1. Цели освоения дисциплины
| 1.1. | Цель: формирование у студентов знаний о природоохранных биотехнологиях, умений и навыков планирования и организации мероприятий по мониторингу состояния окружающей среды с применением природоохранных биотехнологий. |
|---|
2. Место дисциплины в структуре ООП
| Цикл (раздел) ООП: Б1.О.03 |
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
| ПК-2 | Способен разрабатывать новые и модифицировать существующие биотехнологические процессы получения БАВ с использованием микроорганизмов, клеточных культур, животных и растений |
| ПК-2.1 | Знает основные классы БАВ и методы их получения, способы культивирования организмов |
| ПК-2.2 | Умеет анализировать отечественный и зарубежный опыт в области технологий получения БАВ, модифицировать существующие биотехнологические процессы получения БАВ |
| ПК-2.3 | Владеет методами культивирования живых организмов и навыками планирования и организации проведения исследовательских работ в области биотехнологических процессов получения БАВ |
| ПК-3 | Способен к проведению микробиологических работ для оценки экологической и биологической безопасности территорий, акваторий и технологических производств |
| ПК-3.1 | Знает микробиологические основы оценки экологической и биологической безопасности территорий, акваторий и технологических производств |
| ПК-3.2 | Умеет анализировать микробиологические пробы ПК |
| ПК-3.3 | Владеет методами контроля экологической и биологической безопасности территорий, акваторий и технологических производств |
| В результате освоения дисциплины обучающийся должен | |
| 3.1. | Знать: |
|---|---|
| 3.1.1. | Знает теоретические основы проведения экологического мониторинга состояния окружающей среды с применением природоохранных технологий |
| 3.2. | Уметь: |
| 3.2.1. | Умеет использовать природоохранные биотехнологии для проведения мониторинга. |
| 3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
| 3.3.1. | Владеет методами оценки состояния окружающей среды и выявления экологически неблагоприятных территорий |
4. Структура и содержание дисциплины
| Код занятия | Наименование разделов и тем | Вид занятия | Семестр | Часов | Компетенции | Литература |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Раздел 1. Введение в экологическую биотехнологию | ||||||
| 1.1. | Развитие природоохранных биотехнологий | Лекции | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1 | |
| 1.2. | Проблема загрязнения водоемов и городских стоков. | Лабораторные | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1 | |
| 1.3. | Биологическое ведение сельского хозяйства. Биовосстановление, биодеградация и биопереработка | Сам. работа | 4 | 8 | Л1.1, Л2.1 | |
| Раздел 2. Биологическая очистка сточных вод | ||||||
| 2.1. | Принципы и методы очистки сточных вод. | Лекции | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1 | |
| 2.2. | Анаэробная и анаэробная биологические очистки сточных вод. | Лабораторные | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1 | |
| 2.3. | Технологические схемы биологической очистки сточных вод. Удаление биогенных элементов из сточных вод. Обезвоживание осадков очистных сооружений. | Сам. работа | 4 | 8 | Л1.1, Л2.1 | |
| Раздел 3. Биологическая очистка и дезодорация газо-воздушных выбросов | ||||||
| 3.1. | Биологическая очистка и дезодорация газо-воздушных выбросов | Лекции | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1 | |
| 3.2. | Физические, химические и биологические методы очистки воздуха и газо-воздушных выбросов. | Лабораторные | 4 | 4 | Л1.1, Л2.1 | |
| 3.3. | Микробиологические методы дезодорации газов. | Сам. работа | 4 | 8 | Л1.1, Л2.1 | |
| Раздел 4. Биотехнологическая переработка промышленных отходов | ||||||
| 4.1. | Переработка органических отходов | Лекции | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1 | |
| 4.2. | Микробиологическая переработка органических отходов. | Лабораторные | 4 | 4 | Л1.1, Л2.1 | |
| 4.3. | Вермикультивирование и вермикомпостирование. | Сам. работа | 4 | 7 | Л1.1, Л2.1 | |
| Раздел 5. Биоремедиация почв | ||||||
| 5.1. | Понятие биоремедиации и методы очистки загрязненных почв | Лекции | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1 | |
| 5.2. | Небиологические методы in situ и on situ. | Лабораторные | 4 | 4 | Л1.1, Л2.1 | |
| 5.3. | Биологические и комбинированные методы ремедиации. Биопрепараты. Основные этапы биоремедиационных работ. | Сам. работа | 4 | 6 | Л1.1, Л2.1 | |
| Раздел 6. Фиторемедиация загрязненных вод | ||||||
| 6.1. | Методы очистки загрязненных вод и почв растениями и водорослями. Биопруды и гидроботанические площадки. | Лекции | 4 | 1 | Л1.1, Л2.1 | |
| 6.2. | Фиторемедиация и ее виды: фитоэкстракция, фитотрансформация, фитодеградация, фитоиспарение, фитостабилизация, ризосферная биоремедиация. | Лабораторные | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1 | |
| 6.3. | Восстановление озерных экосистем | Сам. работа | 4 | 6 | Л1.1, Л2.1 | |
| Раздел 7. Биодеструкция ксенобиотиков | ||||||
| 7.1. | Способы очистки загрязненных сред от нефтепродуктов. | Лекции | 4 | 1 | Л1.1, Л2.1 | |
| 7.2. | Биологическое удаление тяжелых металлов в почвенных и водных средах | Лабораторные | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1 | |
| 7.3. | Этапы проведения ремедиационных и рекультивационных работ. | Сам. работа | 4 | 6 | Л1.1, Л2.1 | |
5. Фонд оценочных средств
| 5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
| ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ 1. Самоочищение экосистемы происходит за счет: а) абиотических процессов в) биологических процессов б) комплекса процессов г) физико-химических процессов 2. К очистным сооружениям сточных вод относят: а) аэротенки в) резервуары б) биофильтры г) аквафильтры 3. Сооружения биологической очистки сточных вод предназначены для: а) снижения загрязнения сточных вод в) аэрации сточных вод б) самоочищения водоемов г) очистки сточных вод 4. К биологическим факторам загрязнения среды относят: а) вакцины в) тяжелые металлы б) лекарственные препараты г) живые организмы 5. В биологический круговорот не вовлекаются: а) ксенобиотики в) растворимые вещества б) биогенные вещества г) нерастворимые вещества 6. Биогенный перенос загрязнений это: а) перенос через поглощение и усвоение загрязнителя организмами б) перенос через поглощение абиотическими компонентами в) атмосферный перенос г) перенос с помощью водных потоков 7. В природных средах в процессах окисления загрязняющих веществ участвуют: а) свободные радикалы в) активные формы кислорода б) окисленная форма ионов металлов г) щелочи 8. Биотрансформация это: а) частичная биологическая деструкция загрязнителя б) полная микробиологическая минерализация загрязнителя в) связывание кснобиотика с другими веществами г) перевод ксенобиотика в нерастворимую форму 9. Для большинства ксенобиотиков первый этап биотрансформации состоит в реакции: а) гидроксилирования в) конденсации б) разрыва углеводородной цепи г) разрыва других химических связей 10. К реакциям деградации ксенобиотиков относят: а) гидролиз в) полимеризация б) расщепление кольцевых структур молекул г) рекомбинация ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ: 1. Биологическая очистка сточных вод 2. Биологическая очистка и дезодорация газо-воздушных выбросов 3. Переработка органических отходов 4. Биоремедиация почв 5. Фиторемедиация загрязненных вод и почв 6. Очистка загрязненных сред от нефти и нефтепродуктов 7. Мониторинг окружающей среды, биоиндикация и биотестирование 8. Токсикологическое и экологическое нормирование. |
| 5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.) |
| ТЕМЫ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ 1. Эколого-биологические механизмы природоохранных биотехнологий 2. Биологическая очистка сточных вод 3. Биологическая очистка и дезодорация газо-воздушных выбросов 4. Переработка органических отходов 5. Биоремедиация почв 6. Фиторемедиация загрязненных вод и почв 7. Восстановление озерных экосистем 8. Очистка загрязненных сред от нефти и нефтепродуктов 9. Биологическое удаление тяжелых металлов 10. Биоповреждения и биокоррозия 11. Мониторинг окружающей среды, биоиндикация и биотестирование 12. Токсикологическое и экологическое нормирование. 13. Законодательные и эколого-экономические механизмы реализации природоохранных технологий. ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ 1. Эколого-биологические механизмы природоохранных биотехнологий 2. Биологическая очистка сточных вод 3. Биологическая очистка и дезодорация газо-воздушных выбросов 4. Переработка органических отходов 5. Биоремедиация почв 6. Фиторемедиация загрязненных вод и почв 7. Восстановление озерных экосистем 8. Очистка загрязненных сред от нефти и нефтепродуктов 9. Биологическое удаление тяжелых металлов 10. Биоповреждения и биокоррозия 11. Мониторинг окружающей среды, биоиндикация и биотестирование 12. Токсикологическое и экологическое нормирование. 13. Законодательные и эколого-экономические механизмы реализации природоохранных технологий. |
| 5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации |
| ПРИМЕРНЫЕ ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ 1. Введение. Эколого-биологические механизмы природоохранных биотехнологий 2. Эколого-биологические механизмы природоохранных биотехнологий 3. Биологическая очистка сточных вод 4. Биологическая очистка и дезодорация газо-воздушных выбросов 5. Переработка органических отходов 6. Биоремедиация почв 7. Фиторемедиация загрязненных вод и почв 8. Восстановление озерных экосистем 9. Очистка загрязненных сред от нефти и нефтепродуктов 10. Биологическое удаление тяжелых металлов 11. Биоповреждения и биокоррозия 12. Мониторинг окружающей среды, биоиндикация и биотестирование 13. Токсикологическое и экологическое нормирование. 14. Законодательные и эколого-экономические механизмы реализации природоохранных технологий. |
| Приложения |
6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
| 6.1. Рекомендуемая литература | ||||
| 6.1.1. Основная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л1.1 | Т.А. Егорова, С.М. Клунова, Е.А .Живухина | Основы биотехнологии: | М.: Академия, 2008 | |
| 6.1.2. Дополнительная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л2.1 | Г.П. Тихонов, И.А. Минаева | Основы биотехнологии : методические рекомендации : методические рекомендации | М. : Альтаир : МГАВТ, 2009. , 2009 | http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=430056 |
| 6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
| Название | Эл. адрес | |||
| Э1 | Курс в Moodle «Природоохранные биотехнологии» | portal.edu.asu.ru | ||
| 6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
