CN116874316A - 利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其先将畜禽粪便的含水率调节至65‑75%，然后在其中接种枯草芽孢杆菌作为黑水虻饲喂料，按照每天每千克黑水虻幼虫饲喂50~70kg黑水虻饲喂料的比例将2龄黑水虻幼虫饲喂至5‑6龄期，以获取能够作为动物饲料的虫体将其干化灭菌。本申请还进一步将筛下物虫粪与尾菜和秸秆混合进行二次高温好氧微生物发酵以获得有机肥料。本申请协同利用黑水虻过腹转化和微生物作用，解决了现有转化工艺处理效率低、生物污染传播风险高和虫粪肥质量差的问题，实现了农业废弃物的高效转化和高值利用，并且能够有效降低畜禽粪便致病菌、抗性基因等生物污染传播的风险。
Description
技术领域
本申请涉及农业废弃物处理技术领域，具体而言涉及一种利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法。
背景技术
农业废弃物，指农村居民生活和农业生产中不可避免的非期望产品产出，主要包括植物性纤维废弃物(如农作物秸秆)、农产品加工废弃物(尾菜)、动物性物(如畜禽粪便)等。我国农业废弃物排放数量巨大，畜禽粪便、尾菜等废弃物处理不善会对环境及人类健康造成严峻挑战。因此，农业废弃物的资源化利用刻不容缓。
畜禽粪便作为农业废弃物的主要部分，其年产量可达38亿吨，但其资源化利用率仅为50％，是实现农业废弃物资源化利用的重中之重。目前畜禽粪便的资源化利用方式主要有能源化、饲料化和肥料化。但是，传统畜禽粪便处理技术存在资源化水平低、工艺复杂、投资成本和运行费用高、产品附加值低等缺点。为了解决环境污染和资源短缺的问题，人们开始致力于寻找一种新型的处理模式。
黑水虻作为资源型昆虫，可以高效的转化畜禽粪便，生产出富含蛋白质和脂肪的幼虫生物量作为动物蛋白饲料，同时产出虫粪作为有机肥生产原料，实现畜禽粪便的高值化利用。但是，现有利用黑水虻处理畜禽粪便的工艺方法普遍还存在以下几个问题：
(1)利用黑水虻对畜禽粪便进行生物转化，粪便转化率和虫体质量及营养含量偏低；
(2)忽视了畜禽粪便生物转化过程中致病菌、抗性基因等生物污染传播风险；
(3)黑水虻生物转化畜禽粪便产出虫粪腐熟不完全，质量不达标，必须要进行后处理过程等。这些问题在现有工艺中并没有得到有效解决。
发明内容
本申请针对现有技术的不足，提供一种利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，本申请通过在黑水虻生物转化过程中接种枯草芽孢杆菌，利用其自身代谢过程和分泌的多种活性物质提高畜禽粪便生物转化率和虫体质量及营养成分含量，并通过增加肠道内有益菌定植有效削减致病菌、抗性基因等生物污染传播风险。同时通过将筛下物虫粪与尾菜和秸秆按比例混合进行二次高温发酵，获得成熟有机肥。本申请具体采用如下技术方案。
首先，为实现上述目的，提出一种利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其步骤包括：第一步，对畜禽粪便进行压滤处理，将畜禽粪便的含水率调节至65-75％；第二步，在压滤处理后的畜禽粪便中接种枯草芽孢杆菌，混合获得有效活菌数20亿/kg～56亿/kg的黑水虻饲喂料，并按照每天每千克黑水虻幼虫饲喂50～70kg黑水虻饲喂料的比例从2龄期起饲喂黑水虻幼虫；第三步，待黑水虻幼虫生长至5-6龄期时，筛取虫体将其干化灭菌处理获得动物饲料，将虫粪与尾菜和秸秆混合后进行二次高温好氧微生物发酵获得有机肥料。
可选的，如上任一所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其中，所述第二步，在压滤处理后的畜禽粪便中接种枯草芽孢杆菌的具体步骤包括：取有效活菌数达到400亿/克的枯草芽孢杆菌剂，用纯净水稀释100倍，制成枯草芽孢杆菌菌液；按照每千克畜禽粪便干重添加20-40g枯草芽孢杆菌菌液的比例，将枯草芽孢杆菌菌液接种到压滤处理后的畜禽粪便中，制成黑水虻饲喂料。
可选的，如上任一所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其中，第二步中，具体在每kg第一步所得压滤处理后的畜禽粪便中添加5g到14g所述枯草芽孢杆菌菌液。
