不同耐鹽植物人工濕地凈化養(yǎng)殖外排水效果*

許永輝 崔正國(guó) 曲克明 王艷艷,4王加鵬,3 李悅悅,4 胡清靜

(1. 上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院 上海 201306；2. 農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室山東省漁業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所 青島 266071；3. 江蘇省東辛農(nóng)場(chǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖公司 連云港 222002；4. 中國(guó)海洋大學(xué) 青島 266100)

人工濕地因具有運(yùn)行成本低和去污效率高及生態(tài)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)(王加鵬等, 2014)，已被成功應(yīng)于城市污水和工業(yè)廢水的處理，主要用于凈化生活污水、農(nóng)業(yè)廢水和工業(yè)廢水等低鹽水體(高鋒等, 2012;陳家長(zhǎng)等, 2007; Lin et al, 2003)，而對(duì)高鹽度的廢水處理則較為少見(jiàn)。人工濕地利用基質(zhì)、微生物和植物相互作用來(lái)去除水體污染物，其中，植物是人工濕地的重要組成部分，在污水凈化過(guò)程中起著重要的作用(Liu et al, 2012; Stefanakis et al, 2012; Dunne et al,2005)。研究表明，植物不僅自身攝取濕地系統(tǒng)中氮磷等污染物，而且還為濕地微生物(氨化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌等)提供生存環(huán)境，促進(jìn)氮磷等污染物的遷移轉(zhuǎn)化等(張洪剛等, 2006)。

由于鹽脅迫效應(yīng)，大多數(shù)植物對(duì)海水的高鹽脅迫適應(yīng)能力差，因此，選擇適合的耐鹽植物是人工濕地處理高鹽度水產(chǎn)養(yǎng)殖外排水的關(guān)鍵。王靜等(2009)研究表明，蘆葦(Phragmites australis)和互花米草(Spartina alterniflora)耐鹽性較高，能在較高鹽度環(huán)境條件下生長(zhǎng)，可作為人工濕地凈化海水養(yǎng)殖外排水的植物。本研究選用耐鹽性較強(qiáng)的蘆葦和互花米草為濕地植物，對(duì)比分析這 2種挺水植物在人工濕地系統(tǒng)中對(duì)污染物去除效果的差異，以期為人工濕地系統(tǒng)中高效耐鹽植物的篩選提供參考。

1 材料與方法

1.1 耐鹽植物的篩選

人工濕地植物的選擇一般依據(jù)如下原則：適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，耐污凈化能力強(qiáng)，抗病害能力強(qiáng)，根系發(fā)達(dá)、莖葉繁茂，觀賞價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高(梁雪等,2012; 吳建強(qiáng)等, 2005)。

對(duì)于海水人工濕地系統(tǒng)，植物選擇要遵循耐鹽性較強(qiáng)的原則。我國(guó)主要的耐鹽植物有蘆葦、堿蓬(Suaeda glauca)、堿蒿(Artemisia anethifolia)、鹽角草(Salicornia spp.)及大米草(Spartina anglica)等(尚克春等, 2014)。一般而言，挺水植物、浮水植物和沉水植物中，挺水植物因根系發(fā)達(dá)、莖葉繁茂，凈化水質(zhì)能力較強(qiáng)?；セ撞莺吞J葦均為禾本科挺水植物，二者均具有較強(qiáng)的耐鹽和凈水能力，基于本實(shí)驗(yàn)室前期的篩選結(jié)果，選取蘆葦和互花米草為實(shí)驗(yàn)植物。

植物耐鹽性比較實(shí)驗(yàn)，在5、10、15、20、25、30和35鹽度條件下，對(duì)比2種植物的生長(zhǎng)狀況，實(shí)驗(yàn)周期為14 d。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

