CN112280563A - 一种解磷菌矿化调理剂及其制备方法和重金属污染土壤的修复改良方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于污染环境的微生物修复技术领域，尤其涉及一种解磷菌矿化调理剂及其制备方法和重金属污染土壤的修复改良方法。本发明提供的解磷菌矿化调理剂包括解磷菌剂和磷矿渣粉；所述解磷菌剂中的解磷菌包括微细正青霉和日本曲霉。本发明提供的调理剂通过利用解磷菌剂复配磷矿渣粉，不但实现了磷矿渣的资源化利用，而且可同步实现土壤有效磷含量的提高、土壤有效态Pb、Cd的矿化和土壤酸化的改善，且不会对环境产生二次污染。该调理剂的原材料廉价易得，生产成本低，对重金属污染土壤的修复改良效果好，市场前景十分广阔。

Description

一种解磷菌矿化调理剂及其制备方法和重金属污染土壤的修 复改良方法

技术领域

本发明属于污染环境的微生物修复技术领域，尤其涉及一种解磷菌矿化调理剂及其制备方法和重金属污染土壤的修复改良方法。

背景技术

土壤是人类赖以生存和发展的基石，是保障粮食安全生产的重要物质基础。目前，我国农田土壤面临着多种多样的问题，其中，土壤受重金属污染，并普遍伴随的地力不足、土壤酸化问题最为突出。传统的物理修复法和化学修复法虽然可在较短时间内快速修复重金属污染土壤，但无法同步解决土壤地力下降和酸化问题。而传统的土壤调理剂则只关注于土壤的肥力，不能同步解决土壤重金属污染、酸化和地力不足的问题，且使用效果较差、生产成本高。

此外，我国磷矿资源丰富，是磷制品生产大国。据悉，每生产1吨黄磷要排放8～10吨磷渣，仅云南省每年排放的磷矿渣量就高达70万吨。目前，磷矿渣主要应用于建材、化工等行业，也可直接用作土壤改良剂来改善碱地，提高土壤的渗水性。尽管如此，仍有大量的磷矿渣被堆弃，不但占用大量耕地且对环境造成严重污染。磷矿渣廉价易得，亟待资源化利用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种解磷菌矿化调理剂及其制备方法和重金属污染土壤的修复改良方法，本发明提供的调理剂通过将解磷菌剂和磷矿渣粉进行复配，实现了磷矿渣的资源化利用；同时该调理剂可同步矿化土壤中重金属、提高土壤有效磷含量和改良酸化土壤，特别适合应用于轻中度Pb、Cd重金属污染土壤的修复和改良。

