Foto: Shutterstock
Onderzoekers van Wageningen University & Research willen een zo compleet mogelijk beeld krijgen van de biodiversiteit in nieuwe landbouwsystemen. Daarom brengen ze allerlei technologieën bij elkaar, van automatische DNA-analyse tot heat maps gemaakt met drones. Het doel is één dashboard dat al die metingen met elkaar verbindt.
Biodiversiteit staat hoog op de agenda. Onder de noemer natuur-inclusieve landbouw streven wetenschappers en boeren ernaar om voedsel te verbouwen in systemen die ook ruimte geven aan een diversiteit aan planten, dieren, insecten en ecosystemen. Dat moet leiden tot beter natuurbehoud, meer bestuiving van planten door bijen, plaagbestrijding in de vorm van natuurlijke vijanden en veerkrachtiger voedselsystemen in tijden van klimaatverandering. De grote vraag is: hebben die nieuwe vormen van landbouw ook het effect op de natuur dat we ervan verwachten? Om die vraag te beantwoorden, ontwikkelen dierecoloog Arjen de Groot en zijn team bij Wageningen Environmental Research een nieuwe set monitoringsmethoden. Ze onderzoeken hoe DNA-analyse, automatische beeld- en geluidsherkenning, dronefotografie en andere remote sensing technieken elkaar kunnen aanvullen om vlug, betrouwbaar en op grote schaal biodiversiteit te meten.
Een scala aan nieuwe technologie
Het onderzoeksobject van de wetenschappers is het voedselbos Ketelbroek, in de buurt van Groesbeek. Een voedselbos is een aangelegd bos, waarin bijvoorbeeld fruitbomen, notenbomen, tamme kastanjes en eetbare planten worden verbouwd. Zo’n voedselbos is een ‘natuur-positieve’ vorm van landbouw, met veel ruimte voor biodiversiteit. ‘Ketelbroek bestaat uit tenminste zeven vegetatielagen, van het bladerdak van de bomen tot de schimmels in de bodem. Daartussen leven allerlei insecten, veel verschillende planten, en vinden vogels en zoogdieren een plek,’ legt De Groot uit. ‘Het is een complex systeem, en dat is een van de redenen waarom we juist hier de nieuwe methoden testen.’ Bovendien wil de Nederlandse overheid deze landbouwvorm een boost geven.
Foto links: Drone wordt bestuurd boven het voedselbos. Foto: Sander Mucher
Foto midden: Inventarisatie van de motvlinders die overnacht zijn gevangen in een LED-emmer. Foto: Arjen de Groot
Verschillende teams zijn bezig het bos door te lichten. Er wordt apparatuur geplaatst die fragmentjes DNA van alle bosbewoners uit de lucht filtert. Drones maken foto’s van een paar hectare met een resolutie die zo hoog is dat je de bladeren van individuele struiken kunt onderscheiden. ‘Daarmee maken we een 3D-model van het bos.’ Audiologgers – kleine kastjes die aan bomen hangen – leggen de geluiden van het bos vast: het zingen van de vogels, het gepiep van de vleermuizen. ‘Op basis van die opnamen kan audioherkenningssoftware vervolgens een soortenlijstje uitdraaien.’
Een handje vol experts
‘De meeste huidige vormen van biodiversiteitsmonitoring vertrouwen op mensen,’ legt De Groot uit. ‘Om bijvoorbeeld vogelsoorten of vleermuizen te tellen, moeten experts meerdere weken het veld in. Die leggen op zicht en gehoor vast welke soorten ze waarnemen, volgens officiële protocollen.’ Ook worden monsters opgestuurd naar het handjevol experts dat ze kan duiden. Insecten, bijvoorbeeld, worden in alle vegetatielagen gevangen en bezorgd bij specialisten die soms al met pensioen zijn. Soms komt er zelfs ontleding bij kijken. Zo kent elke groep, van vogels tot planten, specifieke methodes, en alle methodes kosten veel tijd en arbeid.
Foto rechts: Een AudioMoth acoustische logger, die geluiden van vogels en vleermuizen waarneemt. Foto: Ralph Buij
De Groot: ‘Er loopt veel onderzoek naar nieuwe landbouwmethoden en monitoring van de effecten daarvan is essentieel. Als we aan die vraag om gegevens willen voldoen, lopen we tegen de grenzen van de huidige methoden aan. We zien al veel projecten die ervoor kiezen om dan maar niet te meten, of heel selectief.’ Als het voedselbos een volwaardig landbouwalternatief moet worden, is het essentieel om te begrijpen op welke manier het werkt, of zoals De Groot het zegt: ‘aan welke knoppen we kunnen draaien.’
Analyses door supercomputers
Het onderzoek naar de nieuwe monitoringsmethoden is nu ongeveer een half jaar onderweg. De onderzoekers zijn nog druk bezig met het verzamelen en analyseren van data, maar De Groot kan al uitweiden over een van de belangrijkste technieken: DNA metabarcoding. Over de hele wereld dragen wetenschappers bij aan databanken met bijvoorbeeld insecten-DNA. Die willen de onderzoekers gaan gebruiken om op grote schaal monsters te beoordelen.
