CN111758528A - 一种育苗基质及其制备方法与用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种育苗基质，该育苗基质的原料包括骨炭粉、蚯蚓粪便、云母、钾长石和碱性磷酸酶生产菌菌剂。本发明还公开了一种育苗基质的制备方法，该制备方法包括：将骨炭粉、蚯蚓粪便、云母、钾长石和碱性磷酸酶生产菌菌剂混合，得到育苗基质。本发明的育苗基质能够有效地降低土壤中重金属含量、改善植物生长性能、降低植物氧化损伤、降低植物体重金属含量。
Description
技术领域
本发明属于农业领域，涉及提高烟叶壮秧、降低烟叶重金属危害的育苗基质及其制备方法，具体涉及一种降低烟叶镉吸收积累的壮秧剂及其制备、使用方法。
背景技术
育苗是烟草种植过程中的一个重要环节，幼苗素质的好坏直接影响着烟草的生长、发育、产量和品质。秧苗素质的好坏不仅与基质的营养状况密切相关，也受基质中微生物活性的影响。目前的烟草育苗基质主要以草炭为主要原料，然而草炭为非可再生资源，资源有限，且售价高。为了降低育苗成本，实现烟叶生产可持续发展，针对育苗基质的替代物已开展广泛研究。
烟草是重金属镉(Cd)富集作物，Cd吸收系数达到5-10倍，不同于其他重金属元素如铅、汞、砷等主要累积在烟草的根系中，而Cd主要累积到烟叶中。土壤Cd污染不仅影响烟草体内叶绿素的合成，同时也会对烟草的生理过程，如光合作用和蒸腾作用的进行造成很大影响。当烟区土壤中Cd污染浓度过高时，一方面不仅能造成烟草不同程度的减产或绝收，另一方面，对烟草大量营养元素(如K、Ca、Mg、Si、Fe等)和微量元素(如Zn、Se等)的吸收也有影响，从而影响烟草的品质。比如烟叶中Cd的累积会导致烟叶中糖碱比和氮碱比升高、烟叶化学成分失衡、酸碱失衡等。再者，烟草作为吸食品，Cd污染烟叶在抽吸过程中,可通过主流烟气进入人体，对人体健康造成不同程度伤害。
因此，理想的育苗基质不仅使得烟苗不带病害、根系发达、整齐度高、抗逆性强、移栽返苗快、成活率高等，还需抑制烟苗吸收土壤中的Cd。因此，需要开发一种促进烟苗生长、降低烟苗Cd吸收的育苗基质。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的是提供一种促进烟苗生长、降低Cd吸收的育苗基质及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明第一方面提供了一种育苗基质，所述育苗基质的原料包括骨炭粉、蚯蚓粪便、云母、钾长石和碱性磷酸酶生产菌菌剂。
在一些实施方式中，所述育苗基质的原料还包括营养液，所述营养液中含有N,P2O5,K2O,Fe,B,Cu,Zn,Mo,Mn,S及Mg。
在一些实施方式中，在所述营养液中，N,P2O5,K2O,Fe,B,Cu,Zn,Mo,Mn,S及Mg的浓度依次为25-35mg/L,10-20mg/L,25-35mg/L,0.08-0.12mg/L,0.03-0.07mg/L,0.01-0.03mg/L,0.01-0.03mg/L,0.008-0.012mg/L,0.03-0.07mg/L,0.03-0.07mg/L,0.03-0.07mg/L。
在一些实施方式中，所述营养液使所述育苗基质具有60-80％的最大持水量，优选地，72％的最大持水量。
选择合适的配比后可以提高育苗基质对壮苗与降低烟叶Cd吸收的综合效果。
在一些实施方式中，用蛭石部分或全部替换所述云母。
在一些实施方式中，用蛭石替换部分或全部所述云母后，所述蛭石的用量、粒度，以及与其他材料的配合相同。
