Automatisk bildebehandling for å bestemme samfunnsstørrelsesstrukturen til elvevirvelløse dyr
Summary
Artikkelen er basert på opprettelsen av en tilpasset protokoll for å skanne, oppdage, sortere og identifisere digitaliserte objekter som tilsvarer bentiske elvemakroinvertebrater ved hjelp av en halvautomatisk bildebehandlingsprosedyre. Denne prosedyren tillater oppkjøp av de individuelle størrelsesfordelingene og størrelsesberegningene til et makroinvertebratsamfunn på omtrent 1 time.
Abstract
Kroppsstørrelse er et viktig funksjonelt trekk som kan brukes som en bioindikator for å vurdere virkningen av forstyrrelser i naturlige samfunn. Samfunnsstørrelsesstruktur reagerer på biotiske og abiotiske gradienter, inkludert menneskeskapte forstyrrelser på tvers av taxa og økosystemer. Imidlertid er den manuelle målingen av små organismer som bentiske makroinvertebrater (f.eks. >500 μm til noen få centimeter lang) tidkrevende. For å fremskynde estimeringen av samfunnets størrelsesstruktur, utviklet vi her en protokoll for halvautomatisk å måle den individuelle kroppsstørrelsen til bevarte elvmakroinvertebrater, som er en av de mest brukte bioindikatorene for å vurdere den økologiske tilstanden til ferskvannsøkosystemer. Denne protokollen er tilpasset fra en eksisterende metodikk utviklet for å skanne marine mesozooplankton med et skannesystem designet for vannprøver. Protokollen består av tre hovedtrinn: (1) skanning av delprøver (fine og grove prøvestørrelsesfraksjoner) av elvmakroinvertebrater og behandling av de digitaliserte bildene for å individualisere hvert oppdaget objekt i hvert bilde; (2) opprette, evaluere og validere et læringssett gjennom kunstig intelligens for å halvautomatisk skille de enkelte bildene av makroinvertebrater fra detritus og gjenstander i de skannede prøvene; og (3) skildre størrelsesstrukturen til makroinvertebratsamfunnene. I tillegg til protokollen inkluderer dette arbeidet kalibreringsresultatene og oppregner flere utfordringer og anbefalinger for å tilpasse prosedyren til makroinvertebratprøver og å vurdere ytterligere forbedringer. Samlet sett støtter resultatene bruken av det presenterte skannesystemet for automatisk kroppsstørrelsesmåling av elvmakroinvertebrater og antyder at skildringen av deres størrelsesspekter er et verdifullt verktøy for rask biovurdering av ferskvannsøkosystemer.
Introduction
Bentiske makroinvertebrater brukes bredt som bioindikatorer for å bestemme den økologiske tilstanden til vannlegemer1. De fleste indekser for å beskrive makroinvertebrate samfunn fokuserer på taksonomiske beregninger. Imidlertid oppfordres nye biovurderingsverktøy som integrerer kroppsstørrelse til å gi et alternativt eller komplementært perspektiv til taksonomiske tilnærminger 2,3.
Kroppsstørrelse regnes som et metatrekk som er relatert til andre viktige egenskaper som metabolisme, vekst, respirasjonog bevegelse. Videre kan kroppsstørrelse bestemme trofisk posisjon og interaksjoner5. Forholdet mellom individuell kroppsstørrelse og normalisert biomasse (eller overflod) etter størrelsesklasse i et samfunn er definert som størrelsesspekteret6 og følger det generelle mønsteret av en lineær reduksjon i normalisert biomasse når individuell størrelse øker på en logaritmisk skala7. Hellingen av dette lineære forholdet har blitt grundig studert teoretisk, og empiriske studier på tvers av økosystemer har brukt det som en økologisk indikator på samfunnsstørrelsesstrukturen4. En annen syntetisk indikator på samfunnsstørrelsesstruktur som har blitt brukt med hell i studier av biologisk mangfold-økosystemfunksjon, er samfunnsstørrelsesdiversitet, som er representert som Shannon-indeksen for størrelsesklassene i størrelsesspekteret eller dets analoge, som beregnes ut fra de individuelle størrelsesfordelingene8.
