Возбудители деструктивной бурой гнили

Под действием грибов- возбудителей бурой гнили древесина буреет, так как происходит накопление ароматических хромофоров в видимой области спектра (хиноны, хинонметиды, карбонильные группы, устойчивые феноксильные радикалы) и становится хрупкой, поэтому этот тип гнили также называют деструктивным. Деструкция сопровождается продольным сморщиванием и деформацией клеточных стенок. Возбудителями деструктивных гнилей относятся к базидиомицетам и большинство из них разрушает хвойную древесину. К ним относятся представители различных домовых грибов, трутовики, лиственничная губка, они наносят огромный ущерб строениям и заготовленной древесине.

При деструктивном типе разложения древесины, грибы вызывают растрескивание внутреннего слоя клеточной стенки и ее утончение изнутри, в объеме накапливается гумифицированный материал. В результате сокращения объема клеточного вещества в оболочках появляются различные многочисленные трещины, древесина становится трухлявой, распадается на отдельные кусочки, легко растирается в порошок. От клетки остается растрескавшаяся тонкая оболочка срединной пластины и первичной стенки. По типу разрушения древесины выделяют трещиноватые, призматические, пластинчатые и порошкообразные гнили

Грибы бурой гнили избирательно разрушают целлюлозную часть древесины, незначительно затрагивая лигнин. В поврежденной древесине остается лигниновый скелет. При разложении хвойной древесины маннан разлагается быстрее целлюлозы. После разложения основной части гемицеллюлоз, содержание целлюлозы в древесине начинает быстро снижаться. Из частично разрушенной бурыми гнилями древесины выделяют остаточный лигнин, который становится растворимым в диоксане. При потере веса субстрата около 40% экстрагируется только лигнин из S₂-слоя, а при более высоких потерях массы экстрагируется и лигнин составной срединной пластины, который заметно модифицирован грибом. Из пораженной бурой гнилью древесины с большим выходом можно выделить лигноуглеводные комплексы, которые так же имеют отличия от нативной структуры в полисахаридной и лигниновой частях.

В процессе действия бурых гнилей образуется большое количество гуминовых и гуматомелановых кислот, в то время как при воздействии белой гнили образуются преимущественно фульфокислоты. Было показано, что возбудители бурой гнили продуцируют лакказы, наличием которых можно объяснить небольшое в пределах 10% уменьшение общего содержания лигнина под действием грибов этой группы.

Возбудители деструктивных гнилей, разлагающие целлюлозу, проникают в клетки древесины из сердцевинных лучей отдельными разветвленными гифами, а грибы разрушающие лигнин – пучком гиф, который затем обильно разветвляется. Для домовой бурой гнили Merulius (Serpula) lacrymans характерно проникновение сквозь клеточную стенку боковыми отростками гиф, которое определяется действием внеклеточных ферментов. У гриба Inonotus hispidus апикальные концы гиф приближаются к клеточной оболочке обычно под прямым углом и под действием ферментов в оболочке у их апикального конца образуется маленькое отверстие, через которое прорастает тонкая гифа. Некоторые базидиомицеты могут также распространяться в области срединных пластин, богатых пектином, а аскомицеты и несовершенные грибы – в области вторичных клеточных стенок, путем их последовательного ферментативного переваривания.

Возбудители белой гнили

Возбудители белой гнили, поражают преимущественно лиственную древесину, вызывая ее осветление вплоть до светло-желтой или белой окраски. Из древесины удаляются типичные ароматические хромофоры и лейкохромофорные группы типа метиленхинонов, фенантренхинонов, фенилнафталиндионов, диметиленхинонов. От грибов бурой и мягкой гнили они отличаются выраженной способностью к разложению и ассимиляции лигнина. Древесина становится мягкой, волокнистой, теряет в весе, но не уменьшает объема и не растрескивается на призмы, наблюдается равномерное побеление, светлые полосы или ямки, заполненные белой целлюлозой. Поэтому этот тип разрушения называют коррозионным. Различают трухляво-волокнистую (ямчатую), пеструю ситовую и губчато-волокнистую гнили, причем пестрая ситовая гниль в процессе развития может переходить либо в ямчатую и трухляво волокнистую, либо в губчато-волокнистую. Структура белых гнилей настолько разнообразна, что порой по внешнему виду гнили трудно распознать, к какому типу она относится. В процессе деструкции по типу белой трухляво-волокнистой гнили в оболочках образуется множество сквозных отверстий, соединяющих соседние клетки, которые постепенно расширяются. Делигнификация начинается с менее лигнифицированного слоя S₃, а затем захватывает и срединную пластину. В результате происходит разрушение целых групп клеток, а пространство, которое они занимали, заполняется волокнистой массой целлюлозы.

