РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «УТВЕРЖДАЮ»: Проректор по учебной работе _______________________ /Л.М. Волосникова/ __________ _____________ 2011 г. БИОИНДИКАЦИЯ И ТОКСИКОЛОГИЯ Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 020400.62 - Биология, профиль подготовки Биоэкология, очной формы обучения «ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»: Автор (ы) работы _____________________________/О.Н. Жигилева./ «______»___________2011 г. Рассмотрено на заседании кафедры экологии и генетики (25.03.2011 протокол № 12) Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению. «РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»: Объем 12 стр. Зав. кафедрой ______________________________/И.В. Пак./ «______»___________ 2011 г. Рассмотрено на заседании УМК биологического факультета (28.03.2011 протокол № 3) Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы. «СОГЛАСОВАНО»: Председатель УМК ________________________/А.А. Мелентьева./ «______»_____________2011 г. «СОГЛАСОВАНО»: Зав. методическим отделом УМУ_____________/А.С. Федорова/ «______»_____________2011 г. РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Биологический факультет Кафедра экологии и генетики О.Н. Жигилева БИОИНДИКАЦИЯ И ТОКСИКОЛОГИЯ Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 020400.62 - Биология, профиль подготовки Биоэкология, очной формы обучения Тюменский государственный университет 2011 Жигилева О.Н. Биоиндикация и токсикология. Учебнометодический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 020400.62 - Биология, профиль подготовки - Биоэкология, очной формы обучения. Тюмень, 2011, 11 стр. Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки. Рабочая программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ: Биоиндикация и токсикология [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3.utmn.ru., свободный. Рекомендовано к изданию кафедрой экологии и генетики. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета. ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующая кафедрой экологии и генетики, д.б.н. И.В. Пак © Тюменский государственный университет, 2011. © Жигилева О.Н., 2011. 1. Пояснительная записка. 1.1. Цели и задачи дисциплины Целью спецкурса является ознакомление студентов как с традиционными методами и областями применения биоиндикаторов, так и с более современными, основанными на новейших достижениях экологии и токсикологии. Особое внимание уделяется биоиндикации в узком смысле, как оценке изменений окружающей среды, вызванных антропогенными воздействиями. Рассматриваются основы токсикологии как теоретической базы биоиндикации состояния окружающей среды. Подробно рассматриваются особенности биоиндикации на разных уровнях организации живой материи. Особое место в программе спецкурса отводится ознакомлению студентов с новейшими разработками в области биоиндикации и перспективными методами биотестирования. Учебно-методический комплекс «Биоиндикация и токсикология» соответствует требованиям федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования. 1.2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата Дисциплина «Биоиндикация и токсикология» относится к циклу Б3. Профессиональный цикл: вариативная часть. Она логически и содержательнометодически взаимосвязана с дисциплинами Б.3. Профессионального цикла: базовой (общепрофессиональной) частью: зоология, ботаника, микробиология, вирусология, цитология, гистология, анатомия и физиология человека и животных, физиология растений, биохимия и молекулярная биология, экология и рациональное природопользование, науки о Земле, почвоведение, физика, химия. Для успешного освоения дисциплины необходимы базовые знания по зоологии, ботанике, микробиологии, вирусологии, цитологии, гистологии, физиологии человека и животных, физиологии растений, биохимии, химии, наукам о Земле, почвоведении. 1.3. Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в результате освоения данной ООП ВПО. В результате освоения ООП бакалавриата выпускник должен обладать следующими компетенциями: - демонстрирует знание принципов структурной и функциональной организации биологических объектов и механизмов гомеостатической регуляции, применяет основные физиологические методы анализа и оценки состояния живых систем – ПК 3; - знает принципы мониторинга, оценки состояния природной среды и охраны живой природы участвует в планировании и реализации соответствующих мероприятий – ПК 12 В результате освоения дисциплины обучающийся должен: Знать: основные понятия и виды биоиндикации, особенности растений, животных, микроорганизмов как индикаторов; эколого-физиологогические основы биоиндикации и биотестирования, перечень стандартных тест-объектов и требования к ним; основные понятия токсикологии, методологию биогеохимической индикации; особенности биоиндикации на разных уровнях организации живой природы (клеточном, организменном, популяционном, биоценотическом); терминологию, методологию и области применения ландшафтной индикации; современные области применения биоиндикаторов. Уметь: выбирать наиболее подходящие для решения практических задач методы и объекты биоиндикации, тест-объекты и тест-функции, планировать токсикологический эксперимент, статистически обрабатывать, анализировать и описывать его результаты, давать рекомендации по установлению ПДК и других предельно-допустимых норм исходя из данных биотестирования, давать заключение об экологическом состоянии объекта исследования. Владеть: стандартными методиками биотестирования. 2. Структура и трудоемкость дисциплины. Семестр 8. Форма промежуточной аттестации – экзамен. дисциплины составляет 3 зачетных единицы 108 часов. Общая трудоемкость 3. Тематический план. Таблица 1. Тематический план 3 Самостоятельн ая работа 2 Семинарские (практические) занятия 1 Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час. Лекции Тема недели семестра № 4 5 6 Итого часов по теме Из них в интера ктивно й форме Итого количе ство баллов 7 8 9 15 15 30 2 2 10 10 20 Модуль 1. Теоретические основы биоиндикации и экотоксикологии 1.1. Основы биоиндикации 1.2 Основы токсикологии Всего 1 2 2 2 2 4 3 3 6 10 10 20 Модуль 2. Биоиндикация на разных уровнях организации живой природы 2.1. 2.2 2.3 2.4 Всего Биоиндикация на уровне биохимических и физиологических реакций Биоиндикация на организменном уровне Биоиндикация на популяционном уровне Биоиндикация на уровне биоценозов 3 2 3 6 11 2 10 4 2 3 6 11 2 15 5 1 3 6 10 2 10 5 3 1 6 9 12 30 13 45 6 5 40 2 2 2 3 3 3 6 6 4 11 11 9 6 16 4 9 24 8 2 18 68 2 33 108 Модуль 3. Области применения биоиндикации 3.1. Ландшафтная индикация 6 3.2 Направления ландшафтной индикации 7 3.3 Современные области применения 8 биоиндикаторов 3.4 Итоговое тестирование 8 Всего Итого (часов, баллов): Из них часов в интерактивной форме 3 8 2 2 4 12 12 5 5 15 15 40 0 – 100 Таблица 2. Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля тест практическая работа ответ на семинаре Модуль 1 1.1. 1.2. Всего Модуль 2 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. Всего Модуль 3 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. Всего Итого 0-5 0-10 0-15 0-5 0-5 0-5 0-5 0-5 0-20 0-5 0-10 0-5 Итого количество баллов Письменные работы Устный опрос реферат № темы 0-10 0-10 0-20 0-5 0-10 0-15 0-10 0-5 40 0-20 0-5 0-5 0-5 0-15 0-15 0-40 0 – 100 0-5 0-15 0-5 0-40 0-5 0-30 0-15 0-15 0-15 0-15 Таблица 3. Планирование самостоятельной работы студентов № темы Виды СРС обязательные дополнительные Неделя семестра Объем часов Кол-во баллов 1 10 10 2 10 10 20 20 3 6 10 4 6 15 5 6 10 5 12 5 30 40 6 6 5 7 6 5 8 4 15 8 2 15 18 68 40 100 Модуль 1 Подготовка к семинару и контрольной работе 1.2 Подготовка к семинару, выполнение практической работы Всего по модулю 1: Модуль 2 2.1 Подготовка к семинару, выполнение практической работы 2.2 Подготовка к семинару, выполнение практической работы 2.3. Подготовка к семинару, выполнение практической работы 2.4 Подготовка к семинару 1.1 Чтение литературы Чтение литературы Чтение литературы Чтение литературы Чтение литературы Чтение литературы Всего по модулю 2: Модуль 3 3.1 Ввыполнение практической работы 3.2 Подготовка к семинару 3.3 Подготовка реферата 3.4 Подготовка к итоговому тестированию Всего по модулю 3: ИТОГО: Чтение литературы Чтение литературы Чтение литературы Чтение литературы 4. Содержание дисциплины. Модуль 1. Теоретические основы биоиндикации и экотоксикологии 1.1. Основы биоиндикации Недостаточность физико-химических методов для оценки Среды. Понятие биоиндикации в широком и узком смысле. История биоиндикации. Биоиндикаторы. Особенности растений, животных, микроорганизмов как индикаторов. Экологические основы биоиндикации. Виды и типы биоиндикации. Методы биоиндикации: активный и пассивный мониторинг. Биотестирование и решаемые с его помощью задачи. 