Плесень — друг и/или враг человечества?

Одна колония — буквально целый «город» грибов, со множеством уровней и коммуникаций.

Очень приятно, плесень

Плесень — «народное» название сборной группы грибов разных таксонов, преимущественно аскомицетов и зигомицетов. Многие из них не являются родственными друг другу, и даже вступают в прямую конкуренцию, оказавшись в одном месте. Однако общие черты у них все же есть. Плесенью также называют микромицеты, т.е. грибы, большая часть органов которых микроскопического размера, и не видна невооруженным глазом. Но как же, спросите вы, вот я вижу бляшку плесени безо всякого микроскопа. Однако бляшка — это не весь гриб, это скорее колония. А сами органы и тела грибов действительно микроскопические.

Пеницилл. Слева — конидиеносцы, генеративные органы гриба (споровые кисточки), справа — непосредственно плесень на чашке Петри.

Впрочем, анатомические различия грибов — не наша сегодняшняя тема. Гораздо важнее сейчас то, что плесень приспособилась жить там, где большая часть других организмов не продержится и пары часов. А именно — на жесткой древесине, кислых фруктах, прелой листве, разлагающихся останках, жухлой траве и даже бетоне и побелке. Подобной неприхотливостью могут похвастаться разве что бактерии, куда более просто устроенные организмы, но для многоклеточного организма это подвиг.

А вот поразительная жизнеспособность плесени уже следствие интересующего нас свойства. Дело в том, что у всех грибов пищеварение — внешнее. Мицелий (нитевидное тело гриба) выделяет в окружающую среду ферменты, а потом впитывают лизированный субстрат в почти готовом виде.

Кроме того, у плесени весьма хрупкое тело. Да, они имеют небольшую пассивную защиту в виде хитина в составе стенки, однако она весьма проницаема — иначе внешнее питание было бы затруднено. Поэтому в качестве компенсации они выработали другую, активную защиту.

Активная защита — это не только атака противника клыками и когтями. Помимо ферментов для переваривания, плесень научилась вырабатывать и другие вещества — антибиотики.

Внешнее пищеварение и выделение антибиотиков  представляет самую большую опасность для нас. И если с ферментированием пищи еще можно смириться, то накопление ядов и токсинов — проблема куда большая. Кроме того, некоторые антибиотики грибов обладают еще и канцерогенными и даже тератогенными свойствами.
Чтобы понять, о каких ужасах мы тут разглагольствуем, предлагаем ознакомиться с парой терминов под спойлером.

• Яд

  – вещество, способное в малых дозах относительно массы организма вызывать нарушение жизнедеятельности и приводящее к отравлению, заболеваниям, иным болезненным состояниям и к смертельным исходам.
• Токсин (греч. toxikos – ядовитый)

  – яд биологического происхождения, имеющий, как правило, белковую природу. Разнообразие и спектр действия токсинов вследствие их сложного химического состава значительно шире, чем неорганических ядов. Ряд токсинов обладает канцерогенным или тератогенным воздействием.

  Канцерогенез (лат. cancerogenesis; cancer – рак и др.–греч. genesis – зарождение, развитие), также онкогенез – сложный патофизиологический процесс зарождения и развития опухоли. Канцерогенный эффект – способность некоторых веществ, в частности, токсинов, провоцировать и стимулировать развитие раковой опухоли, повреждая генетический аппарат клетки.

• Тератогенез (греч. teras – зверь, чудовище и др.)

  – нарушения эмбрионального развития, вызывающие физические отклонения и уродства, вызванные тератогенными факторами – токсинами, химическими веществами, ионизирующим излучением и т.п.

Тератома — ужасное образование, по сути часто являющееся недоразвитым близнецом. Выглядит как случайным образом расположенные в организме зубы, волосы и даже части тела.

Грибные токсины принято называть микотоксинами, а заболевания и отравления, вызванные токсинами, носят название микотоксикозов или токсикозов+название гриба (например, фузариотоксикозы — отравления грибами рода Fusarium). Эволюционно грибы «научились» вырабатывать антибиотики для того, чтобы «выкурить» другие грибы и бактерии со своей территории обитания. Однако антибиотики зачастую обладают множественным эффектом. То есть, что обычно убивает плесень, убивает и пшеницу, и собаку, и человека. Но к этому мы вернемся позже.

Fusarium graminearum — частый гость зерна и гороха и причина отравлений хлебом. Розовый цвет придают вторичные метаболиты, часто сопровождающие выделение токсинов. Фото автора.

Микотоксинов существует великое множество. Один вид гриба может продуцировать (производить) несколько десятков, а порой и сотен, видов токсических соединений. В то же время, один и тот же токсин могут производить несколько видов или даже семейств грибов.
Одно только семейство фузариумов вырабатывает фумонизины (В1, В2, В3), трихотецены типа А: Т-2, НТ-2, диацетоксискирпенол (ДАС); трихотецены типа В: Дезоксиниваленол (ДОН), Ниваленол, Фузаренон-Х, Трихотецин; трихотецены типа С: Кротокол, Кротоцин; трихотецены типа D: Веррукарины, Роридины; Зеараленон, Монилиформин, Фузарохроманон, Аурофузарион и другие. Некоторые токсины и точки их приложения в организме животных представлены в таблице.

