水下采样器

不用撒网捕捞，只需要从水中采集一些DNA，就能分析出一片水域中存在哪些生物，这就是环境DNA（eDNA）监测技术。如果说，eDNA技术像“生物侦探”一样不断探索着大自然的秘密。那么，eDNA采样器则是助力“侦探”发现生物奥秘的最佳拍档。2024年春天，中国科学院水生生物研究所何舜平研究员团队联合北京大学姚蒙副研究员在《中国科学：生命科学（SCIENCECHINA Life Sciences）》杂志上发表文章，当中提到了一款外形酷似“农药喷雾机”的最新eDNA采样设备，该设备经过东湖实证研究，检测到了隶属于16个科、36个属的共51种鱼类。这次研究不仅验证了eDNA技术在实际监测中的应用效果，也为生态监测领域提供了新的视角和工具。eDNA实现“雁过有痕”任何生物存在过后，都会留下专属的痕迹。只需从海中舀一杯水，从土壤中挖一抔土，从沉积物中分离一管淤泥等等，科学家们就能知道有哪些物种曾在附近出没，这得益于一种强大的工具——eDNA技术（环境DNA）。何舜平解释道，“这意味着我们不用找到生物本身就能检测到它的DNA。”具体来说，eDNA就是指从环境样品（如空气、土壤、水体、沉积物等）中提取的所有不同生物的DNA，其来源广泛，包括生物体的体液、粪便、脱落的皮肤或毛发等。它的发展最早可以追溯至1987年，1990年出现了第一项使用这个技术的工作，研究人员使用eDNA分析了海水样品中的微生物DNA。2010年前后，随着eDNA宏条形码技术的发展，eDNA开始广泛应用到水生生物的监测中。eDNA具有高灵敏度，能够检测到即使是极少量的DNA片段，从而揭示那些难以直接观察到的生物种类，如稀有或隐秘物种。为了让科研人员无需直接对生物体进行干扰就能实现有效的生物多样性监测，eDNA成为了最好的选择之一。然而，要想充分发挥eDNA技术的优势，高效的采样方法同样不可或缺。回忆起以往的物种采样经历，何舜平感叹，“过去，eDNA的研究可谓步履维艰。我们通常需要从河中采集近一吨的水量运回实验室，再经过繁琐的过滤过程，才能对DNA进行测量。”此外，传统的物种鉴定需要仔细的肉眼观察、形态比对、经验判断等。稍有不慎，就会出错。中国科学院水生生物研究所研究员何舜平。图源：受访者攻坚克难：勇闯马里亚纳海沟为打破传统生物监测技术的桎梏，何舜平带领科研团队研发出了最新的eDNA采样设备——Tri-Mode eDNA Sampler（三模式eDNA采样器），该设备从带回水、带回过滤器和带回数据这三个层次提高了自动化程度，不仅减少了现场人员的劳动负担，也降低了对操作人员的专业要求。他表示，“eDNA采样器目前在环境科学里面算是一个很基础的工具，作为未来环境评估的一个标准方式，它的需求也将日益增长。而我们的仪器，正是填补了这一领域的空白。”这样一台自动化设备的诞生，还要追溯到何舜平勇闯马里亚纳海沟的经历。他回忆道，“2019年，我们跟随‘探索一号’科考船前往马里亚纳海沟，在‘奋斗者’号全海深载人潜水器的帮助下，我们得以潜入水下4000米的海山地区。当时的科考条件非常艰苦，我们在下潜时经常遇到巨浪和大风，一次下潜要在水里泡10个小时左右。”当然，高付出也意味着高回报，这次考察不仅让何舜平收集到大量珍贵的深海鱼类标本，更为他提供了探索全新物种采样方式的灵感。在深海里采样，最直接的采样方式就是拿桶把水装上来。而何舜平想到了另一个方式：直接在水下过滤！照着这个思路，何舜平团队精心设计出一种带有过滤性能的带棒装置。这款设备外形酷似农药喷雾机，一端背负在背上，另一端则伸入水中。何舜平介绍道，“研究人员只需操作设备过滤一吨水，其中的DNA便会被吸附到一张膜上。