Die Diversität beschreibt den Artenreichtum des Darm-Mikrobioms. Mit anderen Worten: Je mehr unterschiedliche Bakterienarten sich im Darm befinden, desto mehr Funktionen können erfüllt werden, die eine positive Auswirkung auf unseren Körper haben. In einem gesunden Darm befinden sich etwa 500 Bakterienarten. Diese Bakterienvielfalt kann von vielen Faktoren, wie zum Beispiel Ernährung, Medikamente (z. B. Antibiotika-Einnahmen), Stress, Rauchen, Alkohol, Alter, aber auch durch Infektionen beeinflusst werden. Studien belegen, dass zahlreiche Erkrankungen (wie z. B. Reizdarmsyndrom, Adipositas, Diabetes, neurodegenerative Erkrankungen etc.) mit einer verminderten Diversität einhergehen [10].

Firmicutes und Bacteroidetes machen 90 % des menschlichen Darm-Mikrobioms aus und sind damit die am häufigsten vorkommenden Bakteriengruppen im Darm. Ihr Verhältnis hat Einfluss auf die Verwertung der aufgenommenen Nahrung. Firmicutes sind effiziente Nahrungsverwerter. Sie können bis zu 10 % mehr Energie aus der Nahrung herausziehen, was evolutionär betrachtet in der Steinzeit von großer Bedeutung war. Ballaststoffe, die keine Kalorien liefern und unser Körper ausscheidet, werden von Firmicutes in kurzkettige Kohlenhydrate (also Zucker) umgewandelt, die als zusätzliche Energielieferanten dienen. In der Steinzeit war dies wichtig, denn so stand dem Körper in Notzeiten mehr Energie zur Verfügung. Heute, wo für die meisten Menschen Nahrung im Überfluss vorhanden ist, kann durch die zusätzlich bereitgestellte Energie der Firmicutes-Bakterien der tägliche Kalorienbedarf überschritten werden, was eine Gewichtszunahme bzw. Übergewicht begünstigt oder weiter fördert. Insbesondere westlich geprägte Speisen mit einem hohen Anteil an Zucker und Fett fördern die Vermehrung von Firmicutes und senken die Bacteroidetes. Ein erhöhter Anteil an Firmicutes-Bakterien wird vor allem bei übergewichtigen Menschen sowie bei Reizdarmpatienten beobachtet [14]. Firmicutes sind deshalb aber nicht gleich „böse“, immerhin leisten sie einen wertvollen Beitrag in unserem Darm. Vielmehr benötigen wir die richtige Balance an Firmicutes- und Bacteroidetes-Bakterien [15]. Bacteroidetes verkapseln nicht benötige Kohlenhydrate direkt im Darm, sodass der Überschuss mit dem Stuhl abtransportiert werden kann. Das bedeutet, dass Firmicutes dem Körper zwar zusätzlich Energie in Form von Zucker zur Verfügung stellen können, welche Menschen mit einem höheren Anteil an Bacteroidetes jedoch nicht aufnehmen, sondern ausscheiden können. Das Verhältnis von Firmicutes und Bacteroidetes hat daher Einfluss auf die Kalorienverwertung.

Die häufigsten Vertreter der Bacteroidetes-Bakterien sind Bacteroides und Prevotella. Sie erreichen Anteile von über 40 % des gesamten intestinalen Mikrobioms. Entsprechend der Ernährungsweise des Menschen kann das Vorkommen von Bacteroides und Prevotella im Darm variieren. Bacteroides dominieren in einer protein- und fettreichen westlichen Ernährung, während Prevotella in einer ballaststoffreichen, pflanzlichen Ernährung häufiger vorkommen. Die unterschiedliche Verteilung dieser Bakterien im Darm erlaubt es der Medizin, den Menschen einem von drei Enterotypen zuzuordnen und mehr Informationen über die Ernährungsgewohnheiten zu erhalten [13], [21], [22].

