《Environmental DNA》：Temperature Exposure and Collection Substrate Choice Govern Post-Capture Persistence of Airborne eDNA
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空气环境DNA（eDNA）为陆地生物多样性监测提供了一种强大的非侵入性方法。然而，其更广泛的应用受到对eDNA整个生命周期DNA持续性理解有限的制约，该生命周期包括生物脱落、环境传输、捕获效率和捕获后衰减。尽管水域和土壤研究为eDNA降解过程提供了有价值的见解
空气环境DNA（eDNA）为陆地生物多样性监测提供了一种强大的非侵入性方法。然而，其更广泛的应用受到对eDNA整个生命周期DNA持续性理解有限的制约，该生命周期包括生物脱落、环境传输、捕获效率和捕获后衰减。尽管水域和土壤研究为eDNA降解过程提供了有价值的见解，但空气eDNA带来了独特的挑战，并且为了准确解释信号，仍有必要分离出单个生命周期阶段。研究人员聚焦于一个关键且尚未充分探索的阶段：采集后DNA在收集基质上的持续性。通过一项为期180天的受控实验室试验，研究人员量化了环境暴露和材料选择如何影响捕获后的DNA信号保留。使用标准化的脊椎动物DNA源替代物（猪肉粉），研究人员评估了七种候选收集材料，包括五种干基质和两种液体介质，这些材料暴露于两种温度条件（23°C和40°C）和三种光照暴露水平。通过直接将DNA应用于基质，研究人员将捕获后DNA衰减与空气传输和捕获效率的变异性解耦。研究人员使用指数衰减函数对DNA信号损失进行建模，结果揭示温度是所有材料捕获后降解的主要驱动因素。在测试的低紫外线（UV）辐射下，光照暴露没有可测量的影响。DNA在捕获后的最初两周内衰减最快，且衰减常数（k）在不同基质间差异很大。干基质在较长时间内保持DNA的能力与阳性对照相当，而液体介质则表现出加速的信号损失和更高的聚合酶链式反应（PCR）抑制。配对统计比较证实了材料间在持续性和抑制方面存在显著差异。这些结果共同表明，收集基质的选择强烈地塑造了捕获后空气eDNA信号的稳定性及下游分析性能。通过量化材料和温度依赖的衰减轨迹，本研究为选择采样基质和确定部署时长提供了实证指导，支持在陆地生物多样性监测中更可靠地解释空气eDNA检测结果。
本研究旨在解决空气环境DNA（eDNA）监测中关于捕获后DNA信号在收集基质上持续性的关键知识缺口。目前，尽管空气eDNA在陆地生物多样性监测中前景广阔，但对其生命周期的多个阶段——包括捕获后阶段——的DNA持久性影响因素了解有限。环境变量如温度、湿度、紫外辐射等对水体和土壤中DNA降解的影响已有研究，但其对空气eDNA，特别是对采样过程不同阶段的影响尚未系统研究。同时，收集基质的属性可能影响DNA的初始捕获及后续的保留与回收，但很少有研究在受控环境暴露下评估材料性能并解耦捕获效率与捕获后持续性。这一知识缺口对空气eDNA监测项目的设计具有实际影响，尤其是在被动收集方法下，捕获的材料直接暴露于环境胁迫（如紫外线辐射和热）可能加速捕获后DNA降解。部署时长因此成为一个关键的设计变量，但目前在空气eDNA研究中，它通常由物流限制而非基于证据的阈值来决定。
研究人员开展了一项为期180天的受控实验室试验，以量化环境暴露和基质材料选择对DNA信号保留的影响。研究使用了一种标准化的脊椎动物DNA源替代物（猪肉粉，购自澳大利亚国家计量研究所），代表单一物种来源的细胞结合型脊椎动物DNA。试验评估了七种候选收集材料，包括两种液体介质（裂解缓冲液Buffer ATL和10%食品级丙二醇）和五种干基质（商用熔炉过滤器、裸活性炭布、氧化锌涂层活性炭布、静电纺丝纳米纤维膜、添加壳聚糖的静电纺丝纳米纤维膜）。试验设置了两种温度条件（23°C和40°C）以及三种光照暴露水平（全暴露、部分暴露、完全排除）。通过直接将DNA悬液滴加至基质，研究人员将捕获后DNA衰减与空气传输及捕获效率的变异性解耦。研究人员使用指数衰减函数对DNA信号损失进行建模，并使用基于合成G-Block参考构建体的掺入实验来评估样本提取物中的PCR抑制程度。研究还包括对照组，如仅含DNA悬液无基质的阳性提取对照。统计分析包括拟合单相指数衰减模型、进行组间抑制值比较、以及使用Wilcoxon符号秩检验对材料间DNA拷贝数（Cp）进行配对比较。
