In dem Projekt „eDNA-basierte Verfahren in der behördlichen Praxis“ hat die Universität Duisburg-Essen eine Flächenstudie an Fließgewässern durchgeführt, um das Potenzial genetischer Methoden (DNA-Metabarcoding) zur Beurteilung des ökologischen Zustands für die in der Bewertungspraxis der Wasserrahmenrichtlinie genutzten Biologischen Qualitätselemente zu testen. Die Ergebnisse zeigen, dass DNA basierte Methoden eine qualitativ hochwertige, effiziente und kostengünstige Ergänzung zu den klassischen morpho-taxonomischen Methoden ist. In dem Vorhaben haben die Fachleute Protokolle für den gesamten Arbeitsablauf, Software Lösungen für die Auswertung der Daten sowie Arbeitshilfen für die Bewertung erarbeitet. Veröffentlicht in Texte | 147/2024.
In Deutschland fehlt eine flächendeckende und standardisierte Erfassung der Bodenorganismen, obwohl mit den ca. 800 Boden-Dauerbeobachtungsflächen (BDF) eine umfassende Infrastruktur dafür zur Verfügung steht. Allerdings führen bisher nicht alle Bundesländer eigene bodenbiologische Untersuchungen auf ihren BDF durch. Wichtigster Grund dafür dürfte die aufwändige und teure Bestimmung der Bodeninvertebraten sein. Zur Lösung dieses Problems sollte das vorliegende Vorhaben beitragen. An 25 Standorten wurden Regenwürmer, Enchytraeiden und Collembolen erfasst, die Tiere morphologisch und per DNA-Metabarcoding bestimmt und die Ergebnisse miteinander verglichen. Das Ziel war, Empfehlungen für ein effizientes und routinemäßig umsetzbares Monitoring der Bodenfauna im Rahmen des deutschen BDF-Programms zu entwickeln. Die Ergebnisse zeigten, dass die genetischen Bestimmungsmethoden hierfür grundsätzlich geeignet sind. Vor einer Einführung in die behördliche Praxis müssen noch einige Voraussetzungen erfüllt werden. Die DNA-Referenzdatenbanken müssen umfassend, gut kuratiert und qualitätskontrolliert sein. DNA-basierte Methoden müssen standardisiert werden. Es müssen belastbare Indizes für die Bodengesundheit, basierend auf Daten zu Bodenorganismen entwickelt werden. Es wird empfohlen, dass die Erhebungen bezüglich der Bodenfauna in allen Bundesländern im gleichen Umfang und mit gleichen Methoden erfolgen. Bodenorganismen sollten zunächst mit klassisch morphologischen Methoden regelmäßig erfasst werden, mindestens Regenwürmer, Enchytraeiden und Collembolen. Die Aufnahme weiterer Gruppen sollte geprüft werden. Die Einführung genetischer Methoden sollte, beginnend mit den Regenwürmern, schrittweise erfolgen. Die erhobenen Daten sollten zentral zusammengeführt und der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt werden. Langfristig sollte Umwelt-DNA-Metabarcoding standardmäßig zur Untersuchung und Bewertung der biologischen Vielfalt des Bodens eingesetzt werden. Quelle: Forschungsbericht
Das Projekt "Joint Danube Survey" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Zoologisches Forschungsmuseum Alexander König - Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere durchgeführt. The Joint Danube Survey (JDS(link is external)) is one of the most comprehensive investigative surface-water monitoring efforts in the world. Orchestrated by the ICPDR (link is external)(International Commission for the Protection of the Danube River), the key purpose of JDS is to gather vital data on carefully selected elements of water quality across the entire length of the Danube River and its major tributaries. The project harmonizes water monitoring practices across the Danube countries, following the EU Water Framework Directive (WFD) to achieve good water quality. Three JDS events have been previously conducted - in 2001, 2007, and 2013. The fourth survey, JDS4, took place throughout 2019 at 51 sampling sites in 13 countries across the Danube River Basin. The outcome of JDS4 will fill the information gaps necessary to enable the planned 2021 update of the Danube River Basin Management Plan. For the first time, JDS4 included DNA metabarcoding methods, carried out through the University of Essen(link is external). The resulting eDNA samples are centrally archived for JDS at the ZFMK Biobank.
