Bioavailability and toxicity of chemicals in inland waters : the importance of prevailing water chemistry and implications for risk assessment

Physicochemical characterization of freshwater samples from Finland, Sweden, the Netherlands, and Spain revealed that water hardness and pH decreased and the quantity and quality of humic substances changed considerably in this geographical series from south to north. Since the ambient water chemistry may affect the availability of chemicals, the total aqueous concentration of a chemical may be insufficient to predict the bioconcentration, subsequent biological response, and thus risk. In addition, organisms could be affected directly by water quality characteristics. In this context the main objective of this thesis was to investigate the bioavailability of selected ecotoxicologically relevant chemicals (cadmium, benzo(a)pyrene, and pyrene) in various European surface waters and to show the importance of certain water chemistry characteristics in interpreting the bioavailability and toxicity results. The bioavailability of cadmium to Daphnia magna was examined in very soft humic lake water. Humic substances as natural ligands decreased the free and bioavailable proportion of cadmium in soft lake water. As a consequence the uptake rate and the acute toxicity decreased compared with the humic-free reference. When the hardness of humic lake water was artificially elevated, the acute toxicity of cadmium decreased, although the proportion of free cadmium increased. The decreased bioavailability of cadmium in hard water was a result of effective competition for uptake by the hardness cations, especially calcium ions. The protective role of humic substances and water hardness against cadmium toxicity was also observed in Lumbriculus variegatus, although D. magna was more sensitive to cadmium. The bioavailability of two polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), pyrene and benzo(a)pyrene, was studied in European surface waters of varying water chemistry. Humic substances acted as complexing ligands with both PAHs, but the bioavailability of the more lipophilic benzo(a)pyrene to D. magna was affected more by humic substances than that of pyrene. In addition, not only the quantity of humic substances, but also their quality affected the bioavailability of benzo(a)pyrene. Nevertheless, the humic substances played a protective role in the photo-enhanced toxicity of pyrene under UV-B radiation. Water hardness had no effect on pyrene toxicity. Results indicate that the typical physicochemical characteristics of boreal freshwaters should be considered carefully in local and regional risk assessment of chemicals concerning the Fennoscandian region.

Taxonomy and phylogeny of the manna lichens and allied species (Megasporaceae)

This dissertation is focused on the taxonomy, phylogeny, and ecology of the vagrant, erratic and allied terricolous and saxicolous species of the genera Aspicilia A. Massal. and Circinaria Link (Megasporaceae), particularly those traditionally referred to as manna lichens . The group has previously been defined on the basis of few morphological characters. The phylogeny of the family Megasporaceae is inferred from the combined dataset of nuLSU and mtSSU sequences. Five genera Aspicilia, Circinaria, Lobothallia, Megaspora, and Sagedia are recognized. Lobothallia is sister of the four other genera, while Aspicilia and Sagedia form the next clade. All these genera have small asci with eight spores. Circinaria is a sister genus of Megaspora, and these two have in common asci with (1 4) 6 8 large spores. Circinaria forms a monophyletic group and sphaerothallioid species form a monophyletic group within Circinaria. The presence of certain morphological characters such as pseudocyphellae, thickness of cortex and medulla layers, as well as ecological differences in sphaerothallioid species distinguish it from some other crustose species, especially those containing aspicilin and characterised by thin cortex and medulla layers, conidium length c. 6 12 µm and absence of pseudocyphellae. If sphaerothallioid species are accepted as a distinct genus, the rest of the Circinaria species would remain as a paraphyletic assemblage. Currently, the genus Circinaria includes all the sphaerothallioid species and its generic position is confirmed and accepted. Thus, it is proposed as a correct generic name also for the manna lichens described originally in other genera. Phylogeny at the species level was studied using nrITS sequence data. Traditionally, morphological characters have been used for the recognition of species. They were re-evaluated in the light of molecular data. Since characters such as vagrant, erratic and crustose growth forms proved to be misleading for the recognition of some species, a combination of several characters (including molecular data) is recommended. Vagrant growth form seems to have evolved several times among the distantly related lineages and even within a single population. The reasons behind the high plasticity in the external morphology of the sphaerothallioid Circinaria remain, however, unknown. Six new species are recognized: Aspicilia tibetica, Circinaria arida, C. digitata nom provis., C. gyrosa nom. provis., C. rogeri nom. provis., and C. rostamii nom. provis. Based on an analysis of nrITS dataset, three new erratic, vagrant and crustose species were also recognized, but these require additional study. The results also reveal that C. elmorei and C. hispida are not monophyletic as currently understood. In addition, 13 new combinations in the genus Circinaria are proposed.

