Oceanografische gegevens visualiseren om langetermijnveranderingen in fytoplankton weer te geven
Summary
Hier presenteren we een protocol voor het omzetten van fytoplankton microscopische beelden in vectorafbeeldingen en repetitieve patronen om visualisatie van verschuivingen in fytoplanktontaxa en biomassa over 60 jaar mogelijk te maken. Dit protocol vertegenwoordigt een benadering die kan worden gebruikt voor andere planktontijdreeksen en datasets wereldwijd.
Abstract
Oceanografische tijdreeksen bieden een belangrijk perspectief op milieuprocessen in ecosystemen. De Narragansett Bay Long-Term Plankton Time Series (NBPTS) in Narragansett Bay, Rhode Island, VS, vertegenwoordigt een van de langste planktontijdreeksen (1959-heden) in zijn soort ter wereld en biedt een unieke kans om langetermijnveranderingen binnen een aquatisch ecosysteem te visualiseren. Fytoplankton vormt de basis van het voedselweb in de meeste mariene systemen, waaronder Narragansett Bay. Daarom is het van cruciaal belang om hun belang over te brengen aan de 2.4 miljard mensen die in de kustoceaan leven. We hebben een protocol ontwikkeld met als doel de diversiteit en omvang van fytoplankton te visualiseren door Adobe Illustrator te gebruiken om microscopische afbeeldingen van fytoplankton verzameld uit de NBPTS om te zetten in vectorafbeeldingen die in de loop van de tijd kunnen worden aangepast aan repetitieve visuele patronen. Numeriek overvloedige taxa of taxa die een economische en gezondheidsbedreiging vormden, zoals de schadelijke algenbloeitaxa, Pseudo-nitzschia spp., werden geselecteerd voor beeldconversie. Patronen van verschillende fytoplanktonbeelden werden vervolgens gemaakt op basis van hun relatieve overvloed voor geselecteerde decennia van verzamelde gegevens (jaren 1970, 1990 en 2010). Decadale patronen van fytoplanktonbiomassa vormden de basis voor de omtrek van elk decennium, terwijl een achtergrondkleurgradiënt van blauw naar rood werd gebruikt om een langdurige temperatuurstijging te onthullen die werd waargenomen in Narragansett Bay. Ten slotte werden grote panelen van 96 inch bij 34 inch geprint met herhalende fytoplanktonpatronen om mogelijke veranderingen in de hoeveelheid fytoplankton in de loop van de tijd te illustreren. Dit project maakt visualisatie mogelijk van letterlijke verschuivingen in fytoplanktonbiomassa, die doorgaans onzichtbaar zijn voor het blote oog, terwijl gebruik wordt gemaakt van real-time seriegegevens (bijv. fytoplanktonbiomassa en abundantie) in het kunstwerk zelf. Het vertegenwoordigt een benadering die kan worden gebruikt voor vele andere planktontijdreeksen voor datavisualisatie, communicatie, onderwijs en outreach-inspanningen.
Introduction
Fytoplankton is een primaire producent die de basis vormt van het voedselweb in aquatische ecosystemen 1,2. Hoewel fytoplanktonmonitoringprogramma’s essentieel zijn voor het identificeren van huidige en toekomstige veranderingen in mariene ecosystemen, neemt hun steun in de loop van de tijd af 3. Door hun relatief korte generatietijden en beperkte mobiliteit zijn fytoplankton bijzonder gevoelig voor klimaatverandering, waardoor ze een belangrijk hulpmiddel zijn bij het monitoren van tijdreeksen. Tijdreeksen van fytoplankton zijn ook belangrijk voor het informeren van ecosysteemgebaseerd beheer van de beschikbaarheid van hulpbronnen en het bieden van context voor episodische gebeurtenissen, zoals mariene hittegolven4. Kortetermijntijdreeksen, over de kwestie van jaren, geven inzicht in de opvolging van fytoplanktongemeenschappen en seizoensdynamiek (bijv. ref.5,6), terwijl tijdreeksen op lange termijn, zoals de Bermuda Atlantic Time Series (BATS) en Hawaii Ocean Times Series (HOTS)-programma’s, meer dan twee decennia beslaan en de detectie van langetermijntrends mogelijk maken 7,8. Dergelijke studies illustreren het voordeel en het belang van een sterk opgelost fytoplanktonrecord voor een volledig begrip van ecosysteemveranderingen op lange termijn in dynamische mariene omgevingen. Verder is het visualiseren en communiceren van deze veranderingen in fytoplankton, die niet met het blote oog kunnen worden gezien, moeilijker te begrijpen dan voor organismen die groot en goed zichtbaar zijn, zoals vissen en walvissen. Computervisualisaties bieden een techniek om complexe datasets te verkennen9 en verbeterde illustratieve afbeeldingen komen direct beschikbaar (bijv. Integration and Application Network, University of Maryland Center for Environmental Science). De meeste studies in de ecologie van fytoplankton, waaronder veel waarnaar hier wordt verwezen, presenteren echter nog steeds alleen resultaten als datagrafieken die hun toegankelijkheid voor een algemeen publiek verminderen. Gezien het feit dat fytoplankton de basis vormt van het voedselweb in de meeste mariene systemen, is het van cruciaal belang om het belang ervan te communiceren aan de bijna 2.4 miljard mensen die in de kustoceaan leven10. Hier hebben we een protocol ontwikkeld met als doel de diversiteit en omvang van fytoplankton te visualiseren, zoals verzameld door een fytoplanktonmonitoringsprogramma.
