劉 瑋,徐夢珍,*,王兆印,于丹丹,周雄冬

1 清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點試驗室, 北京 100084 2 河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點試驗室, 南京 210098

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沼蛤(Limnopernafortunei)幼蟲的附著行為特性

劉 瑋1,徐夢珍1,*,王兆印1,于丹丹2,周雄冬1

1 清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點試驗室, 北京 100084 2 河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點試驗室, 南京 210098

沼蛤(LimnopernafortuneiDunker,1857),俗稱淡水殼菜,是一種擴散能力與適應能力都較強的入侵性底棲動物,它對自然環(huán)境與輸水工程的侵入和大規(guī)模附著,不僅會破壞當?shù)氐纳锶郝浣Y構,而且沼蛤成貝在工程內(nèi)穩(wěn)定附著后難以去除,造成重大工程危害。通過試驗研究沼蛤幼蟲的附著行為特性,并利用該特性對原水中的幼蟲進行吸引附著處理,以減少幼蟲進入工程造成污損附著。選用前期研究推薦的沼蛤幼蟲喜好附著的黃麻材料制成的附著排作為試驗材料,設置5組附著排長度工況：1,3,5,6,8 m,在5組流量工況：3.1,5.7,6.7,9.6,12.1 L/s下開展試驗,研究不同附著排長度和流量條件下沼蛤幼蟲的附著行為,以便優(yōu)選出吸附幼蟲的最佳條件。試驗結果表明：①黃麻材料的吸附效果與附著排長度呈正相關關系,材料長度為3—5 m時,吸附率即可達到50%；材料長度為6—8 m時,平均效果為62—76%,最佳吸附率可達93%；②流量過大會降低幼蟲吸附效果,吸附也更不穩(wěn)定；③幼蟲發(fā)育先后經(jīng)歷D型幼蟲、前期殼頂幼蟲、后期殼頂幼蟲、躑行期4個時期,吸附材料對后期殼頂和躑行期幼蟲的吸附效果較前期殼頂幼蟲更好；④附著材料密集布置于較短的長度內(nèi)比稀疏布置于較長的長度內(nèi)更有利于提高附著效果。

淡水殼菜(沼蛤)；入侵；幼蟲；吸附材料；吸附效果

沼蛤(LimnopernafortuneiDunker, 1857),俗稱淡水殼菜、水瓜子,原產(chǎn)于我國南方地區(qū),是一種對環(huán)境適應能力強的入侵性底棲動物,現(xiàn)已經(jīng)廣泛入侵到我國及東南亞國家的淡水河湖、水庫中[1],在南美的阿根廷、巴西等國家也發(fā)生了比較嚴重的沼蛤入侵[2]。沼蛤成貝營固著性生活,移動范圍有限,其種群的擴散主要是依靠幼蟲隨水流輸移完成的[3-4]。其幼蟲浮游在水中,先后經(jīng)歷D型幼蟲、前期殼頂幼蟲、后期殼頂幼蟲、躑行期4個時期,躑行期幼蟲逐漸進入底棲固著階段,并逐漸發(fā)育成成貝[4]。對自然環(huán)境,沼蛤的侵入會迅速改變當?shù)卦猩锶郝浣Y構,減少物種多樣性,導致物種的退化,甚至滅絕[5]。對輸水工程,沼蛤的侵入會引起輸水系統(tǒng)中的沼蛤生物污損,降低輸水效率,增加能耗；造成混凝土保護層的脫落,腐蝕管壁[6]；對于冷卻管等管徑較小的管路還會造成堵塞,引發(fā)生產(chǎn)停止和安全事故[7]；此外對沼蛤的清除也會損害混凝土保護層[8]。沼蛤入侵的防治已經(jīng)成為一個世界性難題,一旦沼蛤成功侵入一個水體,則很難有效清除它們,因此阻止其入侵至關重要[9],研究表明對沼蛤幼蟲的控制是阻止沼蛤入侵的最有效手段之一[4]。

