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Development of Algae-derived Biostimulants and Its Application in Fertilizers

  • XIAO Chenxing ,
  • GAO Luyang ,
  • SHEN Yanhui ,
  • WU Liang ,
  • CHEN Hongkun
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  • Hubei Provincial Engineering Research Center of Efficient Utilization of Nutrient Resources/Xinyangfeng Agricultural Technology Co.,Ltd., Jingmen Hubei 448000

Received date: 2024-03-11

  Revised date: 2024-08-15

  Online published: 2025-05-19

Abstract

Algae-derived biostimulants is widely distributed and environmentally friendly, which contains various mineral elements and organic active substances. It can not only be directly applied in crop cultivation, but also combined with fertilizer to produce seaweed fertilizer, which has broad market prospects. In order to improve the extraction efficiency of algal-derived biostimulants, accelerate the development of seaweed fertilizer production process, and promote the high-quality development of the seaweed fertilizer market, a review was conducted on the research progress related to the extraction and addition processes of algal-derived biostimulants. Firstly, the sources and active ingredients of algae-derived biostimulants were summarized. Secondly, the applications of algae-derived biostimulants in promoting plant growth, resisting stress and improving soil ecological environment were reviewed. The advantages and disadvantages of physical, chemical and biological extraction methods of algal derived biostimulants were introduced, and an efficient compound extraction process was proposed. Then, the application methods of algal-derived biostimulants in urea-based high tower compound fertilizer, nitro-based high tower compound fertilizer, water-soluble fertilizer and organic fertilizer were discussed. Finally, the development of the seaweed fertilizer industry was discussed and suggestions were put forward. At present, the seaweed fertilizer product market price is high, with poor production quality, and low market share. It is suggested to control the production cost of seaweed fertilizer through promoting technological innovation, optimize the seaweed fertilizer market environment through strengthening market supervision, and increase product promotion efforts through innovating technological services.

Cite this article

XIAO Chenxing , GAO Luyang , SHEN Yanhui , WU Liang , CHEN Hongkun . Development of Algae-derived Biostimulants and Its Application in Fertilizers[J]. Journal of Agriculture, 2025 , 15(5) : 72 -79 . DOI: 10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2024-0046

0 引言

海藻是一类叶状体海洋孢子植物[1],不仅含有I、K、Mg、Zn、Ca、Fe等矿质元素,而且还含有甜菜碱、植物甾醇、植物多糖等生理活性物质[2],因此在农业领域,海藻及其制品长期被用于促进植物生长和改良土壤。1949年,英国的Milton为了降低海藻的运输和堆肥成本,通过碱提法制得液体海藻肥,液体海藻肥保留了海藻中的矿质元素和生理活性物质,可以提高植物的生理机能、营养吸收和抗逆能力,又被称为藻源生物刺激素。为进一步扩大应用范围,研究人员将藻源生物刺激素与复合肥、水溶肥等复配开发出了不同形态海藻肥产品,使其可以用于规模化、机械化种植。目前海藻肥已在欧洲、美国、南非等国家和地区得到了广泛应用并取得了显著的环境和经济效益。
相较于传统肥料,海藻肥原料来源广泛且环保高效,在化肥减量增效和农业绿色发展的背景下具有广阔的应用前景,20世纪90年代起,中国开始研制现代海藻肥,2021年,海藻肥产量达115万t,产值达107.2亿元。在行业规模不断扩大的同时,海藻肥在生产和应用端的瓶颈也逐步凸显:藻源生物刺激素的高效提取技术缺乏,受限于技术难度和生产成本,国内企业多采用碱提法工艺,该方法虽然成本低、原料利用率高,但所含活性成分较少[3];针对不同肥料生产工艺的藻源生物刺激素添加工艺缺乏,在肥料生产过程中,部分工序温度较高,如直接添加会造成藻源生物刺激素失活,影响海藻肥肥效;海藻肥在新型肥料领域的市场占有率小,市场认可度不高等。为加快低本高效藻源生物刺激素提取工艺和添加工艺的开发,扩大海藻肥在农业领域的应用范围,促进中国海藻肥产业高质量发展,本研究对当前藻源生物刺激素在农业生产中的应用、藻源生物刺激素的提取和添加工艺的研究进展进行了总结和分析。

