Lander Lab: Kosteneffizienz von mit Ködern ausgestatteten Ozeanlandern

Schiffe mit schwenkbarem Davitarm und Winde eignen sich ideal zum Ausbringen und Einholen von Baited Remote Undersea Video (BRUV)-Systemen. Auf diesem Foto wird ein vom Australian Institute of Marine Science (AIMS) entwickeltes Stereo-BRUV-System auf den Meeresboden herabgelassen. BRUVs haben nur minimale Auswirkungen auf Meeresbewohner und den Meeresboden. Foto: Marine Ecology Group – Fish Research, University of Western Australia

Die Bestimmung der Artenvielfalt und -verteilung in einem Ökosystem ist unerlässlich, um eine Basis für Monitoringstudien zu schaffen oder den Erfolg von Schutz- und Wiederherstellungsstrategien zu bewerten. Die Methoden zur Probenahme in marinen und aquatischen Ökosystemen können ineffizient und verzerrt sein, wie z. B. von Tauchern gesteuerte Videoaufnahmen, oder schädlich für Umwelt und Artenvielfalt sein, wie z. B. Grundschleppnetze und Wadennetze. Beide sind zeitaufwändig und teuer. Die Wahl einer effizienten und kostengünstigen Probenahmemethode zur Festlegung von Basiswerten und zur Überwachung der Artenvielfalt ist ein wichtiger Aspekt in einer ökologischen Studie.

Zwei nicht-invasive Techniken zur Überwachung des Meereslebens in der gesamten Wassersäule eines ausgewählten Standorts wurden untersucht: Köderkamerasysteme und Metabarcoding von Umwelt-DNA (eDNA). Kostenvergleiche, Stärken, Schwächen und Wirksamkeitsmaße wurden ermittelt.

„Obwohl das Untersuchungsgebiet lokal begrenzt war“, schreibt Clark in ihrem Artikel, „sind die hier vorgestellten Ergebnisse auf globale Überwachungsprogramme zur aquatischen Biodiversität und zum Naturschutz anwendbar.“

Köderkameras

Automatische Zeitrafferkameras für Benthosstudien werden seit den 1950er Jahren von Forschern wie Prof. John D. Isaacs vom Scripps Institution of Oceanography/UCSD und Dr. Harold E. Edgerton vom Woods Hole Oceanographic Institution verwendet.

Harold E. Edgerton (links) vom WHOI hilft bei der Installation eines Tiefseekamerasystems an Bord von Jacques-Yves Cousteaus Forschungsschiff CALYPSO während der Mittelmeerforschung im Jahr 1953. Foto © 2010 MIT. Mit freundlicher Genehmigung des MIT Museums

Die mit einem Köder versehene Kamera von John D. Isaacs vom Scripps Institut stürzte 1968 in die Tiefsee und entdeckte unbekannte Fischarten und andere Aasfresser, die von dem am Anker befestigten Köder angezogen wurden. Isaacs Arbeit zeigte, dass Standbilder Meereslebewesen identifizierten, während Filmsequenzen Verhaltensweisen zeigten. Zu einem festgelegten Zeitpunkt wurde der Anker losgelassen und das Kamerasystem trieb zurück an die Oberfläche, wo es geborgen wurde. Bild mit freundlicher Genehmigung des Scripps Instituts für Ozeanographie/UCSD

Baited Remote Underwater Video (BRUV) ist eine zunehmend verbreitete, effektive, nicht-invasive und zerstörungsfreie Methode zur Erforschung der marinen Biodiversität. Geringe Tiefen können mit einem Kamerasystem erkundet werden, das wie ein Krabbenkorb auf den Meeresboden abgesenkt und mit einem Schwimmkörper an der Oberfläche markiert wird. Die Aufnahmen sind oft auf die Tageslichtstunden beschränkt, sodass weder Licht noch Batterien benötigt werden. Diese einfachen Systeme werden als „Baited Remote Underwater Video“ (BRUV)-Plattformen bezeichnet.

