什么是环境DNA？一杯水读懂海洋生物

什么是环境DNA（eDNA）——生物留在水中的「痕迹」

寄宿在黏液、鳞片、排泄物中的DNA片段

生物在水中会不断释放出自身的一部分。鱼类的黏液、鳞片、排泄物、卵，乃至尸体的碎片中，都含有该个体特有的DNA。这些漂浮在水中的微量DNA片段的总和，就是「环境DNA」。只需用滤网过滤数升水，扩增并解读留在滤纸上的DNA，就能在不亲眼看到、不捕捉任何生物的情况下，确认该水域「曾经存在过什么」。无论海水还是淡水都可以使用这一方法，从河流源头到外海沿岸，都能用同一种手段横向调查，这也是该技术的一大优势。

为什么「不捕捉」也能知道物种

分析方法大致分为两种。一种是只针对特定1个物种进行调查的「物种特异性检测法」，另一种是一次性读取水中多个物种DNA的「宏条形码分析（综合分析）」。前者利用实时PCR测定目标物种的DNA浓度，能够高灵敏度地判断稀有物种或外来物种是否存在。后者则用MiFish等专用引物扩增DNA片段，通过新一代测序仪（NGS）大量读取，并与已知的鱼类DNA数据库进行比对，从而列出该水域生活的整个鱼类群落。

不会对生物造成伤害的优势

捕捞调查、刺网作业、潜水目视调查，或多或少都会给生态系统带来负担——落网的个体可能死亡，稀有物种也可能被误伤。而环境DNA调查只需采集水样即可完成，完全不接触生物本体，也不会扰乱其栖息环境。这种非侵入性的特点，正是其一大优势，即使调查濒危物种或产卵期的种群也可以放心使用。

环境DNA分解速度惊人

不过，环境DNA并不会无限期地留存在水中。龙谷大学等机构的研究团队通过蓝鳃太阳鱼的饲养实验发现，在20℃条件下，环境DNA浓度减半所需时间仅为6.7小时（Maruyama et al., 2014, PLOS ONE）。也就是说，检测到的DNA是「该地点近期曾有生物存在」这一事实的新鲜证据。

对象不仅限于鱼类

「环境DNA」这个名称容易让人误以为是专门针对鱼类的技术，但实际可检测的对象要广泛得多。只要设计相应的引物，甲壳类、贝类、两栖类、海藻、浮游生物，乃至儒艮、江豚等海洋哺乳动物都能成为调查对象。本文中介绍的濑户内蝾螈与儒艮的案例，都是因为开发了专用引物才得以实现的调查。

「被质疑的发现」——环境DNA调查的黎明

2008年，来自法国的一篇论文

环境DNA这一构想传播到全世界的转折点，是2008年法国研究者菲切托拉（Ficetola）等人发表的论文。他们证明，仅通过分析池塘水就能判断外来物种牛蛙是否存在。对于此前只能依靠捕捞或目视调查的水生生物研究领域而言，这是全新选择诞生的瞬间。利用生物DNA推测种群存在的构想，自20世纪80年代起就已见于部分研究，但以如此实用的形式将其应用于野生水生生物调查，据称这篇论文尚属首次。

2011年，日本生态学会上的冷淡反应

在日本最早关注这一方法的，是神户大学的源利文。2011年3月，他在日本生态学会上发表了关于环境DNA的报告，却几乎无人问津。当时生物学界的常识认为，细胞外的DNA会迅速分解，没有人相信水中会漂浮着足以检测到的DNA量。此后，源利文与龙谷大学的山中裕树、千叶县立中央博物馆的宫正树、东北大学的牧野渡、北海道大学的荒木仁志、岛根大学的高原辉彦等日本国内研究者展开合作，一举推动了该方法的确立与应用。短短几年间，这项曾被质疑的技术，就转变为被国家项目和地方政府例行调查广泛采纳的主流调查手段。

正是因为有PCR这一基础技术

支撑环境DNA检测的，是将微量DNA扩增数百万倍的「PCR（聚合酶链式反应）」技术。这原本是医疗现场用于病原体检测、亲子鉴定等领域的成熟技术，但正因为它能将环境中极其微量的生物DNA片段扩增到可检测的水平，环境DNA调查才得以成立。因传染病检测而广为人知的PCR技术，如今也在生物多样性调查这一完全不同的领域中发挥着幕后作用。

