eDNA

Die revolutionäre Bedeutung von eDNA bei der Erfassung der Fischfauna

[Beitrag erstellt mittels KI perplexity, free version, Forschungsmodus; HB 31.05.25; geringfügig redaktionell überarbeitet]

Die Umwelt-DNA (environmental DNA, eDNA) hat sich in den letzten Jahren als bahnbrechende Methode zur Erfassung der Fischfauna etabliert und revolutioniert das traditionelle Gewässermonitoring grundlegend. Diese innovative Technik ermöglicht es, Fischbestände präzise und schonend zu erfassen, ohne auf invasive Fangmethoden wie Netz- oder Elektrofischerei angewiesen zu sein^[1]. Stattdessen werden DNA-Spuren analysiert, die Fische kontinuierlich über Hautzellen, Schleim, Schuppen oder Ausscheidungen ins Wasser abgeben^[2]. Die Bedeutung dieser Methode zeigt sich besonders in ihrer hohen Sensitivität – bereits 200 Gramm Fischbiomasse können bei einem Abfluss von 200 Litern pro Sekunde zuverlässig detektiert werden^[2]. Gleichzeitig bietet eDNA erhebliche Vorteile in Bezug auf Kosteneffizienz, räumliche und zeitliche Flexibilität sowie die Möglichkeit, auch seltene und schwer erfassbare Arten nachzuweisen, die bei herkömmlichen Methoden oft übersehen werden.

Grundlagen und Funktionsweise der eDNA-Technologie

Definition und biologische Basis

Umwelt-DNA bezeichnet frei in der Umwelt vorliegende Spuren des Erbgutes, die von Organismen konstant an ihre Umgebung abgegeben werden, ohne dass die Organismen selbst Teil der gewonnenen Probe sind^[2]. Bei Fischen kann es sich bei der DNA-Quelle um verschiedene biologische Materialien handeln: Schuppen, Schleim der Fischoberfläche, Kiemenzellen oder Zellen des Darmepithels, die mit dem Kot ausgeschieden werden^[2]. Diese kontinuierliche Abgabe von genetischem Material macht es möglich, molekulare Spuren der Organismen in Umweltproben aus dem Wasser nachzuweisen und daraus Rückschlüsse auf das Vorkommen und die Verteilung einzelner Arten zu ziehen^[1].

Die Methodik basiert auf der Entnahme von Wasserproben, aus denen anschließend im Labor die enthaltene DNA extrahiert und analysiert wird. Dabei kommen verschiedene Ansätze zum Einsatz: Zum einen können mittels Einzelartansätzen wie quantitative PCR (qPCR) gezielt bestimmte Arten nachgewiesen werden, zum anderen ermöglicht Metabarcoding die Beschreibung der gesamten Artenzusammensetzung einer Zielgruppe^[3]. Diese Flexibilität in der Anwendung macht eDNA zu einem vielseitigen Werkzeug für unterschiedliche Fragestellungen in der Gewässerökologie.

Technische Umsetzung und Analyseverfahren

Die erfolgreiche Anwendung von eDNA-Analysen hängt von mehreren kritischen Faktoren ab, die sorgfältig optimiert werden müssen. Dazu gehören die angemessene Wahl der Probenahmestrategie, die DNA-Extraktion und die Artenidentifikation^[2]. Die Probenentnahme selbst erweist sich als besonders effizient entlang der Uferlinie, wo bereits mit wenigen horizontal integrierten Wasserproben – also Mischproben aus definierten Tiefenbereichen – ein Großteil der im Gewässer lebenden Arten erfasst werden kann^[1]. Dabei zeigt sich ein charakteristisches Muster: Die Artenvielfalt nimmt mit zunehmender Probentiefe ab, was wichtige Erkenntnisse für die optimale Probenahmestrategie liefert^[1].

Die Analyseverfahren nutzen moderne DNA-Hochdurchsatz-Sequenzierungsmethoden der nächsten Generation (Next Generation Sequencing), die eine schnelle und kostengünstige Bearbeitung größerer Probenmengen ermöglichen^[4]. Diese technologischen Fortschritte haben maßgeblich dazu beigetragen, dass eDNA-Analysen von experimentellen Ansätzen zu praktisch anwendbaren Monitoring-Werkzeugen entwickelt werden konnten.

