Biomass waste represents the promising surrogate of fossil fuels for energy recovery and valorization into value-added products. Among thermochemical conversion techniques of biomass, pyrolysis appears to be most alluring owing to its low pollutant emission and diverse products formation. The current pyrolysis applications for valorization of biomass waste is reviewed, covering the key concepts, pyrolysis mode, operating parameters and products. To date, existing types of pyrolysis include conventional pyrolysis (poor heat transfer due to non-selective heating), vacuum pyrolysis (lower process temperature because of vacuum), solar pyrolysis (entirely “green” with solar-powered), and a newly touted microwave pyrolysis. In microwave pyrolysis of biomass, the heat transfer is more efficient as the heat is generated within the core of material by the interaction of microwave with biomass. The plausible mechanisms of microwave heating are dipole polarization, ionic conduction and interfacial polarization. The lack of top-tier reactor design is identified as the main obstacle that impedes the commercialization of microwave pyrolysis in biomass recycling. Based on the existing works, it is surmised that microwave pyrolysis of biomass produces solid biochar as a main product. To confront the great market demand of activated biochar, it is proposed that the solid char could be upgraded into engineered activated biochar with desirable properties for wide application in pollution control, catalysis and energy storage. Hence, the production of engineered activated biochar from microwave pyrolysis process and its applications are reviewed and explicitly discussed to fill the research gap, and the key implications for future development are highlighted.

Summary

 Polar bears are uniquely adapted to life in the High Arctic and have undergone drastic physiological changes in response to Arctic climates and a hyperlipid diet of primarily marine mammal prey. We analyzed 89 complete genomes of polar bear and brown bear using population genomic modeling and show that the species diverged only 479–343 thousand years BP. We find that genes on the polar bear lineage have been under stronger positive selection than in brown bears; nine of the top 16 genes under strong positive selection are associated with cardiomyopathy and vascular disease, implying important reorganization of the cardiovascular system. One of the genes showing the strongest evidence of selection, APOB, encodes the primary lipoprotein component of low-density lipoprotein (LDL); functional mutations in APOB may explain how polar bears are able to cope with life-long elevated LDL levels that are associated with high risk of heart disease in humans. 

PaperClip

PCB—still a problem Until they were recognized as highly toxic and carcinogenic, polychlorinated biphenyls (PCBs) were once used widely. Their production was banned in the United States in 1978, though they are still produced globally and persist in the environment. Persistent organic compounds, like PCBs, magnify across trophic levels, and thus apex predators are particularly susceptible to their ill effects. Desforges et al. looked at the continuing impact of PCBs on one of the largest marine predators, the killer whale. Using globally available data, the authors found high concentrations of PCBs within killer whale tissues. These are likely to precipitate declines across killer whale populations, particularly those that feed at high trophic levels and are the closest to industrialized areas. Science , this issue p. 1373

Since the last Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP) effort to review biological effects of the exposure to organohalogen compounds (OHCs) in Arctic biota, there has been a considerable number of new Arctic effect studies. Here, we provide an update on the state of the knowledge of OHC, and also include mercury, exposure and/or associated effects in key Arctic marine and terrestrial mammal and bird species as well as in fish by reviewing the literature published since the last AMAP assessment in 2010. We aimed at updating the knowledge of how single but also combined health effects are or can be associated to the exposure to single compounds or mixtures of OHCs. We also focussed on assessing both potential individual as well as population health impacts using population-specific exposure data post 2000. We have identified quantifiable effects on vitamin metabolism, immune functioning, thyroid and steroid hormone balances, oxidative stress, tissue pathology, and reproduction. As with the previous assessment, a wealth of documentation is available for biological effects in marine mammals and seabirds, and sentinel species such as the sledge dog and Arctic fox, but information for terrestrial vertebrates and fish remain scarce. While hormones and vitamins are thoroughly studied, oxidative stress, immunotoxic and reproductive effects need further investigation. Depending on the species and population, some OHCs and mercury tissue contaminant burdens post 2000 were observed to be high enough to exceed putative risk threshold levels that have been previously estimated for non-target species or populations outside the Arctic. In this assessment, we made use of risk quotient calculations to summarize the cumulative effects of different OHC classes and mercury for which critical body burdens can be estimated for wildlife across the Arctic. As our ultimate goal is to better predict or estimate the effects of OHCs and mercury in Arctic wildlife at the individual, population and ecosystem level, there remain numerous knowledge gaps on the biological effects of exposure in Arctic biota. These knowledge gaps include the establishment of concentration thresholds for individual compounds as well as for realistic cocktail mixtures that in fact indicate biologically relevant, and not statistically determined, health effects for specific species and subpopulations. Finally, we provide future perspectives on understanding Arctic wildlife health using new in vivo, in vitro, and in silico techniques, and provide case studies on multiple stressors to show that future assessments would benefit from significant efforts to integrate human health, wildlife ecology and retrospective and forecasting aspects into assessing the biological effects of OHC and mercury exposure in Arctic wildlife and fish.

