萬(wàn) 峰，李輕舟，謝 博

（海軍勤務(wù)學(xué)院，天津 300450）

腸道菌群的穩(wěn)態(tài)是維持人體健康的重要標(biāo)志之一，其與人體健康之間的聯(lián)系一直都是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái)隨著對(duì)腸道微生物研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)腸道菌群與多種疾病的發(fā)生有著密切的聯(lián)系，但腸道菌群與這些疾病相互之間的關(guān)系以及相關(guān)機(jī)制尚未完全清楚，而環(huán)境因素作為聯(lián)系兩者之間的橋梁在其中發(fā)揮著重要作用。越來(lái)越多的研究表明，環(huán)境因素是影響腸道菌群組成和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素[1]。近年來(lái)，研究者們已經(jīng)對(duì)一些普通環(huán)境因素有了較為成熟的研究，從而將目光轉(zhuǎn)向了特殊環(huán)境特殊人群腸道菌群的變化，旨在探究特殊環(huán)境對(duì)人體健康和腸道菌群的影響以及三者之間的相互作用機(jī)理。

一般來(lái)說(shuō)，特殊環(huán)境包括高溫、低溫、缺氧環(huán)境、有毒物質(zhì)、噪聲、輻射和微重力等非常規(guī)環(huán)境[2]。在此環(huán)境下長(zhǎng)期工作的人被稱為特殊環(huán)境人群，如運(yùn)動(dòng)員、戰(zhàn)士、航海員、宇航員等等。與處于一般生活和工作環(huán)境的健康成人比較，他們長(zhǎng)期處于物理或化學(xué)因素的刺激下以及高強(qiáng)度的體力或腦力應(yīng)激狀態(tài)中，在生理或機(jī)體代謝方面往往會(huì)發(fā)生不正常的變化，對(duì)健康十分不利，極易發(fā)生各種疾病。腸道菌群作為參與機(jī)體代謝，維持生理功能的物質(zhì)，在特殊環(huán)境下勢(shì)必會(huì)發(fā)生變化：一方面，腸道菌群的種類和豐度受環(huán)境的影響而發(fā)生改變，這種變化可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)體生理功能受損但也可能適應(yīng)這些不利環(huán)境；另一方面，通過(guò)有效的方式調(diào)節(jié)腸道菌群同樣也可以抵御惡劣條件所帶來(lái)的種種問(wèn)題。因此，探究在這些環(huán)境下腸道菌群如何改變顯得尤為關(guān)鍵，研究?jī)烧咧g的關(guān)聯(lián)對(duì)特殊工作人群健康具有非常重要的意義和價(jià)值。

腸道菌群結(jié)構(gòu)受到內(nèi)外環(huán)境的影響，其中飲食因素發(fā)揮著重要作用[3]。研究證實(shí)，腸道微生物參與了碳水化合物和氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝過(guò)程并且能夠發(fā)酵人體不能消化的多糖、蛋白質(zhì)和脂肪產(chǎn)生多種代謝物，包括短鏈脂肪酸（SCFAs）、支鏈脂肪酸、胺和多酚類化合物[4]，這些代謝物可以促進(jìn)腸道功能成熟、調(diào)節(jié)免疫以及機(jī)體腦部功能，從而進(jìn)一步影響人體的健康狀況。不論是在一般環(huán)境還是在特殊環(huán)境下，飲食因素都是最容易改變和控制的因素且對(duì)人體安全無(wú)害。通過(guò)科學(xué)合理的膳食來(lái)調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)以避免和改善由腸道菌群紊亂引起的各種疾病是一種行之有效的手段。同時(shí)也為特殊工作人群科學(xué)設(shè)計(jì)營(yíng)養(yǎng)膳食以調(diào)節(jié)其腸道健康提供了新的思路。

本文總結(jié)了腸道與人體健康的關(guān)系及影響因素，重點(diǎn)探討特殊環(huán)境（高原、航海與潛水、航空與航天）對(duì)腸道菌群的影響以及如何通過(guò)飲食營(yíng)養(yǎng)干預(yù)調(diào)節(jié)腸道菌群以盡量減少或避免環(huán)境或職業(yè)不利因素對(duì)健康造成的損害，以期為開發(fā)特殊人群膳食或微生態(tài)制劑的相關(guān)研究提供依據(jù)和參考。

1 腸道菌群與人體健康

隨著微生物學(xué)科的發(fā)展和現(xiàn)代科技手段的進(jìn)步，使現(xiàn)階段人們對(duì)腸道菌群與人體健康具有重要聯(lián)系的認(rèn)知越來(lái)越高，腸道菌群也一直是科研工作者熱衷研究的問(wèn)題之一。據(jù)報(bào)道，嬰兒自誕生數(shù)小時(shí)就有微生物在腸道定植并相伴終生[5]。人類腸道中有超過(guò)100萬(wàn)億種微生物，包括大量細(xì)菌、病毒、真菌和原生動(dòng)物，其中既包括對(duì)人體有益的益生菌，如乳酸菌（Lactobacillus）、雙歧桿菌（Bifidobacterium）等，也包括能夠引起腸道疾病的有害菌，如大腸桿菌（Escherichia）、沙門氏菌（Salmonella）等，其基因數(shù)量是整個(gè)人類基因組的150倍[6]。科學(xué)家意識(shí)到僅有人類基因組信息是不夠的，不能完全解決人的健康問(wèn)題，由此逐漸拉開了了人類腸道元基因組學(xué)的序幕[7]?；驕y(cè)序手段、生物信息學(xué)和宏基因組技術(shù)為研究和闡明微生物在人體中的作用打開了大門并取得了重要進(jìn)展，進(jìn)一步從分子手段揭示腸道菌群與人體健康的關(guān)系。

