Die Bauern steigern ihre Ernte mit Strom

Die durchscheinenden orangefarbenen Würfel wackeln verführerisch unter den Pflanzenlampen und wirken wie exotische Süßwaren, irgendwo zwischen Gummibärchen und türkischem Genuss. Wenn da nicht die leuchtend grünen Blätter wären, die aus den kleinen Lufttunneln hervorragen, die sie durchbohren, könnte ich versucht sein, mir eines in den Mund zu stecken, wenn Maddalena Salvalaio nicht hinschaut. Sie scheint meine Gedanken zu lesen. „Wir müssen Besucher oft daran erinnern, sie nicht zu essen“, sagt sie.

Die Würfel bestehen aus Hydrogel, einem Material mit einer Netzwerkstruktur, das Flüssigkeit speichert. Man findet es typischerweise in medizinischen Geräten und Windeln. Aber hier im Plant Morphogenesis Laboratory am Imperial College London nutzen Salvalaio – ein Forschungstechniker – und Giovanni Sena – ein Hauptforscher – sie, um die Zukunft der vertikalen Landwirtschaft zu verändern. Das Geheimnis dieses mutigen neuen Ansatzes sind die Elektroden, die beide Seiten jedes Würfels flankieren.

Das Experiment von Salvalaio und Sena ist Teil einer wachsenden globalen Konstellation von Projekten, die darauf abzielen, die Landwirtschaft durch eine Vielzahl elektrischer Eingriffe anzukurbeln. In den letzten ein bis zwei Jahrzehnten gab es immer mehr Möglichkeiten, Saatgut, Feldfrüchte und Felder elektrisch zu stimulieren: Steigerung des Ertrags unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes; schockierende Samen, um die Keimung zu beschleunigen; sogar das Wasser, mit dem sie übergossen werden, zappen. In den USA hat die National Science Foundation (NSF) Millionen von Dollar für die Erforschung der landwirtschaftlichen Nutzung von Kaltplasma bereitgestellt – im Wesentlichen kontrollierter Blitz, der bei Raumtemperatur abgegeben wird.

In China unterstützt die Regierung landwirtschaftliche Projekte, bei denen mithilfe riesiger Bohrinseln Strom in den Boden geleitet wird, um die Ernteerträge zu steigern. In Kanada hat ein kommerzieller Züchter mit Kaltplasma zur Düngung seiner Salate experimentiert. Jetzt betreten Start-ups die Bühne, wie Vivent, ein Schweizer Unternehmen, dessen „EEG“ das elektrische Innenleben von Pflanzen abhören kann und das von der Agrarindustrie aggressiv umworben wird. Sogar die Bio-Garten-Influencer-Community spürt den Trend auf.

Die Verbreitung neuer Projekte kommt den Praktikern einer seltsamen Obsession des 19. Jahrhunderts sehr bekannt vor: der Elektrokultur, bei der Pflanzen großzügig mit Strom versorgt wurden, um sie zu besseren Blüten, Blättern und Früchten zu bringen oder sie sogar von Schädlingen zu befreien – mit ausgesprochen gemischten Auswirkungen Ergebnisse. (Lesen Sie mehr von BBC Future über die exzentrischen Pioniere der pflanzlichen Elektrizität.)

Die neue Generation von Forschern meidet das Wort „Elektrokultur“ und bevorzugt Begriffe wie „Smart Farming“ oder „vierte Agrarrevolution“. Der zugrunde liegende Mechanismus bleibt jedoch derselbe, und die Befürworter sind sich einig, dass die Elektrizität für Pflanzen nach Jahrhunderten in der Wüste endlich reif ist, Früchte zu tragen. Die Hoffnung besteht darin, dass diese futuristischen Systeme zur Bekämpfung der globalen Nahrungsmittelkrise eingesetzt werden können und so die Umweltfolgen der Massenlandwirtschaft verringern.

Die moderne Landwirtschaft bringt viele ökologische Herausforderungen mit sich. Basierend auf einer Schätzung aus dem Jahr 2005 könnten seine verschiedenen Bestandteile jedes Jahr weltweit zwischen 10 und 12 % der Treibhausgasemissionen ausmachen. Die Produktion des synthetischen Düngers, der durch das energiefressende Haber-Bosch-Verfahren entsteht, das die Landwirtschaft zu Beginn des 20. Jahrhunderts revolutionierte, verursacht heute Hunderte Millionen Tonnen Kohlendioxid (CO2) pro Jahr. Die Bodenerosion durch unregulierte Landnutzung trägt noch mehr dazu bei.

