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Contaminación por nitratos en las aguas subterráneas parte 3 - Monografía



 
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8.2    DISTRIBUCIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA



Las aguas superficiales se infiltran en el terreno por los poros y las grietas del suelo, hasta llegar a una cierta profundidad en donde todos los huecos están llenos de agua. Esta zona se llama zona de saturación o capa freatica. Su limite superior se llama superficie de saturación o superficie freatica.
La zona comprendida entre la superficie de saturación y la superficie del suelo, llamada zona de aireación, esta recorrida por el agua que se infiltra hacia abajo y el vapor de agua que tiende a escapar hacia la atmósfera.

El agua de la zona de saturación asciende por capilaridad por los pequeños huecos del terreno, formando un franja capilar de mayor o menor espesor, según la naturaleza del terreno: puede no existir o elevarse uno, dos o hasta tres metros por encima de la superficie de saturación.
Cuando el agua contiene nitratos o otro tipo de contaminación,  la zona capilar estará saturada del elemento en cuestión, pudiendo ser un indicativo del problema.
La franja capilar es fácilmente observable por encima de las aguas en las orillas arcillosas de los ríos cuando el terreno forma un talud desprovisto de vegetación.
El limite inferior de la zona de saturación puede llegar a grandes profundidades (hasta 10.000 metros).
En algunas formaciones geológicas no se dan zonas de saturación como las anteriormente descritas. Es el caso de las calizas y dolomitas, que bajo la acción de las aguas meteóricas ligeramente ácidas se solubilizan, formando fisuras y cavidades de considerable tamaño, por donde el agua circula formando corrientes y lagos subterráneos. Este fenómeno, llamado karstificacion, confiere a las rocas de esta naturaleza una considerable capacidad de almacenar agua. ( Fuentes 1992 )

9.    ACUÍFEROS



Se denominan acuíferos las formaciones geológicas que contienen agua subterránea. Desde un punto de vista practico, un acuífero ha de ser capaz de almacenar y transmitir agua en cantidad susceptible de ser explotada económicamente. -
Un acuífero se comporta como si fuera un embalse, en donde hay que considerar: un caudal de entrada, uno de salida y una capacidad de almacenamiento. Las formaciones arcillosas, por ejemplo son capaces de almacenar una gran cantidad de agua pero no la transmiten con facilidad, por lo que no pueden ser considerados como acuíferos.
El caudal de entrada o recarga de agua esta constituido, generalmente, por el agua infiltrada procedente de precipitaciones, aguas superficiales, riegos, aguas residuales, etc. lo cual implica que si el este agua de recarga esta contaminada, el acuífero, que es un volumen de agua protegido, se vera afectado. ( Fuentes 1992 )
En régimen general de funcionamiento del acuífero, la salida o descarga de agua se produce por el afloramiento superficial en fuentes y manantiales o mediante descarga subterránea hacia los cauces de los ríos, otros acuíferos vecinos o el mar. En el caso de acuíferos explotados por el hombre esta salida se produce por bombeo, o sale por si sola a través de la perforación, debido a que la presión dentro del acuífero es mayor que la atmosférica y esta se eleva hasta que la columna de agua se iguala con la presión atmosférica ( sondeo artesiano ).
La capacidad de almacenamiento de un acuífero viene determinada por su volumen (definido por su extensión y volumen) y por su porosidad y fisuración.
La reserva es la cantidad de agua almacenada en el acuífero. Tenemos que distinguir entre reserva variable, que puede variar según las entradas y salidas de agua, y la reserva invariable, que es independiente de la cuantía de las entradas y salidas.
La reserva variable se puede explotar de forma indefinida, mientras que la reserva invariable se puede explotar una sola vez, salvo que se haga una recarga con aguas superficiales.


9.2.    TIPOS DE ACUÍFEROS



9.2.1.        ACUÍFEROS POROSOS.



9.2.2.        ACUÍFEROS FISURADOS.



9.2.1.    Acuíferos porosos.



Están constituidos por materiales sueltos no consolidados (gravas y arenas, generalmente). El agua circula con facilidad por los poros o espacios que dejan entre si las partículas sólidas. El agua se va infiltrando en el terreno poroso, hasta que llega a un terreno impermeable, allí forma un manto freatico saturado de agua.


