产甲烷作用与短链脂肪酸微生物生成及宿主代谢能的关联研究

研究背景

肠道微生物与代谢：人体肠道菌群中，产甲烷古菌（如史密斯甲烷短杆菌）通过消耗氢气（H₂）生成甲烷，而其他氢营养微生物（如产乙酸菌、硫酸盐还原菌）也参与 H₂代谢，这些过程可能影响发酵产物（如 SCFAs）的生成及宿主能量吸收。

研究争议：尽管动物研究显示产甲烷菌可能与肥胖相关，但人类研究结果不一致，其对宿主代谢的作用机制尚不明确。

研究目标：利用西方饮食（WD）和高纤维饮食（MBD）的交叉试验，探究产甲烷作用与氢营养微生物、SCFAs 及宿主可代谢能量（ME）的关系。

研究方法

试验设计：17 名参与者完成 WD 和 MBD 交叉试验，通过全室热量计连续测量甲烷排放，收集粪便和血清样本。

检测指标：

微生物定量：qPCR 检测产甲烷菌（mcrA）、产乙酸菌（acsB）和硫酸盐还原菌（dsrA）的基因拷贝数。

代谢物分析：靶向代谢组学检测粪便和血清中 SCFAs 浓度。

宿主代谢能：计算饮食能量摄入与粪便能量损失的差值。

网络分析：通过 CoNet 分析产甲烷率与微生物的共现关系。

研究结果

氢营养微生物的分布与活性

产甲烷菌的选择性存在：仅约半数参与者检测到产甲烷菌，其粪便基因拷贝数显著低于产乙酸菌和硫酸盐还原菌（图 2）。

竞争关系不显著：高产甲烷组与低产甲烷组的产乙酸菌和硫酸盐还原菌的基因及转录本丰度无显著差异（图 3B、3C），表明产甲烷菌对其他氢营养微生物的影响有限。

产甲烷作用与 SCFAs 的关联

血清丙酸浓度升高：高产甲烷组的血清丙酸浓度显著高于低产甲烷组（图 4B），而粪便 SCFAs 总量无显著差异（图 4A），提示产甲烷作用可能促进 SCFAs 的宿主吸收。

丙酸生成通路激活：高产甲烷组中，丙酸生成关键基因（mmd）及其转录本丰度显著升高（图 5A），表明产甲烷菌通过降低 H₂分压，促进依赖 H₂的丙酸生成通路（琥珀酸途径）。 

对宿主代谢能的影响

高纤维饮食下的能量优势：在 MBD 下，高产甲烷组的宿主 ME 显著高于低产甲烷组（图 6），而 WD 下无显著差异。这与 MBD 提供更多纤维底物，促进产甲烷菌与纤维降解菌的协同作用有关。

微生物网络协同效应

纤维降解 - 产甲烷菌群：产甲烷率与 22 种细菌呈正相关，包括纤维降解菌（如粪拟杆菌、双歧杆菌）和丙酸产生菌（如普氏菌、粪罗斯氏菌）。这些菌群形成 “纤维降解 - 发酵 - 产甲烷” 的 trophic 链，增强能量提取。

讨论与结论

产甲烷作用的代谢调控：产甲烷菌通过消耗 H₂，降低发酵抑制，促进纤维降解菌和丙酸产生菌的活性，从而增加 SCFAs 生成与宿主吸收，提升 ME。

菌群协同机制：高产甲烷菌群中，纤维降解菌与丙酸产生菌的共现（如普氏菌、粪罗斯氏菌）形成功能模块，协同增强能量代谢（图 1）。

临床意义：产甲烷菌可能作为高纤维饮食下能量高效提取的微生物标志物，为代谢性疾病干预提供新靶点。

参考文献：

Blake Dirks, Taylor L Davis, Elvis A Carnero, Karen D Corbin, Steven R Smith, Bruce E Rittmann, Rosa Krajmalnik-Brown, Methanogenesis associated with altered microbial production of short-chain fatty acids and human-host metabolizable energy, The ISME Journal, 2025;, wraf103, https://doi.org/10.1093/ismejo/wraf103