| MS Office; Word, Excel, PowerPoint u др. Microsoft Windows 7-Zip AcrobatReaderMicrosoft Office 2010 (Office 2010 Professional, № 4065231 от 08.12.2010), (бессрочно); Microsoft Windows 7 (Windows 7 Professional, № 61834699 от 22.04.2013), (бессрочно); Chrome (http://www.chromium.org/chromium-os/licenses), (бессрочно); 7-Zip (http://www.7-zip.org/license.txt), (бессрочно); AcrobatReader (http://wwwimages.adobe.com/content/dam/Adobe/en/legal/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf), (бессрочно); ASTRA LINUX SPECIAL EDITION (https://astralinux.ru/products/astra-linux-special-edition/), (бессрочно); LibreOffice (https://ru.libreoffice.org/), (бессрочно); Веб-браузер Chromium (https://www.chromium.org/Home/), (бессрочно); Антивирус Касперский (https://www.kaspersky.ru/), (до 23 июня 2024); Архиватор Ark (https://apps.kde.org/ark/), (бессрочно); Okular (https://okular.kde.org/ru/download/), (бессрочно); Редактор изображений Gimp (https://www.gimp.org/), (бессрочно) | ||||
| 6.4. Перечень информационных справочных систем | ||||
| http://www.consultant.ru/ http://elibrary.asu.ru http://elibrary.ru http://www.scopus.com https://link.springer.com/ http://www.biolib.de/ https://biomolecula.ru/ https://openlibrary.org/ http://cyberleninka.ru/ https://bioumo.ru/ | ||||
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
| Аудитория | Назначение | Оборудование |
|---|---|---|
| 213Л | лаборатория биоэкологии - учебная аудитория для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации | Учебная мебель на 12 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доска меловая 1 шт.; рабочий стол – 2 шт.; шкаф для хранения наглядных материалов – 2 шт.; компьютеры: марка Aquarius Pro модель P30S46 - 1 единица; марка КламаС Офис - 1 единица; электрокардиограф одно-трехканальный ЭКЗТ-01-Р-Д; микроскоп МБС-10; пламенный фотометр ПФА-378; рефрактометр портативный Refracto30PX Mettler Toledo; бинокуляр - 6 шт.; учебные пособия, лабораторные практикумы, определители растений и животных. |
| Помещение для самостоятельной работы | помещение для самостоятельной работы обучающихся | Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ |
8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины
| ОБЩИЕ ПОДХОДЫ К ОСВОЕНИЮ КУРСА Биотехнология как наука может рассматриваться в двух временных и сущностных измерениях: современном и традиционном. Новейшая биотехнология (биоинженерия) – это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения. В традиционном смысле биотехнологию можно определить как науку о методах и технологиях производства, транспортировки, хранения и переработки сельскохозяйственной и другой продукции с использованием обычных, трансгенных растений, животных и микроорганизмов в естественных и искусственных условиях. Целями освоения дисциплины «Введение в биотехнологию» являются формирование у будущих специалистов технологической подготовки по современным направлениям биологии, знание основных биотехнологических процессов и производств, основ генной и клеточной инженерии и возможность в дальнейшем реализации собственных знаний в инновационных сферах естественных наук. Также формируется конкурентоспособность студента на рынке рабочей силы, что обеспечивает возможность для максимально быстрого трудоустройства по специальности; выбора студентами индивидуальных программ в области образования и профессиональной компетентности. Основные задачи дисциплины: выработать у студентов умение творческого подхода к технологии производств современной биопродукции при изучении биотехнологических процессов; дать знания об условиях и факторах разработки и создания готовой биотехнологической продукции, основных закономерностях и методических подходах используемых при создании новых штаммов микроорганизмов, биопродуктов, биопрепаратов и технологий. Данные методические рекомендации способствуют закреплению теоретических знаний у студентов в области биоинженерии и биотехнологии и предполагают наличие знаний у студентов по микробиологии, генетике, биохимии, биофизики, экологии. Изложены основные понятия и научные принципы биотехнологии, приведены темы курса: биобезопасность в биотехнологии, основы государственного контроля и регулирования в области генно-инженерной деятельности, биотрансформация ксенобиотиков и поллютантов, технико-экономические показатели производства биогаза и методы очистки сточных вод, методы получения трансгенных растений и сельскохозяйственных животных, основы морфогенеза в каллусных тканях и клональное микроразмножение растений. Содержание дисциплины распределяется между лекционной и практической частями на основе принципов фундаментальности и интегрированности. Освоение предмета включает также подготовку докладов. В лекционном курсе главное место отводится общетеоретическим основам биотехнологии. Лабораторные занятия не дублируют лекции, а позволяют освоить основные приемы культивирования растительных тканей и органов. Доклады предполагают обязательное привлечение и самостоятельную проработку дополнительной литературы, что, несомненно, расширяет и углубляет фундаментальные знания дисциплины и позволяет быть в курсе современных научных открытий в отдельных областях биотехнологии. Проверка качества усвоенных знаний в течение семестра (промежуточный контроль) осуществляется в устной (коллоквиум, доклады) и письменной (оформление лабораторных работ) форме. Выполнение самостоятельной работы осуществляется на основе прослушанных лекций и изучения рекомендованной методической литературы по темам, предложенным преподавателем. Контроль проводится в виде защиты докладов (темы прилагаются), выполненных в форме презентаций (5 мин.) на лабораторных занятиях (выделяется 15 мин. в соответствующей теме занятия) и коллоквиума. Тема доклада выбирается студентом самостоятельно из предложенного преподавателем списка. Доклады оцениваются в форме «зачтено/незачтено»; коллоквиум – по традиционной пятибальной системе. Для допуска к экзамену необходимо получить «зачтено» по теме доклада, каждой лабораторной работе и положительные оценки (не ниже 3 баллов) по каждой теме коллоквиума. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ДОКЛАДА Доклад студент готовит самостоятельно на основе рекомендованной литературы. Подготовка доклада призвана помочь студенту глубже изучить конкретную проблему курса «Основы биотехнологии» и продемонстрировать свое умение излагать ее кратко, в устной форме, сопровождая выбранными иллюстрациями в виде слайдов. Данная форма представления материала также способствует приобретению опыта подготовки доклада и презентации при выполнении и защите научно-исследовательской работы. Представленный доклад должен содержать введение, в котором указывается раздел дисциплины, к которому относится тема, основную часть, где излагается суть проблемы и заключение, содержащее краткий вывод по изложенной теме. Не рекомендуется использование более 10 слайдов. При оценке доклада учитывается: - соответствие содержания доклада заявленной теме; - полнота раскрытия темы (в докладе должна быть четко раскрыта суть научной проблемы); - умение кратко, в сжатой форме передать основную суть темы; - иллюстративный материал, использованный в докладе (соответствие теме и качество представления); - перечень использованной литературы; - умение отвечать на вопросы. Докладчик получает «зачтено», если материал соответствует теме доклада, излагается уверенно и свободно, докладчик правильно отвечает на вопросы по материалу доклада, а его оформление соответствует предложенным критериям. Докладчик получает «зачтено», если материал соответствует теме доклада, излагается с небольшими заминками. Докладчик отвечает на часть предложенных вопросов, в оформлении допущены небольшие неточности и ошибки. Докладчик получает «незачтено», если материал не соответствует теме доклада, излагается с грубыми ошибками, иллюстрации не относятся к теме доклада либо не помогают раскрыть его суть, докладчик не может ответить на поставленные вопросы. Проверка самостоятельной работы студентов осуществляется преподавателем в соответствии с графиком индивидуальных консультаций (расписание представлено на стенде объявлений). Дисциплина завершается устным экзаменом, на котором проверяется усвоение теорeтического материала (билет содержит 2 теоретических вопроса). Подготовка к экзамену осуществляется по предложенным вопросам. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭКЗАМЕНА ПО ДИСЦИПЛИНЕ Оценка "Отлично" выставляется студентам, показавшим глубокое знание теоретической части курса, умение проиллюстрировать изложение практическими приемами и расчетами, проявившим творческие способности в понимании, изложении и использовании учебно-программного материала, полно и подробно ответившим на вопросы билета и вопросы экзаменатора. Оценка "Хорошо" выставляется студентам, показавшим глубокое знание теоретических вопросов, умение проиллюстрировать изложение практическими приемами и расчетами, освоившим основную литературу, рекомендованную программой курса, обнаружившим стабильный характер знаний и способность к их самостоятельному восполнению и обновлению в ходе практической деятельности, полностью ответившим на вопросы билета и вопросы экзаменатора, но допустившим при ответах незначительные ошибки, указывающие на наличие несистематичности и пробелов в знаниях. Оценка "Удовлетворительно" выставляется студентам, показавшим знание основных положений теории при наличии существенных пробелов в деталях, испытывающим затруднения при практическом применении теории, допустившим существенные ошибки при ответах на вопросы билетов и вопросы экзаменатора, но показавшим знания основного учебно-программного материала в объеме, необходимом для предстоящей работы. Оценка "Неудовлетворительно" выставляется, если студент показал существенные пробелы в знаниях основных положений теории, которые не позволяют ему приступить к практической работе без дополнительной подготовки, не ответил на вопросы билета или экзаменатора. При освоении данного курса следует придерживаться следующего алгоритма: 1. Используйте учебную программу, определите место раздела (темы) в системе изучаемой дисциплины. Выясните, какие разделы (темы) предшествуют изучению данного материала, какие следуют после него. 2. Выберите понятия, сформированные при изучении предыдущей темы, и понятия, которые будут развиваться при изучении последующей, внимательно изучите их, выпишите в словарь. 3. Проработайте теоретический материал по конспектам лекций и предлагаемым литературным источникам. 4. Выполните задания для самостоятельной работы, ответьте на вопросы, предложенные в конце каждой темы. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ ОТДЕЛЬНЫХ РАЗДЕЛОВ И ТЕМ КУРСА Тема 1. Предмет, история развития и основные направления биотехнологии При освоении данной темы следует обратить внимание на следующие вопросы. Основные предпосылки возникновения и предмет изучения биотехнологии. Понятия «старая» и «новая» биотехнологии, вклад современных достижений молекулярной биологии в становление и развитие «новой» биотехнологии. Этапы развития биотехнологии. Основные принципы развития биотехнологических производств. Объекты биотехнологии и их биотехнологические функции. Особенности развития биотехнологии в главных регионах мира. Правила техники безопасности в биотехнологической промышленности и контроль продукции. Перспективы развития биотехнологии в основных отраслях народного хозяйства. Тема 2. Биотехнология микроорганизмов Изучение данного раздела следует проводить поэтапно. Вначале ознакомиться с общими вопросами регуляции метаболизма в микробной клетке. Обратите особое внимание на регуляцию активности, индукцию и репрессию синтеза ферментов; РНК-полимеразу и регуляцию транскрипции у бактерий; аминокислотный контроль метаболизма и функции гуанозинтетрафосфата; катаболическую репрессию и цАМФ; регуляцию усвоения азотсодержащих соединений; энергетическое состояние клетки и регуляцию метаболизма; протеолиз; регуляцию переноса веществ через мембрану. Изучение механизмов интенсификации процессов получения продуктов клеточного метаболизма следует начать с рассмотрения методов генетического конструирования микроорганизмов in vivo. Изучите такие понятия как мутагенез, мутанты, мутагены, мутации, ревертанты, ауксоторофы. Рассмотрите методы выделения мутантных клеток; гибридизацию эукариотических микроорганизмов; использование плазмид и механизма конъюгации; использование фагов и механизма трансдукции; использование транспозонов; использование механизма трансформации клеток; метод слияния протопластов. Методы генетического конструирования микроорганизмов in vitro включают методы получения рекомбинантных ДНК (источники ДНК и методы воссоединения фрагментов ДНК); методы введения рекомбинантных ДНК в клетки (плазмиды, бактериофаг , производные бактериофага – фазмиды и космиды, бактериофаг М13 – как векторные молекулы). Кроме того, рассмотрите методы идентификации клонов, содержащих рекомбинантные молекулы; экспрессию чужеродных генов в микроорганизмах, локализованный и сайт-специфический мутагенез. В завершении рассмотрите генетическую инженерию промышленно-важных микроорганизмов (псевдомонады, актиномицеты, бациллы, коринебактерии, дрожжи). Данная тема характеризуется большой информационной емкостью, поэтому готовить ее следует заблаговременно, используя предлагаемые литературные источники. Тема 3. Основные стадии осуществления биотехнологических процессов Изучение данной темы имеет большое прикладное значение, поскольку позволяет понять основы типичного промышленного биотехнологического производства. Кроме того, она выносится для проработки на лабораторном занятии и требует подготовки не только к коллоквиуму, но и к текущему занятию. Обратите внимание на основные стадии биотехнологического производства и сырьевую базу биотехнологии. Прежде всего, рассмотрите технологию приготовления питательных сред; затем стадию поддержания чистой культуры микроорганизмов; уясните, что стадия ферментации имеет свои особенности для двух типов биотехнологических процессов – производства биомассы и производства вторичных метаболитов; в завершении изучите этап выделения и очистки продукта и заключительную стадию - получение товарных форм препаратов. Огромное значение при организации промышленного биотехнологического производства имеет сырьевая база, в частности: получение углеводородного сырья путем прямой перегонки нефти и путем переработки нефтяных дистиллятов; получение этанола; получение метанола и его подготовка для использования метанотрофами; получение углеводов гидролизом растительного сырья; получение уксусной кислоты (путем прямого каталитического окисления этилена, путем карбонилирования метанола); использование мелассы для биотехнологии; получение гидролизатов торфа для биосинтеза белка; подготовка отходов целлюлозно-бумажной промышленности. Вопросы для самостоятельной работы 1.Перечислите основные стадии биотехнологического производства. 2.Что такое посевной материал? 3.Как готовят посевной материал в производственных условиях? 4.Какие компоненты входят в состав питательных сред? 5.Как готовят питательные среды? 6.Что такое ферментация? 7.Что такое культуральная жидкость? 8.Какими методами осуществляется разделение биомассы и культуральной жидкости? 9.В каком случае необходима дезинтеграция клеток? Как она проводится? 10.Какими способами выделяют целевой продукт из культуральной жидкости или гомогената разрушенных клеток? 11.Какие способы концентрирования продукта Вам известны? Тема 4. Применение биотехнологических процессов в пищевой промышленности При рассмотрении данной темы обратите внимание на следующие вопросы. Производство кормового белка. Необходимость употребления незаменимых аминокислот: валин, лейцин, лизин, треонин, триптофан, метионин. Биологически полноценные белки. Аминокислотный состав зерновых культур, используемых в кормопроизводстве. Содержание незаменимых аминокислот в белках микроорганизмов. Кормовые дрожжи. Технология глубинного выращивания кормовых дрожжей в ферментерах. Белковые концентраты из бактерий. Кормовые белки из водорослей. Технология получения белковой массы из клеток бактерий и водорослей. Белки микроскопических грибков. Кормовые белковые концентраты из растений: белковый коагулят, ферментированный коричневый сок, жом. Микробиологический синтез лизина и триптофана. Производство кормовых витаминных препаратов группы В. Кормовые липиды. Важнейшие ферментные препараты, применяемые в сельском хозяйстве. Вопросы для самостоятельной работы 1. Каковы основные пути улучшения биологической питательной ценности кормовых белков? 2. Какие разработаны биотехнологии получения кормовых белковых препаратов из дрожжей? 3. В чем заключаются особенности производства белковых концентратов из бактерий? 