九曲灣水庫浮游生物群落結(jié)構(gòu)及水質(zhì)相關(guān)性分析

嚴(yán) 黎，羅 歡，陳華香，吳 瓊，張?jiān)俘?/p>

(1.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611；2.水利部珠江河口動力學(xué)及伴生過程調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610；3. 尋烏縣環(huán)保局，江西 贛州 342200)

九曲灣水庫位于東江上游尋烏水馬蹄河中游，是尋烏縣城區(qū)居民的唯一供水水源地。水庫除供水外，兼有防洪、發(fā)電等綜合利用效益。水庫總庫容415 萬m3，可調(diào)節(jié)庫容231 萬m3，水庫集雨面積為71 km2，設(shè)計(jì)日供水能力近期為1.5 萬m3(中遠(yuǎn)期為3.0 萬m3)，設(shè)計(jì)灌溉面積320 hm2，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量1 000 kW[1, 2]。工程的開發(fā)促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展，同時(shí)也導(dǎo)致了原有河道的自然流量情勢和水質(zhì)發(fā)生改變，造成浮游植物、浮游動物等生物群落的組成、結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變。為了實(shí)現(xiàn)水資源利用的可持續(xù)發(fā)展，迫切需要對九曲灣水庫生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測和評估，同時(shí)量化水質(zhì)對其影響，提出切實(shí)可行的生態(tài)保護(hù)方案。

然而，現(xiàn)有關(guān)于九曲灣水庫的研究主要集中在藍(lán)藻水華成因及治理措施[3,4]、供水水源工程規(guī)劃與分析[5]等，針對水庫建設(shè)下，量化的水環(huán)境生物監(jiān)測、水生生物群落結(jié)構(gòu)組成、水質(zhì)相關(guān)性分析等方面尚屬空白。本研究在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，以九曲灣水庫段的水生態(tài)系統(tǒng)為對象，結(jié)合浮游植物、浮游動物的實(shí)際情況，對該水庫水質(zhì)與不同生物類群開展Pearson相關(guān)系數(shù)分析法，以期為九曲灣水庫的生物多樣性保護(hù)及生態(tài)監(jiān)測等提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 采樣與方法

1.1 研究區(qū)概況

九曲灣水庫位于尋烏縣城以北9 km，距離東江源頭發(fā)源地----椏髻缽山28 km。流域內(nèi)涉及三標(biāo)、文峰兩個(gè)鄉(xiāng)7個(gè)行政村1.5萬余人口。隨著果業(yè)的發(fā)展，庫區(qū)上游已種植果樹0.247 萬hm2以上，造成植被破壞、水土流失、水源涵養(yǎng)功能下降，特別是果業(yè)面源污染對庫區(qū)水質(zhì)帶來威脅。由于果業(yè)開發(fā)造成的植被破壞、水源涵養(yǎng)功能下降和水土流失、農(nóng)業(yè)面源污染問題比較突出。九曲灣水庫流域內(nèi)水土流失面積11.95 km2，占流域總面積的18.64%。其中，強(qiáng)度流失面積0.21 km2，中度流失面積1.24 km2，輕度流失面積10.5 km2。

九曲灣水庫庫區(qū)內(nèi)無工業(yè)企業(yè)，森林覆蓋率較高，無規(guī)?；酿B(yǎng)殖場或養(yǎng)殖企業(yè)。近年來，水庫水面不斷暴發(fā)藍(lán)藻水華現(xiàn)象，藻類暴發(fā)的時(shí)間一般在4-10月之間，7、8、9三月為全庫區(qū)覆蓋，對水庫水源影響比較顯著。為此，縣委縣政府十分重視水庫生態(tài)保護(hù)與修復(fù)、治理工作，先后采取了退果還林、滴灌節(jié)水和庫區(qū)禁漁，放養(yǎng)鰱魚、鳙魚，以及農(nóng)村生活垃圾收集外排、生活污水經(jīng)過化糞池和沼氣池處理后外排等工程措施，控制水庫水質(zhì)污染和水體富營養(yǎng)化。為了保障居民飲水安全，尋烏縣委、縣政府將九曲灣正常高水面線以下一定范圍的水域，和正常高水面線以上一定范圍的陸域，確定水庫飲用水水源地一級保護(hù)區(qū)，將飲用水源一級保護(hù)區(qū)以上，環(huán)庫3 km的陸域定為二級保護(hù)區(qū)。

