Diss. : / Nimeke PDF-nimiösivulta. Artikkeliväitöskirjan yhteenveto-osa. Myös painettuna ISBN 978-952-10-5182-1.

Abstract Acute rhinosinusitis (ARS) is a common condition often treated with antibiotics, even though the cause is usually viral. Despite the commonness of ARS, there is limited evidence on the development and diagnosis of bacterial cases. So far, we lack prospective studies where the bacterial cause would have been confirmed with a bacterial culture of the paranasal sinus aspirate. The purpose of the study was to investigate the course of ARS with a prospective inception cohort study among young adults with ARS, using sequential and standardized methods. To differentiate viral and bacterial ARS, maxillary sinus aspiration and a bacterial culture were used as a reference standard for bacterial ARS. Fifty conscripts with ARS were recruited between February and April 2012. Eight patients (16%) had a positive culture from the maxillary sinus aspirate at 9–10 days and thus, had bacterial ARS. Viral and bacterial coinfection resulted in extensive paranasal mucosal abnormalities and increased symptoms during the episode. The paranasal mucosal abnormalities developed rapidly and remained relatively constant during the episode in both bacterial and non-bacterial ARS. A change in inflammatory biomarker levels indicated both local and systemic inflammatory responses, which were strongest at the onset of symptoms. Symptoms or their changes were of little use in diagnosing bacterial ARS, but secretion seen in the nasal cavity, posterior pharynx or middle meatus predicted bacterial ARS quite well. These results suggest that bacterial infection may modify symptoms and paranasal abnormalities already at the beginning of an ARS episode, although the spread of paranasal abnormalities may not be an etiological factor in the development of bacterial ARS. ARS involves local and systemic inflammatory responses, which are strongest at the beginning of the episode. Examination of the nose and throat is recommended for diagnosing bacterial ARS. / Tiivistelmä Nenän äkillinen sivuontelotulehdus on tavallinen tauti, jonka hoitoon käytetään paljon antibiootteja, vaikka sen aiheuttaja on useimmiten virus. Bakteerin aiheuttaman tautimuodon kehittymisestä ja diagnostiikasta ei ole julkaistu tutkimuksia, joissa potilaita olisi seurattu taudin alusta lähtien ja bakteerin olemassaolo olisi varmistettu nenän sivuontelosta otetulla bakteerinäytteellä. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli selvittää nenän äkillisen sivuontelotulehduksen kulkua käyttämällä toistuvia, standardisoituja menetelmiä. Bakteerin aiheuttama tauti todettiin poskiontelopistolla ja bakteeriviljelyllä. Tutkimukseen osallistui viisikymmentä (50) äkilliseen ylähengitystieinfektioon sairastunutta varusmiestä keväällä 2012. Kahdeksalla (16 %) potilaalla todettiin bakteerin aiheuttama tauti poskiontelopiston avulla 9–10 päivää oireiden alkamisen jälkeen. Viruksen ja bakteerin sekainfektio aiheutti laajemmat sivuonteloiden tulehduslöydökset ja voimakkaammat oireet kuin pelkän viruksen aiheuttama tauti. Sivuonteloiden tulehduslöydökset kehittyivät nopeasti ja pysyivät sekä bakteerin että viruksen aiheuttamassa taudissa varsin muuttumattomina. Tulehdusmerkkiaineiden muutokset osoittivat sekä paikallisen, että yleisen tulehdusreaktion, jotka olivat voimakkaimmillaan taudin alussa. Oireet tai niissä taudin aikana tapahtuneet muutokset eivät osoittautuneet hyviksi merkeiksi bakteerin aiheuttaman taudin toteamiseksi, mutta eritteen näkyminen nenässä, nielussa tai keskikäytävässä ennakoi hyvin bakteerin aiheuttaman sivuontelotulehduksen toteamista. Bakteeri saattaa vaikuttaa oireisiin ja sivuonteloiden tulehduslöydöksiin jo nenän äkillisen sivuontelotulehduksen alussa, mutta tulehduslöydösten laajuus ei välttämättä liity bakteerin aiheuttaman taudin kehittymiseen. Nenän äkilliseen sivuontelotulehdukseen liittyy paikallinen ja yleinen tulehdusreaktio, jotka ovat voimakkaimmillaan taudin alussa. Potilaan nenän ja nielun tutkiminen on tärkeää bakteerin aiheuttaman nenän sivuontelotulehduksen toteamiseksi.