Abstract The Arctic is among the most climatically sensitive environments on Earth, and the disappearance of multiyear sea-ice in the Arctic Ocean is predicted within decades. As apex predators, polar bears are sentinel species for addressing the impact of environmental variability on Arctic marine ecosystems. By integrating genomics, isotopic analysis, morphometrics, and ecological modelling, we investigate how Holocene environmental changes affected the evolutionary ecology of polar bears around Greenland. We show that throughout the last ∼11,000 years, Greenlandic polar bears have been heavily influenced by changes in sea-surface temperature (SST) and sea-ice cover. Most notable are major reductions in effective population size at the beginning of the Holocene and during the Holocene Thermal Maximum ∼6 kya, which coincide with increases in annual mean SST, reduction in sea-ice covers, declines in suitable habitat, and shifts in suitable habitat northwards. Furthermore, we show how individuals sampled from west and east Greenland are genetically, morphologically, and ecologically distinct. We find bears sampled in west Greenland to be larger, more genetically diverse and have diets dominated by ringed seals, whereas bears from east Greenland are smaller and less diverse with more varied diets, putatively driven by regional biotic differences. Taken together, we provide novel insights into the vulnerability of polar bears to environmental change, and how the Arctic marine ecosystem plays a vital role in shaping the evolutionary and ecological trajectories of its inhabitants. Teaser Multivariate investigations of the environment’s role in the evolutionary ecology of Greenlandic polar bears.

Abstract Stable carbon ( δ 13 C) and nitrogen ( δ 15 N) isotope analysis was conducted on modern and archaeological polar bear bone collagen from the Canadian Arctic Archipelago to investigate potential changes in polar bear foraging ecology over four-millennia. Polar bear δ 13 C values showed a significant decline in the modern samples relative to all archaeological time-bins, indicating a disruption in the sources of production that support the food web, occurring after the Industrial Revolution. The trophic structure, indicated through δ 15 N, remained unaltered throughout all time periods. The lower δ 13 C observed in the modern samples indicates a change in the relative importance of pelagic (supported by open-water phytoplankton) over sympagic (supported by sea ice-associated algae) primary production. The consistency in polar bear δ 13 C through the late Holocene includes climatic shifts such as the Medieval Warm Period (MWP, A.D. 950-1250) and the early stages of the Little Ice Age (LIA, A.D. 1300-1850). These findings suggest that polar bears inhabit a food web that is more pelagic and less sympagic today than it was through the Late Holocene. We suggest that modern, anthropogenic warming has already affected food web structure in the Canadian Arctic Archipelago when modern data are contextualized with a deep time perspective. Research Highlights Modern polar bear bone collagen δ 13 C suggests recent decline in ice associated prey. Archaeological polar bear bone collagen suggests food web stability for millennia. No change in sea-ice association through the Medieval Warm Period and Little Ice Age. Recent isotopic shifts are unusual relative to the stability of ancient samples. Modern Arctic warming has isotopically observable impacts that past events did not. OR Significance Statement The lack of behavioral plasticity of both polar bears and their principal prey, ringed seals, make these species particularly vulnerable to declining sea ice. While the Lancaster Sound food web has demonstrated stability through past climate fluctuations, the speed and magnitude of ongoing changes in the Arctic has had an observable effect on the source of primary production. Given that past climate fluctuations are referenced as an argument to minimize the importance of modern anthropogenic warming, it is important to take opportunities to position contemporary climate change relative to the archaeological record. Here we present a unique illustration of the effects of past and present warming on polar bear diet and the marine food web in the Canadian Arctic Archipelago.

Ringed seals are consumed in Greenland and are therefore included as a key biomonitoring species with the focus on pollution exposure and health effects. Ringed seals in Central West Greenland (Qeqertarsuaq) and in North West Greenland (Qaanaaq) were analyzed for metal concentrations in the liver and histological changes in the liver and kidney. The mean liver concentration of mercury in Qaanaaq was 3.73 ± 5.01 µg/g ww (range: 0.28–23.29 µg/g ww), and the mean cadmium concentration was 7.80 ± 8.95 µg/g ww (range: 0.013–38.79 µg/g ww). For Qeqertarsuaq, the liver concentration of mercury was 1.78 ± 1.70 µg/g ww (range: 0.45–8.00 µg/g ww) and the mean cadmium concentration was 11.58 ± 6.32 µg/g ww (range: 0.11–25.45 µg/g ww). Age had a positive effect on the liver concentrations of metals, while no effect was found for sex or histological changes. The prevalence of histological changes in liver tissue decreased in the following order: random pattern mononuclear cell infiltration (92.1%), portal cell infiltration (68.4%), hepatic intracellular fat (18.4%), portal fibrosis (7.9%), focal hepatic fibrosis (7.9%), bile duct hyperplasia/fibrosis (7.9%) and lipid granuloma (2.6%). For kidney tissue, the prevalence of histological changes decreased in the following order: glomerular mesangial deposits (54.1%) > glomerular basement membrane thickening (45.9%) > THD (40%) > tubular hyaline casts (14.0%) > glomerular atrophy (13.5%) > dilated tubules (13.5%) > glomerular hyper-cellularity (10.8%) > mononuclear cell infiltrations (8.1%).