9.2.2.    Acuífero fisurado.


Están constituidos por rocas consolidadas, en donde el agua circula por las fisuras y grietas formadas en las mismas. Algunas rocas ( tales como las calizas y dolomitas ) bajo determinadas condiciones son solubles al agua, con lo cual las fisuras se agrandan, formando conductos y cavidades de considerable tamaño, fenómeno que recibe el nombre de karstificación.
En las rocas consolidadas que no tienen esta característica ( granito, gneis, pizarra, etc. ) solo actúa el fenómeno de meteorización, con lo cual las fisuras son mas pequeñas, menos numerosas y discontinuas, a la vez que mas superficiales, con lo que la penetración del agua queda limitada ampliamente,  no siendo este tipo de importancia.
A su vez estos se pueden dividir en dos tipos que indican también un grado de vulnerabilidad a la contaminación de origen agrario.

9.3    GRADO DE VULNERAVILIDAD DE LOS ACUIFEROS



9.3.1.       ACUÍFEROS CONFINADOS.



9.3.2.        ACUÍFEROS NO CONFINADOS.



9.3.1.    Acuíferos confinados:



Se caracterizan porque se encuentran entre dos capas geológicas impermeables. Por tanto, estos acuíferos están protegidos de la contaminación agraria difusa derivada de la actividad agrícola que se puede desarrollar en el suelo ubicado sobre los mismos, pero pueden contaminarse, por entrada de nitrato en su recarga hídrica.

9.3.2.    Acuíferos no confinados:



La principal característica de estos acuíferos es que poseen una capa impermeable en su parte inferior y las formaciones geológicas superiores son permeables y, por lo tanto, mas vulnerables a la contaminación, ya que el agua cargada con nitrato en el suelo puede llegar al acuífero directamente. ( Fuentes 1992 ).


10.    CONTAMINACIÓN DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS



Los trabajos pioneros datan de principios de la década pasada, En concreto los de la contaminación por nitratos en acuíferos, que  se hicieron notar entonces, señalando ya en aquella época, concentraciones muy altas en zonas de elevada producción agrícola.
En la actualidad se encuentran contaminados extensos acuíferos de la geografía española, entre los que podemos citar: las cuencas de los ríos Guadiana, Guadalquivir, Segura y Júcar, y en zonas puntuales las del Tajo y Ebro. ( Alvarez 1995 ).
La contaminación de acuíferos se produce generalmente de tres formas distintas, según la situación del medio contaminante:

10.1    PROPAGACIÓN DESDE LA SUPERFICIE:



El caso mas frecuente de contaminación puntual es la acumulación de residuos sólidos, cuyo material soluble es lixiviado o lavado por el agua de lluvia y arrastrado hasta el acuífero.

La contaminación difusa mas frecuente es la causada por la actividad agrícola con el empleo de fertilizantes y pesticidas. El agua de lluvia o de riego arrastra por lixiviación estos productos hasta la zona saturada del acuífero.

10.2      PROPAGACIÓN SUBTERRÁNEA DESDE LA    ZONA   NO SATURADA:     



Uno de los casos mas frecuentes de contaminación de este tipo es el provocado por la depuración de aguas residuales domesticas. El riesgo es mayor cuando el sistema de evacuación se concentra en un área pequeña o en terrenos que favorecen la infiltración. El flujo vertical es lento, y condiciona en gran parte el tiempo de transferencia hacia la zona saturada. En esta porción de la columna se produce una sucesión de “olas” de nitratos, correspondiendo cada una al efecto global de un ciclo de lixiviación, incorporándose a las capas profundas a una velocidad que se sitúa con frecuencia entre 50 y 100 cm. por año, aunque esto es muy variable y depende de una serie de factores. ( Servicio Geologico 1991 )
A pesar de la depuración que se produce en el terreno, es fácil que lleguen contaminantes hasta la zona saturada del acuífero. También se produce esta forma de contaminación con la acumulación de residuos líquidos industriales que se depositan en depresiones del terreno o en excavaciones. Si el terreno es una gravera cuyo fondo esta próximo a la zona de saturación es mas que seguro que el agua del acuífero será contaminada.

