锶同位素溯源若羌灰枣产地的可行性研究

2017-08-30 17:35康露朱靖蓉赵多勇刘河疆王成
新疆农业科学 2017年6期
关键词:灌溉水枣园同位素

康露,朱靖蓉,赵多勇,刘河疆, 王成

(新疆农业科学院农业质量标准与检测技术研究所/农业部农产品质量安全风险评估实验室(乌鲁木齐)/新疆农产品质量安全实验室,乌鲁木齐 830091)

锶同位素溯源若羌灰枣产地的可行性研究

康露,朱靖蓉,赵多勇,刘河疆, 王成

(新疆农业科学院农业质量标准与检测技术研究所/农业部农产品质量安全风险评估实验室(乌鲁木齐)/新疆农产品质量安全实验室,乌鲁木齐 830091)

【目的】通过对若羌灰枣及其产地环境锶含量与同位素的组成特征进行测定,明确运用锶同位素溯源若羌灰枣产地的可行性。【方法】采集若羌县和36团灰枣、枣园土壤和灌溉水,运用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)和热电离质谱仪(TIMS),分别测定锶含量及同位素组成特征。【结果】若羌县铁干里克乡灰枣具有较高锶含量(5.11 mg/kg)和较低的锶同位素比值(0.711 329),而若羌县瓦石峡乡灰枣具有较低的锶含量及较高的锶同位素比值,其锶含量变化范围在3.14~4.26 mg/kg,均值为3.78 mg/kg;锶同位素比值的变化范围在0.712 643~0.713 084,平均值为0.712 897。与中国生物标准锶含量的2.5 mg/kg相比,若羌灰枣锶含量(4.67 mg/kg)较高,而河南新郑灰枣锶含量(2.00 mg/kg)相对较低。【结论】根据灰枣的锶含量及其同位素组成特征,可区分若羌灰枣和新郑灰枣,运用锶同位素可作为若羌灰枣产地溯源的指标之一。

灰枣;产地溯源;锶;锶同位素

0 引 言

【研究意义】若羌红枣在充分挖掘地域悠久的历史传统文化的基础上,申报“若羌红枣”地理标志农产品保护,申请注册了“楼兰”和“康丽果”等系列商标50 余个,品牌效益日渐显现,先后被有关部门和组织授予“中国红枣产业龙头县”和“中国红枣之乡”等荣誉称号[1]。由于我国食品市场准入制度和溯源体系的不完善,使得原产地保护产品以及名优产品以假乱真、以次充好现象严重[2]。在植物生长和新陈代谢过程中,稳定的锶不发生明显的同位素分馏作用,即在化学和生物学过程中,锶不会产生同位素分馏。锶同位素比率是判别动植物产地来源的有效指标,尤其是对于气候条件比较接近,其他同位素指标差异不明显时,能发挥重要作用[3]。通过对若羌灰枣及产地环境锶含量与同位素比值进行测定,为若羌灰枣的产地溯源奠定理论和技术基础。【前人研究进展】 锶是第五周期ⅡA 族元素,有四个稳定同位素(84Sr、86Sr、87Sr和88Sr),由于不同来源的87Sr/86Sr比值不同,可以把Sr同位素比值作为其来源的“指纹”[4]。由于生物体内同位素组成受气候、地形、土壤及生物代谢类型等因素的影响而发生自然分馏效应,从而使不同来源物质中同位素自然丰度存在差异[5]。稳定同位素的含量极低,通常用绝对值表达其差异相对困难,所以国际上使用相对量来表示同位素的富集程度[6]。农产品产地溯源主要是通过物理、化学和生物学方法,分析农产品的有机组成、挥发性成分、同位素含量与比率、DNA 图谱等特征成分或指标,结合化学计量学研究,建立起能区分农产品产地来源的特征指纹图谱[7]。韩晓彤等[8]研究表明,我国若干原产地名特优农产品与其特殊的地质地理和气候背景环境均有紧密联系。同位素指纹溯源技术、矿物元素指纹溯源技术及有机成分指纹溯源技术被认为是追溯农产品产地来源的有效方法[9-10]。孙境蔚等[11]用原子吸收光谱仪和电感耦合等离子体质谱仪分析了泉州市某林地垂直剖面土壤中8种重金属元素的含量及垂直剖面土壤的铅锶同位素组成,锶同位素示踪结果表明,锶主要来源于汽车尾气尘和土壤母质。随着现代分析技术的不断提高,元素-锶同位素溯源技术已开始引起人们的关注,利用元素-锶同位素技术溯源农产品原产地方面的作用已得到普遍认可,并被应用到食品、农产品产地溯源及真伪鉴别研究领域[12]。刘聪等[13]对不同产地扁形茶中稳定同位素比率进行测定,其产地也表现出差异。【本研究切入点】以若羌灰枣为研究对象,从产地环节对灰枣、枣园土壤和灌水用水进行采集,测定锶含量及同位素。同时测定灰枣原产地河南新政灰枣锶含量及同位素,对比河南新郑灰枣与若羌灰枣锶元素及其同位素特征指纹信息。【拟解决的关键问题】研究若羌灰枣枣园土壤、灌溉用水等环境因子中锶同位素组成与灰枣间的对应关系,定位若羌灰枣产地及其生长环境地球化学特征。

