Integrating environmental DNA into marine management

Abstract

Human-induced factors such as pollution, overfishing, habitat destruction and climate change, have precipitated a concerning decline in marine biodiversity, challenging the health and sustainability of marine ecosystems. While international conservation efforts have been initiated to address this crisis, they have frequently fallen short of achieving their objectives, mainly due to the lack of comprehensive biological data needed to monitor progress. Researchers have stressed the need for biotic observations to better assess the human impact and aid achieving conservation targets. Traditional survey methods, although insightful, are often criticized for being invasive, costly, and labor-intensive. More recently, environmental DNA (eDNA) has emerged as a non-invasive, cost-effective, and highly accurate alternative for biomonitoring. However, the efficacy of eDNA is still influenced by biological, environmental, and technical latent parameters (poorly understood), thus limiting its wider adoption for biomonitoring purposes. The research presented in this thesis illuminate the underlying processes that affect eDNA dynamics, by combining multiple data sources such as eDNA metabarcoding, trawl catch count, quantitative PCR (qPCR), and digital droplet PCR (ddPCR). Some key findings of my thesis include the persistence of eDNA in marine water, its approximate quantitative usefulness in denoting ecosystem differences, and the relative superiority of ddPCR over qPCR in sensitivity and precision. More importantly, this thesis presents a novel approach for empirically assessing the latent processes affecting eDNA dynamics which can thereafter enable eDNA observations to be translated into fish abundances and densities thereby equipping resource managers with a more nuanced understanding of how to leverage eDNA surveys when designing marine management plans. Despite these advancements, future attributes of eDNA methods such as size, age, or sex determination, require more research to further enhance eDNA methodologies into marine ecosystem-based management and conservation strategies.

Menneskeskapte faktorer som forurensning, overfiske, habitatødeleggelse og klimaendringer har påvirket marine økosystemer negativt, noe som fører til nedgang i biologisk mangfold og truer motstandskraften til marint liv. Biodiversitet er avgjørende for økologisk bærekraft, ettersom det tilbyr økosystemtjenester og støtter menneskelige økonomier. For å håndtere biodiversitetskrisen har internasjonale rammeverk som CBD, UNCLOS, SDG 14 og GOA satt mål for marin bevaring og forvaltning, inkludert beskyttede områder og bærekraftige forvaltningspraksiser. Forskjellige land, inkludert Norge, har gått over fra enkelt art forvaltning til økosystembasert forvaltning for å opprettholde sunne økosystemer. Dette har ført til at behovet for biotiske data har økt. For å ivareta sunne økosystemer og forhindre forringelse av biologiske ressurser, er det en økende avhengighet av effektiv biotisk datainnsamling.

Tradisjonell og kommersiell tråling, merke-gjenfangst, telemetri, hydroakustikk og elektrofiske er utprøvde og testede metoder for å samle inn økologisk data i forbindelse med fiskeundersøkelser, men deres invasive natur, høye kostnader og arbeidsintensitet begrenser ofte bruken, og kan skade marine økosystemer. Miljø-DNA (eDNA), derimot, har dukket opp som et ikke-invasivt, kostnadseffektivt og svært nøyaktig alternativ tradisjonelle metoder. eDNA har revolusjonert overvåkingen av marin biodiversitet, artsdeteksjon og fordeling, samt studier av samfunnssammensetning. Imidlertid står eDNA overfor egne utfordringer, inkludert arts-spesifikke DNA-fellingsrater, ulikheter i PCR og miljøforhold som påvirker DNA-persistens og kvantitativ tolkning. Mens avanserte PCR-teknikker som kvantitativ PCR (qPCR) og droplet digital PCR (ddPCR) kan hjelpe med å kvantifisere DNA i prøver og forbedre nøyaktigheten, utgjør biologiske og miljømessige variabler fortsatt betydelige hindringer. Å forbedre analyse metoder av eDNA er avgjørende for å samle mer presis og detaljert informasjon om marine økosystemer. Dette vil føre til et bedre grunnlag for forvaltningsbeslutninger og bidra i å møte internasjonale mål for bevaring av biodiversitet.

I denne avhandlingen brukte jeg eDNA metastrekkoding delvis koblet med bunntrålundersøkelser, qPCR og ddPCR-analyser for å forstå dynamikken til eDNA ved å estimere prosessene som påvirker resultatene fra metastrekkoding data. Dette vil hjelpe ressursforvaltere med å utforme bedre handlingsplaner for marin forvaltning. Jeg utforsket grundig de komplekse dynamikkene i eDNA metastrekkoding (flerarters observasjoner) og hvordan ulike faktorer former persistensen og distribusjonen med hensyn til marin overvåking og økosystemforvaltning. Disse faktorene inkluderer DNA-fellingsrater, transport- og sedimenteringsrate, nedbrytningsrate, eDNA-prøvetaking og isolasjonseffektivitet, samt tekniske metoder brukt for deteksjon. Gitt påvirkningen av disse faktorene, er eDNA-persistensen i marint miljø kortvarig (dager til uker) og spredningen er satt til flere kilometers rekkevidde (avhengig av vannforholdene). Deretter viste det seg at data fra eDNA metastrekkoding (fler-arts observasjon) inneholdt noen omtrentlige mengder (semi-kvantitative) angående artenes tallrikhet, og fungerer dermed som et verdifullt verktøy for rask overvåkning av marine samfunnsstrukturer. Deretter utviklet jeg en ny tilnærming for å empirisk vurdere faktorene som påvirker eDNA-dynamikk som deretter kan muliggjøre at eDNA-observasjoner blir oversatt til fiskemengder og tettheter, liknende de som er beregnet fra trålfangst. Ved å kvantifisere disse dynamikkene, kan forvaltere og politikere få økt forståelse av eDNA-undersøkelser, og dermed gjennomføre de i handlingskraftige overvåkningsplaner for å overvåke menneskeskapte påvirkninger og klimaendringer. Med tanke på tidlig oppdagelse av fremmede arter eller kvantifisering av kommersielt viktige arter, viste ddPCR seg å ha høyere sensitivitet og presisjon sammenlignet med den alternative metoden (qPCR). Dette funnet blir spesielt nyttig for ressursforvaltere som er avhengig av høy sensitivitet og presisjon for å ta gode beslutninger angående tidlig påvisning av patogener, innførte arter og kvantitativ vurdering av marine biota.

eDNA åpner også nye muligheter for omfattende samfunns- og helsevurderinger, og forenkler identifiseringen av sårbare habitater, som gyteområder, med minimal økologisk forstyrrelse. Imidlertid, til tross for sine fordeler, kan ikke dagens eDNA-analyser si oss noe om størrelse eller alder på individer. Løsningen for denne utfordringen ligger i å kombinere eDNA med supplerende genetiske markører. Dette vil bane vei mot mer sofistikerte fiskeri- og forvaltningsstrategier.