Organic enrichment and pollution was investigated in surface sediments from Jinhae Bay and Geoje-Hansan Bay of Korea, which contain the largest oyster farms in Korean coastal areas. Geochemical indicators (chemical oxygen demand, total organic carbon, ignition loss, and acid volatile sulfide) in sed...
Organic enrichment and pollution was investigated in surface sediments from Jinhae Bay and Geoje-Hansan Bay of Korea, which contain the largest oyster farms in Korean coastal areas. Geochemical indicators (chemical oxygen demand, total organic carbon, ignition loss, and acid volatile sulfide) in sediments, ammonium and nitrate in pore water, and bioluminescence inhibition test for sediment extracts were analyzed. Temporal changes of organic enrichment were also investigated using sediment core samples from Geoje-Hansan Bay. The level of organic pollution in sediments from Jinhae Bay was significantly greater than that of sediments from Geoje-Hansan Bay. Compared with other sites, Jinhae Bay was one of the most polluted coastal areas of Korea. The levels of geochemical indicators in May were comparable to, or higher than, in August. Ammonium concentrations in pore water were two orders of magnitudes greater than the nitrate concentrations, suggesting that the bays are reducing environments. The concentrations of total organic carbon in core sediment samples from shellfish-farming areas increased significantly from 2000 to the present year, and it seems to be associated with increases in anthropogenic activities.
Organic enrichment and pollution was investigated in surface sediments from Jinhae Bay and Geoje-Hansan Bay of Korea, which contain the largest oyster farms in Korean coastal areas. Geochemical indicators (chemical oxygen demand, total organic carbon, ignition loss, and acid volatile sulfide) in sediments, ammonium and nitrate in pore water, and bioluminescence inhibition test for sediment extracts were analyzed. Temporal changes of organic enrichment were also investigated using sediment core samples from Geoje-Hansan Bay. The level of organic pollution in sediments from Jinhae Bay was significantly greater than that of sediments from Geoje-Hansan Bay. Compared with other sites, Jinhae Bay was one of the most polluted coastal areas of Korea. The levels of geochemical indicators in May were comparable to, or higher than, in August. Ammonium concentrations in pore water were two orders of magnitudes greater than the nitrate concentrations, suggesting that the bays are reducing environments. The concentrations of total organic carbon in core sediment samples from shellfish-farming areas increased significantly from 2000 to the present year, and it seems to be associated with increases in anthropogenic activities.
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문제 정의
따라서 진해만과 거제도 주변의 굴양식장을 중심으로 퇴적물의 유기물오염도를 조사한 연구는 매우 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구는 진해만과 거제-한산만의 굴양식장 퇴적물 내 유기물 분포 및 오염도를 파악하기 유기물 오염의 지표성분을 조사하였고, 아울러 국내최초로 굴양식장 퇴적물에 유기물 축적에 따른 산화-환원특성 및 발광미생물을 이용한 생물영향까지 조사하였다. 유기물오염의 역사 파악을 위해 거제-한산만의 굴양식장 주상퇴적물 내 깊이별 총유기탄소도 조사하였다.
, 2015a). 본 연구에서는 두 해역에서의 유기오염축적 특성을 파악하기 위해, 유기물 축적지표, 공극수 중 NH4+-N, NO3--N, 저층 DO, 발광미생물의 발광도에 대해 PCA를 실시하였다(Fig. 4). PCA 결과, 두 개의 주성분 PC 1과 PC 2이 선정되었고, 이때 전체분산에 대한 PC 1과 PC 2의 설명률은 각각 51.
가설 설정
본 연구에서 퇴적속도는 퇴적물의 깊이에 따른 excess 210Pb 농도(퇴적물 중 210Pb농도에서 226Ra의 농도를 뺀 값)를 이용하였으며, 퇴적물로 유입되는 excess 210Pb의 양과 퇴적입자의 퇴적속도는 항상 일정하고, 퇴적물 중 210Pb은 퇴적후 이동이 없다는 가정하에 다음 식에 의해 추정되었다(Yang et al., 1995; Han and Choi., 2007).