本发明提供了一种解磷菌矿化调理剂，包括解磷菌剂和磷矿渣粉；所述解磷菌剂中的解磷菌包括微细正青霉和日本曲霉。

优选的，所述解磷菌剂包括载体和吸附在所述载体上的解磷菌。

优选的，所述载体为黄蛭石粉、硅藻土和活性炭中的一种或多种；所述载体的粒径为60～80目。

优选的，所述磷矿渣粉的粒径为80～100目。

优选的，所述解磷菌剂和磷矿渣粉的质量比为1：(3～5)。

本发明提供了一种解磷菌矿化调理剂的制备方法，包括以下步骤：

将解磷菌剂和磷矿渣粉混合，得到解磷菌矿化调理剂；

所述解磷菌剂中的解磷菌包括微细正青霉和日本曲霉。

优选的，所述解磷菌剂按照以下步骤制备得到：

将解磷菌种发酵液与载体吸附混合，之后进行干燥，得到解磷菌剂。

优选的，所述解磷菌种发酵液按照以下步骤制备得到：

利用重金属污染土壤制备土壤悬浊液，之后通过无机磷固体培养基对所述土壤悬浊液中的菌种进行分离、筛选和纯化，获得解磷菌；

将所述解磷菌接种到PDB培养基中，培养至产孢子期，得到解磷菌种发酵液。

本发明提供了一种重金属污染土壤的修复改良方法，包括以下步骤：

将上述技术方案所述的解磷菌矿化调理剂或上述技术方案所述制备方法制得的解磷菌矿化调理剂与重金属污染土壤混合，养护，得到修复改良后的土壤。

优选的，所述解磷菌矿化调理剂的用量为所述重金属污染土壤质量的0.5～2wt％。

与现有技术相比，本发明提供了一种解磷菌矿化调理剂及其制备方法和重金属污染土壤的修复改良方法。本发明提供的解磷菌矿化调理剂包括解磷菌剂和磷矿渣粉；所述解磷菌剂中的解磷菌包括微细正青霉和日本曲霉。在本发明中，调理剂中的解磷菌可以不断缓释磷矿渣粉中的有效磷，释放的有效磷一部分可与钙离子和氯离子发生反应使土壤中的重金属矿化，生成稳定的重金属羟基磷灰石(CaPb-Hap和CaCd-Hap)或氯磷铅矿(Pb₅[PO₄]₃Cl)，另一部则可储存于土壤中用于植物生长；同时，解磷菌生长代谢活动和碱性的磷矿渣粉可以共同作用改良土壤的酸碱度。本发明提供的调理剂通过利用解磷菌剂复配磷矿渣粉，不但实现了磷矿渣的资源化利用，而且可同步实现土壤有效磷含量的提高、土壤中有效态Pb、Cd的矿化和土壤酸化的改善，且不会对环境产生二次污染。该调理剂的原材料廉价易得，生产成本低，对重金属污染土壤的修复改良效果好，市场前景十分广阔。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例2提供的土壤pH值柱形图；

图2是本发明实施例3提供的土壤有效磷含量柱形图；

图3是本发明实施例4提供的土壤有效态Pb含量柱形图；

图4是本发明实施例4提供的土壤有效态Cd含量柱形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种解磷菌矿化调理剂，包括解磷菌剂和磷矿渣粉；所述解磷菌剂中的解磷菌包括微细正青霉和日本曲霉。

本发明提供的解磷菌矿化调理剂包括解磷菌剂和磷矿渣粉。其中，所述解磷菌剂中的解磷菌包括微细正青霉(Eupenicilliumparvum)和日本曲霉(Aspergillusjaponicus)，所述微细正青霉和日本曲霉从重金属污染土壤中分离筛选获得。在本发明中，所述解磷菌剂中优选还包括载体，所述解磷菌吸附在所述载体上；所述载体优选为黄蛭石粉、硅藻土和活性炭中的一种或多种；所述载体的粒径优选为60～80目，具体可为60目、65目、70目、75目或80目。在本发明中，所述解磷菌剂的有效菌活数优选≥9亿cfu/g；所述解磷菌剂中微细正青霉的有效菌活数优选为1×10⁷～1×10⁹cfu/g，具体可为1.2×10⁸cfu/g；所述解磷菌剂中日本曲霉的有效菌活数优选为1×10⁷～1×10⁹cfu/g，具体可为8.7×10⁸cfu/g；所述解磷菌剂的含水率优选为15～20％，具体可为15％、15.5％、16％、16.5％、17％、17.5％、18％、18.5％、19％、19.5％或20％。

在本发明提供的解磷菌矿化调理剂中，所述磷矿渣粉的来源没有特别限定，具体可为电炉法生产黄磷时产生的矿渣的粉碎产物，由贵州瓮安巨鑫建材发展有限公司提供；所述磷矿渣粉的化学成分以CaO、SiO₂、P₂O₅、MgO、Al₂O₃和SO₃为主，其中的全磷含量优选≥4.5wt％；所述磷矿渣粉的粒径优选为80～100目，具体可为80目、85目、90目、95目或100目。

在本发明提供的解磷菌矿化调理剂中，所述解磷菌剂和磷矿渣粉的用量配比可根据待治理土壤的有效磷含量、pH值和重金属含量变化进行调整，所述解磷菌剂和磷矿渣粉的质量比优选为1：(0.2～5)，更优选为1：(3～5)，具体可为1:0.2、1:0.3、1:0.4、1:0.5、1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4、1:4.5或1:5。

