Analysis of forest soil chemistry and hydrology with a dynamic model ACIDIC.

In this study we analyze how the ion concentrations in forest soil solution are determined by hydrological and biogeochemical processes. A dynamic model ACIDIC was developed, including processes common to dynamic soil acidification models. The model treats up to eight interacting layers and simulates soil hydrology, transpiration, root water and nutrient uptake, cation exchange, dissolution and reactions of Al hydroxides in solution, and the formation of carbonic acid and its dissociation products. It includes also a possibility to a simultaneous use of preferential and matrix flow paths, enabling the throughfall water to enter the deeper soil layers in macropores without first reacting with the upper layers. Three different combinations of routing the throughfall water via macro- and micropores through the soil profile is presented. The large vertical gradient in the observed total charge was simulated succesfully. According to the simulations, gradient is mostly caused by differences in the intensity of water uptake, sulfate adsorption and organic anion retention at the various depths. The temporal variations in Ca and Mg concentrations were simulated fairly well in all soil layers. For H+, Al and K there were much more variation in the observed than in the simulated concentrations. Flow in macropores is a possible explanation for the apparent disequilibrium of the cation exchange for H+ and K, as the solution H+ and K concentrations have great vertical gradients in soil. The amount of exchangeable H+ increased in the O and E horizons and decreased in the Bs1 and Bs2 horizons, the net change in whole soil profile being a decrease. A large part of the decrease of the exchangeable H+ in the illuvial B horizon was caused by sulfate adsorption. The model produces soil water amounts and solution ion concentrations which are comparable to the measured values, and it can be used in both hydrological and chemical studies of soils.

Carbon dynamics in peatlands under changing hydrology : Effects of water level drawdown on litter quality, microbial enzyme activities and litter decomposition rates

Pristine peatlands are carbon (C) accumulating wetland ecosystems sustained by a high water level (WL) and consequent anoxia that slows down decomposition. Persistent WL drawdown as a response to climate and/or land-use change directly affects decomposition: increased oxygenation stimulates decomposition of the old C (peat) sequestered under prior anoxic conditions. Responses of the new C (plant litter) in terms of quality, production and decomposability, and the consequences for the whole C cycle of peatlands are not fully understood. WL drawdown induces changes in plant community resulting in shift in dominance from Sphagnum and graminoids to shrubs and trees. There is increasing evidence that the indirect effects of WL drawdown via the changes in plant communities will have more impact on the ecosystem C cycling than any direct effects. The aim of this study is to disentangle the direct and indirect effects of WL drawdown on the new C by measuring the relative importance of 1) environmental parameters (WL depth, temperature, soil chemistry) and 2) plant community composition on litter production, microbial activity, litter decomposition rates and, consequently, on the C accumulation. This information is crucial for modelling C cycle under changing climate and/or land-use. The effects of WL drawdown were tested in a large-scale experiment with manipulated WL at two time scales and three nutrient regimes. Furthermore, the effect of climate on litter decomposability was tested along a north-south gradient. Additionally, a novel method for estimating litter chemical quality and decomposability was explored by combining Near infrared spectroscopy with multivariate modelling. WL drawdown had direct effects on litter quality, microbial community composition and activity and litter decomposition rates. However, the direct effects of WL drawdown were overruled by the indirect effects via changes in litter type composition and production. Short-term (years) responses to WL drawdown were small. In long-term (decades), dramatically increased litter inputs resulted in large accumulation of organic matter in spite of increased decomposition rates. Further, the quality of the accumulated matter greatly changed from that accumulated in pristine conditions. The response of a peatland ecosystem to persistent WL drawdown was more pronounced at sites with more nutrients. The study demonstrates that the shift in vegetation composition as a response to climate and/or land-use change is the main factor affecting peatland ecosystem C cycle and thus dynamic vegetation is a necessity in any models applied for estimating responses of C fluxes to changes in the environment. The time scale for vegetation changes caused by hydrological changes needs to extend to decades. This study provides grouping of litter types (plant species and part) into functional types based on their chemical quality and/or decomposability that the models could utilize. Further, the results clearly show a drop in soil temperature as a response to WL drawdown when an initially open peatland converts into a forest ecosystem, which has not yet been considered in the existing models.

Phosphorus in agricultural soils of Finland - characterization of reserves and retention in mineral soil profiles

