Дипломная работа: Исследование роста микромицетов на различных источниках углеродного питания
Крахмал нерастворим в воде. Лишь грибы, образующие амилазу, обладают способностью усваивать крахмал. Существует немало грибов, неспособных развиваться на средах с крахмалом, однако большинство из них может усваивать этот полисахарид. Волконский (1934) установил, что 26 различных изученных им видов и штаммов оомицетов из числа сапролегниевых усваивали как крахмал, так и продукты его гидролиза (декстрины, мальтозу и глюкозу), но не были способны ассимилировать 13 других источников углерода, включая сюда и фруктозу. Позднее Марголин (1942) показал, что 19 из 21 вида грибов, усваивающих мальтозу, обладали также способностью использовать и декстрин (Лилли, 1957).
1.2.3 Разложение гемицеллюлоз
Гемицеллюлозы – полисахариды, сахара и уроновые кислоты – присутствуют во всех растительных тканях. Ксилан, относящийся к гемицеллюлозам, – полимер ксилозы, занимает по количеству в растениях второе место после целлюлозы. В древесине хвойных его 12%, лиственных деревьев – до 25%.
Разложение гемицеллюлоз – процесс неспецифический и осуществляется многими микроорганизмами. Большое место в этом процессе занимают грибы, в частности фермент ксиланаза есть у многих грибов, как микромицетов, так и высших базидиальных грибов, многие из которых являются типичными сапротрофами на растительном опаде (Мирчинк, 1988).
1.2.4 Разложение пектиновых веществ
Среди грибов имеются активные разлагатели пектина, который также является существенным компонентом растительного опада. Пектин образует в растениях межклеточное вещество, из которого состоят так называемые срединные пластинки, соединяющие между собой отдельные клетки растения. Они придают тканям прочность. Пектин представляет собой высокомолекулярное соединение углеводной природы – полисахарид, в котором метоксилированные остатки галактуроновой кислоты связаны между собой β-1,4-глюкозидными связями.
В растениях пектиновые вещества присутствуют в виде нерастворимого протопектина в соединения с другими полисахаридами клеточной оболочки.
Действие пектиназ проявляется в размягчении ткани и распаде ее на отдельные клетки. Существует несколько типов ферментов-пектиназ в зависимости от специфики их воздействия на субстрат: протопектиназы вызывают превращение нерастворимого протопектина в растворимый протопектин, расщепляют связи между метоксилированной полигалактуроновой кислотой и связанным с ней арабаном и ксиланом; пектинэстеразы гидролизуют метоксильные молекулы растворимого пектина (гидролитическое отщепление метоксильных групп от растворимого пектина), в результате чего образуется полигалактуроновая кислота и метиловый спирт; полигалактуроназы гидролизуют β -1,4-глюкозидные связи пектиновой кислоты до свободных галактуроновых кислот. Встречаются главным образом у различных видов бактерий и грибов.
Многие грибы образуют пектинолитические ферменты. Высокая пектинолитическая активность обнаружена у некоторых эпифитных грибов, главным образом Aureobasidium pullulans и видов Cladosporium . Пектинолитические грибы занимают значительное место среди типичных представителей лесной подстилки – это виды родов Cladosporium , Alternaria , Aposphaeria , Penicillium , фитопатогенные грибы родов Fusarium , Verticillium , Botrytis cinerea , Sclerotinia sclerotiorum .
Ферментативное разрушение пектиновых веществ в растениях имеет значение в патогенезе некоторых заболеваний. Фитопатогенные грибы разрушают пектин срединной пластинкой и пектаты в первичных клеточных оболочках, что приводит к изменению их физико-химических свойств и создает условия для внедрения паразита, а также в результате действия пектинэстеразы образуются вещества – полигалактурониды, способные закупоривать сосуды, что в конечном итоге приводит к увяданию растений.
Существенное значение разрушения пектиновых веществ грибами имеет при разложении растительного опада. Практическое использование пектиназ грибов – применение в пищевой промышленности при приготовлении фруктовых соков для их осветления, а также при мочке льна (Мирчинк, 1988).
1.2.5 Разложение лигнина
Грибы – почти единственные разрушители лигнина. Способность грибов осуществлять глубокое разрушение лигнина представляет собой уникальное явление.
Лигнин – наиболее распространенное в природе полимерное циклическое соединение. В наибольшем количестве лигнин содержится в древесине и древесном опаде. Содержание его в опаде хвойных пород составляет 28 – 34%, лиственный пород – 18 – 28%. В химическом отношении лигнин не является индивидуальным веществом с вполне определенными свойствами и составом.
Исследования, касающиеся микробной деградации лигнина, относятся к одной из наиболее сложных биологических проблем, поскольку лигнин пока не может быть точно определен как химическое вещество. Также не могут быть точно определены и промежуточные реакции его биологического превращения. Наиболее активные группы микроорганизмов, разрушающих лигнин, принадлежат к древоразрушающим базидиомицетам, вызывающим белую гниль. Однако до настоящего времени неизвестны полностью все стадии ферментативных реакций в процессе разложения лигнина, то есть известны далеко не все ферменты, осуществляющие этот процесс.