1.2 采樣斷面的設(shè)置

采樣范圍為水庫高水位線以下的水域和水位消落區(qū)。依據(jù)水庫形態(tài)特征和調(diào)查規(guī)范要求，自上而下分別在水庫壩前、庫中(浮島)、庫尾分別設(shè)置了生物檢測點(diǎn)或檢測斷面(見圖1)。分別于2016年8月-2018年7月，進(jìn)行了13期采樣和調(diào)查工作。調(diào)查的生物類型包括：浮游植物、浮游動物、水質(zhì)，共3類。調(diào)查方法和鑒定、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用了國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和國際、國內(nèi)通用的方法。

圖1 九曲灣水庫生物調(diào)查測點(diǎn)布置圖Fig.1 The position of biological survey

1.3 調(diào)查方法

1.3.1 浮游植物采樣及測定方法

樣品采集與處理方法[6,7]。定性樣品：在每個(gè)采樣點(diǎn)，用浮游植物網(wǎng)取樣，加甲醛固定，用于定性鑒定。定量樣品：在每個(gè)調(diào)查采樣點(diǎn)水面下和底層上0.5 m處用有機(jī)玻璃采水器采集水樣，取水樣1 L，加甲醛固定，靜置48 h后用吸管虹吸緩緩吸去上清液，再靜置24 h以上，濃縮至30 mL后用于定量分析。

物種檢測與鑒別方法[8,9]。定性分析采用德國ZEISS 公司生產(chǎn)的Zeiss AxioScope A1型號的生物顯微鏡鏡檢，確定監(jiān)測水體中浮游植物的種類。浮游植物種類的鑒定主要采用檢索表和圖鑒相結(jié)合的方法鑒定。定量分析時(shí)，取0.1 mL置于浮游生物計(jì)數(shù)框中，在10×40倍生物顯微鏡下計(jì)數(shù)。

浮游植物鏡檢計(jì)數(shù)完畢后，換算成單位體積水體中浮游植物密度。每升水樣中浮游植物密度按照如下公式計(jì)算：

(1)

式中：N為1 L水樣中浮游植物的個(gè)體數(shù)，個(gè)；C為計(jì)數(shù)框的面積，mm2；Fs為每個(gè)視野的面積，mm2)；Fn為視野數(shù)；V為每升水樣濃縮后的體，mL；U為計(jì)數(shù)框的體積，mL；P為每個(gè)計(jì)數(shù)框計(jì)數(shù)到的浮游植物個(gè)體數(shù)，個(gè)。

浮游植物由于個(gè)體極小，無法直接稱重，一般按體積來換算，根據(jù)浮游植物的體形，按最近似的幾何形狀測量其體積，其他形狀分可為幾個(gè)部分計(jì)算。由于浮游植物大都懸浮于水中生活，其比重近似于所在水體的比重，即近似以密度1.0 g/mL換算成生物量。

1.3.2 浮游動物采樣及測定方法

樣品采集與處理方法[10-13]。原生動物與輪蟲的采集：在各采樣點(diǎn)用有機(jī)玻璃采水器采集水樣，取水樣1 L，靜置48 h后用吸管虹吸緩緩吸去上清液，再靜置24 h以上，濃縮至30 mL。枝角類和橈足類等后生浮游動物的采集：參照《淡水浮游動物研究方法》和《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》，在各采樣點(diǎn)用采水器定量采集30 L水樣，用25號浮游生物網(wǎng)過濾、甲醛固定后帶回實(shí)驗(yàn)室分析。定性樣品的采集：浮游生物網(wǎng)呈“∞”形在水面下0.5 m處收集樣品，用于種類的定性研究。

