Anwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung von aquatischen Ökosystemen - Richtlinien - Eawag
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2020 | Umwelt-Wissen Wasser Anwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung von aquatischen Ökosystemen Richtlinien
2020 | Umwelt-Wissen Wasser Anwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung von aquatischen Ökosystemen Richtlinien Herausgegeben vom Bundesamt für Umwelt BAFU Bern, 2020
Impressum
Herausgeber Umschlagfoto
Bundesamt für Umwelt (BAFU) Probenahme von Wasser für eine eDNA-Analyse
Das BAFU ist ein Bundesamt des Eidgenössischen Departements Foto: Eawag, Elvira Mächler
für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation (UVEK).
DOI
Autoren https://doi.org/10.5167/uzh-187800
Jan Pawlowski , Laure Apothéloz-Perret-Gentil ,
1,2 1,2
Elvira Mächler3,4, Florian Altermatt3,4 Link zur PDF-Datei
www.bafu.admin.ch/uw-2010-d
1
Universität Genf, Departement für Genetik und Evolution, Eine gedruckte Fassung liegt nicht vor.
1211 Genf
2
ID-Gene Ecodiagnostics, 1202 Genf Diese Publikation ist auch in französischer und englischer
3
Eawag: Das Wasserforschungsinstitut des ETH-Bereichs, Sprache verfügbar. Die Originalsprache ist Englisch.
Abteilung Aquatische Ökologie, 8600 Dübendorf
4
U
niversität Zürich, Institut für Evolutionsbiologie und Umwelt- © BAFU 2020
wissenschaften, 8057 Zürich
Kontakt
Jan.Pawlowski@unige.ch und Florian.Altermatt@eawag.ch
Begleitgruppe
Marie-Sophie Renevier, Yael Schindler Wildhaber, Arielle
Cordonier, Lukas De Ventura, Daniel Hefti, Christiane Illg,
Glenn Litsios, Philip Staufer, Patrick Steinmann
Externe Begutachter
Rosetta C. Blackman, Kristy L. Deiner, Florian Leese,
Kristian Meissner
Vorgeschlagene Zitierweise
Pawlowski J., Apothéloz-Perret-Gentil L., Mächler E. & Altermatt F.
2020: Anwendung von eDNA-Methoden in biologischen
Unter suchungen und bei der biologischen Bewertung von
aquatischen Ökosystemen. Richtlinien. Bundesamt für
Umwelt, Bern. Umwelt-Wissen Nr. 2010: 77 S.
Übersetzung
Sprachdienst, BAFU
Gestaltung
Abbildungen: Apothéloz-Perret-Gentil L
Cavelti AG, Marken. Digital und gedruckt, Gossau
Inhaltsverzeichnis
Abstracts5 5 Molekularlabor 33
5.1 Allgemeiner Ablauf 34
Vorwort6 5.2 DNA-Extraktion 35
5.3 PCR-Amplifikation 35
1 Einleitung 7 5.4 Einzelartnachweis 37
5.4.1 Standard-PCR 38
2 eDNA: Definitionen, Anwendungen und Perspektiven 10 5.4.2 Quantitative PCR (qPCR) 38
2.1 Definitionen 10 5.4.3 Digitale PCR (dPCR) 39
2.2 Mögliche Anwendungen 11 5.5 Metabarcoding 39
2.3 Vor- und Nachteile 13 5.5.1 PCR für Metabarcoding 39
5.5.2 Hochdurchsatz-Sequenzierung 40
3 eDNA in Süsswasserökosystemen 15 5.5.3 Datenanalyse 40
3.1 eDNA-Untersuchung verschiedener Gewässer 16
3.1.1 Stehende Gewässer (lenitische Ökosysteme) 16 6 Referenzdatenbank für die taxonomische Zuordnung 42
3.1.2 Fliessgewässer (lotische Ökosysteme) 17
3.1.3 Grundwasser und Quellen 18 7 Datenmanagement 44
3.2 Taxonspezifische Merkmale im Zusammenhang mit 19
der eDNA-Untersuchung 8 Anwendungsbeispiele (Fallstudien) 45
3.2.1 Amphibien 19 8.1 Einzelartnachweis 45
3.2.2 Fische 20 8.1.1 Quaggamuschel 45
3.2.3 Säugetiere 20 8.1.2 Schwarzmundgrundel 45
3.2.4 Insekten 21 8.2 Vielfalt der Wirbeltiere (Beispiel Molche) 46
3.2.5 Krebstiere 22 8.3 Makroinvertebraten 46
3.2.6 Weichtiere 22 8.3.1 eDNA im Wasser (umfassender Ansatz) 46
3.2.7 Wenigborster 22 8.3.2 Bulk-DNA (Mischprobe) 47
3.2.8 Kieselalgen 23 8.4 Biotische Indizes 47
3.2.9 Pathogene und Parasiten 23 8.4.1 Molekularer Diatomeen-Index Schweiz (MDI-CH) 47
3.2.10 Wasserpflanzen (Makrophyten und Phytoplankton) 23 8.4.2 Genetic Oligochaete Index of Sediment Bioindication 48
4 Probenahme für eDNA-Analyse 26 9 Schlussfolgerungen und Ausblick 50
4.1 Arten von eDNA-Ausgangsmaterial 26
4.1.1 eDNA im Wasser 26 10 Probenahmeprotokolle 52
4.1.2 eDNA im Sediment 28 10.1 eDNA im Wasser 52
4.1.3 eDNA im Biofilm 29 10.2 Sediment 57
4.1.4 Bulk-DNA (Mischprobe) von Makroinvertebraten 29 10.3 Biofilm 59
4.2 Vorsichtsmassnahmen für den Umgang mit 30
eDNA-Proben 11 Bewährte Praktiken und Dokumentation von 60
4.3 Weitere technische Fragen im Zusammenhang mit 32 Verfahren für eDNA-Ansätze
eDNA-Probenahmen
Glossar62
Literaturhinweise65
Anwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung 5 von aquatischen Ökosystemen © BAFU 2020 Abstracts Aquatic biomonitoring is currently transformed by environmental DNA (eDNA) based Keywords: approaches. These new tools overcome some limitations of traditional biomonitoring Biodiversity, environmental and allow non-invasive sampling, broad taxonomic coverage, high sensitivity, and the indicators, monitoring, possibility to automation. However, the disruptive character and rapid developments of method guidelines, eDNA, the new technology challenge its implementation. This publication explains the principles method standardization. of the eDNA technology and presents its advantages and limitations. It shows possible applications of eDNA tools in monitoring and assessment of aquatic ecosystems, and provides detailed protocols and best practices for processing eDNA samples. Das Biomonitoring aquatischer Lebensräume wird derzeit durch Verfahren, die auf Stichwörter: Umwelt-DNA (eDNA) basieren, verändert. Diese neuen Instrumente überwinden gewisse Biodiversität, Umwelt Beschränkungen herkömmlicher Biomonitoringmethoden und erlauben eine nichtinva- indikatoren, Monitoring, sive Probenahme, eine breite taxonomische Auflösung, eine hohe Sensitivität und die Methodenrichtlinien, eDNA, Möglichkeit, Prozesse zu automatisieren. Allerdings stellen die komplett neue Heran- Methodenstandardisierung gehensweise und die rasche Entwicklung der neuen Technologie Herausforderungen für ihre Einführung in die Praxis dar. In dieser Publikation werden die Grundsätze der eDNA-Technologie erläutert und die Vorteile und Beschränkungen vorgestellt. Es werden mögliche Anwendungen von eDNA-Tools für das Monitoring und die Bewertung aqua tischer Ökosysteme aufgezeigt und detaillierte Protokolle und bewährte Praktiken für die Verarbeitung von eDNA-Proben vorgestellt. Les approches fondées sur l’ADN environnemental (ADNe) sont en passe de transformer Mots-clés : la biosurveillance aquatique. Ces nouveaux outils permettent d’outrepasser les limites biodiversité, indicateurs de la surveillance biologique traditionnelle : ils permettent d’effectuer un échantillonnage environnementaux, non invasif, de couvrir un large éventail taxonomique et offrent une sensibilité élevée ain- surveillance, directives si que des possibilités d’automatisation. Cependant, le caractère révolutionnaire et les méthodologiques, ADNe, développements rapides de cette nouvelle technologie entravent sa mise en œuvre. La standardisation des méthodes présente publication explique les principes des méthodes ADNe, en présente les avan- tages et les limites et formule des suggestions concernant les standards et les pratiques de routine. En outre, elle montre les utilisations possibles des outils fondés sur l’ADNe dans la surveillance et l’évaluation des écosystèmes aquatiques, expose des études de cas spécifiques et propose des protocoles détaillés ainsi que des exemples de bonnes pratiques pour le traitement des échantillons d’ADNe. Il biomonitoraggio acquatico sta passando ad approcci basati sul DNA ambientale Parole chiave: (eDNA). Questi nuovi strumenti superano determinati limiti del biomonitoraggio tradi- Parole chiave: biodiversità, zionale e consentono un campionamento non invasivo, un’ampia copertura tassonomi- indicatori ambientali, ca, sensibilità elevate e la possibilità di automazione. Tuttavia, il carattere dirompente e monitoraggio, linee guida il rapido sviluppo delle nuove tecnologie mette a dura prova la sua attuazione. La pre- metodologiche, eDNA, sente pubblicazione spiega i principi della tecnica eDNA en ne presenta vantaggi e limi- standardizzazione dei metodi. ti. Inoltre, illustra possibili applicazioni degli strumenti eDNA nel monitoraggio e nella valutazione di ecosistemi acquatici, fornisce protocolli dettagliati e buone pratiche per il trattamento di campioni di eDNA.
Anwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung 6 von aquatischen Ökosystemen © BAFU 2020 Vorwort In der Schweiz sind die aquatische Umwelt und die darin lebenden Arten derzeit einem grossen anthropogenen Druck ausgesetzt. So sind die Anteile ausgestorbener oder gefährdeter Arten bei den Wasserlebewesen am höchsten. Ziel des Gewässerschutz gesetzes vom 24. Januar 1991 (GSchG, SR 814.20) und der revidierten Gewässerschutz- verordnung vom 28. Oktober 1998 (GSchV, SR 814.201) ist der umfassende Schutz seiner vielfältigen Funktionen sowie die nachhaltige Nutzung der Gewässer. Um die ökologi- schen Ziele zu erfüllen, ist die Beurteilung der biologischen Qualität der Fliessgewäs- ser von grösster Bedeutung. Die Analyse und Bewertung der aquatischen Biozönose erfordert die Erfassung eines Datensatzes in ausreichender Quantität und Qualität, was mit den derzeit verfügbaren Methoden nicht immer möglich ist. Techniken der eDNA (Umwelt-DNA) können einen Beitrag leisten, dieses Problem zu lösen. Aus einfachen Wasser- oder Sedimentproben lassen sich viele wichtige Informationen über den biologischen Zustand von aquatischen Ökosystemen gewinnen. eDNA-Techniken haben viele Vorteile, es besteht ein wachsen- des Interesse und viele Methoden werden weltweit entwickelt. Aufgrund dieser raschen Entwicklung ist es für Fachpersonen und Entscheidungsträger derzeit jedoch schwierig zu wissen, welche Methoden zur Verfügung stehen, welche Methoden bei biologischen Gewässeruntersuchungen anwendbar sind und wo Informationen über systematische Vorgehensweisen zu finden sind. Die vorliegenden «Richtlinien für die Anwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung von aquatischen Ökosystemen» sollen die Standardisierung und Umsetzung von eDNA-Methoden in Gewässeruntersu- chungen und bei der Bewertung des Zustands von aquatischen Ökosystemen fördern und unterstützen. Die Richtlinien richten sich an Fachpersonen und Entscheidungsträ- ger (Regierung, Kantone, Ingenieurbüros). Zu diesem Zweck gibt dieses Dokument einen Überblick über die verschiedenen verfügbaren Methoden, diskutiert die Vor- und Nach- teile der eDNA-Methoden und gibt Anregungen zu empfohlenen Best Practices und Rou- tinestandards. Das BAFU dankt allen, die an der Veröffentlichung dieses Leitfadens mitgewirkt haben, insbesondere den Autoren, der Expertengruppe und den Vertretern der Kantone, die alle einen unschätzbaren Beitrag geleistet haben. Stephan Müller Abteilungsleiter Wasser Bundesamt für Umwelt (BAFU)
Anwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung 7
von aquatischen Ökosystemen © BAFU 2020
1 Einleitung
Gut funktionierende und intakte aquatische Ökosysteme sischen Wasserstruktur, oder unter dem Blickwinkel bio-
sind für das menschliche Wohlergehen von grundlegen- tischer Aspekte, u. a. hinsichtlich der Diversität und der
der Bedeutung. Sie erbringen eine Reihe von Ökosystem- Zusammensetzung biologischer Lebensgemeinschaften,
leistungen und beinhalten eine aussergewöhnliche Vielfalt die für Zielkriterien repräsentativ sind. Wichtig ist, dass
an organismischem Leben. Doch der Einfluss des Men- all diese Monitoringansätze davon ausgehen, dass durch
schen – Verschmutzung, Intensivierung der Landnutzung, das Messen weniger Schlüsselvariablen der Zustand und
invasive Arten oder die Wassernutzung zur Energiegewin- die mögliche Tendenz des Wandels des gesamten Ökosys-
nung – bedroht den Zustand und die Funktionsfähigkeit tems beschrieben werden können. Folglich handelt es sich
von Süsswasserökosystemen lokal wie global (Benate- bei den Zielkriterien um Annäherungen und vereinfachte
au et al., 2019; Reid et al., 2019). Es ist daher äusserst Beschreibungen eines komplexeren Systems.
wichtig, aquatische Ökosysteme zu verstehen, zu überwa-
chen und zu schützen. In der Schweiz definiert das Bun- Die Entwicklung und die Verwendung von Monitoringansät-
desgesetz über den Schutz der Gewässer vom 24. Januar zen für Zielkriterien reichen weit zurück und haben in den
1991 (Gewässerschutzgesetz, GSchG, SR 814.20) in letzten Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung gewonnen.
den Artikeln 57 und 58 die Erhebung des Zustands von Zunächst dominierten einfache chemische Makronähr-
Gewässern als Aufgabe des Bundes bzw. der Kanto- stoffmessungen das Feld, danach wurden sie durch bio-
ne. Diese Erhebung umfasst spezifische Beurteilungen, logische Kriterien ergänzt, welche die Nährstofffracht von
ob der ökologische Zustand und die ökologischen Zie- Süsswassersystemen charakterisieren (z. B. Saprobien
le für Gewässer gemäss der Gewässerschutzverordnung index), später kamen Parameter hinzu, welche die struk-
(GSchV, SR 814.201) erreicht werden. Laut Anhang 1 turellen Veränderungen und die Verschmutzung mithilfe
Ziffer 1 Absatz 1 GSchV sollen Lebensgemeinschaften verschiedener Chemikalien beschreiben, sowie eine Reihe
von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen oberirdischer taxonomischer Gruppen, wie Fischen, Makroinvertebra-
Gewässer naturnah sein sowie sich selbst regulieren und ten oder Kieselalgen, die diese Effekte festhalten. Nicht
eine Vielfalt und eine Häufigkeit der Arten aufweisen, die zuletzt ist der Einsatz von Monitoringansätzen und den
typisch sind für nicht oder nur schwach belastete Gewäs- erforderlichen spezifischen Instrumenten in den letzten
ser des jeweiligen Gewässertyps. Dies erlaubt den Schutz Jahrzehnten stetig gewachsen, sowohl infolge der beson-
von Gewässern vor negativen Einwirkungen, sodass eine deren Bedürfnisse, die neue Zielkriterien erforderten (z. B.
