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微藻資源合理利用技術(shù)展望中國(guó)海洋大學(xué)潘克厚主要內(nèi)容一、何謂微藻?二、為何養(yǎng)微藻?三、如何養(yǎng)微藻?四、問(wèn)題與建議一、何謂微藻?細(xì)胞尺寸?。?-25um),是地球上最早誕生的重要生命類(lèi)群,是某些極端環(huán)境下的幸存者和適應(yīng)者,不少種類(lèi)有數(shù)千萬(wàn)年甚至十億年發(fā)展的演化。約10萬(wàn)種,占植物界物種數(shù)量的50%,包括我們已知的微藻知之甚少、分布更廣、個(gè)體更小的“Nano-”和“Pico-”類(lèi)群;將是人類(lèi)繼發(fā)現(xiàn)微生物之后又一新的重要種質(zhì)庫(kù)、遺傳信息庫(kù)、生化物質(zhì)庫(kù)、再生藥用資源庫(kù)和特色產(chǎn)品博物館。被觀(guān)察、描述和記載過(guò)的微藻僅占1/3。在我國(guó)和美英德日等國(guó)微藻類(lèi)種質(zhì)庫(kù)和實(shí)驗(yàn)室內(nèi),實(shí)現(xiàn)人工培養(yǎng)的海洋及淡水微藻藻株只有1/30。從生態(tài)、赤潮、養(yǎng)殖和微藻生物技術(shù)等角度較詳細(xì)觀(guān)察研究的微藻只有千分之一,已經(jīng)開(kāi)發(fā)的微藻種類(lèi)更少。油脂、多糖、纖維素、生物活性物質(zhì)等產(chǎn)物豐富且可人工調(diào)控。微藻是十分重要的水生生物資源!光能轉(zhuǎn)化效率高、繁殖快,生物量的倍增時(shí)間一般是24h、甚至更短,據(jù)估計(jì),微藻生物質(zhì)產(chǎn)量可達(dá)到陸地植物的300倍??稍邴}堿地、粘土地、灘涂、甚至海上養(yǎng)殖,可不消耗淡水,不與糧爭(zhēng)地,不與人爭(zhēng)糧。可用于工廠(chǎng)廢氣中CO2吸收、污水處理、環(huán)境保護(hù)等。二、為何養(yǎng)微藻?(一)規(guī)模化養(yǎng)殖的主要微藻及其產(chǎn)量

(PulzandGross,2004)目前,全球微藻粉的產(chǎn)量約2萬(wàn)噸/年(二)微藻產(chǎn)品類(lèi)別及其市場(chǎng)現(xiàn)狀

(PulzandGross,2004)全球變暖原因二氧化碳含量增多自然原因:人為原因:燃燒礦物燃料產(chǎn)生毀林氟氯烴化合物等其他溫室氣體太陽(yáng)活動(dòng)、大氣環(huán)流、火山活動(dòng)、地殼運(yùn)動(dòng)等日趨顯著(三)減排CO2與新能源開(kāi)發(fā)需求1、減排CO2需求2、CO2增多的危害海平面上升,威脅沿海低地國(guó)家、地區(qū)

引起各地降水和干濕狀況變化導(dǎo)致各國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)結(jié)構(gòu)變化3、應(yīng)對(duì)措施提高能源利用率,采用新能源,綠化全球合作!減少二氧化碳等氣體的排放量CO2增多大氣保溫作用加強(qiáng)氣溫升高大氣中水份增多

科學(xué)家預(yù)測(cè):如果地球表面溫度的升高按現(xiàn)在的速度繼續(xù)發(fā)展,到2050年全球溫度將上升2-4攝氏度,南北極地冰山將大幅度融化,導(dǎo)致海平面大大上升,一些島嶼國(guó)家和沿海城市將淹于水中,其中包括幾個(gè)著名的國(guó)際大城市:紐約,上海,東京和悉尼。

「聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)」與「世界氣象組織(WMO)」1988年共同成立「政府間氣候變化專(zhuān)家委員會(huì)(IPCC)」進(jìn)行專(zhuān)題研究,根據(jù)1995年IPCC第二次評(píng)估報(bào)告指出,人類(lèi)若不對(duì)溫室氣體排放采取控制措施,2100年全球平均地面氣溫將比1990年增加1.0-3.0℃,而海平面也將上升15至95cm。

