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第四章微生物的營(yíng)養(yǎng)與培養(yǎng)基教學(xué)內(nèi)容:微生物的六種營(yíng)養(yǎng)要素微生物的營(yíng)養(yǎng)類型營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的方式培養(yǎng)基第四章微生物的營(yíng)養(yǎng)與培養(yǎng)基教學(xué)內(nèi)容:1微生物同其他生物一樣,需要不斷從外界環(huán)境中吸收生命活動(dòng)所需的物質(zhì),以合成自身的細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)和提供機(jī)體生理活動(dòng)所需的能量。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(nutrient)——能夠滿足機(jī)體生長(zhǎng)繁殖和完成各種生理活動(dòng)所需要的物質(zhì)。作用:參與細(xì)胞組成;構(gòu)成酶的活性成分及物質(zhì)運(yùn)輸系統(tǒng);提供能量。微生物同其他生物一樣,需要不斷從外界環(huán)境中吸收生命活動(dòng)所需的2第一節(jié)微生物的6種營(yíng)養(yǎng)要素C,H,O,N,P,S占細(xì)胞干重的97%主要以有機(jī)物、水和無(wú)機(jī)鹽形式存在;組成微生物細(xì)胞的化學(xué)元素來(lái)自于微生物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng),供給營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中應(yīng)包括這些元素;一般地說(shuō),細(xì)胞含有某種元素的量越高,需求量就越大。6大營(yíng)養(yǎng)要素:碳源、氮源、能源、無(wú)機(jī)鹽、生長(zhǎng)因子、水第一節(jié)微生物的6種營(yíng)養(yǎng)要素C,H,O,N,3一、碳源——凡能提供微生物營(yíng)養(yǎng)所需的碳元素的營(yíng)養(yǎng)源。碳源物質(zhì)用來(lái)構(gòu)成細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)或?yàn)闄C(jī)體提供生理活動(dòng)所需的能量。包括無(wú)機(jī)碳源(CO2、碳酸鹽等)和有機(jī)碳源(通常也是能源)。一、碳源——凡能提供微生物營(yíng)養(yǎng)所需的碳元素的營(yíng)養(yǎng)源。4微生物的碳源類型構(gòu)成元素化合物培養(yǎng)基原料有
機(jī)
碳C.H.O.N.X
C.H.O.N
C.H.O
C.H復(fù)雜蛋白質(zhì),核酸等
多數(shù)氨基酸,簡(jiǎn)單蛋白質(zhì)
糖,醇,有機(jī)酸,脂類
烴類牛肉膏,蛋白胨,花生餅粉等
氨基酸,明膠
葡萄糖,蔗糖,淀粉,糖蜜
天然氣,石油,石蠟等
無(wú)
機(jī)
碳C.O
C.O.X
CO2
NaHCO3,CaCO3等CO2
NaHCO3,CaCO3等
微生物的碳源C.O
C.O.XCO2
NaHCO3,CaC5二、氮源——合成細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)及代謝產(chǎn)物中含氮物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)源。包括有機(jī)氮源:蛋白質(zhì)及降解產(chǎn)物(胨、肽、氨基酸)、尿素
無(wú)機(jī)氮源:銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、分子氮等。氨基酸異養(yǎng)型:需要從外界吸收現(xiàn)成的氨基酸作為氮源;氨基酸自養(yǎng)型:可以自行合成所需要的一切氨基酸。常用玉米漿、豆餅、花生餅及人工制取的蛋白胨、牛肉膏、銨鹽、硝酸鹽。二、氮源——合成細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)及代謝產(chǎn)物中含氮物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)源6三、能源——為微生物生命活動(dòng)提供最初能量來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或輻射能。氧化有機(jī)物(碳源)——化能異養(yǎng)型微生物氧化無(wú)機(jī)物——化能自養(yǎng)型微生物輻射能——光能營(yíng)養(yǎng)型微生物三、能源——為微生物生命活動(dòng)提供最初能量來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或輻射7四、無(wú)機(jī)鹽——為微生物提供除C,N以外的各種重要元素。包括磷酸鹽、硫酸鹽、氯化物及含金屬元素的化合物。