nachhaltige Nutzung und ein guter ökologischer Zustand neue Treiber wie Mikroverunreinigungen), als auch wegen
beibehalten werden können. Der Bund und die Kantone neu verfügbarer Methoden. Dies führte in der Schweiz wie
führen ein Monitoring durch, um sicherzustellen, dass anderswo zu einem Katalog von gemeinsamen Normen
die Anforderungen an die Wasserqualität oberirdischer (z. B. BAFU 2019a), der sich in grossen Monitoringpro-
Gewässer nach Anhang 2 Ziffer 1 GSchV eingehalten wer- grammen wie in der Nationalen Beobachtung Oberflä-
den. Dazu braucht es in erster Linie verlässliche Daten chengewässerqualität NAWA (BAFU, 2013; Kunz et al.,
zum Zustand, aber auch zu Veränderungen aquatischer 2016) oder im Biodiversitätsmonitoring Schweiz BDM
Ökosysteme, sowie entsprechende Messwerte, welche die (Koordinationsstelle BDM, 2014) deutlich widerspiegelt.
einzelnen Komponenten dieser Systeme beschreiben. Viele dieser Programme sind operativ und funktionie-
ren gut (Wüthrich & Altermatt, 2019), bergen allerdings
Ein angemessenes Monitoring aquatischer Ökosyste- auch inhärente Beschränkungen und Herausforderun-
me ist daher unerlässlich. Eine solche Überwachung hat gen, die meist durch die verwendeten Methoden bedingt
sowohl hinsichtlich der betrachteten Parameter als auch sind. So beruhen die meisten Methoden auf der Probe-
bezüglich der verwendeten Methoden eine lange Tradi nahme, der Sortierung und der morphologischen Identifi-
tion. Aquatische Ökosysteme – Teiche, Seen und Fliess- zierung von Organismen, was zeitintensiv ist und nur für
gewässer – können anhand abiotischer Aspekte bewertet eine kleine Anzahl an Organismengruppen durchgeführt
werden, einschliesslich der Wasserchemie und der phy- werden kann. Auch eignen sich viele Techniken nur für
Anwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung 8
von aquatischen Ökosystemen © BAFU 2020
mit Watstiefeln begehbare Gewässer und nicht für gros- Machbaren immer weiter. Parallel dazu wird die rechtli-
se Flüsse und Seen und sie können nur schwer auf sehr che und praktische Umsetzung diskutiert, getestet und
kleine Fliessgewässer, Grundwasser oder Quellsysteme standardisiert – sowohl regional (z. B. mit verschiedenen
angewandt werden. Keine der momentan eingesetzten Pilotprojekten zur Verwendung von eDNA in der Schweiz
Techniken birgt eine Automatisierungsmöglichkeit (weder auf kantonaler und nationaler Ebene) als auch interna-
bei der Probenahme noch bei der Verarbeitung), was die- tional (z. B. mit Standards, die in einem europaweiten
se Ansätze bezüglich räumlicher oder zeitlicher Auflösung COST Action DNAqua-Net diskutiert werden, und einer
einschränkt. Bei der aquatischen Chemie hat sich gezeigt, entsprechenden Arbeitsgruppe im Europäischen Komitee
dass eine hohe zeitliche Auflösung der Probenahme not- für Normung [Leese et al., 2018]). Diese rasche Entwick-
wendig ist, um Ökosysteme in Flüssen und Bächen aus- lung hat nicht nur dazu geführt, dass die Planung und
reichend zu beschreiben und zu verstehen. die Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten der Methode
laufend erfolgen, sondern auch dazu, dass Hoffnungen,
Innerhalb der letzten vier bis acht Jahre hat sich eine neue Erwartungen und Versprechen zum Potenzial des Ver-
Methode etabliert, die das Potenzial hat, einige dieser fahrens stark variieren: Einige sehen die eDNA-Methode
Beschränkungen zu überwinden und die biologischen als Lösung aller Biomonitoringprobleme, während andere
Untersuchungen und die biologische Bewertung von aqua- eher die möglichen Einschränkungen und die noch immer
tischen Ökosystemen zu revolutionieren: die sogenannte voranschreitende Entwicklung der Methode hervorheben.
Umwelt-DNA (eDNA; aus dem Englischen «environmen- Momentan verzeichnet der angewandte Bereich der eDNA
tal DNA» abgeleitet). Man erkannte, dass aus Umweltpro- eine rasante Entwicklung – einige Aspekte und Ansätze
ben wie Boden, Wasser, Sediment und Luft direkt Erbgut sind bereits teilweise umgesetzt, während andere eher
(DNA) von allen Organismen, d. h. nicht nur von Mikroben, Ideen und Visionen mit einem Versprechen für zukünftige
gesammelt und extrahiert werden kann. Die Verwendung Anwendungen sind.
und die Möglichkeiten des eDNA-Ansatzes verzeichnen
ein rasches Wachstum, die Techniken entwickeln sich Diese Situation stellt für die angewandte Umsetzung eine
rasant weiter. Zudem sind heute DNA-Sequenzierungen Herausforderung dar. Es muss entschieden werden, wel-
in einer Auflösung und zu Kosten möglich, die vor Kur- ches Verfahren einzusetzen ist, in welche Verfahren inves-
zem noch nicht denkbar waren. Umwelt-DNA-basiertes tiert werden soll, wie Monitoringprogramme geführt oder
Monitoring bietet zahlreiche Vorteile. Das Verfahren ist neu ausgerichtet werden sollen und welchen Versprechun-
für makrobielle Organismen nichtinvasiv (es müssen kei- gen zu folgen ist. Ausserdem ist es wichtig, gemeinsame
ne Exemplare als Probe entnommen werden), taxonunab- Normen zu beschliessen und sich darauf zu verständi-
hängig (alle Organismen – Bakterien, Pflanzen und Tiere gen, um eine reproduzierbare und verlässliche Umset-
– können als Probe dienen) und birgt eine Automatisie- zung zu gewährleisten. Um dies fachkundig und in einem
rungsmöglichkeit (Probenahme und Verarbeitung, was angemessenen Rahmen zu tun, braucht es einen Über-
eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung ermöglicht). blick über die verschiedenen technischen Möglichkeiten,
sowohl als Übersicht zum Stand der Technik als auch im
Das Interesse für die Entwicklung und die Verwen- Rahmen von Routineerhebungen. Zwar nimmt die Lite-
dung von eDNA hat zugenommen, insbesondere für ratur zur eDNA exponentiell zu (z. B. Rees et al., 2014a;
Anwendungen in aquatischen Ökosystemen. In der heu- Thomsen & Willerslev, 2015; Deiner et al., 2017), doch
tigen Zeit sind einige dieser Ansätze bereits gut etab- viele Studien sind für Fachpersonen und Akteure aus-