本研究基于安徽省滁州市的瑯琊山抽水蓄能電站中沼蛤生物污損的工程背景。該電站以日調(diào)節(jié)方式承擔安徽電網(wǎng)調(diào)峰填谷和事故備用任務。電站主要設施包括上庫、下庫和抽水發(fā)電機組以及相關的水道工程,下庫是滁州市的飲用水源[10]。由于沼蛤幼蟲個體微小,隨水流自由遷移,進入該電站的直徑只有4 cm的冷卻水管系統(tǒng)造成堵塞,影響電站的安全運行。本文著眼于研究沼蛤幼蟲的附著行為特性,并利用該特性對原水中的幼蟲進行吸引附著處理,以減少沼蛤幼蟲進入工程造成污損附著。前期研究表明,沼蛤對不同材質的附著基具有不同的選擇性,本研究中選用對幼蟲吸附性良好的黃麻材料來進行附著試驗[11-12],研究幼蟲的附著行為表現(xiàn)與附著材料的長度、水流流量等的關系,為設計和優(yōu)化吸引沼蛤幼蟲附著、減少其進入冷卻水系統(tǒng)的裝置提供參考。

1 研究方法

1.1 實驗布置

試驗池建立在瑯琊山抽水蓄能電站下庫庫區(qū),通過兩臺潛水泵為整個試驗池供水,試驗池結構與采樣點設置如圖1a所示。為了控制進口流量和水流摻混,兩臺潛水泵分別在兩個進水口處供水,在前池穩(wěn)定水流后,再經(jīng)過進口堰流遍整個附著池,最終從排水口直接排出。進口堰、排水堰與排水口結構如圖1b和圖1c。在附著池內(nèi)安放附著排,在不同位置設置采樣點,圖1a中1—6即設置的采樣點,在這些樣點處采集水樣,檢測其中的幼蟲密度,代表此時該斷面處的幼蟲密度。其中樣點1的幼蟲密度指示原水中的幼蟲密度,樣點2的幼蟲密度指示原水經(jīng)過1 m附著材料吸附后的幼蟲密度,其它采樣點的意義可依此類推。試驗采用黃麻材質制作附著排,尺寸為65 cm×100 cm (圖1d)。將附著排按照圖1a中所示的方式布置在附著池內(nèi),每一排材料稱為一段,因此在試驗中,材料長度(m)=材料段數(shù)×1。布置材料時,原則上是在不堵水的前提下,每段布置附著排越多越好,在本試驗中,多次試水調(diào)整后每段安放15塊附著排。

圖1 附著池結構及采樣點設置示意圖Fig.1 Structure sketch of experimental flume and sampling sites

1.2 實驗方法

(1)采樣與數(shù)據(jù)處理 采用孔徑48 μm的300目浮游生物網(wǎng)在圖1a中各采樣點分別采集水樣0.12 m3,收集浮游生物網(wǎng)過濾的濾液約15 mL,濾液裝入50 mL樣品管中。將樣品管放在試管架上靜置,待沼蛤幼蟲充分沉降后,用吸管緩慢吸出上清液直至剩余2.5 mL底液。將全部底液分批加在1 mL浮游生物計數(shù)框中,在光學顯微鏡(上海光學儀器一廠XSP- 44X.9)下檢查[13],通過SmartV Camera圖像采集系統(tǒng)對幼蟲進行顯微成像,同時分別統(tǒng)計幼蟲的死亡個體、D型幼蟲、前期殼頂幼蟲、后期殼頂幼蟲、躑行期個體的數(shù)量,后期可利用MIVNT圖像分析軟件獲取幼蟲尺寸[4]。在水體中的所有沼蛤幼蟲的密度,包括所有死亡個體和活體,稱為幼蟲的總體密度。其中,活體幼蟲包括全部活體的D型幼蟲、前期殼頂幼蟲、后期殼頂幼蟲、躑行期個體。理論上,從采樣開始時到檢查結束時,采集的樣本是不應該發(fā)生任何變化,但在實際試驗過程中,隨著試驗的進行,幼蟲的活體密度略有降低。因治理主要針對的是活體幼蟲,為了提高分析結果的可靠性,分析時綜合考慮幼蟲的總體密度和活體密度這兩個指標。

