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肠道产气背后,藏着哪些值得关注的菌群信号?

谷禾健康

在当代社会的饮食结构和生活节奏下,腹胀、排气增多以及进食后不适,已经成为越来越高频的人群亚健康反馈。根据以往的经验很多人会把这些情况简单理解为饮食不当、消化不好或肠胃比较敏感,但这样的解释往往只停留在表面。

如今,随着大量的临床研究推动,这类现象其实与肠道内一个重要过程有关——肠道产气。我们吃进去入的食物并不会被完全被身体消化吸收,其中一部分会进入大肠,被肠道菌群进一步分解利用。在这个过程中,微生物会通过发酵产生多种气体,比如氢气、甲烷、二氧化碳等。

在正常情况下,这些气体的产生排出是一个相对平衡的过程,不会引起明显不适。但当饮食结构、进食速度、压力、疾病状态肠道菌群组成发生变化时,气体产生和排出平衡就会改变,从而引发腹胀、频繁排气甚至餐后不适等症状。

例如,很多被视为健康的食物,本身恰恰富含可发酵底物,包括豆类中的棉子糖家族低聚糖(RFOs),蔬果和谷物中的果聚糖,以及部分人群无法在小肠充分消化的乳糖。这意味着,这些底物进入不同个体的肠道后,会被不同的菌群结构和代谢通路处理

因此,从肠道微生态的视角来看,这些日常不适并不只是消化差或吃饭问题,而是身体内部微生物代谢活动的一种外在表现。理解这一点,有助于我们更理性地看待症状,也为通过饮食调整和生活方式干预来改善肠道状态提供了更清晰的方向。

01
肠道产气——五类核心气体

我们先来了解这些常见的核心气体,这也是后续做症状分层和干预判断的基础。

氢气:结肠发酵最典型的气体信号

在肠道主要气体中,氢气(H₂)几乎可以看作结肠发酵最具代表性的代谢信号之一。H₂ 是由结肠细菌对不可消化底物进行代谢后产生的主要气体,而且它仅来源于细菌发酵,并不是宿主自身代谢直接生成的产物。也正因为这一点,H₂ 在理解肠道发酵活跃度时具有很高的指示意义。

在一定条件下,肠道在 24 小时内可产生高达 1 L 的 H₂。到了这个水平,H₂ 已经不只是一个代谢背景值,还可能和腹胀、腹痛、排气增多等症状联系起来。也就是说,H₂ 一方面是正常结肠发酵的组成部分,另一方面也可能成为症状形成的重要推动因素。

哪些菌群参与氢气生成?

从菌群来源看,和 H₂ 生成关系最密切的,主要包括拟杆菌属(Bacteroides)、瘤胃球菌属(Ruminococcus) 、 Roseburia

此外,Anaerostipes caccae、Clostridium、Eubacterium rectale、Enterococcus、Victivallis vadensis等菌群,也都参与了 H₂ 的生成过程。

人类肠道菌群中存在的主要产气菌

doi.org/10.1016/j.jff.2022.105367

这些菌群有一个共同点:它们能够利用进入结肠、但没有在上消化道被充分处理的底物,尤其是各类可发酵碳水,在厌氧环境中进行分解和发酵。这个过程中,除了生成短链脂肪酸等代谢产物,也会释放出 H₂ 和 CO₂。换句话说,H₂ 的出现,本身就说明结肠内的代谢系统正在运转。

氢气是怎么产生的?

最常见的路径是经典的糖酵解过程(Embden–Meyerhof–Parnas pathway)。肠道细菌将碳水化合物分解为丙酮酸后,会产生大量还原型辅因子,而这些还原力需要被释放和再平衡,这时微生物中的氢化酶(hydrogenases)就会参与进来,推动 H₂ 的形成

H2还可通过以下机制生成:

1)丙酮酸裂解生成甲酸,随后经甲酸裂解酶代谢;

2)丙酮酸在丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶和氢化酶作用下生成H2

所以,H₂ 的生成本质上反映的是肠道厌氧发酵系统在处理底物和转移电子,它是代谢网络维持运行的重要一环。

细菌代谢产生H2、H2S、CH4和CO2的生化途径

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doi.org/10.1016/j.jff.2022.105367

为什么氢气不会一直在肠道里累积?

虽然 H₂ 是主要产气成分之一,但它不会在肠道内无限累积。原因在于,过高的 H₂ 分压会抑制进一步代谢,从热力学上影响细菌继续代谢底物。因此,肠道必须持续把过量 H₂ 移走,整个代谢系统才能维持运行。

肠道中约三分之一的H2被结肠中的其他微生物利用,其余则以肛门排气呼气形式排出。而承担“耗氢”任务的主要有三类微生物:

  • 产甲烷菌:利用 H₂ 和 CO₂ 生成甲烷;
  • 硫酸盐还原菌:利用 H₂ 生成硫化氢;
  • 还原性乙酸生成菌:利用 H₂ 和 CO₂ 生成乙酸。

这意味着,H₂ 在肠道里更像是一个代谢枢纽。它一头连接上游代谢,一头连接下游的甲烷通路、硫代谢通路和乙酸生成通路。

利用气体的肠道微生物

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doi.org/10.1016/j.jff.2022.105367

氢气升高,通常说明什么?

从功能上看,H₂ 最值得关注的地方,在于它对“代谢负荷”的提示作用。

  • 更多未被吸收的底物进入结肠;
  • 结肠代谢活跃度上升;
  • 下游耗氢能力不足,导致 H₂ 更容易累积;
  • 产气和清除之间的平衡被打破。

H₂ 并不只是“会不会胀气”的问题,它更像是一个代谢系统是否处于高负荷状态的功能读数。

也正因为 H₂ 与细菌代谢过程关系非常直接,呼气氢已被广泛用作评估糖类吸收不良小肠细菌过度生长(SIBO)的重要指标。原因在于,H₂ 直接反映了肠道细菌对未被吸收底物的代谢活动。

二氧化碳:始终处在代谢主通路中

二氧化碳也是结肠代谢的主要气体之一

在讨论肠道产气时,二氧化碳(CO₂)往往没有氢气和甲烷那么受关注,但从代谢过程看,它一直是结肠细菌在结肠中对膳食底物进行代谢代谢时产生的主要气体之一。

和 H₂ 一样,CO₂ 也是菌群处理未被上消化道充分吸收底物后的结果,因此它本身就处在肠道代谢主通路中。

哪些菌群参与了二氧化碳生成?

参与膳食碳水发酵并产生 CO₂ 的菌群,主要仍然集中在厚壁菌门拟杆菌门两大类群中。

也就是说,CO₂ 的产生与结肠中最主要的发酵菌群密切相关,和 H₂ 的菌群背景有很大重叠。

二氧化碳是怎么产生的?

  • 一条是丙酮酸转化为 acetyl-CoA 的过程中释放 CO₂;
  • 另一条是丙酮酸先裂解形成甲酸,再由 formate hydrogenlyase 进一步代谢,生成 H₂ 和 CO₂。

CO₂ 的产生与结肠发酵中最基础的碳流动和能量代谢过程直接相关。只要结肠内的发酵在持续,CO₂ 就会持续生成。

二氧化碳会如何被处理?

和其他肠道气体相比,CO₂ 的一个重要特点是:相当一部分会被肠黏膜吸收。研究指出,大多数 CO₂ 会经结肠黏膜被动吸收,进入循环后再通过呼吸排出体外

除此之外,未被吸收的 CO₂ 也可以随排气排出,或者被肠道内其他微生物继续利用

在后续代谢中,CO₂ 还会继续参与两类重要通路:

  • 被甲烷菌在 H₂ 存在时还原为 CH₄
  • 被还原性乙酸生成菌与 H₂ 一起用于合成乙酸

所以,CO₂ 在肠道里既是代谢产物,也是后续代谢网络中的重要底物。

二氧化碳升高,通常说明什么?

从肠道代谢角度看,CO₂ 的持续生成说明结肠代谢通路处于活跃状态,尤其与碳水底物的厌氧分解密切相关。它本身虽然不如 H₂ 和 CH₄ 那样常作为单独指标被强调,但在代谢网络中,CO₂ 一直是一个基础节点

  • 一方面反映代谢过程本身在进行;
  • 另一方面也为后续的甲烷生成和乙酸生成提供底物。

硫化氢:量不大,但值得关注

和 H₂、CO₂、CH₄ 相比,硫化氢(H₂S)在肠道总气体体积中的占比并不高,但它的生物学意义很强。原因在于,H₂S 不只是一个代谢产物,它同时还是一种具有信号作用和细胞效应的含硫小分子。我们来看看,H₂S 来自哪条通路、处在什么部位、达到什么浓度,以及宿主能否把它及时解毒和清除。

人类大肠和粪便中的 H₂S 浓度大约在 0.17–0.38 mmol/L。

哪些菌群参与了硫化氢生成?

肠道内负责生成 H₂S 的核心菌群是硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria, SRB)。

其中最常见、最典型的代表是Desulfovibrio piger。此外,Desulfovibrio fairfieldensis、Desulfovibrio desulfuricans、Desulfobulbus、Desulfomicrobium、Desulfomonas 等,也都属于与 H₂S 生成相关的菌群。

SRB 在结肠中的数量范围大约可达 10³–10¹¹ CFU/g 。其中 Desulfovibrio 属是人类结肠中最主要的一类 SRB。

不过,现有研究也提示,肠道 H₂S 的来源并不只有 SRB。Fusobacterium 这类菌同样能够参与 H₂S 生成。

此外,卡拉胶(carrageenan) 等硫酸化多糖也可以提供相关底物。研究还指出,粪便 H₂S 升高红肉摄入增加存在相关性。

硫化氢是怎么产生的?

最经典的一条路径,是 SRB 在厌氧环境下利用 H₂ 作为电子供体、利用硫酸盐作为末端电子受体,通过异化硫酸盐还原作用,最终生成 H₂S。

换句话说,这条路径本质上是一个典型的耗氢分流过程:上游发酵菌持续产出 H₂下游 SRB 再把这部分 H₂ 转入硫代谢通路

另一条重要路径,与含硫氨基酸代谢有关。像 Fusobacterium nucleatum 这类菌通过半胱氨酸脱硫酶将L-半胱氨酸等硫氨基酸转化为 H₂S、丙酮酸、氨。

也就说,H₂S 的生成至少同时连接了两条线索:

  • 一条是上游发酵系统是否持续提供 H₂;
  • 另一条是肠道内是否存在较高的硫酸盐或含硫氨基酸负荷。

H₂S 的问题,关键在浓度和部位

H₂S 的作用具有明显的浓度依赖性

  • 在较低水平下,无论是内源性还是肠道来源的 H₂S,都可能参与黏液层稳定、屏障支持和局部防御;
  • 但当暴露水平持续升高时,H₂S 就会转向更明显的细胞毒性和黏膜损伤效应。

研究还表明,正常情况下结肠本身具有相当强的 H₂S 解毒能力,可将 H₂S 氧化为毒性更低的代谢物,例如亚硫酸盐。这意味着,结肠并不是被动暴露于 H₂S,而是长期处在“产生—解毒—利用”之间的动态平衡里。

问题通常出现在两个场景:
一是菌群失衡导致 H₂S 暴露增加;

二是暴露位置前移

小肠对 H₂S 的解毒能力约只有结肠的 1/20。这意味着,一旦菌群失衡或 SIBO 让 H₂S 暴露更多发生在小肠,同样的 H₂S 负荷,其后果可能就会完全不同。

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doi: 10.3390/ijms2607334

H₂S 为什么更值得放在黏膜环境里理解?