I ferskvannsøkosystemer brukes størrelsesstrukturen til forskjellige faunagrupper som en ataksisk indikator for å vurdere responsen fra biotiske samfunn til miljøgradienter 9,10,11 og til menneskeskapte forstyrrelser 12,13,14,15,16. Makroinvertebrater er ikke et unntak, og deres størrelsesstruktur reagerer også på miljøendringer17,18 og menneskeskapte forstyrrelser, som gruvedrift 19, arealbruk 20, eller nitrogen (N) og fosfor (P) anrikning20,21,22. Å måle hundrevis av individer for å beskrive samfunnsstørrelsesstrukturen er imidlertid en kjedelig og tidkrevende oppgave som ofte unngås som en rutinemessig måling i laboratorier på grunn av mangel på tid. Dermed er det utviklet flere halvautomatiske eller automatiske bildebehandlingsmetoder for å klassifisere og måle prøver23,24,25,26. Imidlertid er de fleste av disse metodene fokusert på taksonomisk klassifisering mer enn på organismens individuelle størrelse og er ikke klare til bruk for alle slags makroinvertebrater. I marin planktonøkologi har et skanningsbildeanalysesystem blitt mye brukt til å bestemme størrelsen og taksonomisk sammensetning av dyreplanktonsamfunn 27,28,29,30,31. Dette instrumentet finnes i flere marine institutter over hele verden, og det brukes til å skanne bevarte dyreplanktonprøver for å oppnå høyoppløselige digitale bilder av hele prøven. Den nåværende protokollen tilpasser bruken av dette instrumentet for å estimere det makroinvertebrate samfunnsstørrelsesspekteret i elver på en rask automatisk måte uten å investere i å skape en ny enhet.
Protokollen består av å skanne en prøve og behandle hele bildet for automatisk å få enkeltbilder (dvs. vignetter) av objektene i prøven. Flere mål på form, størrelse og grånivåfunksjoner karakteriserer hvert objekt og tillater automatisk klassifisering av objektene i kategorier, som deretter valideres av en ekspert. Den individuelle størrelsen på hver organisme beregnes ved hjelp av ellipsoidal biovolume (mm3), som er avledet fra området av organismen målt i piksler. Dette gjør det mulig å oppnå størrelsesspekteret til prøven på en rask måte. Så vidt vi vet, har dette skanningsbildesystemet bare blitt brukt til å behandle mesozooplanktonprøver, men enheten kan potensielt tillate arbeid med ferskvannsbentiske makroinvertebrater.
Det overordnede målet med denne studien er derfor å introdusere en metode for raskt å oppnå den individuelle størrelsen på bevarte elvmakroinvertebrater ved å tilpasse en eksisterende protokoll som tidligere ble brukt med marine mesozooplankton 27,32,33. Prosedyren består av å bruke en halvautomatisk tilnærming som opererer med en skanneenhet for å skanne vannprøver og tre åpne programvare for å behandle de skannede bildene. En tilpasset protokoll for å skanne, oppdage og identifisere digitaliserte elvemakroinvertebrater for automatisk å skaffe seg samfunnets størrelsesstruktur og relaterte størrelsesberegninger presenteres her. Vurderingen av prosedyren og retningslinjene for å øke effektiviteten presenteres også basert på 42 skannede bilder av elvemakroinvertebratprøver samlet inn fra tre bassenger på den nordøstlige (NE) iberiske halvøy (Ter, Segre-Ebre og Besòs).
Prøvene ble samlet inn på 100 m elvestrekninger etter protokollen for feltprøvetaking og laboratorieanalyse av bunndyrmakroinvertebrater i fordable elver fra den spanske regjeringen34. Prøvene ble samlet inn med en surber sampler (ramme: 0,3 m x 0,3 m, mesh: 250 μm) etter en multi-habitat undersøkelse. I laboratoriet ble prøvene rengjort og siktet gjennom et 5 mm og et 500 μm nett for å oppnå to underprøver: en grov subsample (5 mm mesh) og en fin subsample (500 μm mesh), som ble lagret i separate hetteglass og konservert i 70% etanol. Separering av prøven i to størrelsesfraksjoner muliggjør en bedre estimering av samfunnsstørrelsesstrukturen, siden store organismer er sjeldnere og færre enn de små organismene. Ellers har den skannede prøven en partisk representasjon av den store størrelsesfraksjonen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tilpasningen av metodikken beskrevet av Gorsky et al. 2010 for elvemakroinvertebrater muliggjør høy klassifiseringsnøyaktighet ved estimering av samfunnsstørrelsesstrukturen hos ferskvannsmakroinvertebrater. Resultatene antyder at protokollen kan redusere tiden for estimering av den individuelle størrelsesstrukturen i et utvalg til ca. 1 time. Den foreslåtte protokollen er således ment å fremme rutinemessig bruk av makroinvertebrate størrelsesspektra som en rask og integrerende bioindikator for å vurdere virkni…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av det spanske departementet for vitenskap, innovasjon og universiteter (tilskuddsnummer RTI2018-095363-B-I00). Vi takker CERM-UVic-UCC-medlemmene Èlia Bretxa, Anna Costarrosa, Laia Jiménez, María Isabel González, Marta Jutglar, Francesc Llach og Núria Sellarès for deres arbeid innen prøvetaking og laboratoriesortering av virvelløse dyr og David Albesa for samarbeidet i prøveskanningen. Til slutt takker vi Josep Maria Gili og Institut de Ciències del Mar (ICM-CSIC) for bruken av laboratoriefasilitetene og skannerenheten.
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).
