Лаборатория посадочных устройств: Экономическая эффективность океанских посадочных устройств с приманкой

Суда, оснащенные поворотным краном и лебёдкой, идеально подходят для развертывания и подъёма систем дистанционного подводного видеонаблюдения с использованием наживки (BRUV). На этом фото система Stereo-BRUV, разработанная Австралийским институтом морских наук (AIMS), опускается на морское дно. BRUV оказывают минимальное воздействие на донные сообщества или саму поверхность морского дна. Фотография предоставлена Группой морской экологии – Исследовательским центром по исследованию рыб, Университет Западной Австралии.

Определение разнообразия и распределения видов в экосистеме имеет решающее значение для создания исходных данных для мониторинга или оценки эффективности стратегий сохранения и восстановления. Методы отбора проб морских и водных экосистем могут быть неэффективными и предвзятыми, например, видеосъёмка с использованием водолазов, или вредными для окружающей среды и биоразнообразия, например, донные тралы и невода. Оба метода требуют много времени и затрат. Выбор эффективного и экономичного метода отбора проб для установления исходных данных и мониторинга биоразнообразия является важным фактором в экологическом исследовании.

Рассмотрены два неинвазивных метода мониторинга морской жизни во всей толще воды выбранного участка: системы камер с наживкой и метабаркодирование ДНК окружающей среды (eDNA). Проведено сравнение затрат, определены сильные и слабые стороны, а также показатели эффективности.

«Хотя область исследования была локализована, — пишет Кларк в своей статье, — представленные здесь результаты применимы к глобальным программам мониторинга водного биоразнообразия и охраны природы».

Камеры с приманкой

Автоматические камеры для покадровой съемки используются для изучения бентоса с 1950-х годов такими исследователями, как профессор Джон Д. Айзекс из Института океанографии Скриппса/Калифорнийского университета в Сан-Диего и доктор Гарольд Э. Эджертон из Океанографического института Вудс-Хоул.

Гарольд Э. Эджертон (слева) из WHOI помогает развернуть систему привязной глубоководной камеры на борту исследовательского судна «CALYPSO» Жака-Ива Кусто во время полевых работ в Средиземном море в 1953 году. Фото © 2010 MIT. Предоставлено музеем MIT.

В 1968 году Джон Д. Айзекс из Института Скриппса с камерой, оснащенной наживкой, свободно падает в глубокое море, чтобы обнаружить неизвестные виды рыб и других падальщиков, которых привлекает наживка, прикрепленная к якорю. Работа Айзекса показала, что неподвижные изображения позволяют идентифицировать морскую жизнь, а видеозаписи – особенности поведения. В заданное время якорь отпускается, и камера возвращается на поверхность, где ее извлекают. Изображение предоставлено Институтом океанографии Скриппса/Калифорнийским университетом в Сан-Диего.

Подводная видеосъёмка с дистанционным управлением и приманкой (BRUV) становится всё более распространённым, эффективным, неинвазивным и неразрушающим методом сбора данных о морском биоразнообразии. Небольшие глубины можно исследовать с помощью системы камер, которая опускается на морское дно подобно ловушке для крабов и помечается поплавком. Изображения часто получаются только в светлое время суток, поэтому освещение и батарейки не требуются. Эти простые системы известны как платформы для дистанционной подводной видеосъёмки с приманкой (BRUV).

Подводная стереовидеосъёмка с дистанционным управлением (BRUV) на рифе Ридерс, Цицикамма, Южная Африка. Фото Питера Саутвуда, использовано с разрешения.

Использование систем BRUV предпочтительнее методов экстракционного отбора проб, таких как траление, поскольку многие виды избегают сетей или погибают при улове. Благодаря своей бесшумности и наличию наживки, BRUV обеспечивают на 40% более эффективный подход к регистрации численности видов, чем видеотрансекты, проводимые водолазами. Кроме того, BRUV обеспечивает постоянную запись данных, которую можно просматривать для снижения межнаблюдательской вариабельности, предоставляет данные о типах местообитаний и может применяться в глубоких или сильно структурированных экосистемах.

