Selbst in tiefen Sedimentschichten unter z.T. mehreren Kilometern mächtiger Sedimentbedeckung finden sich noch aktive Mikroorganismen. Mit zunehmender Tiefe steigt die Temperatur im Untergrund an und überschreitet irgendwann die Grenze bis zu welcher Leben möglich ist. Die bisher festgestellte Temperaturobergrenze von Leben auf der Erde wurden an Mikroorganismen von hydrothermalen Systemen, sogenannten Schwarzen Rauchern gemessen und liegt bei ca. 120 Grad C. In Sedimenten hingegen liegt die Grenze deutlich niedriger. Messdaten aus Ölfeldern deuten auf eine Grenze von ca. 80 Grad C hin. Diese Diskrepanz zwischen hydrothermalen und sedimentären Systemen wurde dadurch erklärt, dass die Mikroorganismen in Sedimenten nicht genügend Energie gewinnen können um die bei hohen Temperaturen verstärkt notwendigen Reparaturen ihrer Zellbestandteile wie DNA und Proteinen durchzuführen. Interessanterweise lässt sich metabolische Aktivität bei extrem hohen Temperaturen nur dann nachweisen, wenn die Experimente unter hohem Druck stattfinden. IODP Expedition 370 wurde spezifisch zur Klärung der Frage nach dem Temperaturlimit von Leben in sedimentären Systemen durchgeführt. Im Nankai Graben vor der Küste Japans herrscht ein recht hoher geothermischer Gradient von ca. 100 Grad C/km, d.h. das gesamte Temperaturspektrum in dem Leben möglich ist erstreckt sich über ein Tiefeninterval von etwas mehr als einem Kilometer. Durch modernste Bohr- und Labortechniken war es möglich, Proben von höchster Qualität zu gewinnen, welche garantiert frei von Kontamination sind. Die Expedition hat einen stark interdisziplinären Charakter, so dass eine Vielzahl von biologischen und chemischen Parameter gemessen wurde, welche eine detaillierte Charakterisierung des Sediments erlauben. Das beantragte Projekt ist ein wichtiger Teil der Expedition, da Sulfatreduktion der quantitativ wichtigste anaerobe Prozess für den Abbau von organischem Material im Meeresboden ist. Im Rahmen einer MSc Arbeit wurden bereits erste Messungen durchgeführt. Diese konnten zeigen das Sulfatreduktion über die gesamte Kernlänge messbar ist, wenn auch z.T. mit extrem geringen Raten. Im Rahmen des beantragten Projekts sollen weitere Messungen durchgeführt werden, unter anderem auch unter hohem Druck. Dazu soll ein Hochdruck Temperatur-Gradientenblock gebaut und betrieben werden. Neben Sedimenten von IODP Exp. 370 sollen weitere Experimente mit hydrothermal beeinflusstem Sediment aus dem Guaymas Becken durchgeführt werden. Ein Vergleich zwischen diesen beiden Sedimenten soll weitere Einblicke in einen der wichtigsten biologischen Prozesse im Meeresboden liefern und ein besseres Verständnis über die Grenzen von Leben im allgemeinen.
Subsoils are an often neglected nutrient source for crops. The mobilisation and use of this potential nutrient source is an important factor in sustainable land use. Nutrient accessibility, release, and transport are strongly dependent on soil structure and its dynamics controlled by spatiotemporally variable physical functions of the pore network. A well structured soil, for example, with numerous interconnected continuous biopores will enhance root growth and oxygen availability and hence nutrient acquisition. In contrast to soils with a poorly developed structure nutrient acquisition is limited by restricted root growth and reduced aeration. The goal of this research project is to investigate different preceding crops and crop sequences in developing characteristic biopore systems in the subsoil and to elaborate their effect on the functional performance of pore networks with respect to nutrient acquisition. The main research question in this context is how soil structure evolves during cultivation of different plant species and how structure formation influences the interaction of physical (water and oxygen transport, shrinking-swelling) biological (microbial activity, root growth) and geochemical processes (e.g. by creating new accessible reaction interfaces). In order to study and quantify pore network architectures non-invasively and in three dimensions X-ray computed microtomography and 3D image analysis algorithms will be employed. The results will be correlated with small- and mesoscale physical/chemical properties obtained from in situ microsensor (oxygen partial pressure, redox potential, oxygen diffusion rate) and bulk soil measurements (transport functions, stress-strain relationships) of the same samples. This will further our process understanding regarding the ability of various crop sequences to form biopore systems which enhance nutrient acquisition from the subsoil by generating pore network architectures with an efficient interaction of physical, biological and geochemical processes.