可选的，如上任一所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其中，第二步中，每天分4次饲喂黑水虻幼虫。
可选的，如上任一所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其中，第二步中，每天每间隔6h，分别按照每千克黑水虻幼虫12.5-17.5kg黑水虻饲喂料的比例饲喂黑水虻幼虫。
可选的，如上任一所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其中，第三步中，虫粪与尾菜和秸秆分别按照1-3∶1-3∶1的质量比混合。
可选的，如上任一所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其中，第三步中，先将尾菜和秸秆破碎成1–2cm的碎片，然后混合虫粪进行好氧堆肥。
可选的，如上任一所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其中，第三步中，调整二次高温好氧微生物发酵混合物料含水率在55％-65％之间，碳氮比控制在20-25之间，堆肥过程中维持3.25-6.50L kg-1DM initial min-1的鼓风曝气，并且每日翻堆1次，堆肥处理30-35天后获得有机肥料。
可选的，如上任一所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其中，第三步中先分别检测虫粪、尾菜和秸秆的碳氮含量，然后根据二次高温好氧微生物发酵最适碳氮比20-25调节虫粪、尾菜和秸秆的混合量。
有益效果
本申请所提供的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其先将畜禽粪便的含水率调节至65-75％，然后在其中接种枯草芽孢杆菌作为黑水虻饲喂料，按照每天每千克黑水虻幼虫饲喂50～70kg黑水虻饲喂料的比例，连续投喂黑水虻幼虫12-14天，将2龄黑水虻幼虫饲喂至5-6龄期，以获取能够作为动物饲料的虫体将其干化灭菌。对于筛分虫体、虫粪时所获得的筛下物虫粪，还可将其与尾菜和秸秆混合进行二次高温好氧微生物发酵以获得有机肥料。本申请协同利用黑水虻过腹转化和微生物作用，解决了现有转化工艺处理效率低、生物污染传播风险高和虫粪肥质量差的问题，实现了农业废弃物的高效转化和高值利用，并且能够有效降低畜禽粪便致病菌、抗性基因等生物污染传播的风险。本申请将尾菜以及含有枯草芽孢杆菌的虫粪进行好氧堆肥，能够有效提高虫粪肥质量；筛上物鲜虫干化灭菌后可做饲料使用。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。
附图说明
附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本申请的实施例一起，用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：
图1是本申请的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
针对现有农业废弃物转化工艺中所存在的如下问题：
(1)黑水虻粪便转化率和虫体质量及营养含量低；
(2)致病菌、抗性基因等生物污染传播风险高；
(3)虫粪生物风险高，质量不达标，无法出售；
本申请提出了如图1所示的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法。其步骤包括：
第一步，对畜禽粪便进行压滤处理，将畜禽粪便的含水率调节至65-75％；
第二步，在压滤处理后的畜禽粪便中接种枯草芽孢杆菌，混合获得有效活菌数20亿/kg～56亿/kg的黑水虻饲喂料，并按照每天每千克黑水虻幼虫饲喂50～70kg黑水虻饲喂料的比例从2龄期起饲喂黑水虻幼虫；每天分4次饲喂黑水虻幼虫，每天每间隔6h，分别按照每千克黑水虻幼虫12.5-17.5kg黑水虻饲喂料的比例饲喂黑水虻幼虫，此饲喂过程不筛分虫粪，虫粪和虫体经过十几天的饲喂后再进行筛分。饲喂过程每次都添加新的饲料，不管容器内的其他杂质。这样的饲喂方式能够使得饲喂过程中虫粪由枯草芽孢杆菌同步进行十几天的低温发酵，以便于后面将虫粪和尾菜和秸秆一起再进行二次好氧堆肥发酵；
