сотрудник
Красноярск, Красноярский край, Россия
Темнохвойные лесные экосистемы Сибири подвергаются систематическому воздействию комплекса биотических и абиотических стрессоров, включая массовые вспышки насекомых-ксилофагов, в частности деградация темнохвойных лесов, обусловлена инвазией уссурийского полиграфа (Polygraphus proximus Blandford). В данном исследовании представлен подход к изучению древесины из нарушенных инвайдером насаждений пихты сибирской (Abies sibirica Ledeb.) методом инфракрасной-Фурье спектроскопии. Полученные нами результаты указывают на явную динамику устойчивости компонентов древесины пихты сибирской из нарушенных полиграфом уссурийским древостоев во времени. Установлено, что гемицеллюлозы и аморфная целлюлоза выявили высокую скорость деструкции в сухостойных образцах пятилетней давности гибели, на что указывали снижение интенсивностей полос поглощения при 1024 и 892 см-1. Ароматический скелет лигнина (1504 см-1) выявил стабильность в образцах с десятилетней давностью гибели, тем не менее выявлено продолжающееся во времени окисление и модификация лигнина, о чем свидетельствует пик полосы при 1655 см-1. Следовательно, деструкция сухостойной древесины пихты сибирской носит каскадный характер, в котором сначала подвергаются деструкции легкодоступные углеводы, затем кристаллическая целлюлоза, а после происходит модификация и окисление лигнина. Таким образом, применение инфракрасной-Фурье спектроскопии позволяет диагностировать ранние стадии биодеструкции древесины, а также прогнозировать поведение древесинного вещества в процессах его переработки.
пихта сибирская, ИК-Фурье спектроскопия, полиграф уссурийский, климатический тренд
выступая доминантом темнохвойных лесных массивов Сибири, формирует основу уникальных бореальных экосистем, выполняющих фундаментальные средообразующие функции и играющих важнейшую роль в регулировании климатических процессов на обширных территориях [1, 2]. В последние десятилетия эти насаждения подвергаются беспрецедентному по своей интенсивности и масштабам комплексу негативных воздействий, среди которых особую угрозу представляют биотические факторы, в частности инвазивные вспышки массового размножения стволовых вредителей, усиливающиеся на фоне климатических трансформаций [3-5]. Исследования последних лет свидетельствуют о прогрессирующей дестабилизации темнохвойных формаций под влиянием как абиотических, так и антропогенных факторов, что проявляется в нарушении их структурно-функциональной организации и снижении устойчивости [6-10].
Процессы массового усыхания и последующего отпада деревьев в темнохвойных лесах, подвергшихся биотическому воздействию, инициируют глубокую трансформацию вертикальной и горизонтальной структуры древесного полога [6]. Подобные нарушения закономерно приводят к частичной или полной утрате насаждениями своих базовых биосферных функций, среди которых особое значение имеют водоохранная (регулирование стока и качества вод), средообразующая (поддержание микроклимата и условий местообитания) и углерододепонирующая (долговременная секвестрация углерода в фитомассе) [7, 10, 11].
Особое место среди деструктивных факторов занимает чужеродный для сибирских экосистем вид – уссурийский полиграф (Polygraphus proximus Blandford) [12], инвазия которого из регионов Восточной Азии приобрела характер масштабного природного бедствия [13]. За относительно короткий период с начала XXI столетия этот агрессивный стволовой вредитель не только расширил свой ареал на тысячи километров к западу от естественных границ обитания, но и сформировал устойчивые очаги массового размножения на значительной части ареала пихты сибирской [11]. Согласно современным данным, P. proximus представляет серьезную угрозу для пихтовых лесов не только в Сибири, но и в европейской части России, включая Средний Урал, где его присутствие впервые зафиксировано в 2023 году на территории природного парка «Оленьи ручьи» [14]. Дендрохронологический анализ показывает, что вредитель может присутствовать в насаждениях на протяжении как минимум двух десятилетий до момента обнаружения, вызывая постепенное, но неуклонное усыхание деревьев [5, 11].
