From Sustainability-as-usual to Sustainability Excellence in Local Bioenergy Business

Bioenergy business operators can significantly contribute to the sustainability of bioenergy systems. While research has addressed the maturity of corporate responsibility for sustainability, the maturity levels of bioenergy business have not been determined. The objectives of this research were to characterise the maturity levels of bioenergy corporate responsibility for sustainability and outline an approach by which companies can operate at the most mature sustainability excellence level. Literature, three workshops attended by bioenergy experts and a case study on biobutanol production in Brazil were used to develop the maturity model and approach. The results characterise the profitability, acceptability, and sustainability orientation maturity levels through sustainability questions and methods, and list the components of a systemic, holistic approach. Although the shift of business mindset from sustainability-as-usual to sustainability excellence is challenging, a systemic approach is necessary to broadly identify sustainability questions and a multitude of methods by which they can be answered

Orgaaniset haitta-aineet puhdistamolietteissä

Paine lietteen hyväksikäyttöön maataloudessa on lisääntymässä. Yhdyskuntajätevedenpuhdistamojen lietteet sisältävät paljon ravinteita varsinkin fosforia, minkä vuoksi niillä voidaan korvata epäorgaanisia lannoitteita. Aiemmin lietteiden käyttöä lannoitustarkoituksessa rajoitti ennen kaikkea niiden sisältämät raskasmetallit, mutta nykyään nämä pitoisuudet Suomessa alittavat raja-arvot. Tämän lisäksi liete saattaa sisältää myös huomattavan määrän eri lähteistä peräisin olevia pysyviä orgaanisia yhdisteitä. Tällaisia ovat mm. erilaiset palonestoaineet, pintakäsittelyaineet, muovin pehmentimet, erilaiset lääkeaineet sekä kosmetiikan sisältämät yhdisteet. Lietteille tai niistä jalostetuille orgaanisille lannoitevalmisteille ei vielä ole asetettu ohje- tai raja-arvoja haitallisten tai pysyvien orgaanisten yhdisteiden suhteen. Lietteessä esiintyvistä lukuisista yhdisteiden joidenkin on myös havaittu kertyvän maaperään ja sieltä edelleen kasveihin tai eliöihin. Tässä selvityksessä tarkasteltiin kirjallisuustietojen perusteella erilaisten haitallisten aineiden esiintymistä yhdyskuntien puhdistamolietteissä lähinnä Suomessa ja muissa pohjoismaissa. Lietteiden turvallisen hyötykäytön arvioimiseksi tarvitaan nykyistä laajempaa tietoa erilaisten yhdisteiden esiintymisestä ja käyttäytymisestä jätevedenpuhdistamolietteissä sekä niistä lannoitevalmisteiksi tai maanparannusaineiksi jalostetuissa lopputuotteissa. Selvityksen perusteella etenkin dioksiinien (PCDD/F), polykloorattujen bifenyylien (PCB), dioksiinien kaltaisten polykloorattujen bifenyylien (DL-PCB), heksabromisyklododekaanin (HBCD), polyaromaattisten hiilivetyjen (PAH), polybromattujen difenyyliettereiden (PBDE), PFAS -ryhmän yhdisteistä perfluorioktaanisulfonaatin (PFOS) sekä eräiden PPCP – (Pharmaceuticals and Personal Care Products) yhdisteiden (triklosaani, sitalopraami ja diklofenaakki) havaittiin pidättyvän melko tehokkaasti sekä lietteeseen että maaperän pintakerrokseen

Greenhouse gas observation network design for Africa

An optimal network design was carried out to prioritise the installation or refurbishment of greenhouse gas (GHG) monitoring stations around Africa. The network was optimised to reduce the uncertainty in emissions across three of the most important GHGs: CO2, CH4, and N2O. Optimal networks were derived using incremental optimisation of the percentage uncertainty reduction achieved by a Gaussian Bayesian atmospheric inversion. The solution for CO2 was driven by seasonality in net primary productivity. The solution for N2O was driven by activity in a small number of soil flux hotspots. The optimal solution for CH4 was consistent over different seasons. All solutions for CO2 and N2O placed sites in central Africa at places such as Kisangani, Kinshasa and Bunia (Democratic Republic of Congo), Dundo and Lubango (Angola), Zoétélé (Cameroon), Am Timan (Chad), and En Nahud (Sudan). Many of these sites appeared in the CH4 solutions, but with a few sites in southern Africa as well, such as Amersfoort (South Africa). The multi-species optimal network design solutions tended to have sites more evenly spread-out, but concentrated the placement of new tall-tower stations in Africa between 10ºN and 25ºS. The uncertainty reduction achieved by the multi-species network of twelve stations reached 47.8% for CO2, 34.3% for CH4, and 32.5% for N2O. The gains in uncertainty reduction diminished as stations were added to the solution, with an expected maximum of less than 60%. A reduction in the absolute uncertainty in African GHG emissions requires these additional measurement stations, as well as additional constraint from an integrated GHG observatory and a reduction in uncertainty in the prior biogenic fluxes in tropical Africa

