中国科学院微生物研究所

技术转移转化中心

                                   

                   

2022年冬奥会上人工造雪,微生物来帮忙

   北京联合张家口于2015731成功获得了2022年冬奥会主办权,节能环保是北京申奥的一大理念和目标。北京没有气候上的优势,必将使用最先进的造雪技术进行人工造雪,这就需要我们的微生物来大显身手。那冬奥会用雪和微生物又有什么关系呢?这还要从冰的形成开始说起。

我们通常都会认为,水在零下几度就会结冰,而实际上,对纯水来说,在-40仍然可能保持液体状态。我们通常观察到的自然降水降雪及结冰现象能够实现是因为有一种叫做“冰核”物质的外力帮助。冰核存在是结冰发生的初始条件,如空气中的固体颗粒物,可以作为晶核而凝结水分子,使其整齐排列,进而诱发结冰过程的形成。冰核可以是无机物,有机物等非生物,也可以是生物。不同种类冰核物质催化水结冰的成核温度差异很大,上面提到,纯水需要在近-40才能结冰;而含其他无机冰核如灰尘,沙子,矿物质的水在-8左右结冰;自然界中存在着具有很高冰核活性的微生物,它们可以诱导水的冰点升高,具有在较高温度下-2~5下形成规则,细腻,微小异质冰晶的能力。

冰核活性微生物的发现始于上世纪70年代,科学家在研究植物疾病时,收集了云层之上的空气样本,发现了一种细菌-丁香假单胞菌,这种细菌把“结冰”当成攻击植物的手段,在温度较高的时候,细菌能够激发蛋白质“造冰”,以冻坏植物,窃取他们所需要的养分。当细菌感染植物后,它们会以颗粒的形式飞入空气里,同时形成冰晶进行传播并增长,这就是人们看到的降雪。当冰晶在空中融化并落下,就是我们看到的雨水。细菌这种能在气温高于0时造雪的功能,显然是其他粉尘烟灰所不具备的。继丁香假单胞菌后,科学家又分别发现了欧文氏菌属和黄单胞菌属等属中的一些种也具有冰核活性。冰核活性细菌形成的冰核是由冰核蛋白诱导产生的,冰核蛋白是冰核活性微生物分泌并附着于细胞外膜上的一种表达特异性蛋白质,是一种糖脂蛋白复合物。冰核活性生物正是以这种蛋白中的重复序列作为模板,从而将水分子排列成细腻的冰核。

冰核微生物具有的能在零上温度时有效地开始结冰的能力,可大大降低能源消耗,也使其在较大范围内产生了巨大的商业潜势和价值。迄今为止,冰核活性细菌和冰核蛋白最大的商业应用是人工造雪造雨及其应用技术,具有高效低价和环保的优势。

美国人Worerpel等人用冰核细菌研究成功人工造雪催化剂(Snomax生物冰核剂)的产品,并于1980年申请美国专利。能在温度1.1时有效地进行人工生物造雪,在利用标准造雪设备时提高成雪温度;产生的雪没有冰块,雪粒不会因结冰相互粘连,产出的晶体非常紧实,其结构可抗物理撞击,造雪质量大大提高,其密度和干湿度都很适合滑雪用。使用270 g Snomax冰核剂便能使378.5吨水形成人造雪,生物造雪的密度下降了10%-15%,能使任何造雪系统造出的雪量提高25%-60%。由于Snomax使得造雪机喷出的水基本全部转化为雪,不含液态水,相同的水量可以制造出更多的雪,有效的保护了水资源。1985年在加拿大卡尔加利冬奥会和1994年挪威里利哈默冬奥会使用人工生物造雪以后,人工生物造雪剂的应用遍及全球,已经广泛应用于世界多地的滑雪场,从未对环境造成不良影响,并已经通过了多个政府机构的审核。同时由于可以在较高的温度下使水结冰的性能,延长了造雪季节,使滑雪场的营运时间加长,也可以快速的从解冻和下雨的天气中复原。现在北美洲,南美洲,澳洲和新西兰,日本,欧洲的滑雪场都广泛应用了生物冰核剂以制造生物雪,市场前景非常广阔。

中国科学院微生物研究所技术转移转化中心联合研究所工业室共同承担了“利用微生物冰核蛋白进行高效人工造雪的技术研发”课题,并获得北京市科委城市环保节能专项资助,目标是重点首要保障2022年北京冬奥会用雪,创立人工造雪的自主知识产权品牌。

采用高效雪核造雪可以推广节能节水的更加环保的人工造雪设备与工艺,更好地体现科技奥运的理念。除了人工造雪外,冰核蛋白还可以广泛应用于天气修饰,减少自然灾害等方面。由于大气中自然存在的冰核很少在-10以上具有冰核活性,因此播撒云种子进行大雾和云层驱散,人工增雨以及抑制冰雹形成上都是颇有成效的。生物冰核技术和方法还可以广泛应用于户外人造冷库,热量贮藏,极地冰体结构和冷冻结晶和水质纯化,盐水净化,食品保鲜和冷藏及分子生物学等领域。发展生物冰核及其应用技术已成为节能减排的最有效的生物技术之一。生物冰核及其应用技术将是未来重要的,独一无二的新一代生物技术,其将全面替代传统的化学冰核。中科院微生物研究所有望开发出自主知识产权的人工降雪产品,预计能够显著降低造雪耗能,提高人工造雪质量,并在此基础上继续进行示范和推广应用以及在其他应用领域开发相关产品