物種檢測與鑒別方法[14-17]。浮游動物的鑒定主要利用德國ZEISS 公司生產(chǎn)的Zeiss AxioScope A1型號的生物顯微鏡進(jìn)行。浮游動物種類的鑒定主要采用檢索表和圖鑒相結(jié)合的方法，對部分橈足類物種進(jìn)行解剖，并參照圖譜鑒定。

原生動物和輪蟲計(jì)數(shù)方法[18]：對原生動物，將樣品搖勻，重復(fù)取0.1 mL樣品于浮游生物計(jì)數(shù)框中，光鏡下對各種原生動物(10×20)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取平均值，所得結(jié)果換算成單位體積密度。對輪蟲，將樣品搖勻，重復(fù)取1 mL樣品于1 mL浮游生物計(jì)數(shù)框中，光鏡下對輪蟲(10×10)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取平均值，所得結(jié)果換算成單位體積密度。

枝角類和橈足類計(jì)數(shù)方法[19]：用1 mL浮游生物計(jì)數(shù)框計(jì)數(shù)，并換算成單位體積密度。

種群密度與生物量計(jì)算。單位體積浮游動物的數(shù)量按下式計(jì)算：

N=Vsn/VVa

(2)

式中：N為1 L水樣中浮游動物的數(shù)量；V為采樣體積，mL；Vs為樣品濃縮后的體積，mL；Va為計(jì)數(shù)樣品體積，mL；n為計(jì)數(shù)所獲得的個(gè)數(shù)，個(gè)。

監(jiān)測枝角類和橈足類的計(jì)數(shù)采取將濃縮后的樣品全部過數(shù)，將其上述單位體積浮游動物的數(shù)量公式調(diào)整為：N=n/V。

1.3.3 水質(zhì)采樣及測定方法

水庫特性指標(biāo)與庫區(qū)水質(zhì)和生物的關(guān)系密切。根據(jù)國內(nèi)外已建水庫情況，水庫淹沒陸地會導(dǎo)致流速減緩、水溫分層、溶解氧減少，以及礦化度、電導(dǎo)率、總氮、總磷含量增加或上升，以及pH值降低和水體浮游植物、水生植物暴發(fā)或增加等。本文中水質(zhì)監(jiān)測與測定方法參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)。

1.4 相關(guān)性指數(shù)分析

浮游植物、浮游動物與庫區(qū)水質(zhì)之間的相關(guān)性可以反映水利工程建設(shè)對水生生物群落的影響。Pearson相關(guān)系數(shù)已被證明是一種有效的相關(guān)性分析工具，并已應(yīng)用于許多領(lǐng)域[20,21]。Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下式所示：

(3)

式中：Ri是浮游植物或浮游動物指標(biāo)單次監(jiān)測值；Rav是多次監(jiān)測值的均值；Gi和Gav分別是水質(zhì)指標(biāo)單次監(jiān)測值及多次監(jiān)測值的均值。r的取值范圍為+1到-1。r=+1表示完全正相關(guān)，r=-1表示完全負(fù)相關(guān)，r=0表示不相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 九曲灣水庫水體環(huán)境狀況

檢測結(jié)果表明，整個(gè)九曲灣水庫河段水體偏弱堿性，均值為7.51。從水質(zhì)綜合指數(shù)可以看出，DO、BOD5、CODMn、氨氮、總磷均可達(dá)到地表水II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而總氮濃度的超標(biāo)?？梢钥闯觯徘鸀乘畮焓堑刂鲗?dǎo)型水庫，在進(jìn)行水質(zhì)調(diào)控及治理時(shí)應(yīng)多關(guān)注于總氮的控制和治理。

