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        一株產(chǎn)多糖真菌的篩選、鑒定與發(fā)酵條件優(yōu)化?

        2023-12-29 00:00:00王常貴譚智杰張巧毅趙柔黃婷林元山
        湖南農(nóng)業(yè)科學(xué) 2023年2期

        摘 要:以馬鈴薯汁(PDA)培養(yǎng)基為篩選培養(yǎng)基,從自然界枯枝腐木中篩選產(chǎn)多糖真菌,經(jīng)平板初篩、搖瓶復(fù)篩獲得最優(yōu)菌株TL-8,胞外多糖產(chǎn)量達(dá)1.1 g/L。經(jīng)形態(tài)觀察和分子生物學(xué)鑒定,TL-8菌株鑒定為白囊耙齒菌(Irpex lacteus)。在發(fā)酵基本培養(yǎng)基初始條件下,分別以培養(yǎng)條件(如溫度、搖床轉(zhuǎn)速、pH值、發(fā)酵時間等)和培養(yǎng)基成分(如氮源、碳源)作單因素優(yōu)化,并根據(jù)單因素優(yōu)化結(jié)果篩選影響較大的因素進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化,以確定白囊耙齒菌TL-8產(chǎn)胞外多糖的最優(yōu)發(fā)酵條件。結(jié)果表明:在發(fā)酵基本培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上,采用乳糖(12 g/L)和葡萄糖(28 g/L)作復(fù)合碳源,采用酵母膏(6.0 g/L)和豆渣粉(9.0 g/L)作復(fù)合氮源,pH值6.0,搖床轉(zhuǎn)速160 r/min,裝液量為100 mL/250 mL,培養(yǎng)溫度30℃的條件下培養(yǎng)8 d,白囊耙齒菌TL-8的生物量達(dá)15.78 g/L,胞外多糖產(chǎn)量達(dá)5.49 g/L。

        關(guān)鍵詞:" 絲狀真菌;多糖;白囊耙齒菌;搖瓶發(fā)酵優(yōu)化

        中圖分類號:Q93-335 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1006-060X(2023)02-0001-06

        Abstract: Using potato dextrose agar (PDA) as selective medium, a polysaccharide-producing strain TL-8 with a yield of 1.1 g/L"was obtained by re-screening of shaking flask fermentation after initial screening from rotton wood. Through morphological observation, molecular biology identification and phylogenetic tree construction, TL-8 was identified as Irpex lacteus. Based on initial conditions of the basic fermentation medium, its culture conditions (i.e., fermentation time, pH value, shaking speed, and temperature) and medium components (i.e., nitrogen source and carbon source) were optimized and screened by the single factor experiment; furthermore, the chosen parameters were subject to the orthogonal test to determine the optimal fermentation conditions of producing extracellular polysaccharide by strain TL-8. The results showed that the optimal fermentation conditions were: yeast extract 6.0 g/L+

        soybean residue powder 9.0 g/L (mixed nitrogen sources), glucose 28.0 g/L+lactose 12.0 g/L (mixed carbon sources), potassium dihydrogen phosphate 2.0 g/L, magnesium sulfate 1.0 g/L, ferrous chloride 0.2 g/L, pH 6.0, shaking speed 160 r/min, liquid filling volumn 100 mL in 250 mL flask, incubation at 30 ℃ for 8 days, under which the yield of extracellular polysaccharide and biomass by strain TL-8 reached 5.49 g/L and 15.78 g/L, respectively.

        Key words: filamentous fungi; polysaccharide; Irpex lacteus; shaking fermentation optimization