Das Projekt "Vorhaben: Einfluss von Wirbeln auf die Zusammensetzung von Protisten Planktongemeinschaften und deren Rolle im Kohlenstoffkreislauf (WP5)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau, Fachgebiet Ökologie durchgeführt. Protisten sind einzellige Eukaryoten, welche in ozeanischen Ökosystemen fundamentale Funktionen im mikrobiellen Netz erfüllen. Sie gehören zu den Organismen, die hauptverantwortlich für die Kohlenstofffixierung und den Kohlenstofftransfer in höhere trophische Ebenen sind. Deshalb sind Protisten im Plankton der Weltmeere eine zentrale Komponente für das ozeanische Kohlenstoffbudget und essentiell für die Erhaltung höherer Organismen in den Ozeanen. Die Entwicklung und Dynamik des Protistenplanktons hängt stark von der Verfügbarkeit von Nährstoffen in den lichtdurchfluteten Oberflächenschichten der Meere ab. Die meisten Regionen in den Ozeanen sind jedoch nährstoffarm, da diese in die tieferen Wasserzonen absinken . Küstenauftriebsgebiete sorgen nun dafür, dass die Nährstoffe aus tieferen Wasserregionen wieder zurück an die Oberfläche gelangen, und dort dem Plankton zur Verfügung stehen. Durch die biologische Nutzung dieser Nährstoffe wird der ozeanische Kohlenstoffkreislauf in Gang gesetzt. Wirbel spielen bei der Verteilung von Nährstoffen eine entscheidende Rolle. Deren Effekt auf die biologische Kohlenstoffpumpe ist jedoch kaum untersucht und somit Thema dieses Antrags. Konkret sieht das beantragte Projekt drei Arbeitspakete vor: (i) die Analyse der Strukturen von Protisten Planktongemeinschaften in verschiedenen Wirbelsystemen (in zeitlicher und räumlicher Auflösung) mittels DNA metabarcoding; (ii) Experimente zur Quantifizierung lokaler biologischer Kohlenstoffumsätze im mikrobiellen Netz unter Einfluss der Dynamik von Wirbelsystemen; und (iii) Experimente zum Einfluss von Wirbelsystemen und deren Nährstofftransport auf die Entwicklung lokaler Protisten Planktonpopulationen im oligotrophen Einzugsgebiet des Wirbels.
Das Projekt "Teilprojekt 10: DNA-Metabarcoding von Makrozoobenthos im Rahmen der EU Wasserrahmenrichtlinie (WRRL)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Duisburg-Essen, Fachbereich Biologie und Geografie, Arbeitsgruppe Aquatische Ökosystemforschung durchgeführt. Der Verbund GBOL II wird weiter am Ausbau der ersten umfassenden DNA-Barcoding-Gendatenbank der deutschen Flora und Fauna arbeiten. Das Projekt der Universität Duisburg-Essen hat zwei Hauptziele: 1) Die Entwicklung von Feld- und Laborprotokolle für DNA-Metabarcoding, mit deren Hilfe die Biodiversität der wirbelloser Indikatorarten in Fließgewässern schnell und zuverlässig bestimmt werden können. 2) Entwicklung einer Software-basierte Analysepipeline. Mit Hilfe dieser sollen die erhobenen Werte in Qualitätswerte übersetzt werden. Für die Freiland-Beprobung sollen sowohl klassische (Multi-Habitat-Beprobung mit anschließender Sortierung) als auch neue Methoden (Homogenisieren kompletter Umweltproben inkl. anderer Bestandteile). Im Labor müssen passende degenerierte Fusionsprimer für die Amplifikation der Makrozoobenthos-Indikatortaxa entwickelt und deren Effizienz überprüft werden. Hierzu ist insbesondere die Datenbank aus dem GBOL-I-Projekt, sowie die selbst-entwickelte Primersoftware PrimerMiner nötig. Die Analysen der Proben erfolgen auf einem Illumina Next-Generation Sequencer (MiSeq bzw. NextSeq-Plattform, paired-end Sequenzierung). Die erhaltenen Proben werden mit bereits publizierten Analysenmethoden gefiltert und geclustert. Erhaltene Datensätze werden mit der gegenwärtigen Methode der Gewässerbewertung (via Software ASTERICS) unmittelbar verglichen, um Abweichungen zu identifizieren und die Methode des DNA-Metabarcoding mit Hinblick auf eine routinemäßige Anwendung zu optimieren.
