Экология микроорганизмов - 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
__________ _____________ 2011 г.
ЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для аспирантов специальности 03.02.08 Экология (биология)
очной и заочной форм обучения
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор (ы) работы _____________________________/Колоколова Н.Н./
«______»___________2011 г.
Рассмотрено на заседании кафедры ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры
протокол №___ от «____»________2011 г. Соответствует требованиям к содержанию,
структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем 15 стр.
Зав. кафедрой ______________________________/Боме Н.А./
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК Института математики, естественных наук и
информационных технологий, Отделение биология
Протокол №____ от «_____» __________2011 г.
Соответствует ФГТ к структуре основной профессиональной образовательной программы
послевузовского профессионального образования (аспирантура)
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ________________________/Фролова О.В./
«______»_____________2011 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Нач. отдела аспирантуры
и докторантуры_____________М.Р. Сорокина
«______»_____________2011 г.
2011
2
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук и информационных технологий
Кафедра ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры
Колоколова Н.Н.
ЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для аспирантов специальности 03.02.08 Экология (биология)
очной и заочной форм обучения
Тюменский государственный университет
2011
3
Колоколова Н.Н. Экология микроорганизмов. Учебно-методический
комплекс. Рабочая программа для аспирантов специальности 03.02.08
Экология (биология) очной и заочной форм обучения. Тюмень, 2011, 15 с.
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: Экология микроорганизмов [электронный ресурс] / Режим доступа:
http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой ботаники, биотехнологии и
ландшафтной архитектуры. Утверждено и.о. проректора-начальника
управления по научной работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: Боме Н.А.,
ботаники,
биотехнологии
и
ландшафтной
сельскохозяйственных наук, профессор
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Колоколова Н.Н., 2011.
заведующий кафедрой
архитектуры,
доктор
4
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 ООП аспирантуры
Дисциплина
«Экология
микроорганизмов»
предназначена
для
аспирантов 2-го года (4 семестр), обучающихся по специальности 03.02.08
Экология (биология) очной и заочной форм обучения. Дисциплина
«Экология микроорганизмов» относится к
дисциплинам по выбору.
Дисциплина «Экология микроорганизмов» связана с другими дисциплинами:
«Экология
растений»,
«Экология
животных»,
«Общая
экология»,
«Биоразнообразие», «Экологическая биотехнология».
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.
5
Усвоение данной дисциплины необходимо как предшествующее для
изучения дисциплин «Экология растений», «Общая экология», «Системная
экология».
1.3. Компетенции выпускника ООП аспирантуры, формируемые в
результате освоения данной ООП ВПО.
В результате освоения ООП аспирантуры выпускник должен обладать
следующими компетенциями:
 демонстрирует базовые представления о разнообразии биологических
объектов, понимание значения биоразнообразия для устойчивости
биосферы.
 понимает,
излагает
и
критически
анализирует
получаемую
информацию и представляет результаты полевых и лабораторных
биологических исследований;
 пользуется современными методами обработки, анализа и синтеза
полевой и лабораторной биологической информации, демонстрирует
знания принципов составления научно-технических проектов и
отчетов;
 следует этическим и правовым нормам в отношении других людей и в
отношении к природе (принцип биоэтики), формирование четкой
ценностной ориентации на сохранение природы и охрану прав и
здоровья человека.
В результате освоения дисциплины аспиранты должны:
- знать: механизмы воздействия факторов среды на микроорганизмы и
основные
закономерности
особенности,
принципы
взаимоотношений
организма
формирования
и
со
средой,
функционирования
микробиоценозов;
-
уметь:
использовать
исследовательской
микроорганизмы,
полученные
деятельности
использовать
по
знания
изучению
современные
и
в
практической
влияния
среды
классические
и
на
методы
6
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 часа (из них
лекций – 12 часов, практических занятий – 10 часов).
3. Тематический план.
Таблица 1
№
виды учебной
работы и
самостоятельная
работа, в час.
