湯昀 朱教寧 龐震鵬 劉月 李永平 史向遠(yuǎn)

摘? ? 要：根據(jù)原料木質(zhì)纖維素的降解程度及處理后的發(fā)酵產(chǎn)氣試驗(yàn)，篩選適宜的菌劑和添加量。選取市場(chǎng)上常見(jiàn)的7種復(fù)合菌劑，將其活化后接到玉米秸稈中，對(duì)預(yù)處理后的玉米秸稈進(jìn)行纖維素含量測(cè)定，結(jié)合濾紙條崩解試驗(yàn)結(jié)果得出，菌劑1和菌劑5的纖維素、半纖維素降解率較高，分別為21.98%，19.86%，故選取菌劑1和菌劑5作為產(chǎn)氣發(fā)酵潛力試驗(yàn)的預(yù)處理劑。將2種菌劑分別設(shè)置5個(gè)接種濃度（0.2%，0.5%，1.0%，2.0%，5.0%）處理，以未處理的秸稈發(fā)酵組合作為對(duì)照，將玉米秸稈與牛糞（VS）比為5∶5比例后混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵，經(jīng)測(cè)定，菌劑1和菌劑5最佳預(yù)處理量為菌占干秸稈量的2.0%。菌劑1在此用量下，累積產(chǎn)氣量、VS產(chǎn)氣量及產(chǎn)甲烷總量是所有組合里最高的，分別為10 403.4 mL，326.52 mL·g-1，5 892.66 mL，高出對(duì)照18.83%，19.32%，21.44%。菌劑5在此用量下，日產(chǎn)氣量為647.34 mL·d-1，累積產(chǎn)氣量為10 329.13 mL，產(chǎn)甲烷總量為5 807.28 mL。綜上，菌劑對(duì)玉米秸稈預(yù)處理后，可加快降解纖維素、半纖維素的分解速度，和牛糞混合后進(jìn)行厭氧發(fā)酵，對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量、VS產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷總量均有促進(jìn)效果，對(duì)提高厭氧發(fā)酵效率，提升畜禽糞污處理速度，降低環(huán)境污染具有重要意義。

關(guān)鍵詞：厭氧發(fā)酵;菌劑;預(yù)處理;混合發(fā)酵;產(chǎn)氣性能

中圖分類(lèi)號(hào)：S216.4? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.06.011

Effect of Straw Microbial Agent Pretreatment on Biogas Production Performance by Anaerobic Co-digestion of Cow Manure and Straw

TANG Yun1，2， ZHU Jiaoning1，2， PANG Zhenpeng1，2， LIU Yue3， LI Yongping1，2， SHI Xiangyuan1，2

（1. Shanxi Academy of Organic Dryland Agriculture， Shanxi Agricultural University， Taiyuan， Shanxi 030031， China; 2. Research Center of Modern Agriculture， Shanxi Academy of Agricultural Sciences， Taiyuan， Shanxi 030031， China;3. College of Resources and Environment， Shanxi Agricultural University， Taigu， Shanxi 030800， China）

