VIVOS VOCO: А.И. Щеглов, О.Б. Цветнова,"Грибы - биоиндикаторы техногенного загрязнения"

Мир организмов, традиционно называемых грибами, огромен: сейчас описано около 70 тыс. видов, что составляет примерно двадцатую часть от их истинного числа. Общее свойство простейших эвкариот - осмотрофное питание - наложило отпечаток на их морфологию, физиологию и образ жизни. Большинство грибов (как паразитов, живущих внутри хозяина, так и сапротрофов, разлагающих мертвые организмы) имеет тело - мицелий, или грибницу (сильно разветвленные нити, пронизывающие субстрат); содержат мощные гидролитические ферменты, с помощью которых переваривают высокомолекулярные соединения. Только грибы умеют разлагать лигноцеллюлозный комплекс, из которого состоит мертвая древесина. Это свойство и определяет их глобальную экологическую роль - участие в освобождении и круговороте углерода, связанного растениями в результате фотосинтеза.

Наиболее разрушительные эпидемии растений вызываются грибами. Ржавчина хлебных злаков, фитофтороз картофеля, ожог листьев риса, корневые гнили и другие болезни, известные с давних времен, часто приводили и приводят к гибели урожая на огромных площадях. Поскольку многие грибы содержат токсические метаболиты, зараженная ими пища становится причиной массовых отравлений. Дерматофиты, разлагающие белок кератин, который входит в состав покровов животных (кожи, волос, ногтей), вызывают дерматомикоз у диких и домашних животных, а также человека.

В последние годы среди населения участились случаи внутренних глубоких микозов. Виновники их - тривиальные грибы, живущие в почве и на растительных остатках, а также в жилых помещениях. Иммунная система в норме справляется со спорами вредных плесеней, которые попадают в организм человека через дыхательную, пищеварительную или половую систему. Но при иммунодефиците эти так называемые оппортунистические грибы становятся серьезным патологическим фактором. Сегодня глубокие микозы - одна из наиболее распространенных причин смерти ВИЧ-инфицированных больных.

Наличие у грибов разнообразных ферментов позволили им освоить новые пищевые субстраты - техногенные: заменители кожи, кинопленки, стекло, краски, стройматериалы и т.п. Биоповреждения (биокоррозия) синтетических материалов наносят огромный материальный ущерб, а когда разрушаются произведения искусства - картины, древние рукописи, исторические здания, - такие потери невосполнимы.

Вред, приносимый грибами, - лишь одна сторона их деятельности, вызывающая не только чисто академический интерес. В настоящее время они благодаря продукции разнообразнейших биологически активных веществ - самые распространенные объекты промышленной микробиологии и биотехнологии. Таким первым объектом стали дрожжи, давшие человечеству важнейшие продукты - хлеб и вино. Антибиотики и другие лекарственные препараты, ферменты, витамины, органические кислоты, иные важные для народного хозяйства продукты получают из грибов. Достаточно сказать, что в 1990 г. стоимость только антибиотиков пенициллинов и цефалоспоринов составила половину дохода всего мирового биотехнологического рынка. Современное многотоннажное производство съедобных грибов дает белковый продукт отменного вкуса и параллельно решает проблемы утилизации сельскохозяйственных и промышленных отходов.

Наконец, грибы, легко культивируемые простейшие эвкариоты, широко используются в фундаментальной науке как модели. Так, у дрожжей впервые был картирован полный геном. Недавно у грибов обнаружены прионы, ранее известные как возбудители болезней животных и человека (коровье бешенство и др.). Это позволит использовать грибы для изучения молекулярных механизмов функционирования прионных белков и их патологического действия.

Все описанное свидетельствует о необходимости координации фундаментальных и прикладных микологических исследований. Российские микологи, работающие в основном в университетах и академических (ботанического и микробиологического профилей) и прикладных (сельскохозяйственного и медицинского) институтах, как правило общаются не друг с другом, а соответственно с ботаниками, микробиологами, агрономами, врачами. Полтора года назад произошло событие, положившее конец такой разобщенности исследователей. По инициативе медицинских микологов организована общероссийская общественная организация “Национальная академия микологии” (президент - действительный член РАМН и РАЕН профессор Ю.В.Сергеев). В апреле 2002 г. в Москве прошел 1-й съезд микологов России, в котором участвовало несколько сот микологов из самых разных городов, а также стран содружества. Этот представительный форум, охвативший все основные направления теоретической и прикладной микологии, стал настоящим праздником науки, началом ее возрождения.

Отмечая это важное событие, “Природа” публикует подборку статей о некоторых аспектах микологии. Одна посвящена опасности, которую могут представлять микроскопические плесневые грибы (микромицеты), а другая - свойствам съедобных грибов - макромицетов, способных вызывать отравления вследствие накопления в клетках ксенобиотиков.

