Visualisere oseanografiske data for å skildre langsiktige endringer i planteplankton
Summary
Her presenterer vi en protokoll for konvertering av planteplanktonmikroskopiske bilder til vektorgrafikk og repeterende mønstre for å muliggjøre visualisering av skift i planteplankton taxa og biomasse over 60 år. Denne protokollen representerer en tilnærming som kan benyttes for andre planktontidsserier og datasett globalt.
Abstract
Oseanografiske tidsserier gir et viktig perspektiv på miljøprosesser i økosystemer. Narragansett Bay Long-Term Plankton Time Series (NBPTS) i Narragansett Bay, Rhode Island, USA, representerer en av de lengste planktontidsseriene (1959-nåtid) av sitt slag i verden og presenterer en unik mulighet til å visualisere langsiktig endring i et akvatisk økosystem. Planteplankton representerer grunnlaget for næringskjeden i de fleste marine systemer, inkludert Narragansett Bay. Derfor er det viktig å kommunisere sin betydning for de 2,4 milliarder menneskene som bor i kysthavet. Vi utviklet en protokoll med mål om å visualisere mangfoldet og størrelsen på planteplankton ved å bruke Adobe Illustrator til å konvertere mikroskopiske bilder av fytoplankton samlet fra NBPTS til vektorgrafikk som kunne formes til repeterende visuelle mønstre gjennom tiden. Numerisk rikelig taxa eller de som utgjorde økonomiske og helsemessige trusler, som den skadelige algeoppblomstringstaxaen, Pseudo-nitzschia spp., ble valgt for bildekonvertering. Mønstre av ulike planteplanktonbilder ble deretter opprettet basert på deres relative overflod for utvalgte tiår med data samlet inn (1970-, 1990- og 2010-tallet). Dekadale mønstre av fytoplanktonbiomasse informerte omrisset av hvert tiår, mens en bakgrunnsfargegradient fra blå til rød ble brukt til å avsløre en langsiktig temperaturøkning observert i Narragansett Bay. Til slutt ble store, 96-tommers med 34-tommers paneler trykt med gjentatte fytoplanktonmønstre for å illustrere potensielle endringer i fytoplanktonoverflod over tid. Dette prosjektet muliggjør visualisering av bokstavelige skift i fytoplanktonbiomasse, som vanligvis er usynlige for det blotte øye, mens man utnytter sanntids seriedata (f.eks. Fytoplanktonbiomasse og overflod) i selve kunstverket. Det representerer en tilnærming som kan brukes til mange andre planktontidsserier for datavisualisering, kommunikasjon, utdanning og oppsøkende innsats.
Introduction
Planteplankton er primærprodusenter som representerer grunnlaget for næringskjeden på tvers av akvatiske økosystemer 1,2. Mens overvåkingsprogrammer for planteplankton er nøkkelen til å identifisere nåværende og fremtidige endringer i marine økosystemer, avtar støtten over tid 3. På grunn av deres relativt korte generasjonstid og begrensede mobilitet er planteplankton spesielt mottakelige for klimaendringer, noe som gjør dem til et viktig verktøy i tidsserieovervåking. Tidsserier for planteplankton er også viktige for å informere økosystembasert forvaltning av ressurstilgjengelighet og gi kontekst for episodiske hendelser, som marine hetebølger4. Kortsiktige tidsserier gir innsikt i fytoplanktonsamfunnets suksesjon og sesongdynamikk (f.eks. ref.5,6), mens langsiktige tidsserier, som Bermuda Atlantic Time Series (BATS) og Hawaii Ocean Times Series (HOTS) Programs, spenner over mer enn to tiår og gjør det mulig å oppdage langsiktige trender 7,8. Slike studier illustrerer fordelen og betydningen av en svært løst planteplanktonrekord for en fullstendig forståelse av langsiktige økosystemendringer i dynamiske marine miljøer. Videre er visualisering og formidling av disse endringene i planteplankton, som ikke kan ses med det blotte øye, vanskeligere å forstå enn for organismer som er store og lett synlige, som fisk og hval. Datavisualiseringer tilbyr en teknikk for å utforske komplekse datasett9 og forbedret illustrativ grafikk blir lett tilgjengelig (f.eks. Integrasjon og applikasjonsnettverk, University of Maryland Center for Environmental Science). Imidlertid presenterer de fleste studier i fytoplanktonøkologi, inkludert mange referert her, fortsatt bare resultater som datagrafer som reduserer tilgjengeligheten til allmennheten. Gitt at planteplankton representerer grunnlaget for næringskjeden i de fleste marine systemer, erdet kritisk å kommunisere deres betydning til de nesten 2.4 milliarder menneskene som bor i kysthavet. Her utviklet vi en protokoll med mål om å visualisere mangfoldet og størrelsen på planteplankton, som samlet inn av et planteplanktonovervåkingsprogram.