Coccolithophoriden sind eine Gruppe von ca. 200-300 marinen Phytoplanktonarten, die in allen Weltmeeren vorkommt. Sie besitzen die besondere Fähigkeit eine Kalkschale (Coccosphäre) zu bauen, die sie aus vielen kleinen Kalkplättchen (Coccolithen) zusammensetzen. Aufgrund ihrer Fähigkeit zu kalzifizieren sind sie ein wichtiger Bestandteil im Klimasystem, denn die Produktion von Kalk nahe der Meeresoberfläche führt zu einem vertikalen Gradienten der Seewasseralkalinität, beschleunigt den Kohlenstoffexport in die Tiefsee und erhöht die Rückstrahlung von einfallender Sonnenenergie von der Erdoberfläche ins Weltall. Trotz intensiver Forschung an der Physiologie der Kalzifizierung und dessen biogeochemischer Relevanz konnten wir eine der entscheidenden Fragen immer noch nicht beantworten: Wozu bauen Coccolithophoriden eine Kalkschale? Die Beantwortung dieser Frage ist von außerordentlicher Bedeutung, denn solange wir nicht wissen wozu die Kalkschale dient können wir auch nicht vorraussagen in welchem Maße sich die durch die Ozeanversauerung zu erwartende Abnhame in der Kalzifizierung negativ auf die Fitness dieser Lebewesen in ihrem natürlichen Lebensraum auswirkt. In dem hier vorgestellten Projekt möchten wir die Frage nach der Bedeutung der Kalzifizierung erforschen, indem wir untersuchen ob die Coccosphäre einen Schutz gegen planktonische Räuber, Bakterien und Viren darstellt. Dazu haben wir eigens einen experimentellen Ansatz entwickelt wobei kalzifizierte und dekalzifizierte Coccolithophoridentzellen zusammen mit deren Fressfeinden und Pathogenen kultiviert werden. Dieser Ansatz erlaubt es uns folgende Fragestellungen zu untersuchen: 1) Sind kalzifizierte Zellen besser in der Lage sich gegen Fraß und Infektion zu schützen als Zellen ohne Coccosphäre? 2) Bevorzugen Fressfeinde und Pathogene solche Zellen, bei denen die Coccosphäre entfernt wurde, wenn ihnen beides angeboten wird? 3) Sind Wachstum und Reproduktion von Fressfeinden und Pathogenen verlangsamt, wenn sie kalzifizierte Zellen fressen oder infizieren?
Chromium (Cr) is introduced into the environment by several anthropogenic activities. A striking ex-ample is the area around Kanpur in the Indian state of Uttar Pradesh, where large amounts of Cr-containing wastes have been recently illegally deposited. Hexavalent Cr, a highly toxic and mobile contaminant, is present in significant amounts in these wastes, severely affecting the quality of sur-roundings soils, sediments, and ground waters. The first major goal of this study is to clarify the solid phase speciation of Cr in these wastes and to examine its leaching behavior. X-ray diffraction and synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy techniques will be employed for quantitative solid phase speciation of Cr. Its leaching behavior will be studied in column experiments performed at un-saturated moisture conditions with flow interruptions simulating monsoon rain events. Combined with geochemical modeling, the results will allow the evaluation of the leaching potential and release kinetics of Cr from the waste materials. The second major goal is to investigate the spatial distribution, speciation, and solubility of Cr in the rooting zone of chromate-contaminated soils surrounding the landfills, and to study the suitability of biochar as novel soil amendment for mitigating the deleterious effects of chromate pollution. Detailed field samplings and laboratory soil incubation studies will be carried out with two agricultural soils and biochar from the Kanpur region.
