Lihaluujauhon soveltuvuus sokerijuurikkaan lannoitteeksi

Lihaluujauho muodostaa maatilojen myytävien kasvi- ja eläinperäisten tuotteiden jälkeen tärkeimmän agroekosysteemeistä poispäin suuntautuvan ravinnevirran. Se sisältää runsaasti pääkasvinravinteita typpeä, fosforia ja kalsiumia (N ~8%, P ~5%, Ca yleensä ~10-15% luuaineksen määrästä riippuen), sekä kaliumia n.1% tai alle. Lihaluujauho on todettu tehokkaaksi lannoitteeksi useilla viljelykasveilla ja sen käyttö on sallittu myös luomuviljelyssä EU-alueella. Lihaluujauhoon ja erityisesti sen rehukäyttöön liittyvistä riskeistä merkittävin on TSE-tautien riski (naudan BSE-, lampaiden ja vuohien scrapie-, sekä ihmisen vCJD-taudit). Rehukäyttöä on monissa maissa rajoitettu 1980-luvulla puhjenneen BSE-kriisin myötä. BSE-taudin leviäminen yhdistettiin tilanteeseen, jossa nautaperäistä lihaluujauhoa käytettiin nautaeläinten rehun ainesosana. Myös lihaluujauhon käytössä turkiseläinrehuna saattaa piillä BSE:n tai muun TSE-taudin riski. Oikein käsitellyn lihaluujauhon lannoitekäyttöön ei kuitenkaan näytä tarkastelemieni tutkimusten perusteella sisältyvän huomattavaa TSEriskiä, jos huolehditaan asianmukaisista varotoimista ja menettelyistä sekä tuotteen valmistusprosessissa, että käytettäessä lannoitetta. Lihaluujauhon lannoitekäytön lisääminen edistäisi ruokajärjestelmämme ravinnekierron sulkemista etenkin fosforin osalta. Lihaluujauho on uusiutuva luonnonvara, jonka lannoitekäytöllä voitaisiin korvata huomattava osa lannoiteaineena kulutettavista fosforipitoisista kiviaineista. Sokerijuurikkaan lannoituskokeissa Varsinais-Suomen Kaarinassa vuosina 2008 ja 2009 lihaluujauhokäsittelyt eivät menestyneet aivan yhtä hyvin satotasovertailussa kuin kontrollikäsittelyiden NPK-väkilannoitteet, mutta laatuominaisuuksiltaan (sokeripitoisuus, amino-N, K, ja Na-pitoisuudet) joiltakin osin kontrollikäsittelyjä paremmin. Kokeissa käytetyt lajikkeet olivat ’Jesper’ vuonna 2008 ja ’Lincoln’ vuonna 2009. Käytetty lihaluujauholannoite oli Honkajoki Oy:n Viljo Yleislannoite 8-4-3, joka sisälsi noin 10% kaliumsulfaatin ja kasviperäisten sivutuotteiden seosta. Viljo-lannoitetta käytettiin sekä yksistään, että yhdistettynä 10-25%:iin väkilannoitetta. Vuoden 2009 Viljo-koejäseniin vielä lisättiin kaliumsulfaattilannoitetta (42% K, 18% S), jotta päästiin annetun kaliumin määrässä päästiin lannoitussuosituksen (60 kg K/ha) tasolle. Pelkkä Viljo-lannoite tuotti merkitsevästi alhaisemmat sadot kuin kontrollikäsittelyt molempina vuosina. Kuitenkin kun Viljolannoitteen ohella käytettiin väkilannoitetta (10-25% kasvin typentarpeesta) päästiin varsin lähelle kontrollikäsittelyiden satotasoja. Myös pelkän LLJ-lannoitteen tuottamat satotasot olivat kuitenkin selvästi paremmat kuin Suomen keskimääräiset juurikassadot. Viljo-käsittelyillä oli selvästi positiivinen vaikutus laatutekijöihin amino-N, K ja Na vuonna 2008, mutta vuonna 2009 näiden pitoisuudet jäivät kontrollikäsittelyjen tasolle. Viljo-käsittelyiden sokeripitoisuudet olivat vuonna 2008 kontrollikäsittelyn luokkaa ja Viljo77%+NK1:n osalta kontrollia merkitsevästi paremmat. Vuoden 2009 sokeripitoisuudet olivat kaikilla koejäsenillä erinomaiset, ja käsittelyiden välillä ei ilmennyt merkitseviä eroja. Kokeiden perusteella kaliumsulfaatilla täydennetty lihaluujauho on hyvin toimiva lannoite sokerijuurikkaalla Suomen olosuhteissa, etenkin yhdistettynä väkilannoitteeseen.

