Campionatore eDNA compatto e automatizzato per il monitoraggio in situ degli ambienti marini

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5210 (2023) Citare questo articolo

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L’uso del DNA ambientale (eDNA) per monitorare la biodiversità negli ambienti acquatici sta diventando un’alternativa efficiente ed economica ad altri metodi come l’identificazione visiva e acustica. Fino a poco tempo fa, il campionamento dell’eDNA veniva effettuato principalmente attraverso metodi di campionamento manuale; tuttavia, con i progressi tecnologici, si stanno sviluppando campionatori automatizzati per rendere il campionamento più semplice e più accessibile. Questo articolo descrive un nuovo campionatore eDNA in grado di autopulirsi e di acquisire e conservare più campioni, il tutto all'interno di una singola unità in grado di essere utilizzata da una singola persona. Il primo test sul campo di questo campionatore ha avuto luogo nel bacino di Bedford, Nuova Scozia, Canada, insieme a campioni paralleli prelevati utilizzando il tipico metodo di raccolta e filtrazione post-raccolta di bottiglie Niskin. Entrambi i metodi sono stati in grado di catturare la stessa comunità microbica acquatica e i conteggi delle sequenze di DNA rappresentative erano ben correlati tra i metodi con valori R\(^{2}\) compresi tra 0,71 e 0,93. I due metodi di raccolta hanno restituito le stesse prime 10 famiglie con un'abbondanza relativa quasi identica, dimostrando che il campionatore era in grado di catturare la stessa composizione comunitaria di microbi comuni del Niskin. Il campionatore eDNA presentato fornisce una solida alternativa ai metodi di campionamento manuale, è suscettibile ai vincoli di carico utile dei veicoli autonomi e faciliterà il monitoraggio persistente di siti remoti e inaccessibili.

L’aumento dell’attività umana negli ambienti acquatici ha portato a preoccupazioni sugli effetti antropici che causano problemi come l’ipossia, l’acidificazione degli oceani e l’eutrofizzazione causata dall’aumento del carico di nutrienti1. Questi impatti possono impedire la crescita di alcuni organismi, come le specie marine calcificanti, i cui gusci e scheletri possono essere colpiti dall’acidificazione2 e promuovere la crescita di altre specie, comprese quelle che causano fioriture algali dannose (HAB) che danneggiano i pesci e l’economia umana3, 4. La scala temporale di questi cambiamenti e dei loro conseguenti impatti può variare da ore ad anni e, poiché ogni ecosistema è unico, i cambiamenti possono essere difficili da monitorare, richiedendo osservazioni in situ risolte nel tempo per valutare adeguatamente i cambiamenti.

I programmi di monitoraggio biologico si sono tradizionalmente concentrati sull'identificazione manuale dei principali gruppi tassonomici di interesse; tuttavia, questi programmi possono richiedere molto tempo e richiedere una formazione specifica nell'identificazione tassonomica. Negli ultimi anni, con la diminuzione del costo del sequenziamento del DNA e la crescente dimensione dei database degli acidi nucleici, il DNA ambientale (eDNA) viene sempre più utilizzato come proxy della biodiversità nei programmi di monitoraggio biologico5. Il monitoraggio dell'eDNA implica lo studio di tutto il DNA presente nell'ambiente6 ed è vantaggioso in molti modi poiché non è invasivo e ampiamente applicabile sia al microbiota che ai metazoi utilizzando una suite di metodi analitici in rapida evoluzione, dall'estrazione sensibile del DNA al rilevamento di sequenze di codici a barre uniche7. Esistono numerosi studi che hanno dimostrato il valore dell’eDNA per studiare la diversità microbica, data l’importanza del loro ruolo nella produzione primaria da parte del fitoplancton e nel ciclo biogeochimico della materia organica morta. Ad esempio, il biomonitoraggio del microbiota negli ambienti di acquacoltura ha dimostrato l’utilità dell’eDNA per rilevare la rapida risposta microbica ai disturbi ambientali e valutare le strategie di gestione per un settore dell’acquacoltura sostenibile8,9,10. Inoltre, un numero crescente di studi ha dimostrato l’importante ruolo che l’eDNA è destinato a svolgere per il monitoraggio ambientale della biodiversità ittica11, il tracciamento dei mammiferi marini12 e altri aspetti della biologia della conservazione13.

Gli attuali metodi per il campionamento dell'eDNA richiedono spesso molto lavoro e prevedono la raccolta di campioni utilizzando bottiglie Niskin o apparecchiature simili, seguite da fasi separate di filtrazione e conservazione, spesso utilizzando rispettivamente una pompa peristaltica e un congelatore. I componenti manuali del campionamento e dell'analisi dell'eDNA ne limitano l'uso in ambienti remoti o in ambienti in cui è necessario prelevare campioni regolari e richiedono una persona addestrata per eseguire il processo. Estendere l’applicabilità dei metodi eDNA a problemi più impegnativi richiede l’automazione, compreso lo sviluppo di apparecchiature di campionamento automatizzate. I campionatori sviluppati di recente spaziano da sistemi a filtro singolo a sistemi multifiltro più complessi, ciascuno dei quali varia in parametri quali durata di implementazione, profondità massima e sostanze chimiche/conservanti utilizzati. Un elenco rappresentativo degli attuali campionatori eDNA, sia disponibili in commercio che prototipi di ricerca, è delineato nella Tabella 1.