细菌冶金工艺矿物学
三类生物冶金微生物菌种的选育及其与矿物作用研究
三类生物冶金微生物菌种的选育及其与矿物作用研究除氧化亚铁硫杆菌能浸出金属硫化矿，其它一些微生物也具有与矿物作用的能力，报道产胞外多糖的硅酸盐细菌胶质芽孢杆菌可以溶解铝硅酸盐矿物，产有机酸的黑曲霉真菌可以浸出氧化矿中的金属元素。
作者在本研究中采用不同的方法分离筛选了以上三种类型的生物冶金微生物，并对它们的培养条件、浸矿生理及其与矿物作用效果进行了研究。
首先富集筛选了江西德兴铜矿、城门山铜矿、广东大宝山铜矿等六处矿坑水中的氧化亚铁硫杆菌，获得6个富集菌株。
通过研究6个菌株的Fe<sup>2+</sup>和S<sup>0</sup>氧化能力，发现不同菌株的氧化活性存在差异，但发现Fe<sup>2+</sup>氧化活性高的菌株S<sup>0</sup>氧化活性也高。
同时发现S<sup>0</sup>培养基中的细菌浓度比Fe<sup>2+</sup>培养基中细菌浓度高。
使用DBS菌株浸出低品位含铁闪锌矿，浸出30d，金属锌的浸出率达到100％；浸出含铁闪锌矿精矿石，浸出率也可达到50％，说明该菌株具有良好的浸矿效果。
研究了氧化亚铁硫杆菌耐干燥、耐高温的抗逆性生理特性。
发现该细菌具有较强的耐干燥能力，但不耐高温，55℃下细菌完全丧失氧化能力。
同时研究了多种因素对氧化亚铁硫杆菌生长活性的影响，发现在Fe<sup>2+</sup>氧化体系中添加0.25％固体物浓度的硫化矿物时，细菌的Fe<sup>2+</sup>氧化速度会降低，细菌生长停滞期延长，浸出液中细菌浓度减少。
当矿浆浓度增大时，由于矿物颗粒的运动及液体流动对菌体的机械损伤加剧，会使细菌的氧化活性进一步下降。
在9K培养基中舔加1％的S<sup>0</sup>时，细菌的Fe<sup>2+</sup>氧化活性也会受到抑制。
矿物加工中生物冶金的应用研究
矿物加工中生物冶金的应用研究在当今的矿物加工领域，生物冶金作为一项具有创新性和潜力的技术，正逐渐引起广泛的关注和研究。
生物冶金，简单来说，就是利用微生物的作用从矿石中提取有价金属的方法。
这一技术不仅为矿物资源的高效利用提供了新的途径，还在环保和可持续发展方面展现出显著的优势。
生物冶金的原理主要基于微生物的代谢活动。
某些微生物能够通过氧化、还原、溶解等作用，将矿石中的金属化合物转化为可溶的形态，从而实现金属的提取。
这些微生物具有独特的生理特性和代谢机制，能够适应较为恶劣的矿山环境，并在其中发挥重要的作用。
在矿物加工中，生物冶金的应用范围相当广泛。
首先，对于低品位矿石的处理，生物冶金具有独特的优势。
传统的选矿和冶金方法在处理低品位矿石时，往往面临成本高、效率低的问题。
而生物冶金能够有效地从这些低品位矿石中提取金属，提高资源的利用率。
例如，某些嗜酸细菌可以将低品位铜矿中的铜离子溶解出来，为后续的提取工艺创造有利条件。
其次，生物冶金在处理复杂矿石方面也表现出色。
一些复杂矿石中含有多种金属，且金属的赋存状态较为复杂，传统方法难以实现有效分离和提取。
而微生物可以针对不同的金属化合物进行特异性的作用，从而实现复杂矿石中多种金属的分步提取。
再者，生物冶金在处理尾矿和废矿方面也具有重要意义。
尾矿和废矿中通常仍含有一定量的有价金属，但由于含量较低且处理难度大，往往被忽视。
生物冶金技术可以对这些尾矿和废矿进行再处理，实现资源的二次回收，减少环境污染。
