Name: automatic image processing to determine the community size structure of riverine macroinvertebrates
Uploaded: 2023-01-13T12:50:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Automatic Image Processing to Determine the Community Size Structure of Riverine Macroinvertebrates at JoVE.com

עבודה זו נתמכה על ידי משרד המדע, החדשנות והאוניברסיטאות הספרדי (מענק מספר RTI2018-095363-B-I00). אנו מודים לחברי CERM-UVic-UCC אליה ברטקסה, אנה קוסטרוסה, לאיה חימנס, מריה איזבל גונזלס, מרתה יוטגלר, פרנצ'סק לאך ונוריה סלארס על עבודתם בדגימת שדה מקרו-חסרי חוליות ומיון מעבדה ולדוד אלבסה על שיתוף הפעולה בסריקת הדגימות. לבסוף אנו מודים לג'וזפ מריה גילי ולמכון Ciències del Mar (ICM-CSIC) על השימוש במתקני המעבדה ובמכשיר הסורק.

הערה: הפרוטוקול המתואר כאן מבוסס על המערכת שפותחה על ידי Gorsky et al.27 עבור מזוזואופלנקטון ימי. תיאור ספציפי של הסורק (ZooSCAN), תוכנת הסריקה (VueScan 9x64 [9.5.09]), תוכנת עיבוד התמונה (Zooprocess, ImageJ) ושלבי תוכנת הזיהוי האוטומטי (מזהה פלנקטון) ניתן למצוא בהפניות קודמות32,33<sup class="xref...