1 藻源生物刺激素概况

1.1 藻源生物刺激素来源

根据所含色素的种类,可将海藻划分为绿藻、红藻、褐藻、蓝藻等类型[4],褐藻类含有刺激植物生长的海藻酸盐、岩藻多糖、褐藻多酚等活性物质,在农业中应用最广,海藻肥企业多选择泡叶藻、马尾藻、昆布、海带等褐藻作为原料生产藻源生物刺激素和海藻肥,也有部分企业选择浒苔等绿藻作为原料(表1),中国沿海所处的太平洋海域并没有泡叶藻分布,泡叶藻原料依靠进口。
表1 商业化海藻类产品原料来源生产企业
企业名称 品牌名称 海藻原料 用途
Kelpak Kelpak 极大昆布 植物生长刺激素
PI Industry Ltd. Biovita 泡叶藻 藻源生物刺激素
The Espoma Company Espoma 泡叶藻 藻源生物刺激素
Maxicrop USA,Inc. Maxicrop 泡叶藻 藻源生物刺激素
新洋丰农业科技股份有限公司 百倍邦 马尾藻 海藻肥、土壤调理剂
北京雷力海洋生物新产业股份有限公司 海德丰 马尾藻 藻源生物刺激素
青岛海大生物集团股份有限公司 海状元 海带、浒苔 海藻肥
青岛明月海藻集团 蓝能量 泡叶藻 藻源生物刺激素、海藻肥
山东洁晶集团股份有限公司 藻施美 泡叶藻 藻源生物刺激素
青岛海鲸灵海藻生物集团有限公司 海鲸灵 泡叶藻 藻源生物刺激素
青岛蓝宝海洋生物科技有限公司 BlueAlga 泡叶藻 藻源生物刺激素

1.2 藻源生物刺激素有效成分

虽然海藻在农业领域的应用已久,但时至今日,人们对其有效成分的认识仍在不断加深和完善。最初,研究人员观察到海藻中的灰分有助于植物的生长和发育,这说明海藻中存在促生长的矿质元素。然而,这不能解释藻源生物刺激素即使在稀释数百或上千倍后仍能显著地促进植物生长。直到气相色谱法等技术的出现,海藻多糖、植物激素、甜菜碱、植物甾醇等活性成分才被陆续被分离和鉴定。

1.2.1 海藻多糖

海藻多糖是海藻细胞壁的主要成分,质量占海藻干重的一半以上[5],可以调节作物生长发育、提高抗性、改善品质。邹平等[6]通过盆栽试验比较了不同原料制备的海藻多糖对盐胁迫下大豆幼苗生长状况和生理指标的影响,叶片喷施海藻多糖后,大豆幼苗的株高、根长和根干重显著提高,抗逆性指标超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性显著提升,且褐藻多糖效果优于绿藻多糖。刘宏[7]使用水提-醇沉法提取蜈蚣藻多糖并通过微波辅助法对其进一步降解,制得低分子量蜈蚣藻多糖,对盐胁条件下的水稻种子进行处理后,相比于浒苔多糖和壳聚糖,水稻根长和活力指数更优,同时抗氧化指标脯氨酸含量、超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性提升,荧光定量PCR结果表明,施用蜈蚣藻多糖后,水稻OsCLC1OsCLC2OsSOS1表达上调,这说明海藻多糖通过在分子水平上上调抗盐基因表达从而提高水稻的抗盐性。

1.2.2 植物激素

作为内源性生长调控因子,植物激素能够促进植物细胞的分裂、伸长,调节器官分化以及细胞内营养物质的运输。1973年,Brain通过生物检测法鉴定了藻源生物刺激素中存在多种植物激素,之后气相色谱法、气质联用法、酶联免疫法等技术也被用于海藻中植物激素的检测[8]。李铁松[9]使用反向高效液相色谱法鉴定了海带中的吲哚乙酸和脱落酸,并发现随着海带成熟度增加,吲哚乙酸含量逐渐减少,脱落酸含量逐渐增加。刘雪梅[10]使用高效液相色谱法鉴定了不同海藻中植物激素的种类,发现角叉菜、厚膜藻、羊栖菜、鼠尾藻等8种海藻中植物激素种类多,适合作为海藻肥的生产原料。易勇[11]使用超高效液相色谱法鉴定出马尾藻中含有吲哚乙酸、吲哚丁酸、脱落酸、玉米素等植物激素,通过酶解法提取有效成分并对绿豆、辣椒、小白菜种子进行处理后,幼苗的叶片、根长、株高、鲜重、叶面积等指标显著提升。

