Автоматическая обработка изображений для определения структуры размера сообщества речных макробеспозвоночных

Бентические макробеспозвоночные широко используются в качестве биоиндикаторов для определения экологического состояния водных объектов¹. Большинство индексов для описания сообществ макробеспозвоночных сосредоточены на таксономических показателях. Тем не менее, новые инструменты биооценки, которые интегрируют размер тела, поощряются для обеспечения альтернативной или дополнительной перспективы таксономических подходов ^2,3.

Размер тела считается метатравмой, которая связана с другими жизненно важными чертами, такими как метаболизм, рост, дыхание и движение⁴. Кроме того, размер тела может определять трофическое положение и взаимодействия⁵. Связь между индивидуальным размером тела и нормализованной биомассой (или численностью) по классу размеров в сообществе определяется как спектр размеров⁶ и следует общей схеме линейного уменьшения нормализованной биомассы по мере увеличения индивидуального размера по логарифмической шкале⁷. Наклон этой линейной зависимости был тщательно изучен теоретически, и эмпирические исследования экосистем использовали его в качестве экологического индикатора структуры размера сообщества⁴. Другим синтетическим показателем структуры размеров сообществ, который успешно используется в исследованиях функционирования биоразнообразия и экосистем, является разнообразие размеров сообществ, которое представлено в виде индекса Шеннона классов размеров спектра размеров или его аналога, который рассчитывается на основе индивидуальных распределений размеров⁸.

В пресноводных экосистемах размерная структура различных групп фауны используется в качестве атаксического показателя для оценки реакции биотических сообществ на градиенты окружающей среды ^9,10,11 и на антропогенные возмущения 12,13,14,15,16. Макробеспозвоночные не являются исключением, и их размерная структура также реагирует на изменения окружающей среды ^17,18 и антропогенные возмущения, такие как добыча¹⁹, землепользование²⁰ или обогащение азотом (N) и фосфором (P) 20,21,22. Тем не менее, измерение сотен людей для описания структуры размера сообщества является утомительной и трудоемкой задачей, которую часто избегают в качестве рутинного измерения в лабораториях из-за нехватки времени. Так, было разработано несколько полуавтоматических или автоматических методов визуализации для классификации и измерения образцов 23,24,25,26. Однако большинство этих методов ориентированы на таксономическую классификацию больше, чем на индивидуальные размеры организмов и не готовы к использованию для всех видов макробеспозвоночных. В экологии морского планктона система анализа сканирующих изображений широко используется для определения размера и таксономического состава сообществ зоопланктона 27,28,29,30,31. Этот инструмент можно найти в нескольких морских институтах по всему миру, и он используется для сканирования сохранившихся образцов зоопланктона для получения цифровых изображений с высоким разрешением всего образца. Настоящий протокол адаптирует использование этого инструмента для быстрой автоматической оценки спектра размеров сообщества макробеспозвоночных в реках без затрат на создание нового устройства.

Протокол состоит из сканирования образца и обработки всего изображения для автоматического получения отдельных изображений (т.е. виньеток) объектов в образце. Несколько измерений формы, размера и особенностей уровня серого характеризуют каждый объект и позволяют автоматически классифицировать объекты по категориям, которые затем проверяются экспертом. Индивидуальный размер каждого организма рассчитывается с использованием эллипсоидального биообъема (мм³), который выводится из области организма, измеренной в пикселях. Это позволяет быстро получить спектр размеров образца. Насколько нам известно, эта сканирующая система визуализации использовалась только для обработки образцов мезозупланктона, но устройство потенциально может позволить работать с пресноводными бентическими макробеспозвоночными.

Таким образом, общая цель этого исследования состоит в том, чтобы внедрить метод быстрого получения индивидуального размера сохраненных речных макробеспозвоночных путем адаптации существующего протокола, ранее использовавшегося с морским мезозоопланктоном 27,32,33. Процедура состоит из использования полуавтоматического подхода, который работает со сканирующим устройством для сканирования образцов воды и тремя открытыми программными средствами для обработки отсканированных изображений. Здесь представлен адаптированный протокол для сканирования, обнаружения и идентификации оцифрованных речных макробеспозвоночных для автоматического получения структуры размера сообщества и связанных с ним показателей размера. Оценка процедуры и руководящие принципы повышения эффективности также представлены на основе 42 отсканированных изображений образцов речных макробеспозвоночных, собранных из трех бассейнов северо-восточного (NE) Пиренейского полуострова (Ter, Segre-Ebre и Besòs).

Пробы были взяты на 100-метровых речных участках в соответствии с протоколом отбора проб в полевых условиях и лабораторного анализа бентических речных макробеспозвоночных в переходных реках от правительства^{Испании 34}. Образцы были собраны с помощью пробоотборника (рамка: 0,3 м х 0,3 м, сетка: 250 мкм) после обследования нескольких мест обитания. В лаборатории образцы очищали и просеивали через сетку 5 мм и 500 мкм для получения двух подвыборок: грубого подвыборки (сетка 5 мм) и тонкой подвыборки (сетка 500 мкм), которые хранились в отдельных флаконах и сохранялись в 70% этаноле. Разделение выборки на две размерные фракции позволяет лучше оценить структуру размера сообщества, поскольку крупные организмы встречаются реже и меньше, чем мелкие организмы. В противном случае отсканированный образец имеет предвзятое представление фракции большого размера.