CC BY
65УДК 616.992:616-057
СПЕКТР
БИОЛОГИЧЕСКОЙ
АКТИВНОСТИ
МИКРОМИЦЕТОВ
ЧЕРНОЗЕМА
Сенчакова Т.Ю. (аспирант)*, Свистова И.Д. (профессор кафедры)
Воронежский государственный педагогический университет, кафедра биологии растений и микробиологии, Россия
© Сенчакова Т.Ю., Свистова И. Д., 2009
Впервые проведены комплексные исследования спектра биологической активности типичных для черноземных почв микро-мицетов: фунгицидных свойств по отношению к сапротрофным и фитопатогенным грибам, антибиотической активности по отношению к бактериям и актиномицетам, фитотоксичности. Установлено, что доминирующие в условиях интенсивной агрогенной нагрузки виды грибов синтезируют микотоксины с антибиотическим и фунгицидным действием, что указывает на усиление «метаболического» регулирования микробного сообщества почвы в агроэкосистемах. Среди них выделена группа микромицетов с широким спектром биологического действия, проявляющая, кроме того, фитотоксические (по литературе — и зоотоксические) свойства. Накопление этих видов в почве представляет опасность для практики растениеводства и для здоровья людей. Индикаторные виды микромицетов предложены в качестве параметра санитарно-гигиенического биомониторинга чернозема.
Микромицеты, проявляющие антибиотические и фунгицидные свойства, но стимулирующие рост и развитие растений, перспективны для применения как биопрепараты защиты растений от фитопатогенов (средства биоконтроля) на черноземах.
Ключевые слова: антибиотики, биоконтроль, биомониторинг, микотоксины, фитотоксины, фунгициды
THE BIOLOGICAL ACTIVITY’ SPECTRUM OF MICROMYCETES IN A BLACK SOIL
Senchakova TJu. (aspirant), Svistova I.D. (professor of the chair)
Voronezh State Educational University, Russia
© Senchakova T.Ju., Svistova I.D., 2009
Complex investigations of biological activity spectrum of typical micromycetes from black soil have been firstly provided: fungicide properties to saprotrophic and pathogenic fungi, antibiotic activity to bacteria and actinomycetes, phytotoxic properties. It was determinated
* Контактное лицо: Сенчакова Татьяна Юрьевна
Тел.: 89092226970
that fungal species dominated in conditions of intensive agricultural pressure synthesised mycotoxins with antibiotic and fungicide actions; this fact indicate at the increasing of «methabolic» regulation of soil microbial society in agroecosystems. The group of micromycetes with wide biological activity spectrum which displaed phytotoxic (and zootoxic in literature) properties was distinguished. Accumulation of these species in soil is dangerous to agriculture and to health of people. Indicatory species of micromycetes were suggested as parameter to sanitary-hygienic monitoring of black soil.
Micromycetes which displayed antibiotic and fungicide properties but stimulated growth and development of plants may be used as biological preparations for protection from plant diseases (means of biocontrol) in black soil.
Key words: antibiotics, biocontrol, biomonitoring, phytotoxines, fungisides, mycotoxines
ВВЕДЕНИЕ
Многие грибы способны синтезировать микотоксины — биологически-активные вторичные метаболиты, интегральное действие которых выражается в подавлении роста и развития других организмов. Сведения об активности и спектре действия микотоксинов разрознены, так как антибиотические свойства грибов исследуют общие и медицинские микробиологи, фунгицидные и фитотоксические — фитопатологи, зоотоксические — токсикологи.
В чистых культурах синтез токсинов грибами, в основном, наблюдают в идиофазе при исчерпании в среде питательных веществ. Почву до последнего времени считали «бедной» средой, не способной обеспечить накопление биомассы продуцента, достаточной для синтеза токсинов в заметных количествах. Однако на основании разработанной в последние годы концепции микрозонального строения почвы [1] можно предполагать наличие синтеза токсинов микроорганизмами в богатых органическим веществом микрозонах. Биосинтез вторичных метаболитов, в том числе и токсинов, чистыми культурами грибов усиливается в условиях лимитирования или ингибирования роста какими-либо компонентами среды [2,3]. Кроме того, у ряда грибов обнаружен синтез антибиотиков в фазе активного роста культуры — тропофазе [4].
