ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

ОПД.КВ. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ

ОСНОВНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА

ПОДГОТОВКИ ПО

СПЕЦИАЛЬНОСТИ

020801 (013100) ЭКОЛОГИЯ

КВАЛИФИКАЦИЯ: ЭКОЛОГ

Утверждено на заседании кафедры Эко- Утверждено на заседании Совета естестлогии и естествознания естественно- венно-географического факультета (прогеографического факультета токол №4 от 19 декабря 2006 г.) (протокол №5 от 06 декабря 2006 г.) Председатель совета Зав. кафедрой В.А.Подковыров Л.И. Копылова

I. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

Место дисциплины Биотехнология - одна из самых старых и одновременно одна из самых молодых наук и отраслей промышленности. Эта наука принадлежит к числу приоритетных областей человеческих знаний и изучает процессы воспроизведения целевых продуктов с помощью живых организмов или их элементов, способных функционировать вне клетки. В основе ее лежит уникальность биологических систем в отношении узнавания и катализа.

Термин биотехнология происходит от греческих слов bios- жизнь, tekenискусство, logos- учение, наука.

Человечество с давних времен использует биотехнологические приемы при получении кисло - молочных продуктов, хлеба, вина, пива и др. Эти технологии достигли известного совершенства и разнообразия, создано большое количество достаточно стабильных технологических процессов, принципиальные основы которых сохранены в современных производствах.

Начавшись с успехов в технической микробиологии, современная биотехнология охватывает все передовые направления биологии и сопредельных наук. Новый этап биотехнологии, развитие которого происходит в настоящее время, связан с появлением принципиально новых технологий, объектами которой стали культивируемые ткани и клетки высших многоклеточных организмов- животных и растений, а также микроорганизмы, созданные методами генной инженерии. Новые биотехнологические процессы, базирующиеся на современных методах молекулярно- генетического и клеточного конструирования, применении иммобилизованных ферментов и клеток, позволяют снять остроту таких проблем современности, как борьба с тяжелыми заболеваниями, дефицит пищевых веществ, загрязнение окружающей среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов.

Достижения современной биотехнологии позволяют направленно вмешиваться в течение внутриклеточных процессов, механизмы их регуляции, осуществляя экологизацию сельского хозяйства, промышленности, медицины.

Предметом данного курса являются теоретические основы биотехнологических производств и перспективы использования нетрадиционных биотехнологических разработок и проблем, связанных с улучшением экологической ситуации.

Основной объект изучения дисциплины – пути решения экологических проблем, связанные с использованием биотехнологических подходов.

Цель дисциплины Рассмотрение фундаментальных и прикладных аспектов экологической биотехнологии, включая традиционные и новые отрасли, основанные на применении микробных, растительных, животных клеток, клеточных структур и метаболитов Задачи дисциплины изучить основы биотехнологических производств;

обсудить перспективы использования нетрадиционных биотехнологических разработок;

рассмотреть экологические вопросы, связанные с реализацией биотехнологических разработок Принципы отбора содержания и организации учебного материала:

принцип научности, предполагающий соответствие содержания образования уровню современной науки.

принцип системности, предполагающий осознание личностью знаний по их месту в научной теории.

принцип личностно-ориентированного подхода к развитию творческих способностей специалиста.

принцип целостности и полифункциональности, учитывающий как специфику каждого раздела дисциплины, так и их взаимосвязь, единство общих тенденций, основные психолого-педагогические подходы к феномену личности.

принцип диалогичности в организации процесса обучения реализующийся через субъект-субъектные отношения участников процесса.

Требования к уровню освоения содержания дисциплины:

Студент, прослушавший курс «Экологическая биотехнология» должен знать:

основные этапы реализации технологии рекомбинантных ДНК;

экологические и медико-биологические аспекты применения технологии рекомбинантных ДНК;

современные методы производства биологических препаратов;

области применения биопрепаратов и их экологическую значимость;

круг экологических проблем, решаемых в рамках биотехнологии и пути их решения;

уметь:

применять теоретические знания для решения практических вопросов рационального природопользования и охраны природы.

