Green mining: oxymoron or the way of the future?

As world demand for minerals steadily increases, it would make sense to search for solutions that make resource extraction less harmful to the environment. In a recent presentation as part of LBAYS’ fundraising event, Elias Ekdahl, director general  of the Finnish Geological Survey, laid out plans for developing a mining industry that is environmentally stable and sustainable.  

I must admit that up until the moment that the presentation started, I had no idea that ‘green mining’ is even a concept. Looming large in my mind are images of mining that cast the industry in a very poor light: While doing fieldwork I have experienced firsthand the social and environmental aftermath of mining in the moonscape of one of Canada’s largest lead-zinc open pit mines. This is a place where the adjacent town’s water supply is constantly monitored in case the tailing ponds leak contaminants and threaten public health. Ground water will have to be monitored for “hundreds of years”. Tar sand extraction in my native Alberta has now been hailed worldwide as the centerpiece for human desire to harm the environment to turn a profit. The events of Talvivaara, in Finland also provide ample warning of what can still happen in a society where environmental controls should be first rate.

But what of green mining?  Is it doomed to fail by the very combination of those two words, which scream, at least to the uninitiated, oxymoron? But, to hear that work is being done to reduce the environmental impact of mines was music to my ears. In retrospect though, Finnish citizens should expect nothing less from the Finnish Geological Survey.

In his presentation Ekdahl laid out the basic premise of green mining, which aims to integrate the whole process from resource exploration and extraction to the recycling of finished products. One of the ideas pushed strongly in the presentation is that the future of mining is underground. The open pit concept, which I imagine had gained favour for economic reasons, will be replaced by underground mines. This is partially a function of resources at the surface being already exploited, so it is now becoming worthwhile to go back underground.  This will allow the nature at the surface to be left untouched, but there are still many challenges, among them how to prevent contamination of ground water.

According to Ekdahl, Finland is at the forefront green mining technology, and aims to be a world leader in the further development of it. I see this as a very worthwhile endeavor, however, we discussed afterwards about the roadblocks to the implementation of the technology. I asked Ekdahl to what degree there is international control over environmental standards, and the answer was that it is extremely difficult to implement, because countries are very protective of their rights to exploit their own resources. This got me to thinking, that even if the technology existed, it will have difficulty competing because companies will gravitate toward countries where environmental standards are lower and therefore resources are cheaper to extract. I wondered whether a massive public awareness campaign, and pressure on international mining companies might be the only route to bring about change.

Moratorium for mining in Finland?

The floor was then handed over to member of the EU parliament, Sirpa Pietikäinen. Pietikäinen spelled out the problem in simple terms. Each and every one of us is responsible for the detrimental impact of mining, using our desire to consume and the specific example of the short product life of mobile phones. She questioned whether buying a new phone every two years or less can be combined with the ethical desire to protect the environment. Then she shifted away from a global focus to consider what the best strategy for Finland in the resource extraction industry is. 

Pietikäinen’s recommendation would be shocking for anyone involved in the mining industry, in that she called for a moratorium of mining in Finland until resource extraction methods are truly green. The present state of affairs does not meet her standards for environmental protection, and she espoused the idea of short term pain for long term gain. In the future resources will be extracted in way that harms the environment less, and Finland should see the resources as a long term investment. Those same resources will be worth much more in real terms 20-30 years from now, and why should we not let future generations benefit from them?

John Loehr

Orgaanisen aineen hajoaminen vesistöissä – tehostusvaikutus (priming effect) hypoteesin testaus

Gradutyössäni tutkin eloperäisen aineksen mikrobihajotusta neljässä eri Hämeenlinnalaisessa järvessä kokeellisena laboratoriotyönä. Kokeessa testattiin ns. priming effect (tehostusvaikutus) hypoteesia, jonka oletuksena oli että tuore, helposti hajoava järviperäinen (autoktoninen) orgaaninen aines tehostaa vesien vanhan, huonosti hajoavan valuma-alueelta peräisin olevan (alloktoninen) aineksen hajotusta.

