Микробиология и биотехнология

Микробиология и биотехнология
1.Цели и задачи дисциплины.
1.1. Цель преподавания дисциплины
- ознакомление с биотехнологическими процессами, основанными на применении
микроорганизмов,
- формирование представлений о перспективах развития биотехнологии,
-бережного отношения к окружающей природной среде,
-осознания необходимости учитывать реакцию природы на вносимые изменения.
1.2. Задачи дисциплины
- изучение основных направлений современной биотехнологии;
- дать представление об основных достижениях в области фундаментальных
исследований, на
которых базируются различные биотехнологические производства;
-формирование умений и навыков по применению микробиологических методов
контроля биотехнологического производства.
2.Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
2.1. В результате изучения курса студенты должны знать
- основные направления современной биотехнологии
- биотехнологические производства
-основные принципы промышленного осуществления биотехнологических процессов.
- биологические методы очистки сточных вод
- применение микроорганизмов в различных отраслях промышленности
2.2. На основании полученных знаний студент должен уметь:
-владеть методами контроля биотехнологического производства.
- решать вопросы утилизации промышленных и сельскохозяйственных отходов
-пользоваться микробиологическими приборами и оборудованием;
-владеть методами биологического контроля окружающей среды
2.3. На основании полученных знаний студент должен иметь представление:
-о реальных условиях последующей профессиональной деятельности;
-о перспективах развития биотехнологии;
-о природе микроорганизмов, играющих ведущую роль в микробиологических
процессах, протекающих в природных условиях и используемых промышленностью и
сельским хозяйством.
Объем дисциплины и виды учебной работы
Структура дисциплины по учебным планам, действующим в университете при
максимальной и минимальной трудоёмкости дисциплины проводится в таблице 1.
4.1. Тематический развернутый план лекционного курса
Лекция 1
Предмет и методы микробиологии. Краткий исторический очерк развития микробиологии
и биотехнологии. Применение микроорганизмов в различных отраслях промышленности.
Положение микроорганизмов в системе живых существ. Принципы их номенклатуры и
классификации.
(2 часа)
Лекция 2
Эукариоты и прокариоты. Отличительные признаки клеток эукариот и прокариот. Форма
и размеры бактерий. Структура микробной клетки. Клеточная стенка, ее функции.
Цитоплазматическая мембрана и ее производные. Цитоплазма и
внутрицитоплазматические включения. Химическая природа капсул и их функции.
Движение бактерий. Строение жгутика.
(2 часа)
Лекция 3
Химический состав микроорганизмов. Пищевые потребности и типы питания у
микроорганизмов. Дыхание (аэробное и анаэробное). Поступление питательных веществ в
клетку микроорганизмов. Метаболизм прокариот. Ферменты. Рост и размножение
микроорганизмов.
(2 часа)
Лекция 4
Фенотическая и генотическая изменчивость бактерий. Механизмы, вызывающие
изменение генетической информации. Мутации. Генетическая рекомбинация
(конъюгация, трансформация, трансдукция). Значение мутаций. Перспективы генной
инженерии.
(2 часа)
Лекция 5
Метаболизм (катаболизм, анаболизм)
Катаболизм прокариот. Пути превращения глюкозы в пировиноградную кислоту в клетке
бактерий. Гомо- и гетероферментативное молочнокислое брожение. Спиртовое,
маслянокислое, ацетонобутиловое брожение. Аэробное окисление органического и
неорганического субстрата. Анаэробное окисление.
Анаболизм бактерий. Биосинтез углеводов, аминокислот, нуклеотидов, липидов.
(2 часа)
Лекция 6
Морфология грибов, их свойства. Основные структуры грибной клетки (ядро, клеточная
стенка, мембранные структуры). Размножение грибов (вегетативное, бесполое и половое).
Питание микромицетов. Биологически активные вещества грибов (ферменты,
антибиотики, токсины, ауксины, гиббереллины, витамины).
Вирусы, их отличие от других микроорганизмов.
