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 17α-ethinyl estradiol on the mating system of the sand goby (Pomatoschistus minutus)

In aquatic environments, endocrine disrupting chemicals (EDCs) that interfere with the endocrinology of males and females form a threat to the maintenance of populations. EDCs are a diverse group of natural and manmade chemicals that already at very low concentrations (at nanogram levels) can have severe effects on reproduction by individuals, e.g. complete sex reversal, feminisation of males, impaired reproduction even resulting in near extinction of populations. With regard to fish, despite the extensive literature on physiological effects of EDCs, very little is known about potential population-level effects. In this thesis, I examined how 17α-ethinyl estradiol (EE2), a synthetic estrogen used in oral contraceptive pills, affects the reproductive behaviour of a marine fish, the sand goby (Pomatoschistus minutus). The aims were fourfold. First, I investigated how exposure to EE2 affects courtship and parental care of sand goby males. Secondly, I looked at effects on the mating system and sexual selection. In the third study, I observed the effects of exposure in a social context where exposed males had to compete with non-exposed males for resources and mates. Finally, I studied the effects of exposure on male-male competition and male aggressive behaviour. This work revealed that EE2 exposure impairs the ability of males to acquire and defend a nest, as well as diminishes the attractiveness of males to females by decreasing their courtship and aggressive behaviour. These effects are harmful for a male whose reproductive success is determined by the ability to compete for limited resources and to attract mates. Furthermore, this thesis showed that selection on male size was relaxed after EE2 exposure and male size had a smaller effect on mating success. These effects can be of a profound nature as they interfere with sexual selection, and may in the long run lead to the loss of traits maintained through sexual selection. The thesis shows that an exposure to environmentally relevant levels of EE2 clearly reduces the chances of individuals to reproduce successfully. Furthermore, it strongly suggests that several types of biomarkers should be used to detect and assess the effects of EDC exposure because severe behavioural effects can sometimes be seen before effects are detectable at the molecular or morphometric level. Behavioural assays should be considered an important complementary tool for the standard ecotoxicological assays because observed behavioural changes have direct and negative effects on fitness, while the connection between changes in molecular expression and fitness may be less obvious.

Context-dependent mate choice in the sand goby, Pomatoschistus minutus

The results presented in this thesis show that all females of a given population do not necessarily choose similar mating partners. Specifically, partner preferences of a fish, the sand goby (Pomatoschistus minutus), varied among individual females and depended on the social context at the time of choice. I also show that females assess multiple mate choice cues simultaneously; partner preferences were based more strongly on an interaction effect between different choice cues than on any individual cue. Furthermore, I found that preferred matings involved fitness benefits in the form of increased offspring success, but these benefits were not significantly affected by mate compatibility. Hence, mate choice for partner compatibility does not appear to be an important determinant of the observed variation in female mate preferences in this species. The context-dependency of female mating preferences revealed is relevant to how genetic variation in sexually selected traits might be maintained: as the mating success of a certain male type varies according to the choice context, directional sexual selection on male traits is shown to be less intense than generally thought making for a slower loss of genetic variation in these traits. Mating preferences of sand gobies were assessed by giving females a binary choice between males that differed in body size and/or other focus traits. These association preferences were found to be sexually motivated, repeatable and to correspond to actual mating decisions.