CC BY
321
УДК 582.28 © 2011: Д.Ю. Власов; ФНИ «XXI век»
МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ГРИБЫ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ МЕСТООБИТАНИЯХ: БИОЛОГИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ И СУЩНОСТЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Д.Ю. Власов
Санкт-Петербургский государственный университет, Россия
Эл. почта: Dmitry.Vlasov@mail.ru Статья получена редакцией 22.08.2011, принята к печати 01.12.2011
Рассмотрены экологические аспекты формирования микобиоты экстремальных экосистем. На основании анализа накопленных данных выделены основные механизмы адаптации грибов к жизни в труднодоступных местообитаниях. Рассматриваются примеры формирования сообществ микромицетов в жестких экологических условиях высоких широт, в аридном климате, в антропогенной среде.
Особое внимание уделено литобионтным грибам, способным существовать на горных породах, минералах и строительном камне. Показано, что для специфических литобионтных (микроколониальных) грибов характерна особая организация колоний. Эти грибы, встречающиеся на карбонатных и силикатных породах в различных экологических условиях, обладают рядом морфологических особенностей, обеспечивающих их продолжительное существование на каменистом субстрате. Общей тенденцией развития таких микромицетов является последовательное уплотнение колоний на ограниченном пространстве (в микрозонах каменистого субстрата), что обусловлено различными морфогенетическими механизмами. Показано, что сообщества микромицетов на труднодоступных каменистых субстратах носят черты ценотической организации. Под влиянием совокупности экологических факторов в поверхностном слое камня формируется сложная биологическая система, которую можно охарактеризовать как комплекс микросообществ. Сравнительный анализ микобиоты природного и искусственного камня показал принципиальные различия в структуре литобионтных сообществ в зависимости от степени антропогенного влияния на экосистему. Рассмотрены взаимодействия грибов-экстремофилов с различным типом субстрата и с другими организмами сходных местообитаний.
Ключевые слова: грибы, экстремофилы, экосистемы, адаптация, литобионтные сообщества.
MICROSCOPIC FUNGI IN EXTREME HABITATS: BIODIVERSITY AND INTERACTIONS D.Yu. Vlasov
Saint-Petersburg University, Saint-Petersburg, Russia E-mail: Dmitry.Vlasov@mail.ru
The ecological aspects of the development of fungal microbiota in extreme habitats are reviewed based on original data. The main mechanisms of adaptation of fungi to poorly accessible habitats are discerned. The cases development of micromycotic communities under harsh conditions of high latitudes, arid zones, and anthropogenic environments are exemplified with special emphasis on lithobiont fungi able to dwell in rocks, minerals, and construction materials. Such microcolonial fungi occurring on carbonate and silicate rocks feature a peculiar organization of their colonies and morphological features providing for their continuous dwelling on rocky substrates. The general trend of evolution of such micromyces is their increasingly dense colonies within limited space provided by microzones of their rocky substrate. Micromyces communities on poorly accessible rocky substrates are shown to feature manifestations of cenotic organization. Under the influences of the totality of environmental factors typical of rocky surfaces, they develop elaborate biological systems, which may be characterized as microcommunity complexes. Comparing of mictobiota dwelling in natural and anthropogenic rocky substrates reveal significant differences depending on the degree of anthropogenic impacts on ecosystems. Also, interactions between extremophilic fungi with other organisms dwelling under similar conditions are considered.
Keywords: fungi, extremophiles, ecosystems, adaptation, endolithic communities.
Введение
Грибы отличаются широким спектром адаптивных возможностей и имеют повсеместное распространение. Особенно это касается микроскопических грибов (микромицетов), к которым относятся многочисленные паразиты растений и животных, обитатели почвы и воды, органических и минеральных субстратов естественного и техногенного происхождения. Грибы являются непременным
гетеротрофным компонентом наземных и водных экосистем в различных климатических условиях. Микромицеты встречаются практически повсюду, где возможна жизнь, включая экстремальные экосистемы.
Применительно к микроорганизмам все чаще стало применяться понятие «экстремофилы» - организмы, приуроченные к экстремальным местообитаниям. Наибольшее количество исследований
экстремофилов выполнено на примере бактерий и архей. В меньшей степени работы в данном направлении затронули грибы. Между тем, за последние годы появились новые свидетельства способности грибов развиваться в условиях космоса [1], в экстремальных условиях высоких широт [6, 11, 16], в галофильных сообществах [26, 32], в районах с повышенным уровнем химического и радиоактивного загрязнения [8, 17]. Микроскопические грибы способны преодолевать различные стрессовые воздействия благодаря уникальным биохимическим механизмам, закрепленным в процессе эволюции и позволяющим регулировать жизненную активность в меняющихся условиях среды [18]. Именно грибы в последнее время становятся объектами пристального внимания с точки зрения их возможного влияния на среду обитания человека в мегаполисе. Вероятно, мы еще недостаточно знаем о жизни этой удивительной группы организмов, которые лишь в середине XX века были выделены в самостоятельное царство на основе уникального строения и биохимических особенностей.
Благодаря широкому спектру защитных реакций и повсеместному распространению, грибы представляют собой прекрасную модель для исследования закономерностей адаптации низших эукариот к экстремальным факторам среды (резкие колебания и экстремальные значения температур, гиперсоленость, высокий уровень ультрафиолетового облучения, крайние значения рН, недостаток источников питания, нехватка кислорода, высушивание, воздействие токсических веществ и др.). В подобных условиях грибные организмы реализуют различные стратегии существования (выживания), изучение которых позволяет глубже понять пути расселения грибов в биосфере, а также расширить представление о разнообразии и роли грибных организмов в экстремальных экосистемах.
Анализ накопленных в последние годы данных позволяет предполагать, что встречаемость грибов в экстремальных условиях намного выше, чем считалось ранее. Так, только за последние 5 лет появилось немало работ, посвященных находкам грибов в экосистемах, характеризующихся гиперсоленостью. Оказалось, что наряду с прокариотами, в водоемах с повышенной соленостью встречаются тем-ноокрашенные дрожжеподобные микромицеты: Hortaea werneckii, Phaeotheca triangularis, Trimma-tostroma salinum, Aureobasidium pullulans, а также различные виды рода Cladosporium [25, 26, 27, 29]. Большинство галофильных и галотолерантных грибов относится к аскомицетам (отд. Ascomycota). Однако совсем недавно были обнаружены виды с подобными свойствами и среди базидиомицетов [29]. Экспериментально установлено, что гриб Walle-mia ichthyophaga (пор. Wallemiales, отд. Basidiomy-cota) способен к росту только в присутствии NaCl. Более того, этот вид может развиваться в насыщенном растворе NaCl, формируя своеобразные скопления клеток (сарцины). Подобные образования были зарегистрированы и у других микромицетов (Hortaea werneckii, Phaeotheca triangularis, Trimmatostro-ma salinum), встречающихся в местообитаниях с повышенной соленостью. Вероятно, формирование сарциноподобных структур можно рассматривать
как одно из приспособлений к жизни в экстремальных условиях. Адаптация к гиперсолености связана с изменениями размеров и формы клеток, строения клеточной стенки, а также метаболической активности грибов [29].
Приспособления грибов к жизни в экстремальных условиях наиболее обстоятельно исследованы на примере микромицетов, которые поселяются на труднодоступных каменистых субстратах в природных и техногенных экосистемах. Для этой своеобразной группы организмов появилось общее название - литобионтные грибы. Они способны колонизировать минералы и горные породы, поселяться на искусственном камне (строительных материалах) в техногенной среде. Поверхность твердого неорганического субстрата в воздушной среде представляет собой открытую систему, подвергающуюся прямому воздействию климатических факторов и испытывающую на себе их изменения. Лимитирующими факторами развития микромицетов на каменистых субстратах могут быть следующие:
- резкие изменения и экстремальные значения температуры и влажности;
- высокий уровень инсоляции;
- состав атмосферных осадков (особенно в про-мышленно загрязненных районах);
- твердость, химическая инертность и однородность субстрата;
- дефицит источников питания для гетеротрофных организмов.
