Microbial Community Composition Correlates with Metal Sorption in an Ombrotrophic Boreal Bog: Implications for Radionuclide Retention

Microbial communities throughout the 6.5 m depth profile of a boreal ombrotrophic bog were characterized using amplicon sequencing of archaeal, fungal, and bacterial marker genes. Microbial populations and their relationship to oxic and anoxic batch sorption of radionuclides (using radioactive tracers of I, Se, Cs, Ni, and Ag) and the prevailing metal concentrations in the natural bog was investigated. The majority of the detected archaea belonged to the Crenarchaeota, Halobacterota, and Thermoplasmatota, whereas the fungal communities consisted of Ascomycota, Basidiomycota, and unclassified fungi. The bacterial communities consisted mostly of Acidobacteriota, Proteobacteria, and Chloroflexi. The occurrence of several microbial genera were found to statistically significantly correlate with metal concentrations as well as with Se, Cs, I, and Ag batch sorption data. We suggest that the metal concentrations of peat, gyttja, and clay layers affect the composition of the microbial populations in these nutrient-low conditions and that particularly parts of the bacterial and archaeal communities tolerate high concentrations of potentially toxic metals and may concurrently contribute to the total retention of metals and radionuclides in this ombrotrophic environment. In addition, the varying metal concentrations together with chemical, mineralogical, and physical factors may contribute to the shape of the total archaeal and bacterial populations and most probably shifts the populations for more metal resistant genera

Microbial Community Composition Correlates with Metal Sorption in an Ombrotrophic Boreal Bog: Implications for Radionuclide Retention

Microbial communities throughout the 6.5 m depth profile of a boreal ombrotrophic bog were characterized using amplicon sequencing of archaeal, fungal, and bacterial marker genes. Microbial populations and their relationship to oxic and anoxic batch sorption of radionuclides (using radioactive tracers of I, Se, Cs, Ni, and Ag) and the prevailing metal concentrations in the natural bog was investigated. The majority of the detected archaea belonged to the Crenarchaeota, Halobacterota, and Thermoplasmatota, whereas the fungal communities consisted of Ascomycota, Basidiomycota, and unclassified fungi. The bacterial communities consisted mostly of Acidobacteriota, Proteobacteria, and Chloroflexi. The occurrence of several microbial genera were found to statistically significantly correlate with metal concentrations as well as with Se, Cs, I, and Ag batch sorption data. We suggest that the metal concentrations of peat, gyttja, and clay layers affect the composition of the microbial populations in these nutrient-low conditions and that particularly parts of the bacterial and archaeal communities tolerate high concentrations of potentially toxic metals and may concurrently contribute to the total retention of metals and radionuclides in this ombrotrophic environment. In addition, the varying metal concentrations together with chemical, mineralogical, and physical factors may contribute to the shape of the total archaeal and bacterial populations and most probably shifts the populations for more metal resistant genera.Peer reviewe

Sorption Behaviour of I-, SeO32- and Cs+ in an Ombrotrophic Boreal Bog : a Study on Microbial Effects

