Agricultural phosphorus and water quality : sources, transport and management

Selostus: Maatalous, fosfori ja veden laatu: alkuperä, kulkeutuminen ja vesistökuormituksen hallinta

Charge transport in disordered materials : simulations, theory, and numerical modeling of hopping transport and electron-hole recombination

Min avhandling behandlar hur oordnade material leder elektrisk ström. Bland materialen som studeras finns ledande polymerer, d.v.s. plaster som leder ström, och mer allmänt organiska halvledare. Av de här materialen har man kunnat bygga elektroniska komponenter, och man hoppas på att kunna trycka hela kretsar av organiska material. För de här tillämpningarna är det viktigt att förstå hur materialen själva leder elektrisk ström. Termen oordnade material syftar på material som saknar kristallstruktur. Oordningen gör att elektronernas tillstånd blir lokaliserade i rummet, så att en elektron i ett visst tillstånd är begränsad t.ex. till en molekyl eller ett segment av en polymer. Det här kan jämföras med kristallina material, där ett elektrontillstånd är utspritt över hela kristallen (men i stället har en väldefinierad rörelsemängd). Elektronerna (eller hålen) i det oordnade materialet kan röra sig genom att tunnelera mellan de lokaliserade tillstånden. Utgående från egenskaperna för den här tunneleringsprocessen, kan man bestämma transportegenskaperna för hela materialet. Det här är utgångspunkten för den så kallade hopptransportmodellen, som jag har använt mig av. Hopptransportmodellen innehåller flera drastiska förenklingar. Till exempel betraktas elektrontillstånden som punktformiga, så att tunneleringssannolikheten mellan två tillstånd endast beror på avståndet mellan dem, och inte på deras relativa orientation. En annan förenkling är att behandla det kvantmekaniska tunneleringsproblemet som en klassisk process, en slumpvandring. Trots de här grova approximationerna visar hopptransportmodellen ändå många av de fenomen som uppträder i de verkliga materialen som man vill modellera. Man kan kanske säga att hopptransportmodellen är den enklaste modell för oordnade material som fortfarande är intressant att studera. Man har inte hittat exakta analytiska lösningar för hopptransportmodellen, därför använder man approximationer och numeriska metoder, ofta i form av datorberäkningar. Vi har använt både analytiska metoder och numeriska beräkningar för att studera olika aspekter av hopptransportmodellen. En viktig del av artiklarna som min avhandling baserar sig på är att jämföra analytiska och numeriska resultat. Min andel av arbetet har främst varit att utveckla de numeriska metoderna och applicera dem på hopptransportmodellen. Därför fokuserar jag på den här delen av arbetet i avhandlingens introduktionsdel. Ett sätt att studera hopptransportmodellen numeriskt är att direkt utföra en slumpvandringsprocess med ett datorprogram. Genom att föra statisik över slumpvandringen kan man beräkna olika transportegenskaper i modellen. Det här är en så kallad Monte Carlo-metod, eftersom själva beräkningen är en slumpmässig process. I stället för att följa rörelsebanan för enskilda elektroner, kan man beräkna sannolikheten vid jämvikt för att hitta en elektron i olika tillstånd. Man ställer upp ett system av ekvationer, som relaterar sannolikheterna för att hitta elektronen i olika tillstånd i systemet med flödet, strömmen, mellan de olika tillstånden. Genom att lösa ekvationssystemet fås sannolikhetsfördelningen för elektronerna. Från sannolikhetsfördelningen kan sedan strömmen och materialets transportegenskaper beräknas. En aspekt av hopptransportmodellen som vi studerat är elektronernas diffusion, d.v.s. deras slumpmässiga rörelse. Om man betraktar en samling elektroner, så sprider den med tiden ut sig över ett större område. Det är känt att diffusionshastigheten beror av elfältet, så att elektronerna sprider sig fortare om de påverkas av ett elektriskt fält. Vi har undersökt den här processen, och visat att beteendet är väldigt olika i endimensionella system, jämfört med två- och tredimensionella. I två och tre dimensioner beror diffusionskoefficienten kvadratiskt av elfältet, medan beroendet i en dimension är linjärt. En annan aspekt vi studerat är negativ differentiell konduktivitet, d.v.s. att strömmen i ett material minskar då man ökar spänningen över det. Eftersom det här fenomenet har uppmätts i organiska minnesceller, ville vi undersöka om fenomenet också kan uppstå i hopptransportmodellen. Det visade sig att det i modellen finns två olika mekanismer som kan ge upphov till negativ differentiell konduktivitet. Dels kan elektronerna fastna i fällor, återvändsgränder i systemet, som är sådana att det är svårare att ta sig ur dem då elfältet är stort. Då kan elektronernas medelhastighet och därmed strömmen i materialet minska med ökande elfält. Elektrisk växelverkan mellan elektronerna kan också leda till samma beteende, genom en så kallad coulombblockad. En coulombblockad kan uppstå om antalet ledningselektroner i materialet ökar med ökande spänning. Elektronerna repellerar varandra och ett större antal elektroner kan leda till att transporten blir långsammare, d.v.s. att strömmen minskar.

Centre for Economic Development, Transport and the Environment : Prosperity, competitiveness, sustainable development

Broschure of Centre for Economic Development, Transport and the Environment.

Strategy for 2012–2015 : The Centres for Economic Development, Transport and the Environment create sustainable well-being

ELY Centres strategy brocshure.

Centres for Economic Development, Transport and the Environment at Your Service

Broschure of The Centres for Economic Development, Transport and the Environment.

