Lantibiotic Nisin and Its Detection Methods

The type A lantibiotic nisin produced by several Lactococcus lactis strains, and one Streptococcus uberis strainis a small antimicrobial peptide that inhibits the growth of a wide range of gram-positive bacteria, such as Bacillus, Clostridium, Listeria and Staphylococcus species. It is nontoxic to humans and used as a food preservative (E234) in more than 50 countries including the EU, the USA, and China. National legislations concerning maximum addition levels of nisin in different foods vary greatly. Therefore, there is a demand for non-laborious and sensitive methods to identify and quantify nisin reliably from different food matrices. The horizontal inhibition assay, based on the inhibitory effect of nisin to Micrococcus luteus is the base for most quantification methods developed so far. However, the sensitivity and accuracy of the agar diffusion method is affected by several parameters. Immunological tests have also been described. Taken into account the sensitivity of immunological methods to interfering substances within sample matrices, and possible cross-reactivities with lantibiotics structurally close to nisin, their usefulness for nisin detection from food samples remains limited. The proteins responsible for nisin biosynthesis, and producer self-immunity are encoded by genes arranged into two inducible operons, nisA/Z/QBTCIPRK and nisFEG, which also contain internal, constitutive promoters PnisI and PnisR. The transmembrane histidine kinase NisK and the response regulator NisR form a two-component signal transduction system, in which NisK autophosphorylates after exposure to extra cellular nisin, and subsequently transfers the phosphate to NisR. The phosphorylated NisR then relays the signal downstream by binding to two regulated promoters in the nisin gene cluster, i.e the nisA/Z/Qand the nisF promoters, thus activating transcription of the structural gene nisA/Z/Q and the downstream genes nisBTCIPRK from the nisA/Z/Q promoter, and the genes nisFEG from the nisF promoter. In this work two novel and highly sensitive nisin bioassays were developed. Both of these quantification methods were based on NisRK mediated, nisin induced Green Fluorescent Protein (GFP) fluorescence. The suitabilities of these assays for quantifica¬tion of nisin from food samples were evaluated in several food matrices. These bioassays had nisin sensitivities in the nanogram or picogram levels. In addition, shelf life of nisin in cooked sausages and retainment of the induction activity of nisin in intestinal chyme (intestinal content) was assessed.

Developments and Microbiological applications in African foods: Emphasis on Nigerian Wara cheese

African indigenous foods have received limited research. Most of these indigenous foods are fermented and they form part of the rich nutritional culture of many groups in African countries. The industrialization and commercialisation of these indigenous African fermented foods should be preceded by a thorough scientific knowledge of their processing which can be vital in the elimination of hunger and poverty. This study highlighted emerging developments and the microbiology of cereal-based and cassava-based food products that constitute a major part of the human diet in most African countries. In addition, investigations were also carried out on the coagulant of the Calotropis procera plant used in traditional production of Nigerian Wara cheese and on the effects of adding a nisin producing Lactococcus lactis strain originating from human milk to Nigerian Wara cheese. Fermented cereal-based food such as ogi utilize popular African and readily available grains maize, millet or sorghum as substrates and is popular as a weaning diet in infants. In this study, the bulkiness caused by starch gelatinization was solved by amylase treatments in the investigation on cooked and fermented oat bran porridge. A similar treatment could reduce the viscosity of any cereal porridge. The properties of the Sodom apple leaves (Calotropis procera) extract in cheesemaking were studied. C. procera was affected by monovalent (K+ and Na+) and divalent (Mg2+ and Ca2+) cations during coagulation. The rennet strength of this coagulant was found to be 7 % compared to animal rennet at 35 °C. Increasing the incubation temperature to 70 °C increased the rennet strength 28-fold. The molecular weight of the partially purified protease was determined by SDS-PAGE and was confirmed by Zymography to be approximately 60 kilodaltons. The high proteolytic activity at 70 °C supported the suitability of the protease enzyme as a coagulant in future commercial production of Nigerian Wara cheese. It was also possible to extend the shelf life of Wara cheese by a nisin producing lactic acid bacteria Lactococcus lactis LAC309. The levels of nisin in both whey and curd fractions of Wara were investigated, results showed a 3 log reduction of toxicogenic Bacillus licheniformis spiked on Wara after 3 days. These studies are the first in Finland to promote the advancement of scientific knowledge in African foods. Recognizing these indigenous food products and an efficient transfer of technology from the developed countries to industrialize them are necessary towards a successful realization of the United Nations Millenium Development Program.

Preparation, structural analysis and prebiotic potential of arabinoxylo-oligosaccharides

