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環境DNA生物監測理論與方法 版權信息
- ISBN：9787030747327
- 條形碼：9787030747327 ; 978-7-03-074732-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
環境DNA生物監測理論與方法 本書特色
適讀人群 ：環境科學、資源與環境等專業高年級本科生及研究生，從事生態環境監測與風險管理的專業人士以及從事相關領域研究的科研人員、工程技術人員環境DNA（eDNA）技術是20 世紀以來生態環境領域*重要的革命性技術之一，可以高通量地檢測和量化生物多樣性及其變化。
環境DNA生物監測理論與方法 內容簡介
如何應對工業化活動帶來的環境污染和生態退化問題，是21世紀人類社會可持續發展共同面臨的挑戰。建立科學的水生生物多樣性監測和生態健康評價方法體系，對保護水生態系統的生物完整性和生態服務功能有重要意義和價值。沒有監測，一切無從談起。利用環境DNA（eDNA）監測生物多樣性及其活動是21世紀生態環境領域中*重要的技術進步之一。本書系統地介紹了近年來南京大學生態毒理與健康風險研究團隊在環境DNA生物監測與水生態健康評估方面的研究成果。本書共12章，分別從生物監測基礎理論、環境DNA生物監測技術、環境DNA生物評價等方面進行系統介紹。
環境DNA生物監測理論與方法 目錄
目錄
叢書序
前言
第1章 緒論 1
1.1 生態環境變化與生物多樣性危機 1
1.2 生物監測的需求與現有技術瓶頸 1
1.3 環境基因組學的發展 3
1.4 環境DNA開辟生態毒理學研究新時代 4
1.4.1 評估化學物質生態安全的環境DNA技術策略 5
1.4.2 環境DNA技術在生態毒理學研究和風險評估中的應用前景 6
1.4.3 挑戰與機遇 8
1.5 環境DNA監測水生態系統變化與健康狀況 9
1.5.1 環境DNA生物監測技術的原理及應用 10
1.5.2 跨學科合作潛在機遇 14
1.6 環境DNA揭示流域空間網絡中完全的生物多樣性結構 16
1.6.1 為什么要改進生物多樣性數據？ 16
1.6.2 河流網絡 18
1.6.3 完全生物多樣性 19
1.6.4 環境DNA評估生物多樣性 21
1.6.5 河流獨*的空間網絡結構需要特定的工具 23
1.6.6 未來的挑戰和路線圖 23
參考文獻 25
第2章 水生態系統生物監測基礎理論 27
2.1 水生態系統與生物多樣性 27
2.1.1 水生態系統 27
2.1.2 水生生物多樣性 27
2.1.3 水生態系統服務與功能 28
2.1.4 環境壓力和生物多樣性丟失 29
2.2 生物多樣性形成的理論 31
2.2.1 生態位理論 31
2.2.2 中性理論 32
2.2.3 復合群落理論 32
2.2.4 復合生態系統理論 33
2.3 生物多樣性與生態系統功能 34
2.3.1 生物多樣性與生態系統功能關系 34
2.3.2 生物多樣性影響生態系統功能 36
2.3.3 生物多樣性影響生態系統穩定性 37
2.4 生物多樣性測度 37
2.4.1 目標物種監測 37
2.4.2 物種豐富度 38
2.4.3 多樣性指數 39
2.4.4 系統發育與功能多樣性 40
2.4.5 生態相互作用網絡 40
2.5 水生生物監測方法 42
2.5.1 水生生物類群 42
2.5.2 生物監測技術 44
2.6 水生生物評價 45
2.6.1 國內外水環境質量監測發展歷程 45
2.6.2 生物監測與生態環境質量評價 47
2.6.3 傳統的生物評價指數 48
2.6.4 新型的環境DNA生物指數 50
參考文獻 57
第3章 環境DNA技術 61
3.1 環境DNA技術原理 61
3.1.1 環境DNA來源 61
3.1.2 DNA條形碼 61
3.1.3 非個體DNA的全生命過程 63
