量化人体肠道菌群发酵产物的动态收获及其对宿主能量代谢的贡献

本研究通过整合细菌代谢实验、消化生理学与宏基因组数据，首次建立系统框架量化肠道菌群发酵产物（如短链脂肪酸SCFAs）的代谢通量。研究发现西方饮食下菌群贡献宿主2%-5%能量需求，非西方饮食可达10%，揭示了饮食而非菌群组成主导总发酵产物收获量，为理解菌群-宿主互作机制提供定量依据。

　　

在人体复杂的肠道生态系统中，数以万亿计的微生物通过发酵未被消化的碳水化合物产生短链脂肪酸(SCFAs)，这些分子不仅是宿主的能量来源，更参与免疫调节、神经信号传导等关键生理过程。然而长期以来，科学界对肠道菌群究竟产生多少发酵产物、这些代谢物如何随饮食和菌群组成变化等问题缺乏定量认识。传统研究多局限于粪便中SCFAs浓度的静态测量，无法反映动态的宿主-菌群代谢交换全貌。

针对这一空白，瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)和斯坦福大学(Stanford University)的研究团队在《Cell》发表突破性研究。通过创新性地结合细菌培养实验、人类消化生理学模型和大规模饮食数据分析，首次建立了量化肠道菌群发酵产物通量的系统框架。

研究采用三大关键技术：1) 22种代表性肠道菌株的厌氧培养与高效液相色谱(HPLC)代谢物定量；2) 基于英国1970年代饮食队列的碳水化合物消化模型；3) 整合NHANES、哈扎族猎人采集者等全球饮食差异数据。

细菌发酵代谢的定量表征

实验测定22种占健康人肠道菌群60%生物量的核心菌株（如拟杆菌属Bacteroides、罗斯氏菌属Roseburia），发现不同菌株虽糖类摄取率相近（葡萄糖13-27 mmol/g生物量），但发酵产物谱差异显著：拟杆菌主要分泌琥珀酸，而毛螺菌科(Lachnospiraceae)偏好丁酸。碳平衡分析显示>90%摄入碳最终转化为发酵产物，证实碳水化合物是菌群生长的主要驱动力。

每日发酵产物收获量的双路径估算

通过粪便重量（含16g细菌干重/天）与饮食碳水化合物（36g/天可发酵碳水量）两种独立方法，均得出每日发酵产物总量约450-470 mmol的吻合结果。值得注意的是，宿主分泌的黏蛋白和饮食蛋白质降解对总发酵产物的贡献不足20%，颠覆了传统认知。

菌群组成与饮食的差异化影响

分析219份健康人宏基因组样本发现，菌群组成变化虽显著改变特定产物比例（丁酸和乳酸变异系数最高达0.4），但对总发酵通量影响有限（变异系数仅0.1）。相反，饮食差异导致通量剧烈波动：美国人群日均286 mmol，而坦桑尼亚哈扎族季节性可达1000 mmol，全球数据最高记录1500 mmol/天。

宿主能量贡献的跨物种比较

发酵产物贡献小鼠21%能量需求，远超人类（西方饮食4.4%）。这种差异源于单位体重发酵通量小鼠是人类的57倍，但按肠上皮吸收面积计算则物种间相近（170 vs 220 mmol/m²/天），提示小鼠模型更适合研究局部黏膜互作而非全身效应。

这项研究建立了宿主-菌群代谢交换的定量范式，证实饮食调控是干预菌群功能的关键杠杆。其开发的系统分析框架为精准营养、代谢疾病治疗提供了新工具，同时警示过度加工食品导致的"发酵产物饥荒"可能损害健康。未来可扩展至氮循环、气体交换等菌群代谢网络的其他维度，推动微生物组研究从定性描述向定量预测的跨越。