1 材料与方法

1.1 材 料

若羌县位于新疆东南部,塔克拉玛干沙漠东南缘,阿尔金山北麓,总面积20.23×104km2,属暖温带大陆性荒漠干旱气候。灰枣样品于2015 年10月采自若羌县,采集灰枣与其对应的枣园土壤样品,同时采集相对应的灌溉水。对照样品采自灰枣原产地河南新郑县。绘出若羌灰枣采集分布图。图1

图1 若羌灰枣采样点分布


Fig.1 Jujube sampling sites in Ruoqiang

灰枣样品用自来水冲洗3遍后,再采用去离子水冲洗,灰枣晾干后;去核,打浆,将样品放置于真空冷冻干燥机(SCIENTZ-18N)48 h后取出,粉碎,过100目筛。土壤样品自然风干后,研磨,过100目筛。

1.2 方 法

1.2.1 锶含量的测定

锶含量采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定。取10 mg/L的锶元素标准溶液,加5%的HNO3溶液,配制成0、0.01、0.02、0.05、0.1、0.5、1 μg/mL的标准液,用于Sr 元素标准曲线的测定。

电感耦合等离子体质谱仪的参数分别为:采样锥孔径为1.1 mm,截取锥孔径为0.88 mm,分离锥孔径为1.0 mm。仪器正常工作时的射频功率为1 600 W,氩气流量为15 L/min,氦气流量为5 mL/min,样品重复次数为3 次,采样深度为6.5 mm,样品进样速率为0.1 mL/min。冲洗延时45 s,读数延迟30 s,冲洗时间30 s。

称取0.2 g左右(精确至0.000 1 g)的红枣样品于聚四氟乙烯消解罐中,加入6 mL HNO3和3 mL H2O2,待消解完全,冷却后,将消解液转移至比色管中,以少量超纯水洗涤消解罐与盖子3~4 次,合并洗液,定容至25 mL,摇匀,放置澄清后待测。

1.2.2 锶同位素的测定

锶同位素分析采用ISOPROBE-T热电离质谱计测定。准确称取0.1~0.2 g粉末样品于低压密闭溶样罐中,准确加入铷锶稀释剂,用混合酸(HF+HNO3+HClO4)溶解24 h。待样品完全溶解后,蒸干,加入6 mol/L的盐酸转为氯化物蒸干。用0.5 mol/L的盐酸溶液溶解,离心分离,清液加入阳离子交换柱(φ0.5 cm×15 cm,AG50W×8(H+)100~200目),用1.75 mol/L的盐酸溶液淋洗铷,用2.5 mol/L的盐酸溶液淋洗锶。蒸干,质谱分析。

同位素分析采用ISOPROBE-T热电离质谱计,单带,M+,可调多法拉第接收器接收。质量分馏用86Sr/88Sr=0.119 4校正,标准测量结果:NBS987为0.710 250±7,实验室流程本底:Rb 2×10-10g,Sr 2×10-10g。

1.3 数据处理

数据经Microsoft word 2010整理后,运用SPSS 18.0统计软件进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 若羌灰枣锶含量及同位素组成特征

