Sirvi Autor "Sepp, Kalev (advisor)" järgi

Nüüd näidatakse 1 - 19 19

Algae Pseudokircheriella subcapitata in environmental hazard evaluation of chemicals and synthetic nanoparticles
(Eesti Maaülikool, 2011) Aruoja, Villem; Kahru, Anne (advisor); Dubourguier, Henri-Charles (advisor); Sepp, Kalev (advisor); van Gestel, Cornelis A.M. (opponent)
Vetikad on peamised fotosünteesivad organismid veekogudes, tootes umbes poole Maa primaarproduktsioonist. Seeõttu on oluline keskkonnasaastuse mõju vetikate kasvule. Vetikad on ka head keskkonnatoksikoloogia mudelorganismid, kuna nad on tundlikud paljudele kemikaalidele ja neid on lihtne laboratoorsetes tingimustes kasvatada. Käesolevas doktoritöös täiustati OECD 201 suuniseid järgivat vetikate P. subcapitata kasvu pärssimise testi. Täiustamisel peeti silmas, et meetod sobiks lisaks vees hästi lahustuvate kemikaalide toksilisuse analüüsiks ka vees halvasti lahustuvate ainete ja osakesi sisaldavate keskkonnaproovide uurimiseks, sh ka suuremahuliseks testimiseks. Täiustatud testmetoodikat rakendati kolmes uuringus: (i) Raskemetallidega (Zn, Cd, Pb) saastunud metallisulatustehaste ümbruse muldade uuring näitas, et vaatamata kõrgetele Zn kontsentratsioonidele mulla vee-ekstraktides, mis pidanuksid olema vetikale mürgised, oli P. subcapitata kasv neis võrreldav kontrolliga. Mullasuspensioonid, mis sisaldasid tunduvalt enam raskemetalle kui vastavad vee-ekstraktid isegi stimuleerisid vetikate kasvu võrreldes vetikate kasvuga kontroll-lahuses. Samas, kui analüüsiti puhtast ja metallidega saastatud mullast valmistatud segusid, ilmnes mullaosakestele seotud metallide doosist sõltuv kahjulik mõju vetikatele. Seega tuleks mullaproovide toksilisuse hindamisel vetikatele võrdluseks kasutada samade füüsikalis-keemiliste omadustega puhast mulda. (ii) ZnO, TiO2 ja CuO nanoosakeste mõjude hindamine vetikate P. subcapitata kasvule näitas, et ZnO ja CuO nanoosakesed olid vetikatele ’väga toksilised’, kuna pärssisid vetikate kasvu juba väga madalates kontsentratsioonides: vastavad 72-tunni EC50 väärtused olid 0,052 mg/l ja 0,89 mg/l. TiO2 nanoosaksesed inhibeerisid vetikate kasvu tunduvalt kõrgemates kontsentratsioonides (EC50=9,9 mg/l), olles vetikatele umbes 6 korda toksilisemad kui vastavad mikroosakesed, pärssides vetikate kasvu tänu nende seondumisele vetikarakkudele. Nominaalsete kontsentratsioonide põhjal olid CuO nanoosakesed 16 korda toksilisemad kui vastavad mikroosakesed, samas kui ZnO puhul olid ühtviisi väga mürgised nii nano- kui mikroosakesed. Lahustunud Zn ja Cu analüüs vetikate kasvukeskkonnast näitas, et ZnO ja CuO osakeste vetikate kasvu pärssiv toime oli seotud osakestest leostunud metalli-ioonidega. Kirjeldatud töö oli esimene CuO nanoosakeste toksilisuse uuring vetikatele. (iii) Konstrueeriti struktuur-aktiivsussõltuvuste (QSAR) analüüsi võimaldav kemikaalipaneel, mis koosnes 58st eri positsioonides erinevalt asendatud aniliinist ja fenoolist. Analüüsides nende toksilisust vetikatele P. subcapitata saadi väikese katseveaga andmestik, mis sisaldas 48 seni avaldamata EC50 väärtust. Ehkki analüüsitud molekulid olid struktuurselt sarnased, erines nende toksilisus vetikatele kahe suurusjärgu võrra, jäädes vahemikku 1,43 mg/l (3,4,5-trikloroaniliin) kuni 197 mg/l (fenool). Uuritud ainete toksilisus sõltus asendajate tüübist (kloro-, metüül-, etüül-), arvust (mono-, di-, tri-) ja asendist (orto-, meta-, para-). Reeglina kaasnes suurema asendajate arvuga ka suurem toksilisus. Kloro-asendatud molekulid olid üldiselt toksilisemad kui alküülrühmadega asendatud analoogid. Andmetest selgusid ka asendajate positsioonist tulenevad efektid, nii näiteks suurendas asendaja para-asendis peaagu kõigi ainete toksilisust, samas kui orto-asendusega analoogid olid kõige vähem toksilised. Näidati ka, et hüdrofoobsuse ja toksilisuse seos on aniliinide ja fenoolide puhul erinev. Antud töös täiustatud vetikate kasvu inhibitsoonil põhinev ainete toksilisuse hindamise meetod osutus sobivaks ka vees lahustumatuid osakesi sisaldavate proovide hindamiseks ning võimaldas väikese töökuluga analüüsida suurt hulka proove. See omakorda võimaldab struktuur-aktiivsus sõltuvuste täiustamist, kuna vetika kasvu inhibitsiooni andmeseeriad on seni olnud küllaltki piiratud. Mainitud meetodid on vajalikud kemikaalide keskkonnaohtuse hindamiseks ning möödapääsmatud kemikaale reguleeriva määruse REACH rakendamiseks.
Breeding and migration ecology of Common Crane (Grus grus L.)
(Eesti Maaülikool, 2019) Ojaste, Ivar; Sepp, Kalev (advisor); Leito, Aivar (advisor); Väli, Ülo (advisor); Végvári, Zsolt (opponent)
The objectives of this thesis were to analyse the breeding population trends and distribution of the Common Cranes in Estonia and the availability of potential breeding habitat (I, IV), to describe nesting habitats in Estonia and to explore the relationships between habitat and nesting success and nesting phenology (II), to investigate the relation between the numbers and distribution of autumn staging cranes and agricultural land use (III), to examine the stability of the habitat network used by cranes (IV) and to study the long-distance migration pattern of cranes (V). The population of the Common Crane started to increase in Estonia since 1970s (I). In parallel, the mean density of pairs increased, and distribution widened all over the country (I). First time breeders started to occupy new suitable habitats for nesting (I). The extended distribution of the crane has been favoured by the good availability of potential nesting sites (IV). The Common Crane nesting sites are different wetlands in Estonia have similar water regimes, plant communities and microrelief. The preferred breeding habitats are mires (II). The breeding success is associated with quality of breeding habitat and distance between neighbouring nests. The beginning of egg laying has a significant trend of advancement over time. Human activity had a significantly negative effect on the breeding success of cranes (II). The Common Crane numbers in staging sites are positively correlated with cropping area of cereals and negatively with the extent of potato fields. Changes in the local numbers and distribution of cranes when staging during their migration depend on changes in agricultural land use in staging areas (III). Migration routes used by cranes form a widespread ecological network (IV). Despite the modest contribution of nature conservation to the population increase of cranes (IV), the conservation efforts to protect peatlands play key roles in conservation of the Common Crane in the longer term. The climate change scenario modelling suggests minimal impact on cranes in future (IV). Common Crane’s long-distance autumn migration strategies differed between northern and southern sub-populations by the density and location of stopovers, daily flight distances, and the total migration duration. Cranes used during migration both, time- and energy-minimization strategies (V).
Combining unmanned aerial vehicles and a mesocosm experiment to unveil plant communities shifts under global change conditions in coastal meadows
(Estonian University of Life Sciences, 2022) Fernandes Bergamo, Thaisa; Sepp, Kalev (advisor); Ward, Raymond D. (advisor); Joyce, Christopher B. (advisor); Institute of Agricultural and Environmental Sciences; Edwards, Keith (opponent)
Semi-natural grasslands are an essential part of the cultural landscape of Europe. Semi-natural grasslands are commonly characterised by a very high biodiversity, including rare species. Beyond the high biodiversity value, semi-natural grasslands worldwide provide many ecosystem services, including: carbon sequestration and storage, nutrient cycling, regulation of soil quality, habitats for migrating birds, erosion control, and flood regulation. Within the realm of semi-natural grasslands, coastal meadows are particularly important. However, coastal grasslands are threatened by a range of factors such as coastal squeeze, transformation into monoculture ponds, pollution, and climate change. Coastal areas are threatened at a range of spatial scales as a result of sea-level rise, and can include higher flooding frequency in coastal areas, salt water intrusion in aquifers, and potential declines in the extent of coastal wetlands. A warmer climate also implies a modification in precipitation patterns affecting runoff into the sea. In coastal areas, both water levels and salinity have a strong impact on species distribution and therefore on the structure and composition of aquatic and coastal floral and faunal communities. Consequently, plant communities in coastal meadows are expected to undergo changes in their composition and structure. The current thesis explores different methodologies to assess plant community distribution, above-ground biomass, and the effects of management type, duration, and intensity on sward structure using UAV-derived multispectral data and aerial photogrammetry. In addition, the keystone of this thesis is a mesocosm experiment that was used to assess shifts in species richness and abundance in plant community types in Estonian coastal meadows related to future change scenarios of water level and salinity for the Baltic Sea. a. Unmanned Aerial Vehicle (UAV) The use of UAV demonstrated to be able to identify plant community extent and distribution in high biodiversity value coastal meadows in West Estonia. Species diversity and biomass significantly influence the quality of data and this should be accounted for when planning the sample collection to achieve better results. This study has shown that UAVs are useful tools of mapping grasslands at a plant community level. Also, UAV showed to be possible to reveal the structure of the grassland and how it is affected by the management history. For example, the grassland turns more homogeneous under long-term monospecific grazing, b. Mesoscosm Experiment The mesocosm experiment in the present study revealed different temporal changes of wetland communities to altered salinity and water conditions, highlighting the response of plant species to environmental variables. These changes were not significant according to alteration of water level and salinity in the Open Pioneer community, but they were over time. On the other hand, Lower Shore and Upper Shore had significant changes according to time and treatments. These could be explained by dynamic differences in the communities, since Open Pioneer was more variable. c. Conclusions Both methodologies, remote sensing and the mesocosm experiment, are evidently important to evaluate the structure and function of Estonian coastal meadows. The mapping of the extent and structure of coastal plant communities allows an evaluation of the current state of the ecosystem. The mesocosm experiment helps to understand changes in plant community composition under altered conditions of water level and salinity in Estonian coastal meadows and consequently, understand how species richness, abundance, and biomass will respond to those changes. This information is important when considering the protection and potential management of these areas taking into account the species diversity of fauna and flora as well as that of livestock.
Correcting and Calibrating Airbone Laser Scanning Intensity Data Using Naturally Available Targets
(Eesti Maaülikool, 2012) Vain, Ants; Liba, Natalja (advisor); Sepp, Kalev (advisor); Bunce, Robert G. H.; Mücher, Sander
Airborne laser scanning (ALS) has been used widely due to its three dimensional information. Additionally to coordinates, ALS systems record also intensity values that describe the objects backscattering properties. The usage of ALS intensity data has been problematic due to the lack of information for correcting itnensity values for different affects, and also how to calibrate intensity data. Doctoral thesis of Ants Vain focuses on the usage of naturally availabel targets (e.g. asphalt, concrete etc.) of the measured area to use them as calibration targets. The tests carried out for this Thesis showed that the asphalt proved to be the most stable target and produced quite good results when used as calibration target. A near infrared camera was also tested to obtain objects backscattering properties. The camera solution proved to be an useful tool since it can be used simultaneously when the flights take place, therefore it provides results that are closer to actual ones than those measured in the laboratory. The samples will dry in the laboratory, therefore their backscattering properties will change also. Previous tests showed that naturally available targets can be used as calibrators. Since the ALS measurements are one of the remote sensing techiques, the intensity data has to be corrected for several factors before the calibration procedure. This Thesis also studied the range and topography influence on the ALS intensity data. Since the targets are assumed to have a Lambertian backscattering properties, the backscattered energy will reduce with the growth of incidence angel (the angle between incoming laser bean and surface normal). The tests showed the the 20 degree incidence angle will reduce the intnesity values up to 8%. The moisture level in the surface will reduce the intensity values. The study conducted within this Thesis showed that the moisture can reduce the intensity up to 30%. To obtain the moisture level in the surface the near infrared camera was used. The results were similar as in the test that was carried out in the laboratory. The Leica ALS50-II uses Automatic Gain Control (AGC), that is used to ramp up the weak returns or ramp the too strong signals down. In other words, the AGC will keep the received signal in the sensitive area of the receiver. The study conducted within this Thesis showed that the ALS intensity follows the AGC trend. The result of this study was a linear correction model that minimizes the effect of AGC on the intensity values. The doctoral thesis of Ants Vain is one of the few in the world and the first in Estonia that studies the correction and calibration of ALS intensity data. The knowledge that was collected thorughout the studies that were carried out in this Thesis can be used in further studies were ALS intensity data plays a relevant part.
