疣孢漆斑菌Myrothecium verrucaria GH-01漆酶的純化和酶學(xué)性質(zhì)研究

王紫娟 趙敏

（東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱　150040）

疣孢漆斑菌Myrothecium verrucaria GH-01漆酶的純化和酶學(xué)性質(zhì)研究

王紫娟 趙敏

（東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱150040）

疣孢漆斑菌具有生長(zhǎng)周期短，分泌漆酶酶活高等特點(diǎn)。利用已分離得到的疣孢漆斑菌GH-01（Myrothecium verrucaria GH-01）發(fā)酵產(chǎn)生粗酶液。進(jìn)而通過(guò)分級(jí)沉淀、透析和層析的方法對(duì)漆酶粗酶液進(jìn)行純化。SDS-PAGE和Native-PAGE結(jié)果表明純化可獲得具有漆酶活性的單體蛋白。酶學(xué)性質(zhì)研究表明，該漆酶催化最適溫度為40℃，在底物ABTS存在條件下的最適pH值為4.0，且在低溫及堿性條件具有較好的穩(wěn)定性。此外通過(guò)漆酶對(duì)4大類染料脫色能力的研究，發(fā)現(xiàn)該漆酶對(duì)偶氮類的橙黃Ⅰ和蒽醌類的茜素紅脫色有較好的脫色效果，反應(yīng)1 h脫色率達(dá)80%以上；對(duì)三苯甲烷類的堿性品紅脫色能力較弱，脫色率只能達(dá)到20%左右；脫色率最差的是雜環(huán)類的亞甲基藍(lán)。在含10 U漆酶的體系中，對(duì)50 mg/L的染料降解效果相對(duì)最佳。

疣孢漆斑菌漆酶；純化；酶學(xué)性質(zhì)

漆酶（對(duì)苯二酚-氧化還原酶，laccase，EC 1.10.3.2）是一種含多銅的氧化還原酶，能夠催化多種底物的氧化，如鄰位和對(duì)位酚類、氨基苯酚、芳基二胺、多酚、聚胺和木質(zhì)素等［1-3］。此外，它還可以耦合無(wú)機(jī)離子還原分子氧生成水。最早漆酶被發(fā)現(xiàn)于日本漆樹(shù)的汁液中，目前研究發(fā)現(xiàn)漆酶廣泛存在于植物、昆蟲(chóng)、真菌和細(xì)菌中［4-6］。部分漆酶已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程中，如漂白、降解、脫色和制備生物電極等［1-5］。由于其具有寬范的底物特異性、催化反應(yīng)沒(méi)有過(guò)氧化物和有毒物質(zhì)的生成，以及對(duì)環(huán)境無(wú)污染的特性［7］，因而近年來(lái)得到了越來(lái)越多的關(guān)注，成為了環(huán)保應(yīng)用酶的研究熱點(diǎn)。

由于目前對(duì)真菌漆酶的研究較為深入，而產(chǎn)漆酶真菌的主要來(lái)源是擔(dān)子菌亞門(mén)的白腐真菌，而對(duì)于絲狀真菌研究較少。疣孢漆斑菌為半知菌的一種，其菌株具有生長(zhǎng)周期短、生活史簡(jiǎn)單、易于遺傳改造等優(yōu)點(diǎn)，可為后續(xù)可大規(guī)模發(fā)酵提供良好的基礎(chǔ)［8］。本研究利用一株高產(chǎn)漆酶的疣孢漆斑菌M. verrucaria GH-01獲得漆酶，并對(duì)該酶進(jìn)行純化和酶學(xué)性質(zhì)的研究，探索其在染料脫色應(yīng)用中的可能性，旨在為拓展半知菌漆酶種類、研究漆酶催化性能以及后續(xù)該漆酶的應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試菌株 疣孢漆斑菌GH-01（Myrothecium verrucaria GH-01）：采自黑龍江涼水林區(qū)，經(jīng)篩選和鑒定，保存于東北林業(yè)大學(xué)微生物實(shí)驗(yàn)室。

1.1.2 試劑和儀器 2，2-聯(lián)氮-二（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二銨鹽（ABTS），DEAE-Sepharose FF凝膠，SephadexG-75凝膠，蛋白質(zhì)marker，其它試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、數(shù)顯恒溫水浴鍋、臺(tái)式離心機(jī)、梯度混合器、恒溫振蕩培養(yǎng)箱、穩(wěn)壓穩(wěn)流電泳儀、渦旋混勻器、紫外檢測(cè)儀、自動(dòng)部分收集器等。

