EKOLOGIE A VÝZNAM HUB (místy se zvláštním zřetelem k makromycetům) Houby a jejich prostředí • Životní strategie a vzájemné působení hub • Ekologické skupiny hub, saprofytismus (terestrické houby, detrit a opad, dřevo aj. substráty) • Symbiotické vztahy hub (ektomykorhiza, endomykorhiza, endofytismus, lichenismus, bakterie, vztahy se živočichy) • Parazitismus (parazité živočichů a hub, fytopatogenní houby, typy parazitických vztahů) • Houby různých biotopů (jehličnaté, lužní, listnaté lesy, nelesní stanoviště, společenstva hub) • Šíření a rozšíření hub • Ohrožení a ochrana hub • Jedlé houby a pěstování • Jedovaté houby a otravy • Hospodářské využití hub (potravinářství, farmacie, biologický boj aj.) • Hospod. škody působené houbami mykolog MODULARIZACE VÝUKY EVOLUČNÍ A EKOLOGICKÉ BIOLOGIE CZ.1.07/2.2.00/15.0204 PF_72_100_grey_tr ubz_cz_black_transparent HOSPODÁŘSKÉ VYUŽITÍ HUB Největší podíl má využití hub při výrobě pečiva a výrobě alkoholických látek (bráno souhrnně, potravinářství i průmyslová výroba lihu), dále výroba mléčných výrobků (sýrů, jogurtů), antibiotik a pěstování jedlých hub; podíl dalších možností hospodářského využití hub je relativně zanedbatelný. Pro výrobu potravin, léčiv nebo průmyslových produktů jsou využívány nejen konkrétní druhy, ale i speciální kmeny – uplatňuje se uchovávání vysoce výkon-ných kmenů v čisté kultuře, ale i "šlechtění" ua účelem ještě vyšší produkce nebo produkce dalších látek. Houby lze "šlechtit" v praxi trojím způsobem: – mutageneze => selekce zmutovaných kmenů; – hybridizace (genetická rekombinace); – v poslední době genetické modifikace. HOUBY V POTRAVINÁŘSTVÍ Nejrozšířenější i historicky nejstarší je využití kvasinek Saccharomyces cerevisiae, původně používaných pouze pro kypření těsta. Avšak při pečení původního "chleba" (z těsta = směsi drcených semen obilnin + vody) pravdě-podobně došlo ke kontaminaci kvasinkami => následná fermentace způsobila nakynutí těsta (odhadem před 6000 lety). Historie využití "pekařských kvasinek" (tedy droždí) se tak táhne od starověku po dnešek. Christina Agapakis, http://scienceblogs.com/oscillator/index.php?utm_source=rssTextLink&page=4 Produkce biomasy kvasinek je cca 10x vyšší při oxidativním metabolismu než při fermentativním (viz níže) – proto, pokud nám jde o jejich nárůst, je důležité dobré provzdušnění. Výroba pečiva (zde je uveden příklad chleba, ale "bílé" pečivo se peče podobně): pšeničná (nebo žitná) mouka (obsahuje 1-2 % sacharidů, zejména oligosacharidů) je smíchána s vodou, solí a kvasnicemi => těsto => hnětení => pár hodin kynutí – při fermentaci vzniká CO2, jenž způsobí "nadmutí", a etanol, který se následně vypaří při pečení => nakonec pečení zabije kvasinky a dobrou chuť! Různé kmeny Saccharomyces cerevisiae (nebo příbuzné druhy) se využívají při výrobě: – moštů a vína (fermentace ovocných šťáv bohatých na cukry); – piva (látky bohaté na škrob, před vlastní fermentací rozložený na jednoduché cukry); – likérů a lihovin (nutná destilace pro zvýšení obsahu alkoholu). 