Одним из наиболее значимых последствий деградации древостоев выступает коренная перестройка пожарного режима в экосистемах [15]. В нарушенных насаждениях происходит накопление мертвой древесины и как следствие, увеличение освещенности под пологом леса инициируют смену напочвенного покрова, что качественно изменяет структуру горючих материалов на поверхности почвы [16, 17]. Согласно количественным оценкам, запасы живого напочвенного покрова в насаждениях, нарушенных инвазией P. proximus, могут более чем в два раза превышать аналогичные показатели, по сравнению с ненарушенными [16, 18]. Накопление крупных древесных остатков (валежа) и сухостойных деревьев, в нарушенных P. proximus темнохвойных насаждениях, формирует непрерывный по вертикали и горизонтали проводниковый слой, способный поддерживать низовые пожары и создающий условия для перехода огня в кроны [18].
Процессы, инициируемые атакой P. proximus, не ограничиваются гибелью древостоя. Вслед за отмиранием деревьев запускаются сложные механизмы биодеструкции древесинного вещества, которые продолжаются в сухостойной древесине на протяжении многих лет. Традиционные методы диагностики степени и типа поражения (визуальные, весовые) часто не способны выявить начальные стадии деградации, особенно при «бурой гнили», когда потеря прочности значительно опережает потерю массы [19]. Это создает серьезные проблемы как для оценки санитарного состояния лесов, так и для прогнозирования качества и поведения древесины в процессах ее промышленной переработки.
Современные представления о механизмах деструкции древесины грибами бурой гнили свидетельствуют о сложном двухстадийном процессе. На начальном этапе преобладает неферментативное окисление с участием высокореактивных гидроксильных радикалов, генерируемых в ходе реакции Фентона [20, 21]. Этот механизм обеспечивает деполимеризацию и модификацию полисахаридов и лигнина без глубокой ферментативной деградации последнего [22, 23]. Лигнин и кристаллическая целлюлоза сохраняются, поскольку грибам-деструкторам не хватает ключевых гидролитических и окислительных ферментов (например, целлобиогидролаз, литических полисахаридных монооксигеназ, мультимедных оксидаз и пероксидаз) [23]. Каскадный характер этих процессов и их временная динамика в отношении сухостойной древесины хвойных пород в условиях южно-таежных экосистем Сибири остаются недостаточно изученными.
Для интерпретации химических изменений и быстрого определения степени деградации древесины широко применяется метод инфракрасной Фурье-спектроскопии (ИКФС), зарекомендовавший себя как эффективный инструмент изучения химии разложения, требующий минимальной подготовки образца [24-26]. Метод позволяет не только идентифицировать грибную инфекцию на ранних стадиях [27], но и проследить модификацию основных полимерных компонентов клеточной стенки – целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина [28-30].
Целью данного исследования являлось выявление закономерностей трансформации химического состава древесины сухостойной пихты сибирской в зависимости от давности гибели темнохвойного насаждения, подвергшегося инвазии P. proximus, с применением метода ИК-Фурье спектроскопии
1. Дюкарев А.Г., Копысов С.Г., Кривец С.А., Пац Е.Н., Чернова Н.А. Опыт и первые результаты комплексных биогеоценологических исследований в темнохвойных лесах юга таежной зоны Западной Сибири. Сибирский лесной журнал. – 2024. – № 3. – С. 11-24. – DOI: https://doi.org/10.15372/SJFS20240303.
2. Shestakova T.A., Rogers B.M., Mackey B., Hugh S., Norman P., Kukavskaya E.A. Tracking ecosystem stability across boreal Siberia. Ecological Indicators. 2024; 169: 112841. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2024.112841.
3. Selikhovkin A.V., Drenkhan R., Mandelshtam M., Musolin D. Invasions of insect pests and fungal pathogens of woody plants into the northwestern part of European Russia. Earth Sciences. 2020; 65(2): 263-283. – DOI: https://doi.org/10.21638/spbu07.2020.203.
4. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). The Ocean and Cryosphere in a Changing Climate: Special Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. 2022. – DOI: https://doi.org/10.1017/9781009157964 (дата обращения: 15.04.2026).
5. Kerchev I.A., Bisirova E.M., Krivets S.A. Effect of the Four-Eyed Fir Bark Beetle Invasion on the Species Composition and Structure of the Siberian Fir Stem Pest Complex. Contemporary Problems of Ecology. 2022; 15(3): 270-281. – DOI: https://doi.org/10.1134/S1995425522030076.
