Darmmikrobiom und Bioverfügbarkeit von Mikronährstoffen: Einfluss auf Resorption und Verwertung

Die Bioverfügbarkeit eines Mikronährstoffs beschreibt den Anteil der aufgenommenen Menge, der aus der Nahrung freigesetzt, im Gastrointestinaltrakt (Verdauungstrakt) resorbiert (aufgenommen) und dem Organismus für Stoffwechselprozesse oder Speicherung zur Verfügung gestellt werden kann. Neben Lebensmittelmatrix, chemischer Bindungsform, Verdauungsprozessen und individuellen Faktoren kann auch das Darmmikrobiom die Bioverfügbarkeit bestimmter Vitamine und Mineralstoffe beeinflussen [1, 2].

Die Darmmikrobiota (Gesamtheit der im Darm lebenden Mikroorganismen) kann Mikronährstoffe aus gebundenen Nahrungsbestandteilen freisetzen, das Milieu im Darmlumen verändern und bestimmte Vitamine selbst synthetisieren. Gleichzeitig benötigen Darmbakterien Mikronährstoffe für ihren eigenen Stoffwechsel und können dadurch deren lokale Verfügbarkeit für den Wirt beeinflussen. Die Nettoauswirkung hängt deshalb vom jeweiligen Mikronährstoff, vom Darmabschnitt, von der Nahrungszusammensetzung sowie von Zusammensetzung und Stoffwechselaktivität der Mikrobiota ab [1, 2].

Mechanismen der mikrobiellen Beeinflussung

Das Darmmikrobiom kann die Bioverfügbarkeit von Mikronährstoffen über mehrere miteinander verknüpfte Mechanismen beeinflussen:

1. Abbau resorptionshemmender Nahrungsbestandteile: Phytat (pflanzliche Speicherform von Phosphor) kann im Darmlumen Mineralstoffe wie Eisen, Zink, Calcium und Magnesium binden und mit ihnen schwer lösliche Komplexe bilden. Dadurch stehen diese Mineralstoffe schlechter für die intestinale Resorption zur Verfügung. Bestimmte Darmbakterien bilden Phytasen (Enzyme zum Abbau von Phytat), die solche Bindungen teilweise auflösen können. Auf diese Weise können zuvor gebundene Mineralstoffe freigesetzt und ihre potentielle Bioverfügbarkeit erhöht werden [1, 2].
2. Fermentation nicht verdaulicher Kohlenhydrate: Fermentierbare Ballaststoffe gelangen teilweise unverdaut in den Dickdarm und werden dort von Darmbakterien abgebaut. Dabei entstehen unter anderem kurzkettige Fettsäuren, die das chemische Milieu im Darmlumen verändern. Dies kann insbesondere die Löslichkeit von Calcium und Magnesium erhöhen und damit deren Aufnahme über die Dickdarmschleimhaut begünstigen [3].
3. Mikrobielle Vitaminsynthese: Zahlreiche Darmbakterien verfügen über Stoffwechselwege zur Bildung von B-Vitaminen und Vitamin K. Dadurch entsteht im Darm grundsätzlich eine zusätzliche Quelle dieser Vitamine. Allerdings wird ein Teil von den Mikroorganismen selbst verbraucht oder steht aufgrund des Bildungs- und Resorptionsortes dem menschlichen Organismus nur eingeschränkt zur Verfügung. Wie stark die mikrobielle Vitaminsynthese tatsächlich zur systemischen Versorgung beiträgt, ist daher vitaminabhängig und vielfach noch nicht ausreichend quantifiziert [5, 6].
4. Mikrobieller Eigenbedarf: Darmbakterien benötigen selbst Vitamine und Spurenelemente für Wachstum und Stoffwechsel. Sie können diese Stoffe aus dem Darmlumen aufnehmen und innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft weitergeben. Damit kann das Mikrobiom die Verfügbarkeit von Mikronährstoffen nicht nur erhöhen, sondern auch vermindern, wenn Mikroorganismen mit dem Wirt um dieselben Substrate konkurrieren. Die Nettoauswirkung auf den Mikronährstoffstatus des Menschen ist jedoch nur teilweise geklärt [2, 5].
5. Beeinflussung des Darmepithels: Eine regelrechte Mikronährstoffresorption setzt eine funktionell intakte Darmschleimhaut voraus. Darmmikrobiota und ihre Stoffwechselprodukte beeinflussen Struktur und Funktion des Darmepithels sowie die Integrität der epithelialen Barriere. Dadurch können sie indirekt die Bedingungen verbessern oder verschlechtern, unter denen Mikronährstoffe aus dem Darmlumen aufgenommen werden [2].