Abstract： The optimum microbial agent and additive amount were determined in this study according to the degradation of lignocellulose and biogas production performance of anaerobic co-digestion of straw pretreated with microbial agent and cow manure. Seven groups of microbial agent were selected， activated and added to the corn straw. The results of cellulose-hemicellulose content determination and filter paper strip disintegration test of pretreated corn straw indicated that microbial agent 1 and microbial agent 5 showed the highest cellulose-hemicellulose degradation rate of 21.98% and 19.86%， respectively. Therefore， microbial agent 1 and agent 5 were selected as pretreatment agents for the biogas potential test. Experiments with cow manure and corn straw （mixture with volatile solid） ratio 5∶5 at different inoculation concentration 0.2%，0.5%，1.0%，2.0%，5.0% of agent 1 and agent 5 were carried out， while the experiment with cow manure and untreated corn straw was set as the control group. A series of indicators were determined， it could be concluded that the best pretreatment amount of both agent 1 and agent 5 was 2.0% of the dry straw amount. The cumulative biogas production， VS biogas production and methane production of agent 1 at inoculation concentration of 2.0% were the highest， reached 10 403.4 mL， 326.52 mL·g-1， 5 892.66 mL， which were 18.83%， 19.32% and 21.44% higher than that of the control group， respectively. While the agent 5 was inoculation concentration of 2.0%， the daily biogas production cumulative biogas production and methane production were 647.34 mL·d-1， 10 329.13 mL， 5 807.28 mL， respectively. In conclusion， the pretreatment of corn straw with microbial agent can accelerate the degradation rate of cellulose as well as hemicellulose， anaerobic co-digestion of cow manure and pretreated corn straw can promote the cumulative biogas production， VS biogas production and total methane production， which is of great significance to improve the efficiency of anaerobic digestion， promote the processing speed of livestock manure， and reduce environmental pollution.

Key words： anaerobic fermentation; microbial agent; pretreatment; co-digestion; biogas production performance

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年產(chǎn)生的秸稈達(dá)7億t[1]，其中約25%作為燃料直接燃燒，20%作為飼料，其余的秸稈資源未得到有效利用[2]。厭氧發(fā)酵可以達(dá)到將秸稈能源回收、環(huán)境保護(hù)和物質(zhì)循環(huán)等效果，且近年來(lái)這種方式受到政府的重視和支持[3]。但秸稈中半纖維素、纖維素和木質(zhì)素含量占干物質(zhì)總量的80%[4]，這導(dǎo)致在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，大分子相互糾纏而難以降解，厭氧菌消化困難，發(fā)酵系統(tǒng)啟動(dòng)慢，產(chǎn)氣效率低[5-6]。如何提高秸稈在厭氧發(fā)酵中的利用率成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

秸稈預(yù)處理可以打破半纖維素、纖維素和木質(zhì)素之間的連接，使秸稈進(jìn)行一定程度的預(yù)降解，這種方式可以提高秸稈厭氧發(fā)酵效率，實(shí)現(xiàn)秸稈規(guī)?；茉醇拔镔|(zhì)轉(zhuǎn)化[7]。國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的秸稈預(yù)處理方法有物理法、化學(xué)法和生物法等[8]。但相比物理法與化學(xué)法，生物法條件更加溫和，而且不污染環(huán)境。有研究表明，生物預(yù)處理可以有效降解木質(zhì)素[9]，而且單一菌降解效果不如復(fù)合菌的共同作用，尤其是木質(zhì)纖維素的完全降解，是微生物菌系共同作用下的結(jié)果[10]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究使用復(fù)合菌來(lái)預(yù)處理秸稈，以期達(dá)到使木質(zhì)纖維素快速降解的目的[11-12]。

目前，市面上已有許多在售的復(fù)合菌劑是用來(lái)對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理的，但效果有好有差，用量也很模糊。所以，本研究選擇了市面上常見(jiàn)的且銷(xiāo)售良好的7種復(fù)合菌劑，通過(guò)纖維素降解能力對(duì)其進(jìn)行篩選，并經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)氣試驗(yàn)確定最適合的用量，以期為沼氣工程提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用的玉米秸稈取自山西省農(nóng)科院中試基地大田玉米地，曬干后使用切草機(jī)粉粹，過(guò)60目篩備用;菌劑選擇市場(chǎng)上銷(xiāo)售良好的7種復(fù)合菌劑，具體見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)裝置

