e_inverts: Umwelt-DNA (eDNA) vs. morphologie-basierte Indizes: Analyse und Bewertung verschiedener Feld- und Labortechniken im Rahmen ökologischer Bewertungsansätze von Fließgewässern auf der Grundlage von Makroinvertebraten in Österreich
Projektleitung
Wolfram Graf
Forschungseinrichtung
Universität für Bodenkultur Wien
Projektnummer
101816Projektlaufzeit
-
Finanzierungspartner
Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus
Allgemeine Projektinformationen
Abstract (deutsch)
Die Bewertung von Gewässern auf Basis bioindikativer Methoden hat in Österreich eine lange Tradition. Saprobiologische Untersuchungen von Fließgewässern sind seit den 1960er Jahren ein zentrales Element der österreichischen Gewässerüberwachung, die bisher entwickelten Bewertungsmethoden bilden die Grundlage für die Zustandsbewertungen und die darauf aufbauenden Maßnahmenprogramme im Nationalen Gewässerbewirtschaftungsplan. Neu entwickelte DNA-Metabarcoding-Methoden haben den Zugang zu einer standardisierten Erfassung der Biodiversität eröffnet. Gerade im Zusammenhang mit der Bewertung von Gewässern auf Basis von Umwelt-DNA (eDNA, Umwelt-DNS) und Metabarcoding erscheint es sinnvoll, sinnvolle und sich ergänzende Einsatzmöglichkeiten dieser Methoden zu diskutieren. Der Anteil von eDNA-Metabarcoding-Analysen im Rahmen von Gewässerbewertungen nimmt stetig zu, so dass - qualitätsgesicherte Methoden und entsprechende Kalibrierungen vorausgesetzt - der Einsatz molekulargenetischer Methoden in der Risikobewertung und im Rahmen von Plausibilitätskontrollen von Zustandsbewertungen in Österreich durchaus denkbar ist. Im Rahmen des vorliegenden Projektes werden daher die verschiedenen Feld- und Labormethoden verglichen und auf ihre Anwendbarkeit in nationalen Gewässerbewertungssystemen geprüft.
Dazu werden an GZÜV- und weiteren Untersuchungsstellen Fragestellungen betreffend Einfluss von Herkunft der nachgewiesenen eDNA, Habitatbedingungen, Saisonalität, Hydrologie, Temperatur, Gewässertrübe und pH-Wert auf die molekularen Methoden untersucht.
Schlagwörter (deutsch)
e-DNA, Metabarcoding, Multi-Habitat-Sampling, traditionelle morphologische Bestimmung, ökologischer Zustand, Wasserrahmenrichtlinie (WRRL)
Titel (englisch)
Environmental DNA (eDNA) vs. morphology-based indices: analysis and evaluation of different field and laboratory techniques in the context of ecological assessment approaches of streams based on macroinvertebrates in Austria
Abstract (englisch)
The assessment of rivers and streams based on bioindicative methods has a long tradition in Austria. Saprobiological investigations have been a central element of Austrian water monitoring since the 1960s, and the assessment methods developed to date form the basis for the status assessments and the programs of measures based on them in the National Water Management Plan. Recently developed DNA metabarcoding methods have opened up access to standardized recording of biodiversity. Especially in the context of the assessment of water bodies based on environmental DNA (eDNA, environmental DNA) and metabarcoding, it seems reasonable to discuss complementary applications of these methods. The share of eDNA metabarcoding analyses in the context of stream assessments is steadily increasing, so that - providing quality-assured methods and appropriate calibrations - the use of molecular genetic methods in risk assessment and in the context of plausibility checks of status assessments in Austria is quite conceivable. In the present project, therefore, the various field and laboratory methods are compared and tested for their applicability in national freshwater assessment systems. For this purpose, questions concerning the influence of origin of the detected eDNA, habitat conditions, seasonality, hydrology, temperature, water turbidity and pH on the molecular methods will be investigated at GZÜV- and other investigation sites.
Schlagwörter (englisch)
e-DNA, metabarcoding, Multi-Habitat-Sampling, traditional morphological identification, ecological status, Water Frame work Directive (WFD)
Projektziele
Das wesentlichste Ziel des vorliegenden Projektes ist der Vergleich der traditionellen WRRL-konformen Freiland- und Labormethode zur Bestimmung der ökologischen Zustandsklasse von Fließgewässern für das Biologische Qualitätselement Makrozoobenthos nach Ofenböck et al. (2018) und von eDNA-Metabarcoding-Analysen.
