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[转载]从水龙头到肠道——饮用水对肠道菌群有何影响
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饮用水（DW）中含有多种微生物物种和化学特性。水构成了我们日常饮食的最大部分，既可单独饮用，也用于食物制备。
饮用水是我们主要的液体来源，对维持体内平衡至关重要，还可以提供必需矿物质。
有限的证据表明，饮用水在塑造肠道微生物群方面发挥作用，这意味着它可能影响人类健康。尽管饮用水对饮食有重要贡献，但在研究饮食对肠道微生物群的影响时，饮用水常被忽视。
本文探讨饮用水与肠道微生物群之间联系的理解——这是人类微生物组科学中研究不足的领域。
对饮用水与肠道微生物群关系的深入理解将有助于理解肠道微生物群结构及其与人类健康的关系。这可能导致针对失调状态的具体建议，优化饮用水处理过程，并为研究人员制定具有定制益生菌或化学特征的饮用水铺平道路。
干预措施可能包含或排除特定化学物质甚至益生菌，到优化例如氯离子含量，调节pH值，来促进健康的肠道微生物群。
01肠道微生物组研究忽视了饮用水人们普遍认为人类肠道微生物群对人类健康具有重要影响。饮食因素在决定肠道微生物组成中的作用已明确，各个因素都会影响原核生物的相对丰度和绝对丰度，以及它们的生长动态。
在对肠道微生物群的影响方面，一个被人们忽视的关键饮食因素是饮用水 (DW)。饮用水主要来自地下水和地表水，每种水源都有不同的物理和化学属性及相关微生物群。根据水质，源水通常会经过各种处理和消毒过程，以去除有害化学物质和微生物，生产出可饮用水。许多源水中的微生物能够耐受处理过程，处理后的饮用水中存在多样化的微生物群，细菌浓度约为106–108个细胞/升。
不同源水的化学和微生物学特性因源环境的生物地球化学而显著不同，这些因素与所应用的处理过程相结合，影响了最终的饮用水微生物群。
饮用水是我们饮食的核心组成部分。鉴于饮食模式和因素在塑造肠道微生物群结构中起关键作用。饮用水可以通过直接（即通过驻留的饮用水微生物群）或间接（即由于其化学成分）方式与肠道微生物群相互作用。然而，在研究饮食因素对肠道微生物群影响的队列研究中，饮用水很少被考虑。在少数考虑的几项研究中，发现其具有显著影响。
研究发现，饮用水的化学、物理和生物特性在塑造肠道微生物群结构和功能中起着关键作用，并对人类健康产生连锁效应。
在此，我们总结了从各个领域和不同设计的研究中获得的关于饮用水对肠道微生物群直接和间接影响的有限知识。
个体之间以及饮用水之间的高度变异性将使未来的研究工作复杂化，但这些挑战已经在肠道微生物群研究领域得到解决。
02肠道对水的吸收发生在小肠和大肠中肠道对水的吸收发生在小肠和大肠中。渗透梯度驱动水的吸收，这通常与离子和营养物质的运输有关。在小肠中，葡萄糖和半乳糖转运蛋白 SGLT1 以及 Na+/H +反向转运蛋白负责从肠腔中运输大部分水。
水分吸收和体内平衡是大肠的主要功能之一，而大肠也是肠道微生物的主要聚集地。水分与离子（主要是钠）一起穿过肠上皮，钠离子的运输产生渗透梯度，推动水分吸收。
早在1998年，有一项研究就证实大肠中存在的水量通过改变肠道中的 pH 值和运输时间来影响肠道微生物组的组成。
饮用水中其他成分的吸收通过多种机制并在肠道的特定位置发生。复杂的有机化学物质可能被肠道微生物群发酵并转化为脂肪酸，或者在没有吸收或转化的情况下被排除。肠道中微生物细胞的最高丰度是在大肠中，近端大肠被认为是最高微生物增殖的地方，因为发酵底物的可用性很高。
我们预计饮用水中的化学物质和生物与肠道的相互作用方式与其他摄入的化学物质和生物类似。由于益生元和益生菌在这方面的研究相对较多，我们使用来自该领域的数据来描述潜在的相互作用。
然而值得注意的是，饮用水中的化学物质和生物可能并非都具有有益影响，区分对宿主产生有益和有害影响的相互作用是制定优化饮用水成分以支持公共健康的策略的关键。
