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Die meisten natürlichen Ökosysteme sind durch Veränderungen des menschlichen Lebensraums, Klimawandel oder invasive Arten stark betroffen. Um diese Ökosysteme zu schützen, muss man die darin lebenden Organismen kennen. Daher ist es für Ökologie und Naturschutz von zentraler Bedeutung, den Zustand und die Veränderung der biologischen Vielfalt zu beurteilen. Allerdings sind die klassischen Methoden oft nur geeignet für die Bestimmung einer Untergruppe von Organismen, sie sind teuer und die Organismen selbst müssen dafür gesammelt werden.
Seit kurzem besteht die Idee, stattdessen die DNA von Organismen aus Umweltproben wie Boden oder Wasser zu sammeln und so die verschiedenen Arten nachzuweisen. Alle Organismen geben ständig DNA in die Umwelt ab, zum Beispiel durch Kot oder Hautpartikel. Diese Umwelt-DNA wird mit neuster Technologie sequenziert und anschliessend mit Datenbanken abgeglichen, um die Arten zu bestimmen. «Dieser völlig neuartige Ansatz hat das Potenzial, das Studium der biologischen Vielfalt zu revolutionieren», sagt Florian Altermatt, Professor am Institut für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften der Universität Zürich und dem Wasserforschungsinstitut Eawag.
Er und sein Team der Eawag in Dübendorf haben kürzlich den Praxisbeweis für diese Idee erbracht. Sie sammelten an verschiedenen Orten Wasser der Glatt, einem Fluss im Kanton Zürich, und extrahierten anschliessend alle DNA. «Wir haben einen Liter Wasser geschöpft und konnten dann die DNA von erstaunlich vielen Arten extrahieren, von Wasserinsekten wie Eintagsfliegen bis zum Biber, der weiter flussaufwärts lebt», erklärt Studienkoordinator Florian Altermatt. Die DNA von Tausenden von Organismen wurden mit traditionellen Schätzungen der biologischen Vielfalt verglichen. So wurde geklärt, ob die nachgewiesenen Organismen tatsächlich in dieser Umgebung leben.
In früheren Arbeiten hatten die Autoren bereits gezeigt, dass Flüsse die DNA mehrere Kilometer weit transportieren. «Dies eröffnet völlig neue Ansätze, um Informationen über die Vielfalt von Organismen in Fluss-Systemen zu erhalten», sagt Altermatt. «Wir können nun möglicherweise die biologische Vielfalt in ähnlicher Weise bestimmen wie die Chemie des Wassers gemessen wird.» Die einzelnen Wasserproben enthalten nicht nur Informationen über Wasserorganismen, sondern über Organismen zu Land, die entlang des Flusses vorkommen. Dadurch erhielten die Wissenschaftler einen Fingerabdruck der Organismen, die im ganzen Einzugsgebiet leben. Und sie belegen das Potenzial der Umwelt-DNA, die Artenvielfalt aller Tiere von Wasserinsekten bis zu Säugern bestimmen zu können.
Die Studie der UZH-Forschenden zeigt, dass Flüsse mit ihrer einzigartigen Netzstruktur Umwelt-DNA sammeln und transportieren, die Informationen über die Organismen im Wasser und auf dem Land enthalten. Da das Verfahren automatisiert werden kann, könnten künftig Daten über die biologische Vielfalt in noch nie dagewesener räumlicher und zeitlicher Auflösung erhoben werden. «Ich könnte mir vorstellen, dass Wasserproben, die heute von kantonalen oder nationalen Behörden täglich oder sogar stündlich für das Screening von Chemikalien entnommen werden, auch für das Erfassen der Biodiversität genutzt werden könnte», spekuliert Altermatt.
Kristy Deiner, Emanuel A. Fronhofer, Elvira Mächler, Jean-Claude Walser and Florian Altermatt. Environmental DNA reveals that rivers are conveyer belts of biodiversity information. Nature Communications. August 30, 2016. Doi: 10.1038/ncomms12544