在一些实施方式中，所述骨炭粉：蚯蚓粪便：云母：钾长石：碱性磷酸酶生产菌菌剂的质量比为(0.7-1.5):(0.7-1.5):(0.05-0.2):(0.02-0.07):(0.01-0.05)，比如(0.8、1.0、1.2或1.4):(0.8、1.0、1.2或1.4):(0.07、0.09、0.10、0.12、0.14、0.16或0.18):(0.03、0.04、0.05或0.06):(0.02、0.03或0.04)。优选地，所述骨炭粉：蚯蚓粪便：云母：钾长石：碱性磷酸酶生产菌菌剂的质量比为(0.7-1.1):(0.7-1.1):(0.08-0.12):(0.03-0.07):(0.01-0.05)；进一步优选地，所述骨炭粉：蚯蚓粪便：云母：钾长石：碱性磷酸酶生产菌菌剂的质量比为1:0.8:0.1:0.05:0.04。
在一些实施方式中，所述骨炭粉平均几何粒径为50μm以下(比如，45μm、40μm、35μm、30μm、25μm)，优选地，所述骨炭粉的平均几何粒径为30μm。
所述骨炭粉是在500-550℃(比如，510℃、520℃、530℃或540℃)的煅烧温度下制备的。
骨炭粉主要化合物成分为羟基磷酸钙等钙盐，其中Ca10(PO4)6(OH)2含量约32.9％，其它成分包括：SiO2、氟磷灰石及少量镁铁矿及钠长石、辉石等矿物。骨炭粉含有植物所需的Ca、P、Mg、Si等植物营养元素，骨炭粉粒径越小，比表面积越大，其更易通过沉淀、扩散、表面吸附、离子交换等固定土壤中游离态的Cd。
在一些实施方式中，所述的蚯蚓粪粒度0.01-1.2mm(比如，0.8mm、0.5mm、0.1mm、0.01mm)，优选0.05-0.2mm。
在一些实施方式中，所述蚯蚓粪便的制作步骤：
将植物材料粉碎后进行腐熟发酵，得到腐熟发酵产物；
用所述腐熟发酵产物养殖蚯蚓；
将蚯蚓与蚯蚓粪便分离以获取蚯蚓粪。
在一些实施方式中，将所述蚯蚓粪风干、研磨。
由此获得了粒度符合要求的蚯蚓粪。
蚯蚓粪太粗不仅不利于与骨炭粉等混合，也影响对Cd的固定效果。
云母的作用是增加土壤的通气性和保水性。
在一些实施方式中，所述云母的粒度为2-4mm。
钾长石的作用是增加土壤的通气性和保水性。
在一些实施方式中，所述钾长石的粒度为1-3mm。
在一些实施方式中，所述碱性磷酸酶生产菌是鞘氨醇单胞菌。
在一些实施方式中，所述碱性磷酸酶生产菌菌剂的制备方法为：
将所述碱性磷酸酶生产菌接种到培养基当中进行繁殖，得到菌培养基混合物；
将所述菌培养基混合物干燥，得到所述碱性磷酸酶生产菌菌剂。
在一些实施方式中，所述培养基为固体培养基。
在一些实施方式中，将1-10×108cfu/ml的所述碱性磷酸酶生产菌接种到培养基当中进行繁殖，得到菌培养基混合物。
在一些实施方式中，将所述碱性磷酸酶生产菌接种到培养基当中进行繁殖，菌数达到5-15×105cfu/g，得到细菌培养基混合物。
在一些实施方式中，所述固体培养基成分为(NH4)2SO4 0.15-0.25g，K2HPO4 0.08-0.12g，MgSO4 0.03-0.07g，NaCl 0.1-0.3g，FeSO4 0.02-0.06g，CaCO3 0.3-0.7g，琼脂1.5-2.5g，H2O 80-150ml，pH值6.8-7.5。
本发明第二方面提供了一种本发明第一方面所述的育苗基质的制备方法，所述制备方法包括：
将所述骨炭粉、所述蚯蚓粪便、所述云母、所述钾长石和所述碱性磷酸酶生产菌菌剂混合，得到干育苗基质。
在一些实施方式中，所述制备方法还包括：
向所述干育苗基质中添加所述营养液，得到湿育苗基质。
