氫氣在胃腸道菌群能量代謝中具有能量轉(zhuǎn)化核心地位，許多對(duì)人類營(yíng)養(yǎng)、疾病和健康密切相關(guān)的細(xì)菌的代謝通路涉及到氫氣，一些細(xì)菌可以通過制造氫氣，另一些細(xì)菌利用氫氣產(chǎn)生能量，維持生長(zhǎng)和合成更復(fù)雜的生物分子。氫營(yíng)養(yǎng)菌可以分為三類，分別是硫還原菌、甲烷菌和乙酸菌，它們可以把氫氣變成硫化氫、甲烷和乙酸。雖然這些細(xì)菌利用氫氣能量轉(zhuǎn)化效率不同，但是所有這些細(xì)菌都共同生長(zhǎng)在人類腸道內(nèi)。影響這些細(xì)菌數(shù)量平衡的因子仍然不確定，越來越多的證據(jù)發(fā)現(xiàn)硫化氫和甲烷和腸道疾病如腸道激惹綜合癥有關(guān)，通過調(diào)控特定氫營(yíng)養(yǎng)菌治療這類疾病的策略也成為重要的研究方向。

關(guān)于腸道菌群和氫氣的關(guān)系，存在一些誤解。一是認(rèn)為腸道細(xì)菌產(chǎn)生氫氣的能力巨大，甚至有人說是每天超過12升，并根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)反對(duì)飲用氫水對(duì)疾病效應(yīng)，因?yàn)闅渌腥芙獾臍錃馕⒉蛔愕?，和腸道內(nèi)氫氣相比太少，不應(yīng)該產(chǎn)生作用。這個(gè)數(shù)據(jù)是早期研究腸道代謝的學(xué)者根據(jù)進(jìn)入腸道內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)推算出可能產(chǎn)生氫氣的量，這種推測(cè)的可靠性比較低，后來的研究也否定了這個(gè)說法。一方面，到達(dá)后消化道腸道的營(yíng)養(yǎng)并不是全部被轉(zhuǎn)化為氫氣;另一方面，細(xì)菌產(chǎn)生的氫氣大部分被另外一些氫營(yíng)養(yǎng)菌利用和轉(zhuǎn)化成其他物質(zhì)，能被腸道黏膜吸收的氫氣比例比較低。更直接的證據(jù)是需要對(duì)人體內(nèi)氫氣含量的測(cè)量數(shù)據(jù)，從健康人的呼吸氣體中氫氣的含量水平測(cè)試就可以間接說明這個(gè)問題。人的呼吸氣體中的氫氣濃度一般不超過10ppm，這個(gè)10ppm如果換成血液內(nèi)氫氣濃度，只有1%ppm。換算為全身都溶解這樣的濃度，氫氣的飽和度為18毫升/升，大約是1.6ppm，這樣的氫氣濃度只有0.8%的飽和度。100公斤人體最多只有15毫升左右。這是從高估計(jì)的水平，許多人體內(nèi)氫氣濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于這個(gè)量。

另一個(gè)誤解就是認(rèn)為氫氣濃度過高會(huì)抑制腸道內(nèi)細(xì)菌產(chǎn)生氫氣的能力，簡(jiǎn)單來說，腸道內(nèi)氫氣水平增加一方面會(huì)給利用氫氣的細(xì)菌提供更多食物，也可能對(duì)產(chǎn)生氫氣的細(xì)菌產(chǎn)生抑制作用，這符合一般的反饋規(guī)律。但是通過飲用氫水或吸入氫氣進(jìn)入人體的氫氣很難逆行進(jìn)入腸道內(nèi)，對(duì)腸道內(nèi)細(xì)菌產(chǎn)生直接影響的可能性比較小。我個(gè)人也曾經(jīng)提出，氫水飲用可能會(huì)對(duì)腸道菌群產(chǎn)生一定作用，這種推測(cè)主要是基于腸道菌群在機(jī)體疾病和健康的重要性，飲用氫水也可能會(huì)對(duì)菌群整體上產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，這種作用并不是簡(jiǎn)單抑制產(chǎn)生氫氣的細(xì)菌，也會(huì)對(duì)利用氫氣的細(xì)菌產(chǎn)生一些作用。更主要的是從氫水對(duì)消化道疾病影響角度來考慮這個(gè)問題。當(dāng)然具體研究需要我們拿出確定證據(jù)和合理解釋。

對(duì)腸道菌群的代謝研究中，比較重視的是碳水化合物發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸過程的機(jī)制和特點(diǎn)。其中研究不夠充分是氫氣在短鏈脂肪酸產(chǎn)生過程中的地位，氫氣是細(xì)菌交換能量物質(zhì)的重要媒介，涉及宿主營(yíng)養(yǎng)和腸道菌群的關(guān)系。