Freisetzung von Mineralstoffen aus der Nahrungsmatrix

Ein Ansatzpunkt mikrobieller Stoffwechselaktivität ist der Abbau von Substanzen, die Mineralstoffe im Darmlumen binden. Besonders relevant ist Phytat, das mit Mineralstoffionen schwerlösliche Komplexe bildet und dadurch insbesondere die Bioverfügbarkeit von Eisen und Zink sowie teilweise von Calcium und Magnesium vermindern kann [1, 2].

Einzelne Darmbakterien besitzen Phytasen (Enzyme zum Abbau von Phytat) und andere enzymatische Systeme, die solche resorptionshemmenden Verbindungen abbauen können. Dadurch können gebundene Mineralstoffe grundsätzlich in besser lösliche Formen überführt werden [1, 2]. Die Anwesenheit entsprechender mikrobieller Funktionen bedeutet jedoch nicht automatisch eine klinisch relevante Steigerung der Mineralstoffaufnahme.

Von besonderer Bedeutung ist der Ort des mikrobiellen Abbaus. Eisen und Zink werden überwiegend im Dünndarm resorbiert. Erfolgt die mikrobielle Freisetzung eines gebundenen Mineralstoffs dagegen erst weiter distal im Kolon (Dickdarm), kann der resorptionsfördernde Effekt begrenzt sein. Aus dem Nachweis phytatabbauender Bakterien lässt sich deshalb nicht unmittelbar auf eine verbesserte systemische Eisen- oder Zinkversorgung schließen [1, 2].

Fermentation und Resorption von Calcium und Magnesium

Nicht oder nur unvollständig im Dünndarm verdaute Kohlenhydrate gelangen in den Dickdarm und können dort von Darmbakterien fermentiert werden. Dabei entstehen unter anderem kurzkettige Fettsäuren wie Acetat, Propionat und Butyrat. Die Fermentation verändert das chemische Milieu des Darminhalts und kann dadurch die Löslichkeit und Aufnahme von Mineralstoffen beeinflussen [3].

Besonders relevant ist dieser Mechanismus für Calcium und Magnesium. Neben dem Dünndarm besitzt auch das Kolon eine relevante Kapazität zur Aufnahme beider Mineralstoffe. Eine verstärkte mikrobielle Fermentation kann die Bedingungen für ihre kolische Resorption verbessern. Experimentelle und humane Befunde stützen einen entsprechenden Beitrag des Dickdarms zur Mineralstoffaufnahme [3].

Diese Mechanismen erklären, weshalb bestimmte Präbiotika (Substrate, die gezielt von Mikroorganismen genutzt werden und dadurch einen gesundheitlichen Nutzen vermitteln) bzw. fermentierbare Ballaststoffe die Calcium- oder Magnesiumaufnahme fördern können. Ein solcher Effekt ist jedoch nicht für alle Ballaststoffe gleichermaßen belegt und hängt unter anderem von Art und Menge des Substrats, der Ausgangsernährung und der individuellen Mikrobiota ab [3].

Eisen: komplexes Zusammenspiel von Freisetzung, Resorption und Mikrobiota

Für Eisen ist der Einfluss des Darmmikrobioms komplexer. Einerseits können mikrobielle Prozesse resorptionshemmende Substanzen abbauen und dadurch die Löslichkeit von Eisen erhöhen. Andererseits benötigen Mikroorganismen Eisen selbst für zahlreiche Stoffwechselvorgänge, sodass auch eine Konkurrenz um verfügbares Eisen entstehen kann [1, 2].

Ein systematischer Review zu unterschiedlichen Ballaststoffen einschließlich Fructooligosacchariden, Galactooligosacchariden und Inulin zeigte insgesamt keine konsistenten Zusammenhänge mit der Eisenabsorption oder mit Biomarkern des Eisenstatus. Die Autoren betonten allerdings, dass die verfügbare Evidenz nicht ausreicht, einen möglichen Nutzen bestimmter Ballaststoffe auszuschließen [4].