BRUV могут предоставлять относительные показатели видового богатства и численности в широком диапазоне условий и местообитаний. Системы стерео-BRUV могут определять размер тела рыб, а также создавать цифровую карту глубины резкости, на которой объекты и существа могут выделяться на фоне окружающей среды. Размер рыб может использоваться в качестве косвенного показателя биомассы – важнейшего показателя для составления отчётов по управлению рыболовством. Более сложные исследования могут включать набор датчиков для измерения и регистрации влияния флуктуирующих зон кислородного минимума и других физических океанографических явлений на локальные популяции животных. Несколько систем BRUV/океанский посадочный модуль могут быть развернуты одновременно, что делает этот метод эффективным по времени на большой территории.

Многокамерные цифровые системы визуализации с перекрывающимися полями обзора позволяют получать панорамные изображения морского дна вокруг посадочного модуля на 360°. Тепловизионные камеры приобретают всё большую популярность в морских исследованиях.

Как показал Айзекс, автономный океанский посадочный модуль может достичь более глубоких вод так же, как и BRUV, полагаясь на способность посадочного модуля сбрасывать груз для всплытия на поверхность. Якорь может быть отдан по таймеру или акустической команде. Стоимость якоря и воздействие на окружающую среду можно снизить за счет использования ферроцемента. (См. Marine Technology Reporter, ноябрь/декабрь 2024 г., стр. 40, Lander Lab № 12, «Ферроцементные якоря»).

Как и BRUV, океанские посадочные модули предоставляют долговременные, бесшумные и неинвазивные платформы для наблюдения за морской жизнью или мониторинга изменяющихся условий океана. Второй таймер может закрыть небольшую бутылку Нискина с помощью проволочной горелки, собирая образец придонной воды для анализа ДНК, как описано ниже. Образец воды только увеличивает вес аппарата при его извлечении из моря на судно.

Другие исследования выявили ограничения метода BRUV/Landers. Идентификация видов может быть затруднена в мутной воде из-за плохой видимости, а также может наблюдаться переизбыток высших хищников из-за поведения видов, связанного с падением популяции. Кроме того, запах приманки привлечет виды из других районов, которые могут не обязательно находиться поблизости от мест сбора проб, поэтому истинная зона сбора проб в значительной степени неизвестна. Рыбы, обитающие выше в толще воды, а также скрытные (камуфляжные) и малоподвижные виды также, вероятно, будут недостаточно представлены при использовании BRUV. Наконец, анализ отснятого материала может быть трудоемким, длительным и дорогостоящим.

Метабаркодирование ДНК окружающей среды (eDNA) — это высокопроизводительный метод секвенирования ДНК, который становится всё более популярным при исследовании морских экосистем. Важным преимуществом использования eDNA является простота сбора образцов: требуется относительно небольшой объём воды, 2 л. В отличие от традиционного ДНК-штрихкодирования, которое идентифицирует одну особь, метабаркодирование одновременно идентифицирует несколько видов, обеспечивая широкую картину биоразнообразия. Генетический материал, выделяемый организмами в океане, такой как клетки кожи, чешуя, фекалии, гаметы и другой органический материал, обнаруживается в отложениях и придонной (демерсальной) морской воде. Они откладываются в течение времени, превышающего продолжительность видеозаписи, и могут отображать виды, не видимые на коротких снимках в дневное время. Скудные фрагменты ДНК можно амплифицировать с помощью методов полимеразной цепной реакции (ПЦР).

Метод электронной ДНК позволяет быстро оценивать разнообразие экосистем, выявлять инвазивные виды и оценивать состав сообществ, рисуя картину биоразнообразия и биомассы данной экосистемы. Хотя ДНК со временем деградирует, она сохраняется в окружающей среде достаточно долго, чтобы обнаружить присутствие организмов без непосредственного наблюдения или отлова. Процесс фильтрации прост и требует минимальной подготовки, специальных знаний и времени в полевых условиях. Этот метод устраняет необходимость в обширных таксономических знаниях для идентификации видов, обычно необходимых при фотографических методах.

Несмотря на многочисленные преимущества мониторинга, основанного на электронной ДНК, он также имеет ограничения. На возможность обнаружения электронной ДНК в окружающей среде может влиять ряд факторов, приводя как к ложноотрицательным результатам (невозможность обнаружения видов, присутствующих в данном районе), так и к ложноположительным результатам (обнаружение видов, отсутствующих в исследуемом районе). На вероятность обнаружения могут влиять биотические и абиотические факторы, включая видоспецифическую генерацию и деградацию электронной ДНК, связанную с размером тела, стадией жизненного цикла, рационом питания и миграцией. Перенос электронной ДНК приливами и океаническими течениями, а также скорость её распада под воздействием ультрафиолетового излучения, pH и температуры воды также могут влиять на вероятность обнаружения. Кроме того, возможно загрязнение образца на этапе отбора и обработки.