2套海水復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)，人工濕地系統(tǒng)剖面見(jiàn)圖1，構(gòu)建材料為亞克力。濕地系統(tǒng)由下、上向流池串聯(lián)而成，規(guī)格為50 cm×50 cm×75 cm，進(jìn)水口高于出水口10 cm，下、上向流池均設(shè)3排具孔水管用于進(jìn)出水，系統(tǒng)底部設(shè)排污口。下、上向流池基質(zhì)填充深度均為55 cm，由上至下依次為細(xì)沙層、蛭石層和珊瑚石層，基質(zhì)的粒徑及填充厚度見(jiàn)圖 1。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)海水養(yǎng)殖外排水由人工模擬而成，主要成分為餌料、NH4Cl、KH2PO4、NaHCO3、Na2HPO4、葡萄糖和海水。主要水質(zhì)指標(biāo)為磷酸鹽濃度為 0.40~0.50 mg/L，總磷(Total phosphorus，TP)濃度為 0.70~0.80 mg/L，CODMn濃度為7.00~8.00 mg/L，NH4-N濃度為0.37~0.40 mg/L。實(shí)驗(yàn)期間，出水溫度為(28.60±0.71)℃，pH 為 7.60±0.04，DO 為(5.32±0.45) mg/L，蘆葦系統(tǒng)鹽度為 20.21±0.73，互花米草系統(tǒng)鹽度為30.71±0.37，種植密度均為 60株/m2。2套人工濕地系統(tǒng)構(gòu)建完成后，進(jìn)行操作條件的優(yōu)化，直至系統(tǒng)運(yùn)行一定時(shí)間至穩(wěn)定，期間對(duì)2種植物進(jìn)行鹽度馴化，馴化完成后進(jìn)行去污實(shí)驗(yàn)。

圖1 復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)剖面Fig.1 Profile of integrated vertical flow constructed wetland1：細(xì)沙(粒徑：0~2 mm，填充厚度：30 cm)；2：蛭石(粒徑：1~4 mm，填充厚度：15 cm)；3：珊瑚石(粒徑：20~50 mm，填充厚度：10 cm)；4：進(jìn)水口；5：出水口；6：反沖洗口1: Fine sand (Grain diameter: 0~2 mm, Thickness: 30 cm);2: Vermiculite (Grain diameter: 1~4 mm, Thickness: 15 cm);3: Corallite (Grain diameter: 20~50 mm, Thickness: 10 cm);4: Water inlet; 5: Water outlet; 6: Backwashing outfall

實(shí)驗(yàn)進(jìn)水方式為循環(huán)連續(xù)進(jìn)水，由下向流池4號(hào)進(jìn)水口均勻?yàn)⑷肴斯竦兀?jīng)人工濕地系統(tǒng)上、下向流池凈化處理后，經(jīng)上行池5號(hào)出水口收集于貯水單元中，再由水泵經(jīng)4號(hào)口輸送回人工濕地系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海水養(yǎng)殖外排水的循環(huán)處理；水力停留時(shí)間約2 h。人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行 2個(gè)月，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)為期14 d。每天09:00從2種人工濕地系統(tǒng)5號(hào)出水口收集水樣，每個(gè)水樣500 ml，測(cè)量NH4-N、NO2-N、NO3-N、CODMn、磷酸鹽和 TP濃度，并用Excel 2016計(jì)算污染物的去除率。植物株高和干重測(cè)量方法：在實(shí)驗(yàn)前后分別采集長(zhǎng)勢(shì)相同的2種挺水植物，每種植物采集10株。

1.4 測(cè)定方法與數(shù)據(jù)處理

根據(jù)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB17378.4-2007)測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)，其中，NH4-N采用次溴酸鹽氧化法，NO2-N采用萘乙二胺分光光度法，NO3-N采用鋅鎘還原法，無(wú)機(jī)氮(DIN)濃度為NH4-N、NO2-N和NO3-N濃度之和，磷酸鹽采用磷鉬藍(lán)分光光度法，TP采用過(guò)硫酸鉀氧化法，CODMn采用堿性高錳酸鉀法(中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等, 2008)。植物的株高和干重分別采用鋼尺測(cè)量和105℃條件下烘至恒重后測(cè)量。鹽度、溫度、pH與DO等水質(zhì)指標(biāo)采用YSI多參數(shù)水質(zhì)分析儀。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)結(jié)果采用Excel和OriginPro 2015分析作圖，t檢驗(yàn)分析 2種植物濕地去除率之間的差異顯著性(SPSS 20.0)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)。

