ZooSCAN实现海洋浮游生物长期标准化监测

近期，法国索邦大学的科研团队，基于ZooSCAN成像系统与EcoTaxa浮游生物大数据共享平台，对法国首个海洋保护区—伊鲁瓦海海洋自然公园进行了长达14年（2010–2023年）的系统性监测，绘制出一幅浮游生物在复杂水文环境中动态变化的生态图景，深刻揭示了浮游生物群落随沿岸至离岸环境梯度变化的内在规律。

研究背景

浮游生物作为海洋食物网的基石与碳循环的关键推动者，其群落变化是衡量海洋生态系统健康的重要指标。伊鲁瓦海位于英吉利海峡与大西洋的交汇处，受乌尚特锋面影响显著，形成了得天独厚的沿岸-离岸环境梯度，为研究浮游生物响应环境因子的一系列过程提供了一个理想的天然实验室。然而，该海域研究一直存在一个关键短板：缺乏一套系统性的浮游生物数据集，其数据必须兼具高度的分类一致性与可溯源的形态信息。

为此，研究团队创新性地融合传统显微镜技术与现代数字成像方法，构建了一套涵盖浮游植物与浮游动物的开放式数据集，旨在揭示这一保护区内浮游生物群落的长期演变规律及其背后的驱动机制。

研究方法

研究在伊鲁瓦海布设两条断面（B与D）及三个沿岸站点，开展季节性采样（图1）。浮游植物通过显微镜由同一名专家全程鉴定，确保了分类标准的统一性；浮游动物样本则全部通过ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统进行数字化成像（图2）。

图1 伊鲁瓦海海洋自然公园的采样区

图2 ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统

ZooSCAN作为专业的浮游动物图像扫描分析系统，能够生成高分辨率的16位灰度图像。结合ZooProcess软件，系统可自动提取每个个体的形态特征参数（如长轴、短轴、面积、灰度等），并精确估算生物体积与丰度。所有图像均上传至EcoTaxa浮游生物大数据共享平台，经由机器学习算法预分类后，再由专家进行人工校验，最终将浮游动物精准归类为103个生物类群（图3），确保了数据兼具高通量处理与高分类准确度的双重优势。

图3 ZooSCAN为20个最丰富的分类群拍摄的浮游生物图像示例

研究结果

1.浮游植物研究共鉴定出573个分类单元，主要以隐藻、不等鞭毛藻、甲藻和纳米鞭毛虫为主导类群。丰度呈现出显著的年际波动，高峰期出现在2011年与2022年，但未形成一致的沿岸—离岸分布梯度（图4，图5）。群落结构在沿岸站点与断面之间表现出差异性，例如莫莱内站与桑岛站在某些年份出现了独特的蓝藻丰度高峰。

图4 浮游植物平均丰度的时空动态（2010-2022）

图5 浮游植物群落组成的时空动态（2010-2022）

2.在浮游动物方面，研究共获取了832,830张有效个体图像，构建了包含650个样本的标准化数据集。分析结果显示，桡足类是绝对的优势类群，占总丰度的50%以上（图6，图7）。浮游动物丰度呈现出明显的近岸高、离岸低的梯度分布，尤其在D断面的近岸站点（如D1）常年维持较高水平。群落结构在空间分布上表现出显著的梯度特征：桡足类与枝角类在近岸水域比例更高，而软体动物与尾索动物则在离岸站点占据优势。值得注意的是，南部断面（D）的尾索动物比例显著高于北部断面（B）。

图6 浮游动物平均丰度的时空动态（2010-2023）

图7 浮游动物群落组成的时空动态（2010-2023）

研究结论

本研究借助ZooSCAN实现了浮游动物样本的高效数字化与标准化分析，结合浮游植物专家鉴定，成功构建了一套兼具时空广度与分类精度的长期生态数据集。研究结果表明，伊鲁瓦海浮游生物群落受到沿岸—离岸环境梯度与乌尚特锋面过程的显著影响，而其群落结构在长达十余年的观测中保持相对稳定，展现出该海洋保护区所具有的生态韧性。

该数据集的开放共享不仅为海洋保护区的科学管理与管理成效评估提供了关键数据支撑，也为全球浮游生物多样性监测和功能性状研究提供了宝贵资源。ZooSCAN与EcoTaxa的协同应用，充分展现了成像技术在提升海洋生态观测效率、标准化等方面的巨大潜力与应用价值。

论文相关信息

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.