De Narragansett Bay Plankton Time Series (NBPTS) biedt een langetermijnperspectief van 60+ jaar (1959-heden) op de effecten van wereldwijde verandering binnen een klimaatcontext op de overvloed aan fytoplankton, seizoensgebondenheid en fenologie (levensgeschiedenis). Narragansett Bay (NBay) is een kustestuarium dat verbonden is met de bredere systemen van het noordoostelijk plat van de VS en de noordwestelijke Atlantische Oceaan, waarvan de productie belangrijke implicaties heeft voor de visserij en het menselijk gebruik langs de kust van de VS.11. NBay wordt beschouwd als een zeer seizoensgebonden systeem dat langdurig (1950-2015) opwarmende wateren in de regio ervaart, evenals verschuivingen in voedingsstoffen en een toename van de helderheid van het water12,13. Bovendien is er in de bovenloop van de NBay een afname van de fytoplanktonbiomassa opgetreden als gevolg van antropogene afnames van opgeloste anorganische stikstof, die gedeeltelijk wordt toegeschreven aan upgrades in afvalwaterzuiveringsinstallaties12. Verschuivingen in fytoplanktontaxa, met name schadelijke algenbloei (HAB’s), doen zich ook voor in NBay. Pseudo-nitzschia spp., die alomtegenwoordige giftige bloei produceert in opwellingsgebieden langs de westkust van de VS, leidde in 2016 en 2017 voor het eerst in de geschiedenis van NBay tot opmerkelijke sluitingen van schelpdieren 14,15,16. Het communiceren van deze veranderingen aan een divers publiek is belangrijk voor het vergroten van de wetenschappelijke geletterdheid en voor het bevorderen van voortdurende ondersteuning van fytoplanktonmonitoringstudies.
Het doel van dit project was om microscopische beelden van fytoplankton van NBay te gebruiken, evenals gegevens gesynthetiseerd van NBPTS, om de letterlijke verschuivingen in fytoplanktontaxa en biomassa die zich voordoen in NBay te visualiseren om het belang van fytoplankton aan het grote publiek te communiceren en te vergroten. NBPTS biedt 60+ jaar openbaar beschikbare wekelijkse fytoplanktontellingen en biomassa om gebruik te maken van gegevens van (https://web.uri.edu/gso/research/plankton/). Het eindproduct was een grote muurschildering van planktonpatronen die representatief zijn voor de tijdreeksgegevens (bijv. fytoplankton, biomassa en taxa, temperatuur) in het kunstwerk zelf. Deze benadering vertegenwoordigt een visualisatiemethode die kan worden gebruikt voor vele andere planktontijdreeksen over de hele wereld en kan ook worden aangepast voor monitoringprogramma’s met kortetermijn, seizoensgebonden gegevens. De voordelen van het implementeren van dit protocol zijn onder meer toenemende inspanningen op het gebied van datavisualisatie, wetenschapscommunicatie, onderwijs en betrokkenheid bij lokale gemeenschappen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cruciale stappen van het protocol zijn onder meer het verkrijgen van microscopische beelden van fytoplankton en het omzetten ervan in vectorafbeeldingen. Door de afbeeldingen van fytoplankton, die met het blote oog niet waarneembaar zijn, groot genoeg te maken om zonder vergrootglas op de muurschildering te worden gezien, worden ze voor de kijker tot leven gebracht. Om deze muurschildering niet alleen als kunstwerk maar ook als datavisualisatiemethode te realiseren, is het belangrijk om waargenomen gegevens in het projec…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) en Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). We danken de vele kapiteins voor het verlenen van veldassistentie en de vele studenten en onderzoekers die sinds 1970 gegevens hebben verzameld. We danken Stewart Copeland en Georgia Rhodes voor het ontwikkelen van het Vis-A-Thon-project dat de planktonmuurschildering produceerde, evenals Rafael Attias van de Rhode Island School of Design voor zijn artistieke begeleiding tijdens de projectontwikkeling.
