肠道微生物的群落结构和动态变化对人体健康至关重要。自由生活的健康人群的肠道微生物受其生活环境、饮食、年龄、性别和疾病状态等的影响。近两年一些特殊生活环境,如国际空间站、MARS500等实验表明在密闭空间中,人体肠道微生物亦会发生变化,但其与饮食及人体健康的关系尚不明确。生物再生生命支撑系统(Bioregenerative Life Support System,BLSS)是密闭的可循环生态系统,是探究密闭空间中饮食及人体健康与肠道微生物关系的理想系统。因此本研究利用BLSS,记录了其内生活的个体的饮食(饮食调查问卷)、生理表型(体重、身体指数、血压、心率、睡眠质量)、情绪变化(简明心境状态量表)等表型,按时间纵向采集其粪便样品,以探究BLSS中人体肠道微生物变化及其与宿主饮食和身心健康的关系。结果显示在BLSS内短期(60天)生活的个体,其生理表型较BLSS外自由生活无明显差异,均在正常医学范围。但在BLSS内女性的夜醒次数相对男性较少,且女性个体的负面情绪较高。对饮食中三大营养物质的分析发现BLSS内生活的个体对碳水的摄入明显增加,而脂肪摄入明显降低。对肠道微生物的研究发现:(1)宿主肠道微生物未出现明显的有害变化,且一些条件致病菌如Escherichia coli的相对丰度降低;(2)宿主个体特异性和性别差异对肠道微生物的影响在BLSS内外均很明显;(3)在BLSS中每位个体肠道微生物表现出较明显的趋同性;(4)BLSS内外一些肠道微生物物种和功能发生了显著变化,BLSS内碳水代谢相关菌上调,如Lachnospiraceae,而Faecalibacterium prausnitzii、Bifidobacterium longum和短链脂肪酸生成等益生物种和功能模块下降。通过对这些变化的物种与表型关联,我们阐述了饮食营养成分、能量摄入、宿主身心健康与肠道微生物结构和功能的关系。本研究中我们观察到宿主的肠道微生物在舱内外均呈现出明显的性别差异,同时舱内的情绪和睡眠也呈现出较明显的性别特异性,这激发了我们探究不同性别在不同生理和病理状态下的肠道微生物变化。女性作为特殊的群体,她们要经历绝经和更年期综合征,体内雌激素水平变化明显,而雌激素水平的变化受肠道微生物的调节。绝经前后女性体内雌激素骤降,是研究雌激素缺乏的天然模型,绝经后女性不仅出现焦虑、抑郁等情绪变化,而且骨质疏松、自身免疫性疾病、心血管系统疾病的患病几率增加,而这些疾病均与肠道微生物有关,因此我们假设绝经后女性的肠道微生物发生了变化。为此我们招募了48名绝经前(n=24)、后(n=24)女性,探究了其肠道微生物变化。结果显示绝经后女性肠道微生物数量和物种多样性均明显降低,且肠道微生物的相互作用关系和功能也发生改变。这提示我们恢复肠道微生物稳态、增加物种多样性或有助于改善绝经后女性身心健康。在BLSS中发现饮食成分对肠道微生物有显著的影著,而偏头痛不仅在高龄女性人群中高发,而且受宿主饮食的影响,此外还与炎症性肠病等肠道疾病呈正相关,故我们假设女性偏头痛患者可能存在肠道微生态紊乱。通过对英国双胞胎项目中偏头痛患者(n=54)及与之年龄、身体指数匹配的健康人群(n=54)的粪便样品分析发现,两组人群的肠道微生物显著不同。偏头痛患者肠道物种和功能多样性显著降低,且以Firmicutes、Clostridium富集,而F.prausnitzii、Bifidobacterium adolescentis、Methanobrevibacter smithii、Kynurenin降解和γ-氨基丁酸(GABA)合成显著低于正常组。这些结果说明肠道微生物可作为偏头痛的监测指标,为偏头痛患者提供了新的诊断和治疗策略。本研究中我们首先利用BLSS探究了其内短期生活对宿主健康及肠道微生物的影响,发现在BLSS中肠道微生物的结构和功能发生了显著变化,这种变化与宿主特定的饮食营养素和能量摄入有关。随后在BLSS实验结论的基础上我们探究了女性人群在不同生理(绝经)和病理(偏头痛)条件下的肠道微生物特征,发现在两种情况下肠道微生物的多样性均显著降低,益生功能的菌群下降而条件致病菌增加。这些结果表明肠道微生物可以作为不同空间和生理或病理条件下人体健康的监测指标,维持和恢复肠道稳态及多样性对保证人体健康具有重要意义。