liert und in rechtsverbindliche Biomonitoringprogramme serhalb des universitären Umfeldes nicht direkt zugäng-
integriert (z. B. bei invasiven Karpfenarten in den USA lich oder anwendbar. Neben der rein wissenschaftlichen
[US Fish and Wildlife Service 2019] und bei gefährde- Literatur wurde eine Reihe von nationalen Berichten und
ten Molchen im Vereinigten Königreich [www.gov.uk/ Richtlinien publiziert, die Aspekte neuer molekularer Bio-
guidance/great-crested-newts-surveys-and-mitigation-for- monitoringverfahren abdecken. Sie sind jedoch entweder
development-projects]). Gleichzeitig verschieben die Fort- taxon- oder habitatspezifisch (z. B. Laramie et al., 2015;
schritte in den Biotechnologien die Grenzen des technisch Carim et al., 2016; Holderegger et al., 2019) oder liefern
Anwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung 9 von aquatischen Ökosystemen © BAFU 2020 eher einen Überblick als Details zur spezifischen Umset- zung und zu technischen Aspekten (Herder et al., 2014; Winding et al., 2019). Eine ausführlichere Zusammenfas- sung und Richtlinien für Fachpersonen können helfen, die Standards in diesem Bereich festzulegen. Diese gewähr- leisten eine Konsistenz zwischen den Studien und legen die zu erreichenden Qualitätsniveaus fest. Schliesslich können praktische Empfehlungen, wie Fortschritte bei der Entscheidungsfindung erzielt werden können, sowie hinsichtlich der Umsetzung eines aquatischen Biomoni- torings ebenfalls sinnvoll sein. Dieser Bericht soll einen Überblick über die eDNA-Ver- fahren bieten, die für das (Bio-)Monitoring von Organis- men in Süsswassersystemen existieren, und die Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren spezifisch erörtern. Zudem umfasst er normative Vorschläge zu bewährten Praktiken und den empfohlenen Routinestandards. Diese Empfehlungen entsprechen dem aktuellen Wissensstand, weitere Verbesserungen und Anpassungen sind zu erwar- ten. Im Fokus stehen Eukaryoten wie Fische, Amphibien, Makroinvertebraten oder Kieselalgen, aber viele Aussa- gen treffen auch für Bakterien zu. Die Empfehlungen für die bewährten Praktiken befinden sich auf einem rela- tiv hohen und generell verallgemeinerbaren Level. Wir ergänzen diese Empfehlungen mit spezifischeren Pro- tokollen, welche die bisher allgemein anerkannten und angewandten Praktiken auf diesem Gebiet widerspie- geln, die in einem sich rasch entwickelnden Umfeld als normativ betrachtet werden können. Ziel dieses Berichts ist es, dazu beizutragen, den Einsatz von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung von aquatischen Ökosystemen zu standardi- sieren und umzusetzen und letztlich zu deren nachhal- tigen Verwendung, Verwaltung und Schutz beizutragen.
Anwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung 10
von aquatischen Ökosystemen © BAFU 2020
2 eDNA: Definitionen, Anwendungen
und Perspektiven
2.1 Definitionen Epithelzellen oder Exkrete, die von den Organismen wäh-
rend ihres Lebenszyklus produziert oder abgesondert
Was ist Umwelt-DNA? werden. In der Umwelt überdauern sie für eine gewisse
Umwelt-DNA (eDNA) ist ein Gemisch von Erbmaterial, das Zeit – Stunden bis Tage in der freien Wassersäule (San-
von Lebewesen und deren Überresten stammt und in ver- som & Sassoubre, 2017), Jahrzehnte bis Jahrhunderte in
schiedenen Arten von Umweltproben vorhanden ist (Was- Sedimenten (Monchamp et al., 2018) und Jahrtausende
ser, Sediment, Boden, Luft, siehe Abb. 1). Der grösste Teil im Eis (Pedersen et al., 2015) oder im Sediment vom Mee-
der DNA in Umweltproben stammt von einzelligen Mikro resgrund (Lejzerowicz et al., 2015). Indem diese eDNA
organismen (Viren, Bakterien, Protisten), die allgemein gesammelt und analysiert wird, können makrobielle Arten
sehr häufig vorkommen. Allerdings enthalten eDNA-Pro- festgestellt und überwacht werden, auch wenn die Orga-
ben auch Erbmaterial von mehrzelligen Organismen, ent- nismen selbst in den Umweltproben nicht enthalten sind.
weder von ganzen kleinen Organismen (Zooplankton,
Meiofauna) oder von Spuren oder Überresten von grösse-
ren Organismen (Wirbeltiere, Wirbellose oder Pflanzen). In diesem Bericht wird eine weit gefasste Definition von
Diese genetischen Spuren von Tieren und Pflanzen, die eDNA verwendet, die DNA unterschiedlicher Herkunft
manchmal als extraorganismische oder makrobielle DNA umfasst, einschliesslich mikrobieller und makrobiel-
bezeichnet werden (Barnes & Turner, 2016), umfassen ler Arten. Diese Entscheidung wurde bewusst getroffen,
reproduktive Stadien wie Gameten, Gewebefragmente, weil einige routinemässige Biomonitoringprogramme auch
Abbildung 1
Alle Organismen tragen potenziell zur Umwelt-DNA (eDNA) bei, die aus unterschiedlichen Quellen stammen kann, etwa aus ganzen Zellen
oder Gewebefragmenten, Organellen oder freien DNA Molekülen. eDNA kann aus Wasser, Boden, Sedimenten oder Luft gewonnen werden.
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von aquatischen Ökosystemen © BAFU 2020
einzellige Bioindikatoren wie Kieselalgen verwenden. Der Abbildung 2
Bericht bezieht auch sogenannte Bulk-DNA mit ein. Dabei Schematische Erklärung von Barcoding, Bulk-DNA- und
handelt es sich um DNA, die aus einer per Kicknetz oder eDNA-Metabarcoding
durch Sieben gewonnenen Mischprobe von Makroinver- Beim Barcoding wird DNA aus einem einzelnen Individuum extrahiert,
tebraten extrahiert wurde. Die spezifische Herkunft der und die DNA einer spezifischen Barcoderegion wird sequenziert. In
DNA wird im ganzen Bericht klar definiert. Bulk-Proben (Mischproben) wird DNA aus den Geweben vieler Indivi-
duen extrahiert, die vielen Arten angehören können. Beim eDNA-
Was ist DNA-Barcoding und DNA-Metabarcoding? Metabarcoding wird DNA direkt aus der Umweltprobe (Wasser,
DNA-Moleküle enthalten die für jede Art spezifische Boden, Sediment, Luft) extrahiert. Bei den letzten zwei Verfahren
Erbinformation. Ausgewählte kurze DNA-Fragmente, werden Sequenzen vieler verschiedener Taxa erzeugt, die bioinforma-
sogenannte DNA-Barcodes, können je nach ihrem Varia tisch aufgetrennt werden müssen.
