Prediksjon av ekosystem status fra eDNA

Abstract

Fiskeoppdrett, eller akvakultur, har blitt en viktig global kilde til sjømat. Samtidig medfører det miljøutfordringer som kan påvirke økosystemer og biologisk mangfold. Overvåking av miljøstatus er avgjørende for å håndtere disse påvirkningene. Kontinuerlig sedimentprøvetaking rundt oppdrettsanlegg er et av tiltakene som brukes for slik overvåking.

En viktig metrikk i miljøstudier er det normaliserte effektive kvalitetsforholdet (nEQR), som evaluerer kvaliteten på sedimentprøver. Denne indeksen gir verdifull innsikt i forurensningsnivåer og den generelle helsetilstanden til sedimentøkosystemer.

I denne studien ble et sett med 94 sedimentprøver analysert ved hjelp av to forskjellige miljø-DNA (eDNA)-metoder: 16S rRNA-sekvensering (for å generere taksonomiske profiler av mikrobielle populasjoner) og helgenomsekvensering (WGS) (for å generere funksjonelle profiler). Statistiske teknikker, inkludert LASSO- og PLS-modellering, ble brukt til å sammenligne de to metodene.

Funnene viste at eDNA-data effektivt kunne predikere nEQR. Resultatene indikerte dessuten at funksjonelle profiler avledet fra WGS har god prediktiv nøyaktighet. WGS fremstår som et lovende alternativ eller supplement til 16S rRNA-sekvensering.

Videre antyder analysen at Bacteroidota spiller en nøkkelrolle i sedimentøkosystemer. Dette skyldes dens konsekvente tilstedeværelse i både mikrobielle (MAG coverage) og metabolske pathway-datasett. Bacteroidota er spesielt viktig for nedbrytning av organisk materiale og energimetabolisme, og dens betydning for sedimenthelse og biogeokjemiske sykluser fremheves gjennom dens høye forekomst, særlig i prosesser knyttet til transformasjon av kortkjedede fettsyrer. Andre phyla, som Pseudomonadota og Desulfobacterota, spiller også avgjørende roller, spesielt i energimetabolisme og svovelsykluser. De støtter både aerobe og anaerobe prosesser. Viktige prosesser som metanogenese, fotosyntese og svovelmetabolisme bidrar til å skille sedimentprøver fra hverandre og kan fungere som indikatorer på miljøendringer eller stress. Disse funnene peker på at Bacteroidota, sammen med Pseudomonadota og Desulfobacterota, kan brukes som indikatorer eller "indekser" for sedimenthelse og økosystemdynamikk.

Fish farming, or aquaculture, has grown to be a major global source of seafood. However, it also presents environmental challenges that can affect ecosystems and biodiversity. Monitoring environmental status is crucial to address these impacts. Continuous sediment sampling from around fish farms is one of the measures for this monitoring. One important metric in environmental studies is the normalized effective quality ratio (nEQR) which evaluates the quality of sediment samples. This index provides valuable insights into contamination levels and the overall health of sediment ecosystems.

In this study, a set of 94 sediment samples was analyzed using two different environmental DNA (eDNA) approaches: 16S rRNA sequencing (to generate taxonomic profiles of microbial communities) and whole genome sequencing (WGS, to generate functional profiles). Statistical techniques, including LASSO and PLS modeling, were applied to compare the two approaches, 16S rRNA profiling and whole genome sequencing. The findings revealed that eDNA data could effectively predict nEQR. Moreover, there is an indication from results that functional profiles derived from WGS may offer some slight advantages over taxonomic profiles in predictive accuracy. Also, the WGS could serve as a viable alternative or complement to 16S.

The analysis suggests that Bacteroidota has a key role in sediment ecosystems due to its consistent presence in both microbial (MAG coverage) and metabolic pathway datasets. It highlights its role in organic matter decomposition and energy metabolism. Its importance in sediment health and biogeochemical cycles is due to its abundance, particularly in pathways like short-chain fatty acid transformations. Other phyla, such as Pseudomonadota and Desulfobacterota, also play crucial roles, especially in energy metabolism and sulfur cycling. They also support both aerobic and anaerobic processes. Pathways like methanogenesis, photosynthesis, and sulfur metabolism are important in distinguishing sediment samples, and they might have an indicator role for environmental shifts or stress. These findings position Bacteroidota, alongside Pseudomonadota and Desulfobacterota, as indicators or “Indexes” of sediment health and ecosystem dynamics.