植物對鈾污染土壤的修復(fù)

趙曉蕊，單連友，張金遠(yuǎn)，龔 霞，郭曉敏，黃尚書，王文敏

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 江西 南昌 330045； 2.上海市海豐農(nóng)場 江蘇 大豐224153；3.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與藝術(shù)學(xué)院 江西 南昌 330045； 4.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土學(xué)院 江西 南昌330045)

隨著核工業(yè)的飛速發(fā)展，鈾(Uranium,U)礦大量開采后留下的尾礦和廢渣給附近的環(huán)境造成了持續(xù)性的放射性污染。鈾主要以3種方式進(jìn)入人體中[1]：1)吸入含鈾的氣溶膠;2)攝入被鈾污染的水;3)通過食物鏈進(jìn)入[2-3]。通過食物鏈進(jìn)入人體中的鈾以化學(xué)毒性和內(nèi)照射兩種形式對人體造成損傷[4]，根據(jù)劑量的大小，可引起不同程度的急慢性中毒，誘發(fā)骨癌和肺癌等癌變[5-6]，給人類的生命和健康帶來極大的威脅[7]，所以對于被鈾污染的土壤必須進(jìn)行及時修復(fù)[8-9]。目前，治理鈾污染的方法主要有傳統(tǒng)的物理方法、化學(xué)方法和較為新興的生物修復(fù)方法。傳統(tǒng)方法主要有客土法、淋洗法、原位覆蓋法和絡(luò)合物浸提法等[10-11]，這些方法雖有一定效果，但存在著價格昂貴、難于大面積實施、修復(fù)不徹底和易造成二次污染等弊端。生物修復(fù)一般分為微生物修復(fù)和植物修復(fù)，微生物修復(fù)是通過由自然篩選或人工馴化而來的微生物的特殊生理代謝活動，例如吸附重金屬，或是改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)，從而削弱其毒害作用[12]。但由于污染現(xiàn)場干擾因素極為復(fù)雜，微生物修復(fù)技術(shù)的場地應(yīng)用需要融合環(huán)境工程、環(huán)境化學(xué)及土壤學(xué)等多學(xué)科知識，目前該技術(shù)大多仍處在實驗室研究階段。植物修復(fù)技術(shù)主要是利用植物的固定和提取作用移除土壤中的放射性鈾元素，具有成本低廉、易于實施和對環(huán)境干擾作用小且無二次污染等優(yōu)點，故其被認(rèn)為是目前最有潛力的生物修復(fù)技術(shù)[13]。國內(nèi)外開展了大量植物修復(fù)污染土壤的相關(guān)研究，本文綜述了最近20年的相關(guān)研究，以期為鈾污染土壤的植物修復(fù)提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 植物修復(fù)的概述

植物修復(fù)(Phytoremediation)技術(shù)是指利用某些植物所具有的對某種重金屬的忍耐性或積累性，吸收富集環(huán)境中的重金屬元素，從而達(dá)到治理重金屬污染的一項綠色修復(fù)技術(shù)。重金屬的植物修復(fù)技術(shù)主要分為3種類型：1)植物對重金屬的固定作用(Phytostabilizaton or Phytoimmbolization)，是指植物通過根系分泌物與土壤中的重金屬相互作用，以鈍化重金屬的毒性或遷移性，從而減緩重金屬污染的擴(kuò)散；2)植物的揮發(fā)作用(Phytovolatilization)，是植物通過根系吸收土壤中的重金屬或類金屬，經(jīng)過自身代謝作用使吸收的重金屬或類金屬以揮發(fā)態(tài)的形式釋放到大氣中，如植物對汞和硒的揮發(fā)作用；3)植物對重金屬的提取技術(shù)(Phytoextraction)，是指利用某些對重金屬元素具有富集作用的植物來吸收土壤中的重金屬元素，這些植物可將重金屬由根部轉(zhuǎn)移到地上部分(莖和葉)，最后通過集中收獲地上部分來降低土壤中的重金屬污染。例如Morrey等[14]報道的Ni超積累植物Berkheyacoddii的地上部分Ni含量可以達(dá)到其干質(zhì)量的3.7%，且這種植物易于繁殖和培養(yǎng)[15]，適于種植在Ni污染嚴(yán)重的地區(qū)。

