感 192
参考文献 195
第11章 流域尺度下污染物环境基准与水生态健康状况评价 197
11.1 基于野外浮游动物群落效应推导太湖流域氨氮环境基准 197
11.1.1 太湖流域浮游动物群落监测 198
11.1.2 太湖流域关键环境胁迫因子甄别 200
11.1.3 基于敏感浮游动物推导太湖流域氨氮环境基准 204
11.2 基于浮游动物群落环境DNA评估水生态健康状况 207
11.2.1 多季节浮游动物采样及分析方法 209
11.2.2 浮游动物宏条形码的太湖水生态健康评价 212
参考文献 219
第12章 人类活动驱动的流域生物多样性分布格局 223
12.1 流域多群落时空格局 223
12.1.1 沙颍河流域微型水生群落组成 224
12.1.2 环境要素特征分析 224
12.1.3 物种多样性及优势分类单元时空变化 227
12.1.4 多营养级生物群落结构的景观驱动因素 227
12.1.5 讨论与小结 231
12.2 流域生态网络结构及稳定性评估 231
12.2.1 多样性数据分析 232
12.2.2 多营养级群落α和β多样性时空变化 233
12.2.3 人类活动简化多营养级群落生态网络 235
12.2.4 人类活动诱导的多营养级群落稳定性变化 236
12.2.5 讨论与小结 236
12.3 流域生物多样性与生态系统功能关系 238
12.3.1 多样性指数 238
12.3.2 生态系统功能 240
12.3.3 数据统计分析 241
12.3.4 多方面生物多样性驱动因素 241
12.3.5 生物多样性与生态系统功能依赖性 242
12.3.6 生物多样性与生态系统功能的调控路径 243
12.3.7 讨论与小结 244
12.4 流域多指标、多层次生态完整性评价 245
12.4.1 多维度生态质量评价方法 247
12.4.2 数据统计分析 248
12.4.3 多维度生态质量评价结果 249
12.4.4 讨论与小结 255
参考文献 255
附录 常用引物表 257
丛书序
前言
第1章 绪论 1
1.1 生态环境变化与生物多样性危机 1
1.2 生物监测的需求与现有技术瓶颈 1
1.3 环境基因组学的发展 3
1.4 环境DNA开辟生态毒理学研究新时代 4
1.4.1 评估化学物质生态安全的环境DNA技术策略 5
1.4.2 环境DNA技术在生态毒理学研究和风险评估中的应用前景 6
1.4.3 挑战与机遇 8
1.5 环境DNA监测水生态系统变化与健康状况 9
1.5.1 环境DNA生物监测技术的原理及应用 10
1.5.2 跨学科合作潜在机遇 14
1.6 环境DNA揭示流域空间网络中完全的生物多样性结构 16
1.6.1 为什么要改进生物多样性数据？ 16
1.6.2 河流网络 18
1.6.3 完全生物多样性 19
1.6.4 环境DNA评估生物多样性 21
1.6.5 河流独*的空间网络结构需要特定的工具 23
1.6.6 未来的挑战和路线图 23
参考文献 25
第2章 水生态系统生物监测基础理论 27
2.1 水生态系统与生物多样性 27
2.1.1 水生态系统 27
2.1.2 水生生物多样性 27
2.1.3 水生态系统服务与功能 28
2.1.4 环境压力和生物多样性丢失 29
2.2 生物多样性形成的理论 31
2.2.1 生态位理论 31
2.2.2 中性理论 32
2.2.3 复合群落理论 32
2.2.4 复合生态系统理论 33
2.3 生物多样性与生态系统功能 34
2.3.1 生物多样性与生态系统功能关系 34
2.3.2 生物多样性影响生态系统功能 36
2.3.3 生物多样性影响生态系统稳定性 37
2.4 生物多样性测度 37
2.4.1 目标物种监测 37
2.4.2 物种丰富度 38
2.4.3 多样性指数 39
2.4.4 系统发育与功能多样性 40
2.4.5 生态相互作用网络 40
2.5 水生生物监测方法 42
2.5.1 水生生物类群 42
2.5.2 生物监测技术 44
2.6 水生生物评价 45
2.6.1 国内外水环境质量监测发展历程 45
2.6.2 生物监测与生态环境质量评价 47
2.6.3 传统的生物评价指数 48