Abstract Flocculation plays a critical role in the activated sludge process, where flocs are removed by settling and where unsatisfactory flocculation is resulting in poor effluent quality. Control and operation of the process is also challenging as it is sensitive to external and internal disturbances. Furthermore, stricter environmental demands are also being placed on wastewater treatment and discharge quality thus solutions are needed to improve the current systems. A novel optical monitoring method employing a tube flow and a CCD camera was developed to characterize the flocs and filaments of the sludge, and the method was tested on samples from full-scale activated sludge plants. An online device operating on the same principle was also developed and this was tested over a period of eight months at municipal wastewater treatment plant. Optical monitoring was employed in the laboratory to study the breakage of activated sludge flocs. Based on the image analysis data, in the industrial plant the major breakage process was large-scale fragmentation. In the two municipal plants, it was surface erosion. The flocs had more filaments and were more irregular in shape in the industrial plant, which could be the reason for the large-scale fragmentation. The effect of floc morphology on the effluent clarity of the activated sludge process was studied in the industrial and municipal activated sludge plants by optical monitoring over periods of three months and eight months, respectively. The changes in floc morphology took place slowly in both plants. Four major factors that correlated with the purification results were the size and shape of the flocs and the quantities of small particles and filaments. The image analysis results suggested that the settling problem that occurred during the test periods in the industrial plant was caused by dispersed growth, whereas that in the municipal plant was caused by filamentous bulking. In conclusion, it is possible to use the developed method online in order to analyse the state of flocculation. Thus the method could be useful when developing online monitoring applications for quantifying floc characteristics and for diagnosing the causes of settling problems in the wastewater treatment plants. / Tiivistelmä Aktiivilieteprosessissa flokkulaatiolla on merkittävä rooli, sillä muodostuneet flokit poistetaan prosessista laskeutuksen avulla. Siten huono flokkulaatio johtaa puhdistetun jäteveden kiintoainemäärän lisääntymiseen. Prosessin säätö ja operointi on kuitenkin hankalaa, sillä aktiivilieteprosessi on herkkä ulkoisille ja sisäisille häiriöille. Jätevedenpuhdistukseen liittyvät ympäristövaatimukset ja päästöehdot vesistöihin ovat myös tiukentuneet, joten uusia menetelmiä tarvitaan parantamaan nykyisiä prosesseja. Tässä työssä kehitettiin uusi, optinen kuvantamismenetelmä karakterisoimaan flokkeja ja rihmoja. Menetelmä hyödyntää putkivirtausta ja CCD-kameraa ja sitä testattiin aktiivilietelaitosten näytteillä. Lisäksi kehitettiin samaa periaatetta noudattava online-laitteisto, jota testattiin kahdeksan kuukauden ajan. Optista kuvantamista testattiin laboratoriossa flokkien hajoamistutkimuksessa. Kuva-analyysitulosten perusteella kahden kunnallisen aktiivilietelaitoksen flokit hajosivat pintaeroosioon perustuvan mallin mukaan ja teollisen aktiivilietelaitoksen flokit hajosivat fragmentaatiomallin mukaan. Teollisen aktiivilietelaitoksen flokeissa oli enemmän rihmoja ja ne olivat epäsäännöllisemmän muotoisia, mikä voi olla syynä flokkien fragmentaatioon. Flokkien morfologian vaikutus jäteveden puhdistustuloksiin tutkittiin teollisessa (kolmen kuukauden ajan) ja kunnallisessa (kahdeksan kuukauden ajan) aktiivilietelaitoksessa optisella kuvantamismenetelmällä. Molemmissa laitoksessa muutokset flokkien morfologiassa tapahtuivat hitaasti. Neljä tärkeintä tekijää, jotka korreloivat puhdistustulosten kanssa, olivat flokkien koko ja muoto sekä pienten partikkelien ja rihmojen määrä. Kuva-analyysitulosten perusteella laskeutumisongelma teollisessa jätevesilaitoksessa johtui flokinmuodostajabakteerien liian pienestä määrästä ja kunnallisessa jätevesilaitoksessa rihmamaisten bakteerien liikakasvusta. Yhteenvetona voidaan todeta, että kehitettyä menetelmää on mahdollista käyttää online-mittarina sekä sen avulla voidaan arvioida flokkulaation tilannetta. Siten menetelmää on mahdollista hyödyntää flokkien ominaisuuksien karakterisoinnissa ja arvioidessa jätevedenkäsittelylaitoksen laskeutumisongelmien aiheuttajaa.

