Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 12
1.1. Особенности почвообитающих грибов и их функции 12
1.2. История изучения и распространение почвообитающих микромицетов в России 17
1.3. Почвообитающие микромицеты тропических регионов 21
1.4. Особенности географического распространения почвообитающих микромицетов 23
1.5. Форические связи почвообитающих микромицетов с животными 29
1.6. Микроскопические грибы в помещениях 31
1.7. Микроскопические грибы на космических станциях 35
1.8. Биологически активные вещества, продуцируемые микроскопическим грибами 36
Глава 2. Объекты и методы исследования 39
2.1. Характеристика основных районов работы 39
2.2. Отбор проб, выделение микроскопических грибов 67
2.3. Обработка полученных данных 70
2.4. Молекулярные исследования грибов рода Heterocephalum Taxt 73
Глава 3. Видовое богатство и таксономическая структура комплексов почвенных микромицетов изученных местообитаний 75
3.1. Московская область 75
3.1.1. Видовой состав почвообитающих микроскопических грибов Звенигородской биостанции 75
3.1.2. Сравнение состава почвообитающих микроскопических грибов различных местообитаний Звенигородской биостанции 77
3.2. Тверская область 83
3.2.1. Видовой состав почвообитающих микроскопических грибов стационара Крутицы 83
3.2.2. Сравнение состава почвообитающих микроскопических грибов различных местообитаний стационара Крутицы 86
3.3. Красноярский край 91
3.3.1. Численность и показатели видового разнообразия комплексов почвообитающих микроскопических грибов темнохвойной тайги стационара Мирное 91
3.3.2. Видовой состав почвообитающих микроскопических грибов темнохвойной тайги стационара Мирное 92
3.4. Республика Бурятия 96
3.4.1. Численность и показатели видового разнообразия комплексов почвообитающих микромицетов в лесах Заиграевского и Прибайкальского районов Республики Бурятия 96
3.4.2. Видовой состав почвообитающих микроскопических грибов в лесах Заиграевскго и Прибайкальского районов Республики Бурятия 97
3.4.3. Нематофаговые гифомицеты почвы и связанных с ней субстратов в лесах Заиграевскго и Прибайкальского районов Республики Бурятия 101
3.5. Заповедники степной зоны 103
3.5.1. Численность и показатели видового разнообразия комплексов почвообитающих микромицетов заповедников степной зоны 103
3.5.2. Видовой состав почвенных микроскопических грибов заповедников степной зоны 104
3.5.3. Сравнение состава микроскопических почвообитающих грибов заповедников степной зоны 109
3.6. Камчатка 114
3.6.1. Численность и показатели видового разнообразия почвообитающих микроскопических грибов кальдеры вулкана Узон и Долины гейзеров (Кроноцкий заповедник) 114
3.6.2. Видовой состав почвообитающих микроскопических грибов кальдеры вулкана Узон и Долины гейзеров 116
3.6.3. Сравнение состава почвообитающих микроскопических грибов термальных площадок и фоновых местообитаний 120
3.7. Северная Монголия 125
3.7.1. Численность и показатели видового разнообразия комплексов почвообитающих микромицетов таежных лесов биостанции Конин Нуга 125
3.7.2. Видовой состав почвообитающих микроскопических грибов таежных лесов биостанции Конин Нуга 126
3.7.3. Сравнение состава микроскопических почвообитающих грибов в кедрово-пихтовом и лиственнично-березовом лесу на территории биостанции Конин Нуга 128
3.8. Южный Вьетнам 131
3.8.1. Численность и показатели видового разнообразия комплексов почвообитающих микроскопических грибов особо охраняемых территорий Южного Вьетнама 131
3.8.2. Видовой состав почвообитающих микроскопических грибов особо охраняемых территорий Южного Вьетнама 134
3.8.3. Сравнение состава почвообитающих микроскопических грибов равнинных и горных лесов Южного Вьетнама 139
3.8.4. Сравнение состава почвообитающих микроскопических грибов почвы и листового опада лесов Южного Вьетнама 145
3.8.5. Описание телеоморфной стадий 148
3.9. Пещеры 157
3.9.1. Численность и показатели видового разнообразия комплексов почвообитающих микромицетов пещер 157
3.9.2. Видовой состав почвообитающих микроскопических грибов пещер 159
3.9.3. Сравнение состава почвообитающих микроскопических грибов пещер 163
Глава 4. Сравнение таксономической структуры комплексов почвенных микромицетов различных природных зон 167
Глава 5. Факторы, влияющие на формирование комплексов почвообитающих микроскопических грибов 175
5.1. Свободный мицелий макромицетов в лесных почвах 175
5.2. Вырубка леса 187
5.3. Сукцессии при зарастании сельскохозяйственных угодий 194
5.4. Форические связи мелких млекопитающих и сапротрофных почвообитающих микромицетов 200
Глава 6. Комплекс микромицетов, формируемый на Российском сегменте Международной космической станции 215
6.1. Видовой состав микромицетов, выявленных на PC МКС 215
6.2. Динамика состава микроскопических грибов на PC МКС, выявляемая с использованием укладки «Биопробы» 220
Глава 7. Антагонистические свойства выделенных почвенных микромицетов 224
Заключение 228
Выводы 231
Список публикаций по теме диссертации 234
Список литературы 245
Приложение 1. Список видов почвообитающих микромицетов, выявленных в изученных регионах 270
Приложение 2. Последовательности нуклеотидов, полученные в результате секвенирования участков ядерной ДНК штаммов Heterocephalum aurantiacum и Н. taiense 283
Приложение 3. Список видов макромицетов, влияние мицелия которых на почвенные микроорганизмы было изучено 285
Приложение 4. Антибиотическая активность штаммов микромицетов из Республики Бурятия 288
- История изучения и распространение почвообитающих микромицетов в России
- Сравнение состава почвообитающих микроскопических грибов различных местообитаний стационара Крутицы
- Свободный мицелий макромицетов в лесных почвах
- Динамика состава микроскопических грибов на PC МКС, выявляемая с использованием укладки «Биопробы»
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Микроскопические грибы обязательно присутствуют во всех биоценозах, они являются одним из основных звеньев детритных цепей и выполняют в экосистемах ряд ключевых функций. Основные из них - это участие в процессах разложения органического вещества и круговоротах биогенных элементов, в процессах почвообразования, а также регуляции видовой структуры и функциональной активности других почвообитающих организмов. Биомасса грибов во многих экосистемах сравнима с массой корней высших растений, доля их от общей биомассы микроорганизмов во многих экосистемах составляет от 50% до 90% (Мирчинк, 1988; Lodge, 1993; Dighton, 2007).
