Determinar a diversidade e a distribuição de espécies em um ecossistema é essencial para criar uma linha de base para estudos de monitoramento ou para avaliar o sucesso de estratégias de conservação e restauração. Os métodos de amostragem de ecossistemas marinhos e aquáticos podem ser ineficientes e tendenciosos, como o vídeo operado por mergulhadores, ou prejudiciais ao meio ambiente e à biodiversidade, como redes de arrasto de fundo e redes de cerco. Ambos são demorados e caros. A escolha de um método de amostragem eficiente e econômico para estabelecer linhas de base e monitorar a biodiversidade é uma consideração importante em um estudo ecológico.
Foram consideradas duas técnicas não invasivas para monitorar a vida marinha em toda a coluna d'água de um local escolhido: sistemas de câmeras com isca e metacodificação de DNA ambiental (eDNA). Comparações de custos, pontos fortes, pontos fracos e medidas de eficácia são determinadas.
“Embora a área de estudo tenha sido localizada”, escreve Clark em seu artigo, “as descobertas apresentadas aqui são aplicáveis a programas globais de monitoramento da biodiversidade aquática e da conservação”.
Câmeras com isca
Câmeras automáticas de lapso de tempo para estudos bentônicos têm sido usadas desde a década de 1950 por pesquisadores como o Prof. John D. Isaacs, da Scripps Institution of Oceanography/UCSD, e o Dr. Harold E. Edgerton, da Woods Hole Oceanographic Institution.
Harold E. Edgerton (à esquerda), do WHOI, auxilia na implantação de um sistema de câmera de águas profundas a bordo do navio de pesquisa CALYPSO, de Jacques-Yves Cousteau, durante trabalho de campo no Mediterrâneo em 1953. Foto © 2010 MIT. Cortesia do Museu do MIT
A câmera com isca de John D. Isaacs, da Scripps Institution, cai livremente no fundo do mar para revelar espécies desconhecidas de peixes e outros necrófagos atraídos pela isca presa à âncora em 1968. O trabalho de Isaacs mostrou que imagens estáticas identificavam a vida marinha, enquanto clipes de vídeo revelavam comportamentos. Em um momento pré-definido, a âncora é solta e o sistema de câmera flutua de volta à superfície, onde é recuperado. Imagem cortesia da Scripps Institution of Oceanography/UCSD
O Vídeo Subaquático Remoto com Isca (BRUV) é um método cada vez mais comum, eficaz, não invasivo e não destrutivo para amostragem da biodiversidade marinha. Profundidades rasas podem ser exploradas usando um sistema de câmera que é abaixado até o fundo do mar como uma armadilha para caranguejos e marcado com uma boia de superfície. As imagens geralmente são limitadas à luz do dia, portanto, luzes e pilhas não são necessárias. Esses sistemas simples são conhecidos como plataformas de "Vídeo Subaquático Remoto com Isca" (BRUV).
Vídeo subaquático remoto com isca estéreo (BRUV) no recife de Rheeders, Tsitsikamma, África do Sul. Foto de Peter Southwood, usada com permissão.
O uso de sistemas BRUV é preferível a métodos de amostragem extrativa, como a pesca de arrasto, visto que muitas espécies escapam das redes ou são destruídas pela captura. Por serem silenciosos e servirem como isca, os BRUVs proporcionam uma abordagem 40% mais eficiente para registrar a contagem de espécies do que os transectos de vídeo realizados por mergulhadores. Além disso, o BRUV oferece um registro permanente de amostragem que pode ser revisado para reduzir a variabilidade interobservadores, fornece dados sobre os tipos de habitat e pode ser utilizado em ecossistemas profundos ou altamente estruturados.
Os BRUVs podem fornecer medidas relativas da riqueza e abundância de espécies em uma ampla gama de condições e habitats. Os sistemas BRUV estéreo podem determinar o tamanho corporal dos peixes e também produzir um mapa digital de profundidade de campo, onde características e criaturas podem se destacar do ambiente circundante. O tamanho dos peixes pode ser usado como um proxy para a biomassa, uma métrica essencial para relatórios de gestão pesqueira. Levantamentos mais complexos podem incluir um conjunto de sensores para medir e registrar o efeito da flutuação das zonas mínimas de oxigênio e outros eventos oceanográficos físicos nas populações locais de animais. Vários sistemas BRUV/ponte oceânica podem ser implantados simultaneamente, tornando-se um método de levantamento de uma grande área com eficiência de tempo.
