Плесневеющий мир

Наталья Резник,
кандидат биологических наук
«Химия и жизнь» №2, 2024

Я люблю рассматривать плесень. Во время спороношения она такая красивая, разноцветная, похожая на микроскопический волшебный лес. Но, увы, плесневые грибы необратимо портят продукты, а иногда и здоровью нашему вредят.

Они повсюду

Плесневые грибы вездесущи. Их споры попадают на растения из почвы, прилетают по воздуху, проливаются с дождем. Они поражают злаки, орехи, специи и бобовые, свежие фрукты и продукты их переработки (джемы, вина, сухофрукты), кофе и какао, молочные и мясные продукты. Плесневые грибы синтезируют множество разных ферментов, потому могут вырасти практически на любом субстрате.

Плесень заметна не сразу: мицелий должен разрастись. Сначала на зернах появляется налет, на листьях и плодах — темные пятна. Затем, если условия благоприятные, гриб образует споры, которые видны невооруженным глазом как белый или цветной пушок. Споры разлетаются по воздуху, вызывая заболевания дыхательных путей и аллергию, а мицелий во время спороношения синтезирует токсины. Эти вещества помогают микроскопическим грибам справляться с конкурирующими микроорганизмами: бактериями и другими грибами. Некоторые из этих токсинов нам известны как антибиотики. Другие опасны не только для микробов, но и для птиц, млекопитающих и даже человека.

Сколько микроскопических грибов синтезируют микотоксины, сказать сложно. Их очень много, десятки тысяч видов. Основными производителями токсинов считают представителей родов Aspergillus, Fusarium и Penicillium. Микотоксинов пока насчитали около 450, но исследователи регулярно обнаруживают новые. Они разнообразны по структуре и различаются токсичностью. К счастью, большинство из них не представляют серьезной проблемы для здоровья человека, но есть и весьма опасные. Основное внимание исследователи уделяют афлатоксинам, особенно афлатоксину В1, охратоксинам, а также микотоксинам фузариума: фумонизинам, зеараленону, Т-2/НТ-2 и дезоксиниваленолу, он же вомитоксин, от латинского vomitus — «рвота», от которой страдают отравившиеся им. Микотоксины могут вызвать тяжелые заболевания печени, почек, иммунной и нервной системы, геморрагические синдромы и даже рак. В канцерогенности подозревают афлатоксин В1.

Примеры тяжелой интоксикации плесенью хорошо известны. В Средние века был распространен эрготизм — отравление алкалоидами спорыньи Claviceps purpurea, заражавшей рожь. Больные покрывались гангренозными пятнами (антонов огонь) или мучились конвульсиями. В тяжелых случаях отравление заканчивалось смертью. В 1129 году в Париже употребление зараженного эрготоксином хлеба стоило жизни 14 тысячам человек.

Fusarium

Еще один плесневый гриб, гибберелла кукурузная Gibberella zeae, распространен по всему миру и поражает злаки — в каждой климатической зоне свои. Зерно с грибным токсином — «пьяный хлеб» — вызывает у людей отравления. Некоторые виды Fusarium растут на семенах льна и конопли, из таких семян получается «пьяное масло». Отравленные люди жалуются на головную боль, головокружение, общую слабость и расстройство желудка. А другие виды фузариума вызывают тяжелейшее заболевание — алиментарно-токсическую алейкию. Больные страдают стоматитом, некротической ангиной, рвотой, имеют и другие тяжелые симптомы.

В 1960 году в Англии случился массовый падеж индюшек. Причину долго не могли установить, назвали недуг «болезнью Х», а потом разобрались, что все погибшие птицы получали муку из арахиса, зараженного грибком Aspergillus flavus. Этот гриб выделяет афлатоксин (от начальных букв названия гриба), который и убивал птиц. Позже оказалось, что в Кении по той же причине погибают утята. Тогда и прозвучало впервые слово «микотоксин», а отравления плесенью стали называть микотоксикозами.

По-видимому, одна из причин токсичности грибковых соединений — вызываемый ими окислительный стресс. Он приводит к дисфункции митохондрий, перекисному окислению липидов и гибели клетки.

