Kosteikkosedimentin fosforivarat ja niiden käyttökelpoisuus kasveille

Maatalouden ympäristötukiohjelmalla pyritään vähentämään maatalouden ravinnekuormitusta, sillä valtaosa fosforin hajakuormituksesta on peräisin maataloudesta. Maataloudesta peräisin olevan fosforin rehevöittävää vaikutusta vesistöissä voidaan pyrkiä vähentämään kosteikoilla, joiden päätarkoituksena on saada valumaveden mukana erodoitunut maa-aines sedimentoitumaan kosteikon pohjalle. Kosteikkojen toimivuudesta ja vesiensuojelun merkityksestä on kuitenkin Suomessa tehdyissä tutkimuksissa saatu ristiriitaisia tuloksia. Tämän työn tavoitteena on selvittää maa-analyysien avulla, mitä valuma-alueelta erodoitunut fosforille tapahtuu kosteikon sedimentissä ja kuinka hyvin sedimentoitunut aines soveltuu kasvualustaksi kasvintuotannossa. Valuma-alueen maanäytteitä ja kosteikon sedimenttinäytteitä vertailemalla havaittiin kosteikossa tapahtuvan erodoituneen maa-aineksen lajittumista. Kosteikosta otetussa sedimenttinäytteessä oli 48 % enemmän savesta kuin valumapellon muokkauskerroksen maanäytteissä. Lisäksi havaittiin, että savespitoisuuden lisääntyminen lisäsi sedimentin reaktiivista pinta-alaa, koska sedimentissä oli 45 % enemmän alumiini- ja rautahydroksideja kuin valuma-alueelta otetuissa maanäytteissä. Hydroksidien runsauden takia fosforin sorptiokapasiteetti oli sedimentissä 52 % suurepi kuin valuma-alueelta otetuissa näytteissä. Sedimenttinäytteiden fosforin sorptiokyllästysaste oli kuitenkin samansuuruinen verrattuna valuma-alueelta otettuihin näytteisiin, sillä hapettuneessa sedimentissä oli 50 % enemmän alumiini- ja rautahydroksidien sitomaa fosforia. Näytteenottohetkellä sedimentti oli pelkistyneessä tilassa, jolloin sen vesiuuttoisen fosforin määrä oli huomattavasti suurempi kuin hapettuneessa sedimentissä. Vastaavasti sedimentin hapettuessa fosforin sorptiokyky kasvoi huomattavasti, sillä pelkistyneestä sedimentistä desorboitui fosforia kosteikon veteen. Tämä havaittiin myös astiakokeessa, sillä sedimentissä kasvanut raiheinä kärsi voimakkaasta fosforin puutoksesta niillä lannoitustasoilla, joilla valuma-alueen maanäytteessä kasvaneella raiheinällä ei silmämääräisesti havaittu esiintyvän puutosoireita. Sedimentin toiselle sadolle annetulla kolminkertaisella fosforin lisälannoituksella saavutettiin samansuuruiset sadon kuiva-ainemäärät, fosforipitoisuudet ja fosforin otot kuin valuma-alueen maanäytteissä kasvaneella ensimmäisellä sadolla oli. Astiakokeen tulosten perusteella pelkistyneessä tilassa ollut sedimentti soveltuu heikosti kasvintuotannon kasvualustaksi suuren fosforisorptiokykynsä ansiosta. Parhaiten sedimentti soveltuisi runsaasti helppoliukoista fosforia sisältäville alueille, kuten karjan jalottelutarhan pohjamateriaaliksi, vähentämään ympäristöön kohdistuvaa fosforikuormitusta.

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.

