Apostila materia organica

UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS DEPARTARTAMENTO DE SOLOS SOL 375 – Fertilidade do Solo

Matéria Orgânica do Solo* 1ª Aproximação

* Adaptado do Capítulo IV - Matéria Orgânica da ABEAS preparada pelos

Professores Eduardo de Sá Mendonça e Emílio Gomide Loures do DPS/UFV.

5.1. Objetivo

O Módulo V, Matéria Orgânica do Solo, tem como objetivo proporcionar conhecimentos básicos sobre a origem e a dinâmica da matéria orgânica do solo; suas características e propriedades; e discutir como algumas propriedades do solo e da planta são influenciadas pela matéria orgânica.

5.2. Introdução

Figura 5.1. Dinâmica da matéria orgânica (Alexander, 1977).

As tranformações por que passa o carbono compreendem essencialmente duas fases: fase de fixação do gás carbônico e a fase de regeneração.

A fixação do gás carbônico atmosférico é efetuada pelos organismos fotossintéticos, plantas verdes, algas e bactérias autotróficas. Esta fixação finaliza-se na síntese de compostos hidrocarbonados de complexidade variável, amidos, hemiceluloses, celuloses, ligninas, proteínas, óleos e outros polímeros. Estes compostos retornam ao solo com os resíduos vegetais; são utilizados pelos

Matéria Orgânica do Solo* 1

microrganismos que regeneram o gás carbônico durante as reações de oxidação respiratória, utilizando a energia que lhe é indispensável.

A velocidade de decomposição da matéria orgânica do solo independente da forma em que se encontra é condicionada à inúmeros fatores, dentre eles:

- Origem e natureza da matéria orgânica

- Agentes responsáveis

- Umidade

- Arejamento

- Temperatura

- Acidez do solo

- Nutrientes do solo

5.3. Origem e Natureza da Matéria Orgânica

A matéria orgânica do solo provem, em quase sua totalidade, de resíduos vegetais cuja composição média varia entre as diferentes espécies de vegetais e, dentro da mesma espécie, com a idade e nutrição da planta. Todavia, apesar de se encontrar diferenças entre as espécies, ocorre certa constância entre os componentes básicos das plantas, variando apenas o percentual dos componentes estruturais.

Em termos percentuais de peso do vegetal seco, os componentes dos vegetais são, comumente, divididos em seis grandes grupos (Waksman, 1952):

1 - Celulose 15 a 60 %

2 - Hemicelulose 10 a 30 %

3 - Lignina 5 a 30 %

4 - Fração solúvel em água 5 a 30 %

açúcares simples

amino ácidos

ácidos alifáticos

5 - Fração solúvel em éter ou em álcool 1 a 15 %

gordura resina

óleos alguns pigmentos


ceras

6 - Proteínas 1 a 10 %

Os constituintes minerais usualmente encontrados nas cinzas variam de 1,0 a 12%. Durante a decomposição da matéria orgânica pela ação de enzimas e microrganismos, alguns componentes são mais prontamente utilizados que outros.

A fração solúvel em água e proteínas são os primeiros compostos a serem metabolizados. A celulose e hemicelulose não desaparecem com a mesma intensidade, mas a permanência no solo destes compostos é relativamente curta. As ligninas são altamente resistentes, tornando-se, às vezes, relativamente mais abundantes na matéria orgânica em decomposição.

A relação C/N, carbono/nitrogênio, pode, muitas vezes, determinar a cinética de decomposição.

Assim, deve-se considerar a dinâmica da relação C/N sob dois aspectos:

a - Relação C/N dos microrganismos

b - Relação C/N da matéria orgânica

No primeiro caso, verifica-se que a relação C/N das células microbianas varia bastante. Em termos médios pode-se considerar que nos fungos a relação C/N = 10:1, nos actinomicetos igual a 8:1, nas bactérias aeróbias igual a 5:1 e nas bactérias anaeróbias igual a 6:1.

A matéria orgânica do solo constitui a principal fonte de C para os microrganismos. Entretanto, nem todo carbono da matéria orgânica é transformado em célula microbiana, grande parte dele se perde sob a forma de CO2 decorrente de sua mineralização. A quantidade de carbono da matéria orgânica, assimilável pelos microrganismos do solo, é variável segundo o microrganismo ou grupos de microrganismos considerados.