研究表明,若羌县吾塔木乡、铁干里克乡、瓦石峡乡、米兰镇及河南新郑灰枣锶含量及87Sr/86Sr组成为:若羌县铁干里克乡灰枣中具有较高Sr含量,变化范围在3.73~7.27 mg/kg,平均含量为5.11 mg/kg;其87Sr/86Sr最低(平均值为0.711 329)。据郑春霞等[14]研究报道,和田地区大枣锶含量为8.62 mg/kg;哈密地区大枣锶含量为2.97 mg/kg,均高于中国生物标准的2.5 mg/kg。与中国生物标准锶含量相比,若羌灰枣锶含量较高,而河南新郑灰枣锶含量相对较低。锶含量的高低对锶同位素比率的测定产生影响,若羌灰枣锶含量较高,有利于锶同位素比值的测定,进一步表明通过锶同位素的测定进行产地鉴别的手段可行。除若羌县铁干里克乡灰枣的锶同位素比值低于河南新郑灰枣的锶同位素比值外,若羌县吾塔木乡、瓦石峡乡和36团灰枣的锶同位素比值均高于河南新郑灰枣的锶同位素比值。根据灰枣锶含量及其同位素组成特征,可初步区分若羌灰枣和新郑灰枣。表1

表1 若羌灰枣锶含量及其同位素组成

Table 1 The Sr content and 87Sr/86Sr ratios in Ruoqiang jujube(mg/kg)

研究表明,灰枣中锶含量的高低与其产地环境的输入有着密切联系。若羌县铁干里克乡与吾塔木乡灰枣采用若羌河水灌溉,瓦石峡乡灰枣采用瓦石峡河水灌溉,米兰镇(36团)灰枣采用米兰河水灌溉。若羌灰枣Sr含量与灌溉水Sr含量的高低有着密切关系。从灌溉水源的Sr含量可以看出:若羌河>米兰河>瓦石峡河,这与灰枣Sr含量相对应,铁干里克乡、吾塔木乡>36团>瓦石峡乡。若羌县瓦石峡乡灰枣和土壤的87Sr/86Sr最高(灰枣:0.712 897,土壤:0.712 745),灌溉水的87Sr/86Sr最低(0.711 538);而若羌县铁干里克乡与吾塔木木乡灌溉水的87Sr/86Sr最高(0.713 742),灰枣与土壤的87Sr/86Sr最低(灰枣:0.711 470、0.711 329,土壤:0.711 288、0.711 298)。这与灰枣中Sr含量相对应,进一步表明灰枣Sr含量的高低与其产地环境Sr含量的输入有着密切关系,可通过灰枣与产地环境Sr含量及同位素组成特征进行产地追溯。表2

表2 若羌县灰枣、土壤、灌溉水中锶含量及同位素比值

Table 2 The Sr content and 87Sr/86Sr ratios in Ruoqiang jujube, soil and irrigation water(mg/kg)

注:若羌县铁干里克乡和吾塔木乡灰枣均用若羌河水灌溉

Note:jujube was irrigated Ruoqiang river, in Tieganlike and Wutamu country

图2 若羌灰枣87Sr/86Sr与1/Sr关系图

及与河南新郑Sr同位素比值比较


Fig.2 The relation between87Sr/86Sr

and 1/Sr in Ruoqiang jujube. Also plotted are

the87Sr/86Sr compositions of Xinzheng

Henan province for comparison

研究表明,由若羌灰枣1/Sr与87Sr/86Sr的关系可以看出,若羌县瓦石峡乡灰枣的87Sr/86Sr比值显著高于铁干里克乡、吾塔木乡、36团及河南新郑灰枣;在Sr含量组成上,显著低于铁干里克乡、吾塔木乡、36团灰枣,造成这种Sr含量及同位素组成上的显著差异主要是由于区域岩石类型风化作用控制。与咖啡豆[15]中87Sr/86Sr的变化范围0.715 9~0.729 6相比,灰枣87Sr/86Sr比值(0.711 010~0.713 084)低于咖啡豆。对该区域岩石分布特征发现[16],若羌县的岩石类型主要为锆石、辉长岩、英云闪长岩、花岗闪长岩、钙碱性系列花岗岩、铝弱饱和型花岗岩、碰撞型花岗岩。图2