生物冶金的工艺流程通常包括矿石预处理、微生物培养和接种、浸出过程、金属回收等环节。
在矿石预处理阶段，需要对矿石进行破碎、磨矿等处理，以增加矿石的比表面积，提高微生物与矿石的接触效率。
微生物的培养和接种则需要根据矿石的性质和所需提取的金属种类，选择合适的微生物菌株，并在适宜的条件下进行培养和接种。
浸出过程是生物冶金的核心环节，微生物在这一过程中与矿石发生作用，将金属溶解出来。
微生物技术在矿物加工工程中的应用
光合自氧硫细菌
这一类群的细菌是厌氧微生物，它们能在光线照射下， 利用还原态的硫化物(如H2S或S0)，去同化CO2。这种 光合作用称为不生氧的光合作用．也就是说，这种光 合作用过程并没有氧气放出，只涉及到一种光系统； 而植物释放氧气的光合作用则要求有两个光系统。在 这一类群细菌的作用下，H2S首先被同化成元素硫S0， 随后．硫再被氧化成硫酸盐： CO2十2H2S→[CH2O]+2S0+H2 O 3CO2十2S0+H2 O→ 3[CH2O]+ 2H2SO4
随堂练习 6
１. 简述微生物的生长曲线的实验测定方法； 2. 简述微生物的培养实验过程； 3. 简述细菌的扫描电镜样品制备方法； 4. 简述测量细菌的红外光谱图的目的； 5. 简述测量细菌表面电位的步骤及计算方法。
微生物技术
在矿物加工工程中的应用
微生物技术在矿物加工工程中的应用
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章
前言 浸矿用微生物 微生物浸矿机理 浸矿流程与浸矿工艺 应用实例
第一章
前
言
资源微生物技术的历史回顾：
矿产资源的微生物技术可以说是随着特贫、特细或有害 元素包裹型矿石的开发利用而问世的。 对贫、细、杂矿石，特别是矿物共生关系特别密切或有 用成分被有害元素或载体矿物所包裹的矿石的开发利用 问题，向磁、重、浮三种常规的选矿方法提出严峻的挑 战，对于这些矿物的浸出，不仅三种常规选矿方法力所 不及，有时就是普通的化学浸出方法也无能为力。
co常见的光合自氧硫细菌光合自氧硫细菌特有特征着色菌属硫螺旋菌紫色硫细菌菌体呈球状杆状和螺旋状等细胞内含有细菌叶绿素为厌氧菌绿色和褐色硫细菌菌体形态多变细胞内含有细菌叶绿素为厌氧菌蓝绿菌细胞内含有细菌叶绿素和藻胆素蛋白质部分为兼性厌氧浸矿用微生物的来源从微生物保存单位购买购进的菌株都是纯种细菌必须经过一段较长的时间的驯化方能适应新的生活环境才能催化浸矿过程
《生物冶金原理与技术》课程教学大纲
课程编号：030421Z1课程名称：生物冶金原理与技术英文名称：Principle and Technology of Biohydrometallurgy学时与学分:32/2先修课程要求：微生物学、资源加工学适应专业：生物工程、生物技术、矿物加工参考教材：1.杨显万，《微生物湿法冶金》，冶金工业出版社，2003年2.《浸矿技术》，原子能出版社，1995年3.杨洪英，《细菌冶金学》，化学工业出版社，2006年4.童雄，《微生物浸矿的理论与实践》，冶金工业出版社，1997年5.魏德洲，《资源微生物技术》，冶金工业出版社，1999年6.杨松荣，邱冠周等《含砷难处理金矿石生物氧化工艺及应用》，冶金工业出版社，2006年7.李宏煦，硫化铜矿的生物冶金，冶金工业出版社，2007年课程简介：微生物冶金是资源加工学（包括生物工程、生物技术、矿物加工）专业的选修课。
主要介绍微生物冶金的基本知识和基本理论，生物冶金的基本理论知识与试验研究方法，生物冶金在矿产工业和环境保护等方面的实际应用以及生物冶金在矿产资源开发利用中的作用。
