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.

Characterization of Actinobacteria Degrading and Tolerating Organic Pollutants

Species of the genera Rhodococcus, Gordonia and Mycobacterium are known as degraders of recalcitrant pollutants. These bacteria are good survivors in harsh environments. Due to such properties these organisms are able to occupy a wide range of environmental niches. The members of these taxa have been suggested as tools for biotechnical applications such as bioremediation and biosynthesis. At the same time several of the species are known as opportunistic human pathogens. Therefore, the detailed characterization of any isolate that has potential for biotechnological applications is very important. This thesis deals with several corynebacterial strains originating from different polluted environments: soil, water-damaged indoor walls, and drinking water distribution systems. A polyphasic taxonomic approach was applied for characterization of the isolates. We found that the strains degrading monoaromatic compounds belonged to Rhodococcus opacus, a species that has not been associated with any health problem. The taxonomic position of strain B293, used for many years in degradation research under different names, was clarified. We assigned it to the species Gordonia polyisoprenivorans. This species is classified under European Biohazard grouping 1, meaning that it is not considered a health hazard for humans. However, there are reports of catheter-associated bacteraemia caused by G. polyisoprenivorans. Our results suggested that the ability of the organism to grow on phthalate esters, used as softeners in medical plastics, may be associated with the colonization of catheters and other devices. In this thesis Mycobacterium lentiflavum, a new emerging opportunistic human pathogen, was isolated from biofilms growing in public drinking water distribution systems. Our report on isolation of M. lentiflavum from water supplies is the second report on this species from drinking water systems, which may thus constitute a reservoir of M. lentiflavum. Automated riboprinting was evaluated for its applicability in rapidly identifying environmental mycobacteria. The technique was found useful in the characterization of several species of rapidly and slowly growing environmental mycobacteria. The second aspect of this thesis refers to characterization of the degradation and tolerance power of several R. opacus, M. murale and G. polyisoprenivorans strains. R. opacus GM-14 utilizes a wide range of aromatic substrates, including benzene, 15 different halobenzenes, 18 phenols and 7 benzoates. This study revealed the high tolerance of R. opacus strains toward toxic hydrophobic compounds. R. opacus GM-14 grew in mineral medium to which benzene or monochlorobenzene was added in amounts of 13 or 3 g l-1, respectively. R. opacus GM-29 utilized toluene and benzene for growth. Strain GM-29 grew in mineral medium with 7 g l-1 of liquid toluene or benzene as the sole carbon source, corresponding to aqueous concentrations of 470 and 650 mg l-1, respectively. Most organic solvents, such as toluene and benzene, due to their high level of hydrophobicity, pass through the bacterial membrane, causing its disintegration. In this thesis the mechanisms of adaptation of rhodococci to toxic hydrophobic compounds were investigated. The rhodococcal strains increased the level of saturation of their cellular fatty acids in response to challenge with phenol, chlorophenol, benzene, chlorobenzene or toluene. The results indicated that increase in the saturation level of cellular fatty acids, particularly that in tuberculostearic acid, is part of the adaptation mechanism of strains GM-14 and GM-29 to the presence of toxic hydrophobic compounds.

Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

Lost in Translation : Translation Mechanisms in Production of Cocksfoot Mottle Virus Proteins

The present study focuses on the translational strategies of Cocksfoot mottle virus (CfMV, genus Sobemovirus), which infects monocotyledonous plants. CfMV RNA lacks the 5'cap and the 3'poly(A) tail that ensure efficient translation of cellular messenger RNAs (mRNAs). Instead, CfMV RNA is covalently linked to a viral protein VPg (viral protein, genome-linked). This indicates that the viral untranslated regions (UTRs) must functionally compensate for the lack of the cap and poly(A) tail. We examined the efficacy of translation initiation in CfMV by comparing it to well-studied viral translational enhancers. Although insertion of the CfMV 5'UTR (CfMVe) into plant expression vectors improved gene expression in barley more than the other translational enhancers examined, studies at the RNA level showed that CfMVe alone or in combination with the CfMV 3'UTR did not provide the RNAs translational advantage. Mutation analysis revealed that translation initiation from CfMVe involved scanning. Interestingly, CfMVe also promoted translation initiation from an intercistronic position of dicistronic mRNAs in vitro. Furthermore, internal initiation occurred with similar efficacy in translation lysates that had reduced concentrations of eukaryotic initiation factor (eIF) 4E, suggesting that initiation was independent of the eIF4E. In contrast, reduced translation in the eIF4G-depleted lysates indicated that translation from internally positioned CfMVe was eIF4G-dependent. After successful translation initiation, leaky scanning brings the ribosomes to the second open reading frame (ORF). The CfMV polyprotein is produced from this and the following overlapping ORF via programmed -1 ribosomal frameshift (-1 PRF). Two signals in the mRNA at the beginning of the overlap program approximately every fifth ribosome to slip one nucleotide backwards and continue translation in the new -1 frame. This leads to the production of C-terminally extended polyprotein, which encodes the viral RNA-dependent RNA polymerase (RdRp). The -1 PRF event in CfMV was very efficient, even though it was programmed by a simple stem-loop structure instead of a pseudoknot, which is usually required for high -1 PRF frequencies. Interestingly, regions surrounding the -1 PRF signals improved the -1 PRF frequencies. Viral protein P27 inhibited the -1 PRF event in vivo, putatively by binding to the -1 PRF site. This suggested that P27 could regulate the occurrence of -1 PRF. Initiation of viral replication requires that viral proteins are released from the polyprotein. This is catalyzed by viral serine protease, which is also encoded from the polyprotein. N-terminal amino acid sequencing of CfMV VPg revealed that the junction of the protease and VPg was cleaved between glutamate (E) and asparagine (N) residues. This suggested that the processing sites used in CfMV differ from the glutamate and serine (S) or threonine (T) sites utilized in other sobemoviruses. However, further analysis revealed that the E/S and E/T sites may be used to cleave out some of the CfMV proteins.