在人類以往的認(rèn)知中，腸道菌群與消化系統(tǒng)密切相關(guān)，菌群紊亂可能會(huì)導(dǎo)致腹瀉腹痛等消化道癥狀。但隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)腸道微生物參與許多基本的生物學(xué)過(guò)程，包括上皮細(xì)胞發(fā)育，調(diào)節(jié)新陳代謝和刺激先天免疫等并且通過(guò)改變生理系統(tǒng)（如免疫系統(tǒng)發(fā)育，內(nèi)分泌，代謝調(diào)節(jié)，甚至是體內(nèi)的基因）而影響宿主的健康[8]（圖1）。腸道菌群被證實(shí)與多種疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)，甚至與人的情緒、精神狀態(tài)和性格也是密不可分的[9]。如與代謝相關(guān)的疾?。禾悄虿?、肥胖等；神經(jīng)系統(tǒng)及精神類疾病：精神分裂癥、帕金森癥和抑郁癥等；與心血管系統(tǒng)相關(guān)的疾?。焊哐獕?、心力衰竭和動(dòng)脈粥樣硬化等[10]。此外，腸道菌群還與腫瘤、癌癥及酒精性肝病、非酒精性脂肪性肝病等肝臟疾病有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系[11]。通過(guò)分子手段使腸道菌群對(duì)于人體各系統(tǒng)的影響機(jī)理逐漸被挖掘出來(lái)并且對(duì)不同疾病的干預(yù)機(jī)制也取得了重大進(jìn)展。研究表明，失衡的腸道菌群會(huì)從多種途徑如內(nèi)毒素血癥、能量吸收、膽堿、SCFAs、腦腸軸、膽汁酸代謝等影響宿主的健康[12]。因此研究腸道菌群對(duì)于疾病的預(yù)防與治療，維護(hù)人類健康具有重大意義。

圖1 腸道菌群與人體健康的關(guān)系[8]Fig.1 Relationship between intestinal flora and human health[8]

2 影響腸道菌群的因素

人們?nèi)找嬉庾R(shí)到腸道菌群在人類健康中所發(fā)揮的作用，與此同時(shí)也面臨著一個(gè)挑戰(zhàn)：腸道微生物受到哪些因素的影響以及它們?nèi)绾坞S這些因素發(fā)生改變。就現(xiàn)有的研究來(lái)看可以總結(jié)為兩大因素：內(nèi)因和外因，都會(huì)對(duì)微生物群產(chǎn)生影響，具體來(lái)說(shuō)既包括遺傳、民族、內(nèi)分泌、年齡、性別差異等宿主因素，也包括飲食、地理、生活方式、衛(wèi)生條件、手術(shù)、抗生素使用等環(huán)境因素[13]（圖2）。2017年Nature上的一篇文章報(bào)道在對(duì)腸道菌群影響的因素中環(huán)境因素大于宿主基因。文中提到腸道菌群沒(méi)有顯著的家族遺傳傾向，遺傳因素對(duì)腸道菌群的影響甚微。而沒(méi)有血緣的人群長(zhǎng)期居住在一起，腸道菌群結(jié)構(gòu)卻表現(xiàn)為高度相似。在各類影響因素中，飲食、藥物和生活方式等相關(guān)因素所占比重最大，影響了超過(guò)20%人群個(gè)體間菌群差異[14]。尤其是飲食因素，對(duì)于腸道菌群的定植、成熟和穩(wěn)態(tài)發(fā)揮著重要的作用。

圖2 腸道菌群的影響因素[13]Fig.2 Affect factors of intestinal flora[13]

影響腸道菌群的各因素并不是獨(dú)立存在的，往往是多種因素共同作用的結(jié)果。比如研究發(fā)現(xiàn)各民族間腸道菌群存有一定差異，但藏族與蒙族、壯族與漢族、白族與哈薩克族和維族腸道菌群具有相似性[15]。一方面是由于不同民族間的遺傳因素，如長(zhǎng)期生活在低氧低壓高輻射環(huán)境致使藏族人民形成適應(yīng)了這種惡劣的生活環(huán)境的基因；另一方面不同民族生活的地域不同，有各自地方性的特征，包括生活方式、飲食習(xí)慣、文化傳統(tǒng)等。正是這些因素的相互作用導(dǎo)致了腸道菌群的相似或不同。此外，年齡、運(yùn)動(dòng)等都會(huì)影響腸道菌群的組成和功能，而藥物、食品添加劑、抗生素和殺蟲劑則可能對(duì)腸道菌群產(chǎn)生不良影響[16]。由于腸道菌群影響因素的復(fù)雜性和多樣性，所以在研究時(shí)不能只考慮單一因素，更要考慮各因素間的交互作用，以此能夠更加透徹地研究并加以利用腸道菌群，從而調(diào)節(jié)機(jī)體生理功能促進(jìn)人體健康。

3 特殊環(huán)境對(duì)腸道菌群的影響

特殊環(huán)境通常包括高溫、嚴(yán)寒、低氧、強(qiáng)輻射等非常規(guī)理化環(huán)境。研究證實(shí)在一些極端特殊環(huán)境下，腸道菌群平衡會(huì)被打破，其組成與在正常條件下有很大差異，嚴(yán)重影響特殊人群的身心健康，而腸道菌群又具有適應(yīng)特殊環(huán)境的潛力。因此，可以說(shuō)特殊環(huán)境影響著腸道菌群的變化但同時(shí)它的改變又可以幫助人類適應(yīng)這些特殊條件。由此可見，研究?jī)烧咧g的相互作用和關(guān)系對(duì)于維持人體健康和適應(yīng)特殊環(huán)境至關(guān)重要。

