CN107974415A - 一株砷氧化菌在修复稻田三价砷污染方面的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一株砷氧化菌及其在修复稻田三价砷污染方面的应用,所述菌为木糖氧化无色杆菌(Achromobacter xylosoxidans)YYS001,该菌株于2017年8月31日保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,其保藏号为CGMCC NO.14583。该菌株可以显著降低稻田土壤中高毒性三价砷的毒性,在修复稻田三价砷污染方面具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于环境化学和环境微生物技术领域,具体涉及一株砷氧化菌及其在修复稻田三价砷污染方面的应用。
背景技术
砷污染已成为全球面临的一个严重环境问题。据报道,目前世界范围内亚洲国家砷污染最为严重,特别是孟加拉国、印度、中国等。在我国,由于矿山排放和工农业生产所使用的各种含砷化学物质等因素使土壤、地下水、饮用水中砷含量不断升高,最终通过“土壤/水→植物体/动物体→人体”食物链被富集和摄入,严重危害人体健康。
当前国内外对于砷污染的治理主要采用物理、化学、植物修复法和微生物修复法。吸附、过滤、客土法等物理方法耗时、费用高,不利于大规模净化;化学沉淀、化学氧化/还原成本高、易于带入二次污染;植物修复法(如蜈蚣草)可以将土壤中高浓度的砷污染物富集到体内,但是,不适宜砷污染地下水的处理,而且,砷超富集植物的种植和后续处理工作量也比较大;微生物修复法主要利用微生物对重金属离子的氧化/还原、甲基化/去甲基化等代谢作用达到砷污染治理的目的,是一种廉价、安全又最有效的修复方式且不会造成环境结构的破坏,符合可持续发展的需要,是当前最有前景的一种砷污染治理方法。但是,该法常需结合土壤或活性污泥对五价无机砷的强吸附性才能达到高去除率,而环境中高毒性的三价砷因不带电荷不易从环境中去除,所以,处理含砷的废水、污灌水、土壤时,迫切需要将三价砷高效氧化成五价砷,而化学氧化法又往往效率不够高,实践中迫切需要解决这一技术瓶颈,高效砷氧化菌是一个很好的选择。
砷污染物的毒性与它在环境中的化学形态密切相关。环境中高毒性的砷污染物主要以三价无机砷和五价无机砷存在,其中,三价无机砷在环境介质pH值下不带电荷,不易被吸附去除,移动性强,毒性远远高于五价无机砷,本发明的木糖氧化无色杆菌GD03可以将高毒性的三价砷高效氧化为易被吸附去除、弱毒性的五价砷,不但大大降低了稻田环境中砷对水稻生长的毒性,而且可以配合新兴的微生物活性污泥法,达到对砷污染环境的净化。
发明内容
本发明的目的在于提供一株对无机三价砷有高效氧化作用的木糖氧化无色杆菌YYS001及其在修复稻田三价砷污染方面的应用。本发明是从金矿区的砷污染土壤中分离得到一株对无机三价砷有高效氧化作用的木糖氧化无色杆菌YYS001。该菌株可以显著降低稻田土壤中高毒性三价砷的毒性。本发明菌株被命名为木糖氧化无色杆菌YYS001(Achromobacter xylosoxidants),是一种新发现的砷氧化菌,其保藏号为CGMCCNO.14583。研究表明,本发明的菌株在修复稻田三价砷污染方面具有较好的应用前景。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明人富集、分离、筛选到一株砷氧化细菌,该菌株被命名为YYS001,属一种木糖氧化无色杆菌(Achromobacter xylosoxidans),该菌株于2017年8月31日保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC),其保藏号为CGMCC NO.14583,地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号 中国科学院微生物研究所。
木糖氧化无色杆菌的筛选方案:先采集中国福建省上杭县紫金山山脚下的砷污染土壤样品,参照杨孝军等(福建农林大学学报(自然科学版), 2014, 43(2), 172-177)及课题组前期专利ZL201410013543.7的描述,进行富集培养,再对富集培养的土样进行稀释并接种于含有一定浓度As(III)的液体培养基中,培养长出砷抗性菌,挑取不同形态的菌落划线,得单克隆耐砷菌,再用离子色谱-电感耦合等离子体质谱(IC-ICP-MS)联用技术定量分析单克隆耐砷菌的三价砷氧化能力,获得具有三价砷氧化能力的高效砷氧化菌,再对筛选出的高效砷氧化菌做形态学和16S核榶体RNA基因(16S rDNA)等相关鉴定工作,最终得到木榶氧化无色杆菌YYS001。