Percentualmente, têm-se os seguintes coeficientes assimilatórios do carbono orgânico total:

Fungos 30 a 40 %

Actinomicetos 15 a 30 %

Bactérias 1 a 15 %


Em termos práticos, pode-se considerar o coeficiente assimilatório do carbono orgânico, em torno de 35 %.

Com os dados citados, pode-se verificar, por exemplo, o que se passa no caso da decomposição da palha do milho.

A palha do milho, apresenta 40 % de C e 0,7 % de N.

Cosiderando um coeficiente assimilatório do C de 35 %, têm-se em 100 kg da palhada:

100 kg → 40 kg C total

40 kg C total x 0,35 = 14 kg C assimilável

Considerando uma relação C/N dos microrganismos de 10:1, encontra-se:

C N/ = =1410

1 4, kg de N necessário à decomposição

A palha de milho apresenta, no exemplo, 0,7 % de N.

100 kg → 0,7 kg N disponível

1,4 kg N necessário - 0,7 kg N disponível = 0,7 kg N déficit

Verifica-se, pelos cálculos, que para que ocorra decomposição rápida de 100 kg de palha de milho, torna-se necessária a adição de 0,7 kg de nitrogênio.

Nesse caso, os microrganismos retiram do solo o nitrogênio disponível, provocando o fenômeno da imobilização do N do solo, competindo, assim, com a vegetação, por este elemento.

Pelo termo "imobilização do nitrogênio" subentende-se a transformação do nitrogênio mineral do solo - NO3- e NH4+ - para uma forma orgânica microbiana.


NO3- ou NH4+ + microrganismo → N orgânico

O termo mineralização do nitrogênio corresponde à transformação do N sob forma orgânica a N combinado mineral.

N orgânico + microrganismos → NH4+ → NO3-

Durante a decomposição da matéria orgânica no solo a relação C/N diminui, tendo em vista que parte do C orgânico se perde sob a forma de CO2.

Figura 5.3. Relação C/N, imobilização (i) e mineralização (m) do N durante a decomposição da matéria orgânica.

A Figura 5.3, adaptada de Alexander (1977) e Broadbent (1954), representa a curva de decomposição da matéria orgânica no solo, correlacionando sua relação C/N com os fenômenos de imobilização e mineralização do N.

Os resíduos orgânicos com relação C/N > 30 são considerados de relação C/N alta, entre 15-30 relação C/N equilibrada e menor que 15, relação C/N estreita.


Cabe salientar que relações C/P/S, N/lignina e teor de fenois também influenciam a taxa de decomposição do material orgânico adicionado ao solo ou da matéria orgânica propriamente dita.

5.4. Agentes Responsáveis

A microbiota do solo é, em sua maioria, heterotrófica, isto é, depende de uma fonte de carbono orgânico pré-formado para que possa crescer e multiplicar. Assim, praticamente todos os fungos, actinomicetos e a maioria das bactérias e protozoários participam intensamente do processo de decomposição da matéria orgânica.

Os compostos orgânicos e minerais do solo sofrem transformações incessantes, seja por processos de natureza química ou físico-química, seja por processos de natureza biológica, estes compreendendo a intervenção direta ou indireta dos microrganismos ou dos complexos enzimáticos do solo.

As enzimas que se encontram no solo provêm não somente dos microrganismos, mas, também, da vegetação e da microfauna. A proporção relativa das enzimas de origem microbiana a daquelas de origem não microbiana varia entre tipos de solo. Entretanto, pode-se admitir que as enzimas de origem microbiana são mais representativas.

As enzimas que se encontram livres na solução do solo não persistem por muito tempo, pois sofrem biodegradação rápida. A Adsorção das enzimas nas argilas provoca, em geral, sua inativação parcial, porém pode, também, proteger estas proteínas da biodegradação.

5.5. Umidade e arejamento

Todos os microrganismos, enzimas e organismos do solo dependem da água para o seu crescimento e desenvolvimento. Ainda, grande parte dos microorganismos do solo são aeróbios ou microaeróbios. Assim, o teor de água do solo irá influenciar a decomposição da matéria orgânica. Nos dois extremos de umidade no solo, enxarcamento e dessecação, ocorre redução na velocidade de decomposição decorrente da redução nas atividades microbiana e enzimática. A atividade microbiana é reduzida, no primeiro caso, devido à falta de oxigênio e, no segundo, pela falta de água.

