From environmental concerns towards sustainable food provisioning. : Material flow and food consumption scenario studies on sustainability of agri-food systems

Agriculture is an economic activity that heavily relies on the availability of natural resources. Through its role in food production agriculture is a major factor affecting public welfare and health, and its indirect contribution to gross domestic product and employment is significant. Agriculture also contributes to numerous ecosystem services through management of rural areas. However, the environmental impact of agriculture is considerable and reaches far beyond the agroecosystems. The questions related to farming for food production are, thus, manifold and of great public concern. Improving environmental performance of agriculture and sustainability of food production, sustainabilizing food production, calls for application of wide range of expertise knowledge. This study falls within the field of agro-ecology, with interphases to food systems and sustainability research and exploits the methods typical of industrial ecology. The research in these fields extends from multidisciplinary to interdisciplinary and transdisciplinary, a holistic approach being the key tenet. The methods of industrial ecology have been applied extensively to explore the interaction between human economic activity and resource use. Specifically, the material flow approach (MFA) has established its position through application of systematic environmental and economic accounting statistics. However, very few studies have applied MFA specifically to agriculture. The MFA approach was used in this thesis in such a context in Finland. The focus of this study is the ecological sustainability of primary production. The aim was to explore the possibilities of assessing ecological sustainability of agriculture by using two different approaches. In the first approach the MFA-methods from industrial ecology were applied to agriculture, whereas the other is based on the food consumption scenarios. The two approaches were used in order to capture some of the impacts of dietary changes and of changes in production mode on the environment. The methods were applied at levels ranging from national to sector and local levels. Through the supply-demand approach, the viewpoint changed between that of food production to that of food consumption. The main data sources were official statistics complemented with published research results and expertise appraisals. MFA approach was used to define the system boundaries, to quantify the material flows and to construct eco-efficiency indicators for agriculture. The results were further elaborated for an input-output model that was used to analyse the food flux in Finland and to determine its relationship to the economy-wide physical and monetary flows. The methods based on food consumption scenarios were applied at regional and local level for assessing feasibility and environmental impacts of relocalising food production. The approach was also used for quantification and source allocation of greenhouse gas (GHG) emissions of primary production. GHG assessment provided, thus, a means of crosschecking the results obtained by using the two different approaches. MFA data as such or expressed as eco-efficiency indicators, are useful in describing the overall development. However, the data are not sufficiently detailed for identifying the hot spots of environmental sustainability. Eco-efficiency indicators should not be bluntly used in environmental assessment: the carrying capacity of the nature, the potential exhaustion of non-renewable natural resources and the possible rebound effect need also to be accounted for when striving towards improved eco-efficiency. The input-output model is suitable for nationwide economy analyses and it shows the distribution of monetary and material flows among the various sectors. Environmental impact can be captured only at a very general level in terms of total material requirement, gaseous emissions, energy consumption and agricultural land use. Improving environmental performance of food production requires more detailed and more local information. The approach based on food consumption scenarios can be applied at regional or local scales. Based on various diet options the method accounts for the feasibility of re-localising food production and environmental impacts of such re-localisation in terms of nutrient balances, gaseous emissions, agricultural energy consumption, agricultural land use and diversity of crop cultivation. The approach is applicable anywhere, but the calculation parameters need to be adjusted so as to comply with the specific circumstances. The food consumption scenario approach, thus, pays attention to the variability of production circumstances, and may provide some environmental information that is locally relevant. The approaches based on the input-output model and on food consumption scenarios represent small steps towards more holistic systemic thinking. However, neither one alone nor the two together provide sufficient information for sustainabilizing food production. Environmental performance of food production should be assessed together with the other criteria of sustainable food provisioning. This requires evaluation and integration of research results from many different disciplines in the context of a specified geographic area. Foodshed area that comprises both the rural hinterlands of food production and the population centres of food consumption is suggested to represent a suitable areal extent for such research. Finding a balance between the various aspects of sustainability is a matter of optimal trade-off. The balance cannot be universally determined, but the assessment methods and the actual measures depend on what the bottlenecks of sustainability are in the area concerned. These have to be agreed upon among the actors of the area

Bentsodiatsepiinien ja amfetamiinijohdannaisten seulonta virtsasta mikropilarisähkösumutusmassaspektrometrian avulla

