本文來源于海潮天下（Marine Biodiversity）

【海潮天下·導(dǎo)讀】2026年1月20日，來自康奈爾大學(xué)和格拉納達(dá)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》（Environmental Science & Technology）上發(fā)表了一項(xiàng)突破性成果。他們開發(fā)出一種包裹著合成DNA微粒的生物降解示蹤劑，并結(jié)合三維水動力模型，成功在大型湖泊中實(shí)現(xiàn)了eDNA來源的精準(zhǔn)預(yù)測。

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出品 | 海潮天下

1微克DNA丟進(jìn)湖里，33小時后精準(zhǔn)定位

環(huán)境DNA（#eDNA）技術(shù)在過去十五年間已成為監(jiān)測水生生物多樣性的重要手段，相較于傳統(tǒng)的物理捕撈，它更靈敏且成本更低。然而在河流、湖泊或海洋等復(fù)雜水體中，生物排放的DNA碎片會隨波逐流。當(dāng)科研人員在某一水域采樣發(fā)現(xiàn)特定生物的遺傳信息時，往往難以確定該生物究竟身處何方，也無法判斷這些遺傳物質(zhì)在水中漂流了多久。針對這一痛點(diǎn)，康奈爾大學(xué)農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)學(xué)院及工程學(xué)院的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新型模型，能夠預(yù)測水體樣本中eDNA顆粒的原始發(fā)源地。

海潮天下（Marine Biodiversity）小編讀到這項(xiàng)發(fā)表于《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》期刊的研究，其核心在于一種新型合成DNA追蹤劑。為了模擬真實(shí)eDNA在自然水體中的物理行為，研究人員設(shè)計了獨(dú)特的短DNA序列，并將其包裹在一種安全可降解的聚合物微膠囊中。這種材料常用于食品和制藥工業(yè)，具有良好的生物相容性。為助力全球環(huán)境治理、并供我國學(xué)者了解最新研究動態(tài)信息，編譯分享信息如下，供感興趣的讀者們參閱。

▲上圖：在實(shí)驗(yàn)設(shè)計上，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了封裝有獨(dú)特100堿基隨機(jī)序列DNA的PLGA（聚乳酸-羥基乙酸共聚物）微粒。這些微粒平均粒徑為0.72微米，與自然界中魚類來源的eDNA粒徑分布高度吻合。PLGA材質(zhì)不僅生物可降解，且由于其極小的斯托克斯沉降速度，能夠長時間懸浮在水柱中，從而模擬自然eDNA在受到 advection（平流）和擴(kuò)散影響時的行為。實(shí)驗(yàn)表明，這些合成微粒在湖水中具有極高的穩(wěn)定性，在最初0.5小時釋放部分表面附著DNA后，包埋在基質(zhì)內(nèi)部的DNA可在超過50小時內(nèi)保持穩(wěn)定，這為建立遷移基準(zhǔn)提供了長期可靠的信號。論文出處：Li Z, Ramón C L, Bogdanowicz S, et al. (2026)

實(shí)驗(yàn)選在康奈爾大學(xué)伊薩卡校區(qū)附近的卡尤加湖進(jìn)行，團(tuán)隊(duì)向湖中投放了僅1微克的合成DNA，并在隨后的33小時內(nèi)持續(xù)追蹤其擴(kuò)散路徑。

然后，研究人員記錄這些人造示蹤劑在風(fēng)力、波浪和湖流驅(qū)動下的移動數(shù)據(jù)，成功構(gòu)建了一個能夠反向推導(dǎo)粒子來源的轉(zhuǎn)運(yùn)模型。