Zu den Firmicutes zählen nicht nur die wichtigen Laktobazillen (siehe immunmodulierende Bakterien), sondern auch wertvolle butyratbildende Bakterien. Wie in allen großen übergeordneten Gruppen findet man jedoch auch bei den Firmicutes einige nicht wünschenswerte Vertreter, wie z. B. Clostridioides difficile (siehe Clostridien), die sich speziell während Antibiotikaeinnahmen stark vermehren und Probleme bereiten können [25].

Bakterien bilden durch die Verstoffwechselung von Ballaststoffen und Kohlenhydraten kurzkettige Fettsäuren im Darm. Dazu gehören u. a. Ameisensäure, Essigsäure (Acetat), Propionsäure (Propionat) und die für uns Menschen vermutlich wichtigste Fettsäure: die Buttersäure (Butyrat). Butyrat steht derzeit im Fokus zahlreicher wissenschaftlicher Studien − besonders aufgrund seiner nachweislich entzündungshemmenden und immunmodulierenden Eigenschaften. Butyrat schützt zudem vor Zellentartungen, daher wird ein präventiver, also schützender Effekt gegen die Entstehung von Darmkrebs diskutiert und als wahrscheinlich angesehen [26]–[28]. Butyrat dient als Haupt-Energielieferant. Durch das von den Darmbakterien gebildete Butyrat werden neben den Epithelzellen des Darms auch die Mikrogliazellen im Gehirn mit Energie versorgt. Daher gilt die Buttersäure als zentraler Bestandteil der Darm-Hirn-Achse. Im Gehirn fungieren Mikrogliazellen als sogenannte „Fresszellen“. Sie verstoffwechseln abgestorbene Zellen und selbst toxische Partikel, welche die Blut-Hirn-Schranke überwinden konnten. Wurde von den Bakterien im Darm ausreichend Butyrat produziert, sind die Mikrogliazellen aktiver und schützen so das Gehirn vor negativen toxischen Einflüssen. Butyrat ist unabdingbar für das Funktionieren des Gehirns. Bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson und auch bei schweren COVID-19-Verläufen konnte man bei den Betroffenen durchgehend eine Reduktion von Butyrat-produzierenden Bakterien feststellen [29]–[32]. Ohne Butyrat funktioniert auch der Darm weniger gut und die Darmbarriere wird durchlässiger. Darüber hinaus reguliert Butyrat wichtige Immunfunktionen und beeinflusst Stoffwechselprozesse in der Leber. Die Butyratbildung im Darm erfolgt vor allem durch anaerobe (ohne Sauerstoff lebende) Bakterien, welche speziell im Dickdarm leben: Eubacterium rectale, Eubacterium hallii, Roseburia, Ruminokokken, Coprokokken, Butyrivibrio. Der stärkste Butyratbildner ist jedoch Faecalibacterium prausnitzii, das bei gesunden Menschen in hoher Prozentzahl nachweisbar ist. Da Butyrat selbst sehr rasch über die Darmschleimhaut aufgenommen wird, gelingt es nur durch die quantitative Untersuchung (= die Menge) der Butyratbildenden Bakterien, wertvolle Rückschlüsse auf die Potenz zur Butyrat Bildung zu ziehen [15], [27].

Innerhalb der Gattung der Clostridien befinden sich sowohl pathogene Keime (Krankheitserreger) als auch nützliche Arten, die Teil des natürlichen Darm-Mikrobioms sind. Einige Clostridien verstoffwechseln Eiweiß und Aminosäuren (proteolytische Arten). Andere Clostridien Arten wandeln Kohlenhydrate und Ballaststoffe (saccharolytische Arten) in für den Körper wichtige Stoffwechselprodukte (z. B. kurzkettige Fettsäuren) um [47].

Fusobakterien beziehen ihre Energie aus der Umwandlung von Kohlenhydraten und Aminosäuren. Vertreter dieser Gattung sind vor allem in unserer Mund- und Darmflora beheimatet und kommen sowohl als natürliche (= kommensale) als auch krankmachende (= pathogene) Bewohner vor [63]. Potentiell pathogene Vertreter sind vor allem Fusobacterium nucleatum und Fusobacterium necrophorum, welche mit Infektionen und Zellveränderungen im Darm sowie mit Parodontitis in der Mundhöhle in Verbindung gebracht werden. Ein vermehrtes Vorkommen von Fusobacterium nucleatum steht außerdem im Verdacht, die Entstehung von Dickdarmkrebs (CRC) zu fördern [64]–[67].

