المعالجة التلقائية للصور لتحديد هيكل حجم المجتمع لللافقاريات النهرية الكبيرة
Summary
تستند المقالة إلى إنشاء بروتوكول مكيف لمسح واكتشاف وفرز وتحديد الأشياء الرقمية المقابلة لللافقاريات الكبيرة في الأنهار القاعية باستخدام إجراء تصوير شبه آلي. يسمح هذا الإجراء بالحصول على توزيعات الحجم الفردية ومقاييس الحجم لمجتمع اللافقاريات الكبيرة في حوالي 1 ساعة.
Abstract
حجم الجسم هو سمة وظيفية مهمة يمكن استخدامها كمؤشر حيوي لتقييم آثار الاضطرابات في المجتمعات الطبيعية. يستجيب هيكل حجم المجتمع للتدرجات الأحيائية وغير الحيوية ، بما في ذلك الاضطرابات البشرية المنشأ عبر الأصناف والنظم الإيكولوجية. ومع ذلك، فإن القياس اليدوي للكائنات الصغيرة الجسم مثل اللافقاريات القاعية الكبيرة (على سبيل المثال، >500 ميكرومتر إلى بضعة سنتيمترات) يستغرق وقتا طويلا. لتسريع تقدير هيكل حجم المجتمع ، قمنا هنا بتطوير بروتوكول لقياس حجم الجسم الفردي لللافقاريات النهرية المحفوظة بشكل شبه تلقائي ، والتي تعد واحدة من المؤشرات الحيوية الأكثر استخداما لتقييم الحالة البيئية للنظم الإيكولوجية للمياه العذبة. تم تكييف هذا البروتوكول من منهجية موجودة تم تطويرها لمسح العوالق البحرية المتوسطة باستخدام نظام مسح مصمم لعينات المياه. ويتألف البروتوكول من ثلاث خطوات رئيسية هي: (1) مسح العينات الفرعية (كسور حجم العينة الدقيقة والخشنة) من اللافقاريات النهرية الكبيرة ومعالجة الصور الرقمية لإضفاء الطابع الفردي على كل كائن مكتشف في كل صورة؛ و (2) مسح العينات الفرعية (كسور حجم العينات الدقيقة والخشنة) من اللافقاريات النهرية الكبيرة ومعالجة الصور الرقمية لإضفاء الطابع الفردي على كل كائن مكتشف في كل صورة؛ و (2) مسح العينات الفرعية (كسور حجم العينات الدقيقة والخشنة) من اللافقاريات النهرية الكبيرة ومعالجة الصور الرقمية لإضفاء الطابع الفردي على كل كائن مكتشف في كل صورة؛ و (2) مسح (2) إنشاء وتقييم والتحقق من صحة مجموعة التعلم من خلال الذكاء الاصطناعي لفصل الصور الفردية لللافقاريات الكبيرة بشكل شبه تلقائي عن المخلفات والتحف في العينات الممسوحة ضوئيا ؛ و (3) يصور هيكل حجم مجتمعات اللافقاريات الكبيرة. بالإضافة إلى البروتوكول ، يتضمن هذا العمل نتائج المعايرة ويعدد العديد من التحديات والتوصيات لتكييف الإجراء مع عينات اللافقاريات الكبيرة والنظر في مزيد من التحسينات. وبشكل عام، تدعم النتائج استخدام نظام المسح المقدم للقياس التلقائي لحجم جسم اللافقاريات النهرية الكبيرة وتشير إلى أن تصوير طيف حجمها هو أداة قيمة للتقييم البيولوجي السريع للنظم الإيكولوجية للمياه العذبة.
Introduction
تستخدم اللافقاريات القاعية الكبيرة على نطاق واسع كمؤشرات حيوية لتحديد الحالة البيئية للمسطحات المائية1. تركز معظم المؤشرات لوصف مجتمعات اللافقاريات الكبيرة على المقاييس التصنيفية. ومع ذلك ، يتم تشجيع أدوات التقييم البيولوجي الجديدة التي تدمج حجم الجسم لتوفير منظور بديل أو تكميلي لنهج التصنيف 2,3.
