Phylogenetic signal is the tendency for closely related species to display similar trait values as a consequence of their phylogenetic proximity. Ecologists and evolutionary biologists are becoming increasingly interested in studying the phylogenetic signal and the processes which drive patterns of trait values in the phylogeny. Here, we present a new R package, phylosignal which provides a collection of tools to explore the phylogenetic signal for continuous biological traits. These tools are mainly based on the concept of autocorrelation and have been first developed in the field of spatial statistics. To illustrate the use of the package, we analyze the phylogenetic signal in pollution sensitivity for 17 species of diatoms.

Diatoms are a very diverse group of microalgae that encompass about 100 000 taxa. This makes an excellent bioindicator especially of rivers. The majority of biotic indices based on diatoms are constructed on species pollution-sensitivities. Nevertheless, recent studies showed the interest to use complementary metrics for biomonitoring: life-forms, cell-sizes and ecological guilds. Unfortunately, taxa memberships to such metrics are scattered in numerous floras and papers. Therefore, studies using such metrics often referred to grey literature or home-made checklists. The objective of this paper is to make available to the scientific community an important check-list of taxa frequently observed in European rivers with their memberships to these metrics. After defining these metrics, 1115 taxa were codified using Biofresh and Omnidia codes in an Excel file. Metrics memberships were then explored in a taxonomical framework. It clearly appears that metrics memberships are determined by taxonomy. Life-forms and cell sizes taxa memberships and their study in the framework of evolutionary history of diatoms is a field that is worth studying for a better understanding of diatoms ecology. Such inputs should be beneficial for the future improvement of diatom-based monitoring tools.

Abstract The study of environmental DNA released by aquatic organisms in their habitat offers a fast, non-invasive and sensitive approach to monitor their presence. Common eDNA sampling methods such as filtration and precipitation are time consuming, require human intervention and are not applicable to a wide range of habitats such as turbid waters and poorly-accessible environments. To circumvent these limitations, we propose to use the binding properties of minerals to create a passive eDNA sampler. We have designed 3D-printed samplers made of hydroxyapatite (HAp samplers), a mineral known for its high binding affinity with DNA. The shape and the geometry of the samplers have been designed to facilitate their handling in laboratory and field. Here we describe and test the ability of HAp samplers to recover artificial DNA and eDNA. We show that HAp samplers efficiently recover DNA and are effective even on small amounts of eDNA (<1 ng). However, we also observed large variations in the amount of DNA recovered even under controlled conditions. By better understanding the physico-chemical interactions between DNA and the HAp sampler surface, one could improve the repeatability of the sampling process and provide an easy-to-use eDNA sampling tool for aquatic environments.

Abstract The development of DNA metabarcoding and High-Throughput Sequencing for diatoms is nowadays offering an interesting approach to assess their communities in freshwater and marine ecosystems. In the context of the implementation of these genomic methods to environmental monitoring, protocol constraints are moving from scientific to operational applications, requiring operational guidelines and standards. In particular, the first steps of the diatom metabarcoding process, which consist of sampling and storage, have been addressed in various ways in scientific and pilot studies. The objective of this study was to compare three currently applied preservation protocols through different storage durations (ranging from one day to one year) for phytobenthos and phytoplankton samples intended for diatom DNA metabarcoding analysis. The experimental design included four freshwater and two marine samples from sites of diverse ecological characteristics. The impact of the preservation and storage was assessed through diatom metabarcoding endpoints: DNA quality and quantity, diversity and richness, community composition and ecological index values (for freshwater samples). The yield and quality of extracted DNA only decreased for freshwater phytobenthos samples preserved with ethanol. Diatom diversity was not affected and their taxonomic composition predominantly reflects the site origin. Only rare taxa (below 100 reads) differed among methods and durations. Thus, importance of preservation method choice is important for low-density species (rare, invasive, threatened or toxic species). However, for biomonitoring purposes, freshwater ecological index values were not affected whatever the preservation method and duration considered (including ethanol preservation), reflecting the site ecological status. This study proved that diatom metabarcoding is robust enough to replace or complement the current approach based on morphotaxonomy, paving the way to new possibilities for biomonitoring. Thus, accompanied by operational standards, the method will be ready to be confidently deployed and prescribed in future regulatory monitoring.

Abstract Pharmaceutical compounds (PhC) are an important environmental issue, because of their high variety, potentially toxic byproducts and bioactivity at low concentrations. PhC concentrations in WWTP effluents often exhibit large and rapid variations that are difficult to record. Passive samplers are helpful to incorporate spot pollution events and register PhC occurrence at low concentrations. In this work, we aim at (i) studying PhC accumulation in polar organic chemical integrative samplers (POCIS) and environmental biofilms exposed to urban (U) and hospital (H) treated effluents and (ii) evaluating the capacity of POCIS to predict changes in biofilm microbiome over a defined time period. Moreover, we (iii) determine the enrichment of PhC in the recipient river to evaluate levels of environmental contamination and potential effects on microbial biofilms. Biofilms and POCIS were installed in treated effluents and in the recipient river to measure the accumulation of PhC. In parallel, microbial biofilm communities were studied using DNA metabarcoding. The duration of each deployment was one month and the experiment was repeated six times. The performance of POCIS and biofilms to quantify PhC was depending on the compound. POCIS appeared well adapted to reveal contamination trends similar to these in the water column and to identify key PhC drivers of microbial changes. POCIS have the potential to predict pharmaceutical effects on biofilm community structure.