1.2. Основы токсикологии Токсикология как теоретическая основа индикации загрязнения. Понятие “яд” и его относительность. Токсический эффект и методы его изучения. Соотношение понятий “доза” и “концентрация”. Виды доз (концентраций). Зависимость эффекта от дозы, времени воздействия. Понятие парадоксального эффекта. Критерии токсичности: медицинский и биологический. Понятие нормы. Кумуляция загрязняющих веществ. Биомагнификация. Биогеохимическая индикация: объекты, методология. Модуль 2. Биоиндикация на разных уровнях организации живой природы 2.1. Особенности биоиндикации на уровне биохимических и физиологических реакций. Закономерности биоиндикации на разных уровнях организации живой природы. Применение биологических процессов и биохимических параметров как индикаторов (обмен веществ, состав и активность ферментов, энергетический балланс, пигменты, фотосинтез, биомембраны, фитогормоны, химический состав клетки, биоэлектрическая активность ЦНС). 2.2. Особенности биоиндикации на организменном уровне. Использование в качестве индикаторов анатомо-морфологических структур растений, животных, изменений биоритмов животных и растений. Биоиндикация по поведенческим признакам. 2.3. Особенности биоиндикации на популяционном уровне. Влияние антропогенных стрессоров на динамику и распространение растительных популяций. Формы применения популяций животных для биоиндикации. Применение микробиологических параметров как индикаторов загрязнения почв. Вирусы как потенциальные биоиндикаторы. 2.4. Особенности биоиндикации на уровне биоценозов. Параметры структуры фито- и зооценозов (доминирование, видовое разнообразие, ритм продуктивности), как индикаторы антропогенного влияния. Модуль 3. Области применения биоиндикации 3.1. Ландшафтная индикация Особенности биоиндикации на ландшафтном уровне. Применение шкалы гемеробности (Blume, Sukopp) для оценки состояния наземных ландшафтов и шкалы сапробности для оценки состояния водоемов. Определение степени достоверности индикатора. Эколого-генетические ряды биоценозов и циклические комплексы как индикаторы процессов. 3.2. Области применения биоиндикации Направления ландшафтной индикации. Традиционные области применения. Агроиндикация: педоиндикация, галоиндикация, гидроиндикация. Литоиндикация и индикация полезных ископаемых. Геокриологическая индикация. Индикация процессов и предсказание стихийных бедствий. Прогноз погоды. Ландшафтное планирование и обустройство. 3.3. Современные области применения биоиндикаторов. Контроль состояния окружающей среды. Биоиндикация загрязнений воздуха, почв, водоемов. Биоиндикация в целях охраны природы. БИОСОТ, биосенсоры, токс-киты. 5. Планы семинарских (практических) занятий. Модуль1. Тема 1.1. Вопросы для обсуждения на семинаре: Что такое биоиндикация (биотестирование)? Чем отличается биоиндикатор и тест-объект? Какие требования предъявляют к тест-объектам (тест-функциям)? Почему лишайники могут быть использованы как индикаторы чистоты воздуха? Как аккумулятивные индикаторы? Практическая работа на тему: «Использование ранних стадий онтогенеза рыб для тестирования сточных вод, содержащих орто-крезол». Тема 1.2. Вопросы для обсуждения на семинаре: Чем отличаются понятия «доза» и «концентрация»? Назовите биологические критерии токсичности. Чем отличается медико-санитарный и биологический подходы к оценке критериев токсичности? Модуль 2. Тема 2.1. Вопросы для обсуждения на семинаре: Перечислите направления и приведите примеры использования ферментов как индикаторов загрязнения среды. Перечислите физиологические индикаторы стресса у животных (растений). Практическая работа на тему: «Использование метода перекисного окисления липидов для биотестирования вод». Тема 2.2. Вопросы для обсуждения на семинаре: Какие макроморфологические признаки используются в качестве индикаторных у растений (животных)? Какие микроморфологические признаки используются в качестве индикаторных у животных (растений)? Практические работы на тему: «Метод биотестирования вод по уровню двигательной активности инфузорий», «Метод биотестирования вод по смене статичного состояния на динамичное у медицинской пиявки». Тема 2.3. Вопросы для обсуждения на семинаре: Какой индикаторный вид лучше подходит для количественной оценки накопления