尋找對重金屬具有富集和忍耐作用且易于生長收獲的植物是植物修復(fù)技術(shù)的核心。超積累植物的概念是Brooks等[16]于1977年提出的，通常認(rèn)為重金屬含量超過一般植物100倍的植物即屬于超積累植物，此外該植物地上部分重金屬含量要大于其根部重金屬含量[17-19]，并且在重金屬污染嚴(yán)重的情況下，該植物的生長仍不受很大程度的抑制[20]。

超積累植物對重金屬污染的修復(fù)機(jī)制主要有以下幾種：1)將重金屬滯留在根部，限制重金屬向上運輸，使得地上部分、尤其是葉片中重金屬含量極低，這是一種普遍的耐性機(jī)制，例如，植物可將Cu保留在根部，避免過量的Cu對植物光合作用及其它重要生理過程的干擾[21]。2)細(xì)胞膜的選擇透過性,細(xì)胞膜的磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)決定了其具有滲透屏障功能，因而可通過限制重金屬離子的透過而降低細(xì)胞內(nèi)重金屬離子的濃度，維持細(xì)胞正常的滲透壓。3)細(xì)胞區(qū)室化作用,細(xì)胞區(qū)室化是指植物細(xì)胞將重金屬元素貯存在某些特定的細(xì)胞或者亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，以限制重金屬元素的轉(zhuǎn)移。例如植物細(xì)胞壁的金屬沉淀作用和液泡對重金屬的蓄積作用。細(xì)胞壁是重金屬進(jìn)入植物細(xì)胞的第一道屏障。重金屬元素大部分以離子形式存在或絡(luò)合于細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)質(zhì)如纖維素上，阻止其進(jìn)一步通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。而液泡本身就具有調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓、貯存代謝廢物、積累有毒物質(zhì)和信號傳導(dǎo)等生理作用，液泡內(nèi)的各種蛋白、糖等都能夠與重金屬離子結(jié)合，使植物體內(nèi)過量的重金屬離子與代謝反應(yīng)中心隔離。4)螯合作用,重金屬的脅迫會誘導(dǎo)植物體內(nèi)合成一系列的螯合蛋白以對抗逆境。目前研究較多的主要有金屬硫蛋白(MT)和谷胱甘肽衍生肽植物絡(luò)合素(PCs)等。金屬硫蛋白是一種低分子量且富含半胱氨酸的蛋白質(zhì)，也是人和動物體內(nèi)最重要的重金屬解毒劑。研究表明，重金屬存在時，MT基因的轉(zhuǎn)錄會增強(qiáng)，MT含量也隨之增加，作為金屬螯合蛋白起作用，以防止重金屬毒害。此外，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的小分子物質(zhì)有機(jī)酸(如蘋果酸、草酸等)以及氨基酸及其衍生物等也可與重金屬離子形成螯合物，使其毒性下降。而重金屬的運輸與轉(zhuǎn)移則是由根系進(jìn)入植物體，通過共質(zhì)體(細(xì)胞內(nèi))或質(zhì)外體(細(xì)胞外)兩個途徑來實現(xiàn)。

