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.

Environmental change and anthropogenic impact on lake sediments during the Holocene in the Finnish - Karelian inland area

This thesis discusses the prehistoric human disturbance during the Holocene by means of case studies using detailed high-resolution pollen analysis from lake sediment. The four lakes studied are situated between 61o 40' and 61o 50' latitudes in the Finnish Karelian inland area and vary between 2.4 and 28.8 ha in size. The existence of Early Metal Age population was one important question. Another study question concerned the development of grazing, and the relationship between slash-and-burn cultivation and permanent field cultivation. The results were presented as pollen percentages and pollen concentrations (grains cm 3). Accumulation values (grains cm 2 yr 1) were calculated for Lake Nautajärvi and Lake Orijärvi sediment, where the sediment accumulation rate was precisely determined. Sediment properties were determined using loss-on-ignition (LOI) and magnetic susceptibility (k). Dating methods used include both conventional and AMS 14C determinations, paleomagnetic dating and varve choronology. The isolation of Lake Kirjavalampi on the northern shore of Lake Ladoga took place ca. 1460 1300 BC. The long sediment cores from Finland, Lake Kirkkolampi and Lake Orijärvi in southeastern Finland and Lake Nautajärvi in south central Finland all extended back to the Early Holocene and were isolated from the Baltic basin ca. 9600 BC, 8600 BC and 7675 BC, respectively. In the long sediment cores, the expansion of Alnus was visible between 7200 - 6840 BC. The spread of Tilia was dated in Lake Kirkkolampi to 6600 BC, in Lake Orijärvi to 5000 BC and at Lake Nautajärvi to 4600 BC. Picea is present locally in Lake Kirkkolampi from 4340 BC, in Lake Orijärvi from 6520 BC and in Lake Nautajärvi from 3500 BC onwards. The first modifications in the pollen data, apparently connected to anthropogenic impacts, were dated to the beginning of the Early Metal Period, 1880 1600 BC. Anthropogenic activity became clear in all the study sites by the end of the Early Metal Period, between 500 BC AD 300. According to Secale pollen, slash-and-burn cultivation was practised around the eastern study lakes from AD 300 600 onwards, and at the study site in central Finland from AD 880 onwards. The overall human impact, however, remained low in the studied sites until the Late Iron Age. Increasing human activity, including an increase in fire frequency was detected from AD 800 900 onwards in the study sites in eastern Finland. In Lake Kirkkolampi, this included cultivation on permanent fields, but in Lake Orijärvi, permanent field cultivation became visible as late as AD 1220, even when the macrofossil data demonstrated the onset of cultivation on permanent fields as early as the 7th century AD. On the northern shore of Lake Ladoga, local activity became visible from ca. AD 1260 onwards and at Lake Nautajärvi, sediment the local occupation was traceable from 1420 AD onwards. The highest values of Secale pollen were recorded both in Lake Orijärvi and Lake Kirjavalampi between ca. AD 1700 1900, and could be associated with the most intensive period of slash-and-burn from AD 1750 to 1850 in eastern Finland.

Heating values of mature trees.

The effective heating values of the above and below ground biomass components of mature Scots pine (Pinus sylvestris), Norway spruce (Picea abies), downy birch (Betula pubescens), silver birch (Betula pendula), grey alder (Alnus incana), black alder (Alnus glutinosa) and trembling aspen (Populus tremula) were studied. Each sample tree was divided into wood, bark and foliage components. Bomb calorimetry was used to determine the calorimetric heating values. The species is a significant factor in the heating value of individual tree components. The heating value of the wood proper is highest in conifers. Broad-leaved species have a higher heating value of bark than conifers. The species factor diminishes when the weighted heating value of crown, whole stems or stump-root-system are considered. The crown material has a higher heating value per unit weight in comparison with fuelwood from small-sized stems or wholetrees. The additional advantages of coniferous crown material are that it is a non-industrial biomass resource and is readily available. The variability of both the chemical composition and the heating value is small in any given tree component of any species. However, lignin, carbohydrate and extractive content were found to vary from one part of the tree to another and to correlate with the heating value.