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微生物與環(huán)境監(jiān)測

MicrobiologyDepartment.CollegeofResource&EnvironmentSWU.LiYong一、指示微生物指示微生物(indicatormicroorganism)或稱指示菌(indicatorbacteria)是在常規(guī)環(huán)境監(jiān)測中,用以指示環(huán)境樣品污染性質與程度,并評價環(huán)境衛(wèi)生狀況的具有代表性的微生物。主要生物性污染:細菌、真菌、病毒等各類微生物均有。1.細菌總數(shù)細菌總數(shù)(totalbacteriacount):指環(huán)境中被測樣品,在一定條件下(培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)溫度和時間、pH、通氣狀況等)培養(yǎng)后所得的1m1或lg檢樣中所含的細菌菌落總數(shù)。它反映環(huán)境中異養(yǎng)型細菌的污染度,也間接反映一般營養(yǎng)性有機物的污染程度。1.液態(tài)與固態(tài)對象中的細菌總數(shù)天然水體、飲水、飲料等液體物土壤、污泥、堆肥、食品、化妝品、藥品等固態(tài)物,常用傾注平板培養(yǎng)法或平板表面涂布培養(yǎng)法。國家衛(wèi)生標準中規(guī)定:營養(yǎng)肉湯瓊脂培養(yǎng)基,將經(jīng)過一定倍數(shù)稀釋的樣品懸液,定量接種于瓊脂培養(yǎng)基平板,或傾注混勻,或表面均勻涂布;在有氧條件下,37℃培養(yǎng)48h觀察平板上菌落生長結果。平板暴露沉降法:采用直徑9cm平皿,將營養(yǎng)瓊脂平板在1.2m高處暴露5min,37℃培養(yǎng)48h,計數(shù)生長菌落數(shù)。測定的結果不是十分準確。經(jīng)濟方便,有實用價值。儀器法中以固體撞擊式采樣器多用。結果:采用個/m1為單位來表示cfu(colonyformingunit)表示:指單位體積、單位表面積或單位質量檢樣中的菌落形成單位。細菌總數(shù)的衛(wèi)生標準

對象樣品細菌總數(shù)/(cfu/ml或g)霉菌數(shù)/(cfu/ml或g)飲用水*1100水礦泉水*2水源水<5灌裝水<50體游泳池水*3≤1000消毒牛乳≤30000全脂奶粉特級≤20000食*一級≤30000二級≤50000肉灌腸類出廠≤20000銷售≤50000糕點、面包冷加工出廠≤5000≤100品銷售≤10000≤150糕點、面包冷加工出廠≤1000≤50銷售≤1500≤500化*5眼部、口唇、口腔黏膜≤500≤100妝兒童化妝品≤500≤100品其他化妝品≤1000≤100藥*6中藥片劑≤10000≤500丸劑≤50000≤500品散劑≤100000≤500我國公共場所空氣細菌總數(shù)標準*撞擊法/(cfu/m3)沉降法/(個/皿)適用范圍≤1000≤103~5星級以下賓館,飯店≤1500≤102星級以下賓館和非星級帶空調賓館,飯店≤2500≤300普通飯店,招待所,酒吧,茶座,咖啡廳,圖書館,博物館,美術館,飛機客艙≤4000≤40影劇院,音樂廳,錄像廳,醫(yī)院候診室,候機室旅客列車車廂,輪船客艙,飯館(餐廳)≤7000≤75展覽館,商場(店),候車室,候船室≤4000≤40游泳館2.霉菌和酵母菌總數(shù)霉菌和酵母菌數(shù)(fungiandyeastcount)是指環(huán)境中被測樣品經(jīng)過處理,在一定條件下培養(yǎng)后,所得1g或lm1檢樣中所含的霉菌和酵母菌菌落數(shù)。霉菌和酵母菌是異養(yǎng)型微生物,能致病或產(chǎn)毒素。

