ANTEPROYECTO DE TRABAJO DE GRADO I

Título: EVALUACIÓN DEL EFECTO DEPURADOR DE LAS MACRÓFITAS ACUÁTICAS Eichhornia Crassipes y Pistia Stratiotes EN EFLUENTES PISCÍCOLA.

1. Director: Diana Sofía Herazo Cárdenas, Bióloga Marina

2. Estudiante: Leslie Claudia Díaz Bastidas

3. Palabras claves: Biofiltros, residual, recirculación, buchón de agua, lechuga de agua.

4. INTRODUCCIÓN

La definición de acuicultura ha sido muy discutida, una de las definiciones más acertadas es la que dice: “la acuicultura es una biotecnia cuyos métodos y técnicas abarcan el manejo y control total o parcial de los cuerpos de agua y de sus recursos bióticos, con el objetivo de lograr su aprovechamiento socioeconómico, o bien por interés de tipo biológico. (Cifuentes et al. 1999)

La pesca de captura y la acuicultura suministraron al mundo unos 148 millones de toneladas de pescado en 2010 (con un valor total de 217 500 millones de USD). De ellos, aproximadamente 128 millones de toneladas se destinaron al consumo humano y, según datos preliminares para 2011, la producción se incrementó hasta alcanzar los 154 millones de toneladas, de los que 131 millones de toneladas se destinaron a alimento. (FAO. 2012).

Como los ambientes de la acuicultura se mantienen generalmente a un alto nivel de productividad, utilizando aportes externos de energía, tienden a una mayor inestabilidad ecológica y a ser más fácilmente perturbados que los ecosistemas naturales. La polución puede ser causada por residuos agrícolas, domésticos e industriales. La mayoría de los residuos orgánicos biodegradables, en cantidades limitadas solo pueden servir como fertilizantes y colaborar a la productividad de las instalaciones de acuicultura: en este principio se basa el empleo tradicional de residuos humanos y animales en la piscicultura. Los mayores problemas pueden ser causados por descargas excesivas de residuos orgánicos o las de residuos industriales que contienen substancias tóxicas, en aguas dedicadas a la acuicultura. La sobrecarga de nutrientes puede causar una floración de algas, una disminución de oxígeno, una turbiedad creciente y otros cambios en la calidad del agua, todo la cual puede afectar negativamente la producción acuícola y originar una mortandad a gran escala en el stock en cultivo (FAO, 1984).

5. JUSTIFICACIÓN

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La acuicultura es una actividad que ha crecido con el paso de los años y se ha proyectado como una actividad prometedora y una posible solución al problema de hambre en el mundo. "Acuicultura en el Tercer Milenio" es el resultado de la Conferencia sobre Acuicultura, celebrada el mes de febrero del 2000 en Bangkok, y representa el análisis más complejo y autorizado sobre la situación del desarrollo de la acuicultura en el mundo efectuado hasta la fecha. En él, La FAO reconoce la importancia de la acuicultura en la seguridad alimentaria en todo el mundo, sin embargo a raíz de este crecimiento se ha venido hablando de “acuicultura sostenible” con el fin de seguir disfrutando los recursos productivos que hacen de esta actividad sea posible.

Uno de los mayores problemas de la producción acuícola es el aumento de materia orgánica producida por las excreciones de los peces, por el alimento y por las prácticas alimentarias no consumido y por otros insumos adicionados en los estanques de cultivo. El agua que sale del estanque (efluente) va hacia una fuente natural, generando variaciones como disminución en la concentración de oxígeno (OD), aumento en la concentración de sólidos en suspensión (SST), aumento en la demanda biológica de oxígeno (DBO), aumento en la demanda química de oxígeno (DQO), formas de nitrógeno y fósforo, crecimiento exagerado de algas, eutroficación (Pardo et al. 2006).

Es necesario tratar los efluentes piscícolas para evitar la contaminación de fuentes de aguas naturales como los ríos, ya que esta contaminación causa enfermedades, deformaciones genéticas, e incluso mortandades de los posibles organismos a cultivar para el consumo humano. En este caso; aplicando las macrófitas acuáticas buchón y lechuga de agua como depurador de efluentes.