1.2.3 甜菜碱

甜菜碱是一种重要的渗透调节物质,可以维持细胞膜及生物大分子结构和功能的完整[12-13]。迄今为止,研究人员在海藻中鉴定了甘氨酸甜菜碱,β-丙氨酸甜菜碱、高丝氨酸甜菜碱、脯氨酸甜菜碱等18种甜菜碱[14]。尹媛红[15]通过盆栽试验比较了干旱条件下普通复合肥料和添加了甜菜碱的复合肥料对碧青菜心生长的影响,结果表明相比普通复合肥料,施用添加甜菜碱的复合肥料后碧青菜心鲜重增加,SOD、CAT活性增强,菜心鲜重增长12.33%~17.22%。

1.2.4 植物甾醇

植物甾醇不仅参与生物膜的结构组成,同时也是维生素D、激素和甾族化合物的前体物质[16]。王超杰等[17]通过色-质谱联用技术鉴定叶托马尾藻中存在7种甾醇,其中岩藻甾醇的含量最为丰富。借助色谱法和氢核磁共振等技术,卢启洪[18]从孔石莼中鉴定出β-谷甾醇、24,28-二氨基胆甾醇等甾体类化合物。植物甾醇不仅在植物生长发育中发挥重要作用,还能响应高温、盐碱、缺氧、病原体等逆境胁迫[19],也可被用作除草剂和杀虫剂的原料[20]

2 藻源生物刺激素的作用

2.1 促进植物生长

藻源生物刺激素中含有矿质元素、海藻多糖、生长激素等多种营养成分,因此可以通过直接或间接途径促进植物生长。涂海华[21]用藻源生物刺激素对葡萄进行叶面喷施,葡萄叶面积增大,葡萄粒径、糖度、可溶性固形物含量显著增加,使产量提高15%。孙晓等[22]将藻源生物刺激素与复合肥复配用于水稻种植后,水稻有效穗数、穗粒数、结实率均显著提升,且相比于常规肥料增产36.29%。何锐等[23]的研究发现只有特定浓度的藻源生物刺激素才能对甘蓝生长产生显著的促进作用。这与姜洁等[24]的研究结果类似,在500~2500倍稀释倍数区间内,草莓的可溶性固形物含量、糖酸比、还原糖含量等指标在1500倍稀释浓度下达到峰值。

2.2 抗逆境胁迫

藻源生物刺激素中含有的生长激素、甜菜碱、植物甾醇和海藻多糖等多种活性物质,可以引起植物逆境相关基因的表达,同时激活部分代谢途径,使植物对逆境产生防御反应。冯敬涛[25]比较了藻源生物刺激素、水杨酸和脱落酸对苹果抗逆性的影响,结果表明3种物质均能提升干旱胁迫下苹果幼苗的生长、养分吸收和光合作用效率,并提高番茄幼苗的超氧化物歧化酶、过氧化物酶等抗氧化指标含量,且效果表现为藻源生物刺激素>脱落酸>水杨酸。陈迪文等[26]通过盆栽试验比较了正常和干旱条件下藻源生物刺激素对甘蔗抗逆指标的影响,结果显示,在正常条件下施用藻源生物刺激素后,甘蔗株高、茎径、鲜重等形态学指标和超氧化物歧化酶、过氧化物酶含量等抗逆指标无显著差异,而在干旱条件下施用藻源生物刺激素后甘蔗的形态学指标和抗逆物质含量均显著提高。杨滟[27]发现外施海藻糖可以提升盐胁迫下番茄叶片的光合作用并减轻盐胁迫对叶片结构的损害,代谢组学分析显示,外施海藻糖促进了番茄体内渗透物质的积累从而提高了番茄的抗盐胁迫能力,杨滟还通过转录组学鉴定出一个引起糖代谢关键基因SlTPPJ,在拟南芥中超量表达SlTPPJ后,拟南芥的抗氧化性指标及抗性相关基因表达增强。

