Koksnes brūnā trupe: bazīdijsēnes un to destruktīvā iedarbība uz lignocelulozi

Abstract

Promocijas darbā „Koksnes brūnā trupe: bazīdijsēnes un to destruktīvā iedarbība uz lignocelulozi” pētīta koksnes trupes sēņu izplatība un daudzveidība Latvijas mežu biotopos, kā arī Latvijas un Maķedonijas celtniecības koksnē. Laboratorijas apstākļos ar ķīmiskām un fizikālām metodēm pētīts brūnās trupes sēņu izraisītās koksnes degradācijas mehānisms, lai, pamatojoties uz ķīmisko komponentu un struktūras izmaiņām, raksturotu šī procesa dinamiku. Latvijas mežu biotopos atrastas 144 koksnes trupes sēņu sugas (Basidiomycota). No tām 14 sugas ir retas, bet 22 trupes sēnes Latvijā ir reģistrētas pirmo reizi. Vislielākais sēņu skaits un pirmo reizi reģistrēto sugu skaits tika atrasts dabas liegumu teritorijās. 16% no reģistrēto sugu skaita pieder brūnās trupes sēnēm, pārējās (84%) - baltās trupes sēnēm. Latvijas celtniecības koksnē pēc izplatības biežuma izteikti dominēja brūnās trupes sēnes (86% gadījumu), bet Maķedonijas kultūrvēstures pieminekļos - baltās trupes sēnes (84% gadījumu), kas saistāms ar skujkoku materiālu tradicionālu izmantošanu Latvijas celtnēs, un lapkoku izmantošanu Maķedonijas celtnēs. Visbiežāk sastopamā brūnās trupes sēne Latvijas celtniecības koksnē ir Serpula lacrymans, kas konstatēta 56% gadījumu, kamēr Maķedonijas celtnēs šī sēne līdz šim nav atrasta. S. lacrymans dabā nav konstatēta ne Latvijā, ne Maķedonijā. Mūsu eksperimentos izmantoto koksnes paraugu degradācijas mehānisma izpēte deva iespēju raksturot un nodalīt trīs posmus koksnes brūnās trupes procesā: agrīnā, pamatstadija un noslēguma stadija. Agrīnā stadija (6-10 dienas) ir kritiskais posms, kurā traheīdu lumeni ir inficēti ar sēnes hifām, notiek lignīna oksidatīva modifikācija un relatīvās koncentrācijas pieaugums uz polisaharīdu sašķelšanas rēķina, celulozes polimerizācijas pakāpes strauja samazināšanās, hemiceluložu glikomannānu noārdīšana, bet masas zudumi vēl nav novērojami. Pamatstadijā (20 - 90 dienas) notiek modificētā lignīna repolimerizācija, jaunu mikroporu veidošanās, hemiceluložu acetātgrupu noārdīšana, polisaharīdu degradācijas produktu patēriņš, ko raksturo pieaugoši koksnes masas zudumi. Noslēguma stadiju (> 90 dienas) raksturo koksnes šūnas sekundārās sienas plaša degradācija ar lieliem masas zudumiem. Degradācijas agrīnajā stadijā uz koksnes šūnu, acīmredzot, vispirms iedarbojas sēņu veidotie ekstracelulārie reaktīvie skābekļa savienojumi (RSS), bet vēlāk, pamata un noslēguma stadijās, notiek enzimātiska koksnes šūnas noārdīšana. Bojātu koksnes šūnu ķīmisko un fizikālo analīžu rezultāti atklāja atšķirības starp brūnās trupes sēnēm, kas acīmredzot saistāmas ar sēņu celulolītisko un/ vai ligninolītisko sistēmu īpatnībām un to iedarbību uz koksnes šūnas komponentiem. Pētījuma rezultāti ir praktiski izmantojami koksnes aizsardzībā, parādot, ka nepieciešams atrast veidu, kā inhibēt sēņu izdalītos RSS, piemēram, paaugstinot koksnes pH, vai izmantojot savienojumus ar antioksidantu īpašībām, vai kavējot RSS reakcijas ar koksnē esošajiem dzelzs joniem. Darba rezultāti izmantoti degradācijas procesu izpētes metožu izstrādei un jaunu koksnes aizsardzības līdzekļu efektivitātes pārbaudei. Darbs ir uzrakstīts latviešu valodā. Darba 120 lappušu apjomu veido: ievads, literatūras apskats, kopsavilkums, darba mērķis un uzdevumi, eksperimentālā daļa, rezultāti un diskusija, secinājumi, aizstāvāmās tēzes, literatūras saraksts un pielikums. Darbā ir iekļauti 43 attēli, 12 tabulas un 123 literatūras avoti. Darbs izstrādāts no 1998. līdz 2008. gadam Latvijas Valsts Koksnes ķīmijas institūtā sadarbībā ar Latvijas Universitāti, Latvijas Dabas muzeju, Maķedonijas Sv. Kirila un Metodija Universitāti, Igaunijas Ķīmiskās fizikas un biofizikas institūtu, Tallinas Tehnisko universitāti un Vācijas Federālo mežsaimniecības un koksnes pētījumu centru.