Environmentally benign Fe chelates in plant nutrition

The low solubility of iron (Fe) depresses plant growth in calcareous soils. In order to improve Fe availability, calcareous soils are treated with synthetic ligands, such as ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and ethylenediimi-nobis(2-hydroxyphenyl)acetic acid (EDDHA). However, high expenses may hinder their use (EDDHA), and the recalcitrance of EDTA against biodegra-dation may increase the potential of cadmium (Cd) and lead (Pb) leaching. This study evaluated the ability of biodegradable ligands, i.e. different stereo-isomers of ethylenediaminedisuccinic acid (EDDS), to provide Fe for lettuce (Lactuca sativa L.) and ryegrass (Lolium perenne cv. Prego), their effects on uptake of other elements and solubility in soils and their subsequent effects on the activity of oxygen-scavenging enzymes in lettuce. Both EDTA and EDDHA were used as reference ligands. In unlimed and limed quartz sand both FeEDDS(S,S) and a mixture of stereo-isomers of FeEDDS (25% [S,S]-EDDS, 25% [R,R]-EDDS and 50% [S,R]/[R,S]-EDDS), FeEDDS(mix), were as efficient as FeEDTA and FeEDDHA in providing lettuce with Fe. However, in calcareous soils only FeEDDS(mix) was comparable to FeEDDHA when Fe was applied twice a week to mimic drip irrigation. The Fe deficiency increased the manganese (Mn) concentration in lettuce in both acidic and alkaline growth media, whereas Fe chelates depressed it. The same was observed with zinc (Zn) and copper (Cu) in acidic growth media. EDDHA probably affected the hormonal status of lettuce as well and thus depressed the uptake of Zn and Mn even more. The nutrient concentrations of ryegrass were only slightly affected by the Fe availability. After Fe chelate splitting in calcareous soils, EDDS and EDTA increased the solubility of Zn and Cu most, but only the Zn concentration was increased in lettuce. The availability of Fe increased the activity of oxygen-scavenging enzymes (ascorbate peroxidase, guaiacol peroxidase, catalase). The activity of Cu/ZnSOD (Cu/Zn superoxide dismutase) and MnSOD in lettuce leaves followed the concentrations of Zn and Mn. In acidic quartz sand low avail-ability of Fe increased the cobalt (Co) and nickel (Ni) concentrations in let-tuce, but Fe chelates decreased them. EDTA increased the solubility of Cd and Pb in calcareous soils, but not their uptake. The biodegradation of EDDS was not affected by the complexed element, and [S,S]-EDDS was biodegraded within 28 days in calcareous soils. EDDS(mix) was more recalcitrant, and after 56 days of incubation water-soluble elements (Fe, Mn, Zn, Cu, Co, Ni, Cd and Pb) corresponded to 10% of the added EDDS(mix) concentration.

Physical properties of a boreal clay soil under differently managed perennial vegetation

The physical properties of surface soil horizons, essentially pore size, shape, continuity and affinity for water, regulate water entry into the soil. These properties are prone to changes caused by natural forces and human activity. The hydraulic properties of the surface soil greatly impact the generation of surface runoff and accompanied erosion, the major concern of agricultural water protection. The general target of this thesis was to improve our understanding of the structural and hydraulic properties of boreal clay soils. Physical properties of a clayey surface soil (0 - 10 cm, clay content 51%), with a micaceous/illitic mineralogy subjected to three different management practices of perennial vegetation, were studied. The study sites were vegetated buffer zones located side by side in SW Finland: 1) natural vegetation with no management, 2) harvested once a year, and 3) grazed by cattle. The soil structure, hydraulic properties, shrinkage properties and soil water repellency were determined at all sites. Two distinct flow domains were evident. The surface soil was characterized by subangular blocky, angular blocky and platy aggregates. Hence, large, partially accommodated, irregular elongated pores dominated the macropore domain at all sites. The intra-aggregate pore system was mostly comprised of pores smaller than 30 μm, which are responsible for water storage. Macropores at the grazed site, compacted by hoof pressure, were horizontally oriented and pore connectivity was poorest, which decreased water and air flux compared with other sites. Drying of the soil greatly altered its structure. The decrease in soil volume between wet and dry soil was 7 - 10%, most of which occurred in the moisture range of field conditions. Structural changes, including irreversible collapse of interaggregate pores, began at matric potentials around -6 kPa indicating, instability of soil structure against increasing hydraulic stress. Water saturation and several freezethaw cycles between autumn and spring likely weakened the soil structure. Soil water repellency was observed at all sites at the time of sampling and when soil was dryer than about 40 vol.%. (matric potential < -6 kPa). Therefore, water repellency contributes to water flow over a wide moisture range. Water repellency was also observed in soils with low organic carbon content (< 2%), which suggests that this phenomenon is common in agricultural soils of Finland due to their relatively high organic carbon content. Aggregate-related pedofeatures of dense infillings described as clay intrusions were found at all sites. The formation of these intrusions was attributed to clay dispersion and/or translocation during spring thaw and drying of the suspension in situ. These processes generate very new aggregates whose physical properties are most probably different from those of the bulk soil aggregates. Formation of the clay infillings suggested that prolonged wetness in autumn and spring impairs soil structure due to clay dispersion, while on the other hand it contributes to the pedogenesis of the soil. The results emphasize the dynamic nature of the physical properties of clay soils, essentially driven by their moisture state. In a dry soil, fast preferential flow is favoured by abundant macropores including shrinkage cracks and is further enhanced by water repellency. Increase in soil moisture reduces water repellency, and swelling of accommodated pores lowers the saturated hydraulic conductivity. Moisture- and temperature-related processes significantly alter soil structure over a time span of 1 yr. Thus, the pore characteristics as well as the hydraulic properties of soil are time-dependent.

