Экологическая биотехнология - Учебно

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
И.о. проректора-начальник
управления по научной работе
_______________________ Г.Ф. Ромашкина
__________ _____________ 2011г.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ.
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для аспирантов специальности 03.01.06 – Биотехнология (в том числе
бионанотехнология), очной и заочной форм обучения
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор работы _____________________________/Пак И.В./
«______»___________2011г.
Рассмотрено на заседании кафедры экологии и генетики «___»_______2011 протокол № ___
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем 11 стр.
Зав. кафедрой ______________________________/И.В. Пак/
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК отделения биологии Института математики, естественных
наук и информационных технологий «___»________2011 протокол № ___
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ________________________/Фролова О.В./
«______»_____________2011 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Нач. отдела аспирантуры
и докторантуры_____________М.Р. Сорокина
«______»_____________2011 г.
2011
1
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук и информационных технологий
Кафедра экологии и генетики
Пак И.В.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ.
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для аспирантов специальности 03.01.06 – Биотехнология (в том числе
бионанотехнология), очной и заочной форм обучения
Тюменский государственный университет
2011
2
Пак И. В. Экологическая биотехнология. Учебно-методический
комплекс. Рабочая программа для аспирантов специальности 03.01.06 Биотехнология (в том числе бионанотехнология), очной и заочной форм
обучения. Тюмень, 2011, 11 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с ФГТ к структуре
основной профессиональной образовательной программы послевузовского
профессионального образования (аспирантура).
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте
ТюмГУ: Экологическая биотехнология [электронный ресурс] / Режим
доступа: http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой экологии и генетики.
Утверждено и.о. проректора-начальника управления по научной работе
Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР:
заведующий кафедрой экологии и генетики
Тюменского государственного университета,
д.б.н. Пак И. В.
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Пак И.В., 2011
3
1. Пояснительная записка.
1.1. Цели и задачи дисциплины
Целью дисциплины «Экологическая биотехнология» является получение базовых
знаний о вопросах использования биологических методов очистки окружающей среды
от техногенных загрязнений и переработки отходов.
В процессе изучения дисциплины аспиранты решают следующие задачи: в
систематизированной форме усваивают представления об основных закономерностях
функционирования природных экосистем, путях миграции антропогенных загрязнений в
окружающей среде, о путях биотрансформации органических ксенобиотиков,
природных полимеров. Программа составлена на основе учебного пособия
А.Е.Кузнецова, Н.Б. Градова «Научные основы экобиотехнологии» (2006).
Учебно-методический комплекс «Экологическая биотехнология» соответствует
паспорту специальности 03.01.06 – Биотехнология (в том числе бионанотехнология).
1.2.Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Экологическая биотехнология» относится к циклу «специальные
дисциплины отрасли науки и научной специальности». Она логически и содержательнометодически взаимосвязана с дисциплинами магистратуры: М 2 (базовая часть):
компьютерные технологии в биологии; математическое моделирование биологических
процессов; дисциплинами М 3. Профессиональным циклом (базовой частью):
современные проблемы биологии и экологии; биоинженерия; М 3. Вариативной частью
(в том числе дисциплины по выбору магистров): молекулярные механизмы
стабильности и изменчивости геномов.
Для успешного освоения дисциплины
необходимы базовые знания по ботанике, зоологии, генетике, микробиологии, экологии,
умение к биометрической обработке материала, владение компьютерными
статистическими программами. Для успешного освоения данной дисциплины
необходимо предшествующее изучение следующих модулей бакалавриата: Б 3.
Профессионального цикла: базовой (общепрофессиональной) части: экологии и
рационального природопользования, микробиологии, введения в биоинженерию и
биотехнологию, генетики и селекции.
