Comparative ecological and physiological characteristics of  Penicillium chrysogenum  Thom 1910 strains found on the territory of Surgut

Maria V. Mantrova; Мантрова Мария Викторовна

doi:10.17816/snv202114

Сравнительная эколого-физиологическая характеристика штаммов Penicillium chrysogenum Thom 1910, выделенных на территории г. Сургута

Авторы: Мантрова М.В.¹
Учреждения:
1. Сургутский государственный университет
Выпуск: Том 9, № 2 (2020)
Страницы: 86-90
Раздел: Общая биология
URL: https://snv63.ru/2309-4370/article/view/41930
DOI: https://doi.org/10.17816/snv202114
ID: 41930

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Статья посвящена изучению эколого-физиологических свойств четырех штаммов вида Penicillium chrysogenum Thom 1910, выделенных на территории г. Сургута из почвы, воды и поверхности синтетических полимеров, в зависимости от источника углеродного питания и температуры; рассмотрены также фитотоксические свойства данных штаммов в отношении нескольких тест-объектов. Культурально-морфологические признаки штаммов схожи между собой на средах с сахарозой, лактозой, маннитом, крахмалом и целлюлозой, вариабельны на средах с сорбитом и глицерином. Самые высокие средние значения радиальной скорости роста зафиксированы на средах со спиртами – сорбитом и глицерином. Общие культурально-морфологические признаки характерны для штаммов при культивировании в одном температурном режиме; низкая температура +5°С более способствует росту колоний, чем высокая +37°С, оптимальной является +25°С; полученные данные подтверждают принадлежность P. chrysogenum к мезофильным (психротолерантным) видам. Все штаммы токсичны в отношении проростков редиса; в отношении проростков пшеницы, а также элодеи и ряски токсичны вариабельно; не токсичны для семян пшеницы и редиса. Полученные результаты могут быть полезны в изучении экологии штаммов P. chrysogenum, а также в идентификации данного вида.

Ключевые слова

микромицеты, Penicillium chrysogenum Thom 1910, культурально-морфологические и физиологические признаки, радиальная скорость роста, источники углеродного питания, фитотоксичность, температурные границы роста, психротолерантный вид

Полный текст

Введение

Эколого-физиологические свойства различных штаммов Penicillium chrysogenum Thom 1910 неодинаковы [1, с. 214]. Вид P. chrysogenum распространен по всему земному шару – в почве, на гниющей растительности и пищевых продуктах [2, p. 246], – в широком диапазоне климатических условий [3, с. 296].

Как почвенный обитатель P. chrysogenum типичен для каштановых почв умеренного климата, сероземов субтропических полупустынь и красноземов тропиков [4, с. 120]; является доминирующим в микромицетных комплексах дерново-подзолистой почвы северного умеренного климата (Московская область) [5, с. 107]; встречается в тундровых почвах субарктического климата (Полярный Урал) [6, с. 41, табл. 2] и в почвах полярных (арктических) пустынь (о. Эллеф-Рингнес) [7, с. 220]. Кроме фоновых P. chrysogenum доминирует в микоценозах городских почв: дерново-подзолистой городской, урбаноземах, реплантоземах (г. Москва) [8, с. 81–83].

Представителей данного вида часто выделяют из воздуха внутренних помещений, пыли, с различных заплесневелых поверхностей [8, с. 139]. P. chrysogenum является доминирующим в составе аэромикоты жилых помещений (г. Москва) [9, с. 6], часто встречающимся в воздухе хранилищ документов (Российская национальная библиотека) [10, с. 12] и музейных залов (г. Санкт-Петербург) [11, с. 130].

Микромицеты P. chrysogenum выделяются часто с поверхности полимерных [1, с. 213] и целлюлозных материалов, кожи, кирзы, резины, красок, корродирующего металла [12, с. 186], из авиационного топлива [13, с. 444]; являются самыми распространенными среди грибов, выделенных с поверхности конструкционных материалов и из пыли воздуха на Российском сегменте Международной космической станции [14, с. 29, 38]. Таким образом, P. chrysogenum является эвритопным видом [8, с. 144].

