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B. G. Pummer:
"Ice nucleation activity of pollen and fungal spores";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): H. Grothe, T. Loerting; E165: Institut für Materialchemie, 2013; Rigorosum: 14.06.2013.

Wird flüssiges Wasser auf Temperaturen unter 273.15 K (0°C) abgekühlt, ist es thermodynamisch von Vorteil, wenn es zu Eis gefriert. Dafür müssen sich Cluster von Wassermolekülen entsprechend anordnen und wachsen. Da dieser Prozess, genannt Eisnukleation, kinetisch gehemmt ist, kann flüssiges Wasser bis zu 230 K unterkühlt werden. Allerdings gibt es mehrere Arten von kleinen Partikeln, welche die Phasenumwandlung katalysieren und bei viel höheren Temperaturen Eisbildung auslösen. Diese Partikel, sogenannte Eiskeime, fördern die Bildung von Eiswolken in der Atmosphäre. Da Eiswolken von hoher Bedeutung für Klima und Wetter sind (z.B. für den Strahlungshaushalt und die Bildung von Niederschlag), ist es für Modellrechnungen von Bedeutung, die Eiskeimaktivität der verschiedenen atmosphärischen Aerosole zu kennen. Mineralische und bakterielle Eiskeime wurden bereits intensiv untersucht, daher befasst sich diese Arbeit mit Pollen und Pilzsporen, die in der Atmosphäre anzutreffen sind.
Um Information über die Eisnukleation zu gewinnen, wurde das Gefrieren von flüssigen Wolken, die mit Bioaerosolen versetzt wurden, im Labor simuliert. Es zeigte sich, dass einige Arten von Pollen und Pilzsporen signifikante Eisaktivität besitzen, während viele andere kaum bis gar nicht aktiv sind.
Um weitere Informationen über die Eisnukleation von Pollen zu gewinnen, wurden die Proben mit elektronenmikroskopischen, spektroskopischen und nasschemischen Methoden untersucht. Die Messungen zeigten, dass die Eisaktivität von Pollen durch einzelne Makromoleküle ausgelöst wird, und nicht durch die ganzen Pollenkörner. Des Weiteren wurde der Einfluss der Kultivierungsbedingungen auf die Eiskeim-Fähigkeit von Pilzsporen untersucht.

If water is cooled down below 273.15 K (0°C, 32°F), freezing to ice is thermodynamically favored. For the freezing, clusters of water molecules have to arrange properly and grow. As this process, called ice nucleation (IN*), is kinetically hindered, liquid water can be supercooled down to 230 K. However, there are different types of micro- and nanosized particles which catalyze the phase transition and cause ice formation at far higher temperatures. These particles, so-called ice nuclei (IN), enhance the formation of ice clouds in the atmosphere. As ice clouds are very important for climate and weather (e.g. for the radiation budget and precipitation formation), it is essential for climate modeling to know the IN* potential of different atmospheric aerosols. As mineral and bacterial IN have already been studied intensely, this thesis deals with pollen and fungal spores, which are abundant in the atmosphere.
To gain information about the IN*, the freezing of clouds, which were spiked with bioaerosols, was simulated in the laboratory. It was shown that some pollen and fungal spore species showed high IN* activity, while many others were weakly or not active.
For further information about the pollen IN, the samples were analyzed with electron microscopic, spectroscopic and wet-chemical methods. These measurements showed that the IN* activity of pollen is caused by single macromolecules rather than the whole pollen grains. Furthermore, the impact of cultivation conditions on the IN* potential of fungal spores was investigated.

ice nucleation, bioaerosols, pollen, fungi, cloud formation

http://www.ub.tuwien.ac.at/diss/AC07815705.pdf