<ol>
	<li>Birk, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three+hundred+ways+to+assess+Europe's+surface+waters:+An+almost+complete+overview+of+biological+methods+to+implement+the+Water+Framework+Directive.">Three hundred ways to assess Europe's surface waters: An almost complete overview of biological methods to implement the Water Framework Directive.</a> Ecological Indicators. 18, 31-41 (2012).</li><li>Basset, A., Sangiorgio, F., Pinna, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monitoring+with+benthic+macroinvertebrates:+advantages+and+disadvantages+of+body+size+descriptors.">Monitoring with benthic macroinvertebrates: advantages and disadvantages of body size descriptors.</a> Aquatic Conservation: Marine and Freshwater Ecosystems. 14, S43-S58 (2004).</li><li>Reyjol, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessing+the+ecological+status+in+the+context+of+the+European+Water+Framework+Directive:+Where+do+we+go+now.">Assessing the ecological status in the context of the European Water Framework Directive: Where do we go now.</a> Science of the Total Environment. 497-498, 332-344 (2014).</li><li>Brown, J. H., Gillooly, J. F., Allen, A. P., Savage, V. M., West, G. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+a+metabolic+theory+of+ecology.">Toward a metabolic theory of ecology.</a> Ecology. 85 (7), 1771-1789 (2004).</li><li>Woodward, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Body+size+in+ecological+networks.">Body size in ecological networks.</a> Trends in Ecology &amp; Evolution. 20 (7), 402-409 (2005).</li><li>Sprules, W. G., Barth, L. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surfing+the+biomass+size+spectrum:+Some+remarks+on+history,+theory,+and+application.">Surfing the biomass size spectrum: Some remarks on history, theory, and application.</a> Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 73 (4), 477-495 (2016).</li><li>White, E. P., Ernest, S. K. M., Kerkhoff, A. J., Enquist, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relationships+between+body+size+and+abundance+in+ecology.">Relationships between body size and abundance in ecology.</a> Trends in Ecology &amp; Evolution. 22 (6), 323-330 (2007).</li><li>Quintana, X. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+nonparametric+method+for+the+measurement+of+size+diversity+with+emphasis+on+data+standardization.">A nonparametric method for the measurement of size diversity with emphasis on data standardization.</a> Limnology and Oceanography - Methods. 6 (1), 75-86 (2008).</li><li>Blanchard, J. L., Heneghan, R. F., Everett, J. D., Trebilco, R., Richardson, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+bacteria+to+whales:+Using+functional+size+spectra+to+model+marine+ecosystems.">From bacteria to whales: Using functional size spectra to model marine ecosystems.</a> Trends in Ecology &amp; Evolution. 32 (3), 174-186 (2017).</li><li>Petchey, O. L., Belgrano, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Body-size+distributions+and+size-spectra:+Universal+indicators+of+ecological+status.">Body-size distributions and size-spectra: Universal indicators of ecological status.</a> Biology Letters. 6 (4), 434-437 (2010).</li><li>Emmrich, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Geographical+patterns+in+the+body-size+structure+of+European+lake+fish+assemblages+along+abiotic+and+biotic+gradients.">Geographical patterns in the body-size structure of European lake fish assemblages along abiotic and biotic gradients.</a> Journal of Biogeography. 41 (12), 2221-2233 (2014).</li><li>Arranz, I., Brucet, S., Bartrons, M., Garc&#237;a-Comas, C., Benejam, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fish+size+spectra+are+affected+by+nutrient+concentration+and+relative+abundance+of+non-native+species+across+streams+on+the+NE+Iberian+Peninsula.">Fish size spectra are affected by nutrient concentration and relative abundance of non-native species across streams on the NE Iberian Peninsula.</a> Science of the Total Environment. 795, 148792 (2021).</li><li>Vila-Mart&#237;nez, N., Caiola, N., Ib&#225;&#241;ez, C., Benejam, L. l., Brucet, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Normalized+abundance+spectra+of+the+fish+community+reflect+hydropeaking+on+a+Mediterranean+large+river.">Normalized abundance spectra of the fish community reflect hydropeaking on a Mediterranean large river.</a> Ecological Indicators. 97, 280-289 (2019).</li><li>Benejam, L. l., Tobes, I., Brucet, S., Miranda, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Size+spectra+and+other+size-related+variables+of+river+fish+communities:+systematic+changes+along+the+altitudinal+gradient+on+pristine+Andean+streams.">Size spectra and other size-related variables of river fish communities: systematic changes along the altitudinal gradient on pristine Andean streams.</a> Ecological Indicators. 90, 366-378 (2018).</li><li>Sutton, I. A., Jones, N. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measures+of+fish+community+size+structure+as+indicators+for+stream+monitoring+programs.">Measures of fish community size structure as indicators for stream monitoring programs.</a> Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 77 (5), 824-835 (2019).</li><li>Murry, B. A., Farrell, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resistance+of+the+size+structure+of+the+fish+community+to+ecological+perturbations+in+a+large+river+ecosystem.">Resistance of the size structure of the fish community to ecological perturbations in a large river ecosystem.</a> Freshwater Biology. 59, 155-167 (2014).</li><li>Townsend, C. R., Thompson, R. M., Hildrew, A. G., Raffaelli, D. G., Edmonds-Brown, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Body+size+in+streams:+Macroinvertebrate+community+size+composition+along+natural+and+human-induced+environmental+gradients.">Body size in streams: Macroinvertebrate community size composition along natural and human-induced environmental gradients.</a> In Body Size: The Structure and Function of Aquatic Ecosystems. , (2007).</li><li>Gjoni, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patterns+of+functional+diversity+of+macroinvertebrates+across+three+aquatic+ecosystem+types,+NE+Mediterranean.">Patterns of functional diversity of macroinvertebrates across three aquatic ecosystem types, NE Mediterranean.</a> Mediterranean Marine Science. 20 (4), 703-717 (2019).</li><li>Pomeranz, J. P. F., Warburton, H. J., Harding, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anthropogenic+mining+alters+macroinvertebrate+size+spectra+in+streams.">Anthropogenic mining alters macroinvertebrate size spectra in streams.</a> Freshwater Biology. 64 (1), 81-92 (2019).</li><li>Garc&#237;a-Gir&#243;n, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anthropogenic+land-use+impacts+on+the+size+structure+of+macroinvertebrate+assemblages+are+jointly+modulated+by+local+conditions+and+spatial+processes.">Anthropogenic land-use impacts on the size structure of macroinvertebrate assemblages are jointly modulated by local conditions and spatial processes.</a> Environmental Research. 204, 112055 (2022).