Arabinoxylo-oligosaccharides (AXOS) can be prepared enzymatically from arabinoxylans (AX) and AXOS are known to possess prebiotic potential. Here the structural features of 10 cereal AX were examined. AX were hydrolysed by Shearzyme® to prepare AXOS, and their structures were fully analysed. The prebiotic potential of the purified AXOS was studied in the fermentation experiments with bifidobacteria and faecal microbiota. In AX extracted from flours and bran, high amounts of a-L-Araf units are attached to the b-D-Xylp main chain, whereas moderate or low degree of substitution was found from husks, cob and straw. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy showed that flour and bran AX contain high amounts of a-L-Araf units bound to the O-3 of b-D-Xylp residues and doubly substituted b-D-Xylp units with a-L-Araf substituents at O-2 and O-3. Barley husk and corn cob AX contain high amounts of b-D-Xylp(1→2)-a-L-Araf(1→3) side chains, which can also be found in AX from oat spelts and rice husks, and in lesser amounts in wheat straw AX. Rye and wheat flour AX and oat spelt AX were hydrolysed by Shearzyme® (with Aspergillus aculeatus GH10 endo-1,4-b-D-xylanase as the main enzyme) for the production of AXOS on a milligram scale. The AXOS were purified and their structures fully analysed, using mass spectrometry (MS) and 1D and 2D NMR spectroscopy. Monosubstituted xylobiose and xylotriose with a-L-Araf attached to the O-3 or O-2 of the nonreducing end b-D-Xylp unit and disubstituted AXOS with two a-L-Araf units at the nonreducing end b-D-Xylp unit of xylobiose or xylotriose were produced. Xylobiose with b-D-Xylp(1→2)-a-L-Araf(1→3) side chain was also purified. These AXOS were used as standards in further identification and quantification of corresponding AXOS from the hydrolysates in high-performance anion-exchange chromatography with pulsed amperometric detection (HPAEC-PAD) analysis. The prebiotic potential of AXOS was tested in in vitro fermentation experiments. Bifidobacterium adolescentis ATCC 15703 and B. longum ATCC 15707 utilized AXOS from the AX hydrolysates. Both species released L-arabinose from AXOS, but B. adolescentis consumed the XOS formed, whereas B. longum fermented the L-arabinose released. The third species tested, B. breve ATCC 15700, grew poorly on these substrates. When cultivated on pure AXOS, the bifidobacterial mixture utilized pure singly substituted AXOS almost completely, but no growth was detected with pure doubly substituted AXOS as substrates. However, doubly substituted AXOS were utilized from the mixture of xylose, XOS and AXOS. Faecal microbiota utilized both pure singly and doubly substituted AXOS. Thus, a mixture of singly and doubly substituted AXOS could function as a suitable, slowly fermenting prebiotic substance. This thesis contributes to the structural information on cereal AX and preparation of mono and doubly substituted AXOS from AX. Understanding the utilization strategies is fundamental in evaluating the prebiotic potential of AXOS. Further research is still required before AXOS can be used in applications for human consumption.

Degradation of lignin and other 14C-labelled compounds in compost and soil with an emphasis on white-rot fungi

Puu, ruohokasvit ja näistä tehdyt tuotteet kuten mekaanisesta massasta valmistettu sanomalehtipaperi sisältävät ligniiniä, joka hajoaa yleensä hyvin hitaasti luonnossa. Valkolahosienet hajottavat ligniiniä tehokkaimmin, ja koska niiden tuottamat entsyymit hajottavat myös muita vaikeasti hajoavia yhdisteitä, voidaan valkolahosienten avulla mahdollisesti puhdistaa saastuneita maita. Tässä työssä haluttiin selvittää, säilyttävätkö valkolahosienet (Abortiporus biennis, Bjerkandera adusta, Dichomitus squalens, Phanerochaete chrysosporium, Phanerochaete sordida, Phlebia radiata, Pleurotus ostreatus, Trametes hirsuta ja Trametes versicolor) aktiivisuutensa ja kasvavatko ne maassa. Aktiivisuutta mitattiin seuraamalla sienten synteettisen ligniinin (14C-DHP) hajotuskykyä. T. versicolor (silkkivyökääpä) osoittautui tehokkaimmaksi ligniinin hajottajaksi ja sen pentakloorifenolin (PCP) hajotuskykyä tutkittiin erillisessä kokeessa. Entiset tai pitkään käytössä olleet saha-alueet ovat yhä saastuneet puun käsittelyaineista peräisin olevilla kloorifenoleilla. Biohajoavien muovien kehitystyö sekä kompostoinnin yleistyminen jätteiden käsittelymenetelmänä ovat luoneet tarpeen materiaalien biohajoavuuden määrittämiseen. Euroopan standardisoimisjärjestön (CEN) kontrolloidussa kompostitestissä biohajoavuus määritetään materiaalin hajoamisen aikana muodostuvan hiilidioksidin perusteella. Hiilidioksidin tuotto mitataan sekä näytettä sisältävästä kompostista että kompostista ilman näytettä, ja tällöin oletetaan, että kompostin orgaaninen aines molemmissa komposteissa (tausta) tuottaa yhtä paljon hiilidioksidia. Testin puutteeksi saattaa osoittautua kompostissa tai maassa esiintyvä "priming effect". Tällä tarkoitetaan materiaalin lisäämisen jälkeen esiintyvää epänormaalin suurita tai pientä hiilidioksidin muodostusta, minkä seurauksena testin tulosksena saatava biohajoavuus on virheellinen. Ligniinin hajotessa muodostuu enemmän humusta kuin hiilidioksidia, koska ligniini on humuksen tärkein lähtöaine. Näin ollen ligniiniä sisältävät paperituotteet saattavat testin mukaan vaikuttaa biologisesti hajoamattomilta. Valkolahosienet hajottivat 4-23% ligniinistä hiilidioksidiksi ja T. versicolor 29% PCP:sta. Kompostissa ligniini hajosi hiilidioksidiksi 58°C:ssa huomattavasti vähemmän (8%) kuin lämpötiloissa 35°C ja 50°C (23-24%). Kompostin todennäköisesti tärkeimpien ligniinin hajottajien, termofiilisten sienten, tyypillinen optimilämpötila on 45°C, eivätkä ne ole enää aktiivisia 58°C:ssa. Sekä maassa että kompostissa ligniini sitoutui kuitenkin suurimmaksi osaksi humukseen. Valkolahosienet hajottivat sekä humukseen sitoutunutta ligniiniä että PCP:ia, mutta kompostin sekapopulaatio ei tähän pystynyt, ja ligniiniä sitoutui humukseen yhä enemmän kompostoinnin aikana. T. versicolor hajotti PCP:ia tehokkaasti, eikä se tuottanut myrkyllisiä kloorianisoleja, joita jotkut valkolahosienet saattavat muodostaa kloorifenoleista. Priming effect ilmiötä tutkittiin eri ikäisissä ja kypsyydeltään erilaisissa komposteissa. Kompostit erosvat toisistaan myös hajoamattoman jätteen määrän ja mikrobipopulaation suhteen. Negatiivinen priming effect havaittiin kaikissa epästabiileissa komposteissa (ikä enintään 6 kk), ja sen lisäksi yhdessä näistä komposteista positiivinen priming effect kokeen lopussa. Stabiileissa komposteissa (ikä vähintään 6 kk) ilmiötä ei sen sijaan havaittu. Epästabiileissa komposteissa biohajoavuudelle saadut tulokset eivät siis ole luotettavia. Työn tulosten perusteella valkolahosienet, ja erityisesti T. versicolor, ovat lupaavia saastuneen maan puhdistukseen, joskin sienirihmaston mahdollisuudet säilyä aktiivisena maan alkuperäisen mikrobipopulaation kanssa täytyy vielä selvittää. Kompostin sekapopulaatio, joka ei sisällä valkolahosieniä, hajotti ligniiniä yllättävän tehokkaasti termofiilisille sienille sopivissa lämpötiloissa, vaikka ligniini sitoutuikin pääasiallisesti humukseen. Kompostin kypsyys osoittautui tärkeäksi tekijäksi kontrolloidun kompostitestin onnistumisen kannalta. Priming effect ilmiön välttämiseksi on varmistettava, että testissä käytetty komposti on riittävän kypsä. Kompostien mikrobipopulaation koostumusta kompostoinnin eri vaiheissa tulisi tarkemmin selvittää, koska stabiilien ja epästabiilien kompostien ero aiheutui todennäköisesti populaatioiden rakenteessa vallitsevista eroista. Näin myös priming effect ilmiön syyt voitaisiin selittää paremmin.

