Behavioral dynamics of environmental dna (eDNA) dispersion in the water column

Orientador: Prof. Dr. Giorgi Dal Pont

Coorientador: Prof. Dr. Antonio Ostrensky

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Zootecnia. Defesa : Curitiba, 27/02/2025

Inclui referências

Resumo: O DNA ambiental (eDNA) emergiu como ferramenta poderosa para o monitoramento da biodiversidade aquática, permitindo a detecção não invasiva e altamente sensível de diferentes grupos biológicos. No entanto, seu comportamento de distribuição vertical e dinâmica de dispersão na coluna d'água ainda são pouco compreendidos, limitando a precisão das avaliações ecológicas e estratégias de monitoramento ambiental. O objetivo desse trabalho é investigar o movimento vertical do eDNA e esclarecer os fatores que influenciam sua distribuição, por meio da análise de dados pretéritos (revisão sistemática) e de experimentos laboratoriais controlados. A revisão analisou 87 estudos sobre a dinâmica vertical do eDNA, revelando variações significativas na concentração e composição do eDNA em diferentes profundidades. Os resultados destacam o impacto de fatores abióticos, como profundidade do ambiente estudado, estratificação térmica e correntes, além de influências biológicas, incluindo o comportamento das espécies e as taxas de degradação do eDNA, ressaltando, em alguns casos, a necessidade de protocolos padronizados de amostragem em múltiplas profundidades para maior precisão na detecção. Complementando essa revisão, experimentos laboratoriais avaliaram a dispersão do DNA extracelular livre (f-exDNA) e do eDNA multi-fração em uma coluna d’água lêntica. O f-exDNA se dispersou rapidamente, tornando-se homogêneo em até 30 minutos, enquanto o eDNA multi-fração apresentou padrões mais lentos e distintos de dispersão. Esses achados evidenciam que a fração de eDNA influencia diretamente sua dispersão, reforçando a necessidade de considerar sua composição ao definir estratégias de amostragem. Este estudo contribui para a compreensão da verticalidade do eDNA e propõe diretrizes para otimizar amostragens, aprimorando sua aplicação no biomonitoramento ambiental e na conservação

Abstract: Environmental DNA (eDNA) has emerged as a powerful tool for monitoring aquatic biodiversity, enabling the non-invasive and highly sensitive detection of various biological groups. However, its vertical distribution behavior and dispersion dynamics in the water column remain poorly understood, limiting the accuracy of ecological assessments and environmental monitoring strategies. This study aims to investigate the vertical movement of eDNA and clarify the factors influencing its distribution through the analysis of previous data (systematic review) and controlled laboratory experiments. The review analyzed 87 studies on the vertical dynamics of eDNA, revealing significant variations in eDNA concentration and composition at different depths. The results highlight the impact of abiotic factors, such as study site depth, thermal stratification, and currents, as well as biological influences, including species behavior and eDNA degradation rates, underscoring in some cases the need for standardized multi-depth sampling protocols for greater detection accuracy. Complementing this review, laboratory experiments assessed the dispersion of free extracellular DNA (f-exDNA) and multi-fraction eDNA in a lentic water column. The f exDNA dispersed rapidly, becoming homogeneous within 30 minutes, while the multi fraction eDNA exhibited slower and distinct dispersion patterns. These findings demonstrate that the eDNA fraction directly influences its dispersion, reinforcing the need to consider its composition when defining sampling strategies. This study contributes to the understanding of eDNA verticality and proposes guidelines to optimize sampling, enhancing its application in environmental biomonitoring and conservation