Интерес к этой группе организмов очень велик в связи с их практической значимостью для человека. Микромицеты являются основными агентами биоповреждений, вызывают болезни растений и могут представлять опасность для здоровья людей и животных. С другой стороны, микроскопические грибы продуцируют биологически активные вещества, которые в последние годы выходят на первое место среди метаболитов, используемых в фармакологии (Berdy, 2012). Их используют как агентов биологического контроля в защите растений, продуцентов ферментов, органических кислот и т. д.
Несмотря на экологическую значимость почвенных микромицетов, они остаются недостаточно изученной группой организмов. Это связано в первую очередь с методическими трудностями работы с ними и сложностью наблюдения непосредственно в среде обитания. Ежегодно описывают более тысячи видов грибов (Hibbett et al., 2011), значительная часть которых связана с почвой. Сведений о географическом распространении и видовом составе в отдельных регионах также недостаточно. В экологии почвенных грибов остается много не исследованных вопросов.
География грибов, и особенно микромицетов, является одной из наименее разработанных областей биогеографии. С одной стороны, отличия их состава в почвах различных регионов было показано еще в первых работах (Waksman, 1917), академиком Е.Н. Мишустиным был предложен биогеографический закон распространения микроорганизмов (Мишустин, 1966) и начато изучение эколого-географических закономерностей в распространении почвенных микроскопических грибов (Мишустин, Пушкинская, 1960; Сизова, 1977). С другой, предполагается, что микромицеты должны подчиняться закону микробной экологии «все есть всюду, среда отбирает», и определяющими являются конкретные условия микроместообитания (Wicklow, 1981; Christensen, 1989), было показано значение биотопов в зональных условиях для формирования комплексов микромицетов (Christensen, 1981; Мирчинк, 1982, 1988). Однако все больше свидетельств из области микробной экологии и географии говорят о том, что и микроорганизмы имеют определенные ареалы, подобные ареалам крупных организмов, но, как правило, они более обширны (Чернов, 2001; Foissner, 2006). Обобщение данных о распространении видов крупных родов, таких как
Penicillium (Сизова, 1953; Christensen et al., 2000), Aspergillus (Klich, 2002), Fusarium (Summerell et al., 2010), показало, что многие виды приурочены к определенным широтным поясам, но есть и космополитные виды, встречающиеся повсеместно. Детальное изучение таких видов часто показывает, что на самом деле это комплексы морфологически сходных видов, каждый из которых имеет свой ареал (Lumbscha et al., 2008; Коваленко и др., 2011).
Объем накопленных сведений о распространении почвообитающих микромицетов на данный момент остается недостаточным. Из-за слабой изученности сведения о составе почвенных грибов многих регионов крайне фрагментарны, а для некоторых весьма обширных областей и ряда стран вообще отсутствуют. Обобщение данных, приведенных в литературе, затруднено тем, что сбор материала и анализ осуществляли разными, часто несравнимыми методами, а также произошедшими изменениями в номенклатуре и понимании объема отдельных родов и разделении криптических видов (Cannon, 1997).
Современное состояние изученности этой важной группы организмов и необходимость заполнения «белых пятен» определяют актуальность представленной работы.
Основная цель исследования - выявление таксономического разнообразия и структуры комплексов почвообитающих микромицетов различных местообитаний, анализ географических закономерностей распространения, изучение факторов, влияющих на формирование их комплексов.
Для выполнения данной цели были поставлены следующие задачи:
-
Изучение таксономической структуры комплексов культивируемых микромицетов почв и связанных с ней субстратов разных географических регионов в зональных и интразональных местообитаниях, а также в искусственной гермозамкнутой системе.
-
Анализ закономерностей географического распределения видов и таксономических групп почвенных грибов.
-
Изучение факторов, влияющих на формирование комплексов микромицетов в почвах: 1) биотических связей микро- и макромицетов в лесных почвах; 2) сукцессионных изменений (зарастание заброшенных сельскохозяйственных угодий, вырубка и восстановление леса); 3) форических связей с мелкими млекопитающими.
-
Создание коллекции культур сапротрофных почвенных микромицетов и исследование их свойств, полезных для биотехнологии.
Научная новизна. Впервые по унифицированной методике были проведены сбор и обработка материала, позволившие получить данные о встречаемости культивируемых микромицетов из 12 географических регионов
Евразии. Выявлено 562 вида из 171 рода, относящихся к различным таксономическим группам.
Сравнимыми методами собран и обработан обширный материал из девяти регионов России от Европейской части до Дальнего Востока. Список обнаруженных в результате работы почвообитающих микроскопических грибов на территории 9 регионов России включает 393 вида из 132 родов. Впервые получены данные о микроскопических грибах Монголии и Южного Вьетнама. Составлен список почвенных грибов лесных местообитаний Северной Монголии, насчитывающий 117 видов из 45 родов. На территории пяти особо охраняемых территорий Южного Вьетнама выявлено 303 вида 101 рода культивируемых микромицетов. Проведено сравнение комплексов микромицетов горных и равнинных тропических лесов этого региона.