Genetic diversity and microcystin production by Anabaena in the Gulf of Finland, Baltic Sea

Syanobakteerit (sinilevät) ovat olleet Itämeressä koko nykymuotoisen Itämeren ajan, sillä paleolimnologiset todisteet niiden olemassaolosta Itämeren alueella ovat noin 7000 vuoden takaa. Syanobakteerien massaesiintymät eli kukinnat ovat kuitenkin sekä levinneet laajemmille alueille että tulleet voimakkaimmiksi viimeisten vuosikymmenien aikana. Tähän on osasyynä ihmisten aiheuttama kuormitus, joka rehevöittää Itämerta. Suomenlahti, jota tämä tutkimus käsittelee, on kärsinyt tästä rehevöitymiskehityksestä muita Itämeren altaita enemmän. Syanobakteerit muodostavat jokakesäisiä kukintoja Suomenlahdella - niin sen avomerialueilla kuin rannoillakin. Yleisimmät kukintoja muodostavat syanobakteerisuvut ovat Nodularia, Anabaena ja Aphanizomenon. Kukinnat aiheuttavat paitsi esteettistä haittaa myös terveydellisen riskitekijän. Niiden myrkyllisyys liitetään usein Nodularia-suvun tuottamaan nodulariini-maksamyrkkyyn. Itämeren Aphanizomenon-suvun on todettu olevan myrkytön. Vaikka Itämeren kukintoja aiheuttavista Nodularia- ja Aphanizomenon-syanobakteereista tiedetään varsin paljon, on molekyylimenetelmiin pohjautuva syanobakteeritutkimus ohittanut Itämeren Anabaena-suvun monelta osin. Tämän työn tarkoituksena oli syventää käsitystämme Itämeren Anabaena-syanobakteerista, sen mahdollisesta myrkyllisyydestä, geneettisestä monimuotoisuudesta ja fylogeneettisista sukulaisuussuhteista. Tässä työssä eristettiin 49 planktista Anabaena-kantaa, joista viisi tuottivat mikrokystiinejä. Tämä oli ensimmäinen yksiselitteinen todiste, että Itämeren Anabaena tuottaa maksamyrkyllisiä mikrokystiini-yhdisteitä. Jokainen eristetty myrkyllinen Anabaena-kanta tuotti useita mikrokystiini-variantteja. Lisäksi mikrokystiinejä löydettiin kukintanäytteistä, joissa oli myrkkyä syntetisoivia geenejä sisältäneitä Anabaena-syanobakteereita. Myrkkyjä löydettiin molempina tutkimusvuosina 2003 ja 2004. Myrkkyjen esiintyminen ei siten ollut vain yksittäinen ilmiö. Tässä työssä saimme viitteitä siitä, että maksamyrkyllinen Anabaena-syanobakteeri esiintyisi vähäsuolaisissa vesissä. Tämä riippuvuussuhde jää kuitenkin tulevien tutkimuksien selvitettäväksi. Tässä työssä havaittiin mikrokystiinisyntetaasi-geenien inaktivoituminen Itämeren Anabaena-kannassa ja kukintanäytteissä. Kuvasimme Anabaena-kannan mikrokystiinisyntetaasigeenien sisältä insertioita, jotka hyvin todennäköisesti inaktivoivat myrkyntuoton. Insertion sisältäneeltä kannalta löysimme kuitenkin kaikki mikrokystiinisyntetaasigeenit osoittaen, että geenien olemassaolo ei välttämättä varmista kannan mikrokystiinintuottoa. Mielenkiintoista oli se, että inaktivaation aiheuttavia insertioita löytyi kukintanäytteistä molemmilta tutkimusvuosilta. Vastaavia insertioita ei kuitenkaan löydetty makean veden Anabaena-kannoista tai järvinäytteistä. On yleistä, että syanobakteerikukinnoista löytyy usean syanobakteerisuvun edustajia. Myrkyllisiä sukuja tai lajeja ei voida kuitenkaan erottaa mikroskooppisesti myrkyttömistä. Käsillä olevassa tutkimuksessa kehitettiin molekyylimenetelmä, jolla on mahdollista määrittää kukinnan mahdollisesti maksamyrkylliset syanobakteerisuvut. Tätä menetelmää sovellettiin Itämeren kukintojen tutkimiseen. Itämeren pintavesistä ja ranta-alueiden pohjasta eristetyt Anabaena-kannat osoittautuivat geneettisesti monimuotoisiksi. Tämä Anabaena-syanobakteerien geneettinen monimuotoisuus vahvistettiin monistamalla geenejä suoraan kukintanäytteistä ilman kantojen eristystä. Makeiden vesien ja Itämeren Anabaena-kannat ovat geneettisesti hyvin samankaltaisia. Geneettisissä vertailuissa kävi kuitenkin ilmi, että pohjassa elävien Anabaena-kantojen geneettinen monimuotoisuus oli suurempaa kuin pintavesistä eristettyjen kantojen. Itämeren Anabaena-kantojen sekvenssit muodostivat omia ryhmiä sukupuun sisällä, jolloin on mahdollista, että nämä edustavat Itämeren omia Anabaena-ekotyyppejä. Tämä tutkimus oli ensimmäinen, jossa uusin molekyylimenetelmin systemaattisesti selvitettiin Itämeren Anabaena-syanobakteerin geneettistä populaatiorakennetta, fylogeniaa ja myrkyntuottoa. Tulevaisuudessa monitorointitutkimuksissa on otettava huomioon myös Itämeren Anabaena-syanobakteerin mahdollinen maksamyrkyntuotto – erityisesti vähäsuolaisemmilla rannikkovesillä.