06_saccharomyces Chemická podstata alkoholového kvašení spočívá v tom, že enzymy kvasinek přeměňují v anaerobním prostředí jednoduché cukry na etanol a oxid uhličitý (zjednodušeně C6H12O6 => 2 CH3CH2OH + 2 CO2; rozepíšeme-li přeměny per partes, pak: sacharidy => kyselina pyrohroznová => CO2 + acetaldehyd => etanol). Produkce alkoholu není v tomto případě úplně čistá, zůstávají tam i cukry a kyseliny; navíc kromě etanolu mohou vznikat i jiné alkoholy (propylalkohol, ale i metylalkohol) – hovoří se o vzniku přiboudlin. Fermentace nemusí být vázána striktně na anaerobní prostředí, ale v aerobním prostředí namísto kvašení (fermentace) probíhá spíše dýchání (respirace), které je pro houbu energeticky výhodnějším procesem (C6H12O6 + 6 O2 => 6 H2O + 6 CO2 + energie; při kvašení se také uvolňuje energie, ale asi 25x méně). V přítomnosti kyslíku tedy dochází k inhibici kvašení – tento jev je znám jako Pasteurův efekt. Poznámka: V širším pojetí jsou výrazem "kvašení" nazývány i aerobní procesy – například v případě octového kvašení (provozovaného bakteriemi za vzniku kyseliny octové, používá se při výrobě octa) se nejedná o fermentaci, ale o oxidační proces. 16_vyroba_piva Výroba piva: ječmen se nechá naklíčit => v klíčícím zrnu amylázy (ty kvasinkám chybí, proto je na-klíčení nutné) rozkládají zásobní škrob na jednodušší sacharidy => v určité fázi se klíčení zastaví zahřátím (ale mírným, aby nebyly inhibovány amylázy) => máčení => do vody se vyluhují sacharidy + aminokyseliny + minerální látky – živná půda pro kvasinky => před jejich přidáním povaření (inhibice zbylých enzymů) a při-dání chmele (nejen kvůli hořké chuti, ale i pro zabránění růstu kontaminujících mikroorganismů) => růst kultury kvasinek (začíná aerobně, postupně přechází na anaerobní) => zastaví se, až hladina alkoholu dosáhne hranice, kdy jim začne vadit => pak uležení => buňky klesnou ke dnu (tato hmota se pak přidává do krmných směsí pro zvířata). Zdroj: web pivovaru Holba, Hanušovice. Na obdobném principu je založena výroba dalších alkoholických nápojů s využitím jiných kmenů Saccha- romyces cerevisiae, snášejících vyšší koncentraci etanolu v prostředí, nebo i jiných druhů, například Schizosaccharomyces octosporus při výrobě vína. (S dozráváním roste zastoupení cukrů v hroznech a klesá kyselost; po sklizni jsou hrozny rozmačkány a vzniklý mošt prochází fermentací. Protože čerstvé hrozny jsou substrátem pro řadu mikroorganismů, bývají nežádoucí organismy předem likvidovány oxidem siřičitým a až poté přidány žádoucí kvasinky.) Na všech plodech obsahujících cukry žijí nějaké kvasinky => je tedy možno podomácku kvasit rozličné cukerné šťávy. Nebezpečí představují "zabijácké kvasinky" (napadené virem => produkují látky toxické pro jiné druhy), schopné zlikvidovat původní kulturu kvasinek a buď zastavit fermentaci nebo převzít úlohu původní kultury; na druhou stranu je zde potenciál jejich využití pro sterilizaci moštu před kvašením (nebylo by potřeba provádět sterilizaci sířením). 17_schizosaccharomyces_octosporus Schizosaccharomyces octosporus http://pobio.egloos.com/3894241 Pro průmyslovou výroba lihu – ponejvíce fermentací – jsou využívány zejména Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe a jiné druhy. Substrát (jímž bývá zejména šťáva z cukrové třtiny) není potřeba při průmyslové výrobě sterilizovat (ušetří se :o). Fermentace sójových bobů je využívána při výrobě sójové omáčky (dnes nejen ve východní Asii): boby jsou máčeny, uvařeny a smíchány s pšeničnou moukou => inokulace (zejména Aspergillus oryzae, A. sojae aj.) => růst mycelia, činnost hydrolytických enzymů => smíchání se solným roztokem, fermentace působením Saccharomyces rouxii a jiných hub, ale i bakterií mléčného kvašení (Lactobacillus) => snížení pH => omezení růstu mikroorganismů => trvá 3 měsíce až 3 roky, následně stáčení tekutiny. Mikromycety (Aspergillus niger, Penicillium, Candida spp.) jsou využívány při výrobě kyseliny citronové. Zejména v Asii a Africe je fermentace základem výroby velkého množství různých pokrmů za účasti různých druhů spájivých, vřeckatých, imperfektních hub i bakterií. 