背景
肠道菌群可为人体支付部分"能量账单"：在高纤维饮食中，菌群可产生相当于每日卡路里摄入量十分之一的能量。这些厌氧菌通过发酵不可消化的复杂碳水化合物（如纤维）生成乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸（SCFAs），为结肠细胞供能，调节免疫功能，并影响大脑信号传递。能量转化比例取决于有多少微生物可利用碳水化合物（MACs）到达大肠，以及生态系统中优势菌群的类型。但既往对这种能量通量的定量估计存在争议，受限于单次粪便采样和饮食、生理及宏基因组数据的整合不足，亟需系统性量化方法。
研究方法
研究团队从健康成年人肠道中分离出22种常见细菌菌株，在厌氧操作台中使用YCA、BHIS等四种培养基复苏培养。通过分光光度计监测菌株生长曲线，在对数生长期采集样本，使用高效液相色谱（HPLC）测定底物消耗和代谢产物释放速率。将这些实验室测定的菌株代谢速率数据，与219例宏基因组样本的属级相对丰度数据，以及美国国家健康和营养检查调查（NHANES）等膳食数据相结合，计算每日细菌生物量产生量和发酵产物通量。研究采用两种互补估算方法：一种基于粪便细菌损失量，另一种基于国家食物调查获得的MAC供给量。
研究结果
体外发酵实验显示，尽管不同菌株代谢多样性显著，但其生化特性具有一致性。所有菌株均将超过90%的碳水化合物碳转化为发酵酸，验证了生物量归一化代谢速率作为厌氧生长参数的有效性。在22种代表性菌种中，葡萄糖或麦芽糖摄取速率高度一致，但分泌产物谱差异显著：拟杆菌属更倾向产生琥珀酸，毛螺旋菌科产丁酸，肠杆菌科产甲酸。将实验室测定速率与219个健康宏基因组的菌群结构结合分析，发现约84%的属级生物量具有相似代谢特征，支持生态系统级推算。
在1970年代英国饮食模型中，基于粪便的计算显示：每日30克干粪便含16克细菌生物量，推算产生470毫摩尔酸；而基于饮食摄入的MACs（36克未被上消化道消化）计算，则预测产生450毫摩尔酸。仅有不足2%的短链脂肪酸随粪便排出，表明结肠吸收接近完全。蛋白质和黏蛋白发酵贡献不超过总通量的五分之一，确认碳水化合物为主要微生物燃料。
跨饮食模型分析显示，食物类型而非微生物组成主导能量捕获效率。美国NHANES数据推算日均短链脂肪酸产量为286毫摩尔，显著低于英国基准值。而食用富含纤维块茎的坦桑尼亚哈扎狩猎采集者，日产量可达1000毫摩尔。菌群结构变化主要改变乙酸、丙酸、丁酸和乳酸的比例，但总产量波动幅度小于10%，单个代谢物变异系数超过30%。
将通量转化为能量当量显示，肠道微生物可提供1.7%-12.1%的人体日均能量消耗，在实验室小鼠中该比例超过21%（因其抗性淀粉摄入量更高）。值得注意的是，实验室小鼠食用的高压灭菌饲料可能进一步提升发酵供能比例。由于丁酸支持结肠细胞三磷酸腺苷（ATP）生成，乙酸调控肝脏糖异生，精制饮食导致的发酵酸产量下降可能增加代谢疾病风险，凸显膳食纤维在全球公共卫生策略中的重要性。
结论
该研究通过定量整合微生物生理、饮食和宿主消化数据，揭示结肠细菌可为人体提供2-5%日均能量（西方饮食），在高纤维饮食下可提升至三倍。菌群结构变化主要重塑酸性产物组成，而非总产量。研究澄清了粪便浓度与代谢影响间的差异，揭示了小鼠推论的局限性，并证实膳食纤维富集是可扩展的干预手段，有望通过增强有益微生物能量传递改善心血管代谢风险。
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