Streptococcus milleri -ryhmä : Tunnistus lajitasolle ja esiintyvyys tietyissä infektioissa

S. milleri -ryhmän bakteerit ovat osa ihmisen suun, nielun, suoliston ja genitaalialueen normaaliflooran bakteeristoa. Kommensaalien lisäksi ryhmään kuuluu myös merkittäviä patogeenejä, jotka esiintyvät varsin runsaina löydöksinä monenlaisissa märkivissä infektioissa. Ryhmään kuuluu kolme lajia: S. anginosus, S. constellatus ja S. intermedius. Lajit ovat varsin samankaltaisia ja raportoidaankin usein vain ryhmänimellä. Lajit ovat kuitenkin erotettavissa, sillä ne eroavat toisistaan tuottamiensa entsyymien suhteen ja esiintyvyydessään kehon eri osissa. Työn tarkoituksena oli tunnistaa erityyppisistä kliinisistä infektioista otetuista näytteistä eristettyjä S. milleri -ryhmään luokiteltuja kantoja lajitasolle ja selvittää niiden esiintymisyleisyyttä näissä infektioissa. Näytteenottopaikat jaettiin viiteen ryhmään: naisten urogenitaalialue (15 kantaa), miesten urogenitaalialue (8 kantaa), oraaliset (28 kantaa), umpisuoli (34 kantaa) ja "muut" (12 kantaa). Lajitunnistuksen lisäksi selvitettiin kantojen hemolyyttisyys ja mahdollinen Lancefield-seroryhmä (A, C, F, G). Lajien erottelu perustuu eroihin bakteerien kyvyissä hajottaa tiettyjä substraatteja (entsyymiprofilointi), hemolyyttisyys määritettiin verimaljalla ja seroryhmitys tehtiin kaupallisella vasta-aine-sakkautumistestillä (Streptex latex Z1- 50). Työssä testattiin käytössä olevia ja kehiteltiin uusia, lähinnä ennalta muodostuneiden entsyymien tunnistamiseen perustuvia erottelumenetelmiä. Vertailtavina oli kolme entsyymiprofiliontimenetelmää, joista yksi on fluorogeeninen (4-Metyyli-umbelliferyyli-subtraatit) ja kaksi kromogeenistä (Weetabs ja RoscoDiagnostic tablets). Kannoilta määritettiin seuraavat aktiivisuudet: ?-fukosidaasi, (?-glukosidaasi, glukosidaasi, ?-galaktosidaaasi, ?-N-asetyyli-galaktosaminidaasi, ?-N-asetyyli-glukosaminidaasi, sialidaasi ja hyaluronidaasi. Työhön sisältyy myös erilaisten kasvatusalustojen sekä pH:n vaikutusten arviointia bakteerienentsyymiaktiivisuuksiin ja testituloksiin. Lisäksi työssä testattiin kromatografisensoluseinärasvahappoanalyysin soveltuvuutta lajien erotteluun. Menetelmiä tarkasteltiin herkkyyden sekäkäytännön suorittamisen ja aiheutuvien kustannusten kannalta. Asetetut tavoitteet saavutettiin. Kaikki käytetyt menetelmät osoittautuivat toimiviksi. Entsyymitestien tuloksetkorreloivat keskenään ja kirjallisuuden kanssa hyvin. Kannat karakterisoitiin, tunnistettiin lajitasolle ja lajiensiintyvyyttä kehon eri osissa voitiin vertailla. Mikään entsyymitesti ei osoittautunut ylivoimaisesti parhaaksi tai huonoimmaksi, vaikkakin yksittäistensubstraattien kohdalla eri testien herkkyydet vaihtelivatkin huomattavasti. Rasvahappoanalyysi ei erotellutkantoja toivotulla tavalla, joten sen käytöstä luovuttiin työn melko varhaisessa vaiheessa. Tutkituista 97 S. milleri -kannasta tunnistettiin 58 S. anginosus-kantaa, 29 S. constellatus-kantaa ja 10 S.ntermedius-kantaa. Eri lajit noudattivat entsyymiprofiiliaan muutamaa poikkeusta lukuunottamatta hyvinkinsäännöllisesti. Lajien sisäinen variaatio hemolyysiominaisuuksissa oli merkittävää ja S. inilleri -ryhmän erilajien sekä hemolyysisltään ja seroryhmältään erilaisten kantojen esiintyvyydessä kehon eri osissa havaittiinselkeitä eroja. Avainsanat: entsyymiprofilointi, fluorogeeniset ja kromogeeniset substraatit, seroryhmä, hemolyysi, esiintyvyys

