Jord med helsegevinst: Huminstoffene

Jeg har i flere artikler (janraa.no) skrevet at jord er bra for helsen hos både dyr og mennesker. Den økologiske forklaringen kan være at alle dyreslag gjennom evolusjonen har vært i nærkontakt med jord og at immunsystemet derfor er blitt avhengig av mikrober og døde bestanddeler i jord for å kunne reagere hensiktsmessig og effektivt.

Hva i jord er bra for helsen?

Det har vært antatt at helsegevinsten av jord skyldes at levende jordmikrober fungerer som probiotika. Men jordmikrober overlever ikke i tarmen. De kan likevel påvirke tarmmikrobiomet i gunstig retning (1). Grunnen kan være at døde jordmikrober inneholder kjemiske celleveggstrukturer (beta-1,3/1,6-glukaner, mykopeptider, o.a.) som aktiverer det medfødte immunsystemet i tarmslimhinnene. De er mikrobielle alarmsignaler som binder seg til bestemte mottakere («toll-like receptors») på hvite blodceller, og forbereder immunsystemet i hele kroppen til å slå tilbake mot farlige infeksjoner og samtidig til å «ignorere» ufarlige stoffer (allergener) i mat og miljø. Alarmsubstanser i gruppen beta-1,3/1,6-glukaner vil dessuten motvirke inflammasjoner i tarmen og derved skape bedre vekstvilkår for gunstige, syreproduserende og strikt anaerobe bakterier i tarmmikrobiomet (2,3,4). Dette har jeg omtalt i blogginnlegget «Tiden er moden for beta-1,3/1,6-glukaner» den 9. april 2024.

I tillegg til immunstimulerende jordstoffer som skriver seg fra døde mikroorganismer, har huminstoffene i jord positiv innvirkning på helsetilstanden hos dyr og mennesker. Men virkemåten er en annen.

Hva er huminstoffer?

Huminstoffer er svært komplekse molekylstrukturer som dannes når døde planter og smådyr brytes ned mikrobiologisk og omdannes kjemisk i jord, myr og i slammet på bunnen av innsjøer (se min egen tegning til slutt av et lite utsnitt av humin-strukturen). Huminstoffene blir dannet bare der hvor den mikrobiologiske nedbrytningen foregår uten oksygen (anaerobt), og prosessen foregår svært langsomt. Det kan ta tusenvis av år før døde planter og smådyr er fullstendig omdannet til brun-svarte huminstoffer, som er endeproduktene i denne anaerobe prosessen. Brunkull inneholder også huminstoffer. De er blitt dannet av fortidens planter som har ligget i luftfrie sedimenter under jordoverflaten i millioner av år.

Tradisjonell medisinsk bruk 

Ekstrakter av torv har vært brukt i tradisjonell kinesisk medisin mot tarmsykdom (diaré). Den tradisjonelle kunnskapen om denne medisinske virkningen, er i de senere år blitt stadig oftere bekreftet av vitenskapelige studier som har dokumentert at virkningen skyldes huminstoffer.  Forsøk med mus har f.eks. vist at et humin-rikt (75%) preparat motvirker tarmbetennelse og diaré forårsaket av den toksiske stammen ETEC-K88 av tarmbakterien Escherichia coli (5) og beskytter tarmslimhinnene mot skade forårsaket av bakterielle endotoksiner (lipopolysakkaradier = LPS).

Vitenskapelige studier

Søker man i den amerikanske databasen PubMed, vil man finne tusenvis av vitenskapelige artikler om huminstoffer (humics, humic acids, humin, fulvic acid). Det foreligger svært overbevisende dokumentasjon på at de stimulerer plantevekst (6,7), forbedrer helse, tilvekst og fôrutnyttelse hos husdyr, forbedrer tarmhelse og motvirker inflammasjoner, oksidativt stress og giftigheten av soppgifter (mykotoksiner) (8,9,10,11,12).

Vitenskapelige artikler – og annen litteratur om huminstoffer – gir imidlertid svært mangelfulle opplysninger om råstoffkilde, framstillingsmåte og sammensetning av stoffene som har vært brukt i forsøk. Man kan få inntrykk av at huminstoffer er en ensartet stoffgruppe og at ett-og-samme preparat virker på mange ulike områder. Men slik er det ikke. Ett bestemt preparat kan ha dokumentert effekt på èn biologisk funksjon, men være uten virkning på en annen. Egenskapene avhenger av hvilket råstoff huminstoffene er utvunnet fra og av framstillingsmåten.