        真菌多糖為天然大分子活性物質(zhì),具有抗氧化、抗腫瘤、抗病毒、抗疲勞、消炎、降血糖、降血壓以及免疫調(diào)節(jié)功能[1-3]。銀耳、香菇、平菇、靈芝、猴頭菇、茯苓、桑黃等大型真菌多糖得到廣泛深入研究[4-6]。與DNA、蛋白質(zhì)等直鏈大分子相比,真菌多糖的組分及結(jié)構(gòu)復(fù)雜,有支鏈特性,且分子量極大。目前,人們對真菌多糖大分子生物學(xué)特性及多樣性的認(rèn)識還不全面,真菌多糖的獲取途徑主要為野生采摘提取、栽培后提取、液體深層發(fā)酵制備、人工化學(xué)合成等。其中,液體發(fā)酵可以在短時間內(nèi)獲得真菌多糖[3]。為了探索真菌多糖的多樣性,筆者從自然界篩選了產(chǎn)多糖的真菌,擬通過液體發(fā)酵探索制備真菌多糖的可行方案。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        供試培養(yǎng)基及配方如下。(1)篩選培養(yǎng)基:馬鈴薯汁(PDA)培養(yǎng)基,121℃滅菌25 min,冷卻至60℃左右,再加入1.0 g/L硫酸鏈霉素。(2)斜面培養(yǎng)基:PDA斜面,121℃滅菌25 min。(3)發(fā)酵基本培養(yǎng)基:酵母膏1.0 g,葡萄糖2.0 g,磷酸二氫鉀0.2 g,硫酸鎂0.1 g,氯化亞鐵0.02 g,蒸餾水100 mL,裝入250 mL錐形瓶,自然pH值,8層紗布夾心棉封口,121℃滅菌25 min。培養(yǎng)基材料均為市售。

        主要試驗(yàn)試劑:工業(yè)酒精、硫酸、苯酚等常規(guī)試劑,均為國產(chǎn)分析純。

        主要儀器設(shè)備:ZS-BRM振蕩培養(yǎng)箱(浙江華源儀器有限公司)、HSX-250智能恒溫恒濕箱(上海?,攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)、U2000紫外可見分光光度計(jì)(上海佑科儀器儀表有限公司)、SX500滅菌鍋(日本tomy公司)、CR21G離心機(jī)(日本HITACHI公司)、HCF96-IIN超聲波破碎儀(天津歐諾儀器股份有限公司)。

        1.2 試驗(yàn)方法

        1.2.1 樣品采集 在湖南省會同縣鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)竹坡村地界海拔600~800 m的森林中,采集長有小子實(shí)體或白色菌絲的枯枝腐木,用無菌食用菌袋封裝,帶回實(shí)驗(yàn)室于4℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.2.2 菌株初篩 將篩選培養(yǎng)基趁熱搖勻,倒平板,冷卻凝固。取玻璃珠20~30粒,投入250 mL錐形瓶,一并配制無菌生理鹽水90 mL。用無菌小刀將枯枝腐木表層樣品10~20 g削碎,投入預(yù)制無菌生理鹽水中,于200 r/min搖床中震蕩30 min,然后按十倍稀釋法稀釋至10-6。在稀釋度為10-3~10-6的樣品中,分別取0.1 mL涂布平板,每個梯度涂布3~6個平皿,于28℃恒溫培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng)3~6 d,每天至少觀察一次,待菌落直徑大于1.0 cm時,觀察菌落形態(tài)變化,淘汰有色菌落(黑色、綠色、紅色、褐色、黃色等),選取白色絲狀菌落接種至試管斜面,于28℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)至斜面長出菌苔,置于4℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.2.3 搖瓶發(fā)酵復(fù)篩 將初篩斜面接種至發(fā)酵培養(yǎng)基,于28℃震蕩培養(yǎng),轉(zhuǎn)速160 r/min,每天觀察菌絲體生長和發(fā)酵液色澤情況,發(fā)酵培養(yǎng)7 d后用定性濾紙過濾發(fā)酵液,濾液用于胞外多糖提取測定,濾渣用于胞內(nèi)多糖的提取測定。選取胞外多糖產(chǎn)量較大的菌株,進(jìn)一步發(fā)酵,重復(fù)驗(yàn)證3次,篩選最優(yōu)多糖產(chǎn)生菌株。

        1.2.4 菌株胞外多糖的提取 發(fā)酵液濾液在10 000 g條件下高速離心8 min,取上清2 mL,加入工業(yè)酒精6 mL,4℃冰箱醇沉過夜,10 000 g條件下繼續(xù)離心8 min后,棄上清,用濾紙吸去沉淀表面酒精,再用2 mL蒸餾水復(fù)溶沉淀,測定多糖含量,篩選發(fā)酵多糖性能優(yōu)良的菌株。

