無需目擊、不用追蹤，對著空氣采個樣，就能監測到朱鹮的蹤跡——這不是科幻場景，而是我國將環境DNA技術應用于朱鹮監測的突破性實踐。這項由陜西省環境監測中心站牽頭的研究團隊首次應用的環境介質監測法，為今后朱鹮乃至其他瀕危物種的精準、高效監測提供了新思路。

有“東方寶石”之譽的朱鹮，是濕地生態系統健康的“活體指標”。經過多年保護，朱鹮種群數量逐漸恢復，但精準監測其分布范圍仍面臨挑戰。傳統人工監測方法受限于人力物力，難以實現大范圍、高頻率監測，且易受環境因素干擾。如今，陜西省環境監測中心站牽頭的研究團隊，通過創新應用環境DNA靶向監測技術，成功突破了這一瓶頸。

該技術通過采集空氣等環境樣本，提取朱鹮殘留物DNA，實現精準監測，降低人力消耗，提升監測效率和準確性。經過近兩年的觀測與實踐，研究團隊初步摸清了朱鹮在陜西省重點區域的分布及活動情況，為朱鹮的保護和管理提供了科學依據。

朱鹮。趙納勛攝

“鹮”過留痕，從空氣中無接觸“捕捉”其身影

天氣轉暖，位于秦嶺南麓的陜西省漢中市洋縣變得熱鬧起來。金黃的油菜花海，吸引游人無數。

郭通是咸陽市環境監測站的一名監測人員，這次和搭檔前往洋縣，他們的目的是尋找朱鹮。不過他們不是用肉眼尋找，而是通過采集空氣來尋找朱鹮。

“當朱鹮從空中飛過時，會產生糞便、組織和羽毛碎片等，這些空氣顆粒物上邊存有朱鹮殘留物，我們采集的就是這些細小的顆粒物。”郭通邊尋找合適的采樣地，邊向記者介紹。

這種無接觸，從采集的空氣樣品中提取、分析朱鹮DNA的技術，就叫環境DNA技術。經過勘探，郭通將目光鎖定在了位于洋縣磨子橋鎮張左村附近一處平坦的漢江河灘上，這是朱鹮喜愛的覓食區。

“鹮”過留痕，但由于受空氣的流動性、時間等因素影響，它的殘留物會變得非常稀少，所以當郭通和搭檔在采集空氣樣品時，必須全程滿足“代表性、科學性、準確性”三項標準。將采樣地點選在視野開闊的河灘，正是這個緣由。他們在采樣時，會穿上試驗服并戴上口罩和手套，這是為了減少采樣時人體殘留物飄散在空氣中，對采樣造成干擾。

監測人員使用采樣器捕集朱鹮在空氣中的殘留物。張博攝

在將方形輪廓的空氣環境DNA采樣器固定在大約一人高的三腳架后，郭通拿起酒精噴壺，熟練地對著外觀像金屬罐的采樣頭進行消毒。隨后，他用鑷子小心翼翼夾起一張比瓶蓋大點的白色濾膜，放在消過毒的采樣頭里。

“這樣可以清除上次采樣的殘留物質，保證這次采樣的有效性。當空氣進入內置泵體的采樣機后，濾膜會抽濾空氣，富集其中微小的顆粒物。”擰緊采樣頭的蓋子后，郭通快速將它安裝在了空氣環境DNA采樣器上。

開機，設置采樣流量30升每分鐘，定時5小時。確認儀器正常運行后，郭通的神情才稍顯放松。計時結束后，他用鑷子小心取出采樣濾膜。盡管這時的濾膜看起來并無變化，但其實上邊已吸附很多可能包含朱鹮殘留物的細小顆粒物。

將其向內對折后，放入采樣管，以減少運輸途中顛簸造成的殘留物損耗。標記好采樣信息后，樣品隨即進入運輸環節。

靶向技術監測，精準“嗅”出朱鹮基因

在刑事偵查案件中，警察破案常用的一個手段是在案發現場尋找指紋。通過將采集到的指紋與指紋信息數據庫中的指紋進行對比，從而鎖定犯罪嫌疑人。利用環境DNA技術監測朱鹮，也是同樣的原理。要想對采集回來的朱鹮樣品進行分析，前提必須建立朱鹮基因庫，也就是給朱鹮錄入“指紋”。

2023年，由陜西省環境監測中心站牽頭的研究團隊前往朱鹮國家級自然保護區與秦嶺野生動物園，收集野生朱鹮的環境樣品和自然脫落的羽毛、糞便，從中提取、檢測DNA。通過二次測序技術獲得樣品中的朱鹮DNA序列，建立朱鹮基因庫，為設計朱鹮特異性擴增引物打下基礎。

