Harbor Porpoise Presence in relation to relative prey distribution, current, and temperature - An eDNA Approach

Abstract

The mobility of harbor porpoise (Phocoena phocoena) makes the small, toothed whale complicated to study, especially regarding their distribution and foraging over a longer timescale. To overcome this, passive acoustic monitoring, which detects their high-frequency echolocation clicks (ranging from 125-140 kHz), offers a way to track their presence with high temporal resolution (measured as detected positive minutes, or DPM). These marine mammals are influenced by various environmental factors, including tidal stages, temperature, and salinity. However, prey availability appears to be the most significant driver of their distribution. Analysis of stomach contents from stranded and bycaught individuals confirms that harbor porpoises are opportunistic hunters, readily switching their prey. This study investigated the spatial-temporal distribution of harbor porpoises and their prey, aiming to understand the relationship between porpoise behavior and prey using environmental DNA (eDNA) analysis. Using 12S rRNA metabarcoding, sixty fish species were identified outside the island Ven in Öresund between October and March. The results revealed significant spatiotemporal variation in species composition, influenced by current changes and temperature fluctuations. The results showed a negative correlation between the relative read abundance (RRA) of Atlantic cod, Herring, and Sprat to porpoise presence, which may indicate predator avoidance behavior. Both Atlantic cod and European plaice exhibited a similar pattern, with their RRA showing a significant negative correlation to porpoise presence. Both porpoise presence and Atlantic cod presence were linked to temperature and water velocity. The porpoises showed a preference for higher temperatures, while all fish species favored cooler conditions. Furthermore, porpoise presence had a positive correlation to the water current velocity, specifically favoring stronger and southwest-going currents, potentially transporting nutrient-rich water to coastal areas. The results suggest that, even though eDNA analysis in marine ecosystems may leave some uncertainties, the same amount of information gained within this study would be difficult, if not impossible, to collect using alternative methods.

Popular Abstract (Swedish)

Förekomst av tumlare och deras bytesfisk spårade med eDNA kring ön Ven i Öresund

Tumlaren (Phocoena phocoena) är den enda bofasta valarten i svenska vatten. Tumlaren är hotad och under nivån för god ekologisk status i svenska vatten. Dessa marina däggdjur är svåra att studera på grund av deras höga rörlighet. Passiv akustisk övervakning, exempelvis med en F-POD, som registrerar tumlarnas klickljud, möjliggör effektiv spårning av deras närvaro över tid och rum. Flertal studier har visat att det som driver tumlarna är födotillgången i området. Maganalyser på strandade och/eller bifångade individer visar att tumlaren är en opportunistisk jägare med varierande diet beroende på faktorer som kön, ålder och årstid. En alternativ metod för att undersöka tumlarens relation till sina byten är genom eDNA-analys.

eDNA (environmental DNA) är en icke-invasiv metod för att inventera arter i dess naturliga miljö. Genom PCR-analys av vattenprover kan man identifiera fiskarter som finns/har funnits i området. Även om eDNA-metoden är under utveckling och har utmaningar som DNA-nedbrytning och transport, kan den ge värdefull information. Men eDNA-analysen måste tolkas ur ett brett perspektiv. Jämförelser mellan arter är inte möjliga, eftersom vi inte känner till den exakta mängden DNA som varje art avger. Däremot är det möjligt att undersöka förändringar i en enskild arts relativa detektionsresultat (Relative Read Abundance – RRA) över tid och rum. På så sätt kan vi studera tumlarens närvaro i relation till enskilda bytesarter över tid.

I den här studien undersöktes tre lokaler kring ön Ven i Öresund genom att använda eDNA, tumlardetektioner och strömdata för att utvärdera metodernas användbarhet tillsammans för att studera hur en predator samvarierar i tid och rum till dess bytesfisk. Projektet genomfördes i samarbete med Länsstyrelsen Skåne. Resultaten från DNA-sekvenseringen, tillsammans med data över registrerade tumlare närvaro och strömdatan, kan förhoppningsvis ge ett utökat underlag vid bevarande av tumlare i Öresund.

