Экология микроорганизмов - Учебно

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт биологии
Кафедра ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры
Н.Н. Колоколова
ЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для аспирантов, обучающихся по направлению подготовки
06.06.01 Биологические науки (Экология (биология))
очной и заочной форм обучения
Тюменский государственный университет
2014
Колоколова Н.Н. Экология микроорганизмов. Учебно-методический комплекс.
Рабочая программа для аспирантов, обучающихся по направлению подготовки 06.06.01
Биологические науки (Экология (биология)) очной и заочной форм обучения. Тюмень,
2014, 12 с.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО с учетом
рекомендаций и ОПОП ВО по направлению и профилю подготовки.
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте ТюмГУ: Экология
микроорганизмов [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3plus.utmn.ru,
свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой ботаники, биотехнологии и ландшафтной
архитектуры. Утверждено проректором по научной работе Тюменского государственного
университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: Н.А. Боме, д-р .с-х. наук, профессор
© Тюменский государственный университет, 2014.
© Колоколова Н.Н., 2014.
1. Пояснительная записка.
1.1. Цели и задачи дисциплины.
Цель преподавания дисциплины – ознакомление аспирантов с закономерностями
взаимоотношений между микроорганизмами и их биотическим или абиотическим
окружением.
Основные задачи дисциплины:
- рассмотреть закономерности развития микроорганизмов в их естественных средах
обитания, в т.ч. в экстремальных условиях;
- дать представление о содержании и значении важнейших групп микроорганизмов
в воде, почве и других местообитаниях;
- рассмотреть вопросы биоремедиации загрязненных территорий;
- познакомить с современными методами изучения микробного биоразнообразия.
1.2. Место дисциплины в структуре образовательной программы.
Дисциплина «Экология микроорганизмов» предназначена для аспирантов 2-го
года (4 семестр), обучающихся по направлению подготовки 06.06.01 Биологические
науки (Экология (биология)) очной и заочной форм обучения. Дисциплина «Экология
микроорганизмов» относится к
дисциплинам по выбору. Дисциплина «Экология
микроорганизмов» связана с другими дисциплинами: «Экология», «Экология растений»,
«Биоразнообразие: методы изучения и охраны », «Популяционная экология».
Для успешного освоения дисциплины аспирант должен обладать знаниями по
микробиологии, экологии, общей биологии, а также обладать умениями статистической
обработки экспериментальных данных, составления презентаций, навыками работы с
персональным компьютером и в сети Internet.
Усвоение данной дисциплины необходимо как предшествующее для изучения
дисциплин «Экология растений», «Экология», «Системная экология».
Разделы дисциплины и междисциплинарные
(последующими) дисциплинами
№
п/п
1.
2.
3.
связи
с
Таблица 1.
обеспечиваемыми
Наименование
Темы дисциплины необходимые для изучения
обеспечиваемых
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
(последующих)
1.1
1.2
2.1
2.2
2.3
2.4
3.1
3.2 3.3дисциплин
3.4
Экология растений
+
+
+
Экология
+
+
+
+
+
+
Системная экология
+
+
+
+
Примечание: номера тем соответствуют названиям, приведенным в таблице 2.
1.3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения данной
образовательной программы.
В результате освоения ОП выпускник должен обладать следующими
компетенциями:
ПК 15: самостоятельно анализирует имеющуюся информацию с использованием
современных информационных технологий, выявляет фундаментальные проблемы
экологии, ставит задачу и выполняет научные исследования при решении конкретных
задач по специализации с использованием современной аппаратуры.
1.4. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю):
Знать: механизмы воздействия факторов среды на микроорганизмы и основные
закономерности взаимоотношений организма со средой, особенности, принципы
формирования и функционирования микробиоценозов.
Уметь: использовать полученные знания в практической и исследовательской
деятельности по изучению влияния среды на микроорганизмы, использовать современные
и классические методы экологии микроорганизмов; работать с микроскопической
техникой, планировать исследование и интерпретировать результаты.