3.1 高原環(huán)境對(duì)腸道菌群的影響

3.1.1 高原環(huán)境特點(diǎn)及對(duì)機(jī)體的影響 高原環(huán)境主要有以下特點(diǎn)：低壓缺氧是最顯著的特征，大氣壓隨著海拔的升高而降低，海拔越高，空氣越稀?。粴夂蚝涓稍?，高原氣溫低，晝夜溫差大；太陽(yáng)輻射強(qiáng)，日照時(shí)間長(zhǎng)。另外，強(qiáng)紫外線、風(fēng)沙、氣流快及自然災(zāi)害多等多種環(huán)境因素對(duì)高原環(huán)境人群的日常生活和健康狀況有十分顯著的影響。已有研究顯示，人初入高原身體會(huì)出現(xiàn)一系列的變化，如心率增加、血壓升高、頭痛、厭食、失眠和腦水腫等，而當(dāng)?shù)厝藙t不受這些高原環(huán)境因素的影響。研究表明高原民族（如藏族人、安第斯人和埃塞俄比亞人等）對(duì)高原環(huán)境的適應(yīng)能力是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化而來(lái)的[17]。雖然隨著生活時(shí)間的延長(zhǎng)，人體能夠依靠機(jī)體自身的調(diào)節(jié)適應(yīng)能力慢慢適應(yīng)高原環(huán)境，但大部分人由于不能立即適應(yīng)，會(huì)出現(xiàn)一些高原反應(yīng)或高原疾病，以胃腸道反應(yīng)最為強(qiáng)烈，如嘔吐、腹瀉等[18]。同時(shí)，腸粘膜屏障功能下降，腸道菌群也出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性變化進(jìn)而引發(fā)相關(guān)腸道疾病。韓天雨等[19]通過(guò)實(shí)地調(diào)研考察高原訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)員腹瀉發(fā)生率，研究高原訓(xùn)練過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員腸道菌群變化，證實(shí)了腸道菌群的改變與高原腹瀉具有高度相關(guān)性。

3.1.2 高原環(huán)境人群腸道菌群特點(diǎn) 關(guān)于在不同海拔高度下腸道菌群組成不同，最早是通過(guò)研究高原動(dòng)物如高原鼠兔、高原牦牛[20-21]的腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的。相似地，研究報(bào)道居住在平原的漢族和居住在高原的藏族嬰人腸道菌群組成大不相同。Zhang等[22]通過(guò)高通量測(cè)序?qū)Σ刈搴蜐h族的嬰兒腸道菌群的組成及豐度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)藏族和漢族純母乳喂養(yǎng)嬰兒的腸道菌群存在顯著差異，前者菌群多樣性高于后者，而且前者主要以厚壁菌門（Firmicutes）為主，后者以放線菌門（Actinobacteria）為主。相似地，在成人的研究中，Li等[23]也發(fā)現(xiàn)藏漢兩個(gè)民族人群的腸道菌群存在著明顯的不同。具體而言，門水平上，生活在青藏高原不同地區(qū)的藏族人腸道優(yōu)勢(shì)菌為擬桿菌門（Bacteroidetes），F(xiàn)irmicutes，變形菌門（Proteobacteria）和Actinobacteria，同時(shí)兼性厭氧菌在腸道內(nèi)也普遍存在；屬水平上，藏民的腸道菌群普氏桿菌（Prevolla）較為豐富，漢族人群則是擬桿菌屬（Bacteroides）。在Jia等[24]的研究中，系統(tǒng)地分析了393例健康成人（包括在高原生活不同時(shí)間的漢族人和長(zhǎng)期在高原生活的藏族人）的腸道菌群和73項(xiàng)血液臨床指標(biāo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著高原生活時(shí)間的延長(zhǎng)，漢族人群的腸道菌群的特征和血液臨床指標(biāo)與藏族人群越來(lái)越相似，即使在幾個(gè)月后從高原地區(qū)返回平原地區(qū)，其腸道微生物群和血液臨床指標(biāo)也沒(méi)有恢復(fù)到非高原狀態(tài)時(shí)，這表明高原缺氧環(huán)境可以迅速而持久地影響人體腸道菌群和血液臨床指標(biāo)。

3.1.3 高原環(huán)境對(duì)腸道菌群影響機(jī)制的研究進(jìn)展為了解釋腸道菌群的差異，闡明高原環(huán)境的影響，探究腸道菌群與高原環(huán)境的相互作用關(guān)系，以及腸道菌群變化在高原適應(yīng)中的作用。研究者們又進(jìn)一步做了大量的試驗(yàn)?；诤０翁荻饶c道微生物的研究表明越來(lái)越多的節(jié)能細(xì)菌富集在高海拔組，厭氧菌數(shù)量增加，高原中的低氧可能是造成這種原因的主要因素[25]。腸道菌群中生成SCFAs如Prevolla等相關(guān)菌群種類和豐度顯著增加，這些菌屬能夠促進(jìn)SCFAs生成，也能更好的利用SCFAs生成乙酸、丙酸等小分子代謝物為機(jī)體提供能量，同時(shí)可能也參與了維生素B6和酮體的代謝，有利于在缺氧條件下人體能夠高效利用能量而適應(yīng)高原環(huán)境[26]。高原的地理環(huán)境特點(diǎn)造就了高原人群與平原人群生活方式的差異。Li等[27]通過(guò)膳食結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)夭厝送ǔ?huì)消耗更多的肉和乳制品，而漢族則消耗更多的小麥、大米和蔬菜，也就是說(shuō)在飲食方面藏族人通常以富含蛋白質(zhì)的食物為主，而漢族人則更喜歡攝入碳水化合物含量高的食物，在對(duì)能源利用的過(guò)程中涉及的菌屬差異逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，飲食習(xí)慣的不同可能是導(dǎo)致腸道菌群種類和豐度差異的重要原因。此外，還有學(xué)者認(rèn)為城市化或工業(yè)化水平的不同，可能也會(huì)影響高原居民腸道菌群的多樣性和組成[28]。

