Ксилотрофные базидиомицеты в чистой культуре - Галина Ильина

Вопрос о том, является ли лигнин источником энергии для грибов, способен ли лигнин хотя бы отчасти обеспечивать энергетические и ростовые потребности этих организмов, является дискуссионным. По мнению Т.К. Кирка, лигнин не следует рассматривать как источник энергии, а его деструкция древоразрушающими грибами белой гнили является лишь частью вторичного метаболизма (Kirk, 1981). Существуют подобные обзоры, посвященные процессам биодеградации лигнина (Решетникова, 1997; Головлева, Леонтьевский, 1998; Eriksson et al., 1990; Hattaka, Vares, 1994). На основе существующих данных, выделяют следующие группы реакций, приводящих к деструкции макромолекулы лигнина:

– окисление боковых цепей лигнина по α- и β- углеродным атомам с образованием структур, содержащих кетогруппы, а также с образованием фенольных структур;

– гидролитическое расщепление β-О-4 эфирных связей с образованием спиртовых и фенольных структур;

– разрушение алкиларильных С-С-связей, образование nхиноидных структур и альдегидных или кислотных фрагментов;

– деметилирование и гидроксилирование ароматического кольца;

– расщепление ароматического кольца с образованием алифатических продуктов, чаще всего карбоновых кислот (Решетникова, 1997).

Исходя из приведенных данных, следует предполагать включение углерода метоксильных и других групп в метаболические процессы грибов, способных к деструкции лигнина. Исходя из цитируемой многими литературными источниками связи процессов окисления лигнина с реакциями вторичного метаболизма, можно предполагать и наличие в определенной степени регуляторной роли со стороны лигнина и промежуточных соединений, образующихся в процессе его деструкции (вератровый спирт и т.п.).

Изменения в лигнине при деструкции грибами белой гнили изучали химическими методами, а также с помощью УФ-, ИКи ПМР-спектроскопии с последующей качественной оценкой (Fengel, Wegener, 1979; Dietrichs et al., 1995). Установлено, что под действием грибов белой гнили в лигнине увеличивается содержание карбонильных и карбоксильных групп и уменьшается содержание алифатических гидроксильных групп. Содержание фенольных гидроксилов может и возрастать и понижаться. Отношение кислорода к углероду увеличивается, а водорода к углероду и метоксильных групп к углероду понижается. Уменьшаются также выходы метоксилированных ароматических кислот при окислительной деструкции после метилирования (вератровой кислоты из хвойного лигнина и вератровой и три-О-метилгалловой кислот из лиственного лигнина) и продуктов нитробензольного окисления (ванилина из хвойного лигнина и суммы ванилина и сиреневого альдегида из лиственного лигнина). Уменьшается выход продуктов ацидолиза и их число. Из лигнина здоровой древесины в качестве основного продукта ацидолиза получается 3гидрокси-1-(4-гидрокси-3-метоксифенил) -2-пропанон, тогда как из гнилого лигнина – ванилиновая кислота.

После воздействия грибов возрастает массовая доля кислорода и понижается содержание метоксильных групп (Фенгел, Вегенер, 1988). Увеличение содержания кислорода происходит в результате окисления α-углеродных атомов и окислительной деструкции связей между β- и γ-углеродными атомами пропановой цепи (Fengel, Wegener, 1979). Модельные опыты с различными метоксилированными фенолами показали, что грибы белой гнили деметилируют метоксильные группы. Опыты с меченым (14С) лигнином свидетельствуют, что при разложении лигнина грибами белой гнили (Coriolus versicolor, Phanerochaete chrysosporium) конечный продукт метаболизма СО2 образуется главным образом из метоксильных групп и в небольшой степени из углерода пропановых цепей и ароматических колец (Фенгел, Вегенер, 1988). Таким образом, практически не остается сомнений относительно включения функциональных групп лигнина в метаболические процессы грибов белой гнили.

Дальнейшие реакции приводят к получению мономерных и димерных соединений, большинство из которых содержат карбоксильные группы. Для включения этих соединений во внутренний обмен веществ гриба необходимо также, по-видимому, и расщепление ароматических колец. Среди ферментов грибов идентифицировали диоксигеназы, осуществляющие деметилирование ванилиновой и вератровой кислот – мономеров, которые были найдены в продуктах деструкции лигнина под действием грибов (рис. 3) (Chen et al., 1981).

Рисунок 3 – Окислительное расщепление ванилиново й кислоты под действием диоксигеназ

Расщепление ароматических колец возможно не только у мономерных продуктов деструкции. Ароматические кольца в лигнинном полимере также, по-видимому, расщепляются ферментами (Kirk et al., 1976; Chen et al., 1981).