2.3 改良土壤生态环境

藻源生物刺激素中的活性大分子可以改善土壤的物理、化学和生物性质[14,28]。如海藻酸钠可以改变土壤的液塑性极限和粒径级配,从而填充土壤颗粒间的孔隙,并通过絮凝作用使黏土物质在土壤中聚集形成更大的颗粒[29]。褐藻胶等多糖类物质,由于其鳌合和亲水特性,能够与土壤中的金属离子结合成复合大分子,并通过吸水进一步膨胀,进而维持土壤湿度,改善土壤团粒结构。藻源生物刺激素还可以刺激植物根际微生物的生长和促进土壤微生物分泌调节物质,从而改善土壤微生物群落结构[30-31]。在烟草种植中施用藻源生物刺激素后,烟草根际土壤铵态氮有机质含量显著提高,非根际土壤中硝态氮含量显著提高,土壤微生物群落多样性结果显示,烟草根际土壤中微生物丰度升高而多样性降低,非根际土壤中微生物丰度降低而多样性升高,这种差异可能是根系对有益微生物的选择性引起的[32]

3 藻源生物刺激素的提取方法

3.1 物理提取法

通过高温高压或低温冷冻等物理手段破碎海藻的细胞壁,进而获得藻源生物刺激素的方法被称为物理提取法,也被称为机械破碎法,在传统方法的基础上,又陆续发展出高压匀浆破碎法、冷冻破碎法、微波辅助萃取法等。目前微波辅助萃取法是藻源生物刺激素提取研究最深入、效果最优的方法[3]图1),提取成分中包含岩藻多糖硫酸酯、木聚糖硫酸酯、鼠李糖硫酸酯等多种活性成分。物理提取法不会产生环境污染,但需要以新鲜海藻为原料,且对设备要求高,运输和生产成本较大,因此在世界范围内采用物理提取法的企业较少,如南非Kelpak公司采用的常温高压冷细胞爆裂工艺[33]
图1 微波萃取法工艺流程图

3.2 化学提取法

通过化学溶剂分解细胞壁或提高海藻内物质的溶解度而获得藻源生物刺激素的方法称为化学提取法,根据提取试剂的不同可以分为有机溶剂提取法和无机溶剂提取法。化学提取法兼具原料利用率和成本优势,但目前海藻肥生产企业多采用强酸强碱作为提取试剂,这会对藻源生物刺激素中的活性物质造成破坏,使后续纯化过程更加复杂,同时,残留的化学试剂也可能对环境带来潜在威胁(图2)。因此,有研究人员开始以有机酸替代传统的强酸,并取得了较好的提取效果。在一项研究中,王智荣团队比较了柠檬酸和硫酸、盐酸以及磷酸等无机酸的海带多糖提取效率,发现柠檬酸的提取效率最高,并通过正交法优化提取工艺条件参数,海带多糖的产率达12.95%[34]
图2 碱提法工艺流程图

3.3 生物提取法

酶解和微生物发酵是2种常见的生物提取法。酶解法利用微生物发酵过程中产生的纤维素酶、果胶酶、蛋白酶等酶类将海藻内的大分子物质降解,从而得到植物易于吸收和利用的小分子物质。酶解反应的条件较温和,能够极大程度保留海藻中的生物活性成分和营养物质,反应试剂绿色无污染,是理想的藻源生物刺激素提取方法(图3)。在一项以海带为提取原料的研究中,翟为团队使用纤维素酶、果胶酶、木瓜蛋白酶、木聚糖酶组成的复合酶提取海带多糖,对反应温度、酶解时间和pH进行优化后,海带多糖的提取率达到了78.9%[35]。酶解法的缺点在于技术难度及对设备要求高,产品的稳定性难以控制,目前国内有少数企业建成了规模化酶解法生产线,如山东潍坊乐多收生物工程有限公司、青岛中肽生物技术有限公司。
图3 酶解法工艺流程图