朱鹮“帶娃”。田寧朝攝

“這個羽毛就是當時我們采集的比較好的一個樣本，它的尾管較粗，采集朱鹮的殘留物也會較多，更利于我們做DNA提取。”看著裝在透明袋子里來之不易的朱鹮羽毛，參與朱鹮基因庫建立的陜西省環境監測中心站范懿蕾博士很是高興。

目前，該團隊已成功收錄超過三個城市的朱鹮基因組數據，涵蓋不同年齡、性別和地理種群。為后續環境DNA的精準對比提供了“黃金標準”。

當朱鹮環境樣品被送至位于咸陽市的陜西省環境DNA生物監測實驗室，實驗人員確認樣品無誤后，便開始對樣品進行破碎、研磨、裂解與純化，以提取樣品中的朱鹮DNA，并完成質量檢測。

由于空氣中朱鹮的殘留物非常稀少，甚至可能還混雜著包括人類與其他鳥類殘留物在內的干擾物，那么如何從微量且“魚龍混雜”的樣品里有針對性地檢測出朱鹮DNA？這就要提到研究團隊開發的基于DNA分子的朱鹮靶向qPCR監測技術體系。

“這一技術是突破微量檢測瓶頸的關鍵。我們此次開發的朱鹮qPCR監測方法，靈敏度非常高，環境中哪怕僅有1個DNA分子都能被檢測到。qPCR監測體系是基于朱鹮特異性引物，擴增環境樣品中的朱鹮DNA，實時監測擴增曲線，并推算原始DNA濃度。”咸陽市環境監測站分析測試中心副主任張翠榮介紹，這項技術使野外難以計數的朱鹮數量轉化為可量化數據。

要知道一條河里有多少魚，環境DNA技術靠一個水樣就能知道。不過這時需要對水樣里的DNA進行無差別擴增，而qPCR技術則不同，它是有針對性地擴增樣品中的朱鹮DNA。這類似“磁鐵”作用，能根據朱鹮的特異性精準“吸”出其DNA進行擴增。這正是陜西省突破環境DNA技術的關鍵所在。

有了qPCR技術幫助，實驗人員在收到可能包含朱鹮信息的環境樣本后，不到5個小時即可完成環境DNA全流程分析。

2024年，通過在多個放飛基地所在的流域開展朱鹮環境DNA監測，該團隊發現朱鹮開始向引種基地上下游擴散。

“通過此次監測，我們發現朱鹮目前在陜西省不僅局限于漢中市，通過引種、野化放飛等方式，已在800公里以外的榆林市引種基地的上下游有所發現。”陜西省環境監測中心站副站長高艷芬介紹，這表明陜西省一直大力推進的朱鹮野化放飛工作取得顯著成效。并且，榆林市無定河放飛區域朱鹮殘留物監測濃度最高，啟發我們未來可以著重采集濕地保護區內的環境樣品。

對比水、空氣、土壤全環境介質監測，空氣采樣效率最高

將環境DNA技術引入朱鹮種群監測，在全國來說尚屬首次。沒有可遵循的先例，也沒有可借鑒的經驗。哪種監測方式最有效？陜西省決定對朱鹮生活過的水、空氣、土壤開展全環境介質監測。

在采樣點位選擇上，研究團隊根據功能分區，將繁殖區、覓食區、遷徙停歇點按照3:5:2的比例分布，沿同一流域每5公里布設一個點位，監測擴散路徑。監測點遠離人類活動和工業污染區域。

空氣樣品采集依托空氣環境DNA采樣器，自動抽取過濾空氣，將可能包含朱鹮殘留物的細小顆粒物富集在采樣濾膜上。水體樣品采集原理類似，采樣人員依托水環境DNA過濾儀搭配一體化富集器，采集不少于15升的江水或者河水，從中過濾、富集可能包含朱鹮信息的DNA殘留物。

土壤樣品的采集有所區別，采樣人員根據不同土質搭配不同形狀的鉆頭，選取一平方米左右的樣地，將其平均劃分成九宮格，分別鉆取樣方四角和中間五個子樣方的土樣，最后得到大約50克土壤樣品。

圖為生態環境監測人員用鉆頭采集土樣，進而捕集朱鹮在濕地的殘留物。張博攝

“2024年，我們團隊在榆林、銅川、漢中三市的主要河流邊共設置22個采樣點位，同時采集可能包含朱鹮殘留物的水、空氣、土壤樣本。可喜的是，成功從21個點位檢出朱鹮DNA。”范懿蕾博士說。

不僅如此，研究團隊還利用不同環境介質之間的檢測結果相互印證，不但提高了監測準確性，而且率先確認了大型珍禽鳥類最適宜的監測介質為空氣環境DNA。

范懿蕾說：“從上次監測結果來看，以無定河為例，我們從空氣樣品中檢出的朱鹮DNA濃度約為每微升37個DNA序列片段，土壤樣品約為每微升7個DNA序列片段，水樣每微升不到1個DNA序列片段。綜合多次監測結果來看，從空氣樣品中檢出朱鹮DNA的有效率最高，水樣有效率最低。”

