环境微生物

1、如何从粪便污染的水体中将大肠杆菌群中的四种菌逐一鉴别出来？

答：使用鉴别培养基，大肠埃希氏菌，枸橼酸盐杆菌，产气杆菌，副大肠杆菌均能在远藤氏培养基上生长，但它们对乳糖的分解能力不同：前三者能分解乳糖，但分解能力有强有弱，大肠埃希氏菌分解能力最强，菌落呈紫红色带金属光泽；枸橼酸盐杆菌次之，菌落呈紫红或深红色；产气杆菌第三，菌落呈淡红色，副大肠杆菌不能分解乳糖，菌落无色透明。这样，这四种菌被鉴别出来了。

2、专性厌氧微生物为什么不需要氧？氧对专性厌氧微生物有什么不良影响？

答：因为专性厌氧微生物一遇到氧就会死亡。在氧气存在时，专性厌氧微生物代谢产生的NADP2和O2反应生成H2O2和NAD，而专性厌氧微生物没有过氧化氢酶，它将被生成的过氧化氢杀死。O2还可以产生游离O-2，由于专性厌氧微生物没有破坏O-2的超氧化物歧化酶而被O-2杀死。耐氧的厌氧微生物虽具有超氧化物歧化酶，能耐O2然而它们缺乏氧化氢酶，仍会被氧化氢杀死。

3、蓝细菌与其他光合细菌的代谢特征和特点有什么不同？各自在富营养池塘中的可能作用是什么？

答：（1）蓝细菌是一类含有叶绿素a、类胡萝卜素及藻胆蛋白等光合色素，进行光合作用并产生氧的原核微生物。光合细菌是又一类含有光合色素，进行光合作用的细菌。但这些细菌与上述蓝细菌不同，都不含叶绿素，只含有菌绿素及类胡萝卜素。光合细菌进行光合作用的特点表现在：①它们不能光解水、以水中的质子还原二氧化碳，而是从有机物或水以外的无机物中取得氢。②它们的光合作用不产生氧。③光合作用一般在厌氧条件下进行。

（2）在富营养池塘中，由于存在大量氮、磷等营养物质，会引起蓝细菌的恶性增殖，并最终导致“水华”现象。其它光合细菌由于需要厌氧条件才能生存，当蓝细菌水华暴发时，水体会出现溶解氧过饱和现象，不会导致其它光合细菌的大量繁殖，仅在蓝细菌大量死亡，腐烂分解时，由于消耗掉水体中大量氧气，产生厌氧环境时才开始繁殖，并开始进一步分解水体的有机物。

4、在天然环境和人工环境中微生物之间存在哪几种关系？举例说明。

答：种内关系：竞争、互助；种间关系：竞争、原始合作、共生、偏害、捕食、寄生

(1)竞争关系：在好氧生物处理中，当溶解氧或营养成为限制因子时，菌胶团细菌和丝状菌表现出明显的竞争关系。 (2)原始合作关系（互生关系）：固氮菌具有固定空气中氮气的能力，但不能利用纤维素作碳源和能源，而纤维素分解菌分解纤维素为有机酸对他本身的生产繁殖不利，但当两者一起生活时，固氮菌固定的氮为纤维素分解菌提供氮源，纤维素分解菌分解纤维素的产物有机酸被固氮菌用作碳源和能源，也为纤维素分解菌解毒。

(3)共生关系：原生动物中的纤毛虫类、放射虫类、有孔虫类与藻类共生。 (4)偏害关系：乳酸菌产生乳酸使pH下降，抑制腐败细菌生长。 (5)捕食关系：原生动物吞食细菌。 (6)寄生关系：噬菌体在细菌中生物。

