Projekti

MULTI-MON: Multimodalni monitoring biodiverzitete majhnih mokrišč – neinvazivno vzorčenje s podvodnim zvokom in okoljsko DNA

Zaradi pospešenega upadanja biotske pestrosti je nujen razvoj učinkovitega in široko-prostorskega monitoringa za ugotavljanje trendov in upravljanje z ekosistemi. Vendar so obstoječi konvencionalni monitoringi večinoma vrstno specifični in ne omogočajo široko-prostorskih ocen biotskih trendov, medtem ko je terensko delo kadrovsko in stroškovno izjemno zahtevno, kar omejuje zbiranje velikih nizov podatkov, ki bi omogočili napredno statistično sklepanje in razvoj natančnih napovednih modelov. Za zapolnitev teh vrzeli je bila pred kratkim predlagana uporaba naprednih tehnologij (npr. EUROPABON).

V predlogu projekta se osredotočamo na ekosisteme manjših stoječih celinskih voda. Mokrišča so najbolj ogrožen ekosistem na Zemlji – samo v zadnjih 50 letih je izginilo 35 % svetovnih mokrišč. V primerjavi z morskimi in kopenskimi ekosistemi je izguba biotske pestrosti najhitrejša v celinskih vodah. Številne vrste, ki naseljujejo mokriščne ekosisteme, so kritično ogrožene – eni od treh sladkovodnih vrst grozi izumrtje zaradi propadanja mokrišč. Med prednostnimi nalogami za obnovo mokrišč, predstavljenimi na Svetovnem dnevu mokrišč 2023 (World Wetlands Day 2023), je »posodobitev in izboljšanje inventarjev ter monitoringa biodiverzitete mokrišč za zagotavljanje obnovitve populacij ogroženih vrst«.

Čeprav so raziskave celinskih voda v različnih globalnih naravovarstvenih programih prednostne, so bile osredotočene na tekoče vode in večja vodna telesa, precej manj pa na monitoring in varstvo manjših stoječih mokrišč (v nadaljevanju MSM). V MSM je bila prepoznana večja biotska pestrost kot v katerem koli drugem ekosistemu celinskih voda, s številnimi redkimi in ogroženimi taksoni in s pomembno vlogo pri zagotavljanju ključnih ekosistemskih storitev. Zaradi kompleksnosti dejavnikov, ki vplivajo na vodne vrste v MSM, morajo orodja monitoringa zagotavljati ustrezne kvantitativne in kvalitativne podatke za večje število vrst, za večja območja in za daljša obdobja, s katerimi bo mogoče zanesljivo ocenjevati in napovedovati trende in funkcije v vodnih ekosistemih. Za potrebe monitoringa in upravljanja z MSM je potreben tehnološki napredek in pionirski pristopi, temelječi na raziskavah za vrednotenje številnih globalnih groženj, ki povzročajo upadanje sladkovodne biodiverzitete.

Eden takih pristopov je zbiranje in analiza genetskega materiala, pridobljenega neposredno iz okoljskih vzorcev, in sicer okoljske DNK (eDNA). Navadno je eDNA kompleksna mešanica DNK iz jeder, mitohondrijev in kloroplastov in je prisotna v zunajceličnem in membransko vezanem stanju ter do določene mere heterogeno razporejena v okolju (v nadaljevanju eDNA-krajina).Namesto neposrednega vzorčenja organizmov ta metoda omogoča sledenje vrstam ali celo rekonstrukcijo celotnih združb z odkrivanjem genskega materiala razpršenega v okolju. eDNA je postala uveljavljeno orodje za monitoring vrst, pri katerih so konvencionalne metode neučinkovite, zahtevne ali celo za organizme invazivne. Raziskave eDNA izboljšujejo zmožnosti iskanja kriptične biotske pestrosti in omogočajo štetje vrst v skoraj realnem času. Vendar ima uporaba eDNA metod tudi svoje pomankljivosti oziroma omejitve. Največje omejitve pri vpeljavi eDNA metod so neznanke glede povezovanja količine eDNA in njenega vira. Ta odnos je zapleten predvsem zaradi razmeroma počasne hitrosti razgradnje kratkih fragmentov eDNA v vodi in še toliko bolj v sedimentu, kar ima pomembne posledice za razlikovanje med prisotnostjo trenutnih vrst in »starimi« eDNA signali. Daljši fragmenti eDNA ali eRNA so manj obstojni kot kratki, kar je lahko način za izboljšanje informativne moči eDNA. Vendar je študij, ki bi vrednotile eDNA v hitro spreminjajočih se okoljih, kot so MSV, malo. Drug pristop v monitoringu je ekoakustika, ki preučuje okoljski zvok in ga uporablja kot indikator ekoloških procesov. Raziskovanje in monitoring biotske pestrosti in okolja z uporabo akustičnih senzorjev se uporablja kot neinvaziven pristop v različnih kopenskih in vodnih ekosistemih. Vendar pa pri spremljanju zvočne krajine manjka pomembna komponenta informacij v okolju, saj večina členonožcev komunicira z vibracijskimi signali. Spremljanje substratnih vibracij odpira možnost spremljanja najrazličnejših vrst členonožcev, ki so bistvenega pomena za delovanje in ohranjanje ekosistema, vendar niso dostopni z drugimi neinvazivnimi metodami.