Koe aloitettiin heinäkuun alussa 2013, jolloin otettiin vesinäytteet Pääjärvestä, Ormajärvestä, Mekkojärvestä sekä Valkea-Kotisesta. Autoktonisena ogaanisen hiilen lähteenä käytettiin Ormajärvestä kerätyn ahvenvidan (Potamogeton perfoliatus) lehtiainesta. Kaupungissa asuvana nautin suuresti biologisen aseman maaseudunrauhasta ja kesäisen luonnon vehreydestä ja monimuotoisuudesta. Näytteenottopäivän sää oli mitä parhain veneellä souteluun.

Mikrobihajotuksen tuotteena hapellisissa olosuhteissa syntyy hiilidioksidia, jonka muodostusta mitattiin kaasukromatografilla (kuvassa). Näytteitä otettiin tietyin väliajoin reilun viiden kuukauden ajalla. Koe alkoikin kesäisissä tunnelmissa ja päättyi joulukuussa hienoisen lumipeitteen valkaistessa talvilevossa olevaa maisemaa. Lammin biologisen aseman labrassa työt sujuivat todella mukavasti leppoisassa ilmapiirissä, ja vaikka koneiden käsittelytaitoni oli vasta-alkajan tasoa, kaikki onnistui yllättävän hyvin, kiitos taitavien laboranttien avusta ja ohjauksesta.

Monien laskennallisten ja tilastollisten aineiston käsittelyjen jälkeen tämän kokeen tulokseksi lyhykäisyydessään saatiin, että autoktonisen aineksen lisäys lisäsi bakteerien hajotustoimintaa kaikissa vesinäytteissä. Runsasravinteisessa Mekkojärvessä oli havaittavissa negatiivista tehostusvaikutusta, jolloin autoktonisen aineksen lisäys vähensi alloktonisen aineksen hajotusta. Niukkaravinteisessa Ormajärvessä hajotus oli tehokkainta, mutta missään järvivesinäytteessä ei ollut havaittavissa positiivista oletushypoteesin mukaista tehostusvaikutusta. Tähän oli todennäköisesti syynä se, että ahvenvitauutetta lisättiin näytteisiin liian paljon, jolloin bakteerit saivat liian paljon hajotettavaa materiaalia liian lyhyellä aikavälillä.

Haluan kiittää LBAYS:ia stipendistä sekä Lammin biologisen aseman henkilökuntaa kaikesta avusta ja hyvästä seurasta työni aikana.

Anna Lehtinen

Pohjavesien pinnankorkeuden ja laadun muutokset Suomessa 1999-2012

Pohjaveden pinnankorkeuden tutkiminen, tai laadun tutkimisesta puhumattakaan ei varsinaisesti kuulu geofysiikon tutkimuskentälle. Aiheesta ei ole tehty kovinkaan montaa vesipuolen geofysiikan pro gradu –tutkielmaa, ja siksi siitä oikeastaan kiinnostuinkin.  Pääaineeni vastaava professori Matti Leppäranta ehdotti tutkielman tekemistä pohjavesistä ja otin yhteyttä Suomen Ympäristökeskukseen (SYKE) kysyen tarkemmin ajankohtaisia aiheita maa- ja pohjavesien tutkimiseen liittyen. Geohydrologi Mirjam Orvomaa innostui aiheesta ja ehdotti tutkielma-aiheeksi pohjaveden pinnankorkeuden ja laadun muutoksia Suomessa viimeisen noin kymmenen vuoden aikana eri pohjavesiregiimeillä. Suomen kartalta valittiin neljä edustavaa mittausasemaa, jotka sijaitsivat erilaisilla ilmastovyöhykkeillä. Eteläisin valituista asemista oli Lammilla sijaitseva Tullinkankaan pohjavesiasema. Muut asemat olivat Sodankylässä, Lumiaholla ja Taikkomäellä. Kunkin aseman luonnontilaisesta lähteestä otetuista näytteistä tutkittiin pohjaveden laatua, ja asemien pohjavesiputkista mitattiin pohjaveden pinnankorkeutta. Aiheesta on viimeksi tehty SYKE:ssä laaja tutkimus, kun 2000-luvun alussa julkaistiin selvitys vuosien 1975-1999 pinnankorkeuden ja laadun muutoksista Suomessa, joten sen osalta löytyi vertailukohdetta omille tutkimuksille. Laadun osalta vertasin tuloksiani myös sosiaali- ja terveysministeriön (STM) asetukseen 401/2001 talousveden laatuvaatimuksista ja pohjaveden pinnankorkeuden osalta SYKE:n tuottamiin kullekin pohjavesiregiimille tyypillisiin pinnankorkeuden kuvaajiin. Laatumittausten tarkastelu tehtiin seuraavien parametrien osalta: pH, sähkönjohtavuus, nitriitti-nitraatti typpenä, ammonium typpenä, happi, fosfaatti fosforina, rauta ja mangaani.

