Aspergillus – грибы этого рода впервые были описаны в 1729 году итальянским микологом П. Микели. Они наиболее распространены из всех гифомицетов. Естественное местообитание их – верхние горизонты почвы, особенно в южных широтах. Но чаще всего их обнаруживают на различных продуктах, главным образом растительного происхождения, где колонии их образуют плесневые налеты разного цвета, особенно часты голубовато-зеленые, реже других цветов. При созревании споры аспергилла черные. Колонии аспергиллов появляются на хлебе, хранящемся при повышенной влажности, на варенье, влажных обоях, изделиях из кожи и так далее. Следовательно, большинство видов аспергиллов — сапрофиты. Но в этом роде имеются и паразиты животных и человека.
По строению плесень Aspergillus похожа на плесень Penicillium. Вегетативное тело аспергиллов — многодетный, очень ветвистый мицелий, пронизывающий субстрат. Клетки мицелия многоядерны. Иногда развивается и обильный воздушный мицелий. У большинства аспергиллов плесневый налет состоит из конидиеносцев с конидиями. Конидиеносцы отходят вверх от особых клеток мицелия — опорных клеток. У разных видов конидиеносцы имеют различные размеры, могут представлять собой одну клетку или, реже, иметь перегородки, у немногих ветвятся. У большинства аспергиллов конидиеносцы бесцветны, как и гифы мицелия, а у некоторых (например, у представителей групп Aspergillus nidulans, Aspergillus ochraceus) они коричневатые или желтоватые. Оболочки их у большинства гладкие, у немногих (группа Aspergillus ochraceus, Aspergillus effusus из группы Aspergillus nidulans) шиповатые. Верхняя часть конидиеносца вздувается, образуя пузырь, у большинства округлый, у отдельных видов в различной степени вытянутый. На пузыре или радиально, или только в верхней его части размещаются флажковидные клетки – фиалиды, из узкого горлышка которых выходят одна за другой, располагаясь в цепочку, одноклеточные конидии. Непосредственно у отверстия наверху фиалиды конидии имеют тонкую оболочку, часто бесцветны или бледно окрашены, и окончательное созревание и оформление их происходит постепенно. Чем выше по цепочке, тем конидии крупнее, интенсивнее окрашены и более зрелы.
У некоторых аспергиллов, находящихся, по видимому, на более высокой ступени эволюционного развития, увеличение количества образующихся конидий происходит в результате того, что на пузыре конидиеносца возникает серия клеток (профиалид), на которых сидят пучками, или мутовками, фиалиды. При малом увеличении микроскопа верхушка конидиеносца аспергилла, несущая цепочки конидий, внешне очень похожа на наконечник лейки, из отверстий которого льются струйки воды. Поэтому русское название аспергилла – леечный гриб. Однако точный перевод аспергилла будет «косматая голова», что также очень хорошо согласуется с впечатлением, производимым при рассматривании конидиеносцев с цепочками конидий.
По мере созревания конидии отваливаются, переносятся на новые места и прорастают при благоприятных условиях, образуя мицелий.
При помощи конидий, то есть бесполым путем, размножается большинство аспергиллов. Однако некоторым из них свойственно и высшее спороношение – сумчатое. В колониях таких видов бывают заметны невооруженным глазом маленькие шарики, у большинства желтого цвета. Это плодовые тела – клейстотеции. Они были впервые обнаружены Г. Линком (1809) в гербарном материале.
Клейстотеции сохранились главным образом у тех аспергиллов, у которых конидиеносцы имеют более простое строение: не несут на своем пузыре тех дополнительных элементов (профиалид), которые характерны для видов, утративших сумчатое спороношение. В настоящее время сумчатая стадия известна почти у всех видов группы Aspergillus glaucus, у всех видов серии Aspergillus fischeri из группы Aspergillus fumigatus, у многих видов группы A. Nidulans. Эти грибы имеют фиалиды, образующиеся непосредственно на пузыре конидиеносца (без профиалид).
На клейстотеции похожи склероции, образующиеся у многих видов аспергиллов из групп Aspergillus candidus, Aspergillus niger, Aspergillus flavus и Aspergillus ochraceus. Но, в отличие от клейстотециев, они представляют собой простое сплетение гиф мицелия и внутри нет сумок. Можно предположить, что склероции – это клейстотеции, утратившие способность формировать аскоспоры. Подтверждением такого предположения служит образование внутри склероциев сумчатого спороношения, например, у Aspergillus alliaceus.