Владеть: навыками разработки исследовательских проектов, участия в других
проектах, самостоятельной исследовательской работы, методами изучения экологии
микроорганизмов, углубления профессиональных знаний с помощью новых
информационных и образовательных технологий.
2. Структура и трудоемкость дисциплины.
Семестр 4. Форма промежуточной аттестации – зачет. Общая трудоемкость
дисциплины составляет две зачетные единицы, 72 академических часа, из них 50 часов,
выделенных на самостоятельную работу.
3. Тематический план
Таблица 2.
Виды учебной работы Итого Из них
и самостоятельная
часов
в
работа, в час.
по
интерак
теме тивной
форме,
в часах
1
2
Модуль 1
1.1 Биосфера
и
природные
местообитания
микроорганизмов
1.2 Микробное
сообщество
Всего
Модуль 2
2.1 Формы
взаимоотношений
микроорганизмов
2.2 Экофизиологические
Формы
контроля
Семинарские
(практические)
занятия*
Лабораторные
занятия*
Самостоятельная
работа*
Тема
Лекции *
№
3
4
1
5
6
7
8
9
-
4
5
-
устный опрос
1
-
4
5
1
дискуссия
2
-
8
10
1
1
2
6
9
2
1
2
6
9
2
ответ на
практическом
занятии
ответ на
группы
микроорганизмов
2.3 Экология водных
микроорганизмов
практическом
занятии
ответ на
практическом
занятии
ответ на
практическом
занятии
1
2
4
7
2
2.4 Экология почвенных
микроорганизмов
1
2
4
7
2
Всего
Модуль 3
3.1 Микробнорастительные
взаимодействия
3.2 Микрофлора
нефтяных
месторождений
3.3 Микробные
процессы в
биотехнологии
окружающей среды
3.4 Методы
исследования
экологии
микроорганизмов
3.5 Заключительное
занятие
4
8
20
32
8
2
-
6
8
-
конспект по
теме
2
-
4
6
-
устный опрос
-
1
4
5
-
Всего
Итого (часов):
Из них в интеракт.
форме
устный опрос
2
-
6
8
1
работа в
группах
-
1
2
3
2
6
12
2
10
12
50
30
72
3
12
12
контрольная
работа,
реферат
зачет
4. Содержание дисциплины.
Тема 1.1. Биосфера
и природные местообитания микроорганизмов.
Микроорганизмы как часть экосистемы. Функции микроорганизмов в природе.
Микробные местообитания. Роль микроорганизмов в глобальных циклах элементов
(углерода, азота, серы и других). Лимитирование роста и развития микроорганизмов
экологическими факторами. Экстремофильные микроорганизмы. Физиологические
группы микроорганизмов. Роль микроорганизмов в эволюции биосферы.
Тема 1.2. Микробное сообщество. Микробное сообщество как целостность.
Природные популяции микроорганизмов. Особенности микроценозов. Трофическая
структура микробного сообщества. Кооперативные взаимоотношения и конкуренция в
сообществе. Жизненные стратегии.
Тема 2.1. Формы взаимоотношений микроорганизмов. Типы симбиоза: экзо- и
эндосимбиоз;
метабиоз,
мутуализм,
комменсализм,
паразитизм,
антагонизм;
факультативные и облигатные симбионты. Функции симбиоза. Эволюция симбиоза.
Симбиотические ассоциации микроорганизмов. Взаимоотношения микроорганизмов и
макроорганизмов. Патогенные микроорганизмы.
Тема 2.2. Экофизиологические группы микроорганизмов. Влияние факторов
внешней среды на развитие микроорганизмов: температура, кислотность и щелочность,
окислительно-восстановительные условия и отношение к кислороду, соленость,
излучения, гидростатическое давление, магнитные поля и др. Термофильные
микроорганизмы и природа их термоустойчивости. Естественные среды обитания
психрофильных и психроактивных микроорганизмов; механизмы адаптации.