        1.2.5 多糖的測定 參照NY/T 1676—2008[7]中的方法測定食用菌中粗多糖含量,以葡萄糖為標(biāo)樣,用苯酚-硫酸法測定發(fā)酵液胞外多糖及胞內(nèi)多糖的含量。

        1.2.6 優(yōu)良菌株的鑒定 將發(fā)酵胞外多糖性能優(yōu)良的菌株寄送上海生物工程有限公司進(jìn)行分子鑒定,與基因庫比對構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,確定菌株種屬。

        1.2.7 優(yōu)良菌株發(fā)酵產(chǎn)胞外多糖培養(yǎng)基配方及培養(yǎng)條件的優(yōu)化 在發(fā)酵基礎(chǔ)培養(yǎng)基初始條件下,分別以培養(yǎng)基成分(如氮源、碳源等)和培養(yǎng)條件(如溫度、搖床轉(zhuǎn)速、pH值、發(fā)酵時間等)作單因素優(yōu)化,并根據(jù)單因素優(yōu)化結(jié)果篩選影響較大的因素進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化,確定最優(yōu)胞外多糖的發(fā)酵條件。試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)3次,利用SPSS20軟件進(jìn)行顯著性分析。

        多糖得率的計(jì)算:

        多糖得率(%)=多糖質(zhì)量/培養(yǎng)基總質(zhì)量×100

        菌絲體多糖生產(chǎn)率(%)=多糖含量/菌絲體含量×100

        式中,多糖質(zhì)量和培養(yǎng)基總質(zhì)量的單位均為g,多糖含量和菌絲體含量的單位均為g/L。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 產(chǎn)多糖真菌初篩及搖瓶復(fù)篩結(jié)果

        經(jīng)9批次初篩,用硫酸鏈霉素抑制細(xì)菌的干擾,同時淘汰類似黑曲霉、青霉、木霉、黃曲霉、米曲霉等大量產(chǎn)生有色孢子的絲狀真菌,共獲得71株類似擔(dān)子菌的絲狀真菌。部分初篩結(jié)果見圖1a。從圖1a可知,絲狀真菌初期均為白色菌絲,后期形態(tài)分化為各色菌落。因此,篩選過程中要及時轉(zhuǎn)接斜面,淘汰非目標(biāo)菌株。71株白色絲狀真菌,經(jīng)液體發(fā)酵7 d的復(fù)篩,其中有15株的胞外多糖含量大于0.5 g/L,

        32株介于0.1~0.5 g/L之間,24株幾乎無多糖產(chǎn)生。進(jìn)一步重復(fù)發(fā)酵驗(yàn)證,獲得最優(yōu)菌株TL-8,胞外多糖產(chǎn)量達(dá)1.1 g/L。因此,選取TL-8菌株深入研究培養(yǎng)基配方和發(fā)酵條件,并進(jìn)行鑒定。

        2.2 TL-8菌株的形態(tài)觀察與分子生物學(xué)鑒定

        TL-8菌株純化培養(yǎng)后形態(tài)特征如圖1b所示,菌絲為白色,培養(yǎng)3~4 d菌落直徑為4~6 cm,一般呈三圈圓環(huán),外環(huán)的分生菌絲較平展,中環(huán)略隆起,內(nèi)環(huán)略凹陷;在光學(xué)顯微鏡下,其菌絲偶見鎖狀聯(lián)合,菌絲有隔,直徑1.5~2.5 μm,擔(dān)孢子圓柱狀,透明平滑(圖1c)。TL-8菌株能廣泛利用秸稈纖維、淀粉、糊精、葡萄糖、果糖、乳糖、麥芽糖、蔗糖、阿拉伯糖、木糖等碳源生長;能很好地利用酵母膏、黃豆餅粉、菜籽餅粉、玉米漿、蛋白胨、牛肉膏等有機(jī)氮源生長;而對硫酸銨、硝酸鈉、尿素等無機(jī)氮源的利用較緩慢。在培養(yǎng)基起始pH 值5.0~6.0的環(huán)境下生長繁殖較快;適宜培養(yǎng)溫度為26~34℃。