18_schizosaccharomyces_pombe Schizosaccharomyces pombe Nicholas Rhind, http://www.umassmed.edu/bmp/faculty/rhind.cfm?start=0 Nejdůležitějším procesem při výrobě sýrů, jogurtů a podobných výrobků je mléčné kvašení (přeměna laktózy na kyselinu mléčnou) – na tomto procesu se podílejí zejména bakterie. Mléko je inokulováno mikroorganismy, produkujícími renniny (proteolytické enzymy – produkují je též druhy rodů Mucor, Aspergillus, kvasinky aj.) => tyto enzymy srážejí mléčné bílkoviny => tvaroh => další procesy vedou k výrobě různých sýrů. Výroba domácího sýra: povrch tvarohu osídlí bakterie a houby => jejich proteázy štěpí bílkoviny na povrchu (jde o aerobní organismy) => rozklad pokračuje => tvaroh se roztéká ("zraje" a vydává patřičnou sýrovou vůni) => rozklad až na aminokyseliny – v chladu pak dojde k zastavení rozkladu (aby nepokračoval až na amoniak). Výroba různých druhů plísňových sýrů probíhá za využití různých druhů hub, zejména z rodů Penicillium (P. roqueforti) a Geotrichum. 25_penicillium_camemberti 26_penicillium_roqueforti_small 27_geotrichum_candidum Penicillium camemberti Penicillium roqueforti Geotrichum candidum http://www.mycology.adelaide.edu.au /gallery/hyaline_moulds/geotrichum1.gif Při výrobě jogurtů, kefíru atd. je fermentace završena činností bakterií mléčného kvašení z rodů Streptococcus a Lactobacillus (spolu na obr. vlevo). Na výrobě různých typů těchto produktů se pak podílejí různé druhy mikromycetů a kvasinek. 28_lactobacillus+streptococcus 29_vyroba_jogurtu Houby mohou sloužit jako vydatný zdroj bílkovin (ovšemže mnohem chudší v porovnání třeba s masem). Jejich výroba probíhá ve fermentačních tancích, kde je kmen houby pěstován v celém objemu roztoku – do tekutiny je vháněn vzduch za nepřetržitého promíchávání. Používají se zejména různé druhy kvasinek, ale též druhy rodů Fusarium, Chaetomium aj. Zatímco rostlinná biomasa z 1 ha pole uživí asi 2,5 krávy (=> zhruba 75 kg živočišných bílkovin), při pěstování hub na této biomase je zisk bílkovin asi 10x vyšší (a za kratší dobu). Obr. vpravo: Schéma výroby jogurtu. Aby byly houbové bílkoviny použitelné i jako jídlo pro lidi, je též potřeba je vyrábět chutné (aby to vůbec někdo jedl, že? :o) – v Anglii se prodávají houbové bílkoviny s žampionovou příchutí, v USA se pěstují houby na zbytcích masa a pak se to mele do karbanátků. Zatím se ale hojně používají hlavně jako krmivo pro zvířata – jde o kvasinky pěstované na melase, syrovátce, syntetickém lihu, ale i na substrátech, které jsou samy o sobě škodlivými odpady a kvasinky pomáhají s jejich odbouráváním – destilačních frakcích ropy nebo sulfitových výluzích (odpadní vody z papíren a celulózek). "Nejvydatnější" jsou zřejmě lignocelulózové odpady (zbytky slámy, dřeva), na kterých bývají pěstovány kvasinky (méně výhodné, nejprve je třeba hydrolyzovat celulózu na jednoduché cukry) a některé imperfektní houby (s výhodou ty, co mají výkonné celulázy). 