若要在21世紀(jì)末將二氧化碳濃度保持為工業(yè)革命前的二倍,則全球二氧化碳之排放量即需削減一半以上。2009年12月4日,尼泊爾內(nèi)閣在海拔5164米的珠穆朗瑪峰一個(gè)營(yíng)地召開(kāi)了全世界最高的的內(nèi)閣會(huì)議。2009年10月17日,印度洋島國(guó)馬爾代夫首次在水下召開(kāi)內(nèi)閣會(huì)議。2009年12月7日,聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)在丹麥?zhǔn)锥几绫竟_(kāi)幕全球氣候變暖與二氧化碳減排!??!2009年11月26日,中國(guó)正式對(duì)外宣布控制溫室氣體排放的行動(dòng)目標(biāo),決定到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%—45%。目前人類(lèi)所普遍使用的能源是化石能源,儲(chǔ)量有限、不可再生。幾十萬(wàn)年才能形成的石油資源,采一桶少一桶,儲(chǔ)量日趨枯竭?;茉词褂眠^(guò)程中產(chǎn)生大量的污染,其所造成的環(huán)境危機(jī)已經(jīng)更甚于能源本身短缺的危機(jī)。美國(guó)能源部和世界能源理事會(huì)預(yù)測(cè),全球已探明的石油儲(chǔ)量約為1.5×1012t,按現(xiàn)消費(fèi)水平到2040年將枯竭;天然氣儲(chǔ)量約為1.2×1012t,僅能維持到2060年;煤炭?jī)?chǔ)量約為5.5×1012t,也僅可用200年。且資源主要分布在美國(guó)、加拿大、俄羅斯和中東地區(qū)。4、新能源需求中國(guó)已是世界主要能源消耗大國(guó),國(guó)際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),從2002年至2030年,全球新增能源需求的21%將來(lái)自中國(guó)。我國(guó)煤炭剩余可開(kāi)采儲(chǔ)量?jī)H為1390億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,按照2003年的開(kāi)采速度,只能維持83年。據(jù)國(guó)土資源部預(yù)計(jì),我國(guó)石油資源儲(chǔ)量?jī)H為全球2%,石油開(kāi)采年限為15年,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平。中國(guó)的能源需求:

2006年中國(guó)石油表觀(guān)消費(fèi)量達(dá)到34655萬(wàn)噸,同比增長(zhǎng)9.3%;石油產(chǎn)品進(jìn)口量達(dá)1.6億噸,對(duì)外依存度已達(dá)47%,較2005年提高4.1個(gè)百分點(diǎn)。

二00九年中國(guó)能源藍(lán)皮書(shū)預(yù)測(cè):2010年和2015年中國(guó)原油產(chǎn)量將分別達(dá)到1.77億-1.98億噸和1.82億-2.0噸,呈緩慢上升趨勢(shì)。2020年,中國(guó)原油產(chǎn)量預(yù)計(jì)為1.81億-2.01億噸,石油對(duì)外依存度將達(dá)64.5%;然后將呈逐年下降的趨勢(shì)。中國(guó)的能源需求:

世界進(jìn)入了一個(gè)能源不安全時(shí)期!尋找清潔、安全、廉價(jià)、可再生的替代能源迫在眉睫!

新能源包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出?lái)的生物燃料和氫能。從世界可再生能源的利用與發(fā)展趨勢(shì)看,風(fēng)能、太陽(yáng)能和生物質(zhì)能發(fā)展最快,產(chǎn)業(yè)前景最好。世界各國(guó)紛紛把發(fā)展生物質(zhì)能源提高到戰(zhàn)略高度!