Склероции особенно обильны при высоком содержании в среде нитратов и сахарозы и при температуре20 – 25°С.
То, что именно аспергиллы были подвергнуты такому усиленному изучению в указанном плане, отнюдь не было случайным. Примерно с середины XIX века аспергиллы уже привлекали к себе внимание как активные агенты процессов разрушения самых разнообразных материалов, как возбудители заболеваний и причина токсикозов животных и человека, как продуценты различных ферментов и других ценных продуктов обмена веществ, с успехом используемых в ряде отраслей промышленности. Кроме того, они хорошо растут в лабораторных условиях, почему и стали одним из излюбленных объектов исследований. Достаточно сказать, что между 1891 и 1928 годами было опубликовано более 2000 работ по аспергиллам, посвященных главным образом физиологии, биохимии и генетике видов этих грибов. Изучение их продолжается и в настоящее время. Особенно активно работают с аспергиллами в лабораториях с 1940 года, когда их стали использовать как вообще весьма удобные модели в исследованиях генетических закономерностей, различных физиологических процессов, путей обмена веществ и тому подобное.
Некоторые группы и виды аспергиллов широко распространены в природе и имеют существенное практическое значение. Это в первую очередь, представители группы Aspergillus niger, наиболее активно используемые в промышленности и в лабораторных исследованиях. Только видам этой группы начиная с 1945 года было посвящено свыше 1000 научных статей! Они выделяются из почвы в разных странах и на разных континентах, то есть являются космополитами. Они развиваются на зерне вовремя его хранения, на плодах, овощах, хлопчатобумажных изделиях, коже и материалах, богатых белками. Колонии видов группы Aspergillus niger коричневые, шоколадные или черные (рисунок 17). Виды группы Aspergillus niger отличаются многообразной биохимической активностью. Они вырабатывают разнообразные ферменты — амилолитические, протеиназы, пектиназу, липазу, глюкозооксидазу, ферменты, разрушающие роговое вещество, хитин и другие. Уже в 1787 году было описано «сбраживание» галловых орешков при помощи Aspergillus niger, вырабатывающего фермент таназу, с образованием галловой кислоты, которая используется для производства ряда красок, чернил, некоторых фармацевтических препаратов. В настоящее время при помощи пектолитических ферментов Aspergillus niger и Aspergillus foelidus в ряде стран производят осветление фруктовых соков и вин. В Японии пектолитические ферменты Aspergillus niger используют для расщепления на волокна стеблей растений (рами). Использование ферментов Aspergillus awamori позволяет получать кристаллическую глюкозу из крахмала. Из инулина под действием фермента Aspergillus niger можно получать фруктозу.
Широкое применение получила способность штаммов Aspergillus niger и других видов этой группы к образованию лимонной, щавелевой, глюконовой, фумаровой кислот. В СССР и в других странах для производства лимонной кислоты используются штаммы этого вида. Штаммы группы Aspergillus niger способны синтезировать витамины биотин, тиамин, рибофлавин и другие.
Однако антибиотики мало продуцируются этой группой, поэтому их практическое значение невелико.
Применение штаммов Aspergillus niger в различных лабораторных исследованиях многообразно. В свое время этот вид образно назвали «биохимической лягушкой» (Л. И. Курсанов). Так как они очень чувствительны к минеральным источникам питания, возможно использовать специально отобранные штаммы для определения дефицита некоторых элементов в почве (фосфора, калия, меди и др.) и витаминов, что оказалось значительно проще, точнее и быстрее, чем химические анализы.
В ряде тропических стран отмечены заболевания растений, вызываемые штаммами Aspergillus niger, например, проростков арахиса, хлопчатника, сорго в Восточной Африке (Судан), Индии. Гриб Aspergillus carbonarius описывают как причину гнили винограда в Индии.
Штаммы Aspergillus niger, выделенные из заплесневелых кормов, оказались токсичными для животных. Известны случаи отомикозов, легочных аспергиллезов, бронхопневмонии, мицетом конечностей, причиной которых был Aspergillus niger.
