无监督的多营养级环境DNA（eDNA）指数能够捕捉沿海生态系统完整性的季节性变化及营养因素的影响

《Marine Pollution Bulletin》：Unsupervised multitrophic eDNA index captures seasonal variation and nutrient controls of coastal ecosystem integrity

eDNA多标记元标签测序技术评估了浙江省温州市海岸带藻类、细菌、原生生物、浮游动物和鱼类五个类群的综合生物完整性指数（IBI），揭示夏季IBI较高而秋季显著下降，空间上东部岛屿和近海海域IBI较高，近岸湾和河口区域较低，氮磷铵盐是主要环境驱动因子，证实了eDNA技术结合多营养级评估框架在动态海岸带监测中的实用价值。

　　

李江南|孙倩航|王淑萍|雷坤

中国环境科学研究院生态环境部河口与海岸环境重点实验室，北京，100012，中国

摘要

环境DNA（eDNA）宏条形码技术已成为评估水生环境中生物多样性和生态系统健康状况的日益有效的工具。本研究应用eDNA宏条形码策略，评估了温州沿海水域中五个关键分类群的生物完整性，包括藻类、细菌、原生动物、浮游动物和鱼类。通过整合四个核心生态指标——物种优势度、系统发育距离、共现网络密度和分类群丰富度，开发了一个综合生物完整性指数（IBI）。研究结果表明，群落结构和完整性存在明显的季节性变化，夏季IBI得分普遍较高，而秋季则显著下降，尤其是藻类和原生动物。空间变异性也很明显。位于东部岛屿和近海的站点表现出相对较高的IBI值，而近岸海湾和河口区域的得分较低。硝酸盐、磷酸盐和铵被确定为影响各营养级完整性的主要环境因素。总体而言，该研究强调了基于eDNA的多营养级评估框架在沿海监测中的生态相关性和实际价值，并强调了控制营养物质对维持生态完整性的重要性。

引言

沿海海洋生态系统正日益受到持续的人为压力的威胁，其中营养过载是导致生态失衡的主要因素（He和Silliman，2019）。过量的营养物质负荷会对沿海生态系统的物理、化学和生物成分产生连锁效应（Akinnawo，2023）。这些干扰通常表现为富营养化、有害藻类暴发和水质的整体恶化。长期暴露于此类压力源会导致物种组成、营养级相互作用和生态系统功能发生根本性变化，最终导致生态状况的可测量下降（Zhou和Wang，2023）。在这种背景下，结合多个营养级的生物完整性评估的生物多样性监测为捕捉生态系统动态和评估生态健康提供了可靠的框架（Timmermans和Daniel Kissling，2023）。

评估沿海生态系统的健康状况是水生生态系统保护和生物多样性监测的重要方面（Niu等人，2022）。生物完整性指数已被证明是评估水生生态系统生态状况的有效指标，因为它整合了可量化和未知压力因素的影响，比仅依赖水质分析提供了更全面的评估（Ding等人，2025）。然而，基于形态鉴定的传统生物监测方法通常集中在单一分类群上，需要大量时间和分类学专业知识（Aucone等人，2023；Takahashi等人，2023）。此外，不同物种对栖息地特征和环境压力强度的生态响应各不相同（Chen等人，2023）。因此，单一物种的监测方法可能导致生态分类的偏差和评估的不全面（Bernatchez等人，2024；Schmidt等人，2023）。这些限制凸显了迫切需要更有效的策略，以便快速评估多个营养级的生物完整性（Hegab等人，2023）。