更详细的技术步骤如下:
(1) 采集砷污染土壤:2015年07月底采集福建省上杭县紫金山山脚下的砷污染土壤,测定砷污染土壤中砷污染物的含量。采用四分法缩分土壤样品,将砷污染样品保存于-80℃冰箱中,备接下来的菌株分离使用。
(2) 富集砷抗性菌:精确称取砷污染土壤1 g于装有150 mL含25 mg 三价砷[As(III)]/L灭菌富集培养基的三角瓶中,30℃摇床培养(128 rpm)一周,观察菌株生长情况。当培养基出现浑浊时,按10%比例(体积比)依次接种于下一个更高As(III)浓度的富集培养基中,As(III)的浓度分别为50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L,400 mg/L,以达到富集的目的。将最后一个富集培养基用无菌水稀释100倍,取0.2 mL稀释液,接种于含400 mgAs(III)/L的液体培养基D中,长出的菌株为砷抗性菌,置4℃冰箱中待用。富集培养基参照Santini等的配方作进一步改进后进行配制(J. M. Santini, et al. A newchemolithoautotrophic arsenite-oxidizing bacterium isolated from a gold mine:Phylogenetic, Physiological and preliminary bioehemical studies. Applied andEnvironmental Microbiology, 2000, 66(1): 92-97),配方如下:100g富集培养基由99.38g溶液A,0.10g溶液B、0.50g溶液C和0.02g酵母浸出物组成,最终pH值为8.0。100g含400 mg As(III)/L的液体培养基D由99.86g溶液A,0.10g溶液B和0.04g酵母抽提物组成,最终pH值也是8.0。
其中,溶液A(Na2SO4·10H2O 0.07 g/L; (NH4)2SO4 0.1 g/L; KCl 0.05 g/L;MgCl2·6H2O 0.04 g/L; CaCl2·H2O 0.05g/L; KH2PO4 0.17g/L; NaHCO3 0.5g/L; NaAsO20.04~0.69g/L);
溶液B(Na2EDTA·2H2O 5.2g/L, FeCl2·4H2O 1.5g/L, ZnCl2 0.07g/L, MnCl2·4H2O0.1 g/L, CoCl2·6H2O 0.19g/L, CuCl2·2H2O 0.017g/L, NiCl2·6H2O 0.024g/L, H3BO30.062g/L, Na2MoO4·2H2O 0.036g/L);
溶液C(维生素B 0.01 g/L, 核黄素0.04 g/L; 维生素B1 0.02 g/L,维生素B5 0.12g/L, 烟硫胺0.2 g/L,维生素H120.04 g/L,维生素H 0.2 g/L,维生素H6 0.02 g/L, p-氨基苯酸0.02 g/L),所有溶液用去离子水配制,溶液A 121℃灭菌20分钟,溶液B和溶液C过滤灭菌。
(3) 划线分离:将步骤(2)中得到的砷抗性菌挑取不同的菌落划线,确保得到单克隆菌株。划线用培养基D平板,每次置30℃温箱中倒置培养2天,待菌长出后,再反复划线分离,直至获得单克隆菌株,将单克隆菌株置4℃冰箱中待用,并用甘油冷冻管保存一份于-80℃冰箱。培养基D平板配方如下:称2g琼脂,加100ml含400 mg As(III)/L的液体培养基D,121℃灭菌20分钟。
(4) 砷氧化菌筛选:采用IC-ICP-MS联用技术测定菌株液体培养基中不同形态砷化合物的浓度,进行高效砷氧化菌的筛选。