(2 часа)
Лекция 7
1
Микроорганизмы и окружающая их среда. Влияние влажности, температуры,
кислотности, кислорода, гидростатического давления, химических веществ,
радиации на микроорганизмы. Взаимоотношение между микроорганизмами.
(2 часа)
Лекция 8
Предмет и объекты биотехнологии. Биотехнология как комплексное научное направление.
Взаимосвязь биотехнологии, экологии и химической технологии. Перспективы развития
промышленных биотехнологических процессов. Классификация процессов
биотехнологии.
(2 часа)
Лекция 9
Основные принципы промышленного осуществления биологических процессов.
Технология приготовления питательных сред для биосинтеза. Хранение
микроорганизмов. Поддержание чистой культуры. Ферментация. Выделение и очистка
продуктов. Получение товарных форм препаратов.
(2 часа)
Лекция 10
Селекция микроорганизмов. Основы клеточной инженерии. Этапы получения гибридных
клеток. Метод слияния клеток, его значение. Основные понятия генетики, генетическая и
белковая инженерия. Инженерия белка.
(2 часа)
Лекция 11
Основы энзимологии. Микроорганизмы как источник ферментов. Технология
ферментных препаратов. Глубинный и поверхностный метод культивирования
продуцентов ферментов. Методы выделения и очистки ферментов. Иммобилизованные
ферменты и клетки микроорганизмов. Носители и методы иммобилизации.
(2 часа)
Лекция 12
Биотехнологические производства. Промышленное получение белка, микробных липидов.
Бродильное производство растворителей. Производство органических кислот. Получение
жидкого топлива (спиртов).
(2 часа)
Лекция 13
Биотехнология металлов. Выщелачивающие микроорганизмы. Технология
бактериального выщелачивания металлов. Выщелачивание медных отвалов,
выщелачивание урана. Микробиологическое извлечение металлов из растворов.
Бактериальная переработка золотосодержащего концентрата.
(2 часа)
Лекция 14
Биотехнологическая очистка сточных вод. Аэробные процессы очистки сточных вод.
Биореакторы для очистки сточных вод на свободном активном иле (аэротенки). Видовое
разнообразие организмов активного ила. Режим работы активного ила. Аэробные
биофильтры. Методы биологической очистки производственных сточных вод в
естественных условиях. Экосистемы биологических прудов. Поля фильтрации и поля
орошения. Ботанические площадки. Анаэробные процессы очистки сточных вод.
Септитенк, двухъярусный отстойник, осветлитель – перегниватель и метантенк.
Получение газообразного топлива (биогаз).
(2 часа)
Лекция 15
Биотехнология препаратов для сельского хозяйства. Энтомопатогенные препараты
(бактериальные, грибные, вирусные). Специфичность действия биопрепаратов. Хранение
и меры предосторожности при работе с биопрепаратами. Бактериальные удобрения.
Технология производства бактериальных удобрений. Антибиотики для сельского
хозяйства.
(2 часа)
Лекция 16
Биологическая переработка промышленных отходов. Отходы молочной промышленности,
целлюлозно-бумажной. Биодеградация ксенобиотиков, нефтяных загрязнений,
пестицидов. Биодеградация поверхностно- активных веществ, хлорпроизводных
углеводородов, полиароматических углеводородов.
(2 часа)
Лекция 17
Биоповреждение материалов. Классификация процессов биоповреждения. Основные
причины повреждения материалов. Материалы, подверженные биоповреждениям,
способы их защиты.
Биотестирование как способ оценки токсичности объектов. Биологический контроль
водных систем.
(2 часа)
Итого на
3
курс
6
семестр
Всего по дисциплине _____34_часа___________________
Вопросы для экзаменационных билетов
1.Предмет и задачи микробиологии. Применение микроорганизмов в различных
отраслях промышленности.
2 Эукариоты и прокариоты. Отличительные признаки клеток эукариот и прокариот.
3 Форма и размеры бактерий.
