Экология микроорганизмов - Основные образовательные

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
ФГБОУ ВПО
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт Биологии
Кафедра ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры
Колоколова Н.Н.
ЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов специальности 020803.65 Биоэкология очной формы обучения
Тюменский государственный университет
2013
2
Н.Н.
Колоколова.
Экология
микроорганизмов:
Учебно-
методический комплекс. Рабочая учебная программа для студентов
специальности 020803.65 Биоэкология. Тюмень. 2013. 15 с.
Учебно-методический
комплекс
«Экология
микроорганизмов»
составлен
в
соответствии
с
требованиями
Государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования для
студентов специальности 020803.65 Биоэкология. Рабочая учебная
программа включает в себя пояснительную записку, содержание
дисциплины, тематический план с указанием аудиторных часов и
самостоятельной работы по темам, перечень контрольных вопросов к
экзамену, список литературы.
Рабочая учебная программа дисциплины опубликована на сайте
ТюмГУ: Экология микроорганизмов [электронный ресурс] / Режим доступа:
http://www.umk.utmn.ru, свободный.
Рекомендовано к электронному изданию Учебно-методической
комиссией Института Биологии. Одобрено Учебно-методической секцией
Ученого Совета ТюмГУ.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой ботаники,
биотехнологии и ландшафтной архитектуры Н.А. Боме, доктор
сельскохозяйственных наук, профессор.
© Тюменский государственный университет, 2013.
© Колоколова Н.Н., 2013.
3
1. Пояснительная записка.
Цель преподавания дисциплины – ознакомление студентов 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.
Курс «Экология микроорганизмов» предназначена для студентов,
обучающихся по специальности 020803.65 Биоэкология очной формы
обучения, и относится к дисциплине специализации «Экология растений».
Дисциплина «Экология микроорганизмов» связана с другими дисциплинами:
«Экология растений», «Экология популяций и сообществ», «Глобальная
экология», «Экология фотосинтеза».
Для успешного освоения дисциплины студент 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.
В результате освоения дисциплины студенты должны:
- 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.
4
Семестр 9. Форма промежуточной аттестации – экзамен. Общая
трудоемкость дисциплины составляет 48 часов (из них лекций – 34 часа,
самостоятельная работа – 14 часов).
2. Тематический план изучения дисциплины.
Таблица 1.
№
Наименование темы
Лекции
(кол-во
часов)
п\п
Индивидуальная
самостоятельная
Формы
контроля
работа студента
(кол-во часов)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Биосфера
и природные
местообитания микроорганизмов
Микробное сообщество
3
0,5
2
0,5
Формы взаимоотношений
микроорганизмов
Экофизиологические группы
микроорганизмов
Экология водных микроорганизмов
4
1
3
2
4
2
Экология почвенных
микроорганизмов
Микробно-растительные
взаимодействия
Микрофлора нефтяных
месторождений
Микробные процессы в
биотехнологии окружающей среды
Методы исследования экологии
микроорганизмов
Всего
4
2
4
1
3
2
3
1
4
2
34
14
Экзамен
5
Таблица 2.
Наименование темы
Лекции
Индивид. и
Итого
(кол-во
самост. работа
часов)
студента
часов
по
теме
Итого
кол-во
баллов
(кол-во часов)
1
2
3
4
5
6
Модуль 1
1
2
Биосфера
и природные
местообитания микроорганизмов
Микробное сообщество
3
0,5
3,5
0-10
2
0,5
2,5
0-10
Всего
5
1
6
20
4
1
5
0-5
3
2
5
0-10
4
2
6
0-10
4
2
6
0-15
15
7
22
40
4
1
5
0-10
3
2
5
0-10
3
1
4
0-10
Модуль 2
3
4
5
6
Формы взаимоотношений
микроорганизмов
Экофизиологические группы
микроорганизмов
Экология водных
микроорганизмов
Экология почвенных
микроорганизмов
Всего
Модуль 3
7
8
9
10
Микробно-растительные
взаимодействия
Микрофлора нефтяных
месторождений
Микробные процессы в
биотехнологии окружающей
среды
Методы исследования экологии
микроорганизмов
Всего
4
2
6
0-10
14
6
20
40
Итого (часов, баллов)
34
14
48
0-100
6
Таблица 3.