Eine neuere systematische Übersichtsarbeit mit Metaanalyse untersuchte gezielt Prä- und Probiotika. Bei Frauen im reproduktiven Alter ergaben sich Hinweise auf eine geringfügig verbesserte fraktionelle Eisenabsorption (Anteil des aufgenommenen Eisens, der tatsächlich resorbiert wird) sowie einen moderaten Anstieg der Ferritinkonzentration (Ferritin = Speicherform von Eisen). Die Evidenzsicherheit war jedoch niedrig bzw. moderat, und für die Hämoglobinkonzentration zeigte sich kein eindeutiger Nutzen. Bei Kindern wurden keine signifikanten Verbesserungen von Eisenabsorption, Ferritin oder Hämoglobin nachgewiesen [7].

Damit lässt sich derzeit kein allgemeiner mikrobiombezogener Ansatz zur Verbesserung der Eisenversorgung empfehlen. Mögliche Effekte sind vielmehr interventions-, populations- und wahrscheinlich auch mikroorganismenspezifisch [4, 7].

Mikrobielle Synthese von B-Vitaminen und Vitamin K

Eine wichtige metabolische Funktion der Darmmikrobiota ist die de-novo-Synthese (Neubildung) verschiedener Vitamine. Genomische und metagenomische Untersuchungen (Untersuchungen des gesamten genetischen Materials mikrobieller Gemeinschaften) zeigen, dass zahlreiche Darmbakterien Biosynthesewege für Vitamin K, insbesondere Menachinone (Vitamin-K2-Verbindungen), sowie für mehrere B-Vitamine besitzen. Dazu gehören unter anderem Vitamin B1, B2, B3, B5, B6, Biotin, Folsäure und Cobalamin (Vitamin B12) [5, 6].

Das Vorhandensein mikrobieller Biosynthesewege darf jedoch nicht mit einer quantitativ relevanten Versorgung des Menschen gleichgesetzt werden. Mikrobiell synthetisierte Vitamine können von den produzierenden Bakterien selbst genutzt, von anderen Mikroorganismen aufgenommen und zwischen unterschiedlichen Mitgliedern der mikrobiellen Gemeinschaft ausgetauscht werden. Nur ein Teil steht potentiell für eine Aufnahme durch den menschlichen Organismus zur Verfügung [5].

Für die meisten mikrobiell produzierten Vitamine ist deshalb bislang nicht ausreichend quantifiziert, welchen Anteil sie unter physiologischen Bedingungen an der täglichen Versorgung des Menschen haben. Die mikrobielle Vitaminsynthese ist somit als potentieller Einflussfaktor des Vitaminhaushalts zu verstehen, nicht als verlässlich kalkulierbare Bedarfsdeckung [5].

Vitamin B12 als Beispiel für die Grenzen mikrobieller Vitaminsynthese

Vitamin B12 verdeutlicht besonders gut, weshalb bakterielle Synthesefähigkeit nicht mit Bioverfügbarkeit gleichgesetzt werden darf. Zahlreiche Darmbakterien können Cobalamine bzw. verwandte Corrinoide (Vitamin-B12-ähnliche Verbindungen) bilden. Nicht alle dieser Verbindungen besitzen jedoch für den Menschen eine biologische Vitamin-B12-Aktivität [5].

Hinzu kommt die räumliche Trennung zwischen bakterieller Produktion und physiologischer Resorption. Die für den Menschen entscheidende, vom Intrinsic Factor (Transportprotein für Vitamin B12) abhängige Aufnahme von Vitamin B12 erfolgt im terminalen Ileum (letzter Abschnitt des Dünndarms), während die höchste mikrobielle Dichte und ein erheblicher Teil der bakteriellen Vitaminproduktion im Kolon liegen. Die Darmmikrobiota kann daher nicht als verlässliche Quelle zur Deckung des menschlichen Vitamin-B12-Bedarfs angesehen werden [5].

Mikrobieller Eigenverbrauch und Stoffaustausch

Die Wechselwirkung zwischen Mikronährstoffen und Darmmikrobiota ist bidirektional (in beide Richtungen wirkend). Mikroorganismen benötigen selbst zahlreiche Vitamine, Mineralstoffe und Spurenelemente. Innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft existieren sowohl Bakterien, die bestimmte Vitamine synthetisieren können, als auch solche, die auf deren Aufnahme aus ihrer Umgebung angewiesen sind [2, 5].