Кроме уже упомянутого фузариума, опасными для человека можно считать и множество других плесневых грибов: альтернарию, пенициллы и аспергиллы, триходермы и т.п. Таблица автора.
Микромицеты рода Alternaria относят к менее агрессивным и устойчивым патогенам, по сравнению с грибами рода Fusarium. Тем не менее, A. solani часто встречается на картофеле и культурах защищенного грунта: томатах и съедобных грибах, огурцах, яблоках, всегда присутствуют на семенах растений. При сильном развитии микромицета семена теряют всхожесть, а на растениях проявляются различные симптомы. Однако сам по себе этот гриб весьма слаб, и проявляет свое присутствие либо после уборки урожая и длительном хранении, либо в качестве вторичной инфекции при поражении более сильным возбудителем. Например, как часть комплекса болезней «черной ножки» или пятнистости листьев.

Колонии Alternaria solani, возбудителя заболеваний овощей, слева — вид снизу, справа — вид сверху на свежую колонию. Отличительной чертой альтернарии является потемнение гиф со временем. Молодой гриб белый, старый полностью чернеет, оставляя серыми только конидиеносцы. Фото автора.

Грибы рода Penicillium широко распространены и обнаруживаются в самых различных местах – в почве, на растениях, в воздухе, в помещениях, на пищевых продуктах, в морях. Отличительное свойство грибов рода Penicillium – способность к продукции микотоксинов как вторичных метаболитов, обладающих мощным антибиотическим действием, угнетающим другие культуры микроорганизмов, а также являющихся сильными токсинами для животных и человека, вызывающих полиорганные недостаточности (нефропатия, поражение ЖКТ, печени, нервной системы и др.).

В 2007 году Джон Ингрэм Питт, австралийский миколог-микробиолог, специалист по роду Penicillium, перечислил 9 микотоксинов, продуцируемых пенициллами, наиболее потенциально опасных для человека и животных, среди которых были охратоксин А и цитринин.
Споры пенициллов всегда присутствуют в воздухе, благодаря чему гриб может внезапно вырасти даже в самом чистом помещении на любой оставленной без присмотра органике. Более того, вездесущие споры еще и настолько живучие, что могут прорасти и в стерилизованном ультрафиолетом боксе, стоит только приоткрыть чашку Петри чуть шире, чем необходимо.

Сверхлетучие и вездесущие споры проросли на чашке задумчивого студента. Фото автора.

Грибы рода Aspergillus – обладают способностью расти в высоко осмотической среде (крепкие растворы сахара, соли и т.п.). Отдельные виды могут инфицировать человека и других животных. Наиболее часто патогенность проявляют виды A. fumigatus и A. flavus, производящие афлатоксины, которые одновременно являются токсинами и гепатоканцерогенами. Они могут заражать пищу, например, орехи, семена и зерно. Распространёнными возбудителями различных аллергических заболеваний являются виды A. fumigatus и A. clavatus. Другие виды важны как патогены сельскохозяйственных культур. Аспергиллы продуцируют афлатоксины (В1, В2, М1, М2, G1, G2), охратоксины, патулин, циклопиазоновую кислоту, стеригматоцистин. Кроме того, аспергиллы способны вызывать целый ряд заболеваний у человека и животных не только токсинами, но и непосредственно паразитируя на коже и слизистой легких.

Аспергиллы не менее распространенный и живучий гриб, чем Пеницилл.

Плесневые грибы крайне устойчивы к внешним воздействиям, и полностью избавиться от них практически невозможно. Микромицет может присутствовать в различных пищевых продуктах, способен расти даже на средах, бедных питательными веществами, например, на стенах домов. Грибы рода Aspergillus обнаруживали в специях из Шри-Ланки и продуктах из африканских стран, в рисе из Японии, в пшенице, ржи и кукурузе в европейских странах, а также в фисташках, кофе и какао-бобах и в сыре. Плесень портит фураж для скота, продукты в хранилищах, деревянные ящики, бумажные упаковки, ткани, одежду, книги и бумаги в архивах, гербарии, музейные коллекции насекомых и чучела, а также солевые аккумуляторы, изоляцию проводов и строительные растворы.

