Visualizando Dados Oceanográficos para Retratar Mudanças de Longo Prazo no Fitoplâncton

Summary

Aqui, apresentamos um protocolo para converter imagens microscópicas do fitoplâncton em gráficos vetoriais e padrões repetitivos para permitir a visualização de mudanças nos táxons fitoplanctônicos e biomassa ao longo de 60 anos. Este protocolo representa uma abordagem que pode ser utilizada para outras séries temporais e conjuntos de dados do plâncton globalmente.

Abstract

Séries temporais oceanográficas fornecem uma importante perspectiva sobre os processos ambientais em ecossistemas. A Narragansett Bay Long-Term Plankton Time Series (NBPTS) em Narragansett Bay, Rhode Island, EUA, representa uma das séries temporais de plâncton mais longas (1959-presente) de seu tipo no mundo e apresenta uma oportunidade única de visualizar mudanças de longo prazo dentro de um ecossistema aquático. O fitoplâncton representa a base da cadeia alimentar na maioria dos sistemas marinhos, incluindo a Baía de Narragansett. Portanto, comunicar sua importância aos 2,4 bilhões de pessoas que vivem dentro do oceano costeiro é fundamental. Desenvolvemos um protocolo com o objetivo de visualizar a diversidade e magnitude do fitoplâncton utilizando o Adobe Illustrator para converter imagens microscópicas do fitoplâncton coletadas do NBPTS em gráficos vetoriais que pudessem ser conformados em padrões visuais repetitivos ao longo do tempo. Táxons numericamente abundantes ou que representavam ameaças econômicas e à saúde, como os táxons nocivos à floração de algas, Pseudo-nitzschia spp., foram selecionados para conversão de imagens. Padrões de várias imagens fitoplanctônicas foram então criados com base em sua abundância relativa para décadas selecionadas de dados coletados (décadas de 1970, 1990 e 2010). Padrões decapais da biomassa fitoplanctônica informaram o contorno de cada década, enquanto um gradiente de cor de fundo de azul para vermelho foi usado para revelar um aumento de temperatura de longo prazo observado na Baía de Narragansett. Finalmente, grandes painéis de 96 por 34 polegadas foram impressos com padrões fitoplanctônicos repetidos para ilustrar possíveis mudanças na abundância fitoplanctônica ao longo do tempo. Este projeto permite a visualização de mudanças literais na biomassa fitoplanctônica, que são tipicamente invisíveis a olho nu, aproveitando dados de séries em tempo real (por exemplo, biomassa e abundância fitoplanctônica) dentro da própria obra de arte. Ele representa uma abordagem que pode ser utilizada para muitas outras séries temporais de plâncton para visualização de dados, comunicação, educação e esforços de divulgação.

Introduction

Os fitoplâncton são produtores primários que representam a base da cadeia alimentar nos ecossistemas aquáticos ^1,2. Embora os programas de monitoramento do fitoplâncton sejam fundamentais para identificar mudanças atuais e futuras nos ecossistemas marinhos, seu suporte está diminuindo ao longo do tempo ³. Devido aos seus tempos de geração relativamente curtos e mobilidade limitada, o fitoplâncton é particularmente responsivo às mudanças climáticas, o que os torna uma ferramenta importante no monitoramento de séries temporais. As séries temporais do fitoplâncton também são importantes para informar o manejo ecossistêmico da disponibilidade de recursos e fornecer contexto para eventos episódicos, como ondas de calor marinhas⁴. Séries temporais de curto prazo, em questão de anos, fornecem informações sobre a sucessão da comunidade fitoplanctônica e a dinâmica sazonal (por exemplo, ref.5,6), enquanto séries temporais de longo prazo, como os programas Bermuda Atlantic Time Series (BATS) e Hawaii Ocean Times Series (HOTS), abrangem mais de duas décadas e permitem a detecção de tendências de longo prazo ^7,8. Tais estudos ilustram o benefício e a importância de um registro fitoplanctônico altamente resolvido para uma compreensão completa das mudanças ecossistêmicas de longo prazo em ambientes marinhos dinâmicos. Além disso, visualizar e comunicar essas mudanças no fitoplâncton, que não podem ser vistas a olho nu, são mais difíceis de compreender do que para organismos grandes e facilmente visíveis, como peixes e baleias. As visualizações computacionais oferecem uma técnica para explorar conjuntos de dados complexos⁹ e gráficos ilustrativos aprimorados estão se tornando prontamente disponíveis (por exemplo, Rede de Integração e Aplicação, Centro de Ciência Ambiental da Universidade de Maryland). No entanto, a maioria dos estudos em ecologia fitoplanctônica, incluindo muitos aqui referenciados, ainda apresenta resultados apenas como gráficos de dados reduzindo sua acessibilidade ao público em geral. Dado que o fitoplâncton representa a base da cadeia alimentar na maioria dos sistemas marinhos, comunicar sua importância aos quase 2,4 bilhões de pessoas que vivem no oceano costeiro é crítico¹⁰. Aqui, desenvolvemos um protocolo com o objetivo de visualizar a diversidade e magnitude do fitoplâncton, conforme coletado por um programa de monitoramento do fitoplâncton.

