Практическое применение бактериального выщелачивания сдерживается по ряду причин. Главное препятствие заключается в том, что процесс еще плохо исследован как на опытных установках, так и в полевых условиях. Процессы бактериального выщелачивания нередко протекают медленнее, чем химические процессы. Для бактерий, окисляющих железо и серу, требуется кислая среда. Поэтому для переработки непригодны руды и отходы, поглощающие кислоты в большом количестве. При подземном выщелачивании с помощью растворов следует принимать во внимание такие факторы, как влияние на активность бактерий повышенного гидростатического давления и гипербарической оксигенации.
Биотехнология многолика и по своим историческим корням, и по своей современной структуре, объединяющей элементы фундаментальных наук и прикладных исследований. Её развитие позволяет существенно повышать эффективность использования природных ресурсов, решать экологические проблемы, создавать новые источники энергии. Очевидно, что новые «скачки» биотехнологии глубоко скажутся на судьбе человечества.
Именно поэтому мы считаем необходимым более подробное изучение данного раздела в школьном курсе химии и предлагаем разработку методических рекомендаций, позволяющих сделать данное изучение наиболее эффективным.
2. Содержание вопросов биотехнологии в школьном курсе химии
2.1 Анализ школьных программ и учебников[15]
Основными идеями современной концепции школьного химического образования являются идеи гуманизации и демократизации образования, согласно которым «следует преодолеть отчуждение науки и производства от человека. В процессе обучения химии необходимо раскрывать связь между химическими знаниями и повседневной жизнью человека… [10]»
Программа В.В. Пасечника для 11 класса в курсе общей биологии содержит тему «основы селекции и биотехнологии». Затрагиваются следующие вопросы: микробиологическое производство пищевых продуктов, витаминов, ферментов и лекарств, проблемы и перспективы биотехнологии, генная инженерия её достижения и перспективы.
В.Б. Захаров в программе, рекомендованной для 10-11 классов с углубленным изучением биологических дисциплин в курсе общей биологии в теме «основы генетики и селекции» также затрагивает биотехнологию и генетическую инженерию.
Необходимо отметить, что если базовый стандарт по химии не предусматривает изучение вопросов биотехнологии, то таковой по биологии содержит наиболее общие её аспекты: достижения генной инженерии и перспективы биотехнологии.
2.2 Межпредметные связи по изучению аспектов биотехнологии в средней школе
По программе Р.Г. Ивановой и Л.А. Цветкова в 10 классе предусмотрено изучение темы «промышленное получение важнейших неорганических веществ» (15 часов), при этом затрагивается вопрос охраны окружающей среды от загрязнения. Считаю уместным затрагивание темы переработки отвалов металлургических предприятий биологическими методами (микробное выщелачивание).
О.С. Габриелян предлагает в 9 классе тему-модуль «химические вещества в сельском хозяйстве» (5 ч.). При рассмотрении проблемы защиты окружающей среды от пестицидов возможно акцентирование внимания учащихся на современных разработках в этой области (ГМ растения, резистентные к пестицидам и вредителям). В модуле «химия и экология» (9 кл. 5 ч.) рассматриваются основные источники загрязнений гидросферы и современные способы очистки сточных вод.
В учебнике О.С. Габриеляна, Ф.Н. Маскаева, С.Ю. Пономарёва, В.Н. Терёнина для 10 класса рассматривается тема «биологическиактивные соединения» затрагивающая применение ферментов в промышленности, а также гормональные препараты, витамины и антибиотики. Т.о. здесь уместно рассмотрение основных биотехнологических приёмов получения данных БАВ.
В 11 классе программой предусматривается рассмотрение темы «химия и общество» (8 ч.). Необходимо отметить наличие в ней следующих вопросов: биотехнология и генная инженерия, а также химия и пища. В учебнике О.С. Габриеляна Г.Г. Лысовой, реализующих данную программу, тема содержит объёмный материал, но методам очистки сточных вод и биохимическим основам пищевой промышленности практически ничего не отводится.
Н.С. Ахметов в 9 классе при изучении «металлургии» затрагивает проблемы безотходного производства и охраны окружающей среды. При этом возможно включение основ биометаллургии. Также автор предлагает рассмотрение темы «химия и охрана окружающей среды», в частности вопросов охраны гидросферы.
В учебнике 10-11 классов в разделе «химия и химическая технология» рассматривается производство этанола из древесины, а также «охрана гидросферы» и «биогеохимические процессы».
Г.И. Шелинский предусматривает тему «роль химии в прогрессивном развитии человеческого общества» в 11 классе.
Программа Н.Е. Кузнецовой, И.П. Титовой, А.Ю. Жегина, Н.Н. Гара предназначена для общеобразовательных учреждений естественнонаучного профиля, поэтому в ней прослеживается экологизация курса химии. Авторы раскрывают роль химии в обеспечении жизни и прогрессивном развитии общества. И в 10 классе предлагаются темы: «вещества живых клеток» - полипептиды в природе (гормоны, антибиотики), а также «особенности процессов биотехнологии» - микробиологический синтез, применение генной инженерии и белковой инженерии, бактериальное выщелачивание, проблемы экологического и гуманитарного характера.
