Галина Ильина - Ксилотрофные базидиомицеты в чистой культуре

Особенности содержания тех или иных функциональных групп в различных видах лигнина довольно подробно освещены в целом ряде специальных монографий (Грушников, Елкин, 1973; Закис, 1987). В качестве примера, иллюстрирующего разнообразие функциональных групп в препарате, который принято считать наиболее близким к природному лигнину еловой древесины, следует привести гипотетическую структурную формулу фрагмента макромолекулы лигнина Бьёркмана, предложенную Фрейденбергом (1969) (рис. 2).

Рисунок 2 – Гипотетическая структурная формула фрагмента макромолекулы лигнина хвойной древесины (по Freudenberg, 1968)

Схема эта, конечно же, не претендует на абсолютно точное отображение истинного строения макромолекулы лигнина, но наиболее удовлетворительно согласуется с аналитическими данными и позволяет объяснить многие реакции лигнина и его трофическую значимость для грибов белой гнили. Согласно формуле Фрейденберга, в природном (in situ) лигнине присутствуют следующие функциональные группы: метоксильные, фенольные гидроксильные, первичные и вторичные алифатические гидроксильные, кетонные и альдегидные (Азаров и др.,1999; Айзенштат, Боголицин, 2009). В других видах и препаратах лигнина количество групп будет иным. В зависимости от способа выделения и обработки препарата, особенно при химическом модифицировании, в нем могут появляться и другие, не свойственные природному лигнину группы.

Вопрос о том, является ли лигнин источником энергии для грибов, способен ли лигнин хотя бы отчасти обеспечивать энергетические и ростовые потребности этих организмов, является дискуссионным. По мнению Т.К. Кирка, лигнин не следует рассматривать как источник энергии, а его деструкция древоразрушающими грибами белой гнили является лишь частью вторичного метаболизма (Kirk, 1981). Существуют подобные обзоры, посвященные процессам биодеградации лигнина (Решетникова, 1997; Головлева, Леонтьевский, 1998; Eriksson et al., 1990; Hattaka, Vares, 1994). На основе существующих данных, выделяют следующие группы реакций, приводящих к деструкции макромолекулы лигнина:

– окисление боковых цепей лигнина по α- и β- углеродным атомам с образованием структур, содержащих кетогруппы, а также с образованием фенольных структур;

– гидролитическое расщепление β-О-4 эфирных связей с образованием спиртовых и фенольных структур;

– разрушение алкиларильных С-С-связей, образование nхиноидных структур и альдегидных или кислотных фрагментов;

– деметилирование и гидроксилирование ароматического кольца;

– расщепление ароматического кольца с образованием алифатических продуктов, чаще всего карбоновых кислот (Решетникова, 1997).

Исходя из приведенных данных, следует предполагать включение углерода метоксильных и других групп в метаболические процессы грибов, способных к деструкции лигнина. Исходя из цитируемой многими литературными источниками связи процессов окисления лигнина с реакциями вторичного метаболизма, можно предполагать и наличие в определенной степени регуляторной роли со стороны лигнина и промежуточных соединений, образующихся в процессе его деструкции (вератровый спирт и т.п.).

Изменения в лигнине при деструкции грибами белой гнили изучали химическими методами, а также с помощью УФ-, ИКи ПМР-спектроскопии с последующей качественной оценкой (Fengel, Wegener, 1979; Dietrichs et al., 1995). Установлено, что под действием грибов белой гнили в лигнине увеличивается содержание карбонильных и карбоксильных групп и уменьшается содержание алифатических гидроксильных групп. Содержание фенольных гидроксилов может и возрастать и понижаться. Отношение кислорода к углероду увеличивается, а водорода к углероду и метоксильных групп к углероду понижается. Уменьшаются также выходы метоксилированных ароматических кислот при окислительной деструкции после метилирования (вератровой кислоты из хвойного лигнина и вератровой и три-О-метилгалловой кислот из лиственного лигнина) и продуктов нитробензольного окисления (ванилина из хвойного лигнина и суммы ванилина и сиреневого альдегида из лиственного лигнина). Уменьшается выход продуктов ацидолиза и их число. Из лигнина здоровой древесины в качестве основного продукта ацидолиза получается 3гидрокси-1-(4-гидрокси-3-метоксифенил) -2-пропанон, тогда как из гнилого лигнина – ванилиновая кислота.

После воздействия грибов возрастает массовая доля кислорода и понижается содержание метоксильных групп (Фенгел, Вегенер, 1988). Увеличение содержания кислорода происходит в результате окисления α-углеродных атомов и окислительной деструкции связей между β- и γ-углеродными атомами пропановой цепи (Fengel, Wegener, 1979). Модельные опыты с различными метоксилированными фенолами показали, что грибы белой гнили деметилируют метоксильные группы. Опыты с меченым ( 14С) лигнином свидетельствуют, что при разложении лигнина грибами белой гнили (Coriolus versicolor, Phanerochaete chrysosporium) конечный продукт метаболизма СО 2образуется главным образом из метоксильных групп и в небольшой степени из углерода пропановых цепей и ароматических колец (Фенгел, Вегенер, 1988). Таким образом, практически не остается сомнений относительно включения функциональных групп лигнина в метаболические процессы грибов белой гнили.

Дальнейшие реакции приводят к получению мономерных и димерных соединений, большинство из которых содержат карбоксильные группы. Для включения этих соединений во внутренний обмен веществ гриба необходимо также, по-видимому, и расщепление ароматических колец. Среди ферментов грибов идентифицировали диоксигеназы, осуществляющие деметилирование ванилиновой и вератровой кислот – мономеров, которые были найдены в продуктах деструкции лигнина под действием грибов (рис. 3) (Chen et al., 1981).

Рисунок 3 – Окислительное расщепление ванилиново й кислоты под действием диоксигеназ

Расщепление ароматических колец возможно не только у мономерных продуктов деструкции. Ароматические кольца в лигнинном полимере также, по-видимому, расщепляются ферментами (Kirk et al., 1976; Chen et al., 1981).

На расщепление ароматических колец указывают 13С-ЯМРспектры искусственного лигнина, зараженного грибами белой гнили. Происходит также разрыв арилэфирных связей и расщепление пропановых цепей. Изменение состава продуктов ацидолиза древесины березы, пораженной белой гнилью, позволило заключить, что деструкция лигнина происходит на пораженной поверхности, которая прогрессирующе увеличивается. Макромолекулы практически не подвергаются фрагментации. Процесс деструкции заключается в отщеплении концевых групп (Фенгел, Вегенер, 1988).