Processamento Automático de Imagem para Determinar a Estrutura do Tamanho da Comunidade de Macroinvertebrados Ribeirinhos

Os macroinvertebrados bentônicos são amplamente utilizados como bioindicadores para determinar o estado ecológico dos corpos d’água¹. A maioria dos índices para descrever comunidades de macroinvertebrados se concentra em métricas taxonômicas. No entanto, novas ferramentas de bioavaliação que integrem o tamanho corporal são encorajadas a fornecer uma perspectiva alternativa ou complementar às abordagens taxonômicas ^2,3.

O tamanho corporal é considerado um metatraço relacionado a outros traços vitais, como metabolismo, crescimento, respiração e movimento⁴. Além disso, o tamanho do corpo pode determinar a posição trófica e as interações⁵. A relação entre o tamanho corporal individual e a biomassa normalizada (ou abundância) por classe de tamanho em uma comunidade é definida como o espectro de tamanho⁶ e segue o padrão geral de uma diminuição linear da biomassa normalizada à medida que o tamanho individual aumenta em uma escala logarítmica⁷. A inclinação dessa relação linear tem sido extensivamente estudada teoricamente, e estudos empíricos em ecossistemas a têm utilizado como um indicador ecológico da estrutura de tamanho da comunidade⁴. Outro indicador sintético da estrutura de tamanho da comunidade que tem sido usado com sucesso em estudos de funcionamento da biodiversidade-ecossistema é a diversidade de tamanho da comunidade, que é representada como o índice de Shannon das classes de tamanho do espectro de tamanho ou seu analógico, que é calculado com base nas distribuições de tamanho individuais⁸.

Em ecossistemas de água doce, a estrutura de tamanho de diferentes grupos faunísticos é utilizada como indicador atáxico para avaliar a resposta de comunidades bióticas a gradientes ambientais 9,10,11 e a perturbações antrópicas 12,13,14,15,16. Os macroinvertebrados não são uma exceção, e sua estrutura de tamanho também responde a mudanças ambientais^17,18 e perturbações antropogênicas, como mineração ¹⁹, uso da terra 20 ou enriquecimento de nitrogênio (N) e fósforo (P)^20,21,22. No entanto, medir centenas de indivíduos para descrever a estrutura do tamanho da comunidade é uma tarefa tediosa e demorada que muitas vezes é evitada como uma medição de rotina em laboratórios devido à falta de tempo. Assim, vários métodos de imagem semiautomáticos ou automáticos para classificar e medir espécimes têm sido desenvolvidos^23,24,25,26. No entanto, a maioria desses métodos está focada na classificação taxonômica mais do que no tamanho individual dos organismos e não está pronta para uso em todos os tipos de macroinvertebrados. Na ecologia do plâncton marinho, um sistema de análise de imagens de varredura tem sido amplamente utilizado para determinar o tamanho e a composição taxonômica de comunidades de zooplâncton ^{27,28,29,30,31}. Este instrumento pode ser encontrado em vários institutos marinhos em todo o mundo, e é usado para digitalizar amostras de zooplâncton preservadas para obter imagens digitais de alta resolução de toda a amostra. O presente protocolo adapta o uso deste instrumento para estimar o tamanho do espectro da comunidade de macroinvertebrados em rios de forma rápida e automática, sem investir na criação de um novo dispositivo.

O protocolo consiste em digitalizar uma amostra e processar toda a imagem para obter automaticamente imagens únicas (ou seja, vinhetas) dos objetos na amostra. Várias medidas de forma, tamanho e características de nível de cinza caracterizam cada objeto e permitem a classificação automática dos objetos em categorias, que são então validadas por um especialista. O tamanho individual de cada organismo é calculado usando o biovolume elipsoidal (mm³), que é derivado da área do organismo medida em pixels. Isso permite obter o espectro de tamanho da amostra de maneira rápida. Até onde sabemos, este sistema de imagem de varredura só foi usado para processar amostras de mesozooplâncton, mas o dispositivo pode potencialmente permitir o trabalho com macroinvertebrados bentônicos de água doce.

O objetivo geral deste estudo é, portanto, introduzir um método para obter rapidamente o tamanho individual de macroinvertebrados fluviais preservados, adaptando um protocolo existente anteriormente utilizado com mesozooplâncton marinho 27,32,33. O procedimento consiste em usar uma abordagem semiautomática que opera com um dispositivo de digitalização para digitalizar amostras de água e três softwares abertos para processar as imagens digitalizadas. Um protocolo adaptado para digitalizar, detectar e identificar macroinvertebrados fluviais digitalizados para adquirir automaticamente a estrutura de tamanho da comunidade e as métricas de tamanho relacionadas é aqui apresentado. A avaliação do procedimento e as orientações para aumentar a eficiência também são apresentadas com base em 42 imagens digitalizadas de amostras de macroinvertebrados ribeirinhos coletadas de três bacias do Nordeste (NE) da Península Ibérica (Ter, Segre-Ebre e Besòs).

As amostras foram coletadas em trechos de rios de 100 m seguindo o protocolo de amostragem de campo e análise laboratorial de macroinvertebrados de rios bentônicos em rios transbordáveis do Governo Espanhol³⁴. As amostras foram coletadas com um amostrador de surber (quadro: 0,3 m x 0,3 m, malha: 250 μm) após um levantamento multi-habitat. No laboratório, as amostras foram limpas e peneiradas através de uma malha de 5 mm e 500 μm para obtenção de duas subamostras: uma subamostra grossa (malha de 5 mm) e uma subamostra fina (malha de 500 μm), que foram armazenadas em frascos separados e preservadas em etanol a 70%. Separar a amostra em duas frações de tamanho permite uma melhor estimativa da estrutura de tamanho da comunidade, uma vez que os organismos grandes são mais raros e menores do que os organismos pequenos. Caso contrário, a amostra digitalizada tem uma representação tendenciosa da fração de tamanho grande.