Отличия деградации лигнина от деградации других полимеров заключается в том, что такие полимеры, как протеины, полисахариды, нуклеиновые кислоты, состоят из регулярно повторяющихся единиц, в то время как лигнин состоит из различных мономеров, имеющих различные типы связей. Большинство микроорганизмов, воздействующих на лигнин, вызывают в нем очень незначительные изменения, которые проявляются в основном в уменьшении числа метоксильных групп и очень слабой потере в весе. Некоторые сумчатые и несовершенные грибы могут расти на средах, содержащих препарат лигнина в качестве единственного источника углерода, такие, как Fusarium la c tis , F . nivale и некоторые другие, но они не вызывают существенных изменений в молекуле лигнина. Вещества, представляющие собой производные лигнина, – ванилин, сиреневый альдегид и другие, используются грибами родов Chaetomella , Coniothyrium , Cylindrocarpon , Torula , Hormiscium .
Исследования последних лет показывают, что полное разложение лигнина с разрушением ароматического кольца могут осуществлять только базидиальные древоразрушающие грибы, вызывающие белую гниль: Coriolus versicolor , Fomes fomentarius , и некоторые подстилочные базидиомицеты, такие, как виды родов Collybria , Marasmius , Mycena .
Высокая молекулярная масса и низкая растворимость лигнина препятствуют его прямой ассимиляции микроорганизмами. Предварительно происходит его расщепление экзоферментами во внешней среде. Своеобразное химическое строение лигнина делает его труднодоступным для ферментных систем микроорганизмов. Многие микроорганизмы обладают ферментными системами, способными к превращению простых ароматических соединений. Однако полизамещенные ароматические соединения – мономеры лигнина – доступны лишь немногим представителям отдельных родов, так как для их разложения требуются весьма редкие у микроорганизмов ферменты деметилирования и декарбоксилирования ароматических структур. Необычен для микроорганизмов и характер связей между мономерами, некоторые из них не имеют аналогий среди соединений, типичных для живой клетки. Они совершенно недоступны для ферментов – деполимераз микроорганизмов, легко разрушающих белковые, полисахаридные, полинуклеиновые молекулы.
Способность многих грибов разлагать клетчатку и лигнин определяет их активное участие в разложении растительного опада. В растительном опаде в древесине лигнин и целлюлоза образуют природный комплекс, в котором его составляющие структурно и химически связаны между собой. Разложение лигноцеллюлозного комплекса грибами установлено серией экспериментов по разложению растительного опада, проведенных В.Я. Частухиным. Он разработал специальную методику для лабораторного изучения процессов распада, которая позволила создать модель процессов, происходящих в природе, в условиях точно контролируемых опытов.
По характеру воздействия на опад выделяют три группы подстилочных сапротрофов (Мирчинк, 1988):
I группа – грибы, преимущественно разлагающие клетчатку, – Lepiota procera .
II группа – грибы, преимущественно разлагающие лигнин, – Phallus impudicus .
III группа – грибы, осуществляющие смешанное воздействие, – Collybria , Marasmius , Clitocybe .
Г. Линдбергом были проведены опыты по определению интенсивности разложения целлюлозы и лигнина подстилочными сапротрофами, принадлежащими к различным видам Marasmius ,непосредственно в растительном опаде с точным учетом исходного и конечного содержания этих продуктов в субстрате. Почти все виды Marasmius оказались способными разлагать лигнин, но интенсивность разложения лигнина у разных видов различна. Также было различным отношение количеств разложенных лигнина и клетчатки. Таким образом, внутри рода Marasmius можно выделить группы, преимущественно разлагающие лигнин, клетчатку или оба компонента вместе (Мирчинк, 1988).
1.2.6 Разрушение грибами древесины
Различные грибы разрушают мертвую древесину живых деревьев, проникая в центральный цилиндр чаще всего через поражения коры. Другие виды заселяют преимущественно заготовленную древесину, а некоторые даже специализируются на деревянных постройках. Повреждения ими отрицательно влияют на прочность (важную в строительстве) и внешний вид (фанеровка) материала.
Как субстрат древесина содержит лишь следы доступных питательных веществ. Разложение клеточных стенок требует особых ферментов. Недостаток кислорода, высокое содержание двуокиси углерода, неизбежно образуемой организмами во время роста, а также низкая влажность среды осуществляют дальнейший жесткий отбор соответствующих грибов, из которых большинство относится к базидиомицетам; на древесине встречаются и аскомицеты, в том числе вызывающие ее окрашивание.
Большой практический интерес вызывают в настоящее время грибы, разрушающие лигнин, лигноцеллюлозу и целлюлозу; наряду с этим повреждения грибами древесины всегда требовали огромного внимания. Профилактические меры принимаются на всех этапах ее заготовки: рубка в холодное время, ускоренная распиловка на бревна и доски, предпочтение пород с твердой более устойчивой к грибам древесиной, аэрируемое хранение при максимальном снижении контакта пиломатериалов с почвой и друг с другом в штабелях. Древесину, которая будет подвергаться воздействию неблагоприятных погодных условий, особым образом пропитывают, а в строительном деле часто дополнительно защищают путем покраски, обжигания или лакировки (Мюллер, 1995).
Участвуя в разложении многих углеродсодержащих веществ растительного опада и древесины в первую очередь трудноразлагаемых полимерных соединений, где грибам принадлежит ведущая роль, они занимают значительное место в круговороте углерода, являясь поставщиками СО2 в атмосферу.