Условия окружающей среды чаще всего являются определяющими для биологической колонизации камня. Во многих случаях состав литобионтных сообществ определяется веществами, оседающими из атмосферы или попадающими на поверхность камня другими путями. В ненарушенных или мало-измененных экосистемах основными источниками поступления таких веществ могут служить дождевая и грунтовая вода, почва и атмосфера, окружающая растительность, животный мир. Внешние условия определяют накопление на поверхности и в толще горных пород органических веществ различной химической природы: целлюлозы, пектина, крахмала, протеинов, органических компонентов спиртов, жиров, альдегидов и др. Все они могут быть утилизированы организмами гетеротрофного блока микробного сообщества, формирующегося на поверхности камня. Источником питания для грибов могут служить метаболиты или остатки водорослей, лишайников, бактерий и других литобионтных организмов. В промышленно загрязненных зонах на поверхности каменистых материалов в результате гравитационных сил и выпадения осадков в повышенных количествах оседают соли тяжелых металлов, алифатические и ароматические углеводороды, соединения серы, фосфора, хлора, азота, углерода и других элементов. С одной стороны, токсические компоненты осадков способны ингибировать развитие поверхностной микробио-ты. С другой - оседающие вещества могут служить источником энергии для грибов и бактерий. В ряде случаев микробная колонизации загрязненных поверхностей зданий и сооружений рассматривается как один из п у тей биодегра дации загрязнителей в техногенной среде [21].
Материалы и методы
Цель наших исследований состояла в выявлении закономерностей адаптации и формирования сообществ грибов, обитающих на каменистых субстратах в экстремальных (или близких к экстремальным) экологических условиях. Основные задачи, поставленные в работе:
- выявить видовое и структурное разнообразие микромицетов на карбонатных и силикатных горных породах, а также искусственном камне в различных экологических условиях;провести сравнительный анализ микобиот природных и искусственных каменистых субстратов;
- оценить характер взаимоотношений в литоби-онтных сообществах, адаптивный потенциал и особенности взаимодействия микромицетов с каменистым субстратом.
Материал собирали в ходе обследований естественных обнажений горных пород, месторождений (разрабатываемых и заброшенных карьеров), исторических памятников, зданий и сооружений городской инфраструктуры. Исследовали следующие каменистые субстраты: мрамор (итальянский, уральский, карельский, греческий); известняк (путиловский, пудостский, крымский); песчаник (польский, немецкий, египетский); гранит (египетский, карельский, финский); кварцит (египетский); гнейс (беломорский); кварц (беломорский, антарктический); базальт (антарктический); искусственный строительный и отделочный камень (бетон, кирпич, штукатурка, керамика). Всего было исследовано более 8 тыс. образцов каменистых субстратов из регионов, различающихся по климатическим условиям и степени антропогенной нагрузки на экосистемы (табл. 1).
Решение поставленных задач требовало комплексного подхода, предполагающего применение широкого арсенала диагностических и аналитических методов, обеспечивающих всестороннее изучение литобионтных микромицетов in vitro и in situ, получение морфометрических и ультраструктурных характеристик объектов [4, 5]. В качестве питательных сред для выявления, идентификации, количественного учета, поддержания в культуре и исследования микромицетов использовали среду Чапека-Докса и ее различные модификации (по содержанию глю -козы и некоторых солей), агаризованный овсяный отвар с добавлением глюкозы, агар Сабуро, карто-фельно-глюкозный агар, среду DRBC, водный агар, 2%-ный мальц-агар.
Для оценки разнообразия, структуры и динамики литобионтных сообществ, соотношения жизненных форм и численности микромицетов использовали методы описания комплексов почвенных грибов [12, 13, 14, 15]. Микобиоту камня (для каждого типа субстрата) исследовали по следующей схеме:
- выявление и анализ видового состава микромицетов;
- определение количественного содержания ко-лониеобразующих единиц (КОЕ) грибов в каменистом субстрате;
- дифференцировка комплекса видов по показателям встречаемости;
- анализ соотношения и особенностей экобио-морф;
- сравнение с микобиотами других каменистых субстратов.
Изучение процессов биологической колонизации поверхностного слоя камня, а также трансформации каменистых субстратов под влиянием литобионтного сообщества осуществляли с использованием аналитических методов, применяемых в геологических и материаловедческих исследованиях: метода петрографических шлифов, метода сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), метода рентгеноспектрального микрозон-дового анализа (РМА). Исследования с применением РМА, позволяющие оценивать состав продуктов разрушения каменистого субстрата, были выполнены нами совместно со специалистами геологического факультета СПбГУ и лаборатории изотопной геологии Института геологии и геохронологии докембрия РАН на электронном микроскопе ABT-55 (Япония) с микрозондовой приставкой LINK AN 10000/S85 (Англия).
Результаты и обсуждение
В результате проведенных исследований на карбонатных породах (мраморе и известняке) в различных экологических условиях выявлено 163 вида микромицетов, относящихся к 72 родам, а также многочисленные неспорулирующие формы. Наиболее богатыми по видовому составу оказались роды Penicillium (15 видов), Fusarium (9 видов), Aspergillus (7 видов), Phoma (6 видов), по 5 видов относились к родам Alternaria, Cladosporium и Phialophora. В целом, микобиота карбонатных пород характеризовалась высокой долей темноокрашенных грибов (около 40%). В комплексе типичных видов эта доля еще
Табл. 1.
Общая характеристика материала исследований
Каменистые субстраты Районы исследований Объекты исследований
Карбонатные породы (мраморы, известняки) Санкт-Петербург, Севастополь (Крым), Ленинградская обл., Карелия Исторические памятники и сооружения, разрабатываемые и заброшенные карьеры
Силикатные породы (граниты, песчаники, кварциты, гнейсы, базальты, кварц) Санкт-Петербург, Крым, Карелия, Западная Европа, Египет, Антарктика Исторические памятники и сооружения, природные обнажения, разрабатываемые и заброшенные карьеры
Искусственные каменистые субстраты (кирпич, штукатурка, бетон, керамика) Санкт-Петербург, Севастополь (Крым), Сев. Кавказ, Антарктика Здания и сооружения, исторические памятники, музейные объекты, полярные станции
более возрастала. Так, на мраморных памятниках Херсонеса и Санкт-Петербурга данный показатель достигал 70%.
На примере поврежденных памятников из мрамора наиболее четко проявляется связь между составом группировок грибов и конкретными формами повреждения камня. Так, в условиях Санкт-Петербурга можно выделить три основных типа разрушения мрамора, связанные с постоянным присутствием микромицетов:
- дезинтеграция поверхностного слоя, приводящая к выкрашиванию поверхности, отслаиванию и осыпанию элементов камня, образованию полостей и углублений, формированию микрокарта;
- образование поверхностных биопленок, плотность и окраска которых заметно варьируют в зависимости от доминирования тех или иных видов микроорганизмов;
- сульфатизация поверхности камня, развитие которой сопровождается образованием обогащенной гипсом патины (гипсовой корки).
В образцах мрамора с перечисленными формами разрушения микромицеты характеризуются значительным разнообразием и численностью. Количество пропагул грибов на поврежденных участках мрамора варьирует от 1000 до 7000 КОЕ на 1 грамм субстрата. Микологический анализ показал, что наибольшее количество видов грибов отмечается там, где происходит дезинтеграция внешнего слоя и потеря элементов камня (47 видов).
Локализация микромицетов, а также их морфологическое разнообразие на карбонатных породах обусловлены, главным образом, текстурно-структурными особенностями субстрата, степенью выветренности и органического загрязнения поверхностного слоя камня. Это доказывают результаты исследований биологической колонизации мраморов, полученные с применением методов сканирующей электронной микроскопии и петрографических шлифов [4].
На шлифах мрамора можно проследить формирование микроколоний и проникновение темно-окрашенных микромицетов по микротрещинам поверхностного слоя в толщу породы. Толщина проникающих гиф зависит от пространства между кристаллами. Такие гифы способны к ветвлению, чередованию апикального, дрожжеподобного и ме-ристематического (вставочного) роста, что обеспечивает им возможность максимально полного заполнения предоставленного пространства.
Проникая по микротрещинам, микромицеты способствуют постепенному разобщению элементов породы. В конечном итоге это приводит к выкрашиванию и осыпанию мелких фрагментов камня. Расширение трещин, развитие неоднородности поверхностного слоя, ослабление межкристаллических связей приводят к более благоприятным для литобионтов условиям аэрации, поступления влаги и питательных веществ. На заселенных участках происходит постепенное накопление биомассы микромицетов, после чего осуществляется дальнейшее проникновение в толщу субстрата тем же способом (с помощью проникающих гиф). Описанная стратегия последовательной колонизации твердого минерального субстрата могла сформироваться в процессе адаптивной эволюции микромицетов.
