CONGRESO SOBRE LOS DRONES APLICADOS A LA INGENIERÍA CIVIL

Transcripción

1 CONGRESO SOBRE LOS DRONES APLICADOS A LA INGENIERÍA CIVIL Madrid, 17 de marzo de 2015 Utilización de drones para el estudio de la contaminación biológica del aire (PROGRAMA AIRBIOTA-CM) Pascual Campoy 1, Carol Martínez 1, Sergio Domínguez 1, Antonio Alcamí 2, A. Montserrat Gutiérrez 3, Raúl Guantes 4, y Diego A. Moreno 5 1 Computer Vision Group, Centre for Automation and Robotics C.A.R. (CSIC-UPM) 2 Centro de Biología Molecular Severo Ochoa, CSIC-Universidad Autónoma de Madrid (CBMSO-CSIC) 3 Departamento de Biología Vegetal II, Universidad Complutense de Madrid 4 Department of Condensed Matter Physics, Facultad de Ciencias, Universidad Autónoma de Madrid 5 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica de Madrid (ETSII-UPM)

2 Índice -Objetivos del Programa AIRBIOTA-CM -Contaminación biológica (microbiota) del aire -Procedimientos para muestrear la microbiota del aire -Muestreadores comerciales para la microbiota del aire -Requisitos de los drones para muestrear la microbiota del aire

3 Objetivos del Programa AIRBIOTA-CM Estudiar la biodiversidad microbiana (microbiota) presente en el aire (polen, hongos, bacterias, virus): -En diferentes estaciones del año -En diferentes lugares -A diferentes alturas -Con nueva metodología de identificación (secuenciación masiva)

4 La contaminación biológica (microbiota) del aire afecta a: SALUD de humanos, animales y plantas -Alergias (pólenes y hongos) -Infecciones (hongos, bacterias, virus, protozoos) CONSERVACIÓN del Patrimonio cultural -Biodeterioro en el exterior (outdoor): monumentos pétreos, esculturas, etc. -Biodeterioro en el interior (indoor): archivos, museos, cuevas rupestres, etc. MEDIO AMBIENTE (Biodiversidad, cambio climático, etc.)

5 Biodeterioro de Bienes Culturales (outdoor): Soportes pétreos Pigmentaciones en la superficie de las paredes exteriores del pórtico de un panteón familiar (La Plata, Argentina) Se ha encontrado que las superficies de cemento y de mármol de las criptas están colonizadas principalmente por líquenes (Caloplaca austrocitrina, Lecanora albescens, Xanthoparmelia farinosa y Xanthoria candelaria). También se han encontrado diversos hongos (Aspergillus sp., Penicillium sp., Fusarium sp., Candida sp. y Rhodotorula sp. ) y bacterias (Bacillus sp. y Pseudomonas sp. ) P.S. Guiamet, V. Rosato, S. Gómez de Saravia, A.M. García, D.A. Moreno. Biofouling of crypts of historical and architectural interest at La Plata Cemetery (Argentina). Journal of Cultural Heritage, 2012, Vol 13, No. 3, pp

6 Biodeterioro de Bienes Culturales (indoor): Películas cinematográficas Biodeterioro de películas cinematográficas en color del archivo cinematográfico de Cuba. ~ 50 µm Los microorganismos principalmente responsables del biodeterioro de las películas cinematográficas son hongos pertenecientes a los géneros Aspergillus y Cladosporium, aunque también se han encontrado otros pertenecientes a Microascus y Penicillium. I. Vivar, S. Borrego, G. Ellis, D.A. Moreno, A.M. García. Fungal biodeterioration of color cinematographic films of the cultural heritage of Cuba. International Biodeterioration & Biodegradation, 2013, Vol. 84 pp

7 Situación polínica en la Comunidad de Madrid El polen producido por los árboles suele representar alrededor del 80-90% del total de polen anual. Los resultados del análisis cualitativo corresponden a los tipos morfológicos de polen identificados

8 Situación polínica durante el mes de marzo en la Comunidad de Madrid Jornada Drones El principal aeroalergeno invernal en la Comunidad de Madrid es el polen de Cupressaceae/Taxaceae. Se trata de árboles o arbustos resinosos, siempre verdes, muy utilizados como plantas ornamentales y para la formación de barreras o setos. Los alérgicos al polen de cupresáceas presentan sobre todo rinitis y conjuntivitis y con poca frecuencia asma. El polen de Platanus está presente en la atmósfera de toda España durante un periodo muy corto, que generalmente comprende entre el 15 de marzo y el 30 de abril. Este tipo polínico ha sido considerado por numerosos autores como moderadamente alergénico. En Madrid, parece que el 28% de pacientes afectados de polinosis muestra síntomas relacionados con la exposición a este polen.