The detection of land use change and its interactions with biota in Estonian rural landscapes
(Eesti Maaülikool, 2014) Kaasik, Are; Sepp, Kalev (advisor)
Land use changes have substantial impact on rural landscape and biological diversity. The thesis analyses the changes in rural landscapes that have occurred in Hiiumaa since 1950s focusing, in particular, on the transformation of open and half-open semi-natural farmlands. The correlation between the agricultural land use dynamics and biota is analysed from both ecological aspects, i.e., how the land use changes in recent decades have influenced the local numbers and distribution of autumn staging Eurasian Cranes (Grus grus) in Estonia, and, from the viewpoint of bioindication, i.e., whether certain soil bioindicators can be used for evaluating the effectiveness of agri-environmental (AE) measures as well as the level of human pressure at field level. In addition, the spatial distribution of topic-based monitoring networks is analysed to combine and integrate data from different monitoring sets and to achieve more coherent geographical coverage of monitoring data for the surveillance of agricultural landscapes. The detailed spatial land use analysis in Hiiumaa enabled the exploration of the transformation of the former diverse and mosaic land use patterns that are characteristic of extensive agriculture to more uniform patterns of intensive agriculture. The greatest change in landscape pattern took place by the 1980s as a result of the intensification of farming, land reclamation and marginalisation. From 1956 to 1998 the area of agricultural lands decreased mainly because of semi-natural grasslands by approximately 43%, and the area of forests increased by approximately 44%. The remarkable changes in agricultural land use intensity, which included a sharp decline in the 1990s and a remarkable revival since 2000, have not yet caused any significant changes in developed simplified landscape pattern. The study enabled to elucidate the origin of the larger ameliorated field systems and to track the transformation of the once widespread open and half-open semi-natural grasslands to forests and other land use types. For instance, by 1998, only approximately 3% of pastures and 12% of grasslands that were present in 1956 were maintained and classified as open grasslands. The study also enabled to analyse the changes in wooded meadows and pastures. The area of half-open land use types, such as grasslands and pastures that were sparsely covered with trees and shrubs, decreased significantly by more than 10 times from 1956 to 1984. The slight increase from 1984 to 1998 is most likely related to the abandonment of agricultural areas. The simplification of land use patterns has controversial impacts to biota. The disappearance of traditional land use patterns and the sharp decline in half-open farmlands has decreased the spread of species-rich habitats; however, the huge agricultural areas (cultivated grasslands and cereal fields) have become important feeding and staging habitats for migrating birds. The following study found significant correlations between the cropping areas of certain field crops and the count numbers of autumn staging Eurasian cranes. In Hiiumaa the correlation was strongest with the cropping area of winter rye (rs = 0.58, p < 0.05, n = 21) and winter wheat (rs = 0.58, p < 0.05, n = 21) and in Matsalu with the cropping area of all cereals combined (rs = 0.56, p < 0.05, n = 28). Then correlations between land use change and biota were also studied from the viewpoint of bioindication. The pilot project, that was performed for testing the effects of AE measures to soil biota, could not detect statistically significant differences between the AE pilot areas and their reference areas in the same regions. The study demonstrated that the short-term application of AE measures cannot have significant effects on soil biota, but the soil biota indicators could have considerable potential as early indicators of soil degradation or improvement when integrated in long-term monitoring programs of agricultural landscapes. The study found statistically significant (p < 0.05) differences in the hydrolytical activity of the microbial community between Palamuse (intensive) and Saaremaa (extensive) pilot areas. However, in this study, it was impossible to separate the impacts of farming intensity and contrasting natural conditions on soil biota. For improvement the monitoring concept for agricultural landscapes and for integrating complementary monitoring data, the distribution of different independently developed topic-based monitoring networks were analysed by Estonian landscape regions, CORINE land cover classes and soil types. The patterns of monitoring networks were studied by neighbourhood analysis, characterised by the nearest neighbourhood index and Ripley’s K-function, and the density analysis in the search radius of 50 km. The analysis covered in total 14 different landscape, biodiversity and environmental monitoring sub-programs.
Ecotoxicological evaluation of synthetic nanoparticles and particulate environmental samples
(Eesti Maaülikool, 2010) Heinlaan, Margit; Kahru, Anne (advisor); Dubourguier, Henri-Charles (advisor); Sepp, Kalev (advisor); Drobne, Damjana (opponent)
Viimasel kümnendil on nanotehnoloogia võidukäik teadlaste huviorbiiti toonud täiesti uuetüübilised osakesed - sünteetilised nanoosakesed. Nanosuurus (1-100 nm) annab osakestele erilised omadused võrreldes nende mikrosuuruses analoogidega, millest on tingitud suured ootused nanotehnoloogilisele progressile nii tööstuses kui meditsiinis. Käesolevas doktoritöös uuriti nanosuuruses ZnO, TiO2 ja CuO ökotoksilisust vee-organismidele. Kuna ZnO ja TiO2 nanoosakesi kasutatakse üha rohkem päikesekaitsekreemides ja teistes kosmeetikatoodetes, kasvab nende tootmine pidevalt ilma, et oleks kogutud piisavat informatsiooni nende keskkonnamõjude kohta. Kuna tegu on osakestega, tuleb nende mõjusid uurides arvestada, et mõned organismid (näit. bakterid) võivad olla neile eksponeeritud kontakti kaudu, samal ajal kui osakestest toituvad organismid võivad neid ka alla neelata. Nanosuurusest tulenev osakeste suur eripind suurendab ka otsesest kontaktist tulenevat võimalikku ohtu ja seega on objektiivsemate tulemuste saamiseks oluline tagada tahkeid osakesi sisaldavate proovide otsene kontakt test-organismiga. Antud doktoritöös valisime test-organismideks bakterid Vibrio fischeri ja osakestest toituvad vähilised Daphnia magna ja Thamnocephalus platyurus’e ning näitasime, et TiO2 nanoosakesed ei olnud ülalnimetatud vee-organismidele kahjulikud isegi väga kõrges kontsentratsioonis (20 000 mg l-1). Samas, ZnO ja CuO nanoosakesed avaldasid kahjulikku mõju juba < 10 mg l-1. Ehkki nii ZnO kui CuO loetakse reeglina vees lahustumatuks, on nii Zn- kui Cu-ioonid vee-organismidele mürgised juba väga madalas kontsentratsioonis (<1 mg l-1), kusjuures organismide ja nanoosakeste otsene kontakt võib suurendada raskmetalli-ioonide vabanemist metalli oksiidi osakestest. Antud doktoritöö näitaski, et ZnO ja CuO toksilisuse põhjustasid neist lahustunud metalliioonid. Erandiks oli nano CuO toksilisus D. magna’le, mis ei seletunud täielikult lahustunud Cu-ioonide kontsentratsiooniga. Probleemi selgitamiseks tehti täiendavaid elektronmikroskoopilisi uuringuid ja näidati, et CuO nanoosakesed põhjustasid D. magna sooleepiteelis mikrosuuruses CuO osakestest erinevaid ultrastruktuurseid muutusi. Lisaks näitasime, et luminestseeruvad bakterid V. fischeri ja eriti fotobakteritestide uus test-formaat – Flash Assay - sobivad nii sünteetiliste nanoosakeste kui ka saastatud muldade ökotoksilisuse sõeluuringuks. Saastunud muldade analüüsil on test-bakterite ja mullaosakeste kontakt eriti oluline, kuna bakteritele mõjuvad kõik proovis sisalduvad neile biosaadavad (saaste)ained. Doktoritöös saadud andmed metalli oksiidide ökotoksilisuse ja nende lahustuvusest tingitud toksiliste mõjude kohta on eriti olulised ja uudsed, mida kinnitab suur huvi doktoritöö artikli „Toxicity of nanosized and bulk ZnO, CuO and TiO2 to bacteria Vibrio fischeri and crustaceans Daphnia magna and Thamnocephalus platyurus“ (Heinlaan, M., Ivask, A., Blinova, I., Dubourguier, H.C., Kahru, A) ajakirjas Chemosphere, 2008, 71:1308-1316 vastu. Artikkel on jõudnud ajakirja Top-50 enim tsiteeritud artikli hulka ajavahemikus 2005-2010. Lisaks nimetas Essential Science IndicatorsSM of Thomson Reuters 2009.a. artikli kui Fast Breaking Paper keskkonna ja ökoloogia vallas viimase 2 a. jooksul http://sciencewatch.com/dr/fbp/2009/09augfbp/09augfbpKahr/). Käesolev doktoritöö on tehtud Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudis (KBFI) Dr. Anne Kahru töörühmas ja on grupi esimene nanoökotoksikoloogia-alal kaitstav doktoritöö. Töö juhendajad on Dr. Anne Kahru (KBFI), Prof. Henri-Charles Dubourguier (KBFI, EMÜ) ja Prof. Kalev Sepp (EMÜ). Töö oponent on Prof. Damjana Drobne (Ljubljana Ülikool).
Emergency risk assessment in Estonia
(Eesti Maaülikool, 2014) Tammepuu, Ants; Sepp, Kalev (advisor)
Today, natural and manmade accidents and emergencies are continual challenges for humanity. Disasters and catastrophes are events, which can bring about serious fallbacks within society and jeopardise sustainable development. The occurrence of accidents is connected with uncertainty and thereby also with the concept of risk. Therefore risk assessment is an essential component on a national as well as international level. The scope of this dissertation embraces the development and current state of emergency risk assessment in Estonia as one of the ‘new’ members of the EU. This dissertation is composed of national, regional-local and organisational levels. Comparison with the UK as an ‘old’ member of the EU has an important place in the entire thesis. The objective of this dissertation was to survey the development of Estonian emergency risk assessment since the restitution of Estonia as an independent state, and examines the impact of legislation and guidelines from other states and international institutions. The research materials were the legislation, guides and standards of Estonia and other countries, where the requirements regarding emergency risk assessment were enacted or included, methodologies, risk assessments outputs and other relevant information sources. In comparative studies the public outcomes of the national risk assessments of Estonia and the UK as well as the risk assessments of selected larger cities and conurbations were used. The results of this study showed that the development of emergency risk assessment in Estonia can be divided into three clearly distinct periods, where in addition to the development of the national legal system foreign systems were also of key importance. The example of the Swedish risk assessment methodology enabled the application and distribution of emergency risk assessment on local, regional and national levels. The example of the UK’s methodology enabled the unification and arrangement of approaches to risk ranking. The risks of epidemics or pandemics, severe weather conditions and floods were assessed as very high or high in the both countries: Estonia and the UK. The public outcome document of the British National Risk Assessment accomplished the broader aims of risk communication in comparison with the Estonian analogue. The studies in selected Estonian ISO 14001 certified organisations demonstrated that the identification of possible accidents and emergencies is performed in association with the identification of environmental aspects, and also considers external factors. Novel approaches in the dissertation are the comparative study of the national risk assessments of two countries and also the study specially addressed emergency preparedness and response in ISO 14001 certified organisations.
