2025年，德国阿尔弗雷德·魏格纳极地海洋研究所（AWI）联合奥尔登堡大学亥姆霍兹功能性海洋生物多样性研究所（HIFMB）等多家机构的科研团队，借助法国HYDROPTIC公司的ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统，结合COI/18S多标记宏条形码技术，对北巴伦支海至南森海盆的北极表层浮游动物群落开展了整合分析，共鉴定出11个门、58个物种，并证实“图像定量+分子鉴定”的联合方案可作为北极浮游动物多样性监测的推荐框架。相关成果发表于国际浮游生物领域权威期刊《Journal of Plankton Research》。
研究背景
浮游动物是海洋生态系统物质循环与能量流动的关键环节，对温度、海冰和盐度变化高度敏感，是北极环境变化的重要指示类群。当前北冰洋正经历海冰消退与“大西洋化”的快速转型，浮游动物的地理分布与群落结构随之改变，对其多样性与数量的监测需求日益迫切。
传统浮游动物监测依赖浮游生物网采样加显微镜形态鉴定，耗时费力且易受人为偏差影响。宏条形码技术虽能通过高通量测序识别隐存种、幼体和易变形的胶质类生物，大幅提升分类分辨率，却无法提供丰度、生物量和个体大小等定量信息。图像分析技术恰好弥补这一短板：ZooSCAN可对保存的网采样品进行高通量扫描，自动提取每个生物个体的形态参数（面积、长轴、短轴等），进而估算生物体积与生物量；配套的EcoTaxa在线分类平台则通过深度学习自动预测加专家人工校验，实现半自动化的快速分类。两者联用，理论上可同时获得高分类分辨率与可靠的定量数据。
研究过程
研究团队于2017年6月23日至7月20日搭乘“极星号”（RV Polarstern）破冰船执行PS106.2航次，沿北巴伦支海（BS，站位52、64、65）—南森海盆南部（SNB，站位67）—南森海盆中部（NB，站位70–74）—Yermak海台（YP，站位76–78）断面共12个站位，采用矩形中层拖网（RMT1，网口1 m²、网目320 μm）在100 m至表层进行双斜拖采样，每站滤水体积651–1443 m³。
图1. PS106.2航次浮游动物采样站位分布（北巴伦支海、南森海盆及Yermak海台）
样品在船上用Motoda分样器一分为二：一半用4%缓冲甲醛海水溶液固定，用于定量图像分析；另一半按0.5–1–2–4 mm筛分后冷冻干燥，用于干重测定与宏条形码测序（COI、18S rRNA V4和V9三个标记）。
图像分析环节，固定样品经筛分、分样（最小1/256，每个亚样约1000个颗粒）后，使用法国HYDROPTIC公司的ZooSCAN（Biotom型，2400 dpi分辨率）进行数字化扫描，再经ZooProcess软件切割为单目标图像并关联元数据。全部14,371张单体图像上传至EcoTaxa平台，利用基于北极浮游动物验证图像集训练的深度学习模型自动预测分类，再由分类专家逐一确认或校正。
图2. 法国HYDROPTIC公司ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统
实验结果
1. 分子与图像方法优势互补，共鉴定11门58种。 三种分子标记共获得926（V4）、498（V9）和11,870（COI）个扩增子序列变体（ASV），其中COI在种级鉴定上表现最优，90.0%的序列可归属到属、89.9%到种。整合两种方法共鉴定出11个门、16个纲、31个目、43个科、47个属和58个种；宏条形码鉴定的分类单元数量多于图像分析（11 vs. 6个门，58 vs. 14个种），而图像分析在桡足类等形态特征明显类群的定量上更具优势——约5300张桡足类图像中仅1.6%无法鉴定到科。
图3. ZooSCAN获取的北极浮游动物代表性类群图像（比例尺2 mm）
2. 两种方法揭示一致的群落空间格局。 各站位优势类群均以哲水蚤科（Calanidae）为主：COI序列与图像生物量中，极北哲水蚤（Calanus hyperboreus）在多数站位占所有类群的20%–90%，且优势度随纬度升高而增强；飞马哲水蚤（C. finmarchicus）在图像丰度中平均贡献42%。巴伦支海站位以C. glacialis为常见种，南森海盆及Yermak海盆站位则以C. hyperboreus和Metridia longa为主。
图4. 六种方法（V9/V4/COI宏条形码与图像丰度/生物体积/生物量）揭示的各站位优势类群组成
3. 丰度与生物量随纬度升高而下降。 基于图像的定量结果显示，总浮游动物丰度介于13 ind/m³（YP最北站76）至94 ind/m³（BS最浅站52）之间；生物体积为50 mm³/m³（BS）至248 mm³/m³（NB站70）；生物量为8.5 mg DM/m³（站65）至31 mg DM/m³（站52）。在巴伦支海、南森海盆和Yermak海台三个区域内，丰度、生物体积和生物量均呈现随纬度升高而降低的趋势。
图5. 各站位浮游动物总丰度、生物体积与生物量（按区域和纬度排序）
4. 环境驱动因子跨方法高度一致。 多元分析表明，温度和采样水层中极地表层水（PSW）所占比例是所有方法共同检出的显著环境驱动因子；环境PCA第一轴解释了65.9%的方差，清晰分开巴伦支海与南森海盆/Yermak海台站位。所有方法的Shannon多样性均随纬度升高而降低，基于有无数据的Jaccard相似性在各方法间显著相关（P < 0.01）。
研究结论
该研究证明，ZooSCAN图像分析与COI宏条形码的联合应用能够克服单一方法的局限：分子方法提供种级高分辨率鉴定（尤其对小型、稀有和胶质类群），图像方法则提供个体级大小参数、丰度、生物体积与生物量的直接定量，并建立可长期保存、可重复分析的数字图像档案。两种方法独立检出了相同的群落空间格局与关键环境驱动因子，交叉验证了彼此的可靠性。研究团队据此明确推荐：未来北极浮游动物多样性与定量监测应采用“ZooSCAN图像分析 + COI宏条形码”的整合方案，以确保同时捕捉群落“多样性”与“数量”两个维度的变化。
法国HYDROPTIC公司的ZooSCAN在此次研究中展现了卓越性能：2400 dpi高分辨率扫描、自动化形态参数提取、与EcoTaxa在线分类生态的无缝衔接，使14,371张图像的高效处理与专家校验成为可能，为这一北极整合研究提供了关键技术支撑。从样品数字化到丰度/生物量定量的完整工作流，正是ZooSCAN在全球浮游动物监测网络中被广泛采用的核心价值所在。
参考文献
Laakmann S, Cornils A, Metfies K, Koplin J, Neuhaus S, Bunse C, Niehoff B, Flores H (2025) Of sequences and images – diversity and quantity of Arctic epipelagic zooplankton by an integrative approach. Journal of Plankton Research, 47(6): fbaf059. https://doi.org/10.1093/plankt/fbaf059
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