4. Как получают кормовые белки из водорослей и микроскопических грибов? 5. Какие известны технологии получения высокобелковых кормов из вегетативной массы растений? 6. Каковы питательные свойства кормовых белковых концентраций из дрожжей, бактерий, водорослей, микроскопических грибов, вегетативной массы растений и особенности их применения в кормопроизводстве? 7. В чем преимущество микробиологического получения кормовых препаратов незаменимых аминокислот и витаминов по сравнению с их химическим синтезом? 8. Какие ферментные препараты используются при кормлении различных групп сельскохозяйственных животных с целью улучшения переваримости кормов? 9. В чем заключается биологическое действие ферментных и микробных препаратов, используемых в животноводстве? Тема 5. Биотехнология производства метаболитов и биотрансформация органических соединений Биотехнология получения первичных и вторичных метаболитов занимает ведущее место в промышленной биотехнологии. Рассмотрите подробно отдельные производства, в частности, производство аминокислот. Микробиологические методы получения аминокислот. Производство лизина, триптофана, аргинина, глутамина и др. Химико-ферментативные способы получения аминокислот. Получение L-лизина, триптофана. Производство витаминов. Производство органических кислот. Получение уксусной, лимонной и др. кислот. Биотехнология получения вторичных метаболитов. Тонкий биосинтез и микробиологическая трансформации органических соединений. Получение антибиотиков, промышленно важных стероидов. Трансформация стероидов путем введения гидроксильной группы, путем дегидрогенизации; природные стерины (холестерин, эргостерин, стигмастерин) как сырье для получения лекарственных препаратов; методы проведения процессов микробиологических трансформаций и пути их интенсификации. Трансформация углеводов путем окисления, восстановления, изомеризации. Примеры трансформации углеводов: превращение глицерина в диоксиацетон; превращение Д-сорбита в L-сорбозу; превращение ксилозы в ксилит. Поскольку по данной теме проводится цикл лабораторных работ, обратите особое внимание на теоретическую подготовку, так как это позволит осознанно выполнять предлагаемые эксперименты. Вопросы для самостоятельной работы 1. Какие микроорганизмы являются продуцентами лимонной кислоты? 2. В каких условиях осуществляется сверхсинтез лимонной кислоты? 3. Какие питательные среды используют при производстве лимонной кислоты? 4. Какими способами получают лимонную кислоту? 5. Как осуществляют поверхностное культивирование? 6. Как осуществляют глубинное культивирование? 7. Где применяют лимонную кислоту? 8. В чем сущность потенциометрического метода титрования? 9. Как рассчитать количество синтезированной лимонной кислоты? 10. Как определяют массу сухого мицелия гриба и его продуцирующую способность? Тема 6. Инженерная энзимология. Иммобилизованные ферменты Данная тема имеет огромное значение в связи с тем, что позволяет наглядно понять прикладной характер биотехнологии, точки соприкосновения научной и производственной деятельности а также позволяет установить межпредметные связи с физической и биологической химией. Особое внимание необходимо обратить на то, что ферменты и ферментные системы применяются в самых различных областях практической деятельности человека (пищевой, фармацевтической, текстильной и др.). Рассмотрите источники ферментов, технологию культивирования микроорганизмов – продуцентов ферментов, технологии выделения и очистки ферментных препаратов. Особое место в данном разделе отводится инженерной энзимологии, рассмотрите задачи, которые стоят перед данным направлением. Установите отличия свободных ферментов от иммобилизованных, выясните суть процесса иммобилизации, основные преимущества использования иммобилизованных ферментов в сравнении с ферментами свободными. Рассмотрите методы физической иммобилизации: адсорбцию на нерастворимых носителях, использование фвухфазных систем, заключение ферментов в гели, метод полупроницаемых мемебран. Методы химической иммобилизации: ковалентное связывание, метод сополимеризации и формирование ферментных сеток. Влияние носителя на каталитическую активность иммобилизованных ферментов. В заключении выясните использование иммуноферментного анализа в различных отраслях народного хозяйства: химический анализ, медицина, пищевая промышленность. Для усвоения данного раздела рекомендуется составление таблицы, содержащей сравнительную характеристику физических и химических методов иммобилизации с примерами производств, в основе которых лежат те или иные методы. Тема 7. Экологичекая биотехнология. Биоэнергетика В данном разделе обратите внимание на применение биотехнологических процессов для решения проблем окружающей среды. Рассмотрите предмет и задачи экологической биотехнологии. Изучите методы очистки сточных вод: механические, химические, физико-химические, биологические; конструкции и назначение аэротенков и биофильтров, используемых на очистных сооружениях. Выясните различия первичного, вторичного и третичного отстоя сточных вод. Биологические методы очистки стоков. Аэробные процессы очистки сточных вод. Анаэробные процессы очистки сточных вод. Утилизация твердых отходов. Биоочистка газовоздушных выбросов. Биодеградация ксенобиотиков, нефтяных загрязнений, пестицидов. Получение экологически чистой энергии. Биогаз. Производство этанола. Биотехнология преобразования солнечной энергии. Фотопроизводство водорода. Бактериальное