Quantitative Analysis of PlanktoScope Data: a powerful tool for exploring ecosystem function

Resumen Técnico: Análisis Cuantitativo de Datos de PlanktoScope

Planteamiento del Problema
Las comunidades de plancton son fundamentales para los ecosistemas acuáticos, impulsando la producción primaria y los ciclos biogeoquímicos globales. Sin embargo, los métodos de monitoreo tradicionales que dependen de la microscopía manual consumen mucho tiempo, requieren mucha mano de obra y exigen un alto nivel de pericia taxonómica. Estas limitaciones dificultan la capacidad de realizar estudios espacio-temporales de gran escala y alta frecuencia, necesarios para comprender la función de los ecosistemas y predecir las respuestas a los cambios climáticos y a los estresores antropogénicos. Existe una necesidad crítica de herramientas eficientes, automatizadas y rentables para optimizar los procedimientos analíticos y minimizar el tiempo de procesamiento de datos.

Metodología
Este estudio evaluó la efectividad del PlanktoScope, un sistema de imagen automatizado de código abierto, junto con la plataforma basada en la web Ecotaxa para la clasificación de organismos planctónicos. La investigación se llevó a cabo como una prueba de concepto en las aguas costeras de la Bahía de La Paz, México, durante un periodo de tres meses (septiembre a noviembre de 2024).

• Muestreo: Se recolectaron muestras semanales de plancton en una sola estación (El Mogote) utilizando una red de fitoplancton de malla de 20 µm mediante arrastres horizontales de 5 minutos. Las muestras se preservaron a aproximadamente 10 °C y se transportaron al laboratorio en menos de dos horas.
• Preprocesamiento: Las muestras se filtraron a través de una malla de 300 µm para eliminar organismos grandes que pudieran obstruir el sistema fluídico del PlanktoScope. Se homogeneizó una submuestra de 3 mL a partir del cod end de 200 mL.
• Imagen: El PlanktoScope utilizó un método de flujo detenido (stop-flow) para capturar 200 imágenes por cada submuestra. Las imágenes fueron procesadas mediante la librería basada en Python MorphoCut, la cual aplicó estimación de fondo, detección de bordes y operaciones morfológicas para extraer las Regiones de Interés (ROI).
• Clasificación: Se calcularon 32 descriptores matemáticos de imagen para cada ROI. Los datos se cargaron en la plataforma Ecotaxa, donde un modelo de aprendizaje automático preentrenado proporcionó etiquetas taxonómicas preliminares. Estas fueron posteriormente revisadas y corregidas manualmente por taxónomos capacitados para asegurar la precisión. Las imágenes ambiguas (por ejemplo, borrosas o con organismos superpuestos) fueron excluidas.
• Cuantificación: Los recuentos de organismos se extrapolaron a un volumen de agua filtrada de 10.92 m³ y se normalizaron posteriormente a 100 m³. El biovolumen se estimó basándose en las dimensiones celulares (elipsoide vs. esferoide) y se convirtió a biomasa de carbono utilizando parámetros de conversión establecidos.
• Análisis Estadístico: Los análisis incluyeron la escala multidimensional no métrica (nMDS) para evaluar los cambios en la composición de la comunidad, el análisis del Espectro de Tamaño de Biomasa Normalizado (NBSS) utilizando modelos bayesianos para caracterizar la distribución de tamaño, y la correlación con datos de Clorofila-a (Chl-a) derivados de satélite.

Resultados Clave

• Identificación Taxonómica: El sistema identificó con éxito 28 grupos taxonómicos distintos, con 22 asignados al nivel de género. El ensamblaje estuvo dominado por el género de diatomeas Chaetoceros (Bacillariophyta).
• Cambio Temporal: Se detectó un cambio distintivo en la composición planctónica entre la estación cálida (septiembre–octubre) y la transición cálido-fría (noviembre).
  • Septiembre–Octubre: Las Bacillariophyta (diatomeas) dominaron tanto en abundancia absoluta como en biomasa de carbono.
  • Noviembre: Ocurrió un colapso en la abundancia y la biomasa de las diatomeas. Esto fue acompañado por un aumento drástico en la biomasa de carbono de los Arthropoda (específicamente Copepoda) y Cyanobacteria (Trichodesmium).
• Espectro de Tamaño: El Espectro de Tamaño de Biomasa Normalizado (NBSS) mostró pendientes negativas durante todo el estudio, lo que indica una comunidad dominada por organismos más pequeños. Sin embargo, la pendiente se volvió menos negativa en noviembre, reflejando un cambio hacia células de mayor tamaño (Arthropoda) y una reducción en el dominio de organismos de tamaño pequeño.
• Correlación con Satélite: Los datos de Chl-a satelital revelaron una divergencia entre las escalas regional y local. Mientras que las concentraciones de Chl-a aumentaron regionalmente en la Bahía de La Paz durante noviembre, disminuyeron en el sitio de muestreo específico de El Mogote, correlacionándose con el colapso local observado de las Bacillariophyta autótrofas.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que el PlanktoScope demostró con éxito su potencial como una herramienta de alta frecuencia y bajo costo para el monitoreo de la composición de la comunidad de plancton y la detección de cambios temporales locales. El estudio destaca la capacidad del sistema para proporcionar datos cuantitativos sobre la distribución de la biomasa y los espectros de tamaño, los cuales son críticos para comprender la estructura de la red trófica y la función de los ecosistemas.

El artículo enfatiza que, si bien el PlanktoScope ofrece una alternativa escalable a la microscopía tradicional, la resolución taxonómica actual se vio limitada por la disponibilidad de conjuntos de datos de entrenamiento regionales en Ecotaxa. En consecuencia, los autores concluyen que, aunque los hallazgos son prometedores, es necesaria una mayor validación en escalas espacio-temporales más amplias y en diferentes contextos oceanográficos para alcanzar plenamente el potencial de la herramienta para el monitoreo global de los ecosistemas. El estudio posiciona al PlanktoScope como un medio para reducir la barrera de entrada para instituciones con infraestructura de laboratorio limitada, facilitando evaluaciones más consistentes y rápidas de las comunidades de plancton.