Application of Machine Learning Methods to Predict Phytoplankton Blooms and Determine Microbial Biomarkers using Marine Microbiomes

Abstract

Understanding the relationship between bacterioplankton and coastal phytoplankton blooms is key to understand coastal ecosystems functioning, which are the most productive areas for fisheries. With that knowledge, we could predict and may be mitigate, the effects of global change or contamination events in these productive ecosystems. However, these microbial communities are governed by very complex relationships. In addition, the data used to study bacterioplankton diversity (Amplicon Sequence Variants of 16S rRNA gene) is highly dimensional, sparse, and noisy. In this project, Random Forest classifiers based on diversity data were used to predict coastal phytoplankton blooms and search for their biomarkers. After joining two oceanographic campaigns data, samples were classified as bloom or normal depending on the total chlorophyll concentrations. The resulting dataset was highly dimensional (166 instances, 7593 features) and imbalanced (31 instances bloom, 135 – normal). To reduce dimensionality, biological features with relative abundances below 0.01 were removed, or they were grouped into clusters at genus level. Random forest models were trained and tuned with a grid-search of the number of features included in the individual trees. The process was repeated using one hundred different data splits into train and test groups to ensure results’ representativity. Good performance values (kappa, sensitivity, and specificity > 0.8) were achieved only after using the synthetic minority oversampling technique to level the number of instances between the two categories. Using those models, the topmost important features, according to the predictive error rate of features, were selected as biomarkers.

El conocimiento de las relaciones entre el bacterioplancton y las proliferaciones de fitoplancton es clave para entender el funcionamiento de los ecosistemas, como también predecir y mitigar los efectos del cambio global sobre estos ecosistemas. Estas comunidades microbianas son gobernadas por relaciones complejas. Además, los datos para estudiar la diversidad del bacterioplancton (Variantes de secuencias de amplicones del gen del ARNr 16S) son altamente dimensionales, dispersos y ruidosos. En este proyecto, los clasificadores Random Forest basados en datos de diversidad se utilizaron para predecir proliferaciones costeras de fitoplancton y buscar biomarcadores de estos. Tras unir los datos de dos campañas oceanográficas, las muestras se clasificaron entre las categorías Bloom y normal según la concentración de clorofila. Los datos resultantes eran altamente dimensionales (166 muestras, 7593 variables) y desbalanceados (31 muestras bloom, 135 normales). Para reducir la dimensionalidad, las variables biológicas con abundancias relativas menores al 0,01% se eliminaron. Alternativamente, se agruparon a nivel de género. Los modelos Random Forest se entrenaron valorando diferente número de variables en los árboles individuales. El proceso se repitió con cien divisiones diferentes de los datos en los grupos de entrenamiento y test para asegurar la representatividad de los resultados. Los modelos sólo alcanzaron buenos niveles de desempeño (kappa, sensibilidad y especificidad medias > 0.8) tras utilizar la técnica de sobre muestreo sintético de la clase minoritaria, bloom, para balancear los datos. Finalmente, se determinaron los biomarcadores como las variables más importantes según su error predictivo.

El coneixement de les relacions entre el bacterioplàncton i les proliferacions de fitoplàncton és clau per entendre el funcionament dels ecosistemes, com també predir i mitigar els efectes del canvi global sobre aquests ecosistemes. Aquestes comunitats microbianes són governades per relacions complexes. A més, les dades per estudiar la diversitat del bacterioplàncton (Variants de seqüències d'amplicons del gen de l'ARNr 16S) són altament dimensionals, dispersos i sorollosos. En aquest projecte, els classificadors Random Forest basats en dades de diversitat es van utilitzar per predir proliferacions costaneres de fitoplàncton i buscar-ne biomarcadors. Després d'unir les dades de dues campanyes oceanogràfiques, les mostres es van classificar entre les categories Bloom i normal segons la concentració de clorofil·la. Les dades resultants eren altament dimensionals (166 mostres, 7593 variables) i desbalancejades (31 mostres bloom, 135 normals). Per reduir la dimensionalitat, les variables biològiques amb abundàncies relatives menors al 0,01% es van eliminar. Alternativament, es van agrupar a nivell de gènere. Els models Random Forest es van entrenar valorant diferent nombre de variables als arbres individuals. El procés es va repetir amb cent divisions diferents de les dades als grups d'entrenament i test per assegurar la representativitat dels resultats. Els models només van assolir bons nivells d'exercici (kappa, sensibilitat i especificitat mitjanes > 0.8) després d'utilitzar la tècnica de sobre mostreig sintètic de la classe minoritària, bloom, per balancejar les dades. Finalment, es van determinar els biomarcadors com a variables més importants segons el seu error predictiu.