An overwhelming majority of all the research on soil phosphorus (P) has been carried out with soil samples taken from the surface soils only, and our understanding of the forms and the reactions of P at a soil profile scale is based on few observations. In Finland, the interest in studying the P in complete soil profiles has been particularly small because of the lack of tradition in studying soil genesis, morphology, or classification. In this thesis, the P reserves and the retention of orthophosphate phosphorus (PO4-P) were examined in four cultivated mineral soil profiles in Finland (three Inceptisols and one Spodosol). The soils were classified according to the U.S. Soil Taxonomy and soil samples were taken from the genetic horizons in the profiles. The samples were analyzed for total P concentration, Chang and Jackson P fractions, P sorption properties, concentrations of water-extractable P, and for concentrations of oxalate-extractable Al and Fe. Theoretical P sorption capacities and degrees of P saturation were calculated with the data from the oxalate-extractions and the P fractionations. The studied profiles can be divided into sections with clearly differing P characteristics by their master horizons Ap, B and C. The C (or transitional BC) horizons below an approximate depth of 70 cm were dominated by, assumingly apatitic, H2SO4-soluble P. The concentration of total P in the C horizons ranged from 729 to 810 mg kg-1. In the B horizons between the depths of 30 and 70 cm, a significant part of the primary acid-soluble P has been weathered and transformed to secondary P forms. A mean weathering rate of the primary P in the soils was estimated to vary between 230 and 290 g ha-1 year-1. The degrees of P saturation in the B and C horizons were smaller than 7%, and the solubility of PO4-P was negligible. The P conditions in the Ap horizons differed drastically from those in the subsurface horizons. The high concentrations of total P (689-1870 mg kg-1) in the Ap horizons are most likely attributable to long-term cultivation with positive P balances. A significant proportion of the P in the Ap horizons occurred in the NH4F- and NaOH-extractable forms and as organic P. These three P pools, together with the concentrations of oxalate-extractable Al and Fe, seem to control the dynamics of PO4-P in the soils. The degrees of P saturation in the Ap horizons were greater (8-36%) than in the subsurface horizons. This was also reflected in the sorption experiments: Only the Ap horizons were able to maintain elevated PO4-P concentrations in the solution phase − all the subsoil horizons acted as sinks for PO4-P. Most of the available sorption capacity in the soils is located in the B horizons. The results suggest that this capacity could be utilized in reducing the losses of soluble P from excessively fertilized soils by mixing highly sorptive material from the B horizons with the P-enriched surface soil. The drastic differences in the P characteristics observed between adjoining horizons have to be taken into consideration when conducting soil sampling. Sampling of subsoils has to be made according to the genetic horizons or at small depth increments. Otherwise, contrasting materials are likely to be mixed in the same sample; and the results of such samples are not representative of any material present in the studied profile. Air-drying of soil samples was found to alter the results of the sorption experiments and the water extractions. This indicates that the studies on the most labile P forms in soil should be carried out with moist samples.

Plant secondary compounds and soil microbial processes in carbon and nitrogen cycling in relation to tree species

The aim of this study was to explore soil microbial activities related to C and N cycling and the occurrence and concentrations of two important groups of plant secondary compounds, terpenes and phenolic compounds, under silver birch (Betula pendula Roth), Norway spruce (Picea abies (L.) Karst) and Scots pine (Pinus sylvestris L.) as well as to study the effects of volatile monoterpenes and tannins on soil microbial activities. The study site, located in Kivalo, northern Finland, included ca. 70-year-old adjacent stands dominated by silver birch, Norway spruce and Scots pine. Originally the soil was very probably similar in all three stands. All forest floor layers (litter (L), fermentation layer (F) and humified layer (H)) under birch and spruce showed higher rates of CO2 production, greater net mineralisation of nitrogen and higher amounts of carbon and nitrogen in microbial biomass than did the forest floor layers under pine. Concentrations of mono-, sesqui-, di- and triterpenes were higher under both conifers than under birch, while the concentration of total water-soluble phenolic compounds as well as the concentration of condensed tannins tended to be higher or at least as high under spruce as under birch or pine. In general, differences between tree species in soil microbial activities and in concentrations of secondary compounds were smaller in the H layer than in the upper layers. The rate of CO2 production and the amount of carbon in the microbial biomass correlated highly positively with the concentration of total water-soluble phenolic compounds and positively with the concentration of condensed tannins. Exposure of soil to volatile monoterpenes and tannins extracted and fractionated from spruce and pine needles affected carbon and nitrogen transformations in soil, but the effects were dependent on the compound and its molecular structure. Monoterpenes decreased net mineralisation of nitrogen and probably had a toxic effect on part of the microbial population in soil, while another part of the microbes seemed to be able to use monoterpenes as a carbon source. With tannins, low-molecular-weight compounds (also compounds other than tannins) increased soil CO2 production and nitrogen immobilisation by soil microbes while the higher-molecular-weight condensed tannins had inhibitory effects. In conclusion, plant secondary compounds may have a great potential in regulation of C and N transformations in forest soils, but the real magnitude of their significance in soil processes is impossible to estimate.

