Abstract Biomass, such as wood, binds CO2 as it grows, and is thus considered an environmentally friendly alternative fuel to replace coal. In Finland, biomass is typically co-combusted with peat, and also municipal waste is becoming more common as a fuel for power plants. Wood, peat and waste-based fuels are typically burned in fluidized bed combustion (FBC) boilers. Ash is the inorganic, incombustible residue resulting from combustion. The annual production of biomass and peat ash in Finland is 600 000 tonnes, and this amount is likely to increase in the future, since the use of coal for energy production will be discontinued during the 2020s. Unfortunately, FBC ash is still largely unutilized at the moment and is mainly dumped in landfills. The general aim of this thesis was to generate information which could potentially improve the utilization of FBC ash by alkali activation. The specific objective was to produce geopolymer aggregates by means of a simultaneous alkali activation-granulation process. It was shown that geopolymer aggregates with physical properties comparable to commercial lightweight expanded clay aggregates (LECAs) can be produced from FBC fly ash containing heavy metals. Although the ashes were largely unreactive and no new crystalline phases were formed by alkali activation, a new amorphous phase was observed in the XRD patterns, possibly representing micron-sized calcium aluminate silicate hydrate-type gels. The heavy metal immobilization efficiency of alkali activation varied with the type of fly ash. Good stabilization was generally obtained for cationic metals such as Ba, Pb and Zn, but in common with the results obtained with alkali activation of coal fly ash, anionic metals became leachable after alkali activation. The efficiency of immobilization depended on the physical and chemical properties of the fly ash and was not related to the total content of the element. All the geopolymer aggregates met the criteria for a lightweight aggregate (LWA) as defined by EN standard 13055-1. Their strength depended on the reactivity and particle size distribution of the fly ash. Mortars and concretes prepared with such geopolymer aggregates had higher mechanical strength, higher dynamic modulus of elasticity and higher density than concrete produced with commercial LECA, while exhibiting similar rheology and workability. / Tiivistelmä Biopolttoaineet, esimerkiksi puu, ovat ympäristöystävällinen vaihtoehto kivihiilelle, koska ne sitovat hiilidioksidia kasvaessaan. Suomessa biopolttoaineita poltetaan tyypillisesti turpeen kanssa, ja nykyään myös jätteen hyödyntäminen polttoaineena on yleistynyt. Puu, turve ja jätepolttoaineet poltetaan tyypillisesti leijupetipoltto-tekniikalla. Tuhka on polton epäorgaaninen, palamaton jäännös. Puun ja turpeen tuhkaa tuotetaan Suomessa 600 000 tonnia vuodessa ja määrän odotetaan kasvavan, sillä kivihiilen poltto lopetetaan 2020-luvulla. Leijupetipolton tuhkaa ei tällä hetkellä juurikaan hyödynnetä ja tuhka päätyykin pääasiassa kaatopaikoille. Tämän tutkielman päämääränä oli tuottaa tietoa, joka parantaisi leijupetipolton tuhkien hyödyntämistä alkali-aktivaatiolla. Erityisesti tavoitteena oli valmistaa geopolymeeriaggregaatteja yhtäaikaisella alkali-aktivaatiolla ja rakeistuksella. Tutkielmassa osoitettiin, että raskasmetalleja sisältävistä tuhkista valmistettujen geopolymeeriaggregaattien fysikaaliset ominaisuudet ovat vertailukelpoiset kaupallisten kevytsora-aggregaattien (LECA) kanssa. Vaikka tuhkien reaktiivisuus oli matala, ja uusia kidefaaseja ei muodostunut alkaliaktivaatiolla, uusi amorfinen faasi havaittiin XRD-mittauksissa. Uusi amorfinen faasi oli mahdollisesti mikrometrikokoluokan kalsium-aluminaatti-silikaatti-hydraatti-tyyppinen rakenne. Raskasmetallien stabiloinnin tehokkuus vaihteli tuhkien välillä. Kationiset metallit, kuten barium, lyijy ja sinkki, stabiloituivat pääasiassa hyvin, mutta anionisten metallin liukoisuus kasvoi alkali-aktivoinnin myötä. Stabiloinnin tehokkuus riippui tuhkien fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista, mutta raskasmetallin kokonaispitoisuudella ei ollu vaikutusta. Kaikki geopolymeeriaggregaatit olivat kevytsora-aggregaatteja standardin EN 13055-1 mukaisesti. Aggregaattien lujuus riippui tuhkan reaktiivisuudesta ja partikkelikokojakaumasta. Geopolymeeriaggregaateilla valmistettujen laastien ja betonien mekaaninen lujuus, Youngin moduuli ja tiheys olivat korkeampia kuin kaupallisella kevytsora-aggregaateilla valmistetut, vaikka niiden reologia ja työstettävyys olivat samanlaisia.