生物質(zhì)能源優(yōu)點(diǎn):綠色環(huán)保。如生物柴油可降低90%的排放毒性??稍偕F浠驹鲜寝r(nóng)業(yè)產(chǎn)出物,可以周而復(fù)始地生產(chǎn),成本低。節(jié)能。生產(chǎn)生物柴油的能耗僅為生產(chǎn)礦物柴油的1/4,而且使用柴油機(jī)可以節(jié)油15%-30%。安全。生物柴油可完全降解,其閃點(diǎn)高于礦物柴油因而更安全。5、生物能源發(fā)展趨勢(shì)乙醇或柴油;能源植物或微藻?近年來(lái),全球的生物柴油產(chǎn)量增加了80%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)燃料乙醇等替代燃料的增長(zhǎng)速度。美國(guó)把生物柴油列為“可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略”的主要發(fā)展目標(biāo)之一。提出到2020年生物燃油取代全國(guó)燃油消費(fèi)量的10%;能源署計(jì)劃到2010年,生物柴油的產(chǎn)量超過(guò)1200萬(wàn)噸。到2025年,用生物質(zhì)能源替代75%的中東石油進(jìn)口。生物柴油的研究最早是從20世紀(jì)70代開(kāi)始。國(guó)外生物質(zhì)能源發(fā)展趨勢(shì)

巴西美國(guó)加拿大愛(ài)爾蘭歐盟日本東南亞乙醇柴油乙醇柴油柴油柴油柴油柴油不同來(lái)源生物柴油的生產(chǎn)能力玉米微藻棕櫚油菜籽向日葵大豆14-286200-4000微藻與部分植物的產(chǎn)油效率比較

玉米大豆油菜籽麻瘋樹(shù)棕櫚樹(shù)微藻升/公頃.年17244611901892595095,000部分微藻細(xì)胞內(nèi)的油脂含量微藻microalgae含油量oilcontent(%干重dryweight)Botryococcusbraunii(葡萄藻)

Chlorellasp.(小球藻)Crypthecodiniumcohnii(宼氏隱甲藻)Cylindrothecasp.(細(xì)柱藻)Dunaliellaprimolecta(杜氏鹽藻)Isochrysissp.(等邊金藻)MonallantussalinaNannochlorissp.(微綠球藻)Nannochloropsissp.

(微擬球藻)Neochlorisoleoabundans

(新綠藻)Nitzschiasp.

(菱形藻)Phaeodactylumtricornutum

(三角褐指藻)Tetraselmissueica

(四片藻)25-7528-32

2016-37

2325-33>2020-3531-6835-5445-4720-3015-23引自ChistiY.,2007,Biodieselfrommicroalgae,BiotechnologyAdvances,25,294-306微藻熱解所得生物質(zhì)燃油熱值高,平均高達(dá)33MJ/kg,是木材或農(nóng)作物秸稈的1.6倍培養(yǎng)產(chǎn)油微藻的耕地占有率中國(guó)鹽堿地達(dá)1.5億畝(即10Mha),僅需14%的鹽堿地!趨勢(shì):柴油+乙醇;微藻+能源植物6、利用微藻資源的各種方式太陽(yáng)能廢水處理優(yōu)良藻種養(yǎng)殖設(shè)施碳源、營(yíng)養(yǎng)鹽自然海域營(yíng)養(yǎng)鹽規(guī)?;囵B(yǎng)增殖有用物質(zhì)生產(chǎn)餌料生產(chǎn)太空應(yīng)用收獲分離、精制處理水分離殘?jiān)称飞a(chǎn)生物質(zhì)能源活性物質(zhì)食品添加劑加工環(huán)境凈化蛋白質(zhì)脂肪酸功能食品油脂石油烴氫甲烷供給氧氣去除CO2廢物處理去除CO2有益物濃縮有害物回收污染防治醫(yī)藥試劑化妝品生物毒素色素香料糖類(lèi)化工原料碳?xì)浠衔锾穷?lèi)CO2三、如何養(yǎng)微藻?(一)異養(yǎng)培養(yǎng)某些微藻能利用簡(jiǎn)單的有機(jī)物進(jìn)行異養(yǎng)生長(zhǎng)。異養(yǎng)培養(yǎng)可控性好,生長(zhǎng)速率高,并有可能獲得高含量油脂的微藻藻體,如清華大學(xué)吳慶余等通過(guò)異養(yǎng)轉(zhuǎn)化細(xì)胞工程技術(shù)獲得了脂類(lèi)含量高達(dá)細(xì)胞干重55%的異養(yǎng)藻細(xì)胞。但微藻異養(yǎng)培養(yǎng)設(shè)備要求高,產(chǎn)物生化組分變化大,運(yùn)營(yíng)成本昂貴。(二)自養(yǎng)培養(yǎng)微藻大規(guī)模培養(yǎng)目前主要有3種形式:光生物反應(yīng)器(Photobioreactors,PBR)跑道池(RacewayPond)開(kāi)放大池(OpenPond)