يعتبر حجم الجسم مشط شعر مرتبط بسمات حيوية أخرى مثل التمثيل الغذائي والنمو والتنفس والحركة4. علاوة على ذلك ، يمكن أن يحدد حجم الجسم الموقف الغذائي والتفاعلات5. تعرف العلاقة بين حجم الجسم الفردي والكتلة الحيوية الطبيعية (أو الوفرة) حسب فئة الحجم في المجتمع على أنها طيف الحجم6 وتتبع النمط العام للانخفاض الخطي في الكتلة الحيوية الطبيعية مع زيادة الحجم الفردي على مقياس لوغاريتمي7. تمت دراسة منحدر هذه العلاقة الخطية على نطاق واسع نظريا ، واستخدمتها الدراسات التجريبية عبر النظم الإيكولوجية كمؤشر بيئي لهيكل حجم المجتمع4. ومن المؤشرات التركيبية الأخرى لهيكل حجم المجتمع الذي تم استخدامه بنجاح في دراسات أداء النظم الإيكولوجية للتنوع البيولوجي تنوع حجم المجتمع ، والذي يتم تمثيله كمؤشر شانون لفئات الحجم في طيف الحجم أو نظيره ، والذي يتم حسابه بناء على توزيعات الحجم الفردية8.
وفي النظم الإيكولوجية للمياه العذبة، يستخدم هيكل حجم المجموعات الحيوانية المختلفة كمؤشر رننحي لتقييم استجابة المجتمعات الأحيائية للتدرجات البيئية9،10،11 والاضطرابات البشرية المنشأ12،13،14،15،16. اللافقاريات الكبيرة ليست استثناء ، ويستجيب هيكل حجمها أيضا للتغيرات البيئية17,18 والاضطرابات البشرية المنشأ ، مثل التعدين 19 ، أو استخدام الأراضي 20 ، أو تخصيب النيتروجين (N) والفوسفور (P)20,21,22. ومع ذلك ، فإن قياس مئات الأفراد لوصف هيكل حجم المجتمع هو مهمة شاقة وتستغرق وقتا طويلا وغالبا ما يتم تجنبها كقياس روتيني في المختبرات بسبب ضيق الوقت. وبالتالي ، تم تطوير العديد من طرق التصوير شبه الأوتوماتيكية أو الأوتوماتيكية لتصنيف وقياس العينات23،24،25،26. ومع ذلك ، فإن معظم هذه الطرق تركز على التصنيف التصنيفي أكثر من التركيز على الحجم الفردي للكائنات الحية وليست جاهزة للاستخدام لجميع أنواع اللافقاريات الكبيرة. في بيئة العوالق البحرية ، تم استخدام نظام تحليل صور المسح على نطاق واسع لتحديد الحجم والتكوين التصنيفي لمجتمعات العوالق الحيوانية27،28،29،30،31. يمكن العثور على هذه الأداة في العديد من المعاهد البحرية في جميع أنحاء العالم ، ويتم استخدامها لمسح عينات العوالق الحيوانية المحفوظة للحصول على صور رقمية عالية الدقة للعينة بأكملها. يكيف البروتوكول الحالي استخدام هذه الأداة لتقدير طيف مجتمع اللافقاريات الكبيرة في الأنهار بطريقة تلقائية سريعة دون الاستثمار في إنشاء جهاز جديد.
يتكون البروتوكول من مسح عينة ومعالجة الصورة بأكملها للحصول تلقائيا على صور مفردة (أي المقالات القصيرة) للكائنات الموجودة في العينة. تميز العديد من مقاييس الشكل والحجم وميزات المستوى الرمادي كل كائن وتسمح بالتصنيف التلقائي للكائنات إلى فئات ، والتي يتم التحقق من صحتها بعد ذلك بواسطة خبير. يتم حساب الحجم الفردي لكل كائن حي باستخدام الحجم الحيوي الإهليلجي (مم3) ، والذي يتم اشتقاقه من مساحة الكائن الحي المقاسة بالبكسل. هذا يسمح بالحصول على طيف حجم العينة بطريقة سريعة. على حد علمنا ، تم استخدام نظام التصوير الضوئي هذا فقط لمعالجة عينات العوالق الحيوانية المتوسطة ، ولكن من المحتمل أن يسمح الجهاز بالعمل مع اللافقاريات القاعية في المياه العذبة.