Väärinkäytettyjen aineiden seulontaan käytetyn menetelmän tulee olla herkkä, selektiivinen, yksinkertainen, nopea ja toistettava. Työn tavoitteena oli kehittää yksinkertainen, mutta herkkä, esikäsittelymenetelmä bentsodiatsepiinien ja amfetamiinijohdannaisten kvalitatiiviseen seulomiseen virtsasta mikropilarisähkösumutussirun (μPESI) avulla, mikä tarjoaisi vaihtoehdon seulonnassa käytetyille immunologisille menetelmille, joiden herkkyys ja selektiivisyys ovat puutteellisia. Tavoitteena oli samalla tarkastella mikropilarisähkösumutussirun toimivuutta biologisten näytteiden analyysissa. Esikäsittely optimoitiin erikseen bentsodiatsepiineille ja amfetamiinijohdannaisille. Käytettyjä esikäsittelymenetelmiä olivat neste-nesteuutto, kiinteäfaasiuutto Oasis HLB-patruunalla ja ZipTip®-pipetinkärjellä sekä laimennus ja suodatus ilman uuttoa. Mittausten perusteella keskityttiin optimoimaan ZipTip®-uuttoa. Optimoinnissa tutkittavia yhdisteitä spiikattiin 0-virtsaan niiden ennaltamääritetyn raja-arvon verran, bentsodiatsepiineja 200 ng/ml ja amfetamiinijohdannaisia 300 ng/ml. Bentsodiatsepiinien kohdalla optimoitiin kutakin uuton vaihetta ja optimoinnin tuloksena näytteen pH säädettiin arvoon 5, faasi kunnostettiin asetonitriililla, tasapainotettiin ja pestiin veden (pH 5) ja asetonitriilin (10 % v/v) seoksella ja eluoitiin asetonitriilin, muurahaishapon ja veden (95:1:4 v/v/v) seoksella. Amfetamiinijohdannaisten uutossa optimoitiin näytteen ja liuottimien pH-arvoja ja tuloksena näytteen pH säädettiin arvoon 10, faasi kunnostettiin veden ja ammoniumvetykarbonaatin(pH 10, 1:1 v/v) seoksella, tasapainotettiin ja pestiin asetonitriilin ja veden (1:5 v/v) seoksella ja eluoitiin metanolilla. Optimoituja uuttoja testattiin Yhtyneet Medix Laboratorioista toimitetuilla autenttisilla virtsanäytteillä ja saatuja tuloksia verrattiin kvantitatiivisen GC/MS-analyysin tuloksiin. Bentsodiatsepiininäytteet hydrolysoitiin ennen uuttoa herkkyyden parantamiseksi. Autenttiset näytteet analysoitiin Q-TOF-laitteella Viikissä. Lisäksi hydrolysoidut bentsodiatsepiininäytteet mitattiin Yhtyneet Medix Laboratorioiden TOF-laitteella. Kehitetty menetelmä vaatii tulosten perusteella lisää optimointia toimiakseen. Ongelmana oli etenkin toistoissa ilmennyt tulosten hajonta. Manuaalista näytteensyöttöä tulisi kehittää toistettavammaksi. Autenttisten bentsodiatsepiininäytteiden analyysissa ongelmana olivat virheelliset negatiiviset tulokset ja amfetamiinijohdannaisten analyysissa virheelliset positiiviset tulokset. Virheellisiä negatiivisia tuloksia selittää menetelmän herkkyyden puute ja virheellisiä positiivisia tuloksia mittalaitteen, sirujen tai liuottimien likaantuminen.

Yhteistoiminnallinen menetelmä ja oikeudenmukaisuus. Kuntatyöntekijöiden kokemuksia työkonferenssimenetelmästä.

