Βιοποικιλότητα και κατανομή των θαλάσσιων θηλαστικών στην Ανατολική Μεσόγειο με χρήση του environmental DNA (eDNA)

Abstract

Understanding the ecology, distribution, and functional significance of coastal and semi-enclosed marine ecosystems for marine mammals requires the integration of multiple and complementary scientific approaches. Marine mammals represent an evolutionarily, ecologically, and functionally heterogeneous group of organisms, characterised by complex spatiotemporal and population dynamics that are shaped by both biotic and abiotic factors, as well as by intense anthropogenic pressures. Traditional research methodologies of these species such as the visual and acoustic monitoring remain fundamental; however, they are often constrained by technical, environmental, and financial limitations, particularly in dynamic and heavily modified coastal systems such as the Mediterranean gulfs. The rapid development of molecular techniques, and particularly the application of environmental DNA (eDNA) methodologies, has provided novel tools for the detection and monitoring of marine biodiversity, including species with sporadic presence, cryptic behavior, or deep-sea ecological traits. eDNA enables species detection without direct visual observation, complementing conventional methods and enhancing spatiotemporal coverage of marine mammal research. At the same time, genomic and genetic data contributes substantially to understanding population structure, genetic diversity, health status, and evolutionary history of marine mammals. These types of elements are critical for the design of effective conservation strategies. Nevertheless, the application of eDNA approaches, and especially metabarcoding techniques, is associated with methodological limitations related to phylogenetic resolution, primer bias, reference database completeness, and environmental processes affecting DNA persistence and transport in marine systems. Concurrently, modern marine ecological research increasingly recognizes the value of integrating multiple data streams, including biotic, abiotic, genetic, and socio-ecological information, to accurately assess ecosystem status and anthropogenic pressures. Within this framework, Local Ecological Knowledge - LOK and Citizen Science - CS have emerged as important complementary approaches, particularly in regions where systematic scientific monitoring is limited or absent. These participatory methods enhance spatial and temporal data resolution, facilitate the development of long-term datasets, and strengthen the connection between scientific research and local communities. However, they also require careful validation and interpretation to ensure ecological reliability. The present dissertation adopts an integrated, multi-methodological framework to investigate marine mammals in the Pagasitikos Gulf and the Thermaikos Gulf, combining environmental DNA (eDNA) analyses, visual monitoring, and participatory approaches such as Citizen Science and Local Ecological Knowledge. These two gulfs were selected due to their high ecological significance, the documented presence of multiple marine mammal species, and the intense anthropogenic pressures they experience. The primary aim of this study is to explore the spatial distribution, relative abundance, and functional ecological roles of marine mammals within these gulfs, while also evaluating the complementarity and scientific robustness of the different methodological approaches applied. Through the integration of these tools, this dissertation seeks to address critical knowledge gaps and to support the development of evidence-based management and conservation strategies for heavily human-impacted coastal ecosystems of the Mediterranean Sea. Keywords: marine mammals biomonitoring, environmental DNA, Pagasitikos Gulf, Thermaikos Gulf, Citizen Science, visual survey