ГРИБЫ - БИОИНДИКАТОРЫ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

А.И. Щеглов, О.Б. Цветнова

Алексей Иванович Щеглов, доктор биологических наук, зав. лаб. радиоэкологии
фак. почвоведения МГУ им.М.В.Ломоносова.
Ольга Борисовна Цветнова, кандидат биологических наук,
старший научный сотрудник той же лаборатории.
Авторы - участники ликвидации экологических последствий
аварии на Чернобыльской АЭС (1986, 1988-1999).

Радиоэкологические исследования, проводимые после аварии на Чернобыльской АЭС, выявили парадоксальный факт: грибы, наравне с молоком и картофелем, определяют высокие дозовые нагрузки на население [1]. С чем это связано и какова роль грибов в поступлении в организм человека различных загрязнителей в целом? Ответам на эти вопросы посвящена настоящая публикация, в основе которой лежат результаты многолетней (1986-2001) работы нашей лаборатории [2].

Особое царство

Грибы занимают особое положение в системе органического мира и выделены в самостоятельное царство живых организмов (Mycetalia или Fungi), имеющих признаки как растений, так и животных. Это обширная группа организмов, которые широко распространены по всему земному шару и встречаются на суше и в водной среде. Богаче всего грибами влажные тропические леса, а в лесах Европы обнаружено более 5 тыс. видов [3]. По своему внешнему виду, строению и размерам грибы весьма разнообразны: существуют организмы как с хорошо развитым, видимым невооруженным глазом плодовым телом (макромицеты), так и микроскопические (микромицеты). Однако у них есть общие черты. Основой вегетативного тела служит мицелий (грибница), представляющий собой систему тонких ветвящихся нитей (или гиф), которые располагаются на поверхности субстрата, где живет гриб, или внутри него. Обычно грибница весьма обильна, с большой общей поверхностью, что обеспечивает осмотическое поглощение питательных веществ. По способу питания все грибы - гетеротрофны, т.е. для своего развития нуждаются в готовом органическом веществе.

По той или иной приуроченности к питающему субстрату (одному из основных факторов для гетеротрофных организмов) выделяют так называемые экологические группы грибов. Для макромицетов: древоразрушающие, живущие на растительных остатках - мертвой древесине, валежнике; почвенные сапротрофы, обитающие на опаде в лесу (или их грибница распространяется в различных слоях почвенной толщи); микоризообразователи (симбиотрофы), образующие микоризу (симбиоз корней высших растений с мицелием грибов) с древесными и травянистыми растениями; копротрофы, поселяющиеся на экскрементах животных; карботрофы, растущие на старых кострищах и пожарищах; микотрофы, живущие на других грибах и питающиеся за счет них. Группа высших грибов включает около 100 тыс. видов, среди них более 100 видов съедобных.

Грибы как продукт питания

Более 2000 лет назад в Древней Греции в качестве продукта питания использовали шампиньоны, сморчки и трюфели. И сегодня грибы играют существенную роль в рационе человека. Содержащиеся в них ароматические и экстрактивные вещества придают этому продукту неповторимый вкус и аромат. В некоторых странах, например в Польше, годовое потребление свежих грибов составляет до 5-10 кг/чел. [4], а многие государства (в частности, Япония) даже экспортируют их.

И хотя вкусовые качества грибов не вызывают сомнений, взгляды на их пищевую ценность достаточно противоречивы. Некоторые микологи считают, что грибы, содержащие много хитина, очень плохо усваиваются, другие специалисты, напротив, по пищевой ценности приравнивают их к мясу и яйцам. В свежих грибах больше всего воды (84-94%), до 10% жировых веществ, 4-5% белков, в состав которых входят аминокислоты, в том числе и незаменимые. Наиболее полным набором аминокислот (22) обладает белый гриб. Углеводов немного (у них низкая калорийность - всего 250 ккал/100 г сухого вещества), но зато очень богатый минеральный состав. Так, в грибной золе обнаружено более 20 химических элементов, среди которых К - 33-65%, Р - 6-28%, Mg - 2.5%, Са - до 1%; а из микроэлементов - Mn, Li, Zn, Cs, V, Pb, Cu и др., большинство из них входят в состав ферментов и витаминов: А1, В1, В2, С, D, PP [3, 5]. В целом же химическая характеристика грибов сильно зависит от видовых особенностей, условий произрастания, возраста, а также способа заготовки. Интересно отметить, что даже небольшое количество грибного блюда вызывает ощущение сытости (это качество используется в различных диетах).

По стандартам пищевой и товарной ценности, принятым в Российской Федерации (но отличающимся от таковых в других странах), съедобные грибы делят на четыре категории качества [6]. Выделяют также группы условно-съедобных, несъедобных и ядовитых (табл.1).