本发明还提供了一种解磷菌矿化调理剂的制备方法，包括以下步骤：

将解磷菌剂和磷矿渣粉混合，得到解磷菌矿化调理剂；

所述解磷菌剂中的解磷菌包括微细正青霉和日本曲霉。

在本发明提供的制备方法中，直接将解磷菌剂和磷矿渣粉按比例混合均匀，即可得到本发明提供的解磷菌矿化调理剂。其中，所述解磷菌剂优选按照以下步骤制备得到：

将解磷菌种发酵液与载体吸附混合，之后进行干燥，得到解磷菌剂。

在本发明提供的上述解磷菌剂制备步骤中，所述解磷菌种发酵液优选按照以下步骤制备得到：

利用重金属污染土壤制备土壤悬浊液，之后通过无机磷固体培养基对所述土壤悬浊液中的菌种进行分离、筛选和纯化，获得解磷菌；

将所述解磷菌接种到PDB培养基中，培养至产孢子期，得到解磷菌种发酵液。

在本发明提供的上述解磷菌种发酵液的制备步骤中，所述无机磷固体培养基的组成优选包括葡萄糖、Ca₃(PO₄)₂、(NH₄)₂SO₄、MgSO₄·7H₂O、NaCl、KCl、FeSO₄·7H₂O、MnSO₄·H₂O、琼脂和水；所述葡萄糖在培养基中的含量优选为5～20g/L，具体可为10g/L；所述Ca₃(PO₄)₂在培养基中的含量优选为1～10g/L，具体可为5g/L；所述(NH₄)₂SO₄在培养基中的含量优选为0.1～1g/L，具体可为0.5g/L；所述MgSO₄·7H₂O在培养基中的含量优选为0.1～0.5g/L，具体可为0.3g/L；所述NaCl在培养基中的含量优选为0.1～0.5g/L，具体可为0.3g/L；所述KCl在培养基中的含量优选为0.1～0.5g/L，具体可为0.3g/L；所述FeSO₄·7H₂O在培养基中的含量优选为0.01～0.05g/L，具体可为0.03g/L；所述MnSO₄·H₂O在培养基中的含量优选为0.01～0.05g/L，具体可为0.03g/L；所述琼脂在培养基中的含量优选为15～20g/L，具体可为20g/L；所述无机磷培养基的pH值优选为6.8～7.5，具体可为6.8、7、7.2或7.5。

在本发明提供的上述解磷菌种发酵液的制备步骤中，在无机磷固体培养基中进行菌种的分离、筛选和纯化的过程中，培养的温度优选为28～35℃，具体可为28℃、29℃、30℃、31℃、32℃、33℃、34℃或35℃；培养的转速优选为130～150rmp/min，具体可为130rmp/min、135rmp/min、140rmp/min、145rmp/min或150rmp/min；培养的时间优选为5～7天；培养过程中，通过溶磷圈的有无和大小初步筛选解磷能力较强的菌种，最终经历5～6代的纯化后，获得解磷菌。

在本发明提供的上述解磷菌种发酵液的制备步骤中，所述液体培养基优选为PDB培养基，所述PDB培养基的组成优选包括马铃薯粉、葡萄糖和水；所述马铃薯粉在培养基中的含量优选为180～220g/L，具体可为180g/L、190g/L、200g/L、210g/L或200g/L；所述葡萄糖在培养基中的含量优选为20～30g/L，具体可为20g/L、23g/L、25g/L、27g/L或30g/L；所述液体培养基的pH值优选为6.8～7.5，具体可为6.8、7、7.2或7.5。

在本发明提供的上述解磷菌种发酵液的制备步骤中，所述解磷菌在液体培养基中进行培养的温度优选28～35℃，具体可为28℃、29℃、30℃、31℃、32℃、33℃、34℃或35℃；培养的转速优选为130～150rmp/min，具体可为130rmp/min、135rmp/min、140rmp/min、145rmp/min或150rmp/min；培养的时间优选为6～7天。

