и экология микроорганизмов - Белорусский государственный

Министерство образования Республики Беларусь
Учебно-методическое объединение высших учебных заведений
Республики Беларусь по образованию в области
природопользования и лесного хозяйства
УТВЕРЖДАЮ
Первый заместитель Министра
образования Республики Беларусь
____________________А.И. Жук
____________________
Регистрационный № ТД-_________/тип.
МИКРОБИОЛОГИЯ
И ЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Типовая учебная программа для высших учебных заведений
по специальности 1-57 01 03 Биоэкология
СОГЛАСОВАНО
Директор РУП «БелНИЦ «Экология»»
________________ В.И. Ключенович
СОГЛАСОВАНО
Начальник Управления высшего и
среднего специального образования
_________________________2010 г.
________________ Ю.И. Миксюк
_______________________20
Председатель Учебно-методического
объединения вузов Республики
Беларусь по образованию в области
природопользования и лесного
хозяйства
г.
Ректор Государственного учреждения
образования “Республиканский
институт высшей школы”
________________ М.И. Демчук
_________________ И.М. Жарский
_______________________20 г.
Эксперт-нормоконтролер
_________________________2010 г.
______________________________
_______________________20 г.
Минск 2010
2
СОСТАВИТЕЛИ:
В.Н. Леонтьев, заведующий кафедрой биотехнологии и биоэкологии учреждения
образования «Белорусский государственный технологический университет»,
кандидат химических наук, доцент;
Т.И. Ахрамович, старший преподаватель кафедры биотехнологии и биоэкологии
учреждения образования «Белорусский государственный технологический
университет», кандидат биологических наук
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
Кафедра микробиологии Белорусского государственного университета;
А.С. Самсонова, заведующая лабораторией деградации ксенобиотиков
и биоремедиации природных и производственных сред Государственного
научного учреждения «Институт микробиологии Национальной академии
наук Беларуси», доктор биологических наук, старший научный сотрудник
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В КАЧЕСТВЕ ТИПОВОЙ:
Кафедрой биотехнологии и биоэкологии учреждения образования «Белорусский
государственный технологический университет»
(протокол № 9 от 12 мая 2010 г.);
Научно-методическим советом учреждения образования «Белорусский
государственный технологический университет»
(протокол № 7 от 23.06.2010 г.);
Научно-методическим советом по охране окружающей среды Учебнометодического объединения высших учебных заведений Республики Беларусь по
образованию в области природопользования и лесного хозяйства
(протокол № 4-10 от 26.06.2010 г.).
Ответственный за выпуск: В.Н. Леонтьев
3
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Дисциплина «Микробиология и экология микроорганизмов» относится к
обязательному компоненту цикла общепрофессиональных и специальных
дисциплин специальности 1-57 01 03 «Биоэкология». Она играет важную роль в
системе подготовки инженеров-экологов и служит основой для последующего
изучения большинства специальных дисциплин, поскольку основными объектами
биоэкологии являются микроорганизмы. Эта дисциплина формирует основные
представления о морфологии, систематике, физиологии, биохимии и экологии
микроорганизмов.
«Микробиология и экология микроорганизмов» опирается на знания в
области следующих дисциплин: «Общая биология» (используются знания
основных свойств живой материи, представления о строении клетки, уровнях
иерархии живых систем); «Органическая химия» (используются знания о
строении и свойствах органических соединений, составляющих клетки
микроорганизмов, о химических связях и механизмах химических реакций);
«Физика» (используются знания законов об агрегатном состоянии веществ и
фазовых превращениях, закономерностях квантовой оптики); «Аналитическая
химия и физико-химические методы анализа» (используется владение
спектральными и титриметрическими методами анализа).
Цель дисциплины – обеспечить знание основных закономерностей
жизнедеятельности и развития микроорганизмов, их морфологических,
физиологических, культуральных и биохимических особенностей, роли в природе
и хозяйственной деятельности человека.