Das Projekt "Untersuchungen zur trophischen Bedeutung und Metapopulationsstruktur von Arten des gelatinösen Zooplanktons im Südpolarmeer über DNA-Metabarcoding" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsche Forschungsgemeinschaft durchgeführt. Gelatinöses Zooplankton (GZP), darunter pelagische Ctenophoren, Nesseltiere und Salpen, gelten als Gewinner des Klimawandels. In mehreren marinen Ökosystemen weltweit hat ihre Zahl in den letzten Jahrzehnten erheblich zugenommen. Diese so genannte "Gelierung" gilt auch für die sich erwärmende Region des Südpolarmeers mit ihrer bekannten Verschiebung von einem krillbasierten zu einem salpenbasierten Ökosystem. Abgesehen von den Salpen werden andere gelatinöse Zooplankter der Antarktis kaum untersucht, da diese schwer erfassbaren Vertreter des pelagischen Lebensraums aufgrund methodischer Beschränkungen mit den traditionellen Netzbeprobungen nicht bzw. kaum nachweisbar sind. Entsprechend wird die Vielfalt des GZPs bislang nicht erhoben, ihre Biodiversität und Abundanz unterschätzt. Wenn man bedenkt, dass das GZP einen großen Teil der pelagischen Biomasse ausmacht und noch zentraler im Kontext der Ozeanerwärmung wird, könnte ihre ökosystemare Bedeutung als Nahrungsressource für höhere tropische Ebene zunehmen. Bis vor kurzem galt GZP allerdings als "trophische Sackgasse". Diese klassische Sichtweise ist darin begründet, dass durch die schnelle Verdauung des wässrigen, weichen Gewebes von GZP, diese - ebenso wie in den Netzfängen - nicht mehr in den Verdauungsorganen von Beutetieren nachweisbar sind. Erste neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass viele Taxa routinemäßig GZP im gesamten Weltozean konsumieren. Mit diesem DFG-Antrag wollen wir diesen Paradigmenwechsel für pelagische und demersale Ökosysteme des Südpolarmeers validieren. Zu diesem Zweck werden wir die räumlich-zeitliche Variation in der Nahrungszusammensetzung und das Auftreten von GZP-Räubern für Amphipoden- und Fischarten mit Hilfe eines DNA-Metabarcoding-Ansatzes untersuchen.Anschliessend wollen wir auf der Grundlage der Millionen von DNA-Messwerten, die mit dieser Methode und bioinformatischer Entrauschung gewonnen wurden, eine metaphylogeographische Studie durchführen. Damit wollen wir die genetische Struktur und die Populationskonnektivität der sonst schwer zu beprobenden gallertartigen Zooplanktonarten untersuchen.
Das Projekt "Biodiversitätsverlust stoppen durch verbessertes Aufspüren von bedrohten wirbellosen Tieren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Zoologisches Forschungsmuseum Alexander König - Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere durchgeführt. In today's biodiversity crisis, there is an urgent need to monitor terrestrial and aquatic species in their natural habitats, especially those that may be endangered, invasive or elusive. Traditional species observation methods, based on acoustic or observational surveys are inefficient, costly and time consuming. On the other hand, DNA is continuously deposited in the environment from natural processes and this environmental DNA (eDNA) allows us to detect species and reconstruct their communities with a high level of sensitivity. These data can be used to obtain occurrence records and to collect more population information in field. Crucially, these data are necessary to inform management agencies about the current state of our biodiversity, and are especially urgent for species that are currently data deficient. The aims of this study are to firstly identify occurrence records from diverse sources (databases, literature) and generate a database of distributional data for species of crustacean and mollusks that are data deficient in Sweden. Secondly, we aim to detect threatened species in Swedish marine, freshwater and terrestrial habitats using novel genomic methods (DNA metabarcoding, ddPCR). Finally, based on the new data, we will run species distribution and population models, to improve information on geographic range and population status for threatened invertebrates. The results will be integrated into current monitoring programmes (e.g. red-listing) and action plans.