在本发明提供的上述解磷菌剂制备步骤中，所述载体在与解磷菌种发酵液吸附混合之前，优选先进行灭菌。其中，所述灭菌的方式优选为高温高压连续间歇式灭菌；所述灭菌优选在高压蒸汽灭菌锅中进行；所述灭菌的温度优选为115～130℃，具体可为121℃；每次灭菌的持续时间优选为10～30min，具体可为15min；所述灭菌的次数优选为2～5次，具体可为3次。

在本发明提供的上述解磷菌剂制备步骤中，解磷菌种发酵液与载体吸附混合的过程中，所述解磷菌种发酵液中的菌落浓度(即，接种浓度)优选≥10¹⁰cfu/mL；所述解磷菌种发酵液与载体的用量比优选为(20～30)mL：100g；所述干燥的温度优选为25～30℃，具体可为25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃。干燥结束后，将得到的解磷菌剂保存待用，所述保存的温度优选为室温(25℃)。

本发明提供的解磷菌矿化调理剂通过将解磷菌剂和磷矿渣粉进行复配，实现了磷矿渣的资源化利用；同时该解磷菌矿化调理剂对于重金属污染土壤具有十分优异的修复改良效果。更具体来说，本发明提供的解磷菌矿化调理剂具有如下优点：

1)调理剂中的解磷菌种是从重金属污染、有效磷含量低的南方酸化土壤中分离筛选的，为土壤中常见土著微生物，易获得；调理剂中的载体材料优选为黄蛭石粉，廉价易得、成本低，绿色无污染。

2)磷矿渣为常见工业固废，材料廉价易得，将其作为调理剂的组成成分，不但实现了磷矿渣的资源化利用，也可将调理剂的生产成本控制在了较低水平。

3)通过将解磷菌剂和磷矿渣粉复配，可同步实现土壤有效磷含量的提高、土壤有效态Pb、Cd的矿化和土壤酸化的改善，且不会对环境产生二次污染，特别适合应用于轻中度Pb、Cd重金属污染土壤的修复和改良。

本发明还提供了一种重金属污染土壤的修复改良方法，包括以下步骤：

将上述技术方案所述的解磷菌矿化调理剂或上述技术方案所述制备方法制得的解磷菌矿化调理剂与重金属污染土壤混合，养护，得到修复改良后的土壤。

在本发明提供的土壤修复改良方法中，首先准备所述解磷菌矿化调理剂，之后将所述解磷菌矿化调理剂与重金属污染土壤混合。其中，所述重金属污染土壤优选为重金属轻中度污染土壤；所述重金属污染土壤中的重金属污染物优选为Pb和/或Cd；所述Pb在重金属污染土壤中的总量优选为200～800mg/kg，具体可为459mg/kg；所述Pb在重金属污染土壤中的有效态含量优选为100～200mg/kg，具体可为146mg/kg；所述Cd在重金属污染土壤中的总量优选为1～5mg/kg，具体可为2.5mg/kg；所述Cd在重金属污染土壤中的有效态含量优选为0.5～2mg/kg，具体可为1.61mg/kg；所述解磷菌矿化调理剂的用量优选为所述重金属污染土壤质量的0.5～2wt％，具体可为0.5wt％、0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％、1wt％、1.1wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％、1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％、1.8wt％、1.9wt％或2wt％。

在本发明提供的土壤修复改良方法中，所述解磷菌矿化调理剂与重金属污染土壤混合均匀后，进行养护。其中，所述养护的温度优选为15～35℃，具体可为15℃、20℃、25℃(室温)、30℃或35℃；所述养护的时间优选为10～60天，具体可为30天。养护结束后，得到修复改良后的土壤。

本发明提供的修复改良方法将本发明提供的解磷菌矿化调理剂施用于重金属污染土壤，同步实现了土壤有效磷含量的提高、土壤有效态Pb、Cd的矿化和土壤酸化的改善，且不会对环境产生二次污染，特别适合于轻中度Pb、Cd重金属污染土壤的修复和改良。