Abrupte Erwärmungsereignisse gekoppelt an das Freisetzen von großen Mengen an Kohlendioxid in die Atmosphäre und die Ozeane treten vor allem im frühen Paläogen auf. Diese sogenannten 'Hyperthermals' zeigen viele der Eigenschaften des rezenten, menschengemachten Klimawandels, wie z.B. den schnellen Eintrag von organischem Kohlenstoff und eine rapide, globale Erwärmung. Diese Gemeinsamkeiten machen die 'Hyperthermals' zu einer häufig genutzten Analogie um die Mechanismen und Effekte von vergangenen Erwärmungsereignissen zu untersuchen und somit einen Test der vorhandenen, modellbasierten Vorhersagen durchzuführen. Weiterhin können diese Ereignisse genutzt werden, um aufzuzeigen, wie Ökosysteme mit dem schnellen Anstieg der CO2 Emissionen zurechtkommen. Neue Studien haben gezeigt, dass den periodisch wiederkehrenden 'Hyperthermals' des frühen Paläogen eine orbitale Steuerung des Kohlenstoffkreislaufes zugrunde liegt. Da dies ein zentraler Bestandteil des Klimasystems der Erde ist, sollten vergangenen Treibhausklimaten vergleichbare Mechanismen zugrunde liegen und daher 'Hyperthermals' auch in diesen auftreten. Bis zum heutigen Tag gibt es allerdings keine Studie, die das Auftreten von periodisch wiederkehrenden, orbital-gesteuerten 'Hyperthermals' außerhalb des frühen Paläogens belegt.Prinzipielle Fragestellung des vorliegenden Projektes ist daher, ob 'Hyperthermals' im Treibhausklima des Maastricht (späte Kreide) vorkommen oder nicht. Diese Frage soll durch die Erstellung von geochemischen Paläoklimaproxies für ein spezifisches Zeitintervall des Maastricht (67-68,5 Millionen Jahre) an zwei verschiedenen Kernen (IODP Site U1403 aus dem Atlantik und ODP Site 1210 aus dem Pazifik) erreicht werden. Datensätze, die im Rahmen dieses Projektes generiert werden, basieren auf der Geochemie benthischer Foraminiferen (Mg/Ca und stabile Isotope) und auf der Rekonstruktion des Karbonatgehaltes der untersuchten Sedimente unter Zuhilfenahme von wt Prozent CaCO3 Messungen und eines XRF Kernscanners. Je nach den gewonnenen Ergebnissen werden sich unterschiedlichen Erkenntnisse über die prinzipiellen Mechanismen aufzeigen, die einem Treibhausklima zugrunde liegen. Die so gewonnenen Informationen werden einen genauen Einblick in die Kontrollmechanismen von Treibhausklimaten ermöglichen und stellen darüber hinaus einen Test dar, ob 'Hyperthermals' eine gute Analogie für unser Verständnis der zukünftigen Klimaerwärmung und ihrer Auswirkungen sind. Zusätzlich werden die Daten einen Vergleich der grundlegenden Mechanismen hinter den auftretenden 'Hyperthermals' (wenn sie denn im Maastricht existieren) in zwei unterschiedlichen Treibhausklimaten erlauben: dem frühen Paläogen mit seinen bekannten 'Hyperthermals' und der späten Kreide.
Die Fragestellung der Hintergrundwerte bezieht sich i.d.R. auf Gruppen von Parametern, die für den vorbeugenden Bodenschutz relevant sind. Hierbei werden bodenanalytische Daten erhoben und ausgewertet. Es sind Fremddaten und im Labor des LUNG M-V erhobene Daten (Meß-Rohdaten, kombinierte Daten, Meßreihen, statistische Aussagen über Daten). Sie sind verteilt abgelegt in Laborbüchern, Rohdatenfiles der Meßgeräte, Spreadsheet-Daten. Es handelt sich um bodenchemische Daten. Die Daten sind ausgewertet und bewertet und in einem Bericht (ggf. Zwischenberichten) abgelegt.