本发明第三方面提供了一种本发明第一方面所述的育苗基质或本发明第二方面所述的制备方法在制备用于降低土壤中重金属含量、改善植物生长性能、降低植物氧化损伤和/或降低植物体重金属含量的材料中的用途。
在一些实施方式中，所述重金属选自镉、铅、铜中至少一种。
在一些实施方式中，所述植物选自烟草、水稻。
在一些实施方式中，所述改善植物生长性能选自：增加叶片数，提高株高，增加地上部鲜重，和提高叶片叶绿素含量中至少一种。
在一些实施方式中，所述氧化损伤是由H2O2和/或O2 -引起的损伤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)降低土壤中Cd的有效性，减弱烟苗对Cd的吸收。是因为①所采用的骨炭pH值为8.5-9，含骨炭粉的基质可增加土壤的pH，土壤pH的升高会强化土壤胶体、土壤黏粒对金属离子的吸附、固定能力。另外，骨炭粉中含有的带负电荷物质、矿物质、有机质能与Cd发生共沉淀、吸附、络合及静电吸引，骨炭粉作为粘结剂能够与土壤中的Cd形成粘土-多价金属-有机质复合物，进而降低土壤中Cd的有效性。②蚯蚓粪便中含有大量腐殖质，通过腐殖质对Cd的吸附或与Cd形成稳定络合物的方式降低土壤环境中Cd的生物有效性。蚯蚓粪便混入土壤后使土壤的表面电荷和有效结合位点大大增加，蚯蚓粪便中的配体和官能团对Cd2+有很高的亲和力，添加蚯蚓粪便使土壤的pH升高，在降低土壤溶液Cd浓度的同时，也使得有机质官能团(如羟基、酚基、羰基、羧基等)上的H+解离下来，进一步提高了对Cd2+的亲和力。另外，蚯蚓粪便中的无机残留物如硅酸盐、磷酸盐、Mn/Al/Fe氧化物等也对重金属的固持起到重要作用。此外，蚯蚓粪便中通常含有大量的微生物，包括细菌、真菌、放线菌。微生物主要通过细胞外部的沉淀或络合作用、细胞表面的吸附作用、以及细胞内部积累的方式富集和吸收重金属。③鞘氨醇单胞菌剂可以表达高水平的碱性磷酸酶，可通过生物沉淀土壤中的Cd抵抗其植物毒性。另外，该菌细胞壁上含有化学官能团如-OH,-NH,-COOH,PO4 3-等，能够通过与重金属发生络合、配位、物理吸附、螯合、离子交换、无机沉淀等反应或这些反应之间的组合对重金属进行生物吸附，因此，该菌剂的添加对优化土壤细菌组成、降低植烟区污染土壤中Cd对烟叶的危害起关键作用。
2)提高烟叶产量和品质。所采用的骨炭粉比表面为20-30m2/g，全磷含磷达到55-60g/kg，X-光衍射(XRD)检测结果表明骨炭粉主要化合物成分为羟基磷酸钙等钙盐，含有少量其它成分包括SiO2、氟磷灰石及镁铁矿、辉石等矿物成分。蚯蚓粪为固体颗粒，孔隙度较大，并含有有机质、可溶性盐类以及多种活性微生物等，可有效改善土壤的透气性、保水性，改善烟草根际微环境，促进烟草生长。鞘氨醇单胞菌在烟草根际土壤中具有较好的定殖能力，增加根区、根表土壤中细菌和放线菌数量，还可促进植物抵抗多种植物病原菌。
附图说明
图1为供试骨炭粉比表面积分布图。
图2为供试骨炭粉粒径分布图。
具体实施方式
以下将通过实施例对本发明的内容做进一步的详细说明，本发明的保护范围包含但不限于下述各实施例。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。
实施例1烟草育苗基质的制备
按照如下方法制备烟草育苗基质：
制备骨炭粉：骨炭粉采购自浙江集美生物技术有限公司，骨炭粉的煅烧温度为500-550℃，经机械粉粹再用球磨机处理后获得平均几何粒径为30μm的骨炭粉。供试骨炭粉比表面积分布图参见图1。供试骨炭粉粒径分布图参见图2。
