Программа Экобиотехнология

Федеральное агентство по образованию
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
«УТВЕРЖДАЮ»
Ректор РХТУ им. Д.И. Менделеева
_____________В.А. Колесников
«_____»_______________2008 г.
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
Экобиотехнология
специальность 240901 «Биотехнология»
(специализация «Экобиотехнология»)
Программа одобрена
Методической секцией Ученого
совета РХТУ им. Д.И. Менделеева
«____» _________________ 2008 г.
Председатель__________ Ю.И. Капустин
Москва 2008
2
Программа составлена кафедрой биотехнологии,
доцент кафедры, к.т.н. Кузнецов А.Е.
Заведующий кафедрой, д.т.н,
профессор
__________________ В.И. Панфилов
3
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Цели и задачи дисциплины
Дисциплина "Экобиотехнология" является дисциплиной специализации
ДС.3 при подготовке дипломированных специалистов (инженер по специальности
240901 "Биотехнология", специализация "Экобиотехнология").
Экобиотехнология – 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 "Экобиотехнология" ряд важных задач. Она обеспечивает будущих инженеровбиотехнологов 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.
Цель и задачи учебного курса.
Основная цель читаемого курса – приобретение знаний, необходимых дипломированному специалисту по специализации "Экобиотехнология" при проведении научных исследований, решении задач прикладного применения методов и
технологий, выполнении инженерно-технологических расчетов, проектировании
технологических схем в рассматриваемой области.
Задачи курса:
- изучение содержательных основ, понятийного аппарата и методологической базы экобиотехнологии;
- ознакомление с фундаментальными, инженерно-технологическими и экологическими основами и прикладными сферами использования экобиотехноло-
4
гии, абиотическими и биотическими процессами в природных средах, с современными представлениями о способах их контроля и управления ими;
- изучение промышленных методов и технологий, используемых для очистки загрязненных природных и техногенных сред: сточных вод, переработки отходов, очистки почв с помощью микроорганизмов, водорослей, растений, вермикультуры;
- освоение методов составления, анализа, расчета и конструирования экобиотехнологических систем для получения биологических препаратов и их использования в природных средах, переработки отходов, обезвреживания стоков и
выбросов, решения других задач охраны окружающей среды специфическими
биотехнологическими методами, управления и контроля экобиотехнологическими
процессами.
Объем и структура курса.
Курс читается в X семестре после освоения студентами программ по биохимии, общей биологии и микробиологии, теоретическим основам биотехнологии, общей биотехнологии, основам проектирования и оборудованию предприятий биотехнологической промышленности.
Общий объем курса составляет 126 часов (54 часа лекций и 72 часа самостоятельной работы).
Рабочей программой предусмотрены контрольные работы, оценка за которые учитывается при проведении окончательного контроля знаний. Контроль
знаний осуществляется в соответствии с рейтинговой системой. Форма контроля
– экзамен.
5
Распределение часов по разделам курса и видам занятий
Тема
Лекции
1. Введение
1
Пр.
занятия
---
2. Основные особенности функционирования
природных экосистем, биоценозов в природных средах
3. Экосистемы водных сред
4
---
4
3
---
3
4. Экосистемы почвенных сред
3
---
3
5. Антропогенные факторы загрязнения, их
перенос, абиотическая и биотическая трансформация, воздействие на экосистемы
6. Биологическая очистка промышленных и
природных загрязненных водных сред
7. Биологическая очистка и дезодорация газовоздушных выбросов
8. Отходы, их воздействие на экосистемы
5
---
5
12
---
21
2
---
2
1
Самост.
раб.
0
1
9. Микробиологическая переработка органи- 6
ческих отходов
10. Вермикомпостирование и вермикультиви- 3
рование
11. Биоремедиация почв
10
---
9
---
4
---
15
12. Технологические основы получения биопрепаратов на основе микроорганизмов для
очистки природных сред
Всего 126 часов
4
---
5
54
---
72
6
Содержание курса
1. Введение.
Задачи и содержание курса. Связь со специальными и общетехническими
дисциплинами и курсовым и дипломным проектированием. Основные отличия
экобиотехнологических методов от биотехнологических. Основные различия в
функционировании биоценозов промышленных и природных экосистем.
2. Основные особенности функционирования природных экосистем, биоценозов в природных средах.
Основные особенности структуры и функционирования природных экосистем. Различия биоценозов промышленных и природных экосистем. Особенности
развития, переноса вещества и энергии, динамики роста и численности популяций, адаптации к неблагоприятным условиям микробных ценозов в природных
средах. Самоочищающая способность природных экосистем.
3. Экосистемы водных сред.
Поверхностные и подземные водные среды. Лимитирующие абиотические
факторы и процессы. Взвешенное, расворенное, органическое вещество водных
сред. Илы и донные осадки. Классы и ряды природных вод.
Биота природных водных сред. Классификация. Роль водорослей, цианобактерий, бактерий, простейших, макрофитов, зоопланктона, позвоночных в
биогенном переносе и трансформации веществ в природных водоемах.
4. Экосистемы почвенных сред.
Формирование почвы и почвенные горизонты. Механические, физикохимические и водно-физические свойства почв. Минеральный состав и органическое вещество почв. Гумус и его компоненты. Почвенный воздух.
Биотические факторы и процессы в почвенных средах. Почвенная микрофлора и микрофауна. Роль растений, микроорганизмов, простейших, мезофауны,
макрофауны в трансформации почвенного вещества.
Экосистемы болот.
5. Антропогенные факторы загрязнения, их перенос, абиотическая и биотическая трансформация, воздействие на экосистемы.
