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微生物的营养知识总结

微生物的营养

微生物的特点:

食谱广、胃口大

营养物质:

那些能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质

营养:

微生物获得和利用营养物质的过程

营养物质是微生物生存的物质基础,而营养是生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。

第一节微生物的营养要求

一、微生物细胞的化学组成

(一)化学元素(chemicalelement):

大量元素(macroelement):

碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁(其中前

六种占细菌细胞干重的97%)。

微量元素(traceelement):

锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼。

微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”。

组成微生物细胞的各类化学元素的比例常因微生物种类的不同而异,也随菌龄及培养条件不同在一定范围内发生变化。

(二)微生物细胞的化学成分及分析

微生物细胞中的各种元素的存在形式:

主要以水、有机物、无机物的形式存在于细胞中。

微生物细胞的化学组成的影响因素:

微生物种类、菌龄、培养条件。

(三)元素在细胞内存在形式

上述元素主要以水、有机物、无机盐的形式存在于细胞中:

1、有机物:

蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素及其降解产物.

2、无机物:

①参与有机物组成

②单独存在于细胞质内以无机盐的形式存在.

3、水:

约占细胞总重70%~90%,以游离水和结合水两种形式存在

游离水:

干重法可测得;

结合水:

不易蒸发、不冻结、也不能渗透,占水总量的17%—28%。

与其他生物细胞相比

•共同成份:

•特殊成份:

水肽聚糖

无机盐胞壁酸

蛋白质磷壁酸

糖类D-型氨基酸

脂类二氨基庚二酸

核酸等吡啶二羧酸等

化学成分及其分析

有机成分:

化学方法直接抽提然后定性定量

细胞破碎、获得不同的亚显微结构,然后分析

无机成分:

灰分测定

湿重、干重、细胞含水量

二、营养物质及其生理功能

•碳源(carbonsource)

•氮源(nitrogensource)

•无机盐(mineralsalts)

•生长因子(growthfactor)

•水(water)

微生物与动植物营养要素的比较

动物

微生物

绿色植物

(异养)

异养

自养

(自养)

碳源

糖类、脂肪

糖、醇、有机酸等

二氧化碳、碳酸盐等

二氧化碳

氮源

蛋白质及其降解物

蛋白质及其降解物、有机氮化物

无机氮化物、氮

无机氮化物

能源

与碳源同

与碳源同

氧化无机物或利用日光能

利用日光能

生长因子

维生素

有些需要维生素等生长因子

不需要

不需要

无机元素

无机盐

无机盐

无机盐

无机盐

水分

(一)、碳源(Carbonsource):

定义:

凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。

功能:

提供合成细胞物质及代谢物的原料;并为整个生理活动提供所需要能源(异养微生物)。

种类:

无机含碳化合物:

和碳酸盐等。

有机含碳化合物:

糖与糖的衍生物(多糖:

如淀粉、麸皮、米糠等;饴糖;单糖)

脂类

醇类

有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含氮的化合物。

碳源功能

•C素构成细胞及代谢产物的骨架

•C素是大多数微生物代谢所需的能量来源

碳源种类

•无机C源:

、碳酸盐,只能被自养微生物利用

•有机C源:

各种糖类,其次是有机酸、醇类、脂类和烃类化合物

 

微生物的碳源谱

类型

元素水平

化合物水平

培养基原料水平

C·H·O·N·X

复杂蛋白质、核酸等

牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等

C·H·O·N

多数氨基酸、简单蛋白质等

一般氨基酸、明胶等

C·H·O

糖、有机酸、醇、脂类等

葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等

C·H

烃类

天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等

C(?

C·O

C·O·X

(二)氮源(Nitrogensource):

定义:

凡用来构成菌体物质或代谢产物中氮素来源的营养源。

种类:

无机氮:

铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素、氨、N22等;

有机氮:

蛋白质及其降解产物(如胨、肽、氨基酸等)、牛肉膏、鱼粉、花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆等

功能:

①提供合成细胞中含氮物,如蛋白质、核酸,以及含氮代谢物等的原料。

②少数细菌可以铵盐、硝酸盐等氮源为能源。

微生物的氮源谱

类型

元素水平

化合物水平

培养基原料水平

N·C·H·O·X

复杂蛋白质、核酸等

牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等

N·C·H·O

尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等

尿素、蛋白胨、明胶等

N·H

NH3、铵盐①等

(NH4)2SO4等

N·O

硝酸盐等

N

氮气

空气

①许多腐生型细菌、肠道菌、动植物致病菌一般都能利用铵盐或硝酸盐作为氮源。

大肠杆菌、产气杆菌、枯草杆菌、铜绿假单胞菌等都可以利用硫酸铵、硝酸铵作为氮源;放线菌可以利用硝酸钾作为氮源;霉菌可以利用硝酸钠作为氮源等

氮源种类

分子态氮:

固氮微生物以分子氮为唯一氮源

无机态氮:

硝酸盐、铵盐几乎所有微生物能利用

有机态氮:

蛋白质及其降解产物

a速效氮源:

实验室常用牛肉膏、蛋白质、玉米浆、酵母膏做氮源

b迟效氮源:

生产用豆饼、葵花饼、花生饼等。

蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用,这种氮源叫迟效氮源。

无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用,这种氮源叫做速效氮源。

速效氮源,通常有利于机体的生长;迟效氮源,有利于代谢产物的形成。

实验室常用的无机氮源:

碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。

生产上常用的氮源:

硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。

营养物质及其生理功能

能源:

能为微生物生命活动提供能量来源的营养物或辐射能称为能源。

化学能:

有机物-化能异养微生物和无机物-化能自养微生物

光能

化能无机自养型微生物的能源都是一些还原态的无机物,例如NH4+、NO2-、S、H2S、H2和Fe2+等。

能利用这种能源的微生物都是一些原核生物,包括亚硝酸细菌、硝酸细菌、硫化细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。

在微生物生长过程中,具体某一种营养物质可同时兼有几种营养要素的功能,如氨基酸即可以作为某些微生物的碳源和氮源,又是能源。

(三)无机盐(inorganicsalt)

定义:

为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素(包括大量元素和微量元素)的物质,多以无机盐的形式共给。

大量元素:

P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe(微生物生长所需浓度在10-3~10-4mol/L)

微量元素:

Cu、Zn、Mn、Mo、Co(微生物生长所需浓度在10-6~10-8mol/L)

一般微生物生长所需要的无机盐有:

硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。

无机盐生理功能

构成微生物细胞的组成成分

调解微生物细胞的渗透压,pH值和氧化还原电位。

有些无机盐如S、Fe还可做为自养微生物的能源。

构成酶活性基的组成成分,维持E活性。

Mg、Ca、K是多种E的激活剂。

无机元素的来源和功能

元素

人为提供形式

生理功能

P

KH2PO4、K2HPO4

核酸、磷酸和辅酶的成分

S

MgSO4

含硫氨基酸、含硫维生素成分

K

KH2PO4、K2HPO4

酶的辅因子、维持电位差和渗透压

Na

NaCl

维持渗透压、某些细菌和蓝细菌需要

Ca

Ca(NO3)2、CaCl2

胞外酶稳定剂、蛋白酶辅因子、细菌芽孢和真菌孢子形成

Mg

MgSO4

固氮酶辅因子、叶绿素成分

Fe

FeSO4

Cyt成分;合成叶绿素、白喉毒素和氯高铁血红素所需

Mn

MnSO4

超氧化物歧化酶、氨肽酶、L-阿拉伯糖异构酶等的辅因子

Cu

CuSO4

氧化酶、酪氨酸酶的辅因子

Zn

ZnSO4

碱性磷酸酶、脱氢酶、肽酶、脱羧酶辅因子

Mo

(NH4)6Mo7O24

固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分

营养物质及其生理功能

微量元素通常没有必要另外加入。

微量元素中许多是重金属元素,过量不能提高机体的代谢活性,反而产生毒害作用,而且单独一种微量元素过量产生的毒害作用更大,因此,微生物生长所需要的微量元素一定要控制在正常的浓度范围内。

(四)生长因素(growthfactor)

定义:

它是一类对微生物正常生活所不可缺少而需要量又不大,但微生物自身不能用简

单的碳源或氮源合成,或合成量不足以满足机体生长需要的有机营养物质。

不同微生物

需求的生长因子的种类和数量不同。

缺乏合成生长因子能力的微生物称为营养缺陷型微生物

主要包括:

维生素、氨基酸、碱基

维生素

有的微生物自己不能合成维生素,需要外加,主要是B族维生素、硫胺素、叶酸、泛酸、核黄素等,如生产味精需加生物素(是B族中的一种即VH)。

氨基酸

有些微生物自己不能合成某种AA,必须给予补充,如赖AA发酵所用的黄色短杆菌不能合成环丝AA,为环丝AA缺陷型菌株,在培养基中必须添加含环丝AA的氮源。

如豆饼水解液或毛发水解液等。

各种菌合成AA的能力有很大差别,一般G-菌强于G+,大肠杆菌自己能合成全部AA,沙门氏菌能合成大部分AA,有的菌合成AA能力极弱,如肠道串珠菌需从外界补充19种AA。

