Parameters Affecting the Extraction of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons with Pressurised Hot Water

Pressurised hot water extraction (PHWE) exploits the unique temperature-dependent solvent properties of water minimising the use of harmful organic solvents. Water is environmentally friendly, cheap and easily available extraction medium. The effects of temperature, pressure and extraction time in PHWE have often been studied, but here the emphasis was on other parameters important for the extraction, most notably the dimensions of the extraction vessel and the stability and solubility of the analytes to be extracted. Non-linear data analysis and self-organising maps were employed in the data analysis to obtain correlations between the parameters studied, recoveries and relative errors. First, pressurised hot water extraction (PHWE) was combined on-line with liquid chromatography-gas chromatography (LC-GC), and the system was applied to the extraction and analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in sediment. The method is of superior sensitivity compared with the traditional methods, and only a small 10 mg sample was required for analysis. The commercial extraction vessels were replaced by laboratory-made stainless steel vessels because of some problems that arose. The performance of the laboratory-made vessels was comparable to that of the commercial ones. In an investigation of the effect of thermal desorption in PHWE, it was found that at lower temperatures (200ºC and 250ºC) the effect of thermal desorption is smaller than the effect of the solvating property of hot water. At 300ºC, however, thermal desorption is the main mechanism. The effect of the geometry of the extraction vessel on recoveries was studied with five specially constructed extraction vessels. In addition to the extraction vessel geometry, the sediment packing style and the direction of water flow through the vessel were investigated. The geometry of the vessel was found to have only minor effect on the recoveries, and the same was true of the sediment packing style and the direction of water flow through the vessel. These are good results because these parameters do not have to be carefully optimised before the start of extractions. Liquid-liquid extraction (LLE) and solid-phase extraction (SPE) were compared as trapping techniques for PHWE. LLE was more robust than SPE and it provided better recoveries and repeatabilities than did SPE. Problems related to blocking of the Tenax trap and unrepeatable trapping of the analytes were encountered in SPE. Thus, although LLE is more labour intensive, it can be recommended over SPE. The stabilities of the PAHs in aqueous solutions were measured using a batch-type reaction vessel. Degradation was observed at 300ºC even with the shortest heating time. Ketones and quinones and other oxidation products were observed. Although the conditions of the stability studies differed considerably from the extraction conditions in PHWE, the results indicate that the risk of analyte degradation must be taken into account in PHWE. The aqueous solubilities of acenaphthene, anthracene and pyrene were measured, first below and then above the melting point of the analytes. Measurements below the melting point were made to check that the equipment was working, and the results were compared with those obtained earlier. Good agreement was found between the measured and literature values. A new saturation cell was constructed for the solubility measurements above the melting point of the analytes because the flow-through saturation cell could not be used above the melting point. An exponential relationship was found between the solubilities measured for pyrene and anthracene and temperature.

Plasmids and aromatic degradation in Sphingomonas for bioremediation : Aromatic ring cleavage genes in soil and rhizosphere

Microbial degradation pathways play a key role in the detoxification and the mineralization of polyaromatic hydrocarbons (PAHs), which are widespread pollutants in soil and constituents of petroleum hydrocarbons. In microbiology the aromatic degradation pathways are traditionally studied from single bacterial strains with capacity to degrade certain pollutant. In soil the degradation of aromatics is performed by a diverse community of micro-organisms. The aim of this thesis was to study biodegradation on different levels starting from a versatile aromatic degrader Sphingobium sp. HV3 and its megaplasmid, extending to revelation of diversity of key catabolic enzymes in the environment and finally studying birch rhizoremediation in PAH-polluted soil. To understand biodegradation of aromatics on bacterial species level, the aromatic degradation capacity of Sphingobium sp. HV3 and the role of the plasmid pSKY4, was studied. Toluene, m-xylene, biphenyl, fluorene, phenanthrene were detected as carbon and energy sources of the HV3 strain. Tn5 transposon mutagenesis linked the degradation capacity of toluene, m-xylene, biphenyl and naphthalene to the pSKY4 plasmid and qPCR expression analysis showed that plasmid extradiol dioxygenases genes (bphC and xylE) are inducted by phenanthrene, m-xylene and biphenyl whereas the 2,4-dichlorophenoxyacetic acid herbicide induced the chlorocatechol 1,2-dioxygenase gene (tfdC) from the ortho-pathway. A method to study upper meta-pathway extradiol dioxygenase gene diversity in soil was developed. The extradiol dioxygenases catalyse cleavage of the aromatic ring between a hydroxylated carbon and an adjacent non-hydroxylated carbon (meta-cleavage). A high diversity of extradiol dioxygenases were detected from polluted soils. The detected extradiol dioxygenases showed sequence similarity to known catabolic genes of Alpha-, Beta-, and Gammaproteobacteria. Five groups of extradiol dioxygenases contained sequences with no close homologues in the database, representing novel genes. In rhizoremediation experiment with birch (Betula pendula) treatment specific changes of extradiol dioxygenase communities were shown. PAH pollution changed the bulk soil extradiol dioxygenase community structure and birch rhizosphere contained a more diverse extradiol dioxygenase community than the bulk soil showing a rhizosphere effect. The degradation of pyrene in soil was enhanced with birch seedlings compared to soil without birch. The complete 280,923 kb nucleotide sequence of pSKY4 plasmid was determined. The open reading frames of pSKY4 were divided into putative conjugative transfer, aromatic degradation, replication/maintaining and transposition/integration function-encoding proteins. Aromatic degradation orfs shared high similarity to corresponding genes in pNL1, a plasmid from the deep subsurface strain Novosphingobium aromaticivorans F199. The plasmid backbones were considerably more divergent with lower similarity, which suggests that the aromatic pathway has functioned as a plasmid independent mobile genetic element. The functional diversity of microbial communities in soil is still largely unknown. Several novel clusters of extradiol dioxygenases representing catabolic bacteria, whose function, biodegradation pathways and phylogenetic position is not known were amplified with single primer pair from polluted soils. These extradiol dioxygenase communities were shown to change upon PAH pollution, which indicates that their hosts function in PAH biodegradation in soil. Although the degradation pathways of specific bacterial species are substantially better depicted than pathways in situ, the evolution of degradation pathways for the xenobiotic compounds is largely unknown. The pSKY4 plasmid contains aromatic degradation genes in putative mobile genetic element causing flexibility/instability to the pathway. The localisation of the aromatic biodegradation pathway in mobile genetic elements suggests that gene transfer and rearrangements are a competetive advantage for Sphingomonas bacteria in the environment.

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.