</li><li>Demi, L. M., Benstead, J. P., Rosemond, A. D., Maerz, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+N+and+P+additions+alter+stream+macroinvertebrate+community+composition+via+taxon-level+responses+to+shifts+in+detrital+resource+stoichiometry.">Experimental N and P additions alter stream macroinvertebrate community composition via taxon-level responses to shifts in detrital resource stoichiometry.</a> Functional Ecology. 33 (5), 855-867 (2019).</li><li>Basset, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+benthic+macroinvertebrate+size+spectra+index+for+implementing+the+Water+Framework+Directive+in+coastal+lagoons+in+Mediterranean+and+Black+Sea+ecoregions.">A benthic macroinvertebrate size spectra index for implementing the Water Framework Directive in coastal lagoons in Mediterranean and Black Sea ecoregions.</a> Ecological Indicators. 12 (1), 72-83 (2012).</li><li>&#196;rje, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic+image-based+identification+and+biomass+estimation+of+invertebrates.">Automatic image-based identification and biomass estimation of invertebrates.</a> Methods in Ecology and Evolution. 11 (8), 922-931 (2020).</li><li>Raitoharju, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Benchmark+database+for+fine-grained+image+classification+of+benthic+macroinvertebrates.">Benchmark database for fine-grained image classification of benthic macroinvertebrates.</a> Image and Vision Computing. 78, 73-83 (2018).</li><li>Lytle, D. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+processing+and+identification+of+benthic+invertebrate+samples.">Automated processing and identification of benthic invertebrate samples.</a> Journal of the North American Benthological Society. 29 (3), 867-874 (2010).</li><li>Serna, J. P., Fern&#225;ndez, D. S., V&#233;lez, F. J., Aguirre, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+image+processing+method+for+recognition+of+four+aquatic+macroinvertebrates+genera+in+freshwater+environments+in+the+Andean+region+of+Colombia.">An image processing method for recognition of four aquatic macroinvertebrates genera in freshwater environments in the Andean region of Colombia.</a> Environmental Monitoring and Assessment. 192, 617 (2020).</li><li>Gorsky, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Digital+zooplankton+image+analysis+using+the+ZooScan+integrated+system.">Digital zooplankton image analysis using the ZooScan integrated system.</a> Journal of Plankton Research. 32 (3), 285-303 (2010).</li><li>Marcolin, C. R., Schultes, S., Jackson, G. A., Lopes, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plankton+and+seston+size+spectra+estimated+by+the+LOPC+and+ZooScan+in+the+Abrolhos+Bank+ecosystem+(SE+Atlantic).">Plankton and seston size spectra estimated by the LOPC and ZooScan in the Abrolhos Bank ecosystem (SE Atlantic).</a> Continental Shelf Research. 70, 74-87 (2013).</li><li>Silva, N., Marcolin, C. R., Schwamborn, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+image+analysis+to+assess+the+contributions+of+plankton+and+particles+to+tropical+coastal+ecosystems.">Using image analysis to assess the contributions of plankton and particles to tropical coastal ecosystems.</a> Estuarine, Coast and Shelf Science. 219, 252-261 (2019).</li><li>Vandromme, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessing+biases+in+computing+size+spectra+of+automatically+classified+zooplankton+from+imaging+systems:+A+case+study+with+the+ZooScan+integrated+system.">Assessing biases in computing size spectra of automatically classified zooplankton from imaging systems: A case study with the ZooScan integrated system.</a> Methods in Oceanography. 1-2, 3-21 (2012).</li><li>Naito, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+zooplankton+size+and+taxonomic+composition+in+Bowdoin+Fjord,+north-western+Greenland:+A+comparison+of+ZooScan,+OPC+and+microscopic+analyses.">Surface zooplankton size and taxonomic composition in Bowdoin Fjord, north-western Greenland: A comparison of ZooScan, OPC and microscopic analyses.</a> Polar Science. 19, 120-129 (2019).</li><li>. Zooprocess/Plankton Identifier protocol for computer assisted zooplankton sorting Available from: <a target="_blank" href="https://manualzz.com/doc/43116355/zooprocess—plankton-identifier-protocol-for">https://manualzz.com/doc/43116355/zooprocess—plankton-identifier-protocol-for</a> (2013)</li><li>Protocolo de muestreo y laboratorio de fauna bent&#243;nica de invertebrados en r&#237;os vadeables. C&#211;DIGO: ML-Rv-I-2013. Ministerio de Agricultura, Alimentaci&#243;n y Medio Ambiente Available from: <a target="_blank" href="https://www.miteco.gob.es/es/agua/temas/estado-y-calidad-de-las-aguas/ML-Rv-I-2013_Muestreo%20y%20laboratorio_Fauna%20bent%C3%B3nica%20de%20de%20invertebrado_%20R%C3%Ados%20vadeables_24_05_2013_tcm30-175284.pdf">https://www.miteco.gob.es/es/agua/temas/estado-y-calidad-de-las-aguas/ML-Rv-I-2013_Muestreo%20y%20laboratorio_Fauna%20bent%C3%B3nica%20de%20de%20invertebrado_%20R%C3%Ados%20vadeables_24_05_2013_tcm30-175284.pdf</a> (2013)</li><li>Garc&#237;a-Comas, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prey+size+diversity+hinders+biomass+trophic+transfer+and+predator+size+diversity+promotes+it+in+planktonic+communities.">Prey size diversity hinders biomass trophic transfer and predator size diversity promotes it in planktonic communities.</a> Proceedings of the Royal Society Biological Sciences. 283 (1824), 20152129 (2016).</li><li>Garc&#237;a-Comas, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mesozooplankton+size+structure+in+response+to+environmental+conditions+in+the+East+China+Sea:+How+much+does+size+spectra+theory+fit+empirical+data+of+a+dynamic+coastal+area.">Mesozooplankton size structure in response to environmental conditions in the East China Sea: How much does size spectra theory fit empirical data of a dynamic coastal area.</a> Progress in Oceanography. 121, 141-157 (2014).</li><li>Marquina, D., Buczek, M., Ronquist, F., Lukasik, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+ethanol+concentration+on+the+morphological+and+molecular+preservation+of+insects+for+biodiversity+studies.">The effect of ethanol concentration on the morphological and molecular preservation of insects for biodiversity studies.</a> PeerJ. 9, 10799 (2021).</li><li>Bell, J. L., Hopcroft, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+of+ZooImage+as+a+tool+for+the+classification+of+zooplankton.">Assessment of ZooImage as a tool for the classification of zooplankton.</a> Journal of Plankton Research. 30 (12), 1351-1367 (2008).</li><li>Colas, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+ZooCAM,+a+new+in-flow+imaging+system+for+fast+onboard+counting,+sizing+and+classification+of+fish+eggs+and+metazooplankton.">The ZooCAM, a new in-flow imaging system for fast onboard counting, sizing and classification of fish eggs and metazooplankton.</a> Progress in Oceanography. 166, 54-65 (2018).</li><li>Bachiller, E., Fernandes, J. A., Irigoien, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+semiautomated+zooplankton+classification+using+an+internal+control+and+different+imaging+devices.">Improving semiautomated zooplankton classification using an internal control and different imaging devices.</a> Limnology and Oceanography Methods. 10 (1), 1-9 (2012).</li></ol>