제안 방법
거제-한산만에서 패류양식장 주변 주상퇴적물(C1)을 채취하여 오염연대기와 TOC농도를 분석하였고, 대조구로 외곽 해역에서도 추가적으로 주상퇴적물(C2)을 채취하였다. 이 해역에서 퇴적물 혼합작용의 영향을 무시하고 추정된 퇴적속도는 0.
, 2012). 공극수는 증류수로 희석한 다음 영양염 자동측정기(Seal Analytical GmbH, Model Quatro)를 이용하여 질소계 영양염류 NH4+-N와 NO3- -N가 측정되었다.
발광미생물의 발광도와 퇴적물 내 유기물 축적 지표(COD, AVS, IL, TOC), 저층 DO, 공극수 중 NH4+-N, NO3--N과의 상관성 분석을 실시하였다(Table 2). 발광도는 모든 성분들과 음의 상관계수(r= -0.
퇴적물 내 유기물 축적에 따른 산화-환원특성 및 유기물 축적에 따른 생물영향정도를 파악하기 위해 공극수 중 질소계 영양염류 및 발광미생물을 이용한 퇴적물의 독성도를 분석하였다. 부가적으로 이들 해역에서 저층 용존산소(dissolved oxygen, DO)를 조사하여 분석성분들과의 상관관계도 조사하였다. 저층DO는 현장에서 다항목수질측정기(YSI-6600)를 이용하여 해수 저층 1-2m에서 측정하였다.
따라서 본 연구는 진해만과 거제-한산만의 굴양식장 퇴적물 내 유기물 분포 및 오염도를 파악하기 유기물 오염의 지표성분을 조사하였고, 아울러 국내최초로 굴양식장 퇴적물에 유기물 축적에 따른 산화-환원특성 및 발광미생물을 이용한 생물영향까지 조사하였다. 유기물오염의 역사 파악을 위해 거제-한산만의 굴양식장 주상퇴적물 내 깊이별 총유기탄소도 조사하였다.
05). 이들 해역의 오염수준 파악을 위해 본 연구와 동일한 패류양식장 오염현황 파악을 목적으로 동일한 조사방법을 적용한 여자만과 남해 강진만(Choi et al., 2013), 곰소만(Choi et al., 2015b)의 연구결과와 비교하였다(Fig. 2). 진해만은 살포식 패류양식어장이 밀집한 해역인 여자만 3.
부가적으로 이들 해역에서 저층 용존산소(dissolved oxygen, DO)를 조사하여 분석성분들과의 상관관계도 조사하였다. 저층DO는 현장에서 다항목수질측정기(YSI-6600)를 이용하여 해수 저층 1-2m에서 측정하였다. 주상퇴적물에 대해서는 퇴적속도 및 유기물 오염역사 추정을 위해 깊이별 210Pb, 226Ra, TOC 를 분석하였다.
5 g을 유리 vial에 넣고 1 N HCl 10 mL를 첨가하여 탄산염을 제거하고, 70℃에서 24시간 동안 수분과 잔류염소를 날려 보냈다. 전처리된 시료는 105℃에서 2시간 건조시키고, 상온에서 2시간 방치한 후 주석 박막 으로 3-5 mg의 시료를 CHN 원소분석기(Perkin Elmer, model 2400)에 주입후 분석하였다(Jung et al., 2012). 공극수 시료는 표층퇴적물 채취와 동시에 현장에서 Rhizon sampler를 이용하여 퇴적물에서 추출하였고 분석 전까지 냉동으로 보관되었다 (Hwang et al.
저층DO는 현장에서 다항목수질측정기(YSI-6600)를 이용하여 해수 저층 1-2m에서 측정하였다. 주상퇴적물에 대해서는 퇴적속도 및 유기물 오염역사 추정을 위해 깊이별 210Pb, 226Ra, TOC 를 분석하였다.
진해만과 거제-한산만의 표층퇴적물 내 유기물 오염의 지표[화학적 산소요구량(chemical oxygen demand, COD), 총유기 탄소(total organic carbon, TOC), 강열감량(ignition loss, IL), 산휘발성황화합물(acid volatile sulfide, AVS)]를 분석하였다. 퇴적물 내 유기물 축적에 따른 산화-환원특성 및 유기물 축적에 따른 생물영향정도를 파악하기 위해 공극수 중 질소계 영양염류 및 발광미생물을 이용한 퇴적물의 독성도를 분석하였다.