第三步，待黑水虻幼虫生长至5-6龄期时，筛取虫体将其干化灭菌处理获得动物饲料，将虫粪与尾菜和秸秆混合后进行二次高温好氧微生物发酵获得有机肥料。高温发酵物料的含水率和碳氮比在堆肥开始前进行调节，即，在发酵前，分别检测虫粪、尾菜和秸秆的碳氮含量，按照20-25碳氮比例确定虫粪、尾菜和秸秆的混合量，并调节含水率在55％-65％之间。
其中，枯草芽孢杆菌的具体接种方式可采用如下步骤：
取有效活菌数达到400亿/克的枯草芽孢杆菌剂，用纯净水稀释100倍，制成枯草芽孢杆菌菌液；
按照每千克畜禽粪便干重添加20-40g枯草芽孢杆菌菌液的比例，或按照每kg第一步所得压滤处理后的畜禽粪便中添加5g到14g所述枯草芽孢杆菌菌液的比例将枯草芽孢杆菌菌液接种到压滤处理后的畜禽粪便中，制成黑水虻饲喂料。
由此获得的黑水虻饲喂料可在黑水虻饲喂过程中对畜禽粪便进行低温发酵，利用枯草芽孢杆菌自身代谢过程分泌多种活性物质(蛋白酶等)，分解转化畜禽粪便中各类大分子营养物质并抑制畜禽粪便中致病菌、抗性基因等生物污染传播。
如下的实施例和对比例可对本发明的上述转化工艺的作用效果进行阐述。本申请技术人员应当理解，本申请的保护范围并非仅限于以下实施例，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在本申请保护范围内。
实施例1：
本实施例所用昆虫为黑水虻，处理粪便为鸡粪。其具体步骤为：
a.收集新鲜鸡粪，鲜鸡粪含水率在70％左右，无需压滤处理。
b.取枯草芽孢杆菌剂(有效活菌数：400亿/克)用纯净水稀释100倍后制成枯草芽孢杆菌菌液，然后按4％(畜禽粪便基质干重)的比例接种到a中收集到的鲜鸡粪中制成混合料，饲喂2龄期的黑水虻幼虫，按照1kg黑水虻幼虫每天对应加入50kg添加4％枯草芽孢杆菌畜禽粪便混合料的比例，分批次均匀加料饲喂黑水虻幼虫，每日4次，每次间隔6h，分别均匀为每千克黑水虻幼虫加入12.5kg，连续投喂11-12
天，至黑水虻幼虫成长到6龄期，筛分黑水虻幼虫和虫粪混合体，获得筛上物黑水虻幼虫和筛下物虫粪。
c.将b中筛下物虫粪、尾菜和秸秆按重量比1∶3∶1比例混匀，破碎成1-2cm碎片，添加到密闭好氧堆肥机械设备内，保持湿度在60％左右，维持3.25L kg-1DM initial min-1的鼓风曝气，每日翻堆1次，经35天堆肥，获得成熟有机肥；将b中筛上物幼虫干化灭菌做动物饲料使用。
实施例2：
本实施例所用昆虫为黑水虻，处理粪便为牛粪。其具体步骤为：
a.将鲜牛粪经压滤脱水，控制含水率在65％。
b.取枯草芽孢杆菌剂(有效活菌数：400亿/克)用纯净水稀释100倍后制成枯草芽孢杆菌菌液，然后按2％的比例接种到a中压滤脱水后的牛粪中制成混合料，按照1kg黑水虻幼虫每天对应加入70kg添加2％枯草芽孢杆菌畜禽粪便混合料的比例，分批次均匀加料饲喂黑水虻幼虫，每日4次，每次间隔6h，分别均匀为每千克黑水虻幼虫加入17.5kg，连续投喂13-14天，至黑水虻幼虫成长到6龄期，筛分黑水虻幼虫和虫粪混合体，获得筛上物黑水虻幼虫和筛下物虫粪。
c.将b中筛下物虫粪、尾菜和秸秆按重量比3∶1∶1比例混匀，破碎成1-2cm碎片，添加到密闭好氧堆肥机械设备内，保持湿度在60％左右，维持6.50L kg-1DM initial min-1的鼓风曝气，每日翻堆1次，经35天堆肥，获得成熟有机肥；将b中筛上物幼虫干化灭菌做动物饲料使用。
实施例3：
本实施例所用昆虫为黑水虻，处理粪便为猪粪。其具体步骤为：
a.将鲜猪粪经压滤脱水，控制含水率在75％。
b.取枯草芽孢杆菌剂(有效活菌数：400亿/克)用纯净水稀释100倍后制成枯草芽孢杆菌菌液，然后按3％的比例接种到a中压滤脱水后的猪粪中制成混合料，按照1kg黑水虻幼虫每天对应加入60kg添加4％枯草芽孢杆菌畜禽粪便混合料的比例，分批次均匀加料饲喂黑水虻幼虫，每日4次，每次间隔6h，分别均匀为每千克黑水虻幼虫加入15kg，连续投喂13-14天，至黑水虻幼虫成长到6龄期，筛分黑水虻幼虫和虫粪混合体，获得筛上物黑水虻幼虫和筛下物虫粪。