Exploring the salutogenic properties of the landscape: from garden to forest
(Eesti Maaülikool, 2016) Maikov, Kadri; Sepp, Kalev (advisor); Bell, Simon (advisor); Zigmunde, Daiga (opponent)
Around the world, there is increasing interest in research showing the impact of the physical environment on people’s health and wellbeing. This work focuses on landscape reading according to chosen theories in healing gardens, city parks and forests. We are knowledgeable about our UGSs and parks through dendrology and history. Newer approaches read landscapes through Environmental Psychology Theories (EPT): Landscape characteristics, Searles theory, main aspects of landscapes by Tyson, Attention Restoration Theory, Perceived Restorativeness Scale and Environmental Preference Matrix. Views are everywhere and through them we connect to the environment. England and the USA were chosen as study sites because of the existence and number of healing gardens. Each room was evaluated with respect to the degree of presence of the thematic landscape characteristics: “Serene”, “Wild”, “Rich in Species”, “Space”, “The Common”, “The Pleasure Garden”, “Festive” and “Culture” in healing gardens and in Tartu city parks (92sp). Tartu is well equipped with greeneries. The version of PRS used in this study is based on Hartig et al.(1997). Based on the Kaplan matrix of psychological environmental preference, pictures of 27 Estonian natural forest views were compiled out. Conclusions of the works are: 1. American healing gardens correlated with various characteristics, such as Festivity and the Pleasure garden. English healing gardens correlated to pairs of landscape characteristics, such as Rich in species and Festive, Rich in Species and Culture and Space and Common. 2. The method, which was developed on a human scale (garden scale), allows for a description and feeling of surroundings from a user point of view (healing purpose). Characters are most effective when they are strongly represented. 3. Tartu greeneries exhibit high recreational and healing potentials within the sensory dimension. 4. There are a range of preferences for different types of natural forest landscapes in Estonia. Those containing high degrees of mystery and coherence, in that order, were judged to be most preferred.
Holistic development of the oil shale region as an industrial heritage, recreational, sports and tourism district
(Eesti Maaülikool, 2019) Metsaots, Kaie; Sepp, Kalev (advisor); Gruehn, Dietwald (opponent)
In Ida-Viru County, the oil shale industrial activity and its decrease in recent decades have caused damaged landscapes, deteriorating settlements and infrastructures, environmental problems, high unemployment, emigration and ageing population. So far, the national government has not started to address the problems, so there is no special development programme that considers the industrial heritage, although some steps have been taken to alleviate the socio-economic situation. Experience in other countries has shown that valuing and giving new uses to industrial heritage is an effective measure to alleviate the difficulties of regions with decreasing industrial activity. In order to achieve the best results, the opinions of residents and stakeholders must be taken into account in development processes. Industrial tourism is gaining popularity worldwide, including in Estonia. Research into public understanding of industrial landscapes as well as into attitudes towards the protection and tourism value of industrial heritage has been scarce in Estonia. Awareness of the nature and importance of industrial heritage is low. Knowledge of rehabilitation methods as well as how to engage local people and organise cooperation between stakeholders is inadequate. There is no holistic view toward the regional development of areas with decreasing industrial activity, although in Ida-Viru County the need has been recognized for over 20 years. The purpose of this research is to fill this gap. The dissertation discusses the importance of the valuation and use of the heritage in the regional development of the county, based on fieldwork conducted to explore oil shale landscapes, and analyses of focus groups’ interviews, a public questionnaire survey and one-on-one interviews with stakeholders. It investigates how the public and the stakeholders perceive the oil shale industrial landscapes and their potential for improving the quality of life and the attractiveness of the region, as well as for diversifying tourism and recreational activities. It discusses opportunities and shortcomings in the development of the region, together with solutions and suggestions, and explores relevant international experience, using it to suggest comprehensive and open approaches that could be successful in the Ida-Viru context.
The impact of protected areas governance and management practices on human well-being and local socioeconomic conditions
(Estonian University of Life Sciences, 2022) Järv, Henri; Sepp, Kalev (advisor); Ward, Raymond D. (advisor); Institute of Agricultural and Environmental Sciences; Bouwma, Irene (opponent); Ehrlich, Üllas (pre-opponent)
Over the last 50 years the number and surface of protected areas (PAs) has explosively increased, covering now almost a fifth of earth terrestrial areas and nearly tenth of marine areas. In addition to biodiversity conservation, protected areas are now expected to perform a number of other functions, such as provide ecosystem services and improve local socio-economic conditions. There is a general understanding that coverage of protected areas alone is not enough to ensure the achievement of the extended objectives, and it has been increasingly emphasized that PAs must also be effectively and equitably managed. Although stressed as utmost important, the efficiency and equity of PAs have not been adequately assessed and there is lack of corresponding information, especially from Europe. There is a particular shortage of research carried out at local level that reflects the impact of protected areas from the perspective of local people and stakeholders. Current research contributes filling this gap by investigating and describing the impact of PAs governance and management practices on human well-being and local socioeconomic conditions in five national parks of Estonia. The study revealed that depending on governance and management practices the conservation status has both positive and negative impacts on human well-being and local socio-economic conditions. It was found that consideration of local circumstances and effective dialogue with residents and stakeholders has significantly contributed to achievement of conservation objectives, while the centralization of PAs governance and management system and the abolition of national parks’ administrations have had various and far-reaching negative effects. It was concluded that effective and equitable management of protected areas requires implementation of efficient support measures, fair compensation for restrictions on the use of private property and the involvement of local people in conservation management.
Land Use Change in Estonia: Identifying key drivers and the impact of EU policies
(Eesti Maaülikool, 2025) Adesiyan, Isaac Adedotun; Sepp, Kalev (advisor)
This study investigates land use and land cover (LULC) change in Estonia, with a particular focus on understanding the impact of European Union (EU) policies on spatial land transitions from 1990 to 2025. Using Saaremaa Island and Vilsandi National Park as case studies, the research employs a mixed-methods approach combining GIS-based spatial modelling (via TerrSet), qualitative data from stakeholder focus group discussions, and interviews with key regional experts. It also examined changes in agricultural land use in Saaremaa between 2004 and 2024, spanning a 20-year period. Spatial data from classified satellite imagery of the CORINE database between 1990 and 2025 was utilized to analyze and predict LULC transitions in Saaremaa, while data for Vilsandi was obtained from the Environmental Board of Estonia. The Markov Chain model was employed to simulate LULC transitions and potential future changes, while qualitative insights were obtained from stakeholder interviews and focus group discussions. The results in Saaremaa revealed a 40% increase in total agricultural land between 2004 and 2024, with arable fields expanding from 13,367 ha to 18,915 ha and the area under heritage meadows increasing to 12,172 ha by 2024. In contrast, Vilsandi National Park showed a dramatic reduction in wetland area from 2.90 km² in 1990 to just 0.32 km² in 2025, a net loss of 2.58 km². Bare land in the park increased by nearly 7 km² over the same period, while forest cover remained relatively stable at around 55.8 km². Grasslands declined by 1.8 km², and fields decreased by nearly 0.9 km². Stakeholder interviews revealed mixed perceptions regarding the effectiveness of EU agricultural and environmental policies, with 35–40% of participants indicating they contribute to sustainable land use to a large extent, while 25–30% believed they have minimal impact. Farmers cited bureaucratic constraints, subsidy inequities, and insufficient adaptation support as major barriers. Focus group analysis further highlighted climate change as the most pressing land-related sustainability challenge, followed by issues such as rural depopulation, property fragmentation, and urbanization pressures. Overall, the study demonstrates that while EU policies have supported forest stability and promoted heritage landscape restoration, they have also coincided with farmland consolidation and ecological stress in wetland zones. The integration of spatial modelling and stakeholder analysis offers a robust framework for understanding LULC dynamics and evaluating the policy landscape shaping Estonia’s rural and protected environments.
Landscape Change, Landscape Perception and The Latvian Countryside
(Eesti Maaülikool, 2009) Bell, Simon; Sepp, Kalev (advisor); Proebstl, Ulrike (opoonent)
Läti taasiseseisvumine algatas maapiirkondades mitmed olulised põllumajanduse, maaomandi ning sotsiaalsete ja majanduslike muutustega seotud protsessid. Praeguseid protsesse maastikus on oluline tõlgendada pika evolutsiooniahela kõige hiljutisemate osadena. Uurides muutusi, mis on maastikes aset leidnud 20. sajandi algusest tänaseni selgus, et Läti maastikud ei ole kaugeltki need, mis nad olid 100 aastat tagasi. Oma, äratuntava jälje, on jätnud Esimene Maailmasõda, Läti esimene iseseisvusperiood, Teine Maailmasõda ja Nõukogude okupatsioon ning kahtlemata on suurt mõju avaldanud taasiseseisvuse periood alates 1991. aastast ja Euroopa Liitu kuulumise aeg. Käesoleval uurimustööl on mitmeid eespool mainitud teemadega haakuvaid eesmärke: 1. Uurida Läti maastikes toimunud ja toimuvaid muutusi ning hinnata maastikke, mis on kujunenud arenemis- ja muutumisprotsesside tulemusel. 2. Selgitada välja millistena näevad Läti linna- ja maapiirkondade inimesed maastikus toimuvaid muutusi ja kuidas antud muutused mõjutavad nende identiteeti. 3. Uurida, milline on muutuva maastiku tingimustes maapiirkondade sotsiaalne ja majanduslik olukord praegu, milliseks võib see kujuneda tulevikus ning kuidas mõjutavad sotsiaalsed muutused maastikke. 4. Hinnata Euroopa Liidu põllumajandustoetuste mõju maastikele. Uurimustöö esimeses osas analüüsiti Vidzeme kõrgustiku maastiku struktuuris 20. sajandil toimunud ja 21. sajandil oodatavaid muutusi. 20. sajandil suurenesid Vidzeme kõrgustiku metsaalad järk-järgult. See on seotud Läti majanduspoliitikaga 1930-ndatel aastatel, talunike maalt väljasaatmisega 1940-ndal aastal ja 1949-ndal aastal pärast Läti okupeerimist, väikeste kollektiivfarmide likvideerimisega, suurte Nõukogude Liidule iseloomulike ühismajandite asutamisega, talumaade kasutusele võtmisega ühismajandite poolt ning laiaulatusliku maaparandusega. Pärast 1990-ndatel aastatel toimunud maareformi ja omandisuhete muutumist jäi Vidzeme kõrgustikul suur osa maast sööti või intensiivsest kasutusest kõrvale. Suure hulga põllumajandusmaade võsastumise tõttu maastiku struktuur muutus. Esialgu pidurdus maastike heterogeensuse suurenemine, hilisemas etapis võib see aga viia homogeense maastikumustri tekkimiseni. Uuring analüüsib hetkel Vidzeme kõrgustiku piirkonna sotsiaalmajanduslikku situatsiooni ja selle mõju maastiku struktuurile. Esimene osa kaudu jõuti uurimustöö teise etappi, mille käigus koguti Läti linna- ja maapiirkondade elanikelt (nii lätlased kui muulased)informatsiooni nende suhetest maastikuga. Antud uurimisetapi eesmärkideks oli uurida erinevate maastikuelementide väärtust ja tähtsust Läti elanikele, seostada saadud sotsiaalset informatsiooni ettekujutustega maakasutuse muutustest ning mõista lätlaste ajaloolisi (eriti Nõukogude Liidu eelse esimese Läti Vabariigi aegseid) tõekspidamisi maastikust. Leiti, et on olemas kindlad maastiku võtmeelemendid, mida peetakse traditsiooniline Läti maastikule omaseks ja mis mängivad olulist osa lätlaste identiteedi kujunemisel. Uuringu tulemustest selgus, et kuigi lätlastel on tugev tõmme traditsioonilise, maapiirkondadele omase maastiku poole on siiski terve rida sotsiaalmajanduslikke tegureid (eriti puudujäägid teenindavas sektoris maal), mis soodustavad maapiirkondadest väljarännet linnadesse ja teistesse riikidesse. Kui väljarände põhjuseks olevaid faktoreid ei püüta sotsiaalmajanduslike otsuste abil leevendada, siis allesjäänud inimeste, kes on peamiselt vanema generatsiooni esindajad, tähtsus väheneb, väljaränne piirkonnast suureneb ning kultuurmaastiku olukord halveneb veelgi. Seoses Euroopa maastikukonventsiooni väljatöötamisega on mure kultuurmaastike pärast viimasel ajal suurenenud kuna konventsioonile allakirjutanud riikidel lasub kohustus töötada välja kultuurmaastike majandamiseks ja kaitseks vajalikud tegevused. Endise Nõukogude Liidu liikmesriikides on maastik põllumajandusliku kollektiviseerimise ja selle järelmõju tõttu tugevalt muutunud. Maastiku muutuseid analüüsiti kuue Läti maapiirkonna näitel (samad omavalitsusüksused, milles viidi läbi sotsiaalteaduslik uuring) kasutades 1901−1927 aastate kaarte (esindamaks traditsioonilist maastikku), 1997-2000 aastate ortofotosid (esindamaks Nõukogude aja järgset maastikku), Maastikukarter kirjeldati välitöödel. Leiti, et kõik uuritud alad on Nõukogude ajal läbi teinud märkimisväärsed maastikulised muutused ning Nõukogude aja eelne, traditsioonilise maastik on vahetunud uue „ideoloogilise maastiku“ vastu. Küsimus, kas sääraste, okupeeriva võõrvõimu poolt loodud maastike kaitsmine ja säilitamine on vajalik, on üks paljudest, mis tekib kui mõelda milliseid maastikke ja maastikuelemente on tarvis Euroopa maastikukonventsiooni raames säilitada. Töö viimases osas uuriti millised muutused on toimunud Läti maastikes pärast 2004. aastat ja milline on olnud Euroopa Liidu maapiirkondade arendamise meetmete mõju maakasutuse muutustele, eelkõige maade kasutusest välja jätmise trendi pidurdamisele ja ümberpööramisele. Oletati, et Läti põllumajandussüsteemi ühendamine Euroopa Liidu Ühtse põllumajanduspoliitikaga ja põllumajandustootjate suuremad võimalused toetustele vähendavad põldude söötijätmist ja suurendavad nende kasutamist. See omakorda aitaks kaasa maastike mosaiiksuse suurenemisele, mis mitmekesistaks kultuurmaastikke ja suurendaks bioloogilist mitmekesisust. Neljas erinevas piirkonnas läbi viidud uuringud näitavad, et seni on põllumajandustoetuste mõju maakasutusele ja maastikele olnud väike. Esialgsed uuringu tulemuste põhjal võib öelda, et tegemist on pigem sotsiaalsete kui maastikuliste faktoritega. Antud tõdemust tuleks arvestada põllumajanduspoliitika kujundamisel, et saavutada põllumajandusmajandus toetustega laiemaid keskkonnakaitselisi eesmärke.