Extraction methods in soil phosphorus characterisation : Limitations and applications

The quantification and characterisation of soil phosphorus (P) is of agricultural and environmental importance and different extraction methods are widely used to asses the bioavailability of P and to characterize soil P reserves. However, the large variety of extractants, pre-treatments and sample preparation procedures complicate the comparison of published results. In order to improve our understanding of the behaviour and cycling of P in soil, it is crucial to know the scientific relevance of the methods used for various purposes. The knowledge of the factors affecting the analytical outcome is a prerequisite for justified interpretation of the results. The aim of this thesis was to study the effects of sample preparation procedures on soil P and to determine the dependence of the recovered P pool on the chemical nature of extractants. Sampling is a critical step in soil testing and sampling strategy is dependent on the land-use history and the purpose of sampling. This study revealed that pre-treatments changed soil properties and air-drying was found to affect soil P, particularly extractable organic P, by disrupting organic matter. This was evidenced by an increase in the water-extractable small-sized (<0.2 µm) P that, at least partly, took place at the expense of the large-sized (>0.2 µm) P. However, freezing induced only insignificant changes and thus, freezing can be taken to be a suitable method for storing soils from the boreal zone that naturally undergo periodic freezing. The results demonstrated that chemical nature of the extractant affects its sensitivity to detect changes in soil P solubility. Buffered extractants obscured the alterations in P solubility induced by pH changes; however, water extraction, though sensitive to physicochemical changes, can be used to reveal short term changes in soil P solubility. As for the organic P, the analysis was found to be sensitive to the sample preparation procedures: filtering may leave a large proportion of extractable organic P undetected, whereas the outcome of centrifugation was found to be affected by the ionic strength of the extractant. Widely used sequential fractionation procedures proved to be able to detect land-use -derived differences in the distribution of P among fractions of different solubilities. However, interpretation of the results from extraction experiments requires better understanding of the biogeochemical function of the recovered P fraction in the P cycle in differently managed soils under dissimilar climatic conditions.

Molecular Biomonitoring during Rhizoremediation of Oil-Contaminated Soil

Rhizoremediation is the use of microbial populations present in the rhizosphere of plants for environmental cleanup. The idea of this work was that bacteria living in the rhizosphere of a nitrogen-fixing leguminous plant, goat's rue (Galega orientalis), could take part in the degradation of harmful monoaromatic hydrocarbons, such as benzene, toluene and xylene (BTEX), from oil-contaminated soils. In addition to chemical (e.g. pollutant concentration) and physical (e.g. soil structure) information, the knowledge of biological aspects (e.g. bacteria and their catabolic genes) is essential when developing the rhizoremediation into controlled and effective bioremediation practice. Therefore, the need for reliable biomonitoring methods is obvious. The main aims of this thesis were to evaluate the symbiotic G. orientalis - Rhizobium galegae system for rhizoremediation of oil-contaminated soils, to develop molecular methods for biomonitoring, and to apply these methods for studying the microbiology of rhizoremediation. In vitro, Galega plants and rhizobia remained viable in m-toluate concentrations up to 3000 mg/l. Plant growth and nodulation were inhibited in 500 mg/l m-toluate, but were restored when plants were transferred to clean medium. In the greenhouse, Galega showed good growth, nodulation and nitrogen fixation, and developed a strong rhizosphere in soils contaminated with oil or spiked with 2000 mg/l m-toluate. The high aromatic tolerance of R. galegae and the viability of Galega plants in oil-polluted soils proved this legume system to be a promising method for the rhizoremediation of oil-contaminated soils. Molecular biomonitoring methods were designed and/or developed further for bacteria and their degradation genes. A combination of genomic fingerprinting ((GTG)5-PCR), taxonomic ribotyping of 16S rRNA genes and partial 16S rRNA gene sequencing were chosen for molecular grouping of culturable, heterogeneous rhizosphere bacteria. PCR primers specific for the xylE gene were designed for TOL plasmid detection. Amplified enzyme-coding DNA restriction analysis (AEDRA) with AluI was used to profile both TOL plasmids (xylE primers) and, in general, aromatics-degrading plasmids (C230 primers). The sensitivity of the direct monitoring of TOL plasmids in soil was enhanced by nested C23O-xylE-PCR. Rhizosphere bacteria were isolated from the greenhouse and field lysimeter experiments. High genetic diversity was observed among the 50 isolated, m-toluate tolerating rhizosphere bacteria in the form of five major lineages of the Bacteria domain. Gram-positive Rhodococcus, Bacillus and Arthrobacter and gram-negative Pseudomonas were the most abundant genera. The inoculum Pseudomonas putida PaW85/pWW0 was not found in the rhizosphere samples. Even if there were no ecological niches available for the bioaugmentation bacterium itself, its conjugative catabolic plasmid might have had some additional value for other bacterial species and thus, for rhizoremediation. Only 10 to 20% of the isolated, m-toluate tolerating bacterial strains were also able to degrade m-toluate. TOL plasmids were a major group of catabolic plasmids among these bacteria. The ability to degrade m-toluate by using enzymes encoded by a TOL plasmid was detected only in species of the genus Pseudomonas, and the best m-toluate degraders were these Pseudomonas species. Strain-specific differences in degradation abilities were found for P.oryzihabitans and P. migulae: some of these strains harbored a TOL plasmid - a new finding observed in this work, indicating putative horizontal plasmid transfer in the rhizosphere. One P. oryzihabitans strain harbored the pWW0 plasmid that had probably conjugated from the bioaugmentation Pseudomonas. Some P. migulae and P. oryzihabitans strains seemed to harbor both the pWW0- and the pDK1-type TOL plasmid. Alternatively, they might have harbored a TOL plasmid with both the pWW0- and the pDK1-type xylE gene. The breakdown of m-toluate by gram-negative bacteria was not restricted to the TOL pathway. Also some gram-positive Rhodococcus erythropolis and Arthrobacter aurescens strains were able to degrade m-toluate in the absence of a TOL plasmid. Three aspects of the rhizosphere effect of G. orientalis were manifested in oil-contaminated soil in the field: 1) G. orientalis and Pseudomonas bioaugmentation increased the amount of rhizosphere bacteria. G. orientalis especially together with Pseudomonas bioaugmentation increased the numbers of m-toluate utilizing and catechol positive bacteria indicating an increase in degradation potential. 2) Also the bacterial diversity, when measured as the amount of ribotypes, was increased in the Galega rhizosphere with or without Pseudomonas bioaugmentation. However, the diversity of m-toluate utilizing bacteria did not significantly increase. At the community level, by using the 16S rRNA gene PCR-DGGE method, the highest diversity of species was also observed in vegetated soils compared with non-vegetated soils. Diversified communities may best guarantee the overall success in rhizoremediation by offering various genetic machineries for catabolic processes. 3) At the end of the experiment, no TOL plasmid could be detected by direct DNA analysis in soil treated with both G. orientalis and Pseudomonas. The detection limit for TOL plasmids was encountered indicating decreased amount of degradation plasmids and thus, the success of rhizoremediation. The use of G. orientalis for rhizoremediation is unique. In this thesis new information was obtained about the rhizosphere effect of Galega orientalis in BTEX contaminated soils. The molecular biomonitoring methods can be applied for several purposes within environmental biotechnology, such as for evaluating the intrinsic biodegradation potential, monitoring the enhanced bioremediation, and estimating the success of bioremediation. Environmental protection by using nature's own resources and thus, acting according to the principle of sustainable development, would be both economically and environmentally beneficial for society. Keywords: molecular biomonitoring, genetic fingerprinting, soil bacteria, bacterial diversity, TOL plasmid, catabolic genes, horizontal gene transfer, rhizoremediation, rhizosphere effect, Galega orientalis, aerobic biodegradation, petroleum hydrocarbons, BTEX