(2)獨立附著試驗 控制單一變量,即控制附著材料長度不變,以試驗池進水流量3.1,5.7,6.7,9.6,12.1 L/s分別來進行試驗；或控制流量不變,以附著材料的長度1,3,5,6,8 m分別來進行試驗,研究附著試驗在不同流量,不同附著材料長度下的不同表現(xiàn)。如在進行附著材料長度為3 m的獨立試驗時,即在如圖1中樣點1和樣點3處采樣,暫時去除樣點3下游的附著排,如此即可排除下游附著排的影響。在這些不同的條件下分別進行獨立附著試驗并記錄試驗結果,每個工況下的獨立附著試驗至少重復3次以排除隨機誤差的影響,根據(jù)附著材料上下游幼蟲密度的變化來分析吸附效果。附著材料的吸附率定義為水體經(jīng)過試驗段后,幼蟲密度降低的百分比：

吸附率(%)=(ρ上游幼蟲-ρ下游幼蟲)/ρ上游幼蟲×100%

(1)

(3)沿程分布試驗 為了分析吸附排對幼蟲吸附的沿程效果,將附著材料長度設置為最長(8 m),然后逐段進行取樣,即依次圖1a中所指示的1,2,3,4,6這5個樣點處的水樣,據(jù)此分析幼蟲密度在附著材料中的沿程變化。沿程分布試驗的工況安排是在流量為5.7 L/s時進行3次試驗,然后再在流量為3.1、6.7 L/s分別進行2次、1次試驗以作驗證。

(4)附著材料布置 在材料數(shù)量相同的前提下,簡單測試附著排布置密集程度對吸附效果的影響。將8段的附著排的最后4段均勻打散排列為8段,以將長度為8 m(密集布置)的附著材料區(qū)域延伸為12 m(稀疏布置)。采集原水中及經(jīng)過所有附著材料后的水流中的水樣,分析比較相同數(shù)量的材料密集布置和疏松布置對吸附效果的影響。在進水流量3.1,6.7,9.6,12.1 L/s這4個流量工況下各進行6組重復試驗。

(5)附著的不穩(wěn)定性 為了驗證幼蟲,尤其是早期階段的幼蟲在材料上的附著具有不穩(wěn)定的特性,特根據(jù)現(xiàn)場條件采用幼蟲密度幾乎為0的原水流過已吸附了幼蟲的附著材料,來進行其他條件與獨立附著試驗相同的“沖刷試驗”,觀察“沖刷”后下游幼蟲的分布情況。對原水及附著材料上、下游的水流進行采樣,分析幼蟲密度極低的水流經(jīng)過附著材料后水體中幼蟲密度的變化。本試驗進行3次重復試驗。

2 結果及討論

2.1 黃麻材料長度和水流流量對沼蛤幼蟲附著的影響

分別控制流量和吸附材料長度的條件下,分析經(jīng)過吸附排吸附作用后上下游總體密度和活體密度的變化(圖2),結果一致表明：(1)相同試驗流量下,不同長度的附著材料對幼蟲的吸附效果不同,材料長度與吸附效果關系的總體趨勢是：在同一流量下,隨著吸附材料的延長,上下游幼蟲密度降低也明顯,即吸附效果明顯提高。具體表現(xiàn)為：材料長度為1 m時吸附效果較差(上下游密度平均值相當,下游密度平均值較上游降低31%),3—5 m時效果尚可(下游密度平均值較上游降低55%—56%左右),6—8 m效果較好(下游密度平均值較上游降低62%—76%,最佳時達到93%)。(2)而在相同的材料長度情況下,流量對吸附效果也有一定的影響,當流量過大時(在本試驗中為12.1 L/s),幼蟲密度最高吸附率和平均吸附率都普遍低于其他低流量組。說明當吸附材料長度不足或吸附池流量過高流速過快時,幼蟲還未來得及吸附到材料上就被水流帶出附著區(qū)域,或者吸附十分不穩(wěn)定極易從吸附材料上脫落導致吸附失效。徐夢珍等[11-12]的研究也認為沼蛤在粗布上的早期附著是不穩(wěn)定的。