和 H₂、CO₂ 主要反映发酵是否活跃不同,H₂S 更值得放在黏液层—上皮屏障—局部炎症这个框架里理解。

现有研究提示,较高浓度的 H₂S 可抑制线粒体呼吸、影响 ATP 生成,并改变细胞内氧化还原状态;同时,它还会影响黏液层稳定性,增加上皮暴露风险。

——炎症性肠病

研究普遍发现,IBD 患者肠道内 H₂S 暴露增加,SRB 相关菌群也更活跃。IBD 患者结肠腔内 pH 往往高于健康对照,这会为 SRB 提供更有利的生长环境。

与此同时,研究表明,H₂S 还会进一步影响结肠能量代谢。H₂S 可干扰丁酸盐氧化,削弱结肠细胞对丁酸的利用。考虑到丁酸本来就是结肠上皮的重要能量来源,这种变化会让黏膜环境更脆弱,也更容易进入炎症状态。

——结直肠癌

现有研究已经提示,多种 H₂S产生菌 与肿瘤发生发展有关,尤其是 Fusobacterium nucleatum 这类既参与肿瘤微环境、又可参与 H₂S 生成的菌。

H₂S 在肿瘤发生中可能参与多个过程,包括细胞代谢调节、血管生成、细胞周期调控以及 DNA 损伤相关效应。

硫化氢升高,通常说明什么?

从肠道代谢角度看,H₂S 升高通常提示的不是单纯“产气增多”,而是以下几件事可能同时存在:

  • 上游代谢系统仍在持续提供 H₂;
  • 肠道内存在较活跃的硫酸盐还原或含硫氨基酸分解通路;
  • 局部 H₂S 解毒和清除能力可能面临更高负荷;
  • 黏液层、上皮代谢和炎症环境,可能正在承受更大的压力。

所以,H₂S 更适合放在“耗氢分流—硫代谢负荷—黏膜环境风险”这条线上看。

氨:常被忽略的蛋白发酵代谢产物

氨主要来自氨基酸脱氨作用

和前面几类气体相比,氨(NH₃)在肠道产气讨论里经常被忽略,但在肠道代谢层面,它同样是一个重要信号。

研究提到,NH₃ 主要由结肠细菌对氨基酸进行脱氨作用后产生。它和 H₂、CO₂、CH₄ 这类主要以气体形式存在的成分不同,NH₃ 在胃肠道内主要溶解于液相环境中。

研究表明,人类粪便中检测到的 NH₃ 浓度大约在 10 – 30 mM,而且随着蛋白质摄入增加,NH₃ 的排泄量也会增加

氨和哪类底物关系更密切?

如果说 H₂ 和 CO₂ 更直接对应碳水代谢,那么 NH₃ 更直接对应的是蛋白质及氨基酸代谢。它的生成意味着,进入结肠的含氮底物正在被菌群进一步分解

也就是说,NH₃ 更多反映的是肠道内蛋白发酵这一端的代谢活动。

它不是典型的“排气体积贡献者”,但在结肠代谢环境中,NH₃ 所代表的含氮代谢负荷值得注意。

氨升高后,会对肠道产生什么影响?

NH₃ 可通过改变肠道细胞形态和中间代谢,对细胞产生多方面毒性作用,包括抑制 DNA 生物合成以及缩短细胞寿命

此外,一些研究还发现,较高水平的 NH₃ 可损伤结肠黏液层,并降低结肠细胞的寿命;在动物研究中,升高的 NH₃ 还与抑制结肠细胞对丁酸的氧化利用有关。

NH₃ 的问题在于它会直接影响结肠上皮细胞所处的代谢环境

氨升高,通常说明什么?

从肠道代谢角度看,NH₃ 升高通常提示的是蛋白发酵负荷增加,以及结肠内含氮底物代谢活跃。它反映的重点在肠道局部代谢环境是否承受了更高的含氮代谢压力。NH₃ 更适合放在“蛋白发酵—黏膜环境—上皮代谢”这条线上看。

近年的研究还开始把 NH₃ 的意义从肠道局部环境延伸到更广的系统轴线。已有系统综述和 Meta-analysis 提出,肠道内源性 NH₃ 与 H₂S 可能还与男性生殖健康相关。

这项荟萃分析发现,体内(NH3)和/或硫化氢(H2S)与对男性生育有益的乳杆菌负相关,而氨和硫化氢与对男性生育有负面影响的拟杆菌属正相关。对乳杆菌属和拟杆菌属水平与氨进行比较的荟萃分析显示,结果具有统计学意义(p<0.001)。

不过,这部分内容目前可视为前沿方向,而不是已经定论的临床结论。

甲烷:更值得关注的是肠道动力变化

在肠道主要气体中,甲烷(CH₄)的来源和 H₂、CO₂ 不太一样。CH₄ 主要不是由普通细菌直接产生,而是由产甲烷古菌(methanogens)利用 H₂ 作为电子供体,将 CO₂ 还原后生成。

甲烷的出现同时说明肠道内前端已经存在 H₂ 和 CO₂ 的持续生成,并且下游存在活跃的甲烷生成通路。

哪些菌群参与了甲烷生成?

人类胃肠道内最主要的产甲烷微生物属于 Euryarchaeota。其中,最常见、最重要的代表是 Methanobrevibacter smithii

此外,Methanosphaera stadtmanae 和 Methanobrevibacter oralis 也被认为参与了 CH₄ 的生成。

研究还提到,人体粪便中产甲烷古菌的丰度差异很大,可从几乎检测不到 10⁹ CFU/g stool 不等;而只有当其数量达到大约 10⁷ 时,呼气中才更容易检测到 CH₄。

甲烷生成会带来什么代谢后果?

甲烷生成有一个很重要的特点:它能够明显减少总气体摩尔数。对应反应为:

CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O

也就是说,原本的 5 mol 气体,最终会变成 1 mol 气体。从这个角度看,甲烷生成实际上会降低总体气体体积。

甲烷相关问题的重点,往往在于它改变了气体代谢的去向,也改变了肠道内 H₂ 的分流格局

从机制上看,这是一条非常典型的耗氢通路。

也就是说,上游发酵菌把未被小肠吸收的底物分解后,产生 H₂、CO₂ 和短链脂肪酸;下游产甲烷古菌再把 H₂ 和 CO₂ 进一步转入甲烷通路。

这一点很关键。因为 H₂ 在肠道里并不会无限累积。研究表明,较高的 H₂ 分压会抑制发酵菌继续代谢底物,并影响 NADH 再氧化以及后续发酵过程。换句话说,把 H₂ 持续移走,本身就是维持发酵系统继续运转的一部分。 甲烷生成正是这套移走 H₂的方式之一

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甲烷和便秘经常一起出现

较高水平的 CH₄ 与肠道动力减慢相关,并且和便秘,尤其是 IBS-C(便秘型肠易激综合征) 的关系更为密切。

一些研究还显示,CH₄ 可增强肠道收缩活动,同时减慢肠内容物推进速度。

也就是说,甲烷相关问题的重点,并不主要体现在总气体体积上,而更多体现在动力学后果上。

甲烷可能不仅影响动力,也和能量提取效率有关

一项研究发现,高甲烷产生者并没有表现出更高的 SRB 或 产乙酸菌活性下降,也就是说,甲烷通路未必是在压制其他耗氢通路;但高甲烷产生者却表现出更高的血清丙酸水平,并且在高纤维、全食物模式饮食下,具有更高的宿主可代谢能量(metabolizable energy, ME)。

进一步的网络分析还发现,和 CH₄ 生成正相关的,不只是 Methanobrevibacter smithii,还包括一组更适合降解膳食纤维、发酵纤维降解产物并生成丙酸的菌群,例如 Bacteroides caccae、Bifidobacterium adolescentis、Coprococcus、Eubacterium、Lachnospira、Prevotella copri、Roseburia faeci等。

与甲烷产生率呈正相关的微生物

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doi: 10.1093/ismejo/wraf103

这提示,甲烷有时更像是一个微生物协同网络的标志:它背后可能对应的,是一整套更擅长处理纤维底物维持发酵链条、促进短链脂肪酸生成和吸收的菌群结构。

甲烷升高,通常说明什么?

从肠道代谢角度看,CH₄ 升高通常提示的是:

  • 肠道内存在较活跃的甲烷生成通路;
  • H₂ 和 CO₂ 正在被持续转入这条通路;
  • 气体代谢结构更偏向甲烷型耗氢分流;
  • 在部分人群中,这种代谢格局还可能伴随动力减慢、便秘倾向,以及更高效的纤维利用和短链脂肪酸相关代谢。

从实际理解上看,CH₄ 更适合放在“耗氢通路—肠道动力—微生物能量提取效率”这条线上看。提示气体代谢结构肠道动力状态可能已经发生了变化。

02
同样是产气,为什么症状和结局会完全不同?

上一章节我们了解到,H₂、CO₂、H₂S、NH₃、CH₄ 这些产物,来源不同、代谢路径不同,对宿主的影响也不同。也正因为如此,临床上看起来都叫“腹胀”“排气多”或“吃完不舒服”,背后的机制并不一定相同。

气体本身只是结果,真正决定症状和结局的,是气体类型代谢去向以及宿主对这套代谢输出的承接能力

肠道气体本身并不一定带来症状,关键在于能否被及时清除

肠道菌群发酵产生气体,本身并不等同于一定会出现不适。研究提到,发酵过程中产生的气体主要有三种去路:

  • 第一,被其他气体利用菌进一步代谢为非气态产物;
  • 第二,被肠道吸收进入血液循环,再经呼吸排出;
  • 第三,经肛门排出。

一项研究显示,大约 77% 的微生物气体会通过前两种方式被清除,以排气形式离开的约占 23%

这意味着,对多数健康人来说,产气清除之间通常可以维持相对稳定的平衡。气体生成本身是结肠发酵的一部分,问题往往出在这套清除机制是否还能及时承接当前的发酵输出。

为什么有些人更容易腹胀、排气多?