Hiekkatympösen (Hebeloma cylindrosporum) L-aminohappo-oksidaasi -geenin eristäminen

Pohjoisella havumetsävyöhykkeellä typpi on usein kasvien kasvua rajoittava tekijä. Metsämaan typpivarannot koostuvat pääasiassa orgaaniseen ainekseen sitoutuneista typpiyhdisteistä, erityisesti aminohapoista. Ektomykorritsasienet osallistuvat metsämaassa tapahtuvaan typenkiertoon hajottamalla orgaanisia typpiyhdisteitä ja kuljettamalla niitä kasvien käytettäväksi. Sienisolun sisällä tapahtuvasta aminohappojen mineralisaatiosta tiedetään toistaiseksi melko vähän. Aminohappo-oksidaasit katalysoivat aminohappojen mineralisaatiota. Eräissä ektomykorritsaa muodostavien kantasienten suvuissa on osoitettu L-aminohappo-oksidaaseja (LAO). Toistaiseksi LAO-geeniä ei tunneta kantasienistä. Työssä kuvattiin ensimmäistä kertaa LAO-geeni kantasienistä. Hiekkatympösen LAO1- geenin cDNA:n 5´ ja 3´ päiden emäsjärjestykset määritettiin RACE-PCR -menetelmällä, josta saatujen sekvenssien perusteella suunniteltiin alukkeet koko geenin cDNA:n ja genomisen DNA:n monistamiseksi. Genomisen DNA ja cDNA -sekvenssien perusteella määritettiin hiekkatympösen LAO1-geenin rakenne. Hiekkatympösen LAO1-geeni koostuu viidestä eksonista ja neljästä intronista. Hiekkatympösen LAO1-geenin yläpuoliselta alueelta löydettiin typpimetabolian säätelyyn osallistuvan proteiinin sitoutumiskohta. LAO1-geeniä edeltävä geenin osittainen genominen DNA-sekvenssi määritettiin. Kangaslohisienen genomissa LAO1-geeniä edeltävä geeni oli ennustettu pyruvaattidekarboksylaasiksi. Lisäksi työssä määritettiin hiekkatympösen toisen LAOhomologin cDNA:n osittainen emäsjärjestys. Työssä tunnistettiin myös toisen kantasienen, kangaslohisienen, LAO-geeni. LAO-geeniksi tunnistettu kangaslohisienen geenimalli oli aiemmin ennustettu NCBI:n tietokannassa toiminnaltaan tuntemattomaksi proteiiniksi. Proteiinien sukupuun perusteella hiekkatympösen ja kangaslohisienen LAO:n kantamuoto on kahdentunut. Työstä saatu tutkimustulos tuo täysin uutta tietoa molekyylibiologian tasolla ektomykorritsasienten aminohappojen katabolisista reaktioista. Aminohappojen mineralisaation seurauksen muodostuneet ammoniumionit saattavat olla merkittävä typen lähde myös maan muille mikrobeille ja kasveille. On mahdollista, että ektomykorritsasienten LAO-entsyymi on yksi merkittävä tekijä metsämaan typenkierrossa.

