Archaea, Bacteria, and methane production along environmental gradients in fens and bogs

Metanogeenit ovat hapettomissa oloissa eläviä arkkien pääryhmään kuuluvia mikrobeja, joiden ainutlaatuisen aineenvaihdunnan seurauksena syntyy metaania. Ilmakehässä metaani on voimakas kasvihuonekaasu. Yksi suurimmista luonnon metaanilähteistä ovat kosteikot. Pohjoisten soiden metaanipäästöt vaihtelevat voimakkaasti eri soiden välillä ja yhden suon sisälläkin, riippuen muun muassa vuodenajasta, suotyypistä ja kasvillisuudesta. Väitöskirjatyössä tutkittiin metaanipäästöjen vaihtelun mikrobiologista taustaa. Tutkimuksessa selvitettiin suotyypin, vuodenajan, tuhkalannoituksen ja turvesyvyyden vaikutusta metanogeeniyhteisöihin sekä metaanintuottoon kolmella suomalaisella suolla. Lisäksi tutkittiin ei-metanogeenisia arkkeja ja bakteereita, koska ne muodostavat metaanin tuoton lähtöaineet osana hapetonta hajotusta. Mikrobiyhteisöt analysoitiin DNA- ja RNA-lähtöisillä, polymeraasiketjureaktioon (PCR) perustuvilla menetelmillä. Merkkigeeneinä käytettiin metaanin tuottoon liittyvää mcrA-geeniä sekä arkkien ja bakteerien ribosomaalista 16S RNA-geeniä. Metanogeeniyhteisöt ja metaanintuotto erosivat huomattavasti happaman ja vähäravinteisen rahkasuon sekä ravinteikkaampien sarasoiden välillä. Rahkasuolta löytyi lähes yksinomaan Methanomicrobiales-lahkon metanogeeneja, jotka tuottavat metaania vedystä ja hiilidioksidista. Sarasoiden metanogeeniyhteisöt olivat monimuotoisempia, ja niillä esiintyi myös asetaattia käyttäviä metanogeeneja. Vuodenaika vaikutti merkittävästi metaanintuottoon. Talvella havaittiin odottamattoman suuri metaanintuottopotentiaali sekä viitteitä aktiivisista metanogeeneista. Arkkiyhteisön koostumus sen sijaan vaihteli vain vähän. Tuhkalannoitus, jonka tarkoituksena on edistää puiden kasvua ojitetuilla soilla, ei merkittävästi vaikuttanut metaanintuottoon tai -tuottajiin. Ojitetun suon yhteisöt kuitenkin muuttuivat turvesyvyyden mukaan. Vertailtaessa erilaisia PCR-menetelmiä todettiin, että kolmella mcrA-geeniin kohdistuvalla alukeparilla havaittiin pääosin samat ojitetun suon metanogeenit, mutta lajien runsaussuhteet riippuvat käytetyistä alukkeista. Soilla havaitut bakteerit kuuluivat pääjaksoihin Deltaproteobacteria, Acidobacteria ja Verrucomicrobia. Lisäksi löydettiin Crenarchaeota-pääjakson ryhmiin 1.1c ja 1.3 kuuluvia ei-metanogeenisia arkkeja. Tulokset ryhmien esiintymisestä hapettomassa turpeessa antavat lähtökohdan selvittää niiden mahdollisia vuorovaikutuksia metanogeenien kanssa. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että metanogeeniyhteisön koostumus heijastaa metaanintuottoon vaikuttavia kemiallisia tai kasvillisuuden vaihteluita kuten suotyyppiä. Soiden metanogeenien ja niiden fysiologian parempi tuntemus voi auttaa ennustamaan ympäristömuutosten vaikutusta soiden metaanipäästöihin.

