Программа лекционного курса и самостоятельной работы студентов химического отделения Курс 4-й, VIII семестр

Курс 4–й, VIII семестр

Учебно-методический комплекс

Новосибирск, 2012

Учебно-методический комплекс предназначен для студентов IV курса факультета естественных наук, специальность «химия». В состав пособия включены: структура курса, программа курса лекций Приведен набор вопросов для самостоятельной работы студентов с использованием учебной литературы и методических пособий кафедры, даны примеры вариантов контрольных работ, коллоквиумов.

Составитель

д.б.н., профессор С.Н.Загребельный
УМК подготовлен в рамках реализации Программы развития государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Новосибирский государственный университет на 2009-2018 годы.

© Новосибирский государственный университет, 2012

Дисциплина «Экологическая микробиология» является частью цикла «Специальные дисциплины» государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования бакалавров по направлению подготовки 020100 «Химия» и специальности «Химия», профиль «Химия окружающей среды». Дисциплина реализуется на факультете естественных наук Национального исследовательского университета Новосибирский государственный университет (НГУ) кафедрой химии окружающей среды .

Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с распространением микроорганизмов в окружающей среде, их ролью в переработке отходов жизнедеятельности других участников биосферы, переработке антропогенных загрязнений окружающей среды и восстановлении плодородия почв и очищении водоемов от отходов производства. В курсе изучаются также возможности биотехнологического использования микроорганизмов для создания новых технологий и производства новых продуктов или известных продуктов с меньшими затратами энергии и сырья.

Дисциплина нацелена на формирование у выпускника общекультурных компетенций: ОК-1, ОК-2, ОК-4, ОК-5, ОК-6, ОК-7, ОК-8, ОК-9, ОК-10, ОК-11, ОК-14, ОК-15, ОК-18; профессиональных компетенций: ПК-1, и специальных компетенций в соответствии с содержанием программы.

Преподавание дисциплины предусматривает следующие формы организации учебного процесса: лекции, самостоятельная работа студента, экзамен. Программой дисциплины предусмотрены следующие виды контроля: промежуточный контроль успеваемости в форме коллоквиума. Общая трудоемкость дисциплины составляет 1,5 зачетных единиц, 50 часов. Программой дисциплины предусмотрены 36 часов лекционных занятий, 14 часов самостоятельной работы. Остальное время – контроль в форме коллоквиума и экзамена.


Структура и содержание дисциплины

Дисциплина «Экологическая микробиология» является частью цикла «Специальные дисциплины» государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования бакалавров по направлению подготовки 020100 «Химия» и специальности «Химия», профиль «Химия окружающей среды». Дисциплина реализуется на факультете естественных наук Национального исследовательского университета Новосибирский государственный университет кафедрой химии окружающей среды НИУ НГУ.

Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с распространением микроорганизмов в окружающей среде, их ролью в переработке отходов жизнедеятельности других участников биосферы, переработке антропогенных загрязнений окружающей среды и восстановлении плодородия почв и очищении водоемов от отходов производства. В курсе изучаются также возможности биотехнологического использования микроорганизмов для создания новых технологий и производства новых продуктов или известных продуктов с меньшими затратами энергии и сырья.

Дисциплина нацелена на формирование общекультурных компетенций ОК-6, ОК-11, профессиональных компетенций ПК-1 выпускника и специальных компетенций в соответствии с содержанием программы.

Преподавание дисциплины предусматривает следующие формы организации учебного процесса: лекции, самостоятельная работа студента, экзамен. Программой дисциплины предусмотрены следующие виды контроля: промежуточный контроль успеваемости в форме коллоквиума. Общая трудоемкость дисциплины составляет 1,5 зачетных единиц, 50 часов. Программой дисциплины предусмотрены 36 часов лекционных занятий, 14 часов самостоятельной работы. Остальное время – контроль в форме коллоквиума и экзамена.

I. Организационно-методический раздел.

1. 
   Название курса. Экологическая микробиология
   

2. 
   Цели и задачи курса.
   

Курс опирается на знания, полученные студентами по физической химии, органической химии, аналитической химии, биохимии.