2 結(jié)果

2.1 蘆葦、互花米草耐鹽性和生長(zhǎng)狀況

植物耐鹽性比較顯示，蘆葦在鹽度為20以下生長(zhǎng)良好，鹽度超過(guò)20則會(huì)出現(xiàn)不同程度的枯萎和死亡；互花米草在不同鹽度下均生長(zhǎng)良好(表1)。實(shí)驗(yàn)前后，2種人工濕地植物的株高和干重見(jiàn)表 2。從表2可以看出，蘆葦和互花米草株高分別增加0.73 cm和2.93 cm，干重分別增加0.06 g和0.40 g。在鹽脅迫條件下，互花米草的生長(zhǎng)狀況要明顯好于蘆葦。

2.2 2種植物人工濕地對(duì)無(wú)機(jī)氮的凈化效果

從圖 2a可以看出，2種植物濕地系統(tǒng)的 NH4-N濃度在實(shí)驗(yàn)初期均大幅降低，系統(tǒng)運(yùn)行到第 4天，NH4-N濃度及去除率均趨于穩(wěn)定，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡?；セ撞轁竦叵到y(tǒng)運(yùn)行至第3天后的NH4-N去除率達(dá)到 84.00%以上；蘆葦濕地系統(tǒng)運(yùn)行至第6天去除率達(dá)到約80.00%。NH4-N濃度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，蘆葦和互花米草濕地系統(tǒng)中的 NH4-N平均濃度分別為0.06、0.02 mg/L，去除率分別為(85.48±0.50)%、(95.01±1.18)%。2種植物濕地系統(tǒng)對(duì)NH4-N去除率的差異性顯著(P<0.05)(表 3)，互花米草濕地系統(tǒng)對(duì)NH4-N去除率較蘆葦高約9.53%。

表1 不同鹽度下蘆葦和互花米草的生長(zhǎng)狀況Tab.1 The growth performance of P. australis and S. alterniflora under different salinity

表2 蘆葦、互花米草的株高和干重Tab.2 The plant height and dry weight of P. australis and S. alterniflora

圖2 2種人工濕地?zé)o機(jī)氮的濃度和去除率Fig.2 The concentration and removal efficiency of inorganic nitrogen of the two constructed wetland

根據(jù)圖 2b、圖 2c可知，2種植物濕地系統(tǒng)中NO2-N和 NO3-N濃度呈先升高后降低趨勢(shì)，NO2-N作為中間產(chǎn)物變化幅度較小，在0.01~0.04 mg/L之間波動(dòng)；NO3-N在實(shí)驗(yàn)周期的前4 d大幅升高，而后下降至實(shí)驗(yàn)初期水平?；セ撞轁竦叵到y(tǒng)的 NO2-N和NO3-N濃度升高較蘆葦濕地快。互花米草濕地系統(tǒng)的NO2-N和NO3-N濃度在實(shí)驗(yàn)前期達(dá)到最大值，分別約為 0.05、0.37 mg/L；蘆葦濕地系統(tǒng)的 NO2-N 和NO3-N濃度分別在第2天和第3天達(dá)到最大值，分別約為0.04、0.47 mg/L。根據(jù)圖2d可知，2種植物濕地系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，人工濕地系統(tǒng) DIN呈先升高后降低趨勢(shì)，在處理10 d后趨于穩(wěn)定。DIN濃度穩(wěn)定后，蘆葦和互花米草濕地系統(tǒng)的 DIN分別為(0.32±0.01)、(0.26±0.01) mg/L，DIN 去除率分別為(50.25±0.80)%、(58.93±1.96)%。互花米草系統(tǒng)的DIN去除率較蘆葦系統(tǒng)高8.65%，差異顯著(P<0.05)(表3)。

