如何应对工业化活动带来的环境污染和生态退化问题，是21世纪人类社会可持续发展共同面临的挑战。建立科学的水生生物多样性监测和生态健康评价方法体系，对保护水生态系统的生物完整性和生态服务功能有重要意义和价值。没有监测，一切无从谈起。利用环境DNA（eDNA）监测生物多样性及其活动是21世纪生态环境领域中最重要的技术进步之一。本书系统地介绍了近年来南京大学生态毒理与健康风险研究团队在环境DNA生物监测与水生态健康评估方面的研究成果。本书共12章，分别从生物监测基础理论、环境DNA生物监测技术、环境DNA生物评价等方面进行系统介绍。
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丛书序
前言
第1章 绪论 1
1.1 生态环境变化与生物多样性危机 1
1.2 生物监测的需求与现有技术瓶颈 1
1.3 环境基因组学的发展 3
1.4 环境DNA开辟生态毒理学研究新时代 4
1.4.1 评估化学物质生态安全的环境DNA技术策略 5
1.4.2 环境DNA技术在生态毒理学研究和风险评估中的应用前景 6
1.4.3 挑战与机遇 8
1.5 环境DNA监测水生态系统变化与健康状况 9
1.5.1 环境DNA生物监测技术的原理及应用 10
1.5.2 跨学科合作潜在机遇 14
1.6 环境DNA揭示流域空间网络中完全的生物多样性结构 16
1.6.1 为什么要改进生物多样性数据？ 16
1.6.2 河流网络 18
1.6.3 完全生物多样性 19
1.6.4 环境DNA评估生物多样性 21
1.6.5 河流独特的空间网络结构需要特定的工具 23
1.6.6 未来的挑战和路线图 23
参考文献 25
第2章 水生态系统生物监测基础理论 27
2.1 水生态系统与生物多样性 27
2.1.1 水生态系统 27
2.1.2 水生生物多样性 27
2.1.3 水生态系统服务与功能 28
2.1.4 环境压力和生物多样性丢失 29
2.2 生物多样性形成的理论 31
2.2.1 生态位理论 31
2.2.2 中性理论 32
2.2.3 复合群落理论 32
2.2.4 复合生态系统理论 33
2.3 生物多样性与生态系统功能 34
2.3.1 生物多样性与生态系统功能关系 34
2.3.2 生物多样性影响生态系统功能 36
2.3.3 生物多样性影响生态系统稳定性 37
2.4 生物多样性测度 37
2.4.1 目标物种监测 37
2.4.2 物种丰富度 38
2.4.3 多样性指数 39
2.4.4 系统发育与功能多样性 40
2.4.5 生态相互作用网络 40
2.5 水生生物监测方法 42
2.5.1 水生生物类群 42
2.5.2 生物监测技术 44
2.6 水生生物评价 45
2.6.1 国内外水环境质量监测发展历程 45
2.6.2 生物监测与生态环境质量评价 47
2.6.3 传统的生物评价指数 48
2.6.4 新型的环境DNA生物指数 50
参考文献 57
第3章 环境DNA技术 61
3.1 环境DNA技术原理 61
3.1.1 环境DNA来源 61
3.1.2 DNA条形码 61
3.1.3 非个体DNA的全生命过程 63
3.2 基于环境DNA的生物监测 64
3.2.1 实验设计 64
3.2.2 环境DNA的采集 69
3.2.3 环境DNA的提取 72
3.2.4 靶向监测 73
3.2.5 群落监测 77
3.2.6 环境DNA技术的质量控制 84
参考文献 90
第4章 浮游动物群落监测 92
4.1 引物选择对浮游动物多样性监测的影响 92
4.1.1 不同宏条形码引物对OTUs多样性的影响 93
4.1.2 不同引物检出浮游动物种类差异 94
4.1.3 不同引物对浮游动物多样性的影响 95
4.1.4 不同引物表征浮游动物的季节差异 98
4.2 枝角类浮游动物生物量监测 98
4.2.1 环境DNA宏条形码通用引物和qPCR物种特异性引物设计和选择 98
4.2.2 qPCR物种定量标准方法构建 101
4.2.3 验证环境DNA宏条形码方法定量物种相对丰度 102
4.2.4 环境DNA宏条形码与qPCR物种定量结果的比较 102
参考文献 103
第5章 浮游植物群落 105
5.1 环境DNA宏条形码监测浮游植物的技术规范和精准性 105
5.1.1 环境DNA宏条形码监测浮游植物方法的规范 105
5.1.2 环境DNA宏条形码监测浮游植物的精准性 107
5.2 环境DNA宏条形码监测高原湖泊真核浮游植物多样性 109
5.2.1 环境DNA宏条形码监测滇池和抚仙湖真核浮游植物组成 109
5.2.2 环境DNA宏条形码和传统形态学监测结果的一致性 109
5.2.3 环境DNA宏条形码揭示生物多样性的空间差异 111
5.3 环境DNA宏条形码揭示长江、太湖等水体连通生态环境效应 113
5.3.1 河湖连通对浮游植物群落空间分布格局的影响 114
5.3.2 环境DNA宏条形码技术特点 117