目前，應(yīng)用植物修復(fù)重金屬污染土壤主要是采用超積累植物或者生物量大而且重金屬含量高的植物來去除土壤重金屬。布氏庭芥(Alyssumbertoloonii)是著名的Ni超積累植物，這種植物在土壤中Ni總量為 1 600 mg·kg-1情況下，其地上部分富集的Ni含量約為土壤中的4倍，可達(dá)到6 900 mg·kg-1[22]。十字花科植物天藍(lán)遏藍(lán)菜(Thlaspicaerulescens)對Cd有很高的積累能力，地上部分的Cd含量可達(dá)2 800 mg·kg-1[23]。腎蕨科植物蜈蚣草(Pterisvittata)是一種As超積累植物，Lenaq等[24]研究了14種生長于被鉻化砷酸銅污染土壤上的植物，發(fā)現(xiàn)蜈蚣草是其中積累As含量最高的植物，其體內(nèi)As含量最高可達(dá)4 980 mg·kg-1。陳同斌等[25]也通過試驗證明，利用蜈蚣草修復(fù)污染的土壤后，蜈蚣草葉片內(nèi)As含量遠(yuǎn)高于污染土壤中的AS含量。最近研究發(fā)現(xiàn)，玉簪屬植物紫玉簪(Hostaventricosa)對Pb具有超富集潛力[26]，低濃度的Pb2+還可以促進(jìn)玉簪種子的萌發(fā)[27]。劉周莉等[28]研究發(fā)現(xiàn)，木本植物忍冬(Lonicerajaponica)在高濃度的Cd處理下，仍能正常生長，具備較好的耐性和較高的富集系數(shù)，是一種新發(fā)現(xiàn)的Cd超富集植物。除此之外，楊肖娥和龍新寵[29]發(fā)現(xiàn)東南景天(Sedumalfredii)是一種Zn超積累植物，這種植物大面積生長在礦區(qū)，其地上部分可大量富集土壤中的鋅元素。寶山堇菜(Violabaoshanensis)對Cd的積累[30]，商陸(Phytolaccaacinosa)對Mn的積累等也是目前利用超積累植物進(jìn)行修復(fù)的研究重點[31]。部分典型超富集植物及其富集能力見表1。

2 植物修復(fù)鈾污染土壤的研究進(jìn)展

利用超積累植物修復(fù)鈾污染的土壤已經(jīng)是目前國內(nèi)外研究的熱點，具有超富集鈾元素能力的植物也在不斷的被發(fā)現(xiàn)。針對被鈾污染的水體和土壤，目前已有利用植物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行治理的系列實驗和應(yīng)用。例如利用向日葵(Helianthusannuus)和菜豆(Phaseolusvulgarisvar.vulgaris)去除地下水中鈾，發(fā)現(xiàn)兩種植物的除鈾能力可達(dá)到25 mg·kg-1，去除率可達(dá)到90%[32]。通過水培試驗研究浮葉植物野生水葫蘆(Eichhorniacrassipes)、漂浮植物浮萍(Lemnaminor)、滿江紅(Azollaimbircata)、沉水植物菹草(Potamogetoncrispus)和挺水植物空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)的除鈾能力[33]，結(jié)果表明，滿江紅可除去水中97%的鈾，說明滿江紅是一種對鈾具有忍耐性、富集鈾能力強(qiáng)且生長繁殖速度很快、除鈾率高的水生植物，可以用做鈾污染水體植物修復(fù)的潛在植物物種。此外，嚴(yán)政等[34]通過研究鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)、大薸(Pistiastratiotes)對鈾脅迫的反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，兩種植物對鈾都有很強(qiáng)的富集能力，且鳳眼蓮的富集能力強(qiáng)于大薸。

表1 部分典型超富集植物及其富集能力Table 1 Hyper accumulator and accumulation ability

國外開展利用植物修復(fù)技術(shù)治理鈾污染土壤方面的研究比較早，美國和西班牙等國家的學(xué)者都相繼篩選出多種對鈾元素具有積累或者超積累作用的植物。早在2001年，Shahandeh和Hossner[35]發(fā)現(xiàn)，將向日葵和印度芥菜(Brassicajuncea)種植于富含鈾的土壤中，兩種植物嫩枝中鈾的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到102 mg·kg-1。Huang[36]通過研究發(fā)現(xiàn)，十字花科植物印度芥菜和大白菜(B.pekinensis)也具有富集鈾的能力，兩種植物的地上部分鈾的富集量可達(dá)到5 000 mg·kg-1。Dana等[37]通過研究風(fēng)滾草類植物發(fā)現(xiàn)，這類植物雖然生長在干旱或者戈壁等惡劣的自然環(huán)境下，卻可以在開花之前大量地吸收富集鈾，是特殊生境下的具有富集能力的植物。種植在日本本土的印度芥菜葉片部分可以積累的鈾含量達(dá)到2 000 mg·kg-1[38]。Mirjana等[39]發(fā)現(xiàn)，煙草(Nicotianatabacum)具有大量吸收鈾的能力，是潛在的用于鈾污染土壤的超富集植物。除此之外，國外也有學(xué)者報道禾本科植物蘆葦(Dhragmitesaustralis)對鈾元素也有一定的富集作用[40]。