A) 饮用水微生物群和肠道微生物群之间的潜在相互作用
B) 识别饮用水和肠道微生物群之间联系的建议方法
Moghaddam HS et al., Water Res. 2024
饮用水对肠道微生物群的影响途径：
直接影响：饮用水中的微生物可能直接定植在胃肠道中。
间接影响：通过改变肠道环境（如酸化、产生细菌素）来影响肠道微生物群。
化学成分影响：饮用水中的化学物质（如消毒副产品、氯）可直接或间接影响肠道微生物群。
饮食是塑造肠道微生物群落的主要驱动因素之一。成人每日建议饮水量约为2.0-3.7升。
两项研究使用不同的方法检查了肠道微生物群和饮用水微生物群之间的重叠。使用 16S rRNA 基因扩增子数据鉴定出 35 个属，它们属于 5 个门（假单胞菌门、放线菌门、芽孢杆菌门、拟杆菌门和蓝藻门），存在于经过处理的饮用水和肠道微生物群中。
来自 131 个饮用水样本宏基因组的组装重叠群，并将它们与来自同一国家的 196 个粪便样本的宏基因组进行了比较。通过关注饮用水中大量存在的属，他们确定了与肠道微生物群共享的 6 个关键属：
Sphingomonas
Reyranella
Novosphingobium
Sphingopyxis
Pseudomonas（假单胞菌属）
Bradyrhizobium
肠道菌群和肠道菌群重叠程度最大的是假单胞菌门(Pseudomonadota)，两项研究都在肠道和饮用水群落中发现了鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、假单胞菌属(Pseudomonas)和伯克霍尔德菌属(Burkholderia)。
然而，当应用类似的宏基因组学方法来评估一个人的粪便菌群和饮用水菌群之间的直接联系时，他们只发现了一种常见的生物，即Curvibacter（弯钩菌），这表明，如果饮用水微生物能够在人体肠道中定植，那么存在一些重要的决定因素，这些因素是生物体固有的，也是肠道中生物和非生物条件的共同决定因素。
显然，饮用水和肠道之间存在共同的属并不意味着饮用水是这些微生物的来源。假单胞菌属、鞘氨醇单胞菌属等属广泛存在于各种自由生活和宿主相关环境中。
饮用水质量与肠道微生物群的长期影响
在考虑饮用水对肠道微生物群的长期影响时，也值得考虑劣质饮用水的影响，因为全球超过27%的人口无法获得安全管理的水源。
为了研究水资源不安全和肠道病原体暴露如何影响肠道微生物群的发展，Piperata等人2020年的研究分析了尼加拉瓜儿童的家庭饮用水和粪便样本。在水和粪便样本中观察到了高浓度的沙门氏菌(Salmonella)、弯曲杆菌属(Campylobacter)和大肠菌群(coliforms）。
沙门氏菌（Salmonella）是世界范围内肠道感染（食物中毒）的最常见原因之一。尤其在卫生条件差的地方。沙门氏菌是能动的生物，它们利用鞭毛将自身导向肠细胞，有时候也依赖入侵基因来穿透宿主肠细胞。入侵基因在宿主细胞中介导广泛的动作重排，导致细胞膜变形并使生物体能够入侵。
研究根据饮用水中的大肠菌群含量将家庭分为高含量和低含量两类（高含量为每毫升≥29个菌落形成单位）。虽然这项研究没有直接比较饮用水和粪便样本的微生物组成，但他们发现，饮用高大肠菌群饮用水家庭的儿童，其肠道微生物群的多样性低于饮用低大肠菌群家庭的儿童。
简单来说，肠道微生物群的多样性可能与抵抗肠道病原体的能力有关。也就是说，肠道内的微生物种类越丰富，可能越能抵抗有害细菌的侵袭。不过，某些特定微生物的存在似乎比整体的多样性更为重要。
这强调了确保全球安全和良好管理的饮用水供应的重要性。
04肠道微生物组抗菌素耐药性基因与饮用水除了建立饮用水和肠道微生物群之间的机制联系的重要性之外，抗菌素耐药性基因 (ARG) 从饮用水到肠道的传播也同样重要。饮用水中存在各种携带 ARG 的微生物和可能含有 ARG 的 eDNA。
Tips:这里的eDNA也可能是提取了环境中的微生物内的DNA，很难直接判断：即使没有活的微生物，ARG也可能通过环境DNA的形式存在于水中。