        經(jīng)ITS測序處理獲得了TL-8菌株遺傳序列,在NCBI進(jìn)行比對并利用MEGA 7構(gòu)建進(jìn)化樹,結(jié)果如圖2所示,TL-8菌株與Irpex lacteus系列菌株遺傳距離最近,這與形態(tài)鑒定結(jié)果也相符,因此TL-8菌株被鑒定為耙齒菌屬(Irpex),推測其為白囊耙齒菌(Irpex lacteus),命名為白囊耙齒菌TL-8(Irpex lacteus TL-8)。

        2.3 培養(yǎng)條件對白囊耙齒菌TL-8產(chǎn)胞外多糖的影響

        以發(fā)酵基本培養(yǎng)基為初始配方,分別進(jìn)行單因素試驗(yàn),考察發(fā)酵時間、培養(yǎng)基初始pH值、搖床轉(zhuǎn)速和培養(yǎng)溫度等條件對白囊耙齒菌TL-8的生物量與多糖得率的影響。

        2.3.1 發(fā)酵時間 由表1可知,白囊耙齒菌TL-8在發(fā)酵3~8 d內(nèi),隨著時間的延長,生物量和胞外多糖產(chǎn)量均呈上升趨勢,發(fā)酵第8天時達(dá)峰值,分別為5.58和1.38 g/L。發(fā)酵第7天的生物量和胞外多糖產(chǎn)量與前6 d相比顯著增加(P<0.05),隨后保持相對平穩(wěn),考慮到時間成本,選擇發(fā)酵時間為7~9 d進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

        2.3.2 培養(yǎng)基初始pH值 由表2可知,白囊耙齒菌TL-8在培養(yǎng)基初始pH值為5.5~6.5時均能較好地生長,胞外多糖產(chǎn)量較高,偏離這一pH值范圍,不論生物量還是胞外多糖產(chǎn)量均顯著降低,因此確定發(fā)酵培養(yǎng)基的初始pH值為 6.0進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

        2.3.3 搖床轉(zhuǎn)速 由表3可知,白囊耙齒菌TL-8在搖床轉(zhuǎn)速為160 r/min時,生物量與胞外多糖產(chǎn)量最優(yōu),分別為5.51和1.37 g/L,與其他轉(zhuǎn)速條件存在顯著差異;高于此轉(zhuǎn)速,攪拌槳線速度增加,剪切力顯著增大,可能對菌絲體造成一定損傷;低于此轉(zhuǎn)速,可能溶氧不足,導(dǎo)致菌體生長和多糖合成受阻。因此,確定搖床轉(zhuǎn)速為160 r/min進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

        2.3.4 培養(yǎng)溫度 由表4可知,白囊耙齒菌TL-8在26~34℃條件下均能很好地生長,說明該菌溫度適應(yīng)性較好,其中培養(yǎng)溫度為30℃時,生物量和胞外多糖產(chǎn)量最高,分別為5.63和1.55 g/L,其他溫度條件下產(chǎn)量顯著減少。因此,確定培養(yǎng)溫度為30℃進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