10.3    PROPAGACIÓN DESDE LA ZONA SATURADA:



La contaminación mas directa y peligrosa se produce cuando se utilizan pozos de inyección profunda para evacuar las aguas residuales. En esta zona las transferencias del agua y del soluto son esencialmente laterales, oblicuas, al contrario de las verticales de la zona no saturada. En esta zona desempeñan un papel importante los métodos de dilucion.
Este método de evacuación solo  se puede utilizar con grandes precauciones y siendo consciente de sus limitaciones.
El bombeo de agua de pozos situados en las proximidades de un cauce superficial contaminado provoca un flujo inducido desde ese cauce hacia el pozo. Al cabo de cierto tiempo de extracción continua, el pozo extrae agua contaminada.


11.    FACTORES A TENER EN CUENTA EN LA CONTAMINACIÓN DE ACUÍFEROS.


A)    Las características endogenas del acuífero, que pueden favorecer, retrasar  e incluso impedir la llegada del contaminante a la masa de agua; estos rasgos hidrogeologicos -textura, estructura, características geoquímicas, etc. condicionan el grado de vulnerabilidad del acuífero.

B)    Factores exógenos, asociados por una parte, a las condiciones climatológicas -pluviometria, humedad, temperatura, y por otra, a los rasgos de la intervención humana en la actividad potencialmente contaminante: naturaleza y cuantía de la carga contaminante y distribución espacial y temporal de su aplicación al terreno.
En lo que se refiere a las transferencias entre las zonas no saturada y saturada conviene resaltar que, en especial en zonas semiáridas, los niveles piezometricos descienden durante las épocas de bombeo y riego y se recuperan durante la estación húmeda. El ascenso piezometrico durante la recarga provoca la mezcla del agua de las zonas saturada y no saturada. Este ciclo se repite cada año y se extrema en años de sequía o de precipitaciones anormalmente altas. La estratificación de los nitratos en la zona no saturada se desplaza en los ascensos piezometricos a la zona saturada, produciéndose una mezcla de niveles distintos de concentración. Así, se pueden advertir incrementos en las concentraciones, en algunos casos con posterioridad al periodo de recarga.
La oxidación del amonio a nitrato es mas efectiva si la penetración del agua es intermitente ya que entonces se permite la reaireacion periódica. Las reacciones son notablemente mas lentas en invierno que en verano.
El paso del soluto a través de la zona de aireación, aun en el caso de no existir fenómenos químicos puede durar años, debido a la baja velocidad del agua en su movimiento de percolacion. Existen, sin embargo, fenómenos de tipo pulsatorio, donde se produce una especie de onda de presión, y gracias a los cuales, el grado de saturación del terreno ( no de las partículas de agua por si mismas ) se transmite, por así decirlo, en forma ondulatoria, en semanas o meses. De todas formas, y en circunstancias favorables, el soluto puede alcanzar la superficie piezometrica en cuestión de horas, aunque un orden mas realista seria de días o semanas. Una vez que la contaminación alcanza la zona saturada, suele extenderse lateralmente y moverse en la dirección general del flujo subterráneo.
En los acuíferos confinados el flujo es predominantemente horizontal, debido a la presencia de estratos confinados, a menos que exista una importante pendiente en la formación. En los acuíferos libres, el flujo también es fundamentalmente horizontal, aunque existe una cierta componente vertical en el movimiento. (Servicio Geologico 1991 ).
Conforme el agente contaminante se mueve en el acuífero, se va diluyendo en parte debido a efectos de densidad.


12.    CICLO DEL NITRÓGENO



En la naturaleza el nitrógeno se encuentra en distintos estados químicos, y combinado de diversas formas, el paso de una fase a otra es un complejo ciclo que no siempre es fácil de generalizar debido a la variedad de situaciones climáticas, edaficas, biológicas, etc. Los siguientes puntos explican los pasos que sigue el nitrógeno orgánico para su transformación en nitrato.