Преподавание дисциплины предусматривает чтение лекций и проведение
лабораторных занятий, а также самостоятельную работу студентов.
Задачи дисциплины – системное изучение основных разделов современной
микробиологии: морфологии, систематики, физиологии, биохимии и экологии
бактерий, грибов, водорослей, простейших и неклеточных форм жизни в
контексте практического использования микроорганизмов человеком для охраны
окружающей среды; овладение основами микробиологической техники:
приемами культивирования микроорганизмов, определения их морфологических,
культуральных и физиолого-биохимических свойств, а также приемами и
методами, связанными с анализом и оценкой состояния различных экосистем.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
- морфологию и систематику микроорганизмов;
- типы питания, закономерности метаболизма, роста и размножения
микроорганизмов;
- воздействие факторов внешней среды на микроорганизмы;
- характеристику микробиоты воды, почвы, атмосферы;
4
- основы санитарной микробиологии.
уметь:
- проводить микроскопическое исследование микроорганизмов, их
культивирование и количественный учет;
- выделять чистую культуру микроорганизмов, изучать взаимоотношения
между микроорганизмами;
- проводить санитарно-бактериологическое исследование воды;
- получать микроорганизмы-деструкторы ксенобиотиков.
Изучение дисциплины должно обеспечить формирование у студентов
следующих компетенций:
 академические компетенции:
– владение системным и сравнительным анализом;
– умение работать самостоятельно;
– владение исследовательскими навыками, включающими планирование и
проведение эксперимента, обработку и интерпретацию результатов;
– умение осуществлять поиск, систематизацию и анализ информации по
новейшим достижениям в микробиологии;
– владение междисциплинарным подходом при решении проблем создания
технологий защиты объектов окружающей среды;
– умение применять полученные знания для решения теоретических и
практических задач в производственной, исследовательской, учебной и
управленческой деятельности в области охраны окружающей среды.
 социально-личностные компетенции:
– обладание способностью к межличностным коммуникациям;
– умение работать в коллективе.
 профессиональные компетенции:
– использование инновационных, энерго- и ресурсосберегающих технологий
биологической очистки сточных вод и воздушных выбросов, биодеградации и
утилизации промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов;
– умение применять информационные технологии в обеспечении
рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды;
– владение методами математического моделирования и оптимизации
технологических процессов;
– владение методами и техникой исследований в области биоэкологии и
смежных отраслей науки;
– владение приемами и методами конструирования высокоэффективных
штаммов микроорганизмов для деструкции ксенобиотиков и нефтяных
загрязнений, получения биологически активных веществ – средств защиты
растений и повышения плодородия почвы;
– умение
оценивать
конкурентоспособность
и
экономическую
эффективность разрабатываемых технологий защиты окружающей среды.
5
Основными методами (технологиями) обучения являются: проблемное
обучение, рейтинговая система оценки знаний, использование обучающеисследовательского принципа в организации лабораторных работ, преподавание с
использованием компьютерных программ и электронных версий учебных
пособий, демонстрация презентаций и видеороликов в процессе чтения лекций.
Для оценки учебных достижений студентов используется следующий
диагностический инструментарий:
- экспресс-опрос на лекциях по аналитическим вопросам для
самостоятельной работы (оцениваются профессиональные, академические и
социально-личностные компетенции);
- устный опрос на лабораторных занятиях (оцениваются профессиональные,
академические и социально-личностные компетенции);
- коллоквиумы, мини-контрольные работы и тесты по отдельным темам
(оцениваются профессиональные и академические компетенции);
- защита лабораторных работ (оцениваются профессиональные,
академические и социально-личностные компетенции);
- сдача зачета и экзамена по дисциплине (оцениваются профессиональные,
академические и социально-личностные компетенции).
Настоящая программа является типовой и разработана на основе
образовательного стандарта специальности 1-57 01 03 «Биоэкология».
