热带鱼类聚集装置（FAD）不同水深主动与被动环境DNA（eDNA）采样比较

《Environmental DNA》：Active Versus Passive eDNA Sampling Across Depths at a Tropical Fish-Aggregating Device (FAD)

　　

环境DNA（eDNA）是监测鱼类生物多样性的有价值工具，尤其适用于传统方法难以实施的远洋（pelagic）环境。鱼类聚集装置（FAD）是热带金枪鱼渔业中广泛使用的漂浮结构，已知可吸引大量中上层鱼类物种，因此是理想的采样地点。本研究采用环境DNA宏条形码分析（eDNA metabarcoding）评估印度尼西亚巴厘岛近海一处FAD周围的中上层鱼类多样性。研究人员比较了不同的eDNA采样策略，主要目的是评估eDNA宏条形码分析在中上层鱼类生物多样性评估中的有效性，同时测试并优化适用于偏远且物流条件受限环境的可及、低成本方案。研究人员在连续3天内，于4个水深（1、10、40和60 m）采用两种不同的eDNA采集方法开展采样：主动过滤（active filtration）和定制设计的被动系统。后者由填充无菌纱布的3D打印圆柱体组成，并安装于可在各水深同步布设3个重复样本的装置支架上。共采集66份样本，并使用现有引物对扩增鱼类12S线粒体DNA（mitochondrial DNA），随后在Illumina NovaSeq平台上进行测序。在两种采样方法中共检测到39个鱼类操作分类单元（OTUs），其中25个为主动与被动方法共有，31个可注释至物种水平。两种采样方法获得的群落组成高度重叠，且均以FAD环境中常见的表层远洋类群（epipelagic taxa）为主，表明两种方法均适合用于该环境鱼类群落特征刻画。重要的是，被动采样与主动采样的整合在布设灵活性与分类学检出能力之间提供了实用平衡。除技术验证外，标准化eDNA方案还能够在物流限制极为显著的情境中有效迁移和应用，从而支持围绕FAD等生态学关键特征构建生物多样性监测计划。

该研究发表于《Environmental DNA》，聚焦热带近海鱼类聚集装置（FAD）周围不同水深条件下环境DNA（eDNA）监测策略的比较与验证，旨在评估主动采样与被动采样在远洋鱼类多样性调查中的适用性。研究背景在于，中上层海洋环境具有开放性强、取样困难、传统调查成本高和深度覆盖有限等特点，围绕FAD形成的鱼类群落虽然在渔业和生态学上都极为重要，但现有认知主要依赖水下目视普查、水下视频、回声探测、遥测和渔获调查等方法。这些方法虽能提供群落结构与行为信息，但普遍受限于物种可检出性、设备选择性、操作成本与海上后勤条件。eDNA宏条形码分析近年来已成为海洋生物多样性监测的重要工具，但在热带外海FAD环境中的直接应用仍缺乏实证研究，尤其缺少对主动与被动采样效果的系统比较。正是在这一背景下，研究人员将FAD作为生态相关的固定采样平台，尝试建立适用于偏远海域与资源受限场景的标准化eDNA监测流程。

本研究围绕印度尼西亚巴厘岛Gondol Bay一处实验性FAD开展，提出三个明确目标：验证eDNA宏条形码分析用于热带外海FAD鱼类群落研究的可行性；比较主动水样过滤与定制被动采样器GenoCartridge在物种丰富度和群落组成评估中的表现；分析采样水深对物种检出及整体多样性格局的影响。研究结果表明，两类方法都能有效检出FAD附近鱼类群落，且所得群落组成高度重叠；相较采样方法差异，水深与采样日期对群落差异的解释度更高；被动方法在更深水层布设上表现出更高操作灵活性。研究由此证明，eDNA技术不仅可以用于FAD周边中上层鱼类多样性监测，而且在现实海上调查条件受限的情况下，主动与被动方法结合能够兼顾可操作性与分类分辨能力，为热带远洋生态监测和协同渔业观测提供了重要方法学支撑。

本研究主要采用以下关键技术方法：在同一FAD下游约10 m处，于连续3天的每日10:00至14:00间开展采样；主动eDNA采样在1 m和10 m两层进行，使用Niskin采水器取样并经便携式真空系统过滤；被动eDNA采样采用3D打印GenoCartridge与GenoPod系统，在1、10、40、60 m四个水深各布设3个重复并浸没约4 h；DNA提取后使用针对鱼类线粒体12S rRNA基因片段的Tele02引物进行PCR扩增，在Illumina NovaSeq平台完成双端测序；生物信息学分析采用Cutadapt、DADA2与QIIME2，对扩增子序列变体（ASVs）进行去噪、去嵌合体、分类注释与OTU合并，并结合空白对照执行两步去污染；统计分析采用Mann–Whitney U检验、Kruskal–Wallis检验、主坐标分析（PCoA）与置换多元方差分析（PERMANOVA）。