Haitallisten orgaanisten yhdisteiden esiintyminen yhdyskuntajätevedenpuhdistamoilla ja kaatopaikoilla

Kemikaalien riskinhallinnan tavoitteena on tunnistaa markkinoilla olevista tuhansista kemikaaleista ennakolta sellaiset aineet, jotka voivat aiheuttaa haittaa ympäristössä, sekä varmistaa, että niiden käyttö on riskitöntä. Haitallisten aineiden riskinhallinnan ongelmana ovat puutteelliset tiedot aineiden ominaisuuksista, käytöstä, päästöistä sekä esiintymisestä ympäristössä. Kansallisen vaarallisia kemikaaleja koskevan ohjelman yhtenä tavoitteena on parantaa tätä tietopohjaa. Kartoituksella saatiin tietoa yhdyskuntajäteveden ja -lietteen sekä kaatopaikkojen suotoveden sisältämistä kemikaaleista. Kartoitus painottui POP-yhdisteisiin ja vaarallisten aineiden asetuksen mukaisiin haitallisiin ja vaarallisiin aineisiin. Useita tutkittuja aineita päätyy vesiympäristöön puhdistetun yhdyskuntajäteveden kautta, mutta vielä useampia aineita kaatopaikkojen suotoveden kautta. Lisäksi monia aineita löytyy puhdistamolietteestä. Johtopäätösten tekemistä vaikeuttaa suomalaisen mitatun pitoisuustiedon vähäisyys ja huono vertailukelpoisuus johtuen mm. erilaisista analyysimenetelmistä ja määritysrajoista, mitatuista isomeereistä tai siitä, että tulokset on raportoitu liian yleisellä tasolla. Vaarallisten aineiden riskinhallinnassa pyritään pintaveden ympäristönlaatunormien alittumisen lisäksi siihen, että niiden päästöt ympäristöön loppuvat ja niitä ei löydetä ympäristöstä. Vastaavasti haitallisten aineiden riskinhallinnassa tavoitteena on pintaveden ympäristönlaatunormien alittumisen lisäksi se, että niiden päästöt vesiympäristöön vähentyvät. Tämä selvitys on edistänyt kansallisen kemikaaliohjelman altistumiseen liittyviä toimenpiteitä. Seuraava vaihe toimenpiteiden toteuttamisessa on päästömäärien arviointi koko Suomen tasolla yhdyskuntajätevedenpuhdistamoilta ja kaatopaikoilta

Opportunities for an African greenhouse gas observation system

Global population projections foresee the biggest increase to occur in Africa with most of the available uncultivated land to ensure food security remaining on the continent. Simultaneously, greenhouse gas emissions are expected to rise due to ongoing land use change, industrialisation, and transport amongst other reasons with Africa becoming a major emitter of greenhouse gases globally. However, distinct knowledge on greenhouse gas emissions sources and sinks as well as their variability remains largely unknown caused by its vast size and diversity and an according lack of observations across the continent. Thus, an environmental research infrastructure—as being setup in other regions—is more needed than ever. Here, we present the results of a design study that developed a blueprint for establishing such an environmental research infrastructure in Africa. The blueprint comprises an inventory of already existing observations, the spatial disaggregation of locations that will enable to reduce the uncertainty in climate forcing’s in Africa and globally as well as an overall estimated cost for such an endeavour of about 550 M€ over the next 30 years. We further highlight the importance of the development of an e-infrastructure, the necessity for capacity development and the inclusion of all stakeholders to ensure African ownership