为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。

实施例1

制备解磷菌矿化调理剂，具体制备步骤如下：

(1)菌种获得：利用污染土壤制备土壤悬浊液，通过无机磷固体培养基对其进行分离、筛选和纯化；其中，无机磷固体培养基的组成为葡萄糖：10g/L，Ca₃(PO₄)₂：5g/L，(NH₄)₂SO₄：0.5g/L，MgSO₄·7H₂O：0.3g/L，NaCl：0.3g/L，KCl：0.3g/L，FeSO₄·7H₂O：0.03g/L，MnSO₄·H₂O：0.03g/L，琼脂：20g/L，余量为水，pH值为7.0；培养温度为30℃，转速为150rmp/min，时间为5天；培养过程中，通过溶磷圈的有无和大小初步筛选解磷能力较强的菌种，最终经历5代的纯化后，获得解磷菌，分别为微细正青霉(Eupenicilliumparvum)和日本曲霉(Aspergillus japonicus)。

(2)发酵液培养：将适量纯化后的解磷菌种接种到盛有已灭菌的PDB培养基的摇瓶中，于恒温条件下进行摇床培养使发酵液培养至产孢子期，获得解磷菌种发酵液；其中，PDB培养基配方为马铃薯粉：200g/L，葡萄糖：20/L，余量为水，pH值为7.0；培养的温度为30℃，转速为150rmp/min，时间为6天。

(3)载体制备：将已过80目筛的黄蛭石粉分装到烧杯中，包装后在高压蒸汽灭菌锅中进行高温高压连续间歇式灭菌，灭菌温度为121℃，灭菌时间为15min，灭菌次数为3次，灭菌完成后于无菌环境中进行降温与干燥。

(4)菌剂制备：将步骤(2)制备的解磷菌种发酵液与步骤(3)制备的载体进行充分吸附，然后干燥保存；其中，接种浓度为1～3×10¹⁰cfu/mL，解磷菌种发酵液与载体的用量比为30mL/100g，干燥温度为28℃，保存温度为室温；所制备的菌剂为复合菌剂，菌剂中微细正青霉有效菌活数为1.2×10⁸cfu/g，日本曲霉有效菌活数为8.7×10⁸cfu/g，菌剂含水率为18.5％。

(5)准备磷矿渣粉：所用磷矿渣粉为电炉法生产黄磷时产生的矿渣的粉碎产物，由贵州瓮安巨鑫建材发展有限公司提供；化学成分以CaO、SiO₂、P₂O₅、MgO、Al₂O₃和SO₃为主，其中的全磷含量为4.5～5wt％；粒径为100目。

(6)调理剂复配：将步骤(4)制备的解磷菌剂与步骤(5)准备的磷矿渣粉按照不同的质量配比混合，得到一系列不同配比的解磷菌矿化调理剂；其中，解磷菌剂与磷矿渣粉的质量比为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、2:1或3:1。

实施例2

解磷菌矿化调理剂不同投加量对土壤pH的影响

供试土壤采集于龙岩某重金属轻、中度污染农田土壤，采样深度为0～20cm，在阴凉、无污染处风干；风干土样用破碎机破碎，过100目尼龙筛，用微波消解法测重金属的含量。该重金属污染土壤为含有Pb和Cd的复合污染土壤，各重金属的含量如表1所示：

表1重金属污染土壤中重金属含量

采用实施例1制备的解磷菌剂与磷矿渣粉的质量比为1:3的解磷菌矿化调理剂，设置不同的解磷菌矿化调理剂投加量(调理剂投加量分别为土壤质量的0.1％、0.5％、1％、2％)，将重金属污染土壤与解磷菌矿化调理剂充分混合后在室温条件下进行养护30天，养护结束后对实验样品进行预处理后，对比投加解磷菌矿化调理剂前后和投加量对土壤pH的影响，结果如图1所示，图1是本发明实施例2提供的土壤pH值柱形图。通过图1可以看出，土壤pH值与解磷菌矿化调理剂投加量呈正比，对比未添加解磷菌矿化调理剂的原土样品pH值可以看出，调理剂可使pH为5.5的酸性土壤改良为pH为6.8～8.3的中性土壤。

