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.

Microbial communities in Pb contaminated boreal forest soil

Lead contamination in the environment is of particular concern, as it is a known toxin. Until recently, however, much less attention has been given to the local contamination caused by activities at shooting ranges compared to large-scale industrial contamination. In Finland, more than 500 tons of Pb is produced each year for shotgun ammunition. The contaminant threatens various organisms, ground water and the health of human populations. However, the forest at shooting ranges usually shows no visible sign of stress compared to nearby clean environments. The aboveground biota normally reflects the belowground ecosystem. Thus, the soil microbial communities appear to bear strong resistance to contamination, despite the influence of lead. The studies forming this thesis investigated a shooting range site at Hälvälä in Southern Finland, which is heavily contaminated by lead pellets. Previously it was experimentally shown that the growth of grasses and degradation of litter are retarded. Measurements of acute toxicity of the contaminated soil or soil extracts gave conflicting results, as enchytraeid worms used as toxicity reporters were strongly affected, while reporter bacteria showed no or very minor decreases in viability. Measurements using sensitive inducible luminescent reporter bacteria suggested that the bioavailability of lead in the soil is indeed low, and this notion was supported by the very low water extractability of the lead. Nevertheless, the frequency of lead-resistant cultivable bacteria was elevated based on the isolation of cultivable strains. The bacterial and fungal diversity in heavily lead contaminated shooting sectors were compared with those of pristine sections of the shooting range area. The bacterial 16S rRNA gene and fungal ITS rRNA gene were amplified, cloned and sequenced using total DNA extracted from the soil humus layer as the template. Altogether, 917 sequenced bacterial clones and 649 sequenced fungal clones revealed a high soil microbial diversity. No effect of lead contamination was found on bacterial richness or diversity, while fungal richness and diversity significantly differed between lead contaminated and clean control areas. However, even in the case of fungi, genera that were deemed sensitive were not totally absent from the contaminated area: only their relative frequency was significantly reduced. Some operational taxonomic units (OTUs) assigned to Basidiomycota were clearly affected, and were much rarer in the lead contaminated areas. The studies of this thesis surveyed EcM sporocarps, analyzed morphotyped EcM root tips by direct sequencing, and 454-pyrosequenced fungal communities in in-growth bags. A total of 32 EcM fungi that formed conspicuous sporocarps, 27 EcM fungal OTUs from 294 root tips, and 116 EcM fungal OTUs from a total of 8 194 ITS2 454 sequences were recorded. The ordination analyses by non-parametric multidimensional scaling (NMS) indicated that Pb enrichment induced a shift in the EcM community composition. This was visible as indicative trends in the sporocarp and root tip datasets, but explicitly clear in the communities observed in the in-growth bags. The compositional shift in the EcM community was mainly attributable to an increase in the frequencies of OTUs assigned to the genus Thelephora, and to a decrease in the OTUs assigned to Pseudotomentella, Suillus and Tylospora in Pb-contaminated areas when compared to the control. The enrichment of Thelephora in contaminated areas was also observed when examining the total fungal communities in soil using DNA cloning and sequencing technology. While the compositional shifts are clear, their functional consequences for the dominant trees or soil ecosystem remain undetermined. The results indicate that at the Hälvälä shooting range, lead influences the fungal communities but not the bacterial communities. The forest ecosystem shows apparent functional redundancy, since no significant effects were seen on forest trees. Recently, by means of 454 pyrosequencing , the amount of sequences in a single analysis run can be up to one million. It has been applied in microbial ecology studies to characterize microbial communities. The handling of sequence data with traditional programs is becoming difficult and exceedingly time consuming, and novel tools are needed to handle the vast amounts of data being generated. The field of microbial ecology has recently benefited from the availability of a number of tools for describing and comparing microbial communities using robust statistical methods. However, although these programs provide methods for rapid calculation, it has become necessary to make them more amenable to larger datasets and numbers of samples from pyrosequencing. As part of this thesis, a new program was developed, MuSSA (Multi-Sample Sequence Analyser), to handle sequence data from novel high-throughput sequencing approaches in microbial community analyses. The greatest advantage of the program is that large volumes of sequence data can be manipulated, and general OTU series with a frequency value can be calculated among a large number of samples.

