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문제 정의
- 따라서 본 연구는 강원도에 소재한 미인폭포에 발달된 백화현상을 이루는 하상 침전물을 대상으로 광물학적, 중금속 오염분석 및 분광학적 분석을 실시하여, 이들의 분광학적 특성을 중금속 오염특성 및 광물학적 특성과 연계하여 분석하였다. 특히 백화현상에 대한 분광학적 분석 자료는 추후 원격탐사적 접근을 통해 백색을 띠는 하상 퇴적물을 구분하는 데 유용한 자료로 활용될 것으로 사료된다.
- 본 연구는 미인폭포 수계에 분포하는 백색침전물의 광물학적, 지구화학적, 분광학적 분석을 통해 이들의 중금속 오염특성과 분광학적 특성을 분석하였다. 이를 위해 X선형광분석을 통해 중금속 원소에 따른 백색침전물의 오염도를 확인하였다.
- 본 연구는 폐광산에서 배출된 산성광산배수 속에 포함된 중금속이 하천퇴적물에 흡착되어 생성된 백색침전물을 대상으로 X선형광분석과 X선회절분석을 통해 시료 내 중금속 오염정도와 광물조성을 파악하고, 휴대용 분광계를 이용해 시료 내 중금속 오염에 따른 분광특성을 고찰하였다. 그 결과, 카드뮴은 50%의 시료에서 평균 농도 58.
제안 방법
- X선형광분석을 바탕으로 미인폭포 수계에 분포하는 순수하게 백색 침전물로만 구성된 시료에 대하여, 카드뮴, 니켈, 알루미늄, 철, 망간, 황의 함량을 측정하고 오염도를 고찰하였다. 카드뮴 및 니켈의 오염도는 국립환경과학원 예규 제687호 하천⋅호소 퇴적물 오염평가 기준을 기반으로 평가하였으며(Table 2), 알루미늄, 철, 망간의 경우 특정한 오염기준이 없어 저질토 내 평균농도와 비교하여 오염도를 평가하였다(KEC, 2015).
- , 2016). 또한 각 시료의 오염도를 수치화하기 위해 하천 퇴적물 오염평가 기준의 Ⅱ등급을 근거로 하여 오염지수(Pollution Index, PI)를 계산하였다(Jung etal., 2003; Shin et al., 2016).
- 백색침전물 내 중금속 함량에 따른 흡광깊이를 분석하였다(Fig. 10). 첫 번째 흡광특성이 나타난 669 nm 영역에서는 알루미늄의 함량이 높아질수록 흡광깊이가 낮아지는 경향성이 보인다.
- 본 연구지역 내 반사도를 가시광선, 근적외선, 단파적외선영역으로 구분하여 중금속 함량에 따른 반사도를 분석하였다. 니켈, 알루미늄, 망간 및 황의 경우는 가시광선 대역에서 전혀 상관성이 없는 것으로 판명되었다.
- 본 연구지역에서 관찰된 광물조성과 기존 백색 침전물의 광물조성을 비교하였다. 기존의 연구에서는 백색침전물이 Al-sulfate 혹은 석영, 일라이트, 괴싸이트, 헤마타이트 및 깁사이트로 구성되어 있다고 보고된 바 있다(Kim et al.
- 측정원소는 약 2 cm의 구경을 통해 165 eV 이하의 해상도로 측정된다. 분석 시 X선의 에너지 손실을 최소화하기 위해 기기와 시료를 밀착하여 카드뮴, 니켈, 알루미늄, 철, 망간, 황 등을 대상으로 60초 동안 진행되었다(Shin et al., 2016). 또한 각 시료의 오염도를 수치화하기 위해 하천 퇴적물 오염평가 기준의 Ⅱ등급을 근거로 하여 오염지수(Pollution Index, PI)를 계산하였다(Jung etal.
- 분석조건은 X선의 전류는 30 mA, 가속전압은 40kV로 작동되었으며, Cu-Ka1파장(1.5406 Å)을 사용하여 3-60°까지 0.02°의 간격으로 분당 20°로 측정하여 X선회절곡선을 취득하였다.