P. chrysogenum – продуцент органических кислот, антибиотиков и микотоксинов. Самый известный антибиотик – пенициллин – впервые получен из колонии P. chrysogenum [15, с. 300], занимает первое место среди антибиотических препаратов благодаря своей высокой антибактериальной активности в сочетании с низкой токсичностью [16, с. 3]. Продуцируемый P. chrysogenum микотоксин пеницилловая кислота вызывает микотоксикозы человека и животных, обладает фитотоксичностью по отношению к прорастанию семян и развитию высших растений [17, с. 293].

По отношению к температуре P. chrysogenum является мезофильным (психротолерантным) видом – оптимальная температура роста 26°С, минимальная 6°С, максимальная 38°С [1, с. 214; 2, p. 246].

Цель работы: дать сравнительную эколого-физиологическую характеристику четырех штаммов вида P. chrysogenum, выделенных на территории г. Сургута: сравнение культурально-морфологических свойств и кинетики роста в зависимости от температуры и источника углеродного питания, а также комплексное исследование фитотоксичности штаммов.

Объекты исследований: четыре штамма микроскопических грибов вида P. chrysogenum, выделенные на территории г. Сургута из почвы (штамм № 9), воды водопроводной (штамм № 10), с поливинилхлоридной (штамм № 18) и полиэтиленовой поверхностей (штамм № 46) труб.

Материалы и методика исследований

Выделение чистых культур грибов проводили чашечным методом Коха – посевом серийных разведений почвенной суспензии и воды трубопроводной на чашки Петри с питательной средой Чапека [18, с. 5–6; 19, с. 122–125], а также соскобом с поверхности материалов (труб). Видовую идентификацию штаммов провели сотрудники лаборатории мицелиальных грибов отдела «Всероссийская коллекция микроорганизмов» Института биохимии и физиологии микроорганизмов имени Г.К. Скрябина РАН.

Для исследования динамики роста колоний в зависимости от источника углеродного питания споры грибов высевали уколом на среду Чапека с исследуемым источником углерода (сахароза, лактоза, глицерин, маннит, сорбит, целлюлоза, крахмал) в 3%-ной концентрации. Диаметры колоний измеряли через каждые 48 часов инкубации при 25°С в течение 14 суток (336 ч.) [20, с. 142–144]. Радиальную скорость роста (K_r, мм/ч.) рассчитывали по формуле [20, с. 154]: K_r = (r – r_o) / (t – t₀); r_o – радиус колонии в начальный момент времени t₀, мм; r – радиус колонии в момент времени t, мм.

Для исследования влияния температуры на рост грибов их споры высевали уколом на среду Чапека и культивировали при температурах 5°С, 25°С и 37°С. По истечении 17 дней оценивали их культурально-морфологические свойства (цвет, структура колоний, реверс) и измеряли диаметры колоний.

Фитотоксические свойства культуральной жидкости грибов в отношении семян и проростков пшеницы и редиса, элодеи и ряски определяли по общепринятым методикам [20, с. 122–124, 321–324]. Коэффициент фитотоксичности ингибирования роста корней проростков пшеницы и редиса (А_ф, %) рассчитывали по формуле [20, с. 322]: А_ф = 100 – ((Д_х – Д_н) / (Д_к – Д_н) × 100); Д_х – средняя длина корней проростков через 24 ч. в опыте (мм); Д_к – средняя длина корней проростков через 24 ч. в контроле (мм); Д_н – начальная длина корней проростков (мм). В отношении элодеи и ряски фиксировали убыль или прирост биомассы в сравнении с исходными показателями. Таким образом, провели комплексную оценку фитотоксичности штаммов – в отношении нескольких тест-объектов, – растений разных экологических групп (наземные и водные), на разных стадиях развития (семена, проростки, взрослые растения).