وبالتالي ، فإن الهدف العام من هذه الدراسة هو تقديم طريقة للحصول بسرعة على الحجم الفردي لللافقاريات النهرية المحفوظة من خلال تكييف بروتوكول موجود كان يستخدم سابقا مع العوالق البحرية المتوسطة27،32،33. يتكون الإجراء من استخدام نهج شبه تلقائي يعمل بجهاز مسح ضوئي لمسح عينات المياه وثلاثة برامج مفتوحة لمعالجة الصور الممسوحة ضوئيا. يتم هنا تقديم بروتوكول معدل لمسح واكتشاف وتحديد اللافقاريات النهرية الرقمية للحصول تلقائيا على هيكل حجم المجتمع ومقاييس الحجم ذات الصلة. كما يتم تقديم تقييم الإجراء والمبادئ التوجيهية لتعزيز الكفاءة بناء على 42 صورة ممسوحة ضوئيا لعينات اللافقاريات النهرية الكبيرة التي تم جمعها من ثلاثة أحواض في شبه الجزيرة الأيبيرية الشمالية الشرقية (NE) (Ter و Segre-Ebre و Besòs).
تم جمع العينات على امتدادات النهر 100 متر وفقا لبروتوكول أخذ العينات الميدانية والتحليل المختبري لللافقاريات الكبيرة في الأنهار القاعية في الأنهار القابلة للعبور من الحكومة الإسبانية34. تم جمع العينات باستخدام جهاز أخذ العينات (الإطار: 0.3 م × 0.3 م ، شبكة: 250 ميكرومتر) بعد مسح متعدد الموائل. في المختبر ، تم تنظيف العينات وغربلتها من خلال شبكة 5 مم و 500 ميكرومتر للحصول على عينتين فرعيتين: عينة فرعية خشنة (شبكة 5 مم) وعينة فرعية دقيقة (شبكة 500 ميكرومتر) ، والتي تم تخزينها في قوارير منفصلة وحفظها في 70٪ من الإيثانول. يسمح فصل العينة إلى كسرين بحجم تقدير أفضل لهيكل حجم المجتمع ، نظرا لأن الكائنات الكبيرة أكثر ندرة وأقل من الكائنات الصغيرة. خلاف ذلك ، فإن العينة الممسوحة ضوئيا لها تمثيل متحيز للجزء كبير الحجم.
Protocol
Representative Results
Discussion
يسمح تكييف المنهجية التي وصفها Gorsky et al. 2010 لللافقاريات النهرية الكبيرة بدقة تصنيف عالية في تقدير هيكل حجم المجتمع في اللافقاريات الكبيرة للمياه العذبة. تشير النتائج إلى أن البروتوكول يمكن أن يقلل من الوقت اللازم لتقدير بنية الحجم الفردية في العينة إلى حوالي 1 ساعة. وهكذا، فإن البروتوكول ا?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل وزارة العلوم والابتكار والجامعات الإسبانية (رقم المنحة RTI2018-095363-B-I00). نشكر أعضاء CERM-UVic-UCC إيليا بريتكسا ، وآنا كوستاروسا ، ولايا خيمينيز ، وماريا إيزابيل غونزاليس ، ومارتا جوتجلار ، وفرانسيسك لاخ ، ونوريا سيلاريس على عملهم في أخذ العينات الميدانية لللافقاريات الكبيرة والفرز المختبري وديفيد ألبيسا على التعاون في مسح العينات. وأخيرا نشكر جوزيب ماريا جيلي ومعهد علوم مار (ICM-CSIC) على استخدام مرافق المختبر وجهاز الماسح الضوئي.
Materials
| Beaker | Labbox | Other containers could be used | |
| Dionized water | Icopresa | 8420239600123 | To dilute the ethanol |
| Funnel | Vitlab | 41094 | |
| Glass vials 8 ml | Labbox | SVSN-C10-195 | 1 vial/subsample |
| ImageJ Software | Free access | Version 4.41o/ Image processing software | |
| Large frame | Hydroptic | Provided by ZooScan | 24.5 cm x 15.8 cm |
| Monalcol 96 (Ethanol 96) | Montplet | 1050JE001 | |
| Plankton Identifier Software | Free access | Version 1.2.6/ Automatic identification software | |
| Sieve | Cisa | 26852.2 | Nominal aperture 500µ and nominal aperture 0,5 cm |
| Tweezers | Bondline | B5SA | Stainless, anti-magnetic, anti-acid |
| VueScan 9 x 64 (9.5.09) Software | Hydroptic | Version 9.0.51/ Sacn software | |
| Wooden needle | Any plastic or wood needle can be used | ||
| Zooprocess Software | Free access | Version 7.14/Image processing software | |
| ZooScan | Hydroptic | 54 | Version III/ Scanner |
References
- Birk, S., et al. Three hundred ways to assess Europe’s surface waters: An almost complete overview of biological methods to implement the Water Framework Directive. Ecological Indicators. 18, 31-41 (2012).
