Kieselalgen der Ostsee – DNA und KI im Biodiversitätsmonitoring: Winzig, aber wichtig – benthische Kieselalgen der Ostsee (BENKIESO): Entwicklung der Grundlagen für innovative Monitoringmethoden für die Biodiversität mittels eDNA und KI-unterstützter[…]
Projektdurchführung
Universität Rostock
Institut für Biowissenschaften
Abteilung Angewandte Ökologie und Phykologie
Albert-Einstein-Str. 3
18057 Rostock
Zielsetzung
Benthische Kieselalgen der Ostseeküste üben zahlreiche ökologisch wichtige Funktionen aus, wie z.B. eine hohe Primärproduktion, die Stabilisierung des Sedimentes oder als Nahrungsquelle wirbelloser Tiere. Trotz langwieriger Forschung in der Ostsee gibt es aber bis zum heutigen Tag nur fragmentarische Daten zum Arten-Inventar dieser Mikroalgen. Deshalb ist das Hauptziel des vorliegenden Projektes die erstmalige Erstellung einer taxonomischen Referenzdatenbank, welche sowohl mikroskopische Techniken (Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie), als auch molekulare (Sequenzierung, eDNA-Metabarcoding) und digitale und KI-basierte Bildanalyse-Methoden kombiniert, die in dieser Form bisher noch nie für eine Mikroalgengruppe umgesetzt wurde. Solch eine Referenzdatenbank ist die Grundvoraussetzung für eine neu zu etablierende Monitoring-Methode für die Biodiversität der völlig unzureichend untersuchten benthischen Kieselalgen der brackigen Ostsee. Diese weisen, ähnlich ihrer nah verwandten Vertreter im limnischen Bereich (EU-Wasserrahmenrichtlinie), ein hohes, bisher aber nicht genutztes Potential als Bioindikatorarten für Störungen (z.B. Schleppnetzfischerei) und Umweltveränderungen (z.B. Erwärmung, Eutrophierung, Überflutung) im Küstenbereich auf, was in diesem Projekt überprüft werden soll. Weiterhin können insbesondere mit dem eDNA-Metabarcoding Ansatz auch neue und invasive Diatomeen-Spezies identifiziert werden. Dieses Potential soll erstmalig für die deutsche Ostseeküste erschlossen werden, mit der Option der späteren Übertragung auch auf andere Küstengebiete. Weiterhin werden Behörden, Entscheider*innen und Anwender*innen in speziellen Formaten in den Prozess einbezogen werden. Das Projekt trägt somit zur Biodiversitätsforschung und effizienten Umweltüberwachung mariner Küsten mit Hilfes eines neuen, hoch innovativen, schnellen, kostengünstigen und vielseitigen Monitoring-Instrumentes bei.
Ein zeitgemäßer Umgang mit dem Problem des Verlustes taxonomischer Artenkenntnis sollte auf innovativen Technologien aufbauen, welche die wenigen Taxonomie-Experten*innen in der Untersuchung höherer Probenzahlen unterstützen können. Hierfür stellen moderne molekular-genetische und digitale bildbasierte Methoden die naheliegendsten Optionen für die Zukunft dar. Darüber hinausgehend ist die Aus- und Weiterbildung von Experten/innen (z.B. Umweltämter) außerhalb von universitären Curricula unerlässlich, was durch das Projekt garantiert wird.
Arbeitsschritte
Während der Projektdauer von 36 Monaten sollen folgende Schwerpunkte bearbeitet werden:
Arbeitspaket 1 (AP1)-Feldarbeiten und Etablierung von Kieselalgen Kulturen (Rostock). Feldarbeiten an Flachwasser-Stationen der deutschen Ostsee-Küste entlang des horizontalen Salzgradienten, die vierteljährig beprobt und physiko-chemisch sowie meteorologisch charakterisiert werden, und um Sedimentkerne für die Isolierung von DNA und Kieselalgen, sowie für die Erstellung von Dauerpräparaten zu stechen.
Arbeitspaket 2 (AP2)-Identifizierung der benthischen Kieselalgen (Rostock, Berlin, Duisburg-Essen). Unter Verwendung mikroskopischer Techniken werden alle Ostsee-Kieselalgen morphologisch bestimmt. Parallel werden klonale Kulturen molekular-genetisch bearbeitet und die morphologischen Daten verifiziert. Anschließend werden die Dauerpräparate mit den Silikatschalen der eindeutig identifizierten Kieselalgen mittels hochauflösender Slidescanning-Mikroskopie und digitaler Bildanalyse bearbeitet. Die erhaltenen Bilder werden mit der taxonomischen Referenzbibliothek kombiniert und dienen in AP4 als Grundlage für eine automatisierte KI-unterstützte Analyse von Kieselalgen-Dauerpräparaten, um somit erstmals eine bildbasierte Biodiversitätserfassung von benthischen Kieselalgen der Ostseeküste mittels KI zu realisieren (AP4).
Arbeitspaket 3 (AP3)-eDNA-Metabarcoding (Rostock, Berlin).
Ein Schlüsselfaktor für die Genauigkeit von Diversitätsbewertungen mittels eDNA-Metabarcoding ist die Einrichtung einer taxonomisch gut kuratierten Referenzdatenbank, was das Projekt leisten wird. Alle DNA Extraktionsmethoden, Sequenziertechniken und bioinformatorische Auswertung sind vorhanden.
Arbeitspaket 4 (AP4)-digitales Imaging und KI-basierte Bildanalysen (Duisburg-Essen).
In AP4 werden lichtmikroskopische Präparate von Einzelkulturen und Feldproben aus AP1 digitalisiert, um digitale Bilddatensätze für die zu charakterisierenden Taxa zu erheben. Auf dieser Basis soll der Referenzdatensatz für den Einsatz in bildbasierter KI-Bestimmung aufbereitet werden.
Arbeitspaket 5 (AP5)-Synopse (Rostock, Berlin, Duisburg-Essen).
Die Synopse der morphologischen, molekularen und digitalen Bilderkennungs-Daten führt zur eindeutigen Identifizierung der untersuchten Ostsee-Arten. So entsteht ein hoch innovatives und vielseitiges Monitoring-Instrument für die aktuelle Biodiversität und für Änderungen im Küstenbereich, welches mit Hilfe der Umweltämter angewendet werden soll, auch hinsichtlich Weiterbildung.
Ergebnisse
Projekt beginnt erst am 15.4.26 und läuft für 3 Jahre.
Öffentlichkeitsarbeit
Pressemitteilung ist mit Beginn des Projektes geplant, und viele Stakeholder werden in die Projektarbeit integriert.
Fazit
Folgt zum Ende der Projektlaufzeit.