Use of wetland buffer areas to reduce nitrogen transport from forested catchments: Retention capacity, emissions of N2O and CH4 and vegetation composition dynamics

The use of buffer areas in forested catchments has been actively researched during the last 15 years; but until now, the research has mainly concentrated on the reduction of sediment and phosphorus loads, instead of nitrogen (N). The aim of this thesis was to examine the use of wetland buffer areas to reduce the nitrogen transport in forested catchments and to investigate the environmental impacts involved in their use. Besides the retention capacity, particular attention was paid to the main factors contributing to the N retention, the potential for increased N2O emissions after large N loading, the effects of peatland restoration for use as buffer areas on CH4 emissions, as well as the vegetation composition dynamics induced by the use of peatlands as buffer areas. To study the capacity of buffer areas to reduce N transport in forested catchments, we first used large artificial loadings of N, and then studied the capacity of buffer areas to reduce ammonium (NH4-N) export originating from ditch network maintenance areas in forested catchments. The potential for increased N2O emissions were studied using the closed chamber technique and a large artificial N loading at five buffer areas. Sampling for CH4 emissions and methane-cycling microbial populations were done on three restored buffer areas and on three buffers constructed on natural peatlands. Vegetation composition dynamics was studied at three buffer areas between 1996 and 2009. Wetland buffer areas were efficient in retaining inorganic N from inflow. The key factors contributing to the retention were the size and the length of the buffer, the hydrological loading and the rate of nutrient loading. Our results show that although the N2O emissions may increase temporarily to very high levels after a large N loading into the buffer area, the buffer areas in forested catchments should be viewed as insignificant sources of N2O. CH4 fluxes were substantially higher from buffers constructed on natural peatlands than from the restored buffer areas, probably because of the slow recovery of methanogens after restoration. The use of peatlands as buffer areas was followed by clear changes in plant species composition and the largest changes occurred in the upstream parts of the buffer areas and the wet lawn-level surfaces, where the contact between the vegetation and the through-flow waters was closer than for the downstream parts and dry hummock sites. The changes in the plant species composition may be an undesired phenomenon especially in the case of the mires representing endangered mire site types, and therefore the construction of new buffer areas should be primarily directed into drained peatland areas.

The roles of nitrification and nitrate reduction pathways in nitrogen cycling of Baltic Sea

The Baltic Sea is one of the largest brackish water bodies in the world. Primary production in the Baltic Sea is limited by nitrogen (N) availability with the exception of river outlets and the northernmost phosphorus limited basin. The excess human induced N load from the drainage basin has caused severe eutrophication of the sea. The excess N loads can be mitigated by microbe mediated natural N removal processes that are found in the oxic-anoxic interfaces in sediments and water column redoxclines. Such interfaces allow the close coupling between the oxic nitrification process, and anoxic denitrification and anaerobic ammonium oxidation (anammox) processes that lead to the formation of molecular nitrogen gas. These processes are governed by various environmental parameters. The effects of these parameters on N processes were investigated in the northern Baltic Sea sediments. During summer months when the sediment organic content is at its highest, nitrification and denitrification reach their maximum rates. However, nitrification had no excess potential, which was probably because of high competition for molecular oxygen (O2) between heterotrophic and nitrification microbes. Subsequently, the limited nitrate (NO3-) availability inhibited denitrification. In fall, winter and spring, nitrification was limited by ammonium availability and denitrification limited by the availability of organic carbon and occasionally by NO3-. Anaerobic ammonium oxidation (anammox) was not an important N removal process in the northern Baltic Sea. Modeling studies suggest that when hypoxia expands in the Baltic Sea, N removal intensifies. However, the results of this study suggest the opposite because bottom water hypoxia (O2< 2 ml l-1) decreased the denitrification rates in sediments. Moreover, N was recycled by the dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) process instead of being removed from the water ecosystem. High N removal potentials were found in the anoxic water column in the deep basins of the Baltic Proper. However, the N removal in the water column appeared to be limited by low substrate availability, because the water at the depths at which the substrate producing nitrification process occurred, rarely mix with the water at the depths at which N removal processes were found. Overall, the natural N removal capacity of the northern Baltic Sea decreased compared to values measured in mid 1990s and early 2000. The reason for this appears to be increasing hypoxia.

Effect of drainage basin characteristics on the diffuse load of phosphorus and nitrogen.

Tiivistelmä: Valuma-alueen vaikutus fosforin ja typen hajakuormitukseen.