Integrando redes neurais : avaliação do impacto do MP2,5 na saúde para cidades de médio porte em perspectiva aos novos limites da OMS

Abstract

Resumo: A poluição atmosférica é atualmente a principal causa de mortes evitáveis no mundo, e grande parte dessas mortes ocorre em países de baixa/média renda, onde há falta de monitoramento da qualidade do ar, geralmente em cidades de médio/ baixo porte. Além disso, as formas solúveis dos elementos contidos no material particulado fino (MP2,5) têm o potencial de penetrar profundamente no pulmão, onde são translocados por meio da barreira sanguínea para o sistema circulatório, acumulando-se em outros órgãos do corpo humano causando efeitos sistêmicos à saúde. No entanto, geralmente, as diretrizes globais de qualidade do ar são baseadas nas funções dose-resposta apenas da concentração mássica do MP, tratando todas as partículas finas como igualmente tóxicas, independente de sua fonte e composição. Este estudo teve como objetivo investigar a tendência de longo prazo do MP2,5 na cidade de médio porte de Londrina, Brasil. MP2,5 foi amostrado diariamente por quase dois anos, e obteve-se a concentração mássica de MP2,5, carbono negro e composição elementar. As possíveis fontes do poluente foram estudadas empregando-se a Análise de Componentes Principais Absoluta e o Fator de Enriquecimento. O risco à saúde foi avaliado com a bioacessibilidade do conteúdo inorgânico do MP no fluido pulmonar artificial, com a avaliação de risco químico à saúde e por meio da avaliação do efeito da exposição ao MP2,5 nas internações hospitalares por desfechos respiratórios (DR) e circulatórios (DC) com a aplicação de Redes Neurais Artificiais (RNA). Três diferentes RNA foram testadas (Perceptron de Múltiplas Camadas (MLP), Máquinas de Aprendizado Extremo, e as Redes Neurais com Estados de Eco), e o desempenho delas foi avaliado por meio do Erro Quadrático Médio (MSE) e o Erro Percentual Absoluto Médio (MAPE). A concentração média do MP2,5 ficou abaixo da diretriz da OMS, no entanto, a exposição ao MP2,5 possui riscos de 5 a cada 100.000 habitantes desenvolverem doenças carcinogênicas ao longo da vida. Além disso, foi observada a influência do MP2,5 nas internações hospitalares por DR e DC com a MLP, RNA que apresentou os menores valores de MSE (12,49 para DR e 15,64 para DC) e MAPE (27,1 para DR e 28,42 para DC). A bioacessibilidade média de 58,6%, 41,7% e 16,5% para Cu, Pb e Mn, respectivamente revelou o variável potencial de mobilidade para o sistema circulatório das fontes do MP na cidade: trânsito, poeira de rua e processos industriais. Esses resultados indicam que mesmo para cidades de médio porte existem riscos à saúde associados à exposição à poluição atmosférica, e ressaltam a necessidade de mais desenvolvimento de pesquisas nestas localidades. Além disso, há um amplo espectro de suscetibilidade ao poluente em relação às características econômicas específicas de cada cidade em particular, mesmo em cidades de pequeno/médio porte, destacando a hipótese geral tácita de que nenhum nível de MP2,5 é seguro, mesmo abaixo dos limites de qualidade do ar da OMS. Dada a evidência emergente de que a composição química do MP é tão, ou até mais, importante do que os níveis de concentração de massa, esta pesquisa pode abrir caminho para as colaborações inter e intra-cidades necessárias para lidar com esse problema de saúde global

Abstract: Air pollution is currently the leading global risk factor for death, and a significant proportion of these deaths occur in low- and middle-income countries (LMICs), where there is a lack of air quality monitoring, general in middle- and small-sized cities. Moreover, the soluble forms of the elements present in fine particulate matter (PM2.5) can deeply penetrate the lungs. From there, they translocate across the blood barrier into the circulatory system and accumulate in various organs, leading to systemic health effects. The global air quality guidelines are generally based on the doseresponse functions of only the PM2.5 mass concentration, treating all fine particles as equally toxic, regardless of their source or composition. This study aimed to investigate the long-term trend of PM2.5 in the middle-sized Brazilian city of Londrina. PM2.5 was sampled daily for almost two years, and PM2.5 concentration, black carbon, and elemental composition were obtained. The possible sources were identified using absolute principal component analysis and enrichment factor analysis. The health risk was evaluated by assessing the bioaccessibility of inorganic contents in artificial lung fluid, conducting a chemical health assessment for resident exposure, and using artificial neural networks (ANN) to assess the effect of PM2.5 exposure on hospital admissions due to respiratory (RO) and circulatory (CO) outcomes. Tree different ANN models were tested (Multilayer Perceptron (MLP), Extreme Learning Machines (ELM), and Echo State Networks (ESN)), and their performance was evaluated based on the mean square error (MSE), and the Mean Absolute Percentual Error (MAPE). Although the average concentration of PM2.5 was below WHO guidelines, the exposure do PM2.5 leads to the risk of 5 in each group of 100,000 inhabitants to develop carcinogenic diseases over a lifetime. Furthermore, the influence of MP2.5 exposure on hospital admissions for RO and CO was observed with MLP, ANN that presented the lowest values of MSE (12.49 for RO and 15.64 for CO) and MAPE (27.1 for RO and 28.42 for CO).The average bioaccessibility of 58.6% for Cu, 41.7% for Pb and 16.5% for Mn, revealed the diverse mobility potential for the circulatory system for PM sources in the city: traffic, street dust and processes industrial. These results indicate that even in medium-sized cities, there are health risks associated with air pollution exposure, and highlight the need for more research in this regions. Moreover, there is a broad spectrum of susceptibility to pollutants, likely related to the specific and diversified economic base of each city, even in smalland medium-sized cities, highlighting the tacit general assumption that no level of PM2.5 is safe, even below WHO air quality limits. Given the further emerging evidence that PM chemical composition is as, or even more, important than mass concentration levels, the research reported in the paper could pave the way for the necessary inter- and inner-city collaborations that are needed to address this global health challenge