DNA metabarcoding of benthic diatoms has been successfully applied for biomonitoring at the national scale and can now be considered technically ready for routine application. However, protocols and methods still vary between and within countries, limiting their transferability and the comparability of results. In order to overcome this, routine use of DNA metabarcoding for diatom biomonitoring requires knowledge of the sources of variability introduced by the different steps of the procedure. Here, we examine how elements of routine procedures contribute to variability between European laboratories. A set of four experiments were performed focusing on DNA extraction and PCR amplification steps to evaluate their reproducibility between different laboratories and the variability introduced by different protocols currently applied by the scientific community. Under the guidance of a reference laboratory, 17 participants from 14 countries performed DNA extraction and PCR amplification in parallel, using the same fixed protocol and their own choice of protocol. Experiments were performed by each participant on a set of standardised DNA and biofilm samples (river, lake and mock community) to investigate potential systematic and random errors. Our results revealed the successful transferability of a protocol amongst labs and a highly similar and consistent ecological assessment outcome obtained regardless of the protocols used by each participant. We propose an “all for one but prove them all” strategy, suggesting that distinct protocols can be used within the scientific community, as long as their consistency is be proven by following minimum standard requirements.

While pesticide use is subject to strict regulatory oversight worldwide, it remains a main concern for environmental protection, including biodiversity conservation. This is partly due to the current regulatory approach that relies on separate assessments for each single pesticide, crop use, and non-target organism group at local scales. Such assessments tend to overlook the combined effects of overall pesticide usage at larger spatial scales. Integrative landscape-based approaches are emerging, enabling the consideration of agricultural management, the environmental characteristics, and the combined effects of pesticides applied in a same or in different crops within an area. These developments offer the opportunity to deliver informative risk predictions relevant for different decision contexts including their connection to larger spatial scales and to combine environmental risks of pesticides, with those from other environmental stressors. We discuss the needs, challenges, opportunities and available tools for implementing landscape-based approaches for prospective and retrospective pesticide Environmental Risk Assessments (ERA). A set of "building blocks" that emerged from the discussions have been integrated into a conceptual framework. The framework includes elements to facilitate its implementation, in particular: flexibility to address the needs of relevant users and stakeholders; means to address the inherent complexity of environmental systems; connections to make use of and integrate data derived from monitoring programs; and options for validation and approaches to facilitate future use in a regulatory context. The conceptual model can be applied to existing ERA methodologies, facilitating its comparability, and highlighting interoperability drivers at landscape level. The benefits of landscape-based pesticide ERA extend beyond regulation. Linking and validating risk predictions with relevant environmental impacts under a solid science-based approach will support the setting of protection goals and the formulation of sustainable agricultural strategies. Moreover, landscape ERA offers a communication tool on realistic pesticide impacts in a multistressors environment for stakeholders and citizens.

Effective identification of species using short DNA fragments (DNA barcoding and DNA metabarcoding) requires reliable sequence reference libraries of known taxa. Both taxonomically comprehensive coverage and content quality are important for sufficient accuracy. For aquatic ecosystems in Europe, reliable barcode reference libraries are particularly important if molecular identification tools are to be implemented in biomonitoring and reports in the context of the EU Water Framework Directive (WFD) and the Marine Strategy Framework Directive (MSFD). We analysed gaps in the two most important reference databases, Barcode of Life Data Systems (BOLD) and NCBI GenBank, with a focus on the taxa most frequently used in WFD and MSFD. Our analyses show that coverage varies strongly among taxonomic groups, and among geographic regions. In general, groups that were actively targeted in barcode projects (e.g. fish, true bugs, caddisflies and vascular plants) are well represented in the barcode libraries, while others have fewer records (e.g. marine molluscs, ascidians, and freshwater diatoms). We also found that species monitored in several countries often are represented by barcodes in reference libraries, while species monitored in a single country frequently lack sequence records. A large proportion of species (up to 50%) in several taxonomic groups are only represented by private data in BOLD. Our results have implications for the future strategy to fill existing gaps in barcode libraries, especially if DNA metabarcoding is to be used in the monitoring of European aquatic biota under the WFD and MSFD. For example, missing species relevant to monitoring in multiple countries should be prioritized. We also discuss why a strategy for quality control and quality assurance of barcode reference libraries is needed and recommend future steps to ensure full utilization of metabarcoding in aquatic biomonitoring.