Este posible mecanismo natural de biofiltros es una alternativa de bajo costo y accesible gracias a la biodiversidad de estas macrofitas ya mencionadas para el principal problema de la acuicultura.

7. OBJETIVOS

7.1 OBJETIVOS GENERALES

Evaluar el efecto depurador de las macrófitas acuáticas Eichhornia crassipes y Pistia stratiotes en efluentes piscícolas.

7.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Disminuir los SST (solidos totales en suspensión, MO (materia orgánica), DBO (demanda biológica de oxigeno), DQO (demanda química de oxigeno). Nutrientes presentes en efluentes piscícolas.

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Medir las variables ambientales que intervienen en la calidad del agua. Determinar los efectos de las variables ambientales sobre las macrofitas.

8. MARCO TEÓRICO

Las plantas acuáticas (también llamadas macrófitas o hidrófitos), tienen gran interés biológico desde varios puntos de vista; por su peculiar fisiología, su extraña y elegante anatomía, sus adaptaciones a condiciones adversas (nivel fluctuante de las aguas, principalmente) o su respuesta al ambiente. Su rol en el ecosistema es destacable, ya que no sólo sirven de sustrato o hábitat para comunidades de crustáceos, insectos y gusanos de vida acuática, sino que también intervienen en la alimentación y refugio de peces, aves y animales como el "carpincho" y la "nutria de río" que utilizan los "camalotales" de Eichhornia Crassipes para construcción de "dormideras" o refugios. Estas constituyen la principal vía de entrada de la energía radiante al ecosistema permitiendo la subsistencia de distintas formas biológicas que dependen de la materia orgánica formada en sus tejidos por fotosíntesis. La morfología de las macrófitas flotantes difiere dependiendo de la especie. Por ejemplo, el Jacinto de agua (especie predominante en los sistemas de tratamiento) es una planta perenne de agua dulce, con desarrollo ascendente, de tallo vegetativo sumamente corto, hojas de color verde brillante y espigas de flores de lavanda. Los pecíolos de las planta son elongados y abultados de aire que contribuye a la flotabilidad de la planta (Lallana, 1982).

Fig. 1: Eicchornia crassipes. © JS Peterson. USDA, NRCS. 2013.

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Fig.2 Water lettuce (Pistia Stratiotes) Andromeda Botanic Gardens.

Lechuga de agua es una planta de flotación libre. Como su nombre lo indica, lechuga de agua se asemeja a una cabeza flotante abierta de lechuga. Lechuga de agua tiene las hojas muy gruesas. Las hojas son de color verde opaco a la luz azul-verde, son peludas y son estriadas. No hay tallos de las hojas. Raíces de lechuga de agua son de color claro y plumoso. Sus flores son discretas. Lechuga de agua reproducen vegetativamente por tallos cortos finalistas (estolones) que irradian desde la base de la planta para formar plantas hijas, y también se reproduce por semillas. Los procesos que tienen lugar para la depuración de contaminantes con macrófitas flotantes se dan a través de tres mecanismos primarios:

• Filtración y sedimentación de sólidos.• Incorporación de nutrientes en plantas y su posterior cosechado.• Degradación de la materia orgánica por un conjunto de microorganismos facultativos asociados a las raíces de las plantas; y en los detritos del fondo de la laguna, dependiendo del diseño (Martelo & Lara, 2012)Durante la etapa de crecimiento, las macrófitas absorben e incorporan los nutrientes en su propia estructura y funcionan como sustrato para los microorganismos que promueven la asimilación de estos nutrientes a través de transformaciones químicas, incluyendo nitrificación y desnitrificación. Estos sistemas de tratamiento (acuáticos) se basan en el mantenimiento de una cobertura vegetal de macrófitas flotantes sobre la lámina de agua, y se disponen a modo de estanques o canales en serie, debidamente aislados, en los que discurre el influente. Su diseño contempla la remoción periódica de las plantas.