采用山西省農(nóng)科院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心沼氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)室自制1 L小型厭氧發(fā)酵發(fā)生器進(jìn)行試驗(yàn)。該發(fā)生器由上下兩部分組成，下部為料液反應(yīng)區(qū)，將發(fā)酵物料由進(jìn)料口灌裝后用具有橡膠墊圈的螺旋瓶塞擰緊，確保不漏氣，上部為注水區(qū)，上下部分導(dǎo)氣管連通，玻璃隔層分開(kāi)。下部反應(yīng)區(qū)待物料發(fā)酵后產(chǎn)生的沼氣，經(jīng)導(dǎo)氣管進(jìn)入上部，由排水集氣法原理可知，隨著沼氣量的增加，上部注水區(qū)的水從導(dǎo)水管不斷排出，并將排出的水收集到廣口瓶?jī)?nèi)，然后稱(chēng)質(zhì)量，以此確定沼氣產(chǎn)量。由采氣口連接的鋁箔集氣袋收集氣體，然后經(jīng)氣相色譜儀分析沼氣氣體組分及含量?；旌蠀捬醢l(fā)生器見(jiàn)圖1。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 菌劑的活化 菌劑活化培養(yǎng)基配方：（NH4）2SO4 1.0 g·L-1，MgSO4·7H2O 0.5 g·L-1，KH2PO4 1.0 g·L-1，酵母膏0.1 g·L-1，紅糖10 g·L-1，pH值 7.0。每個(gè)三角瓶中裝入130 mL菌劑活化培養(yǎng)基，分別取0.1 g菌劑1、菌劑2、菌劑3、菌劑4，取1 mL菌劑5、菌劑6、菌劑7、清水（CK）置于三角瓶中，30 ℃恒溫環(huán)境培養(yǎng)1周。

1.3.2 濾紙條崩解試驗(yàn) 濾紙條崩解培養(yǎng)基配方：KH2PO4 0.1 g，MgSO4·7H2O 0.04 g，（NH4）2SO4 0.3 g，酵母粉0.01 g，H2O 100 mL，121 ℃滅菌20 min。按上述配方制備培養(yǎng)基，每個(gè)三角瓶中裝入130 mL培養(yǎng)基，分別接種0.1 g菌劑1、菌劑2、菌劑3、菌劑4，1 mL菌劑5、菌劑6、菌劑7，每個(gè)三角瓶中加入3張長(zhǎng)5 cm，寬1 cm的濾紙條。以清水為對(duì)照，30 ℃恒溫環(huán)境培養(yǎng)30 d，觀(guān)察濾紙條崩解情況。

1.3.3 菌劑接種 取40 g玉米秸稈，加入20 mL濃度為1 g·L-1的尿素和130 mL上述活化后的培養(yǎng)基，在培養(yǎng)箱中恒溫（30 ℃）培養(yǎng)30 d，保持秸稈含水率在70%左右。

1.3.4 秸稈纖維素測(cè)定 將不同菌劑處理的秸稈取出后烘干處理，為了保證纖維素含量測(cè)定時(shí)秸稈樣品粒徑的一致性，將烘干的秸稈樣品過(guò)篩分選，使測(cè)定纖維素用的秸稈大小為5 mm。

1.3.5 預(yù)處理秸稈與牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣試驗(yàn) 按照濾紙條崩解試驗(yàn)效果和菌劑處理秸稈后纖維素降解情況，篩選出適宜的菌劑。按照菌劑占秸稈（干基）量分別為0.2%，0.5%，1.0%，2.0%，5.0%的濃度梯度配制菌劑液，均勻噴灑在秸稈上，置于恒溫培養(yǎng)箱，在30 ℃處理30 d后取出備用。將按不同濃度菌劑預(yù)處理后的玉米秸稈與牛糞按VS比5∶5配混后進(jìn)行厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置采用自制1 L厭氧發(fā)生器，物料濃度均為8%，接種物干物質(zhì)量（TS）占比為30%，物料總量650 g，發(fā)酵溫度控制在中溫（35±1 ℃），厭氧發(fā)酵試驗(yàn)周期40 d。每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.4 測(cè)定指標(biāo)