Food and Indoor Air Isolated Bacillus Non-Protein Toxins: : Structures, Physico-Chemical Properties and Mechanisms of Effects on Eukaryotic Cells

We report here the structures and properties of heat-stable, non-protein, and mammalian cell-toxic compounds produced by spore-forming bacilli isolated from indoor air of buildings and from food. Little information is available on the effects and occurrence of heat-stable non-protein toxins produced by bacilli in moisture-damaged buildings. Bacilli emit spores that move in the air and can serve as the carriers of toxins, in a manner similar to that of the spores of toxic fungi found in contaminated indoor air. Bacillus spores in food cause problems because they tolerate the temperatures applied in food manufacture and the spores later initiate growth when food storage conditions are more favorable. Detection of the toxic compounds in Bacillus is based on using the change in mobility of boar spermatozoa as an indicator of toxic exposure. GC, LC, MS, and nuclear magnetic resonance NMR spectroscopy were used for purification, detection, quantitation, and analysis of the properties and structures of the compounds. Toxicity and the mechanisms of toxicity of the compounds were studied using boar spermatozoa, feline lung cells, human neural cells, and mitochondria isolated from rat liver. The ionophoric properties were studied using the BLM (black-lipid membrane) method. One novel toxin, forming ion channels permeant to K+ > Na+ > Ca2+, was found and named amylosin. It is produced by B. amyloliquefaciens isolated from indoor air of moisture-damaged buildings. Amylosin was purified with an RP-HPLC and a monoisotopic mass of 1197 Da was determined with ESI-IT-MS. Furthermore, acid hydrolysis of amylosin followed by analysis of the amino acids with the GS-MS showed that it was a peptide. The presence of a chromophoric polyene group was found using a NMR spectroscopy. The quantification method developed for amylosin based on RP-HPLC-UV, using the macrolactone polyene, amphotericin B (MW 924), as a reference compound. The B. licheniformis strains isolated from a food poisoning case produced a lipopeptide, lichenysin A, that ruptured mammalian cell membranes and was purified with a LC. Lichenysin A was identified by its protonated molecules and sodium- and potassium- cationized molecules with MALDI-TOF-MS. Its protonated forms were observed at m/z 1007, 1021 and 1035. The amino acids of lichenysin A were analyzed with ESI-TQ-MS/MS and, after acid hydrolysis, the stereoisomeric forms of the amino acids with RP-HPLC. The indoor air isolates of the strain of B. amyloliquefaciens produced not only amylosin but also lipopeptides: the cell membrane-damaging surfactin and the fungicidal fengycin. They were identified with ESI-IT-MS observing their protonated molecules, the sodium- and potassium-cationized molecules and analysing the MS/MS spectra. The protonated molecules of surfactin and fengycin showed m/z values of 1009, 1023, and 1037 and 1450, 1463, 1493, and 1506, respectively. Cereulide (MW 1152) was purified with RP-HPLC from a food poisoning strain of B. cereus. Cereulide was identified with ESI-TQ-MS according to the protonated molecule observed at m/z 1154 and the ammonium-, sodium- and potassium-cationized molecules observed at m/z 1171, 1176, and 1192, respectively. The fragment ions of the MS/MS spectrum obtained from the protonated molecule of cereulide at m/z 1154 were also interpreted. We developed a quantification method for cereulide, using RP-HPLC-UV and valinomycin (MW 1110, which structurally resembles cereulide) as the reference compound. Furthermore, we showed empirically, using the BLM method, that the emetic toxin cereulide is a specific and effective potassium ionophore of whose toxicity target is especially the mitochondria.

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.