4 Структура микробной клетки.
5 Химический состав микроорганизмов.
6 Движение бактерий, бактериальные споры.
7 Рост и размножение бактерий.
8 Положение микроорганизмов в системе живых существ. Принцип их
номенклатуры и классификации.
9 Морфология грибов, их свойства.
10 Биологически активные вещества грибов. Их применение в различных отраслях
промышленности, медицине, сельском хозяйстве.
11 Вирусы, их отличие от других микроорганизмов.
12 Механизмы, вызывающие изменение генетической информации. Мутации.
13 Генетическая рекомбинация (конъюгация, трансформация, трансдукция).
14 Микроорганизмы и окружающая их среда. Влияние влажности, температуры на
микроорганизмы.
15 Влияние кислотности, кислорода, гидростатического давления, химических
веществ, радиации на микроорганизмы.
16 Взаимоотношение между микроорганизмами.
17 Типы питания у микроорганизмов.
18 Пищевые потребности микроорганизмов.
19 Поступление питательных веществ в клетку микроорганизмов.
20 Обмен веществ (метаболизм) микроорганизмов. Понятие о катаболизме и
анаболизме.
21 Ферменты микроорганизмов.
22 Дыхание (аэробное и анаэробное).
23 Предмет и объекты биотехнологии. Роль биотехнологии в охране окружающей
среды.
24 Классификация процессов биотехнологии.
25 Основные принципы промышленного осуществления биотехнологических
процессов.
26 Промышленные штаммы и их применение.
27 Хранение микроорганизмов. Поддержание чистой культуры.
28 Культивирование микроорганизмов (ферментация).
29 Селекция микроорганизмов – продуцентов практически важных веществ.
30 Основы клеточной, генетической и белковой инженерии, их значение для жизни
человека.
31 Основы энзимологии. Какова роль микроорганизмов при получении ферментов?
32 Технология ферментных препаратов. Глубинный и поверхностный метод
культивирования продуцентов ферментов.
33 Иммобилизованные клетки микроорганизмов и их применение.
34 Промышленное получение белка.
35 Технология получения микробных липидов.
36 Получение газообразного топлива (биогаз).
37 Получение жидкого топлива (получение спиртов).
38 Препараты микроорганизмов против животных – вредителей растений.
39 Биологические удобрения.
40 Применение антибиотиков в сельском хозяйстве.
41 Промышленное получение антибиотиков.
42 Биогеотехнология металлов. Механизм бактериального окисления сульфидных
минералов, Fe2+ и S0.
43 Технология бактериального выщелачивания металлов.
44 Бактериальная переработка золотосодержащего концентрата.
45 Микробиологическое извлечение металлов из растворов.
46 Очистка воды от металлов путем адсорбции на микробной биомассе.
47 Очистка воды от металлов в результате деятельности сульфатредуцирующих
бактерий.
48 Биоповреждение материалов. Микроорганизмы, повреждающие материалы и
методы их обнаружения.
49 Причины повреждения материалов микроорганизмами и способы защиты
материалов.
50 Биотехнологическая очистка сточных вод.
51 Значение биотехнологической переработки промышленных отходов.
52 Биологическая переработка отходов химической промышленности.
53 Значение биотехнологии для переработки сельскохозяйственных отходов
(привести примеры).
54 Краткая история развития микробиологии и биотехнологии.
Задачи для экзаменационных билетов
№1
Какое количество сухого птичьего помета необходимо добавить на 1 т листового
опада
для приготовления компостируемой смеси?
В листовом опаде содержание углерода 48,60 %, азота – 0,95 %.
В птичьем помете – углерода 26,5 %, азота – 3,78 %.
№2
Какое количество сухого птичьего помета необходимо добавить на 1 т верхового
торфа для приготовления компостируемой смеси?
В верховом торфе содержание углерода 46,0 %, азота – 1,02 %.
В птичьем помете – углерода 26,5 %, азота – 3,78 %.
