肠道古生菌产甲烷

肠道细菌发酵产生二氧化碳、氢气、硫化氢和甲烷。这些气体与健康和疾病有密切关系，气体的大部分通过排气排出，或被吸收到体循环中并从肺部排出。过多的气体排出或滞留会导致胃肠功能症状，如打嗝、胀气、腹胀和疼痛。正常情况下，肠内产生的氢和甲烷主要在大肠中产生。在大肠的厌氧环境，厌氧菌群对来自小肠未消化的碳水化合物包括不能消化的乳糖和果糖、植物纤维、多糖等进行部分或全部发酵，在发酵过程产生氢气和二氧化碳。大肠是一种古生菌-产甲烷菌生活的地方，产甲烷菌再利用厌氧菌产生的氢气和二氧化碳转化成甲烷。如果大肠有硫酸盐还原菌，他们还能把氢和硫结合转化出有臭鸡蛋味的硫化氢。然而，在小肠细菌过多的情况下，在小肠就会发生酵解，产生这些气体。这些气体的一部分通过血液循环到达肺呼出来，我们就可以通过呼气试验的方法检测出气体是在哪里产生的。甲烷不能被人类利用，分析呼出气中的甲烷可以作为甲烷产量的间接测量。研究表明，硫化氢可能对肠道功能有积极影响。

肠道产生的氢气是甲烷菌产生甲烷的底物。甲烷以前被认为是一种非活性气体，现在的研究证据表明甲烷对人体具有重要的生理作用。甲烷完全是通过人体肠道菌群对内源性和外源性碳水化合物的厌氧发酵产生的。有越来越多的证据表明，甲烷气体对肠道功能有物理和生物影响。甲烷可能对人有双刃剑的作用，在某些方面有好处，如抗氧化；在某些方面有坏处，如常与功能性便秘有关，包括慢性便秘和便秘型肠易激综合征。还有研究发现，甲烷可能还与代谢性疾病，如肥胖有关，甚至与大肠癌也可能有关。在动物研究的证据表明，甲烷可能起到神经肌肉递质的作用，延迟肠道转运速度。在临床对人的研究，通过呼气试验测量到甲烷与延迟转运时间相关。还有研究表明，在便秘型肠易激综合征患者中，使用减少产甲烷菌的抗生素，可以改善便秘。

在人类肠道中数量超过真核细胞的众多微生物中，产甲烷菌是属于古菌界的原始“细菌”，古菌是系统发育进化的三个不同分支之一；另外两个是细菌和真核生物。这些古生物不再被认为是原核生物，它们与真核细胞有一些相似之处。它们有一些独特的特性：生活在严格的厌氧条件下，难以培养，需要特定的条件和培养基，细胞壁缺乏肽聚糖，因此对某些抗生素（即氯霉素和杆菌肽）敏感，对青霉素和氨基糖苷类等常见抗生素产生耐药性。目前在人类中只检测到三种产甲烷菌。史氏甲烷短杆菌是最常见的肠道中的主要产甲烷菌；其次是在肠道的Methanospaera stadmagnae；在口腔中有口腔甲烷短杆菌，他们主要与牙周病有关。利用分子生物学技术，检测出，在肠道除了产甲烷菌，还发现有其他古生菌。现在，对这些古生菌在健康和疾病中的作用以及与产甲烷菌和细菌的关系目前还不清楚。

产甲烷菌也是一种厌氧的微生物。使用分子生物学或培养技术，产甲烷菌的数量约占人类结肠厌氧菌的10%。过去使用粪便培养技术，在大约30%至62%的人群培养出产甲烷菌。根据早期的研究，人被归类为产甲烷者和不产甲烷者，分别约占健康西方人口的35%和65%。我国也有报导在三分之一的人中发现了产甲烷菌。美国有一项研究报告从1970年至2005年的35年间，尽管在这个时期出现了更多使用抗生素和发生了饮食，而产甲烷者的比例保持稳定，没有明显变化。使用现代聚合酶链反应（PCR）技术，在80%至几乎100%的人类结肠中检测出有史氏甲烷短杆菌定植。过去认为，儿童在3岁以前肠道是没有产甲烷菌的。现在，使用定量PCR技术，在人类肠道出生后早期就开始有产甲烷菌定植，有报道在一名1岁婴儿的粪便样本中发现了产甲烷菌。还有报道即使在胎粪中也发现了古细菌16S rRNA。这些发现支持了这样的假设，即阴道分娩期间接触母亲阴道和肠道菌群可能是婴儿肠道定植的重要来源。对双胞胎的研究支持这样一种观点，即环境因素与产甲烷菌群的传播有关，与遗传无关。产甲烷菌在人体结肠中的分布与粪便的稠度有关；产甲烷菌主要在粪便为固体的左侧结肠。还有研究在人体十二指肠中发现了史密斯杆菌，几乎占该地区所有微生物的20%。

产甲烷是一种独特的代谢过程，利用厌氧细菌发酵产生的氢气作为电子供体，将二氧化碳还原为甲烷的过程主要由产甲烷菌进行。另外，某些梭状芽孢杆菌和类杆菌也能产生甲烷。通过这一过程，产甲烷菌获得生存所需的能量。因为生产1个摩尔的甲烷需要消耗4个摩尔的氢，所以，产甲烷可以减少肠内的气体的体积。对产甲烷型的小肠细菌过度生长的人，产甲烷可以减少氢气造成的胃肠道症状。