研究表明,土壤Sr含量与87Sr/86Sr(a)在吾塔木乡、铁干里克乡、瓦石峡乡、36团存在差异;灌溉水Sr含量与87Sr/86Sr(b)在若羌河、瓦石峡河、米兰河中也有差异。据报道[17],水中Sr含量及其同位素组成主要流域内区域岩性控制,硅酸盐岩风化的Sr同位素比值一般为0.716~0.720,而碳酸盐岩风化来源的Sr同位素比值一般为0.708。由若羌县铁干里克乡、吾塔木乡、瓦石峡乡及36团土壤的87Sr/86Sr变化范围在0.711 288~0.712 745,与葡萄园土壤[18]的87Sr/86Sr变化范围0.712 03~0.734 18相比,若羌灰枣土壤中87Sr/86Sr的明显低于葡萄园。从若羌河、瓦石峡河及米兰河的Sr同位素比值的变化范围在0.711 538~0.713 742,若羌河、瓦石峡河及米兰河水87Sr/86Sr是流域内岩石与土壤中不同矿物风化所释放出Sr的加权平均值,其比值随着不同来源的输入而有所差异,河水中Sr含量及同位素比值的差异能够进一步反应出不同区域岩石风化特征。图3

注:a为土壤,b为灌溉水

Note:a is soil, b is irrigation water

图3 土壤与灌溉水87Sr/86Sr与1/Sr关系


Fig.3 The diagram of soil, irrigation water87Sr/86Sr versus 1/Sr

2.2 若羌灰枣及其产地环境Sr与87Sr/86Sr的相关性

以若羌灰枣Sr含量为横坐标,土壤Sr含量为纵坐标,绘制的瓦石峡乡(a)、吾塔木乡(b)、铁干里克乡(c)、米兰镇(d)灰枣Sr含量与土壤Sr含量的相关性回归曲线,研究表明,若羌县吾塔木乡灰枣Sr含量与枣园土壤Sr含量呈显著正相关(r=0.395 7,P<0.05);若羌县铁干里克乡灰枣Sr含量与枣园土壤Sr含量呈极显著正相关(r=0.642 3,P<0.05)。吾塔木乡、铁干里克乡枣园土壤Sr含量的高低显著影响灰枣Sr的含量,随着枣园土壤Sr含量的升高,灰枣Sr的含量也增加。但这种相关性并不适合若羌县瓦石峡乡和米兰镇灰枣,瓦石峡乡枣园土壤Sr平均含量为248.39 mg/kg,略高于米兰镇枣园土壤247.22 mg/kg,而瓦石峡灰枣Sr含量(3.97 mg/kg)反而低于米兰镇灰枣(4.61 mg/kg)。图4

以Sr含量为横坐标,87Sr/86Sr为纵坐标,绘制灰枣Sr含量与灰枣87Sr/86Sr(a)、枣园土壤Sr含量与枣园土壤87Sr/86Sr(b)、灌溉水Sr含量与灌溉水87Sr/86Sr(c)的相关性回归曲线,研究表明,若羌灰枣Sr含量与87Sr/86Sr的相关系数为0.017 3,灰枣Sr含量与87Sr/86Sr间不存在显著相关性,灰枣Sr含量的高低不会明显影响灰枣87Sr/86Sr的大小。若羌灰枣枣园土壤Sr含量与87Sr/86Sr呈显著负相关(r=0.960 0,P<0.05),随着枣园土壤Sr含量的升高,枣园土壤87Sr/86Sr降低。灌溉水Sr含量与87Sr/86Sr呈显著极显著正相关(r=0.999 2,P<0.05),这说明灌溉水Sr含量越高,灌溉水87Sr/86Sr也越高。图5

以灰枣Sr含量为横坐标,分别以土壤和灌溉水Sr含量为纵坐标,绘制灰枣Sr含量与枣园土壤Sr含量(a)、灰枣Sr含量与灌溉水Sr含量(b)的相关性回归曲线,研究表明,灰枣Sr含量与土壤Sr含量的相关系数为0.769 2,灰枣Sr含量与土壤Sr含量的相关性不显著,说明枣园土壤Sr含量的高低不会明显影响灰枣Sr含量。灰枣Sr含量与灌溉水Sr含量的相关系数为0.942 9,灰枣Sr含量与灌溉水Sr含量的相关性不显著,这说明灌溉水Sr含量的高低不会明显影响灰枣的Sr含量。由此说明灰枣Sr含量的高低主要受土壤和灌溉水Sr含量地影响。图6