Типовой учебный план по специальности 1-57 01 03 «Биоэкология»
предусматривает для изучения данной дисциплины: всего часов – 236, в том числе
аудиторных –136 часов, из них лекций – 76 часов и лабораторных занятий – 60
часов.
6
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ДИСЦИПЛИНЫ
№
темы
Название темы
Введение в дисциплину «Микробиология и
экология микроорганизмов»
Раздел I. Морфология и систематика
микроорганизмов
Особенности организации микробных
1.1
клеток
1.2 Основы систематики микроорганизмов
1.3 Систематический обзор прокариот
1.4 Систематический обзор грибов и слизевиков
1.5 Водоросли
1.6 Простейшие
1.7 Неклеточные формы жизни
Раздел II. Физиология микроорганизмов
2.1 Питание микроорганизмов
2.2 Закономерности микробного роста
Влияние внешних факторов на рост
2.3
микроорганизмов
2.4 Основы культивирования микроорганизмов
Раздел III. Метаболизм микробной клетки
Способы запасания энергии
3.1
микроорганизмами
Деятельность хемолитотрофных бактерий:
3.2
хемосинтез
3.3 Процессы анаэробного дыхания
3.4 Процессы брожения
Раздел IV. Экология микроорганизмов
4.1 Микроорганизмы и окружающая среда
Роль микроорганизмов в биогеохимических
4.2
циклах
4.3 Популяционные взаимодействия
Роль микроорганизмов в очистке
4.4
окружающей среды от загрязнений.
ИТОГО:
Число аудиторных часов
Лабор.
Лекции
Всего
занятия
2
2
30
20
50
6
12
18
4
5
5
3
3
4
16
4
4
24
6
8
4
7
7
5
5
4
40
10
12
4
2
6
4
14
8
12
14
2
2
2
2
4
4
4
4
3
3
14
4
3
3
30
12
16
8
2
2
4
4
4
8
12
76
60
136
7
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
ВВЕДЕНИЕ В ДИСЦИПЛИНУ
«Микробиология и экология микроорганизмов»
Предмет и задачи микробиологии. Разнообразие и таксономическое
положение микроорганизмов. Роль микроорганизмов в природе и хозяйственной
деятельности человека. Место микробиологии в системе естественнонаучных
дисциплин. Разделы науки. Исторические этапы развития микробиологии.
РАЗДЕЛ I. МОРФОЛОГИЯ И СИСТЕМАТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ
1.1. Особенности организации микробных клеток
Структура эукариотической и прокариотической клетки в сравнительном
аспекте: особенности организации аппарата наследственности, сети цитомембран,
одиночных органелл, включений, клеточных стенок, органов движения. Споры,
слизистые слои клеток разных микроорганизмов. Функции клеток, органелл,
включений, органов движения и других клеточных структур. Характеристика
различий в организации, физиологии и метаболизме клеток эукариот и прокариот.
1.2. Основы систематики микроорганизмов
Принципы, задачи и разделы систематики: таксономия, классификация,
номенклатура.
Идентификация
микроорганизмов.
Фенетические
и
филогенетические системы классификации. Характеристика и использование
генетических, фенотипических и серологических критериев систематики
микроорганизмов. Иерархическая структура систем классификации. Современная
классификация клеточных организмов и положение микроорганизмов в ней.
1.3. Систематический обзор прокариот
Особенности систематики прокариот. Характеристика филогенетической и
фенотипической систем классификации прокариот. Морфология клеток
прокариот, способы размножения прокариот. Систематический обзор важных для
биоэкологии таксонов эубактерий и архебактерий.
1.4. Систематический обзор грибов и слизевиков
Особенности организации и систематики грибов. Физиология грибов:
способы питания грибов, рост мицелиальных грибов, способы бесполого и
полового
размножения
грибов.
Характеристика
псевдомицетов:
гифохитриомицеты, оомицеты. Характеристика эумицетов: низшие грибы
(хитридиомицеты, зигомицеты, гломеромицеты), высшие грибы (аскомицеты,
базидиомицеты, несовершенные грибы). Особенности морфологии и физиологии
дрожжей,
использование
дрожжей
в
биотехнологии.