Nichtmischbare Sulfidschmelzen sind in der ozeanischen Kruste als magmatische Sulfide erhalten und zeichnen die Entwicklung von S und chalkophilen Elementen im magmatischen System auf. Neuste Ergebnisse zeigen systematische Unterschiede in deren Mineralogie und Chemie zwischen konvergenten und divergenten Plattengrenzen, die Prozesse die hierfür verantwortlich sind, sowie deren Einfluss auf die Verteilung chalkophiler Elemente sind jedoch weitestgehend unbekannt. Faktoren die die Löslichkeit von S in Silikatschmelzen kontrollieren beinhalten: (1) Temperatur, (2) Druck, (3) Sauerstofffugazität und (4) Fraktionierungsgrad. Die Bedingungen bei der Aufschmelzung des oberen Mantels und der Differentiation von Magmen in der Kruste unterscheiden sich zwischen Mittelozeanischen Rücken und Subduktionszonen, der Einfluss dieser Prozesse auf die Verteilung von S, Metallen und Halbmetallen in Magmen ist jedoch schlecht verstanden. Diese Prozesse kontrollieren die Entwicklung und den Kreislauf von S und chalkophilen Elementen in der ozeanischen Lithosphäre, die Zusammensetzung hydrothermaler Sulfide am Meeresboden, die Bildung der kontinentalen Kruste, die Zusammensetzung von vulkanischen Gasen und möglicherweise von epithermal-porphyrischen Lagerstätten.Diese Fragen sollen im Rahmen des Projekts bearbeitet werden, indem der magmatische Fluss von Metallen und Halbmetallen (z.B. Co, Ni, Cu, Se, Ag, Te, PGE, Au, Bi) durch die ozeanische Lithosphäre an Mittelozeanischen Rücken und ozeanischen Subduktionszonen untersucht wird. Neuste Methoden ermöglichen es die Spurenelementgehalte in magmatischen Sulfiden aus allen Abschnitten der ozeanischen Lithosphäre erstmals aus einer globalen Perspektive und unter Berücksichtigung des plattentektonischen Milieus und der zeitlichen Entwicklung des Systems zu messen. Proben die die initiale Phase ozeanischer Spreizung beim Zerbrechen eines Kontinents, sowie heutige vulkanische Aktivität an Mittelozeanischen Rücken dokumentierend ermöglichen es zusammen mit einer Abfolge von den jüngsten Laven am Meeresboden zu den ältesten am Übergang zu den Sheeted Dykes, die zeitliche Entwicklung des magmatischen Systems in hoher Auflösung zu untersuchen. Hierfür ist eine kontinuierliche Beprobung vom oberen Lithosphärenmantel bis in die oberste Kruste notwendig, was nur mit Bohrkernen aus DSPD, ODP und IODP Expeditionen möglich ist. Wir haben entsprechende Bohrkerne identifiziert und zusammen mit Proben vom Meeresboden und aus alter ozeanischer Lithosphäre (z.B. Troodos Ophiolith) kann ein vollständiges Spektrum von Perdiotiten des oberen Mantels, Grabbros der unteren Kruste, Sheeted Dykes und Laven basaltischer bis rhyolitischer Zusammensetzung untersucht werden. Magmatische Sulfide sind in vielen dieser Proben bekannt. Durch diesen Ansatz können erstmals Modelle entwickelt werden die den magmatischen Kreislauf chalkophiler Spurenelemente durch die gesamte ozeanische Lithosphäre an konvergenten und divergenten Plattengrenzen abbilden.
Klimaschwankungen des Quartärs sind anhand von Tiefsee- und Eisbohrkernen sehr detailliert erforscht und bekannt. Reaktionen des terrestrischen Systems auf diese Klimaänderungen sind bis heute hingegen nur vage definiert. Diese besser zu verstehen ist jedoch von entscheidender Bedeutung, da der Mensch auf der Erdoberfläche lebt, und die Steuerungsfaktoren sowie Rückkopplungen zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre sich anders als in Tiefseesedimenten oder Eisbohrkernen niederschlagen. Hauptziel des TERRACLIME-Projekts ist es, die Reaktionen des terrestrischen Systems auf Klimaänderungen der Nordhemisphäre während des letztglazialen Zyklus (LGZ) anhand neuer Löss-Paläoboden-Sequenzen (LPS) aus Remagen-Schwalbenberg (Mittelrheintal, Deutschland) zu rekonstruieren. Der im Zuge der Projektvorarbeiten gewonnene Pilotkern REM 3A beinhaltet die mächtigste und womöglich vollständigste für den LGZ in West- und Mitteleuropa bekannte Sequenz, die eine umfassende Rekonstruktion der Landschaftsgeschichte und Paläoumweltbedingungen ermöglicht. Der neue Kern ist länger und vollständiger als Aufschlüsse und Profile früherer Studien. Letzteren fehlen zudem hochauflösende Paläoklimarekonstruktionen mittels