Abstract Fertilizer industry often generates phosphorous rich wastewaters containing heavy metals. While phosphorous is a valuable compound for the industry, heavy metals hinder the recovery of phosphorous due to their detrimental effects on human health and the environment. Consequently, heavy metals must be removed from the wastewaters. In this study the use of micellar-enhanced ultrafiltration (MEUF) was evaluated for the removal of cadmium, copper, zinc and nickel from phosphorous rich wastewaters. This study has been conducted following a systematic methodology from single metal synthetic wastewaters to more complex synthetic and real wastewaters. The experimental work was conducted in a laboratory scale stirred cell using 3, 5 and 10 kDa regenerated cellulose membranes and in a cross flow semi-pilot scale equipment using a 10 kDa spiral wound polyethersulphone membrane. Statistical design of experiments was used as the research methodology to evaluate the effect of factors on the MEUF process performance as well as for finding optimal conditions. The factors studied were heavy metal, phosphorous and surfactant feed concentrations, pH, membrane nominal molecular weight limits, transmembrane pressure and cross flow velocity. The membrane performance was characterized by the heavy metal retention/rejection coefficients and the permeate flux. The experimental results showed that the removal of heavy metals from single synthetic wastewaters by MEUF is more efficient for more diluted systems. In complex systems containing phosphorous, simultaneous removal of heavy metals was successfully achieved obtaining rejection coefficients up to 80%. Phosphorous was not retained by the membrane showing the potential applicability of MEUF to purify phosphorous rich wastewaters. The study of metal complex formation and heavy metal competition has been shown to be very important in order to predict the MEUF results. Concentration polarization phenomenon was insignificant in the synthetic wastewaters but it was more severe when applying MEUF to real wastewaters. In addition, with real wastewaters SDS leakage was insignificant. This study has provided new and valuable knowledge regarding the applicability of MEUF to industrial wastewater treatment. / Tiivistelmä Lannoiteteollisuus tuottaa usein jätevesiä, jotka sisältävät huomattavia määriä fosforia, sekä pieniä määriä raskasmetalleja. Vaikka fosfori on tärkeä raaka-aine lannoiteteollisuudelle, jätevesissä olevat raskasmetallit kuitenkin estävät sen hyötykäyttöä fosforin lähteenä. Raskasmetallit ovat haitallisia sekä luonnolle että ihmisten terveydelle, joten niiden erottaminen jätevesistä on tärkeää. Tässä työssä tutkittiin miselliavusteisen ultrasuodatuksen (MEUF) käyttöä kadmiumin, kuparin, sinkin ja nikkelin poistamiseen fosforipitoisista jätevesistä. Väitöskirjatyössä tutkittiin systemaattisesti synteettisiä jätevesiä, jotka sisälsivät joko yhtä tai useita raskasmetalleja, sekä lannoitetehtaalta kerättyjä jätevesiä. Kokeet tehtiin laboratoriomittakaavan sekoituskennolla, jossa käytettiin 3, 5 ja 10 kDa:n regeneroituja selluloosakalvoja, sekä semi-pilot -mittakaavan spiraalielementillä, jonka materiaalina oli 10 kDa:n polyeetterisulfonikalvo. Väitöskirjatyössä hyödynnettiin tilastollista koesuunnittelua, jonka avulla arvioitiin muuttujien vaikutuksia MEUF-prosessin käyttäytymiseen. Koesuunnittelua hyödynnettiin myös optimiolosuhteiden määrittelemisessä. Koesuunnitelmien muuttujina olivat raskasmetallien, fosforin ja pinta-aktiivisen aineen pitoisuudet, pH, suodatuskalvojen katkaisukoot, paine sekä ristikkäisvirtauksen nopeus. Kalvon käyttäytymistä arvioitiin raskasmetallien erotustehokkuuden ja permeaattivuon avulla. Koetulokset osoittivat raskasmetallien erotuksen olevan tehokkainta synteettisistä, yhtä metallia sisältävistä jätevesistä, joiden raskasmetallipitoisuus oli pieni. Fosforia sisältävistä monimetalliliuoksista saavutettiin 80 %:inen raskametallien poistotehokkuus. Kalvoerotuksessa fosforipitoisuus ei muuttunut merkittävästi, mikä osoittaa MEUF:n olevan potentiaalinen menetelmä raskasmetallien poistamiseen fosforipitoisista jätevesistä. Metallikompleksien muodostumisen ja raskasmetallien välisen kilpailun ymmärtäminen osoittautuivat erittäin tärkeiksi MEUF-tuloksien ennustamisessa. Konsentraatiopolarisaatioilmiö ei ollut merkittävä käsiteltäessä synteettisiä jätevesiä, mutta teollisten jätevesien käsittelyssä ilmiöllä oli huomattava vaikutus permeaattivuohon. Kuitenkin teollisen jätevesien käsittelyssä SDS:n vuotaminen kalvon läpi oli merkityksetöntä. Tämä tutkimus on antanut uutta ja merkittävää tietoa MEUF:n soveltuvuudesta teollisten jätevesien käsittelyn.