п. №
темы
Формы текущего контроля
фронталь- коллок- тестироный опрос
вание
виум
конспект по
Итого
собеседование
реферат
презен-
кол-во
тация
баллов
теме
Модуль 1
1.
0-1
-
-
0-7
0-2
-
0-10
2.
0-1
0-8
-
-
0-1
-
-
0-10
Всего
0-2
0-8
-
0-7
0-3
-
-
0-20
Модуль 2
3.
0-1
-
-
0-2
0-2
-
-
0-5
4.
0-1
-
-
-
0-2
0-7
-
0-10
5.
0-1
-
-
-
0-2
-
0-7
0-10
6.
0-1
-
0-10
0-2
0-2
-
-
0-15
Всего
0-4
-
0-10
0-4
0-8
0-7
0-7
0-40
Модуль 3
7.
0-1
0-8
-
-
0-1
-
-
0-10
8.
0-1
-
0-7
-
0-2
-
-
0-10
9.
0-1
-
-
-
0-2
0-7
-
0-10
10.
0-1
-
-
-
0-2
-
0-7
0-10
Всего
0-4
0-8
0-7
-
0-7
0-7
0-7
0-40
Итого
0-10
0-16
0-17
0-11
0-18
0-14
0-14
0-100
Примечание: номера тем соответствуют названиям, приведенным в таблице 1.
7
2. 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
и
давление,
отношение
магнитные
к
кислороду,
поля
и
др.
соленость,
Термофильные
микроорганизмы и природа их термоустойчивости. Естественные среды обитания
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.
8
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.
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.
3. Основные виды самостоятельной работы студентов
Таблица 4.
Примерная программа самостоятельной работы студентов
№
Модули и темы
1.
Биосфера
и природные
местообитания микроорганизмов
Виды СРС
обязательные
дополнительные
Неделя
семестра
Объем
часов
Кол-во
баллов
1
0,5
0-10
2-3
0,5
0-10
1
0-20
Модуль 1
чтение
обязательной
литературы,
чтение
дополнительной
литературы
чтение
обязательной
литературы,
коллоквиум
чтение
дополнительной
литературы, сайты
Интернет
составление
конспекта по
предложенной
теме
2.
Микробное сообщество
Всего по модулю 1:
9
3.
Формы взаимоотношений
микроорганизмов
Модуль 2
чтение
чтение
обязательной
дополнительной
литературы,
литературы,
составление реферата
составление
4
1
0-5
5-6
2
0-10
7
2
0-10
8
2
0-15
7
0-40
9
1
0-10
10
2
0-10
11
1
0-10
12-13
2
0-10
6
0-40
0-100
конспекта по
предложенной
теме
4.
Экофизиологические группы
микроорганизмов
защита реферата
5.
Экология водных
микроорганизмов
представление
презентации
6.
Экология почвенных
микроорганизмов
выполнение
теста
чтение обязательной и
дополнительной
литературы,
разработка
презентации по
заданной теме
чтение
дополнительной
литературы,
подготовка к
тестированию
чтение
дополнительной
литературы,
проработка лекций
Всего по модулю 2:
7.
Микробно-растительные
взаимодействия
8.
Микрофлора нефтяных
месторождений
9.
Микробные процессы в
биотехнологии окружающей
среды
10.
Методы исследования экологии
микроорганизмов
Модуль 3
коллоквиум
чтение обязательной и
дополнительной
литературы,
подготовка к
тестированию
выполнение
чтение обязательной и
теста
дополнительной
литературы,
составление реферата
защита реферата
чтение обязательной и
дополнительной
литературы,
разработка
презентации по
заданной теме
представление
чтение
презентации
дополнительной
литературы,
проработка лекций,
сайты Интернет
Всего по модулю 3:
ИТОГО:
14
Самостоятельная работа студентов специальности «Биоэкология» по дисциплине
«Экология микроорганизмов » включает следующие виды учебной деятельности: чтение
обязательной и дополнительной литературы, включая сайты Интернет; фронтальный
опрос, собеседование, коллоквиум; выполнение теста, составление конспекта по заданной
теме, разработку презентаций и подготовку рефератов по предложенной теме.
