Kriittinen tila

Molekyylibiologiset menetelmät tarjoavat uusia mahdollisuuksia vesistöjen tilan seurantaan

Lukuaika: 4 min.

Teksti on osa Versus-verkkojulkaisun ja Alue- ja ympäristötutkimuksen seuran Viesti ja vaikuta -tiedeviestinnän tapahtumasarjaa. Kurssimuotoisen toteutuksen tuloksena julkaistiin sarja populaareja tiedejulkaisuja kirjoittajien omien tutkimusaiheiden, kiinnostuksenkohteiden tai tieteellisten tekstien pohjalta..

Ihmistoiminnan vaikutukset ovat muuttaneet voimakkaasti ekosysteemien rakennetta ja toimintaa maailmanlaajuisesti viimeisten vuosikymmenten aikana. Ekologisen tilan heikentyminen aiheuttaa vakavan uhan eliöyhteisöjen monimuotoisuudelle.

Esimerkiksi maailman virtavesistä korkean tai keskinkertaisen uhan alla katsotaan olevan tällä hetkellä 65 prosenttia. Virtaavia vesiä uhkaavat muun muassa ilmastonmuutos, habitaattien heikkeneminen ja veden laadun huonontuminen. Ihmistoiminnan vaikutukset, kuten virtavesiin päätyvän kuormituksen ja kiintoaineen määrää lisäävä maankäyttö (esimerkiksi maatalous ja metsätalous), kaupungistuminen ja teollistuminen, uomien perkaukset ja kanavoinnit sekä keinotekoiset rakenteet, kuten padot ja kastelujärjestelmät heikentävät virtavesien ekologista tilaa ja eliöyhteisöjen monimuotoisuutta.

Suomessa vesien tilaa heikentää erityisesti maa- ja metsätalouden hajakuormitus.

Tulevaisuudessa tarve kustannustehokkaille, luotettaville ja nopeille keinoille arvioida vesistöjen ekologista tilaa kasvaa. EU:n vesipuitedirektiivin (2000/60/EY) ja siihen pohjautuvan Suomen vesienhoitolain (1299/2004) tavoitteina on saada kaikki vesistöt vähintään hyvään tilaan. Alun perin tavoitteena oli saavuttaa hyvä tila vuoden 2015 aikana, mutta monien vesistöjen tavoitetila on tällä hetkellä asetettu vuoteen 2027. Tämänhetkisen arvion mukaan 65 prosenttia Suomen jokivesistä on hyvässä tai erinomaisessa tilassa, mutta erityisesti rannikkoalueen joet ovat huonossa tai välttävässä tilassa. Suomessa vesien tilaa on laaja-alaisesti heikentänyt erityisesti maa- ja metsätalouden hajakuormitus.

Eliöiden ympäristöön jättämä DNA auttaa ympäristömuutosten seurannassa

Biomonitorointi, eli eliöiden käyttö ympäristömuutosten seurantaan ja mittaamiseen, pyrkii tunnistamaan, seuraamaan ja arvioimaan ekosysteemien toimintaa uhkaavia ympäristön stressitekijöitä. Tulevaisuudessa yksi mahdollinen biomonitoroinnin työkalu joko perinteisten biologisten (esim. piilevät, pohjaeläimet, vesikasvit ja kalat) ja fysikaalis-kemiallisten mittarien rinnalla tai ainakin osittain jopa niitä korvaten tulee olemaan ympäristö-DNA:n, eli eDNA:n käyttöön perustuvat lähestymistavat.

molekyylibiologia
Biomonitorointi, eli eliöiden käyttö ympäristömuutosten seurantaan ja mittaamiseen, pyrkii tunnistamaan, seuraamaan ja arvioimaan ekosysteemien toimintaa uhkaavia ympäristön stressitekijöitä. © SYKEkuvat, Jussi Leppänen

eDNA:lla tarkoitetaan eliöiden ympäristöön levittämää DNA:ta. eDNA-näytteet kerätään vesi- tai maaympäristöstä, lumesta tai ilmasta sen sijaan, että näyte otettaisiin suoraan eliöstä. Näytteiden sisältämä DNA eristetään laboratoriossa. Eristämisen jälkeen DNA monistetaan polymeraasiketjureaktion avulla ja DNA:n emäsjärjestystä luetaan eli sekvensoidaan tarkoitukseen kehitetyillä laitteilla, sekvensaattoreilla. Saaduille sekvensseille haetaan vastaavuutta maailmanlaajuisista sekvenssitietokannoista. Näin voidaan saada selville lajit, jotka esiintyvät tutkimuksen kohteena olevassa ympäristössä.