L-rhamnose-1-dehydrogenase gene and L-rhamnose catabolism in the yeast Pichia stipitis

The purpose of this work was to identify some of the genes of the catabolic route of L-rhamnose in the yeast Pichia stipitis. There are at least two distinctly different pathways for L-rhamnose catabolism. The one described in bacteria has phosphorylated intermediates and the enzymes and the genes of this route have been described. The pathway described in yeast does not have phosphorylated intermediates. The intermediates and the enzymes of this pathway are known but none of the genes have been identified. The work was started by purifying the L-rhamnose dehydrogenase, which oxidates L-rhamnose to rhamnonic acid-gamma-lactone. NAD is used as a cofactor in this reaction. A DEAE ion exchange column was used for purification. The active fraction was further purified using a non-denaturing PAGE and the active protein identified by zymogram staining. In the last step the protein was separated in a SDS-PAGE, the protein band trypsinated and analysed by MALDI-TOF MS. This resulted in the identification of the corresponding gene, RHA1, which was then, after a codon change, expressed in Saccharomyces cerevisiae. Also C- or N-terminal histidine tags were added but as the activity of the enzyme was lost or strongly reduced these were not used. The kinetic properties of the protein were analysed in the cell extract. Substrate specifity was tested with different sugars; L-rhamnose, L-lyxose and L-mannose were oxidated by the enzyme. Vmax values were 180 nkat/mg, 160 nkat/mg and 72 nkat/mg, respectively. The highest affinity was towards L-rhamnose, the Km value being 0.9 mM. Lower affinities were obtained with L-lyxose, Km 4.3 mM, and L-mannose Km 25 mM. Northern analysis was done to study the transcription of RHA1 with different carbon sources. Transcription was observed only on L-rhamnose suggesting that RHA1 expression is L-rhamnose induced. A RHA1 deletion cassette for P. stipitis was constructed but the cassette had integrated randomly and not targeted to delete the RHA1 gene. Enzyme assays for L-lactaldehyde dehydrogenase were done similarly to L-rhamnose dehydrogenase assays. NAD is used as a cofactor also in this reaction where L-lactaldehyde is oxidised to L-lactate. The observed enzyme activities were very low and the activity was lost during the purification procedures.

Land leasing, land degradation and agricultural productivity in Finland

This study analysed whether the land tenure insecurity problem has led to a decline in long-term land improvements (liming and phosphorus fertilization) under the Common Agricultural Policy (CAP) and Nordic production conditions in European Union (EU) countries such as Finland. The results suggests that under traditional cash lease contracts, which are encouraged by the existing land leasing regulations and agricultural subsidy programs, the land tenure insecurity problem on leased land reduces land improvements that have a long pay-back period. In particular, soil pH was found to be significantly lower on land cultivated under a lease contract compared to land owned by the farmers themselves. The results also indicate that land improvements could not be reversed by land markets, because land owners would otherwise have carried out land improvements even if not farming by themselves. To reveal the causality between land tenure and land improvements, the dynamic optimisation problem was solved by a stochastic dynamic programming routine with known parameters for one-period returns and transition equations. The model parameters represented Finnish soil quality and production conditions. The decision rules were solved for alternative likelihood scenarios over the continuation of the fixed-term lease contract. The results suggest that as the probability of non-renewal of the lease contract increases, farmers quickly reduce investments in irreversible land improvements and, thereafter, yields gradually decline. The simulations highlighted the observed trends of a decline in land improvements on land parcels that are cultivated under lease contracts. Land tenure has resulted in the neglect of land improvement in Finland. This study aimed to analyze whether these challenges could be resolved by a tax policy that encourages land sales. Using Finnish data, real estate tax and a temporal relaxation on the taxation of capital gains showed some potential for the restructuring of land ownership. Potential sellers who could not be revealed by traditional logit models were identified with the latent class approach. Those landowners with an intention to sell even without a policy change were sensitive to temporal relaxation in the taxation of capital gains. In the long term, productivity and especially productivity growth are necessary conditions for the survival of farms and the food industry in Finland. Technical progress was found to drive the increase in productivity. The scale had only a moderate effect and for the whole study period (1976–2006) the effect was close to zero. Total factor productivity (TFP) increased, depending on the model, by 0.6–1.7% per year. The results demonstrated that the increase in productivity was hindered by the policy changes introduced in 1995. It is also evidenced that the increase in land leasing is connected to these policy changes. Land institutions and land tenure questions are essential in agricultural and rural policies on all levels, from local to international. Land ownership and land titles are commonly tied to fundamental political, economic and social questions. A fair resolution calls for innovative and new solutions both on national and international levels. However, this seems to be a problem when considering the application of EU regulations to member states inheriting divergent landownership structures and farming cultures. The contribution of this study is in describing the consequences of fitting EU agricultural policy to Finnish agricultural land tenure conditions and heritage.

