Summary

Visualización de datos oceanográficos para representar los cambios a largo plazo en el fitoplancton

Published: July 28, 2023
doi:

Summary

Aquí, presentamos un protocolo para convertir imágenes microscópicas de fitoplancton en gráficos vectoriales y patrones repetitivos para permitir la visualización de cambios en los taxones y la biomasa del fitoplancton a lo largo de 60 años. Este protocolo representa un enfoque que se puede utilizar para otras series temporales y conjuntos de datos de plancton a nivel mundial.

Abstract

Las series temporales oceanográficas proporcionan una perspectiva importante sobre los procesos ambientales en los ecosistemas. La Serie de Tiempo de Plancton a Largo Plazo de la Bahía de Narragansett (NBPTS) en la Bahía de Narragansett, Rhode Island, EE. UU., representa una de las series de tiempo de plancton más largas (1959-presente) de su tipo en el mundo y presenta una oportunidad única para visualizar el cambio a largo plazo dentro de un ecosistema acuático. El fitoplancton representa la base de la red trófica en la mayoría de los sistemas marinos, incluida la bahía de Narragansett. Por lo tanto, es fundamental comunicar su importancia a los 2.400 millones de personas que viven en el océano costero. Desarrollamos un protocolo con el objetivo de visualizar la diversidad y magnitud del fitoplancton utilizando Adobe Illustrator para convertir imágenes microscópicas de fitoplancton recolectadas del NBPTS en gráficos vectoriales que podrían conformarse en patrones visuales repetitivos a lo largo del tiempo. Se seleccionaron taxones numéricamente abundantes o que representaban amenazas económicas y sanitarias, como los taxones de floración de algas nocivas, Pseudo-nitzschia spp., para la conversión de imágenes. A continuación, se crearon patrones de varias imágenes de fitoplancton en función de su abundancia relativa para décadas seleccionadas de datos recopilados (décadas de 1970, 1990 y 2010). Los patrones decenales de la biomasa de fitoplancton informaron el contorno de cada década, mientras que se utilizó un gradiente de color de fondo de azul a rojo para revelar un aumento de temperatura a largo plazo observado en la bahía de Narragansett. Finalmente, se imprimieron grandes paneles de 96 pulgadas por 34 pulgadas con patrones repetitivos de fitoplancton para ilustrar los posibles cambios en la abundancia de fitoplancton a lo largo del tiempo. Este proyecto permite la visualización de cambios literales en la biomasa de fitoplancton, que suelen ser invisibles a simple vista, al tiempo que aprovecha los datos de series en tiempo real (por ejemplo, biomasa y abundancia de fitoplancton) dentro de la propia obra de arte. Representa un enfoque que se puede utilizar para muchas otras series temporales de plancton para la visualización de datos, la comunicación, la educación y los esfuerzos de divulgación.

Introduction

El fitoplancton es un productor primario que representa la base de la red trófica en los ecosistemas acuáticos 1,2. Si bien los programas de monitoreo del fitoplancton son clave para identificar los cambios actuales y futuros en los ecosistemas marinos, su apoyo está disminuyendo con el tiempo. Debido a sus tiempos de generación relativamente cortos y su movilidad limitada, el fitoplancton es particularmente sensible al cambio climático, lo que lo convierte en una herramienta importante en el monitoreo de series temporales. Las series temporales del fitoplancton también son importantes para informar sobre la gestión de la disponibilidad de recursos basada en los ecosistemas y proporcionar contexto para eventos episódicos, como las olas de calor marinas4. Las series temporales a corto plazo, en cuestión de años, proporcionan información sobre la sucesión de las comunidades de fitoplancton y la dinámica estacional (por ejemplo, ref.5,6), mientras que las series temporales a largo plazo, como los programas Bermuda Atlantic Time Series (BATS) y Hawaii Ocean Times Series (HOTS), abarcan más de dos décadas y permiten la detección de tendencias a largo plazo 7,8. Estos estudios ilustran el beneficio y la importancia de un registro de fitoplancton altamente resuelto para una comprensión completa de los cambios a largo plazo en los ecosistemas en entornos marinos dinámicos. Además, visualizar y comunicar estos cambios en el fitoplancton, que no se pueden ver a simple vista, son más difíciles de comprender que para los organismos que son grandes y fácilmente visibles, como los peces y las ballenas. Las visualizaciones por computadora ofrecen una técnica para explorar conjuntos de datos complejos9 y los gráficos ilustrativos mejorados están cada vez más disponibles (por ejemplo, Integration and Application Network, University of Maryland Center for Environmental Science). Sin embargo, la mayoría de los estudios sobre ecología del fitoplancton, incluidos muchos a los que se hace referencia aquí, todavía solo presentan los resultados como gráficos de datos, lo que reduce su accesibilidad para el público en general. Dado que el fitoplancton representa la base de la red trófica en la mayoría de los sistemas marinos,es fundamental comunicar su importancia a los casi 2.400 millones de personas que viven en el océano costero. Aquí, desarrollamos un protocolo con el objetivo de visualizar la diversidad y magnitud del fitoplancton, tal como se recolecta mediante un programa de monitoreo de fitoplancton.

