一种基于环境DNA技术的水生态监测及综合评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于环境DNA技术的水生态监测及综合评价方法，方法步骤如下，收集与整理流域基础资料，进行初勘确定监测点位；提出评价指标进行专项调查,由环境DNA技术进行测定，通过指标公式计算得到准确的评价结果；对各指标分项评价赋分；确定各指标权重计算目标河流水生态评价的最终得分和等级。与现有技术相比较，本发明专利技术综合考虑水生态评价要求与环境DNA技术特点，构建了一套基于环境DNA技术的全新的水生态综合评价方法，既包括与周围环境关系密切的受干扰后反应敏感的生物指标，又包括对环境变化响应较快的理化指标，从多方位进行监测及综合评价，使得应用环境DNA技术进行全面的水生态评价具备可操作性、有效性和可靠性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于环境DNA技术的水生态监测及综合评价方法


[0001]本专利技术涉及生态环境保护
，尤其涉及一种基于环境DNA技术的水生态监测及综合评价方法。

技术介绍

[0002]水生态作为地球生态的最重要的组成部分，可以说是生命万物的源泉，是人类生存重要的自然资源之一。尽管淡水生态系统覆盖不到地球表面积的1％，但却栖息着超过10％的人类所认知的生物，地球上约40％的鱼类和超过30％的脊椎动物生活在淡水生态系统中。然而随着人类社会经济和工业化的发展，淡水生态系统遭到了越来越严重的破坏，导致流域生物多样性下降，淡水生态功能受损。因此，加强水生生物监测和水生态系统的管理对维护生物多样性和生态平衡、推进生态文明建设具有重要意义。各省份生态环境规划中，也明确提出要建立水生态监测评价体系，注重水生态保护。
[0003]常用的水生态评价方法主要是通过监测水环境、水生境、水生生物三个方面的监测指标，然后根据监测结果简要分析评价区域的水生态状况。水环境监测是从水质维度，对水体中各类污染物浓度及变化趋势的监测，从而客观评价水环境质量状况。水生境是流域生态系统必不可少的关键部分，能够为生物的生存和发展提供物质保障和环境基础，流域生境的有效监测评价对流域健康监测有很重要的现实意义。水生生物监测是通过观察水生生物种群、数量、群落组成和结构、生物习性、生长繁殖甚至遗传特性的改变，从生物学的角度对环境污染状况进行监测。优势在于：1)敏感性，指示生物对低浓度的污染物比较灵敏，某些生物甚至可以对微量污染表现出相应的效应；2)稳定性，指示生物的生存环境较为固定，与理化监测手段相比，可以较为方便地在同一区域实现连续监测；3)多样性，水环境中生物种类繁多，可以反映出污染物的拮抗、协同等综合效应，同种生物对不同污染物的反应也不相同；4)长期性，生物监测结果可以将历史累积的污染状况反映出来，对慢性毒性的效应更为明显。因此，精准地监测水生生物是有效评价流域水生态环境质量的前提。
[0004]在目前的水生态监测过程中，各监测指标多选用人工现场取样、检测的方式进行调查。例如浮游生物需要采集水样带回实验室，由专门的分类学技术人员通过显微镜镜检，鱼类更是需要聘用渔民和租赁船只通过网捕、电捕等方式获得调查样本。监测方法具有局限性，首先，调查过程中的人为因素对结果影响大，方法难以标准化，数据误差可能较大；其次，密度比较低的生物群体在现场采样时难以获得，且依据传统监测中的形态学方法鉴定获得的生物群体对从事物种鉴定的人员技术要求很高；最后，现场捕获方式对于鱼类、珍稀濒危物种的影响较大，且部分自然水域已禁止捕捞。以上现场取样、检测的监测方法导致水生态调查需要耗费大量的人力物力，调查周期长，无法满足现阶段常态化监测、快速反应的水生态评价需求。
[0005]随着分子生物学技术的发展，环境DNA技术逐渐被应用到水生态监测中。环境DNA(简称“eDNA”)技术是指从水体中提取环境微生物以及从生物体上脱落下来的活细胞DNA和因生物死亡后细胞破碎而游离出的胞外DNA碎片，对样品进行基因测序，然后对比物种基因
库后得出分析结论，可实现对生态系统各生态类群物种组成和丰度的准确解析，颠覆了传统基于形态学特征进行物种鉴定的监测模式，突破了传统生物监测需要大量人力物力的局限，极大提高了生物监测的效率，对环境的干扰程度小，为水生态监测和评价提供了新的方向。《生态环境监测规划》明确提出鼓励各地开展小流域水生态调查监测，太湖、辽河、海河等流域开展环境DNA监测试点。但是，目前的环境DNA技术仅能做到测定各物种的环境DNA序列数，而环境DNA序列数虽然与物种的生物量具有一定的正相关关系，但环境DNA序列数与生物个体数量的关系不明确，因此该技术无法准确获知水生生物各物种的生物量和个体数量，这些数据是目前计算大部分水生生物多样性评价指标所必需的，这就导致目前水生态评价方法中的部分水生生物指标无法通过环境DNA技术来获取，适用于环境DNA技术的水生态综合评价方法缺失，从而限制了环境DNA技术在水生态评价领域的应用和发展。
