大肠杆菌氢气经济学

最近看到来自美国伊利诺斯州大学Franck Carbonero等一篇文章谈到关于大肠气体的研究历史。Carbonero, F. et al. Nat.Rev. Gastroenterol. Hepatol. advance online publication 15 May 2012;doi:10.1038/nrgastro.2012.85很有意思，摘译一下，以香读者。
 

关于大肠气体的研究已经有很长的历史，主要针对气体的组成和来源，但是我们对大肠气体的来源的具体细节仍是非常初步的认识。人类结肠气体主要是由氢气、二氧化碳、甲烷、氮、氧气和其他痕量气体组成。氮和氧气主要是从口腔，经过吞咽摄取到消化道。大肠气体中可达74%的氢气、二氧化碳只由大肠菌群产生，这些细菌通过消化那些逃脱人体消化酶的膳食成分，或者来自大肠黏膜中的内源性“食物”。那些痕量气体成分确实痕量，例如曾有个研究发现，人体大肠内硫化氢的浓度只有1.06 μM、甲硫醇0.21μM、二甲硫0.08μM。而且这些气体成分最后释放的浓度可能比大肠内更低，因为他们很容易扩散，而且被降解(也不同地被合成，所以不能简单地推测，屁中这些气体的浓度低于大肠，主要应考虑全部气体的吸收速度，例如氢气和甲烷的吸收速度，总体体积下降可以导致有些成分被浓缩)。
 

大肠内气体成分会受到细菌和宿主生理状态的影响，其中二氧化碳和30-40%的氢气和甲烷被大肠黏膜吸收进入循环系统转移到全身，最后经过皮肤和呼吸释放到体外。留下来的气体可以被其他细菌利用(只有氢气)或者最终经过肛门释放。而氢气的浓度可以反映产氢菌(hydrogenogenic)和吃氢气菌(hydrogenotrophic)之间的平衡。
 

大肠气体的早期研究历史。最早尝试测定大肠气体的应追溯到1868年，德国学者Ruge E(屁学创始人)使用一个特殊的椅子把玻璃管从肛门连接并通过排水气体收集法采集气体(联想到那年去世的著名气体研究鼻祖Boyle那个时代的，Ruge, E. Beitrag surkennuness der darmgase [German]. Sitsber. Kaiserlicken Akad. 44, 739 (1861).)1942年，Beazell和 Ivey通过对一些健康人24小时收集到的屁进行测定，结果发现一个人一天的产气量大概为380–655ml。Kirk后来证明，食物中纤维素可以增加产气量。Steggerda从一些原来认为不产生气膳食(煮鸡蛋、精牛肉和苹果汁)者收集到的气体每天为360 ml，进行成分分析发现7.4%为甲烷，19.8%为氢气，证明这两种气体是来自大肠菌群。在随后的7天试验中，作者通过给受试者增加不同类型的豆类食物，在不改变总体蛋白脂肪和糖类，已经总体能量的情况下，观察不同食物类型对人体产气体的影响，结果他发现，小分子碳水化合物，如单糖、二聚糖和寡聚糖(monosaccharide, disaccharide and oligosaccharides)可促进气体的产生。例如以猪肉和大豆为主要食物可以将产气量增大到4,224(10倍?)。使用恒流灌注技术，Levitt and Ingelfinger证明氢气在所有健康人的大肠内都可产生，而产生的量几乎全部依赖于细菌对食物来源成分的发酵。但在9个受试者中，只有4个可以产生甲烷，另外5个没有检测到甲烷。
 

典型的西方膳食中有不足20%的碳水化合物不能被人体直接吸收，理论上计算，每克葡萄糖被细菌利用可以产生340 ml氢气，因此，可以推算人体内细菌产生氢气的最大潜力为13升(这是理论推算的潜力，不是真的情况)。但是Strocchi and Levitt用葡萄糖灌流试验发现，每克葡萄糖只能产生80ml氢气，而不是340 ml。说明细菌的能量代谢不是那么简单，存在不产生氢气的代谢途径利用能量物质。Hammer发现，摄取12.5g乳果糖每6小时也只能产生50–200 ml氢气，实际上，不同的膳食成分和个体，产生氢气的数量(呼吸测定)存在巨大差异。这种差异反映宿主和细菌之间存在非常复杂的相互作用和影响因素。可能的影响因素包括，食物的成分和量、大肠内微生物利用碳水化合物的能力、不同类型的产氢和用氢菌的数量和位置分布、肠道的蠕动效率、酸碱性和硫化物等环境因素。