Не меньшее значение имеют грибы группы Aspergillus flavus-oryzae (рисунок 18). Для них характерна желтовато-зеленая окраска колоний. Эти грибы встречаются в почве и на самых разнообразных субстратах: растительных остатках, фураже, пищевых продуктах, растительных маслах, пластических массах и других материалах. Aspergillus flavus может расти даже на мало подходящих субстратах таких, как воск, парафин. Грибы этой группы – главные компоненты сообщества плесневых грибов, развивающихся на зерне и семенах, главным образом на рисе, горохе, соевых бобах, арахисе, в плохо проветриваемых хранилищах, даже при 18% влажности. Разнообразие заселяемых субстратов объясняется тем, что у видов этой группы имеется особенно богатый набор ферментов. Они продуцируют амилазу, протеиназы, липазы, пектиназы (пектазу, ипротопектиназу), целлюлазу и другие. Именно поэтому Aspergillus oryzae и родственные виды используются на Востоке для пищевых и других целей в течение не одного столетия. Спиртовая промышленность Японии и других стран Востока целиком основана на ферментативных свойствах грибов этой группы. Ферменты Aspergillus oryzae(«така-койи») гидролизируют крахмал рисовых зерен при изготовлении рисовой водки – сакэ. Для получения промышленного спирта в Японии в настоящее время с успехом используются и другие источники крахмала, например, батат. При приготовлении продуктов питания из сои и других субстратов, богатых белками, на Востоке (главным образом в Японии) используют уже в течение столетия протеолитические ферменты Aspergillus flavus, Aspergillus oryzae, Aspergillus parasiticus. В производстве китайского и японского соевого соуса ферментативным способом применяют особую закваску, представляющую собой культуру Aspergillus oryzae на вареной сое или перловой крупе. Во Вьетнаме ферментативный соево-рисовый соус «тыонг» служит обязательным повседневным пищевым продуктом населения. При приготовлении его протеолитические и амилолитические ферменты плесневых грибов, и лучше других Aspergillus oryzae, гидролизируют крахмал и белки сои и риса. В современных условиях ферментные препараты Aspergillus flavus, Aspergillus oryzae и Aspergillus parasiticus с успехом применяют для очистки кож от волос и размягчения кож, для удаления серебра из старых пленок и пластинок, в текстильной промышленности. В СССР также используют ферменты грибов этой группы, например, для изготовления ферментных препаратов, в производстве спиртов и для других целей.
Этим не исчерпывается перечень полезных метаболитов. Способность грибов этой группы образовывать коевую кислоту была установлена в начале нашего столетия. Коевую кислоту вырабатывают Aspergillus flavus, Aspergillus tamarii, Aspergillus parasiticus, Aspergillus effusus. Они образуют и другие кислоты (β-нитропропионовую, α-кетоглутаровую, лимонную, яблочную, молочную, фумаровую и другие), а также витамины (рибофлавин, тиамин, пантотеновую кислоту, инозитол, биотин, пиридоксин, В12, С, K3 и др.) и стероиды (тестостерон, тестололактон).
Многообразны проявления паразитных свойств Aspergillus flavus и других видов группы по отношению к растепиям, насекомым, позвоночным животным и человеку. В частности, от Aspergillus flavus нередко страдают проростки хлопчатника. Он вызывает паралич пчел, заболевания шелковичных червей, термитов и других животных, отомикозы у человека. Aspergillus parasiticus вызывает легочные заболевания у голубей, цыплят, индюшек, диких птиц, содержащихся в неволе, у лошадей. У людей констатированы случаи инфекции легких и, кроме того, различные внутриполостные поражения, эндокардиты, гранул-оматоз головного мозга, причиной которых бывает Aspergillus parasiticus.
В последние годы Aspergillus flavus получил печальную известность как продуцент одного чрезвычайно вредоносного токсического вещества. Драматическая история открытия этого токсина начинается с 1960 года, когда в Англии появилось загадочное заболевание индюшек, при котором они погибали в большом количестве без каких-либо видимых признаков уже известных заболеваний. На одной из ферм в течение двух недель из 1000 молодых индюшек и индюшат погибло 800. А немногим более чем за три месяца на фермах, специализировавшихся на разведении индюшек, их количество уменьшилось на сто с лишним тысяч.