檢測方法用傾注培養(yǎng)平板法。多采用孟加拉紅(虎紅)培養(yǎng)基、高滲察氏培養(yǎng)基或加有抗菌素的馬鈴薯—葡萄糖培養(yǎng)基。環(huán)境樣本作一定倍數(shù)稀釋后,定量注入滅菌平皿。傾入培養(yǎng)基混勻,凝固后置入25~28℃溫箱培養(yǎng)3~5天觀察平板上菌落生長情況并計數(shù)。結果:以每毫升或每克檢樣中菌落形成單位(cfu/m1或g)來表示。二、糞便污染指示菌病原菌一般在環(huán)境中存在的數(shù)量不大,而且檢測方法較復雜,難以直接測定。其他微生物作為代表,間接指示腸道病原菌存在。糞便污染指示菌。理想條件:(1)是人畜糞便中的正常菌,且數(shù)量比糞便中其他菌為多;(2)受人畜糞便污染的環(huán)境中可檢出,而未受污染環(huán)境無該菌存在;(3)排出至環(huán)境后,該菌存活時間與腸道致病菌相當或略長;(4)對氯等消毒劑及其他不良因素的抵抗力略強于腸道致病菌;(5)檢出與鑒定方法比較簡便迅速。大腸桿菌較理想,109個/ml;但鑒定方法比較復雜;含有大腸桿菌在內的總大腸菌群與糞大腸菌群。1.總大腸菌群總大腸菌群(totalco1iform),也稱大腸菌群(coliformgroup或co1iform);它們是一群能在37℃,24h內發(fā)酵乳糖產(chǎn)酸產(chǎn)氣,需氧或兼性厭氧的革蘭氏陰性無芽孢桿菌。形成特殊的菌落特征;大腸菌群不是分類學上的一個名稱,而是人為定義的名詞。腸桿菌科細菌主要包括4個菌屬:埃希氏菌屬(Escherichia)在此菌屬中與人類生活密切相關的僅有一個種,即大腸埃希菌也稱大腸桿菌;其次有檸檬酸桿菌屬或稱枸櫞酸桿菌屬(Citrobacter)、克雷伯菌屬(Klebsiella)、腸桿菌屬(Enterobacter)。(1)測定方法1.多管發(fā)酵法(multiple-tubefermentation),又稱最大可能數(shù)法(mostprobablenumber,MPN)主要步驟:①初發(fā)酵試驗:加入含有乳糖蛋白陳培養(yǎng)基(液)中,經(jīng)37℃培養(yǎng)24h,觀察產(chǎn)酸產(chǎn)氣情況以初步判別是否有大腸菌群存在。②平板分離。將初發(fā)酵試驗產(chǎn)酸產(chǎn)氣的發(fā)酵管分別接種在伊紅美藍瓊脂平板上,置37℃培養(yǎng)24h,觀察菌落形態(tài)。挑選可疑為大腸菌群細菌的菌落涂片、革蘭氏染色、鏡檢和進行證實試驗。③復發(fā)酵試驗(證實試驗)。上述可能為大腸菌群的菌落再次接人乳糖蛋白陳培養(yǎng)液,置37℃溫箱培養(yǎng)24h后觀察結果。觀察結果:復發(fā)酵試驗中仍有產(chǎn)酸產(chǎn)氣者即最后確證為有大腸菌群存在。根據(jù)初發(fā)酵管的數(shù)目及試驗所用的檢樣量,利用數(shù)理統(tǒng)計原理或查閱專用統(tǒng)計表,最后算出每毫升檢樣中大腸菌群的最可能數(shù)目。2.濾膜法(membranefiltrationtechnique,MFT)水樣濾膜抽濾細菌濾膜培養(yǎng),鑒定并計數(shù)典型菌落,計算總大腸菌群數(shù)。主要步驟:①水樣過濾②培養(yǎng)觀察結果:通過菌落特征及鏡檢菌體形態(tài)初步確定大腸菌群細菌;凡革蘭氏陰性無芽孢桿菌再接入含乳糖蛋白陳培養(yǎng)基中以確證為大腸菌群細菌;最后根據(jù)通過水量及濾膜上長出的肯定為大腸菌的菌落數(shù)換算出每升水中大腸菌群數(shù)。結果表達方式:大腸菌群數(shù)又稱大腸菌指數(shù),其表示方法有多種,地表水環(huán)境質量標準、生活飲用水衛(wèi)生標準、游泳池水衛(wèi)生標準中以個/L表示之;食品衛(wèi)生標準中用個/m1表示。大腸菌群值是指水樣可檢出1個大腸菌群細菌的最小水樣容積,此值愈大即表示水中大腸菌群數(shù)愈少。水:大腸菌群值=1000m1/大腸菌群數(shù)土壤大腸菌群值=lg/大腸菌群數(shù)樣品總大腸菌群糞大腸菌群I≤200個/L地表水*1II≤2000個/LIII≤10000個/LⅣ≤20000個/LⅤ≤40000個/L游泳池水*2≤18個/L飲用水0個/100ml0個/100ml醫(yī)院排放污水*3一級≤500個/L二級≤1000個/L三級≤5000個/L瓶裝汽水≤6個/ml含乳飲料≤40個/ml天然礦泉水不得檢出/ml蜂蜜≤30個/ml白糖≤30個/ml熟肉制品≤30個/ml消毒牛乳≤90個/ml酸牛乳≤90個/ml全脂乳粉≤40個/ml方法評價(1)發(fā)酵法:(MPN法)步驟多,耗時長,得到結果需要72h,不能及時指導實踐工作。(2)濾膜法(MFT法):操作簡單,可現(xiàn)場過濾水樣,避免運送水樣的麻煩,且縮短時間。但此法不適用于混濁度高的水樣。(3)總大腸菌群中細菌并非全部來自糞便,可能由腐敗的植物、土壤等其他環(huán)境帶來,放可能導致某些不準確性。(4)飲水加氯消毒可殺滅大腸菌群而難殺滅腸道病毒,故大腸菌群不能指示水中病毒。2.糞大腸菌群糞大腸菌群(fecalco1iform)是能在44.5℃(44~45℃)發(fā)酵乳糖的大腸菌群,亦稱耐熱性大腸菌群(thermoto1erantcoliform)。包括4個屬,埃希氏菌屬為主,其他3個屬數(shù)量較少。多數(shù)大腸桿菌的菌種可以在44~45℃條件下生長。糞大腸菌群數(shù)與糞便中大腸桿菌數(shù)直接相關,在人糞中糞大腸菌群細菌占總大腸菌群數(shù)的96.4%;在外環(huán)境中糞大腸菌群不易繁殖,糞大腸菌群較總大腸菌群作為糞便污染指示菌意義更大。

