The impact of bioavailability limitations on microbial stable isotope fractionation in a multiphase system

Stable isotope fractionation analysis of contaminants is a promising method for assessing biodegradation of contaminants in natural systems. However, standard procedures to determine stable isotope fractionation factors, so far, neglect the influence of pollutant bioavailability on stable isotope fractionation. On a microscale, bioavailability may vary due to the spatio-temporal variability of local contaminant concentrations, limited effective diffusivities of the contaminants and cell densities, and thus, the pollutant supply might not meet the intrinsic degradation capacity of the microorganisms. The aim of this study was to demonstrate the effect of bioavailability on the apparent stable isotope fractionation, using a multiphase laboratory setup. The data gained show that the apparent isotope fractionation factors observed during biodegradation processes depend on the amount of biomass and/or the rate of toluene mass transfer from a second to the aqueous phase. They indicate that physico-chemical processes need to be taken into account when stable isotope fractionation analysis is used for the quantification of environmental contaminant degradation.

Application of electrokinetic Fenton process for the remediation of soil contaminated with HCB

Electrokinetic remediation coupled with Fenton oxidation, widely called as Electrokinetic Fenton process is a potential soil remediation technique used for low permeable soil. The applicability of the process has been proved with soil contaminated with a wide range of organic compounds from phenol to the most recalcitrant ones such as PAHs and POPs. This thesis summarizes the major findings observed during an Electrokinetic Fenton Process study conducted for the remediation of low permeable soil contaminated with HCB, a typical hydrophobic organic contaminant. Model low permeable soil, kaolin, was artificially contaminated with HCB and subjected to Electrokinetic Fenton treatments in a series of laboratory scale batch experiments. The use of cyclodextrins as an enhancement agent to mobilize the sorbed contaminant through the system was investigated. Major process hindrances such as the oxidant availability and treatment duration were also addressed. The HCB degradation along with other parameters like soil pH, redox and cumulative catholyte flow were analyzed and monitored. The results of the experiments strengthen the existing knowledge on electrokinetic Fenton process as a promising technology for the treatment of soil contaminated with hydrophobic organic compounds. It has been demonstrated that HCB sorbed to kaolin can be degraded by the use of high concentrations of hydrogen peroxide during such processes. The overall system performances were observed to be influenced by the point and mode of oxidant delivery. Furthermore, the study contributes to new knowledge in shortening the treatment duration by adopting an electrode polarity reversal during the process.

Stochastic variability of output levels in a pulp mill

Quite often, in the construction of a pulp mill involves establishing the size of tanks which will accommodate the material from the various processes in which case estimating the right tank size a priori would be vital. Hence, simulation of the whole production process would be worthwhile. Therefore, there is need to develop mathematical models that would mimic the behavior of the output from the various production units of the pulp mill to work as simulators. Markov chain models, Autoregressive moving average (ARMA) model, Mean reversion models with ensemble interaction together with Markov regime switching models are proposed for that purpose.

Genetic diversity and phenotypic variability of phytoplankton populations in the Baltic Sea

En av naturens mest grundläggande aspekter är den enorma mängd av variation som existerar mellan arter. Denna variation har lett oss till att klassificera olika organismer på basis av morfologiska skillnader och på senare tid till att jämföra genetiska skillnader på individens nivå. Den marina kiselalgen Skeletonema marinoi är en av de vanligaste växtplanktonarter i Östersjön under vårblomningen och anses viktig för den årliga produktionen. En av mina främsta målsättningar var att beskriva den intra-specifika diversiteten hos denna art längs med miljögradienter i Östersjön. Ett annat mål var att klargöra de faktorer som eventuellt är involverade i konfigurationen av genetisk diversitet och differentiering. Med hjälp av genetiska markörer visade jag att den genetiska diversiteten hos S. marinoi populationer i Östersjön är lägre jämfört med populationer i östra delen av Nordsjön. Arten är genetiskt uppdelad så att en utpräglad population förekommer i Östersjön och en annan, genetiskt åtskild population förekommer norr om de Danska sunden. Resultaten visar att de genetiskt åtskilda populationerna är anpassade till lokala salinitetsförhållanden. Genflödet mellan populationerna korrelerade kraftigt med havströmmar i området. Mina studier avslöjade även omfattande variation av fenotypiska, ekologiskt vikitga särdrag hos olika kloner. Djurplankton som äter kiselalger kunde modifiera den klonala mångfalden av fenotypiskt variabla S. marinoi populationer. En ökad klonal mångfald ledde till högre prestationsförmåga i fråga om primär produktion och stabiliserade ekofysiologiska funktioner. Som visas i denna avhandling består en art allt som oftast av åtskilliga genetiska varianter med fenotypiska skillnader. Kunskap om sådana intra-specifika skillnader är en förutsättning för att vi skall kunna förstå var och varför arter förekommer. Denna kunskap utgör även en grund för prognoser som siktar på att förutspå huruvida arter kan anpassa sig till framtida miljöförhållanden. ------------------------------------------------------ Suunnaton määrä variaatioita eliölajien välillä on perustavanlaatuinen ominaisuus luonnossa. Perinteisesti tätä monimuotoisuutta on käytetty organismien luokittelemiseen eri lajeihin niiden morfologisten eroavaisuuksien perusteella. Hiljattain myös geneettisten erojen huomioimista yksilötasolla on hyödynnetty lajien luokittelemisessa. Merialueilla esiintyvä piilevä, Skeletonema marinoi on yksi Itämeren tavallisimmista kasviplanktonlajeista kevätkukinnan aikana. Tavoitteenani oli selventää geneettistä ja fenotyyppistä monimuotoisuutta pitkin Itämeren ympäristögradienttejä. Geneettisen monimuotoisuuteen ja erkaantumiseen vaikuttavien tekijöiden selvittäminen oli tärkeä aspekti väitöstutkimuksessani. Geneettisiä markkereita käyttämällä pystyin toteamaan, että S. marinoi levän geneettinen monimuotoisuus on Itämeressä merkittävästi alhaisempi kuin läheisessä Pohjanmeren itäosassa. Tutkittu laji jakautuu geneettisesti yhteen erilliseen populaatioon Itämeressä ja toiseen selvästi erottuvaan populaatioon Tanskan salmien pohjoispuolella. Kokeellisten tulosten perusteella nämä geneettisesti erilaistuneet populaatiot ovat kumpikin sopeutuneet paikalliseen veden suolapitoisuuteen. Populaatioiden välisen geenivirran ja merivirtojen luoman yhteyden välillä havaittiin vahva korrelaatio. Tutkimukseni paljastivat myös laajaa vaihtelua Skeletonema-kloonien ekologisesti tärkeissä ominaisuuksissa. Kokeellisten tutkimusteni perusteella laiduntajat pystyivät muuttamaan geneettisten kloonien lukumäärää monimuotoisissa S. marinoi populaatioissa. Lisääntynyt kloonien lukumäärä paransi perustuotantokykyä ja vakautti ekofysiologisia toimintoja. Kuten tässä väitöstutkimuksessa osoitetaan, lajit koostuvat useimmiten lukuisista geneettisistä muunnelmista, jotka eroavat usein fenotyypeiltään. Ymmärtääksemme missä tietyt lajit esiintyvät ja miksi, tarvitsemme tietoa lajien sisäisistä vaihteluista. Tämä tieto on tarpeellista, jotta voimme ennustaa lajien sopeutumista tuleviin ympäristönmuutoksiin.