Abstract Water contamination is a global problem and the growing utilization of limited water resources creates a need for efficient purification methods. Industrial effluents are polluting the natural waters, e.g. uncontrolled mining activities in developing countries have created numerous environmental hazards and different types of pollutants. This study focuses on novel adsorbents and photocatalytic materials in order to reach the aim of more efficient and affordable water treatment. This thesis aimed at making active, efficient, and viable adsorbents out of waste materials, as well as using photocatalysis in water treatment for organic pollutants originating from different types of industries. Local Peruvian agro-waste was used as a precursor for activated carbon that was used in adsorption studies for single (As(V) and methylene blue, MB), and multicomponent mixtures (As(V)/Pb/Cd), and real polluted river water. An industrial intermediate product, hydrous TiO2, was used for As(III)/As(V) removal. Photocatalytic materials included a commercial photoactive TiO2 (P25), and tailor-made TiO2 based nanofibers (NF) decorated with Pt/Pd. The results show that the agro-waste based activated carbons show high potential as adsorbents (e.g. ~100% As(V) removal in 2 h). With the multicomponent solution there is evidently competition for the adsorption sites; Pb was removed most efficiently. The specific surface area and pore size distribution play an important role in MB adsorption, as with As(V) the ash content is the most influential parameter. The industrial intermediate product has a high adsorption capacity towards both As(III) and As(V) (over 96% removals in 4 h), and is promising for use in natural and wastewater treatment due to its adsorption properties, availability, low cost, and non-toxicity. Photocatalysis was found to be an efficient removal method for the pollutants tested, also in the diluted industrial wastewater matrix, e.g. diuron was removed 99% in 1 h. The NFs are promising for the efficient photocatalytic degradation of organic effluents in aqueous streams such as wastewaters originating from e.g. biofuel production or fine chemicals and pharmaceutical industry. This study provides new and valuable knowledge for the purification of waters, especially when aiming at developing inexpensive water treatment materials and methods for different applications. / Tiivistelmä Puhtaan veden puute on maailman laajuinen ongelma, ja raskasmetallien ja orgaanisten haitta-aineiden päätymistä ympäristöön ja luonnonvesiin voidaan vähentää hyvällä ja tehokkaalla teollisuuden jätevesien käsittelyllä. Uusia ja tehokkaita, ympäristön kannalta suotuisia ja kestäviä vedenpuhdistustekniikoita tarvitaan erityisesti kehitysmaissa, joissa esim. kontrolloimaton kaivostoiminta aiheuttaa ympäristö- ja terveyshaittoja. Työn kokeellisessa osassa valmistettiin perulaisesta maatalousjätteistä aktiivihiiltä kemiallisella aktivoinnilla, ja seurattiin niiden kykyä adsorboida haitta-aineita (As(V), Pb, Cd, metyleenisini) yksi- ja monikomponenttiliuoksista ja saastuneesta luonnonvedestä (Puyango-Tumbesjoki, Peru). Lisäksi tutkittiin teollisuuden välituotteen (TiO2) aktiivisuutta arseenin, As(III) ja As(V), adsorptiossa. Viimeisessä osiossa tutkittiin valokatalyysiä orgaanisten haitta-aineiden poistossa vesiliuoksista sekä kaupallisella TiO2 P25 -katalyytillä että kokeellisilla Pd/Pt-dopatuilla TiO2 -nanokuiduilla. Tulokset osoittavat, että paikallisesta raaka-aineesta valmistetut aktiivihiilet ovat hyvin potentiaalisia vedenpuhdistusmateriaaleja saavuttaen jopa 100% As(V) poistuman (2h). Adsorboitavien ionien välillä on nähtävissä kilpailua monikomponettiadsorptiossa; lyijyn havaittiin poistuvan tehokkaimmin tutkituissa olosuhteissa. Adsorbentin ominaispinta-ala ja huokoskokojakauma ovat tärkeitä tekijöitä metyleenisinin adsorptiossa, kun taas tuhkapitoisuudella on arseenin adsorptioon suurempi vaikutus. Teollisuuden TiO2-välituotteella havaittiin olevan korkea adsorptiokapasiteetti sekä As(III)- että As(V)-spesieksiä kohtaan saavuttaen yli 96% poistumat (4h). Se on lupaava materiaali edelleen kehitettäväksi ja käytettäväksi esimerkiksi luonnonvesien ja jätevesien puhdistuksessa johtuen sen hyvistä adsorptio-ominaisuuksista, saatavuudesta, edullisuudesta ja myrkyttömyydestä. Valokatalyysin havaittiin olevan toimiva menetelmä orgaanisten molekyylien hajottamiseen, myös laimeasta teollisuuden jätevesimatriisista, esim. diuroni poistui 99% tunnissa. Nanokuitujen tapauksessa aktiivinen metalli vaikutti merkittävämmin reaktion tehokkuuteen kuin ominaispinta-ala. Tämä työ tarjoaa uutta ja tärkeää tietoa vesien puhdistukseen kun tavoitteena on löytää tehokas ja edullinen menetelmä erityyppisiin sovelluksiin.