Dracocephalum moldavica L. and Melissa officinalis L. : Chemistry and Bioactivities Relevant in Alzheimer’s Disease Therapy

Oksidatiivisen stressin eli liiallisen reaktiivisten happiyhdisteiden määrän soluissa on jo pitkään arveltu olevan tärkeä Alzheimerin taudin kehittymiseen ja etenemiseen vaikuttava tekijä. Tämän vuoksi kiinnostus erilaisten antioksidanttien (yhdisteitä, jotka neutraloivat näitä happiradikaaleja soluissa) mahdollisia terapeuttisia ominaisuuksia Alzheimerin taudin hoidossa on tutkittu laajalti. Tähän mennessä ei kuitenkaan ole vielä onnistuttu löytämään antioksidanttia, joka olisi hyödyksi Alzheimerin taudin hoidossa. Tämän vuoksi on tärkeää pyrkiä löytämään uusia antioksidanttien lähteitä sekä tutkia niistä löytyviä aktiivisia yhdisteitä. Kiinnostus luonnon antioksidantteja kohtaan on kasvanut voimakkaasti viime aikoina. Huomio on kiinnittynyt erityisesti aromaattisista sekä lääkekasveista löytyviin antioksidantteihin. Lamiaceae- perheeseen kuuluvia tuoksuampiaisyrttiä (Dracocephalum moldavica L.) ja sitruunamelissaa (Melissa officinalis L.) on käytetty Iranissa pitkään sekä ruoanlaitossa että lääkinnässä, minkä vuoksi näiden kasvien uutteiden antioksidanttisisältöä päätettiin analysoida käyttäen useaa erilaista in vitro- menetelmää. Näissä kokeissa ilmeni, että uutteilla oli useita antioksidanttisia vaikutuksia. Näistä antioksidanttisista vaikutuksista vastaavia yhdisteitä pyrittiin tunnistamaan käyttäen HPLC-PDA- tekniikkaa, minkä seurauksena niiden havaittiin sisältävän erilaisia polyfenoleita, kuten hydroksyloituneita bentsoeeni- ja cinnamamidihapon johdannaisia sekä flavonoideja. Kummankin kasvin uutteissa runsaimmin esiintynyt yhdiste oli rosmariinihappo. Sitruunamelissaa (M. officinalis) on käytetty antiikin ajoista alkaen kognitiivisten toimintojen häiriöiden hoidossa. Perustuen tietoon kasvin käytöstä perinteisessä lääkinnässä, sen tehoa Alzheimerin taudin hoidossa on tutkittu viime aikoina kliinisin kokein. Sitruunamelissan todettiinkin olevan hyödyksi lievää ja keskivaikeaa Alzheimeimerin tautia sairastavien potilaiden hoidossa. Väitöskirjan osanan olevasta kooste-artikkelista käy ilmi, että tutkimalla lääkekasvien ominaisuuksia voidaan saada arvokkaita suuntaa-antavia vihjeitä Alzheimerin taudin lääkehoidon kehittämiseen. Tämän perusteella päätettiinkin testatata myös sitruunamelissauutteen kykyä estää asetyylikoliiniesteraasin (AChE) toimintaa, koska tämän entsyymin toiminna estämisen tiedetään olevan hyödyksi Alzheimerin taudin hoidossa. Uute kykeni estämään AChE:n toimintaa, minkä vuoksi uutteen sisältämiä komponentteja päätettiin tutkia terkemmin. Uute jaettiin erilaisiin fraktioihin käyttäen HPLC-menetelmää, minkä jälkeen testattiin jokaisen fraktion kykyä inhiboida AchE. Suurin osa fraktioista kykeni inhiboimaan AChE:n toimintaa selkeästi tehokkaammin, kuin raakauute. Kaikista tehokkainta fraktiota analysoitiin tarkemmin sen aktiivisten yhdisteiden tunnistamiseksi, minkä seurauksena sen sisältämät yhdisteet tunnistettiin cis ja trans-rosmariinihapoiksi. Tässä tutkimuksessa tunnistettujen yhdisteiden hyödyllisyyttä Alzheimerin taudin hoidossa tulisi seuraavaksi tutkia erilaisissa in vivo-malleissa. Lisäksi jäljellä olevien fraktioiden kemiallinen koostumus tulisi selvittää sekä antioksidanttiaktiivisuuden ja AChE:n toiminnan inhiboinnin välistä mahdollista yhteyttä tulisi tutkia tarkemmin. Tämä tutkimus osoittaa tuoksuampiasyrtin (D. moldavica) sekä sitruunamelissan (M. officinalis) sisältävän monenlaisia aktiivisia antioksidantteja. Lisäksi sitruunamelissan sisältämät yhdisteet kykenivät estämään asetyylikoliiniesteraasin (AchE) toimintaa. Nämä tulokset tukevat osaltaan väitöskirjan osana olevan kooste-artikkelin johtopäätöksiä, joiden mukaan etnofarmakologinen kasvitutkimus voi osoittautua erittäin hyödylliseksi kehitettäessä uutta lääkehoitoa Alzheimerin tautiin. Lisäksi tässä väitöskirjassa kuvattu tutkimus osoittaakin, että perinteisesti lääkekasvina käytettyä sitruunamelissaa voidaan mahdollisesti hyödyntää uusien Alzheimerin taudin hoitoon käytettävien lääkkeiden kehityksessä.

