Stabilization of natural and synthetic indigo on nanocellulose network - Towards bioactive materials and facile dyeing processes

Publisher Copyright: © 2021 The AuthorsSynthetic dyes are vastly used for colouring numerous materials, although the adverse effects on environment are well recognized. In addition to developing the existing dyeing technologies more efficient and cleaner, the valorisation of natural dyes can enhance the sustainable development of dyeing industry. Natural indigo, derived from Isatis tinctoria, is a bio-based alternative for indigo produced via chemical synthesis routes. Owing to the insoluble character of indigo pigment, the dye requires conversion into soluble leucoindigo form prior to dyeing, which is often accomplished by using harsh sodium dithionite vat technique. During the processing from plant to dye attached on a fabric, indigo is transferred from the soluble leucoindigo form to the oxidized insoluble indigo and once more back to leucoindigo. Additionally, the oxidation is difficult to control and with traditional vat technique maintaining the leucoindigo through the dyeing often requires adding more reducing agent chemicals. Maintaining the soluble form throughout the process would enable lower number of processing steps and reduce the use of harmful chemical agents. In the present study, the stabilization of leucoindigo on nanocellulose matrix carrier was investigated with spectroscopic and photophysical methods. According to the results, leucoindigo was successfully stabilized on nanocellulose suspension, most likely due to the limited rate of oxygen diffusion into the viscous medium. Visual observations revealed that the leuco-form was retained even longer with natural indigo than synthetic indigo. This enhanced stability was attributed to the presence of radical scavenging species in natural indigo since the synthetic indigo did not show notable antioxidant properties. Given the promising results the paste formulation was demonstrated to be applicable for creating patterns on cotton using a screen-printing technique. Since the leucoindigo was stabilized on nanocellulose carrier, the need for re-reduction prior to dyeing was avoided and the amount of harmful reducing chemicals was reduced. These findings also show that the characteristics of natural dyes that are often considered disadvantageous compared to synthetic dyestuff, i.e. presence of co-products in the mixture, can however, create more value to the dyed material through new functionalities.Peer reviewe

Nanocellulose-based mechanically stable immobilization matrix for enhanced ethylene production: a framework for photosynthetic solid-state cell factories

Cell immobilization is a promising approach to create efficient photosynthetic cell factories for sustainable chemical production. Here, we demonstrate a novel photosynthetic solid-state cell factory design for sustainable biocatalytic ethylene production. We entrapped cyanobacteria within never-dried hydrogel films of TEMPO-oxidized cellulose nanofibers (TCNF) cross-linked with polyvinyl alcohol (PVA) to create a self-standing matrix architecture. The matrix is operational in the challenging submerged conditions and outperforms existing alginate-based solutions in terms of wet strength, long-term cell fitness, and stability. Based on rheological investigations, the critical strength of wet TCNF matrices is three times higher than in the existing immobilization matrices of alginate cross-linked with Ca2+. This is due to the rigid nature of the colloidal nanofiber network and the strong cross-linking with PVA, as opposed to polymeric alginate with reversible ionic Ca2+ bonds. The porous and hygroscopic nanofiber network also shields the cyanobacterial cells from environmental stress, maintaining photosynthetic activity during partial drying of films, and when submerged in the nutrient medium for long-term cultivation. Finally, TCNF matrices allow the ethylene-producing Synechocystis sp. PCC 6803 cells to operate in submerged conditions under high inorganic carbon loads (200 mM NaHCO3), where Ca2+-alginate matrices fail. The latter show severe cell leakage due to matrix disintegration already within 20 min of NaHCO3 supplementation. In contrast, TCNF-based matrices prevent cell leakage to the medium and restrict culture growth, leading to improved ethylene production yields. Furthermore, the operational capacity of the self-standing TNCF cell factory can be maintained long-term by periodically refreshing the nutrient medium. All in all, the results showcase the versatility and potential of cell immobilization with the never-dried colloidal TCNF matrix, paving the way towards novel biotechnological pathways using solid-state cell factories designed for efficient and sustainable production of e.g., monomers and fuels