In the Doctoral theses “Wood Brown-Rot: Basidiomycetes and their Destructive Action on Lignocellulose”, the prevalence and diversity of wood-rot fungi in Latvian forest biotopes as well as Latvian and Macedonian construction wood was investigated. In laboratory conditions, applying chemical and physical methods, the wood degradation mechanism caused by brown-rot fungi was investigated so that, based on the changes in the chemical components and structure, to characterise the dynamics of this process. In Latvian forest biotopes, 144 species of wood-rot fungi (Basidiomycota) were found. From them, 14 species are rare, while 22 species are registered for the first time in Latvia. The greatest number of fungi and the number of the species registered for the first time are found in the territories of natural restricted areas. 16% of the registered species pertains to brown-rot fungi, while the rest of them (84%) belong to white-rot fungi. In Latvian construction wood, in terms of prevalence, brown-rot fungi dominate markedly (86% cases), while, in Macedonian cultural monuments, white-rot fungi prevail (84% cases), which is connected with the traditional use of coniferous wood materials in Latvian buildings and the use of deciduous wood in Macedonian buildings. The most commonly occurring brown-rot fungus in Latvian construction wood is Serpula lacrymans, which is found in 56% cases, while this fungus has not yet been found in Macedonian buildings. In nature, S. lacrymans is found neither in Latvia nor in Macedonia. The study of the mechanism of degradation of the wood samples used in our experiments made it possible to characterise and separate three stages in the wood brown-rot process: early stage, basic stage and final stage. The early stage (6-10 days) is a critical one, in which tracheid lumens are infected with fungal hyphae, lignin oxidative modification, and the relative increase in concentration at the expense of polysaccharides cleavage, a dramatic decrease in the cellulose polymerisation degree, and the degradation of hemicellulose glucomannanes occur, while mass losses are not yet observed. At the basic stage (20-90 days) repolymerisation of the modified lignin, formation of new micropores, degradation of hemicellulose acetate groups, and consumption of polysaccharide degradation products occur, which is characterised by the increasing wood mass losses. The final stage (> 90 days) is characterised by the extensive degradation of the wood cell secondary wall with great mass losses. At the early stage of degradation, the wood cells are obviously firstly influenced by the reactive oxygen species (ROS) that are formed by the fungi, while later, at the basic and final stages, enzymatic degradation of wood cells occurs. The results of the chemical and physical analysis of the damaged wood cells have revealed distinctions among the brown-rot fungi, which is obviously connected with the peculiarities of the cellulolytic and/or ligninolytic systems and their action on wood cell components. The results of the studies are practically applicable in wood protection, indicating that it is necessary to find a way to inhibit the ROS released by the fungi, for example, by increasing the wood pH or using compounds with antioxidant properties or hampering the ROS reactions with the iron ions present in wood. The results of the work are used to develop methods for investigating degradation processes and testing of efficiency of new wood preservatives. The work is written in Latvian. The 120 page volume of the work is comprised by the introduction, literature survey, summary, the work’s objective and tasks, experimental, results and discussion, conclusions, defended theses, references and annex. The work includes 43 figures, 12 tables and 123 references. The work has been developed from 1998 to 2008 at the Latvian State Institute of Wood Chemistry in cooperation with the Univers