主诉频繁腹胀排气增多的人群,往往存在肠道气体清除受损。也就是说,他们的问题不一定只是产气更多,还可能是气体在肠道内停留得更久、清除得更慢

另一要点是,功能性胃肠道症状患者对气体负荷的耐受阈值往往更低

研究提到,这类人群相对正常人可以耐受的气体量,也更容易出现腹胀、胀满感和不适。也就是说,同样的气体负荷,在不同宿主背景下,主观症状的强弱并不一致

这一点也和近期的干预研究相呼应。

一项随机、双盲、安慰剂对照试验纳入了 350 名自述存在腹胀/消化不良症状的健康成年人,连续 6 周给予多菌株合生元或安慰剂。结果显示,干预组不仅腹胀和胀气评分下降腹部不适也显著改善,同时便秘相关不适和排便规律性也有所改善

研究者指出,这类变化可能并不只是来自单纯产气减少,还与胃肠动力改善、内脏高敏感缓解以及肠道屏障功能支持有关。

这种差异在实际菌群报告中也很常见。看起来都属于产气相关问题,但进一步拆开后,背后的代谢结构并不一样。

比如在谷禾的一些样本中,除了主诉腹胀或排气增多之外,还可以直接看到肠道产本身已处于超标水平;进一步拆开后,又伴随对甲酚过多丁酸盐不足Bacteroides fragilis 增殖,以及腹胀相关的 Bacteroides、Clostridium、Proteobacteria 等线索。

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<来源:谷禾肠道菌群检测数据库>

这样的结果提示,问题往往不只是气体多了,而更像是发酵负荷升高、腐败代谢增强、保护性代谢物不足菌群生态失衡同时存在。也正因为如此,同样表现为腹胀或排气增多,背后的处理逻辑并不一样。

气体的产生位置和产生速度,也会影响症状表现

除了总量和清除能力,气体在肠道内的产生位置和产生速度同样重要。研究指出,肠道内气体的数量分布位置出现异常,都可能导致不良症状。

例如,当碳水化合物在小肠内被细菌过度发酵时,更容易引起明显的腹胀和腹痛,这也是小肠细菌过度生长相关症状的重要机制之一。

RFOs(raffinose family oligosaccharides)这类发酵速度较快的底物,更容易因为短时间内迅速产气,而增加肠道清除负担,从而放大腹胀等症状。

注:RFOs是一类由多个单糖(通常是葡萄糖、果糖和半乳糖)通过糖苷键连接而成的低聚糖。在植物中广泛存在,尤其是在豆类、十字花科蔬菜(如卷心菜和花椰菜)、全谷物和某些根茎类蔬菜中。

有些“产气食物”在持续摄入后,症状反而会减轻

研究提出,肠道清除气体的能力并不是固定不变的,而是可以被饮食改变的

例如,在刚开始摄入GOS这类短链、发酵较快的非消化性碳水时,总气体体积可增加 37%;但在连续摄入两周后,气体体积又会下降回基线水平。与此同时,在到达肛门前就被清除掉的气体比例,还呈现上升趋势

这说明,持续摄入某些产气性食物后,肠道菌群耗气能力宿主对气体的处理能力可能会发生适应。一些所谓“容易产气”的食物,并不一定会长期维持同样强度的不适,症状程度可能随着时间而改变。

在炎症性肠病中,硫化氢相关信号更值得警惕

临床研究和实验研究都提示,菌群产生的 H₂S 与 IBD,尤其是溃疡性结肠炎(UC),存在关联。体外研究发现,UC 患者粪便样本中的硫酸盐还原菌数量高于健康对照,同时 H₂S 生成水平也更

还有研究发现,去除富含含硫氨基酸的食物,如 牛奶、鸡蛋和奶酪,在部分溃疡性结肠炎场景中曾显示出一定治疗意义。这提示,H₂S 所对应的也可能反映结肠局部代谢环境的改变。

甲烷菌和硫酸盐还原菌,与结直肠癌有关

多项研究还发现,甲烷菌硫酸盐还原菌相关通路与结直肠癌(CRC)存在关联。

结直肠癌患者中,CH₄ 排出的发生率高于健康对照;与此同时,较高水平的 H₂S 也出现在结直肠癌高风险人群和溃疡性结肠炎患者中。

还有研究发现,在结直肠癌患者活检组织中,负责 H₂S 解毒的酶硫代硫酸盐硫转移酶丰度较低。这些结果提示,肠道气体及其相关代谢通路的意义,可能已经不只是功能症状层面,还涉及肠道局部病理环境的变化。不过,目前这类关联背后的分子机制仍有待进一步研究。

03
食物与肠道气体
关键:食物底物如何被菌群处理

我们知道导致肠道气体的原因很多,但食物是影响产气症状的主要因素之一。食物之所以会影响肠道产气,关键是其中有哪些成分没有在上消化道被充分消化吸收,最终进入结肠,成为菌群发酵的底物

与肠道气体关系最密切的食物类型,主要包括豆类、部分蔬菜和水果、全谷物、乳制品。这些食物虽然来源不同,但在机制上有一个共同点:都可能为结肠菌群提供可发酵底物,从而增加气体生成

豆类——RFOs

豆类,包括干豆、扁豆、豌豆等,是很多人日常饮食中的重要组成部分。它们通常脂肪含量较低,同时富含蛋白质、维生素、矿物质和膳食纤维,因此在营养学上一直被视为具有较高价值的食物。

然而,尽管具有上述优点,许多消费者仍避免食用豆类,尤其是多种菜豆,原因是担心排气过多胃部不适

豆类引起的排气增加往往出现在摄入早期

有报道指出,部分人在饮食中加入豆类后,尤其是纤维摄入本就偏低的人,排气增加是预期结果。然而,有报道指出,随着更频繁地摄入豆类,排气会有所减少

在一项随机对照试验中,50%的健康受试者报告在食用斑豆或烤豆的第一周内排气增加,但第二周后这一比例降至38%

此后,报告胀气症状的受试者百分比在第6~12周持续下降至15%~23%

在另一项随机对照试验中,评估了连续28天食用豆类(鹰嘴豆、扁豆和青豆)的影响。在干预早期,食用每种豆类都会引起胀气显著增加,但在后期胀气水平显著下降

基于以上这些研究,排气的频率取决于个体食用豆类的频率,且个体之间的反应可能存在显著差异

豆类中的关键底物是 RFOs

研究认为,豆类与肠道气体关系密切,主要与其中较高含量的膳食纤维RFOs 有关。

研究指出,人类缺乏足够的 α-galactosidase 来降解这类寡糖,因此 RFOs 不能在小肠被充分消化吸收,而会进一步进入结肠,被菌群发酵,并在这一过程中产生气体。也正因为如此,豆类摄入后出现排气增加,在机制上是可以解释的。

不同豆类中的 RFOs 含量存在差异

扁豆、青豆、黄豆、豇豆、红芸豆等都属于 RFOs 含量相对较高的代表,不同种类之间在棉子糖、水苏糖、毛蕊花糖的含量上存在明显差异。

这说明,豆类引起的肠道产气并不是完全一致的,不同品种、不同底物组成,都会影响进入结肠后的发酵负荷。

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加工方式可能影响豆类的产气潜力

除了原料本身的差异,综述还提到,一些加工处理方法可能降低植物中的 RFOs 含量,例如挤压、浸泡、高压灭菌、酶处理、煮沸。这些方法在不同程度上都有助于减少 RFOs,因此也被认为可能降低后续发酵产气

从应用角度看,这部分研究的意义比较明确:豆类相关问题并不一定只能通过回避摄入来处理,底物含量本身加工方式同样会影响最终的耐受性表现。

蔬菜和水果:果聚糖和多元醇

食用富含果聚糖的蔬菜后,人体可能会出现肠胃胀气。在蔬菜和水果中,与肠道气体关系更密切的是其中所含的某些可发酵碳水化合物。主要包括两类成分:一类是果聚糖,另一类是多元醇。

蔬菜和水果中的果聚糖属于菊粉型,由一个至多个与蔗糖的果糖部分相连的2→1连接的β-果聚糖基单元组成。此类果聚糖中最简单的物质是1-蔗果三糖,即β-果聚糖基-(2→1)-β-果聚糖基-(2→1)-α-吡喃葡萄糖苷。菊粉型果聚糖的聚合度通常在3~约60之间。

菊粉和低聚果糖(FOS)在蔬菜中含量丰富,如洋蓟、芦笋、菊苣根、大蒜、洋葱、蒲公英叶、韭菜等。

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果聚糖在小肠中无法被消化,在结肠中发酵后产生过多肠道气体

果聚糖不能在小肠被消化吸收,因此会进入结肠,被菌群进一步发酵,从而增加气体生成。

最近的两项研究探讨了食用含菊粉食物对胃肠道症状的影响。排气增加是健康志愿者中最常见的胃肠道症状之一。

两项研究的结果均显示,健康志愿者在食用富含菊粉的饮食后,报告的最常见的胃肠道症状是肠胃气胀加重

在另一项研究中,据报告,在连续5周食用富含低聚果糖的饮食期间,低聚果糖会导致肠道气体产生增加

多元醇也是蔬菜和水果中重要的产气相关成分

多元醇天然存在于一些水果和蔬菜中,也被广泛作为无糖甜味剂用于口香糖和饮料中。

FDA批准的多元醇包括甘露醇、山梨醇、木糖醇、异麦芽酮糖醇、乳糖醇、麦芽糖醇、赤藓糖醇、氢化淀粉。

一项研究评估了山梨醇吸收不良与胃肠道症状之间的关系,该研究让7名健康参与者摄入不同剂量的山梨醇。在大多数受试者(7人中的4人)中,仅摄入5克山梨醇就与气体显著增加相关,而大多数受试者在摄入20克山梨醇后出现了严重症状(气体、腹胀、痉挛和腹泻)。

同样,在另一项包含10名健康志愿者的研究中,与摄入低剂量甘露醇相比,摄入含有高剂量甘露醇的水溶液导致的副作用发生率最高,包括肠胃气胀、腹泻和腹痛。

多元醇所带来的不适程度不仅与成分本身有关,也与摄入剂量密切相关。

蔬菜和水果相关的不适,本质上仍然是底物问题

从现有研究看,蔬菜和水果与肠道气体的关系,主要还是通过其中的果聚糖和多元醇来体现。

  • 前者因为不能在小肠被消化,会进入结肠发酵;
  • 后者则因为吸收较差,更容易在较高摄入量下引起产气和其他胃肠道不适。

全谷物——果聚糖

全谷物常被视为健康食物,但并不意味着所有人都有同样的耐受性

小麦、玉米、大麦、黑麦、燕麦等谷物是世界大多数人口主要依赖的主食。与此同时,营养学和公共健康建议通常鼓励更多摄入全谷物而不是精制谷物。

《2020–2025美国膳食指南》建议每天至少摄入 3 盎司(约85克)全谷物,这主要基于全谷物与代谢健康相关的益处。

不过,这并不意味着全谷物在所有人群中都具有同样的胃肠耐受性,研究指出,全谷物虽然含有部分可发酵膳食纤维和抗性淀粉,但其中更值得关注的一个成分,是果聚糖

全谷物中的果聚糖——与产气关系更密切的底物

谷物中的果聚糖与蔬菜水果中的果聚糖并不完全相同。前者主要属于左聚糖型,其结构特点是 β-呋喃果糖基单元通过 (2→6) 键连接到蔗糖分子上。这类果聚糖在谷物中的聚合度可达到约 90(说明它们属于结构相对复杂、可进入结肠发酵系统的一类底物)。

大量研究已将全谷物摄入排气增加联系起来。

在一项非对照研究中,55%的IBS患者报告麸皮加重了其胃肠道症状,包括产气相关主诉

关于麦麸的对照试验也报道,与安慰剂相比,参与者出现更多排气腹部不适

此外,Vuholm等考察了全麦和全黑麦对胃肠道症状的影响,发现摄入这些全谷物健康志愿者排气增加显著相关。

部分人群需要关注FODMAPs

尽管小麦及其他谷物中的果聚糖等可发酵低聚糖、二糖、单糖、多元醇(FODMAPs)普遍被认为会在IBS患者中引起严重胃肠道症状,但也有研究指出,许多非乳糜泻性麸质敏感者实际上可能对小麦中的FODMAPs而非麸质敏感。