1.3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих
компетенций:
- способен к творчеству (креативность) и системному мышлению;
- способен к инновационной деятельности ;
- способен самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и
использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых
областях знаний, непосредственно связанных со сферой деятельности;
- понимает современные проблемы биологии и использует фундаментальные
биологические представления в сфере профессиональной деятельности для постановки и
решения новых задач;
самостоятельно
анализирует
имеющуюся
информацию,
выявляет
фундаментальные проблемы, ставит задачу и выполняет полевые, лабораторные
биологические исследования при решении конкретных задач по специализации с
использованием современной аппаратуры и вычислительных средств, демонстрирует
отвественность за качество работ и научную достоверность результатов;
- имеет навыки формирования учебного материала, чтения лекций, готов к
преподаванию в высшей школе и руководству научно-исследовательскими работами
(НИР) студентов, умеет представлять учебный материал в устной, письменной и
графической форме для различных контингентов слушателей.
4
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
 Знать: основы экологической биотехнологии.
 Уметь:
демонстрировать
базовые
представления
об
экологической
биотехнологии, применять их на практике, критически анализировать полученную
информацию и представлять результаты исследований.
 Владеть: навыками к научно-исследовательской работе, преподаванию основ
экобиотехнологии, ведению дискуссии.
2. Трудоемкость дисциплины.
Семестр 2. Форма промежуточной аттестации зачет.
дисциплины составляет 3 зачетная единица, 108 часов.
Общая трудоемкость
3. Тематический план.
Таблица 1
Виды учебной
работы и
самостоятельная
работа, в час.
1
Библиографический
список
Ответы на семинаре
8
1
Реферат
2
7
2
Презентации
1
2
7
1
Глоссарий
11
1
2
8
Ответы на семинаре
11
1
2
8
Ответы на семинаре
13
1
4
8
2
Контрольная работа
10
1
2
7
2
Презентации
11
108
1
10
3
2
22
7
8
76
1
10
Реферат
Зачет
Лекции
Семинарские
(практические)
занятия
1.
Введение
10
1
2
2.
Структура и функционирование
экосистем
Экосистемы природных сред и
сооружений биологической очистки
Антропогенные факторы
загрязнения
Пути переноса и трансформации
загрязняющих веществ
Абиотическая трансформация
загрязнений в окружающей среде
Микробиологическая
трансформация
Биотрансформация ксенобиотиков и
биодеструкция природных
полимеров
Биотрансформация соединений азота
и серы
Биотрансформация металлов
Итого:
Из них часов в интерактивной форме
11
1
2
8
11
1
2
10
1
10
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Форма
контроля
Из них в интерактивной
форме
7
Всего часов
Тема
Самостоятельная
работа
№
5
Таблица 2
Планирование самостоятельной работы аспирантов
№
Темы
1.
Введение
2.
Структура и функционирование
экосистем
Экосистемы природных сред и
сооружений биологической
очистки
Антропогенные факторы
загрязнения
3.
4.
5.
Пути переноса и трансформации
загрязняющих веществ
6.
Абиотическая трансформация
загрязнений в окружающей среде
Микробиологическая
трансформация
Биотрансформация ксенобиотиков
и биодеструкция природных
полимеров
Биотрансформация соединений
азота и серы
7.
8.
9.
10.
Биотрансформация металлов
Виды СРС
обязательные
дополнительные
Объем часов
Выполнение
индивидуальных заданий
(библиографический
список)
Изучение отдельных тем
(ответы на семинарах).
Выполнение
индивидуальных заданий
(реферат)
Выполнение
индивидуальных заданий
(презентация)
Выполнение
индивидуальных заданий
(глоссарий)
Изучение отдельных тем
(ответы на семинарах).
Изучение отдельных тем
(ответы на семинарах)
Выполнение контрольных
работ.
Чтение
литературы.
1
Чтение
литературы.
Чтение
литературы.
2
Чтение
литературы.
2
Чтение
литературы.
2
Чтение
литературы.
Чтение
литературы.
Чтение
литературы.
2
Выполнение
индивидуальных заданий
(презентации)
Выполнение
индивидуальных заданий
(рефераты)
Чтение
литературы.
2
Чтение
литературы.
2
2
2
4
ИТОГО:
22
4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№
Наименование
Темы дисциплины необходимые для изучения
п/п
обеспечиваемых
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
(последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
Теоретические
и
прикладные
1.
+
+
+
+ +
+
2.
3.
4.
