Состав органических веществ растительных субстратов.

По определению органические соединения - это соединения, содержащие углерод. Помимо углерода почти все органические соединения содержат водород и кислород и в меньшем количестве азот, фосфор и серу (табл. 4).

Основную сухую массу растительных клеток составляют четыре типа органических соединений это углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты (табл. 5).

Углеводы - это соединения, содержащие углерод в сочетании с водородом и кислород. Углеводы самые распространенные в природе органические вещества. В растениях их содержание иногда доходит до 90% сухой массы. Углеводы включают несколько групп соединений моносахариды, олигосахариды и полисахариды (табл. 6). Моносахариды самые простые соединения и потребляются микроорганизмами в первую очередь. Олигосахариды состоят из двух или нескольких молекул моносахаридов и должны перед потреблением расщепляться ферментами на сахарные компоненты - моносахариды. Наиболее трудно доступными являются полисахариды растений. Для расщепления полисахаридов до моносахаридов у микроорганизмов выработались комплексы ферментов: одни из них разрыхляют полисахарид, другие отщепляют олигосахариды, третьи отщепляют моносахара. В растениях полисахариды защищены от биодеградации микроорганизмами путем экранирования молекулами фенольного полимера - лигнина. Лигнин составляет существенную часть растительных полисахаридов. В целом лигноцеллюлозный комплекс растений весьма устойчив к ферментативному расщеплению.

Жиры - важнейшие запасные вещества. Некоторые растения накапливают жиры (масла) в больших количествах, особенно в семенах и плодах. Растения содержат также воска, которые защищают ткани растении от потери влаги и часто затрудняют процесс увлажнения растительного сырья, например, соломы. При окислении жиров выделяется около 9,3 Ккал/г, а углеводов - всего 3,8 Ккал/г. Таким образом, жиры являются концентрированным источником энергии.

Белки, подобно полисахаридам, являются полимерами, состоящими из мономеров - аминокислот. У растений самая высокая концентрация белков обнаружена в семенах (более 40% сухой массы), вегетативные части содержат невысокий уровень белка (2 - 5%).

Нуклеиновые кислоты - это полимеры, состоящие из нуклеотидов пуринов и пиримидинов. Нуклеиновые кислоты участвуют в хранении генетической информации (ДНК) и переносе информации при синтезе белков (РНК).

Элементный состав органических соединений растений, % от сухой массы.

Основные классы органических соединений.

Состав органических веществ растений.

 

Растительные субстраты существенно различаются по содержанию основных органических компонентов: углеводов, жиров, белков (табл.).

Вегетативные части растений - древесина, соломина, стебли, листья - содержат небольшое количество белка и жиров и высокий уровень нерастворимых, трудно разлагаемых полисахаридов: целлюлозы, гемицеллюпозы, а также полимера - лигнина. Вегетативные части растений обычно используют в качестве основы субстрата.

Генеративные части растений - плоды, семена - содержат много белка и жиров, высокий уровень легко доступных углеводов (крахмал, моносахара, дисахариды) и низкий уровень трудно доступных полимеров - целлюлозы, гемицеллюпозы и лигнина. Генеративные части используют в качестве питательных белково-жировых добавок.

Состав органических веществ растительных субстратов, % от сухой массы.

 

В растительном субстрате содержатся легко доступные органические вещества, такие как растворимые сахара, олигосахариды, крахмал. Эти соединения потребляются всеми микроорганизмами и, в первую очередь, конкурентными плесневыми грибами - Trichoderma, Penicillium, Aspergillus, Mucor и т.п. Такие грибы называют еще "сахарными" (Рис.).

Трудно доступные соединения в форме пописахаридов: целлюлозы, гемицеллюлозы, пектина утилизируют грибы, имеющие соответствующие комплексы гидролитических ферментов: целлюлаз, пектиназ, ксиланаз. Разрушая целлюлозу из лигноцеллюлозного комплекса, эти грибы оставляют нетронутым лигнин, что придает субстратам более темный, коричневый вид. Такие грибы вызывают "коричневую гниль" древесины. Это некоторые высшие грибы, а также такие конкурентные плесени как Trichoderma.

