Das Umweltbundesamt fördert mit dem TrendDNA Projekt die Untersuchung von Langzeitproben der Umweltprobenbank mit modernsten molekularbiologischen Methoden. Die gewonnen Erkenntnisse sollen die Veränderung der biologischen Umwelt in den letzten Jahrzehnten entschlüsseln und perspektivisch in die Standarduntersuchung der Umweltproben integriert werden. Die unterschiedlichen biologischen Langzeitproben werden von Expertengruppen in Deutschland bearbeitet. Für das Projekt arbeiten Universitäten, Behörden und Institute eng zusammen um die genetischen Informationen aus den Proben zu entschlüsseln. Dabei geht es z.B. darum, wann eine Art verschwunden, oder eine neue hinzugekommen ist.

 Degradation und Erholung von Fließgewässerökosystemen unter multiplen Belastungen

Flüsse und Bäche sind Zentren der Biodiversität und für den Menschen lebenswichtig. Durch menschliches Zutun werden Gewässer und ihre Lebensgemeinschaften auf vielfältige Weise beeinträchtigt; mit einem breiten Maßnahmenspektrum wird versucht, diese Beeinträchtigungen wieder rückgängig zu machen. Die Mechanismen, die in Phasen von Degradation und Erholung wirken sind jedoch nur teilweise verstanden, insbesondere, wenn viele Beeinträchtigungen gleichzeitig vorliegen. RESIST untersucht die zu Grunde liegenden Mechanismen durch eine Verbindung von Freilanduntersuchungen und Mesokosmen-Experimenten mit statistischen und mechanistischen Modellierungen und Synthesen. Mit einem breiten Methodenspektrum werden die Effekte multipler Stressoren auf alle Komponenten des Nahrungsnetzes von Fließgewässern (von Viren bis zu Fischen) und auf vier ökosystemare Funktionen untersucht. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf den Effekten dreier weltweit relevanter Stressoren: Temperaturerhöhung, Versalzung und hydromorphologische Degradation sowie der Kombination dieser Belastungsformen. Ziel ist es, die Effekte von Degradation und Erholung auf Biodiversität und Funktionen von Fließgewässern zu verstehen und vorherzusagen.

Neben 15 Forschenden der UDE sind Teams der Universitäten Bochum, Köln, Kiel und Koblenz-Landau sowie des Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (Berlin) und des Umweltforschungszentrums Halle-Leipzig am SFB RESIST beteiligt.

Das Umweltbundesamt (UBA) fördert mit dem GeDNA Projekt die Entwicklung innovativer Methoden für den Gewässerschutz im Zeitraum 2019 – 2022. Ziel des GeDNA-Projektes ist eine Flächenstudie für ausgewählte Fließgewässer, um das Potenzial genetischer Methoden zur Beurteilung des ökologischen Zustands nach EG-Wasserrahmenrichtlinie zu prüfen. Dafür werden eingangs Probenahme- und Laborprotokolle für die biologischen Qualitätselemente (BQEs) Makrozoobenthos, Diatomeen, Fische (eDNA) in der behördlichen Praxis entwickelt. Darüber hinaus wird geprüft, inwiefern die genetischen Verfahren geeignet sind, um zusätzliche Informationen für die Kausalanalyse des Gewässerzustandes bereit zu stellen. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Ableitung von Indikatoren, die biologische Prozesse nach Maßnahmen zur Renaturierung umfassender und aussagekräftiger beurteilen und die Kausalanalyse der Daten zum ökologischen Zustand unterstützen. Die Prozessierung der Proben im Labor soll durch die Entwicklung der neuen Methoden beschleunigt und standardisiert werden. Hierzu werden die etablierten Metabarcoding-Laborprotokolle auf einem Pipettierroboter programmiert, wodurch sowohl der Probendurchsatz als auch die Datenqualität deutlich gesteigert wird. Weiterhin soll die Auswertung von Metabarcoding-Daten durch die Entwicklung einer bioinformatischen Pipeline vereinfacht und standardisiert werden.

