Purification of pharmaceuticals and nutraceutical compounds by sub- and supercritical extraction and chromatography

This thesis discusses the use of sub- and supercritical fluids as the medium in extraction and chromatography. Super- and subcritical extraction was used to separate essential oils from herbal plant Angelica archangelica. The effect of extraction parameters was studied and sensory analyses of the extracts were done by an expert panel. The results of the sensory analyses were compared to the analytically determined contents of the extracts. Sub- and supercritical fluid chromatography (SFC) was used to separate and purify high-value pharmaceuticals. Chiral SFC was used to separate the enantiomers of racemic mixtures of pharmaceutical compounds. Very low (cryogenic) temperatures were applied to substantially enhance the separation efficiency of chiral SFC. The thermodynamic aspects affecting the resolving ability of chiral stationary phases are briefly reviewed. The process production rate which is a key factor in industrial chromatography was optimized by empirical multivariate methods. General linear model was used to optimize the separation of omega-3 fatty acid ethyl esters from esterized fish oil by using reversed-phase SFC. Chiral separation of racemic mixtures of guaifenesin and ferulic acid dimer ethyl ester was optimized by using response surface method with three variables per time. It was found that by optimizing four variables (temperature, load, flowate and modifier content) the production rate of the chiral resolution of racemic guaifenesin by cryogenic SFC could be increased severalfold compared to published results of similar application. A novel pressure-compensated design of industrial high pressure chromatographic column was introduced, using the technology developed in building the deep-sea submersibles (Mir 1 and 2). A demonstration SFC plant was built and the immunosuppressant drug cyclosporine A was purified to meet the requirements of US Pharmacopoeia. A smaller semi-pilot size column with similar design was used for cryogenic chiral separation of aromatase inhibitor Finrozole for use in its development phase 2.

Lebanese Plants and Plant-Derived Compounds Against Colon Cancer

Colorectal cancer (CRC) is a major health concern and demands long-term efforts in developing strategies for screening and prevention. CRC has become a preventable disease as a consequence of a better understanding of colorectal carcinogenesis. However, current therapy is unsatisfactory and necessitates the exploration of other approaches for the prevention and treatment of cancer. Plant based products have been recognized as preventive with regard to the development of colon cancer. Therefore, the potential chemopreventive use and mechanism of action of Lebanese natural product were evaluated. Towards this aim the antitumor activity of Onopordum cynarocephalum and Centaurea ainetensis has been studied using in vitro and in vivo models. In vitro, both crude extracts were non cytotoxic to normal intestinal cells and inhibited the proliferation of colon cancer cells in a dose-dependent manner. In vivo, both crude extracts reduced the number of tumors by an average of 65% at weeks 20 (adenomas stage) and 30 (adenocarcinomas stage). The activity of the C. ainetensis extract was attributed to Salograviolide A, a guaianolide-type sesquiterpene lactone, which was isolated and identified through bio-guided fractionation. The mechanism of action of thymoquinone (TQ), the active component of Nigella sativa, was established in colon cancer cells using in vitro models. By the use of N-acetyl cysteine, a radical scavenger, the direct involvement of reactive oxygen species in TQ-induced apoptotic cells was established. The analytical detection of TQ from spiked serum and its protein binding were evaluated. The average recovery of TQ from spiked serum subjected to several extraction procedures was 2.5% proving the inability of conventional methods to analyze TQ from serum. This has been explained by the extensive binding (>98%) of TQ to serum and major serum components such as bovine serum albumin (BSA) and alpha-1-acid glycoprotein (AGP). Using mass spectrometry analysis, TQ was confirmed to bind covalently to the free cysteine in position 34 and 147 of the amino acid sequence of BSA and AGP, respectively. The results of this work put at the disposal for future development new plants with anti-cancer activities and enhance the understanding of the pharmaceutical properties of TQ, a prerequisite for its future clinical development.