Вкусно, полезно и жизненно необходимо

Но плесень — не только лишь враг. В природе все находится в балансе, и не существует однозначно вредных и злых организмов. Так, многие виды плесени участвуют в разложении органических остатков — деревьев, трав, листвы и т.п. — участвуя в формировании почвы и ила. Кроме того, продукцией антибиотиков грибы «выгоняют» другие микроорганизмы, а также насекомых. Все негативные стороны, изложенные в прошлой части, человечество со временем научилось использовать в свою пользу. 
Так, ферментация среды грибами сделала возможным производство ферментированных королевских сыров — голубых (рокфора, стилтона, кабралеса, горгонзола, блё д’Овернь, данаблю) и белых (камамбер, бри, гамалуст и других). Помимо сыра, плесенью ферментируют некоторые виды чая, сухих колбас (салями), виноград для производства некоторых вин (сотерн, трокай) и даже другие грибы.

Не каждый сыр с плесенью — королевский, и не всякая плесень съедобна.

Гриб Penicillium roqueforti помещают в сыр специальными штырями и только после его созревания от свертывания молока молочно-кислыми бактериями. А чтобы бактерии не убили свежевысеянный гриб, сыр зачастую дополнительно подсаливают.
Однако необязательно подсаживать гриб для того, чтобы использовать его ферменты. Например, биотехнологические компании давно научились отбирать наиболее продуктивные штаммы, выращивать плесень в промышленных масштабах и отделять и очищать продуцированные ферменты.

Плюсом ко всему, пенициллы и триходермы используют для производства целлюлазы (ферменты, расщепляющие древесину и растительные остатки, а также бумагу при вторичном использовании), хитиназы (производство легко усваиваемого и нужного в микробиологии и создании хитозана из хитина, производство инсектицидов), и т.д.
Кроме того, около 80% всей лимонной кислоты в магазинах — продукт биотехнологического культивирования аспергилла Aspergillus niger.

Конидиеносец A. niger. Вот так паразитический опасный гриб стал одним из самых полезных в пищевой промышленности — производителем лимонной кислоты.

Кроме ферментов для пищевой и химической промышленности, грибы используют непосредственно для производства непосредственно антибиотиков.
Причем это не изобретение нашего времени. Древние египтяне, а вслед за ними и греки, использовали вытяжку из плесени для обработки гноящихся ран. В древний Китай ведисты завезли прикладывание плесневелого хлеба к ранам и гнойникам, а в Средневековье в борьбе с паразитами прописывали протирания настойкой из плесневелого хлеба, вымоченного в воде.

Кроме того, арабские конюхи использовали плесень на кожаных седлах для обработки ран и мозолей у лошадей. Думаю, что стоит напомнить о истории пенициллина, хотя наверняка её слышали почти все наши читатели, но кратенько упомянуть всё же стоит.

 Сегодня целое семейство пенициллиновых антибиотиков, тетрациклины, фторхинолы, аминогликозиды и многие другие антибиотики производят при помощи плесени и грибовидных бактерий (стрептомицетов и актиномицетов). Помимо прочего, микромицеты можно использовать и в биологической защите растений. Если проще — то в качестве биоудобрения.
Дело в том, что в почве так же всегда присутствуют споры грибов и бактерии, которые при любом удобном случае колонизируют свежепосаженные растения, питаясь им и портя урожай. И если дикорастущие растения человека интересуют мало, то вот овощные и зерновые культуры — другое дело. Даже елки в питомниках при массовом выращивании оказываются под угрозой заражения.

В таких условиях использование химических пестицидов-фунгицидов затруднено — елки-то, может, и потерпят, но вот овощи при частой обработке и быстром созревании (а сейчас используют преимущественно быстрозреющие культуры) не успевают избавиться от остатков пестицидов до сбора, да и некоторые цветы сильно меняют свой цвет и товарный вид.
Тут в дело снова вступают биотехнологи — на основе природных сапротрофных и симбиотических видов плесени создавая новые штаммы микроорганизмов. Полученные образцы проверяют в сериях лабораторных и полевых опытов, выясняя степень их эффективности против патогенных организмов, безопасности для растения и его потребителя и полезности в целом (например, некоторые грибы производят не только антибиотики, но и агенты роста растения — фитогормоны ауксины и гиббереллины).

Зеленая масса — Trichoderma asperellum, белая — Fusarium redolens и F. graminnearum. На фото как раз один из опытов по проверке антибиотической активности новых штаммов триходермы на предмет уничтожения опасных фузариумов. Капля 0.1 мл культуральной жидкости триходермы меньше, чем за неделю, вытесняет целиком засеявший чашку фузариум к самым кромкам чашки. За две недели узарий оказался полностью съеден. Фото автора.

Но, поскольку это живой биопрепарат, на производстве постоянно приходится проверять качество продукции и не пропала ли антибиотическая активность размножаемого гриба. Впрочем, при производстве любого вещества биологического происхождения проблемы одинаковые — даже при производстве лимонной кислоты.
Вот так, плесень одновременно и опасна для нас, отравляя нашу пищу, и полезна, выступая в качестве производителя лекарственных средств и химикатов. Дуализм, пронизывающий всю природу, во всей своей красе. Всего хорошего и не болейте!