Обработка видеоизображений Daphnia magna Straus (Cladocera, Crustacea) как основа автоматизированных методов биотестирования
https://doi.org/10.35885/1684-7318-2023-3-301-313
Аннотация
Компьютерная обработка видеоряда с тест-организмами является перспективным направлением развития биотестирования, так как значительно увеличивается пропускная способность методов в единицу времени и одновременно учитывается несколько тестреакций. Цель работы – разработка и апробация автоматизированного способа учёта комплекса тест-функций D. magna для дальнейшей оценки токсичности водных сред. Видео с D. magna обрабатывали средствами языка программирования Python с применением библиотеки компьютерного зрения OpenCV. Разработанный программный алгоритм позволяет обнаруживать особей D. magna разного возраста, определять их линейные размеры, скорости и ускорения. Такой функционал, применённый к модельным группам D. magna, позволяет оценивать острую токсичность (по летальным и сублетальным эффектам) и хроническую токсичность проб (по количеству родившейся молоди и её физиологическим реакциям).
Об авторах
А. С. Олькова
Вятский государственный университет
Россия
Россия
610000, г. Киров, ул. Московская, д. 36
Е. В. Медведева
Вятский государственный университет
Россия
Россия
610000, г. Киров, ул. Московская, д. 36
Список литературы
1. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2012. 1104 с.
2. Никитин О. В., Насырова Э. И., Перевозчикова Е. В., Андреев П. А., Гизатуллин Д. Ю., Латыпова В. З. Оценка двигательной активности гидробионтов при помощи компьютерного зрения // Биодиагностика состояния природных и природно-техногенных систем: материалы ХX Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Киров: Вятский государственный университет, 2022. С. 127 – 131.
3. ФР 1.39.2007.03222. Биологические методы контроля. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний. М.: АКВАРОС, 2007. 52 с.
4. Bedrossiantz J., Faria M., Prats E., Barata C., Cachot J., Raldúa D. Heart rate and behavioral responses in three phylogenetically distant aquatic model organisms exposed to environmental concentrations of carbaryl and fenitrothion // Science of The Total Environment. 2023. Vol. 865. Article number 161268. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.161268
5. Bouwmans T., El Baf F., Vachon B. background modeling using mixture of gaussians for foreground detection – a survey // Recent Patents on Computer Science. 2008. Vol. 1, iss. 3. P. 219 – 237. https://doi.org/10.2174/1874479610801030219
6. Bownik A. Daphnia swimming behaviour as a biomarker in toxicity assessment: A review // Science of The Total Environment. 2017. Vol. 601 – 602. P. 194 – 205. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.05.199
7. De Felice B., Sugni M., Casati L., Parolini M. Molecular, biochemical and behavioral responses of Daphnia magna under long-term exposure to polystyrene nanoplastics // Environment International. 2022. Vol. 164. Article number 107264. https://doi.org/10.1016/j.envint.2022.107264
8. Ferrão-Filho A. S., Soares M. C., Lima R. S., Magalhães V. F. Effects of Cylindrospermopsis raciborskii (Cyanobacteria) on the swimming behavior of Daphnia (Cladocera) // Environmental Toxicology and Chemistry. 2014. Vol. 33. P. 223 – 229. http://dx.doi.org/10.1002/etc.2420
9. Guilhermino L., Diamantino T., Silva M. C., Soares A. M. V. M. Acute toxicity test with Daphnia magna: An alternative to mammals in the prescreening of chemical toxicity? // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2000. Vol. 46, iss. 3. P. 357 – 362. https://doi.org/10.1006/ eesa.2000.1916
10. Häder D.-P. Historical development of bioassays // Bioassays: Advanced Methods and Applications / eds. D.-P. Häder, G. S. Erzinger. Amsterdam, Netherlands: Elsevier, 2018a. P. 41 – 49. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811861-0.00003-6
11. Häder D.-P. Image analysis for bioassays – the basics // Bioassays: Advanced Methods and Applications / eds. D.-P. Häder, G. S. Erzinger. Amsterdam, Netherlands: Elsevier, 2018b. P. 69 – 98. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811861-0.00005-X
12. He Zh., Chen Y., Huo D., Gao J., Xu Y., Yang R., Yang Y., Yu G. Combined methods elucidate the multi-organ toxicity of cylindrospermopsin (CYN) on Daphnia magna // Environmental Pollution. 2023. Vol. 324. Article number 121250. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.121250.
13. ISO 6341:2012. Water quality – Determination of the inhibition of the mobility of Daphnia magna Straus (Cladocera, Crustacea) – Acute toxicity test. Geneva: International Organization for Standardization, 2012. 22 p.