1.4.1 TS測(cè)定 將牛糞和玉米秸稈、接種物取樣置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)置溫度為105 ℃，烘干水分，采用差重法計(jì)算TS。

1.4.2 揮發(fā)性固體量（VS）測(cè)定 將烘干后的樣品于馬弗爐中進(jìn)行600 ℃高溫灼燒，去除有機(jī)成分，得到灰分，采用差重法計(jì)算揮發(fā)性有機(jī)物固體質(zhì)量。

1.4.3 原料纖維素、半纖維素及木質(zhì)素測(cè)定 將烘干后的樣品用ANKOMA2000i全自動(dòng)纖維分析儀測(cè)定。

1.4.4 沼氣組分測(cè)定 使用鋁箔氣體采樣袋收集每日各處理產(chǎn)生的氣體，用安捷倫7890B氣相色譜儀對(duì)氣體成分進(jìn)行測(cè)定。色譜條件：色譜柱為HP-INNOWAX，60 μm×530 μm×1 μm，載氣為氫氣，流量5 mL·min-1，壓力7.244 3 psi，平均線(xiàn)速度35.701 cm·s-1，滯留時(shí)間2.80 min;FID檢測(cè)器：溫度300 ℃，空氣流量400 mL·min-1，氫氣燃?xì)饬髁?0 mL·min-1，尾吹氣流量（N2）25 mL·min-1;TCD檢測(cè)器：溫度250 ℃，參比流量40 mL·min-1，尾吹氣流量（H2）2 mL·min-1。1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，采用DPS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌劑篩選結(jié)果

如表2所示，通過(guò)木質(zhì)纖維素降解率的測(cè)定及濾紙條崩解試驗(yàn)的結(jié)果表明，處理效果較好的是菌劑1及菌劑5。纖維素、半纖維素的降解率分別是21.98%，19.86%，二者之間沒(méi)有顯著性差異;木質(zhì)纖維素降解率各處理相比差別不大。所以，選擇菌劑1和菌劑5作為下一步混合發(fā)酵的秸稈預(yù)處理的復(fù)合菌劑。

濾紙條崩解試驗(yàn)結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)： “+”濾紙邊緣膨脹;“+ +”濾紙整齊膨脹并下彎;“+ + +”濾紙不定形;“+ + + +”濾紙完全成糊狀。

將上述結(jié)果表現(xiàn)較為出色的2組（菌劑1和菌劑5）預(yù)處理后的玉米秸稈與牛糞（VS）比為5∶5混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，40 d后進(jìn)行產(chǎn)氣潛力分析。各處理具體見(jiàn)表3。

2.2 秸稈預(yù)處理對(duì)混合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣性能的影響

2.2.1 秸稈預(yù)處理后與牛糞混合厭氧發(fā)酵對(duì)日產(chǎn)氣量的影響 由圖2可以看出，除了未處理以外，各處理的日產(chǎn)氣量的趨勢(shì)大體相同，均在第4天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，而后下降，在發(fā)酵第9天又達(dá)到第2個(gè)產(chǎn)氣高峰。而未處理CK則是在第2天達(dá)到第1個(gè)產(chǎn)氣高峰，然后同樣在第9天達(dá)到第2個(gè)產(chǎn)氣高峰。原因可能是干秸稈投料后吸水膨脹后造成氣體外溢，所以會(huì)比其他處理更早達(dá)到第1個(gè)產(chǎn)氣高峰。所有處理在達(dá)到產(chǎn)氣高峰時(shí)，1T4處理的日產(chǎn)氣量最高，為688.92 mL·d-1，其次是5T4處理，日產(chǎn)氣量為647.342 mL·d-1，最少的是未處理CK，日產(chǎn)氣量?jī)H為554.44 mL·d-1。這是由于復(fù)合菌劑對(duì)秸稈的預(yù)處理破壞了秸稈中纖維素、半纖維素及木質(zhì)纖維素之間的連接，增加了發(fā)酵底物中可被產(chǎn)酸菌利用的可溶性有機(jī)物，促使產(chǎn)氣量提高。這一結(jié)果與陳羚等[13]的研究一致。