Распространение галофильных бактерий, способы осморегуляции.
Тема 2.3. Экология водных микроорганизмов. Особенности водных
микроорганизмов. Значение микроорганизмов в первичной продукции водоемов и
минерализации
органических
веществ.
Основные
физиологические
группы
микроорганизмов, участвующих в превращениях веществ в водоемах и круговорот
биогенных элементов. Микроценозы пресных водоемов. Классификация озер по трофии.
Микрофлора болот.
Тема 2.4. Экология почвенных микроорганизмов. Особенности почвенных
микроорганизмов. Роль микроорганизмов в почвообразовательных процессах и в
плодородии почв. Микроценозы почвы. Зимогенная и автохтонная микрофлора.
Структура микробного ценоза почвы. Распределение микроорганизмов в почве.
Деградация органического вещества в почве (разложение целлюлозы, лигнина и др.).
Азотфиксация и проблема плодородия почвы. Свободноживущие и симбиотические
азотфиксирующие микроорганизмы. Выживаемость патогенных микроорганизмов в
почве.
Тема 3.1. Микробно-растительные взаимодействия. Микробно-растительные
взаимодействия в ризосфере и ризоплане. Микориза. Клубеньковые бактерии и бобовые
растения. Эпифитная микрофлора, ее состав и значение. Фитопатогенные
микроорганизмы.
Тема 3.2. Микрофлора нефтяных месторождений. Распространение и роль
микроорганизмов в нефтяных месторождениях. Распределение бактерий в пластах.
Экология и физиология микроорганизмов, встречающихся в глубинных водах и породах.
Использование углеводородов микроорганизмами в искусственно заводненных нефтяных
пластах и в лабораторных экспериментах.
Тема 3.3.
Микробные процессы в биотехнологии окружающей среды.
Биоразрушения. Биологическая обработка органических отходов. Аэробная и анаэробная
очистка сточных вод. Биоремедиация загрязненных почв и грунтов.
Тема 3.4. Методы исследования экологии микроорганизмов. Выделение
микроорганизмов из экониш и проблемы, связанные с некультивируемыми формами.
Изучение активности микроорганизмов в природе. Люминесцентно-микроскопические
методы. Молекулярно-биологические методы исследования микробных сообществ.
5. Планы практических (семинарских) занятий.
Занятие 1. (по теме 3: Формы взаимоотношений микроорганизмов). Симбиотические
ассоциации микроорганизмов.
Занятие 2. (по теме 4: Экофизиологические группы микроорганизмов). Отношение
микроорганизмов к температуре.
Занятие 3. (по теме 5: Экология водных микроорганизмов). Микроорганизмы аэробной
зоны водоемов.
Занятие 4. (по теме 6: Экология почвенных микроорганизмов). Микромицеты
сероземов.
Занятие 5. (по теме 9: Микробные процессы в биотехнологии окружающей среды).
Биодеградация ксенобиотиков микроорганизмами.
Занятие 6. Заключительное занятие. Подведение итогов по темам практических
занятий, обозначение значимости методов исследования экологии микроорганизмов.
6. Учебно-методическое обеспечение и планирование самостоятельной работы
аспирантов.
Таблица 3 .
№
Модули и темы
Модуль 1
1.1 Биосфера
и природные
местообитания
микроорганизмов.
1.2 Микробное сообщество
Всего
Модуль 2
2.1 Формы взаимоотношений
микроорганизмов.
2.2
Экофизиологические
группы микроорганизмов.
2.3
Экология водных
микроорганизмов.
2.4
Экология почвенных
микроорганизмов.
Всего
Модуль 3
3.1 Микробно-растительные
взаимодействия.
3.2
Микрофлора нефтяных
месторождений.
3.3
Микробные процессы в
биотехнологии
окружающей среды.
Виды СРС
Чтение обязательной
литературы.
Подготовка к дискуссии.
Дискуссия.
Чтение дополнительной
литературы.
Объем
часов
4
4
8
Выполнение практической
работы.