6. Kharuk V.I., Im S.T., Petrov I.A., Dvinskaya M.L., Shushpanov A.S., Golyukov A.S. Climate‐driven conifer mortality in Siberia. Global Ecology and Biogeography. 2020; 30(2): 543-2556. – DOI: https://doi.org/10.1111/geb.13243.
7. Kharuk V.I., Im S.T., Petrov I.A., Shushpanov A.S., Dvinskaya M.L. Climate-Induced Fir (Abies sibirica Ledeb.) Mortality in the Siberian Mountains. Mountain Landscapes in Transition. 2021: 403-416. – DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-70238-0_16.
8. Sultson S.M., Goroshko A.A., Verkhovets S.V., Mikhaylov P.V., Ivanov V.A., Demidko D.A., Kulakov S.S. Orographic Factors as a Predictor of the Spread of the Siberian Silk Moth Outbreak in the Mountainous Southern Taiga Forests of Siberia. Land. 2021; 10: 115. – DOI: https://doi.org/10.3390/land10020115.
9. Демидко Д.А., Ефременко А.А., Баранчиков Ю.Н. История массовых размножений сибирского шелкопряда в восточных предгорьях кузнецкого алатау: дендрохронологическая реконструкция // Сибирский лесной журнал. – 2023. – № 1. – C. 98-110. – DOI: https://doi.org/10.15372/SJFS20230109.
10. Demidko D.A., Goroshko A.A., Slinkina O.A., Mikhaylov P.V., Sultson S.M. The Role of Forest Stands Characteristics on Formation of Exterior Migratory Outbreak Spots by the Siberian Silk Moth Dendrolimus sibiricus (Tschetv.) during Population Collapse. Forests. 2023; 14(6):1078. – DOI: https://doi.org/10.3390/f14061078.
11. Кривец С.А., Керчев И.А., Бисирова Э.М., Волкова Е.С., Астапенко С.А., Ефременко А.А., Косилов А.Ю., Кудрявцев П.П., Кузнецова Ю.П., Пономарев В.И., Потапкин А.Б., Тараскин Е.Г., Титова В.В., Шилоносов А.О., Баранчиков Ю.Н. Обзор современного вторичного ареала полиграфа уссурийского (Polygraphus proximus Blandford, 1894) (Coleoptera, Curculionidae: Scolytinae) в Российской Федерации // Российский журнал биологических инвазий. – 2024. – № 1. – С. 49-69. – DOI: https://doi.org/10.35885/1996-1499-17-1-49-69.
12. EPPO Global Database. Polygraphus proximus (POLGPR). Categorization. 2026. – URL: https://gd.eppo.int/taxon/POLGPR/categorization (дата обращения: 15.04.2026).
13. Kirichenko N.I., Rudoi V.V., Efremenko A.A., Petrov A.V., Baranchikov Y.N. First record of the invasive bark beetle Polygraphus proximus Blandford (Coleoptera: Curculionidae, Scolytinae) in the Republic of Kazakhstan. Acta Biologica Sibirica. 2023; 9: 1003-1022. – DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.10199570.
14. Ponomarev V.I., Tolkach O.V., Klobukov G.I., Efremenko A.A., Pashenova N.V., Demidko D.A., Kirichenko N.I., Baranchikov Y.N. The potential threats posed by the invasive bark beetle Polygraphus proximus (Coleoptera, Curculionidae: Scolytinae) to a natural park in the Middle Urals (Russia). Acta Biologica Sibirica. 2024; 10: 661-675. – DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.12672511.
15. Kharuk V.I., Ponomarev E.I., Ivanova G.A., Dvinskaya M.L., Coogan S.C.P., Flannigan M.D. Wildfires in the Siberian taiga. Ambio. 2021; 50: 1953-1974. – DOI: https://doi.org/10.1007/s13280-020-01490-x.
16. Бакшеева Е.О., Головина А.Н., Морозов С.А. Лесовосстановление и пожарная опасность в пихтовых древостоях, поврежденных полиграфом уссурийским. Хвойные бореальной зоны. – 2021. – Т. XXXIX, № 6. – С. 443-450.
17. Иванова Г.А., Кукавская Е.А., Безкоровайная И.Н., Богородская А.В., Жила С.В., Иванов В.А., Ковалева Н.М., Краснощекова Е.Н., Тарасов П.А. Воздействие пожаров на светлохвойные леса Нижнего Приангарья. Наука. – 2022. – 204 с.
