Введение

Экстремофилы – это совокупность организмов, способных выживать при экстремальных условиях среды, таких как повышенные или пониженные температуры, отсутствие кислорода, соленость, кислотность среды, повышенное или пониженное давление и др. Экстремофилы обладают рядом необычных свойств, представляющих интерес как в теоретическом, так и в прикладном плане, – данные микроорганизмы активно используют в различных областях промышленности. Подавляющее большинство экстремофилов – это микроорганизмы, однако немало среди них и видов микроскопических грибов, или микромицетов. Экстремофильные микроорганизмы обитают в различных уголках планеты, где другие виды не способны выжить: в кратерах вулканов, на глубине океанов, в пустынях, в условиях вечной мерзлоты и во многих других местах, т. е. занимают специфические экологические ниши. Микромицеты-деструкторы различных материалов также занимают свою определенную экологическую нишу и приспосабливаются к выживанию способами, недоступными для многих других микроорганизмов. С помощью синтеза определенных метаболитов, в частности ферментов, деструкторы разлагают сложные компоненты материалов до более простых соединений, которые в дальнейшем используют в качестве источника питания [1–6]. Микромицеты-экстремофилы активно используют свой ферментативный аппарат, позволяющий им не только выживать, но и динамично развиваться в экстремальных условиях среды. Выделяемые экстремофилами ферменты, как правило, обладают повышенной активностью и стабильностью, а также проявляют высокую устойчивость не к одному, а к нескольким факторам среды [7].

Экстремофилы можно разделить на множество различных групп в зависимости от условий, к которым они приспособлены. Однако и эти классификации не являются взаимоисключающими. Довольно распространенными являются ситуации, когда экстремофилы попадают под несколько категорий сразу – такие микроорганизмы называют полиэкстремофилами. Например, бактерия Thermococcusbarophilus является одновременно термофилом и барофилом, т. е. выживает в условиях высоких значений как температуры, так и давления [8]. С данной точки зрения большой интерес представляет поиск среди экстремофильных микромицетов штаммов, способных к деструкции полимерных материалов. С учетом условий эксплуатации полимерных материалов и изделий, а также их применения наибольший интерес представляют термофильные, ксерофильные и олиготрофные микромицеты. В данной статье рассмотрены указанные группы экстремофилов и их возможности вызывать деструкцию различных материалов.

Термофильные микромицеты

К термофилам относят различные группы микроорганизмов, способных выживать при достаточно высоких температурах (более +45 °С), в том числе и микроскопические грибы, или микромицеты, для которых диапазон температуры выживания находится в пределах от 45 до 60 °С. Способность к выживанию в условиях повышенных температур объясняется наличием у грибов специальных ферментов, которые работают при высоких температурах. В научно-технической литературе можно встретить термины «термофильные микроорганизмы» и «термотолерантные микроорганизмы». Термофильные микроорганизмы развиваются при повышенных температурах, термотолерантные – при нормальных (до +35 °С), но способны оставаться жизнеспособными и при более высоких температурах.

У микромицетов-термофилов особый состав клеточных мембран, который содержит липидно-белковый комплекс, включающий насыщенные жирные кислоты с разветвленной углеродной цепочкой. Благодаря этому происходит поддержание ригидности клетки и нативной структуры мембраны в условиях повышенной температуры. Термофильные микромицеты также широко используют во многих отраслях промышленности благодаря особенности их ферментов, которые при высоких температурах более активны, что позволяет ускорить или качественно изменить некоторые технологические процессы. Основная область промышленного применения данных микромицетов связана именно с этим свойством [9, 10].

В ряде случаев под термином «термофилы» подразумевают все микроорганизмы, обитающие в тропических и субтропических условиях. Известно, что в странах с подобным климатом микробиологические повреждения различных объектов, материалов и изделий возникают наиболее часто. В том случае если среди термофильных микроорганизмов присутствует много деструкторов, то вполне вероятна взаимосвязь между термофильностью и деструктивной активностью микроорганизмов, в частности микромицетов.

