Экологическая биотехнология

МИНОБРНАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВЛАДИВОСТОКСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА
ИНСТИТУТ ИНФОРМАТИКИ ИННОВАЦИЙ И БИЗНЕССИСТЕМ
КАФЕДРА ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
Экологическая биотехнология
Рабочая программа учебной дисциплины
Основная образовательная программа
022000.68 Экология и природопользование
Владивосток
Издательство ВГУЭС
2014
ББК 20
Рабочая программа учебной дисциплины «Экологическая
биотехнология» составлена в соответствии с требованиями ООП
022000.68 Экология и природопользование (Экология и охрана
окружающей среды) на базе ФГОС ВПО
Составитель: Н.В. Иваненко, доцент кафедры «Экологии и
природопользования»
Утверждена
на
заседании
кафедры
«Экологии
и
природопользования». Редакция 19 февраля 2014 г., протокол № 6
© Издательство Владивостокский
государственный университет
экономики и сервиса, 2014
ВВЕДЕНИЕ
Экологическая
биотехнология
–
сравнительно
новое
направление науки и прикладной биотехнологии – представляет
собой область междисциплинарных знаний биологии, химии и
геохимии,
экологии,
почвоведения,
гидробиологии,
микробиологии, биохимии и физиологии, популяционной генетики,
инженерно-технологических дисциплин. Актуальность введения
данной дисциплины обусловлена тем, что экологическая
биотехнология становится все более востребованной сферой
деятельности для решения проблем охраны окружающей среды.
Это ставит перед дисциплиной
ряд важных задач. Она
обеспечивает будущих магистров знанием фундаментальных
вопросов использования биологических методов для очистки
окружающей среды от техногенных загрязнений и переработки
отходов: особенностей природных экосистем, закономерностей их
формирования и функционирования; специфики приоритетных
антропогенных загрязнений (химических, биологических), путях их
миграции в окружающей среде, абиотической и биологической
трансформации;
свойств
микроорганизмов-биодеструкторов,
методов их селекции и закономерностей функционирования в
природных
средах;
закономерностей
биотрансформации
органических ксенобиотиков, природных полимеров, соединений
азота, серы и металлов. Прикладные вопросы, рассматриваемые в
рамках курса, включают инженерно-технологические основы
использования экобиотехнологий для очистки загрязненных вод,
дезодорации газовоздушных выбросов, переработки отходов,
ремедиации почв.
1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ
1.1 Цели освоения учебной дисциплины
Цель дисциплины «Экологическая биотехнология» –
изучение основ биотехнологических процессов.
Задачи курса – формирование навыков и умения по
следующим направлениям деятельности:
 формирование представления о современном состоянии и
перспективах развития биотехнологии;
 изучение методов биотехнологии;
 характеристика продуктов биосинтеза и биотрансформации
животных и растительных клеток.
1.2 Место учебной дисциплины в структуре ООП (связь с
другими дисциплинами)
Дисциплина
«Экологическая
биотехнология»
относится
факультативным дисциплинам (Ф.3.) ООП 022000.68 Экология и
природопользование (Экология и охрана окружающей среды)
Для
успешного
освоения
дисциплины
«Экологическая
биотехнология» магистры должны владеть компетенциями,
полученными при изучении дисциплин бакалавриата: химия,
экология, экология организмов, биология, техногенные системы и
экологический риск, экологический мониторинг, прикладная
экология.
1.3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате
освоения учебной дисциплины
Таблица 1. Формируемые компетенции 022000.68 «Экология и
природопользование»
Компетенции
Знания/ умения/ владения (ЗУВ)
ПК- 4
Знания:
использованием
современных
методов обработки и
Владение:
интерпретации
экологической
информации при
проведении научных
и производственных
исследований
обработки и
интерпретации
экологической
информации при
проведении научных
и производственных
исследований
методов экологического
мониторинга
современными методами
обработки и интерпретации
экологической информации
для оценки состояния,
устойчивости и прогноза
развития природных
комплексов
1.4 Основные виды занятий и особенности их проведения
Общая трудоемкость в семестре составляет 72 часа, 2 зачетные
единицы.
