Перспективы использования высших базидиальных грибов в качестве тест-объектов для биоиндикации

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2015 ISSN 2410-6070

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 574.21

И.В. Г ордеева

к.б.н., доцент

Уральский государственный экономический университет г. Екатеринбург, Российская Федерация

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫСШИХ БАЗИДИАЛЬНЫХ ГРИБОВ В КАЧЕСТВЕ

ТЕСТ-ОБЪЕКТОВ ДЛЯ БИОИНДИКАЦИИ

Аннотация

Данная работа представляет собой обзор публикаций, посвященных перспективам использования шляпочных грибов в качестве тест-объектов в биоиндикации для оценки загрязнения почвы ионами тяжелых металлов. В работе показано, что количественный анализ загрязнения с помощью грибов затруднителен, так как последние обладают видоспецифичной способностью к аккумуляции ионов конкретных металлов. В то же время шляпочные грибы могут быть полезны для качественной биоиндикации - разграничения загрязненных и незагрязненных территорий.

Ключевые слова

Биоиндикация, ионы тяжелых металлов, шляпочные грибы, экологический мониторинг

В условиях перманентно возрастающей антропогенной нагрузки на окружающую среду важное значение приобретает возможность объективной оценки состояния последней с учетом как количественных, так и качественных параметров. К числу наиболее используемых методов экологического мониторинга по праву следует отнести биоиндикацию, получившую широкое распространение благодаря относительной дешевизне и кратковременности исследования, а также многообразию видов живых организмов, которые могут быть использованы для наблюдения за изменением тех или иных параметров окружающей среды. Как известно, виды-биоиндикаторы должны соответствовать целому ряду условий: быть широко распространенными, легко идентифицируемыми, демонстрировать однозначную реакцию всех особей на изменение определенного параметра окружающей среды и пр. В силу этого для экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха, особенно на урбанизированных территориях, чаще всего используют лихеоиндикацию и флуктуирующую асимметрию листовых пластин тополя, березы, липы и других видов эврибионтных деревьев; о содержании токсичных элементов в почве судят по всхожести семян кресс-салата и т.д. Использование в качестве объектов биоиндикации высших базидиальных грибов менее известно, несмотря на повсеместное распространение данной группы живых организмов в различных регионах мира и высокую толерантность многих из них к антропогенному прессингу. Настоящая работа представляет собой обзор публикаций отечественных и зарубежных исследователей, посвященных анализу реакции шляпочных макромицетов на загрязнение окружающей среды, а также перспективам использования последних в качестве биоиндикационного материала.

Высшие базидиальные грибы являются неотъемлемым компонентом многих природных и искусственных экосистем (таких как городские парки), встроенным в трофические цепи благодаря симбиотическим и паразитическим взаимоотношениям с лиственными и хвойными растениями. Длительно существующий мицелий обладает способностью к активной аккумуляции из почвы различных токсичных компонентов, таких как радионуклиды и ионы тяжелых металлов [1]. Примечательно, что повышенная концентрация последних наблюдается и в плодовых телах грибов, что облегчает сбор материала для исследований [2]. По мнению ряда авторов [2, 3], содержание тяжелых металлов в ряде видов грибов может даже превышать аналогичный показатель в почве, что обусловлено интенсивной абсорбционной способностью макромицетов и даже позволяет рекомендовать их в качестве биосорбентов [4]. В работе