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▲上圖：卡尤加湖合成DNA微粒（sDNAp）實(shí)驗(yàn)設(shè)計與方法流程圖。(A) 實(shí)驗(yàn)區(qū)域地圖，展示了三個sDNAp投放點(diǎn)（TQ1、TQ2、TQ3）及后續(xù)采樣位點(diǎn)，彩色線路代表1-4號漂流浮標(biāo)的運(yùn)動軌跡，圓點(diǎn)顏色深淺表示采樣時間的先后；(B) 投放前的湖水背景樣本采集分布；(C) 配備潛水泵系統(tǒng)的水樣采集裝置；(D) 從初始采集到最終分析的樣本減容處理流程；(E) sDNAp中DNA的提取步驟；(F) 局部放大圖，明確標(biāo)注了三個釋放點(diǎn)的具體位置。論文出處：Li Z, Ramón C L, Bogdanowicz S, et al. (2026)

▲上圖2. 合成DNA微粒（sDNAp）的理化特性表征。(A) 微粒粒徑分布圖，灰色柱狀圖代表頻率分布，紅色曲線為核密度估計；(B) 硅片表面sDNAp的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，比例尺為1微米；(C) 基于Weibull分布建模的累積粒徑分布對比，紅色曲線為本研究合成的sDNAp，藍(lán)色曲線為文獻(xiàn)報道的魚類eDNA粒徑分布；(D) sDNAp在12.6°C湖水中的DNA釋放動力學(xué)曲線，顯示在最初0.5小時內(nèi)出現(xiàn)50-60%的快速流失，隨后在50小時內(nèi)趨于穩(wěn)定（圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)為6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值，誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)差）。論文出處：Li Z, Ramón C L, Bogdanowicz S, et al. (2026)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)令人驚訝：盡管投放量極小，但在一天多之后，研究人員依然能在距離投放點(diǎn)7公里外的地方檢測到這些微粒。采樣點(diǎn)最低檢出濃度僅為每毫升水含3~5個顆粒。這證明了該追蹤系統(tǒng)具有極高的靈敏度、耐受性，足以模擬低豐度物種在廣闊水域中的分布軌跡。

以往的eDNA檢測大多只能給出“存在”或“不存在”的定性結(jié)論，而在大尺度水域中，強(qiáng)勁的電流和深層水體的劇烈混合使定量分析變得極其困難?？的螤柎髮W(xué)開發(fā)的這套方法結(jié)合了遺傳學(xué)、生物工程與水力學(xué)分析，填補(bǔ)了生物學(xué)采樣與流體力學(xué)建模之間的空白。

▲圖3. 卡尤加湖中sDNAp濃度的時空分布圖?；谕ㄓ脵M軸墨卡托投影（UTM Zone 18）繪制的地圖分別展示了（A）TQ1、（B）TQ2及（C）TQ3微粒在各采樣點(diǎn)的分布情況。圖中圓點(diǎn)的顏色深淺代表采樣時間的先后，圓點(diǎn)的大小對應(yīng)預(yù)估的顆粒濃度（單位：顆粒/毫升）；未檢測到sDNAp的采樣點(diǎn)以“×”符號標(biāo)記；黑色倒三角（?）則標(biāo)示了微粒的初始釋放位置。論文出處：Li Z, Ramón C L, Bogdanowicz S, et al. (2026)

▲圖4. sDNAp模擬位移與實(shí)地測量結(jié)果對比。(A–C) 模擬的質(zhì)心（COM）隨時間變化的水平（黑線）和垂直（藍(lán)線）位移，陰影區(qū)域表示±1倍標(biāo)準(zhǔn)差的擴(kuò)散范圍；粗橘色線代表零速度深度的平均位置，用于區(qū)分流向相反（上層為正向沿岸流）的水層；(D–F) 各粒子云隨時間變化處在正向沿岸流水層中的粒子百分比；(G–I) 模擬的粒子路徑，展示了最接近TQ1、TQ2和TQ3檢出位點(diǎn)（白圈圓點(diǎn)）的運(yùn)動軌跡，淺灰色線為3米間距的等深線，深灰色曲線為距離釋放點(diǎn)每500米的等距離線；(J) 采樣時的均方根距離（RMSD，圓圈）及模擬粒子的最小距離（“最近路徑”，叉號）與采樣點(diǎn)距離釋放點(diǎn)距離的關(guān)系對比，黑色斜線表示1:1關(guān)系。論文出處：Li Z, Ramón C L, Bogdanowicz S, et al. (2026)