тяжелых металлов? Радионуклидов? Пестицидов? Практическая работа на тему: «Метод оценки токсичности и мутагенности сточных вод по реакциям штамма 15В-П4 дрожжей сахаромицетов». Модуль 3. Тема 3.1. Вопросы для обсуждения на семинаре: Что такое индикат и индикатор? Как оценить достоверность и значимость ландшафтного индикатора? Почему растения используются в ландшафтной индикации чаще, чем животные? Практическая работа на тему: «Оценка степени сапробности водоема». Тема 3.2. Направления ландшафтной индикации. Вопросы для обсуждения на семинаре: Какая экологическая группа растений используется в качестве индикаторной при оценке засоления почв? Оценке свойств и глубины залегания грунтовых вод? Перечислите индикаторы полисапробной зоны (мезосапробной зоны). Какую степень гемеробности Вы бы присвоили сельскому ландшафту, где произрастают смешанные агрокультуры с сорняками? Лесу, где ведется выпас скота, охота и сбор растительного сырья? Тема 3.3. Вопросы для обсуждения на семинаре: Какие методы биоиндикации и группы индикаторных организмом используют для оценки загрязнений воздуха, почв, водоемов? Какие показатели живых организмов могут применяться для контроля состояния окружающей среды? Как используется биоиндикация в целях охраны природы? Разработка автоматизированных систем контроля загрязнения окружающей среды. Приведите примеры. 6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины. 6.1. Задания для практических работ и методические рекомендации по их выполнению приведены в пособии: Жигилева О.Н. Биоиндикация и токсикология. Биотестирование загрязненных сред: методические указания по проведению практических и лабораторных работ по курсам. Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2002. 23 с. 6.2. Темы рефератов по модулю 3. 1. Человек как объект биологического мониторинга 2. Флуктуирующая асимметрия – показатель стабильности развития организмов и качества среды их обитания 3. Биохимические тест-системы и перспективы их использования для нормирования загрязнения окружающей среды 4. Морфофизиологические индикаторы состояния популяций животных 5. Величина внутрипопуляционной изменчивости как индикатор состояния популяции 6. Эколого-генетический мониторинг состояния среды обитания 7. Генетические тест-системы для оценки мутагенности и канцерогенности компонентов среды 8. Фито- и лихеноиндикация загрязнения атмосферного воздуха 9. Механизмы адаптации живых организмов к токсическим веществам 10. Стресс-реакция - универсальный ответ биологических систем на экстремальные условия 11. Автоматизированные системы наблюдения и контроля загрязнений 12. Экологические группы гидробионтов в оценке состояния водных экосистем 13. Совершенствование системы оценки сапробности водоемов 14. Биоиндикация состояния городской среды 15. Новые объекты и методы биоиндикационных исследований 16. Яды, их классификация, механизмы токсического действия 17. Биоиндикация радиоактивного загрязнения территорий 18. Биоиндикаторы и прогноз погоды, стихийных бедствий, глобального изменения климата. Интерактивные формы: заслушивание и обсуждение докладов и презентаций по реферативным работам в форме конференции; исследовательская работа по группам. 7. Образовательные технологии. Мультимедийные средства обучения (компьютерные презентации по всем темам), проблемные и исследовательские методы (на семинарах), модульно-рейтинговые технологии, встречи с сотрудниками Института проблем освоения Севера, мастер-классы специалистов. 8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины. 8.1. Основная литература: Ашихмина Т.Я. и др. Биоиндикация и биотестирование – методы познания экологического состояния окружающей среды. Киров: РПС, 2005. 164 с. Биотестовый анализ – интегральный метод оценки качества объектов окружающей среды / А.Г.Бубнов и др. / Под ред. В.И.Гриневича. Иваново, 2007. 112 с. Егорова Е.И. Биотестирование и биоиндикация окружающей среды: Учеб. пособие. Обнинск: ИАТЭ, 2000. 84 с. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 2007. 190 с. Латенков В.П., Скипин Л.Н. Основы токсикологии для безопасности жизни и деятельности. Тюмень: ТюмГУ, 2003. Мелехова О.П. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование. М.: Академия, 2007. 288 с. Мелехова О.П., Сарапульцева Е.И. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование. М.: Академия, 2010. 