Genetic diversity and microcystin production by Anabaena in the Gulf of Finland, Baltic Sea

Syanobakteerit (sinilevät) ovat olleet Itämeressä koko nykymuotoisen Itämeren ajan, sillä paleolimnologiset todisteet niiden olemassaolosta Itämeren alueella ovat noin 7000 vuoden takaa. Syanobakteerien massaesiintymät eli kukinnat ovat kuitenkin sekä levinneet laajemmille alueille että tulleet voimakkaimmiksi viimeisten vuosikymmenien aikana. Tähän on osasyynä ihmisten aiheuttama kuormitus, joka rehevöittää Itämerta. Suomenlahti, jota tämä tutkimus käsittelee, on kärsinyt tästä rehevöitymiskehityksestä muita Itämeren altaita enemmän. Syanobakteerit muodostavat jokakesäisiä kukintoja Suomenlahdella - niin sen avomerialueilla kuin rannoillakin. Yleisimmät kukintoja muodostavat syanobakteerisuvut ovat Nodularia, Anabaena ja Aphanizomenon. Kukinnat aiheuttavat paitsi esteettistä haittaa myös terveydellisen riskitekijän. Niiden myrkyllisyys liitetään usein Nodularia-suvun tuottamaan nodulariini-maksamyrkkyyn. Itämeren Aphanizomenon-suvun on todettu olevan myrkytön. Vaikka Itämeren kukintoja aiheuttavista Nodularia- ja Aphanizomenon-syanobakteereista tiedetään varsin paljon, on molekyylimenetelmiin pohjautuva syanobakteeritutkimus ohittanut Itämeren Anabaena-suvun monelta osin. Tämän työn tarkoituksena oli syventää käsitystämme Itämeren Anabaena-syanobakteerista, sen mahdollisesta myrkyllisyydestä, geneettisestä monimuotoisuudesta ja fylogeneettisista sukulaisuussuhteista. Tässä työssä eristettiin 49 planktista Anabaena-kantaa, joista viisi tuottivat mikrokystiinejä. Tämä oli ensimmäinen yksiselitteinen todiste, että Itämeren Anabaena tuottaa maksamyrkyllisiä mikrokystiini-yhdisteitä. Jokainen eristetty myrkyllinen Anabaena-kanta tuotti useita mikrokystiini-variantteja. Lisäksi mikrokystiinejä löydettiin kukintanäytteistä, joissa oli myrkkyä syntetisoivia geenejä sisältäneitä Anabaena-syanobakteereita. Myrkkyjä löydettiin molempina tutkimusvuosina 2003 ja 2004. Myrkkyjen esiintyminen ei siten ollut vain yksittäinen ilmiö. Tässä työssä saimme viitteitä siitä, että maksamyrkyllinen Anabaena-syanobakteeri esiintyisi vähäsuolaisissa vesissä. Tämä riippuvuussuhde jää kuitenkin tulevien tutkimuksien selvitettäväksi. Tässä työssä havaittiin mikrokystiinisyntetaasi-geenien inaktivoituminen Itämeren Anabaena-kannassa ja kukintanäytteissä. Kuvasimme Anabaena-kannan mikrokystiinisyntetaasigeenien sisältä insertioita, jotka hyvin todennäköisesti inaktivoivat myrkyntuoton. Insertion sisältäneeltä kannalta löysimme kuitenkin kaikki mikrokystiinisyntetaasigeenit osoittaen, että geenien olemassaolo ei välttämättä varmista kannan mikrokystiinintuottoa. Mielenkiintoista oli se, että inaktivaation aiheuttavia insertioita löytyi kukintanäytteistä molemmilta tutkimusvuosilta. Vastaavia insertioita ei kuitenkaan löydetty makean veden Anabaena-kannoista tai järvinäytteistä. On yleistä, että syanobakteerikukinnoista löytyy usean syanobakteerisuvun edustajia. Myrkyllisiä sukuja tai lajeja ei voida kuitenkaan erottaa mikroskooppisesti myrkyttömistä. Käsillä olevassa tutkimuksessa kehitettiin molekyylimenetelmä, jolla on mahdollista määrittää kukinnan mahdollisesti maksamyrkylliset syanobakteerisuvut. Tätä menetelmää sovellettiin Itämeren kukintojen tutkimiseen. Itämeren pintavesistä ja ranta-alueiden pohjasta eristetyt Anabaena-kannat osoittautuivat geneettisesti monimuotoisiksi. Tämä Anabaena-syanobakteerien geneettinen monimuotoisuus vahvistettiin monistamalla geenejä suoraan kukintanäytteistä ilman kantojen eristystä. Makeiden vesien ja Itämeren Anabaena-kannat ovat geneettisesti hyvin samankaltaisia. Geneettisissä vertailuissa kävi kuitenkin ilmi, että pohjassa elävien Anabaena-kantojen geneettinen monimuotoisuus oli suurempaa kuin pintavesistä eristettyjen kantojen. Itämeren Anabaena-kantojen sekvenssit muodostivat omia ryhmiä sukupuun sisällä, jolloin on mahdollista, että nämä edustavat Itämeren omia Anabaena-ekotyyppejä. Tämä tutkimus oli ensimmäinen, jossa uusin molekyylimenetelmin systemaattisesti selvitettiin Itämeren Anabaena-syanobakteerin geneettistä populaatiorakennetta, fylogeniaa ja myrkyntuottoa. Tulevaisuudessa monitorointitutkimuksissa on otettava huomioon myös Itämeren Anabaena-syanobakteerin mahdollinen maksamyrkyntuotto – erityisesti vähäsuolaisemmilla rannikkovesillä.