Vorteile gegenüber traditionellen Erfassungsmethoden

Schonende und nicht-invasive Erhebung

Ein entscheidender Vorteil der eDNA-Technologie liegt in ihrer nicht-invasiven Natur, die eine schonende Erfassung von Fischbeständen ermöglicht, ohne die Tiere zu fangen oder zu verletzen^[1]. Dies ist besonders relevant für den Schutz sensibler oder gefährdeter Arten, bei denen traditionelle Fangmethoden zusätzlichen Stress oder sogar Mortalität verursachen können. Die Methode erlaubt es, Biodiversitätserhebungen durchzuführen, ohne in die natürlichen Lebensräume der Fische einzugreifen oder deren Verhalten zu beeinflussen.

Darüber hinaus bietet eDNA eine erheblich höhere zeitliche und räumliche Flexibilität als konventionelle Ansätze. Während traditionelle Befischungsmethoden oft von Umweltbedingungen wie Wetter, Wasserstand oder Jahreszeit abhängig sind, können eDNA-Proben unabhängig von der Saison und der Abflusssituation genommen werden^[2]. Diese Unabhängigkeit von äußeren Faktoren ermöglicht systematischere und regelmäßigere Monitoringprogramme.

Kosteneffizienz und logistische Vorteile

Die Kosteneffizienz von eDNA-Analysen stellt einen weiteren bedeutenden Vorteil dar, insbesondere im Vergleich zu den hohen Kosten und der komplexen Logistik traditioneller Methoden^[4]. Während herkömmliche Fischbestandserhebungen speziell ausgebildetes Personal, aufwendige Ausrüstung und oft mehrere Personen vor Ort erfordern, können eDNA-Proben von einzelnen Personen mit minimaler Ausrüstung genommen werden. Die anschließende Laboranalyse kann dann zentral und standardisiert durchgeführt werden, was weitere Kosteneinsparungen ermöglicht.

Diese logistischen Vorteile sind besonders relevant für großflächige Monitoringprogramme oder die Überwachung schwer zugänglicher Gewässer. Die Möglichkeit, mit relativ geringem Aufwand räumlich und zeitlich dichte Datensätze zu generieren, eröffnet neue Perspektiven für das Gewässermanagement und die ökologische Forschung.

Anwendungsbeispiele und aktuelle Forschungsprojekte

Österreichische Pilotstudien und Forschungsinitiativen

In Österreich wurden mehrere wegweisende Studien durchgeführt, die das Potenzial von eDNA für die Fischfauna-Erfassung demonstrieren. Zwei Projekte testeten den Einsatz von eDNA-Metabarcoding-Analysen zur Erhebung der Fischfauna in Tiroler Gewässern, während eine dritte Studie die Anwesenheit der Europäischen Äsche in der Enns sowie im Johnsbach im Nationalpark Gesäuse evaluierte^[3]. Diese Pilotstudien lieferten wichtige Erkenntnisse über die praktische Anwendbarkeit der Methode in verschiedenen Gewässertypen und unter unterschiedlichen Umweltbedingungen.

Das von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG finanzierte Projekt „eDNA AlpFisch“ an der Universität Innsbruck in Zusammenarbeit mit der ARGE Limnologie GesmbH stellt ein besonders umfassendes Forschungsvorhaben dar^[2]. Die Ziele des Projektes umfassen die Optimierung der Probenahme und Analyse für alpine Gewässer, die Bestimmung des Einflusses abiotischer Faktoren wie pH-Wert, UV-Strahlung, Abfluss und Trübe, sowie die Abschätzung von Dominanzverhältnissen der projektspezifischen Zielarten in der Forellen- und Äschenregion^[2].

Erfolgreiche Anwendung am Mondsee

Eine aktuelle Studie am Mondsee, durchgeführt von einem Forschungsteam der Universität Innsbruck in Zusammenarbeit mit der AGES und dem Bundesamt für Wasserwirtschaft in Scharfling, demonstriert eindrucksvoll die Leistungsfähigkeit der eDNA-Technologie^[1]. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass sich die räumliche Verteilung der DNA-Funde mit den bekannten Lebensraumpräferenzen der verschiedenen Arten deckt: Während Reinanken und Seesaiblinge vorwiegend in tieferen Seebereichen nachgewiesen wurden, fand sich die DNA von Aiteln und Brachsen vor allem in Ufernähe^[1].