9 Tipo polínico Gramineae (=Poaceae) Este polen está en la atmósfera durante todo el año El periodo de mayor incidencia es abril-julio Las concentraciones máximas diarias suelen producirse en mayo o junio Gramineae ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic IPA Alcalá Alcobendas Aranjuez Coslada C. Universitaria Getafe Leganés M Arganzuela Las Rozas Villalba Promedio Red Red: valores promedio/mes Poaceae 2012 ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic El polen procedente de las gramíneas es la principal causa de polinosis en todo el mundo En Europa causa síntomas en el 80% de los alérgicos al polen En España el 35% de los pacientes alérgicos al polen lo son al polen de las gramíneas

10 La diversidad del espectro polínico atmosférico de la Comunidad de Madrid En la atmósfera urbana de España, suelen identificarse entre 50 y 70 tipos polínicos Resultados Red PalinoCAM. Año ALCA ALCB ARAJ COSL FACF GETF LEGA MADR ROZA VILL RED TP Que es un tipo polínico TP? La identificación se basa en la morfología de los granos de polen que es específica para determinados grupos de plantas Como resultado del análisis de una muestra diaria obtenemos una relación de tipos morfológicos de polen (espectro polínico diario) cuantificados mediante el valor medio diario de granos de polen por metro cúbico de aire Valores del IPA en la RED PALINOCAM durante el año IPA: parámetro, de uso general por los aerobiólogos, que se define como la suma de las concentraciones medias diarias de polen durante todo el año.

11 Agentes responsables Enfermedades transmitidas por el aire Afectados POLEN Alergias (Hipersensibilidad) HUMANOS HONGOS Hipersensibilidad Neumonías Micosis sistémicas Micotoxicosis BACTERIAS Amigdalitis, Faringitis Bronquitis, Escarlatina Difteria, Neumonía Meningitis, Tosferina Tuberculosis, Legionelosis Carbunco pulmonar AIRE ANIMALES (Granjas) VIRUS Resfriado común Gripe, Bronquitis Sarampión, Paperas Poliomielitis, Varicela, Rubeola, Gastroenteritis PLANTAS (Cosechas)

12 Concentración y tamaño de la microbiota y de su genoma en el aire -Polen 10E3-10E4 granos polen/m µm 100 Mb-110 Gb -Hongos 10E4 esporas/m3 1,0-100 µm 9 Mb Mb -Bacterias 10E4-10E8 células/m3 0,2-750 µm 0,3 Mb-10 Mb -Virus 10E7 VLPs/m3 0,015-0,45 µm 4 Kb-0,2 Mb

13 Captación e identificación del polen y esporas de hongos del aire Captador universal Burkhard, 10 L/min durante 1 semana. Peso del equipo > 10Kg. Diseñado para polen y esporas de hongos. El aire impacta sobreuna cinta adhesiva. Identificación directamente por microscopía óptica sobre la banda adhesiva, adecuadamente teñida para polenes y esporas de hongos del aire. Principal desventaja no se evalua la viabilidad.

14 Captación e identificación de hongos y bacterias del aire Captador Millipore M_Air_T, 140 L/min durante 7 min. Peso del equipo 2 Kg. Diseñado para bacterias y hongos. Procedimiento de impacto sobre medio de cultivo o filtro de membrana en Placa Petri. EF EF EF EF EF EF EF EF EF EF EF EF EF EF EF EF EF EF EF EF Firmicutes Actinobacteria Identificación por cultivo o por técnicas independientes de cultivo (genómica). Arbol filogenético de bacterias identificadas a partir de las muestras de aire en la proximidad a las cuevas rupestres de Covalanas y la Haza (Ramales de la Victoria, Cantabria). Tesis Doctoral V.M. Rivalta, UPM, 2008.

