Naudan lietelannan käsittelymenetelmien taloudellinen vertailu

Maataloudessa syntyvä lanta on arvokas lannoite ja maanparannusaine, jonka käsittelystä aiheutuu sekä kustannuksia että ympäristövaikutuksia. Muita haasteita ovat esimerkiksi lannan mikrobit, lannan levitykseen soveltuvan ajankohdan lyhyys, lannan ravinteiden sovittaminen kasvien tarpeisiin ja lannan ravinteiden määrä suhteessa levityskelpoisen peltoalan määrään. Tutkimuksen tavoitteena oli tunnistaa naudan lietelannan käsittelyketjuihin liittyvät kustannukset ja osoittaa eri käsittelyketjujen kustannusten eroavaisuudet. Tavoitteena oli myös tunnistaa ja osoittaa käsittelyketjujen laadulliset erot. Kustannukset selvitettiin kustannuslaskelmin ja laadulliset erot SWOT-menetelmällä. Tutkimuksen kohteeksi valittiin 6 tilakokoluokkaa ja käsittelyketjuiksi lietelanta-, kompostointi- ja mädätysketju. Tutkimuksessa alhaisimmat kustannukset olivat lietelantaketjulla, jonka kustannukset 25 – 250 naudan tilalla olivat 5 200 – 6 600 €/a ja yksikkökustannukset 1 – 9 €/m3. Mädätysketjun kustannukset vastaavissa tilakokoluokissa olivat noin 33 000 – 50 000 €/a ja yksikkökustannukset 8 – 55 €/m3. Kompostointiketjun kustannukset olivat 35 000 – 143 000 €/a ja yksikkökustannukset 24 – 58 €/m3. Lietelantaketjun edullisuus johtui vähäisistä laite- ja rakennusinvestoinneista ja pienistä työmääristä ja kompostointiketjun kalleus suurista tukiaine- ja investointikustannuksista. Käsittelyketjujen asettaminen paremmuusjärjestykseen oli hankalaa. Työn määrä oli pienin lietelantaketjussa ja toiseksi pienin suurilla tiloilla mädätysketjussa. Kompostointiketjulla itse levitykseen kuluva aika oli pienin. Ravinteiden osalta mädätysketju oli parhain ja kompostointiketju huonoin. Ympäristövaikutuksiltaan ja hajuhaitoiltaan kompostointi- ja mädätysketju olivat parhaimmat. Mikrobien osalta parhain oli kompostointiketju.

Maidon ja heran mikrosuodatus

Työssä selvitettiin uudenaikaisten polymeerikalvojen soveltuvuutta maidon sekä heran mikrosuodatukseen. Kirjallisessa osassa perehdyttiin maidon ja heran koostumuksiin, mikrobikantoihin sekä erilaisiin maidon sekä heran rasvanpoisto- ja puhdistusmenetelmiin. Tämän lisäksi käsiteltiin mikrosuodatusmenetelmiä sekä niiden käyttöä heran ja maidon käsittelyssä meijeriteollisuudessa. Kokeellisessa osassa verrattiin kahdella eri suodatuslaitteistolla keraami- ja polymeerikalvojen suodatusominaisuuksia separoidun raakamaidon sekä heran poikkivirtausmikrosuodatuksessa. Tavoitteena oli erottaa suodatettavista liuoksista mikrobit sekä jäännösrasva ja tuottaa puhdasta, proteiinipitoista maitoa / heraa. Koeajoissa otetuista näytteistä analysoitiin ainesosakoostumus sekä mikrobipitoisuudet. Tuloksista määritettiin retentioarvot ja näiden perusteella vertailtiin polymeeri- ja keraamikalvojen erotustehokkuutta. Lisäksi kalvojen toimivuutta arvioitiin vuoarvojen avulla. Raakamaidon suodatuksissa polymeerikalvot pidättivät täydellisesti tai lähes täydellisesti jäännösrasvan ja mikrobit, mutta myös kaseiiniproteiinin. Tästä syystä yksikään polymeerikalvoista ei sovellu puhtaan maidon suodatukseen. Keraamikalvot soveltuvat tähän selkeästi paremmin ja yksikään toinen testatuista kalvoista ei päässyt samalle tasolle meijeriteollisuudessa jo käytössä olevan Membralox 1,4 μm -keraamikalvon kanssa. Heran suodatuksissa polymeerikalvot pidättivät täydellisesti tai lähes täydellisesti rasvan ja mikrobit, mutta keraamikalvo päästi huomattavasti enemmän haluttuja proteiineja permeaattiin. Membralox 0,8 μm -keraamikalvo pidätti täydellisesti mikrobit, mutta päästi jonkin verran jäännösrasvaa permeaattiin. Näin ollen kalvovalinta on kompromissi permeaatin puhtauden ja proteiinin saannon välillä. Keraamikalvojen vuohäviöt olivat merkittävästi pienemmät kuin polymeerikalvoilla molempien syöttöliuosten kanssa. Lisäksi keraamikalvojen puhdistus oli huomattavasti nopeampaa ja helpompaa. Tästä syystä keraamiset kalvot soveltuvat polymeerisiä paremmin maidon ja heran mikrosuodatukseen.