5、如何培养活性污泥和进行微生物膜的挂膜？

答：接种污泥应尽量取自处理同类水质的污水处理厂。在这种情况下，活性污泥的培育可以直接在曝气池中进行，一般步骤如下：①将污水泵入曝气池，并按曝气池有效体积的5%~10%投入接种污泥。②在不进水的条件下，连续曝气数天，溶解氧控制在1mg/L左右。③继续保持曝气，以小流量进水，并逐渐提高进水流量，最终达到设计流量。每调整一个流量，一般应保持1周左右的运行时间。注解氧也应随流量的增加而适当提高，最终维持在2～3mg/L。判断活性污泥是否成熟，可以利用镜检的方法。微生物挂膜可分为自然挂膜法和菌种添加挂膜法。自然挂膜法是利用待处理污水中的自然菌种进行生物膜培育的方法。具体做法为：将待处理的污水一次性通往生物反应器，在不进水的情况下连续循环3～7天。之后改为连续进水，流量从小到大，最终达到设计流量。每调整一个流量，一般应保持3～7天左右的运行时间。在这过程中污水和空气中的微生物附着在填料的表面。生长繁殖，生物量逐渐增加，形成微生物膜。菌种添加挂膜法：为加速生物膜的形成或提高生物膜的降解能力，可向污水中投加优良菌种，如：污水处理厂成熟的活性污泥、生

物膜、或实验室分离得到的高效菌种等。具体做法为：将待处理污水与接种菌种在生物膜反应器内混合，连续循环3～7天。之后改为连续进水，流量从小到大，最终达到设计流量。

6、在无锡城镇污水处理厂将出水水质由一级B标准升级到一级A标准以强化生物除磷脱氮效果的改造工程中，常在好氧区人工投加生物填料，形成活性污泥与生物膜复合的生物处理工艺。试从微生物角度对此生物处理工艺改造措施进行分析。

答：在污水处理时，出水水质由一级B标准升级到一级A标准，主要难度在于出水氮、磷指标稳定达到排放标准，而市政污水处理厂一般处理规模较大，化学脱氮除磷的成本太高，通常只作为辅助手段。在这种形式下，如何提高生物脱氮除磷工艺就成为关键问题。

生物脱氮利用硝酸态氮在厌氧条件下，可被反硝化微生物利用，逐步还原成为分子态氮而逸出进入大气的原理去除污水的硝酸态氮的一种技术，但是如果污水中含有大量氨离子，就必须先经过硝化过程转化为硝酸态氮，然后在进行反硝化作用而脱氮。在生物脱氮过程中，由于硝化细菌生长缓慢，并且在一般活性污泥中菌数不高，常成为该过程的一个限制因素，而硝化过程又是在有氧条件下进行，因此为了提高生物脱氮效率，必须在好氧区人工投加生物填料，以增加硝化菌的数量，提高污水中氨离子转化速度，并最终提高生物脱氮效率。

生物除磷主要是通过“聚磷菌”在厌氧条件下释放出磷，但在好氧条件下可以摄取超过其生理需要的过量的磷，并形成高磷污泥，从而达到从污水中去除磷的效果。因此在处理的过程中，要不断进行排泥，这样就需要不断的加入生物填料，以补充“聚磷菌”。

最后，无论是活性污泥还是生物膜，在污水处理过程中均会出现老化等问题，因此也需要及时补充。 7、微生物需要哪些营养物质，它们各有什么主要生理功能？

答：1碳源：微生物主要利用各种碳源合成细胞物质，并且很多微生物在利用碳源的同时也获取了能量。2氮源：微生物利用氮源合成各种蛋白质与酶，是其生存必须的营养物质。3无机盐：无机盐也是微生物生长不可或缺的营养物质，主要作用是构成细胞的组成成分；作为酶的组成成分；维持酶的活性；调节细胞渗透压、氢离子浓度、氧化还原电位等。某些无机盐还可作为一些自养微生物的能源。4生长因子：其主要作用是构成酶的辅酶或辅基参与新陈代谢。5水：水是微生物体内、体外的溶媒，营养物质的吸收与代谢产物的分泌都需要水的介导；由于水的比热容较大，可以有效地吸热和散热，直到调节温度的作用。

8、活性污泥中原生动物和微型后生动物主要有哪些类群？这类生物在污水生物处理中有哪些作用？

答：原生动物主要有3类，鞭毛类、肉足类和纤毛类，其中以纤毛类为主。后生动物主要有2类，轮虫和线虫。 主要作用有3点：1促进絮凝：有的原生动物能分泌黏液，促进生物絮凝，从而改善活性污泥的泥水分离特性。2净化作用：大部分原生动物是动物性营养，能吞食游离细菌和微小污泥，有利于改善水质。腐生鞭毛虫等可吸收污水中的有机物。3指示作用：根据出现的原生动物的种类可以判断活性污泥的状态和处理水质的好坏。在活性污泥的动物初期，微型动物出现的规律是，先出现以有机物颗粒为食的鞭毛虫和肉足虫；随着细菌增殖，开始出现以细菌为食的纤毛虫；随着菌胶团的增加，固着型纤毛虫逐渐代替泳动纤毛虫；污水处理正常运转时，以有柄纤毛虫为优势。因此，根据原生动物和微型动物的种类交替可以判断污泥培养的成熟度。