常用的方法也有多管發(fā)酵法和濾膜法。多管發(fā)酵法是自總大腸菌群乳糖發(fā)酵試驗的陽性管中取1滴轉種于EC培養(yǎng)基,44.5℃培養(yǎng)。然后觀察結果。用濾膜法檢測時采用的培養(yǎng)基有區(qū)別,總大腸菌群濾膜法采用的固體培養(yǎng)基為品紅亞硫酸鹽(鈉)培養(yǎng)基,糞大腸菌群則采用FMC培養(yǎng)基。水中糞大腸菌群與腸道病原微生物具有相關性,是糞大腸菌群作為指示菌的重要依據(jù);

水體種類每100ml水樣糞大腸菌群數(shù)水門氏菌檢出情況檢樣件數(shù)陽性檢出數(shù)目百分率/%淡水1~20029827.6201~2000271985.2>2000545398.1海水1~70184126.571~200742128.4201~2000914044.0>20007545603.糞鏈球菌糞鏈球菌(Streptococcusfaecalis)是短鏈狀的革蘭氏陽性球菌。在人糞便內數(shù)量很多,每克成人糞便中約含有2×108個,僅次于大腸菌群細菌。其為糞便污染指示菌的優(yōu)點是在水中不會自行繁殖,但抵抗力弱于病菌。糞鏈球菌可為水質細菌學評價提供有意義的補充材料。由于人糞便中糞大腸菌群數(shù)多于糞鏈球菌,動物糞便中則相反,因此,在水質檢測時可根據(jù)兩菌菌數(shù)比值不同而推測糞便污染的來源。糞大腸菌群/糞鏈球菌的比值(Fe/Fs)大于或等于4,則認為污染主要來自人糞;如小于或等于0.7,則認為污染主要來自溫血動物的糞便;如比值小于4而大于2,則為混合污染但以人糞為主;如比值小于1而大于0.7,則為混合污染但以動物糞便為主。4.產(chǎn)氣英膜梭菌產(chǎn)氣英膜梭菌(Clostridiumperfringenes)為革蘭氏陽性具有芽孢、能還原亞硫酸鹽的厭氧桿菌。存在于人糞(成人每克糞內有此菌105~106個)及溫血動物的糞便內,可作為糞便污染指示菌。優(yōu)點:有芽孢,對氯等消毒劑及外界不良環(huán)境具有較強的抵抗力,能在水中較長期存在,特別適用于在含有有毒物質(如氯等)的水體中檢測是否有過糞便污染。5.蛭弧菌蛭弧菌(Bdellovibrio)是一類以捕食細菌為生的寄生菌,依靠對宿主菌的寄生和裂解使自身得到生長繁殖。當水體受到糞便污染時,可供蛭弧菌寄生的宿主增加,蛭弧菌因而大量繁殖,數(shù)量增加,從而對污染起到指示作用。生長繁殖需要一定的時間,故其對污染的指示有一個滯后期。當蛭弧菌數(shù)量升高后,可長時間持續(xù)較高的水平??捎抿位【?lián)合大腸菌群表示水體所受糞便污染的新舊或區(qū)別污染是否連續(xù)。三、其他指示微生物致病菌的指示菌:1.沙門氏菌(Salmonella)種類繁多,有些對人和動物均有致病力,如腸炎沙門氏菌、鼠傷寒沙門氏菌和豬霍亂沙門氏菌等,能引起人類傷寒癥、急性胃腸炎和敗血癥等,經(jīng)糞—口傳播,污染食品、藥用動物臟器等,在口服用藥和食品中不得檢出。2.