Molekulare Methoden zur Erfassung der Biodiversität und zur ökologischen Bewertung von Bundeswasserstraßen sowie zur gezielten Erfassung von Neobiota und schwer auffindbaren Arten: Algen, Fische, Makrozoobenthos

Abstract

Ziel des Projektes war der Aufbau molekularbiologisch-taxonomischer Kompetenz in der Abteilung U. Am Beispiel des Phytoplanktons, des Phytobenthos, des Makrozoobenthos (MZB) und der Fische sollte der aktuelle Forschungsstand molekularbiologischer Bestimmungsmethoden dargestellt, Ergebnisse mit klassischer Taxonomie verglichen und die Methodik auf seine Anwendbarkeit hinsichtlich der Ermitt- lung der Biodiversität und der ökologischen Bewertung von Bundeswasserstraßen getestet werden. Ziel war es auch, Empfehlungen zu Probenahme und genetischer Charakterisierung zu formulieren. Die BfG führte dieses Projekt bundesweit an den Bundeswasserstraßen durch. Im Projekt wurde der Aufbau eines voll ausgestatteten molekularbiologischen Labors unterstützt und abgeschlossen. Es stehen nun zwei Laborräume mit der benötigten Infrastruktur für molekularbiologi- sche Arbeiten von der DNA Extraktion bis zur Sequenzierung / Datengenerierung für die BfG zur Ver- fügung. Das Laborpersonal wurde in Arbeitsroutinen mit einbezogen und setzt diese nun selbstständig um. Im Projekt wurden außerdem Protokolle und Handlungsanweisungen für die Probenahme und mo- lekularbiologische Aufarbeitung für die vier biologischen Qualitätselemente (BQE) Phytoplankton und - benthos, Makrozoobenthos (MZB) und Fische erarbeitet. Konkret wurde festgestellt, dass die herkömm liche Fixierung von Phytobenthos in Ethanol für die genetische Analyse weniger gut geeignet ist. Ferner wurden DNA Extraktionsmethoden getestet und ein Primerset für die Amplikonsequenzierung des 16S rRNA Gens, des 18S rRNA Gens und des rbcL Gens etabliert. Ein umfassender Vergleich von moleku- larbiologischen mit morphotaxonomischen Methoden des Phytoplanktons und Phytobenthos konnte im Projekt wegen technischer Schwierigkeiten beim Dienstleister, sowie verfrühtem Weggang des Projekt- personals nicht vollständig abgeschlossen werden. Die Daten sollen aber in anderen Projekten weiter- genutzt werden. Für das Makrozoobenthos konnte ein Vergleich der molekularbiologischen und morphotaxonomischen Bestimmungsmethoden für die Gewässerbewertung der Bundeswasserstraßen Elbe und Rhein durch- geführt werden. Dabei zeigten sich sowohl eine höhere taxonomische Auflösung durch die molekular- biologischen Methoden, als auch eine ähnliche Bewertung des Gewässers durch beide Methoden. Pro- benahmestrategien anhand von Umwelt-DNA (eDNA) für verschiedene Fragestellungen, wie Biodiver- sitätsanalysen oder der Nachweis von nicht-einheimischen invasiven Arten, konnten erarbeitet und ge- testet werden. Ebenso wurde ein Primerset für die Amplikonsequenzierung des mitochondrialen Cy- tochrome-c-Oxidase I (COI) Gens für das Makrozoobenthos, sowie ein Primerset des 12S rRNA Gens zur Analyse der Fischlebensgemeinschaften etabliert. Die aufgebaute Infrastruktur, der Kompetenzaufbau beim Labor- und wissenschaftlichen Personal, so- wie die erarbeiteten Handlungsanweisungen und Arbeitsroutinen kommen u.a. im Zuge des WRRL- Monitorings 2024 der IKSR, sowie zur Prymnesium-Monitoringkampagne 2024 in Kooperation mit den Ländern bereits zur Anwendung. Zudem ist die BfG in Folge des Projektes an der Ausarbeitung von entsprechenden DIN-Normen beteiligt. Die intensive Bearbeitung des Themenkomplexes hat die BfG als einen Ansprechpartner für molekularbiologische Methoden für andere Behörden (Bund und Länder) etabliert. Wissenschaftlich wurden Kooperationen mit anderen aktiven Gruppen, wie der von Prof. Dr. Florian Leese an der Universität Duisburg-Essen, aufgebaut. Ferner wurden im Projekt Lücken wie un- zureichend bestückte Datenbanken oder eine zu geringe taxonomische Auflösung mittels herkömmli- cher Amplikon-Sequenzierung aufgezeigt, die in zukünftigen Projekten bearbeitet werden müssen, um das Ziel einer zuverlässigen und standardisierten