Das Projekt "Teilprojekt: DNA-Metabarcoding von Phyto- und Zooplankton in ostafrikanischen Seesedimenten als Proxy für Umweltveränderungen in der Vergangenheit" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Potsdam, Institut für Biochemie und Biologie durchgeführt. Seesedimentkerne bieten natürliche Archive vergangener Umweltveränderungen, die traditionell mit sedimentologischen, geochemischen und paläontologischen Verfahren analysiert werden. In jüngerer Zeit wurden Proben aus Sedimentkernen auch molekularen DNA-Analyse unterzogen, entweder um die Lebensgemeinschaft von Bodenmikroben zu ermitteln oder Reste von Organismen, die den See und / oder seine Oberflächensedimente in der Vergangenheit bewohnt haben. Das hier vorgeschlagene Projekt zielt auf eine Beurteilung der Möglichkeit des DNA-Betabarcodings in den Chew-Bahir-Sedimentkernen, die Kombination von State-of-the-art Techniken der Umweltgenomik und ancient DNA (aDNA) Analysen. Die wichtigsten Forschungsfragen des Projekts sind: (1) Wie weit zurück in der Zeit können DNA-Reste in den Chew-Bahir-Sedimentkernen extrahiert und analysiert werden? (2) Wie kongruent sind die Ergebnisse der PCR-basierendem vs. Hybridization-Capture-basierendem Metabarcoding? und (3) Was sind die langfristigen Trends und Verschiebungen in den Planktongemeinschaften in der Geschichte des Chew Bahirs? Die Ergebnisse dieses Projekts werden einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Umwelt und Biosphäre in der Vergangenheit liefern, insbesondere in Sedimenten, in der mikroskopisch erkennbare organische Reste selten oder nicht vorhanden sind. Darüber hinaus erwarten wir wichtige methodische Fortschritte in der Erforschung von Sedimenten von tropischen Seen, die in zukünftigen Projekten von großer Bedeutung sein werden.
Das Projekt "Teilprojekt: Metabarcoding alter eukaryotischer DNA aus Chew Bahir, Ethiopia: Rekonstruktion der Folgen drastischer Umweltänderungen für die Biodiversität" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Potsdam, Institut für Biochemie und Biologie durchgeführt. Das Chew Bahir Drilling Projekt (CBDP) erbrachte tropische Sedimente aus den letzten 650000 Jahren. DNA-Metabarcoding an diesen Proben erschließt ein einzigartiges paläolimnologisches Archiv bezüglich Zeitspanne und zeitlicher Auflösung. In einer Pilotstudie konnten wir mittels Hybridization-Capture-basiertem Metabarcoding eukaryotische DNA aus den ca. 280 m langen Chew Bahir-Kernen in Sedimenten bis 70m Tiefe (ca. 150000 Jahren) analysieren. Dabei werden Sedimentproben einer Taxon- und Gen-spezifischen DNA-Anreicherung mit spezifischen Sonden ('baits') unterzogen und mittels Next-Generation-Sequencing analysiert. Wir wollen das Potenzial des DNA-Metabarcodings in den langen CBDP-Kernen weiter untersuchen. Unsere grundlegenden wissenschaftlichen Fragen sind: (1) Wie reagiert das Ökosystem auf kurze, aber signifikante Störungen, z.B. Dürren oder erhöhte Feuchtigkeit? Wir testen die Hypothese, dass einzelne Störungen das Ökosystem dauerhaft verändern, indem wichtige Komponenten des Ökosystems ausgetauscht werden. Da wir die Gesamtheit der Eukaryoten erfassen, können wir die Effekte für die Biodiversität quantifizieren und Folgen für Ökosystemfunktionen ableiten. (2) Was sind die Folgen globaler und lokaler Klimaveränderung, z.B. an Kipppunkten (tipping points)? Hier untersuchen wir, ob und wie ein Ökosystem infolge einer Störung von einem stabilen Zustand in einen anderen übergeht. Ein spezieller Fokus ist, ob ökologische Nischen nach einer Störung von den gleichen Taxa wiederbesiedelt werden oder ob sie durch andere Taxa ersetzt werden, wodurch sich Eigenschaften des Ökosystems verändern können. (3) Welche Langzeit-Trends finden sich in den Lebensgemeinschaften in Chew Bahir und anderen afrikanischen Sedimentkernen? Wir werden zeitliche Trends unserer Ziel-Eukaryotentaxa ermitteln, sowohl bezüglich der Artzugehörigkeit als auch bezüglich kryptischer genetischer Variation und (halbquantitativ) relativer Abundanz. Dies umfasst als Proxies etablierte Planktonorganismen (Ostracoda, Cladocera, Rotatoria, Diatomeen), aber auch wichtige terrestrische Arten (Insekten, Nagetiere, Huftiere, höhere Pflanzen). (4) Wie lange zurück in der Zeit können DNA-Reste im Chew Bahir und anderen HSPDP-Kernen extrahiert und analysiert werden? Hier werden wir Möglichkeiten DNA-basierter Detektion von Organismen in tieferen Schichten der Kerne (unter 70m) evaluieren. Weiterhin werden wir unsere Analyseprotokolle optimieren, um die DNA-Ausbeute unserer Zieltaxa zu maximieren und methodische Verzerrungen zu minimieren. Darüberhinaus werden wir Möglichkeiten und Grenzen halbquantitativer Abundanzschätzungen mittels NGS und qPCR zwischen Kernschichten und Taxa evaluieren. Wir analysieren gezielt Sedimente vor, während und nach drastischen Umweltveränderungen (vor allem Transitionen zwischen Dürren und Feuchtperioden), die in lithologischen Untersuchungen unserer Kooperationspartner identifiziert werden.