Vihreän siirtymän osaamis- ja koulutustarpeet VISIOS

Vihreästä siirtymästä on tullut muutaman viime vuoden aikana keskeinen yhteiskunnan ja talouden suuntaa määrittävä periaate. Uuteen teknologiaan ja kiinteään pääomaan liittyvien investointien lisäksi tarvitaan niiden käyttöön ja kehittämiseen soveltuvaa osaamista. Käynnissä olevan vuosikymmenen aikana vihreän siirtymän työvoimatarve kohdistuu erityisesti energiatehokkuuden parantamisen, energiahuollon, rakentamisen ja liikenteen investointien tehtäviin. Työvoimatarpeet kohdistuvat monipuolisesti eri koulutustasojen osaajiin. Tässä siirtymän vaiheessa suorittavan työn työntekijöiltä vaadittava vihreä osaaminen ei poikkea merkittävästi työntekijöiden nykyisistä osaamisprofiileista. Tämä korostaa erityisesti jatkuvan oppimisen palvelujen tarvetta. Kaikkiaan vihreän siirtymän myötä korkean osaamisen ammattien ja tutkimusosaamisen kysyntä kasvaa, tukeutuuhan vihreä siirtymä pitkälti uusien ratkaisujen kehittämiseen ja soveltamiseen. Pidemmällä aikavälillä vihreä siirtymä vaikuttaa laajaan joukkoon ammatteja, kansalaisten arkisiin ratkaisuihin ja kokemuksiin yhteiskunnallisesta kehityksestä. Tähän kehitykseen vastaaminen edellyttää, että kestävyysosaamista vahvistetaan kaikilla kouluasteilla, kaikissa koulutusmuodoissa ja -ohjelmissa. Erityisesti olisi tarve painottaa transformatiivisen, nykyisiä käytäntöjä, taitoja ja rakenteita kyseenalaistavan oppimisen roolia osana vihreän siirtymän osaamispohjan rakentamista.Tämä julkaisu on toteutettu osana valtioneuvoston selvitys- ja tutkimussuunnitelman toimeenpanoa. (tietokayttoon.fi) Julkaisun sisällöstä vastaavat tiedon tuottajat, eikä tekstisisältö välttämättä edusta valtioneuvoston näkemystä

Hiilinieluja ja ilmastohyötyjä hallituin riskein : Metsäsektorin ohjauskeinojen monitieteinen analyysi

Suomi ei ole saavuttamassa EU LULUCF-asetuksen mukaisia maankäyttösektorin ilmastotavoitteitaan vuosille 2021–2025. Myös vuosien 2026–2030 tavoitteiden ja Suomen oman hiilineutraalisuustavoitteen 2035 saavuttaminen tulee olemaan haastavaa. Metsien hakkuut ovat viime vuosina kasvaneet voimakkaan puun kysynnän vuoksi ja 1950-luvulta alkanut metsien kokonaiskasvu on taittunut. Puun kysynnän on ennustettu edelleen voimistuvan tulevaisuudessa. Hillintätoimien toteutus ei ole käynnistynyt tarvittavassa laajuudessa, vaikka hillintäkeinoja onkin tunnistettu muun muassa maankäyttösektorin ilmastosuunnitelmassa, ja metsätalouden kannustinjärjestelmää on uudistettu. Jos maankäyttösektorin ilmastotavoitteita ei saavuteta, Suomelle voi koitua merkittäviä taloudellisia kustannuksia nieluyksiköiden ostamisesta EU:n muilta jäsenmailta tai päästöjen vähentämisestä muilla sektoreilla. Metsien nielun vahvistamiseksi tarvitaankin hillintää tukevaa ja metsänhoitoa ohjaavia ohjauskeinoja. Hiilinieluja ja ilmastohyötyjä hallituin riskein: Metsiä ja puutuotteita koskevat ohjauskeinot (Hilmari) -hankkeessa arvioitiin kahdeksaa eri metsäsektorin ohjauskeinoa niiden kustannusvaikuttavuuden, ympäristövaikutusten, sosiaalisen hyväksyttävyyden ja lainsäädännön näkökulmasta. Työn pohjalta suositeltiin tehokkaita ja nopeita keinoja toteuttaa kattavaa ohjausta metsäsektorilla. Tehokas ohjauskeinokokonaisuus voitaisiin toteuttaa hiilikorvauksen, puurakentamisen tukemisen sekä maankäytön muutosmaksun avulla. Nämä ohjauskeinot ovat maankäyttömuutosmaksua lukuun ottamatta laajasti metsäsektorin toimijoiden hyväksymiä ja myös lainsäännöllisesti mahdollisia ohjauskeinoja. Hiilikorvauksen käytännön toteutukseen liittyy kuitenkin avoimia kysymyksiä, jotka on selvitettävä ennen käyttöönottoa. Siirtymävaiheen ratkaisuna sääntelyyn perustuvat uudistushakkuun läpimittarajat tai korvaus kiertoajan pidentämisestä voitaisiin toteuttaa todennäköisesti nopeammin. Hakkuiden vuotaminen ohjausjärjestelmän ulkopuolelle heikentää hillinnän tehoa. Tehokas hillintä vaatiikin, että mahdollisimman suuri osa Suomen talousmetsien pinta-alasta on ohjauskeinon piirissä. Vapaaehtoisuuteen pohjautuvissa järjestelmissä kattavuuteen voidaan vaikuttaa joko suoraan sääntelyllä tai kiinnittämällä huomiota maksettavien korvauksien suuruuteen sekä toteutuksen yksityiskohtiin ja neuvontaan. Suomen metsiä koskevan ilmasto-ohjauksen yhteys- ja ristikkäisvaikutuksia olemassa olevan ohjauksen kanssa tulisi jatkossa tarkastella kattavasti, ja varmistaa, että kokonaisuus edistää sekä ilmastopolitiikan, että metsien käytölle asetettujen muiden tavoitteiden toteutumista. Ohjauskeinokokonaisuuden aiheuttamia kustannuksia on syytä verrata EU:n sisältä hankittujen nieluyksiköiden kustannuksiin