аспекты биотехнологии
Фитобиотехнология
Этические проблемы
биотехнологии
Методы биотехнологических и
микробиологических
исследований
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
5. Содержание дисциплины.
1. Введение.
Предмет экобиотехнологии. Экобиотехнология – междисциплинарная область
знания. Задачи экобиотехнологии. Роль экобиотехнологии в защите окружающей среды.
2. Структура и функционирование экосистем
Биосфера. Экосистема. Функционирование экосистем. Перенос энергии и вещества
по пищевым цепям. Продуктивность экосистем. Эволюция и изменчивость экосистем:
экологические факторы, изменчивость популяций, экологическая сукцессия.
6
Стабильность и устойчивость экосистем. Круговорот веществ: круговорот углерода,
азота, серы и фосфора. Способность экосистем к самоочищению.
3. Экосистемы природных сред и сооружений биологической очистки
Водные природные среды: абиотические факторы и процессы в водных средах,
биота водных сред. Почва: формирование, функции и структура. Свойства почв и
почвенные процессы. Биотические факторы и процессы в почвенных средах.
Экосистемы болот. Экосистемы сооружений биологической очистки сточных вод:
сооружения биологической очистки сточных вод, активный ил аэробной очистки
сточных вод, биопленки аэробных сооружений и биообрастания. Активный ил и
биопленки анаэробной очистки сточных вод.
4. Антропогенные факторы загрязнения
Антропогенное воздействие на природные экосистемы. Источники загрязнения
окружающей среды. Химические вещества загрязнители. Отходы. Биологические
факторы загрязнения природных сред: характеристика биологического загрязнения,
загрязнение
промышленными
штаммами
микроорганизмов,
генетически
модифицированные организмы.
5. Пути переноса и трансформации загрязняющих веществ
Перенос и миграция загрязняющих веществ в окружающей среде. Атмосферный
перенос. Водная миграция. Миграция в почвенных средах. Биогенный перенос.
Миграция тяжелых металлов и радионуклидов.
6. Абиотическая трансформация загрязнений в окружающей среде
Окислительные процессы абиотической трансформации и каталитическое
разложение. Фотохимические и фотокаталитические процессы трансформации.
Полимеризация и образование связанных остатков.
7. Микробиологическая трансформация
Микробиологическая трансформация. Биотрансформация и биодоступность.
Реакции окисления, восстановления, деградации, конъюгации. Дегалогенирование.
Микроорганизмы-деструкторы. Динамика роста микроорганизмов-деструкторов и
биологическое разложение ксенобиотиков.
8. Биотрансформация ксенобиотиков и биодеструкция природных полимеров
Микробиологическая трансформация органических ксенобиотиков. Разложение
нефти и нефтепродуктов. Биодеградация ПАВ. Разложение ПАУ. Биотрансформация
галогенсодержащих органических соединений. Разложение пестицидов. Разложение
нитрилов и цианидов. Биодеструкция отравляющих и взрывчатых веществ.
Биотрансформация ксенобиотиков водорослями и растениями. Биодеструкция
природных полимеров: основные природные полимеры. Разложение целлюлозы.
Биодеградация
лигнина.
Биодеградация
ксенобиотиков
лигнолитическими
микроорганизмами.
9. Биотрансформация соединений азота и серы
Биотрансформация
соединений
азота.
Азотфиксация.
Ассимиляция
азотсодержащих веществ. Аммонификация связанного азота. Автотрофная
нитрификация. Диссимиляционная нитратредукция и денитрификация. Альтернативные
пути
биологической
нитрификации-денитрификации.
Микробиологическая
трансформация соединений серы.
10. Биотрансформация металлов
7
Микробиологическая трансформация металлов. Роль микроорганизмов в
изменении подвижности и концентрировании металлов в природных средах.
Токсическое действие металлов на микроорганизмы. Транслокационная миграция
металлов в растения и их накопление гидробионтами.
6. Планы семинарских занятий.
2. Структура и функционирование экосистем.
Обсуждаемые темы:
1. Стабильность и устойчивость экосистем.