大量元素:生長(zhǎng)所需濃度為10-3~10-4M,如:P,S,K,Mg,Ca,Na,Fe;微量元素:生長(zhǎng)所需濃度為10-6~10-8M,如:Cu,Zn,Mn,Mo,Co微量元素的生理功能主要是參與酶的組成或活性。需量微小,通常不需要另行添加。四、無(wú)機(jī)鹽——為微生物提供除C,N以外的各種重要元素。8五、生長(zhǎng)因子——某些微生物不能從普通的碳源、氮源物質(zhì)合成,必須另行加入少量才能進(jìn)行正常代謝的有機(jī)物質(zhì)。包括維生素、氨基酸、堿基、甾醇等。需量很小,可向培養(yǎng)基添加酵母膏、牛肉膏、玉米漿、麥芽汁等。五、生長(zhǎng)因子——某些微生物不能從普通的碳源、氮源物質(zhì)合成,必9六、水在活細(xì)胞中水含量高達(dá)細(xì)胞總量的60-95%(芽孢占40%),對(duì)維持細(xì)胞形態(tài)具有重要作用;細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)須溶解在水中才可吸收和分泌;參與生化反應(yīng):許多酶促反應(yīng)必須在水溶液中進(jìn)行;在許多生化反應(yīng)中作為反應(yīng)物或產(chǎn)物;作為熱的良導(dǎo)體,有效吸收細(xì)胞代謝中放出的熱量并將熱散發(fā)出去。六、水在活細(xì)胞中水含量高達(dá)細(xì)胞總量的60-95%(芽孢占4010第二節(jié)微生物的營(yíng)養(yǎng)類型微生物根據(jù)生長(zhǎng)所需要的碳源可分為:
自養(yǎng)型生物異養(yǎng)型生物根據(jù)能量來(lái)源分為:
光能營(yíng)養(yǎng)型生物(如:微藻、藍(lán)細(xì)菌、光合細(xì)菌)
化能營(yíng)養(yǎng)型生物第二節(jié)微生物的營(yíng)養(yǎng)類型微生物根據(jù)生長(zhǎng)所需要的碳源可分為:11微生物的四種營(yíng)養(yǎng)類型營(yíng)養(yǎng)類型主要或唯一碳源能源代表菌備注光能自養(yǎng)型CO2光能著色菌屬藍(lán)細(xì)菌含葉綠素或細(xì)菌葉綠素光能異養(yǎng)型CO2或有機(jī)物光能紅螺菌屬有機(jī)物作為供氫體化能自養(yǎng)型CO2無(wú)機(jī)物氧化氫細(xì)菌鐵細(xì)菌氧化無(wú)機(jī)物產(chǎn)生能量化能異養(yǎng)型有機(jī)物有機(jī)物氧化大腸桿菌等有機(jī)物作為碳源和能源微生物的四種營(yíng)養(yǎng)類型主要或唯一著色菌屬含葉綠素或細(xì)菌葉綠素有12光能異養(yǎng)型例如:紅螺菌利用異丙醇為供氫體2(CH3)2CHOH+CO2
2CH3COCH3+[CH2O]+H2O光能異養(yǎng)型例如:紅螺菌利用異丙醇為供氫體13化能異養(yǎng)型微生物根據(jù)所利用的有機(jī)物的特性,分為腐生型和寄生型。四種營(yíng)養(yǎng)類型的劃分并不是絕對(duì)的,在一定條件下可以轉(zhuǎn)變?;墚愷B(yǎng)型微生物根據(jù)所利用的有機(jī)物的特性,分為腐生型和寄生型14細(xì)胞壁——簡(jiǎn)單排阻細(xì)胞膜——選擇透性不需要載體蛋白參與:?jiǎn)渭償U(kuò)散不耗能量:協(xié)助擴(kuò)散(促進(jìn)擴(kuò)散)需要載體蛋白參與被運(yùn)輸物質(zhì)分子不發(fā)生化學(xué)變化:主動(dòng)運(yùn)輸耗能被運(yùn)輸物質(zhì)分子發(fā)生化學(xué)變化:基團(tuán)轉(zhuǎn)位第三節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的方式細(xì)胞壁——簡(jiǎn)單排阻第三節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的方式15一、單純擴(kuò)散物質(zhì)由高濃度的胞外環(huán)境向低濃度的胞內(nèi)擴(kuò)散。物質(zhì)擴(kuò)散的動(dòng)力是該物質(zhì)在膜內(nèi)外的濃度差,運(yùn)輸?shù)乃俾孰S膜內(nèi)外濃度差的降低而減少,最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。運(yùn)輸速率取決于濃度差、物質(zhì)的極性及分子大??;一般分子量小、脂溶性、極性小的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)易吸收;溫度高時(shí)易運(yùn)輸。運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)主要有水、O2、CO2、某些氨基酸分子、甘油等親水性分子、某些離子等少數(shù)物質(zhì)。不能進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸——不是物質(zhì)運(yùn)輸?shù)闹饕绞?。一、單純擴(kuò)散物質(zhì)由高濃度的胞外環(huán)境向低濃度的胞內(nèi)擴(kuò)散。