志賀氏菌(Shigella)引起人類細菌性痢疾,經(jīng)糞--口傳播,被規(guī)定為食品衛(wèi)生指示菌,不得檢出。3.銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)也稱綠膿桿菌,為革蘭氏陰性具有單根鞭毛的細小桿菌,存在于人畜糞便及污水中,可作為糞便污染指示菌。此菌還存在于人的皮膚和上呼吸道,是常見的條件致病菌,它常被作為藥品、化妝品、游泳池水的衛(wèi)生指示菌。如我國眼科制劑、外傷用藥、化妝品中不得檢出銅綠假單胞菌。4.金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)為革蘭氏陽性,排列呈葡萄狀的球菌,存在于正常人的皮膚、鼻咽部和腸道及家畜的皮膚和腸道。侵入破損的皮膚和黏膜,可引起局部化膿性炎癥,嚴重者可引起敗血癥;有些菌株污染食品可產(chǎn)生腸毒素,達到一定劑量時可引起食物中毒。在食品、化妝品、外用藥品以及游泳池水等的監(jiān)測中都被作為重要的衛(wèi)生指示菌之一,如我國規(guī)定1g(m1)化妝品中不得檢出金黃色葡萄球菌。5.鏈球菌屬(Streptococcus)對人體致病性較強者為化膿性鏈球菌,在外環(huán)境中生存能力較強。可以通過飛沫氣溶膠、污染的食品等傳播,引起化膿性感染和食物中毒。在我國許多食品衛(wèi)生標準中都規(guī)定不得檢出6.破傷風梭菌(Clostridiumtetani)屬專性厭氧梭狀芽孢桿菌屬,廣泛分布于泥土中。通過外傷后經(jīng)皮膚感染,在壞死組織中厭氧繁殖,產(chǎn)生外毒素致病。以根、莖類植物為原料的藥品易受破傷風梭菌污染,外用藥,特別是用于深部組織、創(chuàng)傷、潰瘍的外用藥不得檢出。腸道病毒的指示微生物

脊髓灰質炎病毒噬菌體四、有毒物質的檢測原理:選擇微生物的生理指標(如細胞生長、呼吸、酶活性等),根據(jù)待測物影響或抑制這些指征的程度來判斷毒性的強度。采用的評價指標多為EC50(50%effectiveconcentration,半數(shù)有效濃度)或IC50(50%inhibitionconcentration,半數(shù)抑制濃度)值,即計算影響或抑制微生物某種正常生理指標值50%所需的待測物濃度。不同方法和實驗室的檢測結果易于比較。一般認為EC50或IC50可與哺乳動物試驗的LC50進行類比。1.發(fā)光細菌—細菌生物發(fā)光抑制試驗(microtox)一類能產(chǎn)生生物發(fā)光的細菌,統(tǒng)稱為發(fā)光細菌(luminousbacteria)。目前發(fā)現(xiàn)的發(fā)光細菌分屬弧菌屬、發(fā)光桿菌屬和異短桿菌屬。發(fā)光細菌均為革蘭氏陰性、兼性厭氧菌。(0.4-1.0)×(1.0-2.5)μm,無孢子、莢膜,有端生鞭毛一根或數(shù)根,最適生長溫度為20-30℃,pH6-9,培養(yǎng)基中NaCl濃度2%-40%。