环境DNA（eDNA）宏条形码技术正在改变水生生态系统中的生物多样性评估方法，特别是在传统调查面临物流和分类学挑战的沿海环境中。作为一种快速、成本效益高且非侵入性的方法，eDNA能够实现对特定分类群遗传标记的高通量测序，从而在多个营养级上广泛且精细地检测物种多样性（Miya，2022；Okello等人，2025）。这种方法在同时监测细菌、浮游植物、浮游动物和鱼类群落方面尤为宝贵，为复杂海洋栖息地中的生态完整性提供了综合视角（Ye等人，2025）。eDNA监测分析了生物释放到环境中的遗传物质，如通过皮肤细胞、排泄物和黏液——消除了物理捕捉样本或依赖耗时的形态鉴定和分类学专长的需要（Sahu等人，2023；Thomsen和Willerslev，2015）。基于eDNA的方法在生物多样性评估中已被证明非常有效，通常能检测到与传统方法相当甚至更高的物种丰富度，同时显著降低成本和努力（N?rgaard等人，2021）。它已成功应用于使用不同组的标记基因来监测各种分类群，例如细菌的16S rRNA（Li等人，2024）、无脊椎动物的COI、鱼类的12S/16S（Polanco等人，2021）、真菌的ITS2/16S（Bellemain等人，2010）和硅藻的18S V4或rbcL（Zimmermann等人，2011）。由于视觉鉴定的局限性，许多这些生物在生态监测中之前被忽视。eDNA宏条形码技术能够通过一次测序同时检测多个群落，使其特别适合评估水库中的生物多样性。例如，线粒体细胞色素c氧化酶I（COI）基因已被证明是多营养级真核生物（包括后生动物、藻类和真菌）的通用标记（Liu等人，2017；Pentinsaari等人，2016；Singh等人，2019）。

在沿海生态系统中，实现预期生态状况的概念是生态评估的基本原则（Qian等人，2023；Wu和Wan，2024）。一个功能良好的海洋或河口生态系统通常具有平衡的物种多样性、稳定的生态功能和长期可持续性，这些特征超越了特定的生态系统类型或地理流域（Dolbeth和Arenas，2020）。因此，采用预期状态框架，而不是仅依赖历史或未受干扰的参考站点，为评估不同沿海环境中的生态系统健康提供了灵活和通用的基准。温州沿海地区人口密度高、经济发展迅速且人为干扰严重，这使得确定适合传统生物评估的参考站点变得具有挑战性。因此，本研究采用了Yang等人（2023）提出的无监督多营养级生物完整性评估框架，来评估温州地区的沿海水域生态状况，这种方法特别适用于缺乏明确定义参考条件的海洋区域。该框架为每个群落在空间梯度上的生态系统状况提供了综合评估。与传统基于形态的监测方法相比，这种基于eDNA的多标记框架提供了更高的分类学分辨率和采样效率，特别适合评估异质性和快速变化的沿海环境中的生物多样性和生态状况。

本研究利用eDNA技术评估了温州沿海水域中多个分类群的生物完整性，该地区受到复杂的人为压力影响，且缺乏明确的生态参考站点。研究目标有三个：（1）使用多基因eDNA宏条形码技术表征多营养级生物群落的季节性变化；（2）通过无监督评估框架评估不同季节的生态系统完整性；（3）识别影响生物完整性时间变化的主要环境因素。

研究地点和样本收集

研究地点位于东海（ECS）的温州沿海地区（120.461–121.223°E，27.142–28.314°N），包括乐清湾、温州湾、北矶群岛和南矶群岛（图S1）。2024年，在夏季（8月）和秋季（10月）对研究区域内的45个站点进行了采样。

在每个采样点，使用安装在CTD玫瑰环上的Niskin瓶收集用于eDNA分析的海水样本

温州沿海水域的物理化学特征

温州沿海水域的物理化学条件表现出明显的沿岸梯度。盐度、溶解氧（DO）和pH值从近岸向远海逐渐增加，而水温则呈现相反的趋势，近岸区域的数值较高（图S2）。水温在夏季表现出显著的空间异质性，近岸浅水区的水温明显高于远海区域，形成了从陆地向海洋逐渐降低的梯度

基于eDNA的生物完整性评估所选指标

整合四个基本生物指标——物种优势度、系统发育距离、网络密度和分类群丰富度，为使用基于eDNA的方法评估沿海生态系统的生物完整性提供了一种稳健且实用的方法。这些指标符合关键的生态原理，并提供了关于群落结构、进化关系和生态恢复力的互补见解。与通常依赖参考点的传统生物评估策略不同

结论

本研究提供了一个全面的框架，使用基于eDNA的多位点宏条形码技术评估五个主要生物群落（藻类、细菌、原生动物、浮游动物和鱼类）的生物完整性。通过整合四个核心生态指标（优势度、系统发育距离、网络密度和分类群丰富度），研究建立了一种稳健且可扩展的方法来评估生物完整性。研究结果表明

CRediT作者贡献声明

李江南：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法学，调查，数据分析，概念化。孙倩航：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，概念化。王淑萍：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，概念化。雷坤：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，概念化。

利益冲突声明

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