研究的主要结果包括：在所有基质中，温度是驱动捕获后DNA降解的最主要因素，40°C条件下的衰减速率显著高于23°C；光照暴露在测试的低UV辐射水平下对DNA衰减无显著影响；DNA信号在捕获后的最初两周内衰减最快；干基质（尤其是商用熔炉过滤器和静电纺丝纳米纤维膜）的DNA信号保持能力与阳性对照相当，在整个180天试验期内信号大多高于检测限（LOD）；液体介质（Buffer ATL和丙二醇）以及活性炭布（ACC）则表现出更快的DNA信号损失和/或更高的PCR抑制，其中丙二醇引起超过50%的扩增效率降低，氧化锌涂层ACC将抑制提高到约40%。研究结论是，收集基质的选择强烈影响捕获后空气eDNA信号的稳定性和下游分析性能。本研究为根据部署条件和所需部署时长选择合适的收集材料提供了实证依据，有助于提高空气eDNA检测在陆地生物多样性监测中的可靠性。
在引言部分，研究人员指出，空气eDNA代表了陆地生物多样性监测的一个前沿领域，通过捕获生物气溶胶，具有从单一样本源检测广泛分类群生物的潜力。然而，许多影响空气eDNA检测效果的因素仍知之甚少，特别是环境条件在eDNA生命周期的不同阶段如何影响检测结果。其中一个关键知识缺口是关于捕获后DNA在收集基质上的持续性。被动收集方法及捕获材料直接暴露于环境胁迫可能加速捕获后DNA降解，而部署时长作为关键设计变量，目前在研究中常受物流限制而非证据驱动，这限制了具有明确时间分辨率的监测协议设计能力。为此，研究人员评估了七种候选采集基质在受控环境暴露下的捕获后DNA持续性。
在方法部分，研究人员详细描述了空气eDNA源替代物的制备、七种采集基质的选型与制备（包括商用熔炉过滤器、裸活性炭布、氧化锌涂层活性炭布、静电纺丝纳米纤维膜及添加壳聚糖的变体）、测试样本的制备与处理流程、培养箱环境条件设置（温度、湿度、光照）、样本暴露与DNA提取方法、定量PCR（qPCR）扩增方案、用于评估PCR抑制的掺入测试以及统计分析方法。研究使用猪肉粉作为标准化脊椎动物DNA源，通过qPCR定量检测猪β-肌动蛋白（ACTB）基因座来追踪DNA信号。
在结果部分，首先报告了环境条件和检测性能：培养箱内环境稳定，qPCR检测性能可靠。接着分析了无采集介质的基线DNA衰减：阳性提取对照显示DNA信号随时间下降，单相指数衰减模型显示23°C下k=0.0111，40°C下k=0.0994，衰减在最初两周最快。然后评估了基质对DNA持续性的影响：七种基质的DNA信号均随时间下降，但速率不同。干基质（如熔炉过滤器、静电纺丝膜）的衰减常数与阳性对照相近，且在整个试验期内信号大多高于LOD；液体介质和活性炭布则衰减更快，信号较早低于LOD。配对统计检验显示材料间存在显著差异。最后评估了样本抑制：熔炉过滤器和静电纺丝膜抑制极小（<1%），活性炭布（约18%）和Buffer ATL（约7%）存在中度抑制，氧化锌涂层活性炭布抑制升高至约40%，丙二醇抑制最强（>50%）。
在讨论部分，研究人员总结指出：本研究揭示了材料选择对捕获后空气eDNA信号持续性和可检测性的关键作用。温度是捕获后DNA信号损失的主要驱动因素，高温加速降解。光照暴露在本测试条件下未显示影响，但需注意测试UV辐射水平远低于自然阳光。干基质（特别是商用熔炉过滤器和静电纺丝纳米纤维膜）在捕获后DNA稳定性和下游检测兼容性方面表现优异，适合长期部署或延迟样本回收。液体介质和活性炭布（尤其经氧化锌涂层）则损害了捕获后DNA保留并引入抑制，不适合需要长期信号保留的场合。研究强调了区分捕获效率与捕获后持续性的重要性，并指出本研究聚焦于单一脊椎动物DNA源，未来需扩展至更多类型的DNA源。总之，本研究为选择收集材料、定义部署时长以及改进空气eDNA检测时间分辨率的推断提供了实用指南，是迈向标准化、可扩展且适应野外条件的陆地生物多样性评估方法的关键一步。