由圖3可知，2種植物人工濕地NH4-N、NO2-N和NO3-N的DIN占比變化趨勢(shì)相似。在實(shí)驗(yàn)初期，NH4-N濃度占比約為 41.00%，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加NH4-N占比逐漸降低，至濃度穩(wěn)定時(shí)，蘆葦系統(tǒng)NH4-N占比最低為 13.00%，互花米草系統(tǒng)約為3.00%。NO2-N作為中間產(chǎn)物在實(shí)驗(yàn)初期升高，隨后降低至穩(wěn)定水平。NO3-N占比隨處理時(shí)間的增加達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，蘆葦和護(hù)花米草濕地系統(tǒng)中 NO3-N占比分別約為84.00%和90.00%。

2.3 2種植物人工濕地對(duì) CODMn、磷酸鹽和總磷的凈化效果

由圖4a、圖4d可知，人工模擬海水養(yǎng)殖外排水經(jīng)濕地系統(tǒng)處理24 h后，CODMn濃度下降至較低濃度后保持動(dòng)態(tài)平衡。蘆葦濕地系統(tǒng) CODMn出水濃度為(3.21±0.33) mg/L，平均去除率為(57.74±4.40)%；互花米草濕地系統(tǒng)CODMn出水濃度為(2.04±0.19) mg/L，平均去除率為(72.84±2.64)%?；セ撞轁竦叵到y(tǒng)的CODMn平均去除率比蘆葦高約15.01%。

由圖 4b、圖 4c和圖4d可知，人工濕地對(duì)磷的去除在24 h后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，蘆葦濕地系統(tǒng)磷酸鹽濃度為(0.30±0.01) mg/L，平均去除率為(34.69±2.36)%，TP濃度為(0.38±0.01) mg/L，平均去除率為(49.77±0.54)%；互花米草濕地系統(tǒng)的磷酸鹽濃度為(0.28±0.02) mg/L，平均去除率為(41.52±3.84)%，TP濃度為(0.36±0.01) mg/L，平均去除率為(52.41±1.27)%。實(shí)驗(yàn)期間，2種植物人工濕地的磷酸鹽和TP均有突然升高現(xiàn)象。

表3 2種人工濕地對(duì)污染物凈化效果比較Tab.3 Comparsion of pollutant removal efficiencies of the two constructed wetland (%)

圖3 各無(wú)機(jī)氮所占比例Fig.3 The proportion of different inorganic nitrogen species

圖4 2種人工濕地CODMn、磷酸鹽和總磷的濃度和去除率變化Fig.4 The concentration and removal efficiency of CODMn, phosphate and TP of the two constructed wetland