2.6.4 新型的环境DNA生物指数 50
参考文献 57
第3章 环境DNA技术 61
3.1 环境DNA技术原理 61
3.1.1 环境DNA来源 61
3.1.2 DNA条形码 61
3.1.3 非个体DNA的全生命过程 63
3.2 基于环境DNA的生物监测 64
3.2.1 实验设计 64
3.2.2 环境DNA的采集 69
3.2.3 环境DNA的提取 72
3.2.4 靶向监测 73
3.2.5 群落监测 77
3.2.6 环境DNA技术的质量控制 84
参考文献 90
第4章 浮游动物群落监测 92
4.1 引物选择对浮游动物多样性监测的影响 92
4.1.1 不同宏条形码引物对OTUs多样性的影响 93
4.1.2 不同引物检出浮游动物种类差异 94
4.1.3 不同引物对浮游动物多样性的影响 95
4.1.4 不同引物表征浮游动物的季节差异 98
4.2 枝角类浮游动物生物量监测 98
4.2.1 环境DNA宏条形码通用引物和qPCR物种特异性引物设计和选择 98
4.2.2 qPCR物种定量标准方法构建 101
4.2.3 验证环境DNA宏条形码方法定量物种相对丰度 102
4.2.4 环境DNA宏条形码与qPCR物种定量结果的比较 102
参考文献 103
第5章 浮游植物群落 105
5.1 环境DNA宏条形码监测浮游植物的技术规范和精准性 105
5.1.1 环境DNA宏条形码监测浮游植物方法的规范 105
5.1.2 环境DNA宏条形码监测浮游植物的精准性 107
5.2 环境DNA宏条形码监测高原湖泊真核浮游植物多样性 109
5.2.1 环境DNA宏条形码监测滇池和抚仙湖真核浮游植物组成 109
5.2.2 环境DNA宏条形码和传统形态学监测结果的一致性 109
5.2.3 环境DNA宏条形码揭示生物多样性的空间差异 111
5.3 环境DNA宏条形码揭示长江、太湖等水体连通生态环境效应 113
5.3.1 河湖连通对浮游植物群落空间分布格局的影响 114
5.3.2 环境DNA宏条形码技术特点 117
5.4 小结 120
参考文献 121
第6章 底栖动物群落 123
6.1 太湖本土底栖动物DNA条形码数据库构建 123
6.1.1 公共数据库比对 123
6.1.2 遗传距离分析 125
6.1.3 系统发育树构建 126
6.2 环境DNA宏条形码监测太湖底栖动物多样性 128
6.2.1 底栖动物多样性监测结果 129
6.2.2 底栖动物多样性监测结果与形态学方法的比对 131
6.3 环境DNA宏条形码评价太湖底栖动物完整性状态 134
6.3.1 底栖动物完整性指数计算 134
6.3.2 底栖动物完整性空间格局 137
参考文献 141
第7章 鱼类群落环境DNA监测 142
7.1 淡水鱼类环境DNA调查 143
7.1.1 研究背景 143
7.1.2 滤膜和采水深度对鱼类环境DNA监测的影响 144
7.1.3 不同引物对鱼类环境DNA监测的影响 144
7.1.4 环境DNA和传统调查检出鱼类种类异同 146
7.1.5 环境DNA和传统监测的鱼类多样性指数比较 148
7.1.6 环境DNA和传统监测的效率和成本对比 148
7.2 河口与海洋鱼类环境DNA监测 150
7.2.1 研究背景 150
7.2.2 河口与海洋鱼类环境DNA监测结果与人类活动影响评价 152
7.3 环境DNA鱼类监测发展趋势 157
参考文献 159
第8章 两栖动物群落 161
8.1 两栖动物宏条形码监测引物设计与评估 161
8.1.1 用于筛选的引物信息 162
8.1.2 不同引物扩增效果的计算分析 163
8.1.3 不同引物扩增效果的实验验证 166
8.1.4 不同引物扩增效果评估 170
8.1.5 实际应用中的引物选择 171
8.2 环境DNA宏条形码监测两栖动物的准确性 171
8.2.1 各个物种的相对丰度变化 172
8.2.2 物种相对丰度与生物量的相关关系 173
8.3 小结 175
参考文献 176
第9章 海洋多营养级水生生物群落 177
9.1 从细菌到海洋哺乳动物的生物多样性监测 177
9.2 多营养级生物群落分布格局 179