Multi-scale modelling and upscaling ecosystem function dynamics in Boreal Baltic coastal meadows using remote sensing platforms
(Estonian University of Life Sciences, 2025) Martínez Prentice, Ricardo; Sepp, Kalev (advisor); Villoslada Peciña, Miguel (advisor); Ward, Raymond David (advisor); Institute of Agricultural and Environmental Sciences; Muro, Javier (opponent); Kmoch, Alexander (pre-opponent)
ABSTRACT. Boreal Baltic Coastal Meadows face degradation caused by agricultural intensification and the abandonment of traditional management practices. In Estonia, they have been in decline over the past century, with 82% of managed coastal meadow areas lost by the year 2000. Since Estonia’s accession to the European Union, restoration efforts supported by EU agricultural funding have led to a noticeable recovery. By the end of 2019, 10700 hectares were restored. However, these coastal meadows remain under pressure from both abandonment and intensive grazing. Previous studies aimed at assessing the current state of preservation and restoration efforts for coastal meadows have accounted for their multi-faceted dynamics. High-precision Remote Sensing (RS) technologies detect those dynamics by capturing the variety of features in multispectral wavelengths, being able to retrieve key parameters such as plant community distribution and biophysical variables—supported by UAVs and field sampling. In this way, monitoring coastal meadows has evolved from static, site-limited surveys to spatially continuous approaches that reflect ecological variability across scales. The integration of UAV data with satellite imagery allows for both fine-scale resolution and landscape-scale coverage. The information retrieved by these platforms support evidence-based decision-making for restoration planning, agri-environmental policy implementation, and adaptive management, particularly in regions facing pressures from climate change and land-use transitions. The present thesis contributes to the monitoring of coastal meadows by extending high-precision mapping approaches to satellite-based imagery at coarser spatial resolutions. It tests the correspondence between UAV-mounted cameras and the sensors on board two well-known, medium-resolution, and publicly available satellite platforms: the European Space Agency's Sentinel-2 (S2) and the NASA–U.S. Geological Survey Landsat 8 (L8), both of which provide continuous Earth Observation (EO) data. The goal is to leverage UAV-based studies and make it feasible to expand monitoring efforts across larger areas of coastal meadows, particularly those protected under the EU Habitats Directive, Annex I (92/43/EEC). The use of publicly available satellite data also will facilitate the rapid automating and integration of UAV data with satellite data provided from Estonia’s national EO platforms. This can offer rapid decision-support tools for farmers receiving national subsidies to preserve the ecological state of coastal meadows. This work states three hypothesis. The first posits that pixel-based classification of very high-resolution UAV imagery yields more accurate maps of plant community distribution in coastal meadows than object-based methods. The second and third hypotheses propose that very high-resolution UAV data can be effectively upscaled to estimate Plant Fractional Cover (PFC) and Surface Soil Moisture (SSM) at the spatial resolutions of Sentinel-2 (10 m) and Landsat 8 (30 m), respectively, based on the spectral compatibility between sensors and calibration procedures. To enhance predictive performance, the study employs Random Forest (RF) and XGBoost algorithms, both of which demonstrate strong capabilities in handling complex, non-linear relationships. Their non-parametric and ensemble-based nature makes them particularly effective in modeling the spatial heterogeneity typical of coastal meadow ecosystems. Pixel-based classification proved more accurate than object-based methods for mapping Plant Communities, as it better captured the heterogeneous spectral variation typical of coastal meadows. On the other hand, upscaled UAV-derived Plant Community classification values were used both to assess the spectral correspondence between S2 and Parrot Sequoia (PS) images and to train S2-based RF models for estimating PFC. SSM was estimated at L8 scale using calibrated Temperature Vegetation Dryness Index (TVDI) values derived from UAV imagery and ground-based volumetric water content (VWC) measurements, resulting in very high-resolution SSM maps that were upscaled to L8 scale to train XGBoost models in three different months. The resulting predictions outperformed existing medium-resolution SSM estimation methods reported in the literature. The models yielded moderate to high performance, underscoring the importance of integrating vegetation indices (VIs) with auxiliary variables such as Digital Elevation Models (DEMs) and Land Surface Temperature (LST). Collectively, these results demonstrate the potential for scalable and automated monitoring frameworks that can inform both ecological research and the implementation of policy instruments—including agri-environmental subsidies and restoration programs—aimed at supporting the sustainable management of coastal meadows.
Novel approaches in multi-sensor unmanned aerial vehicles as basis for enhancing fire management frameworks
(Estonian University of Life Sciences, 2023) Sampaio de Lima, Raul; Sepp, Kalev (advisor); Lang, Mait (advisor); Vain, Ants (advisor); Institute of Agricultural and Environmental Sciences; Remmel, Tarmo (opponent)
Introduction. Climate changes are affecting the world, making wildfire understanding vital, and Estonia might experience an increase in the frequency of wildfires in the forthcoming years. Despite efforts to integrate fire management actions and research, many findings remain in "grey literature." This gap calls for formal research to evaluate the efficacy of these strategies. Recently, Estonian initiatives seek to foster collaboration between research and government entities. This thesis thus aims to contribute to the topic by developing knowledge on remote sensing, particularly UAV-based approaches, to improve fire management frameworks. Methods. The study involved various Estonian locations. Paper I examined how UAV flight parameters affect data quality in Lahemaa National Park. Papers II and IV estimated aboveground biomass using multispectral imagery and hyperspectral data from the Agricultural Research Centre in Kuusiku, employing diverse machine learning methods and approaches. Paper III predicted soil moisture in Lavassaare Natural Reserve using optical UAV data and partial least squares regression. Lastly, Paper V maps Rosa rugosa occurrence across Estonian coast using UAVs, integrating these findings into a satellite dataset. Results and Conclusions. The study unveiled an optimal UAV collection strategy for Estonian forests, ensuring canopy and forest floor reconstruction. Machine learning and AutoML frameworks proved effective in estimating biomass, paving the way for automated algorithms. Developing distinct models or conducting field surveys at various periods emerged as the most effective approach for accurate soil moisture modelling. Lastly, a UAV-based methods aided post-fire monitoring and species mapping, allowing assessments beyond surveyed areas. Thus, the importance of these datasets shifted across management stages. Multispectral data aided pre-fire soil moisture estimation, while post-fire used photogrammetry for exposed areas. Integrating diverse remote sensing data improved modelling results, overcoming transferability challenges. Complementary use of RS and field data enhanced modelling, particularly in complex environments. Findings underlined potential in merging remote sensing data for precise variable modelling, enhancing accuracy and agreement toward improved fire management systems.
Residues of some pharmaceuticals in sewage sludge in Estonia, their stability in the environment and accumulation into food plants via fertilizing
(Eesti Maaülikool, 2011) Lillenberg, Merike; Nei, Lembit (advisor); Sepp, Kalev (advisor); Mikhalovsky, Sergey V. (opponent)
Maakera rahvastiku kasv toob kaasa üha uusi lahendamist vajavaid keskkonnaprobleeme. Intensiivistuva toiduainete tootmise tingimustes on vaja üha enam tähelepanu pöörata toiduohutuse tagamisele. Käesoleva doktoritöö autor on uurinud toidutekkelisi parasitaarja viirushaigusi (Lillenberg ja Järvis, 2005), toiduainete saastumist patogeensete bakteritega (Roasto et al., 2009; Meremäe et al., 2010; Roasto et al., 2011), tegelenud mullas ja toidutaimedes sisalduvate ravimijääkide määramismeetodite väljatöötamisega (Lillenberg, 2003; Lillenberg et al., 2003) ning reoveepuhastusalase probleemistikuga (Nei ja Lillenberg, 20091). Põhiline osa uurimistööst on aga seotud reoveesette kasutamisvõimaluste uurimisega mullaviljakuse tõstmisel. Reoveesete on väga toiteaineterikas, kuid lisaks toitainetele sisaldab see kahjuks mitmesuguseid saasteaineid, olles seega oma olemuselt ohtlik jääde. Vaatamata sellele on reoveesetet lubatud kasutada väetisena haljastuses, metsanduses ja ka põllumajanduses tingimusel, et see on muudetud ohutuks keskkonnale ning inimeste ja loomade tervisele. Rahvusvaheliselt ja siseriiklikult kehtivad regulatsioonid nõuavad raskemetallide, fekaalsete coli-laadsete bakterite ja helmintide munade sisalduse määramist, mis on aga sette ohutuse hindamise seisukohalt selgelt ebapiisav, sest selles sisalduvate bioloogiliste ja keemiliste kontaminantide hulk võib-olla mitmeid kordi suurem. Seetõttu leiab reoveesete julgemat kasutamist haljastuses, metsanduses ja prügilate katmisel kui põllumajanduses. Üha enam on hakatud reoveesetet koos muude kütustega põletama või sellest biogaasi tootma. Viimasel aastakümnel on pööratud varasemast suuremat tähelepanu keskkonna saastumisele ravimijääkidega. Kanalisatsiooni ja sealt edasi reoveesettesse satub ravimeid, mille liikumine ahelas reovesi – reoveesete – kompost – muld – taim – inimene (või loom) võib ohustada ahela viimast lüli. Reoveesettes sisalduvate ravimijääkide lagunemiskiiruse sõltuvust komposti valmistamise tehnoloogiast ei ole seni maailmas uuritud, see 90 on uudne ja oluline teema. Piisavalt ei ole uuritud ka ravimite liikumist väetatud mullast taimedesse. Teaduspublikatsioonides rõhutatakse ravimite taimedesse akumuleerumise väljaselgitamise tähtsust. Mõned laialdaselt kasutatavad antibiootikumid, näiteks tetratsükliinid ja fluorokinoloonid, säilivad mullas kaua. Laborkatsed on kinnitanud, et sulfoonamiidid ja fluorokinoloonid akumuleeruvad taimedesse, sh. toidutaimedesse. Erinevalt loomorganismist puudub taimedel väljutusmehhanism ning seetõttu võivad