Разные виды грибов могут синтезировать один и тот же токсин, а один гриб — несколько разных соединений, поэтому микотоксины редко встречаются в одиночку. По оценкам Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), микотоксинами загрязнена четверть сельскохозяйственных товаров. Однако реальный показатель, по-видимому, часто превышает 80%. Новые аналитические методы позволяют выявлять микотоксины в значительно меньших концентрациях, чем раньше, поэтому доля загрязненных проб растет.

Некоторые токсины чаще обнаруживают в зерновых, другие — в орехах, сухофруктах или специях. Фрукты и продукты их переработки, например, нередко поражены патулином, цитринином или токсинами альтернарии. Лекарственные растения тоже бывают заражены. Аспергилл может испортить даже такое чудодейственное средство, как корень женьшеня. Захотел человек поправить здоровье, а вместо этого отравился афлатоксином.

Alternaria

Микотоксинами можно отравиться не только вкушая зараженные продукты, но и вдыхая грибную пыль. Известны случаи легочных микотоксикозов у фермеров, надышавшихся пылью, зараженной Fusarium и Penicillium. Другой фермер и его жена, работая в грязном зернохранилище, отравились охратоксином Aspergillus ochraceus, что закончилось для обоих острой почечной недостаточностью.

Penicillium. Фото: MK-fotky, Flickr CC

Вообще о содержании микотоксинов в воздухе и их воздействии на дыхательные пути известно мало. По-видимому, они присутствуют в мельчайших грибных фрагментах. Микотоксины родов Fusarium, Aspergillus и Penicillium находят во вдыхаемой фракции кукурузной, хлопковой и зерновой пыли. Перезимовавшее в поле зерно заражено фузариумом почти гарантированно. У людей, которые работают с таким зерном, раздражаются слизистые оболочки верхних дыхательных путей. Пострадавшие кашляют и чихают, иногда из носа идет кровь. Опасны не только микотоксины. Споры грибов могут вызывать аллергические реакции и отомикозы — воспаления наружного и среднего уха. Попав в кровь, они нередко провоцируют болезни дыхательной и сердечно-сосудистой системы. Медики полагают, что повышенная чувствительность к грибным инфекциям свойственна 3–10% людей и примерно четверти аллергиков.

Aspergillus. Фото: George Shepherd Flickr CC

Плесневые грибы встречаются и в больницах, квартирах и офисах. В городских условиях грибов, вызывающих аллергию, даже больше, чем в деревне. При комнатной температуре и повышенной влажности в вентиляционных шахтах и кондиционерах, вблизи подтекающих труб плесень чувствует себя великолепно. Она может поселиться в скоплениях пыли, на дереве, камне и даже пластике. Один из таких грибов Stachybotrys chartarum, известный как «черная плесень», синтезирует микотоксины трихотецены. В американском городе Кливленде с 1993 по 1996 год медики зарегистрировали 10 случаев легочного кровотечения у младенцев, живущих в зараженных домах. Правда, связь болезни и воздушной передачей S. chartarum тогда не доказали.

Мы будем бороться

К счастью, не все плесневые грибы ужасны. Среди них выделяют так называемую благородную плесень — несколько нетоксичных видов, которые веками используют для приготовления сыров и сырокопченых колбас. Эти грибы синтезируют несколько ферментов, расщепляющих жиры и белки, что придает продуктам неповторимый вкус и аромат. А еще благородные плесени замедляют прогоркание жиров и мешают расти обычной, токсичной плесени. Но она всё равно растет, и с ней ведут непримиримую и довольно успешную борьбу — эпидемии эрготизма и «болезни Х» остались в прошлом.

Есть отравленную пищу мы не согласны. Поскольку разные микроскопические грибы поражают продукты на разных стадиях: до сбора урожая, после сбора, во время хранения сырья и конечной продукции, а также в процессе переработки, меры надо принимать на всех этапах.

Прежде всего, на полях стараются использовать сорта, устойчивые к плесеням, насекомым и засухе. Засуха и вредители ослабляют растение, и оно легче заражается. И до и после сбора урожая его проверяют на наличие плесневых грибков. Например, аспергилл и альтернария заражают фрукты и овощи до сбора урожая, а фузариум и пеницилл — после.

