ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2014, № 2, с. 8-11
УДК 552.57.93:56.016.1
СТРОЕНИЕ СПОР ИСКОПАЕМЫХ ГРИБОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИОННОГО ТРАВЛЕНИЯ УГЛЕЙ
© 2014 г. Л. Я. Кизильштейн, А. Л. Шпицглуз
Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону E-mail: kiz1933@rambler.ru
Поступила в редакцию 20.04.2013 г.
С использованием разработанного авторами метода ионного травления (распыления) получены новые данные о строении ископаемых спор грибов в угольных пластах. Впервые обнаружена многослойная структура оболочки спор. Дана характеристика морфологии спор и их внутренних цитохимических элементов.
Б01: 10.7868/80023117714020066
Наиболее обстоятельное описание спор и склероций грибов в углях содержится в монографии Э. Штаха с соавторами [1]. Эти мацералы отнесены ими к группе "инертинит" под общим названием "склеротинит", объединяющим "... все сильно отражающие остатки грибов: нити грибницы, мицелий, плектенхиму, споры и склеро-ции". Отмечается, что не все компоненты, идентифицируемые по этим признакам как склеротинит, имеют грибковое происхождение. Микроскопически к ним близки секреторные выделения растений, названные "секреторным склеротинитом".
Настоящая работа посвящена мацералам, которые описываются как "споры грибов" (СГ). Споры — это орган размножения грибов и их сохранения в неблагоприятных внешних условиях. Они развиваются обычно внутри специальных "споровместилищ". На рис. 1 показаны споры современных грибов при созревании [2]. СГ обнаружены в углях девона и осадочных породах более древних периодов.
Несмотря на то, что СГ не создают в углях концентраций, достаточных для того, чтобы влиять на их технологические характеристики, они, по мнению авторов, заслуживают внимания по следующим причинам. Грибы — основные разрушители главных составляющих компонентов древесины целлюлозы и лигнина. Этим свойством особенно отличаются высшие грибы аскомицеты (Аясотусе1ез), вызывающие "бурую гниль", и грибы базидомицеты (Ва51й1отусе1е5) — "белую гниль" [3]. Те и другие — аэробы: для обеспечения процессов метаболизма им необходим свободный кислород. Эта экологическая особенность определяет активную жизнедеятельность грибов только в поверхностных слоях торфяных залежей: в
так называемом торфогенном горизонте. С позиций углехимии важно, что в результате деятельности грибов в основном происходит разложение (потери первичной клеточной структуры) органического вещества торфа и впоследствии формируется петрографический состав угля, в частности соотношение основных гелифициро-ванных мацералов: витринита и коллинита. Последнее, как известно, влияет на многие важные технологические свойства углей при "нетопливном" их использовании: коксование, получение жидкого топлива и некоторые другие [4]. Отметим, что зависимость разрушающих древесину грибов от кислорода объясняет удивительную сохранность деревянных материалов и изделий (а также
Рис. 1. Споры грибов при созревании. Увел. 1000 (по [2], с. 345).
животных остатков) в анаэробной среде глубинных слоев торфяных болот, для которых характерен дефицит кислорода. Исследование обогащенных спорами грибов слоев торфа в болотах Флориды (США) позволило установить, что время формирования этих слоев совпадает с засушливыми периодами в истории торфонакопления. Из этого следует возможность использования СГ в углях для палеоклиматических реконструкций. Изучение анатомии ископаемых СГ, возможно, послужит дополнительной информацией при изучении эволюции во многом загадочного мира грибов в истории биосферы. Наконец, особенности строения СГ, обеспечивающие их способность сохранять жизнеспособными генетические структуры при самых неблагоприятных условиях окружающей среды, позволяют предположить, что они могут оказаться перспективным объектом для экспериментов в области биологических реконструкций.
В торфах [5] СГ в проходящем свете чаще всего черные, непрозрачные. В отраженном свете они близки по оптическим признакам к инерти-ниту [5—7]. Показатель отражения оболочек спор обычно высокий (иногда более 6%), и они слабо анизотропны.
Согласно [1], высокий показатель отражения СГ и обычно темный цвет (в проходящем свете) обусловлены наличием в их составе особого красящего вещества — меланина. Несмотря на то, что СГ в углях часто деформированы, считается, что первоначально они имели форму, близкую к сферичной или овальной.
СГ с момента вызревания имеют плотную оболочку — 1.6 до 2.0 г/см3 и большую твердость. Отсюда название этой группы мацералов — "склеро-тинит" (греч. склерос — твердый). Мацералы из этой группы не переходят в пластичное состоянии при коксовании. В то же время СГ не обнаружены в самом коксе. Из этого следует, что при температуре 600—1000°С они разрушаются.
Фрей-Висслинг и Мюлеталер [8], считают, что укрепляющим (скелетным) веществом клеточных стенок СГ является хитин — азотсодержащий полисахарид, близкий по составу и молекулярному строению к целлюлозе. Отличие состоит в том, что в молекуле хитина одна из гидроксиль-ных групп замещена ацетилированной аминогруппой. Эмпирическая формула хитина — (С8Н13М05)и. Хитин более устойчив, чем целлюлоза, к разрушению сапрофитными микроорганизмами. В клеточной оболочке СГ фибриллярная система хитина погружена в непрерывный аморфный матрикс, состоящий в основном из лигнина, гемицеллюлозы и пектиновых веществ. Оболочка СГ термо- и кислотоустойчива. Она имеет слоистую структуру, причем отдельные слои характеризуются существенной биохимиче-
ской индивидуальностью, сохраняя в ископаемом состоянии различия слагающих их полимеров (см. ниже).