Интеграция анаморфных грибов в общую филогенетическую систему и помещение большей части представителей этой группы на соответствующие им места среди сумчатых и базидиальных позволили провести анализ географического распространения микромицетов не только на видовом и родовом уровне, но и на уровне таксонов более высоко ранга, от порядка и выше. В результате впервые выявлены особенности структуры видового состава почвенных микромицетов тропических лесов в сравнении с этими грибами умеренных лесов. Обнаружено: 1) более высокое видовое и таксономическое разнообразие изучаемых микромицетов в целом; 2) низкое видовое богатство и численность представителей отдела Zygomycete; 3) значительная доля микромицетов из порядка Hypocreales; 4) заметное участие грибов порядка Xylariales в общем видовом богатстве почвообитающих микромицетов; 5) высокое разнообразие представителей рода Aspergillus и связанных с ними телеоморф; 6) сравнительно большое количество микромицетов, известных как потенциальные возбудители болезней растений; 7) большое разнообразие и обилие морфологических форм грибов, не дающих спороношения на универсальных питательных средах.
Из почв южного Вьетнама были выделены культуры двух видов анаморфного рода Heterocephalum, формирующие телеоморфную стадию, которая ранее для этого рода известна не была.
Показана зависимость численности и видового богатства доминирующих видов микромицетов от присутствия в лесной почве мицелия макромицетов. Показана возможность распространения пропагул сапротрофных микроскопических грибов мелкими млекопитающими.
На основании 10-летнего мониторинга состава микромицетов, заселяющих Российский сегмент Международной космической станции (PC МКС), установлены особенности формирования их комплексов в гермозамкнутых помещениях.
Практическая значимость работы. Отработана стандартизованная методическая схема сбора и обработки материалов для характеристики комплекса почвенных микромицетов изучаемых природных местообитаний, основанная на принципах, предложенных Т.Г. Мирчинк (1981), позволившая
получить сравнимые данные о видовом богатстве и таксономической структуре почвообитающих грибов различных местообитаний.
Разработан способ выделения сапротрофных микромицетов со шкурок мелких млекопитающих, позволяющий более полно выявлять их видовое богатство на изучаемой территории.
Собрана коллекция сапротрофных почвообитающих микромицетов из различных регионов, насчитывающая в данный момент более 1800 культур потенциальных продуцентов биологически активных веществ, агентов, используемых для биологической защиты растений и для биодеградации отходов. Наиболее перспективные виды из нее депонированы во «Всероссийскую коллекцию микроорганизмов» (ВКМ) Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина (ИБФМ РАН, г. Москва) и в коллекцию Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии» (ГНЦ ПМБ РАМН, г. Оболенск), совместно с которым ведется работа по поиску продуцентов биологически активных веществ с антибактериальными, антимикотическими и инсектицидными свойствами.
В ходе исследования выявлены перспективные продуценты новых биологически активных веществ, обладающих москитоцидными свойствами, на которые получены патенты Российской Федерации № 2391389 от 10.06.2010 и №2391390 от 10.06.2010.
Из числа протестированных микромицетов отобраны штаммы -биодеструкторы термопластичного полиуретана, поливинилового спирта, латексов на основе акриловой кислоты и севиленов. На них получены патенты Российской Федерации №2415914 от 10.04.2011, №2415917 от 10.04.2011 и №2415915 от 10.04.2011.
Полученные данные используются при чтении специальных курсов лекций и проведении практических занятий для студентов кафедры микологии и альгологии Биологического факультета МГУ.
Основные защищаемые положения диссертации
-
Дана характеристика комплексов культивируемых почвообитающих микроскопических грибов зональных и интразональных местообитаний из 12 географических регионов Евразии. На территории России исследованы южнотаежные, среднетаежные, таежные и горные леса, степные местообитания, пещеры и местообитания, измененные гидротермальной деятельностью. В Северной Монголии изучены горные таежные леса, в Южном Вьетнаме равнинные и горные полидоминантные тропические леса. В ходе работы выявлено 562 вида из 171 рода, относящихся к различным таксономическим группам.
-
Анализ их распространения позволил выявить закономерные отличия видового состава почвенных микромицетов в тропических регионах от такового в зонах с умеренным климатом. Это относительно более высокое видовое и таксономическое разнообразие изучаемых микромицетов в целом;
низкое видовое богатство и численность представителей отдела Zygomycota; значительная доля микромицетов из порядка Hypocreales; заметное участие грибов порядка Xylariales в общем видовом богатстве почвообитающих микромицетов; высокое разнообразие представителей рода Aspergillus и связанных с ними телеоморф; сравнительно большое количество микромицетов, известных как потенциальные возбудители болезней растений; большое разнообразие и обилие морфологических форм грибов, не дающих спороношения на универсальных питательных средах.
-
В интразональных местообитаниях складываются комплексы микромицетов, более сходные с таковыми из зон с соответствующими климатическими особенностями. Так в горных лесах Южного Вьетнама отмечено больше видов, характерных для умеренных широт. На термальных площадках Кроноцкого заповедника (Камчатка) значительна доля видов, характерных для аридных и тропических почв. В пещерных грунтах наиболее характерны виды типичные для северных тундровых почв.
-
Особенности формирования комплексов видов микромицетов зависят как от географического положения и особенностей местообитания, так и от биотических связей, в частности, наличия в почве мицелия определенных видов макромицетов.
-
Показано наличие форических связей сапротрофных почвообитающих микромицетов с мелкими млекопитающими, что может быть одним из механизмов, обеспечивающих поддержание пула грибов и способствующих распространению их спор.
-
Доля видов микроскопических грибов, способных продуцировать биологически активные метаболиты, выше в регионах с тропическим климатом.