‘Het is essentieel om te weten aan welke knoppen we kunnen draaien’
Hoe kan je biodiversiteit op een innovatieve en solide manier meten, in een complex systeem als een voedselbos? Met die vraag houdt dierecoloog Arjen de Groot en zijn team zich bezig. In voedselbos Ketelbroek onderzoekt hij hoe DNA-analyse, automatische beeld- en geluidsherkenning, dronefotografie en andere remote sensing technieken elkaar kunnen aanvullen om betrouwbaar en op grote schaal biodiversiteit te meten.
Dat werkt zo. Net als primaten en mensen hebben insecten of planten DNA met elkaar gemeen, maar zijn er ook verschillen. De stukjes DNA waarop soorten van elkaar verschillen, die noemen onderzoekers een barcode. ‘Door de exacte code te bepalen van zo’n stukje barcode-DNA, kunnen we herkennen welke soorten er in een monster zitten – zelfs als het een mengsel is van allerlei DNA-fragmenten.’ Het uitlezen van DNA gebeurde voorheen vaak door een gespecialiseerd bedrijf, maar dat hoeft niet meer. De Groot en zijn collega’s hebben een apparaatje op het lab ter grootte van een USB-stick. ‘Daarmee lezen we zelf snel de DNA-codes uit.’
Een grotere uitdaging is het vergelijken van al die codes met de referentiecollecties. ‘Eén monster kan wel twee miljoen codes opleveren, en we hebben soms honderden monsters. Ga maar na hoeveel data dat is! Voor de analyse daarvan maken we gebruik van de supercomputers van Wageningen University & Research. Daarbij houden we goed contact met de collega’s van het Wageningen Data Competence Center. Hun werk is heel relevant voor ons onderzoek.’
Bouillon trekken van insecten
‘Bij onze beoordeling geven we de voorkeur aan methoden die weinig verstorend zijn’, vertelt De Groot. ‘DNA uit de lucht filteren, bijvoorbeeld, voorkomt dat we diertjes hoeven te vangen of het bos moeten uitkammen. Hetzelfde geldt voor beeldherkenning. We werken aan een insectenval die een diertje automatisch vrijlaat als het camerasysteem het heeft herkend.’ Niet alle data kan helaas op deze manier verzameld worden. Als de onderzoekers toch genoodzaakt zijn diertjes te vangen, laten ze die wel graag zoveel mogelijk intact.
‘Vroeger werden insecten, om ze klaar te maken voor DNA-analyse, vermalen tot één homogene vloeistof, als soep in een blender’, licht De Groot toe. ‘Daardoor konden we de insecten later niet nog eens bestuderen en die resultaten verbinden met de soortdata uit het DNA-onderzoek.’ De wetenschappers kijken nu naar een nieuwe methode, waarbij een vloeistof de insectenlijfjes lichtjes aantast om het DNA eraan te onttrekken, maar verder intact laat. ‘Alsof je er bouillon van trekt.’ Naar die lijfjes kan dan bijvoorbeeld nog een taxonoom kijken. De wetenschap voor het ontdekken van nieuwe soorten blijft aangewezen op het oog van de specialist, stelt De Groot. ‘Alleen op die manier kun je echt alles uit een monster halen.’
‘We willen één systeem ontwikkelen waarin al die gegevens samenkomen en met elkaar vergeleken worden’
Een LIDAR 3D opname van voedselbos Ketelbroek gemaakt met een drone. Beeld: Sander Mucher
Alle data uit die verschillende methoden en technieken moet uiteindelijk samenkomen op een dashboard. Daarop moeten grafieken en andere datapresentaties de gebruiker een overzicht bieden van de biodiversiteit in een voedselbos. Dan gaat het niet alleen om de aantallen of de verdeling van de soorten. Het doel is ook om verschillende datasets met elkaar te verbinden. ‘We willen bijvoorbeeld informatie over waar het in het bos het warmst of vochtigst is en die gegevens combineren met de data over de soorten die daar voorkomen.’ Dergelijke gecombineerde datasets zijn niet vanzelfsprekend. ‘De collega’s die met drones werken en de DNA-onderzoekers hebben vaak maar weinig met elkaar samengewerkt, laat staan dat hun data op elkaar is afgestemd. In dit project brengen we hun perspectieven bij elkaar. Gespecialiseerde collega’s vragen aan alle teams: hoe ziet een dataset er bij jullie uit? Ze willen één systeem ontwikkelen waarin al die verschillende gegevens samenkomen en met elkaar vergeleken worden, dat is een van onze belangrijkste uitdagingen.’
Over twee jaar wil De Groot een nieuw menu aan monitoringstechnieken kunnen aanbieden. Welke methodes een wetenschapper of teler uiteindelijk in gebruik neemt, hangt af van hun doel. Duidelijk is wel dat deze technieken nodig zijn. Zeker in het onderzoek naar nieuwe vormen van landbouw die voor meer biodiversiteit moeten zorgen, zijn meer gegevens nodig.
Arjen de Groot Dierecoloog
Onderzoeksproject Integrated biomonitoring to assist sustainable land use transitions
Team Wageningen Environmental Research
Deel dit artikel