नदी के मैक्रोअकशेरुकी जीवों की सामुदायिक आकार संरचना निर्धारित करने के लिए स्वचालित छवि प्रसंस्करण
Summary
यह लेख अर्ध-स्वचालित इमेजिंग प्रक्रिया का उपयोग करके बेंटिक नदी मैक्रोअकशेरुकी के अनुरूप डिजिटल वस्तुओं को स्कैन करने, पता लगाने, सॉर्ट करने और पहचानने के लिए एक अनुकूलित प्रोटोकॉल के निर्माण पर आधारित है। यह प्रक्रिया लगभग 1 घंटे में मैक्रोअकशेरुकी समुदाय के व्यक्तिगत आकार वितरण और आकार मैट्रिक्स के अधिग्रहण की अनुमति देती है।
Abstract
शरीर का आकार एक महत्वपूर्ण कार्यात्मक विशेषता है जिसका उपयोग प्राकृतिक समुदायों में गड़बड़ी के प्रभावों का आकलन करने के लिए बायोइंडिकेटर के रूप में किया जा सकता है। समुदाय आकार संरचना जैविक और अजैविक ग्रेडिएंट्स का जवाब देती है, जिसमें टैक्सा और पारिस्थितिक तंत्र में मानवजनित गड़बड़ी शामिल है। हालांकि, छोटे शरीर वाले जीवों जैसे कि बेंटिक मैक्रोअकशेरुकी जीवों का मैनुअल माप (उदाहरण के लिए, >500 μm से कुछ सेंटीमीटर लंबा) समय लेने वाला है। सामुदायिक आकार संरचना के आकलन में तेजी लाने के लिए, यहां, हमने संरक्षित नदी मैक्रोअकशेरुकी जीवों के व्यक्तिगत शरीर के आकार को अर्ध-स्वचालित रूप से मापने के लिए एक प्रोटोकॉल विकसित किया है, जो मीठे पानी के पारिस्थितिक तंत्र की पारिस्थितिक स्थिति का आकलन करने के लिए सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले जैव संकेतकों में से एक है। यह प्रोटोकॉल पानी के नमूनों के लिए डिज़ाइन की गई स्कैनिंग प्रणाली के साथ समुद्री मेसोज़ोप्लांकटन को स्कैन करने के लिए विकसित एक मौजूदा पद्धति से अनुकूलित है। प्रोटोकॉल में तीन मुख्य चरण होते हैं: (1) नदी मैक्रोअकशेरुकी जीवों के सूक्ष्म (ठीक और मोटे नमूना आकार अंश) को स्कैन करना और प्रत्येक छवि में प्रत्येक पता लगाई गई वस्तु को अलग करने के लिए डिजिटल छवियों को संसाधित करना; (2) स्कैन किए गए नमूनों में डेट्रिटस और कलाकृतियों से मैक्रोअकशेरुकी की व्यक्तिगत छवियों को अर्ध-स्वचालित रूप से अलग करने के लिए कृत्रिम बुद्धि के माध्यम से एक सीखने के सेट का निर्माण, मूल्यांकन और सत्यापन करना; और (3) मैक्रोअकशेरुकी समुदायों की आकार संरचना को दर्शाता है। प्रोटोकॉल के अलावा, इस काम में अंशांकन परिणाम शामिल हैं और मैक्रोअकशेरुकी नमूनों के लिए प्रक्रिया को अनुकूलित करने और आगे के सुधारों पर विचार करने के लिए कई चुनौतियों और सिफारिशों की गणना करता है। कुल मिलाकर, परिणाम नदी मैक्रोअकशेरुकी जीवों के स्वचालित शरीर के आकार के माप के लिए प्रस्तुत स्कैनिंग सिस्टम के उपयोग का समर्थन करते हैं और सुझाव देते हैं कि उनके आकार स्पेक्ट्रम का चित्रण मीठे पानी के पारिस्थितिक तंत्र के तेजी से जैव मूल्यांकन के लिए एक मूल्यवान उपकरण है।
Introduction
बेंटिक मैक्रोअकशेरुकी जीवों को मोटे तौर पर जल निकायों की पारिस्थितिक स्थिति निर्धारित करने के लिए जैव संकेतक के रूप में उपयोग किया जाताहै। मैक्रोअकशेरुकी समुदायों का वर्णन करने के लिए अधिकांश सूचकांक टैक्सोनोमिक मैट्रिक्स पर ध्यान केंद्रित करते हैं। हालांकि, शरीर के आकार को एकीकृत करने वाले नए बायोएसेसमेंट टूल को टैक्सोनोमिक दृष्टिकोण 2,3 के लिए एक वैकल्पिक या पूरक परिप्रेक्ष्य प्रदान करने के लिए प्रोत्साहित किया जाता है।