33_Chaetomium_drawing 34_Chaetomium_photo Houby pěstované na biomase: vlevo Chaetomium sp. (Sordariales), vpravo Fusarium sp. (anamorfa, Hypocreales). http://www.caltexmoldservices.com/section /mold_library/chaetomium/chaetomium_sp/ 31_Fusarium_drawing 32_Fusarium_photo LÉČIVÉ LÁTKY HUB A VYUŽITÍ VE FARMACII Již od starověku jsou houby, resp. látky z nich využívány jako léčebné prostředky. 56_fomes_fomentarius 57_bovista • Příslušníci řady národů záměrně infikovali rány plísněmi (Aspergillus, Penicillium – přikládáním plesnivých substrátů nebo foukáním "prášku" = konidií) nebo kvasin-kami (ze starého vína, z droždí). • K lokálnímu zastavení krvácení byl používán Fungus chirurgorum = plátky z dužniny Fomes fomentarius – výborně saje a má i adstringentní = stahující účinky (nedávno z ní byly izolovány účinné látky – obsahuje anti-B aglutinin /shlukuje krevní tělíska u skupiny B/ a kyselinu listovou – vitamín B9, potřebný k tvorbě červených krvinek). Jako zásyp na krvácející rány se účinně používal výtrusný prach břichatek (zejména z rodu Bovista) využití došel např. za 2. světové války, z Bulharska je znám jako "partyzánský prach". Fomes fomentarius Bovista sp. • Laricifomes officinalis (verpáník lékařský, nazýván též Fungus laricis) – prášek z dužniny je používán k podpoře trávení (projímadlo, přidáván do žaludečních likérů) a proti pocení (účinnou látkou je kyselina agaricinová => zablokuje funkci nervových zakončení potních žláz => ustane sekrece potu). • Prášek ze syrových hub rodu pečárka (Agaricus) má úči-nek na alergická onemocnění kůže, příp. i alergické astma. • Sklerocium (až 30 cm velké) druhu Pleurotus tuber-regium je v Nigérii "houbou na všechno"; u nás se na kdeco používala Amanita muscaria. 58_laricifomes_officinalis 59_pleurotus_tuber-regium_sklerocium+plodnice 60_pleurotus_tuber-regium_sklerocium+cernosky Laricifomes officinalis Foto John W. Schwandt, http:// zipcodezoo.com/photographers /John%20W.%20Schwandt.asp Pleurotus tuber-regium, sklerocium s plodnicemi a kamerunské děti se sklerocii. Kenneth Anchang Yongabi, http://www.plantbyplant.com /pages/moringayongabi.htm • Různé lišejníky jsou používány k léčení plicních chorob (Lobaria pulmonaria), odkašlávání a uvolňování hlenu (Usnea) nebo proti průjmům a trávicím obtížím (Cetraria islandica). 62_usnea_longissima 63_Cetraria_islandica http://www.hlasek.com/usnea_longissima_8406.html Foto Peter Schönfelder, http://www.medizinalpflanzen.de/schfld/Cetraria.jpg 61_lobaria_pulmonaria Foto Josef Hlásek, http://www.hlasek.com/lobaria_pulmonaria_8417.html V současné době mají prvořadý význam mezi látkami získávanými z hub antibiotika. Antibioticky působící látky produkují nejen houby (Ascomycota, resp. Deuteromycota), ale též některé bakterie a aktinomycety ("hyfobakterie"), zejména z rodu Streptomyces. 66_penicillium_chrysogenum Od doby Flemingova objevu penicilínu (poprvé úspěšně použit 1941, jeho Penicillium notatum je dnes P. chrysogenum) byla vyšlechtěna řada kmenů s výrazně (o několik řádů) vyšší produkcí účinných látek. • Penicilíny působí na grampozitivní bakterie – inhibují syntézu mureinu (složka buněčné stěny) => buněčná stěna se rozpadá, buňky se přesta-nou množit. Produkce penicilínu byla zpočátku velmi nákladná => zlom přišel s vyšlechtěním kmene produkujícího antibiotikum uvnitř média (dříve jen v povrchové kultuře). Problémy byly s orální aplikací přirozených penicilínů (rozkládají se v kyselém prostředí v žaludku) a rezistencí bakterií, která se objevila zhruba po 10 letech (vytvoření