Upregulation and Functionality of Neuronal Nicotinic Acetylcholine Receptors

Cigarette smoking is, in developed countries, the leading cause of premature death. In tobacco smoke, the main addictive compound is nicotine, which in the brain binds to neuronal nicotinic acetylcholine receptors (neuronal nAChRs). These have been implicated in addiction, but also in several neurological disorders including Alzheimer's and Parkinson's diseases, Tourette's syndrome, attention-deficit hyperactivity disorder (ADHD), schizophrenia, pain, depression, and autosomal-dominant noctural frontal lobe epilepsy; all of which makes nAChRs an intriguing target of study. Chronic treatment with nicotine leads to an increase in the number of nAChRs (upregulation) in the brain and changes their functionality. Changes in the properties of nAChRs are likely to occur in smokers as well, since they are exposed to nicotine for long periods of time. Several nAChR subtypes likely play a role in the formation of nicotine addiction by participating in the release of dopamine in the striatum. The aim of this study was to clarify at cellular level the changes in nAChR characteristics resulting from chronic nicotine treatment. SH-SY5Y cells, endogenously several nAChR-expressing, and SH-EP1-h-alfa7 cells, transfected with the alfa 7 nAChR subunit gene were treated chronically with nicotine. The localisation of alfa 7 and beta2 subunits was studied with confocal and electron microscopy. Functionality of nAChRs was studied with calcium fluorometry. Effects of long-term treatment with opioid compounds on nAChRs were studied by means of ligand binding. Confocal microscopy showed that in SH-SY5Y cells, alfa7 and beta2 subunits formed clusters, unlike the case in SH-EP1-h alfa7 cells, where alfa7 nAChRs were distributed more diffusely. The majority of nAChR subunits localised on endoplasmic reticulum (ER). The isomers of methadone acted as agonists at alfa7 nAChRs. Acute morphine challenge also stimulated nAChRs. Chronic treatment with methadone or morphine led to an increased number of nAChRs. In animal studies, mice received nicotine for 7 weeks. Electron microscopical analysis of the localisation of nAChRs showed in the striatum that alfa7 and beta2 nAChR subunits localised synaptically, extrasynaptically, and intracellularly, with the majority localising extrasynaptically. Chronic nicotine treatment caused an increase in the number of nAChR subunits at all studied locations. These results suggest that the alfa7 nAChR and beta2 subunit-containing nAChRs respond to chronic nicotine treatment differently. This may indicate that the functional balance of various nAChR subtypes in control of the release of dopamine is altered as a result of chronic nicotine treatment. Compounds binding both to opioid and nACh receptors may be of clinical importance.

Effects of oral calcium sensitizers on experimental heart failure

Suun kautta annosteltava kalsiumherkistäjä parantaa sydämen vajaatoimintaan liittyvää pumppausvajetta kokeellisissa sydämen vajaatoimintamalleissa Huolimatta viime vuosikymmenien lääketieteellisestä kehityksestä krooninen sydämen vajaatoiminta on silti edelleen vakava, elämänlaatua voimakkaasti rajoittava sairaus. Kalsiumherkistäjät ovat uusi, sydämen pumppausvoimaa lisäävä lääkeryhmä. Levosimendaani, kotimaista alkuperää oleva kalsiumherkistäjä, on kliinisessä käytössä akuutin vajaatoiminnan hoitoon suonensisäisesti ja lyhytaikaisesti annosteltavana valmisteena. Levosimendaanilla on aktiivinen metaboliitti, OR-1896, jonka oletetaan olevan vuorokauden mittaisen levosimendaani-infuusion jälkeen havaittujen useita päiviä kestävien hyödyllisisten vaikutuksisten takana. Levosimendaanin kroonisen, suun kautta tapahtuvan annostelun vaikutuksista tieto on vähäisempää, mutta sillä näyttää olevan positiivisia vaikutuksia potilaiden raportoimana. FM Marjut Louhelainen on selvittänyt väitöskirjassaan suun kautta annosteltavan levosimendaanin ja sen pitkäkestoisen aktiivisen metaboliitin vaikutuksia kroonisen vajaatoiminnan hoidossa käyttämällä sekä hypertensiivisen sydäntaudin että 2 tyypin diabeteksen komplisoimaan sydäninfarktin kokeellisia malleja. Tutkimuksessa selvitettiin lisäksi vajaatoimintaan johtavia molekyylitason tapahtumia sydänlihaksessa. Tutkimuksessa osoitettiin, että krooninen suun kautta annosteltu hoito sekä kalsiumherkistäjä levosimendaanilla että sen aktiivisella metaboliitilla estää hypertensiiviseen sydämen vajaatoiminnan aikaasaamaa sydämen uudelleenmuovaantumista ja siihen liittyvää kuolleisuutta. Nämä vaikutukset välittyivät vähentyneen sydänlihassoluhypertrofian, solukuolleisuuden ja neurohumaraalisen aktivaation kautta. Levosimendaanin ja OR-1896:n osoitettiin myös parantavan sydämen pumppausfunktiota tyyppi 2 diabeteksen komplisoimassa sydäninfarktissa. Ei-diabeettiseen tilanteeseen verrattuna diabetekseen liittyvä infarktin jälkeinen vajaatoiminnan kehitys oli yhteydessä lisääntyneeseen tulehdukseen, fibroosiin, solukuolemaan, neurohumoraaliseen aktivaatioon ja ennenaikaiseen kudoksen vanhenemiseen. Sekä levosimendaani, että OR-1869 vähensivät tulehduksen, fibroosin ja solukuoleman merkkejä ja vaimensi neurohumoraalista aktivaatiota. OR-1896 myös vähensi solujen vanhenemiseen liittyvien merkkiaineiden ilmentymistä. Väitöskirjassa todettiin, että suun kautta annosteltuna sekä levosimendaani, että sen aktiivinen metaboliitti OR-1896, omaavat terapeuttista potentiaalia sekä hypertensiivisen sydäntaudin hoitoon että sydäninfarktin jälkeisen vajaatoiminnan estoon. FM Marjut Louhelaisen farmakologian alaan kuuluva väitöskirja Effects of oral calcium sensitizers on experimental heart failure tarkastetaan Helsingin yliopiston Lääketieteellisessä tiedekunnassa perjantaina 29.01.2010 klo 12 (Biomedicum Helsinki, luentosali 2, Haartmaninkatu 8, Helsinki). Vastaväittäjänä toimii professori Raimo Tuominen, Helsingin yliopiston Farmasian tiedekunnasta ja kustoksena professori Eero Mervaala Helsingin yliopiston Lääketieteellisestä tiedekunnasta.

