李杲光 陳艷 范明鋆 侯翠翠 李英臣 馬劍敏
摘 要:為全面了解新鄉(xiāng)定國(guó)湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)及水質(zhì)狀況,于2017年7月、2017年10月、2018年1月、2018年4月對(duì)定國(guó)湖進(jìn)行了采樣調(diào)查,結(jié)果表明:定國(guó)湖共發(fā)現(xiàn)浮游植物8門(mén)67屬109種,其中綠藻門(mén)和藍(lán)藻門(mén)最多,硅藻門(mén)次之;浮游植物豐度、相對(duì)豐度以及優(yōu)勢(shì)種存在明顯季節(jié)變化,秋季浮游植物豐度最高,以藍(lán)藻門(mén)的大型集胞藻為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種,冬季浮游植物豐度最低,硅藻門(mén)的相對(duì)豐度較高且優(yōu)勢(shì)種的種類(lèi)較多;定國(guó)湖浮游植物豐度與Chl-a呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與DO呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與pH值、NH3-N呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;浮游植物多樣性指數(shù)對(duì)定國(guó)湖水質(zhì)評(píng)價(jià)的結(jié)果為輕污染水平,水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示定國(guó)湖水質(zhì)符合Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),綜合浮游植物多樣性指數(shù)與水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,定國(guó)湖水質(zhì)處于輕度污染水平。
關(guān)鍵詞:浮游植物;水質(zhì)評(píng)價(jià);新鄉(xiāng)市;定國(guó)湖
中圖分類(lèi)號(hào):Q145;X824;TV211.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.019
引用格式:李杲光,陳艷,范明鋆,等.新鄉(xiāng)定國(guó)湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其水質(zhì)評(píng)價(jià)[J].人民黃河,2021,43(1):97-102.
Phytoplankton Community Structureand Water Quality Assessment of Dingguo Lake in Xinxiang City
LI Gaoguang, CHEN Yan, FAN Mingjun, HOU Cuicui, LI Yingchen, MA Jianmin
(College of Life Sciences, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China)
Abstract:In order to fully understand the phytoplankton community and water quality in Dingguo Lake of Xinxiang, an investigation had been conducted in July 2017, October 2017, January 2018 and April 2018. The results show that a total of 109 phytoplankton species belonging 8 phyla and 67 genra is recorded in Dingguo Lake, of which, Bacillariophyta is the most abundance taxa, then is followed by Chlorophyta and Cyanophyta. Phytoplankton abundance, relative abundance, and dominant species exhibit significant seasonal variations, the phytoplankton abundance is the highest in autumn with dominant Cyanophyta, and Synechocystis crassa is the absolute dominant species, the phytoplankton abundance is the lowest in winter with high relative abundance of Bacillariophyta and the number of absolute dominant species is great. The correlation analysis indicates that the phytoplankton abundance of Dingguo Lake has highly significant positive correlation with Chl-a and has highly significant negative correlation with pH and NH3-N compared to the significant negative correlations with DO. The results of water quality evaluation of Dingguo Lake by phytoplankton diversity index indicates a light pollution level and the results by fuzzy comprehensive evaluation indicate that the water quality of Dingguo Lake has met class IV water quality standard. Viewing the results from the phytoplankton diversity index and water quality evaluation by fuzzy comprehensive evaluation together, it can be concluded that the water quality of Dingguo Lake is at a light pollution level.