3.4 复合提取法

物理、化学、生物提取法各有优势,但用于实际生产都存在局限性。因此,结合不同提取方法的优势,提高活性成分提取率,降低生产成本成为促进海藻肥行业发展的有效途径。基于这种情况,新洋丰农业科技股份有限公司开发出一种复合提取藻源生物刺激素工艺(专利号ZL202111046278.9),该工艺结合了碱解法和酶解法的优势,产物提取效率高,成本低,并通过制备绝热层和添加保护剂对活性成分进行了保护,在应用端克服了高温引起藻源生物刺激素失活的问题,该工艺主要分为以下步骤。
(1)碱解:将马尾藻洗净、干燥、粉碎后加入混合碱液碱解,得到混合溶液。
(2)酶解:用磷酸调节混合溶液的pH至中性,待冷却后打浆,在浆体中加入复合酶酶解,得到提取液。
(3)制粉:将提取液冷冻干燥,制得海藻提取物藻源生物刺激素。
(4)绝热层制备:以丙烯酰胺、丙烯酸、乙烯基咪唑为原料,制备碳凝胶微粉,并用纳米二氧化硅及纳米碳酸钙对凝胶微粉进行修饰,得到覆盖绝热层的藻源生物刺激素(图4)。
图4 新洋丰藻源生物刺激素提取工艺路线图
传统碱解工艺使用强碱高温消化处理,新洋丰公司使用碳酸钠—碳酸氢钠缓冲溶液作为碱解液降低了溶液pH,缓和提取条件,同时也能破坏海藻细胞的细胞壁,提高海藻细胞的通透性,有利于后续酶解过程的进行。在酶解反应过程中,采用糖化酶、纤维素酶、果胶酶和中性蛋白酶组成的复合酶进行酶解,能充分地对细胞壁、结合蛋白以及糖化产物进行酶解,促进海藻细胞内物质的溶出。通过将藻源生物刺激素与肥料进行复配,新洋丰公司已实现海藻肥产业化和市场推广,形成海藻复合肥料、水溶肥料、微生物菌剂、土壤调理剂等产品,田间试验显示,相比于常规施肥,新洋丰海藻肥产品实现水稻增产10%以上,油菜增产15%~30%,蔬菜增产10%以上。

4 藻源生物刺激素在肥料中的应用

受农业施肥设备所限,直接施用藻源生物刺激素难度较高,不利于其范围推广,因此将藻源生物刺激素与肥料复配生产海藻肥能有效解决其应用难题,目前,围绕藻源生物刺激素与不同肥料的复配工艺已形成多项产业化生产技术。

4.1 藻源生物刺激素在尿基高塔复合肥中的应用

针对尿基高塔复合肥生产工艺中高温高盐条件对藻源生物刺激素活性成分的影响,可以通过优化藻源生物刺激素在尿基高塔复合肥中添加温度及反应时间等参数,提高藻源生物刺激素活性,其工艺路线见图5
图5 尿基高塔海藻复合肥生产工艺路线图
通过将二级混合槽温度降至110~120℃后再加入藻源生物刺激素,同时控制反应时间为30~45 min,可以在保证物料混合均匀的同时防止藻源生物刺激素失活。

4.2 藻源生物刺激素在硝基高塔复合肥中的应用

与尿基高塔工艺类似,硝基高塔复合肥生产工艺中温度较高,而藻源生物刺激素中的海藻多糖成分耐高温能力差,容易发生炭化从而降低海藻肥肥效,可以通过在藻源生物刺激素的提取过程中将海藻多糖转化为海藻酸钾,从而提高藻源生物刺激素的抗高温能力,步骤如下。
(1)将干海藻置入碳酸钾溶液中消化降解,得到混合溶液;
(2)用卧式离心机对混合液离心,得到离心液,用磷酸调pH至9~10;
(3)向得到的离心液中加入腐殖酸钾,搅拌,浓缩并进行喷雾干燥,得到固体藻源生物刺激素,即可用于高塔复合肥生产。

4.3 藻源生物刺激素在水溶肥中的应用

相比于传统复合肥,水溶肥不仅施用便利,还可以与喷灌、滴灌等节水灌溉措施配套,从而提高肥料利用率,节约农业用水,减少用工成本,在国家大力推广水肥一体化等轻简化施肥措施的背景下,水溶肥具备广阔的发展前景,其工艺路线见图6
图6 海藻水溶肥生产工艺路线图

