Elaborazione automatica delle immagini per determinare la struttura delle dimensioni della comunità dei macroinvertebrati fluviali

Summary

L'articolo si basa sulla creazione di un protocollo adattato per scansionare, rilevare, ordinare e identificare oggetti digitalizzati corrispondenti a macroinvertebrati fluviali bentonici utilizzando una procedura di imaging semiautomatica. Questa procedura consente l'acquisizione delle distribuzioni dimensionali individuali e delle metriche dimensionali di una comunità di macroinvertebrati in circa 1 ora.

Abstract

La dimensione corporea è un importante tratto funzionale che può essere utilizzato come bioindicatore per valutare gli impatti delle perturbazioni nelle comunità naturali. La struttura delle dimensioni della comunità risponde ai gradienti biotici e abiotici, comprese le perturbazioni antropogeniche tra taxa ed ecosistemi. Tuttavia, la misurazione manuale di organismi di piccole dimensioni come i macroinvertebrati bentonici (ad esempio, >da 500 μm a pochi centimetri di lunghezza) richiede molto tempo. Per accelerare la stima della struttura delle dimensioni della comunità, qui, abbiamo sviluppato un protocollo per misurare semi-automaticamente le dimensioni corporee individuali dei macroinvertebrati fluviali conservati, che sono uno dei bioindicatori più comunemente usati per valutare lo stato ecologico degli ecosistemi di acqua dolce. Questo protocollo è adattato da una metodologia esistente sviluppata per scansionare il mesozooplancton marino con un sistema di scansione progettato per campioni d'acqua. Il protocollo consiste in tre fasi principali: (1) scansione di sottocampioni (frazioni di dimensioni del campione fini e grossolane) di macroinvertebrati fluviali ed elaborazione delle immagini digitalizzate per individualizzare ogni oggetto rilevato in ciascuna immagine; (2) creare, valutare e convalidare un set di apprendimento attraverso l'intelligenza artificiale per separare semi-automaticamente le singole immagini di macroinvertebrati da detriti e artefatti nei campioni scansionati; e (3) raffigurando la struttura dimensionale delle comunità di macroinvertebrati. Oltre al protocollo, questo lavoro include i risultati della calibrazione ed elenca diverse sfide e raccomandazioni per adattare la procedura ai campioni di macroinvertebrati e da considerare per ulteriori miglioramenti. Nel complesso, i risultati supportano l'uso del sistema di scansione presentato per la misurazione automatica delle dimensioni corporee dei macroinvertebrati fluviali e suggeriscono che la rappresentazione del loro spettro dimensionale è uno strumento prezioso per la rapida biovalutazione degli ecosistemi di acqua dolce.

Introduction

I macroinvertebrati bentonici sono ampiamente utilizzati come bioindicatori per determinare lo stato ecologico dei corpi idrici¹. La maggior parte degli indici per descrivere le comunità di macroinvertebrati si concentra su metriche tassonomiche. Tuttavia, i nuovi strumenti di biovalutazione che integrano le dimensioni corporee sono incoraggiati a fornire una prospettiva alternativa o complementare agli approcci tassonomici ^2,3.

La dimensione del corpo è considerata un metatratto correlato ad altri tratti vitali come il metabolismo, la crescita, la respirazio....

Protocol

NOTA: Il protocollo qui descritto si basa sul sistema sviluppato da Gorsky et ^al.27 per il mesozooplancton marino. Una descrizione specifica dello scanner (ZooSCAN), del software di scansione (VueScan 9x64 [9.5.09]), del software di elaborazione delle immagini (Zooprocess, ImageJ) e del software di identificazione automatica (Plankton Identifier) si trova nei riferimenti precedenti^32,33. Per regolare al meglio le dimensioni dei macroinvertebrati bentonici rispetto al mesozooplancton, una volta creato il progetto seguendo il protocollo originale^32,33, modificare i....

Results

Acquisizione di immagini digitali di campioni di macroinvertebrati
Sfumature di scansione: deposizione di etanolo nel vassoio di scansione
Durante il test del sistema per i macroinvertebrati, diverse scansioni erano di scarsa qualità. Un'area scura satura sullo sfondo ha impedito la normale elaborazione dell'immagine e la misurazione delle dimensioni individuali dei macroinvertebrati (Figura 2). Diverse ragioni sono state fornite per la comparsa di are.......

Discussion

L'adattamento della metodologia descritta da Gorsky et al. 2010 per i macroinvertebrati fluviali consente un'elevata accuratezza di classificazione nella stima della struttura dimensionale della comunità nei macroinvertebrati d'acqua dolce. I risultati suggeriscono che il protocollo può ridurre il tempo per stimare la struttura dimensionale individuale in un campione a circa 1 ora. Pertanto, il protocollo proposto ha lo scopo di promuovere l'uso di routine degli spettri dimensionali dei macroinvertebrati come bioindicato.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Becher	Labbox		Altri contenitori potrebbero essere utilizzati
Acqua dionizzata	Icopresa	8420239600123	Per diluire l'etanolo
Imbuto	Vitlab	41094
Fiale di vetro 8 ml	Labbox	SVSN-C10-195	1 fiala/sottocampione
ImageJ Software	Accesso		Versione 4.41o/ Software di elaborazione delle immagini
Grande cornice	Hydroptic	Fornito da ZooScan	24,5 cm x 15,8 cm
Monalcol 96 (Etanolo 96)	Montplet	1050JE001
Software di identificazione del plancton Accesso			Versione 1.2.6/ Software di identificazione automatica
Setaccio	Cisa	26852.2	Apertura nominale 500µ e apertura nominale 0,5 cm
Pinzetta	Bondline	B5SA	Inossidabile, antimagnetico, antiacido
VueScan 9 x 64 (9.5.09) Software	Hydroptic		Version 9.0.51/ Software Sacn
Ago			È possibile utilizzare qualsiasi ago di plastica o di legno
Software Zooprocess	Accesso		Versione 7.14/Software di elaborazione immagini
ZooScan	Hydroptic	54	Versione III/ Scanner