Sistemas de imagens digitais multicâmeras com campos de visão sobrepostos podem fornecer vistas panorâmicas de 360° do fundo do mar ao redor de um módulo de pouso. Câmeras térmicas estão ganhando relevância em estudos marinhos.
Como Isaacs demonstrou, águas mais profundas podem ser acessadas por um módulo de pouso oceânico autônomo da mesma forma que um BRUV, contando com a capacidade do módulo de pouso de liberar um peso que flutua até a superfície. A âncora pode ser liberada por um temporizador ou comando acústico. O custo da âncora e o impacto ambiental podem ser mitigados pelo uso de ferrocimento. (Veja Marine Technology Reporter, novembro/dezembro de 2024, pp. 40, Lander Lab nº 12, “Âncoras de Ferrocimento”.)
Assim como os BRUVs, os veículos de pouso oceânicos oferecem plataformas silenciosas, não invasivas e de longa duração para observar a vida marinha ou monitorar as mudanças nas condições do oceano. Um segundo temporizador pode fechar uma pequena garrafa de Niskin usando um fio de queima, capturando uma amostra de água próxima ao fundo para análise de eDNA, como discutido abaixo. A amostra de água apenas adiciona peso ao veículo quando ele é retirado do mar e colocado no barco.
Outros estudos destacaram as limitações do BRUV/Landers. A identificação de espécies pode ser desafiadora em ambientes aquáticos turvos devido à baixa visibilidade, e pode haver super-representação de predadores de topo devido ao comportamento das espécies associado à coleta de lixo. Além disso, o cheiro da isca atrairá espécies de outras áreas que podem não ser necessariamente locais aos locais amostrados, portanto, a verdadeira área de amostragem é amplamente desconhecida. Peixes em níveis mais altos na coluna d'água e espécies crípticas (camufladas) e sedentárias também podem ser sub-representadas ao usar o BRUV. Por fim, a análise das imagens pode ser trabalhosa, demorada e dispendiosa.
A metabarcodificação de DNA ambiental (eDNA) é uma técnica de sequenciamento de DNA de alto rendimento que se tornou cada vez mais popular no levantamento de ecossistemas marinhos. Uma vantagem importante do uso de eDNA é a simplicidade da coleta de amostras: um volume relativamente pequeno de água, 2L, é necessário. Ao contrário da codificação de DNA tradicional, que identifica um único indivíduo, a metabarcodificação identifica simultaneamente múltiplas espécies, fornecendo uma ampla visão geral da biodiversidade. Material genético liberado por organismos no oceano, como células da pele, escamas, fezes, gametas e outros materiais orgânicos, é encontrado em sedimentos e próximo à água do mar (demersal) do fundo. Estes são depositados ao longo de uma escala de tempo maior do que um videoclipe e podem mostrar espécies não vistas em imagens de curta duração durante o dia. DNA escasso pode ser amplificado usando técnicas de reação em cadeia da polimerase (PCR).
O método eDNA permite a avaliação rápida de diversos ecossistemas, a detecção de espécies invasoras e estimativas da composição da comunidade, traçando um retrato da biodiversidade e da biomassa de um determinado ecossistema. Embora o DNA se degrade com o tempo, ele permanece no ambiente por tempo suficiente para que a presença dos organismos seja detectada sem que sejam observados ou capturados diretamente. O processo de filtragem é simples, exigindo pouquíssimo treinamento, experiência e tempo em campo. A técnica elimina a necessidade de amplo conhecimento taxonômico para identificar espécies, normalmente exigido por métodos fotográficos.
Apesar das muitas vantagens do monitoramento baseado em eDNA, ele também apresenta limitações. Diversos fatores podem influenciar a detectabilidade do eDNA no ambiente, levando a falsos negativos (falha na detecção de espécies presentes na área) ou falsos positivos (detecção de espécies ausentes na área amostrada). A probabilidade de detecção pode ser influenciada por fatores bióticos e abióticos, incluindo geração e degradação de eDNA específicas da espécie, ligadas ao tamanho corporal, estágio do ciclo de vida, dieta e migração. O transporte de eDNA por grandes amplitudes de maré ou correntes oceânicas e sua taxa de decaimento devido à intensidade da radiação UV, pH e temperatura da água também podem afetar a probabilidade de detecção. Além disso, a contaminação da amostra é possível desde a coleta até o processamento.