Использование химических удобрений и фунгицидов, по-видимому, не влияет на зараженность грибами. Так, сравнивая содержание патулина в овощах и фруктах, выращенных традиционным и «органическим» методом (с минимальным использованием синтетических удобрений, пестицидов и регуляторов роста растений), исследователи не нашли разницы. Подавить рост микотоксигенных грибов и образование микотоксинов в пищевых продуктах можно как физическими, так и химическими и биологическими методами.

В хранилищах по возможности создают условия, неподходящие для роста плесени. Грибки чувствительны к температуре, газовому составу атмосферы, а также к влажности, точнее активности воды. Активность воды — это отношение давления паров воды над данным материалом к давлению паров над чистой водой при одной и той же температуре. Чем меньше активность воды, тем больше ее связано с неводными компонентами и тем меньше она поддерживает реакции, приводящие к порче продукта. В настоящее время пороговые значения активности воды для большинства микроорганизмов известны.

Температурные предпочтения у разных грибов различные. Аспергиллы, например, лучше всего себя чувствуют при 35°С, при температуре ниже 15°С они прекращают рост. Пеницилловые грибы выдерживают более низкие температуры, до 0°C. При этом диапазон температур, оптимальный для образования токсинов, уже, чем благоприятствующий росту грибов. Однако тут большое значение имеет еще и время хранения. Например, грибы на зерновых культурах синтезируют охратоксин при 25°С, но при длительном хранении токсин может появиться даже при 5–10°С, если в помещении достаточно влажно.

Влажность — это бич хранителей урожая. Специалисты советуют сушить зерно как можно скорее, не давать ему залеживаться и следить, чтобы активность воды в зерне не превышала 0,65. Это предотвратит рост многочисленных видов плесени.

Для хранения нужно подбирать оптимальный состав воздуха, в котором грибы не будут развиваться и образовывать микотоксины. Например, Aspergillus flavus не синтезирует афлатоксин, когда содержание углекислого газа в воздухе увеличивается до 20%. К сожалению, для других токсинов и других видов аспергилла нужен другой газовый состав.

Зерно, овощи и фрукты надо держать в целости, потому что некоторым видам плесневых грибков сложно закрепиться на неповрежденных плодах и зернах. Но не всем. Например Erysiphe necator, возбудитель мучнистой росы, разрушает поверхность плодов, создавая пространство для роста Aspergillus, который вырабатывает охратоксин и фумонизин.

Если грибки все-таки завелись, их уничтожают, для чего используют ультрафиолетовое или ионизирующее облучение, озон, электрические поля, ультразвук, или просто сортируют урожай, отбрасывая зараженные продукты. В России и в других странах разрабатывают программы для обнаружения плесени на поверхности продуктов (картофеля, бананов, апельсинов, томатов): компьютер считывает изображения, полученные с камеры. Дома и в магазине продукты приходится осматривать самим. Плесень вредна только во время спороношения: яблоко с коричневым бочком съесть можно, опушённое плесенью — нет. И срезать такое место не рекомендуется, потому что микотоксины могут просочиться в здоровую часть плода. Лучше выбросить яблоко целиком, как ни жалко.

Традиционные методы химической обработки продуктов — аммиак и раствор перманганата калия. Однако они разрушают аскорбиновую кислоту и витамины группы В. Синтетические консерванты тоже применять не любят, они плохо разлагаются. Иногда используют эфирные масла. Пищевая промышленность предпочитает биологические методы борьбы: микроорганизмы и их ферменты.

Некоторые штаммы дрожжей Saccharomyces cerevisiae и Candida intermedia, бактерий Alicyclobacillus acidoterrestris, Pediococcus parvulus и лактобацилл подавляют рост грибков в кормах и пищевых продуктах, их ферменты разрушают микотоксины. С грибковыми гнилями фруктов хорошо справляются бактерии Rhodosporidium paludamentum, Cryptococcus laurentii и Pantoea agglomerans. К сожалению, эти микробные препараты стоят дороже химических фунгицидов.

Избавиться от микотоксинов не всегда удается. Некоторые из них, например охратоксины и патулины, устойчивы к термической обработке, пастеризовать зараженные ими продукты нет смысла. Для очистки жидкостей применяют облучение, разные виды фильтрации, обработку ферментами. Эти методы хорошо работают, однако могут изменить вкус продукта.

