Laboratorio de aterrizaje: Rentabilidad de los aterrizadores oceánicos con cebo

Las embarcaciones equipadas con un brazo de pescante oscilante y un cabrestante son ideales para desplegar y recuperar sistemas de video submarino remoto con cebo (BRUV). En esta foto, se baja al fondo marino un sistema estéreo-BRUV, desarrollado por el Instituto Australiano de Ciencias Marinas (AIMS). Los BRUV tienen un impacto mínimo en las comunidades marinas o en el lecho marino. Foto: Grupo de Ecología Marina - Investigación Pesquera, Universidad de Australia Occidental.

Determinar la diversidad y distribución de las especies en un ecosistema es esencial para establecer una línea base para estudios de monitoreo o evaluar el éxito de las estrategias de conservación y restauración. Los métodos de muestreo de ecosistemas marinos y acuáticos pueden ser ineficientes y sesgados, como el videocontrol por buzos, o perjudiciales para el medio ambiente y la biodiversidad, como las redes de arrastre de fondo y las redes de cerco. Ambos métodos requieren mucho tiempo y son costosos. Elegir un método de muestreo eficiente y rentable para establecer líneas base y monitorear la biodiversidad es un factor importante en un estudio ecológico.

Se consideraron dos técnicas no invasivas para monitorear la vida marina en toda la columna de agua de un sitio seleccionado: sistemas de cámaras con cebo y metacodificación de ADN ambiental (eDNA). Se determinaron comparaciones de costos, fortalezas, debilidades y medidas de efectividad.

“Si bien el área de estudio fue localizada”, escribe Clark en su artículo, “los hallazgos aquí presentados son aplicables a los programas globales de monitoreo de la biodiversidad acuática y la conservación”.

Cámaras con cebo

Las cámaras de lapso de tiempo automático para estudios bentónicos han sido utilizadas desde la década de 1950 por investigadores como el Prof. John D. Isaacs, del Instituto Scripps de Oceanografía/UCSD, y el Dr. Harold E. Edgerton, del Instituto Oceanográfico Woods Hole.

Harold E. Edgerton (izquierda), de WHOI, colabora en el despliegue de un sistema de cámara de aguas profundas anclado a bordo del buque de investigación CALYPSO de Jacques-Yves Cousteau durante un trabajo de campo en el Mediterráneo en 1953. Foto © 2010 MIT. Cortesía del Museo del MIT.

La cámara con cebo de John D. Isaacs, del Instituto Scripps, se sumerge en las profundidades marinas para revelar especies desconocidas de peces y otros carroñeros atraídos por el cebo adherido al ancla en 1968. El trabajo de Isaacs demostró que las imágenes fijas identificaban la vida marina, mientras que los clips de película revelaban comportamientos. En un momento predefinido, se suelta el ancla y el sistema de cámara flota de regreso a la superficie, donde se recupera. Imagen cortesía del Instituto Scripps de Oceanografía/UCSD.

El video submarino remoto con cebo (BRUV) es un método cada vez más común, eficaz, no invasivo y no destructivo para muestrear la biodiversidad marina. Las profundidades someras se pueden explorar mediante un sistema de cámara que se baja al fondo marino como una trampa para cangrejos y se marca con un flotador de superficie. Las imágenes suelen estar limitadas a las horas diurnas, por lo que no se necesitan luces ni baterías. Estos sistemas sencillos se conocen como plataformas de video submarino remoto con cebo (BRUV).

Vídeo submarino remoto con cebo (BRUV) en el arrecife Rheeders, Tsitsikamma, Sudáfrica. Foto de Peter Southwood, usada con autorización.

El uso de sistemas BRUV se prefiere a métodos de muestreo extractivos como la pesca de arrastre, ya que muchas especies escapan de las redes o son destruidas por la captura. Gracias a su silenciamiento y a su cebo, los BRUV ofrecen un método un 40 % más eficiente para registrar el conteo de especies que los transectos de video de buzos. Además, los BRUV ofrecen un registro de muestreo permanente que puede revisarse para reducir la variabilidad interobservador, proporcionan datos sobre los tipos de hábitat y pueden implementarse en ecosistemas profundos o muy estructurados.