各种水处理工艺都可用于改变耐药基因的丰度。耐药基因从饮用水传播到肠道微生物群的速度尚未得到很好的研究。
2020的如上项目研究了上海和北京饮用水中耐药基因 blaNDM and mcr-1的丰度。他们随后证实，免疫缺陷 (BALB/c) 小鼠能够从饮用水中分离出的微生物中获得这些耐药基因，而这些微生物的浓度与饮用水中相当。这就引发了一个问题：免疫功能低下和/或健康的人是否也可能从饮用水中获得抗菌素耐药性微生物或基因。
05人群水平和流行病学研究饮水来源与肠道微生物群多样性
虽然饮用水和肠道中同一属的成员之间的重叠并不意味着存在直接联系，但两项人群水平的研究已将饮用水来源确定为解释肠道微生物组多样性变化的最重要因素之一。这两项研究都调查了分布在全球不同地区的多个人群，并使用了粪便微生物的16S rRNA基因测序数据。
2022年，Vanhaecke 等人调查了来自美国和英国 3413 个体肠道菌群组成的主要影响因素。微生物群、生活方式和饮食数据来自美国肠道微生物组计划。使用线性和逻辑模型分析了肠道菌群与不同饮用水来源 (瓶装、过滤、自来水和井水) 之间的关联。
饮用水来源是肠道菌群 α 和 β 多样性的关键因素，其效应大小与酒精摄入量和饮食类型相似。
参与者的地理位置多样，这可能导致饮用水的物理化学和生物参数存在较大差异。然而，研究发现市政自来水饮用者与其他类型饮用者之间，以及私人井水饮用者与瓶装水饮用者之间的肠道微生物群存在显著差异。
不同组之间观察到几种物种的丰度差异，包括瓶装水和市政自来水饮用者中链球菌属（Streptococcus）、拟杆菌、Odoribacter的丰度较高，而井水饮用者中Dorea属的丰度较高。
每日饮水量也影响了β多样性（组间差异性），每日饮水量少于1升的人群中弯曲杆菌属（Campylobacter）的丰度较高。
Dorea菌属于厚壁菌门毛螺菌科，广泛存在于人体肠道内，谷禾数据显示该菌在人群的检出率超89%。该菌最早也是从人体粪便中分离出来。
该菌是一类革兰氏阳性厌氧菌，主要存在于人类和动物的肠道中，可以利用多种底物进行发酵代谢，包括葡萄糖、果糖、乳糖和芳香族化合物等。它可能通过诱导Treg并抑制Th17细胞的分化和功能，从而调节肠道免疫反应，维持肠道黏膜屏障的完整性和稳定性。
在多发性硬化症、炎症性肠病患者，甚至结直肠癌、自闭症谱系障碍以及肥胖人群中的Dorea菌高丰度富集，被认为具有促炎作用。多数研究证实Dorea与体重指数 (BMI)、腰围和舒张压呈正相关。基线肠道内富含高丰度的Dorea菌的人群，在减重方面更困难。
然而Dorea菌在抑郁患者和患有食物过敏人群中减少，研究还表明Dorea菌可以预防或治疗过敏性鼻炎。
美国加利福尼亚州斯坦福市斯坦福大学人类微生物组研究中心团队2018年通过研究喜马拉雅山脉 4 个具有不同觅食程度和采用农耕方式时间的人群，研究了区分农耕和觅食生活方式的肠道微生物群的因素。这些人群分为觅食者、过渡到自给性农业的觅食社区和过去两个世纪完全过渡到农耕的人群。
从 56 个人采集了粪便样本。对应分析 (CA) 和微生物多样性分析表明，饮用水是与肠道微生物组成显着相关的两个因素之一。
各组之间没有观察到 α 多样性的显著差异，但几个β多样性指标表明与饮用水来源相关的组成变化。
在将这项研究扩展到坦桑尼亚的猎人采集者人群——哈扎人（Hadza）的季节性肠道微生物群数据时，研究发现饮用水对肠道微生物群组成也有类似的显著影响。这表明饮用水来源在不同生活方式的人群中对肠道微生物群有重要作用。
饮水中的化学成分与口腔及肠道微生物群
随后，英国研究团队于2020年开展的一项研究，他们调查了自来水中溶质浓度（钠、氯和硫酸盐）与肠道微生物群之间的关联。研究对象为英国的36对单卵双胞胎。结果表明，自来水中钠的日均摄入量（ADD）增加显著降低了肠道微生物群的丰富度，而微生物群的组成在硫酸盐和氯的日均摄入量的影响下有所不同。然而，这些关联较弱，并且研究中没有量化一些可能影响肠道微生物群的其他变量。