Der Stamm der Proteobakterien beschreibt eine der größten und unterschiedlichsten Gruppen von Bakterien. Da Proteobakterien in einer Vielzahl von Strukturen und Formen erscheinen können, hat man sie nach dem griechischen Gott Proteus benannt, der ebenso in der Lage war, seine äußere Form nach Belieben zu verändern. Zu den Proteobakterien zählen viele Krankheitserreger, wie Shigellen, Salmonellen oder verschiedene Pseudomonaden, aber auch Escherichia coli und andere Enterobakterien. Proteobakterien verwerten vor allem Eiweiß und vermehren sich daher bei eiweißreicher Ernährung. Durch den Abbau von Aminosäuren (Bausteine von Eiweiß) bilden sie Sulfide, Phenolverbindungen und Amine, die entzündungsfördernd oder dadurch sogar Vorläufer gewebeverändernder Prozesse sein können. Daher sollten Bakterien dieses Stammes nur in geringer Konzentration im menschlichen Darm vorhanden sein, jedoch findet man sie speziell bei Patienten mit chronisch entzündlichen Darmerkrankungen wesentlich häufiger [68], [69].

Als Pathogene bezeichnet man Erreger, die Krankheiten hervorrufen können. Unter den Proteobakterien findet man viele pathogene (= krankmachende) Erreger. Potentiell pathogene Bakterien sind in geringer Anzahl ebenfalls Teil des Mikrobioms, werden jedoch von guten kommensalen Bakterien im Darm in Schach gehalten, wodurch sie für gewöhnlich keinen Schaden anrichten können. Falsche Ernährung, Dauerstress, Schlaf- und Bewegungsmangel, Antibiotikaeinnahmen usw. führen jedoch zu Entzündungen im Darm - dadurch zu einer Reduktion der guten Bakterien und zu einer Veränderung des Darmmilieus. Davon profitieren oft die potentiell pathogenen Keime. Sie sind sehr widerstandsfähig und können sich dann effizienter vermehren, wodurch ein Ungleichgewicht (= Dysbiose) des Darm-Mikrobioms und Verdauungsbeschwerden entstehen [68], [69]. Potentiell pathogene Keime erhöhen zudem den pH-Wert im Darm, führen zu einer Reizung der Darmschleimhaut und zu einer Daueraktivierung des Immunsystems, wodurch sie das Milieu (= Lebensraum) für gesundheitsfördernde Bakterien zerstören. Studien zeigen, dass die Ursache von entzündlichen Veränderungen im Magen und im Dünndarm (vor allem beim Reizdarmsyndrom und bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen) häufig in einer Vermehrung von potentiell pathogenen Bakterien und einer verminderten Anzahl an Butyratbildenden Bakterien zu suchen ist [69], [71], [72]. Ein weiterer Grund, die Zahl an potentiell krankmachenden Keimen so gering wie möglich zu halten ist ihre Fähigkeit, Resistenzen gegen Antibiotika zu bilden [58]. Die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen ist bei Bakterien deshalb so problematisch, da nur antibiotika-empfindliche Bakterien durch ein Antibiotikum abgetötet werden können – die resistenten jedoch überleben, vermehren sich weiter und sorgen dadurch für eine erhöhte Anzahl an Todesfällen bei Erkrankungen, die die Medizin eigentlich schon sehr gut im Griff hatte. Antibiotika¬resistente Erreger treten oft gerade dort auf, wo viele Antibiotika eingesetzt werden, etwa in Krankenhäusern oder Pflegeeinrichtungen für ältere Menschen.