ההתאמה של המתודולוגיה שתוארה על ידי Gorsky et al. 2010 עבור מקרו-חסרי חוליות של נהרות מאפשרת דיוק סיווג גבוה בהערכת מבנה גודל הקהילה במקרו-חסרי חוליות של מים מתוקים. התוצאות מצביעות על כך שהפרוטוקול יכול לקצר את הזמן להערכת מבנה הגודל הבודד במדגם לכשעה. לפיכך, הפרוטוקול המוצע נועד לקדם את השימוש ה...

מקרו-חסרי חוליות בנטיים נמצאים בשימוש נרחב כביו-אינדיקטורים כדי לקבוע את המצב האקולוגי של גופי מים1. רוב המדדים לתיאור קהילות מקרו-חסרי חוליות מתמקדים במדדים טקסונומיים. עם זאת, כלי הערכה ביולוגית חדשים המשלבים את גודל הגוף מעודדים לספק נקודת מבט חלופית או משלימה לגישות טקסונומיות 2,3.
גודל הגוף נחשב למטא-טראיט הקשור לתכונות חיוניות אחרות כגון חילוף חומרים, גדילה, נשימה ותנועה4. יתר על כן, גודל הגוף יכול לקבוע מיקום טרופי ואינטראקציות5. הקשר בין גודל הגוף האינדיבידואלי לבין הביומסה המנורמלת (או השפע) לפי גודל בקהילה מוגדר כספקטרום הגודל6 ועוקב אחר התבנית הכללית של ירידה ליניארית בביומסה המנורמלת ככל שגודל הפרט גדל בסולם לוגריתמי7. השיפוע של מערכת יחסים ליניארית זו נחקר בהרחבה באופן תיאורטי, ומחקרים אמפיריים על פני מערכות אקולוגיות השתמשו בו כאינדיקטור אקולוגי למבנה גודל הקהילה4. אינדיקטור סינתטי נוסף למבנה גודל הקהילה ששימש בהצלחה במחקרי תפקוד של מגוון ביולוגי-מערכות אקולוגיות הוא מגוון גודל הקהילה, המיוצג כמדד שאנון של מחלקות הגודל של ספקטרום הגודל או האנלוגי שלו, המחושב על סמך התפלגויות הגודל האינדיבידואליות8.
במערכות אקולוגיות של מים מתוקים, מבנה הגודל של קבוצות חיות שונות משמש כאינדיקטור אטקסי להערכת התגובה של קהילות ביוטיות לשיפועים סביבתיים 9,10,11 ולהפרעות אנתרופוגניות 12,13,14,15,16. מקרו-חסרי חוליות אינם יוצאי דופן, ומבנה גודלם מגיב גם לשינויים סביבתיים17,18 ולהפרעות אנתרופוגניות, כגון כרייה 19, שימוש בקרקע 20, או העשרת חנקן (N) וזרחן (P)20,21,22. עם זאת, מדידת מאות אנשים כדי לתאר את מבנה גודל הקהילה היא משימה מייגעת וגוזלת זמן, שלעתים קרובות נמנעת ממנה כמדידה שגרתית במעבדות בשל חוסר זמן. לפיכך, מספר שיטות הדמיה חצי אוטומטיות או אוטומטיות לסיווג ומדידת דגימות פותחו23,24,25,26. עם זאת, רוב השיטות הללו מתמקדות בסיווג טקסונומי יותר מאשר בגודל הפרט של האורגניזמים ואינן מוכנות לשימוש עבור כל מיני מקרו-חסרי חוליות. באקולוגיה של פלנקטון ימי, נעשה שימוש נרחב במערכת ניתוח תמונות סורקת כדי לקבוע את הגודל וההרכב הטקסונומי של קהילות זואופלנקטון 27,28,29,30,31. ניתן למצוא מכשיר זה במספר מכונים ימיים ברחבי העולם, והוא משמש לסריקת דגימות זואופלנקטון שהשתמרו כדי לקבל תמונות דיגיטליות ברזולוציה גבוהה של הדגימה כולה. הפרוטוקול הנוכחי מתאים את השימוש במכשיר זה כדי להעריך את ספקטרום גודל קהילת המקרו-חסרי חוליות בנהרות באופן אוטומטי מהיר מבלי להשקיע ביצירת מכשיר חדש.
הפרוטוקול מורכב מסריקת דגימה ועיבוד התמונה כולה כדי לקבל באופן אוטומטי תמונות בודדות (כלומר, vignettes) של האובייקטים בדגימה. מספר מדדים של צורה, גודל ותכונות ברמת האפור מאפיינים כל אובייקט ומאפשרים סיווג אוטומטי של האובייקטים לקטגוריות, אשר מאומתות לאחר מכן על ידי מומחה. הגודל האינדיבידואלי של כל אורגניזם מחושב באמצעות הביו-נפח האליפסואידי (מ"מ3), הנגזר משטח האורגניזם הנמדד בפיקסלים. זה מאפשר לקבל את ספקטרום הגודל של המדגם בצורה מהירה. למיטב ידיעתנו, מערכת הדמיית סריקה זו שימשה רק לעיבוד דגימות מזוזואופלנקטון, אך המכשיר עשוי לאפשר עבודה עם מקרו-חסרי חוליות בנטיים במים מתוקים.