c.将b中筛下物虫粪、尾菜和秸秆按重量比2∶2∶1比例混匀，破碎成1-2cm碎片，添加到密闭好氧堆肥机械设备内，保持湿度在60％左右，维持4.65L kg-1DM initial min-1的鼓风曝气，每日翻堆1次，经35天堆肥，获得成熟有机肥；将b中筛上物幼虫干化灭菌做动物饲料使用。
比较例a：
比较例中转化工艺操作步骤与实施例3相同，相较于实例3区别在于：
将步骤b中畜禽粪便混合料中不加入枯草芽孢杆菌。
将步骤c中虫粪和秸秆按重量比4∶1比例混匀，调节含水率在60％左右，进行二次发酵。
其余均同实施例3。
比较例b：
比较例中转化工艺操作步骤与实施例3相同，相较于实例3区别在于：
步骤b中不在畜禽粪便混合料中加入枯草芽孢杆菌。
其余均同实施例3。
比较例c：
比较例中转化工艺操作步骤与实施例3相同，相较于实例3区别在于：
步骤c中仅将虫粪和秸秆按重量比4∶1例混匀而不添加尾菜，调节含水率在60％左右，进行二次发酵。
其余均同实施例3。
检测并统计上述实施例1-3以及比较例所对应的畜禽粪便处理效率、产品产率及质量参数，获得表1所示结果。
表1
从表1可以看出，实施例1-3中由于畜禽粪便混合料中枯草芽孢杆菌的添加，一方面因其自身代谢过程分泌的多种营养物质和活性物质促进营养成分分解转化，提高了畜禽粪便的生物转化效率，另一方面大幅增加有益菌在黑水虻肠道内定植，减少致病菌存在，保护肠道屏障，为肠道微生物提供适宜生存环境，使得畜禽粪便的处理率、黑水虻产率及单体质量均高于比较例。
取实施例1-3以及比较例产出的虫粪堆肥后的有机肥按照NY/T 525-2021检测指标判断标准进行检测，获得表2所示结果。
表2
由表2可以看出，由本申请所提供的工艺产出的6龄期黑水虻烘干幼虫中的粗蛋白和粗脂肪含量均高于比较例。实施例1、2、3中虫粪有机肥技术指标均满足NY/T 525-2021要求，而各比较例的pH值偏高，种子发芽指数显著低于实施例1～3甚至在比较例a中种子发芽率为0，这是因为筛下物虫粪发酵不彻底，需经过二次高温发酵才能腐熟完全，但经多次实验验证，虫粪单独进行好氧堆肥无法实现升温过程，得到的堆肥产品不满足有机肥标准，无法作为商业有机肥使用。
基于上述对比例，尤其是比较例a和c，本申请所提供的枯草芽孢杆菌在一定程度上促进堆肥腐熟升温。其中，比较例c中添加有枯草芽孢杆菌，其产出的有机肥是要比比较例a具有更好发芽率。
综上，本申请将黑水虻生物转化和微生物相结合，协同处理农业废弃物，能够通过在畜禽粪便生物转化过程中添加有益菌枯草芽孢杆菌，使得畜禽粪便的处理率、黑水虻产率及单体质量、虫粪肥产率都有显著提升。添加菌枯草芽孢杆菌后饲喂黑水虻过程中所筛分出的虫粪与尾菜和秸秆按比例混合进行二次高温发酵，获得的有机肥可克服传统虫粪发酵工艺发酵不彻底、产物肥料pH值偏高，导致种子发芽指数不达标的缺陷。本申请所得虫粪与尾菜、秸秆配比后，高温发酵腐熟完全，能够达到有机肥相关标准。相比于现有工艺技术，本申请具有如下优势：
(1)相比于传统工艺直接利用黑水虻对畜禽粪便进行生物转化，粪便转化率和虫体质量及营养含量偏低的技术而言，本申请将添加枯草芽孢杆菌的畜禽粪制备为黑水虻饲料，一方面可利用枯草芽孢杆菌自身代谢过程分泌多种活性物质(蛋白酶等)以促进畜禽粪便中各类营养成分的分解与转化，便于黑水虻生物转化过程中对各类营养成分的吸收和利用；另一方面还可将好氧菌枯草芽孢杆菌定植于黑水虻幼虫肠道，消耗肠道内氧气，可为肠道微生物提供适宜的厌氧生存环境，进而进一步提升生物转化效率。
(2)畜禽粪便是人类活动排放生物污染物的主要途径之一。相比于传统工艺忽视畜禽粪便中致病菌、抗性基因等生物污染传播风险，本申请将添加枯草芽孢杆菌的畜禽粪便作为黑水虻喂养饲料，可大幅增加枯草芽孢杆菌在肠道内的定植，进而减少肠道中致病菌的存在，保护肠道屏障，使生物转化过程安全高效进行。
