Abstract Impacts of the biodiversity crisis far exceed our ability to monitor changes in terrestrial ecosystems. Environmental DNA has revolutionized aquatic biomonitoring, permitting remote population and diversity assessments. Here we demonstrate that DNA from terrestrial animals can now be collected from the air under natural conditions, a ground-breaking advance for terrestrial biomonitoring. Using air samples from a zoological park, where species are spatially confined and unique compared to native fauna, we show that DNA in air can be used to identify the captive species and their potential interactions with local taxa. Air samples contained DNA from 25 species of mammal and bird including 17 known (and distinct) terrestrial zoo species. We also identified food items from air sampled in enclosures and detected four taxa native to the local area, including the Eurasian hedgehog, endangered in the UK, and the muntjac deer, a locally established invasive species. Our data provide evidence that airDNA is concentrated around recently inhabited areas (e.g., indoor enclosures) but that there is dispersal away from the source suggesting an ecology to airDNA movement which highlights the potential for airDNA sampling at distance. Our data clearly demonstrate the profound potential of air as a source of DNA for global terrestrial biomonitoring and ecological analysis. Significance Statement The global decline in biodiversity requires rapid non-invasive biomonitoring tools applicable at a global scale. In this study we collect environmental DNA from mammals and birds from air samples collected in a natural setting. Using only air, we identified 25 species of mammal and bird known to be in the area. Our dataset detected species at risk of local extinction and several confirmed predator-prey interactions. This approach will revolutionize terrestrial biodiversity surveys.

Abstract Nucleic acids released by organisms and isolated from environmental substrates are increasingly being used for molecular biomonitoring. While environmental DNA (eDNA) has received attention recently, the potential of environmental RNA as a biomonitoring tool remains less explored. Several recent studies using paired DNA and RNA metabarcoding of bulk samples suggest that RNA might better reflect “metabolically active” parts of the community. However, such studies mainly capture organismal eDNA and eRNA. For larger eukaryotes, isolation of extra-organismal RNA will be important, but viability needs to be examined in a field-based setting. In this study we evaluate (a) whether extra-organismal eRNA release from macroeukaryotes can be detected given its supposedly rapid degradation, and (b) if the same field collection methods for eDNA can be applied to eRNA. We collected eDNA and eRNA from water in lakes where fish community composition is well documented, enabling a comparison between the two nucleic acids in two different seasons with monitoring using conventional methods. We found that eRNA is released from macroeukaryotes and can be filtered from water and metabarcoded in a similar manner as eDNA to reliably provide species composition information. eRNA had a small but significantly greater true positive rate than eDNA, indicating that it correctly detects more species known to exist in the lakes. Given relatively small differences between the two molecules in describing fish community composition, we conclude that if eRNA provides significant advantages in terms of lability, it is a strong candidate to add to the suite of molecular monitoring tools.

Abstract Aquatic ecosystems offer a continuum of water flow from headwater streams to inland lakes and coastal marine systems. This spatial connectivity influences the structure, function and dynamics of aquatic communities, which are among the most threatened and degraded on earth. Environmental DNA achieves biodiversity surveys in these habitats in a high-throughput, spatially integrated way. Here, we determine the spatial resolution of eDNA in dendritic freshwater networks that are typical of aquatic habitats. Our intensive sampling campaign comprised over 430 eDNA samples across 21 connected lakes, allowing us to analyse detections at a variety of scales, from different habitats within a lake to entire lake networks. We found strong signals of within-lake variation in eDNA distribution reflective of typical habitat use by both fish and zooplankton. Most importantly, we also found that connecting channels between lakes resulted in an accumulation of downstream eDNA detections in lakes with a higher number of inflows, and as networks increased in length. These findings have profound implications for the interpretation of eDNA detections in aquatic ecosystems in global-scale biodiversity monitoring observations.

Abstract Significant advances have been made towards surveying animal and plant communities using DNA isolated from environmental samples. Despite rapid progress, we lack a comprehensive understanding of the “ecology” of environmental DNA (eDNA), particularly its temporal and spatial distribution and how this is shaped by abiotic and biotic processes. Here, we tested how seasonal variation in thermal stratification and animal habitat preferences influence the distribution of eDNA in lakes. We sampled eDNA depth profiles of five dimictic lakes during both summer stratification and autumn turnover, each containing warm- and cool-water fishes as well as the cold-water stenotherm, lake trout ( Salvelinus namaycush ). Habitat use by lake trout was validated by acoustic telemetry and was significantly related to eDNA distribution during stratification. Fish eDNA became “stratified” into layers during summer months, reflecting lake stratification and the thermal niches of the species. During summer months, lake trout, which rarely ventured into shallow waters, could only be detected at the deepest layers of the lakes, whereas the eDNA of warm-water fishes was much more abundant above the thermocline. By contrast, during autumn lake turnover, the fish species assemblage as detected by eDNA was homogenous throughout the water column. These findings contribute to our overall understanding of the “ecology” of eDNA within lake ecosystems, illustrating how the strong interaction between seasonal thermal structure in lakes and thermal niches of species on very localised spatial scales influences our ability to detect species.