Kaikilla tutkituilla pohjavesiasemilla pH:n arvot olivat suurimmaksi osin suosituksia happamempia ja sähkönjohtavuuden arvot olivat kaikilla asemilla pienemmät, kuin hyvälaatuisessa vedessä tulisi olla. Parannusta aikaisempiin tuloksiin kuitenkin oli, myös muidenkin laatuparametrien osalta. Ainoastaan Sodankylän pohjavesilähteen rauta- ja mangaanipitoisuudet olivat korkeammat kuin ovat suositukset.

Pohjaveden pinnankorkeus noudatti kaikilla asemilla regiimilleen tyypillisiä piirteitä enemmän tai vähemmän. Ainoastaan pohjoisimmalla havaintoasemalla Sodankylässä oli havaittavissa kevätsulannan aikaistumista aikaisemman pitkän aikasarjan tuloksiin ja regiimiin verrattuna.

Kuva 1. Suomen nykyiset pohjavesiregiimit. Havaintoasemien sijainnit merkitty karttaan. (SYKE) 

Tutkimustyöni sisälsi lähinnä tulosten käsittelyä Excelillä ja tekstieditorilla, sekä laskemista Matlabilla ja piirtämällä karttoja ArcGis- ohjelmalla. Maastokäyntejä ei tarvinnut suorittaa, sillä mittaustulokset oli kirjattu SYKE:n ylläpitämään POVET –tietokantaan, josta tietojen hakeminen oli suhteellisen helppoa. Suurimpia ongelmia projektissani aiheutti isojen aineistojen käsittely, ja eri mitattujen suureiden aineistojen esittäminen samassa kuvaajassa. Esimerkiksi sadannan ja pohjaveden pinnankorkeuden saaminen samaan kuvaajaan oli toisinaan ongelmallista, sillä sadantaa oli saatavilla vaikka joka vuoden päivältä mutta pohjaveden pinnankorkeus oli joinain vuosina ja joillain asemilla mitattu hyvin epäsäännöllisesti. Tämän työn puitteissa opinkin paljon uutta Excelistä; se on visuaalisuudessaan kelpo työkalu monenlaisiin tilastollisiin ja aineistojen graafista esittämistä koskeviin haasteisiin.

Kuva 2. Tullinkankaan pohjavesiasema Lammilla. Pohjaveden laatunäytteet otettiin lähteestä ja pinnankorkeuden tarkasteluihin laskettiin kenttäkeskiarvo havaintoputkien tuloksista.

Opiskelija Laura Leponiemi sai Lammin biologisen aseman Ympäristötutkimuksen Säätiön apurahan vuonna 2013.