9、什么是无氧呼吸？无氧呼吸的微生物类群在环境工程中可起什么作用？

答：不以分子氧受氢及电子，而是以某些无机氧化物或延胡索酸等有机物作为氢及电子受体，主要通过氧化磷酸化产生ATP的过程为无氧呼吸。

反硝化细菌可以将硝酸根和亚硝酸根还原为氮气，在环境工程的水处理过程中可以起到生物脱氮的作用。反硫化细菌可以将硫酸根还原为硫化氢气体，从而在污水处理过程中起到生物脱硫的作用。很多异养厌氧微生物可以进行无氧发酵，分解有机物，环境工程中正是利用微生物的发酵过程进行垃圾的高温堆肥处理。

10、不同生长阶段的细菌有何特征？控制微生物生长阶段在活性污泥法污水处理上有什么意义？

答：停滞期细菌特点：1、菌体内物质量显著增加，菌体体积增大，许多杆菌可长成长丝状。2、生长速率常数等于零，3、细胞内RNA含量增高，原生质呈嗜碱性。4、细胞代谢机能活跃，易产生诱导酶，生长速率逐渐加快。5、对外界不良条件较为敏感。对数期特点：1、生长速率常数达到最大，2、细胞生长平衡，3、酶系活跃，代谢旺盛，细菌对不良环境因素的抵抗力较强。静止期特点：1、死亡率和繁殖率相等，细菌处于正增长和负增长相等的动态平衡之中，生长速率等于零；2、细菌产生量达到最大值，细菌总数最高且保持不变，并维持一段时间，3、细菌开始积累储存物质，衰亡期特点：静止期之后，细菌会因缺乏营养物质而开始利用自身储存的物质进行内源呼吸，即自身溶解，主要是外界环境对继续生长越长越不利，从而引起细胞内的分解代谢大大超过合成代谢，继而导致菌体死亡。

环境中营养物质的多少影响着微生物的生长。我们控制营养物质的供给，就控制了微生物的生长繁殖及活动情况，在生物处理中，我们控制了一定的F/M值，（F代表营养物质，M代表细胞量，F/M是两者的比值，也称生物负荷率）就可以得出不同的微生物生长率，微生物的活性和处理效果。如果我们采用较高的F/M值维持微生物的对数生长，则此时微生物繁殖很快，活力也很强，处理废水的能力必然较高。微生物处于食料过剩的环境中，微生物的生长速率不受有机物的限制，而与其本身的量有关。在这种情况下，微生物的絮凝、沉降性较差，出水带出的有机物质，包括菌体也多一些，也就是说，利用对数期进行废水处理的生化处理，虽然反应速率很快，但是想取得稳定的出水以及较高的处理效果，也比较困难，所以一般在废水生物处理过程中，经常利用静止期的微生物生长、活动，使污水中的有机物稳定化，并取得较好的处理效果。

11、试分析A2/O工艺中硝化菌与聚磷菌在污泥龄上的矛盾关系，并提出解决方法。

答：A2/O工艺由于将厌氧、缺氧和好氧三种不同环境条件下生长的微生物，如聚磷菌、普通异养反硝化菌、普通异养菌和自养硝化菌等混合在同一系统中生长，而各个类型微生物的生长周期不同，由此不可避免的存在污泥龄的矛盾。在好氧段要实现硝化作用，必然需要维持较高的硝化菌数量，由于硝化菌是化能自养菌，生长周期缓慢，因此需要较长的污泥龄才能保证硝化作用；而聚磷菌属于短世代的微生物，生物除磷也是通过排放高含磷污泥来实现的，这就要求采用短泥龄来提高除磷效率，因而系统需要运行在较短的泥龄条件下，污泥龄矛盾由此产生。