В результате микологических исследований силикатных пород в различных экологических условиях на песчаниках, гранитах, гнейсах, кварцитах, базальтах и кварце нами выявлено 110 видов микромицетов из 51 рода. Наибольшим разнообразием характеризовался род Pénicillium - 12 видов, за которым следуют Aspergillus - 10 видов, Fusarium, Phialophora - по 6 видов, Cladosporium - 5 видов. Влияние антропогенного фактора, климатических условий и особенностей каменистого субстрата накладывает заметный отпечаток на состав литобионтных сообществ и характер биоповреждений силикатных пород, связанных с развитием микро-мицетов.
Рассмотрим в качестве примера группировки грибов на поврежденных памятниках Древнего Египта (в районах Луксора и Асуана) из кварцита, гранита и песчаника. В ходе микологических исследований здесь было выявлено 30 видов микромицетов, относящихся к 16 родам. Наибольшим разнообразием характеризовался род Aspergillus (6 видов), тогда как род Cladosporium был представлен 4 видами. Представители этих родов чаще других были изолированы из образцов каменистых субстратов. Явным доминированием характеризовался Aspergillus niger, который был выявлен на всех типах исследованных субстратов. Наряду с ним, высокую встречаемость имели A. flavus и A. fumiga-tus. Значительную часть видового списка составили темноокрашенные микромицеты, относящиеся к родам Alternaria, Aureobasidium, Cladophialoph-ora, Cladosporium, Epicoccum, Phaeosclera, Stachy-botrys, Ulocladium. Следует отметить высокую встречаемость изолятов грибов, не формировавших характерных органов размножения в условиях культуры. Среди них оказались темноокрашенные Trimmatostroma-подобные, Monodictys-подобные и Phaeosclera-подобные микромицеты, а также светлоокрашенные и Monilia-подобные формы.
Наибольшее разнообразие микромицетов зарегистрировано в образцах разрушающегося кварцита (24 вида). Практически во всех пробах присутствовали представители родов Alternaria, Aspergillus и Cladosporium. Виды этих родов наиболее часто отмечались в пробах с поверхности кварцита, отобранных методом отпечатков. Мик-ромицеты постоянно присутствовали и в пробах поверхностных солей. Так, в образце солевых наслоений на недавно раскопанном фрагменте колосса (храм Аменхотепа III) были выявлены 3 вида рода Aspergillus: Aspergillus flavus, A. niger, A. sydowii.
Исследование образцов солевых корок, отобранных с различных памятников из кварцита в районе раскопок храма Аменхотепа III, проведенное рент-генофазовым методом, показало, что соли в поверхностных корках представлены, главным образом, сульфатами и хлоридами. Корки также включают кальцит и кварц. Микромицеты чаще всего развиваются на нижней стороне корок - на границе с основной породой.
Грибы были выявлены не только на древних памятниках, но и в месторождении кварцита в районе Асуана. В пробах расслаивающейся породы обнаружено 7 видов грибов: Alternaria alternata, A. tenuis-
sima, Cladosporium cladosporioides, Cladophialoph-ora bopii, Epicoccum purpurascens, Drechslera стад. Cochliobolus sativus, Fusarium incarnatum.
В образцах разрушающегося гранита (розового) выявлено 15 видов микромицетов, из которых 11 были отмечены в пробах кварцита. Присутствие грибов было сопряжено с двумя основными формами разрушения гранита, наиболее распространенными в районе обследований. Прежде всего -это гранулярная дезинтеграция (выкрашивание) поверхностного слоя, приводящая к утрате элементов камня различного размера. Развитие грибов в данном случае приурочено к структурным пространствам, образующимся под отслаивающимися фрагментами породы. Из отслаивающихся частиц гранита всего удалось изолировать 11 видов микромицетов, причем с наибольшей частотой выделялись виды родов Alternaria, Cladosporium, Cladophialophora, а также Aspergillus niger. Интересно отметить, что при меньшем в сравнении с кварцитом видовом разнообразии микромицетов, численность пропагул на поврежденных участках гранита была в среднем в 1,5 раза выше и достигала 2800 КОЕ на 1 грамм субстрата. Более высокой оказалась и доля темноокрашенных микромицетов, встречающихся на граните. Она составила почти 70%, тогда как на кварците - 42%.
Из образцов осыпающихся и расслаивающихся песчаников удалось изолировать всего 7 видов микромицетов, причем явным доминантом оказался Aspergillus niger. Небогатый видовой состав в образцах песчаников может быть объяснен постоянным осыпанием и отслаиванием фрагментов камня вследствие высокого уровня засоления. Микроми-цеты в таких условиях не могут закрепиться на субстрате. Изменение поверхностного слоя гранита и кварцита протекает гораздо медленнее, здесь формируются более стабильные по своим условиям микрозоны - основные местообитания грибов.
Высокий уровень инсоляции, а также повышенное содержание солей, поднимающихся с капиллярной влагой по материалу памятников и выступающих на его поверхности, не подавляют развитие микромицетов. Более того, в пробах солевых отложений постоянно присутствовал Aspergillus niger и темноокрашенные грибы, которые оказывают разрушительное воздействие на большинство обследованных памятников. Наиболее заметные колонии грибов развиваются в местах скопления влаги, а также на минеральных красках, сохранившихся с древних времен. Стрессовые внешние воздействия (инсоляция, дефицит питательных веществ, засоленность субстратов), испытываемые микромицетами на протяжении длительного времени, вероятно, привели к повышению их адаптивного потенциала и способности существовать на различных силикатных породах в аридном климате.
Если сравнить формы разрушения египетского гранита в памятниках Луксора и в памятнике Сфинксы в Санкт-Петербурге (перевезены в Европу из района Луксора в XIX веке), то обнаруживаются резкие отличия в формах деструкции камня и составе биодеструкторов. В условиях северного мегаполиса гранит покрывается сплошной почти
черной пленкой сложного органо-минерального состава. В ее образовании активное участие принимают темноокрашенные дрожжеподобные грибы из родов Aureobasidium, Hormonema и Moniliella. Кроме того, на поврежденном граните в Петербурге обычны виды рода Penicillium. В то же время здесь практически не встречаются типичные для поврежденных гранитных монументов Луксора виды рода Aspergillus.
Всего в ходе наших исследований на карбонатных и силикатных горных породах было идентифицировано 198 видов грибов из 87 родов. На карбонатных породах выявлено 163 вида грибов, а на силикатных - 110. Коэффициент сходства Серенсена составил 0,54. Род Penicillium характеризовался наибольшим видовым разнообразием - 16 видов. За ним следует род Aspergillus - 14 видов. На долю этих двух родов приходится 15% всего видового разнообразия. Далее следуют род Fusarium - 12 видов. По 7 видов содержали рода Acremonium и Phi-alophora, по 6 - Cladosporium, Paecilomyces и Pho-ma. На памятниках из природного камня выявлено 155 видов микромицетов, в месторождениях (разрабатываемых и заброшенных карьерах) - 84 вида, природных обнажениях - 53 вида. Во всех исследованных регионах доля родов темноокрашенных микромицетов составляла около половины от общего числа отмеченных родов. Среди неспорули-рующих изолятов также преобладали темноокрашенные мицелиальные или дрожжеподобные грибы. Во всех изученных регионах встречались виды родов Alternaria, Aureobasidium, Cladosporium и Penicillium.
Важными характеристиками микобиоты силикатных и карбонатных пород, наряду с видовым разнообразием, являются основные жизненные формы (морфотипы) литобионтов. Особый интерес в этой связи представляет группа грибов, формирующих мелкие компактные колонии черного цвета. Такие грибы были зарегистрированы на горных породах в различных экологических условиях, включая полярные пустыни, высокогорья. Для этой группы микромицетов в литературе можно встретить несколько названий: микроколониальные, черные дрожжи (black yeasts), черные дрожжеподобные грибы (ЧДГ) или меристематические грибы. Все они формируют сходные по внешнему виду микроколонии - компактные скопления округлых темноокрашенных клеток, которые могут занимать небольшие углубления или трещины в поверхностном слое камня. Наиболее часто подобные образования встречаются в природных обнажениях силикатных пород. Эти грибы обладают повышенной устойчивостью к стрессовым факторам, особым типом морфогенеза колоний и крайне медленным ростом на искусственных питательных средах.
У отдельных представителей этой группы литобионтных грибов была отмечена своеобразная тка-неподобная структура колонии, обеспечивающая ее максимальную плотность и устойчивость к внешним воздействиям (рис. 1). Последовательное уплотнение колоний может происходить вследствие особого характера ветвления гиф, направления их роста, различных видоизменений мицелия, чередования способов деления клеток в колонии.