neuer Methoden sowie ein hochauflösender chronologischer Rahmen. Die systematische geophysikalische Prospektion des gesamten Schwalbenbergs bildet die Basis zur Detektion bestmöglicher Bohrpunkte an Stellen maximaler Lössmächtigkeit, um neben einem weiteren, hoch auflösenden Kern gezielte Testsondierungen durchzuführen. Durch diesen Catena-Ansatz wird es möglich sein, die Reaktionen von Löss auf Klimaänderungen zu erfassen sowie archiv-intrinsische Variabilitäten zur Differenzierung zwischen lokal, regional und überregional gesteuerten Prozessen zu nutzen. Neben etablierten Methoden (Sedimentologie, Mineralogie, Umweltmagnetismus) wird sich das Projekt auch neuartiger, innovativer Ansätze bedienen (anorganische und stabile Isotopen-Geochemie, Biomarker-Analysen). Dadurch werden neue Erkenntnisse zu paläoklimatischen Bedingungen, Sedimentationsprozessen, post-sedimentären Veränderungen sowie zur Vegetationsgeschichte generiert. Geochemische Daten werden außerdem herangezogen, um mögliche Änderungen der Sedimentherkunft zu erfassen. Hochauflösende Lumineszenz-Datierungen zur Erstellung eines unabhängigen und verlässlichen Altersmodells spielen im Rahmen des Projektes eine entscheidende Rolle. Ein Altersmodell, das auf der Kopplung von OSL an Quarzen mit pIR-IRSL an polymineralischen Präparaten basiert, fehlt bislang für den Schwalbenberg. Im Vergleich mit anderen lokalen, regionalen und überregionalen Paläoklimaarchiven wird es damit möglich sein, Reaktionen des terrestrischen Systems auf atmosphärische Klimaänderungen im Nordatlantik innerhalb des LGZ zu entschlüsseln. Die Erfassung synchron und asynchron verlaufender Veränderungen wird unser Verständnis von der Verknüpfung mariner, eisbasierter und terrestrischer Klimaarchive deutlich verbessern.
Exp. 370 diente der Erforschung des oberen Temperaturlimits der Tiefen Biosphäre vor dem Kap Muroto im Nankai Graben vor Japan. Dieser Standort ist charakterisiert durch einen extrem hohen Wärmefluss und sehr hohe Temperaturen, die an der Grenzfläche des Sediments zur Kruste bis zu 120 Grad C erreichen können. Dies entspricht der Maximaltemperatur bei der Leben bisher im Labor nachgewiesen wurde. Dieser Temperaturbereich umfasst ebenfalls den Bereich in dem Katagenese stattfindet, der thermische Zerfall von organischem Material zu flüssigen und flüchtigen Kohlenwasserstoffen. Es wird vermutet, dass dieses durch Katagenese gebildete labile und sauerstoffreiche oxidierte organische Material eine direkte Nahrungsquelle für die Mikrobengemeinschaften in diesen Sedimenten ist und somit eine direkte Kopplung der abiotischen und biotischen Zone darstellt. Die Hauptfragen in diesem Projekt sind: Welche und wieviele Mikroorganismen befinden sich in den Sedimenten nahe des Temperaturmaximums mikrobiellen Lebens? Bis in welche Tiefe, und können diese nachgewiesen werden? Wie ist mikrobielles Leben an diese extremen Bedingungen angepasst? Welche bioverfügbaren Verbindungen werden bei erhöhten Temperaturen aus dem organischen Material freigesetzt und inwieweit stellen diese eine Verknüpfung der tiefen Geo- und Biosphäre im Nankai Graben dar? Hierfür wird ein umfassender geochemischer Ansatz vorgeschlagen, der zum einen das Erstellen von Tiefenprofilen molekularer Lebenssignaturen vorsieht und zum anderen diese mit einer detaillierten Charakterisierung von löslichem und unlöslichem organischen Material (Kerogen) verknüpft. Diagnostische Biomoleküle wie z.B. intakte polare Membranlipide und Chinone werden hierbei mittels ultra-sensitiven massenspektrometrischen Methoden identifiziert und quantifiziert. Qualität und Bioverfügbarkeit des organischen Materials bei erhöhten Temperaturen soll mit einer Kombination aus Elementaranalyse und massenspektrometrischen, spektroskopischen und pyrolytischen Methoden untersucht werden. Zusätzlich wird die Bildung von potentiellen organische Substrate für die Mikrobengemeinschaften mittels wässriger Pyrolyse in Laborversuchen getestet. Diese Arbeiten stehen im direkten Bezug zu fundamentalen Fragen der Erforschung der Tiefen Biosphäre und versprechen wichtige Einblicke in Hinblick auf die Verteilung von tief versenktem Leben und der Faktoren welche dessen Ausbreitung limitiert.