正如參與研究的土木與環(huán)境工程教授Todd Cowen所言，這種高動態(tài)范圍的擴(kuò)散研究對于管理淡水及近海資源至關(guān)重要，它讓研究人員能夠更清晰地理解遺傳物質(zhì)在水環(huán)境中的命運(yùn)與傳輸規(guī)律。

康奈爾大學(xué)阿特金森可持續(xù)發(fā)展中心的David Lodge教授指出，傳統(tǒng)的生物調(diào)查方法——如捕撈和目測——既費(fèi)時費(fèi)力，在某些深水區(qū)域甚至是不可行的。而這種基于合成DNA示蹤劑的定量模型，為管理人員提供了一個低成本、可擴(kuò)展且高精度的工具。

從實(shí)際應(yīng)用層面看，該模型為資源管理部門提供了更精準(zhǔn)的決策工具。監(jiān)管機(jī)構(gòu)可以利用這一模型來評估海上能源設(shè)施對周邊環(huán)境的實(shí)時影響，追蹤瀕危物種的確切活動范圍，或者監(jiān)測貨運(yùn)船只是否在特定港口引入了入侵物種。這種定量預(yù)測能力解決了“測得到卻找不到”的難題，使eDNA技術(shù)從簡單的物種篩查工具演變?yōu)橐环N可規(guī)?；?、高精度的空間監(jiān)測手段。目前該團(tuán)隊(duì)具備在安大略湖、乃至大西洋等更大規(guī)模水域重復(fù)此類實(shí)驗(yàn)的能力，未來有望進(jìn)一步提升水生生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性。

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感興趣的“海潮天下”（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的原文：
Li Z, Ramón C L, Bogdanowicz S, et al. Tracing Environmental DNA Transport in a Large Lake with Synthetic DNA Microparticles and Hydrodynamic Modeling[J]. Environmental Science & Technology, 2026.

思考題·拓展思維

【拓展思維】正如康奈爾大學(xué)的新聞里面說的，這項(xiàng)技術(shù)對于漁業(yè)管理和生物多樣性保護(hù)具有直接意義。對于海洋和大型湖泊的管理者來說，準(zhǔn)確測量比盲目管理更重要。無論是追蹤入侵物種的擴(kuò)散路徑，評估海上能源設(shè)施（如海上風(fēng)電場）對周邊生態(tài)的影響，還是統(tǒng)計瀕危物種的種群規(guī)模，該模型都提供了更科學(xué)的依據(jù)。照例，一舉反三，我們來思考幾個問題（無標(biāo)準(zhǔn)答案，僅作為拋磚引玉）。

Q1、這個科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可生物降解的合成DNA顆粒（sDNAp），將特定的DNA片段包裹在聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）微粒中。這種微粒的大小在0.2~2.5微米之間，中位數(shù)約為0.62微米，與魚類分泌的天然eDNA顆粒大小高度契合。不過，天然eDNA往往以細(xì)胞碎片、粘液團(tuán)聚體甚至沉積物吸附態(tài)形式存在，其斯托克斯沉降速度（Stokes Velocity）與吸附解離常數(shù)（Kd）跨度極大。假設(shè)把這個模型推廣至底棲魚類、或變溫動物監(jiān)測的話，你覺得，現(xiàn)有的基于亞微米微粒建立的水動力參數(shù)，是否會因?yàn)楹雎粤酥亓Τ两蹬c底泥交換而產(chǎn)生量級上的系統(tǒng)誤差呢？