1.1.3 培養(yǎng)基 平板活化固體PDA培養(yǎng)基：馬鈴薯200 g，切成大約1 cm3的小塊，沸水煮30 min，過(guò)濾取濾液補(bǔ)足至1 000 mL。加入蛋白胨30 g，葡萄糖40 g，MgSO4·7H2O 1.5 g，KH2PO43 g，加入20 g瓊脂，121℃滅菌15 min。

發(fā)酵培養(yǎng)基：去皮馬鈴薯200 g，切成約1 cm3的小塊，在1 L水中煮沸30 min，過(guò)濾取濾液補(bǔ)足1 L。加入蛋白胨36 g，葡萄糖24 g，MgSO4·7H2O 1.8 g，KH2PO43.6 g，銅離子濃度0.2 mmol/L，把培養(yǎng)基分裝到250 mL三角瓶中，121℃滅菌15 min。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備 在培養(yǎng)8 d的平板活化固體PDA培養(yǎng)基上用打孔器打6個(gè)直徑為1 cm 的菌餅，接種到裝有100 mL發(fā)酵培養(yǎng)基中，28℃下恒溫培養(yǎng)箱振中140 r/min振蕩培養(yǎng)10 d作為發(fā)酵液。將發(fā)酵液樣品在10 000 r/min條件下離心10 min，上清液即為粗酶液。

1.2.2 漆酶活力測(cè)定 漆酶酶活測(cè)定以ABTS為底物，利用紫外分光光度法測(cè)定。將2.95 mL 0.1 mol/L檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液（pH4.0）和1 mL 1 mmol/L的ABTS溶液組成的反應(yīng)體系置于28℃水浴鍋內(nèi)，加入適當(dāng)稀釋的酶液50 μL（空白對(duì)照為經(jīng)過(guò)高溫滅活的酶液），反應(yīng)3 min，利用紫外分光光度法測(cè)定420 nm處吸光度的變化值。每個(gè)樣品取3次測(cè)量的平均值。漆酶活力的計(jì)算公式：

式中，△A：吸光度的變化值；V：溶液的體積（L）；ε420：消光系數(shù)（3.6×104mol-1·cm-1·L）；v：加入粗酶液的體積（mL）；L：比色皿的光徑（cm）；t：反應(yīng)時(shí)間（min）；c：10-6mol。

1.2.3 漆酶的分離純化 將粗酶液上清逐漸加入硫酸銨，測(cè)其不同飽和度下的漆酶活力（在冰浴中進(jìn)行）。選擇最佳飽和度，收集沉淀。用10 mmol/L pH7.8 磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液反復(fù)沖洗沉淀使其溶解。8 000 r/min下離心10 min，去除不溶雜質(zhì)，收集上清液。將上清液置于透析袋中4℃透析過(guò)夜，聚乙二醇（PEG20000）適當(dāng)濃縮。濃縮好的樣品加入緩沖液平衡過(guò)的DEAE-Sepharose Fast Flow 陰離子交換層析柱中。 用緩沖液配制的0-1 mol/L NaCl溶液梯度洗脫。收集在280 nm 處有吸收峰的溶液，測(cè)定其漆酶活力，將有酶活性的溶液按活力高低分別收集并適當(dāng)濃縮。隨后將樣品加入緩沖液平衡過(guò)的SephadexG-75 凝膠過(guò)濾柱中，用緩沖液洗脫，收集漆酶活力較高的部分。

1.2.4 蛋白質(zhì)電泳 SDS-PAGE和Native-PAGE參照郭堯君［9］的方法。SDS-PAGE電泳采用5%濃縮膠和12%分離膠進(jìn)行，凝膠用考馬斯亮藍(lán)R250染色。Native-PAGE采用5%濃縮膠和12%分離膠進(jìn)行，用含有3 mmol/L ABTS的Na2HPO4-檸檬酸緩沖液對(duì)凝膠染色，觀察綠色的條帶。

