Was wäre, wenn es eine Möglichkeit gäbe, Umwelt-DNA-Proben (eDNA) in extremen Umgebungen autonom zu sammeln? Und was wäre, wenn diese Methode die Entnahme von mehr Proben ermöglichen und das Risiko einer Probenkontamination verhindern würde? Portugiesische Forscher des Instituts für System- und Computertechnik, Technologie und Wissenschaft (INESC TEC) machten sich daran, dieses Unterfangen in den abgelegenen arktischen und atlantischen Nordumgebungen durchzuführen.
Die Operation wurde in einer Tiefe von 15 Metern in Gewässern mit niedrigen Temperaturen durch schmelzende Gletscher in den Fjorden des arktischen Archipels Spitzbergen durchgeführt. Wie? Mit einem innovativen autonomen Biosampler, einer von portugiesischen Forschern am INESC TEC und dem Interdisziplinären Zentrum für Meeres- und Umweltforschung (CIIMAR) entwickelten Technologie, die in der Lage ist, Planktongemeinschaften (kritische Rolle in Meeresökosystemen) unterschiedlicher Größenfraktionen vor Ort zu sammeln.
Der Biosampler, ein zylinderförmiger Sensor, der zum Sammeln von Proben programmiert ist, wurde mit IRIS gekoppelt: einem von INESC TEC entwickelten autonomen Unterwasserfahrzeug (AUV), das mithilfe von Akustik und künstlicher Intelligenz seinen Weg unter Wasser finden kann. Dieser kooperative Einsatz eines Probenehmers und eines AUV stellte eine „technische Herausforderung“ dar und ermöglichte den Forschern die autonome Sammlung von Proben an verschiedenen Stationen des Überwachungsprogramms.
„Diese Methode hat mehrere Vorteile, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Sammelmethoden, die manuell erfolgen und das Sammeln von Proben in Niskin-Flaschen beinhalten – deren Inhalt erst im Labor gefiltert wird“, erklärte Alfredo Martins, Forscher am INESC TEC.
Die Forscher von INESC TEC entwickeln derzeit Lösungen, um das kleine und kompakte Biosamplersystem in mehrere Robotersysteme zu integrieren und seine Fähigkeiten und Funktionalitäten zu erweitern. Diese erfolgreich erreichte Integration eröffnet jedoch neue Möglichkeiten für die Probenentnahme: von der Planung von Entnahmezeiten und -terminen über die Sammlung einer größeren Anzahl von Proben bis hin zur Reduzierung von Kontaminationsfehlern (da die Filtration vor Ort erfolgt). Die Automatisierung des Sammelvorgangs ist zudem kostengünstiger.
Nächste Station? 1.000 Meter Tiefe
Das Wasser wurde am Kongsfjord gesammelt und die Forscher von INESC TEC führten ihre Arbeit in der Forschungsstation Ny-Ålesund (Norwegen) durch, der nördlichsten Forschungsstation der Welt. Die in dieser Region durchgeführten Probenahmen können wertvolle Erkenntnisse über marine Mikrobengemeinschaften in diesem Teil der Welt liefern: Eine einzige Probe mit eDNA kann zur Überwachung der Artenvielfalt, zur Erkennung von Auswirkungen des Klimawandels oder zur Warnung vor Bedrohungen wie Krankheitserregern verwendet werden. Aus diesem Grund ist eine detaillierte Analyse der marinen Mikrobengemeinschaften in diesem Teil der Erde unerlässlich: Die Arktis erlebt einige der drastischsten Veränderungen auf unserem Planeten und erwärmt sich fast viermal schneller als der Rest der Welt.
„Um eDNA zu sammeln, ist es technisch gesehen schwieriger, diese Informationen in großen Tiefen zu erhalten; ihre Beschaffung kann daher relevante Lücken in unserem Wissen über die Tiefsee schließen“, erklärten Alfredo Martins und Ana Paula Lima, ebenfalls Forscherin am INESC TEC.
Diese innovative portugiesische Technologie, die von INESC TEC und CIIMAR entwickelt wurde, kann bis zu 150 m betrieben werden. Das Forscherteam, das in die Arktis gereist ist (Alfredo Martins, Ana Paula Lima, Carlos Almeida, Francisco Carneiro, José Miguel Almeida und Pedro André Silva), hat sich zum Ziel gesetzt, diese Technologie innerhalb von zwei Jahren in einer Tiefe von 1.000 Metern einzusetzen.
Den Druck überwinden
Das Haupthindernis auf dem Weg zur Erreichung dieses Ziels ist – neben dem Druck, der durch die Tiefe des Ozeans verursacht wird – „die raue Umwelt selbst sowie die Schwierigkeiten bei Betriebs- oder Wartungsgrenzen“. „Dies erfordert eine enorme Zuverlässigkeit der Systeme, damit sie möglicherweise über lange Zeiträume hinweg korrekt und autonom arbeiten können“, fügte Alfredo Martins hinzu.
Diese portugiesische Technologie gelangte im Rahmen der Projekte Connect2Oceans und MicroArtic in die Arktis. Das Hauptziel dieses Projekts besteht darin, zu verstehen, wie der fortschreitende Anstieg des atlantischen Wasserwärmezuflusses in die Arktis, die sogenannte „Atlantifizierung“, Veränderungen in den arktischen Planktongemeinschaften (diese sind die Grundlage des Lebens in Meeresumgebungen) und im Mikrobiom fördern wird Vielfalt und Funktionen. Diese extremen polaren Umgebungen werden weiterhin die Teststandorte für den Biosampler sein.
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