Слизевики:
лабиринтуломицеты, клеточные и плазмодиальные слизевики.
8
1.5. Водоросли
Отличительные особенности организации водорослей, их систематическое
положение. Физиология и биохимия водорослей. Классификация царства
хромистов, положение водорослей в нем. Характеристика водорослей,
относящихся к царствам хромистов и протистов. Роль водорослей в биоэкологии.
1.6. Простейшие
Отличительные особенности организации простейших, их систематическое
положение. Физиология и биохимия простейших. Классификация царства
протистов и положение простейших в нем. Характеристика основных типов
простейших: альвеоляты, фораминиферы, ризоподы, полимастиготы, эвгленозои.
Роль простейших в биоэкологии.
1.7. Неклеточные формы жизни
Особенности организации вирусов, их отличия от клеточных организмов.
Строение вирионов: типы симметрии капсидов, сложные и простые вирусы.
Номенклатура и классификация вирусов. Особенности взаимодействия вирусов с
представителями разных царств клеточных организмов. Способы взаимодействия
вирулентных и умеренных вирусов с клетками: литический цикл и лизогения.
Роль вирусов в биотехнологии и окружающей среде. Характеристика вироидов и
сателлитных РНК. Прионы или инфекционные белки.
РАЗДЕЛ II. ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
2.1. Питание микроорганизмов
Химический состав микробной клетки. Питательные вещества: источники
биогенных элементов для микроорганизмов разных групп; минеральные
элементы; факторы роста. Типы питания микроорганизмов: отношение к
источникам энергии, источникам углерода, донорам электронов. Характеристика
основных
групп
питания
микроорганизмов:
фотолитоавтотрофы,
фотоорганоавтотрофы,
хемолитоавтотрофы,
хемоорганогетеротрофы.
Сопоставительная характеристика разных способов поступления питательных
веществ в клетку. Питательные среды: принципы составления, предъявляемые
требования, классификация.
2.2 Закономерности микробного роста
Рост микробной клетки: характеристика отдельных фаз. Рост микробной
популяции в статической (периодической) культуре: кривая роста, характеристика
фаз роста, особенности экспоненциального роста. Параметры роста клеточной
популяции: концентрация клеток, плотность суспензий, константы скорости
деления и скорости роста, время генерации, время удвоения, урожай,
экономический коэффициент. Способы определения параметров роста микробных
популяций.
9
2.3. Влияние внешних факторов на рост микроорганизмов
Категории внешних факторов, оказывающих воздействие на рост
микроорганизмов: микробостатические и микробоцидные факторы. Влияние
физических факторов среды на развитие микробных популяций: температура,
аэрация, доступность воды и высушивание, электромагнитные излучения,
осмотическое и гидростатическое давление, реакция среды и др. Влияние
химических факторов на развитие микроорганизмов: дезинфектанты и
антисептики, консерванты, химиотерапевтические агенты и антибиотики.
Использование перечисленных факторов человеком для ограничения развития
микроорганизмов. Характеристика методов стерилизации, оценка эффективности
стерилизации. Правила асептики.
2.4 Основы культивирования микроорганизмов
Многообразие способов культивирования микроорганизмов. Элективные
методы культивирования, способы их реализации. Получение чистых и
смешанных культур. Методы периодического и непрерывного культивирования,
приборное оснащение и управление этими процессами. Синхронизация
клеточных культур. Особенности культивирования микроорганизмов в аэробных
и анаэробных условиях. Характеристика способов хранения микроорганизмов.
РАЗДЕЛ III. МЕТАБОЛИЗМ МИКРОБНОЙ КЛЕТКИ
3.1. Способы запасания энергии микроорганизмами
Основные понятия о метаболизме: катаболизм и анаболизм, энергетический
и конструктивный метаболизм. Способы запасания энергии микроорганизмами.
Закономерности дыхания, брожения, фотосинтеза.