Doch die Pflanzenökologin Nina Buchmann – Leiterin des World Food System Center an der ETH Zürich, Schweiz – hat wenig Geduld mit Kritikern. „Manchmal bin ich versucht, sie zu fragen: Hast du heute etwas gegessen?“ sagte sie den Teilnehmern einer von der Investmentgesellschaft Vontobel organisierten Agronomie-Preisverleihung. Von Agrarunternehmen wird verlangt, einen schwierigen Punkt einzufädeln: eine schnell wachsende Bevölkerung zu ernähren, aber ohne umweltschädliche Pestizide oder Düngemittelabflüsse, und gleichzeitig die Energiekosten zu senken, weniger Land zu verbrauchen und die Ernteerträge in einer zunehmend unvorhersehbaren, sich erwärmenden Welt ständig zu steigern.

Viele Forscher, die an der Spitze der neuen Welle der elektrischen Landwirtschaft stehen, glauben, dass sie bei der Verbesserung jedes dieser Aspekte der Lebensmittelproduktion eine Rolle spielen kann.

Mithilfe von Hydrogelwürfeln und kleinen Dosen Strom möchte Maddalena Salvalaio Pflanzen dazu anregen, seitwärts wachsende Wurzeln zu entwickeln (Quelle: Maddalena Salvalaio)

Elektrisierende Ausbeute

Um den Ertrag zu steigern, greifen einige Wissenschaftler auf Erfindungen zurück, die vom „Elektrovegetometer“ inspiriert sind, das in den 1780er Jahren von einem französischen Physiker erfunden wurde – einer Art Blitzableiter, der atmosphärische Elektrizität an Pflanzen lieferte, oft mit weniger wünschenswerten Folgen . Eine weiterentwickelte Version gibt es in Peking, wo Forscher eine Anlage aufgebaut haben, die dem ursprünglichen Gerät ähnelt, um ihre Pflanzen mit Strom zu versorgen. Im Gegensatz zu ihren Vorgängern meldeten sie hervorragende Ergebnisse, insbesondere bei grünen Bohnen im Jahr 2022.

In den USA versuchen mehrere Institutionen, einen anderen Ansatz wiederzubeleben: künstliche Blitze. Man weiß seit langem, dass Blitze Pflanzen und sogar Pilze beleben. Als die alten Elektrokulturforscher vor Jahrhunderten erstmals versuchten, die Vorteile des Blitzes zu nutzen, reichten jedoch nur zweifelhafte anekdotische Ergebnisse aus, um sie zu empfehlen. Die künstliche Version würde die Pflanze ebenso gut treffen wie beleben.

Doch im 20. Jahrhundert wurde es möglich, Blitze präziser zu liefern. In der Natur erzeugen Blitze Plasma – meist mehrere Millionen Grad überhitzte Materie, die sich zu einer Art ionisiertem Gas geformt hat. Modernste Werkzeuge aus dem Mikrochip-Zeitalter machen es möglich, das Zeug bei Raumtemperatur zu handhaben. Dieser als kaltes Plasma bekannte Ansatz in der Landwirtschaft ist „derzeit ein äußerst aktives Gebiet“, sagt Jose Lopez, Professor an der Seton Hall University, der kürzlich seine Amtszeit als Direktor des Plasmaphysikprogramms der US National Science Foundation abgeschlossen hat. Er und Alexander Volkov, ein Biochemiker an der Oakwood University in Alabama, gehören zu denen, die den wachsenden Trend in der Landwirtschaft aufgegriffen haben, junge Samen in vielen Formen mit kaltem Plasma zu schocken.

In seinen Experimenten stellte Volkov je nach Pflanze Erntesteigerungen von 20–75 % fest. Die Behandlung von Samen in Plasma für weniger als eine Minute führte zu einer Steigerung der Kartoffelernte um 40 %. „Auf einer Kohlfarm konnten wir experimentieren, um Statistiken zu erhalten“, sagt Volkov. „Wir haben die Kohlproduktion um 75 % gesteigert. Außerdem schmeckte es besser.“ Der Geschmack sei süßer, sagte er.