The Integrated Carbon Observation System in Europe

Since 1750, land-use change and fossil fuel combustion has led to a 46% increase in the atmospheric carbon dioxide (CO2) concentrations, causing global warming with substantial societal consequences. The Paris Agreement aims to limit global temperature increases to well below 2 degrees C above preindustrial levels. Increasing levels of CO2 and other greenhouse gases (GH6s), such as methane (CH4) and nitrous oxide (N2O), in the atmosphere are the primary cause of climate change. Approximately half of the carbon emissions to the atmosphere are sequestered by ocean and land sinks, leading to ocean acidification but also slowing the rate of global warming. However, there are significant uncertainties in the future global warming scenarios due to uncertainties in the size, nature, and stability of these sinks. Quantifying and monitoring the size and timing of natural sinks and the impact of climate change on ecosystems are important information to guide policy-makers' decisions and strategies on reductions in emissions. Continuous, long-term observations are required to quantify GHG emissions, sinks, and their impacts on Earth systems. The Integrated Carbon Observation System (ICOS) was designed as the European in situ observation and information system to support science and society in their efforts to mitigate climate change. It provides standardized and open data currently from over 140 measurement stations across 12 European countries. The stations observe GHG concentrations in the atmosphere and carbon and GHG fluxes between the atmosphere, land surface, and the oceans. This article describes how ICOS fulfills its mission to harmonize these observations, ensure the related long-term financial commitments, provide easy access to well-documented and reproducible high-quality data and related protocols and tools for scientific studies, and deliver information and GHG-related products to stakeholders in society and policy.Peer reviewe

Photochemical Mineralization of Terrigenous DOC to Dissolved Inorganic Carbon in Ocean

When terrigenous dissolved organic carbon (tDOC) rich in chromophoric dissolved organic matter (tCDOM) enters the ocean, solar radiation mineralizes it partially into dissolved inorganic carbon (DIC). This study addresses the amount and the rates of DIC photoproduction from tDOC and the area of ocean required to photomineralize tDOC. We collected water samples from 10 major rivers, mixed them with artificial seawater, and irradiated them with simulated solar radiation to measure DIC photoproduction and the photobleaching of tCDOM. The linear relationship between DIC photoproduction and tCDOM photobleaching was used to estimate the amount of photoproduced DIC from the tCDOM fluxes of the study rivers. Solar radiation was estimated to mineralize 12.5 +/- 3.7 Tg C yr(-1) (10 rivers)(-1) or 18 +/- 8% of tDOC flux. The irradiation experiments also approximated typical apparent spectral quantum yields for DIC photoproduction (phi(lambda)) over the entire lifetime of the tCDOM. Based on phi(lambda)s and the local solar irradiances in river plumes, the annual areal DIC photoproduction rates from tDOC were calculated to range from 52 +/- 4 (Lena River) to 157 +/- 2 mmol C m(-2) yr(-1) (Mississippi River). When the amount of photoproduced DIC was divided by the areal rate, 9.6 +/- 2.5 x 10(6) km(2) of ocean was required for the photomineralization of tDOC from the study rivers. Extrapolation to the global tDOC flux yields 45 (31-58) Tg of photoproduced DIC per year in the river plumes that cover 34 (25-43) x 10(6) km(2) of the ocean.Peer reviewe

Linking water and carbon cycles : modeling latent heat exchange and dissolved organic carbon

