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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.5.2022.tde-19012023-162234
Document
Auteur
Nom complet
Erick Frederico Kill Aguiar
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Paulo, 2022
Directeur
Jury
Saldiva, Paulo Hilario Nascimento (Président)
Azevedo Neto, Raymundo Soares de
Santos, Ubiratan de Paula
Souza, Rodrigo Augusto Ferreira de
Titre en portugais
Monitoramento da poluição do ar relacionado ao tráfego com o uso de sensores de baixo custo e estimativa da carga de poluentes inalada por ciclistas na cidade de São Paulo
Mots-clés en portugais
Calibração de sensores
Doenças cardiorrespiratórias
Exposição humana
Material particulado
Poluição do ar
Ventilação pulmonar
Resumé en portugais
Introdução: A bicicleta como meio de transporte ativo promove grandes benefícios à saúde. Contudo, estudos prévios têm demonstrado que os ciclistas apresentam, pela demanda do exercício, ventilação duas a cinco vezes maiores do que indivíduos que se deslocam em veículos motorizados. Soma-se à esse fato a frequente proximidade ao tráfego de veículos nas vias públicas e a velocidade do deslocamento de bicicleta, fatores que implicam no aumento da inalação de poluentes, quando comparado aos indivíduos que dirigem seus veículos ou utilizam transporte público. Entretanto, outros estudos sugerem que o benefício entre o efeito do exercício regular e o efeito negativo do maior aumento da inalação de poluentes é favorável ao exercício na maioria dos ambientes urbanos. Apesar de estudos crescentes, ainda persistem dúvidas quanto ao comportamento dos poluentes em microambientes nesses percursos. A presente pesquisa testou a hipótese de que o monitoramento da qualidade do ar nos microambientes dos deslocamentos com bicicleta pode ser feito utilizando sensores de baixo custo (CO, MP2,5 e MP10) calibrados utilizando modelos de regressão com algoritmos de Machine Learning (ML), bem como esses dados, associados aos registros de frequência cardíaca (FC), podem ser aplicados para estimar a carga de poluentes inalada, a partir da equação que estima a relação entre FC e ventilação (VE) obtidas por meio do Teste de Esforço Cardiopulmonar (TECP) realizado em laboratório. Estas informações subsidiam a modelagem da expectativa de Risco Relativo de mortalidade por todas as causas (RR) e pode orientar os ciclistas na organização de melhores rotas, horários e tempos de uso da bicicleta em suas atividades diárias. Métodos: Foi selecionada a estação de monitoramento da qualidade do ar de Congonhas (Companhia Ambiental do Estado de São Paulo - CETESB) como referência para a calibração dos sensores de baixo custo, com leituras durante 17 dias. Para a avaliação dos deslocamentos, foram selecionados 15 ciclistas homens, não tabagistas e sem doenças cardiorrespiratórias, que se deslocaram na cidade de São Paulo e Região Metropolitana de São Paulo (RMSP). Todos realizaram previamente o TECP para a geração de uma equação individual que estimasse a VE a partir da FC mensurada nos deslocamentos e fizeram o registro de CO, MP2,5 e MP10 durante os percursos. A média dos coeficientes de determinação entre FC e VE das equações de regressão individuais, resultou em um valor elevado (R2 = 0,97). A partir disso, foi possível calcular a carga dos poluentes inalados. Resultados: A calibração dos sensores utilizando modelos de ML resultou em valores dos coeficientes de correlação considerados altos (CO (Ridge) R2 = 0,80, MP2,5 (AdaBoost) R2 = 0,84 e MP10 (Extra Trees) R2 = 0,80). As concentrações médias dos poluentes registradas nos percursos estão acima dos valores recomendados pela OMS (CO = 1,87 ppm, MP2,5 = 20,89 µg/m3 e MP10 = 26,37 µg/m3). O impacto disso, se refletiu na estimativa média de carga inalada (µg) representada por média±DP (CO =4189,22±3392,29; MP2,5 = 71,88±67,56 e MP10 = 116,28±118,64). A mediana e o intervalo interquartil (IIQ) respectivamente foram: CO = 2746,28 µg (851,19 - 6677,64), MP2,5 = 58,61 µg (26,57 - 145,18) e MP10 = 86,8 µg (38,19 - 211,14). A avaliação utilizando o modelo de Risco Relativo de mortalidade por todas as causas (RR) apresentou média entre os indivíduos razoavelmente elevada (0,82), demonstrando a relação das variáveis de concentração de MP2,5 (µg/m3), concentração de background (µg/m3) e tempo de deslocamento (min), direcionando que os benefícios da atividade física para os percursos críticos com elevadas concentrações de particulados, são atingidos até o tempo máximo de 2h30min. Porém, mesmo em espaços urbanos considerados poluídos, ainda é recomendável o uso da bicicleta como promotora de saúde, visto que os benefícios da atividade física ainda superam os riscos, na maioria dos casos dos ciclistas avaliados nessa pesquisa. Conclusão: Os resultados deste trabalho contribuem de forma prática e aplicada como ferramenta de apoio aos formuladores de políticas públicas a expandir a infraestrutura de ciclismo, o que pode vir a promover a segurança e deslocamento saudável para esse modal de transporte. Nesse sentido, as ciclovias devem aprovisionar relações reduzidas com o tráfego motorizado e os ciclistas devem ser estimulados a se deslocar por percursos pendulares que apresentam menor exposição aos poluentes e em horários alternativos aos picos de tráfego, o que colabora com a redução da carga inalada e o fomento da melhoria da qualidade de vida