Грибы, разрушающие самый труднодоступный полимер растительного субстрата - лигнин, относятся к группе "белых гнилей". Эти грибы примерно в одинаковой степени утилизируют целлюлозу и лигнин. Субстрат после деструкции грибами - "белой гнили" приобретают светлый вид. К этой группе относятся многие съедобные культивируемые грибы: вешенка, шиитаке, фламмулина, строфария и др.

Рис. Органические вещества растительного субстрата и его потребители.

Состав лигноцеллюлозного комплекса субстратов.
Лигноцеллюлозный комплекс растительного субстрата состоит из трех основных компонентов: целлюлозы, гемицеллюлоэы и лигнина. Соотношение компонентов отличается в разных субстратах (табл.).

Легче всего деградации подвержена гемицеллюлоза, состоящая из таких мономеров как ксилоза (ксилан), арабиноза (арабан) и манноза (маннан). Комплекс специфичных для этого субстрата ферментов расщепляет полисахариды на олигомеры, а затем на мономеры-сахара. Целлюлоза состоит из мономера глюкозы и плотно упакована в микротрубочки, которые также расщепляются комплексом ферментов-целлюлаз: С1 - фементы разрыхляют микрофибриллы, Сх - ферменты образуют олигомеры, а глюкозидоза (целлобиаза) отщепляет моносахара. Наиболее устойчив к ферментативному разрушению лигнин, состоящий из различных фенольных мономеров, которые могут соединяться также различным образом. Деградация лигнина происходит под действием ферментов полифенолоксидаз: пероксидазы, лакказы, тирозиназы и других.

Табл. Состав лигноцеллюлозного комплекса растительного субстрата, %

 

Вешенка и строфария относятся к грибам "белой гнили", которые способны к деструкции, как целлюлозы, так и лигнина. Наибольшая активность лакказы грибов наблюдается на 6 - 8 сутки прорастания мицелия в субстрате, что соответствует окончанию фазы колонизации и началу фазы освоения субстрата (рис.). В это же время наблюдается и пик целлюлазной активности.

Рис. Активность лакказы и целлюлазы в соломистом субстрате.

Изменение состава лигноцеллюлозного комплекса субстратов в процессе культивации.

Вешенка является активным деструктором лигноцеллюлозного комплекса субстратов. В процессе ферментативного разрушения комплекса происходит биодеградация лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы. Степень разрушения этих компонентов зависит от типа субстрата, от вида и штамма гриба. В целом отмечается примерно одинаковая потеря массы целлюлозы и лигнина.

Степень деструкции лигноцеллюлозного комплекса зависит от длительности процесса культивации гриба и количества снимаемых волн плодоношения. С каждой новой волной плодоношения питательность субстрата снижается, уменьшается его влагосодержание и происходит накопление самоингибиторов роста и плодоношения. Состав субстрата в процессе культивации существенно изменяется. Около 40 - 60% сухого вещества субстрата уходит с углекислым газом и "биологической водой", образующейся при гидролизе полисахаридов и "сгорании" сахаров в процессе дыхания. Около 10% сухой массы субстрата переходит в плодовые тела гриба, 30 - 50% первоначальной массы остается в виде отработанного субстрата. Отношение С/N меняется от 100/1 к 30-50/1. Субстрат относительно обогащается неорганическими компонентами (зола), азотистыми веществами (аминокислоты) и различными продуктами жизнедеятельности гриба. Относительные пропорции лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы остаются в субстрате примерно такими же, как в начале культивации, хотя их абсолютное содержание снижается на 30 - 70%ю. Тем не менее, потенциал субстрата используется не полностью. Если субстрат замочить в воде на ночь и таким образом вымыть ингибиторы плодоношения и повысить влагосодержание, можно получить еще дополнительно одну хорошую волну плодоношения, а иногда и две волны.

Деструкция лигноцеллюлозного комплекса стеблей хлопчатника и соломы пшеницы вешенкой обыкновенной.

А - Исходное сырье

Б - Отработанный субстрат

Деструкция лигноцеллюлозного комплекса древесины (обрезь плодовых деревьев) вешенкой обыкновенной.