Tutkimus kuorma-autojen vuokraustoiminnasta Scania Suomi Oy:lle

Tämän opinnäytetyön tarkoituksena on kartoittaa kuorma-autojen vuokraustoiminnan nykytilanne Scania Suomi Oy:lle sekä toiminnan mahdollinen sopivuus yrityksen liiketoimintaan. Scania Suomi Oy:llä ei vielä talvella 2016-2017 ollut vuokrauspalvelua liiketoiminnatastrategiassa. Tässä opinnäytetyössä ei suunnitella kyseistä vuokraustoimintaa vaan pyrkimyksenä on, että Scania Suomi Oy pystyy tämän tutkimuksen avulla aloittamaan kuorma-autojen vuokraustoiminnan suunnittelun. Tutkimuksessa teoreettinen tietoperusta pohjautuu palveluliiketoimintaan. Aiheina ovat asiakassuhteet, ydinpalvelu sekä laajennettu palvelutarjooma, hinnan vaikutus asiakaskokemukseen, millä tavoin asiakaskokemus vaikuttaa liiketoimintaan sekä myös keskeisenä osana B2B-näkökulma. Asiakaskokemus ja sen käsitteleminen ovat tärkeässä osassa viitekehyksessä. Tutkimus on toteutettu puolistrukturoituna haastatteluna, johon osallistui viisi eri yritystä, yhteensä kuusi henkilöä. Haastattelulomakkeita suunniteltiin kaksi. Tutkimuksessa haastateltiin kahta kuorma-autojen vuokraustoimintaa tarjoavaa yritystä sekä kolmea kuorma-autojen vuokrausta käyttänyttä yritystä. Molemmissa haastatteluissa esiintyivät samat teemat, vaikka kysymykset eivät olleet täysin samoja. Kaikki haastattelut litteroitiin, jonka jälkeen tulokset raportoitiin tekstin ja taulukoiden muodossa. Huolimatta kahdesta eri haastattelurungosta, tutkimuksen tulokset käsiteltiin saman aikaisesti. Aihealueet noudattivat molemmissa haastatteluissa samaa runkoa, joten samasta aiheesta saatiin kaksi eri näkökulmaa. Pohdinnassa ja yhteenvedossa esitetään opinnäytetyön tekijän näkemyksiä tutkittavasta aiheesta. Tutkimuksen toteutusta arvioidaan, tuloksia analysoidaan sekä annetaan toimeksiantajayritykselle kehitysehdotuksia ja ideoita seuraavista vaiheista. Tutkimuksen perusteella nähdään, että kuorma-autojen vuokraustoiminta rakennettaisiin partnerisuhteiseksi lisäpalveluksi, jolla asiakaskokemus nousisi parhaimmillaan merkityksen tasolle toteuttamaan asiakkaiden unelmia heidän omassa liiketoiminnassaan. Tämän hetkinen näkemys on, että tulevaisuudessa kuorma-autojen vuokraustoiminta tulee kasvamaan. Opinnäytetyön tekijän suositus tutkimuksen perusteella on, että Scania Suomi Oy:n olisi tärkeää pohtia uusien kuorma-autojen vuokraustoiminnan käynnistämistä. Vuokraustoiminnan avulla Scania Suomi Oy pystyisi entistä paremmin vastaamaan asiakastarpeisiin sekä vahvistamaan markkinajohtajuutta kilpailijoihin nähden

