Für die «DNAir»-Datenerhebung wurde in Hildisrieden, als einem von 15 Standorten, während mehrerer Wochen luftgetragene Umwelt-DNA gesammelt.
Foto Ramon Wolf
Stephanie Feeney, was wurde bei der Datenerhebung von «DNAir» gemessen und wie wurde dabei vorgegangen?
Was wir an einem Standort wie Hildisrieden messen, ist Umwelt-DNA, kurz «eDNA» – mikroskopisch kleine Spuren von Erbgut, die jedes Lebewesen laufend an seine Umgebung abgibt. Pflanzen setzen Pollen und Gewebeteilchen frei, Tiere hinterlassen Hautzellen, Haare und Sporen, und unzählige winzige Fragmente dieses Materials schweben in der Luft um uns herum. Unser Sensor sammelt genau diese luftgetragene DNA. Technisch gesehen ist das Gerät, das in Hildisrieden zu sehen war, ein Luftsammler. Eine Pumpe zieht ein definiertes Luftvolumen durch eine feine Filterkassette, und die in der Luft enthaltene DNA wird auf dem Filter zurückgehalten. Jeder Filter sammelt während 24 Stunden. Die Filter werden vorgängig in einem Reinlabor vorbereitet und nach der Sammlung versiegelt – das schützt die Proben vor Verunreinigung und erlaubt es, sie ohne besondere Vorkehrungen zu transportieren. An jedem Standort betreiben wir den Sammler über mehrere Wochen und setzen zusätzlich unbenutzte Kontrollfilter (sogenannte Blindproben) ein, um zu überprüfen, dass unsere Ergebnisse sauber sind. Anschliessend gelangen die Filter ins Labor, wo die DNA extrahiert und analysiert wird.
Was kann anhand von ihnen abgelesen werden?
Aus einem einzigen Luftfilter können wir herauslesen, welche Arten sich rund um den Sammler aufgehalten haben. Im Labor wird die aufgefangene DNA extrahiert und mit einer Methode namens «Metabarcoding» analysiert. Dabei werden mehrere genetische «Marker» verwendet, die jeweils einen anderen Teil des Baums des Lebens abdecken – Pflanzen, Pilze, Insekten und andere Wirbellose, Wirbeltiere wie Säugetiere und Vögel sowie Bakterien. Das Ergebnis ist im Grunde ein Arteninventar des Standorts: eine Liste der Organismen, deren DNA in der Luft war, idealerweise bis auf die einzelne Art genau. Weil dieselbe Probe viele Gruppen gleichzeitig erfasst, liefern die Daten ein breites, gleichzeitiges Bild der lokalen Biodiversität – nicht nur die wenigen auffälligen Arten, die eine herkömmliche Aufnahme erfassen würde. Über den Probenahme-Zeitraum hinweg können wir zudem sehen, wie sich dieses Bild von Tag zu Tag verändert. Für dieses Projekt ist die zentrale Frage vergleichender Natur: Wir stellen unsere eDNA-Ergebnisse den etablierten Biodiversitätsmonitoring-Daten der Schweiz für dieselben Standorte gegenüber, um zu zeigen, wie vollständig und zuverlässig luftgetragene eDNA erfasst, was tatsächlich vorhanden ist.
Was bedeutet das, wenn man dieses Vorgehen künftig verbreiteter nutzen könnte?
Die Biodiversität nimmt ab, und dennoch ist sie erstaunlich schwer zu messen. Herkömmliches Monitoring beruht darauf, dass Fachleute die Arten im Feld von Hand bestimmen – das ist langsam, teuer, auf rares Fachwissen angewiesen und auf eine Handvoll gut bekannter Gruppen beschränkt. Selbst die Schweiz, die einige der weltweit umfassendsten Biodiversitätsmonitoring-Programme betreibt, kann nur einen kleinen Teil ihrer Biodiversität erfassen, und viele Standorte werden nur alle fünf Jahre wieder aufgenommen. Wichtige Veränderungen können daher unbemerkt bleiben, bis es zu spät ist, um zu reagieren.
Luftgetragene eDNA kann diese Gleichung verändern. Weil die Sammlung automatisiert und nichtinvasiv erfolgt und nicht davon abhängt, dass eine Fachperson vor Ort ist, lässt sie sich auf sehr viel mehr Standorte ausweiten und deutlich häufiger durchführen – und deckt dabei in einer einzigen Probe viel mehr Artengruppen ab. Breiter eingesetzt bedeutet das ein Frühwarnsystem für die Natur: das schnellere Erkennen invasiver Arten, Schädlinge oder Krankheiten, eine bessere Beobachtung seltener und gefährdeter Arten und eine deutlich reichhaltigere Grundlage für den Schutz von Lebensräumen.