En la fotosíntesis, las macrófitas flotantes emplean el oxígeno y dióxido de carbono disponible en la atmósfera. Los nutrientes son tomados de la columna de agua a través

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de las raíces, las cuales constituyen también un excelente medio para la filtración/adsorción de solidos suspendidos. El desarrollo de raíces es función de la disponibilidad de nutrientes en el agua y de la demanda de nutrientes por parte de la planta. Por consiguiente, la densidad y profundidad del medio filtrante (raíces), depende en gran medida de factores como la calidad del agua, temperatura, régimen de cosecha, etcétera (Martelo & Lara. 2012)

Los sistemas acuáticos con macrófitas flotantes, reducen significativamente el paso de la luz solar y restringen la transferencia de gases entre la atmósfera y el agua. Como consecuencia estos sistemas tienden a permanecer libres de algas y en condiciones anaeróbicas, en la medida dada por algunos parámetros de diseño como la carga orgánica, el tiempo de retención, el tipo de especies seleccionadas y la densidad de las mismas en el agua. Pero así mismo, esta condición puede resultar en bajos niveles de oxígeno disuelto en el agua, que eventualmente sería útil para sustancias que lo demandan; la eliminación microbiana de algunos compuestos tiene lugar gracias al oxígeno que las plantas transportan desde la atmósfera hasta el sistema radicular. Conforme a lo anterior, señalan que la eficiencia en remoción de contaminantes aumenta significativamente en sistemas con aireación y circulación, es decir, en sistemas que operan bajo condiciones aerobias (Martelo & Lara. 2012)

La principal ventaja que ofrecen estos sistemas es la gran superficie de contacto que tienen sus raíces con el agua residual, ya que ésta les baña por completo, lo que permite una gran actividad depuradora de la materia orgánica por medio de los microorganismos adheridos a dicha superficie o por las propias raíces directamente. No obstante, la acumulación de bacterias en las raíces de las macrófitas, puede convertir la biomasa en una fuente de contaminación, en cuyo caso se requiere un manejo cuidadoso de la cosecha. Otra gran desventaja de los sistemas con macrófitas flotantes es la capacidad limitada de acumular biomasa, por lo que se deben hacer retiros periódicos de la misma para permitir el crecimiento de las plantas, y esto encarece el proceso en lo que a mano de obra se refiere. Otra desventaja es la proliferación de mosquitos como vectores transmisores de enfermedades, lo que condiciona la ubicación de los sistemas lejos de centros poblados (Martelo & Lara, 2012).

ANTECEDENTES

La efectividad de las macrófitas flotantes en la depuración de aguas residuales con contenidos de materia orgánica y nutriente ha sido estudiada por varios autores. Para el año 1973 en la Universidad de la Florida, Harvey y Fox ensayaron con Lemna minor en la remoción de nutrientes, obteniendo resultados de 89 % y 67 % para nitrógeno y

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fósforo respectivamente. Dos décadas después, Rodríguez, et al en martelo, Adelantan en Cuba un estudio comparativo de la capacidad depuradora de cinco especies de macrófitas flotantes. Los resultados demostraron buenas eficiencias en la remoción de este tipo de contaminantes. También se observó una importante influencia del tamaño de la planta y de su sistema radicular en la remoción de los contaminantes. Por su parte Nahlik. (2006) en Martelo, A través de la implementación de cinco sistemas de tratamientos dominados por macrófitas flotantes, compararon los desempeños en remoción de materia orgánica y nutriente en la cuenca del río Parismina al este de Costa Rica. Los niveles de amoníaco y fosfatos fueron reducidos hasta en un 92 %. Para el mismo año se publicó el trabajo de Zimmels, Kirzhner, y Malkovskaja , donde se estudió a escala piloto el comportamiento de dos macrófitas flotantes (Eichhornia crassipes y Pistia stratiotes) en la disminución de la demanda biológica de oxigeno -DBO-, demanda química de oxigeno -DQO-, turbidez, y solidos suspendidos totales -SST- del agua residual urbana en Israel. Los resultados indicaron que en términos de estos parámetros, el efluente cumple con los estándares para el uso en sistemas de riego. Por otro lado, en el 2004, evaluaron además de la disminución de contaminantes comunes, el comportamiento de variables fisicoquímicas a lo largo del tratamiento de aguas residuales provenientes de un digestor anaerobio de un efluente lechero. Las especies de macrófitas empleadas fueron Pistia stratoties, Eichhornia crassipes, e Hydrocotyle umbellata. Wilkie et al. (2004) en Martelo. Los filtros de macrófitas en flotación -FMF- se implementaron en el año 2002 como proyecto pionero concedido por la Comisión Europea al Ayuntamiento de Lorca, España. Esta novedosa alternativa fue desarrollada por la Universidad Politécnica de Madrid y empleada posteriormente en experiencias en África, Estados Unidos y varios países europeos.