1.2.5 漆酶的性質(zhì)研究 測(cè)定溫度對(duì)粗漆酶活性的影響：將含有漆酶的緩沖液在20-60℃下保溫3 min后測(cè)定酶活力。測(cè)定溫度對(duì)粗漆酶穩(wěn)定性的影響：將酶液置于4-60℃下保溫，每隔一段時(shí)間后取樣，在30℃下測(cè)定酶活力。測(cè)定pH值對(duì)粗漆酶活性的影響：將底物溶解于pH3.0-8.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液中測(cè)定漆酶活力。測(cè)定pH值對(duì)粗漆酶穩(wěn)定性的影響：將酶液溶于pH3.0-8.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液中，每隔一段時(shí)間取樣，測(cè)定酶活力。

1.2.6 染料降解研究 染料降解反應(yīng)在磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液（10 mmol/L pH8.0）中，溫度28℃中進(jìn)行，以加入高溫滅活的漆酶為對(duì)照，用紫外分光光度計(jì)檢測(cè)染料在其最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度變化?？疾炱崦笇?duì)偶氮類染料橙黃I、蒽醌類染料茜素紅、三苯甲烷類染料堿性品紅和雜環(huán)類染料亞甲基藍(lán)等四類染料的降解脫色程度、染料濃度對(duì)脫色影響及漆酶含量對(duì)降解的影響。

脫色率=（1-A/A0）×100%

式中，A0 ：脫色反應(yīng)前溶液吸光值，A ：脫色反應(yīng)后溶液吸光值。所有脫色反應(yīng)均重復(fù)3 次取平均值。

2 結(jié)果

2.1 硫酸銨飽和度的確定

在0℃冰浴條件下，逐漸加入硫酸銨，飽和度從0-80%對(duì)M. verrucaria GH-01發(fā)酵上清液進(jìn)行鹽析，結(jié)果如圖1所示。隨著硫酸銨的加入，蛋白被慢慢析出。當(dāng)硫酸銨的飽和度達(dá)到65%時(shí)，發(fā)酵液上清的酶活為49.8 U/L，上清液的相對(duì)酶活為最開(kāi)始的2.8%，說(shuō)明酶蛋白基本都被硫酸銨沉淀結(jié)合了。因此確定硫酸銨的飽和度為65%。

圖1 硫酸銨分級(jí)沉淀的結(jié)果

2.2 純化后漆酶的電泳結(jié)果

從發(fā)酵液上清的粗酶液到純化最終獲得的酶液，結(jié)果如表1所示。最終獲得8 mL液體樣品，總酶活1 782.93 U，總蛋白3.75 mg，漆酶比活力475.45 U/mg，回收率29.34%，純化倍數(shù)4.77。

表1 漆酶的純化結(jié)果

2.3 純化后漆酶的電泳結(jié)果

將最終純化得到的酶液進(jìn)行SDS-PAGE和Native SDS-PAGE 電泳，結(jié)果如圖2所示。SDS-PAGE電泳（圖2-A）顯示，出現(xiàn)藍(lán)色單一條帶，說(shuō)明了從M. verrucaria GH-01發(fā)酵上清液純化后得到的漆酶為單體蛋白，目的蛋白分子量約為60 kD。通過(guò)對(duì)Native SDS-PAGE 電泳的一塊膠的不同處理，一半用考馬斯亮藍(lán)染色并脫色，另一半進(jìn)入到含有ABTS的緩沖溶液中。結(jié)果（圖2-B）表明，純化酶液的單一性和漆酶活性。至此獲得M. verrucaria GH-01電泳純單體蛋白。

圖2 漆酶SDS-PAGE（A）和Native-PAGE（B）電泳結(jié)果

2.4 溫度對(duì)漆酶活性的影響及熱穩(wěn)定性的研究

在不同溫度下測(cè)定M. verrucaria GH-01的漆酶活力，結(jié)果（圖3）顯示，漆酶活性最適反應(yīng)溫度為40 ℃，在20-60℃下也表現(xiàn)了較高活性。溫度對(duì)漆酶穩(wěn)定性的影響如圖4所示，0℃保存條件下，漆酶保存3 h活力基本無(wú)變化；20、30℃條件下保存漆酶3 h，漆酶活力保持70%以上；40-60℃保存下的漆酶活力下降較快。綜合考慮溫度對(duì)漆酶活力及穩(wěn)定性的影響，本實(shí)驗(yàn)后續(xù)對(duì)染料的降解實(shí)驗(yàn)，溫度選擇30℃。