Апробация работы. Основные положения и материалы работы были доложены на региональных, всероссийских и международных конференциях, совещаниях и съездах, среди которых: Международная конференция «Ленинские горы 95» (Москва: 1995), Международная конференция, посвященная 100-летию организации исследований по микологии и криптогамной ботанике (Санкт-Петербург, 2000), Международный конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2002), I, II и III Съезды микологов России «Современная микология в России» (Москва, 2002, 2008, 2012), II Международная конференция «Биотехнология - охране окружающей среды» (Москва, 2004), Международная конференция «Человечество и окружающая среда» (Москва, 2004), Международная конференция «Грибы в природных и антропогенных экосистемах» (Санкт-Петербург, 2005), IV Международная конференция «Биотехнология - охране окружающей среды» (Москва, 2006), Международная конференция «Грибы и водоросли в биоценозах - 2006» (Москва, 2006), Международная конференция «Биоразнообразие экосистем Внутренней Азии» (Улан-Уде, 2006), Третий Всероссийский конгресс по медицинской микологии (Москва, 2007), XV Congress of European Mycologists (Санкт-Петербург, 2007), Международная
конференция «Высшие базидиальные грибы: индивидуумы, популяции, сообщества» (Москва, 2008), Междисциплинарный микологический форум (Москва, 2009), V Международная конференция «Изучение грибов в биогеоценозах» (Пермь, 2009), Всероссийская научная конференция с международным участием «Роль ботанических садов и охраняемы природных территорий в изучении и сохранении разнообразия растительности и грибов» (Ярославль, 2011), VIII Международная конференция «Проблемы лесной фитопатологии и микологии» (Ульяновск, 2012), Международная конференция «Биогеография: методология, региональный и исторический аспекты» (Москва, 2012), VI Всероссийская микологическая школа «Мицелиальный образ жизни и эколого-трофические группы грибов» (Москва, 2012), ежегодное собрание микологов, посвященное памяти Л.И. Курсанова «Курсановские чтения» (Москва, 2012) и другие.
Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом многолетних исследований (1994-2013 гг.), выполненных лично автором, при проведении работ под его руководством или в рамках совместной деятельности. Автор принимал участие на всех этапах работы, ему принадлежит формулирование проблемы, постановка цели и задач, планирование и проведение большей части полевых сборов материала, идентификация микромицетов, обработка и интерпретация полученных данных.
Публикации по теме диссертации. По материалам диссертации опубликовано 140 печатных работ, из них 42 статьи в журналах из перечня, рекомендованного ВАК, 16 - статьи в других журналах, сборниках и главы в коллективных монографиях, 82 - материалы и тезисы конференций, 5 патентов.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, выдвинуты основные положения, выносимые на защиту, приведены данные о научной новизне и практическом значении работы.
История изучения и распространение почвообитающих микромицетов в России
Изучение почвенных грибов началось чуть менее 100 лет назад. Первыми работами, обозначавшими появление почвенной микологии стали работы Ваксмана «Живут ли грибы и образуют ли мицелий в почве?» (Waksman, 1916а) «Почвенные грибы и их активность», (Waksman, 1916b) и V «Сществует ли грибная флора почв?» (Waksman, 1917). На поставленные вопросы автором дан положительный ответ. Оригинальным способом было доказано, что грибы присутствуют в почве в виде активно развивающегося мицелия. При выделении из почвенных комочков рост колоний на среде становился заметен менее чем через 24 часа, тогда как при прорастании спор на это уходило больше времени. Идентифицированы виды родов Мисог, Zygorhinhus, Rhizopus, Trichoderma (Waksman, 1916a). При изучении функций грибов в почве было показано, что они не обладают азотофиксирующей способностью, но активно осуществляют аммонификацию, обладают более высокой целлюлозоразрушающей активностью, чем бактерии и актиномицеты (Waksman, 1916b).
В первой работе по изучению особенностей распространения грибов (Waksman, 1917) были проанализированы данные о грибах 25 различных почв из 15 регионов (штаты Аляска, Нью Джерси, Айова, Луизиана, Калифорния, Орегон, Северная Дакота, Техас, Колорадо, Пенсильвания, острова Гонолулу, Пуэрто Рико, Гаваи и канадский штат Альберта). Было выделено более 200 видов, идентифицировано 137, отмечены наиболее типичные роды. Есть виды, встреченные везде, они же отмечены и в Европе, следовательно, сделан вывод о космополитном характере распространения почвообитающих микромицетов. Тем не менее, были отмечены и особенности комплексов грибов из отдельных почв, а также закономерности распределения видов наиболее характерных родов. Так впервые в этой работе было отмечено, что в северных почвах больше представителей Mucorales и Penicillium, а в аридных больше видов рода Aspergillus. Местообитания с кислыми и влажными почвами содержат больше видов Trichoderma, в окультуренных почвах представителей этого рода меньше (Waksman, 1917). Итогом работ С. Ваксмана стало то, что почва была признана основной средой обитания, а не только сохранения покоящихся стадий грибов.
У нас в стране первыми исследованиями почвенных грибов стали работы М. М. Самуцевич (1927), в которой характеризовались микромицеты из подзолистых окультуренных и целинных почв, и А. И. Райло (1928), в которой были выделены почвенные грибы из образцов с Кольского полуострова, из Ленинградской обл. и Каменной степи (Воронежская обл.). В работе Л. И. Курсанова и Т. Н. Шкляр (1938), проведено сравнение состава микромицетов из дерново-подзолистых почв Подмосковья и красноземов из окрестностей Батуми.
Далее, начиная с 1950-х годов, велись работы по изучению видового состава микроскопических грибов в разных районах страны. Наиболее подробно исследованным в этом отношении можно считать Дальний Восток, в основном благодаря работам Л. Н. Егоровой, которая на протяжении многих лет изучала микобиоту почв этого региона. Одной из первых работ было исследование грибов сельскохозяйственных почв под виноградниками (Егорова, 1967). Большая часть ее работ посвящена изучению комплексов микромицетов почв различных ненарушенных местообитаний (Егорова, 1971, 1974, 1979, 1981). Итогом этих исследований стала обширная сводка по почвенным грибам Дальнего Востока (Егорова, 1986). Сейчас продолжаются работы по инвентаризации почвенных микромицетов заповедных территорий (Егорова, 2007, 2009, Егорова, Ковалева, 2011, 2012). Другие микологи также работали в этом регионе (Лисина-Кулик, 1968; Жуковская, 1972; Великанов и др., 1985; Пивкин и др, 2000, 2005)
Достаточно подробно изучены микромицеты в северных арктических и тундровых почвах Кольского полуострова и Таймыра, архипелага Северная Земля, Полярного Урала (Лисина-Кулик, 1969; Смирнова, 1974; Томилин, 1977; Бабьева, Сизова, 1983; Кирцидели, Томилин, 1997; Кирцидели, 1999а,б,; 2001а,б, 2010; Кирцидели и др., 1996, 2011), почв Беломорской биологической станции (Кандалакшский залив Белого моря) (Зеленская, Власов, 2001; Бубнова, Великанов, 2004; Грум-Гржимайло, Биланенко, 2012).