3.2 基于環境DNA的生物監測 64
3.2.1 實驗設計 64
3.2.2 環境DNA的采集 69
3.2.3 環境DNA的提取 72
3.2.4 靶向監測 73
3.2.5 群落監測 77
3.2.6 環境DNA技術的質量控制 84
參考文獻 90
第4章 浮游動物群落監測 92
4.1 引物選擇對浮游動物多樣性監測的影響 92
4.1.1 不同宏條形碼引物對OTUs多樣性的影響 93
4.1.2 不同引物檢出浮游動物種類差異 94
4.1.3 不同引物對浮游動物多樣性的影響 95
4.1.4 不同引物表征浮游動物的季節差異 98
4.2 枝角類浮游動物生物量監測 98
4.2.1 環境DNA宏條形碼通用引物和qPCR物種特異性引物設計和選擇 98
4.2.2 qPCR物種定量標準方法構建 101
4.2.3 驗證環境DNA宏條形碼方法定量物種相對豐度 102
4.2.4 環境DNA宏條形碼與qPCR物種定量結果的比較 102
參考文獻 103
第5章 浮游植物群落 105
5.1 環境DNA宏條形碼監測浮游植物的技術規范和精準性 105
5.1.1 環境DNA宏條形碼監測浮游植物方法的規范 105
5.1.2 環境DNA宏條形碼監測浮游植物的精準性 107
5.2 環境DNA宏條形碼監測高原湖泊真核浮游植物多樣性 109
5.2.1 環境DNA宏條形碼監測滇池和撫仙湖真核浮游植物組成 109
5.2.2 環境DNA宏條形碼和傳統形態學監測結果的一致性 109
5.2.3 環境DNA宏條形碼揭示生物多樣性的空間差異 111
5.3 環境DNA宏條形碼揭示長江、太湖等水體連通生態環境效應 113
5.3.1 河湖連通對浮游植物群落空間分布格局的影響 114
5.3.2 環境DNA宏條形碼技術特點 117
5.4 小結 120
參考文獻 121
第6章 底棲動物群落 123
6.1 太湖本土底棲動物DNA條形碼數據庫構建 123
6.1.1 公共數據庫比對 123
6.1.2 遺傳距離分析 125
6.1.3 系統發育樹構建 126
6.2 環境DNA宏條形碼監測太湖底棲動物多樣性 128
6.2.1 底棲動物多樣性監測結果 129
6.2.2 底棲動物多樣性監測結果與形態學方法的比對 131
6.3 環境DNA宏條形碼評價太湖底棲動物完整性狀態 134
6.3.1 底棲動物完整性指數計算 134
6.3.2 底棲動物完整性空間格局 137
參考文獻 141
第7章 魚類群落環境DNA監測 142
7.1 淡水魚類環境DNA調查 143
7.1.1 研究背景 143
7.1.2 濾膜和采水深度對魚類環境DNA監測的影響 144
7.1.3 不同引物對魚類環境DNA監測的影響 144
7.1.4 環境DNA和傳統調查檢出魚類種類異同 146
7.1.5 環境DNA和傳統監測的魚類多樣性指數比較 148
7.1.6 環境DNA和傳統監測的效率和成本對比 148
7.2 河口與海洋魚類環境DNA監測 150
7.2.1 研究背景 150
7.2.2 河口與海洋魚類環境DNA監測結果與人類活動影響評價 152
7.3 環境DNA魚類監測發展趨勢 157
參考文獻 159
第8章 兩棲動物群落 161
8.1 兩棲動物宏條形碼監測引物設計與評估 161
8.1.1 用于篩選的引物信息 162
8.1.2 不同引物擴增效果的計算分析 163
8.1.3 不同引物擴增效果的實驗驗證 166
8.1.4 不同引物擴增效果評估 170
8.1.5 實際應用中的引物選擇 171
8.2 環境DNA宏條形碼監測兩棲動物的準確性 171
8.2.1 各個物種的相對豐度變化 172
8.2.2 物種相對豐度與生物量的相關關系 173
8.3 小結 175
參考文獻 176
第9章 海洋多營養級水生生物群落 177
9.1 從細菌到海洋哺乳動物的生物多樣性監測 177
9.2 多營養級生物群落分布格局 179