Los BRUV pueden proporcionar mediciones relativas de la riqueza y abundancia de especies en una amplia gama de condiciones y hábitats. Los sistemas BRUV estéreo pueden determinar el tamaño corporal de los peces y generar un mapa digital de profundidad de campo, donde las características y las criaturas pueden destacarse de su entorno. El tamaño de los peces puede utilizarse como indicador de biomasa, una métrica esencial para la elaboración de informes de gestión pesquera. Estudios más complejos podrían incluir un conjunto de sensores para medir y registrar el efecto de las fluctuaciones en las zonas de mínimo oxígeno y otros eventos oceanográficos físicos en las poblaciones locales de animales. Se pueden implementar varios sistemas BRUV/módulos de aterrizaje oceánico simultáneamente, lo que lo convierte en un método de estudio eficiente en tiempo para una amplia área.

Los sistemas de imágenes digitales multicámara con campos de visión superpuestos pueden proporcionar vistas panorámicas de 360° del fondo marino alrededor de un módulo de aterrizaje. Las cámaras térmicas están adquiriendo relevancia en los estudios marinos.

Como demostró Isaacs, se puede acceder a aguas más profundas mediante un módulo de aterrizaje oceánico autónomo de la misma manera que un BRUV, gracias a la capacidad del módulo de aterrizaje de soltar un peso para flotar hasta la superficie. El ancla puede soltarse mediante un temporizador o una orden acústica. El costo del ancla y el impacto ambiental pueden mitigarse mediante el uso de ferrocemento. (Véase Marine Technology Reporter, noviembre/diciembre de 2024, pág. 40, Laboratorio de Módulos de Aterrizaje n.º 12, «Anclajes de ferrocemento»).

Al igual que los BRUV, los módulos de aterrizaje oceánicos ofrecen plataformas silenciosas, no invasivas y de larga duración para observar la vida marina o monitorear los cambios en las condiciones oceánicas. Un segundo cronómetro puede cerrar una pequeña botella Niskin con un alambre de quemar, capturando una muestra de agua cercana al fondo para el análisis de ADN ambiental, como se explica más adelante. La muestra de agua solo añade peso al vehículo cuando se saca del mar y se sube al barco.

Otros estudios han destacado las limitaciones de BRUV/Landers. La identificación de especies puede ser difícil en aguas turbias debido a la baja visibilidad, y puede haber una sobrerrepresentación de depredadores ápice debido al comportamiento de las especies asociado con la carroña. Además, el olor del cebo atraerá especies de otras zonas que no necesariamente sean locales a los sitios muestreados, por lo que la verdadera zona de muestreo es en gran medida desconocida. Los peces que se encuentran en aguas más altas, así como las especies crípticas (de camuflaje) y sedentarias, también tienden a estar subrepresentadas al utilizar BRUV. Finalmente, el análisis de metraje puede ser laborioso, lento y costoso.

La metacodificación de barras de ADN ambiental (eDNA) es una técnica de secuenciación de ADN de alto rendimiento cada vez más popular en el estudio de ecosistemas marinos. Una ventaja importante del uso de eDNA es la simplicidad de la recolección de muestras: se requiere un volumen de agua relativamente pequeño, 2 L. A diferencia de la codificación de barras de ADN tradicional, que identifica a un solo individuo, la metacodificación de barras identifica simultáneamente múltiples especies, lo que proporciona una visión general de la biodiversidad. El material genético que liberan los organismos en el océano, como células cutáneas, escamas, heces, gametos y otros materiales orgánicos, se encuentra en sedimentos y aguas marinas cercanas al fondo (demersales). Estos se depositan en una escala de tiempo mayor que la de un videoclip y pueden mostrar especies que no se observan en imágenes de corta duración durante el día. El ADN escaso se puede amplificar mediante técnicas de reacción en cadena de la polimerasa (PCR).

El método eDNA permite la evaluación rápida de diversos ecosistemas, la detección de especies invasoras y la estimación de la composición de la comunidad, ofreciendo un panorama de la biodiversidad y la biomasa de un ecosistema determinado. Si bien el ADN se degrada con el tiempo, permanece en el entorno el tiempo suficiente para detectar la presencia de los organismos sin necesidad de observación o captura directa. El proceso de filtrado es sencillo y requiere muy poca formación, experiencia y tiempo de campo. Esta técnica elimina la necesidad de amplios conocimientos taxonómicos para identificar especies, algo que normalmente requieren los métodos fotográficos.