In diesem Projekt untersuchen wir die außergewöhnlichen Begebenheiten der Süßwassersysteme von Sizilien in denen vier potenzielle kryptische Arten von Echinogammarus sicilianus (Crustacea: Amphipoda) gemeinsam vorkommen als Beispiel für die Untersuchung  der räumlichen und zeitlichen Verteilung von kryptischen Arten. Um diese Frage zu beantworten beproben wir verschiedene Mikrohabitate der Fließgewässersysteme über den Zeitraum von einem Jahr. Dazu wenden wir DNA-basierte Methoden an, um die Individuen den Arten zuzuordnen. Anschließend analysieren wir mit DNA-Metabarcoding den Darminhalt und das Mikrobiom der verschiedenen Arte pro Sammelstelle und Mikrohabitat, um herauszufinden, ob eine Nahrungsspezialisierung zwischen den kryptischen Arten auftritt. Mit isotopischen Analysen unterstützen wir zusätzlich die Daten zur trophischen Spezialisierung. Zusätzlich untersuchen wir die Häufigkeit und Diversität von parasitischen Microsporidia in den einzelnen kryptischen Arten. Wir wollen erforschen, ob die Häufigkeit und Wirtspezifität sich mit der Zeit verändert, um mehr über die parasitenvermittelte Dichteregulierung von kryptischen Arten herauszufinden. Die Ergebnisse werden dann mit Landnutzungsdaten kombiniert, um Konkurrenzhypothesen in Bezug auf biotische und abiotische Faktoren auf die Häufigkeit und die Koexistenz von Arten zu untersuchen. Daraus leiten wir ab, ob die Koexistenz der kryptischen Arten stabil oder instabil ist. Darüber hinaus wollen wir die Barrieren zwischen den kryptischen Arten untersuchen, indem wir die Reproduktionsaktivität, die Morphometrie und mit genomweiten Analysen die genetische Diversität analysieren. Da bisher nur ein einziger nachgewiesenen Fall von mehreren gleichzeitig vorkommenden kryptischen Arten existiert, werden die Ergebnisse dieses Projekts ein Blueprint dafür sein, wie man durch die Kombination verschiedener Methoden und Konzepte in der Biologie die Treiber und das Vorkommen koexistierender kryptischer Arten in Süßwasserhabitaten untersuchen und verstehen kann.

Unsere Arbeitsgruppe koordiniert die COST-Action DNAqua-Net (CA15219). Ziel von DNAqua-Net ist es, die Akteure im Bereich des aquatischen Biomonitorings in Europa zu vernetzen, um über Chancen und Herausforderungen DNA-basierter Methoden im behördlichen Monitoring zu diskutieren und mögliche Wege hin zur Implementierung aufzuzeigen. Mit über 600 Teilnehmern aus 49 Nationen ist DNAqua-Net eine größten COST Actions und hat Einfluss auf das Biomonitoring und Biodiversitätsmonitoring weit über Europa hinaus.

Unsere Arbeitsgruppe ist Partner des ERASMUS+ EU-Projekts ECOBIAS (Development of Master Curricula for Ecological Monitoring and Aquatic Bioassessment for Western Balkan Countries).

In dem Projekt werden Curricula für einen Masterstudiengang im Bereich “Ökologisches Monitoring” an Universitäten von Ländern auf dem Westbalkan entwickelt. Unser Beitrag ist insbesondere die Entwicklung eines Moduls zum Thema “Umwelt-DNA basiertes Monitoring”. Auch das Personal bilden wir dafür aus und produzieren Lehrmaterialien.

Der Joint Danube Survey ist eine alle sechs Jahre stattfindende Sammelkampagne zur Erfassung der Wasserqualität der Donau im Kontext der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL). Dazu werden an Probestellen aller 13 Länder im Einzugsgebiet der Donau hydromorphologische, umfangreich chemische Parameter (z.B. Nährstoffe, gelöster organischer Substanzen und Dioxine), aber auch verschiedene Biologische Qualitätselemente (BQE) wie Makroinvertebraten, Fische und Phytobenthos erfasst. Im Rahmen der aktuellen Sammelkampagne JDS4 (Beprobung 2019) wird dabei in Ergänzung zur traditionellen Bestimmung von Organismen das Potenzial DNA-basierter Identifikationsansätze untersucht. Für dieses Vorhaben wurden an 46 Probestellen Makroinvertebraten für eine sogenannte DNA-Metabarcoding-Analyse von Makroinvertebraten gesammelt. Dabei wird in einem Methodenvergleich sowohl das Fixierungsmittel (Ethanol) der Makroinvertebratenproben, als auch homogenisierte Sammelproben an Makroinvertebraten und DNA aus Wasserproben (Umwelt-DNA) auf die Artzusammensetzung untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse werden mit Ergebnissen traditioneller Bewertung verglichen und das Potenzial DNA-basierter Identifikationsmethoden für zukünftige Sammelkampagnen diskutiert.

Kontakt: arne.beermann@uni-due.de

Flussökosysteme weltweit sind durch einen dramatischen Verlust an Biodiversität gekennzeichnet, der nicht selten auf die Wirkung multipler Stressoren (z.B. Pestizide, Sedimenteintrag oder Temperaturerhöhung) zurückzuführen ist. Die klassische Erforschung von Effekten multipler Stressoren basiert dabei auf der morphologischen Bestimmung von Organismen, wodurch das angestrebte taxonomische Bestimmungsniveau der Art häufig nicht erreicht wird und was zu ungenauen oder falschen Ergebnissen in der Bewertung multipler Stressoren führen kann. Während moderne DNA-basierte Identifikationsmethoden, als alternative Identifikationsmethode, bereits jetzt eine hohe taxonomische Auflösung erzielen können (Qualitativer Aspekt), lassen sich mittels der Methode nur ungenaue und ungesicherte Erkenntnisse Aussagen zur Abundanz und Biomasse einzelner Arten unter der Einwirkung multipler Stressoren treffen (Quantitativer Aspekt).