Abstract The main aim of the European Union’s waste legislation and the corresponding Finnish waste legislation is to reduce the production of waste. Further, the aims of the European Union’s growth strategy are to reduce the production of greenhouse gases, increase the use of renewable energy, and improve energy efficiency. According to the renewed Waste Tax Act, a waste tax has to be paid on all fly ashes that are deposited in landfills in Finland. A large amount of wood- and peat-based fly ashes are formed annually in Finland, and the amount is likely to increase in the future due to the increasing use of renewable energy. Previously, these ashes have mainly been deposited in industrial landfills, but the need to utilize the fly ashes has increased recently due to changes in waste legislation. In this thesis, several issues related to the utilization of wood- and peat-based fly ash were studied, with the general objective of improving the utilization potential of such ashes. As the first stage of this research, the suitability of willow ash for use as a fertilizer was studied. Willow ash would be well suited for use as a fertilizer due to its very high nutrient content. However, cadmium, a heavy metal, was found to be enriched in the ashes of the studied willow species. Due to this, special attention should be paid when choosing willow species for energy production. In the second stage of the research, the possibility of improving the strength development of wood- and peat-based fly ashes, as well as the possibility of stabilizing fly ash containing high amounts of heavy metals via the addition of cement and/or alkali activation, was investigated. Strength development was found to be dependent on the amount of reactive calcium and the ratio between that amount of reactive calcium and the sum of the reactive silicon, aluminum, and sulfur (Ca/(Si + Al + S)). The studied methods performed well in terms of stabilizing barium, copper, lead, and zinc. During the next stage, the effect of different chemical digestion methods, which are regulated by the Finnish waste legislation, on the utilization potential of fly ash was studied. The digestion method had a significant impact on the results of the potassium content analysis, which could affect the possibility of using fly ash as a fertilizer. As the final stage of the research, the co-granulation of ash with sewage sludge and lime was studied. From a technical point of view, the co-granulation was successful, although the compressive strength of the granules was low. Additionally, an insufficient nitrogen content was achieved with a sludge addition of 20-40 weight%. / Tiivistelmä Euroopan unionin jätelainsäädännön ja sitä vastaavan suomalaisen lainsäädännön tavoitteena on ehkäistä jätteiden muodostumista. Euroopan Unionin kasvustrategian tavoitteena on vähentää kasvihuonekaasupäästöjä, lisätä uusiutuvan energian käyttöä ja parantaa energiatehokkuutta. Uudistetun jäteverolain mukaan kaikista kaato-paikoille sijoitetuista lentotuhkista tulee Suomessa maksaa jäteveroa. Suomessa puu- ja turveperäisiä lentotuhkia muodostuu vuosittain suuria määriä ja määrä tulee vielä kasvamaan uusiutuvan energiankäytön lisääntyessä. Aiemmin nämä tuhkat ovat päätyneet pääasiassa läjitykseen teollisuuden kaatopaikoille, mutta muuttuneen jätelainsäädännön seurauksena tarve hyödyntää lentotuhkia on lisääntynyt. Tässä väitöstyössä tutkittiin puu- ja turveperäisten tuhkien hyödyntämiseen liittyviä kysymyksiä. Työn yleistavoitteena oli parantaa tuhkien hyödyntämis-mahdollisuuksia. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa tutkittiin pajutuhkan soveltuvuutta lannoitteeksi. Pajutuhka soveltuisi hyvin lannoitteeksi erittäin hyvien ravinne-pitoisuuksien ansiosta. Raskasmetalleista kadmiumin havaittiin kuitenkin rikastuvan tutkittujen pajulajien tuhkiin. Tähän tulisi kiinnittää erityishuomiota, kun pajulajeja valitaan energiantuotantoa varten. Tutkimuksen toisessa vaiheessa selvitettiin mahdollisuutta parantaa turpeen ja puun lentotuhkien lujittumista sekä raskasmetallipitoisen lentotuhkan stabiloimista sementtilisäyksen ja/tai alkaliaktivoinnin avulla. Lujuuden kehitys riippui reaktiivisen kalsiumin määrästä sekä reaktiivisen kalsiumin määrän ja reaktiivisten piin, alumiinin ja rikin määrien summan välisestä suhteesta (Ca/(Si + Al + S)). Tutkitut menetelmät toimivat hyvin bariumin, kuparin, lyijyn ja sinkin stabiloinnissa. Seuraavassa vaiheessa selvitettiin Suomen lainsäädännössä määritettyjen kemiallisten hajotusmenetelmien vaikutusta tuhkan hyödyntämispotentiaaliin. Hajotusmenetelmällä oli suuri merkitys kaliumin pitoisuutta määritettäessä, mikä voi vaikuttaa lentotuhkan hyödynnettävyyteen lannoitteena. Viimeisessä vaiheessa tutkittiin tuhkan yhteisrakeistusta lietteen ja kalkin kanssa. Teknisesti yhteisrakeistus onnistui hyvin, mutta rakeiden puristuslujuus oli alhainen. Lisäksi 20 - 40 paino% lietelisäyksellä ei rakeisiin saatu riittävän korkeaa typpipitoisuutta.

