ZooSCAN浮游動物成像系統(tǒng)在實現(xiàn)海洋浮游生物長期標準化監(jiān)測中的應用

近期，法國索邦大學的科研團隊，基于ZooSCAN成像系統(tǒng)與EcoTaxa浮游生物大數(shù)據(jù)共享平臺，對法國首個海洋保護區(qū)—伊魯瓦海海洋自然公園進行了長達14年（2010–2023年）的系統(tǒng)性監(jiān)測，繪制出一幅浮游生物在復雜水文環(huán)境中動態(tài)變化的生態(tài)圖景，深刻揭示了浮游生物群落隨沿岸至離岸環(huán)境梯度變化的內(nèi)在規(guī)律。
 

浮游生物作為海洋食物網(wǎng)的基石與碳循環(huán)的關鍵推動者，其群落變化是衡量海洋生態(tài)系統(tǒng)健康的重要指標。伊魯瓦海位于英吉利海峽與大西洋的交匯處，受烏尚特鋒面影響顯著，形成了得天獨厚的沿岸-離岸環(huán)境梯度，為研究浮游生物響應環(huán)境因子的一系列過程提供了一個理想的天然實驗室。然而，該海域研究一直存在一個關鍵短板：缺乏一套系統(tǒng)性的浮游生物數(shù)據(jù)集，其數(shù)據(jù)必須兼具高度的分類一致性與可溯源的形態(tài)信息。

為此，研究團隊創(chuàng)新性地融合傳統(tǒng)顯微鏡技術與現(xiàn)代數(shù)字成像方法，構建了一套涵蓋浮游植物與浮游動物的開放式數(shù)據(jù)集，旨在揭示這一保護區(qū)內(nèi)浮游生物群落的長期演變規(guī)律及其背后的驅(qū)動機制。

研究在伊魯瓦海布設兩條斷面（B與D）及三個沿岸站點，開展季節(jié)性采樣（圖1）。浮游植物通過顯微鏡由同一名專家全程鑒定，確保了分類標準的統(tǒng)一性；浮游動物樣本則全部通過ZooSCAN浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)進行數(shù)字化成像（圖2）。
 

 圖1 伊魯瓦海海洋自然公園的采樣區(qū)

 

圖2 ZooSCAN浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)

ZooSCAN作為專業(yè)的浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)，能夠生成高分辨率的16位灰度圖像。結合ZooProcess軟件，系統(tǒng)可自動提取每個個體的形態(tài)特征參數(shù)（如長軸、短軸、面積、灰度等），并精確估算生物體積與豐度。所有圖像均上傳至EcoTaxa浮游生物大數(shù)據(jù)共享平臺，經(jīng)由機器學習算法預分類后，再由專家進行人工校驗，最終將浮游動物精準歸類為103個生物類群（圖3），確保了數(shù)據(jù)兼具高通量處理與高分類準確度的雙重優(yōu)勢。
 

 圖3 ZooSCAN為20個最豐富的分類群拍攝的浮游生物圖像示例

1.浮游植物研究共鑒定出573個分類單元，主要以隱藻、不等鞭毛藻、甲藻和納米鞭毛蟲為主導類群。豐度呈現(xiàn)出顯著的年際波動，高峰期出現(xiàn)在2011年與2022年，但未形成一致的沿岸—離岸分布梯度（圖4，圖5）。群落結構在沿岸站點與斷面之間表現(xiàn)出差異性，例如莫萊內(nèi)站與桑島站在某些年份出現(xiàn)了獨特的藍藻豐度高峰。
 

 圖4 浮游植物平均豐度的時空動態(tài)（2010-2022）

 圖5 浮游植物群落組成的時空動態(tài)（2010-2022）
 

 圖6 浮游動物平均豐度的時空動態(tài)（2010-2023）

 圖7 浮游動物群落組成的時空動態(tài)（2010-2023）

本研究借助ZooSCAN實現(xiàn)了浮游動物樣本的高效數(shù)字化與標準化分析，結合浮游植物專家鑒定，成功構建了一套兼具時空廣度與分類精度的長期生態(tài)數(shù)據(jù)集。研究結果表明，伊魯瓦海浮游生物群落受到沿岸—離岸環(huán)境梯度與烏尚特鋒面過程的顯著影響，而其群落結構在長達十余年的觀測中保持相對穩(wěn)定，展現(xiàn)出該海洋保護區(qū)所具有的生態(tài)韌性。

該數(shù)據(jù)集的開放共享不僅為海洋保護區(qū)的科學管理與管理成效評估提供了關鍵數(shù)據(jù)支撐，也為全球浮游生物多樣性監(jiān)測和功能性狀研究提供了寶貴資源。ZooSCAN與EcoTaxa的協(xié)同應用，充分展現(xiàn)了成像技術在提升海洋生態(tài)觀測效率、標準化等方面的巨大潛力與應用價值。
 

1.Drago, L., Cailliau, C., Pouline, P., et al. Long-term plankton and environmental monitoring dataset from the Marine Protected Area of the Iroise Marine Natural Park (2010–2023) in the Iroise Sea, North Atlantic. ESSD, 2025.