Environmental DNA monitoring for marine biodiversity conservation

Monitoring marine biodiversity across ecologically meaningful spatial and temporal scales remains a persistent challenge. Marine ecosystems are vast, dynamic, and often difficult to access, particularly in offshore and pelagic environments, where conventional monitoring approaches rely on dedicated surveys, specialised personnel, and costly infrastructures. As a result, existing programmes are frequently spatially fragmented, temporally discontinuous, and difficult to sustain over the long term. These limitations increasingly constrain the capacity of monitoring systems to detect ecological change in a timely, standardised, and policy-relevant manner, at a time when anthropogenic pressures on marine ecosystems continue to intensify. In this context, environmental DNA (eDNA) has emerged as one of the most promising innovations in marine biodiversity monitoring, enabling non-invasive species detection from water samples and providing sensitive and potentially scalable biodiversity information. However, its large-scale implementation in marine ecosystems remains constrained by key challenges, including uncertainties in analytical reproducibility across laboratories, the lack of harmonised protocols, and the absence of implementation models that adequately address large scale spatial coverage and long-term financial viability. In parallel, citizen science and opportunistic platforms, such as whale-watching vessels, are increasingly recognised as valuable complements to conventional monitoring because they can expand sampling effort, improve access to offshore environments, reduce costs, and strengthen public engagement. Despite this potential, these elements are still rarely combined within a single coherent, and validated monitoring model. In light of these considerations, this doctoral thesis investigates how combining environmental DNA, citizen science, and opportunistic platforms can contribute to the development of a scalable and sustainable approach to marine biodiversity monitoring. Developed within the eWHALE project funded by Biodiversa+, the research adopts a system-oriented and sequential design aimed at addressing the analytical, operational, social, and economic dimensions required to translate eDNA monitoring from experimental application to large-scale implementation in support of conservation and management. The thesis is structured into six interconnected chapters. The first chapter examines analytical reproducibility through an inter-laboratory ring test involving multiple European laboratories, demonstrating that while total DNA quantification is broadly comparable, target species detection remains sensitive to methodological differences, particularly in extraction workflows. The second chapter focuses on optimising eDNA sampling protocols aboard whale-watching vessels, identifying key field variables that enhance detection performance while remaining compatible with the constraints of non-dedicated platforms. Building on these results, the third chapter translates optimised procedures into a standardised and transferable end-to-end protocol designed for routine deployment on whale watching vessels across different regions. The fourth and fifth chapters address the social dimension of the proposed monitoring model through questionnaire-based studies, showing that direct participation in eDNA sampling during whale watching tours can increase environmental awareness and that higher awareness and interest are associated with greater willingness to financially support monitoring initiatives. Together, these findings highlight the role of whale watching not only as an opportunistic sampling platform, but also as an effective interface between scientific research and society. Finally, the sixth chapter evaluates the economic and logistical scalability of the proposed model through a techno-economic analysis, showing that the distribution of monitoring costs across large numbers of participants, or the adoption of shared funding mechanisms, can markedly reduce per-capita contributions and improve the feasibility of a financially self-sustaining monitoring scheme. Overall, this thesis shows that the contribution of eDNA to marine biodiversity monitoring depends not only on methodological performance, but also on its integration within an implementation strategy capable of ensuring analytical reliability, adequate spatial and temporal coverage from coastal to offshore waters, meaningful public engagement in support of conservation, and long-term economic viability. By combining molecular tools, citizen participation, and opportunistic platforms within a single monitoring model, this work moves beyond pilot-scale applications and provides a robust basis for the development of more continuous, distributed, socially inclusive, and management-relevant marine biodiversity monitoring systems.