В 11 классе авторы рекомендуют темы «гидросфера», где рассматриваются биологические методы очистки воды и «биосфера», где затрагивается проблема микробиологического белка.
Л.С. Гузей, Р.П. Суровцева и Л.М. Кузнецова в своих программах не затрагивают, в явной форме, вопросы биотехнологии.
2.3 Вывод (оптимизация изучения основных направлений биотехнологии в средней школе)
Проанализировав школьные учебники и программы относительно содержания в них материала по вопросам биотехнологии, можно сделать вывод о том, что далеко не все программы предусматривают рассмотрение последних, а если и рассматривают, то в неполном объёме. Таким образом, помимо разработки единого комплекса уроков (элективного курса) по теме «особенности процессов биотехнологии» мы предлагаем примерный план включения материала с биотехнологическим уклоном в «стандартные» темы школьного курса химии.
Функция включения материала, в форме элективного курса - внутрипрофильная специализация обучения, в форме комплекса фрагментов - расширение знаний учащихся, преодоление оторванности учебного материала от жизни[1].
3. Разработка элективного курса и педагогический эксперимент
3.1 Тематическое планирование элективного курса «Основы биотехнологии»
1. Биотехнология. Биотехнологические процессы в пищевой промышленности.
2. Биотехнологическая переработка отходов.
3. Бактериальное выщелачивание.
4. Основы получения БАВ. Производство кормового белка.
5. Производство аминокислот, витаминов и антибиотиков.
6. Применение ферментов.
7. Практическая работа «Приготовление иммобилизованных ферментных препаратов.
8. Основы генной инженерии.
9. Применение генной инженерии.
10. Итоговая проверочная работа.
3.2 Поурочное планирование элективного курса
УРОК №1 по теме «Биотехнология. Биотехнологические процессы в пищевой промышленности»
Задачи:
1. Образовательная: знакомство с биотехнологией как ярким примером интеграционных взаимодействий научных дисциплин. Хронология развития биотехнологии. Основные биотехнологические процессы в пищевой промышленности допастеровской эры.
2. Развивающая а) развитие познавательного интереса учащихся при знакомстве с данным направлением человеческой деятельности;
б) формирование логического мышления в ходе изучения нового материала;
в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.
3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать познаваемость природы, на примере влияния человека на биотехнологические процессы пищевой промышленности;
б) воспитание такта и дисциплины на занятиях в общеобразовательном учреждении.
Ход урока:
1. Организация класса
2. Актуализация знаний
Биотехнология - что это такое? (мнения учащихся)
Биотехнология - использование в промышленности биологических систем или процессов (под запись).
Важно то, что человек смог создать самолет по принципу птицы, многоотсечные подводные лодки по принципу кольчатых червей (бионика - подражание природе), но даже не смог приблизиться к уникальности биологических систем в отношении узнавания и катализа (вспомните специфичность и активность ферментов).
Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб. Они придумали способы хранения и переработки продуктов путем ферментации (сыр, уксус), изготавливали простейшие лекарства и т.д. Однако только разработка методов генетической инженерии привела к «биотехнологическому буму», свидетелями которого мы являемся.
3. Изучение нового материала
Но пойдем по порядку.
В своем современном варианте биотехнология, пожалуй, наука синтетическая:
Но у вас не должно быть мнение о ней как о прикладной дисциплине: «Нет и еще тысячу раз нет: я не знаю такой науки, которую можно было бы назвать прикладной. Есть наука и есть области её применения, и они связаны друг с другом, как плод с взрастившим его деревом» (Луи Пастер, 1871 г.)
Съезд европейской ассоциации биотехнологов разделил развитие биотехнологии на пять этапов: (под запись) [16]
1) допастеровская эра (до 1865 года) - самобытные производства пива, вина, хлеба, сыра;
2) послепастеровская (1866-1940) - производство органических кислот, растворителей, кормовых дрожжей, вакцин, очистка сточных вод.
В конце 19 века Луи Пастер установил, что микробы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют разные их виды;
3) эра антибиотиков (1941-1960) - началом которой послужило открытие Александром Флемингом способности Penicillium вызывать гибель микроорганизмов;
4) эра управляемого биосинтеза (1961-1975) - производство аминокислот, витаминов, ферментов. Достижения, главным образом, селекции и биохимии микроорганизмов;
5) эра генетической инженерии (70-е годы) - технология гибридных ДНК.
Сегодня мы разберем основные процессы допастеровской эры - производство некоторых продуктов питания (таблица выполняется на доске).