शरीर के आकार को एक मेटाट्रेट माना जाता है जो चयापचय, विकास, श्वसन और आंदोलन जैसे अन्य महत्वपूर्णलक्षणों से संबंधित है। इसके अलावा, शरीर का आकार ट्रॉफिक स्थिति और इंटरैक्शन निर्धारित करसकता है। एक समुदाय में आकार वर्ग द्वारा व्यक्तिगत शरीर के आकार और सामान्यीकृत बायोमास (या बहुतायत) के बीच संबंध को आकार स्पेक्ट्रम 6 के रूप में परिभाषित कियागया है और सामान्यीकृत बायोमास में रैखिक कमी के सामान्य पैटर्न का पालन करता है क्योंकि व्यक्तिगत आकार लघुगणकीय पैमाने7 पर बढ़ता है। इस रैखिक संबंध के ढलान का सैद्धांतिक रूप से बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है, और पारिस्थितिक तंत्र में अनुभवजन्य अध्ययनों ने इसे समुदाय आकार संरचना के पारिस्थितिक संकेतक के रूप में उपयोग कियाहै। समुदाय आकार संरचना का एक और सिंथेटिक संकेतक जो जैव विविधता-पारिस्थितिकी तंत्र के कामकाज के अध्ययन में सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है, वह सामुदायिक आकार विविधता है, जिसे आकार स्पेक्ट्रम या इसके एनालॉग के आकार वर्गों के शैनन सूचकांक के रूप में दर्शाया गया है, जिसकी गणना व्यक्तिगत आकार वितरण8 के आधार पर की जाती है।
मीठे पानी के पारिस्थितिक तंत्र में, विभिन्न जीव समूहों की आकार संरचना का उपयोग पर्यावरणीय ग्रेडिएंट9,10,11 और मानवजनित गड़बड़ी 12,13,14,15,16 के लिए जैविक समुदायों की प्रतिक्रिया का आकलन करने के लिए एक एटैक्सिक संकेतक के रूप में किया जाता है। मैक्रोअकशेरुकी एक अपवाद नहीं हैं, और उनकी आकार संरचना पर्यावरणीयपरिवर्तनों 17,18 और मानवजनित गड़बड़ी का भी जवाब देती है, जैसे खनन19, भूमि उपयोग20, या नाइट्रोजन (एन) और फास्फोरस (पी) संवर्धन20,21,22। हालांकि, समुदाय के आकार की संरचना का वर्णन करने के लिए सैकड़ों व्यक्तियों को मापना एक थकाऊ और समय लेने वाला कार्य है जिसे अक्सर समय की कमी के कारण प्रयोगशालाओं में नियमित माप के रूप में टाला जाता है। इस प्रकार, नमूनों को वर्गीकृत करने और मापने के लिए कई अर्ध-स्वचालित या स्वचालित इमेजिंग विधियां विकसित की गई हैं 23,24,25,26। हालांकि, इनमें से अधिकांश विधियां जीवों के व्यक्तिगत आकार की तुलना में टैक्सोनोमिक वर्गीकरण पर केंद्रित हैं और सभी प्रकार के मैक्रोअकशेरुकी जीवों के लिए उपयोग करने के लिए तैयार नहीं हैं। समुद्री प्लवक पारिस्थितिकी में, ज़ोप्लांकटन समुदायों27,28,29,30,31 के आकार और वर्गीकरण संरचना को निर्धारित करने के लिए एक स्कैनिंग छवि विश्लेषण प्रणाली का बड़े पैमाने पर उपयोग किया गया है। यह उपकरण दुनिया भर में कई समुद्री संस्थानों में पाया जा सकता है, और इसका उपयोग पूरे नमूने की उच्च-रिज़ॉल्यूशन डिजिटल छवियों को प्राप्त करने के लिए संरक्षित ज़ोप्लांकटन नमूनों को स्कैन करने के लिए किया जाता है। वर्तमान प्रोटोकॉल एक नया उपकरण बनाने में निवेश किए बिना तेजी से स्वचालित तरीके से नदियों में मैक्रोअकशेरुकी समुदाय आकार स्पेक्ट्रम का अनुमान लगाने के लिए इस उपकरण के उपयोग को अनुकूलित करता है।
प्रोटोकॉल में एक नमूना स्कैन करना और नमूने में वस्तुओं की एकल छवियों (यानी, विगनेट्स) को स्वचालित रूप से प्राप्त करने के लिए पूरी छवि को संसाधित करना शामिल है। आकार, आकार और ग्रे-स्तरीय विशेषताओं के कई उपाय प्रत्येक वस्तु को चिह्नित करते हैं और वस्तुओं के स्वचालित वर्गीकरण को श्रेणियों में अनुमति देते हैं, जिन्हें बाद में एक विशेषज्ञ द्वारा मान्य किया जाता है। प्रत्येक जीव के व्यक्तिगत आकार की गणना दीर्घवृत्तीय बायोवॉल्यूम (मिमी3) का उपयोग करके की जाती है, जो पिक्सेल में मापा जाने वाले जीव के क्षेत्र से प्राप्त होता है। यह तेजी से तरीके से नमूने के आकार स्पेक्ट्रम को प्राप्त करने की अनुमति देता है। हमारे ज्ञान के अनुसार, इस स्कैनिंग इमेजिंग सिस्टम का उपयोग केवल मेसोज़ोप्लांकटन नमूनों को संसाधित करने के लिए किया गया है, लेकिन डिवाइस संभावित रूप से मीठे पानी के बेंटिक मैक्रोअकशेरुकी जीवों के साथ काम करने की अनुमति दे सकता है।