Monikielisyys helsinkiläistyttöjen vuorovaikutuksen resurssina

Tutkimus tarkastelee monikielisyyttä teini-ikäisten helsinkiläistyttöjen vuorovaikutuksessa. Työ kuuluu vuorovaikutuksellisen sosiolingvistiikan alaan ja keskittyy kielen leksikaaliseen tasoon. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, millaisia monikielisiä resursseja monietnisessä nuorten tyttöjen ystäväpiirissä hyödynnetään ja millaisia funktioita niillä ryhmänsisäisessä vuorovaikutuksessa on. Tutkielman aineisto on kerätty etnografista tutkimusotetta ja osallistuvaa havainnointia hyödyntäen eräällä itähelsinkiläisellä nuorisotalolla ja koululla alkuvuodesta 2009. Aineisto koostuu vapaamuotoisissa tilanteissa tehdyistä nauhoituksista, haastatteluista ja kenttämuistiinpanoista. Tutkimuksen kohteena on kuuden yhdeksäsluokkalaisen tytön kiinteä ystäväpiiri, jonka jäsenistä neljällä on maahanmuuttajatausta, kaksi on etniseltä taustaltaan suomalaisia. Työn aluksi esittelen tutkimuksen kannalta keskeisiä tieteellisiä viitekehyksiä ja termejä. Työ asettuu sosiolingvistiikan ja keskustelunanalyysin risteyskohtaan sekä kaksi- ja monikielisyystutkimuksen läheisyyteen. Lyhyesti käsittelen myös Helsingin puhekielen tutkimusta sekä tyylin ja identiteetin kysymyksiä. Tutkimuksessa tarkastelen aineistossa esiintyvää monenlaista monikielisyyttä ryhmänsisäisessä vuorovaikutuksessa. Näistä keskeisimpinä käsittelen maahanmuuttajien äidinkielisiä sanoja ja ilmauksia, afroamerikkalaiseen nuorisokulttuuriin ja erityisesti hip hopiin viittaavaa englannin kielen käyttöä sekä muslimityttöjen jakamana uskonnon kielenä toimivaa arabian kieltä. Kysyn myös, tulisiko tutkittavia nimittää natiivi- vai toisen kielen puhujiksi, ja miksi. Valotan väitteitäni esimerkeillä tutkittavien erilaisista suomen kielen käyttötilanteista ja rekistereistä. Työ perehtyy myös siihen, miksi monikielisiä resursseja ylipäänsä käytetään. Keskeinen monikielisiä valintoja selittävä syy on sosiaalinen orientaatio. Erityisesti nuorisokulttuurit kuten hip hop tuntuvat vaikuttavan nuorten tekemiin kielellisiin valintoihin. Ne rakentavat ja tuovat ilmi puhujan identiteettiä samaan tapaan kuin se, kuinka pukeudutaan, millaista musiikkia kuunnellaan ja kuinka aikaa vietetään. Monikieliset ainekset toimivat myös tutkitun ryhmän sisäistä kiinteyttä rakentavana keinona: ystävän äidinkielisiä ilmauksia käytetään ryhmässä taajaan. Vieraalla kielellä kiroilu toimii paitsi me-koodina keskustelussa myös tarjoaa mahdollisuuden kiltin tytön roolin rajojen koetteluun. Tyypillisesti monikielisiä resursseja hyödynnetään aineistossa silloin, kun tutkittavat viettävät aikaansa isolla porukalla musiikkia kuunnellen, vitsaillen ja tanssien. Usein näissä tilanteissa on läsnä muitakin kuin ryhmään kuuluvia nuoria; erityisesti tyttöjen ja poikien välinen vuorovaikutus kutsuu puheeseen monikielisiä aineksia. Tällaisissa tilanteissa huumorilla on taipumus ketjuuntua liioittelujaksoiksi, joissa hyödynnetään ahkeraan myös muiden kuin suomen kielen varantoja. Tutkimus osoittaa, että kielen vaihtaminen yhden tai useamman vuoron mittaiseksi ajaksi liittyy usein keskustelun osallistumiskehikon rakentamiseen ja muokkaamiseen. Selkeimpänä esimerkkinä tästä on koodinvaihto kahden kielen välillä silloin, kun vain puhuja ja puhuteltavat puhuvat molempia kieliä. Tutkitut nuoret suhtautuvat uusien kielten oppimiseen ja niiden puhumiseen mutkattomasti ja hyväksyvästi. Jo muutaman sanan kokoisella kielitaidolla voidaan rakentaa yhteistä maaperää ja ilmaista solidaarisuutta muita kohtaan. Tutkimassani monietnisessä ja -kielisessä ystäväporukassa vallitseekin selkeä sosiaalinen orientaatio monikielisyyteen.

