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【科技通讯】公民科学和环境DNA结合：研究地下水生物多样性公民科学与环境DNA的巧妙结合：深度探索地下水生物多样性 地下水是物理意义上最大的淡水生态系统，但是因为缺乏相应的监测方法，地下水系统也是地球上被探索最少的栖息地之一。本研究基于双重方法，探索了地下水的生物多样性。首先，使用公民科学与市政供水商合作，在春季使用流域箱进行采样（地下水生物）和DNA条形码检测。其次，在每个地点收集4组10L水样用于环境DNA（eDNA）检测。通过两种方法的结合发现，不同的端足目物种对应着环境DNA数据集的不同序列，且端足目动物的多样性与各地点地下水生物多样性之间存在明显相关性。
图1 地下洞穴及地下水生物 论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41598-023-44908-8
图2 集水区地图及采样介绍 (a)托斯河（瑞士东北部）集水区地图，标记了20个采样地点，方形为端足目动物分布地点。(b)在每个采样点布设一个泉水集水箱（SCB）用于收集含水层的储水。公民科学调查中：用水族网收集覆盖盆地中的生物①，使用网兜包裹住外管，每周收集捕获的生物②。eDNA调查中：直接从塑料容器中的外管中收集，然后带回实验室进行过滤③。（c）和（d）分别为泉水集水箱（SCB）外部和内部照片。 地下水生态系统是一个复杂而多样的环境，包含着多种多样的生物，这些生物在地下水环境中生存和繁衍，形成了独特的生态系统。通过研究地下水生物可以了解地下水生态系统的结构和功能，以及生物与环境之间的相互作用，有助于保护和恢复生物多样性，维护生态平衡。随着数据库的不断完善和标准化工作的推进，环境DNA条形码检测技术逐渐成为生态保护领域的热点，结合公民科学的调查方式，为地下水生态系统物种监测提供了新的解决方案。 1. 两种方法共同检出率为30%，剩余70%仅由公民科学方法检出 通过比较两种方法在每个采样点的有效性发现，在同一采样时间内，只有20%的检测结果是一致的（图3a）。在不同采样时间段内，所有eDNA宏条形码检测都与公民科学方法结果相匹配（图3b）。因此，当涉及到时间跨度较大的物种监测时，将公民科学和环境DNA技术结合起来，很大程度上能够提高检测结果的准确性，可以良好揭示地下水系统生物多样性状况。
图3 两种方法在每个采样点的有效性的比较 每个彩点代表在一个位置（x轴）上检测到一个特定的物种（y轴），绿点代表公民科学检测，红点代表eDNA宏条形码，黄点代表共用两种方法。右侧Te维恩图展示了组内与组间的检测比例。 2.方法比较：在物种检测准确性（eDNA技术）和监测范围上（公民科学）各具优势 公民科学与eDNA宏条形码方法检测到的6种地下水端足目物种的丰度和频率的对比（表1），证明在同一采样地点的条件下，环境DNA检测的准确性远大于人为收集数据的公民科学方法。 在大部分地区，采用公民科学方式只能检出1-2种物种，但有2个以上分布地的物种占绝大多数（图4a）。所检测到的6个物种在Toss流域有很大的重叠面积（图4b），再次验证了虽然公民科学检出物种数偏少，但在监测流域内具有一定分散性的物种时具备某种程度上的优势。
表1 公民科学与eDNA宏条形码方法检测到的6种地下水端足目物种的丰度和频率结果
图4 公民科学方法得出的端足目物种分布图 (a) 柱状图顶部标注了占采样地点总数的比例。（b）不同颜色的多边形代表不同端足目动物物种分布范围，灰色方块表示采样点。 3.方法分析：物种多样性（eDNA技术）与物种丰富度（公民科学）显著相关 为了评估端足目和地下水群落之间的关系，本研究将每个采样点检测到的端足目物种数量与eDNA宏条形码检测的ASV多样性进行比较，结果具有显著相关性（图5）。
图5 eDNA宏条形码方法调查的物种多样性与公民科学调查的端足目丰富度之间的相关性 蓝线表示线性回归（y=1.951x+5.568），标准差为灰色 公民科学与eDNA宏条形码检测在不同的需求下可以实现优势互补。eDNA宏条形码检测更容易在空间（如不同区域或国家）和时间（如年度监测）上扩大规模。同时，还能检出该区域整个群落的信息（而非一组特定的物种），但目前数据库还不够完善。公民科学方法不仅能用来进行形态学研究、物种描述，而且可用于调查种群遗传模式或营养相互作用，还能广泛地让公民参与到了生物研究中，共同保护生物多样性。 南京大学环境DNA技术团队自主研发了一套高效、高通量、高灵敏度的环境DNA生物监测技术。从环境介质中快速获得全系物种组成信息，6年间完成了中国本土物种条形码数据库的积累，为水生态健康评估与诊断提供准确的科学依据。 团队目前已在江苏省多次组织环境DNA公民科学活动，通过科学爱好者和科学家共同合作的方式，利用自主研发的“环境DNA采集工具包”轻松完成水体采样，调查结果以可视化方式在小程序呈现，便于参与者自由、直观地获悉公民科学项目的研究进度及物种知识。
图6 环境DNA公民科学生物多样性监测过程 参考文献： 1. Couton M, Studer A, Hürlemann S, Locher N, Knüsel M, Alther R, Altermatt F. Integrating citizen science and environmental DNA metabarcoding to study biodiversity of groundwater amphipods in Switzerland. Sci Rep. 2023 Oct 23;13(1):18097. 2. Zhang H, Yang J, Zhang L, Gu X, Zhang X. Citizen science meets eDNA: A new boom in research exploring urban wetland biodiversity. Environ Sci Ecotechnol. 2023 Apr 5;16:100275. doi: 10.1016/j.ese.2023.100275. PMID: 37213810; PMCID: PMC10196805. 3. 【全国生态日】以水为媒：环境DNA公民科学持续探索江苏生物多样性.https://mp.weixin.qq.com/s/tid70sPsduvriMHB4Vsvtg 4. 【6.5环境日】从1 到 13：环境DNA公民科学探索城市生物多样性研究新热潮.https://mp.weixin.qq.com/s/x_sHZ8gqOrKKuD5VlGMDgg 5. 【科普教程】环境DNA公民科学采样操作指南https://mp.weixin.qq.com/s/rrvSIWLiJbB0MWGJk91kyg 6. https://www.egenomic.com/ |