На расщепление ароматических колец указывают 13С-ЯМРспектры искусственного лигнина, зараженного грибами белой гнили. Происходит также разрыв арилэфирных связей и расщепление пропановых цепей. Изменение состава продуктов ацидолиза древесины березы, пораженной белой гнилью, позволило заключить, что деструкция лигнина происходит на пораженной поверхности, которая прогрессирующе увеличивается. Макромолекулы практически не подвергаются фрагментации. Процесс деструкции заключается в отщеплении концевых групп (Фенгел, Вегенер, 1988).

Лигнин, очевидно, включается в метаболизм грибов не полностью, так как некоторая часть его превращается в высоко-конденсированный продукт. Реакции, обратные ферментативной деструкции, обнаружили и при выращивании грибов Heterobasidion annosum и Coriolus versicolor на лигнине молотой древесины, сульфатном лигнине и лигносульфонатах (Cote, 1968). Модельные эксперименты указывают на образование бифенильных структур в результате ферментативной дегидратации. Эту реакцию, по-видимому, вызывает лакказа, так как добавка ингибиторов лакказы предотвращает конденсацию. Добавление целлюлозы к культуре Pleurotus ostreatus на лигносульфонатах ингибировало реакции образования полимеров (Crawford, 1981). Целлюлоза превращается в целлобиозу – совместный субстрат (косубстрат) для целлобиозохиноноксидоредуктазы. Этот фермент уменьшает число фенольных радикалов и тем самым ингибирует полимеризацию.

Конденсированные лигнины, содержащие дифенильные связи, проявляют высокую устойчивость к действию ферментов грибов (Chen et al., 1981). В лиственном лигнине и искусственном гваяцил-сирингильном лигнине сирингильные элементы подвергаются деструкции быстрее, чем гваяцильные. Это объясняется большим содержанием в гваяцильной части лигнина дифенильных структур, у которых фенольные гидроксильные группы не склонны к образованию феноксильных радикалов (Фенгел, Вегенер, 1988).

Таким образом, существующие обзоры свидетельствуют о существенной дискуссионности проблемы трофического использования грибами такого нестереорегулярного биополимера как лигнин, однако исследования характера динамики метоксильных групп в питательном субстрате, обогащенном лигнином, при лабораторном культивировании грибов белой гнили, на наш взгляд, способно несколько прояснить этот вопрос.

От химической природы и особенностей используемого источника углерода зависит в основном и доступность для мицелиальной культуры того или иного источника азота. Азотистые соединения, которые являются важнейшей составной частью протоплазмы и играют большую роль в обмене веществ у грибов, являются основой белков (Горленко, 1985). Грибы не в состоянии связывать атмосферный азот, а могут принимать его только в форме неорганических солей или органических азотных соединений (Morton, Mc Millan, 1954). Большинство грибов хорошо усваивает аммиачные соли – сульфат аммония, фосфат аммония, а также аммиак из водного раствора. Соли азотной кислоты не всегда хорошо усваиваются (Беккер, 1988). Только некоторые виды дрожжей испытывают потребность в нитратах. Часто источником азота в состав сред включают мочевину. Также как и в случае с источниками углерода, роль источников азота в процессах роста и метаболизма наилучшим образом изучена и описана вотношении продуцентов антибиотиков. На средах с одними источниками азота организмы могут хорошо развиваться, но не осуществляют в данных условиях биосинтеза антибиотика. Это свидетельствует о наличии регуляторной роли доступности азота для его включения в процессы метаболизма (Егоров, 1986). Обычно в средах для культивирования микроорганизмов в качестве источника азота используют соли азотной (HNO3), или реже соли азотистой (HNO2) кислот, аммонийные соли органических или неорганических кислот (-NH4) или аминокислоты (NH2), белки и продукты их гидролиза (пептоны, гидролизаты). Как видно, в этих источниках азот находится или в виде окисленной формы (-NO3, – NO2), или в восстановленной форме (NH; – NH2). В натуральных средах неопределенного состава, содержащих соевую муку, кукурузный экстракт и другие подобные компоненты, азот содержится главным образом в форме белков, питательная ценность которых зависит от наличия у микроорганизмов соответствующих протеаз, расщепляющих эти белки, и определяется тем, насколько легко в процессе ферментативного гидролиза из белков освобождается азот в виде аминокислот и несложных полипептидов, а в конечном счете в форме – NH2. Аминокислоты играют существенную роль в метаболизме микроорганизмов. Это объясняется, во-первых, тем, что аминокислоты непосредственно участвуют в синтезе белка (структурного и ферментов) и различных полипептидов; во-вторых, они могут принимать участие в образовании антибиотиков, в том числе и небелковой природы. Аминокислоты могут оказывать заметное влияние на активность ферментов (индуцировать их образование или репрессировать, подавлять активность). Присутствие в среде одних аминокислот может приводить к образованию других.