Outra limitação do eDNA é que os bancos de dados de referência usados para traduzir as unidades taxonômicas operacionais (UTOs) ainda são incompletos, especialmente para espécies encontradas em partes do mundo onde menos pesquisas foram realizadas.
Estudo da Baía de Sussex, Reino Unido, 2021
Os objetivos deste estudo foram: (1) comparar métricas de assembleia de espécies obtidas usando BRUV e eDNA; (2) comparar a sensibilidade de dois primers de metabarcodificação de eDNA; (3) investigar a importância da replicação de eDNA e (4) comparar o custo e o esforço necessários de ambas as técnicas de pesquisa para detectar a presença de espécies de vertebrados marinhos.
A Baía de Sussex, na costa sul do Reino Unido, foi o local selecionado para testar esses métodos de biomonitoramento. A presença de biodiversidade de vertebrados marinhos foi examinada em 29 locais diferentes, escolhidos por meio de transectos de vídeo rebocados anteriores. As amostras foram coletadas entre 5 e 21 de julho de 2021, entre 8h e 17h.
No estudo, foi utilizada uma plataforma BRUV com três câmeras, duas voltadas para uma direção e uma terceira para trás. As imagens de vídeo foram analisadas usando apenas as filmagens da câmera da direita, utilizando a câmera da esquerda caso a câmera da direita falhasse ou fosse obstruída por algas marinhas. Como as imagens foram capturadas durante o dia, não foram utilizadas luzes.
Três sistemas BRUV foram implantados sucessivamente por barco em cada um dos 29 locais, com 150 m de distância entre si, e deixados para filmar no fundo do mar por até 75 minutos. Peixes e vertebrados marinhos foram observados e identificados no menor nível taxonômico possível.
Amostras de eDNA foram coletadas em cada um dos 29 locais enquanto as plataformas BRUV estavam em operação. Um amostrador Kemmerer, acionado por um peso mensageiro, foi usado para coletar amostras de água a um metro acima do fundo do mar. Para minimizar a contaminação e a degradação do eDNA, cada amostra foi filtrada imediatamente no barco. No total, 87 operações BRUV foram realizadas e 87 amostras de eDNA foram coletadas neste estudo.
Resultados
Usados em conjunto, o eDNA Metabarcoding e os levantamentos de vídeo oferecem um forte potencial para monitorar ecossistemas oceânicos em diversas profundidades.
Os estudos da Baía de Sussex, que compararam eDNA e vídeos subaquáticos, constataram que os levantamentos BRUV custam menos no geral, mas que o monitoramento por eDNA resulta em melhor custo-benefício quando se considera o número de espécies detectadas. No entanto, ao contrário dos levantamentos BRUV, as espécies detectadas por eDNA provavelmente representam as espécies presentes em uma área geográfica maior do que o local específico amostrado, como observado acima.
Também pode haver um viés inerente devido à variação temporal no acúmulo de material de eDNA em relação à hora do dia e à duração da amostra de vídeo. Além disso, é improvável que câmeras de fundo vejam peixes na coluna d'água acima.
Diagrama de Venn das detecções de espécies por eDNA e BRUV. Os levantamentos de DNA ambiental (eDNA) capturaram a maioria (78/81) das espécies detectadas por ambos os levantamentos, nas seções central e direita do diagrama de Venn. Os levantamentos BRUV identificaram 27/81 espécies, nas seções central e esquerda do diagrama de Venn. Ambos os métodos identificaram as mesmas 24 espécies pertencentes a 12 famílias. Imagem usada com permissão. Infográfico criado por Alice Clark em colaboração com a NatureMetrics.
Comparação de Custo e Esforço
Os custos do BRUV incluíram a construção dos equipamentos de câmera, a isca, o aluguel do barco e a mão de obra para análise de vídeo. Como os equipamentos BRUV foram construídos no primeiro ano e planejam ser reutilizados nos quatro anos seguintes, o primeiro ano é compreensivelmente mais caro do que os anos subsequentes.