注:a为瓦石峡乡,b为吾塔木乡,c为铁干里克乡,d为米兰镇(36团)

Note:a is Washixia country, b is Wutamu country, c is Tieganlike country, d is Milan country(36 regiment)

图4 若羌灰枣锶含量与土壤锶含量相关性
Fig.4 The correlation analysis between Ruoqiang jujube Sr content and soil Sr content

注:a为灰枣,b为土壤,c为灌溉水

Note: a is jujube, b is soil, c is irrigation water

图5 灰枣、土壤及灌溉水Sr含量与锶同位素相关性


Fig.5 The correlation analysis between Sr content and87Sr/86Sr of jujube, soil and irrigation water

注:a,b分别为灰枣Sr含量与土壤,灌溉水Sr含量的相关性

Note:a and b is respectively correlation between jujube Sr content and soil, irrigation water Sr content

图6 若羌灰枣锶含量与土壤、灌溉水锶含量相关性
Fig.6 The correlation analysis between jujube Sr content and soil, irrigation water Sr content

以灰枣87Sr/86Sr为横坐标,分别以土壤和灌溉水87Sr/86Sr为纵坐标,绘制灰枣87Sr/86Sr与枣园土壤87Sr/86Sr(a)、灰枣87Sr/86Sr与灌溉水87Sr/86Sr(b)的相关性回归曲线,研究表明,若羌灰枣87Sr/86Sr与枣园土壤87Sr/86Sr呈显著正相关(r=0.952 7,P<0.05),表明随着枣园土壤87Sr/86Sr地增加,灰枣87Sr/86Sr也增加。若羌灰枣87Sr/86Sr与灌溉水87Sr/86Sr呈显著正相关(r=0.969 2,P<0.05),表明随着灌溉水87Sr/86Sr地增加,灰枣87Sr/86Sr也增加。灰枣Sr含量与土壤、灌溉水Sr含量相关性不显著,而灰枣87Sr/86Sr与土壤、灌溉水87Sr/86Sr相关性达到显著水平,这说明87Sr/86Sr可作为产地溯源的有效指标之一。图7

注:a,b分别为灰枣锶同位素与土壤,灌溉水锶同位素的相关性

Note:a and b is respectively correlation between jujube87Sr/86Sr and soil, irrigation water87Sr/86Sr

图7 若羌灰枣锶同位素与土壤、灌溉水锶同位素相关性


Fig.7 The correlation analysis between jujube87Sr/86Sr and soil, irrigation water87Sr/86Sr

3 讨 论

关于锶同位素能否作为产地溯源的有效指标,国内外学者进行了大量报道。王兵等[17]对我国北方黄河下游地区河水中溶解态锶含量及其同位素组成变化特征进行了分析, 探讨了流域锶含量及其同位素组成与流域盆地地质特征之间的关系。为了评价锶和氧同位素作为产地溯源的指标适宜性[15],多接收电感耦合等离子体质谱仪和同位素比例质谱仪被用来测定20个原产地咖啡豆的锶和氧的同位素风度比。加拿大魁北克区三大葡萄酒产地13个葡萄园的葡萄、葡萄酒和土壤样品测定87Sr/86Sr[18],结果表明土壤Sr同位素比值和当地的地质情况密切相关,并能够明显区分出不同产区。在结合调查咖啡树地球化学的基础上,Sr同位素被认为植物源产品产地溯源的工具之一[19]。