2. Способность экосистем к самоочищению
6. Абиотическая трансформация загрязнений в окружающей среде
Обсуждаемые темы:
1.Окислительные процессы абиотической трансформации и каталитическое
разложение. 2.Фотохимические и фотокаталитические процессы трансформации.
3.Полимеризация и образование связанных остатков.
7. Семинар «Микробиологическая трансформация»
Обсуждаемые темы:
1. Биотрансформация и биодоступность.
2. Микроорганизмы-деструкторы.
3.Динамика роста микроорганизмов-деструкторов и биологическое разложение
ксенобиотиков.
7. Примерная тематика контрольных работ.
1. Биологические факторы загрязнения природных сред.
2. Миграция тяжелых металлов и радионуклидов в среде и в живых организмах.
3. Разложение нефти и нефтепродуктов под действием микроорганизмов.
4. Микробиологическая трансформация соединений серы.
8. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины.
1.Введение
Составление библиографического списка по теме «Новейшие исследования в
области экобиотехнологии» (по журналу «Биотехнология», реферативным журналам за
период с 2000 по 2010 год)
3.Экосистемы природных сред и сооружений биологической очистки
Темы рефератов:
1.Экосистемы болот.
2.Экосистемы сооружений биологической очистки сточных вод: сооружения
биологической очистки сточных вод, активный ил аэробной очистки сточных вод,
биопленки аэробных сооружений и биообрастания.
3. Активный ил и биопленки анаэробной очистки сточных вод.
4. Антропогенные факторы загрязнения
Темы компьютерных презентаций:
1. Антропогенное воздействие на природные экосистемы.
2. Источники загрязнения окружающей среды.
3. Химические вещества загрязнители.
8
4. Биологические факторы загрязнения природных сред.
5. Загрязнение генетически модифицированными организмами.
5. Пути переноса и трансформации загрязняющих веществ
Составление глоссария:
Абиотический
Антропогенный фактор
Ассимиляция
Биогаз
Биопленка
Биообрастание
Биогенный фактор
Пестицид
Дефолиант
Норма реакции
Для составления глоссария можно использовать следующую литературу:
1. Кузнецов А.Е., Градова Н.Б. Научные основы экобиотехнологии. М.: Мир. 2006
2. Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология, популяции и сообщества. В 2-х
томах. М.: Мир. 1989.
8. Биотрансформация ксенобиотиков и биодеструкция природных полимеров
Контрольная работа
Вариант № 1.
1. Микробиологическая трансформация органических ксенобиотиков.
2. Разложение нефти и нефтепродуктов.
Вариант № 2.
1. Биодеградация ПАВ и разложение ПАУ.
2. Биотрансформация галогенсодержащих органических соединений.
Вариант № 3.
1. Разложение пестицидов.
2. Биотрансформация ксенобиотиков водорослями и растениями.
9. Биотрансформация соединений азота и серы
Темы компьютерных презентаций:
1. Биотрансформация соединений азота.
2. Альтернативные пути биологической нитрификации-денитрификации.
3.Микробиологическая трансформация соединений серы.
10. Биотрансформация металлов
Темы рефератов:
1. Микробиологическая трансформация металлов.
2. Роль микроорганизмов в изменении подвижности и концентрировании металлов
в природных средах.
3. Токсическое действие металлов на микроорганизмы.
4. Транслокационная миграция металлов в растения и их накопление
гидробионтами.
Контрольные вопросы к зачету
1. Предмет экобиотехнологии. Экобиотехнология – междисциплинарная область
знания.
2. Задачи экобиотехнологии. Роль экобиотехнологии в защите окружающей среды.
3. Функционирование экосистем.
9
4. Продуктивность экосистем.
5. Эволюция и изменчивость экосистем.
6. Стабильность и устойчивость экосистем.
7. Круговорот веществ: круговорот углерода, азота, серы и фосфора.
8. Способность экосистем к самоочищению.
9. Абиотические факторы и процессы в водных средах, биота водных сред.
10. Почва: формирование, функции и структура.
11. Свойства почв и почвенные процессы. Биотические факторы и процессы в
почвенных средах.
12. Экосистемы болот.
13. Экосистемы сооружений биологической очистки сточных вод.