Os custos do eDNA cobriram o amostrador Kemmerer, o sistema de filtragem no mar, o aluguel do barco, os kits de eDNA e a análise pela NatureMetrics. Novamente, o primeiro ano é mais caro do que os anos subsequentes, pois o equipamento adquirido será reutilizado ano após ano. O custo de realizar a análise internamente em comparação com a terceirização foi considerado. Dado que a análise de vídeo BRUV exige um nível de especialização diferente do da análise interna de eDNA, os custos de mão de obra de cada método foram contabilizados. O tempo gasto para realizar o trabalho de campo foi contabilizado.
Comparação de custos entre levantamentos BRUV, levantamentos eDNA com análise interna de amostras e levantamentos eDNA com análise externa de amostras. Os custos foram divididos em três categorias: equipamento, trabalho de campo e análise. No geral, o levantamento BRUV foi a técnica de biomonitoramento mais acessível, e o eDNA com análise externa de amostras foi o mais caro. O infográfico foi criado por Alice Clark em colaboração com a NatureMetrics.
No contexto de um período de cinco anos, os levantamentos BRUV provaram ter o menor custo em comparação aos levantamentos de eDNA terceirizados e internos. No entanto, a análise de eDNA detectou uma maior riqueza de espécies, resultando em um menor custo por espécie detectada, com a ressalva das limitações descritas anteriormente.
Ao estimar os custos futuros ao longo de cinco anos de amostragem, o efeito da inflação ou a provável diminuição no custo do sequenciamento de eDNA não foi considerado.
Da mesma forma, a tecnologia de vídeo também deverá apresentar grandes avanços nos próximos anos. Estudos anteriores estimam que o tempo gasto na análise de imagens de vídeo seja o dobro da duração do vídeo gravado. No entanto, com o rápido desenvolvimento do aprendizado profundo e das ferramentas de IA associadas, usadas para automatizar ou automatizar parcialmente a análise de vídeo, o tempo e o esforço despendidos na análise de imagens de vídeo provavelmente serão reduzidos consideravelmente. A tecnologia de câmeras também está se tornando mais acessível e com resolução aprimorada, permitindo uma identificação mais precisa das características da população.
Pensamentos futuros
Um BRUV ou módulo de pouso oceânico capaz de gerar imagens de vídeo em um ciclo mínimo de 24 horas e coletar amostras de água para eDNA, incluindo técnicas de filtragem e preservação da superfície identificadas pelos pesquisadores da Baía de Sussex, fornece uma ferramenta de monitoramento econômica que pode ser usada continuamente por vários anos.
Nota do editor:
Os custos operacionais das operações de aterrissagem raramente são incorporados em artigos científicos. Este artigo do Lander Lab foi inspirado por um artigo acadêmico bem considerado, “Análise de custo-esforço de Vídeo Subaquático Remoto com Isca (BRUV) e DNA ambiental (eDNA) no monitoramento de comunidades ecológicas marinhas”, por Alice J. Clark, Estudante de Pesquisa, Universidade de Sussex, Brighton, Reino Unido, et al. As estimativas dos autores sobre a relação custo-eficácia de dois métodos de amostragem não invasivos foram testadas em campo, uma AMP próxima à costa se recuperando de anos de pesca de arrasto e tempestades severas. Os métodos se ajustam à área e à duração do estudo. Material adicional foi adicionado a este artigo para complementar o artigo original. Os leitores são incentivados a ler o texto original completo on-line, especialmente para obter detalhes sobre os métodos científicos, análises e conclusões. Citação abaixo. O Dr. Zachary Graff, Cientista Pesquisador da ONG “Beneath the Waves” ( underthewaves.org ), sugeriu o tema dos BRUVs descritos neste artigo.
Citações
Clark AJ, Atkinson SR, Scarponi V, Cane T, Geraldi NR, Hendy IW, Shipway JR, Peck M. 2024. Análise de custo-esforço de Vídeo Subaquático Remoto com Isca (BRUV) e DNA ambiental (eDNA) no monitoramento de comunidades ecológicas marinhas. PeerJ 12:e17091
O artigo completo com citações pode ser encontrado em PeerJ https://peerj.com/articles/17091/
Publicado em 30 de abril de 2024
“Lander Lab” é uma coluna prática sobre tecnologias e estratégias de Ocean Lander, uma classe única de veículos submarinos não tripulados, e sobre as pessoas que os fabricam. O objetivo é servir à comunidade global de veículos oceânicos, assim como a Make Magazine e outras comunidades do tipo "faça você mesmo".
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