Основной целью освоения дисциплины является дать студентам общие представления о структуре биосферы, месте микроорганизмов в биосфере, их роли в кругообороте веществ, особенностях биохимии микроорганизмов, возможностях создания технологий общества устойчивого развития с использованием микроорганизмов.
Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса:

1. 
   Дать студентам основные представления об организации биосферы, «доменах жизни», микроорганизмах и их сообществах как компонентах биосферы, особенностях метаболизма микроорганизмов, их роли в возникновении и преобразованиях органического вещества в природе, о процессах обмена энергией между органической и неорганической природой;
   
2. 
   Дать студентам основные представления о возможностях использования микроорганизмов в процессах биоремедиации территорий, пострадавших от антропогенных факторов, о возможности детоксикации вредных отходов производства и построения технологий, предотвращающих образование токсичных отходов.
   

2. 
   Требования к уровню освоения содержания курса (дисциплины).
   

• 
  иметь представление об уровнях организации биосферы, месте и роли микроорганизмов в природе, возможностях создания экологически благоприятных технологий на основе использования микроорганизмов и получаемых с их помощью продуктов;
  
• 
  знать основы экологии микроорганизмов и их сообществ, морфологии микробных клеток, типы питания микроорганизмов, производства энергии в ходе метаболических процессов, основы биотехнологии;
  
• 
  уметь формулировать задачи по разработке природоохранных мероприятий и технологий с использованием микроорганизмов и производимых ими продуктов.
  

2.1. Новизна курса (научная, содержательная; сравнительный анализ с подобными курсами в России и за рубежом) его актуальность - для дисциплин специальной подготовки.

Актуальность курса обусловлена тем, что при подготовке экологов традиционно уделяется недостаточно внимания роли микроорганизмов в функционировании микробных сообществ, возможности использования микроорганизмов для создания экологически благоприятных технологий и восстановления биопродуктивности территорий, загрязненных в процессе хозяйственной деятельности человека.

В курс включены разделы и темы, основанные на журнальных публикациях, посвященных современным методам исследования структуры микробных сообществ, таксономического отнесения микроорганизмов на основе анализа структуры генетического аппарата, технологиях защиты окружающей среды, основанных на использовании микроорганизмов и производимых ими продуктах. Многие сведения, включенные в курс, не вошли в учебники. В подобных случаях даются ссылки на оригинальные научные публикации и сайты в Интернете, где можно ознакомиться с соответствующими оригинальными статьями.

2.2.Тематический план курса (распределение часов).

Метаболизм микроорганизмов, его особенности. Распространение микроорганизмов и особенности их метаболизма, определяемые экологическими нишами обитания.

Типы метаболизма: автотрофный, гетеротрофный. Типы автотрофного питания: фотоавтотрофный, хемоавтотрофный. Типы гетеротрофного питания: органотрофный, литотрофный.

Дыхание и брожение, аэробиоз и анаэробиоз.

Сообщества микроорганизмов. Структура сообществ. Взаимоотношения между участниками сообщества. Микробные сообщества как компоненты более сложных экосистем. Высшие организмы как экосистема и экологическая ниша для микробных сообществ. Методы выделения микроорганизмов из природных источников и исследования структуры микробных сообществ. Культивируемые и некультивируемые микроорганизмы из природных источников. Биохимические характеристики микроорганизмов.

Методы идентификации микроорганизмов на основе биохимических показателей состава (липиды, фосфолипиды).

Молекулярно-биологические методы исследования микроорганизмов и микробных сообществ. Методы извлечения тотальной ДНК из природных субстратов. Методы амплификации маркерных генов и анализа степени их сходства. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) и ее использование для изучения структуры микробных сообществ. Маркерные гены, их выбор.

Тема 4.

Роль микроорганизмов как индикаторов загрязнения окружающей среды. Генетически измененные микроорганизмы как новый фактор воздействия на окружающую среду. Генетический обмен в микробных сообществах. Горизонтальная передача генетической информации.

Процессы самоочищения окружающей среды за счет деятельности микроорганизмов.

