Karlijn Doorenspleet

De Noordzee is een van de meest productieve zeeën ter wereld en herbergt verschillende biogene riffen die een scala aan vis- en ongewervelde soorten huisvesten. De Noordzee wordt echter intensief gebruikt, wat een aanzienlijke druk legt op de habitats en mariene gemeenschappen. Als reactie hierop zijn diverse instandhoudings- en herstelmaatregelen, evenals natuurinclusieve ontwerpen in de industrie, in gang gezet. Deze moeten worden begeleid door robuuste, transparante monitoringmethoden. eDNA-metabarcoding biedt grote mogelijkheden voor mariene biodiversiteitsbeoordelingen, en nieuwe sequencing-platforms, zoals Oxford Nanopore sequencing, kunnen long-read metabarcoding vergemakkelijken en mogelijk de resolutie van soortdetectie verbeteren voor de monitoring van de Noordzee. In vijf hoofdstukken zijn nieuwe moleculaire platforms en methoden geverifieerd en toegepast om de biodiversiteit van natuurlijke en kunstmatige habitats in de Noordzee te verkennen.

Hoofdstuk 2 vergelijkt short-read metabarcoding met behulp van Oxford Nanopore sequencing met metabarcoding via een conventioneel sequencing-platform (Illumina MiSeq) en metagenomics, en beoordeelt hun prestaties voor biodiversiteitsmetingen van macrobenthos in offshore windparken in het Belgische deel van de Noordzee. Met behulp van specifieke markers voor mariene ongewervelden leverden Nanopore en MiSeq zeer vergelijkbare alfa- en bèta-biodiversiteitssamenstellingen op, die consistent waren met waargenomen locatiespecifieke gemeenschapspatronen. Novaseq metagenomics leverde enigszins afwijkende gemeenschapssamenstellingen op vergeleken met metabarcoding en correleerde slecht met voor grootte gecorrigeerde morfologische abundantiegegevens. Alle methoden vertoonden verschillen met klassieke monitoringmethoden gebaseerd op morfologische identificatie van soorten, wat waarschijnlijk een weerspiegeling is van primer-biases en een onvolledige referentiedatabase. Over het algemeen benadrukt dit hoofdstuk dat op Nanopore gebaseerde metabarcoding een haalbaar alternatief is voor Illumina MiSeq voor de monitoring van macrobenthos-biodiversiteit.

Hoofdstuk 3 presenteert een long-read eDNA-metabarcodingmethode met een 2kb mitochondriaal primerset gericht op de 12S- en 16S-mitochondriale rRNA-regio's, en de DECONA-bioinformatica-pijplijn voor de verwerking van foutgevoelige Nanopore-reads. De resultaten van de 2kb-primer werden vergeleken met een veelgebruikte universele visprimer (MiFish). Mock-communities en aquarium-eDNA toonden een verbeterde resolutie op soortniveau met het 2kb-fragment. Toch leverden Noordzeemonsters van scheepswrakken, de Borkumse riffen en een windpark meer soortdetecties op met de MiFish-primer. Dit komt waarschijnlijk door een lagere aanwezigheid van langere reads in de omgeving, aangezien deze na verloop van tijd degraderen tot kortere fragmenten. Dit toont het potentieel aan van long-read metabarcoding om een nauwkeuriger beeld te geven van soorten die recentelijk aanwezig waren.

Hoofdstuk 4 presenteert een op eRNA gebaseerde metabarcodingmethode om de biodiversiteit van gewervelde dieren te beoordelen op een natuurlijk paardenmosselrif (Modiolus modiolus) in een beschermd marien gebied in het Schotse deel van de Noordzee. Door short-read eDNA, long-read eDNA en short-read eRNA-fragmenten te vergelijken, evalueert dit hoofdstuk hoe het type nucleïnezuur en de fragmentlengte de gedetecteerde soortengemeenschap beïnvloeden. Short-read metabarcoding detecteerde de hoogste diversiteit en was de enige methode die onderscheid maakte tussen gemeenschappen bij een hoge en lage rifdichtheid. eRNA was vergelijkbaar met short-read eDNA, maar miste veel grote gewervelde dieren, zoals haaien en roggen, wat suggereert dat eRNA de actieve lokale benthische gemeenschap weerspiegelt. Lange fragmenten van de 2kb-primer vertoonden de laagste detecteerbaarheid, wat eerdere beweringen tegenspreekt dat long-read metabarcoding een temporel nauwkeuriger signaal zou kunnen geven.

Hoofdstuk 5 geeft een overzicht van de huidige en toekomstige monitoringinstrumenten voor het beoordelen van de biodiversiteit in de Noordzee en effectieve monitoring. Het hoofdstuk schetst de sterke en zwakke punten van bestaande moleculaire methoden, waaronder eDNA-metabarcoding en metagenomics, en beschrijft verbeteringen voor de toepassing ervan. Dit hoofdstuk verkent ook opkomende op DNA en RNA gebaseerde methoden, zoals epigenetica en metatranscriptomics, die potentieel het begrip van het functioneren van ecosystemen kunnen verbeteren. Het hoofdstuk bespreekt ook de uitdagingen van het beheer en de standaardisatie van referentiedatabases en sluit af met aanbevelingen voor de verdere integratie van nieuwe moleculaire methoden in geharmoniseerde, langdurige biodiversiteitsmonitoring van de Noordzee.

Hoofdstuk 6 past metabarcodingmethoden toe om de diversiteit van mariene gewervelde dieren te bestuderen in twee Noordzee-schelpdierriffen: een gemengd rif in de Nederlandse Voordelta en een paardenmosselrif bij Noss Head, Schotland, om hun rol als essentieel visleefgebied (Essential Fish Habitat) te evalueren. Door stations binnen en buiten het rif te vergelijken met behulp van eDNA en videobeelden van aascamera's (BRUVs), laat dit hoofdstuk zien dat de diversiteit aan gewervelde dieren consistent hoger was binnen het rif en dat de rijkdom afnam naarmate de afstand tot het rif groter werd. De rifgemeenschap omvatte aan het rif gerelateerde soorten zoals grondels, slijmvissen en zuigvissen, evenals commercieel belangrijke soorten zoals kabeljauw en pollak. eDNA detecteerde over het algemeen meer soorten, maar BRUVs legden juveniele lengen vast, zoals geverifieerd door eDNA, wat de waarde aantoont van het gelijktijdig gebruiken van complementaire methoden voor monitoring.

Hoofdstuk 7 bespreekt de uitkomsten van het proefschrift door de effectiviteit van nieuwe moleculaire methoden voor biodiversiteitsbeoordeling en monitoring in de Noordzee te onderzoeken. De bevindingen geven aan dat i) Nanopore-metabarcoding vergelijkbaar is met Illumina-metabarcoding voor het beoordelen van macrobenthos, wat het een haalbare optie maakt; ii) long-read en eRNA-metabarcoding de identificatie van soorten en de detectie van de actieve gemeenschap verbeteren; en iii) eDNA-metabarcoding duidelijke biodiversiteitspatronen onthult die verband houden met rifdichtheid en natuurlijke riffen. Samenvattend benadrukt dit proefschrift de waarde van deze methoden voor verbeterde, gestandaardiseerde, niet-invasieve monitoring van het ecosysteem van de Noordzee.