近年來，我國學(xué)者也陸續(xù)開展了對植物修復(fù)技術(shù)治理鈾污染土壤的研究工作。徐俊等[41]采用溶液培養(yǎng)結(jié)合土壤培養(yǎng)的方法，研究了小白菜(B.chinensis)、菠菜(Amaranthaceaespinacia)等對鈾的吸收程度差異，結(jié)果表明，在土壤中鈾含量為100 mg·kg-1的土壤栽培條件下，菠菜地上部分鈾含量達(dá)232 mg·kg-1(干質(zhì)量)，根部含量達(dá)到433 mg·kg-1(干質(zhì)量)，菠菜可能對鈾污染土壤的植物修復(fù)工作具有潛在的應(yīng)用價值。唐麗等[42]選取十字花科、錦葵科和菊科共10種植物作為試驗材料，采用鈾濃度為100 mg·kg-1的土壤作為培養(yǎng)基，培養(yǎng)55 d后發(fā)現(xiàn)，特選榨菜(Brassicajunceavar.tunida)地上部分鈾含量可以達(dá)到1 115 mg·kg-1，特選榨菜適合作為鈾超積累植物進(jìn)行植物修復(fù)?？招纳徸硬?Alternantheraphiloxeroides)是一種繁殖能力很強(qiáng)、生物量大、根系發(fā)達(dá)且抗逆性強(qiáng)的植物，其對Cd、Zn等金屬的積累效果較好[43-44]，對鈾也表現(xiàn)出高的耐受性和富集能力，主要積累在根部，莖和葉部的積累較少[45]。聶小琴等[4]采用野外采樣和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀分析法，測定某鈾尾礦庫內(nèi)自然生長的14種優(yōu)勢植物及其根系土壤中核素的含量，并針對植物對核素的耐受性和富集性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雙穗雀(Paspalumdistichum)、圓果雀(P.orbiculare)、水莎草 (Juncellusserotinus)、水蜈蚣(Kyllingabrevifolia)和碎米莎草(Cyperusiria)的地上部分及金毛狗(Cibotiumbarometz)的地下部分對鈾和釷(Th)均有不同程度的累積，且碎米莎草對鈾表現(xiàn)出了超耐受性和超富集性。黃德娟等[46]首先采用“無樣地取樣法”對南方某鈾礦植物群落進(jìn)行調(diào)研，測定了該鈾礦上芒草(Miscanthussinensis)等9種優(yōu)勢植物體內(nèi)的鈾含量。結(jié)果表明，芒草、鴨跖草(RhoeoSpathacea)、鳳尾蕨(Aspleniumyunnanense)和野棉花(Anemonevitifolia)4種草本植物體內(nèi)鈾含量大于土壤中鈾含量，具有較強(qiáng)的鈾富集作用。Li等[47]針對中國南方某鈾礦尾礦的部分植物對重金屬的轉(zhuǎn)移能力進(jìn)行分析，首次提出以植物修復(fù)指數(shù)(PF,Phytoremediation Factor)這一標(biāo)準(zhǔn)來評估某植物是否可用于修復(fù)含有某元素的污染土壤，并研究發(fā)現(xiàn)碎米莎草和五葉地錦(Parthenocissusquinquefolia)滿足此標(biāo)準(zhǔn)，可以用于含鈾和釷的污染土壤的植物修復(fù)。除此之外，Edenspace公司發(fā)現(xiàn)，采用連續(xù)種植和收割植物的方法可使經(jīng)過處理的土壤中鈾含量大大降低[48]。一些植物的鈾富集能力見表2。