碱基

嘧啶和嘌呤是核酸和辅E的重要组分,是许多微生物必须的生长因素。

有些微生物不仅不能合成嘧啶和嘌呤,而且不能将补充的嘧啶和嘌呤结合在核苷酸上,还必须供给核苷酸,有的菌需补充卟啉或其衍生物,还有的菌需供给(低碳)脂肪酸等。

最早发现的生长因子是维生素,目前已经发现许多维生素都能起生长因子的作用。

维生素大部分是构成酶的辅基或辅酶,需要量很少,但是缺少维生素微生物不能正常生长。

有些微生物缺乏或丧失合成某种或某些氨基酸的酶,所以不能合成生长所必需的氨基酸,这类微生物被称为“氨基酸缺陷型”。

例如:

肠膜明串珠菌(leuconostocmesenteroides)常常需要由外源供给多种氨基酸才能生长。

另外有些微生物生长还需要其它特殊的成分,例如某些乳酸杆菌生长需要核苷;某些酵母菌和真菌生长需要肌醇;某些肺炎球菌生长需要胆碱等。

根据微生物对生长因子的需要存在差异,可分为:

1.野生型((wildtype))又称原养型

不需要生长因子而能在基础培养基上生长的菌株

2.营养缺陷型((auxotroph))

某些菌株发生突变(自然突变或人工诱变)后,失去合成某种(或某些)对该菌株生长必不可少的物质(通常是生长因子如氨基酸、维生素)的能力,必须从外界环境获得该物质才能生长繁殖,这种突变型菌株称为营养缺陷型(auxotroph),相应的野生型菌株称为原养型(prototroph)。

营养缺陷型菌株经常用来进行微生物遗传学方面的研究。

(五)水(water)

微生物细胞含水约占细胞鲜重的70-90%,水作用是多方面的。

水的功能

水是细胞中生化反应的良好介质;营养物质和代谢产物都必须溶解在水里,才能被吸收或排出体(细胞)外。

水的比热高,能有效的吸收代谢过程中放出的热量,不致使细胞的温度骤然上升。

水能维持细胞的膨压(控制细胞形态)。

水活度的表示方法

微生物可利用的水用水活度来表示(Qw),Qw是指在相同的温度和压力下,溶液中水的蒸气压和纯水的蒸气压的比即an=P溶液/P纯水微生物生长所需的水活度通常在0.63-0.99之间,细菌水活度较高为0.8,酵母菌次之,耐旱的微生物水活度为0.6,水

中溶质越高水活度越低。

◆微生物对水的需要程度(水对微生物生长的影响)常用环境(或基质)中的水活度值(wateractivity,αw)表示。

所谓αw就是水的有效浓度。

◆定义:

水活度为在一定的温度条件下,溶液的蒸汽压(材料上部蒸气相中水浓度)与纯水的蒸汽压(即纯水上部蒸气相中水浓度)之比,即:

αw=P/Po

P表示溶液的蒸汽压

Po表示纯水的蒸汽压

◆在αw为0.60~0.99的环境条件均有微生物生长,但对某种微生物而言,它对αw的要求是一定的,微生物对水的需求有相当的变化程度。

即微生物不同,其生长的最适αw亦不同。

几类微生物生长最适αw

微生物αw

一般细菌0.91

酵母菌0.88

霉菌0.80

噬盐细菌0.70

噬盐真菌0.65

嗜高渗酵母0.60

◆为了表示微生物生长与水的关系,有时也常用相对湿度(RH)的概念(αw×100=RH);通常也用测定蒸气相中相对湿度的方法得知溶液或物质的水活度

微生物的营养类型

光能自养型:

以光为能源,不依赖任何有机物即可正常生长

光能异养型:

以光为能源,但生长需要一定的有机营养

化能自养型:

以无机物的氧化获得能量,生长不依赖有机营物

化能异养型:

以有机物的氧化获得能量,生长依赖于有机营养

微生物营养类型(Ⅰ)

划分依据

营养类型

特点

碳源

自养型(autotrophs)

以CO2为唯一或主要碳源

异养型(heterotrophs)

以有机物为碳源

能源

光能营养型(phototrophs)