Wolkow war nicht allein. Einige wenige Studien zur Saatgutvernichtung haben eine Reihe von Vorteilen ergeben, von der Unterstützung von Pflanzen beim schnelleren und größeren Wachstum bis hin zur Resistenz gegen Schädlinge.

„Nach unserem besten Wissen weckt das Plasma den Samen“, erklärt Lopez. Wenn die Samen zum ersten Mal keimen, ist die neue Pflanze am anfälligsten für eine Vielzahl von Umweltstressoren. Infolgedessen weigert sich der Samen, sich zu öffnen, bis er mit seiner Umgebung zufrieden ist. Die Beschleunigung dieses Prozesses ist in der Landwirtschaft seit langem gängige Praxis, obwohl er üblicherweise durch chemische Mittel wie Säuren erreicht wird. Plasma scheint das Gleiche zu bewirken, aber viel effektiver. „Es perforiert die Samenwand, und wenn man den Samen einpflanzt, kann er Wasser und Erde besser aufnehmen“, sagt Lopez. „Nachdem man sie nur ein paar Sekunden lang behandelt hat, wächst diese Pflanze schneller als unbehandelte Samen.“

Plasma scheint sogar bereits gewachsene Pflanzen zu beleben, sagt Lopez, dessen eigene Gruppe bei NSF ein Präzisionswerkzeug namens Plasmastift zur punktuellen Behandlung von Süßbasilikumpflanzen verwendete. Das Plasma stimulierte ein robusteres und gesünderes Wachstum und führte nicht nur zu einer 20-prozentigen Steigerung nicht nur der Höhe, sondern auch der Gesamtmasse der Pflanze.

„Die Ergebnisse sind bemerkenswert“, sagt Lopez – obwohl wir noch nicht ganz sicher sind, wie das alles funktioniert, insbesondere wenn es um die Wechselwirkung von Elektrizität mit ganzen Pflanzen geht. Volkov ist auf der Suche nach molekularen Mechanismen, die für die Seed-Boosts verantwortlich sind. Im Jahr 2017 gewährte die NSF einer multiuniversitären Gruppe, zu der auch Volkov gehörte, einen Zuschuss in Höhe von 20 Mio. USD (15,7 Mio. £), um das Problem zu erarbeiten. Im Jahr 2022 kamen weitere 20 Millionen US-Dollar hinzu.

Schleichende Zweifel

Diese Unsicherheit erklärt in gewisser Weise, warum die Elektrizität in der Landwirtschaft immer noch viele Zweifler hat. Skeptiker wenden ein, dass 200 Jahre, nachdem die ersten Viktorianer ihre Stauden mit unwissenschaftlichem Erfolg umgebaut haben, immer noch kaum verstanden wird, wie Elektrizität genau mit der Pflanzenbiologie zusammenwirkt. Das gleiche Hin und Her kam es jedes Mal, wenn die Elektrokultur seit dem 17. Jahrhundert wieder in Mode kam, und trieb sie wieder in nutzlose Vergessenheit.

Heutzutage nutzen viele kommerzielle Gemüsebauern Folientunnel oder Gewächshäuser. Eine sorgfältige Überwachung der Pflanzen in diesen Umgebungen kann dazu beitragen, die Produktivität zu steigern (Quelle: Getty Images)

„Wir wissen seit Jahrzehnten, dass elektrische Felder das Pflanzenwachstum fördern“, sagt Sena. Das Problem besteht darin, dass diese Daten nie vollständig reproduziert wurden; Experimente wurden unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Und nachdem man 200 Jahre lang gesagt hatte: „Wir haben die Dinge kaputt gemacht und sie sind größer geworden“, sagt Sena, kann man den Menschen ein wenig Ungeduld verzeihen. „Natürlich sind sie mehr gewachsen! Aber verstehst du warum?“ er sagt.

Um diesen Eingriff jedoch in eine technologisch fundierte Methode umzuwandeln, ist es hilfreich, die grundlegende Wissenschaft zu verstehen.

