《Environmental Science & Technology》：Tracing Environmental DNA Transport in a Large Lake with Synthetic DNA Microparticles and Hydrodynamic Modeling
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本研究通过开发可生物降解的合成DNA微粒（sDNAp）作为定量示踪剂，结合三维水动力模型（3D-hydrodynamic model）与拉格朗日粒子追踪（Lagrangian particle-tracking）技术，首次在卡尤加湖（Cayuga Lake）实现了对环境DNA（eDNA）传输过程的湖尺度精准示踪。研究证实sDNAp具有高灵敏度（检测限3–5 particles mL–1）和持久性（传输距离>7 km），揭示了风驱环流（wind-driven circulation）与分层作用（stratification）对eDNA传输路径的关键影响，为eDNA溯源（source attribution）提供了概率化分析框架。
合成DNA微粒的设计与表征
研究团队通过双乳液溶剂蒸发法将特定序列的单链DNA片段封装于聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）微粒中，制备出三种sDNAp示踪剂（TQ1、TQ2、TQ3）。扫描电镜（SEM）分析显示微粒直径范围为0.2–2.5 μm（均值0.72±0.37 μm），符合鱼类eDNA的粒径分布特征（图2A–C）。稳定性实验表明，sDNAp在湖水中释放初期（0.5 h内）快速释放65%的DNA，随后50小时内保持稳定（图2D），其缓慢沉降特性（斯托克斯速度≤10–7m s–1）使其成为模拟eDNA传输的理想保守示踪剂。
野外实验设计与实施
2022年11月4日，研究团队在卡尤加湖南部浅水区（水深<6 m）同步释放三种sDNAp（TQ1、TQ3各2 g，TQ2为1 g），并通过搭载潜水泵的船只进行33小时的空间采样（覆盖面积约11 km2）。采样采用深度积分法（图1C），共获取278个水样，通过TaqMan MGB qPCR技术定量检测sDNAp浓度。实验期间，持续南风（风速>10 m/s）驱动表层水北向流动，形成具有垂直剪切特性的环流结构（图4A–C）。
传输动力学与模型验证
野外检测结果显示，sDNAp最远传输距离达7.2 km（TQ2），最高浓度达1049 particles mL–1（图3）。三维水动力模型（Si3D）耦合粒子追踪模拟表明，sDNAp的水平位移受垂直位置敏感性的显著影响：粒子在零速度深度（zero-velocity depth）附近的垂直分布决定其沿湖岸方向的运动方向（图4D–F）。模型预测与实测数据的均方根距离（RMSD）在3.5 km范围内为198–432 m（图4J），验证了模型对水平平流（horizontal advection）和垂直混合（vertical mixing）的捕捉能力。
溯源概率分析的应用价值
通过反向粒子追踪模拟（backward particle-tracking），研究评估了从检测点反推sDNAp释放源的概率（图5）。结果显示，在200×200 m网格分辨率下，近距离采样点（如131、134）的溯源概率可达10–2量级，而远距离点概率显著降低（图5A）。进一步分析表明，限制溯源精度的关键因素包括粒子垂直扩散（vertical diffusivity）和湖流结构的时空异质性（图5K–N）。这一发现强调了对eDNA检测结果进行水动力校正的必要性。
研究意义与技术前瞻
本研究建立的sDNAp-模型耦合框架为eDNA在复杂水体中的传输机制提供了定量解析工具。通过调整PLGA降解参数（如分子量、单体比例），未来可定制具有物种特异性衰减速率的示踪剂，从而更精准地模拟自然eDNA的时空动态。该技术不仅适用于湖泊生态系统，还可拓展至河流、河口等水生环境，为生态监测、入侵物种管理和生物多样性保护提供理论支持。