Narragansett Bay Plankton Time Series (NBPTS) gir et langsiktig 60+ års (1959-nåtid) perspektiv på effekten av global endring i en klimakontekst på fytoplanktonoverflod, sesongmessighet og fenologi (livshistorie). Narragansett Bay (NBay) er en kystelvemunning knyttet til de bredere systemene på USAs nordøstsokkel og Nordvest-Atlanteren, hvis produksjon har viktige implikasjoner for fiskeri og menneskelig bruk langs kysten av USA11. NBay regnes som et svært sesongmessig system som opplever langsiktig (1950-2015) oppvarming av vannet i regionen, samt skift i næringsstoffer og en økning i vannklarhet12,13. I tillegg har det vært en nedgang i planteplanktonbiomasse i øvre NBay relatert til menneskeskapt nedgang i oppløst uorganisk nitrogen, noe som delvis skyldes oppgraderinger i renseanlegg12. Endringer i planteplankton taxa, spesielt skadelige algeoppblomstringer (HAB), forekommer også i NBay. Pseudo-nitzschia spp., som produserer gjennomgripende giftige oppblomstringer i oppstrømningsregioner langs USAs vestkyst, førte til bemerkelsesverdige skalldyrnedleggelser for første gang i NBays historie i 2016 og 2017 14,15,16. Å kommunisere disse endringene til ulike målgrupper er viktig for å øke vitenskapelig leseferdighet og for å fremme fortsatt støtte til studier av planteplanktonovervåking.
Målet med dette prosjektet var å utnytte mikroskopiske bilder av fytoplankton fra NBay, samt data syntetisert fra NBPTS, for å visualisere de bokstavelige skiftene i fytoplankton taxa og biomasse som forekommer i NBay for å kommunisere og øke betydningen av fytoplankton til allmennheten. NBPTS gir 60+ år med offentlig tilgjengelige ukentlige fytoplanktontellinger og biomasse for å utnytte data fra (https://web.uri.edu/gso/research/plankton/). Det endelige produktet var et stort veggmaleri av planktonmønstre som var representative for tidsseriedataene (f.eks. planteplanktonbiomasse og taxa, temperatur) i selve kunstverket. Denne tilnærmingen representerer en visualiseringsmetode som kan brukes for mange andre planktontidsserier over hele verden, og kan tilpasses for overvåkingsprogrammer med kortsiktige, sesongmessige data også. Fordelene ved å implementere denne protokollen inkluderer økt innsats innen datavisualisering, vitenskapelig kommunikasjon, utdanning og engasjement med lokalsamfunn.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiske trinn i protokollen inkluderer å skaffe mikroskopiske bilder av fytoplankton og konvertere dem til vektorgrafikk. Å gjøre bildene av fytoplankton, som ikke er merkbare for det blotte øye, store nok til å bli sett uten forstørrelsesglass på veggmaleriet, bidrar til å bringe dem til liv for betrakteren. For å oppnå dette veggmaleriet som ikke bare et kunstverk, men også en datavisualiseringsmetode, er det viktig å innlemme observerte data i prosjektet. Når det gjelder planteplanktonmaleriet, represent…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble støttet av National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) og Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Vi takker de mange kapteinene for å gi feltassistanse og de mange studentene og forskerne som samlet inn data siden 1970. Vi takker Stewart Copeland og Georgia Rhodes for å ha utviklet Vis-A-Thon-prosjektet som produserte planktonmaleriet, samt Rafael Attias fra Rhode Island School of Design for kunstnerisk veiledning under prosjektutvikling.
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).