在若羌县独特的气候条件下,若羌灰枣形成了具有地域特色的优良品质,对其进行有效的原产地保护显得十分重要。根据研究中若羌灰枣及其产地环境锶含量、锶同位素的组成特征,枣园土壤中Sr同位素可概括为两个输入来源的结果[20],一种是源于碳酸盐岩的风化作用,具有高Sr含量和低87Sr/86Sr;而另一种是源于硅酸盐岩的风化,该来源具有较低的Sr含量和较高的87Sr/86Sr。因此,从土壤Sr含量及其同位素组成特征看出,若羌县铁干里克乡和吾塔木乡枣园土壤源于碳酸盐岩的风化作用,而若羌县瓦石峡乡枣园土壤源于硅酸盐岩的风化作用。若羌灰枣绝大多数采用地表水灌溉,极少部分采用地下井水灌溉,因此研究主要关注若羌县地表水源中的锶含量及其同位素。若羌县属于暖温带大陆性荒漠干旱气候,年平均降水量28.5 mm,年极端最大降水量118.0 mm,年最小降水量3.3 mm,可不考虑大气降水中Sr含量对灰枣Sr含量的影响。

4 结 论

若羌县铁干里克乡灰枣中具有较高Sr含量和较低的87Sr/86Sr,而若羌县瓦石峡乡灰枣具有较高87Sr/86Sr和较低的Sr含量。灰枣锶含量及同位素比值与产地有必然关系,灰枣Sr含量的高低主要受土壤和灌溉水中Sr含量地影响。与中国生物标准锶含量的2.5 mg/kg相比,若羌灰枣Sr含量较高;而河南新郑灰枣Sr含量相对较低,灰枣87Sr/86Sr仅高于若羌县铁干里克乡。根据灰枣Sr含量及其同位素组成特征,可区分若羌灰枣和新郑灰枣,运用锶同位素可作为若羌灰枣产地溯源的指标之一。

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Strontium Isotopes to Trace the Geographical Origin of Ruoqiang Jujube

KANG Lu, ZHU Jing-rong, ZHAO Duo-yong, LIU He-jiang, WANG Cheng

(ResearchInstituteofQualityStandards&TestingTechnologyforAgro-products/LaboratoryofQualityandSafetyRiskAssessmentforAgro-Products(Urumqi),MinistryofAgriculture,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China)

【Objective】 To clarify strontium concentration and isotopic composition characteristics of jujube and its environment of producing area in Ruoqiang, Xinjiang and determine the feasibility of using Sr isotope to trace the geographical origin of Ruoqiang grey jujube.【Method】Strontium concentration and isotopic composition characteristics were respectively measured by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and thermal ionization mass spectrometer (TIMS), which included jujube, soil and irrigation water.【Result】The sample jujube collected from Ruoqiang Tieganlike Township had higher Sr concentration (5.11 mg/kg)and lower Sr isotope ratios (0.711,329). By contrast, The sample jujube collected from Ruoqiang Washixia township had lower Sr concentration and higher Sr isotope ratios, ranging from 3.14 mg/kg to 4.26 mg/kg(averages 3.78 mg/kg), and from 0.712,643 to 0.713,084 (averages 0.712,897), respectively. Compared with 2.5 mg/kg of Chinese biological standard strontium content, Ruoqiang jujube had higher Sr concentrations (4.67 mg/kg), but the strontium content (2 mg/kg) was relatively low in Xinzheng Henan jujube.【Conclusion】Based on the strontium content and its isotopic composition, the Ruoqiang grey jujube and Xinzheng grey jujube can be preliminarily distinguished, and the strontium isotope can be used as one of the indexes for tracing the geographical origin of Ruoqiang jujube.

jujube; trace the geographical origin; strontium; strontium isotope

WANG Cheng(1971-),male,the shanxi people,professor,research direction forquality and safety of agricultural products,(E-mail)wangcheng312@sina.com

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.06.013

2017-03-19

2016年国家果品质量安全风险评估项目(GJFP2016003);新疆维吾尔自治区科研机构创新发展专项资金(2016D04016);新疆农业科学院青年基金项目(xjnkq-2015023)

康露(1987-),男,新疆石河子人,助理研究员,研究方向为农产品质量与安全,(E-mail)96208zx@163.com

王成(1971-),男,陕西安康人,研究员,研究方向为农产品质量与安全,(E-mail)wangcheng312@sina.com

S665.1;P597

A

1001-4330(2017)06-1066-10

Supported by: 2016 National Risk Assessment Project of the Fruit and Melon Quality and Safety (GJFP2016003) ; The Special Fund for Scientific Research Institution Innovation Development of Xinjiang Uygur Autonomous Region(2016D04016); The Youth Science Fund Projects of Xinjiang Academy of Agricultural Sciences(xjnkq-2015023)

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