Изучались микромицеты почвы побережья Антарктики (Кирцидели и др., 2010) и вечномерзлотные осадки разного возраста (Кочкина и др., 2001), в которых было показано присутствие пропагул грибов, сохранивших жизнеспособность в условиях мерзлоты до 2-3 млн лет.
Работ по микромицетам почв регионов Европейской части довольно много, но территория в этом отношении в целом изучена фрагментарно. Основные из них - это работы по Звенигородской биостанции в Московской обл. (Великанов, Сидорова, 2001), заповедным лесам и болотам Тверской обл. (Терехова и др., 1999; Грум-Гржимайло, Биланенко, 2010, и др.), Самарской обл., (Хмельницкая и др., 2003), лесам Минской возвышенности в Белоруссии (Беломесяцева, Шабашова, 2004), лесных насаждений Пермской обл. (Хабибуллина и др., 2008). Были изучены микромицеты в почвах Литвы (Салина, 1981; Лугаускас, 1988).
Почвенным микромицетам черноземной зоны также посвящен ряд работ. Многие из них проведены для окультуренных почв (Халабуда, 1948; Лисина-Кулик, 1968, 1969; Камышко, 1967; Микромицеты.., 1984; Соловей, Сизова 1973; Мусин и др., 2004). Но есть и ряд работ по целинным почвам (Жданова, 1984; Коваль, 1984;. Лаптева и др., 2009).
Ряд исследований почвенных грибов проведен в аридных областях. Подробно исследованы микромицеты разных почв и местообитаний Туркмении (Оразов, 1976). Были проведены несколько работ с образцами из солонцеватых и засоленных почв разных типов (Биланенко, Георгиева, 2005; Георгиева и др., 2009, 2012).
Почвенные микромицеты Западной и Центральной Сибири остаются до сих пор мало изучены. Было небольшое исследование в Пермской обл., (Лисина-Кулик, 1967), значительно позже проведен ряд подробных работ по изучению почвообитающих микромицетов в различных лесах в верховьях реки Колымы (Гришкан, 1994, 1995, 1996, 1997).
В горных местообитаниях грибы изучали в почвах Памира (Мирчинк, 1963), на Северо-Западном Кавказе в Тебердинском заповедние (Лейнсоо, 1991; Согонов, 2003; Согонов, Великанов, 2004) и в почвах Горного Крыма (Хмельницкая и др., 2003; Шеховцов, 2003).
Большое внимание уделено микромицетам почв, подвергшихся промышленному загрязнению. Проведена работа по изучению грибов на территории разработок рудных и россыпных месторождений золота в Амурской обл. (Жилин, 2004), Череповецкого промышленного района (Зачиняева и др., 2006), зоне выбросов Кандалакшского алюминиевого завода (Евдокимова и др., 2007). Серия работ посвящена комплексам микромицетов в нефтезагрязненных почвах и изменению их под воздействием микробиологических препаратов, предназначенных для биоремидиации поврежденных почв (Киреева и др., 2006, 2008, 2009, 2010).
Разрабатываются критерии оценки изменений комплексов микромицетов, происходящих при антропогенных нарушениях, которые можно использовать для проведения мониторинга и оценки степени повреждения почв (Марфенина, Мирчинк 1988; Марфенина, 1991,1994; Лебедева, 1992). Другим направлением исследования антропогенного влияния на почвенные микромицеты является изучение их таксономического и функционального разнообразия в городских почвах (Марфенина, 2000; Марфенина, 2005; Иванова и др., 2008; Марфенина и др., 2011; Микроскопические.., 2012). Таким образом, на данный момент, накоплены сведения о видовом богатстве почвообитающих микромицетов отдельных областей, типов почв и растительных формаций нашей страны. Степень изученности регионов не одинакова. Для многих областей данные по почвенным грибам совершенно отсутствуют, а анализ старых работ затруднен изменениями, произошедшими в номенклатуре.
В мире в целом, несмотря на наличие большего количество работ, исследования почвенных грибов также носят весьма фрагментарный характер. Наиболее подробно исследованы в этом отношении Северная Америка (США и Канада) (Bisby et al., 1935; Clarke, Christensen, 1978; Wicklow, Whittingham, 1978; Bissett, Parkinson, 1979a,b,c; Widden, 1979, 1986, 1987; Lumley et al., 2001; и др.). Неплохо изучены почвенные микроскопические грибы Европы, особенно Великобритании (Warcup, 1951; Thornton, 1956), много работали в Чехословакии (Hubalek et al., 1979; Hujslova et al., 2010), других странах Европы. Проводили работы в Японии (Ji-Yul Lee, 1972; Yaguchi et al., 1994, 1995, 1996).
Параллельно с накоплением информации о видовом составе почвообитающих микромицетов и их встречаемости в различных регионах шло изучение их экологии (Warcup, 1951; Burges, Raw, 1967; Griffin, 1972; Великанов, Успенская, 1980; Parkinson, 1981; Мирчинк, 1988; Christensen, 1989; Великанов, 1997).
Сравнение состава почвообитающих микроскопических грибов различных местообитаний стационара Крутицы
В окрестностях стационара Крутицы было изучено 9 типов местообитаний, расположение их приведено на схеме биостанции в разделе 2.1.2. (рис. 3):
10. Линия и площадка «Ельник 1» - территория Старицкого района -расположен вдоль р. Волги в плакорном малонарушенном ельнике водоохранной зоны.
11. Линия и площадка «Сосняк 1» - территория Старицкого района - участок соснового с примесью березы леса с подростом ели на месте старой (более 60 лет) гари.
