Diatomeeën-DNA biedt uitkomst voor waterbeheerders

Al decennialang worden diatomeeën (kiezelwieren) gebruikt om waterkwaliteit te bepalen. Microscopie is hiervoor de gangbare methode, een onlangs afgerond TKI-project laat de potentie van DNA-technieken zien. “De resultaten nemen we mee in de ontwikkeling van een brede beoordeling van de levensgemeenschap onder water”, zegt Bas van der Wal van STOWA. “Zo willen we niet alleen inzicht krijgen in de toestand van de waterkwaliteit, maar in het functioneren van het hele aquatisch ecosysteem.”

Diatomeeën zijn eencellige algen met een snelle voortplanting. Dat maakt ze geschikt als indicatororganismen. Ze reageren snel op veranderingen in de leefomgeving en geven een indruk van de waterkwaliteit in de afgelopen dagen tot weken. Die relatie tussen het voorkomen van diatomeeën en de milieuomstandigheden heeft geleid tot indexen voor bijvoorbeeld zuurgraad, zuurstofgehalte en organische belasting; bij waterbeheerders bekend als de ‘Van Dam-indices’. Tot nu toe waren microscopische analyses van watermonsters de gangbare methode om kiezelwieren te identificeren. Het TKI-project ‘DNA Diatom Biosensor’ wilde daar verandering in brengen.

DNA versus microscopie

“Voor ons was techniekontwikkeling de belangrijkste reden om aan te haken”, zegt Bas van der Wal. “We wilden weten of het mogelijk is om met DNA de diatomeeëngemeenschap in beeld te brengen, en hoe de uitkomsten hiervan zich laten vergelijken met die van microscopie. Met het oog op de Kaderrichtlijn Water rapporteren we nu met grote regelmaat aan de Europese Commissie over de toestand van de waterkwaliteit. Dat gebeurt niet alleen met indexen voor diatomeeën, maar ook voor vis, macrofauna en waterplanten. Voordat je overschakelt op DNA, moet je weten of de indices die voor diatomeeën zijn gemaakt op basis van microscopie, ook met DNA tot vergelijkbare uitkomsten leiden.”

Woordenboek

Uit het onderzoek blijkt dat watermonsters die zowel met DNA als met microscopie werden geanalyseerd, in de helft van de gevallen uitmonden in dezelfde classificatie van de waterkwaliteit. Dat lijkt een beperkte score, maar er is een verklaring voor. “Om de soorten op naam te brengen, hanteren we met microscopie en DNA een verschillende soortenlijst”, vertelt KWR-onderzoeker Michiel Hootsmans. “De lijst die in de afgelopen tientallen jaren door taxonomen is ontwikkeld, is veel uitgebreider dan die met DNA-barcodes: specifieke stukjes DNA die voor elke diatomeeënsoort net iets anders zijn. Voor DNA hebben we gewoon een veel kleiner woordenboek om mee te werken. Het is een kwestie van tijd om dat woordenboek dikker te maken.”

Van toestand naar diagnose

Eindgebruiker Bas van der Wal geeft aan dat het voor waterbeheerders lastig is om te beslissen hoe om te gaan met die verschillende uitkomsten. “In de praktijk zijn de beoordelingsmethoden om te komen tot de toestand van de waterkwaliteit, één op één gekoppeld met de traditionele microscopie. Dat verander je niet zomaar naar DNA, want binnen de Europese kaders bestaat geen vrijheid om hierin over te schakelen. Je moet dan ook de methodiek herzien om die toestand te beschrijven. Maar ik zie wel kansen voor de inzet van DNA voor de beantwoording van de vraag die hierop volgt: waarom is de toestand zoals die is? Over deze ‘waaromvraag’ hoeven waterbeheerders niet aan Brussel te rapporteren, hoewel die vraag juist heel belangrijk is. Om goed gerichte en effectieve maatregelen te kunnen nemen, moet je namelijk snappen hoe het systeem functioneert en waar de zwakste schakel zit. Daarom denk ik dat in die diagnosestap de DNA-technieken een uitkomst kunnen bieden.”