Чтение дополнительной
литературы.
Выполнение практической
работы.
Чтение дополнительной
литературы.
Выполнение практической
работы.
Чтение дополнительной
литературы.
Выполнение практической
работы.
Подготовка к конспекту.
6
6
4
4
20
Составление конспекта по
предложенной теме.
Чтение обязательной и
дополнительной литературы.
Чтение обязательной и
дополнительной литературы
6
Чтение обязательной и
дополнительной литературы.
4
4
3.4
3.5
Методы исследования
Выполнение практической
экологии микроорганизмов. работы.
Подготовка к контрольной
работе.
Заключительное занятие.
Контрольная работа.
Защита реферата.
Всего
Итого
6
2
22
50
7. Типовые контрольные задания или иные материалы, необходимые для оценки
знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности, характеризующей этапы
формирования компетенций в процессе освоения образовательной программы
Самостоятельная работа аспирантов специальности 03.02.08 Экология (биология)
очной и заочной форм обучения по дисциплине «Экология микроорганизмов» включает
следующие виды учебной деятельности: чтение обязательной и дополнительной
литературы, подготовка к практическому (семинарскому) занятию, подготовка рефератов,
выступление с докладом и презентацией,
подготовка и защита конспектов по
предложенной теме с презентацией, выполнение контрольной работы.
На контрольную работу по модулю отводится не менее 1,0 часа. Контрольная
работа состоит из средних по трудоемкости вопросов, различных типов тестов или
заданий, требующих поиска обоснованного развернутого ответа.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Темы контрольной работы:
Лимитирование роста и развития микроорганизмов экологическими факторами.
Кооперативные взаимоотношения и конкуренция в микробиоценозах.
Эволюция и функции симбиоза.
Отношение микроорганизмов к кислороду. Аноксигенный фотосинтез.
Микробиологические превращения биогенных элементов в биосфере.
Бобово-ризобиальный симбиоз.
Экология архей.
Тема реферата выбирается в соответствии с интересами аспиранта. Реферат
должен основываться на проработке нескольких дополнительных к основной литературе
источников (монографий, статей и др.). План реферата должен быть авторским, с
выражением собственного мнения, анализа проблемы. Все приводимые в реферате факты
и заимствованные соображения должны сопровождаться ссылками на источник
информации. Завершают реферат разделы «Заключение» и «Список литературы».
Примерные темы рефератов:
1. Мутуалистические взаимоотношения микроорганизмов.
2. Характеристика и природные местообитания психрофильных и психроактивных
микроорганизмов.
3. Экстремофилия микроорганизмов в отношении солености.
4. Ксерофильные микроорганизмы.
5. Микроорганизмы анаэробной зоны водоемов.
6. Функциональная роль почвенных микроорганизмов.
7. Биологические особенности галобактерий.
8. Коэволюция в симбиозах микроорганизмов с макроорганизмами.
9. Значение симбиозов с участием микроорганизмов в питании растительноядных
животных.
10. Нормальная микрофлора желудочно-кишечного тракта человека.Корозионноопасные микроорганизмы.
11. Биоремедиация загрязненных нефтью почв.
12. Флуоресцентно-микроскопические методы выявления и учета микроорганизмов в
образцах естественных субстратов.
Зачет служит формой проверки качества усвоения учебного материала
лекционных и практических занятий, а также иных видов учебной деятельности
аспирантов соответствии с учебной программой.
Вопросы к зачету:
1. Распространение микроорганизмов и природные места их обитания.
2. Роль микроорганизмов в круговороте биогенных элементов.
3. Взаимодействие микробных популяций в сообществах: нейтрализм, метабиоз,
мутуализм, комменсализм, амменсализм, паразитизм, хищничество, антагонизм.
4. Экофизиологические группы микроорганизмов.
5. Влияние факторов внешней среды на развитие микроорганизмов (температура, рН
среды, влажность, молекулярный кислород, гидростатическое давление, излучения,
магнитные поля и др.).