Stereo Baited Remote Underwater Video (BRUV) am Rheeders' Reef, Tsitsikamma, Südafrika. Foto von Peter Southwood, Verwendung mit Genehmigung

Der Einsatz von BRUV-Systemen wird gegenüber extraktiven Probenahmemethoden wie der Schleppnetzfischerei bevorzugt, da viele Arten den Netzen entkommen oder durch den Fang vernichtet werden. Da sie leise sind und Köder bieten, ermöglichen BRUVs eine 40 % effizientere Erfassung von Artenzahlen als Taucher-Videotransekte. Darüber hinaus bietet BRUV ein permanentes Probenahmeprotokoll, das überprüft werden kann, um die Variabilität zwischen Beobachtern zu reduzieren, Daten zu Lebensraumtypen liefert und in tiefen oder stark strukturierten Ökosystemen eingesetzt werden kann.

BRUVs können relative Messungen des Artenreichtums und der Artenvielfalt unter unterschiedlichsten Bedingungen und in unterschiedlichen Lebensräumen liefern. Stereo-BRUV-Systeme können die Körpergröße von Fischen bestimmen und eine digitale Tiefenschärfekarte erstellen, auf der sich Merkmale und Lebewesen von ihrer Umgebung abheben. Die Fischgröße kann als Indikator für die Biomasse verwendet werden, eine wichtige Kennzahl für die Berichterstattung im Fischereimanagement. Komplexere Untersuchungen können eine Sensorik umfassen, um die Auswirkungen schwankender Sauerstoffminimumzonen und anderer physikalischer ozeanografischer Ereignisse auf lokale Tierpopulationen zu messen und aufzuzeichnen. Mehrere BRUV-/Ozeanlander-Systeme können gleichzeitig eingesetzt werden, was diese Methode zu einer zeiteffizienten Untersuchung großer Gebiete macht.

Digitale Bildgebungssysteme mit mehreren Kameras und überlappenden Sichtfeldern können 360°-Panoramaansichten des Meeresbodens rund um einen Lander liefern. Wärmebildkameras gewinnen in der Meeresforschung zunehmend an Bedeutung.

Wie Isaacs zeigte, können tiefere Gewässer mit einem autonomen Ozeanlander auf die gleiche Weise wie mit einem BRUV erreicht werden. Dabei verlässt sich der Lander auf die Fähigkeit, ein Fallgewicht auszulösen, um an die Oberfläche zu schwimmen. Der Anker kann per Zeitgeber oder akustischem Befehl ausgelöst werden. Die Kosten des Ankers und die Umweltbelastung können durch den Einsatz von Ferrozement gemindert werden. (Siehe Marine Technology Reporter, November/Dezember 2024, S. 40, Lander Lab Nr. 12, „Ferrozement Anchors“)

Wie BRUVs bieten Ozeanlander langlebige, leise und nicht-invasive Plattformen zur Beobachtung des Meereslebens oder zur Überwachung sich verändernder Meeresbedingungen. Ein zweiter Timer kann eine kleine Niskin-Flasche mit einem Brenndraht verschließen und so eine Wasserprobe vom Meeresboden für die eDNA-Analyse entnehmen, wie unten beschrieben. Die Wasserprobe erhöht das Gewicht des Fahrzeugs nur, wenn es aus dem Meer gezogen und auf das Boot geladen wird.

Andere Studien haben die Grenzen von BRUV/Landers aufgezeigt. Die Artenidentifizierung kann in trüben Gewässern aufgrund der schlechten Sicht schwierig sein, und aufgrund des aasfressenden Verhaltens der Arten kann es zu einer Überrepräsentation von Spitzenprädatoren kommen. Darüber hinaus lockt der Geruch des Köders Arten aus anderen Gebieten an, die nicht unbedingt in der Nähe der beprobten Stellen vorkommen, sodass das tatsächliche Probenahmegebiet weitgehend unbekannt ist. Auch höher in der Wassersäule lebende Fische sowie kryptische (getarnte) und sesshafte Arten sind bei BRUV wahrscheinlich unterrepräsentiert. Schließlich kann die Analyse des Filmmaterials arbeitsintensiv, zeitaufwändig und kostspielig sein.