Abstract Mechanical harvesting of peat changes the original mire ecosystem completely, and without active measures these areas may remain non-vegetated even for decades. Afforestation is one of the most popular after-use options for cut-away peatlands in Finland since it has both economic and aesthetic values. Recycling of wood-ash as a fertilizer has been studied extensively in peatlands drained for forestry. Wood-ash is reported to promote tree growth in these areas without any significant negative impact to the environment and could, therefore, be a suitable option also on cut-away peatlands. However, the environmental effects of ash-fertilization on cut-away areas and on ground vegetation are not fully understood. The impact of wood- and peat-ash application on the early establishment of ground vegetation and downy birch (Betula pubescens) seedlings and on post-fertilization element concentrations in plants and peat substrate were studied in a cut-away peatland. Six treatments of wood-ash, peat-ash, biotite or Forest PK-fertilizer were replicated in three blocks in different mixtures and quantities corresponding to 50 kg ha-1 of phosphorus. All the fertilizers accelerated the revegetation of the bare peat surface significantly, whereas the establishment of plants in the unfertilized area was non-existent even several years after the peat harvesting had ceased. The most striking difference between the wood- and peat-ash-fertilizers and the commercial Forest PK-fertilizer was the extensive coverage of fire-loving moss species in all the areas where ash was spread. Wood- and peat-ash application also accelerated the germination and early establishment of downy birch seedlings more efficiently than the PK-fertilizer. Ground vegetation proved to be highly important in increasing the early biomass production and carbon sequestration on ash-fertilized cut-away peatland. In addition, the below-ground biomass was equal to the above-ground biomass, or even greater. Both wood- and peat-ash fertilization ensured an adequate level of nutrients for the early establishment of ground vegetation and birch seedlings in a cut-away peatland. The mosses and herbaceous plants proved to have a major role in retaining the nutrients and heavy metals that otherwise might have leached away from the ash-fertilized cut-away site during the early stages of the afforestation. Although both wood- and peat-ash proved to be suitable for the initial fertilization of afforested cut-away peatlands, a later application of nutrients may be needed to guarantee the growth in a energy-wood stand of downy birch over its entire rotation. / Tiivistelmä Turvetuotannon päätyttyä jäljelle jäävä suopohja on aluksi täysin paljas ja vailla maaperän siemenpankkia. Kasvipeitteen luontainen uudistuminen voi viedä jopa vuosikymmeniä. Ympäristönhoidollisesti onkin tärkeää, että suopohjat otetaan uuteen käyttöön mahdollisimman nopeasti tuotannon päätyttyä. Metsitys on tällä hetkellä suosituin suopohjien jälkikäyttömuoto Suomessa. Suopohjan turpeessa on tyypillisesti runsaasti typpeä, mutta niukasti muita kasvuun tarvittavia ravinteita. Puutuhka on osoittautunut pitkäaikaisissa metsäojitettujen turvemaiden tutkimuksissa kilpailukykyiseksi vaihtoehdoksi kaupallisille lannoitteille. Energiantuotannon sivutuotteena syntyvä puu- ja turvetuhka voisi soveltua hyvin myös suopohjien lannoitteeksi. Tuhkan käytöstä lannoitteena turvetuotannosta vapautuneilla suopohjilla ei kuitenkaan ole riittävästi tutkimustietoa. Tässä työssä tutkittiin puu- ja turvetuhkan vaikutuksia turvetuotannosta vapautuneen suopohjan kasvittumiseen ja puun taimien alkukehitykseen viiden ensimmäisen kasvukauden ajan. Lisäksi tutkittiin kasvillisuuden ravinne- ja raskasmetallipitoisuuksien muutoksia sekä turpeen ravinteisuutta lannoituksen jälkeen. Kaikki lannoitteet nopeuttivat merkittävästi kasvillisuuden muodostumista paljaalle suopohjalle, kun taas lannoittamaton alue pysyi kasvittomana. Tuhkalannoitetuille alueille syntyi nopeasti laajoja palopaikoilla viihtyvien pioneerisammalten kasvustoja, jotka peittivät ja samalla