bilitätsniveau verwendet werden, um Arten oder höhere
DNA-B ARCODING
Taxa zu identifizieren. Solche Fragmente umfassen in der
Regel eine hypervariable Region und erlauben es, dieselbe
sp1 AGCTTCGAATCGATGCT
Barcoderegion für mehrere Arten innerhalb einer taxono-
einzelnes Exemplar
mischen Gruppe zu verwenden. Der DNA-Barcode sollte
idealerweise variabel genug sein, um eng verwandte Arten B ULK -DNA-M ETABARCODING
zu unterscheiden (d. h. auf der zwischenartlichen Ebe-
sp1 AGCTTCGAATCGATGCT
ne variabel), innerhalb einer Art jedoch keine Variabilität sp2 AGCTTAACGTAGCCATG
sp3 AGCTCGTATAGCTAGCT
aufweisen (d. h. auf innerartlicher Ebene nicht variabel). Bulk-Probe (Mischprobe)
Es existieren weithin anerkannte Standard-Barcoding-
E DNA-M ETABARCODING
Gene, die im Allgemeinen zur Identifizierung von Tieren
sp1 AGCTTCGAATCGATGCT
(Hebert et al., 2003), Pflanzen (Hollingsworth, 2011), Pil- sp2 AGCTTAACGTAGCCATG
sp3 AGCTCGTATAGCTAGCT
zen (Schoch et al., 2012) oder Protisten (Pawlowski et al., sp4 AGCTGAATCGTACCGTA
sp5 AGCTGTCGTTAGCTAGC
2012) verwendet werden. Umweltprobe
Jedem Barcode liegt typischerweise ein Belegexemplar
bei, aus dem er gewonnen wurde. Die weltweite DNA-Bar- Kategorien zuzuweisen. Wie effizient diese taxonomische
code-Datenbank (www.boldsystems.org) wird von Inter- Zuweisung gelingt, hängt von der Vollständigkeit der Bar-
national Barcode of Life (https://ibol.org) geführt. In der coding-Referenzdatenbank ab. Lücken in Barcoding-
Schweiz verwaltet SwissBOL (www.swissbol.ch) (siehe Referenzdatenbanken stellen das grösste Hindernis bei
Kapitel 6) die DNA-Barcodes der Schweizer Fauna und der ökologischen Interpretation von Metabarcoding-
Flora. Daten dar (Weigand et al., 2019).
DNA-Metabarcoding unterscheidet sich vom DNA-Barco
ding, indem eine Artengemeinschaft und nicht unbedingt 2.2 Mögliche Anwendungen
eine einzelne Art analysiert wird (Abb. 2). Die Gemein-
schaftsprobe kann aus Umwelt-DNA oder aus Bulk-Pro- Umwelt-DNA wird im aquatischen Biomonitoring haupt-
ben (Mischproben) gewonnen werden. Mischproben sind sächlich für drei Zwecke eingesetzt (Abb. 3):
eine Sammelprobe von intakten Individuen, die aus der
Umwelt stammen. Eine Probe kann je nach Spezifität des • Einzelartnachweis
Barcoding-Gens und der Diversität der in der Umwelt vor- • Biodiversitätserhebung (Zusammensetzung von
handenen Arten sehr viele verschiedene Metabarcodes Gemeinschaften)
enthalten. Die grösste Herausforderung besteht bei einer • Biologische Bewertung (biotische Indizes)
typischen Metabarcoding-Untersuchung darin, die Meta-
barcodes einzelnen Arten oder höheren taxonomischenAnwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung 12
von aquatischen Ökosystemen © BAFU 2020
Der Einzelartnachweis wird im Allgemeinen in der Natur- Die Biodiversitätserhebung ist ein weiterer üblicher Anwen-
schutzbiologie verwendet (Monitoring von seltenen/ dungsbereich für eDNA. In diesem Fall wird die eDNA-Me-
gefährdeten Arten) sowie beim Management und Moni- tabarcoding-Methode verwendet, um Informationen zu
toring biologischer Invasionen (Harper et al., 2017; Hol- Zusammensetzung, Struktur und Diversität einer Gemein-
deregger et al., 2019) oder beim Nachweis von Parasiten schaft von Organismen zu erhalten. Dieser Methode lie-
und Pathogenen (Krieg et al., 2019b). Allenfalls müssen gen Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologien (high
dafür artenspezifische Primer entwickelt werden, die den throughput sequencing; HTS) zugrunde, die Millionen von
Nachweis der Zielspezies erlauben. Ein spezifischer Vor- DNA-Sequenzen erzeugen und möglicherweise die Identi-
teil der Einzelartnachweismethode besteht darin, dass die fizierung sämtlicher in einer Probe enthaltener Arten erlau-
DNA-Menge mit qPCR und dPCR relativ genau quantifi- ben, einschliesslich seltener und unscheinbarer Arten. Der
ziert werden kann. Dieser Ansatz hat sich in zahlreichen Metabarcoding-Ansatz hat erwiesenermassen Artenlisten
Studien zu invasiven und bedrohten Arten von Fischen, hervorgebracht, die ebenso vollständig sind wie bei her-
Amphibien und Weichtieren als äusserst wirksam erwie- kömmlichen Methoden, die auf Probenahmen mit Elektro
sen, aber auch in Studien zu Pathogenen und Parasiten, fischerei (Hänfling et al., 2016) oder Kicknetz beruhen
bei denen deren DNA-Spuren im Wasser und im Sedi- (Fernández et al., 2018; Mächler et al., 2019). Die meis-
ment nachgewiesen wurden (Jerde et al., 2011; Mäch- ten eDNA-basierten Biodiversitätserhebungen in aquati-
ler et al., 2014; Bass et al., 2015). Die Anwendung dieses schen Ökosystemen nutzen Wasser- oder Sedimentproben.
Ansatzes auf Krebstiere (insbesondere auf Krebse, siehe Allerdings wurde die Analyse von DNA aus Bulk-Proben
Krieg et al. [2019a]) und auf Taxa mit einem Aussenskelett (Mischproben) bei Wasserinsekten und Makrozoobenthos
(Exoskelett) wie Käfer scheint schwieriger zu sein – wahr- als unkompliziertere Lösung für eine kurzfristige Umset-
scheinlich weil diese Tiere und Taxa weniger DNA in die zung empfohlen (Blackman et al., 2019). Doch während
Umwelt freisetzen, was dazu führt, dass sich ihre eDNA die aus Mischproben resultierenden Schätzungen mit
unter den Nachweisgrenzen dieser Methoden bewegt. Die den herkömmlichen Verfahren eher vergleichbar sind als
Besonderheiten der Verwendung von eDNA für den Ein- eDNA-basierte Ansätze, bestehen auch Einschränkungen
zelartnachweis bei Wasserlebewesen wurden von Gold- der herkömmlichen Methoden weiter, beispielsweise der
berg et al. (2016) und vielen anderen erörtert. grosse Zeitaufwand bei der Probenahme oder grössenbe-
dingte systematische Fehler bei der Probenahme.
Abbildung 3 Metabarcoding-Daten können auch verwendet werden,
Mögliche eDNA-Anwendungen umfassen den Einzelartnachweis, um biotische Indizes für eine Umweltverträglichkeits-
Biodiversitätserhebungen und biologische Bewertungen auf der
gefährdete Arten
prüfung abzuleiten (erörtert in Pawlowski et al., 2018). In
Basis von DNA aus Umweltproben Europa sind rund 300 Bewertungsmethoden anerkannt
(Birk et al., 2012), wovon in der Schweiz momentan vier
gebietsfremde invasive Arten
angewandt werden (Fische, Schager & Peter, 2004; wir-
Artnachweis
Biodiversitäts- bellose Wassertiere, Stucki, 2010; Pflanzen, Känel et al.,
erhebung
2017; Kieselalgen, Hürlimann & Niederhauser, 2007). Ins-
besondere bei den Kieselalgen (siehe Kapitel 8.4.1) wur-
eDNA-Analyse
den beträchtliche Anstrengungen unternommen, um diese
Parasiten
Indizes auf der Grundlage von eDNA-Daten zu berechnen.