3.2. Деятельность хемолитотрофных бактерий: хемосинтез
Общая характеристика процесса хемосинтеза. Понятие укороченной
дыхательной цепи. Окисление водорода, водородные бактерии. Окисление
аммиака и нитрита, нитрифицирующие бактерии. Окисление соединений серы,
тионовые бактерии. Окисление ионов металлов, железобактерии. Роль
хемосинтезирующих бактерий в природе и в хозяйственной деятельности
человека.
3.3. Процессы анаэробного дыхания
Особенности
анаэробного
дыхания.
«Нитратное»
дыхание,
нитратредуцирующие бактерии. «Сульфатное» дыхание, сульфатредуцирующие
бактерии, анаэробная коррозия железа. «Серное» дыхание. «Карбонатное»
дыхание, метаногенные бактерии, получение биогаза. «Карбонатное дыхание» в
клетках ацетогенных бактерий. «Фумаратное» дыхание, сукциногенные бактерии.
Транспорт в клетку и восстановление ионов железа. Роль перечисленных
микроорганизмов в природе и хозяйственной деятельности человека.
10
3.4. Процессы брожения
Разнообразие процессов брожения. Спиртовое брожение: химизм,
сопоставительная характеристика бактериальных и дрожжевых продуцентов
этанола, направления совершенствования продуцентов. Молочнокислое
брожение: химизм, характеристика возбудителей, явление фаголизиса на
молочных комбинатах, использование молочнокислых бактерий в качестве
пробиотиков. Химизм и значение для народного хозяйства пропионовокислого,
муравьинокислого, маслянокислого и ацетонобутилового брожения. Особенности
сбраживания аминокислот.
РАЗДЕЛ IV. ЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
4.1. Микроорганизмы и окружающая среда
Роль микроорганизмов в природных экосистемах. Состав и характеристика
водных и почвенных экосистем, деятельность микроорганизмов в них.
Экстремальные места обитания микроорганизмов. Продуценты и редуценты.
Микробиота воздуха.
4.2. Роль микроорганизмов в биогеохимических циклах
Понятие биогеохимических циклов. Роль микроорганизмов в глобальном
круговороте веществ. Круговорот углерода: первичные продуценты,
биодеградация, минерализация. Круговорот азота: азотфиксация, аммонификация,
нитрификация, денитрификация. Круговорот серы, кислорода, фосфора, железа,
тяжелых металлов. Участие микроорганизмов в парниковом эффекте и
глобальном изменении климата.
4.3. Популяционные взаимодействия
Типы популяционных взаимодействий. Взаимодействие микроорганизмов
друг с другом: нейтрализм, комменсализм, мутуализм, конкуренция, антагонизм,
паразитизм, хищничество.
Взаимодействие
микроорганизмов
с
растениями:
эпифитные,
симбиотические, фитопатогенные микроорганизмы.
Взаимодействие микроорганизмов с животными и человеком: симбиоз,
патогенез, хищничество.
4.4. Роль микроорганизмов в очистке окружающей среды от
загрязнений
Загрязнение и самоочищение природных водоемов. Оценка степени
загрязненности поверхностных водоемов. Биологические методы очистки
сточных вод. Очистка питьевой воды.
Биоремедиация загрязненных почв.
Утилизация твердых отходов. Компостирование.
Биодеградация ксенобиотиков и других поллютантов.
11
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ РЕКОМЕНДУЕМЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ
ЗАНЯТИЙ
1. Световая микроскопия. Ознакомление с устройством светового
микроскопа, типами световой микроскопии, порядком работы со световыми
микроскопами.
2. Электронная микроскопия. Ознакомление устройством и принципом
работы трансмиссионного и сканирующего электронного микроскопа.
3. Техника приготовления препаратов микроорганизмов для световой и
электронной микроскопии.
4. Техника окраски клеток. Выявление клеточных структур.
5. Определение размеров клеток микроорганизмов.