2.2.2 秸稈預(yù)處理后與牛糞混合厭氧發(fā)酵對(duì)累積產(chǎn)氣量的影響 各處理厭氧發(fā)酵的累積產(chǎn)氣量見(jiàn)圖3。所有處理的累積產(chǎn)氣量的變化趨勢(shì)相同，均是先快速上升后趨于平穩(wěn)。菌劑1和菌劑5的5種梯度處理均呈先增大后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。其中，累積產(chǎn)氣量最高的為1T4（10 403.04 mL），其次是5T4（10 329.13 mL），二者之間沒(méi)有顯著性差異，且分別高出未處理CK（8 754.48 mL）18.83%，17.99%。由此可以看出，經(jīng)過(guò)微生物復(fù)合菌劑處理后的秸稈與牛糞混合后進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，產(chǎn)氣性能得到了提高。這是由于在進(jìn)行預(yù)處理的過(guò)程中，復(fù)合菌劑中的微生物，有能使木質(zhì)纖維素更好降解的菌（如木霉菌等），這些菌系將秸稈中的木質(zhì)纖維素降解成了易于厭氧微生物利用的小分子物質(zhì)，從而提高了發(fā)酵底物的消化率和產(chǎn)氣率。此結(jié)果與前學(xué)者研究一致[9，14]。

2.2.3 秸稈預(yù)處理后與牛糞混合厭氧發(fā)酵對(duì)VS產(chǎn)氣量的影響 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中發(fā)酵物料產(chǎn)氣潛力可以由VS產(chǎn)氣量這一指標(biāo)來(lái)衡量，該值越大，則表示單位質(zhì)量的該物料有機(jī)質(zhì)成分產(chǎn)氣量越多，即產(chǎn)氣潛力越大。由圖4可知，VS產(chǎn)氣量在菌劑1和菌劑5的各處理中均呈現(xiàn)單峰趨勢(shì)，極值出現(xiàn)在1T4和5T4。其中VS產(chǎn)氣量最高的是1T4（326.52 mL·g-1），其次是5T4（324.20 mL·g-1），分別高于未處理CK19.32%，18.47%。從圖4中還可以看出，菌劑預(yù)處理過(guò)的處理，VS產(chǎn)氣量均顯著高于未處理CK（273.65 mL·g -1）。

2.2.4 秸稈預(yù)處理后與牛糞混合厭氧發(fā)酵對(duì)甲烷含量的影響 發(fā)酵系統(tǒng)每日所產(chǎn)出的甲烷在日總產(chǎn)氣中所占的比例稱(chēng)之為甲烷含量，這一指標(biāo)可以衡量發(fā)酵體系的產(chǎn)氣效果，每日所產(chǎn)氣體的甲烷含量越高，產(chǎn)氣效果亦越好[15]。由圖5可知，各處理甲烷含量的變化趨勢(shì)大體一致，初期均隨著發(fā)酵天數(shù)的增加而增加，10 d之后趨于平緩。各處理發(fā)酵6～7 d可達(dá)到60%以上，發(fā)酵后期，各處理均穩(wěn)定在60%左右，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程各處理的平均甲烷含量均在57%左右。

