氫氣在胃腸道菌群能量代謝中具有能量轉化核心地位，許多對人類營養、疾病和健康密切相關的細菌的代謝通路涉及到氫氣，一些細菌可以透過製造氫氣，另一些細菌利用氫氣產生能量，維持生長和合成更復雜的生物分子。氫營養菌可以分為三類，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。雖然這些細菌利用氫氣能量轉化效率不同，但是所有這些細菌都共同生長在人類腸道內。影響這些細菌數量平衡的因子仍然不確定，越來越多的證據發現硫化氫和甲烷和腸道疾病如腸道激惹綜合症有關，透過調控特定氫營養菌治療這類疾病的策略也成為重要的研究方向。

關於腸道菌群和氫氣的關係，存在一些誤解。一是認為腸道細菌產生氫氣的能力巨大，甚至有人說是每天超過12升，並根據這個資料反對飲用氫水對疾病效應，因為氫水中溶解的氫氣微不足道，和腸道內氫氣相比太少，不應該產生作用。這個資料是早期研究腸道代謝的學者根據進入腸道內的營養推算出可能產生氫氣的量，這種推測的可靠性比較低，後來的研究也否定了這個說法。一方面，到達後消化道腸道的營養並不是全部被轉化為氫氣；另一方面，細菌產生的氫氣大部分被另外一些氫營養菌利用和轉化成其他物質，能被腸道黏膜吸收的氫氣比例比較低。更直接的證據是需要對人體內氫氣含量的測量資料，從健康人的呼吸氣體中氫氣的含量水平測試就可以間接說明這個問題。人的呼吸氣體中的氫氣濃度一般不超過10ppm，這個10ppm如果換成血液內氫氣濃度，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公斤人體最多隻有15毫升左右。這是從高估計的水平，許多人體內氫氣濃度遠遠少於這個量。

另一個誤解就是認為氫氣濃度過高會抑制腸道內細菌產生氫氣的能力，簡單來說，腸道內氫氣水平增加一方面會給利用氫氣的細菌提供更多食物，也可能對產生氫氣的細菌產生抑制作用，這符合一般的反饋規律。但是透過飲用氫水或吸入氫氣進入人體的氫氣很難逆行進入腸道內，對腸道內細菌產生直接影響的可能性比較小。我個人也曾經提出，氫水飲用可能會對腸道菌群產生一定作用，這種推測主要是基於腸道菌群在機體疾病和健康的重要性，飲用氫水也可能會對菌群整體上產生調節作用，這種作用並不是簡單抑制產生氫氣的細菌，也會對利用氫氣的細菌產生一些作用。更主要的是從氫水對消化道疾病影響角度來考慮這個問題。當然具體研究需要我們拿出確定證據和合理解釋。

對腸道菌群的代謝研究中，比較重視的是碳水化合物發酵產生短鏈脂肪酸過程的機制和特點。其中研究不夠充分是氫氣在短鏈脂肪酸產生過程中的地位，氫氣是細菌交換能量物質的重要媒介，涉及宿主營養和腸道菌群的關係。

氫氣是腸道細菌消化碳水化合物的常見代謝產物，細菌製造氫氣是經過糖酵解途徑，亦稱埃姆登-邁耶霍夫-帕那斯途徑（EmbdenMeyerhof Parnas ），是將葡萄糖轉變為丙酮酸，經過乙醯輔酶A轉變為乙酸。氫氣在這些反應中作為電子穴產物，讓還原能力固定下來，細菌代謝過程需要有電子穴，這樣才能讓物質代謝過程產生的電子被處理掉。與其他發酵代謝產物如乙醇、乳酸、琥珀酸相比，氫氣是更有效的電子穴產物（比較容易理解的是，氫離子接受電子變為氫原子，兩個氫原子結合為氫氣分子）。腸道細菌氫氣產量主要決定於每種腸道菌群組成，成年人腸道菌群中85%是厚壁菌門Firmicutes和擬桿菌門Bacteroidetes。這些細菌相對比例在不同個體和不同飲食存在很大差異。細菌培養研究表明，腸道菌群厚壁菌門是產生氫氣主要力量。厚壁菌門被分為三個綱：厭氧的梭菌綱、兼性或者專性好氧的芽孢桿菌綱，和沒有細胞壁的柔膜菌綱。

（腸道菌群和健康的關係是最近這些年研究的熱門，例如美國華盛頓大學醫學院的傑弗瑞-戈登等發現人類腸道記憶體在導致肥胖的細菌，這些細菌多屬於厚壁菌門。這裡我們強調一點，這種菌恰好是產生氫氣的細菌，難道肥胖者體內產氫菌更豐富？戈登等收集並提取了12名肥胖志願者糞便中的細菌，並用基因遺傳序列鑑定不同的細菌種類，最後與5名瘦的志願者糞便中的細菌進行比較。這兩組志願者的細菌大多數都可歸為兩類細菌，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。對比發現，肥胖者比瘦者多出約20%的厚壁菌，同時又比瘦者少了約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）共同用纖維素培養時，雖然纖維素消耗量增加，但氫氣產量比瘤胃球菌屬菌株單獨培養減少。兩種細菌比例可保持穩定。最近基因組學對來自人類微生物組計劃的343個序列組分析發現，70%的序列包含氫化酶序列，這些細菌主要是厚壁菌門和擬桿菌門。這說明氫氣在這些細菌代謝過程中的重要性比想象的更大，但對這種迴圈對腸道內氫氣產量的具體作用仍然不瞭解。氫氣含量應該決定於能產生氫氣和不能產生氫氣之間的平衡。

反過來腸道內氫氣含量對腸道菌群和宿主也能產生影響，高水平氫氣含量不僅能破壞產氫代謝，對非產氫代謝也會產生干擾。氫氣分壓增加能抑制NADH 變成DAD+，這會導致分解代謝受抑制，阻斷細菌生長。高分壓氫氣也能決定短鏈脂肪酸的產生，氫氣能促進乙酸和丁酸產生，而對丙酸影響比較小。

參考文獻：

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。

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