Acidification of lakes in Finland : regional estimates of lake chemistry and critical loads

Yhteenveto: Järvien happamoituminen Suomessa: Alueellinen vedenlaatu ja kriittinen kuormitus

Analysis of forest soil chemistry and hydrology with a dynamic model ACIDIC.

In this study we analyze how the ion concentrations in forest soil solution are determined by hydrological and biogeochemical processes. A dynamic model ACIDIC was developed, including processes common to dynamic soil acidification models. The model treats up to eight interacting layers and simulates soil hydrology, transpiration, root water and nutrient uptake, cation exchange, dissolution and reactions of Al hydroxides in solution, and the formation of carbonic acid and its dissociation products. It includes also a possibility to a simultaneous use of preferential and matrix flow paths, enabling the throughfall water to enter the deeper soil layers in macropores without first reacting with the upper layers. Three different combinations of routing the throughfall water via macro- and micropores through the soil profile is presented. The large vertical gradient in the observed total charge was simulated succesfully. According to the simulations, gradient is mostly caused by differences in the intensity of water uptake, sulfate adsorption and organic anion retention at the various depths. The temporal variations in Ca and Mg concentrations were simulated fairly well in all soil layers. For H+, Al and K there were much more variation in the observed than in the simulated concentrations. Flow in macropores is a possible explanation for the apparent disequilibrium of the cation exchange for H+ and K, as the solution H+ and K concentrations have great vertical gradients in soil. The amount of exchangeable H+ increased in the O and E horizons and decreased in the Bs1 and Bs2 horizons, the net change in whole soil profile being a decrease. A large part of the decrease of the exchangeable H+ in the illuvial B horizon was caused by sulfate adsorption. The model produces soil water amounts and solution ion concentrations which are comparable to the measured values, and it can be used in both hydrological and chemical studies of soils.