- 본 연구는 미인폭포 수계에 분포하는 백색침전물의 광물학적, 지구화학적, 분광학적 분석을 통해 이들의 중금속 오염특성과 분광학적 특성을 분석하였다. 이를 위해 X선형광분석을 통해 중금속 원소에 따른 백색침전물의 오염도를 확인하였다. 기존의 중금속 오염 특성에 활용되는 유도결합플라즈마분광계의 경우 표면에서 나타나는 분광특성과 직접적으로 연계가 어려워, 본 연구에서는 측정이 용이하나 높은 정량한계를 갖고, 분광분석 표면의 화학성분측정이 가능한 휴대용 XRF (X-Ray Fluorescence Spectrometry)를 활용하였다(Shin et al.
- 운반된 시료는 100℃에서 24시간 동안 건조기로 건조한 후, 425 µm의 체로 체거름하여 저질토가 아닌 입자를 분별 및 균질화하였다. 체거름된 시료는 막자사발을 이용해 분말로 분쇄하였고, 분쇄된 시료를 대상으로 분석을 실시하였다.
- 또한 X선회절분석을 통해 백색침전물의 광물조성을 확인하였으며 분광분석결과와 비교하였다. 최종적으로 백색침전물의 광물조성의 영향 및 중금속 오염을 종합하여 분광학적 특성을 분석하였다(Fig. 3).
대상 데이터
- 백색침전물의 광물동정을 위해 한국지질자원연구원의 Rigaku사 Ultima IV XRD를 사용하였다. 분석조건은 X선의 전류는 30 mA, 가속전압은 40kV로 작동되었으며, Cu-Ka1파장(1.
- 본 연구는 백색침전물에서 관찰되는 중금속원소의 오염정도를 파악하기 위해 Olympus사의 DELTA 휴대용 XRF를 사용하였다. 해당 기기는 40 kV의 X선 튜브와 실리콘표류검출기(silicon drift detector)를 갖고 있다.
- 본 연구를 위해 백화현상이 뚜렷하게 발생한 미인폭포 수계에서 백색의 침전물을 대상으로(Fig. 4), 부유물과 유기물을 제거한 후 총 6지점에서 시료를 채취하여(Fig. 5), 폴리에틸렌 봉투에 담아 실험실로 운반하였다(Table 1). 운반된 시료는 100℃에서 24시간 동안 건조기로 건조한 후, 425 µm의 체로 체거름하여 저질토가 아닌 입자를 분별 및 균질화하였다.
- 본 연구에서는 ASD사(Analytical spectral Devices, Inc, USA)의 Labspec 5100 휴대용 분광기를 사용하였다. 본 기기는 빠르고 간편한 분석이 가능한 장점을 가지고 있으며, 350-2,500 nm의 파장영역에 대해 3-6 nm의 분광해상도를 갖는다.
- 본 연구지역인 미인폭포는 강원도 삼척시 도계읍 심포리에 소재하며 지리좌표 상 북위 37° 10’47”, 동경 129° 2’ 54”에 위치한다(Fig. 1).
- 특히 탄전이 밀집해 있는 강원도의 경우, 상당량의 백화현상이 수계에 관찰된다. 본 연구지역인 미인폭포는 강원도 태백과 삼척 경계에 있는 통리협곡에 위치하며, 관광지로서의 가치가 높은 지역이다. 그러나 미인폭포는 백화현상이 극명하게 발생하여, 소중한 관광자원이 환경오염에 노출되어 있는 대표적인 곳이라 할 수 있다.
- 특히 미인폭포가 위치한 오십천의 상류에는 탄전인 상덕광업소와 대한석탄공사 도계광업소가 분포하는데, 이는 연구지역에 발생된 백화현상과 관계가 있을 것으로 예상된다. 연구지역의 지질은 고생대 초의 조선누층군이 기반암으로 분포하고, 고생대 후기의 평안누층군이 조선누층군을 부정합으로 덮고 있다. 또한 이를 백악기 경상계퇴적암인 적각리층이 경사부정합으로 피복한다(ME and NIER, 2009; Fig.
데이터처리
- , 2016). 또한 X선회절분석을 통해 백색침전물의 광물조성을 확인하였으며 분광분석결과와 비교하였다. 최종적으로 백색침전물의 광물조성의 영향 및 중금속 오염을 종합하여 분광학적 특성을 분석하였다(Fig.