試驗原理:生物發(fā)光是發(fā)光細菌生理狀況的一個反映,在生長對數(shù)期發(fā)光能力最強。當環(huán)境條件不良或有毒物存在時,因為細菌熒光素酶活性或細胞呼吸受到抑制,發(fā)光能力受到影響而減弱,其減弱程度與毒物的毒性大小和濃度成一定比例關系。通過靈敏的光電測定裝置,檢查在毒物作用下發(fā)光菌的光強度變化,可以評價待測物的毒性。人們篩選對環(huán)境敏感而對人體無害的菌株,用以快速監(jiān)測環(huán)境毒物。美國,Beckman公司,將毒性測定過程標準化,并命名稱為“Microtox”。目前該方法是國際通用、使用最為廣泛的污染物毒性微生物學檢測方法。毒性測定:向測試管中定量加入菌液和樣品,以苯酚作為陽性有機毒物對照、Zn2+作為陽性無機毒物對照,蒸餾水為陰性對照。在15℃條件下培養(yǎng)5min或15min后(目前國際上測定時間有這兩種方式),即可通過生物發(fā)光光度計直接讀出或掃描5min或15min光量抑制百分率(inhibitionrate,IR),計算抑制細菌發(fā)光強度50%所需的待測物濃度(IC50)。2.硝化細菌——硝化作用抑制試驗(nitrificationinhibitiontest)亞硝化細菌,如亞硝化單胞菌屬(Nitrosomkonas);硝化細菌,如硝化桿菌屬(Nitrobacter)。

硝化作用易受到外界環(huán)境因素的影響;重金屬、農藥、有機污染物等可以通過抑制硝化作用的酶類(如氨單加氧酶、經(jīng)氨氧化酶、亞硝酸氧還酶),導致亞硝化或硝化細菌對底物的利用能力或產(chǎn)物生成量下降;建立硝化作用抑制試驗,通過測量底物或產(chǎn)物的變化來檢測污染物毒性作用的程度。廢水稀釋比例廢水濃度對硝化作用抑制曲線硝化抑制率3.藻類——生長抑制試驗(algoegrowthinhibitiontest)試驗原理:藻類對水體污染反應十分敏感。例如,在河流中,當水溫為20℃時,硅藻占優(yōu)勢,30℃時,綠藻占優(yōu)勢,當熱污染使水溫升高到35-40℃時,則藍細菌(藍藻)占優(yōu)勢。水體自凈過程,水中無機氮化合物含量不斷增加,在光照和溫度適宜時,藻類生長量亦相應增加;反之,在含有毒物的水中,由于毒物的抑制作用,使藻體葉綠素濃度降低,影響了光合作用,藻類生長量亦相應減少。