Результаты исследований и их обсуждение

Важная экологическая характеристика популяций микромицетов – средняя радиальная скорость роста. По этому показателю популяции микроскопических грибов делят на медленнорастущие (0,03–0,12 мм/ч.) и быстрорастущие (0,5 мм/ч.); медленнорастущие грибы отличаются высокой гидролитической активностью и играют ведущую роль в разложении полимеров растительного опада [21, с. 73]. Согласно результатам исследования (табл. 1) все штаммы P. chrysogenum являются медленнорастущими, – средние значения радиальной скорости роста варьируют от 0,056 мм/ч. до 0,104 мм/ч.

Распределение средних значений радиальной скорости роста грибов на средах с сахарами, спиртами и природными полимерами (табл. 1) следующее: у штамма № 9 скорость роста выше на средах с сахарозой, сорбитом и крахмалом; у штамма № 10 самые высокие средние значения скорости роста – на средах с сахарозой, глицерином и крахмалом; у штамма № 18 – на средах с сахарозой, глицерином и целлюлозой; у штамма № 46 – на средах с лактозой, сорбитом и крахмалом. Таким образом, самые высокие средние значения радиальной скорости роста зафиксированы на среде с сахарозой у штаммов № 9, № 10 и № 18; лактозой – у штамма № 46; сорбитом – у штаммов № 9 и № 46, глицерином – у штаммов № 10 и № 18; крахмалом – у штаммов № 9, № 10 и № 46, целлюлозой – у штамма № 46. Таким образом, для исследуемых штаммов из дисахаридов сахароза предпочтительнее лактозы, что соответствует литературным данным [22, с. 54]; из спиртов предпочтительнее сорбит и глицерин; из природных полимеров крахмал. Согласно З.Э. Беккер [22, с. 57] наивысшей питательностью для грибов обладают спирты с 6-ю атомами углерода (маннит, сорбит), меньшей – трехатомные спирты (глицерин), очень слабой – одноатомные (этиловый, метиловый). Среды с глицерином применяются для видовой идентификации рода Penicillium [2, p. 8, 383]. Самые высокие средние значения радиальной скорости роста на средах со всеми источниками углеродного питания у всех штаммов P. chrysogenum (табл. 1) зафиксированы на средах с сорбитом (штамму № 9 и № 46) и глицерином (штаммы № 10 и № 18).

Морфология колоний исследуемых штаммов P. chrysogenum при росте на средах с сахарами, спиртами и природными полимерами (табл. 2) имела сходства и различия как в пределах одного штамма на разных средах, так и в пределах всех штаммов на одной среде. На средах с сахарозой, лактозой, маннитом и крахмалом все штаммы похожи и соответствуют описанию вида в определителях [2, p. 226, 246–247], – колонии бархатистые пепельно-сине-зеленые, выделяют лимонно-желтый экссудат, среду окрашивают в лимонный цвет, обратная сторона колонии (реверс) лимонно-желтая. На среде с глицерином цвет колоний штаммов № 9, № 10 и № 18 (табл. 2) бежевый, на среде с сорбитом у штаммов № 9 и № 18 (табл. 2) наблюдалась рыхлая структура колоний, которая характерна также для всех штаммов на среде с целлюлозой. Самый устойчивый по культурально-морфологическим признакам штамм № 46 (табл. 2) – одинаковый на всех средах (кроме среды с целлюлозой).

Культивирование штаммов при разных температурах значительно влияет на их морфологию и диаметр колоний (табл. 3, табл. 4). Понижение температуры до +5°С значительно сдерживает рост колоний штамма № 18, повышение до 37°С – рост колоний штамма № 46. В целом, температура +5°С более способствует росту колоний исследуемых штаммов, чем 37°С, оптимальной является 25°С (табл. 3), что подтверждает принадлежность P. chrysogenum к мезофильным (психротолерантным) видам [1, с. 214; 2, p. 246].