9.3 多营养级生物群落的生物相互作用网络 180
9.4 解析造成生物群落分布格局的生态过程 181
参考文献 183
第10章 微宇宙试验评估毒害污染物生态群落效应 185
10.1 Cu2+对生物膜群落效应的微宇宙试验 185
10.2 生物膜中藻类群落的分类和丰度信息 186
10.3 Cu2+对海水生物膜中藻类群落的效应 189
10.3.1 敏感型与耐受型藻类类群在Cu2+的作用下发生显著改变 189
10.3.2 铜改变生物膜藻类群落的组成、功能和稳定性 189
10.3.3 藻类OTUs数据比传统单物种毒性测试数据更加敏感 192
参考文献 195
第11章 流域尺度下污染物环境基准与水生态健康状况评价 197
11.1 基于野外浮游动物群落效应推导太湖流域氨氮环境基准 197
11.1.1 太湖流域浮游动物群落监测 198
11.1.2 太湖流域关键环境胁迫因子甄别 200
11.1.3 基于敏感浮游动物推导太湖流域氨氮环境基准 204
11.2 基于浮游动物群落环境DNA评估水生态健康状况 207
11.2.1 多季节浮游动物采样及分析方法 209
11.2.2 浮游动物宏条形码的太湖水生态健康评价 212
参考文献 219
第12章 人类活动驱动的流域生物多样性分布格局 223
12.1 流域多群落时空格局 223
12.1.1 沙颍河流域微型水生群落组成 224
12.1.2 环境要素特征分析 224
12.1.3 物种多样性及优势分类单元时空变化 227
12.1.4 多营养级生物群落结构的景观驱动因素 227
12.1.5 讨论与小结 231
12.2 流域生态网络结构及稳定性评估 231
12.2.1 多样性数据分析 232
12.2.2 多营养级群落α和β多样性时空变化 233
12.2.3 人类活动简化多营养级群落生态网络 235
12.2.4 人类活动诱导的多营养级群落稳定性变化 236
12.2.5 讨论与小结 236
12.3 流域生物多样性与生态系统功能关系 238
12.3.1 多样性指数 238
12.3.2 生态系统功能 240
12.3.3 数据统计分析 241
12.3.4 多方面生物多样性驱动因素 241
12.3.5 生物多样性与生态系统功能依赖性 242
12.3.6 生物多样性与生态系统功能的调控路径 243
12.3.7 讨论与小结 244
12.4 流域多指标、多层次生态完整性评价 245
12.4.1 多维度生态质量评价方法 247
12.4.2 数据统计分析 248
12.4.3 多维度生态质量评价结果 249
12.4.4 讨论与小结 255
参考文献 255
附录 常用引物表 257
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环境DNA生物监测理论与方法 节选
第1章绪论 1.1生态环境变化与生物多样性危机 地球*独*的特征是生命的存在，生命*美妙的特征是它的多样性。据保守估计，地球上大约栖息着（500±300）万种植物、动物、原生生物、真菌等生物，其中，仅约170万种生物被人类所命名（Costello et al.，2013）。尽管淡水生态系统面积不到地球表面积的1%，其淡水量不到世界水资源的0.01%，但为超过10%的人类所认知生物提供了栖息环境（Altermatt et al.，2020）。特别是，地球上约40%的鱼类生活在淡水生态系统中。然而，相比于山林、陆地、海洋等其他生态系统，淡水生态系统的生物多样性丧失*为严重，已成为地球上退化*严重的生态系统（Vorosmarty et al.，2010;Cardinale，2011;Cardinale et al.，2012）。因此，对淡水生态系统的管理与保护将直接与维持高水平的生物多样性和避免物种的大灭绝息息相关，关乎生态环境的可持续发展，符合生态文明建设的发展理念。 生物多样性为人类提供产品和服务，也是社会可持续发展的物质基础（Cardinale et al.，2012）。然而，由于密集的人类活动和全球性环境变化，自然生态系统中的许多生物面临着很高的灭绝风险。通常认为，影响淡水生物多样性的因素主要分为5类：水污染、水文水量变化、栖息地破坏、过度开发和外来物种入侵（Dudgeon et al.