Biodiversity and Phylogeny of Planktic Cyanobacteria in Temperate Freshwater Lakes

Currently, the classification used for cyanobacteria is based mainly on morphology. In many cases the classification is known to be incongruent with the phylogeny of cyanobacteria. The evaluation of this classification is complicated by the fact that numerous strains are only described morphologically and have not been isolated. Moreover, the phenotype of many cyanobacterial strains alters during prolonged laboratory cultivation. In this thesis, cyanobacterial strains were isolated from lakes (mainly Lake Tuusulanjärvi) and both morphology and phylogeny of the isolates were investigated. The cyanobacterial community composition in Lake Tuusulanjärvi was followed for two years in order to relate the success of cyanobacterial phenotypes and genotypes to environmental conditions. In addition, molecular biological methods were compared with traditional microscopic enumeration and their ability and usefulness in describing the cyanobacterial diversity was evaluated. The Anabaena, Aphanizomenon, and Trichormus strains were genetically heterogeneous and polyphyletic. The phylogenetic relationships of the heterocytous cyanobacteria were not congruent with their classification. In contrast to heterocytous cyanobacteria, the phylogenetic relationships of the Snowella and Woronichinia strains, which had not been studied before this thesis, reflected the morphology of strains and followed their current classification. The Snowella strains formed a monophyletic cluster, which was most closely related to the Woronichinia strain. In addition, a new cluster of thin, filamentous cyanobacterial strains identified as Limnothrix redekei was revealed. This cluster was not closely related to any other known cyanobacteria. The cyanobacterial community composition in Lake Tuusulanjärvi was studied with molecular methods [denaturant gradient gel electrophoresis (DGGE) and cloning of the 16S rRNA gene], through enumerations of cyanobacteria under microscope, and by strain isolations. Microcystis, Anabaena/Aphanizomenon, and Synechococcus were the major groups in the cyanobacterial community in Lake Tuusulanjärvi during the two-year monitoring period. These groups showed seasonal succession, and their success was related to different environmental conditions. The major groups of the cyanobacterial community were detected by all used methods. However, cloning gave higher estimates than microscopy for the proportions of heterocytous cyanobacteria and Synechococcus. The differences were probably caused by the high 16S rRNA gene copy numbers in heterotrophic cyanobacteria and by problems in the identification and detection of unicellular cyanobacteria.

Weakening of the Gram-negative bacterial outer membrane - A tool for increasing microbiological safety

Gram-negative bacteria are harmful in various surroundings. In the food industy their metabolites are potential cause of spoilage and this group also includes many severe or potential pathogens, such as Salmonella. Due to their ability to produce biofilms Gram-negative bacteria also cause problems in many industrial processes as well as in clinical surroundings. Control of Gram-negative bacteria is hampered by the outer membrane (OM) in the outermost layer of the cells. This layer is an intrinsic barrier for many hydrophobic agents and macromolecules. Permeabilizers are compounds that weaken OM and can thus increase the activity of antimicrobials by facililating entry of hydrophobic compounds and macromolecules into the cell where they can reach their target sites and inhibit or destroy cellular functions. The work described in this thesis shows that lactic acid acts as a permeabilizer and destabilizes the OM of Gram-negative bacteria. In addition, organic acids present in berriers, i.e. malic, sorbic and benzoic acid, were shown to weaken the OM of Gram-negative bacteria. Organic acids can poteniate the antimicrobial activity of other compounds. Microbial colonic degradation products of plant-derived phenolic compounds (3,4-dihydroxyphenylacetic acid, 3-hydroxyphenylacetic acid, 3,4-dihydroxyphenylpropionic acid, 4-hydroxyphenylpropionic acid, 3-phenylpropionic acid and 3-hydroxyphenylpropionic acid) efficiently destabilized OM of Salmonella. The studies increase our understanding of the mechanism of action of the classical chelator, ethylenediaminetetra-acetic acid (EDTA). In addition, the results indicate that the biocidic activity of benzalkonium chloride against Pseudomonas can be increased by combined use with polyethylenimine (PEI). In addition to PEI, several other potential permeabilizers, such as succimer, were shown to destabilize the OM of Gram-negative bacteria. Furthermore, combination of the results obtained from various permeability assays (e.g. uptake of a hydrophobic probe, sensitization to hydrophobic antibiotics and detergents, release of lipopolysaccharide (LPS) and LPS-specific fatty acids) with atomic force microscopy (AFM) image results increases our knowledge of the action of permeabilizers.