В расследовании причин заболевания приняли участие лаборатория судебной экспертизы Скотленд-Ярда, общество охраны животных и многие другие организации. Сразу же возникло подозрение на отравление птичьего корма, который и стали проверять в первую очередь на содержание опасных химических веществ, ядов и различных болезнетворных организмов. Все эти испытания дали отрицательные результаты. Тогда обратили внимание на то, что все вспышки болезни «икс», как ее назвали, происходили на фермах, которым поставляли корм две фабрики, добавлявшие, как выяснилось, в корм муку из земляных орехов (арахиса), вывезенных из Бразилии.
Стало известно, что в Кении погибали подобным же образом утята, которым давали корм с добавкой земляных орехов, привезенных из Уганды. И тогда научные сотрудники Лондонского института тропических культур установили, что токсин в больших количествах вырабатывается грибом Aspergillus flavus, быстроразвивающимся на земляных орехах в условиях высокой влажности и умеренно высокой температуры тропиков и субтропиков. Токсическое вещество назвали афлатоксин (от начальных букв названия гриба). Позже выяснилось, что это не одно вещество, а целый комплекс (B1, В2, G1, G2). Впоследствии был установлен и канцерогенный характер токсина.
Это открытие имеет, помимо медицинского, большое экономическое значение, поскольку во многих районах мира возделывание земляного ореха – одна из основных отраслей хозяйства.
Причиной тяжёлых заболеваний может быть и другой представитель группы аспергиллов Aspergillus fumigatus. У этого гриба известно два типа колоний: пушистые, в которых хорошо развит воздушный белый мицелий и слабо представлено конидиальное спороношение, придающее колонии нежно-голубоватый оттенок, и бархатистые – с мицелием в субстрате и обильным конидиальным спороношением, имеющим густую голубовато-зеленую окраску.
Aspergillus fumigatus встречается в почве, развивается на фураже, на различных семенах и зерновых продуктах при хранении, на шерсти, хлопке. Разрушение этих материалов обычно сопровождается значительным повышением температуры. В компостах, например, при высокой температуре (до +50°С) Aspergillus fumigatus составляет примерно 70% от общего количества обнаруживаемых там грибов. Можно сказать, что это самые термофильные грибы среди аспергиллов. Вероятно, как раз этим свойством объясняется то, что Aspergillus fumigatus чаще других аспергиллов встречается как паразит животных и человека. Именно он основной паразит домашних и диких птиц, у которых поражает дыхательные пути. У людей этот гриб вызывает легочный аспергиллез, хроническую эмфизему легких и аллергии с симптомами ангины, но чаще бывает причиной тяжелых отомикозов.
Aspergillus fumigatus образует токсин, оказывающий гемолитическое и антигенное действие. Экстракт из мицелия этого вида раздражающе действует на кожу и почки.
Аспергилл дымящий (Aspergillus fumigatus) продуцирует антибиотик фумагиллин, активный против стафилококкового бактериофага и, главное, обладающий лечебными свойствами против амебной дизентерии, нозематоза пчел, активно тормозящий развитие ряда перевивных опухолей. В лаборатории антибиотиков МГУ под руководством 3.Э. Беккер и А.Б. Силаева был получен отечественный препарат кристаллического фумагиллина.
В последнее время грибу Aspergillus fumigatus приписывают активную роль в разрушении хитиновых веществ в почве. Широкое распространение штаммов этого гриба в различных условиях, многообразная биохимическая деятельность, свойственная им, особенно в условиях повышенных температур, большая стойкость (их мицелий и споры могут сохранять жизнеспособность после пребывания в течение 6 – 8 мин в 60%-ном спирте) обусловливают возрастающий интерес к изучению этой группы.
Мы кратко осветили значение только некоторых видов аспергиллов. Однако сказанного достаточно, чтобы представить себе ту огромную роль в природе и хозяйственной деятельности человека, которую они выполняют. Свойственная грибам этого рода широкая экологическая амплитуда дает возможность для развития тех или иных видов при различных условиях окружающей среды. Широкий набор ферментов позволяет аспергиллам осваивать самые разнообразные субстраты. Антибиотические вещества, продуцируемые ими, обеспечивают успешную борьбу с возможными конкурентами. Это создает предпосылки для использования некоторых видов при разработке мер биологической борьбы с фитопатогенными организмами