15 Captación e identificación de partículas virales del aire Captador SKC BioSampler, 12,5 L/min durante 1-8 h. Peso del equipo = 6 Kg. Diseñado inicialmentepara polen y esporas de hongos indoor. Se ha sugerido su utilización para virus. La microbiota es atrapada en agua o aceite mineral. Identificación por cultivo o por técnicas independientes de cultivo (genómica).

16 Concentración de bacterias y hongos en este Salón de Actos Carlos Vera Concentración de bacterias: 100 UFC/m3 Concentración de hongos: 44 UFC/m3 El porcentaje de bacterias del aire cultivables en el laboratorio es aprox. 0,1% (Peccia y Hernandez, Atmospheric Environment, 2006, 40, pp )

17 Metagenómica La metagenómica no requiere que las muestras se cultiven, pero si se necesita una cantidad mínima de ADN para poder secuenciarlo y conocer el 100% de la muestra. La cantidad del ADN dependerá de los microorganismos presentes en el aire, del sistema de captación y del tiempo de captación. A mayor tiempo de captación, mayor concentración de microorganismos y por tanto más cantidad de ADN.

18 1953 Ciencia y tecnología de ácidos nucleicos: Historia Estructura del ADN (Watson y Crick) 1977: Sanger desarrolla un método de secuenciación 1981: Moloney murine sarcoma (MSV) ( 5,8kb) y Genoma mitocondrial humano (16,5kb) 1985: Mullis y cols. desarrollan la técnica de la PCR 1987: Applied Biosystems Inc pone al mercado el primer secuenciador automatico usando terminadores fluorescentes 1995: Haemophilus influenzae (1,8Mb) y Mycoplasma genitalum (0,58Mb) 1998: Caenorhabditis elegans (97Mb), MHC class III human-mouse (0,9Mb) 1998: PE Biosystems Inc saca al mercado el secuenciador automatico por capilar : Borrador del genoma humano Secuencia completa genoma humano: 3 mil millones bases 10 años y millones de euros 2004: Secuenciación masiva o de segunda generación (Roche 454, Iilumina) Secuenciación masiva de tercera generación HiSeqX, Ion Proton: Genoma humano por 760 en menos de un día

19 UAVs para análisis de la contaminación biológica del aire urbano Las redes de sensores estacionarios tienen un gran coste de instalación, y la toma de muestra se hace a una altura fija. Sin embargo, los sistemas UAVs pueden llenar el espacio que hay entre toma de muestras fijas o móviles en tierra y la toma de muestras usando vehículos tripulados. UAVs proporcionan una alternativa económica, versátil y más segura que vehículos aéreos tripulados

20 Ala rotativa vs. Ala fija Vuelo estacionario Despegue y aterrizaje vertical Autonomía < 30 min Baja carga < 1kg Cubre mayores áreas Mayor autonomía > 30 min Mayor capacidad de carga > 1,5 kg

21 Ala rotativa: Falcon de asctec Sistema de propulsión redundante Aterrizaje autónomo Navegación: waypoints Payload: 600 g Velocidad máx: 60 Km/h Autonomía: 22 min (sin carga)

22 Ala fija: Skywalker de airelectronics Despegue y aterrizaje automático Autopiloto: Upilot Navegación: waypoints Velocidad de crucero: 45 km/h Carga: 1,2 Kg Autonomía: hasta 2 h Espacio para carga: cm3

23 Retos para un dron muestreador de la contaminación biológica del aire -Tiempo de vuelo -Altura de vuelo -Carga máxima -Control remoto del muestreador

24 Mapa de puntos de muestreo Collado Villalba Alcobendas Las Rozas Madrid - Salamanca Madrid - CU Leganés Getafe Coslada Alcalá de Henares Aranjuez

25 Dirección General de Universidades e Investigación CONSEJERÍA DE EDUCACIÓN, JUVENTUD Y DEPORTE Consorcio AIRBIOTA UNIÓN EUROPEA Fondos Estructurales Centros de Investigación Empresas asociadas Empresas innovadoras son bienvenidas!!!

26 Muchas gracias por su atención Dirección General de Universidades e Investigación CONSEJERÍA DE EDUCACIÓN, JUVENTUD Y DEPORTE UNIÓN EUROPEA Fondos Estructurales