Tracking and identifying wastewater toxicants and assessing their biodegradation products

Screening of wastewater effluents from municipal and industrial wastewater treatment plants with biotests showed that the treated wastewater effluents possess only minor acute toxic properties towards whole organisms (e.g. bacteria, algae, daphnia), if any. In vitro tests (sub-mitochondrial membranes and fish hepatocytes) were generally more susceptible to the effluents. Most of the effluents indicated the presence of hormonally active compounds, as the production of vitellogenin, an egg yolk precursor protein, was induced in fish hepatocytes exposed to wastewater. In addition, indications of slight genotoxic potential was found in one effluent concentrate with a recombinant bacteria test. Reverse electron transport (RET) of mitochondrial membranes was used as a model test to conduct effluent assessment followed by toxicant characterisations and identifications. Using a modified U.S. EPA Toxicity Identification Evaluation Phase I scheme and additional case-specific methods, the main compound in a pulp and paper mill effluent causing RET inhibition was characterised to be an organic, relatively hydrophilic high molecular weight (HMW) compound. The toxicant could be verified as HMW lignin by structural analyses using nuclear magnetic resonance. In the confirmation step commercial and in-house extracted lignin products were used. The possible toxicity related structures were characterised by statistical analysis of the chemical breakdown structures of laboratory-scale pulping and bleaching effluents and the toxicities of these effluents. Finally, the biological degradation of the identified toxicant and other wastewater constituents was evaluated using bioassays in combination with chemical analyses. Biological methods have not been used routinely in establishing effluent discharge limits in Finland. However, the biological effects observed in this study could not have been predicted using only routine physical and chemical effluent monitoring parameters. Therefore chemical parameters cannot be considered to be sufficient in controlling effluent discharges especially in case of unknown, possibly bioaccumulative, compounds that may be present in small concentrations and may cause chronic effects.

Lantibiotic Nisin and Its Detection Methods

The type A lantibiotic nisin produced by several Lactococcus lactis strains, and one Streptococcus uberis strainis a small antimicrobial peptide that inhibits the growth of a wide range of gram-positive bacteria, such as Bacillus, Clostridium, Listeria and Staphylococcus species. It is nontoxic to humans and used as a food preservative (E234) in more than 50 countries including the EU, the USA, and China. National legislations concerning maximum addition levels of nisin in different foods vary greatly. Therefore, there is a demand for non-laborious and sensitive methods to identify and quantify nisin reliably from different food matrices. The horizontal inhibition assay, based on the inhibitory effect of nisin to Micrococcus luteus is the base for most quantification methods developed so far. However, the sensitivity and accuracy of the agar diffusion method is affected by several parameters. Immunological tests have also been described. Taken into account the sensitivity of immunological methods to interfering substances within sample matrices, and possible cross-reactivities with lantibiotics structurally close to nisin, their usefulness for nisin detection from food samples remains limited. The proteins responsible for nisin biosynthesis, and producer self-immunity are encoded by genes arranged into two inducible operons, nisA/Z/QBTCIPRK and nisFEG, which also contain internal, constitutive promoters PnisI and PnisR. The transmembrane histidine kinase NisK and the response regulator NisR form a two-component signal transduction system, in which NisK autophosphorylates after exposure to extra cellular nisin, and subsequently transfers the phosphate to NisR. The phosphorylated NisR then relays the signal downstream by binding to two regulated promoters in the nisin gene cluster, i.e the nisA/Z/Qand the nisF promoters, thus activating transcription of the structural gene nisA/Z/Q and the downstream genes nisBTCIPRK from the nisA/Z/Q promoter, and the genes nisFEG from the nisF promoter. In this work two novel and highly sensitive nisin bioassays were developed. Both of these quantification methods were based on NisRK mediated, nisin induced Green Fluorescent Protein (GFP) fluorescence. The suitabilities of these assays for quantifica¬tion of nisin from food samples were evaluated in several food matrices. These bioassays had nisin sensitivities in the nanogram or picogram levels. In addition, shelf life of nisin in cooked sausages and retainment of the induction activity of nisin in intestinal chyme (intestinal content) was assessed.

Kymmenen teollisesti merkittävän puulajin kuoriuutteiden mahdollisuudet tuholaistorjunnassa

Metsäteollisuudesta kertyy vuosittain suuria määriä ylijäämämateriaalia, kuten puun kuorta ja oksia.Ylimääräinen aines käytetään pääasiassa energiantuotantoon, mutta uusia soveltamismahdollisuuksia kaivataan. Kuoren on havaittu olevan potentiaalinen lähde monille bioaktiivisille yhdisteille, joille olisi käyttöä esimerkiksi lääke- ja kemianteollisuudessa sekä maa-, metsä- ja puutarhatuotannon tuholaistorjunnassa. Tutkimus on osa Euroopan Unionin rahoittamaa ForestSpeCs-projektia, jonka tarkoituksena on selvittää metsäteollisuuden ylijäämämateriaalien vaihtoehtoisia käyttötapoja. Valittujen kymmenen teollisesti merkittävän pohjoisen puulajin (Abies nephrolepis, Betula pendula, Larix decidua, L. gmelinii, L. sibirica, Picea abies, P. ajanensis, P. pumila, Pinus sylvestris, Populus tremula) kuoresta uutettujen aineiden soveltuvuutta syönninestoaineeksi testattiin kaaliperhosen (Pieris brassicae L.) ja krysanteemiyökkösen (Spodoptera littoralis Boisduval) toukilla sekä osittain sinappikuoriaisella (Phaedon cochloreae Fabricius) ja idänlehtikuoriaisella (Agelastica alni L.). Uutteet valmistettiin yhteistyössä projektin ryhmien avulla tai itsenäisesti erilaisin menetelmin. Testaukset tehtiin laboratorio-oloissa käyttäen lehtikiekkojen valintabiotestiä sekä karkeilla uutteilla että niistä erotelluilla yksittäisillä yhdisteillä. Tehdyistä mittauksista laskettiin syönninestoindeksit (FDI). Tulosten perusteella lähes kaikki testatut uutteet vaikuttivat ainakin jossain määrin kohdehyönteisen syöntikäyttäytymiseen. Hieman yli puolet kaaliperhosella testatuista 46 uutteesta aiheuttivat yli 50 % syönnineston eli kaaliperhonen suosi kontrollilehtiä uutteella käsiteltyjä todennäköisemmin. Krysanteemiyökkösellä yli 50 %:n syönnineston aiheuttivat vain seitsemän testatuista 56 uutteesta. Lisäksi kolme uutetta lisäsi käsiteltyjen kiekkojen syöntiä merkittävästi. Idänlehtikuoriaistoukat ja -aikuiset karttoivat erityisesti abietiinihapolla käsiteltyjä lehtiä. Sinappikuoriaisella testatut uutteet toimivat myös lupaavasti. Testattujen puulajien kuoresta on mahdollista uuttaa biologisesti aktiivisia yhdisteitä, mutta tuholaistorjunnan kannalta oikeiden pitoisuuksien ja tehokkaiden uuttomenetelmien löytäminen vaatii jatkotutkimuksia. Kuoren sisältämien yhdisteiden laatu ja määrä vaihtelevat monien tekijöiden, kuten ympäristön ja genetiikan vaikutuksesta. Hyönteisten sietokyky vaihtelee myös paljon lajeittain ja yksilöidenkin välillä on eroja. Uutteista valmistettavia torjunta-aineita olisi kuitenkin mahdollista sisällyttää esimerkiksi integroituun torjuntaan muiden menetelmien rinnalle tulevaisuudessa.