Biologische Bewertung Die grössten Herausforderungen stellen die Unvollstän-
digkeit der DNA-Barcode-Referenzdatenbanken (Wei-
gand et al., 2019) und die Interpretation quantitativer
eDNA-Daten dar. Die Lösungen zur Überwindung dieser
Hindernisse sind vielversprechend, und einige molekula-
re Indizes befinden sich in der Entwicklungsphase (Apo-
théloz-Perret-Gentil et al., 2017).Anwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung 13
von aquatischen Ökosystemen © BAFU 2020
2.3 Vor- und Nachteile Individuen oder eine Erweiterung des Spektrums von Zei-
gertaxa. Allerdings hat die Methode auch einige gewichti-
Die Verwendung eDNA-basierter Verfahren hat im Ver- ge Nachteile, die es zu beachten gilt. Da sich die Methode
gleich zu den herkömmlichen Methoden, die auf der rasch weiterentwickelt, werden einige Nachteile wohl ver-
direkten Probenahme von Organismen und der morpholo- schwinden, während andere inhärenter sein könnten. Bei-
gischen Identifizierung beruhen, viele Vorteile (Tabelle 1). spielsweise eignen sich eDNA-basierte Ansätze allenfalls
So erlaubt die eDNA u. a. eine nichtinvasive Probenahme, schlecht, um die Häufigkeit von Organismen abzuschät-
die Identifizierung von unscheinbaren und unvollständigen zen, und sie können keine Angaben zur Alters- oder Grös-
Tabelle 1
Die Vor- und Nachteile der eDNA im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren
Viele Punkte sind insbesondere relevant für Organismen, die vom Tierschutzgesetz abgedeckt sind (z. B. Fische, Zehnfusskrebse und Amphibien).
eDNA Herkömmliche Probenahme/Morphologische
Bestimmung
Zeit pro Probe Schneller bei grosser Anzahl Proben Konstant (d. h. nur geringe zeitliche Optimierung möglich)
Kosten pro Probe Nehmen mit der Anzahl der Proben ab (nur Konstant
Metabarcoding)
Sensitivität Häufig sehr hoch, indem Spuren von Arten, Jungtiere und Allgemein tief, erfordert grosse Anstrengungen bei der
Reproduktionsphasen nachgewiesen werden Probenahme, um eine vollständige Artenliste zu erhalten
Taxonomische Band- Allgemein breit, kann auf viele taxonomische Gruppen Auf Taxa beschränkt, die sich morphologisch
breite angewandt werden unterscheiden lassen
Nachweisbarkeit Sehr hoch, eignet sich für den Nachweis seltener, Erfordert eine intensive Probenahme
invasiver und pathogener Arten
Probenahme Nichtinvasiv, ausser bei Mischproben Normalerweise invasiv (Elektrofischerei, Kicknetz)
Feldbeobachtungen Erfordern den Einsatz einer speziellen Feldausrüstung Möglich bei grossen Tieren sowie bei Pflanzen
(z. B. tragbares PCR-Gerät)
Probenverarbeitung Komplex, könnte automatisiert werden In der Regel einfache Handgriffe, jedoch manuell
(keine Automatisierung möglich)
Kontamination Hochempfindlich, daher potenzielles Risiko Niedriges Risiko
Infrastruktur Erfordert ein spezialisiertes Molekularlabor Kann mit einfacher Ausrüstung erfolgen
Artenbestimmung Basierend auf einer meist öffentlichen Referenzdaten- Basiert auf persönlichen taxonomischen Kenntnissen
bank und vorhandener Literatur
Kann kryptische Arten und genetische Sorten nachweisen
Qualitative Daten Artenliste/geclusterte Sequenzen (operationelle taxono- Liste von lebenden Arten,
mische Einheiten, OTUs), darunter lebende Organismen Populationsstruktur und Gesundheitszustand
und deren Überreste
Quantitative Daten Relative Häufigkeit von Reads (Metabarcoding) oder Absolute Häufigkeit an Exemplaren in der Probe
DNA-Quantifizierung (qPCR)
Datenanalyse Erfordert spezielle bioinformatische Pipelines für die Nutzt relativ einfache Statistiktools
Sequenzanalyse
Dateninterpretation Muss verschiedene technische Verzerrungen und Abhängig von persönlichen Kenntnissen und fundiertem
eDNA-spezifische Merkmale berücksichtigen ökologischem Wissen
(Persistenz, Transport)
Standardisierung Standards müssen festgelegt werden Standards bestehen bereitsAnwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung 14 von aquatischen Ökosystemen © BAFU 2020 senstruktur einer Population liefern. Weiter erlauben es eDNA-Verfahren nicht, Arten zu identifizieren, die sich kürzlich hybridisiert oder auseinanderentwickelt haben (z. B. Weissfischarten der Gattung Coregonus), da diese nur durch Multilocus-Genotypen oder durch ein starkes Kopplungsungleichgewicht identifiziert werden können. In diesen Fällen ist die Information zur Identität der Art phy- sisch getrennt auf mehreren Chromosomen gespeichert, und nur Gewebeproben von einzelnen Individuen sind dia- gnostisch. Dieser Bericht stellt die Vorteile und die besten technologischen Anwendungen gemäss heutigem Stand vor und beschreibt sie. Er hebt aber auch hervor, wo und inwiefern bei der Interpretation und dem Vergleich mit her- kömmlichen Bewertungen Vorsicht geboten ist.
Anwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung 15
von aquatischen Ökosystemen © BAFU 2020
3 eDNA in Süsswasserökosystemen
Der eDNA-Pool in aquatischen Ökosystemen stammt eller eDNA aus und in einem geringeren Ausmass auch
sowohl von mikrobiellen als auch von makrobiellen Orga- auf diejenige mikrobieller und meiofaunaler eDNA.
nismen, einschliesslich kleiner Tiere (Zooplankton, ben-
thische Meiofauna). Die Interpretation von eDNA-Daten Die Produktion, d. h. die Ausscheidung von DNA in die
kann von Art und Herkunft abhängen. Bei mikrobiellen und Umwelt, hängt weitgehend von der Häufigkeit und von der
meiofaunalen Komponenten kann DNA von Organismen Dichte eines Taxons und dessen biologischen und physio-
in Umweltproben direkter mit der Biologie, dem Vorkommen logischen Merkmalen ab. Fische und Amphibien geben
und der Ökologie lebender Organismen in Zusammenhang grössere DNA-Mengen an die Umwelt ab, während Glie-
gebracht werden, da von diesen in den eDNA-Proben gan- derfüsser – vermutlich wegen ihres Exoskeletts – weit
ze Individuen vorhanden sein können. Bei makrobiellen weniger DNA freisetzen. Im Allgemeinen hängt die Menge
Organismen stammt die DNA hingegen aus den zellulä- an freigesetzter eDNA auch von artenspezifischen Stoff-
ren Überresten, die im Wasser vorhanden oder an Parti- wechselraten ab und kann während des Lebenszyklus
keln im Sediment gebunden sind. In diesem Fall hängt die variieren (z. B. während der Fortpflanzungsperiode zuneh-
Nachweisbarkeit der eDNA nicht von den Organismen mend; Maruyama et al., 2014; Bylemans et al., 2016).
selbst, sondern von umweltbezogenen und biologischen Die Schwankung bei der Produktion von eDNA durch ver-
Faktoren ab. Diese können in drei Hauptkategorien ein- schiedene Taxa kann räumlich und zeitlich stark variie-
geteilt werden: Produktion, Abbau und Transport (Abb. 4). ren und die quantitative Interpretation von eDNA-Daten
Sie wirken sich direkt auf die Nachweisbarkeit makrobi- schwierig gestalten.
Abbildung 4
Die Produktion und der Verbleib makrobieller eDNA in aquatischen Lebensräumen
eDNA entsteht, wenn Organismen ihre DNA in die Umwelt abscheiden (z. B. Fische, die Schleim absondern). Diese eDNA unterliegt dann
verschiedenen Abbauprozessen (Temperatur, mikrobielle Zersetzung usw.) und kann durch passive Strömung im Gewässer transportiert werden.
Diese drei Schritte (Produktion, Abbau und Transport) können die Interpretation der eDNA-Daten beeinflussen.