9.3 多營養級生物群落的生物相互作用網絡 180
9.4 解析造成生物群落分布格局的生態過程 181
參考文獻 183
第10章 微宇宙試驗評估毒害污染物生態群落效應 185
10.1 Cu2+對生物膜群落效應的微宇宙試驗 185
10.2 生物膜中藻類群落的分類和豐度信息 186
10.3 Cu2+對海水生物膜中藻類群落的效應 189
10.3.1 敏感型與耐受型藻類類群在Cu2+的作用下發生顯著改變 189
10.3.2 銅改變生物膜藻類群落的組成、功能和穩定性 189
10.3.3 藻類OTUs數據比傳統單物種毒性測試數據更加敏感 192
參考文獻 195
第11章 流域尺度下污染物環境基準與水生態健康狀況評價 197
11.1 基于野外浮游動物群落效應推導太湖流域氨氮環境基準 197
11.1.1 太湖流域浮游動物群落監測 198
11.1.2 太湖流域關鍵環境脅迫因子甄別 200
11.1.3 基于敏感浮游動物推導太湖流域氨氮環境基準 204
11.2 基于浮游動物群落環境DNA評估水生態健康狀況 207
11.2.1 多季節浮游動物采樣及分析方法 209
11.2.2 浮游動物宏條形碼的太湖水生態健康評價 212
參考文獻 219
第12章 人類活動驅動的流域生物多樣性分布格局 223
12.1 流域多群落時空格局 223
12.1.1 沙潁河流域微型水生群落組成 224
12.1.2 環境要素特征分析 224
12.1.3 物種多樣性及優勢分類單元時空變化 227
12.1.4 多營養級生物群落結構的景觀驅動因素 227
12.1.5 討論與小結 231
12.2 流域生態網絡結構及穩定性評估 231
12.2.1 多樣性數據分析 232
12.2.2 多營養級群落α和β多樣性時空變化 233
12.2.3 人類活動簡化多營養級群落生態網絡 235
12.2.4 人類活動誘導的多營養級群落穩定性變化 236
12.2.5 討論與小結 236
12.3 流域生物多樣性與生態系統功能關系 238
12.3.1 多樣性指數 238
12.3.2 生態系統功能 240
12.3.3 數據統計分析 241
12.3.4 多方面生物多樣性驅動因素 241
12.3.5 生物多樣性與生態系統功能依賴性 242
12.3.6 生物多樣性與生態系統功能的調控路徑 243
12.3.7 討論與小結 244
12.4 流域多指標、多層次生態完整性評價 245
12.4.1 多維度生態質量評價方法 247
12.4.2 數據統計分析 248
12.4.3 多維度生態質量評價結果 249
12.4.4 討論與小結 255
參考文獻 255
附錄 常用引物表 257
叢書序
前言
第1章 緒論 1
1.1 生態環境變化與生物多樣性危機 1
1.2 生物監測的需求與現有技術瓶頸 1
1.3 環境基因組學的發展 3
1.4 環境DNA開辟生態毒理學研究新時代 4
1.4.1 評估化學物質生態安全的環境DNA技術策略 5
1.4.2 環境DNA技術在生態毒理學研究和風險評估中的應用前景 6
1.4.3 挑戰與機遇 8
1.5 環境DNA監測水生態系統變化與健康狀況 9
1.5.1 環境DNA生物監測技術的原理及應用 10
1.5.2 跨學科合作潛在機遇 14
1.6 環境DNA揭示流域空間網絡中完全的生物多樣性結構 16
1.6.1 為什么要改進生物多樣性數據？ 16
1.6.2 河流網絡 18
1.6.3 完全生物多樣性 19
1.6.4 環境DNA評估生物多樣性 21
1.6.5 河流獨*的空間網絡結構需要特定的工具 23
1.6.6 未來的挑戰和路線圖 23
參考文獻 25
第2章 水生態系統生物監測基礎理論 27
2.1 水生態系統與生物多樣性 27
2.1.1 水生態系統 27
2.1.2 水生生物多樣性 27
2.1.3 水生態系統服務與功能 28
2.1.4 環境壓力和生物多樣性丟失 29