Abstract Human activities have increasingly altered freshwater ecosystems. Land use is a major driver of habitat loss and land use-related input of nutrients and other pollutants from agriculture, forestry and urbanization have deteriorated water quality. Freshwater research has mainly focused on lakes and streams while the effects of anthropogenic stressors on groundwater-dependent ecosystems (GDEs) are poorly known. Likewise, the effectiveness of ecological restoration in mitigating human disturbance in GDEs remains understudied. In this thesis, I studied the effects of two main anthropogenic stressors – land drainage and groundwater contamination – on boreal spring ecosystems and evaluated the recovery of spring biodiversity and ecosystem functioning after habitat restoration. I applied several structural (macroinvertebrates, bryophytes, leaf-decomposing fungi and groundwater bacteria) and functional (organic matter decomposition and primary productivity) measures to provide a comprehensive insight into these issues. Both stressors modified spring ecosystems. Land drainage reduced the key ecosystem processes. Long-term monitoring of drainage-impacted springs showed a marked biodiversity loss and change of spring-dwelling bryophytes, and no signs of recovery were observed after about 20 years since the intial land drainage. Groundwater contamination, indicated by elevated nitrate and chloride concentrations, altered the structure of spring biota, reduced their taxonomic diversity and suppressed primary productivity in the most severely contaminated springs. Spring restoration improved habitat quality by reducing drainage-induced inflow of surface water, thus re-establishing groundwater-dominated hydrological conditions. Restoration increased abundance of habitat-specialist bryophytes and shifted macroinvertebrate composition towards natural conditions, despite the restoration actions being fairly recent. Anthropogenic activities can thus cause severe structural and functional degradation of spring ecosystems, and their self-recovery potential from these stressors seems low. Habitat restoration bears great promise as a cost-effective approach to mitigate drainage-induced impacts on spring ecosystems, but protection and co-management of groundwater resources are urgently needed to secure the role of springs as biodiversity hotspots in the boreal forest landscape. / Tiivistelmä Ihmistoiminta muuttaa yhä enemmän vesiekosysteemejä. Maankäyttö on johtanut elinympäristöjen häviämiseen, ja siihen liittyvä ravinne- ja haitta-ainekuormitus maa- ja metsätaloudesta sekä kaupunkiympäristöistä on merkittävästi huonontanut veden laatua johtaen maailmanlaajuiseen vesiluonnon monimuotoisuuden heikentymiseen. Vesiekosysteemien tutkimus on keskittynyt pääasiassa järvi- ja jokiympäristöihin, kun ihmistoiminnan vaikutukset pohjavesiriippuvaisiin ekosysteemeihin tunnetaan edelleen huonosti. Samoin kunnostusten merkitys pohjavesiriippuvaisten ekosysteemien tilan parantamiseksi on selvittämättä. Väitöskirjassani tarkastelin kahden keskeisen ihmistoiminnan – metsäojituksen ja pohjaveden laadun heikkenemisen – vaikutuksia lähde-ekosysteemeihin sekä arvioin elinympäristökunnostusten vaikutuksia niiden rakenteeseen ja toimintaan. Sovelsin työssäni rakenteellisia (pohjaeläimet, sammalet, lehtikariketta hajottavat sienet ja pohjavesibakteerit) ja toiminnallisia (eloperäisen aineksen hajoaminen ja perustuotanto) mittareita tuottamaan kattavan käsityksen tutkimuskysymyksiini. Sekä metsäojitukset että pohjaveden laadun heikkeneminen aiheuttavat muutoksia lähteiden rakenteessa ja toiminnassa. Metsäojitukset hidastavat keskeisiä ekosysteemitoimintoja ja johtavat lähdesammallajiston muutokseen ja monimuotoisuuden taantumiseen. Pohjaveden pilaantuminen, jota työssä ilmennettiin kohonneilla nitraatti- ja kloridipitoisuuksilla, heikentää lähdelajiston monimuotoisuutta, muuttaa lajikoostumusta ja johtaa perustuotannon laskuun voimakkaimmin kuormitetuissa lähteissä. Kunnostus parantaa lähde-elinympäristön laatua vähentämällä metsäojien aiheuttamaa pintavesivaikutusta palauttaen pohjavesivaltaisen hydrologisen tilan. Lähdekunnostusten myötä lähdesammaleet runsastuvat ja pohjaeläinyhteisön rakenne palautuu luonnontilaisten lähteiden kaltaiseksi, vaikka kunnostuksista on kulunut vasta muutamia vuosia. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että ihmisen toiminta voi aiheuttaa muutoksia lähde-ekosysteemien rakenteessa ja toiminnassa ja lähteiden luontainen palautuminen häiriöstä on hidasta. Lähde-elinympäristöjen kunnostus vaikuttaa lupaavalta suojelutoimenpiteeltä metsäojitusten vaikutusten vähentämisessä, mutta lähteiden säilyttäminen monimuotoisena ja suojelullisesti arvokkaana luontotyyppinä edellyttää pohjavesivarojen hallinnan ja tilan suojelun tehostamista.