Das Projekt "Teilprojekt: MacroBEEs: Wie beeinflusst Landnutzung Interaktionen zwischen Bienen und Pflanzen sowie deren mutualistische Kosequenzen?" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Würzburg, Fakultät für Biologie, Center for Computational and Theoretical Biology (CTB) durchgeführt. Interaktionen zwischen Bienen und Blütenpflanzen sind Teil eines 'berühmten' und evolutiv 'alten' Mutualismus, welcher die reproduktive Fitness von Pflanzen und Bienen maßgeblich bestimmen kann. Die Struktur, Stabilität und Fitness-Auswirkungen hängen dabei von der Diversität und Zusammensetzung der interagierenden Gemeinschaft ab, welche ihrerseits stark von der vorherrschenden Landnutzung beeinflusst werden. So nimmt die Diversität von Interaktionspartnern und Interaktionen mit zunehmend intensiverer Landnutzung ab. Welche Auswirkungen das auf die reproduktive Fitness der Interaktionspartner hat, ob diese Auswirkungen abhängig von der Art oder Gemeinschaft variieren, und wie das mit der Struktur des Interaktionsnetzwerkes zusammen hängt, wurde bisher jedoch kaum experimentell untersucht und soll nun in MacroBEEs geklärt werden. Dabei bauen wir auf bereits bestehenden Daten zu Interaktionsnetzwerken abhängig von Landnutzung auf und nutzen sowohl das etablierte Plot-Netzwerk als auch die neuen 'multi-grassland experiment' Plots, um besser zu verstehen, wie sich Landnutzung unabhängig von anderen Faktoren auf die reproduktive Fitness der Interaktionspartner auswirkt. Im Rahmen von drei 'Work Packages' (WPs), sollen folgende Fragen geklärt werden:1. Wie wirken sich Landnutzungs-bedingte Veränderungen in der Diversität und Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften auf die Besuchsmuster und Furagierentscheidungen von wilden Bienen und Honigbienen aus (WP1)?2. Wie beeinflussen diese Furagierentscheidungen die taxonomische und chemische (Nährstoff-) Zusammensetzung der erstellten (Pollen und Nektar) Diäten und damit die Gesundheit und Fitness der Tiere (WP2)?3. Wie beeinflussen Veränderungen der Besuchsmustern den Transfer von Pollen innerhalb und zwischen Pflanzenarten und folglich den Samenansatz und damit den Bestäubungserfolg von Pflanzen (WP3)? Um diese Fragen zu beantworten, werden wir ganz unterschiedliche Methoden anwenden (Beobachtungen im Feld, DNA Metabarcoding von Pollen von Bienen und Blüten, chemischer Analytik, Fütterungsversuche mit Bienen im Labor, Netzwerkanalysen und Modeling) und eng mit anderen geplanten sowie den Kern-Projekten zusammenarbeiten. Dabei können wir auf Daten zu Bestäubernetzwerken in Abhängigkeit von Landnutzung seit 2008 zurückgreifen, was die einzigartige Möglichkeit eröffnet, Langzeiteffekte von Landnutzung auf Netzwerk Stabilität, Widerstandfähigkeit, Interaktions-Asymmetrien usw. dieses bedeutenden Mutualismus zu untersuchen. Indem wir zusätzlich die Mechanismen untersuchen, welche den Auswirkungen von Landnutzung auf den Reproduktionserfolg von Bienen und Pflanzen zu Grunde liegen, ermöglicht MacroBEEs ein weitreichenderes Verständnis darüber, wie sich Landnutzung auf die funktionale Stabilität von Bestäubernetzwerken und damit die Sicherheit der Bestäubungsleistung in Pflanzengemeinschaften auswirkt.