Metabarcoding von Umwelt-DNA (eDNA) ist eine DNA-Sequenzierungstechnik mit hohem Durchsatz, die sich bei der Untersuchung mariner Ökosysteme zunehmender Beliebtheit erfreut. Ein wichtiger Vorteil der Verwendung von eDNA ist die einfache Probenentnahme: Es wird nur eine relativ kleine Wassermenge von 2 l benötigt. Anders als beim herkömmlichen DNA-Barcoding, das ein einzelnes Individuum identifiziert, werden beim Metabarcoding mehrere Arten gleichzeitig identifiziert und so ein breiter Überblick über die Artenvielfalt geboten. In Sedimenten und bodennahem (demersalem) Meerwasser findet sich genetisches Material, das von Organismen im Ozean abgegeben wird, wie Hautzellen, Schuppen, Kot, Gameten und anderes organisches Material. Dieses Material lagert sich über einen längeren Zeitraum ab als ein Videoclip und kann Arten zeigen, die auf kurzzeitigen Aufnahmen bei Tageslicht nicht zu sehen sind. Spärliche DNA kann mithilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) amplifiziert werden.

Die eDNA-Methode ermöglicht die schnelle Bewertung vielfältiger Ökosysteme, die Erkennung invasiver Arten und die Abschätzung der Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften. Sie zeichnet ein Bild der Biodiversität und Biomasse eines bestimmten Ökosystems. DNA zersetzt sich zwar mit der Zeit, verbleibt aber lange genug in der Umwelt, um die Organismen auch ohne direkte Beobachtung oder Fang nachzuweisen. Der Filterprozess ist einfach und erfordert nur wenig Training, Fachwissen und Feldzeit. Die Technik macht umfangreiche taxonomische Expertise zur Identifizierung von Arten, die normalerweise mit fotografischen Methoden erforderlich ist, überflüssig.

Trotz der vielen Vorteile der eDNA-basierten Überwachung hat sie auch Einschränkungen. Verschiedene Faktoren können die Nachweisbarkeit von eDNA in der Umwelt beeinflussen und entweder zu falsch-negativen Ergebnissen (fehlender Nachweis von im Gebiet vorkommenden Arten) oder falsch-positiven Ergebnissen (Nachweis von Arten, die im untersuchten Gebiet nicht vorkommen) führen. Die Nachweiswahrscheinlichkeit kann durch biotische und abiotische Faktoren beeinflusst werden, darunter die artspezifische Bildung und Degradation von eDNA, die mit Körpergröße, Lebensstadium, Ernährung und Migration zusammenhängt. Der Transport von eDNA durch Tidenhub oder Meeresströmungen und ihre Zerfallsrate aufgrund von UV-Stärke, pH-Wert und Wassertemperatur können die Nachweiswahrscheinlichkeit ebenfalls beeinflussen. Zudem ist eine Kontamination der Probe von der Probenentnahme bis zur Verarbeitung möglich.

Eine weitere Einschränkung von eDNA besteht darin, dass die Referenzdatenbanken, die zur Übersetzung der operationalen taxonomischen Einheiten (OTUs) verwendet werden, noch unvollständig sind, insbesondere für Arten, die in Teilen der Welt vorkommen, in denen weniger Forschung betrieben wurde.

Die Sussex Bay, Großbritannien, Studie, 2021

Die Ziele dieser Studie waren: (1) Vergleich der mit BRUV und eDNA erhaltenen Metriken zur Artenzusammensetzung; (2) Vergleich der Empfindlichkeit zweier eDNA-Metabarcoding-Primer; (3) Untersuchung der Bedeutung der eDNA-Replikation und (4) Vergleich der Kosten und des Aufwands beider Untersuchungstechniken zum Nachweis des Vorhandenseins mariner Wirbeltierarten.

Als Testort für diese Biomonitoring-Methoden wurde Sussex Bay an der Südküste Großbritanniens ausgewählt. Die Biodiversität mariner Wirbeltiere wurde an 29 verschiedenen Standorten untersucht, die zuvor durch Videotransekte ausgewählt wurden. Die Proben wurden zwischen dem 5. und 21. Juli 2021 zwischen 8 und 17 Uhr gesammelt.

In ihrer Studie wurde eine BRUV-Plattform mit drei Kameras eingesetzt, von denen zwei in eine Richtung und eine dritte nach hinten blickten. Die Videobilder wurden ausschließlich anhand der Aufnahmen der rechten Kamera analysiert. Die linke Kamera wurde für den Fall verwendet, dass die rechte Kamera ausfiel oder durch Seegras verdeckt war. Da die Bilder bei Tageslicht aufgenommen wurden, wurde auf Beleuchtung verzichtet.