В работе [11] изучали термофильные микромицеты, выделенные из отвалов угольных предприятий. Выделены виды Aspergillusfumigatus и Thermomyceslanuginosus, которые выдерживают температуру до 60 °С и при этом способны разлагать гемицеллюлозу. Штаммы того же вида Aspergillusfumigatusизвестны как активные деструкторы ряда материалов, а также авиационного топлива и других нефтепродуктов [12–16]. Микромицеты данного вида широко распространены на полимерных материалах в складских, рабочих помещениях и вне их [17, 18]. При микологическом анализе авиационного топлива, используемого в сверхзвуковой авиации, из топливных образцов часто изолируют непигментированные штаммы Aspergillusfumigatus. Этот гриб обладает высокой резистентностью не только к перепадам температуры, но и к другим условиям – перепадам влажности и изменениям рН среды. Споры Aspergillusfumigatus способны выживать при колебаниях температуры от –32 до +60 °С в водной фазе, а в авиационном керосине – при более широком диапазоне температур: от –32 до +80 °С [19–21].

Отмечена деструктивная активность термофильных и термотолерантных микромицетов таких родов, как Aspergillus, Thermomyces, Myceliophtora, Thermomucor и Candida. Грибы успешно росли на средах, содержащих в качестве единственного источника углерода кукурузную солому и картон, при температуре 45 °С [22].

Термофильные виды микромицетов Myceliophtora thermophila [22] и Myceliophtora heterothallica в работе [23] описаны как биопреобразователи остатков лигноцеллюлозы в сахара. Отмечено, что данные грибы могут использоваться в промышленности для переработки жома сахарного тростника и последующем производстве биоэтанола второго поколения. Схожую ферментативную активность показала культура термофильного гриба Thermoascus aurantiacus в исследованиях по биоразложению растительной биомассы [24]. Еще в одном исследовании термофильные микромицеты Myceliophtora thermophila и Thielavia terrestris гидролизуют все основные полисахариды, которые присутствуют в изучаемой растительной биомассе [25].

Большую полисахарид-деградирующую активность показали термофильные микромицеты, принадлежащие к видам Thermothelomycesthermophila, Thermomycesthermophilus и Mycothermusthermophilus. Данные штаммы представляют интерес как деструкторы различных растительных отходов сельского хозяйства, а также как модификаторы углеводсодержащих соединений [26].

Таким образом, практически все термофильные виды грибов, описанные в научно-технической литературе, представляют интерес в промышленных масштабах как производители ферментов, разрушающих углеводсодержащую биомассу при высоких температурах. Те же классы ферментов могут оказывать прямое или косвенное воздействие на широкий круг неметаллических материалов, таких как различные полимерные материалы, резины, герметики, лакокрасочные покрытия, углепластики и др. Поэтому с высокой долей вероятности можно полагать, что группа термофильных микромицетов содержит потенциальные деструкторы полимерных материалов.

Ксерофильные микромицеты

К ксерофилам относят микроорганизмы, которые способны выживать в условиях пониженной влажности, – это обитатели пустынь, полупустынь, песчаных дюн и других засушливых районов, у которых хорошо развит механизм регуляции водного обмена. Данные микроорганизмы в ходе эволюции научились сохранять воду внутри организма, в частности могут использовать метаболическую воду, образующуюся благодаря окислению липидов. Как и в предыдущей группе экстремофилов, здесь различают ксерофильные микроорганизмы, живущие в условиях пониженной влажности, и ксеротолерантные микроорганизмы, способные жить в условиях нормальной влажности (30–60 %), однако они выживают и при пониженном содержании влаги.

Следует отметить, что в большинстве случаев микробиологические повреждения возникают, как правило, в условиях повышенной влажности и температуры. Однако известны случаи биоповреждений и в условиях пониженной влажности, т. е. среди микромицетов-деструкторов встречаются ксерофильные и ксеротолерантные виды. Одним из ярких примеров присутствия микромицетов-деструкторов среди ксерофильных грибов являются биоповреждения книг и архивных документов в библиотеках и книгохранилищах, а также экспонатов в музеях и пр. При исследовании микобиоты помещений Российской национальной библиотеки выделено 49 видов микромицетов, относящихся к 17 родам. По количеству видов преобладали роды Penicillium, Aspergillus, Acremonium, Cladosporium, Paecilomyces и Torula. Показано, что среди грибов, выделенных из воздуха библиотеки и с поверхности книг и документов, доминировали ксерофильные виды, такие как Aspergillus fumigatus, A. niger, A. ochraceus, A. versicolor, Penicillium aurantiogriseum, P. brevicompactum, P. chrysogenum и др. [27]. В исследовании микобиоты помещений Государственного Эрмитажа выделено 85 видов грибов из 37 родов. По количеству видов также преобладали представители анаморфных грибов Penicillium, Aspergillus, Acremonium и Cladosporium. Непосредственно из небольших очагов биоповреждений в здании музея удалось выделить штамм Aspergillus sp., который плохо развивался на стандартных питательных средах. Из очага биоповреждений на питательную среду с пониженной активностью воды также удалось выделить светлоокрашенный штамм ксерофильного микромицета, который не был идентифицирован [28].