Gene Regulation in The Human Immune System. Gene Expression Signatures of Th2 Cell Differentiation, Type 1 Diabetes, and Intrauterine Immune Adaptation

The human immune system is constantly interacting with the surrounding stimuli and microorganisms. However, when directed against self or harmless antigens, these vital defense mechanisms can cause great damage. In addition, the understanding the underlying mechanism of several human diseases caused by aberrant immune cell functions, for instance type 1 diabetes and allergies, remains far from being complete. In this Ph.D. study these questions were addressed using genome-wide transcriptomic analyses. Asthma and allergies are characterized by a hyperactive response of the T helper 2 (Th2) immune cells. In this study, the target genes of the STAT6 transcription factor in naïve human T cells were identified with RNAi for the first time. STAT6 was shown to act as a central activator of the genes expression upon IL-4 signaling, with both direct and indirect effects on Th2 cell transcriptome. The core transcription factor network induced by IL-4 was identified from a kinetic analysis of the transcriptome. Type 1 diabetes is an autoimmune disease influenced by both the genetic susceptibility of an individual and the disease-triggering environmental factors. To improve understanding of the autoimmune processes driving pathogenesis in the prediabetic phase in humans, a unique series of prospective whole-blood RNA samples collected from HLA-susceptible children in the Finnish Type 1 Diabetes Prediction and Prevention (DIPP) study was studied. Changes in different timewindows of the pathogenesis process were identified, and especially the type 1 interferon response was activated early and throughout the preclinical T1D. The hygiene hypothesis states that allergic diseases, and lately also autoimmune diseases, could be prevented by infections and other microbial contacts acquired in early childhood, or even prenatally. To study the effects of the standard of hygiene on the development of neonatal immune system, cord blood samples from children born in Finland (high standard of living), Estonia (rapid economic growth) and Russian Karelia (low standard of living) were compared. Children born in Russian Karelia deviated from Finnish and Estonian children in many aspects of the neonatal immune system, which was developmentally more mature in Karelia, resembling that of older infants. The results of this thesis offer significant new information on the regulatory networks associated with immune-mediated diseases in human. The results will facilitate understanding and further research on the role of the identified target genes and mechanisms driving the allergic inflammation and type 1 diabetes, hopefully leading to a new era of drug development.

Syljen sytokiinimäärän ja lihavuuden välinen yhteys

Lihavuus on maailmanlaajuisesti lisääntyvä ongelma, johon kuolee vuosittain noin 3,4 miljoonaa aikuista. Energian varastoinnin lisäksi valkoisen rasvakudoksen on havaittu tuottavan monia erilaisia biologisesti aktiivisia molekyylejä. Tällaisia molekyylejä ovat esimerkiksi proinflammatoriset sytokiinit interleukiini (IL)-1beta, IL-6 ja tuumorinekroositekijä (TNF)-alpha joiden pitoisuudet ovat korkeammat lihavien ihmisten seerumissa. Lihavien ihmisten elimistössä vallitsee matala-asteinen krooninen tulehdus, joka havaitaan kohonneena CRP-pitoisuutena. Parodontaalisairaudet ovat joukko infektioperäisiä sairauksia, jotka vahingoittavat hampaan kiinnityskudoksia. Vaikka parodontiitin etiologisena tekijänä ovatkin bakteerit, proinflammatorisilla sytokiineilla, kuten IL-1beta:lla, IL-6:lla ja TNF-alpha:lla, on rooli hampaan kiinnityskudosten tuhoutumisessa. Lihavuuden on ajateltu olevan yhteydessä parodontiitin syntyyn seerumin lisääntyneen sytokiinipitoisuuden ja matala-asteisen tulehduksen vuoksi. Lihavuuden ja parodontiitin välille on ehdotettu monia yhdistäviä tekijöitä, kuten oksidatiivinen stressi, suun mikrobit ja insuliiniresistenssi. Tutkielman teoriaosiossa käsiteltiin parodontiittia ja lihavuutta sekä mekanismeja, joilla lihavuus voisi edistää parodontiitin syntyä. Kokeellisessa osiossa tutkittiin DILGOM-tutkimuksesta peräisin olevien sylkinäytteiden proinflammatoristen sytokiinien IL-1beta:n, IL-6:n, IL-8:n ja TNF-alpha:n ja anti-inflammatoristen sytokiinien IL-1ra:n ja IL-10:n määrän välistä yhteyttä painoindeksiin (BMI). Tutkimusmenetelmänä käytettiin virtaussytometriaan perustuvaa Luminex® xMAPTM -teknologiaa. Tutkimustulosten perusteella IL-beta- ja IL-8-pitoisuudet ovat korkeammat lihavien henkilöiden sylkinäytteissä verrattuna normaalipainoisiin. IL-10-pitoisuudet taas ovat korkeammat normaalipainoisten henkilöiden sylkinäytteissä. IL-1beta-, IL-8- ja IL-10-pitoisuudet korreloivat BMI:n nousuun. Loppupäätelmä on, että korkea BMI aktivoi suun tulehdustilaa ja tupakointi lisää riskiä tulehdukselle.