Coastal environmental gradients – Key to reproduction habitat mapping of freshwater fish in the Baltic Sea

Habitat requirements of fish are most strict during the early life stages, and the quality and quantity of reproduction habitats lays the basis for fish production. A considerable number of fish species in the northern Baltic Sea reproduce in the shallow coastal areas, which are also the most heavily exploited parts of the brackish marine area. However, the coastal fish reproduction habitats in the northern Baltic Sea are poorly known. The studies presented in this thesis focused on the influence of environmental conditions on the distribution of coastal reproduction habitats of freshwater fish. They were conducted in vegetated littoral zone along an exposure and salinity gradient extending from the innermost bays to the outer archipelago on the south-western and southern coasts of Finland, in the northern Baltic Sea. Special emphasis was placed on reed-covered Phragmites australis shores, which form a dominant vegetation type in several coastal archipelago areas. The main aims of this research were to (1) develop and test new survey and mapping methods, (2) investigate the environmental requirements that govern the reproduction of freshwater fish in the coastal area and (3) survey, map and model the distribution of the reproduction habitats of pike (Esox lucius) and roach (Rutilus rutilus). The white plate and scoop method with a standardized sampling time and effort was demonstrated to be a functional method for sampling the early life stages of fish in dense vegetation and shallow water. Reed-covered shores were shown to form especially important reproduction habitats for several freshwater fish species, such as pike, roach, other cyprinids and burbot, in the northern Baltic Sea. The reproduction habitats of pike were limited to sheltered reed- and moss-covered shores of the inner and middle archipelago, where suitable zooplankton prey were available and the influence of the open sea was low. The reproduction habitats of roach were even more limited and roach reproduction was successful only in the very sheltered reed-covered shores of the innermost bay areas, where salinity remained low (< 4‰) during the spawning season due to freshwater inflow. After identifying the critical factors restricting the reproduction of pike and roach, the spatial distribution of their reproduction habitats was successfully mapped and modelled along the environmental gradients using only a few environmental predictor variables. Reproduction habitat maps are a valuable tool promoting the sustainable use and management of exploited coastal areas and helping to maintain the sustainability of fish populations. However, the large environmental gradients and the extensiveness of the archipelago zone in the northern Baltic Sea demand an especially high spatial resolution of the coastal predictor variables. Therefore, the current lack of accurate large-scale, high-resolution spatial data gathered at exactly the right time is a considerable limitation for predictive modelling of shallow coastal waters.

Ventricular repolarization during cardiovascular autonomic function testing

The autonomic nervous system is an important modulator of ventricular repolarization and arrhythmia vulnerability. This study explored the effects of cardiovascular autonomic function tests on repolarization and its heterogeneity, with a special reference to congenital arrhythmogenic disorders typically associated with stress-induced fatal ventricular arrhythmias. The first part explored the effects of standardized autonomic tests on QT intervals in a 12-lead electrocardiogram and in multichannel magnetocardiography in 10 healthy adults. The second part studied the effects of deep breathing, Valsalva manouvre, mental stress, sustained handgrip and mild exercise on QT intervals in asymptomatic patients with LQT1 subtype of the hereditary long QT syndrome (n=9) and in patients with arrhythmogenic right ventricular dysplasia (ARVD, n=9). Even strong sympathetic activation had no effects on spatial QT interval dispersion in healthy subjects, but deep respiratory efforts and Valsalva influenced it in ways that were opposite in electrocardiographic and magnetocardiographic recordings. LQT1 patients showed blunted QT interval and sinus nodal responses to sympathetic challenge, as well as an exaggerated QT prolongation during the recovery phases. LQT1 patients showed a QT interval recovery overshoot in 2.4 ± 1.7 tests compared with 0.8 ± 0.7 in healthy controls (P = 0.02). Valsalva strain prolonged the T wave peak to T wave end interval only in the LQT1 patients, considered to reflect the arrhythmogenic substrate in this syndrome. ARVD patients showed signs of abnormal repolarization in the right ventricle, modulated by abrupt sympathetic activation. An electrocardiographic marker reflecting interventricular dispersion of repolarization was introduced. It showed that LQT1 patients exhibit a repolarization gradient from the left ventricle towards the right ventricle, significantly larger than in controls. In contrast, ARVD patients showed a repolarization gradient from the right ventricle towards the left. Valsalva strain amplified the repolarization gradient in LQT1 patients whereas it transiently reversed it in patients with ARVD. In conclusion, intrathoracic volume and pressure changes influence regional electrocardiographic and magnetocardiographic QT interval measurements differently. Especially recovery phases of standard cardiovascular autonomic functions tests and Valsalva manoeuvre reveal the abnormal repolarization in asymptomatic LQT1 patients. Both LQT1 and ARVD patients have abnormal interventricular repolarization gradients, modulated by abrupt sympathetic activation. Autonomic testing and in particular the Valsalva manoeuvre are potentially useful in unmasking abnormal repolarization in these syndromes.