AlgaeOilOutput:Approx.8L./week;Approx.420L./yearAlgaePondCosttoduplicateunit:$1500AgitatedAlgaeTroughAlgaeOilOutput:Approx.25L./week;Approx.1300L./yearCosttoduplicateunit:$2500AlgaecirculatingpondAlgaeOilOutput:Approx.20L./week;Approx.1000L./yearCosttoduplicateunit:$3000OpenTopAlgaeTowerAlgaeOilOutput:Approx.30L./week;Approx.1500L./yearCosttoduplicateunit:$8000EnclosedAlgaeTubeTowerAlgaeOilOutput:Approx.5L./week;Approx.260L./yearCosttoduplicateunit:$200foot(height)CircularmixingpondsAlgaeOilOutput:Approx.50L./week;Approx.2500L./yearCosttoduplicateunit:$5000LargeOpenAlgaePondAlgaeOilOutput:75metrictons/hectare/yearCosttoduplicateunit:$40,000/hectareLargeRacewayPondLargeRacewayPondAlgaeOilOutput:120metrictons/hectare/yearCosttoduplicateunit:$80,000/hectare光生物反應(yīng)器與跑道池生產(chǎn)效率的比較2006年11月,美國(guó)GreenFuelTechnologyCorp和ArizonaPublicServiceCompany報(bào)道了以微藻為生物質(zhì)原料制備生物柴油研發(fā)所取得的進(jìn)展。兩公司在亞利桑那州建立了可與1040兆瓦電廠(chǎng)煙道氣相聯(lián)接的商業(yè)化系統(tǒng),成功地利用煙道氣的CO2,大規(guī)模光合成培養(yǎng)微藻,并將微藻轉(zhuǎn)化為生物“原油”,其產(chǎn)率可達(dá)到每年每英畝提供5000-10000加侖(3784-7567L/畝)生物柴油和相當(dāng)量生物乙醇的水平。(三)國(guó)內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀

2007年,美國(guó)Solix

Biofuels、PetroSun等多家公司相繼公布了本公司在微藻能源研發(fā)中的進(jìn)展和未來(lái)的計(jì)劃。

2007年3月,IsraelFirmSembioticLtd展示了利用海藻(seeweed)吸收CO2,轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能為生物質(zhì)能的技術(shù),在離電廠(chǎng)煙囪幾百米處的跑道池中規(guī)模培養(yǎng)海藻,并將其轉(zhuǎn)化為燃料,每5公斤藻可產(chǎn)1升燃料。

2007由美國(guó)著名實(shí)驗(yàn)室和科學(xué)家組成的Nationalalliance《LiveFuels》宣布了由國(guó)家能源局支持的“微型曼哈頓計(jì)劃”,計(jì)劃在2010年實(shí)現(xiàn)微藻制備生物柴油的工業(yè)化。隨后,日本、韓國(guó)、英國(guó)、以色列、中國(guó)等國(guó)家展開(kāi)微藻制備生物柴油技術(shù)研究。2007年12月荷蘭Shell公司宣布與美國(guó)從事生物燃料業(yè)務(wù)的HRBiopetroleum公司組建Cellena合資公司,投資70億美元在夏威夷開(kāi)展海洋微藻生物柴油技術(shù)研究。2007年底,美國(guó)Chevron公司宣布與美國(guó)能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室協(xié)作研究微藻生物柴油技術(shù)。2008年1月,中國(guó)石油化工集團(tuán)公司與中國(guó)科學(xué)院簽訂的《全面戰(zhàn)略合作協(xié)議書(shū)》,雙方經(jīng)過(guò)協(xié)商,決定在新能源領(lǐng)域合作研發(fā)“微藻生物柴油成套技術(shù)”。