6. Лимитирование роста и развития микроорганизмов экологическими факторами.
7. Природные места обитания психрофильных и психроактивных бактерий.
Механизмы адаптации бактерий к температуре окружающей среды.
8. Термофильные бактерии, их распространение. Природа термоустойчивости
бактерий.
9. Галофильные микроорганизмы, распространение, способы осморегуляции.
10. Микрофлора воздуха.
11. Водные среды обитания микроорганизмов.
12. Зональность распределения микроорганизмов в водоемах.
13. Принципы классификации озер по трофии.
14. Общая характеристика микрофлоры аэробной и анаэробной зон водоемов.
15. Распространение фототрофных бактерий, их биология.
16. Микрофлора сточных вод, их биологическая очистка.
17. Микрофлора почвы. Основные группы микроорганизмов почвенного комплекса, их
функции.
18. Доминирующая бактериальная флора почвы. Аэробные и
анаэробные
микроорганизмы, их деятельность в почве.
19. Микрофлора ризосферы, ее состав, значение.
20. Эпифитная микрофлора, ее состав и роль.
21. Азотфиксация и проблема плодородия почвы. Свободноживущие и
симбиотические азотфиксаторы.
22. Микориза, ее значение.
23. Экология и физиология микроорганизмов нефтяных месторождений.
24. Биоремидиация загрязненных почв и грунтов.
25. Биологическая обработка органических отходов.
26. Методы исследования экологии микроорганизмов.
8. Образовательные технологии.
При реализации различных видов учебной работы во время изучения дисциплины
«Экология микроорганизмов» используются различные образовательные технологии:
лекции и практические занятия, отражающие основные разделы изучаемого курса,
рефераты, контрольная работа.
Отдельное внимание уделяется интерактивным формам занятий. В интерактивной
форме (работа в малых группах) проводится бóльшая часть практических занятий. Для
развития навыков самостоятельной научно-исследовательской работы, способностей
обобщать и анализировать информацию из литературных источников предлагается
реферат по одной из приведенных тем.
Для текущего контроля знаний аспирантов используются устные опросы, ответы
на практических занятиях, конспекты по предложенным темам, предложены вопросы к
зачету.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля).
9.1 Основная литература:
1. Фотосинтезирующие микроорганизмы / Труды Института микробиологии им. С.
Н. Виноградского / отв. ред. В.Ф. Гальченко. – М.: МАКС Пресс, 2010. – Вып. 15. – 352 с.
– ISBN 978-5-317-03436-8.
2.
Наплекова,
Н.Н.
Метаболиты
аэробных
целлюлозоразрушающих
микроорганизмов и их роль в почвах / Н.Н. Наплекова. – Новосибирск: Новосибирский
государственный аграрный университет, 2010. – 228 с. – ISBN 978-5-94477-096-7; То же
[Электронный ресурс]. – URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=230489.
(01.10.14).
9.2 Дополнительная литература:
1. Умаров, М. М. Микробиологическая трансформация азота в почве / М. М.
Умаров. – М.: ГЕОС, 2007. – 138 с. – ISBN 5-89118-315-7.
2. Ермилова, Е. В. Молекулярные аспекты адаптации прокариот / Е. В. Ермилова.
С.-Петерб. гос. ун-т. – Санкт-Петербург: Изд-во СПбГУ, 2007. – 299 с. – ISBN 978-5-28804288-1.
3. Колчанов, Н.А. Роль микроорганизмов в функционировании живых систем:
фундаментальные проблемы и биоинженерные приложения / под ред. Н.А. Колчанов, В.В.
Власов, А.Г. Дегерменджи. – Новосибирск: СО РАН, 2010. – 472 с. – (Интеграционные
проекты СО РАН; вып. 28).
– ISBN 978-5-7692-1147-8; То же [Электронный ресурс]. –
URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=98017. (01.10.14).
4. Донова, М.В. Трансформация стероидных соединений актинобактериями: дисс.