在神户里山发现的稀有蝾螈

即便如此，源利文仍持续开展调查，最终在神户市北区小河地区，仅凭环境DNA分析就发现了列入红色名录的濑户内蝾螈的栖息地。这一成果证明，仅凭采水就能确认难以捕获的稀有物种的存在，作为一个具体案例，推动了此后相关研究的进一步扩展。

日本发明的MiFish法——整体检测鱼类的利器

宫正树与「MiFish」引物的开发

要一次性检测出多种鱼类，关键在于「引物」——一种瞄准目标扩增区域的短DNA片段。千叶县立中央博物馆的宫正树团队开发出一种专用引物，能够扩增所有鱼类共有的保守区域之间变异较大的区段，并以自己的姓氏命名为「MiFish」。2015年该成果发表后，迅速在国内外研究中普及，与欧美团队开发的同类引物相比，其检测能力毫不逊色，甚至更胜一筹。

在冲绳美丽海水族馆的验证实验

为验证MiFish法的精度，研究团队在冲绳美丽海水族馆选取4个鱼种已知的大型水槽，采水进行分析。结果显示，仅凭环境DNA就能准确检测出93%以上实际饲养的鱼种，证明了该方法的可靠性。这次验证实验，也为后来介绍的冲绳珊瑚礁大规模实地调查铺平了道路。

在冲绳珊瑚礁检测出291种鱼类的世界首例

水槽实验5年后，冲绳美丽岛财团、千叶县立中央博物馆与兵库县立大学的研究团队，在冲绳县本部町备濑礁池（Inoh）的11个地点，仅用11升海水就成功检测出合计291种鱼类。在珊瑚礁这一生物多样性尤为丰富的环境中，采用宏条形码分析法进行调查，这被认为是世界首例。研究表明，该方法能够捕捉到岩缝或沙中隐藏的小型种、夜行性种等潜水调查容易遗漏的物种。

从采水到出结果的流程

采用MiFish法的宏条形码分析，需经过采水后的过滤、DNA提取、PCR扩增、新一代测序仪读取、数据库比对等多道工序。通常需要数周时间才能得到结果，但与需要潜水员在现场停留数日的传统潜水调查相比，现场所需的时间要短得多。这种「现场数分钟、分析数周」的分工模式，正是全国规模调查得以实现的原因。

查看调查指南日本环境省 生物多样性中心「环境DNA调查」公开环境DNA分析技术解说与调查手册的官方页面。🔗 biodic.go.jp

全国528个站点·1,220种——洋流揭示的日本鱼类分布

77个定点观测站与公民志愿者

连接日本各地沿岸、河流、湖泊的环境DNA观测网络，就是「ANEMONE（All Nippon eDNA Monitoring Network，全日本环境DNA监测网）」。该网络于2017年在东北大学近藤伦生等人的主导下启动，由大学、研究机构、地方政府与企业协作，在全国77个站点开展定期观测。此外，由非营利组织地球观察日本（Earthwatch Japan）号召而来的约200名公民志愿者，也在146个地点参与调查，实现了单靠专家难以覆盖的地理广度。自启动以来，ANEMONE累计调查4,298次，检测出885种鱼类，2022年6月观测数据以「ANEMONE DB」的形式公开，成为世界首个免费公开的同类数据库。参与企业也十分多元：日本邮船、近海邮船等航运公司在定期航线上每月协助采集海水样本；宫城县南三陸町等地方政府也出于关注本地海洋变化的目的加入其中。正是这种多元的参与者，支撑起了单靠研究机构难以维系的观测网络的广度与持续性。