[0006]中国专利申请202210074149.9公开了一种水生态系统环境质量综合评价方法。该方法主要包括以下的步骤：综合评分，其具体步骤是，获取以下五个数值：营养盐指数、栖息地质量、浮游植物指数、微生物指数、鱼类指数，然后采用以下的公式进行计算，获得综合得分：综合得分＝(营养盐指数+栖息地质量+浮游植物指数+微生物指数+鱼类指数)/5；将综合评分对应于评价标准进行评价，从而获得水生态系统的环境质量状况。其有益效果在于，筛选了能用于本专利技术方法的五个经过了标准化指标，首次提供了一种全面、综合性的水生态环境质量评价方法，使得通过该方法所获得的结果更加接近水生态环境的真实情况。其不足之处是：1)该专利主要是一种针对传统形态学评价方法的创新，不涉及环境DNA监测方法的评价；2)采用传统人工采样检测的方式去获得监测数据，存在操作复杂、效率低下、调查周期长、对调查人员的专业程度要求较高等问题，无法满足现阶段快速、智慧化水生态监测的需求；3)监测过程中，样本数据来源于传统调查手段捕获的生物个体，且通过分类学人员的知识和经验从形态上鉴别生物种类，人为误差与系统误差造成的准确性较低。
[0007]中国专利申请202110797533.7公开了一种淡水生态系统健康评价方法，该方法，首先基于高通量测序技术，计算分类单元物种数、Shannon
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Wienner多样性指数、污染敏感物种相对丰度、厌氧物种相对丰度和物种网络模块化系数，再通过标准化的参数计算浮游生物完整性指数，并基于计算结果进行评价。其不足之处在于：该专利虽然采用了环境DNA技术进行生物完整性监测，但是该专利技术只针对浮游生物一种类群进行完整性评价，不能客观、真实的反映不同等级的多种生物种群生存时的水生生物状况；并且没有涉及到水资源、水环境和水生境等其它三个层面的评价，生物信息只能反映河流生物类群的状况，而无法全面、准确地指示水生态环境质量的优劣。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的就在于解决上述存在的环境DNA技术监测结果与现有基于形态学评价方法的生物监测指标不匹配，导致适用于环境DNA技术的水生态综合评价方法缺失的问题，提出了一种基于环境DNA技术的水生态监测及综合评价方法。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于环境DNA技术的水生态监测及综合评价方法，方法步骤如下，
[0010]步骤一、收集与整理流域相关的基础资料及基础图件；
[0011]步骤二、对目标河流进行初勘确定监测点位；
[0012]步骤三、根据前期资料收集及现场初勘情况，从水生态系统评价的完整性角度出发，综合考虑水生态评价要求与环境DNA技术特点，提出涵盖水资源、水环境、水生境和水生生物四大方面的评价指标，并对各项目指标进行专项调查,并根据专项调查结果由环境DNA技术进行测定，通过指标公式计算得到准确的评价结果；
[0013]步骤四、对各指标分项评价赋分；
[0014]步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于环境DNA技术的水生态监测及综合评价方法，其特征在于：方法步骤如下，步骤一、收集与整理流域相关的基础资料及基础图件；步骤二、对目标河流进行初勘确定监测点位；步骤三、根据前期资料收集及现场初勘情况，从水生态系统评价的完整性角度出发，综合考虑水生态评价要求与环境DNA技术特点，提出涵盖水资源、水环境、水生境和水生生物四大方面的评价指标，并对各项目指标进行专项调查,并根据专项调查结果由环境DNA技术进行测定，通过指标公式计算得到准确的评价结果；步骤四、对各指标分项评价赋分；步骤五、确定各指标权重，根据各指标评价结果，计算目标河流水生态评价的最终得分和等级。2.根据权利要求1所述的一种基于环境DNA技术的水生态监测及综合评价方法，其特征在于：步骤二中，将监测区域内河流水文特征、生境状况、水环境质量、生物群落特征差异明显的区域分为不同的河段，在不同河段根据点位设置原则确定监测点位。3.根据权利要求1所述的一种基于环境DNA技术的水生态监测及综合评价方法，其特征在于：步骤三中，所述评价指标为水资源
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生态流量/水位满足程度、水环境
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水质优劣程度、水生境
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生境状况指数、水生生物