A BBAU
UV
P RODUKTION
T RANSPORTAnwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung 16
von aquatischen Ökosystemen © BAFU 2020
Der Abbau von eDNA hängt von verschiedenen physika- al., 2016). Umgekehrt kann der Transport die detaillierte
lisch-chemischen und biologischen Faktoren ab, darun- Interpretation von Orten, wo eine Art effektiv vorkommt,
ter Temperatur, UV, pH, Ionen und mikrobielle Aktivität behindern. Bei hochmobilen Arten wie vielen Fischen stellt
(Strickler et al., 2015; erörtert in Barnes & Turner, 2016). der Transport kein Problem dar, aber für Lebensraumspe-
Einige Studien zeigen, dass makrobielle eDNA unter käl- zialisten kann dies bei der Interpretation von DNA-Ergeb-
teren, dunkleren und alkalischeren Bedingungen länger nissen zu Herausforderungen führen. Der Transport von
besteht (Goldberg et al., 2015). Ausserdem wird ange- makrobieller eDNA kann ebenfalls durch andere Arten
nommen, dass bakterielle Aktivität sich ebenfalls stark auf beeinflusst werden, speziell wenn letztere über den Kot
den Abbau von eDNA auswirkt, häufig im Zusammenhang die DNA von anderen Organismen ausscheiden.
mit physikalisch-chemischen Parametern wie Tempera-
tur oder Phosphorbedarf. Eine offensichtliche Auswirkung Die Nachweisbarkeit umfasst Produktion, Abbau und
des eDNA-Abbaus ist die geringere Anzahl Moleküle, die Transport, hängt aber auch von der Probenahmestrate-
nachgewiesen werden können. Es hat sich gezeigt, dass gie ab, wie etwa von der Nähe der Probenahmestelle zum
die extraorganismische eDNA im Allgemeinen nicht länger Lebensraum der Art oder vom Volumen des Probenmaterials.
als 14 bis 60 Tage in der Wassersäule verbleibt (Goldberg Ein erfolgreicher Nachweis hängt auch von molekularen
et al., 2015), teilweise auch deutlich kürzer. Allerdings Protokollen ab, insbesondere von der Effizienz der DNA-
kann der Abbau auch zu gewissen chemischen Verände- Extraktionsverfahren und der Spezifität der PCR-Primer.
rungen von DNA-Molekülen führen, welche die korrekte
Artenbestimmung mit eDNA-Daten beeinträchtigen kön-
nen. Der eDNA-Abbau muss auch nach der Probenah- 3.1 eDNA-Untersuchung verschiedener
me und der Probenverarbeitung berücksichtigt werden. Gewässer
Proben müssen etwa so gelagert und verarbeitet werden,
dass die Erhaltung der eDNA sichergestellt ist. Im Allge- Die Untersuchung von eDNA hängt von der Art des unter-
meinen bedingt dies die Lagerung von Proben bei –20 °C suchten aquatischen Ökosystems ab. Zwar ähneln sich
oder in geeigneten Pufferlösungen. die Probenahmeverfahren insgesamt, aber es gibt kein
Standardverfahren für die eDNA-Probenahme sämtlicher
Der Transport von makrobieller eDNA bezieht sich auf die Gewässerarten, da sich diese in ihren chemischen und
passive Fortbewegung von intrazellulärer, extrazellulärer physikalischen Eigenschaften unterscheiden. Probenah-
oder partikelgebundener DNA in der Umwelt (z. B. durch meverfahren müssen an die jeweils untersuchte Gewässer-
Strömung oder Wind), sodass makrobielle eDNA an einem art angepasst werden. Im folgenden Kapitel werden einige
anderen Ort entnommen werden kann als sie entstanden eDNA-Merkmale vorgestellt, die für lenitische und lotische
ist. Der Transport wurde insbesondere für lotische Ökosys- Ökosysteme typisch sind (in Tabelle 2 zusammengefasst).
teme untersucht. Es wurde beispielsweise geschätzt, dass
eDNA in Bächen über mindestens 10 Kilometer (Deiner 3.1.1 Stehende Gewässer (lenitische Ökosysteme)
& Altermatt, 2014; Civade et al., 2016) und über bis zu Stehende Gewässer, insbesondere Teiche, gehörten zu
100 Kilometer in grossen Flüssen – mit einer geschätzten den ersten Gewässern, denen Proben entnommen wur-
Beförderungszeit von rund 42 Stunden für diese Distanz den, um mittels eDNA Arten nachzuweisen (Ficetola et al.,
(Pont et al., 2018) – befördert werden kann. Es wird davon 2008), vermutlich wegen ihrer kleinen und genau definier-
ausgegangen, dass makrobielle eDNA sich wie feinteili- ten Grösse. In der Schweiz gibt es mit über 1500 Seen, die
ges organisches Material verhält und dass ihre Trans- eine Fläche von über 0,5 ha aufweisen, und noch viel mehr
portdistanz von den hydraulischen Eigenschaften des Teichen zahlreiche stehende Gewässer, aber es existiert
Fliessgewässers abhängt (Pont et al., 2018). Da eDNA kein offizielles und standardisiertes Verfahren für das
möglicherweise über lange Distanzen befördert werden Biomonitoring von Seen oder Teichen. Die Grösse dieser
kann, liefert ihre Analyse Informationen zur Biodiversität Gewässer variiert stark, was die makrobielle eDNA sowie
über grössere räumliche Skalen und umfasst auch Infor- die Art der Probenahme stark beeinflussen könnte. Der
mationen auf Ebene der (Teil-)Einzugsgebiete (Deiner et Fokus liegt auf den zwei Extremfällen – kleinen TeichenAnwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung 17
von aquatischen Ökosystemen © BAFU 2020
und grossen Seen –, im Wissen, dass in der Natur ein Gra- se eingeschränkt. Unterschiede in der Grösse und Tiefe
dient zwischen diesen Ökosystemen besteht. der Seen beeinflussen die Verteilung der eDNA im Was-
ser. Tiefere Seen bilden im Sommer und im Winter Was-
Teiche serschichten, gefolgt von einer Vermischungsphase im
Kleine Teiche sind nicht so gut dokumentiert und wer- Frühling und im Herbst. Diese saisonal schwankenden
den daher momentan im Regelungsrahmen in der Schweiz Wasserbewegungen können die Verteilung der makrobiel-
vernachlässigt. Auch im Rahmen der Europäischen Was- len eDNA in der Wassersäule beeinflussen. So gelingt der
serrahmenrichtlinie werden Teiche nicht berücksichtigt, Nachweis einiger Arten, insbesondere benthischer Fische,
wahrscheinlich weil sich die aktuellen Probenahmever- nur durch eine Probenahme in der Nähe ihres Lebens-
fahren für andere aquatische Lebensräume für Teiche raums (Hänfling et al., 2016). Deshalb müssen Proben in
nicht eignen. Der Einsatz eines eDNA-basierten Monito- verschiedenen Tiefen entnommen werden.
rings in diesen Systemen könnte dies ändern.
