細菌氣溶膠在大氣冰核核化過程中作用的研究進展

杜 睿,王亞玲,梁宗敏 (中國科學院大學資源與環境學院,北京 100049)

氣溶膠作為影響氣候變化的一個重要影響因子,在 IPCC第三次評估報告中著重指出:“氣溶膠-云-氣候的作用關系是我們當前尚未弄清的重要問題之一”.由于氣溶膠顆粒具有各種粒度,決定了它對光的不同效應,如吸收、散射或反射作用,從而對氣候產生直接或間接的效應.其直接效應是通過散射和吸收太陽輻射使地球的熱平衡受到影響而直接影響氣候;其間接效應是對云形成的影響,成云的前提是氣溶膠粒子的存在.在現代地球大氣的溫濕條件下,氣溶膠粒子可作為云凝結核、冰核而改變云的光學特性和分布,從而影響氣候.

大氣生物氣溶膠作為氣溶膠的重要組成成分,不僅能對氣候產生輻射強迫效應,而且其成核效應對氣候變化的影響也越來越被重視.生物氣溶膠是那些具有生命的氣溶膠粒子(包括細菌、真菌、病毒等微生物粒子)和活性粒子(花粉、孢子等)以及由有生命活性的機體所釋放到空氣中的各種質粒(皮毛纖維、皮屑、表皮碎片、植物碎片、蛋白質晶體等)的統稱[1-2],粒徑范圍從幾十 nm 到幾個 mm.全球每年生物氣溶膠(＞1μm)排放量為 56 Tg(2000年估計)[2].由于P.syringe(丁香假單胞菌)所具有的高效催化成核作用,眾多學科的科學家開始共同關注細菌、真菌、花粉等生物氣溶膠的化學異質性對其在大氣中成為云凝結核(CCN)或冰核(IN)的活性能力的影響機制和由此所產生的氣候效應[3-5].

1 大氣細菌氣溶膠

細菌在空氣中以氣溶膠的形成存在,單個細菌的直徑一般在0.3～10μm之間,與其他氣溶膠成分結合組成細菌氣溶膠,粒徑范圍 0.3～100μm[6].細菌氣溶膠作為大氣生物氣溶膠的重要組成部分,廣泛地分布在空氣中,是一類具活性并能夠在養分貧乏的空氣中存留或代謝可利用營養物質而生長繁殖的氣溶膠粒子.

大氣中細菌幾乎源自地球所有的表面(包括土壤、水和植物表面),以氣溶膠顆粒的形式進入大氣[7].目前大多數的研究結果仍是采用傳統的基于培養技術的研究方法,事實上利用這種方法所能觀測到的空氣細菌不到可檢測細菌的 10%,僅占大氣細菌總量的1%[8],而且所運用的不同的觀測和分析空氣細菌的研究方法之間又缺乏可比性,這也是目前大氣細菌氣溶膠研究的主要問題之一.

1.1 大氣細菌氣溶膠的分布

科學家已經在高海拔位點甚至在平流層和中間層檢測到了微生物有機體的存在.例如Rogers等[9]利用通過平流層下降的氣球中的收集裝置從平流層采集到了真菌孢子和細菌.Imshenetsky等[10]用氣象火箭采集到了海拔 48～77km的真菌孢子和細菌.而另外一些科研人員[9-12]在海拔達到近80km高度處同樣發現了可培養細菌的存在.最近 Wainwright 等[13]和Shivaji等[14]在海拔達到 41km 也檢測到了可培養的細菌.

與大氣細菌有關的顆粒的粒徑比細菌的典型尺寸(1μm)大得多,這可能是因為細菌細胞與更大顆粒例如土壤和碎片結合或細胞叢聚的原因[15-16],細菌與其他顆粒的結合能保護它們免于環境壓力,更有利于保持可培養性[8].

細菌的排放機制有主動和被動之分,即病菌攜帶物體(如畜舍或人類)的釋放與噴發(噴嚏)和細菌庫源的氣象過程所引發的被動機制.后者例如風和機械擾動使得植被和土壤表面的細菌被驅動而懸浮;水體表面浪花飛濺所致的氣泡膜破裂均可導致細菌氣溶膠的產生和排放.不同的點源與面源(例如建筑場地和植被或水域)所排放的細菌量有顯著差別.由于受限于細菌排放通量的測量技術,直接的外場原位的細菌排放通量測量非常有限.觀測結果顯示:陸地上空大氣中細菌的平均濃度至少約在 1×104cells/m3以上[17],而海洋上空的平均濃度可能要比之低約100～1000倍,最低的濃度僅 10cells/m3[18-19].源地的細菌背景豐度和增殖速率影響細菌氣溶膠的釋放通量.大氣中的細菌濃度依賴于細菌在不同界面間的輸送量.Burrows等[20]根據不同類型的生態系統源細菌濃度的測量數據、細菌排放速率采用相應轉換系數估算了不同生態環境大氣的細菌濃度值.其中,農作物區域大氣的細菌濃度值是 1.1×105cells/m3[21],森林的是 5.6×104cells/m3[19],草地的是1.1×105cells/m3[21-23].

細菌一旦進入空氣,會被氣流攜帶而上升,在大氣中可停留許多天并被長距離輸送,細菌粒徑是影響細菌大氣停留時間的關鍵因素.目前,“許多由細菌引發的疾病的爆發是由于致病菌在區域空氣中的傳播而引起的”的觀點已經成為人們的共識.大氣中細菌細胞的平均停留時間可達一周[20],但是細菌在云滴中的時間只是其在大氣駐留時間的一小部分,Lelieveld等[24]估計,細菌在對流層大氣的平均停留時間占在云滴中時間的大約5%～6%.

細菌氣溶膠的清除過程與其他類型的氣溶膠粒子一樣是通過不同的機制,如:干沉降,被植被、陸面和水面直接吸附或吸收;濕沉降,即云下的降水過程或云內的核化過程.已有研究表明生物氣溶膠(如細菌、真菌和藻類)可作為 CCN和IN[4],促使過飽和水汽凝結形成液滴或誘導過冷卻水滴發生凍結形成冰晶,改變大氣云的化學和物理過程,影響大氣降水、大氣化學和微生物地球化學循環[25-26].

1.2 細菌氣溶膠變化特征

氣象因素直接影響大氣細菌的濃度和菌群的生理特性[7].溫度直接影響細菌的代謝和繁殖速率以及可培養性,可培養的細菌和細菌總濃度與大氣溫度成正相關[15,21,27],但 Rosas 等[28]在Mexico城的研究卻發現可培養細菌濃度與溫度的日變化幅度有關,而與溫度本身并不相關,而且(干、濕)季節的變化對細菌濃度的影響比當地溫度的逐日變化更為顯著.相對濕度對大氣細菌濃度的影響及相關關系并不確定[27-29].降水過程一方面對空氣微生物具有沖刷和凈化的作用,明顯降低空氣中細菌粒子的濃度,另一方面可能改善土壤和植被溫濕條件而促進源細菌生長,從而增加大氣中細菌氣溶膠濃度和凈沉降通量[30-31].

大氣中細菌氣溶膠濃度具有明顯的日變化和季節變化特征.可培養細菌的濃度遵循典型日循環特征:早晨和夜晚濃度最高[22,32-33].陸地位點細菌通量的日變化研究也發現凈向上的通量在一天最暖和的時段達到了最大值[31,33-35].許多學者[15,21,28,36-38]研究細菌氣溶膠濃度的季節變化,發現一般在冬季其平均濃度最低,而夏季最高.研究表明,大氣中可培養的細菌濃度長期的平均濃度隨季節和測量位點的變化而變化[16].由于大氣惡劣條件的脅迫使細菌漸漸失去可培養性,可培養細菌計數法對新排放的細菌最敏感.在一天的最暖和的時段,細菌的排放速率達到峰值,新鮮排放的細菌比例和細菌總數中可培養比例也同時達到峰值[34].