Основные факторы загрязнения окружающей среды и их источники. Ксенобиотики, основные источники их поступления в природные среды. Биологические
агенты как факторы загрязнения природных сред.
Атмосферный перенос. Водная миграция. Миграция в почвенных средах.
Биогенный перенос. Обмен веществом и энергией с атмосферой. Особенности миграции органических загрязнений. Особенности миграции тяжелых металлов и
радионуклидов. Влияние гидрохимической обстановки на процессы миграции.
Гидролитические абиотические процессы. Окислительные процессы абиотической трансформации и каталитическое разложение. Фотохимические и фотокаталитические процессы трансформации. Полимеризация и образование связанных остатков.
Основные биохимические пути микробиологической трансформации органических ксенобиотиков. Факторы окружающей среды и биодоступность ксено-
7
биотиков. Особенности микробиологической трансформации отдельных классов
органических ксенобиотиков. Биотрансформация ксенобиотиков водорослями и
растениями.
Биотрансформация соединений азота. Биотрансформация соединений серы.
Биотрансформация металлов. Транслокационная миграция тяжелых металлов и
радионуклидов в растения. Накопление загрязнений гидробионтами.
6. Биологическая очистка промышленных и природных загрязненных водных
сред.
Общая характеристика сточных вод; требования к их очистке. Общие показатели загрязненности сточных вод. Классификация методов биологической
очистки. Общие принципы очистки сточных вод и организации очистных сооружений. Основные показатели биологической очистки сточных вод. Характеристика биоценозов очистных сооружений. Основные технологические схемы биологической очистки и конструкции очистных сооружений.
Организация процесса аэробной биологической очистки. Условия работы
аэробной биологической очистки. Системы и конструкции сооружений аэробной
биологической очистки. Проблемы вспухания и пенообразования и методы борьбы с этими явлениями.
Организация процесса анаэробной биологической очистки. Условия работы
анаэробной биологической очистки. Метаногенерация. Системы и конструкции
сооружений анаэробной биологической очистки.
Удаление азота из сточных вод.
Переработка и утилизация активного ила очистных сооружений.
Биологическая очистка природных водоемов. Биопруды и гидроботанические площадки.
7. Биологическая очистка и дезодорация газовоздушных выбросов.
Биологические основы очистки и дезодорации газов. Классификация методов биодезодорации, аппаратурные и технологические решения.
8. Отходы, их воздействие на экосистемы.
Характеристика растительных и других углеводсодержащих отходов. Пути
их утилизации и обезвреживания.
9. Микробиологическая переработка органических отходов.
Переработка растительного сырья и углеводсодержащих отходов в белок
одноклеточных организмов. Силосование. Компостирование. Биоконверсия растительного сырья в топливо.
10. Вермикомпостирование и вермикультивирование.
Биологические основы. Классификация методов вермикомпостирования,
аппаратурные и технологические решения.
11 Биоремедиация почв.
Основные современные подходы к методам и технологиям биологической
очистки почв и инженерные решения. Биоремедиация "in situ". Биоремедиация
"off site". Биологическое удаление тяжелых металлов и радионуклидов. Фиторемедиация. Особенности очистки донных илов и осадков. Выбор метода ремедиации с учетом экономических критериев. Коммерческие биопрепараты для очистки
почв. Очистка почв от нефти и нефтепродуктов
8
12. Технологические основы получения биопрепаратов на основе микроорганизмов для очистки природных сред.
Этапы внедрения биопрепарата в производство. Перечень и характеристика
основных стадий технологического процесса современного производства биопрепаратов для охраны окружающей среды. Особенности организации стадии ферментации и стадий выделения биомассы микроорганизмов. Краткая характеристика промышленных методов выделения внеклеточных биологических агентов,
используемых в природных средах. Организация технико-химического контроля
производства биопрепаратов.
Литература
Основная
1. Кузнецов А.Е., Градова Н.Б. Научные основы экобиотехнологии. – М. Мир,
2006 г. – 504 с.
2. Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В., Энгельхарт М., Вайссер Т., Чеботаева М.В. Прикладная экобиотехнология. В 2-х тт. – М.: Бином. Лаборатория
знаний, 2010 г. – т.1 – 629 с., т.2 – 485 с.
Дополнительная
1. Экологическая биотехнология. /Под ред. К.Ф. Форстера и Д.А.Дж. Вейза.- Л.:
Химия, 1990. – 384 с.
2. Промышленная микробиология / Под ред. Н.С. Егорова - М.: Высш. шк., 1989. –
688 с.
3. Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий. - Л.: Изд-во Ленинградского
университета, 1989. – 248 с.
4. Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир. В 2-х тт.- М.: Мир,
1993, т.1 -424с., т.2. – 336с.
5. Биотехнология. Принципы и применение./ Под ред. И. Хиггинса, Д. Беста и Дж.
Джонса. – М. Мир, 1988. – 480 с.
6. Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. Химия воды и микробиология. – М.: Стройиздат, 1983. – 168с.
7. Яковлев С.В., Скирдов И.В., Швецов В.Н. и др. Биологическая очистка производственных сточных вод: Процессы, аппараты и сооружения. – М.: Стройиздат,
1985. – 208с.
8. Яковлев С.В., Карюхина Т.А. Биохимические процессы в очистке сточных вод
активным илом. – М.: Наука, 1979. – 119 с.
9. Винаров А.Ю., Садыров О.А., Лобанов Ф.И. Очистка и дезодорация промышленных газов с помощью микроорганизмов./ Итоги науки и техники. Серия Биотехнология, т.27. – М.: Изд-во ВИНИТИ АН СССР, 1989. – 184 с.