环境监控与预警   2023, Vol. 15 Issue (6): 85-92.  DOI: 10.3969/j.issn.1674-6732.2023.06.014.
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邱坚, 原璐彬, 邢书语, 刘鑫, 丁益华, 田苗苗, 镇江市金山湖沉积物磷元素分布特征研究. 环境监控与预警, 2023, 15(6): 85-92. DOI: 10.3969/j.issn.1674-6732.2023.06.014.
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QIU Jian, YUAN Lubin, XING Shuyu, LIU Xin, DING Yihua, TIAN Miaomiao. Distribution Characteristics of Phosphorus in Surface Sediments of Jinshan Lake. Environmental Monitoring and Forewarning, 2023, 15(6): 85-92. DOI: 10.3969/j.issn.1674-6732.2023.06.014.
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基金项目

江苏省环境监测科研基金项目(1816)

作者简介

邱坚(1981—),男,高级工程师,本科,主要从事水质、空气、土壤、生物等方面的环境监测工作.

文章历史

收稿日期:2022-09-18
修订日期:2023-08-31

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镇江市金山湖沉积物磷元素分布特征研究
邱坚1, 原璐彬2, 邢书语2, 刘鑫2, 丁益华1, 田苗苗1    
1. 江苏省镇江环境监测中心,江苏 镇江 212013;
2. 江苏大学环境与安全工程学院,江苏 镇江 212013
摘要:以镇江市金山湖为研究区域,于2019年1月(冬季)和2019年7月(夏季)采集了10个点位的表层沉积物样品,参照欧洲标准测试测量组织建立的沉积物磷形态分析方法(SMT)测定沉积物总磷(TP)、无机磷(IP)、有机磷(OP)、铁/铝-磷(Fe/Al-P)和钙-磷(Ca-P)质量分数,研究金山湖表层沉积物磷元素及其赋存形态的季节分布特征。结果表明,金山湖表层沉积物中TP质量分数在冬、夏季分别为727.39~1 073.70 mg/kg和700.90~1 002.17 mg/kg,处于中等污染水平;金山湖表层沉积物磷以IP为主,IP在TP中的占比在冬、夏季分别为68.58%~88.86%,73.09%~87.21%;除了Fe/Al-P以外,OP作为生物有效磷源,其冬、夏季质量分数分别为69.37~190.93 mg/kg和108.45~210.42 mg/kg;其平均值分别为129.01,160.15 mg/kg。金山湖冬、夏季沉积物各形态磷质量分数所占比例均表现为Ca-P>Fe/Al-P>OP,表明该研究区域沉积物以Ca-P占优势。金山湖表层沉积物pH值呈现弱碱性,通过Ca-P直接释放到上覆水中的磷较少,故金山湖沉积物磷元素的潜在风险较小。各形态磷的相关性分析结果发现,冬季沉积物TP与Fe/Al-P、IP呈极显著正相关(P<0.01)。夏季沉积物TP与IP、Fe/Al-P之间呈极显著正相关(P<0.01),与Ca-P呈显著正相关(P<0.05)。此外,金山湖沉积物OP、Fe/Al-P以及Ca-P的来源不一致。pH值对沉积物IP会产生一定影响,而其余磷形态则受pH值的影响程度较小。
关键词磷形态    分布特征    金山湖    沉积物    
Distribution Characteristics of Phosphorus in Surface Sediments of Jinshan Lake
QIU Jian1, YUAN Lubin2, XING Shuyu2, LIU Xin2, DING Yihua1, TIAN Miaomiao1    
1. Zhenjiang Environmental monitoring Center of Jiangsu province, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China;
2. School of the Environment and Safety Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China
Abstract: In order to reveal distribution characteristics of phosphorus fractions in surface sediment of the Jinshan Lake of Zhenjiang, 10 surface sediment samples were collected from the Jinshan lake in winter and summer, respectively. Total phosphorus(IP), inorganic phosphorus(IP), organic phosphorus(OP), Fe/Al-bound phosphorus(Fe/Al-P) and Ca-bound phosphorus(Ca-P) were measured according to the sediment phosphorus form analysis method established by the European Standard Test and Measurement Organization(SMT). Results showed that: TP content in surface sediments ranged from 727.39~1 073.70 mg/kg and 700.90~1 002.17 mg/kg in winter and summer, respectively. The ratio of IP to TP was 68.58%~88.86% and 73.09%~87.21%, in winter and summer, respectively. In addition to Fe/Al-P, OP, as a biological available P, ranged from 69.37 to 190.93 mg/kg in winter and from 108.45 to 210.42 mg/kg in summer, with an average of 129.01 and 160.15 mg/kg. The proportion of P fraction was both Ca-P>Fe/Al-P>OP in winter and summer, which indicates that Ca-P was dominant in the sediments of this study area, followed by Fe/Al-P, and the contribution of OP to TP was low. The pH value of the surface sediments of Jinshan Lake was weakly alkaline, and the phosphorus directly released into the overlying water through Ca-P was lower, so the potential risk of phosphorus in the sediments of Jinshan lake was low. Correlation analysis showed that TP content in winter sediments was significantly positive correlated with Fe/Al-P and IP(P<0.01). TP was significantly positive correlated with IP(P<0.01), Fe/Al-P(P<0.01) and Ca-P(P<0.05) in summer. In addition, there was no significant correlation between Fe/Al-P and Ca-P(P>0.05), indicating that the sources of OP, Fe/Al-P and Ca-P were inconsistent. pH value will have a certain impact on sediment IP, while other phosphorus forms are less affected by pH value.
Key words: Phosphorus fraction    Distribution characteristics    Jinshan Lake    Sediments    
0 引言