16二、促進(jìn)擴(kuò)散與單純擴(kuò)散的區(qū)別:溶質(zhì)的運(yùn)輸須借助于膜上的特異性載體蛋白的參與,對(duì)被運(yùn)輸物質(zhì)具有高度的專一性【透性酶…】。通過(guò)載體蛋白,將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)由高濃度的胞外環(huán)境向胞內(nèi)運(yùn)輸,最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。通過(guò)載體蛋白分子的構(gòu)型變化來(lái)完成。不能逆濃度運(yùn)輸。二、促進(jìn)擴(kuò)散與單純擴(kuò)散的區(qū)別:溶質(zhì)的運(yùn)輸須借助于膜上的特異性17促進(jìn)擴(kuò)散促進(jìn)擴(kuò)散18三、主動(dòng)運(yùn)輸與促進(jìn)擴(kuò)散的區(qū)別:物質(zhì)的運(yùn)輸需耗費(fèi)代謝能,可以進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸;運(yùn)輸?shù)乃俾什灰蕾囉谀?nèi)外的濃度差。載體蛋白分子的構(gòu)型變化需耗能,能量來(lái)自于ATP水解等。微生物生長(zhǎng)繁殖所需的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)闹饕绞健H?、主?dòng)運(yùn)輸與促進(jìn)擴(kuò)散的區(qū)別:物質(zhì)的運(yùn)輸需耗費(fèi)代謝能,可以進(jìn)193種運(yùn)輸方式的比較:各自對(duì)應(yīng)?3種運(yùn)輸方式的比較:各自對(duì)應(yīng)?20四、基團(tuán)轉(zhuǎn)位與主動(dòng)運(yùn)輸?shù)膮^(qū)別:物質(zhì)在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生了化學(xué)變化【一種特殊的主動(dòng)運(yùn)輸】。主要是厭氧和兼性厭氧微生物用于單糖、雙糖、核苷、脂肪酸的運(yùn)輸。如大腸桿菌對(duì)葡萄糖的吸收——磷酸烯醇式丙酮酸-己糖磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)(PTS):由四種蛋白質(zhì)組成(酶I、酶II、酶III、HPr)四、基團(tuán)轉(zhuǎn)位與主動(dòng)運(yùn)輸?shù)膮^(qū)別:物質(zhì)在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生了化學(xué)變化21基團(tuán)轉(zhuǎn)位基團(tuán)轉(zhuǎn)位22PEP
酶I
HPr~
酶III
Py
酶I~
HPr
酶III~PPP糖糖~P酶II基團(tuán)轉(zhuǎn)位PEP酶IHPr~酶I23四種運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)方式的比較:
P94表4-5四種運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)方式的比較:24第四節(jié)培養(yǎng)基培養(yǎng)基(medium):人工配制的、適合微生物生長(zhǎng)繁殖或積累代謝產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)。第四節(jié)培養(yǎng)基培養(yǎng)基(medium):25一、配制培養(yǎng)基的原則1、培養(yǎng)基必須滿足微生物的各種營(yíng)養(yǎng)需求培養(yǎng)自養(yǎng)微生物的培養(yǎng)基應(yīng)由簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物組成如:氧化硫桿菌的培養(yǎng)基配方:
硫粉10g,MgSO4
7H2O0.5g,(NH4)2SO40.4g,FeSO40.01g,KH2PO44g,CaCl20.25g,H2O1L一、配制培養(yǎng)基的原則1、培養(yǎng)基必須滿足微生物的各種營(yíng)養(yǎng)需求26培養(yǎng)異養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基中應(yīng)含有微生物所需的各種有機(jī)物質(zhì)。異養(yǎng)菌常用含糖基質(zhì)為碳源,氮源以消化蛋白(如蛋白胨)、銨鹽、硝酸鹽為宜,尿素也可,有些需添加生長(zhǎng)因子。培養(yǎng)異養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基中應(yīng)含有微生物所需的各種有機(jī)物質(zhì)。27常用培養(yǎng)基(記?。┢胀?xì)菌培養(yǎng)基:牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基牛肉膏3g,蛋白胨10g,NaCl5g,水1L,pH7.0-7.2放線菌培養(yǎng)基:高氏一號(hào)合成培養(yǎng)基酵母菌培養(yǎng)基:麥芽汁培養(yǎng)基霉菌培養(yǎng)基:查氏合成培養(yǎng)基;馬鈴薯培養(yǎng)基海洋異養(yǎng)菌培養(yǎng)基:2216E培養(yǎng)基