Impact of the Human Bacterial Environment on Mycobacteriosis and Allergy

My work describes two sectors of the human bacterial environment: 1. The sources of exposure to infectious non-tuberculous mycobacteria. 2. Bacteria in dust, reflecting the airborne bacterial exposure in environments protecting from or predisposing to allergic disorders. Non-tuberculous mycobacteria (NTM) transmit to humans and animals from the environment. Infection by NTM in Finland has increased during the past decade beyond that by Mycobacterium tuberculosis. Among the farm animals, porcine mycobacteriosis is the predominant NTM disease in Finland. Symptoms of mycobacteriosis are found in 0.34 % of slaughtered pigs. Soil and drinking water are suspected as sources for humans and bedding materials for pigs. To achieve quantitative data on the sources of human and porcine NTM exposure, methods for quantitation of environmental NTM are needed. We developed a quantitative real-time PCR method, utilizing primers targeted at the 16S rRNA gene of the genus of Mycobacterium. With this method, I found in Finnish sphagnum peat, sandy soils and mud high contents of mycobacterial DNA, 106 to 107 genome equivalents per gram. A similar result was obtained by a method based on the Mycobacterium-specific hybridization of 16S rRNA. Since rRNA is found mainly in live cells, this result shows that the DNA detected by qPCR mainly represented live mycobacteria. Next, I investigated the occurrence of environmental mycobacteria in the bedding materials obtained from 5 pig farms with high prevalence (>4 %) of mycobacteriosis. When I used for quantification the same qPCR methods as for the soils, I found that piggery samples contained non-mycobacterial DNA that was amplified in spite of several mismatches with the primers. I therefore improved the qPCR assay by designing Mycobacterium-specific detection probes. Using the probe qPCR assay, I found 105 to 107 genome equivalents of mycobacterial DNA in unused bedding materials and up to 1000 fold more in the bedding collected after use in the piggery. This result shows that there was a source of mycobacteria in the bedding materials purchased by the piggery and that mycobacteria increased in the bedding materials during use in the piggery. Allergic diseases have reached epidemic proportions in urbanized countries. At the same time, childhood in rural environment or simple living conditions appears to protect against allergic disorders. Exposure to immunoreactive microbial components in rural environments seems to prevent allergies. I searched for differences in the bacterial communities of two indoor dusts, an urban house dust shown to possess immunoreactivity of the TH2-type and a farm barn dust with TH1-activity. The immunoreactivities of the dusts were revealed by my collaborators, in vitro in human dendritic cells and in vivo in mouse. The dusts accumulated >10 years in the respiratory zone (>1.5 m above floor), thus reflecting the long-term content of airborne bacteria at the two sites. I investigated these dusts by cloning and sequencing of bacterial 16S rRNA genes from dust contained DNA. From the TH2-active urban house dust, I isolated 139 16S rRNA gene clones. The most prevalent genera among the clones were Corynebacterium (5 species, 34 clones), Streptococcus (8 species, 33 clones), Staphylococcus (5 species, 9 clones) and Finegoldia (1 species, 9 clones). Almost all of these species are known as colonizers of the human skin and oral cavity. Species of Corynebacterium and Streptococcus have been reported to contain anti-inflammatory lipoarabinomannans and immunmoreactive beta-glucans respectively. Streptococcus mitis, found in the urban house dust is known as an inducer of TH2 polarized immunity, characteristic of allergic disorders. I isolated 152 DNA clones from the TH1-active farm barn dust and found species quite different from those found from the urban house dust. Among others, I found DNA clones representing Bacillus licheniformis, Acinetobacter lwoffii and Lactobacillus each of which was recently reported to possess anti-allergy immunoreactivity. Moreover, the farm barn dust contained dramatically higher bacterial diversity than the urban house dust. Exposure to this dust thus stimulated the human dendritic cells by multiple microbial components. Such stimulation was reported to promote TH1 immunity. The biodiversity in dust may thus be connected to its immunoreactivity. Furthermore, the bacterial biomass in the farm barn dust consisted of live intact bacteria mainly. In the urban house dust only ~1 % of the biomass appeared as intact bacteria, as judged by microscoping. Fragmented microbes may possess bioactivity different from that of intact cells. This was recently shown for moulds. If this is also valid for bacteria, the different immunoreactivities of the two dusts may be explained by the intactness of dustborne bacteria. Based on these results, we offer three factors potentially contributing to the polarized immunoreactivities of the two dusts: (i) the species-composition, (ii) the biodiversity and (iii) the intactness of the dustborne bacterial biomass. The risk of childhood atopic diseases is 4-fold lower in the Russian compared with the Finnish Karelia. This difference across the country border is not explainable by different geo-climatic factors or genetic susceptibilities of the two populations. Instead, the explanation must be lifestyle-related. It has already been reported that the microbiological quality of drinking water differs on the two sides of the borders. In collaboration with allergists, I investigated dusts collected from homes in the Russian Karelia and in the Finnish Karelia. I found that bacterial 16S rRNA genes cloned from the Russian Karelian dusts (10 homes, 234 clones) predominantly represented Gram-positive taxa (the phyla Actinobacteria and Firmicutes, 67%). The Russian Karelian dusts contained nine-fold more of muramic acid (60 to 70 ng mg-1) than the Finnish Karelian dusts (3 to 11 ng mg-1). Among the DNA clones isolated from the Finnish side (n=231), Gram-negative taxa (40%) outnumbered the Gram-positives (34%). Out of the 465 DNA clones isolated from the Karelian dusts, 242 were assigned to cultured validly described bacterial species. In Russian Karelia, animal-associated species e.g. Staphylococcus and Macrococcus were numerous (27 clones, 14 unique species). This finding may connect to the difference in the prevalence of allergy, as childhood contacts with pets and farm animals have been connected with low allergy risk. Plant-associated bacteria and plant-borne 16S rRNA genes (chloroplast) were frequent among the DNA clones isolated from the Finnish Karelia, indicating components originating from plants. In conclusion, my work revealed three major differences between the bacterial communtites in the Russian and in the Finnish Karelian homes: (i) the high prevalence of Gram-positive bacteria on the Russian side and of Gram-negative bacteria on the Finnish side and (ii) the rich presence of animal-associated bacteria on the Russian side whereas (iii) plant-associated bacteria prevailed on the Finnish side. One or several of these factors may connect to the differences in the prevalence of allergy.

