生物冰核在中国不同生态环境大气降水中的分布及活性研究

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大气中冰核可以引起水蒸汽发生凝华或过冷水滴发生冻结形成冰晶,从而影响降水过程。研究表明一些生物气溶胶,如空气中含有可以编码产生冰核蛋白基因的细菌和真菌,作为异质冰核,在较高温度下(高于-10℃)可以加速冰的形成,从而对局部地区降水的形成产生很大的影响。然而,其在大气中的数量、性质及来源等的认知到目前为止还存在很多的不确定性。  在本文中,我们采用液滴冻结实验和分子生物学技术分析了中国不同生态环境雨水样品中生物冰核的数量和微生物群落结构组成,包括森林生态环境、草原生态环境、农田生态环境以及城市生态环境,得到以下结论:  (1)中国大气降水中的细菌群落结构组成具有很高的多样性,且雨水样品中细菌群落结构组成与地理位置有一定相关性,地理位置越近其群落结构相似性越高。与生物冰核相关的假单胞菌属(Pse udomonas)在中国的森林、草原和城市生态环境雨水样品中均有所发现,但占克隆总数的比例很小,其它已知具有冰核活性的欧文氏菌属(Erwinia)和黄单胞菌属(Xanthomonas)在所有样品中均没有发现。已知的具有冰核活性的真菌镰刀菌属(Fusarium),只在草原、城市和农田生态环境的少数几个雨水样品中发现,占各自样品的克隆数比例很小。通过系统发育分析发现样品中一些属于Pseudomonas属的序列与P.syringae、 P.fluorescens、 P.graminis等具有冰核活性的Pseudomonas细菌相似性较高。  (2)除呼伦贝尔草原海拉尔地区以外,森林、草原、农田和城市生态环境的雨水原液中值冻结温度范围一致,介于-11.2℃和-18.6℃之间,而2011~2013年呼伦贝尔草原地区雨水样品的中值冻结温度高于-10℃。对于不同生态环境的雨水样品来说,虽然加热和过滤处理对累积冰核浓度有减少作用,但是对中值冻结温度来说影响不是很大,尤其是呼伦贝尔草原雨水样品,其雨水滤液的中值冻结温度接近-10℃或更高,加热和过滤处理对中值冻结温度影响很小。综合冰核冻结实验和系统发育分析,我们认为在不同生态环境大气降水中确实存在生物冰核,但是其所占比例很低,在冰核核化过程中起到的作用较小。  (3)在呼伦贝尔草原地区的降水中存在未知的小于0.22μm的碎片或颗粒,具有高效的冰核活性,在-10℃到-5℃温度区间内对冰核核化过程起到很大作用,它可能是未知的抗热的生物冰核亦或是非生物冰核,但具体是何种物质还需要进一步研究。本研究结果为大气降水中还存在其他高效冰核提出了一个新的研究方向,该结果有利于理解局部地区的降水形成过程,但还需要更进一步的研究分析大气云水中细菌冰核的浓度和物化性质来确认这些结果。
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