Silver birches (Betula pendula) and Scots pines (Pinus sylvestris) as emission sources of ice-nucleating particles

Abstract

This thesis focuses on the investigation of silver birches (Betula pendula) and scots pines (Pinus sylvestris) as possible emission sources of ice nuclei (IN). Ice-nucleating macromolecules (INMs) were found to be present within the bulk material of various plant parts of the studied trees in high concentrations. Birch tissues embodied IN throughout the course of the year. Freshly grown leaves and petioles in spring, however had rather low concentrations. Ice nucleation data also revealed that surfaces of intact tree sections host INMs which can be extracted in the laboratory with water. The observed extraction process was also discovered to occur in nature as rain washes off ice-nucleating substances from the surface of silver birches and scots pines with concentrations between 10^5 and 10^8 INMs cm-2 active above -25 °C.To study the release and transport of INMs from birches and pines into the environment, we have developed a drone-based aerosol sampling system consisting of an impinger and an impactor which is attachable to DJI Phantom 4 drones. During a field campaign in an alpine valley in Austria we sampled aerosols in the vicinity of a forest with birch and pine trees being present and characterized the particles microscopically in the laboratory. We found that most of the collected aerosols were auto-fluorescent which indicates biological origin and ice nucleation data reveal high concentrations of IN especially below the canopy with freezing temperatures similar to tree extracts.Pollen grains of Betula pendula belong to the group of primary biological aerosol particles and have been studied intensively by researches due to its cloud forming properties and its ability to evoke allergies. In this thesis we have studied the release of interior subpollen parti- cles (SPPs) under different conditions and found that they are themselves not ice nucleation active. However, we propose that SPPs serve as carriers of INMs. Water soluble components of birch pollen were studied intensively using fluorescence spectroscopy, heat treatment, Brad- ford and enzymatic assays. Results point to the fact that proteins play a pivotal role in the ice nucleation activity of birch pollen.Findings of this thesis indicate that both Betula pendula and Pinus sylvestris can emit macromolecular IN not only during pollination season but also during the course of the year possibly provoked by rain fall events.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Hängebirken (Betula pendula) und Waldkiefern (Pinus sylvestris) als mögliche Emissionsquellen von Eisnukleationskeimen. In allen ausgewählten Baumsektionen wurden makromolekulare Eiskeime in hohen Konzentrationen nachgewiesen. Diese wurden für Birken in allen Jahreszeiten detektiert, Blattstängel und Blätter, die im Frühling frisch gewachsen waren, wiesen jedoch vergleichsweise nur sehr geringe Werte auf. Darüber hinaus zeigten Eisnukelationsdaten, dass sich mit Wasser extrahierbare Eiskeime auf der Oberfläche von intakten Baumsektionen befinden. Dieser Extraktionsprozess wurde auch in der Natur nachgewiesen. Es wurde gezeigt, dass Regen Eiskeime mit einer Konzentration zwischen etwa 10^5 und 10^8 cm-2 von den Baumoberflächen der untersuchten Spezies löst. Zur Untersuchung des Transportes jener auf den Bäumen befindlichen makromolekularen Eiskeime vom Ökosystem Wald in die Umwelt bzw. Atmosphäre wurde ein drohnengestütztes Aerosol-Sammel-System entwickelt. Dieses System besteht aus einem Impaktor und einem Impinger, welche beide auf einer DJI Phantom 4 Drohne montiert werden können. Im Rahmen einer Feldkampagne in den Alpen wurden Aerosole mit dem neu entwickelten System über einem Birkenwald gesammelt und im Labor mit Hilfe mikroskopischer Instrumente charakterisiert und auf ihre Eisnukleationsaktivität untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Mehrheit der gesammelten Aerosole auto-fluoreszierende Eigenschaften aufweisen, was auf einen biologischen Ursprung hinweist. Es wurden vor allem direkt unter der Baumkronenhöhe Eisnukleationskonzentrationen in der Luft detektiert, die im Vergleich zu den Baumextrakten ein ähnliches Gefrierverhalten aufweisen. Birkenpollen zählen zur Gruppe der primären biologischen Aerosolpartikel und wurden in den letzten Jahrzehnten intensiv untersucht, nicht nur weil sie als Eiskeime oder Kondensationskeime die Wolkenbildung beeinflussen können, sondern auch wegen ihrer Eigenschaft Allergien auszulösen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Fähigkeit der Pollen Subpollenpartikel, die theoretisch längere Verweilzeiten in der Luft aufweisen, freizusetzen unter verschiedenen Bedingungen untersucht. Ergebnisse weisen darauf hin, dass diese Subpartikel nicht eisnukleationsaktiv sind, jedoch als Transportmittel für Birken-Eiskeime fungieren könnten.Weiters wurden wasserlösliche Bestandteile von Birkenpollen intensiv mittels Fluoreszenzspektroskopie, Bradford und Enzym-Assays untersucht. Ergebnisse zeigen, dass Proteine eine entscheidende Rolle in der Eisnukleationsaktivität von Birkenpollen spielen.Aus den Resultaten dieser Arbeit wird ersichtlich, dass Betula pendula und Pinus sylvestris Bäume als Emissionsquelle für Eisnukleationskeime dienen und dies nicht nur während der Pollenzeit, sondern auch im Laufe des Jahres, speziell bei Regenfällen.