污泥龄矛盾解决办法：1通过摸索不同营养条件和环境条件下的污泥龄，在实际生产中选择一个比较的折中的污泥龄达到最高处理效率。2设立中间沉淀池，搞两套污泥回流系统使不同泥龄的微生物居于前后两级，第一级泥龄很短，主要功能是除磷；第二级泥龄较长，主要功能是脱氮。该系统的优点是成功地把两类泥龄不同的微生物分开。3在A2/O工艺好氧区的适当位置投放填料，由于硝

化菌可栖息于填料表面不参与污泥回流，故能解决脱氮除磷工艺的泥龄矛盾，这种作法的优点是既达到了分离不同泥龄微生物的目的，又维持了常规A2/O工艺的简捷特点。

12、什么叫无氧呼吸？环境微生物中有哪些无氧呼吸类型？常见于哪些环境中？无氧呼吸对农业生产及环境有何影响？

答：不以分子氧受氢及电子，而是以某些无机氧化物或延胡索酸等有机物作为氢及电子受体，主要通过氧化磷酸化产生ATP的过程为无氧呼吸。

根据其最终电子受体不同主要有四种：反硝化作用、反硫化作用、发酵作用、延胡酸呼吸 无氧呼吸常见于各种缺氧环境，例如湖底、海底、土壤深处等

无氧呼吸在农业生产及环境中的主要作用是促进各种元素物质循环。例如在农业生产中如果土壤通气不良，就会导致土壤中的硝酸盐离子通过反硝化作用生成NO或N2等，从而造成土壤肥力的下降。而在富营养水体的治理过程，为了减少水体的N元素，通常会增设反硝化作用的装置以利于脱氮。

13、细菌不同生长时期产生的根本原因是什么？影响细菌代时的因素有哪些？

答：细菌不同生长时期产生的根本原因是由于周边环境状况的改变影响了其生长过程，当环境的营养物质充足时，细菌大量繁殖，随着其数量呈几何级上升的过程中，营养物质逐渐减少，代谢产物与废物等有害物质增多，或pH等其它条件不适，都会使细菌生长减慢以致大量死亡。

影响细菌代时的主要因素包括：氧化还原电位、温度、水及其可供给性、氢离子浓度、辐射、超声波、压力、化学物质等。

14、如何培养厌氧菌？

答：厌氧菌在有氧的情况下不能生长。要培养厌氧菌，必须创造一个无氧的环境。通常用培养基中加入还原剂，或用物理、化学方法去除环境中的游离氧，以降低氧化还原电势。如疱肉培养基、硫基乙酸钠培养基，牛心脑浸液培养基等。常用的厌氧培养方法有许多，如厌氧缸法、厌氧袋法、厌氧手套箱、厌氧盒、生物耗氧法、焦性末食子酸法和疱肉培养基法等。

15、请叙述堆肥的主要过程和考虑的主要参数，并说明原因。

答：堆肥的主要过程分为四个阶段：1发热阶段，堆肥堆制初期，微生物利用垃圾中可溶性有机物和易分解有机物旺盛繁殖。有机质分解迅速，释出热量，由于堆料有良好的保温作用，使堆肥混充不断升高。2高温阶段，堆肥温度升高到50度以上进入高温阶段并在高温范围内稳定一段时间，在高温阶段，纤维素、果胶类物质旺盛分解，同时大量产生腐殖质。3降温阶段，当高温持续一段时间以后，易利用或较易利用的有机物已大部分解，只剩下部分较难分解及难分解的有机物。此时微生物活动减弱，产热量减少，温度逐渐下降。中温性微生物以复成为优势种，残余物质进一步分解，腐殖质积累不断加大。4腐熟阶段，这一阶段，堆肥物质逐步进入稳定化状态，耗氧量大大减少，含水量也降低，堆肥物孔隙增大，氧扩散能力增强。