- Basset, A., Sangiorgio, F., Pinna, M. Monitoring with benthic macroinvertebrates: advantages and disadvantages of body size descriptors. Aquatic Conservation: Marine and Freshwater Ecosystems. 14, S43-S58 (2004).
- Reyjol, Y., et al. Assessing the ecological status in the context of the European Water Framework Directive: Where do we go now. Science of the Total Environment. 497-498, 332-344 (2014).
- Brown, J. H., Gillooly, J. F., Allen, A. P., Savage, V. M., West, G. B. Toward a metabolic theory of ecology. Ecology. 85 (7), 1771-1789 (2004).
- Woodward, G., et al. Body size in ecological networks. Trends in Ecology & Evolution. 20 (7), 402-409 (2005).
- Sprules, W. G., Barth, L. E. Surfing the biomass size spectrum: Some remarks on history, theory, and application. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 73 (4), 477-495 (2016).
- White, E. P., Ernest, S. K. M., Kerkhoff, A. J., Enquist, B. J. Relationships between body size and abundance in ecology. Trends in Ecology & Evolution. 22 (6), 323-330 (2007).
- Quintana, X. D., et al. A nonparametric method for the measurement of size diversity with emphasis on data standardization. Limnology and Oceanography – Methods. 6 (1), 75-86 (2008).
- Blanchard, J. L., Heneghan, R. F., Everett, J. D., Trebilco, R., Richardson, A. J. From bacteria to whales: Using functional size spectra to model marine ecosystems. Trends in Ecology & Evolution. 32 (3), 174-186 (2017).
- Petchey, O. L., Belgrano, A. Body-size distributions and size-spectra: Universal indicators of ecological status. Biology Letters. 6 (4), 434-437 (2010).
- Emmrich, M., et al. Geographical patterns in the body-size structure of European lake fish assemblages along abiotic and biotic gradients. Journal of Biogeography. 41 (12), 2221-2233 (2014).
- Arranz, I., Brucet, S., Bartrons, M., García-Comas, C., Benejam, L. Fish size spectra are affected by nutrient concentration and relative abundance of non-native species across streams on the NE Iberian Peninsula. Science of the Total Environment. 795, 148792 (2021).
- Vila-Martínez, N., Caiola, N., Ibáñez, C., Benejam, L. l., Brucet, S. Normalized abundance spectra of the fish community reflect hydropeaking on a Mediterranean large river. Ecological Indicators. 97, 280-289 (2019).
- Benejam, L. l., Tobes, I., Brucet, S., Miranda, R. Size spectra and other size-related variables of river fish communities: systematic changes along the altitudinal gradient on pristine Andean streams. Ecological Indicators. 90, 366-378 (2018).
- Sutton, I. A., Jones, N. E. Measures of fish community size structure as indicators for stream monitoring programs. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 77 (5), 824-835 (2019).
- Murry, B. A., Farrell, J. M. Resistance of the size structure of the fish community to ecological perturbations in a large river ecosystem. Freshwater Biology. 59, 155-167 (2014).
- Townsend, C. R., Thompson, R. M., Hildrew, A. G., Raffaelli, D. G., Edmonds-Brown, R. Body size in streams: Macroinvertebrate community size composition along natural and human-induced environmental gradients. In Body Size: The Structure and Function of Aquatic Ecosystems. , (2007).
- Gjoni, V., et al. Patterns of functional diversity of macroinvertebrates across three aquatic ecosystem types, NE Mediterranean. Mediterranean Marine Science. 20 (4), 703-717 (2019).
- Pomeranz, J. P. F., Warburton, H. J., Harding, J. S. Anthropogenic mining alters macroinvertebrate size spectra in streams. Freshwater Biology. 64 (1), 81-92 (2019).
- García-Girón, J., et al. Anthropogenic land-use impacts on the size structure of macroinvertebrate assemblages are jointly modulated by local conditions and spatial processes. Environmental Research. 204, 112055 (2022).
