Procesamiento automático de imágenes para determinar la estructura del tamaño de la comunidad de macroinvertebrados ribereños

Los macroinvertebrados bentónicos se utilizan ampliamente como bioindicadores para determinar el estado ecológico de las masas de agua¹. La mayoría de los índices para describir comunidades de macroinvertebrados se centran en métricas taxonómicas. Sin embargo, se fomentan nuevas herramientas de bioevaluación que integren el tamaño corporal para proporcionar una perspectiva alternativa o complementaria a los enfoques taxonómicos ^2,3.

El tamaño corporal se considera un metarasgo que está relacionado con otros rasgos vitales como el metabolismo, el crecimiento, la respiración y el movimiento⁴. Además, el tamaño corporal puede determinar la posición trófica y las interacciones⁵. La relación entre el tamaño corporal individual y la biomasa normalizada (o abundancia) por clase de tamaño en una comunidad se define como el espectro de tamaño⁶ y sigue el patrón general de una disminución lineal en la biomasa normalizada a medida que aumenta el tamaño individual en una escala logarítmica⁷. La pendiente de esta relación lineal ha sido ampliamente estudiada teóricamente, y estudios empíricos a través de ecosistemas la han utilizado como un indicador ecológico de la estructura del tamaño de la comunidad⁴. Otro indicador sintético de la estructura del tamaño de la comunidad que se ha utilizado con éxito en los estudios de funcionamiento de la diversidad de la diversidad del tamaño de la comunidad, que se representa como el índice de Shannon de las clases de tamaño del espectro de tamaño o su análogo, que se calcula sobre la base de las distribuciones de tamaño individuales⁸.

En los ecosistemas de agua dulce, la estructura de tamaño de diferentes grupos faunísticos se utiliza como indicador atáxico para evaluar la respuesta de las comunidades bióticas a gradientes ambientales 9,10,11 y a perturbaciones antropogénicas 12,13,14,15,16. Los macroinvertebrados no son una excepción, y su estructura de tamaño también responde a cambios ambientales^17,18 y perturbaciones antropogénicas, como la minería ¹⁹, el uso de la tierra 20, o el enriquecimiento de nitrógeno (N) y fósforo (P) ^20,21,22. Sin embargo, medir a cientos de individuos para describir la estructura del tamaño de la comunidad es una tarea tediosa y lenta que a menudo se evita como una medición de rutina en los laboratorios debido a la falta de tiempo. Así, se han desarrollado varios métodos de imagen semiautomáticos o automáticos para clasificar y medir especímenes^23,24,25,26. Sin embargo, la mayoría de estos métodos se centran en la clasificación taxonómica más que en el tamaño individual de los organismos y no están listos para su uso para todo tipo de macroinvertebrados. En ecología del plancton marino, un sistema de análisis de imágenes de barrido se ha utilizado ampliamente para determinar el tamaño y la composición taxonómica de las comunidades de zooplancton 27,28,29,30,31. Este instrumento se puede encontrar en varios institutos marinos de todo el mundo, y se utiliza para escanear muestras de zooplancton preservadas para obtener imágenes digitales de alta resolución de toda la muestra. El presente protocolo adapta el uso de este instrumento para estimar el espectro del tamaño de la comunidad de macroinvertebrados en los ríos de manera rápida y automática sin invertir en la creación de un nuevo dispositivo.

El protocolo consiste en escanear una muestra y procesar toda la imagen para obtener automáticamente imágenes individuales (es decir, viñetas) de los objetos de la muestra. Varias medidas de forma, tamaño y características de nivel de gris caracterizan cada objeto y permiten la clasificación automática de los objetos en categorías, que luego son validadas por un experto. El tamaño individual de cada organismo se calcula utilizando el biovolumen elipsoidal (mm³), que se deriva del área del organismo medida en píxeles. Esto permite obtener el espectro de tamaño de la muestra de manera rápida. Hasta donde sabemos, este sistema de imágenes de escaneo solo se ha utilizado para procesar muestras de mesozooplancton, pero el dispositivo puede permitir trabajar con macroinvertebrados bentónicos de agua dulce.

El objetivo general de este estudio es, por lo tanto, introducir un método para obtener rápidamente el tamaño individual de los macroinvertebrados de río preservados mediante la adaptación de un protocolo existente previamente utilizado con mesozooplancton marino 27,32,33. El procedimiento consiste en utilizar un enfoque semiautomático que opera con un dispositivo de escaneo para escanear muestras de agua y tres software abierto para procesar las imágenes escaneadas. Aquí se presenta un protocolo adaptado para escanear, detectar e identificar macroinvertebrados de río digitalizados para adquirir automáticamente la estructura de tamaño de la comunidad y las métricas de tamaño relacionadas. La evaluación del procedimiento y las directrices para mejorar la eficiencia también se presentan a partir de 42 imágenes escaneadas de muestras de macroinvertebrados fluviales recogidas en tres cuencas del noreste (NE) de la Península Ibérica (Ter, Segre-Ebre y Besòs).

Las muestras se recogieron en tramos fluviales de 100 m siguiendo el protocolo de muestreo de campo y análisis de laboratorio de macroinvertebrados bentónicos de río en ríos vadeables del Gobierno español³⁴. Las muestras se recolectaron con un muestreador surber (marco: 0,3 m x 0,3 m, malla: 250 μm) después de un estudio de múltiples hábitats. En el laboratorio, las muestras se limpiaron y tamizaron a través de una malla de 5 mm y una malla de 500 μm para obtener dos submuestras: una submuestra gruesa (malla de 5 mm) y una submuestra fina (malla de 500 μm), que se almacenaron en viales separados y se conservaron en etanol al 70%. Separar la muestra en dos fracciones de tamaño permite una mejor estimación de la estructura del tamaño de la comunidad, ya que los organismos grandes son más raros y menos que los organismos pequeños. De lo contrario, la muestra escaneada tiene una representación sesgada de la fracción de gran tamaño.