№ 3
Какое количество сухого птичьего помета необходимо добавить на 1 т соломы
для приготовления компостируемой смеси?
В соломе содержание углерода 45,0 %, азота – 0,5 %.
В птичьем помете – углерода 26,5 %, азота – 3,78 %.
№4
Какое количество свиного навоза необходимо добавить на 1 т
приготовления компостируемой смеси?
В соломе содержание углерода 42,14 %, азота – 1,0 %.
В свином навозе – углерода 12,5 %, азота – 0,63 %.
№5
соломы для
При приготовлении раствора для уничтожения насекомых-вредителей на 300 кг
рабочего состава было израсходовано 15 кг препарата 10 % концентрации.
Определить значение Кпрепарата, Кдейств.начала и Ндейств. начала.
№6
На изготовление 650 кг рабочего раствора использовали биопрепарат 30%
концентрации, Кпрепарата=5%. Определить Кд.н. и Нисх.
№7
На изготовление 360 кг рабочего раствора использовали биопрепарат 30%
концентрации, Кпрепарата= 6%. Определить Кд.н. и Нисх.
№8
Для приготовления раствора для уничтожения насекомых-вредителей на 150 кг
рабочего состава было израсходовано 18 кг препарата 30 % концентрации.
Определить значение Кпрепарата, Кдейств.начала и Ндейств. начала.
№9
Подсчитать общее количество бактерий в 1 г абсол. сухой почвы, если на 4-х
чашках Петри выросло соответственно 75, 68, 71, 72 КОЕ. Использовали
разведение 1:105. Навеска почвы – 1г, количество суспензии – 0.1 мл, вес бюкса с
влажной навеской почвы – 16.0290г,
вес бюкса с высушенной почвой –15.8340г,
вес пустого бюкса – 15.1805г.
.
№ 10
Подсчитать общее количество актиномицетов в 1 г почвы, если на 4-х чашках
Петри выросло соответственно 40, 42, 39 и 43 КОЕ. Использовали разведение 1:105.
Навеска почвы – 1 г., количество суспензии – 0.1 мл. вес бюкса с влажной навеской
почвы – 18.8387 г, вес бюкса с высушенной почвой – 18.6876 г,вес пустого бюкса –
17.8868 г.
№ 11
Подсчитать общее количество бактерий в 1 г абсол. сухой почвы, если на 4-х
чашках Петри выросло соответственно 52, 57, 55 и 54 КОЕ. Использовали
разведение 1:105. Навеска почвы – 1 г., количество суспензии – 0.1 мл, вес бюкса с
влажной навеской почвы – 14.8220 г, вес бюкса с высушенной почвой – 14.6360 г,
вес пустого бюкса – 14.1524 г.
№ 12
Подсчитать общее количество грибов в 1 г абсол. сухой почвы, если на 4-х чашках
Петри выросло соответственно 12, 11, 10 и 13 КОЕ. Использовали разведение 1:103.
Навеска почвы – 1 г, количество суспензии – 0.1 мл, вес бюкса с влажной навеской
почвы – 18.1716 г, вес бюкса с высушенной почвой – 18.0553 г, вес пустого бюкса –
17.4056 г.
№ 13
1. Определить количество микроорганизмов в 1 мл исходной суспензии при подсчете их в
камере Горяева (в больших квадратах), если известно, что а = 60 (среднее число клеток в
большом квадрате сетки); S квадрата сетки = 0,04мм2, глубина камеры = 0,1мм,
разведение 10.
2.Через фильтр пропущено 10 мл воды. Выросло 2 колонии Escherichia coli. Определить
коли-индекс и коли - титр.
№ 14
1. Определить количество микроорганизмов в 1 мл исходной суспензии при подсчете их в
камере Горяева (в больших квадратах), если известно, что а =48 (среднее число клеток в
большом квадрате сетки); S квадрата сетки = 0,04мм2, глубина камеры = 0,1мм,
разведение 1000.