An jedem der 29 Standorte wurden nacheinander drei BRUV-Systeme per Boot im Abstand von 150 m eingesetzt und bis zu 75 Minuten lang auf dem Meeresboden filmen gelassen. Fische und Meereswirbeltiere wurden beobachtet und auf der niedrigstmöglichen taxonomischen Ebene identifiziert.

Während des Einsatzes der BRUV-Rigs wurden an jedem der 29 Standorte eDNA-Proben gesammelt. Ein Kemmerer-Probenehmer, ausgelöst durch ein Tragegewicht, entnahm Wasserproben einen Meter über dem Meeresboden. Um eDNA-Kontamination und -Abbau zu minimieren, wurde jede Probe direkt auf dem Boot gefiltert. Insgesamt wurden im Rahmen dieser Studie 87 BRUV-Einsätze durchgeführt und 87 eDNA-Proben gesammelt.

Ergebnisse

In Kombination bieten eDNA-Metabarcoding und Videountersuchungen ein großes Potenzial zur Überwachung von Meeresökosystemen in unterschiedlichen Tiefen.

Die Sussex Bay-Studien, in denen eDNA und Unterwasservideos verglichen wurden, ergaben, dass BRUV-Untersuchungen insgesamt weniger kosten, eDNA-Überwachungen jedoch hinsichtlich der Anzahl der erkannten Arten rentabler sind. Im Gegensatz zu BRUV-Untersuchungen repräsentieren die durch eDNA erkannten Arten jedoch wahrscheinlich die Arten, die in einem größeren geografischen Gebiet vorkommen als dem oben erwähnten spezifischen Probenstandort.

Es kann auch zu einer inhärenten Verzerrung kommen, die auf die zeitliche Variation der Ansammlung von eDNA-Material im Verhältnis zur Tageszeit und Länge der Videoprobe zurückzuführen ist. Außerdem ist es unwahrscheinlich, dass Bodenkameras Fische in der Wassersäule über ihnen erkennen.

Venn-Diagramm der eDNA- und BRUV-Artennachweise. Umwelt-DNA-Untersuchungen (eDNA) erfassten die Mehrheit (78/81) der von beiden Untersuchungen nachgewiesenen Arten (mittlerer und rechter Abschnitt des Venn-Diagramms). BRUV-Untersuchungen identifizierten 27/81 Arten (mittlerer und linker Abschnitt des Venn-Diagramms). Beide Methoden identifizierten dieselben 24 Arten aus 12 Familien. Bild mit freundlicher Genehmigung verwendet. Infografik erstellt von Alice Clark in Zusammenarbeit mit NatureMetrics

Kosten- und Aufwandsvergleich

Die BRUV-Kosten umfassten den Bau der Kameraausrüstung, den Köder, die Bootsmiete und die Arbeitskosten für die Videoanalyse. Da die BRUV-Ausrüstung im ersten Jahr gebaut wurde und in den folgenden vier Jahren wiederverwendet werden soll, ist das erste Jahr verständlicherweise teurer als die Folgejahre.

Die eDNA-Kosten umfassten den Kemmerer-Probenehmer, das Seefiltersystem, die Bootsmiete, die eDNA-Kits und die Analyse durch NatureMetrics. Auch hier ist das erste Jahr teurer als die Folgejahre, da die gekaufte Ausrüstung jährlich wiederverwendet wird. Die Kosten für die interne Durchführung der Analyse im Vergleich zur externen Durchführung wurden abgewogen. Da für die BRUV-Videoanalyse ein anderes Maß an Fachwissen erforderlich ist als für die interne eDNA-Analyse, wurden die Arbeitskosten der einzelnen Methoden berücksichtigt. Der Zeitaufwand für die Feldarbeit wurde ebenfalls berücksichtigt.

Kostenvergleich von BRUV-Untersuchungen, eDNA-Untersuchungen mit interner Probenanalyse und eDNA-Untersuchungen mit externer Probenanalyse. Die Kosten wurden in drei Kategorien unterteilt: Ausrüstung, Feldarbeit und Analyse. Insgesamt war die BRUV-Untersuchung die günstigste Biomonitoring-Technik, während eDNA mit externer Probenanalyse die teuerste war. Die Infografik wurde von Alice Clark in Zusammenarbeit mit NatureMetrics erstellt.