528个站点的调查揭示的洋流与鱼类分布关系

更大规模的举措出现在2026年2月：以东北大学、日本海洋研究开发机构下属的变动海洋生态系统高等研究所（WPI-AIMEC）为中心，联合千叶县立中央博物馆、北海道大学、京都大学、神户大学、九州大学、岛根大学、龙谷大学、鹿儿岛大学、Kazusa DNA研究所等多家机构的共同研究成果发表。研究团队从日本全国528个沿岸站点采集环境DNA，结果显示，在短期调查中就查明了1,220种鱼类的分布，约占已知日本产鱼类的44%。部分站点最多检测出118个物种，站点之间物种数的差异，揭示出黑潮、对马暖流等洋流对鱼类分布有着重大影响。

查看观测数据库ANEMONE（All Nippon eDNA Monitoring Network）覆盖全国77个站点的环境DNA定点观测网络。免费公开自2017年以来4,298次调查、检测885种的数据。🔗 sites.google.com

地方政府的持续监测——神户市的海域鱼类调查

环境DNA不仅在国家级项目中，也在地方政府层面逐步普及。作为「丰饶之海」再生计划的一环，神户市为确认污水处理厂营养盐管理运行对海域生物多样性的效果，自2020财年起持续开展基于环境DNA的海域鱼类调查。2020财年在22个站点每年调查6次，2022财年起改为每月在11至12个站点调查。检测到的鱼种数分别为：2020财年167种、2022财年200种、2023财年183种、2024财年192种、2025财年165种。能够在相同地点、以相同方法持续多年调查，使得捕捞调查难以实现的连续性监测成为可能。

发现稀有物种、追踪外来物种——eDNA正在改变调查现场

仅凭「存在」即可确认的稀有物种调查

濒危物种个体数量稀少，捕捞调查往往因找不到个体而被误判为「不存在」。而环境DNA只要能检测到微量DNA，就能提示该物种存在的可能性，因此非常适合用于确认或重新发现稀有物种。

冲绳正在推进的儒艮环境DNA调查

栖息在冲绳近海的濒危物种儒艮，由于个体数量极少，目视确认十分困难。研究团队开发了专门检测儒艮DNA的PCR引物组，自2020年起尝试直接从冲绳岛周边海水中检测儒艮DNA，但由于儒艮DNA含量极其微量且容易分解，截至目前尚未能从海水中直接检测成功。另一方面，2022年7月，在名护市久志沿岸发现的儒艮粪便经分析后检测出了DNA，这是冲绳县的调查首次在大浦湾周边海域确认到儒艮的踪迹。这一案例说明，对于个体数量稀少的大型海洋哺乳动物而言，粪便、食痕等「浓缩」样本，往往比海水本身更有利于检测。

追踪黑鲈在全国31个都府县的扩散路径

大口黑鲈（黑鲈）是原产于北美的肉食性鱼类，在日本被指定为特定外来生物，长期以来因捕食本土鱼类和甲壳类、破坏生态平衡而备受关注。准确掌握其分布范围，对制定驱除和防止扩散的对策至关重要，但要在全国范围内开展捕捞调查，需要耗费巨大的人力和时间。此时，环境DNA再次发挥了作用。2026年5月，由大阪大谷大学、国立环境研究所、水产研究·教育机构等8家机构组成的联合研究团队，在从东北地区到中国·四国地区的31个都府县·121个站点采集环境DNA，调查了大口黑鲈、佛罗里达鲈、小口黑鲈这3种黑鲈类的分布情况。结果显示，87个站点检测出至少1种黑鲈类的DNA，各物种呈现出不同的扩散模式。

全国分布数据如何改变对策的优先顺序

这类分布数据，也直接关系到有限预算应优先投向何处的政策判断。若能优先监测和防控尚未确认入侵、或入侵初期阶段的水域，与物种已定殖后再进行大规模驱除相比，能以远低得多的成本遏制其扩散。环境DNA不仅能确认「现在哪里有」，也能用来确认「哪里还没有」，因此在外来物种对策现场备受重视。

用水质检验来确认驱除效果的「后续」

滋贺县水产试验场与龙谷大学的联合研究显示，在验证濑田川河口、洗堰周边针对外来物种斑点叉尾鮰的驱除作业效果时，环境DNA分析比捕捞调查更能高灵敏度地捕捉到个体数量的减少。无需下网，就能确认驱除后数量是否真的减少了，这对预算有限、需要持续开展对策的现场而言，具有重要意义。关于儒艮保护的更多内容，参见儒艮为何成为濒危物种？。