В работе [29] выделены микромицеты-деструкторы Aspergillus carbonarius и Alternaria alternata из очагов биоповреждений архивных картонных коробок. Показано, что наибольшей ксеротолерантностью обладает штамм Aspergillus carbonarius.При этом отмечено, что низкая активность воды стимулирует выделение пигмента у культуры гриба, что свидетельствует о возникновении большой опасности для сохранности архивных документов даже в нормальных условиях хранения. В работе [30] при изучении биоповреждений в музейных фондах удалось выделить культуры грибов только на среды с пониженной активностью воды, т. е. выделенные деструкторы оказались экстремальными ксерофилами, – это штаммы видов Aspergilluspenicilloides,Eurotiumamstelodami иEurotiumsp.

Часто у микроорганизмов способность переносить высокую сухость сочетается с термофильностью, т. е. способностью выдерживать высокие температуры. Так, в работе [31] из почвы выщелочного чернозема выделены термофильные и ксерофильные представители видов Paecilomyceslilacinum, Aspergilluscandidum и Acremoniumalternatum. Известно, что эти же виды широко распространены на полимерных материалах [17].

Ксерофильные виды распространены и среди микромицетов, вызывающих биоповреждения в жилых помещениях. Как отмечено в работе [32], в жилых помещениях формируется комплекс ксеротолерантного сообщества микромицетов, что отражается на большей доле ксеротолерантных и ксерофильные микромицетов, в том числе видах рода Aspergillus, по сравнению с комплексом грибов в городских почвах. Основными видами, составляющими комплекс микобиоты помещений в г. Москве, являются виды родов Penicillium и Aspergillus. Данные микромицеты преобладают по частоте встречаемости как в домашней пыли, так и в воздухе. В жилых помещениях г. Москвы отмечено не менее 50 видов рода Penicilliumи не менее 22 видов рода Aspergillus. Наиболее часто отмечены микромицеты Penicilliumcyclopium,P. frequentas,P. chrysogenum,Aspergillusrepens,A. Versicolor иCladosporiumcladosporioides [32]. Всего же в помещениях г. Москвы выявлено более 148 видов микромицетов, относящихся к 45 родам [33].

Таким образом, среди ксерофильных микромицетов отмечено большое количество как подтвержденных биодеструкторов, так и контаминантов материалов, среди которых могут присутствовать потенциальные деструкторы.

Олиготрофные микромицеты

Группа олиготрофных микроорганизмов объединяет микроорганизмы, которые обитают на субстратах с низким содержанием питательных веществ. Как правило, под этими субстратами подразумевают такие места обитания, как сухие степи, пустыни, верховые болота и др. Олиготрофы приспособились к жизни в таких условиях благодаря способностям более эффективного поглощения питательных веществ, а также их эффективного хранения.

Таксономическое разнообразие олиготрофных микромицетов довольно велико. Среди них нередко встречаются виды, отмеченные в других работах как деструкторы материалов. Так, в работе [34] из верхнего слоя почвы мезоолиготрофного болота выделено 73 вида микромицетов с преобладающими родами Mortierella,Geomyces,Cephalosporium,Paecilomyces,Penicillium иTrichoderma. Как известно, среди представителей всех перечисленных родов нередко встречаются и штаммы видов с деструктивной активностью в отношении полимерных материалов [17, 35–41].

В исследовании [42] выделен 31 вид микромицетов из 18 родов, заселяющих почвы сульфатно-содового засоления пустыни Гоби (Монголия), которые отнесены к двум экологическим группам. В первую группу входили грибы, способные к существованию в условиях содового засоления: галоалкалофильные и галоалкалотолерантные микромицеты. Выделение таких культур возможно только с использованием специальных щелочных питательных сред. Ко второй группе относили в основном космополитичные виды, такие как Alternaria, Aspergillus, Fusarium, Penicillium, Syncephalastrum, Trichoderma и Ulocladium. Среди указанных родов грибов известно много деструкторов. Кроме того, в отличие от предыдущей группы, эти штаммы выделялись на стандартные питательные среды, такие как сусло-агар, среда Чапека, голодный агар, т. е. способны к росту на разных субстратах.