Molecular phylogeny of Archaea in boreal forest soil, freshwater and temperate estuarine sediment

Suurin osa luonnossa havaitsemistamme mikrobeista on sellaisia, joita emme edelleenkään osaa kasvattaa laboratorio-oloissa, vaikka tietomme mikrobien monimuotoisuudesta paranevat koko ajan. Luonnontilaisen mikrobieliöstön kokoonpano eri ympäristöissä on paljolti epäselvä ja ymmärrämme vielä hyvin puutteellisesti mikrobien ekologiaa ja niiden rooleja eliöyhteisöissä. Nykyaikaiset molekulaariset tutkimusmenetelmät auttavat selvittämään mikrobien monimuotoisuutta kokonaisvaltaisesti ja nopeasti. Ympäristöstä kemiallisesti puhdistetut ribosomaalista RNA:ta koodaavat geenit edustavat periaatteessa kaikkia eliöyhteisön geneettisesti toisistaan poikkeavia eliöitä. Niistä voidaan valikoida halutut genomit jatkotutkimuksia varten. Uusien menetelmien käyttö on tuonut esiin sen merkittävän seikan, että "tavanomaisten" elinympäristöjen eliöyhteisöihin kuuluu suuri joukko entuudestaan tuntemattomia arkkieliöitä. Aiemmin kuviteltiin, että arkkieliöt asuttavat vain sellaisia "epätavallisia" tai "äärimmäisiä" elinympäristöjä, joita luonnehtii joku seuraavista ominaisuuksista: hyvin korkea lämpötila, korkea suolapitoisuus, korkea happamuus tai emäksisyys, hapettomuus. Tutkijat ovat viimeisen noin kymmenen vuoden aikana osoittaneet, että arkkieliöt asuttavat hyvin monenlaisia kylmän ja lauhkean vyöhykkeen ympäristöjä, yhtä hyvin maaperää kuin suolaisen ja makean veden pohjaa tai pintakerroksia. Nämä löydöt ovat avanneet uuden alun arkkieliöiden tutkimukselle, erityisesti sen selvittämiselle, mitkä ovat niiden fysiologiset ja ekologiset roolit monimuotoisissa mikrobiyhteisöissä. Tämä väitöskirja kuvaa entuudestaan tuntemattomien arkkieliöiden löytymistä havumetsävyöhykkeen metsämaasta. Arkkieliöitä löytyi myös lauhkean vyöhykkeen vuorovesialueelta, murtoveden huuhtelemasta pohjasta. Nämä löydöt ovat perustavalaatuisia vuorovesialueen eliöyhteisöjen ymmärtämiseksi. Suomalaisen metsäjärven vedestä määritettiin molempien arkkieliöiden pääryhmien - tieteellisiltä nimiltään Crenarchaeota ja Euryarchaeota - edustajia. Euryarchaeota-ryhmän edustajia voitiin havainnoida myös fluoresenssi-mikroskopoinnilla. Löydöt viittaavat siihen, että arkkieliöillä on oma biogeokemiallinen roolinsa makeanveden ravintoketjujen hiilen käytössä. Tässä työssä määritetyt uudet arkkieliöiden genomien nukleotidisekvenssit on toimitettu ARB-tietokantaan, jonka kasvava vertailuaineisto edelleen parantaa uusien arkkieliösekvenssien analyysiä ja auttaa hybridisaatiokoetinten ja polymeraasiketjureaktioalukkeiden suunnittelussa ja arvioinnissa. Tässä väitöskirjassa esitellyt tulokset yhdessä lukuisien vesi-, maaperä- ja muiden ympäristöjen arkkieliöitä käsittelevien julkaisujen kanssa osoittavat, että arkkieliöt asuttavat monia erilaisia elinympäristöjä ja että ne ovat ekologisesti paljon menestyneempiä, kuin tieteenalalla on kuviteltu. Voimme olettaa, että heti kun joitain näistä eliöistä onnistutaan kasvattamaan ja ylläpitämään laboratorio-oloissa, niiden joukosta löydetään aivan uusia, entuudestaan tuntemattomia fysiologisia fenotyyppejä, jotka avaavat mielenkiintoisia näkymiä aineenvaihdunnan ja perinnöllisten ominaisuuksien tutkimukselle.