Dieses Projekt trägt zu Forschungsfragen der IODP Expedition 370: T-Limit of the Deep Biosphere off Muroto bei. Die Temperatur an Site C0023 (Nankai Trog, Japan) steigt bis 1.2 km Tiefe auf ca. 120 Grad C an - das Maximum dessen, was potentiell von Mikroorganismen toleriert werden kann. Nährstoffarme tiefe Sedimente werden wahrscheinlich bei 80-90 Grad C sterilisiert. Ziel der Expedition war es, herauszufinden, wie und gesteuert durch welche Faktoren sich die Mikroorganismen-Vergesellschaftung mit der Tiefe ändert und wo Leben erlischt. Teil des wissenschaftlichen Programms ist die Untersuchung mikrobiell nutzbarer Substrate und eindeutiger geochemischer und mikrobieller Signaturen, die eine Identifizierung von biotischem und abiotischem Bereich bzw. dessen Übergang ermöglichen. Es wurden hochauflösende und präzise Porenwasserdaten gewonnen, die Reaktionsfronten, potentielle mikrobielle Aktivität und hydrothermale Überprägung anzeigen. Ein Teil der Sedimente ist Methan- und Sulfat-frei. Mikrobielle Aktivität hängt also von anderen Elektonenakzeptoren als Sulfat ab. Aktuelle Studien zeigen, dass die klassische Redoxkaskade durch Fe- und Mn-Reduktion in methanführenden Sedimenten ergänzt werden muss und, dass biogeochemische Prozesse in natürlichen Systemen stärker durch Mineralogie als durch eine strikte Abfolge von Reaktionen, die sich aus theoretischen Berechnungen ergibt, bestimmt sind. Fe(III)-Reduktion ist eine der ältesten Formen der mikrobiellen Respiration. Eisenreduzierer können unter hohen T- und Druckbedingungen wachsen, was nahelegt, dass diese einen Großteil der tiefen Biosphäre ausmachen. Fe- und Mn wird in Sedimenten von Lokation C0023 freigesetzt. Durch sequentielle Extraktionen soll aufgezeigt werden, welche Fe- und Mn-Phasen als Elektronenakzeptoren verfügbar sind und wie stark primäre Minerale diagenetisch überprägt wurden. Von besonderem Interesse sind Aschelagen, die an anderer Stelle bereits als Hotspots für mikrobielles Leben identifiziert wurden. Diese sind zahlreich in C0023 Sedimenten und typischerweise reich an Fe und Mn. Mikrobielle Fe-Reduktion führt zu einer Anreicherung von 54Fe im Porenwasser und sich daraus bildenden authigenen Mineralen (z.B. Siderit, Magnetit). Dementgegen führen abiotische Reaktionen mit Sulfid zu einer Anreicherung von 56Fe in der gelösten Phase. Stabile Fe-Isotope von gelöstem Fe2+ und reaktivem Fe in der Festphase sollen genutzt werden, um biologische und abiotische Fe-Reduktion zu unterscheiden. Die d56Fe Signatur wird an Karbonat-gebundenem Fe, der Ferrihydrit+Lepidkrokit-Fraktion, Goethit+Hämatit sowie Magnetit gemessen. Weiterhin soll das Ausmaß der Sulfidisierung, die Auswirkungen auf die Interpretation von Daten zu magnetischen Eigenschaften hat, durch sequentielle Extraktion von Fe-Monosulfiden und Pyrit erfasst werden. Ziel des Projekts ist es, die Rolle von Eisenoxiden für mikrobielle Respiration und entsprechende diagenetische Alterationen in tiefen Sedimenten von Site C0023 zu erfa
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