В лесах умеренного пояса при благоприятных, в первую очередь климатических, условиях масса плодовых тел может достигать 80-100 кг/га (по многолетним данным - 14.8 кг/га). В целом в лесах России ежегодный урожай оценивается в несколько миллионов тонн, однако заготовляется лишь небольшая часть этих ресурсов, что связано с недостаточными знаниями грибов. Как правило, население в основном собирает не более 15-20 видов и часто пренебрегает весьма ценными в пищевом отношении видами, как например цезарев гриб (Amanita caesarea). В разных областях страны сбор и заготовка сильно отличаются и определяются их распространенностью и урожайностью грибов, а также социальными условиями населения. По данным белорусских исследователей, на лесных территориях Восточной Европы в среднем на человека за год потребляется до 6.9 кг свежих и 0.183 кг сухих грибов, при этом моховиков, лисичек, подосиновиков - 0.1, польского гриба, колпака кольчатого - 0.2, подберезовиков, сыроежек, маслят - 0.4, белого - 0.8 кг [6].

Цезарев гриб (Amanita caesarea).
Встречается редко и в зрелом состоянии похож на мухомор.

Аккумуляция тяжелых металлов

Многие исследователи отмечают, что грибы интенсивно накапливают тяжелые металлы, более того, к некоторым из них имеют специфическое сродство. Они могут аккумулировать Cd, Cu, Zn, Hg и ряд других элементов [7]. Так, ртути в них может быть в 550 раз больше, чем в субстрате, на котором они произрастают [3]. Виды рода Leccinum (обабок), Macrolepiota (гриб-зонтик) хорошо поглощают Cd; свинушка тонкая (Paxillus involutus), груздь черный (Lactarius necator) и дождевик гигантский (Lycoperdon maximum) - Cu; виды рода Agaricus (шампиньон) и белый гриб (Boletus edulis) - Hg. Тяжелые металлы необратимо влияют на биохимический аппарат грибов, а их употребление приводит к тяжелым отравлениям. Это, возможно, послужило одной из причин известного массового отравления съедобными грибами в ряде областей России в 1992-2000 гг.

Наши исследования показали, что в целом накопление тяжелых металлов, как и радионуклидов, определяется химической природой самого элемента, биологическими особенностями видов грибов, а также условиями их произрастания.

На большей части территории России концентрация тяжелых металлов в почвах соответствует фоновой и для большинства видов близка к нормальной [8]. Однако для некоторых грибов содержание отдельных элементов оказывается граничным или превышающим нормальное (Cd - в белом и желчном; Cu - в горькушке; Zn - в белом, горькушке и сыроежке). В этом случае их концентрация в грибах увеличивается в 2-5 раз, а радиоцезия - в 25. Среди элементов-загрязнителей минимальные колебания концентраций характерны для Pb, максимальные - для Cu. Более высокое содержание тяжелых металлов в грибах наблюдается в различных по накопительной способности экотопах. Как правило, это тесно связано с наличием в почвах подвижных форм элементов и слабо - с валовым содержанием. Видимо, грибы плохо или совсем не усваивают труднорастворимые формы. Известно, что обменные процессы наиболее интенсивны в шляпках, поэтому и концентрация макро- и микроэлементов там выше, чем в ножках. По мере развития плодовых тел меняется и интенсивность аккумуляции элементов. В молодых плодовых телах их, как правило, больше, чем в старых.

Меньшая концентрация всех тяжелых металлов характерна для сапротрофов, большая - для симбиотрофов. Но поскольку селективность отдельных грибов по отношению к металлам неодинакова, для тяжелых металлов достаточно трудно выделить виды-биоиндикаторы. Так, Pb максимально поглощается желчным грибом; Zn - белым, горькушкой и сыроежкой; Cu - сыроежкой и горькушкой; Cd - белым. Тем не менее в первом приближении можно сказать, что лучшими биоиндикаторными свойствами по отношению к тяжелым металлам обладают горькушка (Lactarius rufus) и желчный гриб (Tylopilus felleus).

Аккумуляция радионуклидов

При радиоактивном загрязнении среды грибы играют особую роль, поскольку, с одной стороны, сорбируют ряд радиоизотопов, а с другой - служат продуктом питания. В лесном биогеоценозе они - чемпионы по накоплению радиоактивного цезия [9]. В среднем в грибах концентрация ¹³⁷Cs более чем в 20 раз выше, чем в максимально загрязненном слое лесной подстилки и на два-три порядка больше, чем в наименее загрязненной древесине. Установлено, что грибы поглощают радиоцезий гораздо сильнее, чем такой элемент, как калий.

Удельная активность ¹³⁷Cs в различных компонентах биогеоценоза.
О - лесная подстилка.

