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Sampling variability and the design of bacterial abundance and production studies in aquatic environments

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Abstract:

Published data for aquatic bacterial abundance and production in benthic and planktonic environments were collected from the literature to describe relationships between sample means and variances, to explore the factors that affect these relationships, and to estimate the number of samples needed to detect specified differences among means with adequate power. Between 75 and 94% of sample log10(variance) was explained by log10(mean) for both bacterial abundance and production. Differences in mean-variance relationships of bacterial abundance and production due to habitat (river, lake, marine), quantification method, and experimental manipulation (planktonic bacteria) or substrate type (benthic bacteria) were negligible (less than 11% of residual variance from regressions explained). Between 12 and 69 replicates are necessary to detect a 20% difference in means for bacterial abundance and production with a power of 80%. Given the median rate of replication of 3 to 4, the majority of published studies reviewed here are, at best, able to detect differences in means of 50% (planktonic bacterial abundance) or 100% (planktonic production and benthic abundance and production) with 80% power. If effect sizes less than these values are deemed biologically meaningful, then future studies will have to increase sampling effort to enable detection of such differences.

Des données sur l'abondance et la production de bactéries benthiques et planctoniques ont été récoltées dans la littérature et analysées pour décrire la relation entre la moyenne et la variance d'échantillonnage, pour examiner les facteurs affectant cette relation, et pour estimer le nombre d'échantillons requis pour détecter une différence entre deux moyennes avec une puissance statistique donnée. Entre 75 % et 94 % de la variabilité du log10 variance peut être attribuée au log10 de la moyenne pour l'abondance et la production des bactéries. Les différences dans les relations entre la moyenne et la variance de l'abondance et la production bactérienne attribuées aux habitats (rivières, lacs, océans), la méthode de quantification et les manipulations expérimentales (bactéries planctoniques) ou le type de substrat (bactéries benthiques) sont négligeables et expliquent moins de 11 % de la variabilité. Les analyses de puissance indiquent que entre 12 et 69 échantillons sont nécessaires pour détecter une différence de 20 % entre deux moyennes d'abondance ou de production bactérienne avec une puissance de 80 %. Puisque la médiane du nombre d'échantillons dans les études utilisées dans cette analyse se situe entre 3 et 4, la majorité de ces études pouvaient au mieux détecter une différence entre les moyennes de 50 % (pour l'abondance de bactéries planctoniques) ou de 100 % (production bactérienne planctonique ou abondance et production bactérienne benthique) avec une puissance de 80%. Il semble donc que si des tailles d'effet plus petites que 50 % sont jugées écologiquement signifiantes, alors les études futures devront utiliser un nombre plus élevé d'échantillons pour les détecter statistiquement.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: June 1, 2002

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  • Published continuously since 1901 (under various titles), this monthly journal is the primary publishing vehicle for the multidisciplinary field of aquatic sciences. It publishes perspectives (syntheses, critiques, and re-evaluations), discussions (comments and replies), articles, and rapid communications, relating to current research on cells, organisms, populations, ecosystems, or processes that affect aquatic systems. The journal seeks to amplify, modify, question, or redirect accumulated knowledge in the field of fisheries and aquatic science. Occasional supplements are dedicated to single topics or to proceedings of international symposia.
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nrc/cjfas/2002/00000059/00000006/art00002
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