Die Aufklärung des molekularen Mechanismus der Reaktion einer Pflanze auf ein elektrisches Feld ist der Kern der Arbeit, die Senas Gruppe bei Imperial durchführt. Unter anderem haben sie begonnen, sich auf einen unterschätzten Aspekt dieser Reaktion zu konzentrieren: die intern erzeugten elektrischen Signale der Anlage. Pflanzen senden in jedem Wachstumsstadium und in jedem Teil ihrer Anatomie unzählige davon aus. In einer kürzlich erschienenen Rezension hat Eleonora Moratto, eine Doktorandin in Senas Labor, die große Vielfalt aufgeführt. Sämlinge zeigen einen Anstieg des elektrischen Stroms, bevor Wurzeln entstehen. Ausgewachsene Pflanzen senden elektrische Signale sowohl als Reaktion auf Raubtiere als auch um sich gegenüber Freunden zu identifizieren. Die charakteristische Form des elektrischen Feldes einer Blume könnte sie als bevorzugte Bestäuber identifizieren, aber wie Moratto auch herausfand, könnten die bioelektrischen Eigenschaften ihrer Wurzeln sie auch zu verlockenden Zielen für schädliche Mikroben machen.

Es gibt immer mehr Werkzeuge, die in der Lage sind, diese Kakophonie von Signalen abzuhören und zu entschlüsseln. Dennoch wiesen Eleni Stavrinidou und ihre Co-Autoren an der Universität Linköping in Schweden in einem Überblick über den Stand der Technik bei bioelektronischen implantierbaren Geräten für Pflanzen aus dem Jahr 2021 darauf hin, dass diese nach wie vor zu wenig genutzt werden, obwohl sie äußerst hilfreich wären Überwachung und Modulation der Pflanzenbiologie. In diesem Jahr hat das Weltwirtschaftsforum Pflanzen-Wearables aufgrund ihres Potenzials zur Verbesserung der Landwirtschaft zu einer der zehn besten Technologien des Jahres 2023 gekürt. Genau dafür versuchen einige kommerzielle Züchter und Start-ups, sie zu nutzen.

Wearables für Pflanzen

Kaum ein Ort nimmt den Anbau ernster als die Niederlande. Ihre Gewächshäuser können eher wie Mikrochip-Produktionsanlagen als wie Gartencenter aussehen. Das gilt sicherlich für Tomatoworld, eine 8.000 Quadratmeter große High-Tech-Forschungsgewächshausanlage in Honselersdijk, Holland, wo die Gärtner Laborkittel tragen. „Wenn Sie sehen könnten, wie wir jetzt Tomaten produzieren…“ sagt Ab van Marrjewik, der seit 47 Jahren seinen Lebensunterhalt als Tomatenanbauer verdient. Das kann im großen Maßstab eine schwierige Aufgabe sein: Tomaten benötigen bestimmte Temperaturen, und um ihr volles Potenzial auszuschöpfen, müssen sie Stress vermeiden.

Tomatoworld testet eine Spitzentechnologie, eine Art „EEG“ für Tomaten. Die Technologie namens PhytlSigns – hergestellt von Vivent, einem Pflanzentechnologieunternehmen mit Sitz in der Schweiz – nutzt das pflanzliche Äquivalent einer implantierten Gehirnelektrode, um die Signale im Stamm abzuhören. Zusammen mit Deep-Learning-Algorithmen, die auf der Literatur zur elektrischen Signaltechnik von Anlagen trainiert wurden, bildet dieses System die Grundlage für eine Art Übersetzer von der Pflanze ins Englische. Der Zweck besteht darin, Gewächshausbetreibern Zugang zu den anlageneigenen Frühwarnsystemen zu verschaffen, die auf Durst oder Schädlingsbefall hinweisen – bevor diese schlimm genug sind, um größere Störeingriffe zu erfordern. Tomatoworld platzierte den ersten seiner experimentellen Sensoren im Jahr 2021 und gab an, im darauffolgenden Jahr erste Ergebnisse zu sehen.

Die PhytlSigns-Schnittstelle, die ein wenig wie ein Herzmonitor aussieht, kodiert die schnörkellose elektrische Aktivität einer Pflanze in drei leicht verständliche Bänder: Grün bedeutet, dass die Tomatenpflanze einen normalen Tag hat – angenehme Temperaturen hat, genügend Wasser aufnimmt und normale Mengen Wasser aufnimmt CO2. Gelb weist auf eine Art Stress hin. Wenn Sie Orange sehen, muss jeder mit dem, was er gerade tut, aufhören und herausfinden, was schief gelaufen ist.