- 분광곡선은 The Spectral Geologist 7.5(TSG7.5)와 ENVI 4.8 소프트웨어를 활용하여, USGS(United Stated Geological Survey) 분광라이브러리(Clark et al., 2007)와 JPL (Jet Propulsion Laboratory) ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflectance Radiometer) 분광라이브러리(Baldridge et al., 2009)가 제공하는 표준분광정보와 비교분석하였다.
- 본 기기는 빠르고 간편한 분석이 가능한 장점을 가지고 있으며, 350-2,500 nm의 파장영역에 대해 3-6 nm의 분광해상도를 갖는다. 분광분석은 파우더 시료를 촬영하는 mug-light 방식으로 이루어졌으며(Jeong et al., 2014), 노이즈 값을 줄이고 시료의 균질성을 높이기 위해 시료의 한 지점에서 5회 측정한 반사도 값들의 산술평균값을 사용하였다.
이론/모형
- 이를 위해 X선형광분석을 통해 중금속 원소에 따른 백색침전물의 오염도를 확인하였다. 기존의 중금속 오염 특성에 활용되는 유도결합플라즈마분광계의 경우 표면에서 나타나는 분광특성과 직접적으로 연계가 어려워, 본 연구에서는 측정이 용이하나 높은 정량한계를 갖고, 분광분석 표면의 화학성분측정이 가능한 휴대용 XRF (X-Ray Fluorescence Spectrometry)를 활용하였다(Shin et al., 2016). 또한 X선회절분석을 통해 백색침전물의 광물조성을 확인하였으며 분광분석결과와 비교하였다.
- 카드뮴 및 니켈의 오염도는 국립환경과학원 예규 제687호 하천⋅호소 퇴적물 오염평가 기준을 기반으로 평가하였으며(Table 2), 알루미늄, 철, 망간의 경우 특정한 오염기준이 없어 저질토 내 평균농도와 비교하여 오염도를 평가하였다(KEC, 2015).
성능/효과
- X선형광분석 결과를 바탕으로 미인폭포의 수계에서 위치에 따른 오염원소를 비교하여 본 결과, 모든 위치에서 높은 알루미늄의 함량이 관찰된 반면 니켈과 카드뮴의 경우 폭포수로 인해 생성된 연못 부근에 집중되어 있음이 관찰된다(Fig. 6). 본 연구결과에서 나타난 백색침전물의 오염원들을 기존 연구와 비교하여 보면(Kim et al.
- , 2016). X선회절분석에서 검출된 석영을 제외한 모든 광물(고령토, 롬보클레이스, 알루미노코큠바이트, 깁사이트)이 1420 nm에서 나타나는 흡광특성과 일치하며, 점토광물인 고령토는 1930 nm에서 나타나는 흡광특성과 일치하며, 깁사이트는 2202 nm에서 나타나는 흡광특성과 일치한다.
- X선회절분석을 실시한 결과 미인폭포 수계에서 발생하는 백색침전물은 석영, 고령토, 롬보클레이스, 알루미노코큠바이트(aluminocoquimbite), 깁사이트로 구성되어 있는 것으로 판명되었다(Fig. 7). X선회절분석결과의 경우 모든 시료에서 동일한 패턴이 관찰되었고, 광물조성 역시 모든 시료에서 동일하게 판명되었다.
- 하천 퇴적물 오염지수를 활용하여 카드뮴과 니켈에 대한 각 장소별 오염지수를 계산한 결과, 대부분의 시료가 1을 넘는 수치를 보이므로 미인폭포에서 발견되는 백색침전물 중 상당량이 심각한 카드뮴과 니켈 오염도를 보임을 지시한다. X선회절분석을 실시한 결과 미인폭포 수계에서 발생하는 백색침전물은 석영, 고령토, 롬보클레이스, 알루미노코큠바이트, 깁사이트로 구성되어 있는 것을 확인하였다. 특히 점토광물은 넓은 표면적과 표면의 음전하로 양이온을 잘 흡착한다고 알려져 있으므로, 백색침전물 내 중금속은 주로 점토광물에 의해 침전물에 흡착되어 나타난다고 판단된다.