Perustuotantomittauksia humuspitoisella Mekkojärvellä

Sain LBAYS:n stipendin vuonna 2012 akvaattisten tieteiden Pro Graduani varten Jyväskylän yliopistossa, aiheenani Evolla sijaitsevan, humuspitoisen Mekkojärven perustuotannon mittaukset. Työni oli osa laajempaa Mekkojärven ravintoverkkotutkimusta, jota Professori Roger Jones Jyväskylän yliopistosta johtaa. Graduni varsinaisena ohjaajana toimi FT Shawn Devlin.

Olin suurimman osan kesästä työsuhteessa tutkimusryhmääni, poikkeuksena loppukevät/alkukesä, johon LBAYS:n stipendi tarjosi taloudellisen tuen ja mahdollisti aineiston keruun aloittamisen graduani varten jo varhain. Näytteenottokertoja graduuni tuli kevään, kesän ja syksyn aikana yhteensä kahdeksan, mutta muu projektiin liittyvä näytteiden otto ja analysointi piti kiireisenä lähes joka viikko. Asuinkin lähes koko avovesikauden Lammin biologisella asemalla ja vietin paljon aikaa laboratoriossa näytteitä käsitellen.

Tutkimuskohteeni, Mekkojärvi, on hyvin pieni, kalaton ja erittäin humuspitoinen metsäjärvi Evolla, jota on tutkittu vuosikymmenten aikana varsin paljon. Mekkojärvi jaettiin muoviverholla kahtia ja eri puolille järveä istutettiin biomassaltaan saman verran aikuisia sekä kesänvanhoja ahvenia. Tarkoitus on tutkia, miten saman lajin sisäinen kokovaihtelu vaikuttaa järven ravintoverkkoon. Oma graduni käsitteli järven perustuotantoa ja erityisesti litoraalivyöhykkeen (rantavyöhykkeen) osuutta koko järven perustuotannosta.

Litoraalivyöhyke on habitaatti, josta vesikasvit, pohjalevät, pohjaeläimet, eläinplankton sekä kalat tekevät hyvin monimutkaisen. Erityisesti kirkkaissa ja vähäravinteisissa järvissä litoraalivyöhykkeen on todettu tarjoavan tärkeän ravintoresurssin järven eliöstölle. Suurin osa tutkimuksista onkin tehty kirkkaissa järvissä ja hyvin vähän on tutkittu humuspitoisten järvien litoraalivyöhykkeitä ja niiden perustuotantoja. Koska humuspitoisissa järvissä usein valo rajottaa tehokkaasti perustuotantoa, useimmat fysikaalis-kemiallisiin parametreihin perustuvat mallit ennustavat litoraalin pohjaleville pientä osuutta koko järven perustuotannosta. Mekkojärvessä, jossa valaistua pohjaa ei ole käytännössä ollenkaan, litoraalin perustuotannon osuus kokonaistuotannosta em. mallien perusteella olisi lähes olematon. Mekkojärven litoraalivyöhyke koostuu kuitenkin pääsääntöisesti kelluvasta sammalpatjasta ja vesikasveista, jotka tarjoavat monipuolisen ja hyvin valaistun tarttumapinnan epifyyttisille leville. Mittasin gradussani litoraalin kasvillisuuden pinnalla elävien leväyhteisöjen, perifytonin, perustuotantoa epäorgaanisen hiilen pitoisuuksien eroilla pimeässä ja valossa inkuboiduissa näytteissä. Samaan aikaan mittasin vapaan veden kasviplanktonin perustuotantoa eri syvyyksissä. Lopuksi laskimme estimaatit koko litoraalin perustuotannolle ja vertasimme sitä kasviplanktonin perustuotantoon. Litoraalin perustuotanto oli koko kesän ajan hyvin voimakasta, ja tulosten perusteella litoraalin osuus koko perustuotannosta voi kesällä olla jopa 90 %.