蛋白胨5g,酵母膏1g,F(xiàn)eSO40.1g,陳海水1L(或水+2%NaCl),pH7.6常用培養(yǎng)基(記?。┢胀?xì)菌培養(yǎng)基:牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基28馬鈴薯培養(yǎng)基馬鈴薯20g蔗糖2g自來(lái)水100mL瓊脂2gpH自然(約6.0)滅菌115C,20min馬鈴薯處理方法:
馬鈴薯去皮,切成塊加水,煮沸30min(注意火力的控制,可適當(dāng)補(bǔ)水),用紗布過(guò)濾,濾液加糖,補(bǔ)足水至100ml,裝入三角瓶。
馬鈴薯培養(yǎng)基馬鈴薯20g蔗糖2g29褐藻酸鈉培養(yǎng)基褐藻酸鈉溶于1L水中,調(diào)節(jié)pH值至7.0-7.2,繼而溶入以下成分:NaNO32g;KCl0.5g;MgSO4·7H2O0.5g;FeSO4·6H2O0.01g;KH2PO41g;NaCl30g;瓊脂20g褐藻酸鈉培養(yǎng)基褐藻酸鈉溶于1L水中,調(diào)節(jié)pH值至7.0-7302、注意各種物質(zhì)的濃度與配比營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在濃度合適的條件下才表現(xiàn)出良好的作用,濃度大反而產(chǎn)生抑制作用。
從營(yíng)養(yǎng)貧瘠的環(huán)境中分離微生物,需用營(yíng)養(yǎng)成分較低濃度的培養(yǎng)基培養(yǎng)。2、注意各種物質(zhì)的濃度與配比營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在濃度合適的條件下才表現(xiàn)31
部分海洋細(xì)菌要求在營(yíng)養(yǎng)貧瘠的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)。在一般營(yíng)養(yǎng)較豐富的培養(yǎng)基上,有的細(xì)菌于第一次形成菌落后即迅速死亡,有的則根本不能形成菌落。這類海洋細(xì)菌在形成菌落過(guò)程中因其自身代謝產(chǎn)物積聚過(guò)甚而中毒致死。部分海洋細(xì)菌要求在營(yíng)養(yǎng)貧瘠的培養(yǎng)基上生32營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的配比會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)繁殖及代謝產(chǎn)物的形成。如:碳氮比。一般培養(yǎng)基中C/N(原子摩爾比)=100/0.5-2速效、遲效氮源的比例。速效(硫酸銨、蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物等)利于機(jī)體的生長(zhǎng),遲效(蛋白質(zhì))利于代謝產(chǎn)物的形成。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的配比會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)繁殖及代謝產(chǎn)物的形成。333、選擇合適的培養(yǎng)條件細(xì)菌、放線菌一般為中性和微堿性(pH7.0-7.5);酵母菌、霉菌則偏酸(pH4.5-6.0)。微生物大量產(chǎn)酸時(shí),向培養(yǎng)基中添加緩沖劑或不溶性碳酸鹽(CaCO3)。大量產(chǎn)堿時(shí),可添加NaHCO3從自然環(huán)境中分離微生物時(shí),應(yīng)注意盡量與微生物的原始條件一致,如鹽度、滲透壓、溫度等。3、選擇合適的培養(yǎng)條件細(xì)菌、放線菌一般為中性和微堿性(pH344、生產(chǎn)成本工業(yè)發(fā)酵時(shí),應(yīng)考慮培養(yǎng)基的配制成本??刹捎靡吧参镌希ǜ缓矸圪|(zhì))及植物秸稈(纖維素、木質(zhì)素等)、造紙廠廢液(戊糖及短小纖維)、發(fā)酵廢棄物(酒糟、醬渣)、食品加工廢棄物(魚(yú)漿蛋白)及其它廢棄物(糠、麩皮、豆腐渣、甘蔗渣、棉籽皮、花生殼、豆粕)。綜合利用、變廢為寶。4、生產(chǎn)成本工業(yè)發(fā)酵時(shí),應(yīng)考慮培養(yǎng)基的配制成本。35二、培養(yǎng)基的種類
按成分分為:合成培養(yǎng)基:對(duì)其組分完全了解,如:天然培養(yǎng)基:含有化學(xué)成分不完全了解的組分(天然有機(jī)物)