המטרה הכוללת של מחקר זה היא, אם כן, להציג שיטה להשגת הגודל האינדיבידואלי של מקרו-חסרי חוליות בנהר שהשתמרו על ידי התאמת פרוטוקול קיים ששימש בעבר עם מזוזואופלנקטון ימי 27,32,33. ההליך מורכב משימוש בגישה חצי אוטומטית הפועלת עם מכשיר סריקה לסריקת דגימות מים ושלוש תוכנות פתוחות לעיבוד התמונות הסרוקות. פרוטוקול מותאם לסריקה, זיהוי וזיהוי של מקרו-חסרי חוליות בנהרות שעברו דיגיטציה כדי לרכוש באופן אוטומטי את מבנה גודל הקהילה ומדדי גודל קשורים מוצג כאן. הערכת הנוהל וההנחיות לשיפור היעילות מוצגות גם על סמך 42 תמונות סרוקות של דגימות מקרו-חוליות בנהרות שנאספו משלושה אגנים בחצי האי האיברי הצפון-מזרחי (NE) (Ter, Segre-Ebre ו-Besòs).
הדגימות נאספו בקטעי נהרות בגובה 100 מטרים בעקבות פרוטוקול לדיגום שדה וניתוח מעבדה של מקרו-חולייתנים של נהרות בנטיים בנהרות יבשתיים מממשלת ספרד34. הדגימות נאספו באמצעות סמפלר סורבר (מסגרת: 0.3 מ' x 0.3 מ', רשת: 250 מיקרומטר) בעקבות סקר רב-בתי גידול. במעבדה, הדגימות נוקו וסוננו באמצעות רשת של 5 מ"מ ו-500 מיקרומטר כדי לקבל שתי תת-דגימות: תת-דגימה גסה (רשת 5 מ"מ) ותת-דגימה עדינה (רשת של 500 מיקרומטר), שאוחסנו בבקבוקונים נפרדים ונשמרו ב-70% אתנול. הפרדת הדגימה לשני שברים בגודל מאפשרת הערכה טובה יותר של מבנה גודל הקהילה, שכן אורגניזמים גדולים הם נדירים יותר ופחות מהאורגניזמים הקטנים. אחרת, למדגם הסרוק יש ייצוג מוטה של שבר הגודל הגדול.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Beaker</td>
			<td>Labbox</td>
			<td></td>
			<td>Other containers could be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dionized water</td>
			<td>Icopresa</td>
			<td>&#160;8420239600123</td>
			<td>To dilute the ethanol</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Funnel</td>
			<td>Vitlab</td>
			<td>41094</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass vials 8 ml</td>
			<td>Labbox</td>
			<td>SVSN-C10-195</td>
			<td>1 vial/subsample</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ImageJ Software&#160;</td>
			<td>Free access</td>
			<td></td>
			<td>Version 4.41o/ Image processing software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Large frame</td>
			<td>Hydroptic</td>
			<td>&#160;Provided by ZooScan</td>
			<td>24.5 cm x 15.8 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monalcol 96 (Ethanol 96)</td>
			<td>Montplet</td>
			<td>1050JE001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plankton Identifier Software</td>
			<td>Free access</td>
			<td></td>
			<td>Version 1.2.6/ Automatic identification software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sieve</td>
			<td>Cisa</td>
			<td>26852.2</td>
			<td>Nominal aperture 500&#181; and nominal aperture 0,5 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tweezers</td>
			<td>Bondline</td>
			<td>B5SA</td>
			<td>Stainless, anti-magnetic, anti-acid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VueScan 9 x 64 (9.5.09) Software</td>
			<td>Hydroptic</td>
			<td></td>
			<td>Version 9.0.51/ Sacn software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wooden needle</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Any plastic or wood needle can be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zooprocess Software&#160;</td>
			<td>Free access</td>
			<td></td>
			<td>Version 7.14/Image processing software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ZooScan&#160;</td>
			<td>Hydroptic</td>
			<td>54</td>
			<td>Version III/ Scanner</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