Key words: phytoplankton; water quality assessment; Xinxiang City; Dingguo Lake
城市湖泊是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,對(duì)于城市發(fā)展具有重要意義。新鄉(xiāng)市定國(guó)湖位于河南省新鄉(xiāng)市中心城區(qū)東部,依托新鄉(xiāng)市趙定河而建,以趙定河為水源,占地41.75 hm2,其中水面面積20.13 hm2,湖區(qū)庫(kù)容約50萬(wàn)m3,最大水深不超過(guò)6 m,屬于城市人工淺水湖。該湖修建始于2016年4月,2017年4月已基本竣工并完成蓄水,同期定國(guó)湖自建的水處理系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行,但由于水處理設(shè)備處在調(diào)試階段,因此水處理效果差異較大。作為新修建的集景觀、休閑、娛樂(lè)功能于一體的城市人工湖,定國(guó)湖受外界干擾因素多,更易受到污染[1]。
浮游植物作為水域生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者[2],是水域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其種類(lèi)組成和分布對(duì)環(huán)境變化具有指示作用,其多樣性是水域生態(tài)系統(tǒng)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]。目前,利用浮游生物指標(biāo)結(jié)合水體理化指標(biāo)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究較多[4-8],但對(duì)于新建湖泊的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道,因此對(duì)新鄉(xiāng)市新建城市湖泊進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)和浮游植物調(diào)查,以了解城市人工湖泊的水質(zhì)動(dòng)態(tài)和浮游植物群落演替規(guī)律及兩者間的關(guān)系,進(jìn)而評(píng)價(jià)其水質(zhì)狀況。
1 材料與方法
1.1 樣點(diǎn)設(shè)置與采樣時(shí)間
在定國(guó)湖設(shè)置了4個(gè)采樣點(diǎn)(見(jiàn)圖1),其中:1號(hào)采樣點(diǎn)(S1)、3號(hào)采樣點(diǎn)(S3)在入湖口、出湖口附近,受人為活動(dòng)干擾較多的2號(hào)采樣點(diǎn)(S2)、受人為活動(dòng)干擾較少的4號(hào)采樣點(diǎn)(S4)分別位于湖外側(cè)觀景臺(tái)、內(nèi)側(cè)觀景臺(tái)。采樣時(shí)間分別為2017年7月(夏季)、2017年10月(秋季)、2018年1月(冬季)、2018年4月(春季)。
1.2 樣品采集與處理
浮游植物定性樣品使用25號(hào)浮游生物網(wǎng),在水面下0.5 m左右作“∞”形緩慢拖動(dòng)3 min采集,采集后加入4%的甲醛溶液固定保存。定量樣品利用采水器在水下0.5 m處采集1 L后加入15 mL魯哥試液進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)固定,帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)沉淀濃縮后保存以備鏡檢。
水體理化指標(biāo)的監(jiān)測(cè)與浮游植物的采樣同步進(jìn)行,其中:pH值、溶解氧(DO)、水溫(WT)在現(xiàn)場(chǎng)利用HACH便攜式水質(zhì)分析儀測(cè)定,化學(xué)需氧量(CODCr)、總氮(TN)、總磷(TP)、銨態(tài)氮(NH3-N)、濁度(TUB)和葉綠素a(Chl-a)利用采水器在水下0.5 m處采集水樣后帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。
1.3 數(shù)據(jù)分析
運(yùn)用優(yōu)勢(shì)度(Y)[9]表示水體中浮游植物的優(yōu)勢(shì)種群,其計(jì)算公式為Y=fini/N,其中:ni為第i種浮游植物個(gè)體數(shù);N為浮游植物總個(gè)體數(shù);fi為第i種浮游植物在各樣點(diǎn)出現(xiàn)的頻率。當(dāng)Y>0.02時(shí),認(rèn)為該物種為優(yōu)勢(shì)種群。
運(yùn)用Shannon-Wiener指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J)對(duì)定國(guó)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行生物學(xué)評(píng)價(jià),各指數(shù)的計(jì)算公式及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參見(jiàn)文獻(xiàn)[10-12],其中H值為0~1.0屬重度污染,為1.0~3.0屬中度污染,H>3.0為輕度污染或無(wú)污染;J值為0~0.3屬重度污染,為0.3~0.5屬中度污染,為0.5~0.8屬輕度污染。同時(shí),運(yùn)用SPSS16.0軟件對(duì)定國(guó)湖浮游植物的豐度和水體理化指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。