Panossyöttökasvatusprosessin automatisointi

Tutkimuskäyttöön tarkoitettujen rekombinanttiproteiinien tuottaminen fermentoimalla on yleinen menetelmä bioteollisuudessa. Mikrobit kasvatetaan fermentorissa, joka tarjoaa kontrolloidun kasvuympäristön ja sopivat tuotto-olosuhteet halutulle tuotteelle. Eräs fermentointimuodoista on korkeatuottoinen ja pitkäkestoinen panossyöttökasvatus, jossa saavutetaan panoskavatusta merkittävästi korkeampi solutiheys jatkamalla panosvaiheen jälkeen kasvua rajoittavan substraatin syöttöä. Laboratoriomittakaavassa fermentorikasvatusten tilavuudet vaihtelevat litrasta kymmeniin ja niissä kasvatusta seurataan sekä ohjataan joko fermentorista tai tietokoneesta. Tyypillisessä fermentointiprosessissa operaattori tarkkailee muun muassa vaahdonkorkeutta sekä käynnistää pumppuja olosuhteiden muuttuessa. Tällaiset tehtävät ovat teollisen mittakaavan laitteistoissa usein automatisoituja. Diplomityön tarkoituksena oli päivittää kahden Turun yliopiston biotekniikan laboratoriossa sijaitsevan BioFlo® -sarjan pöytäfermentorin MS-DOS -pohjainen tietokoneohjausohjelma nykyaikaiseksi ja lisätä siihen etäseuranta ja -ohjaus. Ohjelmaan oli tarkoitus liittää erillinen optinen solutiheysanturi, jonka lukemien häiriötä haluttiin myös vähentää signaalinkäsittelyllä. Lisäksi vaahdonestoaineen ja indusorin lisäykset haluttiin automatisoida panossyöttökasvatuksessa. Vaahdonkorkeuden havaitsemisen mahdollisuutta konenäön menetelmin haluttiin selvittää, jotta vaahdonestoaineen automaattiset lisäykset voitaisiin toteuttaa nettikameran syötteen perusteella. Koekasvatuksilla osoitettiin päivitetyn ohjausohjelman toimivan panos- ja panossyöttömuodoilla. Uuden käyttöliittymän avulla pystyttiin automatisoimaan panoskasvatuksen lisäykset ja syöttönopeuden muutokset sekä tunnistamaan kasvatusliuosten vaahdonkorkeutta vaahdonestoaineen lisäykseen riittävällä kahden senttimetrin tarkkuudella. Lisäksi käyttöliittymä mahdollisti kasvatuksen ohjauksen ja seurauksen myös etänä. Työssä kehitetty ohjausohjelma julkaistiin avoimena ohjelmana ilman etä- ja nettikameratoimintoja. Ohjelma toimii hyvin BioFlo® -sarjan fermentorien käyttöliittymänä, mutta avoimen lähdekoodin ansiosta kuka tahansa voi hyödyntää ohjelmaa pohjana myös uusissa projekteissa tai muissa fermentorimalleissa.

Diet, microbes and gut immune responses in the pathogenesis of experimental type 1 diabetes

Type 1diabetes (T1D) is an autoimmune disease, which is influenced by a variety of environmental factors including diet and microbes. These factors affect the homeostasis and the immune system of the gut. This thesis explored the altered regulation of the immune system and the development of diabetes in non-obese diabetic (NOD) mice. Inflammation in the entire intestine of diabetes-prone NOD mice was studied using a novel ex-vivo imaging system of reactive oxygen and nitrogen species (RONS), in relation to two feeding regimens. In parallel, gut barrier integrity and intestinal T-cell activation were assessed. Extra-intestinal manifestations of inflammation and decreased barrier integrity were sought for by studying peritoneal leukocytes. In addition, the role of pectin and xylan as dietary factors involved in diabetes development in NOD mice was explored. NOD mice showed expression of RONS especially in the distal small intestine, which coincided with T-cell activation and increased permeability to macromolecules. The introduction of a casein hydrolysate (hydrolysed milk protein) diet reduced these phenomena, altered the gut microbiota and reduced the incidence of T1D. Extra-intestinally, macrophages appeared in large numbers in the peritoneum of NOD mice after weaning. Peritoneal macrophages (PM) expressed high levels of interleukin-1 receptor associated kinase M (IRAK-M), which was indicative of exposure to ligands of toll-like receptor 4 (TLR-4) such as bacterial lipopolysaccharide (LPS). Intraperitoneal LPS injections activated T cells in the pancreatic lymph nodes (PaLN) and thus, therefore potentially could activate islet-specific T cells. Addition of pectin and xylan to an otherwise diabetes-retarding semisynthetic diet affected microbial colonization of newly-weaned NOD mice, disturbed gut homeostasis and promoted diabetes development. These results help us to understand how diet and microbiota impact the regulation of the gut immune system in a way that might promote T1D in NOD mice.