В работах [4,5] продемонстрирован биосинтез токсинов грибами непосредственно в почве. Микотоксины длительно сохраняют активность в почве; в зависимости от химической природы, они свободно диффундируют в почвенном растворе или иммобилизуются почвенно-поглощающим комплексом [6]. Фитотоксические свойства почвы в значительной степени определяются микробным токсикозом, а именно — накоплением микотоксинов [7]. Поступая в растения, микотоксины ингибируют процессы дыхания, фотосинтеза, могут закупоривать проводящую систему, оказывая фитотоксическое действие или вызывая гибель растения [8]. Микотоксины воздействуют на почвенных беспозвоночных [9, 10]. По пищевым цепям микотоксины поступают в организмы животных и человека, вызывая развитие токсикозов [11,12].
Нами в более ранних мониторинговых работах установлено накопление токсигенных видов микро-
мицетов в черноземе, подверженном интенсивному антропогенному воздействию: агрогенной нагрузке [13-15], техногенной [16] и урбаногенной нагрузке [17, 18], при этом резко возрастал фитотоксикоз почвы. Такая однотипная закономерность выявлена рядом авторов и для других типов почв (дерновоподзолистой, серой лесной, серозема) [19], но причина этого остается не ясной.
По нашему предположению, синтез микотоксинов с антибиотическим и фунгицидным действием, усиливающийся в условиях ингибирования и лимитирования роста грибов при интенсивном антропогенном воздействии, может играть важную роль в регулировании структуры микробного сообщества почвы. Фитотоксическое и зоотоксическое действие микромицетов может проявляться как побочный эффект, в зависимости от спектра биологического действия их микотоксинов.
Целью работы было изучение спектра биологической активности типичных для чернозема выщелоченного видов микромицетов для выяснения их биотических связей в функционировании системы «почва — микробное сообщество — растения».
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Как показано нами ранее, в комплекс типичных видов чернозема выщелоченного входят 19 видов микромицетов: Aspergillus ustus (Bain) Thom, et Church; A. wentii Wehmer; A. clavatus Desmaz; A. terreus Thom; A. ochraceus Wilhelm; Penicillium rubrum Stoll; P.funiculosum Thom; P. daleae Zaleski; P. notatum West; Acremonium strictum w.Gams; Talaromyces flavus (Klocker) Stolk et Samson; Trichoderma harzianum Rifai; T. koningii Oudem; T. viride Pers. Rifai; Humicola grisea Traaen; Fusarium solani (Mart) Appl. et Wr.; Gliocladium virens Miller, Giddens et Foster; Cladosporium herbarum (Pers.) Link; Rhizopus stolonifer (Ehrenb.ex Link) Lind. [7]. Изоляты микромицетов поддерживали на скошенном агаре (среда Чапека, pH 4,5).
Грибы выращивали 14 суток на жидкой среде Чапека (pH 4,5) в статической культуре. Фунгицидную активность видов определяли методом лунок [20], для чего фильтрат культуральной жидкости вносили в лунки на агаризованной среде Чапека, засеянной тест-объектом, и измеряли радиус воздействия. В качестве тест-объектов использовали другие виды сапротрофных микромицетов, а также выделенные нами из почвы фитопатогенные грибы, типичные для зоны, часть жизненного цикла которых проходит в почве: Drechslera sorokiniana Sacc. Sabram; Fusarium solani (Mart) Appl, et Wr.; F. sambucinum Fuck.; F. moniliforme (Pir. et Rib) Bilai; Alternaria alternata Ness.; Cladosporium herbarum (Pers.) Link; Botrytis cinerea Persoon ex Fries; Stemphillium botryosum Wallr.
Антибиотическую активность микромицетов определяли аналогично с использованием изолированных нами типичных для данной почвы бактерий и актино-мицетов [21]: Micrococcus roseus, Myxococcus coralloides,
Bacillus mesenthericus, B. cereus, B. subtilis, Pseudomonas aeruginosae, Flavobacterium ferrugineum, Azotobacter chroococcum, Streptomyces cinereus achromogenes, S. cinereus chromogenes, S. cinereus violaceus, S. roseus lavendula-roseus, S. albus albus, S. albus albocoloratus, S. helvolo-flavus helvolus, S. imperfectus, Micromonospora sp., Nocardia sp. Для выращивания бактериальных тест-объектов использовали среды: мясо-пептонный агар — для аммонификаторов, среду Эшби — для Azotobacter chroococcum, крахмало-аммиачный агар — для актиномицетов.