2.2 不同發(fā)育階段沼蛤幼蟲的附著效果

沼蛤幼蟲的發(fā)育經(jīng)歷變態(tài)過程,不同發(fā)育階段的幼蟲具有不同的特點,Dos Santos、Darrigran、中國科學院水生生物研究所管道小組等學者對沼蛤幼蟲的發(fā)育階段有不一致的劃分[8]。于2010—2012年在廣東省惠州市西枝江,2014—2015年在安徽省滁州市瑯琊山抽水蓄能電站下庫,長期觀測原水中沼蛤幼蟲的分布,觀測結果與Dos Santos[14]的研究基本一致。原水中沼蛤幼蟲的發(fā)育主要分為4個階段：D型幼蟲期、前期殼頂幼蟲期、后期殼頂幼蟲期、躑行期[12-14]。幼蟲發(fā)育到后期殼頂幼蟲期結束需要30d左右,其中后期殼頂幼蟲期約持續(xù)10d[15]。各階段結構如圖3所示,其中D型幼蟲期、前期殼頂幼蟲以面盤為游泳器官,營游泳生活,為浮游型幼蟲,附著性較差；后期殼頂幼蟲、躑行期幼蟲面盤逐漸退化,開始以足做爬行運動[16],為底棲型幼蟲,已初步具備主動附著能力,向固著階段發(fā)育,因此附著能力要較前期殼頂幼蟲階段更強[17]。本文定義水樣中底棲型幼蟲在所有活體幼蟲中所占的比例為底棲幼蟲比(benthic larvae ratio),公式為：

底棲幼蟲比=(ρ后期殼頂幼蟲+ρ躑行期幼蟲)/ρ活體幼蟲×100%

(2)

以附著材料上下游水體中底棲幼蟲比為指標,統(tǒng)計不同條件下經(jīng)過附著試驗后,上下游水體中幼蟲發(fā)育階段組成的變化,據(jù)此分析不同幼蟲發(fā)育階段的附著表現(xiàn),結果如圖4。圖4中每個虛線隔開的區(qū)域為一組相同流量不同材料長度情況下的試驗結果：每個流量下5個材料長度梯度,圖中顯示的數(shù)據(jù)是至少3組重復試驗的底棲幼蟲比平均值。各種試驗條件下,附著試驗的整體趨勢是：經(jīng)過附著材料后,水體中底棲幼蟲比明顯降低,即水體中后期殼頂幼蟲及躑行期幼蟲的比例降低,說明后期殼頂幼蟲及躑行期幼蟲在材料上發(fā)生了附著,且相較于浮游型幼蟲底棲型幼蟲更容易發(fā)生附著。隨著附著排長度延長,底棲幼蟲比降低,甚至趨近于0,如試驗組“流量3.1 L/s,材料長度3 m”、“流量3.1 L/s,材料長度6 m”、“流量5.7 L/s,材料長度6 m”、“流量5.7 L/s,材料長度8 m”等工況下,下游底棲幼蟲比為0,下游沒有底棲型幼蟲,即效果最好時水體中的后期殼頂幼蟲及躑行期幼蟲基本都附著在吸附材料上。需指出的是流量過大會抑制幼蟲的吸附效果,如流量為12.1 L/s時在各組試驗中吸附效果均較差,而在9.6 L/s時相對較好,因此在本試驗條件下,流量不宜超過10 L/s。

圖2 不同附著材料長度及不同流量下的吸附效果Fig.2 Attachment efficiency under the different attaching-plate lengths and discharges1m-U:1m-上游 1m-Upstream；1m-D:1m-下游 1m-Downstream,其它依此類推;Length:附著材料的長度 length of attachment material

圖3 不同發(fā)育階段的沼蛤幼蟲及其體長Fig.3 Length of the golden mussel larvae in the different development stages

圖4 附著材料長度對幼蟲發(fā)育階段組成的影響Fig.4 Influence of attaching-plate length on the composition of the different larval stages

2.3 附著試驗中幼蟲密度的沿程變化

如圖5,幼蟲密度整體上隨著附著材料的延長而逐漸降低,即附著材料越長,附著效果越好,這點與之前的獨立附著試驗結果一致。結合圖4、圖5可知,由于不同發(fā)育階段的幼蟲在附著材料上具有不同的吸附表現(xiàn),后期殼頂幼蟲吸附效果比前期殼頂幼蟲的吸附效果要好,吸附也更穩(wěn)定。在圖5中的這幾種情況下,通過8 m附著材料后,下游水中后期殼頂幼蟲的密度都趨近于0,從而進一步證明了附著材料能有效降低水中的底棲幼蟲比。從幼蟲密度在整個附著材料段的沿程變化可以看出,在密度整體降低的趨勢下,密度曲線有一定的波動,尤其是在附著材料長度較小時(如材料為1—2m時),這可能與有些幼蟲附著不穩(wěn)定發(fā)生脫落有關。在圖5中出現(xiàn)的這種附著不穩(wěn)定時幼蟲密度的波動,也解釋了圖2中出現(xiàn)的下游幼蟲密度比上游高的現(xiàn)象。