Responses of soil microbial communities to clonal variation of Norway spruce

In boreal forests, microorganisms have a pivotal role in nutrient and water supply of trees as well as in litter decomposition and nutrient cycling. This reinforces the link between above-ground and below-ground communities in the context of sustainable productivity of forest ecosystems. In northern boreal forests, the diversity of microbes associated with the trees is high compared to the number of distinct tree species. In this thesis, the aim was to study whether conspecific tree individuals harbour different soil microbes and whether the growth of the trees and the community structure of the associated microbes are connected. The study was performed in a clonal field trial of Norway spruce, which was established in a randomized block design in a clear-cut area. Since out-planting in 1994, the spruce clones showed two-fold growth differences. The fast-growing spruce clones were associated with a more diverse community of ectomycorrhizal fungi than the slow-growing spruce clones. These growth performance groups also differed with respect to other aspects of the associated soil microorganisms: the species composition of ectomycorrhizal fungi, in the amount of extraradical fungal mycelium, in the structure of bacterial community associated with the mycelium, and in the structure of microbial community in the organic layer. The communities of fungi colonizing needle litter of the spruce clones in the field did not differ and the loss of litter mass after two-years decomposition was equal. In vitro, needles of the slow-growing spruce clones were colonized by a more diverse community of endophytic fungi that were shown to be significant needle decomposers. This study showed a relationship between the growth of Norway spruce clones and the community structure of the associated soil microbes. Spatial heterogeneity in soil microbial community was connected with intraspecific variation of trees. The latter may therefore influence soil biodiversity in monospecific forests.

Degradation of lignin and other 14C-labelled compounds in compost and soil with an emphasis on white-rot fungi