運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)定國(guó)湖水體進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià),該方法是一種以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ),將各因子定量化處理后評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況的方法[13]。評(píng)價(jià)模型建立步驟如下:
(1)設(shè)立評(píng)價(jià)因子集。選擇相關(guān)測(cè)定指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子,若有n個(gè)指標(biāo)參與評(píng)價(jià),則評(píng)價(jià)因子集U={u1,u2,…,un},其中u1、u2、…、un為參與評(píng)價(jià)的各個(gè)因子。
(2)設(shè)立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集。設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí),則評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的集合V={v1,v2,…,vm},根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)將地表水水質(zhì)分成5類(lèi),即評(píng)價(jià)集V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}。
(3)建立隸屬函數(shù)和模糊評(píng)價(jià)矩陣。依據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建隸屬函數(shù),通過(guò)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值對(duì)于某級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度建立模糊評(píng)價(jià)矩陣。
(4)建立權(quán)重集。評(píng)價(jià)因子的權(quán)重指評(píng)價(jià)因子對(duì)于水體整體污染程度貢獻(xiàn)的大小,通過(guò)計(jì)算各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重構(gòu)建權(quán)重向量。
(5)模糊評(píng)價(jià)。根據(jù)權(quán)重向量和模糊評(píng)價(jià)矩陣,選用扎德算子“·”和“”運(yùn)算方法得到模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量。為了更加準(zhǔn)確反映水質(zhì)的評(píng)價(jià)等級(jí),并能夠?qū)Χ鄠€(gè)水質(zhì)樣本進(jìn)行比較排序,在得到評(píng)價(jià)結(jié)果向量的基礎(chǔ)上,采用加權(quán)評(píng)價(jià)原則,最終確定水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果。評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)值越大,說(shuō)明其水質(zhì)越差。
2 結(jié) 果
2.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)
2.1.1 浮游植物種類(lèi)組成
在定國(guó)湖發(fā)現(xiàn)浮游植物共計(jì)8門(mén)67屬109種。其中:硅藻門(mén)18屬28種,占25.7%;藍(lán)藻門(mén)16屬30種,占27.5%;綠藻門(mén)21屬35種,占32.1%;黃藻門(mén)3屬3種,占2.8%;甲藻門(mén)2屬2種,占1.8%;隱藻門(mén)2屬4種,占3.7%;裸藻門(mén)3屬5種,占4.6%;金藻門(mén)2屬2種,占1.8%。各門(mén)類(lèi)浮游植物種類(lèi)在不同采樣點(diǎn)的種類(lèi)數(shù)見(jiàn)表1,整體來(lái)看,硅藻、藍(lán)藻、綠藻是定國(guó)湖浮游植物的主要類(lèi)群;從浮游植物種類(lèi)組成的時(shí)間特征來(lái)看,夏季和春季浮游植物種類(lèi)較多,秋季和冬季種類(lèi)較少;從空間特征來(lái)看,1號(hào)采樣點(diǎn)和2號(hào)采樣點(diǎn)浮游植物種類(lèi)較多,3號(hào)采樣點(diǎn)和4號(hào)采樣點(diǎn)種類(lèi)相對(duì)較少。
2.1.2 浮游植物豐度
由定國(guó)湖浮游植物豐度變化情況(見(jiàn)圖2)可知,定國(guó)湖浮游植物各季節(jié)平均豐度表現(xiàn)為秋季最高,冬季最低,春季略高于夏季;從浮游植物豐度的空間特征來(lái)看,采樣點(diǎn)S1浮游植物豐度相對(duì)較高,采樣點(diǎn)S4豐度較低,采樣點(diǎn)S2、S3豐度居中且差別不大。
由定國(guó)湖浮游植物相對(duì)豐度變化情況(見(jiàn)圖3)可以看出,定國(guó)浮游植物相對(duì)豐度季節(jié)變化明顯,2017年夏季和2017年秋季以藍(lán)藻門(mén)為主,分別占總豐度的70%和85%;2018年冬季以硅藻門(mén)和藍(lán)藻門(mén)為主,分別占總豐度的25%和30%;2018年春季以硅藻門(mén)為主,其占比超過(guò)了總豐度的70%。從浮游植物相對(duì)豐度的空間特征來(lái)看,各采樣點(diǎn)浮游植物的相對(duì)豐度無(wú)明顯空間差異。
2.1.3 浮游植物優(yōu)勢(shì)種