18. Жила С.В., Фуряев И.В., Ковалева Н.М. Оценка запасов лесных горючих материалов в пихтовых древостоях, нарушенных полиграфом уссурийским, в Красноярском крае. Сибирский лесной журнал. – 2023. – № 6. – С. 76-84. – DOI: https://doi.org/10.15372/SJFS20230608.
19. Brischke C., Alfredsen G. Wood-water relationships and their role for wood susceptibility to fungal decay. Applied Microbiology and Biotechnology. 2020; 104: 3781-3795. – DOI: https://doi.org/10.1007/s00253-020-10479-1.
20. Anderson C.E., Zhang J., Markillie L.M., Mitchell H.D., Chrisler W.B., Gaffrey M.J., Orr G., Schilling J.S. Capturing an early gene induction event during wood decay by the brown rot fungus Rhodonia placenta. Applied and Environmental Microbiology. 2022; 88: e00188-22. – DOI: https://doi.org/10.1128/aem.00188-22.
21. Mattila H.K., Österman-Udd J., Mali T., Lundell T. Basidiomycota Fungi and ROS: genomic perspective on key enzymes involved in generation and mitigation of reactive oxygen species. Frontiers in Fungal Biology. 2022; 3: 837605. – DOI: https://doi.org/10.3389/ffunb.2022.837605.
22. Hage H., Rosso M.N. Evolution of fungal carbohydrate-active enzyme portfolios and adaptation to plant cell-wall polymers. Journal of Fungi. 2021; 7: 185. – DOI: https://doi.org/10.3390/jof7030185.
23. Schrader L., Brischke C., Trautner J. Microbial decay of wooden structures: actors, activities and means of protection. Applied Microbiology and Biotechnology. 2025; 109: 59. – DOI: https://doi.org/10.1007/s00253-025-13443-z.
24. Girometta C., Dondi D., Baiguera R.M., Bracco F., Branciforti D.S., Buratti S., Lazzaroni S., Savino E. Characterization of mycelia from wood-decay species by TGA and IR spectroscopy. Cellulose. 2020; 27: 6133-6148. – DOI: https://doi.org/10.1007/s10570-020-03208-4.
25. Tryjarski P., Gawron J., Andres B., Obiedzińska A., Lisowski A. FTIR Analysis of Changes in Chipboard Properties after Pretreatment with Pleurotus ostreatus (Jacq.) P. Kumm. Energies. 2022; 15(23): 9101. – DOI: https://doi.org/10.3390/en15239101.
26. Qi J., Li F., Jia L., Zhang X., Deng S., Luo B., Zhou Y., Fan M., Xia Y. Fungal Selectivity and Biodegradation Effects by White and Brown Rot Fungi for Wood Biomass Pretreatment. Polymers. 2023; 15(8): 1957. – DOI: https://doi.org/10.3390/polym15081957.
27. Gupta B.S., Jelle B.P., Gao T. In vitro cell composition identification of wood decay fungi by Fourier transform infrared spectroscopy. Royal Society Open Science. 2022; 9(2): 201935. – DOI: https://doi.org/10.1098/rsos.201935.
28. Báder M., Németh R., Sandak J. FTIR analysis of chemical changes in wood induced by steaming and longitudinal compression. Cellulose. 2020; 27: 6811-6829. – DOI: https://doi.org/10.1007/s10570-020-03131-8.
29. Tintner J., Spangl B., Reiter F., Smidt E., Grabner M. Infrared spectral characterization of the molecular wood decay in terms of age. Wood Science and Technology. 2020; 54: 313-327. – DOI: https://doi.org/10.1007/s00226-020-01160-x.
30. Wittner N., Slezsák J., Broos W., Geerts J., Gergely S., Vlaeminck S.E., Cornet I. Rapid lignin quantification for fungal wood pretreatment by ATR-FTIR spectroscopy. Spectrochimica Acta. 2023; 285: 121912. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.saa.2022.121912.
31. Нагимов З.Я., Шевелина И.В., Нагимов В.З., Артемьева И.Н. Лесотаксационные измерения: учебное пособие. Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Уральский государственный лесотехнический университет. – Екатеринбург. – 2021. – 95 с.