Линия и площадка «Ольшаник 1» - территория Старицкого района - участок ольшаника с еловым подростом на месте вырубки 40-летней давности.
12. Линии и площадка «Ольшаник 2» часть 1 и 2 - территория Зубцовского района - однородный старый разнотравный ольшаник с еловым подростом на месте старой (около 50 лет) вырубки.
13. Линии и площадка «Ельник 2» - территория Зубцовского района представлен моховыми и неморальными участками елового леса. Лес активно эксплуатировался, вырубки 30-50- летнего возраста, заросшие рябиной и елью, неравномерно распределены по всей его территории.
14. Линии и площадка «Сосняк 2» - территория Зубцовского района - участок соснового леса с подростом ели, местами встречаются сфагновые участки.
15. Площадка «Лес» - сложный елово-сосновый лес.
16. Площадка «Зарастающее поле» - участок поля, зарастающий молодым березняком (возраст подроста 9 лет).
17. Площадка «Поле» - заброшенный выпас, где до сих пор сохраняется луговая растительность. В таблице 7 приведены наиболее характерные виды, составляющие комплекс микромицетов перечисленных местообитаний, отмеченные при частоте встречаемости 30% и выше.
Виды, отмеченные практически во всех местообитаниях, как в луговых так и в лесных, это Geomyces pannorum, Penicillium melinii, P. thomii.
Для хвойных лесов наиболее типичны следующие виды: Beauveria bassiana, Penicillium aurantiogriseum, P. brevicompactum, P. citrinum, P. janczewskii, P. raistrickii, P. simplicissimum, P. spinulosum, Phoma herbarum, Trichoderma koningii, T. polysporum, T. viride, Umbelopsis isabellina, U. ramanniana и U. vinacea. Интересно отметить, что вид Thysanophora penicillioides, обильный в ельниках Звенигородской биостанции, редко встречается в изученных еловых лесах, не пораженных жуком-короедом.
Для вторичного леса с преобладанием ольхи и еловым подростом характерны Qbmulsariafarinosa, Cylindrocarpon didymum и Mucor plumbeus.
Для луговых, сохраняющихся и зарастающих березовым лесом местообитаний характерны следующие виды: Clonostachys rosea f. catenulata, Mortierella alpina, Paecilomyces carneus, Penicillium glabrum, P. ochrochloron и Trichoderma harzianum. Здесь также наблюдается отличие в составе почвообитающих микромицетов от этих грибов, выявленных на Звенигородской биостанции. Вид Paecilomyces carneus характерный там для еловых лесов, здесь встречается преимущественно в почвах под луговой растительностью.
Сравнение видового состава комплексов микромицетов почв изученных местообитаний методом кластерного анализа (рис. 7) показало сходную картину с той, что наблюдается для этих грибов на Звенигородской биостанции. Луговые (9) и зарастающие лесом (8) местообитания сильно отличаются от лесных (номера соответствуют номерам местообитаний, приведенным в тексте выше).
Лесные местообитания распадаются на две группы, в первую вошли вторичные леса с преобладанием ольхи (площадки 3, 4), во вторую малонарушенные хвойные леса (площадки 1, 2, 5, 6, 7).
В результате проделанной работы составлен список и выявлена структура комплекса видов почвообитающих грибов в типичных ненарушенных местообитаниях средней полосы России. Многие выявленные виды типичны для лесных местообитаний Тверской области (Терехова и др., 1998, 1999) и Московской области (Великанов, Сидорова, 2001). При этом показано, что различные биоценозы имели свои особенности видового состава почвенных микромицетов. Разнообразие почвенных микромицетов исследованных местообитаний достаточно высоко.
Свободный мицелий макромицетов в лесных почвах
В исследованиях формирования и пространственного размещения сообществ грибов и бактерий в почвах практически не учитывается средообразующая роль организмов гетеротрофного блока, прежде всего грибов, занимающих в почвах лесных экосистем второе место после растений по биомассе.
Мицелий макромицетов доминирует в почве и подстилке и занимает в лесных экосистемах значительные участки (Cairney, 2005). Биомасса свободного мицелия довольно велика и составляет от 1-2 до 50 - 60 мг/г почвы, а при пересчете на площадь от 1.5-2 т/га до 6 т/га (Великанов и др., 2005) и может достигать более 7 т/га (Fogel, Hunt, 1979, 1983; Wallander et al., 2001). Свободный почвенный мицелий как сапротрофных, так и микоризообразующих макромицетов формирует вокруг себя специфическую микросреду обитания с измененными по сравнению с окружающей почвой свойствами - гифосферу (Thornton, 1953; Великанов, Сидорова, 1983), которая по значимости для микробиоты почв вполне сопоставима с ризосферой растений (Velikanov, 1989; Timonen, Marschner, 2006). Микромицеты, развивающиеся в зоне роста свободного мицелия макромицетов, подвержены влиянию их биологически активных метаболитов, а также вступают в конкурентные взаимоотношения в борьбе за субстрат.
Исследования, проведенные ранее, показали существенное влияние, оказываемое свободным мицелием сапротрофных и микоризообразующих макромицетов на почвенную биоту (Егорова, 1968; Сидорова, Великанов 1997; 2000а; 20006; 2003; Великанов, Сидорова, 1998, 2003). Показано, что микоризосфера симбиотрофных макромицетов оказывает не менее значимое влияние на почвенные бактерии и микромицеты (Воронина и др., 2009; Воронина, 2009, 2011).
Нами на территории ЗБС (Московская обл.) и стационара Крутицы (Тверская обл.) проведены комплексные исследования почвенной микробиоты и видовой структуры микромицетов, формируемых в колониях 73 видов макромицетов, принадлежащих к 38 родам из 27 семейств и 10 порядков, из эколого-трофических групп симбиотрофов, подстилочных и гумусовых сапротрофов (приложение 3). Использован метод комплексного изучения мико- и микробиоты в картированных колониях макромицетов, включающий одновременный количественный и качественный учеты бактерий и грибов прямыми и косвенными методами при точной локализации объектов исследований.
