DOI: https://doi.org/10.1002/ece3.73346
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41970361
تاريخ النشر: 2026-04-01
المؤلف: Hugo Jager وآخرون
الموضوع الرئيسي: الحمض النووي البيئي في دراسات التنوع البيولوجي
نظرة عامة
الانخفاض السريع في التنوع البيولوجي الأرضي يتطلب تحسين تقنيات المراقبة البيولوجية لإبلاغ السياسات المعتمدة على العلم. تقدم هذه الدراسة جهاز أخذ عينات جديد غير نشط للحمض النووي البيئي (eDNA) من الهواء، وهو جهاز Nutshell eDNA، مصمم لجمع eDNA بكفاءة وبتكلفة منخفضة من الهواء على مدى فترات طويلة (6-96 ساعة). أُجريت الدراسة في حديقة حيوان روتردام، حيث تمت مقارنة أداء جهاز Nutshell مع جهازين نشطين لأخذ عينات eDNA من الهواء، مما كشف أن الطريقة السلبية اكتشفت ما مجموعه 88 نوعًا، بما في ذلك 24 نوعًا من سكان حديقة الحيوان. ومن الجدير بالذكر أن جهاز Nutshell تفوق على الأجهزة النشطة من حيث غنى الأنواع خلال 48 ساعة واستمر في تحديد أنواع جديدة بعد 96 ساعة، مما يوضح قدرته على التقاط الإشارات المتقطعة والفردية.
تشير النتائج إلى وجود علاقة إيجابية بين اكتشاف eDNA في الهواء والكتلة الحيوية الإجمالية للأنواع، مما يشير إلى أن الفقاريات الأكبر أو السكان يساهمون بمزيد من الحمض النووي في الهواء. وتخلص الدراسة إلى أن أخذ عينات eDNA من الهواء بطريقة سلبية يمثل استراتيجية واعدة ومنخفضة التكلفة وغير غازية لتقييم التنوع البيولوجي للفقاريات، مما يكمل طرق أخذ العينات النشطة الحالية. تصميمه سهل الاستخدام ومتطلبات الصيانة القليلة تجعله متاحًا للممارسين، بما في ذلك أولئك المشاركين في مبادرات العلوم المواطنية. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين بروتوكولات أخذ العينات السلبية واستكشاف فعاليتها عبر موائل مختلفة، حيث يحمل eDNA في الهواء إمكانات كبيرة لتعزيز جهود المراقبة البيولوجية الأرضية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الحاسم للتنوع البيولوجي العالمي في الحفاظ على مرونة النظام البيئي وتوفير خدمات أساسية مثل الأمن الغذائي والطب. ومع ذلك، تؤكد على أن الضغوط البشرية، بما في ذلك تغير المناخ وتدمير المواطن، تشكل تهديدات كبيرة للتنوع البيولوجي، مما يتطلب تقنيات مراقبة بيولوجية متقدمة لجهود الحفظ الفعالة. يتم التباين بين طرق مراقبة التنوع البيولوجي التقليدية، التي تعتمد غالبًا على المعرفة التصنيفية للخبراء وقد تكون غازية، وبين الاستخدام الناشئ لأساليب الحمض النووي البيئي (eDNA). هذه الطرق، التي تجمع المواد الوراثية من البيئة، غير غازية، وحساسة، وقادرة على اكتشاف مجموعة واسعة من الأنواع، مما يوفر بديلاً واعدًا لتقييمات التنوع البيولوجي على نطاق واسع.
تتناول الورقة بشكل خاص إمكانيات أخذ عينات eDNA من الهواء كطريقة جديدة لمراقبة التنوع البيولوجي الأرضي، مشيرة إلى أن البايوأيروسولات في الهواء تحتوي على مواد وراثية من أشكال الحياة المختلفة. بينما أثبتت الدراسات السابقة بنجاح اكتشاف الحمض النووي الحيواني في الهواء باستخدام أجهزة أخذ عينات نشطة، غالبًا ما تكون هذه الطرق محدودة بالتكاليف والقيود اللوجستية. استجابةً لذلك، يقدم المؤلفون جهاز أخذ عينات eDNA من Nutshell، وهو جهاز جديد مصمم لأخذ عينات الهواء بطريقة سلبية يهدف إلى تعزيز كفاءة التقاط الحمض النووي مع كونه ميسور التكلفة وسهل النشر. تقارن الدراسة فعالية وحساسية هذا الجهاز السلبي مع جهازين نشطين شائعين في بيئة حديقة الحيوان، مع التركيز على معدلات اكتشاف الأنواع، وتشتت eDNA في الهواء، وأفضل فترات النشر. تسهم هذه الأبحاث في فهم استراتيجيات أخذ عينات eDNA السلبية، مع معالجة الحاجة إلى حلول مراقبة التنوع البيولوجي القابلة للتوسع والوصول.