… доктора биол. наук / М.В. Донова. – Пущино: Институт биохимии и физиологии
микроорганизмов РАН, 2010. – 262 с. – http://dvs.rsl.ru/TSUI/ Vrr/ SelectedDocs. (01.10.14).
5. Копылов, А. И. Бактериопланктон водохранилищ Верхней и Средней Волги / А.
И. Копылов, Д. Б. Косолапов. – М.: Изд-во СГУ, 2008. – 377 с. – ISBN 978-5-8323-0534-9.
6. Колотилова, Н.Н. Из истории экологии микроорганизмов / Н.Н. Колотилова /
Вестник Московского государственного университета. Сер. Естественные науки. М.:
МГОУ, 2012. – №5. С. 25-27. – ISSN: 2072-8352. – http://elibrary.ru/item.asp?id=18771882.
(01.10.14).
7. Сомова, Л. М. Ультраструктура патогенных бактерий в разных экологических
условиях = Ultrastructure of Pathogenic Bacteria under Different Ecological Conditions / Л. М.
Сомова, Л. С. Бузолева, Н. Г. Плехова: отв. ред. Н. Н. Беседнова; НИИ эпидемиологии и
микробиологии СО РАМН. – Владивосток: Медицина ДВ, 2009. – 200 с. – ISBN 978-598301-033-8.
8. Алкалофильные микробные сообщества / Труды института микробиологии им.
С. Н. Виноградского / отв. ред. В. Ф. Гальченко. – М.: Наука, 2007. – Вып. 14. – 398 с. –
ISBN 978-5-02-034199-9.
9. Троценко, Ю. А. Экстремофильные метанотрофы / Ю. А. Троценко, В. Н.
Хмеленина. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 2008. – 206 с.
9.3 Периодические издания:
1.
2.
3.
4.
5.
Микробиология. М.: Наука.
Прикладная биохимия и микробиология. М.: Наука.
Экология. М.: Наука.
Вестник Московского университета. Серия Биология. М.: изд-во МГУ.
Сибирский экологический журнал: Новосибирск: изд-во СО РАН.
9.4 Интернет-ресурсы:
1.
2.
3.
4.
5.
www.dic.academic.ru
www.microbiologu.ru
www.elibrary.ru
www.bse.sci-lib.com
www.biblioclub.ru
10. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении
образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень
программного обеспечения и информационных справочных систем (при
необходимости).
При осуществлении
образовательного процесса по дисциплине «Экология
микроорганизмов» аспиранты обеспечиваются доступом к электронно-библиотечным
системам (электронным библиотекам) и электронно-образовательной среде, которые
обеспечивают возможность доступа к информационно-телекоммуникационной сети
«Интернет», доступ к учебным планам, рабочей программе дисциплины (модулю), к
изданиям электронных библиотек и электронно-образовательным ресурсам, указанных в
рабочей программе.
11. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины
(модуля).
Лекции по дисциплине по выбору аспиранта «Экология микроорганизмов»
читаются в аудитории кафедры ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры и
имеют мультимедийное сопровождение. Для научно-исследовательской работы на
кафедре имеются лаборатории биотехнологических и микробиологических исследований
и микробно-растительных взаимодействий, оснащенные современным оборудованием.
Демонстрационный материал представлен чистыми культурами микроорганизмов
(бактерии, грибы), выделенных из различных источников (коллекция создана на кафедре
ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры). Обеспеченность лабораторным
оборудованием
–
автоклавом,
ламинаром,
анаэростатом,
термостатами,
микроклиматическими камерами дает возможность выделять микроорганизмы из
природных субстратов, культивировать на питательных средах и проводить определение
численности. Наличие холодильных камер для хранения микроорганизмов позволяет
поддерживать коллекции мироорганизмов. В лаборатории микробиологии имеется также
микроскопическая техника (микроскопы, бинокуляры), спектрофотометр для изучения
экологии микроорганизмов.