Titre en anglais
Monitoring of traffic-related air pollution using low-cost sensors and estimated the dose of pollutants inhaled by cyclists in the city of São Paulo
Mots-clés en anglais
Air pollution
Cardiorespiratory diseases
Human exposure
Particulate matter
Pulmonary ventilation
Sensor calibration
Resumé en anglais
Background: The bicycle as an active means of transport promotes great health benefits. However, previous studies have shown that cyclists present, due to the demand of exercise, ventilation two to five times greater than individuals who travel in motor vehicles. Added to this fact is the frequent proximity to vehicular traffic on public roads and the speed of cycling, factors that imply an increase in the inhalation of pollutants, when compared to individuals who drive their vehicles or use public transport. However, other studies suggest that the trade-off between the effect of regular exercise and the negative effect of a greater increase in pollutant inhalation is favorable to exercise in most urban environments. Despite growing studies, there are still doubts about the behavior of pollutants in microenvironments on these pathways. The present research tested the hypothesis that the monitoring of air quality in the microenvironments of cycling trips can be done using low-cost sensors (CO, PM2.5 and PM10) calibrated using regression models with Machine Learning (ML) algorithms, as well as these data, associated with heart rate (HR) records, can be applied to estimate the load of inhaled pollutants, from the equation that estimates the relationship between HR and ventilation (VE) obtained through the Cardiopulmonary Exercise Test (CPET) performed in the laboratory. This information supports the modeling of the expectation of Relative Risk of mortality from all causes (RR) and can guide cyclists in the organization of better routes, schedules and times of bicycle use in their daily activities. Methods: The Congonhas air quality monitoring station (Companhia Ambiental do Estado de São Paulo - CETESB) was selected as a reference for the calibration of low-cost sensors, with readings for 17 days. For the evaluation of displacements, 15 male cyclists, non-smokers and without cardiorespiratory diseases, who traveled in the city of São Paulo and the Metropolitan Region of São Paulo (RMSP) were selected. All previously performed the CPET to generate an individual equation that estimated the VE from the HR measured in the displacements and recorded CO, PM2.5 and PM10 during the routes. The mean of the coefficients of determination between HR and VE of the individual regression equations resulted in a high value (R2 = 0,97). From this, it was possible to calculate the load of inhaled pollutants. Results: Sensor calibration using ML models resulted in correlation coefficient values considered high (CO (Ridge) R2 = 0,80, PM2.5 (AdaBoost) R2 = 0,84 and PM10 (Extra Trees) R2 = 0,80). The average concentrations of pollutants recorded on the routes are above the values recommended by the WHO (CO = 1,87 ppm, PM2.5 = 20,89 µg/m3 and PM10 = 26,37 µg/m3). The impact of this was reflected in the average estimate of inhaled load (µg) represented by mean±SD (CO = 4189,22±3392,29; PM2.5 = 71,88±67,56 and PM10 = 116,28±118,64). The median and interquartile range (IQR) respectively were: CO = 2746,28 µg (851,19 - 6677,64), PM2.5 = 58,61 µg (26,57 - 145,18) and PM10 = 86,8 µg (38,19 - 211,14). The evaluation using the Relative Risk model of mortality from all causes (RR) showed a reasonably high mean among individuals (0,82), demonstrating the relationship of the variables of concentration of PM2.5 (µg/m3), background concentration (µg/m3) and travel time (min), directing that the benefits of physical activity for critical routes with high concentrations of particulates are achieved up to a maximum time of 2h30min . However, even in urban spaces considered polluted, the use of bicycles as a health promoter is still recommended, since the benefits of physical activity still outweigh the risks, in most cases of the cyclists evaluated in this research. Conclusion: The results of this work contribute in a practical and applied way as a tool to support public policymakers to expand the cycling infrastructure, which can promote safety and healthy commuting for this mode of transport. In this sense, bicycle lanes must provide for reduced relations with motorized traffic and cyclists must be encouraged to travel on commuting routes that present less exposure to pollutants and at alternative times to traffic peaks, which collaborates with the reduction of the inhaled load and the promotion of the improvement of the quality of life
 
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Date de Publication
2023-01-27
 
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