Dieser Rosetta-Stein, so hofft van Marrewijk, wird Erzeugern wie ihm helfen zu verstehen, was seine kleinen Pflaumentomaten über die technologischen Eingriffe denken, die die landwirtschaftliche Zukunft bevölkern werden.

Zumindest für van Marrewijk scheint das Tomaten-EEG zu funktionieren. An einem Samstagmorgen um 5:30 Uhr sank die Temperatur im Gewächshaus von der vorgeschriebenen Konstante von 15–16 °C (59–43 °F) auf 12 °C (56 °F). Eine spätere Überprüfung der PhytlSigns-Anzeigen ergab, dass die Amplitude und Frequenz ihrer elektrischen Signale einen stetigen Anstieg von fröhlichem Grün zu alarmiertem Gelb verzeichnete, als die Gewächshaustemperatur unter die Komfortzone der Pflanzen fiel.

Die Behandlung von Kohlsamen mit Plasma kann den Ertrag um bis zu 75 % steigern (Quelle: Getty Images)

Die frühen Sensoren waren eine einfache Möglichkeit, die Pflanzensignale abzuhören, sagt Nigel Wallbridge, Chefwissenschaftler bei Vivent. „Es ist ein bisschen so, als würde man einem Fußballpublikum zuhören und nicht einem einzelnen Gespräch“, sagt er. Doch zwei Jahre später, während die Sensoren an ihren Abhörposten bei Tomatoworld bleiben, haben sich verbesserte Versionen über Tomaten hinaus und in die Welt jenseits des Gewächshauses verbreitet. „Wir sind jetzt viel mehr draußen unterwegs“, sagt Wallbridge. „Zuckerrüben, Kartoffeln, wir hören sogar auf die Signale in Samen.“ Eine Reihe neuer Partner haben PhytlSigns-Sensoren in ihre eigenen Feldversuche in Italien, Deutschland, Frankreich, Großbritannien, den Niederlanden und Schweden eingebunden. Unter ihnen ist auch der Agrarriese Bayer.

Eines der willkommensten neuen Signale ist die Reaktion einer Pflanze auf Mehltau, die verheerende Folgen haben kann. „Sobald Sie es sehen können, ist Ihre Ernte bereits weg“, sagt Wallbridge. Nachdem eine durch die Luft übertragene Spore gelandet ist, dauert es nur wenige Tage, bis sie zu einer unheilbaren Krankheit wird, und dann muss die gesamte Ernte zerstört werden. „Man kann es nur verhindern, niemals heilen.“ Zu den vorbeugenden Maßnahmen gehört das wöchentliche Besprühen mit einer giftigen Chemikalie, unabhängig davon, ob Anzeichen eines Befalls vorliegen oder nicht. Die Fähigkeit, die eigenen Verteidigungssignale der Anlage anzuzapfen, anstatt sich auf sichtbare Beweise zu verlassen, ist ein entscheidender Faktor, sagt Wallbridge. „Das ebnet den Weg für Behandlungen, die kein ständiges präventives Sprühen erfordern.“

Vivent teilt seine Daten auch mit Universitäten, was noch mehr Erkenntnisse liefert. Als Kavya Sai und ihre Kollegen am National Institute of Technology Jalandhar in Punjab die von PhytlSigns erhaltenen Signale genauer untersuchten, konnten sie spezifische Nährstoffmängel mit hoher Genauigkeit erkennen und klassifizieren. „Pflanzen hinterlassen in ihren elektrophysiologischen Daten Zeugnisse ihres zugrunde liegenden physischen Zustands“, schrieben die Autoren und enthüllten so spezifische Informationen wie Eisen- und Manganmangel.

Wallbridge glaubt, dass tragbare Technologie für Pflanzen deshalb eine so entscheidende Rolle bei der kommenden elektrischen Revolution in der Landwirtschaft spielen wird. „Wir haben Drohnen, Satelliten und Bodensensoren, aber keiner davon ermöglicht den Zugriff auf den internen Zustand der Anlage“, sagt er. Das Abhören dieser Daten ist wirkungsvoll, da dadurch von allem weniger genutzt werden kann. Durch die gezielte Bekämpfung spezifischer Nährstoffdefizite können Sie weniger Dünger verwenden, wodurch weniger Nitrate ins Grundwasser gelangen. „Man kann mit der richtigen Menge beginnen, wenn man genau weiß, was die Pflanzen tatsächlich brauchen und wann sie es brauchen“, sagt er, sei es Wasser, Schädlingsbekämpfung, Nahrung – sogar Land.