30

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2015 ISSN 2410-6070

В.И. Отмахова и др. отмечается, что концентрации одних и тех же металлов существенно различаются в зависимости от вида исследуемых грибов [1]. Так, при атомно-эмиссионном анализе грибного материала из одних и тех же районов произрастания выявлено, что концентрация никеля в плодовых телах белых грибов превышает аналогичный показатель для подберезовиков почти в 5,5 раз (2,2 мг/кг против 0,4 мг/кг), в то время как по содержанию меди и титана приоритет остается за шампиньоном луговым, а уровень кадмия во всех грибах примерно одинаков. Ю.В. Королева и др., изучая аккумуляцию тяжелых металлов грибами природных лесных экосистем, также отмечают видоспецифичный характер данного процесса [5], но не выявляют повышенного сродства белого гриба к никелю и, кроме того, обнаруживают существенные различия в содержании кадмия в плодовых телах грибов разных видов, вопреки предыдущей работе [1]. Сами авторы отмечают сложность использования шляпочных макромицетов для индикации почвенного загрязнения, но рекомендуют сочетать данный метод с другими, достаточно разработанными и хорошо себя зарекомендовавшими.

В.И. Бакайтис и С.Н. Басалаева [6], отмечая значимость базидиальных грибов для биоиндикации лесных экосистем, признают проблематичный характер подобной методики в связи с тем, что некоторые базидиомицеты накапливают в течение длительно времени ионы тяжелых металлов, обнаруживаемые впоследствии в плодовых телах в концентрациях, превышающих предельно допустимые, даже в условиях экологически благополучных по всем параметрам экосистем, вследствие глубокого расположения мицелия, избирательно поглощающего ионы из почвы. Авторы также отмечают, что наибольшая концентрация тяжелых металлов регистрируется в шляпках плодовых тел, рекомендуя использовать именно данную часть грибов для анализа, и, подчеркивая видоспецифичный характер аккумуляционной способности макромицетов, выстраивают ряд видов по степени снижения данного свойства - от рода Agaricus (шампиньон) до Boletus (белый гриб). Таким образом, шампиньоны, являясь одними из самых распространенных грибов, отличающихся повышенной толерантностью к антропогенно измененным условиям, можно рекомендовать в качестве объектов биоиндикации.

Если мы обратимся к зарубежным публикациям, посвященным биоаккумуляции тяжелых металлов макромицетами, то обнаружим, что грибы рода Agaricus также активно используются в экологическом мониторинге. Так например, N. Omaka et al использовали A. campestris для оценки содержания железа, свинца, марганца и кадмия в почве в определенных районах Нигерии [7]. Результаты исследования демонстрируют значительные вариации по концентрации ионов тяжелых металлов в плодовых телах грибов в зависимости от конкретного региона произрастания. В то же время авторы признают, что повышенное содержание кадмия в шампиньонах фиксировалось во всех точках сбора материала, что может быть обусловлено не столько уровнем почвенного загрязнения, сколько сродством грибов данного вида к конкретному химическому элементу. D. Chauhan и Ch. Suhalka, изучая перспективы использования A. bisporus для биоремидиации ионов тяжелых металлов, выявили обратно пропорциональную зависимость между концентрацией солей магния, никеля, меди, марганца, цинка, свинца, мышьяка и железа и скоростью роста, а также накоплением биомассы у грибов данного вида, снижающейся в 2 -3 раза по сравнению с контролем [8]. Таким образом, если полученные данные можно будет экстраполировать на природные экосистемы, то задача использования шампиньонов в качестве тест-объектов в экологическом мониторинге существенно облегчается, так как с технической точки зрения оценить точные размеры и биомассу плодовых тел несоизмеримо легче, чем использовать метод атомно-эмиссионного анализа, который далеко не всегда дает адекватные результаты, так как металлы, подобные ртути, легко испаряются при нагревании.

F. Yilmaz et al также отмечают потенциал грибов рода Agaricus в качестве объектов биоиндикации, но в то же время призывают относиться с осторожностью к любым результатам тестирования, в котором исследователи ограничиваются только одним видом грибов [9]. Как уже отмечалось ранее, аккумуляция мицелием ионов тяжелых металлов носит видоспецифичный характер. Обобщенные данные по некоторым видам исследований макромицетов представлены в Табл.1.