在研究结果部分，论文首先在“3.1 OTU Richness and Distribution by Sample Type and Depth”中报告了不同采样方法与水深下的OTU丰富度格局。稀释曲线显示所有样本测序深度充分，iNEXT结果也表明样本覆盖度达到1，说明数据质量足以支持后续分析。全部66份样本共检出39个鱼类OTU，其中31个达到物种水平注释。主动过滤与GenoCartridge各自均检出32个OTU，二者共有25个OTU，显示两种采样策略在总体检出范围上具有明显一致性。按水深分层后，1 m样本共检出31个OTU，10 m样本检出35个OTU，而40 m和60 m分别仅检出18个与14个OTU，显示更深水层的丰富度相对降低。统计结果表明，主动与被动方法在单样本OTU丰富度上无显著差异，说明两类方法对该环境中鱼类多样性的总体表征能力相近。不同水深在各方法内虽表现出一定变化趋势，但未达到统计显著；相较之下，采样日期在两种方法中均表现出显著影响，提示短时间尺度的群落波动不容忽视。热图进一步显示，优势类群在不同“采样日–水深”组合中存在明显差别，但Selar crumenophthalmus、Coryphaena hippurus和Abudefduf sp.等类群在两种方法中均反复出现，构成FAD附近eDNA信号的核心成分。值得注意的是，Auxis sp.在1–10 m范围内仅见于过滤样本，而在GenoCartridge中主要出现在40和60 m，表明不同方法及水层对特定类群的检出可能存在差异。

在“3.2 Multivariate Ordination and Drivers of Taxonomic Variation”中，研究人员进一步分析了群落组成差异的主要驱动因子。由于全样本数据在排序图中未呈现清晰分群，研究人员将分析重点放在两种采样方法均覆盖的1–10 m子集上。PCoA结果显示，样本在水深维度上出现较清晰分离，尤其沿第一主坐标轴最为明显；Abudefduf sp.与1 m样本空间位置一致，提示其对浅层群落结构具有代表性。采样日期的效应则主要体现在第三主坐标轴上，Aluterus monoceros、Hemiramphus far和Canthidermis maculata等向量与Day 3样本分布更相关。相比之下，采样方法本身导致的分离较弱，过滤样本与GenoCartridge样本在排序空间中总体重叠显著。线性模型进一步证实，PCoA前3轴所反映的变异主要由水深、采样日期和采样方法共同构成，但其中水深和日期的解释作用更强。在全数据集的PERMANOVA中，水深解释12.2%的群落变异，采样日期解释10.1%，采样方法仅解释3.4%；在1–10 m子集内，采样日期解释度最高，其次为水深和采样方法。研究人员还通过200次平衡子抽样控制两种方法重复数不等可能带来的偏差，结果表明总体结论稳定：群落差异主要仍由水深与采样日期驱动，而采样方法的贡献较小，且在部分重复模拟中不再显著。这一结果说明，在该FAD环境下，eDNA信号的时空异质性大于主动与被动采样之间的方法学差异。

讨论部分围绕方法有效性、生态解释和应用前景展开。研究首先指出，该工作为FAD邻近海域主动与被动eDNA采样的联合应用提供了新的实证依据。全球尺度上，两类方法获得了64%的物种重叠率，且单样本丰富度水平相近，说明主动过滤可作为稳定的基线方法，而被动采样在总体覆盖能力接近的同时，具有部署简便、可拓展至更深水层和无需船只持续驻留等优势。对海上作业而言，这种优势尤为关键，因为主动方法在10 m采样已需额外器械，若扩展至更深层则实际操作难度显著上升。研究据此认为，在该场景下，被动采样在后勤上可能更具吸引力，尤其适用于更深水层，而表层主动采样可提供稳健的参考基线，二者结合可形成互补。

论文进一步强调，围绕FAD的eDNA群落信号首先受时间和垂向结构控制，而非采样方式控制。连续3天的样本出现明显群落波动，提示短期尺度上鱼类行为变化、水体动力过程或局部海况都可能重塑eDNA组成。作者特别提到，第一天海况较差，这可能增加主动水样中更广区域来源eDNA的混入，同时降低被动装置在强流条件下对eDNA的截留效率。对于特定物种，Abudefduf sp.沿深度梯度的突出作用与其贴近FAD结构、占据表层浅水的生态习性一致；一些常见优势类群如Selar crumenophthalmus、Coryphaena hippurus、Decapterus sp.、Amblygaster sirm和Canthidermis maculata，也与既有FAD调查文献中常见的表层远洋鱼类群落特征相符，支持本研究所得eDNA结果具有生态合理性。与此同时，研究也检出少数并不典型隶属于FAD表层群落的类群，如Carapus mourlani、Photonectes albipennis和Cryptopsaras couesii等，作者将其谨慎解释为可能来自邻近底栖或更深远洋水层的eDNA平流输入，而未将其直接视为FAD局部聚集成员。

研究结论部分可概括为：环境DNA（eDNA）的应用取得了良好效果，并实现了对这些结构附近鱼类多样性的评估。未来研究若能增加采样天数，将有助于降低时间变异性的影响，更充分地刻画局部多样性，从而提升该方法的整体表现。总体而言，该研究证明，在热带FAD环境中，无论主动过滤还是被动GenoCartridge部署，均可有效用于鱼类群落检测；两者整合不仅增强了实际部署灵活性，也为在物流受限海域建立标准化、多水深、低成本的生物多样性监测体系提供了直接依据。