Dannelse og nedbrytning av huminstoffer i naturen

Huminstoffer dannes når døde planter og smådyr brytes ned uten oksygen (anaerobt). De er endeprodukter fordi de ikke kan (energetisk umulig!) brytes ned til karbondioksyd (CO₂) og vann uten at oksygen er til stede. Huminstoffene bygger seg derfor gradvis opp i anaerobe jordlag, myr og bunnslam, og er derfor blant de viktigste karbonlagrene i naturen.

Men når det kommer oksygen til, vil huminstoffene bli brutt ned mikrobiologisk til CO₂ og vann. Det skjer ved pløying (lufting) og nitrat-gjødsling. I luftfrie områder vil nitrat overta oksygenets plass i den mikrobiologiske nedbrytningen av huminstoffene, og er trolig den viktigste grunnen til den raske jordforbrenningen i kunstgjødslet åkerjord. Innholdet av huminstoffer i slik åkerjord er derfor lavere enn i gammel skogsjord, og huminstoffene som (fortsatt) finnes der, er mer oksydert enn i skogsjord. Åkerjord og skogsjord vil derfor inneholde huminstoffer med vidt forskjellige egenskaper.  

Biokull

Når organisk stoff (planterester, biogass-slam) blir utsatt for høye temperaturer (> 400 °C) og anaerobe betingelser blir det dannet brun-svarte sluttprodukter (biokull). De blir kalt huminstoffer fordi de har en sammensetning som ligner på huminstoffene som dannes naturlig. Men de har ikke de samme egenskapene (13,14). 

Kjemisk sammensetning

Huminstoffene har en grunnstruktur som skriver seg fra vedstoff (lignin) i planter, og som er blitt modifisert og forandret i løpet av nedbrytningsprosessen i naturen. Huminstoffene inneholder kjemiske grupper (= funksjonelle grupper) som binder tungmetaller, inaktiverer frie radikaler, og som transporterer elektroner (energi) mellom mikrober i anaerobe miljø.  Egenskapene varierer med hvilke kjemiske grupper som dominerer i de enkelte preparatene, og om de har peptider, karbohydrater og fettsyrer kjemisk bundet til seg. Avhengig av hvilke funksjonelle grupper som dominerer og av forekomsten av vannavstøtende (hydrofobe) og vanntiltrekkende (hydrofile) områder i humin-strukturen, vil ulike huminstoffer ha ulik evne til å adsorbere og inaktivere organiske miljøgifter, soppgifter (mykotoksiner), virus, parasitter og bakterietoksiner. Hvilke egenskaper et bestemt humin-preparat vil ha, kan bare avgjøres ved eksperimentelle studier.

Karakterisering av huminstoffer

Huminstoffene har så kompleks oppbygning at kjemiske analyser i svært liten grad er til nytte når det gjelder å bedømme hvilke egenskaper de har. Tilsvarende begrensning gjelder for kjemiske analyser av humus i jord (15). Derfor blir huminstoffer først og fremst karakterisert ved måten de blir ekstrahert og renset på. Men egenskapene lar seg heller ikke bedømme på den måten. To preparater framstilt på samme måte, vil f.eks. kunne ha vidt forskjellige egenskaper dersom råstoffkildene er forskjellige.

Huminstoffer blir inndelt i huminsyrer, humin, fulvinsyre og hymatomelinsyre. Huminsyre er løselig i lut (basisk vannløsning pH >7) og uløselig i syre (pH < 2). Humin er ikke løselig verken i surt eller basisk vann. Fulvinsyre er vannløselig, uansett pH. Hymatomelinsyre er den delen av huminsyrefraksjonen som er løselig i etanol. Forskjellene i løselighet skyldes forskjellige molekylstørrelser og ulik forekomst av vannavstøtende (hydrofobe) og vanntiltrekkende (hydrofile) områder i molekylstrukturen, og ulik forekomst av syregrupper. F.eks. har fulvinsyre lavere molekylvekt og høyere innhold av vanntiltrekkende syregrupper enn huminsyre og humin. Hymatomelinsyre har relativt lav molekylvekt og overvekt av kjemiske grupper som er vannavstøtende.

Huminsyrer som er blitt dannet i jord i løpet av hundrevis av år, og i løpet av millioner av år i brunkull, har andre egenskaper enn huminstoffer av nyere opprinnelse. Etter hvert som tiden går, øker f.eks. den relative mengden av de aromatiske gruppene (bensen-ringene) som skriver seg fra ligninet i fortidens planter. Disse huminstoffene er gode antioksidanter og er uten toksisk virkning (16). 