磷是水生生态系统关键限制因子之一,是影响湖泊初级生产力高低的关键元素[1-2]。近年来,随着我国经济和城市化的快速发展,过量的磷元素通过农业面源污染、城市地表径流、大气干湿沉降以及工业废水和生活污水排放等一系列途径[3]进入湖泊等淡水生态系统,频繁引发水体富营养化,对湖泊生态系统的安全造成巨大威胁。

沉积物是水体磷元素的重要蓄积库。磷元素在沉积物中一般以无机磷(IP)和有机磷(OP)赋存形态存在。无机磷包括铁/铝结合态磷(Fe/Al-P)以及钙结合态磷(Ca-P)等不同形态。在适宜的环境条件(温度、pH值、氧化还原电位、需氧量等)或受到外界扰动下(风浪、底栖动物等)[4-5],沉积物中不同形态磷元素极易释放,且不同形态磷的释放能力差异较大,并通过迁移转化等方式影响上覆水的营养状态[3, 6-7]。因此,沉积物被认为在水体营养元素循环中扮演“源”与“汇”的双重角色[3, 8-9]。尤其是近些年来,在外源污染负荷削减措施实施后,沉积物内源磷的释放成为湖泊上覆水体磷的重要来源[10-11]。因此,开展沉积物磷元素及其形态分布特征的研究,在科学认识湖泊污染状况方面具有重要的作用。

根据现有文献中对我国不同地区湖泊沉积物磷元素的测定结果可知,因所处地理位置、湖泊水动力条件以及沿岸经济发展水平等各方面的显著差异,我国湖泊沉积物磷元素含量差异较大[3, 12-16],现有的研究结果无法对特定湖泊磷元素的控制以及所在湖泊的生态修复提供精准的基础数据。基于此,本研究在金山湖进行冬、夏季节的沉积物样品采集及理化分析,以期获得金山湖沉积物磷元素含量及其赋存形态分布特征,为预测内源磷负荷对金山湖上覆水体的影响及该湖泊磷元素污染的防控提供数据支撑。

1 研究方法 1.1 研究区域概况

研究区域位于江苏省镇江市金山湖湖区,该湖泊为镇江市区最大的景观湖泊,湖泊面积约8.8 km2,湖泊受长江水补给,通过闸坝控制其水位[17-19]。在前期调研基础上,按入湖河流、湖面形状等特征在金山湖湖区共布置10个采样点位,采样点位示意见图 1。其中,L1和L2点位位于金山湖白娘子景区,景区内水深1~2 m,该区域水生植物生长繁茂。L3点位位于引航道,长江水通过引航道补给金山湖,其余L4—L10采样点位所在水域水深约5~6 m,湖区无水生植物。