改变海洋生物多样性调查——与潜水、拖网调查的比较

大幅削减人力与成本

潜水目视调查和拖网、刺网等采集调查，需要具备专业知识的潜水员、渔船和人员，还会受天气、水深、能见度等因素制约。相比之下，环境DNA调查只需采水并过滤即可完成，能够在短时间内调查广泛区域，且不会对生物造成伤害。全国528个站点的调查之所以能在短期内完成，正是得益于这种便捷性。若委托民间分析公司进行采水与分析，调查5个站点左右的费用大致在15万至20万日元，与需要安排潜水员的正式生物调查相比，日程安排和天气风险也小得多。

发现深海中未知的栖息地

环境DNA不仅有助于掌握已知生物的分布，也有助于发现新的栖息地。日本海洋研究开发机构（JAMSTEC）曾在骏河湾开展环境DNA分析，结果提示可能存在罕见深海鱼「Yokozuna iwashi」（巨滑头鱼）的未知栖息地，研究员矢吹彬宪等人随后实际投放摄像设备并成功拍摄到该鱼种。在盲目投入潜水器或无人探测器之前，先用环境DNA「锁定大致范围」，能极大影响深海调查所需的成本与时间。

能够检测与无法检测的界限

不过，环境DNA并非万能。它擅长判断「有／无」，但基本无法得知该处有多少个体、年龄结构或体长等信息。此外，DNA浓度会受到水流和稀释程度的影响，不一定能如实反映栖息密度的高低。当近缘物种的DNA序列相似时，物种判别也会变得困难。神户大学等机构的研究也在推进从环境DNA推算个体数量的方法开发，但这一领域仍处于发展阶段。

下一代技术「环境RNA」的前景

龙谷大学山中裕树等人的研究团队，正在关注比环境DNA分解更快的「环境RNA」。由于RNA只能由活细胞持续产生，其寿命比DNA更短，因此可能更敏锐地反映「当下正存活」的个体的存在。生理状态的推算等下一代应用，正在被不断探索。

与传统调查「并用」才是现实的选择

现场的研究者大多将环境DNA定位为潜水调查、拖网调查的「补充」，而非「替代」。先用环境DNA对大范围进行筛查，再将潜水或捕捞调查集中投入到检测出稀有物种或外来物种反应的地点，这种分阶段的使用方式，能够在预算和人力有限的情况下实现高精度监测。全国528个站点的调查以及神户市的持续监测，都延续了这种「先用环境DNA锁定范围」的思路。

走向世界的eDNA——从五大湖鲤鱼对策看应用前景

威胁美国五大湖的亚洲鲤鱼

环境DNA的应用并不局限于日本。在美国，环境DNA在监测「亚洲鲤鱼」——即从密西西比河流域北上、威胁入侵五大湖的鲢鱼、鳙鱼等外来鱼类——方面发挥了核心作用。五大湖渔业估计每年创造约70亿美元的经济活动，人们担忧，一旦食欲旺盛、繁殖力强的亚洲鲤鱼在此定殖，可能导致本土鱼类锐减、渔获量骤降。尽早掌握入侵前线究竟推进到何处，是对策成败的关键。

自2009年持续至今的大规模采样

美国陆军工兵部队（USACE）、鱼类及野生动物管理局（USFWS）、地质调查局（USGS）自2009年起，主要在芝加哥水道网络及伊利湖西部盆地，累计采集了2,822份水样，持续监测亚洲鲤鱼的入侵前线。2016年，以提高精度、削减成本为目标的为期3年的校准研究（ECALS）也宣告完成，推动了该方法的标准化。