As melhores condições para decomposição da matéria orgânica, conforme Figura 5.5, ocorrem quando o teor de umidade se encontra na faixa entre 40 a 60%.


Em solos tropicais, o enxarcamento permanente do solo constitui fator de acúmulo de matéria orgânica, podendo dar origem aos solos orgânicos.

Figura 5.5 - Influência da umidade na decomposição da matéria orgânica (Waksman & Purvis, 1952, citado por Waksman, 1952).


Figura 5.6 - Influência da aeração sobre a decomposição da alfafa (Waksman, 1952).

% de umidade

% Materialresidual após2 meses dedecompo-

sição

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

30 50 75 85

Nitrogê-nio total

matériasecatotal

celulose Pentosanas

Figura 5.7 - Influência da umidade e aeração sobre a decomposição de esterco de cavalo (Waksman, 1952).

5.6. Temperatura

A faixa de crescimento microbiano está entre -0,5oC a 68oC (Atlas, 1984). Verifica-se que a amplitude de temperatura de crescimento é relativamente grande, mas não quer dizer que os microrganismos crescem bem em toda ela.

Alguns crescem mais em temperaturas mais baixas, são os Psicrófilos, -0,5oC a 20oC, outros em temperaturas médias, os Mesófilos, 14oC a 45oC e um grupo especial que cresce melhor em temperaturas mais elevadas, os Termófilos, 42oC a 68oC (Atlas, 1984)

Os microrganismos mesófolos e termófilos são mais ativos na decomposição da matéria orgânica. Em solos tropicais, considerando o efeito da temperatura, verifica-se uma velocidade de decomposição de 5 a 10 vezes maior do que em solos de clima temperado (Sanchez, 1981), tornando difícil a manutenção de teores elevados de matéria orgânica no solo.

O grupo termófilo de decompositores apresenta importância particular no caso de produção do adubo orgânico, pela técnica de compostagem.


Na Figura 5.10, verifica-se que a faixa de temperatura mais favorável à decomposição da matéria orgânica está entre 28oC e 50oC. Estes limites ótimos de decomposição fazem com que, em solos tropicais, torne-se extremamente difícil a manutenção de níveis elevados de matéria orgânica (Sanchez, 1981).

Matéria Orgânica Total _______

Proteína - - - - - -

Figura 5.10 - Efeito da temperatura sobre a decomposição da matéria orgânica (Waksman, 1952).

5.7. Acidez do Solo

O pH do solo também influencia na velocidade de decomposição da matéria orgânica. A maioria dos microrganismos do solo tem seu pH ótimo de atuação, em torno da neutralização.

Assim, correção do pH do solo pela técnica da calagem favorece a atividade microbiana e acelera a decomposição da matéria orgânica (Lopes, 1977).

5.8. Nutrientes do Solo

Além da exigência do carbono e nitrogênio pelos microrganismos do solo, outros elementos igualmente são solicitados, em especial P, S, e


microelementos. Todavia esses outros elementos não têm constituído obstáculo para a decomposição, considerando que os próprios resíduos orgânicos já apresentam nível favorável para

5.9. Síntese e Degradação de Substâncias Húmicas

As substâncias húmicas se apresentam, no solo, como a fração orgânica mais estabilizada e, como conseqüência desta estabilidade, vêm constituir a reserva orgânica do solo.

Sua composição é extremamente variada. Todavia, em todas elas, a característica principal é que o componente estrutural básico é o núcleo dado pelo anel benzeno.

A grande variação no grau de polimerização e no número de cadeias laterais e radicais que podem ser encontrados nas substâncias húmicas faz com que não existam duas moléculas húmicas idênticas (Dommergues & Mongenot, 1970).

Sua origem está ligada à atividade de enzimas e microrganismos do solo sobre o material orgânico incorporado, cuja principal fonte é constituída pelos resíduos vegetais. Essas substâncias, no solo, podem ser adsorvidas pelos colóides argilosos, formando complexos argilo/húmicos, ou reagir com o íon Ca2+ e, nestas condições, ficam mais resistentes a biodegradação.