课程教学大纲：一、课程在培养方案中的地位、目的和任务生物冶金原理与技术是矿产资源加工专业（包括生物工程、生物技术、矿物加工）的选修课。
随着世界范围内矿产资源的大规模开发和常规选冶技术易处理矿石日益减少，复杂难处理矿石的有效利用迫在眉睫。
微生物冶金学即是在这样背景下产生的最前沿的多学科交叉新技术，它涉及矿物加工学、微生物学、分子生物学、湿法冶金学、矿物学、电化学、固体物理、传热传质理论和高等数学等学科知识。
微生物冶金技术是21世纪矿产资源高效利用最具竞争力和最有发展前景的新技术之一。
通过本课程的学习，使学生掌握微生物冶金的基本知识和基本理论，初步掌握生物冶金的基本理论知识与试验研究方法，了解生物冶金在矿产工业和环境保护等方面的实际应用以及生物冶金在矿产资源开发利用中的作用；培养严谨的科学态度、开拓进取的创新精神，提高分析和解决实际问题的能力。
细菌冶金知识总结
细菌冶金细菌冶金是指利用微生物 (细菌、古菌和真菌) 将矿石中有价金属以离子形式溶解到浸出液的过程。
它主要是应用细菌法溶浸低贫矿、难处理矿等。
细菌冶金的原理关于细菌从矿石中把金属溶浸出来的原理，至今仍在探讨之中。
(1)直接作用机理，所谓直接作用就是酶腐蚀金属矿物，即浸矿微生物附着于到矿石表面与矿石中的硫化矿物发生作用，使矿物氧化溶解。
(2)间接作用机理，所谓间接作用机理是浸矿过程中有 Fe3+ 的参与。
间接作用指的是细菌不需与矿物直接接触，由细菌氧化产生的Fe3+对其它元素进行氧化，而不是细菌直接与矿物作用， Fe3+相应被还原为 Fe2+ ，而 Fe2+又在细菌的作用下被氧化为 Fe3+ 。
(3)复合作用机理，所谓复合作用机理就是指在细菌浸出当中，既有细菌的直接作用，又有通过 Fe3+氧化的间接作用。
有些情况下以直接作用为主，有时则以间接作用为主，但两种作用都不可排除。
细菌冶金的工业化技术(1)堆浸法：通常在矿山附近的山坡、盆地、斜坡等地上，铺上混凝土、沥清等防渗材料，将矿石堆集其上，然后将事先准备好的含菌溶浸液用泵自矿堆顶面上浇注或喷淋矿石的表面 (在此过程中随之带入细菌生长所必须的空气) ，使之在矿堆上自上而下浸润，经过一段时间后浸出有用金属。
含金属的浸出液积聚在矿堆底部，集中送入收集池中，而后根据不同金属性质采取适当方法回收有用金属。
回收金属之后的含菌溶浸液经用硫酸调节 pH 后，可再次循环使用。
其特点是规模大、浸出时间长、生产成本低。
(2)槽浸法：矿石槽浸是一种渗滤浸出作业，通常在渗滤池或槽中进行。
矿石粒度比堆浸小，一般为 -3 到-5mm。
槽浸一次装矿数十到数百吨、周期为数十到数百天，浸出率也比较高。
槽浸的工作方式分为连续式与半连续式两种，一般用于大型冶炼厂，矿石需进行预加工，此法的成本比堆浸高，但反应速度快，金属回收率高，控制比较容易。
槽浸的浸出设备是搅拌反应器，反应器的搅拌可通过机械或空气搅拌方式达到。
冶金工艺矿物学 教学大纲
冶金工艺矿物学一、课程说明课程编号：050109Z10课程名称：冶金工艺矿物学/Metallurgical Process Mineralogy课程类别：专业选修课学时/学分：32/2先修课程：工科大学化学适用专业：冶金工程参考教材：1、胡岳华、吕宪俊主编，工艺矿物学，长沙：中南大学出版社，2011年2、周乐光主编，工艺矿物学，北京：冶金工业出版社，2007年3、任允芙主编，冶金工艺矿物学，北京：冶金工业出版社，1996年二、课程设置的目的意义冶金工艺矿物学，作为一门服务于现代工业生产的应用学科，研究内容覆盖到无机材料的多数领域，在矿产资环评价、选矿、冶金等方面，更是有其他学科难以替代的作用。