由于受外部環(huán)境影響較大，人們關(guān)于高原等極端環(huán)境對(duì)腸道菌群影響的認(rèn)知還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究證實(shí)腸道菌群受高原環(huán)境的影響較大，海拔高度可以塑造腸道微生物群落，改變腸道菌群的組成和結(jié)構(gòu)。同時(shí)低氣壓、低溫和高輻射條件是影響生物體生存和繁殖的生理應(yīng)激源，會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)發(fā)生多種生理變化而引發(fā)高原反應(yīng)或高原疾病，同樣也會(huì)引發(fā)機(jī)體腸道菌群失衡?，F(xiàn)階段的研究表明，腸道菌群與高原紅細(xì)胞增多癥、高原血壓異常等慢性高原疾病的發(fā)生密切相關(guān)[29]，可以說(shuō)高原環(huán)境和腸道菌群共同影響著人類的生理和心理健康。但腸道菌群如何變化，有什么變化趨勢(shì)，與各類高原疾病是否存在關(guān)聯(lián)及其機(jī)制有待于進(jìn)一步探索。因此，如何調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)以提高對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性對(duì)于維護(hù)初入高原甚至是長(zhǎng)期生活或駐守在高原的非土著特殊人群的健康具有重要的意義。雖然目前對(duì)其作用機(jī)制尚不清楚，但是我們對(duì)高原環(huán)境改變?nèi)梭w腸道菌群組成和結(jié)構(gòu)的信息已有了較為深入的了解并且掌握了一定的信息，這將對(duì)未來(lái)更好地研究高原環(huán)境適應(yīng)性打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提供了新的思路。

3.2 航空與航天環(huán)境對(duì)腸道菌群的影響

3.2.1 航空與航天環(huán)境特點(diǎn)及對(duì)機(jī)體的影響 航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展使得人類在太空中生存和生活成為了現(xiàn)實(shí)，但空間環(huán)境較高原和海洋環(huán)境要更加復(fù)雜。缺氧、低氣壓、加速度、噪聲和振動(dòng)等飛行因素對(duì)人體的影響是同時(shí)發(fā)生的綜合作用，可對(duì)機(jī)體多個(gè)系統(tǒng)造成不良影響，產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)。另有研究結(jié)果表明，航空作業(yè)環(huán)境還可影響認(rèn)知功能。微重力是航天所特有的特殊環(huán)境，已有大量資料表明失重對(duì)人體的功能和代謝有顯著影響[30]。在失重條件下，人體胃腸道的功能發(fā)生變化，影響機(jī)體營(yíng)養(yǎng)素的需要量和機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。多項(xiàng)研究表明，航天對(duì)人類和動(dòng)物都有短期和長(zhǎng)期的生理影響，這些影響包括骨質(zhì)流失、心臟萎縮和心律改變、肌肉流失和免疫功能障礙等[31]。航空骯天環(huán)境的復(fù)雜性使得腸道菌群受到影響的因素也更多，這些不利因素聯(lián)合作用導(dǎo)致宇航員或飛行員腸道微生態(tài)發(fā)生顯著變化，腸道菌群失調(diào)，對(duì)機(jī)體健康構(gòu)成潛在威脅。

3.2.2 航空航天環(huán)境下人群腸道菌群特點(diǎn) 早就有研究報(bào)道，空間環(huán)境對(duì)微生物生長(zhǎng)有顯著的影響，進(jìn)一步可導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)，益生菌數(shù)量減少，有害菌占比增加[32]。Liu等[33]對(duì)2次執(zhí)行航天任務(wù)（分別為15和35 d）的5名宇航員在執(zhí)行飛行任務(wù)前后腸道菌群進(jìn)行對(duì)比分析，研究表明：航天飛行對(duì)腸道菌群的組成及功能具有顯著影響，飛行后Bacteroidetes菌屬的豐度增加，而Lactobacillus和Bifidobacterium豐度下降，且腸道菌群的毒力基因總數(shù)增加，有害細(xì)菌的毒力和感染機(jī)會(huì)增加。另外發(fā)現(xiàn)抗生素的合成功能發(fā)生顯著變化，航天飛行對(duì)一些抗生素的耐藥基因和可移動(dòng)遺傳元件也有一定影響。Voorhies等[34]調(diào)查了長(zhǎng)期（6～12個(gè)月）在國(guó)際空間站執(zhí)行任務(wù)的宇航員體內(nèi)微生物群的組成。結(jié)果發(fā)現(xiàn)宇航員的胃腸道、皮膚、口腔的微生物結(jié)構(gòu)在太空?qǐng)?zhí)行任務(wù)期間均發(fā)生了明顯的變化。在太空中，宇航員腸道微生物群的組成變得更加相似，主要是一些細(xì)菌類群（Bifidobacterium、Pseudobutyrivibrio）的豐度下降。