automatic image processing to determine the community size structure of riverine macroinvertebrates

גודל הגוף הוא תכונה פונקציונלית חשובה שיכולה לשמש כביו-אינדיקטור להערכת ההשפעות של הפרעות בקהילות טבעיות. מבנה גודל הקהילה מגיב לשיפועים ביוטיים וא-ביוטיים, כולל הפרעות אנתרופוגניות בין טקסונים ומערכות אקולוגיות. עם זאת, המדידה הידנית של אורגניזמים בעלי גוף קטן כגון מקרו-חסרי חוליות בנטיים (למשל, >500 מיקרומטר עד כמה סנטימטרים אורך) גוזלת זמן רב. כדי לזרז את ההערכה של מבנה גודל הקהילה, כאן, פיתחנו פרוטוקול למדידה אוטומטית למחצה של גודל הגוף האינדיבידואלי של מקרו-חסרי חוליות בנהרות שהשתמרו, שהם אחד הביו-אינדיקטורים הנפוצים ביותר להערכת המצב האקולוגי של מערכות אקולוגיות של מים מתוקים. פרוטוקול זה מותאם ממתודולוגיה קיימת שפותחה לסריקת מזוזואופלנקטון ימי באמצעות מערכת סריקה המיועדת לדגימות מים. הפרוטוקול מורכב משלושה שלבים עיקריים: (1) סריקת תת-דגימות (שברים בגודל דגימה עדין וגס) של מקרו-חוליות בנהר ועיבוד התמונות הדיגיטליות כדי להתאים אישית כל אובייקט שזוהה בכל תמונה; (2) יצירה, הערכה ואימות של מערך למידה באמצעות בינה מלאכותית כדי להפריד באופן אוטומטי למחצה את התמונות הבודדות של מקרו-חוליות מדטריטוס וממצאים בדגימות הסרוקות; ו-(3) תיאור מבנה הגודל של קהילות המקרו-חסרי חוליות. בנוסף לפרוטוקול, עבודה זו כוללת את תוצאות הכיול ומפרטת מספר אתגרים והמלצות להתאמת ההליך לדגימות מקרו-חסרי חוליות ולשקול שיפורים נוספים. בסך הכל, התוצאות תומכות בשימוש במערכת הסריקה המוצגת למדידת גודל הגוף האוטומטית של מקרו-חסרי חוליות בנהרות ומציעות כי תיאור ספקטרום הגודל שלהם הוא כלי רב ערך להערכה ביולוגית מהירה של מערכות אקולוגיות של מים מתוקים.

רכישת תמונות דיגיטליות של דגימות מקרו-חסרי חוליות ניואנסים בסריקה: תצהיר אתנול במגש הסריקה בעת בדיקת המערכת עבור מקרו-חסרי חוליות, מספר סריקות היו באיכות ירודה. אזור רווי כהה ברקע מנע עיבוד תקין של התמונה ומדידת הגדלים האינדיבידואליים של המקרו-חסרי חוליות (<strong class="xfi...

Watch this Scientific Journal Video about Automatic Image Processing to Determine the Community Size Structure of Riverine Macroinvertebrates at JoVE.com

Automatic Image Processing to Determine the Community Size Structure of Riverine Macroinvertebrates

המאמר מבוסס על יצירת פרוטוקול מותאם לסריקה, זיהוי, מיון וזיהוי אובייקטים דיגיטליים המתאימים למקרו-חסרי חוליות של נהרות בנטיים באמצעות הליך הדמיה חצי אוטומטי. הליך זה מאפשר רכישה של התפלגויות הגודל האינדיבידואליות ומדדי הגודל של קהילת מקרו-חסרי חוליות תוך כשעה.

עיבוד תמונה אוטומטי לקביעת מבנה גודל הקהילה של מקרו-חסרי חוליות בנהרות

Body size is an important functional trait that can be used as a bioindicator to assess the impacts of perturbations in natural communities. Community ...