图 1 采样点位置示意
1.2 样品采集

分别于2019年1月(冬季)和2019年7月(夏季)进行沉积物样品采集。沉积物采用彼得森抓斗式沉积物采样器采样,采样深度为0~25 cm。每个采样点随机采集3次,现场充分混匀后装入干净的聚乙烯自封袋(排出空气)作为该点位的混合样品。所采样品迅速带回实验室,风干、研磨,过100目筛后装入自封袋4 ℃储存,用于沉积物理化指标的测定。

1.3 样品的测定

沉积物pH值采用复合电极pH计(PHS-25型,上海雷磁)测定(水土质量比为2.5 ∶ 1)。沉积物有机质(OM)采用水合热重铬酸钾氧化-比色法测定[20]

沉积物中形态磷采用欧洲标准测试测量组织建立的沉积物磷形态分析方法(SMT)[21-22],分级提取总磷(TP)、无机磷(IP)、有机磷(OP)、氢氧化钠提取磷(NaOH-P)以及盐酸提取磷(HCl-P),NaOH提取方法提取出来的主要是Fe/Al-P, HCl-P提取出来的主要是Ca-P。SMT分级提取方法见表 1。上清液采用《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》(GB/T 11893—1989)测定磷浓度。

表 1 SMT分级提取方法
1.4 数据处理与分析

通过Excel 2019以及IBM SPSS 22.0软件进行数据计算、分析与图表绘制。沉积物磷形态与沉积物理化因子进行皮尔逊(Pearson)相关性分析,P<0.05为显著相关性,P<0.01为极显著相关性。采用单因素方差分析方法进行差异显著性检验(one-way ANOVA),P<0.05为显著差异,P<0.01为极显著差异。

1.5 质量控制

实验测定分析所用试验药品均为分析纯,试验用水为超纯水,所用器皿均采用质量分数为5%的HCl溶液浸泡过夜后超纯水清洗。采用空白对照和平行样进行样品测定过程中的质量控制,每次实验分别设置3组空白对照样与3组平行样,测定结果以3次重复测定的均值、标准偏差以及相对标准偏差(RSD)值来表示,RSD又叫变异系数。其中RSD值为标准偏差与平均值的比值,表征平行样之间的偏差大小。

2 结果与讨论 2.1 金山湖表层沉积物TP质量分数变化特征

金山湖表层沉积物磷元素质量分数统计结果见表 2。由表 2可见,冬季金山湖表层沉积物ω(TP)为727.39~1 073.70 mg/kg,平均值为866.73 mg/kg,变异系数为13.45%。夏季金山湖表层沉积物ω(TP)为700.90~1 002.17 mg/kg,平均值为866.99 mg/kg,变异系数为10.18%。冬、夏季沉积物TP质量分数的变异系数均为低等变异,表明金山湖沉积物TP质量分数在季节上的变幅较小。

表 2 金山湖表层沉积物磷元素质量分数统计结果 

金山湖沉积物磷元素分布特征见图 2(a)(b)。由图 2(a)可见,冬季ω(TP)最高值出现在L7点位,其次为L6点位;而夏季ω(TP)最高值出现在L6点位,其次为L10点位。其中,L6点位位于金山湖北固湾码头内侧,该区域位于湖湾处,相对闭塞,往往呈现水流不畅和污染物易积聚的特点。此外,该采样点为游船码头所在区域,游船停靠以及行驶等导致水体扰动以及游客人为扰动等也是此采样点TP质量分数最高的因素之一。而L10点位位于金山湖焦南坝,该区域位于整个湖泊水流下游方向,受水流、风浪等影响,沉积物有可能出现堆积等导致TP质量分数较高。相对于入湖口(L3点位),冬、夏季分别有8,7个采样点位的TP质量分数超过L3点位,表明金山湖沿湖区域内包含地表径流、干湿沉降等在内的外源污染输入是沉积物TP的来源之一。由图 2(b)可见,冬、夏季沉积物中TP质量分数无显著差异(P>0.05)。Fe/Al-P,IP和OP质量分数均表现为冬季<夏季,而Ca-P质量分数则表现为冬季>夏季。