細菌濃度隨大氣高度的增加而減少,不同的高度其細菌濃度變異較大.Fulton等[39]在 Texas上空對流層中3個高度,連續30h觀測細菌濃度時發現,海拔3127m大氣細菌濃度最低,1600m的濃度大約比690m低1個數量級,在690m可培養細菌細胞濃度的變異比其他高度都要大.大氣細菌垂直分布是否有分層現象目前尚未有明確的研究結論[40].

1.3 細菌氣溶膠的識別和分析方法

細菌氣溶膠含有某些特定對象細菌及其他無機或有機物質,細菌氣溶膠識別以鑒別某些類細菌為目的.采用撞擊式、離心渦旋法和靜電場沉降等方法采集到膜上或選擇性培養基上的細菌氣溶膠,可以通過微生物培養[17,25]、顯微鏡(SEM/TEM)觀測形態、免疫測試等鑒別微生物或檢測病理學特征.例如 Womiloju等[41]用常規相液體層析/電噴射離子化串聯質譜儀器分析室外空氣中真菌和花粉磷脂結構;Hairston等[42]組合了空氣動力學顆粒測試和流式血細胞計數儀建立一套新裝置,基于顆粒空氣動力學直徑和激發250nm并放射420～580nm的固有熒光特性來表征顆粒特性.將氣溶膠轉化為水溶膠也可對化學成分進行氣相、液相色譜分析測定.測定三磷酸腺苷(ATP)水平可以表征特殊環境例如云中微生物生存能力[43].采用ELISA蛋白質分析技術定量過敏源及其他有害生物物質.熒光顯微技術是通過熒光染料對DNA特異性計數含DNA的細胞數量,同時結合顆粒的粒徑和形態來識別生物成分[21],并用計算機分析顯微圖片和熒光光譜技術提供自動化[44-45].用飛行時間質譜分析(TOF)[46-47]和激光誘導熒光或 Raman光譜檢測特定微生物種類技術也已成熟.定量聚合酶鏈式反應(Q-PCR)能夠在基因水平上鑒定細胞生物氣溶膠顆粒,同時計數每一微生物的細胞數,從而來描述大氣中細菌的生物多樣性[48-49].

2 冰核細菌氣溶膠

1957年法國氣象學家 Soulage[50]在云室實驗測試中首次發現了霉菌孢子可以成為冰晶的核心,Fresh[51]從腐爛的薄葉愷木(Alnus tenuifolia Nutt.)葉上分離到一種冰核活性很強(-2.5～-5℃)的細菌,經鑒定屬于Pseudomonas(假單胞菌)屬[52],Schell等[53-54]也撰文指出了有部分的大氣冰核可能是由生物產生的,Maki[52]也分離到了具有冰核活性的細菌Pseudomonas syringae,確定是一種植物病原菌,而且陸續從山楊、柳樹、和楓樹的葉子中,高山的湖水中,溪流和雪水中都分離出來了產生冰核的微生物,從而將冰核活性細菌(簡稱 INA 細菌或冰核細菌)定義為“可以在-10℃以上較溫暖的溫度條件下催化液滴產生冰核的細菌[55]”.從此,生物冰核尤其是冰核細菌開始成為一個研究領域,許多國家不同學科研究者開展了深入的基礎理論和應用研究,在生物冰核的種類、影響成冰活性的因素、冰核細菌的生物學、形態學和分子生物學及其應用等方面取得了較大的進展[56].

2.1 冰核細菌的研究概況

在數以千計的與植物有關的已知細菌菌種中,目前普遍被認為具有高效冰核核化能力的細菌僅為 6種,這些冰核細菌全是 Gram 陰性細菌[57-58],分別是假單胞菌屬(Pseudomonas)、歐文氏菌屬(Erwinia)和黃單胞菌屬(Xanthomonas).它們也是植物的致病菌或寄生物,其中最主要的是Pseudomonas syringae(P.syringae)和Erwiniaherbicola(E.herbicola),是廣泛分布在世界各地的植物附生細菌[52,59-60].而P.syringae則被公認為是冰核活性最強的菌種[61-63],研究發現它可在-2℃凍結[52].

孫福在等[64]一批我國的科研人員自20世紀80年開始,從國內各地的68種植物上分離到250株INA細菌,分離出了20個種或致病變種的冰核細菌分別是上述3屬.我國INA細菌的優勢種是P.syringae和E.ananas.P.syringae在我國也是分布最廣和冰核活性最強的INA細菌.

由于冰核細菌的冰核活性和凍結溫度在相對較大范圍內隨機變化,在已知的冰核細菌種的細胞菌群中,其核化活性溫度范圍在-2℃和-14℃.Yankofsk等[65]曾依據凍結溫度將冰核細菌分為 3種類型:一型冰核細菌(Type I),在-5～-2℃有冰核活性,此類冰核細菌活性是最強的;二型冰核細菌(Type II),在-7～-5℃有冰核活性;三型冰核細菌(Type Ш),在-10～-7℃有活性,冰核活性最弱的.孫福在等[66]根據在-3℃時產生一個冰核所需的細菌濃度數將細菌的冰核活性劃分為4 個等級:特強(102細菌/冰核);強(103～104細菌/冰核);中(105～106細菌/冰核);弱(107以上細菌/冰核).而Turner所劃分的3種冰核的活性溫度范圍,分別是-4.4℃以上,-4.8～-5.7℃和-7.6℃以下[67].

Douglas等[68]研究發現:細菌的生長溫度對核化率有影響,但是不同溫度下核化率的差異在高溫范圍很明顯,而低溫范圍的差異不大,他認為是低溫時活性冰核響應了核化蛋白的數量,而高溫時響應了冰核蛋白聚集體的數量.當通過某種標準化方法消去蛋白差異背景時,發現低溫范圍核化率也是有差異的,這可能是由于細胞菌群中所出現的冰核的總數量不同.Michele等[69]研究表明:生長在植物表面的這些細菌冰核化特性的顯現可能受營養限制和低溫條件刺激不生長的細胞中的基因表達所制約.低溫轉換誘導基因表達所產生的一型冰核從 2～3h時間內 1個冰核/107cells(也就是不能測到)到 1個冰核/cell,而恢復到高溫時一型冰核則完全消失.Fall 等發現:磷饑餓和低溫暴露能引發Erwinia herbicola培養物中冰核的表達;氮硫磷和鐵離子的饑餓作用要小些[70].有2種細菌在最優條件培養時,實際上所有的細胞產生了在-10℃或更暖和的溫度條件時有活性的冰核,在1h的低溫轉換內平均22%含一型冰核.通過往培養介質中添加脂肪酸、植物油脂或硅酮油降低水活性,可以優化P.syringae的冰核活性[71].國內學者也對冰核細菌的培養條件做了很多研究,并發表了有關培養條件對冰核活性的影響文獻綜述[72-73].

由于 Lindow 等[74-75]在田間觀測和實驗室研究中認為冰核細菌是誘發和加重霜凍敏感作物霜凍的主要因素.更多科學家開始關注冰核細菌的冰核活性產生的機制.P.syringae作為冰核細菌的模式菌,隨著分子生物學技術的迅速發展,自20世紀80年代中期科學家們運用分子生物學技術對P.syringae的高效冰核活性的機理進行了深入的研究.Orser等[76]1985年通過克隆技術,將P.syringae的高效冰核活性在大腸桿菌中得到表達,從而明確了冰核細菌的催化核化特性的基礎是冰核基因表達的冰核蛋白的存在所致.冰核蛋白是一種附著于細菌細胞膜上的糖脂蛋白復合物.在已發現的冰核細菌中,其成冰基因多數已被克隆到大腸桿菌(Escherichia coli)并可大量表達,而且所克隆的基因賦予了宿主和原菌株相同的成冰核活性.基因 DNA測序分析結果也顯示:冰核細菌的冰核基因是同源基因單基因 inaZ.其所編碼的冰核蛋白結構保守,其氨基末端和羧基末端各具有獨特的序列區(分別占總序列的 15%和4%),蛋白的其余部分有一中央串聯重復結構組成,重復結構具有8,16及48氨基酸序列重復.冰核蛋白的這種重復可能是促使水分子排列成冰網格發生核化的模板[77].