我们只需将这张滤膜冷冻保存并运送回实验室，既方便，又不会影响DNA的完整性。”更值得一提的是，这款设备还具备高度的灵活性和可扩展性。它可以轻松安装在无人船、无人机等平台上，每换一个环境，就能进行一次采样。这样，科研团队能够用更小的体积采到更多的环境DNA，极大地提高了采样的灵活性和效率。三模式eDNA采样器。图源：中国科学院水生生物研究所宏伟蓝图：万种鱼基因组计划尽管现在的eDNA检测技术相比过去已经有了很大的改善，但在检测生物多样性方面还是存在很多问题。一方面，一些物种的基因组里有很多的重复序列和特异结构，往往比较难检测。特别是像蚌壳、螺蛳、牡蛎等水生无脊椎动物，其基因组的复杂性往往需要我们投入大量精力去攻克。此外，参考数据库不全面、专业化程度低的问题也成为eDNA发展的主要瓶颈。为了建立一个涵盖世界各地鱼类的所有目和代表性科的鱼类基因组数据库。2019年，数字化地球研究所-海洋研究中心联合中国科学院水生生物研究所等五家科研机构共同发起了万种鱼基因组计划（简称Fish10K）。Fish10K计划历时10年，分三个阶段，采集一万种左右的代表性鱼类。何舜平表示，目前已经差不多完成了十分之一的目标，3000多种原生动物的基因组和遗传数据已经上传。三模式eDNA采样器及其三种工作模式。图源：受访者另一方面，何舜平团队与多个团队联合建设的水生生物eDNA数据库（AeDNA），旨在实现水生生物的调查、监测、追溯和预警的综合能力。他介绍道，“水生生物环境DNA数据库包括60万条条形码序列和6199份基因组序列，是目前水生生物领域全球数据量最大，群类覆盖最全，准确性最高的数据库之一。”何舜平，博士，中国科学院水生生物研究所研究员，博士生导师，现任中国科学院水生生物多样性与保护重点实验室主任、鱼类系统发育与生物地理学学科组责任研究员。兼任中国动物学会理事，湖北省暨武汉动物学会理事长。长期从事鱼类系统发育、生物地理学、比较基因组学、生物信息学等方面的研究，并在鱼类系统发育等方面取得了多项研究进展。他带领研究团队运用生物技术、网络和数字化技术相结合的手段，提出了鲤科鱼类系统发育新的模式，保持了对鲤形目鱼类系统学研究在世界上的主导地位；基于多组学深入探究了青藏高原和7千米以下深海等极端生境下的鱼类的遗传基础；对脊椎动物从水生向陆生转变进行了深入研究。先后主持和承担了欧盟项目、国家自然科学重点基金、国家杰出青年基金、国家863项目和973专题等重要课题。主导提出“万种鱼基因组计划（Fish 10K)”。在Cell、Nature、Nature Ecology & Evolution、Molecular Biology and Evolution等国际著名期刊发表论文280余篇。参考资料：“农药喷雾机”还能捕捉鱼踪？这台eDNA采样器不简单.封面新闻，2024年4月19日

水质采样器是水质检测领域虽小但很重要的一个品类。在万物互联的背景下，水质采样器是否应该或者说是否能加入物联网的大军呢？北京市格雷斯普科技开发公司从90年代初，一直专注于水质采样器的全产业链研发生产。公司创始人带领课题组于1992年研制出全国产化的自动水质采样器，从公司始创至今近30年来，不断完善产品系列，提高产品稳定性、适用性，经过多年大力投入研发与创新，现已稳定生产目前市场上所有类型的水质采样器。格雷斯普总经理兼创始人赵亚旗先生为我们介绍了物联网背景下水质采样器的发展远景。格雷斯普总经理兼创始人赵亚旗先生“目前整个仪器仪表行业都在从单机化的仪器开始像物联网化的仪器转型，水质采样器也不能例外。除水质采样器仪器之外，我们现在重点推广物联网软件以及采样服务。”赵总一开口就直奔主题。水质采样器的物联网化主要是为了便于用户对大量仪器的使用和管理。