Effects of dairy proteins and calcium on diet-induced obesity in mice

Diet high in dairy products is inversely associated with body mass index, risk of metabolic syndrome and prevalence of type 2 diabetes in several populations. Also a number of intervention studies support the role of increased dairy intake in the prevention and treatment of obesity. Dairy calcium has been suggested to account for the effect of dairy on body weight, but it has been repeatedly shown that the effect of dairy is superior to the effect of supplemental calcium. Dairy proteins are postulated to either enhance the effect of calcium or have an independent effect on body weight, but studies in the area are scarce. The aim of this study was to evaluate the potential of dairy proteins and calcium in the prevention and treatment of diet-induced obesity in C57Bl/6J mice. The effect of dairy proteins and calcium on the liver and adipose tissue was also investigated in order to characterise the potential mechanisms explaining the reduction of risk for metabolic syndrome and type 2 diabetes. A high-calcium diet (1.8%) in combination with dietary whey protein inhibited body weight and fat gain and accelerated body weight and fat loss in high-fat-fed C57Bl/6J mice during long-term studies of 14 to 21 weeks. α-lactalbumin, one of the major whey proteins, was the most effective whey protein fraction showing significantly accelerated weight and fat loss during energy restriction and reduced the amount of visceral fat gain during ad libitum feeding after weight loss. The microarray data suggest sensitisation of insulin signalling in the adipose tissue as a result of a calcium-rich whey protein diet. Lipidomic analysis revealed that weight loss on whey protein-based high-calcium diet was characterised by significant decreases in diabetogenic diacylglycerols and lipotoxic ceramide species. The calcium supplementation led to a small, but statistically significant decrease in fat absorption independent of the protein source of the diet. This augments, but does not fully explain the effects of the studied diets on body weight. A whey protein-containing high-calcium diet had a protective effect against a high-fat diet-induced decline of β3 adrenergic receptor expression in adipose tissue. In addition, a high-calcium diet with whey protein increased the adipose tissue leptin expression which is decreased in this obesity-prone mouse strain. These changes are likely to contribute to the inhibition of weight gain. The potential sensitisation of insulin signalling in adipose tissue together with the less lipotoxic and diabetogenic hepatic lipid profile suggest a novel mechanistic link to explain why increased dairy intake is associated with a lower prevalence of metabolic syndrome and type 2 diabetes in epidemiological studies. Taken together, the intake of a high-calcium diet with dairy proteins has a body weight lowering effect in high-fat-fed C57Bl/6J mice. High-calcium diets containing whey protein prevent weight gain and enhance weight loss, α-lactalbumin being the most effective whey protein fraction. Whey proteins and calcium have also beneficial effects on hepatic lipid profile and adipose tissue gene expression, which suggest a novel mechanistic link to explain the epidemiological findings on dairy intake and metabolic syndrome. The clinical relevance of these findings and the precise mechanisms of action remain an intriguing field of future research.