Грибы, вызывающие коррозионную гниль, в свою очередь, могут замещаться возбудителями деструктивной гнили. К переходному коррозионно-деструктивному типу иногда относят гниль, вызываемую трутовиками Funalia trogii и ложным трутовиком Phellinus iginarius. При разложении древесины Phellinus iginarius, активным продуцентом пероксидазы, вокруг зоны деструкции образуется защитная кайма (ксилострома) в виде кольца на поперечном срезе дерева из плотных сильно хитинизированных гиф или псевдосклероций, которая окрашивается в темный цвет пигментом, характерным для гриба. Эта древесина характеризуется большой твердостью и плотностью, которые могут превышать таковые у исходной древесины. Образование черных и бурых линий, представляющих собой темноокрашенные гифы с отложениями конденсированных фенольных соединений меланинового или гуминового типа характерно для многих коррозионных гнилей.

В основе разных типов разложения лежат различия в степени деструкции грибами целлюлозы и лигнина. Возбудители мягкой и бурой деструктивной гнилей предпочтительно потребляют целлюлозу, а возбудители белой коррозионной гнили –лигнин. Поэтому термин «возбудители белой гнили» часто применяют в качестве синонима «лигнинразрушающие грибы».

К лигнинразрушающим грибам, Рипачек (1966)относит Ganoderma applanatum, Inonotus hispidus, Phellinus iginarius, Stereum frustulosum, Phellinus pini, Fomes annosus, и др., многие из которых– опасные ксилопаразиты.

Решетникова (1997) выделяет 6 групп лигнинразрушителей:

Грибы, развивающиеся на неразрушенной древесине и вызывающие:1) белую гниль (Bjercandera adusta, Cerrena unicolor, Dedaleopsis confragosa var. tricolor, Trametes hirsutus, Trametes versicolor, Trametes zonatus, Flammulina velutipes, Pleurotus ostreatus, Polyporus squamosus); 2) светло-желтую, затем белую гниль (Ganoderma applanatum, Inonotus rheades); 3) белую ли слегка желтоватую гниль с черными линиями (Fomes fomentarius, Inonotus hispidus, Phellinus iginarius, Phellinus robustus); 4) желтовато-белую гниль (Abortiporus biennis, Phellinus tremulae). Грибы, развивающиеся на разрушенной древесине и вызывающие: 5) белую активную гниль (Funalia trogii, Phellinus punctatus, Kyehneromyces mutabilis, Polyporus arcularius); 6) белую слабо активную гниль (Ceraporia viridans, Hapolopilus nidulans, Hericium coralloides, Schizophyllum commune, Trichaptum pergamenus, Naematoloma fasciculare).