Nanoselluloosapinnan biokemiallinen muokkaus ja funktionalisointi

Cellulose is an abundant biopolymer found in many different organisms ranging from microbes to plants and animals. The homopolymer, composed of repeating glucose units, forms mechanically strong nanosized fibrils and rods. In plants cellulose forms macroscopic fibers, which are incorporated in the cell walls. Recently, it has been shown that cellulose fibers can be disintegrated into the fibrils and rods by different chemical treatments. These materials are called nanocellulose. Nanocellulose is a promising material to replace fossil based materials because it is renewable, biodegradable and abundant. It holds great potential in many applications due to its superior mechanical properties and large surface area. For most applications modification of nanocellulose surface is needed due to its tendency to aggregate by hydrogen bonding to adjacent cellulose surfaces. In this thesis we took a biochemical approach on nanocellulose surface modification to achieve modified and functional materials. The advantages of this approach are that the reactions are done in mild aqueous ambient conditions and the amount of functionalities of biomolecules is broad. Four different approaches were chosen. First, genetically engineered cellulose binding proteins, were used to introduce amphiphilic nature to nanocellulose in order to create surface self-assembled nanocellulose films and to stabilize emulsions. This method was shown to be a good method for bringing new function to nanocellulose. (Publication I) Second, covalent coupling of enzymes directly onto modified nanocellulose surfaces provided a route for protein immobilization in bulk. Nanocellulose derivatives were shown to be well suited platforms for easy preparation of bioactive films. More over the film properties could be tuned depending on the properties of the derivative. (Publication II) Third, by modifying the nanocellulose surface with specific enzymes we could study the role of hemicellulose in nanocellulose fibril surface interactions. We showed that hemicellulose has an important role in nanofibrillated cellulose networks, yet its effects were different in aqueous and dry matrixes. (Publication III) Fourth, by modifying the specific function of cellulose binding protein via genetic engineering we showed how the binding properties can be altered and thus the functionalization properties can be tuned, and that the cellulose binding protein properties are substrate dependent. We also showed that nanocellulose as a model substrate in binding studies is a valuable tool for gaining new insight in protein binding behavior. (Publication IV) In conclusion, we showed that biochemical methods are feasible in nanocellulose modification and functionalization to study intrinsic properties of nanocellulose and cellulose binding proteins but also for creating new functional materials.Selluloosa on laajalti luonnossa esiintyvä biopolymeeri, jota tuottavat kasvien ja mikrobien lisäksi jotkin eläinkunnan jäsenet. Tämä homopolymeeri, joka muodostuu toistuvista glukoosiyksiköistä, muodostaa mekaanisesti vahvoja nanokokoluokan fibrillejä ja tikkuja. Kasveissa selluloosa muodostaa mikro- ja makrokokoluokan kuituja, jotka ovat osana soluseinärakennetta. Hiljattain on pystytty näyttämään, että selluloosakuidut voidaan hajottaa fibrilleiksi ja tikuiksi erilaisin kemian menetelmin. Näitä materiaaleja kutsutaan nanoselluloosaksi. Nanoselluloosa on lupaava materiaali korvaamaan öljypohjaisia materiaaleja, koska se on uusiutuva, biohajoava ja helposti saatavilla oleva. Nanoselluloosa on myös potentiaalinen materiaali monilla eri teknologioiden aloilla suuren pinta-alansa ja ylivertaisten mekaanisten ominaisuuksiensa takia. Suurin osa sovelluksista vaatii nanoselluloosapinnan ominaisuuksien muokkaamista, koska nanoselluloosakuidut liittyvät helposti yhteen vetysidosten välityksellä. Tässä väitöskirjassa on tutkittu biokemiallisten menetelmien soveltuvuutta nanoselluloosapintojen muokkaamisessa ja funktionalisoimisessa. Näiden menetelmien etuja ovat, että reaktiot tapahtuvat miedossa vedellisessä ympäristössä ja että biomolekyylien toiminnollisuuksien joukko on erittäin laaja. Valitsimme neljä erilaista lähestymistapaa. Ensinnä käytimme geneettisesti muokattuja selluloosaan sitoutuvia proteiineja tuomaan amfifiilisyyttä nanoselluloosan pinnalle. Näitä rakenteita käytettiin muodostamaan itsestään järjestäytyneitä pintoja nanoselluloosasta sekä stabiloimaan emulsioita. Tämän menetelmän näytettiin toimivan nanoselluloosan funktionalisoinnissa. (Osajulkaisu I) Toiseksi näytimme, että nanoselluloosan johdannaiset toimivat hyvin matriisina proteiinien suoralle kovalenttiselle kiinnittämiselle bulkissa. Nämä johdannaiset sopivat hyvin bioaktiivisten filmien valmistukseen. Lisäksi filmien ominaisuuksia voitiin muuttaa ja muokata nanoselluloosajohdannaisen ominaisuuksista riippuen. (Osajulkaisu II) Kolmanneksi tutkimme hemiselluloosan roolia nanoselluloosamatriisissa muokkaamalla nanoselluloosan pintaa spesifisillä entsyymeillä. Pystyimme näyttämään, että hemiselluloosalla on tärkeä rooli näissä verkostoissa, joskin se on erilainen kuivissa ja kosteissa systeemeissä. (Osajulkaisu III) Neljänneksi, muokkaamalla geneettisesti selluloosaan sitoutuvan proteiinin spesifiä toimintoa, näytimme, että pystymme vaikuttamaan sen sitoutumisominaisuuksiin ja näin mahdollisesti myös nanoselluloosamateriaalien toiminnollisuuteen. Näytimme myös, että selluloosaan sitoutuvan proteiinin toiminta on riippuvaista sen substraatista ja että nanoselluloosa on hyvä mallisubstraatti sitoutumiskokeissa, sillä se tuo uutta tietoa näiden proteiinien toiminnasta. (Osajulkaisu IV) Yhteenvetona voi todeta, että erilaiset biokemialliset menetelmät soveltuvat nanoselluloosapinnan muokkaukseen ja funktionalisointiin, nanoselluloosan ja siihen sitoutuvien proteiinien luontaisten ominaisuuksien tutkimisessa, mutta myös uusien toiminnallisten materiaalien luomiseen