Puu, ruohokasvit ja näistä tehdyt tuotteet kuten mekaanisesta massasta valmistettu sanomalehtipaperi sisältävät ligniiniä, joka hajoaa yleensä hyvin hitaasti luonnossa. Valkolahosienet hajottavat ligniiniä tehokkaimmin, ja koska niiden tuottamat entsyymit hajottavat myös muita vaikeasti hajoavia yhdisteitä, voidaan valkolahosienten avulla mahdollisesti puhdistaa saastuneita maita. Tässä työssä haluttiin selvittää, säilyttävätkö valkolahosienet (Abortiporus biennis, Bjerkandera adusta, Dichomitus squalens, Phanerochaete chrysosporium, Phanerochaete sordida, Phlebia radiata, Pleurotus ostreatus, Trametes hirsuta ja Trametes versicolor) aktiivisuutensa ja kasvavatko ne maassa. Aktiivisuutta mitattiin seuraamalla sienten synteettisen ligniinin (14C-DHP) hajotuskykyä. T. versicolor (silkkivyökääpä) osoittautui tehokkaimmaksi ligniinin hajottajaksi ja sen pentakloorifenolin (PCP) hajotuskykyä tutkittiin erillisessä kokeessa. Entiset tai pitkään käytössä olleet saha-alueet ovat yhä saastuneet puun käsittelyaineista peräisin olevilla kloorifenoleilla. Biohajoavien muovien kehitystyö sekä kompostoinnin yleistyminen jätteiden käsittelymenetelmänä ovat luoneet tarpeen materiaalien biohajoavuuden määrittämiseen. Euroopan standardisoimisjärjestön (CEN) kontrolloidussa kompostitestissä biohajoavuus määritetään materiaalin hajoamisen aikana muodostuvan hiilidioksidin perusteella. Hiilidioksidin tuotto mitataan sekä näytettä sisältävästä kompostista että kompostista ilman näytettä, ja tällöin oletetaan, että kompostin orgaaninen aines molemmissa komposteissa (tausta) tuottaa yhtä paljon hiilidioksidia. Testin puutteeksi saattaa osoittautua kompostissa tai maassa esiintyvä "priming effect". Tällä tarkoitetaan materiaalin lisäämisen jälkeen esiintyvää epänormaalin suurita tai pientä hiilidioksidin muodostusta, minkä seurauksena testin tulosksena saatava biohajoavuus on virheellinen. Ligniinin hajotessa muodostuu enemmän humusta kuin hiilidioksidia, koska ligniini on humuksen tärkein lähtöaine. Näin ollen ligniiniä sisältävät paperituotteet saattavat testin mukaan vaikuttaa biologisesti hajoamattomilta. Valkolahosienet hajottivat 4-23% ligniinistä hiilidioksidiksi ja T. versicolor 29% PCP:sta. Kompostissa ligniini hajosi hiilidioksidiksi 58°C:ssa huomattavasti vähemmän (8%) kuin lämpötiloissa 35°C ja 50°C (23-24%). Kompostin todennäköisesti tärkeimpien ligniinin hajottajien, termofiilisten sienten, tyypillinen optimilämpötila on 45°C, eivätkä ne ole enää aktiivisia 58°C:ssa. Sekä maassa että kompostissa ligniini sitoutui kuitenkin suurimmaksi osaksi humukseen. Valkolahosienet hajottivat sekä humukseen sitoutunutta ligniiniä että PCP:ia, mutta kompostin sekapopulaatio ei tähän pystynyt, ja ligniiniä sitoutui humukseen yhä enemmän kompostoinnin aikana. T. versicolor hajotti PCP:ia tehokkaasti, eikä se tuottanut myrkyllisiä kloorianisoleja, joita jotkut valkolahosienet saattavat muodostaa kloorifenoleista. Priming effect ilmiötä tutkittiin eri ikäisissä ja kypsyydeltään erilaisissa komposteissa. Kompostit erosvat toisistaan myös hajoamattoman jätteen määrän ja mikrobipopulaation suhteen. Negatiivinen priming effect havaittiin kaikissa epästabiileissa komposteissa (ikä enintään 6 kk), ja sen lisäksi yhdessä näistä komposteista positiivinen priming effect kokeen lopussa. Stabiileissa komposteissa (ikä vähintään 6 kk) ilmiötä ei sen sijaan havaittu. Epästabiileissa komposteissa biohajoavuudelle saadut tulokset eivät siis ole luotettavia. Työn tulosten perusteella valkolahosienet, ja erityisesti T. versicolor, ovat lupaavia saastuneen maan puhdistukseen, joskin sienirihmaston mahdollisuudet säilyä aktiivisena maan alkuperäisen mikrobipopulaation kanssa täytyy vielä selvittää. Kompostin sekapopulaatio, joka ei sisällä valkolahosieniä, hajotti ligniiniä yllättävän tehokkaasti termofiilisille sienille sopivissa lämpötiloissa, vaikka ligniini sitoutuikin pääasiallisesti humukseen. Kompostin kypsyys osoittautui tärkeäksi tekijäksi kontrolloidun kompostitestin onnistumisen kannalta. Priming effect ilmiön välttämiseksi on varmistettava, että testissä käytetty komposti on riittävän kypsä. Kompostien mikrobipopulaation koostumusta kompostoinnin eri vaiheissa tulisi tarkemmin selvittää, koska stabiilien ja epästabiilien kompostien ero aiheutui todennäköisesti populaatioiden rakenteessa vallitsevista eroista. Näin myös priming effect ilmiön syyt voitaisiin selittää paremmin.

Dracocephalum moldavica L. and Melissa officinalis L. : Chemistry and Bioactivities Relevant in Alzheimer’s Disease Therapy