2.2 生物多樣性形成的理論 31
2.2.1 生態位理論 31
2.2.2 中性理論 32
2.2.3 復合群落理論 32
2.2.4 復合生態系統理論 33
2.3 生物多樣性與生態系統功能 34
2.3.1 生物多樣性與生態系統功能關系 34
2.3.2 生物多樣性影響生態系統功能 36
2.3.3 生物多樣性影響生態系統穩定性 37
2.4 生物多樣性測度 37
2.4.1 目標物種監測 37
2.4.2 物種豐富度 38
2.4.3 多樣性指數 39
2.4.4 系統發育與功能多樣性 40
2.4.5 生態相互作用網絡 40
2.5 水生生物監測方法 42
2.5.1 水生生物類群 42
2.5.2 生物監測技術 44
2.6 水生生物評價 45
2.6.1 國內外水環境質量監測發展歷程 45
2.6.2 生物監測與生態環境質量評價 47
2.6.3 傳統的生物評價指數 48
2.6.4 新型的環境DNA生物指數 50
參考文獻 57
第3章 環境DNA技術 61
3.1 環境DNA技術原理 61
3.1.1 環境DNA來源 61
3.1.2 DNA條形碼 61
3.1.3 非個體DNA的全生命過程 63
3.2 基于環境DNA的生物監測 64
3.2.1 實驗設計 64
3.2.2 環境DNA的采集 69
3.2.3 環境DNA的提取 72
3.2.4 靶向監測 73
3.2.5 群落監測 77
3.2.6 環境DNA技術的質量控制 84
參考文獻 90
第4章 浮游動物群落監測 92
4.1 引物選擇對浮游動物多樣性監測的影響 92
4.1.1 不同宏條形碼引物對OTUs多樣性的影響 93
4.1.2 不同引物檢出浮游動物種類差異 94
4.1.3 不同引物對浮游動物多樣性的影響 95
4.1.4 不同引物表征浮游動物的季節差異 98
4.2 枝角類浮游動物生物量監測 98
4.2.1 環境DNA宏條形碼通用引物和qPCR物種特異性引物設計和選擇 98
4.2.2 qPCR物種定量標準方法構建 101
4.2.3 驗證環境DNA宏條形碼方法定量物種相對豐度 102
4.2.4 環境DNA宏條形碼與qPCR物種定量結果的比較 102
參考文獻 103
第5章 浮游植物群落 105
5.1 環境DNA宏條形碼監測浮游植物的技術規范和精準性 105
5.1.1 環境DNA宏條形碼監測浮游植物方法的規范 105
5.1.2 環境DNA宏條形碼監測浮游植物的精準性 107
5.2 環境DNA宏條形碼監測高原湖泊真核浮游植物多樣性 109
5.2.1 環境DNA宏條形碼監測滇池和撫仙湖真核浮游植物組成 109
5.2.2 環境DNA宏條形碼和傳統形態學監測結果的一致性 109
5.2.3 環境DNA宏條形碼揭示生物多樣性的空間差異 111
5.3 環境DNA宏條形碼揭示長江、太湖等水體連通生態環境效應 113
5.3.1 河湖連通對浮游植物群落空間分布格局的影響 114
5.3.2 環境DNA宏條形碼技術特點 117
5.4 小結 120
參考文獻 121
第6章 底棲動物群落 123
6.1 太湖本土底棲動物DNA條形碼數據庫構建 123
6.1.1 公共數據庫比對 123
6.1.2 遺傳距離分析 125
6.1.3 系統發育樹構建 126
6.2 環境DNA宏條形碼監測太湖底棲動物多樣性 128
6.2.1 底棲動物多樣性監測結果 129
6.2.2 底棲動物多樣性監測結果與形態學方法的比對 131
6.3 環境DNA宏條形碼評價太湖底棲動物完整性狀態 134
6.3.1 底棲動物完整性指數計算 134
6.3.2 底棲動物完整性空間格局 137
參考文獻 141
第7章 魚類群落環境DNA監測 142
7.1 淡水魚類環境DNA調查 143
7.1.1 研究背景 143
7.1.2 濾膜和采水深度對魚類環境DNA監測的影響 144
7.1.3 不同引物對魚類環境DNA監測的影響 144
