해양 환경의 현장 모니터링을 위한 소형 자동 eDNA 샘플러

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5210(2023) 이 기사 인용

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환경 DNA(eDNA)를 사용하여 수생 환경의 생물 다양성을 모니터링하는 것은 시각적 및 청각적 식별과 같은 다른 방법에 대한 효율적이고 비용 효과적인 대안이 되고 있습니다. 최근까지 eDNA 샘플링은 주로 수동 샘플링 방법을 통해 수행되었습니다. 그러나 기술이 발전함에 따라 샘플링을 더 쉽고 쉽게 수행할 수 있도록 자동 샘플러가 개발되고 있습니다. 이 문서에서는 한 사람이 배포할 수 있는 단일 장치 내에서 자가 세척, 다중 샘플 캡처 및 보존이 가능한 새로운 eDNA 샘플러에 대해 설명합니다. 이 샘플러의 첫 번째 현장 테스트는 전형적인 Niskin 병 수집 및 수집 후 여과 방법을 사용하여 채취한 병렬 샘플과 함께 캐나다 노바스코샤의 Bedford Basin에서 진행되었습니다. 두 방법 모두 동일한 수생 미생물 군집을 포착할 수 있었고 대표적인 DNA 서열의 개수는 0.71~0.93 범위의 R\(^{2}\) 값을 갖는 방법 간에 잘 상관관계가 있었습니다. 두 가지 수집 방법은 거의 동일하고 상대적으로 풍부한 동일한 상위 10개 과를 반환했으며, 이는 샘플러가 Niskin과 동일한 공통 미생물 군집 구성을 포착할 수 있음을 보여줍니다. 제시된 eDNA 샘플러는 수동 샘플링 방법에 대한 강력한 대안을 제공하고 자율 차량 페이로드 제약을 준수하며 원격 및 접근 불가능한 사이트에 대한 지속적인 모니터링을 용이하게 합니다.

수생 환경에서 인간 활동이 증가하면서 저산소증, 해양 산성화, 영양분 부하 증가로 인한 부영양화와 같은 문제를 일으키는 인위적 영향에 대한 우려가 제기되었습니다1. 이러한 영향은 껍질과 골격이 산성화에 의해 영향을 받을 수 있는 석회화 해양 생물과 같은 특정 유기체의 성장을 방해할 수 있으며2 인간 경제는 물론 어류에 해를 끼치는 유해 녹조(HAB)를 유발하는 생물을 포함한 다른 종의 성장을 촉진할 수 있습니다. 4. 이러한 변화와 그에 따른 영향의 기간은 몇 시간에서 몇 년까지 다양할 수 있으며, 각 생태계는 고유하기 때문에 변경 사항을 추적하기 어려울 수 있으며, 변경 사항을 적절하게 평가하려면 시간을 두고 현장 관찰을 해야 합니다.

생물학적 모니터링 프로그램은 전통적으로 관심 있는 주요 분류학적 그룹을 수동으로 식별하는 데 중점을 두었습니다. 그러나 이러한 프로그램은 시간이 많이 걸릴 수 있으며 분류학적 식별에 대한 특별 교육이 필요할 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 DNA 서열 분석 비용이 감소하고 핵산 데이터베이스의 규모가 증가함에 따라 환경 DNA(eDNA)가 생물학적 모니터링 프로그램에서 생물 다양성의 대리자로 점점 더 많이 사용되고 있습니다5. eDNA 모니터링에는 환경에 존재하는 모든 DNA를 연구하는 작업이 포함되며6 이는 비침습적이며 민감한 DNA 추출부터 독특한 바코드 서열 검출까지 빠르게 발전하는 분석 방법을 사용하여 미생물군과 후생동물에 널리 적용할 수 있으므로 여러 면에서 유리합니다7. 식물성 플랑크톤과 죽은 유기물의 생지화학적 순환에 의한 일차 생산에서 eDNA의 역할이 중요하다는 점을 고려할 때 eDNA가 미생물 다양성을 연구하는 데 있어 가치가 있음을 입증한 수많은 연구가 있습니다. 예를 들어, 양식 환경에서 미생물군의 생물 모니터링은 환경 교란에 대한 신속한 미생물 반응을 감지하고 지속 가능한 양식 산업을 위한 관리 전략을 평가하는 데 eDNA의 유용성을 입증했습니다8,9,10. 또한 점점 더 많은 연구에서 eDNA가 어류 생물 다양성의 환경 모니터링11, 해양 포유류 추적12 및 보존 생물학의 기타 측면13에서 수행할 중요한 역할을 입증했습니다.

eDNA 샘플링을 위한 현재 방법은 Niskin 병이나 유사한 장비를 사용하여 샘플을 수집한 후 별도의 여과 및 보존 단계를 수행하고 종종 연동 펌프와 냉동고를 각각 사용하는 등 노동 집약적인 경우가 많습니다. eDNA 샘플링 및 분석의 수동 구성 요소는 원격 설정이나 정기적인 샘플을 채취해야 하는 설정에서의 사용을 제한하며, 프로세스를 수행하려면 숙련된 개인이 필요합니다. eDNA 방법의 적용 가능성을 더욱 까다로운 문제로 확장하려면 자동화된 샘플링 장비 개발을 포함한 자동화가 필요합니다. 최근 개발된 샘플러는 단일 필터 시스템부터 보다 복잡한 다중 필터 시스템까지 다양하며, 각 필터 시스템은 배포 기간, 최대 깊이 등급, 사용된 화학 물질/방부제와 같은 매개변수가 다릅니다. 현재 시판 중인 eDNA 샘플러와 연구용 프로토타입의 대표적인 목록이 표 1에 요약되어 있습니다.