129I, 79Se and 135Cs are among the most important radionuclides in the biosphere safety assessments of the disposal of spent nuclear fuel. The sorption, retention and migration of these nuclides in the surface environment is of importance when the radiation doses for humans and other organisms in the future is considered. In this doctoral thesis the abiotic and biotic factors affecting the retention of iodide (I-), selenite (SeO32-) and cesium (Cs+) in a nutrient-poor boreal bog environment were investigated. Batch sorption experiments were used both for the bog layer samples from the surface moss, subsurface peat, gyttja and clay layers of the bog and for bacteria isolated from the bog. The bacteria isolates belonged to four different phyla: Pseudomonas, Rhodococcus, Burkholderia and Paenibacillus commonly found in the various environments. I- and SeO32- retention in the surface moss, peat, gyttja and clay was found to be strongly linked to the microbial activity found in this bog. Sterilization of the surface moss, peat, gyttja and clay samples significantly reduced the retention of both I- and SeO32- and anoxic conditions reduced the sorption of I-. These results supported the hypothesis that viable microbiota (bacteria/fungi) are necessary for the incorporation of I- into the organic matter and for the retention of SeO32- through microbiotically mediated reduction in the acidic bog environment and that I- is oxidized into I2 and/or HIO prior to its incorporation into the organic matter. In the case of SeO32- the removal from the solution phase presumably takes place via reduction of SeO32- into insoluble Se0 (and possible further reduction to Se2-, which reacts with iron). Some proportion of abiotic reduction of SeO32- in association with sulfide oxidation is possible, but the majority of the reduction is assumed to occur microbiotically. This is supported by the observation that SeO32- removal from the solution was at the same level both under oxic and anoxic conditions, but was decreased as samples were sterilized and incubated under oxic conditions. In addition the bacteria isolated from the bog were found to remove both I- and SeO32- from the solution, although the removal was considerably higher for SeO32-. The behaviour of Cs+ was affected by both abiotic and biotic factors (i.e. pH, clay minerals and bacteria) in the acidic nutrient-poor boreal bog investigated in this thesis. Increase in the pH, increased the sorption of Cs+ in all studied bog layers and highest sorption was observed in the bottom layer of the bog. In this layer, clay minerals, especially illite, were found. Sterilization of the samples decreased the sorption of Cs+, but the difference between sterilized and unsterilized samples was not statistically significant. However the bacteria isolated from the bog were found to remove Cs+ from the solution, though the extend of the removal was significantly lower than that observed for SeO32-. In addition implications on the importance of plant uptake and rhizoidosphere effects of Sphagnum moss on the Cs+ retention in the surface layer of the bog were observed.Ydinenergian tuotannossa syntyy käytettyä ydinpolttoainetta, joka Suomessa loppusijoitetaan Olkiluodon saaren kallioperään rakennettavaan loppusijoitustilaan. Jääkauden jälkeisen maankohoamisen seurauksena Olkiluoto yhtyy manner-Suomeen seuraavan 6000 vuoden aikana ja alueelle kehittyy uusia soita. Ydinjätteen loppusijoitukseen liittyvien turvallisuuslaskelmien mukaan ensimmäiset päästöt loppusijoitustilasta pinta-ekosysteemiin saattavat olla mahdollisia samaan aikaan soistumisen kanssa, mikäli loppusijoituskapselien oletettaisiin vuotavan. Suoalueet peittävät kolmanneksen Suomen pinta-alasta ja ne ovat tärkeitä hiilen ja makeanveden varastoja pohjoisilla ja arktisilla alueilla. Jodin, seleenin ja cesiumin pitkäikäiset radioaktiiviset isotoopit, 129I, 79Se ja 135Cs kuuluvat tärkeimpien nuklidien joukkoon arvioitaessa tulevaisuudessa ihmiselle loppusijoituksesta mahdollisesti aiheutuvia säteilyannoksia. Radioaktiivisten aineiden liikkuvuuteen ympäristössä vaikuttaa paitsi niiden kemiallinen muoto, myös niiden pidättyminen, eli sorptio, erilaisille pinnoille. Jodi ja seleeni voivat esiintyä ympäristössä useissa eri muodoissa, joista tärkeimpiä ovat anioniset, negatiivisesti varautuneet, liukoiset muodot kuten jodidi (I-) ja seleniitti (SeO32-). Cesium puolestaan esiintyy liukoisena, positiivisesti varautuneena kationina (Cs+). Tässä väitöskirjassa tutkittiin jodidin, seleniitin ja cesiumin kulkeutumiseen ja pidättymiseen vaikuttavia mikrobiologisia (bioottisia) sekä epäorgaanisia (abioottisia) tekijöitä pohjoisessa, vähäravinteisessa suoympäristössä. Mikrobien vaikutus radionuklidien käyttäytymiseen oli tämän tutkimuksen tärkein lähtökohta, sillä vaikka kosteikkojen mikrobiologiaa on tutkittu jo useita vuosikymmeniä, pohjoisten soiden mikrobitoiminnan vaikutukset radionuklidien käyttäytymiseen ovat edelleen pääosin tuntemattomia. Sorptiokokeissa käytettiin sammalta, turvetta, liejua ja savea suon eri kerroksista. Lisäksi eri kerroksista eristettiin yleisesti ympäristössä esiintyviä Pseudomonas, Rhodococcus, Burkholderia ja Paenibacillus sukujen bakteereja, joiden kykyä poistaa radioaktiivista jodidia, seleniittiä ja cesiumia liuoksesta (ravinneliuos / simuloitu suovesi) tutkittiin laboratorio-olosuhteissa (in vitro). Sammal-, turve-, lieju- ja savinäytteiden sterilointikokeisiin perustuen, todettiin jodidin ja seleniitin pidättymisen olevan yhteydessä mikrobien toimintaan. Lisäksi hapettomat olosuhteet heikensivät merkittävästi jodidin pidättymistä eri suokerroksiin. Sterilointi heikensi myös cesiumin pidättymistä eri suokerroksissa, mutta ero steriloidun ja steriloimattoman näytteen välillä ei ollut tilastollisesti merkittävä. Suosta eristetyt bakteerit poistivat kuitenkin radioaktiivisen jodidin ja seleniitin lisäksi myös cesiumia ravinneliuoksesta / simuloidusta suovedestä in vitro. Poistuma oli suurinta seleniitille ja tehokkaimmin tutkittavia radionuklideja liuoksesta poistivat Pseudomonas ja Paenibacillus sukujen bakteerit. Käytetyn ravinneliuoksen lisäksi bakteerien kykyyn poistaa radionuklideja liuoksesta vaikutti myös lämpötila. Cesiumin liikkuvuuteen vaikutti lisäksi suon pohjan savimineraalipitoinen kerros, johon cesium pidättyi voimakkaammin kuin ylempiin lieju-, turve- ja sammalkerroksiin. Liuoksen happamuuden todettiin vaikuttavan kaikkien tutkittujen nuklidien pidättymiseen kaikissa suokerroksissa. Tässä väitöskirjassa saatu uusi tieto mikrobien vaikutuksesta radionuklidien käyttäytymiseen pohjoisessa suoympäristössä sekä bakteerien kyvystä poistaa radioisotooppeja liuoksesta tukevat olettamusta maaperän mikrobien (bakteerit / sienet) välttämättömyydestä sekä liukoisen jodidin että seleniitin poistumiseksi liuosfaasista. Radioaktiivisen jodidin kiinnittyminen orgaaniseen ainekseen bakteerien hapetustoiminnan seurauksena, seleniitin pelkistyminen bakteerien toimesta sekä jodidin, seleniitin ja cesiumin siirtyminen bakteerisoluihin, voivat vähentää näiden nuklidien liikkuvuutta maaperässä ja vesistöissä ja edelleen ravintoketjuissa. Tämä mahdollistaisi esim. bakteerien käytön erilaisten saastuneiden alueiden puhdistuksessa