Lasten internetinkäytön kulttuuri ja riippuvuuden piirteiden ilmeneminen 4.-luokkalaisten tietokoneenkäyttötottumuksissa

Arola, E. & Havula, S. 2012. ”Elämä ilman internetiä olisi tylsää, mutta ehkä jopa kivaakin”. Lasten internetin käytön kulttuuri ja riippuvuuden piirteiden ilmeneminen neljäsluokkalaisten tietokoneenkäyttötottumuksissa. Jyväskylän yliopisto. Opettajankoulutuslaitos. Pro gradu -tutkielma. Tutkielmassa perehdyttiin neljäsluokkalaisten internetin käyttökulttuuriin sekä riippuvuuden piirteiden ilmenemiseen heidän tietokoneenkäyttötottumuksissaan. Tutkimuksen tavoitteena oli kartoittaa neljäsluokkalaisten tietokoneen ja internetin käytön määrää ja piirteitä, tietokoneen käytön jakautumista viikolla, vapaa-ajan harrastusten yhteyttä tietokoneen käytön määrään sekä internetin käyttöön motivoivia tekijöitä. Tutkimukseen osallistui yhteensä 168 oppilasta, joista 96 oli poikia ja 72 tyttöjä. Tutkimusaineisto kerättiin kahdessa osassa. Ensimmäisen osan aineisto kerättiin oppilaiden viikon ajan täyttämistä nettipäiväkirjoista analysoimalla heidän tietotekniikan käytön piirteitään. Näitä päiväkirjoja analysoitiin yhteensä 106, joista poikien omia oli 55 ja tyttöjen 51. Tutkimustulosten perusteella voidaan todeta, että osa lapsista käyttää todella paljon tietokonetta, mutta runsas puolet lapsista käyttää sitä vain vähän tai harvoin. Runsain tietokoneen käyttö sijoittuu viikonlopulle, jolloin koulua ei ole. Vapaa-ajan harrastukset ovat yhteydessä tietokoneella vietettyyn aikaan, eli mitä enemmän oppilaalla on vapaa-ajan harrastuksia, sitä vähemmän hän viettää aikaa tietokoneella. Internetin käyttöön eniten motivoivat erilaiset pelisivut ja sosiaalisiin yhteisöpalveluihin liittyvät sivut. Riippuvuuden piirteitä oli havaittavissa muutamilta tietokoneen suurkuluttajilta, sillä heidän tietokoneella viettämänsä aika saattoi kohota jopa yli kolmeenkymmeneen tuntiin viikossa. Lapsille selkeää riippuvuuden määritelmää ei ole vielä tehty, joten tutkimuksessa tukeudutaan aikuisille tehtyyn riippuvuuden määritelmään, jossa yli 30 tuntia viikossa tietokoneen epäoleellista eli viihteellistä käyttöä kuvataan riippuvuudeksi. Tutkimuksen jälkimmäinen osa toteutettiin lähiopetuksessa, jossa lapsilta kerättiin kyselylomake, jonka tarkoituksena oli syventää ensimmäisessä vaiheessa saatuja tietoja