В природе в процессе фотосинтеза производится большое количество целлюлозы, в результате возникли многие виды целлюлолитических микроорганизмов. В почве целлюлозная и гемицеллюлозная части биомассы разлагаются интенсивнее, чем лигнин, и быстро метаболизируются почвенными микроорганизмами. Показано, что целлюлаза из Trichodermavirideобразует с гуминовыми кислотами комплекс, стабильный в почвенных условиях. При внесении азота в почву разложение лигнина и целлюлозы ускоряется. Добавление глюкозы вызывает обратный эффект. Окончательный продукт деградации целлюлозы – углекислый газ, но если процесс протекает в анаэробной среде, образуется также метан (Марьиновская, 2006).
Содержание целлюлозы в древесном опаде составляет 34 – 59%, несколько меньше содержание гемицеллюлоз и пектина (Мирчинк, 1988).
Целлюлоза является линейным полимером d-глюкозы. Остатки глюкозы в молекуле клетчатки, как и в молекуле целлобиозы связаны β-гликозидной связью. Поэтому клетчатку можно рассматривать как полимер целлобиозы. Norman A.G. и Fuller W.H. (1942) считают, что большинство грибов способно усваивать клетчатку. Несмотря на то, что использование клетчатки грибами имеет большое значение в круговороте веществ в природе, процесс этот изучен далеко не полно.
Campbell W.G. высказал предположение, что первым этапом использования клетчатки грибами является не гидролиз, а окисление. Гидролиз клетчатки можно схематически представить следующим образом клетчатка→целлодекстрины→целлотетроза→целлобиоза→d-глюкоза. Ферменты грибов, расщепляющие целлюлозу еще мало изучены.
Способность грибов усваивать клетчатку колеблется в очень широких пределах. В общем, усвоение клетчатки происходит медленнее, чем усвоение глюкозы. Это обуславливается, по всей вероятности, нерастворимостью клетчатки, в связи с которой действие целлюлазы ограничено поверхностью вещества. Возможно также, что синтез целлюлазы происходит сравнительно медленно (Лилли, 1957).
Основными источниками клетчатки для грибов в природных условиях служат древесина и различные растительные остатки. Хотя основной частью древесины и растительных остатков является именно клетчатка, тем не менее в них, помимо клетчатки, всегда содержатся гемицеллюлоза, камеди, таннины и лигнин. Грибы, разрушающие древесину, обычно подразделяют на виды, вызывающие белую гниль, и виды, вызывающие коричневую гниль. Грибы – возбудители коричневой гнили разрушают предпочтительно клетчатку. Грибы, разрушающие неклетчатковые составные части растительных тканей, вызывают белую гниль. Виды, относящиеся ко второй группе, по-видимому, значительно более многочисленны, чем виды грибов, вызывающие коричневую гниль. По данным Ноблеса М.К. (1948), к грибам, вызывающим белую гниль, относятся следующие виды: Armillaria mellea, Ganoderma lobatum, Lenzitesbetulinus, Pleurotusostreatus, Polyporusabietinus, P. cinnabarinus, P. pargamenus. К немногим видам, вызывающим коричневую гниль, принадлежат: Daedaleaquercina, Lentinuslepideus, Lenzitestrabea, Meruliuslacrymans и Trametesamericana (Лилли, 1957).
1.2.2 Разложение крахмала
Как и целлюлоза, крахмал является полимером d-глюкозы. Остатки глюкозы в его молекуле соединены между собой α-гликозидной связью, поэтому основной структурной единицей молекулы крахмала, как и молекулы гликогена, следует считать мальтозу. Крахмал состоит из двух различных соединений. Молекулы одного из них, называемого амилазой, имеют неразветвленную углеродную цепочку, тогда как другое соединение, с разветвленной углеродной цепочкой, получило название амилопектина. Зеленые растения синтезируют крахмал, животные и грибы образуют гликоген. Ферментативный гидролиз крахмала может быть схематически представлен следующим образом: крахмал→декстрины→мальтоза→d-глюкоза. Декстрины, имеющие разветвленную углеродную цепочку, лишь частично гидролизуются амилазой. Декстрины с неразветвленной углеродной цепочкой полностью превращаются в мальтозу (Мирбек, 1948).
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 Aureobasidiumpullulans 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, Botrytiscinerea, Sclerotiniasclerotiorum.
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 Fusariumlactis, 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.