При культивировании штаммов в одинаковых температурных режимах наблюдалось сходство их культурально-морфологических признаков. При 25°С колонии бархатистые серо-сине-зеленые с лимонным экссудатом, реверс лимонно-желтый, среда окрашена в желтый цвет. При 5°С и 37°С колонии бархатистые, белые, мелкие (диаметр в 6–10 раз меньше, чем при 25°С), складчатые, реверс лимонно-желтый (менее выражен), среда не окрашена. Варианты морфологии колонии и ее реверса при 5°С, 37°С и 25°С на примере штамма № 10 (17 сут.) представлены в табл. 4.

Согласно исследованиям фитотоксичности штаммов (табл. 5) в отношении проростков редиса штаммы № 10, № 18 и № 46 высоко токсичны (74,5–100%), штамм № 9 средне токсичен (40,4%). В отношении проростков пшеницы штаммы № 10 и № 46 высоко токсичны – более 50%, а штаммы № 9 и № 18 заметно стимулируют развитие данных тест-культур на 45,1% и 51,4% соответственно. В отношении семян пшеницы и редиса в большинстве случаев наблюдается незначительное увеличение всхожести под действием культуральной жидкости грибов, небольшое снижение всхожести пшеницы замечено под действием штамма № 46 (на 3%), редиса – штамма № 18 (на 10%). В отношении водных растений – элодеи и ряски – угнетение роста вплоть до полной гибели наблюдалось под влиянием штаммов № 9 и № 10; штаммы № 18 и № 46 не проявляли токсичности, наоборот, замечен небольшой стимулирующий эффект. Таким образом, штаммы № 9 и № 10 высоко токсичны в отношении элодеи и ряски, штаммы № 18 и № 46 не токсичны и даже несколько стимулируют данные водные тест-объекты. Таким образом, все штаммы токсичны в отношении проростков редиса, № 10 и № 46 также и в отношении пшеницы, а № 9 и № 18 ощутимо стимулируют ее развитие; на всхожесть семян практически не влияют – незначительно ее повышают или снижают. Согласно литературным данным, P. chrysogenum токсичен по отношению к прорастанию семян и развитию высших растений [17, с. 293]. По результатам исследования фитотоксичности штаммов P. chrysogenum выявлен как угнетающий, так и стимулирующий эффект, в отношении семян токсичности не выявлено.

Таблица 1 – Средние значения радиальной скорости роста (мм/ч.) аборигенных штаммов P. chrysogenum на средах с различными источниками углерода

№ штамма	Источники углеродного питания
№ штамма	сахароза	лактоза	глицерин	манит	сорбит	крахмал	целлюлоза
9	0,080 ± 0,013	0,069 ± 0,012	0,080 ± 0,015	0,059 ± 0,011	0,082 ± 0,014	0,070 ± 0,012	0,059 ± 0,013
10	0,069 ± 0,006	0,064 ± 0,018	0,071 ± 0,023	0,070 ± 0,015	0,069 ± 0,012	0,064 ± 0,012	0,060 ± 0,012
18	0,082 ± 0,022	0,069 ± 0,007	0,104 ± 0,011	0,081 ± 0,007	0,092 ± 0,019	0,061 ± 0,011	0,067 ± 0,017
46	0,074 ± 0,010	0,097 ± 0,019	0,067 ± 0,007	0,056 ± 0,010	0,104 ± 0,036	0,085 ± 0,007	0,065 ± 0,022

Таблица 2 – Морфология колоний штаммов P. chrysogenum № 18 и № 46 на среде Чапека с дисахаридом лактозой, спиртами глицерином и сорбитом и природным полимером целлюлозой

Штамм	Источник углеродного питания
Штамм	Лактоза	Глицерин	Сорбит	Целлюлоза
№ 18 (12 сут.)
№ 46 (22 сут.)

Таблица 3 – Влияние температуры культивирования на диаметр колоний (мм) штаммов P. chrysogenum (17 сут.)

