GIS-Integrated Analysis of Spatial and Vertical Variability in Airborne Pollen and Fungal Spore Concentrations Across an Urban Campus in Islamabad, Pakistan

Resumen Técnico: Análisis Integrado de SIG sobre la Variabilidad Espacial y Vertical de las Concentraciones de Polen y Esporas Fúngicas en un Campus Urbano en Islamabad, Pakistán

Planteamiento del Problema
Los bioaerosoles atmosféricos, específicamente el polen y las esporas fúngicas, son componentes críticos de la calidad del aire urbano y contribuyentes significativos a las enfermedades respiratorias y alérgicas. Sin embargo, el monitoreo aerobiológico en Pakistán ha dependido históricamente de sistemas de trampas Burkard de estación única, los cuales no logran capturar la heterogeneidad espacial de escala fina inherente a los entornos urbanos. Además, los estudios existentes suelen carecer de datos precisos sobre los gradientes de concentración vertical y la influencia específica de las características locales de Uso de Suelo y Cobertura Terrestre (LULC) en la distribución de los bioaerosoles. Existe una escasez particular de datos de monitoreo in situ y de modelado de alta resolución para ciudades del sur de Asia. Este estudio aborda la brecha en la comprensión de la variabilidad espacial y vertical de los bioaerosoles dentro de un único campus urbano, con el objetivo de determinar si el monitoreo de una sola estación es suficiente y cómo los factores ambientales locales impulsan las diferencias de concentración.

Metodología
El estudio se llevó a cabo en el campus de la Universidad Nacional de Ciencias y Tecnología (NUST) en Islamabad, Pakistán, durante la temporada pico de dispersión primaveral (4 al 20 de abril de 2016).