Factors affecting farmland prices in Finland

The purpose of the study was to analyse factors affecting the differences in land prices between regions. The key issue was to find out the policy effects on farmland prices. In addition to comprehensive literature review, a theoretical analysis as well as modern panel and spatial econometric techniques were utilized. The study clearly pointed out the importance of taking into account the possible spatial dependence. The data were exceptionally large, comprising more than 6 000 observations. Thus, it allowed a thorough econometric estimation including the possibility to take into account the spatial nature of the data. This study supports the view that there are many other factors that affect farmland prices besides pure agricultural returns. It was also found that the support clearly affects land prices. However, rather than assuming the discount rates for support and market returns to be similar, the rough analysis refers to the discount rate for support being a little lower. If this were true it would indicate that farmers rely more on support income than market returns. The results support the view presented in literature that land values are more responsive to government payments when these payments are perceived to be permanent. An important result of this study is that the structural differences between regions and the structural change in agriculture seemed to have a considerable role in affecting land prices. Firstly, the present structure affects the competition in the land market: the more dense farms are in the region the more there are potential buyers, and the land price increases. Secondly, the change in farm structure (especially in animal husbandry) connected to the policy changes that increase area-based support affects land prices. The effect comes from two sources. Growing farms need more land for the manure, and the proportion of retiring farmers may be lower. The introduction of the manure density variable proved to be an efficient way to aggregate the otherwise very difficult task of taking into account the environmental pressure caused by structural change in animal husbandry. Finally, infrastructure also has a very important role in determining the price level of agricultural land. If other industries are prospering in the surrounding area, agricultural viability also seems to improve. The non-farm opportunities offered to farm families make continuing and developing farming more tempting.

The success of the diversified farm : resource-based view

Farms and rural areas have many specific valuable resources that can be used to create non-agricultural products and services. Most of the research regarding on-farm diversification has hitherto concentrated on business start-up or farm survival strategies. Resource allocation and also financial success have not been the primary focus of investigations as yet. In this study these specific topics were investigated i.e. resource allocation and also the financial success of diversified farms from a farm management perspective. The key question addressed in this dissertation, is how tangible and intangible resources of the diversified farm affect the financial success. This study’s theoretical background deals with resource-based theory, and also certain themes of the theory of learning organisation and other decision-making theories. Two datasets were utilised in this study. First, data were collected by postal survey in 2001 (n = 663). Second, data were collected in a follow-up survey in 2006 (n = 439). Data were analysed using multivariate data analyses and path analyses. The study results reveal that, diversified farms performed differently. Success and resources were linked. Professional and management skills affected other resources, and hence directly or indirectly influenced success per se. In the light of empirical analyses of this study, tangible and intangible resources owned by the diversified farm impacted on its financial success. The findings of this study underline the importance of skills and networks for entrepreneur(s). Practically speaking all respondents of this study used either agricultural resources for non-farm businesses or non-farm resources for agricultural enterprises. To share resources in this way was seen as a pragmatic opportunity recognised by farmers. One of the downsides of diversification might be the phenomenon of over-diversification, which can be defined as the situation in which a farm diversifies beyond its optimal limit. The empirical findings of this study reveal that capital and labour resource constrains did have adverse effects on financial success. The evidence indicates that farms that were capital and labour resource constrained in 2001 were still less profitable than their ‘no problems’ counterparts five years later.

Hintakäsitykset funktionaalisista elintarvikkeista ja euron käyttöönoton vaikutus

Työn tavoitteena oli tutkia kuluttajien hintakäsityksiä funktionaalisista elintarvikkeista sekä euron käyttöönoton vaikutuksia niihin. Teoriaosassa tarkasteltiin funktionaalisen elintarvikkeen käsitettä ja sen hintaan liittyviä kysymyksiä erikoistuotteen näkökulmasta sekä kuluttajan hintakäsityksen muodostumisessa tärkeää osaa näyttelevää referenssihintaa ja sen vaikutuksia sekä teoreettista taustaa, erityisesti adaptaatiotasoteoriaa. Lisäksi tarkasteltiin euron mahdollisia vaikutuksia referenssihintaan sekä referenssihinnan roolia kuluttajan hintakäsityksen muodostumisessa. Työn empiirinen osa koostui kahdesta kyselytutkimuksesta, jotka suoritettiin ennen euron käyttöönottoa joulukuussa 2001 ja sen jälkeen huhtikuussa 2002. Ensimmäiseen kyselyyn vastasi 182 ja toiseen 135 vastaajaa. Vastaajat olivat pääkaupunki- sekä Hämeenlinnan seudulta. Tutkimuksen kohteena olevat tuotteet olivat Gefilus®-piimä ja -mehut, ja kohderyhmänä niiden käyttäjät. Tutkimuksen empiirisessä osassa selvitettiin funktionaalisten elintarvikkeiden käyttö- ja ostotottumuksia sekä mielipidettä niiden hintatasosta suhteessa terveysvaikutuksiin ja tavallisiin elintarvikkeisiin. Referenssihintoja tutkimuksen kohteena oleville tuotteille tutkittiin sopivana, korkeimpana ja alhaisimpana hyväksyttävänä hintana.Euron vaikutuksia hintakäsityksiin tutkittiin vastausten eroissa kyselyjen välillä. Euron käyttöönoton aiheuttamia referenssihintojen muutoksia tarkasteltiin hintaherkkyysmittari avulla. Lisäksi tutkittiin euron käyttöönoton aiheuttamia muutoksia ostokäyttäytymisessä. Faktori- ja ryhmittelyanalyyseja käytettiin vastaajien ryhmittelyyn. Funktionaalisia elintarvikkeita pidettiin vastaajien joukossa kalliina suhteessa niiden terveysvaikutuksiin tai tavallisten, ei-funktionaalisten, tuotteiden hintaan. Tutkimuksen kohteena olleiden tuotteiden, Gefilus®-piimän ja -mehujen, hintatasoa pidettiin myös kalliina. Gefilus®-mehujen hintaa pidettiin yleisesti liian kalliina. Euron käyttöönotto aiheutti muutoksia vastaajien referenssihinnoissa. Euron käyttöönoton voitiin havaita vaikuttaneen kuluttajien hintakäsityksiin siten, että hinnat vaikuttivat aikaisempaa halvemmilta. Lisäksi euron käyttöönotto oli vaikeuttanut hintojen arviointia. Lähes kaikki vastaajat olivat sitä mieltä, että euron käyttöönoton jälkeen hinnat olivat nouseet. Euron käyttöönotto oli myös lisännyt pankkikortin käyttöä maksuvälineenä käteisen sijaan. Avainsanat: funktionaalinen elintarvike, terveysvaikutteinen elintarvike, hintakäsitys, referenssihinta, euro