Bewertung anhand von genetischen Methoden zu erreichen. Datei-Upload durch TIB The objective of the project was to build up and enhance the molecular-taxonomic expertise within the Department U of the BfG. Based on the biological quality elements (BQE) phytoplankton, phytobenthos, benthic macroinvertebrates and fish, the current state of research on molecular biological identification methods was to be reviewed and DNA-based project results to be compared with classical taxonomy, with a view on this method’s general applicability for the determination of biodiversity and the ecological assessment of federal waterways. Furthermore, recommendations for sampling strategies and the ge- netic characterisation of the above mentioned BQE were to be formulated. The BfG carried out this project on several federal waterways throughout Germany. The project supported and completed the construction of a fully equipped molecular biology laboratory. Two laboratory rooms with the necessary infrastructure for molecular biology work from DNA extraction to sequencing/data generation are now available at the BfG. The laboratory staff were involved early on in the established working routines and are now implementing them independently. In addition, the pro- ject developed protocols and instructions for sampling and molecular biological processing of samples from phytoplankton and -benthos, benthic macroinvertebrates and fish. Specifically, it was e.g. found that the conventional fixation of phytobenthos in ethanol is less suitable for genetic analysis. Further- more, DNA extraction methods were tested, and a primer set for amplicon sequencing of the 16S rRNA gene, the 18S rRNA gene, and the rbcL gene was established for the BQE phytoplankton and -benthos. A comprehensive comparison of molecular biological with morphotaxonomic methods of these two BQEs could not be fully completed in the project due to technical difficulties with the sequencing service provider and the early leave of project staff. However, the data will continue to be utilised in other pro jects. For the BQE „benthic macroinvertebrates”, a comparison was conducted between molecular biological and morphotaxonomic identification methods for the purpose of the ecological assessment of the Elbe and Rhine federal waterways. This demonstrated that both methods yielded comparable results, with the molecular biological methods offering greater taxonomic resolution. Sampling strategies based on environmental DNA (eDNA) were developed and tested for the purpose of addressing various questions, including biodiversity analyses and the detection of non-native invasive species. A primer set for am- plicon sequencing of the cytochrome c oxidase I (COI) gene for benthic macroinvertebrates, and a pri- mer set for the 12S rRNA gene for analysing fish communities were also established and tested. The infrastructure that has been set up, the expertise that has been built up among laboratory and scientific staff, and the work routines and instructions that have been developed are already being uti- lised e.g. in the context of the ICPR's 2024 WFD monitoring programme and the 2024 Prymnesium parvum monitoring campaign in collaboration with the federal states. Furthermore, the BfG is engaged in the development of corresponding DIN standards as a consequential result of the project. The exten- sive work on this topic has positioned the BfG as a partner for molecular biological methods for other authorities (federal and state). A scientific collaboration has been established with other active research groups, including that of Prof. Dr. Florian Leese at the University of Duisburg-Essen. Furthermore, the project identified shortcomings, such as the lack of comprehensive reference databases or inadequate taxonomic resolution using conventional amplicon sequencing. These must be addressed in future pro- jects to achieve the goal of a reliable and standardised ecological assessment of the federal waterways using genetic methods.