与饮用水和肠道微生物群之间的相互作用类似，关于饮用水对口腔微生物群影响的研究也很少。一项研究发现，在西班牙青少年的口腔微生物群中，自来水是所有调查因素中影响最大的。
饮用水的几个特征，包括碱度、硬度，以及氟化物和几种离子的存在，对特定菌属的丰度有显著影响。另一项研究也证实了饮用水中的氟化物对口腔微生物群的影响，该研究在小鼠中得出了类似的结果。除了饮用水对口腔微生物群的影响可能间接影响肠道微生物群外，饮水还可能将口腔中的微生物引入肠道。
总之，这些研究表明，饮用水属性对肠道菌群的组成有重要影响。有必要进一步研究这种关系是如何介导的，以及它如何影响人类健康。
06水化学与肠道微生物群之间的联系关于饮用水（DW）与肠道微生物群关系的研究大多集中在饮用水的物理化学特性上，通常是在动物模型中进行，少数情况下涉及人类。需要注意的是，饮用水的物理化学性质，包括化学成分和处理过程，直接影响其微生物群，这反过来可能直接或间接影响肠道微生物群。一项荟萃分析表明，饮用水的化学性质在动物模型的微生物群研究中起到混杂作用，因此研究时需要注意。特别是，饮用水的 pH 值似乎会改变实验动物的肠道菌群。
■ 灭菌与否
2018年，一项实验动物研究了四种水源对小鼠肠道微生物群的影响：
高压灭菌自来水
从饮用水处理厂收集的水
自来水
瓶装水
他们观察到高压灭菌水和非高压灭菌水的肠道菌群存在差异，喂食高压灭菌水的小鼠中，属于芽孢杆菌属(Bacillota)和不动杆菌属（Acinetobacter）的操作分类单元 (OTU) 的丰度降低。
在喂食未高压灭菌水的小鼠中，没有观察到显着差异。这些差异的原因尚不清楚，并且该研究没有评估饮用水微生物群。
■ PH值
实验室研究中使用的动物通常被喂食酸化水，以防止动物护理设施中的微生物污染。酸化水导致 1 型糖尿病发病率增加，并导致小鼠肠道微生物群发生变化。
研究饮用水的pH值对健康成年男性血糖调节和肠道微生物群的影响，参与者在两个为期两周的周期内分别饮用中性（pH7）或碱性（pH9）水。研究未发现血糖调节或肠道微生物群的显著变化，尽管这种差异可能是由于所饮用水的pH值不同所致。
先前的人体研究表明，饮用酸性水与1型糖尿病之间存在关联，但尚未研究其对肠道微生物群的影响。
此外，已知肠道微生物群会影响葡萄糖稳态，而酸性pH值会不同程度地影响肠道常驻微生物的生长速率，这提示了可能的关联。从实际角度来看，市政供水中暴露于酸性饮用水是不常见的，因为饮用水通常以中性到微碱性的条件分配，以防止管道腐蚀。
■ 富含碳酸氢盐/硅酸盐
饮用富含碳酸氢盐的矿泉水或偏硅酸盐碱性矿泉水可能会通过改变肠道微生物群来影响宿主的生理机能（下表）。
饮用水微生物群和化学物质对肠道微生物群的影响
Moghaddam HS et al., Water Res. 2024
上面两篇研究分别在人类和猪仔和发现，饮用富含重碳酸盐的矿泉水或以偏硅酸为基础的碱性矿泉水可能通过改变肠道微生物群影响宿主生理。其中一些观察到的益处包括减少仔猪腹泻发生率，降低与胰岛素抵抗相关的某些标志物。
因此，值得进行样本量更大且具有适当对照组的综合研究将为矿泉水对肠道微生物群和宿主生理的影响提供更有力的证据。
■ 氯化物
自 20 世纪 50 年代以来，氟化物就被引入到饮用水和牙科用品中，如今大多数牙科产品和许多市政水源都已含氟。尽管氟化物使用范围很广，但很少有研究调查其对宿主相关微生物群落的影响。
最近一项关于水氟化对小鼠微生物组影响的研究表明，氟化水对口腔有选择性影响，但对肠道微生物组没有影响（上表）。
流行病学研究已将饮用水氯化和/或接触消毒副产物 与结直肠癌和膀胱癌联系起来。在小鼠结肠直肠癌模型中，高浓度的水氯化（10 mg/L）增加了肿瘤发生。
肠道微生物群中产气荚膜梭菌(C.perfringens)和肠杆菌科（Enterobacteriaceae）等专性厌氧菌同时减少。同样，由于未评估饮用水微生物群，因此无法建立饮用水与肠道微生物群之间的直接联系。