制备蚯蚓粪便：将玉米秸秆和玉米芯粉碎后进行腐熟发酵，用腐熟发酵产物养殖蚯蚓，按照腐熟产物(风干重)：水(重量比)＝4:1的比例喷洒水分，然后加入5kg(鲜重)蚯蚓，养殖期间定期加入水分以保持水分充足，养殖约50天后，经人工方式将蚯蚓与蚯蚓粪便分离以获取蚯蚓粪。将蚯蚓粪风干后，研磨后过1mm孔径筛获得筛下物蚯蚓粪。
制备鞘氨醇单胞菌剂：鞘氨醇单胞菌BNCC-203991，购买自中国微生物菌种网，在无菌操作条件下，将低温保藏的鞘氨醇单胞菌均匀涂抹在固体培养基上，经28℃恒温培养7天后，待菌落生长良好，将菌落转移到液体培养基中，经28℃恒温培养10天后制成浓度109cfu/ml的标准菌悬液。制备灭菌的固体培养基，其成分为(NH4)2SO4 0.2g，K2HPO4 0.1g，MgSO4 0.05g，NaCl 0.2g，FeSO4 0.04g，CaCO3 0.5g，琼脂2g，H2O 100ml，pH值7.2。在121℃湿热灭菌25分钟，获得灭菌培养基。向灭菌培养基接种上述标准菌悬液，接种量为1w/w％，在25-30℃培养10天后，采用平板菌落计数法，菌数达到1*106cfu/g，得到细菌培养基混合物。细菌培养基混合物在35℃下鼓风干燥25小时后，粉碎，获得所述鞘氨醇单胞菌剂。液体培养基为：(NH4)2SO4 0.2g，K2HPO4 0.1g，MgSO4 0.05g，NaCl 0.2g，FeSO4 0.04g，CaCO30.5g，H2O 100ml，pH值7.2。
本例中，利用骨炭粉、蚯蚓粪、云母、钾长石与鞘氨醇单胞菌剂按照三种不同重量比制成育苗基质，分别为骨炭粉：蚯蚓粪便：云母：钾长石：鞘氨醇单胞菌剂的质量比0.8:1:0.1:0.05:0.04(T1)、1:0.8:0.1:0.05:0.04(T2)、1:0.8:0.1:0.05:0.02(T3)。本例中所述烟草育苗对照基质(CK)选用常规草木灰育苗基质，主要成分为草本植物堆肥发酵后的草炭土。云母的粒度为3mm左右，钾长石的粒度为2mm左右。
对比例1
本对比例的育苗基质采用骨炭粉、蚯蚓粪便、云母、钾长石，它们的质量比1:0.8:0.1:0.05(C1)，各种材料的来源和制备方法与实施例1相同。
对比例2
本对比例的育苗基质采用草木灰育苗基质、云母、钾长石和鞘氨醇单胞菌剂，它们的质量比1.8:0.1:0.05:0.04(C2)，各种材料的来源和制备方法与实施例1相同。
实施例2不同基质对烟草育苗的效果
本实施例中烟草育苗基质按实施例1所述比例混合后，添加最大田间持水量72％的营养液(N,P2O5,K2O,Fe,B,Cu,Zn,Mo,Mn,S和Mg的浓度分别为30mg/L,15mg/L,30mg/L,0.10mg/L,0.05mg/L,0.02mg/L,0.02mg/L,0.01mg/L,0.05mg/L,0.05mg/L,0.05mg/L)，搅拌均匀后待用。以标准50孔穴盘(53cm×27cm)培育烟苗，每个孔穴装入16g上述烟草育苗基质。将催芽后的云烟87烟草种子播种到装有不同基质的孔穴盘里，出苗后间苗，每穴留下一颗烟草苗。每个处理重复15个育苗穴。置于培养箱中(每天14h光照，光强200μmol m-2s-1，温度25±1℃；10h黑暗，温度23±1℃，湿度75％)，培养60d后测定叶片数、株高、地上部鲜重、叶绿素、叶片活性氧。
不同育苗基质下烟草苗生长指标如表1，结果表明利用本发明中的烟草育苗基质可显著提高移栽前烟苗的生长指标。与CK相比，不同育苗基质处理中叶片数增加4.69％-14.1％，株高增加7.40％-15.7％，地上部鲜重增加16.7％-46.3％，叶片叶绿素含量增加16.1％-25.8％，叶片活性氧分别降低2.59％-17.8％(H2O2)、9.58％-19.2％(O2 -)。