Виды контроля Входной контроль – тестирование.

Текущий контроль:

В ходе текущей аттестации оценивается качество освоения содержания конкретных разделов. Для этого используются следующие формы текущей аттестации: тестирование по разделам дисциплины, устный опрос, реферативные работы, доклады, выполнение письменных контрольных работ.

Рубежный контроль: проводится между модулями - тестирование, собеседование.

Итоговый контроль: зачет (9 семестр). Оценивается индивидуальный ответ.

Критерии оценки: ответ полный, раскрывающий историю рассматриваемой проблемы, основных акторов проблемы, теоретические положения проблемы, пути их решения, раскрытие идей теоретической экологии и их преломление на локальном уровне.

Формально: оценивается достижение целей образовательного стандарта высшего профессионального образования и соответствия фактического уровня развития личности профессионала проектируемому.

II. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Модуль 1. Экологическая биотехнология Введение Предмет и задачи курса. Возможности биотехнологии. Исторические этапы развития биотехнологии. Современное состояние. Экономические и коммерческие аспекты биотехнологии. Контроль продукции. Новые направления в развитии биотехнологии.

Главные слагаемые биотехнологических производств Биологические объекты и продукты биотехнологических процессов.

Принцип отбора биообъектов для производства. Первичные и вторичные метаболиты. Основные критерии оценки биотехнологических процессов. Способы усиления активности биообъектов. Сверхсинтез продуктов у биообъектов с измененным генотипом. Стабильность генетических свойств мутантов и рекомбинантов. Хранение биообъектов: методы и условия. Условия реактивации и определение жизнеспособности клеток.

Культивирование биологических объектов. Субстраты для культивирования биообъектов. Характеристика важнейших групп субстратов, используемых в биотехнологии, их экологическое значение. Составление рецептур питательных сред. Среды для выращивания клеток растений, животных, микроорганизмов. Обеззараживание питательных сред.

Этапы биотехнологического процесса Рост и развитие клеток. Кинетика клеточного роста. Влияние условий среды на рост клеток. Регуляция скорости роста клеток. Системы ферментации.

Принципы действия и конструкции ферментаторов. Биотехнологические процессы периодического и непрерывного действия. Специализированные типы биотехнологических процессов: анаэробные, твердофазные, поверхностные, газофазные. Культивирование растительных и животных клеток. Общие принципы и проблемы масштабирования в биотехнологии.

Выделение и очистка продуктов ферментации. Получение целевых продуктов различной степени очистки. Современные методы разделения веществ.

Обезвоживание продукта, способы его модификации и стабилизации.

Ферментная биотехнология Источники ферментов. Ферменты животного и растительного происхождения. Микробные ферментные препараты. Основные технологические этапы производства ферментных препаратов.

Синтез ферментов. Индукция и репрессия синтеза ферментов. Стабильность ферментов. Вещества и факторы, вызывающие инактивацию ферментов.

Пути стабилизации ферментов.

Иммобилизовавнные ферменты. Носители для иммобилизации ферментов.

Иммобилизация путем адсорбции на нерастворимых носителях. Иммобилизация ферментов путем включения в гели. Иммобилизация ферментов с использованием систем двухфазного типа. Иммобилизация ферментов с использованием полупроницаемых мембран. Микрокапсулирование. Химические методы иммобилизации. Иммобилизованые клетки, клеточные органеллы. Соиммобилизация.

Биотехнологии, основанные на использовании иммобилизованных ферментов, Использование ферментов в тонком органическом синтезе, микроанализе. Молекулярная микроэлектроника. Ферментные электроды, их принцип действия и использование в мониторинге.

Генетическая инженерия в биотехнологии Технология рекомбинантных ДНК. Выделение и амплификация генов из ДНК. Векторы, используемые в генетической инженерии. Способы введения генетических конструкций в организм. Выделение трансформированных клеток и экспрессия генов.

Конструирование продуцентов первичных метаболитов. Использование генной инженерии для получения новых веществ. Создание методами генной инженерии гербицидоустойчивых растений. Конструирование микробиологических пестицидов и растений, устойчивых к насекомым. Повышение устойчивости растений к ранним заморозкам и эффективности биологической фиксации азота.