Oksidatiivisen stressin eli liiallisen reaktiivisten happiyhdisteiden määrän soluissa on jo pitkään arveltu olevan tärkeä Alzheimerin taudin kehittymiseen ja etenemiseen vaikuttava tekijä. Tämän vuoksi kiinnostus erilaisten antioksidanttien (yhdisteitä, jotka neutraloivat näitä happiradikaaleja soluissa) mahdollisia terapeuttisia ominaisuuksia Alzheimerin taudin hoidossa on tutkittu laajalti. Tähän mennessä ei kuitenkaan ole vielä onnistuttu löytämään antioksidanttia, joka olisi hyödyksi Alzheimerin taudin hoidossa. Tämän vuoksi on tärkeää pyrkiä löytämään uusia antioksidanttien lähteitä sekä tutkia niistä löytyviä aktiivisia yhdisteitä. Kiinnostus luonnon antioksidantteja kohtaan on kasvanut voimakkaasti viime aikoina. Huomio on kiinnittynyt erityisesti aromaattisista sekä lääkekasveista löytyviin antioksidantteihin. Lamiaceae- perheeseen kuuluvia tuoksuampiaisyrttiä (Dracocephalum moldavica L.) ja sitruunamelissaa (Melissa officinalis L.) on käytetty Iranissa pitkään sekä ruoanlaitossa että lääkinnässä, minkä vuoksi näiden kasvien uutteiden antioksidanttisisältöä päätettiin analysoida käyttäen useaa erilaista in vitro- menetelmää. Näissä kokeissa ilmeni, että uutteilla oli useita antioksidanttisia vaikutuksia. Näistä antioksidanttisista vaikutuksista vastaavia yhdisteitä pyrittiin tunnistamaan käyttäen HPLC-PDA- tekniikkaa, minkä seurauksena niiden havaittiin sisältävän erilaisia polyfenoleita, kuten hydroksyloituneita bentsoeeni- ja cinnamamidihapon johdannaisia sekä flavonoideja. Kummankin kasvin uutteissa runsaimmin esiintynyt yhdiste oli rosmariinihappo. Sitruunamelissaa (M. officinalis) on käytetty antiikin ajoista alkaen kognitiivisten toimintojen häiriöiden hoidossa. Perustuen tietoon kasvin käytöstä perinteisessä lääkinnässä, sen tehoa Alzheimerin taudin hoidossa on tutkittu viime aikoina kliinisin kokein. Sitruunamelissan todettiinkin olevan hyödyksi lievää ja keskivaikeaa Alzheimeimerin tautia sairastavien potilaiden hoidossa. Väitöskirjan osanan olevasta kooste-artikkelista käy ilmi, että tutkimalla lääkekasvien ominaisuuksia voidaan saada arvokkaita suuntaa-antavia vihjeitä Alzheimerin taudin lääkehoidon kehittämiseen. Tämän perusteella päätettiinkin testatata myös sitruunamelissauutteen kykyä estää asetyylikoliiniesteraasin (AChE) toimintaa, koska tämän entsyymin toiminna estämisen tiedetään olevan hyödyksi Alzheimerin taudin hoidossa. Uute kykeni estämään AChE:n toimintaa, minkä vuoksi uutteen sisältämiä komponentteja päätettiin tutkia terkemmin. Uute jaettiin erilaisiin fraktioihin käyttäen HPLC-menetelmää, minkä jälkeen testattiin jokaisen fraktion kykyä inhiboida AchE. Suurin osa fraktioista kykeni inhiboimaan AChE:n toimintaa selkeästi tehokkaammin, kuin raakauute. Kaikista tehokkainta fraktiota analysoitiin tarkemmin sen aktiivisten yhdisteiden tunnistamiseksi, minkä seurauksena sen sisältämät yhdisteet tunnistettiin cis ja trans-rosmariinihapoiksi. Tässä tutkimuksessa tunnistettujen yhdisteiden hyödyllisyyttä Alzheimerin taudin hoidossa tulisi seuraavaksi tutkia erilaisissa in vivo-malleissa. Lisäksi jäljellä olevien fraktioiden kemiallinen koostumus tulisi selvittää sekä antioksidanttiaktiivisuuden ja AChE:n toiminnan inhiboinnin välistä mahdollista yhteyttä tulisi tutkia tarkemmin. Tämä tutkimus osoittaa tuoksuampiasyrtin (D. moldavica) sekä sitruunamelissan (M. officinalis) sisältävän monenlaisia aktiivisia antioksidantteja. Lisäksi sitruunamelissan sisältämät yhdisteet kykenivät estämään asetyylikoliiniesteraasin (AchE) toimintaa. Nämä tulokset tukevat osaltaan väitöskirjan osana olevan kooste-artikkelin johtopäätöksiä, joiden mukaan etnofarmakologinen kasvitutkimus voi osoittautua erittäin hyödylliseksi kehitettäessä uutta lääkehoitoa Alzheimerin tautiin. Lisäksi tässä väitöskirjassa kuvattu tutkimus osoittaakin, että perinteisesti lääkekasvina käytettyä sitruunamelissaa voidaan mahdollisesti hyödyntää uusien Alzheimerin taudin hoitoon käytettävien lääkkeiden kehityksessä.

Landscape-scale soil erosion modelling and ecological restoration for a mountainous watershed in Sichuan, China