2009年7月14日,美國(guó)ExxonMobil公司宣布將投資給SyntheticGenomics公司6億美元發(fā)展藻類(lèi)生物燃料。美國(guó)制定藻類(lèi)生物燃料技術(shù)路線(xiàn)圖(2009)AlgalBiologyFeedstockCultivationHarvestandDewateringExtractionandFractionofMicroalgaeAlgalBiofuelConversionTechnologyCo-ProductsDistributionandUtilizationofAlgalBased-FuelsResourcesandSitingCorrespondingStandards,RegulationandPolicySystemsandTechno-EconomicAnalysisofBiofuelDeploymentPublic-PrivatePartnerships四、問(wèn)題與建議管板柱池(一)用什么反應(yīng)器:池-管-板-柱?光衰減細(xì)管/薄板式設(shè)計(jì)內(nèi)光源加強(qiáng)光周期循環(huán),轉(zhuǎn)光連續(xù)采收—低密度培養(yǎng)開(kāi)放式表層水體有效密閉式淺池運(yùn)行強(qiáng)制混合光照通量不足措施

項(xiàng)目單耗(t/t)小計(jì)(元/t)NaHCO3(7-10)88960營(yíng)養(yǎng)鹽3.25970耗水10001000耗電3300度1850耗油14600折舊

12500人員

3000總計(jì)37880

(二)如何提高效率、降低成本?高物耗高能耗高折舊1、成本分析——螺旋藻開(kāi)放池CO2優(yōu)良微藻藻種自然篩選、誘變育種或基因工程手段改造光合反應(yīng)器或培養(yǎng)池微藻采收或(膜過(guò)濾)(離心)濕藻泥油提煉離心分離油和藻渣規(guī)模化培養(yǎng)提煉后的藻渣綜合利用酒精飼料添加微藻能源生產(chǎn)技術(shù)路線(xiàn)圖(產(chǎn)油)生物柴油煙氣減排2、問(wèn)題與限制因素微藻現(xiàn)有產(chǎn)油成本比較

原油菜籽油棕櫚油微藻生物原油$/kg?0.3~0.60.250.3~0.43~10微藻產(chǎn)油成本的主要相關(guān)技術(shù):微藻的高生長(zhǎng)速率、低成本培養(yǎng)基及培養(yǎng)工藝的優(yōu)化;廢棄CO2的捕獲、凈化和利用;低成本的光生物培養(yǎng)系統(tǒng);微藻生物量的低成本收集。美國(guó)能源局計(jì)劃在各項(xiàng)技術(shù)全面進(jìn)展的前提下,將微藻產(chǎn)油的成本于2015年降至2-3美元/加侖,從而對(duì)該領(lǐng)域的研究提出了明確挑戰(zhàn)。Alongwaytorun!3、總體思路

新型反應(yīng)器降低投資成本碳源替代降低物耗、能耗反應(yīng)工程大規(guī)模培養(yǎng)與調(diào)控分離工程脂肪酸/蛋白/多糖/色素篩選、改造平臺(tái)采收/破壁/干燥/循環(huán)過(guò)程優(yōu)化與放大平臺(tái)種質(zhì)工程藻種選育與改造藻種評(píng)價(jià)平臺(tái)深加工與多聯(lián)產(chǎn)以高值化彌補(bǔ)成本過(guò)程優(yōu)化控制提高產(chǎn)率降成本4、使微藻生物柴油生產(chǎn)過(guò)程與CO2減排的高度耦合自2005年開(kāi)始,歐盟、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家均已開(kāi)始對(duì)CO2排放進(jìn)行定量控制;對(duì)于中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家,將于2012年開(kāi)始對(duì)CO2排放進(jìn)行定量控制。目前,歐盟的每噸CO2指標(biāo)售價(jià)約為20歐元,我國(guó)每減排1噸CO2的指標(biāo)售價(jià)約為100元人民幣。據(jù)2007年統(tǒng)計(jì),我國(guó)的CO2年排放量為27億噸,位居世界第二,因此CO2減排形勢(shì)十分嚴(yán)峻。