퇴적물 내 COD, TOC, IL, AVS 농도 간 상관성 분석을 실시하였고, 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 모든 성분들은 통계적으로 매우 유의한 상관성을 보였다(r=0.
퇴적물 내 COD, IL, AVS의 분석은 해양환경공정시험기준(MLTM, 2010)에 따라 수행하였다. 퇴적물 내 TOC 분석을 위해 냉동 건조시킨 퇴적물 시료 0.5 g을 유리 vial에 넣고 1 N HCl 10 mL를 첨가하여 탄산염을 제거하고, 70℃에서 24시간 동안 수분과 잔류염소를 날려 보냈다. 전처리된 시료는 105℃에서 2시간 건조시키고, 상온에서 2시간 방치한 후 주석 박막 으로 3-5 mg의 시료를 CHN 원소분석기(Perkin Elmer, model 2400)에 주입후 분석하였다(Jung et al.
진해만과 거제-한산만의 표층퇴적물 내 유기물 오염의 지표[화학적 산소요구량(chemical oxygen demand, COD), 총유기 탄소(total organic carbon, TOC), 강열감량(ignition loss, IL), 산휘발성황화합물(acid volatile sulfide, AVS)]를 분석하였다. 퇴적물 내 유기물 축적에 따른 산화-환원특성 및 유기물 축적에 따른 생물영향정도를 파악하기 위해 공극수 중 질소계 영양염류 및 발광미생물을 이용한 퇴적물의 독성도를 분석하였다. 부가적으로 이들 해역에서 저층 용존산소(dissolved oxygen, DO)를 조사하여 분석성분들과의 상관관계도 조사하였다.
퇴적물의 독성도를 파악하기 위해 퇴적물의 유기용매추출액에 대해 발광미생물의 발광도를 조사하였다. 발광미생물의 발광도 분석은 해양환경공정시험기준(MLTM, 2010)에 따라 수행하였다.
표층 퇴적물 내 유기물 축적에 따른 생물 영향을 평가하기 위해 퇴적물의 유기용매 추출액에 대한 발광미생물의 발광도(bioluminescence)를 조사하였다. 퇴적물의 독성도가 높을수록 발광미생물의 발광도는 감소하는 결과를 보인다(Choi et al.
대상 데이터
05), 이는 진해만 퇴적물의 독성도가 거제-한산만보다 높다는 것을 의미한다. 발광도 5%이하는 정점 JH1, JH2, JH4, JH7, JH8, JH12, JH16에서 조사되었다.
1). 이때 주변에 양식어장이 없는 해역을 선정하여 진해만 4개 정점(CJ1-CJ4)과 거제-한산만 3개 정점(CG1-CG3)에서 대조구(control)시료를 채취하였다. 주상퇴적물 시료는 거제-한산만에서 대규모 굴양식장(C1)과 주변에 양식장이 없는 대조구(C2)에서 채취하였다.
이때 주변에 양식어장이 없는 해역을 선정하여 진해만 4개 정점(CJ1-CJ4)과 거제-한산만 3개 정점(CG1-CG3)에서 대조구(control)시료를 채취하였다. 주상퇴적물 시료는 거제-한산만에서 대규모 굴양식장(C1)과 주변에 양식장이 없는 대조구(C2)에서 채취하였다. 퇴적물 시료는 표면적 0.
진해만과 거제-한산만의 표층퇴적물(-4 cm)과 공극수 시료는 2013년 5월과 8월에 패류양식 면허어장을 중심으로 각각 24개 정점(JH1-JH24)과 16개 정점(GH1-GH16)에서 채취되었다(Fig. 1). 이때 주변에 양식어장이 없는 해역을 선정하여 진해만 4개 정점(CJ1-CJ4)과 거제-한산만 3개 정점(CG1-CG3)에서 대조구(control)시료를 채취하였다.
데이터처리
진해만과 거제-한산만의 조사자료에 대한 정규분포 검정은 Kolmogorov-Smirmoff와 Shapiro-Wilk test를 이용하여 추정하였고, 조사자료에 대한 농도값의 차이는 Mann-Whitney U test를 이용하여 추정하였다. 조사항목들간의 상관분석과 다변량통계분석은 데이터의 로그변환 후 Pearson correlation analysis과 주성분분석(Principal component analysis; PCA)을수행하였다. 통계적 유의수준은 P-value<0.
