电子DNA监测与被动声学监测方法在海洋哺乳动物研究中的差异与互补性

《Ecological Informatics》：Divergences and complementarities between eDNA versus passive acoustic marine mammal monitoring

本研究通过整合被动声学与环境DNA（eDNA）技术，评估了地中海海域鲸类物种分布和多样性的监测方法。利用搭载水下听音器的无人机在2019-2020年开展9个月监测，发现被动声学可近实时检测发声物种，而eDNA能覆盖更广时空范围，尤其在低频信号受干扰或物种难以直接观察时表现互补。两者结合的时空聚类分析显示，eDNA与被动声学、目击记录的吻合率达58%，显著高于随机水平（31%）。研究证实eDNA在检测罕见物种（如地中海僧海豹）和追踪洋流扩散DNA方面具有独特优势，为海洋生态系统保护提供了新工具。

　　
### 研究背景与目标
海洋哺乳动物作为海洋生态系统健康的重要指标，其种群监测对于应对气候变化和人类活动干扰至关重要。地中海作为全球海洋哺乳动物多样性最高的区域之一，长期面临航运污染、渔业过度开发等威胁。传统监测手段如被动声学（通过记录鲸类发声进行追踪）和目视观测存在局限性：声学受环境噪声和水文条件影响较大，难以捕捉低频信号或非发声物种；目视观测依赖天气和船只位置，覆盖范围有限。因此，探索多模态监测技术（如声学与环境DNA结合）成为提升监测效率和精度的关键。

### 研究方法
本研究通过2019年9月至2020年5月的“Sphyrna Odyssey”项目，首次尝试在大型无人船（ALV）上同步部署声学监测与eDNA采样技术，以实现地中海海洋哺乳动物的立体化监测。具体方法如下：
1. **被动声学系统**：
- 使用两艘无人船（Sphyrna 55和70）搭载高精度水下声呐阵列（每艘配备5个水下听音器，采样频率256 kHz）。
- 声呐系统可覆盖半径数海里的范围，通过深度校正（-2米处布置主听音器）减少水流干扰。
- 结合AI模型（DOCC10）自动识别声波信号，包括抹香鲸（Pm）的宽频信号、海豚科的高频点击声等。

2. **环境DNA（eDNA）技术**：
- 在无人船漂移路径上采集表层海水样本（每10公里取1个样本），通过过滤和核酸提取技术检测DNA片段。
- 采用 nested PCR 技术结合特异性引物（如检测僧帽海豹的Mon-Dir/Rev引物对），通过qPCR实时扩增验证物种存在。
- 针对地中海特有物种（如长须鲸、宽吻海豚）设计引物，并通过熔解曲线分析排除引物二聚体等干扰。

3. **多模态数据整合**：
- 声学数据与eDNA检测结果按空间网格（40海里×20海里）和时间窗口（每日漂移轨迹）进行时空对齐。
- 通过“Leg Box”分析框架（将研究区域划分为5个动态网格），量化两种方法的空间一致性（AS值58%，显著高于随机匹配的31%）。

### 核心发现
1. **物种覆盖差异**：
- 声学检测到抹香鲸（Pm）、宽吻海豚（Gm）、灰鲸（Zc）、虎鲸（Tt）和瓶鼻海豚（Sc/Dd合并检测）。
- eDNA额外检测到地中海僧帽海豹（Mm）和蓝鲸（Bp），其中僧帽海豹的DNA溯源显示其活动范围可能扩展至受COVID-19封锁影响的沿岸区域。

2. **空间分布互补性**：
- **浅海区域（<1海里）**：eDNA检测到瓶鼻海豚（Sc）和宽吻海豚（Dd），但声学受低频噪声干扰（如波浪声）未能有效监测。
- **大陆坡与海沟区域（1-12海里）**：声学检测到抹香鲸（Pm）和灰鲸（Gm）的发声活动，而eDNA在漂移路径下游检测到更多物种（如Bp、Zc），显示洋流（如Ligurian Current）对DNA扩散的促进作用。
- **深海平原（>12海里）**：eDNA检测到蓝鲸（Bp）和虎鲸（Tt），而声学因信号衰减难以覆盖该区域。

3. **技术局限性分析**：
- **声学系统**：
- 低频信号（如蓝鲸）受海况影响显著，在风速>3级时检测率下降50%。
- 海豚科（Sc/Dd）的声学信号重叠，误判率达40%。
- **eDNA技术**：
- DNA降解率与海水温度正相关（>20℃时降解速度提升2倍）。
- 引物特异性不足导致15%的检测存在跨物种假阳性（如Sc与短鳍海豚Dc）。

### 创新性与应用价值
1. **技术整合突破**：
- 首次在无人船平台实现声学、eDNA和目视观测的同步采集（图6）。
- 通过动态网格（Leg Boxes）分析，发现eDNA对僧帽海豹的监测灵敏度比传统方法高3倍（AS值40% vs 15%）。

2. **生态保护启示**：
- 在 Pelagos 遗产保护区，eDNA detected 92% of声学盲区（如大陆坡下2000米处的抹香鲸栖息地）。
- 提出“双阶段监测”策略：先用eDNA划定关键区域（如洋流交汇处），再用声学进行定点追踪，可将监测成本降低40%。

3. **方法优化方向**：
- 引物设计：针对地中海特有物种（如Mm）开发双特异性引物，降低跨物种扩增风险。
- 采样密度：在洋流通道（如Ligurian Current）增加采样频率（从每海里1次提升至3次）。
- 数据融合：将声学定位精度（±500米）与eDNA扩散模型（洋流速度0.4m/s）结合，实现个体追踪（误差<1海里）。

### 结论
本研究证实，声学监测与eDNA技术通过互补优势可显著提升海洋哺乳动物监测能力：
- **空间覆盖**：eDNA可检测声学盲区（如深海），声学可捕捉即时行为（如繁殖期的鸣叫）。
- **物种识别**：eDNA对非发声物种（如僧帽海豹）和低频发声物种（如蓝鲸）的检测率提升至75%-85%。
- **成本效益**：无人船平台使单位面积监测成本从$500/海里降至$200/海里，适合大尺度生态研究。

未来可扩展至北大西洋和南极海域，结合卫星遥感数据构建全球海洋哺乳动物动态监测网络。建议在Pelagos保护区试点“声学-EDNA”联合巡逻，通过实时数据分析动态调整保护措施（如设置声学屏障保护幼崽）。