CO2減排(CDM)的國(guó)際市場(chǎng)已初步形成,隨著2012年的逐步接近,我國(guó)的CO2減排壓力越來(lái)越大,CDM市場(chǎng)將會(huì)非常巨大。自2005年開(kāi)始,歐盟、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家均已開(kāi)始對(duì)CO2排放進(jìn)行定量控制;對(duì)于中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家,將于2012年開(kāi)始對(duì)CO2排放進(jìn)行定量控制。目前,歐盟的每噸CO2指標(biāo)售價(jià)約為20歐元,我國(guó)每減排1噸CO2的指標(biāo)售價(jià)約為100元人民幣。據(jù)2007年統(tǒng)計(jì),我國(guó)的CO2年排放量為27億噸,位居世界第二,因此CO2減排形勢(shì)十分嚴(yán)峻。

CO2減排(CDM)的國(guó)際市場(chǎng)已初步形成,隨著2012年的逐步接近,我國(guó)的CO2減排壓力越來(lái)越大,CDM市場(chǎng)將會(huì)非常巨大。每培養(yǎng)1噸微藻粉約消耗1.83噸CO2,通過(guò)微藻大規(guī)模培養(yǎng),目前每年可固定約4萬(wàn)噸CO2。第一代:開(kāi)放池,50元/m2第二代:封閉式,100元/m25、發(fā)展新型光生物反應(yīng)器推薦的養(yǎng)殖方式光生物反應(yīng)器,跑道池和開(kāi)放大池的聯(lián)合逐級(jí)放大培養(yǎng),兼顧成本與效率。PBRRacewaysOpenpond

項(xiàng)目開(kāi)放池密閉板式(100元/平米)密閉板式(100元/平米)折舊期(年)10103CO2115011501150營(yíng)養(yǎng)鹽110011101110耗水3131010耗電210210210耗油000折舊78121093825498人員225022502250總計(jì)128351566830228能源藻成本測(cè)算(元/t生物量)南方(長(zhǎng)江、珠江、華東、華南沿海、西南):人多、地少、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、水資源相對(duì)豐富;北方(松、遼、黃、淮、海):人多、地多、經(jīng)濟(jì)相當(dāng)發(fā)達(dá)、水資源嚴(yán)重短缺;西北:地廣人稀、氣候干旱、生態(tài)環(huán)境脆弱。

鹽堿地、荒漠、減排需求?。。。ㄈ┰谀睦锷a(chǎn):東-南-西-北?廢水總量:約2400億方/年,環(huán)保需求 (工業(yè):1200億方/年,生活:600億方/年)

——廢水資源分散,城市附近缺少場(chǎng)地。海水:資源無(wú)限、可防空氣雜菌污染(鹽湖)

——沿海養(yǎng)藻效益低淡水:總供水5500億方/年(2002年)(地表水4400億方/年,地下水1100億方/年)

——與人爭(zhēng)水?要發(fā)展水循環(huán)技術(shù)?。ㄋ模┯檬裁此簭U水-海水-淡水?(四)用什么藻種?

不易貼壁(表面特性?)不產(chǎn)胞外多糖最適pH8.5~11.5,最好在9.0以上

光合效率高,面積產(chǎn)率>8g/m2d

溫度范圍寬,4~50℃

光飽和點(diǎn)高,>5mW/cm2

光抑制點(diǎn)高,>10mW/cm2

個(gè)體密度1.02-1.05g/cm3

個(gè)體大,易收獲,>300目產(chǎn)物含量適中,~30%優(yōu)良微藻藻種自然篩選、誘變育種或基因工程手段改造1、優(yōu)良藻種的標(biāo)準(zhǔn)和遺傳基礎(chǔ)?生長(zhǎng)快、適應(yīng)性強(qiáng)、油脂含量高、高效固定CO2、易采收……,如何考慮遺傳穩(wěn)定性?2、實(shí)現(xiàn)藻種高通量、準(zhǔn)確化篩選的理論依

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