진해만과 거제-한산만의 조사자료에 대한 정규분포 검정은 Kolmogorov-Smirmoff와 Shapiro-Wilk test를 이용하여 추정하였고, 조사자료에 대한 농도값의 차이는 Mann-Whitney U test를 이용하여 추정하였다. 조사항목들간의 상관분석과 다변량통계분석은 데이터의 로그변환 후 Pearson correlation analysis과 주성분분석(Principal component analysis; PCA)을수행하였다.
이론/모형
퇴적물의 독성도를 파악하기 위해 퇴적물의 유기용매추출액에 대해 발광미생물의 발광도를 조사하였다. 발광미생물의 발광도 분석은 해양환경공정시험기준(MLTM, 2010)에 따라 수행하였다.
주상퇴적물의 시료 중 210Pb 및 226Ra 분석은 한국기초과학지원연구원에서 우물형 고순도 게르마늄 감마선 검색기(well-type HPGe gamma detector; GCW3523, Canberra INc, USA) 를 이용하였다(Han and Choi, 2007).
퇴적물 내 COD, IL, AVS의 분석은 해양환경공정시험기준(MLTM, 2010)에 따라 수행하였다. 퇴적물 내 TOC 분석을 위해 냉동 건조시킨 퇴적물 시료 0.
성능/효과
05).COD와 TOC 간에 가장 높은 상관성을 보였으며(r=0.895), 0.7 이상의 높은 상관성을 보인 성분은 AVS와 TOC, AVS와 COD, IL과 COD, IL과 TOC이었다. 퇴적물에서 유기물 축적지표인 TOC, COD, IL, AVS간의 높은 상관성은 강진만, 여자만, 곰소만에서도 보고되었다(Choi et al.
9%이었다. PC 1에서 양의 값(positive)을 주도하는 인자들은 TOC, COD, AVS, NH4+-N, IL이었고, 음의 값(negative)를 주도하는 인자들은 저층 DO, 발광도이었다(Fig. 4). PC 1에서 양의 값이 증가할수록 유기물 축적 증가, 환원퇴적환경과 밀접한 관련이 있었고, 반면, 음의 값이 증가할수록 퇴적환경의 낮은 오염도와 미생물 등 생물에 대한 비교적 양호한 서식환경(저층 DO 증가 및 퇴적물 독성 감소)과 관련성이 있었다.
4). PC 1에서 양의 값이 증가할수록 유기물 축적 증가, 환원퇴적환경과 밀접한 관련이 있었고, 반면, 음의 값이 증가할수록 퇴적환경의 낮은 오염도와 미생물 등 생물에 대한 비교적 양호한 서식환경(저층 DO 증가 및 퇴적물 독성 감소)과 관련성이 있었다. PC 2에 양의 값을 주도하는 인자는 IL, NO3--N, 저층 DO이었고, 음의 값을 주도하는 인자는 NH4+-N 이었다.
4). PCA 결과, 두 개의 주성분 PC 1과 PC 2이 선정되었고, 이때 전체분산에 대한 PC 1과 PC 2의 설명률은 각각 51.9%와 21.0%으로 총 72.9%이었다. PC 1에서 양의 값(positive)을 주도하는 인자들은 TOC, COD, AVS, NH4+-N, IL이었고, 음의 값(negative)를 주도하는 인자들은 저층 DO, 발광도이었다(Fig.
강진만과 여자만의 공극수 내 NH4+-N농도는 각각 64.3-1101 μM (평균 278 μM), 24.1-631 μM (평균 176 μM)이었고, NO3--N농도에 대한 NH4+-N 의 농도는 각각 153배, 246배나 높았다.
3b). 거제-한산만에서 가장 높은 TOC농도는 정점 GH6에서 조사되었고, 25 mg/g-dry 이상의 농도는 정점 GH15에서 조사되었다.