冰核基因長度較小,常在 4.0～7.5kb左右,所編碼的冰核蛋白單體的大小為120KD.冰核基因編碼的冰蛋白成冰活性比較弱,必須通過脂碳水化合物等共價修飾裝后,才可配成成冰活性較強的冰核.在-2℃有活性的冰核蛋白其大小在19000KD左右,-12℃有活性的冰核蛋白其大小在150KD,因此冰核基因所編碼的冰核蛋白必須經過修飾組裝,形成復合物,才能有強的冰核活性.冰核蛋白 N-末端結構域較為疏水,可與磷脂脂類結合,可能是與細菌膜結合的位點,其特有的結構域的缺失可導致成冰核活性的降低;而 C-末端結構域相對親水,在二級結構中可能與水分子結合而形成冰晶,其特有結構域的缺失則導致成冰活性的完全喪失[77-78].Kozoloff等[79]提出C →B→A級冰核的結構模型:A級結構是活性最強的冰核,其可能由3種成分構成,冰蛋白和碳水化合物(可能為葡萄糖苷或甘露糖苷)以及磷酸酯[67,79-81].Christopher等[82]預測P.borealis產生的冰核蛋白(INP)新的β-螺旋折疊結構是冰核蛋白研究中的一大最新進展:在冰核蛋白結構中,絲氨酸和谷氨酸鹽做階梯,埋藏了暴露在溶劑中的酪氨酸梯形,產生了與二聚體界面結合緊密的疏水接觸端.PbINP也能以形成二聚體的方式形成多聚體,解釋了 INP活性與蛋白聚集體的關系.PbINP 結構的兩面都有串聯成組的氨基酸,氨基酸可以把水分子組織成晶格結構.二聚體的形成,寬度加倍,長度增加,并且使蛋白兩面都呈現水分子容易連接的成冰表面,從而極大增加了冰核蛋白的表面活性,這使得冰核蛋白表面一線排列了充足的與水分子結合的晶格位點,利于核化凍結.PbINP與已知的細菌冰核蛋白很相似,因此另外的INPs可能具有類似PbINP的折疊結構和作用機制.在分子生物學的研究成果的基礎上,研究人員利用遺傳工程技術,將冰核基因進行推廣和應用研究[83].

2.2 冰核細菌的應用研究

應用主要表現在以下幾個方面,人工降雪(冷凍劑添加定量研究)、食品濃縮與冷凍、促凍殺蟲.利用冰核活性檢測方便靈敏等優點,冰核基因作為報告基因和高敏檢測手段已得到成功的應用[64,83-85],例如把一個鐵離子調節探針轉錄整合到冰核報告基因inaZ中,通過評估原位的含有轉錄整合基因的pvd-inaZ的熒光假單胞菌P.fluorescentsPf-5 表達的冰核活性來估計體系中鐵離子的生物可利用性[86].如用細菌冰核基因轉導的噬菌體檢測蛋、乳、肉類等食品和水中對人和動物治病的沙門氏菌,用非冰核活性微生物或把非冰核活性基因轉導對抗活性細菌來防霜害[87-89].應用冰核蛋白尤其是氮黏性末端作為細胞表面錨定系統增加碳酸酐酶[90]或有機磷水解酶[91]的穩定性,使得相應酶功能發揮更高效;用冰核蛋白作為對細胞膜的緊密結合性建立木糖脫氫酶顯示系統檢測D-木糖的選擇性和敏感性[92].我國正在進行冰核基因的克隆技術研究,冰核細菌的發酵工藝、濃縮干燥技術、生物冰核在降雪、制冷和食品冷凍保鮮等方面的應用研究[56,93].

自生物冰核首先被氣象學家發現至今,近50年來,僅有美國Worerpel等人利用冰核細菌高冰核活性的特性,將冰核細菌P.syringae成功制成人工降雪催化劑并于1980年獲得美國專利,1985年由美國Advanced Genetic Sciences公司將其商品化推廣應用到人工降雪和人工影響天氣方面[95].因1994年加拿大冬奧會上Snowmax被首次使用而成功地進行人工降雪后,冰核細菌Snowmax被更廣泛地應用于南北美洲、澳大利亞、新西蘭、日本和歐洲等地的滑雪場,市場前景十分廣闊.目前我國也已掌握了利用冰核細菌進行人工降雪催化技術并進入應用階段.縱觀冰核細菌的整個研究發展過程,相關的主流研究遠遠的偏離了大氣科學,直到 21世紀初,科學家們開始再次關注冰核細菌的冰核活性,將其應用研究延伸到了大氣科學領域中,從而產生了一個新興的綜合學科交叉研究領域[3-5,96].

3 冰核細菌在大氣異質核化過程中的作用研究

3.1 大氣冰核的核化機制

云層中水汽凝結形成云滴(暖云中水滴和冷云中水滴冰晶混合相)在上升氣流頂托下漂浮空中,粒徑大約 10μm;降水粒子的尺度大約是云滴的100倍,濃度僅為云滴的百萬分之一,云滴要經歷一系列復雜的微物理過程增長.當前關于冰核核化機制的理論主要有同質核化作用與異質核化作用.同質核化過程中,水汽以幾個水分子集合體為中心聚集成液體(凝結)或固體(凝華),或者以過冷卻水中的水分子集體為中心形成冰晶(凍結);把這些微小的水分子集合體看成核,則將這種無異質核存在時的核化現象稱為自發核化或同質核化.而異質核化則是有異質核存在時的核化現象.在實際大氣中,由于懸浮的氣溶膠粒子無處不在,可以在適宜的溫度下成為冰核.它是過冷水滴或水汽凍結或凝華形成初始冰晶胚胎的載體核和引物,由其作為成核劑為冰的形成提供模板,因此與同質核化作用溫度接近-40℃左右或300%的過飽和度下才可發生的苛刻條件[97-98]相比,異質成核作用需要較少的水分子和較低的自由能,所以其水的凍結溫度也就相應提高[57].異質核化的成核模式主要包括:水汽在冰核表面直接凝華成冰,所謂凝華模式(或沉積模式);冰核對水汽的吸附使之在其表面凝結后凍結成冰,所謂凝凍模式(或吸附模式);冰核嵌入過冷水滴內使其變成冰粒子,所謂凍結模式(或浸潤模式);冰核與過冷水滴碰撞而形成冰粒子,所謂接觸模式.對應于 4種不同的成冰機制的冰核可分別稱為凝華核、吸附核、浸潤核和接觸核.同種物質的冰核可以具有不同模式成冰[99].凝華核化在冰面過飽和條件下即能進行,但所需克服的勢壘最大,所以在同樣溫度條件下凝華核化要求的粒子比凍結核化的大.冰核與過冷卻水接觸過程導致水滴凍結的接觸核化作用,接觸核冰核活性最高.冰核先形成水滴而后凍結的浸潤核作用,也就是冷凝凍結模式,在當前的冰核實驗研究被較多的關注[100].