Por outro lado, há casos em que a duração da fração húmica do solo é muito curta, como o que se observa em solos tropicais, quando os mesmos apresentam baixo teor de argila.

Os teores da fração húmica também podem ser reduzidos no solo devido às práticas agrícolas que comumente favorecem não só a cultura, mas, também, estimula maior atividade microbiana e enzimática no solo.

5.10. Características e Propriedades das Frações Húmicas e Não Húmicas do Solo

A fração orgânica do solo representa um sistema complexo, composto de diversas substâncias, sendo sua dinâmica determinada pela incorporação de material vegetal e animal ao solo e pela transformação destes, via ação de distintos grupos de microrganismos, de enzimas e da fauna do solo.


As substâncias húmicas constituem, nos solos minerais, de 85 a 90% da matéria orgânica. Os outros 10 a 15% são constituídos por compostos orgânicos de natureza individual (proteínas, carboidratos, gorduras, ceras) (Kononova, 1982)

De acordo com a literatura (Schnitzes & Khan, 1972, 1978), as frações húmicas são quimicamente muito parecidas, diferindo em peso molecular, teores de C, O, N e S, e conteúdo de grupamentos funcionais. Os ácidos fúlvicos têm menor peso molecular, maior teor de O nos grupamentos funcionais (COOH, OH e C = O) por unidade de peso que as outras frações húmicas (Quadro 5.2).

Quadro 5.2 - Composição química média das substâncias húmicas.

Substância

Fenólico-OH

------------------ g kg-1 ------------------

------- mol kg-1

-------

Ácidos Fúlvicos Ácidos Húmicos Humina

FONTE: Schnitzer & khan (1972).

As cargas negativas superficiais das substâncias húmicas são dependentes de pH. Sendo assim, com a elevação do pH ocorre dissociação dos grupamentos orgânicos, de acordo com o esquema:


Com a elevação do pH de 3 a 10 ocorre incremento significativo das cargas superficiais das substâncias húmicas (Figura 5.15). Os ácidos fúlvicos possuem maior número de prótons dissociáveis por unidade de massa do que os ácidos húmicos. Contudo, ambos possuem mais cargas do que a capacidade de troca típica de uma argila 2:1 (< 2 molc kg-1). Sendo assim, a matéria orgânica tem grande influência no poder tampão do solo. Visto que grande parte dos grupamentos acídicos das substâncias húmicas se dissociam entre pH 5 e 7, espera-se que elas tenham carga líquida negativa nos solos.

Figura 5.15 - Desenvolvimento de carga superficial dos ácidos húmicos e fúlvicos em diferentes valores de pH (Sibanda, 1984).

A grande capacidade de retenção de cátions das substâncias húmicas está relacionada, também, com sua alta superfície específica, decorrente de sua grande subdivisão. Devido a essas duas propriedades, a matéria orgânica pode absorver grandes quantidades de água por meio de pontes de H+ dos


grupamentos reativos, podendo reter até 4 a 6 vezes o seu peso em água. À medida que se aumenta a polimerização das substâncias húmicas ocorre diminuição da capacidade de hidratação das substâncias húmicas.

Embora não seja ainda conhecida a configuração molecular das substâncias húmicas, os grupamentos reativos têm sido bem caracterizados. Os principais grupamentos que participam na formação dos complexos com metais são:

Esses grupamentos funcionam como doadores de átomos na formação de complexos, conferindo a abilidade da matéria orgânica de formar complexos, solúveis ou insolúveis em água, com íons metálicos, e oxihidróxidos e interagir com minerais de argila. A propriedade de formar complexos e a presença de anéis aromáticos em sua estrutura faz com que as substâncias húmicas sejam resistentes a degradação microbiana.

Os principais fatores que interferem na formação de complexos organo-metálicos são o pH, a força iônica da solução e o tipo de metal e composto orgânico presente (Stevenson & Fitch, 1986).

Os mecanismos que possibilitam a formação de complexos podem ser divididos em catiônicos, aniônicos, de coordenação, pontes de hidrogênio, ligações covalentes e forças de Van der Walls. Dessa forma, a formação de complexos vai ter influência direta na disponibilidade ou não de elementos às plantas, dependendo do material orgânico e da concentração e carga do metal envolvido. Com a elevaçào do pH, a formação de complexo Al-MO e/ou Fe-MO pode retardar o processo de hidrólise do cátion, mantendo-o em solução e em condições de ser absorvido pelas plantas.