18 mg/g-dry)에 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다. 거제-한산만에서는 IL과 COD는 월별 차이가 있었지만, TOC와 AVS는 월별 차이가 없는 것으로 조사되었다.따라서 진해만과 거제-한산만 퇴적물 내 유기물 축적은 전체적으로 월별 차이가 보이지 않는 것으로 조사되었다
또한 진해만의 5월 조사정점은 PC 2의 양의 값, 8월 조사정점은 PC 2의 음의 값에 분포하였고, 이것은 8월에는 저층 DO와 공극수 중 NO3--N가 낮아짐에 따라 공극수 중 NH4+-N 농도가 증가하는 특성을 보이는 것으로 판단된다. 거제-한산만의 대부분 조사정점은 PC 1의 음의 값에서 분포하였고, 진해만보다 유기물 축적이 낮았고, 퇴적물 독성도도 낮았다. 거제-한산만도 5월과 8월에 저층 DO, 공극수 중 NH4+-N, NO3--N에 따른 월변화의 특성이 나타났다.
거제-한산만에서는 IL과 COD는 월별 차이가 있었지만, TOC와 AVS는 월별 차이가 없는 것으로 조사되었다.따라서 진해만과 거제-한산만 퇴적물 내 유기물 축적은 전체적으로 월별 차이가 보이지 않는 것으로 조사되었다
또한, 진해만에서 발광도가 거제-한산만보다 크게 낮았고(P<0.05), 이는 진해만 퇴적물의 독성도가 거제-한산만보다 높다는 것을 의미한다.
모든 성분들은 통계적으로 매우 유의한 상관성을 보였다(r=0.530-0.895, P<0.05).
반면, 거제-한산만에서 5월 31%, 8월 50%이었고, 5월에 비해 8월에 발광도는 호전되었다(P<0.05).
발광도는 모든 성분들과 음의 상관계수(r= -0.242~ -0.743), 저층 DO와는 양의 상관계수(r=0.551)를 보였고, 통계적으로 유의한 수준이었다(P<0.05).
본 연구에서 공극수 내 NH4는 퇴적물 중 유기물 축적 지표(COD, AVS, IL, TOC)와 양의 상관성을 보이고(r=0.256-0.607; Table 2), 그 중에서 TOC 및 AVS와 높은 상관성(r=0.595-0.607, P<0.05)을 보여서 두 해역에서 유기물 축적에 따른 환원퇴적환경을 잘 반영한다.
2010a,b). 본 연구에서 발광미생물의 발광도는 진해만에서 2.0-60% (평균 15%), 거제-한산만에서 15-78% (평균 41%)였으며, 이 해역 퇴적물은 발광미생물의 발광도에 크게 영향을 주는 수준이었다. 또한, 진해만에서 발광도가 거제-한산만보다 크게 낮았고(P<0.
본 연구에서 조사한 저층 DO는 진해만 0.24-8.14 mg/L (평균3.59 mg/L), 거제-한산만 3.94-11.1 mg/L (평균 6.65 mg/g-dry)이었으며, 거제-한산만에 비해 진해만에서 크게 낮은 수준을 보였다(P<0.05; Table 1과 Fig. 3e).
본 연구의 진해만은 곰소만 불검출-0.07 mg/g-dry (평균 0.02 mg/gdry), 여자만 불검출-0.55 mg/g-dry (평균 0.13 mg/g-dry)과 남해 강진만 0.02-0.66 mg/g-dry (평균 0.25 mg/g-dry)보다 2-40배나 모두 높았다(Fig. 2d, P<0.05).
3a-3e). 이들 정점에서 오염은 Jung et al. (2014)의 대형저서동물을 이용한 건강도평가(M-AMBI)의 결과와 잘 일치하였고, 심한 오염(poor)과 매우 심한 오염(bad) 상태로 구분된 정점에는 본 연구의 JH5, JH10, JH15, JH17, JH22, JH23이 포함되어 있었다.
저층 DO는 퇴적물 COD, TOC, AVS와 음의 상관성(r= -0.265~-0.407, P<0.05)을 보였고, 유기물 축적이 높은 정점에서 저층 DO는 낮은 값을 보였다.
종합하면, 진해만과 거제-한산만 굴양식장 해역은 마산만과 같이 육상기인 유기물 유입이 높지 않음에도 불구하고, 퇴적물 내 유기물 축적, 퇴적물 공극수 내 영양염류 및 퇴적물 독성도도 매우 높았다. 이것은 조류 소통이 원활하지 않은 상태에서 굴 등 여러 생물들에 의한 배설물과 유기물이 저층으로 침강하면서 퇴적물 내 영양염류가 증가하고 황화물, 암모늄, 유기물 함량을 높여서 오염이 증가하는 것으로 추정된다.