выщелачивание минерального сырья. Биосорбция металлов из растворов. Биотрансформация ксенобиотиков и загрязняющих окружающую среду веществ, производных нафталина и салициловой кислоты. Процессы окисления и восстановления ксенобиотиков под воздействием микроорганизмов и ферментов в почве и воде. Обратите внимание, что экологически чистую энергию можно получать различными путями. Изучите эти технологии. Технология производства биогаза. Стадии биометаногенеза: гидролиз биополимерных молекул, ферментация мономеров, ацетогенная стадия, метаногенная стадия. Условия метанообразования и физические свойства биогаза. Технико-экономические показатели биогазовых установок. Мировой опыт биоконверсии навоза в биогаз. Производство этанола как альтернативного источника энергии. Растения, использующиеся для производства этилового спирта. Перспектива замены бензина этанолом. Биотехнология преобразования солнечной энергии. Фотопроизводство водорода. Вопросы для самостоятельной работы 1. Какие задачи решает экобиотехнология? 2. Назовите основные вещества (ксенобиотики, поллютанты), которые загрязняют сельскохозяйственные земли и водные ресурсы России. 3. Приведите реакции окисления и восстановления загрязняющих веществ, протекающих под воздействием ферментов и микроорганизмов почвы. 4. Что такое биогаз и как он образуется? 5. Назовите основные физические свойства биогаза и возможности его использования на производственные и бытовые нужды. 6. Назовите основные типы биогазовых установок и их назначение. 7. Перспективы использования биогаза в экономике страны. 8. Какие используются растения для производства этилового спирта? 9. Как используют пигмент бактериородопсин при фотопроизводстве водорода? 10. Чем определяется применение того или иного метода очистки сточных вод? 11. Что представляют собой аэротенки и метантенки? Тема 8. Клеточная и тканевая биотехнология Данную тему можно начать с изучения аспектов культивирование клеток животных in vitro. Изучите особенности культивируемых клеток животных: цитоплазматическая мембрана и функции, связанные с ней (контакт клеток, феномен контактного ингибирования, слияние клеток, транспорт веществ через мембрану); рост клетки (клеточный цикл; регуляция роста: масса клетки, конфигурация клетки и факторы роста; роль мембран в регуляции роста клетки); дифференциация клетки; трансформация клетки; старение клетки. Приведите примеры использование биотехнологии в животноводстве. Особое внимание уделите следующим биотехнологиям. Технология трансплантации эмбрионов (суперовуляция, искусственное осеменение донора, извлечение эмбрионов, хранение эмбрионов, пересадка эмбрионов); клеточная инженерия (получение однояйцевых близнецов; клонирование эмбрионов путем пересадки ядер эмбриональных клеток в энуклеированные яйцеклетки; межвидовые пересадки эмбрионов и получение химерных животных); технология оплодотворения яйцеклеток вне организма животных (созревание ооцитов in vitro, капацитация сперматозиодов, оплодотворение in vitro и обеспечение ранних стадий развития эмбрионов). Затем изучите особенности культивирования изолированных клеток растений. Остановитесь на истории развития биотехнологии растений. Познакомьтесь с понятиями каллусные и суспензионные культуры – как основные типы пересадочных культур высших растений. Особое внимание уделите культурам клеток растений как промышленным источникам веществ растительного происхождения. Выделите факторы, влияющие на выход продуктов: происхождение ткани – генетическая характеристика; условия культивирования – химические и физические факторы; селекция и отбор; биохимические манипуляции; биотрансформация. Изучите системы для роста биомассы и синтеза вторичных соединений: факторы, влияющие на рост биомассы; биомасса и продуктивность; продуцирующие системы – крупномасштабное культивирование и иммобилизованные клетки. Рассмотрите экономические аспекты и перспективы развития промышленного культивирования клеток растений. Далее переходите к рассмотрению использования биотехнологии растений в сельском хозяйстве, селекции и растениеводстве: межвидовые и межродовые гибриды; генетическая изменчивость в культивируемых каллусных клетках; полиплоидизация in vitro; получение in vitro и использование гаплоидов; ускоренное микроразмножение ценных хозяйственно-важных культур. Вопросы для самостоятельной работы 1. Назовите основные компоненты питательных сред, используемых для каллусогенеза, различных типов морфогенеза и клонального микроразмножения. 2. Выделите основные этапы в истории развития метода культуры изолированных органов, тканей и клеток растений. 3. Что такое каллусная ткань? Как получить каллусную ткань и каковы возможности ее использования в биотехнологии? 4. Почему каллусную ткань необходимо пассировать на свежие питательные среды? Назовите фазы ростового цикла каллусных клеток. 5. Каковы причины генетической неоднородности каллусных клеток? 6. Что вам известно о генетических и эпигенетических основах морфогенеза? Что представляют собой белки-маркеры морфогенеза? 7. Что такое клональное микроразмножение растений? 8. Перечислите пути оздоровления посадочного материала от вирусов. 9. Назовите методы клонирования эмбрионов у сельскохозяйственных животных. 10. Назовите основные задачи и методические подходы клеточной инженерии. 11. В чем заключается процесс криосохранения биологического материала? 