        2.4 單一碳源對白囊耙齒菌TL-8生物量和產(chǎn)胞外多糖的影響

        多糖是由單糖連接的大分子,單糖是微生物重要的碳源。通過變更發(fā)酵基本培養(yǎng)基中的碳源種類(濃度均為20 g/L),獲得最優(yōu)碳源優(yōu)次關(guān)系,結(jié)果如表5所示。其中,乳糖和可溶性淀粉對白囊耙齒菌TL-8的生物量影響最顯著,生物量分別達(dá)6.29和6.14 g/L。乳糖對胞外多糖產(chǎn)量的影響最顯著,達(dá)1.80 g/L;其次是可溶性淀粉和葡萄糖,胞外多糖產(chǎn)量分別達(dá)1.53和1.46 g/L。從單位菌體的多糖生產(chǎn)率來看,乳糖最優(yōu),達(dá)29.33%;其次是葡萄糖和蔗糖,菌絲體多糖生產(chǎn)率分別達(dá)26.88%和25.60%。由于該試驗(yàn)采用的是苯酚-硫酸法測定發(fā)酵液胞外多糖,而該方法不適用添加淀粉和糊精的產(chǎn)品。因此研究也發(fā)現(xiàn),以淀粉為碳源的發(fā)酵液能使碘液變藍(lán),其中仍然有未被完全利用的淀粉存在,導(dǎo)致所測多糖數(shù)據(jù)偏高。由此表明,淀粉作為白囊耙齒菌TL-8培養(yǎng)基的碳源并不是十分理想。

        2.5 復(fù)合碳源對白囊耙齒菌TL-8的生物量與胞外胞外多糖的影響

        盡管試驗(yàn)結(jié)果顯示,乳糖作為白囊耙齒菌TL-8培養(yǎng)基的碳源,其多糖發(fā)酵水平及菌絲體多糖生產(chǎn)率均最優(yōu),但是乳糖的市場價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于葡萄糖?;诖耍撗芯繌某杀竞托б?個方面綜合考慮探討了以葡萄糖和乳糖作復(fù)合碳源進(jìn)行發(fā)酵的可行性。由表6可知,在碳源總濃度為20.0 g/L的前提下,葡萄糖與乳糖的比例為14∶6時,白囊耙齒菌TL-8的生物量與胞外多糖產(chǎn)量最優(yōu),分別達(dá)6.54和2.24 g/L,與其他配比存在顯著性差異,具有協(xié)同提高作用,比單一碳源處理的生物量與胞外多糖產(chǎn)量顯著提高。從表7還可發(fā)現(xiàn),隨著復(fù)合碳源濃度的提高,白囊耙齒菌TL-8的生物量和胞外多糖產(chǎn)量也進(jìn)一步增加,當(dāng)濃度提高到35 g/L時,白囊耙齒菌TL-8的生物量與胞外多糖產(chǎn)量分別達(dá)7.24和2.65 g/L,再繼續(xù)增加復(fù)合碳源濃度,其生物量與胞外多糖也無顯著增加。

        2.6 單一氮源對白囊耙齒菌TL-8產(chǎn)胞外多糖的影響

        氮素是菌體細(xì)胞和產(chǎn)物構(gòu)成的重要元素之一。通過變更發(fā)酵基本培養(yǎng)基中的氮源種類(濃度均為10.0 g/L)獲得氮源優(yōu)次關(guān)系,結(jié)果如表8所示,有機(jī)氮源的效果普遍優(yōu)于無機(jī)氮源。其中,豆渣粉對白囊耙齒菌TL-8的生物量和胞外多糖影響最顯著,生物量和胞外多糖產(chǎn)量分別達(dá)到7.20和1.46 g/L;豆粕粉雖然也能較好的提高生物量,但其胞外多糖產(chǎn)量顯著低于豆渣粉和酵母膏。酵母膏作為氮源,雖然對生物量的影響不如豆渣粉和豆粕粉,但其對胞外多糖產(chǎn)量的影響僅次于豆渣粉,而且其多糖菌體生產(chǎn)率為最優(yōu),達(dá)24.37%。因此,研究進(jìn)一步探討了酵母膏和豆渣粉作復(fù)合氮源的可行性。

        2.7 復(fù)合氮源對白囊耙齒菌TL-8生物量與胞外多糖產(chǎn)量的影響

        以酵母膏和豆渣粉作為復(fù)合氮源,進(jìn)一步優(yōu)化不同比例復(fù)合氮源(總含量為10.0 g/L)對白囊耙齒菌TL-8生物量與胞外多糖產(chǎn)量的影響,結(jié)果見表9。從表9可知,當(dāng)酵母膏與豆渣粉的比例為4∶6時,白囊耙齒菌TL-8的生物量與胞外多糖產(chǎn)量表現(xiàn)較優(yōu),分別達(dá)7.37和2.21 g/L,胞外多糖產(chǎn)量與其他配比存在顯著性差異,具有協(xié)同提高作用,比單一氮源處理的生物量與胞外多糖產(chǎn)量顯著提高。從表10還可發(fā)現(xiàn),隨著復(fù)合氮源含量的提高,生物量和胞外多糖產(chǎn)量也進(jìn)一步增加,當(dāng)復(fù)合氮源濃度為15 g/L時,白囊耙齒菌TL-8的生物量與胞外多糖產(chǎn)量分別達(dá)7.56和2.52 g/L,再增加復(fù)合氮源濃度,其生物量與胞外多糖無顯著增加。

