Megasphaera elsdenii与肠道微生物群中气体产生的关系研究
肠道气体（flatulence）是日常生活中常见的现象，通常由肠道微生物群（gut microbiota）发酵未消化的食物成分产生。虽然肠道气体在大多数情况下是无害的，但它可能导致不适、腹胀，甚至与慢性疾病如肠易激综合征（irritable bowel syndrome, IBS）相关。某些食物，尤其是富含膳食纤维的食物，如豆类和红薯，被认为与气体产生密切相关。然而，肠道微生物群在气体产生中的具体作用机制尚不完全清楚。
近年来，研究表明肠道微生物群中的某些关键物种可能在气体产生中起到重要作用。Megasphaera elsdenii 是一种常见的肠道共生菌，已知在反刍动物中能够代谢乳酸并产生短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs），但其在人类肠道中的作用尚未得到充分研究。特别是，M. elsdenii 是否与肠道气体产生有关，以及其在不同食物发酵中的作用机制，仍然是一个未解之谜。因此，本研究旨在探讨 M. elsdenii 在肠道气体产生中的作用，特别是在豆类和红薯发酵过程中的影响。
论文来源
本论文由来自美国内布拉斯加大学林肯分校（University of Nebraska–Lincoln）的 Devin J. Rose 教授及其团队撰写，其他作者包括 Erasme Mutuyemungu、Hollman A. Motta-Romero、Qinnan Yang 等。研究得到了美国农业部农业研究服务局（USDA Agricultural Research Service）的支持。论文于 2023 年 12 月 15 日被接受，并于 2024 年发表在《Gut Microbiome》期刊上，DOI 为 10.1017/gmb.2023.18。
研究流程
1. 粪便样本选择
研究团队首先从 30 名健康捐赠者中收集了粪便样本，筛选出含有可检测到的 M. elsdenii 的样本（ME_D）和不含 M. elsdenii 的样本（ME_ND）。最终，研究选择了 3 个 ME_D 样本和 7 个 ME_ND 样本作为实验对象。所有捐赠者均无胃肠道疾病史，且在过去的六个月内未使用抗生素或益生菌。
2. 底物准备
研究选择了两种与气体产生相关的食物——红腰豆（kidney beans）和红薯（sweet potatoes）作为发酵底物。这些食物经过体外消化和透析处理后，被冻干并储存以备后续实验使用。
3. 体外发酵实验
冻干的红腰豆和红薯分别与粪便微生物群进行体外发酵实验。发酵在厌氧条件下进行，分别在 0 小时、24 小时和 48 小时测量气体产量。实验使用了一种改良的发酵培养基，确保微生物群在模拟肠道环境中进行发酵。
4. 气体产量测量
气体产量通过插入发酵管中的针头连接到玻璃注射器进行测量。研究记录了 24 小时和 48 小时的气体体积，并分析了不同样本之间的差异。
5. 短链脂肪酸（SCFA）分析
发酵后的样本经过离心处理，提取上清液进行 SCFA 分析。研究使用气相色谱法（gas chromatography）测量了乙酸（acetate）、丙酸（propionate）和丁酸（butyrate）的浓度。
6. 微生物群组成分析
研究团队从发酵后的细菌沉淀中提取 DNA，并通过 16S rRNA 基因测序分析了微生物群的组成。使用 QIIME 2 软件对测序数据进行处理，并通过 DADA2 算法进行序列去噪和分类。
7. M. elsdenii 分离株实验
为了验证 M. elsdenii 在气体产生中的作用，研究团队使用了两种 M. elsdenii 分离株：一种来自人类粪便（M. elsdenii 2FL 0620 M7），另一种来自反刍动物（M. elsdenii B159）。这些分离株分别在红薯和乙酸底物上进行发酵实验，测量其气体产量。
主要结果
1. 气体产量差异
研究结果显示，含有 M. elsdenii 的微生物群（ME_D）在发酵红薯时产生的气体显著多于不含 M. elsdenii 的微生物群（ME_ND）。特别是在 48 小时的发酵过程中，ME_D 微生物群在红薯发酵中产生的气体量显著高于红腰豆发酵。而 ME_ND 微生物群则在红腰豆发酵中产生更多的气体。
2. M. elsdenii 的丰度变化
在发酵过程中，M. elsdenii 的相对丰度在 ME_D 微生物群中显著增加，部分样本中其丰度达到 60%。而在 ME_ND 微生物群中，M. elsdenii 的丰度虽然较低，但在发酵后也能检测到。
3. 短链脂肪酸（SCFA）产生
ME_D 微生物群在发酵过程中消耗了更多的乙酸，并产生了更多的丁酸。特别是在红薯发酵中，丁酸产量显著增加。这表明 M. elsdenii 可能通过利用乙酸进行交叉喂养（cross-feeding）来产生丁酸和气体。
4. M. elsdenii 分离株的气体产生
来自人类粪便的 M. elsdenii 2FL 0620 M7 在红薯和乙酸底物上均能产生大量气体，而在乙酸与红薯的混合底物上气体产量最高。相比之下，来自反刍动物的 M. elsdenii B159 在红薯底物上产生的气体最多，但在乙酸底物上气体产量较低。
结论与意义
本研究首次系统地探讨了 M. elsdenii 在肠道气体产生中的作用，特别是在豆类和红薯发酵过程中的影响。研究结果表明，M. elsdenii 是肠道微生物群中的一个重要成员，能够显著增加气体产量，尤其是在红薯发酵过程中。此外，M. elsdenii 通过利用乙酸进行交叉喂养，促进了丁酸的产生，进一步加剧了气体生成。
这项研究的科学价值在于揭示了 M. elsdenii 在肠道气体产生中的关键作用，为理解肠道微生物群与食物发酵之间的关系提供了新的视角。此外，研究结果还为开发针对肠道气体相关不适的干预措施提供了潜在靶点，例如通过调节肠道微生物群组成来减少气体产生。
研究亮点
- 关键发现：M. elsdenii 是肠道气体产生的重要驱动因素，特别是在红薯发酵过程中。
- 新颖性：首次系统研究了 M. elsdenii 在不同食物发酵中的作用机制，并验证了其通过乙酸交叉喂养产生气体的假设。
- 应用价值：研究结果为开发针对肠道气体相关不适的干预措施提供了科学依据，例如通过调节肠道微生物群来减少气体产生。
其他有价值的信息
研究还发现，M. elsdenii 的丰度在发酵过程中显著增加，这表明其在肠道环境中的适应性较强。此外，来自人类粪便的 M. elsdenii 分离株与来自反刍动物的分离株在气体产生能力上存在显著差异，提示宿主来源可能影响其代谢特性。
这项研究为理解肠道微生物群与食物发酵之间的关系提供了新的见解，并为未来的研究和应用奠定了基础。