При изучении данной дисциплины 4 часа отводится на лекционные
занятия, 12 – на практические, 56 - на самостоятельное обучение.
Промежуточная аттестация – зачет.
Семестр – 4.
Подача теоретического материала осуществляется в форме
классической лекции. Для понимания лекционного материала
студент должен владеть специальной терминологией, которую
обучающийся усваивает самостоятельно – перед проведением
лекции студент получает задание, заключающееся в работе с
литературой по предложенной теме. Знание специальной
терминологии облегчает усвоение материала студентом, и, дает
возможность вовлечь слушателя в учебный процесс путем
применения диалога. Средствами активизации выступают
отдельные вопросы к аудитории, организация дискуссии. Таким
образом, в процессе лекции обеспечивается работа обучающегося
совместно с преподавателем.
Практические занятия предусматривают непосредственное участие
студента в учебном процессе посредством участия в дискуссии,
семинаре, обсуждении результатов практической работы.
Семинары и дискуссии построены с использованием метода
анализа конкретных ситуаций. То есть, на практическом занятии
преподавателем создаются конкретные ситуации, взятые из
профессиональной практики. В этом случае от обучающихся
требуется глубокий анализ предложенной ситуации и практическое
решение поставленной задачи. Этот метод позволяет реализовать
множество функций: исследования, изучения, оценки, обучения,
воспитания, развития, самооценки и самоконтроля.
Активной формой обучения являются лабораторные работы, в ходе
которых перед студентом ставится одна из практических задач, с
которой
придется
столкнуться
будущему
магистру
в
производственной или научной деятельности.
В ходе подготовки к лабораторной работе обучающиеся должны
знать основной теоретический материал, цель, содержание и
методику ее проведения, правила пользования приборами, технику
безопасности. Кроме того, они должны заготовить схемы, таблицы,
графики, необходимые для выполнения работы.
Самостоятельная работа студентов включает работу с учебной и
научной литературой при подготовке к защите лабораторных работ
и к зачету, работу с нормативной документацией, необходимой для
грамотного проведения эксперимента в рамках лабораторной
работы. Самостоятельная работа проводится с целью:
систематизации и закрепления, углубления и расширения теоретических знаний и практических умений, приобретаемых магистрами
в ходе аудиторных занятий; формирования умений использовать
специальную литературу; развития познавательных способностей и
активности обучающихся в магистратуре; формирования
самостоятельности мышления, способности к саморазвитию,
самосовершенствованию
и
самореализации;
развития
исследовательских умений. Самостоятельная работа при изучении
дисциплины «Экологическая биотехнология» подразделяется на
три вида: 1) аудиторная самостоятельная работа (выполнение
контрольных работ, тестов); 2) самостоятельная работа под
контролем преподавателя (творческие контакты, плановые
консультации, экзамен); 3) внеаудиторная самостоятельная работа
при выполнении студентом домашних заданий учебного и
творческого характера (подготовка к лекциям, подготовка отчетов к
лабораторным работам, индивидуальные работы по отдельным
разделам содержания дисциплины, подготовка к экзамену).
Интерактивные занятия составляют 40 % от аудиторных проводятся в форме:
 активных дискуссий;
 лабораторных работ, которые завершаются публичным
представлением отчета.
1.5 Виды контроля и отчетности по дисциплине
Контроль успеваемости магистров осуществляется в соответствии с
рейтинговой системой оценки знаний магистров.
Текущий контроль успеваемости содержит задания, которые
способствуют
развитию
компетенций
профессиональной
деятельности, к которой готовится выпускник и включает:
 проверку уровня самостоятельной подготовки студента при
выполнении индивидуального задания, при подготовке к
лабораторной работе;
 участие студента в дискуссиях по основным моментам
изучаемой темы;
 написание и защиту отчетов по лабораторным работам.