ravimid taimedes kontsentreeruda. Kasvuperioodi lõpuks võib taime ravimisisaldus olla suurem kui kasvumullas ja ületada loomsele toidutoormele kehtestatud piirnormi, millega kaasneb oht inimese tervisele (Lillenberg et al., 2003). Tuginedes teadaolevatele andmetele, uuriti keskkonnas kauapüsivate ja potentsiaalselt taimedesse akumuleeruvate ravimijääkide sisaldust Eesti suuremate linnade, Tallinna ja Tartu, reoveesettes, nende lagunemist sette töötlemise käigus ja akumuleerumist mullast toidutaimedesse. Uuritavate ravimite valikul lähtuti ka eelnevatel aastatel Eestis müüdud ravimite kogustest (Eesti ravimistatistika 2002–2006; Eesti ravimistatistika 2006– 2008). Ravimijääkide sisaldust reoveesettes ja kompostis ei ole Eestis varem uuritud. Esmakordselt uuriti ravimite akumuleerumist mullast toidutaimedesse madalate ravimikontsentratsioonide korral, millised võiksid reoveesettega väetatud mullas esineda. Reoveesette ja komposti proovid võeti AS Tallinna Vesi ja AS Tartu Veevärk reoveepuhastusjaamadest. Katsemullad valmistati ette Eesti Maaülikooli PKI mullateaduse ja agrokeemia osakonnas. Taimkatsed viidi läbi Luunjas, AS Grüne Fee kasvuhoones. Kromatograafilised analüüsid teostati Tartu Ülikooli Keemiainstituudis. Taimkatseteks valiti lehtsalat (Lactuca sativa L), porgand (Daucus carota L), kartul (Solanum tuberosum L) ja nisu (Triticum vulgare L). Käesolevas töös kasutatud uurimismetoodikate väljatöötamine ja töö tulemused on leidnud kajastamist ISI teadusartiklites (Lillenberg et al., 2009; Lillenberg et al., 20101; Lillenberg et al., 20102; Kipper et al., 2010). Töö tulemusi on esitletud ka mitmetel rahvusvahelistel konverentsidel (SETAC Varssavi, 2008; SETAC Tampa, 2008; CNSSS Tallinn, 2009; ICEST Bangkok, 2010; SETAC Sevilla, 2010; ICBEE Kairo, 2010) ning populaarses vormis ajakirjas „Keskkonnatehnika“ (Nei ja Lillenberg, 20092). 91 8.2. Kirjanduse ülevaade Keskkonna saastumine ravimitega on muutunud oluliseks uurimisvaldkonnaks. Läbinud inimese või looma organismi, väljuvad ravimid kas muundumata kujul või metaboliitidena keskkonda. Neid on leitud sõnnikus ja reovees, reoveesettes ja pinnavees, kompostväetises ja väetatud mullas. Ravimid võivad keskkonnas kahjulikeks osutuda, kuna nad on loodud eesmärgiga mõjutada bioloogilisi objektide. Neil on sageli biostruktuuridega sarnased füüsikalis-keemilised omadused nagu lipofiilsus, mis võimaldab läbida biomembraane ja stabiilsus, mis hoiab ära nende inaktiivseks muutumise enne raviefekti tekitamist. Nii on ravimitel olemas vajalikud omadused, et akumuleeruda organismides ja kutsuda esile muutusi vee ja pinnase ökosüsteemides (Halling- Sørensen et al., 1998). Sõnniku või reoveesette kompostväetise koostises jõuavad ravimid põllumajandusmaadele. Osa neist lagundatakse mulla mikroorganismide poolt mõne päeva või nädala jooksul (Thiele-Bruhn, 2003), stabiilsemad võivad mullas muutumatuna säilida isegi üle aasta (Golet et al., 2002). Reoveesette kasutamine põllumajandusväetisena on globaalne probleem. Seoses maailma rahvastiku kiire kasvuga suurenevad ka reovee töötlemisel tekkiva sette kogused, mis tuleb puhastitest eemaldada. Reoveepuhastite territooriumitele kuhjuvad kompostihunnikud, mille utiliseerimine ei ole kerge. Kuigi reoveesette kompost on kahtlemata hea orgaaniline väetis, võib see osutuda keskkonnale, inimesele ja loomadele ohtlikuks nende keemiliste või bioloogiliste kontaminantide sisalduse tõttu, mille regulaarset kontrollimist reoveesette kasutamise määrus ette ei näe (ravimijäägid, patogeensed bakterid, seened, viirused). Komposti kasutamine haljastusväetisena või rekultiveerimiseks Eestis probleeme ei tekita, põllumajandusväetisena leiab kompost kasutamist palju harvemini. Ravimeid fluorokinoloonide, sulfoonamiidide ja tetratsükliinide rühmadest on leitud mitmel pool maailmas reovees, reoveesette koostises ja puhastatud vees (Golet et al., 2002; Lindberg et al., 2005; Göbel et al., 2005; Okuda et al., 2009; Spongberg and Witter, 2008; Gros et al., 2007) Reoveesette töötlemise tehnoloogiad on erinevad, kuid kõik need peaksid tagama sette ohutuse keskkonnale ning inimeste ja loomade tervisele. Töötlemata reoveesette kasutamine põllumajanduses on keelatud. Euroopa Liidus, sh. Eestis kehtiv reoveesette kasutamise määrus lubab 92 töödeldud reoveesetet kasutada põllumajandusväetisena, kui see ei sisalda üle normi fekaalseid coli-laadseid baktereid, raskemetallide jääke ega helmintide mune. Teiste bioloogiliste või keemiliste kontaminantide sisalduse kontrollimine ei ole kohustuslik (Riigi Teataja I, 2004). Kuigi on andmeid, et ravimid jõuavad mullast taimedesse, piirnormid ravimite jääkidele taimses toidutoormes puuduvad. Loomsele toidutoormele kehtestatud MRL (maximum residue limit – ravimijäägi maksimaalne lubatud sisaldus) sõltub ravimi farmakoloogilistest omadustest, looma liigist ja koest (EMA/EPMARs). Osa allikaid väidab, et ravimijääkide „omastamine” mullast on tühine (Boxall et al., 2006; Thiele Bruhn, 2003). Teised autorid, vastupidi, peavad ravimite akumuleerumist mullast toidutaimedesse sedavõrd tõsiseks probleemiks, et on teinud ettepaneku kehtestada MRL ka taimsele toidutoormele (Brambilla et al., 1996). Artiklis (Jjemba, 2002) rõhutatakse ravimite taimedesse akumuleerumise uurimise olulisust. Vajalikuks peetakse ka ravimite degradatsiooni uurimist reoveesette erinevate töötlemistehnoloogiate korral. Vähestes töödes on uuritud ravimijääkide sisalduse vähenemist sõnniku kompostimisel (Dolliver et al., 2008). Ravimijääkide degradatsiooni reoveesette kompostimise käigus ei ole maailmas seni uuritud. Euroopa Liidus puuduvad normatiivid ravimijääkide sisalduse kohta reoveesette kompostis (EU Council Directive 86/278/EEC, 1986). Soovitatavad veterinaarravimite sisalduse piirnormid sõnnikus on 100 μg/kg ja sõnnikuga väetatud mullas 10 μg/kg (EMEA/CVMP/055/96, 1996). Kuid need normid on tänaseks seatud kahtluse alla kui liiga kõrged. Euroopa Liidu Teaduskomitee toksikoloogia, ökotoksikoloogia ja keskkonna küsimustes (EU ESCTEE) peab antud piirnorme mitteteaduslikeks, kuna need ei välista ohtu kõigile mulla mikroorganismidele. Uueks, keskkonnale ohutuks ravimisisalduse piirnormiks mullas pakutakse 1 μg/kg. See on arvutatud arvestades erinevate ravimite MIC-i (Minimum Inhibitory Concentration – minimaalne inhibeeriv kontsentratsioon) väärtusi mulla mikroorganismidele. MIC-l põhinev ravimisisalduse piirnorm ei välista aga ravimresistentsuse arenemist mullamikroobidel. Selleks piisab palju väiksemast ravimikontsentratsioonist mullas – MEC (Minimum Effect Concentration - minimaalse mõju kontsentratsioon), mille juures mikroobide kasv aeglustub (O´Reilly and Smith, 1999). Ravimresistentsuse teket välistav ravimisisaldus mullas ei tohiks ületada 0,01–0,1 μg/kg (Montforts, 2005). 93 Anaeroobse töötlemisega ohutuks muudetud reoveesettest on leitud fluorokinoloonide jääke kontsentratsioonides 2130-2420 μg/kg (Golet et al., 2002), mis ületab ravimisisalduse piirnormi sõnnikus 100 μg/kg (EMEA/CVMP/055/96, 1996) üle kahekümne korra. Reoveesettega väetatud mullast on leitud fluorokinoloonide jääke 21 kuu pärast: tsiprofloksatsiini keskmiselt 270 μg/kg ja norfloksatsiini 300 μg/kg kohta (Golet et al., 2002). Walters et al. (2010) näitasid fluorokinoloonide pikaajalist säilimist reoveesettega väetatud mullas. Vahetult pärast reoveesette laotamist oli tsiprofloksatsiini sisaldus mullas 542 ja ofloksatsiini sisaldus 470 μg/kg (kuivaine kohta). 994 päeva pärast ei olnud kumbki antibiootikum mullas lõplikult lagunenud, nende sisalduseks saadi 390 μg/kg (tsiprofloksatsiin) ja 267 μg/kg (ofloksatsiin) (Walters et al., 2010). Sulfoonamiide on leitud reoveesetetest (Göbel et al., 2005) ja puhastatud reoveest (Göbel et al., 2004; Lindberg et al., 2005), sulfametoksasool ei ole reoveepuhastis biodegradeeritav (Richardson and Bowron, 1985). Reoveesette kompostimise käigus ei pruugi laguneda fluorokinoloonide ja tetratsükliinide jäägid. Nende aeglast degradeerumist põhjendatakse tugeva seondumisega tahketele osakestele (Marengo et al., 1997; Carmosini and Lee, 2008). Kaks nädalat pärast väetamist seasõnnikuga tuvastati tetratsükliini sisaldus erinevatelt sügavustelt võetud mullaproovides 195 ja 254 μg/kg (Sczesny et al., 2003). Seitse kuud pärast väetamist võetud mullaproovides oli keskmine tetratsükliini sisaldus 65,5 μg/kg (Hamscher et al., 2002). Kõik eeltoodud ravimijääkide sisaldused mullas ületavad mullale kehtestatud ravimite piirnormi 10 μg/kg kümneid kordi, teaduslikult põhjendatud mullaorganismidele ohutu piirnormi 1 μg/kg sadu kordi ja mullamikroobide ravimresistentsuse arenemist ennetava piirnormi 0,01–0,1 μg/kg tuhandeid kordi. Alates 1940. aastast kuni tänaseni on antibakteriaalsete ainete tootmine ja tarbimine maailmas mitmekordistunud, sama aja jooksul on oluliselt suurenenud ka bakterite antibiootikumresistentsus, nii ohutute kui ka patogeensete bakterite hulgas. Tetratsükliini resistentsust määrava geeni esinemissagedus on mullabakterite hulgas ajavahemikul 1970– 2008 kasvanud 15 korda, põhjuseks väetamine tetratsükliine sisaldava sõnniku või reoveesette kompostiga (Knapp et al., 2010). Reoveesettes ja settekompostis esinevad bakterid on sageli antibiootikumresistentsed, kuna on elanud pikka aega antibiootikume sisaldavas keskkonnas 94 (Reinthaler et al., 2003; Sahlström, et al., 2009). Niisuguste bakterite sattumine keskkonda põhjustab ravimresistentsuse levikut. Mullabakterite antibiootikumresistentsus kujutab endast potentsiaalset ohtu inimeste ja loomade tervisele, sest resistentsust määravad geenid võivad transformeeruda ohututelt mullabakteritelt patogeensetele bakteritele horisontaalse geeniülekande teel (Davies, 1994). Taimkatsed on näidanud, et antibakteriaalsed ained fluorokinoloonide, tetratsükliinide ja sulfoonamiidide rühmast akumuleeruvad mullast taimedesse (Migliore et al., 1995; Brambilla et al., 1996; Aruksaar et al., 1998; Aruksaar et al., 1999; Lillenberg et al., 2003; Boxall et al., 2006). Sel teel on võimalik ravimite sattumine mullast inimese toidulauale või loomasööda koostisesse. Erinevalt loomorganismidest, kus ravimite jäägid väljuvad ekskrementidega, taimedel väljutusmehhanism puudub. Seetõttu on võimalik ravimijääkide kontsentreerumine pika kasvuperioodi jooksul (Lillenberg, et al., 2003). Tulemuseks võib olla kõrgem ravimijääkide sisaldus toidutaimedes, kui on lubatud loomsetes toitudes. Loomsele toormele kehtestatud MRL tuleneb ADI arvust (acceptable daily intake – päevane lubatud doos). ADI on päevas tarbida lubatud aine kogus inimese kehakaalu 1 kg kohta kogu eluaja jooksul, ilma tervist kahjustamata. Eristatakse toksikoloogilist ADI - aine ohutut doosi vältimaks otseseid kahjulikke kõrvaltoimeid organismile ja mikrobioloogilist ADI – aine ohutut doosi organismi normaalsele mikrofloorale, kusjuures ADItox > ADImic. Loomsele toormele kehtestatud MRL põhineb mikrobioloogilisel ADI arvul (EMA/EPMARs; EMEA/MRL/398/98). Toiduga saadav ravimikogus peab olema ohutu ka inimese organismis resideerivatele bakteritele. Mõnede ravimite puhul on antud piirnormid algse ravimi ja tema metaboliitide summaarse sisalduse kohta: näiteks enrofloksatsiin (EMEA/ MRL/820/02), mille peamiseks metaboliidiks loomorganismides on tsiprofloksatsiin (Mengozzi et al., 1996; Küng et al., 1993). Esimene neist on kasutusel ainult veterinaarmeditsiinis, teine ainult humaanmeditsiinis. Ka taimedes metaboliseerub omastatud enrofloksatsiin tsiprofloksatsiiniks. 