着陆器实验室：诱饵海洋着陆器的成本效率

配备摆动吊臂和绞盘的船只非常适合部署和回收诱饵远程水下视频 (BRUV) 系统。这张照片中，由澳大利亚海洋科学研究所 (AIMS) 开发的立体 BRUV 系统被下放到海底。BRUV 对海底生物群落或海床的影响极小。图片由西澳大利亚大学海洋生态学组 - 鱼类研究提供

确定生态系统中物种的多样性和分布对于建立监测研究的基线或评估保护和恢复策略的成功至关重要。海洋和水生生态系统的采样方法可能效率低下且存在偏差，例如潜水员操作的视频采集，也可能对环境和生物多样性有害，例如底拖网和围网。这两种方法都耗时且成本高昂。选择一种高效且经济的采样方法来建立基线并监测生物多样性是生态研究中的一个重要考虑因素。

本文探讨了两种用于监测选定地点全水体海洋生物的非侵入式技术：诱饵摄像系统和环境DNA（eDNA）宏条形码技术。并确定了成本比较、优缺点和有效性指标。

克拉克在论文中写道：“虽然研究领域是局部的，但本文提出的研究结果适用于全球水生生物多样性和保护监测计划。”

带诱饵的相机

自 20 世纪 50 年代以来，斯克里普斯海洋研究所/加州大学圣地亚哥分校的 John D. Isaacs 教授和伍兹霍尔海洋研究所的 Harold E. Edgerton 博士等研究人员就开始使用自动延时相机进行底栖研究。

1953年，在地中海进行实地考察期间，伍兹霍尔海洋研究所的哈罗德·E·埃杰顿（Harold E. Edgerton）（左）协助在雅克-伊夫·库斯托的“卡利普索”号科考船上部署系留深海摄像系统。照片版权归2010麻省理工学院所有。图片由麻省理工学院博物馆提供

1968年，斯克里普斯研究所的约翰·D·艾萨克斯（John D. Isaacs）的带饵相机自由落体，潜入深海，揭示了被锚上诱饵吸引的未知鱼类和其他食腐动物。艾萨克斯的研究表明，静态图像可以识别海洋生物，而胶片则能揭示其行为。在预定的时间，锚会被释放，相机系统会浮回水面并被回收。图片由斯克里普斯海洋研究所/加州大学圣地亚哥分校提供

诱饵远程水下摄像 (BRUV) 是一种日益普遍、有效、非侵入性且无损的海洋生物多样性采样方法。浅水区域可以使用摄像系统进行探索，该系统像蟹笼一样沉入海底，并用浮标进行标记。图像通常仅限于白天拍摄，因此无需灯光和电池。这些简单的系统被称为“诱饵远程水下摄像”(BRUV) 平台。

南非齐齐卡马的Rheeders' Reef，立体诱饵遥控水下摄像（BRUV）。摄影：Peter Southwood，经许可使用

与拖网等提取式采样方法相比，BRUV 系统更受青睐，因为许多物种会逃脱渔网，或因捕获而灭绝。由于 BRUV 安静且提供诱饵，其物种计数记录效率比潜水员视频横断面高出 40%。此外，BRUV 提供永久性采样记录，可供审查以减少观察者间的差异，提供栖息地类型的数据，并可部署在深水或结构复杂的生态系统中。

BRUV 可以提供各种条件和栖息地下物种丰富度和丰度的相对测量值。立体 BRUV 系统可以确定鱼类的体型，并生成数字景深地图，使特征和生物能够从周围环境中脱颖而出。鱼类体型可以作为生物量的替代指标，而生物量是渔业管理报告的重要指标。更复杂的调查可能包括一套传感器，用于测量和记录波动的最低含氧区以及其他海洋物理事件对当地动物种群的影响。多个 BRUV/海洋着陆器系统可以同时部署，使其成为一种高效的大面积调查方法。

具有重叠视场的多摄像机数字成像系统可以提供着陆器周围海底的360°全景视图。热像仪在海洋研究中正发挥着重要作用。

正如艾萨克斯所展示的，自主海洋着陆器可以像BRUV一样进入更深的水域，依靠着陆器释放落锤使其浮出水面的能力。锚可以通过定时器或声学指令释放。使用钢丝网水泥可以降低锚的成本和对环境的影响。（参见《海洋技术报道》，2024年11/12月，第40页，着陆器实验室第12期，“钢丝网水泥锚”。）