14. Активный ил и биопленки анаэробной очистки сточных вод.
15. Источники загрязнения окружающей среды.
16. Химические вещества загрязнители.
17. Отходы.
18. Биологические факторы загрязнения природных сред.
19. Перенос и миграция загрязняющих веществ в окружающей среде.
20. Миграция тяжелых металлов и радионуклидов.
21. Окислительные процессы абиотической трансформации и каталитическое
разложение.
22. Фотохимические и фотокаталитические процессы трансформации.
23. Полимеризация и образование связанных остатков.
24. Биотрансформация и биодоступность.
25. Реакции окисления, восстановления, деградации, конъюгации.
26. Дегалогенирование.
27.
Микроорганизмы-деструкторы.
Динамика
роста
микроорганизмовдеструкторов и биологическое разложение ксенобиотиков.
28. Микробиологическая трансформация органических ксенобиотиков.
29. Разложение нефти и нефтепродуктов.
30. Биодеградация ПАВ. Разложение ПАУ.
31. Биотрансформация галогенсодержащих органических соединений.
32. Разложение пестицидов. Разложение нитрилов и цианидов. Биодеструкция
отравляющих и взрывчатых веществ.
33. Биотрансформация ксенобиотиков водорослями и растениями.
34. Биодеструкция природных полимеров: основные природные полимеры.
35. Биотрансформация соединений азота.
36. Микробиологическая трансформация соединений серы.
37. Роль микроорганизмов в изменении подвижности и концентрировании
металлов в природных средах.
38. Транслокационная миграция металлов в растения и их накопление
гидробионтами.
9. Образовательные технологии.
По всем темам дисциплины использование мультимедийных средств обучения
(презентации). Использование проблемных и исследовательских методов при написании
10
рефератов, составлении компьютерных презентаций, глоссария и библиографического
списка.
Интерактивные формы:
Тема 3. Групповая дискуссия на тему «Эффективность биопленок и значимость
биообрастаний».
Тема 4.
Решение проблемной задачи «Эффективность и безопасность
существующих методов уничтожения отходов».
Тема 8. Конференция на тему «Биотрансформация ксенобиотиков»
10. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
10.1.Основная литература:
1. Биотехнология. Принципы и применение/Под. редакцией И.Хиггинса и др. М.:
Мир, 1998.
2. Егорова Т.А. и др. Основы биотехнологии. М.: Академия. 2003.
3. Кузнецов А.Е., Градова Н.Б. Научные основы экобиотехнологии. М.: Мир. 2006.
4. Скурлатов Ю.И., Дука Г.Г., Мизити А. введение в экологическую химию. М.:
Высшая школа. 1994.
5. Пак И.В., Цой Р.М. Введение в биотехнологию. Тюмень: ТюмГУ. 2002.
6. Экологическая биотехнология / Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза. Л.:
Химия. 1990.
10.2.Дополнительная:
1. Герасименко В.Г. Биотехнология. Киев:Выша школа. 1989.
2. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск: изд-во НГУ. 2002.
3. Журнал «Биотехнология» М.: Биотехнология. (2005-2011 гг.).
4. Журнал «Генетика». М.:Академиздат Наука. (2005-2011 гг.)
5. Журнал «Молекулярная биология» М.: Академиздат Наука. (2005-2011 гг.)
6. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. М.:Мир. 1987.
10.3. Интернет – ресурсы:
1. www.tigr.jrg
2. www.sanger.ac.uk
3. www.biotechnolog.ru
11. Технические средства и материально-техническое обеспечение
дисциплины.
Дисциплина обеспечена компьютерными презентациями, составленными автором,
видеофильмами. На факультете имеется для проведения занятий 3 мультимедийные
аудитории, есть специализированные лаборатории: центр микроскопии (№ 408),
оснащенный электронным микроскопом LSM 510-мета, фазово-контрастным
микроскопом Axioimager А1; лаборатория молекулярной генетики (№ 309), оснащенная
хроматографом ВСЖХ, ПЦР; лаборатория популяционной генетики (№ 111),
оснащенная приборами для проведения электрофореза и цитогенетических
исследований.
11