31

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2015 ISSN 2410-6070

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов в грибах разных видов на загрязненной территории

Вид грибов Концентрация металлов, мг/кг

Cu Zn Mn Cd Ni Pb

Omphalotus olearius 40,4 27,1 36,5 1,0 11,2 5,2

Agaricus subperonatus 91,3 67,8 37,6 0,69 4,0 3,5

Agaricus placomyces 59,3 69,3 23,6 0,6 4,4 3,6

Lycoperdon perlatum 115,2 274,5 27,9 1,3 6,6 6,5

Lycoperdon sulphureus 6,5 38,0 162 0,41 4,7 3,8

Lepiota alba 35,9 86,2 21,5 0,83 8,3 6,0

Как следует из представленных данных, грибы, относящиеся к разным видам, демонстрируют очень широкий спектр способности к аккумуляции тяжелых металлов. Если Omphalotus olearius выделяется повышенной концентрацией никеля на загрязненной территории, то у Agaricus subperonatus содержание данного металла значительно ниже, причем практически не отличается на загрязненной и относительно экологически благополучной территории, а у A. placomyces, напротив, фиксируется повышенная концентрация данного элемента именно во втором случае. В то же время оба вида шампиньонов характеризуются гораздо более высоким уровнем содержания ионов цинка, нежели Omphalotus (68 мг/кг против 27 мг/кг), а лидером в данном случае, безусловно, является Lycoperdon perlatum (274 мг/кг). Все это не может не вызвать справедливых сомнений в отношении перспектив использования конкретных видов макромицет в качестве биоиндикаторов по широкому спектру ионов тяжелых металлов.

P. Kalac с сотрудниками [10-12] также признают сложности оценки реального уровня загрязнения почвы с помощью шляпочных грибов, но в то же время рекомендуют использовать в качестве контрольной выборки не плодовые тела, собранные в экологически благополучных местах, а искусственно культивируемые. Для примера приводятся результаты исследований, демонстрирующие, что даже при многократных повторностях эксперимента уровень ионов тяжелых металлов, выявленных в плодовых телах дикорастущих A. bisporus, всегда достоверно превышает аналогичный показатель для искусственно культивируемых организмов того же вида [10, 13-17]. Это может быть обусловлено как низкой концентрацией тяжелых металлов в субстрате выращивания последних, так и коротким сроком существования культивируемого мицелия [12]. Авторы приходят к выводу, что именно те виды шляпочных грибов, которые встречаются как в дикой природе, так и активно культивируются в пищевых целях, являются наиболее подходящими объектами для экологического мониторинга. В то же время отмечается [10], что объекты подобного типа не могут рассматриваться в качестве точных индикаторов антропогенно загрязнения почвы тяжелыми металлами, но анализ плодовых тел может быть полезен при разграничении загрязненных и незагрязненных территорий [15-17]. (Табл.2).

Таблица 2

Содержание ионов тяжелых металлов в грибах рода Agaricus

(по P. Kalac et al) в мг/кг

Металл Концентрация на загрязненной территории Концентрация на незагрязненной территории

Chr 2 0,1

Co 3 0,1

Cu 70 10

Mn 60 5

Ag 3 0,2

Cd 50 2

Как мы видим из данных Табл.2, концентрация ионов отдельных металлов на загрязненной территории превышает аналогичный показатель для экологически благополучных районов примерно на один порядок, что является статистически достоверным различием. Таким образом мы делаем вывод, что шляпочные макромицеты могут рассматриваться как тест-объекты биоиндикации для качественной оценки

32

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2015 ISSN 2410-6070

загрязненности почвы тяжелыми металлами. При этом количественная оценка данного параметра представляет определенные сложности в связи с видоспецифичным характером аккумуляции ионов металлов конкретными грибами. Очевидно, что выбор того или иного вида макромицетов должен осуществляться с учетом специфики и задач исследования, а также распространенности грибов на территории, подверженной интенсивному антропогенному прессингу, и возможности обеспечения надлежащей контрольной выборки.

