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.

Development of Sample Pretreatment and Liquid Chromatographic Techniques for Antioxidative Compounds

In this study, novel methodologies for the determination of antioxidative compounds in herbs and beverages were developed. Antioxidants are compounds that can reduce, delay or inhibit oxidative events. They are a part of the human defense system and are obtained through the diet. Antioxidants are naturally present in several types of foods, e.g. in fruits, beverages, vegetables and herbs. Antioxidants can also be added to foods during manufacturing to suppress lipid oxidation and formation of free radicals under conditions of cooking or storage and to reduce the concentration of free radicals in vivo after food ingestion. There is growing interest in natural antioxidants, and effective compounds have already been identified from antioxidant classes such as carotenoids, essential oils, flavonoids and phenolic acids. The wide variety of sample matrices and analytes presents quite a challenge for the development of analytical techniques. Growing demands have been placed on sample pretreatment. In this study, three novel extraction techniques, namely supercritical fluid extraction (SFE), pressurised hot water extraction (PHWE) and dynamic sonication-assisted extraction (DSAE) were studied. SFE was used for the extraction of lycopene from tomato skins and PHWE was used in the extraction of phenolic compounds from sage. DSAE was applied to the extraction of phenolic acids from Lamiaceae herbs. In the development of extraction methodologies, the main parameters of the extraction were studied and the recoveries were compared to those achieved by conventional extraction techniques. In addition, the stability of lycopene was also followed under different storage conditions. For the separation of the antioxidative compounds in the extracts, liquid chromatographic methods (LC) were utilised. Two novel LC techniques, namely ultra performance liquid chromatography (UPLC) and comprehensive two-dimensional liquid chromatography (LCxLC) were studied and compared with conventional high performance liquid chromatography (HPLC) for the separation of antioxidants in beverages and Lamiaceae herbs. In LCxLC, the selection of LC mode, column dimensions and flow rates were studied and optimised to obtain efficient separation of the target compounds. In addition, the separation powers of HPLC, UPLC, HPLCxHPLC and HPLCxUPLC were compared. To exploit the benefits of an integrated system, in which sample preparation and final separation are performed in a closed unit, dynamic sonication-assisted extraction was coupled on-line to a liquid chromatograph via a solid-phase trap. The increased sensitivity was utilised in the extraction of phenolic acids from Lamiaceae herbs. The results were compared to those of achieved by the LCxLC system.

Characterization of hydrophobin proteins at interfaces and in solutions using x rays

Hydrophobins are a group of particularly surface active proteins. The surface activity is demonstrated in the ready adsorption of hydrophobins to hydrophobic/hydrophilic interfaces such as the air/water interface. Adsorbed hydrophobins self-assemble into ordered films, lower the surface tension of water, and stabilize air bubbles and foams. Hydrophobin proteins originate from filamentous fungi. In the fungi the adsorbed hydrophobin films enable the growth of fungal aerial structures, form protective coatings and mediate the attachment of fungi to solid surfaces. This thesis focuses on hydrophobins HFBI, HFBII, and HFBIII from a rot fungus Trichoderma reesei. The self-assembled hydrophobin films were studied both at the air/water interface and on a solid substrate. In particular, using grazing-incidence x-ray diffraction and reflectivity, it was possible to characterize the hydrophobin films directly at the air/water interface. The in situ experiments yielded information on the arrangement of the protein molecules in the films. All the T. reesei hydrophobins were shown to self-assemble into highly crystalline, hexagonally ordered rafts. The thicknesses of these two-dimensional protein crystals were below 30 Å. Similar films were also obtained on silicon substrates. The adsorption of the proteins is likely to be driven by the hydrophobic effect, but the self-assembly into ordered films involves also specific protein-protein interactions. The protein-protein interactions lead to differences in the arrangement of the molecules in the HFBI, HFBII, and HFBIII protein films, as seen in the grazing-incidence x-ray diffraction data. The protein-protein interactions were further probed in solution using small-angle x-ray scattering. Both HFBI and HFBII were shown to form mainly tetramers in aqueous solution. By modifying the solution conditions and thereby the interactions, it was shown that the association was due to the hydrophobic effect. The stable tetrameric assemblies could tolerate heating and changes in pH. The stability of the structure facilitates the persistence of these secreted proteins in the soil.