Plant secondary compounds and soil microbial processes in carbon and nitrogen cycling in relation to tree species

The aim of this study was to explore soil microbial activities related to C and N cycling and the occurrence and concentrations of two important groups of plant secondary compounds, terpenes and phenolic compounds, under silver birch (Betula pendula Roth), Norway spruce (Picea abies (L.) Karst) and Scots pine (Pinus sylvestris L.) as well as to study the effects of volatile monoterpenes and tannins on soil microbial activities. The study site, located in Kivalo, northern Finland, included ca. 70-year-old adjacent stands dominated by silver birch, Norway spruce and Scots pine. Originally the soil was very probably similar in all three stands. All forest floor layers (litter (L), fermentation layer (F) and humified layer (H)) under birch and spruce showed higher rates of CO2 production, greater net mineralisation of nitrogen and higher amounts of carbon and nitrogen in microbial biomass than did the forest floor layers under pine. Concentrations of mono-, sesqui-, di- and triterpenes were higher under both conifers than under birch, while the concentration of total water-soluble phenolic compounds as well as the concentration of condensed tannins tended to be higher or at least as high under spruce as under birch or pine. In general, differences between tree species in soil microbial activities and in concentrations of secondary compounds were smaller in the H layer than in the upper layers. The rate of CO2 production and the amount of carbon in the microbial biomass correlated highly positively with the concentration of total water-soluble phenolic compounds and positively with the concentration of condensed tannins. Exposure of soil to volatile monoterpenes and tannins extracted and fractionated from spruce and pine needles affected carbon and nitrogen transformations in soil, but the effects were dependent on the compound and its molecular structure. Monoterpenes decreased net mineralisation of nitrogen and probably had a toxic effect on part of the microbial population in soil, while another part of the microbes seemed to be able to use monoterpenes as a carbon source. With tannins, low-molecular-weight compounds (also compounds other than tannins) increased soil CO2 production and nitrogen immobilisation by soil microbes while the higher-molecular-weight condensed tannins had inhibitory effects. In conclusion, plant secondary compounds may have a great potential in regulation of C and N transformations in forest soils, but the real magnitude of their significance in soil processes is impossible to estimate.

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.

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.

Effects of dietary phosphorus and calcium-to-phosphorus ratio on calcium and bone metabolism in healthy 20- to 43-year-old Finnish women

Dietary habits have changed during the past decades towards an increasing consumption of processed foods, which has notably increased not only total dietary phosphorus (P) intake, but also intake of P from phosphate additives. While the intake of calcium (Ca) in many Western countries remains below recommended levels (800 mg/d), the usual daily P intake in a typical Western diet exceeds by 2- to 3-fold the dietary guidelines (600 mg/d). The effects of high P intake in healthy humans have been investigated seldom. In this thesis healthy 20- to 43-year-old women were studied. In the first controlled study (n = 14), we examined the effects of P doses, and in a cross-sectional study (n = 147) the associations of habitual P intakes with Ca and bone metabolism. In this same cross-sectional study, we also investigated whether differences exist between dietary P originating from natural P sources and phosphate additives. The second controlled study (n = 12) investigated whether by increasing the Ca intake, the effects of a high P intake could be reduced. The associations of habitual dietary calcium-to-phosphorus ratios (Ca:P ratio) with Ca and bone metabolism were determined in a cross-sectional study design (n = 147). In the controlled study, the oral intake of P doses (495, 745, 1245 and 1995 mg/d) with a low Ca intake (250 mg/d) increased serum parathyroid hormone (S-PTH) concentration in a dose-dependent manner. In addition, the highest P dose decreased serum ionized calcium (S-iCa) concentration and bone formation and increased bone resorption. In the second controlled study with a dietary P intake of 1850 mg/d, by increasing the Ca intake from 480 mg/d to 1080 mg/d and then to 1680 mg/d, the S-PTH concentration decreased, the S-iCa concentration increased and bone resorption decreased dose-dependently. However, not even the highest Ca intake could counteract the effect of high dietary P on bone formation, as indicated by unchanged bone formation activity. In the cross-sectional studies, a higher habitual dietary P intake (>1650 mg/d) was associated with lower S-iCa and higher S-PTH concentrations. The consumption of phosphate additive-containing foods was associated with a higher S-PTH concentration. Moreover, habitual low dietary Ca:P ratios (≤0.50, molar ratio) were associated with higher S-PTH concentrations and 24-h urinary Ca excretions, suggesting that low dietary Ca:P ratios may interfere with homeostasis of Ca metabolism and increase bone resorption. In summary, excessive dietary P intake in healthy Finnish women seems to be detrimental to Ca and bone metabolism, especially when dietary Ca intake is low. The results indicate that by increasing dietary Ca intake to the recommended level, the negative effects of high P intake could be diminished, but not totally prevented. These findings imply that phosphate additives may be more harmful than natural P. Thus, reduction of an excessively high dietary P intake is also beneficial for healthy individuals.