氫氣是腸道細(xì)菌消化碳水化合物的常見代謝產(chǎn)物，細(xì)菌制造氫氣是經(jīng)過糖酵解途徑，亦稱埃姆登-邁耶霍夫-帕那斯途徑(EmbdenMeyerhof Parnas )，是將葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)楸幔?jīng)過乙酰輔酶A轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜?。氫氣在這些反應(yīng)中作為電子穴產(chǎn)物，讓還原能力固定下來，細(xì)菌代謝過程需要有電子穴，這樣才能讓物質(zhì)代謝過程產(chǎn)生的電子被處理掉。與其他發(fā)酵代謝產(chǎn)物如乙醇、乳酸、琥珀酸相比，氫氣是更有效的電子穴產(chǎn)物(比較容易理解的是，氫離子接受電子變?yōu)闅湓?，兩個(gè)氫原子結(jié)合為氫氣分子)。腸道細(xì)菌氫氣產(chǎn)量主要決定于每種腸道菌群組成，成年人腸道菌群中85%是厚壁菌門Firmicutes和擬桿菌門Bacteroidetes。這些細(xì)菌相對(duì)比例在不同個(gè)體和不同飲食存在很大差異。細(xì)菌培養(yǎng)研究表明，腸道菌群厚壁菌門是產(chǎn)生氫氣主要力量。厚壁菌門被分為三個(gè)綱：厭氧的梭菌綱、兼性或者專性好氧的芽孢桿菌綱，和沒有細(xì)胞壁的柔膜菌綱。

(腸道菌群和健康的關(guān)系是最近這些年研究的熱門，例如美國(guó)華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的杰弗瑞-戈登等發(fā)現(xiàn)人類腸道內(nèi)存在導(dǎo)致肥胖的細(xì)菌，這些細(xì)菌多屬于厚壁菌門。這里我們強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，這種菌恰好是產(chǎn)生氫氣的細(xì)菌，難道肥胖者體內(nèi)產(chǎn)氫菌更豐富?戈登等收集并提取了12名肥胖志愿者糞便中的細(xì)菌，并用基因遺傳序列鑒定不同的細(xì)菌種類，最后與5名瘦的志愿者糞便中的細(xì)菌進(jìn)行比較。這兩組志愿者的細(xì)菌大多數(shù)都可歸為兩類細(xì)菌，一大類是厚壁菌門，包括李斯特菌、葡萄球菌、鏈球菌等。另一大類是擬桿菌門。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，肥胖者比瘦者多出約20%的厚壁菌，同時(shí)又比瘦者少了約90%的擬桿菌。也就是說肥胖者的厚壁菌多而擬桿菌極少。)

擬桿菌門和瘤胃球菌屬菌株(厚壁菌)共同用纖維素培養(yǎng)時(shí)，雖然纖維素消耗量增加，但氫氣產(chǎn)量比瘤胃球菌屬菌株單獨(dú)培養(yǎng)減少。兩種細(xì)菌比例可保持穩(wěn)定。最近基因組學(xué)對(duì)來自人類微生物組計(jì)劃的343個(gè)序列組分析發(fā)現(xiàn)，70%的序列包含氫化酶序列，這些細(xì)菌主要是厚壁菌門和擬桿菌門。這說明氫氣在這些細(xì)菌代謝過程中的重要性比想象的更大，但對(duì)這種循環(huán)對(duì)腸道內(nèi)氫氣產(chǎn)量的具體作用仍然不了解。氫氣含量應(yīng)該決定于能產(chǎn)生氫氣和不能產(chǎn)生氫氣之間的平衡。

反過來腸道內(nèi)氫氣含量對(duì)腸道菌群和宿主也能產(chǎn)生影響，高水平氫氣含量不僅能破壞產(chǎn)氫代謝，對(duì)非產(chǎn)氫代謝也會(huì)產(chǎn)生干擾。氫氣分壓增加能抑制NADH 變成DAD+，這會(huì)導(dǎo)致分解代謝受抑制，阻斷細(xì)菌生長(zhǎng)。高分壓氫氣也能決定短鏈脂肪酸的產(chǎn)生，氫氣能促進(jìn)乙酸和丁酸產(chǎn)生，而對(duì)丙酸影響比較小。

Wolf PG, Biswas A, Morales SE, Greening C, Gaskins HR. H2 metabolism is widespreadand diverse among human colonic microbes. Gut Microbes. 2016;7(3):235–245.

Nick W. Smith, Paul R. Shorten, Eric H. Altermann, Nicole C. Roy & Warren C. McNabb (2018): Hydrogen cross-feeders of the human gastrointestinal tract, Gut Microbes.