Abstract Freshwater ecosystems are severely threatened by a variety of anthropogenic stressors. In order to keep track with at least part of the changes, it is important to efficiently assess and monitor freshwater biological diversity. Biological assessment programs are developed to detect human-induced changes in the ecological state of aquatic systems. These programs typically rely on the assumption that environmental conditions are the sole drivers of biological communities occupying a site and, thus, these local communities would correctly inform about environmental conditions. Recently, this background principle of current bioassessment methods has faced some criticism, stemming from the idea that community structuring is a more complex process than just a mere result of local environmental conditions. In this thesis, I studied the natural and anthropogenic drivers of freshwater biodiversity. I was particularly interested if the various biodiversity metrics studied showed any spatial patterns and if so, for which reasons these patterns might occur. To obtain a comprehensive picture of spatial patterns in biodiversity, I studied multiple spatial contexts, biological groups and indices. I found that environmental conditions were not the only drivers of freshwater biodiversity. Instead, different spatial patterns, likely stemming from dispersal processes, were surprisingly powerful drivers of aquatic communities and index values derived from them. The spatial context (i.e. spatial extent and connectivity) of the aquatic study systems likely played a major role in structuring biodiversity. I also found that the distinct biological groups and indices studied were partly related to different predictor variables. The findings of this thesis are of importance to the development of new bioassessment methods. The results of this thesis also suggest that the spatial context of the study setting should be acknowledged when interpreting results based on current bioassessment methods. / Tiivistelmä Makeanveden ekosysteemit ovat hyvin alttiita ihmistoiminnalle. Ekosysteemissä mahdollisesti tapahtuvien muutosten havaitseminen vaatii tehokkaita vesistöjen ekologisen tilan ja luonnon monimuotoisuuden arviointi- ja seurantamenetelmiä. Näiden menetelmien toimintaperiaatteen yleisenä tausta-ajatuksena on, että biologiset yhteisöt määräytyvät paikallisten ympäristöolojen mukaan. Tietyn paikan yhteisön oletetaan siis heijastavan kyseisen paikan ympäristön tilaa. Viime aikoina tausta-ajatus paikallisten ympäristöolojen merkityksestä ainoana eliöyhteisöjä muovaavana tekijänä on kuitenkin kohdannut kritiikkiä. Kriitikot painottavat, että biologisten yhteisöjen rakenteeseen vaikuttavat monet muutkin asiat kuin paikalliset ympäristöolosuhteet ja niissä tapahtuvat ihmisperäiset muutokset. Väitöskirjassani tutkin sisävesien luonnon monimuotoisuuteen vaikuttavia tekijöitä. Olin erityisen kiinnostunut siitä, näkyykö tutkituissa biologisissa parametreissa maantieteellisessä tilassa ilmeneviä spatiaalisia säännönmukaisuuksia. Saadakseni mahdollisimman laaja-alaisen käsityksen luonnon monimuotoisuudessa esiintyvistä spatiaalisista säännönmukaisuuksista, tutkin useaa spatiaalista kontekstia, eliöryhmää ja indeksiä. Tutkimuksessa selvisi, että paikalliset ympäristöolosuhteet eivät ole ainoita luonnon monimuotoisuuteen vaikuttavia tekijöitä. Erilaiset spatiaaliset säännönmukaisuudet, todennäköisesti eliöiden levittäytymiseen liittyvien seikkojen aiheuttamina, olivat yllättävän yleisiä makeiden vesien eliöyhteisöjen rakenteessa ja niihin perustuvien indeksien arvoissa. Tutkimussysteemien spatiaalinen konteksti (alueen laajuus ja paikkojen väliset spatiaaliset suhteet) selvästi vaikutti luonnon monimuotoisuutta kuvastavien indeksien arvojen vaihteluun. Lisäksi selvisi, että eri eliöryhmät ja indeksit olivat useimmiten liitoksissa hyvin erilaisiin selittäviin muuttujiin, osoittaen, että nämä mittarit kuvastavat eri asioita. Väitöskirjassa esitetyt havainnot on tärkeää huomioida vesistöjen ekologisen tilan ja luonnon monimuotoisuuden arviointi- ja seurantamenetelmiä kehitettäessä. Spatiaalisen kontekstin merkitys olisi hyvä huomioida myös nykyisten arviointi- ja seurantamenetelmien tuottamien tulosten tulkinnassa.