Wie die DNA-Analyse unserer Flüsse und Seen neue Geheimnisse über ihre Artenvielfalt enthüllen kann

Süßwasserökosysteme sind das Lebenselixier der Natur, doch sie befinden sich in einer stillen Krise. Ein Bericht des World Wide Fund for Nature aus dem Jahr 2022 kam zu dem Schluss, dass die weltweiten Süßwasserwirbeltierpopulationen seit 1970 um erstaunliche 83 % zurückgegangen sind, eine Rate, die weitaus größer ist als in jedem anderen Lebensraum.

Das Ausmaß der Naturzerstörung ist alarmierend, doch Ökosysteme sind komplex, ebenso wie die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten. Die Geschichte ist daher oft nuancierter.

Unsere Forschung zeigt, wie die Analyse der Umwelt-DNA (eDNA) – der DNA, die Organismen im Leben und im Tod hinterlassen – die Geheimnisse enthüllen könnte, die in Süßwasserbächen, Flüssen und Seen verborgen sind. Dies lässt auf eine effektivere Überwachung dieser lebenswichtigen Ökosysteme hoffen.

Während Fische und Vögel normalerweise die Aufmerksamkeit auf sich ziehen, ist die Artenvielfalt im Süßwasser eine verborgene Metropole voller weniger bekannter Bewohner. Mit bloßem Auge sichtbare Makrowirbellose wie Eintagsfliegen und Mücken spielen eine entscheidende Rolle für die Gesundheit des Ökosystems. Sie werden seit Jahrzehnten überwacht und können uns einen repräsentativeren Überblick darüber geben, wie Süßwasserlebensräume auf menschliche Belastungen reagieren.

Verschiedene Regionen der Welt sind auch unterschiedlich stark von menschlichen Aktivitäten bedroht. In ganz Europa beispielsweise kam es im letzten Jahrhundert zu erheblichen Verbesserungen der Flusswasserqualität, die vor allem auf bessere Abwasserentsorgung, Deindustrialisierung und bessere Regulierung zurückzuführen sind, was zu einer Erholung der Artenvielfalt bei Makrowirbellosen führte.

Aber diese gute Nachricht hat ihre Grenzen. Seit 2010 stagnieren die Verbesserungen der Süßwasserbiodiversität. Unterdessen werden alte Umweltbelastungen durch neue Belastungen ersetzt, die vom Klimawandel bis hin zu neuen Schadstoffen reichen, die aus veralteten Abwassersystemen freigesetzt werden.

Das Verständnis der Gesundheit von Süßwasserökosystemen war wohl noch nie so wichtig. Um dies wirksam zu erreichen, ist eine umfassende Überwachung der vorhandenen Arten erforderlich. Dies ist nur durch die Integration neuer Techniken, einschließlich der Analyse von eDNA, die aus verschiedenen Quellen wie Fäkalien, Schleim und Gewebestücken stammen kann, mit herkömmlichen Überwachungsprogrammen möglich.

Aktuelle Methoden zur Überwachung der Biodiversität

Die aktuelle Überwachung der Süßwasserbiodiversität konzentriert sich zumeist auf eine relativ kleine Gruppe von Tieren: Fische und Makrowirbellose.

Fische werden normalerweise durch „Elektrofischen“ überwacht, bei dem ein elektrischer Strom durch das Wasser geleitet wird und die Fische vorübergehend betäubt. Alle Fische, die an die Oberfläche kommen, werden identifiziert und gezählt.

Makrowirbellose Tiere werden größtenteils mithilfe von „Netzproben“ gesammelt, bei denen eine Person in einem Fluss steht, das Sediment anhebt und dann alles, was flussabwärts schwimmt, in einem Netz fängt.

Beide Methoden haben Einschränkungen. Beim Elektrofischen kann es aufgrund der Unterschiede in der Leitfähigkeit zwischen den Flüssen schwierig sein, einen konstanten Strom zwischen den Proben aufrechtzuerhalten. Größere Fische reagieren außerdem empfindlicher auf Erschütterungen, so dass es möglich ist, kleinere Fische zu übersehen, was zu Voreingenommenheit führen kann.