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.

Spatial variation of climate and the impact of disturbances on local climate and forest recovery in northern Finland

The structure and function of northern ecosystems are strongly influenced by climate change and variability and by human-induced disturbances. The projected global change is likely to have a pronounced effect on the distribution and productivity of different species, generating large changes in the equilibrium at the tree-line. In turn, movement of the tree-line and the redistribution of species produce feedback to both the local and the regional climate. This research was initiated with the objective of examining the influence of natural conditions on the small-scale spatial variation of climate in Finnish Lapland, and to study the interaction and feedback mechanisms in the climate-disturbances-vegetation system near the climatological border of boreal forest. The high (1 km) resolution spatial variation of climate parameters over northern Finland was determined by applying the Kriging interpolation method that takes into account the effect of external forcing variables, i.e., geographical coordinates, elevation, sea and lake coverage. Of all the natural factors shaping the climate, the geographical position, local topography and altitude proved to be the determining ones. Spatial analyses of temperature- and precipitation-derived parameters based on a 30-year dataset (1971-2000) provide a detailed description of the local climate. Maps of the mean, maximum and minimum temperatures, the frost-free period and the growing season indicate that the most favourable thermal conditions exist in the south-western part of Lapland, around large water bodies and in the Kemijoki basin, while the coldest regions are in highland and fell Lapland. The distribution of precipitation is predominantly longitudinally dependent but with the definite influence of local features. The impact of human-induced disturbances, i.e., forest fires, on local climate and its implication for forest recovery near the northern timberline was evaluated in the Tuntsa area of eastern Lapland, damaged by a widespread forest fire in 1960 and suffering repeatedly-failed vegetation recovery since that. Direct measurements of the local climate and simulated heat and water fluxes indicated the development of a more severe climate and physical conditions on the fire-disturbed site. Removal of the original, predominantly Norway spruce and downy birch vegetation and its substitution by tundra vegetation has generated increased wind velocity and reduced snow accumulation, associated with a large variation in soil temperature and moisture and deep soil frost. The changed structural parameters of the canopy have determined changes in energy fluxes by reducing the latter over the tundra vegetation. The altered surface and soil conditions, as well as the evolved severe local climate, have negatively affected seedling growth and survival, leading to more unfavourable conditions for the reproduction of boreal vegetation and thereby causing deviations in the regional position of the timberline. However it should be noted that other factors, such as an inadequate seed source or seedbed, the poor quality of the soil and the intensive logging of damaged trees could also exacerbate the poor tree regeneration. In spite of the failed forest recovery at Tunsta, the position and composition of the timberline and tree-line in Finnish Lapland may also benefit from present and future changes in climate. The already-observed and the projected increase in temperature, the prolonged growing season, as well as changes in the precipitation regime foster tree growth and new regeneration, resulting in an advance of the timberline and tree-line northward and upward. This shift in the distribution of vegetation might be decelerated or even halted by local topoclimatic conditions and by the expected increase in the frequency of disturbances.