以光为能源

化能营养型(chemotrophs)

以有机物氧化释放的化学能为能源

电子供体

无机营养型(lithotrophs)

以还原性无机物为电子供体

有机营养型(organotrophs)

以有机物为电子供体

微生物的营养类型(Ⅱ)

营养类型

电子供体

碳源

能源

举例

光能无机自养型(光能自养型)

H2、H2S、S或H2O

CO2

光能

着色细菌、蓝细菌、藻类

光能有机异养型(光能异养型)

有机物

有机物

光能

红螺细菌

化能无机自养型(化能自养型)

H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-

CO2

化学能

(无机物氧化)

氢细菌、硫杆菌、亚硝化单

胞菌属、甲烷杆菌属、醋杆

菌属(Acetobacter)

化能有机异养型(化能异养型)

有机物

有机物

化学能

(有机物氧化)

假单胞菌属、芽孢杆菌属、

乳酸菌属、真菌、原生动物

1、光能无机自养型(光能自养型)

能以CO2为主要唯一或主要碳源;

进行光合作用获取生长所需要的能量;

以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体,使CO2还原为细胞物质;

例如,藻类及蓝细菌等和植物一样,以水为电子供体(供氢体),进行产氧型的光合作用,合成细胞物质。

而红硫细菌,以H2S为电子供体,产生细胞物质,并伴随硫元素的产生。

2、光能有机异养型(光能异养型)

不能以CO2为主要或唯一的碳源;

以有机物作为供氢体,利用光能将CO2还原为细胞物质;

在生长时大多数需要外源的生长因子;

例如,红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体,将CO2还原成细胞物质,同时积累丙酮。

光能无机自养型和光能有机异养型微生物可利用光能生长,在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用。

3、化能有机异养型(化能自养型)

生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能;

以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时,利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体,使CO2还原成细胞物质。

这类微生物主要有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌。

它们在自然界物质转换过程中起着重要的作用。

化能无机自养型只存在于微生物中,可在完全无机及无光的环境中生长。

它们广泛分布于土壤及水环境中,参与地球物质循环;

4、化能有机异养型(化能异养型)

生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能;

生长所需要的碳源主要是一些有机化合物,如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。

有机物通常既是碳源也是能源;

大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物;

所有致病微生物均为化能有机异养型微生物;

这类细菌包括硫细菌、硝化细菌、H细菌、铁细菌等,硫细菌和硝化细菌与生产密切相关。

5、化能有机异养型(化能异养型)

腐生型(metatrophy):

可利用无生命的有机物(如动植物尸体和残体)作为碳源

寄生型(paratrophy):

寄生在活的寄主机体内吸取营养物质,离开寄主就不能生存;

在腐生型和寄生型之间还存在中间类型:

兼性腐生型(facultivemetatrophy);

兼性寄生型(facultiveparatrophy);

不同营养类型之间的界限并非绝对:

o异养型微生物并非绝对不能利用CO2;

o自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长;

o有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也会发生改变

o微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件变化的适应能力

第二节培养基

培养基(medium)是人工配制的,适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。

培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础

任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素:

碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水

任何培养基一旦配成,必须立即进行灭菌处理;

常规高压蒸汽灭菌:

1.05kg/cm2,121.3℃15-30分钟;

0.56kg/cm2,112.6℃15-30分钟

某些成分进行分别灭菌;

过滤除菌;

一、选用和设计培养的原则和方法

定义:

应科研或生产的需要,由人工配制的、适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物用的营养基质(混合养料)。

特点:

任何培养基都应具备微生物所需要的五大营养要素,且应比例适当。

所以一旦配成必须立即灭菌。

用途:

促使微生物生长;积累代谢产物;分离微生物菌种;鉴定微生物种类;微生物细胞计数;菌种保藏;制备微生物制品。

在微生物学研究和生长实践中,配置合适的培养基是一项最基本的要求。

培养基组分应适合微生物的营养特点(目的明确)

营养物的浓度与比例应恰当(营养协调)

物理化学条件适宜(条件适宜)

根据培养目的选择原料及其来源(经济节约)

(一)培养基组分应适合微生物的营养特点

培养不同的微生物必须采用不同的培养条件;

培养目的不同,原料的选择和配比不同;

按微生物的主要类类群来说,它们所需要的培养基成分也不同:

细菌:

牛肉膏蛋白胨培养基LB(Luria-Bertani)

放线菌:

高氏一号培养基

真菌:

查氏合成培养基PDA(Potato-Dextrose-Agar)