图 2 金山湖沉积物磷元素分布特征

我国湖泊沉积物ω(TP)统计结果见表 3。由表 3可见,与国内几大淡水湖ω(TP)相比,金山湖ω(TP)平均值均高于洞庭湖[9]、太湖[23]以及巢湖[24],但低于滇池[25]和洱海[26]。此外,本研究中金山湖ω(TP)与无锡蠡湖[14]相当,低于南湖[3]、洪湖[27]以及镜泊湖[15],高于东平湖[28]。金山湖于2011年前后曾进行过沉积物清淤,本研究结果中金山湖ω(TP)平均值仍然高于我国几大淡水湖,在一定程度上也反映出补给水体对金山湖沉积物磷具有较大的贡献。

表 3 我国湖泊沉积物ω(TP)统计结果

美国环境保护署(US EPA)规定湖泊沉积物ω(TP)重度污染区标准为650 mg/kg[23]。加拿大安大略省环境和能源部制定的底泥质量评价指南指出,600 mg/kg为能引起最低级别生态风险效应的总磷阈值[34-35]。此外,根据Zhang等[36]报告指出,当ω(TP)<500 mg/kg时,认为沉积物不受磷元素的污染;当500 mg/kg <ω(TP) < 1 300 mg/kg,沉积物磷呈中度污染;当ω(TP) >1 300 mg/kg时,沉积物磷表现为严重污染。而Persaud等[35]则提出湖泊沉积物ω(TP)最低影响值为600 mg/kg,当ω(TP)达到2 000 mg/kg时,即视为遭到严重污染。综合以上评价标准,金山湖冬、夏季10个点位沉积物ω(TP)均>650 mg/kg,但所有点位ω(TP)均未超过1 300 mg/kg,意味着研究区域内沉积物受磷元素污染,污染程度达到中度污染状态。

2.2 金山湖沉积物ω(IP)变化特征

IP指吸附在沉积物上的溶解态磷酸盐及与水体中部分金属离子以结合态存在的磷[37]。金山湖表层沉积物ω(IP)在冬、夏季分别为539.05~878.68 mg/kg和512.31~788.43 mg/kg,其平均值分别为676.81,702.05 mg/kg,变异系数分别为15.8%和12.81%(表 2),表明金山湖沉积物ω(IP)在整个湖区时间上变化不大。金山湖沉积物ω(IP)在ω(TP)中的占比见图 3。由图 3可见,冬、夏季ω(IP)/ω(TP)分别为68.58%~88.86%和73.09%~87.21%,平均值为78.36%,81.68%,表明IP在TP中所占比重较大。本研究结果与国内其他河湖沉积物研究结果相当。刘永九等[11]对洪湖湿地沉积物研究表明,ω(IP)占ω(TP)平均值为68.3%。万杰等[16]对洪泽湖入湖河流沉积物的研究发现,ω(IP)占ω(TP)为65.81%~76.16%。车霏霏等[3]对南湖沉积物研究发现,ω(IP)/ω(TP)的值为64%~91%。

图 3 金山湖沉积物ω(IP)/ω(TP)

Fe/Al-P和Ca-P是IP的主要组成成分[11]。Ca-P在沉积物中主要的存在形式是磷酸盐化合态[28],主要来源为碎屑岩或自生组分,是由于生物作用沉积、固结的颗粒磷,Ca-P是稳定性较高的非生物可利用P[16, 31],很难被分解或者转化,属于沉积物中惰性较强的磷组分[38],一般来源于难溶性磷酸盐矿物。金山湖各点位沉积物ω(Fe/Al-P)和ω(Ca-P)见表 4

表 4 金山湖各点位沉积物ω(Fe/Al-P)和ω(Ca-P) 