具体步骤:挑取步骤(3)中的单克隆菌株至最适液体培养基E中,添加NaAsO2,使培养基中As(III)浓度达到200 mg/L,同时,以不添加单克隆砷抗性菌的培养基为对照,培养24小时,离心,取培养基上清液,过0.22 μm聚乙烯滤膜,按照李向美等的报导(Li, X.M.,Chen, Y.X., Ye, J., Fu, F.F., Pokhrel, G.R., Zhang, H., Zhu, Y.G., Yang,G.D., 2017. Determination of different arsenic species in food gradespirulina powder by ion chromatography combined with inductively coupledplasma mass spectrometry. Journal of Separation Science. 2017, 40(18), 3655-3661.),测定上清液中三价砷和五价砷的浓度,分析单克隆砷抗性菌的三价砷氧化能力。培养基E配方如下:100mL液体培养基E中含0.3g 4-羟基苯甲酸、1g蛋白胨、0.5gNaCl和0.02gAs(III),超声溶解后,用氢氧化钠固体调pH值至8。根据上清液中三价砷和五价砷的比例,筛选具有高效三价砷氧化能力的砷氧化菌。
(5) 砷氧化菌的分类鉴定:一是利用16S rDNA鉴定,即采用原核生物16S rDNA通用引物27F(5′AGAGTTTGATCMTGGCTCAG3′)和1492R(5′GGYTACCTTGTTACGACTT3′)做PCR扩增其16S rDNA (PCR反应程序为:94℃预变性5min,94℃ 30s,50℃ 45s,72℃ 70s,32个循环后,72℃延伸10min)。PCR产物用1%琼脂糖凝胶电泳检测后,直接送上海铂尚生物技术有限公司测序,再与国际NCBI GenBank(www.ncbi.nlm.nih.gov)核苷酸数据库比对,核苷酸同源性为99%,鉴定为木糖氧化无色杆菌(Achromobacter xylosoxidans);二是利用扫描电镜形态鉴定(见附图2)、革兰氏染色分析和生长特性鉴定。
菌学特征如下:菌体短杆状~杆状,长0.8-1.8μm,宽0.4-0.6 μm,革兰氏阴性菌,适宜生长温度25-40℃,适宜pH 5-10,兼性好氧,在LB、培养基D和培养基E等固体培养基上均为白色、圆形、突起的菌落。
木糖氧化无色杆菌YYS001的保藏:
木糖氧化无色杆菌YYS001可以在LB或培养基E的液体或固体培养基上30℃培养,培养后可在4℃下作短期保藏。若长期保藏,使用甘油冷冻管保藏菌株更合适。
本发明的优点在于:
据报导,无机三价砷的毒性远远高于无机五价砷,是强致癌性物质,在环境介质pH<9情况下,无机三价砷均以分子型体存在,具有很强的移动性,易于毒害其中生长的生物体,不易去除。本发明分离筛选到的木糖氧化无色杆菌YYS001可以将无机三价砷快速氧化为无机五价砷,无机五价砷在环境介质pH>2情况下,均以阴离子形体存在,易于被土壤吸附,导致其从土壤向植物体的迁移能力下降,极大地降低了水稻生长环境中高毒性砷污染物的危害。本发明菌株是从砷污染土壤中分离筛选得到的,对砷污染环境具有较强的抗性和适应性,可在修复稻田砷污染方面发挥重要作用。
附图说明
图1:是本发明的木糖氧化无色杆菌YYS001的砷氧化曲线图,X轴代表培养时间(小时),Y轴左边代表木糖氧化无色杆菌YYS001的吸光度值(OD600),Y轴右边代表砷氧化率(%)。
图2:是本发明的木糖氧化无色杆菌YYS001的扫描电镜照片,放大倍数和比例尺已标示。
具体实施方式
实施例1:从砷污染土壤中分离木糖氧化无色杆菌YYS001
实验土壤取自福建省上杭县紫金山山脚下的砷污染土壤,按照以下步骤进行砷氧化菌YYS001的富集、分离、纯化和菌属鉴定。
(1)砷抗性菌富集:精确称取砷污染土壤1 g于装有150 ml含25 mg As(III)/L灭菌富集培养基的三角瓶中,30℃摇床培养(128 rpm)一周,观察菌株生长情况。当培养基出现浑浊时,按10%比例(体积比)依次接种于下一个更高As(III)浓度的富集培养基中,As(III)的浓度分别为50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L,400 mg/L,以达到富集的目的。将最后一个富集培养基用无菌水稀释100倍,取0.2 ml稀释液,接种于含400 mg As(III)/L的液体培养基D中,长出的菌株为砷抗性菌,置4℃冰箱中待用。