INCORPORACIÓN DEL USO DE LOS UAV PARA ANALIZAR LA INFLUENCIA DE LA ALTURA EN LA CALIDAD BIOLÓGICA DEL AIRE

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Samuel Lorenzo Carrasco Aguirre
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1 INCORPORACIÓN DEL USO DE LOS UAV PARA ANALIZAR LA INFLUENCIA DE LA ALTURA EN LA CALIDAD BIOLÓGICA DEL AIRE Andrés Núñez 1, Ana M. García 1, A. Montserrat Gutiérrez 2, Guillermo Amo de Paz 2, Zuzana Ferencova 2, Pascual Campoy 3, Sergio Domínguez 3, Antonio Alcamí 4, Alberto Rastrojo 4, Raúl Guantes 5, David Gómez 5 y Diego A. Moreno 1 1 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica de Madrid (ETSII-UPM) 2 Departamento de Biología Vegetal II, Universidad Complutense de Madrid 3 Computer Vision Group, Centre for Automation and Robotics (CSIC-UPM) 4 Centro de Biología Molecular Severo Ochoa, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad Autónoma de Madrid (CSIC-UAM) 5 Department of Condensed Matter Physics, Facultad de Ciencias, Universidad Autónoma de Madrid airbiota.com

Moreno 1 1 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica de Madrid (ETSII-UPM) 2 Departamento de Biología Vegetal II, Universidad Complutense de Madrid 3 Computer

2 Índice UAV y la Calidad Biológica del Aire 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

3 1. La contaminación química del aire Monóxido de Carbono (CO) Óxidos de Nitrógeno (NO x ) Óxidos de Azufre (SO x ) Ozono troposférico (O 3 ) Partículas sólidas en suspensión (PM 2,5 y PM 10 )

4 UAV y la Calidad Biológica del Aire 2. La contaminación biológica del aire Congreso sobre las Aplicaciones de los DRONES a la Ingeniería Civil enero 2016

5 3. El Programa AIRBIOTA CM UAV y la Calidad Biológica del Aire Objetivo: Determinar la diversidad de la aerobiota en la atmósfera urbana y definir parámetros que nos permitan evaluar la calidad biológica del aire

6 3. El Programa AIRBIOTA CM UAV y la Calidad Biológica del Aire 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) 1) Definir de forma global la aerobiota de la Comunidad de Madrid AIRBIOTA-CM Microbiología (BIO MAT) 2) Establecer modelos matemáticos de distribución geográfica y temporal de la aerobiota Biología de Sistemas (BioSysBio) Ingeniería de UAV (CVG UPM) 3) Desarrollar nuevos sistemas de muestreo del aire

global la aerobiota de la Comunidad de Madrid AIRBIOTA-CM Microbiología (BIO MAT) 2) Establecer modelos matemáticos de distribución

7 4. Estudio de la microbiota del aire Análisis integral de la microbiota del aire Virus Polen Bacterias Hongos

8 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

9 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.

además de: Pruebas bioquímicas Test moleculares Secuenciación del ADN Se estima que sólo el 1% de la microbiota es

10 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.

una nueva disciplina de la genómica que permite el estudio de comunidades

11 4. Estudio de la microbiota del aire Metodología innovadora frente al estudio tradicional: Secuenciación Masiva del ADN (Metagenómica) Muestra compleja de organismos Extracción del material genético Secuenciación (NGS) Identificación de los organismos

(Metagenómica) Muestra compleja de organismos Extracción del

12 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 Modelización de factores y predicción Secuenciación masiva del ADN (NGS) Caracterización de la biodiversidad del aire

microbiota del aire Modelización de factores y predicción

13 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 Modelización de factores y predicción Empleo de UAV Secuenciación masiva del ADN (NGS) Caracterización de la biodiversidad del aire

microbiota del aire Modelización de factores y predicción Empleo de

14 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.

ámbitos civiles está creciendo de manera exponencial.

15 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

tierra Muestreo de áreas, no sólo puntos estáticos Adaptación del recorrido de muestreo

16 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

Características del captador de aire Gran volumen de aire en poco tiempo Funcionamiento autónomo y portátil Sistema de captura

17 6. Captadores de aire comerciales UAV y la Calidad Biológica del Aire Tipo Hirst (Burkard ) Zefon Bio Pump Personal Volumetric Air Sampler (Burkard ) 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 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

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

18 6. Captadores de aire comerciales UAV y la Calidad Biológica del Aire Filtros + bomba de vacío Captador Millipore M Air T 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 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.

equipo: 4 kg Filtro de 5 0,22 μm que retienen partículas/microorganismos mayores del tamaño de poro Diseñado para bacterias y propágulos

19 6. Captadores de aire comerciales UAV y la Calidad Biológica del Aire Marcador tamaño ADN Captador tipo Hirst (Burkard ) (10 L/min 1 semana, 50 m 3 ) Abril 2015 Bomba de vacío sobre filtro (25 L/min 5 h, 7,5 m 3 ) Abril 2015 M. Air T. Millipore (100 L/min 2 h, 20 m 3 ) Abril 2015 Desarrollo de nuevos sistemas de muestreo del aire

Bomba de vacío sobre filtro (25 L/min 5 h, 7,5 m 3 ) Abril 2015 M. Air T.

20 7. Desarrollo de prototipos adaptables para vehículos Prototipo adaptable al uso en vehículos por tierra, mar y aire

21 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.

22 8. Conclusiones y perspectivas UAV y la Calidad Biológica del Aire 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.

23 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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