Результаты показали, что присутствие в почве мицелия большинства видов оказывает существенное воздействие на почвенную микробиоту, и это влияние видоспецифично. Преобладающий тип действия - увеличение численности КОЕ бактерий при одновременном снижении числа КОЕ микромицетов. На микромицеты преобладающее число изученных видов макромицетов оказывают подавляющее воздействие (58 видов, 80%), только 3 вида (4%) стимулировали почвообитающие микромицеты и 12 видов (16%) не оказывали заметного влияния.
При сравнении действия на микроорганизмы представителей разных трофических групп макромицетов отмечены существенные отличия (рис. 21). Среди симбиотрофов практически отсутствуют виды, не влияющие на микроорганизмы, для 85% изученных видов характерен основной тип действия (ингибирование микромицетов и стимуляция бактерий) и лишь единичные виды ингибируют бактерии и стимулируют или не влияют на микромицеты. Подстилочные сапротрофы более разнообразны по типам воздействия, среди них довольно высока доля неактивных видов (22%), основным типом воздействия обладают 42% видов, остальные представляют разные сочетания влияния на грибы и бактерии (Сидорова , Александрова, Воронина, 2009).
На территории стационара Крутицы было проведено изучение влияния свободного почвенного мицелия шести видов симбиотрофных базидиомицетов на таксономическую структуру сообществ почвенных микромицетов и их видовое разнообразие. Для исследований были заложены две площадки площадью по 400 м . Первая из них расположена на опушке ельника сложного, где преобладали береза, осина и ольха с подростом ели. На этой площадке были обнаружены и картированы колонии Leccinum aurantiacum (Bull.) Gray, Paxillus involutus (Batsch) Fr., а колонии Boletus badius (Fr.) Fr., развивались массово чуть дальше от опушки глубже в лес под старыми елями. Одиночные плодовые тела Boletus edulis Bull, (березовая форма) развивались равномерно по всей площадке, и судить о границе колоний у этого вида было сложно. Вторая площадка была заложена в ельнике мертвопокровном, расположенном в глубине лесного массива. В этом участке леса на довольно большой площади практически весь сезон массово развиваются плодовые тела Cantharellus cibarius Fr. На площадке обнаружено 7 колоний этого вида и 3 колонии Amanita muscaria (L.) Lam.
Образцы почвы отбирали по стандартной методике под плодовыми телами грибов (по 10 образцов для каждого вида), а контрольные образцы для каждой площадки отбирали в местах, где в подстилке и почве отсутствовал заметный мицелий макромицетов (по 10 точечных образцов). Всего собрано и обработано 80 образцов.
На площадках выявлены 88 видов микромицетов, относящихся к отделам Zygomycota (17), Ascomycota (6 формирующих телеоморфу и 65 анаморфных). При близких общем числе обнаруженных видов и индексах разнообразия и выровненности (табл. 36) изученные площадки существенно различались как по общему видовому составу, так и по составу доминантных видов (табл 37, 38). Общими доминантными видами для них в контрольных образцах были лишь Penicillium raistrickii, P. steckii и Umbelopsis isabellina. На площадке 1 (опушка сложного ельника) в контроле отсутствовали доминировавшие в ельнике мертвопокровном Umbellopsis папа и Penicillium oxalicum, а на площадке 2 - Zygorhynchus moelleri, Penicillium thomii, P. simplicissimum, P. citrinum и Umbelopsis ramanniana, доминировавшие на площадке 1, не были доминантами на площадке 2. О различиях в видовом составе и распределении видов между изученными площадками свидетельствуют и низкие значения коэффициентов сходства Сёренсена (табл. 39).
Результаты определения численности КОЕ почвенных микромицетов, приведенные в таблице 36, свидетельствуют, что все изученные макромицеты оказывают существенное влияние на развитие в почве микроскопических грибов. Общее количество пропагул почвенных микромицетов на обеих площадках было заметно больше в контрольных образцах, чем в колониях макромицетов (различия достоверны при Р = 0,001 для всех видов, кроме Amanita muscaria, а у последнего - только при Р =0,01). Таким образом, все виды макромицетов проявляют наиболее характерный тип воздействия на микобиоту почвы, обнаруженный при исследовании большой выборки видов агарикоидных и некоторых афиллофороидных базидиомицетов на территории ЗБС в разных типах леса на подзолистых и бурых лесных почвах (Сидорова, Великанов, 1997).
В образцах из колоний макромицетов наблюдалось сокращение общего числа видов микромицетов, среднее число видов в образце во всех вариантах было выше в контроле (табл. 36). Общее число обнаруженных видов превышало таковое в контрольных образцах только в колониях Boletus edulis и Amanita muscaria. Такая же закономерность прослеживается и в распределении доминантных видов (табл. 37, 38): их число в контроле на обеих площадках выше, чем в образцах, взятых под базидиомами макромицетов. Особенно четко это проявлялось на площадке 1, где число доминантных видов в контроле было в 2-3 раза выше, чем в колониях (исключение - Boletus edulis, в колониях которого число доминантных видов меньше).
Другой важной закономерностью влияния свободного почвенного мицелия симбиотрофных макромицетов на видовое разнообразие почвообитающих микромицетов является резко выраженная смена доминантных видов (табл. 37, 38).
Динамика состава микроскопических грибов на PC МКС, выявляемая с использованием укладки «Биопробы»
Общее количество выявленных видов и количество колоний сильно варьировало в ходе проведения эксперимента и изменялось волнообразно. В целом, численность колониеобразующих единиц на исследованных конструкционных поверхностях Российского сегмента МКС довольно низкая и их можно считать мало заселенными микроорганизмами-деструкторами.
На рисунке 33 показано количество мест отбора проб, в которых выявлены микроорганизмы. На диаграмме хорошо видна цикличность в степени заселенности станции на протяжении исследования.
Численность микроорганизмов и (рис. 34) также изменялась волнообразно. Однако нарастание амплитуды колебания от первой волны по численности микроорганизмов выражено больше чем по степени заселенности.