Environmental factors affecting the occurrence of periglacial landforms in Finnish Lapland: a numerical approach

Determination of the environmental factors controlling earth surface processes and landform patterns is one of the central themes in physical geography. However, the identification of the main drivers of the geomorphological phenomena is often challenging. Novel spatial analysis and modelling methods could provide new insights into the process-environment relationships. The objective of this research was to map and quantitatively analyse the occurrence of cryogenic phenomena in subarctic Finland. More precisely, utilising a grid-based approach the distribution and abundance of periglacial landforms were modelled to identify important landscape scale environmental factors. The study was performed using a comprehensive empirical data set of periglacial landforms from an area of 600 km2 at a 25-ha resolution. The utilised statistical methods were generalized linear modelling (GLM) and hierarchical partitioning (HP). GLMs were used to produce distribution and abundance models and HP to reveal independently the most likely causal variables. The GLM models were assessed utilising statistical evaluation measures, prediction maps, field observations and the results of HP analyses. A total of 40 different landform types and subtypes were identified. Topographical, soil property and vegetation variables were the primary correlates for the occurrence and cover of active periglacial landforms on the landscape scale. In the model evaluation, most of the GLMs were shown to be robust although the explanation power, prediction ability as well as the selected explanatory variables varied between the models. The great potential of the combination of a spatial grid system, terrain data and novel statistical techniques to map the occurrence of periglacial landforms was demonstrated in this study. GLM proved to be a useful modelling framework for testing the shapes of the response functions and significances of the environmental variables and the HP method helped to make better deductions of the important factors of earth surface processes. Hence, the numerical approach presented in this study can be a useful addition to the current range of techniques available to researchers to map and monitor different geographical phenomena.

The effect of lignin content and lignin modification on Norway spruce wood properties and decay resistance

Three different Norway spruce cutting clones growing in three environments with different soil and climatic conditions were studied. The purpose was to follow variation in the radial growth rate, wood properties and lignin content and to modify wood lignin with a natural monolignol, coniferyl alcohol, by making use of inherent wood peroxidases. In addition, the incorporation of chlorinated anilines into lignin was studied with synthetic model compounds and synthetic lignin preparations to show whether unnatural compounds originating from pesticides could be bound in the lignin polymer. The lignin content of heartwood, sapwood and earlywood was determined by applying Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and a principal component regression (PCR) technique. Wood blocks were treated with coniferyl alcohol by using a vacuum impregnation method. The effect of impregnation was assessed by FTIR and by a fungal decay test. Trees from a fertile site showed the highest growth rate and sapwood lignin content and the lowest latewood proportion, weight density and modulus of rupture (MOR). Trees from a medium fertile site had the lowest growth rate and the highest latewood proportion, weight density, modulus of elasticity (MOE) and MOR. The most rapidly growing clone showed the lowest latewood proportion, weight density, MOE and MOR. The slowest growing clone had the lowest sapwood lignin content and the highest latewood proportion, weight density, MOE and MOR. Differences between the sites and clones were small, while fairly large variation was found between the individual trees and growing seasons. The cutting clones maintained clone-dependent wood properties in the different growing sites although variation between trees was high and climatic factors affected growth. The coniferyl alcohol impregnation increased the content of different lignin-type phenolic compounds in the wood as well as wood decay resistance against a white-rot fungus, Coriolus versicolor. During the synthetic lignin preparation 3,4-dichloroaniline became bound by a benzylamine bond to β-O-4 structures in the polymer and it could not be released by mild acid hydrolysis. The natural monolignol, coniferyl alcohol, and chlorinated anilines could be incorporated into the lignin polymer in vivo and in vitro, respectively.