Svarte huminstoffer

De brunsvarte huminstoffene som er blitt dannet etter svært lang tid i jord (og i brunkull), inneholder jern som er ekstremt fast bundet i såkalte chelatbindinger (klo-bindinger) i molekylstrukturen. Jernet er så fast bundet at det ikke løses ut i sterk syre (saltsyre pH 0-1), og følgelig heller ikke i magesaften hos dyr og mennesker. Jernet kan veksle mellom kjemisk toverdig (Fe⁺⁺) og treverdig (Fe⁺⁺⁺) i disse huminstoffene, som derfor kan transportere elektroner (energi) svært raskt mellom mikrober i anaerobe miljø. Jernholdige huminstoffer bidrar på den måten til at stoffomsetningen går raskere og mikrobelivet blir rikere i anaerobe miljø der denne elektronførende substansen er til stede (17,18,19).  

Forskerne Eric deMuinck og Pål Trosvik på Universitetet i Oslo (20) viste sammen med meg at et «konstruert» jordpreparat som inneholder huminsyre og beta-1,3/1,6-glukan («deconstructed soil»), favoriserer veksten av strikt anaerobe bakterier i tarm-mikrobiomet hos mennesker, og holder andre (ugunstige) tarmbakterier i sjakk (21). (Se tabellen nedenfor). Et stort antall vitenskapelige artikler (ikke referert her) viser – som fellesnevner – at bakteriene Akkermancia muciniphila, Faecalibacterium prausnitzii, Prevotella copri og Bifodibakterier går tapt hos mennesker med livsstilssykdommer. Det er de samme bakterieartene som blir kraftig favorisert av det konstruerte jordpreparatet.

Forekomsten av disse strikt anaerobe bakteriene går ned også med alderen (22). Det samme skjer hos mennesker med dårlige utsikter for å overleve lenge med kreft i bukspyttkjertelen, men de holder seg på et høyere nivå hos dem som overlever lenge (23). Tap av strikt anaerobe og oppvekst av pro-inflammatoriske bakterier settes også i forbindelse med nevrologiske forstyrrelser som Parkinsons sykdom, Alzheimers sykdom, depresjon og autisme (24,25,26,27).

Virkningen på humant mikrobiom

Vi har testet et stort antall produkter på tarmmikrobiomet. Ingen av disse hadde signifikant effekt på veksten av humane tarmbakterier som lever sammen som et økosystem.  

Tabellen viser effekten av

1. Konstruert jord (21).
2. Lignin, den dominerende forløperen til huminstoffer
3. Ren huminsyre isolert fra ferskvann (gave fra professor Dag Hessen, Universitetet i Oslo)

på veksten av humane tarmbakterier som lever sammen i et økosystem. *) Arter med rød skrift regnes for å være uheldige når de forekommer i høyt antall i tarmmikrobiomet.

Det konstruerte jord-preparatet stimulerer kraftig veksten av de samme strikt anaerobe bakteriene som går tapt hos mennesker med livsstilssykdommer, og det hemmer samtidig veksten av bakterier som er forbundet med dårlig tarmhelse. 

Lignin stimulererer bare bifidobakteriene blant de gunstige artene. Alle de ugunstige bakteriene Roseburia, Finegoldia og Clostridium perfringens blir stimulert av lignin. Ren huminsyre stimulerer bifidobakteriene men også den ugunstige Roseburia.