В песках хвостохранилища, которое подвергали рекультивации более 40 лет назад, выделено 26 видов микромицетов, в свеженамытых песках – 12 видов микромицетов [43]. В рекультивируемых песках численно доминировал вид Trichoderma viride, известный в научно-технической литературе своей деструктивной способностью. В свеженамытых песках отмечено отсутствие доминантов, однако чаще других встречается вид Penicillium thomii. Среди микромицетов песков и песчаных почв природного и антропогенного происхождения выявлены представители таких родов, как Acremonium,Aspergillus,Aureobasidium,Gliocladium,Mortierella,Mucor,Penicillium иTrichoderma,среди которых теоретически могут быть штаммы с деструктивной активностью. В работе [44] отмечено, что представители рода Penicilliumнаиболее широко представлены среди микромицетов рекультивируемых хвостохранилищ и составляют более 50 % от всего видового разнообразия выделенных грибов. В песчаных почвах природного генезиса микромицеты рода Penicilliumтакже преобладали по разнообразию, всего отмечено восемь видов. Микромицеты рода Penicilliumявляются одними из наиболее распространенных грибов с отмеченной деструктивной активностью. Представителей данного рода регулярно выделяют с различных материалов и изделий, подвергшихся биоповреждениям: с поверхности зданий, строительных материалов, произведений искусства, архивных бумаг и книг в книгохранилищах, из различных масел, смазок, нефтепродуктов и др. [17, 35–41]. Виды рода Penicillium преобладают по численности среди грибов, заселяющих объекты культурного наследия на территории Республики Куба [45].

Микологический анализ образцов почв песчаных карьеров на севере Западной Сибири показал наличие 51 вида микромицетов из 25 родов [46]. Как и в предыдущих работах, наиболее многочисленным по видам оказался род Penicillium. Представители рода отмечены в 90 % исследованных проб, чаще других встречаются такие виды, как Penicillium lanosum и Penicillium glauco-lanosum. В группу доминирующих грибов вошел и отмеченный ранее в других работах вид Trichoderma viride,а также другие представители рода Trichoderma. Кроме того, в грунтах карьеров, в отличие от микобиоты растительных ценозов, отмечают довольно большое присутствие представителей зигомицетов, особенно представителей рода Mucorales (мукоровые грибы): Absidia, Mortierella, Mucor и Rhizopus. Мукоровые грибы также являются активными деструкторами полимерных материалов, различных изделий, зданий, памятников и др. [17].

Заключения

Все типы микробиологических повреждений можно условно разделить на две группы по характеру использования материала микроорганизмом. К первой группе относят биоповреждения, когда материал используется микроорганизмами лишь как место обитания, а все необходимые питательные элементы они получают из окружающего пространства. В целом микромицеты-деструкторы из данной группы по своему типу питания можно отнести к олиготрофным микроорганизмам, поскольку для своего развития они используют ограниченное количество питательных веществ, которые удается получить из частиц пыли, оседающих на материал. Ко второй группе относят биоповреждения, когда сам материал или его компонент используются как источник питания для микроорганизма. Среди обеих групп деструкторов можно встретить как термофильные и термотолерантные, так и ксерофильные и ксеротолерантные виды микроорганизмов.

Таким образом, при широком рассмотрении термина «экстремофильность» следует отметить, что микроорганизмы-деструкторы материалов могут быть включены в данную группу, поскольку они биохимическими путями приспособились к существованию в специфической эконише, недоступной для других организмов. Когда же деструкторы выделяют как отдельную группу, то ее видовые представители нередко встречаются и среди других экстремофильных групп, таких как термофилы, ксерофилы или олиготрофы. Поиск и изучение экстремофильных микроорганизмов-деструкторов, а также механизмов их адаптации представляет большой интерес как с теоретической, так и с практической точки зрения.

Статья подготовлена в рамках выполнения работ по гранту РФФИ № 20-53-56009 «Исследование воздействия факторов окружающей среды на лакокрасочные покрытия в условиях сухого субтропического климата».