影响堆肥的主要因子有1供氧量：对于好氧堆肥而言，氧气是微生物赖以生存的条件，供氧不足会造成大量微生物的死亡，减慢分解速度。但是提供过量冷空气则会带走热量，降低堆体温度，尤其不利于高温菌氧化过程，因此，供氧量要适当，通常实际所需空气量应为理论空气量的2～10倍。物料间的空隙率对于供氧非常重要，可视物料的组成性质而定。2含水率 堆肥原料的含水率对于发酵过程的影响很大。水一方面溶解有机物，参与微生物新陈代谢；另一方面调节堆体温度。综合堆肥化各种因素得到的适宜含水率范围为45％～60％(质量比)，55％左右最为理想。堆肥原料中有机物含量低时，含水率可取低值。当含水率超过65％，水就会充满物料颗粒间的空隙，使空气含量减少，堆肥将由好氧向厌氧转化，温度也急剧下降，其结果是形成发臭的中间产物(硫化氢、硫醇、氨等)和因硫化物而导致堆料腐败发黑。故高水分物料应通过前处理进行调节。3温度 温度是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素。堆肥中微生物分解有机物释放出的热量是堆料温度上升的热源。温度过低，分解反应速度慢，也达不到热灭活无害化要求。但温度过高也不利，例如当温度超过70℃时，放线菌等有益细菌(存活于植物根部周围，能使植物受到良好的影响而茁壮成长)将全部被杀死，且孢子进入形成阶段，并呈不活动状态，因而分解速度相应变慢，所以适宜的堆肥化温度为55～60℃。4有机质含量 这一因素影响堆料温度与通风供氧要求。如有机质含量过低，分解产生的热量将不足以维持堆肥所需要的温度，影响无害化处理，且产生的堆肥成品由于肥效低而影响其使用价值；如果有机质含量过高，则给通风供氧带来困难，有可能产生厌氧状态，研究表明堆料最适合的有机含量为20％～80％。5碳氮比(C／N) C／N影响有机物被微生物分解的速度。当C/N比在80以上时，堆肥化无法进行。一般认为堆肥原料最佳C/N为（26-35）/1。6颗粒度 堆肥化所需要的氧气是通过堆肥原料颗粒空隙供给的。物料颗粒的平均适宜粒度为12～60mm，最佳粒径随垃圾物理特性而变化，破碎得越细小，动力消耗越大，处理垃圾的费用就会增加。7pH 在消化过程中pH值随着时间和温度的变化而变化，因此它是揭示堆肥分解过程的一个极好的标志。pH值太高或太低都会影响堆肥的效率，中性或者弱碱性则最容易使生物有效地发挥作用，一般认为pH值在7．5～8．5时，可获得最大堆肥速率。

16、请叙述活性污泥膨胀的机理。

答：对其污泥膨胀诱发机理，目前还存在不同看法。Cbiesa根据污水中不可降解基质和微生物衰减系数对微生物生长速率的影响，提出了污泥膨胀的饥饿假说理论，指出活性污泥中有三种不同的微生物种群：一是生长速度快的菌胶团污泥絮凝微生物；二是具有高基质亲和力生长缓慢的耐饥饿丝状微生物；三是对溶解氧具有亲和力、对饥饿高度敏感的快速生长的丝状菌。在低基质浓度条件下，

耐饥饿丝状微生物占优势；当有机质在特定浓度以上时，只要氧传递不受限制，菌胶团微生物占优势；在高基质且受溶解氧限制情况下，快速生长的丝状菌占优势，影响污泥的沉淀性能，从而产生了污泥膨胀。另有理论认为，低底

物浓度下，具有较低KS（饱和常数）和Umax（最大比增长速率） 的丝状菌生长速率较高。从生态学看，活性污泥中的菌胶团细菌和丝状菌等共同构成一个共生的微生物生态体系，菌胶团和丝状菌是共生关系，均具有净化功能，其中丝状菌作为菌胶团细菌生长的支撑，起“骨架”的作用。当菌胶团细菌和丝状菌的生长达到一种平衡时，微生物间共生关系占主导地位，不发生污泥膨胀；在条件恶化时，竞争关系成为主导，菌胶团细菌受抑制，适应性强的丝状菌大量繁殖，引发污泥膨胀。除了基质浓度外，不同的水质条件（如水温、酸度、营养物浓度等）也可导致丝状菌大量繁殖而产生污泥膨胀。近年来发现痕量金属缺乏可导致菌胶团微生物的代谢困难，诱发污泥膨胀。