Микотоксины идентифицируют с помощью хроматографии, в том числе газовой и жидкостной, и масс-спектрометрии. Микотоксинов много, они все разные, сложно устроенные, поэтому трудно выбрать единый метод их обнаружения. Тем не менее основные токсины в разных продуктах находить умеют и даже определили их максимально допустимые концентрации.

Однако на практике следят лишь за небольшим количеством микотоксинов в относительно небольшом перечне пищевых продуктов. На малотоксичные не обращают внимания, хотя постоянная слабая интоксикация может быть опасна. В развивающихся регионах, где борьба с вредителями, транспортировка и хранение продукции поставлены не очень хорошо, около 4,5 миллиарда человек хронически подвергаются воздействию больших доз микотоксинов.

Но что мы всё о еде! Плесневые грибы в помещениях тоже надо выводить. Для этого существуют разнообразные средства дезинфекции. В московском Институте эколого-технологических проблем разработали и производят препараты на основе полигуанидинов. Ими обрабатывают вентиляционные устройства, стены, воздух и воду; при ремонте добавляют в краски. В Институте органической и физической химии имени А. Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук для борьбы с плесенью предлагают использовать хлорированные растительные масла: рапсовое, горчичное, соевое, рыжиковое. Они содержат 19–26% хлора, при этом не токсичны, во всяком случае, глаза и кожу крыс не раздражают.

Что касается физических мер, в жилище нельзя допускать протечек и сырости. Влажность воздуха поддерживать не выше 65%, мусор не копить, пыль вытирать, помещения проветривать.

Плесень и климат

Мало того что плесневых грибов и микотоксинов много, они разные и универсального способа борьбы с ними нет, проблема усугубляется изменением климата. Он, безусловно, теплеет. Средняя мировая температура за 2011–2020 годы на 1,09°C выше, чем в доиндустриальном периоде 1850–1900-х годов. Растения теряют больше влаги за счет испарения; засухи в разных частях мира становятся чаще и серьезнее. С другой стороны, увеличивается количество экстремальных осадков и связанных с ними наводнений. Дождливая весна приводит к загрязнению зерновых вомитоксином, зеараленоном и фумонизином. Сухое и жаркое лето благоприятно для Aspergillus и, следовательно, более частого заражения злаков афлатоксинами. И частота заражения афлатоксинами действительно возрастает, причем всплеск загрязнения обычно совпадает с аномальной жарой.

В Европе теплеет быстрее, чем на других континентах, с 1991 по 2021 год скорость изменений составила примерно 0,5°С за десятилетие. В Северной, Западной, Центральной и Восточной Европе выпадает больше осадков, а средиземноморский климат становится все более засушливым. В результате плесени, предпочитающие высокие температуры, например A. flavus, мигрируют из тропиков в умеренные широты. Вслед за изменением климата изменится и географическое распределение популяций насекомых, которые влияют на заражение сельскохозяйственных культур микотоксигенными грибками.

Жара в сочетании с экстремальным количеством осадков или длительной засухой вызывают у растений стресс, делая все зерновые, особенно кукурузу, еще более беззащитными перед плесенью.

С географической точки зрения самый высокий риск загрязнения микотоксинами, вызванного изменением климата, прогнозируется в развитых странах Европы с умеренным климатом.

Данных о микотоксинах в Азии практически нет. Однако температура 53,7°C, зарегистрированная в Пакистане, снизила зараженность плесенью и уровень афлатоксинов. Вообще, сильная жара для плесени губительна, хотя афлатоксины находили даже на финиках в Саудовской Аравии и плодах баобаба в Кении.

В Северной Америке наводнения и высокие температуры осложнят хранение урожая, плесени и микотоксинов станет больше.

Это прогноз вероятный, но неточный. Влияние изменения климата на образование микотоксинов трудно предсказать точно из-за сложного взаимодействия различных факторов.

Что делать? А все то же, что и раньше: использовать сорта, устойчивые к плесеням, насекомым и засухе, контролировать размножение плесени, орошать посевы, применять гербициды. Запасы и жилье содержать в сухости и чистоте и обрабатывать фунгицидами. Проверять припасы на наличие микотоксинов — они могут сохраняться в продуктах дольше, чем грибки.

К сожалению, полностью защититься от микотоксинов невозможно, это естественные загрязнители. Но уменьшить их количество мы в силах.