Processamento Automático de Imagem para Determinar a Estrutura do Tamanho da Comunidade de Macroinvertebrados Ribeirinhos

Summary

O artigo baseia-se na criação de um protocolo adaptado para escanear, detectar, classificar e identificar objetos digitalizados correspondentes a macroinvertebrados de rios bentônicos usando um procedimento de imagem semiautomático. Este procedimento permite a aquisição das distribuições de tamanho individual e métricas de tamanho de uma comunidade de macroinvertebrados em cerca de 1 h.

Abstract

O tamanho do corpo é um traço funcional importante que pode ser usado como um bioindicador para avaliar os impactos das perturbações nas comunidades naturais. A estrutura do tamanho da comunidade responde a gradientes bióticos e abióticos, incluindo perturbações antropogênicas entre táxons e ecossistemas. No entanto, a medição manual de organismos de corpo pequeno, como macroinvertebrados bentônicos (por exemplo, >500 μm a alguns centímetros de comprimento) é demorada. Para agilizar a estimativa da estrutura do tamanho da comunidade, desenvolvemos um protocolo para medir semi-automaticamente o tamanho corporal individual de macroinvertebrados de rios preservados, que são um dos bioindicadores mais comumente usados para avaliar o estado ecológico dos ecossistemas de água doce. Este protocolo é adaptado de uma metodologia existente desenvolvida para escanear o mesozooplâncton marinho com um sistema de varredura projetado para amostras de água. O protocolo consiste em três etapas principais: (1) varredura de subamostras (frações amostrais finas e grosseiras) de macroinvertebrados fluviais e processamento das imagens digitalizadas para individualizar cada objeto detectado em cada imagem; (2) criar, avaliar e validar um conjunto de aprendizagem através de inteligência artificial para separar semi-automaticamente as imagens individuais de macroinvertebrados de detritos e artefatos nas amostras digitalizadas; e (3) representando a estrutura de tamanho das comunidades de macroinvertebrados. Além do protocolo, este trabalho inclui os resultados da calibração e enumera vários desafios e recomendações para adaptar o procedimento a amostras de macroinvertebrados e considerar novas melhorias. No geral, os resultados apoiam o uso do sistema de varredura apresentado para a medição automática do tamanho corporal de macroinvertebrados fluviais e sugerem que a representação de seu espectro de tamanho é uma ferramenta valiosa para a rápida bioavaliação de ecossistemas de água doce.

Introduction

Os macroinvertebrados bentônicos são amplamente utilizados como bioindicadores para determinar o estado ecológico dos corpos d'água¹. A maioria dos índices para descrever comunidades de macroinvertebrados se concentra em métricas taxonômicas. No entanto, novas ferramentas de bioavaliação que integrem o tamanho corporal são encorajadas a fornecer uma perspectiva alternativa ou complementar às abordagens taxonômicas ^2,3.

O tamanho corporal é considerado um metatraço relacionado a outros traços vitais, como metabolismo, crescimento, respiração e movimento

Protocol

NOTA: O protocolo aqui descrito baseia-se no sistema desenvolvido por Gorsky et ^al.27 para o mesozooplâncton marinho. Uma descrição específica das etapas do scanner (ZooSCAN), do software de digitalização (VueScan 9x64 [9.5.09]), do software de processamento de imagens (Zooprocess, ImageJ) e do software de identificação automática (Plankton Identifier) pode ser encontrada nas referências anteriores^32,33. Para melhor ajustar os tamanhos dos macroinvertebrados bentônicos em relação ao mesozooplâncton, uma vez que o projeto é criado seguindo o protocolo original^32,33

Results

Aquisição de imagens digitais de amostras de macroinvertebrados
Nuances de varredura: Deposição de etanol na bandeja de varredura
Ao testar o sistema para macroinvertebrados, vários exames foram de baixa qualidade. Uma área saturada escura no fundo impediu o processamento normal da imagem e a medição dos tamanhos individuais dos macroinvertebrados (Figura 2). Várias razões foram dadas para o aparecimento de áreas saturadas no fundo ou imagens altamente.......

Discussion

A adaptação da metodologia descrita por Gorsky et al. 2010 para macroinvertebrados ribeirinhos permite alta acurácia de classificação na estimativa da estrutura do tamanho da comunidade em macroinvertebrados de água doce. Os resultados sugerem que o protocolo pode reduzir o tempo para estimar a estrutura de tamanho individual em uma amostra para cerca de 1 hora. Assim, o protocolo proposto pretende promover o uso rotineiro de espectros de tamanho de macroinvertebrados como um bioindicador rápido e integrador para avaliar.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Beaker	Labbox		Outros recipientes podem ser usados
Água dionizada	Icopresa	8420239600123	Para diluir o etanol
Funil	Vitlab	41094
Frascos de vidro 8 ml	Labbox	SVSN-C10-195	1 frasco/subamostra
Software ImageJ	Acesso		Versão 4.41o/ Software de processamento de imagem
Large frame	Hydroptic	Fornecido por ZooScan	24,5 cm x 15,8 cm
Monalcol 96 (Etanol 96)	Montplet	1050JE001
Plankton Identifier Software	Acesso		Versão 1.2.6/ Software de identificação automática
Peneira Cisa		26852.2	Abertura nominal 500µ e abertura nominal 0,5 cm
Pinças	Bondline	B5SA	Inox, anti-magnético, anti-ácido
VueScan 9 x 64 (9.5.09) Software	Hydroptic		Versão 9.0.51/ Sacn software
Agulha			Qualquer agulha de plástico ou madeira pode ser usada
Software Zooprocess	Acesso		Versão 7.14/Software de processamento de imagem
ZooScan	Hydroptic	54	Versão III/ Scanner