sitoivat paljaan ja irtonaisen turvemaan pinnan. Tuhkalannoitus edisti myös koivun taimien alkukehitystä tehokkaammin kuin kaupallinen Metsän PK-lannoite. Sammalista ja ruohovartisista kasveista muodostuva aluskasvillisuus ylitti puuntaimet selvästi biomassan määrässä ja toimi metsityksen alkuvaiheessa puuntaimia merkittävämpänä hiilensitojana. Lisäksi kasvien maanalainen biomassa oli maanpäällistä biomassaa suurempi. Sekä puu- että turvetuhka takasivat riittävän määrän ravinteita energiapuumetsikön alkukehitykselle. Aluskasvillisuus osoittautui tärkeäksi tuhkasta liukenevien ravinteiden ja raskasmetallien sitojaksi metsityksen alkuvaiheessa. Vaikka sammalten kadmiumpitoisuudet nousivat tuhkalannoituksen seurauksena, ne olivat kuitenkin alhaisia Suomessa aiemmin mitattuihin sammalten yleisiin pitoisuuksiin suhteutettuna. Tuhkalannoitus ei lisännyt haitallisten raskasmetallien pitoisuuksia koivun taimien ja ruohovartisten kasvien lehdissä ja varsissa. Tutkimuksen tulokset tukevat puu- ja turvetuhkan käyttöä energiapuumetsiköiden alkuvaiheen lannoitteena turvetuotannosta vapautuneilla suopohjilla.

Abstract The hepatic inducible Cytochrome P450s (CYPs) generally prime xenobiotics for elimination. Murine CYP2A5 and human CYP2A6 share similar xenobiotic substrates and some regulatory features. Recently, they were shown to oxidize bilirubin, a byproduct of heme catabolism and a dose-dependent anti- or pro-oxidant, to biliverdin. In this study, the putative role of the redox-sensitive, cytoprotective transcription factor Nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (Nrf2) in the regulation of hepatic Cyp2a5 expression and induction under diverse hepatotoxic conditions and altered heme homeostasis was characterized. The coordination of Cyp2a5 and the Nrf2 target gene Heme oxygenase-1 (Hmox1), which determines bilirubin formation from heme, responses to heavy metals and modulators of heme homeostasis, was studied in cultured wildtype and Nrf2(-/-) mouse primary hepatocytes. Nrf2 was essential for the basal hepatic expression of CYP2A5 in the endoplasmic reticulum (ER) and mitochondria, as well as for its induction by cadmium, lead, methyl mercury and phenethyl isothiocyanate. A functional Nrf2 binding antioxidant response element (ARE) about -2.4 kilobases upstream of the Cyp2a5 transcriptional start site was identified. In contrast to Hmox1, a target of BTB and CNC homology 1 (Bach)-mediated repression via AREs, the regulation of Cyp2a5 did not clearly involve Bach1. Excessive heme induced mainly ER-localized CYP2A5 via Nrf2, which was limited by the Nrf2-independent HMOX1 induction. In heme synthesis blockades, CYP2A5 was enhanced via Nrf2 and additional factors, such as the peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α (PGC-1α). The typical CYP2A5 inducers phenobarbital, dibutyryl-cyclic adenosine monophosphate (db-cAMP) and PGC-1α enhance heme synthesis; CYP2A5 was induced via Nrf2 in acute but not chronic phenobarbital exposure without a clear connection to heme, while the responses to db-cAMP and PGC-1α were sensitized in the absence of Nrf2. This suggests novel crosstalk between Nrf2 and PGC-1α. In this study, Cyp2a5 was identified as a sensitive indicator of hepatic Nrf2 pathway activation that could be used, e.g. for in vitro screening of drug candidate hepatotoxicity. The similar subcellular localization and coordination of CYP2A5 and HMOX1 expression in altered heme metabolism support the postulated role for CYP2A5 in bilirubin homeostasis. / Tiivistelmä Vierasaineet stimuloivat maksan Sytokromi P450 (CYP)-entsyymejä, mikä yleensä lisää niiden eliminaatiota. Hiiren CYP2A5 ja ihmisen CYP2A6 ovat lähisukua katalyyttisten ja osin säätelyllisten yhteneväisyyksiensä puolesta. Vastikään niiden osoitettiin katalysoivan hemin hajoamistuotteen, bilirubiinin hapettumista biliverdiiniksi, mikä saattaisi säädellä sen annosriippuvaisia vaikutuksia antioksidanttina ja oksidanttina. Työssä tutkittiin solustressiä aistivan, suojaavan transkriptiotekijän Nrf2 osuutta Cyp2a5-geenin aktivaatiossa maksatoksisissa olosuhteissa ja