Vapaa-ajan vieton luonnonvarojen kulutus

This thesis studies the use of natural resources for leisure time activities. The method used is Material Input per Service Unit (MIPS method). Leisure time has an increasing effect on the material flows of households, and that way has a bigger pressure on the environment. The most popular way of spending spare time in Finland is to watch TV and to listen to music or radio. Regardless of these, this thesis takes a closer look at boating, playing a musical instrument and visiting a theatre and tries to quantify their material flows. MIPS calculations of this thesis are case-studies and do not tell the whole truth about the hobbies. The aim was to have an overview about the magnitude of the activities. In the boating calculations, inside the system boundaries there are the boat itself, transport of the boat, outboard motor, gasoline consumption of the outboard motor, travelling to and from the harbour, and the harbour infrastructure. Calculations of playing a music instrument consider the instrument itself, music school and its maintenance, and travelling to the school. In the case of theatre the included things are theatre house and its maintenance, decor and costumes of the plays, transport of the decor, and travelling of the audience. The results of this thesis suggest that the biggest material flow of boating comes from travelling to and from the harbour and from the harbour infrastructure. The gasoline consumption of the outboard motor also makes a difference. One hour of boating with a rowing boat consumes 1 kg of abiotic materials. Boating with an outboard motorboat consumes astonishing 113 kg of abiotic resources. Visiting a music lesson for one hour consumes 9 kg of abiotic resources when travelling there by bus. One hour in a theatre play consumes 17 kg of abiotic materials when travelling by bus. Transport has a significant role on the resource consumption of leisure time activities.

Topological Quantum Computation - An Analysis of an Anyon Model Based on Quantum Double Symmetries

There exists various suggestions for building a functional and a fault-tolerant large-scale quantum computer. Topological quantum computation is a more exotic suggestion, which makes use of the properties of quasiparticles manifest only in certain two-dimensional systems. These so called anyons exhibit topological degrees of freedom, which, in principle, can be used to execute quantum computation with intrinsic fault-tolerance. This feature is the main incentive to study topological quantum computation. The objective of this thesis is to provide an accessible introduction to the theory. In this thesis one has considered the theory of anyons arising in two-dimensional quantum mechanical systems, which are described by gauge theories based on so called quantum double symmetries. The quasiparticles are shown to exhibit interactions and carry quantum numbers, which are both of topological nature. Particularly, it is found that the addition of the quantum numbers is not unique, but that the fusion of the quasiparticles is described by a non-trivial fusion algebra. It is discussed how this property can be used to encode quantum information in a manner which is intrinsically protected from decoherence and how one could, in principle, perform quantum computation by braiding the quasiparticles. As an example of the presented general discussion, the particle spectrum and the fusion algebra of an anyon model based on the gauge group S_3 are explicitly derived. The fusion algebra is found to branch into multiple proper subalgebras and the simplest one of them is chosen as a model for an illustrative demonstration. The different steps of a topological quantum computation are outlined and the computational power of the model is assessed. It turns out that the chosen model is not universal for quantum computation. However, because the objective was a demonstration of the theory with explicit calculations, none of the other more complicated fusion subalgebras were considered. Studying their applicability for quantum computation could be a topic of further research.