(3)相比于传统工艺下，黑水虻生物转化畜禽粪便产出虫粪腐熟不完全，质量不达标，无法出售，本申请所筛分的虫粪先在黑水虻饲喂过程中在枯草芽孢杆菌协同作用下对畜禽粪便进行半月左右的低温发酵，后再与尾菜、秸秆混合进行二次高温发酵处理。这样的微生物处理方式，一方面能够获得易于植物吸收的营养成分，另一方面还能够有效消灭虫粪中病原菌、杂草种子等有害物质。经多次实验验证，虫粪单独二次发酵无法实现好氧堆肥升温过程，而将虫粪按照本申请的技术与农业废弃物尾菜和秸秆按比例混合进行共堆肥，制得堆肥产品有机质含量高，养分成分含量高，酸碱度和电导率均符合标准要求，无植物毒性，可实现虫粪和农业废弃物尾菜和秸秆的资源化利用。
本申请方案中，添加枯草芽孢杆菌主要处于以下考虑：
1、枯草芽孢杆菌为益生菌，好氧菌，生存需要氧气，在黑水虻肠道内的定植可以为肠道微生物(多数厌氧)生存提供适宜的生存环境；
2、增加肠道内有益菌的定植，有限空间内减少肠道中致病菌的存在，保护肠道屏障；
3、其自身代谢过程可以分泌多种营养物质(维生素、氨基酸、有机酸等)、酶(蛋白酶等)，有助于畜禽粪便中营养物质的分解，更有利于黑水虻肠道微生物的吸收和利用。
以上仅为本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其特征在于，步骤包括：
第一步，对畜禽粪便进行压滤处理，将畜禽粪便的含水率调节至65-75%；
第二步，在压滤处理后的畜禽粪便中接种枯草芽孢杆菌，混合获得有效活菌数20亿/kg~56亿/kg的黑水虻饲喂料，并按照每天每千克黑水虻幼虫饲喂50~70kg黑水虻饲喂料的比例从2龄期起饲喂黑水虻幼虫；
第三步，待黑水虻幼虫生长至5-6龄期时，筛取虫体将其干化灭菌处理获得动物饲料，将虫粪与尾菜和秸秆混合后进行二次高温好氧微生物发酵获得有机肥料。
2.如权利要求1所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其特征在于，所述第二步，在压滤处理后的畜禽粪便中接种枯草芽孢杆菌的具体步骤包括：
取有效活菌数达到400亿/克的枯草芽孢杆菌剂，用纯净水稀释100倍，制成枯草芽孢杆菌菌液；
按照每千克畜禽粪便干重添加20-40g枯草芽孢杆菌菌液的比例，将枯草芽孢杆菌菌液接种到压滤处理后的畜禽粪便中，制成黑水虻饲喂料。
3.如权利要求2所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其特征在于，第二步中，具体在每kg第一步所得压滤处理后的畜禽粪便中添加5g到14g所述枯草芽孢杆菌菌液。
4.如权利要求2所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其特征在于，第二步中，每天分4次饲喂黑水虻幼虫。
5.如权利要求4所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其特征在于，第二步中，每天每间隔6h，分别按照每千克黑水虻幼虫12.5-17.5kg黑水虻饲喂料的比例饲喂黑水虻幼虫。
6.如权利要求1所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其特征在于，第三步中，虫粪与尾菜和秸秆分别按照1-3∶1-3∶1的质量比混合。
7.如权利要求6所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其特征在于，第三步中，先将尾菜和秸秆破碎成1–2 cm的碎片，然后混合虫粪进行好氧堆肥。
8.如权利要求7所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其特征在于，第三步中，调整二次高温好氧微生物发酵混合物料的含水率控制在55%-65%之间，碳氮比控制在20-25之间，堆肥过程中维持3.25-6.50 L kg-1 DM initial min-1的鼓风曝气，并且每日翻堆1次，堆肥处理30-35天后获得有机肥料。
9.如权利要求7-8所述的利用黑水虻及微生物协同高值转化农业废弃物的方法，其特征在于，第三步中先分别检测虫粪、尾菜和秸秆的碳氮含量，然后根据二次高温好氧微生物发酵最适碳氮比20-25调节虫粪、尾菜和秸秆的混合量。
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