Para el 2004, se intentan elucidar los procesos con macrófitas flotantes intervinientes en la conservación de humedales en Sudamérica, encontrando que la densidad de coberturas vegetales con estas macrófitas tiene una incidencia directa en la turbidez del agua, asociada a sólidos suspendidos y comunidades Fito planctónicas, que a su vez propicia el desarrollo de comunidades de macro invertebrados, que encuentran soporte en las raíces de las plantas, y constituyen una fuente fundamental de alimento para peces y aves, jugando un papel importante en la ocurrencia y distribución espacial de estos. Estudios profundos en esta área aún no se desarrollan.

En 1996 se desarrolla el primer antecedente con macrófitas flotantes en Colombia registrado por la literatura; se determinó la efectividad de la Eichhornia Crassipes en la depuración de aguas residuales en zonas cálidas del valle Sinuano del departamento de Córdoba. Los resultados obtenidos reflejan una remoción altamente significativa en términos de las variables analizadas (Flórez et al. 1996) Luego, para el 2002, en la Universidad del Valle (Cali, Colombia), a escala laboratorio se evaluó la remoción de

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hierro en diferentes concentraciones por medio de la Lemna spp., arrojando como resultado que a mayores concentraciones la remoción disminuye, debido, posiblemente a procesos de saturación (Barba, 2002).

El tratamiento de los efluentes acuícolas se hace generalmente a través de construcción de humedales artificiales con plantas acuáticas. Lin et al. 2005 en Pardo, et al. 2006. Demostraron que estos sistemas pueden remover entre el 55 al 66% de los sólidos suspendidos, un 37 a 54% de DBO5, entre un 64 a 66% del amonio y 83 a 94% del nitrito del efluente producido por un cultivo de camarones. Humedales artificiales del 25% del tamaño del estanque y de dos días de retención de agua mejoran significativamente los parámetros de calidad de agua de producción de bagre de canal, reteniendo y asimilando nutrientes disponibles, siendo efectivos en la reducción de poluentes, incluso dejando el agua en mejores condiciones que la del afluente.

9. MATERIALES Y MÉTODOS

Para la evaluación de efecto depurador de Pistia Stratiotes y Eichhornia Crassipes se sembrarán ejemplares de estas macrofitas en dos estanques del CINPIC, el cual, es el primer Centro Investigativo de la región y uno de los pioneros en Colombia en dedicarse al estudio de las especies reofílicas propias de nuestras cuencas hidrográficas (García 2006).

Estos estanques tienen un área alrededor de 600 m2 con una profundidad de 1.50 m aproximadamente los cuales hayan sido destinados para engorde de algunas de las especies que se cultivan en el centro de investigaciones piscícolas. Los estanques están provistos de una capa impermeable para evitar la percolación del agua contaminada al subsuelo, utilizando geomembrana de 20 cm de espesor, por tanto no será necesario desinfectar el estanque.

Se recolectará ejemplares de buchón de agua y lechuga de agua del medio natural en Montería, a las cuales se les medirá el peso húmedo con una balanza analítica. El número de ejemplares a utilizar de buchón de agua será de 5 kg/m2. De igual forma, para la lechuga de agua se utilizará una misma densidad de 5 kg/ m2. Se monitoreará por 24 semanas (6 meses) Se espera que al cabo de cuatro (4) meses se dupliquen en biomasa según (González & Lara, 2010) las macrofitas tienen un crecimiento optimo acelerado lo cual facilitara el cubrimiento total de la superficie de espejo de agua de los estanques, y así mismo una remoción más eficiente.