10 mg/kg enrofloksatsiini sisaldusega mullas kasvanud salatis vedelikkromatograafilise HPLC meetodiga määramisel oli enrofloksatsiini ja tsiprofloksatsiini sisaldus vastavalt 300 μg/kg ja 70 μg/kg. Enrofloksatsiini ja tsiprofloksatsiini summaarseks sisalduseks 95 salatis saadi 370 μg/kg, mis ületab piimas ja lihas lubatud MRL 100 μg/ kg (EMEA/MRL/820/02) üle kolme korra (Lillenberg et al., 2003). Kuna taimedele ei ole MRL kehtestatud, on võimalik taimse toidu ohutust hinnata lähtuvalt loomsele toormele kehtestatud piirnormist (EMEA/ MRL/026/95; EMEA/MRL/820/02). Mõnede käesolevas töös uuritud ravimite puhul (norfloksatsiin ja ofloksatsiin) MRL loomse toorme jaoks puudub, sest need ravimid on kasutusel ainult humaanmeditsiinis. Norfloksatsiini ja ofloksatsiini sisaldust taimedes võib tinglikult võrrelda tsiprofloksatsiini ja enrofloksatsiini lubatud summaarse sisaldusega. 8.3. Uurimistöö eesmärgid 1. Uurida Eesti reoveesetet ning sette komposti mõningate keskkonnas kauem püsivate ja/või potentsiaalselt taimedesse akumuleeruvate antibakteriaalsete ainete: fluorokinoloonide, sulfoonamiidide ja tetratsükliinide leidumise suhtes. 2. Anda hinnang erinevatele komposti valmistamise tehnoloogiatele komposti ohutuks muutmise seisukohalt. 3. Uurida valitud ravimite akumuleerumist mullast toidutaimedesse. 4. Hinnata reoveesette komposti kui põllumajandusväetise ohutust, arvestades keskkonnakaitse ja toiduhügieeni nõudeid. 8.4. Materjal ja metoodika 8.4.1. Reoveesette ja komposti uuringud Tallinna ja Tartu reoveesetet ja reoveesette komposti analüüsiti aasta jooksul. Tartus ja Tallinnas on reoveesette stabiliseerimise meetodid erinevad: Tartus toimub pressitud sette aunkompostimine: 25%-lise kuivainesisaldusega sete viiakse väljale aunadesse ja segatakse tugiainega (purustatud puukoor) vahekorras ~1/1. Reoainetebakteriaalse lagundamise tulemusena tõuseb aunas temperatuur kuni +71 °C. Aeroobsete bakterite elutegevuseks vajalike tingimuste tagamiseks segatakse aunasid mitu korda kuus. Tallinnas on kasutusel biopuhastis settinud toormuda anaeroobne stabiliseerimine – metaankääritamine 96 +37 °C juures. Anaeroobsete bakterite metabolismi tulemusena peaksid lagunema keemilised kontaminandid. Kääritatud sete, kuivainesisaldusega 28%, viiakse väljale aunadesse ja segatakse tugiainega (turvas) vahekorras 1/0,75. Aunade segamine toimub üks kord kuus. Reoveesette proovid võeti enne segamist tugimaterjaliga. Mõlemas linnas võeti settest kolm proovi igal kuul aasta jooksul. Kompostiproovid võeti mõlemas linnas 2, 6 ja 12 kuud seisnud aunadest, kuus proovi auna erinevatest kohtadest. Kokku võeti 144 proovi, neist pooled Tartust, pooled Tallinnast. Ligikaudu 200 g reoveesetet või komposti koguti 500 ml mahuga klaaspurki, segati ja kaeti hermeetiliselt suletava kaanega. Enne analüüsimist hoiti proove temperatuuril +4 °C. Analüüsid teostati reeglina ühe nädala jooksul. Pikemaks säilitamiseks hoiti proove sügavkülmas –80 °C. Töötati välja uus metoodika kolme antibiootikumide klassi - tetratsükliinide (TC), fluorokinoloonide (FQ) ja sulfoonamiidide (SA) määramiseks reoveesettes ja kompostis. Tsiprofloksatsiini (CIP), norfloksatsiini (NOR), ofloxatsiini (OFL), sulfadimetoksiini (SDM), sulfametoksasooli (SMX), tetratsükliini (TCL) ja doksütsükliini (DOX) ekstraheerimiseks kasutati PLE (pressurized liquid extraction) meetodit, ekstraktide puhastamiseks SPE (solid phase extraction) meetodit ja ekstraktid analüüsiti LC-MS (liquid chromatography-mass spectrometry) meetodil. PLE. Ekstraktsioon viidi läbi kasutades ekstraheeriva solvendina 0,35% fosforhappe ja atsetonitriili segu 1:1, pH 2,5. Ekstraktsiooni aeg: 10 min, temperatuur: 100–110 °C, rõhk: 100–110 atm., kordus: 5 tsüklit. SPE. Ekstrakti puhastamiseks kasutati kahte erinevat tüüpi ekstraktsioonipadruneid: SCX (strong cation-exchange) ja HLB (hydrophiliclipophilic balance). Sulfoonamiidide määramisel andsid kõrgema saagise SCX padrunid, fluorokinoloonide ja tetratsükliinide puhul HLB padrunid. Kuigi sulfoonamiidide saagis HLB padrunite kasutamisel langes, jäi see siiski aktsepteeritavale tasemele. Seepärast kasutati edaspidi kõigi kolme antibiootikumide grupi üheaegseks määramiseks ainult HLB padruneid. LC-MS. Antibiootikumide sisalduse määramiseks reoveesettes ja kompostis kasutati instrumenti Agilent Series 1100 LC- MSD Trap XCT. Meetodi määramispiirid olid HLB 97 padrunite kasutamise korral CIP 1,8; NOR 1,3; OFL 0,8; SMX 0,1; SDM 0,1; DOX 80 ja TCL 160 μg/kg. Standardhälbed olid vastavalt 0,18; 0,13; 0,08; 0,01; 0,01; 7,7 ja 15,7. Saagiste protsent varieerus olenevalt ainest ja ekstraktsioonipadruni tüübist. Materjalide ja metoodika detailne kirjeldus on avaldatud artiklis II (Lillenberg et al., 2009). 8.4.2. Taimede kasvatamine, proovi ettevalmistamine ja uuringud Taimi kasvatati kasvuhoones plastikpottides, kahes erinevas mullas: liiv-savi mullas pHKCl 6,7; niiskusesisaldus 19,5% ja savi-liiv mullas pHKCl 6,9; niiskusesisaldus 8% (Lisa 1). Antibiootikumid lisati mulda vesilahustena, nii et kõikide ainete lõppkontsentratsiooniks potis oli 10, 100, 500, 1000 μg/kg või 10 mg/kg mulla kuivkaalu kohta. Parema lahustuvuse saavutamiseks lahustati fluorokinoloonid eelnevalt 2 ml-s 0,1 mM ammooniumatsetaat/metanool puhverlahuses (75/25), pH 2,8 (kohandatud 0,1%-lise sipelghappega). Sulfoonamiidid lahustati eelnevalt 2 ml 0,3 M NaOH vesilahuses. Iga kontsentratsiooni jaoks võeti kolm paralleelpotti. Kontrolliks kasvatati taimi antibiootikumidevabas mullas, samuti kolmes paralleelpotis. Katsetaimedeks olid lehtsalat (Lactuca sativa L), porgand (Daucus carota L), kartul (Solanum tuberosum L) ja nisu (Triticum vulgare L). Lehtsalati ja porgandi seemned osteti kauplusest, nisuseemned ja kartulid saadi EMÜ Põllumajandus- ja keskkonnainstituudi mullateaduse ja agrokeemia osakonnast. Mulla kogused pottides olid kartulil 5, nisul 3, porgandil 1,5 ja salatil 0,5 kg. Salati kasvuaeg viie antibiootikumi juuresolekul alates seemnete külvamisest oli 70 päeva, teistel taimedel 120 päeva (kartulil alates kartuli muldapanekust). Seejärel taimed koristati ja eraldati võsud juurtest. Mullaga kokkupuutunud taimeosad pesti hoolikalt jooksva vee all. Söödavad osad kuivatati eraldi: salatil lehed, kartulil mugulad, porgandil peajuur ja nisul terad. Kartulid ja porgandid tükeldati enne kuivatamist. Kuivatamine toimus pimedas ruumis, et vältida fotokeemilisi reaktsioone, mis võiksid põhjustada fluorokinoloonide lagunemist (Hooper and Wolfson, 1991). Kuivanud taimed jahvatati peeneks purustusveskis. Täieliku kuivkaalu saavutamiseks hoiti taimset materjali termostaadis +45 °C juures 24 tundi. Enne analüüsimist hoiti taimede proove hermeetilistes plastikaatkottides sügavkülmas temperatuuril –80 °C. 98 Antibiootikumid ekstraheeriti taimsest materjalist LE (liquid extraction) meetodil. Ekstraktid puhastati SPE meetodil ja analüüsiti LC-MS metodil. LE. Antibiootikumid ekstraheeriti kuivatatud taimsest materjalist atsetonitriili ja äädikhappe seguga 1:1. SPE. Ekstraktide puhastamiseks kasutati HLB padruneid. LC-MS. Antibiootikumide sisalduse määramiseks kasutati instrumenti Agilent Series 1100 LC-MSD Trap XCT. Ekstraheerimist on detailselt kirjeldatud artiklis V (Lillenberg et al., 20102). Antibiootikumide saagised varieerusid kõikide proovimaatriksite piirides 54-98%. Valideerimine teostati maatriksis, kus saavutati kõige madalam saagise protsent (porgandi juur liiv-savimullas: 54-78%), seega on valideerimise hinnang metoodikale antud konservatiivselt. Meetodi määramispiirid varieerusid sõltuvalt antibiootikumist: CIP 108,3; NOR 162,2; OFL 22,9; SDM 71,2 ja SMX 130,6 μg/kg. Standardhälbed olid vastavalt 2,7; 4,1; 0,6; 1,8 ja 3,3. Tulemused, mis jäid alla määramispiiri, näitavad küll antibiootikumide vähest sisaldust porgandis, kuid ei pruugi olla täpsed. Teistes taimedes mulla madalamatel kontsentratsioonidel saadud tulemuste usaldusväärsus on suurem. Antibiootikumide sisaldus määrati taimede söödavates osades: salati lehtedes, kartuli mugulates, porgandi juurtes ja nisu terades. Analüüsid tehti ka mõnedest mittesöödavatest taimeosadest: nisu ja porgandi lehtedest ning salati juurtest. Võrreldi antibiootikumide akumuleerumise ulatust taimede juurtesse ja lehtedesse ning samasse taimeosasse kahest erineva lõimisega mullast. Kokku tehti taimedest 154 analüüsi. 8.5. Tulemused ja arutelu 8.5.1. Antibiootikumide sisaldus reoveesettes ja kompostis Uuritud reoveesetted sisaldasid fluorokinoloonide ja sulfoonamiidide jääke. Tetratsükliinide jääke setetest ei leitud. Sulfoonamiide leiti peaaegu kõigis setteproovides, kuid alla sõnnikule kehtestatud piirnormi 100 μg/ kg. Fluorokinoloonide sisaldus tuvastati enamuses Tartu setteproovides 2-4 korda üle piirnormi, Tallinnas ainult mõnedes proovides, kuid 99 2-15 korda üle piirnormi. FQ kõrged sisaldused nii Tallinna kui Tartu reoveesetetes ilmnesid jaanuaris või veebruaris, Tartus ka augustis. Antibiootikumide keskmised sisaldused Tallinna ja Tartu reoveesetetes on esitatud joonistel (Figure 9, 10). Võetud proovide arvu juures (3 proovi 1 kord kuus) ei saa väita, et FQ sisalduse tõusud ja langused kuude lõikes oleks seaduspärasus. Antibiootikumide sisaldus reovee setetes varieerus mitte ainult kuude lõikes, vaid ka sama päeva proovides. Tetratsükliini reoveesettest ei leitud, kuid selle sisaldus tuvastati reovees. Doksütsükliini ei leitud ka reoveest. Tetratsükliini müüdud kogused on võrreldes fluorokinoloonidega väiksemad (Eesti ravimistatistika, 2002– 2006; Eesti ravimistatistika, 2006–2008). Kuna TCL kasutatakse põhiliselt oftalmoloogias, satub see antibiootikum kanalisatsiooni harvemini. Reoveesette kompostimisel antibiootikumid lõplikult ei lagunenud. Ravimijääkide kontsentratsioonid 2-, 6- ja 12-kuu vanustes kompostiaunades on esitatud tabelites (Table 10, 11). Kuus kuud seisnud kompostides leiti kõiki FQ jääke nii Tartus kui Tallinnas, SA jääke leiti ainult Tartus. FQ ja SMX jääke leiti Tartu kompostis veel 12 kuu pärast, Tallinnas olid need selleks ajaks lagunenud. SDM jääke 12 kuu vanusest kompostist ei leitud ei Tartus ega Tallinnas. Antibiootikumide sisaldus kompostis oleneb nende sisaldusest settes, mis on nii kuude kui