Climate change and agriculture: theory and application of mitigation policies

Agriculture’s contribution to climate change is controversial as it is a significant source of greenhouse gases but also a sink of carbon. Hence its economic and technological potential to mitigate climate change have been argued to be noteworthy. However, social profitability of emission mitigation is a result from factors among emission reductions such as surface water quality impact or profit from production. Consequently, to value comprehensive results of agricultural climate emission mitigation practices, these co-effects to environment and economics should be taken into account. The objective of this thesis was to develop an integrated economic and ecological model to analyse the social welfare of crop cultivation in Finland on distinctive cultivation technologies, conventional tillage and conservation tillage (no-till). Further, we ask whether it would be privately or socially profitable to allocate some of barley cultivation for alternative land use, such as green set-aside or afforestation, when production costs, GHG’s and water quality impacts are taken into account. In the theoretical framework we depict the optimal input use and land allocation choices in terms of environmental impacts and profit from production and derive the optimal tax and payment policies for climate and water quality friendly land allocation. The empirical application of the model uses Finnish data about production cost and profit structure and environmental impacts. According to our results, given emission mitigation practices are not self-evidently beneficial for farmers or society. On the contrary, in some cases alternative land allocation could even reduce social welfare, profiting conventional crop cultivation. This is the case regarding mineral soils such as clay and silt soils. On organic agricultural soils, climate mitigation practices, in this case afforestation and green fallow give more promising results, decreasing climate emissions and nutrient runoff to water systems. No-till technology does not seem to profit climate mitigation although it does decrease other environmental impacts. Nevertheless, the data behind climate emission mitigation practices impact to production and climate is limited and partly contradictory. More specific experiment studies on interaction of emission mitigation practices and environment would be needed. Further study would be important. Particularly area specific production and environmental factors and also food security and safety and socio-economic impacts should be taken into account.

Hauen elohopeapitoisuudet Keski-Suomessa

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää Keski-Suomen haukien (Esox lucius) elohopeapitoisuuksia. Tutkimusta varten koottiin aiempien keskisuomalaisten elohopeaselvitysten tuloksia sekä tutkittiin 31 keskisuomalainen vesialueen haukien elohopeapitoisuuksia vuosina 2006–2007. Mukaan valittiin maaperältään ja vedenlaadultaan erilaisia vesialueita sekä myös aiemmissa tutkimuksissa mukana olleita vesialueita. Tutkimusaineisto sisältää kaikkiaan 257 haukea eli keskimäärin kahdeksan kalaa per vesialue. Tulosten tarkastelussa hyödynnettiin tutkimusalueen vedenlaatu-, maaperä- ja maankäyttötietoja. Koko aineistosta laskettu vakiopainoisen hauen (1 kg) keskimääräinen elohopeapitoisuus oli 0,46mg/kg. Tämän mukaan elohopeapitoisuudet eivät ole muuttuneet Keski-Suomessa 1990-luvun tilanteesta. Silloin vastaava pitoisuus oli 0,45 mg/kg (350 näytekalaa; 36 vesialuetta). Haukien elohopeapitoisuuksissa havaittiin huomattavaa vaihtelua niin eri vesialueiden välillä kuin myös saman vesialueen sisältä pyydettyjen haukien pitoisuuksissa. Korkeimmat elohopeapitoisuudet mitattiin tummavetisistä ja runsashumuksisista järvistä. Alhaisimmat pitoisuudet puolestaan havaittiin kirkasvetisimmistä järvistä. Joukossa oli myös järviä, joiden pitoisuudet poikkesivat em. säännönmukaisuudesta. Yhdessäkään järvessä ei hauen keskimääräinen elohopeapitoisuus ylittänyt syötäväksi kelpaavalle hauelle asetettua enimmäispitoisuusrajaa (1,0 mg/kg). Joistakin tutkimusjärvistä saatiin kuitenkin muutamia yksilöitä, joiden absoluuttiset pitoisuudet ylittivät syömiselle asetetun pitoisuusrajan.