5.4 小结 120
参考文献 121
第6章 底栖动物群落 123
6.1 太湖本土底栖动物DNA条形码数据库构建 123
6.1.1 公共数据库比对 123
6.1.2 遗传距离分析 125
6.1.3 系统发育树构建 126
6.2 环境DNA宏条形码监测太湖底栖动物多样性 128
6.2.1 底栖动物多样性监测结果 129
6.2.2 底栖动物多样性监测结果与形态学方法的比对 131
6.3 环境DNA宏条形码评价太湖底栖动物完整性状态 134
6.3.1 底栖动物完整性指数计算 134
6.3.2 底栖动物完整性空间格局 137
参考文献 141
第7章 鱼类群落环境DNA监测 142
7.1 淡水鱼类环境DNA调查 143
7.1.1 研究背景 143
7.1.2 滤膜和采水深度对鱼类环境DNA监测的影响 144
7.1.3 不同引物对鱼类环境DNA监测的影响 144
7.1.4 环境DNA和传统调查检出鱼类种类异同 146
7.1.5 环境DNA和传统监测的鱼类多样性指数比较 148
7.1.6 环境DNA和传统监测的效率和成本对比 148
7.2 河口与海洋鱼类环境DNA监测 150
7.2.1 研究背景 150
7.2.2 河口与海洋鱼类环境DNA监测结果与人类活动影响评价 152
7.3 环境DNA鱼类监测发展趋势 157
参考文献 159
第8章 两栖动物群落 161
8.1 两栖动物宏条形码监测引物设计与评估 161
8.1.1 用于筛选的引物信息 162
8.1.2 不同引物扩增效果的计算分析 163
8.1.3 不同引物扩增效果的实验验证 166
8.1.4 不同引物扩增效果评估 170
8.1.5 实际应用中的引物选择 171
8.2 环境DNA宏条形码监测两栖动物的准确性 171
8.2.1 各个物种的相对丰度变化 172
8.2.2 物种相对丰度与生物量的相关关系 173
8.3 小结 175
参考文献 176
第9章 海洋多营养级水生生物群落 177
9.1 从细菌到海洋哺乳动物的生物多样性监测 177
9.2 多营养级生物群落分布格局 179
9.3 多营养级生物群落的生物相互作用网络 180
9.4 解析造成生物群落分布格局的生态过程 181
参考文献 183
第10章 微宇宙试验评估毒害污染物生态群落效应 185
10.1 Cu2+对生物膜群落效应的微宇宙试验 185
10.2 生物膜中藻类群落的分类和丰度信息 186
10.3 Cu2+对海水生物膜中藻类群落的效应 189
10.3.1 敏感型与耐受型藻类类群在Cu2+的作用下发生显著改变 189
10.3.2 铜改变生物膜藻类群落的组成、功能和稳定性 189
10.3.3 藻类OTUs数据比传统单物种毒性测试数据更加敏感 192
参考文献 195
第11章 流域尺度下污染物环境基准与水生态健康状况评价 197
11.1 基于野外浮游动物群落效应推导太湖流域氨氮环境基准 197
11.1.1 太湖流域浮游动物群落监测 198
11.1.2 太湖流域关键环境胁迫因子甄别 200
11.1.3 基于敏感浮游动物推导太湖流域氨氮环境基准 204
11.2 基于浮游动物群落环境DNA评估水生态健康状况 207
11.2.1 多季节浮游动物采样及分析方法 209
11.2.2 浮游动物宏条形码的太湖水生态健康评价 212
参考文献 219
第12章 人类活动驱动的流域生物多样性分布格局 223
12.1 流域多群落时空格局 223
12.1.1 沙颍河流域微型水生群落组成 224
12.1.2 环境要素特征分析 224
12.1.3 物种多样性及优势分类单元时空变化 227
12.1.4 多营养级生物群落结构的景观驱动因素 227
12.1.5 讨论与小结 231
12.2 流域生态网络结构及稳定性评估 231
12.2.1 多样性数据分析 232
12.2.2 多营养级群落α和β多样性时空变化 233
12.2.3 人类活动简化多营养级群落生态网络 235
12.2.4 人类活动诱导的多营养级群落稳定性变化 236
12.2.5 讨论与小结 236
12.3 流域生物多样性与生态系统功能关系 238
12.3.1 多样性指数 238
12.3.2 生态系统功能 240
12.3.3 数据统计分析 241
12.3.4 多方面生物多样性驱动因素 241
12.3.5 生物多样性与生态系统功能依赖性 242
12.3.6 生物多样性与生态系统功能的调控路径 243
12.3.7 讨论与小结 244
12.4 流域多指标、多层次生态完整性评价 245
12.4.1 多维度生态质量评价方法 247
12.4.2 数据统计分析 248
12.4.3 多维度生态质量评价结果 249
12.4.4 讨论与小结 255
参考文献 255
附录 常用引物表 257
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