Список использованной литературы:

1. Отмахов В.И., Петрова Е.В., Пушкарева Т.Н., Островерхова Г.П. Атомно-эмиссионная методика анализа грибов на содержание тяжелых металлов и использование ее для целей экомониторинга // Известия Томского политехнического университета. 2004.- Т.307.- №5.- С.44-48.

2. Маркова М.Е., Урьяш В.Ф., Степанова Е.А. и др. Сорбция тяжелых металлов высшими грибами и хитином разного происхождения в опытах in vitro // Вестник Нижегородского университета. 2008.- №6.-

С.118-124.

3. Залевская Т.Л., Баев А.К. Взаимодействие ионов меди (II), свинца (II) и ртути (II) с биомассой гриба вешенки обыкновенной // Координационная химия. 1996.- Т. 22.- №6.- С.499-501.

4. Tomko J., Backor M., Stofko M. Biosorption of heavy metals by dry fungi biomass // Acta Metallurgica Slovaka. 2006.- N 12.- P.447-451.

5. Королева Ю.В., Стеганцев В.В., Вахранева О.П., Чибисова Н.В. Аккумуляция тяжелых металлов лесными грибами в Калининградской области // Вестник Балтийского федерального университета. 2014. -Вып.1.- С.78-85.

6. Бакайтис В.И., Басалаева С.Н. Содержание макро- и микроэлементов в дикорастущих грибах Новосибирской области // Техника и технология пищевых производств. 2009.- 32.- С.73-76.

7. Omaka N., Offor I., Ehiri R. Fe, Pb, Mn and Cd concentrations in edible mushrooms (Agaricus campestris) grow in Abalaki, Ebonyi state, Nigeria // International Scholarly and Scientific Research & Innovation. 2014.-V.8(1).-P.84-88.

8. Chauhan D., Suhalka Ch. Potential of Agaricus bisporus for bioremediation of different heavy metals // Journal of Chemical, Biological, Physical and Science Security. 2014.- V.4.- N.1.- P.338-341.

9. Yilmaz F., I§iloglu M., Merdivan M. Heavy metal levels in some mucrofungi // Turkish Journal of Botany. 2003.- V.27.- P.45-56.

10. Kalac P., Svoboda L. A review of trace element concentrations in edible mushrooms // Food Chemistry. 2000.-V.69.- P.273-281.

11. Kalac P., Svoboda L., Havlickova B. Content of cadmium and mercury in edible mushrooms // Journal of Applied Biomedicine. 2004.- V.2.- P.15-20.

12. Kalac P., Svoboda L., Havlickova B. Contents of detrimental metals mercury, cadmium and lead in wild growing edible mushrooms: a review //Energy Education Science and Technology. 2004.-V.13(1).- P.31-38.

13. Haldimann M., Bajo C., Haller T., Venner T. Vorkommen von arsen, blei, cadmium, quecksilber und selen in zuchtpilzen // Mitteilungen aus der Gebiete der Lebensmitteluntersuchung und Hygiene. 1995.- V.86.- P. 463-484.

14. Stmirskova G., Dubravicky J., Banheggyiova E. Mineral composition of oyster mushroom // Potravinarske Vedy. 1990.- V.8.- P.149-155.

15. Wondratchek I., Roder U. Monitoring of heavy metals in soil by higher fungi / Plants as biomonitors. Indicators for heavy metals in the terrestrial environment. 1993.- P. 345-363.

16. Garcia M., Alonso J. Fernandez M., Melgar M. Lead content in edible wild mushrooms in Northwest Spain as indicator of environmental contamination // Arch. Environ. Contam. Toxicology. 1998.- V.34.- P.330-335.

17. Svoboda L., Kalac P. Contamination of two edible Agaricus spp. mushrooms growing in town with cadmium, lead and mercury // Bulletine of Environment Contamination Toxicology. 2003.- V.71.- P.123-130.

© И.В. Гордеева, 2015

33