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.

Adhesion,Presence and Antifouling of Deinococcus geothermalis in Paper Machine Environment

This thesis has two items: biofouling and antifouling in paper industry. Biofouling means unwanted microbial accumulation on surfaces causing e.g. disturbances in industrial processes, contamination of medical devices or of water distribution networks. Antifouling focuses on preventing accumulation of the biofilms in undesired places. Deinococcus geothermalis is a pink-pigmented, thermophilic bacterium, and extremely resistant towards radiation, UV-light and desiccation and known as a biofouler of paper machines forming firm and biocide resistant biofilms on the stainless steel surfaces. The compact structure of biofilm microcolonies of D. geothermalis E50051 and the adhesion into abiotic surfaces were investigated by confocal laser scanning microscope combined with carbohydrate specific fluorescently labelled lectins. The extracellular polymeric substance in D. geothermalis microcolonies was found to be a composite of at least five different glycoconjugates contributing to adhesion, functioning as structural elements, putative storages for water, gliding motility and likely also to protection. The adhesion threads that D. geothermalis seems to use to adhere on an abiotic surface and to anchor itself to the neighbouring cells were shown to be protein. Four protein components of type IV pilin were identified. In addition, the lectin staining showed that the adhesion threads were covered with galactose containing glycoconjugates. The threads were not exposed on planktic cells indicating their primary role in adhesion and in biofilm formation. I investigated by quantitative real-time PCR the presence of D. geothermalis in biofilms, deposits, process waters and paper end products from 24 paper and board mills. The primers designed for doing this were targeted to the 16S rRNA gene of D. geothermalis. We found D. geothermalis DNA from 9 machines, in total 16 samples of the 120 mill samples searched for. The total bacterial content varied in those samples between 107 to 3 ×1010 16S rRNA gene copies g-1. The proportion of D. geothermalis in those same samples was minor, 0.03 1.3 % of the total bacterial content. Nevertheless D. geothermalis may endanger paper quality as its DNA was shown in an end product. As an antifouling method towards biofilms we studied the electrochemical polarization. Two novel instruments were designed for this work. The double biofilm analyzer was designed for search for a polarization program that would eradicate D. geothermalis biofilm or from stainless steel under conditions simulating paper mill environment. The Radbox instrument was designed to study the generation of reactive oxygen species during the polarization that was effective in antifouling of D. geothermalis. We found that cathodic character and a pulsed mode of polarization were required to achieve detaching D. geothermalis biofilm from stainless steel. We also found that the efficiency of polarization was good on submerged, and poor on splash area biofilms. By adding oxidative biocides, bromochloro-5,5-dimethylhydantoin, 2,2-dibromo-2-cyanodiacetamide or peracetic acid gave additive value with polarization, being active on splash area biofilms. We showed that the cathodically weighted pulsed polarization that was active in removing D. geothermalis was also effective in generation of reactive oxygen species. It is possible that the antifouling effect relied on the generation of ROS on the polarized steel surfaces. Antifouling method successful towards D. geothermalis that is a tenacious biofouler and possesses a high tolerance to oxidative stressors could be functional also towards other biofoulers and applicable in wet industrial processes elsewhere.

Hila- ja kuviotason laskennan vaikutus kuvion kokonaistilavuuteen, tallennustilaan ja laskentaaikaan teoreettista läpimittajakaumaa ja runkolukusarjaa käyttämällä