Видовое разнообразие микроскопических грибов и бактерий изменялось сходным образом (рис. 35).
Наиболее обильные виды на протяжении космического эксперимента также были также постоянны (табл. 53). Из грибов это в первую очередь Penicillium chrysogenum, несколько реже обильно были представлены Aspergillus flavus, A. niger, Rhodotorula glutinis. Из бактерий обильно и постоянно был представлен род Bacillus.
Состав микроскопических грибов на PC МКС во «многом сходен с таковым в жилых и рабочих помещениях на Земле (Samson, 1985; Davies et al., 1995; Богомолова и др., 1999; Петрова-Никитина и др., 2000; Мокеева и др., 2002), а также довольно близок к таковому на космической станции «Мир» (Викторов и др., 1998; Новикова, 2001; Алехова и др., 2002; Скуратов и др., 2002; Руденко и др., 2003). Микроорганизмы, регулярно обнаруживаемые на станции, скорее всего являются постоянными ее обитателями, нашедшими там подходящие для себя условия. Они занесены на станцию с грузами или при смене экипажей. Видовое разнообразие грибов на станции постепенно возрастает. Преимущество получают технофильные и ксерофильные виды, способные заселять и разрушать различные материалы при невысокой влажности (Лугаускас и др., 1987; Samson et al., 2000).
Исследование пыли, собираемой пылесосом и особенно воздушными фильтрами, являющейся местом концентрации спор грибов и клеток микроорганизмов, позволяет оценивать в целом микробное разнообразие на PC МКС и оптимально подходит для выявления максимального разнообразия видов. Однако этот метод не дает представления о месте развития микроорганизмов и поэтому должен обязательно сочетаться с анализом ч микробиоты в конкретных точках и на определенных материалах. Таким образом, исследование пыли на PC МКС дополняет эксперимент «Начальные этапы биодеградации и биоповреждений в условиях космоса» с использованием укладки «Биопробы».
Микроскопические грибы в данный момент привлекают все большее внимание исследователей в связи с их способностью синтезировать разнообразные химические соединения. Предполагается, что по количеству потенциально образуемых веществ они значительно превосходят микроорганизмы других групп как в отношении антибиотиков, так и метаболитов с иной фармакологической активностью (Newman, Cragg, 2003).
В качестве потенциальных продуцентов большое внимание уделяется и штаммам из мало исследованных к настоящему времени регионов (Berdy, 2005). Анализ способности культур к образованию биологически активных веществ представляет как теоретический интерес - функциональные возможности комплекса микромицетов и их регуляторная роль, так и практический - возможность отбора новых продуцентов антибиотиков.
В результате проведенных нами работ создана коллекция, включающая более 1800 живых культур, которая хранится на кафедре микологии и альгологии МГУ. Наиболее интересные виды переданы на хранение во Всероссийскую коллекцию микроорганизмов (ВКМ ИБФМ РАН) и коллекцию Центра прикладной биотехнологии и микробиологии (ГНЦ ПМиБ РАМН). С культурами из составленной коллекции ведется работа по поиску биологически активных веществ с противобактериальными, антимикотическими и инсектицидными свойствами.
Совместно с Государственным научным центром по антибиотикам (ГНЦА) были протестированы микромицеты из почв Республики Бурятия. В работе исследовано 56 штаммов, относящихся к 51 виду микромицетов (приложение 4-1), выделенных из образцов почвы и смежных с ней субстратов (растительные остатки, мох, помет и др.), собранных на территории Заиграевского и Прибайкальского районов Бурятии. Штаммы относились к следующим родам: Absidia, Alternaria, Arthrobotrys, Aspergillus, Beauveria, Chaetomium, Cladosporium, Clonostachys Dactylella, Fusarium, Gamsylella, Geomyces, Gonatobotrys, Humicola, Paecilomyces, Penicillium, Phialophora, Phoma, Thysanophora, Tolypocladium, Truncatella, Ulocladium.
Определение биологической активности осуществляли методом диффузии в агаре по величине диаметра зон отсутствия роста тест-организмов вокруг лунок (Методы.., 1982). В качестве тест-объектов были взяты 12 культур микроорганизмов: Escherichia coli ATCC 25922, Staphylococcus aureus ATCC 29213, S. aureus ATCC 43300 (MRSA -Metycillinum-resistant Staphylococcus aureus), Bacillus subtilis ATCC 6633, B. cereus var. mycoides, Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, Aspergillus niger 137a, Candida albicans CBS 8836 и клинические изоляты: С. albicans 616, С. krusei 600М, С. krusei 32/1.
Наличие ингибиторов роста грибов и бактерий определяли в культуральной жидкости и в водном растворе экстракта из мицелия, полученного при упаривании ацетонового экстракта мицелия до водного остатка на вакуум-выпарной установке (ИР-1).
Доля штаммов, продемонстрировавших способность к подавлению использованных тест-организмов, среди изученных грибов довольно велика. Из 56 исследуемых культур антибиотическая активность была выявлена у 34 штаммов (приложение 4-2), что составляет 61%. Получены штаммы (за исключением Candida albicans 616 и С. krusei 32/1) с активностью в отношении практически всех тест-организмов. 20 штаммов (36%) подавляли рост каких-либо бактерий, 7 - грибов, 7 - показали активность против тестов из обеих групп. Большинство изученных грибов продуцируют антибиотики, секретируемые из мицелия в культуральную среду.
Потенциальный интерес представляют 10 культур, подавляющие Staphylococcus aureus, 6 из них - рост метициллинрезистентного S. aureus (MRSA), 5 были активны против грамотрицательных бактерий {Escherichia coli), у 3 из них обнаружена избирательная активность в отношении Pseudomonas aeruginosa, 11 изолятов показали антигрибную активность. Tolypocladium inflatum и Т. microsporum подавляли рост Aspergillus niger и клинического штамма Candida krusei 600М.
Похожие диссертации на Почвообитающие микроскопические грибы : география и экология