圖5 幼蟲密度在附著實驗中的沿程分布Fig.5 The variation of golden mussel larval density along distanceTotal,全部幼蟲 total larvae；Alive,活體幼蟲alive larvae；Pre-stage,前期殼頂幼蟲Umbonal veligers；Post-stage,后期殼頂幼蟲Pediveligers

2.4 材料擺放密度對沼蛤幼蟲附著的影響

調(diào)整“8 m密集布置試驗組”為“12 m稀疏布置試驗組”的結果如圖6。不論是從上下游總體密度還是活體密度變化來分析,在各種流量下,當附著排的總數(shù)量一定時,將附著材料“稀疏布置”的試驗效果比“密集布置”的試驗效果要差很多。材料擺放成12 m時,材料之間空隙較大,使得大量水流直接從材料兩旁的水道流走,而沒有與材料發(fā)生接觸,從而減小了幼蟲向材料發(fā)生附著的機會[11]。因此,附著試驗的效果并不僅僅取決于附著材料的長度,斷面上幼蟲接觸附著材料的機會也十分重要。因此在安裝附著材料時需要注意：在達到過水能力要求的前提下,斷面上附著材料的安放密度越高越好。

圖6 材料長度為8 m與12 m時吸附效果的對比Fig.6 Comparison of attachment efficiency for the attaching-plate length of 8 m and 12 m

2.5 穩(wěn)定性測試與有效期

沖刷試驗結果如圖7所示,當上游的幼蟲密度較低時,通過試驗材料后,水體中幼蟲密度不降反增,甚至提高了一個量級。由于原水中幼蟲密度是極低的,因此下游密度的增高是因為附著材料上吸附的部分幼蟲脫落下來,進入水體。由此可見,幼蟲在附著材料上的附著處于一種“動態(tài)過程”中,即幼蟲附著到材料表面后,不一定一直附著在材料上,可能會在水流作用等原因下脫落下來[11],因此吸附率難以達到100%。結合附著試驗對幼蟲發(fā)育階段組成的影響可知,通過附著材料后,相比于浮游型幼蟲,附著的底棲型幼蟲脫落下來的較少。

圖7 沖刷試驗上下游的幼蟲密度對比Fig.7 Comparison of the larvae density of upstream and downstream in the flushing experiment

此外,附著材料的吸附效果具有一定的有效期,隨著黃麻布在水中的浸泡,其吸附效果有下降的趨勢。原因可能有以下幾點：其一,黃麻布在浸泡的過程中,由于水壓的關系,原本蓬松的材質被壓緊,導致相同數(shù)量的布排,在浸泡的過程中,彼此間隔逐漸擴大,造成幼蟲接觸到附著排的機會降低。其二,黃麻布在浸泡的過程中,黃麻表面的孔隙被水中的浮泥粘粒填滿,造成麻布表面十分光滑,不利于沼蛤幼蟲的附著[18]。其三,水壓與浮泥粘粒的共同作用也使包裹在鐵支架上的兩塊布片彼此粘連,造成了與水流的接觸面明顯減小,并進一步加大了附著排之間的空隙,在檢查布排時都可以發(fā)現(xiàn)這些情況。這點與作者團隊在西枝江進行的沼蛤成貝的附著特性研究一致[12]。在本實驗的條件下,由于針對的是幼蟲的附著特性,附著材料的有效期相比控制成貝時,有效期較長,約2周。