2.При посеве 10 и 100см3 воды на одном фильтре выросла 1 колония, на другом 5
колоний. Какой коли-индекс воды? Коли-титр?
№ 15
1. Определить количество микроорганизмов в 1 мл исходной суспензии при подсчете
клеток на фиксированных окрашенных мазках (20мл х20мл) а = 23 (среднее число клеток
в поле зрения микроскопа);
диаметр поля зрения равен 0.16 мм; объем суспензии,
используемый для приготовления мазка равен 0.05 мл; разведение 1: 1000
2. При посеве 60 и 100см3 воды на одном фильтре выросла 1 колония, на другом 15
колоний. Какой коли-индекс воды? Коли-титр?
№ 16
1. Определить количество микроорганизмов в 1 мл исходной суспензии при подсчете
клеток на фиксированных окрашенных мазках (20мл х20мл) а = 38 (среднее число клеток
в поле зрения микроскопа); диаметр поля зрения равен 0.16 мм; объем суспензии,
используемый для приготовления мазка равен 0.05 мл; разведение 1: 1000
2. В 200 см3 воды – сплошной рост, в 20 см3 – 9 бактерий группы кишечных палочек.
Определить коли-титр?
№ 17.
1.Определить количество бактерий в 1 мл исследуемой суспензии при подсчете их на
мембранных фильтрах: а - 40 (среднее число клеток в поле зрения микроскопа); диаметр
мембранного фильтра равен 45 мм; диаметр поля зрения равен 0.16 мм; объем
пропущенной жидкости равен 50 мл.
2. При посеве 40 и 100см3 воды на одном фильтре выросла 1 колония, на другом 4
колоний. Какой коли-индекс воды? Коли-титр?
№ 18.
1.Определить количество бактерий в 1 мл исследуемой суспензии при подсчете их на
мембранных фильтрах: а - 45 (среднее число клеток в поле зрения микроскопа); диаметр
мембранного фильтра равен 45 мм; диаметр поля зрения равен 0.16 мм; объем
пропущенной жидкости равен 20 мл.
2.При посеве 3-х объемов воды по 100 см3 на одном фильтре выросло 6 колоний
бактерий, на двух других нет роста. Чему равен коли-титр ?
№ 19
Подсчитать общее количество грибов в 1 г почвы, если на 4-х чашках Петри
выросло соответственно 5, 3, 6 и 2 КОЕ. Использовали разведение 1:10 3. Навеска
почвы – 1 г., количество суспензии – 0.1 мл, вес бюкса с влажной навеской почвы –
18.8387г, вес бюкса с высушенной почвой – 18.6876г, вес пустого бюкса – 17.8868г.
№ 20
Подсчитать общее количество бактерий в 1 г абсол. сухой почвы, если на 4-х
чашках Петри выросло соответственно 55, 68, 61, 57 КОЕ. Использовали
разведение 1:105. Навеска почвы – 1г, количество суспензии – 0.1 мл, вес бюкса с
влажной навеской почвы – 16.0290г,
вес бюкса с высушенной почвой –15.8340г,
вес пустого бюкса – 15.1805г.
КУРСОВЫЕ РАБОТЫ
Курсовая работа выполняется в разрезе курса « Основы
микробиологии и биотехнологии». Объем работы – 25-30 машинописных
страниц. 1 лист формата А3.
Основные задачи курсовой работы состоят в закреплении знаний, полученных
при изучении курса, в приобретении навыков по использованию специальной
литературы, справочников, каталогов, ГОСТов и других нормативных документов.
Курсовая работа состоит из титульного листа, оглавления, введения, основной
части, заключения, списка использованных источников, приложения.
Введение включает обоснование темы, объект исследования,
цели и задачи
исследования, краткую историческую справку.
В основной части описывается биотехнологический процесс получения того или иного
продукта, а также биологический объект – продуцент, использующийся в данном
производстве.
Заключение содержит выводы о значении данного продукта для народного хозяйства,
о преимуществе биотехнологического способа производства веществ перед
традиционными.