- 본 연구는 폐광산에서 배출된 산성광산배수 속에 포함된 중금속이 하천퇴적물에 흡착되어 생성된 백색침전물을 대상으로 X선형광분석과 X선회절분석을 통해 시료 내 중금속 오염정도와 광물조성을 파악하고, 휴대용 분광계를 이용해 시료 내 중금속 오염에 따른 분광특성을 고찰하였다. 그 결과, 카드뮴은 50%의 시료에서 평균 농도 58.5 mg/kg의 함량을 보여, 연구지역에서 발생하는 백화현상으로 인한 카드뮴의 오염은 매우 심각한 것으로 사료된다. 니켈은 모든 시료에서 검출되었고, 평균함량은 46.
- 그 결과, 카드뮴은 Site 2, 5, 6에서는 검출되지 않았고, 검출된 시료의 평균농도는 Site 1에서 102.51 mg/kg, Site 3에서 16.68 mg/kg, Site 4에서 56.44 mg/kg로, 총 3개 시료의 평균농도는 58.5mg/kg인 것으로 나타났다(Table 3). 이는 퇴적물 오염평가 기준 중 Ⅳ등급(6.
- 니켈은 모든 시료에서 검출되었고, 평균 함량은 Site 1에서 76.6 mg/kg, Site 2에서 39.7 mg/kg, Site 3에서 33.4 mg/kg, Site 4에서 43.7 mg/kg, Site 5에서 55.9 mg/kg, Site 6에서 27.9 mg/kg이다(Table 3). 전체 시료의 평균농도는 46.
- 5 mg/kg의 함량을 보여, 연구지역에서 발생하는 백화현상으로 인한 카드뮴의 오염은 매우 심각한 것으로 사료된다. 니켈은 모든 시료에서 검출되었고, 평균함량은 46.2 mg/kg로, 연구지역의 백화현상으로 인한 니켈오염이 무시할 수 없는 수준임을 지시한다. 알루미늄의 평균농도는 188,774 mg/kg로, 저질토 내 평균농도 대비 약 2.
- , 2002), 기존 연구에는 카드뮴과 니켈의 함량이 보고된 바 없으나 본 연구에서는 위치에 따라 상대적으로 심각한 오염을 보이고 있음을 확인하였다. 또한 기존연구에 보고된 바 있는 알루미늄, 철, 망간 및 황의 경우 본 연구결과가 기존의 연구에 비해 상당히 높은 함량을 보이는 것으로 판명되었다. 미인폭포 수계에 분포하는 백색침전물의 경우 기존에 보고된 바와 비교하여 볼 때 알루미늄은 약 3,000배, 철은 약 60배, 망간은 약 90배, 황의 경우 약 60배가량 높게 검출되었다.
- 8의 값을 보이므로 높은 음의 상관관계가 있다고 사료된다. 마지막으로 흡광특성이 나타난 2202 nm 영역에서는 알루미늄의 함량이 높아질수록 흡광깊이가 높아지는 양의 상관계수를 보이며, 상관계수가 0.79의 값을 보이므로 높은 양의 상관관계가 있음을 확인하였다.
- 미인폭포 내 백색침전물의 분광학적 특성은 고령토, 롬보클레이스, 알루미노코큠바이트, 깁사이트에 의해 발생하는 것으로 판단된다. 백색침전물의 반사도를 가시광선, 근적외선, 단파적외선영역으로 구분하여 중금속 함량에 따른 반사도와 흡광깊이를 분석한 결과, 전자기파의 반사도 보다는 흡광깊이가 중금속 함량과 더 관계가 있을 것으로 사료된다. 백색침전물의 주 오염원을 이루는 알루미늄의 경우 Al-OH에 의해 발현되는 2202 nm의 흡광특성과 높은 상관관계를 보여 알루미늄 함량 유추에 매우 효과적일 것으로 사료된다.
- 6). 본 연구결과에서 나타난 백색침전물의 오염원들을 기존 연구와 비교하여 보면(Kim et al., 2002; Park et al., 2002), 기존 연구에는 카드뮴과 니켈의 함량이 보고된 바 없으나 본 연구에서는 위치에 따라 상대적으로 심각한 오염을 보이고 있음을 확인하였다. 또한 기존연구에 보고된 바 있는 알루미늄, 철, 망간 및 황의 경우 본 연구결과가 기존의 연구에 비해 상당히 높은 함량을 보이는 것으로 판명되었다.