Рис. 1. Основные морфогенетические преобразования у литобионтных грибов, приводящие к формированию микроколоний: МК - микроколонии (бинокуляр, СЭМ, культура); а—б - однонаправленный (параллельный) рост гиф;
в - гифоподиальные разрастания ветвей мицелия (тканеподобная структура); г - завивание и анастомозирование гиф;
д—з - формы роста (кластеризация участков колонии, меристематический, апикальный и дрожжеподобный рост).
Такие преобразования, выработанные и закрепившиеся в процессе адаптации к жестким условиям существования, во многом обусловлены особенностями самого субстрата с наличием ограниченных пространств (микрозон), приемлемых для существования микромицетов.
В настоящее время ряд видов микроколониальных грибов считаются специализированными обитателями камня и рассматриваются как экстремофи-лы. В пользу утверждения о специфичности литобионтных микромицетов говорит тот факт, что некоторые из них впервые были описаны именно для каменистого субстрата: Coniosporium apollinis Sterflinger, C. perforans Sterflinger, Phaeococcomyces chersonesos Bogomolova et Minter, Sarcinomyces pet-ricola Wollenzien et de Hoog. Суммируя накопленные данные, можно выделить следующие основные
морфологические особенности специфических литобионтных грибов, которые могут быть отнесены к группе экстремофилов:
- формирование слизистых капсул (обверток) вокруг клеток гриба;
- сохранение способности к чередованию различных типов роста в условиях чистой культуры (апикальный, дрожжеподобный и меристематический);
- мицелиально-дрожжевой диморфизм;
- образование различных вегетативных структур - видоизменений мицелия (завивы, кольца, анастомозы, тяжи, утолщения и др.);
- формирование различных покоящихся структур: хламидоспоры, гигантские клетки, терминальные и интеркалярные вздутия (часто пролифериру-ющие), склероциальные образования и др. (способы прорастания этих структур различны).
В целом проведенные исследования показали, что приспособления к существованию в экстремальных (или близких к экстремальным) условиях среды наиболее четко проявляется у литобионтных грибов на морфологическом уровне.
Вопросы таксономии и происхождения литобионтных грибов остаются предметом дискуссии. На основании сравнительно-молекулярных исследований (анализ последовательности нуклеотидов 18S рибосомальной ДНК), большинство микроколониальных литобионтных грибов, обладающих заметным морфологическим сходством, отнесено к порядкам аскомицетов: Chaetothyriales, Dothidеales, Pleosporales [33, 35].
При изоляции грибов с каменистых субстратов на искусственные питательные среды можно выделить три хорошо различающиеся группы микро-мицетов на основании скорости роста и формы колонии. В группу быстрорастущих входят обычные виды почвенных грибов, развитие которых зависит, главным образом, от поступления влаги и наличия в среде питательных веществ. Вторую группу составляют анаморфные дрожжеподобные грибы (например, виды родов Aureobasidium, Exophiala, Trimmatostroma), которые хорошо приспособлены к изменениям условий среды, обладают полиморфизмом вегетативных структур и часто формируют микроколонии на каменистом субстрате. Третью группу составляют наиболее консервативные обитатели камня - типичные микроколониальные грибы, характеризующиеся крайне медленным ростом и своеобразной формой колоний (виды родов niosporium, Phaeosclera, Sarcinomyces). Отдельные представители каждой из названных групп были отмечены в экстремальных местообитаниях. Однако именно микроколониальные грибы, входящие во 2-ю и 3-ю группу, наиболее часто рассматриваются как наиболее выносливые к стрессовым воздействиям [3].
Одной из важнейших реакций, позволяющих грибам выживать в неблагоприятных условиях, является переход в состояние покоя и способность быстро выходить из него при наступлении благоприятных условий. Адаптивное значение покоящихся структур особенно наглядно проявляется у грибов, развивающихся в неблагоприятных условиях. Исследуя темноокрашенные дрожжеподобные грибы на природном субстрате и в эксперименте, мы отмечали способность формировать покоящиеся структуры различного строения. Наиболее часто это хламидо-спороподобные образования или гигантские клетки с большим количеством запасных питательных веществ. Любопытно, что прорастание переживающих структур может происходить различными путями: либо с образованием мицелиального ростка, либо с образованием «клетки-почки». Однако наибольший интерес, на наш взгляд, представляет способность практически каждой клетки в микроколонии проявлять способность к переходу в состояние покоя при наступлении неблагоприятных условий. При этом степень интеграции между клетками колонии в ряде случаев крайне слабая. Например, в условиях минимального поступления питательных веществ (в поверхностном слое камня) микроколония нередко распадается на отде-
льные клетки, которые способны сохранять свою жизнеспособность в течение длительного периода времени. Очевидно, подобное явление можно рассматривать и как способ размножения, аналогичный, например, образованию артроконидий у некоторых анаморфных грибов. При наступлении благоприятных условий такие клетки способны переходить к изодиаметрическому росту (т. е. равномерно увеличиваются в диаметре) без каких-либо признаков прорастания, характерных для переживающих структур. Другими словами, такие клетки функционируют как целостный организм с крайне медленным развитием и экономичным метаболизмом, основанным на использовании, главным образом, эндогенных субстратов. Можно предположить, что описанная консервативная стратегия развития грибов является наиболее древней. Она могла сформироваться в жестких экологических условиях первичных биотопов. Изменения в биосфере способствовали эволюции и повсеместному расселению микромицетов, однако темноокрашенные дрожже-подобные (микроколониальные)грибы, вероятно, не отказались от накопленных приспособлений. В меняющейся среде всегда сохраняются островки, в которых условия мало изменились на протяжении длительного времени. Вероятно, такие условия грибы находят в микротрещинах и углублениях, формирующихся на поверхности камня в естественной среде. Именно здесь способны развиваться те медленнорастущие грибы, которые не в состоянии конкурировать с быстрорастущими микромицетами на богатых органических субстратах. Очевидно, что микроколониальный морфотип оказался наиболее адекватным условиям обитания на камне.
Важным аспектом существования литобионтных грибов в экстремальных условиях можно считать их химическое взаимодействие с каменистым (минеральным) субстратом. Грибы выделяют во внешнюю среду органические кислоты, ферменты, аминокислоты, полисахариды, фенольные соединения и др. Полимерный матрикс обеспечивает грибам не только дополнительную защиту от внешних воздействий, но и адгезию к субстрату. Секретируемые грибами вещества оказываются вовлеченными в процессы трансформации минералов. Известно, что грибы обычно подкисляют среду вокруг колонии за счет выделения органических кислот. Этот процесс можно рассматривать как один из основных факторов взаимодействия с субстратом. Органические кислоты, продуцируемые грибами, способствуют извлечению из минералов катионов Са, А1, Si, Fe, Мп, Mg и формированию стабильных металлорганических комплексов. Ацидофицирующая активность грибов приводит к растворению и выщелачиванию горных пород, процессам минералообразования и кристаллизации в зоне развития литобионтов. Эти формы разрушений характерны для карбонатных пород и встречаются в природных обнажениях камня, а также на многих каменных памятниках культурного наследия, экспонирующихся в антропогенной среде. Щавелевая кислота, выделяемая грибами, наиболее опасна для камня. Она обладает максимально широким спектром действия на поливалентные катионы и инициирует кристаллизационные процессы на поверхности карбонатного субстрата. Щавеле-
вая кислота биогенного происхождения реагирует с карбонатом кальция и осаждается как моногидрат оксалата кальция - уевеллит или менее стабильный дигидрат - уедделлит. В результате формируется ок-салатная патина - обогащенная оксалатами кальция пленка на поверхности камня [2]. Такая патина была обнаружена на карбонатных породах в городской среде, а также в районах месторождений мрамора и известняка [10, 30]. Экспериментально показано, что интенсивность образования кислот микромице-тами зависит от температуры, состава питательной среды, а также стадии развития колонии [10]. Способность продуцировать кислоты у разных видов грибов, изолированных с каменистого субстрата, существенно различается, что влечет за собой различия в кристаллизационных процессах, протекающих под действием микромицетов. Активное химическое воздействие на камень может приводить к локально -му «питтингу» (ямчатости), что проявляется в образовании отчетливых углублений в породе. Подобное взаимодействие с субстратом открывает для грибов дополнительные возможности для закрепления в микрозонах поверхностного слоя породы и последовательного освоения каменистого субстрата [4].