Lactic acid bacteria and their antimicrobial peptides : Induction,detection,partial characterization, and potential applications

Bacteriocin-producing lactic acid bacteria and their isolated peptide bacteriocins are of value to control pathogens and spoiling microorganisms in foods and feed. Nisin is the only bacteriocin that is commonly accepted as a food preservative and has a broad spectrum of activity against Gram-positive organisms including spore forming bacteria. In this study nisin induction was studied from two perspectives, induction from inside of the cell and selection of nisin inducible strains with increased nisin induction sensitivity. The results showed that a mutation in the nisin precursor transporter NisT rendered L. lactis incapable of nisin secretion and lead to nisin accumulation inside the cells. Intracellular proteolytic activity could cleave the N-terminal leader peptide of nisin precursor, resulting in active nisin in the cells. Using a nisin sensitive GFP bioassay it could be shown, that the active intracellular nisin could function as an inducer without any detectable release from the cells. The results suggested that nisin can be inserted into the cytoplasmic membrane from inside the cell and activate NisK. This model of two-component regulation may be a general mechanism of how amphiphilic signals activate the histidine kinase sensor and would represent a novel way for a signal transduction pathway to recognize its signal. In addition, nisin induction was studied through the isolation of natural mutants of the GFPuv nisin bioassay strain L. lactis LAC275 using fl uorescence-activated cell sorting (FACS). The isolated mutant strains represent second generation of GFPuv bioassay strains which can allow the detection of nisin at lower levels. The applied aspect of this thesis was focused on the potential of bacteriocins in chicken farming. One aim was to study nisin as a potential growth promoter in chicken feed. Therefore, the lactic acid bacteria of chicken crop and the nisin sensitivity of the isolated strains were tested. It was found that in the crop Lactobacillus reuteri, L. salivarius and L. crispatus were the dominating bacteria and variation in nisin resistance level of these strains was found. This suggested that nisin may be used as growth promoter without wiping out the dominating bacterial species in the crop. As the isolated lactobacilli may serve as bacteria promoting chicken health or reducing zoonoosis and bacteriocin production is one property associated with probiotics, the isolated strains were screened for bacteriocin activity against the pathogen Campylobacter jejuni. The results showed that many of the isolated L. salivarius strains could inhibit the growth of C. jejuni. The bacteriocin of the L. salivarius LAB47 strain, with the strongest activity, was further characterized. Salivaricin 47 is heat-stable and active in pH range 3 to 8, and the molecular mass was estimated to be approximately 3.2 kDa based on tricine SDS-PAGE analysis.

Lignocellulose degradation and humus modification by the fungus Paecilomyces inflatus

Composting is the biological conversion of solid organic waste into usable end products such as fertilizers, substrates for mushroom production and biogas. Although composts are highly variable in their bulk composition, composting material is generally based on lignocellulose compounds derived from agricultural, forestry, fruit and vegetable processing, household and municipal wastes. Lignocellulose is very recalcitrant; however it is rich and abundant source of carbon and energy. Therefore lignocellulose degradation is essential for maintaining the global carbon cycle. In compost, the active component involved in the biodegradation and conversion processes is the resident microbial population, among which microfungi play a very important role. In composting pile the warm, humid, and aerobic environment provides the optimal conditions for their development. Microfungi use many carbon sources, including lignocellulosic polymers and can survive in extreme conditions. Typically microfungi are responsible for compost maturation. In order to improve the composting process, more information is needed about the microbial degradation process. Better knowledge on the lignocellulose degradation by microfungi could be used to optimize the composting process. Thus, this thesis focused on lignocellulose and humic compounds degradation by a microfungus Paecilomyces inflatus, which belongs to a flora of common microbial compost, soil and decaying plant remains. It is a very common species in Europe, North America and Asia. The lignocellulose and humic compounds degradation was studied using several methods including measurements of carbon release from 14C-labelled compounds, such as synthetic lignin (dehydrogenative polymer, DHP) and humic acids, as well as by determination of fibre composition using chemical detergents and sulphuric acid. Spectrophotometric enzyme assays were conducted to detect extracellular lignocellulose-degrading hydrolytic and oxidative enzymes. Paecilomyces inflatus secreted clearly extracellular laccase to the culture media. Laccase was involved in the degradation process of lignin and humic acids. In compost P. inflatus mineralised 6-10% of 14C-labelled DHP into carbon dioxide. About 15% of labelled DHP was converted into water-soluble compounds. Also humic acids were partly mineralised and converted into water-soluble material, such as low-molecular mass fulvic acid-like compounds. Although laccase activity in aromatics-rich compost media clearly is connected with the degradation process of lignin and lignin-like compounds, it may preferentially effect the polymerisation and/or detoxification of such aromatic compounds. P. inflatus can degrade lignin and carbohydrates also while growing in straw and in wood. The cellulolytic enzyme system includes endoglucanase and β-glucosidase. In P. inflatus the secretion of these enzymes was stimulated by low-molecular-weight aromatics, such as soil humic acid and veratric acid. When strains of P. inflatus from different ecophysiological origins were compared, indications were found that specific adaptation strategies needed for lignocellulosics degradation may operate in P. inflatus. The degradative features of these microfungi are on relevance for lignocellulose decomposition in nature, especially in soil and compost environments, where basidiomycetes are not established. The results of this study may help to understand, control and better design the process of plant polymer conversion in compost environment, with a special emphasis on the role of ubiquitous microfungi.

