CAMPECHE 25 MIN

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CAMPECHESeptiembre 2024

Dra. María Carmen Calderón Ezquerromclce@atmosfera.unam.mx

Aerobiología y su relación con el cambio climático y la contaminación del aire

Aerobiología

Las aportaciones de la Biología y la Química son fundamentales para comprender las interrelaciones entre los primeros seres vivos y su entorno que llevaron a la habitabilidad de la Tierra. En particular, la Aerobiología es una ciencia multidisciplinaria, que nos ayuda a comprender los diversos procesos involucrados en la suspensión, el transporte y la deposición de organismos y partículas de origen biológico en la atmósfera, así como sus repercusiones en nuestro entorno.

El modelo conceptual del proceso aerobiológico es relevante para modelar el transporte pasivo de la biota en el aire a través de diferentes escalas relacionadas con diversos fenómenos meteorológicos asociados a procesos biológicos, ecológicos y de salud.

Es una ciencia multidisciplinaria que incluye ciencias básicas y aplicadas, tales como patología vegetal, palinología, micología, virología, alergología, epidemiología, bioclimatología, bioterrorismo, biodeterioro, contaminación atmosférica y cambio climático, entre otras ciencias.Es en la Medicina, donde ha estado fuertemente ligada, debido a que la presencia de bioaersoles como polen y esporas de hongos en el aire provoca la aparición de síntomas alérgicos (polinosis) entre la población. Así como, enfermedades infecciosas causadas bacterias, cianobacterias y virus presentes en el aire de ambientes extra e intramuros.Por lo tanto, los estudios aerobiológicos contribuyen a vigilar la salud humana, animal, y de los ecosistemas.

Aerobiología

Cianobacterias

El microbioma es el conjunto de microbiota (bacterias, arqueas, virus, hongos) incluyendo sus genes y metabolitos, así como las condiciones ambientales que les rodean.

Bacterias

Polen

Arqueas

Hongos

Virus

Proteínas

0.5 - 5 µm

5 - 100 µm

0.5 - 5 µm

1 - 100 µm

bacterias, arqueas, hongos, virus, pólenes proteínas, toxinasTamaño 0.02 - 100 µmOrigen:HumanosAnimalesPlantas Suelo Agua

Microbioma de la atmósfera

Granos de polen

Bacterias Gram positivasBacteias Gram negativas

Streptococcus aureus

Adenovirus Coronavirus Metapneumovirus humano Virus parainfluenza La gripe (influenza) Virus respiratorio sincitial (RSV) Rinovirus/enterovirus

Streptococcus pneumoniae

EFECTOS EN SALUD

Particulas

Polen

Hongos

Virus

Bacterias

Esporas de hongos

Los bioaerosoles en la atmósfera pueden ser ya sea, la causa directa de epidemias y enfermedades infecciosas (bacterias, hongos, virus) o la causa indirecta de enfermedades no infecciosas, como alergias respiratorias, conjuntivitis, rinoconjuntivitis, asma (polen o esporas de hongos).

Creación de la REMA

REMA

¿Porqué estudiar los bioaersoels atmosféricos?

De esta manera es posible determinar a los bioaerosoles que pueden causar graves daños a la salud de los habitantes de las ciudades, así como de ambientes sub-urbanos, agrícolas, forestales y marinos, entre otros.

Los estudios aerobiológicos que realizamos combinan diversos métodos para su monitoreo, detección e identificación, tanto tradicional por cultivo y microscopía, como por biología molecular.

Creación de la REMA

La REMA se creó en 2008 para evaluar la calidad biológica del aire mediante el monitoreo de bioaerosoles como granos de polen (alérgenos polínicos), esporas de hongos, bacterias, y otros microorganismos o sus derivados, determinando sus fuentes de origen y sus trayectorias de transporte a través de la atmósfera en diversos tipos de ecosistemas.

El trabajo y metas a realizar en cada sede de la REMA plantea los los objetivos:

• Elaborar calendarios polínicos (5 años).

• Determinar el impacto por exposición a pólenes y otros bioaerosoles en la salud humana y en la diversidad de ecosistemas.

• Determinar las trayectorias del transporte de los bioaerosoles a nivel local o regional mediante modelos numéricos como el COSMO-ART.

• Determinar la variación o pérdida de vegetación por cambios de uso de suelo.

• Generar estimaciones a futuro de los efectos del cambio climático en la distribución y concentración del polen atmosférico y otros bioaerosoles.