• Diseño de Muestreo: Se seleccionaron estratégicamente seis sitios de muestreo a través de los 3.28 km² del campus, que representan diversas coberturas terrestres (puertas de entrada, espacios abiertos, áreas residenciales, sitios de construcción y áreas interiores de edificios). El muestreo se realizó en tres niveles verticales distintos: nivel del suelo (0.91 m), nivel de ventana (7.66 m) y azotea (15.3 m).
• Instrumentación: Para superar las limitaciones de costo del equipo estándar (por ejemplo, trampas Burkard), los autores desarrollaron y desplegaron un muestreador de impactación activa portátil de bajo costo (aprox. US$20 por unidad). El dispositivo utilizaba un cabezal rotatorio con varillas de vidrio recubiertas de gel de silicona para capturar partículas mediante impactación inercial, operando con un ciclo de trabajo del 10%. Se recolectaron un total de 144 muestras.
• Análisis:
  • Microscopía: Las muestras se analizaron mediante microscopía directa para identificar 33 tipos de polen y 14 géneros fúngicos.
  • Análisis Espacial: Las variables de LULC (vegetación natural, campos de césped, tierra baldía, huella de edificios, conteo de árboles) se cuantificaron dentro de buffers de 200 m alrededor de cada sitio utilizando SIG. Se computaron correlaciones de rango de Spearman entre las variables de LULC y las concentraciones acumuladas de bioaerosoles.
  • Modelado Meteorológico: Los datos meteorológicos (temperatura, humedad, velocidad del viento, dirección del viento, etc.) se obtuvieron de una única estación meteorológica en el campus. La dirección del viento se descompuso en componentes ortogonales (seno y coseno). Se aplicaron tanto modelos de Mínimos Cuadrados Ordinarios (OLS) como de Bosques Aleatorios (RF) utilizando Validación Cruzada de Dejar Uno Fuera (LOO-CV).
  • Interpretabilidad: Para interpretar los patrones no lineales, el estudio empleó la Importancia por Permutación y las Explicaciones de Shapley Aditivas (SHAP) para determinar los efectos direccionales de los impulsores meteorológicos.
  • Gradiente Vertical: Se ajustaron modelos de decaimiento de ley de potencia ($C = a \times h^{-b}$) para cuantificar los cambios de concentración con la altura, complementados con pruebas de rango con signo de Wilcoxon y cálculos de tamaño de efecto (d de Cohen).
• Resultados Clave
• Heterogeneidad Espacial: Se observó una variabilidad intraurbana significativa. Las concentraciones de polen variaron cinco veces (377 a 1,985 granos m⁻³) y las concentraciones fúngicas variaron tres veces (1,166 a 3,234 granos m⁻³) entre sitios ubicados a aproximadamente 1 km de distancia entre sí. Los recuentos de polen más altos ocurrieron en espacios abiertos, mientras que las cargas fúngicas más altas se encontraron en la puerta de entrada con alta densidad de árboles.
• Dominancia Taxonómica: Aspergillus y Alternaria fueron los taxones fúngicos dominantes, comprendiendo colectivamente el 70–80% de todas las detecciones fúngicas.
• Impulsores de LULC: El análisis de correlación de Spearman (n=6) reveló que el porcentaje de vegetación natural fue un predictor positivo significativo tanto para Aspergillus como para Alternaria (ρ = 0.829, p = 0.042). Por el contrario, la tierra baldía fue un predictor negativo significativo para la concentración fúngica total (ρ = −0.880, p = 0.021).
• Impulsores Meteorológicos: El análisis SHAP identificó dependencias distintas de la dirección del viento para diferentes taxones fúngicos. Las concentraciones de Aspergillus se asociaron negativamente con los componentes de viento del este (cos(WD)), mientras que Alternaria se asoció positivamente con los componentes del sur (sin(WD)). La temperatura mostró una asociación negativa con las concentraciones de polen.
• Desempeño del Modelo: Tanto los modelos OLS como los RF arrojaron valores de R² negativos bajo LOO-CV, un resultado atribuido al diseño del estudio donde se aplicó un único registro meteorológico a todos los sitios, fallando en capturar la varianza espacial. Sin embargo, el OLS funcionó marginalmente mejor que el RF, lo que sugiere relaciones lineales en esta escala temporal.
• Gradiente Vertical: Las concentraciones de bioaerosoles disminuyeron notablemente con la altura. Las concentraciones medias de polen disminuyeron un 77% y las de hongos un 60% entre el nivel del suelo y el nivel de la azotea. Los modelos de decaimiento de ley de potencia se ajustaron bien (por ejemplo, Aspergillus R² = 0.95). Los tamaños de efecto (d de Cohen) fueron muy grandes (1.13–1.96), lo que indica que el monitoreo en la azotea subestima significativamente la exposición en la zona de respiración humana.
• Significancia y Reivindicaciones
  El artículo afirma proporcionar la primera cuantificación de la divergencia de la dirección del viento a nivel de especie para los taxones fúngicos en esta región, confirmada a través de tres medidas de importancia independientes (MDI, Importancia por Permutación y SHAP). El estudio demuestra que el monitoreo de una sola estación es insuficiente para caracterizar la heterogeneidad de los bioaerosoles intraurbanos, ya que el LULC local y la microtopografía impulsan gradientes de concentración sustanciales.

Una contribución primaria es la validación de un método de muestreo activo portátil de bajo costo que logró una reducción de costos del 98% en comparación con las trampas estándar, ofreciendo un modelo replicable para el monitoreo aerobiológico en entornos de recursos limitados del sur de Asia. Además, el estudio proporciona evidencia cuantitativa de que las estaciones de monitoreo en la azotea, comúnmente utilizadas por seguridad y para una exposición sin obstrucciones, subestiman la exposición a alérgenos a nivel del suelo en un 60–77%. Los autores concluyen que las estaciones de monitoreo deben desplegarse a nivel del suelo (0.9–1.5 m) para evaluar con precisión los riesgos de exposición humana. Todos los datos, códigos y cuadernos de Jupyter se ponen a disposición de forma abierta para facilitar la replicación y extensión de este trabajo.