Получение трансгенных животных с ускоренным ростом. Интеграция трансгенов с хромосомами соматических и генеративных клеток. Инъекция рекомбинантных ДНК в зиготы. Ретровирусные векторы для введения в генеративные клетки. Трансгеноз генов, обеспечивающих ускоренный рост животных. Возможные экологические последствия создания трансгенных организмов Микробиотехнология Типовая схема микробиологического производства. Основные стадии производства продуктов микробного синтеза.

Биогидрометаллургия. Микробное выщелачивание металлов. Превращение, накопление и иммобилизация металлов микроорганизмами.

Биоэнергетика. Преобразование энергии. Биофотолиз воды. Система биокаталитического производства водорода. Биоэлектрокатализ. Биологические микроустройства.

Биоконверсия растительных материалов и отходов. Механизмы микробной деградации растительных субстратов. Ферментативное превращение целлюлозы в сахара. Получение белковых препаратов пищевого и кормового назначения. Биотрансформация растительных субстратов с целью получения этанола и органических кислот. Биоконверсия биомассы и отходов в метан. Получение органических удобрений. Комплексная переработка растительного сырья. Получение основных продуктов питания на основе растительного сырья.

Пищевые волокна. Лечебный лигнин.

Роль биотехнологиии в улучшении экологической ситуации. Биологическая переработка промышленных отходов. Биологическая очистка сточных вод. Биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде. Биологическая очистка газов.

Биотехнология клеток растений и животных Использование растительных клеток в биосинтетических и биотрансформирующих реакциях. Каллусогенез как основа создания клеточных культур.

Суспензионные культуры и условия их культивирования.

Клеточные технологии в создании генетического разнообразия и ценных для селекции исходных форм. Стабильность и вариабельность генома растительных клеток in vitro. Создание гаплоидов и гомозиготных диплоидных линий методами in vitro. Сохранение in vitro генофонда в коллекционных центрах.

Биотехнологии на основе изолированных протопластов. Методы слияния, культивирования протопластов. Регенерация клеток, клеточных культур и растений из протопластов. Клональное микроразмножение и оздоровление растений. Получение безвирусного посадочного материала.

Агротехническое применение клеточных культур растений. Принципы создания ассоциаций с клубеньковыми, азотфиксирующими свободноживущими бактериями, цианобактериями, грибами.

Возможности и перспективы использования клеток и клеточных структур различных тканей. Ткани для репродукции вирусов и получения вирусных вакцин. Получение гомо, гетеро и синкариотических гибридов. Шэридомы. Получение и применение моноклональных антител. Производство интерферона.

Культуры тканей в трансплантологии. Создание банка трансплантируемых культур тканей. Технология трансплантации эмбрионов. Микроманипуляции с эмбрионами животных. Оплодотворение in vitro. Культивирование in vitro эмбрионов животных. Межвидовые пересадки эмбрионов и получение химерных животных. Получение клонированных животных путем пересадки ядер эмбриональных клеток в энуклеированные яйцеклетки. Этические и профессиональные проблемы.

Биотехнология, биогаз, биосинтез, биофабрика, биоэнергетика, генная инженерия, генно-модифицированный организм, инженерная биология, клеточная инженерия, техническая микробиология.

III. ОРГАНИЗАЦИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

IV. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Система оценивания результатов обучения Дисциплина состоит из 2 учебных модулей. Всего студент в процессе изучения дисциплины может набрать max – 200 баллов, min - 100 баллов. В процессе обучения студент оценивается помодульно. За аудиторную работу – 76-160 баллов и самостоятельную работу – 24-40 баллов.

Зачет получают студенты, выполнившие все обязательные виды деятельности, и набравшие более 75 % (150) баллов. Студенты, выполнившие все обязательные виды деятельности, и набравшие от 50% до 75 % (100-150) баллов, сдают зачет по вопросам. Студенты, набравшие менее 50 % (100) баллов, должны выполнить все обязательные виды деятельности и дополнительные задания, чтобы общая сумма баллов была не менее 50 % от максимально возможной, а затем сдать зачет по вопросам.