Metod
Tre tumlardetektorer (F-PODs) installerades vid tre platser längs kusten av ön Ven i Öresund: Ven N, Ven E och Ven SW. Detektorerna placerades på 20 meters djup under tidig höst 2024. De akustiska mätarna registrerade tumlarens klick per minut dygnet runt under hela studieperioden. Samtidigt placerades tre strömmätare på samma positioner för att mäta temperatur (C°), strömhastighet (cm/sec) och strömriktning (dd°) kontinuerligt under samma tidsperiod.

Fem liter vatten samlades in från över och under språngskiktet (1 m och 17 m djup), filtrerades, filtret skickades sedan till Naturhistoriska Riksmuseet i Stockholm för DNA-extraktion och identifiering via PCR. De två djupen representerar den potentiella variationen i artsammansättning i vattenmassan och på havsbotten.

Resultat och diskussion
Några av de vanligaste arterna som identifierades var atlantisk sill (Clupea harengus), atlantisk torsk (Gadus morhua) och rödspätta (Pleuronectes platessa).

Strömdatan (hastighet och riktning) samt temperaturen i kombination med RRA-värden för samtliga fiskarter visade en variation i artsammansättning beroende på temperatur och strömhastighet. Atlantisk torsk och rödspätta visade ett negativt samband med temperaturen, det vill säga lägre RRA-värden vid högre temperaturer. Atlantisk torsk visade även ett negativt samband med strömhastighet. Tumlarens aktivitet, å andra sidan, visade en ökning med både ökad temperatur och strömhastighet. Atlantisk torsk, sill och skarpsill visade ett signifikant negativt samband med tumlarens aktivitet, med lägre RRA-värden för bytesfiskens vid ökad tumlarnärvaro över saltvattensprångskiktet (1 m djup). Varken tumlaranärvaron eller fiskarnas RRA-värden visade ett signifikant samband med strömriktning.

eDNA kan absolut spela en viktig roll för framtida bevarandearbete av utsatta arter. Det skulle vara fördelaktigt att kunna "justera" RRA-värdena till en standardiserad DNA-utsläppshastighet för varje fiskart. På så sätt skulle resultaten från PCR-processen bli mer representativa för den naturliga artsammansättningen. Trots potentiella brister finns det ingen annan metod som kan ge samma breda resultat utan att störa ekosystemet. Alternativen är provfiske eller snorkling. Provfiske kräver att en viss mängd fisk tas upp från ekosystemet för att få en bild av artsammansättningen, medan snorkling innebär en för hög hälsorisk på djupare vatten och ofta missar arter. Båda alternativen kräver dessutom mer utrustning och tid.

Om vi antar att RRA-värdena speglar den naturliga artsammansättningen, kan vi antyda ett mönster av predator-undvikande beteende hos samtliga fiskarter, där arterna lämnar området när tumlare närvaron ökar. Tumlarens aktiva värmereglering är beroende av simhastighet och omgivande temperatur. När tumlaren simmar snabbt produceras värme inifrån, en passiv värmereglering. Detta kan förklara varför tumlarens närvaro ökar med temperaturen och vindhastigheten – mer motstånd i vattnet ökar den passiva värmeproduktionen samtidigt som tumlaren aktivt jagar. Torskfiskar är temperaturkänsliga, då deras vitaminupptag försämras vid för låga temperaturer. Kustnära områden med hög vattenaktivitet, med starka strömmar som för in kallt, salt och näringsrikt vatten, har ofta stor ekologisk betydelse för predatorer, eftersom det nya vattnet attraherar mycket bytesfisk.

Denna studie har presenterat resultat som tyder på ett predatorundvikande beteende mellan tumlare och deras bytesfisk, samt bevis för hur abiotiska faktorer är avgörande för att förutspå arters utbredning.

Mastersexamensprojekt i Akvatisk ekologi 45 hp 2025
Biologisk institutionen, Lunds universitet

Handledare: Johanna Stedt och Per Carlsson

• author: Palmer, Clara
• supervisor: Johanna Stedt; Per Carlsson
• organization: Degree Projects in Biology
• course: BION02 20242
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Biology and Life Sciences
• language: English
• id: 9212872
• date added to LUP: 2025-09-19 13:12:37
• date last changed: 2025-09-19 13:12:37