Preparation of Industrially Important Hydroxy Acids and Diacids from 2,2-Disubstituted Propane-1,3-Diols and Linear Primary Diols by Green Chemistry Methods

Environmentally benign and economical methods for the preparation of industrially important hydroxy acids and diacids were developed. The carboxylic acids, used in polyesters, alkyd resins, and polyamides, were obtained by the oxidation of the corresponding alcohols with hydrogen peroxide or air catalyzed by sodium tungstate or supported noble metals. These oxidations were carried out using water as a solvent. The alcohols are also a useful alternative to the conventional reactants, hydroxyaldehydes and cycloalkanes. The oxidation of 2,2-disubstituted propane-1,3-diols with hydrogen peroxide catalyzed by sodium tungstate afforded 2,2-disubstituted 3-hydroxypropanoic acids and 1,1-disubstituted ethane-1,2-diols as products. A computational study of the Baeyer-Villiger rearrangement of the intermediate 2,2-disubstituted 3-hydroxypropanals gave in-depth data of the mechanism of the reaction. Linear primary diols having chain length of at least six carbons were easily oxidized with hydrogen peroxide to linear dicarboxylic acids catalyzed by sodium tungstate. The Pt/C catalyzed air oxidation of 2,2-disubstituted propane-1,3-diols and linear primary diols afforded the highest yield of the corresponding hydroxy acids, while the Pt, Bi/C catalyzed oxidation of the diols afforded the highest yield of the corresponding diacids. The mechanism of the promoted oxidation was best described by the ensemble effect, and by the formation of a complex of the hydroxy and the carboxy groups of the hydroxy acids with bismuth atoms. The Pt, Bi/C catalyzed air oxidation of 2-substituted 2-hydroxymethylpropane-1,3-diols gave 2-substituted malonic acids by the decarboxylation of the corresponding triacids. Activated carbon was the best support and bismuth the most efficient promoter in the air oxidation of 2,2-dialkylpropane-1,3-diols to diacids. In oxidations carried out in organic solvents barium sulfate could be a valuable alternative to activated carbon as a non-flammable support. In the Pt/C catalyzed air oxidation of 2,2-disubstituted propane-1,3-diols to 2,2-disubstituted 3-hydroxypropanoic acids the small size of the 2-substituents enhanced the rate of the oxidation. When the potential of platinum of the catalyst was not controlled, the highest yield of the diacids in the Pt, Bi/C catalyzed air oxidation of 2,2-dialkylpropane-1,3-diols was obtained in the regime of mass transfer. The most favorable pH of the reaction mixture of the promoted oxidation was 10. The reaction temperature of 40°C prevented the decarboxylation of the diacids.