酵母菌:

麦芽汁

当对试验菌营养需求特点不清楚的时候,可以采用‘生长谱’法进行测定。

1、选择适宜的营养物质

实验室一般培养:

普通常用培养基;

遗传研究:

成分清楚的合成培养基;

生理、代谢研究:

选用相应的培养基配方;

例如枯草芽孢杆菌:

一般培养:

肉汤培养基或LB培养基;

自然转化:

基础培养基;

观察芽孢:

生孢子培养基;

产蛋白酶:

以玉米粉、黄豆饼粉为主的产酶培养基;

(二)营养物的浓度与比例应恰当

●浓度过高——微生物的生长起抑制作用,

浓度过小——不能满足微生物生长的需要。

●碳氮比(C/N)直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累,故常作为考察培养基组成时的一个重要指标;

●速效性氮(或碳)源与迟效性氮(或碳)源的比例

●各种金属离子间的比例

一般(100/0.5-2)

谷氨酸发酵培养基:

100/11~21

放线菌蛋白酶培养基:

100/10~20

(三)物理化学条件适宜

1、pH:

各类微生物的最适生长pH值各不相同:

细菌:

7.0~8.0放线菌:

7.5~8.5

酵母菌:

3.8~6.0霉菌:

4.0~5.8

在微生物的生长和代谢过程中,由于营养物质的利用和代

谢产物的形成与积累,培养基的初始pH值会发生改变,为了维持培养基pH值的相对恒定,通常采用下列两种方式:

内源调节:

在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐;调节培养基的碳氮比。

外源调节:

按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液

2、水活度

在天然环境中,微生物可实际利用的自由水或游离水的含量,一般用在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示,即:

αw=Pw/P0w

式中Pw代表溶液蒸汽压力,P0w代表纯水蒸汽压力。

纯水αw为1.00,溶液中溶质越多,αw越小。

微生物一般在αw为0.60~0.99的条件下生长,αw过低时,微生物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。

微生物不同,其生长的最适αw不同。

(2)渗透压和aw

渗透压微生物适宜生长的aw为0.6-0.998之间。

等渗溶液适宜微生物生长

高渗溶液细胞发生质壁分离

低渗溶液细胞吸水膨胀,直至破裂

大多数微生物适合在等渗的环境下生长,而有的菌如Staphylococcusaureus则能在3mol/LNaCl的高渗溶液中生长。

能在高盐环境(2.8~6.2/LNaCl)生长的微生物常被称为嗜盐微生物(Halophiles)。

(3)氧化还原电势

各种微生物对培养基的氧化还原电势的要求:

好氧微生物:

+0.3~+0.4V,(在>0.1V以上的环境中均能生长)。

厌氧微生物:

只能在+0.1V以下生长

兼性厌氧微生物:

+0.1V以上呼吸、+0.1V以下发酵

培养基是多氧化还原偶的复杂电化学系统,测出的Eh值仅代表其综合结果。

对微生物影响最大的是:

分子氧和分子氢的浓度

培养基中常用的还原剂:

巯基乙酸、抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等。

3)氧化还原电位

氧化还原电位与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响

增加通气量(如振荡培养、搅拌)提高培养基的氧分压,或加入氧化剂,从而增加Ф值;

在培养基中加入抗坏血酸(0.1%)、硫化氢(0.025%)、半胱氨酸(<0.05%)、谷胱甘肽、二硫苏糖醇、庖肉等还原性物质可降低Ф值。

培养基中加入氧化还原指示剂刃天青可对氧化还原电位进行间接测定

氧化还原电位与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响.

(四)根据培养基的应用目的选择原料及其来源

用于培养菌体种子的培养基营养应丰富,氮源含量宜高(碳氮比低);

用于大量生产代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基稍低,(但若发酵产物是含氮化合物时,有时还应提高培养基的氮源含量);若代谢产物是次级代谢产物时要考虑是否加入特殊元素或特定的代谢产物;

当所设计的是大规模发酵用的培养基时,应重视培养基中各成份的来源和价格,应选择来源广泛、价格低廉的原料,提倡以粗代精,以废代好。

4、经济节约

配制培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基成份,

特别是在发酵工业中,以降低生产成本。

以粗代精以“野”代“家”

以废代好以简代繁

以烃代粮以纤代糖

以无机氮代蛋白

精心设计、试验比较

进行生态模拟,研究某种微生物的培养条件;

文献查阅,设计特定微生物的培养基配方;

试验比较,确定特定微生物的最佳培养条件

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