Цель контроля: определение уровня подготовки студентов по дисциплине.

Виды контроля: итоговый (зачет 9 семестр).

1. Предмет, цели и задачи курса.

2. Биологические объекты биотехнологических процессов 3. Продукты биотехнологических процессов.

4. Субстраты для культивирования биообъектов в биотехнологии 5. Кинетика клеточного роста, влияние условий среды на рост клеток.

6. Принципы действия и конструкции ферментаторов.

7. Периодическое и непрерывное культивирование. Специализированные типы биотехнологических процессов.

8. Выделение и очистка продуктов ферментации.

9. Основные направления, цели и задачи ферментной биотехнологии.

10.Источники ферментов. Основные технологические этапы производства ферментных препаратов.

11.Иммобилизовавнные ферменты. Их получение и область применения.

12.Технология рекомбинантных ДНК. Основные этапы.

13.Выделение и амплификация генов из ДНК. Векторы, используемые в генетической инженерии.

14.Способы введения генетических конструкций в организм. Выделение трансформированных клеток и экспрессия генов.

15.Технология получения трансгенных животных. Возможные экологические последствия создания трансгенных организмов.

16.Микробное выщелачивание металлов.

17.Биоэнергетика, цели и задачи. Основные направления.

18.Система биокаталитического производства водорода. Биоэлектрокатализ.

19.Биоконверсия растительных материалов и отходов.

20.Роль биотехнологиии в улучшении экологической ситуации.

21.Биологическая переработка промышленных отходов и очистка сточных 22.Биологическая очистка газов.

23.Биотехнология растительной клетки.

24.Биотехнологии на основе изолированных протопластов.

25.Принципы создания микробных ассоциаций для решения экологоэкономических проблем сельского хозяйства.

26.Медицинская биотехнология. Моноклональные антитела.

27.Культуры тканей в трансплантологии. Биоэтические аспекты.

V. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Основная 1. Блинов Н.П. Основы биотехнологии. - СПб: Наука, 1995.

2. Бейли Дж, Оллис Д. Основы биотехнологической инженерии. В 2- х т. М.: Мир, 1989.

3. Беккер М.Е., Райпулис Е.П. Биотехнология. - М.: Агропромиздат, 4. Биотехнология в 8 томах. Под. ред. Н.С.Егорова, В.Д. Самуюгова. - М., Высшая школа, 1987-1988.

5. Биотехнология клеток животных. В 2- х т., Под ред. Р.Е. Спиера и Дж, Гриффитса - М.: Агропромиздат, 1989.

6. Биотехнология растений. По ред. С.Х. Монтелла и X. Смита – М.: Агропромиздат, 1987.

7. Биотехнология: принципы и применение. Под ред. И. Хиггинса, Дж.

Джонсона - М.: Мир, 1988.

8. Виестур У.Э., Шмите И.А., Исилевич А.В. Биотехнология. Биотехнологические агенты, технология, аппаратура. – Рига: Зинатне, 1987.

9. Герасименко В.Г. Биотехнология. – Киев: Высшая школа, 1989.

10. Иммобилизованные клетки и ферменты. Методы. Под ред. Дж. Вудаорда - М.: Мир, 1988.

11. Руклиш М.П., Швинка Ю.Э., Виестур У.Э. Биотехнология бактериального синтеза. – Рига: Зинатне, 1992.

12. Сингер М., Берг П. Гены и геномы. - М.: Мир, 1998.

13. Современное естествознание. Т. 10 Современные технологии. М.: Наука, 2000.

Дополнительная 1. Безбородов А.М. Биотехнология продуктов микробного синтеза. - М.:

Агропромиздат, 1991.

2. Гекселер К., Экштайн Э. Аналитические и препаративные лабораторные методы. - М..: Химия, 1994.

3. Грачева И.М. Технология ферментных препаратов. - М.: Агропромиздат, 4. Грачева И.М., Иванова Л.А., Кантере В.М. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и биоэнергия. - М.: Колос, 1992.

5. Диксон М., Уэоб Ю. Ферменты. В 3- х т. – М.: Мир, 1982.