طرق
يحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح اختيار المواد، بما في ذلك الكواشف والمعدات المحددة المستخدمة، لضمان إمكانية تكرار النتائج. تشمل المنهجية إعداد التجربة، وتقنيات جمع البيانات، والأساليب التحليلية المطبقة لتقييم النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم التحليلات الإحصائية التي تم إجراؤها لتفسير البيانات، بما في ذلك أي برامج تم استخدامها للحسابات. إن صرامة الطرق أمر حاسم للتحقق من النتائج ودعم الاستنتاجات المستخلصة في الدراسة. بشكل عام، يعمل هذا القسم كدليل شامل لتكرار البحث وفهم العمليات الأساسية التي أدت إلى النتائج المبلغ عنها.
نتائج
في هذه الدراسة، هدف المؤلفون إلى اكتشاف الحمض النووي البيئي (eDNA) من الفقاريات والثدييات باستخدام علامات الميتوكوندريا 12S و16S. بالنسبة لمجموعة بيانات 12S، تمت معالجة 3,862,876 قراءة تسلسل، وتم الاحتفاظ في النهاية بـ 783,731 قراءة عبر 293 نوعًا من متغيرات تسلسل الأمبليكون (ASVs) بعد التصفية والتعديلات. ومن الجدير بالذكر أن 299,733 قراءة تم تحديدها على أنها بشرية (Homo sapiens) وتمت إزالتها لاحقًا، مما أسفر عن 483,998 قراءة عبر 161 ASVs، والتي تم تصنيفها إلى 65 نوعًا، بما في ذلك 15 نوعًا متوقعًا من سكان حديقة حيوان روتردام.
وبالمثل، تم تصفية مجموعة بيانات 16S من 5,871,156 قراءة أولية إلى 651,690 قراءة، مع تحديد 293,267 قراءة أيضًا على أنها بشرية وتمت إزالتها. وهذا ترك 358,249 قراءة عبر 92 ASVs، مع تحديد 47 نوعًا، منها 23 كانت فريدة من نوعها لتحليل 16S. بشكل إجمالي، اكتشفت الدراسة eDNA من 88 نوعًا متميزًا، مع تحديد 24 نوعًا بواسطة مجموعتي البرايمر. من بين هذه الأنواع، تم تأكيد ستة كأنواع متوقعة من سكان حديقة الحيوان: الجمل البكتيري (Camelus bactrianus)، وحيد القرن الأسود (Diceros bicornis)، والزرافة (Giraffa camelopardalis)، وثعلب البحر الأوروبي (Lutra lutra)، ووحيد القرن الهندي (Rhinoceros unicornis)، والثعلب القطبي (Vulpes lagopus).
مناقشة
في هذه الدراسة، قمنا بتقييم فعالية طريقة جديدة لأخذ عينات eDNA من الهواء بطريقة سلبية، جهاز Nutshell eDNA، مقارنةً بتقنيتين نشطتين لأخذ العينات، Pollensniffer وCoriolis Micro، في حديقة حيوان روتردام. على مدى فترة أخذ عينات مدتها 96 ساعة، اكتشف جهاز أخذ العينات السلبي ما مجموعه 76 نوعًا، بما في ذلك 30 نوعًا لم يتم تحديدها بواسطة الطرق النشطة، مما يبرز قدرته الفائقة على اكتشاف الأنواع. بينما حقق جهاز Pollensniffer أعلى غنى للأنواع لكل جهد أخذ عينات، أظهر جهاز Nutshell eDNA تراكمًا كبيرًا في غنى الأنواع مع مرور الوقت، حيث التقط أنواعًا فريدة في فترات زمنية مختلفة. ومن الجدير بالذكر أن جهاز أخذ العينات السلبي حقق أيضًا أكبر مسافات اكتشاف ودقة ضمن نطاق تشغيله.
تشير النتائج إلى أن استراتيجية أخذ العينات السلبية قد تعمل كنهج تكميلي أو بديل للطرق النشطة التقليدية، خاصةً لالتقاط إشارات eDNA المتقطعة أو المتباينة التي قد تفوت في فترات أخذ العينات القصيرة. علاوة على ذلك، لوحظت علاقة إيجابية بين الكتلة الحيوية للأنواع وإجمالي قراءات التسلسل، مما يشير إلى أن الفقاريات الأكبر تساهم بمزيد من eDNA في الهواء، مما قد يوفر رؤى حول الوفرة النسبية في الدراسات البيئية. بشكل عام، تؤكد هذه الأبحاث على إمكانات أخذ عينات eDNA من الهواء في مراقبة التنوع البيولوجي واكتشاف الأنواع داخل بيئات حدائق الحيوان.
DOI: https://doi.org/10.1002/ece3.73346
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41970361
Publication Date: 2026-04-01
Author(s): Hugo Jager et al.
Primary Topic: Environmental DNA in Biodiversity Studies
Overview
The rapid decline of terrestrial biodiversity necessitates enhanced biomonitoring techniques to inform science-based policy. This study introduces a novel passive airborne environmental DNA (eDNA) sampler, the Nutshell eDNA sampler, designed for efficient and cost-effective collection of eDNA from the air over extended periods (6-96 hours). Conducted at Rotterdam Zoo, the research compared the performance of the Nutshell sampler with two active airborne eDNA samplers, revealing that the passive method detected a total of 88 species, including 24 zoo residents. Notably, the Nutshell sampler outperformed active samplers in terms of species richness within 48 hours and continued to identify new species beyond 96 hours, demonstrating its ability to capture both patchy and singleton signals.