Экспериментальная часть
Авторы, применив метод ионного травления, исследовали строение СГ в антрацитах Донецкого (свиты С2 - С2) и Горловского (свита С3) бассейнов. Физическая основа метода и подготовка образцов угля подробно описаны в [6]. Напомним, что речь идет о вскрытии тонкой анатомической структуры мацералов, в том числе СГ, путем распыления поверхности аншлифа угля ионами низкотемпературной аргоновой или ВЧ-кисло-родной плазмы. Эффект дифференциального распыления (травления) достигается благодаря различиям атомной и молекулярной структур гистохимических элементов отдельных мацералов, унаследованных от торфообразующих тканей растений-углеобразователей. Результаты исследований СГ приведены на рис. 2.
Форма СГ весьма разнообразна (фото 1—15). Как было показано [6, 7], в большинстве случаев она близка к круглой (фото 1, 7), овальной (фото 3) и округло-угловатой (фото 4). В антрацитах Горловского бассейна часто встречаются СГ в виде неправильного асимметричного "многоугольника" (фото 2, 8). Размеры склеротинитовых тел — от единиц до сотен мкм. Отдельные СГ обнаруживают структуры в виде выростов типа "ножек", "трубок" и "хвостиков" (фото 9, 11), которые, вероятно, служили местами их прикрепления. Поверхность СГ чаще гладкая (фото 1, 7), но встречаются бугорчатая (фото 4) или гребенчатая (фото 5), реже — складчатая (6). На поверхности отдельных СГ имеются углубления и выступы (фото 1, 3, 6). Большинство СГ обладают четко выраженными оболочками (фото 1—9) разной толщины. Иногда оболочка многослойна (фото 13—15). В редких случаях оболочка споры оптически "растворена" и не идентифицируется (фото 10). Характерные элементы строения СГ — внутренние перегородки (септы?) (фото 7) и апертуры (поры прорастания?) (фото 1, 3). Ионное травление выявляет в отдельных СГ внутриклеточные элементы цитоплазмы (фото 15), идентификация которых затруднительна.
Обсуждение результатов
Авторы рассмотрели гипотезу "негрибного" происхождения СГ в углях [1] и пришли к заключению, что она в большинстве случаев не имеет достаточных оснований [7]. Это подтверждается наблюдениями внутренних структур СГ, ставших доступными для наблюдения в результате использования метода ионного травления (распыления). Показательна в этом отношении слоистая
10
КИЗИЛЬШТЕЙН, ШПИЦГЛУЗ
Рис. 2. Строение спор грибов из антрацитов Донецкого и Горловского (фото 2, 8, 12) бассейнов. Условия наблюдения: простой отраженный свет, масляная иммерсия. Пояснения в тексте.
Фото 1 — увел 240; фото 2 — увел. 250; фото 3 — увел. 430; фото 4 — увел. 180; фото 5 — увел. 300; фото 6 — увел. 370; фото 7 — увел. 410; фото 8 — увел. 320; фото 9 — увел. 280; фото 10 — увел. 780; фото 11 — увел. 420; фото 12 — увел. 290; фото 13 — увел. 500; фото 14 — фрагмент оболочки споры на фото 13, увел. 950; фото 15 — увел. 880;
структура оболочек СГ (фото 13, 14). Факт слоистости оболочек отмечен при изучении спор современных грибов. Состав природных органических соединений, обнаруженных в составе оболочек СГ, указан выше. Ранее было высказано
предположение [9], что интенсивность ионного распыления, при прочих равных условиях, определяется соотношением в составе материала легких и тяжелых атомов. В биологических объектах преобладающими химическими элементами яв-
ляются углерод (С) и кислород (О). Атомное отношение С/О у хитина равно 1.20, лигнина — 2.8, т.е. лигнин обогащен более легкими атомами углерода. Можно считать, таким образом, что наиболее разрушенные концентрические слои (темные) в оболочке споры на фото 13 сложены в большей степени лигнином, светлые — хитином (фото 14). Многослойная оболочка СГ, возможно, объясняет их механическую прочность и сопротивление сжатию, благодаря которым они часто сохраняют шарообразную форму (см. выше).
Особенностью СГ является их цвет. В шлифах (проходящий свет) они имеют окраску от коричнево-красной (сходный по цвету с мацералами группы витринита) до черной. Эти вариации можно наблюдать уже в торфе [5], и они сохраняются на всех стадиях метаморфизма углей, на которых угольное вещество является прозрачным. В отраженном свете СГ меняют цвет от серовато-белого до белого.
Считается [1, 5], что цвет, прозрачность и показатель отражения зависят от присутствия в оболочке спор пигмента меланина — высокомолекулярного, нерастворимого в воде соединения, продукта окислительных превращений аминокислоты — тирозина. Интересно отметить, что наличие меланина определяет цвет кожи и волос человека, многих животных и насекомых. Меланин образуется под воздействием УФ-излу-чения с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.