Purification and characterization of ice nuclei from birch pollen

Abstract

Progressing climate change demands understanding of Earth’s climate and its influencing factors. One of the most challenging tasks is currently the influence of aerosol particles on the climate which is still quite uncertain. Numerous aerosols, such asdust, soot, and biological particles, can act as heterogeneous ice nuclei (IN) and triggerthe freezing of supercooled liquid cloud droplets. Without the presence of IN, clouddroplets can be supercooled down to −38°C, thus ice clouds would only occur at ratherhigh altitudes. The phase state of the droplets has a major impact on cloud properties,such as the albedo, precipitation, and cloud lifetime.IN of biological origin, such as bacteria, fungi, or pollen, can have remarkably highonset freezing temperatures. Interestingly, for tree pollen solubilized macromoleculesare responsible for the ice nucleation activity and not the pollen grains themselves.In addition, these ice-nucleating macromolecules (INMs) were found on other tree tissues. In general, nano-sized INMs exceed micrometer-sized pollen grains in number by several orders of magnitude, and thus the emission of INMs from the biospheremight play a more important role than previously thought.Still, the chemical composition and structure of INMs remain largely unknown. Inthis work, we extracted INMs from birch pollen with water to shine a light on. Inorder to purify and concentrate the extracted INMs, we used ice affinity purification,which enabled us to perform further characterization experiments with INM at varying concentrations.The birch pollen INMs show onset temperatures of up to −6°C, much higher thanthe −15°C previously reported by many studies. Interestingly, the 10 kDa filtrate ofthe INM sample still showed ice nucleation activity. Thus, the INMs can be muchsmaller than the previously reported 100 kDa. Fluorescence-, infrared-, and circulardichroism spectroscopy were used to understand the chemical composition of the INMs.The spectra showed polysaccharide and protein signals. Also, the INMs were found tobe heat sensitive as the ice nucleation activity decreased with increased temperatureand duration of heat treatments. In sum, this led us to hypothesize that the INMs areagglomerates, made up of small subunits which can also act as IN. The agglomeratesmight be proteinaceous, polysaccharides, or even a combination of both.

In Zeiten des Klimawandels wird es immer wichtiger, dass wir das Klima unsererErde besser verstehen. Das Klima ist ein komplexes System bestehend aus vielenVariablen, welche natürlich und durch den Menschen beeinflusst werden. Obwohl wireinige dieser Variablen bereits sehr gut verstehen, so haben wir doch noch einigeszu erforschen. Das wahrscheinlich wichtigste Beispiel ist der Einfluss von Aerosolen.Diverse Aerosole, wie Staub, Ruß und biologische Partikel, können als Eiskeim inWolken wirken. Diese inititiieren das Gefrieren von unterkühlten Wassertropfen inWolken. Wolkentropfen können bis zu −38°C unterkühlt werden, daher würde es ohneEiskeime nur in großer Höhe Eis in Wolken geben. Der Eisanteil hat jedoch großenEinfluss auf die Eigenschaften der Wolke, unter anderem das Albedo und die Bildungvon Niederschlag.Vor allem biologische Eiskeime zeichnen sich durch eine hohe Gefrier-Effizienzaus. Unter anderem Bakterien, Pilze bzw. deren Sporen und Pollen sind biologischeEiskeime. Bei den meisten biologischen Eiskeimen wurde festgestellt, dass wasserlösliche Makromoleküle für die Eisnukleationsaktivität verantwortlich sind. Die Eiskeime von Birkenpollen wurden darüber hinaus auch auf den Blättern und dem Holz der Birkengefunden. Ganz generell gibt es wesentlich mehr Eiskeime als Pollen und daher ist esumso wichtiger die Eiskeime und deren Emission in die Atmosphäre besser zu verstehen, um deren potenzielle atmosphärische Relevanz evaluieren zu können. Trotzdem ist die Zusammensetzung der Birken Eiskeime noch kaum bekannt. Aus diesem Grund, liegt der Fokus dieser Arbeit auf der Analyse von Birken Eiskeimen.Die Eiskeime wurden mit Reinstwasser von Birkenpollen extrahiert. Das Extraktwurde mittels Eisaffinität aufgereinigt und dabei um einen Faktor 10 aufkonzentriert.Die aufgereinigte Probe wurde im Anschluss mit diversen Methoden analysiert. Dabeihaben wir herausgefunden, dass der Eiskeim das Gefrieren der unterkühlten Tropfenschon bei −6°C ermöglicht, viel höher als die −15°C, welche zuvor berichtet wurden.Weiters haben wir mittels Filtration herausgefunden, dass der Eiskeim eine Größevon unter 10 kDa aufweist, viel kleiner als die zuvor berichteten 100 kDa. MittelsFluoreszenz-, Infrarot- und Zirkulardichroismus Spektroskopie haben wir die chemische Zusammensetzung untersucht, dabei haben wir sowohl Protein als auch Polysaccharid Signale gemessen. Darüber hinaus haben wir beobachtet, dass die Eiskeime teilweise hitzelabil sind, da ihre Eiskeim-Aktivität mit erhöhter Temperatur und Dauer immer weiter gesunken ist. Mit der Summe der Ergebnisse stellen wir die Hypothese auf, dass die Eiskeime vermutlich große Agglomerate aus kleinen Untereinheiten sind, welche ebenso als Eiskeim wirken können. Wahrscheinlich sind die Agglomerate eine Kombination aus Proteinen und Polysacchariden