6. Изучение подвижности микроорганизмов.
7. Изучение способов приготовления питательных сред.
8. Изучение способов стерилизации разных объектов.
9. Техника посева микроорганизмов в жидкие и на плотные питательные
среды различными способами.
10. Изучение основных методов культивирования микроорганизмов.
11. Прямой подсчет клеток с помощью приемов световой микроскопии.
12. Определение концентрации жизнеспособных клеток микроорганизмов
методом высева на питательные среды.
13. Определение титра суспензий по степени светорассеяния.
14. Определение чувствительности микроорганизмов к антимикробным
факторам физической и химической природы.
15. Исследование антагонистической активности микроорганизмов.
16. Оценка степени загрязнения природных водоемов. Изучение методов
санитарно-бактериологического анализа воды.
17. Микроскопический анализ и количественный учет представителей
основных физиологических групп активного ила.
18. Оценка токсичности антропогенных факторов для почвенной
микробиоты.
19. Способы получения консорциумов микроорганизмов, обладающих
способностью к деградации ксенобиотиков.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Основная
12
1. Белясова, Н.А. Микробиология: учеб. пособие для студентов
специальностей «Биотехнология» и «Биоэкология» /Н.А. Белясова. – Мн.: БГТУ,
2005. – 292 с.
2. Белясова, Н.А. Микробиология. Лабораторный практикум: учеб. пособие
для студентов специальностей «Биотехнология», «Биоэкология», «Биология» /
Н.А. Белясова. – Мн.: БГТУ, 2007. –160 с.
3. Шлегель, Г. Общая микробиология / Г. Шлегель. – М.: Мир, 1987. – 567 с.
4. Методы общей бактериологии: В 3 т. / Под ред. Ф. Герхардта и др. – М.:
Мир, 1983-1984. – Т.1 – 536 с.; Т. 2. – 472 с.; Т. 3. – 264 с.
5. Стейниер, Р. Мир микробов / Р. Стейниер, Э. Эдельберг, Дж. Ингрем. –
В 3-х т. – М.: Мир, 1979. – Т. 1 – 320 с.; Т. 2. – 334 с.; Т. 3. – 486 с.
6. Гусев, М. В. Микробиология / М.В. Гусев, Л.А. Минеева. – М.: Академия,
2007. – 462 с.
7. Экология микроорганизмов / Под ред. А.И. Нетрусова. – М.: Академия,
2004. – 272 с.
8. Кузнецов, А.Е. Научные основы экобиотехнологии / А.Е. Кузнецов,
Н.Б. Градова. – М.: Мир, 2006. – 504 с.
Дополнительная
1. Елинов, Н.П. Химическая микробиология / Н.П. Елинов. – М.: Высш. шк.,
1989. – 448 с.
2. Воробьева, Л.И. Промышленная микробиология / Л.И. Воробьева. – М.:
Изд-во МГУ, 1989. – 294 с.
3. Бери, Д. Биология дрожжей / Д. Бери. – М.: Мир, 1985. – 96 с.
4. Квасников, Е. И.
Дрожжи.
Биология.
Пути
использования
/ Е.И. Квасников, И.Ф. Щелокова. – Киев: Навук. думка, 1991. – 328 с.
5. Громов, Б.В. Экология бактерий / Б.В. Громов, Г.В. Павленко. – Л.: Издво Ленингр. ун-та, 1989. – 248 с.
6. Руководство к практическим занятиям по микробиологии / Под ред.
Н.С. Егорова. – М.: Изд-во МГУ, 1995. – 222 с.
7. Звягинцев, Д.Г. Почва и микроорганизмы / Д.Г. Звягинцев. – М.: Изд-во
МГУ, 1987. – 256 с.
8. Кожевин, П.А. Микробные популяции в природе / П.А. Кожевин. – М.:
Изд-во МГУ, 1989. – 175 с.
9. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред.
Д. Г. Звягинцева. – М.: Изд-во МГУ, 1991. – 303 с.
13