JNK, a versatile regulator of kinesin-1 transport and cytoskeleton dynamics

C-Jun N-terminal kinase (JNK) is traditionally recognized as a crucial factor in stress response and inducer of apoptosis upon various stimulations. Three isoforms build the JNK subfamily of MAPK; generally expressed JNK1 and JNK2 and brain specific JNK3. Degenerative potency placed JNK in the spotlight as potential pharmacological option for intervention. Unfortunately, adverse effects of potential drugs and observation that expression of only JNK2 and JNK3 are induced upon stress, restrained initial enthusiasm. Notably, JNK1 demonstrated atypical high constitutive activity in neurons that is not responsive to cellular stresses and indicated existence of physiological activity. This thesis aimed at revealing the physiological functions of JNK1 in actin homeostasis through novel effector MARCKS-Like 1 (MARCKSL1) protein, neuronal trafficking mediated by major kinesin-1 motor protein and microtubule (MT) dynamics via STMN2/SCG10. The screen for novel physiological JNK substrates revealed specific phosphorylation of C-terminal end of MARCKSL1 at S120, T148 and T183 both ex vivo and in vitro. By utilizing site-specific mutagenesis, various actin dynamics and migrations assays we were able to demonstrate that JNK1 phosphorylation specifically facilitates F-actin bundling and thus filament stabilisation. Consecutively, this molecular mechanism was proved to enhance formation of filopodia; cell surface projections that allow cell sensing surrounding environment and migrate efficiently. Our results visualize JNK dependent and MARCKSL1 executed induction of filopodia in neurons and fibroblast indicating general mechanism. Subsequently, inactivation of JNK action on MARCKSL1 shifts cellular actin machinery into lamellipodial dynamic arrangement. Tuning of actin cytoskeleton inevitably melds with cell migration. We observed that both active JNK and JNK pseudo-phosphorylated form of MARCKSL1 reduce actin turnover in intact cells leading to overall diminished cell motility. We demonstrate that tumour transformed cells from breast, prostate, lung and muscle-derived cancers upregulate MARCKSL1. We showed on the example of prostate cancer PC-3 cell line that JNK phosphorylation negatively controls MARCKSL1 ability to induce migration, which precedes cancer cell metastasis. The second round of identification of JNK physiological substrates resulted in detection of predominant motor protein kinesin-1 (Kif5). Mass spectrometry detailed analysis showed evident endogenous phosphorylation of kinesin-1 on S176 within motor domain that interacts with MT. In vitro phosphorylation of bacterially expressed kinesin heavy chain by JNK isoforms displayed higher specificity of JNK1 when compared to JNK3. Since, JNK1 is constitutively active in neurons it signified physiological aspect of kinesin-1 regulation. Subsequent biochemical examination revealed that kinesin-1, when not phosphorylated on JNK site, exhibits much higher affinity toward MTs. Expression of the JNK non-phosphorable kinesin-1 mutant in intact cells as well as in vitro single molecule imaging using total internal reflection fluorescence microscopy indicated that the mutant loses normal speed and is not able to move processively into proper cellular compartments. We identify novel kinesin-1 cargo protein STMN2/SCG10, which along with known kinesin-1 cargo BDNF is showing impaired trafficking when JNK activity is inhibited. Our data postulates that constitutive JNK activity in neurons is crucial for unperturbed physiologically relevant transport of kinesin-1 dependant cargo. Additionally, my work helps to validate another novel physiological JNK1 effector STMN2/SCG10 as determinant of axodendritic neurites dynamics in the developing brain through regulation of MT turnover. We show successively that this increased MT dynamics is crucial during developmental radial migration when brain layering occurs. Successively, we are able to show that introduction of JNK phosphorylation mimicking STMN2/SCG10 S62/73D mutant rescues completely JNK1 genetic deletion migration phenotype. We prove that STMN2/SCG10 is predominant JNK effector responsible for MT depolymerising activity and neurite length during brain development. Summarizing, this work describes identification of three novel JNK substrates MARCKSL1, kinesin-1 and STMN2/SCG10 and investigation of their roles in cytoskeleton dynamics and cargo transport. This data is of high importance to understand physiological meaning of JNK activity, which might have an adverse effect during pharmaceutical intervention aiming at blocking pathological JNK action.

Conceptualizing and counteracting the bullying dynamic: Classroom and school contexts matter

Guided by the social-ecological conceptualization of bullying, this thesis examines the implications of classroom and school contexts—that is, students’ shared microsystems—for peer-to-peer bullying and antibullying practices. Included are four original publications, three of which are empirical studies utilizing data from a large Finnish sample of students in the upper grade levels of elementary school. Both self- and peer reports of bullying and victimization are utilized, and the hierarchical nature of the data collected from students nested within school ecologies is accounted for by multilevel modeling techniques. The first objective of the thesis is to simultaneously examine risk factors for victimization at individual, classroom, and school levels (Study I). The second objective is to uncover the individual- and classroom-level working mechanisms of the KiVa antibullying program which has been shown to be effective in reducing bullying problems in Finnish schools (Study II). Thirdly, an overview of the extant literature on classroom- and school-level contributions to bullying and victimization is provided (Study III). Finally, attention is paid to the assessment of victimization and, more specifically, to how the classroom context influences the concordance between self- and peer reports of victimization (Study IV). Findings demonstrate the multiple ways in which contextual factors, and importantly students’ perceptions thereof, contribute to the bullying dynamic and efforts to counteract it. Whereas certain popular beliefs regarding the implications of classroom and school contexts do not receive support, the role of peer contextual factors and the significance of students’ perceptions of teachers’ attitudes toward bullying are highlighted. Directions for future research and school-based antibullying practices are suggested.