Materials
| Adobe Illustrator | Adobe | version 23.0.6 | Free alternatives include: Inkscape, GIMP, Vectr, Vectornator |
| Eclipse E800 | Nikon | ECLIPSE Ni/Ci Upright Microscope | Now succeeded by Eclipse Ni-U |
| Epson Large Format Printer | Epson | SCT5475SR | |
| Heavy Matte Paper | Epson | S041596 | |
| RStudio | Rstudio, PBC | version 2022.07.1 | Any statistical software tool will suffice |
References
- Cloern, J. E., Jassby, A. D. Complex seasonal patterns of primary producers at the land-sea interface. Ecology Letters. 11 (12), 1294-1303 (2008).
- Cloern, J. E., Jassby, A. D. Patterns and Scales of Phytoplankton Variability in Estuarine-Coastal Ecosystems. Estuaries and Coasts. 33 (2), 230-241 (2010).
- Hays, G. C., Richardson, A. J., Robinson, C. Climate change and marine plankton. Trends in Ecology & Evolution. 20 (6), 337-344 (2005).
- Harvey, C. J., et al. The importance of long-term ecological time series for integrated ecosystem assessment and ecosystem-based management. Progress in Oceanography. 188, 102418 (2020).
- Leeuwe, M. A., et al. Annual patterns in phytoplankton phenology in Antarctic coastal waters explained by environmental drivers. Limnology and Oceanography. 65 (7), 1651-1668 (2020).
- Hunter-Cevera, K. R., et al. Physiological and ecological drivers of early spring blooms of a coastal phytoplankter. Science. 354 (6310), 326-329 (2016).
- Church, M. J., Lomas, M. W., Muller-Karger, F. Sea change: Charting the course for biogeochemical ocean time-series research in a new millennium. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 93, 2-15 (2013).
- Bates, N. R., Johnson, R. J. Acceleration of ocean warming, salinification, deoxygenation and acidification in the surface subtropical North Atlantic Ocean. Communications Earth & Environment. 1 (1), 33 (2020).
- Wolanski, E., Spagnol, S., Gentien, P., Spaulding, M., Prandle, D. Visualization in Marine Science. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 50 (1), 7-9 (2000).
- United Nations. Factsheet: People and Oceans (2017). , (2017).
- Oviatt, C. A. The changing ecology of temperate coastal waters during a warming trend. Estuaries. 27 (6), 895-904 (2004).
- Oviatt, C., et al. Managed nutrient reduction impacts on nutrient concentrations, water clarity, primary production, and hypoxia in a north temperate estuary. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 199, 25-34 (2017).
- Fulweiler, R. W., Oczkowski, A. J., Miller, K. M., Oviatt, C. A., Pilson, M. E. Q. Whole truths vs. half truths – And a search for clarity in long-term water temperature records. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 157, A1-A6 (2015).
- Trainer, V. L., et al. Pseudo-nitzschia physiological ecology, phylogeny, toxicity, monitoring and impacts on ecosystem health. Harmful Algae. 14, 271-300 (2012).
- Sterling, A. R., et al. Emerging harmful algal blooms caused by distinct seasonal assemblages of a toxic diatom. Limnology and Oceanography. 67 (11), 2341-2359 (2022).
- Roche, K. M., Sterling, A. R., Rynearson, T. A., Bertin, M. J., Jenkins, B. D. A Decade of Time Series Sampling Reveals Thermal Variation and Shifts in Pseudo-nitzschia Species Composition That Contribute to Harmful Algal Blooms in an Eastern US Estuary. Frontiers in Marine Science. 9, 889840 (2022).
- Li, . Qi Data visualization as creative art practice. Visual Communication. 17 (3), 299-2222312 (2018).
- Cloern, J. E., et al. Projected Evolution of California’s San Francisco Bay-Delta-River System in a Century of Climate Change. PLoS ONE. 6 (9), e24465 (2011).
- Bashevkin, S. M., et al. Five decades (1972-2020) of zooplankton monitoring in the upper San Francisco Estuary. PLOS ONE. 17 (3), e0265402 (2022).