Poverty and the Environment : Investment Poverty and the Role of Assets in Generating Welfare for Farmer Households in the Province of Herrera, Panama

Köyhiä maanviljelijöitä on usein syytetty kehitysmaiden ympäristöongelmista. On väitetty, että eloonjäämistaistelu pakottaa heidät käyttämään maata ja muita luonnonvaroja lyhytnäköisesti. Harva asiaa koskeva tutkimus on kuitenkaan tukenut tätä väitettä; perheiden köyhyyden astetta ja heidän aiheuttamaansa ympäristövaikutusta ei ole kyetty kytkemään toisiinsa. Selkeyttääkseen köyhyys-ympäristö –keskustelua, Thomas Reardon ja Steven Vosti kehittivät investointiköyhyyden käsitteen. Se tunnistaa sen kenties suuren joukon maanviljelijäperheitä, jotka eivät ole köyhiä perinteisten köyhyysmittareiden mukaan, mutta joiden hyvinvointi ei ole riittävästi köyhyysrajojen yläpuolella salliakseen perheen investoida kestävämpään maankäyttöön. Reardon ja Vosti korostivat myös omaisuuden vaikutusta perheiden hyvinvointiin, ja uskoivat sen vaikuttavan tuotanto- ja investointipäätöksiin. Tässä tutkimuksessa pyritään vastaamaan kahteen kysymykseen: Miten investointiköyhyyttä voidaan ymmärtää ja mitata? Ja, mikä on viljelijäperheiden omaisuuden hyvinvointia lisäävä vaikutus? Tätä tutkimusta varten haastateltiin 402 maanviljelijäperhettä Väli-Amerikassa, Panaman tasavallan Herreran läänissä. Näiden perheiden hyvinvointia mitattiin heidän kulutuksensa mukaan, ja paikalliset köyhyysrajat laskettiin paikallisen ruoan hinnan mukaan. Herrerassa ihminen tarvitsee keskimäärin 494 dollaria vuodessa saadakseen riittävän ravinnon, tai 876 dollaria vuodessa voidakseen ravinnon lisäksi kattaa muitakin välttämättömiä menoja. Ruoka- eli äärimmäisen köyhyyden rajan alle jäi 15,4% tutkituista perheistä, ja 33,6% oli jokseenkin köyhiä, eli saavutti kyllä riittävän ravitsemuksen, muttei kyennyt kustantamaan muita perustarpeitaan. Molempien köyhyysrajojen yläpuolelle ylsi siis 51% tutkituista perheistä. Näiden köyhyysryhmien välillä on merkittäviä eroavaisuuksia ei vain perheiden varallisuuden, tulojen ja investointistrategioiden välillä, mutta myös perheiden rakenteessa, elinympäristössä ja mahdollisuuksissa saada palveluja. Investointiköyhyyden mittaaminen osoittautui haastavaksi. Herrerassa viljelijät eivät tee investointeja puhtaasti ympäristönsuojeluun, eikä maankäytön kestävyyttä muutenkaan pystytty yhdistämään perheiden hyvinvoinnin tasoon. Siksi investointiköyhyyttä etsittiin sellaisena hyvinvoinnin tasona, jonka alapuolella elävien perheiden parissa tuottavat maanparannusinvestoinnit eivät enää ole suorassa suhteessa hyvinvointiin. Tällaisia investointeja ovat mm. istutetut aidat, lannoitus ja paranneltujen laiduntyyppien viljely. Havaittiin, että jos perheen hyvinvointi putoaa alle 1000 dollarin/henkilö/vuosi, tällaiset tuottavat maanparannusinvestoinnit muuttuvat erittäin harvinaisiksi. Investointiköyhyyden raja on siis noin kaksi kertaa riittävän ravitsemuksen hinta, ja sen ylitti 42,3% tutkituista perheistä. Heille on tyypillistä, että molemmat puolisot käyvät työssä, ovat korkeasti koulutettuja ja yhteisössään aktiivisia, maatila tuottaa paremmin, tilalla kasvatetaan vaativampia kasveja, ja että he ovat kerryttäneet enemmän omaisuutta kuin investointi-köyhyyden rajan alla elävät perheet. Tässä tutkimuksessa kyseenalaistettiin yleinen oletus, että omaisuudesta olisi poikkeuksetta hyötyä viljelijäperheelle. Niinpä omaisuuden vaikutusta perheiden hyvinvointiin tutkittiin selvittämällä, mitä reittejä pitkin perheiden omistama maa, karja, koulutus ja työikäiset perheenjäsenet voisivat lisätä perheen hyvinvointia. Näiden hyvinvointi-mekanismien ajateltiin myös riippuvan monista väliin tulevista tekijöistä. Esimerkiksi koulutus voisi lisätä hyvinvointia, jos sen avulla saataisiin paremmin palkattuja töitä tai perustettaisiin yritys; mutta näihin mekanismeihin saattaa vaikuttaa vaikkapa etäisyys kaupungeista tai se, omistaako perhe ajoneuvon. Köyhimpien perheiden parissa nimenomaan koulutus olikin ainoa tutkittu omaisuuden muoto, joka edisti perheen hyvinvointia, kun taas maasta, karjasta tai työvoimasta ei ollut apua köyhyydestä nousemiseen. Varakkaampien perheiden parissa sen sijaan korkeampaa hyvinvointia tuottivat koulutuksen lisäksi myös maa ja työvoima, joskin monesta väliin tulevasta muuttujasta, kuten tuotantopanoksista riippuen. Ei siis ole automaatiota, jolla omaisuus parantaisi perheiden hyvinvointia. Vaikka rikkailla onkin yleensä enemmän karjaa kuin köyhemmillä, ei tässä aineistossa löydetty yhtään mekanismia, jota kautta karjan määrä tuottaisi korkeampaa hyvinvointia viljelijäperheille. Omaisuuden keräämisen ja hyödyntämisen strategiat myös muuttuvat hyvinvoinnin kasvaessa ja niihin vaikuttavat monet ulkoiset tekijät. Ympäristön ja köyhyyden suhde on siis edelleen epäselvä. Köyhyyden voittaminen vaatii pitkällä tähtäimellä sitä, että viljelijäperheet nousisivat investointiköyhyyden rajan yläpuolelle. Näin heillä olisi varaa alkaa kartuttaa omaisuutta ja investoida kestävämpään maankäyttöön. Tällä hetkellä kuitenkin isolle osalle herreralaisia perheitä tuo raja on kaukana tavoittamattomissa. Miten päästä yli tuhannen dollarin kulutukseen perheenjäsentä kohden, mikäli elintaso ei yllä edes riittävään ravitsemukseen? Ja sittenkin, vaikka hyvinvointi kohenisi, ei ympäristön kannalta parannuksia ole välttämättä odotettavissa, mikäli karjalaumat kasvavat ja eroosioalttiit laitumet leviävät.