17、这是活性污泥法的A2/O工艺的流程图。请答出各段中主要的微生物类型和发生的反应，并回答该工艺的特点和不足有哪些？ 答：该工艺中，污水首先进入厌氧池，系统回流污泥R中的兼性厌氧发酵菌将污水中的可生物降解有机物转化为挥发性脂肪酸等小分子发酵产物，聚磷菌也将释放菌体内储存的多聚磷酸盐，同时释放能量，其中部分能量供专性好氧的聚磷菌在厌氧抑制环境下生存，另一部分能量则供聚磷菌主动吸收类似VFA等污水中的发酵产物，并以PHA的形式在菌体内贮存起来。之后，污水进入缺氧池内，在缺氧池中，反硝化细菌利用从好氧池中经混合液回流r而带来的大量硝酸盐，以及污水中可生物降解的有机物进行反硝化反应，达到同时去碳和脱氮的目的。含有较低浓度碳氮和较高浓度磷的污水随后进入好氧池，在好氧池聚磷菌在曝气充氧条件下分解体内贮存的PHA并释放能量，用于菌体生长及主动超量吸收周围环境中的溶解性磷，这些被吸收的溶解性磷在聚磷菌体内以聚磷盐形式存在，使得污水中磷的浓度大大降低。污水中各种有机物在经历厌氧、缺氧环境后，进入好氧区时其浓度己经相当低，这将有利于自养硝化菌的生长繁殖。硝化菌在好氧的环境下将完成氨化和硝化作用。在二次沉淀池之前，大量的回流混合液r将把产生的硝酸盐与亚硝酸盐带入缺氧区进行反硝化脱氮。污水随后进入二沉淀池进行絮凝浓缩污泥，一部分浓缩回流污泥R至厌氧区继续参与释磷并保持系统活性污泥浓度，另一部分则携带超量吸收磷的聚磷菌体以剩余污泥形式排出系统。

该工艺的主要特点是1流程简单，并且脱氮除磷同时进行，总的水力停留时间少于其它同类工艺；2在厌氧（缺氧）、好氧交替运行条件下，丝状菌不能大量增殖，无污泥膨胀之虞，SVI值一般均小于100；3污泥中含磷浓度高，具有很高的肥效；4运行中勿需投药，两个A段只用轻缓搅拌，以不增加溶解氧为度，运行费用低。同样本工艺也存在一些不足，主要有1除磷效果难于再行提高，污泥增长有一定的限度，不易提高，特别是当P/BOD值高时更是如此；2脱氮效果也难于进一步提高，内循环量一般以2Q（Q～原污水量）为限，不宜太高；3进入沉淀池的处理水要保持一定浓度的溶解氧，减少停留时间，防止产生厌氧状态和污泥释放磷的现象出现、但溶解氧浓度也不宜过高，以防循环混合液对缺氧反应器的干扰。4传统A2/O工艺出水只能达到一级B标准。

18、请写出大肠杆菌、酵母菌、乳酸菌发酵的共同途径，列出其中关键酶，并回答它们各自所属的发酵类型及主要产物。

答：三种细菌发酵的共同途径为EMP途径，即细胞将葡萄糖转化为丙丙酮酸的代谢过程。其中的关键酶为果糖磷酸激酶，其活性大小控制着整个途径的进程。大肠杆菌的发酵类型为混合酸发酵，主要产物有乳酸、乙醇、乙酸、甲酸、二氧化碳和氢气。酵母菌的发酵类型为乙醇发酵，主要产物为乙醇和二氧化碳。乳酸菌的发酵类型为乳酸同型发酵，主要产物为乳酸。

19、影响微生物生长繁殖的主要条件是什么？供给营养物质应注意什么问题？

答：影响微生物生长繁殖的主要条件分为两部分，一方面营养物质，主要是碳源、氮源、无机盐、生长因子和水。另一方面是环境因素，主要包括氧气和氧化还原电位、温度、水及其可供给性、氢离子浓度、辐射、超声波、压力和化学物质等。

供给营养物质时要注意以下几点：1根据微生物的营养需求供给合适的碳源、氧源、无机盐或生长因子，如自养微生物可以利用空气中的二氧化碳，氨氧化细菌利用的氮源是氨离子，而不是蛋白胨等。2注意各营养物质的浓度及配比。3控制营养物质的理化条件，如一般细菌生长的合适pH为7-7.5，而嗜酸菌则为pH2-5，嗜碱菌为pH9-10。4利用价格低廉且容易得到的原料作为培养基的营养成分。

20、什么叫水体自净？可根据哪些指标判断水体自净程度？

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