Der Himmel ist die Grenze

Im Gegensatz zu anderen Bedürfnissen kann man jedoch nicht einfach mehr Land schaffen. Die beste Antwort auf dieses Problem war lange Zeit das Versprechen der vertikalen Landwirtschaft, die es ermöglichen würde, Nutzpflanzen auf jeder Oberfläche wachsen zu lassen.

Es gibt nur ein Problem, sagt Sena. Was wir als „vertikale Landwirtschaft“ bezeichnen, ist etwas irreführend. Wir bauen Pflanzen nicht vertikal an; Wir stapeln schmale Kisten mit horizontalem Wachstum vertikal übereinander.

Das liegt daran, dass Wurzeln nicht vertikal funktionieren. Wurzeln gehorchen dem Gesetz der Schwerkraft. Sie suchen Wasser und sie suchen „unten“. Aus diesem Grund ist es übrigens sehr schwierig, Pflanzen mit vielen Wurzeln im Weltraum zu züchten. Ohne Schwerkraft wandern die Wurzeln überall herum, was es logistisch schwierig macht, sie ausreichend zu ernähren.

Was wäre, wenn Vertical Farming im wahrsten Sinne des Wortes das tun würde, was es verspricht? Was wäre, wenn es möglich wäre, Pflanzen und Bäume anzubauen, deren Wurzeln sich in Längsrichtung statt nach unten erstrecken?

Wurzeln wachsen nach unten, weil der lebende Organismus die Anziehungskraft des Gravitationsfeldes und die Anwesenheit von Wasser spürt und sein Gewebe so koordiniert, dass es ihm folgt. Das ist jedoch nicht alles, was Wurzeln spüren können. Sie können auch elektrische Felder wahrnehmen. Darüber hinaus kann dieser Sinn möglicherweise die anderen außer Kraft setzen. Wissenschaftler wissen seit 100 Jahren, dass unter einem elektrischen Feld alles zum Kathodenende kriecht. Dieses Phänomen, das in der Wundheilungsmedizin immer besser verstanden wird, ist mittlerweile auch in der Pflanzenforschung zu einem heißen Thema geworden: Ein elektrisches Feld hat ein Vetorecht über die Reaktion der Wurzeln auf das Gravitationsfeld.

Letztes Jahr zeigten Salvalaio und Sena zum ersten Mal in präzisen molekularen Details, wie man die Arabidopsis-Pflanze mithilfe spezifischer Elektrizitätsdosen dazu bringt, die Richtung ihres Wurzelwachstums neu auszurichten. Mit anderen Worten: Sie ließen es so wachsen, wie sie es wollten.

Daher diese lecker aussehenden Würfel. Salvalaio und Sena arbeiteten mit der Dyson School of Design Engineering in London zusammen, um die speziellen 3D-gedruckten gemusterten Hydrogelwürfel zu entwickeln, die die wachsenden Arabidopsis-Pflanzen beherbergen können – und die Elektroden, die das Wachstum ihrer Wurzeln in die seitliche Position lenken. Die leuchtend grünen Blätter machen deutlich, dass sich die Belüftungsstollen als nährende Umgebung erwiesen haben. Ihre Wurzeln schlängeln sich dicht durch die Pflanze.

Salvalaio möchte noch in diesem Sommer mit dem Zappen beginnen. Wenn die Dinge gut laufen, wäre die Aussage „The Sky is the Limit“ eine Untertreibung. „Wenn wir die Richtung des Wurzelwachstums steuern könnten, könnten wir Bäume sowohl von der Decke als auch von einer Wand aus wachsen lassen“, sagt Sena. Mit diesem neuen elektrischen Durchbruch wäre es sogar möglich, Bäume in Schwerelosigkeitsumgebungen zu züchten. Vielleicht gibt es bald Bäume auf der Internationalen Raumstation (ISS) oder Wälder auf dem Mond.

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