加工方式可能影响全谷物的产气潜力

已有研究开始评估不同工艺对谷物中果聚糖的影响。据推测可减少肠道气体及其他胃肠道症状。

一项研究评估了不同酸面团酵母菌株在96小时发酵过程中降解小麦粉中果聚糖的能力。发酵后,与传统面包酵母S. cerevisiae分离株相比,从澳大利亚酸面团中分离得到的Saccharomyces cerevisiaeTorulaspora delbrueckii显著降低小麦粉中的果聚糖含量。

另一项研究还考察了,植物乳杆菌酿酒酵母延长发酵时间在黑麦面团发酵过程中降解黑麦面包果聚糖的潜力。发酵3小时后,作者注意到,与仅用面包酵母发酵的面包相比,采用植物乳杆菌和酵母发酵的黑麦面包中果聚糖含量显著下降

也就是说,原料本身之外,发酵工艺加工方式同样会影响最终进入结肠的发酵底物负荷。

全谷物相关问题,更适合放在底物耐受性框架中理解

这里还可以区分两个层面来看:

  • 一是发酵负荷,也就是进入结肠的果聚糖有多少,以及菌群会不会因此形成更高的发酵输出;
  • 二是个体耐受性,也就是面对这部分发酵产物和气体,这个人是否更容易出现腹胀、排气增多等不适。

前者有时可以结合菌群功能线索辅助理解,后者则更多与宿主本身的肠道动力、气体清除和感觉敏感性有关。

从干预角度看,全谷物相关不适更适合先放在果聚糖耐受的框架里理解,再进一步结合加工方式、摄入剂量摄入频率做调整;如果同类底物反复诱发症状,后续也可以结合饮食记录、症状出现的时间窗,包括菌群线索,进一步判断问题更偏向发酵太强,还是本身更不耐受

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doi.org/10.1016/j.jff.2022.105367

乳制品——乳糖

乳制品相关不适,核心在于乳糖处理能力

牛奶和其他乳制品加重胃肠道症状的食物之一,尤其是在全球相当一部分成年乳糖酶缺乏人群中。

乳糖是哺乳动物乳汁中特有的碳水化合物,人乳中含量约为7.2 g/100 ml,牛乳中约为4.7 g/100 ml。乳糖本身并不会直接引起气体问题,影响后续结局的是它能否在小肠被及时水解

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乳糖能否被消化,取决于乳糖酶活性是否足够

乳糖酶是负责水解乳制品中乳糖的酶。乳糖需要依赖乳糖酶水解为葡萄糖半乳糖后,才能在小肠被吸收。

在大多数哺乳动物中,乳糖酶活性在儿童期较高,但会随年龄增长迅速下降。在人群中,仅约 30% 的人群在成年后仍保持乳糖酶持续表达,但这种乳糖酶持续性在不同人群中的分布差异很大。

这意味着,对相当一部分成年人来说,乳糖并不能在小肠被充分处理,而更容易进入结肠。

未被消化的乳糖会进入结肠并被菌群发酵

研究指出,当乳糖没有在小肠被充分水解为单糖时,它会进入大肠,成为菌群可利用的发酵底物。随后,肠道菌群会对其进行代谢,并产生相关气体。乳糖酶缺乏患者因结肠内乳糖发酵而出现排气增加

乳糖进入结肠后,菌群组成会影响后续的代谢走向。某些菌群,尤其是双歧杆菌属乳杆菌属,具有β-半乳糖苷酶活性,能够利用乳糖并完成进一步分解;同时,这两类菌更倾向于产生短链脂肪酸,而不像其他部分异型发酵菌那样更容易形成较高的氢气和甲烷输出。也就是说,乳糖进入结肠之后,会不会形成更明显的产气表型,和菌群如何处理这部分底物也有关系。

益生菌可能缓解乳糖不耐受症状的机制

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doi: 10.1007/s10482-026-02278-x

部分人群对乳糖的耐受,可以随着菌群适应而变化

在乳糖不耐受人群中,长期、规律地接触乳糖后,肠道菌群可能发生适应性变化

这种变化通常表现为具有β-半乳糖苷酶活性的乳糖发酵菌增加,例如双歧杆菌属乳杆菌属丰度上升,同时结肠对乳糖的处理效率提高,呼气氢排出下降,症状减轻

基于证据的、对乳糖不耐受有益的益生菌菌株

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doi: 10.1007/s10482-026-02278-x

04
结语

如果把肠道产气仅仅理解为吃了某类食物之后会不会胀,那么临床和健康管理层面的处理往往容易停留在经验性忌口、临时回避泛化建议上。但从现有研究看,肠道产气所连接的并不只是食物和症状,还包括底物进入上消化道后的处理效率、结肠阶段的菌群代谢方式、不同耗氢通路的分流方向,宿主本身的动力耐受状态等。这意味着,产气相关问题更适合被理解为一个可分层、可追踪、可干预的功能表型。

未来关于产气相关问题的管理,会包括对具体底物、具体通路具体耐受阈值的识别。进一步判断:究竟是哪一类底物在反复诱发症状,进入结肠后被怎样的菌群结构处理,又是在什么剂量和什么摄入方式下开始越过个体的耐受边界。

肠道产气相关问题也越来越值得放到多维评估框架里看。饮食记录能帮助识别底物来源,症状时间窗能帮助判断反应时序,呼气试验能帮助捕捉功能性输出,而菌群相关信息则更适合帮助理解:个体的肠道,当前更偏向哪一种发酵和耗氢模式,是否已经出现了保护性代谢物不足、腐败代谢增强,或者硫代谢相关通路偏移。也就是说,菌群检测帮助我们把原本笼统的症状,推进到更具体的代谢理解和功能识别

总的来说,肠道产气更像是肠道持续暴露自身代谢状态的一种外显方式。把这些信号读得更清楚,就更接近下一阶段更精细的营养干预和功能管理。

注:本账号内容仅供学习和交流,不构成任何形式的医疗建议。

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肠道菌群如何影响维生素的合成和利用

谷禾健康

维生素

B族维生素维生素K是微生物和人类生理学中多种细胞过程所必需的微量营养素。传统上,这些维生素被认为主要来自饮食,但近年来的研究显示,人类肠道微生物群具备合成这些维生素的能力,提供了重要的内源性来源,这一贡献过去常被低估。

值得注意的是,微生物对宿主维生素储备的贡献正逐渐被视为维生素稳态的重要功能。在结肠中,微生物合成的维生素能够通过特定的运输机制被吸收,以发挥其生物学作用。

01
什么是维生素、分类、来源

什么是维生素?

维生素是一类化学结构各异有机化合物,人体只需要很少的量,但它们对维持细胞全身的生理功能至关重要。

与提供结构或能量的宏量营养素(如碳水化合物、蛋白质和脂肪)不同,维生素主要通过作为辅因子或辅酶前体的形式发挥作用,帮助酶完成各种反应,这些反应涉及能量代谢、物质合成、氧化还原调节细胞信号传导

即使是轻微的维生素缺乏,也可能损害代谢的完整性,并增加患贫血、神经退行性疾病和免疫缺陷等多种疾病的风险。

分类

根据溶解性和生理特性,维生素通常分为水溶性脂溶性两类。

• 水溶性维生素

水溶性维生素包括B族维生素(维生素B1、B2、B3、B5、B6、B7、B9和B12)和维生素C。它们通常作为辅基或辅酶参与酶促反应,尤其是在能量代谢、核苷酸合成和一碳单位转移反应中。由于其亲水性,水溶性维生素不易在体内储存

• 脂溶性维生素

脂溶性维生素(维生素A、D、E和K)通过脂类介导的途径被吸收,并储存在脂肪组织和肝脏中,形成一个相对稳定的储备。

脂溶性维生素的功能更偏向于调节而非催化,但对于维持正常的视力、免疫调节、抗氧化防御以及钙磷平衡至关重要。比如,维生素K是凝血因子中谷氨酸残基γ-羧化反应的辅因子。

来源

• 大部分维生素依赖饮食获取或微生物产生

值得注意的是,由于人体无法合成大多数维生素,因此它们是必需的营养素。只有少数例外,如维生素D,它可以在紫外线照射下由皮肤中的7-脱氢胆固醇合成。对于其他所有维生素,人体主要依赖饮食和微生物的产生来获取。

• 肠道菌群合成维生素的能力对人体代谢非常重要

与高等真核生物不同,许多细菌物种具备从头合成必需辅因子的遗传机制,包括维生素B1、B2、B3、B5、B6、B7、叶酸(B9)、B12和甲萘醌(K2)。

其中,6种B族维生素(B1、B2、B3、B5、B6和B9)是关键的辅酶前体,这些辅酶在细菌和哺乳动物中发挥作用,如硫胺素焦磷酸(TPP)、黄素单核苷酸/黄素腺嘌呤二核苷酸(FMN/FAD)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD/NADP)、辅酶A(CoA)、磷酸吡哆醛(PLP)和四氢叶酸(THF)。


生物素则是一种重要的羧化/脱羧辅因子,在脂肪生成、碳水化合物和氨基酸代谢中发挥重要作用。钴胺素是B12辅酶家族(包括氰钴胺素、甲基钴胺素和腺苷钴胺素)的前体,对所有动物和许多(但并非所有)细菌物种都是必需的

因此,人们越来越关注人体肠道菌群的合成能力,将其视为B族维生素和维生素K潜在内源性来源,并逐渐认识到它对宿主维生素稳态的功能性贡献。

这种观念的转变得益于肠道菌群检测方法学的改进和多样化,使得谷禾能够以更高更大规模的分辨率检测和功能性地解释微生物维生素的生物合成。

本文主要关注和讨论目前对人体肠道相关细菌合成B族维生素维生素K的理解。重点关注用于研究肠道菌群产生维生素潜力的各种方法,包括基因组学、宏基因组学等,以更好地了解微生物与宿主之间的维生素相互作用,从而改善人类健康。

02
肠道菌群中的维生素合成——作为维生素的来源

人类肠道菌群是一个庞大且代谢活跃的微生物生态系统,包含丰富的基因功能库。随着新物种和功能的不断发现,我们对它的认识也在不断加深

哪些证据说明肠道菌群合成维生素

(1)无菌大鼠 vs. 普通大鼠的对比实验

为了证明细菌生产的维生素,我们以一个关于维生素K的经典例子:

实验对象A(无菌大鼠): 肠道里没有任何细菌。

给它们吃不含维生素K的食物,它们就会生病(凝血酶原水平降低,容易出血),因为它们既没从食物中吃到维生素K,肠道里也没有细菌帮忙制造。

实验对象B(普通大鼠): 肠道里有正常的细菌。

结果: 即使吃完全一样的不含维生素K的食物,它们却很健康,凝血功能正常。

结论: 这说明普通大鼠肠道里的细菌“生产”了足够的维生素K,弥补了食物的缺失。进一步推测细菌的产量足甚至以满足生理需求

因此以上实验表明细菌不仅仅是“产生”了维生素,而且产生的量很大,可能足够达到维持宿主健康(如正常凝血)的生理标准。

(2)人体研究

同样,在人类研究中,即使低维生素K饮食持续3-4周,也不会导致明显的维生素缺乏除非同时使用广谱抗生素抑制肠道菌群。在这种情况下,会观察到血浆凝血酶原的明显下降,这清楚地表明了肠道菌群在维持维生素K稳态方面的重要作用。

(3)体外研究

一些计算机模拟研究也探讨了肠道菌群对宿主相关微量营养素摄入的潜在贡献,特别是关于B族维生素的膳食参考摄入量(DRI)。这些计算方法发现了能够产生多种B族维生素的微生物生物合成途径,表明肠道菌群可能对宿主的微量营养素摄入产生影响。

具体来说,尽管这仍然是推测性的,但有目前研究普遍认为肠道微生物合成的维生素B3、B6、B9和B12可能占人类相应DRI的约27%-86%

(4)结肠转运系统

此外,在人类结肠中检测到B族维生素转运系统,进一步加强了微生物和膳食维生素可能协同作用,维持全身维生素稳态的观点。然而,由于微生物产生的维生素在结肠环境中的实际生物利用度仍未得到充分表征,需要进一步明确的研究。

!