Die Erhebung bzw. Probenahme für die aktuelle klassische Bewertungsmethode nach Leitfaden A2 (Ofenböck et al. 2018) basiert auf dem Multi-Habitat-Sampling (MHS). Die eDNA-Metabarcoding-Analysen basieren auf einer mittels MHS sampling gewonnenen Mischprobe (bulk-sample) und einer durch Wasser-Filtration erhaltenen eDNA Probe. Mittels aller drei Methoden werden die gleichen Stellen im Zuge der Gewässerzustandsüberwachungsverordnung (GZÜV) 2022 untersucht um eine Plausibilitätsprüfung zwischen diesen Analysemethoden für das Biologische Qualitätselement Makrozoobenthos durchzuführen. Die so gewonnenen Taxalisten mit Abundanzen und die jeweilige Auswertung des ökologischen Zustandes nach österreichischer Methode werden verglichen und detailliert dargestellt. Auf diese Weise soll die potentielle Tauglichkeit von eDNA-Metabarcoding-Analysen zur Bestimmung der ökologischen Zustandsklasse von Fließgewässern getestet werden.
Diesem Ziel folgend stellen sich als Motive für die Abwicklung des Projekts die folgenden Forschungsfragen:
- Klärung der Herkunft der nachgewiesenen eDNA (z. B. Oberlauf, Verunreinigung; Goldberg et al. 2016) und Test der Möglichkeit einer stellenbezogenen Bewertung auf Basis der eDNA anhand von Fallbeispielen. Dabei werden oberhalb und in unterschiedlichen Distanzen von einem Zubringer (bzw. Seeausrinn) unterhalb sowie im Zubringer Proben genommen.
- Untersuchung der Restwasserproblematik und Bewertung der Tauglichkeit von eDNA-Proben.
- Untersuchung der Effekte von Saisonalität und der Unterschiede zwischen morphologisch und eDNA basierten Faunenlisten. Die Fragestellung betrifft die Möglichkeit des Nachweises ganzjährig stabiler Fauneninventare mittels eDNA im Gegensatz zu traditionellen morphologischen Bestimmungen und stadienbedingter Restriktionen, aber auch temperaturbedingte Unterschiede der eDNA Ergebnisse.
- Untersuchung hydrologischer Einflussgrößen wie unterschiedliche Abflüsse an einer Untersuchungsstelle bzw. zeitliche Distanz nach einem Hochwasser.
- Auswirkung von Trübefrachten im Fall von gletscher- bzw. organisch geprägten Gewässern auf eDNA basierten Ergebnissen.
- Die Auswirkung niedriger pH-Werte saurer Gewässer auf die Ergebnisse der eDNA basierten Analysen.
- Auswirkungen von Habitatheterogenität auf eDNA Ergebnisse: Wann sollen, vergleichbar einer MHS-Probe, unterschiedliche Habitate im Querprofil anteilig im Zuge der Wasserfiltration explizit beprobt werden. Daran anschließend, werden vergleichende Analysen und Kalibrierung der Signalstärke der eDNA an die Abundanzwerte einzelner Habitate durchgeführt.
- Stabilität der eDNA (filter)-Ergebnisse durch Replikate
- Vergleich der Signalstärke der eDNA zwischen großen Flüssen (z.B. Donau, March, Thaya) und kleineren Fließgewässern
Praxisrelevanz
Anhand des Biologischen Qualitätselements Makrozoobenthos können sowohl stoffliche Belastungen als auch Auswirkungen verschiedener Stressoren (Degradation der Gewässermorphologie, Stau, Restwasser, Nutzung im Einzugsgebiet) erfasst werden. Für die Bewertung des Ökologischen Zustandes anhand des Makrozoobenthos wurde ein zweistufiges System („Screening-Methode“ und „Detaillierte MZB – Methode“) mit unterschiedlicher Auflösung entwickelt (Ofenböck et al. 2018). Voraussetzung dafür sind Taxalisten, die für die Berechnung von bewertungsrelevanten Metrics (biologischen Kennzahlen) herangezogen werden. Die Taxabestimmungen basieren aktuell auf dem klassischen morphologischen Ansatz und erfolgen durch Experten der jeweiligen Taxagruppen. Die taxonomischen Mindestanforderungen für die Bewertung folgen generell der ÖNORM M 6232 bzw. der Richtlinie zur Bestimmung der saprobiologischen Gewässergüte von Fließgewässern (MOOG et al. 1999).
Die bisher entwickelten Bewertungsmethoden sind die Grundlage für die Zustandsbewertungen und die darauf aufbauenden Maßnahmenprogramme im Nationalen Gewässer-bewirtschaftungsplan (BMLFUW 2017). Um europaweit die Vergleichbarkeit der Bewertungsergebnisse zu gewährleisten, wurden die Klassengrenzen der Methoden interkalibriert.
Ein entsprechendes nationales Qualitätssicherungsprogramm ist die Voraussetzung für die entsprechende Datensicherheit bei der Umsetzung der Gewässerzustandsüberwachungsverordnung (GZÜV), die – im Zusammenhang mit der verpflichtenden Umsetzung von Maßnahmen – auch die Grundlage für die erforderliche Rechtssicherheit repräsentiert (BMLFUW 2012).