Фитотоксические свойства грибов оценивали методом биотеста. Семена тест-растений (22 вида 7 семейств) замачивали на 2 часа в культуральной жидкости грибов (контроль — в воде) и оценивали всхожесть семян и рост корня и надземной части проростков [20]. Фитотоксичными считали виды грибов, снижающие эти показатели, по сравнению с контролем, не менее чем на 30%.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По результатам определения фунгицидной активности изолятов была построена матрица типов взаимоотношений 19 видов сапротрофных микромицетов чернозема друг с другом. Фунгицидный эффект микотоксинов проявлялся разнообразно: в виде ингибирования роста тест-объекта (стерильная зона), морфогенетических эффектов (снижение плотности мицелия или отсутствие спороношения) либо в виде паразитизма (нарастание на тест-объект).
По спектру фунгицидного действия все исследованные типичные для чернозема выщелоченного виды микромицетов были разделены нами на три группы (табл.1).
Таблица 1.
Фунгицидные свойства типичных видов микромицетов чернозема
Группа по фунгицидной активности Виды микромицетов
Виды с широким спектром действия Penicillium rubrum, Aspergillus clavatus, Talaromyces flavus, Fusarium solani
Виды с ограниченным спектром действия P. funiculosum, A. ustus, A. wentii, A. ochraceus, Trichoderma koningii, T. harzianum
Виды с узким спектром действия P. notatum, P. daleae, A. terreus, Rhizopus stolonifer, Humicola grisea, Acremonium strictum, Gliocladium virens, Cladosporium herbarum
Виды с широким спектром фунгицидного действия подавляли развитие 14-19 видов грибов, причем взаимный антибиоз выявлен с 2-8 видами только из этой же группы. Нейтрализм во взаимоотношениях для них не характерен. Ни один вид микромицетов из других групп не подавлял рост и развитие грибов первой группы.
Вторая группа микромицетов проявляла ограниченный спектр фунгицидного действия: подавляла 10-13 видов грибов, не относящихся к первой группе. Взаимный антибиоз и одностороннее подавляющее действие на виды второй группы оказывали только представители этой же или первой группы.
Третью группу составляли виды микромицетов с
ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНСКОЙ МИКОЛОГИИ. 2009. Т.11. №1
узким спектром фунгицидного действия, не способные влиять на грибы первой и второй групп. Рост или развитие видов этой группы могли подавлять 5-13 других видов грибов, нейтрализм отмечен с 5-12 видами, взаимный антибиоз не обнаружен.
Многие микромицеты чернозема способны подавлять рост и развитие не только других почвенных грибов-сапротрофов, но и широко распространенных в Центрально-Черноземной зоне фитопатогенов. Так, каждый из видов грибов первой и второй групп подавляли рост или ингибировали спороно-шение 2-7 видов фитопатогенов. Наиболее активны А. с1атШщ А* оскгасеш, А. штШ, ТШ.Р. гиЬгит, Р. /итсиЬяит. У некоторых грибов (Е но1ап1, видов рода 'Ггчскосктш, из третьей группы — Р. покаит) наблюдали эффект гиперпаразитизма — нарастание на газон тест-объекта мицелия из конидий, содержащихся в культуральной жидкости. Следовательно, аги виды подавляют фитопатогенные грибы не только за счет дистантного действия микотоксинов, но и в результате контактного взаимодействия.
Антибиотические свойства микромицетов чернозема представлены в табл. 2.
Таблица 2.
Антибиотические свойства типичных видов
микромицетов чернозема
Группа по антибиотической активности Виды микромицетов
Виды с широким спектром действия Penicillium rubrum, P. notatum, Aspergillus clavatus, Talaromyces flavus, Fusarium solani, Gliodadium virens, Tnchoderma harzianum
Виды с узким спектром действия A. ustus, к. wentii, A. oclnceus, A. terreus, P. funiculosum, P. daleae, T. koningii, Cladosporium herbarum, ta&nmmn strictum, Rhizopus stolonifer, Humicola grisea
Широкий спектр антибиотического действия (подавляли рост более 10 из 22 исследованных типичных для чернозема видов бактерий и актиномице-тов) проявили 8 видов грибов, в том числе все виды из первой группы, Т. кашапит — из второй группы и С. \чгеш и Р. поЬаШт — из третьей группы по фунгицидной активности.
Фитотоксическая активность в разной степени выражена у многих видов сапротрофных микромицетов чернозема (табл. 3).
В то же время действие на растения двух видов грибов (Р. с1а1еае и К. х1о1ош/ег) не превышало установленного порогового значения, а вид Т. катапит оказывал стимулирующее действие на всхожесть и рост ряда растений. Обработка семян в культуральной жидкости Т. кашапит увеличивала прирост корня и стебля проростков ряда растений (пшеница, горох, редис и др.) на 15-20%. Следовательно, микотоксины названных видов почвенных грибов не проявляют фитотоксического действия, а почвенный са-протрофный микромицет Т. кашапит синтезирует фитостимуляторы.