Q2、我們知道，在外來入侵物種的監(jiān)測中，核心任務(wù)是鎖定初發(fā)定殖點(diǎn)、以便可以實(shí)施快速的根除。本研究顯示eDNA顆粒在湖泊中隨風(fēng)場和環(huán)流具有極強(qiáng)的空間遷移能力。那么，在實(shí)際野外監(jiān)測中，可能還要考慮到水動力帶來的信號噪聲。你覺得，應(yīng)該怎樣建立一套信號強(qiáng)度的“衰減-距離”反演模型，以區(qū)分出哪些檢出信號是真的代表了活體入侵物種的實(shí)時存在，哪些僅僅是由水體搬運(yùn)而來的、缺乏生物學(xué)意義的殘余序列呢？

Q3、2026年1月17日，《海洋生物多樣性協(xié)定》（#BBNJ協(xié)定）已經(jīng)正式生效了。在BBNJ框架下，海洋遺傳資源（MGRs）的惠益分享是核心議題。不過，eDNA隨洋流長距離擴(kuò)散的特性（如本研究中展示的大尺度漂移）帶來了一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆呻y題——如果在公海海域采集到的eDNA信號，經(jīng)溯源證實(shí)其源頭生物實(shí)則棲息于某鄰國專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)（EEZ），那么，你覺得該遺傳資源數(shù)字序列信息（DSI）的惠益歸屬應(yīng)遵循“采集地原則”還是“來源地原則”呢？如何界定eDNA證據(jù)在跨界法律追溯中的空間效力？有沒有可能建立一套基于水動力學(xué)反演的“遺傳溯源協(xié)議”，來防止在公海進(jìn)行的eDNA采樣演變成變相的跨界資源“竊取”？

Q4、繼續(xù)思考一下BBNJ，筆者好奇的是這個模型對于BBNJ有沒有用、有多大用。因?yàn)锽BNJ協(xié)定要求對公?；顒舆M(jìn)行嚴(yán)格環(huán)評，eDNA被寄予厚望成為生物監(jiān)測的“標(biāo)準(zhǔn)尺”。但，公海多為高壓、低溫、低營養(yǎng)鹽的極端環(huán)境，DNA分子的降解動力學(xué)跟卡尤加湖等內(nèi)陸水體是截然不同的。如果各國在執(zhí)行EIA時，使用的DNA降解常數(shù)（k值）缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，那么，對于同一公海礦區(qū)或漁場的生態(tài)影響評估可能得出的結(jié)論會完全迥異。那么思考一下：你覺得，國際科學(xué)界是否亟需在BBNJ框架下啟動全球尺度的“原位降解標(biāo)定實(shí)驗(yàn)”，來開發(fā)一套適用于不同深度的、具有法律證據(jù)效力的eDNA時空解析標(biāo)準(zhǔn)算法？這里的難點(diǎn)/瓶頸又在哪兒？

Q5、如果廈門成功擔(dān)任BBNJ秘書處，應(yīng)怎樣協(xié)調(diào)、力促全球范圍內(nèi)eDNA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的制定？尤其是在不同海域的環(huán)境條件下，如何確保各國在使用#eDNA 進(jìn)行生物多樣性監(jiān)測時遵循統(tǒng)一的采樣、分析和數(shù)據(jù)解讀標(biāo)準(zhǔn)，以便增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可比性和共享性？此外，如何平衡技術(shù)進(jìn)步與各國生態(tài)監(jiān)測能力之間的差異？

本文參考資料

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c11071

https://news.cornell.edu/stories/2026/01/environmental-dna-breakthrough-will-aid-conservation-efforts

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資訊源 | news.cornell.edu

文 | 王海詩

排版 | 盧曉雨

聯(lián)系小編 | editor@oceanbiodiversity.cn

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王海詩.康奈爾大學(xué)研發(fā)表可預(yù)測水體eDNA來源的新模型.海潮天下.2026-03-10

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