Tulokset osoittivat, ettei varsin yksinkertaisten mallien perusteella tulisi tehdä yleistyksiä. Ennen kaikkea tutkimus antoi pohjatietoa laajemmalla ravintoverkkotutkimukselle Mekkojärvessä. Koska perustuotanto litoraalissa on voimakasta, herää kysymys, minne tuo runsas ravintoresurssi järven ravintoverkossa kulkeutuu. Lisäksi herää kysymyksiä liittyen litoraalin perustuotantoon muissa humusjärvissä, oma tutkimukseni kun edustaa poikkeuksellisen humuspitoisen järven tilannetta, eikä ole yleistettävissä kaikkiin humusjärviin.

Sain graduni valmiiksi kevään 2013 aikana, jolloin avautui myös mahdollisuus jatkaa opintoja samassa tutkimusryhmässä. Tartuin heti tilaisuuteen ja aloitin väitöskirjani teon syksyllä 2013 liittyen Mekkojärven ravintoverkkoon. Toivottavasti löydämme vastauksia edellä esitettyihin kysymyksiin seuraavien vuosien aikana. Haluan kiittää LBAYS:ia stipendistä sekä Lammin biologista asemaa ja sen henkilökuntaa loistavista puitteista, avusta ja hyvästä seurasta gradutyöni aikana. Yhteistyö jatkuu onneksi edelleen väitöskirjatyöni merkeissä tulevina vuosina.

Jussi Vesterinen

Anaerobic bacterial production

The production in lakes has always been a major interest in ecological studies. Phytoplankton, often regarded as the major photosynthetic organisms in aquatic ecosystem, are driven by the sunlight. But in the boreal region where lakes receive a large inflow of terrestrial organic matter, the light penetration is often limited from a few centimetres to a few meters. This added allochthonous matter not only reduces the amount of photosynthetically active radiation (PAR), but at the same time is utilized by bacterial biomass as a source of carbon. And along with the phytoplanktonic respiration they exceed the total phytoplanktonic production resulting in an anoxic hypolimnia. In these environments, with reduced light intensity and reduced oxygen, a community of anaerobic bacteria, or green sulphur bacteria, (GSB) flourish just below the oxic-anoxic interface.

Apart from the anoxic condition, this class of bacteria requires an environment with reduced sulphur compounds and use CO₂ as a carbon source that is fixed via reductive tricarboxylic acid cycling. The cells of GSB contain a special antenna complex, chlorosomes, with bacteriochlorophyll photopigments that are capable of absorbing low light intensity thus, helping them to survive under such conditions. There have been many studies regarding the abundance of GSB in different environments and they have been shown to dominate in anaerobic water layers of stratified water bodies. Light plays the crucial role in photosynthetic reaction and has been suggested that light is the main factor governing primary production by GSB which is required in very low intensity.

In summer 2011, I started my Master’s Thesis with the aim to quantify these anaerobic bacterial productions in small humic lakes. The study site was Evo forest region in Southern Finland and four lakes were chosen on the basis of the background study of those lakes. The primary focus of the task was to build a sampler that would allow the sampling of these bacteria without contaminating the samples by light and oxygen. Once the sampling succeeded, the next step was to measure the production by this class of bacteria. 

The results indicated that there might be some significant role of these anaerobic bacteria in humic lakes as their abundance was plenty in the hypolimnia of study lakes, and are thought to play a major role in primary production in humic lakes. The results of the findings needed to be interpreted more as the final results are still being processed (comparing with phytoplanktonic production). This study tried to shed some light in the basal resources of humic lakes that have been overlooked and still requires further research. Some of the future research questions might be: How much does their biomass fluctuates throughout the year? How does their abundance vary under the ice? How much of the carbon demand do they supply to the zooplankton, if anything at all? Thus, this new dimension, of lake functioning, needs further research in terms of their contribution to the whole lake ecosystem.

Satish Basnet, originally from Biratnagar, Nepal, is a Master's student in Bio and Environmental Science at the University of Jyväskylä, and a 2013 LBAYS grant recipient.