גודל הגוף קיבל עדיפות כתכונה מרכזית לניטור. עם זאת, מדידת גודל אישי גוזלת זמן רב. השיטה שלנו מאפשרת שימוש שגרתי בספקטרום הגודל של מקרו-חסרי חוליות כדי להעריך את ההשפעות על מערכות אקולוגיות של מים מתוקים.הפרוטוקול שלנו מספק דרך סטנדרטית לקבוע באופן אוטומטי התפלגות גודל אינדיבידואלית של מקרו-חסרי חוליות בנהר במדגם תוך כשעה. מי שתדגים את ההליך תהיה רוזה גורי מאוניברסיטת ויק. כדי להתחיל, הפעל את הסורק.ולהדליק את האור במצב הכפול. כדי להקרין אור לבן מלמעלה ומלמטה. לאחר מכן, נקו ושטפו את מגש הסריקה במי ברז.כדי ליצור את החסר, לשפוך 110 מיליליטר של מי ברז בטמפרטורת החדר לתוך מגש הסריקה עד הכוס מכוסה. הנח את המסגרת הגדולה על מגש הסריקה כשהפינה נמצאת בחלק השמאלי העליון. ומלאו אותו במי ברז עד שהוא מכסה את שלב הפריים כדי למנוע אפקט מניסקוס שישנה את התמונות הסרוקות.לאחר מכן, פתח את תוכנת עיבוד התמונה, בחר את פרויקט העבודה ולחץ על סריקת המרת תמונת רקע. לאחר מכן, פתח את תוכנת הסריקה ולחץ על תצוגה מקדימה. בדוק שאין בתמונה קווים או כתמים והמתן לפחות 30 שניות לפני תחילת הסריקה.לאחר מכן לחץ על אישור בחלון ההוראות לפני הסריקה השנייה כדי לשלוח את הנתונים מתוכנת הסריקה לתוכנת עיבוד התמונה. יוצקים 110 מיליליטר של 70% אתנול לתוך מגש הסריקה עד הכוס מכוסה. והניחו את המסגרת הגדולה.לאחר מכן שפכו את דגימת המקרו-חוליות למגש הסריקה שבקצה המסגרת וכסו אותו באתנול נוסף במידת הצורך. לאחר מכן, באמצעות מחט עץ, הומוגניות הדגימה בכל אזור המסגרת. הצבת האנשים הגדולים ביותר במרכז המגש לעיבוד תמונה תקין.ולהטביע את האורגניזמים הצפים. כמו כן, להפריד בנפרד את האורגניזמים המקובצים. ולמשוך פנימה את האורגניזמים שנוגעים בקצוות המסגרת למרכז.לאחר מכן, המשך לסרוק על ידי לחיצה על מדגם סריקה עם סריקת גן החיות לארכיון ללא תהליך. בחירת הדוגמה וביצוע ההוראות. תצוגה מקדימה של התמונה בתוכנת הסריקה ללא קווים או כתמים.לאחר 30 שניות, לחץ על כפתור הסריקה בתוכנת הסריקה. וודא שהתמונה הסרוקה הגולמית נכונה. הסר את המסגרת ושטוף אותה מעל מגש הסריקה עם בקבוק לחיץ מלא ב-70% אתנול כדי לשחזר את כל המקרו-חסרי חוליות המצורפים.הרם את החלק העליון של הסורק כדי לאחזר את כל האורגניזמים והאתנול דרך משפך אחזור הסריקה לתוך. כאשר החלק העליון של הסורק עדיין מורם, נקו את המגש עם הבקבוק הסחוט כדי לטאטא לאורך כל האורגניזמים שנותרו. לאחר שחזור כל הדגימות, נקו את המגש במי ברז.כדי לחזות את הזהות, לחץ על ניתוח נתונים בתוכנת הזיהוי האוטומטית. ב-בחר קובץ למידה, אתר/י PID_Process ולאחר מכן בחר/י learning_set כדי לבחור את קובץ ערכת הלמידה שבו ייעשה שימוש. לאחר מכן, בקבצים לדוגמה נבחרים, בחר את הדוגמה שיש לחזות מתיקיית PID_results.בבחירת שיטה, בחר את שיטת היער האקראי ולאחר מכן סמן את תוצאות השמירה המפורטות עבור כל לחצן לדוגמה. במשתנים מקוריים, בטל את הסימון של משתני המיקום. לבסוף, במשתנים מותאמים אישית, סמן רק ESD.לחץ על התחל ניתוח ושמור את התוצאות analysis_name. txt בתיקיית החיזוי PID_process. כדי לבצע אימות ידני, העתק את הניתוח sample_dat_1 קבצי txt מתיקיית החיזוי PID_process לתיקיית PID_process PID_results.בחר חילוץ vignettes בתיקיות בהתאם לחיזוי או אימות בתוכנת עיבוד התמונה. לאחר מכן בחר קבצים חזויים משומשים מתיקיית PID_results. ועם הגדרות ברירת המחדל, לחיצה על אישור יוצרת תיקיה חדשה.כעת עבור אל התיקיה vignettes הממוינת PID_process והעתק את התיקיה החדשה שנוצרה בשם עם השם, התאריך והשעה לדוגמה לאימות. שנה את שם התיקיה לאימות באמצעות אימות. כדי לאמת באופן ידני את הסיווג האוטומטי, פתח את השם, התאריך והשעה לדוגמה של התיקיה ששמם השתנה ואומתו.סקור את כל הציורים מכל תיקיית משנה כדי לזהות אובייקטים שסווגו באופן שגוי, אם בכלל. כאשר אובייקט מסווג באופן שגוי, גרור את הפריט לתיקייה הנכונה. לאחר מכן, בחר מזהי עומס מתוך vignettes ממוינים.שמירה על הגדרות ברירת המחדל, בחר את הקובץ בשם תאריך, שעה, שם מאומת לעיבוד. לאחר מכן עבור אל PID_process, PID_results ולאחר מכן dat1_validated. ופתח את הקובץ בשם txt ID_from_sorted_vignettes תאריך ושעה כדי לוודא שהעמודה האחרונה, החיזוי, המזהה המאומת, התאריך והשעה, המציינים את סיווג המומחה של כל אובייקט, נוצרו.בעת בדיקת המערכת עבור מקרו-חסרי חוליות, חלק מהסריקות היו באיכות ירודה בתמונות המעובדות. למרות זאת, תת-מדגם משובח עם איכות סריקה טובה של התמונה הגולמית והמעובדת נראה כפי שמתואר. במערך של vignettes מנותח, 86.1% מתאים פסולת.כולל דטריטוס, סיבים, חלקי גוף או ממצאי סריקה. ו -13.9% הנותרים של האובייקטים שזוהו התאימו לאורגניזמים חסרי החוליות. זיהוי אוטומטי ואחריו אימות ידני של אובייקטים הציגו היזכרות גבוהה עבור כל הקטגוריות.בעוד הזיהום דיוק אחד היה נמוך למדי למעט חסרי החוליות האחרים. ההשוואה של שפע מקרו-חסרי חוליות אוטומטי לעומת מאומת הראתה מתאם גבוה עם הערכת יתר קלה על ידי הביצועים האוטומטיים עקב זיהום מפסולת. פונקציות צפיפות ההסתברות של התפלגויות הגודל האינדיבידואליות של החיזוי האוטומטי התרחשו בחוזקה עם התחזיות המאומתות עבור תת-הדגימות העדינות והגסות.תת-הדגימות שאומתו לאחר הפרדת עצמים נוגעים מדגימות טבעיות נבחרות הראו שפע מוגבר. אבל הנפח האליפסואידי הממוצע היה קרוב לדגימות המאומתות. התפלגויות הגודל של דגימות מתוקנות היו שונות במקצת מאלו המאומתות.אבל נצפתה קורלציה חזקה. ספקטרום גודל נפח הביו המנורמל היה דומה בין הטיפולים. למעט כמה כיתות גודל בספקטרום זוגי.קח את הזמן הנדרש כדי להפריד איברים לגעת כדי לקבל סריקה עדינה ולנקות עם מים מגש סריקה זה לאחר כל סריקה עם אתנול כדי למנוע משקעים. אימצנו את הנוהל הזה שנוצר עבור פלנקטון למקרו-חוליות בנהר. לכן, זה יכול להיות מותאם כדי לקבל גדלי גוף בודדים של קבוצות עדינות אחרות.לדוגמה, חסרי חוליות יבשתיים. שיטה זו תאפשר הערכה שיטתית של מבנה גודל הקהילה של מקרו-חסרי חוליות על פני שיפועים גדולים, מיוחדים וזמניים. ולחקור את התפקיד של גודל הגוף בתפקוד המערכת האקולוגית של הנהר ועל ידי הערכה.