水質生物檢測中比較常用的有硅藻、柵藻、小球藻等;因為生長繁殖迅速,對水質變化敏感,可以通過測定水中這些藻類的生長量來測定水質污染情況或物質毒性程度。測定藻類生長量的方法有下列幾種:①藻體生長量;②釋出氧量;③攝取14C量;④細胞DNA及ATP測定。S1S2S3S4時間Lg生物量藻類毒性試驗的生長曲線(待測物濃度S4>S3>S2>S1)4.原生動物——微尺度群落級毒性試驗(microscalecommunity-leveltoxicitytest)又稱微型生物群落(microbialcommunity)監(jiān)測法,廣泛地用于水環(huán)境的毒性檢測與評價。所涉及的微生物種群不止一種,包括細菌、真菌、原生動物、藻類、小型輪蟲等。其中最具特色的是原生動物,將其歸于此類。試驗原理正常條件下自然界水環(huán)境的微型生物群落種類、分布與構成均有一定規(guī)律。在外界環(huán)境因素的干擾下,群落的平衡被破壞,結構特征也隨之變化。通過分析相關的微型生物群落結構參數(shù),即可判斷水環(huán)境的質量狀況或污染物質的毒性特征。該方法突破了單一微生物種類用于毒性檢測的局限性。由于微型生物群落中有生產(chǎn)者、分解者、消費者,構成了一個復雜的食物網(wǎng),所以檢測的結果有很強的生態(tài)學意義。該方法中最成熟、應用最廣泛的是PFU(Polyurethanefoamunit,聚氨酯泡沫塑料塊)法。聚氨酯泡沫塑料塊,可浸沒于水體,能收集到85%的種類,具有環(huán)境真實性;在一定時間內,PFU中原生動物種群構成會達到平衡,而有害污染物會破壞這一平衡。通過比較試驗組和對照組的群落結構和功能參數(shù),即可評價水體質量與污染程度?;钚晕勰喽拘詸z測法1.脫氫酶活性試驗(dehydrogenaseactZvitytest)脫氫酶類能使被氧化有機質的氫原子活化并傳遞給特定的受氫體,反映活性污泥對污水中有機質的氧化分解能力;有毒物質的存在會使脫氫酶類活性降低并影響活性污泥的效果??赏ㄟ^指示劑的還原變色速度來確定脫氫酶活性,以判斷毒性物質的作用強度。2.呼吸抑制試驗(respiratiioninhibitiontest)微生物在進行有氧呼吸、分解有機質的過程中會消耗氧,產(chǎn)生CO2,因此測定呼吸速率可以反映活性污泥中微生物的代謝速率,對分析廢水生物可降解性有重要意義。廢水中有毒物質可以抑制微生物的呼吸,使其耗氧量和CO2產(chǎn)生量下降,下降的程度與毒性物質的濃度和強度有關。abcda:無毒,能被利用b:無毒,不能被利用c:有毒,能被利用d:有毒,不能被利用基質濃度污泥相對耗氧速率與廢水毒性、可降解性的關系100%相對耗氧速率特點:(1)簡便:與哺乳動物的喂養(yǎng)相比,微生物培養(yǎng)繁殖易掌握和控制,檢測方法也很簡捷。(2)靈敏:許多微生物的代謝活動對毒物干擾十分敏感,可以反映痕量毒物的效應。(3)快速:微生物細胞的繁殖速度快,世代時間短,所以檢測時間較哺乳動物試驗短。(4)經(jīng)濟:微生物菌株易于保藏、復蘇,且許多檢測手段已自動化,因此試驗成本較低。五、致突變性污染物的微生物檢測20世紀70年代開始環(huán)境致突變物(mutagen)、致癌物(carcinogen)的生物學試驗;1.鼠傷寒沙門氏菌/哺乳動物微粒體酶(Ames試驗)美國Ames教授,1975年,致突變性測試法,也稱Ames致突變試驗。檢測DNA堿基序列是否發(fā)生改變即基因突變的一種方法。

原理:Ames試驗利用鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphimurium)的組氨酸營養(yǎng)缺陷型菌株發(fā)生回復突變的性能來檢測物質致突變性的方法。常用的組氨酸缺陷型沙門氏菌有5種,均各含有控制組氨酸合成的基因。當培養(yǎng)基中不含有組氨酸時它們不能生長。當受到某些致突變物作用時,菌體內DNA特定部位發(fā)生基因突變而回復為野生型菌。培養(yǎng)基中不含有組氨酸時該菌也能生長。哺乳動物微粒體酶:混合功能氧化酶系,其中包括細胞色素P450、NADPH—細胞色素P450還原酶、細胞色素b5、NADH—細胞色素b5還原酶、芳烴經(jīng)化酶、環(huán)氧化物水化酶及磷脂等;P450最為重要:一是降解作用,使化學物變?yōu)榈投净驘o毒物排出;二是激活作用,使化學物轉化為具有親電子性質,導致毒性增強,成為致突變物或終致癌物。

又稱鼠傷寒沙門氏菌/哺乳動物微粒體試驗法(Salmonellatyphimurium/mammalianmicrosometest)。2.發(fā)光細菌試驗利用發(fā)光細菌暗變異株恢復發(fā)光的現(xiàn)象,可對

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