Темы курсовых работ:
1. Биологические процессы очистки сточных вод от ионов металлов.
2. Утилизация сточных вод
3. Технологии децентрализованной очистки бытовых сточных вод
4. Устройство и технологии централизованной очистки сточных вод
5. Биотехнология очистки промышленных сточных вод
6. Технология производства жидкого топлива (спирта)
7. Производство древесных компостов
8. Получение компоста из гидролизного лигнина
9. Биотехнология получения аминокислот
10. Получение ферментов с использованием биологического объекта
11. Биодеградация твердых отходов
12. Биологические методы защиты растений от вредителей
13. Технология бактериального выщелачивания металлов.
14. Бактериальная переработка золотосодержащего концентрата
15. Получение газообразного топлива (биогаз, метан)
16. Биотехнологическая переработка промышленных отходов
17. Утилизация ила сточных вод.
18. Получение органических кислот
19. Получение биологических удобрений
20. Производство белка
21. Производство витаминов
22. Производство антибиотиков
23. Методы биологической очистки почв от нефтяного загрязнения
24. Производство кормовых дрожжей
25. Биотехнология препаратов для сельского хозяйства
26. Биоповреждения материалов, методы обнаружения и способы защиты.
27. Методы биологической очистки воды от нефтяного загрязнения
28. Технология выращивания древесных грибов на примере гриба рода «Вешенка»
29. Компостирование и биодеградация соломы.
30. Биологические фильтры.
31. Биологическая утилизация отходов животноводства и пути использования
продуктов переработки.
32. Применение торфа и продуктов его переработки в сельском хозяйстве.
33. Производство и применение удобрений на основе промышленно – бытовых
отходов и осадка сточных вод.
34. Биотехнологические методы повышения нефтеотдачи пластов.
35. Анаэробная очистка сточных вод.
Перечень основной и дополнительной литературы
Авторы
Биотехнология: введение,
промышленные аспекты
Основы микробиологии и
биотехнологии.
Основы микробиологии и
биотехнологии.
Основы микробиологии и
биотехнологии
Микробиология
1995
Характеристи
ка
УП
1999
УП
2000
УП
1997
УП
1999
УП
Микробиологический
словарь-справочник
Биотехнология
1999
2000
УП
Микробная биотехнология.
2000
УП
Микробиология
1978
У
Практикум по
микробиологии
Лабораторный практикум
по общей микробиологии
1976
УП
2004
УИ
Введение в биотехнологию
1978
УП
1990
УП
Под ред. И Хиггинса
Экологическая
биотехнология
Биотехнология
1988
УП
Егорова Т.А. и др.
Основы биотехнологии
2003
УП
Гусев М.В., Минеева
Л.А.
Нетрусов А.И., БончОсмоловская Е.Л.
Микробиология
2003
УП
Экология микроорганизмов
2004
УП
Кузьмина Н.А.
Свергузова С.В.,
Тарасова Г.И.
Калмыкова
Е.Н.,Филоненко Ю.Я.
Тарасова Г.И.,
Свергузова С.В.
Вилкова Н.Г.
Красильников А.П.
Федорова Э.И.
Под ред. И.Б.
Лещинская.
Мишустин Е.Н., Емцев
В.Т.
Под ред. Н.С. Егорова
Градова Н.Б.,
Бабусенко И.Б.,
Горнова И. Б.
Беккер М.Е.
Под ред. К.Ф. Фостера
Название литературы
Год изд.
Кол .
Экз.
биб.
Край.
библ.
Край.б
ибл.
край.
библ.
Край.
библ.
край.
Библ.
Край.б
ибл.
Край.б
ибл.
край.
Библ.
Библ.
ИВЭП
Библ.
ИВЭП
Библ.
ИВЭП
каф
Край.
библ.
Край.
библ.
Край.
библ.
Биб
ТОГУ
Библ.
ИВЭП
Библ.
ИВЭП