本课程为冶金工程专业重要的选修课。
通过本课程的学习，使学生具备基本的矿物学理论修养和矿物分析鉴定能力，掌握冶金工艺矿物学特性的研究方法，能够利用工艺矿物学的基本原理和方法分析和解决冶金矿物加工过程的矿物学问题，提高学生的专业素质，为以后从事冶金及相关专业的研究奠定基础。
三、课程的基本要求知识要求：本课程打破了采矿-冶金纵向单一课程内容，将矿物与冶金过程作为一个完整的系统过程，将两者之间的联系进行融合，通过研究工业固体原料与其产物的矿物组成及其分布以及对影响或制约生产工艺运行的矿物性状进行分析，掌握冶金提取过程所涉及的矿物学共性的基本原理和规律，从而对冶金工艺矿物学有一个较全面的了解，为矿物资源的合理利用奠定理论基础。
能力要求：通过该课程的学习，使学生具备基本的矿物学理论修养和矿物分析鉴定能力，并能利用学习的知识分析实际冶金问题，设计实验、分析与解释数据，以获得有效结论，并具备一定的设计解决方案以解决问题的能力。
素质要求：学生通过课程整体学习，培养科学研究与思维技巧，提高团体合作意识，提升自主学习和终身学习的意识，形成不断学习和适应发展的素质。
四、教学内容、重点难点及教学设计注：实践包括实验、上机等五、实践教学内容和基本要求无实践教学安排六、考核方式及成绩评定本课程期末集中考核采用笔试进行，平时成绩采用课堂考勤、课外阅读、作业测评、平时测试、课内讨论等方式考核。
微生物冶金概述
生物冶金细菌学研究进展
最初是由Colmer与Hinkel，分离
a
b
c
得到了氧化亚铁硫杆菌（T.f），拉
开了生物冶金细菌学的研究。现在
已经发现Acidithiobacillus
ferrooxidans、Leptospirillum
ferrooxidans和Acidiphilium spp
等几十个种属普遍存在于浸矿废水
• 1958年美国用细菌在铜矿中浸出了金属铜，之 后有20多个国家的学者开展了微生物冶金工业 的应用的研究。
• 1966年加拿大细菌浸出铀的研究和工业应用获 得成功，使得应用微生物技术在低品位金属矿、 难浸金矿、矿冶废料、矿冶废料处理等方面的应 用呈现较好的前景。已经实现了铜矿、铀矿、金 矿等一系列矿种的微生物浸出生产。南非、加拿 大、美国、英国先后有工厂投入生产应用。
缩短了建设时间，维修简单方便； • 生产在常压和室温（约为25摄氏度）条件下进行，
不用冷却设备，节约了投资和运营资本； • 生物浸出的废弃物为环境所接受，节约了处理废
弃物的成本，生物浸出的废弃物的预防措施也很 少； • 细菌易于培养，可承受生产条件的变化，对水的 要求也很低，每百万水溶液中可溶解固体物2万份。
中的。
d
e
嗜酸氧化亚铁硫杆菌是目 前生物冶金最有应用价值 的一个种。属革兰氏阴性， 化能自养菌，好氧嗜酸， 主要生长在pH1-3的环境
中。
几种浸矿细菌SEM照片
a：Acidithiobacillus ferrooxidans；b：Acidithiobacillus caldus；c： Acidithiobacillus albertensis；d：Leptospirillum ferrophilium；e： Acidiphilium spp.