Пищевой продукт | Сбраживающие организмы | Основной процесс | |
Молочнокислые продукты | Стрептококки, молочнокислые бактерии | Молочнокислое брожение: C6H12O6 2CH3CH(OH) COOH глюкоза молочная кислота | |
Сыр | Молочнокислые бактерии, Ренин из сычуга | Маслянокислое брожение: C6H12O6 CH3CH2CH2COOH + глюкоза масляная кислота + 2CO2 + 2H2 + образование сгустка казеина | |
Сметана, сливочное масло | Особые молочнокислые бактерии | Лимоннокислое брожение: C6H12O6 + H2O = C6H8O7 + 3Н2 лимонная кислота | |
Хлебопродукты | Дрожжи Saccharomyces | Анаэробное сбраживание глюкозы: C6H12O6 = 2C2H5OН + 2СО2 | |
Изоглюкоза («кукурузный сироп») | Гидролазы и изомеразы различных микроорганизмов | Гидролиз крахмала: (C6H10O5)n + n H2O = n C6H12O6 глюкоза Изомеризация глюкозы: 2n C6H12O6 = n C6H12O6 + n C6H12O6 глюкоза глюкоза фруктоза | |
Пиво, вино | Дрожжи Saccharomyces | Анаэробное сбраживание глюкозы: C6H12O6 = 2C2H5OН + 2СО2 | |
Уксус (? 4?) | Acetobacter | Аэробное окисление спирта: (1) C2H5OН + 1/2О2 = [CH3C(O) H] + Н2О ацетальдегид (2) CH3C(O) H + 1/2О2 = CH3CОOH уксусная кислота |
4. Вывод
Итак, изменилось ли ваше представление о биотехнологии, производстве продуктов питания?
УРОК №2 по теме «Биологическая переработка отходов»
Задачи:
1. Образовательная: изучение основ получения биогаза и очистки сточных вод. Знакомство с экологической биотехнологией.
2. Развивающая: а) развитие познавательного интереса при знакомстве с новым направлением биотехнологии;
б) формирование логического мышления в ходе систематизации материала;
в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.
3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать использование человеком процессов и объектов живой природы для нужд общества;
б) воспитание мотивации к обучению в связи актуальности экологических проблем в современном мире.
Ход урока:
1. Организация класса
Вспомните, какой этап развития биотехнологии мы разобрали на предыдущем уроке?
Какой химический процесс лежит в основе всех бродильных(спиртовых) производств?
2. Актуализация знаний
Ни для кого из вас не секрет, что человек в ходе своей деятельности создает большую экологическую нагрузку окружающей среде (примеры учащихся). И здесь биотехнология внесла и вносит свой вклад. Под запись: специфическое применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды, таких как переработка отходов, очистка воды, устранение загрязнений, составляет предмет экологической биотехнологии.
3. Изучение нового материала
(Основная часть урока проходит в форме лекции, позволяющей компактно передать учащимся укрупненную дидактическую единицу)
отходы | ||
бытовые (сточные воды городов, с/х отходы мелких хозяйств и т.д.) | промышленные (отвалы металлургических предприятий, стоки химических комбинатов и т.д.) |
На сегодняшнем уроке мы «займемся» бытовыми отходами.
Необходимо отметить, что проблемой очистки сточных вод занялись только в 1890 году, когда был предложен первый биофильтр. Вообще, все биологические методы очистки сточных вод основаны на использовании закономерностей самоочищения водоемов.
Для очистки используют:
а) биофильтры - сточные воды пропускают через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой, благодаря которой интенсивно протекают процессы биологического окисления. С 1970 года на смену клинкеру и гравию в качестве пористого материала пришли пластмассы. Таким образом, видим сочетание механической (пористый носитель) и биологической (биодеградация органических остатков) очистки сточных вод. Недостаток - избыточный рост микроорганизмов и, как следствие, засорение фильтра.
б) биологические пруды - отстойные цветущие водоемы. Характеризуются малой эффективностью и большим временем самоочистки.
в) аэротенки - известны с 1914 года. Именно 1914 год считается годом рождения биоочистки сточных вод. Аэротенки - это огромные резервуары из железобетона, в которых очистка происходит с помощью активного ила из бактерий (Zoogloea) и микроскопических животных. Процесс очистки непрерывный, аэробный, т.е. нуждается в активной аэрации воздухом (отсюда высокие эксплуатационные расходы) и высоко эффективный.
г) «псевдоожиженный слой» - применяется с 1980 года по сей день. «Псевдоожиженный слой» - это сочетание биофильтра и активного ила. Подложка - полимерный носитель или песок. Процесс периодический и не требует аэрации. После биоочистки проводят дезинфекцию жидким хлором, хлорной известью, УЗ, озоном или электролизом.
Каким бы способом не проводилась биоочистка сточных вод, в конце имеем избыточную биомассу. Наиболее эффективный способ утилизации - анаэробное брожение с получением биогаза.
Биогаз - смесь 65% СН4; 30% СО2; 1% Н2S … NH3 …
Энергия 1,7м3 биогаза эквивалентна энергии 1м3 природного газа. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения или биометаногенез. Биометаногенез - сложный микробиологический процесс разложения органического вещества до СО2 и СН4 в анаэробных условиях (под запись).
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