5.11. Influência da Matéria Orgânica nas Propriedades do Solo e da Planta


A atuação da matéria orgânica nas propriedades do solo é de muita importância como fonte de energia e de nutrientes para os organismos e para as plantas, na capacidade de troca de cátions e no tamponamento do pH. Ela participa, também, como agente cimentante na agregação do solo, influenciando, diretamente, a retenção de água e o arejamento. Dada sua baixa pegajosidade e plasticidade, ela pode elevar o limite de umidade no qual o solo se torna plástico e pegajoso, diminuindo, também, o valor de umidade onde o mesmo se torna muito duro. Dessa forma, ela pode aumentar a faixa ótima de manejo que o solo pode ser trabalhado, sem problemas com os implementos agrícolas. Ela pode, também, aumentar a capacidade de absorção de calor na superfície do solo, dado seu escurecimento.

Uma das mais importantes e estudadas contribuições da matéria orgânica nas propriedades do solo é sua capacidade de suprir nutrientes para o crescimento e desenvolvimento das plantas, principalmente nitrogênio. Os nutrientes podem ser retidos ou liberados pela matéria orgânica por meio de dois processos: processos biológicos, que controlam a retenção ou liberação de N, P e S, visto que estes elementos fazem parte de unidades estruturais da matéria orgânica; processos químicos, que controlam as interações com cátions. Visto que a matéria orgânica é freqüentemente a maior fonte de cargas negativas nos solos tropicais, sua manutenção é muito importante para a retenção de cátions disponíveis no solo. Sendo assim, deve-se tentar atingir um equilíbrio se desejar explorar as reservas orgânicas de N, P e S do solo.

Geralmente, 95% ou mais do N e S e entre 20 e 70% do P da camada superficial dos solos são encontrados na matéria orgânica. Cerca de 40 a 50% do N orgânico do solo estão na forma de aminoácidos. Com exceção das leguminosas e de outras espécies vegetais que fixam o nitrogênio molecular em simbiose com os microrganismos, as plantas absorvem o nitrogênio principalmente sob a forma mineral, nítrica ou amoniacal e, excepcionalmente, sob outras formas orgânicas como ácidos aminados e vitaminas. Essas formas minerais provêm, em grande parte, da ação dos microrganismos e dos complexos enzimáticos do solo, sobre a matéria orgânica.

Por meio dos seus grupamentos reativos, a matéria orgânica tem grande influência na capacidade de retenção de cátions e capacidade tampão dos solos tropicais. Estes solos que apresentam baixa capacidade de troca decorrente do avançado estágio de intemperização em que se apresentam. Dessa forma, a matéria orgânica tem grande influência sobre a concentração de prótons (pH) e de cátions metálicos na solução do solo. Como já visto, a CTC da matéria orgânica tem sua origem, principalmente, nas cargas negativas oriundas dos grupamentos carboxílicos e fenólicos. A participação da matéria orgânica na


CTC dos solos tropicais em comparação com a contribuição dos colóides minerais pode variar de 20 à 80% do valor total (Verdade, 1956). Portanto, há alta correlação entre a CTC dos solos e sua percentagem de carbono orgânico (Figura 5.18).

A interação da matéria orgânica com a fração argila tem influência marcante no desenvolvimento da estrutura do solo. A formação e estabilização de agregados no solo melhorando as condições de aeração e infiltração é uma das funções mais importantes da matéria orgânica.

Figura 5.18 – Correlação entre a capacidade de troca catiônica e o teor de carbono orgânico de

horizontes B textural e B latossólico do solos do Estado de São Paulo (Kiehl, 1979).

A matéria orgânica pode também reagir com outros compostos orgânicos como pesticidas, principalmente herbicidas, tornando-os menos ativos no solo e influindo nas suas propriedades.