细菌冶金学
细菌冶金学细菌冶金学是一门研究微生物（包括细菌）在矿山和冶金过程中的应用的科学领域。
这一领域的研究主要集中在利用细菌来促进矿物的溶解、浸出和浓缩等过程，以提高金属的回收率和降低对环境的污染。
细菌冶金学的主要应用包括：1. 生物浸出：细菌可以促进金属矿石中的金属离子的溶解，并将其转化为可浸出的形式。
这种方法在提取铜、铅、锌、铝等金属方面具有潜力，并且可以降低对环境的影响。
2. 生物降解：细菌可以通过降解废弃矿石、尾矿和冶炼渣等物质中的有害物质，减少其对环境的污染。
例如，在铜冶炼过程中，细菌可以降解含有氰化物和硫酸盐的废物。
3. 生物浓缩：细菌可以通过吸附、吸附和降解等作用来富集金属矿石中的金属离子，从而达到浓缩金属的目的。
这种方法在金矿、铀矿等金属矿的处理中得到了应用。
细菌冶金学的发展带来了很多优势，包括：1. 环境友好：相比传统的冶金方法，细菌冶金学能够减少对环境的污染。
它减少了化学反应剂的使用，也减少了废水和废物的产生。
2. 能源效益：细菌冶金学可以通过利用细菌的生物能源来降低能耗。
这些细菌可以使用废弃物或其他可再生能源作为它们的碳源和能源。
3. 矿物处理的选择性：细菌冶金学可以根据不同的矿石和金属类型，选择特定的细菌来实现不同的处理效果。
这提供了更多的灵活性和选择性，以满足不同矿石处理的需求。
细菌冶金学仍然是一个相对新兴的领域，仍有许多挑战需要克服。
例如，细菌的生长条件和产生的代谢产物可能会对矿石处理产生不利影响。
此外，细菌冶金学在商业化和工业化方面仍面临着一些技术和经济上的挑战。
然而，随着对可持续发展和环境友好方法需求的增长，细菌冶金学有望在矿业和冶金工业中发挥越来越重要的作用。
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2.1.2.4 硫化物的结晶习性
黄铁矿常见的晶型是立方体{100}、五角十二面体{210}和八 面体{111}。在结晶过程一般来说黄铁矿优先形成立方体 {100}，随着结晶，晶体长大，晶型由立方体{100}向五角十 二面体{210}过渡，这反映了晶型与粒度的关系。
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细菌冶金工艺矿物学
2.1.2.4 硫化物结晶习性
(3)表面不均匀性 矿物表面的不均匀性影响了矿物的表面能、活性中心、吸
附性质和吸附能力。从微观的尺度上看，硫化物的表面并不 是光滑平整的理想平面，而是带有突面、弯曲面和台阶。
(4)表面电性
硫化物的细菌氧化作用是电化学过程，硫化物表面电性 的差异使硫化物矿物单独氧化与几种彼此连生的氧化速度和 程度都是不同的。
学性质，诸如化学成分、晶体结构、元素赋存状态等方面 都是很复杂的，对细菌冶金过程起着决定性影响作用。
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2.1.2 矿物特性对细菌冶金工艺的影响
n 2.1.2.1 硫化物的晶体结构 n 在细菌冶金反应过程中硫化物的晶体结构直接
影响着它的电化学行为。
n 研究了磁黄铁矿、黄铜矿以及黄铁矿的细菌浸 出机理，发现矿物浸出速度与矿物电位和晶体 结构有关。
n 在硫化物中的化学成分是相当复杂的，引起硫化物矿物 化学成分变化的主要原因是类质同像代替和机械混入物。
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2.1.2.3 硫化物的表面性质
在细菌冶金过程中，细菌对硫化物的氧化还原反应是在 硫化物矿物表面上发生的，硫化物的表面性质是极其关键 的。
(1)元素的化学态
硫化物表面的化学态决定着硫化物的细菌与硫化物反应 的难易程度。当硫化物表面元素的化学态发生改变时，导 致它的电位随之改变，直接影响了硫化物表面的性质和活 性。
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2.1.2.3 硫化物的表面性质
(2)表面离子、原子团的性质及分布特征 化反硫应化时物其矿生物成中热的不S2同-、，[S导2]2致-、了[A细s菌S]2对-、它[A们sS氧]3化-及强[S度b的S]3差-在异氧。 另一方面，当它们与各种过渡元素化合时，形成的化合物并 不是单一的离子键或共价键，而是将共价键和离子键按一定 的比例分配形成的。