Referanser

1. Ottman N et al (2019) Soil exposure modifies the gut microbiota and supports immune tolerance in a mouse model. J Allergy Clin Immunol 143(3):1198-1206.e12. doi: 10.1016/j.jaci.2018.06.024.
2. McCumber A W (2024) Soil exposure modulates the immune response to an influenza challenge in a mouse model. Sci Total Environ Apr 20:922:170865. doi: 10.1016/j.scitotenv.2024.170865.
3. Preethy S et al (2022) Two unique biological response- modifier glucans beneficially regulating gut microbiota and faecal metabolome in a non-alcoholic steatohepatitis animal model, with potential applications in human health and disease. BMJ Open Gastro; 9:e000985. doi:10.1136/bmjgast-2022-000985
4. Cao Y et al (2018) Yeast β-glucan suppresses the chronic inflammation and improves the microenvironment in adipose tissues of ob/ob mice. J Agric Food Chem 2018, Jan 24;66(3):621-629. doi: 10.1021/acs.jafc.7b04921
5. Wang D (2022) Sodium humate alleviates enterotoxigenic Escherichia coli-induced intestinal dysfunction via alteration of intestinal microbiota and metabolites in mice.  Front. Microbiol. 25 March 2022.
6. Nardi S and Pizzeghello D (2002) Physiological effects of humic substances on higher plants. Soil Biol. Biochem. 34 (2002) 1527–1536.
7. Shen J et al (2024). Potassium humate supplementation improves photosynthesis and agronomic and yield traits of foxtail millet. Sci Rep. 14: 9508. Published online 2024 Apr 25. doi: 10.1038/s41598-024-57354-x, PMCID: PMC11045805
8. Proskina L et al (2023). Assessment of the inclusion of a feed additive of sodium humate derived from freshwater sapropel in diets for broiler chickens. Vet World Oct;16(10):2029-2041. doi: 10.14202/vetworld.2023.2029-2041.
9. van Rensburg C E (2015). The antiinflammatory properties of humic substances: a mini review, Phytother. Res. (2015) 791–795.
10. Kinali B et al (2021). Effect of humic acid on oxidative stress and neuroprotection in traumatic spinal cord injury: an experimental study. Turk J Med Science July 10; 54(1):52-58. doi: 10.55730/1300-0144.5765 (eCollection 2024).
11. Aeschbacher M et al (2012). Antioxidant properties of humic substances. Environ. Sci. Technol. 46 (2012) 4916–4925.
12. Maguey-Gonzales J et al (2024) Assessment of the impact of humic acids on intestinal microbiota, gut integrity, ileum morphometry, and cellular immunity of Turkey poults fed an aflatoxin B1-contaminated diet Toxins 2024, 16, 122. https://doi.org/10.3390/toxins16030122
13. de Melo BAG (2015). Humic acids: Structural properties and multiple functionalities for novel technological developments. Materials Science and Engineering C 62 (2016) 967–974
14. Zheng X (2019). Comparing electron donating/accepting capacities (EDC/EAC) between crop residue-derived dissolved black carbon and standard humic substances. Science of the Total Environment 673 (2019) 29–35
15. Kleber M and Lehmann J (2019). Humic substances extracted by alkali are invalid proxies for the dynamics and functions of organic matter in terrestrial and aquatic ecosystems J. Environ. Qual. 48:207–216 (2019) doi:10.2134/jeq2019.01.003
16. Zykova M V et al (2024) Coal-derived humic substances: Insight into chemical structure parameters and biomedical properties. Molecules 29, 1530. https://doi.org/10.3390/molecules29071530 https://www.mdpi.com/journal/molecules
17. Stern N (2018). Dual role of humic substances as electron donor and shuttle for dissimilatory iron reduction. Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 5691−5699
18. Valenzuela E (2019). Electron shuttling mediated by humic substances fuels anaerobic methane oxidation and carbon burial in wetland sediments. Science of the Total Environment 650 (2019) 2674–2684
19. Zhang N (2018). Redox structures of humic acids derived from different sediments and their effects on microbial reduction reactions. Frontiers in Microbiology | www.frontiersin.org 1June 2018 | Volume 9 | Article 1225
20. https://www.apollon.uio.no/artikler/2019/3_tarmflora.html
21. Raa J et al (2019/23). Deconstructed soil compositions that modulate microbial ecosystems by facilitating recovery of vulnerable bacterial species in the gut microbiota and favouring beneficial bacterial groups at the expense of species with putative negative health effects. Patent (11) 346800 (13) B1 
22. Singh H et al (2019) Gastro-intestinal and oral microbiome signatures associated with healthy aging. GeroScience (2019) 41:907–921 https://doi.org/10.1007/s11357-019-00098-8
23. Jordan Kharofa MD et al (2023)Analysis of the fecal metagenome in long‐term survivors of pancreas cancer. Cancer. 2023;129:1986–1994
24. Guo H et al (2024) Akkermansia muciniphila improves depressive‑like symptoms by modulating the level of 5‑HT neurotransmitters in the gut and brain of mice. Molecular Neurobiology (2024) 61:821–834 https://doi.org/10.1007/s12035-023-03602-6
25. Lei F et al (2023) Akkermansia muciniphila in neuropsychiatric disorders: friend or foe? Review Front Cell Infect Microbiol. 2023 Jul 10:13:1224155. doi: 10.3389/fcimb.2023.1224155. eCollection 2023.26)
26. Li, Z. et al. (2022). Oral, nasal, and gut microbiota in Parkinson’s disease. Neuroscience 480, 65–78.
27. Shiqing Nie et al. (2022). Inflammatory microbes and genes as potential biomarkers of Parkinson’s disease. Npj. Biofilms and Microbiomes 8:101; https://doi.org/10.1038/s41522-022-00367-z). 7. Leo Galland (2014). REVIEW: The Gut Microbiome and the Brain. J Med Food 17 (12), 1261–1272

Hjemmelaget tegning av et lite utsnitt av den kjemiske strukturen av huminsyre. Jern (Fe⁺⁺⁽⁺⁾ vil bindes svært fast i denne strukturen der hvor keto-grupper (-C=O) står nær hydroksylgrupper (-OH). Mange syregrupper (-COOH) vil øke vannløseligheten, mens mange metylgrupper (-CH₃) vil gjøre strukturen mindre vannløselig (hydrofob). Hyppigheten av disse gruppene vil påvirke huminstrukturens kjemiske egenskaper og virkning på biologiske systemer.