A matéria orgânica pode ter, também, efeito direto sobre o crescimento e desenvolvimento das plantas. Dessa forma, tem sido observado estímulo no crescimento radicular e foliar com a aplicação de substâncias húmicas na forma de adubo orgânico. Esse efeito tem sido correlacionado com o aumento na absorção de macro e micronutrientes, decorrente do aumento de sua solubilização. Contudo, pode ocorrer, também, absorção pelas plantas de frações orgânicas de baixo peso molecular, podendo acarretar aumento na permeabilidade da membrana celular e agindo, também, como hormónio (Chen & Avrad, 1990). Sendo assim, a absorção de compostos orgânicos pode ocasionar aumento da respiração e dos níveis de clorofila das plantas (Quadro 5.3).


Quadro 5.3 - Efeito dos ácidos húmicos e fúlvicos na respiração e teores de clorofila em plantas de tomate (Sladky, 1959)

Tratament

o

Absorção de O2 Clorofila

Folhas

Raízes

------------------------ % do controle -------------------------

Controle

100 100 100

Ácidos Húmicos

124 123 163

Ácidos Fúlvicos

130 138 169

5.12. Conservação da Matéria Orgânica do Solo

A exploração de terras virgens têm sido sempre uma opção vantajosa para os agricultores brasileiros que aproveitando-se da fertilidade natural do solo tem alcançado boa produtividade a um custo mínimo. O desgaste que o solo sofre nesses processos exploratórios pode ser verificado ao longo da nossa história por meio de migrações internas dos produtos e mobilidade das regiões produtoras.

O rompimento do equilíbrio de sistemas naturais promove mudanças rápidas cuja velocidade depende do grau de intervenção. Em solos submetidos a um sistema de cultivo por vários anos, os teores de matéria orgânica atingem um equilíbrio, onde a taxa de adição é igual a taxa de decomposição. Quando o equilíbrio é alcançado num agroecossistema, o nível de matéria orgânica é determinado pelo tipo de preparo do solo, sistema de cultico, rotações de culturas, aplicação de fertilizantes, textura do solo e condições ambientais. Nas condições tropicais, as perdas de matéria orgânica após o desmatamento são rápidas, principalmente na fase inicial, e muitos dos nutrientes mineralizados, em


especial o N, perdem-se rapidamente, sem condições de aproveitamento pelas plantas. O manejo, nessa circunstância, exige que se adotem práticas que protejam o solo, diminuindo as perdas.

A recuperação das terras desgastadas de áreas agrícolas mais antigas ou naturalmente pobres necessita de métodos apropriados que a façam de maneira mais rápida e econômica. A recuperação da matéria orgânica para ativar a vida biológica é de fundamental importância.

Muitos autores (Smith et al., 1951; Greenland & Nye, 1959 e Greenland, 1971) têm procurado determinar as constantes de decomposição e de acúmulo (K) da matéria orgânica ou do carbono e do nitrogênio orgânicos do solo, sob diferente condições de clima e sistema de uso. A Figura 5.20 mostra a curva de decomposição da matéria orgânica, sob um sistema tradicional de cultivo intensivo, e a sua recuperação sob adubação ou manutenção do equilíbrio sob sistemas planejados de pasto-cultivo.

K = constante de composição A = adição total de matéria orgânica

Figura 5.20 - Decomposição e recuperação da matéria orgânica do solo em função do uso e da adubação orgânica (c = cultivo e p = pastagem).

A constante (K) mede a perda de matéria orgânica do solo, que aumenta com a intensidade de cultivo, menor em condições de pastagens do que em solos cultivados. A incorporação da matéria orgânica no solo altera o equilíbrio; sendo maior que a constante (K) a tendência é enriquecer o solo. As práticas a serem adotadas são, portanto, aquelas que permitam maior adição possível de


matéria orgânica ao solo, sejam via rotação de culturas, coberturas verdes, incorporação de restos culturais ou adição de adubos orgânicos de diferentes origens.

No manejo de solos tropicais sob diferentes sistemas agrícolas, a decomposição e recuperação da matéria orgânica devem ser analisadas criteriosamente, tentando aplicar técnicas que proporcionem maior enriquecimento do solo e aumento de sua produtividade final. Deve-se observar que conservação do solo num sentido amplo constitui um conjunto de práticas necessárias para manutenção de um solo biologicamente ativo e, para atender tal objetivo, a prevenção da matéria orgânica constitui requisito indispensável.

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Apostila materia organica

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