此外，这些发现与实际饮用水系统的相关性尚不清楚，因为这远远超过了正常的氯浓度。美国可接受的最大氯浓度为 4 mg/L。
根据世界卫生组织（WHO）的有关数据，人体对氯的耐受量为每天每公斤体重0.15毫克，假设这些氯全部来自于饮用水，得到自来水氯的允许含量为每升5毫克。根据我国的相关规定，出厂水的余氯含量最低不能低于0.05毫克/升，最高上限为4毫克/升。
在如上一项关于水氯化对 6-61 个月儿童肠道微生物群影响的研究中，未发现氯化对肠道菌群有显著的长期影响，但氯化处理组的腹泻发作和抗生素使用次数较少。氯化水处理组中某些微生物物种的丰度略有增加，抗生素耐药基因 (ARG) 的丰度也有所增加。
耐药基因丰度的增加归因于肠杆菌科细菌相对丰度的增加，这些细菌含有可移动的耐药基因，但被认为最终是有益的肠道居民。
由于本研究再次未测量水中的微生物群，因此这些耐药基因的来源尚不清楚。先前的研究表明，饮用水中存在的大多数耐药基因表现出垂直传播模式，而不是水平传播模式。这些耐药基因可能来自饮用水，或者可能有其他来源，但氯的存在会在肠道中创造一种环境，从而有利于这些肠杆菌科细菌的繁殖。
迄今为止，已有少数研究考察了水氯化对模型生物肠道菌群的影响。几种水氯化会导致肠道菌群发生变化，但这些变化仅在高于饮用水中通常测量的浓度时才会观察到。这些研究中的暴露时间通常也很短。对水中氯离子相关浓度的慢性暴露进行进一步研究将有助于得出与现实世界相关的结论。
07未来研究众所周知，自来水会影响人体健康，但其影响机制尚不明确。
随着技术的发展，我们现在有很多工具可以帮助研究饮用水对人类肠道微生物群的影响。现代的DNA测序技术已经变得更加经济实惠，使我们能够分析饮用水中的微生物群落。这些技术的应用可以显著提升我们对这一领域的理解。
此外，各种可用的组学技术，包括代谢组学、蛋白质组学和转录组学，以及成像技术，提供了可用于动物模型和人类的工具，以研究饮用水微生物组与水特性和肠道微生物组之间的关系。
综合饮用水对肠道菌群及进一步身体健康的影响，还需要以下研究：
1) 长期研究
大多数现有研究侧重于持续 1 至 3 个月的短期治疗。纵向方法将考虑肠道微生物群和水质与微生物群的时间变化，并有助于了解微生物群和化学性质之间的长期关系。增强我们当前知识的一个简单方法是将饮用水属性（如水源、化学性质和消费模式）纳入肠道微生物群的纵向队列研究中。这还将改善样本量限制，因为许多队列包括数百名参与者。
2) 饮用水微生物群的影响
以前的研究主要集中在水的特性上，例如 pH 值、温度、消毒剂和溶质。然而，了解饮用水微生物群与肠道微生物群之间的直接关系对于理解其对人类健康的潜在影响至关重要。因此，未来的研究工作应该同时考虑饮用水微生物群及其化学属性。这项工作还应考虑耐药基因从饮用水到肠道微生物群的潜在传播。
3) 以人为本的研究
使用动物模型进行的研究有助于在严格控制的环境中检验假设和开发机械联系。需要进行更多研究来直接检查人类和类似人类的状况，因为这些状况可能与动物模型中的状况不同。
最近的创新如可复制的肠道微观生态系统，可能在可控环境中进行类似人类的研究。这些系统减少了对活体动物研究的需求，可用于调查多种因素、肠道发育的不同阶段及其他条件。
在体外系统中获得的重要发现可以通过人类试验并结合运用基因组学、转录组学/蛋白质组学和代谢组学来验证。这种以人为重点的研究将显著有助于理解饮用水微生物群与人类肠道微生物群之间的联系，以及在现实环境中如何体现，为公共卫生考量提供相关见解。
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本文转自：谷禾健康
https://blog.sciencenet.cn/blog-2040048-1455385.html
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