Примерные темы конспектов и коллоквиумов:
1. Лимитирование роста и развития микроорганизмов экологическими факторами.
2.
Кооперативные взаимоотношения и конкуренция в микробиоценозах.
10
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.
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.
Тема реферата выбирается в соответствии с интересами студента. 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».
11
Примеры тестовых заданий:
1. Большинство мицелиальных грибов являются:
1) нейтрофилами;
2) умеренными ацидофилами;
3) алкалофилами.
4) нет правильного ответа.
2. Бактериохлорофиллы имеют максимумы поглощения в области спектра:
1) ближнем ультрафиолете;
2) инфракрасной;
3) дальнем ультрафиолете;
4) среднем ультрафиолете.
3. Озера с обильным поступлением к ним биогенных элементов называются:
1) олиготрофными;
2) эвтрофными;
3) дистрофными;
4) мезотрофными.
4. Гумусовые соединения почвы разлагают микроорганизмы:
1) зимогенные;
2) олиготрофные;
3) автохтонные;
4) хемолитоавтотрофные.
5. Микроорганизмы, существующие в постоянно холодных условиях, это:
1) мезофильные;
2) психроактивные;
3) психрофильные;
4) термофильные.
12
6. Ризосфера – это пространство вокруг корня растений диаметром до:
1) 8 мм;
2) 1 м;
3 50 см;
4) 8 см.
7. Денитрификация – это процесс, при котором в результате деятельности
микроорганизмов происходит:
1) восстановление нитратов;
2) усвоение молекулярного азота;
3) выделение аммиака;
4) окисление аммиака.
8. В эпилимнионе озер обитают:
1) пурпурные бактерии;
2) зеленые бактерии;
3) цианобактерии;
4) нет правильного ответа.
9. Бактерии какого рода, входящие в состав водных и почвенных микробиоценозов,
паразитируют на бактериях:
1) Pseudomonas;
2) Bdellovibrio;
3) Clostridium;
4) Mycobacterium.
10. Приспособление организмов к сухости:
1) осмофилия;
2) ксерофилия;
3) галофилия;
4) ацидофилия.
13
4. Контрольные вопросы к экзамену:
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
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.
и
14
27. Методы исследования экологии микроорганизмов.
5. Рекомендуемая литература
а) основная:
1. Емцев, В.Т. и др. Микробиология. М.: Юрайт, 2012. – 445 с. Гриф УМО
Экология
микроорганизмов / Под ред. А.И. Нетрусова. М.: Издательский центр «Академия», 2004.
272 с.
2. Колоколова, Н. Н. Микроорганизмы в природных ценозах: учеб. пособие/ Н. Н.
Колоколова; Тюм. гос. ун-т. - Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2008. - 136 с.
б) дополнительная:
1. Кожевин, П. А. Микробные популяции в природе/ П. А. Кожевин. - Москва: Издво МГУ, 1989. - 175 с.
2. Экология микроорганизмов: учеб. для студ. ун-та, обуч. по спец. 012400
"Микробиология" и др. биол. спец./ ред. А. И. Нетрусова. - Москва: Академия, 2004. - 272
с.; Гриф УМО
3. Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий. Л.: Изд-во Ленинградского унта, 1989. – 246 с.; Гриф Гос. ком. СССР
4. Нетрусов А.И., Котова И.Б. Микробиология. М.: «Академия», 2006. – 352 с.;
Гриф УМО
Интернет-ресурсы:
www.dic.academic.ru
www.microbiologu.ru
www.elibrary.ru
6. Технические средства и материально-техническое обеспечение
дисциплины.
Лекции по дисциплине «Экология микроорганизмов» читаются в аудитории
кафедры ботаники и биотехнологии растений 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
15
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.