Uudet menetelmät mullistavat biologisten kartoitusten ja seurantojen kentän

eDNA ja muut molekyylibiologiset menetelmät (MB) tulevat mullistamaan biologisten kartoitusten ja seurantojen kentän. Ne mahdollistavat kansainvälisesti helposti vertailtavan ja toistettavan lajintunnistuksen. Niiden avulla voidaan myös tavoittavaa monia vaikeasti havaittavia ja huonosti tunnettuja eliöryhmiä, jotka jäävät perinteisiin menetelmiin perustuvien seurantojen ulkopuolelle. Esimerkiksi paikallisilla vesi- ja ilmanäytteillä voidaan tavoittaa joko yksittäisiä lajeja tai koko lajisto laajalta alueelta, jonka kartoittaminen perinteisin menetelmin ei olisi kustannusten takia mahdollista.

MB-menetelmien käyttöä on viime vuosina pilotoitu maailmanlaajuisesti muun muassa biodiversiteetin eli biologisen monimuotoisuuden kartoittamisessa, uhanalaisten lajien havaitsemisessa, vieraslajien leviämisen tarkkailemisessa ja jopa kansalaistieteeseen perustuvissa seurannoissa. Tulokset ovat olleet lupaavia: MB-menetelmien käyttö on usein osoittautunut nopeammaksi, herkemmäksi ja edullisemmaksi kuin perinteiset näytteenotto- ja lajintunnistusmenetelmät.

Useissa maissa suunnitellaan tällä hetkellä MB-menetelmien rutiininomaista käyttöönottoa. Suomessa erityistä huomiota on kiinnitettävä muun muassa siihen, miten hyvin olemassa olevat lajikirjastot tällä hetkellä tunnistavat pohjoiset lajit.

Menetelmäkehitys vaatii vielä paljon kansallista ja kansainvälistä yhteistyötä

eDNA menetelmät kehittyvät nopeasti ja niiden käytössä on vielä tiettyjä rajoituksia, jotka on hyvä ottaa huomioon. Asiaan vähemmän perehtyneen tutkijan tai asiantuntijan voi tällä hetkellä olla vaikea hahmottaa sitä, mikä olisi sopivin lähestymistapa juuri omaan tutkimuskysymykseen. Esimerkiksi pitkäaikaisten seurantojen suunnitelmia tehtäessä tulisi myös voida luottaa siihen, että valittu menetelmä ja lähestymistapa on käytössä vielä esimerkiksi 10 tai 15 vuoden päästäkin.

molekyylibiologia
eDNA ja muut molekyylibiologiset menetelmät (MB) tulevat uudistamaan biologisten kartoitusten ja seurantojen kentän. © SYKEkuvat Milla Popova

Menetelmien laajamittainen käyttöönotto seurantojen apuna edellyttää kansallista ja kansainvälistä yhteistyötä ja vuoropuhelua, yhteisiä standardeja ja menetelmien vahvistamista. Lisäksi tarvitaan oppaita näytteenottoon, näytteiden käsittelyyn ja aineistojen analysointiin bioinformatiikan työkaluilla.

Tarvitaan myös avoimia tietokantoja, joista sekvenssitieto on helposti saatavissa ja joissa datan käytettävyyteen ja jäljitettävyyteen on kiinnitetty erityistä huomiota. Suomessa erityistä huomiota on kiinnitettävä myös siihen, miten hyvin olemassa olevat lajikirjastot tällä hetkellä tunnistavat pohjoiset lajit.

Suomen ympäristökeskus SYKE toteuttaa vuoden 2021 aikana kaksi eDNA:n ja muiden molekyylibiologisten seurantamenetelmien kehittämishanketta, joissa muun muassa järjestetään useita kansallisia ja kansainvälisiä työpajoja, luodaan tiekartta menetelmien kansalliseen käyttöönottoon ja testataan pilot-kokein eDNA -näytteiden analysointia olemassa olevia seurantaohjelmia hyödyntäen. Kaikille avoimeen eDNA -ideointitiimiin voi ilmoittautua mukaan: tiina.laamanen@syke.fi

TIINA LAAMANEN

ARTIKKELIKUVA: The Tampa Bay Estuary Program/Unsplash

Tiina Laamanen

Tiina Laamanen toimii Suomen ympäristökeskuksen vetämän kansallisen eDNA ideointiimin koordinaattorina, A pilot for implementing environmental DNA (eDNA) based methods into environmental and biomonitoring -hankkeen projektipäällikkönä ja tutkijana Kansallinen tiekartta eDNAn ja muiden molekyylibiologisten seurantamenetelmien tehokkaan, luotettavan ja rutiininomaisen käyttöönoton eri vaiheista -hankkeessa.