Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

Accelerator Mass Spectrometry and Bayesian Data Analysis

Accelerator mass spectrometry (AMS) is an ultrasensitive technique for measuring the concentration of a single isotope. The electric and magnetic fields of an electrostatic accelerator system are used to filter out other isotopes from the ion beam. The high velocity means that molecules can be destroyed and removed from the measurement background. As a result, concentrations down to one atom in 10^16 atoms are measurable. This thesis describes the construction of the new AMS system in the Accelerator Laboratory of the University of Helsinki. The system is described in detail along with the relevant ion optics. System performance and some of the 14C measurements done with the system are described. In a second part of the thesis, a novel statistical model for the analysis of AMS data is presented. Bayesian methods are used in order to make the best use of the available information. In the new model, instrumental drift is modelled with a continuous first-order autoregressive process. This enables rigorous normalization to standards measured at different times. The Poisson statistical nature of a 14C measurement is also taken into account properly, so that uncertainty estimates are much more stable. It is shown that, overall, the new model improves both the accuracy and the precision of AMS measurements. In particular, the results can be improved for samples with very low 14C concentrations or measured only a few times.

Mass Spectrometry Informatics in Systems Biology

Mass spectrometry (MS) became a standard tool for identifying metabolites in biological tissues, and metabolomics is slowly acknowledged as a legitimate research discipline for characterizing biological conditions. The computational analyses of metabolomics, however, lag behind compared with the rapid advances in analytical aspects for two reasons. First is the lack of standardized data repository for mass spectra: each research institution is flooded with gigabytes of mass-spectral data from its own analytical groups and cannot host a world-class repository for mass spectra. The second reason is the lack of informatics experts that are fully experienced with spectral analyses. The two barriers must be overcome to establish a publicly free data server for MS analysis in metabolomics as does GenBank in genomics and UniProt in proteomics. The workshop brought together bioinformaticians working on mass spectral analyses in Finland and Japan with the goal to establish a consortium to freely exchange and publicize mass spectra of metabolites measured on various platforms computational tools to analyze spectra spectral knowledge that are computationally predicted from standardized data. This book contains the abstracts of the presentations given in the workshop. The programme of the workshop consisted of oral presentations from Japan and Finland, invited lectures from Steffen Neumann (Leibniz Institute of Plant Biochemistry), Matej Oresic (VTT), Merja Penttila (VTT) and Nicola Zamboni (ETH Zurich) as well as free form discussion among the participants. The event was funded by Academy of Finland (grants 139203 and 118653), Japan Society for the Promotion of Science (JSPS Japan-Finland Bilateral Semi- nar Program 2010) and Department of Computer Science University of Helsinki. We would like to thank all the people contributing to the technical pro- gramme and the sponsors for making the workshop possible. Helsinki, October 2010 Masanori Arita, Markus Heinonen and Juho Rousu

Disjunct eddy covariance measurements of volatile organic compound fluxes using proton transfer reaction mass spectrometry

Volatile organic compounds (VOCs) are emitted into the atmosphere from natural and anthropogenic sources, vegetation being the dominant source on a global scale. Some of these reactive compounds are deemed major contributors or inhibitors to aerosol particle formation and growth, thus making VOC measurements essential for current climate change research. This thesis discusses ecosystem scale VOC fluxes measured above a boreal Scots pine dominated forest in southern Finland. The flux measurements were performed using the micrometeorological disjunct eddy covariance (DEC) method combined with proton transfer reaction mass spectrometry (PTR-MS), which is an online technique for measuring VOC concentrations. The measurement, calibration, and calculation procedures developed in this work proved to be well suited to long-term VOC concentration and flux measurements with PTR-MS. A new averaging approach based on running averaged covariance functions improved the determination of the lag time between wind and concentration measurements, which is a common challenge in DEC when measuring fluxes near the detection limit. The ecosystem scale emissions of methanol, acetaldehyde, and acetone were substantial. These three oxygenated VOCs made up about half of the total emissions, with the rest comprised of monoterpenes. Contrary to the traditional assumption that monoterpene emissions from Scots pine originate mainly as evaporation from specialized storage pools, the DEC measurements indicated a significant contribution from de novo biosynthesis to the ecosystem scale monoterpene emissions. This thesis offers practical guidelines for long-term DEC measurements with PTR-MS. In particular, the new averaging approach to the lag time determination seems useful in the automation of DEC flux calculations. Seasonal variation in the monoterpene biosynthesis and the detailed structure of a revised hybrid algorithm, describing both de novo and pool emissions, should be determined in further studies to improve biological realism in the modelling of monoterpene emissions from Scots pine forests. The increasing number of DEC measurements of oxygenated VOCs will probably enable better estimates of the role of these compounds in plant physiology and tropospheric chemistry. Keywords: disjunct eddy covariance, lag time determination, long-term flux measurements, proton transfer reaction mass spectrometry, Scots pine forests, volatile organic compounds

Development of atmospheric pressure ionization ion mobility spectrometry and ion mobility spectrometry mass spectrometry

This study is focused on the development and evaluation of ion mobility instrumentation with various atmospheric pressure ionization techniques and includes the following work. First, a high-resolution drift tube ion mobility spectrometer (IMS), coupled with a commercial triple quadrupole mass spectrometer (MS), was developed. This drift tube IMS is compatible with the front-end of commercial Sciex mass spectrometers (e.g., Sciex API-300, 365, and 3000) and also allows easy (only minor modifications are needed) installation between the original atmospheric pressure ion source and the triple quadrupole mass spectrometer. Performance haracteristics (e.g.,resolving power, detection limit, transmission efficiency of ions) of this IMS-MS instrument were evaluated. Development of the IMS-MS instrument also led to a study where a proposal was made that tetraalkylammonium ions can be used as chemical standards for ESI-IMS. Second, the same drift tube design was also used to build a standalone ion mobility spectrometer equipped with a Faraday plate detector. For this highresolution (resolving power about 100 shown) IMS device, a multi-ion source platform was built, which allows the use of a range of atmospheric pressure ionization methods, such as: corona discharge chemical ionization (CD-APCI), atmospheric pressure photoionization (APPI), and radioactive atmospheric pressure chemical ionization (R-APCI). The multi-ion source platform provides easy switching between ionization methods and both positive and negative ionization modes can be used. Third, a simple desorpion/ionization on silicon (DIOS) ion source set-up for use with the developed IMS and IMS-MS instruments was built and its operation demonstrated. Fourth, a prototype of a commercial aspiration-type ion mobility spectrometer was mounted in front of a commercial triple quadrupole mass spectrometer. The set-up, which is simple, easy to install, and requires no major modifications to the MS, provides the possibility of gathering fundamental information about aspiration mobility spectrometry.