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Como el CINPIC no cuenta con un sistema de recirculación, la descarga del efluente del estanque hacia los estanques de pruebas se hará con moto bomba. El sistema de biofiltros es similar a un humedal artificial superficial, sin embargo, el paso del agua tratada hacia a otro estanque para su reutilización se deberá hacer con la ayuda de una motobomba ya que el terreno no tiene pendiente la cual facilite el transporte del agua por gravedad.

Fig. 3: Recolección de macrófitas (Benítez, 2008)

Una vez recolectados se colocarán en algunas piletas para su aclimatación y posterior siembra. Previamente se realizará un análisis físico químico y de calidad de agua al efluente. Se determinara las cualidades depurativas de la lechuga de agua y el buchón de agua Eichhornia Crassipes, y para poder evaluar la biorremoción se deberán identificar a través de análisis de sólidos totales en suspensión (SST), materia orgánica (MO), demanda biológica de oxígeno (DBO), demanda química de oxígeno (DBQ), nitrito (NO2-) y nitrato (NO3-), Fosforo total (P) Y temperatura (T°).Entre las limitaciones de los sistemas con macrófitas flotantes se encuentra la capacidad limitada de acumular biomasa. Esto obligara a hacer retiros periódicos de las mismas para permitir el crecimiento de las plantas emergentes, y optimizar la captura de algunos componentes del efluente.

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Fig. 4: Esquema de sistema con especies flotantes. (Fernández, 2000)

9.1 Tipo de estudio: este es un estudio de tipo investigativo. El cual consta de dos fases una de trabajo de campo y una de laboratorio.

9.2 Tipo de muestreo y cálculo del tamaño de la población:

Las plantas se extraerán del medio natural se aclimataran y medirá el peso húmedo con una balanza analítica. Se utilizaran un total 5kg de plantas por metro cuadrado, para un total 3000 kg de buchón y 3000 kg de lechuga de agua. Se espera que en menos de cuatro meses alcancen una cobertura vegetal del 100%. González et al. (2010). La velocidad de crecimiento de las plantas se determinará semanalmente por diferencia de peso. Los análisis efectuados a las muestras de las aguas se realizaran según los métodos estándares (APHA, 1985).

9.3 Localización: La investigación se realizará en el Centro de Investigación Piscícola

de la Universidad de Córdoba (CINPIC),localizado en el municipio de Montería

(Córdoba), con coordenadas geográficas de 8° 48’ de Latitud Norte y 75° 22’ de

Longitud Oeste, con una altura de 15 metros sobre el nivel del mar y valores anuales

promedios de temperatura de 27.5º C, humedad relativa del 85% y precipitación

promedio anual de 1100 mm que se distribuye asimétricamente en dos períodos, uno

lluvioso, durante el cual cae alrededor del 85% del total de la precipitación anual; y uno

seco comprendido entre los meses de diciembre a marzo.

9.4 Métodos e instrumentos de recopilación de datos

TOMA DE PARáMETROS FíSICO-QUíMICOS

Se realizará tres veces por semana un muestreo al agua. Haciendo una lectura de oxígeno disuelto (OD), y T° al efluente antes de la siembra y una semana después de

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la siembra de las macrofitas en cada uno de los dos estanques una vez al día de 8:00 – 10:00 am con oxígeno digital YSI (Yellow Springs Instruments,) calibrados de acuerdo a las instrucciones del fabricante, a una profundidad media de 25 cm aproximadamente con entrada de efluente al sistema. Y se medirán en campo los parámetros físicos químicos con un equipo HACH.

