INCORPORACIÓN DEL USO DE LOS UAV PARA ANALIZAR LA INFLUENCIA DE LA ALTURA EN LA CALIDAD BIOLÓGICA DEL AIRE Andrés Núñez1, Ana M. García1, A. Montserrat Gutiérrez2, Guillermo Amo de Paz2, Zuzana Ferencova2, Pascual Campoy3, Sergio Domínguez3, Antonio Alcamí4, Alberto Rastrojo4, Raúl Guantes5, David Gómez5 y Diego A. Moreno1

1Escuela

Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica de Madrid (ETSII-UPM) de Biología Vegetal II, Universidad Complutense de Madrid 3Computer Vision Group, Centre for Automation and Robotics (CSIC-UPM) 4Centro de Biología Molecular Severo Ochoa, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad Autónoma de Madrid (CSIC-UAM) 5Department of Condensed Matter Physics, Facultad de Ciencias, Universidad Autónoma de Madrid 2Departamento

airbiota.com

Congreso sobre las Aplicaciones de los DRONES a la Ingeniería Civil

26 - 27 enero 2016

UAV y la Calidad Biológica del Aire

Índice 1. La contaminación química del aire 2. La contaminación biológica del aire 3. El Programa AIRBIOTA‐CM 4. Estudio de la microbiota del aire 5. Muestreos en altura: aplicación de UAV al Programa AIRBIOTA‐CM 6. Captadores de aire comerciales 7. Desarrollo de prototipos adaptables para vehículos 8. Conclusiones y perspectivas

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1. La contaminación química del aire

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Monóxido de Carbono (CO)

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Óxidos de Nitrógeno (NOx)

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Óxidos de Azufre (SOx)

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Ozono troposférico (O3)

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Partículas sólidas en suspensión (PM2,5 y PM10)

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2. La contaminación biológica del aire

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3. El Programa AIRBIOTA‐CM  Objetivo: Determinar la diversidad de la aerobiota en la atmósfera urbana y definir parámetros que nos permitan evaluar la calidad biológica del aire

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3. El Programa AIRBIOTA‐CM  Objetivo: Determinar la diversidad de la aerobiota en la atmósfera urbana y definir parámetros que nos permitan evaluar la calidad biológica del aire

Virología (INMUNOVIR) Aerobiología (AER‐MAD)

Microbiología (BIO‐MAT)

AIRBIOTA-CM

Ingeniería de UAV (CVG‐UPM)

1) Definir de forma global la aerobiota de la Comunidad de Madrid

2) Establecer modelos matemáticos de distribución geográfica y temporal de la aerobiota

3) Desarrollar nuevos sistemas de muestreo del aire

Biología de Sistemas (BioSysBio)

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4. Estudio de la microbiota del aire  Análisis integral de la microbiota del aire

Virus Bacterias Polen Hongos

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4. Estudio de la microbiota del aire  Tipos de muestreos a realizar Muestreos estacionales

Zonas urbanas e interurbanas

Muestreos en altura

Primavera Verano Otoño Invierno

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4. Estudio de la microbiota del aire  Metodología innovadora frente al estudio tradicional: Secuenciación Masiva del ADN (Metagenómica)

Las técnicas tradicionales de identificación microbiana requieren el cultivo y aislamiento previo, además de: ‐ Pruebas bioquímicas ‐ Test moleculares ‐ Secuenciación del ADN

 Se estima que sólo el 1% de la microbiota es cultivable.  Requiere que los organismos sean viables.  El tiempo y trabajo para conseguir los aislados limita el tipo de estudios.

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4. Estudio de la microbiota del aire  Metodología innovadora frente al estudio tradicional: Secuenciación Masiva del ADN (Metagenómica) La Metagenómica es una nueva disciplina de la genómica que permite el estudio de comunidades ambientales complejas mediante el análisis del material genético presente en ellas.

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4. Estudio de la microbiota del aire  Metodología innovadora frente al estudio tradicional: Secuenciación Masiva del ADN (Metagenómica)

Secuenciación (NGS)

Muestra compleja de organismos Extracción del material genético

Identificación de los organismos

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4. Estudio de la microbiota del aire  Plan de trabajo del Programa AIRBIOTA‐CM

Extracción del material genético (ADN)

Muestra de la microbiota del aire

Secuenciación masiva del ADN (NGS)

Modelización de factores y predicción

Caracterización de la biodiversidad del aire

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4. Estudio de la microbiota del aire  Plan de trabajo del Programa AIRBIOTA‐CM

Extracción del material genético (ADN)

Muestra de la microbiota del aire

Empleo de UAV Secuenciación masiva del ADN (NGS)

Modelización de factores y predicción

Caracterización de la biodiversidad del aire

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5. Muestreos en altura: aplicación de UAV al Programa AIRBIOTA‐CM En los últimos años el uso de vehículos aéreos no tripulados (“Unmanned Aerial Vehicle”, UAV) en ámbitos civiles está creciendo de manera exponencial.

Los sistemas UAV pueden representar una alternativa económica y segura para muestrear la aerobiota a diferentes alturas.