Koulun kestävän kehityksen työn merkitys kiinteistön jätehuollossa Case: Helsingin peruskoulujen jätekustannukset ja -määrät

Koulujen kestävän kehityksen työllä tarkoitetaan ekologiseen, taloudelliseen, sosiaaliseen ja kulttuuriseen kestävyyteen pohjautuvaa ympäristökasvatusta. Helsingissä peruskoulujen kestävän kehityksen työvälineet (ympäristökartoitukset ja – ohjelmat) ovat perustuneet koulujen ympäristöasioiden suunnitteluun, opetussuunnitelmien toteutumiseen ja ylläpitotoimintoihin, kuten jätehuoltoon. Opetusvirasto käytti vuosina 2005 ja 2009 ympäristötoiminnan arvioinnissa ympäristötasokuvauksia 1-3, joista arvosana 3 kuvaa ympäristöasioissa edistyneintä koulua. Tutkielman tavoitteena on tutkia ympäristötoiminnan tasojen perusteella ryhmiteltyjen peruskoulujen välisiä eroja jätekustannuksissa ja – määrissä (euroa/henkilö ja kg/henkilö) ja löytää mahdollisesti eroihin vaikuttavia tekijöitä. Tutkielman toimeksiantajana on 4V-Välitä, vaikuta, viihdy, voi hyvin – hanke, jonka yhtenä toiminnan osa-alueena on koulujen kestävän kehityksen työ. Tuloksista tullaan johtamaan tietoa Opetusviraston sekä muiden tahojen, kuten HSY:n ja Palmian ympäristötyöhön sekä Kiinteistöviraston Tilakeskuksen hallinnassa olevien koulukiinteistöjen jätehuollon kehittämiseen. Tutkimusaineistoina käytettiin Helsingin peruskoulujen vuoden 2009 jätekustannuksia ja tutkielman yhteydessä kerätyn jäteseurannan tuloksia vuodelta 2010. Jätekustannus- ja jätemääräaineistot yhdistettiin vuoden 2009 ympäristötoiminnan tasoluokitusten perusteella otokseksi (n=64). Lopullinen jätekustannus- ja jätemääräanalyysi tehtiin 29 koulun otoksella, josta oli rajattu pois kiinteistöt, joilla on koulun toiminnan lisäksi muita käyttötarkoituksia. Analyysiin sisällytettiin myös tarkempi tarkastelu koulujen seka- ja biojätejakeiden kustannuksista ja määristä. Tutkimuksen johtopäätöksenä todettiin, että eri ympäristötasoisten peruskoulujen välillä on huomattavia euro- ja kilomääräisiä eroja henkilöä kohden lasketuissa jätekustannuksissa ja –määrissä. Kokonaisjätemäärässä ei ole tapahtunut merkittävää muutosta tarkasteluvuosien välillä, mutta lajittelu näyttäisi kuitenkin tehostuneen. Tulosten perusteella ympäristöasioissa edistyneiden tason 3 koulujen keskimääräiset sekajätemäärät ja -kustannukset olivat pienimmät tasojen 1 ja 2 kouluihin verrattuna. Biojätemäärät ja –kustannukset olivat suurimmat tason 2 kouluissa. Jätekustannuksiin ja – määriin näyttäisivät vaikuttavan jäteastioiden määrien, kokojen ja tyhjennysrytmien optimointi sekä jäteastioiden täyttöasteet. Peruskoulujen tulisi keskittyä kestävän kehityksen työn avulla jätteiden synnyn ehkäisyyn ja vähentämiseen, jotta jätekustannuksetkin vähentyisivät jätehuollon kehittämistoimenpiteiden seurauksena.

Systems between information and knowledge : In a memory management model of an extended enterprise

The research question of this thesis was how knowledge can be managed with information systems. Information systems can support but not replace knowledge management. Systems can mainly store epistemic organisational knowledge included in content, and process data and information. Certain value can be achieved by adding communication technology to systems. All communication, however, can not be managed. A new layer between communication and manageable information was named as knowformation. Knowledge management literature was surveyed, together with information species from philosophy, physics, communication theory, and information system science. Positivism, post-positivism, and critical theory were studied, but knowformation in extended organisational memory seemed to be socially constructed. A memory management model of an extended enterprise (M3.exe) and knowformation concept were findings from iterative case studies, covering data, information and knowledge management systems. The cases varied from groups towards extended organisation. Systems were investigated, and administrators, users (knowledge workers) and managers interviewed. The model building required alternative sets of data, information and knowledge, instead of using the traditional pyramid. Also the explicit-tacit dichotomy was reconsidered. As human knowledge is the final aim of all data and information in the systems, the distinction between management of information vs. management of people was harmonised. Information systems were classified as the core of organisational memory. The content of the systems is in practice between communication and presentation. Firstly, the epistemic criterion of knowledge is not required neither in the knowledge management literature, nor from the content of the systems. Secondly, systems deal mostly with containers, and the knowledge management literature with applied knowledge. Also the construction of reality based on the system content and communication supports the knowformation concept. Knowformation belongs to memory management model of an extended enterprise (M3.exe) that is divided into horizontal and vertical key dimensions. Vertically, processes deal with content that can be managed, whereas communication can be supported, mainly by infrastructure. Horizontally, the right hand side of the model contains systems, and the left hand side content, which should be independent from each other. A strategy based on the model was defined.