相關的冰核核化理論認為,低水溶性、冰核表面氫鍵的可利用性、冰晶相的結構、冰核粒徑、冰核表面的活性位點(水分子被優先吸附)等因素均影響顆粒的核化過程[57,100].但目前有關上述冰核核化過程參數的研究較多是理論模式的推導和解釋而相關的實驗研究尤其是定量的實驗研究無論是實驗室室內還是外場觀測研究都比較欠缺,而且存在著較大的不確定性.Turnbull等[101]用異質核化的自由能(或活化能)(△Gnucl)來描述冰核的核化過程.云模型計算表明,混合相云中異質冰核化的大部分是凝結/浸潤模式[102-103].CAM-Oslo計算結果認為,85%以上的異質冰核化是通過浸潤模式凍結的[104].大的親水性的生物顆粒物尤其可能以浸潤核核化.而凝華核和接觸核的作用模式也是當前科學家重點討論的核化過程,這些過程需要存在裂隙非活性顆粒,因此黑炭和礦物質灰塵顆粒可能便于這些核化模式,而這些物質的參與將可能降低生物顆粒在此核化過程中的作用.而上述 4種模式只是冰核異質核化的一級機制,冰晶的形態學研究進一步闡釋了其二級機制,這包括冰晶相態轉變過程中形態特性和晶體與非晶體結構和吸濕潮解的過程[105].

3.2 冰核核化的實驗研究

由于冰核是形成冰晶的重要條件之一,冰晶在冷云降水中對水相變起催化作用,而且大氣冰核在各種天氣過程中的影響與云凝結核具有同等的重要性,其濃度除對冰云的微結構和云中降水過程有重要影響外,還可能對云的輻射特征產生影響進而影響天氣氣候過程[106].因此對大氣冰核的觀測分析,是研究自然冷云降水和人工影響天氣的重要基礎工作.

測量一定溫度下的大氣冰核的數量和濃度的方法主要有:(1)微孔濾膜法,采用抽氣法將一定體積的空氣通過一個具有微孔的濾膜,使空氣中的質粒被截留在濾膜上,再將該濾膜放到保持一定溫度和過飽和度的箱內,使濾膜上的冰核活化增長,從而觀察計算所增長的冰晶數,即可獲得冰核的數量和濃度.但是不同的活化顯現技術使活化的冰核數量差異較大從而導致濾膜法所測得冰核濃度較比其他方法所測結果相差較大,甚至可達數個量級.(2)云室法,在云室中抽入已知體積的空氣,使其冷卻直至出現云.然后測量一定溫度下云中所形成的冰晶數[107-108].在一定空間的云室可模擬云霧條件下而進行不同云物理實驗研究,容積有大有小.通常容積為立方米以上的大體積云室是固定的,可用于進行多種云物理實驗研究;容積為幾到幾十升的小型混合云室主要用于外場自然冰核觀測,也可進行播云催化劑成冰性能的檢測.云室出入氣流和相關調控的參數指標變化的狀態分為靜態云室如科羅拉多州立大學的等溫云室(CSU-cloud chamber)和動態云室如德國Forschungszentrum Karlsruhe的AIDA云室.根據云室造霧的溫度,可分為暖云室(云溫度高于0℃)和冷云室(云溫度低于0℃);而根據云室造霧的方法,可分為膨脹型、擴散型、恒溫型和混合型云室等幾種.在云室內常見的云霧生成方法有:絕熱膨脹冷卻、使水汽達飽和而凝結成云霧滴;降冷云室壁,導致云室內降濕達飽和而凝結出云霧滴;直接向云室內噴射微小水滴,形成云霧;使云室內達到過飽和而產生凝結.(3)Vali建立的液滴冷臺實驗技術[109],通過測定浸潤核液滴的凍結溫度的高低判斷冰核的活性強弱.由于實驗儀器和條件要求相對簡單易行,一直被科研人員采用并被不斷地改進,在對于生物冰核活性的甄別與判斷的試驗研究中,液滴冷臺實驗技術是被最為廣泛使用的研究方法之一[52,65,110].(4)管測試冰核活性方法,也是一種裝置比較簡單的方法,原理類似液滴冷臺實驗技術.待測樣品碎屑被丟進一個含有2mL的無菌去離子水的小測試管,測試管放置在-5.0℃循環水浴冰箱中使得去離子水保持過冷卻狀態,而且在-10.0℃測試 1h沒有冰核產生.10min內管中碎屑樣品凍結則記為INA+.也可以把管和管中待測樣品回暖到室溫,20min后再放回水浴持續 20min,然后冷卻到0℃,隨后以 0.1℃/min 降溫到-10.0℃,記錄樣品凍結的溫度.這種方法簡單易行,例如在 Nejad等[111]凍結溫度測試中使用.(5)差示掃描量熱儀法(DSC),這種方法特別的是檢測儀器部分,以熱量變化作為信號參數,冰核活性就可以用微分熱量掃描法,通過實時檢測核化相變中潛熱變化,建立冰核密度與核化動力學能量間的定量關系.這種方法也被許多學者用于科學研究中[112-117],例如 Zobrist等[118]用凍-融-凍二個循環控溫過程測定發現二元羧酸(苯二甲酸、己二酸、反丁烯二酸、丁二酸和乙二酸)中只有乙二酸且以乙二酸水合物形式作為乳狀溶液(如水、NaCl、(NH4)2SO4、NH4HSO4、H2SO4、H2SO4/NH4HSO4)的異質冰核.而且在醫學、物理化學、分子生物學等領域有廣泛應用.

3.3 細菌氣溶膠異質核化活性的研究

科學家推測由于冰核細菌所具有的高效冰核活性,使其在大氣云中的異質核化作用可能對大氣降水過程產生重要意義.

對于細菌冰核的活性測定與鑒別,最初Maki等[52]和Vali等[110]利用液滴冷臺凍結實驗技術發現并鑒別出了P.syringae類細菌品種所具有的特殊冰核的活性,發現可在-2～-4℃使液滴凍結,隨后許多科學家利用此方法篩選和鑒別出新的冰核細菌、冰核真菌等生物冰核,Yankofsk等[65]也是利用此技術將冰核細菌劃分為著名的 3型活性等級的冰核菌.Levin等[119]利用位于洛杉磯的加利福尼亞州立大學的垂直風洞測試研究了冰核細菌作為浸潤核和接觸核,其粒徑為220～360μm 液滴的核化活性,結果發現冰核細菌以接觸核的活性要高于浸潤核的活性,凍結溫度在-3～-9℃之間.1989年Ward等[91]則是利用科羅拉多州立大學的等溫云室(CSU-cloud chamber)測試了冰核細菌Snowmax的核化活性,從而確認其在人工影響天氣尤其是人工造雪方面的重要作用.此后,對于生物冰核的測試研究開始嘗試采用可以模擬大氣云霧條件的云室法來更真實的模擬測試生物冰核的異質核化特性[120-121].德國的 Boundke博士和他的同事最近研制出了一種新型的可以監測大氣生物冰核的快速監測儀器[122],盡管該儀器的各項性能指標目前還有待進一步的驗證和完善,但其為今后大氣生物冰核與云凝結核的數量濃度和粒徑大小的現場及時直接觀測提供了一個良好的開端.