Текущий контроль предусматривает использование фондов
оценочных средств:
 решение ситуационных задач по разделам изучаемого
материала;
 тестирование.
Промежуточная аттестация осуществляется в виде зачета.
2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ
ДИСЦИПЛИНЫ
2.1 Темы лекций
Введение
Введение. Биотехнология как межотраслевая область научнотехнического прогресса и раздел практических знаний. Основные
факторы, обусловившие развитие современной биотехнологии.
Связи
биотехнологии
с
биологическими,
химическими,
техническими и другими науками. Практические задачи
биотехнологии и важнейшие этапы ее развития. Области
применения достижений биотехнологии. Перспективы развития
биотехнологии. Сырьевая база биотехнологии. Живая клетка –
основа биологических систем,
метаболизм и принципы его
регуляции.
Тема 1. Современное состояние и перспективы развития
биотехнологии
Современная биотехнология, как новое научно-техническое
направление. Достижения в области генетической инженерии.
Достижения в области биокатализа. Достижения в области
иммунологии. Достижения в технологии ферментации. Достижения
в области биоэлектрохимии. Области применения современной
биотехнологии. Проблема биологической безопасности.
Тема 2. Методы биотехнологии. Методы конструирования
продуцентов биологически-активных веществ
Селекция. Метод рекомбинантных ДНК. Гибридомная технология.
Тема 3. Особенности производства ферментов
Источники ферментов. Промышленные ферменты, продуцируемые
микроорганизмами.
Тема 4. Требования, предъявляемые к продуцентам ферментов.
Особенности иммобилизации биообъектов и их применение в
биотехнологии
Природные и синтетические органические носители, используемые
для иммобилизации ферментов. Типы неорганических носителей.
Способы иммобилизации ферментов: адсорбция, включение в гели
и полупроницаемые мембраны, ковалентное связывание.
Тема 5. Основные методы выделения природных соединений
Осаждение белков. Фракционирование белков на ионообменниках.
Афинная хроматография. Гидрофобная хроматография. Гельфильтрация.
Тема 6. Основы клеточной инженерии
Понятие
культуры
изолированных
клеток
и
тканей.
Культивирование изолированных клеток и тканей. Использование
клеточных культур с заданными свойствами.
Тема 7. Аспекты технологического процесса при выделении
продуктов биосинтеза
Типовые технологические схемы и аппаратурное оформление:
стадий культивирования (биосинтеза), поддержания асептических
условий, температуры, рН среды и др. параметров процесса на
требуемом уровне, тепло- и массообмена; стадий выделения и
очистки продуктов биосинтеза и биотрансформации в лаборатории
и производстве. Оценка процесса ферментации.
Тема 8. Продукты биосинтеза и биотрансформации животных и
растительных клеток
Использование препаратов ферментов. Препараты биологическиактивных добавок, содержащих смеси аминокислот, пептидов,
витаминов и микроэлементов. Биотехнология производства
продуктов питания и напитков. Современные тенденции в
получении искусственной пищи.
Тема 9. Экологическая биотехнология
Биотехнология в энергетике. Очистка сточных вод. Интенсивная
очистка сточных вод. Региональные аспекты биотехнологических
исследований.
2.2 Перечень тем практических/лабораторных занятий
Тема 1. Техника безопасности. Методы биотехнологии.
Обобщенная схема производства микробиологических препаратов.
Микробиологический контроль биотехнологических производств.
Тема 2. Получение альтернативного топлива (этанола) из
продуктов растениеводства. Получение биогаза из органических
остатков
Тема 3. Консервирование биологически активного сырья
животного происхождения методом ацетонового порошка.
Тема 4. Метод культуры изолированных тканей (экскурсия в
лабораторию биотехнологии ДВО РАН)
2.3 Самостоятельная работа студентов
Самостоятельная работа студентов включает работу с учебной и
научной литературой при подготовке практическим занятиям
(лабораторным работам) и к зачету.
3. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах
составляет 40% аудиторных занятий.
В образовательном процессе используются инновационные
технологии обучения: активная дискуссия, лабораторные работы –
решение ситуационных задач.
Для статистической обработки данных, полученных в ходе
эксперимента, оформления письменных работ, работы в
электронных библиотечных системах
студенту необходимы
пакеты программ Microsoft Office (Excel, Word, Power Point, Acrobat
Reader), Internet Explorer, или других аналогичных.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО
ИЗУЧЕНИЮ КУРСА
4.1 Перечень и тематика самостоятельных работ студентов по
дисциплине
На самостоятельное изучение выносятся следующие темы:
1. Живая клетка – основа биологических систем, метаболизм и
принципы его регуляции.
2. Особенности иммобилизации биообъектов и их применение в
биотехнологии
a. Природные и синтетические органические носители,
используемые для иммобилизации ферментов.
b. Типы неорганических носителей.
c. Способы иммобилизации ферментов: адсорбция,
включение в гели и полупроницаемые мембраны,
ковалентное связывание.
3. Основные методы выделения природных соединений
a. Осаждение белков.
b. Фракционирование белков на ионообменниках.
c. Афинная хроматография
d. Гидрофобная хроматография.
e. Гель-фильтрация.
4. Биотехнология производства продуктов питания и напитков.
5. Региональные аспекты биотехнологических исследований
4.2. Контрольные вопросы для самостоятельной оценки
качества освоения учебной дисциплины
1. Рестриктазы и их использование в генетической инженерии.
2. Основные виды векторов, используемые при
получении
рекомбинантных ДНК.
3. Плазмиды, их
происхождение, классификация, строение и
свойства.
4. Основные этапы конструирования рекомбинантных ДНК.
5. Клонирование ДНК.
6. Использование методов генетической инженерии для получения
инсулина, соматостатина, соматотропина, -эндорфина и
интерферона,
7. Получение и использование трансгенных растений и животных.
8. Технология культуры
изолированных
тканей растений:
стерилизация, питательные среды.
9. Каллусные культуры и их использование.
10. Суспензионные культуры
растительных клеток и их
использование.
11. Культура протопластов клеток растений и использование ее в
клеточной и генетической инженерии.
12. Органогенез в культуре in vitro.
13. Клональное микроразмножение растений.
14. Культура меристем и ее использование для оздоровления
растений.
15. Соматический эмбриогенез в культуре клеток растений in vitro и
получение искусственных семян.
16. Сохранение генофонда растений с использованием культуры
in vitro.
17. Криосохранение семян и культур растений.
18. Культуры изолированных клеток животных и их использование
в производстве медицинских препаратов, вакцин и
лекарственных веществ.
19. Получение моноклональных антител и их использование.
20. Сомаклональная изменчивость в культурах изолированных
клеток и тканей растений и клеточная селекция.
21. Структура Lac-оперона и его регуляция.
22. Получение ауксотрофных микроорганизмов (сверхпродуцентов)
и их использование в биотехнологии.
23. Принципы
получения
незаменимых
аминокислот
в
биоиндустрии.
24. Микробиологические
способы
получения
важнейших
витаминов.
25. Углеводы микробного происхождения и их применение в
промышленности и медицине.
26. Биотехнология
получения
важнейших
антибиотиков
(пенициллины, стрептомицин, эритромицин).
27. Методы иммобилизации ферментов.
28. Промышленные
процессы
с
использованием
иммобилизованных ферментов (получение глюкозо-фруктозных
сиропов, рацемических смесей, безлактозного молока и др.).
29. Принципы действия и области использования биосенсоров.
30. Применение иммобилизованных целлюлитических ферментов в
процессах биоконверсии целлюлозы.
31. Утилизация отходов животноводства и получение биогаза.
32. Биотехнологические производства на службе повышения
продуктивности сельскохозяйственных культур.