- , 2002). 본 연구결과와 비교하여 볼 때 Al-sulfate, 깁사이트 및 석영이 공통적으로 확인된 반면 황산철 계열에 해당하는 롬보클레이스와 알루미노코큠바이트의 경우 기존에 보고되지 않은 광물들이다. 기존연구에 보고되었으나 본 연구지역에는 없는 광물은 산화철 계열에 해당하는 괴싸이트 및 헤마타이트이다.
- , 2007). 본 연구에서 관찰된 백색침전물의 경우, 점토광물인 고령토, Fe 산화광물인 롬보클레이스, 알루미노코큠바이트, 수산화광물인 고령토, 롬보클레이스, 알루미노코큠바이트, 깁사이트가 존재함이 확인되었고, 연구지역에서 나타나는 중금속함량의 경우 이들 광물에 흡착된 결과로 사료된다. 특히 점토광물은 넓은 표면적과 표면의 음전하로 양이온을 잘 흡착한다고 알려져 있으며, 점토광물이 중금속을 흡착하는 현상은 다음의 식에 의해 설명된다(Umet al.
- 특히 점토광물은 넓은 표면적과 표면의 음전하로 양이온을 잘 흡착한다고 알려져 있으므로, 백색침전물 내 중금속은 주로 점토광물에 의해 침전물에 흡착되어 나타난다고 판단된다. 분광특성을 분석한 결과, 모든 시료가 비슷한 특성을 보이는데, 시료의 전체적인 경향성은 가시광선 대역에서 반사도가 증가하는 추세를 보이나, 근적외선, 단파적외선으로 파장이 길어짐에 따라 반사도가 서서히 감소한다. 미인폭포 내 백색침전물의 분광학적 특성은 고령토, 롬보클레이스, 알루미노코큠바이트, 깁사이트에 의해 발생하는 것으로 판단된다.
- 두 번째 흡광특성이 나타난 1420 nm 영역에서는 어떤 원소도 상관성을 보이지 않았다. 세 번째 흡광특성이 나타난 1930 nm 영역에서는 철과 망간의 함량이 높아질수록 흡광깊이가 낮아지는 경향성이 보이나, 상관계수는 0.4-0.6의 값으로, 철 및 망간의 함량과 흡광깊이 간의 상관관계가 있음을 통계적으로 지시하지는 않는다. 카드뮴과 니켈 역시 음의 상관관계를 보이며, 상관계수가 0.
- 8). 시료의 전체적인 경향성은 가시광선 대역에서 반사도가 증가하는 추세를 보이나, 근적외선, 단파적외선으로 파장이 길어짐에 따라 반사도가 서서히 감소한다. 가시광선 대역인 669nm에서는 대부분의 시료에서 흡광특성이 관찰되었다.
- 이를 종합하여 볼 때 전자기파의 반사도 보다는 흡광깊이가 중금속 함량과 더 밀접한 관계가 있는 것으로 사료된다. 가시광선 영역의 반사도만이 카드뮴과 철의 함량과 가시적인 경향성을 보였을 뿐 다른 영역의 반사도는 큰 연관성을 찾지 못하였다.
- 6배에 이르는 오염도를 나타낸다. 전체 시료의 경우, 모든 시료가 저질토 내 평균농도의 최소 2.1배에서 최대 3.2배로 알루미늄의 함량이 상당히 높음을 지시한다.
- 6배로 알루미늄의 함량이 상대적으로 상당히 높다. 철과 망간의 평균농도는 저질토 내 평균농도에 비해 높은 함량은 아닌 것으로 판명되었다. 하천 퇴적물 오염지수를 활용하여 카드뮴과 니켈에 대한 각 장소별 오염지수를 계산한 결과, 대부분의 시료가 1을 넘는 수치를 보이므로 미인폭포에서 발견되는 백색침전물 중 상당량이 심각한 카드뮴과 니켈 오염도를 보임을 지시한다.