इसलिए, इस अध्ययन का समग्र लक्ष्य समुद्री मेसोज़ोप्लांकटन27,32,33 के साथ पहले उपयोग किए जाने वाले मौजूदा प्रोटोकॉल को अनुकूलित करके संरक्षित नदी मैक्रोअकशेरुकी जीवों के व्यक्तिगत आकार को तेजी से प्राप्त करने के लिए एक विधि पेश करना है। प्रक्रिया में एक अर्ध-स्वचालित दृष्टिकोण का उपयोग करना शामिल है जो पानी के नमूनों को स्कैन करने के लिए स्कैनिंग डिवाइस और स्कैन की गई छवियों को संसाधित करने के लिए तीन खुले सॉफ्टवेयर के साथ संचालित होता है। समुदाय आकार संरचना और संबंधित आकार मैट्रिक्स को स्वचालित रूप से प्राप्त करने के लिए डिजिटाइज्ड नदी मैक्रोअकशेरुकी को स्कैन, पता लगाने और पहचानने के लिए एक अनुकूलित प्रोटोकॉल यहां प्रस्तुत किया गया है। दक्षता बढ़ाने के लिए प्रक्रिया और दिशानिर्देशों का मूल्यांकन उत्तर-पूर्वी (एनई) इबेरियन प्रायद्वीप (टेर, सेग्रे-एब्रे और बेसोस) में तीन बेसिनों से एकत्र किए गए नदी के मैक्रोअकशेरुकी नमूनों की 42 स्कैन की गई छवियों के आधार पर भी प्रस्तुत किया गया है।
स्पेनसरकार से फोर्डेबल नदियों में बेंटिक नदी मैक्रोअकशेरुकी जीवों के फील्ड सैंपलिंग और प्रयोगशाला विश्लेषण के प्रोटोकॉल का पालन करते हुए 100 मीटर नदी के हिस्सों में नमूने एकत्र किए गए थे। नमूने एक बहु-निवास सर्वेक्षण के बाद एक सुरबर सैंपलर (फ्रेम: 0.3 मीटर x 0.3 मीटर, जाल: 250 μm) के साथ एकत्र किए गए थे। प्रयोगशाला में, नमूनों को 5 मिमी और 500 μm जाल के माध्यम से साफ किया गया और छलनी किया गया ताकि दो अवशेष प्राप्त किए जा सकें: एक मोटा जाल (5 मिमी जाल) और एक महीन जाल (500 μm जाल), जिसे अलग-अलग शीशियों में संग्रहीत किया गया था और 70% इथेनॉल में संरक्षित किया गया था। नमूने को दो आकार के अंशों में अलग करने से समुदाय के आकार की संरचना का बेहतर अनुमान लगाया जा सकता है, क्योंकि बड़े जीव दुर्लभ होते हैं और छोटे जीवों की तुलना में कम होते हैं। अन्यथा, स्कैन किए गए नमूने में बड़े आकार के अंश का पक्षपाती प्रतिनिधित्व होता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
नदी के मैक्रोअकशेरुकी जीवों के लिए गोर्स्की एट अल 2010 द्वारा वर्णित पद्धति का अनुकूलन मीठे पानी के मैक्रोअकशेरुकी जीवों में सामुदायिक आकार संरचना का अनुमान लगाने में उच्च वर्गीकरण सटीकता की अनुमति दे…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को स्पेनिश विज्ञान, नवाचार और विश्वविद्यालयों के मंत्रालय (अनुदान संख्या आरटीआई 2018-095363-बी-आई00) द्वारा समर्थित किया गया था। हम सीईआरएम-यूविक-यूसीसी सदस्यों एलिया ब्रेटेक्सा, अन्ना कोस्टारोसा, लाइया जिमनेज़, मारिया इसाबेल गोंजालेज, मार्टा जुत्गलार, फ्रांसेस्क लाच और नुरिया सेलारेस को मैक्रोअकशेरुकी फील्ड सैंपलिंग और प्रयोगशाला छंटाई में उनके काम के लिए और डेविड अल्बेसा को नमूना स्कैनिंग में सहयोग करने के लिए धन्यवाद देते हैं। हम अंततः प्रयोगशाला सुविधाओं और स्कैनर डिवाइस के उपयोग के लिए जोसेफ मारिया गिली और इंस्टीट्यूट डी सिएन्सीज़ डेल मार (आईसीएम-सीएसआईसी) को धन्यवाद देते हैं।
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 |
Referências
- 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).