В попытках объяснить, как грибы оказываются внутри каменистого материала, выдвинута гипотеза [21], согласно которой грибы углубляют существующие трещины и структурные пространства в горной породе. Во время колонизации камня и растворения минералов они строят фактически своеобразный матрикс из вторичных минералов, часто того же химического состава, что и основная порода. В результате этого трещины и пустоты становятся вторично «цементированными» минералами биогенного происхождения. Даже в таких твердых минералах, как полевой шпат, эти процессы также имеют место. После гибели и разложения грибных структур внутри камня остаются следы (ходы) деятельности грибов. Таким образом, происхождение грибных тоннелей внутри минералов и горных пород объяс-н яется как резул ьтат растворения и сверлени я (бурения) минерального матрикса - «грибы, поедающие камень» ("rock-eating fungi").
Исследования последних лет свидетельствуют о том, что эндолитные грибы (обитающие в толще горных пород) распространены гораздо шире, чем предполагалось ранее. Эндолитные системы представляют собой идеальную модель для изучения комплекса взаимодействий между микробами и минералами в биосфере. Они могут оставлять след в геологическом времени, выступать в качестве модельных систем в микробной экологии, геобиологии, астробиологии [24, 36]. В этом отношении особый интерес представляют исследования ми-кобиоты каменистых субстратов в высокоширотных регионах, где литобионтные грибы выявлены как в районах сухих холодных антарктических долин, так и в прибрежных районах континента, где условия намного мягче, чем в глубине Антарктиды. За последние 10 лет описаны новые роды грибов, обитающих в Антарктике: Cryomyces, Friedmanio-myces, Antarctomyces. Исследована их морфология, хотя выделение видовых таксонов базируется, преимущественно, на молекулярно-генетических исследованиях.
Антарктические организмы, обитающие на каменистых субстратах в Антарктике, живут на абсолютной границе жизни, в самых экстремальных условиях на Земле. Условия в сухих холодных долинах МакМердо (McMurdo Dry Valleys) рассматриваются как наиболее жесткие для микробной жизни. Сочетание экстремально низких температур, высокой инсоляции и сухости приближает условия этого региона к тем, что известны на Марсе [31]. Единственным субстратом для возможной колонизации здесь является камень. В таких условиях могут формироваться очень простые сообщества, включающие всего несколько видов [34, 37]. Глубина проникновения криптоэндолитных форм составляет порядка 10 мм. В этих условиях наиболее приспособленными оказались меланизированные микроколониальные грибы, характеризующиеся медленным меристе-матическим ростом. Одними из главных защитных факторов таких грибов в Антарктике является ме-ланизация клеточной стенки, а также выделение во внешнюю среду полисахаридов, которые защищают клетки от высыхания. Антарктические штаммы микромицетов более устойчивы к ультрафиолету, чем штаммы тех же видов, изолированные из других мест. Кроме того, соотношение параметров колонии у них оптимально для перенесения неблагоприятных условий. По мнению некоторых авторов, антарктические криптоэндолитные грибы изолировались, вероятно, с момента отделения материка Антарктиды от Гондваны [31].
В прибрежных районах Антарктиды состав ми-кобиоты значительно разнообразнее, хотя на каменистых субстратах здесь также преобладают микроколониальные и лихенизированные грибы [6]. При визуальном осмотре фрагментов кварца можно заметить темноокрашенные структуры литобионтных грибов и накипных лишайников, а также зеленый налет водорослей в трещинах, углублениях и сколах поверхностного слоя минерала. На горных породах в Западной Антарктике, кроме многих видов лишайников, часто встречаются мхи из рода Andre-ae, образующие темные плотные дерновинки на поверхности субстрата. Мхи и лишайники способны играть средообразующую роль для развития грибов в литобионтных сообществах. Из 34 видов микромицетов, выявленных на каменистых субстратах, почти половину составили темноокрашенные грибы. Значительная часть изолятов была представлена стерильными темноокрашенными мицелиальными и дрожжеподобными формами. В большинстве образцов камня,свободных от растительности, выявляли от 1 до 3 видов микромицетов. Лишь в местах заметного обрастания горных пород число видов возрастало до 6. По количеству полученных изоля-тов доминирующим видом на каменистых субстратах оказался Geomyces pannorum. В пробах камня с поверхностным обрастанием (накипные и листоватые лишайники, мхи) часто выделяли виды родов Acremonium, Aureobasidium, Cladosporium, Phia-lophora, Ulocladium. В пробах выветренного кварца повсеместно регистрировали меланизирован-ные гифы грибов и микроколонии. Основная масса темноокрашенных гиф, состоящих из дрожжепо-добных клеток, сосредоточена в трещинах поверхностного слоя и под корой выветривания. На сколах
крупных кварцевых друз можно обнаружить структуры микроколониальных грибов в толще породы (на глубине до 20 мм).
У большинства изолятов микроколониальных грибов не отмечено генеративных структур. По совокупности морфологических признаков были идентифицированы лишь грибы родов Coniospori-иш и Sarcinomyces. Эти микромицеты были отмечены нами на горных породах и в других регионах [4]. По на шему мнению некоторые современные представители так называемых «черных дрожжей», обнаруженные на различных горных породах в экстремальных (или близких к экстремальным) условиях, могут быть одними из наиболее древних форм грибов, дошедших до наших дней. В пользу этого предположения свидетельствует их крайне консервативная жизненная стратегия и чрезвычайно высокая выносливость в отношении неблагоприятных внешних воздействий. Интересно, что морфология ли-тобионтных грибов в регионах с холодным и жарким климатом практически сходна.
Следует отметить, что грибы, изолированные с каменистых субстратов, были встречены и в других местообитаниях в Антарктике. Так, примечательным фактом можно считать абсолютное доминирование в почвах, на зоогенных и антропогенных субстратах гриба Geoшyces pannoruш. Доля изолятов этого вида составила более 50% от всех изолятов, выделенных из почвы. При этом G. panno-гыш встречался (с высокой частотой) в пробах почв из-под цианобактериальных матов, лишайников, мхов, щучки антарктической, а также в каменистых почвах без растительного покрова. Наибольшее количество изолятов данного вида было выделено из верхнего горизонта почвы в местах концентрации птиц (орнитофильные местообитания), где в почву попадают дополнительные источники питания для гетеротрофов. Широкий спектр ферментативной активности, способность утилизировать кератинсодержащие субстраты, а также психрот-рофность обеспечивают преобладание G. pannoruш в почвах и на разнообразных субстратах обследованной территории в Западной Антарктике. Вторым по численности среди изолятов, выделенных из образцов почв, оказался Antarctoшyces psychrotrophi-cus, который хорошо развивался при пониженных температурах (психротроф). Большинство изолятов этого вида выделено из орнитофильных местообитаний. Ранее А. psychrotrophicus был обнаружен на антарктическом острове Линдси в море Амундсена [11]. Заметное место в микобиоте исследованных почв занимает сумчатый гриб Thelebolus шicrospo-г^, часто отмечаемый в антарктических экосистемах. Доля изолятов данного вида в пробах почвы составила 5%.
Экспериментальные исследования показали, что грибы, изолированные из антарктических местообитаний, обладают широким спектром экзофер-ментной активности. Так, у 89% исследованных изолятов было выявлено наличие неспецифических фосфолипаз. Целлюлозолитической активностью характеризовались 75% антарктических изолятов, альбуминазной - 29%, гемолитической - 39%, а ка-талазной - 57% [11]. Эти данные указывают на то, что микромицеты антарктических местообитаний
обладают широким спектром неспецифических экзоферментов, что может быть рассмотрено как фактор адаптации к экстремальным условиям Антарктического континента. Интересно отметить, что одни и те же виды грибов в Антарктике часто представлены изолятами с различными физиоло-го-биохимическими свойствами (ферментативная активность, отношение к температуре и др.). Такая неоднородность изолятов расширяет адаптационные возможности видов и характеризует длительность периода адаптации к экстремальным условиям существования.
Существование грибов на каменистых субстратах во многом обусловлено их взаимоотношениями с другими обитателями камня. Кооперация в ли-тобионтном сообществе, вероятно, служит одной из главных причин того, что биологическая колонизация охватывает практически все породы и минералы, а также строительный камень [20, 22, 23].