El nitrógeno orgánico es parte integrante de toda materia viva tanto animal como vegetal. Se combina con otros elementos ( Carbono, Oxigeno, Hidrogeno, Azufre, Fósforo, etc.) para formar materias nitrogenadas orgánicas denominadas: albúminas, proteínas o protidos.
Por lo tanto los restos de vegetales y animales, son fuentes de nitrógeno en el suelo. El nitrógeno se encuentra en el suelo en 3 formas principales: Orgánica, Amoniacal y Nítrica.
En la forma orgánica, es muy poco soluble y la plante no puede absorber directamente el nitrógeno y sin embargo, los animales toman de los vegetales en esta forma todo el que necesitan.
La aportación de materia orgánica rica en carbono al suelo va a desencadenar una intensa actividad microbiana, encaminada a descomponer dicha materia orgánica. En el suelo existe una relación C/N relativamente constante y toda modificación en alguno de sus términos trae consigo una proliferación de microorganismos que tiende a restituir el valor primitivo, y que tienen un papel principal en el ciclo del N.  ( Gros1992 )
Las fases que sigue el nitrógeno en el suelo son las siguientes:

12.1    MINERALIZACÍON: la cual de divide en dos fases, siendo estas:



12.1.1      AMONIZACIÓN

es la transformación de nitrógeno orgánico en amoniacal ( NH4+ ). Este proceso de degradación biológica del nitrógeno orgánico ( paso de proteínas aminoácidos y después a amonio ) se lleva a cabo por microorganismos diversos ( bacterias aerobias; es decir bacterias oxidantes, que viven en contacto con el aire y de el toman el oxigeno, ademas de actinomicetos y hongos).
Esta es la primera transformación que sufre el nitrógeno orgánico. Es soluble en agua pero queda retenido por el poder absorbente del suelo, al tener carga ( + ) . Se encuentra poco nitrógeno amoniacal en el suelo, ya que es solo una forma transitoria que se transforma rápidamente en nitrógeno nítrico, siendo esta la segunda fase de la mineralización. Esta transformación se realiza cuando llega el buen tiempo de la primavera. Por el contrario, cuando la temperatura es bastante baja o en las capas profundas del suelo, donde la aireación es limitada, el nitrógeno permanece mucho mas tiempo en estado amoniacal.

12.1.2.     NITRIFICACIÓN:

o transformación del nitrógeno amoniacal en nítrico. Es la etapa final de la descomposición de la materia orgánica, que se desarrolla en dos fases sucesivas, bajo la acción de dos grupos de bacterias oxidantes aerobias.

1* La nitrosacion:

en la que el amoniaco y sales minerales pasan a ácido nitroso ( HNO2 ) y nitritos ( NO2 - ), por medio de bacterias  del tipo nitrosomas.

2* La nitratacion:

en la que una nueva oxidación por bacterias del tipo nitrobacters transforma el ácido nitroso y los nitritos en ácido nítrico ( HNO3 ) y nitrato ( NO3+).
La nitrificación se realiza mejor en un medio neutro o ligeramente alcalino y en un suelo aireado. El calor y el laboreo del suelo favorecen la nitrificación. La temperatura y la sequía son los dos factores mas favorables para una nitrificación intensa. Debemos tener en cuenta el aporte de materia orgánica, debido a la relación C/N, esta suele tener un valor en la capa arable de un suelo agrícola de 10-12.
Cuando se añade materia orgánica a suelo con una relación 20-25 o menor, se produce una mineralizacion neta, sin embargo si los valores son mas altos, entonces los microbios que degradan esta materia  orgánica consumen mas amonio que el que se produce en la descomposición y el resultado es una inmovilización neta de N ( esta regla es aproximada, debido a la multitud de factores que pueden influir ).
Bajo condiciones adecuadas, la nitrificación puede transformar del orden de 10-70 kg./N/ha/día. Esto implica que un abonado en forma amonica puede transformarse casi totalmente en nitrato en unos pocos dias si la humedad y temperatura del suelo son favorables.
El nitrógeno en estado nítrico y en nitratos es extremadamente soluble en agua, y no es retenido por el suelo debido a su carga ( - ). Sin embargo los nitritos tienen una existencia muy breve en el suelo ya que se trata de un producto intermedio entre la forma amoniacal y el nitrato, así pues este estado no debe preocuparnos en la contaminación del agua.
Una vez se ha llegado a nitrato, se ha cerrado el ciclo principal, ya que es en este estado en el que es aprovechable por la planta.