由2008年那篇论文引发的连锁反应

美国的这一举措，追根溯源，同样源自2008年那篇法国论文。研究者之间共享了这篇论文，并将其应用于监测威胁本土物种的外来鱼类这一迫在眉睫的课题，使环境DNA一举获得了作为实用技术的认可。日本与美国各自独立发展起来的研究，如今已发展为相互参考方法的关系。国际学术期刊《Environmental DNA》上，日美欧的研究成果如今并列刊载，这种一项发现跨越国界催生下一项应用的良性循环，在这15年间确实培育了起来。

eDNA调查面临的课题与未来

污染（Contamination）风险

由于处理的是微量DNA，采水器具混用或样本混淆导致的污染（contamination），可能左右检测结果。为防止器具重复使用或空气中灰尘造成的混入，调查现场普遍采用一次性器具，并严格执行标准化的操作流程。

物种特异性检测与宏条形码分析的区分使用

究竟是想高灵敏度地调查某一目标物种，还是想全面掌握该水域的整个鱼类群落，会决定应选择哪种分析方法。根据目的选择合适的方法，并通过多次采样加以验证，是减少误检、漏检的关键。

数据库与标准化的必要性

要将检测到的DNA序列转换为物种名称，离不开涵盖已知生物DNA序列的参考数据库。未收录于数据库中的物种，即使检测到也「无法确定具体物种名」，因此，充实国内外的序列登记、推进采样与分析方法的标准化，被认为是今后的重要课题。环境DNA学会等专业团体，正通过完善调查与实验手册来应对这一课题。

如何保证公民采集数据的可靠性

在ANEMONE这类由公民志愿者负责采水的调查中，与完全由专业研究者进行的调查相比，操作步骤更容易出现差异。为此，统一采水器具、发放配有照片的操作说明、安排多人在同一地点采水以相互核对结果等做法，被用来努力将数据质量维持在一定水准。如何在扩大公民科学参与广度的同时，兼顾数据的科学可靠性，是这一领域持续面对的课题。

国际标准ISO 17805:2026的制定

标准化的动向并不局限于日本国内。欧盟为配合《水框架指令》（Water Framework Directive，用于评估河流、湖泊生态系统状况）的执行力度强化，于2026年发布了规定环境DNA采水方法的国际标准「ISO 17805:2026（水质——环境DNA采样方法）」。其目的在于，将此前因研究机构不同而存在差异的采水器具处理、污染防控等操作流程在国际上统一起来，使不同国家、不同机构采集的数据更易于比较。日本研究者积累的知识经验，也正逐渐被纳入这一国际标准化的讨论之中。

查看学会活动一般社团法人 环境DNA学会推进调查·实验手册完善与标准化的日本国内学术团体。🔗 ednasociety.org

我们能做些什么——作为公民科学的eDNA

仅靠研究机构还不够，需要更多「眼睛」

日本海岸线长约3.5万公里，仅凭研究者和研究预算，几乎不可能持续对全境进行定期调查。只有当每一位普通市民在自家附近的水域采水，并日积月累地持续下去，全国规模的连续性监测才能真正实现。环境DNA之所以能成为「任何人都能参与的调查」，很大程度上得益于这项技术本身的特性——即便没有接受过专业的物种鉴定训练，只要按照正确的步骤采水，就能提供足够质量的数据。

任何人都能参与的水域调查

如同ANEMONE一样，即便不是专家，也能以采水的形式参与调查的机制正在不断扩展。非营利组织地球观察日本（Earthwatch Japan）提出了2022财年50个站点、2023财年100个站点的公民参与调查计划等目标，公民科学的参与基础也在逐年扩大。关于日本各地兴起的公民参与型生物调查，详见什么是公民科学？任何人都能参与的生物调查及数据的使用方式。

用「一桶水」观察身边的河流与海洋

从自家附近的河流或海岸舀起的一桶水，或许就能告诉我们那里生活着哪些鱼类、稀有物种，乃至外来物种。关于海洋外来物种问题的全貌，可参考海洋外来物种从何而来？压舱水与紫贻贝、蟹类带来的威胁与对策。

采水套件与分析流程

在公民参与型调查中，通常会预先分发经过灭菌处理的采水瓶和滤器，参与者在指定地点采水、过滤后，将样本冷藏或冷冻，寄送至研究机构。参与者无需自行操作专业的实验器材，只要遵循正确的采水方法，从小学生到成年人都能参与其中。收集到的样本会在大学或分析公司的实验室中进行DNA提取与分析，数周到数月后，结果便会反映到数据库中。