表 4可见,冬季沉积物样品中,ω(Ca-P)最高值出现在L10点位,其次为L2点位,L6点位最低。夏季沉积物样品中,ω(Ca-P)最高值出现在L6点位,其次为L10点位,L1点位最低。此外,ω(Ca-P)/ω(IP)在各采样点位之间有一些差异,冬、夏季ω(Ca-P)/ω(IP)分别为41.90%~90.09%和59.86%~80.52%。冬季,除了L6点位外,其余9个采样点位ω(Ca-P)/ω(IP)均>50%,夏季ω(Ca-P)/ω(IP)>50%,表明Ca-P是沉积物中主要的IP形态,这与董黎明等[39]对白洋淀沉积物的研究结果一致。由于Ca-P难溶于水,故该组分的磷不易被释放进入上覆水体中,因此,Ca-P对湖泊富营养化的进程没有明显的加速作用[40]。但当沉积物处于弱酸环境时,Ca-P可能被重新向上覆水释放[39-40],进而加剧上覆水中磷的污染负荷[33, 41]。本研究中金山湖表层沉积物pH值呈现弱碱性,故通过Ca-P直接释放到上覆水中的磷可能性较低。

Fe/Al-P是被铁、铝水合氧化物吸附的磷和一部分铁铝磷酸盐[42],主要指附着于铁铝氧化物和氢氧化物表面及内部的磷,该部分磷会随着沉积物粒径、pH值、氧化还原电位、温度等外部环境的影响而释放[4, 32]。Fe/Al-P被认为是一种重要的生物可利用性磷,是沉积物中潜在活性磷组分之一,对沉积物-水界面磷的循环起着非常重要的作用[43-44]。在适宜条件下,Fe/Al-P可从沉积物中释放出来,其迁移转化机制被认为是沉积物向上覆水体释放的主要机制之一[33],故ω(Fe/Al-P)往往被作为判断沉积物中磷污染程度的主要指标之一[33]。Fe/Al-P主要来源以生活污水和工业废水为主[33, 38],其次为农业面源污染[45],故受人类活动的影响较大。ω(Fe/Al-P)的高低可反映沉积物磷的污染状况[46]。金山湖冬、夏季表层沉积物中ω(Fe/Al-P)分别为97.46~419.39 mg/kg和112.66~320.92 mg/kg,平均值分别为188.05,213.24 mg/kg,变异系数分别为52.11%和32.12%,表明冬季ω(Fe/Al-P)在各采样点位变幅较大。冬、夏季沉积物中ω(Fe/Al-P)最高值出现在L6点位,而其最低值出现在L3(冬季)和L1(夏季)点位。此外,ω(Fe/Al-P)/ω(IP)分别为18.08%~48.24%和19.65%~41.27%,所有采样点位其占比均低于50%。

此外,方差分析结果表明,冬、夏季IP,Fe/Al-P以及Ca-P间均无显著差异(P>0.05),表明金山湖表层沉积物ω(IP)在冬、夏季变化不大。

2.3 金山湖沉积物ω(OP)变化特征

OP是与有机物相关的磷形态,是除了Fe/Al-P以外,另一种生物有效磷源,对湖泊富营养化具有重要作用[11, 47]。Vaalgamaa[48]认为OP可直接记录湖泊、河流等水体的初级生产力,因此是一种优于TP的可指示水体富营养化程度的指标。OP来源包括水生生态系统中各种动植物残体、腐殖质等有机物中所含的磷以及通过陆源性排放物质组成的难降解性有机磷部分[33, 47]。沉积物有机磷分为活性有机磷、中活性有机磷以及稳性有机磷共3种形态[49]。其中,活性有机磷主要由核酸、磷酯类、磷糖类化合物组成,中活性有机磷包含植酸钙、镁等化合物,而稳性有机磷主要由植酸铁、铝等化合物以及一些含磷的螯合物组成[49]ω(OP)在沉积物中受温度、pH值、有机质、沉积特性、早期成岩作用、生物作用以及人类活动等多种因素控制[50]。根据表 2,金山湖表层沉积物冬、夏季的ω(OP)分别为69.37~190.93 mg/kg和108.45~210.42 mg/kg,其平均值分别为129.01,160.15 mg/kg,变异系数分别为28.20%,20.90%。表明各采样点位之间ω(OP)差异较小。方差分析结果表明,冬、夏季ω(OP)间亦无显著差异(P>0.05)。