為何空氣樣品中朱鹮的DNA濃度最高？研究團隊分析發現，朱鹮作為一種涉禽，不會長時間在水中停留，且其個體數量通常不多，因而水體樣品富集后檢測濃度較低。土壤采樣位置固定，面積受限大，難以進行大范圍采樣，即使從一個樣方得到朱鹮DNA信息，也具有偶然性。

空氣樣品則不同。“它的優點在于，可以大量、長時間、大范圍地富集樣品，富集時間越長，濾膜上附著顆粒物就越多，捕捉到朱鹮DNA的概率就越大。所以，空氣是目前最適宜監測朱鹮的一種環境介質。”陜西省環境監測中心站生態質量監測室副主任羅儀寧解釋。

多元監測相互彌補，實現瀕危物種監測精準高效

在20世紀80年代，全世界僅存7只野生朱鹮。經過40多年拯救與保護，如今朱鹮的種群數量突破萬只，成為世界瀕危物種成功拯救案例。朱鹮種群數量變多，分布范圍擴大，對監測工作提出了新要求。

在朱鹮保護工作中，對幼鳥動態監測及朱鹮重點棲息地的監測，歷來是重中之重。來自陜西漢中朱鹮國家級自然保護區的巡護員回憶，當朱鹮數量極少時，朱鹮飛到哪里他們的巡護工作就跟到哪里，野外巡護監測以摩托車為主，外配一副望遠鏡。

科技革新為朱鹮保護注入新動能。以主流的GPS衛星定位器為例，它突破了時空限制，可實時獲取朱鹮個體位置、活動軌跡及擴散路徑，且覆蓋范圍廣，支持全天候監測。一次佩戴，可持續監測2-3年，能夠定時接收朱鹮活動數據，有效克服人工監測易受干擾的缺點。

然而，這項技術仍存在應用瓶頸。陜西師范大學生命科學學院于曉平教授，是朱鹮保護與研究方面的資深專家，他介紹：“目前朱鹮跟蹤器的佩戴方式主要有兩種，一種是腿負式。因為朱鹮腿較短，所以在覓食時跟蹤器易被水淹沒，會影響信號接收，也易損壞。另一種是背負式，雖然信號容易接收，然而綁定跟蹤器的帶子松緊程度難以把握，可能導致朱鹮被樹枝等異物懸掛受傷。”

此外，選擇性地安裝、使用壽命、后期服務費用等因素，都制約著GPS定位器作用的發揮。

研究人員利用環境DNA技術監測放飛后的朱鹮，繪制了其基因濃度分布圖。受訪單位供圖

而環境DNA技術實現了朱鹮監測“從無形到有形”的轉變，為朱鹮監測體系的完善提供了新方案。

羅儀寧解釋：“對于環境DNA技術來說，即使朱鹮沒有直接出現，也能通過它在水體、土壤或空氣中的殘留DNA捕捉到朱鹮分布證據。也恰恰因為這種特性，環境DNA技術格外適用于珍稀瀕危物種的靶向監測，我們可以在不驚擾、破壞目標物種生存環境的情況下開展監測工作。”

羅儀寧介紹，在這一技術開發之際，團隊就錄入了朱鹮近緣物種的DNA信息，使得能成功區分朱鹮的近緣物種，達到靶向定量監測，從而避免人力監測因視線不清、認知水平差異等因素，將其他外觀相似的近緣鳥類誤認成朱鹮。

在張翠榮看來，環境DNA技術的魅力也在于“無中生有”。“這項技術就是在看不到的地方找到存在過的證據，環境DNA技術好比是監測工作的‘CT機’，除了朱鹮，它還能幫助我們監測到其他珍稀瀕危物種。”

面對監測手段的多元化，于曉平教授強調協同使用的重要性：“傳統人工監測、GPS追蹤定位監測、環境DNA技術各有所長，三者可以結合使用，相互彌補，共同服務朱鹮種群精準、高效監測。”

據監測站工作人員介紹，當前，這項技術可做到朱鹮的半定量監測，即一個地方有沒有朱鹮，測到的濃度是多少。今后，隨著監測技術完善、監測區域擴大、監測周期變長，它有望做到朱鹮的絕對定量監測，即一個地方有哪些朱鹮種群、它們的親緣關系是什么、棲息地環境如何、生活得怎么樣等。

這套融合前沿科技的保護方式，不僅為朱鹮種群可持續發展提供技術支撐，更為包括朱鹮在內的其他瀕危物種拯救與保護貢獻“陜西方案”。

來源：中國環境報

陜西省生態環境廳舉辦“4·15”全民國家安全教育日核安全宣傳教育陜西主場活動

4.22世界地球日丨用行動書寫與地球的浪漫約定~

生態視角丨捕風捉“鹮” 解碼空氣里的DNA密碼