在修復(fù)土壤鈾污染的研究中，植物修復(fù)取得了一定的成績，但大多數(shù)研究僅處在實驗室研究階段，并沒有應(yīng)用于大面積污染場地的修復(fù)中。此外，用于修復(fù)的耐性植物或富集植物，大多為草本植物，其根系一般較淺，只能吸收表層土壤中的污染物，對較深層的污染物則力不從心。這些原因都不同程度上限制了植物修復(fù)的大面積實施。

表2 鈾富集優(yōu)勢植物及其富集能力Table 2 Uranium hyper accumulator and accumulation ability

3 植物修復(fù)技術(shù)存在的問題及展望

利用超積累植物對鈾污染土壤進(jìn)行治理雖然具有一定優(yōu)勢，但進(jìn)行植物修復(fù)需要同時考慮植物本身的生長習(xí)性、污染場地的土壤理化性質(zhì)及土壤微生物性質(zhì)等綜合因素，因此植物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展目前仍存在一定的局限性[49-52],首先是超富集植物的遴選。目前，應(yīng)用于植物修復(fù)的超富集植物一般都存在著生長緩慢、植株矮小、生物量低、根系淺和生長周期長等缺點，嚴(yán)重影響了植物修復(fù)的效率。此外，一些鈾富集植物通常只能忍耐鈾元素，對其他重金屬元素則不能吸收甚至出現(xiàn)毒性作用。而在污染現(xiàn)場,特別是一些鈾礦的尾礦中還存在其它濃度較高的重金屬元素，如錳元素等，因而找到一種可以吸收同一環(huán)境中多種重金屬元素的植物也可提高植物修復(fù)的效率。由于植物本身是活的有機(jī)生命體，對于生長環(huán)境(土壤性質(zhì)、氣候和溫度等)有一定的要求，因此部分富集植物具有地域限制，盲目引種到其它污染場地可能會造成物種入侵等生態(tài)威脅。此外，植物受到病蟲害威脅時也會大大影響其修復(fù)能力。因此，選擇合適的超富集植物是植物修復(fù)技術(shù)實施以及提高修復(fù)效率的關(guān)鍵。其次，植物富集鈾后的處置回收也是植物修復(fù)鈾污染亟待解決的問題。目前的處置方法主要有焚燒法、填埋法、灰化法和高溫分解法等[52]，其中，高溫分解法已用于蜈蚣草中As的回收，回收率達(dá)88%[53]。但目前仍沒有可應(yīng)用于鈾富集植物的回收技術(shù)，而針對鈾的放射性等特點，找到適合的回收處置辦法是防止二次污染的關(guān)鍵。

針對上述問題，植物修復(fù)技術(shù)未來的的發(fā)展應(yīng)主要著眼于提高修復(fù)效率方面。就鈾污染土壤的修復(fù)而言，影響植物修復(fù)效率的因素主要包括植物種類、土壤物理化學(xué)性質(zhì)、土壤微生物的種類和數(shù)量、土壤改良劑和肥料的施用和鈾的化學(xué)形態(tài)等[54]。目前研究較多的提高修復(fù)效率的措施主要集中在以下幾個方面。

3.1添加土壤改良劑 植物修復(fù)的效率與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)。土壤改良劑是指可以改善土壤性質(zhì)的物料。應(yīng)用于污染或退化土壤的改良劑，其改良作用主要體現(xiàn)在改變污染物在土壤中的穩(wěn)定性及促進(jìn)超積累植物對污染物的吸收[55-56]。它的作用機(jī)制主要包括螯合與絡(luò)合作用、調(diào)節(jié)土壤pH值作用及離子交換作用等。許多研究證實，添加土壤改良劑(如檸檬酸、蘋果酸、乙酸等)能夠大幅度提高植物對鈾的富集，其中，添加檸檬酸的效果最好[57]。Mihalik等[58]研究發(fā)現(xiàn)，施加低劑量的檸檬酸可使柳樹(Salixspp.)和向日葵對鈾的提取效率有很大提高，并證實低劑量檸檬酸的添加促進(jìn)了鈾在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移。