Всего часов
лекции*
практические
(семинарские)
занятия*
самостоятельная
работа*
Тема
1. из них в интерактивной форме
Тематический план
2
Биосфера
и природные
местообитания
микроорганизмов
Микробное сообщество
Формы взаимоотношений
микроорганизмов
3
5
4
1
5
-
6
4
5
9
1
1
2
4
6
1
2
4
Экофизиологические группы
микроорганизмов
9
1
2
6
2
5
Экология водных
микроорганизмов
7
1
2
4
2
6
Экология почвенных
микроорганизмов
7
1
2
4
2
7
Микробно-растительные
взаимодействия
8
2
-
6
-
1
1
2
3
7
-
Формы контроля
8
Устный опрос
Дискуссия
Ответ на
практическом
занятии
Ответ на
практическом
занятии
Ответ на
практическом
занятии
Ответ на
практическом
занятии
Конспект по теме
7
Микрофлора нефтяных
месторождений
9
Микробные процессы в
биотехнологии окружающей
среды
10 Методы исследования экологии
микроорганизмов
11 Заключительное занятие
6
2
-
4
5
-
1
4
-
Устный опрос
8
2
-
6
1
Работа в группах
3
-
1
2
2
Итого:
из них часов в интерактивной
форме
72
12
10
50
12
12
Контрольная
работа,
реферат
Зачет
8
Устный опрос
Таблица 2.
Планирование самостоятельной работы
№
Темы
Виды СРС
обязательные дополнительные
Объем часов
Биосфера
и природные
местообитания
микроорганизмов
Микробное сообщество
Чтение
обязательной
литературы
Подготовка к
дискуссии
4
Дискуссия
4
3.
Формы взаимоотношений
микроорганизмов
4.
Экофизиологические группы
микроорганизмов
5.
Экология водных
микроорганизмов
6.
Экология почвенных
микроорганизмов
7.
Микробно-растительные
взаимодействия
Выполнение
практической
работы
Выполнение
практической
работы
Выполнение
практической
работы
Выполнение
практической
работы
Составление
конспекта по
предложенной
теме
Чтение
дополнительной
литературы
Чтение
дополнительной
литературы
Чтение
дополнительной
литературы
Чтение
дополнительной
литературы
Подготовка к
конспекту
Чтение обязательной и
дополнительной
литературы
6
8.
Микрофлора нефтяных
месторождений
Микробные процессы в
биотехнологии окружающей
среды
Методы исследования
экологии микроорганизмов
Чтение обязательной и
дополнительной
литературы
Чтение
дополнительной
литературы
4
9.
Чтение
обязательной
литературы
Чтение
обязательной
литературы
Выполнение
практической
работы
Контрольная
работа
Подготовка к
контрольной работе
6
Защита реферата
2
1.
2.
10.
11.
Заключительное занятие
Итого:
6
6
4
4
4
50
8
2. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№
п/п
1.
2.
3.
Наименование
обеспечиваемых
(последующих)
дисциплин
Экология растений
Общая экология
Системная экология
1
Темы дисциплины необходимых для изучения
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
2
3
4
5
6
7
8
+
+
+
+
+
+
+
+
+
10
+
+
+
+
Примечание: номера тем соответствуют названиям, приведенным в таблице 1.
4. Содержание дисциплины.
Тема 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 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 3. 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 4. Экофизиологические группы микроорганизмов. Влияние факторов
внешней среды на развитие микроорганизмов: температура, кислотность и щелочность,
окислительно-восстановительные
излучения,
гидростатическое
условия
давление,
и
отношение
магнитные
к
поля
кислороду,
и
др.
соленость,
Термофильные
микроорганизмы и природа их термоустойчивости. Естественные среды обитания
9
психрофильных
и
психроактивных
микроорганизмов;
механизмы
адаптации.
Распространение галофильных бактерий, способы осморегуляции.
Тема
5.
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 6. 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 7. 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 8. 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 9.
Микробные процессы в биотехнологии окружающей среды.