Der Darm ist das größte Immunorgan und umfasst 70% aller Immunzellen des menschlichen Körpers. Durch ständigen Kontakt immunmodulierender Darmbakterien mit den Immunzellen im Darm wird das Immunsystem im Darm (darm-assoziiertes Immunsystem) auf hohem Aktivitätsniveau gehalten. Bei einem Mangel an immunmodulierenden Darmbakterien unterbleibt diese Wirkung und die Abwehrbereitschaft des darm-assoziierten Immunsystems kann sinken [75].

Unsere Darmzellen (= Epithelzellen) sollten von einer dicken Schicht Schleim (= Muzinschicht) bedeckt sein. Diese dient unserem Darm als Schutzschild vor Schädigung und direktem Kontakt mit Erregern, Schadstoffen oder Allergenen. Verantwortlich für die Schleimproduktion sind die Becherzellen, die zwischen den Darmzellen (= Epithelzellen) liegen. Wird zu wenig Schleim (= Mucus) produziert, können Bakterien oder auch toxische Substanzen an das Darmepithel gelangen und dieses schädigen [80]. Dadurch kann das Darmepithel durchlässig werden. Gesundheitsschädigende Substanzen können somit in die Blutbahn gelangen und so ihren Weg in unseren Körper bis hin zu peripheren Bereichen finden. Man spricht von einer erhöhten Darmpermeabilität oder von einem löchrigen Darm („Leaky Gut“) [73], [74]. Daher ist eine intakte Darmbarriere essentiell für unsere Gesundheit [99].

Histamin ist ein Naturstoff, der im menschlichen, tierischen, pflanzlichen und bakteriellen Organismus vorkommt. Beim Menschen und bei anderen Säugetieren spielt Histamin eine zentrale Rolle im Immunsystem zur Abwehr von Feinden und bei allergischen Reaktionen. Mastzellen und auch Nervenzellen haben viel Histamin gespeichert, wo es als Entzündungsmediator und Botenstoff fungiert [108]. Histaminbildende Bakterien sind in der Lage, Histidin in Histamin umzuwandeln. Eine erhöhte Konzentration an Histaminbildenden Bakterien im Darm, wie u. a. Morganella morganii, Klebsiella pneumoniae oder Hafnia alvei, kann somit Ursache einer erhöhten Histamin-Konzentration im Stuhl sein und damit zu Symptomen im Sinne einer Histaminintoleranz, wie Kopfschmerzen, Schwindel, Blähungen, Verdauungsstörungen, Herzrasen, Erschöpfung, Müdigkeit oder zu Ausschlägen führen [109], [110].

Sulfatreduzierende Bakterien gehören zu den Proteobakterien und bilden als Stoffwechselprodukt Schwefelwasserstoff (H2S). Schwefelwasserstoff ist für das Darmepithel toxisch und kann in Folge eine chronische Entzündung im Darm auslösen [112]. Zudem fördert Schwefelwasserstoff in höherer Konzentration die Zellentartung und damit die Entstehung von Dickdarmkrebs [113], [114]. Häufig zeigt sich eine Korrelation mit einer Verminderung von F. prausnitzii (dem wichtigsten entzündungshemmenden Bakterienstamm) [115]. Zu den sulfatreduzierenden Bakterien zählen Desulfomonas pigra, Desulfovibrio piger, Bilophila wadsworthii und einige schwefelwasserstoff-produzierende Clostridien.

Methanogene sind methanbildende Mikroorganismen, genauer gesagt Archaeen (keine Bakterien), die in ihrem Stoffwechsel Methan bilden. Dieser Prozess wird auch als „Methanogenese“ bezeichnet, bei dem Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff zu Methan umgewandelt werden. Die dabei freiwerdende Energie nutzen die Methanogene als Energiequelle. Methan ist eine gasförmige Verbindung, die sich als Blähung im Bauch bemerkbar macht und als Darmwind (= Flatus) über den Darmtrakt ausgeschieden wird [117]. Die mit Abstand häufigste Bakteriengattung, die bei uns im Darm, in der Mundhöhle und in der Vagina vorkommt, ist die Methanobrevibacter-Art.