№ изолята	Температура культивирования
№ изолята	5°С	37°С	25°С
9	5,58 ± 0,15	7,37 ± 0,24	56
10	7,67 ± 0,17	4	50
18	1,27 ± 0,09	5,25 ± 0,16	55
46	8,67 ± 0,33	2	55
Средний общий диаметр	5,79	4,65	54

Таблица 4 – Морфология штамма № 10 P. chrysogenum (17 сут.) на среде Чапека при разных температурных условиях культивирования

Морфология колоний	Температура культивирования
Морфология колоний	5°С	37°С	25°С
Вид колонии (сверху)
Реверс (обратная сторона колонии)

Таблица 5 – Фитотоксичность штаммов P. chrysogenum в отношении растений (тест-объектов)

Тест-объект	Показатель	контроль (среда Чапека-Докса)	Штаммы P. chrysogenum
Тест-объект	Показатель	контроль (среда Чапека-Докса)	9	10	18	46
Пшеница	Всхожесть, %	83	84	86	86	80
	Прирост корней за 24 ч., мм	13,77	19,98 ± 0,07	5,99 ± 0,07	20,84 ± 0,34	6,65 ± 0,29
	Коэффициент фитотоксичности, %	0	– 45,10 ± 0,48	56,52 ± 0,53	–51,37 ± 2,46	51,71 ± 2,10
Редис	Всхожесть, %	88	94	94	78	98
	Прирост корней за 24 ч., мм	6,93	4,13 ± 0,23	0	0	1,77 ± 0,32
	Коэффициент фитотоксичности, %	0	40,40 ± 3,30	100	100	74,51 ± 4,61
Элодея	Прирост/убыль биомассы в сравнении с исходными показателями (массы для элодеи и количества растений для ряски)		гибель 100%	гибель 100%	прирост на 1–2%	прирост на 1–2%
Ряска			гибель 96%	гибель 98%	прирост на 9%	прирост на 5%

Выводы и перспективы дальнейших изысканий по данному направлению

По результатам исследования кинетики роста в зависимости от источника углеродного питания в среде все исследуемые штаммы P. chrysogenum являются медленнорастущими; средние значения радиальной скорости роста варьируют от 0,056 мм/ч. до 0,104 мм/ч. Самые высокие средние значения скорости роста зафиксированы на средах со спиртами: сорбитом (у штаммов № 9 и № 46) и глицерином (штаммы № 10 и № 18). Культурально-морфологические признаки штаммов схожи между собой на средах с сахарозой, лактозой, маннитом, крахмалом и целлюлозой, вариабельны на средах с сорбитом и глицерином. Самый устойчивый по морфологии колоний штамм № 46.
По результатам исследования культурально-морфологических признаков штаммов P. chrysogenum в зависимости от температуры культивирования выявлено значительное влияние температурного фактора на морфологию и диаметр колоний; культурально-морфологические признаки схожи у всех штаммов в пределах одного температурного режима. В целом, низкая температура +5°С более способствует росту колоний исследуемых штаммов, чем высокая 37°С, оптимальной является 25°С (табл. 3), что подтверждает принадлежность P. chrysogenum к мезофильным (психротолерантным) видам [1, с. 214; 2, p. 246].
По результатам исследования фитотоксичности штаммов P. chrysogenum выявлен как угнетающий, так и стимулирующий эффект, в отношении семян токсичности не выявлено. В отношении проростков редиса три штамма (№ 10, № 18 и № 46) высоко токсичны, один штамм (№ 9) средне токсичен; в отношении проростков пшеницы два штамма высоко токсичны (№ 10 и № 46), два штамма (№ 9 и № 18), наоборот, проявили стимулирующий эффект; в отношении элодеи и ряски два штамма (№ 9 и № 10) высоко токсичны, два штамма (№ 18 и № 46) не токсичны и даже незначительно стимулируют данные водные тест-объекты.

Перспективой исследования является расширение количества изучаемых штаммов вида P. chrysogenum с целью выявления возможных штаммовых различий, что дополнит сведения об экологии данного вида.