如对于一家同时管理上百台水质采样器的运维公司来说，采用格雷斯普的软件，可以实现对仪器的实时监控。首先是仪器的工作状态。如什么时间启动了什么程序，什么时间采集了多少水样，什么时间有人开门取样等。其次是仪器是否需要维修。以前的仪器都是出现故障等被发现后才能报修。物联网化之后，出现故障可以实现仪器自动远程报警，及时发现及时派人维修。最后是仪器的维护情况。如什么时候维修过，由谁完成了什么维修，都可以形成文档，方便后续追踪管理。这些都将大大提高运维效率。客户购买水质采样器的目的是采样，而如果格雷斯普能为用户提供可自证来源的水样，就可以为用户节省大量人力和时间。目前，水质采样器应用很广，如污染源在线监测的超标留样、工业园区污水处理厂费用结算（根据混合样品浓度和流量收取处理费用）、市政管道污染溯源采样、重点流域重点断面采样等。格雷斯普可以为涉及这些应用场景的有关用户提供有轨迹、有定位的指定时间、指定地点的采样服务。格雷斯普的水质采样器目前已在多地被大量使用，其中丹江口购买了格雷斯普几百台水质采样器，并在某次习大大考察中出镜。

为展示厂商技术，中国环境保护产业协会在第十四届环保展上专门举办了&ldquo 展商技术交流会&rdquo ，众多厂商纷纷上台介绍自己的产品和技术。北京格雷斯普科技开发公司是一家专门生产水质采样器的公司，该公司总经理赵亚旗先生为我们介绍了其系列产品和应用。 北京格雷斯普科技开发公司赵亚旗总经理 　　赵亚旗总经理最初的工作单位为北京市科委的新技术应用研究所，1991年接受了研发水质采样器的工作任务，开始了对水质采样器的研究。1994年赵总成立了北京格雷斯普科技开发公司，专注于水质采样器的研发和生产，20年的坚持，只为将水质采样器做到极致。 　　目前，公司已有十几款系列产品，通过了《中国环境保护产品认证证书》、CE认证等，不仅在国内销售，还远销欧洲、埃及、澳大利亚、韩国等国家。 　　新环保法、水十条的颁布让赵总对国内市场充满信心，&ldquo 我国的环保市场将从任务市场、指标市场进入效果时代，环保企业的春天将真正到来，对于有技术实力的公司是一个很大的机遇。我们以前推广产品的时候，有些客户认为主要的是完成任务，数据是否准确并不重要，甚至数据不准确也许更好，相信以后这种情况将越来越少。&rdquo 　　格雷斯普的采样器可以实现定量采样、定时定量采样、定时流量比例采样、循环采样、超标留样、远程控制采样等多种形式的采样。赵总为广大听众介绍了自动采样器在污染源监测市场的应用及解决的问题。 　　污染处理收费确定。新环保法实施以后，我国环保产业从&ldquo 谁污染 谁治理&rdquo 变成&ldquo 谁污染 谁出钱&rdquo ，根据水质水量来计算排污企业和污水处理厂的费用结算和双方的责任逐步受到关注。定时流量比例采样器可以实现按照流量进行比例采样，方便双方采样监测(通常为同一水样一分为二)，确保最终数据被双方认可。 　　超标检查。在线分析仪器对监控工业污染物排放起到了至关重要的作用，但是由于精度问题、仪器可靠性问题等，在线分析仪器的数据还不能作为超标处罚的依据，需要实验室分析的确认。而超标留样采样器与在线分析仪器配套使用，可以实现当在线分析仪器的分析结果超标时，超标留样采样器即启动采样，对水样进行采集保存。监管部门可以在一定时限内取走水样进行实验室分析，确认最后结果。 　　检查偷排漏排。循环采样器可以实现将采集到的水样按照需求排空，并重新采集水样放置于指定的采样器中，并且此控制可以通过电脑或者手机远程控制。对于现在的偷排漏排事件，监管部门可以使用循环采样器随机采取水样进行分析，对监管企业随机抽查，能有效防止企业的偷排漏排。