päevade lõikes ebaühtlane. Lisaks algmaterjalile oleneb antibiootikumi sisaldus kompostiproovis proovivõtu kohast, sest ka kompostiaunas, ehkki seda segatakse mitmeid kordi, ei ole antibiootikumide sisaldus ühtlane. Aasta keskmise fluorokinoloonide sisalduse arvutamine kompostis ei oma mõtet, sest kunagi ei segata kokku erinevate kuude reoveesettest valmistatud kompostiaunu. Põllule või haljasalale viiakse Tallinnas sama kuu settest valmistatud 6–8 kuud seisnud kompostiaun. Tartus viiakse samavana kompost nn. järelvalmimisauna, kus enam segamist ei toimu. Fluorokinoloonid adsorbeeruvad tugevasti tahkete osakeste külge ega eemaldu sealt kergesti. See võimaldab seletada FQ erinevaid kontsentratsioone sama päeva reoveesettes ja sama kuu kompostiaunas, samuti nende kõrgemaid sisaldusi kuus kuud seisnud kompostis võrreldes kaks kuud seisnud kompostiga. Kompostiaunade keskmine FQ sisaldus on arvutatud kuue juhusliku proovi analüüsitulemuste järgi ja ei pruugi väljendada 100 tonnise auna tegelikku keskmist fluorokinoloonide 100 sisaldust. Kohati kõrge FQ sisaldusega ühe aasta vanune Tartu kompost võib põllule laotatuna põhjustada lokaalselt kõrgeid antibiootikumide sisaldusi mullas, mis ületavad mulla jaoks soovitatud piirnormi 10 μg/kg ja on kümneid kordi kõrgem teaduslikult põhjendatud piirnormist 1 μg/kg. Ühe aasta vanune Tallinna kompost sisaldas antibiootikumide jääke minimaalselt, millest võib järeldada, et Tallinnas kasutatav sette segamine turbaga on ravimijääkide eemaldamisel efektiivsem, kui kompostimine puukoorega Tartus. Küll aga sisaldas Tallinnas antibiootikumide jääke kuue kuu vanune kompost, mis loetakse juba valminuks ja turustamiskõlbulikuks (Figure 15). 8.5.2. Antibiootikumide akumuleerumine mullast taimedesse Kõige suuremates kogustes akumuleerusid taimedesse SMX ja SDM. Loomsele toormele kehtestatud piirnorm lubab SA summaarseks sisalduseks 100 μg/kg. Katsetaimedes leiti mõnel juhul sellest palju kõrgemaid kontsentratsioone, kuid ainult 10, 1 ja 0,5 mg/kg antibiootikumide sisaldusega mullas kasvanud taimedes. Kõige madalam mulla ravimite sisaldus, millest taimed antibiootikume omastasid oli 0,01 mg/kg (Table 13, 14). Kõrgemad antibiootikumide sisaldused leiti taimede maa-alustes osades (Table 15, 16). Savi-liivmullast omastasid taimed antibiootikume reeglina rohkem kui liiv-savimullast (Figure 26, 27). Antibiootikumide sisaldus mullas 10 mg/kg avaldas negatiivset mõju taimede kasvule ning osutus mõne taime puhul letaalseks. Hävinud nisuja salatitaimede lehtedes tuvastati SA summaarne sisaldus üle 900 μg/ kg, salati juurtes üle 7000 μg/kg. Suuremates kogustes antibiootikume omastanud nisu ja salati lehtedes tekkis kloroos, taimed hakkasid närbuma 30. päeval ja eksperimendi lõpuks hävisid täielikult. Kloroosi teket on seostatud CIP akumuleerumisega lehtedes (Lillenberg, 2003). Fluorokinoloonidel on omadus adsorbeeruda mullaosakeste külge, seepärast on väga raske saavutada nende ühtlast kontsentratsiooni mullas. Nende akumuleerumine taimesse võib sõltuda ka juurte asukohast katsemullas. FQ ebaühtlane sisaldus mullas võib olla põhjuseks, miks mõnel juhul antibiootikumide kontsentratsioonid taimedes ei vähene korrellatsioonis kontsentratsioonide langusega mullas. 101 Antibiootikumide kergem omastamine savi-liivmullast on loogiline, sest desorptsioon toimub saviosakeste küljest raskemini (Nowara et al., 1997). Taimede maa-alused osad, juured ja mugulad, on esimesed, kuhu antibiootikumid mullast jõuavad, seetõttu nende kõrgem sisaldus juurtes ja mugulates on ootuspärane. Kas lehtedessse jõuab uuritud antibiootikume tõepoolest vähem, kui maa-alustesse osadesse, või toimub lehtedes valguse mõjul FQ fotodegradatsioon (Hooper and Wolfson, 1991) ei ole antud töö põhjal võimalik öelda. Lehtedes toimuvate metabolismi protsesside tõttu on võimalik uuritud ainete muundumine nende metaboliitideks (Lillenberg et al., 2003), mille sisaldust taimes ei uuritud, kuid mis võivad samuti omada antibakteriaalset toimet. Teostatud uuring näitas, et fluorokinoloonid võivad akumuleeruda mullast toidutaimede söödavatesse osadesse, kui nende kontsentratsioon mullas on vähemalt 10 μg/kg. Kas selline akumuleerumine toimub ka reoveesette kompostiga väetatud mullast, vajab kontrollimist põllukatsetega. 8.5.3. Reoveesette komposti sobivus põllumajandusväetiseks Antibiootikumide akumuleerumine toidutaimedesse võib osutuda ohtlikuks, sest taimse toiduga üliväikestes kogustes antibiootikumide omastamine põhjustab inimese organismis bakterite ravimresistentsuse kujunemise, mistõttu isegi siis, kui antibiootikumi sisaldus taimes jääb alla lihale ja piimale kehtestatud MRL, võib see olla ohtlik. Mitmesuguste antibiootikumide jääke sisaldavate toitude üheaegsel söömisel (näiteks liha, kartul, piim, lehtsalat, porgand) võib esineda ADImic ületamine. Käesolevas uurimistöös akumuleerusid antibiootikumid mullast toidutaimedesse suuremas koguses, kui lubab MRL loomses toormes, kuid ainult mulla kõrgemate ravimi kontsentratsioonide juures: 0,5, 1 ja 10 mg/kg. Nii kõrged ravimite kontsentratsioonid võivad esineda mullas, kui väetamine toimub anaeroobselt töödeldud, kuid tugiainega täiendamata reoveesettega, milles FQ ja SA sisaldus on üle 1 mg/kg. Eestis nii kõrgeid ravimite kontsentratsioone tõenäoliselt mulda ei satu, sest väetamine toimub kompostiga, milles antibiootikumide sisaldused leiti olevat alla 100 μg/kg. Piirkontsentratsiooniks, mille juures antibiootikumide akumuleerumist mullast taimede söödavatesse osadesse veel täheldati, oli 10 μg/kg. Tartu ja Tallinna turustamiseks valmis kompostist leiti FQ rohkem kui 10 või ligi 10 μg/kg (CIP 9, 102 OFL 8 μg/kg). Need arvud ei ole konstantsed suurused, vaid muutuvad, sõltudes ravimite tarbimisest konkreetsel ajal, konkreetses linnas või asulas. Mulla ravimisisalduse piirnorm 10 μg/kg ei ole piisav vältimaks antibiootikumide akumuleerumist toidutaimede söödavatesse osadesse. Ohu hindamisel tuleb lähtuda ravimijääkide sisalduse teaduslikult põhjendatud piirnormist mullas 1 μg/kg. Töös uuritud FQ sisaldused turustamiseks valmis kompostis olid sellest kümneid kordi suuremad (Tartus OFL 8, NOR 64, CIP 70 μg/kg; Tallinnas OFL 8, NOR 17, CIP 9 μg/kg). Sellise kompostiga väetamisel võivad mullas kujuneda lokaalselt küllalt kõrged, mulla mikroobidele letaalsed FQ kontsentratsioonid. SA kontsentratsioon turustamiseks valmis kompostis oli küll madal (Tartus SMX 2 μg/kg), kuid siiski kõrgem piirnormist, mistõttu väetamine niisuguse kompostiga võiks põhjustada ravimresistentsuse kujunemise mulla mikroobidel ja selle võimaliku ülekandumise patogeenidele. Ainult ravimisisalduse piirnormi 1 μg/kg rakendamisel kompostile võime eeldada, et mullas ei ületa ravimisisaldus bakterite antibiootikumresistentsust ennetavat kontsentratsiooni 0,01–0,1 μg/kg (Montforts, 2005). 8.6. Kokkuvõte ja järeldused Töötati välja uus meetod sulfoonamiidide, fluorokinoloonide ja tetratsükliinide grupi antibiootikumide üheaegseks ekstraheerimiseks reoveesettest ja kompostist. Uuriti nende antibiootikumide sisaldust Tartu ja Tallinna reoveesettes ühe aasta jooksul, sisalduse muutust sette kompostimise käigus ja akumuleerumist mullast toidutaimedesse settes esinevate kontsentratsioonide juures. Võrreldi erinevate sette töötlemise tehnoloogiate efektiivsust antibiootikumide sisalduse vähendamisel. Töö tulemused on globaalse tähtsusega, sest andmed ravimisisalduste vähenemise kohta reoveesette töötlemise käigus, samuti ravimite akumuleerumise kohta mullast toidutaimedesse on uudsed kogu maailmas. Fluorokinoloonide sisaldus reoveesetetes oli kohati kõrge (CIP kuni 1520 μg/kg; NOR kuni 580 μg/kg; OFL kuni 157 μg/kg), kohati madal, varieerudes kuude ja isegi ühe päeva lõikes. Sulfoonamiidide sisaldus oli reoveesetetes alati madal. Tetratsükliine Eesti reoveesettest ega kompostist ei leitud, seepärast nende taimedesse akumuleerumist ei uuritud. Samas ei ole välistatud, et tetratsükliine võib sisalduda teiste riikide reoveesetetes, kui neid tarvitatakse suuremates kogustes ja sette 103 töötlemise tehnoloogiad erinevad meil kasutatavatest. Tetratsükliinide akumuleerumine mullast toidutaimedesse pakub teaduslikku huvi ja võiks olla edasiste uuringute teemaks. Tallinna ja Tartu realiseerimisvalmis reoveesette kompost sisaldas antibiootikumide jääke kogustes, mis ületasid nii soovitusliku piirnormi mullale 10 μg/kg kui ka teaduslikult põhjendatud piirnormi 1 μg/kg. Niisugused antibiootikumide kogused kompostväetises võivad osutuda ohtlikuks mullaelustikule, rikkudes sealset bioloogilist tasakaalu, samuti inimestele ning loomadele, põhjustades antibiootikumresistentsuse sagenemist mullabakteritel ja selle võimalikku ülekandumist patogeenidele. Kõige rohkem sisaldas realiseerimisvalmis kompost CIP (70 μg/kg), seejärel NOR (64 μg/kg), OFL (8 μg/kg) ja SMX (2 μg/kg). SDM realiseerimisvalmis kompostist ei leitud. Kui võrrelda Tallinna ja Tartu reoveesette töötlemise tehnoloogiaid ravimijääkide eemaldamise seisukohalt, on ilmne, et Tallinnas kasutatav anaeroobselt stabiliseeritud sette segamine turbaga on efektiivsem, kui pressitud sette aeroobne stabiliseerimine kompostimisel purustatud puukoorega Tartus. Tartu 12 kuud seisnud kompostist leiti märkimisväärses koguses antibiootikumide jääke, Tallinna kompostis olid need ravimid selleks ajaks praktiliselt lagunenud – sisaldus alla 1 μg/kg. Fluorokinoloonid adsorbeeruvad tugevasti tahkete osakeste külge ega eemaldu sealt kergesti. Adsorptsioon võimaldab seletada fluorokinoloonide erinevaid kontsentratsioone sama päeva reoveesette ja sama kuu kompostiauna proovides, samuti nende kõrgemaid sisaldusi kuus kuud seisnud kompostis võrreldes kaks kuud seisnud kompostiga. Kõige madalama ravimisisaldusega mullast 10 μg/kg akumuleerusid taimede söödavatesse osadesse ainult OFL ja CIP. Kõrgematel ravimikontsentratsioonidel kasvanud taimedest leiti ka teisi antibiootikume: NOR ja SMX alates 100 μg/kg, SDM alates 500 μg/kg. Taimsele toidutoormele ravimijääkide MRL kehtestamise vajadus sõltub ravimite sisaldusest reoveesette kompostis (või sõnnikus). Reoveesette töötlemise täiustatud tehnoloogiad peaksid tagama ravimijääkide sisalduse vähenemise kompostväetises keskkonnale ohutu tasemeni – 1 μg/kg, mis välistaks ühtlasi ka nende akumuleerumise mullast taimedesse. Ravimijääkide akumuleerumine reoveesette kompostiga (või sõnnikuga) väetatud mullast toidutaimedesse vajab täiendavaid uuringuid, mis peaksid kaasama ka põllukatsed. 104 8.7. Ettepanekud • Enne turustamist tuleks reoveesette komposti analüüsida ravimijääkide sisalduse suhtes. • Ravimijääkide sisaldus kompostis ei tohiks ületada 1 μg/kg. • Ravimijääkide sisalduse alandamiseks soovitatud tasemeni peaks komposti töötlemise ja hoiustamise aeg olema turbaga kompostimisel vähemalt aasta, puukoorega kompostimisel vähemalt kaks aastat.