2.2 浮游植物區(qū)系組成與分布、密度與生物量

根據(jù)調(diào)查結(jié)果表1可知，共檢測出浮游植物6門81種，其中綠藻門的物種最為豐富，有34種，占總種數(shù)的41.98%；其次為硅藻門，共有28種、占總種數(shù)的34.57%；而隱藻門數(shù)量最少，只有2種、僅占2.47%。就不同藻種的空間分布而言，水庫庫中監(jiān)測點(diǎn)的藻種數(shù)目檢出值最高，為69種，占總檢出藻類種數(shù)的85.19%；其次是壩前監(jiān)測點(diǎn)，藻種數(shù)目檢出值為64種，占總種數(shù)目的79.01%；庫尾監(jiān)測點(diǎn)的藻種數(shù)目為57種，占總檢出藻種數(shù)目的70.37%。

表1 九曲灣水庫浮游植物檢出結(jié)果分類統(tǒng)計(jì)表 種

藻類屬于生命周期很短的植物，其種屬變化往往隨著陽光、溫度和水體營養(yǎng)鹽濃度等條件變化而迅速改變，因而本研究于2016年6月至2018年7月共計(jì)13次檢測采樣來分析藻類浮游植物的時(shí)間及空間變化情況。檢測成果表明，九曲灣水庫不同監(jiān)測點(diǎn)藻細(xì)胞密度總數(shù)(合計(jì)數(shù))在4.81～1001.67 萬個(gè)/L之間，平均值為25.335 萬個(gè)/L。表3中可以看出壩前、庫中和庫尾的差值不大。從優(yōu)勢類群的組成來看，壩前監(jiān)測點(diǎn)以藍(lán)藻門和硅藻門兩大類別為優(yōu)勢類群，藍(lán)藻門、硅藻門的細(xì)胞密度占比分別為62.65%和8.36%；庫中監(jiān)測點(diǎn)以藍(lán)藻門和裸藻門兩大類別為優(yōu)勢類群，細(xì)胞濃度占比分別為49.38%和23.35%；庫尾監(jiān)測點(diǎn)以藍(lán)藻門和裸藻門兩大類別為優(yōu)勢類群，細(xì)胞濃度占比分別為30.91%和23.66%。

由圖2可見2016年8月到2018年7月期間，九曲灣水庫的藻類密度值和藻類種群門類均會發(fā)生比較大的和快速的變化，尤其是藍(lán)藻門藻類的增長速度，會隨著水溫、氣溫和光照時(shí)間的改變而發(fā)生快速的或急劇的變化。通常情況下，藍(lán)藻水華多發(fā)生在夏季6-9月，有明顯的季節(jié)性。受陽光、溫度和水體營養(yǎng)物質(zhì)的影響，水溫達(dá)到20 ℃以上、光照度較強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間較久的條件下，藍(lán)藻易形成氣囊浮出水面并且迅速繁殖，以至形成藍(lán)藻水華現(xiàn)象。

圖2 不同藻門細(xì)胞密度在不同點(diǎn)位、采樣時(shí)間的變化情況對比Fig.2 The compare of algal cell density

圖3 不同藻門細(xì)胞生物量在不同點(diǎn)位、采樣時(shí)間的變化情況對比Fig.3 The compare of algal cell biomass

從圖3可見，依據(jù)藻類生物量計(jì)算成果可見，不同的采樣時(shí)間獲取樣品的生物量間差異顯著，平均生物量為109.11 mg/L。以種生物量的大小將13個(gè)采樣時(shí)間分為3個(gè)區(qū)間。第一區(qū)間2016年8月至2017年2月，藍(lán)藻、隱澡、綠藻、硅藻、甲藻和裸藻等6個(gè)藻門生物量的lg值維持在1左右；第二區(qū)間2017年4月至2017年10月，6個(gè)藻門生物量的處于一個(gè)高值區(qū)間，從生物量的大小也可以反映出此階段的藻類數(shù)量大已發(fā)生水華等現(xiàn)象；第三區(qū)間2017年12月至2018年7月，此區(qū)間內(nèi)內(nèi)生物量與第一區(qū)間生物量大小一致。此外，可以看出壩前、庫中、庫尾的生物量相差不多，這也表明九曲灣水庫的藍(lán)藻水華發(fā)生在空間的概率基本是相似的，治理藍(lán)藻水華等問題需要全河段上下游同時(shí)考慮。