Η κατανόηση της οικολογίας, της κατανομής και της λειτουργικής σημασίας των παράκτιων και ημίκλειστων θαλάσσιων οικοσυστημάτων για τα θαλάσσια θηλαστικά απαιτεί την ενσωμάτωση πολλαπλών και συμπληρωματικών επιστημονικών προσεγγίσεων. Τα θαλάσσια θηλαστικά αποτελούν εξελικτικά, οικολογικά και λειτουργικά ετερογενή ομάδα οργανισμών, με πολύπλοκες χωρικές και πληθυσμιακές δυναμικές, οι οποίες επηρεάζονται από βιοτικούς και αβιοτικούς παράγοντες, αλλά και από έντονες ανθρωπογενείς πιέσεις. Η παραδοσιακή παρακολούθηση των ειδών αυτών μέσω οπτικών και ακουστικών μεθόδων παραμένει θεμελιώδης, ωστόσο συχνά περιορίζεται από τεχνικούς, περιβαλλοντικούς και οικονομικούς παράγοντες, ιδιαίτερα σε δυναμικά και έντονα τροποποιημένα παράκτια συστήματα όπως οι Μεσογειακοί κόλποι. Η ραγδαία ανάπτυξη των μοριακών τεχνικών και ειδικότερα της μεθοδολογίας του περιβαλλοντικού DNA (eDNA) έχει προσφέρει νέα εργαλεία για την ανίχνευση και παρακολούθηση της θαλάσσιας βιοποικιλότητας, συμπεριλαμβανομένων ειδών με σποραδική παρουσία, κρυπτική συμπεριφορά ή βαθύαλο οικολογικό χαρακτήρα. Το eDNA επιτρέπει την ανίχνευση ειδών χωρίς άμεση οπτική επαφή, συμπληρώνοντας τις παραδοσιακές μεθόδους και ενισχύοντας τη χωροχρονική κάλυψη της θαλάσσιας έρευνας. Παράλληλα, η γονιδιωματική και γενετική πληροφορία συμβάλλει ουσιαστικά στην κατανόηση της πληθυσμιακής δομής, της γενετικής ποικιλότητας, της υγείας και της εξελικτικής ιστορίας των θαλάσσιων θηλαστικών, στοιχεία κρίσιμα για τον σχεδιασμό αποτελεσματικών στρατηγικών διατήρησης. Ωστόσο, η εφαρμογή του eDNA, και ιδιαίτερα του metabarcoding, συνοδεύεται από μεθοδολογικούς περιορισμούς που σχετίζονται με τη φυλογενετική απόσταση μεταξύ ειδών, τη μεροληψία εκκινητών, τη διαθεσιμότητα γενετικών βάσεων δεδομένων και τις περιβαλλοντικές διεργασίες που επηρεάζουν τη διατήρηση και μεταφορά του γενετικού υλικού στο θαλάσσιο περιβάλλον. Παράλληλα, η σύγχρονη έρευνα της θαλάσσιας οικολογίας αναγνωρίζει ολοένα και περισσότερο την αξία της ενσωμάτωσης πολλαπλών τύπων δεδομένων, συμπεριλαμβανομένων βιοτικών, αβιοτικών, γενετικών και κοινωνικοοικονομικών πληροφοριών, για την αποτύπωση της οικολογικής κατάστασης και των ανθρωπογενών πιέσεων σε μια θαλάσσια περιοχή. Στο πλαίσιο αυτό, η Τοπική Οικολογική Γνώση - ΤΟΓ (Local Ecological Knowledge -LOK) και η Επιστήμη των Πολιτών - ΕΠ (Citizen Science - CS) αναδεικνύονται ως κρίσιμες συμπληρωματικές προσεγγίσεις, ιδίως σε περιοχές με περιορισμένη συστηματική επιστημονική κάλυψη. Οι συμμετοχικές αυτές μέθοδοι αυξάνουν τη χωροχρονική ανάλυση των δεδομένων, επιτρέπουν τη δημιουργία μακροχρόνιων χρονοσειρών και ενισχύουν τη σύνδεση της επιστημονικής έρευνας με τις τοπικές κοινωνίες, παρότι απαιτούν προσεκτική διαχείριση ως προς την ποιότητα και την ερμηνεία των δεδομένων. Η παρούσα διατριβή υιοθετεί μια ολοκληρωμένη, πολυμεθοδολογική προσέγγιση για τη μελέτη και παρακολούθηση των θαλάσσιων θηλαστικών στον Παγασητικό και τον Θερμαϊκό κόλπο, συνδυάζοντας δεδομένα eDNA, οπτικής παρακολούθησης και συμμετοχικών μεθόδων (Επιστήμη των Πολιτών και Τοπική Οικολογική Γνώση). Οι δύο κόλποι επιλέχθηκαν λόγω της υψηλής οικολογικής τους σημασίας, της παρουσίας ποικίλων ειδών θαλάσσιων θηλαστικών και της έντασης των ανθρωπογενών πιέσεων που δέχονται. Στόχος της μελέτης είναι η διερεύνηση της χωρικής κατανομής, της σχετικής αφθονίας και της λειτουργικής σημασίας των κόλπων αυτών για τα θαλάσσια θηλαστικά, καθώς και η αξιολόγηση της συμπληρωματικότητας και της επιστημονικής εγκυρότητας των διαφορετικών μεθοδολογικών προσεγγίσεων. Μέσα από τον συνδυασμό αυτών των μεθόδων, η μελέτη επιδιώκει να συμβάλει στην κάλυψη σημαντικών γνώσεων κενών και να υποστηρίξει τη διαμόρφωση τεκμηριωμένων στρατηγικών διαχείρισης και διατήρησης σε έντονα ανθρωπογενώς τροποποιημένα παράκτια οικοσυστήματα της Μεσογείου. Λέξεις κλειδιά: βιοπαρακολούθηση θαλάσσιων θηλαστικών, Παγασητικός κόλπος, Θερμαϊκός κόλπος, περιβαλλοντικό DNA (eDNA), επιστήμη των πολιτών, οπτική παρακολούθηση