Еще одним ограничением eDNA является то, что справочные базы данных, используемые для перевода операционных таксономических единиц (OTU), все еще неполны, особенно для видов, встречающихся в тех частях света, где проводилось меньше исследований.

Сассексский залив, Великобритания, исследование, 2021 г.

Целями данного исследования были: (1) сравнить показатели видового состава, полученные с помощью BRUV и eDNA; (2) сравнить чувствительность двух праймеров метабаркодирования eDNA; (3) исследовать важность репликации eDNA и (4) сравнить затраты и усилия, требуемые для обоих методов обследования для обнаружения присутствия видов морских позвоночных.

Для тестирования этих методов биомониторинга был выбран залив Сассекс на южном побережье Великобритании. Биоразнообразие морских позвоночных изучалось на 29 различных участках, выбранных с помощью ранее проведенных трансект с буксируемыми видеокамерами. Сбор проб проводился в период с 5 по 21 июля 2021 года с 8:00 до 17:00.

В исследовании использовалась платформа BRUV с тремя камерами: две из них были направлены в одну сторону, а третья — назад. Анализ видеоизображений производился только с правой камеры, а левая камера использовалась в случае выхода из строя правой камеры или её засорения водорослями. Поскольку снимки снимались в дневное время, освещение не использовалось.

Три системы BRUV были последовательно развернуты с лодки на каждом из 29 участков на расстоянии 150 м друг от друга и оставлены для съёмки на морском дне продолжительностью до 75 минут. Рыбы и морские позвоночные наблюдались и идентифицировались до максимально возможного таксономического уровня.

Образцы эДНК собирались на каждом из 29 участков во время работы установок BRUV. Для сбора проб воды на высоте одного метра над морским дном использовался пробоотборник Кеммерера, приводимый в действие грузилом-посылкой. Чтобы минимизировать загрязнение и деградацию эДНК, каждая проба сразу же фильтровалась на судне. Всего в рамках данного исследования было проведено 87 установок BRUV и собрано 87 образцов эДНК.

Результаты

Совместное использование метабаркодирования eDNA и видеосъемки открывает большие возможности для мониторинга океанических экосистем на различных глубинах.

Исследования залива Сассекс, сравнивающие eDNA и подводные видео, показали, что исследования BRUV в целом обходятся дешевле, но мониторинг eDNA дает большую ценность с учетом количества обнаруженных видов. Однако, в отличие от исследований BRUV, виды, обнаруженные eDNA, вероятно, представляют виды, обитающие в более обширной географической области, чем конкретный участок, на котором производился отбор проб, как отмечалось выше.

Также может иметь место некоторая систематическая ошибка, связанная с разницей во времени накопления материала эДНК в зависимости от времени суток и продолжительности видеозаписи. Кроме того, донные камеры вряд ли зафиксируют рыбу в толще воды над головой.

Диаграмма Венна для выявления видов по данным eDNA и BRUV. Исследования экологической ДНК (eDNA) выявили большинство (78/81) видов, обнаруженных обоими исследованиями (центральная и правая части диаграммы Венна). Исследования BRUV выявили 27/81 вид (центральная и левая части диаграммы Венна). Оба метода выявили одни и те же 24 вида, принадлежащих к 12 семействам. Изображение использовано с разрешения. Инфографика разработана Элис Кларк совместно с NatureMetrics.

Сравнение затрат и усилий

Расходы на BRUV включали в себя сборку камер, наживку, аренду лодки и оплату труда специалистов по видеоанализу. Поскольку установки BRUV были построены в первый год и планируется использовать их повторно в течение следующих четырёх лет, первый год, естественно, обходится дороже последующих.

Расходы на eDNA включали в себя расходы на пробоотборник Kemmerer, систему фильтрации в море, аренду судна, наборы eDNA и анализ, проведенный NatureMetrics. Первый год, опять же, обходится дороже, чем последующие, поскольку приобретенное оборудование будет использоваться повторно из года в год. Рассматривалась стоимость проведения анализа собственными силами и стоимость аутсорсинга. Учитывая, что для анализа видео BRUV требуется разный уровень квалификации, чем для анализа eDNA в лаборатории, были учтены трудозатраты по каждому методу. Также учитывалось время, затраченное на проведение полевых работ.