2.3 浮游動物區(qū)系組成與分布、密度與生物量

13次采樣共檢出浮游動物4類53種。其中，種類數(shù)最多的是輪蟲，檢出29種，占到總種數(shù)的55%；其次為原生動物，15種，占到總種數(shù)的28%；橈足類，6種，占到總種數(shù)的11%；此外，還檢出了其他類群的浮游動物5種，分別為線蟲(Nematoda)、多毛類幼體(Polychaeta larva)和水熊(Water Bear)。

九曲灣水庫浮游動物種群檢測成果見圖4、5?？梢姡畮觳煌瑴y點(diǎn)的浮游動物總密度在3 368.45～5 710.30 個(gè)/L之間，平均值為4 732.21 個(gè)/L。其中，輪蟲密度最高，庫尾、庫中、壩前三個(gè)測點(diǎn)平均值分別為155.93、148.77、179 365 個(gè)/L，占各類群浮游動物總密度的60.18%、37.79%和40.90%；其次為橈足動物門，庫尾、庫中、壩前三個(gè)測點(diǎn)的平均密度值為76.21、183.71和178.59 個(gè)/L，占各類群浮游動物總密度的29.41%、46.67%和40.66%；其他種類的浮游動物甚少。

圖4 不同浮游動物密度在不同點(diǎn)位、采樣時(shí)間的變化情況對比Fig.4 The compare of density of zooplankton

從物種密度分布來看(圖4)，整個(gè)河段平均物種密度為91.00 個(gè)/L。庫尾、庫中、壩前各監(jiān)測點(diǎn)的浮游動物生物量有一定差異，其中壩前的浮游動物密度明顯低于庫尾與庫中。這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是由于在壩前存在水庫取水口或溢洪、泄洪工程等，水流流速較大，導(dǎo)致上層或中層的浮游動物大量流失，故而生物量低于另外兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。對比圖2和圖4，可以看出浮游植物和浮游動物的生物量隨時(shí)間變化趨勢近似反向的，這說明浮游植物的生物量在適宜的溫度與降水條件增加以后，以浮游植物為食物的浮游動物亦隨后增加。

從圖5可見，依據(jù)浮游動物生物量計(jì)算成果可見，九曲灣水庫的浮游動物以輪蟲和原生動物為主，平均生物量為1.16 mg/L。由圖可見，九曲灣水庫的大型浮游動物甚少，并且在多次檢測的時(shí)段內(nèi)呈嚴(yán)重或快速下降趨勢。這也許是該水庫多年來連續(xù)暴發(fā)藍(lán)藻水華的原因之一。浮游動物是水生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的生態(tài)類群。浮游動物通過捕食作用控制浮游植物的數(shù)量，從而可以直接控制水體富營養(yǎng)化；同時(shí)浮游動物作為魚類等高層生物的餌料，可以直接影響魚類等的資源量和結(jié)構(gòu)，在水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能中起著重要的調(diào)控作用。

圖5 不同浮游動物生物量在不同點(diǎn)位、采樣時(shí)間的變化情況對比Fig.5 The compare of biomass of zooplankton

3 相關(guān)性分析

運(yùn)用公式(3)Pearson 相關(guān)性分析方法對2016年8月到2018年7月期間檢測的水質(zhì)指標(biāo)分別浮游植物和浮游動物的生物密度進(jìn)行相關(guān)性分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6與圖7所示。

圖6 不同浮游植物與相應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果圖Fig.6 The correlation analysis about different phytoplankton and water quality indicators

圖7 不同浮游動物與相應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果圖Fig.7 The correlation analysis about different zooplankton and water quality indicators

