Um den durch den Menschen verursachten weltweiten Biodiversitätsverlust in aquatischen Ökosystemen aufzuhalten und eine nachhaltige Nutzung von lebenswichtigen Ressourcen sicherzustellen, wurden in den letzten Jahrzehnten umfangreiche Gesetzeswerke erarbeitet und in Kraft gesetzt. Diese, wie z.B. die Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) der EU, beinhalten
die Überwachung der Diversität und Häufigkeit bestimmter  Indikatororganismen und bilden die Basis für die Planung von Renaturierungsmaßnahmen sowie deren Erfolgskontrolle. Die
Bestimmung der Zusammensetzung von taxonomisch anspruchsvollen Artengemeinschaften (z.B. benthische Makroinvertebraten) ist ein langsamer, kostenintensiver Prozess, der umfassendes taxonomisches Wissen voraussetzt, oftmals aber nur eine unzureichende taxonomische Auflösung erreicht. In wissenschaftlichen Studien wird die DNA-basierte Methode Metabarcoding zunehmend für die Erfassung von Biodiversität genutzt und
übertrifft hierbei Morphologie-basierte Verfahren in Geschwindigkeit, Effektivität und der erreichten taxonomischen Genauigkeit. Es besteht daher großer Bedarf, diese Methode zur Komplementierung von herkömmlichen Ansätzen zur Artbestimmung in der angewandten Überwachung von Diversität verstärkt einzusetzen. Trotz der klar ersichtlichen Vorteile von DNA Metabarcoding bestehen immer noch einige Schwachstellen, die zusätzliche methodische Entwicklungen und Optimierungen für die Anwendung notwendig machen. Die
hier untersuchten und entwickelten methodischen Innovationen komplementieren die Nutzung von DNA Metabarcoding zur Erfassung von Makroinvertebraten-Artengemeinschaften, gehen zum Teil aber darüber hinaus und erschließen die Analyse von innerartlicher genetischer
Diversität. Die vorliegende Arbeit lässt sich in drei wesentliche Bereiche gliedern, dies sind I) Optimierung und Bewertung methodischer Schritte von DNA Metabarcoding im Hinblick auf DNA-Isolation und PCR, II) Anwendung von DNA Metabarcoding zur Bewertung des Einflusses von Stressoren und III) PCR-freie methodische Innovationen zur Erfassung von Biodiversität. Die methodische Entwicklung von DNA Metabarcoding stützt sich hauptsächlich auf Artengemeinschaften mit bekannter Artenzusammensetzung (sogenannte
„mock communities“).
Ergebnisse im ersten Teil zeigen, dass die DNA-Extraktion aus dem Fixierungsmittel von Gemischtproben als vielversprechende Methode zur Biodiversitätserfassung anzusehen ist, welche die bis jetzt durchgeführte zeitaufwendige Sortierung der Proben umgeht. Bei der Anwendung der Methode an Feldproben werden bestimmte Indikatorarten erfolgreich erfasst,
während ein geringer Nachweis von kleinen und stark sklerotisierten Arten zu verzeichnen ist.
Speziell dazu sind zusätzliche Studien notwendig. Die von vorläufigen Studien aufgezeigten Unstimmigkeiten in der Bestimmung von Artenzusammensetzungen durch die parallele Amplifikation und Indizierung von DNA Metabarcoding-Proben („one-step PCR“) wird überprüft. Hierbei wird die Methode mit zwei weiteren Vorgängen der Indizierung („two-step PCR“ und „Illumina library preparation kit“) verglichen. Dabei erweist sich der Fehler bei der one-step PCR als wesentlich geringer als nach Literaturangaben zu erwarten. Die Methode ist daher, auch auf Grund der geringen Kosten und Anfälligkeit für Kontaminationen für bestimmte Fragestellungen weiter anwendbar.
Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit erfolgt die Anwendung von DNA Metabarcoding zur Erfassung der Makrozoobenthos-Diversität an drei Flüssen in Nordrhein-Westfalen (Emscher,Ennepe, Sieg). Zusätzlich wird die Diversität der Zuckmücken (Chironomidae) im Zuge eines experimentellen Aufbaus am Felderbach untersucht. Die Methode wird erfolgreich für die Erfassung der Diversität von aquatischen Makroinvertebraten eingesetzt. Ein besonderer
Fokus liegt auf der Bestimmung und Quantifizierung der Wirkung von natürlichen und anthropogenen Faktoren auf die Artengemeinschaften. Der Einfluss diffuser Stressoren auf komplette Gemeinschaften sowie auf die genetische Diversität wird zuverlässig ermittelt sowie der Einfluss definierter multipler Stressoren auf die artenreiche Familie der Zuckmücken (Chironomidae). Trotz vorherrschender saisonaler Effekte auf Gemeinschaften
kann die Gewässergüte basierend auf binären Daten („presence/absence“) zuverlässig bestimmt werden und stimmt mit den Ergebnissen morphologischer Untersuchungen überein.
Trotz der erfolgreichen Anwendung von DNA Metabarcoding für die Erfassung von Diversität in aquatischen Ökosystemen unterstreichen die vorgelegten Studien auch weiterhin bestehende Limitationen der Methode wie unvollständige Referenzdatenbanken und die Schwächen bei der Erfassung der Biomasse der untersuchten Taxa. Hierfür befinden sich vielversprechende PCR-freie Methoden in der Entwicklung („shotgun Metagenomik“ oder
„shotgun Mitogenomik“).
Um die Brauchbarkeit dieser PCR-freien Methoden, die momentan durch den geringen Anteil an informativer mitochondrialer DNA im methodischen Ablauf limitiert wird, zu verbessern, beschäftigt sich der dritte Teil der vorliegenden Arbeit mit der Entwicklung eines Protokolls zu Anreicherung von Mitochondrien. Hier kann der später erhaltene Anteil an mitochondrialen Sequenzen durch Zentrifugation auf bis zu ~10 % erhöht werden, was die
Möglichkeit der Anwendung der PCR-freien Methode für die Biodiversitätserfassung erhöht.
Trotzdem sind noch weitere Untersuchungen bezüglich der variablen Kopienanzahl mitochondrialer DNA pro Zelle und Art notwendig, um die Leistungsfähigkeit der Methode final zu beurteilen. Weitere Ansätze, die über maschinelles Lernen den Aufwand für taxonomischer Zuordnung oder Bestimmung der Biomasse noch weitergehend verringern,
befinden sich in der Entwicklung und eröffnen vollkommen neue Möglichkeiten, um molekulare Methoden in standardisiertes Biomonitoring zu integrieren.