The findings indicate a positive correlation between airborne eDNA detection and species total biomass, suggesting that larger vertebrates or populations contribute more DNA to the air. The study concludes that passive airborne eDNA sampling represents a promising, low-cost, and noninvasive strategy for assessing vertebrate biodiversity, complementing existing active sampling methods. Its user-friendly design and minimal maintenance requirements make it accessible for practitioners, including those involved in citizen science initiatives. Future research should focus on refining passive sampling protocols and exploring their effectiveness across various habitats, as airborne eDNA holds significant potential for advancing terrestrial biomonitoring efforts.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical role of global biodiversity in maintaining ecosystem resilience and providing essential services such as food security and medicine. However, it emphasizes that anthropogenic pressures, including climate change and habitat destruction, pose significant threats to biodiversity, necessitating advanced biomonitoring techniques for effective conservation efforts. Traditional biodiversity monitoring methods, which often rely on expert taxonomic knowledge and can be invasive, are contrasted with the emerging use of environmental DNA (eDNA) approaches. These methods, which collect genetic material from the environment, are non-invasive, sensitive, and capable of detecting a wide range of taxa, thus offering a promising alternative for large-scale biodiversity assessments.
The paper specifically addresses the potential of airborne eDNA sampling as a novel method for terrestrial biodiversity monitoring, noting that bioaerosols in the air contain genetic material from various life forms. While previous studies have successfully demonstrated the detection of animal DNA in air using active samplers, these methods are often limited by cost and logistical constraints. In response, the authors introduce the Nutshell eDNA Sampler, a newly designed passive air sampling device that aims to enhance DNA capture efficiency while being affordable and easy to deploy. The study compares the efficacy and sensitivity of this passive sampler against two commonly used active samplers in a zoo setting, focusing on species detection rates, airborne eDNA dispersion, and optimal deployment durations. This research contributes to the understanding of passive eDNA sampling strategies, addressing the need for scalable and accessible biodiversity monitoring solutions.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the selection of materials, including specific reagents and equipment used, ensuring reproducibility of the results. The methodology encompasses the experimental setup, data collection techniques, and analytical methods applied to evaluate the findings.
Additionally, the section may describe the statistical analyses performed to interpret the data, including any software utilized for calculations. The rigor of the methods is crucial for validating the results and supporting the conclusions drawn in the study. Overall, this section serves as a comprehensive guide for replicating the research and understanding the underlying processes that led to the reported outcomes.
Results
In this study, the authors aimed to detect airborne environmental DNA (eDNA) from vertebrates and mammals using mitochondrial markers 12S and 16S. For the 12S dataset, they processed 3,862,876 sequencing reads, ultimately retaining 783,731 reads across 293 amplicon sequence variants (ASVs) after filtering and adjustments. Notably, 299,733 reads were identified as human (Homo sapiens) and subsequently removed, resulting in 483,998 reads across 161 ASVs, which were classified into 65 taxa, including 15 expected resident species from the Rotterdam Zoo.
Similarly, the 16S dataset was filtered from an initial 5,871,156 reads down to 651,690 reads, with 293,267 reads also identified as human and removed. This left 358,249 reads across 92 ASVs, identifying 47 taxa, of which 23 were unique to the 16S analysis. Cumulatively, the study detected airborne eDNA from 88 distinct species, with 24 species identified by both primer sets. Among these, six were confirmed as expected zoo residents: the Bactrian camel (Camelus bactrianus), black rhinoceros (Diceros bicornis), giraffe (Giraffa camelopardalis), European otter (Lutra lutra), Indian rhinoceros (Rhinoceros unicornis), and Arctic fox (Vulpes lagopus).
Discussion
In this study, we evaluated the effectiveness of a novel passive airborne eDNA sampling method, the Nutshell eDNA sampler, compared to two active sampling techniques, the Pollensniffer and Coriolis Micro, at the Rotterdam Zoo. Over a 96-hour sampling period, the passive sampler detected a total of 76 species, including 30 species not identified by the active methods, highlighting its superior capacity for species detection. While the Pollensniffer yielded the highest species richness per sampling effort, the Nutshell eDNA sampler demonstrated a significant accumulation of species richness over time, capturing unique species at various intervals. Notably, the passive sampler also achieved the greatest detection distances and accuracy within its operational range.
The findings suggest that the passive sampling strategy may serve as a complementary or alternative approach to traditional active methods, particularly for capturing intermittent or patchy eDNA signals that may be missed in shorter sampling bursts. Furthermore, a positive correlation was observed between species biomass and total sequencing reads, indicating that larger vertebrates contribute more eDNA to the air, which could provide insights into relative abundance in ecological studies. Overall, this research underscores the potential of passive airborne eDNA sampling in biodiversity monitoring and species detection within zoo environments.