Besonders bemerkenswert ist, dass insgesamt 25 Fischarten identifiziert werden konnten, darunter auch der im Mondsee geschützte Perlfisch (Rutilus meidingeri)^[1]. Von herausragender Bedeutung ist zudem der Nachweis von drei Arten, die bei herkömmlichen Fangmethoden bislang nicht erfasst wurden^[1]. Dieser Befund unterstreicht das Potenzial von eDNA, auch seltene oder schwer erfassbare Arten zu detektieren, die bei traditionellen Methoden übersehen werden können.

Methodische Herausforderungen und Einflussfaktoren

Umweltbedingte Faktoren und ihre Auswirkungen

Trotz der vielversprechenden Möglichkeiten von eDNA-Analysen bestehen noch verschiedene methodische Herausforderungen, die eine sorgfältige Berücksichtigung erfordern. Mehrere Studien haben Faktoren identifiziert, die die generierten Ergebnisse potenziell beeinflussen können^[2]. Zu den wichtigsten Einflussfaktoren gehören abiotische Parameter wie pH-Wert, UV-Strahlung, Wassertemperatur, Abfluss und Trübung des Wassers, die alle die Persistenz und Nachweisbarkeit von eDNA beeinflussen können.

Ein besonders wichtiger Aspekt ist die Frage der Detektionsdistanz – also wie weit eDNA abhängig von Umweltbedingungen stromabwärts des Quellorganismus nachweisbar ist^[2]. Diese Information ist entscheidend für die korrekte Interpretation der Ergebnisse und die Bestimmung der räumlichen Auflösung der Methode. Käfigversuche am fischfreien Oberlauf der Melach in Tirol werden durchgeführt, um diese Einflussfaktoren systematisch zu untersuchen und zu quantifizieren^[2].

Artspezifische Unterschiede und Quantifizierung

Eine weitere methodische Herausforderung liegt in den potenziell unterschiedlichen eDNA-Abgaberaten verschiedener Fischarten. Um zuverlässige Interpretationen von Freiland-Daten zu ermöglichen, werden am Forschungsinstitut für Limnologie in Mondsee Aquarienversuche durchgeführt, die etwaige Unterschiede in den eDNA-Abgaberaten heimischer Fischarten in Verbindung mit Messungen der Fischaktivität und des Stoffwechsels untersuchen^[2]. Diese Grundlagenforschung ist essentiell, um von qualitativen Nachweisen zu quantitativen Bestandsabschätzungen überzugehen.

Die Korrelation zwischen eDNA-Signalstärke und tatsächlicher Biomasse, Fischoberfläche oder Abundanz stellt einen weiteren wichtigen Forschungsbereich dar. Erste Zwischenergebnisse zeigen bereits gute Übereinstimmungen zwischen Befischungsergebnissen und dem eDNA-Ansatz, was für die praktische Anwendbarkeit der Methode spricht^[2]. Die Entwicklung zuverlässiger quantitativer Ansätze würde die Bedeutung von eDNA für das Fischereimanagement und die Bestandsbewertung erheblich steigern.

Zukunftsperspektiven und Bedeutung für das Gewässermanagement

Revolutionierung des Monitorings aquatischer Ökosysteme

Die eDNA-Technologie bietet das Potenzial, die räumliche und zeitliche Überwachung aquatischer Ökosysteme signifikant zu verbessern und langfristig Teile der traditionellen Methoden zur Unterstützung des Fischereimanagements zu ergänzen oder zu ersetzen^[4]. Diese Entwicklung ist besonders relevant vor dem Hintergrund der oft mangelhaften Datenlage in Raum und Zeit bei herkömmlichen Methoden, die zu ungenauer Bestandsschätzung und suboptimalen Managemententscheidungen führen kann^[4].

Die Möglichkeit, mit eDNA-Analysen Artverteilungen und deren saisonale Veränderungen zu verfolgen, eröffnet neue Ansätze für das Management von Fischpopulationen in stehenden und fließenden Gewässern^[2]. Besonders für die Überwachung von Fischgemeinschaften und den Schutz sensibler Arten stellt eDNA-Metabarcoding ein leistungsfähiges Werkzeug dar^[1]. Diese Entwicklung ist umso bedeutsamer, als sie gleichzeitig eine Verbesserung der wissenschaftlichen Erkenntnisse und eine Reduzierung der Belastung für die untersuchten Ökosysteme ermöglicht.

