大气降水中未知高效冰核的探究

In the present study, we based on our latest result that there exists unknown nanoscale fragements (smaller than 220 nm) in the natural rainwater samples of Hailar grassland in China, which are not recognized by the current academic community as "efficient biological ice nuclei". We intended to combine the field sample collection with laboratory test analysis which including a suite of state-of-the-art techniques based on Ion chromatography, Gas chromatography -mass spectrometry, Electron microscopy, X-ray fluorescence chromatography and Garden two chromatography. We herein aimed to confirm the existence of the new nano-efficient ice nuclei particles in precipitation samples and further explore the chemical element composition and its chemical structure of the unknown nanosized efficient ice nuclei particles. Our results will provide a new insight into the knowledge of the efficient IN in natural environment and not only help to reveal the microphysical processes and mechanisms of atmospheric nucleation but also contribute to the revision of model prediction parametric scheme. Additionally, our results will further highlight new scientific basis and ideas for the modifying weather and the choice of freezing and antifreezing substances.

本研究以最新的研究成果，即发现在我国海拉尔草原地区的雨水样品中，可能存在并非当前学术界所公认的“高效生物冰核”的某种纳米级新型高效冰核颗粒物为基础，拟以野外样品采集和室内测试分析相结合的研究方法，进一步明确海拉尔草原雨水样品中新型纳米高效冰核颗粒物的存在，同时利用高精现代化的分析测试仪器，进一步探索该高效冰核活性颗粒物的元素组成成分及其化学分子结构，为进一步揭示大气核化的微物理过程及机制和修订模式预测的参数化方案，同时也为人工影响天气，促冻与防冻物质的筛选提供新的科学依据与思路。

高效冰核是指在较高温度下(> -10 ℃)促进液滴冻结的冰核。其中，生物冰核因具有高效的冻结活性而倍受关注，其对大气成云降雨的影响也成为当前大气科学的前沿问题。有关高效冰核的研究目前仍存在很大的不确定性。已知的生物冰核菌属非常有限，针对未知高效冰核的研究还存在着诸多挑战。本研究基于对海拉尔降雨中生物冰核的早期研究成果，进一步开展对海拉尔降雨中未知高效冰核的探究。通过对比研究雨水、表层土壤以及大气颗粒物中高效冰核的冻结特性和微生物组成，探讨了高效冰核的属性与分布特征以及未知高效冰核存在的可能性。此外，还对比研究了环境微生物的群落结构与组成在“2019新冠疫情”发生前后的变化。本研究结果为该前沿科学问题的探索奠定了科学基础。主要研究结果显示：.1.生物高效冰核在在2017-2019年雨水样品占有优势，但其未必在引发降雨的过程中起主导作用。而在2020-2021年的雨水样品中,再次发现了抗热的高效冰核物质占优势，这与课题组早期的研究结果相一致。.2.生物高效冰核在表层土壤样品中大量存在而且抗热的高效冰核也存在，但所占比例相对较小。大气颗粒物中含有生物与非生物组分的高效冰核，但总体浓度非常低。.3.高通量测序分析结果显示：雨水样品中冰核细菌主要以Pseudomonas为主，表层土壤样品中高效冰核菌属的优势菌属则是冰核真菌菌属Fusarium，其他冰核菌属的相对丰度非常低。所有样品中仍均未检测出当前已知的冰核细菌菌属Erwinia、Xanthomonas。样品中相对较低的冰核菌属丰度和高效的冰核冻结活性的对比表明，存在大量未知生物高效冰核尚未被鉴定出的可能。Massilia 可能是潜在的高效冰核菌属，需对此开展进一步的研究。.4.综合比对雨水和土壤中已知 INA 菌属的基因测序结果的差异性分布情况，显示雨水中的高效 INP 可能是外来源而非本地源。.5.因雨水、表层土壤和PM2.5中均存在抗热高效冰核，而已知抗热的生物高效冰核菌属“赖氨酸芽孢杆菌”在所有样品中检测丰度极少，因此抗热高效冰核粒子的属性问题仍然值得我们进一步深入地探索。