2.2.5 秸稈預(yù)處理后與牛糞混合厭氧發(fā)酵對(duì)產(chǎn)甲烷總量的影響 如圖6所示，每種菌劑隨著處理含量的增加，產(chǎn)甲烷總量呈先上升后下降的趨勢(shì)，但所有處理的產(chǎn)甲烷總量均高于未處理CK。其中最高的是1T4（5 892.66 mL），其次是5T4（5 807.28 mL），這2個(gè)處理的產(chǎn)甲烷總量沒(méi)有顯著性差異，分別高出對(duì)照未處理CK（4 852.46 mL）21.44%，19.68%。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)纖維素、半纖維素降解率及濾紙條崩解試驗(yàn)可以確定2種復(fù)合菌劑預(yù)處理秸稈效果較好，分別是秸稈發(fā)酵劑（洛陽(yáng)歐克拜克生物技術(shù)股份有限公司）和有機(jī)物料發(fā)酵劑（中國(guó)農(nóng)科院肥料應(yīng)用工程技術(shù)研究中心）。這2種菌劑預(yù)處理玉米秸稈后，木質(zhì)纖維素降解率分別為21.98%，19.86%，濾紙條崩解試驗(yàn)結(jié)果也較為優(yōu)秀。這說(shuō)明添加復(fù)合菌劑，可以有效降解纖維素和半纖維素。有研究表明，半纖維素主要由易降解的糖類(lèi)物質(zhì)組成，其組成和結(jié)構(gòu)可變性較強(qiáng)，預(yù)處理過(guò)程較易被降解[14]。纖維素是由β-1-4糖苷鍵連接的小分子葡萄糖組成的聚合物[16]，相比半纖維素，纖維素較難被復(fù)合菌劑降解。木質(zhì)素是復(fù)合的多苯基芳香族化合物，由酯鍵連接，與纖維素、半纖維素緊密結(jié)合，形成植物的一、二級(jí)細(xì)胞壁[17]。本研究的纖維素檢測(cè)結(jié)果中木質(zhì)素基本沒(méi)有被降解，故選取纖維素、半纖維素的降解率作為初篩菌劑的依據(jù)。

篩選出適宜預(yù)處理玉米秸稈的復(fù)合菌劑類(lèi)型后，還要進(jìn)一步優(yōu)化確定該菌劑的適宜預(yù)處理添加量。胡致遠(yuǎn)等[18]探究了生物強(qiáng)化菌系添加量對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵性能的影響，結(jié)果表明，在食微比為0.5，1.0時(shí)，生物強(qiáng)化效率隨菌系添加量的增加先升高后降低，最大生物強(qiáng)化效率在15%的劑量下獲得。本研究將不同添加量的菌劑處理玉米秸稈后進(jìn)行混合厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)菌劑的預(yù)處理添加量為2%時(shí)，菌劑1和菌劑5的不同處理均表現(xiàn)出較好的產(chǎn)氣效果，菌劑1在此添加量下的累積產(chǎn)氣量、VS產(chǎn)氣量及產(chǎn)甲烷總量均高于其他處理，分別達(dá)10 403.4 mL，326.52 mL·g-1，5 892.66 mL。菌劑5在此添加量下，累積產(chǎn)氣量、VS產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷總量分別為10 329.12 mL，324.20 mL·g-1，

5 807.28 mL，高于同一菌劑處理下的其他處理。發(fā)酵物料的VS產(chǎn)氣量與菌劑處理添加量的變化密切相關(guān)，隨著菌劑添加量的增大先增加后降低，不同菌劑處理均在添加量2%時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)的產(chǎn)氣效能。原因可能在于當(dāng)菌劑加入不足時(shí)，微生物難以在短時(shí)間內(nèi)形成優(yōu)勢(shì)菌群，影響秸稈中木質(zhì)纖維素的降解效率，從而導(dǎo)致厭氧發(fā)酵體系內(nèi)反應(yīng)底物不足，降低產(chǎn)氣量;當(dāng)菌劑加入過(guò)多時(shí)，雖然可以增加木質(zhì)纖維素的降解量，但是菌群過(guò)多也會(huì)同時(shí)消耗作為厭氧發(fā)酵水解階段底物的部分有機(jī)物，從而降低水解階段反應(yīng)速率，且在實(shí)際生產(chǎn)中過(guò)量添加復(fù)合菌劑也會(huì)增加秸稈預(yù)處理的經(jīng)濟(jì)成本。因此采用菌劑1和菌劑5預(yù)處理玉米秸稈時(shí)，適宜的菌劑添加量為菌占干秸稈量的2%，將有助于提高發(fā)酵產(chǎn)氣量和提升物料產(chǎn)氣潛力，同時(shí)可以避免菌劑的過(guò)量使用，降低處理成本。

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