33. Использование бактерий в горнодобывающей промышленности.
34. Биотехнологические способы очистки воды.
4.3 Методические рекомендации по организации СРС
Основным видом самостоятельной работы магистров является
подготовка к практическим/лабораторным занятиям и к зачету.
Прежде чем приступить к выполнению практических работ,
необходимо глубоко усвоить содержание темы работы. Для
самостоятельной оценки качества усвоения тем практических
занятий рекомендуется использовать контрольные вопросы,
представленные выше.
Допуск к выполнению лабораторной работы предусматривает
знание теоретического материала.
Оформление отчетов по лабораторным работам производится
согласно общим требованиям.
4.4 Рекомендации по работе с литературой
В учебных пособиях, указанных в основной литературе в той или
иной мере раскрыто содержание центральных тем настоящей
учебной программы. При изложении экологических проблем
современности и вопросов, связанных с охраной окружающей
среды и обеспечением экологической безопасности авторы
учебников придерживаются собственных позиций. Поэтому,
помимо изучения основной литературы по дисциплине
«Экологическая биотехнология», магистранту рекомендуется
изучить дополнительную литературу, ознакомиться с научными
статьями, опубликованными в ведущих российских и зарубежных
журналах, а также изучить нормативную документацию.
5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
5.1 Основная литература
1. Биотехнология: учебное пособие для студ. вузов / И. В.
Тихонов, Е. А. Рубан, Т. Н. Грязнева и др.; под ред. Е. С.
Воронина. - СПб. : ГИОРД, 2008. - 704 с.
2. Егорова Т.А. Основы биотехнологии: учебное пособие для студ.
вузов / Т. А. Егорова, С. М. Клунова, Е. А. Живухина. - 3-е изд.,
стереотип. - М. : Академия, 2006. - 208 с. : ил.
3. Основы биотехнологии высших грибов: учебное пособие для
студ. вузов / Н. А. Заикина, А. Е. Коваленко, В. А. Галынкин и
др.. - СПб. : Проспект Науки, 2007. - 336 с. : ил.
4. Красникова Л.В. Микробиология: учебное пособие для
студентов вузов / Л. В. Красникова. - СПб. : Троицкий мост,
2012. - 629 с.
5. Прикладная экобиотехнология. Том 1: Учебное пособие /
Кузнецов А. Е.. - Москва : БИНОМ. ЛЗ, 2012. - 485
6. Прикладная экобиотехнология. Том 2: Учебное пособие /
Кузнецов А. Е.. - Москва : БИНОМ. ЛЗ, 2012. – 485 с.
7. Саловарова
В.П.
Эколого-биотехнологические
основы
конверсии растительных субстратов: учебное пособие для студ.
вузов / В. П. Саловарова, Ю. П. Козлов. - 2-е изд.,перераб. и доп.
- М. : ИАЦ Энергия, 2007. - 544 с.
8. Сельскохозяйственная биотехнология: учебник для студ. вузов /
В. С. Шевелуха, Е. С. Воронин, Е. А. Калашникова и др.; под
ред. В. С. Шевелухи. - 3-е изд.,перераб. и доп. - М. : Высш. шк.,
2008. - 710 с.
9. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия: учебное пособие для
студ. вузов / С. Н. Щелкунов. - 3-е изд.,испр. и доп. Новосибирск : Сиб. универ. изд-во, 2008. - 514 с.
5.2 Дополнительная литература
1. Звягинцев Д.Г. Биология почв: учебник для студ. вузов, обуч. по
спец. "Почвоведение" / Д. Г. Звягинцев, И. П. Бабьева, Г. М.
Зенова ; Моск. гос. ун-т им. М. В. Ломоносова. - 3-е изд., испр. и
доп. - М. : Изд-во Моск. гос. ун-та, 2005. - 445 с.
2. Красникова Л.В. Микробиология: учебное пособие для
студентов вузов / Л. В. Красникова. - СПб. : Троицкий мост,
2012. - 296 с.