与 BRUV 类似，海洋着陆器也提供长时间、安静、非侵入式的平台，用于观察海洋生物或监测不断变化的海洋状况。第二个计时器可以使用烧灼线封闭一个小的尼斯金瓶，采集近底部的水样进行环境 DNA 分析，如下所述。当着陆器从海中被拖上船时，水样只会增加着陆器的重量。

其他研究也强调了BRUV/Landers的局限性。在浑浊的水环境中，由于能见度低，物种识别可能具有挑战性，而且由于物种与食腐相关的行为，顶级捕食者的比例可能过高。此外，诱饵的气味会吸引来自其他区域的物种，而这些物种可能并非采样地点的本地物种，因此真正的采样区域在很大程度上是未知的。使用BRUV时，水体中较高位置的鱼类以及隐蔽（伪装）和定居物种的比例也可能不足。最后，录像分析可能耗费大量人力、时间和成本。

环境 DNA 宏条形码 (eDNA) 是一种高通量 DNA 测序技术，在海洋生态系统调查中越来越受欢迎。使用 eDNA 的一个重要优势是样本采集简单：只需要相对较少的水量，2 升。与识别单个个体的传统 DNA 条形码不同，宏条形码可以同时识别多个物种，从而提供生物多样性的广泛概述。海洋生物脱落的遗传物质，如皮肤细胞、鳞片、粪便、配子和其他有机物质，存在于沉积物和近海底（底质）海水中。这些沉积的时间跨度比视频片段更长，并且可能显示在白天短时间成像中看不到的物种。可以使用聚合酶链式反应 (PCR) 技术扩增少量 DNA。

环境DNA (eDNA) 方法可以快速评估多样化的生态系统，检测入侵物种，并估算群落组成，从而描绘出特定生态系统的生物多样性和生物量。虽然DNA会随着时间的推移而降解，但它在环境中保留的时间足够长，足以在不直接观察或捕获的情况下检测到生物的存在。该筛选过程简单，几乎不需要现场培训、专业知识和时间。该技术无需像照相方法那样需要大量的分类学专业知识来识别物种。

尽管基于环境DNA的监测方法具有诸多优势，但也存在局限性。多种因素会影响环境中环境DNA的可检测性，导致假阴性（未能检测到该区域存在的物种）或假阳性（检测到采样区域不存在的物种）。检测概率可能受到生物和非生物因素的影响，包括物种特异性环境DNA的生成和降解，这与体型、生活史阶段、饮食和迁徙有关。高潮位或洋流对环境DNA的输送，以及其因紫外线强度、pH值和水温而导致的衰减速度，也会影响检测概率。此外，从样品采集到处理，样品都可能受到污染。

eDNA 的另一个局限性是用于翻译操作分类单元 (OTU) 的参考数据库仍然不完整，特别是对于在研究较少的地区发现的物种。

英国苏塞克斯湾研究，2021年

本研究的目的是：（1）比较使用 BRUV 和 eDNA 获得的物种聚集指标；（2）比较两个 eDNA 条形码引物的灵敏度；（3）研究 eDNA 复制的重要性；（4）比较两种调查技术检测海洋脊椎动物物种存在所需的成本和工作量。

英国南海岸的苏塞克斯湾被选为测试这些生物监测方法的地点。研究人员根据之前的拖曳视频横断面数据，在29个不同的地点对海洋脊椎动物的生物多样性进行了检测。样本采集时间为2021年7月5日至21日，上午8点至下午5点。

在他们的研究中，使用了一个装有三台摄像头的BRUV平台，其中两台摄像头朝一个方向，另一台朝后方。视频图像仅使用右侧摄像头的录像进行分析，如果右侧摄像头出现故障或被海藻遮挡，则使用左侧摄像头进行分析。由于图像是在白天拍摄的，因此没有使用灯光。

船上依次部署了三套 BRUV 系统，分别部署在 29 个地点，每个地点间隔 150 米，并在海底进行长达 75 分钟的拍摄，对鱼类和海洋脊椎动物进行了观察和鉴定，直至最低级别的分类学级别。

在部署BRUV钻机期间，我们在29个地点分别采集了eDNA样本。使用由信标坠子触发的Kemmerer采样器采集距海底一米的水样。为了最大限度地减少eDNA的污染和降解，每个样本在船上都立即进行过滤。本研究共部署了87台BRUV钻机，并采集了87个eDNA样本。

结果

eDNA Metabarcoding 和视频调查结合使用，为监测不同深度的海洋生态系统提供了强大的潜力。

苏塞克斯湾的一项研究比较了环境DNA和水下视频，发现BRUV调查的总体成本较低，但考虑到检测到的物种数量，eDNA监测的价值更高。然而，与BRUV调查相比，eDNA检测到的物种可能代表了比特定采样地点更大地理区域内的物种，如上所述。