Integration in bestehende Managementpraktiken

Die erfolgreiche Integration von eDNA-Methoden in bestehende Gewässermanagement-Praktiken erfordert eine sorgfältige Standardisierung der Verfahren und die Entwicklung entsprechender Richtlinien. Die in verschiedenen Forschungsprojekten gewonnenen Erkenntnisse über optimale Probenahmestrategien, Analyseverfahren und Interpretationsmethoden bilden die Grundlage für diese Standardisierung^[3][2]. Durch die Kombination von eDNA-Analysen mit traditionellen Methoden können Synergieeffekte genutzt werden, die zu einer verbesserten Gesamtbewertung von Fischbeständen führen.

Die Bedeutung von eDNA für das Gewässermanagement wird auch durch ihre Anwendbarkeit auf verschiedene Fragestellungen unterstrichen. Von der reinen Biodiversitätsbewertung über die Detektion invasiver Arten bis hin zur Bestandsüberwachung kommerziell wichtiger Fischarten bietet die Methode vielseitige Einsatzmöglichkeiten. Diese Flexibilität macht eDNA zu einem wertvollen Baustein für adaptive Managementstrategien, die auf veränderte Umweltbedingungen und neue Herausforderungen reagieren können.

Fazit

Die Umwelt-DNA hat sich als revolutionäre Technologie für die Erfassung der Fischfauna etabliert und verändert grundlegend die Art und Weise, wie Gewässerökosysteme überwacht und verstanden werden. Die Methode bietet entscheidende Vorteile gegenüber traditionellen Ansätzen: Sie ist schonend, kosteneffizient, zeitlich und räumlich flexibel und ermöglicht die Detektion auch seltener oder schwer erfassbarer Arten. Die in verschiedenen Forschungsprojekten erzielten Erfolge, von den österreichischen Pilotstudien bis zur umfassenden Untersuchung am Mondsee, demonstrieren das enorme Potenzial dieser Technologie für die praktische Anwendung im Gewässermanagement.

Gleichzeitig zeigen die methodischen Herausforderungen und die noch zu lösenden Fragen auf, dass weitere Forschung notwendig ist, um das volle Potenzial von eDNA zu erschließen. Die Optimierung von Probenahmestrategien, die Quantifizierung artspezifischer Unterschiede und die Standardisierung von Analyseverfahren sind entscheidende Schritte auf dem Weg zu einer breiten Anwendung der Methode. Die bereits verfügbaren Erkenntnisse lassen jedoch erwarten, dass eDNA-Analysen in naher Zukunft zu einem Standardwerkzeug für das Monitoring aquatischer Ökosysteme werden und dabei sowohl die wissenschaftliche Erkenntnisgewinnung als auch den praktischen Naturschutz erheblich voranbringen werden.

Zitierte Quellen:

1. https://www.tips.at/nachrichten/voecklabruck/land-leute/684870-umwelt-dna-revolutioniert-fischarten-erfassung-im-mondsee
2. https://www.zobodat.at/pdf/Oesterreichs-Fischerei_70_0177-0185.pdf
3. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020OWasA..72..155S/abstract
4. https://www.thuenen.de/de/institutsuebergreifende-projekte/fishgenome-fischbestandserhebung-mit-genetischen-methoden

Weitere von perplexity ausgewertete Quellen:

Weitere Literatur

(kein Anspruch auf Vollständigkeit; wenn etwas fehlt, gerne Info an die Redaktion)

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Curtis, A. N., Harper, L. R., Davis, M. A., & Larson, E. R. (2025). Applying environmental DNA metabarcoding to calculate an index of biotic integrity for freshwater fish. bioRxiv, 2025-05. DOWNLOAD (preprint)

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Erős, T., I. Czeglédi, A. Szolnoki, A. Mozsár, D. Pont, B. Preiszner, P. Takács, A. Valentini & A. Specziár (2025): Integrating habitat based eDNA metabarcoding and conventional surveys to characterize the lake-wide structure of fish assemblages. Ecological Indicators, 176. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2025.113651

Highlights

Hintergrundfoto:

(c) Thünen-Institut/www.fischbestände-online.de (Strichzeichnung)/Christina Waitkus (Kabeljau)