La Serie Temporal de Plancton de la Bahía de Narragansett (NBPTS) proporciona una perspectiva a largo plazo de 60+ años (1959-presente) sobre los efectos del cambio global dentro de un contexto climático en la abundancia, estacionalidad y fenología (historia de vida) del fitoplancton. La bahía de Narragansett (NBay) es un estuario costero conectado a los sistemas más amplios de la plataforma noreste de los EE. UU. y el Atlántico noroccidental cuya producción tiene importantes implicaciones para la pesca y el uso humano a lo largo de la costa de los EE. UU.11. NBay se considera un sistema altamente estacional que experimenta un calentamiento de las aguas a largo plazo (1950-2015) en la región, así como cambios en los nutrientes y un aumento en la claridad del agua12,13. Además, se ha producido una disminución de la biomasa de fitoplancton en la parte superior de la NBay relacionada con la disminución antropogénica del nitrógeno inorgánico disuelto, que se atribuye en parte a las mejoras en las plantas de tratamiento de aguas residuales12. Los cambios en los taxones de fitoplancton, en particular las floraciones de algas nocivas (FAN), también están ocurriendo en NBay. Pseudo-nitzschia spp., que produce floraciones tóxicas generalizadas en las regiones de surgencia a lo largo de la costa oeste de los EE. UU., condujo a cierres notables de mariscos por primera vez en la historia de NBay en 2016 y 2017 14,15,16. Comunicar estos cambios a audiencias diversas es importante para aumentar la alfabetización científica y para promover el apoyo continuo a los estudios de monitoreo del fitoplancton.

El objetivo de este proyecto fue utilizar imágenes microscópicas de fitoplancton de NBay, así como datos sintetizados de NBPTS, para visualizar los cambios literales en los taxones y la biomasa de fitoplancton que están ocurriendo en NBay para comunicar y mejorar la importancia del fitoplancton para el público en general. NBPTS proporciona 60+ años de recuentos semanales de fitoplancton y biomasa disponibles públicamente para aprovechar los datos de (https://web.uri.edu/gso/research/plankton/). El producto final fue un gran mural de patrones de plancton representativos de los datos de series temporales (por ejemplo, biomasa y taxones de fitoplancton, temperatura) dentro de la propia obra de arte. Este enfoque representa un método de visualización que se puede utilizar para muchas otras series temporales de plancton en todo el mundo y también se puede adaptar para programas de monitoreo con datos estacionales a corto plazo. Los beneficios de implementar este protocolo incluyen el aumento de los esfuerzos en la visualización de datos, la comunicación científica, la educación y el compromiso con las comunidades locales.

Protocol

1. Convertir imágenes de fitoplancton en gráficos vectoriales Seleccione imágenes microscópicas de fitoplancton tomadas de la Serie Temporal de Plancton a Largo Plazo de la Bahía de Narragansett (NBPTS) como archivos .JPG, .PNG o .PDF (Figura 1A).NOTA: Los taxones incluyen Thalassiosira nordenskioeldii, Thalassionema nitzschioides, Tripos spp., Odontella aurita, complejo de especies Skeletonema, Chaetoceros diadema, Eucampia …

Representative Results

Los resultados documentan una disminución de la biomasa de fitoplancton desde la década de 1970 hasta la década de 1990 y la década de 2010 (Figura 1). Todas las décadas exhibieron un pico bimodal en la concentración de clorofila a (chl a), con el primer pico ocurriendo en invierno y el segundo ocurriendo en verano. La década de 1970 exhibió un promedio de chl a más alto en invierno que en verano. Por el contrario, la década de 1990 mostró un menor chl <…

Discussion

Los pasos críticos del protocolo incluyen la obtención de imágenes microscópicas del fitoplancton y su conversión en gráficos vectoriales. Hacer que las imágenes de fitoplancton, que no son perceptibles a simple vista, sean lo suficientemente grandes como para ser vistas sin lupa en el mural, ayuda a darles vida para el espectador. Para lograr que este mural no solo sea una obra de arte, sino también un método de visualización de datos, es importante incorporar los datos observados en el proyecto. En el caso de…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias (OIA-1655221, OCE-1655686) y Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Agradecemos a los múltiples capitanes por brindar asistencia de campo y a los muchos estudiantes e investigadores que recopilaron datos desde 1970. Agradecemos a Stewart Copeland y Georgia Rhodes por desarrollar el proyecto Vis-A-Thon que produjo el mural de plancton, así como a Rafael Attias de la Escuela de Diseño de Rhode Island por su orientación artística durante el desarrollo del proyecto.