12.2        INMOVILIZACIÓN O REORGANIZACIÓN DEL NITRÓGENO MINERAL EN EL SUELO:

La evolución del nitrógeno en el suelo no se produce en un sentido único, pasando del estado orgánico al mineral. En ciertas condiciones el nitrógeno mineral vuelve a transformarse en orgánico, siguiendo un proceso inverso al de la nitrificación. Mediante este proceso numerosos microorganismos que utilizan el nitrógeno mineral del suelo para la síntesis de sus propias proteínas, compiten directamente con las plantas cultivadas. Se trata en suma de una inmovilización temporal, un retrogradacion, una reserva del nitrógeno mineral en forma de proteínas microbianas que juegan un papel importante en el balance de las transformaciones del nitrógeno.
Este fenómeno se produce especialmente durante el periodo frío pero también en primavera en algunas ocasiones, por ejemplo cuando se añade nitrógeno al suelo después de una lluvia o riego.
La inmovilización afecta a cantidades de nitrógeno muy superiores. Se produce así un almacenamiento de nitrógeno en forma orgánica estable durante la estación invernal que limita el lavado de los nitratos formados durante el verano. Esta comprobado un enriqucimiento efectivo del suelo en microorganismos durante el invierno, correspondiendo a la desaparición de una parte del nitrógeno mineral.
Debemos entonces tener en cuenta que a la hora de evaluar las perdidas de nitrógeno por lavado invernal,  parte del que falta en el suelo, se halla formando parte de cuerpos microbianos.
Como la mineralizacion y la inmovilización son procesos contrarios o en sentidos opuestos, su balance se denomina mineralizacion neta ( aquella de la que la planta puede beneficiarse ).
La mineralizacion neta sufre variaciones muy rápidas, que son difíciles de comparar en análisis realizados en condiciones que no sean rigurosamente idénticas. J. Hérbert ( Estación Agronómica de Laon ),
que ha estudiado especialmente estas cuestiones, cita variaciones de 20 a 50 kg. de nitrógeno mineral  por hectárea en el espacio de algunos días e incluso algunas ! horas !. Este autor ha demostrado que la cantidad de nitrógeno mineral presente en un suelo, en un momento dado varia constantemente, oscilando desde algunos kg. al final del invierno hasta 200-300 kg. como máximo, al final del verano, detrás de un periodo seco. ( Gros 1992 )

12.3    ADSORCIÓN DE N POR LA PLANTA:

  la planta absorbe el nitrógeno del suelo por medio de sus raíces, en estado mineral, nítrico o amoniacal. Sin embargo para simplificar se dice que lo absorbe en estado nítrico. Esto no es del todo cierto ya que también puede absorber el nitrógeno amoniacal sin previa nitrificacion. En las primeras fases de su vida las plantas muestran preferencia por el nitrógeno amoniacal, que utilizan mas rápidamente en la síntesis de proteínas que el nítrico.
En cualquier caso, el nitrógeno se absorbe principalmente en forma nítrica ( NO3-), la cual sirve de partida a la planta para la síntesis de proteínas en sus tejidos. La planta consume nitrógeno hasta el final de la vegetación.
Los restos de la planta, tales como ( hojas, frutos, tallos, etc.) que se desprendan de ella, así como rastrojos de cosechas, que se incorporen de nuevo a la tierra, inician de nuevo el ciclo, pudiendo ser aprovechado por futuras cosechas.


12.4    DESNITRIFICACION:   

  denominamos así el proceso microbiano mediante el cual los nitratos son reducidos al estado de productos gaseosos, susceptibles de volatilizarse y perderse en la atmosfera, tales como el oxido nitroso ( N2O ) o en nitrógeno molecular ( N2 ). Este proceso lo realizan bacterias anaerobias (bacterias que viven al abrigo del aire y toman el oxigeno de otro sitio ), en este caso lo toman de los nitritos y nitratos, reemplazando así el oxigeno que no existe en el suelo.
Este fenómeno se encuentra relacionado con casos de anaerobiosis, especialmente en las tierras saturadas de agua ( suelos hidromorfos ), donde este proceso impide la renovación de oxigeno del suelo o también en el caso de enterrado profundo de materias orgánicas fácilmente atacables, ya que los microorganismos desnitrificadores tienen necesidad de una fuente de carbono para desarrollarse.