富集培养基参照Santini等的配方作进一步改进后进行配制(J. M. Santini, et al. A newchemolithoautotrophic arsenite-oxidizing bacterium isolated from a gold mine:Phylogenetic, Physiological and preliminary bioehemical studies. Applied andEnvironmental Microbiology, 2000, 66(1): 92-97),配方如下:100g富集培养基由99.38g溶液A、0.10g溶液B、0.50g溶液C和0.02g酵母抽提物组成,最终pH值为8.0。100g含400 mg As(III)/L的液体培养基D由99.86g溶液A、0.10g溶液B和0.04g酵母抽提物组成,最终pH值也是8.0。其中,溶液A(Na2SO4·10H2O 0.07 g/L; (NH4)2SO4 0.1 g/L; KCl 0.05 g/L; MgCl2·6H2O 0.04 g/L; CaCl2·H2O 0.05 g/L; KH2PO4 0.17 g/L; NaHCO3 0.5 g/L;NaAsO2 0.04~0.69 g/L),溶液B(Na2EDTA·2H2O 5.2 g/L, FeCl2·4H2O 1.5 g/L, ZnCl20.07 g/L, MnCl2·4H2O 0.1 g/L, CoCl2·6H2O 0.19 g/L, CuCl2·2H2O 0.017 g/L,NiCl2·6H2O 0.024 g/L, H3BO30.062 g/L, Na2MoO4·2H2O 0.036 g/L),溶液C(维生素B0.01 g/L, 核黄素0.04 g/L; 维生素B1 0.02 g/L,维生素B5 0.12 g/L, 烟硫胺0.2 g/L,维生素H12 0.04 g/L,维生素H 0.2 g/L,维生素H6 0.02 g/L, p-氨基苯酸0.02 g/L),所有溶液用去离子水配制,溶液A 121℃灭菌20分钟,溶液B和溶液C过滤灭菌。
(2) 划线分离:将步骤(2)中得到的砷抗性菌挑取不同的菌落划线,确保得到单克隆菌株。划线用培养基D平板,每次置30℃温箱中倒置培养2天,待菌长出后,再反复划线分离,直至获得单克隆菌株,将单克隆菌株置4℃冰箱中待用并用甘油冷冻管保存一份于-80℃冰箱。培养基D平板配方如下:称2g琼脂,加100ml含400 mg As(III)/L的液体培养基D,121℃灭菌20分钟。
(3) 砷氧化菌筛选:采用IC-ICP-MS联用技术测定菌株一定时间培养后的液体培养基中不同形态砷化合物的浓度,进行高效砷氧化菌的筛选。
具体步骤:挑取步骤(3)中的单克隆菌株至最适液体培养基E中,添加NaAsO2,使培养基中As(III)浓度达到200 mg/L,同时,以不添加单克隆砷抗性菌的培养基为对照,培养24小时,离心,取培养基上清液,过0.22 μm聚乙烯滤膜,按照李向美等的报导(Li, X.M.,Chen, Y.X., Ye, J., Fu, F.F., Pokhrel, G.R., Zhang, H., Zhu, Y.G., Yang,G.D., 2017. Determination of different arsenic species in food gradespirulina powder by ion chromatography combined with inductively coupledplasma mass spectrometry. Journal of Separation Science. 2017, 40(18), 3655-3661.),测定上清液中三价砷和五价砷的浓度,分析单克隆砷抗性菌的三价砷氧化能力。培养基E配方如下:100mL最适液体培养基E中含0.3g 4-羟基苯甲酸、1g蛋白胨、0.5gNaCl和0.02g As(III),超声溶解后,用氢氧化钠固体调pH值至8。根据上清液中三价砷和五价砷的比例,筛选具有高效三价砷氧化能力的砷氧化菌。