Opinnäytetyössä tarkastellaan pienen kuntaliitoskunnan työntekijöiden asennoitumista työkonferenssiin. Työkonferenssi on keskustelutilaisuus, jonka keskeisiä periaatteita ovat demokraattisuus ja edustuksellisuus. Menetelmä on kehitetty erityisesti hierarkkisten raja-aitojen purkamiseen työyhteisöissä, ja sitä voidaan luonnehtia myös työyhteisöön kohdistuvaksi interventioksi. Työkonferenssimenetelmä on ideaalinen konstruktio, jonka periaatteet edustavat oikeudenmukaisuuden objektiivista ihannetta. Opinnäytetyön tavoitteena on selvittää, miten työkonferenssia arvotetaan työskentelymenetelmänä ja etenkin, miten oikeudenmukaisuus konstruoituu työkonferenssia arvotettaessa. Oikeudenmukaisuutta tarkastellaan sosiaaliselle toiminnalle osoitettuna hyväksyntänä tai paheksuntana. Oikeudenmukaisuudesta puhuminen on puolestaan argumentatiivinen teko, jossa keskeistä on vastuun osoittaminen koetusta epäoikeudenmukaisuudesta. Tutkielman teoreettisena viitekehyksenä on kategorioinnin näkökulma oikeudenmukaisuuteen (Ambrose & Kulik, 2001), moraalisen vastuun näkökulma (Folger, 2001) ja yleinen oikeudenmukaisuusteoria (Folger & Cropanzano, 1998) ja tutkimusnäkökulmana retorinen asenneteoria (Billig, 1987/1996). Asennoitumista tarkastellaan laadullisen asennetutkimuksen menetelmällä (Vesala & Rantanen, 2007) tuotetun ja analysoidun aineistonäytteen kautta, joka koostuu kahdeksan kuntatyöntekijän yksilöhaastatteluin tuotetusta argumentatiivisesta puheaineistosta. Haastatellut osallistuivat syksyllä 2008 työkonferenssiin, jonka tarkoituksena oli määritellä pienen kuntaliitoskunnan hyvät palvelut – mitä ja miten. Haastattelut tehtiin syksyllä 2008. Aineiston analyysin perusteella työkonferenssia arvotetaan sekä tasavertaisuuden että hyödyn näkökulmasta. Pääosin haastatellut suhtautuvat työkonferenssiin myönteisesti. Myönteinen suhtautuminen liittyy erityisesti työkonferenssimenetelmän eettis-moraalisiin periaatteisiin ja koettuun ryhmätoimintaan. Hieman kielteisempi suhtautuminen liittyy työkonferenssin mahdollisuuteen toimia tehokkaasti yksityiskohtaisten tavoitteiden saavuttamisessa. Tutkimuksen tulokset antavat olettaa, että työkonferenssinmenetelmän mahdollisuus toimia työyhteisöön kohdistuvana interventiona paranisi sen periaatteellisemmalla käytöllä ja vuorovaikutuksellisia näkökulmia korostavilla tavoitteilla. Keskeisimmät lähdeteokset: työkonferenssista Lehtosen (2004) Työkonferenssi Suomessa; oikeudenmukaisuudesta Ambrosen ja Kulikin (2001) artikkeli How do I know that’s fair?, Folgerin (2001) artikkeli Fairness as deonance, Folgerin ja Cropanzanon (1998) Organizational justice and human resource management; retorisesta asenneteoriasta Billigin (1987/1996) Arguing and thinking; laadullisesta asennetutkimuksesta Vesalan ja Rantasen (2007) Argumentaatio ja tulkinta.