6. Контаре В.М. Теоретические основы технологии микробиологических производств. - М.: Агропромиздат, 1990.

7. Лобанок А.Г., Астапович Н.И., Михайлова Р.В. Биотехнология микробных ферментов. – Минск: Наука и техника, 1989.

8. Лобанок А.Г., Бабицкая В.Г., Богдановская Ж.Н. Микробный синтез на основе целлюлозы: белок и другие ценные продукты. – Минск: Наука и техника, 1988.

9. Мазин А.В. Методы молекулярной генетики и генной инженерии. – Новосибирск: Наука, 1990.

10.Манаков М.Н., Победимский Д.Г. Теоретические основы технологии микробиологических производств. М.: Агропромиздат, 1990.

11.Маниатис Т., Фрич Э., Сэмбрук Дж. Молекулярное клонирование. Методы генетической инженерии. / Под ред. А.А. Баева, К.Г. Скрябина - М.:

12.Муромцев Г.С., Бутенко Р.Г., Тихоненко Т.И., Прокофьев М.И. Основы сельскохозяйственной биотехнологии. М.: Агропромиздат, 1990.

13.Промышленная микробиология. Под ред. Н.С. Егорова - М.: Высшая 14.Саловарова В.П., Приставка А.А., Ахмад Н.В. Ферменты катализирующие разложение растительных материалов, - Иркутск: ИГУ, 1999.

15.Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. М.: Мир, 1987.

16.Уотсон Дж, Туз Дж., Курс Д. Рекомбинантыные ДНК - М.: Мир, 1986.

1.Схемы и рисунки к лекциям в виде слайдов и электронных презентаций 2. Электронные контрольно-измерительные средства.

Интернет-ресурсы:

- catalog.iot.ru – каталог образовательных ресурсов в сети Интернет 1.Презентации к лекциям.

3. Таблицы.

Составитель: кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии и естествознания Приставка Алексей Александрович.

Рекомендовано на заседании кафедры экологии и естествознания Протокол № 5 от 6 декабря 2006 г.

Зав. кафедрой Одобрено на заседании УМК естественно-географического факультета Протокол № 4 от 6 декабря 2006 г.

Председатель УМК ЕГФ Дополнения и изменения в учебной программе дисциплины на 200_/ 200_ учебный год.

В учебную программу дисциплины вносятся следующие изменения:

Учебная программа дисциплины обсуждена и рекомендована на заседании кафедры _ протокол № от 200_г.

Заведующий кафедрой _ Внесенные изменения одобрены на заседании УМК факультета _ протокол № от 200_г.

Председатель УМК Внесенные изменения утверждены на заседании совета факультета _ протокол № от_200_г.

Председатель совета_ Протокол согласования учебной программы дисциплины с другими дисциплинами направления (специальности) вание дисциплин, изучение которых Кафедра опирается на данрядка изложения №, дата) ную дисциплину Основная литература 1. Блинов Н.П. Основы биотехнологии. - СПб: 5 Печатный Библиотека 2. Беккер М.Е., Райпулис Е.П. Биотехноло- 2 Печатный Библиотека гия. - М.: Агропромиздат, 1990.

3. Биотехнология: принципы и применение. 3 Печатный Библиотека Под ред. И. Хиггинса, Дж. Джонсона - М.:

4. Бейли Дж, Оллис Д. Основы биотехнологи- 2 печатный Библиотека ческой инженерии. В 2- х т. - М.: Мир, 1989.

Дополнительная литература 1. Безбородов А.М. Биотехнология продуктов 5 печатный библиотека микробного синтеза. - М.: Агропромиздат, 2. Грачева И.М. Технология ферментных пре- 2 Печатный библиотека паратов. - М.: Агропромиздат, 1987.

3 Муромцев Г.С., Бутенко Р.Г., Тихоненко 2 Печатный библиотека Т.И., Прокофьев М.И. Основы сельскохозяйственной биотехнологии. М.: Агропромиздат, 1990.

4 Сассон А. Биотехнология: свершения и на- Печатный библиотека дежды. М.: Мир, 1987.