3.1.2 Fliessgewässer (lotische Ökosysteme)
Teiche sind hinsichtlich ihrer Wassermassen höchst varia- Weil bei Fliessgewässern wie Flüssen oder Bächen eine
bel und können in gewissen Fällen gar periodisch austrock- eindeutige Fliessrichtung vorliegt, lässt die in diesen Was-
nen. Ausserdem weisen Teiche häufig eine Schichtung sersystemen gewonnene makrobielle eDNA im Vergleich zu
auf, da sich das Wasser nur in geringen Mengen verti- stehenden aquatischen Ökosystemen einen unterschied-
kal oder horizontal bewegt. Dies führt zu drei wichtigen lichen räumlichen Rückschluss zu (Deiner & Altermatt,
Punkten, die bei der eDNA-Probenahme aus Teichen zu 2014; Deiner et al., 2015). Die Wasserbewegung transpor-
beachten sind (Harper et al., 2019a). Erstens ist die mak- tiert eDNA durch das System und wird durch den Abfluss
robielle eDNA wegen des stehenden Wassers ungleich- beeinflusst (Carraro et al., 2018). Zwar führen diese Trans-
mässig verteilt, und für eine repräsentative Probenahme portprozesse (und der damit eng und zeitlich verzahnte
müssen mehrere Proben über den ganzen Teich verteilt Abbau) dazu, dass eDNA-Verfahren in Fliessgewässern
entnommen werden. Zweitens führt die geringe Fliessge- für genau lokalisierte (punktgenaue) Bewertungen weni-
schwindigkeit mit der Zeit zu einer Ansammlung von DNA, ger geeignet sind, aber gleichzeitig birgt dieser Transport
gleichzeitig sind aber die Temperaturen kleiner Gewässer das Potenzial, Biodiversitäts-Charakteristika auf Ebene
höchst variabel und besonders im Sommer hoch, was zu des Einzugsgebiets in der Grössenordnung von mehreren
einem schnelleren Abbau von eDNA führt. Drittens weisen Quadratkilometern zu erschliessen (Deiner et al., 2016;
Teichsysteme häufig eine hohe Trübung auf, die oft aus Altermatt et al., 2020; Carraro et al., 2020).
gelösten organischen Stoffen oder Einträgen vom Land
resultiert. Diese hohe Trübung stellt für die Filtration von Im Gegensatz zu stehenden Gewässern, die eine chro-
Wasser eDNA und die Verwendung von Ausfällverfahren nologisch geschichtete und dauerhafte Sedimentschicht
eine Herausforderung dar. Filter mit grösseren Poren oder aufweisen, welche die Rekonstruktion von Biodiversität
ein vorgängiger Filterschritt mit grösseren Poren können und Umweltveränderungen über die letzten Jahrzehnte
helfen, diesen Nachteil abzufedern. Organische Schweb- bis Jahrhunderte erlaubt, ist das Sediment in lotischen
stoffe können die PCR stark behindern und eine erfolg- Systemen weitaus dynamischer. Es wird regelmässig auf-
reiche Amplifikation im nachgelagerten Laborverfahren gewirbelt und wurde daher selten für eDNA-Untersuchun-
erschweren. In Teichsystemen wird daher dringend emp- gen verwendet.
fohlen, eine interne Positivkontrolle zu verwenden, um
mögliche PCR-Inhibition erkennen zu können. Bäche
Die eDNA in Fliessgewässern kann durch die Landnut-
Seen zung rund um das Gewässer beeinflusst werden (Mans-
Die Schweiz zählt viele Seen, und diese gehören zu den feldt et al., 2020). Der Eintrag aus Böden und Blättern, die
grössten und tiefsten in Mitteleuropa. Die Untersuchung in die Gewässer gelangen, führen nicht nur zu einem ter-
der Diversität dieser Gewässer wird stark durch deren restrischen Signal bezüglich nachweisbarer Organismen,
Zugänglichkeit (Tiefen von 200 m oder mehr) und Grös- sondern auch zur Inhibition durch Huminsäuren bei derAnwendung von eDNA-Methoden in biologischen Untersuchungen und bei der biologischen Bewertung 18
von aquatischen Ökosystemen © BAFU 2020
PCR. Dies bedingt, dass die DNA im Labor gereinigt wird. Herausforderung darstellen, da einige Grundwasserarten
Durch Gletscher gespeiste Bäche in den Alpen führen vie- schwer zugänglich sein können. Allerdings können Trink-
le Schwebstoffe. Ausserdem können ihre saisonalen Regi- wasserbrunnen als guter Zugangspunkt genutzt werden.
mes zwischen Winter und Schneeschmelze stark variieren. Oft sind die Dauer und die räumliche Ausdehnung des
Bei Bächen in tieferen Regionen kann diese Schwankung Wassertransports im Untergrund weniger bekannt, doch
vernachlässigt werden. Gleichzeitig nimmt aber beispiels- die kalte und dunkle Umgebung eignet sich vermutlich
weise die Zahl von Abwasserreinigungsanlagen in tieferge- ideal, um eDNA länger zu konservieren.
legenen Gebieten zu. Deren Ausläufe können in den Bächen
die Spuren der Artgemeinschaften aus der Abwasserreini- Quellen sind an der Oberfläche sichtbar, wurden aber bis-
gungsanlage hinterlassen (Mansfeldt et al., 2020). her in den nationalen Beobachtungsprogrammen weitge-
hend ausser Acht gelassen. Sie bieten Lebensräume für
Flüsse hochspezialisierte Flora und Fauna. Standardisierte Ver-
Mit zunehmender Grösse und steigendem Volumen des fahren zur Klassifizierung von Quellen auf nationaler Ebe-
Wasserflusses ergeben sich in Flüssen Herausforderun- ne wurden neulich eingeführt (Küry et al., 2019). Für
gen für den Nachweis makrobieller eDNA. Probenahmen diese Klassifizierungen könnte sich eDNA-Metabarcoding
vom Ufer aus führen allenfalls zu nicht repräsentativen als äusserst nützlich erweisen, da es die breite Palette an
Proben, und die Probenahmestrategie muss eventuell auf Organismen abdeckt, welche die Lebensräume in Quellen
den Lebensraum der Organismen abgestimmt werden. bewohnen (Amphibien, Plattwürmer, Weichtiere, Krebstie-
Das bedingt, dass Proben in der Mitte und an der Sohle re, Eintagsfliegen, Steinfliegen, Libellen und Köcherflie-
des Flusses entnommen werden müssen. Der Nachweis gen, siehe Lubini et al., 2016). Quellen und Oberläufe
von benthischen Fischen ist beispielsweise wahrscheinli- können auch viele Einträge aus terrestrischen Habitaten
cher, wenn Wasser nahe der Flusssohle entnommen wird verzeichnen, die wahrscheinlich zu einem vermehrten Vor-
(Adrian-Kalchhauser & Burkhardt-Holm, 2016). Allenfalls kommen von eDNA von Organismen terrestrischer Her-
müssen bei Flüssen im Vergleich zu Bächen oder Teichen kunft führen.
auch grössere Wasservolumen gesammelt und filtriert
werden (10 – 100 Liter oder mehr). Doch dies kann wegen
der Sedimente, welche die Filter verstopfen, zur Heraus-
forderung werden. Die Transportdistanz und die Deposi-
tionsgeschwindigkeit von DNA-haltigen Partikeln müssen
bei der Interpretation der Daten berücksichtigt werden,
da sie zur Verbreitung von eDNA über grössere Distanzen
beitragen können (Deiner & Altermatt, 2014).
3.1.3 Grundwasser und Quellen
Grundwasser ist die wichtigste Trinkwasserquelle der
Schweiz. Es wird momentan im Rahmen des Programms
Nationale Grundwasserbeobachtung (NAQUA) (BAFU,
2019b) beobachtet, aber es werden keine biologischen
Indikatoren erhoben. Abgesehen von einigen artenspe-
zifischen Studien, die auf eDNA aus dem Grundwasser
basieren, gibt es nur wenige Publikationen, die sich mit
der Mikrobengemeinschaft dieses Lebensraums befassen
(Danielopol et al., 2000; Sohlberg et al., 2015), obwohl
sich diese Methode vielleicht am besten für eine biologi-
sche Charakterisierung von Grundwasserlebensräumen
eignet. Die Entnahme repräsentativer Proben kann eineSie können auch lesen