Modelling vacuum arcs : from plasma initiation to surface interactions

A better understanding of vacuum arcs is desirable in many of today's 'big science' projects including linear colliders, fusion devices, and satellite systems. For the Compact Linear Collider (CLIC) design, radio-frequency (RF) breakdowns occurring in accelerating cavities influence efficiency optimisation and cost reduction issues. Studying vacuum arcs both theoretically as well as experimentally under well-defined and reproducible direct-current (DC) conditions is the first step towards exploring RF breakdowns. In this thesis, we have studied Cu DC vacuum arcs with a combination of experiments, a particle-in-cell (PIC) model of the arc plasma, and molecular dynamics (MD) simulations of the subsequent surface damaging mechanism. We have also developed the 2D Arc-PIC code and the physics model incorporated in it, especially for the purpose of modelling the plasma initiation in vacuum arcs. Assuming the presence of a field emitter at the cathode initially, we have identified the conditions for plasma formation and have studied the transitions from field emission stage to a fully developed arc. The 'footing' of the plasma is the cathode spot that supplies the arc continuously with particles; the high-density core of the plasma is located above this cathode spot. Our results have shown that once an arc plasma is initiated, and as long as energy is available, the arc is self-maintaining due to the plasma sheath that ensures enhanced field emission and sputtering. The plasma model can already give an estimate on how the time-to-breakdown changes with the neutral evaporation rate, which is yet to be determined by atomistic simulations. Due to the non-linearity of the problem, we have also performed a code-to-code comparison. The reproducibility of plasma behaviour and time-to-breakdown with independent codes increased confidence in the results presented here. Our MD simulations identified high-flux, high-energy ion bombardment as a possible mechanism forming the early-stage surface damage in vacuum arcs. In this mechanism, sputtering occurs mostly in clusters, as a consequence of overlapping heat spikes. Different-sized experimental and simulated craters were found to be self-similar with a crater depth-to-width ratio of about 0.23 (sim) - 0.26 (exp). Experiments, which we carried out to investigate the energy dependence of DC breakdown properties, point at an intrinsic connection between DC and RF scaling laws and suggest the possibility of accumulative effects influencing the field enhancement factor.

Tandemmassaspektrometrinen menetelmä neutraalien isomeeristen oligosakkaridien rakenteen määrittämisessä

Tutkimuksen tavoitteena oli ottaa käyttöön tandemmassaspektrometrinen (MS/MS) menetelmä, jolla voidaan analysoida polysakkarideista purkautuneiden oligosakkaridien rakenteita. Tavoitteena oli, että menetelmällä voidaan määrittää glykosidisten sidosten eri asemat monosakkaridirakenteiltaan samanlaisista neutraaleista lineaarisista oligosakkarideista. Kirjallisuustutkimuksessa tarkasteltiin oligosakkaridien rakenteiden määrittämiseen käytettyjä MS/MS-menetelmiä ja oligosakkaridien pilkkoutumisreaktioita MS/MS-analyysissa. Kirjallisuuden perusteella MS/MS-analyysissa oligosakkaridien pilkkoutuminen voi tapahtua joko glykosidisen sidoksen katkeamisella tai monosakkaridirenkaan halkeamisella. Monosakkaridirenkaan pilkkoutumisesta muodostuvia tuoteioneja voidaan käyttää glykosidisen sidoksen aseman määrittämiseen. Kokeellisessa tutkimuksessa selvitettiin aluksi monosakkaridirakenteiltaan isomeerisilla disakkaridimalliaineilla glykosidisen sidoksen sijainnin vaikutus disakkaridin pilkkoutumiseen MS/MS-analyysissa. Tämän jälkeen pyrittiin löytämään tunnetuista tri- ja tetrasakkaridimalliaineista näitä eri sidoksille tyypillisiä tuoteionien jakaumia. Tunnettujen tri- ja tetrasakkaridien pilkkoutuminen yhdenmukaisesti disakkaridien pilkkoutumisen kanssa antaisi mahdollisuuden pitkäketjuisempien oligosakkaridien glykosidisten sidosten tunnistamiseen sovelletulla MS/MS-menetelmällä. MS/MS-analyysit tehtiin ioniloukkumassadetektorilaitteistolla käyttäen sähkösumutusionisaatiota (ESI). Oligosakkaridit määritettiin positiivisella ionisaatiolla litium- ja natriumaddukti-ioneina ja negatiivisella ionisaatiolla kloridiaddukti-ioneina. Vertaamalla tri- ja tetrasakkarideista MS/MS-analyyseissa muodostuneita tuoteioneja disakkarideista muodostuneisiin tuoteioneihin, voitiin sekä positiivisella että negatiivisella ionisaatiolla määrittää oligosakkaridin pelkistävän pään sidoksen asema. Negatiivisella ionisaatiolla tri- ja tetrasakkarideista muodostuneista tuoteioneista voitiin määrittää myös muiden kuin pelkistävän pään sidosten asemia. Positiivisella ionisaatiolla muiden sidosten määrittäminen ei ollut mahdollista, koska rengasfragmentti-ioneja muodostui pääosin oligosakkaridin pelkistävästä päästä. Glykosidisen sidoksen katkeamisesta muodostuneet tuoteionit analysoitiin edelleen MS3-analyysilla. MS3-analyysissa muodostuneista tuoteioneista ei voitu tulkita sidosten asemia, koska lähtöionit koostuivat sekä terminaalisen että pelkistävän pään isomeerisista ioneista.