Glavni cilj raziskovalnega projekta MULTI-MON je razviti orodja naslednje generacije multimodalne ocene biotske pestrosti in monitoringa MSV s karakterizacijo podvodne ekoakustične slike in s celovito oceno okoljskih genetskih profilov. Naša primerjava konvencionalnih pristopov monitoringa z neinvazivnimi novimi podvodnimi zvočnimi pristopi in pristopi eDNA-krajine ter njihova sinteza bo vodila k učinkovitejšemu spremljanju biotske pestrosti MSV. V ta namen smo predvideli vrsto načrtovanih eksperimentalnih študij na treh pilotnih območjih. Na podlagi trenutnega stanja tehnike smo identificirali osnovne zahteve, ki se nam zdijo bistvene za tako integracijo. V predlogu raziskovalnega projekta bomo obravnavali naslednje cilje:

1. Identifikacija in primerjava zvočnih združb iz različnih tipov MSV.
2. Identifikacija in primerjava zvočne in vibracijske krajine v različnih tipih MSV.
3. Vzpostavitev odprte podatkovne knjižnice posnetkov vodne zvočne krajine in referenčnih zaporedij DNK vrste iz MSV za Slovenijo.
4. Raziskava degradacijskega razmerja eDNA v odvisnosti od njenih genomskih značilnosti.
5. Raziskovanje vodnih združb v različnih časovnih skalah z uporabo okoljskih nukleinskih kislin.
6. Vrednotenje bioakustičnih in eDNA pristopov za specifično detekcijo ciljnih taksonov.
7. Primerjava vodnih združb z uporabo različnih indeksov, pridobljenih s konvencionalnimi metodami, bioakustiko in eDNA.

Predlagana raziskava je razdeljena na tri med seboj povezane delovne sklope (DS), ki se med seboj dopolnjujejo. V DS1 »eDNA monitoring MSV« bomo raziskali dinamiko razgradnje eDNA/eRNA, da bi razvili nove standarde za preučevanje vodnih združb v MSV v različnih časovnih skalah. Vzpostavili bomo tudi regionalno referenčno bazo zaporedij DNK in razvili vrstno specifično eDNA sonde za ciljne taksone. V DS2 »Vodna bioakustika in biotremologija« bomo pridobili informacije o kompleksnosti in heterogenosti zvočne krajine in vibroskopije v MSV ter o dnevni in sezonski dinamiki le-te. Poleg tega bomo vzpostavili zvočno referenčno knjižnico za identifikacijo ciljnih taksonov. DS3 »Primerjalna analiza in moč detekcije« je posvečen integraciji in primerjavi eDNA, zvočne in vibracijske krajine. Ocenili bomo učinkovitost specifične detekcije ciljnih taksonov z eDNA in bioakustiko ter uporabili indekse biodiverzitete za primerjavo strukture in dinamike vodnih združb. Vse pristope bomo primerjali med seboj in s podatki, pridobljenimi s konvencionalnimi metodami vzorčenja, ki jih bomo zbrali v DP3. Združili bomo najsodobnejše znanje in pristope iz ekologije, varstvene genetike, biomonitoringa, vedenjske ekologije in računalniške obdelave zvoka, da bi ustvarili nov okvir za neinvazivno multimodalno spremljanje biotske pestrosti MSV z uporabo podvodnega zvoka in eDNA profilov ter jih primerjali s konvencionalnim monitoringom. Razvoj biomonitoringa naslednje generacije ovira pomanjkanje ključnih tehničnih zmogljivosti, infrastrukture, znanja in veščin, zlasti v vzhodni in jugovzhodni Evropi. Nacionalni inštitut za biologijo (NIB) je glede tega izjema, saj zaposluje številne najboljše strokovnjake za raziskave in monitoring biotske pestrosti v širši regiji, ki so v ospredju vključevanja novih tehnologij v inovativne metode monitoringa in imajo tako odličen pregled nad celotnim potencialom tehnološkega napredka. Projektni partner, Fakulteta za računalništvo in informatiko Univerze v Ljubljani (FRI), bo prispeval izkušnje z avtomatsko klasifikacijo vibracijskih signalov in je usposobljen za računalniško obdelavo zvoka z globokimi nevronskimi mrežami. Vsi navedeni raziskovalci na NIB in FRI so mednarodno priznani strokovnjaki na svojih področjih.

Slovenija zaradi svoje geografske in podnebne pestrosti predstavlja eno od evropskih vročih točk biotske pestrosti. V Sloveniji je bilo popisanih 3.500 mokrišč, od katerih jih le tretjina presega 0,15 ha, zato MSV predstavljajo pomembno večino. Da bi zagotovili široko paleto različnih tipov MSV, bomo raziskave izvajali na treh geografskih območjih. Pilotska območja so izbrana na podlagi njihove visoke biotske pestrosti in varstvene vrednosti, dostopnosti in drugih značilnosti, zaradi katerih so naše načrtovane raziskave celovite in izvedljive. Za vsako pilotno območje bomo sestavili celovit favnistični pregled vodne favne iz obstoječih podatkov, ki bo služil kot osnova za izdelavo regionalne referenčne zbirke podatkov o zaporedju DNK (DS1) in knjižnice bioakustike (DS2) ter za oceno popolnosti konvencionalnih pristopov monitoringa (DS3).

V dosegu projekta načrtujemo objavo rezultatov v vodilnih revijah. Načrtujemo udeležbo na mednarodnih konferencah. Poleg tega bomo glavne ugotovitve posredovali zainteresiranim deležnikom in javnosti prek znanstvenega komuniciranja. Vzpostavili bomo javno dostopno knjižnico akustičnih in DNK podatkov. Rezultat DS1 bo seznam ciljnih vrst zaznanih z eDNA, ki bo javno dostopen na spletni strani projekta. Rezultat DS2 bodo tudi prosto dostopne kode in modeli za nenadzorovano zaznavanje vodnih akustičnih in vibracijskih signalov, nadzorovano razvrščanje signalov glede na vrsto in zaznavanje komunikacijskih sekvenc. Rezultat DS3 bo podroben popis vrst po konvencionalni metodi, ki bo javno dostopen na spletni strani projekta.

Osnovni podatki o projektu (SICRIS)