Dadurch entstehen komplexe mikrobielle Stoffwechselnetzwerke, in denen Vitamine und ihre Vorstufen zwischen verschiedenen Mikroorganismen ausgetauscht werden können. Die Konzentration eines Vitamins im Darmlumen ergibt sich somit nicht allein aus der bakteriellen Produktion, sondern aus dem Verhältnis von Synthese, Verbrauch, mikrobiellem Austausch, Nahrungszufuhr und Resorption durch den Wirt [5].

Auch bei Spurenelementen wie Eisen und Zink können Darmbakterien mit dem Wirt um verfügbare Mengen konkurrieren. Die quantitative Bedeutung dieser Konkurrenz für den Mikronährstoffstatus eines gesunden Menschen ist jedoch bislang nur unvollständig geklärt [2].

Darmbarriere als indirekter Einflussfaktor

Eine regelrechte intestinale Resorption setzt ein funktionell intaktes Darmepithel (Zellschicht der Darmschleimhaut) voraus. Darmmikrobiota und Darmschleimhaut stehen dabei in einem kontinuierlichen Austausch. Mikrobielle Stoffwechselprodukte beeinflussen unter anderem Integrität und Funktion der epithelialen Barriere und damit indirekt auch die Voraussetzungen für eine regelrechte Aufnahme von Mikronährstoffen [2].

Diese Zusammenhänge bedeuten jedoch nicht, dass jede Veränderung der mikrobiellen Zusammensetzung zwangsläufig zu einer klinisch relevanten Mikronährstoffmalabsorption (unzureichende Aufnahme von Mikronährstoffen aus dem Darm) führt. Bei nachgewiesenem Mikronährstoffmangel müssen primär etablierte Ursachen wie unzureichende Zufuhr, gastrointestinale Erkrankungen, Arzneimittelwirkungen, erhöhte Verluste oder ein gesteigerter Bedarf berücksichtigt werden.

Interindividuelle Unterschiede

Zusammensetzung und funktionelles Potential des Darmmikrobioms unterscheiden sich erheblich zwischen einzelnen Menschen. Eine große metagenomische Untersuchung von etwa 8.000 menschlichen Darmmikrobiomen zeigte deutliche Unterschiede in der Verteilung mikrobieller Biosynthesewege für verschiedene Vitamine, unter anderem in Abhängigkeit von Alter und geografischer Herkunft [6].

Zusätzlich können Ernährung, Medikamente, Erkrankungen und weitere Umweltfaktoren Zusammensetzung und Stoffwechselaktivität der Darmmikrobiota verändern. Ein mikrobieller Einfluss auf die Mikronährstoffbioverfügbarkeit ist daher grundsätzlich mikronährstoff-, substrat-, mikroorganismen- und wirtsabhängig [1, 2, 5, 6].

Klinische Einordnung

Das Darmmikrobiom ist als modifizierender Faktor der Mikronährstoffbioverfügbarkeit anzusehen. Die derzeit am besten begründeten Zusammenhänge betreffen die bakterielle Fermentation fermentierbarer Kohlenhydrate mit Auswirkungen auf die kolische Calcium- und Magnesiumresorption sowie die mikrobielle Synthese von B-Vitaminen und Vitamin K [3, 5].

Für Eisen, Zink und weitere Spurenelemente ist die Nettoauswirkung schwieriger vorherzusagen. Mikrobielle Prozesse können resorptionshemmende Verbindungen abbauen, gleichzeitig benötigen die Mikroorganismen diese Spurenelemente selbst. Zudem findet die wesentliche Resorption von Eisen und Zink bereits im Dünndarm statt [1, 2].

Auch präbiotische oder probiotische Interventionen (Anwendung lebender Mikroorganismen mit definiertem gesundheitlichem Nutzen) können die Mikronährstoffverfügbarkeit unter bestimmten Bedingungen beeinflussen. Für die Eisenversorgung zeigen aktuelle Metaanalysedaten jedoch heterogene und populationsabhängige Effekte bei begrenzter Evidenzsicherheit [7]. Eine allgemeine Empfehlung für Prä- oder Probiotika allein mit dem Ziel, die Bioverfügbarkeit von Mikronährstoffen zu erhöhen, lässt sich daraus derzeit nicht ableiten.