Desorptio/fotoionisaatio ilmanpaineessa takavarikoitujen huumausaineiden, steroidien ja räjähdysaineiden tutkimuksessa

Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää desorptio/fotoionisaatio ilmanpaineessa tekniikan (engl. desorption atmospheric pressure photoionization, DAPPI) soveltuvuutta rikosteknisen laboratorion näytteiden analysointiin. DAPPI on nopea massaspektrometrinen ionisaatiotekniikka, jolla voidaan tutkia yhdisteitä suoraan erilaisilta pinnoilta. DAPPI:ssa käytetään lämmitettyä mikrosirua, joka suihkuttaa höyrystynyttä liuotin- ja kaasuvirtausta kohti näytettä. Näytteen pinnan komponentit desorboituvat lämmön vaikutuksesta, jonka jälkeen ionisoituminen tapahtuu VUV-lampun emittoimien fotonien avulla.DAPPI:lla tutkittiin takavarikoituja huumausaineita, anabolisia steroideja ja räjähdysaineita sekä niiden jäämiä erilaisilta pinnoilta. Lisäksi kartoitettiin DAPPI:n mahdollisuuksia ja rajoituksia erilaisille näytematriiseille ilman näytteiden esikäsittelyä. Takavarikoitujen huumausaineiden tutkimuksessa analysoitiin erilaisia tabletteja, jauheita, kasvirouheita, huumekasveja (khat, oopium, kannabis) ja sieniä. Anabolisia steroideja tunnistettiin tableteista sekä ampulleista, jotka sisälsivät öljymäistä nestettä. Jauheet ripoteltiin kaksipuoliselle teipille ja analysoitiin siltä. Muut näytteet analysoitiin sellaisenaan ilman minkäänlaista esikäsittelyä, paitsi nestemäisten näytteiden kohdalla näyte pipetoitiin talouspaperille, joka analysoitiin DAPPI:lla. DAPPI osoittautui nopeaksi ja yksinkertaiseksi menetelmäksi takavarikoitujen huumausaineiden ja steroidien analysoimisessa. Se soveltui hyvin rikoslaboratorion erityyppisten näytteiden rutiiniseulontaan ja helpotti erityisesti huumekasvien ja öljymäisten steroidiliuosten tutkimusta. Massaspektrometrin likaantuminen pystyttiin ehkäisemään säätämällä näytteen etäisyyttä sen suuaukosta. Likaantumista ei havaittu huolimatta näytteiden korkeista konsentraatioista ja useita kuukausia jatkuneista mittauksista. Räjähdysaineiden tutkimuksessa keskityttiin seitsemän eri räjähdysaineen DAPPI-MS-menetelmän kehitykseen; trinitrotolueeni (TNT), nitroglykoli (NK), nitroglyseriini (NG), pentriitti (PETN), heksogeeni (RDX), oktogeeni (HMX) ja pikriinihappoä Nämä orgaaniset räjähteet ovat nitraattiyhdisteitä, jotka voidaan jakaa rakenteen puolesta nitroamiineihin (RDX ja HMX), nitroaromaatteihin (TNT ja pikriinihappo) sekä nitraattiestereihin (PETN, NG ja NK). Menetelmäkehityksessä räjähdysainelaimennokset pipetoitiin polymetyylimetakrylaatin (PMMA) päälle ja analysoitiin siitä. DAPPI:lla tutkittiin myäs autenttisia räjähdysainejäämiä erilaisista matriiseista. DAPPI:lla optimoitiin jokaiselle räjähdysaineelle sopiva menetelmä ja yhdisteet saatiin näkymään puhdasaineina. Räjähdysainejäämien analysoiminen erilaisista rikospaikkamateriaaleista osoittautui haastavammaksi tehtäväksi, koska matriisit aiheuttivat itsessään korkean taustan spektriin, josta räjähdysaineiden piikit eivät useimmiten erottuneet tarpeeksi. Muut desorptioionisaatiotekniikat saattavat soveltua paremmin haastavien räjähdysainejäämien havaitsemiseksi.