enzymu inaktivujícího penicilin) => přišla nutná změna => dnes jsou houby běžně využívány jen k produkci "polotovarů" – látek, ze kterých jsou pak chemicky vyráběny tzv. polosyntetické penicilíny (různé druhy, účinné i proti gramnegativním bakteriím). Penicillium chrysogenum http://top-10-list.org/2009/10/11/ten-types-importan-fungus/ • Dalšími užívanými antibiotiky proti bakteriím jsou cefalosporiny (z houby Cephalosporium). • Kyselina fusidová (produkují ji druhy rodu Fusidium /Hypocreales/ nebo Mucor) působí na stafylokoky, též na virus HIV. • Jako protihoubové antibiotikum působí cyklosporin A (z imperfektní houby Tolypocladium inflatum), používaný jako imunosupresivum při transplantacích orgánů (v kombinaci s cyklofilinem zabíjí Cryptococcus, ale zmíněná imunosuprese představuje takové riziko, že pro léčení kryptokokózy nelze tento komplex použít). • Fungistatickým antibiotikem houbového původu je též griseofulvin (z Penicillium griseofulvum) – působí na původce dermatomykóz (anamorfy vřeckatých hub), blokuje funkci dělicího vřeténka => zastaví dělení buněk. 76_tolypocladium_inflatum 74_penicillium_griseofulvum_600x 71_Fusidium_sp Vlevo Fusidium sp., uprostřed Tolypocladium inflatum, vpravo Penicillium griseofulvum. Foto: Novartis, http://www.regjeringen.no/nb/dep/md/dok/regpubl/stmeld/20002001/stmeld-nr-42-2000-2001-/16.html?id= 325380 http://www.schimmel-schimmelpilze.de/penicillium-griseofulvum.html 73_fusarium_oxysporum 75_sliznacka_obycajna 72_Penicillium_vermiculatum_konidie Oudemansiella mucida Fusarium oxysporum Penicillium vermiculatum • Českým objevem (Musílek, Semerdžieva a kol.) na léčení dermatomykóz je mucidin (antibiotikum z Oudemansiella mucida, preparát mucidermin). • V současné době je v prostředcích proti mykózám využíván běžný mykoparazit Pythium oligandrum. • Vermiculin (z Penicillium vermiculatum) a bikaverin (z Gibberella fujikuroi, resp. anamorfy Fusarium oxysporum) působí proti prvokům. http://www.brown.edu/Research/Primate/LPN39-4-4.jpg Převzato z http://botany.natur.cuni.cz/koukol/ekologiehub/EkoHub_6.ppt Dalšími významnými látkami izolovanými z hub jsou cytostatika. Látky zastavující nádorové bujení byly objeveny u mikromycetů i makromycetů: • kyselina mykofenolová a hadacidin (z druhů rodu Penicillium); • kalvacin (Langermannia gigantea; též antibiotikum; vatovec používán již dávno v lidovém léčitelství, nevýhodou je obtížná kultivace); • kyselina čágová (čága = anamorfa Inonotus obliquus; též léčba otoků, hnisavých ran, žaludečních vředů; na Sibiři je dodnes užívána jako univerzální lék); • polysacharidy z Ganoderma applanatum, látky z Tylopilus felleus; 77_Langermannia_gigantea_voib_kaaluda_yle_15_kg_foto_Andres_Alandi 78_Inonotus_obliquus_imperfekt 79_inonotus_obliquus_perfekt 80_ganoderma_lipsiense 81_tylopilus_felleus Ganoderma applanatum Langermannia gigantea Tylopilus felleus Inonotus obliquus Inonotus obliquus, anamorfa • lentinan (Lentinula edodes; takže něco na tom je, že tato houba "prodlužuje život"), betulin (z březové kůry i plodnic Piptoporus betulinus), flamulin (Flammulina velutipes) a jiné – tyto látky ale obvykle nesplňují podmínky pro zavedení do farmaceutické výroby (nepůsobit toxicky na buňky živočichů a nepůsobit alergické reakce – to je při dlouhodobé aplikaci i případ kalvacinu), případně se jejich získávání nevyplatí. 