Suomenlinnan Kustaanmiekan ketokasvillisuus ja siihen vaikuttavat tekijät

Suomenlinna on yksi Helsingin suosituimmista matkailu- ja kulttuurinähtävyyksistä. Kustaanmiekan, samoin kuin koko Suomenlinnan luonto on muodostunut perinteisestä suomalaisesta saaristoluonnosta ja vuosisatojen saatossa paikalle tulleista linnoituksien kasvistosta. Saaren vaihtelevien elinympäristöjen johdosta alueen kasvillisuus on hyvin rikasta. Linnoituksien monet kasvilajit ovat tulleet tulokaskasveina eri puolilta Eurooppaa sekä Venäjältä. Suurin osa Suomenlinnan alueesta on kallioketoa ja tämän lisäksi myös valliketoa, joista molemmat kuuluvat suojeltaviin alueisiin. Kustaanmiekan niityillä kasvaa keto- ja paahdelajeja, kuten harvinaista ketonoidanlukkoa (Botrychium lunaria L.) sekä ketoneilikkaa (Dianthus deltoides L.). Tämän tutkimuksen ensisijaisena tarkoituksena oli kartoittaa Kustaanmiekan alueen kesäkauden 2009 ketokasvilajisto ja eri putkilokasvilajien runsaus. Tutkimuksessa selvitettiin myös maaperätekijöiden ja alueen hoitohistorian mahdollista vaikutusta ketokasvilajistoon. Tutkimuksessa kartoitettiin kymmenen eri kedon kasvillisuus Suomenlinnan Kustaanmiekan linnoitusalueella. Kedot sijaitsivat eri puolilla Kustaanmiekkaa, sellaisilla paikoilla, missä ketokasvillisuus oli runsainta. Maastotyöt suoritettiin kesä- ja heinäkuussa laskemalla jokaisen kedon ruutujen putkilokasvien peittävyydet sekä listaamalla ylös myös ruutujen ulkopuoliset kevät- ja loppukesän kukkijat touko- ja elokuussa. Maaperän ominaisuuksien määrittämiseksi otettiin kultakin kedolta pintamaanäytteet elokuussa. Muita tutkittuja muuttujia olivat maapinnan kaltevuus sekä sammalen, karikkeen, paljaan maan, kenttäkasvillisuuden pohjakerros ja kallion osuus tutkimusruuduilla. Ketojen kasvillisuuden keskimääräinen korkeus mitattiin kesä- ja heinäkuussa. Kasvistossa oli selviä eroavaisuuksia ketojen välillä. Kasvilajien määrä vaihteli ketojen kokonaislajimäärän ollessa 40-60 kasvilajia. Yhteensä kedoilta löytyi 120 eri putkilokasvilajia, joista useimmat kukkivat sekä kesä- että heinäkuussa. Ketojen kasvilajimäärä vaihteli yhdellä neliömetrillä 6,3-13,6 kasvilajiin, minkä lisäksi Shannon-Wienerin diversiteetti-indeksi vaihteli 1,4-2,3 arvon välillä. Yleisimpiä lajeja, joita kedoilla tavattiin, olivat muun muassa siankärsämö (Achillea millefolium L.), koiranheinä (Dactylis glomerata L.), juolavehnä (Elymus repens L.) ja hopeahanhikki (Potentilla argentea L.). Alueella kasvoi myös muutamia sotatulokaslajeja kuten harmiota (Berteroa incana L.), ukonpalkoa (Bunias orientalis L.) ja karvahorsmaa (Epilobium hirsutum L.). Maaperätekijöillä, kuten suurella fosforin pitoisuudella ei ollut vaikutusta kasvilajien määrään kedoilla. Vain maan pH ja johtoluku korreloivat positiivisesti ketojen kasvillisuuden korkeuden kanssa. Vaikka tulosten perusteella ketojen hoidolla ei ollut vaikutusta ketojen kasvillisuuden määrään, voidaan kuitenkin olettaa oikeanlaisen hoidon parantavan tyypillisten ketokasvien kilpailukykyä muita niittykasveja kohtaan.

Orgaanisen aineen huuhtoutuminen ja siihen vaikuttavat tekijät

English summary: The washing out of organic matter and factors affecting it.

Ilman epäpuhtauksien vaikutuksesta maaperään ja pohjaveteen Tampereen ja Kuusankosken ympäristössä

Engl. summary: On the influence of air pollution on soil and groundwater in the Tampere and Kuusankoski regions