Feasibility of assimilating ASCAT surface winds into a Limited Area Model

Sea-surface wind observations of previous generation scatterometers have been successfully assimilated into Numerical Weather Prediction (NWP) models. Impact studies conducted with these assimilation implementations have shown a distinct improvement to model analysis and forecast accuracies. The Advanced Scatterometer (ASCAT), flown on Metop-A, offers an improved sea-surface wind accuracy and better data coverage when compared to the previous generation scatterometers. Five individual case studies are carried out. The effect of including ASCAT data into High Resolution Limited Area Model (HIRLAM) assimilation system (4D-Var) is tested to be neutral-positive for situations with general flow direction from the Atlantic Ocean. For northerly flow regimes the effect is negative. This is later discussed to be caused by problems involving modeling northern flows, and also due to the lack of a suitable verification method. Suggestions and an example of an improved verification method is presented later on. A closer examination of a polar low evolution is also shown. It is found that the ASCAT assimilation scheme improves forecast of the initial evolution of the polar low, but the model advects the strong low pressure centre too fast eastward. Finally, the flaws of the implementation are found small and implementing the ASCAT assimilation scheme into the operational HIRLAM suite is feasible, but longer time period validation is still required.

Aurinkotuulen dynaamisen paineen muutosten vaikutus ionosfäärin dynamiikkaan

Monissa viimeaikaisissa tutkimuksissa on tutkittu aurinkotuulen dynaamisen paineen vaikutusta revontulialueen hiukkaspresipitaatioon. Tutkimukset ovat kuitenkin perustuneet muutamaan yksittäiseen tapaukseen ja laskevan dynaamisen paineen vaikutuksia ei juuri ole tarkasteltu. Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää suuremmasta statistiikasta aurinkotuulen dynaamisen paineen nousujen ja laskujen vaikutusta ionosfäärin dynamiikkaan. Paineen muutoksia etsittiin ACE:n mittausdatasta vuosilta 1998 2004 ja ionosfäärin vastetta näihin muutoksiin tutkittiin käyttäen IMAGE-magnetometriverkon tuottamaa magneettisen aktiivisuuden indeksiä (IE-indeksi). Tutkimuksen kohteeksi valittiin 286 painepulssia, joita edelsi ja seurasi tasaisen paineen jakso, sekä 171 vastaavaa paineen laskua (negatiivista painepulssia). Näiden paineen muutosten ionosfäärivastetta tutkittaessa käytettiin tilastollista superposed epoch -menetelmää. Tutkimuksen tulokseksi saatiin selvä positiivinen korrelaatio IE-indeksin ja aurinkotuulen dynaamisen paineen välillä. Korrelaatio on vähemmän selkeää paineen laskujen kuin nousujen yhteydessä. Tälle on useita mahdollisia selityksia: Tutkimusaineisto paineen laskuista oli suppeampi. Toisin kuin painepulsseihin, paineen laskuihin ei liittynyt aurinkotuulen nopeuden muutosta. Lisäksi IMF:n magnitudi kasvoi lähes kaikkien paineen laskujen aikana, joten magnitudin ja IE:n välinen positiivinen korrelaatio voisi peittää paineen laskun vaikutusta. Eteläisen IMF:n painepulssien aikana IE:n muutokset aiheutuivat enimmäkseen läntisen elektrojetin vahvistumisesta ja pohjoisen IMF:n aikana havaitut IE:n muutokset liittyivät enemmän itäiseen elektrojettiin. Aurinkotuulen dynaamisen paineen ja elektrojettien korrelaation selitykseksi tarjotaan ionosfääriin saapuvien kentänsuuntaisten virtojen välityksellä tapahtuvaa kytkentää aurinkotuuleen. IMF:n z-komponentin suunnalla oli odotetun merkittävä vaikutus IE:n yleiseen tasoon, mutta IE:n korrelaatio paineen muutosten kanssa oli samaa tasoa z-komponentin etumerkistä riippumatta. Myös IMF:n y-komponentti osoittautui merkittäväksi pohjoisen IMF:n aikana, sillä tällöin IE:n yleinen taso oli korkeampi ja paineen muutosten vaikutus paljon selkeämpi IMF:n y-komponentin ollessa positiivinen kuin negatiivinen.

Havaintojärjestelmäkokeet numeerisessa sään ennustamisessa