Der Nutzen erstreckt sich auf mehrere Gruppen. Die Forschung erhält hochaufgelöste Daten über den gesamten Baum des Lebens; Behörden erhalten vollständigere und häufigere Informationen, um Entscheidungen etwa bei Infrastrukturvorhaben zu stützen; und Landwirtinnen und Landwirte, Grundeigentümer/-innen sowie die breite Öffentlichkeit profitieren von gesünderen Ökosystemen und davon, mit glaubwürdigen Belegen zeigen zu können, dass das Land gut bewirtschaftet wird. Längerfristig kann derselbe Ansatz die Landwirtschaft, naturnahe Zertifizierungen und die Naturschutzplanung ganz allgemein unterstützen.
Die erhobenen Daten sind aktuell in der Auswertung. Wie sieht das weitere Vorgehen im Projekt aus?
Die Feldphase ist der sichtbare Teil, doch der grösste Teil der Arbeit geschieht danach im Labor. Die gesammelten Filter werden derzeit aufbereitet: Die DNA wird extrahiert, für die Sequenzierung vorbereitet und auf Hochdurchsatz-Sequenziergeräten ausgelesen. Dies geschieht in spezialisierten Labors.
Die genetischen Rohdaten durchlaufen anschliessend unsere Bioinformatik-Pipeline, die aus Milliarden von DNA-Sequenzen Artenlisten für jeden Standort und jeden Tag erstellt. Im Verlauf des Herbstes vergleichen wir diese Listen mit den nationalen Biodiversitätsmonitoring-Daten der Schweiz für dieselben Standorte und lassen besonders interessante Funde von Fachleuten bestätigen. Danach geht das Projekt in die Berichterstattung über: einen Schlussbericht sowie eine wissenschaftliche Publikation. Erste validierte Ergebnisse erwarten wir gegen Ende des Jahres.
Wie beurteilen Sie den Verlauf der Erhebung?
Die Feldkampagne selbst verlief gut. Die Sammler liefen über die ganze Saison an allen Standorten zuverlässig, und wir konnten die gesamte geplante Probenzahl erheben. Eine frühere Pilotrunde im vergangenen Herbst hatte bereits gezeigt, dass die Methode ein breites Spektrum an Organismen aus der Luft erfasst – das gab uns die Zuversicht, diese grössere Kampagne durchzuführen.
Nach welchen Kriterien wurden die Standorte für die Messungen ausgewählt? Und wie kam Hildisrieden darunter?
Die Standorte wurden nicht zufällig gewählt – sie stammen aus dem nationalen Programm zur Beobachtung der Biodiversität in der Landwirtschaft (ALL-EMA – «Arten und Lebensräume Landwirtschaft», Teil des Biodiversitätsmonitorings Schweiz). Wir haben bewusst an diesen etablierten Monitoring-Standorten Proben genommen, damit sich unsere Ergebnisse aus der luftgetragenen eDNA direkt mit den «Goldstandard»-Feldaufnahmen des Bundes für genau dieselben Standorte vergleichen lassen. Dieser Vergleich ist das Herzstück der Validierungsstudie. Die Idee ist, ein Bild über viele verschiedene Landschaften hinweg aufzubauen, statt sich auf einen einzelnen Ort zu konzentrieren – das ist auch, was den Vergleich mit den nationalen Monitoring-Daten aussagekräftig macht.
Innerhalb dieses Netzes haben wir die Standorte so ausgewählt, dass sie eine Bandbreite an Lebensräumen und Regionen in der ganzen Schweiz abdecken, abgestimmt auf die offiziellen Aufnahmefenster im Frühling und in Abwägung der praktischen Rahmenbedingungen: Für die manuell betreuten Sammler mussten die Standorte für den regelmässigen Filterwechsel mit dem Auto erreichbar sein, während die vollständig autonomen Sammler auch an abgelegeneren Orten stehen konnten. Die artenreichen landwirtschaftlichen Wiesen rund um Hildisrieden fallen mit einem dieser nationalen Monitoring-Standorte zusammen – das brachte sie in die Studie. Grünland dieser Art ist genau der landwirtschaftliche Lebensraum, den das Programm erfassen soll.