有些細菌也能成為CCN而且確實在云中觀測到了細菌形成CCN的過程[25-26].Morris等[3]提出P.syringae等冰核細菌在大氣降水過程中具有重要的潛在作用.空氣微生物可以利用大氣中DCA作為可得的營養物質生長代謝,使得有機氣溶膠有效轉化而改變大氣化學特性[123].而且這種轉化過程也并非是代謝過程,例如生物表面的分子吸附[124],由于細胞溶破致使的化學釋放和碰撞聯合過程等可以驅動多孔表面的吸附和解吸,從而改變大氣氣相和特殊物質的化學組成.Amato等[125]從云中分離到128種微生物,其中細菌種有 71種;在測試的 20種細菌中有 11種(55%)能在接近自然大氣環境(i.e.5℃)中生長代謝.Morris等[126]進一步通過不同地點的水樣品中細菌種群組成分析闡釋了P. syringae與水循環的相互關系,他們提出假設模型,認為水的環境循環過程推動了細菌生活史的循環:農業生態系統土壤或植物表面的冰核細菌通過氣溶膠形式進入大氣散布云中并輸送到遠距離,作為凝結核核化催化降水事件,然后隨降水在下墊面重新分布,隨后回歸農業生態系統;下墊面系統的選擇性壓力使得各系統中的細菌種類及其物化和生化特性改變,從而形成了冰核細菌在水循環路徑中種群規模不同、空間分布新格局和新特性的菌種.

有研究人員發現:在分離所采集的樣品中所能分離鑒定的細菌中并未發現上述具有的特殊冰核活性的特定冰核細菌(如P.syringae)的存在[127-128],而 Bowers等[129]通過測試實驗也發現:所研究的主要冰核細菌的濃度的變化與-10℃溫度時有效冰核的濃度之間并不存在相關性.Lannone等[130]通過多次室內模擬實驗發現:在大氣中分布最為豐富的一類真菌Cladosporium的孢子并不具備有效冰核活性,其凍結溫度僅分布在-25～-35℃范圍內.而本課題組在利用液滴冷臺實驗方法檢測冰核細菌P.syringae pv.lachrymans的冰核活性時也發現,其菌懸液濃度低于 105cells/mL后,液滴的凍結溫度會顯著降低,而當菌懸液濃度在 102～103cell/mL時,其液滴凍結溫度與對照的超純水的液滴凍結溫度沒有顯著差別,并未顯示冰核活性.

Hoose等[104]研究了全球尺度上云中生物冰核化的意義,對原生生物氣溶膠顆粒(PBAP)冰核化能力做最優條件假設模擬時,冰核化PBAPs僅僅貢獻0.00001%(礦物質灰塵主導全球總浸入凍結的 88%,煤煙 12%).PBAPs的凍結其中細菌11%,真菌孢子1%,花粉88%.但是在PBAP-MAX模擬中,PBAP對全球總浸潤凍結的貢獻升至0.6%(其中細菌 98%,真菌孢子 2%).這個估計值上限是由某些區域暖和的低對流層較高 PBAP濃度得到的,而利用實際觀測生物IN濃度模型運行結果只有 0.00001%,實際情況下生物 IN對大氣冰形成的作用微乎其微,降水中的確存在生物冰核,但是PBAPs在全球云冰核化和降水形成中的作用大小值得懷疑.如果足夠高的生物IN濃度(顯著高于模擬假設的),PBAP是可以引起云在更暖和的溫度和更低海拔的結冰作用.Diehl等[131]用非絕熱氣塊模型模擬對流云條件,輸入參數是觀測的顆粒粒徑及最大核化率以及云水和雪樣品中細菌濃度數值,結果表明這些少量細菌對對流云中浸潤凍結冰形成的影響,比無機灰塵顆粒作用小得多,僅與煤煙冰核作用相當,細菌冰核必須在現有云水中濃度基礎上富集104倍才能與云滴中只占 20～25%無機灰塵冰核的影響相當.Mohler等[132]認為模擬的生物顆粒對全球氣候變化的影響微乎其微,可能是因為生物顆粒濃度很低,或者它們較高的核化能力根本與隨后的云滴增長無關,云滴的增長更可能是由核化能力不如生物顆粒的,在-5～-10℃進行核化的冰核所主導的,因為大氣條件達到冰面飽和后期階段冰增長很快從而極大影響了云特性.因此生物冰核在氣象過程中作用研究存在許多不確定性,還需要更廣泛和深入的研究與探索.

4 展望

目前已有的相互矛盾的研究結果,充分表明當前對于生物氣溶膠在大氣中的氣候效應了解的知識是極為有限的,還存在著許多的不確定性,科學界尚存在許多關于生物冰核在云和降水中的作用的未解問題,以下這些科學問題需要更進一步研究來證實和豐富.

(1) 在溫暖條件下有活性而能影響云的特性和降水過程,細菌冰核可能是唯一的生物冰核嗎?

(2) 由于目前大氣實際觀測中并沒有顯著的冰核活性細菌,或者由于菌株的多樣性和很低的細菌種群數量,又如何解釋在相對較高溫度下的冰核化機制？

(3) 如何鑒別已發現的生物冰核種和新種,怎樣直接測量混合相云中的生物冰核數濃度的空間分布?

(4) 怎樣確定導致大氣活性生物冰核的數濃度方差增大的環境因子的影響程度和影響機制?

探求解釋這些科學問題需要各學科間的交叉綜合方法,包括微生物學,氣象學和大氣物理學與化學.同樣,深入的外場觀測試驗和實驗室研究對大氣和微生物學家之間的合作研究有著重要的促進作用,現階段使用該領域先進的知識和分析測試方法,定量測定冰核在大氣中的數濃度是十分迫切的.鑒于冰相在降水過程中所起的重要作用,冰核核化性能和機制過程一直是大氣云和降水物理過程的重要研究方向,尤其是在人工影響天氣方面,篩選有效核化劑也一直是重要的科研課題.但在應用新知識和檢測方法來理解生物冰核和非生物冰核在降水和云的相關特性中的作用的同時,則更需要完善而更切實際的描述云和氣象的模型來共同研究大氣冰核的異質核化問題.

[1]Burge H A. Bioaerosols [M]. Boca Raton(FL): Lewis Publisher,1995:7.

[2]Jaenicke R. Abundance of cellular material and proteins in the atmosphere [J]. Science, 2005,308:73.

[3]Morris C E, Georgakopoulos D G, Sands D C. Ice nucleation active bacteria and their potential role in precipitation [J]. Phys.,2004,121:87-103.

[4]Sun J, Ariya P A. Atmospheric organic and bio-aerosols as cloud condensation nuclei (CCN): a review [J]. Atmos. Environ., 2006,40:795-820.

[5]DeMott P J and Prenni A J. New directions: need for de fi ning the numbers and sources of biological aerosols acting as ice nuclei [J].Atmos. Environ., 2010,44:1944-1945.

[6]Agranovski V, Rirtovski Z D. Real-time monitoring of vible bioaerosols: capability of the UVAPS to predict the amount of individual microorganisms in aerosol particle [J]. Aerosol Sci.,2005,36:665-676.

[7]Jones A M, Harrison R M. The effects of meteorological factors on atmospheric bio-aerosol concentrations — A review [J]. Sci.Total Environ., 2004,326:151-180.

[8]Lighthart B. Mini-review of the concentration variations found in the alfresco atmospheric bacterial populations [J]. Aerobiologia,2000,16:7-16.

[9]Rogers L A, Meier F C.The collection of microorganisms above 36000 feet [J]. Nat.Geo.Soc.Strat. Ser.2, 1936,146-151.

[10]Imshenetsky A, Lysenko S,Kazakov G. Upper boundary of the biosphere [J]. Appl. Environ. Microb., 1978,35:1-5.

[11]Meier F C. Collecting microorganisms from the Arctic atmosphere [J]. Sci. Monthly, 1935,40:5-20.

[12]Timmons D, Fulton J, Mitchell R. Microorganisms of the upper atmosphere instrumentation for isokinetic air sampling at altitude[J]. Appl. Environ. Microb., 1966,14:229–231.

[13]Wainwright M, Wickramasinghe N, Narlikar J, et al.Microorganisms cultured from stratospheric air samples obtained at 41 km [J]. FEMS Microbiol. Lett., 2003,218:161-165.