7.1.4 環境DNA和傳統調查檢出魚類種類異同 146
7.1.5 環境DNA和傳統監測的魚類多樣性指數比較 148
7.1.6 環境DNA和傳統監測的效率和成本對比 148
7.2 河口與海洋魚類環境DNA監測 150
7.2.1 研究背景 150
7.2.2 河口與海洋魚類環境DNA監測結果與人類活動影響評價 152
7.3 環境DNA魚類監測發展趨勢 157
參考文獻 159
第8章 兩棲動物群落 161
8.1 兩棲動物宏條形碼監測引物設計與評估 161
8.1.1 用于篩選的引物信息 162
8.1.2 不同引物擴增效果的計算分析 163
8.1.3 不同引物擴增效果的實驗驗證 166
8.1.4 不同引物擴增效果評估 170
8.1.5 實際應用中的引物選擇 171
8.2 環境DNA宏條形碼監測兩棲動物的準確性 171
8.2.1 各個物種的相對豐度變化 172
8.2.2 物種相對豐度與生物量的相關關系 173
8.3 小結 175
參考文獻 176
第9章 海洋多營養級水生生物群落 177
9.1 從細菌到海洋哺乳動物的生物多樣性監測 177
9.2 多營養級生物群落分布格局 179
9.3 多營養級生物群落的生物相互作用網絡 180
9.4 解析造成生物群落分布格局的生態過程 181
參考文獻 183
第10章 微宇宙試驗評估毒害污染物生態群落效應 185
10.1 Cu2+對生物膜群落效應的微宇宙試驗 185
10.2 生物膜中藻類群落的分類和豐度信息 186
10.3 Cu2+對海水生物膜中藻類群落的效應 189
10.3.1 敏感型與耐受型藻類類群在Cu2+的作用下發生顯著改變 189
10.3.2 銅改變生物膜藻類群落的組成、功能和穩定性 189
10.3.3 藻類OTUs數據比傳統單物種毒性測試數據更加敏感 192
參考文獻 195
第11章 流域尺度下污染物環境基準與水生態健康狀況評價 197
11.1 基于野外浮游動物群落效應推導太湖流域氨氮環境基準 197
11.1.1 太湖流域浮游動物群落監測 198
11.1.2 太湖流域關鍵環境脅迫因子甄別 200
11.1.3 基于敏感浮游動物推導太湖流域氨氮環境基準 204
11.2 基于浮游動物群落環境DNA評估水生態健康狀況 207
11.2.1 多季節浮游動物采樣及分析方法 209
11.2.2 浮游動物宏條形碼的太湖水生態健康評價 212
參考文獻 219
第12章 人類活動驅動的流域生物多樣性分布格局 223
12.1 流域多群落時空格局 223
12.1.1 沙潁河流域微型水生群落組成 224
12.1.2 環境要素特征分析 224
12.1.3 物種多樣性及優勢分類單元時空變化 227
12.1.4 多營養級生物群落結構的景觀驅動因素 227
12.1.5 討論與小結 231
12.2 流域生態網絡結構及穩定性評估 231
12.2.1 多樣性數據分析 232
12.2.2 多營養級群落α和β多樣性時空變化 233
12.2.3 人類活動簡化多營養級群落生態網絡 235
12.2.4 人類活動誘導的多營養級群落穩定性變化 236
12.2.5 討論與小結 236
12.3 流域生物多樣性與生態系統功能關系 238
12.3.1 多樣性指數 238
12.3.2 生態系統功能 240
12.3.3 數據統計分析 241
12.3.4 多方面生物多樣性驅動因素 241
12.3.5 生物多樣性與生態系統功能依賴性 242
12.3.6 生物多樣性與生態系統功能的調控路徑 243
12.3.7 討論與小結 244
12.4 流域多指標、多層次生態完整性評價 245
12.4.1 多維度生態質量評價方法 247
12.4.2 數據統計分析 248
12.4.3 多維度生態質量評價結果 249
12.4.4 討論與小結 255
參考文獻 255
附錄 常用引物表 257