Грибы (Trametes hirsuta, Trametes pubescens, Trametes versicolor, Bjekandera adusta; Flammulina velutipes, Pleurotus ostreatus) осуществляют деградацию целлюлозы и лигнина на 30-45%. Ксилотрофы Ganoderma applanatum, Inonotus rheades при воздействии на древесину вызывают светло-желтую гниль и характеризуются незначительным штаммовым разнообразием в проявлении, как гидролитических, так и окислительных ферментов. Для грибов Fomes fomentarius, Phellinus robustus, Phellinus igniariiius, Inonotus hispidus характерна высокая активность целлобиогидролазы, Mn- зависимой пероксидазы. Характерной особенностью грибов Рhellinus tremulae, Abotiporus biennis является активность по пероксидазе, лакказе и штаммовая вариабельность по гидролитическим ферментам. Грибы Kuehneromyces mutabilis, Polyporus arcularius, Phellinus puctatus, Funalia tnogii, Polyporus varius характеризуются высокой активностью фенолокисляющих ферментов, а так же высокой активностью эндоглюканазы, эндоксиланазы. Слабыми деструкторами, встречающимися на стволах и валежных ветвях многих лиственных пород древесины, являются грибы Schizophyllum commune, Hericium coralloides, Hapolopilus nidulans, Ceraporia viridans, Naematoloma fasciculare, Trichaptum pergamenus. Из них высокий коэффициет вариабельности по целлобиогидролазе и пероксидазе отмечается у Schizophyllum commune и Naematoloma fasciculare.

По соотношению скорости разложения целлюлозы и лигнина, потребление которых представляет сопряженный процесс, грибы белой гнили обычно делят на три группы. Первая группа представлена видами, у которых разложение лигнина по сравнению с целлюлозой идет с опережающей скоростью. К грибам этой группы относят: Coriolus (Trametes) versicolor, Pleurotus stipitis, Trametes pini. Так под действием Coriolus versicolor в буковой древесине сначала разлагается лигнин, затем целлюлоза, а потом – пектин срединной пластинки. Древесная масса превращается в тягучие вещества, вначале нерастворимые, в последующем растворимые, состоящие в основном из ксилана с небольшим количеством галактана и маннана.

Во вторую группу входят возбудители, у которых разложение целлюлозы идет быстрее разложения лигнина. К представителям второй группы относится Armillaria mellea (осенний опенок), который сначала разлагает целлюлозу и связанные с ней пентозаны, а затем лигнин и свободные пентозаны.

В третью группу отнесены грибы, у которых скорости процессов одинаковы. Последняя группа рассматривается как смешанная гниль, к возбудителям которой относятся Ganoderma applanatum, Pleurotus ostreatus (вешенка обыкновенная), Fomes annosus.

При параллельной деструкции лигнина и целлюлозы первоначально в клеточных оболочках образуются отверстия, которые постепенно расширяются и увеличиваются, соединяясь с отверстиями в оболочках соседних клеток. В результате исчезают целые группы клеток и в древесине возникают заметные простым глазом ямочки и пустоты (пестрая или ямчатая гниль).

Грибы, вызывающие делигнификацию на начальной стадии не образуют сквозных отверстий, процесс распространяется изнутри, начиная со слоя S₃ клеточной стенки, и сопровождается набуханием и отслоением внутренних частей клеточной стенки, постепенно захватывая все остальные слои до срединной пластины. Делигнифицированная целлюлоза набухает и отслаивается внутрь, заполняя люмен. Завершается процесс растворением склеивающего пектинового слоя срединной пластины и мацерацией древесной ткани.

Так Pleurotus stipitis наряду с делигнификацией клеточных стенок и высвобождением набухшей целлюлозы, вызывают растворение срединной пластины и мацерацию клеток, в результате процесса наблюдается растворение клеток целиком. В местах растворения оголяются и утончаются целлюлозные фибриллы, которые на более поздних этапах деструкции разрушаются. Распад вторичной стенки протекает более быстро, в то время как разрушение срединной пластины запаздывает до определенной степени, в зависимости от вида гриба.

У Тrametes villosus обнаружена способность избирательно делигнифицировать слои клеточной стенки со стороны люмена и со стороны срединной пластины. Основным результатом действия гриба является деструкция в направлении от гифы вглубь клеточной стенки, делигнификация слоя S₂ с освобождением целлюлозных фибрилл, разрушение срединной пластины, расслоение волокон и дезинтеграция ксилемы. Для гриба Phanerochaete chrysosporium характерна высокая скорость утилизации всех компонентов клеточной стенки, начиная со слоя S₃, при этом разложение происходит на значительном удалении от гиф.

