Cryptic species diversity and eDNA metabarcoding in marine ecosystem monitoring

Abstract

English summary Marine sediments constitute the largest ecosystem on Earth, yet they remain poorly studied. With increasing human activities in the coastal zone, these understudied environments face unprecedented pressures and monitoring of anthropogenic impacts has become increasingly important. In Norwegian coastal ecosystems, caged finfish aquaculture is perhaps the biggest contributor to environmental pollution. In Norway, monitoring of marine sediments around salmon aquaculture has been mandated for the past 25 years, using morphological identification of benthic macrofauna to assess ecosystem health. While robust, this morphotaxonomic method requires highly specialized training, is time-consuming, and is prone to human error. As the salmon aquaculture industry continues to grow, the current morphotaxonomic approach struggles to meet the rising demand for biomonitoring services.

In this thesis, I examined ways to enhance biomonitoring practices by refining current approaches and investigating complementary techniques. First, I resolved taxonomic issues in two polychaete genera: one ecosystem engineer (Diopatra) and one commonly used as bioindicators for both pristine and reduced environments (Prionospio), to improve parts of environmental monitoring in the present. In papers I and II, I found that the species diversity of both genera was greatly underestimated in the East Atlantic and found new insights into their distribution and relationships. In paper III I described new and redescribed species of Prionospio. As our understanding of the ecological niches of these newly described species grows, they will be integrated into current monitoring schemes, improving the accuracy of ecosystem health assessment.

Environmental DNA (eDNA) has been proposed as a method to complement or replace current practices, but few studies have compared eDNA with morphotaxonomic methods over a time series to examine trends derived from the two data types. In paper IV I used eDNA metabarcoding on sediment samples accompanied by traditional morphotaxonomic methods to monitor the effects of organic effluents on benthic organisms from a fish farm throughout a marine production phase. eDNA provided a more nuanced view of community shifts at the station nearest the fish farm, though the trends identified by the two methods differed, as they showed taxa becoming more prevalent at different times during the production cycle. This suggests that our understanding of how different organisms are detected by eDNA methods is incomplete. For eDNA-based approaches to be integrated into regulatory frameworks, standardization is needed. However, our results indicate that general trends derived from eDNA data remained consistent despite variations in bioinformatic pipelines. Considering this, eDNA methodologies might offer a “good enough” alternative to morphotaxonomic methods in the face of the increasing need for coastal biomonitoring. However, one should be wary of completely replacing traditional methods.

Norsk sammendrag Havbunn utgjør det største økosystemet på vår jord, men likevel vet vi fortsatt relativt lite om dette miljøet, i hvert fall i forhold til landbaserte økosystemer. Menneskelig aktivitet øker stadig langs kysten, som påvirker sjøbunnen i økende grad, og behovet for overvåkning av påvirkningen har aldri vært større.

I Norge er oppdrett av laks en av de største kildene til forurensing i kystområdene. Derfor er det krav om at havbunnen rundt oppdrettsanlegg skal overvåkes. Dette gjøres ved at dyrene som lever i området blir artsidentifisert, og artsmangfold sammen med kunnskap om artenes toleranse til forurensing blir vurdert som en indikator på havhelsen. Selv om denne metoden er grundig og godt etablert, krever det ekspertkunnskap som er sjelden, arbeidet er tidkrevende, og er sårbar for menneskelige feil. Etter hvert som oppdrettsnæringen vokser er det nåværende overvåkningssystemet i ferd med å bli overbelastet.

I min doktorgradsavhandling har jeg utforsket måter å forbedre miljøovervåkningen, både ved å finjustere eksisterende metoder og ved å undersøke bruk av moderne teknikker. Først har jeg utforsket artsmangfoldet til to grupper flerbørstemark: Diopatra, som selv skaper et unikt økosystem ved hjelp av deres tuber, og Prionospio som er en gruppe omfatter vanlige indikatorarter for både upåvirkede og forurensede forhold. Gjennom min forskning fant jeg ut at artsmangfoldet i disse gruppene er langt større enn tidligere antatt, og jeg har beskrevet arter som er nye for vitenskapen. Disse funnene vil bidra til å forbedre nøyaktigheten av dagens overvåkningssystemer.

Videre har jeg undersøkt bruk av miljø-DNA som en mulig metode for å erstatte eller supplere de tradisjonene metodene for miljøovervåkning. Jeg analyserte DNA fra havbunnsprøver rundt et oppdrettsanlegg gjennom nesten to år og sammenlignet resultatene med analyser gjort med artsidentifisering ved hjelp av mikroskopi. Jeg oppdaget at miljø-DNA kan gi et mer detaljert bilde av endringer i dyresamfunnene nærmest oppdrettsanleggene i forhold til tradisjonelle metoder. Samtidig var ikke trendene mellom de to metodene identiske, der arter økte i relativt antall på forskjellige tidspunkter, som tyder på at vi fortsatt mangler kunnskap om hvordan forskjellige organismer blir detektert av miljø-DNA baserte metoder. For integrering i overvåkning må metoden standardiseres, men mine resultater viser at de generelle trendene i DNA-resultatene var konsekvente til tross for variasjoner i analysemetoder. Miljø-DNA kan derfor kanskje allerede sees som et «godt nok» alternativ for å møte det økende behovet for miljøovervåkning av kysten, men en bør være forsiktig med å erstatte de tradisjonelle metodene fullstendig.