Sichuanissa Tiibetin ylängön metsäkato on pysähtynyt mutta eroosio-ongelmat jatkuvat Viikin tropiikki-instituutin tutkija Ping ZHOU kartoitti trooppisen metsänhoidon alaan kuuluvassa väitöskirjatyössään maaperän eroosioalttiutta ja sen riippuvuutta metsäkasvillisuudesta Jangtsen tärkeää sivuhaaraa Min-jokea ympäröivällä n. 7400 neliökilometrin suuruisella valuma-alueella Sichuanin Aba-piirikunnassa. Aineistonaan hän käytti muun muassa satelliittikartoitustietoja ja mittaustuloksia yli 600 maastokoealalta. Tutkimuksen nimi suomeksi on "Maaperän eroosion mallinnus ja vuoristoisen valuma-alueen ekologinen ennallistaminen Sichuanissa Kiinassa". Aikaisempien tutkimusten perusteella oli tiedossa että metsien häviäminen tällä alueella pysähtyi jo 1980-luvun alussa. Sen jälkeen on metsien pinta-ala hitaasti kasvanut etupäässä sen vuoksi, että teollinen puunhakkuu luonnonmetsissä kiellettiin kokonaan v. 1998 ja 25 astetta jyrkemmillä rinteillä myös maatalouden harjoittaminen on saatu lopetetuksi viljelijöille tarjottujen taloudellisten houkuttimien avulla. Täten myös pelto- ja laidunmaata on voitu ennallistaa metsäksi. Ping Zhou pystyi jakamaan 5700 metrin korkeuteen saakka kohoavan vuoristoalueen eroosioalttiudeltaan erilaisiin vyöhykkeisiin rinteen kaltevuuden, sademäärän, kasvipeitteen ja maalajin perusteella. Noin 15 prosentilla tutkitun valuma-alueen pinta-alasta, lähinnä Min-joen pääuomaa ympäröivillä jyrkillä rinteillä, eroosioriski oli suuri tai erittäin suuri. Eri tyyppisellä kasvillisuudella oli hyvin erilainen vaikutus eroosioalttiuteen, ja myös alueen sijainti vuoriston eri korkeuksilla vaikutti eroosioon. Säästyneet lähes luonnontilaiset havumetsät, joita on etupäässä vuoriston ylimmissä osissa 2600-4000 metrin korkeudella, edistävät tehokkaasti metsän luontaista uudistumista ja levittäytymistä vaurioituneille alueille. Säilyneiden metsien puulajikoostumus antoi tutkimuksessa mahdollisuuden ennustaa metsien tulevaa kehitystä koko tutkitulla valuma-alueella sen eri korkeusvyöhykkeissä ja eri maaperätyypeillä. Ennallistamisen kannalta ongelmallisimpia olivat alueet joilta metsäpeite oli lähinnä puiden teollisen hakkuun vuoksi kokonaan hävinnyt ja joilla maaperä yleisesti oli eroosion pahoin kuluttama. Näillä alueilla ei ole tehty juuri mitään uudistamis- tai ennallistamistoimenpiteitä. Niillä metsien ennallistaminen vaatii myös puiden tai pensaiden istuttamista. Tähän sopivia ovat erityisesti ilmakehän typpeä sitovat lajit, joista alueella kasvaa luontaisena mm. sama tyrnilaji joka esiintyy myös Suomessa. Työssä tutkittiin yli kahdeksankymmenen paikallisen luontaisen puulajin (joista peräti noin kolmannes on havupuulajeja) ekologisia ominaisuuksia ja soveltuvuutta metsien ennallistamiseen. Avainasemassa työn onnistumisen kannalta ovat nyt paikalliset asukkaat, joiden maankäytön muutokset ovat jo selvästi edistänet luonnonmetsän ennalleen palautumista. Suomen Akatemia rahoitti vuosina 2004-2006 VITRI:n tutkimushanketta, josta Ping Zhou'n väitöskirjatyö muodosti keskeisen osan. Kenttätyö Sichuanissa avasi mahdollisuuden hedelmälliseen monitieteiseen yhteistyöhön ja tutkijavaihtoon Kiinan tiedeakatemian alaisen Chengdun biologiainstituutin (CIB) kanssa; tämä tieteellinen kanssakäyminen jatkuu edelleen.

Soil carbon modelling as a tool for carbon balance studies in forestry

Soils represent a remarkable stock of carbon, and forest soils are estimated to hold half of the global stock of soil carbon. Topical concern about the effects of climate change and forest management on soil carbon as well as practical reporting requirements set by climate conventions have created a need to assess soil carbon stock changes reliably and transparently. The large spatial variability of soil carbon commensurate with relatively slow changes in stocks hinders the assessment of soil carbon stocks and their changes by direct measurements. Models therefore widely serve to estimate carbon stocks and stock changes in soils. This dissertation aimed to develop the soil carbon model YASSO for upland forest soils. The model was aimed to take into account the most important processes controlling the decomposition in soils, yet remain simple enough to ensure its practical applicability in different applications. The model structure and assumptions were presented and the model parameters were defined with empirical measurements. The model was evaluated by studying the sensitivities of the model results to parameter values, by estimating the precision of the results with an uncertainty analysis, and by assessing the accuracy of the model by comparing the predictions against measured data and to the results of an alternative model. The model was applied to study the effects of intensified biomass extraction on the forest carbon balance and to estimate the effects of soil carbon deficit on net greenhouse gas emissions of energy use of forest residues. The model was also applied in an inventory based method to assess the national scale forest carbon balance for Finland’s forests from 1922 to 2004. YASSO managed to describe sufficiently the effects of both the variable litter and climatic conditions on decomposition. When combined with the stand models or other systems providing litter information, the dynamic approach of the model proved to be powerful for estimating changes in soil carbon stocks on different scales. The climate dependency of the model, the effects of nitrogen on decomposition and forest growth as well as the effects of soil texture on soil carbon stock dynamics are areas for development when considering the applicability of the model to different research questions, different land use types and wider geographic regions. Intensified biomass extraction affects soil carbon stocks, and these changes in stocks should be taken into account when considering the net effects of forest residue utilisation as energy. On a national scale, soil carbon stocks play an important role in forest carbon balances.