浮游植物的優(yōu)勢(shì)種由優(yōu)勢(shì)度來(lái)確定。由表2可以看出,2017年7月至2018年4月定國(guó)湖出現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)種共20種。從時(shí)間上看,2017年夏季有11種,其中藍(lán)藻門(mén)的小席藻的優(yōu)勢(shì)度值最大,為0.290;2017年秋季出現(xiàn)了4種,其中藍(lán)藻門(mén)的大型集胞藻的優(yōu)勢(shì)度值最大,為0.763;2018年冬季出現(xiàn)了12種,其中硅藻門(mén)的梅尼小環(huán)藻的優(yōu)勢(shì)度值最大,為0.112;2018年春季出現(xiàn)了8種,其中硅藻門(mén)的尖針桿藻的優(yōu)勢(shì)度值最大,為0.384。
2.2 浮游植物多樣性分析
定國(guó)湖浮游植物多樣性指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3,其中Shannon-Wiener指數(shù)H的范圍為1.40~4.31,平均值為3.27,污染等級(jí)為輕度污染或無(wú)污染;Pielou均勻度指數(shù)J的范圍為0.22~0.88,平均值為0.56,污染等級(jí)為輕度污染。整體上看,H值和J值的時(shí)空變化趨勢(shì)較一致,呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。從多樣性指數(shù)計(jì)算結(jié)果的時(shí)間特征來(lái)看,H值和J值在2017年秋季最低,在2018年冬季最高,其中2017年秋季為中度污染,其余時(shí)間為輕度污染。從多樣性指數(shù)空間特征來(lái)看,各采樣點(diǎn)污染水平無(wú)明顯空間差異,平均污染程度均為輕度污染。
2.3 水體理化指標(biāo)
定國(guó)湖水體理化指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4,可以看出,定國(guó)湖pH值為7.93~8.96,呈弱堿性;水溫具有明顯季節(jié)性變化規(guī)律,在夏季最高,冬季最低;對(duì)比《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)發(fā)現(xiàn),定國(guó)湖全年DO屬于Ⅰ類(lèi)水質(zhì);TP、NH3-N含量符合Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);CODCr含量符合Ⅳ、Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);TN含量變化范圍較大,在春夏季節(jié)符合Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),在秋冬季節(jié)符合Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
2.4 浮游植物豐度與水體理化指標(biāo)相關(guān)性分析
定國(guó)湖浮游植物豐度與水體理化指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表5,浮游植物豐度與Chl-a呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與DO呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與pH值、NH3-N呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;與水溫、濁度具有一定正相關(guān)性,但相關(guān)性未達(dá)到顯著水平;與CODCr、TN、TP具有一定負(fù)相關(guān)性,但相關(guān)性未達(dá)到顯著水平。
2.5 水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)
根據(jù)定國(guó)湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),選擇CODCr、TN、NH3-N、TP作為評(píng)價(jià)因子,并計(jì)算各因子權(quán)重系數(shù),進(jìn)而得到水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。由評(píng)價(jià)因子權(quán)重系數(shù)計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表6)可以看出,CODCr和TN是影響定國(guó)湖水體污染程度的主要因素,其次是TP,NH3-N對(duì)水體污染程度影響最小。根據(jù)水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(見(jiàn)表7),定國(guó)湖水質(zhì)符合Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。從時(shí)間上看,定國(guó)湖水質(zhì)在秋冬季節(jié)相對(duì)較好,在春夏季節(jié)相對(duì)較差。從空間上看,定國(guó)湖4個(gè)采樣點(diǎn)的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果為3.725~4.330,波動(dòng)較小,其中S4水質(zhì)相對(duì)較好,S2水質(zhì)相對(duì)較差。
3 分析與討論
3.1 定國(guó)湖浮游植物群落特征
在定國(guó)湖共發(fā)現(xiàn)浮游植物8門(mén)109種,物種豐富度少于新鄉(xiāng)市另一人工湖牧野湖[14],而與上海的人工湖滴水湖的浮游植物種類(lèi)接近[15],其原因可能與定國(guó)湖形成時(shí)間短有關(guān)。