[14]Shivaji S, Chaturvedi P, Suresh K,et al. Bacillus aerius sp.nov.,Bacillus aerophilus sp. nov., Bacillus stratosphericus sp.nov. and Bacillus altitudinis sp. nov., isolated from cryogenic tubes used for collecting air samples from high altitudes [J]. Int. J.Syst. Evol.Micr., 2006,56,1465, doi:10.1099/ijs.0.64029-0.

[15]Bovallius, A, B B R Roffey, P Anas. Three-year investigation of the natural airbome bacterial flora at four localities in Sweden [J].Appl. Environ. Microbiol., 1978,35:847-852.

[16]Lighthart B. The ecology of bacteria in the alfresco atmosphere[J]. FEMS Microbiol. Ecol., 1997,23:263-274.

[17]Bauer H, Kasper-Giebl A, Lo fl und M, et al. The contribution of bacteria and fungal spores to the organic carbon content of cloud water,precipitation and aerosols [J]. Atmos. Res., 2002,64:109-119.

[18]Prospero J, Blades E, Mathison G, et al. Interhemispheric transport of viable fungi and bacteria from Africa to the Caribbean with soil dust [J]. Aerobiologia, 2005,21:1-19.

[19]Grif fi n D, Westphal D, Gray M. Airborne microorganisms in the African desert dust corridor over the mid-Atlantic ridge, ocean drilling program, Leg 209 [J]. Aerobiologia, 2006,22:211-226.

[20]Burrows S M, W Elbert, M G Lawrence,et al. Bacteria in the global atmosphere part 1: review and synthesis of literature data for different ecosystems [J]. Atmos. Chem. Phys., 2009,9:9263-9280.

[21]Harrison R, Jones A, Biggins P, et al. Climate factors in fl uencing bacterial count in background air samples [J]. Int. J. Biometeorol.,2005, 49:167-178.

[22]Tong Y, Lighthart B. Diurnal distribution of total and culturable atmospheric bacteria at a rural site[J]. Aerosol Sci. Tech.,1999,30:246-254.

[23]Tilley R, Eamus D, Ho J. Background bio-aerosols and aerosols at two sites in northern Australia: Preliminary measurements [R].Australia, Melbourne, Vic.: DSTO Aeronautical and Maritime Research Laboratory, 2001.

[24]Lelieveld J, Heintzenberg J. Sulfate cooling effect on climate through in-cloud oxidation of anthropogenic SO2[J]. Science,1992,258:117-120.

[25]Bauer H, Giebl H, Hitzenberger R, et al. Airborne bacteria as cloud condensation nuclei [J]. J. Geophys. Res., 2003,108:AAC2/1-AAC2/5.

[26]Franc G D, Demott P J. Cloud activation of airborneErwinia carotovoracells [J]. J. Appl. Meteor., 1998,37:1293-1300.

[27]Lighthart B, Shaffer B T, Frisch A S, et al. Meteorological variables associated with population density of culturableatmospheric bacteria at a summer site in the Mid-Willamette River Valley, Oregon [R]. Tech. rep., U.S. Army Edgewood Chemical Biological Center, Aberdeen Proving Ground,Maryland, USA, 2004.

[28]Rosas I, Yela A, Santos-Burgoa C. Occurrence of airborne enteric bacteria in Mexico City [J]. Aerobiolog?a, 1994,10:39-45.

[29]Mouli P, Mohan S, Reddy S. Assessment of microbial (bacteria)concentrations of ambient air at semi-arid urban region:In fl uence of meteorological factors [J]. Appl. Ecol. Environ. Res., 2005,3:139-149.

[30]Constantinidou H A, Hirano S S, Baker L S, et al.Atmospheric dispersal of ice nucleation-active bacteria: The role of rain[J].Phytopathology, 1990,80: 934-937.

[31]Lindemann J, Upper C D. Aerial dispersal of epiphytic bacteria over bean plants [J].Appl. Environ. Microb., 1985,50:1229.

[32]Gregory P. The microbiology of the atmosphere [M]. Leonard Hil Aylesbury, UK, 1973:7-214.

[33]Lighthart B, Kirilenko A. Simulation of summer-time diurnal bacterial dynamics in the atmospheric surface layer-experiments,topography, and winds [J]. Atmos. Environ., 1998,32:2491-2496.

[34]Lighthart B, Shaffer B T. Bacterial fl ux from chaparral into the atmosphere in mid-summer at a high desert location [J].Atmos.Environ., 1994,28, 1267-1274.

[35]Chen M, Jin L, Sun Z, et al. Concentration and fl ux of bioaerosol and environmental factors [J]. Prog. Nat. Sci., 2001, 11: 681-687.

[36]Pady S and Kelly C. Aerobiological studies of fungi and bacteria over the Atlantic Ocean [J]. Can. J. Botany, 1954,32:202-212.

[37]di Giorgio C, Krempff A, Guiraud H, et al. Atmospheric pollution by airborne microorganisms in the city of Marseilles [J]. Atmos.Environ., 1996,30:155-160.

[38]Borodulin A, Safatov A, Belan B, et al. Measurement errors in determining tropospheric bioaerosol concentrations in the southern region of Western Siberia [J]. Doklady Biologi cal Sciences, 2005,403:260-262.

[39]Fulton J D, Mitchell R B. Microorganisms of the upper atmosphere. II. Microorganisms in two types of air masses at 690 meters over a city [J]. Appl. Microbiol., 1966,14:232-236.

[40]Andreeva I, Borodulin A, Buryak G, et al.Biogenic Component of Atmospheric Aerosol in the South of West Siberia [J],Chem. Sust.Dev., 2002,10:523-537.

[41]Womiloju T O, Miller J D, Mayer P M, et al. Methods to determine the biological composition of particulate matter collected from outdoor air [J]. Atmos. Environ., 2003,37:4335-4344.

[42]Hairston P P, Ho J, Quant F R. Design of an instrument for real-time detection of bioaerosols using simultaneous measurement of particle aerodynamic size and intrinsic fluorescence. J. Aerosol. Sci., 1997,28:471-482.

[43]Amato P, M′enager M, Sancelme M, et al. Microbial population in cloud water at the Puy de D? ome: implications for the chemistry of clouds [J]. Atmos.Environ., 2005,39:4143-4153.

[44]Carrera M, Kesavan J, Zandomeni R, et al. Method to determine the number of bacterial spores within aerosol particles. Aerosol.Sci. Tech., 2005,39:960-965.

[45]Courvoisier F, Bonacina L, Boutou V, et al. Identification of biological microparticles using ultrafast depletion spectroscopy[J]. Faraday Discuss., 2008,137:37-49.

[46]Czerwieniec G A, Russell S C, Lebrilla C B, et al. Improved sensitivity and mass range in time-of-flight bioaerosol mass spectrometry using an electrostatic ion guide [J]. Am. Soc. Mass Spectrom., 2005,16:1866-75.

[47]Fergenson D P, Pitesky M E, Tobias H J, et al. Reagentless detection and classification of individual bioaerosol particles in seconds. Anal. Chem.,2004,76:373-378.

[48]Brodie E. Urban aerosols harbor diverse and dynamic bacterial populations. P. Natl. Acad. Sci. USA, 104:299-304,doi:10.1073/pnas.0608255104, 2007.

[49]Wagner M, Smidt H, Loy A, et al. Unravelling microbial communities with DNA-microarrays: Challenges and future directions, Microb. Ecol., 2007,53:498-506.

[50]Soulage F B. Les noyaux de congélation de l’atmosphère [J]. Ann.Geophys., 1957, 13:103-134.

[51]Fresh R W. Ice nucleation produces by a Pseudomonas isolate,Strain C-9 [D]. Laramine:University of Wyoming, 1972.