Lentosääennusteiden merkitys

Tässä työssä selvitetään lentosääennusteiden käyttöä lennon suunnittelun ja toteutuksen perusteena. Tuodaan esille määräyksiä ja lentosäätietojen käyttöä kaikissa lennon vaiheissa. Perehdytään ennustettujen olosuhteiden ja ennusteiden laadun merkitykseen lentojen toteutuksessa. Selvitetään lentosääennusteisiin liittyviä lentoliikenteen kustannuksia. Työn aineistona käytettiin joulukuu 2006 - heinäkuu 2007 välisenä aikana eri pituisina jaksoina kerättyä 185 liikennelennon lennonsuunnittelumateriaalia ja 126 satunnaisella otoksella otettuja Suomen GAFOR -ennusteita. Liikennelennot toteutettiin Suomen ja Euroopan alueella. Työssä todennettiin METAR –lentopaikkasanoman avulla TAF -lentopaikka-, TREND -laskeutumis-, GAFOR -yleisilmailuennusteita. Yleisestä sääpalvelusta saatua materiaalia käsiteltiin EXCEL –taulukkolaskentaohjelmalla Lentosääennusteita käsiteltiin usean eri käyttäjäryhmän kannalta. Reittilentomittauksilla tutkittiin SIGMET –varoituspalvelun, SWC –merkitsevän sään ja yläilmakehän tuulen sekä lämpötilan ennusteita. TAF –pilvikorkeusennusteiden keskimääräinen hyvyysluku oli lähes sama pilvikorkeudesta riippumatta. Suhteellisen hyvissä olosuhteissa toimivat käyttäjät saivat ennusteista paljon hyötyä. Vaakanäkyvyysennusteiden keskimääräinen hyvyysluku oli suurempi hyvissä kuin huonoissa olosuhteissa. Huonojen olosuhteiden ennusteet olivat lentotoiminnalle enemmän harmillisia kuin hyödyllisiä. Ennustustyö olisi tarvinnut apuvälinettä. Tutkittiin TREND –ennusteiden ominaista osuvuutta. NOSIG –ennuste oli suhteellisen usein julkaistu vaikka sitä seurasi olosuhteen muutos. BECMG -ennuste toteutui pääsääntöisesti ennusteajan alkupuolella. Ajoittaisten olosuhdemuutosten aikana TEMPO -ennusteita julkaistiin hyvin, mutta ennusteen osuvuus vaihteli. Tässä muodossa jaettu ennustetieto ei palvele kovin hyvin päätöstilannetta, jossa on arvioitava polttoaineen riittävyys lennon loppuosalle. GAFOR -pintatuuliennusteet olivat onnistuneita kuten TAF -ennusteissa. Vaakanäkyvyys- ja pilvikorkeusolosuhteissa vertailupisteissä oli 10% havainnoista ennustettua huonompaa olosuhdetta, jos käytettiin vain GAFOR –ennusteen perusosaa lennonsuunnittelussa ja 6% havainnoista, jos käytettiin koko ennustetta. Ilma-aluksen päällikön on valvottava näkölento-olosuhteiden kehitystä lennon aikana ja varmistettava aina näkölento-olosuhteinen lentoreitti laskupaikalle. Lentosääennusteet ovat osa lentotoimintaa mahdollistavaa järjestelmää. Ennusteet hallitsevat vaihtelevasti olosuhteita ja luonnollisesti aiheuttavat ongelmallisia tilanteita. Käyttäjiä sitovat määräykset on luotu, jotta toiminta olisi turvallista. Laadukkaita ennusteita tarvitaan isoilla liikennepaikoilla lentoliikenteen kapasiteetin hallintaan. Pienillä lentopaikoilla laitevarustus ei vielä takaa lentotoimintaa kaikissa olosuhteissa. Näkölentotoimintaa harjoitetaan jatkuvasti sekä hyvissä että kohtalaisen huonoissa olosuhteissa.

Kaksikertasironnan simulointi

Mahdollisimman tarkka tieto varatun hiukkasen energianmenetyksestä sen kulkiessa näytteessä on usein hyvin olennaista varteenotettavien tutkimustulosten aikaansaamiseksi monilla eri fysiikan suuntautumisaloilla. Aihe onkin hyvin laajalti tutkittu. Kehityksen kuitenkin edetessä yhä pienempiin mittasuhteisiin ja tarkempiin arvoihin on tärkeää, että myös ionien energianmenetyksestä väliaineessa saadaan yhä tarkempaa tietoa. Takaisinsirontaspektrometriassa tarkastellaan näytteestä sironneita ammusioneja. Takaisinsironnan avulla voidaan tunnistaa näytteen sisältämät alkuaineet, selvittää syvyysjakauma ja näytteen alkuaineiden suhteelliset runsaudet. Menetelmään liittyvät ilmiöt ovat varsin monimutkaisia ja niiden teoreettinen mallintaminen siten haasteellista. Kun tavoitteena on simuloida mahdollisimman tarkasti tilannetta, jossa kiihdytetty ioni etenee näytteessä ei analyyttinen ratkaisumalli välttämättä ole paras vaihtoehto. Tilannetta kuvaamaan onkin kehitetty useita eri laskennallisia menetelmiä. Tässä työssä tarkasteltiin sitä kuinka paljon kaksikertasironnan huomioon ottaminen vaikuttaa tuloksiin takaisinsirontaa simuloitaessa. Useimmat takaisinsironnan mallinnusohjelmat ottavat huomioon ainoastaan yksikertasironnan. Tämä on varsin ymmärrettävää, sillä jo toisen sirontatapahtuman huomioon ottaminen ja mallintaminen analyyttisesti lisää huomattavasti simulaation laskutapahtumien lukumäärää ja hidastaa siten itse simulaatiota. Työtä varten kirjoitettiin ohjelma, jolla simuloituja tuloksia verrattiin sekä näytteistä mitattuihin että toisella simulaatio-ohjelmalla tuotettuihin spektreihin. Vertailusta kävi selvästi ilmi kaksikertasironnan merkitys takaisinsirontaa simuloitaessa. Yksikertasironnan tuoma informaatio päättyy energiaan, jolla näytteen takareunasta sironnut ioni havaitaan ilmaisimessa. Toisen sirontatapahtuman huomioon ottaminen tuo lisäinformaatiota etenkin spektrin häntäalueella. Laaditulla ohjelmalla pystyttiin nyt käsittelemään ainoastaan erikoistapausta, jossa ionisuihku ammuttiin kohtisuoraan näytteeseen. Looginen jatkotoimenpide työn parissa olisi laajentaa ohjelma käsittämään muutkin ionisuihkun tulokulmat.