实施例3

解磷菌矿化调理剂不同配比条件下土壤中有效磷含量的变化

供试土壤与实施例2相同，采用实施例1制备的不同配比的解磷菌矿化调理剂(解磷菌剂与磷矿渣粉的质量比分别为1:1、1:2、1:3、2:1、3:1)，将重金属污染土壤与解磷菌矿化调理剂充分混合，调理剂在土壤中的投加量为土壤质量的2％，之后在室温条件下养护30天，养护结束后对实验样品进行预处理后，对比不同配比的解磷菌矿化调理剂对土壤中有效磷含量的影响，结果如图2所示，图2是本发明实施例3提供的土壤有效磷含量柱形图。通过图2可以看出，解磷微生物菌剂与磷矿渣粉不同配比条件下土壤中有效磷含量不同，添加调理剂可以提高土壤中有效磷含量，其中解磷微生物菌剂与磷矿渣粉配比为1:3时土壤中有效磷含量最高。

实施例4

解磷菌矿化调理剂不同配比条件下对土壤中有效态重金属含量的影响

供试土壤与实施例2相同，采用实施例1制备的不同配比的解磷菌矿化调理剂(解磷菌剂与磷矿渣粉的质量比分别为1:1、1:3、3:1)，将重金属污染土壤与解磷菌矿化调理剂充分混合，调理剂在土壤中的投加量为土壤质量的2％，之后在室温条件下养护30天，养护结束后对土壤中有效态Pb、Cd含量进行测定，结果如图3～4所示，图3是本发明实施例4提供的土壤有效态Pb含量柱形图，图4是本发明实施例4提供的土壤有效态Cd含量柱形图。通过图3～4可以看出，投加解磷菌矿化调理剂可明显改变土壤中重金属的赋存形态。投加后土壤中有效态Pb、Cd含量明显降低，其中有效态Pb含量降低了56.2％，有效态Cd含量降低了65.2％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种解磷菌矿化调理剂，包括解磷菌剂和磷矿渣粉；所述解磷菌剂中的解磷菌包括微细正青霉和日本曲霉。

2.根据权利要求1所述的解磷菌矿化调理剂，其特征在于，所述解磷菌剂包括载体和吸附在所述载体上的解磷菌。

3.根据权利要求2所述的解磷菌矿化调理剂，其特征在于，所述载体为黄蛭石粉、硅藻土和活性炭中的一种或多种；

所述载体的粒径为60～80目。

4.根据权利要求1所述的解磷菌矿化调理剂，其特征在于，所述磷矿渣粉的粒径为80～100目。

5.根据权利要求1所述的解磷菌矿化调理剂，其特征在于，所述解磷菌剂和磷矿渣粉的质量比为1：(3～5)。

6.一种解磷菌矿化调理剂的制备方法，包括以下步骤：

将解磷菌剂和磷矿渣粉混合，得到解磷菌矿化调理剂；

所述解磷菌剂中的解磷菌包括微细正青霉和日本曲霉。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述解磷菌剂按照以下步骤制备得到：

将解磷菌种发酵液与载体吸附混合，之后进行干燥，得到解磷菌剂。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述解磷菌种发酵液按照以下步骤制备得到：

利用重金属污染土壤制备土壤悬浊液，之后通过无机磷固体培养基对所述土壤悬浊液中的菌种进行分离、筛选和纯化，获得解磷菌；

将所述解磷菌接种到PDB培养基中，培养至产孢子期，得到解磷菌种发酵液。

9.一种重金属污染土壤的修复改良方法，包括以下步骤：

将权利要求1～5任一项所述的解磷菌矿化调理剂或权利要求6～8任一项所述制备方法制得的解磷菌矿化调理剂与重金属污染土壤混合，养护，得到修复改良后的土壤。

10.根据权利要求9所述的修复改良方法，其特征在于，所述解磷菌矿化调理剂的用量为所述重金属污染土壤质量的0.5～2wt％。

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