Materials

Adobe Illustrator Adobe version 23.0.6 Free alternatives include: Inkscape, GIMP, Vectr, Vectornator
Eclipse E800 Nikon ECLIPSE Ni/Ci Upright Microscope Now succeeded by Eclipse Ni-U
Epson Large Format Printer Epson SCT5475SR
Heavy Matte Paper Epson S041596
RStudio Rstudio, PBC version 2022.07.1 Any statistical software tool will suffice

Referências

  1. Cloern, J. E., Jassby, A. D. Complex seasonal patterns of primary producers at the land-sea interface. Ecology Letters. 11 (12), 1294-1303 (2008).
  2. Cloern, J. E., Jassby, A. D. Patterns and Scales of Phytoplankton Variability in Estuarine-Coastal Ecosystems. Estuaries and Coasts. 33 (2), 230-241 (2010).
  3. Hays, G. C., Richardson, A. J., Robinson, C. Climate change and marine plankton. Trends in Ecology & Evolution. 20 (6), 337-344 (2005).
  4. Harvey, C. J., et al. The importance of long-term ecological time series for integrated ecosystem assessment and ecosystem-based management. Progress in Oceanography. 188, 102418 (2020).
  5. Leeuwe, M. A., et al. Annual patterns in phytoplankton phenology in Antarctic coastal waters explained by environmental drivers. Limnology and Oceanography. 65 (7), 1651-1668 (2020).
  6. Hunter-Cevera, K. R., et al. Physiological and ecological drivers of early spring blooms of a coastal phytoplankter. Science. 354 (6310), 326-329 (2016).
  7. Church, M. J., Lomas, M. W., Muller-Karger, F. Sea change: Charting the course for biogeochemical ocean time-series research in a new millennium. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 93, 2-15 (2013).
  8. Bates, N. R., Johnson, R. J. Acceleration of ocean warming, salinification, deoxygenation and acidification in the surface subtropical North Atlantic Ocean. Communications Earth & Environment. 1 (1), 33 (2020).
  9. Wolanski, E., Spagnol, S., Gentien, P., Spaulding, M., Prandle, D. Visualization in Marine Science. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 50 (1), 7-9 (2000).
  10. United Nations. Factsheet: People and Oceans (2017). , (2017).
  11. Oviatt, C. A. The changing ecology of temperate coastal waters during a warming trend. Estuaries. 27 (6), 895-904 (2004).
  12. Oviatt, C., et al. Managed nutrient reduction impacts on nutrient concentrations, water clarity, primary production, and hypoxia in a north temperate estuary. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 199, 25-34 (2017).
  13. Fulweiler, R. W., Oczkowski, A. J., Miller, K. M., Oviatt, C. A., Pilson, M. E. Q. Whole truths vs. half truths – And a search for clarity in long-term water temperature records. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 157, A1-A6 (2015).
  14. Trainer, V. L., et al. Pseudo-nitzschia physiological ecology, phylogeny, toxicity, monitoring and impacts on ecosystem health. Harmful Algae. 14, 271-300 (2012).
  15. Sterling, A. R., et al. Emerging harmful algal blooms caused by distinct seasonal assemblages of a toxic diatom. Limnology and Oceanography. 67 (11), 2341-2359 (2022).
  16. Roche, K. M., Sterling, A. R., Rynearson, T. A., Bertin, M. J., Jenkins, B. D. A Decade of Time Series Sampling Reveals Thermal Variation and Shifts in Pseudo-nitzschia Species Composition That Contribute to Harmful Algal Blooms in an Eastern US Estuary. Frontiers in Marine Science. 9, 889840 (2022).
  17. Li, . Qi Data visualization as creative art practice. Visual Communication. 17 (3), 299-2222312 (2018).
  18. Cloern, J. E., et al. Projected Evolution of California’s San Francisco Bay-Delta-River System in a Century of Climate Change. PLoS ONE. 6 (9), e24465 (2011).
  19. Bashevkin, S. M., et al. Five decades (1972-2020) of zooplankton monitoring in the upper San Francisco Estuary. PLOS ONE. 17 (3), e0265402 (2022).

Play Video

Citar este artigo
Thibodeau, P. S., Kim, J. Visualizing Oceanographic Data to Depict Long-term Changes in Phytoplankton. J. Vis. Exp. (197), e65571, doi:10.3791/65571 (2023).

View Video