Water and carbon cycles of the Earth are tightly linked to each other. One linkage of these cycles is through the water use efficiency of photosynthetic production its interactions with drought, and its possible changes. A second linkage between the water and carbon cycles: the transport of terrestrial carbon as dissolved organic carbon (DOC) to aquatic ecosystems has received much less attention and is, therefore, the subject of this thesis. The thesis shows that latent heat exchange in boreal and arctic biomes differs, under similar climatic conditions, between different land cover types in the boreal and arctic climatic zones. Furthermore, we found that there are large differences in the way ecosystems are exchanging water in the winter and the summer. Winter time surface resistances were much higher and the transition between the winter and summer phenological stages was slow. Similarly, stream water DOC concentrations show high temporal and spatial variability between different catchments in boreal landscapes and globally between big river systems. The model, developed here and applied to a boreal catchment simulates stream water DOC concentrations as a function of catchment water storage, soil temperature and runoff. The model is parsimonious, i.e. all parameters could be estimated statistically and it its performed better than previous models for the 18 partially nested sub-catchments of the Kryckland research area. Finally, the contribution of terrestrial DOC promoting heterotrophic food webs in coastal waters was quantified after receiving a radiation dose corresponding UV-radiation absorbed by Earth s surface in a month. Irradiation removed approximately half from the initial terrestrial chromophoric dissolved organic matter (tCDOM) suggesting that sun-light induced photochemistry is a significant sink of tCDOM in coastal waters. Tropical rainforest covered large basins of Amazon and Congo Rivers contributed the highest production of biologically labile photoproducts (BLPs) and the highest tCDOM fluxes of investigated rivers, which might be linked to large water fluxes and carbon sequestration in their basins. A strong relationship between photobleaching of tCDOM and bacterial production based on bioavailable labile photoproducts (BLPs) was found and used to estimate BLP production globally. Extrapolation of production revealed that the majority of tDOC will be mineralized to CO2 either directly or through bacterial respiration in coastal waters. In these research articles, I have investigated biogeochemical cycles of water and carbon focusing to latent heat exchange and DOC dynamics in landscapes, as well as, in coastal waters, describing their variability across space and time.Veden hydrologinen kierto ja globaalistikin tärkeät alkuaineiden kierrot kuten hiilenkierto liittyvät kiinteästi toisiinsa. Yksi merkittävimmistä sidoksista vesi- ja hiilivoiden voiden välillä on fotosynteettisen tuotannon vedenkäytön tehokkuus ja sen merkitys mm. kuivuudelle. Toinen merkittävä sidos veden- ja hiilenkierron välillä on maaekosysteemien fotosynteettistä alkuperää olevan liuenneen, värillisen orgaanisen hiilen kulkeutuminen vesiekosysteemeihin, joissa se vaikuttaa suuresti mm. perustuotannon edellytyksiin ja sitä kautta ihmiseen asti ulottuvien ravintoverkkojen toimintaan. Tässä työssä pyrittiin mallintamisen avulla selvittämään, miten pohjoisella havumetsävyöhykkeellä vallitseva kasvillisuuspeite vaikuttaa haihduntaan sekä virtavesiin päätyvän liuenneen orgaanisen aineen määrään. Tutkimuksessa käytettiin pääosin vapaasti saatavilla olevia FLUXNET-tietokannan mikrometeorologisia aineistoja, jotka kattavat valtaosan pohjoisesta havumetsävyöhykkeestä. Lisäksi hyödynnettiin aikaisemmin julkaistuja tuloksia virtavesien liuenneen orgaanisen hiilen pitoisuuksista intensiivisesti monitoroidulta tutkimusalueelta Ruotsista. Työssä osoitettiin, että havumetsävyöhykkeellä ja arktisilla alueilla latenttiin lämmönvaihtoon eli veden haihduntaan vaikuttaa samallakin ilmastovyöhykkeellä suuresti vallitseva metsä- tai kasvillisuustyyppi. Esimerkiksi mallinnettu tundratyyppisen kasvillisuuden haihdunta oli vain puolet lehtimetsän haihdunnasta. Tutkimuksessa havaittiin myös huomattavia kesän ja talven välisiä eroja tavassa, jolla ekosysteemit käyttävät vettä. Sopeutuminen talveen aiheutti kasvillisuudessa ilmarakojen toimintaan liittyviä fysiologisia muutoksia, jonka johdosta talvi- ja kesätilan väliset erot olivat suuria. Siirtyminen talvitilasta kesänaikaiseen fysiologiseen tilaan, jossa haihdunta oli suurinta, tapahtui hitaammin kuin yhteyttämiselle on aikaisemmin raportoitu. Muutoksen nopeus vaihteli kasvillisuus- ja metsätyypeittäin ja tapahtui keskimäärin nopeammin tundra- ja suokasvillisuuden dominoimissa ympäristöissä kuin havupuu- ja lehtimetsissä. Havumetsävyöhykkeen valuma-alueilla ja virtavesissä oli suurta ajallista ja paikallista vaihtelua liuenneen orgaanisen hiilen pitoisuuksissa. Tässä työssä kehitettiin hydrologian ja liuenneen orgaanisen hiilen pitoisuudet yhdistävä malli, jota sovellettiin boreaaliselle valuma-alueelle simuloimaan virtaveden liuenneen orgaanisen hiilen pitoisuuksia. Näitä pitoisuuksia tarkasteltiin suhteessa valuma-alueen vesivarastoon, maaperän lämpötilaan ja jokien virtaamaan. Malli on pelkistetty kuvaus fysikaalisesta ympäristöstä, ja sen parametrit voidaan ratkaista yksinkertaisilla tilastollisilla menetelmillä. Yksinkertaisuudestaan huolimatta se kuvasi tutkimuksessa käytettyjä 18 metsäistä osavaluma-aluetta paremmin kuin aiemmin käytetyt mallit. Maaekosysteemeistä peräisin olevan liuenneen orgaanisen hiilen merkitystä toisenvaraisille rannikkovesien ravintoverkoille arvioitiin sen jälkeen, kun se oli alistettu UV-säteilylle, jonka määrä vastasi maan pinnan kuukaudessa vastaanottamaa säteilyannosta. Tutkitut jokivesinäytteet kattoivat kymmenen maapallon suurimpiin lukeutuvaa jokea. Niiden valunta integroi viiden mantereen maaekosysteemien liuenneen orgaanisen hiilen kulkeutumisen valtameriin, ja ne kuljettavat 33 % kaikkien jokien kuljettamasta makeasta vedestä. Kokeellinen säteilytys hajotti keskimäärin puolet värillisestä liuenneesta orgaanisesta hiilestä, mikä viittaa siihen, että auringonvalon aiheuttamat valokemialliset reaktiot ovat merkittävä värillisen liuenneen orgaanisen hiilen nielu rannikkovesissä. Trooppisten sademetsien kattamat laajat alueet Amazon- ja Kongo- jokien valuma-alueilla ilmeisesti vaikuttivat biologisesti käyttökelpoisten, valokemiallisesti tuotettujen yhdisteiden suuriin tuotantomääriin ja siten suuriin liuenneen värillisen hiilen voihin näillä globaalisti tärkeillä joilla. Tulosten taustalla saattaa olla tekijöitä, jotka kytkeytyvät suureen hiilen sidontaan valuma-alueella ja toisaalta jokien suuriin virtaamiin. Maaekosysteemeistä peräisin olevan värillisen liuenneen orgaanisen hiilen valohaalistumisen ja valokemiallisesti tuotettuihin biologisesti käyttökelpoisiin substraatteihin perustuvan bakteerituotannon välillä havaittiin voimakas riippuvuussuhde. Tätä suhdetta hyväksikäyttämällä arvioitiin valokemiallisesti tuotettujen biologisesti käyttökelpoisten yhdisteiden maailmanlaajuista tuotantoa. Tutkimus paljasti, että suurin osa värillisestä liuenneesta orgaanisesta hiilestä mineralisoituu rannikkovesissä hiilidioksidiksi joko suoraan tai bakteerihengityksen kautta