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5. Muestreos en altura: aplicación de UAV al Programa AIRBIOTA‐CM Ventajas del uso de UAV  Muestreo en puntos sin un soporte físico  Estudios en zonas de difícil acceso por tierra  Muestreo de áreas, no sólo puntos estáticos  Adaptación del recorrido de muestreo a nuestro interés Torre Picasso

 Muestreos por debajo del nivel de vuelo de avionetas

Torre Foster

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5. Muestreos en altura: aplicación de UAV al Programa AIRBIOTA‐CM Inconvenientes de los UAV  Payload limitado  Autonomía de vuelo  Sistema de propulsión con bajo efecto sobre el aire que llega al captador  Uso limitado por las condiciones ambientales

Características del captador de aire Gran volumen de aire en poco tiempo Funcionamiento autónomo y portátil Sistema de captura independiente del tamaño de los organismos Indiferente respecto a la viabilidad Superficie de recolección inerte y resistente a la desecación

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6. Captadores de aire comerciales Tipo Hirst (Burkard®)

Zefon Bio Pump®

• Diseñado para polen y esporas de hongos • Volumen de succión: 10 L/min • Tiempo máx. de muestreo: 1 semana • Peso del equipo > 10Kg • El aire impacta sobre una cinta de plástico recubierta con una sustancia adherente

• Diseñado para polen y esporas de hongos • Volumen de succión: 15 L/min • Tiempo de muestreo: hasta 10 h (AC) o 3 h (batería) • Peso del equipo < 1 kg. • Recolección en portaobjetos dentro de casetes • Identificación por morfología y por técnicas no microscópicas

Personal Volumetric Air Sampler (Burkard®)

• Diseñado para polen y esporas de hongos • Volumen de succión: 10 L/min • Tiempo de muestreo: 1 h • Peso del equipo < 1 kg. • El aire impacta sobre un portaobjetos

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6. Captadores de aire comerciales Filtros + bomba de vacío

• Efectivo para propágulos fungícos, granos de polen y bacterias • Volumen de succión: variable (10, 25, 50 L/min) durante tiempo seleccionable • Peso del equipo: ≈ 4 kg • Filtro de 5‐0,22 μm que retienen partículas/microorganismos mayores del tamaño de poro

Captador Millipore® M Air T

• Diseñado para bacterias y propágulos fúngicos en ambientes cerrados • Volumen de succión: 140 L/min • Tiempo de muestreo: 7 minutos • Peso del equipo: 2 Kg • El aire impacta sobre medio de cultivo.

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6. Captadores de aire comerciales Marcador tamaño ADN

Captador tipo Hirst (Burkard®) (10 L/min 1 semana, 50 m3) Abril 2015 Bomba de vacío sobre filtro (25 L/min 5 h, 7,5 m3) Abril 2015 M. Air T. Millipore® (100 L/min 2 h, 20 m3) Abril 2015

Desarrollo de nuevos sistemas de muestreo del aire

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7. Desarrollo de prototipos adaptables para vehículos

Prototipo adaptable al uso en vehículos por tierra, mar y aire

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7. Desarrollo de prototipos adaptables para vehículos Resultados preliminares con el prototipo Marcador tamaño ADN

Prototipo en coche (30‐60 km/h, 1 h) Mayo 2015 (Madrid)

Prototipo en Avioneta (120 m; 80 km/h; 1 h) Julio 2015 (La Rioja)

Prototipo en Avioneta (300 m; 120 km/h; 1 h) Julio 2015 (Almería)

Características deseables de los UAV para su uso dentro del Programa AIRBIOTA‐CM ‐ Autonomía de vuelo de más de 60 minutos. ‐ Capacidad para una carga de pago de entre 2 y 3 kg. ‐ Sistema de propulsión o diseño con bajo efecto sobre el aire que llega al captador.

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8. Conclusiones y perspectivas ‐

Los resultados generados por el Programa AIRBIOTA‐CM están aportando por primera vez datos sobre la contaminación biológica del aire de la Comunidad de Madrid y su evolución en función de la situación geográfica, estación del año y altura, contribuyendo a su monitorización.

‐

El empleo de metodologías de biología molecular para la identificación de especies facilitará en gran medida el trabajo de los técnicos. ‐

La incorporación de los UAV como dispositivos para el muestreo ampliará las posibilidades de toma de muestras, aportando datos difíciles de recopilar mediante el uso de otros equipos.

‐

El desarrollo del Programa AIRBIOTA‐CM contribuirá a expandir el uso de los UAV en estudios medioambientales y sanitarios sobre contaminantes atmosféricos, aportando datos hasta ahora desconocidos sobre la contaminación biológica.

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¡GRACIAS POR SU ATENCIÓN! AGRADECIMIENTOS: Programa de Tecnologías 2013 de la Comunidad de Madrid (S2013/MAE-2874) Dirección General de  Universidades e Investigación CONSEJERÍA DE EDUCACIÓN,  JUVENTUD Y DEPORTE

Comunidad de Madrid UNIÓN EUROPEA Fondos Estructurales

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