3.2采用植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù) 植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)主要是指向土壤中接種特定的具有植物促生作用的微生物(植物根際促生菌)來增強(qiáng)植物對環(huán)境的適應(yīng)能力，促進(jìn)植物對污染物的吸收。植物根際促生菌(Plant Growth-Promoting Rhizobacteria，PGPR)是指依附于植物根際表面，生長于根際土壤微環(huán)境中，能夠顯著促進(jìn)植物生長的一類細(xì)菌的總稱[59]。PGPR的作用機(jī)制非常多樣化，例如，它可以產(chǎn)生調(diào)節(jié)植物生長的信號類物質(zhì)IAA、赤霉素和乙烯等，可以進(jìn)行非共生固氮作用，可以產(chǎn)生抗生素或氰化物等來抵抗植物病原菌，一些促生菌還具有解磷作用。Sarama等[60]從北印度的某富鈾地區(qū)分離出一種熒光假單胞菌，經(jīng)鑒定發(fā)現(xiàn)該菌株為綠膿桿菌(Pseudomonasaeruginosa)，該分離株顯示出對鈾、Cu、Cd、Zn和Pb的高度忍耐力，以及對鈾的高效轉(zhuǎn)移能力。此外，該菌株對許多抗生素(氨芐青霉素、卡那霉素、氯霉素、噻肟單酰胺菌素和四環(huán)素等)具有抗性，對植物無毒性作用并可與植物病原菌產(chǎn)生拮抗作用，因此可以作為植物根際促生菌來促進(jìn)污染土壤的植物修復(fù)過程。但研究表明，高濃度的鈾對微生物的活性、群落結(jié)構(gòu)、種群數(shù)量及土壤酶活性都有抑制作用[61-62]，因而在實施過程中需要考慮污染現(xiàn)場的鈾濃度是否會對微生物產(chǎn)生毒害作用。

3.3利用分子生物學(xué)技術(shù)篩選優(yōu)勢的富集植物 目前已發(fā)現(xiàn)的用于放射性重金屬污染的修復(fù)植物通常都具有植株矮小、生物量低、生長緩慢且生長周期長等缺陷，基于上述缺陷，采用遺傳學(xué)或基因工程手段來改善修復(fù)植物的富集能力及其生長狀況，培育出優(yōu)勢的超積累植物，可以大大提高植物修復(fù)的效率。例如通過傳統(tǒng)雜交育種技術(shù)，利用不同超積累植物基因的多樣性進(jìn)行雜交，從大量的遺傳變異后代中可選育出具有優(yōu)勢超積累基因的植物。此外，還可利用基因工程手段，使植物體內(nèi)金屬螯合蛋白的基因或某些參與富集作用的關(guān)鍵酶基因超量表達(dá)，以此提高植物對重金屬的富集能力。Wang等[63]對芥菜的YSL(Yellow Stripe-Like)基因BjYSL7進(jìn)行分子克隆和鑒定，并使其超量表達(dá)于煙草中，獲得的煙草植株對重金屬(Pb、Cd和Ni等)具有高度的忍耐力，研究結(jié)果顯示，該基因參與Pb、Cd和Ni等金屬由植物根部向莖部的轉(zhuǎn)移過程，并促進(jìn)植物對重金屬的忍耐力。盡管轉(zhuǎn)基因超積累植物的研究取得了一定的成果，但是從試驗階段到直接應(yīng)用轉(zhuǎn)基因植物修復(fù)大面積污染土壤需要較長的時間，而且轉(zhuǎn)基因植物也可能存在目前無法預(yù)見的生態(tài)風(fēng)險，因此這一措施的實施與否仍需要更深入的研究和討論。

總之，對于鈾污染的土壤，采用植物修復(fù)技術(shù)來治理是一條低耗費、高效率的有效途徑，繼續(xù)尋找和篩選出更多的具有鈾超積累或忍耐能力的本土植物是植物修復(fù)鈾污染技術(shù)的基礎(chǔ)，采用多種手段和配套技術(shù)來輔助植物修復(fù)過程，以提高其修復(fù)效率是植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵。因此，科研工作者需要積極開展盆栽試驗及田間試驗，并將結(jié)果與污染現(xiàn)場的實際情況相結(jié)合，綜合考慮各方面因素來提高植物修復(fù)的綜合效率。

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