表1不同育苗基质对烟草苗生长指标的影响
注：相同列的不同字母表示差异显著(p<0.05)
实施例3不同基质对降低污染土壤中以及烟草中Cd的效果
(1)育苗：
本实施例中烟草育苗基质按实施例1所述比例混合后，添加最大田间持水量72％的营养液(N,P2O5,K2O,Fe,B,Cu,Zn,Mo,Mn,S和Mg的浓度分别为30mg/L,15mg/L,30mg/L,0.10mg/L,0.05mg/L,0.02mg/L,0.02mg/L,0.01mg/L,0.05mg/L,0.05mg/L,0.05mg/L)，搅拌均匀后待用。以标准50孔穴盘(53cm×27cm)培育烟苗，每个孔穴装入16g上述烟草育苗基质。将催芽后的云烟87烟草种子播种到装有不同基质的孔穴盘里，出苗后间苗，每穴留下一颗烟草苗。
(2)移植与测试
本实施例采集了湖南郴州和衡阳两个个不同植烟区Cd污染的表层(0-20cm)土壤，土壤经自然风干，剔除植物根系与砾石，过孔径2mm筛后取筛下物备用。供试土壤的基本理化性质见表2。烤烟品种为南方主栽烟草品种云烟-87。
表2供试土壤基本理化性质
注:测定值为3次样品平均值±标准误差
采用盆栽试验方法，每盆装土10kg，按照常规烤烟种植管理方法，每盆加入常规氮磷钾底肥及常规烟草专用肥后，添加水至70％的最大田间持水量，将前面步骤(1)中在育苗盘育苗好的烟苗连同育苗基质一起移栽至盆中，每盆移栽1棵烟苗。每个处理3次重复。移栽后8周采摘下部叶3片，中、上部叶于试验结束时(移栽后120天)采集。收获时，同时采集植株茎、根及根际土壤样品，进行根际土壤中Cd有效态含量测定与烟叶Cd含量测定。土壤中Cd含量测定参照GB/T17141的标准方法进行；烟草中Cd含量测定参照《土壤农业化学分析方法》鲁如坤，北京：中国农业科技出版社中的方法进行测定。
不同基质对污染土壤中烟叶不同部位Cd含量(mg/kg)的影响见表3，结果表明不同基质育苗处理的烟叶Cd含量具有显著差异(p<0.05)，T1-T3处理烟叶Cd含量较对照相比上部叶降低了21.3％-41.9％，中部叶降低了28.1％-38.8％，下部叶降低了35.1％-48.8％。同时，与对照相比，T1、T2、T3处理的烟草根际土壤中可提取态Cd(DTPA-Cd)含量也显著降低，降活率为13.5-26.3％。相比而言，T2与T3处理在促进烟草苗生长、降低烟叶不同部位Cd含量以及烟草根际土壤中可提取态Cd含量的效果较好，优选地，本发明中所制备的育苗基质T2，可以作为兼具促进烟苗生长、降低烟草对Cd吸收的理想育苗基质。
表3不同基质对污染土壤中烟叶不同部位Cd含量(mg/kg)的影响
注：相同行的不同字母表示差异显著(p<0.05)
表4不同育苗基质对烟草根际土壤中DTPA-Cd含量及Cd降活率的影响
注：降活率为对照土壤中DTPA-Cd(％)与不同处理土壤DTPA-Cd(％)差值。相同行的不同字母表示差异显著(p<0.05)
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种育苗基质，所述育苗基质的原料包括骨炭粉、蚯蚓粪便、云母、钾长石和碱性磷酸酶生产菌菌剂。
2.如权利要求1所述的育苗基质，其特征在于，
所述育苗基质的原料还包括营养液，所述营养液中含有N,P2O5,K2O,Fe,B,Cu,Zn,Mo,Mn,S及Mg；
优选地，在所述营养液中，N,P2O5,K2O,Fe,B,Cu,Zn,Mo,Mn,S及Mg的浓度依次为25-35mg/L,10-20mg/L,25-35mg/L,0.08-0.12mg/L,0.03-0.07mg/L,0.01-0.03mg/L,0.01-0.03mg/L,0.008-0.012mg/L,0.03-0.07mg/L,0.03-0.07mg/L,0.03-0.07mg/L；