Сравнение стоимости исследований BRUV, исследований eDNA с внутренним анализом образцов и исследований eDNA с внешним анализом образцов. Затраты были разделены на три категории: оборудование, полевые работы и анализ. В целом, исследование BRUV оказалось самым доступным методом биомониторинга, а исследование eDNA с внешним анализом образцов – самым дорогим. Инфографика разработана Элис Кларк совместно с NatureMetrics.

В пятилетнем периоде исследования BRUV оказались наименее затратными по сравнению как с исследованиями eDNA, проводимыми сторонними организациями, так и собственными силами. Тем не менее, анализ eDNA выявил более высокое видовое богатство, что привело к снижению затрат на выявление каждого вида, с учетом ранее описанных ограничений.

При оценке будущих затрат на протяжении пяти лет отбора проб не учитывалось влияние инфляции или вероятное снижение стоимости секвенирования электронной ДНК.

Аналогичным образом, видеотехнологии, вероятно, также значительно продвинутся в ближайшие годы. Согласно предыдущим исследованиям, время, затрачиваемое на анализ видеоматериалов, вдвое превышает длительность записанного видео. Однако, благодаря быстрому развитию глубокого обучения и связанных с ним инструментов искусственного интеллекта, используемых для автоматизации или частичной автоматизации видеоанализа, время и усилия, затрачиваемые на анализ видеоматериалов, вероятно, значительно сократятся. Технологии видеосъемки также становятся более доступными и обладают более высоким разрешением, что позволяет более точно определять характеристики популяции.

Мысли о будущем

BRUV или океанский посадочный модуль, способный осуществлять как видеосъемку в течение как минимум 24-часового цикла, так и отбор проб воды для эДНК, включая методы фильтрации и консервации на поверхности, определенные исследователями залива Сассекс, представляет собой экономически эффективный инструмент мониторинга, который может использоваться непрерывно в течение нескольких лет.

Примечание редактора:

Эксплуатационные расходы на операции с посадочными модулями редко включаются в научные статьи. Эта статья Lander Lab была вдохновлена хорошо продуманной академической работой «Анализ затрат и усилий на дистанционное подводное видео с наживкой (BRUV) и экологическую ДНК (eDNA) при мониторинге морских экологических сообществ», написанной Элис Дж. Кларк, аспиранткой Университета Сассекса, Брайтон, Великобритания, и др. Оценки авторов экономической эффективности двух неинвазивных методов отбора проб были протестированы в полевых условиях на прибрежном морском охраняемом участке, восстанавливающемся после многих лет траления и сильных штормов. Методы соответствуют области и продолжительности исследования. В эту статью был добавлен дополнительный материал в дополнение к исходной статье. Читателям рекомендуется ознакомиться с полным текстом оригинала онлайн, особенно для получения подробной информации о научных методах, анализе и выводах. Ссылка ниже. Доктор Закари Графф, научный сотрудник НПО «Beneath the Waves» ( underthewaves.org ), предложил тему BRUV, описанную в этой статье.

Цитаты

Кларк А.Дж., Аткинсон С.Р., Скарпони В., Кейн Т., Джеральди Н.Р., Хенди И.В., Шипвей Дж.Р., Пек М. 2024. Анализ затрат и усилий на дистанционное подводное видео с наживкой (BRUV) и анализ ДНК окружающей среды (eDNA) при мониторинге морских экологических сообществ. PeerJ 12:e17091
Полную версию статьи со ссылками можно найти на сайте PeerJ : https://peerj.com/articles/17091/
Опубликовано 30 апреля 2024 г.

«Lander Lab» — это практическая рубрика, посвящённая технологиям и стратегиям создания океанских спускаемых аппаратов, уникального класса беспилотных подводных аппаратов, и людям, которые их создают. Она предназначена для мирового сообщества любителей океанских спускаемых аппаратов, подобно журналу Make Magazine и другим сообществам DIY.

Комментарии к этой статье и предложения историй, интересных другим участникам проекта «Ландерейн», приветствуются. Другие команды, занимающиеся океанскими посадками, также могут поделиться своими работами. MTR предлагает вам связаться с Кевином Харди по адресу <[email protected]>.