Von besonderer klinischer Bedeutung ist zudem die Abgrenzung gegenüber kommerziellen Mikrobiom- bzw. Stuhlanalysen. Eine internationale Konsensusstellungnahme zur klinischen Mikrobiomdiagnostik weist darauf hin, dass die Evidenz für die breite klinische Anwendung solcher Tests derzeit begrenzt ist und für viele kommerziell angebotene Untersuchungen kein nachgewiesener klinischer Nutzen besteht [8]. Aus einem individuellen Stuhl-Mikrobiomprofil lässt sich daher gegenwärtig nicht zuverlässig ableiten, ob die Bioverfügbarkeit eines bestimmten Vitamins oder Mineralstoffs vermindert oder erhöht ist.

Für die klinische Beurteilung einer möglichen Mikronährstoffunterversorgung bleiben deshalb Ernährungsanamnese, bestehende Erkrankungen, Arzneimittelanamnese, geeignete Laborparameter und gegebenenfalls die gezielte Diagnostik etablierter Resorptionsstörungen entscheidend.

Fazit

Das Darmmikrobiom kann die Bioverfügbarkeit von Mikronährstoffen auf mehreren Ebenen beeinflussen: durch den Abbau resorptionshemmender Nahrungsbestandteile, die mikrobielle Fermentation, die Synthese bestimmter Vitamine, den Eigenverbrauch von Mikronährstoffen sowie indirekt über die Funktion der Darmschleimhaut.

Die klinische Relevanz unterscheidet sich jedoch deutlich zwischen den einzelnen Mikronährstoffen. Für Calcium und Magnesium besteht eine vergleichsweise gut begründete Verbindung zwischen mikrobieller Fermentation und intestinaler Resorption. Die bakterielle Synthese verschiedener B-Vitamine und von Vitamin K ist ebenfalls gut belegt, ihr quantitativer Beitrag zur systemischen Versorgung des Menschen jedoch vielfach noch nicht ausreichend bestimmt. Für Eisen, Zink und weitere Spurenelemente ergibt sich ein komplexes Zusammenspiel aus Freisetzung, Resorption und mikrobiellem Eigenbedarf.

Das Darmmikrobiom ist damit ein relevanter Bestandteil der Regulation der Mikronährstoffbioverfügbarkeit, darf jedoch nicht isoliert betrachtet werden. Aus mikrobiellen Zusammensetzungsmustern allein lassen sich derzeit weder individuelle Mikronährstoffdefizite noch konkrete therapeutische Maßnahmen zuverlässig ableiten.

Literatur

1. Barone M, D'Amico F, Brigidi P, Turroni S: Gut microbiome-micronutrient interaction: The key to controlling the bioavailability of minerals and vitamins? Biofactors. 2022;48(2):307-314. doi: 10.1002/biof.1835.
2. Dje Kouadio DK, Wieringa F, Greffeuille V, Humblot C: Bacteria from the gut influence the host micronutrient status. Crit Rev Food Sci Nutr. 2024;64(29):10714-10729. doi: 10.1080/10408398.2023.2227888.
3. Stumpff F, Manneck D: Prebiotics as modulators of colonic calcium and magnesium uptake. Acta Physiol (Oxf). 2025;241(2):e14262. doi: 10.1111/apha.14262.
4. Verediano TA, Agarwal N, Gomes MJC, Martino HSD, Tako E: Effects of dietary fiber on intestinal iron absorption, and physiological status: a systematic review of in vivo and clinical studies. Crit Rev Food Sci Nutr. 2023;63(27):9017-9032. doi: 10.1080/10408398.2022.2060933.
5. Tarracchini C, Lordan C, Milani C et al.: Vitamin biosynthesis in the gut: interplay between mammalian host and its resident microbiota. Microbiol Mol Biol Rev. 2025;89(2):e0018423. doi: 10.1128/mmbr.00184-23.
6. Tarracchini C, Lugli GA, Mancabelli L et al.: Exploring the vitamin biosynthesis landscape of the human gut microbiota. mSystems. 2024;9(10):e00929-24. doi: 10.1128/msystems.00929-24.
7. Apte A, Parge A, Nimkar R, Sinha A: Effect of probiotic and prebiotics supplementation on hemoglobin levels and iron absorption among women of reproductive age and children: a systematic review and meta-analysis. BMC Nutr. 2025;11(1):31. doi: 10.1186/s40795-025-01015-3.
8. Porcari S, Mullish BH, Asnicar F et al.: International consensus statement on microbiome testing in clinical practice. Lancet Gastroenterol Hepatol. 2025;10(2):154-167. doi: 10.1016/S2468-1253(24)00311-X.