3 討論

3.1 2種植物人工濕地系統(tǒng)對(duì)無(wú)機(jī)氮的凈化效果分析

盧少勇等(2006)研究表明，植物在人工濕地去污過(guò)程中起重要作用，一方面植物吸收 DIN用于合成自身生長(zhǎng)所需物質(zhì)，另一方面植物向根區(qū)輸送氧氣并在根系表面形成好氧微區(qū)域，促進(jìn)硝化細(xì)菌對(duì)氨的轉(zhuǎn)化。另有研究表明，植株的抗逆性、生長(zhǎng)狀況、根系發(fā)達(dá)程度、根區(qū)泌氧能力以及根系分泌物等直接影響其凈化污水能力(鄧泓等, 2007; 劉志寬等, 2010)。本研究結(jié)果顯示，蘆葦株高和干重分別增加約0.73 cm和0.06 g，而互花米草的株高和干重分別增加約2.93 cm和 0.40 g，后者株高較前者高 2.20 cm，干重較前者重0.34 g (表2)?；セ撞菰诟啕}度條件下，生長(zhǎng)狀況好于蘆葦，與張爽等(2008)研究結(jié)果一致?；セ撞萆L(zhǎng)量高于蘆葦可能與互花米草耐鹽性較強(qiáng)以及在鹽脅迫下光合作用強(qiáng)于蘆葦有關(guān)。鮑芳等(2007)發(fā)現(xiàn)，互花米草對(duì)高鹽度環(huán)境的適應(yīng)能力較蘆葦強(qiáng)，在生長(zhǎng)過(guò)程中，互花米草的SOD和POD酶活性積累呈互補(bǔ)趨勢(shì)，而 CAT酶活性基本保持穩(wěn)定，有利于應(yīng)對(duì)鹽脅迫環(huán)境；蘆葦體內(nèi)SOD、POD和CAT酶活性波動(dòng)幅度大，說(shuō)明其適應(yīng)鹽脅迫的能力較差。胡楚琦等(2015)發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫環(huán)境下，互花米草的凈光合速率(Pn)值和光飽和點(diǎn)(Isat)均呈上升趨勢(shì)，而蘆葦?shù)腜n值呈下降趨勢(shì)，Isat值則無(wú)明顯變化。肖燕等(2011)也發(fā)現(xiàn)，在生長(zhǎng)季節(jié)互花米草的光合作用較蘆葦強(qiáng)，凈光合速率及生長(zhǎng)量顯著高于蘆葦。由圖 2a可知，蘆葦和互花米草植物濕地對(duì) NH4-N都具有較高的去除率，分別為(85.48±0.50)%和(95.01±1.18)%，互花米草濕地系統(tǒng)對(duì)NH4-N去除率較蘆葦濕地高9.53%，二者差異性顯著(P<0.05)，互花米草濕地對(duì)NH4-N的凈化效率更高(圖2a和表3)。可能與互花米草更能適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境(Lewis et al，2002)，Pn值和生長(zhǎng)量均高于蘆葦，對(duì)海水中 NH4-N吸收量高有關(guān)。另外，黃娟等(2009)發(fā)現(xiàn)，Pn與NH4-N去除率顯著正相關(guān)。

根據(jù)圖2a可知，互花米草濕地系統(tǒng)對(duì)NH4-N的去除速率和轉(zhuǎn)化速率高于蘆葦；在實(shí)驗(yàn)周期的前5 d，2種植物濕地的NO3-N濃度均有升高，且互花米草濕地的上升速率較蘆葦快；圖2表明，在實(shí)驗(yàn)前4 d，大部分NH4-N通過(guò)硝化反應(yīng)快速轉(zhuǎn)化為NO3-N，這可能是由于互花米草根系、通氣組織以及泌氧能力均較蘆葦強(qiáng)有關(guān)。人工濕地中除氮的關(guān)鍵步驟是硝化和反硝化，硝化過(guò)程也是耗氧過(guò)程，溶氧與 DIN的轉(zhuǎn)化及脫氮效率有直接關(guān)系，適宜的溶氧(DO)能促進(jìn)NH4-N的轉(zhuǎn)化。微生物在脫氮中起主導(dǎo)作用，濕地植物根區(qū)的徑向泌氧作用(ROL)在輸氧的同時(shí)也為好氧微生物提供適宜的微環(huán)境(周強(qiáng)等, 2015; 杜剛等,2013)。章振亞等(2012)研究表明，互花米草根區(qū)的細(xì)菌豐富度和多樣性均高于蘆葦。Chen等(2014)研究表明，水體氮的徹底去除是依靠反硝化作用或厭氧氨氧化作用將NO3-N轉(zhuǎn)化為N2揮發(fā)出濕地系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖2顯示，NO3-N濃度先升高后降低，可能是微生物通過(guò)反硝化作用等將NO3-N轉(zhuǎn)化為N2，進(jìn)而揮發(fā)出濕地系統(tǒng)所致。