Im Rahmen eines Fünfjahreszeitraums erwiesen sich die BRUV-Untersuchungen als die kostengünstigsten im Vergleich zu ausgelagerten und internen eDNA-Untersuchungen. Dennoch ergab die eDNA-Analyse einen höheren Artenreichtum, was zu geringeren Kosten pro nachgewiesener Art führte, mit dem Vorbehalt der zuvor beschriebenen Einschränkungen.

Bei der Schätzung der zukünftigen Kosten für die Probenentnahme über einen Zeitraum von fünf Jahren wurden die Auswirkungen der Inflation oder die wahrscheinliche Kostensenkung bei der eDNA-Sequenzierung nicht berücksichtigt.

Auch die Videotechnologie dürfte in den kommenden Jahren große Fortschritte machen. Frühere Studien gehen davon aus, dass die Analyse von Videomaterial doppelt so viel Zeit in Anspruch nimmt wie die Länge des aufgezeichneten Videos. Mit der rasanten Entwicklung von Deep Learning und den damit verbundenen KI-Tools zur Automatisierung oder Teilautomatisierung der Videoanalyse dürfte sich der Zeit- und Arbeitsaufwand für die Analyse von Videomaterial jedoch deutlich reduzieren. Kameratechnologie wird zudem erschwinglicher und ihre Auflösung verbessert sich, was eine präzisere Identifizierung von Bevölkerungsmerkmalen ermöglicht.

Gedanken zur Zukunft

Ein BRUV oder Ozeanlander, der sowohl Videoaufnahmen über einen Mindestzyklus von 24 Stunden als auch Wasserproben für eDNA machen kann, einschließlich Filter- und Konservierungstechniken an der Oberfläche, die von den Forschern der Sussex Bay identifiziert wurden, stellt ein kostengünstiges Überwachungsinstrument dar, das mehrere Jahre lang kontinuierlich eingesetzt werden kann.

Anmerkung des Herausgebers:

Die Betriebskosten von Lander-Operationen werden in wissenschaftlichen Artikeln selten berücksichtigt. Dieser Artikel im Lander Lab wurde von einer fundierten wissenschaftlichen Arbeit mit dem Titel „Cost-effort analysis of Baited Remote Underwater Video (BRUV) and environmental DNA (eDNA) in monitoring marine ecological communities“ von Alice J. Clark, Forschungsstudentin an der University of Sussex in Brighton, Großbritannien, et al. inspiriert. Die Kosteneffizienzschätzungen der Autoren für zwei nichtinvasive Probenahmemethoden wurden im Feld getestet, in einem küstennahen Meeresschutzgebiet, das sich von jahrelanger Schleppnetzfischerei und schweren Stürmen erholte. Die Methoden waren für das Gebiet und die Dauer der Studie geeignet. Diesem Artikel wurde zusätzliches Material hinzugefügt, um die Originalarbeit zu ergänzen. Den Lesern wird empfohlen, den vollständigen Originaltext online zu lesen, insbesondere um Einzelheiten zu den wissenschaftlichen Methoden, Analysen und Schlussfolgerungen zu erfahren. Zitat unten. Dr. Zachary Graff, Forschungswissenschaftler bei der NGO „Beneath the Waves“ ( underbeenthewaves.org ), hat das in diesem Artikel beschriebene Thema BRUVs vorgeschlagen.

Zitate

Clark AJ, Atkinson SR, Scarponi V, Cane T, Geraldi NR, Hendy IW, Shipway JR, Peck M. 2024. Kosten-Aufwand-Analyse von Baited Remote Underwater Video (BRUV) und Umwelt-DNA (eDNA) bei der Überwachung mariner ökologischer Gemeinschaften. PeerJ 12:e17091
Den vollständigen Artikel mit Zitaten finden Sie bei PeerJ https://peerj.com/articles/17091/
Veröffentlicht am 30. April 2024

„Lander Lab“ ist eine praxisorientierte Kolumne über Technologien und Strategien für Ocean Lander, eine einzigartige Klasse unbemannter Unterwasserfahrzeuge, und die Menschen, die sie herstellen. Sie soll der globalen Ocean Lander-Community ähnlich wie Make Magazine und andere DIY-Communitys dienen.

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