МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА БИОФИЗИКИ
Одобрено на заседании кафедры биофизики Зав. кафедрой биофизики В.А. Кратасюк _____________ «___»_________________2002 г.
Программа составлена в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по специальности «Физика»
УДК 577.3.001.57 Автор-составитель: Ю.Л. Гуревич
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ Рабочая программа дисциплины
Экологические биотехнологии: Рабоч. программа дисциплины. Красноярск: РИО КрасГУ, 2002. - 6 с. (экспресс-издание). Предназначена для специальности 010400 «Биофизика» очной формы обучения.
«Физика» специализаций 010415
для специальности 010400 «Физика» специализации 010415 «Биофизика»
КрасГУ, 2002
Красноярск 2002
2
I. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ Цель курса: обучение основам исследования и разработки современных биотехнологических методов охраны окружающей среды. Задачи курса: дать общие и специальные сведения о закономерностях биотехнологических процессов, типовых задачах и методах решения проблем окружающей среды, включая переработку минерального сырья. Требования к уровню освоения содержания курса: дипломированный специалист в области физики (биофизики) должен владеть основами аналитического и экспериментального исследования процессов экологической биотехнологии, разработки биотехнических систем защиты окружающей среды от антропогенного воздействия. II. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА Тема 1. Введение Общие сведения о типовых процессах экологической биотехнологии (синтез биологически активных веществ, биодеградация токсичных веществ, биоочистка и детоксикация отходов, биоремедиация, биовыщелачивание); использование различных физиологических групп микроорганизмов. Тема 2. Теория микробиологических процессов синтеза и деструкции вещества в задачах экологической биотехнологии Принцип минимума (закон Либиха), формирование экологических ниш для окислительных, восстановительных процессов в водоемах, осадках и почве. Периодические, непрерывные и полупериодические процессы культивирования микроорганизмов, гомогенные реакторы и реакторы с биопленкой. Хемостатный принцип культивирования, управление процессами с помощью обратной связи. Кинетика микробиологических процессов, моделирование роста микроорганизмов и деструкции вещества. Материальный и энергетический баланс микробиологического процесса. Стехиометрия роста микроорганизмов. Теория экономического коэффициента. Физико-химические основы материально-энергетического баланса клеточного метаболизма. Экономические коэффициенты использования углерода, кислорода; относительные физиологические коэффициенты. Методы управления непрерывными и периодическими процессами на основе стехиометрических коэффициентов. Критические явления в динамике химических и микробиологических процессов. Представление о множественности стационарных состояний для микробиологических процессов. Биодеградация токсичных соединений в реакторах с биопленкой. 3
Тема 3. Аэробные и анаэробные процессы деструкции вещества Перенос кислорода в биотехнических системах. Аэробные процессы очистки сточных вод. Критерии проектирования; гомогенные реакторы, аппараты с закрепленными клетками. Анаэробные процессы очистки сточных вод и твердых отходов. Биохимия и микробиология процессов анаэробного сбраживания органических веществ. Математическое моделирование процесса метанообразования. Практика использования метанообразования в очистке сточных вод и сельском хозяйстве. Тема 4. Биоочистка газовых выбросов. Физические и биологические закономерности улавливания и деградации токсичных соединений микроорганизмами, принципы конструирования биофильтров. Тема 5. Твердые отходы. Компостирование и биодеградация растительных отходов Биодеградация твердых отходов. Основные принципы процесса компостирования. Микробиологические, биохимические и биофизические аспекты. Параметры процесса компостирования Моделирование процесса на примере замкнутой экосистемы жизнеобеспечения человека. Применение компоста. Тема 6. Биоремедиация Биоремедиация водных и почвенных систем загрязненных органическими веществами и тяжелыми металлами. Теоретические основы биоремедиационных работ, связь переноса биогенных элементов, их рецикла с деструкцией загрязняющих среду органических веществ. Тема 7. Бактериальное выщелачивание минерального сырья Микроорганизмы и химия бактериального окисления сульфидных минералов. Выщелачивание сульфидных минералов и концентратов руд, использование растворителей. Бактериально-химическое осаждение тяжелых металлов. III. ТЕМАТИКА РЕФЕРАТОВ К темам 2, 3 и 6: Принцип минимума в задачах биоремедиации нарушенных земель и водоемов. К теме 2, 3 и 7: Модельные представления о переносе серы и биовыщелачивание сульфидного минерального вещества. К темам 2, 4 и 5: Факторы ограничивающие скорость деградации загрязняющих веществ в почвах, грунтах и методы интенсификации процессов биоремедиации К темам 2, 6 и 7: Закономерности переработки твердых отходов, и компостирование, связи с биоремедиацией нарушенных земель 4
IV. ФОРМЫ КОНТРОЛЯ Экологические биотехнологии
• Коллективный анализ рефератов (2) • Зачет Вопросы к зачету формулируются в зависимости от обмена информацией в ходе занятий и представляют собой задачи по отдельным темам и их коллективное (групповое) решение.
Составитель: Юрий Леонидович Гуревич
V. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КУРСА
Редактор И.А. Вейсик
Список литературы 1. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии. Т.1, 2. – М.: Мир, 1989. 2. Бирюков В.В., Кантере В.М. Оптимизация периодических процессов микробиологического синтеза. – М.:Наука, 1985. – 238 с. 3. Вавилин В.А., Васильев В.Б. Математическое моделирование процессов биологической очистки сточных вод активным илом. – М.: Наука, 1979. – 119 с. 4. Гуревич Ю.Л. Устойчивость и регуляция размножения в микробных популяциях. – Новосибирск: Наука, 1984. – 161 с. 5. Перт С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. – М.: Мир, 1978. – 331 с. 5. Экологическая биотехнология /Под ред. К.Ф. Форстера и Д.А.Дж. Вейза. – Л.: Химия, 1990. 6. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды Ч.1,2. – Киев: Наукова думка, 1980. Рекомендуемые программные средства и компьютерные системы обучения и контроля знаний студентов Круговорот вещества в биосфере (компьютерная обучающая модель). Методическая разработка. Барцев С.И., Гуревич Ю.Л., Межевикин В.В., Охонин В А., Изд. центр КГУ, Красноярск, 2002.
Корректура автора
Подписано в печать 19.11.2002 Тиражируется на электронных носителях Заказ 181 Дата выхода 26.11.2002 Адрес в Internet: www.lan.krasu.ru/studies/editions.asp Отдел информационных ресурсов управления информатизации КрасГУ 660041 г. Красноярск, пр. Свободный, 79, ауд. 22-05, e-mail:
[email protected] Издательский центр Красноярского государственного университета 660041 г. Красноярск, пр. Свободный, 79, e-mail:
[email protected]
5
6