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環境DNA生物監測理論與方法 節選
第1章緒論 1.1生態環境變化與生物多樣性危機 地球*獨*的特征是生命的存在，生命*美妙的特征是它的多樣性。據保守估計，地球上大約棲息著（500±300）萬種植物、動物、原生生物、真菌等生物，其中，僅約170萬種生物被人類所命名（Costello et al.，2013）。盡管淡水生態系統面積不到地球表面積的1%，其淡水量不到世界水資源的0.01%，但為超過10%的人類所認知生物提供了棲息環境（Altermatt et al.，2020）。特別是，地球上約40%的魚類生活在淡水生態系統中。然而，相比于山林、陸地、海洋等其他生態系統，淡水生態系統的生物多樣性喪失*為嚴重，已成為地球上退化*嚴重的生態系統（Vorosmarty et al.，2010;Cardinale，2011;Cardinale et al.，2012）。因此，對淡水生態系統的管理與保護將直接與維持高水平的生物多樣性和避免物種的大滅絕息息相關，關乎生態環境的可持續發展，符合生態文明建設的發展理念。 生物多樣性為人類提供產品和服務，也是社會可持續發展的物質基礎（Cardinale et al.，2012）。然而，由于密集的人類活動和全球性環境變化，自然生態系統中的許多生物面臨著很高的滅絕風險。通常認為，影響淡水生物多樣性的因素主要分為5類：水污染、水文水量變化、棲息地破壞、過度開發和外來物種入侵（Dudgeon et al.，2006;Best，2018;Grill et al.，2019）。在全球尺度上發生的環境變化，如氣候變暖、降水模式變化以及氮沉降等，也會在這些脅迫因素基礎上產生一定的疊加效應。雖然世界上許多國家在生活、生產等點源水污染控制方面取得了很大進展，但對水體富營養化和新型有機污染物排放關注較少，而其正成為威脅水生生物多樣性的主導因素。此外，人類修建的水庫和水頊的流量調節對棲息在自然流態的水生物種非常不利，加上全球性氣候變化引發的頻繁性洪水和干旱事件造成的棲息地改變，進一步減少了種群遷移和基因交換等生態過程。*近研究發現，全球接近50%的河流受到不同程度的連通性減弱影響（Grill et al.，2019）。由人類活動引發的棲息地破碎化及水文水量的改變正成為世界河流管理*棘手的問題。 1.2生物監測的需求與現有技術瓶頸 當前全球淡水生態系統正面臨生物多樣性喪失的危機。首先，人類對全球生態系統的支配使物種滅絕的速度是人類出現之前的幾十倍甚至上百倍，被稱為“第六次物種大滅絕”（Ceballos et al.，2015）。2019年生物多樣性和生態系統服務政府間科學政策平臺（Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services，IPBES） 發布的《全球生物多樣性和生態系統服務全球評估報告》（后稱《IPBES全球評估報告》）指出全球超過一百萬種物種面臨滅絕，其中，84%的淡水脊椎動物、超過40%的兩棲類物種受到威脅（Diaz et al.，2018）。其次，由于農業、園藝和交通介導的物種入侵，物種雜交水平大幅度提高，物種形成速度大大加快。盡管生物史上的大規模滅絕通常伴隨著物種分化率的增加，但相比于滅絕率，人們對當今人類世物種分化率的變化趨勢認識不足（Jackson，2008）。*后，人類活動造成全球生物分布的均質化（Poff et al.，2007;Monchamp et al.，2018）。人類活動改變了原始的生態系統分布格局，導致局域生物多樣性、水生態功能受損。 人類對地球的影響持續增加，因此亟須加大對生物多樣性監測的規模和頻率。貿易全球化和新技術的不斷誕生，使人員和貨物的流動速度加快，造成廣泛、不可逆轉的環境退化。生態系統監測和評估所面臨的艱巨挑戰要求對監測技術體系進行革新，實現對生態系統結構和功能更迅速、準確和及時的觀測。