由于环境DNA材料积累的时间变化与一天中的时间和视频样本的长度有关，因此可能存在固有的偏差。此外，底部摄像机不太可能看到头顶水柱中的鱼。

环境DNA (eDNA) 和 BRUV 物种检测结果的维恩图。环境DNA (eDNA) 调查捕获了两项调查中检测到的大多数物种（78/81），即维恩图的中间和右侧部分。BRUV 调查识别出了 27/81 个物种，即维恩图的中间和左侧部分。两种方法都识别出了相同的 24 个物种，属于 12 个科。图片经许可使用。信息图由 Alice Clark 与 NatureMetrics 合作设计

成本和工作量比较

BRUV 的成本包括搭建摄像装置、鱼饵、租船以及视频分析的人工成本。由于 BRUV 装置是第一年建造的，并计划在接下来的四年里重复使用，因此第一年的成本自然会比之后几年更高。

eDNA成本涵盖了Kemmerer采样器、海上过滤系统、船只租赁、eDNA试剂盒以及NatureMetrics的分析费用。同样，由于购买的设备会逐年重复使用，因此第一年的成本会高于后续年份。我们考虑了内部分析与外包分析的成本。鉴于BRUV视频分析与内部eDNA分析所需的专业水平不同，因此每种方法的人工成本均已计算在内。此外，我们还计算了进行实地考察所需的时间。

BRUV 调查、内部样本分析的 eDNA 调查和外部样本分析的 eDNA 调查的成本比较。成本分为三类：设备、现场工作和分析。总体而言，BRUV 调查是最经济实惠的生物监测技术，而外部样本分析的 eDNA 调查则最昂贵。信息图由 Alice Clark 与 NatureMetrics 合作设计

在五年时间范围内，BRUV 调查的成本被证明是最低的，与外包和内部 eDNA 调查相比。尽管如此，eDNA 分析检测到的物种丰富度更高，因此每个物种的检测成本更低，但也存在前面提到的局限性。

在估算未来五年采样成本时，没有考虑通货膨胀的影响或 eDNA 测序成本的可能下降。

同样，视频技术在未来几年也可能取得巨大进步。此前的研究估计，分析视频片段所需的时间是录制视频长度的两倍。然而，随着深度学习以及用于自动化或部分自动化视频分析的相关人工智能工具的快速发展，分析视频片段所需的时间和精力可能会大幅减少。摄像技术也变得越来越经济实惠，分辨率也越来越高，从而能够更精确地识别人群特征。

未来展望

BRUV 或海洋着陆器能够在至少 24 小时的周期内进行视频成像，并对水体进行 eDNA 采样，包括苏塞克斯湾研究人员确定的顶部过滤和保存技术，提供了一种可连续使用数年的经济高效的监测工具。

编者注：

着陆器作业的运营成本很少被纳入科学论文。这篇着陆器实验室文章的灵感来自一篇经过深思熟虑的学术论文《诱饵远程水下视频 (BRUV) 和环境 DNA (eDNA) 在监测海洋生态群落中的成本效益分析》，该论文由英国布莱顿萨塞克斯大学研究生 Alice J. Clark 等人撰写。作者对两种非侵入性采样方法的成本效益评估进行了实地测试，该测试是在一处近岸海洋保护区进行的，该保护区正从多年的拖网捕鱼和严重风暴中恢复。这些方法与研究的区域和时间长度相符。本文添加了补充材料以补充原始论文。鼓励读者在线阅读原文全文，尤其是要了解其中的科学方法、分析和结论的细节。引文如下。非政府组织“Beneath the Waves”（ belowthewaves.org ）的研究科学家 Zachary Graff 博士建议本文描述 BRUV 这一主题。

引用

Clark AJ, Atkinson SR, Scarponi V, Cane T, Geraldi NR, Hendy IW, Shipway JR, Peck M. 2024. 诱饵远程水下视频（BRUV）和环境DNA（eDNA）在海洋生态群落监测中的成本-效果分析。PeerJ 12:e17091
全文及引文可在 PeerJ 找到https://peerj.com/articles/17091/
发布于 2024 年 4 月 30 日

“着陆器实验室”是一个实践专栏，介绍海洋着陆器（一种独特的无人海底航行器）的技术和策略，以及它们的制造者。它旨在像《Make Magazine》和其他DIY社区一样，服务全球海洋着陆器社区。

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