3.2.3 航空航天環(huán)境對(duì)腸道菌群影響機(jī)制 腸道菌群的改變致使腸道免疫功能受損，免疫功能的下降會(huì)導(dǎo)致宇航員出現(xiàn)腸胃不適、呼吸系統(tǒng)疾病、皮膚刺激和感染等一系列癥狀。Mccarville等[35]證實(shí)，太空飛行通過(guò)改變細(xì)胞因子的產(chǎn)生和淋巴細(xì)胞數(shù)量，特別是T細(xì)胞來(lái)改變免疫系統(tǒng)，而腸道菌群在微重力作用下的變化會(huì)影響免疫系統(tǒng)，具體的機(jī)制還有待研究。此外，還有研究表明腸道菌在航天員之間可相互傳播，增加了空間腸道疾病散播的風(fēng)險(xiǎn)[36]。Garrett-Bakelman等[37]曾研究過(guò)一名雙胞胎宇航員的腸道微生物組，并發(fā)現(xiàn)了他在國(guó)際空間站（ISS）進(jìn)行為期一年的飛行任務(wù)時(shí)所發(fā)生的變化，而在同一時(shí)期他的雙胞胎弟弟并未觀察到這種變化?；诖?，該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)分析了在國(guó)際空間站常規(guī)飼養(yǎng)的小鼠的糞便菌群組成，進(jìn)一步探究太空飛行給小鼠腸道菌群帶來(lái)的變化，結(jié)果表明太空飛行使小鼠腸道菌群α多樣性升高、組成結(jié)構(gòu)改變，這些變化與之前報(bào)道的太空飛行小鼠相似，不同于在地球上進(jìn)行的模擬太空輻射引起的小鼠腸道菌群變化，揭示了太空飛行隊(duì)小鼠腸道菌群的影響具有可重復(fù)性，微重力（而非輻射）是影響菌群的組成和代謝功能的主要因素，而菌群的變化反過(guò)來(lái)對(duì)宿主代謝產(chǎn)生影響[38]。相似地，Jin等[39]用后肢去負(fù)荷大鼠模型模擬分析發(fā)現(xiàn)失重是腸道菌群變化的主要原因。男性和女性在許多方面存有差異，在太空中對(duì)某些條件的適應(yīng)也是不同的。Urbaniak等[40]首次提出了長(zhǎng)時(shí)間航天飛行對(duì)女性宇航員微生物群以及在太空中患病風(fēng)險(xiǎn)的影響。尿路感染（UTIs）是在太空飛行中普遍出現(xiàn)的問(wèn)題，與男性相比，女性宇航員的發(fā)病率更高，可能的原因是在微重力作用下致病菌的毒力因子增加，粘附性增強(qiáng)。而太空輻射和航天飛行期間睡眠模式改變導(dǎo)致的晝夜節(jié)律的變化使女性患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)比男性高20%。

由此可見，空間環(huán)境中的微重力和輻射是引發(fā)腸道菌群結(jié)構(gòu)改變的主要因素，破壞了腸道菌群之間的動(dòng)態(tài)平衡，這些變化對(duì)宇航員健康的影響不可忽視。因此，迫切需要科研工作者了解和探索空間環(huán)境對(duì)腸道菌群的影響機(jī)制并急需尋找其防治方法。雖然近年來(lái)相關(guān)的研究和文獻(xiàn)越來(lái)越多，并且上述這些發(fā)現(xiàn)也有助于理解太空生活對(duì)宇航員腸道菌群和健康的作用，對(duì)菌群的變化規(guī)律和機(jī)制有了一定認(rèn)知，科學(xué)家們也在根據(jù)這些研究結(jié)果試圖尋找一些調(diào)節(jié)方式和預(yù)防措施。但由于條件限制，目前大部分報(bào)道都存在樣本小并且都是基于模擬實(shí)驗(yàn)，缺乏長(zhǎng)期在空間真實(shí)環(huán)境的系統(tǒng)性研究等問(wèn)題，這也是當(dāng)前研究面臨的難題和挑戰(zhàn)。相信隨著航天事業(yè)的進(jìn)步，空間環(huán)境的復(fù)雜性不再是制約腸道菌群研究的瓶頸，通過(guò)對(duì)腸道菌群的干預(yù)可以更好地保障宇航員的腸道健康和生命安全。

3.3 航海與潛水環(huán)境對(duì)腸道菌群的影響

3.3.1 航海與潛水環(huán)境特點(diǎn)及對(duì)機(jī)體的影響 航海環(huán)境主要有以下特點(diǎn)：由于風(fēng)浪或浪涌的作用導(dǎo)致艦船在航行或泊錨時(shí)出現(xiàn)搖擺等復(fù)雜而不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)或使船體發(fā)生局部振動(dòng)；艦船艙室的機(jī)械、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、局部氣流引起的噪聲、螺旋槳及水動(dòng)力產(chǎn)生的一系列噪聲；艦船上的核動(dòng)力裝置會(huì)產(chǎn)生一定量的輻射；潛航時(shí)長(zhǎng)時(shí)間處于密閉環(huán)境；潛水員時(shí)常面臨高氧和高壓的海底作業(yè)環(huán)境。除此之外，與陸地隔離的單調(diào)環(huán)境、晝夜節(jié)律的改變、睡眠不足以及新鮮水果和蔬菜供應(yīng)不足，會(huì)使人體的免疫功能和消化系統(tǒng)受損，嚴(yán)重威脅船員的生理和心理健康[41]。人體腸道的微生物菌群是保持人體免疫系統(tǒng)正常、維持人體健康的基礎(chǔ)，由此可見，正常的腸道微生物菌群結(jié)構(gòu)對(duì)于維持長(zhǎng)途海上航行船員的健康至關(guān)重要。但目前對(duì)于航海與潛水環(huán)境與腸道菌群的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系的研究少之又少。