12. Результаты и перспективы использования биотехнологических методов в хранении и переработке сельскохозяйственной продукции. Тема 9. Основы генетической инженерии Особое место при изучении данного курса имеет рассмотрение основ генетической инженерии как самого перспективного направления современности. Остановитесь на истории развития генетической инженерии, усвойте понятие биоинженерия. Изучите общие вопросы, связанные с биотехнологией рекомбинатных ДНК, клонированием и экспрессией генов в различных организмах. Затем изучите конкретные технологии, используемые для трансформации растений с помощью агробактерий. Методы трансформации растительных клеток, экспрессию чужеродных генов и ее регуляцию в трансгенных растениях. Рассмотрите успехи и перспективы генной инженерной биотехнологии растений. Получение трансгенных растений, устойчивых к стрессовым воздействиям. Получение трансгенных растений, устойчивых к насекомым. Получение трансгенных растений, устойчивых к грибной, бактериальной, вирусной инфекции. Получение трансгенных растений, устойчивых к гербицидам. Изучите основы метаболической инженерии растений: метаболическая инженерия липидов, сахаров и полисахаридов, конструирование трансгенных растений-продуцентов белков. Обратите внимание на проблемы и дискуссии вокруг использования генетически-модифицированных растений. Затем переходите к изучению использования генетической инженерии в животноводстве. Рассмотрите вопросы приготовления ДНК для микроинъекции, подготовка доноров и извлечение эмбрионов, визуализация пронуклеусов в эмбрион, микроинъекция ДНК, пересадка эмбрионов, изучение интеграции и экспрессии генов у трансгенных животных, изучение наследования трансгенов. Рассмотрите создание разных типов трансгенных животных: трансгенные животные с новыми хозяйственно-полезными свойствами; трансгенные животные с устойчивостью к заболеваниям; трансгенные животные, продуцирующие биологически-активные вещества. В заключении остановитесь на биотехнологическом контроле воспроизводства сельскохозяйственных животных. Вопросы для самостоятельной работы 1. В чем преимущество селекции с использованием генетической инженерии по сравнению с традиционной при одинаковой конечной цели – получение новых сортов? 2. Какими способами можно соединить фрагменты с разноименными концами? 3. Что такое вектор и каковы основные типы векторов? 4. В чем преимущества и недостатки клонирования в фагах? 5. В чем преимущества прямого переноса генов в растительные клетки? 6. Какие существуют методы проверки истинности трансгенных растений? 7. Технологии использования трансгенных растений в селекции и использование для продовольственных целей. 8. Трансгеноз, его основные этапы и особенности при получении различных видов трансгенных животных. 9. Каковы методы выявления интеграции чужеродного гена в молекулу ДНК? Особенности его наследования у трансгенных животных. 10. Какие ограничения существуют в использовании рекомбинантных микроорганизмов и линий генно-инженерных клеток животных при получении ценных биологически активных веществ медицинского и технологического назначения? 11. Чем обоснована возможность использования молочной железы у трансгенных животных для производства чужеродных протеинов? Тема 10. Биотехнология и биобезопасность Заключительной темой данного курса является рассмотрение аспектов биобезопасности, связанных с биотехнологией. Изучите понятие о безопасности и биобезопасности. Позитивные аспекты влияния биотехнологии на невоенные аспекты безопасности. Биобезопасность в клеточных, тканевых и органогенных биотехнологиях. Генетический риск и биобезопасность в биоинженерии и трансгенозе. Основные положения стабильной биобезопасности в биоинженерии. Выделите критерии, показатели и методы оценки генетически модифицированных организмов и получаемых из них продуктов на биобезопасность. Изучите основы санитарно-гигиенической экспертизы и медико-биологической оценки пищевой продукции, полученной из ГМО. Обратите внимание на государственный контроль и государственное регулирование в области генно-инженерной деятельности и использование генетически модифицированных организмов и полученных из них продуктов. Рассмотрите четыре уровня риска возможного потенциально вредного воздействия генно-инженерной деятельности на здоровье человека. Остановитесь на вопросах стандартизации в биотехнологии и биоинженерии. Попробуйте определить пути преодоления отставания биотехнологии, биоинженерии и биобезопасности в России. Вопросы для самостоятельной работы 1. Что такое безопасность и биобезопасность? 2. В чем состоит сущность генетического риска и возможной опасности в биоинженерии? 3. Какие задачи и основные направления предусматриваются государственным регулированием в области генно-инженерной деятельности? 4. Какие критерии и показатели биобезопасности применяются в биотехнологии и биоинженерии? 5. Какие законы, постановления правительства и другие нормативно-правовые акты приняты в России в области биотехнологии, генно-инженерной деятельности и биобезопасности? 6. Какие задачи решают стандартизация и сертификация продукции в области генно-инженерной деятельности и биобезопасности? 7. Какой порядок предусмотрен законами и постановлениями правительства при государственной регистрации генно-модифицированных организмов и получаемых из них пищевых продуктов в Российской Федерации? 8. Какие главные причины отставания России в области биоинженерии и биобезопасности от мирового уровня и какие пути преодоления этого отставания? 9. В чем причины и какового содержание общественного протеста против биоинженерии в мире и России? |