        2.8 白囊耙齒菌TL-8培養(yǎng)條件與培養(yǎng)基關(guān)鍵配方的正交試驗(yàn)

        從單因素分析來看,復(fù)合碳源濃度、復(fù)合氮源濃度以及發(fā)酵時間對白囊耙齒菌TL-8產(chǎn)多糖影響顯著。因此,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)考察這3個要素的協(xié)同作用,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表11。從極差結(jié)果來看,培養(yǎng)條件3因素對白囊耙齒菌TL-8產(chǎn)多糖的影響程度依次為A(復(fù)合碳源濃度)>C(培養(yǎng)時間)>B(復(fù)合氮源濃度)。從K值結(jié)果來看,最佳組合為A3B2C2,即,復(fù)合碳源濃度40.0 g/L,復(fù)合氮源濃度15.0 g/L,培養(yǎng)時間8 d。由于該組合不在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)之列,經(jīng)3次重復(fù)驗(yàn)證,在最優(yōu)組合條件下,即,酵母膏6.0 g/L,豆渣粉9.0 g/L,葡萄糖28.0 g/L,乳糖12.0 g/L,磷酸二氫鉀2.0 g/L,硫酸鎂1.0 g/L,氯化亞鐵0.2 g/L,pH 值6.0,搖床轉(zhuǎn)速160 r/m,裝液量為100 mL/250 mL,培養(yǎng)溫度30℃的條件下培養(yǎng)8 d,白囊耙齒菌TL-8的胞外多糖產(chǎn)量達(dá)5.49 g/L,生物量達(dá)15.78 g/L。

        3 討論與結(jié)論

        在腫瘤、免疫力下降等多種疾病的治療過程中,真菌多糖都占據(jù)重要的地位,逐漸成為研究熱點(diǎn)之一。目前,對白囊耙齒菌多糖生物學(xué)功能的報道較少。研究表明,白囊耙齒菌多糖可顯著抑制腎系膜細(xì)胞的增殖[8],還具有促進(jìn)昆明小鼠抗疲勞的功效[9],其抗腫瘤、抗氧化等特性有待進(jìn)一步挖掘。該研究在篩選產(chǎn)多糖真菌的過程中,采用硫酸鏈霉素較好地抑制了細(xì)菌的生長,并根據(jù)“產(chǎn)多糖的大型真菌菌絲及孢子均為白色”這一形態(tài)特征,在生長后期觀察孢子顏色,淘汰了有色孢子的其他真菌,使篩選過程更具有目標(biāo)性,提高了篩選效率,方法切實(shí)可行。趙興紅[10]的研究表明,白囊耙齒菌發(fā)酵的最適合碳源為乳糖,生物量可達(dá)14.31 g/L,這與筆者的試驗(yàn)結(jié)果一致。筆者的試驗(yàn)結(jié)果顯示,在發(fā)酵基本培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上,采用乳糖(12 g/L)和葡萄糖(28 g/L)作復(fù)合碳源,采用酵母膏(6.0 g/L)和豆渣粉(9.0 g/L)作復(fù)合氮源,pH值6.0,搖床轉(zhuǎn)速160"r/min,裝液量為100 mL/250 mL,培養(yǎng)溫度30℃的條件下培養(yǎng)8 d,白囊耙齒菌TL-8的生物量達(dá)15.78 g/L,胞外多糖產(chǎn)量達(dá)5.49 g/L。

        參考文獻(xiàn):

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        (責(zé)任編輯:成 平)

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