Гриб Phanerochaete sanguinea преимущественно разлагает лигнин древесины осины и лиственницы, вызывая на ранних этапах поражения набухание клеточных стенок, а в древесине лиственницы – их истончение и нарушение ячеистой структуры трахеид. Разрушению сначала подвергаются трахеиды лиственницы с однорядным расположением окаймленных пор, т.е. поздние трахеиды в пределах годичного кольца. Ранние трахеиды при этом сохраняют свою структуру неизменной. Это связано с различием химического состава весенней и осенней древесины и присутствием в первой компонентов, препятствующих на начальном этапе грибному поражению. Гриб преимущественно распространяется через поры, поэтому лигнин из окаймления пор утилизируется в первую очередь, а целлюлоза остается нетронутой. Лигнифицированные клетки лучевой паренхимы также разрушаются грибом в первую очередь. Действие гриба характеризуется мацерацией клеток по причине разрушения срединных пластинок.

Воздействие Phanerochaete. sanguinea на древесину березы и осины проявляется в сильном набухании клеточных стенок волокон вовнутрь и полости клеток частично закрываются. Набухшие клетки долгое время сохраняют первоначальную форму, что свидетельствует о равномерном удалении лигнина и гемицеллюлоз по всей толщине вторичной оболочки при одновременном ее расслоении на отдельные ламеллы. В полостях клеток обнаруживаются единичные гифы гриба, что свидетельствует о действии делигнифицирующего агента, способного диффундировать в глубь клеточной оболочки. Срединная пластина быстро растворяется, и при потере массы 36% наблюдается мацерация волокон с образованием просветов между ними.

Таким образом, в зависимости от вида возбудителя наблюдают несколько вариантов действия грибов на структурные компоненты древесины - целлюлозу и лигнин. В первом случае эти структурные компоненты только окрашиваются грибами синевы, и в отдельных случаях медленно разлагаются по типу мягкой гнили. Во втором - идет разложение типичными возбудителями мягкой гнили, при котором основная часть структурных компонентов превращается в гумус, а небольшая часть используется для дыхания гриба и синтеза его биомассы. Третий путь реализуется возбудителями бурой гнили, которые превращают структурные компоненты древесины в гумус, но образуют и биомассу в виде плодовых тел. При разложении структурных компонентов возбудителями коррозионной гнили конечными продуктами являются биомасса в виде плодовых тел или мицелия и углекислый газ. Промежуточным продуктом лигнинразрушающих грибов является целлюлоза и связанные в основном с биомассой гуминоподобные вещества, которые составляют незначительную долю образуемых продуктов. Считают, что оксидазы этих грибов, осуществляющие трансформацию лигнина и гуминовых кислот, очевидно, разлагают и промежуточно образуемые грибом фульвокислоты.. Цветовые различия в характере разложения древесины разными грибами определяются тем, какой продукт доминирует – гумус или углекислота.

Поврежденная древесина значительно отличается по химическому составу от здоровой. Нарушения в химическом составе приводят к изменениям ее элементарного состава. В поврежденной ксилотрофными грибами древесине наблюдается значительное увеличение содержания минеральных веществ и веществ, растворимых в горячей воде и 1%‑ном NaOH. Водные экстракты содержат значительное количество дубильных и минеральных веществ. В их составе находятся различные органические кислоты: уксусная, муравьиная, масляная, янтарная, молочная и пр. Содержание метоксильных групп зависит от количества лигнина, оставшегося в разложившейся древесине и, следовательно, от вида деструктора. В связи с разложением пентозанов древесина теряет часть ацетильных групп. Содержание углерода при деструктивном типе, в зависимости от стадии гниения увеличивается до 61%, а при коррозионном уменьшается до 41%. В соответствие с этим снижается теплопроводность древесины.

Процесс полного разложения растительных остатков (гумификация) на заключительной стадии сопряжен с процессом фиксации азота и закреплением его в гумусе путем взаимодействия деструкторов целлюлозы и лигнина с азотфиксирующей микрофлорой.