The life cycle and genetic structure of the red alga Furcellaria lumbricalis on a salinity gradient

The life cycle and genetic diversity of the red alga Furcellaria lumbricalis (Hudson) Lamouroux were investigated in 15 populations in northern Europe. The occurrence of different life cycle phases and seasonality of reproduction were studied in four brackish populations in the northern Baltic Sea. Furthermore, a new method, based on genome screening with ISSR markers combined with a restriction-ligation method, was developed to discover microsatellite markers for population genetic analyses. The mitochondrial DNA cox2-3 spacer sequence and four microsatellite markers were used to examine the genetic diversity and differentiation of red algal populations in northern Europe. In addition, clonality and small-scale genetic structure of one Irish and four Baltic Sea populations were studied with microsatellite markers. It was discovered that at the low salinities of the northern Baltic Sea, only tetrasporophytes and males were present in the populations of F. lumbricalis and that winter was the main season for tetrasporangial production. Furthermore, the population occurring at the lowest salinity (3.6 practical salinity units, psu) did not produce spores. The size of the tetraspores was smaller in the Baltic Sea populations than that in the Irish population, and there were more deformed spores in the Baltic Sea populations than in the Irish populations. Studies with microsatellite markers indicated that clonality is a common phenomenon in the Baltic Sea populations of F. lumbricalis, although the proportion of clonal individuals varied among populations. Some genetic divergence occurred within locations both in Ireland and in the northern Baltic Sea. Even though no carpogonia were detected in the field samples during the study, the microsatellite data indicated that sexual reproduction occurs at least occasionally in the northern Baltic Sea. The genetic diversity of F. lumbricalis was highest in Brittany, France. Since no variation was discovered in the mtDNA cox2-3 spacer sequence, which is generally regarded as an informative phylogeographic marker in red algae, it can be assumed that the studied populations probably share the same origin.

The role of phosphorus as a regulator of bloom-forming diazotrophic cyanobacteria in the Baltic Sea

Eutrophication favours harmful algal blooms worldwide. The blooms cause toxic outbreaks and deteriorated recreational and aesthetic values, causing both economic loss and illness or death of humans and animals. The Baltic Sea is the world s only large brackish water habitat with recurrent blooms of toxic cyanobacteria capable of biological fixation of atmospheric nitrogen gas. Phosphorus is assumed to be the main limiting factor, along with temperature and light, for the growth of these cyanobacteria. This thesis evaluated the role of phosphorus nutrition as a regulating factor for the occurrence of nitrogen-fixing cyanobacteria blooms in the Baltic Sea, utilising experimental laboratory and field studies and surveys on varying spatial scales. Cellular phosphorus sources were found to be able to support substantial growth of the two main bloom forming species Aphanizomenon sp. and Nodularia spumigena. However, N. spumigena growth seemed independent of phosphorus source, whereas, Aphanizomenon sp. grew best in a phosphate enriched environment. Apparent discrepancies with field observations and experiments are explained by the typical seasonal temperature dependent development of Aphanizomenon sp. and N. spumigena biomass allowing the two species to store ambient pre-bloom excess phosphorus in different ways. Field experiments revealed natural cyanobacteria bloom communities to be predominantly phosphorus deficient during blooms. Phosphate additions were found to increase the accumulation of phosphorus relatively most in the planktonic size fraction dominated by the nitrogen-fixing cyanobacteria. Aphanizomenon sp. responded to phosphate additions whereas the phosphorus nutritive status of N. spumigena seemed independent of phosphate addition. The seasonal development of phosphorus deficiency is different for the two species with N. spumigena showing indications of phosphorus deficiency during a longer time period in the open sea. Coastal upwelling introduces phosphorus to the surface layer during nutrient deficient conditions in summer. The species-specific ability of Aphanizomenon sp. and N. spumigena to utilise phosphate enrichment of the surface layer caused by coastal upwelling was clarified. Typical bloom time vertical distributions of biomass maxima were found to render N. spumigena more susceptible to advection by surface currents caused by coastal upwellings. Aphanizomenon sp. populations residing in the seasonal thermocline were observed to be able to utilise the phosphate enrichment and a bloom was produced with a two to three week time lag subsequent to the relaxation of upwelling. Consistent high concentrations of dissolved inorganic phosphorus, caused by persistent internal loading of phosphorus, was found to be the main source of phosphorus for large-scale pelagic blooms. External loads were estimated to contribute with only a fraction of available phosphorus for open sea blooms. Remineralization of organic forms of phosphorus along with vertical mixing to the permanent halocline during winter set the level of available phosphorus for the next growth season. Events such as upwelling are important in replenishing phosphate concentrations during the nutrient deplete growth season. Autecological characteristics of the two main bloom forming species favour Aphanizomenon sp. populations in utilising the abundant excess phosphate concentrations and phosphate pulses mediated through upwelling. Whilst, N. spumigena displays predominant phosphorus limited growth mode and relies on more scarce cellular phosphorus stores and presumably dissolved organic phosphorus compounds for growth. The Baltic Sea is hypothesised to be in an inhibited state of recovery due to the extensive historical external nutrient loading, extensive internal phosphorus loading and the substantial nitrogen load caused by cyanobacteria nitrogen fixation. This state of the sea is characterised as a vicious circle .