이것은 퇴적물의 유기물 축적, 환원퇴적환경이 증가할수록 퇴적물의 독성도가 높아진다는 것을 의미한다. 퇴적물의 독성도는 TOC와 가장 높은 상관성을 보였고, COD와 AVS도 0.6이상의 상관계수를 보였다. 이는 퇴적물 내 부영양화 환경에서 유기물 분해과정을 통해 황화합물과 암모니아 등이 발생하고 이들은 저서환경에 서식하는 미생물뿐만 아니라 생물에 악영향을줄 수 있음을 의미한다.
, 2013, 2015b). 특히, 본 연구에서 AVS는 TOC, COD와 높은 상관성을 보였으며, 이는 유기 물함량이 높은 퇴적환경에서는 유기물이 황산염의 환원을 촉진하여 AVS의 농도가 높아지는 것을 촉진하였기 때문인 것으로 판단된다(Como et al., 2007). 이러한 퇴적환경이 해수소통까지 제한을 받을 경우는 빈산소 환경이 형성되어 저서성 패류를 포함한 저서생태계에 악영향을 줄 수도 있다.
이것은 조류 소통이 원활하지 않은 상태에서 굴 등 여러 생물들에 의한 배설물과 유기물이 저층으로 침강하면서 퇴적물 내 영양염류가 증가하고 황화물, 암모늄, 유기물 함량을 높여서 오염이 증가하는 것으로 추정된다. 이러한 해역의 저서환경 관리를 위해서는 어장수용력 산정을 통해 적정양식밀도 유지가 중요하고, 저서환경 개선을 위한 어장정화 기술개발, 품종별 어장청소 주기, 어장회복능력을 고려한 어장휴식년제 운영이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
진해만과 거제-한산만 굴양식장 해역의 오염도와 독성도가 높은 이유는?
종합하면, 진해만과 거제-한산만 굴양식장 해역은 마산만과 같이 육상기인 유기물 유입이 높지 않음에도 불구하고, 퇴적물내 유기물 축적, 퇴적물 공극수 내 영양염류 및 퇴적물 독성도도 매우 높았다. 이것은 조류 소통이 원활하지 않은 상태에서 굴등 여러 생물들에 의한 배설물과 유기물이 저층으로 침강하면서 퇴적물 내 영양염류가 증가하고 황화물, 암모늄, 유기물 함량을 높여서 오염이 증가하는 것으로 추정된다. 이러한 해역의 저서환경 관리를 위해서는 어장수용력 산정을 통해 적정양식밀도 유지가 중요하고, 저서환경 개선을 위한 어장정화 기술개발, 품종별 어장청소 주기, 어장회복능력을 고려한 어장휴식년제 운영이 필요할 것으로 판단된다.
국내의 패류 양식의 중심은?
국내의 패류 양식은 지형적으로 경상남도과 전라남도 일원 해역을 중심으로 발달하였으며, 특히, 경상남도에서 패류 양식생산량은 2013-2015년 연평균 275천톤이고, 경상남도는 전국 생산량의 84%를 기여하였다(MOF, 2017). 경상남도 패류 어종별 양식생산량은 2013-2015년 평균 굴 237천톤, 홍합 36천톤, 그외 기타 패류 생산량 3천톤으로 나타나 경상남도의 대표적인 패류 양식어종은 굴이다.
굴 생산량의 추이는?
경상남도 패류 어종별 양식생산량은 2013-2015년 평균 굴 237천톤, 홍합 36천톤, 그외 기타 패류 생산량 3천톤으로 나타나 경상남도의 대표적인 패류 양식어종은 굴이다. 굴은 1990년대 초반부터 2003년까지는 연간 155천톤 내외의 일정한 생산량을 유지했으나, 2004년부터 급격히 증가하여 2007년 역대 최대 생산량인 275천톤을 기록하였고, 이후 소폭 감소하여 2010년이후 245천톤 수준을 생산하고 있다(GNDI, 2012).
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