Sään ennustamisessa tärkeä työväline on numeerinen säämalli, jossa ilmakehän tilan kuvaaminen perustuu niin sanottujen perusyhtälöiden ratkaisemiseen. Niiden avulla lasketaan tuulen nopeuden, ilmanpaineen, lämpötilan ja kosteuden muutokset pienin aika-askelin eteenpäin. Numeerinen säämalli tarvitsee lähtötiedokseen laadultaan hyviä havaintoja ilmakehän todellisesta tilasta. Joka vuorokausi kymmenet in-situ- ja kaukohavaintojärjestelmät tekevät havaintoja ilmakehästä sen pintakerroksesta ylärajaan asti. Pelkät havainnot eivät kuitenkaan riitä antamaan tarpeeksi tarkkoja lähtötietoja säämallille. Ongelman ratkaisu on data-assimilaatiojärjestelmä. Se yhdistää laatukontrollin läpikäyneen havaintotiedon ja mallitiedon, jota kutsutaan ennakkokentäksi, ja luo niiden avulla analyysin ilmakehän todellisesta tilasta. Havaintojärjestelmäkokeiden (OSE) avulla testataan havaintojärjestelmien vaikutuksia data-assimilaatiojärjestelmän tuottamien analyysien ja niistä tuotettujen sääennusteiden laatuun. OSE:n avulla selvitetään, kuinka hyvin saatavilla olevia havaintoja käytetään hyväksi, tai kannattaako jokin uusi havaintojärjestelmä ottaa mukaan operatiiviseen ennustusjärjestelmään. Tämän tutkielman aluksi tutustutaan lyhyesti numeerisiin säämalleihin, havaintojärjestelmiin ja dataassimilaatiojärjestelmiin, minkä jälkeen tehdään yleinen kirjallisuuskatsaus havaintojärjestelmäkokeiden suorittamisesta. Sen jälkeen keskitytään Doppler-säätutkan tuottamien tutkasäteen suuntaisten tuulen nopeushavaintojen hyödyntämiseen rajoitetun alueen HIRLAM-säämallissa, mitä on tutkittu viime vuosina Ilmatieteen laitoksessa (IL). Kaukohavaintojärjestelmien käyttö on lisääntynyt viime vuosien aikana kehittyneiden analyysimenetelmien ansiosta. Tavanomaisten in-situ- havaintojärjestelmien raju vähentäminen dataassimilaatiossa ei näytä kuitenkaan vielä olevan mahdollista. Kaukohavainnot ovat useiden OSE-kokeiden perusteella parantaneet analyysiä ja ennusteita erityisesti alueilla, joissa tavanomainen havaintoverkosto on harva. Tutkatuulihavaintojen on ajateltu tuovan parannuksia rajoitetun alueen säämalleihin, sillä niiden avulla saadaan tärkeää lisätietoa tuulen ageostrofisista ominaisuuksista. Sen johdosta pienen mittakaavan sääilmiöiden kuten meri- ja rinnetuulien ennustettavuuden toivotaan paranevan. IL:ssa on kehitetty tutkatuulihavaintojen käsittely- ja mallintamismenetelmiä, minkä jälkeen on suoritettu OSE Suomen tutkaverkoston tuulihavainnoilla aikavälille 1.-29.2.2008 HIRLAMin operatiiviselle 3D-VAR dataassimilaatiojärjestelmälle. Kyseisen OSE:n aineisto on saatu käyttöön tähän tutkielmaan. Kontrolliassimilaatiossa CON ovat mukana kaikki operatiiviset havaintojärjestelmät ja koeassimilaatioon RAD_ALL on syötetty myös tutkatuulihavainnot. Tässä tutkielmassa OSE:n tulokset todennetaan TEMP-tuulihavaintojen avulla tutkimalla ennakkokentän ja analyysin harhaa sekä satunnaisvirhettä. Tulosten perusteella tutkatuulihavainnot parantavat ennakkokenttää ja analyysiä erityisesti keskitroposfäärissä, mutta alatroposfäärissä vaikutus analyysiin on lähes neutraali. Koska tutkatuulihavainnot ulottuvat n. 4-6 km korkeuteen, ne eivät vaikuta ylätroposfäärin analyysiin. Tulokset eivät kuitenkaan ole tilastollisen testin perusteella tilastollisesti merkitseviä. Parhaimmillaan RAD_ALLassimilaation voidaan osoittaa olevan CON-assimilaatiota parempi 20% merkitsevyystasolla. Lopuksi suoritettu tapaustutkimus osoittaa, että tutkatuulihavaintojen vaikutus näkyy tuulen nopeuden analyysi-inkrementtikentässä sekä jossain määrin myös lyhyessä 12h pintapaine-ennusteessa Suomen alueella. Tapaustutkimuksen perusteella tutkatuulihavaintojen vaikutus analyysiin ja ennusteeseen näyttäisi olevan lähes neutraali. OSE:n toistaminen kesäkuukaudelle voisi olla hyödyllistä, koska talvella ei esiinny esimerkiksi merituulia. Tämän tutkielman tulosten perusteella tutkatuulihavaintojen käyttäminen HIRLAMin 3D-VAR assimilaatiojärjestelmässä on hyödyllistä. Avainsanat – Nyckelord – Keywords Havaintojärjestelmäkoe, data-assimilaatio, Doppler-tutkatuulihavainto Säilytyspaikka – Förvaringställe – Where deposited Kumpulan tiedekirjasto