- 알루미늄의 평균농도는 Site 1에서 170,764 mg/kg, Site 2에서 169,284 mg/kg, Site 3에서 205,157 mg/kg, Site 4에서 206,909 mg/kg, Site 5에서 200,689 mg/kg, Site 6에서 179,841 mg/kg이다(Table 4). 총 6개 시료의 평균농도는 188,774 mg/kg로 그 함량이 19%에 이르러, 저질토 내 평균농도(72,000 mg/kg) 대비 약 2.6배에 이르는 오염도를 나타낸다. 전체 시료의 경우, 모든 시료가 저질토 내 평균농도의 최소 2.
- 하천 퇴적물 오염지수를 활용하여 카드뮴과 니켈에 대한 각 장소별 오염지수는 Site 1은 2.21, Site 3은 41.75, Site 4는 1.24, Site 5는 1.39이며, Site 2와 6은 1을 초과하지 않는 것으로 계산되었다(Table 3). 이는 미인폭포에서 발견되는 백색침전물 중 상당량이 심각한 카드뮴과 니켈 오염도를 보임을 지시한다.
- 철과 망간의 평균농도는 저질토 내 평균농도에 비해 높은 함량은 아닌 것으로 판명되었다. 하천 퇴적물 오염지수를 활용하여 카드뮴과 니켈에 대한 각 장소별 오염지수를 계산한 결과, 대부분의 시료가 1을 넘는 수치를 보이므로 미인폭포에서 발견되는 백색침전물 중 상당량이 심각한 카드뮴과 니켈 오염도를 보임을 지시한다. X선회절분석을 실시한 결과 미인폭포 수계에서 발생하는 백색침전물은 석영, 고령토, 롬보클레이스, 알루미노코큠바이트, 깁사이트로 구성되어 있는 것을 확인하였다.
후속연구
- 이로 미루어볼 때 미인폭포에서 발생하고 있는 백화현상의 경우 환경에 대한 유해 요소가 상당할 것으로 사료된다. 그러나 이를 특정하기 위해서는 추가적인 분석과 보다 정밀한 화학분석 결과가 부가적으로 수행되어야 할 것이다.
- 또한 백색침전물의 주 오염원을 이루는 알루미늄의 경우 Al-OH에 의해 발현되는 2202 nm의 흡광특성과 매우 높은 상관관계를 보여, 알루미늄 함량 유추에 활용될 가능성이 있을 것으로 생각된다. 그러나 제한된 시료수의 한계로 인하여 상관성이 있음을 통계적으로 확실히 할 수는 없으므로 보다 많은 시료와 화학분석을 통한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 백색침전물의 주 오염원을 이루는 알루미늄의 경우 Al-OH에 의해 발현되는 2202 nm의 흡광특성과 높은 상관관계를 보여 알루미늄 함량 유추에 매우 효과적일 것으로 사료된다. 그러나 추가적인 연구를 통해 통계적 정당성을 확보할 필요가 있다.
- 그러나 점토광물에 의해 발현되는 1930 nm의 흡광특성의 경우 카드뮴과 니켈이 상대적으로 높은 상관관계를 보여 점토광물과 중금속 흡착의 상관성을 반영한다. 또한 백색침전물의 주 오염원을 이루는 알루미늄의 경우 Al-OH에 의해 발현되는 2202 nm의 흡광특성과 매우 높은 상관관계를 보여, 알루미늄 함량 유추에 활용될 가능성이 있을 것으로 생각된다. 그러나 제한된 시료수의 한계로 인하여 상관성이 있음을 통계적으로 확실히 할 수는 없으므로 보다 많은 시료와 화학분석을 통한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 6배에 달하는 수치로 저서생물에 독성이 나타날 가능성이 매우 높은 오염도를 지시한다(Table 2). 즉 미인폭포 지역에서 발생하는 백화현상으로 인한 카드뮴의 오염은 매우 심각한 것으로 사료되며 중장기적으로 배출시설 및 공공수역 관리가 필요할 것으로 사료된다.
- 따라서 본 연구는 강원도에 소재한 미인폭포에 발달된 백화현상을 이루는 하상 침전물을 대상으로 광물학적, 중금속 오염분석 및 분광학적 분석을 실시하여, 이들의 분광학적 특성을 중금속 오염특성 및 광물학적 특성과 연계하여 분석하였다. 특히 백화현상에 대한 분광학적 분석 자료는 추후 원격탐사적 접근을 통해 백색을 띠는 하상 퇴적물을 구분하는 데 유용한 자료로 활용될 것으로 사료된다.
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