Bei der Netzprobenahme können bestimmte Flusssubstrate eine bessere Leistung erbringen, während einige Arten besser darin sind, dem Netz auszuweichen oder durch das Netz zu schlüpfen.

Bei beiden Methoden sind einige Websites möglicherweise überhaupt nicht zugänglich. Die Standardisierung zwischen Standorten kann schwierig sein, sodass die Ergebnisse möglicherweise von der Erfahrung des Probenehmers abhängen. Auch diese Ansätze sind zeitaufwändig, mühsam und vor allem destruktiv.

Umwelt-DNA

Andererseits kann eDNA aus einer Wasserprobe gefiltert, aus dem Filter extrahiert, auf die interessierende taxonomische Gruppe analysiert und dann in einem Prozess namens „Metabakodierung“ sequenziert werden. Dadurch können wir die Ergebnisse mit einer Datenbank abgleichen und so den Organismus identifizieren, von dem die DNA stammt.

Die Verwendung von eDNA bietet viele Vorteile. Die Arbeit lässt sich leicht standardisieren und automatisieren. Die Probenentnahme ist einfach und erfordert kein Fachwissen, sodass Bürgerwissenschaftler daran teilnehmen können. Es kann ein viel größeres Spektrum an Organismen identifiziert werden, darunter eine Vielzahl kleinerer Organismen. Und vor allem stört es die Umwelt nicht.

Die eDNA-Analyse ist jedoch nicht ohne Einschränkungen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, bei denen einzelne Fische gezählt werden, kann die eDNA einen Junglachs nicht von einem erwachsenen Zuchtlachs unterscheiden. Es fehlen auch die umfangreichen Datensätze über Jahrzehnte, die mit traditionellen Analysemethoden erstellt wurden. Dies kann es schwierig machen, eDNA-Ergebnisse als Grundlage für aktuelle Naturschutzrichtlinien zu verwenden.

Es besteht auch die Sorge, dass man in Flüssen lediglich eDNA von Organismen erkennt, die mehrere Kilometer flussaufwärts transportiert werden, wodurch man nicht verstehen kann, woher im gesamten Wassereinzugsgebiet eines Flusses ein Signal kommt. Dies würde eDNA zu einem schlechten Instrument zum Verständnis des Wandels der biologischen Vielfalt machen.

Unsere aktuelle Studie zeigt jedoch, dass dies nicht der Fall ist. Wir haben im Laufe eines Jahres 798 Wasserproben an 14 Standorten und 19 Zeitpunkten im Fluss Conwy in Nordwales gesammelt. Wir haben auch Proben aus Flüssen in England, der Schweiz und den Vereinigten Staaten genommen. Unsere Forschung zeigt, dass DNA, die von verschiedenen Lebewesen im Fluss ausgeschieden wird, nicht weit verbreitet ist. Die meisten werden zu schwach, um nur einen Kilometer flussabwärts entdeckt zu werden.

Das sind großartige Neuigkeiten: Da jede aus einem Fluss entnommene eDNA-Probe für ein relativ kleines Gebiet repräsentativ ist, können wir Veränderungen in der Verteilung von Organismen im Wassereinzugsgebiet eines Flusses erkennen. Mit diesen Informationen können Forscher beginnen zu verstehen, was den Rückgang der Artenvielfalt selbst in lokalen Bereichen eines Süßwasserökosystems verursacht, und dann herausfinden, wie man ihn stoppen kann.

Während die eDNA-Analyse an Bedeutung gewinnt, arbeiten Wissenschaftler wie wir daran, die Lücke zwischen Forschung und Naturschutz in der Praxis zu schließen. Initiativen wie die UKDNA Working Group fördern die Zusammenarbeit und ermöglichen uns den Wissensaustausch mit Regierungsbehörden und Umweltakteuren. Durch die Erstellung umfassender Datensätze, die Veränderungen der Biodiversität über Raum und Zeit hinweg erfassen, können wir die in der eDNA enthaltenen Geheimnisse entschlüsseln.

Dieses neue Wissen ist der Schlüssel zur Entwicklung wirksamer Managementlösungen und soll eine bessere Zukunft für unsere wertvollen Süßwasserökosysteme gewährleisten.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.