Assessing the climate impacts of oat straw as a raw material

Straw is an interesting renewable feedstock for various high-value products, such as textile fibers. However, straw encompass to soils maintains a good soil structure, fertility, and carbon storage. Despite the availability of previous research on this topic, uncertainties remain regarding the climate and soil impacts of straw collection. This study aims to show the carbon footprint (CF) of straw collection compared with that of soil encompass. The goal is to demonstrate uncertainties related to initial data and methodological assumptions on whether straw is regarded as a waste or a coproduct and illustrate where more measured data is needed. Life cycle assessment method was used to conduct this study and the data therein were gotten from literature. The results show that straw removal can lead to reduced greenhouse gas emissions in comparison to soil encompass because of reduced nitrogen fertilizing needs and subsequent N2O emissions. However, there is high uncertainty related to soil organic carbon (SOC) and N2O emission changes because of straw removal. It is also possible that greenhouse gas emissions increase due to straw removal. Straw seems to have a relatively low CF, especially when it is regarded as a waste. Coproduct interpretation significantly increases the emissions allocated for straw. Straw also stores carbon, and its total CF can be negative. The life cycle length of the straw-based end products determines how long carbon can be stored before it is released back into the atmosphere. Total greenhouse gas emission balance at a system level can be defined only when also straw refining and manufacturing of replaced final products are considered. Additional information is needed, especially on soil emissions (N2O and CH4) and impacts on SOC storage, to ensure the sustainability of straw-based products

The effect of iron on the biodegradation of natural dissolved organic matter

Iron (Fe) may alter the biodegradation of dissolved organic matter (DOM), by interacting with DOM, phosphorus (P), and microbes. We isolated DOM and a bacterial community from boreal lake water and examined bacterial growth on DOM in laboratory experiments. Fe was introduced either together with DOM (DOM-Fe) or into bacterial suspension, which led to the formation of insoluble Fe precipitates on bacterial surfaces (Fe coating). In the latter case, the density of planktonic bacteria was an order of magnitude lower than that in the corresponding treatment without introduced Fe. The association of Fe with DOM decreased bacterial growth, respiration, and growth efficiency compared with DOM alone at the ambient concentration of dissolved P (0.16 µmol L−1), indicating that DOM-associated Fe limited the bioavailability of P. Under a high concentration (21 µmol L−1) of P, bacterial biomass and respiration were similar or several times higher in the treatment where DOM was associated with Fe than in a corresponding treatment without Fe. Based on the next generation sequencing of 16S rRNA genes, Caulobacter dominated bacterial communities grown on DOM-Fe. This study demonstrated that association of Fe with a bacterial surface or P reduces bacterial growth and the consumption of DOM. In contrast, DOM-Fe is bioavailable and bound Fe can even stimulate bacterial growth on DOM when P is not limiting.peerReviewe