圖3 溫度對(duì)粗漆酶活力的影響

圖4 溫度對(duì)漆酶穩(wěn)定性的影響

2.5 pH值對(duì)漆酶活性的影響及pH穩(wěn)定性的研究

不同pH值對(duì)粗漆酶活力的影響（圖5）顯示，漆酶活性最適反應(yīng)pH值為4.0，在pH值為3、7、8的條件下，酶活相對(duì)較低。pH值對(duì)漆酶穩(wěn)定性的影響（圖6）顯示，pH值為6.0的條件下，粗漆酶保存3 h活力保持在75%以上；pH值為3.0、4.0條件下保存粗漆酶3 h，酶活力粗漆酶活力下降較快，下降到5%，說(shuō)明了此漆酶不耐酸。

圖5 pH值對(duì)粗漆酶活力的影響

圖6 pH值對(duì)漆酶穩(wěn)定性的影響

2.6 漆酶對(duì)不同染料的脫色

4種染料橙黃I、亞甲基藍(lán)、茜素紅的染料濃度為50 mg/L，加入等量漆酶10 U，結(jié)果如圖7所示。漆酶對(duì)橙黃I和茜素紅脫色程度較高，反應(yīng)1 h后脫色率達(dá)到80%以上，對(duì)堿性品紅脫色率較低在20%，而對(duì)亞甲基藍(lán)脫色率最低。隨著時(shí)間的變化，料橙黃I和亞甲基藍(lán)變化幅度較小；而茜素紅和堿性品紅隨時(shí)間變化，降解率有一定幅度的升高。

2.7 考察不同染料含量對(duì)脫色率的影響

分別配制含量為5-100 mg/L的4種不同染料，其中都加入含量為10 U的漆酶。染料的脫色情況（圖8）表明，脫色效率較好的橙黃I、茜素紅以及脫色率較低的堿性品紅都是在染料濃度為50 mg/L時(shí)脫色效率達(dá)到最高；而亞甲基藍(lán)的濃度為10 mg/L和5 mg/L時(shí)脫色效率較好。

圖7 不同染料隨時(shí)間的降解情況

圖8 漆酶含量對(duì)不同的染料的降解情況

2.8 漆酶含量的影響

漆酶含量對(duì)橙黃Ⅰ的降解脫色影響，如圖9所示。雖然漆酶的含量不同，但經(jīng)過(guò)24 h的降解脫色，脫色效率都達(dá)到80%以上。說(shuō)明此漆酶對(duì)橙黃Ⅰ有很好的脫色效果。另外，隨著漆酶的含量增加，其脫色效率有小幅上升。由此可見(jiàn)漆酶含量對(duì)橙黃Ⅰ的降解有一定的影響，但影響較小。

圖9 漆酶含量對(duì)橙黃Ⅰ的降解情況

3 討論

雖然漆酶在動(dòng)物、植物、微生物中等均能找到其存在的證據(jù)，但真菌漆酶由于其產(chǎn)酶量高和純化技術(shù)相對(duì)容易，從而得到了最廣泛的研究。在真菌漆酶的研究中又以子囊真菌（Ascomycetes）和擔(dān)子真菌（Basidiomycetes）研究的最多，而半知菌研究的特別少。目前對(duì)半知菌漆酶的研究主要集中在產(chǎn)酶菌株的分離篩選和產(chǎn)酶條件水平上，如擬盤(pán)多毛孢屬（Pestalotiopsis sp.）、新月彎孢（Curvularia lunata）和棘胞木霉（Trichoderma asperellum）等，但產(chǎn)酶水平與白腐真菌相比較低［9-12］。本研究不僅拓展了漆酶蛋白來(lái)源而且其對(duì)染料的降解方面表現(xiàn)出了很好的應(yīng)用價(jià)值。