Seasonal fluctuations in blue-green algae, especially in heterocystous species in polluted coastal waters off Helsinki city, in the northern part of the Gulf of Finland

Tiivistelmä

Victims of the White War or Rebellions of the Green Revolution? Bolivian Indigenous Women Prisoners' Position in the "War on Drugs" Explored through a Criminological Gaze

Tässä tutkielmassa tarkastellaan Bolivialaisten naisvankien (alkuperäisväestön) ja globaalin huumesodan ("War on Drugs") välistä yhteyttä. Keskustelu sijoitetaan laajemmin kokan viljelyn politiikkaan ja alkuperäisväestön kulttuuriin. Kokaa viljeleviä köyhiä maalaisia, joista huomattava osa on naisia, on vangittu Boliviassa kiihtyvää tahtia viime vuosikymmeninä. Moni naisista on kokan tuotannossa ja kaupassa mukana, sillä se on monesti ainoa keino taloudelliseen selviämiseen. Yleisesti ottaen naisvangit ja naisrikolliset ovat marginaalinen ilmiö. Kansainvälisesti tarkasteltuna naisvankien suhteellinen osuus koko vankilaväestöstä on noin 5,2 % (keskiarvo). Boliviassa osuus on vaihdellut 6,1 %:n ja 17,1 %:n välillä vuosina 2000-2008. Naisvankien määrä yleisesti ottaen on ollut rajussa kasvussa, suurin syy naisten vangitsemiseen on huumausaineisiin liittyvät rikokset. Näyttää myös siltä että vähemmistöt ja etnisen taustan omaavat henkilöt ovat yliedustettuina vankilaväestössä. Bolivia seuraa tätä kansainvälistä trendiä. Tämä tutkielma on rajattu kysymyksiin Bolivian intiaaniperäisten naisten osuudesta maan huumerikollisuudessa, sekä heidän suhteellisen korkeaa vangitsemisastetta selittäviin yhteiskunnallisiin tekijöihin. Kysymykset sukupuolesta, etnisyydestä ja kokan viljelyn politiikasta ovat keskiössä. Yleisiä kriminologisia teorioita peilataan kriittisesti suhteessa aineistoon ja Bolivian kontekstiin. Huumesodan ja Bolivian ankaran huumelainsäädännön seurauksista keskustellaan kriittisesti, sekä pohditaan köyhän alkuperäisväestön massavangitsemisen tarpeellisuutta. Tutkimuskysymykseni ovat: mitkä tekijät selittävät kohtuullisen korkean intiaaniperäisten naisvankien määrän Boliviassa, ja mikä on heidän asemansa globaalissa huumesodassa? Tutkielmassa on analysoitu kvantitatiivista ja kvalitatiivista aineistoa. Päälähteenä on ollut Bolivian tilastokeskuksen tuottamat rikostilastot. Tutkielman tärkeimpänä löydöksenä voidaan pitää havaintoa, että vastoin tiettyjä olettamuksia, intiaaniperäiset naiset ovat hyvinkin aktiivisia perinteisesti miehisiksi käsitetyillä aloilla kuten rikollisuudessa ja politiikassa. Tutkielmassa osoitetaan myös, että pidätysten määrät ovat moninkertaistuneet muutamassa vuosikymmenessä. Koska kokan viljelyssä on kyse pääasiallisesti taloudellisesta toimeentulosta, tämä tutkielma kysyy, onko hengissä pysyminen rikos?