При сопоставлении данных по биологической активности (табл. 4) выявлены типичные для чернозема выщелоченного виды грибов, обладающие широким спектром как фунгицидного и антибиотического, так
Таблица 3.
Фитотоксические свойства типичных видов микромицетов чернозема
Группа по фитотоксической активности Виды микромицетов
Виды с широким спектром действия Aspergillus clavatus, A. ochraceus, A. terreus, к. ustus, РепШаШ rubrum, P. funiculosum, Fusarium solani, Cladosporium herbarum, Talaromyces flavus
Виды с ограниченным спектром действия P. notatum, k. wentii, Acremonium stridum, Trichoderma koningii, Gliodadium virens, Humicola grisea
Неактивны T. harzianum, P. daleae, Rhizopus stolonifer
и фитотоксического действия. К ним относят виды Aspergillus clavatus, Penicillium rubrum, Talaromyces flavus, Fusarium solani, несколько слабее фунгицидное действие видов P. funiculosum, A. ockraceus, A. ustus. Из исследованных микромицетов именно эти 7 видов, как показано нами ранее [7, 13-18], являются индикаторными на антропогенное воздействие, т.е. становятся доминантными в черноземе выщелоченном, подверженном интенсивной агро- и техногенной нагрузке.
Виды G. virens, С. kerbarum, A. terreus, P. notatum, Н. grisea, A. strictum, P. daleae, R. stolonifer с узким спектром биологической активности чувствительны к антропогенному воздействию, исчезают или резко снижают частоту встречаемости в условиях агро- и техногенной нагрузки [7, 13-18].
Таким образом, в черноземе интенсивных агроэкосистем синтез микотоксинов с антибиотическим и фунгицидным действием позволяет микромицетам выигрывать обостряющуюся конкурентную борьбу. Обнаруженная закономерность помогла нам сформулировать концепцию усиления «метаболического» регулирования микробного сообщества почвы в условиях антропогенной нагрузки [22]. Виды с широким спектром биологического действия, микотоксины которых проявляют, кроме того, фитотоксические (по данным научной литературы — и зоо-токсические) свойства, получают дополнительные преимущества в функционировании системы почва — микробное сообщество — растения.
Таблица 4.
Спектр биологической активности типичных видов
микромицетов чернозема
Виды микромицетов Спектр активности
фунгицидной антибиоти- ческой фитотокси- ческой
clavatus, P. rubrum,
Tal. flavus, F. solani широкий широкий широкий
T. viride ограниченный широкий широкий
P. funiculosum,
A. ustus, A. ochraceus ограниченный узкий широкий
A wentii, T. koningii ограниченный узкий ограниченный
T. harzianum ограниченный широкий нет
G. virens узкий широкий ограниченный
Cl. herbarum, A. terreus узкий узкий широкий
P. notatum, H. grisea,
A. stridum узкий узкий ограниченный
P. daleae, R. stolonifer узкий узкий нет
Для целей биомониторинга чернозема выщелоченного в условиях интенсивной агрогенной нагрузки 8 видов микромицетов с широким спектром биологического действия предложены нами в качестве индикаторов превышения пределов зоны гомеостаза микробного сообщества (табл.4). Накопление этих видов в почве представляет опасность для практики растениеводства и для здоровья людей, что указывает на необходимость постоянного санитарногигиенического микробиомониторинга почвы в антропогенных экосистемах.
Особый интерес представляют микромицеты, способные подавлять рост и развитие фитопатогенов, но не проявляют фито- и зоотоксической активности. Такие виды могут найти применение в практике растениеводства в качестве продуцентов для производства микробных препаратов — средств защиты растений от болезней (их называют средствами биоконтроля, т.к. они позволяют поддерживать численность фитопатогенов в почве на миниЛИТЕРАТУРА
1. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. — М.: Изд-во МГУД986.- 256 с.
2. Работнова ИЛ. Ингибиторы роста и метаболизм микроорганизмов / Лимитирование и ингибирование микробиологических процессов. — Пущино: ОНТИ НЦБИ, 1980. — С. 3-21.
3. Биосинтез вторичных метаболитов — Пущино: ОНТИ НЦБИ, 1987.-104 с.
4. Кожевин П.А., Кожевина А.С., Полянская Л.М. Экологическая роль антибиотиков в почве // Экологическая роль микробных метаболитов. — М.: Изд-во МГУ, 1986. — С. 57-65.