3.3.2 航海與潛水環(huán)境下人群腸道菌群特點(diǎn) 近年來(lái)，腸道菌群與航?；驖撍h(huán)境相互影響的研究被相繼報(bào)道。呂偉[42]通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)分析了29名官兵執(zhí)行長(zhǎng)遠(yuǎn)航任務(wù)中（出發(fā)前，45、90和135 d）腸道菌群結(jié)構(gòu)變化和多樣性特征。結(jié)果表明長(zhǎng)遠(yuǎn)航過(guò)程中官兵的腸道菌群結(jié)構(gòu)和多樣性均發(fā)生了顯著的變化，結(jié)構(gòu)差異主要表現(xiàn)為Bacteroidetes、Firmicutes門類有益菌低于健康人群，且菌群多樣性隨著航行時(shí)間的延長(zhǎng)不斷降低，但在遠(yuǎn)航任務(wù)結(jié)束時(shí)又逐漸恢復(fù)。同時(shí)遠(yuǎn)航后腸道致病菌的數(shù)量多于健康人群且出現(xiàn)了水生環(huán)境中的菌屬分布。在最近的研究中，Zheng等[43]研究表明，在長(zhǎng)時(shí)間的海上航行過(guò)程中，益生菌可通過(guò)改善水手腸道健康抑制腸道菌群組成及功能實(shí)現(xiàn)緩解水手的航海壓力及焦慮。研究團(tuán)隊(duì)利用深度宏基因組測(cè)序技術(shù)和相關(guān)性分析首先證實(shí)了長(zhǎng)途航行前后（0、30 d）不僅擾亂了船員腸道菌群平衡，而且還減少了腸道菌群功能特征的多樣性，增加了壓力和焦慮感。進(jìn)一步比較益生菌組受試者與安慰劑組在航行前后腸道菌群結(jié)構(gòu)的變化。研究發(fā)現(xiàn)：與安慰劑組相比，益生菌的干預(yù)可以有效維護(hù)遠(yuǎn)航船員腸道微生態(tài)平衡，其中長(zhǎng)雙歧桿菌（Bifidobacterium longum）、動(dòng)物雙歧桿菌（Bifidobacteriumanimalis）和植物乳桿菌（Lactobacillu plantarum）的豐度持續(xù)增加，而肺炎克雷白桿菌（Klebsiella pneumoniae）、人體普氏菌（Prevotella）的豐度顯著降低。同時(shí)，益生菌的干預(yù)可有效緩解由遠(yuǎn)航造成的船員腸道微生物碳水化合物-活性酶基因多樣性銳減。此外，柔嫩梭菌（Clostridium leptum）、沙氏別樣桿菌（Alistipes shahii）和Klebsiella pneumoniae等有害菌株和船員焦慮程度呈正相關(guān)，Bifidobacterium等有益菌株和船員焦慮程度呈負(fù)相關(guān)，表明益生菌可通過(guò)調(diào)節(jié)特定腸道菌群緩解船員的焦慮癥狀。Yuan等[44]通過(guò)采集47名潛水員在飽和潛水之前、期間和之后這三個(gè)時(shí)間段的糞便樣品采用16S rDNA和Illumina測(cè)序技術(shù)分析了商業(yè)氦氧飽和度潛水對(duì)潛水員腸道菌群的影響，結(jié)果顯示盡管腸道菌群的α和β多樣性沒(méi)有明顯改變，但發(fā)現(xiàn)在高壓的氦氧飽和環(huán)境作業(yè)會(huì)降低潛水員體內(nèi)腸道菌群的豐度，Bifidobacterium的豐度下降最為顯著。此外，一些產(chǎn)SCFAs的細(xì)菌，如Fusicatenibacter、費(fèi)氏細(xì)菌（Faecalibacterium）等在整個(gè)過(guò)程中豐度也呈下降趨勢(shì)。相反，諸如艱難梭菌（Peptoclostridium difficile），變形鏈球菌（Streptococcus mutans）等大部分病原細(xì)菌的豐度提高。

3.3.3 航海與潛水環(huán)境對(duì)腸道菌群影響機(jī)制 目前對(duì)航海和潛水環(huán)境與腸道菌群相互作用的認(rèn)識(shí)還比較少，但通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)腸道菌群結(jié)構(gòu)與多樣性的變化是航行過(guò)程中多種因素共同作用的結(jié)果。在長(zhǎng)航過(guò)程中，飲食常以高脂低纖維的食物為主，研究表明高脂低纖維膳食可以促進(jìn)腸道促炎性細(xì)菌的生長(zhǎng)[45]；晝夜節(jié)律的改變、睡眠不足、生活單調(diào)，容易引起焦慮甚至抑郁，而焦慮以及抑郁已被證實(shí)與腸道菌群存在相關(guān)性[46]；高溫高濕的海洋環(huán)境可能會(huì)使船員的腸道菌群中出現(xiàn)水源性微生物的生長(zhǎng)繁殖，腸道菌群的多樣性發(fā)生改變。另外高壓的氦氧飽和度環(huán)境和潛水員攝入的高蛋白飲食是影響腸道菌群豐度的主要原因。作為陸地生活的人類來(lái)說(shuō)，水面和水下航行，尤其是長(zhǎng)航，機(jī)體勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)一系列反應(yīng)，這些反應(yīng)是不利于機(jī)體健康的。與高原環(huán)境不同的是，暫未有研究證明機(jī)體對(duì)海上環(huán)境具有適應(yīng)性。微生態(tài)學(xué)研究表明航行條件可以引起微生態(tài)的改變?cè)斐赡c道菌群紊亂甚至影響船員的心理健康。但航行條件復(fù)雜多變，各種因素之間相互影響導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)各有特點(diǎn)，需要具體研究，但可以肯定的是這些變化為尋找應(yīng)對(duì)海上或水下不良環(huán)境的措施提供了有效的依據(jù)和方向，有助于預(yù)防疾病的發(fā)生，改善海上船員或水下潛水員的生活質(zhì)量和機(jī)體健康。

