In the context of climate change and biodiversity crisis, there is an urgent need to understand biological communities from a whole ecosystem perspective, so that adequate conservation policies can be implemented. Conventional monitoring approaches, mostly relying on direct observation of organisms, prevent the study of multitrophic biodiversity as they are costly and time-consuming. Over the past two decades, the field of environmental DNA, based on the detection of genetic DNA traces that organisms release into their environment, has greatly expanded and enabled rapid and reliable detection of biological communities. Thanks to methodological advances, we are now starting to use eDNA to answer complex ecological questions from a whole ecosystem approach. However, the intricacy of interpreting the retrieved eDNA data has compromised its application for such a goal, and the boundaries of its ecological applications are still to be established. In this thesis, we have used eDNA techniques to study biological communities and species interactions in a great range of environments, from terrestrial to aquatic communities.
In the first part of this thesis, we assessed how management decisions shaped the trophic interactions of large herbivores to understand ecosystem dynamics. In the first chapter, we studied the effects of large-scale culling of herbivores during four years on their dietary niche partitioning in a previously unregulated dense herbivore population in the Oostvaardersplassen (Netherlands). We found that the diet of the main species being culled was altered as a consequence of the reduction in the total herbivore density. In chapter two, we studied how niche overlap in the two most abundant ungulates in the Bialowieza forest (Poland) responds to different forest management. For that purpose, we categorised the forest based on habitat quality, depending on logging, and on predation risk, depending on wolf presence or absence. We found that niche overlap within Red deer but not within Bison was reduced with increasing predation risk, suggesting their feeding behaviour is affected by wolf presence.
In the second part of this thesis, we studied how environmental disturbances can modify biological communities and which ecological drivers predict their shifts. In the third chapter, we studied how conventional and organic agricultural practices influence biological communities in a Swiss vineyard landscape. We compared soil arthropod communities between the two agricultural approaches and identified which pesticides had the greatest influence on these communities. In the fourth chapter, we studied the seasonality and spatial heterogeneity of the macroinvertebrate community in an alpine river system in Switzerland, in the framework of sediment management in hydroelectric areas, while comparing eDNA and traditional kick-net sampling techniques. We sampled water along a whole year and found the macroinvertebrates respond to the sediment rise from the glacier during the melting season. This suggests offering sediment-free conditions for macroinvertebrates during the melting season in managed rivers as a mitigating solution to alpine hydropower exploitations.
Taken together, these studies show the potential of eDNA as a robust and reliable method to answer complex ecological questions; and constitute a toolkit for future studies in a great diversity of research fields.
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Dans le contexte du changement climatique et de la crise globale de la biodiversité, il est urgent de comprendre les communautés biologiques du point de vue de l'ensemble de l'écosystème, afin de pouvoir mettre en œuvre des politiques de conservation pertinentes. Les méthodes de suivi conventionnels, qui reposent principalement sur l'observation directe des organismes, rendent difficile l'étude de la biodiversité multitrophique, car elles sont coûteuses en termes de temps et d'argent. Au cours des deux dernières décennies, le domaine d’étude de l'ADN environnemental (eDNA), basé sur la détection des traces génétiques d'ADN que les organismes laissent dans leur environnement, s'est considérablement développé et a permis une caractérisation rapide et fiable des communautés biologiques. Ces progrès méthodologiques permettent de commencer à utiliser l'eDNA pour répondre à des questions écologiques complexes dans le cadre d'une approche globale de l'écosystème. Cependant, la complexité de l'interprétation des données d'eDNA a restreint son application pour un tel objectif, et les limites de ses applications écologiques restent à établir. Dans cette thèse, nous avons utilisé les techniques d'eDNA pour étudier les communautés biologiques et les interactions entre les espèces dans un large éventail d'environnements, des communautés terrestres aux communautés aquatiques.
Dans la première partie de cette thèse, nous avons évalué comment les décisions de gestion ont façonné les interactions trophiques des grands herbivores, ce qui nous a permis de contribuer à la compréhension de la dynamique des écosystèmes. Dans le premier chapitre, nous avons étudié les effets de l'abattage à grande échelle d'herbivores pendant quatre ans sur la répartition de leur niche alimentaire dans une population dense d'herbivores non régulée dans l'Oostvaardersplassen (Pays-Bas). Nous avons constaté que le régime alimentaire des principales espèces abattues se voyait altéré suite la réduction de la densité totale des herbivores. Dans le deuxième chapitre, nous avons étudié comment le chevauchement des niches dans les deux espèces d’ongulés les plus abondants dans la forêt de Bialowieza (Pologne) réagit aux différentes stratégies de gestion forestière, en classant la forêt en fonction de la qualité de l'habitat, à la suite de l'exploitation forestière, et en fonction du risque de prédation, selon la présence de loups. Nous avons constaté que le chevauchement des niches du cerf élaphe, mais pas du bison, était réduit avec l'augmentation du risque de prédation, ce qui suggère que leur comportement alimentaire est affecté par la présence du loup.
Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié comment les perturbations environnementales peuvent modifier les communautés biologiques et quels facteurs écologiques sont déterminants. Dans le troisième chapitre, nous avons étudié l'influence des pratiques agricoles conventionnelles et écologiques sur les communautés biologiques dans un paysage viticole suisse. Nous avons comparé les communautés d'arthropodes du sol entre les deux approches agricoles et identifié quels pesticides avaient la plus grande influence sur ces communautés. Dans le quatrième chapitre, nous avons étudié la saisonnalité et l'hétérogénéité spatiale de la communauté de macroinvertébrés dans un système fluvial alpin en Suisse, dans le cadre de la gestion des sédiments dans les zones hydroélectriques, tout en comparant l'eDNA et les techniques traditionnelles d'échantillonnage à la nasse. Nous avons échantillonné l'eau tout au long de l'année et constaté que les macroinvertébrés réagissent à l'incrément des sédiments du glacier pendant la saison de fonte, ce qui plaide en faveur de conditions exemptes de sédiments pour les macroinvertébrés pendant la saison de fonte dans les rivières gérées, comme solution d'atténuation des exploitations hydroélectriques alpines.
Dans l'ensemble, cette recherche a montré le potentiel de l’ADN environnemental en tant que méthode robuste et fiable pour répondre à des questions écologiques complexes.