3. Экология микроорганизмов: учебник для студ. ун-тов, обуч. по
спец. 012400 «Микробиология» и др. биол. спец. / А. И.
Нетрусов, Е. А. Бонч-Осмоловская, В. М. Горленко и др. ; под
ред. А. И. Нетрусова. - М. : Академия, 2004. - 272 с.
5.3 Полнотекстовые базы данных
Электронные библиотеки, режимы доступа:
http://www.elibrary.ru/
http://rucont.ru/
http://www.biblioclub.ru
http://www.book.ru
http://tricon.ru/.
5.4 Интернет-ресурсы
Правовые информационные системы «Консультант Плюс»,
«Технорматив», «Кодекс», «Гарант» - доступ с компьютеров
медиатеки (ауд. 2502).
Государственный доклад состоянии окружающей среды
http://www.ecocom.ru/arhiv/ecocom/officinf.html
«Россия в окружающем мире» (ежегодник)
http://eco-mnepu.narod.ru/book/
Сайты:
Владивостокского государственного университета экономики и
сервиса: http://www.vvsu.ru/
Министерства природных ресурсов и экологии Российской
Федерации http://www.mnr.gov.ru
Федеральной службы по экологическому, технологическому и
атомному надзору http://www.gosnadzor.ru
Гильдии экологов http://www.ecoguild.ru
Гринпис
Российское
представительство
http://www.greenpeace.org/russia/ru/
WWF (Всемирный фонд дикой природы) http://www.wwf.ru/
Центр экологической политики России и др. сайты
государственных и общественных экологических организаций
http://www.ecopolicy.ru
Современные профессиональные базы данных, информационные,
справочные и поисковые системы: Aquatic Conservation, Biodiversity
and Conservation, Ecological Research, Ecosystems, Ecotoxicology,
Environmental and Ecological Statistics, Environmental International,
Environmental Health, Environmental Management, Environmental
Manager, Environmental Monitoring and Assessment, Environmental
Pollution, Environmental Science and Technology, Environmetrics,
European Environment, European Journal of Forest Research,
Evolutionary Ecology, Journal of Environmental Monitoring, Journal of
Chemical Ecology, Journal of Health and Place, Journal of Plant
Research, Land Degradation and Rehabilitation, Landscape and
Ecological
Engineering,
Landscape
and
Urban
Planing,
Naturwissenschaften, Population Ecology, Urban Ecosystems.
На территории кампуса ВГУЭС студент может воспользоваться
указанными ресурсами посредством Wi-Fi. Доступ к ресурсам
Интернет-ресурсам возможен через ПК, установленные в
библиотеке ВГУЭС.
6. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Программное обеспечение: Microsoft Office (Excel, Word, Power
Point, Acrobat Reader), Internet explorer, или другое аналогичное.
7. СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ
Биотехнология
–
дисциплина,
изучающая
возможности
использования живых организмов, их систем или продуктов их
жизнедеятельности для решения технологических задач, а также
возможности создания живых организмов с необходимыми
свойствами методом генной инженерии.
Генетическая инженерия (генная инженерия) — совокупность
приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и
ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления
манипуляций с генами и введения их в другие организмы.
Каллусная ткань – это неорганизованная пролиферирующая
ткань, состоящая из дедиференциированных клеток.
Культивирование
клеток
представляет
собой
процесс,
посредством которого in vitro отдельные клетки (или единственная
клетка) прокариот и эукариот искусственно выращиваются в
контролируемых условиях. На практике термин «культура клеток»
относится в основном к выращиванию клеток, относящихся к одной
ткани, полученных от многоклеточных эукариот, чаще всего
животных.
Техническая
(промышленная)
микробиология,
или
биотехнология, занимается исследованием микробиологических
процессов, применяемых для получения дрожжей, кормового белка,
липидов и др., а также микробиологическим синтезом
антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот и др.