由于我們的目標是在社會經濟發展和生態系統可持續性之間達成平衡，世界范圍內已經建立了在環境限制下實現工業可持續發展的監管框架。此類監管體系已被納入各種國家和國際指令中，尤其是針對水生生態系統的指令，例如，《歐盟水框架指令》（Water Framework Directive，WFD，法規編號：2000/60/EC）、《歐盟海洋戰略框架指令》（Marine Strategy Framework Directive，MSFD，法規編號：2008/56/EC）、美國環境保護局《清潔水法案》、《聯合國海洋法公約》等。生態系統的生物要素監測是此類監測項目的重要組成部分，并作為生態系統“健康”或“完整性”的衡量標準。法規中實施的大多數監測策略依賴于生物指示原則，即特定物種豐度與一系列環境變量之間的顯著相關性。 環境保護是我國的一項基本國策。生物多樣性關系人類福祉，是人類賴以生存和發展的重要基礎。一直以來，我國實行“污染防治與生態保護并重，生態保護與生態建設并舉”的方針，把生態建設作為環保工作的重中之重，積極開展生物多樣性的保護和持續利用行動，制定了一系列保護和持續利用生物多樣性的政策、法律、法規、計劃和措施。中國于20世紀90年代完成了《中國生物多樣性保護行動計劃》和《中國生物多樣性國情研究報告》，確定了我國生物多樣性保護的重點工作領域、工作計劃和未來發展目標。針對不同的生態系統，我國還制定了《中國海洋生物多樣性保護行動計劃》《中國濕地保護行動計劃》等。2015年國務院印發《水污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”），明確要求“制定實施重點流域水生生物多樣性保護方案”。2018年，生態環境部、農業農村部、水利部三部門聯合制定并印發《重點流域水生生物多樣性保護方案》，把流域水生生物多樣性保護放在突出位置。2021年，我國首次提出將生物多樣性指標納入我國生態質量綜合評價指標體系。 傳統的生物監測技術嚴重限制了生物評價在生態環境管理中所發揮的作用。基于形態學的監測方法費時費力、價格昂貴，且需要熟練的操作人員，特別是浮游植物、浮游底棲動物和底棲無脊椎動物的識別和計數。因此迫切需要簡化已有的監測方法，降低成本，加快監測速度；同時需要保障監測的質量、穩定性和可比性。傳統基于形態學的監測方法需要每次收集和鑒定數百至數千個樣本，這是一個緩慢、勞動密集的過程。這嚴重限制了生物監測的通量和物種的覆蓋范圍，無法滿足日益增長的環境監測項目需求（Deiner et al.，2017;Taberlet et al.，2018）。傳統方法的局限性還包括：①它只關注形態學上可識別的生物多樣性，忽略了具有重要功能和指示意義的小型動物和微生物類群；②未關注大量形態學相似但對干擾的耐受性不同的隱蔽種多樣性；③部分類群的分類檢索系統尚不完善，甚至不同來源的分類資料存在分歧，且嚴重依賴于鑒定人的專業知識和經驗，導致物種鑒定的準確率低。總的來說，需要更快、更客觀、更有力和成本效益更高的工具和策略來進行更有效的生態系統監測，進而提升生態評估的科學性和應用價值。 1.3環境基因組學的發展 物種遺傳特征（擴增子測序，即宏條形碼）和其代謝功能（宏基因組學和宏轉錄組學）等環境基因組學技術的發展，正在塑造生物多樣性監測的新模式（Zhang，2019）。國際上一些跨學科團隊和組織發起了大規模的環境基因組學項目，如國際生命條形碼（Barcode of Life）、地球微生物組群項目（the Earth Microbiome Project）和塔拉海洋項目（the TARA Oceans Project），旨在利用環境基因組學在全球范圍內收集生物多樣性數據，以解決基本的生態問題。這些項目逐漸揭開了全球生物多樣性的神秘面紗。 在不同時空尺度上精準調查生物多樣性的潛力是環境基因組學在生物監測領域應用的主要優勢。測序成本的大幅下降顯著降低了基于環境基因組學的生物監測成本。這使得其在資源與環境領域中的常規應用成為可能。