За последние два десятилетия появилось немало данных, расширяющих представления о разнообразии литобионтных организмов и их взаимодействиях. Согласно современным представлениям, мик-робиота неорганических каменистых субстратов представляет собой сложную систему, которая развивается различным образом в зависимости от климатических условий, поступления органических и минеральных веществ из атмосферы, физико-химических свойств материала. Микроорганизмы могут переносить неблагоприятное воздействие окружающей среды благодаря способности смягчать микроэкологические условия своего местообитания для продолжения роста и развития. С одной стороны, это происходит за счет изменения свойств самого субстрата под воздействием литобионтов, с другой - это связано с установлением тесных взаимосвязей между участниками литобионтного сообщества. На каменистом субстрате обитают организмы с различными трофическими потребностями и типами метаболизма. Они формируют своеобразную систему, которую мы называем литобионтным сообществом. Под этим термином понимается совокупность взаимодействующих и функционально различающихся организмов, развивающихся совместно на природном или искусственном камне и оказывающих на него определенное воздействие. На каменистых субстратах микробы могут существовать в огромных количествах, формируя сплошные биопленки (микробные маты) на обширных участках поверхности. В современной научной литературе (особенно зарубежной) для их обозначения часто используется термин «субаэральный мат» [23, 24]. Размеры и структура таких матов во многом определяются свойствами субстрата, а также совокупностью внешних факторов. Биопленки на природном и искусственном камне состоят из клеток микроорганизмов (бактерии, микромицеты и водоросли), которые погружены в органический мат-рикс, образованный полимерными веществами: полисахаридами, липополисахаридами, протеинами, гликопротеинами, липидами, гликолипидами, жирными кислотами и ферментами. Он выполняет интегрирующую функцию, а также способствует адгезии - прикреплению к субстрату. Микробные биопленки оказывают биофизическое и биохими-
ческое воздействие на поверхность минерального субстрата. При этом литобионтные сообщества часто ассоциируются с продуктами разрушения породы и пылевыми частицами, формируя своеобразный «биоминеральный» поверхностный слой.
Таким образом, минеральный каменистый субстрат, экспонирующийся в меняющихся условиях среды, вместе с совокупностью населяющих его организмов, формирующих структурированное сообщество, представляет собой своеобразную и сложно орга ни зованн у ю л итобионтную систему, в которой грибы играют весьма заметную роль. Наиболее эффективным можно считать взаимодействие гриба (микобионта) и водоросли (фикобион-та) в лишайниках. Такой симбиоз дал возможность лишайникам расти практически во всех известных наземных экосистемах. Более 6% поверхности Земли покрыто сообществами с доминированием лишайников [28].
Известны лишь единичные попытки экспериментального изучения взаимоотношений водорослей и грибов, обитающих на каменистом субстрате [19]. При совместном культивировании нескольких видов грибов и водорослей в различных сочетаниях было отмечено доминирование индифферентных взаимоотношений между гетеротрофными и авто-трофными организмами. Реже наблюдалось стимулирующие влияние водорослей на колонии грибов. Только в отдельных случаях культура Chlorella vulgaris оказывала ингибирующее действие на микро-мицеты. Сильное ингибирующее влияние на культуры водорослей оказывали грибы Trichoderma viride и Aspergillus fumigatus.
Проведенные нами исследования показали, что в макро- и микротрещинах вместе с грибами постоянно присутствуют микроскопические водоросли и бактерии. Они находятся в тесном взаимодействии друг с другом и, вероятно, формируют довольно устойчивые трофические связи. Из образцов трещиноватого камня (не более 1-1,5 см 2) можно изолировать одновременно от 2 до 13 видов грибов. При этом в микро- и макротрещинах часто обнаруживаются устойчивые сочетания микромицетов. Так, для микротрещин и каверн мрамора в Херсонесе довольно типичным оказалось сочетание видов родов Phaeosclera и Sarcinomyces. Экспериментальные исследования по взаимодействию грибов из подобных микрогруппировок в условиях совместной культуры показали, что грибы, изолированные из «микроместообитаний» (например, микротрещины поврежденного участка мрамора), практически не проявляют антагонистической активности в отношении другдруга. Более того, их соседствохарактеризова-лось взаимным синергетическим влиянием.
С учетом стабильности таких группировок, можно полагать, что в них устанавливаются коэволю-ционные связи между различными микроорганизмами. В частности, при попадании в макротрещины зачатков высших растений и их последующем развитии, могли формироваться трофические связи с грибами-обитателями данного субстрата (взаимодействие с корневой системой растений). Подобное взаимодействие давало бы преимущество как растению, борющемуся за выживание в отсутствие достаточного количества влаги и минерального питания,
так и грибу, испытывающему недостаток органического вещества. Там, где на каменистом субстрате развивается растение, выступающее в качестве детерминанта консорции, наблюдается наиболее высокое разнообразие микромицетов и более сложная трофическая структура литобионтного сообщества в целом.
Таким образом, в структурных пространствах поверхности камня часто развиваются достаточно однородные «микросообщества», в состав которых могут входить микромицеты, водоросли и бактерии. Нередко они формируют своеобразные биокластеры - скопления, образованные тесно связанными между собой структурами грибов (одного или нескольких видов) и клетками других микроорганизмов. Сходные местообитания (микрозоны, обусловленные неоднородностью поверхностного слоя камня) обычно занимают темноокрашенные дрожжеподобные грибы из родов Cladophialopho-ra, Coniosporium, Exophiala, Hormonema, MonШel-1О., Monodictys, Phaeococcomyces, Phaeotheca, Phaeo-зо1ега, Phialophora, Ramichloridium, Sarcinomyces, Scytalidium, Torula, Trimmatostroma. Они часто определяют специфику литобионтных сообществ. Интересно отметить, что встречаемость этих видов на различных породах может заметно различаться. Если микромицеты из родов Exophiala, Hormonema, MonШella, Monodictys, Trimmatostroma, Scytalidium, Phaeosclera и Phialophora обитают как на карбонатных, так и силикатных породах, то виды родов niosporium, Phaeococcomyces, Phaeotheca, Rhinocla-diella и Sarcinomyces были зарегистрированы только на карбонатных породах в различных экологических условиях.
Процессы обособления литобионтных сообществ чаще всего обусловлены микрорельефом поверхности субстрата, создающим для организмов с различными пищевыми потребностями своеобразные «микрониши». Для характеристики распределения грибов на каменистом субстрате в известной степени приемлема концепция «микрозональности», которая была разработана Д. Г. Звягинцевым [9] для почвы как среды обитания и сохранения микроорганизмов. В целом, литобионтные сообщества, в которых важнейшую роль играют грибы, носят черты ценотической организации. Они образуют на поверхности камня сложную систему, которую можно охарактеризовать как «комплекс микросообществ».
Тенденция обособления группировок микроми-цетов с постепенным переходом к доминированию микроколониальных литобионтных грибов, характерная для карбонатных пород в Херсонесе, в меньшей степени проявилась в условиях Санкт-Петербурга с его влажным климатом и высоким уровнем атмосферного загрязнения. Поступление из внешней среды органических и минеральных веществ различной химической природы, оседающих на поверхности карбонатных пород, приводит к формированию биопленок с доминированием микромицетов (на большинстве памятников центральной части Санкт-Петербурга). На трещиноватых и раз-нозернистых породах такие пленки не только покрывают поверхность памятника, но и проникают в толщу материала по трещинам и бороздам. Здесь четко прослеживается тенденция увеличения раз-
нообразия и численности микромицетов по мере разрушения карбонатных пород. При этом на поврежденных памятниках Санкт-Петербурга реже можно обнаружить микроколониальные грибы, столь типичные для Херсонеса. В целом, для карбонатных пород в Санкт-Петербурге можно выделить большее разнообразие форм повреждений, связанных с присутствием микромицетов, чем на памятниках Херсонеса.
Полученные данные свидетельствуют о том, что необходимым условием изучения микобиоты экстремальных местообитаний является микоцено-тический подход. Такой подход предусматривает анализ структуры сообществ грибов, выявление доминирующих видов, оценку влияния окружающих условий на процессы колонизации субстрата и формирование взаимосвязей между членами литоби-онтного сообщества. Ключ к пониманию экологии литобионтов лежит в физических и химических параметрах их окружения, организации ценотических связей в литобионтном сообществе, адаптивном потенциале его участников.