Il monitoraggio della biodiversità marina su scale spaziali e temporali ecologicamente significative continua a rappresentare una sfida persistente. Gli ecosistemi marini sono vasti, dinamici e spesso difficili da raggiungere, in particolare gli ambienti pelagici, dove gli approcci convenzionali di monitoraggio si basano su campagne dedicate, personale specializzato e infrastrutture costose. Di conseguenza, i programmi esistenti risultano frequentemente frammentati e discontinui dal punto di vista spaziale e temporale e difficili da sostenere nel lungo periodo. Queste limitazioni compromettono sempre più la capacità dei sistemi di monitoraggio di rilevare i cambiamenti ecologici in modo tempestivo, standardizzato e rilevante per le politiche di gestione, in un contesto in cui le pressioni antropiche sugli ecosistemi marini continuano ad intensificarsi. In questo contesto, il DNA ambientale (eDNA) è emerso come una delle innovazioni più promettenti nel monitoraggio della biodiversità marina, consentendo il rilevamento non invasivo delle specie a partire da campioni d’acqua e fornendo informazioni sulla biodiversità sensibili e potenzialmente scalabili. Tuttavia, la sua implementazione su larga scala negli ecosistemi marini è ancora limitata da importanti criticità, tra cui le incertezze nella riproducibilità analitica tra laboratori, la mancanza di protocolli armonizzati e l’assenza di modelli di implementazione in grado di affrontare adeguatamente la copertura spaziale su larga scala e la sostenibilità economica a lungo termine. Parallelamente, le piattaforme opportunistiche, come le imbarcazioni per il whale watching, sono sempre più riconosciute come valide piattaforme di raccolta di dati opportunistici poiché possono ampliare lo sforzo di campionamento, fornire accesso a ecosistemi pelagici difficili da monitorare, ridurre i costi, e rafforzare il coinvolgimento del pubblico. Nonostante questo potenziale, tali elementi sono ancora raramente integrati all’interno di un unico modello di monitoraggio coerente e validato. Alla luce di queste considerazioni, questa tesi di dottorato indaga come la combinazione tra DNA ambientale, citizen science e piattaforme opportunistiche possa contribuire allo sviluppo di un approccio scalabile e sostenibile per il monitoraggio della biodiversità marina. Sviluppata nell’ambito del progetto eWHALE finanziato da Biodiversa+, la ricerca adotta un disegno sequenziale orientato ai sistemi, finalizzato ad affrontare le dimensioni analitiche, operative, sociali ed economiche necessarie per tradurre il monitoraggio basato su eDNA da applicazione sperimentale a implementazione su larga scala a supporto della conservazione e della gestione. La tesi è strutturata in sei capitoli interconnessi. Il primo capitolo esamina la riproducibilità analitica attraverso un ring test inter-laboratorio che coinvolge diversi laboratori europei, dimostrando che, sebbene la quantificazione del DNA totale sia ampiamente comparabile, il rilevamento delle specie target rimane sensibile alle differenze metodologiche, in particolare nei flussi di lavoro di estrazione. Il secondo capitolo si concentra sull’ottimizzazione dei protocolli di campionamento eDNA a bordo delle imbarcazioni per il whale watching, identificando le principali variabili di campo in grado di migliorare le prestazioni di rilevamento pur mantenendosi compatibili con i vincoli delle piattaforme non dedicate. Sulla base di questi risultati, il terzo capitolo traduce le procedure ottimizzate in un protocollo standardizzato e trasferibile end-to-end progettato per un’implementazione sulle imbarcazioni di whale watching in diverse regioni. Il quarto e il quinto capitolo affrontano la dimensione sociale del modello di monitoraggio proposto attraverso studi basati su questionari, mostrando che la partecipazione diretta alle attività di campionamento eDNA durante i tour di whale watching può aumentare la consapevolezza ambientale e che livelli più elevati di consapevolezza e interesse sono associati a una maggiore disponibilità a sostenere economicamente le iniziative di monitoraggio. Nel loro insieme, questi risultati evidenziano il ruolo del whale watching non solo come piattaforma opportunistica di campionamento, ma anche come efficace interfaccia tra ricerca scientifica e società. Infine, il sesto capitolo valuta la scalabilità economica e logistica del modello proposto attraverso un’analisi tecnico-economica, mostrando che la distribuzione dei costi di monitoraggio su un ampio numero di partecipanti, oppure l’adozione di meccanismi di finanziamento condivisi, può ridurre significativamente i contributi pro capite e migliorare la fattibilità di un sistema di monitoraggio economicamente autosostenibile. Nel complesso, questa tesi dimostra che il contributo dell’eDNA al monitoraggio della biodiversità marina dipende non solo dalle prestazioni metodologiche, ma anche dalla sua integrazione all’interno di una strategia di implementazione capace di garantire affidabilità analitica, adeguata copertura spaziale e temporale dalle acque costiere a quelle offshore, un coinvolgimento significativo del pubblico a supporto della conservazione e sostenibilità economica nel lungo periodo. Combinando strumenti molecolari, partecipazione dei cittadini e piattaforme opportunistiche all’interno di un unico modello di monitoraggio, questo lavoro supera le applicazioni pilota e fornisce una solida base per lo sviluppo di sistemi di monitoraggio della biodiversità marina più continui, distribuiti, socialmente inclusivi e rilevanti per la gestione.