12.4    VOLATIZACIÓN: 

siendo la emisión de amoniaco gaseoso desde el suelo a la atmósfera. Esto ocurre porque el amonio ( NH4+) del suelo, en condiciones de ph alcalino, se transforma en amoniaco ( NH3 ), que es un gas volátil. Suele ocurrir cuando se abona con abonos nitrogenados en forma amonica en suelos alcalinos, sobre todo si el ph es mayor de 8. La urea puede experimentar perdidas variables por vocalización después de transformarse en amonio en el suelo. También los estiércoles si no se incorporan al suelo, pueden perder entre el 10 y el 60% de su N por volatización, debido a que una parte importante de su nitrógeno puede estar en forma amonica.
Los puntos tratados anteriormente constituyen el ciclo del nitrógeno en el suelo, se ha omitido la fijación biológica del nitrógeno por algunas bacterias, ya que será tratado en un punto posterior.

Principales componentes y procesos del ciclo del nitrógeno en los suelos agrícolas

13.    EL SUELO



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La lixiviación del nitrato en los suelos esta relacionada directamente con el tipo de suelo, el cual será el factor que acentúe las perdidas o las reduzca en relación a algunas practicas culturales como por ejemplo el riego.
La textura se define como la proporción de arena, limo y arcilla obtenida en el análisis granulometrico. Existen tres tipos de partículas que componen los suelos:
La arena: corresponde a partículas cuyo tamaño esta comprendido entre 0,02 y 2 mm. Las partículas de arena no tienen ninguna cohesión entre ellas.
El limo: engloba todos los elementos cualesquiera que sea su naturaleza química, las dimensiones están comprendidas entre 0,02 y 0,002 mm.
La arcilla: comprende partículas cuyo tamaño es inferior a 0,002 mm. Es la fracción mas fina del suelo.

La estructura viene determinada por la forma en que se unen los elementos de la tierra fina. Esta influye sobre la aireación, porosidad, adsorción de agua frente a la escorrentia, y en el lixiviado de los suelos, es por lo tanto un factor importante a la hora de evaluar las posibles perdidas de nitratos.
La forma y la dimensión de los agregados se puede esquematizar así: los elementos gruesos están unidos entre si gracias a una especie de cola, formada por el complejo arcilloso-humico. Se forman así los agregados que mantienen entre ellos espacios o poros llenos de agua o de aire. Los agregados a su vez, se reúnen para formar los terrones.
El complejo arcilloso humico actúa por tanto de estabilizador de la estructura. Los poros permiten la circulación libre del agua y del aire en el suelo; facilitan igualmente la penetración de las raíces de las plantas.
Debemos actuar de forma que la estructura no se dañe, ya que el buen funcionamiento de la actividad biológica depende de esta, debido a su relación con la circulación del aire.
El laboreo del suelo, en periodos desfavorables es un agente destructor de esta, el sodio es un agente dispersor de los coloides del suelo, la acción del agua en muchos casos también es perjudicial, al formarse costras en ocasiones. Por lo tanto debemos evitar en cobertera el empleo de abonos sodicos. Por el contrario la aplicación de materia orgánica, y calcio al suelo son muy favorables para el mantenimiento de los agregados.  ( Gros 1992 ).


13.1    PODER ABSORBENTE DEL COMPLEJO ARCILLOSO-HUMICO



Se llama poder absorbente a la propiedad que tiene el complejo arcilloso-humico de retener enérgicamente  en su superficie, ciertos iones de la solución del suelo. La retención es en la superficie.
El complejo arcilloso-humico tiene carga ( - ), por lo que solo los cationes con carga ( + ) son atraídos por el complejo.
Las partículas coloidales se comportan lo mismo como receptores que como emisores de cationes -fijados o en la solución-.
Entre los cationes fijados, el hidrogeno es el mas enérgicamente retenido, vienen después los microelementos, el calcio, el magnesio, el amonio, el potasio, y finalmente el sodio, mal retenido.
Los cationes utilizables por la planta se encuentran bien en la solución en el agua de los poros del suelo, o bien fijados en la superficie del complejo.
Los suelos arcillosos constituyen una reserva de cationes que son intercambiables, mientras que en los arenosos, no se da esta propiedad.
( Carbonero 1985 )





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