另外，隨著實驗室操作步驟和生物信息學分析流程的不斷發展和優化，現在大規模樣本采集、組學測試、統計分析和結果解釋等所有步驟都可以在幾天或幾周內完成。目前也已開發形成便攜自動化的原位環境核酸采樣器。因此，經濟高效、自動化的分子監測技術可實現跨時間和空間尺度的大規模生物調查和比對，被應用于廣泛和持續的生態系統監測方案中。 環境基因組學在生物監測領域具有很大的應用潛力。已有的實踐表明，基于基因組學的方法可以滿足當前對水生生態系統生物監測計劃的大部分要求（Deiner et al.，2017;Zhang，2019）。通過收集和分析環境介質中不同分類群（如魚類、大型無脊椎動物、原生生物、細菌）的生物多樣性數據，環境基因組學技術已經廣泛應用于監測生態系統的變化。在生態系統監測巨大機遇的鼓舞下，歐洲多個跨學科的研究人員組織起來，建立了DNAqua-Net平臺，旨在建立和發展基因組工具和新型的生態基因組指數，用于常規的生物多樣性監測和評估，從而用于歐洲水體的生物監測。國際上其他大型合作項目還包括加拿大的STREAM項目、新西蘭的380Lakes項目、法國的NGB項目和中國的國家“水體污染控制與治理科技重大專項”。 環境基因組學在常規生物監測中的應用將帶來一個生態環境監測與評估范式的轉變。盡管形態學鑒定的方法尚不能被完全替代，新技術的突破將克服現有形態分類學方法的局限性，以滿足不斷變化世界中日益迫切的監測需求。毫無疑問，基于環境基因組學的方法將為更具成本效益、更快、可重復和半自動化的生態系統監測框架鋪平道路。 1.4環境DNA開辟生態毒理學研究新時代 新化學物質的加速生產及其在全球范圍內的環境釋放引起了對其長期危害效應和自然生態系統可持續性的關注。環境污染物（如內分泌干擾化學物質，EDCs）可對野生動物個體、種群和生物多樣性產生不利影響，進而影響生態系統所提供的服務。同時，全球水生生態系統也受到來自非化學壓力因素的脅迫，例如棲息地退化、流量改變、富營養化、入侵物種、新型病原體和氣候變化等。生態毒理學的一個主要挑戰是如何區分導致生態系統退化的化學和非化學壓力因素。這主要是由于缺乏有效和高效的工具來評估化學污染物對野外動植物個體、種群、群落以及生態系統功能的影響（Zhang，2019）。 首先，對野生動植物監測的忽視一直被認為是當前生態毒理學研究的關鍵弱點。傳統毒理學研究的重點是少數物種甚至是亞個體水平的響應，然后用于預測生態系統層面的反應。例如，為了保護當地的魚類，各國鼓勵使用當地的魚類，如美國黑頭呆魚（Pimephalespromelas）、日本青鎌（Oryzias latipes）和中國稀有鮑鯽（Gobiocypris rarus），進行生態毒理學試驗。鮮有研究通過監測野外魚類群落的個體和種群來評估化學物質的影響。雖然加拿大和許多歐洲國家已經開始將硅藻和大型底棲無脊椎動物（包括節肢動物、環節動物和軟體動物等）的野外監測納入常規應用，但在許多國家，特別是在發展中國家，通過傳統的基于形態學的方法監測野外水生生物群落仍然是昂貴和不切實際的。 其次，化學物質對生物多樣性和群落結構的影響也是目前生態風險評估所缺失的關鍵信息。污染物暴露會導致生物多樣性的減少和群落結構的變化，進而導致生態系統服務與功能的退化。在過去的半個世紀中，基于經驗選擇藻類（初級生產者）、甲殼類動物（初級消費者）和魚類（初級或次級消費者）作為化學物質毒性試驗的關鍵目標（受體），已成功應用于保護水生生物群落中。部分模式生物已廣泛用于毒性測試、生態風險評估和環境標準推導的工作中。然而，這種簡化方法忽視了本土生物多樣性和物種間敏感性差異。此外，已有研究證明化學污染物存在“間接”影響機制，如物種間相互作用、物種入侵和行為干擾等，可能會改變化學物質對生態系統的有害結局。因此，如果沒有充分考慮環境污染物對生態系統生物多樣性和群落結構的影響，很難從區域尺度評估單個化學物質對
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