Об авторах

Мария Викторовна Мантрова

Сургутский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: mantrova-mariya@yandex.ru

младший научный сотрудник научно-образовательного центра Института естественных и технических наук

Россия, Сургут, Ханты-Мансийский автономный округ – Югра

Список литературы

Лугаускас А.Ю., Микульскене А.И., Шляужене Д.Ю. Каталог микромицетов – биодеструкторов полимерных материалов. М.: Наука, 1987. 340 с.
Food and Indoor Fungi / R.A. Samson, J. Houbraken, U. Thrane, J.C. Frisvad, B. Andersen. Utrecht, 2010. 246 р.
Саттон Д., Фотергилл А., Ринальди М. Определитель патогенных и условно патогенных грибов / пер. с англ. К.Л. Тарасова и Ю.Н. Ковалева. М.: Мир, 2001. 468 с.
Мирчинк Т.Г. Почвенная микология: учебник. М.: Изд-во МГУ, 1988. 220 с.
Терехова В.А. Микромицеты в экологической оценке водных и наземных экосистем. М.: Наука, 2007. 215 с.
Кирцидели И.Ю., Новожилов Ю.К., Богомолова Е.В., Дроздова И.В. Комплексы микромицетов в почвах тундровых ценозов, сформированных на кислых горных породах Полярного Урала // Микология и фитопатология. 2010. Т. 44, вып. 1. С. 37–46.
Кирцидели И.Ю. Почвенные микромицеты полярных пустынь острова Эллеф-Рингнес (Канадский арктический архипелаг) // Микология и фитопатология. 2007. Т. 41, вып. 3. С. 217–225.
Марфенина О.Е. Антропогенная экология почвенных грибов. М.: Медицина для всех, 2005. 196 с.
Антропова А.Б., Мокеева В.Л., Биланенко Е.Н. Аэромикота жилых помещений г. Москвы // Микология и фитопатология. 2003. Т. 37, вып. 6. С. 1–11.
Горяева А.Г., Великова Т.Д., Добрусина С.А. Микобиота воздуха и композитов бумаги с полимерными покрытиями в Российской национальной библиотеке // Микология и фитопатология. 2010. Т. 44, вып. 1. С. 10–18.
Кирцидели И.Ю., Богомолова Е.В. Формирование сообществ микромицетов в воздухе музеев Санкт-Петербурга // Микология и фитопатология. 2008. Т. 42, вып. 2. С. 128–136.
Каневская И.Г. Биологическое повреждение промышленных материалов. Л.: Наука, 1984. 232 с.
Кондратюк Е.А., Харкевич Е.С., Захарченко В.А., Наконечная Л.Т., Рой А.А., Жданова Н.Н., Пашкевич Р.Е. Биоповреждение авиационного топлива ТС-1 микроскопическими грибами // Микология и фитопатология. 2007. Т. 41, вып. 5. С. 442–448.
Александрова А.В. Почвообитающие микроскопические грибы: география и экология: автореф. дис. … д-ра биол. наук. М., 2013. 50 с.
Мюллер Э., Лёффлер В. Микология / пер. с нем. М.: Мир, 1995. 343 с.
Лурье Л.М. Изучение физиологии высокоактивных штаммов Penicillium chrysogenum в связи с биосинтезом бензилпенициллина: автореф. дис. … канд. биол. наук. М., 1963. 22 с.
Берестецкий О.А., Боровков А.В. Фитотоксические метаболиты почвенных пенициллиев // Микробиологический журнал. 1979. Т. 41, вып. 3. С. 291–302.
Зенова Г.М., Степанов А.Л., Лихачева А.А., Манучарова Н.А. Практикум по биологии почв. М.: Изд-во МГУ, 2002. 120 с.
Егоров Н.С. Руководство к практическим занятиям по микробиологии: учеб. пособие. М.: МГУ, 1995. 224 с.
Методы экспериментальной микологии: справочник / И.А. Дудка [и др.]; под ред. В.И. Билай. Киев: Наукова думка, 1982. 551 с.
Бакаева М.Д. Комплексы микромицетов нефтезагрязненных и рекультивируемых почв: дис. … канд. биол. наук. Уфа, 2004. 183 с.
Беккер З.Э. Физиология и биохимия грибов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1988. 230 с.