Eine systematische Übersicht über Quellen der Variabilität und Unsicherheit in eDNA-Daten für das Umweltmonitoring

Umwelt-DNA (eDNA) wird zu einem Standardwerkzeug im Umweltmonitoring, das darauf abzielt, räumlich-zeitliche Variationen zur Messung und Vorhersage von Ökosystemveränderungen zu quantifizieren. eDNA-Umfragen haben komplexe Arbeitsabläufe, die mehrere Entscheidungsprozesse umfassen, in denen Unsicherheiten aufgrund des Designs der Feldprobenahme, der molekularbiologischen Laborarbeiten und der bioinformatischen Analysen kumulieren können. Wir haben eine quantitative Übersicht über Studien durchgeführt, die vor Dezember 2017 veröffentlicht wurden (n=431) und eDNA aus verschiedenen Ökosystemen gesammelt haben und die explizit Variabilität und Unsicherheit im Zusammenhang mit eDNA-Arbeitsabläufen berücksichtigt haben, sei es in ihrem Studienentwurf (z. B. Replikation) oder in der Datenanalyse (z. B. statistische Modellierung der räumlich-zeitlichen Variation). Wir haben Unterschiede im räumlichen und zeitlichen Studiendesign, die erfassten Skalen der natürlichen Variation in den untersuchten Taxa sowie die Art und Weise, wie die Forscher die Quellen der Variabilität und Unsicherheit im Zusammenhang mit dem eDNA-Arbeitsablauf gemessen und angesprochen haben, erfasst. Wir zeigen, dass relativ wenige Studien eDNA verwendet haben, um zeitliche Variationen in der Biodiversität im Vergleich zu räumlichen Variationen zu verstehen, und noch weniger beschrieben, wie Unsicherheiten angesprochen wurden. Wir empfehlen, die Anzahl zeitlicher Studien zu erhöhen und sowohl natürliche Variation als auch Quellen von Unsicherheit, wie unvollkommene Detektion, bei der Durchführung von eDNA-Umfragen zu berücksichtigen. Von den Studien, die räumlich-zeitliche Variation quantifizierten, identifizierte diese Übersicht Lücken in den Skalen, über die Forscher diese Muster beobachtet haben. Die Erhöhung der Anzahl langjähriger und großflächiger eDNA-Studien wird das Verständnis darüber verbessern, wie nützlich eDNA in Skalen ist, die für das Monitoring der Auswirkungen von Umweltveränderungen wie klimatischen Verschiebungen oder Landnutzungsänderungen relevant sind. Selbst wo Quellen räumlich-zeitlicher Variationen und Unsicherheiten berücksichtigt wurden, unterschied sich der Aufwand zur Quantifizierung dieser Variation zwischen den verschiedenen Schritten im eDNA-Prozess, von Feld-, über Labor- bis hin zu bioinformatischen Verfahren, abhängig von der Art der untersuchten Gemeinschaft (Mikro- vs. Makroorganismusgemeinschaften). Wir empfehlen konsistentere experimentelle und modellierende Methoden, die räumlich-zeitliche Variation und Unsicherheiten in der eDNA-Sammlung und -Analyse berücksichtigen, sowie die Einbeziehung von Vorwissen über Quellen der Variabilität via Bayesian Modeling-Ansätzen, um Unsicherheiten wie unvollkommene Detektion zu berücksichtigen, um robuste Diversitätsschätzungen zu erzeugen und die Vergleichbarkeit von eDNA-Datensätzen für das Umweltmonitoring über Raum und Zeit zu erhöhen.