Основные антропогенные поллютанты в окружающей среде: нефтепродукты, пестициды, бытовые отходы (синтетические ПАВ, пищевые отходы), отходы химических производств (красители, хлорпроизводные, полупродукты, фенольные соединения, природные и синтетические полимеры). Основные биохимические пути биодеградации отходов.

Тема 6.

Биодеградация: пестициды, дегалогенирование, взрывчатые вещества. Конструирование штаммов для биоремедиации.

Концепция устойчивого развития. Биотехнология как альтернатива химической технологии. Варианты использования биотехнологических подходов в производстве продуктов. Микробиологические средства защиты растений. Бактериальные энтомопатогенные препараты.

Грибные энтомопатогенные препараты. Фунгицидные препараты.

Микробиологические удобрения

Антибиотики, их применение, ограничения. Производство антибиотиков. Производство фармпрепаратов. Микробиологический синтез, биотрансформация, ферментативный катализ.

Использование биокатализаторов как путь построения безотходных технологий. Преимущества биокатализаторов перед традиционно используемыми катализаторами химической промышленности. Изолированные ферменты и цельноклеточные катализаторы.

Методы конструирования промышленных штаммов микроорганизмов. Природная микрофлора как источник штаммов микроорганизмов, перспективных для промышленного использования и создания на их основе промышленных продуцентов.

Тема 10.

Перспективы использования биотехнологии в общественном производстве. Микробиологическое выщелачивание горных пород. Конструирование метаболомов, метаболическая инженерия.

1. 
   Охарактеризуйте особенности метаболизма микроорганизмов
   
2. 
   Опишите типы метаболизма микроорганизмов
   
3. 
   Укажите основные отличия аэробного и анаэробного типов метаболизма
   

1. 
   Разъясните понятие «микробное сообщество»
   
2. 
   Укажите основные типы взаимоотношений между участниками микробных сообществ
   
3. 
   Методы выделения микроорганизмов из природных систем
   
4. 
   Методы исследования структуры микробных сообществ
   
5. 
   Основные биохимические характеристики микроорганизмов
   

1. 
   Методы идентификации микроорганизмов
   
2. 
   Молекулярно-биологические методы исследования микроорганизмов и микробных сообществ
   
3. 
   Методы извлечения тотальной ДНК из природных субстратов
   
4. 
   Методы амплификации маркерных генов и анализа сходства структуры
   
5. 
   Полимеразная цепная реакция – принципы и применение
   

1. 
   Микроорганизмы как индикаторы загрязнения окружающей среды
   
2. 
   Горизонтальный обмен генетической информацией
   
3. 
   Генетически измененные микроорганизмы – получение и роль в окрудающей среде
   

1. 
   Роль микроорганизмов в самоочищении окружающей среды
   
2. 
   Основные типы антропогенных поллютантов
   
3. 
   Основные пути биодеградации поллютантов
   

1. 
   Основные биохимические механизмы дегалогенирования
   
2. 
   Ключевые реакции биодеградации ароматических нитросоединений
   
3. 
   Конструирование штаммов - биодеструкторов
   

1. 
   Роль биотехнологии в концепции устойчивого развития
   
2. 
   Микробиологические средства защиты растений – принципы действия препаратов и их производство
   