從圖6中可以看出，浮游植物與水質(zhì)指標(biāo)的正、負(fù)相關(guān)系數(shù)占比分別為52.38%和47.62%，正、負(fù)相關(guān)性系數(shù)占比非常接近。其中，藍(lán)藻門生物密度與pH值相關(guān)性最強(qiáng)；綠藻門、裸藻門生物密度與DO值相關(guān)性最強(qiáng)；隱藻門生物密度與BOD5值負(fù)相關(guān)性最強(qiáng)；硅藻門、甲藻門生物密度與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性表現(xiàn)不太明顯。在淡水中，能夠產(chǎn)生水華的藻類有：藍(lán)藻、綠藻和硅藻。其中以藍(lán)藻水華最為嚴(yán)重和難以治理?；趫D6的分析結(jié)果可以知道，九曲灣水庫水華防治過程應(yīng)更加關(guān)注水質(zhì)指標(biāo)pH、DO的控制。

從圖7中可以看出，原生、輪蟲、枝角和橈足4類浮游動物與pH、BOD5、氨氮呈完全負(fù)相關(guān)關(guān)系，與DO、總氮呈現(xiàn)完全正相關(guān)關(guān)系。相關(guān)系數(shù)最大是原生類浮游動物與DO為0.75、相關(guān)系數(shù)最小的是原生類浮游動物與CODMn為0.01。浮游動物是水生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的生態(tài)類群。浮游動物通過捕食作用控制浮游植物的數(shù)量，從而可以直接控制水體富營養(yǎng)化；同時(shí)浮游動物作為魚類等高層生物的餌料，可以直接影響魚類等的資源量和結(jié)構(gòu)，在水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能中起著重要的調(diào)控作用。因此，為了協(xié)調(diào)九曲灣水庫浮游動物種群結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以從相關(guān)性較強(qiáng)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)控來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 論

(1)藻種豐富，氣溫、水溫和氣候條件適宜。九曲灣水庫共檢測出6門81種藻類，可見，九曲灣水庫藻種種源十分豐富。尤其是藍(lán)藻門，在不同檢測時(shí)間，檢測結(jié)果增長近10倍。同時(shí)，隨著溫度升高，九曲灣水庫的藍(lán)藻種源復(fù)蘇速度和藻種密度都呈現(xiàn)出了快速增長趨勢。除了藻種之外，九曲灣水庫地處亞熱帶地區(qū)，溫暖濕潤，雨量充沛，這些情況是九曲灣水庫極易暴發(fā)藍(lán)藻水華的基本成因和機(jī)制。

(2)九曲灣水庫的浮游動物相對比較豐富，但具有濾食和捕食藍(lán)藻種群與藻種的大型浮游動物的檢出量過少。例如，在浮游動物中，枝角類的檢出為3，橈足類的檢出只有6種，種群密度占比僅有2.3%～4.9%，生物量占比也僅有8.7%～9.7%；且缺少能夠捕食和濾食藍(lán)藻水華的大型蚤和大型溞類浮游動物。如：能夠牧食、濾食、消化藍(lán)藻細(xì)胞與細(xì)胞群的長刺溞、哲水蚤、劍水蚤等為未檢出。

(3)九曲灣水庫河段水質(zhì)整體屬輕度污染，其中總氮濃度超標(biāo)2.33倍。在水質(zhì)與浮游植物相關(guān)性結(jié)果可知，九曲灣水庫水華防治過程應(yīng)更加關(guān)注水質(zhì)指標(biāo)pH、DO的控制。此外，為了協(xié)調(diào)九曲灣水庫浮游動物種群結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以從相關(guān)性較強(qiáng)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)控來實(shí)現(xiàn)。隨著電站的建設(shè)和運(yùn)營，九曲灣水庫河段的水環(huán)境已存在一定的污染，但只要措施得當(dāng)、管理到位，水電項(xiàng)目的建設(shè)會促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，也是響應(yīng)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展潮流的舉措。

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