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鱼类保有指数、重点保护物种保有指数、鱼类优势科偏离度指数、外来入侵物种指数、底栖动物BMWP指数、底栖动物Hilsenhoff指数、香农
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维纳Shannon
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Wiener多样性指数和均匀度指数。4.根据权利要求3所述的一种基于环境DNA技术的水生态监测及综合评价方法，其特征在于：对水资源、水环境、水生境和水生生物各项指标进行专项调查的方法为，A.水资源
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生态流量/水位满足程度搜集目标河流各评价江段已有水文监测站历年的水文数据，或者在选定的水生态监测点位，临近水域的岸边位置安装立杆式水文自动监测设备，选择液位、流速、流量、雨量共4项水文指标进行自动实时监测；B.水环境
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水质优劣程度结合已有水质监测站点或者在监测点位安装水质自动监测站，选择常规五参数、高锰酸盐指数、氨氮、总磷及总氮水质指标进行自动实时监测，采取单因子评价法评价监测断面水质类别，计算各水质类别河长占目标河流总长的比例表征水质优劣程度；C.水生境
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生境状况指数现场对目标河流各评价河段采用调查、测量、航飞和遥感影像解译方式，获取岸坡的底质类别、栖境复杂性、流速/深度结合特性、河岸稳定性、河道变化、河水水量状况、河岸带植被覆盖率、水质状况、人类活动强度、河岸土地利用类型生境状况指数；D.水生生物
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指标Ⅰ、现场采样根据实际情况在监测断面建设环境DNA自动采样站或者人工手动采集环境DNA样品，采样完成后将样本寄往分子实验室进行检测；Ⅱ、实验室检测将采集的样品进行DNA提取、PCR扩增、文库构建和高通量测序,高通量测序数据分析流程包括测序数据质量控制、样本序列分析、重复序列去除、序列聚类、序列注释以及OTUs表
格生成，相关的原始数据和生物信息学分析结论都将包含在最终提交的水生生物检测报告中；Ⅲ、结果获取根据分子实验室对环境DNA样品的检测报告，获取监测水域的水生生物物种组成、优势种类以及该水域各物种的相对丰度。5.根据权利要求4所述的一种基于环境DNA技术的水生态监测及综合评价方法，其特征在于：所述水生境
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生境状况指数的具体调查方法为，底质类别采用现场调查的方式，根据河道情况，划定取样点，在样点取样，描述记录底质类别及其出现比例；栖境复杂性采用实地调查和航飞影像解译相结合的方法，调查河岸带两侧栖境，栖境按类别分水生植被、枯枝落叶、倒木、倒凹河岸和各种小栖境；流速/深度结合特性通过实地调查、现场测量记录慢
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深、慢
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浅、快
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深和快
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浅4种类型的有无及相对比例；河岸稳定性通过现场调查、遥感解译、无人机侦测方式，获得河岸长度、侵蚀程度和侵蚀长度计算河岸侵蚀比例；河道变化根据河道规划结合现场调查，描述记录河道是否河渠化，根据河渠范围判断对生物是否有影响；河水水量状况通过现场测量河水淹没到河岸两侧河道高度比例，若不同采用平均值；河岸带植被覆盖率，通过实地调查和航飞影像解译相结合的方法，调查河岸带两侧外扩15米范围内的植被面积、总面积以及植物种类、植被类型以及植被相关特征并计算岸坡植物覆盖率；水质状况，从感官角度出发，观察记录水体颜色、气味、表面漂浮物、表层油污、水体悬浮物特征；人类活动强度，现场调查，调查区域及周边人类干扰或人类活动，行人、车辆是否通行；河岸土地利用类型，通过现场调查、无人机河道巡查、遥感解译方式，调查区域及周边河岸两侧用地类型及耕作土壤和建设用地的面积比例。6.根据权利要求3所述的一种基于环境DNA技术的水生态监测及综合评价方法，其特征在于：指标的计算公式如下，a....

【专利技术属性】
技术研发人员：高洋，孙洪飞，韩诚，杜壮，于苗，罗琼，王炳文，王绪森，殷运超，
申请(专利权)人：惠信环境发展有限公司，
类型：发明
国别省市：