Ionic Liquids and Microwaves in Promotion of Organic Synthesis : Friedel-Crafts reaction, deuterolabelling and O-Demethylation

The use of ionic liquids in chemical research has gained considerable interest and activity in recent years. Due to their unique and varied physicochemical properties, in comparison to molecular solvents, the potential applications for ionic liquids are enormous. The use of microwave irradiation, as a powerful dielectric heating technique, in synthetic organic chemistry has been known since 1986. Since then, it has gained significant recognition for its research and application in both academia and industry. The use of either ionic liquids or microwave irradiation in synthetic organic chemistry has been known to afford improved, alternative or complimentary selectivities, in comparison to traditional processes. In this study, the use of ionic liquids as solvents, co-solvents and catalytic media was explored in Friedel-Crafts, deuterolabelling and O-demethylation reactions. Alternative methods for the production of a variety of aromatic ketones using the Friedel-Crafts acylation methodology were investigated using ionic liquid catalyst or ionic liquid acidic additive systems. The disclosed methods, i.e. metal bistriflamides and chloroindate ionic liquids systems, possessed good catalytic activity in the synthesis of typical benzophenones. These catalytic systems were also recyclable. Microwave irradiation was found to be useful in the synthesis of various polyhydroxydeoxybenzoins and arylpropanones as synthetic precursors to naturally occurring or potentially bioactive compounds. Under optimized condition, the reaction occurred in only four minutes using systems such as [bmim][NTf2]/HNTf2 and [bmim][BF4]/BF3·OEt2. Naturally occurring polyphenols, such as isoflavones, can possess various types of biological or pharmacological activity. In particular, some are noted for their beneficial effects on human health. Isotopically labelled analogues of polyphenols are valuable as analytical standards in the quantification of these compounds from biological matrices. A new strategy for deuterolabelling of polyphenols was developed using ionic liquids as co-solvents and 35% DCl/D2O, as a cheap deuterium source, under microwave irradiation. Under these conditions, perdeuterated compounds were achieved in short reaction times, in high isotopic purity and in excellent yields. An O-demethylation reaction was developed, using an ionic liquid reaction medium with BBr3 for the deprotection of a variety methyl protected polyphenolic compounds, such as isoflavons and lignans. This deprotection procedure was found to be very practical as the reaction occurred under mild reaction conditions and in short reaction times. The isolation and purification steps were particularly straightforward and high yielding, in comparison to traditional methods.