注意局部和全身

与小肠中吸收效率明确的膳食维生素不同,微生物合成的维生素吸收取决于其化学形式和宿主转运蛋白的能力。例如,结肠中存在大量微生物合成的类咕啉素(包括维生素B12的变体),其结构常与具有生物活性的钴胺素不同,导致人类宿主的生物利用度降低

此外,微生物合成的B族维生素主要满足自身的代谢需求,因此,与膳食来源相比,剩余部分(无论是主动分泌还是通过细菌细胞自发裂解释放)所占比例可能较小

同时,微生物产生的维生素在塑造局部肠道环境(特别是在肠腔内和黏膜界面)中具有重要的生物学意义。已知这些维生素可以支持结肠上皮细胞的代谢需求,影响屏障完整性,调节局部免疫反应,并发挥抗氧化和保护作用。

03
哪些菌合成什么维生素

谷禾数据库整理了大样本人群微生物基因组参考集合的基因组学研究,初步细致地刻画了肠道微生物群中各个成员合成维生素的潜力

▸ 谁能自己造维生素?

把这些信息汇总到“门”(phylum)这一分类层级时,拟杆菌门(Bacteroidota)和假单胞菌门(Pseudomonadota)中“维生素原养型”(prototrophic,能从头合成某种化合物)的物种比例更高

这两个门里包含能够合成几乎所有B族维生素的物种,但维生素B12(钴胺素)是个例外:大约只有30%的拟杆菌门基因组和约42%的变形菌门基因组显示出合成B12的潜力。

• 拟杆菌属和大肠杆菌是重要的B族维生素生产者

Bacteroides(拟杆菌属): 一些拟杆菌属的成员可以合成全部八种B族维生素

E.coli(大肠杆菌)Phocaeicola doreiBifidobacterium(双歧杆菌属)Segatella copri(以前叫Prevotella copri): 这些也是肠道中B族维生素的重要生产者。

• 放线菌和芽孢杆菌中能产生维生素的较少

相对地,放线菌门(Actinomycetota)和芽孢杆菌门(Bacillota)中维生素“营养缺陷型/需外源型”(依赖外部来源满足维生素需求)的成员比例更高

doi:10.20517/mrr.2025.66

注:研究数量有限,仅供参考

▸ 肠型可能影响维生素的合成能力

• 不同肠型擅长合成的维生素不同(仅供参考)

肠道菌群的组成(肠型)影响维生素的合成能力。

肠型1(以Bacteroides为主): 更擅长合成生物素、核黄素和泛酸

肠型2(以Prevotella copri为主): 更擅长合成硫胺素和叶酸

• 谁是维生素“消费者”?

Faecalibacterium prausnitzii(普拉梭菌): 它会消耗多种B族维生素,尤其是核黄素,核黄素能帮助它在肠道内抵抗氧化

尽管基因组研究已阐明单个菌株或基因组的生物合成能力,现有方法仍较少将这一视角扩展至整个微生物群落,因此尚难在人群层面绘制维生素生物合成潜力图谱

现有研究和谷禾的研发表明,特定微生物类群通过其生物合成能力模式维生素利用策略,在塑造肠道维生素“生态”中起着关键作用。深入理解不同类群对维生素代谢的特异性贡献对于阐明微生物群宿主营养状态的功能性相互作用至关重要,这些认识还可能指导基于微生物组的干预策略设计,以优化维生素可获得性解决营养缺乏问题

在此背景下,比如用能分泌叶酸的乳酸菌做发酵剂,生产叶酸强化乳制品;也在筛选肠道来源的产叶酸菌作为潜在益生菌,用于改善维生素供应。这些例子说明:关于微生物维生素代谢的知识可以转化为食品和治疗策略,最终为利用肠道微生物群有益代谢潜力的营养学方法铺平道路。

04
微生物-微生物及微生物-宿主相互作用对维生素可用性的影响

尽管人们越来越认识到人类肠道菌群具备合成维生素的能力,但最近的研究强调,肠道菌群中维生素的可用性并非仅仅由生物合成能力决定,还受到微生物群落内部以及宿主处复杂的代谢相互作用的影响。

这些动态过程包括微生物之间的交叉代谢、维生素摄取的竞争以及宿主介导的吸收,所有这些因素共同塑造了最终的营养产出

▸ 微生物—微生物互作

在微生物层面,维生素的交叉喂养代谢源于不同分类群之间生物合成能力的不均匀分布,且这种差异不仅存在于亲缘关系较远的类群间,也体现在同一属内的不同物种之间。

最近的研究中,研究人员利用 SEED 平台分析了一个包含2000多个经过人工校对的人类肠道细菌基因组的参考数据集。该平台整合了所有已知和推断的生物合成及补救途径组件,包括酶和转运蛋白。这一方法通过预测不同分类等级中原养型(可自身合成)和营养缺陷型(需外部获取)菌株的比例,实现了对维生素生物合成潜力变异性的定量评估。这些跨越不同维生素和分类级别的保守性与变异性模式,为微生物群落中的潜在代谢相互作用奠定了基础。

• 原养型微生物的产物可能支持缺陷型的生长

当原养型和营养缺陷型微生物共存于同一生态位时,这种差异可能导致代谢相互依赖,即原养型微生物释放的代谢产物或中间体能够支持营养缺陷型微生物的生长和代谢功能

一个明显的例子是维生素B12,这一结构复杂且代谢成本高昂的辅助因子。由于完整生物合成途径需高昂的代谢成本和遗传负担,只有少数厌氧肠道细菌(主要属于厚壁菌门和放线菌门)能够自主生产维生素B12。

然而,这种辅助因子对许多群落成员至关重要,众多成员已进化出高亲和力的转运系统以从环境中获取。例如,Anaerobutyricum hallii(以前称E.hallii)是一种特征明确的丁酸产生菌,能够合成维生素B12,而嗜黏蛋白阿克曼氏菌(Akkermansia)则通过共生利用该维生素进行丙酸的合成

同样,在肠道微生物群落模型中,缺乏叶酸合成能力的Roseburia intestinalis M50/1生长受到经体外验证的叶酸原养型菌株双歧杆菌Bifidobacterium bifidum CNCM I-3650的益处。这些发现表明,原养型细菌可以通过主动交换代谢物和微量营养素,或通过被动机制(如细胞裂解并释放胞内维生素),来缓解共存菌株的营养缺陷

这些以维生素为媒介的相互作用不仅是合作性的,竞争也在塑造人类肠道维生素可用性方面起着关键作用。

维生素的可用性受微生物间相互作用等的影响

doi: 10.20517/mrr.2025.66.



• 肠道微生物群会竞争有限的维生素资源

微生物通过产生维生素结合蛋白和利用特定转运蛋白,与其他群落成员竞争有限的维生素资源。因此,肠道环境可视为一个严格调控的微量营养素市场,其可用性由生物合成能力摄取效率共同决定。

例如,多形拟杆菌Bacteroides thetaiotaomicron)表达三种功能性、同源的维生素B12转运系统以获取钴胺素。这些转运蛋白对不同类咕啉类似物表现出独特的特异性,这可能为其在竞争激烈的人类肠道环境中提供选择性优势,同时也体现了肠道微生物为确保获得必需辅助因子所采用的复杂策略和巨大努力。

▸ 微生物—人体互作

宿主微生物之间的相互作用使这一网络愈加复杂。实际上,宿主通过免疫调节、结肠吸收、粘液分泌和饮食等方式,间接影响维生素的动态变化,从而影响微生物的组成和功能

• 不同年龄的肠道菌群组成影响维生素合成能力

最近的研究显示,年龄和地理起源等宿主因素显著影响人类肠道菌群的维生素生物合成潜力。具体而言,肠道菌群的测序分析表明,婴儿期维生素B9(叶酸)和K2的生物合成途径非常普遍,这与能合成叶酸的双歧杆菌属Bifidobacterium spp.)的主导地位以及能够产生维生素K2的大肠杆菌E.coli)的存在相一致,这些都是早期肠道微生物组的特征

另一项研究将人群按年龄分组(从几个月大到80岁以上),并将微生物特征与年龄进行关联分析。结果显示,新生儿组(0-4岁)的微生物与参与硫胺素(维生素B1)烟酸(维生素B3)生物合成的酶呈正相关,表明这些维生素路径与生命早期相关,这与老年组形成对比。

成人的肠道菌群则富含BacteroidesPrevotella copri,展现出更广泛的代谢能力,因为这些类群通常是维生素B的原养型生物,具备多种B族维生素的完整生物合成途径。

• 不同地区的饮食和生活方式导致维生素合成能力差异

此外,新兴证据表明,地理起源导致全球不同人群肠道菌群在B族维生素生物合成能力上的差异,可能与饮食和生活方式相关因素影响肠道菌群的组成和功能有关。

在这个复杂的生态和代谢网络中,结合本地大数据库明确哪些微生物类群在结肠中参与维生素生物合成、这些维生素是否被宿主吸收以及哪些因素影响其产生,对于理解微生物群对宿主的营养贡献至关重要。这也有助于设计针对微生物群的策略(如益生元、益生菌或工程菌群),以改善维生素状况。

05
人体肠道微生物合成维生素的具体解析

1
维生素B1(硫胺素)

▸ 生物学功能与重要性

硫胺素(维生素B1)是一种水溶性维生素,作为辅参与多个核心代谢过程。在活性磷酸化形式TPP(焦磷酸硫胺素)下,维生素B1是碳水化合物代谢中多种酶的关键辅因子,包括丙酮酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶和转酮醇酶,这些酶是三羧酸循环(TCA)和磷酸戊糖途径的关键参与者。

通过这些途径,硫胺素有助于能量生成、氧化还原平衡、核苷酸和脂质的生物合成,并间接参与神经递质的代谢

▸ 微生物合成与已知微生物贡献者

细菌中的硫胺素生物合成遵循模块化途径,涉及两个部分的分别合成:4-氨基-5-羟甲基-2-甲基嘧啶磷酸(HMP-P)和4-甲基-5-(β-羟乙基)噻唑磷酸 (THZ-P)。随后,这些部分由 ThiE 酶偶联生成磷酸硫胺素,最后转化为活性的 TPP 形式。基因组调查显示,相当大比例的肠道相关细菌基因组,包括拟杆菌属(Bacteroides)、普雷沃氏菌属(Prevotella)、肠球菌属(Enterococcus)和双歧杆菌属(Bifidobacterium)等主要菌属的代表,都拥有从头合成磷酸硫胺素所需的完整基因库。