hemimetabolian muutoksissa. Cyp2a5:n ja bilirubiinin tuotosta vastaavan, Nrf2-säädellyn Hemioksigenaasi-1 (Hmox1):n vasteita verrattiin viljellyissä villityypin ja poistogeenisen Nrf2(-/-) hiiren primaarimaksasoluissa. Tulokset osoittavat, että Nrf2 ylläpitää CYP2A5:n ilmentymistä endoplasmisella kalvostolla (ER) ja mitokondrioissa sekä välittää sen stimulaation altisteilla kadmium, lyijy, metyylielohopea ja fenetyyli-isotiosyanaatti. Toimiva Nrf2-vasteinen antioksidanttivaste-elementti (ARE) tunnistettiin n. -2,4 kiloemäsparia Cyp2a5-geenin luennan aloituskohdasta ylävirtaan. BTB ja CNC homologia 1 (Bach1)-tekijä, joka on tärkeä Hmox1-säätelijä ja ARE-välitteinen transkription estäjä, ei selkeästi osallistu Cyp2a5:n säätelyyn. Hemin ylimäärä stimuloi CYP2A5:n määrää ER-kalvostolla, Nrf2-riippumattomasti stimuloituvan HMOX1 rajoittaessa Nrf2-reitin aktivaatiota. Hemisynteesin estyessä Nrf2 aktivoi Cyp2a5-geeniä muiden mekanismien kuten peroksisomiproliferaattori-aktivoituva reseptori gamman koaktivaattori-1α (PGC-1α) kanssa. Fenobarbitaali (PB), dibutyryyli-syklinen adenosiinimonofosfaatti (db-cAMP) ja PGC-1α lisäävät tunnetusti hemisynteesiä. Nrf2 havaittiin Cyp2a5:n aktivaatiolle välttämättömäksi akuutissa mutta ei kroonisessa PB-altistuksessa ilman selkeästi havaittua hemin osuutta. Cyp2a5-geenin db-cAMP- ja PGC-1α-vasteinen stimulaatio voimistui merkittävästi toimivan Nrf2-reitin puuttuessa, mikä osoittaa vuoropuhelua Nrf2 ja PGC-1α välillä. Väitöskirjatyössä Cyp2a5 tunnistettiin herkäksi Nrf2-reitin aktivaation maksamarkkeriksi, jota voitaisiin hyödyntää esim. lääkeainekandidaattien maksatoksisuuden seulonnassa soluviljelyssä. CYP2A5:n ja HMOX1:n solunsisäinen kohdentuminen ja ekspressio koordinoituvat hemimetabolian muutoksissa, mikä tukee teoriaa CYP2A5:n roolista bilirubiinin metaboliassa maksassa.

Abstract There are various after-use options on the cut-away peatlands, depending on the characteristics of the soil. If the soil is devoid of rock, cultivation of reed canary grass is a profitable after-use option. The aim of this study was to determine how characteristics of peat, peatland surroundings and fertilizers influence the element uptake of reed canary grass. In the present investigation the peat production areas of Luesuo, Piipsanneva and Jouttenisenneva were selected as study areas. A comprehensive sampling programme was carried out in each of the study areas. In addition, two experimental areas for cultivation of reed canary grass were established in Luesuo and Hankilanneva between 2004 and 2005. The results obtained indicate that all study areas were suitable for cultivating reed canary grass, but fertilizers must be added to make up nutrient deficiencies. The study areas were very clean from heavy metals. The results also suggest that the characteristics of peat or surroundings of peatland do not influence the nutrient level of peat significantly, considering the cultivation of reed canary grass. The large geochemical provinces have a smaller impact on nutrient and heavy metal levels in the peat on the peat cut-away areas compared to smaller geochemical units. Heavy metal content in the peat and in the mineral soil under the peat seems to correlate. Reed canary grass does not uptake heavy metals from the cultivation media effectively. Liming slag was better for liming in cultivation of reed canary grass than ash. Although ash has large amounts usable nutrients, especially potassium, it did not raise the heavy metal content in peat to harmful levels, it can therefore be used in the cultivation of reed canary grass. Stock fertilized fur animal manure compost produced almost as much biomass as optimized artificial fertilizers. After the correction of nutrient deficiencies, compost is suitable for the cultivation of reed canary grass in peatlands. Because the total nutrient levels are high in compost, its fertilizer effect lasts longer than in artificial fertilizers, where nutrients are all in a dissolved form. Already in the first growing season the cultivation of reed canary grass changed the cut-away peatland from a carbon source to a carbon sink. In this respect, the reed canary grass cultivation can be used to produce bioenergy to replace fossil fuels in accordance with the goals of Kyoto Protocol. / Tiivistelmä Turvetuotannosta vapautuneella suopohjalla toteutetaan erilaisia jälkikäyttötapoja riippuen suopohjan ominaisuuksista. Jos suopohja on kohtuullisen kivetöntä, ruokohelpiviljely on kannattavaa. Viljelty ruokohelpi poltetaan turpeen tai hakkeen seassa. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli selvittää miten pohjaturpeen ja suopohjan ympäristöalueiden ominaisuudet sekä viljelyyn käytetyt lannoite- ja kalkitusaineet vaikuttavat ruokohelpin käyttämiin ravinteisiin. Ruokohelpiviljelyn lannoituskustannukset ovat suuret, joten suopohjan luontainen ravinnetila kannattaa huomioida lannoitusta suunniteltaessa. Suopohjan ravinnetila saadaan selville laatimalla alueelle viljavuusanalyysi. Kyseisen analyysin yhteydessä on hyödyllistä tehdä myös raskasmetallianalyysit, jotta viljelykäyttöön tulevan suopohjan puhtaudesta voidaan varmistua. Tutkimuksen kohdealueiksi valittiin Luesuon, Piipsannevan ja Jouttenisennevan turvetuotantoalueet. Lisäksi tutkimusta varten perustettiin ruokohelpin viljelykoealueet Luesuolle ja Hankilannevalle vuosina 2004 ja 2005. Tutkimusalueilla suoritettiin kattava näytteenotto. Näytteistä analysoitiin tärkeimmät kasviravinteet sekä joukko raskasmetalleja. Tulosten perusteella tutkimusalueille laadittiin viljavuusluokittelu. Tutkimusalueet soveltuvat hyvin ruokohelpiviljelyyn, mutta ravinnepuutokset tulee korjata lannoituksella käytettäen suopohjille suositeltua lannoitusta. Tutkimusalueet osoittautuivat puhtaiksi raskasmetalleista. Tutkimuksen kohteina olleiden suopohjien liukoisen kaliumin ja fosforin pitoisuudet olivat hyvin alhaisia, eivätkä turpeen tai ympäristön ominaisuudet vaikuttaneet niiden pitoisuuksiin ruokohelpiviljelyn kannalta merkittävästi. Liukoisen magnesiumin ja kalsiumin pitoisuudet sen sijaan vaihtelivat tutkituilla suopohjilla kohtuullisen paljon riippuen turpeen ominaisuuksista. Geokemiallisella provinssilla ei todettu olevan niin suurta merkitystä suopohjien lopputurpeiden alkuainepitoisuuksiin kuin pienemmillä geokemiallisilla yksiköillä. Tutkittujen suopohjien turpeen ja sen alla olevan kivennäismaan raskasmetallipitoisuudet korreloivat keskenään. Tutkimustulosten mukaan kasvualustan raskasmetallit eivät siirry tehokkaasti ruokohelpiin. Poikkeuksena olivat sinkin ja molybdeenin pitoisuudet, joita ruokohelpissä esiintyi korkeampina pitoisuuksina kuin kasvualustassa. Haitallisten raskasmetallien pitoisuudet olivat huomattavasti alhaisempia ruokohelpissä kuin kasvualustassa. Ruokohelpi sisälsi raskasmetalleja erittäin pieninä pitoisuuksina, joten viimeisen kasvukuukauden muutokset olivat vaikeasti tulkittavissa. Näyttää kuitenkin siltä, että ruokohelpi siirtää ainakin osan kuparista, sinkistä ja molybdeenistä juuristoonsa talven ajaksi. Suoritettujen lannoituskokeiden perusteella teräskuona soveltuu voimalaitostuhkaa paremmin turvekentän kalkitukseen ruokohelpiviljelyssä. Voimalaitostuhka sisältää kuitenkin huomattavia määriä hyödynnettäviä ravinteita, etenkin kaliumia. Tutkimuksessa havaittiin, ettei voimalaitostuhka lisännyt edes ylisuurina annoksina kasvualustan raskasmetallipitoisuuksia haitallisesti, joten sitä voidaan käyttää ruokohelpiviljelyssä. Varastolannoitetulla kompostilla saavutettiin lähes yhtä hyvä ruokohelpisato kuin optimoidulla mineraalilannoitteella. Näin ollen turkislantakompostia voidaan ravinnekorjausten jälkeen käyttää mainiosti ruokohelpiviljelyyn. Kompostin ravinnevaikutus on myös suurten kokonaisravinnepitoisuuksien vuoksi pidempi kuin mineraalilannoitteilla. Fosforin varastolannoitus turkislantakompostilla onnistui ensimmäisen kasvukauden perusteella hyvin. Tutkimuksessa todettiin, että jo ensimmäisenä kasvukautena ruokohelpiviljelyllä saadaan muutettua hiililähteenä toimiva entinen turvetuotantoalue hiilinieluksi. Ruokohelpiviljelyllä tuotetulla bioenergialla voidaan lisäksi korvata fossiilisia polttoaineita Kioton ympäristösopimuksen tavoitteiden mukaisesti.