Towards immunomodulatory urban greening: enhancing urban indoor and outdoor microbial communities with indoor vegetation and novel plant substrates

Abstract

Residents of modern cities have an elevated risk of developing immune mediated diseases due to lower odds of encountering rich microbial communities that help the formation of a healthy immune system. Due to this elevated risk, we are in search of prophylactic methods in order to reinforce urban microbial communities outdoors, and indoors, where city residents spend most of their time. In the light of previous studies regarding the biodiversity hypothesis, we should increase microbial diversity and occurrence of health-associated environmental microbes in cities. Such bacterial groups are lactobacilli, mycobacteria and proteobacterial classes including saprophytic taxa. Vegetation and soil are among the main sources of environmental microbes and their type and amount in the surrounding environment affect the local microbial communities. Bacterial community compositions, in turn, are reflected in the microbiomes of the residents. Several recent intervention studies support the biodiversity hypothesis and show that the immune system can be stimulated with increased exposure to rich microbial communities residing in soil and vegetation. The studies in this thesis focused on the immunomodulatory potential of plant and soil products in order to increase exposure to rich microbial communities in cities via plant substrates and vegetation. Most soil studies focus on natural soil but soil products (used in landscaping and as plant substrates), by which city dwellers are surrounded, are seldom studied.

The first study of this thesis showed that long-term storage may lower the immunomodulatory potential of soil products even though their use may still be safe. To promote efficient and safe immunomodulatory use of soil products, I investigated the effect of long-term storage on the diversity and abundance of health-associated bacteria, as well as bacterial functions, in eight soil products. After the three-year storage, the diversity and relative abundance of most health-associated (potentially beneficial or harmful) bacterial taxa reduced. Indications of pathogenic functions did not increase during storage. Based on the results, it would be recommendable to determine an immunomodulatory shelf life for soil products and to keep storage times short.

The second study recognized the potential of soilless air-circulating green walls as sources of immunomodulatory exposure at work spaces. A two-week exposure to the green walls during work days induced shifts in the skin bacterial communities of the study participants and in the immunomodulatory cytokines in the blood. The relative abundance of Lactobacillus spp. increased in connection to the green wall exposure. Additionally, the green walls induced an increase in the diversity of phylum Proteobacteria and class Gammaproteobacteria, which were connected to the reduction of pro-inflammatory cytokine IL-17A. The exposure also increased the concentration of anti-inflammatory cytokine TGF-β1.

The third study demonstrated boosting the immunomodulatory potential of a standard plant substrate by supplementing it with side streams of forestry and agriculture. In yearlong growing experiments with grass vegetation, the bacterial community compositions in experimental substrates, which contained side streams, were compared to a commonly used grass substrate. The relative abundances of several proteobacterial taxa and Mycobacterium spp. increased in substrates containing moss, conifer needles, alnus litter and/or reed. Mixing commercial substrates containing side streams increased richness of the bacterial communities and biochar supplementation increased richness of phylum Proteobacteria and class Alphaproteobacteria.

In the light of the results in this thesis, it seems that the immunomodulatory potential of soil products is higher when recently produced and supplemented with plant-based side streams that allow versatile habitats for microbes with varying preferences. The beneficial impact of green walls on the office workers indicates the immunomodulatory potential of indoor greening.

Nykyaikaisten kaupunkien asukkailla on suurempi immuunivälitteisten sairauksien riski kuin maaseudun asukkailla. Tähän vaikuttaa muun muassa kaupunkilaisten pienempi todennäköisyys kohdata lajirikkaita ja immuunipuolustusta kehittäviä luonnon mikrobiyhteisöjä. Tästä syystä mikrobiyhteisöjen monimuotoisuutta sekä relevanttien mikrobiryhmien runsautta kaupungeissa kannattaisi edistää. Interventiotutkimukset osoittavat, että kasvien ja maaperän mikrobiyhteisöt stimuloivat ihmisen immuunipuolustusta. Väitöstutkimukseni keskittyy mahdollisuuteen lisätä kaupunkilaisten altistumista hyödyllisille mikrobeille kasvien ja niiden kasvatusalustojen välityksellä. Toisin sanoen, tutkin kasvi- ja maaperätuotteiden immuunisäätelyä muokkaavaa, eli immunomodulatorista, potentiaalia tuotteiden sisältämien bakteeriyhteisöjen sekä niiden vaikutuksen perusteella.

Tutkimustulosteni mukaan on suositeltavaa määrittää maaperätuotteille immunomodulatoriset säilyvyysajat ja suosia lyhyitä varastointijaksoja. Pitkäaikainen varastointi vähensi useimpien terveyteen liittyvien bakteeriryhmien lajirikkautta ja suhteellista runsautta. Lisäksi tulosten perusteella maaperätuotteiden bakteeriyhteisöjä on mahdollista vahvistaa täydentämällä niitä metsä- ja maatalouden sivuvirroilla. Vuoden mittaisen kasvien kasvatuskokeen aikana etenkin sammal, havunneulaset, lepän karike ja ruoko lisäsivät immunologisesti relevanttien bakteeriryhmien suhteellista runsautta mullassa. Maatalouden sivuvirtoja sisältävien kaupallisten kasvualustojen sekoittaminen ja biohiilen lisääminen taas edistivät bakteeriyhteisöjen lajirikkautta. Käytin tutkimuksessani sivuvirtoja, sillä kaupunkiluonnon parantamisen ei tulisi vaarantaa luonnon monimuotoisuutta toisaalla. Myös sisätilojen viherryttämisellä voi olla terveysvaikutuksia, sillä jo kahden viikon altistuminen viherseinille aiheutti myönteisiä muutoksia tutkimushenkilöiden ihon bakteeriyhteisöissä sekä immuunisäätelyssä.

Maaperätuotteiden immunomodulatorinen potentiaali vaikuttaa siis olevan suurempi äskettäin tuotetuissa tuotteissa ja mahdollisesti kasvipohjaisilla sivuvirroilla täydennettynä. Tämä johtunee siitä, että monipuoliset olosuhteet mahdollistavat erilaisten mikrobien läsnäolon. Viherseinien myönteinen vaikutus tutkimushenkilöihin puolestaan osoittaa sisätilojen viherryttämisen immunomodulatorista potentiaalia, jonka tutkimusta kannattaa jatkaa.