- Demi, L. M., Benstead, J. P., Rosemond, A. D., Maerz, J. C. Experimental N and P additions alter stream macroinvertebrate community composition via taxon-level responses to shifts in detrital resource stoichiometry. Functional Ecology. 33 (5), 855-867 (2019).
- Basset, A., et al. A benthic macroinvertebrate size spectra index for implementing the Water Framework Directive in coastal lagoons in Mediterranean and Black Sea ecoregions. Ecological Indicators. 12 (1), 72-83 (2012).
- Ärje, J., et al. Automatic image-based identification and biomass estimation of invertebrates. Methods in Ecology and Evolution. 11 (8), 922-931 (2020).
- Raitoharju, J., et al. Benchmark database for fine-grained image classification of benthic macroinvertebrates. Image and Vision Computing. 78, 73-83 (2018).
- Lytle, D. A., et al. Automated processing and identification of benthic invertebrate samples. Journal of the North American Benthological Society. 29 (3), 867-874 (2010).
- Serna, J. P., Fernández, D. S., Vélez, F. J., Aguirre, N. J. An image processing method for recognition of four aquatic macroinvertebrates genera in freshwater environments in the Andean region of Colombia. Environmental Monitoring and Assessment. 192, 617 (2020).
- Gorsky, G., et al. Digital zooplankton image analysis using the ZooScan integrated system. Journal of Plankton Research. 32 (3), 285-303 (2010).
- Marcolin, C. R., Schultes, S., Jackson, G. A., Lopes, R. M. Plankton and seston size spectra estimated by the LOPC and ZooScan in the Abrolhos Bank ecosystem (SE Atlantic). Continental Shelf Research. 70, 74-87 (2013).
- Silva, N., Marcolin, C. R., Schwamborn, R. Using image analysis to assess the contributions of plankton and particles to tropical coastal ecosystems. Estuarine, Coast and Shelf Science. 219, 252-261 (2019).
- Vandromme, P., et al. Assessing biases in computing size spectra of automatically classified zooplankton from imaging systems: A case study with the ZooScan integrated system. Methods in Oceanography. 1-2, 3-21 (2012).
- Naito, A., et al. Surface zooplankton size and taxonomic composition in Bowdoin Fjord, north-western Greenland: A comparison of ZooScan, OPC and microscopic analyses. Polar Science. 19, 120-129 (2019).
- . Zooprocess/Plankton Identifier protocol for computer assisted zooplankton sorting Available from: https://manualzz.com/doc/43116355/zooprocess—plankton-identifier-protocol-for (2013)
- Protocolo de muestreo y laboratorio de fauna bentónica de invertebrados en ríos vadeables. CÓDIGO: ML-Rv-I-2013. Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente Available from: https://www.miteco.gob.es/es/agua/temas/estado-y-calidad-de-las-aguas/ML-Rv-I-2013_Muestreo%20y%20laboratorio_Fauna%20bent%C3%B3nica%20de%20de%20invertebrado_%20R%C3%Ados%20vadeables_24_05_2013_tcm30-175284.pdf (2013)
- García-Comas, C., et al. Prey size diversity hinders biomass trophic transfer and predator size diversity promotes it in planktonic communities. Proceedings of the Royal Society Biological Sciences. 283 (1824), 20152129 (2016).
- García-Comas, C., et al. Mesozooplankton size structure in response to environmental conditions in the East China Sea: How much does size spectra theory fit empirical data of a dynamic coastal area. Progress in Oceanography. 121, 141-157 (2014).
- Marquina, D., Buczek, M., Ronquist, F., Lukasik, P. The effect of ethanol concentration on the morphological and molecular preservation of insects for biodiversity studies. PeerJ. 9, 10799 (2021).
- Bell, J. L., Hopcroft, R. R. Assessment of ZooImage as a tool for the classification of zooplankton. Journal of Plankton Research. 30 (12), 1351-1367 (2008).
- Colas, F., et al. The ZooCAM, a new in-flow imaging system for fast onboard counting, sizing and classification of fish eggs and metazooplankton. Progress in Oceanography. 166, 54-65 (2018).
- Bachiller, E., Fernandes, J. A., Irigoien, X. Improving semiautomated zooplankton classification using an internal control and different imaging devices. Limnology and Oceanography Methods. 10 (1), 1-9 (2012).