(4) 砷氧化菌的分类鉴定:一是利用16S rDNA鉴定,即采用原核生物16S rDNA通用引物27F(5′AGAGTTTGATCMTGGCTCAG3′)和1492R (5′GGYTACCTTGTTACGACTT3′)做PCR扩增其16S rDNA (PCR反应程序为:94℃预变性5min,94℃ 30s,50℃ 45s,72℃ 70s,32个循环后,72℃延伸10min)。PCR产物用1%琼脂糖凝胶电泳检测后,直接送上海铂尚生物技术有限公司测序,再与国际NCBI GenBank(www.ncbi.nlm.nih.gov)核苷酸数据库比对,核苷酸同源性为99%,鉴定为木糖氧化无色杆菌(Achromobacter xylosoxidans);二是利用扫描电镜形态鉴定(见附图2)、革兰氏染色分析和生长特性鉴定。
菌学特征如下:菌体短杆状~杆状,长0.8-1.8μm,宽0.4-0.6 μm,革兰氏阴性菌,适宜生长温度25-40℃,适宜pH 5-10,兼性好氧,在LB、培养基D和培养基E等固体培养基上均为白色、圆形、突起的菌落。
实施例2:木糖氧化无色杆菌YYS001的砷氧化曲线和生长曲线
挑取木糖氧化无色杆菌YYS001单克隆菌株,接种到100mL含100mgAs(III)/L的最适液体培养基E中,置30℃摇床中振荡培养48小时,以5%的接种量从中吸取5mL到100mL新鲜含150mgAs(III)/L的最适液体培养基E中,置30℃摇床中振荡培养24小时,再从中吸取5mL到100mL新鲜含200mgAs(III)/L的最适液体培养基E中,置30℃摇床中振荡培养24小时,此时YYS001的OD600约为0.8左右,保存在4℃冰箱,作为种子菌液用于接种。以5%的接种量从种子菌液中吸取5mL到100mL新鲜含1000mgAs(III)/L的最适液体培养基E中,置30℃摇床中振荡培养9小时后开始取样,每隔1小时取一次样,直至As(III)完全氧化为止,每次分别取1.2mL和0.5mL,用分光光度法测定YYS001的OD600,现取现做;用IC-ICP-MS联用技术测定最适液体培养基E中无机三价砷和无机五价砷的浓度,取样后三天内完成测定。
具体做法如下:一是测定YYS001的生长指标OD600,以未添加YYS001的最适液体培养基E作为参比溶液,每次取1.2mL,直接测定其在600nm处的吸光值。二是无机三价砷和五价砷浓度,取0.5mL,离心,上清液过0.22 μm聚乙烯滤膜,按照李向美等的报导测定含YYS001的最适液体培养基E中三价砷和五价砷的浓度(Li, X.M., Chen, Y.X., Ye, J.,Fu, F.F., Pokhrel, G.R., Zhang, H., Zhu, Y.G., Yang, G.D., 2017.Determination of different arsenic species in food grade spirulina powder byion chromatography combined with inductively coupled plasma massspectrometry. Journal of Separation Science. 2017, 40(18), 3655-3661.)。绘制的木糖氧化无色杆菌YYS001砷氧化曲线和生长曲线见附图1。
实施例3:木糖氧化无色杆菌YYS001对环境pH值和温度的耐受性
以5%的接种量从上述种子菌液中吸取5mL到100mL新鲜含1000mg As(III)/L的最适液体培养基E中,置于不同pH值和不同温度的摇床中振荡培养22小时后,取样,用分光光度法测定YYS001的OD600,现取现做。
具体做法如下:
1、固定培养基E的温度为35℃,置于pH3.0~12.0的培养基E中,振荡培养22小时后,以未添加YYS001的最适液体培养基E作为参比溶液,每次取1.2mL,直接测定其在600nm处的吸光值。YYS001对环境pH值的耐受情况见表1。
2、固定培养基E的pH值为8.5,置于25~60℃的培养基E中,振荡培养22小时后,以未添加YYS001的最适液体培养基E作为参比溶液,每次取1.2mL,直接测定其在600nm处的吸光值。YYS001对温度的耐受情况见表2。
由表1可以看出,YYS001在pH5.0~10.0的环境中可以较好地生长,在pH8.5时生长最佳。
由表2可以看出,YYS001生长的最适温度在35℃左右,最高耐受温度可达到50℃。
综合表1和表2的实验结果可以发现,YYS001可很好地适应稻田土壤环境的pH值和温度,这是其在稻田土壤环境中发挥高效砷氧化作用的前提。