5. Кожевин П.А., Полянская Л.М., Звягинцев Д.Г. Динамика развития различных микроорганизмов в почве // Микробиология,- 1979,- Т.48, № 2,- С.490-494.
6. Свистова И.Д., Щербаков А.П., Фролова А.О. Фитотоксическая активность сапротрофных микромицетов чернозема: специфичность, сорбция и стабильность фитотоксинов в почве // Прикл. биохим. и микробиол.- 2003.- Т.39, № 4,- С.441-445.
7. Свистова И.Д. Биодинамика микробного сообщества почвы в антропогенных экосистемах лесостепи: Дисс...докт. биол. наук. — Петрозаводск: ПетрГУ, 2005. — 485 с.
8. Билай В.И. Основы общей микологии. — Киев: Выща школа, 1989.-392 с.
9. Мирчинк Т.Г. Почвенная микология. — М.: Изд-во МГУ, 1988.-220 с.
10. Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. — М.: Изд-во МГУ, 1983.-248 с.
11. Билай В.И., Пидопличко Н.М. Токсинообразующие микроскопические грибы и вызываемые ими заболевания человека и животных.- Киев: Наукова думка, 1970.-299 с.
12. Тутельян В.А., Кравченко А.В. Микотоксины (медицинские и биологические аспекты.- М.: Медицина,1985.-320 с.
13. Свистова И.Д., Бабьева Е.Н. Сукцессии микромицетов в выщелоченном черноземе при чередовании агрофитоценозов// Микология и фитопатология. — 1990. — Т. 24, № 6. — С. 529-535.
14. Свистова И.Д. Стекольников К.Е., Щербаков А.П., Малыхина Н.В. Влияние многолетнего внесения удобрений на почвенно-поглощающий комплекс и микробное сообщество выщелоченного чернозема // Агрохимия.- 2004.- № 6. -С. 16-23.
15. Щербаков А.П., Свистова И.Д., Малыхина Н.В. Структура комплекса микромицетов чернозема как показатель эффективности агротехнических приемов // Доклады Россельхозакадемии.- 2002. № 1.- С. 17-19.
16. Свистова И.Д., Щербаков А.П. Экологически опасные нарушения микробного сообщества почвы вблизи автомагистралей // Региональные гигиенические проблемы и стратегия охраны здоровья населения. Труды ФНГЦ им. Эрисмана. Вып. 10.- Ст. Оскол, 2004.- С. 580-583.
17. Свистова И.Д., Щербаков А.П. Накопление санитарно-опасных видов микромицетов в урбаноземах города Воронежа // Благополучная среда обитания — залог здоровья населения. Труды ФНЦГ им. Эрисмана. Вып. 12.- Воронеж, 2004.- С. 284-288.
18. Свистова И.Д., Щербаков А.П., Корецкая И.И., Талалайко Н.Н. Накопление токсичных видов микроскопических грибов в городских почвах // Гигиена и санитария.- 2003. — № 5.- С. 54-57.
19. Микроорганизмы и охрана почв. — М.: Изд-во МГУ, 1989.-245 с.
20. Методы экспериментальной микологии/Под ред. В.И. Билай. — Киев: Наукова думка, 1982.-550с.
21. Егоров Н.А. Основы учения об антибиотиках. — М.: Изд-во МГУ, 1994.-512 с.
22. Свистова И.Д., Щербаков А.П., Фролова А.О. Токсины микромицетов чернозема: спектр антибиотического действия и роль в формировании микробного сообщества // Почвоведение.- 2004. № 10.- С. 1220-1227.
Поступила в редакцию журнала 17.02.09
Рецензент: Т.С.Богомолова
мальном уровне). Из изученных нами микромицетов чернозема для этой цели можно рекомендовать вид Т. harzianum (табл.4), но необходима дополнительная проверка его влияния на микробное сообщество и сохранности в почве.
ВЫВОДЫ
Микромицеты с широким спектром биологического действия (Aspergillus clavatus, Penicillium rubrum, Talaromyces flavus, Fusarium solani, P. funiculosum, A. ochraceus, A. ustus) предложены в качестве параметра санитарно-гигиенического биомониторинга чернозема в условиях интенсивного антропогенного воздействия.
Изолят Trichoderma harzianum, активно подавляющий грибы-фитопатогены и стимулирующий рост и развитие растений, перспективен для растениеводства в качестве биопрепарата защиты растений (средства биоконтроля) на черноземах.
