Development of analytical techniques for studies on dispersion of actinides in the environment and characterization of environmental radioactive particles

Radioactive particles from three locations were investigated for elemental composition, oxidation states of matrix elements, and origin. Instrumental techniques applied to the task were scanning electron microscopy, X-ray and gamma-ray spectrometry, secondary ion mass spectrometry, and synchrotron radiation based microanalytical techniques comprising X-ray fluorescence spectrometry, X-ray fluorescence tomography, and X-ray absorption near-edge structure spectroscopy. Uranium-containing low activity particles collected from Irish Sea sediments were characterized in terms of composition and distribution of matrix elements and the oxidation states of uranium. Indications of the origin were obtained from the intensity ratios and the presence of thorium, uranium, and plutonium. Uranium in the particles was found to exist mostly as U(IV). Studies on plutonium particles from Runit Island (Marshall Islands) soil indicated that the samples were weapon fuel fragments originating from two separate detonations: a safety test and a low-yield test. The plutonium in the particles was found to be of similar age. The distribution and oxidation states of uranium and plutonium in the matrix of weapon fuel particles from Thule (Greenland) sediments were investigated. The variations in intensity ratios observed with different techniques indicated more than one origin. Uranium in particle matrixes was mostly U(IV), but plutonium existed in some particles mainly as Pu(IV), and in others mainly as oxidized Pu(VI). The results demonstrated that the various techniques were effectively applied in the characterization of environmental radioactive particles. An on-line method was developed for separating americium from environmental samples. The procedure utilizes extraction chromatography to separate americium from light lanthanides, and cation exchange to concentrate americium before the final separation in an ion chromatography column. The separated radiochemically pure americium fraction is measured by alpha spectrometry. The method was tested with certified sediment and soil samples and found to be applicable for the analysis of environmental samples containing a wide range of Am-241 activity. Proceeding from the on-line method developed for americium, a method was also developed for separating plutonium and americium. Plutonium is reduced to Pu(III), and separated together with Am(III) throughout the procedure. Pu(III) and Am(III) are eluted from the ion chromatography column as anionic dipicolinate and oxalate complexes, respectively, and measured by alpha spectrometry.

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.

Chemical mass closure and source-specific composition of atmospheric particles

It has been known for decades that particles can cause adverse health effects as they are deposited within the respiratory system. Atmospheric aerosol particles influence climate by scattering solar radiation but aerosol particles act also as the nuclei around which cloud droplets form. The principal objectives of this thesis were to investigate the chemical composition and the sources of fine particles in different environments (traffic, urban background, remote) as well as during some specific air pollution situations. Quantifying the climate and health effects of atmospheric aerosols is not possible without detailed information of the aerosol chemical composition. Aerosol measurements were carried out at nine sites in six countries (Finland, Germany, Czech, Netherlands, Greece and Italy). Several different instruments were used in order to measure both the particulate matter (PM) mass and its chemical composition. In the off-line measurements the samples were collected first on a substrate or filter and gravimetric and chemical analysis were conducted in the laboratory. In the on-line measurements the sampling and analysis were either a combined procedure or performed successively within the same instrument. Results from the impactor samples were analyzed by the statistical methods. This thesis comprises also a work where a method for the determination carbonaceous matter size distribution by using a multistage impactor was developed. It was found that the chemistry of PM has usually strong spatial, temporal and size-dependent variability. In the Finnish sites most of the fine PM consisted of organic matter. However, in Greece sulfate dominated the fine PM and in Italy nitrate made the largest contribution to the fine PM. Regarding the size-dependent chemical composition, organic components were likely to be enriched in smaller particles than inorganic ions. Data analysis showed that organic carbon (OC) had four major sources in Helsinki. Secondary production was the major source in Helsinki during spring, summer and fall, whereas in winter biomass combustion dominated OC. The significant impact of biomass combustion on OC concentrations was also observed in the measurements performed in Central Europe. In this thesis aerosol samples were collected mainly by the conventional filter and impactor methods which suffered from the long integration time. However, by filter and impactor measurements chemical mass closure was achieved accurately, and a simple filter sampling was found to be useful in order to explain the sources of PM on the seasonal basis. The online instruments gave additional information related to the temporal variations of the sources and the atmospheric mixing conditions.