Ni(II) Interactions in Boreal Paenibacillus sp., Methylobacterium sp., Paraburkholderia sp., and Pseudomonas sp. Strains Isolated From an Acidic, Ombrotrophic Bog

The uptake of nickel [Ni(II)] by Paenibacillus sp., Methylobacterium sp., Paraburkholderia sp., and Pseudomonas sp. strains isolated from a boreal bog was studied using batch experiments. All strains removed Ni(II) from the solution and the uptake efficiency was affected by the nutrient source, incubation temperature, time, and pH. As highest Ni uptake (with a maximum K-d of 1890 L/kg DW) was recorded for the Pseudomonas sp. strains, these bacteria were used in the following protein expression (SDS-PAGE and MALDI-TOFF), transmission electron microscopy (TEM) and EDS experiments. In addition, Freundlich and Langmuir sorption isotherms were determined. In the Ni(II) treated cells, dense crystalline intra-cellular accumulations were observed in TEM examinations, which were identified as Ni accumulations using EDS. SDS-PAGE and MALDI-TOFF spectra of Ni(II) treated cells showed several changes in the protein profiles, which can indicate active accumulation of Ni in these bacteria. Concurrently, we observed Ni(II) uptake to follow Freundlich and Langmuir isotherms, suggesting straight cellular biosorption in addition to the intra-cellular accumulation. The role of cellular (cell membrane and cell wall) functional groups involved in Ni(II) binding were therefore studied using Fourier transformation infrared spectroscopy. These analyses supported the potential role of the alcoholic hydroxyl, carboxyl and amine groups in Ni(II) binding in these bacteria, therefore suggesting two different Ni(II) uptake mechanisms; (i) intra-cellular accumulation [possibly connected to detoxification of Ni(II)], and (ii) straight biosorption on cell membrane/wall functional groups.Peer reviewe