[52]Maki L R, Galyan E L, Chang-Chien M M. et al. Ice nucleation induced byPseudomonas syringae[J]. Appl. Microbiol., 1974,28:456-459.

[53]Schnell R C, Vali G. Atmospheric ice nuclei from decomposing vegetation [J]. Nature, 1972,236:163-165.

[54]Schnell R C, Vali G. Worldwide source of leaf-derived freezing nuclei [J]. Nature, 1973,246:212-213.

[55]Maki L R, Willoughby K J. Bacteria as biogenic sources of freezing nuclei [J]. Appl. Meteor., 1978,17:1049-1053.

[56]晁龍軍,呂 全,賈秀珍,等.生物冰核研究與應用的現狀和前景[J]. 林業科學研究, 2001,14(4):446-454.

[57]Szyrmer W, Zawadzki I. Biogenic and anthropogenic sources of ice-forming nuclei: a review [J]. Bull. Amer. Meteor.Soc., 1997,78:209-228.

[58]Waturangi D E, Tjhen A.Isolation, characterization, and genetic diversity of ice nucleation active bacteria on various plants [J].Hayati J Biosci, 2009,6:54-58.

[59]Arny D C, S E Lindow, C D Upper. Frost sensitivity of Zea mays increased by application ofPseudomonas syringae[J]. Nature,1976,262:282-284.

[60]Kozloff L M, M A Schofield, M Lute. Ice nucleating activity ofPseudomonas syringaeandErwinia herbicola[J]. Bacteriol.,1983,153:222-231.

[61]Hirano S S, Maher E A, Kelman A. et al. Ice nucleation activity of fluorescent plant pathogenic pseudomonads [C]. France,Proceedings of the Fourth International Conference on Plant Pathogenic Bacteria, Institute National Recherche Agronomique,Beaucouzé, F1978,717-724

[62]Hirano S S, Baker L S,Upper C D. Ice nucleation temperature of individual leaves in relation to population sizes of ice nucleation active bacteria and frost injury[J].Plant Physiol., 1985,77:259-265.

[63]Li J, Martha PI, Lee T C. Effects of ice nnucleation active bacteria on the freezing of some model systems [J]. Int J Food Sci.Technol., 1997,32:41-49.

[64]孫福在,韋建福,朱 紅.我國冰核活性細菌的優勢種類調查與研究 [J]. 生態學報, 1996.12,16(6):618-622.

[65]Yankofsky S A, Levin Z, Bertold T, et al. Some basic characteristics of bacterial freezing nuclei [J].Appl. Meteor.,1981,20:1013-1019.

[66]孫福在,何禮遠.冰核活性細菌與植物霜凍的研究概況 [J]. 植物保護, 1989,41-43

[67]Turner M A, Arellano F, Kozloff L M .Three separate classes of bacterial ice nucleation structures [J].Bacteriol., 1990,172:2521-2526.

[68]Douglas G S, Steven E L. Different effects of growth temperature on ice nuclei active at different temperature that are produced by cells of pseudomonas syringae [J]. Cryobiology, 1995,32:129-138.

[69]Michele N M, Laduca R, and Fall R. High-level expression of ice nuclei in aPseudomonas syringaeStrain is induced by nutrient limitation and low temperature [J]. J. Bacterial., 1993,175:4062-4070

[70]Fall A L, Fall R. High level expression of ice nuclei inErwinia herbicolais induced by phosphate starvation and low temperature[J]. Curr. Microbiol., 1998,36:370-376.

[71]Blondeaux A, Hamel J F, Widehem P, et al. In fl uence of water activity on the ice-nucleating activity ofPseudomonas syringae[J]. J. Industr Microbio. Biotechno., 1999,23:514-519.

[72]孫福在,朱 紅,何禮遠.影響冰核細菌成冰活性的因素研究[J].中國農業科學, 1991,24(3):57-64.

[73]張耀東,王欽宏.冰核活性細菌的培養條件 [J]. 鄭州糧食學院學報, 1990,18(1):8-13.

[74]Lindow S E, Amy D C, Upper C. Erureinia erbicola:a bacterial ice nucleus active in increasing frost injury to corn [J].Phytopathology, 1978,68:523-527.

[75]Lindow S E, Amy D C, Upper C. Bacterial in ice nucleation: a factor in frost injury to plants [J]. Plant Physiology, 1982,70:1084-1089.

[76]Orser C, Staskawicz B J, Panopoulos N J, et al. Cloning and expression of bacterial ice nucleation genes inEscherichia coli[J].Bacteriol., 1985,164:359-366.

[77]Kajava A V, Lindow S E. A model of the three dimensional structures of ice nucleation proteins [J]. Mol. Biol., 1993,232:709-717.

[78]Gurian-Sherman D, Lindow S E. Differential effects of growth temperature on ice nuclei active at different temperatures that are produced by cells of Pseudomonas syringae [J]. Cryobiology,1995,32:129-138.

[79]Kozloff L M, Turner M A, Arellano F, et al. Phosphatidylinositol,a phospholipid of ice-nucleating bacteria [J]. Journal of Bacteriology, 1991,173:2053-2060.

[80]Govindarajan A G, Lindow S E. Phospholipid requirement for expression of ice nuclei inPseudomonas syringaeand in vitro[J]. Biol. Chem., 1988.263:9333-9338.

[81]Turner M A, Arellano F, Kozloff L M. Components of ice nucleation structures in bacteria [J]. J. Bacteriol., 1991,173:515-6527.

[82]Christopher P G, Robert L C, Virginia K W, et al. Novel dimericβ-helical model of an ice nucleation protein with bridged active sites [J]. BMC Structural Biology, 2011, 11:36. doi:10.1186/1472-6807-11-36

[83]Fahy G M. The role of nucleation in cryopreservation [M].Biological ice nucleation and its Applications.St. Paul, MN, APS Press, 1995,315-336.

[84]張新建,丁愛云,劉招艦,等.冰核細菌應用研究 [J]. 山東科學,2002,15(3):32-37

[85]岳思君,王文舉.冰核活性細菌研究進展及其在防霜技術中的應用 [J]. 農業科學研究. 2005,26(2):66-70.

[86]Loper J E and Henkels M D. Availability of iron to pseudomonas fl uorescens in rhizosphere and bulk soil evaluated with an ice nucleation reporter gene [J]. Appl. Environ. Microbio., 1997,63:99-105

[87]Lindow S E. The role of bacterial ice nucleation in frost injury to plants [J]. Ann. Rev. Phytopathol., 1983,21:363-384.

[88]Lindow S E. Lack of correlation of in vitro antibiosis with antagonism of ice nucleation active bacteria on leaf surfaces by non-ice nucleation active bacteria [J]. Phytopatho., 1988,78:444-450

[89]Kim K C, Kim Y C, Cho B H. Antagonistic activity of isolate of Candida species to ice mucleation-activePseudomonas syringae[J]. Phytopatho., 1989,79:275-277.

[90]Fan L H, Liu N, Yu M R, et al. Cell surface display of carbonic anhydrase on escherichia coli using ice nucleation protein forCO2 sequestration [J]. Biotechnol. and Bioeng., 2011,108:2853-2864.

[91]Khodi Samaneh, Ali Mohammad Latifi, Mojtaba Saadati, et al.Surface display of organophosphorus hydrolase onE. coliusing N-terminal domain of ice nucleation protein inaV [J]. Microbiol.Biotechnol., 2012,22:234-238.

[92]Liang B, Li L, Mascin M,et al.Construction of xylose dehydrogenase displayed on the surface of bacteria using ice nucleation protein for sensitived D-xylose detection [J].dx.doi.org/10.1021/ac202513. Anal. Chem., 2012,84:275-282.