研究表明,OP在沉积物TP中所占比例一般在20%~80%[51-52]。本研究发现冬、夏季ω(OP)/ω(TP)分别为7.85%~20.80%和12.64%~26.71%,平均值分别为14.96%和18.81%,表明金山湖表层沉积物中ω(OP)对ω(TP)的贡献较低(图 4)。康丽娟等[33]研究发现,淀山湖沉积物ω(OP)/ω(TP)为4% ~61%。本研究中,冬、夏季沉积物样品均表现为ω(Ca-P)>ω(Fe/Al-P)>ω(OP),沉积物中以ω(Ca-P)占明显优势,表明金山湖沉积物潜在风险较小。这与聂丽娟等[53]对武汉市湖泊磷形态的比例研究有所差异,其研究发现湖泊各形态磷质量分数平均值大小表现为TP>IP>Fe/Al-P>Ca-P>OP。

图 4 金山湖沉积物中ω(OP)/ω(TP)
2.4 各形态磷的相关性分析

对金山湖冬、夏季沉积物各形态磷以及沉积物pH值、OM质量分数做相关性分析,结果见表 5

表 5 金山湖冬、夏季表层沉积物各形态磷相关性分析

表 5可见,冬季沉积物ω(TP)与ω(Fe/Al-P)、ω(IP)呈极显著正相关(P<0.01)。夏季沉积物ω(TP)与ω(IP)、ω(Fe/Al-P)呈极显著正相关(P<0.01),与ω(Ca-P)呈显著正相关(P<0.05)。此外,冬、夏季沉积物ω(OP)与ω(TP)、ω(IP)、ω(Fe/Al-P)以及ω(Ca-P)之间均无显著的相关关系(P>0.05),ω(Fe/Al-P)与ω(Ca-P)之间亦无显著相关关系(P>0.05),表现出OP、Fe/Al-P以及Ca-P的来源不一致。

对于冬季而言,沉积物ω(OM)与pH值以及ω(TP)、ω(IP)、ω(Fe/Al-P)、ω(Ca-P)、ω(OP)之间均无显著相关关系(P>0.05)。研究表明,pH值是影响沉积物磷释放的重要因素,当为碱性条件时,可促进沉积物中的Fe/Al-P向上覆水中释放,而酸性条件下,则促进Ca-P的释放[4]。金山湖冬季表层沉积物各形态磷与pH值之间均无显著的相关关系(P>0.05),而夏季沉积物中ω(IP)与pH值之间存在显著的正相关关系(P<0.05),表明pH值对沉积物ω(IP)会产生一定的影响,而其余磷形态则受pH值的影响程度较小。

3 结论

(1) 金山湖表层沉积物冬、夏季ω(TP)分别为727.39~1 073.70 mg/kg,700.90~1 002.17 mg/kg,平均值分别为866.73,1 002.17 mg/kg;冬、夏季ω(TP)无显著差异。与国内其他湖泊沉积物ω(TP)相比较,金山湖表层沉积物ω(TP)处于中等污染水平。

(2) 金山湖表层沉积物冬、夏季ω(IP)分别为539.05~878.68 mg/kg,512.31~788.43 mg/kg,ω(IP)/ω(TP)分别为68.58%~88.86%和73.09%~87.21%。冬、夏季ω(Ca-P)/ω(IP)分别为41.90%~90.09%和59.86%~80.52%。ω(Fe/Al-P)/ω(IP)分别为18.08%~48.24%和19.65%~41.27%。金山湖沉积物中Ca-P是主要IP形态。由于金山湖表层沉积物pH值呈现弱碱性,金山湖沉积物Ca-P直接释放到上覆水中的可能性较低。

(3) 金山湖表层沉积物冬、夏季的ω(OP)分别为69.37~190.93 mg/kg和108.45~210.42 mg/kg。ω(OP)无空间及季节上的显著差异。

(4) 各形态磷的相关性分析结果发现,冬季沉积物ω(TP)与ω(Fe/Al-P)、ω(IP)呈极显著正相关(P<0.01)。夏季沉积物ω(TP)与ω(IP)、ω(Fe/Al-P)之间呈极显著正相关(P<0.01),与ω(Ca-P)呈显著正相关(P<0.05)。金山湖冬、夏季沉积物中OP、Fe/Al-P以及Ca-P的来源不一致。此外,夏季沉积物中ω(IP)与pH值呈显著的正相关关系(P<0.05),表明pH值对沉积物IP会产生一定影响,而其余磷形态则受pH值的影响程度较小。

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