Automatische Bildverarbeitung zur Bestimmung der Gemeinschaftsgrößenstruktur von Flussmakroinvertebraten

Summary

Der Artikel basiert auf der Erstellung eines angepassten Protokolls zum Scannen, Erkennen, Sortieren und Identifizieren digitalisierter Objekte, die benthischen Flussmakroinvertebraten entsprechen, unter Verwendung eines halbautomatischen Bildgebungsverfahrens. Dieses Verfahren ermöglicht die Erfassung der individuellen Größenverteilungen und Größenmetriken einer Makroinvertebratengemeinschaft in ca. 1 h.

Abstract

Die Körpergröße ist ein wichtiges funktionelles Merkmal, das als Bioindikator verwendet werden kann, um die Auswirkungen von Störungen in natürlichen Lebensgemeinschaften zu bewerten. Die Struktur der Gemeinschaftsgröße reagiert auf biotische und abiotische Gradienten, einschließlich anthropogener Störungen zwischen Taxa und Ökosystemen. Die manuelle Messung von kleinwüchsigen Organismen wie benthischen Makroinvertebraten (z.B. >500 μm bis wenige Zentimeter lang) ist jedoch zeitaufwendig. Um die Schätzung der Populationsgröße zu beschleunigen, haben wir hier ein Protokoll entwickelt, um die individuelle Körpergröße von konservierten Flussmakroinvertebraten halbautomatisch zu messen, die einer der am häufigsten verwendeten Bioindikatoren zur Beurteilung des ökologischen Zustands von Süßwasserökosystemen sind. Dieses Protokoll basiert auf einer bestehenden Methodik, die entwickelt wurde, um marines Mesozooplankton mit einem Scansystem für Wasserproben zu scannen. Das Protokoll besteht aus drei Hauptschritten: (1) Scannen von Teilproben (feine und grobe Probengrößenfraktionen) von Flussmakroinvertebraten und Verarbeitung der digitalisierten Bilder, um jedes detektierte Objekt in jedem Bild zu individualisieren; (2) Erstellen, Auswerten und Validieren eines Lernsets durch künstliche Intelligenz, um die einzelnen Bilder von Makroinvertebraten halbautomatisch von Detritus und Artefakten in den gescannten Proben zu trennen; und (3) die Darstellung der Größenstruktur der Makroinvertebratengemeinschaften. Neben dem Protokoll enthält diese Arbeit die Kalibrierungsergebnisse und listet mehrere Herausforderungen und Empfehlungen auf, um das Verfahren an Makroinvertebratenproben anzupassen und für weitere Verbesserungen in Betracht zu ziehen. Insgesamt unterstützen die Ergebnisse den Einsatz des vorgestellten Scanning-Systems für die automatische Körpergrößenmessung von Flussmakroinvertebraten und legen nahe, dass die Darstellung ihres Größenspektrums ein wertvolles Werkzeug für die schnelle Biobewertung von Süßwasserökosystemen ist.

Introduction

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....

Protocol

ANMERKUNG: Das hier beschriebene Protokoll basiert auf dem von Gorsky et ^al.27 entwickelten System für marines Mesozooplankton. Eine genaue Beschreibung der Schritte Scanner (ZooSCAN), Scan-Software (VueScan 9x64 [9.5.09]), Bildverarbeitungssoftware (Zooprocess, ImageJ) und automatische Identifikationssoftware (Plankton Identifier) finden Sie in den vorherigen Referenzen^32,33. Um die Größe der benthischen Makroinvertebraten in Bezug auf das Mesozooplankton bestmöglich anzupassen, ändern Sie den Parameter der minimalen Größe (minsizeesd_mm) auf 0,3 mm und den Parameter der maximalen Größ....

Results

Erfassung digitaler Bilder von Makroinvertebratenproben
Scan-Nuancen: Ethanol-Ablagerung im Scan-Fach
Beim Testen des Systems auf Makroinvertebraten waren mehrere Scans von schlechter Qualität. Ein dunkler, gesättigter Bereich im Hintergrund verhinderte eine normale Bildbearbeitung und die Messung der einzelnen Größen der Makroinvertebraten (Abbildung 2). Es wurden mehrere Gründe für das Auftreten von gesättigten Bereichen im Hintergrund oder stark ver.......

Discussion

Die Anpassung der von Gorsky et al. 2010 beschriebenen Methodik für Flussmakroinvertebraten ermöglicht eine hohe Klassifikationsgenauigkeit bei der Schätzung der Gemeinschaftsgrößenstruktur bei Süßwasser-Makroinvertebraten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Protokoll die Zeit für die Schätzung der individuellen Größenstruktur in einer Probe auf etwa 1 Stunde reduzieren kann. Daher soll das vorgeschlagene Protokoll die routinemäßige Verwendung von Größenspektren von Makroinvertebraten als schnellen und integrativ.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Becher	Labbox		Andere Behälter könnten verwendet werden
Dionisiertes Wasser	Icopresa	8420239600123	Zur Verdünnung des
Ethanoltrichters	Vitlab	41094
Glasfläschchen 8 ml	Labbox	SVSN-C10-195	1 Fläschchen/Teilprobe
ImageJ Software	Kostenloser Zugang		Version 4.41o/ Bildbearbeitungssoftware
Large frame	Hydroptic	Zur Verfügung gestellt von ZooScan	24,5 cm x 15,8 cm
Monalcol 96 (Ethanol 96)	Montplet	1050JE001
Plankton Identifier Software	Freier Zugang		Version 1.2.6/ Automatische Identifikationssoftware
Sieb	Cisa	26852.2	Nennöffnung 500&Mikro und Nennöffnung 0,5 cm
Pinzette	Bondline	B5SA	Rostfrei, antimagnetisch, Anti-Säure
VueScan 9 x 64 (9.5.09) Software	Hydroptic		Version 9.0.51/ Sacn Software
Holznadel			Jede Kunststoff- oder Holznadel kann verwendet werden
Zooprocess Software	Kostenloser Zugang		Version 7.14/Bildbearbeitungssoftware
ZooScan	Hydroptic	54	Version III/ Scanner