Вместе с тем грибы не отличаются такой способностью по отношению к ⁹⁰Sr и изотопам Pu (^238-240Pu). Коэффициенты перехода (Кп = отношение удельной активности грибов к плотности загрязнения почв) изотопов Pu в плодовые тела примерно в 100 раз, а ⁹⁰Sr - в 1000 раз меньше, чем для ¹³⁷Cs. Интенсивность поглощения ¹³⁷Cs сильно зависит от плотности и распределения загрязнения по почвенному профилю, от видовых особенностей, в первую очередь от глубины залегания мицелия и условий произрастания. Как показали исследования, меньше всего радиоцезия в древоразрушающих грибах, а больше - в симбиотрофах, причем накопительная способность у видов этой группы различается в 10 и более раз.

Высокая селективность в поглощении ¹³⁷Cs и небольшой срок жизни плодовых тел (всего около 10 дней) позволили рекомендовать грибы как биоиндикаторы радиоактивного загрязнения. В первые годы после Чернобыльской аварии к биоиндикаторам относили гриб польский (Xerocomus badius), свинушку тонкую (Paxillus involutus), горькушку (Lactarius rufus) и масленок обыкновенный (Suillus luteus). Однако уже тогда полагали, что по мере загрязнения более глубоких слоев почвы среди видов-биоиндикаторов возможны перестановки [10]. Сейчас к биоиндикаторам причисляют желчный гриб (Tylopilus felleus) - он аккумулирует ¹³⁷Cs в 100 раз сильнее, чем другие виды грибов того же экотопа [11]. Это свойство желчного гриба обусловлено более глубоким расположением мицелия. А вот тонкую свинушку в настоящее время нельзя считать достоверным индикатором, поскольку она относится к двум экологическим группам - сапротрофам на почве и факультативным микоризообразователям. Хотя вначале, когда загрязнение локализовалось в поверхностных слоях, она отлично выполняла эту роль. В последующие годы по мере проникновения загрязнения в более глубокие слои биоиндикатором может стать и белый гриб, мицелий которого расположен достаточно глубоко.

Коэффициенты накопления ¹³⁷Cs и тяжелых металлов
в различных компонентах биоты соснового фитоценоза
(рассчитывали, исходя из содержания элементов в слое 0-10 см)

Накопительные свойства грибов определяются также условиями их произрастания, и в первую очередь степенью увлажнения почв. Так, на увлажненных и переувлажненных лесных почвах (аккумулятивные ландшафты) грибы накапливают радиоактивного цезия на порядок больше, чем те же виды, растущие на автоморфных почвах с глубоким залеганием грунтовых вод (элювиальные ландшафты) (табл.2).

Пространственная неоднородность загрязнения почв и огромные площади, занимаемые грибами, не позволяют достоверно оценить влияние других свойств (мощность лесной подстилки, содержание гумуса, рН солевой и водный, содержание обменных Са, Mg, K) на аккумуляцию ¹³⁷Cs. Наиболее тесная связь прослеживается между мощностью лесной подстилки и накоплением ¹³⁷Cs грибами [7].

В плодовых телах радионуклиды накапливаются неодинаково. Одни исследователи отмечают, что сильных отличий в концентрации ¹³⁷Cs между отдельными частями плодовых тел нет, другие считают, что цезий, как и другие микроэлементы, в большей степени скапливается в шляпках [6, 12]. По нашему мнению, оба эти положения имеют право на существование. У молодых особей различия в удельной активности шляпок и ножек минимальны, они появляются лишь по мере созревания плодовых тел за счет концентрации ¹³⁷Cs в гименофорах (поверхностях, несущих спороносный слой) (табл.3).

Какова многолетняя динамика содержания ¹³⁷Cs в грибах? На этот счет существуют различные точки зрения. По мнению одних исследователей, концентрация ¹³⁷Cs в грибах со временем очень медленно уменьшается, по мнению других - остается почти неизменной, с незначительными вариациями по годам, поскольку радионуклиды аккумулируются в мицелии. В результате длительных наблюдений установлено, что многолетняя динамика накопления ¹³⁷Cs грибами меняется в зависимости от физико-химической природы радиоактивных выпадений; климатических и экологических условий (типа почвы и особенностей строения подстилки), а также видовых различий грибов, в частности глубины распространения мицелия. Для видов с поверхностным расположением мицелия (например, свинушки тонкой) она снижается в 1.5-6 раз (в зависимости от видовой принадлежности и типа биогеоценоза). Для видов с более глубоким расположением мицелия (желчного и белого грибов) в настоящее время концентрация ¹³⁷Cs в плодовых телах увеличивается. По прогнозам немецких специалистов, к 2011 г. содержание ¹³⁷Cs в грибах, мицелий которых в основном расположен в минеральных горизонтах почвы, вырастет на 140%, а в видах с мицелием, находящимся в верхних слоях лесной подстилки, уменьшится до 1% от первоначального уровня [13].