ANÁLISIS DE LABORATORIO Además de medir los parámetros con el equipo HACH, se deben corroborar estas mediciones con análisis de laboratorio. Para los análisis de laboratorio, se tomarán muestras de agua una vez por semana en el horario establecido, se usaran botellas tipo ámbar previamente esterilizadas con capacidad de 2 litros y para la medición de parámetros químicos se usaran botellas Schott de 250 ml para las muestras microbiológicas las cuales serán empacadas y llevadas al laboratorio IRAGUAS de la universidad de córdoba donde se determinará la DBO5 demanda bioquímica de oxígeno a través del método de incubación de winkler durante 5 días a 20oC en la oscuridad, solidos totales en suspensión (SST) basado en el método gravimétrico secado a 103oC, nitrógeno amoniacal (NA) realizado por la determinación de nitrógeno total kjeldahl con destilación volumétrica, nitrato (NO3-) usando la técnica 4500 NO3-B espectrofotómetro, fosforo total (P) basado en digestión ácida-ácido ascórbico de acuerdo al APHA (1980).

9.5 Procedimientos de recopilaciónPara la recopilación de la información se tabularan los resultados de los muestreos que se harán tres veces por semana en una tabla.

9.6 Plan de tabulación y análisis

La información inicial se tabulara así:Tabla. 1 Muestreo inicial al efluente antes de la siembra.

DBOMg/l

DBQMg/l

SSTMg/l

NAMg/l

NO3-Mg/l

NO2-Mg/l

PMg/l

T°C

Estanque # 1

Estanque # 2

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Para la tabulación de los resultados obtenidos durante el muestreo que se hará tres veces por semana se tabularan así:

Tabla 2 Recopilación de datos a los 3 primeros meses.

Estanque # 1

MES # 1

S 1

S2 S3

S4 MES#2 S1 S2

S3 S4

MES# 3

S1 S2 S3

S4

DBOMg/lDBQMg/lSSTMg/lNAMg/lNO3-Mg/lNO2-Mg/lPMg/lT°C

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Tabla3. Recopilación de datos a los 3 últimos meses.

Estanque # 2

MES # 4

S 1

S2 S3

S4 MES#5 S1 S2

S3 S4

MES# 6

S1 S2 S3

S4

DBOMg/lDBQMg/lSSTMg/lNAMg/lNO3-Mg/lNO2-Mg/lPMg/lT°C

La evaluación del rendimiento de la remoción del nutriente en los dos estanques se calculara así:

Remoción (%) = (Ci-Cf) x 100/Ci

Donde Ci= Concentración inicial y Cf= Concentración final (Aguilar et al., 2009)

El análisis estadístico se realizara mediante el software STAT GRAPHICS 5.1 (2006) y las variables analizadas serán expresadas como desviación estándar.

10. Aspectos éticos

Al realizar los retiros periódicos de las plantas estas están no se podrían dejar libremente en el entorno por haber captado en sus raíces muchos nutrientes perjudiciales e incluso metales pesados que podrían perjudicar cuerpos de aguas cercanos. En la literatura se han señalado posibles usos para la biomasa, tales como la incorporación como fertilizante en la tierra o compost, a partir de la molienda de estas plantas obtener abono orgánico.

11. Plan de difusión

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Se espera difundir este trabajo de investigación a través de una sustentación del proyecto y posteriormente publicarlo en internet o través de una revista científica como MVZ.

12. Aspectos administrativos

Para llevar a cabo esta investigación deberá tramitarse un permiso por escrito al director del CINPIC el señor Víctor Atencio con el propósito de legalizar la utilización de las instalaciones de este centro y los estanques requeridos para tal investigación.

Cronograma. El tiempo establecido es el siguiente:

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

actividades Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago. Sep. Oct Nov Dic

Revisión de la literatura

Presentación de la propuesta

Toma de la información

Tabulación de la información

Procesamiento de la información

Presentación parcial

Presentación final

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13. Presupuesto

PRESUPUESTO DEL PROYECTO

unidades PRECIOS $equipo HACH 1 1500000

motobomba 1 1000000

Bolsas plasticas

10-20 aprox 20000

cal 6 bultos.30000/cu

180000

geomembrana

12 rollos.11600/cu

6960000

TOTAL $ 8760000

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