Анализ разнообразия грибов на труднодоступных субстратах был бы неполным без рассмотрения микобиоты искусственных каменистых субстратов, экспонирующихся в различных экологических условиях. К искусственному камню (строительные и отделочные материалы) можно отнести бетон, керамику, кирпич, а также штукатурные материалы. Всего на этих материалах, экспонирующихся в городской среде, нами выявлено 112 видов грибов из 43 родов. Более трети всех видов принадлежит родам Penicillium и Aspergillus (29 и 15 видов соответственно). Сравнение комплексов микромицетов на кирпиче, штукатурке и бетоне (с использованием коэффициента сходства Серенсена) свидетельствуют о примерно равном сходстве описанных ми-кобиот (коэффициенты сходства лежат в пределах от 0,5 до 0,6 для сравниваемых пар).
В подземном пространстве Петербургского метрополитена на строительных материалах и конструкциях выявлено 123 вида микромицетов из 49 родов. Наибольшим видовым разнообразием характеризовался род Penicillium - 26 видов, за которым следует род Aspergillus - 19 видов. Значительным разнообразием характеризовался род Acremonium - 7 видов, что ранее не отмечалось для разрушающихся строительных материалов в наземных условиях. Интересно отметить, что состав группировок грибов на различных участках метро заметно варьирует. Лишь небольшая группа микромицетов (не более 10 видов), вероятно, является преобладающей для всего метрополитена.
Микобиоты природного и искусственного камня характеризуются определенным сходством. Среди выявленных видов явно преобладают анаморфные грибы (89%). Общими для природного и искусственного камня оказались 92 вида грибов (коэффициент Серенсена составил 0,48), что свидетельствует о достаточно высоком сходстве микобиот.
Максимальным видовым разнообразием на различных типах камня характеризуются роды Aspergillus и Penicillium [7]. На искусственных каменистых субстратах средняя доля микромицетов из родов Aspergillus и Penicillium более чем в два раза выше, чем для природного камня (доверительные интервалы при 95%-ном уровне значимости не перекрываются). В то же время в микобиоте природного камня достоверно выше доля темноокрашенных грибов (табл. 2).
В целом, результаты сравнительного анализа микобиот природного и искусственного камня показывают, что различия между группировками грибов на карбонатных и силикатных породах меньше, чем различия между микобиотами природного и искусственного камня. Прежде всего, это касается доли темноокрашенных микромицетов (в том числе дрожжеподобных), а также участия видов из родов
Табл.2.
Соотношение группировок микромицетов в микобиотах природных и искусственных каменистых субстратов
Сравниваемые группировки микромицетов Выборочная доля (%) Ошибка выборочной доли(%) Доверительный интервал при уровне значимости - 95%
Минимум Максимум
Природные каменистые субстраты
Темноокрашенные (дематиоидные) грибы 41,9 3,51 35,1 49,0
Виды родов Aspergillus, Penicillium, Paecilomyces 18,2 2,74 13,5 24,5
Зигомицеты 5,6 1,61 2,8 9,2
Искусственные каменистые субстраты
Темноокрашенные (дематиоидные) грибы 20,4 2,95 15,2 26,9
Виды родов Aspergillus, Penicillium, Paecilomyces 38,7 3,57 31,9 46,0
Зигомицеты 11,8 2,42 7,6 16,9
Aspergillus, Penicillium и Paecilomyces в формируемых комплексах. Кроме того, на природных субстратах в большей мере проявляется связь между составом группировок микромицетов и типом разрушения горной породы.
Грибы, обитающие на природном камне, прошли, вероятно, длительный путь адаптации к жизни на труднодоступном минеральном субстрате. Сообщества микромицетов горных пород обладают рядом уникальных особенностей, обусловленных условиями жизни в поверхностном слое камня. Особенно это проявляется в малоизмененной природной среде, где влияние антропогенного фактора незначительно.
В то же время, формирование микобиоты искусственных каменистых субстратов (строительного и отделочного камня) происходит при определяющем влиянии антропогенного фактора. Условия строительства и эксплуатация зданий и сооружений формируют определенную среду для становления микобиоты искусственных материалов. Это наглядно проявляется при сравнении комплексов микромицетов в подземном и надземном пространстве мегаполиса. Как показали наши исследования, разнообразие грибов на разрушающихся бетонных конструкциях в подземном пространстве оказалось почти в два раза выше, чем в надземных экосистемах.
В городской среде наиболее наглядно проявляются общие черты формирования микобиот естественных и искусственных каменистых субстратов. Состав группировок микромицетов в литобионтных сообществах мегаполиса более однороден в сравнении с ненарушенными экосистемами. В городской среде природный и искусственный камень в большинстве случаев экспонируется в загрязненной атмосфере. В таких условиях на каменистых материалах способны поселяться обычные плесневые грибы, способные существовать за счет использования источников питания, поступающих из внешней среды. Этот фактор приводит к определенной нивелировке различий в микобиотах природного и искусственного камня. Особенно это касается случаев образования поверхностных биопленок, состав которых, как правило, определяется совокупностью факторов окружающей среды и наличием в соседних биотопах видов, способных поселиться на данном субстрате. Определенное сходство комплексов микромицетов на природных и искусственных каменистых субстратах прослеживается при проявлении сходных типов повреждения материалов. Примером тому могут служить сходные по составу группировки микромицетов на граните и керамике (в Санкт-Петербурге), где формируется черная поверхностная пленка сложного органо-мине-рального состава. Другим примером может служить сходство доминирующих групп микромицетов на расслаивающихся песчаниках и бетоне в условиях Санкт-Петербурга.
Важно отметить, что на поверхности камня способны поселяться грибы с различной стратегией развития. При этом они обладают рядом особенностей, обеспечивающих им возможность закрепляться, сохраняться и развиваться на каменистом субстрате.
Суммируя накопленные данные, можно выделить следующие общие свойства микромицетов минеральных субстратов:
- способность спор и вегетативных структур грибов к адгезии на твердых субстратах;
- устойчивость к неблагоприятным внешним воздействиям: изменениям температуры в широком диапазоне (термотолерантность), колебаниям влажности воздуха и субстрата (вплоть до полного высыхания), недостатку или длительному отсутствию источников питания, повышенной инсоляции, наличию в среде токсических веществ различной химической природы;
- способность к усваиванию различных источников углерода и азота;
- высокий адаптивный потенциал (морфологическая и физиологическая пластичность);
- богатый ферментативный аппарат, обеспечивающий возможность получения необходимых питательных веществ из различных субстратов;
- экономичный метаболизм, использование эндогенных субстратов в условиях дефицита питания;
- быстрый переход в состояние покоя при стрессе;
- сохранение жизнеспособности переживающих структур в течение длительного времени;
- переход к быстрому размножению при наступлении благоприятных условий;
- способность к поверхностному росту на твердых неорганических субстратах при наличии атмосферной влаги;
- выделение в окружающую среду метаболитов, оказывающих деструктивное воздействие на субстрат (органические и неорганические кислоты, пигменты, полисахариды, экзоферменты, мочевина);
- способность аккумулировать влагу в зоне развития колоний;
- неограниченный рост при благоприятных условиях (влажность субстрата или окружающего воздуха при умеренных температурах и наличии источников пита ни я);
- способность проникать в толщу субстрата, используя структурно-текстурные особенности материала;
- стратегия последовательной колонизации твердых субстратов;
- способность формировать ассоциации (сообщества) с другими организмами, обитающими на поверхности каменистого субстрата.
Важно отметить, что среди грибов, встречающихся на природном и искусственном камне с высокой частотой, преобладают агрессивные биодеструкторы, вызывающие последовательное разрушение каменистого субстрата. Этот факт говорит в пользу предположения, что материалы и изделия, которые имеют прототипы в природе, являются наиболее повреждаемыми. Вместе с тем, разрушение каменистого субстрата представляет собой сложный процесс, в котором важную роль играют внешние факторы. Понять механизмы разрушения камня можно только на основе взаимосвязанного изучения биологических и физико-химических процессов, протекающих в поверхностном слое камня.
Анализ накопленных данных свидетельствует о том, что грибы способны играть заметную роль в экосистемах, характеризующихся экстремальными условиями для живых организмов. Микромице-ты находят на горных породах в жарком и холодном климате, во льдах и водоемах с гиперсоленостью, в районах загрязненния токсическими веществами и радионуклидами, на древних каменных памятниках и сооружениях, на строительных материалах в антропогенной среде, а также в других труднодоступных местообитаниях. Некоторые из них (преимущественно представители порядка ^ае1оШуп-а^) известны как возбудители микозов человека. Микромицеты демонстрируют колоссальную вы-
носливость к стрессовым воздействиям, проявляют способность переносить неблагоприятные условия с сохранением жизнеспособности в течение длительного времени. Уникальные биохимические и морфологические особенности грибов делают их одной из процветающих групп организмов на Земле, имеющих биосферное значение.