REMA

Rinitis alérgica: trastornos caracterizados por: prurito nasal, estornudos, rinorrea y congestión nasal.

polen-polinosis

TRAMPA DE ESPORAS TIPO HIRST (tradicional)

MUESTREADOR EN TIEMPO REAL POLLEN SENSE

Polen de árboles y herbáceas en Coyoacán 2008 a 2024

Coyoacán (5 años)

Calendarios polínicos Miguel Hidalgo (10 años)

Penn, J. L., & Deutsch, C. (2022). Avoiding ocean mass extinction from climate warming. Science, 376(6592), 524-526.

IPCC, 2021

CAMBIO CLIMÁTICO

Victor Hugo

SF4

HFCs

PFCs

CFCs

CH

NOX

CH4

CO2

CAMBIO CLIMÁTICO

IPCC, 2021

Penn, J. L., & Deutsch, C. (2022). Avoiding ocean mass extinction from climate warming. Science, 376(6592), 524-526.

Penn, J. L., & Deutsch, C. (2022). Avoiding ocean mass extinction from climate warming. Science, 376(6592), 524-526.

CAMBIO CLIMATICO Implica variaciones en los patrones climáticos de la Tierra y el aumento de las temperaturas globales, el cambio en los regímenes de precipitaciones y la mayor frecuencia de eventos extremos. Estas alteraciones pueden ser causadas por procesos naturales o por actividades humanas, como la quema de combustibles fósiles, la deforestación y la industrialización, lo que incrementa los gases de efecto invernadero y desestabilización del sistema climático.

Yingxiao Zhang & Allison Steiner, 2022

1. Las condiciones atmosféricas, afectadas por el cambio climático, influirán en la liberación y cantidad de polen transportado por el viento. 2.El calentamiento global adelantará el inicio de la polinización y prolongará la duración de estas temporadas. 3.Los cambios en la fenología variarán según las respuestas térmicas de las especies, con temperaturas y precipitaciones modificando los picos diarios y la emisión anual de polen. 4.El aumento del CO2 atmosférico podría duplicar la producción de polen, incrementando las emisiones hasta en un 200%. 5.Aunque los cambios en la cobertura terrestre también afectan la distribución del polen, su impacto es menor en comparación con el clima y el CO2. Estos factores aumentarán la probabilidad de alergias estacionales.

Tres categorías de cambios en la emisión de polen. a–c Esquema conceptual para tres categorías de cambios en la emisión de polen, comparando la emisión diaria de polen histórica (negra) y futura (colores). Las líneas azules indican el cambio futuro en la emisión de polen con una fenología dependiente únicamente de la temperatura. Las curvas rosadas y moradas representan el cambio futuro en la emisión de polen con un cambio en la fenología y cambios dependientes de la temperatura en el factor de producción anual (pfannual), que puede aumentar (rosa) o disminuir (morado) la producción.

Determinaciòn de diferencias en la duración de los periodos de floración

Periodos principales de floración de Fraxinus en Coyoacán de 2008 a 2024

Determinaciòn de diferencias en la duración de los periodos de floración

Periodos principales de floración de herbáceas de 2008 a 2024

COVs

PM2.5

PM10

O3

NOX

SO2

CO

CO2

CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

Puede provenir de fuentes naturales, como erupciones volcánicas e incendios forestales, o antropogénicas, como la quema de combustibles fósiles, la industria y el tráfico vehicular.

Presencia en la atmósfera de sustancias o formas de energía que pueden tener efectos nocivos para la salud humana, los ecosistemas, o causar daños materiales. Pueden ser gases, partículas sólidas, líquidos en suspensión, o formas de energía como el calor o la radiación.

ZONAS URBANAS

COVs

PM2.5

PM10

O3

NOX

SO2

CO

CO2

CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

Puede provenir de fuentes naturales, como erupciones volcánicas e incendios forestales, o antropogénicas, como la quema de combustibles fósiles, la industria y el tráfico vehicular.

Presencia en la atmósfera de sustancias o formas de energía que pueden tener efectos nocivos para la salud humana, los ecosistemas, o causar daños materiales. Pueden ser gases, partículas sólidas, líquidos en suspensión, o formas de energía como el calor o la radiación.

bacterias

(Li et al., 2019).

(Joint Research Centre, 2019)

Partículas del aire de la Ciudad de Tula (UTT), Hidalgo en en Marzo de 2022

• El proceso de urbanización impacta en la salud, ya que el crecimiento de la población genera retos, como la contaminación del aire, el agua y el suelo; islas de calor urbanas y gran variedad de enfermedades.