Role of historical slash and burn cultivation in the development of cultural landscapes and forest vegetation in south Estonia
(Eesti Maaülikool, 2018) Tomson, Pille; Sepp, Kalev (advisor); Bunce, Robert Gerald Henry (advisor); Institute of Agricultural and Environmental Sciences; Lindbladh, Matts (opponent)
The objective of this PhD thesis was to estimate the effects of historical rotational slash and burn cultivation on the formation of southern Estonian cultural landscapes and forest vegetation. Slash and burn cultivation was practised in Northern and Central Europe until the 20th century. With regard to Estonia, previous studies have suggested that slash and burn cultivation resulted in soil depletion, podsolization and the formation of species-poor forest habitats. This research was based on land use maps drawn in Livonian governorate in the 19th century. These maps depict the areas that were regularly used for slash and burn cultivation (buschlands in Baltic-German). Study areas were located in six protected areas across south-eastern Estonia. Map analysis demonstrated that in the studied areas buschlands used to cover 35-45% of total farmlands. The hilly landscapes of south-eastern Estonia, comprising Albeluvisols and Haplic Albeluvisols in moraines, were particularly suitable for slash and burn cultivation. Buschlands should be regarded as a specific category of land, which does not correspond to modern land cover or land use units. By the end of the 20th century, 78% of these lands had become afforested. The most common forest site type in former buschlands is Oxalis. The field research observed the forests grown in both former buschlands and areas mapped as forest in the 19th century. Different uni- and multivariate statistical methods were applied. The differences in vegetation occurred due to postponed forest development in buschlands, not due to fire. The analysis could not identify any fire-prone species or vegetation composition, which would reveal the changes in soil properties. The registered chemical properties of soil likewise did not differ across buschlands and former forest sites. Today, buschlands comprise secondary forests with impoverished ground vegetation, rather than semi-natural habitats that would require special management. Macroscopic fragments of soil charcoal were found in 97% of the observed sites. Slash and burn cultivation have therefore been an important factor in forming the soil charcoal deposits in boreal forests. The depth of charcoal can be associated with land use history. The charcoal fragments collected from the humus layer of buschlands dated from 1566 to 1805 calAD. At the footslopes of buschlands, slash and burn cultivation created characteristic field banks which consist of humus with dispersed charcoal. Similar banks were found in 22% of forest sites, which indicates that slash and burn cultivation was practised in larger areas than shown in the 19th century maps. The results demonstrate that the role of slash and burn cultivation in the formation of landscapes has previously been underestimated, while the effects on forest vegetation have been overestimated.
Sustainable community management in Estonia: reflections on heritage projects on Kihnu Island, in Viljandi County, and in various protected areas
(Eesti Maaülikool, 2015) Parts, Priit-Kalev; Sepp, Kalev (advisor)
The PhD thesis of Priit-Kalev Parts entitled “Sustainable community management in Estonia: reflections on heritage projects on Kihnu Island, in Viljandi county, and in various protected areas” examines the problems related to the administration and protection of landscape, rural life and other traditional values in an era in which, even for rural populations, agriculture is being rapidly demoted to a subsidiary source of employment and income. The author analyses the conceptual underpinnings of the conservation of nature and heritage in Estonia and reveals implicit ideological currents in the regulatory practice of the field. The thesis suggests a series of alternative concepts (living landscape, rural inhabitants as an endangered breed, heritage-based sustainable livelihoods, endangered settlements) as the basis for the assessment, monitoring and regulation of rural landscapes. The author elaborates a series of guidelines and measures to ensure that, in the management of landscape planning and rural cultural heritage, closer attention is paid to the specifics of local conditions and that local residents are not cornered into addictive subsidy arrangements by excessive prohibitions and controls on their livelihoods. The thesis includes examples of attempts to reconceptualise local nature and heritage protection as a complex set of actions seeking to develop sustainable livelihoods. The approach highlights the role of values in the making of the corresponding decisions and suggests various options for achieving economic and administrative savings in practical landscape planning. The thesis discusses how the approach may be implemented in the protected areas of Estonia and in other culturally sensitive areas. The approach is also shown to hold considerable potential for application in the administration and regional development of cultural landscapes located outside protected areas. The studies conducted as part of the thesis show that there is no agreement in Estonia concerning the values that underpin the assessment of cultural landscapes and cultural heritage. Although a certain body of accepted rhetorical formulations has developed over time, it is often used to justify widely different or even outright contradictory aims and visions, which often results in the euphemisation of problems and development priorities. The accepted rhetoric appears to favour the interests and perspectives of mobile groups (tourists, academic experts) over those of local residents and is geared to generate opposition between economic activities and protective measures. The author recommends a more dynamic and complex approach to rural values and suggests that protective measures should be integrated into the development of sustainable local livelihoods. This entails a series of challenges to official institutions in terms of rewriting the existing regulations and rethinking their practical work such that the protection regimes of each protected area would be determined with regard to the specifics of the area. It also means that, where necessary, the institutions should be prepared to grant local communities priority rights to use natural resources, to relieve the restrictions on human activity in endangered settlements and to arrange for and recognise, in relation to certain trades, the individual learning of those in the immediate or approximate environment of skill bearers.
A tiered framework for mapping and assessing ecosystem services from semi-natural grasslands: expert-based assessments, proxy indicators and uav surveys
(Eesti Maaülikool, 2020) Villoslada Peciña, Miguel; Sepp, Kalev (advisor); Ward, Raymond D. (advisor); Bunce, Robert Gerald Henry (advisor); Burkhard, Benjamin (opponent); Helm, Aveliina (pre-opponent)
Semi-natural grasslands provide a wide range of goods and services, including plant species diversity, carbon storage and sequestration, biomass production for grazing animals, flood reduction, habitat for migratory and breeding birds, water infiltration, purification and storage, erosion prevention and recreation among others. However, in spite their ecological relevance and ecosystem services supplied, semi-natural grasslands have undergone a substantial decrease in area and connectivity in Estonia. This thesis explores and compares three different methods for assessing and mapping the supply of ecosystems services by semi-natural grasslands in Estonia: Expert-based assessments, proxy indicators and Unmanned Aerial Vehicles-based remote sensing. Each method encompasses an increasing degree of complexity and addresses a different geographical scope, from international (Baltic States) to local (coastal meadows in West Estonia). Beyond assessing the supply of ecosystem services, this thesis also explores the effects of abandonment on grassland species diversity and the effects of different management regimes on sward structure. The results show that in the Baltic States, the nature of grassland ecosystem services trade-offs and synergies is driven mainly by management history and intensity. Within Estonia, wooded meadows and pastures are key providers of high levels of multiple ecosystems services. However, a substantial proportion of these valuable wooded meadows are not eligible for the agri-environmental measures under Pillar 2 of the CAP, as they lay outside of Natura 2000 areas. At the local scale, innovative methods combining Unmanned Aerial Vehicles and multispectral sensors were used to map biomass and sward structure in coastal meadows. The results at this scale show how monospecific grazing leads to homogeneous grass sward structures, whereas mixed grazing increased grassland structural diversity. This work provides the guidance necessary to adapt methods for assessing ecosystem services provided by semi-natural grasslands.
Unmanned aircraft systems and image analysis in yield estimation and agricultural management
(Estonian University of Life Sciences, 2022) Li, Kai-Yun; Sepp, Kalev (advisor); Vain, Ants (advisor); Burnside, Niall (advisor); Institute of Agricultural and Environmental Sciences; Tsai, Hui-Ping (opponent)
This thesis aims to examine how machine learning (ML) technologies have aided significant advancements in image analysis in the area of precision agriculture. These multimodal computing technologies extend the use of machine learning to a broader spectrum of data collecting and selection for the advancement of agricultural practices (Nawar et al., 2017) These techniques will assist complicated cropping systems with more informed decisions with less human intervention, and provide a scalable framework for incorporating expert knowledge of the PA system. (Chlingaryan et al., 2018). Complexity, on the other hand, can be seen as a disadvantage in crop trials, as machine learning models require training/testing databases, limited areas with insignificant sampling sizes, time and space-specificity, and environmental factor interventions, all of which complicate parameter selection and make using a single empirical model for an entire region impractical. During the early stages of writing this thesis, we used a relatively traditional machine learning method to address the regression problem of crop yield and biomass prediction [(i.e., random forest regression (RFR), support vector regression (SVR), and artificial neural network (ANN)] to predicted dry matter (DM) yields of red clover. It obtained favourable results, however, the choosing of hyperparameters, the lengthy algorithms selection process, data cleaning, and redundant collinearity issues significantly limited the way of the machine learning application. We will further discuss the recent trend of automated machine learning (AutoML) that has been driving further significant technological innovation in the application of artificial intelligence from its automated algorithm selection and hyperparameter optimization of the deployable pipeline model for unravelling substance problems. However, a present knowledge gap exists in the integration of machine learning (ML) technology with unmanned aerial systems (UAS) and hyperspectral-based imaging data categorization and regression applications. In this thesis, we explored a state-of-the-art (SOTA) and entirely open-source AutoML framework, Auto-sklearn, which was built on one of the most frequently used machine learning systems, Scikit-learn. It was integrated with two unique AutoML visualization tools to examine the recognition and acceptance of multispectral vegetation indices (VI) data collected from UAS and hyperspectral narrow-band VIs across a varied spectrum of agricultural management practices (AMP). These procedures incorporate soil tillage method (STM), cultivation method (CM), and manure application (MA), and are classified as four-crop combination fields (i.e., red clover-grass mixture, spring wheat, pea-oat mixture, and spring barley). Additionally, they have not been thoroughly evaluated and lack characteristics that are accessible in agriculture remote sensing applications. This thesis further explores the existing gaps in the knowledge base for several critical crop categories and cultivation management methods referring to biomass and yield analysis, as well as to gain a better understanding of the potential for remotely sensed solutions to field-based and multifunctional platforms to meet precision agriculture demands. To overcome these knowledge gaps, this research introduces a rapid, non-destructive, and low-cost framework for field-based biomass and grain yield modelling, as well as the identification of agricultural management practices. The results may aid agronomists and farmers in establishing more accurate agricultural methods and in monitoring environmental conditions more effectively.

Sirvi Autor "Sepp, Kalev (advisor)" järgi

Tulemused lehekülje kohta

Sorteerimisvalikud