A pesar de las numerosas ventajas del monitoreo basado en eADN, también presenta limitaciones. Diversos factores pueden influir en la detectabilidad del eADN en el entorno, dando lugar a falsos negativos (detección fallida de especies presentes en la zona) o falsos positivos (detección de especies no presentes en la zona muestreada). La probabilidad de detección puede verse influenciada por factores bióticos y abióticos, como la generación y degradación de eADN específicos de cada especie, relacionados con el tamaño corporal, la etapa del ciclo de vida, la dieta y la migración. El transporte de eADN por mareas altas o corrientes oceánicas y su tasa de descomposición debido a la intensidad de la luz ultravioleta, el pH y la temperatura del agua también pueden afectar la probabilidad de detección. Además, la muestra puede contaminarse desde su recolección hasta su procesamiento.

Otra limitación del eDNA es que las bases de datos de referencia utilizadas para traducir las unidades taxonómicas operativas (OTU) aún están incompletas, especialmente para las especies que se encuentran en partes del mundo donde se ha realizado menos investigación.

Estudio sobre la bahía de Sussex, Reino Unido, 2021

Los objetivos de este estudio fueron: (1) comparar métricas de ensamblaje de especies obtenidas usando BRUV y eDNA; (2) comparar la sensibilidad de dos cebadores de codificación de barras de eDNA; (3) investigar la importancia de la replicación de eDNA y (4) comparar el costo y el esfuerzo requeridos por ambas técnicas de estudio para detectar la presencia de especies de vertebrados marinos.

La bahía de Sussex, en la costa sur del Reino Unido, fue el lugar seleccionado para probar estos métodos de biomonitoreo. Se examinó la biodiversidad de vertebrados marinos en 29 sitios diferentes seleccionados mediante transectos de vídeo remolcados previos. Las muestras se recolectaron entre el 5 y el 21 de julio de 2021, entre las 8:00 y las 17:00.

En su estudio, se utilizó una plataforma BRUV con tres cámaras: dos orientadas hacia una dirección y una tercera orientada hacia atrás. Las imágenes de video se analizaron utilizando únicamente la grabación de la cámara derecha, utilizando la cámara izquierda en caso de que la derecha fallara o estuviera obstruida por algas. Dado que las imágenes se tomaron durante el día, no se utilizaron luces.

Se desplegaron tres sistemas BRUV sucesivamente desde una embarcación en cada uno de los 29 sitios, separados por 150 m, y se filmaron en el fondo marino durante un máximo de 75 minutos. Se observaron e identificaron peces y vertebrados marinos hasta el nivel taxonómico más bajo posible.

Se recolectaron muestras de ADNe en cada uno de los 29 sitios durante el despliegue de las plataformas BRUV. Se utilizó un muestreador Kemmerer, activado por una pesa mensajera, para recolectar muestras de agua a un metro sobre el lecho marino. Para minimizar la contaminación y degradación del ADNe, cada muestra se filtró inmediatamente en el barco. En total, se realizaron 87 despliegues de BRUV y se recolectaron 87 muestras de ADNe en este estudio.

Resultados

Utilizados en conjunto, los estudios de video y la codificación de metabares de eDNA ofrecen un gran potencial para monitorear los ecosistemas oceánicos a distintas profundidades.

Los estudios de la bahía de Sussex que comparan el ADNe con los videos submarinos revelaron que los estudios BRUV son más económicos en general, pero que el monitoreo del ADNe ofrece un mejor rendimiento al considerar el número de especies detectadas. Sin embargo, a diferencia de los estudios BRUV, las especies detectadas por el ADNe probablemente representan las presentes en un área geográfica más amplia que el sitio específico muestreado, como se mencionó anteriormente.

También podría existir un sesgo inherente debido a la variación temporal en la acumulación de material de ADN ambiental en función de la hora del día y la duración de la muestra de video. Además, es poco probable que las cámaras de fondo detecten peces en la columna de agua superior.

Diagrama de Venn de detección de especies mediante eDNA y BRUV. Los estudios de ADN ambiental (eDNA) capturaron la mayoría (78/81) de las especies detectadas por ambos estudios (las secciones central y derecha del diagrama de Venn). Los estudios BRUV identificaron 27/81 especies (las secciones central e izquierda del diagrama de Venn). Ambos métodos identificaron las mismas 24 especies pertenecientes a 12 familias. Imagen utilizada con autorización. Infografía diseñada por Alice Clark en colaboración con NatureMetrics.

Comparación de costos y esfuerzo

Los costos del BRUV incluyeron la construcción de los equipos de cámara, el cebo, el alquiler de la embarcación y la mano de obra para el análisis de video. Dado que los equipos del BRUV se construyeron el primer año y se planea reutilizarlos los cuatro años siguientes, es comprensible que el primer año sea más caro que los años posteriores.