288 с. 8.2. Дополнительная литература: Ашихмина Т.Я. Экологический мониторинг. М.: Академический проект, 2005. 416 с. Багдасарян А.С. Эффективность использования тест-систем при оценке токсичность природных сред // Экология и промышленность России. 2007. № 2. С. 44-48. Безель В.С. Популяционная экотоксикология млекопитающих. М.: Наука, 1987. 128 с. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / Под ред. Д.А. Криволуцкого. М.: Мир, 1988. Биоиндикация и биомониторинг. М.: Наука, 1991. 288 с. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / Под ред. Р. Шуберта. М.: Мир, 1988. 350 с. Биологические методы оценки природной среды. М.: Наука, 1978. 280 с. Биоиндикация в городах и пригородных зонах. М.: Наука, 1993. 122 с. Биотестирование природных и сточных вод. М., 1981. Брагинский Л,П., Комаровский Р.Я, Мережко Д.И. Персистентные пестициды в экологии пресных вод. Киев: Наукова Думка, 1979. Бурдин К.С. Основы биологического мониторинга. М.: Изд-во МГУ, 1985. 158 с. Виноградов Б. В. Растительные индикаторы и их использование при изучении природных ресурсов. М.: Высшая школа, 1964. 328 с. Викторов С. В. Использование аэроландшафтно-индикационных методов при поисках вод для пастбищ пустынь, полупустынь и степей. М.: ВИЭМС, 1972. 35 с. Викторов С. В., Ремезова Г. Л. Индикационная геоботаника. М.:Изд-во МГУ, 1988. 168 с. Викторов С. В., Чикишев А. Г. Ландшафтная индикация. М.:Наука, 1985. 96 с. Викторов С. В., Чикишев А. Г. Ландшафтная индикация и ее практическое применение. М.: Изд-во МГУ, 1990. 200 С. Груздева Л.П. Биотестирование токсичности почв в радиусе действия техногенных выбросов металлургического комбината // Земледелие. 2008. № 4. С. 16-17. Загрязнение воздуха и жизнь растений. Под ред. М. Трешоу. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 536 с. Коган Ю.С. Общая токсикология пестицидов. Киев: Здоровья, 1981. Копанев В. А., Гинзбург Э. Х., Семенова В. Н. Метод вероятностной оценки токсического эффекта. Новосибирск: Наука, 1988. 128 с. Котова Л. И., Рыжков Л. П., Полина А. В. Биологический контроль качества вод. М.: Наука, 1989. 144 с. Криволуцкий Д.А. Биоиндикация и биомониторинг. М.: Наука, 1991. 298 с. Криволуцкий Д. А. Индикационная зоология // Природа. 1985. № 7. С. 86- 91. Мелехова О.П. Биологические эффекты при воздействии поверхностно-активных веществ на организмы. М.: МАКС-Пресс, 2001. 344 с. Методы биотестирования вод. Черноголовка, 1988. 128 с. Мэннинг У. Д., Федер У. А. Биомониторинг загрязнения атмосферы с помощью растений. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 144 с. Полякова А. Биоиндикаторы и методы биоиндикации загрязнения среды // Экологический вестник России. 2002. № 11. С. 49–60. Проблемы загрязнения окружающей среды и токсикологии. М.: Мир, 1993. Симаков Ю. Г. Живые приборы. М.: Знание, 1986. 176 с. Трахтенберг И.М., Сова Р.Е., Шефтель В.О., Оникиенко Ф.А. и др. Проблема нормы в токсикологии (современные представления и методические подходы, основные параметры и константы). М.: Медицина, 1991. 208 с. Филенко О.Ф. Биологические методы в контроле качества окружающей среды // Экологические системы и приборы. 2007. № 6. С. 18–20. Филенко О.Ф., Дмитриева А.Г. Биотестирование как способ контроля токсичности загрязняемой водной среды // Приборы и системы управления. 1999. № 1. С. 14–17. Филиппова О.Е., Филиппова Е.Н. Биоиндикация как эффективный метод экомониторинга городских ландшафтов // Проблемы и перспективы современной науки. 2009. № 6. С. 24– 27. Флеров Б. А. Эколого-физиологические аспекты токсикологии пресноводных животных. Л.: Наука, 1989. 144 с. Черненькова Т.В. Реакция лесной растительности на промышленное загрязнение. М.: Наука, 2002. 191 с. 8.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы: http://bioassay.narod.ru/biotest/biot.html http://fadr.msu.ru/~letap/biotesting.html http://www.ecoguild.ru/forum/viewtopic.php?p=273 http://forum.integral.ru/viewtopic.php?f=34&t=10281 http://www.complexdoc.ru/ntdtext/541963/5 http://www.isuct.ru/testlib/system/files/pe_28012008.pdf http://www.ecosystema.ru/07referats/mon_biota/mon_biota.htm 9. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины. Дисциплина обеспечена компьютерными презентациями, составленными автором, видеофильмами. На факультете имеется для проведения занятий 3 мультимедийные аудитории, специализированные лаборатории, компьютерный класс.