A Narragansett Bay Plankton Time Series (NBPTS) fornece uma perspectiva de longo prazo de 60+ anos (1959-presente) sobre os efeitos das mudanças globais dentro de um contexto climático sobre a abundância fitoplanctônica, sazonalidade e fenologia (história de vida). A Baía de Narragansett (NBay) é um estuário costeiro conectado aos sistemas mais amplos da Plataforma Nordeste e do Atlântico Noroeste dos EUA, cuja produção tem implicações importantes para a pesca e o uso humano ao longo da costa dos ^EUA11. O NBay é considerado um sistema altamente sazonal que experimenta aquecimento de longo prazo (1950-2015) das águas da região, bem como mudanças nos nutrientes e aumento da claridade da água^12,13. Além disso, um declínio na biomassa fitoplanctônica tem ocorrido no NBay superior relacionado a diminuições antrópicas no nitrogênio inorgânico dissolvido, o que é parcialmente atribuído a melhorias em estações de tratamento de águas residuárias¹². Mudanças nos táxons fitoplanctônicos, particularmente florações de algas nocivas (HABs), também estão ocorrendo em NBay. Pseudo-nitzschia spp., que produz florações tóxicas generalizadas em regiões de ressurgência ao longo da costa oeste dos EUA, levou a fechamentos notáveis de moluscos pela primeira vez na história da NBay em 2016 e 2017 14,15,16. Comunicar essas mudanças a públicos diversos é importante para aumentar a alfabetização científica e promover o apoio contínuo aos estudos de monitoramento do fitoplâncton.

O objetivo deste projeto foi utilizar imagens microscópicas do fitoplâncton do NBay, bem como dados sintetizados a partir do NBPTS, para visualizar as mudanças literais nos táxons fitoplanctônicos e na biomassa que estão ocorrendo no NBay para comunicar e aumentar a importância do fitoplâncton para o público em geral. O NBPTS fornece 60+ anos de contagens semanais de fitoplâncton e biomassa disponíveis publicamente para aproveitar os dados de (https://web.uri.edu/gso/research/plankton/). O produto final foi um grande mural de padrões de plâncton representativos dos dados da série temporal (por exemplo, biomassa e táxons fitoplanctônicos, temperatura) dentro da própria obra de arte. Esta abordagem representa um método de visualização que pode ser utilizado para muitas outras séries temporais do plâncton em todo o mundo e pode ser adaptado para programas de monitoramento com dados sazonais de curto prazo também. Os benefícios da implementação desse protocolo incluem o aumento dos esforços em visualização de dados, comunicação científica, educação e engajamento com as comunidades locais.

Protocol

1. Convertendo imagens fitoplanctônicas em gráficos vetoriais Selecione imagens microscópicas fitoplanctônicas tiradas da Narragansett Bay Long Term Plankton Time Series (NBPTS) como arquivos .JPG, .PNG ou .PDF (Figura 1A).NOTA: Os táxons incluem Thalassiosira nordenskioeldii, Thalassionema nitzschioides, Tripos spp., Odontella aurita, complexo de espécies Skeletonema, Chaetoceros diadema, Eucampia zodiacus, Dinophysis …

Representative Results

Os resultados documentam um declínio na biomassa fitoplanctônica entre as décadas de 1970 e 1990 e 2010 (Figura 1). Todas as décadas exibiram um pico bimodal na concentração de clorofila a (chl a), com o primeiro pico ocorrendo no inverno e o segundo ocorrendo no verão. A década de 1970 exibiu maior média de chl a no inverno do que no verão. Por outro lado, a década de 1990 mostrou menor chl a no inverno do que no verão. A década de 2010 retor…

Discussion

As etapas críticas do protocolo incluem a obtenção de imagens microscópicas do fitoplâncton e sua conversão em gráficos vetoriais. Fazer as imagens do fitoplâncton, que não são perceptíveis a olho nu, grandes o suficiente para serem vistas sem uma lupa no mural, ajuda a trazê-las à vida para o espectador. Para realizar este mural não apenas como uma obra de arte, mas também como um método de visualização de dados, é importante incorporar os dados observados no projeto. No caso do mural fitoplanctônico…

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