[93]Zhang Shaozhi, Haiying Wang , Guangming Chen. Addition of ice-nucleation active bacteria: Pseudomonas syringae pv. Panici on freezing of solid model food.LWT [J]. Food Sci. and Technol.,2010,43:1414-1418.

[94]Woerpel M D. Snowmaking [P]. US Patent, 1978(4):200-228.

[95]Ward P J, Demott P J. Preliminary experimental valuation of SNOM AX snow inducer for weather modification [J]. Weather Modification, 1989,21:9-13.

[96]杜 睿.生物氣溶膠在大氣冰核核化過程中的作用.《10000個科學難題(地球科學專輯)》[M]. 北京:科學出版社, 2010:753-755.

[97]Heymsfield A J,Sabin R M. Cirrus crystal nucleation by homogeneous freezing of solution droplets [J]. Atmos. Sci.1989,46:2252-2264.

[98]Pruppacher H R. A new look at homogeneous ice nucleation in supercooled water drops [J]. Atmos. Sci. 1995,52:1924-1933.

[99]盛裴軒,毛節泰,李建國,等.大氣物理學 [M]. 北京:北京大學出版社, 2008:321.

[100]Ariya P A, Sun J, Eltouny N A, et al. Physical and chemical characterization of bioaerosols–Implications for nucleation processes [J]. Inter. Rev. in Phys. Chem., 2009,28(1):1-32

[101]Turnbull D, Vonnegut B. Nucleation catalysis [J]. Ind. Eng.Chem., 1952,44(6):1292-8.

[102]Meyers M P, Demott P J, Cotton W R. New primary ice nucleation parameterizations in an explicit cloud model [J]. Appl.Meteor., 1992,31:708-721.

[103]Philips V T J, Donner L J, and Garner S T. Nucleation processes in deep convection simulated by a cloud-system-resolving model with double moment bulk microphysics [J]. Atmos. Sci.,2007,64:738-761.

[104]Hoose C, Kristjansson J E, Burrows S M. How important is biological ice nucleation in clouds on a global scale [J]. Environ.Res. Lett., 2010,5(024009).

[105]Mikhailov E, Vlasenko S, Martin S T, et al. Amorphous and crystalline aerosol particles interacting with water vapor:conceptual framework and experimental evidence for restructuring, phase transitions and kinetic limitations [J]. Atmos.Chem. Phys., 2009,9:9491-9522.

[106]Vali C. Report of the experts meeting on interaction between aerosols andclouds [R]. WCRP259 WMO/ TD2No.423.1991.

[107]李大山.人工影響天氣與展望 [M]. 北京:氣象出版社,2002:216.

[108]華萊士,霍布斯.大氣科學(第二版中文版) [M]. 北京:科學出版社, 2008:247.

[109]Vali G. Quantitative evaluation of experimental results on the heterogeneous freezing nucleation of supercooled liquids [J].Atmos. Sci. 1971,28:402-409.

[110]Vali G, Christensen M, FreshR W, et al. Biogenic ice nuclei:partII.Bacterial sources [J]. Atmos. Sci., 1976,33:1565-1570.

[111]Nejad P, Granhall U, Ramstedt M. Factors influencing pathogenic Ice Nucleation Active (INA) bacteria isolated from Salix plants,soil and litter [J]. Agric. Technol., 2005,1:207-222.

[112]Franks F, Wakabayashit T, Mathias S F. Nucleation kinetics of ice in undercooled yeast cells: long-term stability against freezing [J]. General Microbiol., 1987,133:2807-2815.

[113]Devireddy R V, Leo P H, Lowengrub J S, et al. Measurement and numerical analysis of freezing in solutions enclosed in a small container [J]. Int J Heat and Mass Transfer, 2002,45:1915-1931.

[114]Gill P S, Sauerbrunn S R, Reading M.Modulated differential scanning calorimetry [J]. Therm. Anal., 1993,40:931-939.

[115]Ganguly S, Adiseshaiah K S.Ice nucleation in emulsified aqueous salt solutions: a differential scanning calorimetry study [J].Colloid Surf., 1992,66:105-111.

[116]Wilson P W, Heneghan A F, Haymet A D J. Ice nucleation in nature: supercooling point(SCP) measurements and the role of heterogeneous nucleation [J]. Cryobiology, 2003,46:88-98.

[117]Bruylants G, Woutersand J, Michaux C. Differential scanning calorimetry in life science: thermodynamics, stability, molecular recognition and application in drug design [J]. Curr. Med. Chem.,2005,12:2011-2020.

[118]Zobrist B, Marcolli C, Koop T, et al. Oxalic acid as a heterogeneous ice nucleus in the upper troposphere and its indirect aerosol effect [J]. Atmos. Chem. Phys., 2006,6:3115-3129.

[119]Levin Z, Yankofsky S A. Contact versus immersion freezing of freely suspended droplets by bacterial ice nuclei [J]. Appl.Meteorol., 1983,22:1964-1966.

[120]Wood S E, BakerM B, Swanson. Instrument for studies of homogeneous and heterogeneous ice nucleation in freefalling supercooled water droplets [J]. Rev. Sci. Instrum., 2002,73:3988-3996.

[121]von Blohn N, Mitra S K, Diehl K, et al. The ice nucleating ability of pollen: Part III: New laboratory studies in immersion and contact freezing modes including more pollen types [J]. Atmos.Res., 2005,78:182-189.

[122]Bundke U, Reimann B, Nillius B, Jaenicke R, et al. Development of a bioaerosol single particle detector (BIO IN) for the fast ice nucleus chamber FINCH [J]. Atmos. Meas. Tech., 2010,3:263-271.

[123]Ariya P A, Nepotchatykh O, Ignatova O, et al. Microbiological degradation of atmospheric organic compounds [J]. Geophys. Res.Lett., 2002,29(22):2077-2080.

[124]Cote V, Kos G, R Mortazavi, et al. Microbial and “de novo”transformation of dicarboxylic acids by three airborne fungi [J].Sci. Total Environ. 2008,390:530-537.

[125]Amato P, Parazols M, Sancelme M, et al. Microorganisms isolated from the water phase of tropospheric clouds at the Puy de D?me: major groups and growth abilities at low temperatures [J].FEMS Microbiol. Ecol., 2007,59: 242-254.

[126]Morris C E, Sands D C, Vinatzer B A, et al. The life history of the plant pathogenPseudomonas syringae is linked to the water cycle[J]. Int. Soc. Microb. Ecol., 2008,2:321-34.

[127]Christnera B C, Caib R, Morrisc C E, et al. Geographic, seasonal,and precipitation chemistry influence on the abundance and activity of biological ice nucleators in rain and snow [J]. PNAS,2008,105:18854-18859.

[128]Mortazavi R, Hayes C T, Ariya P A. Ice nucleation activity of bacteria isolated from snow compared with organic and inorganic substrate [J]. Environ.Chem, 2008,5:373-381.

[129]Bowers R M, Lauber C L, Wiedinmyer C, et al. Characterization of airborne microbial communities at a high-elevation site and their potential to act as atmospheric ice nuclei [J]. Appl. Environ.Microb., 2009,75:5121-5130.

[130]Lannone R, Chernoff D I, Pringle A, et al. The ice nucleation ability of one of the most abundant types of fungal spores found in the atmosphere [J]. Atmos. Chem. Phys. Discuss., 2010,10:24621-24650.

[131]Diehl K, Wurzler S. Air parcel model simulations of a convective cloud: bacteria acting as immersion ice nuclei [J]. Atmos.Environ., 2010,44:4622-4628.

[132]Mohler O, DeMott P J, Vali G, et al. Microbiology and atmospheric processes: the role of biological particles in cloud physics [J]. Biogeosciences, 2007,4:1059-1071.