82_lentinula_edodes 83_piptoporus_betulinus 83_piptoporus_betulinus_2 84_Flammulina_velutipes Foto Richard Nadon, http://www.mushroomexpert.com /piptoporus_betulinus.html Nahoře dva snímky Piptoporus betulinus, dole vlevo Flammulina velutipes, dole vpravo Lentinula edodes. Námelové alkaloidy jsou využívány v medicíně. Ergotamin má zklidňující účinky na sympatické nervstvo – je proto používán v neurologii, proti migréně, bolestem hlavy. Prášek nebo odvar z námele (malé množství, 2–3 sklerocia) je používán v ženském lékařství, k prohloubení stahů dělohy před porodem (dříve byl tento účinek využíván též k vyvolání potratu) a zastavení krvácení při nebo po porodu. Toto znali již staří Asyřané, Peršané i Číňané, pro které byla též Ophiocordyceps sinensis (látka kordycepin) posilujícím prostředkem, aplikovaným i proti tuberkulóze nebo žloutence. 86_cordyceps_sinensis V dnešní době je námel pěstován na uměle infikovaných klasech a jsou používány vyšlechtěné kmeny; kolem pěstebních ploch nesmí být rostliny (trávy), z nichž by mohl být přenesen planý námel a kontaminovat pěstovanou kulturu. Alkaloidy jsou následně chemicky izolovány ze sklerocií – pěstuje se ergotoxinový námel a ergotoxiny jsou pak převáděny na ergothaminy (nižší náklady na tento způsob výroby). Hydrolýzou ergothaminu lze získat kyselinu lysergovou => zdroj pro výrobu dimetylamidu LSD – halucinogenu, používaného k léčbě některých duševních poruch, migrény nebo Parkinsonovy nemoci (v 60. letech šlo o oblíbenou drogu, kterou zkoušela i CIA jako "drogu pravdy" aplikovanou při výslechu zadržených špionů – to ale moc nefungovalo, špíš šlo LSD použít jako "drogu zmatení" pro vlastní špiony, aby v případě zajetí nic podstatného nevyzradili, a uvažovalo se i o nasazení na nepřítele za účelem dezorientace a snížení bojeschopnosti :o). V současnosti se ale LSD vyrábí synteticky. Další lékařsky využitelné houby už jen ve zkratce: • Léčivou "houbou na všechno" je v Číně již dlouho užívaná a dnes v Asii na veliko pěstovaná Ganoderma lucidum. • Polyporus tuberaster a některé další houby jsou používány jako diuretikum (močopudné). • Hladinu cholesterolu snižují (inhibicí jeho syntézy) citrinin a kompaktin (z Penicillium citrinum), monakolin K (z Monascus ruber, Eurotiomycetes) a tzv. statiny (z Aspergillus griseus). • Sušené kvasinky Saccharomyces cerevisiae jsou účinné při nedostatku vitamínů B; kromě vitamínů obsahují i hodně enzymů a stopových prvků, proto jsou doporučovány pro celkové posílení organismu (např. při rekonvalescenci). 91_ganoderma_lucidum 92_polyporus_tuberaster 93_penicillium_citrinum 94_monascus_ruber Vlevo Ganoderma lucidum, uprostřed Polyporus tuberaster, vpravo nahoře Penicillium citrinum a dole Monascus ruber. http://www.vscht.cz/kch/galerie/obrazky/houby/monrub.gif • Lepista nuda a Calocybe gambosa obsahují látky snižující hladinu cukru v krvi. • Oudenon (z Xerula radicata) snižuje krevní tlak. • Prášek z klobouků Amanita muscaria (Agaric, Aga) je používán jako homeopatikum při léčbě otoků, omrzlin nebo šedého zákalu. • Fluviduloly (z Lactarius fluvidulus) působí imunosupresivně (možné využití při transplantacích). • "Kombucha" obvykle představuje směsnou kulturu (kvasinky, bakterie, aktinomycety). 95_lepista_nuda 96_Calocybe_gambosa 97_xerula_radicata 98_amanita_muscaria 99_kombucha_culture Vlevo nahoře Lepista nuda, dole Calocybe gambosa, střed nahoře Xerula radicata, dole Amanita muscaria, vpravo kultura kombuchy.