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (государственный контракт № 11.519.11.2003 от 17 августа 2011 г.), а также РФФИ (проект № 10-04-01181-а)
Литература
1. Микроскопические грибы на российском сегменте Международной космической станции // Т. А. Алехова, А. В. Александрова, Н. А. Загустина и др. // Микология и фитопатология. - 2009. - Т. 43. - С. 377-387.
2. Образование органических кислот мик-ромицетами, изолированными с каменистых субстратов / К. В. Баринова, Д. Ю. Власов, С. М. Щипарев и др. // Микология и фитопатология. - 2010. - Т. 44. - С. 137-142.
3. Богомолова Е. В., Власов Д. Ю, Панина Л. К. О природе микроколониальной мор -фологии эпилитных черных дрожжей рода Phaeococcomyces de Hoog // Докл. РАН. -1998. - Т. 363. - С. 707-709.
4. Власов Д. Ю. Микромицеты в литобион-тных сообществах, разнообразие, экология, эволюция, значение: Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. - СПб., 2008. - 38 с.
5. Обзор методов исследования грибов, повреждающих памятники архитектуры и искусства / Д. Ю. Власов, Е. В. Богомолова, М. С. Зеленская, А. А. Горбушина // Труды Биологического НИИ СПбГУ «Актуальные проблемы микологии». - 2001. -№ 47. - С. 88-100.
6. Микромицеты из районов расположения антарктических полярных станций (Западная Антарктика) / Д. Ю. Власов, Г. А. Горбунов, В. А. Крыленков и др. // Микология и фитопатология. - 2006. - Т. 40. - С. 202-211.
7. Особенности формирования сообществ микромицетов на строительных материалах в городской среде / Д. Ю. Власов, М. С. Зеленская, Ю. В. Рябушева и др. // Проблемы медицинской микологии. - 2008. - Т. 10, № 2. -С. 31-32.
8. Состояние микобиоты загрязненных радионуклидами почв зоны отчуждения Чернобыльской атомной электростанции через 14 лет после аварии / Н. Н. Жданова, В. А. За-
харченко, Л. В. Артушкова и др. // Микология и фитопатология. - 2001. - Т. 35, № 6. - С. 1-9.
9. Звягинцев Д. Г. Почва и микроорганизмы. - М.: МГУ, 1987. - 256 с.
10. Оксалаты кальция в биопленках с доминированием накипных лишайников на карбонатных породах (на примере археологических памятников Херсонеса Таврического, Крым, Украина) / М. С. Зеленская, А. В. Русаков, И. Е. Кнауф и др. // Материалы международной научной конференции «Биоминера-логия-2008». - Луцк, 2008. - С. 33-37.
11.Разнообразие и ферментативная активность микромицетов из слаборазвитых почв береговой Антарктики / И. Ю. Кирцидели, Д. Ю. Власов, Е. В. Абакумов, Д. А. Гиличинс-кий // Микология и фитопатология. - 2010. -Т. 44. - С. 442-453.
12. Марфенина О.Е. Антропогенная экология почвенных грибов. - М.: Медицина для всех, 2005. - 196 с.
13. Марфенина О. Е, Каравайко Н. М, Иванова А. Е. Особенности комплексов микроскопических грибов урбанизированных территорий // Микробиология. - 1996. -Т. 65. - С. 119-124.
14. Микроскопические грибы во внешней среде города / О. Е. Марфенина, А. Б. Куль-ко, А. Е. Иванова, М. В. Согонов // Микология и фитопатология. - 2002. - Т. 36, № 4. -С. 22-32.
15. Мирчинк Т.Г. Почвенная микология. -М.: Изд-во МГУ, 1988. - 220 с.
16. Структура комплексов микромицетов в многолетнемерзлых грунтах и криопэ-гах Арктики / С. М. Озерская, Г. А. Кочкина, Н. Е. Иванушкина и др. // Микробиология. -2008. - Т. 77. - С. 542-550.
17. Проявление радиоадаптивных свойств у микроскопических грибов, длительное время находившихся на территориях с по-
вышенным радиационным фоном после аварии на ЧАЭС / Т. И. Тугай, Н. Е. Жданова, В. А. Желтоножский, Л. В. Садовников // Радиационная биология, радиоэкология. -2007. - Т. 47. - С. 543-549.
18. Феофилова Е.П. Биохимическая адаптация мицелиальных грибов к стрессовым воздействиям // Труды Института микробиологии им. С. Н. Виноградского. - М.: Наука, 2004. - Вып. XII. - C. 397-409.
19. Braams J. Ecological studies on the fungal microflora inhabiting historical sandstone monuments. Ph. D. Thesis. - Oldenburg, 1992. - 104 p.
20. Burford E. P., Kierans M, Gadd G. V. Geo-mycology: fungi in mineral substrata // Mycologist. - 2003. - Vol. 17. - P. 98-107.
21. Gadd G. M. Metals, minerals and microbes: geomicrobiology and bioremediation // Microbiology. - 2010. - No. 156. - P. 609-643.
22. Gleeson D, McDermott F, Clipson N. Understanding microbially active biogeochemical environments // Adv. Appl. Microbiol. - 2007. -No. 62. - P. 81-104.
23. Gorbushina A. A., Krumbein W.E, Volkmann M. Rock surfaces as life indicators: new ways to demonstrate life and traces of former life // Astrobiology. - 2002. - Vol. 2. - P. 203-213.
24. Gorbushina A. A. Life on the rocks // Environ. Microbiol. - 2007. - Vol. 9. - P. 1613-1631.
25. Halotolerant and halophilic fungi / N. Gunde-Cimerman, J. C. Frisvad, P. Zalar, A. Plemenitas // Biodiversity of fungi: their role in human life. New Delhi, India: Oxford et IBH Publishing Co., 2005. - P. 69-127.
26. Gunde-Cimerman N, Ramos J., Plemenitas A. Halotolerant and halophilic fungi // Mycol. Res. - 2009. - Vol. 113. - P. 1231-1241.
27. Fungi in the salterns / N. Gunde-Cimer-man, P. Zalar, A. Plemenitas, G. S. de Hoog // Halophilic Microorganisms. Heidelberg: Springer-Verlag, 2004. - P. 103-113.
28. Lichen biogeochemistry / J. R. Haas, O. W. Purvis // Fungi in Biogeochemical Cycles. Cambridge: Cambridge University Press, 2006. -P. 344-376.
29. Morphological Response of the Halophilic Fungal Genus Wallemia to High Salinity / M. K. Kuncic, T. Kogej, D. Drobne, N. Gunde-Cimerman // Appl. Environ. Microbiol. - 2010. -Vol. 76. - P. 329-337.
30. Monte M. Oxalate film formation on marble specimens caused by fungus // Journal of Cultural Heritage. - 2003. - Vol. 4. - P. 255-258.
31. Evolution and adaptation of fungi at boundaries of life / S. Onofri, L. Selbmann, G. S. de Hooget al. // Advances in Space Research. -2007. - Vol. 40. - P. 1657-1664.
32. Adaptation of extremely halotolerant black yeast Hortaea werneckii to increased os-molarity: a molecular perspective at a glance / A. Plemenitas, T. Vaupotic, M. Lenassi et al. // Studies in Mycology. - 2008. - No. 61. - P. 67-75.
33. Ruibal C, Platas G, Bills G. F. High diversity and morphological convergence among melanised fungi from rock formations in the Central Mountain System of Spain // Persoon-ia. - 2008. - No. 21. - P. 93-110.
34. Fungi at the edge of life: cryptoendolithic black fungi from Antarctic desert / L. Selbmann, G. S. de Hoog, A. Mazzaglia et al. // Studies in Mycology. - 2005. - No. 51. - P. 1-32.
35. Sterflinger K, PrillingerH. Molecular taxonomy and biodiversity of rock fungal communities in an urban environment // Antonie van Leeuwenhoek. - 2001. - Vol. 80. - P. 275-286.
36. Walker J. J., Pace N. R. Endolithic microbial ecosystems // Ann. Rev. Microbiol. - 2007. - Vol. 61. - P. 331-347.
37. Wynn-Williams D. D. Antarctic microbial diversity: the basis of polar ecosystem processes // Biodiversity and Conservation. - 1996. -Vol. 5. - P. 1271-1293.