3.4 其他特殊環(huán)境對(duì)腸道菌群的影響

除以上三種特殊環(huán)境外，還存在一些其他極端的環(huán)境，如高溫、寒冷、低照度、輻射、有毒有害化學(xué)物等，在這些特殊工作環(huán)境中從事作業(yè)的人群或多或少都有特殊職業(yè)性疾病，嚴(yán)重時(shí)可危及生命。而關(guān)于這些特殊環(huán)境對(duì)人體腸道菌群的影響的報(bào)道很少且機(jī)理不清甚至是空白。僅有少數(shù)研究?jī)H限于動(dòng)物或昆蟲[47-49]，對(duì)于人體的研究試驗(yàn)尚未見報(bào)道。其原因推測(cè)如下：一方面人體在極端溫度條件下有自我調(diào)節(jié)機(jī)制；另一方面，在極端環(huán)境工作的人群數(shù)量較少，取樣困難。最關(guān)鍵的因素是這些環(huán)境中常存在一些對(duì)人體健康不利的物理或化學(xué)因素，進(jìn)行人體試驗(yàn)可能會(huì)對(duì)機(jī)體造成損害，所以導(dǎo)致一些試驗(yàn)研究停留在動(dòng)物模型階段。雖然我們對(duì)于這些極端條件如何影響腸道菌群及機(jī)制仍然知之甚少，通過(guò)少數(shù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的報(bào)道，可以確定的是腸道菌群在這些環(huán)境下勢(shì)必會(huì)發(fā)生變化，相信隨著科技的發(fā)展，兩者之間的關(guān)系在不久后將會(huì)取得突破。

4 營(yíng)養(yǎng)干預(yù)

特殊環(huán)境可導(dǎo)致機(jī)體生理功能和營(yíng)養(yǎng)代謝出現(xiàn)顯著變化，進(jìn)一步發(fā)展引發(fā)一些疾病。而這些疾病往往都是在癥狀出現(xiàn)后采用抗生素來(lái)治療，但長(zhǎng)期使用藥物來(lái)調(diào)節(jié)和治療由特殊環(huán)境引發(fā)的健康問(wèn)題不僅會(huì)或多或少帶來(lái)一些副作用和臨床問(wèn)題，而且會(huì)導(dǎo)致腸道菌群改變，降低菌群的豐富度[50]。目前大量的研究表明，通過(guò)改善飲食結(jié)構(gòu)或服用微生態(tài)制劑，進(jìn)而調(diào)整腸道菌群的結(jié)構(gòu)和數(shù)量是提高機(jī)體健康狀況一條有效的途徑[51]。對(duì)于特殊環(huán)境人群來(lái)說(shuō)，營(yíng)養(yǎng)需求與正常情況下存有極大差異，特殊營(yíng)養(yǎng)學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，目前主要的應(yīng)用領(lǐng)域如軍用食品、航天食品，主要是通過(guò)強(qiáng)化部分營(yíng)養(yǎng)素或添加功能因子及微生態(tài)制劑來(lái)調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)。

4.1 調(diào)整膳食結(jié)構(gòu)

為使特殊人群能夠適應(yīng)特殊環(huán)境，改善或調(diào)節(jié)機(jī)體的不適、亞健康甚至治療和預(yù)防可能出現(xiàn)的疾病，最直接也是較科學(xué)的方式就是平衡膳食和合理營(yíng)養(yǎng)?；诟鞣N特殊環(huán)境的復(fù)雜因素考慮，調(diào)整膳食結(jié)構(gòu)是能夠調(diào)節(jié)腸道菌群又對(duì)人體健康無(wú)副作用的重要抓手。飲食對(duì)于人體健康的重要性顯而易見，而腸道微生物則是聯(lián)系二者之間的關(guān)鍵。大量的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)飲食的改變可以影響腸道微生物的組成、結(jié)構(gòu)和功能，而腸道微生物通過(guò)調(diào)節(jié)腸道中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝來(lái)影響宿主的生理狀態(tài)[52]。從前面的研究來(lái)看，藏族等高原土著人群與漢族等平原地區(qū)人群的膳食結(jié)構(gòu)不同，Xu等[53]報(bào)道發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺干預(yù)有助于改善高原環(huán)境下機(jī)體腸道菌群的失調(diào)，可在膳食中補(bǔ)充這種物質(zhì)。針對(duì)航海過(guò)程中新鮮果蔬供應(yīng)不足，可以通過(guò)保鮮技術(shù)或在膳食中增加維生素供給量，從而來(lái)避免因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)缺乏導(dǎo)致腸道微生態(tài)的紊亂。不同于一般膳食，航天飛行中的航天食品通常會(huì)添加低聚肽、抗氧化植物提取物、活性多糖等功能因子，能夠有效提高人體防疫酶系活性水平，增強(qiáng)機(jī)體免疫功能，降低輻射損傷，同時(shí)這些功能因子也能刺激腸道益生菌的增殖，有效改善菌群結(jié)構(gòu)[54]。但需要注意的是，膳食對(duì)于腸道菌群的影響具有兩面性，膳食纖維有益于腸道菌群，而蛋白質(zhì)會(huì)促進(jìn)有害副產(chǎn)物的積累等[55]。因此，通過(guò)膳食干預(yù)的方法不僅為特殊人群腸道微生物的調(diào)控和重構(gòu)提供了新的方向和思路，也為預(yù)防和治療特定的特殊環(huán)境疾病提供了可能性。差異化和個(gè)性化的精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)也是未來(lái)關(guān)于特殊人群膳食結(jié)構(gòu)的研究重點(diǎn)。

