京津冀地区典型环境大气生物性冰核颗粒物特性

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地球大气中生物性冰核颗粒物能在较高温度下(≥-15°C)促进云中冰晶形成。具有高效冰核活性的生物物质主要包括细菌、古菌、真菌孢子、花粉、藻类、地衣、病毒和生物性碎片(如落叶和昆虫碎片)等颗粒物以及与生物相关的大分子物质,例如蛋白质、多糖和脂类等。模型模拟与外场观测结果均发现生物性冰核颗粒物会影响云和降水的形成,从而调节区域乃至全球气候。然而,目前有关城市与乡村气溶胶中生物性冰核颗粒物的系统研究相对缺乏。我国空气污染现象频繁发生,特别是京津冀地区大气污染物成分复杂。首都北京是我国北部最大的城市,在京津冀城市群中具有重要地位;天津是我国北部最大的滨海城市,夏季受到海陆风的影响;河北固城是华北平原典型乡村地区。本研究选取2019年夏季北京、天津城市气溶胶样品以及2020年夏季固城乡村气溶胶样品为代表,利用PKU-INA冰核检测装置与生物、化学、物理处理等多技术结合分析不同典型环境大气中冰核颗粒物、生物性冰核颗粒物、细菌冰核颗粒物和大分子冰核颗粒物的浓度和组成特征,结合其他参数(气象参数、气态污染物浓度、大气颗粒物化学组分和微生物群落结构等)和统计分析手段(相关性分析、浓度权重轨迹分析),研究和探讨城市和乡村气溶胶中冰核颗粒物浓度的影响因素及潜在来源。主要结论如下:(1)城市气溶胶中生物性冰核颗粒物在总冰核颗粒物中扮演着重要的角色。北京(17 L-1,-19°C)和天津(8 L-1,-19°C)城市气溶胶中总冰核颗粒物浓度高于固城(1 L-1,-19°C)乡村气溶胶中总冰核颗粒物浓度。与固城(56%)相比,北京(85%)和天津(72%)城市气溶胶中生物性冰核颗粒物占总冰核颗粒物的比例较高。在天津和北京城市气溶胶中,具有冰核活性的细菌是生物性冰核颗粒物的最大贡献者。在固城乡村气溶胶中,大分子冰核颗粒物(43%)对总冰核颗粒物的贡献高于细菌冰核颗粒物(37%)。(2)不同站点影响生物性冰核颗粒物浓度的因素不同。高风速条件下,城市气溶胶中生物性冰核颗粒物的浓度升高。降雨后,天津大气气溶胶中生物性冰核颗粒物浓度显著增加,特别是细菌冰核颗粒物,但是固城乡村气溶胶中细菌冰核颗粒物浓度显著减少。生物性冰核颗粒物浓度与人为源污染物具有较好的相关性,表明人为源排放的大气污染物可能会影响城市和乡村大气中颗粒物冰核活性表达。(3)不同来向的气团可能影响气溶胶中生物性冰核颗粒物的浓度。影响北京、天津以及固城气溶胶中生物性冰核颗粒物浓度的气团方向存在较大的差异。天津气溶胶中生物性冰核颗粒物受到陆地及海洋气团的共同影响,但海洋气团的贡献远远低于陆地气团。土壤微生物的释放可能是北京大气中生物性冰核颗粒物的主要来源。花粉、微生物释放以及土壤再悬浮或扬尘可能是天津大气中生物性冰核颗粒物的主要来源。土壤再悬浮或扬尘则可能是固城乡村大气中生物性冰核颗粒物的主要来源。(4)北京和固城大气气溶胶中已知的可能具有冰核活性菌种的微生物属在微生物群落中所占的比例较小。而在天津大气气溶胶中已知的可能具有冰核活性菌种的微生物属中芽孢杆菌属比例较高,相对丰度在5.4%-22.3%之间,因此芽孢杆菌属可能是天津大气气溶胶中细菌冰核颗粒物的重要贡献者。固城乡村气溶胶中芽孢杆菌属相对丰度最高可达8.3%,其余已知的可能具有冰核活性菌种的微生物属(如假单胞菌属、赖氨酸芽孢杆菌属、镰刀菌属、被孢霉菌属等)相对丰度较低。
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