Automatische Bildverarbeitung zur Bestimmung der Gemeinschaftsgrößenstruktur von Flussmakroinvertebraten

Benthische Makroinvertebraten werden häufig als Bioindikatoren verwendet, um den ökologischen Zustand von Gewässern zu bestimmen¹. Die meisten Indizes zur Beschreibung von Makroinvertebratengemeinschaften konzentrieren sich auf taxonomische Metriken. Neue biologische Bewertungsinstrumente, die die Körpergröße integrieren, werden jedoch gefördert, um eine alternative oder ergänzende Perspektive zu taxonomischen Ansätzen zu bieten ^2,3.

Die Körpergröße gilt als Metamerkmal, das mit anderen lebenswichtigen Merkmalen wie Stoffwechsel, Wachstum, Atmung und Bewegung zusammenhängt⁴. Darüber hinaus kann die Körpergröße die trophische Position und die Wechselwirkungen bestimmen⁵. Die Beziehung zwischen der individuellen Körpergröße und der normalisierten Biomasse (oder Häufigkeit) nach Größenklasse in einer Gemeinschaft ist definiert als das Größenspektrum⁶ und folgt dem allgemeinen Muster einer linearen Abnahme der normalisierten Biomasse mit zunehmender individueller Größe auf einer logarithmischen Skala⁷. Die Steigung dieser linearen Beziehung wurde ausführlich theoretisch untersucht, und empirische Studien über Ökosysteme hinweg haben sie als ökologischen Indikator für die Größe der Gemeinschaft^{verwendet 4}. Ein weiterer synthetischer Indikator für die Struktur der Gemeinschaftsgröße, der erfolgreich in Studien zur Biodiversität und zum Funktionieren von Ökosystemen verwendet wurde, ist die Diversität der Gemeinschaftsgröße, die als Shannon-Index der Größenklassen des Größenspektrums oder seines Analogons dargestellt wird, der auf der Grundlage der individuellen Größenverteilungen berechnet wird⁸.

In Süßwasserökosystemen wird die Größenstruktur verschiedener Faunengruppen als ataktischer Indikator verwendet, um die Reaktion biotischer Lebensgemeinschaften auf Umweltgradienten 9,10,11 und auf anthropogene Störungen 12,13,14,15,16 zu bewerten. Makroinvertebraten sind keine Ausnahme, und ihre Größenstruktur reagiert auch auf Umweltveränderungen^17,18 und anthropogene Störungen wie Bergbau ¹⁹, Landnutzung 20 oder Stickstoff (N) und Phosphor (P) Anreicherung^20,21,22. Die Messung von Hunderten von Individuen zur Beschreibung der Gemeindegrößenstruktur ist jedoch eine mühsame und zeitraubende Aufgabe, die als Routinemessung in Laboratorien aus Zeitmangel oft vermieden wird. So wurden mehrere halbautomatische oder automatische Bildgebungsverfahren zur Klassifizierung und Vermessung von Proben entwickelt^23,24,25,26. Die meisten dieser Methoden konzentrieren sich jedoch mehr auf die taxonomische Klassifizierung als auf die individuelle Größe der Organismen und sind nicht für alle Arten von Makroinvertebraten einsatzbereit. In der marinen Planktonökologie wurde ein Scanning-Bildanalysesystem ausgiebig eingesetzt, um die Größe und taxonomische Zusammensetzung von Zooplanktongemeinschaften zu bestimmen 27,28,29,30,31. Dieses Instrument ist in mehreren Meeresinstituten weltweit zu finden und wird verwendet, um konservierte Zooplanktonproben zu scannen, um hochauflösende digitale Bilder der gesamten Probe zu erhalten. Das vorliegende Protokoll passt die Verwendung dieses Instruments an, um das Größenspektrum der Makroinvertebratengemeinschaften in Flüssen schnell und automatisch abzuschätzen, ohne in die Entwicklung eines neuen Geräts zu investieren.

Das Protokoll besteht darin, eine Probe zu scannen und das gesamte Bild zu verarbeiten, um automatisch einzelne Bilder (d.h. Vignetten) der Objekte in der Probe zu erhalten. Mehrere Messungen von Form, Größe und Graustufenmerkmalen charakterisieren jedes Objekt und ermöglichen die automatische Klassifizierung der Objekte in Kategorien, die dann von einem Experten validiert werden. Die individuelle Größe jedes Organismus wird anhand des ellipsoiden Biovolumens (mm³) berechnet, das sich aus der in Pixeln gemessenen Fläche des Organismus ableitet. Dies ermöglicht es, das Größenspektrum der Probe schnell zu erhalten. Nach unserem besten Wissen wurde dieses Scanning-Imaging-System nur zur Verarbeitung von Mesozooplanktonproben verwendet, aber das Gerät könnte möglicherweise die Arbeit mit benthischen Süßwasser-Makroinvertebraten ermöglichen.

Das übergeordnete Ziel dieser Studie ist es daher, eine Methode einzuführen, mit der die individuelle Größe von konservierten Flussmakroinvertebraten schnell ermittelt werden kann, indem ein bestehendes Protokoll angepasst wird, das zuvor mit marinem Mesozooplankton ^27,32,33 verwendet wurde. Das Verfahren besteht aus einem halbautomatischen Ansatz, der mit einem Scangerät zum Scannen von Wasserproben und drei offenen Programmen zur Verarbeitung der gescannten Bilder arbeitet. Ein angepasstes Protokoll zum Scannen, Erkennen und Identifizieren digitalisierter Flussmakroinvertebraten zur automatischen Erfassung der Gemeinschaftsgrößenstruktur und der damit verbundenen Größenmetriken wird hierin vorgestellt. Die Bewertung des Verfahrens und die Leitlinien zur Steigerung der Effizienz werden auch auf der Grundlage von 42 gescannten Bildern von Proben von Makroinvertebraten aus Flüssen vorgestellt, die aus drei Becken auf der nordöstlichen (nordöstlichen) Iberischen Halbinsel (Ter, Segre-Ebre und Besòs) entnommen wurden.

Die Proben wurden in 100 m langen Flussabschnitten nach dem Protokoll der spanischen Regierung für Feldproben und Laboranalysen von benthischen Flussmakroinvertebraten in durchfahrbaren Flüssen gesammelt³⁴. Die Proben wurden mit einem Surber-Probenehmer (Rahmen: 0,3 m x 0,3 m, Maschenweite: 250 μm) nach einer Multi-Habitat-Befragung gesammelt. Im Labor wurden die Proben gereinigt und durch ein 5 mm und ein 500 μm Maschen gesiebt, um zwei Teilproben zu erhalten: eine grobe Teilprobe (5 mm Maschen) und eine feine Teilprobe (500 μm Maschen), die in separaten Fläschchen gelagert und in 70% Ethanol konserviert wurden. Die Aufteilung der Probe in zwei Größenfraktionen ermöglicht eine bessere Schätzung der Struktur der Gemeinschaftsgröße, da große Organismen seltener und seltener sind als die kleinen Organismen. Andernfalls weist die gescannte Probe eine verzerrte Darstellung der großen Größenfraktion auf.