3 結論

通過以上試驗對沼蛤幼蟲的附著特性進行研究,作者認為有效提高材料吸附效果、減少水中幼蟲密度的關鍵因素是保證足夠的附著材料長度和控制合適的流量。同時對吸附材料的安裝和使用提出了一些建議。結果總結如下：結合獨立試驗及沿程分布試驗的結果可知,同一流量下,不同長度的附著材料對幼蟲的吸附效果不同,總體上,隨著吸附材料的延長,吸附效果越好,上下游幼蟲密度和底棲幼蟲比降低越明顯。附著材料長度達到6—8 m,吸附效果較好,下游密度平均值較上游降低62%—76%,最佳時達到93%。在相同的材料長度情況下,流量對吸附效果也有一定的影響,當流量過大時,吸附效果會降低。

而在實際工程運行情況下,水流中的幼蟲只會隨水流在工程設備中停留數(shù)小時便隨水流流出,因此其中的浮游型幼蟲來不及發(fā)育為初步具備附著能力的底棲型幼蟲,因而相比于原水中的底棲型幼蟲,浮游型幼蟲對工程造成的威脅較小。本文試驗表明合理布置的吸附排能夠有效吸附水中的底棲型幼蟲,降低進入工程的底棲型幼蟲密度,從而降低工程設備遭受沼蛤污損附著的威脅。最后,在設計吸附設備時,首先應注意,在達到工程輸水量的前提下,附著排宜密集布置;其次,考慮材料的有效期,附加排在使用一段時間后需及時清理和更換,也避免已附著的幼蟲脫落而造成二次入侵。

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Experimental study of attachment characteristics of golden mussel larvae

LIU Wei1, XU Mengzhen1,*, WANG Zhaoyin1, YU Dandan2, ZHOU Xiongdong1

1StateKeyLaboratoryofHydroscienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China2StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,Nanjing210098,China

Golden mussel (LimnopernafortuneiDunker, 1857) is an invasive benthic macroinvertebrate species with high dispersal ability and strong environmental adaptability. It is native to southern China, and its distribution has expanded to northern China, southeastern Asia, and many areas in South America. Its invasion and dense attachment on natural environments and water transfer works not only causes damage to the local bio-community, but also leads to high risk to the works owing to difficulties in removing adult mussels due to their tight attachment to the surface. Consequently, prevention of the entry of golden mussel larvae into the water transfer works has been considered as the most efcient means of avoiding invasion of this species. This experiment studied the attachment characteristics of golden mussel larvae, and proposed measures for attracting the larvae in raw water to attach onto suitable materials. This reduced the density of golden mussel larvae entering into the water transfer works and therefore the attachment density of adult mussels on the water transfer pipelines. Hessian material, which the results of our previous study indicated as a suitable material for golden mussel attachment, was selected and set up into attachment plates for the species. Five different sets of attachment plate lengths (1, 3, 5, 6 and 8 m) and five different discharges (3.1, 5.7, 6.7, 9.6, and 12.1 L/s) were tested to study the influences of the length of attachment material and flow discharge on attaching behaviors of golden mussel larvae. A microscope was applied to observe the larvae with assistance of the SmartV Camera image acquisition system to capture images. The images analysis software MIVNT was used to measure the sizes of the larvae in the captured images. Variation of larval density upstream and downstream of the attachment plates was analyzed and used to indicate attachment efficiency. Optimum conditions of the attachment material length and flow discharge were then determined that would attract larvae to the maximum extent. The experimental results indicated that (1) the attachment rate of golden mussel larvae on the hessian material was positively related to the attachment plate length. Attachment rate reached 50% when the attachment plate length was 3—5 m. The average attachment rate reached 62%—76%, with the highest rate being as high as 93% when plate length was 6—8 m; (2) the attachment rate of golden mussel larvae decreased with increase in flow discharge; (3) the attachment rate of pediveligers and plantigrade veligers on the material was much higher than that of umbonated veligers; (4) dense arrangement of the hessian attachment plates at a short distance was more effective in improving the attachment efficiency than was sparse arrangement at a longer distance.

golden mussel (Limnopernafortunei); invasion; attachment material; discharge; attachment efficiency

國家自然科學基金資助項目(51409146); 中國水利學會“青年人才托舉”項目

2016- 01- 03; 網(wǎng)絡出版日期:2016- 10- 29

10.5846/stxb201601030010

*通訊作者Corresponding author.E-mail: mzxu@tsinghua.edu.cn.

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