14. Kokkali V., van Delft W. Overview of commercially available bioassays for assessing chemical toxicity in aqueous samples // TrAC – Trends in Analytical Chemistry. 2014. Vol. 61. P. 133 – 155. https://doi.org/10.1016/j.trac.2014.08.001
15. Kwon I. H., Kim I. Y., Heo M. B., Park J.-W., Lee S.-W., Lee T. G. Real-time heart rate monitoring system for cardiotoxicity assessment of Daphnia magna using high-speed digital holographic microscopy // Science of The Total Environment. 2021. Vol. 780. Article number 146405. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146405
16. Lukežič A., Vojíř T., Čehovin L., Matas J., Kristan M. Discriminative correlation filter tracker with channel and spatial reliability // International Journal of Computer Vision. 2018. Vol. 126, iss. 8. https://doi.org/10.1007/s11263-017-1061-3
17. Mathias A., Dhanalakshmi S., Kumar R., Narayanamoorthi R. Underwater object detection based on bidimensional empirical mode decomposition and gaussian mixture model approach // Ecological Informatics. 2021. Vol. 66. Article number 101469. https://doi.org/10.1016/ j.ecoinf.2021.101469
18. Moison M., François G. S., Souissi S. Effect of temperature on Temora longicornis swimming behaviour: Illustration of seasonal effects in a temperate ecosystem // Aquatic Biology. 2012. Vol. 16, iss. 2. P. 149 – 162. https://doi.org/10.3354/ab00438
19. Nasyrova E. I., Nikitin O. V. The swimming behavior of Daphnia magna ensemble in twodimensional space from the diffusion motion point of view // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 459. Article number 042027. https://doi.org/10.1088/1755- 1315/459/4/042027
20. Nikitin O. V., Petrova V. M., Latypova V. Z. Bioassay of pyrethroid insecticide esfenvalerate using fractal analysis of Daphnia magna motion // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2015. Vol. 6, № 6. P. 1729 – 1736.
21. OECD. 2004. Test No. 202: Daphnia sp. acute immobilisation test // OECD Guide-lines for the Testing of Chemicals, Section 2. Paris: OECD Publishing, 2004. 12 p.
22. Pawlik-Skowrońska B., Bownik A. Cyanobacterial anabaenopeptin-B, microcystins and their mixture cause toxic effects on the behavior of the freshwater crustacean Daphnia magna (Cladocera) // Toxicon, 2021. Vol. 198. P. 1 – 11. https://doi.org/10.1016/j.toxicon.2021.04.023
23. Shahmohamadloo R. S., Simmons D. B. D., Sibley P. K. Shotgun proteomics analysis reveals sub-lethal effects in Daphnia magna exposed to cell-bound microcystins produced by Microcystis aeruginosa // Comparative Biochemistry and Physiology. Part D: Genomics and Proteomics. 2020. Vol. 33. Article number 100656. https://doi.org/10.1016/j.cbd.2020.100656
24. Shimizu N., Ogino C., Kawanishi T., Hayashi Y. Fractal analysis of Daphnia motion for acute toxicity bioassay // Environmental Toxicology. 2002. Vol. 17, iss. 5. P. 441 – 448.
25. Szabelak A., Bownik A. Behavioral and physiological responses of Daphnia magna to salicylic acid // Chemosphere. 2021. Vol. 270. Article number 128660. https://doi.org/10.1016/ j.chemosphere.2020.128660
26. Untersteiner H., Kahapka J., Kaiser H. Behavioural response of the cladoceran Daphnia magna Straus to sublethal copper stress – validation by image analysis // Aquatic Toxicology. 2003. Vol. 65, iss. 4. P. 435 – 442. https://doi.org/10.1016/s0166-445x(03)00157-7
27. Zhang H., Ren X., Liu T., Zhao Y., Gan Y., Zheng L. The stereoselective toxicity of dinotefuran to Daphnia magna: A systematic assessment from reproduction, behavior, oxidative stress and digestive function // Chemosphere. 2023. Vol. 327. Article number 138489. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.138489
Рецензия
Для цитирования:
Олькова А.С., Медведева Е.В. Обработка видеоизображений Daphnia magna Straus (Cladocera, Crustacea) как основа автоматизированных методов биотестирования. ПОВОЛЖСКИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ. 2023;(3):301-313. https://doi.org/10.35885/1684-7318-2023-3-301-313
For citation:
Olkova A.S., Medvedeva E.V. Video image processing of Daphnia magna Straus (Cladocera, Crustacea) as a basis for automated biotesting methods. Povolzhskiy Journal of Ecology. 2023;(3):301-313. (In Russ.) https://doi.org/10.35885/1684-7318-2023-3-301-313
Просмотров:
273
Послать статью по эл. почте 