表1 YYS001对pH值的耐受情况
表2 YYS001对温度的耐受情况
实施例4:木糖氧化无色杆菌YYS001对三价砷污染水稻田中水稻植株的解毒效果
采用福建农林大学稻田土壤作为研究材料(对照土壤),参考福建省上杭县紫金山山脚下砷污染土壤中砷污染物的浓度(105 mg/kg),外源添加100 mg/kg三价砷到福建农林大学稻田土壤中,制备三价砷污染土壤。以广优明118水稻作为研究对象,设计对照土壤、未接种YYS001的三价砷污染土壤和接种YYS001的三价砷污染土壤的实验方案,考察YYS001对三价砷污染土壤中广优明118水稻生长的解毒效果。
具体做法如下:准备12个水桶(上口直径30cm,下口直径21cm,桶高25cm),每个桶中放置12 kg土壤,种植4棵水稻。设计三个实验方案,第一个方案,只有对照土壤,不加NaAsO2和YYS001菌株,作为CT对照组;第二个方案,在对照土壤只加NaAsO2,但不加YYS001菌株,作为砷毒害处理组;第三个方案,在对照土壤中同时加NaAsO2和YYS001菌株(每100 g对照土壤中添加4.00 mL YYS001菌液,YYS001菌液的初始浓度约为1×108 cfu/mL。),作为YYS001修复组。每个方案4个重复,全生育期栽培广优明118水稻,成熟期时,测定各个实验方案中广优明118水稻植株的株高、根茎叶干物质重及产量等指标,观察YYS001对三价砷污染土壤中广优明118水稻生长的解毒作用。结果见表3。
由表3 可以看出,广优明118水稻在100 mg/kg三价砷污染土壤中生长到成熟期时,三价砷污染对广优明118水稻植株的株高、根茎叶干物质重及产量等指标有显著的毒害作用,与对照土壤相比,三价砷毒害处理组中,成熟期时,单株广优明118水稻的株高、根、茎、叶、干物质重及产量等指标只有对照土壤的66.90%、47.62%、52.69%、30.39%和40.84%,显著低于对照组的相应指标。但是,当每100 g三价砷污染土壤中接种4.00 mL YYS001时,三价砷对单株广优明118水稻的株高、根、茎、叶、干物质重及产量等指标的毒害作用被显著缓解,各指标相应恢复到对照组的80.48%、95.48%、97.98%、65.14%和80.03%,是三价砷毒害处理组的1.20倍、2.01倍、1.86倍、2.14倍和1.96倍,显示本发明具有很好的应用前景。
表3 YYS001对三价砷污染土壤中广优明118水稻生长的解毒作用
*单株测定平均值±标准偏差,** p<0.01显著,所有上述生理指标的数值均以株为单位计算平均值,即:每桶的4颗水稻的生理指标的数值先取平均值,作为该方案下生理指标的数值,然后,每个重复方案下的生理指标再取一次平均值作为单株测定结果的平均值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
SEQUENCE LISTING
<110> 福建农林大学
<120> 一株砷氧化菌在修复稻田三价砷污染方面的应用
<130> 2
<160> 2
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 20
<212> DNA
<213> 2 Ambystoma laterale x Ambystoma jeffersonianum
<400> 1
agagtttgat cmtggctcag 20
<210> 2
<211> 19
<212> DNA
<213> 2 Ambystoma laterale x Ambystoma jeffersonianum
<400> 2
ggytaccttg ttacgactt 19
Claims (3)
1.一株砷氧化菌,其特征在于:所述菌为木糖氧化无色杆菌(Achromobacter xylosoxidans)YYS001,该菌株于2017年8月31日保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,其保藏号为CGMCC NO.14583。
2.权利要求1所述的一株砷氧化菌在修复稻田三价砷污染方面中的应用。
3.权利要求1所述的一株砷氧化菌在降低稻田土壤中三价砷毒性的应用。
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