• También la urbanización implica cambios en el ecosistema, por lo que es necesario conocer la composición de la comunidad de la microbiota, ya sea potencialmente patógena o alergénica lo que aumenta el riesgo para la salud

Urbanizacion y su impacto en la salud

Partículas adheridas a pólenes del aire

Foto. A. DÍAZ- MORALES

Foto. A. DÍAZ- MORALES

Foto. A. DÍAZ- MORALES

Daño en núcleos de hojas de Pennisetum villosum recolectado en distintas zonas de la CDMX

Tesis doctoral de Alberto Díaz Morales

a) Granos de polen de Fraxinus uhdei no viables (hialino) recolectados en la alcaldía Cuajimalpa y b) viables (rojo) recolectados en la alcaldía Coyoacán

Polen de Fraxinus uhdei

Calderón et al., 2018

Vientos convergentes que arrastran el polen dentro y fuera de la CDMX

La adhesión de partículas a los bioaerosoles o viceversa puede potenciar los efectos en la salud (Bédard et al., 2019).

BIOAERSOLES Y AEROPARTÍCULAS

(Hervás et al., 2009; Zhu et al., 2017).

(Griffin et al., 2017). E

En el aire bacterias y virus suelen co-transportarse dentro de detritos orgánicos y / o partículas de suelo que proporcionan protección UV, humedad, lo que puede aumentar su viabilidad y rangos de dispersión. El transporte de aerosoles representa un mecanismo para la dispersión mundial de microorganismos y genes.

Las partículas en el aire actúan como vectores eficaces para la transmisión intercontinental de enfermedades y la propagación de alérgenos. Su influencia en los procesos atmosféricos y climáticos, como la condensación de núcleos de gotas de nubes, cristales de hielo y precipitación es bien reconocido.

IDENTIFICACIÓN

MICROBIOTADE LAIRE

Muestreo de bioersoles en líquido

Muestreo de polvo del aire

Detección molecular

Muestreador de alto rendimiento Coriolis

La secuenciación del ADN determina el orden de las bases, que forman la molécula de ADN y proporciona la información genética que se transporta en el segmento especifico de ADN.

Cultivo en medios de agar

Monitoreo y detección de aeropartículas

Detección molecular

Identificación microscópica

Muestreo de bioaerosoles por sedimentación o volumétrico

UFC

UFC

• Identificación microscópica
• Uso de diferentes medios de cultivo
• Claves taxonómicas

HONGOS

BACTERIAS

Pruebas bioquímicas

Los enfoques metagenómicos permiten investigar las estructuras comunitarias microbianas, composición filogenética, diversidad de especies, capacidad metabólica y diversidad funcional (Hugenholtz y 692 Tyson, 2008; Tringe et al., 2005).

Detección molecular de la biota atmosférica

La genómica es la obtención de la secuencia de ADN, y meta implica que se está haciendo al mismo tiempo con muchos organismos.

La Metagenómica es el estudio de comunidades microbianas muestreadas directamente de su ambiente natural sin cultivar.

ZONAS MARINAS

ZONAS FORESTALES

ZONAS AGRÍCOLAS

ZONAS URBANAS

Detección molecular de microbiota de la atmósfera

ALGUNOS RESULTADOS

Muestreo de bioaerosoles por impactación Trampas de esporas tipo Hirs

3. Época de lluvias

2. Época secas cálidas

Temporadas de muestreo: Época secas frías

Filtro muestreado

Partículas del aire de la Ciudad de México

Airborne bacteria associated with particulate matter from a highly urbanised metropolis:A potential risk to the population health

Según las Unidades taxonómicas operativas (OTUs), la riqueza de bacterias fue mayor en la zona central en la época de lluvias. La diversidad fue mayor en la época lluviosa que en la seca.

• La riqueza de bacterias fue mayor en la zona centro.
• La diversidad alfa fue mayor en la época lluviosa que en la seca.

• Se determinaron diferencias significativas en la diversidad bacteriana entre zonas y estaciones del año.

Resultados

5. Conclusiones Los fila de bacterias transportadas por el aire asociadas con partículas son representativas de las que se encuentran en la atmósfera de áreas urbanas y presentan diferencias locales y estacionales. La presencia de bacterias patógenas representan un riesgo potencial para la salud de la población.

Bacterias coletadas del aire

Las bacterias patógenas como Kocuria, Paracoccus y Micrococcus predominaron en ambas épocas estacionales, mientras que Staphylococcus, Corynebacterium y Nocardioides se encontraron en la época de lluvias, con presencia en la zona centro.