從M. verrucaria GH-01發(fā)酵上清液中，通過(guò)硫酸銨分級(jí)沉淀、透析和離子交換柱層析純化到了具有胞外漆酶活性的酶蛋白液，并通過(guò)SDS-PAGE和Native -PAGE證明了此酶為單體蛋白和具有漆酶活性。但從一些真菌中得到的漆酶，由于糖基含量的不同和自身結(jié)構(gòu)差異，會(huì)使得其在分子質(zhì)量存在較大差異，基本范圍在50-130 kD之間；同時(shí)也會(huì)有同工漆酶的出現(xiàn)。 Mimoz［13］就從Pleurotus eryngii的上清發(fā)酵液中純化出性質(zhì)不同的兩種漆酶同工酶，它們的糖基含量和酶學(xué)性質(zhì)等存在很大差異，而白蠟地層孔菌（Fomitella fraxinea）的兩種同工酶Lac1和Lac2性質(zhì)就很接近［14］。雖然漆酶的大小、性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)都有一定的差距，但從一些漆酶的結(jié)晶分析中可知，其三級(jí)結(jié)構(gòu)又有著一定的共性，大部分的漆酶催化中心都有4個(gè)Cu2+，他們?cè)谄崦傅拇呋磻?yīng)中起著重要作用［15］。這也是值得我們?nèi)ヌ剿髋c研究的方面。

漆酶的酶學(xué)性質(zhì)研究表明，我們所得的漆酶與大部分真菌漆酶的性質(zhì)基本相符，其最適溫度為40℃，30℃條件下保存粗漆酶3 h，其酶活力在70%以上；最適pH為4.0，并在低溫及在堿性條件可以較好的維持漆酶的穩(wěn)定性。染料在化工行業(yè)大量使用，但由于其一些染料自然條件下很難降解，需要特殊處理才能降解。而漆酶的一個(gè)重要應(yīng)用就是對(duì)染料的降解。所得漆酶在對(duì)4種染料的脫色實(shí)驗(yàn)中，對(duì)橙黃I和茜素紅降解程度較高，反應(yīng)1 h后降解率即可達(dá)到80%以上，對(duì)堿性品紅降解率較低在20%，漆酶對(duì)亞甲基藍(lán)降解率最低；染料濃度為50 mg/L時(shí)，其中3種染料的脫色率都是最好的；漆酶對(duì)橙黃I脫色效果隨著酶量的增加而逐漸顯著。綜上所述，該漆酶具有較好的應(yīng)用前景和潛在的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

對(duì)已經(jīng)分離鑒定出的疣孢漆斑菌GH-01所產(chǎn)漆酶對(duì)其進(jìn)行分離純化，得到單體純蛋白。該漆酶催化反應(yīng)的最適溫度為40℃，最適pH值為4.0。該漆酶在低溫及堿性條件具有較好的穩(wěn)定性。在對(duì)染料的脫色能力的研究中，該漆酶對(duì)橙黃Ⅰ和茜素紅脫色效果較佳，對(duì)堿性品紅和亞甲基藍(lán)脫色能力較弱。當(dāng)染料未被酶飽和時(shí)，隨著漆酶濃度的增加，脫色率也會(huì)增加。在含10 U漆酶的體系中，對(duì)50 mg/L的染料降解效果相對(duì)最好。

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（責(zé)任編輯李楠）

Purification and Enzymatic Properties of Laccase from M yrothecium verrucaria GH-01

Wang Zijuan Zhao Min
（College of Life Science，Northeast Forestry University，Harbin150040）

Myrothecium verrucaria has the advantages of short growth cycle and high enzyme activity of secreting laccase. In this study， the crude enzyme was produced by the M. verrucaria GH-01 obtained by separation. Further we purified the crude enzyme by fractional precipitation， dialysis and chromatography. The results of SDS-PAGE and Native-PAGE indicated that the monosome protein with laccase activity was obtained by purification. The study of enzymatic properties of laccase showed that the optimal temperature of catalyzed reaction for laccase was 40℃， and the laccase activity against ABTS showed a maximum at pH4.0. It had the favorable stability under the low temperature and alkaline conditions. Besides， studying the laccase decolorizing of 4 representative dyes demonstrated that the laccase decolorizing rate for orange I of azo dyes and alizarin red of anthraquinone class was the highest with decolorizing rate over 80% by 1 h， lower for fuchsin of triphenylmethane class with decolorizing rate only 20% and lowest for methylene blue of heterocyclic class. In 10 U laccase system， the decolorizing degree of the 50mg/L dye concentration was optimal.

Myrothecium verrucaria GH-01；purification；enzymatic properties

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.08.018

2014-12-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31170553），國(guó)家林業(yè)局“948”項(xiàng)目（2012-4-03）

王紫娟，女，碩士研究生，研究方向：污染物降解，蛋白提純；E-mail：huerniaoming@163.com

趙敏，教授，研究方向：微生物降解；E-mail：82191513@163.com