Sorption of inorganic radiocarbon on iron oxides

The sorption of inorganic radiocarbon on goethite, hematite and magnetite was studied as a function of carbon concentration, pH and ionic strength. It was discovered that the sorption of radiocarbon on magnetite was negligible in all studied conditions. The distribution coefficients of radiocarbon on hematite and goethite decreased with increasing pH whereas the ionic strength had only a slight decreasing effect on radiocarbon sorption. The sorption on goethite and hematite was modelled with PhreeqC using a generalized double-layer surface complexation model.Peer reviewe

Microbial communities in a former pilot-scale uranium mine in Eastern Finland – Association with radium immobilization

The bacterial, fungal and archaeal communities were characterized in 17 top soil organic and mineral layer samples and in top sediment samples of the Paukkajanvaara area, a former pilot-scale uranium mine, located in Eno, Eastern Finland. using amplicon sequencing and qPCR. Soil and sediment samples were in addition analyzed for (Ra-226), radium sulfate (SO42-), nitrate (NO3-) and phosphate (PO43-) concentrations. New bacterial strains, representing Pseudomonas spp., were isolated from the mine and reference area and used in laboratory experiments on uptake and leaching of radium (Ra). The effect of these strains on the sulfate leaching from the soil samples was also tested in vitro. Between 6 x 10(6) and 5 x 10(8) copies g(-1) DW (dry weight) of bacterial 16S rRNA genes, 5 x 10(5)-1 x 10(8) copies g(-1) DW archaeal 16S rRNA genes and 1 x 10(5)-1 x 10(8) copies g(-1) DW fungal 5.8S rRNA genes were detected in the samples. A total of 814. 54 and 167 bacterial, archaeal and fungal genera. respectively, were identified. Proteobacteria, Euryarchaeota and Mortiriella were the dominant bacterial, archaeal and fungal phyla, respectively. All tested Pseudomonas spp. strains isolates from Paukkajanvaara removed Ra from the solution, but the amount of removed Ra depended on incubation conditions (temperature, time and nutrient broth). The highest removal of Ra (5320 L/kg DW) was observed by the Pseudomonas sp. strain T5-6-I at 37 degrees C. All Pseudomonas spp. strains decreased the release of Ra from soil with an average of 23% while simultaneously increasing the concentration of SO42- in the solution by 11%. As Pseudomonas spp. were frequent in both the sequence data and the cultures, these bacteria may play an important role in the immobilization of Ra in the Paukkajanvaara mine area. (C) 2019 The Authors. Published by Elsevier B.V.Peer reviewe

Cores Symposium on Radiation in the Environment : Scientific Achievements and Challenges for the Society