，2006;Best，2018;Grill et al.，2019）。在全球尺度上发生的环境变化，如气候变暖、降水模式变化以及氮沉降等，也会在这些胁迫因素基础上产生一定的叠加效应。虽然世界上许多国家在生活、生产等点源水污染控制方面取得了很大进展，但对水体富营养化和新型有机污染物排放关注较少，而其正成为威胁水生生物多样性的主导因素。此外，人类修建的水库和水顼的流量调节对栖息在自然流态的水生物种非常不利，加上全球性气候变化引发的频繁性洪水和干旱事件造成的栖息地改变，进一步减少了种群迁移和基因交换等生态过程。*近研究发现，全球接近50%的河流受到不同程度的连通性减弱影响（Grill et al.，2019）。由人类活动引发的栖息地破碎化及水文水量的改变正成为世界河流管理*棘手的问题。 1.2生物监测的需求与现有技术瓶颈 当前全球淡水生态系统正面临生物多样性丧失的危机。首先，人类对全球生态系统的支配使物种灭绝的速度是人类出现之前的几十倍甚至上百倍，被称为“第六次物种大灭绝”（Ceballos et al.，2015）。2019年生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台（Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services，IPBES） 发布的《全球生物多样性和生态系统服务全球评估报告》（后称《IPBES全球评估报告》）指出全球超过一百万种物种面临灭绝，其中，84%的淡水脊椎动物、超过40%的两栖类物种受到威胁（Diaz et al.，2018）。其次，由于农业、园艺和交通介导的物种入侵，物种杂交水平大幅度提高，物种形成速度大大加快。尽管生物史上的大规模灭绝通常伴随着物种分化率的增加，但相比于灭绝率，人们对当今人类世物种分化率的变化趋势认识不足（Jackson，2008）。*后，人类活动造成全球生物分布的均质化（Poff et al.，2007;Monchamp et al.，2018）。人类活动改变了原始的生态系统分布格局，导致局域生物多样性、水生态功能受损。 人类对地球的影响持续增加，因此亟须加大对生物多样性监测的规模和频率。贸易全球化和新技术的不断诞生，使人员和货物的流动速度加快，造成广泛、不可逆转的环境退化。生态系统监测和评估所面临的艰巨挑战要求对监测技术体系进行革新，实现对生态系统结构和功能更迅速、准确和及时的观测。由于我们的目标是在社会经济发展和生态系统可持续性之间达成平衡，世界范围内已经建立了在环境限制下实现工业可持续发展的监管框架。此类监管体系已被纳入各种国家和国际指令中，尤其是针对水生生态系统的指令，例如，《欧盟水框架指令》（Water Framework Directive，WFD，法规编号：2000/60/EC）、《欧盟海洋战略框架指令》（Marine Strategy Framework Directive，MSFD，法规编号：2008/56/EC）、美国环境保护局《清洁水法案》、《联合国海洋法公约》等。生态系统的生物要素监测是此类监测项目的重要组成部分，并作为生态系统“健康”或“完整性”的衡量标准。法规中实施的大多数监测策略依赖于生物指示原则，即特定物种丰度与一系列环境变量之间的显著相关性。 环境保护是我国的一项基本国策。生物多样性关系人类福祉，是人类赖以生存和发展的重要基础。一直以来，我国实行“污染防治与生态保护并重，生态保护与生态建设并举”的方针，把生态建设作为环保工作的重中之重，积极开展生物多样性的保护和持续利用行动，制定了一系列保护和持续利用生物多样性的政策、法律、法规、计划和措施。中国于20世纪90年代完成了《中国生物多样性保护行动计划》和《中国生物多样性国情研究报告》，确定了我国生物多样性保护的重点工作领域、工作计划和未来发展目标。针对不同的生态系统，我国还制定了《中国海洋生物多样性保护行动计划》《中国湿地保护行动计划》等。2015年国务院印发《水污染防治行动计划》（简称“水十条”），明确要求“制定实施重点流域水生生物多样性保护方案”。2018年，生态环境部、农业农村部、水利部三部门联合制定并印发《重点流域水生生物多样性保护方案》，把流域水生生物多样性保护放在突出位置。