ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 10, с. 1220-1227
УДК 631.46:582.28
БИОЛОГИЯ ПОЧВ
ТОКСИНЫ МИКРОМИЦЕТОВ ЧЕРНОЗЕМА: СПЕКТР АНТИБИОТИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ И РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ МИКРОБНОГО СООБЩЕСТВА
© 2004 г. И. Д. Свистова, А. П. Щербаков, Л. О. Фролова
Воронежский государственный педагогический университет, 394043, Воронеж, ул. Ленина, 86
Поступила в редакцию 07.05.2003 г.
Показана важная роль "метаболических" взаимодействий (синтез токсических соединений) в формировании микробного сообщества чернозема. Обнаружено, что доминирующие в условиях агро- и техногенной нагрузки виды грибов выщелоченного чернозема обладают широким спектром антибиотического действия, подавляют развитие других грибов, многих бактерий и актиномицетов. Предполагается, что при превышении антропогенной нагрузки "зоны гомеостаза", характерной для данного типа почвы, именно "метаболическое регулирование" может приводить к изменению доли ми-кромицетов в конкретных почвенных микрозонах в следующем направлении: виды с узким —► виды с ограниченным —► виды с широким спектром токсического действия.
ВВЕДЕНИЕ
Токсины - биологически-активные вторичные метаболиты, интегральное действие которых выражается в подавлении роста и развития других организмов [20]. Многие микроскопические грибы синтезируют токсичные вторичные метаболиты, действующие на растения (фитотоксины) или животных (зоотоксины). По мере изучения спектра действия токсинов микромицетов было установлено, что многие из них подавляют также развитие других видов грибов и прокариот [15, 20]. Сейчас в общебиологическом смысле токсины с бактерицидным или фунгицидным действием рассматривают как антибиотики [5].
В чистых культурах, в основном, синтез токсинов грибами наблюдается в идиофазе при исчерпании в среде питательных веществ [20]. У ряда микроорганизмов обнаружен синтез токсинов в фазе активного роста - тропофазе [10], а также в условиях лимитирования или ингибирования роста какими-либо компонентами среды [16].
Почву до последнего времени считали "бедной" средой, не способной обеспечить накопление биомассы продуцента, достаточной для синтеза токсинов в заметных количествах [20]. Концепция микрозонального строения почвы предполагает возможность синтеза токсинов микроорганизмами в богатых органическим веществом микрозонах [7]. Процесс биосинтеза и сохранения активности токсинов непосредственно в почве продемонстрирован в работах [5, 6, 10].
Сведения об активности и спектре действия токсинов микромицетов разрознены, так как антибиотические свойства грибов исследуют медицинские микробиологи [5], фунгицидные и фито-
токсические - фитопатологи [1, 2], зоотоксичес-кие - токсикологи [20]. Синтез фитотоксинов почвенными микроорганизмами считают механизмом обратной связи в системе растение - почва - микроорганизмы [1, 15]. Токсины микроорганизмов могут непосредственно воздействовать на почвенных беспозвоночных [2, 15], а накапливаясь в растениях, поступать по пищевым цепям в организмы животных и человека [2, 20].
В ряде работ указывается на накопление ток-сигенных видов микромицетов в антропогенных экосистемах. Доля токсинообразующих грибов в почве возрастает в условиях агро- и техногенного пресса: при внесении высоких доз минеральных удобрений [4, 15, 22, 23], в городских почвах [12, 17], при загрязнении пестицидами [14], тяжелыми металлами [14], в длительных монокультурах сельскохозяйственных растений [1, 18]. Авторами отмечается высокая фитотоксичность этих видов [1, 19], вклад микробного токсикоза в развитие почвоутомления при высокой антропогенной нагрузке [1, 2, 7, 18]. Причина же этого явления остается неясной.
Известно, что вторичные "метаболические" связи имеют важное биологическое значение в биогеоценозах и повышают степень "жесткости" видовой структуры сообществ [21]. В почвенной микробиологии традиционно считается, что структура микробного сообщества (МСО) почвы определяется трофическими связями. Полагают, что в антропогенных экосистемах обостряющуюся в стрессовых условиях конкурентную борьбу выигрывают более устойчивые к нагрузке виды почвенных микроорганизмов, а результат борьбы определяется только соотношением скоростей роста исходных видов [4]. В то же время ис-
следование механизмов взаимодействия микроорганизмов одного трофического уровня выдвигается в разряд важнейших проблем [6, 9].
Общепринято, что синтез антибиотиков обеспечивает возможность существования в условиях конкуренции видов микроорганизмов с низкой скоростью роста, для видов с высокой скоростью роста рассматривается как защитная реакция, позволяющая сохранить популяцию в неблагоприятных условиях [5]. Стрессовые условия (ин-гибирование роста различными загрязнителями, лимитирование роста при изменении физико-химических показателей почвы) могут стимулировать синтез токсинов почвенными микромицета-ми. Это позволяет предположить, что структура МСО почвы может определяться не только трофическими взаимодействиями разных видов микроорганизмов (составом и активностью гидролитических ферментов, различиями в скоростях роста), но в отдельных почвенных микрозонах может регулироваться и с помощью "метаболических взаимодействий" (синтез биологически активных вторичных метаболитов).