4.2 添加益生元或益生菌

研究證實(shí)，飲食調(diào)節(jié)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，短期的飲食改變并不能改變腸道菌群結(jié)構(gòu)[56]。最有效的方式就是攝入益生菌，益生菌同樣對(duì)人體安全無(wú)害，但相較單純的膳食能夠高效快速地調(diào)節(jié)腸道微生物，同時(shí)還具有促健康作用。益生菌主要包括乳酸菌和雙歧桿菌，是人體腸道微生物的重要組成部分，且具有一定的益生作用，攝入外源益生菌可以直接或間接地對(duì)宿主腸道微生物產(chǎn)生影響[57]。研究證實(shí)，外源益生菌的攝入不僅可以改變宿主腸道內(nèi)原有菌群的種類和結(jié)構(gòu)，而且會(huì)對(duì)SCFA代謝水平、總膽汁酸代謝水平、腸道內(nèi)礦物質(zhì)的吸收和腸道內(nèi)酶活力均產(chǎn)生顯著影響，主要是通過(guò)抑制有害菌定植，分泌酶、產(chǎn)生抗菌物質(zhì)和產(chǎn)酸、激素等多種途徑來(lái)調(diào)控腸道菌群和人體健康[58]。攝入益生菌的方式有兩種，一種是將益生菌添加到食品中；另一種則是直接口服微生態(tài)制劑。前者雖具有食品的屬性，但活性低，后者活性較高但沒(méi)有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。所以如何完美地將兩者整合、保持益生菌穩(wěn)定，并使益生菌達(dá)到足夠量是發(fā)揮其益生作用的關(guān)鍵。在前面的研究中，科研工作者利用深度宏基因組測(cè)序技術(shù)研究了益生菌對(duì)航天員[34]、船員[43]、潛水員[44]以及在高原環(huán)境[24]居住或工作等的特殊人群腸道菌群的調(diào)控作用，揭示了有助于改善這些特殊環(huán)境下作業(yè)適應(yīng)度的可能機(jī)制，為維護(hù)特殊環(huán)境下工作的人群中腸道微生態(tài)健康和緩解精神焦慮提供了一種有效解決方案，并為益生菌個(gè)性化選擇提供了新的視野。另外，益生元可以促進(jìn)益生菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用，并被代謝成乙酸鹽、丁酸鹽等短鏈脂肪酸，同時(shí)還能夠抑制有害菌的生長(zhǎng)[59]。下一步的工作就是將益生菌或益生元完美地添加到食品中，以供特殊人群需要時(shí)食用。

5 結(jié)論

極端的惡劣環(huán)境條件影響著特殊工作人群的健康，但我們對(duì)太空、航海、高原等特殊環(huán)境的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。不可否認(rèn)的是，特殊環(huán)境同樣對(duì)腸道菌群具有顯著的影響，這種改變是一個(gè)復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的過(guò)程。隨著特殊營(yíng)養(yǎng)學(xué)的發(fā)展以及腸道菌群與人體健康關(guān)系的深入認(rèn)知，特殊環(huán)境下的特殊人群逐漸成為研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。越來(lái)越多的研究證據(jù)表明特殊環(huán)境與腸道菌群兩者之間相互聯(lián)系，互相影響，通過(guò)調(diào)整腸道菌群來(lái)緩解惡劣環(huán)境對(duì)機(jī)體的損傷以及改善處于不利環(huán)境人群的營(yíng)養(yǎng)狀況，增加其在特殊環(huán)境習(xí)服適應(yīng)中的能力是一條值得深入研究的新途徑和新思路，同時(shí)對(duì)于腸道微生態(tài)健康也提供了一種有效的解決方案，最好的方式就是膳食調(diào)節(jié)，如當(dāng)下十分熱門的益生菌和益生元。就目前來(lái)看，雖然關(guān)于特殊環(huán)境對(duì)腸道菌群結(jié)構(gòu)和組成影響的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但僅僅只是一小部分，由于這些環(huán)境自身的復(fù)雜性、研究方法的局限性以及研究技術(shù)上的不足，導(dǎo)致具體的機(jī)制還不是十分清楚，并且這類的研究雖然每年都有報(bào)道但總體來(lái)說(shuō)也比較少，導(dǎo)致研究數(shù)據(jù)缺乏，加之我們對(duì)太空、高原等極端環(huán)境的認(rèn)知還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還有許多基礎(chǔ)的工作要去做。另外，相較于正常條件，營(yíng)養(yǎng)干預(yù)在特殊環(huán)境下是否仍繼續(xù)有效還存在著大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要去證明。相信隨著研究的繼續(xù)深入，未來(lái)對(duì)于特殊環(huán)境下的特殊人群腸道菌群-營(yíng)養(yǎng)干預(yù)-人體健康三者之間的關(guān)系會(huì)愈發(fā)明朗，如何通過(guò)飲食與營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié)和平衡腸道菌群是未來(lái)特殊營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究的重中之重，同時(shí)也為精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)提供了新的視野。