然而,许多肠道共生菌对硫胺素是营养缺陷型的,依赖于外源性硫胺素或诸如 HMP-P 之类的中间体,这些物质可以从环境中回收或在微生物之间交换。在这些维生素B1营养缺陷型细菌中,已鉴定出不同的补救策略:有些菌株可以回收两种硫胺素中间体,而另一些则缺乏其中一条生物合成支路,依赖外部来源提供相应的缺失化合物,还有一部分完全依赖于摄取预先形成的硫胺素。

值得注意的是,所有营养缺陷型变体都保留了一定的补救能力,反映了对不完整生物合成潜力的多样化进化适应。

有趣的是,普拉梭菌(F. prausnitzii)在将丙酮酸转化为乙酰辅酶A的代谢过程中需要这种维生素,这是丁酸生物合成途径的一部分,突显了维生素B1在肠道菌群成员生产短链脂肪酸(SCFA)中的关键作用。

// 小结

总结来说,维生素B1(硫胺素)不仅是你身体的“能量充电宝”,也是将食物(碳水化合物)转化为能量所必需的“点火器”。没有它,我们的细胞无法有效产生能量,也无法制造DNA和脂肪,甚至会影响神经系统的信号传递

肠道里住着很多细菌,其中一些是“生产者”。比如拟杆菌和双歧杆菌等常见菌,可以自己从头制造维生素B1,不仅满足自己,可能还能分给别人。还有很多细菌是“消费者”(营养缺陷型),它们自己造不出维生素B1,或者只能造出一半。

有的细菌完全依赖别人,必须从环境里捡现成的维生素 B1 吃。有的细菌只能造一半零件,需要从邻居那里借另一半零件来组装。说明为了生存,细菌逐步进化出复杂的“借用”和“互助”关系


2
维生素B2(核黄素)

▸ 生物学功能与重要性

核黄素(维生素B2)是两种主要黄素辅酶——黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)的前体。这两种辅酶在核心代谢中广泛参与氧化还原反应,包括电子传递链、脂肪酸氧化、氨基酸分解代谢,以及维生素B6和B9的激活反应。

此外,核黄素通过支持谷胱甘肽还原酶的活性和调节氧化应激,有助于维持抗氧化防御系统

▸ 微生物合成与已知贡献者

细菌中的核黄素生物合成涉及一组保守基因(ribA、ribB、ribC、ribD和ribE),这些基因将三磷酸鸟苷(GTP)和5-磷酸核酮糖转化为核黄素,随后核黄素被磷酸化为FMN,再腺苷酸化为FAD。

最近的基因组重构研究显示,完整的操纵子在肠道共生细菌中广泛存在,包括拟杆菌属Bacteroides)、肠球菌属Enterococcus)和多种乳杆菌。尤为重要的是,乳酸乳球菌Lactococcus lactis)、植物乳杆菌(Lactiplantibacillus plantarum)和罗伊氏乳杆菌Limosilactobacillus reuteri)已被提议作为天然生物强化剂,用于提高酸奶、奶酪和发酵乳制品中的核黄素浓度

然而,基因组分析显示,芽孢杆菌门(Bacillota)和放线菌门(Actinomycetota)中的一些成员缺乏完整的核黄素生物合成操纵子。有趣的是,许多这些核黄素缺乏型细菌编码高亲和力的核黄素转运系统,如RibU(ECF家族)和RibXY(ABC超家族),显示出它们对核黄素衍生辅助因子(如FMN和FAD)的强烈需求。

除了营养作用外,微生物生成的核黄素还参与调节宿主粘膜表面的免疫反应,其关键机制涉及粘膜相关恒定T(MAIT)细胞,这些细胞在识别由非多态性MHC I类相关分子MR1呈递的核黄素生物合成中间体后被激活。该途径建立了微生物维生素B2代谢粘膜免疫监视之间的直接联系,强调了微生物核黄素生成在宿主-微生物相互作用中的更广泛生理相关性。

// 小结

维生素B2(核黄素)不仅是身体必需的营养素,也是肠道细菌与免疫系统之间的沟通桥梁。进入体内后,维生素B2转化为两种“超级助手”(FMN和FAD),参与无数化学反应,尤其是在将脂肪和蛋白质转化为能量,以及协助产生其他维生素(如B6和叶酸)。它还能帮助抵抗“氧化压力”,保护身体免受损伤。

肠道细菌也能合成B2,许多细菌(如某些拟杆菌和乳酸菌)具备特定基因,能够自己生产维生素B2。然而,并非所有细菌都能合成B2;一些细菌缺乏这种能力,但进化出强大的“抢夺”能力(高亲和力转运系统),能够从环境中获取B2以维持生存,显示出B2对细菌生存的重要性。

意外发现是,细菌制造B2的过程中还会产生一些中间产物,这些产物能够激活免疫系统中的特殊巡逻兵“MAIT细胞”。当MAIT细胞探测到细菌生成B2时,这些细胞会被激活,像是细菌发送的信号,通知免疫系统“我在这里”。这不仅帮助身体识别细菌,还启动免疫监视,保护肠道粘膜的健康

3
维生素B3(烟酸)

▸ 生物学功能与重要性

维生素B3,即烟酸,包含两种生物活性形式:烟酸(NA)和烟酰胺(NAM)。这两者都是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)的前体。这两种二核苷酸是参与氧化还原反应、能量代谢、DNA 修复和细胞信号传导的重要辅助因子。

NAD+是糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化中的关键辅酶,而NADP+对合成代谢途径和抗氧化防御至关重要。

▸ 微生物生物合成与已知贡献者

与大多数其他B族维生素不同,烟酸可以在体内(主要在肝脏)内源性合成,通过犬尿氨酸途径将色氨酸转化为喹啉酸,后者是NAD+生物合成的关键中间体。然而,这一途径通常不足以满足日常需求,因此饮食摄入或微生物的贡献显得尤为重要。

在肠道中,许多共生细菌拥有一条替代的烟酸从头合成途径,从天冬氨酸开始生成喹啉酸,再转化为烟酸单核苷酸,最终合成NAD+。这一生物合成途径广泛分布于假单胞菌门(Pseudomonadota)和拟杆菌门(Bacteroidota)中,尽管在属和种的水平上存在显著差异。大肠杆菌E. coli)、脆弱拟杆菌B.fragilis)和多种双歧杆菌Bifidobacterium)被确认是肠道环境中的烟酸生成者

然而,并非所有菌种都编码完整的生物合成基因,许多细菌依赖烟酸补救途径,利用宿主或微生物衍生的前体。最新证据强调了宿主与其肠道菌群之间维生素B3前体的双向交换,支持共享的NAD+代谢

尽管饮食中的烟酸前体大多在上消化道/小肠中被吸收,但结肠中的微生物可以利用可发酵纤维(如菊粉)或宿主细胞代谢释放的NAM来合成NAD+。微生物来源的NAD+随后转化为NAM和NA,这些物质能够被宿主肠道组织吸收,并在宿主细胞内用于再生NAD+。这突显了一个动态循环,即微生物活动与宿主来源底物共同维持循环中NA水平,即使在缺乏直接饮食摄入的情况下。

// 小结

维生素B3是身体细胞正常运转不可或缺的成分。你可以把它想象成制造“电池”的原料。它主要有两种形式(烟酸和烟酰胺),在体内会变成两种超级重要的物质(NAD+和NADP+)。这两种物质负责帮我们把食物变成能量修复受损的 DNA,以及保护细胞不“生锈”(抗氧化)。我们的肝脏可以利用蛋白质中的某种成分(色氨酸)自己合成一点维生素 B3,但这通常不够用,大部分需要通过食物摄入。如果你吃不够,你肚子里的细菌能帮大忙。


在你肠道里的许多细菌(比如大肠杆菌和双歧杆菌)拥有特殊的“生产线”,可以用完全不同的原料(天冬氨酸)制造出维生素 B3。

细菌还可以利用我们吃下去的膳食纤维(比如菊粉)或者我们身体代谢剩下的废料,制造出 NAD+。然后它们把这些成品分解成我们可以吸收的形式(烟酸或烟酰胺),这就相当于细菌在结肠里给我们“供货”。我们身体产生的某些前体物质也能被细菌利用。

4
维生素B5(泛酸)

▸ 生物学功能与重要性

维生素B5(泛酸)是辅酶A(CoA)的生化前体,辅酶A作为核心代谢辅助因子,参与广泛的生物过程,包括三羧酸循环(TCA)、脂肪酸合成与β-氧化以及氨基酸代谢,主要在能量生成和合成代谢中充当酰基载体。此外,胆固醇、类固醇激素、血红素和乙酰胆碱的生物合成也需要辅酶A。

维生素B5对于维持细胞能量平衡代谢功能至关重要。

▸ 微生物生物合成与已知贡献者

细菌可以通过一条从头合成途径来制造泛酸,该途径将泛解酸与β-丙氨酸结合在一起。这条途径由一组高度保守的基因簇(panB、panC、panD、panE)编码,合成出的维生素随后会被转化为辅酶 A。

在人类肠道菌群中,基因组分析显示,几乎所有的假单胞菌门(Pseudomonadota)和拟杆菌门(Bacteroidota)都具备合成泛酸的遗传能力,而受评估的厚壁菌门(Bacillota)和放线菌门(Actinomycetota)成员中,只有不到一半编码了完整的泛酸合成途径。不过,许多无法自身合成泛酸的菌株(营养缺陷型)仍然保留了将外源性泛酸转化为辅酶A的酶机制,这使它们即使无法从头合成,也能完成基本的代谢功能。

正因为假单胞菌门和拟杆菌门普遍具备这种合成能力,所以在成年人的肠道菌群中,尤其是典型的以拟杆菌为主的肠型中,维生素B5的生物合成途径是最常见的代谢途径之一。

// 小结

维生素 B5 之所以重要,是因为它是我们体内一种叫“辅酶 A”的关键物质的原材料。你可以把辅酶 A 想象成细胞工厂里的“搬运工”和“点火器”。 它是身体燃烧脂肪、分解蛋白质和碳水化合物产生能量的过程中不可或缺的一环。身体制造胆固醇、性激素、血红蛋白(血液中携带氧气的成分)以及神经传导物质时,都离不开它。

5
维生素B6(吡哆醇)

▸ 生物学功能与重要性

维生素B6是由六种可相互转化的形式组成,包括吡哆醇(PN)、吡哆醛(PL)、吡哆胺(PM)及其磷酸化形式,其中5′-磷酸吡哆醛(PLP)是最活跃的形式。PLP作为辅酶参与了约140种酶促反应,使维生素B6成为功能多样且复杂的微量营养素之一。除了糖原磷酸化酶外,几乎所有依赖PLP的酶都涉及氨基化合物的生化过程,尤其是氨基酸代谢