Целью работы было изучение спектра антибиотического действия токсических веществ, выделяемых типичными микромицетами выщелоченного чернозема и известными как фито- и зооток-сины, а также выяснение их возможной роли в формировании МСО почвы в биогеоценозах и в антропогенно-нарушенных экосистемах.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Пробы почвы отбирали из слоя 0-20 см трижды за сезон в течение трех лет. Посев почвенной суспензии производили в 10-кратной повторности из 5 индивидуальных образцов, взятых в каждой точке отбора. Выделение изолятов почвенных грибов проводили на среде Чапека.
Видовую идентификацию изолятов проводили на кафедре микологии и альгологии МГУ по определителям [15, 24, 26]. В качестве показателей структуры комплекса почвенных микроми-цетов использовали временную и пространственную встречаемость видов [8].
Антибиотическую активность микромицетов определяли методом лунок на агаризованных средах [13] по радиусу зоны подавления роста или проявления морфогенетических эффектов тест-объектов. Для этого грибы выращивали на жидкой среде Чапека в стационарных условиях 10 суток, использовали фильтрат культуральной жидкости.
В качестве тест-объектов были выбраны другие типичные виды грибов, а также виды бактерий и актиномицетов, изолируемые из тех же почвенных проб с пространственной и временной частотой встречаемости более 60%, то есть ти-
пичные для чернозема выщелоченного. Видовую идентификацию прокариот проводили по определителям [3, 11]. Тест-объекты грибов выращивали газоном на агаризованной среде Чапека в течение 5 суток, а культуры актиномицетов и бактерий - на крахмало-аммиачном агаре (КАА) 14 и 3 суток соответственно (Azotobacter - на среде Эшби).
Для определения типов взаимодействий микромицетов с другими компонентами микробного сообщества чернозема исследовали также чувствительность грибов к метаболитам почвенных актиномицетов и бактерий. Фунгицидные свойства актиномицетов определяли методом лунок. Актиномицеты выращивали на жидкой крахма-ло-аммиачной среде 14 суток, использовали фильтрат культуральной жидкости. Влияние бактерий на почвенные микромицеты исследовали методом блочков [13]. Блочки вырезали из газона бактерий, выросших в течение 3-х суток на агаризованной среде КАА (Azotobacter - на среде Эшби), и помещали на поверхность агаризованной среды Чапека, засеянной тест-культурой гриба.
Все определения антибиотической активности микромицетов чернозема выполнены в 3-кратной повторности для 4-5 изолятов каждого вида. Коэффициенты вариации радиуса подавления роста или проявления морфогенетических эффектов составляли для различных видов от 10 до 18%.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В состав комплекса типичных видов микромицетов целинного выщелоченного чернозема входят 10 видов (табл. 1). Как установлено нами ранее, при различных типах антропогенной нагрузки наблюдается перестройка видовой структуры микробного комплекса [17, 18, 22, 23]. Если проследить перераспределение в составе МСО почвы тех видов, которые были типичными в контроле (целина), в антропогенных экосистемах явно проявляется значительное возрастание степени доминирования видов Talaromyces flavus, Pénicillium rubrum, P. funiculosum, Aspergillus clavatus, A. ustus, Trichoderma harzianum (в контроле редко встречающиеся) и снижение степени доминирования видов P. daleae, Fusarium solani, Rhizopus stolonifer, Gliocladium virens.
По литературным данным все указанные виды грибов продуцируют токсические вещества (табл. 2). Считают, что токсины факультативного фитопатогена F. solani проявляют специфические фитотоксические свойства [2, 15], токсины P. rubrum и P. funiculosum проявляют фито- и зоо-токсическое действие [9, 19, 20], токсины A. ustus
1222
СВИСТОВА и др.
Таблица 1. Структура комплекса микромицетов выщелоченного чернозема в зависимости от типа антропогенной нагрузки
Биогеоценозы (целина, разнотравье) Агрогенная нагрузка (озимая пшеница) Техногенная нагрузка
монокультура без удобрений в севообороте + + 2 NPK урбанозем у полотна автотрассы
Доминанты
F. solani P. daleae P. funiculosum Tal. flavus P. funiculosum
P. daleae P. rubrum P. rubrum T. harzianum A. ustus
P. funiculosum A. ustus Часто встречающиеся A. ustus P. funiculosum Tal. flavus
A. ustus A. clavatus P. daleae P. rubrum P. daleae
T. harzianum Tal. flavus T. harzianum A. clavatus T. harzianum
Rh. stolonifer T. harzianum A. clavatus A. clavatus
G. virens Tal. flavus Редко встречающиеся F. solani
P. rubrum A. ustus Rh. stolonifer F. solani P. rubrum
P. funiculosum Rh. stolonifer F. solani P. daleae G. virens
A. clavatus G. virens G. virens G. virens Rh. stolonifer
Tal. flavus F. solani Rh. stolonifer
Таблица 2. Состав микотоксинов типичных для чернозема видов грибов ( по данным [1, 2, 5, 15, 20])
Род Вид грибов Микотоксины
Penicillium P. daleae патулин, энниатин
P. funiculosum рубротоксин В, фуник
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.