4.4 藻源生物刺激素在有机肥中的应用

藻源生物刺激素在有机肥中的应用主要分为两种方式:一种以海藻及衍生物直接进行发酵得到藻源生物刺激素,另一种以其他有机质为原料发酵,在造粒前加入藻源生物刺激素混合均匀后造粒,主要工艺路线见图7
图7 海藻有机肥生产工艺路线图
通过在原料处理过程中加入磷酸二氢钾,可将不溶性海藻酸钙转化为可溶性海藻酸钾,从而缩短发酵和腐熟时间,提高生产效率。

5 产业发展问题与建议

5.1 海藻肥产业发展问题

中国的海藻肥研究开始于20世纪90年代,科技部攻关项目“海藻抗逆植物生长剂”完成立项,随后海藻肥开始在全国范围内推广,经过近30年的发展,目前海藻肥总产量突破100万t,市场规模超过100亿元。虽然中国海藻肥产业已初具规模,但仍面临以下问题。
(1)海藻肥价格高。海藻主要分布在沿海地区,这意味着内地的肥料生产企业需要额外支付交通运输费从而获得原材料,如果选择从国外进口,则运输成本将进一步提升。此外,运输条件决定了海藻生产企业的生产原料多为干海藻,这进一步限制了藻源生物刺激素提取工艺多为化学提取法,增加了生产过程中的设备维护和环保处理成本,导致海藻肥生产成本和最终售价偏高。
(2)市面上海藻肥产品良莠不齐。目前中国海藻肥没有出台国家标准,现行的是《海藻类肥料》(HG/T 5950—2016)、《含海藻酸尿素》(HG/T 5949—2016)、《含海藻酸磷酸一铵、磷酸二铵》(HG/T 5515—2019)、《肥料增效剂 海藻酸》(HG/T 5932—2021)等行业标准,以及相关企业自行制定的企业标准,市场缺乏有效的质量监管机制,部分企业使用低品质的海藻原料或以低效工艺生产海藻肥,使产品无法达到预期的肥效,导致消费者对海藻肥的认可度降低。
(3)海藻肥产品市场占有率低。传统肥料在中国农业生产中仍占主导地位,消费者对海藻肥的认知和接受度相对较低。根据磷复肥工业协会统计,2021年中国海藻肥销量仅占新型肥料的3%[36](见图8)。除市场价格和产品质量外,海藻肥产品市场推广不足也是海藻肥市场占有率低的重要原因之一,相比于包膜控释肥料、稳定性肥料等新型肥料,海藻肥缺乏有效的营销和推广策略,使得海藻肥难以脱颖而出从而获得消费者青睐。
图8 2021年中国新型肥料市场占有率情况

5.2 海藻肥产业发展建议

海藻肥产业的发展对于推进海洋资源深度开发和利用、农产品质量安全、种植业健康发展具有重要意义。化肥减量增效、耕地质量提升将是长期政策,目前海藻制品被多国明确认定为有机农业的应用产品,这赋予海藻肥产品重要的战略地位和广阔的市场空间。需要政府、科研机构、生产企业、推广和使用者共同努力,联合协作,推动海藻肥产业的健康发展。
(1)推进技术创新,控制海藻肥生产成本。从研发层面,可以充分挖掘中国海藻资源,扩大海藻肥生产原材料来源,同时建立从海藻采集、加工、运输到藻源生物刺激素提取,最终到海藻肥生产和销售的海藻肥全产业链条;从生产层面,通过优化工艺,提高对海藻资源的利用效率,如提取工艺副产的海藻渣用作肥料添加剂或作为有机肥生产的原料,降低海藻肥生产成本。
(2)加强市场监督,优化海藻肥市场环境。一是要进一步制定和完善海藻肥的生产、质量、安全等方面的标准,确保海藻肥产品的质量和安全性;二是加强对市场主体的监督检查,严厉打击虚假宣传,价格欺诈等行为;三是要建立健全的市场准入制度,确保海藻肥企业具备必要的生产能力和质量管理体系。
(3)创新技术服务,加大产品推广力度。在产品方面,要针对海藻肥在改善土壤质量、提高植物抗逆性方面的显著优势打造海藻肥独特的产品形象;在市场推广方面,关键是为种植者提供技术支持和培训,帮助他们正确使用海藻肥,提高农作物产品和质量,从而形成用户口碑。
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Outlines

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