3. 
   Энтомопатогенные микробиологические препараты
   

1. 
   Микробиологические азотные удобрания
   
2. 
   Микробиологические фосфорные удобрения
   
3. 
   Основные тепы продуктов микробиологического синтеза
   

1. 
   Использование ферментов в качестве каталитических агентов
   
2. 
   Формы применения ферментов как катализаторов
   
3. 
   Методы конструирования промышленных штаммов микроорганизмов
   

1. 
   Биотехнологические подходы в горнодобывающей промышленности
   
2. 
   Понятие о метаболической инженерии
   
3. 
   Основные подходы к молекулярной эволюции белков
   

1. 
   Особенности метаболизма микроорганизмов
   
2. 
   Основные типы взаимоотношений между участниками микробных сообществ
   
3. 
   Формы применения ферментов как катализаторов
   
4. 
   Типы метаболизма микроорганизмов
   
5. 
   Понятие о метаболической инженерии
   
6. 
   Основные типы продуктов микробиологического синтеза
   
7. 
   Основные отличия аэробного и анаэробного типов метаболизма
   
8. 
   Методы исследования структуры микробных сообществ
   
9. 
   Биотехнологические подходы в горнодобывающей промышленности
   
10. 
    Роль микроорганизмов в самоочищении окружающей среды
    
11. 
    Основные пути биодеградации поллютантов
    
12. 
    Основные подходы к молекулярной эволюции белков
    
13. 
    Основные типы взаимоотношений между участниками микробных сообществ
    
14. 
    Основные биохимические механизмы дегалогенирования
    
15. 
    Микробиологические средства защиты растений – принципы действия препаратов и их производство
    
16. 
    Методы идентификации микроорганизмов
    
17. 
    Горизонтальный обмен генетической информацией
    
18. 
    Полимеразная цепная реакция – принципы и применение
    
19. 
    Молекулярно-биологические методы исследования микроорганизмов и микробных сообществ
    
20. 
    Энтомопатогенные микробиологические препараты
    
21. 
    Генетически измененные микроорганизмы – получение и роль в окружающей среде
    
22. 
    Ключевые реакции биодеградации ароматических нитросоединений
    
23. 
    Микробиологические фосфорные удобрения
    
24. 
    Основные биохимические характеристики микроорганизмов
    
25. 
    Методы извлечения тотальной ДНК из природных субстратов
    
26. 
    Биотехнологические подходы в горнодобывающей промышленности
    
27. 
    Использование ферментов в качестве каталитических агентов
    
28. 
    Методы амплификации маркерных генов и анализа сходства структуры
    
29. 
    Основные типы антропогенных поллютантов
    
30. 
    Микробиологические азотные удобрения
    
31. 
    Микроорганизмы как индикаторы загрязнения окружающей среды
    
32. 
    Понятие о метаболической инженерии
    
33. 
    Основные подходы к молекулярной эволюции белков
    

3. 
   Образовательные технологии
   

3. 
   Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
   

В процессе подготовки курса лектором накоплена значительная библиотека обзорных и оригинальных статей из научных изданий, которые будут предоставляться студентам для подготовки рефератов и докладов на семинарах.

3. 
   Список основной и дополнительной литературы
   

1. 
   Г.А. Заварзин, Н.Н. Колотилова. Введение в природоведческую микробиологию: Учебное пособие. М. Книжный дом «Университет», 2001
   
2. 
   С.Н. Загребельный. Биотехнология. Учебное пособие. Новосибирский гос. ун-т., Новосибирск, 2005
   
3. 
   Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Изд-во МИР, М., 2002
   

Б) дополнительная литература

1. 
   Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор. Биология, в 3-х томах. Т. 1,2. М., Мир, 1990
   
2. 
   Р. Стейнер, Э. Эдельберг. Дж. Ингрэм. Мир микробов. В 3-х томах. Тт. 1-3. М., Мир, 1979.
   
3. 
   Г. Шлегель. Общая микробиология. М., Мир, 1972. См. также более поздние издания.
   
4. 
   М.Н. Ротмистров, П.И. Гвоздяк, С.С. Ставская. Микробная деструкция синтетических органических веществ. Киев, Наукова думка, 1975.
   
5. 
   Т. Г. Волова Биотехнология. Новосибирск. Изд-во СО РАН., 1999.
   
6. 
   Д.Г. Кнорре, С.Д. Мызина. Биологическая химия, изд. 2-е. М., Высшая школа, 1998
   
7. 
   А. Ленинджер. Биохимия. М., Мир, 1975. См. также более поздние издания.
   
8. 
   Дж. Бейли, Д. Оллис. Основы биохимической инженерии, в 2-х томах. М., Мир 1989
   
9. 
   Биотехнология. Принципы и применение. Под редакцией И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса. М., Мир, 1988
   

• 
  Ноутбук, медиа-проектор, экран.
  
• 
  Программное обеспечение для демонстрации слайд-презентаций.
  

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки.

Автор курса ___________________________________ проф. С.Н. Загребельный