Биоразрушения. Биологическая обработка органических отходов. Аэробная и анаэробная
очистка сточных вод. Биоремедиация загрязненных почв и грунтов.
10
Тема 10. 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 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 самостоятельной работы аспирантов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины.
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.
Контрольная работа:
1. Лимитирование роста и развития микроорганизмов экологическими факторами.
11
2.
Кооперативные взаимоотношения и конкуренция в микробиоценозах.
3. Эволюция и функции симбиоза.
4. Отношение микроорганизмов к кислороду. Аноксигенный фотосинтез.
5. Микробиологические превращения биогенных элементов в биосфере.
6. Бобово-ризобиальный симбиоз.
7. 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 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
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
микроорганизмы, их деятельность в почве.
19. Микрофлора ризосферы, ее состав, значение.
20. Эпифитная микрофлора, ее состав и роль.
анаэробные
13
21. Азотфиксация
и
проблема
плодородия
почвы.
Свободноживущие
и
симбиотические азотфиксаторы.
22. Микориза, ее значение.
23. Выживаемость патогенных микроорганизмов в почве.
24. Экология и физиология микроорганизмов нефтяных месторождений.
25. Биоремидиация загрязненных почв и грунтов.
26. Биологическая обработка органических отходов.
27. Методы исследования экологии микроорганизмов.
7. 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.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
9.1. Основная литература:
1. Экология микроорганизмов / Под ред. А.И. Нетрусова. М.: Издательский центр
«Академия», 2004. 272 с.
2. Колоколова Н.Н. Микроорганизмы в природных ценозах. Учебное пособие.
Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2008. 136 с.
3. Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий. Л.: Изд-во Ленинградского унта, 1989. 246 с.
4. Шлегель Г. Общая микробиология. М.: Мир, 1987. 567 с.
5. Стейниер Р., Эдельберг Э., Ингрэм Дж. Мир микробов. М.: Мир, 1979. Т. 1-3.
14
6. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. М.: Колос, 1978. 320 с.
7. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1987. 256 с.
8.
Горленко
В.М.,
Дубинин
Г.А.,
Кузнецов
С.И.
Экология
водных
микроорганизмов. М.: Наука, 1977. 289 с.
9. Заварзин Г.А. Бактерии и состав атмосферы. М.: Наука, 1984. 199с.
8.2. Дополнительная литература:
1. Вербина Н.М. Гидромикробиология. М.: Пищевая промышленность, 1980. 288 с.
2.
Кондратьева
Е.Н.
Хемолитотрофы
и
метилотрофы.
М.:
Изд-во
Московского ун-та, 1983. 176 с.
3. Заварзин Г.А. Литотрофные микроорганизмы. М.: Наука, 1972. 324с
4. Заварзин Г.А., Колотилова Н.Н. Введение в природовенческую микробиологию.
М.: Книжный дом «Университет», 2001. 256 с.
5. Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии. М.: Наука, 2003.
348 с.
6. Жизнь микробов в экстремальных условиях / Под. ред. Д. Кашнера. М.: Мир,
1981. 520 с.
7. Розанова Е.П., Кузнецов С.И. Микрофлора нефтяных месторождений. М.: Наука,
1974. 197 с.
8. Яковлева Н.П. Фитопатология. Программированное обучение. М.: Колос, 1992.
384 с.
9. Борисов Л.Б. Медицинская микробиология, вирусология, иммунология. М.:
Медицинское инф. агенство, 2005. 736 с.
10. Статьи в периодических изданиях – «Успехи микробиологии», журналах –
«Микробиология», «Прикладная биохимия и микробиология», «Экология» и др.
8.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:
www.dic.academic.ru
www.microbiologu.ru
www.elibrary.ru
www.wikipedia.ru
www.bse.sci-lib.com
15
9. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины.
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 битехнологических 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
коллекцию.
В
лаборатории
микробиологии
имеется
также
микроскопическая техника (микроскопы, бинокуляры), спектрофотометр для изучения
экологии микроорганизмов.