Сотрудники Института биофизики СО РАН Красноярского научного центра РАН и Сибирского федерального университета (Красноярск) разработали новый метод оценки состояния зоопланктона в озёрах с помощью подводной видеосъёмки и машинного обучения. Испытания в хакасских солёных озёрах показали, что система на основе экшен-камер позволяет точно различать живых и погибших рачков, открывая новые возможности для мониторинга водных экосистем. Результаты исследования опубликованы в «Журнале СФУ. Биология».

Исследования зоопланктона, ключевого компонента водных экосистем, важны для понимания процессов, происходящих в водоёмах, например, таких как круговорот углерода. Одним из показателей здоровья водоёма является смертность зоопланктона. Высокая доля мёртвых рачков в пробах указывает на неблагоприятные условия: загрязнение, плохие трофические условия или стресс, вызванный токсичными веществами. Однако подсчёт погибших особей зоопланктона — задача не из лёгких. Традиционный метод лова планктона сетью и его окрашивания красителем требует ручной обработки проб, значительных временных затрат, а также квалифицированных специалистов.

Сотрудники Красноярского научного центра СО РАН предложили оценивать обилие планктона в озёрах при помощи подводной видеосъемки и последующего подсчета по записям живых и мёртвых особей при помощи машинного обучения. Они испытали разработанную систему подводной съёмки в шести солёных озёрах Юга Сибири и оценили перспективы её использования для изучения естественной смертности зоопланктона.

Погружная система использует экшен-камеры, которые снимают видео под водой в проточной камере. На видео учёные могут различить живых и мёртвых рачков по их активности. В будущем специалисты планируют использовать машинное обучение для автоматизации процесса подсчёта. Результаты показали, что в исследованных озёрах в составе зоопланктона в среднем около 5 % рачков мёртвые. Эти данные соответствуют общепринятым значениям для солоноватых и пресноводных экосистем. Низкая и стабильная доля мёртвых особей свидетельствует о том, что в период наблюдений популяции зоопланктона не подвергались значительному стрессу.

Специалисты сравнили предложенный метод с традиционным ловом планктонной сетью и окрашиванием рачков красителем. Результаты, полученные этими методами, были близкими.

«Подводная видеосъёмка может стать эффективным методом изучения естественной смертности зоопланктона. Обычно мы рассчитываем смертность зоопланктона, измеряя соотношение живых и мёртвых организмов в разных слоях воды и скорость их погружения с помощью специальных ловушек, установленных в озеро. Подводная видеосъёмка может решить некоторые проблемы, связанные с анализом вертикального распределения живых и погибших организмов в толще воды и определением скорости погружения и точнее отслеживать эти процессы. В настоящее время прототип проточной видеосистемы хорошо справляется с анализом живого зоопланктона. Однако мертвый зоопланктон имел низкие концентрации в исследуемых озёрах и редко попадал в проточную камеру. Тем не менее, видеосистема позволила провести комплексную оценку численности мёртвого зоопланктона во всей толще воды. Следующим шагом в улучшении процедуры станет модификация видеосистемы для изучения объектов с низкой концентрацией и использования методов машинного обучения для автоматизации классификации, обработки и анализа видеоданных», — отметил старший научный сотрудник Института биофизики СО РАН кандидат биологических наук Александр Толомеев.

Разработка подводной видеосистемы для анализа зоопланктона выполнялась при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 23-24-00270).

Источник: КНЦ СО РАН.