Abstract The Finnish Consortium for Radiation Safety Research (Cores) organized a symposium “Radiation in the environment – scientific achievements and challenges for the society” in Helsinki on April 16–17, 2018. This report provides a compilation of the abstracts of the presentations, oral as well as posters, given in the symposium. The local organisers were University of Helsinki and STUK – Radiation and Nuclear Safety Authority. The objective of the symposium was to bring together scientists working in the broad field of environmental radioactivity, in particular among the Cores consortium, as well as stakeholders and end-users of the research. The symposium also honored the long and esteemed career of Prof. Jukka Lehto in radiochemistry upon his retirement from the position of professor of radiochemistry at the University of Helsinki. Altogether 109 participants registered in the symposium. The topics for the symposium covered analytical radiochemistry and various aspects of environmental radiation and radioecological research, ranging from radioactive fallout and deposition of nuclear waste to naturally occurring radioactive materials (NORM) and radon, modelling of transfer of radioactive substances in the environment as well as the effects of environmental radiation exposure on man and the biota. A summary of the presentations in the oral sessions is given in the introduction to the report.Tiivistelmä Kansallinen Säteilyturvallisuustutkimuksen yhteenliittymä (Cores) järjesti symposiumin ”Radiation in the environment – scientific achievements and challenges for the society” Helsingissä 16.–17. huhtikuuta 2018. Tähän raporttiin on koottuna symposiumin suullisten esitelmien ja postereiden englanninkieliset tiivistelmät. Järjestäjinä toimivat Helsingin yliopisto ja Säteilyturvakeskus. Symposiumin tavoitteena oli saattaa yhteen ympäristön radioaktiivisuuden parissa työskentelevät tutkijat, erityisesti Cores konsortion piirissä, sekä sidosryhmät ja tutkimustiedon loppukäyttäjät. Symposiumilla haluttiin myös kunnioittaa Helsingin yliopiston radiokemian professorin tehtävästä eläkkeelle siirtyvän prof. Jukka Lehdon pitkää ja ansiokasta uraa. Kaikkiaan symposiumiin ilmoittautui 109 osanottajaa. Symposiumin aihepiiri kattoi analyyttisen radiokemian lisäksi useita ympäristön radioaktiivisuuteen ja radioekologiseen tutkimukseen liittyviä teemoja aina radioaktiivisesta laskeumasta ja ydinjätteen loppusijoituksesta luonnon radioaktiivisiin materiaaleihin (NORM) ja radoniin, sekä radioaktiivisten aineiden kulkeutumisen mallintamiseen ja ympäristön säteilyaltistuksen vaikutuksiin ihmiseen ja eliökuntaan. Raportin johdannossa esitetään järjestäjien yhteenveto symposiumin tieteellisestä annista

The uptake of Ni2+ and Ag+ by bacterial strains isolated from a boreal nutrient-poor bog

Peer reviewe

Toimistotyöntekijöiden työhyvinvointi : Tauottamalla vähemmän istumista ja lisää yhteisöllisyyttä?

Runsas yhtämittainen istuminen on riski terveydelle. Työympäristöön tarvitaan erilaisia keinoja vähentää istumista ja lisätä fyysistä aktiivisuutta. Nykyään myös työskennellään useissa eri työyhteisöissä, jotka eivät välttämättä muodostu yhtä tiiviiksi kuin aiemmin. Tutkimuksessa selvitettiin taukoliikuntasovelluksen käytön vaikutuksia toimistotyöntekijöiden istumiseen, fyysiseen aktiivisuuteen ja yhteisöllisyyteen sekä työ- ja toimintakykyyn liittyviin tekijöihin. Tarkasteltiin sovelluksen käyttöönottoprosessia sekä vaikutuksia kustannuksiin ja työn tuottavuuteen. Interventio vähensi liikkumattomuutta ja lisäsi kevyttä liikkumista. Se tehosti muun muassa koettua palautumista, lisäsi tarmokkuutta sekä vähensi tuki- ja liikuntaelinten rasittuneisuutta. Yhteisöllisyyteen interventiolla oli vähäisiä vaikutuksia. Sovelluksen kokeilun onnistuminen ja käytön juurtuminen arkeen oli monimuotoinen prosessi. Se oli yhteydessä työntekijän omiin tarpeisiin, mieltymyksiin ja kokemuksiin sekä työhön, työyhteisöön ja työpaikkaan sovelluksen käytön eri vaiheissa

The reduction of selenium(IV) by boreal Pseudomonas sp. strain T5-6-I – Effects on selenium(IV) uptake in Brassica oleracea

Peer reviewe