32. Eichhorn J., Roskams P., Potocic N., Timmermann V., Ferretti M., Mues V., Szepesi A., Durrant D., Seletkovic I., Schroeck H-W., Nevalainen S., Bussotti F., Garcia P., Wulff S. Visual Assessment of Crown Condition and Damaging Agents. UNECE ICP Forests Programme Coordinating Centre (ed.). Thünen Institute of Forest Ecosystems. 2020; 49.
33. Schwärzel K., Seidling W., Hansen K., Strich S., Lorenz M. Strategy and Implementation of ICP Forests. UNECE ICP Forests Programme Coordinating Centre (ed.). Thünen Institute of Forest Ecosystems. 2022; 12.
34. Alekseev A., Vetrov L., Gurjanov M., Nikiforchin I., Chernikhovsky D., Chernov I. Analysis of the tree stands health status in the near border area of Russia and Finland based on the regular grid of sample plots and GIS-technologies. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020; 507(1): 012001. – DOI: https://doi.org/10.1088/1755-1315/507/1/012001.
35. Mikhailova T.A., Shergina O.V., Kalugina O.V., Dmitrieva A.A. Pine needles and soil as bioindicators of forest ecosystems in the anthropogenically disturbed areas of the Baikal region. BIO Web of Conferences. 2024; 93: 01003. – DOI: https://doi.org/10.1051/bioconf/20249301003.
36. Narykova A.N., Plotnikova A.S., Akhmetova G.V., Danilova M.A., Kuznetsova A.I. Geospatial modeling of carbon stocks in forest litter in the Republic of Karelia and the Karelian Isthmus (Leningrad Oblast). Eurasian Soil Science. 2025; 58: 131. – DOI: https://doi.org/10.1134/S1064229325600484.
37. Sharma V., Yadav J., Kumar R., Tesarova D., Ekielski A., Mishra P.K. On the rapid and non-destructive approach for wood identification using ATR-FTIR spectroscopy and chemometric methods. Vibrational Spectroscopy. 2020; 110: 103097. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.vibspec.2020.103097.
38. Griffin J.N., Santos G.M., Nguyen L.D., Rodriguez D.R.O., Pereira L., Jaén-Barrios N., Assis-Pereira G., Barreto N.O, Brandes A.F.N., Barbosa A.C., Groenendijk P. Demystifying the tropics: FTIR characterization of pantropical woods and their α-cellulose extracts for past atmospheric 14C reconstructions. Science of The Total Environment. 2024; 949: 175010. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.175010.
39. Yadav A., Sharma S., Singh V., Kapoor M., Singh R. Forensic identification and differentiation of some protected timber species using ATR-FTIR spectroscopy and chemometrics. Frontiers in Analytical Science. 2024; 4: 1508509. – DOI: https://doi.org/10.3389/frans.2024.1508509.
40. Bhardwaj N., Kumar B., Agrawal K., Verma P. Current perspective on production and applications of microbial cellulases: a review. Bioresources and Bioprocessing. 2021; 8: 95. – DOI: https://doi.org/10.1186/s40643-021-00447-6.
41. Civzele A., Stipniece-Jekimova A.A., Mezule L. Fungal ligninolytic enzymes and their application in biomass lignin pretreatment. Journal of Fungi. 2023; 9: 780. – DOI: https://doi.org/10.3390/jof9070780.
42. High K.E., Penkman K.E.H. A review of analytical methods for assessing preservation in waterlogged archaeological wood and their application in practice. Heritage Science. 2020; 8: 83. – DOI: https://doi.org/10.1186/s40494-020-00422-y.
43. Kumari D., Singh R. Rice straw structure changes following green pretreatment with petha wastewater for economically viable bioethanol production. Scientific Reports. 2022; 12: 10443. – DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14627-7.
44. Ez-Zahraoui S., Hassani F.Z.S.A., Achaby M.El., Qaiss A.K., Bouhfid R. Multiscale Textile Preforms and Structures for Natural Fiber Composites. In: Natural Fiber Composites (ed.). Woodhead Publishing. 2023; 3-29. – DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-323-95329-0.00004-1.
45. Hasegawa N., Sugiyama M., Igarashi K. Random forest machine-learning algorithm classifies white- and brown-rot fungi according to the number of the genes encoding Carbohydrate-Active enzyme families. Applied and Environmental Microbiology. 2024; 90: e00482-24. – DOI: https://doi.org/10.1128/aem.00482-24.