Los costos del eDNA cubrieron el muestreador Kemmerer, el sistema de filtración en alta mar, el alquiler de la embarcación, los kits de eDNA y el análisis de NatureMetrics. Cabe mencionar que el primer año es más costoso que los años posteriores, ya que el equipo adquirido se reutilizará año tras año. Se consideró el costo de realizar el análisis internamente frente a la externalización. Dado que el análisis de video BRUV requiere un nivel de experiencia diferente al del análisis de eDNA interno, se contabilizaron los costos de mano de obra de cada método. Se contabilizó el tiempo empleado en el trabajo de campo.

Comparación de costos entre los estudios BRUV, los estudios de ADNe con análisis de muestras internas y los estudios de ADNe con análisis de muestras externas. Los costos se desglosaron en tres categorías: equipo, trabajo de campo y análisis. En general, el estudio BRUV fue la técnica de biomonitoreo más asequible, mientras que el ADNe con análisis de muestras externas fue la más cara. La infografía fue diseñada por Alice Clark en colaboración con NatureMetrics.

En un período de cinco años, los estudios BRUV demostraron tener el menor costo en comparación con los estudios de ADNe, tanto subcontratados como internos. Sin embargo, el análisis de ADNe detectó una mayor riqueza de especies, lo que resultó en un menor costo por especie detectada, con las limitaciones descritas anteriormente.

Al estimar los costos futuros durante cinco años de muestreo, no se consideró el efecto de la inflación ni la probable disminución del costo de la secuenciación de eADN.

Igualmente, es probable que la tecnología de video también experimente grandes avances en los próximos años. Estudios previos estiman que el tiempo dedicado al análisis de secuencias de video duplica la duración del video grabado. Sin embargo, con el rápido desarrollo del aprendizaje profundo y las herramientas de IA asociadas, utilizadas para automatizar total o parcialmente el análisis de video, es probable que el tiempo y el esfuerzo dedicados al análisis de secuencias de video se reduzcan considerablemente. La tecnología de cámaras también es cada vez más asequible y su resolución aumenta, lo que permite una identificación más precisa de las características de la población.

Pensamientos futuros

Un BRUV o módulo de aterrizaje oceánico capaz de generar imágenes de video durante un ciclo mínimo de 24 horas y tomar muestras de agua para eDNA, incluidas las técnicas de filtrado y preservación de la superficie identificadas por los investigadores de Sussex Bay, proporciona una herramienta de monitoreo rentable que puede usarse de manera continua durante varios años.

Nota del editor:

Los costos operativos de las operaciones de aterrizaje rara vez se incorporan en artículos científicos. Este artículo de Lander Lab se inspiró en un artículo académico bien considerado, "Análisis de costo-esfuerzo de Baited Remote Underwater Video (BRUV) y ADN ambiental (eDNA) en el monitoreo de comunidades ecológicas marinas", por Alice J. Clark, estudiante de investigación, Universidad de Sussex, Brighton, Reino Unido, et al. Las estimaciones de los autores de la rentabilidad de dos métodos de muestreo no invasivos se probaron en el campo, un AMP cerca de la costa que se recupera de años de pesca de arrastre y tormentas severas. Los métodos se ajustan al área y la duración del estudio. Se ha agregado material adicional a este artículo para complementar el artículo original. Se anima a los lectores a leer el texto completo original en línea, especialmente para obtener detalles de los métodos científicos, el análisis y las conclusiones. Cita a continuación. El Dr. Zachary Graff, científico investigador de la ONG "Beneath the Waves" ( underthewaves.org ) sugirió el tema de los BRUV descritos en este artículo.

Citas

Clark AJ, Atkinson SR, Scarponi V, Cane T, Geraldi NR, Hendy IW, Shipway JR, Peck M. 2024. Análisis de costo-esfuerzo del video submarino remoto con cebo (BRUV) y ADN ambiental (eDNA) en el monitoreo de comunidades ecológicas marinas. PeerJ 12:e17091
El artículo completo con citas se puede encontrar en PeerJ https://peerj.com/articles/17091/
Publicado el 30 de abril de 2024

«Lander Lab» es una columna práctica sobre las tecnologías y estrategias de los Ocean Lander, una clase única de vehículos submarinos no tripulados, y sus creadores. Su objetivo es servir a la comunidad global de Ocean Lander, al igual que la revista Make y otras comunidades DIY.

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