定國(guó)湖浮游植物種類(lèi)以綠藻、藍(lán)藻和硅藻為主,其中夏秋季節(jié)藍(lán)藻種類(lèi)較多、秋冬季節(jié)硅藻種類(lèi)相對(duì)較多,這與浮游植物相對(duì)豐度的計(jì)算結(jié)果一致。從定國(guó)湖浮游植物豐度與水環(huán)境因子的相關(guān)分析來(lái)看,Chl-a含量與浮游植物豐度具有極顯著正相關(guān)關(guān)系,與DO呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,這與蔡慶華等[16-17]的研究結(jié)論一致。水溫對(duì)浮游植物豐度的影響很大[18-19],本次研究中水溫與浮游植物豐度具有一定正相關(guān)性,相比其他季節(jié)來(lái)說(shuō),冬季溫度較低不適宜浮游植物生長(zhǎng),從而導(dǎo)致定國(guó)湖冬季浮游植物的豐度遠(yuǎn)低于其他季節(jié)的。
浮游植物優(yōu)勢(shì)種類(lèi)數(shù)目及優(yōu)勢(shì)度對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定具有重要作用,優(yōu)勢(shì)種類(lèi)越多且其優(yōu)勢(shì)度越小,群落越趨于穩(wěn)定[20]。定國(guó)湖秋季以大型集胞藻為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種的藍(lán)藻門(mén)類(lèi)群為主,因此秋季多樣性指數(shù)較低;冬季以硅藻門(mén)類(lèi)群占優(yōu)且優(yōu)勢(shì)種數(shù)目較多,因此多樣性指數(shù)較高,這與Ekhator等[21]的研究結(jié)論一致。
3.2 定國(guó)湖水質(zhì)評(píng)價(jià)
根據(jù)定國(guó)湖浮游植物多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果,從空間特征來(lái)看,由于定國(guó)湖湖區(qū)面積較小,因此各采樣點(diǎn)污染水平無(wú)明顯差異;但從時(shí)間上看,秋季污染程度較其他3個(gè)季節(jié)相對(duì)嚴(yán)重,其可能與以大型集胞藻為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種的藍(lán)藻暴發(fā)生長(zhǎng)有關(guān)。
CODCr和TN在水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)中占有較高的權(quán)重,是影響定國(guó)湖水質(zhì)狀況的主要污染因子;TN含量在全年波動(dòng)較大,其原因是定國(guó)湖自建的水處理設(shè)施不夠完善,補(bǔ)給水源處理效果差異較大。從空間上看,定國(guó)湖4個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)差別相對(duì)較小,其原因可能是定國(guó)湖面積較小,且封閉性較強(qiáng),湖水在風(fēng)力擾動(dòng)下混合較均勻。定國(guó)湖與北京什剎海三海、沈陽(yáng)北陵公園內(nèi)湖泊、江門(mén)東湖等其他存續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的城市湖泊對(duì)比發(fā)現(xiàn),定國(guó)湖內(nèi)源污染較小,外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的匯入是影響定國(guó)湖水質(zhì)的主要原因[22-24]。此外,定國(guó)湖建成后人為活動(dòng)的干預(yù)也是影響定國(guó)湖水質(zhì)變化的原因。
依據(jù)浮游植物多樣性指數(shù)對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)的結(jié)果與依據(jù)水體理化指標(biāo)對(duì)水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果存在一定差異,且多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果好于水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,其原因可能是,定國(guó)湖水體中有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽含量相對(duì)較高,但湖中放養(yǎng)了大量魚(yú)類(lèi),有效控制了藻類(lèi)的生長(zhǎng),這與朱為菊等[15]對(duì)滴水湖的研究結(jié)果一致。綜合浮游植物多樣性指數(shù)與水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,定國(guó)湖水質(zhì)處于輕度污染水平。
根據(jù)調(diào)查結(jié)果,為了改善定國(guó)湖水質(zhì)、防止水質(zhì)惡化,建議定國(guó)湖管理部門(mén)完善水處理設(shè)施,保證水處理效果。建議在夏秋季節(jié)根據(jù)來(lái)水趙定河的水質(zhì),調(diào)整補(bǔ)給定國(guó)湖的水量和頻率,增強(qiáng)水體流動(dòng)性,改善水質(zhì)。此外,在采樣期間發(fā)現(xiàn)群眾在定國(guó)湖湖區(qū)私自放生魚(yú)類(lèi)、燒烤野炊等現(xiàn)象,建議加強(qiáng)對(duì)周?chē)罕姷男麄鹘逃?,?qiáng)化保護(hù)與管理措施。
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