Frontlinie

Voor Jako van der Wal, werkzaam bij AQUON, bood het project DNA Diatom Biosensor de kans om mee te lopen in de frontlinie. “Als organisatie die laboratoriumanalyses uitvoert voor waterschappen in Midden- en Zuid-Nederland, willen wij goed op de hoogte zijn van nieuwe technieken zoals met DNA”, vertelt hij. “Dan kunnen we deze technieken op termijn aan onze klanten aanbieden. AQUON heeft sinds enkele jaren een eigen DNA-lab. Hierin zijn we begonnen met targeting, dus het analyseren van een watermonster op de aan- of afwezigheid van een bepaalde soort. Dat gaat bijvoorbeeld voor een vis als de grote modderkruiper veel sneller en beter dan dat je met een schepnetje probeert zo’n visje te vangen. We willen nu ook aan de slag met DNA-sequencing. Dit betekent dat je aan de hand van alle DNA-barcodes die je in een plasje water vindt, zoveel mogelijk soortnamen hieraan probeert te koppelen. Ik vind het heel mooi dat met dit project diatomeeën weer eens even goed in de spotlight zijn gezet. Ze zijn een handige tool om de waterkwaliteit in beeld te brengen, en als je dit door middel van DNA doet, kan dat ook nog eens in een grotere bulk gebeuren en op den duur goedkoper en sneller.”

Parallel toepassen

Voor Hootsmans is de DNA Diatom Biosensor een kroon op zijn werk; per 1 september ging de onderzoeker met pensioen. Hij wijst erop dat de specialisten die het microscopisch werk kunnen doen, langzaam verdwijnen zonder dat zich een nieuwe generatie aandient. Daarnaast onderschrijft Hootsmans dat de DNA-aanpak op den duur kostentechnisch aantrekkelijker zal worden. Maar dat zou geen reden moeten zijn om het aantal monsters te beperken. “Je moet juist meer monsters nemen voor hetzelfde geld. Met meer monsters in ruimte en tijd, krijg je een beter beeld van hoe een watersysteem zich heeft ontwikkeld. Daarnaast zijn er nog genoeg uitdagingen. Zo zien we dat dezelfde diatomeeënsoort meerdere barcodes kan hebben. Ook duiken in de DNA-soortenlijst soorten op die je onder de microscoop niet ziet, en omgekeerd. We moeten ons niet laten weerhouden door het feit dat we met beide technieken nu nog niet tot dezelfde resultaten komen. Je moet dit met een frisse blik bekijken. Op korte termijn hoop ik dat de DNA-methode en microscopie parallel zullen worden toegepast. Door gaandeweg steeds meer DNA-informatie te verzamelen, kunnen we ook hiermee indexen voor milieuomstandigheden optuigen. En dan niet alleen voor diatomeeën, maar ook voor andere organismen die lastig zijn te identificeren, zoals macrofauna en andere kleine kriebelbeestjes. Waar ik vooral trots op ben, is dat heel veel waterschappen dankzij dit project kennis hebben kunnen maken met de mogelijkheden van DNA-technieken. Zij waren enthousiast, en zullen de kar nu verder moeten trekken. Ik heb gemerkt dat ze daar heel erg voor openstaan.”

Samenwerkingspartners

Het project ‘DNA Diatom Biosensor’ kwam tot stand met de volgende samenwerkingspartners: AQUON, BaseClear, waterschap Brabantse Delta, hoogheemraadschap Delfland, waterschap De Dommel, wetterskip Fryslân, waterschap Hollandse Delta, hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier, waterschap Limburg, hoogheemraadschap Rijnland, hoogheemraadschap De Stichtse Rijnlanden, KWR Water Research Institute, Naturalis Biodiversity Center, STOWA en Waterproef.