Research

JoVE Journal

Environment

Optimized Negative Staining: a High-throughput Protocol for Examining Small and Asymmetric Protein Structure by Electron Microscopy

מכתים שלילי אופטימלי: פרוטוקול תפוקה גבוהה לבחינת מבנה חלבון קטן וסימטרי על ידי מיקרוסקופית אלקטרונים

Structural determination of proteins is rather challenging for proteins with molecular masses between 40 - 200 kDa. Considering that more than half of ...

Automated Gel Size Selection to Improve the Quality of Next-generation Sequencing Libraries Prepared from Environmental Water Samples

בחירת גודל האוטומטי ג&#39;ל כדי לשפר את האיכות של ספריות רצף הדור הבא הוכן מדגימות סביבתיות מים

Next-generation sequencing of environmental samples can be challenging because of the variable DNA quantity and quality in these samples. High quality DNA ...

Data Processing Methods for 3D Seismic Imaging of Subsurface Volcanoes: Applications to the Tarim Flood Basalt

שיטות עיבוד נתונים סיסמיים הדמיה ממוחשבת של הרי געש מהסבא: יישומים הבזלת טארים המבול

The morphology and structure of plumbing systems can provide key information on the eruption rate and style of basalt lava fields. The most powerful way ...

Methods for Image-based Surveys of Benthic Macroinvertebrates and Their Habitat Exemplified by the Drop Camera Survey for the Atlantic Sea Scallop

שיטות מבוססות-תמונה סקרים Macroinvertebrates בנתיק ואת הגידול שלהם כשניסחתי את הסקר המצלמה טיפה על צדפת הים האטלנטי

Underwater imaging has long been used in the field of marine ecology but decreasing costs of high-resolution cameras and data storage have made the ...

Experimental Study of the Relationship Between Particle Size and Methane Sorption Capacity in Shale

ניסויי חקר הקשר בין גודל החלקיקים מתאן וספיחה מתוקף פצלי

The amount of adsorbed shale gas is a key parameter used in shale gas resource evaluation and target area selection, and it is also an important standard ...

High-throughput, Microscale Protocol for the Analysis of Processing Parameters and Nutritional Qualities in Maize (Zea mays L.)

High-throughput, Microscale Protocol for the Analysis of Processing Parameters and Nutritional Qualities in Maize Zea mays L.

תפוקה גבוהה, פרוטוקול Microscale על ניתוח של עיבוד פרמטרים ועל איכויות תזונתיות ב תירס (זיה מייז ל')

Maize is an important grain crop in the United States and worldwide. However, maize grain must be processed prior to human consumption. Furthermore, whole ...

Composition and Distribution Analysis of Bioaerosols Under Different Environmental Conditions

הלחנה וניתוח הפצה Bioaerosols בתנאים סביבתיים שונים

Variable microorganisms in particulate matter (PM) under different environmental conditions may have significant impacts on human health. In this study, ...

Combined Size and Density Fractionation of Soils for Investigations of Organo-Mineral Interactions

גודל משולב של צפיפות Fractionation של קרקעות החקירות של האינטראקציות אורגניות-מינרליים

Combined size and density fractionation (CSDF) is a method used to physically separate soil into fractions differing in particle size and mineralogy. CSDF ...

Measuring the Shape and Size of Activated Sludge Particles Immobilized in Agar with an Open Source Software Pipeline

מדידת לצורה ולגודל החלקיקים בוצה מופעל מרותק למיטה בטיפול אגר עם צינור תוכנה קוד פתוח

Experimental bioreactors, such as those treating wastewater, contain particles whose size and shape are important parameters. For example, the size and ...

Modeling the Size Spectrum for Macroinvertebrates and Fishes in Stream Ecosystems

מידול ספקטרום הגודל של מאקרוחסרי חוליות ודגים בזרם מערכות אקולוגיות

The size spectrum is an inverse, allometric scaling relationship between average body mass (M) and the density (D) of individuals within an ecological ...