n 结构是指某矿物在矿石中的结晶程度、矿物颗 粒的形状、大小和相互结合关系。（显微镜观 察）
n 构造是指矿物集合体的形状、大小和相互结合 关系。（肉眼观察）
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2.2.1.1 矿石的结构
n 定义指矿石中矿物颗粒的形态、大小及空间分 布上所显示的特征。
n 构成矿石的主要因素为：矿物的粒度、晶粒形 态、结晶程度及嵌镶方式等。
晶体产生的新鲜面的种类、数量与晶体内部构造、晶格能 有关。一般来说，解理面间的键力较弱，晶体沿解理面破裂 的概率最大。不同的面电荷分布不同，其疏水性也不同，硫 化物基团对亲水的氧化亚铁硫杆菌吸附程度也会不同，将会 导致同一种矿物的颗粒上，氧化亚铁硫杆菌有选择性进行吸 附氧化。硫化物表面的表面离子、原子团的性质及离子化程 度、晶格能等因素影响了新鲜面的表面能高低和极性程度， 进而影响细菌对硫化物的吸附与氧化强度。
n （3）他形晶粒状结构 n 是由一种或数种呈他形结晶颗粒的矿物集合体组成。晶
粒不具晶面，常位于自形晶粒的空隙间，其外形决定于 空隙形状。
从含Au量上看，五角十二面体{210}的黄铁矿的含金量高于立 方体{100}的黄铁矿。
从结晶程度上看，载金黄铁矿的自形程度越高，含金量越差， 黄铁矿晶体颗粒越破碎越细小，则含金性越好，金的品位越 高。
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2.2 细菌冶金工艺矿物学
n 2.2.1 矿石的结构和构造
n 矿石的结构、构造说明矿物在矿石中的几何形 态和结合关系。
n 2.1.2.2 硫化物的化学成分 n 研究表明，载金矿物黄铁矿和毒砂晶体中微量元素的含
量明显地受到形成深度和矿石类型的影响。 ①黄铁矿中普遍含As，且随形成深度增加而As降低； ②黄铁矿中Sb的频数在中浅部可达到50％～75％，在深 处仅为5％； ③Au、Ag在黄铁矿和毒砂中随结晶深度加大而减小。
n 矿物的化学成分不是固定的。由于这些微量化学组分的 存在对矿物的性质会产生重大影响。甚至对同一晶体来 说，化学成分也是不均匀的。
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n 有些矿物直接影响细菌生长，这些矿物质主要是从硫化 物矿物溶解的各种离子，如As、Cu、Fe、Zn、Ag、Hg、 Sb、Pb、S、Mn等离子，这些离子的浓度达到一定数量 时，对细菌的产生抑制作用，甚至成为杀菌剂，使细菌 中毒死亡。
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2.2.1.1 矿石的结构
n 常见矿石结构类型： n （1）自形晶粒状结构 n 具有完好的结晶外形，一般是晶出较早的结晶生长力
较强的矿物晶粒，如铬铁矿、磁铁矿、黄铁矿、毒砂等。
n （2）半自形晶粒状结构 由两种或两种以上的矿物晶粒组成，其中一种晶粒是
各种不同自形程度的结晶颗粒，较后形成的颗粒则往往 是他形颗粒，并溶蚀于先前形成的矿物颗粒。
细菌冶金工艺矿物学
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2020/11/17
细菌冶金工艺矿物学
2.1 矿物特性在细菌冶金中的地位
n2.1.1 概述 n细菌冶金工艺过程的主要问题：周期长，影响工艺的因素 多，难于控制。
n问题的实质是参与细菌冶金过程反应的双方——细菌和矿 石中的硫化物都是复杂多变的。
细菌冶金过程反应速度取决于硫化物矿物学性质的观点： 矿石中硫化物是天然结晶形成的，其矿石的工艺矿物
n 例如:
毒砂（FeAsS）有空穴型(p型含砷)和电子型（n型含 硫）两种结构，因此在化学反应中形成不同的晶体结构， 也导致其化学成分不同。
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n 黄铜矿(CuFeS2)的晶体结构就有三种，被称为同 质多像现象。
•温度对晶体结构的影响
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