3.2 2種植物人工濕地對(duì) CODMn、磷酸鹽和 TP的凈化效果分析

植物在有機(jī)污染物去除過(guò)程中起重要作用，包括直接作用和間接作用。直接作用包括根系的攔截和吸收，間接作用主要包括根系分泌物對(duì)生化過(guò)程的影響與為微生物提供附著和生長(zhǎng)空間。不同植物對(duì)CODMn的去除效果存在差異(陳永華等, 2014)。蘆葦和互花米草濕地系統(tǒng)對(duì) CODMn平均去除率分別為(57.74±4.40)%和(72.84±2.64)%，后者比前者的去除率高15.01%，差異性顯著(P<0.05)(表3)。研究表明，溶解氧是有機(jī)污染物去除過(guò)程中決定性因素之一(吳海明等, 2010)，異養(yǎng)微生物在有機(jī)物去除過(guò)程中起主導(dǎo)作用(Cooper et al, 1996)。2種植物人工濕地對(duì)CODMn凈化效果的差異性可能與互花米草根區(qū)泌氧高于蘆葦和根區(qū)微生物較多的共同作用有關(guān)，也可能是因?yàn)榛セ撞菝懿加诨|(zhì)的須根系較為發(fā)達(dá)，對(duì)有機(jī)物的截留作用大于蘆葦。

植物在凈化輕度污水的除磷過(guò)程中起重要作用。研究表明，不同植物的除磷能力存在差異(汪文強(qiáng)等,2016; 陳志超等, 2015; 王敏等, 2013; Abu-Ghararah et al, 1991)。蘆葦濕地系統(tǒng)和互花米草濕地系統(tǒng)的磷酸鹽平均去除率分別為(34.69±2.36)%和(41.52±3.84)%，對(duì) TP平均去除率分別為(49.77±0.54)%和(52.41±1.27)%?；セ撞轁竦叵到y(tǒng)對(duì)磷酸鹽和TP的去除率均較蘆葦濕地高，但是二者差異性不顯著(P>0.05)(表3)。實(shí)驗(yàn)期間，2種植物濕地系統(tǒng)磷酸鹽及TP濃度突然升高，可能是植物枯萎后把磷重新釋放到水體中導(dǎo)致(張家洋等, 2013; 李志杰等, 2012)，或者是基質(zhì)對(duì)磷吸附過(guò)飽和后釋放所致。本研究表明，2種植物濕地對(duì)磷的去除在短時(shí)間內(nèi)效果顯著，對(duì)磷酸鹽和TP的去除率分別約為40.00%和50.00%(圖4)。

4 結(jié)論

(1)隨著鹽度的升高，2種植物的生長(zhǎng)均受到不同程度的抑制，蘆葦在鹽度大于20時(shí)基本停止生長(zhǎng)，互花米草則在鹽度為35以下均能正常生長(zhǎng)?；セ撞葺^蘆葦耐鹽能力強(qiáng)，株高增長(zhǎng)量和干重增加量均高于蘆葦。

(2)在短期內(nèi)，2種植物對(duì)人工濕地低污染的海水養(yǎng)殖外排水中 NH4-N的凈化效果顯著，去除率均在80.00%以上，分別為(85.48±0.50)%和(95.01±1.18)%。互花米草人工濕地對(duì) NH4-N去除率較蘆葦濕地高約9.53%，差異顯著(P<0.05)。同時(shí)，互花米草人工濕地能更好的促進(jìn)NH4-N轉(zhuǎn)化為NO2-N，提高了NH4-N轉(zhuǎn)化效率。

(3)蘆葦人工濕地和互花米草人工濕地對(duì)CODMn平均去除率分別為(57.74±4.42)%和(72.84±2.64)%，互花米草人工濕地系統(tǒng)對(duì) CODMn的去除效果要優(yōu)于蘆葦人工系統(tǒng)，前者較后者高 15.01%，差異性顯著(P<0.05)。2種植物人工濕地系統(tǒng)對(duì)磷酸鹽和TP的去除率均在40.00%~50.00%范圍內(nèi)波動(dòng)，差異性不顯著(P>0.05)。

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