2021年，我国首次提出将生物多样性指标纳入我国生态质量综合评价指标体系。 传统的生物监测技术严重限制了生物评价在生态环境管理中所发挥的作用。基于形态学的监测方法费时费力、价格昂贵，且需要熟练的操作人员，特别是浮游植物、浮游底栖动物和底栖无脊椎动物的识别和计数。因此迫切需要简化已有的监测方法，降低成本，加快监测速度；同时需要保障监测的质量、稳定性和可比性。传统基于形态学的监测方法需要每次收集和鉴定数百至数千个样本，这是一个缓慢、劳动密集的过程。这严重限制了生物监测的通量和物种的覆盖范围，无法满足日益增长的环境监测项目需求（Deiner et al.，2017;Taberlet et al.，2018）。传统方法的局限性还包括：①它只关注形态学上可识别的生物多样性，忽略了具有重要功能和指示意义的小型动物和微生物类群；②未关注大量形态学相似但对干扰的耐受性不同的隐蔽种多样性；③部分类群的分类检索系统尚不完善，甚至不同来源的分类资料存在分歧，且严重依赖于鉴定人的专业知识和经验，导致物种鉴定的准确率低。总的来说，需要更快、更客观、更有力和成本效益更高的工具和策略来进行更有效的生态系统监测，进而提升生态评估的科学性和应用价值。 1.3环境基因组学的发展 物种遗传特征（扩增子测序，即宏条形码）和其代谢功能（宏基因组学和宏转录组学）等环境基因组学技术的发展，正在塑造生物多样性监测的新模式（Zhang，2019）。国际上一些跨学科团队和组织发起了大规模的环境基因组学项目，如国际生命条形码（Barcode of Life）、地球微生物组群项目（the Earth Microbiome Project）和塔拉海洋项目（the TARA Oceans Project），旨在利用环境基因组学在全球范围内收集生物多样性数据，以解决基本的生态问题。这些项目逐渐揭开了全球生物多样性的神秘面纱。 在不同时空尺度上精准调查生物多样性的潜力是环境基因组学在生物监测领域应用的主要优势。测序成本的大幅下降显著降低了基于环境基因组学的生物监测成本。这使得其在资源与环境领域中的常规应用成为可能。另外，随着实验室操作步骤和生物信息学分析流程的不断发展和优化，现在大规模样本采集、组学测试、统计分析和结果解释等所有步骤都可以在几天或几周内完成。目前也已开发形成便携自动化的原位环境核酸采样器。因此，经济高效、自动化的分子监测技术可实现跨时间和空间尺度的大规模生物调查和比对，被应用于广泛和持续的生态系统监测方案中。 环境基因组学在生物监测领域具有很大的应用潜力。已有的实践表明，基于基因组学的方法可以满足当前对水生生态系统生物监测计划的大部分要求（Deiner et al.，2017;Zhang，2019）。通过收集和分析环境介质中不同分类群（如鱼类、大型无脊椎动物、原生生物、细菌）的生物多样性数据，环境基因组学技术已经广泛应用于监测生态系统的变化。在生态系统监测巨大机遇的鼓舞下，欧洲多个跨学科的研究人员组织起来，建立了DNAqua-Net平台，旨在建立和发展基因组工具和新型的生态基因组指数，用于常规的生物多样性监测和评估，从而用于欧洲水体的生物监测。国际上其他大型合作项目还包括加拿大的STREAM项目、新西兰的380Lakes项目、法国的NGB项目和中国的国家“水体污染控制与治理科技重大专项”。 环境基因组学在常规生物监测中的应用将带来一个生态环境监测与评估范式的转变。尽管形态学鉴定的方法尚不能被完全替代，新技术的突破将克服现有形态分类学方法的局限性，以满足不断变化世界中日益迫切的监测需求。毫无疑问，基于环境基因组学的方法将为更具成本效益、更快、可重复和半自动化的生态系统监测框架铺平道路。 1.4环境DNA开辟生态毒理学研究新时代 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（Pimephalespromelas）、日本青鎌（Oryzias latipes）和中国稀有鲍鲫（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
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