BIOAEROSOLES EN EXTRAMUROS

HIDALGO

Fabricas

Escuelas

Ciudad de Tula

zonas agricolas

Cementera Cruz Azul

Termoelectrica de Tula

Vivrio cholerae

Figura 8. Muestras de urediniosporas de P. kuehnii colectadas de cultivos infectados. 1) Marcador molecular 100 pb 2) Testigo positivo 3) Testigo negativo 4) Sabinos, 5) Álvaro Obregón, 6) Rovirosa, 7) Palmar, 8) Sac-Xan, 9) Sarabia, 10) Allende, 11) Ramonal. Se observa que el hongo es detectado en todas las zonas evaluadas.

En la figura 8 se muestra la detección del ADN de urediniosporas de P. kuehnii colectadas de hojas de caña de azúcar de cultivos infectados en diversas localidades del Municipio de Othón P. Blanco en Quintana Roo en marzo de 2011.

Assessment of Airborne Bacteria from a Public Health Institution in Mexico City.

Highlights 1. Areas of the hospital with more activity had greater diversity and richness of bacteria 2. Among the most active areas of the hospital, particles of 1 and 10 μm predominated 3. A total of 32 airborne bacteria species were identified 4. Pathogenic airborne bacteria and high levels of particles are a greater risk to patients' health. 5. Pathogenic species were identified in air samples from the hospital.

Índices de diversidad de bacterias

Evaluación de la variabilidad espacio-temporal de aeroalérgenos polínicos en la atmósfera de dos regiones urbanas de la CAMe”

Objetivo:Monitorear, identificar y cuantificar granos de polen de la atmósfera en las ciudades de Puebla y Cuernavaca y una zona circundante y determinar su asociación con los factores meteorológicos prevalecientes en cada sitio, durante un ciclo anual.

¿Cómo se colectan los bioaerosoles del aire?

PCR, o la reacción en cadena de la polimerasa, es una reacción química que se utiliza para amplificar (crear copias) fragmentos de ADN. Esta reacción permite que unos pocos fragmentos de ADN se repliquen en millones o miles de millones de copias. La amplificación del ADN permite estudiar la molécula del ADN en detalle en el laboratorio.

Proceso de replicación del ADN a nivel celular. Horquilla de replicación del ADN con algunas de las proteínas más importantes que participan el proceso. La molécula original de ADN sirve de molde para que la ADN polimerasa genere una nueva copia de un fragmento de ADN. La ADN polimerasa celular requiere la presencia de un iniciador para llevar a cabo el proceso de replicación

La enzima más importante en la replicación es la polimerasa del ADN, comúnmente conocida como ADN polimerasa, porque es la encargada de incorporar nucleótidos durante la síntesis de las nuevas cadenas de ADN (Bohinski 1991).

La PCR permite obtener in vitro millones de copias de un fragmento de ácido desoxirribonucleico (ADN) a partir de una sola molécula diana. Se basa en la replicación celular en la que actúan varias proteínas para sintetizar dos nuevas hebras de ADN a partir de otra que funciona como molde.

En el año 2000, los investigadores completaron la primera secuencia completa del genoma humano.

La secuenciación del ADN significa determinar el orden de las bases, que forman la molécula de ADN. La secuencia proporciona la información genética que se transporta en un segmento específico de ADN. En la doble hélice de ADN, las cuatro bases químicas se unen siempre con la misma pareja para formar "pares de bases". Adenina (A) forma pareja con timina (T); y citosina (C) con guanina (G). Este emparejamiento es la base para el mecanismo mediante el cual las moléculas de ADN se copian cuando las células se dividen, y también es la base para los métodos usados en la mayoría de los experimentos de secuenciación de ADN.

Secuenciación

Secuenciación del ADN es el proceso de determinar la secuencias de nucleótidos de la molécula de ADN. Cada organismo tiene una secuencia única de nucleótidos (adenina, guanina, citocina y timina , que conforman la molécula de ácido nucleico), por lo que es posible comparar entre organismos

Vigilancia epidemiológica fitosanitria

CONTROL BIOLOGICO

Metarhizium acridum

• La limitante de la técnica consiste en desarrollar sondas altamente de especificas y sensibles.

• Se realizan Ensayos de PCR (Reacción en cadena de la polimerasa) para amplificar las secuencias de ácido nucleico específicos de género y especie y se visualiza el DNA mediante electroforesis en un gel de agarosa (PCR) o mediante fluorescencia (QPCR).

• Las técnicas de genética molecular se han utilizado en el estudio de bioaerosoles atmosféricos y permiten una identificación y cuantificación específica de género y especie.

Métodos basados en ADN