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung und Anwendung quantitativer Methoden zur Erfassung multiple Stressor Effekte. Dabei wird sowohl das Potenzial PCR-freier Methoden als auch die Kombination moderner ‘next-generation sequencing‘ Methoden mit modernen optischen Bildverfahren untersucht. Insbesondere die optischen Verfahren versprechen dabei die hohe taxonomische Auflösung DNA-basierte Identifikationsmethoden durch Informationen zu Abundanz und Biomasse einzelner Organismengruppen zu komplementieren.

Kontakt: arne.beermann@uni-due.de

Unsere Gewässer weltweit sind durch Millionen von Querbauwerken fragmentiert. Oft kommen sie unglaublich häufig mit mehr als einem Bauwerk pro Kilometer, insbesondere, wenn man kleine Querbauwerke < 2m einbezieht. Für wirbellose Tiere, die wichtige Ökosystemfunktionen erfüllen, ist kaum bekannt, wie sich diese Barrieren auf die Populationsstruktur auswirken und welche Barrieren oft genug überwunden werden können, um einen genetischen Austausch zu ermöglichen. Die Fragmentierung in kleine, isolierte Populationen kann dazu führen, dass die genetische Diversität und damit das Anpassungspotenzial an sich verändernde Umweltbedingungen verringert wird.

In diesem Projekt untersuchen wir, wie sich kleine Querbauwerke und Verrohrungen auf die Populationsstruktur von Flohkrebsen, Schnecken und Plattwürmern im Sauerland auswirken und ob die untersuchten Arten in der Lage sind diese Barrieren zu überwinden, oder ob es zu einer Isolation der Populationen durch die Barriere kommt. Diese Fragestellung wird mit Hilfe hochauflösender molekularer Marker ('ddRAD sequencing') untersucht. Zusätzlich werden populationsgenetische Simulationen durchgeführt, um Erwartungswerte für die Populationsdifferenzierung auf Grund von Migrationsbarrieren bei verschiedenen effektiven Populationsgrößen, Migrationsraten und Alter der Barrieren zu generieren.  

Auf Grund anthropogener Aktivitäten sind Fließgewässer weltweit stark degradiert, was den Verlust zahlreicher Arten und assoziierter Ökosystemdienstleistungen zur Folge hat. Entsprechend sind Renaturierungen degradierter Gewässer zu einer wichtigen Aufgabe geworden. Viele Renaturierungen erzielen jedoch nicht die gewünschten Effekte, d.h. typische Leitarten kehren nicht ins Gewässer zurück. Um die Gründe dafür zu verstehen, ist ein besseres Verständnis des Wiederbesiedlungsprozesses notwendig.

In diesem Projekt stehen hier zwei biologische Traits im Vordergrund: Ausbreitungsfähigkeit und Nahrungsspektum einzelner Makroinvertebratenarten. Hierzu wird die populationsgenetische Struktur verschiedener Arten (Gammarus fossarum, Gammarus pulex, Asellus aquaticus, Proasellus coxalis und Sialis lutaria) im Emscher-Einzugsgebiet (hauptsächlich Berne- und Boye-System) mit Hilfe hochauflösender genetischer Marker (ddRAD sequencing) untersucht. Dies dient zum einen dazu die Konnektivität von Populationen innerhalb und zwischen den Gewässersystemen, die durch die Emscher (noch nicht renaturiert) getrennt sind, zu analysieren und zum anderen Wiederbesiedlungsrouten zu erforschen. Um das Nahrungsspektrum der Arten zu untersuchen, wird der Darminhalt der Arten mittels Metabarcoding analysiert. Dies wurde für wirbellose Tiere bisher nur selten durchgeführt, so dass hier auch die Methodenentwicklung im Vordergrund steht.

Zusätzlich werden alle Probestellen in zwei aufeinander folgenden Jahren beprobt um neben räumlichen, auch Veränderungen über die Zeit detektieren zu können. Hier soll auch untersucht werden, wie sich Stellen in ihrer Diversität (innerartliche Diversität und Diversität im Nahrungsspektrum) zwischen unterschiedlich alten Renaturierungen unterscheiden. 

Partner:

AG Aquatische Ökologie (Hering, Lorenz)

EGLV