▸ 微生物生物合成与已知贡献者

在人类肠道中,PLP通过两条截然不同的途径合成:较长的依赖脱氧木酮糖5-磷酸(DXP)的途径,这在拟杆菌门(Bacteroidota)和假单胞菌门(Pseudomonadota)中普遍存在;以及较短的不依赖DXP的途径,这在放线菌门(Actinomycetota)中更为常见。

基因组分析表明,PLP的产生在肠道细菌中分布不均。尽管预测双歧杆菌属Bifidobacterium)、拟杆菌属Bacteroides)和普雷沃氏菌属Prevotella)能合成PLP,但许多著名的肠道共生菌,如韦荣氏球菌(Veillonella spp.)、粪肠球菌Enterococcus faecalis)、普拉梭菌(F.prausnitzii)和Roseburia inulinivorans则被认为是营养缺陷型(无法自行合成)。这些生物体通常携带补救途径的遗传特征,使它们能够将环境中的B6维生素形式转化为可用的PLP

6
维生素B7(生物素)

▸ 生物学功能与重要性

生物素,也被称为维生素B7,是一种含硫的水溶性维生素。它作为羧化酶的辅酶,参与关键的代谢途径,包括脂肪酸代谢、氨基酸代谢、碳水化合物代谢、聚酮化合物生物合成以及尿素利用。生物素通过赖氨酸残基与靶酶共价结合,促进二氧化碳转移反应,这对维持能量稳态和脂质代谢至关重要。

▸ 微生物生物合成与已知贡献者

细菌中的生物素合成通过两条截然不同的途径进行。在大肠杆菌Escherichia coli)中,生物素是通过一种改良的脂肪酸合成途径合成的,该途径依赖于bioC和bioH基因,这是一条规范的且在生物素合成的肠道细菌中广泛存在的路径。相比之下,枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)则利用以bioW基因为中心的独立途径,这条依赖bioW的路线在Bacillota成员中更为常见

根据最近的基因组调查,所有分析的放线菌门(Actinomycetota)基因组均缺乏从头合成生物素所需的必需基因,这种特征在厚壁菌门也很少见。与其营养缺陷特征相符,大多数放线菌门细菌编码高亲和力的生物素摄取系统,强调了它们对环境生物素来源的依赖,并表明存在选择性机制以确保高效清除这种必需辅因子。

7
维生素B9(叶酸)

▸ 生物学功能与重要性

维生素B9包括一类与四氢叶酸(THF)结构相关的水溶性化合物,THF在“一碳代谢”中作为辅酶发挥作用。THF及其衍生物对于许多反应中转移一碳单位至关重要,这些反应涉及嘌呤、胸苷酸和多种氨基酸的合成,以及核苷酸的合成、DNA的复制、修复和甲基化

因此,叶酸在核苷酸合成、表观遗传调控和细胞分裂中发挥关键作用,尤其在妊娠和婴儿期等快速生长阶段更为重要。

▸ 微生物生物合成与已知贡献者

细菌从头合成叶酸需要先生成并缩合两种关键中间体:二氢蝶呤三磷酸(DHPPP)和对氨基苯甲酸(pABA)。这些前体通过不同的代谢途径生成,最终汇合形成二氢叶酸(DHF),随后被还原为具有生物活性的四氢叶酸(THF)。

在肠道微生物中,适应婴儿肠道的物种(如B.bifidum、B.longumB.breve)被认为是重要的叶酸生产者。这些菌株已能在培养基中积累叶酸,表明它们可能为婴儿肠道的叶酸库作出贡献。然而,双歧杆菌通常需要外源补充pABA才能合成叶酸,表明它们在该前体上存在一定程度的“营养缺陷”

乳杆菌也是能产叶酸的细菌。例如,德氏乳杆菌Lactobacillus delbrueckii)、瑞士乳杆菌Lactobacillus helveticus)、罗伊氏乳杆菌Limosilactobacillus reuteri)、清酒乳杆菌Latilactobacillus sakei)和植物乳杆菌Lactiplantibacillus plantarum)的菌株在pABA存在的生长环境中能合成叶酸

值得注意的是,植物乳杆菌表现出无需补充pABA就能稳定产生叶酸的能力。许多研究评估了肠道微生物对动物宿主叶酸摄入的贡献,已证实肠道细菌合成的叶酸可以在结肠被吸收并被宿主利用。基于这一发现,研究人员探讨了来自各种发酵食品的乳杆菌作为发酵剂生产叶酸强化乳制品,同时也探索将人体肠道来源的乳杆菌作为产叶酸益生菌

8
维生素B12(钴胺素)

▸ 生物学功能与重要性

维生素B12(钴胺素)是一种含钴的辅因子,也是自然界中体积最大、结构最复杂的非聚合生物分子之一。在人体内,它作为辅酶参与两项关键的线粒体反应:

1)甲基丙二酰辅酶A变位酶(methylmalonyl‑CoA mutase):参与丙酸代谢与能量产生;


2)蛋氨酸合成酶(methionine synthase):在叶酸循环中把同型半胱氨酸再生为蛋氨酸,起关键作用。

在B12的多种形式中,氰钴胺(cyanocobalamin)化学性质最稳定;它被吸收后会经过酶促加工,转化为具有活性的辅因子形式:甲基钴胺(Me‑Cbl)和腺苷钴胺(Ado‑Cbl)。

▸ 微生物生物合成与已知贡献者

钴胺素的生物合成过程非常复杂且耗能,涉及30多个基因,可走需氧或厌氧两条途径,最终都汇合到咕啉环(corrin ring)形成以及钴离子螯合的步骤。

该合成能力主要局限于某些细菌类群,许多肠道微生物并不具备。大规模基因组分析显示,约60%–80%的人类肠道共生菌缺乏合成B12所需的完整基因组合,例如双歧杆菌属(Bifidobacterium)、普雷沃菌属(Prevotella)以及Bacteroides thetaiotaomicron等。

相反,Propionibacterium freudenreichii、梭菌属(Clostridium)、脆弱拟杆菌Bacteroides fragilis)、阿克曼菌Akkermansia muciniphila)以及部分Bacillota和放线菌门(Actinomycetota)细菌,编码了完整或近乎完整的B12合成操纵子

但由于合成B12非常耗能,很多细菌进化出了替代策略来获得这种辅因子及其类似物(咕啉类/钴胺素类似物,corrinoids):例如回收前体或直接从环境/其他菌那里摄取完整分子,从而在肠道微生物群中形成合作与资源共享。

不过在人类体内,结肠产生的B12吸收效率很低,因此微生物来源B12对全身B12水平的直接贡献仍不明确。

// 小结

B12对人体很关键:它参与能量代谢的一条关键反应,以及“叶酸循环/同型半胱氨酸→蛋氨酸”的关键步骤。补剂里常见的氰钴胺只是稳定形态:进入人体后会被转换成真正起作用的两种活性形式(甲基钴胺、腺苷钴胺)。

肠道菌并非都能制造B12:多数常见肠道共生菌缺乏完整“生产线”,只有部分细菌具备较完整的合成基因。很多细菌选择“省钱模式”:不自己合成,而是从环境或其他细菌那里“捡现成/回收零件”。未来还需要继续加强研究。

9
维生素K2(甲萘醌,Menaquinones)

▸ 生物学功能与重要性

维生素K主要有两种形式:一种是叶绿醌(K1),存在于绿色叶菜中;另一种是甲萘醌(K2),它是一类多样的异戊二烯衍生物,主要由细菌产生。甲萘醌(MK-n)的差异在于其异戊二烯侧链长度不同,这会影响其生物利用度和在组织中的分布。

在细菌细胞中,MK-n在细胞质膜的电子传递中起核心作用,支持形成芽孢的过程,并与致病菌的毒力有关。在人类中,维生素K2不足与骨质疏松、心血管疾病以及胰岛素敏感性下降有关。

▸ 微生物生物合成与已知贡献者

细菌中的甲萘醌合成途径涉及两个关键部分的汇合:萘醌环结构与异戊二烯侧链。这两部分首先通过不同代谢途径分别生成,随后再结合形成醌的核心结构。之后,异戊二烯侧链通过逐步添加异戊二烯单位而延长,产生侧链长度不同的甲萘醌变体。这种结构多样性带来功能上的分工,也可能有助于不同细菌适应环境

目前,若干能产生甲萘醌的细菌菌株已作为工业食品发酵的发酵剂使用,并显示出可提高培养基中维生素K含量的能力。例如,将乳酸乳球菌Lactococcus cremorisL.lactis)和乳明串珠菌Leuconostoc lactis)在复原奶粉或豆奶中培养时,可产生长链MK,并且水平几乎接近成人每日适宜摄入量。这些发现支持:发酵食品可以成为维生素K2的重要膳食来源

// 小结

总结来说,维生素K有两大类:K1主要来自绿叶菜;K2主要由细菌合成。K2不是单一物质,而是一系列“MK-n”家族成员,侧链长短不同,会影响人体吸收与在体内去向。

对细菌来说,K2是能量代谢(电子传递链)的关键分子,还与芽孢形成和致病性相关。对人来说,K2不足可能与骨质疏松、心血管问题以及胰岛素敏感性变差有关。有些用于发酵的乳酸菌在牛奶或豆奶里能产出一定量的K2,说明发酵食品可能是补充K2的一个重要来源。

06
研究微生物维生素生物合成的方法学

▸ 分子测序方法

近一二十年来,高通量测序、多组学计算建模的重大进展,极大提升了我们对人类肠道微生物组的理解,包括其参与维生素生物合成的作用。

通过测序的基因组与生物信息学绘制“群落层面”的维生素合成潜力。

分享一些有趣关联:高纤维饮食人群的肠道微生物组更富集叶酸与核黄素“潜在生产者”,而西式饮食与更高的“维生素合成缺失”(更依赖外源获取)相关。不同年龄也有差异:成人整体合成潜力更强;婴儿相对更富集维生素K2相关的甲萘醌与叶酸合成潜力。

在临床队列中,2型糖尿病患者的维生素K2及多种B族维生素合成基因丰度下降,提示微生物维生素代谢可能与健康状态相关。

有研究发现炎症性肠病(IBD)患者的钴胺素(维生素B12)与硫胺素(维生素B1)合成相关基因表达显著降低,说明疾病本身会影响微生物维生素代谢的“实际运行”。

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不足之处

但需要强调的是:无论是16S rRNA 测序还是宏基因组测序,目前主要评估的是菌群的潜在功能能力”——其推断结果高度依赖检测机构所采用的整合菌群基因与代谢通路数据库。现有数据库仍可能存在注释不全或偏倚:替代通路、新发现酶及非模式菌的功能注释缺口更为常见,从而带来功能推断的不确定性。

现阶段,基因组学层面的“检出”并不能直接证明相关基因已在体内表达、对应酶活性确实发生并产生了可观的生理效应;这类问题往往需要结合转录组、蛋白组(必要时包括代谢组)等证据链来支撑

因而,更理想的路径是将菌群组学结果与人群膳食摄入、临床指标与其他组学数据联合分析才能更清晰地反映人体维生素“合成—转化—吸收—利用”的真实状态;这也与谷禾健康正在持续研发与构建的综合模型思路一致。

基于上述限制,在谨慎选择菌群检测机构的同时,也应对菌群评估报告中的营养相关指标保持审慎解读:建议结合受试者的症状体征、既往史与用药/补充剂使用、饮食结构及实验室检查结果,进行综合判断与个体化干预,避免将“功能预测”直接等同于“临床结论”。

