Реки, озера и водно-болотные угодья покрывают только 1% территории На поверхности Земли, но являются домом для почти 10% всех видов, включая рыб, млекопитающих, птиц, насекомых и ракообразных. Но эти богатые и разнообразные экосистемы находятся в состоянии свободного падения. Во всем мире количество видов сокращается сейчас быстрее, чем когда-либо в истории человечества, и пресные воды теряют больше видов, чем экосистемы суши или океана.
Сегодня примерно 1 из 4 пресноводных существ находится на грани исчезновения. Водно-болотные угодья исчезают в три раза быстрее, чем леса. По всему миру качество воды резко падает, она загрязняется пластиком, сточными водами, горным илом, промышленными и сельскохозяйственными химикатами и многим другим.
Трудно изучить, как эти стрессы влияют на водную жизнь. Существует множество разнообразных угроз, а речные сети охватывают обширные географические регионы. Часто они бегают по удаленным, труднодоступным местам. Современные методы мониторинга пресноводных видов являются трудоемкими и дорогостоящими.
В своей работе в качестве исследователей в области экологии мы тестируем новый метод, который может значительно расширить биомониторинг: использование ДНК окружающей среды или eDNA в реках для каталогизации и подсчета видов. . Эти данные необходимы федеральным и местным агентствам, чтобы восстановить качество воды и спасти исчезающие виды от исчезновения.
Традиционные методы медленные и дорогие
С помощью традиционных методов биомониторинга ученые подсчитывают отдельные виды и их численность на всего несколько сайтов. Например, в одном недавнем исследовании воздействия горных выработок на рыбу в Западной Вирджинии были взяты пробы всего на четырех участках с командой из четырех исследователей.
Для сбора и идентификации водных организмов требуются высококвалифицированные экологи и систематики, имеющие опыт работы с широким спектром пресноводных видов. Для каждой пробы рыбы или беспозвоночных, собранных в поле, требуется от часов до недель, чтобы идентифицировать все виды. Только богатые страны могут позволить себе этот дорогостоящий процесс.
Сохранение исчезающих и находящихся под угрозой исчезновения видов и поддержание здоровья речных экосистем требует мониторинга обширных территорий с течением времени. Чувствительные водные насекомые и виды рыб являются пресноводным эквивалентом пресловутой канарейки в угольной шахте: если эти виды отсутствуют, это явный индикатор проблем с качеством воды. Причиной может быть добыча полезных ископаемых, сельское хозяйство, урбанизация или другие источники, а также плотины, которые блокируют движения животных вниз по течению.
Свободно плавающие генетические доказательства
Инновации в генетических технологиях создали мощный и доступный новый инструмент, который мы сейчас тестируем. Процесс включает извлечение eDNA из генетического материала, плавающего в воде — кожи, чешуек, фекалий и одноклеточных организмов, таких как бактерии.
Анализируя эту генетическую информацию, мы можем обнаружить широкий спектр видов. Мы начали рассматривать возможность использования eDNA для наших исследований в 2018 году, после того как несколько исследований продемонстрировали ее способность контролировать отдельные представляющие интерес виды или группы организмов в реках и океанах.
Сбор eDNA прост: один образец воды объемом 4 унции может захватить остатки ДНК из тысяч водных видов. Еще одно преимущество заключается в том, что для идентификации не требуется убивать диких животных.
В лаборатории мы анализируем ДНК из разных таксономических групп одну за другой: бактерий, водорослей, рыб и макробеспозвоночных — организмов, у которых отсутствует позвоночник и которые достаточно велики, чтобы увидеть, например, улиток, червей и жуков. Многие исследователи изучают только одну группу, но мы оцениваем их всех одновременно.
Затем мы сопоставляем наши последовательности ДНК с пресноводными видами, которые уже каталогизированы в существующих базах данных. Таким образом, мы можем нанести на карту распространение и численность этих организмов внутри рек и за их пределами.
Для этого процесса требуется только дешевый фильтр, шприц и флаконы, и каждый может это сделать. Коммерческие компании, производящие электронную ДНК, берут менее 200 долларов за извлечение и секвенирование образца.
Эмили Бернхардт, произведено с использованием Biorender. CC BY-ND
Измененные реки
Используя этот метод, мы тщательно обследовали 93 реки в Западной Вирджинии, рассматривая все древо жизни, от мельчайших бактерий до рыб, за два дня с помощью четырех -человек команда.
Реки Аппалачей, которые мы изучаем, изобилуют жизнью. Это одни из самых биологически разнообразных пресноводных экосистем умеренного пояса в мире, где обитают многие виды рыб, а также саламандры, раки, мидии и водные насекомые. Многие не встречаются больше нигде. Мы насчитали более 10 000 различных видов в этих 93 водотоках.
Район, в котором мы работали, является регионом интенсивной добычи угля, что сильно влияет на водные пути. Жидкости, стекающие из шахт, являются кислыми, но в этом регионе они вступают в реакцию с известняковыми породами, поэтому в конечном итоге местные водотоки становятся щелочными. Шахтный дренаж также увеличивает соленость водотоков и концентрацию сульфатов и других загрязняющих веществ. Наше исследование показало, что в заминированных водоразделах обитает на 40% меньше видов, чем в районах, где не ведутся горные работы, а обнаруженные нами организмы были менее многочисленны, чем в непораженных реках.
Оценка состояния реки
Мы считаем, что этот новый подход представляет собой революцию в области биомониторинга, расширяя наши возможности количественной оценки и изучения пресноводных организмов. Это также важный новый инструмент сохранения, позволяющий ученым отслеживать изменения в популяциях исчезающих или инвазивных видов. Исследователи также могут использовать электронную ДНК для мониторинга биоразнообразия или обнаружения новых видов в океанах или почвах.
Этот открытый научный метод делает все данные ДНК общедоступными, при этом почти все последовательности помещаются в общедоступные хранилища. В будущем мы ожидаем, что это поможет многим видам исследований, а также программам мониторинга и сохранения на государственном и местном уровнях. Инвестиции в сбор электронной ДНК, идентификацию организмов и анализ их генетических сигнатур будут и дальше делать его более эффективным инструментом.
[ Более 100 000 читателей полагаются на информационный бюллетень The Conversation, чтобы понять мир. Зарегистрируйтесь сегодня.]
Предпринимаются усилия по более эффективному нацеливанию различных индивидуальных видов, уделяя особое внимание тем, которые находятся под угрозой исчезновения, инвазивным видам, наносящим ущерб экосистемам, и чувствительным видам, которые служат индикаторами здоровья рек. Ученые замораживают образцы eDNA при -112 градусов F (-80 C) в ожидании, что технологические достижения могут дать больше информации в будущем.
Традиционные подходы к мониторингу остаются ценными, но eDNA добавляет важный новый инструмент в инструментарий. Вместе эти подходы могут дать ответы на многие вопросы о пищевых сетях, статусе сохранения видов, темпах воспроизводства, взаимодействиях видов, здоровье организмов, болезнях и многом другом.
Мари Симонин, научный сотрудник INRAE , Французский национальный исследовательский институт сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды.
Эмили С. Бернхардт получила финансирование на исследование воздействия добычи угля на вершинах гор от Фонда Каролины и Национального научного фонда, которые поддержали работу, описанную в эта статья. В настоящее время она работает экспертом по этим воздействиям Министерством юстиции США.