按物理狀態(tài)分為:固體培養(yǎng)基(瓊脂1.5-2.0%):微生物分離、鑒定、計(jì)數(shù)、保藏半固體培養(yǎng)基(瓊脂0.2-0.7%):觀察運(yùn)動(dòng)特征、鑒定、保藏液體培養(yǎng)基:大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)酵二、培養(yǎng)基的種類按成分分為:36瓊脂agar從石花菜、江籬中提取的膠體多糖(紅藻多糖),基本組成為硫酸半乳糖。40C凝固,96C融化。細(xì)菌一般不會(huì)利用瓊脂agar從石花菜、江籬中提取的膠體多糖(紅藻多糖),37瓊脂利用海洋細(xì)菌產(chǎn)生的多糖降解酶可制備瓊膠寡糖,具有抗病毒、抗凝血、抗腫瘤活性。瓊脂糖凝膠電泳瓊脂利用海洋細(xì)菌產(chǎn)生的多糖降解酶可制備瓊膠寡糖,具有抗病毒38科研與生產(chǎn)中常用的凝固劑有瓊脂、明膠、硅膠。硅膠適合分離自養(yǎng)微生物。另外,一些天然的固體基質(zhì),如土豆塊、胡蘿卜條、饅頭塊、桔子皮等制成固體培養(yǎng)基??蒲信c生產(chǎn)中常用的凝固劑有瓊脂、明膠、硅膠。硅膠適合分離自養(yǎng)39按用途分為:基礎(chǔ)培養(yǎng)基加富培養(yǎng)基(營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基)鑒別培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)基按用途分為:40基礎(chǔ)培養(yǎng)基滿足一般微生物生長(zhǎng)繁殖需要的基本營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)。又名普通培養(yǎng)基如牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基基礎(chǔ)培養(yǎng)基滿足一般微生物生長(zhǎng)繁殖需要的基本營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)。41加富培養(yǎng)基在基本培養(yǎng)基中加入特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),如血清等,用以培養(yǎng)要求苛刻的微生物。又名營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基。加富培養(yǎng)基在基本培養(yǎng)基中加入特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),如血清等,用以培養(yǎng)42鑒別培養(yǎng)基用于鑒別不同類型微生物的培養(yǎng)基。在培養(yǎng)基中加入某種特殊的化學(xué)物質(zhì),某種微生物在培養(yǎng)基中生長(zhǎng)后能產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物,而這種代謝產(chǎn)物可以與培養(yǎng)基中的特殊化學(xué)物質(zhì)發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生明顯的特征性變化,根據(jù)這種特征性變化,可將該種微生物與其他微生物區(qū)分開(kāi)來(lái)。如醋酸鉛培養(yǎng)基。鑒別培養(yǎng)基用于鑒別不同類型微生物的培養(yǎng)基。在培養(yǎng)基中加入某種43選擇培養(yǎng)基是根據(jù)某一種或某一類微生物的特殊營(yíng)養(yǎng)要求或?qū)σ恍┪锢?、化學(xué)抗性而設(shè)計(jì)的培養(yǎng)基。利用這種培養(yǎng)基可以將所需要的微生物從混雜的微生物中分離出來(lái)。酵母菌分離:培養(yǎng)基可適當(dāng)加入抗生素,如氯霉素、鏈霉素、新霉素或卡那霉素,抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。阿須貝(Ashby)培養(yǎng)基:分離固氮菌選擇培養(yǎng)基是根據(jù)某一種或某一類微生物的特殊營(yíng)養(yǎng)要求或?qū)σ恍┪?4大腸桿菌在EMB培養(yǎng)基上的菌落形態(tài)鑒別培養(yǎng)基大腸桿菌在EMB培養(yǎng)基上的菌落形態(tài)鑒別培養(yǎng)45
大腸桿菌O157:H7在快速鑒別培養(yǎng)基上的菌落特征山梨醇麥康凱瓊脂(左)37oC培養(yǎng)24h,典型大腸桿菌O157:H7菌落扁平,透明或半透明,邊緣光滑,呈淡褐色中心,直徑約2mm;梅里埃O157顯色培養(yǎng)基(右)37oC培養(yǎng)24h,典型大腸桿菌O157:H7菌落顯藍(lán)色。
大腸桿菌O157:H7在快速46
大腸桿菌O157:H7在科瑪嘉O157顯色培養(yǎng)基上的菌落特征37oC培養(yǎng)24h,典型大腸桿菌O157:H7菌落顯紫紅色,而普通大腸桿菌為藍(lán)色菌落。大腸桿菌O157:H7在科瑪嘉O147TCBS培養(yǎng)基硫代硫酸鈉檸檬酸鹽膽汁鹽蔗糖培養(yǎng)基TCBS
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