总体而言,基因组与生物信息学为绘制肠道微生物合成、改造或获取维生素的遗传潜力提供了强有力的入口。它们无法单独给出真实产量与功能输出,但能指导饮食和了解评估肠道菌群代谢维生素的合成和利用潜力,并在群落尺度上建模预测代谢。

▸ 培养方法

测序等基于序列的方法极大拓展了我们对微生物代谢的认识,但要在实验上“坐实”某个微生物是否真的能合成维生素,培养(culture-based)方法仍然不可或缺。通过培养,我们可以直接测试代谢能力、分离出能产维生素的菌或需要外源维生素才能生长的菌(营养缺陷/依赖型),并在营养成分严格可控的条件下设计实验来研究微生物之间的相互作用。

在实验室条件下评估微生物维生素生物合成潜力的一种经典且至今仍广泛使用的方法,是利用“营养缺陷指示菌株”(auxotrophic indicator strains)。这类菌的生长依赖某一种特定B族维生素的外源供给,因此可以通过其生长反应来定量推断样品中该维生素的可用量。这种测定已大量用于研究乳酸菌和双歧杆菌产生叶酸、硫胺素(维生素B1)和钴胺素(维生素B12)的能力。

研究者也会用体外体系直接观察微生物之间的“维生素互喂/交叉供养”(cross-feeding):把一种需要维生素的菌和一种能合成维生素的菌配对共培养。比如在缺乏叶酸的培养基中,R. intestinalis 与 B. bifidum 共培养时能够生长,因为后者会被动向环境释放叶酸合成的中间产物。类似地,在没有外源硫胺素的情况下,Roseburia faecis 能维持对硫胺素依赖的F.prausnitzii 的生长,说明物种间确实发生了有效的营养共享。

为了更接近肠道微生物生态系统的复杂性并延长观察时间,更复杂的体外培养平台(如基于生物反应器的发酵系统)也被用于相关研究。这类封闭、动态系统可以精确调控环境参数(如pH、滞留时间、底物输入),并能长期维持稳定、可重复的“合成”微生物群落。尽管它们已被广泛用于模拟结肠条件下的微生物生态与代谢产物研究,但直接用于研究肠道菌B族维生素的合成与交换目前仍相对有限。不过,这些系统为未来在更接近生理条件的环境中捕捉微生物营养互作提供了很有前景的框架。

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局限性

但培养方法也有先天局限:相当一部分肠道微生物在标准实验室条件下仍难以培养限制了我们对一些关键群落成员维生素代谢能力的评估。尽管如此,培养仍是功能微生物学的基石,因为它能对维生素的合成、转运以及物种间交换进行直接的实验验证。

▸ 分析化学方法与代谢组学

代谢组学在阐明微生物代谢方面居于补充重要地位:它通过检测和定量代谢产物,直接提供“微生物实际产生了什么”的证据,因此适合用来研究宿主—微生物以及微生物—微生物之间的代谢互作,包括微量营养素(如维生素)的动态变化。

代谢组学方法大体分为靶向和非靶向两类。靶向代谢组学使用已知标准品,对特定代谢物进行精确定量,例如B族维生素及其衍生物/不同活性形式(vitamers)。

非靶向代谢组学则试图给出更全面的代谢物“全景图”,用于发现意料之外或新的代谢变化。

目前,对代谢物的检测、鉴定与定量能力依赖于分析化学平台的快速发展,包括:

-气相色谱(GC)

-液相色谱(LC)

-高/超高效液相色谱(HPLC、UPLC)。

其中,LC尤其是与质谱联用(LC‑MS)已成为最通用、应用最广的代谢组学工具之一。LC‑MS通常配合电喷雾电离(ESI),可以在食品、牛奶、药物制剂、婴儿配方奶粉、血液和人类粪便等复杂样品中,同时分析多种B族维生素和甲萘醌(维生素K2的一类化合物)。

LC‑MS的一种更高级形式是液相色谱‑串联质谱(LC‑MS/MS)。它通过两级连续的质量分析显著提高灵敏度和特异性,不仅能检测痕量化合物,还能区分结构非常相近的分子,比如同一种维生素的不同同分异构体/不同活性形式。例子是:近期已有研究用LC‑MS/MS实现了维生素B12三种活性形式的同时精准定量,体现了该技术在解析微量营养素“精细多样性”方面的价值。

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注意

尽管这些方法已成功用于从复杂食物和生物样品中区分并定量多种B族维生素的活性形式,但它们用于研究人体肠道中“微生物自身合成维生素”的工作仍相对有限。不过,由于其高特异性和高灵敏度,这类技术很有潜力成为未来研究的重要工具。

▸ 临床前模型

要真正理解肠道菌群的维生素代谢是否真的有功能意义、能否影响维生素稳态,并为调控菌群来改善健康提供依据。因此,需要把“微生物活动”和“宿主反应”放在同一个整体里研究的宿主相关模型。

▸ 为什么常用鼠类模型?

研究肠道菌群与宿主互作最常用的是动物模型,尤其是小鼠和大鼠。它们的优势是环境和变量可控,能系统地观察“菌群—维生素—宿主”的因果关系


例如:在叶酸缺乏的大鼠中,给予能大量产叶酸的双歧杆菌(如 Bifidobacterium adolescentisB.pseudocatenulatum)可以帮助恢复叶酸水平。这类实验说明:微生物合成的维生素有可能在体内发挥营养补充作用。


此外,由于B族维生素与多种人类疾病相关,鼠类也常用来模拟疾病状态,以研究菌群维生素代谢对病理过程的影响。

▸ 维生素合成益生菌:对炎症性疾病的潜力

能合成B族维生素的益生菌在治疗炎症性疾病(尤其是肠道炎症)方面显示出潜力:产核黄素(维生素B2)的 Lactiplantibacillus plantarum CRL2130:在小鼠溃疡性结肠炎和肠黏膜炎模型中,可降低炎症细胞因子、改善症状

产叶酸的 Streptococcus thermophilus(CRL808、CRL415):在化学诱导的小鼠模型中,可减轻肠黏膜炎症。

若联合使用“产叶酸 + 产核黄素”菌株:在乳腺癌化疗动物模型中,既能提高化疗效果,又能降低如黏膜炎等副作用。

▸ 对神经系统也可能有帮助(动物证据)

一些产B族维生素的菌株在神经保护方面也有动物实验支持:

在帕金森病小鼠模型中,口服产核黄素的L.plantarum CRL2130 或产硫胺素(维生素B1)的 L. plantarum CRL1905,可改善运动协调能力,并减少多巴胺能神经元损失

这些效果与直接补充商业维生素相当,提示“微生物在体内合成的维生素”确实影响人体维生素的浓度和利用,并能在功能上支持宿主的营养与生理过程。

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局限性

鼠类模型很有价值,但也要谨慎外推到人:小鼠/大鼠在人类的解剖结构、免疫系统、代谢方式上都有差异,所以动物结果未必等同于人体效果。即便如此,它们仍然是连接体外机制研究与人体真实生理的重要桥梁,用于在“整体生物体”层面验证假设。

总结

人类肠道中微生物维生素生物合成形成的复杂网络,正在成为理解“微生物组—宿主”相互作用的核心内容之一。肠道微生物合成、共享并调节维生素可获得性的能力,并不只是简单的代谢功能,而是一条涉及生态协作、支持宿主以及进化适应的关键轴线。

在过去十年里,高通量测序、功能基因组学以及整合组学的发展显示:许多肠道细菌并不具备合成必需维生素的完整生物合成途径。相反,它们通过代谢交叉喂养形成合作网络,在群落成员之间交换代谢中间体或完整维生素。这些网络有力地说明:肠道微生物群并非一群彼此独立的个体,而更像一个协同运作的“代谢共同体”,并且与宿主健康紧密相关。

要在生态系统层面全面理解这种代谢,需要多学科的方法组合,用于绘制维生素合成的潜力,培养与实验验证能够提供因果证据与机制洞见;动物模型则用于在生理环境中验证微生物贡献。

只有整合这些方法,我们才能把握微生物维生素代谢的全部深度与细微差别

首先,需要提升组学数据的分辨率与功能解读能力,尤其是针对非模式微生物类群以及非典型维生素变体。这要求建立更完整、更高质量的数据库,并使用更高分辨率,更大人群的组学技术来完善预测,揭示维生素代谢的调控与生态动态。

同样重要的是,将基础发现转化为可行干预手段的需求正在增长。通过使用具有明确维生素产能谱的益生菌、调整饮食以促进微生物合成,或开发个性化的微生物组营养治疗,用于营养支持、疾病预防个体化健康管理

肠道基石菌——拟杆菌属

谷禾健康

拟杆菌(bacteroides)——重要的基石菌属,存在于人类肠道中,它们与人类具有共生关系。它们有助于分解食物并产生身体所需的营养和能量。然而,当拟杆菌进入到除胃肠区域以外的身体部位,可引起或加剧脓肿等感染

初识拟杆菌

拟杆菌是革兰氏阴性、不形成孢子、厌氧和杆状细菌,是人类常驻菌群。它们具有外膜、肽聚糖层和细胞质膜。无氧呼吸的主要副产物是乙酸、异戊酸和琥珀酸。

结构——外膜囊泡OMV

拟杆菌的外膜囊泡 OMV可能对人类宿主的健康和疾病都有贡献。OMV 的水解酶在肠道微生物生态系统中发挥着关键作用。

拟杆菌外膜囊泡 (OMV) 的结构

Hassan Zafar et al., Gut Microbes,2021


OMVs的成分有助于分解复杂的多糖、蛋白质和脂质,从而支持其他细菌的生长和维持肠道内稳态

这些囊泡可以成为致病性载体,长距离储存和运输毒力因子。

代谢特性

拟杆菌参与人体结肠中许多重要的代谢活动,包括碳水化合物的发酵含氮物质的利用以及胆汁酸和其他类固醇的生物转化。大多数肠道细菌是糖酵解的,也就是说它们通过碳水化合物分子的水解获得碳和能量。此外,拟杆菌可以提供一定程度的保护,以免受侵入性病原体的侵害。

拟杆菌在不同人群中的分布

儿童肠道

在新生婴儿中,拟杆菌的流行程度取决于出生方式和前五个月饮食类型。在6-12个月间,拟杆菌是最普遍的菌群;其他菌群数量可能在幼年时期增加。

出生方式:拟杆菌在阴道分娩的婴儿的肠道中普遍存在。

饮食:与母乳喂养相比,用配方奶喂养的婴儿中拟杆菌属的百分比较

通过 16S rRNA 测序分析了美国德克萨斯州 7-12 岁儿童的肠道微生物组,健康儿童中,拟杆菌属平均占近 40%.

而在成年人肠道中,普通拟杆菌Bacteroides vulgatus溶木聚糖拟杆菌Bacteroides xylanisolvens 比在儿童中更多。

下面我们来看成年人肠道中拟杆菌会怎样变化?受哪些因素影响?

成年人肠道

多种因素会影响成年人肠道中拟杆菌丰度,例如饮食、环境、抗生素的使用等。

饮食模式:

纯素、素食和杂食饮食模式下,拟杆菌丰度不同。

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客服