肠道内气体之间的关系很微妙，一种气体影响另一种气体。甲烷生成过程中，甲烷主要由肠内一组称为产甲烷菌的厌氧菌利用氢气和二氧化碳产生。硫化氢也是通过消耗氢气产生的。产甲烷菌与硫酸盐还原细菌和产乙酰细菌之间竞争利用氢气。其中硫酸盐还原细菌竞争氢气的能力最强，产乙酰细菌的竞争氢气的能力最弱。产甲烷菌和硫酸盐还原菌竞争氢气时，肠道中硫酸盐的可利用量决定产生的甲烷和硫化氢的量。当硫酸盐充分时，肠道优先生产硫化氢。当硫酸盐不够用时才生产甲烷。由于人类饮食中的硫酸盐含量很低，所以产生的硫化氢很少。肠道中大量产甲烷菌群及其二氧化碳底物、粪便中性pH值都有利于产生甲烷。啤酒、葡萄酒和苹果酒，或面包等含有硫酸盐为硫酸盐还原菌提供底物和适宜的碱性粪便，有利于产生硫化氢。人类肠道中产乙酰细菌数量很少，对氢的竞争力也最弱，产生的乙酰量少。

呼气中没有甲烷并不意味着没有产甲烷菌。产甲烷菌几乎普遍存在于绝大多数健康成人的菌群中。甲烷产生者每克干重粪便中含有10的7次方至10的10次方个产甲烷菌。似乎每克粪便干重有大约10的8次方个产甲烷菌以上才可以在呼气中检测到甲烷。有不同的研究表明，健康成年人甲烷产生者的检出率差别很大。这个差别可能与检测方法不一致，或者与所选的人群不同有关，也可能与产甲烷菌的活跃状态有关。

肠道产甲烷菌也受地理差异的影响。如调查发现，尼日利亚和南非的患病率最高（分别为77%和87%），挪威和美国明尼阿波利斯地区的患病率最低（分别为34%和35%）。在一些研究中，还发现性别也与产甲烷有关。在3岁以下儿童呼气中没有检出甲烷的报道。研究表明，甲烷的产生存在家族聚集现象，兄弟姐妹之间、父母和子女之间类似，但在配偶直接却不相同，这表明环境因素，特别是幼年的生长环境对甲烷的产生也很重要。有研究在同卵双生子之间，以及单卵双生子之间否发现产甲烷不太一致的情况，研究者认为这是表明环境因素的作用。甲烷的生产状况与社会经济条件的低下也有关。在贫民区的儿童中检测到高甲烷产量，无论是否存在小肠细菌过度生长，生活环境差的儿童都有很高的产甲烷检出率，这表明肠道甲烷可能是环境污染的一个指标。

某些胃肠道疾病与甲烷产生状态有关，包括结肠癌。在1977年有英国研究人员报道，结直肠癌患者（包括左结肠）中甲烷产生者的数量是普通人群的两倍，表明甲烷产生与结肠癌之间可能存在关系。然而，在这项观察之后，只有少数研究支持这种联系，有其它研究没能证实这种联系。对甲烷是否能导致大肠癌，还存在争议。有报道肠憩室病与甲烷生成有关。

甲烷产生和肠蠕动障碍之间存在因果关系。研究人员在在活体犬模型中，通过外科造瘘向肠子内给甲烷的方法，发现甲烷显著减慢小肠传输时间（减慢59%）；在离体犬模型中，暴露于甲烷可增强回肠肌肉的收缩活动。与产氢气的肠易激综合征患者相比，产甲烷的肠易激综合征患者的空腹和餐后运动指数以及在胃窦十二指肠测量期间的单独空腹收缩显著更高，便秘的发生也高。动物模型和人类受试者对甲烷的运动研究结果的一致性首次提供了实验证据，表明甲烷可能不是一种惰性肠道气体，它可以干预肠道的神经肌肉功能。此外，豚鼠离体回肠段实验结果支持局部而非脑肠轴甲烷作用。

肠道通过时间是衡量肠道运动的一个生理指标。它可以通过不同的方法来测量，例如粪便频率、整个肠道、口盲肠和结肠传输时间等。在一项旨在进一步探索气体对回肠和结肠运动的研究，进一步证实了甲烷与肠运动延迟之间存在因果关系的证据。研究人员豚鼠回肠、左右结肠段注甲烷后，回肠收缩活动明显降低，而注入氢气后则出现相相反的情况，蠕动幅度增加。注入氢气使结肠运输缩短，而注入甲烷时，会减弱结肠运动。这些影响在右半结肠更明显。

在对51-55岁的成人研究发现，无论健康状况如何（健康人、肠易激综合征患者或便秘患者）以及使用什么方法评估，都证明甲烷生成与肠道传输缓慢之间存在明显的相关性。数据普遍支持通过呼气试验确定的甲烷产生与延迟的肠道传输有关。目前，甲烷引起肠子蠕动慢的机制尚不清楚。一项小型研究表明，甲烷产生者的餐后5-羟色胺水平低于氢气产生者，这意味着可能是甲烷通过对5-羟色胺的作用是调节肠运动。