优选地，所述营养液使所述育苗基质具有60-80％的最大持水量，更优选地，72％的最大持水量。
3.如权利要求1所述的育苗基质，其特征在于，
用蛭石替换部分或全部所述云母。
4.如权利要求1所述的育苗基质，其特征在于，
所述骨炭粉：蚯蚓粪便：云母：钾长石：碱性磷酸酶生产菌菌剂的质量比为(0.7-1.5):(0.7-1.5):(0.05-0.2):(0.02-0.07):(0.01-0.05)；
优选地，所述骨炭粉：蚯蚓粪便：云母：钾长石：碱性磷酸酶生产菌菌剂的质量比为(0.7-1.1):(0.7-1.1):(0.08-0.12):(0.03-0.07):(0.01-0.05)；
进一步优选地，所述骨炭粉：蚯蚓粪便：云母：钾长石：碱性磷酸酶生产菌菌剂的质量比为1:0.8:0.1:0.05:0.04。
5.如权利要求1所述的育苗基质，其特征在于，
所述骨炭粉平均几何粒径为50μm以下，优选地，所述骨炭粉的平均几何粒径为30μm；
优选地，所述骨炭粉是在500-550℃的煅烧温度下制备的；
优选地，所述的蚯蚓粪粒度0.01-1.2mm，更优选地0.05-0.2mm；
优选地，所述蚯蚓粪便的制作步骤：
将植物材料粉碎后进行腐熟发酵，得到腐熟发酵产物；
用所述腐熟发酵产物养殖蚯蚓；
将蚯蚓与蚯蚓粪便分离以获取蚯蚓粪；
优选地，将所述蚯蚓粪风干、研磨；
优选地，所述云母的粒度为2-4mm；
优选地，所述钾长石的粒度为1-3mm；
优选地，所述碱性磷酸酶生产菌是鞘氨醇单胞菌。
6.如权利要求1所述的育苗基质，其特征在于，
所述碱性磷酸酶生产菌菌剂的制备方法为：
将所述碱性磷酸酶生产菌接种到培养基当中进行繁殖，得到菌培养基混合物；
将所述菌培养基混合物干燥，得到所述碱性磷酸酶生产菌菌剂；
优选地，所述培养基为固体培养基；
优选地，将1-10×108cfu/ml的所述碱性磷酸酶生产菌接种到培养基当中进行繁殖，得到细菌培养基混合物；
优选地，将所述碱性磷酸酶生产菌接种到培养基当中进行繁殖，菌数达到5-15×105cfu/g，得到细菌培养基混合物；
更优选地，所述固体培养基成分为(NH4)2SO4 0.15-0.25g，K2HPO40.08-0.12g，MgSO40.03-0.07g，NaCl 0.1-0.3g，FeSO4 0.02-0.06g，CaCO30.3-0.7g，琼脂1.5-2.5g，H2O 80-150ml，pH值6.8-7.5。
7.权利要求1-6中任一项所述的育苗基质的制备方法，所述制备方法包括：
将所述骨炭粉、所述蚯蚓粪便、所述云母、所述钾长石和所述碱性磷酸酶生产菌菌剂混合，得到干育苗基质。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
向所述干育苗基质中添加所述营养液，得到湿育苗基质。
9.权利要求1-6中任一项所述的育苗基质或权利要求7或8所述的制备方法在制备用于降低土壤中重金属含量、改善植物生长性能、降低植物氧化损伤和/或降低植物体重金属含量的材料中的用途。
10.如权利要求9所述的用途，其特征在于，所述重金属选自镉、铅、铜中至少一种；
优选，所述植物选自烟草、水稻；
优选，所述改善植物生长性能选自：增加叶片数，提高株高，增加地上部鲜重，和提高叶片叶绿素含量中至少一种；
优选，所述氧化损伤是由H2O2和/或O2 -引起的损伤。
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