Computer Processing and Analysis of Scanned Zooplankton Samples: Guidelines

Разработаны методические рекомендации для компьютерного анализа получаемых в результате сканирования проб зоопланктона изображений с помощью программного обеспечения ImageJ/Fiji и ilastik. Приведены инструкции для постобработки первичного отсканированного материала, процедур сегментирования и создания коллекций изображений зоопланктеров с целью последующего распознавания в модуле Object Classifiction / ilastik. Предлагаемая методика оптимизирует работу с большими файлами изображений в высоком разрешении благодаря созданию коллекций и упрощает задачу построения классификатора. Методика оказалась эффективной для решения задачи изучения пространственного распределения размерной структуры популяции копепод Arctodiaptomus salinus в оз. Шира. Кроме того, методика тестировалась на пробах естественного зоопланктона озер Северо-Минусинской котловины (Республика Хакасия), имеющих разные видовой состав и численность планктонных организмов. Возможности видовой идентификации зоопланктеров по сканированным пробам были ограничены, однако в сочетании с традиционной микроскопией метод биоимидж-анализа (БИА) также позволяет выполнять исследования таксономической структуры зоопланктона. На основе результатов тестирования приводится обсуждение преимуществ, ограничений и перспектив развития методов БИА для обработки проб зоопланктонаGuidelines for computer analysis of images obtained by scanning zooplankton samples using ImageJ / Fiji and ilastik software have been developed. Instructions are given for post-processing of the primary pre-scanned material, which includes segmentation of zooplanker images and creating collections for subsequent recognition in the Object Classifiction / ilastik module. Creating these collections optimizes the work with large high-resolution image files and simplifies constructing a classifier. The method proved effective for studying spatial distribution of size structure in the population of copepod Arctodiaptomus salinus in Lake Shira. The technique was also tested on samples of natural zooplankton from lakes in the northern part of Minusinsk Lowlands (Republic of Khakassia) which have different species compositions and abundance of planktonic organisms. The capacity of bioimage analysis (BIA) for identification of zooplankton species is limited. However, in combination with traditional microscopy, it can be also used for studying the taxonomic structure of zooplankton. Based on the research results, the advantages, limitations and implications of BIA methods for processing zooplankton samples are discusse

The Effect of Salinity and Nutrient Load on the Ecosystems of Selected Lakes in the South of Siberia

Соленость во многом определяет видовое разнообразие и структуру трофической цепи озерных экосистем. Большое количество работ было посвящено исследованию толерантности различных видов планктона к солености. Последствия модификаций звеньев трофической цепи для функционирования экосистемы рассматривают реже. Удобным объектом для таких исследований являются близкорасположенные озера различной солености. Мы провели отбор проб в период летней стратификации и проанализировали физико-химические и биологические характеристики 20 озер (общее количество растворенных солей от 0,1 до 35 г/л) на юге Сибири с целью общего описания экосистем и проверки ряда гипотез о влиянии солености на структуру трофической цепи. Анализ выявил два ключевых фактора, оказывающих влияние на экосистемы исследованных озер. Видовой состав зоопланктона определялся соленостью с уменьшением числа видов и трансформацией сообщества от разнообразного сообщества зоопланктона (солености до 3 г/л) к доминированию крупных дафний (3–8 г/л), копепод (> 8 г/л), мелких ветвистоусых и коловраток (20–30 г/л) и артемий (> 30 г/л). Верхнее трофическое звено (рыбы) элиминировалось при солености выше 10 г/л. Биомасса зоопланктона не зависела от солености, но возрастала в озерах с увеличенной биогенной нагрузкой. Биогенная нагрузка также достоверно влияла на содержание общего фосфора в воде, мутность и прозрачность воды, концентрацию хлорофилла «а». Таким образом, зафиксирован структурирующий эффект биогенной нагрузки (bottom-up- контроль) на биомассу звеньев трофической цепи и показатели прозрачности воды, тогда как соленость трансформировала трофическую цепочку сверху, приводя к исчезновению рыб и смене доминирующих видов зоопланктона. При этом соленость не влияла на биомассу звеньев трофической цепи. По всей видимости, чтобы обнаружить каскадные эффекты в экосистемах соленых озер, требуется провести сравнительный анализ сезонных динамик развития экосистем озер различной соленостиSalinity largely determines the species diversity and structure of the food web in lake ecosystems. Many studies have been focused on the salinity tolerance of various plankton species. There are fewer studies investigating the modifications in the food web interactions under the effect of salinity. An appropriate system for such studies is closely located lakes of different salinity. We took samples during the summer stratification and analyzed the physicochemical and biological characteristics of 20 lakes (salinity 0.1-35 g/l) in southern Siberia in order to provide general description of this system and to test a number of hypotheses about the effect of salinity on the structure of the food web. The analysis revealed two key factors structuring ecosystems of the studied lakes. The species composition of zooplankton was determined by salinity, with a decrease in the number of species and the transformation of the community from a diverse community of zooplankton (salinity up to 3 g/l) to the dominance of large daphnia (3-8 g/l), copepods (> 8 g/l), small cladocerans and rotifers (20-30 g/l), and Artemia (> 30 g/l). The top predator (fish) was eliminated at salinity above 10 g/l. The biomass of zooplankton did not depend on salinity, but significantly increased in lakes with an increased nutrient load. The nutrient load also had a significant effect on the concentration of total phosphorus, turbidity and transparency of water, and the concentration of chlorophyll “a”. Thus, we recorded the structuring effect of the nutrient load (bottom-up control) on the biomass of the trophic levels and the parameters of water transparency, while salinity transformed the trophic chain from the top, leading to the disappearance of fish and a change in the dominant species of zooplankton. At the same time, salinity did not affect the biomass of the trophic levels. In order to detect top-down effects in the ecosystems of saline lakes, it is necessary to perform a comparative analysis of the seasonal dynamics of ecosystems of lakes with different salinit