Metsäsuunnittelussa tarvittavan metsävaratiedon keräämisessä ollaan Suomessa siirtymässä kuvioittaisesta arvioinnista laserkeilaus- ja ilmakuvapohjaiseen kaukokartoitukseen. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli selvittää kuvion kokonaistilavuuden ja läpimittajakauman ennustamisen tarkkuus koealan metsikkö- ja puustotunnuksista MSN-, PRM-, ML- ja FMM-menetelmiä sekä Weibull-jakaumaa hyödyntäen seuraavilla tavoilla: 1. PRM-menetelmällä hilatasolla, 2. PRMmenetelmällä kuviotasolla, 3. ML-menetelmällä hilatasolla ja 4. ML-menetelmällä kuviotasolla. Lisäksi kuvion kokonaistilavuuden ennustamisen tarkkuus selvitettiin hyödyntäen kuviolle tuotettua runkolukusarjaa. Tulokset laskettiin puulajikohtaisesti männylle, kuuselle, koivulle ja muille puulajeille. Puulajien tulokset laskettiin kuviotasolla yhteen. Lisäksi selvitettiin menetelmien laskenta-ajan ja tallennustilan tarve. Tutkimuksen aineistona käytettiin Hämeen ammattikorkeakoulun Evon toimipisteen metsistä mitattuja kiinteäsäteisiä ympyräkoealoja, joita oli 249 kappaletta. Hakkuukoneella mitattiin 12kuvion, joiden pinta-alat vaihtelivat välillä 0,2 – 1,94 hehtaaria, puustotiedot. Aluepohjaisen laserkeilausaineiston pulssin tiheys oli 1,8/m2 ja ilmakuvien pikselikoko 0,5 metriä. Kuvion kokonaistilavuus ennustettiin tai estimoitiin laserkeilaus- ja ilmakuva-aineiston piirteiden avulla koealojen puustotunnuksista. Tulokset laskettiin erikseen kaikille kuvioille ja kuvioille, joiden pinta-ala oli yli 0,5 hehtaaria. Yli 0,5 hehtaarin kuvioita oli 8 kappaletta. Kuvion hilojen naapureina käytettiin 1 - 10 koealaa. Menetelmästä ja naapurien määrästä riippuen kokonaistilavuuden suhteellinen RMSE ja harha vaihtelivat välillä 20,76 – 52,86 prosenttia ja -12,04 – 46,54 prosenttia. Vastaavat luvut yli 0,5 hehtaarin kuvioilla olivat 6,74 – 59,41 prosenttia ja -8,04 – 49,59 prosenttia. Laskenta-aika vaihteli menetelmien ja käytettyjen naapurien määrän mukaan voimakkaasti. Kehittyneemmällä ohjelmoinnilla ja ohjelmistolla laskenta-ajat voivat laskea merkittävästi. Tallennustila ei testatuilla menetelmillä ole rajoittava tekijä laajassakaan mittakaavassa. Läpimittajakauman perusteella PRM-menetelmä ennustaa puulajille erittäin kapean läpimittajakauman, jos koeala koostuu vain muutamasta lähes samankokoisesta puusta. Tämä vaikutti tuloksiin erityisesti menetelmällä PRM2.

Estimation of cutting volume with three inventory methods for harvest planning in Canadian boreal forests.

Two methods of pre-harvest inventory were designed and tested on three cutting sites containing a total of 197 500 m3 of wood. These sites were located on flat-ground boreal forests located in northwestern Quebec. Both methods studied involved scaling of trees harvested to clear the road path one year (or more) prior to harvest of adjacent cut-blocks. The first method (ROAD) considers the total road right-of-way volume divided by the total road area cleared. The resulting volume per hectare is then multiplied by the total cut-block area scheduled for harvest during the following year to obtain the total estimated cutting volume. The second method (STRATIFIED) also involves scaling of trees cleared from the road. However, in STRATIFIED, log scaling data are stratified by forest stand location. A volume per hectare is calculated for each stretch of road that crosses a single forest stand. This volume per hectare is then multiplied by the remaining area of the same forest stand scheduled for harvest one year later. The sum of all resulting estimated volumes per stand gives the total estimated cutting-volume for all cut-blocks adjacent to the studied road. A third method (MNR) was also used to estimate cut-volumes of the sites studied. This method represents the actual existing technique for estimating cutting volume in the province of Quebec. It involves summing the cut volume for all forest stands. The cut volume is estimated by multiplying the area of each stand by its estimated volume per hectare obtained from standard stock tables provided by the governement. The resulting total estimated volume per cut-block for all three methods was then compared with the actual measured cut-block volume (MEASURED). This analysis revealed a significant difference between MEASURED and MNR methods with the MNR volume estimate being 30 % higher than MEASURED. However, no significant difference from MEASURED was observed for volume estimates for the ROAD and STRATIFIED methods which respectively had estimated cutting volumes 19 % and 5 % lower than MEASURED. Thus the ROAD and STRATIFIED methods are good ways to estimate cut-block volumes after road right-of-way harvest for conditions similar to those examined in this study.